JP2007147419A - 可変容量回路、電圧測定装置および電力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作周波数が高く、かつ信頼性も高い可変容量回路を提供する。
【解決手段】直流信号の通過を阻止しつつ印加電圧の絶対値の大きさに応じて容量が変化する第１電気的要素３１と、交流信号の通過を許容すると共に直流信号の通過を阻止する第２電気的要素３２と、第１電気的要素３１に交流電圧を印加する駆動回路３３とを少なくとも有し、第１電気的要素３１、第２電気的要素３２および駆動回路３３が１つの環状経路内に配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、その静電容量を高速に変化し得る可変容量回路、この可変容量回路を備えて測定対象体の電圧を非接触で測定し得る電圧測定装置、および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検出することにより、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、検出電極を振動体で作動振動させている。また、特開平７−２４４１０３号公報の電圧測定装置では、導体セクターを機械的に作動させている。したがって、両電圧測定装置には、機械的に可動する構成を有していることに起因して、動作周波数の高速化が困難であると共に、信頼性の向上が困難であ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、動作周波数が高く、かつ信頼性も高い可変容量回路、電圧測定装置および電力測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の可変容量回路は、直流信号の通過を阻止しつつ印加電圧の絶対値の大きさに応じて容量が変化する第１電気的要素と、交流信号の通過を許容すると共に直流信号の通過を阻止する第２電気的要素と、前記第１電気的要素に交流電圧を印加する駆動回路とを少なくとも有し、前記第１電気的要素、前記第２電気的要素および前記駆動回路が１つの環状経路内に配設されている。

また、請求項２記載の可変容量回路は、請求項１記載の可変容量回路において、前記第１電気的要素は、一端が他端に対して高電位のときに抵抗体として機能し、かつ当該一端が当該他端に対して低電位のときに容量体として機能する２つの第１素子を逆向きに直列接続して構成されている。

また、請求項３記載の可変容量回路は、請求項２記載の可変容量回路において、前記第１素子は、ダイオードで構成されている。

また、請求項４記載の可変容量回路は、請求項１記載の可変容量回路において、前記第１電気的要素は、トランジスタで構成されると共に、当該トランジスタの入力端子および出力端子を接続点として前記環状経路内に配設されている。

また、請求項５記載の可変容量回路は、請求項１から４のいずれかに記載の可変容量回路において、前記第２電気的要素は、前記第１電気的要素、コンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つで構成されている。

また、請求項６記載の可変容量回路は、請求項１から５のいずれかに記載の可変容量回路において、前記駆動回路は、前記交流電圧を二次巻線に発生させるトランスを備えると共に、当該二次巻線が前記第１電気的要素および第２電気的要素と共に環状に接続されて構成されている。

また、請求項７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、請求項１から６のいずれかに記載の可変容量回路とを備え、前記可変容量回路は、前記第１電気的要素および前記第２電気的要素のうちの一方の一端部が前記検出電極側に位置すると共に他端部が参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に接続されている。

また、請求項８記載の電圧測定装置は、請求項７記載の電圧測定装置において、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９記載の電圧測定装置は、請求項８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参照電位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１０記載の電圧測定装置は、請求項９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１１記載の電圧測定装置は、請求項９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１２記載の電圧測定装置は、請求項９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参照電位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１３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７から１２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。

請求項１記載の可変容量回路によれば、直流信号の通過を阻止しつつ印加電圧の絶対値の大きさに応じて容量が変化する第１電気的要素と、交流信号の通過を許容すると共に直流信号の通過を阻止する第２電気的要素と、第１電気的要素に交流電圧を印加する駆動回路とを少なくとも有し、第１電気的要素、第２電気的要素および駆動回路を１つの環状経路内に配設したことにより、機械的に可動する構成を含む可変容量回路と比較して、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった高い周波数での容量変化動作が可能（動作周波数の高速化が可能）で、しかも信頼性の高い可変容量回路を実現することができる。加えて、この可変容量回路によれば、印加電圧の絶対値の大きさに応じて容量が変化する第１電気的要素を含んで構成したことにより、駆動回路からの交流電圧の供給によってこの第１電気的要素の静電容量を交流電圧の周波数の２倍の周波数で変化させることができる結果、より高い周波数での容量変化動作を行わせることができる。

また、請求項２および３記載の可変容量回路によれば、一端が他端に対して高電位のときに抵抗体として機能し、かつ一端が他端に対して低電位のときに容量体として機能する２つの第１素子（例えばダイオード）を逆向きに直列接続して第１電気的要素を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記載の可変容量回路によれば、第１電気的要素をトランジスタで構成すると共に、トランジスタの入力端子および出力端子を接続点として環状経路内に第１電気的要素を配設したことにより、より少ない部品点数で、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５記載の可変容量回路によれば、第１電気的要素（要素群）、コンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つで第２電気的要素を構成したことにより、第１電気的要素およびコンデンサを用いたときには、簡易、かつ安価に第２電気的要素を構成することができる。また、共振体、具体的には交流電圧と同一の周波数のときにインピーダンスが最小となり、かつそれ以外の周波数のときに十分に高いインピーダンスとなる共振体を用いたときには、第１電気的要素を変調する周波数（交流電圧の周波数）においては共振体のインピーダンスが低くなる結果、交流電圧を第１電気的要素に十分に印加することができ、他方、直流電圧や交流電圧の周波数の２倍の周波数（可変容量回路の容量変調周波数）においては共振体のインピーダンスが十分に高くなる結果、第１電気的要素に十分な電流を流すことができるため、例えば第１電気的要素に流れる電流を利用した電圧検出の精度を十分に高めることができる。

また、請求項６記載の可変容量回路によれば、交流電圧を二次巻線に発生させるトランスを用いて駆動回路を構成すると共に、この二次巻線、第１電気的要素および第２電気的要素を環状に接続したことにより、トランスという汎用性の高い部品を使用して、第１電気的要素に交流電圧をフローティング状態で簡易に供給することができる。

また、請求項７記載の電圧測定装置によれば、測定対象体に対向可能な検出電極と、上記の可変容量回路とを備え、第１電気的要素および第２電気的要素のうちの一方の一端部を検出電極側に位置させ、かつ他端部を参照電位側に位置させることによって可変容量回路を検出電極と参照電位との間に接続して静電容量を変化させ、この可変容量回路の容量変化動作を利用して測定対象体の電圧を測定することにより、機械的に可動する構成を含む可変容量回路を用いた構成と比較して、可変容量回路が高い周波数での容量変化動作が可能で、しかも高い信頼性を有しているため、測定対象体の電圧を短時間で測定することができると共に、電圧測定装置自体の信頼性を向上させることができる。

また、請求項８記載の電圧測定装置によれば、参照電位を生成する電圧生成回路と、制御部とを備え、可変容量回路が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とにより、変化させた参照電位の電圧が測定対象体の電圧に一致したときに、可変容量回路を介して検出電極と参照電位との間に流れる電流、または可変容量回路における検出電極側の端部と参照電位側の端部との間に発生する電圧がほぼゼロになることを利用して、測定対象体の電圧を高い精度で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、可変容量回路における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との間に流れる電流、または可変容量回路における検出電極側の端部と参照電位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、短時間で、しかも確実に参照電位の電圧を測定対象体の電圧に一致させることができるため、高い測定精度を維持しつつ、短時間で、しかも確実に測定対象体の電圧を測定することができる。

また、請求項１０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正確に測定することができる。

また、請求項１１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１２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１３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上記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、本発明に係る可変容量回路、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。

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、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、図１，２に示すように、２つの第１素子４１ａ，４１ｂを含む第１電気的要素３１と、第２電気的要素３２とをそれぞれ少なくとも１つ以上備えると共に、第１電気的要素３１に駆動信号（本発明における交流電圧）Ｓ２を供給する駆動回路３３を備えて、第１電気的要素３１、第２電気的要素３２および駆動回路３３が環状に接続されて（１つの環状経路内に配設されて）構成されている。本例では、一例として、可変容量回路１３は、第１電気的要素３１および第２電気的要素３２を１つずつ含んで構成されている。この場合、各第１素子４１ａ，４１ｂ（以下、特に区別しないときには第１素子４１ともいう）は、一端が他端に対して高電位のときに抵抗体として機能し、かつ他端が一端に対して高電位のときに容量体として機能する。本例では、一例として、第１素子４１は１つの可変容量ダイオードで構成されている。第１電気的要素３１は、この第１素子４１を、各々の一端同士または他端同士（図２では一例として一端（アノード端子）同士）を接続することによって直列接続して（つまり互いに逆向きに直列接続して）構成されている。また、第１電気的要素３１は、第１素子４１が逆向きに直列接続されることにより、直流信号（具体的には直流電流）の通過を阻止し得るように構成されている。第２電気的要素３２は、交流信号の通過を許容すると共に直流信号の通過を阻止する機能を備えている。具体的には、第２電気的要素３２は、検出電極１２とケース１１とがトランス３４の二次巻線３４ｂを介して直流的に接続されるのを防止する。また、第２電気的要素３２は、本例では、一例として、１つのコンデンサで構成されている。駆動回路３３は、例えば、トランスやフォトカプラなどの絶縁用電子部品を備えて構成されて、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と同一の周波数の駆動信号Ｓ２に変換して第１電気的要素３１に出力（印加）する。本例では、一例として、駆動回路３３は、図１，２に示すように、二次巻線が第１電気的要素３１および第２電気的要素３２と共に環状に接続されたトランス３４を備え、入力した駆動信号Ｓ１に基づいてトランス３４の一次巻線３４ａを励磁して、二次巻線３４ｂに駆動信号Ｓ２を発生させる。

なお、上記の第１電気的要素３１では、第１素子４１としての可変容量ダイオードのアノード端子同士を接続することによって第１素子４１を逆向きに直列接続する構成を採用しているが、図３に示すように、カソード端子同士を接続して一対の第１素子４１を逆向きに直列接続することによっても第１電気的要素３１を構成することができる。また、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、図４，５に示すように、各第１素子４１を一般的なダイオードで構成して、第１電気的要素３１を構成することもできる。

また、可変容量回路１３は、参照電位となる部位（本例ではケース１１）と検出電極１２との間に、第１電気的要素３１の一端部Ａが可変容量回路１３の一方の接続点（以下、接続点Ａともいう）として検出電極１２に接続され、かつ第１電気的要素３１の他端部Ｂが可変容量回路１３の他方の接続点（以下、接続点Ｂともいう）として電流検出器１５に接続された状態で配設されている。これにより、可変容量回路１３を構成する第１電気的要素３１と、同じく可変容量回路１３を構成する第２電気的要素３２およびトランス３４の二次巻線３４ｂの直列回路とは、互いに並列に接続された状態で、参照電位となる部位（本例ではケース１１）と検出電極１２との間に配設されている。また、可変容量回路１３では、駆動回路３３が第１電気的要素３１に駆動信号Ｓ２を印加したときに、後述するように、第１電気的要素３１は、この駆動信号Ｓ２の周期Ｔ１（周波数ｆ１）に同期して、かつ駆動信号Ｓ２の二分の一の周期Ｔ２（２倍の周波数ｆ２）で、その静電容量Ｃｘ（第１電気的要素３１の各端部Ａ，Ｂ間の静電容量）を連続的に変化させるように動作する。したがって、第１電気的要素３１の静電容量Ｃｘと第２電気的要素３２の静電容量（一定）との合成容量となる可変容量回路１３全体の静電容量Ｃ１（各接続点Ａ，Ｂ間の静電容量）も同様にして、周期Ｔ２（２倍の周波数ｆ２）で変化する。

電流検出器１５は、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、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、上記した可変容量回路１３、電流検出器１５およびプリアンプ１６は、ケース１１の外部に露出しない状態で、ケース１１内部にそれぞれ配設されている。

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、電圧計２６およびフィルタ回路２７を備えて構成されている。発振回路２１は、一定の周期Ｔ１（周波数ｆ１）の駆動信号Ｓ１を生成してプローブユニット２に出力すると共に、周期Ｔ１の二分の一の周期Ｔ２（周波数（２×ｆ１））の検波用信号Ｓ１１を駆動信号Ｓ１に同期させて生成して同期検波回路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および検波用信号Ｓ１１として正弦波信号を生成する。フィルタ回路２７は、プローブユニット２から入力した検出信号Ｓ３に含まれている可変容量回路１３の容量変調周波数と同じ周波数の信号Ｓ３ａを選択的に通過させる。増幅回路２２は、フィルタ回路２７から入力した信号Ｓ３ａ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、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２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の周波数も駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、プリアンプ１６で生成される検出信号Ｓ３中には周波数ｆ１，ｆ２の各信号成分が含まれるものの、増幅回路２２から出力される検出信号Ｓ４の周波数はフィルタ回路２７のフィルタリングによってｆ２となる。同期検波回路２３は、検出信号Ｓ４を検波用信号Ｓ１１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。これらのフィルタ回路２７、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、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を一旦配設した後は、一定の（変動しない）値となる。

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および検波用信号Ｓ１１の生成を開始して、駆動信号Ｓ１をプローブユニット２に、また検波用信号Ｓ１１を同期検波回路２３に出力する。プローブユニット２では、可変容量回路１３の駆動回路３３が、入力した駆動信号Ｓ１に基づいて駆動信号Ｓ２を生成して第１電気的要素３１に印加（出力）する。

可変容量回路１３では、第１電気的要素３１に印加された駆動信号Ｓ２が分圧されて、各第１素子４１にそれぞれ印加される。この場合、図６に示すように、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１のうちの期間Ｔａ（第１電気的要素３１の一端部Ａを基準として他端部Ｂの電位が高電位になり、かつ相互間の電位差が徐々に大きくなる期間）では、２つの第１素子４１のうちの逆電圧が印加されて（逆バイアスされて）コンデンサとして機能する他端部Ｂ側の第１素子４１ｂの静電容量が徐々に減少する。また、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１のうちの期間Ｔｂ（一端部Ａを基準として他端部Ｂの電位が高電位になり、かつ相互間の電位差が徐々に小さくなる期間）では、逆電圧が印加されてコンデンサとして機能する第１素子４１ｂの静電容量が徐々に増加する。また、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１のうちの期間Ｔｃ（一端部Ａを基準として他端部Ｂの電位が低電位になり、かつ相互間の電位差が徐々に大きくなる期間）では、２つの第１素子４１のうちの逆電圧が印加されてコンデンサとして機能する一端部Ａ側の第１素子４１ａの静電容量が徐々に減少する。また、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１のうちの期間Ｔｄ（一端部Ａを基準として他端部Ｂの電位が低電位になり、かつ相互間の電位差が徐々に小さくなる期間）では、逆電圧が印加されてコンデンサとして機能する第１素子４１ａの静電容量が徐々に増加する。なお、各第１素子４１のうちの順電圧が印加されている（順バイアスされている）第１素子４１は等価的に抵抗として機能している。このため、第１電気的要素３１の静電容量Ｃｘは、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１内において、減少および増加を２回繰り返す。

したがって、第１電気的要素３１の静電容量Ｃｘと第２電気的要素３２の静電容量（一定）との合成容量となる可変容量回路１３全体としての静電容量Ｃ１も減少および増加を２回繰り返す。つまり、可変容量回路１３は、入力した駆動信号Ｓ２の周期Ｔ１に同期して、かつ周期Ｔ１の二分の一の周期Ｔ２（周波数ｆ２＝２×ｆ１）でその静電容量Ｃ１を連続的（本例では周期的）に変化させる動作を実行する。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が周波数ｆ２（容量変調周波数）で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、図６に示すように、駆動信号Ｓ２の周期Ｔ１に同期して、かつ周期Ｔ１の二分の一の周期Ｔ２（周波数ｆ２）で変化する。

また、本体ユニット３の積分器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Ｔ２で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Ｔ２で周期的に変化することにより、可変容量回路１３には、電流値を周期Ｔ２で変化させつつ電流ｉ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。また、電流ｉは、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の極性が正のときには検出電極１２から電流検出器１５に向かって流れ、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の極性が負のときには逆向きに流れる。本例では、電圧Ｖ１は正の定電圧であり、フィードバック電圧Ｖ４がゼロボルトからスタートするため、電位差（Ｖ１−Ｖ４）は常にゼロボルト以上の電圧となる。したがって、電流ｉは、本例では、常に検出電極１２から電流検出器１５に向かって、その電流値を周期Ｔ２で変化させつつ流れる。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を本体ユニット３に出力する。この場合、検出信号Ｓ３には、電流ｉの周波数ｆ２と同一の周波数成分が主として含まれると共に、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１と同一の周波数成分も含まれている。

本体ユニット３の制御部ＣＮＴでは、フィルタ回路２７が、検出信号Ｓ３に含まれている周波数ｆ２の信号成分を信号Ｓ３ａとして選択的に出力し、増幅回路２２は、この信号Ｓ３ａ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を検波用信号Ｓ１１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、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７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、フィルタ回路２７、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、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７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。

このように、この電圧測定装置１では、互いに逆向きに直列接続された２つの第１素子４１を含む第１電気的要素３１、第２電気的要素３２および駆動回路３３が環状に接続されて可変容量回路１３が構成されている。したがって、この可変容量回路１３によれば、機械的に可動する構成が存在していないため、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった高い周波数での容量変化動作が可能（動作周波数の高速化が可能）で、しかも信頼性の高い可変容量回路を実現することができる。

また、この可変容量回路１３を使用した電圧測定装置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１３の静電容量Ｃ１を周期的に変化させ、この可変容量回路１３の容量変化動作を利用して測定対象体４の電圧Ｖ１を測定している。したがって、この電圧測定装置１によれば、機械的に可動する構成を含む可変容量回路を用いた構成と比較して、装置自体の信頼性を十分に向上させつつ、フィードバック電圧Ｖ４に対して数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった高い周波数での制御が可能になる結果、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。さらに、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の信頼性を一層向上させることができる。

また、電圧測定装置１では、可変容量回路１３が静電容量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の電圧を変化させている。したがって、この電圧測定装置１によれば、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で、測定対象体４の電圧Ｖ１を高い精度で測定することができる。さらに、この電圧測定装置１によれば、制御部ＣＮＴが、検出した電流ｉが減少するように電圧生成回路２５に対してフィードバック電圧Ｖ４の電圧を変化させることにより、フィードバック電圧Ｖ４を測定対象体４の電圧Ｖ１に短時間で、しかも確実に一致させることができる。この結果、高い測定精度を維持しつつ、短時間で、しかも確実に測定対象体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によれば、上述したような高い周波数で測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２を変化させることができるため、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、一層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。このため、この電圧測定装置１によれば、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、この可変容量回路１３によれば、上述したように互いに逆向きに直列接続された２つの第１素子４１を備えて第１電気的要素３１を構成したことにより、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２で静電容量Ｃ１を変化させることができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、この可変容量回路１３を用いたことにより、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一層高速化できる結果、より一層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。特に、第１素子４１を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１３を構成することができる。また、さらに、第２電気的要素３２をコンデンサで構成したことにより、より簡易、かつより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、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、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、上記した電圧測定装置１では、２つの第１素子４１を含む第１電気的要素３１の一端部Ａを可変容量回路１３についての一方の接続点として検出電極１２に接続すると共に他端部Ｂを可変容量回路１３についての他方の接続点として電流検出器１５に接続しているが、第１電気的要素３１、第２電気的要素３２および駆動回路３３を環状に接続した状態を維持しつつ、第２電気的要素３２の一端部Ｃ（図１，２参照）を可変容量回路１３についての一方の接続点として検出電極１２に接続すると共に他端部Ｂを可変容量回路１３についての他方の接続点として電流検出器１５に接続することもできる。

また、図８に示す可変容量回路１３Ａのように、第１電気的要素３１を第２電気的要素３２として用いて、２つの第１電気的要素３１と駆動回路３３とを環状に（正確には、トランス３４の二次巻線３４ｂを介して環状に）接続する構成を採用することもできる。このように、ダイオードからなる第１電気的要素３１で第２電気的要素３２を構成することにより、コンデンサを用いたときと同様にして、簡易、かつ安価に可変容量回路１３Ａを構成することができる。この可変容量回路１３Ａにおいても、第１電気的要素３１および第２電気的要素３２（他の第１電気的要素３１）が駆動信号Ｓ１に同期して駆動信号Ｓ２の２倍の周波数ｆ２でそれぞれの静電容量を変化させるため、可変容量回路１３と同様の効果を奏することができ、さらに可変容量回路１３Ａを使用した電圧測定装置もまた、電圧測定装置１と同様の効果を奏することができる。

また、図４に示す第１電気的要素３１では、各第１素子４１は、一般的なダイオードで構成され、かつこれらのダイオードの各アノード端子同士が接続されることにより、互いに逆向きに直列接続されている。すなわち、２つの第１素子４１全体としては、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが、Ｎ−Ｐ−Ｐ−Ｎというように配列されて構成されている。このため、図４に示す第１電気的要素３１において各第１素子４１を構成する２つのダイオードを１つのＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１で置き換えることにより、図９に示す第１電気的要素３１Ａを構成することもできる。この場合、トランジスタＴＲ１は、その入力端子（コレクタ端子ｃおよびエミッタ端子ｅの一方）および出力端子（コレクタ端子ｃおよびエミッタ端子ｅの他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）環状経路内に配設される。なお、トランジスタＴＲ１のベース端子ｂは未接続となる（接続点とはならない）。同様にして、図５に示す第１電気的要素３１では、２つの第１素子４１全体として、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが、Ｐ−Ｎ−Ｎ−Ｐというように配列されている。このため、図５に示す第１電気的要素３１において各第１素子４１を構成する２つのダイオードを１つのＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ２で置き換えることにより、図１０に示す第１電気的要素３１Ｂを構成することもできる。この場合も、トランジスタＴＲ１と同様にして、トランジスタＴＲ２は、その入力端子（コレクタ端子ｃおよびエミッタ端子ｅの一方）および出力端子（コレクタ端子ｃおよびエミッタ端子ｅの他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）環状経路内に配設される。なお、トランジスタＴＲ２のベース端子ｂは未接続となる（接続点とはならない）。また、トランジスタとして、バイポーラトランジスタを使用する例について説明したが、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタに代えて同型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を使用してもよいし、またはＰＮＰ型バイポーラトランジスタに代えて同型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を使用してもよいのは勿論である。この場合、ＭＯＳＦＥＴについては、その入力端子はドレイン端子およびソース端子の一方となり、出力端子はドレイン端子およびソース端子の他方となる。このようにトランジスタＴＲ１（ＴＲ２）を用いて第１電気的要素３１Ａ（３１Ｂ）を構成することにより、より少ない部品点数で、簡易、かつ安価に可変容量回路１３，１３Ａを構成することができる。

また、図１１に示す電圧測定装置１Ａのように、電流検出器１５を配設せずに、可変容量回路１３，１３Ａ（特に区別しないときには、これらをまとめて可変容量回路１３ともいう）の両端間電圧Ｖ５をプリアンプ１６で検出して検出信号Ｓ３として出力するプローブユニット２Ａを使用し、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。ここで、可変容量回路１３の両端間電圧Ｖ５とは、可変容量回路１３における検出電極１２側の端部（同図では、第１電気的要素３１の一端部Ａ）と可変容量回路１３におけるケース１１側の端部（同図では、第１電気的要素３１の他端部Ｂ）との間に発生する電圧をいう。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、図１１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１１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においても、上記の可変容量回路１３を使用したことにより、電圧測定装置１と同様にして、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、電圧測定装置１Ａによれば、信頼性の高い可変容量回路１３を使用したことにより、装置自体の信頼性を一層向上させることができる。

また、電圧測定装置１，１Ａでは、同期検波回路２３を用いて検出信号Ｓ４に含まれている周波数ｆ２を含む所定の帯域の周波数成分を抽出する構成を採用しているが、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１２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フィルタ回路２７、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７１と共に、図１２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７１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７１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８１が構成されている。電力測定装置７１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８１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７２、ＣＰＵ７３、Ｄ／Ａ変換回路７４、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、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、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１２Ａ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１２Ａ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７２は、ＣＰＵ７３およびＤ／Ａ変換回路７４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ＣＰＵ７３に出力する。ＣＰＵ７３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ｆ１の２倍の周波数ｆ２を含む所定の周波数帯域の成分についてのデータを抽出する検波処理（フィルタリング処理）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、ＣＰＵ７３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７４に出力する。また、ＣＰＵ７３は、後述するように、電流測定装置８１の一部としても機能して、Ａ／Ｄ変換回路７５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、ＣＰＵ７３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７４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ＣＰＵ７３に出力する。

電流測定装置８１は、図１２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７５、ＣＰＵ７３および表示装置７６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７５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路７５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ＣＰＵ７３に出力する。ＣＰＵ７３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７６に表示させる。

このように構成された電力測定装置７１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７２、ＣＰＵ７３およびＤ／Ａ変換回路７４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８１は、Ａ／Ｄ変換回路７５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ＣＰＵ７３に出力し、ＣＰＵ７３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、ＣＰＵ７３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７６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、ＣＰＵ７３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７６に表示させる。なお、これらの電流値や電圧値を表示装置７６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７２、ＣＰＵ７３およびＤ／Ａ変換回路７４）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、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、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。また、機械的に可動する構成を含まない信頼性の高い可変容量回路１３を使用している。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と共に、この電圧測定装置１Ｂを用いた電力測定装置７１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７１について説明したが、図１３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９１を構成することもできる。以下、この電力測定装置９１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７１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９１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１３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９１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８１が構成されている。電力測定装置９１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８１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と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８１は、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７５、ＣＰＵ７３および表示装置７６とを備えて構成されている。この場合、ＣＰＵ７３は、電流算出処理を実行することにより、Ａ／Ｄ変換回路７５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７６に表示させる。また、ＣＰＵ７３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７６に表示させる。さらに、ＣＰＵ７３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７６に表示させる。

この電力測定装置９１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９１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１４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（インダクタも同様）の両端電圧は最大となる。このため、一例として図１５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１Ｂでは、プリアンプ１６で生成される検出信号Ｓ３を、Ａ／Ｄ変換回路７２に直接入力する例について説明したが、フィルタ回路２７と同じ特性のフィルタ回路（図示せず）を介して検出信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換回路７２に入力することもできる。この場合、フィルタ回路は、プローブユニット２Ｂおよび本体ユニット３Ａの少なくとも一方に配設する。このように構成することで、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１Ｂ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，１Ｃにおいても、本体ユニット３にフィルタ回路２７を配設する構成に代えて、プローブユニット２側に配設する構成を採用することもできる。

また、電圧測定装置１Ｂ，１Ｃを電力測定装置７１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場合、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。

また、上記した各可変容量回路１３の第１電気的要素３１（第１電気的要素３１で構成した第２電気的要素３２）については、図２，８に示すように、互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードだけで構成した例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２に示す第１電気的要素３１を例に挙げて説明すると、第１電気的要素３１の一端部Ａと第１素子４１ａとの間、各第１素子４１ａ，４１ｂ間、および第１電気的要素３１の他端部Ｂと第１素子４１ｂとの間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサおよびインダクタンスの少なくとも１つを配設することもできる。また、第１素子４１ａ，４１ｂの各々、および第１素子４１ａ，４１ｂ全体の少なくとも１つに対してコンデンサを並列に接続することもできる。

また、可変容量ダイオードも一般的な（通常の）ダイオードも基本的な構成が同じであるため、例えば第１電気的要素３１において、一方の第１素子４１ａを通常のダイオードを使用して構成するなど、可変容量ダイオードと一般的なダイオードとを混在して使用することもできる。

また、上記した各可変容量回路１３では、第２電気的要素３２については、コンデンサ、およびダイオード（具体的には第１電気的要素３１）で構成した例について説明したが、例えば、セラミック共振器、水晶振動子、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）などの各種共振体を用いて構成してもよい。このように共振体、具体的には駆動信号Ｓ１と同一の周波数ｆ１のときにインピーダンスが最小となり、かつそれ以外の周波数のときに十分に高いインピーダンスとなる共振体を用いたときには、第１電気的要素３１，３１Ａ，３１Ｂを変調する周波数ｆ１では共振体のインピーダンスが低くなる結果、駆動信号Ｓ１を第１電気的要素３１，３１Ａ，３１Ｂに十分に印加することができ、他方、直流電圧や駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２では共振体のインピーダンスが十分に高くなる結果、第１電気的要素３１，３１Ａ，３１Ｂ側に十分な電流を流すことができるため、例えば電流検出器１５を用いた電流ｉの検出精度を高めることができ、ひいては測定対象体４の電圧検出を一層高めることができる。

また、上記した各可変容量回路１３では、第１電気的要素３１および第２電気的要素３２を１個ずつ含んで構成した例について説明したが、第１電気的要素３１および第２電気的要素３２の少なくとも一方を２個以上含んで構成することもできる。

電圧測定装置１のブロック図である。 電圧測定装置１の可変容量回路１３の回路図である。 第１電気的要素３１の他の回路図である。 第１電気的要素３１の他の回路図である。 第１電気的要素３１の他の回路図である。 可変容量回路１３の動作を説明するための駆動信号Ｓ２と静電容量Ｃ２との関係図である。 フィードバック電圧Ｖ４の時間変化を示す特性図である。 可変容量回路１３Ａの回路図である。 第１電気的要素３１Ａの回路図である。 第１電気的要素３１Ｂの回路図である。 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７１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９１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 検出電極
１３，１３Ａ 可変容量回路
１５ 電流検出器
２５ 電圧生成回路
３１，３１Ａ，３１Ｂ 第１電気的要素
３２ 第２電気的要素
４１ａ，４１ｂ 第１素子
７１，９１ 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 (13)

1. 直流信号の通過を阻止しつつ印加電圧の絶対値の大きさに応じて容量が変化する第１電気的要素と、交流信号の通過を許容すると共に直流信号の通過を阻止する第２電気的要素と、前記第１電気的要素に交流電圧を印加する駆動回路とを少なくとも有し、前記第１電気的要素、前記第２電気的要素および前記駆動回路が１つの環状経路内に配設されている可変容量回路。
2. 前記第１電気的要素は、一端が他端に対して高電位のときに抵抗体として機能し、かつ当該一端が当該他端に対して低電位のときに容量体として機能する２つの第１素子を逆向きに直列接続して構成されている請求項１記載の可変容量回路。
3. 前記第１素子は、ダイオードで構成されている請求項２記載の可変容量回路。
4. 前記第１電気的要素は、トランジスタで構成されると共に、当該トランジスタの入力端子および出力端子を接続点として前記環状経路内に配設されている請求項１記載の可変容量回路。
5. 前記第２電気的要素は、前記第１電気的要素、コンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つで構成されている請求項１から４のいずれかに記載の可変容量回路。
6. 前記駆動回路は、前記交流電圧を二次巻線に発生させるトランスを備えると共に、当該二次巻線が前記第１電気的要素および第２電気的要素と共に環状に接続されて構成されている請求項１から５のいずれかに記載の可変容量回路。
7. 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、請求項１から６のいずれかに記載の可変容量回路とを備え、
   前記可変容量回路は、前記第１電気的要素および前記第２電気的要素のうちの一方の一端部が前記検出電極側に位置すると共に他端部が参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に接続されている電圧測定装置。
8. 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請求項７記載の電圧測定装置。
9. 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参照電位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８記載の電圧測定装置。
10. 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９記載の電圧測定装置。
11. 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９記載の電圧測定装置。
12. 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参照電位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９記載の電圧測定装置。
13. 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７から１２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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