JP2007132926A - 電圧測定装置および電力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い電圧測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象体４の電圧Ｖ１を測定可能に構成された電圧検出装置１であって、測定対象体４に対向可能な検出電極１２と、検出電極１２とケース１１（参照電位）との間に接続されてその静電容量Ｃ１を周期的に変化可能に構成された可変容量回路１３と、参照電位の電圧となるフィードバック電圧Ｖ４を生成する電圧生成回路２５と、制御部ＣＮＴとを備え、制御部ＣＮＴは、可変容量回路１３が静電容量Ｃ１を変化させているきに、電圧生成回路２５を制御してフィードバック電圧Ｖ４を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象体の電圧を非接触で測定し得る電圧測定装置と、この電圧測定装置を用いた電力測定装置に関するものである。

この種の電圧測定装置として、特開平４−３０５１７１号公報および特開平７−２４４１０３号公報において開示された種々の電圧測定装置が知られている。

これらの電圧測定装置のうちの特開平４−３０５１７１号公報の従来の技術において、測定対象体（帯電体）の両表面の電荷密度を測定するために使用される電圧測定装置（距離補償型電位計）は、検出電極および振動体を内蔵したプローブユニット、発振器、プリアンプ、増幅器、同期検波器、積分器、高電圧発生器、およびインピーダンス整合回路を備えて構成されている。この電圧測定装置では、検出電極を振動体で振動させながら測定対象体に対向させる。この際に、検出電極と測定対象体との間に形成される静電容量が変化して、測定対象体と検出電極との間の電界強度も変化するため、検出電極には、測定対象体と検出電極との間の電界強度に応じた交流電圧が発生する。高電圧発生器は、この交流電圧に応じた直流電圧を発生して、プローブユニットの電圧にフィードバックする。この場合、測定対象体と検出電極との間の電界強度は、プローブユニットの電圧と帯電体の電圧とが一致したときにゼロになる。したがって、測定対象体と検出電極との間の電界強度がゼロになったとき、つまり、検出電極に発生する交流電圧がゼロボルトになったときに、高電圧発生器がプローブユニットにフィードバックしている直流電圧を測定することにより、測定対象体の電圧が測定される。

他方、特開平７−２４４１０３号公報の従来の技術において、開示されている電圧測定装置（距離補償型表面電位計）では、測定対象体（試料）の面から発する電気力線のうちの入力孔を通って検出電極（固定電極）に達する電気力線により、検出電極の面には、測定対象体の電位に比例し、かつ検出電極と測定対象体との間の静電容量に比例した電荷が発生する。また、導体セクターが、機械的に作動することにより、入力孔を通って検出電極に達する電気力線に対して遮蔽と開放とを繰り返す。これにより、検出電極の電荷は、発生、消滅を繰り返し、その変化率に比例した電流が負荷抵抗を流れて、この負荷抵抗に交流電圧が発生する。この特開平７−２４４１０３号公報に開示されている電圧測定装置は、この交流電圧を発生させる構成については上記の特開平４−３０５１７１号公報の電圧測定装置と相違するが、この構成以外については特開平４−３０５１７１号公報の電圧測定装置と基本的に同様に構成されており、負荷抵抗に発生する交流電圧に基づいてプローブケース（プローブユニットのケースと等価）と測定対象体との間の電位差を縮めることにより、特開平４−３０５１７１号公報の電圧測定装置と同様にして測定対象体の電位が測定されている。
特開平４−３０５１７１号公報（第２頁、第６図） 特開平７−２４４１０３号公報（第２頁、第９図）

ところが、上記の各電圧測定装置には、以下のような問題点がある。すなわち、特開平４−３０５１７１号公報の電圧測定装置では、測定対象体との間に静電容量を形成するために、検出電極が、プローブユニットに形成されている孔から外部に露出するようにして、振動体に取り付けられた状態でプローブユニット内に配設されている。また、特開平７−２４４１０３号公報の電圧測定装置では、入力孔から入力される電気力線を遮蔽・開放すべく、導体セクターが入力孔から露出するようにしてプローブケース内に配設されている。つまり、両電圧測定装置では、検出電極や導体セクターのような可動部材がプローブユニットなどに形成されている孔から露出する構成となっている。したがって、両電圧測定装置には、この孔を介してプローブユニット内に異物が誤って挿入されたときに、高速に可動している状態の検出電極や導体セクターに異物が衝突することに起因して検出電極や導体セクターが破損するおそれがあり、信頼性が低下しているという問題点が存在している。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、信頼性の高い電圧測定装置を提供することを主目的とする。また、信頼性の高い電力測定装置を提供することを他の主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電圧測定装置は、測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、前記検出電極と参照電位との間に接続されてその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記参照電位を生成する電圧生成回路と、制御部とを備え、前記制御部は、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる。

また、請求項２記載の電圧測定装置は、請求項１記載の電圧測定装置において、前記可変容量回路は、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有する第１素子および当該第１素子に逆バイアスを印加する直流電源を互いに直列に接続してそれぞれ構成した第１および第２の容量回路を備えると共に、前記各第１素子が逆向きとなるように前記各容量回路が前記検出電極と前記参照電位との間に直列に配設されて構成され、互いの位相が反転した駆動信号を前記各容量回路に印加して前記可変容量回路を駆動する駆動回路を備えている。

また、請求項３記載の電圧測定装置は、請求項２記載の電圧測定装置において、前記各第１素子は、前記Ｐ型半導体および前記Ｎ型半導体で形成されたダイオードで構成されている。

また、請求項４記載の電圧測定装置は、請求項２または３記載の電圧測定装置において、前記駆動回路は、互いの一次巻線が並列に接続された第１および第２のトランスと、前記第１のトランスの二次巻線に直列に接続された第１の容量性素子と、前記第２のトランスの二次巻線に直列に接続された第２の容量性素子とを備え、前記第１のトランスの前記二次巻線および前記第１の容量性素子の直列回路が前記第１の容量回路に並列に接続されると共に、前記第２のトランスの前記二次巻線および前記第２の容量性素子の直列回路が前記第２の容量回路に並列に接続されている。

また、請求項５記載の電圧測定装置は、請求項４記載の電圧測定装置において、前記第１の容量性素子および前記第２の容量性素子はコンデンサで構成されている。

また、請求項６記載の電圧測定装置は、請求項１から５のいずれかに記載の電圧測定装置において、前記制御部は、前記静電容量の変化時において、前記可変容量回路を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流、または前記可変容量回路における前記検出電極側の端部と前記基準電極側の端部との間に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる。

また、請求項７記載の電圧測定装置は、請求項６記載の電圧測定装置において、前記検出電極と前記参照電位との間に前記可変容量回路と直列に配設されたインピーダンス素子を備え、前記制御部は、前記インピーダンス素子に前記電流が流れたときに当該インピーダンス素子に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる。

また、請求項８記載の電圧測定装置は、請求項６記載の電圧測定装置において、前記検出電極と前記参照電位との間に前記可変容量回路と直列に配設された共振回路を備え、前記制御部は、前記共振回路に前記電流が流れたときに当該共振回路に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる。

また、請求項９記載の電圧測定装置は、請求項６記載の電圧測定装置において、前記制御部は、前記電流の値、または前記検出電極側の端部と前記基準電極側の端部との間に発生する前記電圧の値に応じて電圧値が変化する検出信号を入力してディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、当該ディジタルデータに基づいて前記検出信号の電圧値が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる。

また、請求項１０記載の電力測定装置は、測定対象体に流れている電流を測定する電流測定装置と、前記測定対象体の電圧を測定する請求項１から９のいずれかに記載の電圧測定装置とを備え、前記電流測定装置によって測定された前記電流と前記電圧測定装置によって測定された前記電圧とに基づいて電力を測定する電力測定装置。

請求項１記載の電圧測定装置では、測定対象体に検出電極を対向させることによって測定対象体と検出電極との間に一定の（固定の）静電容量が形成される状態とし、この状態において、可変容量回路が自らの静電容量を変化させているときに、制御部が電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させる。このため、静電容量変化時において可変容量回路に発生する電流または可変容量回路の両端間電圧を検出しつつ、この電流またはこの両端間電圧が所定値以下となったときの参照電位を測定対象体の電圧として測定することができる。したがって、この電圧測定装置によれば、例えば、検出電極をケースの表面に配設し、可変容量回路をケースの内部に配設した状態で測定対象体の電圧を測定できるため、可変容量回路を測定対象体と直接対向させるための孔をケースに設ける必要がなくなる。この結果、この孔を介して異物がケース内に誤って挿入される事態、およびこの誤挿入に起因した装置内の部品の破損を確実に回避することができるため、装置の信頼性を十分に向上させることができる。

また、請求項２記載の電圧測定装置によれば、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有する第１素子およびこの第１素子に逆バイアスを印加する直流電源を互いに直列に接続してそれぞれ構成した第１および第２の容量回路を備えると共に、各第１素子が逆向きとなるように各容量回路を検出電極と参照電位との間に直列に配設して可変容量回路を構成し、駆動回路が各容量回路に互いの位相が反転した駆動信号を印加して可変容量回路を駆動するようにしたことにより、直列に配設された各容量回路に発生する駆動信号の電圧成分同士が打ち消されるため、可変容量回路における検出電極側の端部と基準電極側の端部との間に駆動信号の電圧成分を発生させないようにすることができる。このため、静電容量変化時において可変容量回路に発生する電流または可変容量回路の両端間電圧への駆動信号の影響を排除できる結果、この電流または両端間電圧をより正確に検出することができる。したがって、この電圧測定装置によれば、測定対象体の電圧をより正確に測定することができる。

また、請求項３記載の電圧測定装置によれば、第１素子をＰ型半導体およびＮ型半導体で形成されたダイオードで構成したことにより、簡易、かつ安価に可変容量回路を構成することができる。

また、請求項４記載の電圧測定装置によれば、互いの一次巻線が並列に接続された第１および第２のトランスと、第１のトランスの二次巻線に直列に接続された第１の容量性素子と、第２のトランスの二次巻線に直列に接続された第２の容量性素子とを備え、第１のトランスの二次巻線および第１の容量性素子の直列回路を第１の容量回路に並列に接続すると共に、第２のトランスの二次巻線および第２の容量性素子の直列回路を第２の容量回路に並列に接続して駆動回路を構成したことにより、各トランスの一次巻線に１つの信号を印加するだけで、互いの位相が反転した駆動信号を生成して各容量回路に印加することができる。また、各容量性素子の直流遮断機能により、測定対象体から可変容量回路を介して参照電位側に直流電流が流れる事態を確実に回避することができる。

また、請求項５記載の電圧測定装置によれば、コンデンサで第１の容量性素子および第２の容量性素子を構成したことにより、駆動回路を安価に構成することができる。

また、請求項６記載の電圧測定装置では、静電容量の変化時において、可変容量回路を介して検出電極と参照電位間に流れる電流または可変容量回路における検出電極側の端部と基準電極側の端部との間に発生する電圧が減少するように制御部が電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させることにより、つまり、制御部が上記の電流または電圧に基づいて電圧生成回路をフィードバック制御することにより、測定対象体の電圧を測定している。このため、この電圧測定装置によれば、例えば、可変容量回路の静電容量を静的に既知の静電容量に変えつつ、各静電容量のときにおいて可変容量回路に加わる電圧を検出して、測定対象体の電圧および測定対象体と検出電極との間の静電容量を含む未知数と同数の方程式を作成し、これらの方程式から未知数を求めて測定対象体の電圧を算出する構成と比較して、高い精度で測定対象体の電圧を測定することができる。

また、請求項７記載の電圧測定装置によれば、検出電極と参照電位との間に可変容量回路と直列にインピーダンス素子を配設すると共に、インピーダンス素子に電流が流れたときにこのインピーダンス素子に発生する電圧が減少するように制御部が電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させることにより、インピーダンス素子のインピーダンス値を変えることで電流が流れたときにインピーダンス素子に発生する電圧の値を任意に変更することができる。このため、低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に亘って測定対象体の電圧を測定することができる。

また、請求項８記載の電圧測定装置では、検出電極と参照電位との間に可変容量回路と直列に共振回路を配設すると共に、共振回路に電流が流れたときにこの共振回路に発生する電圧が減少するように制御部が電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させている。したがって、この構成によれば、共振回路の共振時におけるインピーダンス値を変えることで電流が流れたときに共振回路に発生する電圧の値を任意に変更することができるため、低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に亘って測定対象体の電圧を測定することができる。しかも、共振回路の共振周波数で可変容量回路の静電容量を変化させることで、共振回路に流れる電流をより大きな電圧として検出することができる。この結果、耐ノイズ性能を高めることができるため、誤動作の少ない状態で測定対象体の電圧を測定することができる。

また、請求項９記載の電圧測定装置によれば、可変容量回路に流れる電流の値または可変容量回路に発生する電圧の値に応じて電圧値が変化する検出信号を入力してディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、制御部が、このディジタルデータに基づいて、検出信号の電圧値が減少するように電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させることにより、ＣＰＵやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を用いたディジタル回路で制御部を簡易に構成することができる。

また、請求項１０記載の電力測定装置は、測定対象体に流れている電流を測定する電流測定装置と、測定対象体の電圧を測定する請求項１から９のいずれかに記載の電圧測定装置とを備え、電流測定装置によって測定された電流と電圧測定装置によって測定された電圧とに基づいて、例えば測定対象体に供給されている電力を測定する。したがって、この電力測定装置によれば、信頼性の高い電圧測定装置を備えたことで、電力測定装置自体の信頼性を十分に向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧測定装置および電力測定装置の最良の形態について説明する。

最初に、本発明に係る電圧測定装置１について、図面を参照して説明する。

電圧測定装置１は、図１に示すように、プローブユニット２および本体ユニット３を備え、測定対象体４の電圧Ｖ１を非接触で測定可能に構成されている。この場合、電圧Ｖ１とは、グランド電位（基準電位）に対する電圧をいう。

プローブユニット２は、図１に示すように、ケース１１、検出電極１２、可変容量回路１３、駆動回路１４、電流検出器１５およびプリアンプ１６を備えている。ケース１１は、導電性材料（例えば金属材料）を用いて構成されている。検出電極１２は、例えば、平板状に形成されると共に、その一方の面側がケース１１の外表面に露出し、かつ他方の面側がケース１１の内部に露出するようにしてケース１１に固定されている。一例として、検出電極１２は、ケース１１に設けられている孔（図示せず）に、この孔を閉塞し、かつケース１１に対して電気的に絶縁された状態で取り付けられている。また、本例では、一例として、ケース１１は、その表面が樹脂材などで形成された絶縁被膜で覆われている。この場合、検出電極１２は、この絶縁被膜で覆われていてもよいし、絶縁被膜から露出していてもよい。

可変容量回路１３は、駆動回路１４から後述する駆動信号Ｓ２を入力したときに、その静電容量Ｃ１を連続的に変化させる機能を備え、検出電極１２と、参照電位（基礎出願における基準電位）となる部位（本例ではケース１１）との間に接続（配設）されている。本例では、一例として、可変容量回路１３は、図１に示すように、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有する第１素子１３ａおよび第１素子１３ａに逆バイアスを印加する直流電源１３ｂを互いに直列に接続して構成した第１の容量回路１３ｃと、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有する第１素子１３ｄおよび第１素子１３ｄに逆バイアスを印加する直流電源１３ｅを互いに直列に接続して構成した第２の容量回路１３ｆとを備え、各第１素子１３ａ，１３ｄが逆向きとなるように第１および第２の容量回路１３ｃ，１３ｆが検出電極１２とケース１１との間に直列に配設されて構成されている。本例では、一例として、各第１素子１３ａ，１３ｄは、１つのダイオードで構成されている（以下、ダイオード１３ａ，１３ｄともいう）。この場合、各ダイオード１３ａ，１３ｄ、および各直流電源１３ｂ，１３ｅとしては、それぞれ同じ仕様のものを使用するのが好ましい。また、本例では、各ダイオード１３ａ，１３ｄとして、可変容量ダイオード（バリキャップやバラクタダイオードともいう）を使用しているが、可変容量ダイオードは、電圧を逆方向に印加したときにダイオードのＰＮ接合における空乏層の厚みが変化することによる静電容量（接合容量）の変化を利用したものであり、この静電容量の変化を大きくしたものをいう。他方、ＰＮ接合で構成される一般的なダイオード（シリコンダイオード）においても、可変容量ダイオードと比べて少ないものの、上記した静電容量（接合容量）の変化は発生する。このため、各ダイオード１３ａ，１３ｄとして、一般的なダイオードを使用することもできる。また、一例として、第１の容量回路１３ｃを検出電極１２側に配設すると共に、第２の容量回路１３ｆをケース１１側に配設したが、各容量回路１３ｃ，１３ｆの位置を逆にすることもできる。また、容量回路１３ｃにおいて、ダイオード１３ａと直流電源１３ｂとの位置関係を逆にしてもよいし、容量回路１３ｆにおいて、ダイオード１３ｄと直流電源１３ｅとの位置関係を逆にしてもよい。このように構成された可変容量回路１３は、駆動信号Ｓ２に同期して駆動信号Ｓ２の周期で連続的（周期的）にその静電容量Ｃ１を変化させる。つまり、本例の可変容量回路１３では、その容量変調周波数が駆動信号Ｓ２の周波数と一致している。また、可変容量回路１３は、ケース１１の外部に露出しない状態で、ケース１１内部に配設されている。

なお、可変容量回路は、上記のようにダイオードなどを使用した構成に限定されるものではなく、上記した特開平４−３０５１７１号公報に開示されている構成、すなわち、検出電極および振動体を備えた構成（図示せず）を利用して構成することもできる。この構成の可変容量回路（可変容量機構）では、振動体によって検出電極（検出電極１２とは別の電極）が検出電極１２に対して接離動されることにより、その静電容量Ｃ１、つまり検出電極と検出電極１２との間の静電容量Ｃ１が変化する。また、可変容量回路は、特開平７−２４４１０３号公報に開示されている構成、すなわち、導体セクターおよび検出電極（検出電極１２とは別の電極）を備えた構成（図示せず）を利用して構成することもできる。この構成の可変容量回路（可変容量機構）では、検出電極を検出電極１２に対向させて配設すると共にこの両電極間に導体セクターを配置して、この状態において導体セクターが検出電極１２から検出電極に達する電気力線に対して遮蔽と開放とを繰り返すことにより、その静電容量Ｃ１、つまり検出電極１２と検出電極との間の静電容量Ｃ１が変化する。さらに、特開平８−１８１０３８号公報や特開平９−１５３４３６号公報にそれぞれ開示されている可変容量コンデンサ、すなわち、近接して配設した一対の電極の少なくとも一方を弾性変形させることによって両電極間の距離を変化させて静電容量Ｃ１を変化させる可変容量コンデンサ（いずれも図示せず）を可変容量回路として用いることもできる。

駆動回路１４は、例えば、トランスおよび光絶縁素子（例えばフォトカプラ）などの絶縁用電子部品を用いて構成されて、本体ユニット３から入力した駆動信号Ｓ１を、この駆動信号Ｓ１と電気的に絶縁されると共に駆動信号Ｓ１と同一の周波数であって互いの位相が反転し、かつ振幅が同一の駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ（以下、特に区別しないときには駆動信号Ｓ２ともいう）に変換して可変容量回路１３に出力（印加）する。具体的には、本例では、駆動回路１４は、図１に示すように、同一に構成された第１および第２のトランス１４ａ，１４ｂ（以下、トランス１４ａ，１４ｂともいう）と、第１および第２の容量性素子１４ｃ，１４ｄ（以下、容量性素子１４ｃ，１４ｄともいう）とを備えている。この場合、各トランス１４ａ，１４ｂは、互いの一次巻線Ｗ１，Ｗ３が並列に接続されている。また、各トランス１４ａ，１４ｂは、各一次巻線Ｗ１，Ｗ３に駆動信号Ｓ１が入力されたときに、それぞれの二次巻線Ｗ２，Ｗ４に互いに位相の反転した（逆極性の）駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが発生するように構成されている。各容量性素子１４ｃ，１４ｄは、一例としてコンデンサで構成されている。また、容量性素子１４ｃはトランス１４ａの二次巻線Ｗ２に直列に接続され、容量性素子１４ｄはトランス１４ｂの二次巻線Ｗ４に直列に接続されている。

また、容量性素子１４ｃおよびトランス１４ａの二次巻線Ｗ２の直列回路は、容量回路１３ｃに並列に接続されて、駆動信号Ｓ２ａを容量回路１３ｃに印加する。また、容量性素子１４ｄおよびトランス１４ｂの二次巻線Ｗ４の直列回路は、容量回路１３ｆに並列に接続されて、駆動信号Ｓ２ｂを容量回路１３ｆに印加する。この場合、駆動信号Ｓ２ａは、直流電源１３ｂから出力される直流電圧に重畳した状態でダイオード１３ａに印加され、同様にして、駆動信号Ｓ２ｂは、直流電源１３ｅから出力される直流電圧（直流電源１３ｂの直流電圧と同一電圧）に重畳した状態でダイオード１３ｄに印加されるが、いずれの駆動信号Ｓ２も、各ダイオード１３ａ，１３ｄが直流電源１３ｂ，１３ｅからの直流電圧によって常時逆バイアスされるように、その振幅が予め規定されている。なお、本例の各直列回路では、各容量回路１３ｃ，１３ｆにおけるダイオード１３ａ，１３ｄ側にコンデンサ１４ｃ，１４ｄを配設したが、直流電源１３ｂ，１３ｅ側に配設することもできる。このコンデンサ１４ｃ，１４ｄは、検出電極１２とケース１１とがトランス１４ａ，１４ｂの各二次巻線Ｗ２，Ｗ４を介して直流的に接続されるのを防止する。

電流検出器１５は、本発明における電圧変換回路であり、一例として抵抗で構成されて、可変容量回路１３とケース１１との間に接続されている。これにより、電流検出器１５は、可変容量回路１３と直列に接続された状態で検出電極１２とケース１１との間に配設されて、可変容量回路１３に流れている電流ｉ（物理量）を検出すると共に、この電流ｉの電流値に比例した値で、かつ電流ｉの向きに対応した極性の電圧Ｖ２をその両端間に発生させる。プリアンプ１６は、不図示の直流遮断用の一対のコンデンサ、不図示の増幅回路（演算増幅器など）、および不図示の絶縁用電子部品（トランスおよびフォトカプラなど）を備えて構成されている。また、プリアンプ１６は、本例では、一例として差動型の演算増幅器で構成されて、コンデンサを介して入力した電圧Ｖ２を増幅回路で増幅すると共に、増幅した電圧を絶縁用電子部品によって増幅回路に対して電気的に絶縁された検出信号Ｓ３に変換して出力する。この場合、電圧Ｖ２は電流ｉの値に比例して変化するため、この電圧Ｖ２を増幅して生成された検出信号Ｓ３も電流ｉの値に比例して変化する。また、上記した駆動回路１４、電流検出器１５およびプリアンプ１６は、可変容量回路１３と共にケース１１内部に配設されている。

本体ユニット３は、図１に示すように、発振回路２１、増幅回路２２、同期検波回路２３、積分器２４、電圧生成回路２５および電圧計２６を備えて構成されている。発振回路２１は、一定の周波数の駆動信号Ｓ１を生成してプローブユニット２および同期検波回路２３に出力する。この場合、本例では、発振回路２１は、駆動信号Ｓ１として正弦波信号を生成する。増幅回路２２は、プローブユニット２から入力した検出信号Ｓ３を予め設定された電圧レベルまで増幅して、検出信号Ｓ４として出力する。本例では、可変容量回路１３の容量変調周波数は、後述するように駆動信号Ｓ２の周波数と同一になる。このため、この静電容量Ｃ１の変化によって生じる電流ｉの周波数は駆動信号Ｓ１の周波数と同一となり、プリアンプ１６で生成される検出信号Ｓ３の周波数も駆動信号Ｓ１の周波数と同一となる。したがって、本例では、同期検波回路２３は、検出信号Ｓ４を駆動信号Ｓ１で同期検波することにより、パルス信号Ｓ５を生成するように構成されている。この場合、パルス信号Ｓ５は、その振幅が可変容量回路１３を流れる電流ｉの値に比例して変化し、かつその極性が可変容量回路１３を流れる電流ｉの向きに応じて変化する。積分器２４は、パルス信号Ｓ５を連続的に積分することで直流電圧Ｖ３を生成して、電圧生成回路２５に出力する。本例では、一例として、積分器２４は、積分動作を開始した後に、最初のパルス信号Ｓ５が入力されるまでの間、ゼロボルトの直流電圧Ｖ３を出力するように設定されている。これらの増幅回路２２、同期検波回路２３および積分器２４は、制御部ＣＮＴを構成して、電圧生成回路２５を制御する。電圧生成回路２５は、制御部ＣＮＴの制御下で、フィードバック電圧Ｖ４を生成してプローブユニット２のケース１１に印加する。具体的には、電圧生成回路２５は、入力した直流電圧Ｖ３を増幅することにより、フィードバック電圧Ｖ４を生成する。これにより、参照電位であるケース１１の電圧は、フィードバック電圧Ｖ４と等しく維持される。電圧計２６は、グランド電位（基準電位）を基準としたフィードバック電圧Ｖ４を測定して、その電圧値を表示する。

次いで、電圧測定装置１を使用した測定対象体４の電圧Ｖ１の測定方法と共に、電圧測定装置１の測定動作について説明する。なお、発明の理解を容易にするため、一例として、電圧Ｖ１が正の定電圧であるとして説明するが、電圧Ｖ１が負の定電圧であるときにも、対応する信号や電圧の極性が逆になる以外は、正の定電圧のときと同様にして測定される。また、電圧Ｖ１が交流のときにも、原理的には正の定電圧や負の定電圧のときと同様にして測定される。

まず、電圧Ｖ１の測定に際して、検出電極１２が非接触な状態で測定対象体４に対向するように、プローブユニット２を測定対象体４の近傍に配設する。これにより、図１に示すように、検出電極１２と測定対象体４との間に静電容量Ｃ０が形成された状態となる。この場合、静電容量Ｃ０の容量値は、検出電極１２と測定対象体４の距離に反比例して変化するが、プローブユニット２を配設し終えた後は、湿度などの環境条件が一定のもとでは一定となる（変動しない）。ただし、静電容量Ｃ０は、湿度等の環境条件が変化したときには変動する。

次いで、電圧測定装置１の起動状態において、本体ユニット３では、発振回路２１が駆動信号Ｓ１の生成を開始して、駆動信号Ｓ１をプローブユニット２と同期検波回路２３に出力する。プローブユニット２では、駆動回路１４が、入力した駆動信号Ｓ１を、位相が反転すると共に振幅が同一の駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに変換して可変容量回路１３の各容量回路１３ｃ，１３ｆに出力する。この場合、各容量回路１３ｃ，１３ｆは、同一の振幅の駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが同じタイミングで印加されるため、それぞれの静電容量が同じ値で、しかも同一タイミングで変化する。したがって、可変容量回路１３は、入力した駆動信号Ｓ２の周期に同期してその静電容量Ｃ１（各容量回路１３ｃ，１３ｆの静電容量の直列合成容量）を容量変調周波数（駆動信号Ｓ２の周波数と同一）で周期的に変化させる動作を開始する。この際に、各駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂは位相が反転すると共に振幅が同一であるため、可変容量回路１３は、その両端間（検出電極１２側の端部とケース１１側の端部との間）に各駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの電圧成分が発生しない状態で、その静電容量Ｃ１を周期的に変化させる。この場合、上記したように、可変容量回路１３は、電流検出器１５を介在させた状態でケース１１と検出電極１２との間に直列に接続されているため、その静電容量Ｃ１と、測定対象体４および検出電極１２の間に形成される静電容量Ｃ０とは、測定対象体４とケース１１との間に直列に接続された状態になっている。このため、静電容量Ｃ１が周期的に変化することにより、測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２（各静電容量Ｃ０，Ｃ１の直列合成容量）も周期的に変化する。

また、積分器２４は、電圧測定装置１の動作開始直後において、ゼロボルトの直流電圧Ｖ３を出力するため、電圧生成回路２５は、所定電圧のフィードバック電圧Ｖ４（一例として、電圧Ｖ１よりも低電圧であって、ほぼゼロボルトとする）を生成してプローブユニット２のケース１１に印加する。このため、測定対象体４とケース１１との間には電位差（Ｖ１−Ｖ４）が生じた状態になっている。したがって、上記したように、静電容量Ｃ１の周期的な変化に基づいて測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２が周期的に変化することにより、可変容量回路１３には、測定対象体４およびケース１１の各電圧Ｖ１，Ｖ４の電位差（Ｖ１−Ｖ４）に応じた振幅の電流ｉ（容量変調周波数）が流れる。この場合、電流ｉは、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が大きいときにはその振幅（電流値）が大きくなり、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が小さいときにはその電流値が小さくなる。すなわち、電流ｉは、図示はしないが、その周期が駆動信号Ｓ２の周期と同一であって、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖ４）に応じて変化する交流信号として流れる。プリアンプ１６は、この電流ｉに起因して電流検出器１５の両端に発生する電圧Ｖ２を増幅することにより、正極性の検出信号Ｓ３として本体ユニット３に出力する。この場合、上記したように、各駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂは位相が反転すると共に振幅が同一であるため、各容量回路１３ｃ，１３ｆに発生する駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの電圧成分同士が打ち消される。したがって、可変容量回路１３の両端間（検出電極１２側の端部とケース１１側の端部との間）には、各駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの電圧成分は殆ど発生しない。他方、各容量回路１３ｃ，１３ｆの静電容量、つまり可変容量回路１３の静電容量Ｃ１は駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂによって変化させられるため、静電容量Ｃ１についての容量変化の周波数（容量変調周波数）および容量変化に起因して発生する電流ｉの周波数は、駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの周波数と一致する。したがって、検出信号Ｓ３の周波数も電流ｉと同様にして、駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの周波数と同一になる。

本体ユニット３の制御部ＣＮＴでは、増幅回路２２が、検出信号Ｓ３を増幅して検出信号Ｓ４を生成して同期検波回路２３に出力する。次いで、同期検波回路２３は、入力した検出信号Ｓ４を駆動信号Ｓ１で同期検波することにより、パルス信号Ｓ５を生成して、積分器２４に出力する。続いて、積分器２４は、パルス信号Ｓ５を連続的に積分することで直流電圧Ｖ３を生成して、電圧生成回路２５に出力する。この場合、上記したように、本例では、電圧測定装置１の動作開始後からフィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１に達するまでは、検出信号Ｓ３が常に正極性の信号となり、同様にして検出信号Ｓ４も正極性の信号となるため、パルス信号Ｓ５は、常に正極性のパルス信号となる。この結果、積分器２４、つまり制御部ＣＮＴから出力される直流電圧Ｖ３は徐々にその電圧値が上昇する。したがって、電圧生成回路２５で生成されるフィードバック電圧Ｖ４も、図２に示すように、その電圧値が徐々に上昇する。この結果、電流検出器１５、プリアンプ１６、増幅回路２２、同期検波回路２３、積分器２４および電圧生成回路２５で構成されるフィードバックループ内では、測定対象体４とケース１１との間の電位差（Ｖ１−Ｖ４）が徐々に低下（減少）するように負のフィードバックが行われる。したがって、電流ｉは、電流値が徐々に低下（減少）していく。

その後、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１に達したときには、電位差（Ｖ１−Ｖ４）がゼロボルトになる。この状態では、測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２が周期的に変化していたとしても、電流ｉが流れない。また、電流ｉが流れないため、電流検出器１５において電圧Ｖ２が発生しない（電圧Ｖ２がゼロボルトになる）結果、プリアンプ１６から検出信号Ｓ３が出力されなくなる。また、検出信号Ｓ３が出力されないため、増幅回路２２からも検出信号Ｓ４が出力されない状態となり、同期検波回路２３からのパルス信号Ｓ５の出力も停止し、この結果、積分器２４から出力される直流電圧Ｖ３の上昇も停止して一定の電圧に維持される。このため、電圧生成回路２５から出力されるフィードバック電圧Ｖ４の上昇が停止して、図２に示すように、フィードバック電圧Ｖ４が一定の電圧に維持される。したがって、電圧計２６で表示されている電圧値（フィードバック電圧Ｖ４）を継続して観察し、その電圧値の上昇が停止して一定になったとき（すなわち、電流ｉがゼロアンペアになったときに）、そのときの電圧計２６で表示されている電圧値（フィードバック電圧Ｖ４）を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定する。以上により、測定対象体４の電圧Ｖ１が完了する。なお、増幅回路２２や電圧生成回路２５などのゲイン（利得）を上げることにより、電圧測定装置１における上記フィードバックループの応答速度を十分に高速にすることができる。この場合には、変動する電圧Ｖ１に対しても、フィードバック電圧Ｖ４を十分に追従させることができるため、値が安定するのを待つことなく電圧計２６に表示されている電圧値を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定することができる。

このように、この電圧測定装置１では、測定対象体４に検出電極１２を対向させることによって測定対象体４と検出電極１２との間に一定の（固定の）静電容量Ｃ０を形成した状態とし、この状態において、可変容量回路の静電容量Ｃ１を周期的に変化させているときに、制御部ＣＮＴが電圧生成回路２５に対してフィードバック電圧Ｖ４（参照電位）の電圧を変化させる。このため、可変容量回路１３の周期的な容量変化時において可変容量回路１３に発生する（流れる）電流ｉを検出しつつ、この電流ｉがゼロアンペアまたはほぼゼロアンペアとなったときのこのフィードバック電圧Ｖ４を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定することができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、検出電極１２をケース１１の表面に配設し、可変容量回路１３をケース１１の内部に配設した状態で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定できるため、可変容量回路１３を測定対象体４と直接対向させるための孔をケース１１に設ける必要がなくなる。この結果、この孔を介して異物がケース１１内に誤って挿入される事態、およびこの誤挿入に起因したケース１１内の部品の破損を確実に回避することができるため、電圧測定装置１の信頼性を十分に向上させることができる。

また、この電圧測定装置１によれば、上記のように構成した各容量回路１３ｃ，１３ｆを、各ダイオード１３ａ，１３ｅが逆向きとなるように検出電極１２とケース１１との間に直列に配設して可変容量回路１３を構成し、駆動回路１４が各容量回路１３ｃ，１３ｆに互いの位相が反転した駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを印加して可変容量回路１３を駆動するようにしたことにより、各容量回路１３ｃ，１３ｆに発生する駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの電圧成分同士が打ち消されるため、可変容量回路１３における検出電極１２側の端部とケース１１側の端部との間に駆動信号Ｓ２の電圧成分を発生させないようにすることができる。このため、静電容量変化時において可変容量回路１３に発生する電流ｉ（または可変容量回路１３の両端間電圧）への駆動信号Ｓ２の影響を排除できる結果、この電流ｉ（または両端間電圧）をより正確にプリアンプ１６で検出することができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、測定対象体４の電圧Ｖ１をより正確に測定することができる。また、第１素子１３ａ，１３ｄとしてダイオードを使用したことにより、簡易、かつ安価に可変容量回路１３を構成することができる。

また、この電圧測定装置１によれば、上記のように互いに接続された２つのトランス１４ａ，１４ｂおよび容量性素子１４ｃ，１４ｄを備えて駆動回路１４を構成したことにより、各トランス１４ａ，１４ｂの一次巻線Ｗ１，Ｗ３に共通の駆動信号Ｓ１を印加するだけで、互いの位相が反転した２つの駆動信号Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを生成して各容量回路１３ｃ，１３ｆに印加することができる。また、各容量性素子１４ｃ，１４ｄの直流遮断機能により、測定対象体４から可変容量回路１３を介してケース１１側に直流電流が流れる事態を確実に回避することができる。さらに、容量性素子１４ｃ，１４ｄとしてコンデンサを用いたことにより、駆動回路１４を安価に構成することができる。

また、この電圧測定装置１によれば、可変容量回路１３に発生する電流ｉが減少するように制御部ＣＮＴが電圧生成回路２５に対してフィードバック電圧Ｖ４を変化させることにより、つまり、制御部ＣＮＴが電流ｉに基づいて電圧生成回路２５をフィードバック制御することにより、例えば、可変容量回路の静電容量を静的に既知の静電容量に変えつつ、各静電容量のときにおいて可変容量回路に加わる電圧を検出して、測定対象体の電圧および測定対象体と検出電極との間の静電容量を含む未知数と同数の方程式を作成し、これらの方程式から未知数を求めて測定対象体４の電圧Ｖ１を算出する構成と比較して、高い精度で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。

特に、この電圧測定装置１では、検出電極１２を用いた構成を採用することにより、測定対象体４との間に静電容量を直接的に形成することができない可変容量ダイオードを可変容量コンデンサとして用いて可変容量回路１３を構成することができる。この場合、検出電極および振動体を利用して可変容量回路１３を形成する構成（特開平４−３０５１７１号公報に開示されている構成）や、導体セクターおよび検出電極（検出電極１２とは別の電極）を利用して可変容量回路１３を形成する構成（特開平７−２４４１０３号公報に開示されている構成）と比較して、可変容量ダイオードを用いた可変容量回路１３では、通常、より短い周期で（つまり、より高い周波数で）その静電容量Ｃ１を変化させることができる。したがって、電流検出器１５〜電圧生成回路２５のフィードバックループの応答速度を高速化できる結果、短時間で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができると共に、測定対象体４の電圧Ｖ１が時間的に変動するときや、測定対象体４の電圧Ｖ１が周期的に変化する交流電圧のときにも、その電圧Ｖ１を正確に測定することができる。

また、この電圧測定装置１によれば、検出電極１２とケース１１との間に可変容量回路１３と直列にインピーダンス素子で構成された電流検出器１５を配設すると共に、この電流検出器１５に電流ｉが流れたときに発生する電圧Ｖ２が減少するように制御部ＣＮＴが電圧生成回路２５に対してフィードバック電圧Ｖ４（ケース１１の電圧）を変化させる構成を採用したことにより、インピーダンス素子のインピーダンス値を変えることで電流ｉが流れたときに発生する電圧Ｖ２の値を任意に変更することができる。このため、低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に亘って測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、上記した電圧測定装置１では、駆動回路１４において、容量性素子１４ｃ，１４ｄとしてコンデンサを使用しているが、図３に示す駆動回路１４Ａのように、可変容量ダイオードなどのダイオードを容量性素子１４ｃ，１４ｄとして同図に示す極性で接続して用いることもできる。この場合、容量回路１３ｃ、容量性素子１４ｃおよびトランス１４ａの二次巻線Ｗ２で構成される電流ループにおいて、直流電源１３ｂから逆バイアスが印加されるように、容量性素子１４ｃおよび容量回路１３ｃのダイオード１３ａの極性を揃える。これは、容量回路１３ｆ等で構成される電流ループについても同様である。また、上記した電圧測定装置１では、Ｉ（比例）制御でフィードバック電圧Ｖ４を制御しているが、さらにフィードバックループ内に積分回路および微分回路（いずれも図示せず）のうちの少なくとも１つを追加することにより、ＰＩ（比例・積分）制御、ＰＤ（比例・微分）制御およびＰＩＤ（比例・積分・微分）制御のいずれかでフィードバック電圧Ｖ４を制御することもできる。このＰＩＤ制御を採用することにより、電圧Ｖ１への追従性を高めることができるため、特に、測定対象体４の電圧Ｖ１が変化するときにおいて、その電圧Ｖ１を精度良く測定することができる。

また、図４に示す電圧測定装置１Ａのように、可変容量回路１３の両端間電圧（可変容量回路１３における検出電極１２側の端部と可変容量回路１３におけるケース１１側の端部との間に発生する電圧）Ｖ５をプリアンプ１６で検出して検出信号Ｓ３として出力し、両端間電圧Ｖ５に比例して変化する検出信号Ｓ３に基づいて制御部ＣＮＴが電圧生成回路２５を制御して、測定対象体４の電圧Ｖ１を測定する構成を採用することもできる。この場合、プリアンプ１６における一対の入力端子のうちの一方の入力端子は、同図に示すように、コンデンサ１７を介して可変容量回路１３における検出電極１２側の端部に接続され、他方の入力端子は、可変容量回路１３におけるケース１１側の端部に接続されている。なお、この構成以外の構成については、電圧測定装置１Ａは電圧測定装置１と同一のため、図４では、電圧測定装置１の各構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この電圧測定装置１Ａでは、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が静電容量Ｃ０と可変容量回路１３の静電容量Ｃ１とによって分圧される。このため、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の増減に応じて両端間電圧Ｖ５も増減するため、両端間電圧Ｖ５は、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の増減に応じて、電圧測定装置１における電流ｉと同じく増減する傾向を示す。したがって、この電圧測定装置１Ａにおいても、両端間電圧Ｖ５の変化状態を示す検出信号Ｓ３に基づいてケース１１の電位（フィードバック電圧Ｖ４）を制御することにより、電圧測定装置１と同様にして、測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。さらに、この電圧測定装置１Ａによれば、電圧測定装置１と比較して、電流検出器１５を省くことができるため、装置の構成を簡略化することができる結果、装置コストを低減することができる。

また、電圧測定装置１，１Ａでは、可変容量回路１３に流れている電流ｉや可変容量回路１３の両端間電圧Ｖ５を検出するために同期検波方式を採用しているが、これに限定されるものではなく、図示はしないが、同期検波方式に代えて、公知の包絡線検波方式などを採用することもできる。

また、電圧測定装置１では、可変容量回路１３とケース１１との間に電流検出器１５を配設しているが、図５に示す電圧測定装置１Ｂのように、検出電極１２Ａと可変容量回路１３との間に電流検出器１５を配設することもできる。また、電圧測定装置１では、アナログ信号で作動する増幅回路２２、同期検波回路２３および積分器２４を用いて電圧生成回路２５をアナログ的にフィードバック制御しているが、電圧測定装置１Ｂのように、検出信号Ｓ３をディジタルデータに変換することによって電圧生成回路２５をディジタル的にフィードバック制御することもできる。

以下、この電圧測定装置１Ｂについて、この電圧測定装置１Ｂを用いて構成した電力測定装置３１と共に、図５を参照して説明する。なお、この電圧測定装置１Ｂの構成要素のうち、電圧測定装置１と同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

電力測定装置３１は、直流および交流の電力を測定可能に構成されており、電圧測定用のクランプ式プローブユニット２Ｂ、電流測定用のクランプ式プローブユニット５、および本体ユニット３Ａを備えて構成されている。この場合、電力測定装置３１では、プローブユニット２Ｂと本体ユニット３Ａに含まれている後述の構成要素とで、測定対象体４（一例として電線。以下、「電線４」ともいう）の電圧Ｖ１を測定する電圧測定装置１Ｂが構成されている。また、プローブユニット５と本体ユニット３Ａに含まれている後述の構成要素とで、電線４に流れている電流Ｉ１を測定する電流測定装置４１が構成されている。電力測定装置３１は、電圧測定装置１Ｂによって測定された電圧Ｖ１の電圧値と電流測定装置４１によって測定された電流Ｉ１の電流値とに基づいて、電線４に供給されている電力Ｗ１を測定する。

電圧測定装置１Ｂは、プローブユニット２Ｂと、本体ユニット３Ａ内に配設されている発振回路２１、Ａ／Ｄ変換回路３２、ＣＰＵ３３、Ｄ／Ａ変換回路３４、電圧生成回路２５および電圧計２６Ａとを備えて構成されている。この場合、プローブユニット２Ｂは、ケース１１、検出電極１２Ａ、可変容量回路１３、駆動回路１４、電流検出器１５、プリアンプ１６および一対のコンデンサ１８ａ，１８ｂを備えている。検出電極１２Ａは、各々が樹脂材などで形成された絶縁被膜ＲＥ１によって全体的に被覆されると共に各々の一端側がケース１１において回動自在に連結され、これによって各々の他端側同士が接離自在に構成された一対の弧状電極Ｐ１，Ｐ２で構成されている。この構成により、検出電極１２Ａは、電線４をクランプすることが可能となっている。また、可変容量回路１３、駆動回路１４、電流検出器１５、プリアンプ１６および一対のコンデンサ１８ａ，１８ｂは樹脂材などで形成された絶縁被膜ＲＥ２で被覆されたケース１１内に配設されている。また、可変容量回路１３および電流検出器１５は、互いに直列に接続された状態で、検出電極１２Ａとケース１１との間に配設されている。また、電圧測定装置１Ｂでは、電圧測定装置１とは異なり、電流検出器１５が検出電極１２に接続されて、可変容量回路１３がケース１１に接続されている。また、電流検出器１５を検出電極１２側に配設したことによってプリアンプ１６を介して検出電極１２Ａが直流的に参照電位側に接続されるのを回避するため、電圧Ｖ２を検出するプリアンプ１６の各入力端子と電流検出器１５の各端部との間に直流遮断用のコンデンサ１８ａ，１８ｂがそれぞれ配設されている。なお、電圧測定装置１と同様にして、可変容量回路１３および電流検出器１５の順序でこれらを検出電極１２Ａとケース１１との間に直列に接続することもでき、この構成ではプリアンプ１６の各入力端子と電流検出器１５の各端部との間へのコンデンサ１８ａ，１８ｂの配設が不要となる。

本体ユニット３Ａ内に配設されたＡ／Ｄ変換回路３２は、ＣＰＵ３３およびＤ／Ａ変換回路３４と共に、本発明における制御部ＣＮＴ１を構成し、アナログ信号としての検出信号Ｓ３をディジタルデータＤ１に変換してＣＰＵ３３に出力する。ＣＰＵ３３は、入力したディジタルデータＤ１から例えば駆動信号Ｓ１の周波数と同じ周波数の信号についてのデータを抽出する検波処理と、この検波処理によって抽出されたデータを積分する積分処理とを実行する。また、ＣＰＵ３３は、この積分処理によって得られた積分データＤ２をＤ／Ａ変換回路３４に出力する。また、ＣＰＵ３３は、後述するように、電流測定装置４１の一部としても機能して、Ａ／Ｄ変換回路３５から出力されたディジタルデータＤ４に基づいて、測定対象体４に流れている電流Ｉ１の電流値を算出（測定）する電流算出処理も実行する。さらに、ＣＰＵ３３は、算出した電流Ｉ１の電流値と、電圧計２６Ａから出力されたフィードバック電圧Ｖ４の電圧値（ディジタルデータＤ３で示される値）とに基づいて、電線４に供給されている電力Ｗ１を算出（測定）する電力算出処理も実行する。Ｄ／Ａ変換回路３４は、積分データＤ２をアナログ信号としての直流電圧Ｖ３に変換して電圧生成回路２５に出力する。電圧計２６Ａは、フィードバック電圧Ｖ４を測定して、その電圧値を表示すると共に、測定したフィードバック電圧Ｖ４の電圧値をディジタルデータＤ３に変換してＣＰＵ３３に出力する。

電流測定装置４１は、図５に示すように、プローブユニット５と、本体ユニット３Ａ内に配設されているＡ／Ｄ変換回路３５、ＣＰＵ３３および表示装置３６とを備えて構成されている。この場合、プローブユニット５は、クランプした電線４に流れる電流Ｉ１の電流値を非接触で検出すると共に、電流値に応じて振幅が変化する検出信号Ｓ６をＡ／Ｄ変換回路３５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路３５は、入力した検出信号Ｓ６をディジタルデータＤ４に変換してＣＰＵ３３に出力する。ＣＰＵ３３は、上述した電流算出処理を実行することにより、ディジタルデータＤ４に基づいて電流Ｉ１の電流値を算出して表示装置３６に表示させる。

このように構成された電力測定装置３１では、電圧測定装置１Ｂが、制御部ＣＮＴ１を構成するＡ／Ｄ変換回路３２、ＣＰＵ３３およびＤ／Ａ変換回路３４が検出信号Ｓ３をディジタルデータＤ１に変換すると共にそのディジタルデータＤ１に基づいて電圧生成回路２５をディジタル的にフィードバック制御する以外は、電圧測定装置１の制御部ＣＮＴの各構成要素と同様にして電圧生成回路２５をフィードバック制御して、フィードバック電圧Ｖ４を電圧Ｖ１に一致させる。

他方、電流測定装置４１は、Ａ／Ｄ変換回路３５がプローブユニット５で検出された検出信号Ｓ６をディジタルデータＤ４に変換してＣＰＵ３３に出力し、ＣＰＵ３３がこのディジタルデータＤ４に基づいて電流算出処理を実行することによって電線４に流れている電流Ｉ１の電流値を算出する。

また、ＣＰＵ３３は、電圧計２６Ａから入力したディジタルデータＤ３で示されるフィードバック電圧Ｖ４の電圧値（つまり電圧Ｖ１の電圧値）と、電流算出処理によって算出した電流Ｉ１の電流値とに基づいて電力算出処理を実行することにより、電線４に供給されている電力Ｗ１を算出（測定）して、表示装置３６に表示させる。これにより、電力Ｗ１の測定が完了する。この場合、ＣＰＵ３３は、電力Ｗ１および電流Ｉ１の電流値と共に、電圧Ｖ１の電圧値を表示装置３６に表示させる。なお、これらの電流値や電圧値を表示装置３６に表示させる構成に代えて、ストレージ装置（図示せず）に記憶させたり、データ伝送装置（図示せず）を介して外部に伝送する構成を採用することもできる。

このように、この電圧測定装置１Ｂでは、測定対象体４としての電線４の電圧Ｖ１を測定する際に、可変容量回路１３に流れている電流ｉを示す検出信号Ｓ３をディジタルデータＤ１に変換し、このディジタルデータＤ１に基づいて電圧生成回路２５をディジタル的にフィードバック制御する。したがって、制御部ＣＮＴ１（Ａ／Ｄ変換回路３２、ＣＰＵ３３およびＤ／Ａ変換回路３４）をＣＰＵやＤＳＰを用いて簡易に構成することができる。また、電圧測定装置１Ｂでは、絶縁被膜ＲＥ１によって全体的に被覆された一対の弧状電極Ｐ１，Ｐ２で検出電極１２Ａが構成され、かつ可変容量回路１３、駆動回路１４、電流検出器１５、プリアンプ１６および一対のコンデンサ１８ａ，１８ｂが絶縁被膜ＲＥ２で被覆されたケース１１内に配設されている。したがって、検出電極１２Ａ、可変容量回路１３、駆動回路１４、電流検出器１５、プリアンプ１６および一対のコンデンサ１８ａ，１８ｂが外部に露出していないため、これらの回路および部品と、装置外部の異物との接触を確実に回避することができる。したがって、電圧測定装置１Ｂの信頼性を十分に向上させることができる。また、これにより、この電圧測定装置１Ｂを用いた電力測定装置３１についても、信頼性を十分に向上させることができる。

また、ディジタル的にフィードバック制御する電圧測定装置１Ｂを用いた電力測定装置３１について説明したが、図６に示すように、アナログ的にフィードバック制御する電圧測定装置１Ｃを用いて電力測定装置５１を構成することもできる。以下、この電力測定装置５１について説明する。なお、電圧測定装置１と同一の構成要素、および電力測定装置３１と同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

電力測定装置５１は、直流および交流の電力を測定可能に構成されており、図６に示すように、プローブユニット２Ｂ，５、および本体ユニット３Ｂを備えて構成されている。この場合、電力測定装置５１では、プローブユニット２Ｂと本体ユニット３Ｂに含まれている後述の構成要素とで、測定対象体４（一例として電線４）の電圧Ｖ１を測定する電圧測定装置１Ｃが構成されている。また、プローブユニット５と本体ユニット３Ｂに含まれている後述の構成要素とで、電線４に流れている電流Ｉ１を測定する電流測定装置４１が構成されている。電力測定装置５１は、電圧測定装置１Ｃによって測定された電圧Ｖ１の電圧値と電流測定装置４１によって測定された電流Ｉ１の電流値とに基づいて、電線４に供給されている電力Ｗ１を測定する。

電圧測定装置１Ｃは、プローブユニット２Ｂと、本体ユニット３Ｂ内に配設されている発振回路２１、制御部ＣＮＴ、電圧生成回路２５および電圧計２６Ａを備えて構成されている。この場合、制御部ＣＮＴは、アナログ信号としての検出信号Ｓ３に基づいて直流電圧Ｖ３を生成して電圧生成回路２５に出力することにより、アナログ的にフィードバック電圧Ｖ４をフィードバック制御して、フィードバック電圧Ｖ４を電圧Ｖ１に一致させる。電流測定装置４１は、プローブユニット５と、本体ユニット３Ｂ内に配設されているＡ／Ｄ変換回路３５、ＣＰＵ３３および表示装置３６とを備えて構成されている。この場合、ＣＰＵ３３は、電流算出処理を実行することにより、Ａ／Ｄ変換回路３５から入力したディジタルデータＤ４に基づいて電流Ｉ１の電流値を算出して表示装置３６に表示させる。また、ＣＰＵ３３は、電圧計２６Ａから入力したディジタルデータＤ３に基づいてフィードバック電圧Ｖ４（電圧Ｖ１）の電圧値を表示装置３６に表示させる。さらに、ＣＰＵ３３は、電圧計２６Ａから入力したディジタルデータＤ３で示されるフィードバック電圧Ｖ４の電圧値（つまり電圧Ｖ１の電圧値）と、電流算出処理によって算出した電流Ｉ１の電流値とに基づいて電力算出処理を実行することにより、電線４に供給されている電力Ｗ１を算出（測定）して、表示装置３６に表示させる。

この電力測定装置５１においても、電圧測定装置１Ｂと同様にして電圧測定装置１Ｃの信頼性を十分に向上させることができる結果、この電圧測定装置１Ｃを用いた電力測定装置５１自体の信頼性を十分に向上させることができる。

また、上記した電圧測定装置１，１Ｂ，１Ｃでは、抵抗を用いて電流検出器１５を構成しているが、インピーダンス素子であれば、抵抗に限らず、コンデンサやコイルで構成することもできるし、これらを組み合わせて構成することもできる。このようにインピーダンス素子を用いることにより、インピーダンス素子のインピーダンス値を変えることにより、電流ｉが流れたときに発生する電圧Ｖ２の電圧値を任意に変更することができる。このため、測定対象体４の電圧の高低に応じて電流検出器１５に発生する電圧Ｖ２を適切な値に設定できる結果、低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に亘って測定対象体４の電圧を正確に測定することができる。また、インピーダンス素子に代えて、セラミック共振器や水晶振動子などの各種共振体を含む共振回路、およびコイルとコンデンサとで構成されたＬＣ共振回路（直列共振回路または並列共振回路）のいずれかを用いることもできる。これらの共振回路のうちの共振体を含む共振回路およびＬＣ並列共振回路は、特定の周波数（共振周波数）においてインピーダンスが最大になるという特性を有している。このため、一例として図７に示すように、コイル１５ａとコンデンサ１５ｂとで構成されたＬＣ並列共振回路を用いて電流検出器１５を構成し、この特定の周波数を可変容量回路１３の容量変調周波数と一致させることにより、容量変調周波数とは異なる周波数のノイズが電流ｉに重畳しているときでも、電流検出器１５の両端に発生する電圧Ｖ２に含まれている電圧成分のうちの電流ｉに起因した電圧成分をこのノイズに起因した電圧成分に対して十分に大きくすることができるため、ノイズを抑制することができる。他方、ＬＣ直列共振回路は、特定の周波数（共振周波数）において全体としてのインピーダンスが最小（ゼロ）になるという特性を有している。この場合、ＬＣ直列共振回路を構成するコンデンサ（コイルも同様）の両端電圧は最大となる。このため、一例として図８に示すように、コイル１５ａとコンデンサ１５ｂとで構成されたＬＣ直列共振回路を用いて電流検出器１５を構成し、この特定の周波数を容量変調周波数と一致させると共に、コンデンサ１５ｂ（またはコイル１５ａ）の両端電圧を電圧Ｖ２としてプリアンプ１６が検出する構成を採用することにより、容量変調周波数とは異なる周波数のノイズが電流ｉに重畳しているときであっても、上記したＬＣ並列共振回路と同様にして電流検出器１５の両端に発生するこのノイズに起因した電圧の発生を抑制することができる。したがって、これらの共振回路で電流検出器１５を構成することにより、共振回路の共振時におけるインピーダンス値を変えることで電流ｉが流れたときに共振回路に発生する電圧の値を任意に変更することができるため、低電圧から高電圧までの広い電圧範囲に亘って測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。しかも、共振回路の共振周波数で可変容量回路１３の静電容量Ｃ１を変化させることで、共振回路に流れる電流ｉをより大きな電圧として検出することができるため、このノイズに起因した電圧信号の検出信号Ｓ３への混入を低減できる結果、電圧測定装置１，１Ｂ，１Ｃの耐ノイズ性能を高めることができる。したがって、誤動作の少ない状態で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。また、抵抗等のインピーダンス素子や共振回路を用いて電流を電圧に変換して検出する構成に代えて、電流を直接検出する構成を採用することもできる。この構成においては、電磁誘導型の電流検出器（ＣＴ形電流検出器）を用いたり、ホール素子、磁気ブリッジ、フラックスゲートセンサ、ＭＩ（磁気インピーダンス）センサ、ＭＲ（磁気抵抗効果）センサ、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）センサおよびＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）センサなどの磁気センサを用いて構成することができる。

また、電圧測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、プリアンプ１６で生成される検出信号Ｓ３を、増幅回路２２またはＡ／Ｄ変換回路３２に直接入力する例について説明したが、フィルタ回路（図示せず）を介して検出信号Ｓ３を増幅回路２２またはＡ／Ｄ変換回路３２に直接入力することもできる。この場合、可変容量回路１３の容量変調周波数と同じ周波数の信号を選択的に通過させるようにこのフィルタ回路を構成することにより、容量変調周波数とは異なる周波数のノイズが電流ｉに重畳しているときでも、このノイズの検出信号Ｓ３への混入を抑制することができる。したがって、電圧測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃの耐ノイズ性能を高めることができる。

また、電圧測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃを電力測定装置３１に適用する例について説明したが、電圧測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、レーザープリンタなどの複写機における感光ドラムの表面電位を検出する表面電位計として利用することができる。また、壁内に配設されている電気配線の位置を検出する探知機として利用することもできる。これらの機器に本発明に係る電圧測定装置を用いることにより、これらの機器の信頼性（耐久性や耐候性を含む）を十分に向上させることができる。さらに、プリント基板に形成されているプリントパターンの断線等を検査する基板検査装置にも本発明を適用することができる。

また、電圧測定装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１に達して一定になったとき、つまり、電流ｉがゼロアンペアになったときや両端間電圧Ｖ５がゼロボルトになったときのフィードバック電圧Ｖ４を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定する構成を採用することにより、電圧Ｖ１を高精度で測定しているが、測定精度的に許容されるときには、電流ｉや両端間電圧Ｖ５が所定値（例えば数ミリアンペアや数ミリボルト）以下となったときのフィードバック電圧Ｖ４を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定する構成を採用することもできる。また、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が所定値（例えば数百ミリボルト）以下に達したときのフィードバック電圧Ｖ４を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定する構成を採用することもできる。この構成を採用することにより、測定対象体４の電圧Ｖ１を許容できる精度で、より短時間に測定することができる。

電圧測定装置１のブロック図である。 フィードバック電圧Ｖ４の時間変化を示す特性図である。 駆動回路１４Ａの構成を示すブロック図である。 電圧測定装置１Ａのブロック図である。 電圧測定装置１Ｂおよびこれを用いた電力測定装置３１のブロック図である。 電圧測定装置１Ｃおよびこれを用いた電力測定装置５１のブロック図である。 電流検出器１５の構成例を示す回路図である。 電流検出器１５の他の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 電圧測定装置
３，３Ａ，３Ｂ 本体ユニット
４ 測定対象体
１１ ケース
１２，１２Ａ 検出電極
１３ 可変容量回路
１４，１４Ａ 駆動回路
１５ 電流検出器
２５ 電圧生成回路
３１，５１ 電力測定装置
ＣＮＴ，ＣＮＴ１ 制御部
ｉ 電流
Ｖ１ 測定対象体の電圧
Ｖ４ フィードバック電圧（参照電位）

Claims (10)

1. 測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、
   前記測定対象体に対向可能な検出電極と、前記検出電極と参照電位との間に接続されてその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記参照電位を生成する電圧生成回路と、制御部とを備え、
   前記制御部は、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる電圧測定装置。
2. 前記可変容量回路は、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有する第１素子および当該第１素子に逆バイアスを印加する直流電源を互いに直列に接続してそれぞれ構成した第１および第２の容量回路を備えると共に、前記各第１素子が逆向きとなるように前記各容量回路が前記検出電極と前記参照電位との間に直列に配設されて構成され、
   互いの位相が反転した駆動信号を前記各容量回路に印加して前記可変容量回路を駆動する駆動回路を備えている請求項１記載の電圧測定装置。
3. 前記各第１素子は、前記Ｐ型半導体および前記Ｎ型半導体で形成されたダイオードで構成されている請求項２記載の電圧測定装置。
4. 前記駆動回路は、互いの一次巻線が並列に接続された第１および第２のトランスと、前記第１のトランスの二次巻線に直列に接続された第１の容量性素子と、前記第２のトランスの二次巻線に直列に接続された第２の容量性素子とを備え、前記第１のトランスの前記二次巻線および前記第１の容量性素子の直列回路が前記第１の容量回路に並列に接続されると共に、前記第２のトランスの前記二次巻線および前記第２の容量性素子の直列回路が前記第２の容量回路に並列に接続されている請求項２または３記載の電圧測定装置。
5. 前記第１の容量性素子および前記第２の容量性素子はコンデンサで構成されている請求項４記載の電圧測定装置。
6. 前記制御部は、前記静電容量の変化時において、前記可変容量回路を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流、または前記可変容量回路における前記検出電極側の端部と前記基準電極側の端部との間に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる請求項１から５のいずれかに記載の電圧測定装置。
7. 前記検出電極と前記参照電位との間に前記可変容量回路と直列に配設されたインピーダンス素子を備え、
   前記制御部は、前記インピーダンス素子に前記電流が流れたときに当該インピーダンス素子に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる請求項６記載の電圧測定装置。
8. 前記検出電極と前記参照電位との間に前記可変容量回路と直列に配設された共振回路を備え、
   前記制御部は、前記共振回路に前記電流が流れたときに当該共振回路に発生する電圧が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる請求項６記載の電圧測定装置。
9. 前記制御部は、前記電流の値、または前記検出電極側の端部と前記基準電極側の端部との間に発生する前記電圧の値に応じて電圧値が変化する検出信号を入力してディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、当該ディジタルデータに基づいて前記検出信号の電圧値が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる請求項６記載の電圧測定装置。
10. 測定対象体に流れている電流を測定する電流測定装置と、
    前記測定対象体の電圧を測定する請求項１から９のいずれかに記載の電圧測定装置とを備え、
    前記電流測定装置によって測定された前記電流と前記電圧測定装置によって測定された前記電圧とに基づいて電力を測定する電力測定装置。

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