JP2008020270A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定の信頼性を確保し得る利得でフィードバック制御を行い得る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測定装置１であって、参照電位Ｖｒを生成する電圧生成部３ｃと、電圧Ｖ１と参照電位Ｖｒとの間の電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に応じて振幅が変化する検出信号Ｓ３を出力するプローブユニット２と、検出信号Ｓ３の振幅が減少するように電圧生成部３ｃに対して参照電位Ｖｒの電圧を変化させる制御部３ａと、プローブユニット２および電圧生成部３ｃを含むフィードバックループの利得を少なくとも１段階増加させて各利得（増加前後の各利得）における検出信号Ｓ３の振幅をそれぞれ検出すると共に相互の差分値を算出する演算制御回路３ｂとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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に関し、特に測定対象体の電圧を非接触で測定し得る電圧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６−２４２１６６号公報において開示された電圧測定装置が知られている。

この電圧測定装置（距離補償型表面電位計）は、圧電音叉および検知電極を用いたセンサ部と、音叉駆動回路と、センサ部の検知電極に接続されたプリアンプ回路と、増幅回路と、同期検波回路と、積分回路と、高圧増幅回路とを有して構成されている。この電圧測定装置では、センサ部、プリアンプ回路、増幅回路、同期検波回路、積分回路、高圧増幅回路の一次側、トランスを用いた電源回路の２次側、およびそのシールドを電源からフローティングさせ、かつ高圧増幅回路の発生電圧を少なくともセンサ部のコモングランドに帰還させて、この発生電圧を測定対象体の電圧と等しくなるようにフィードバック制御している。この電圧測定装置によれば、高圧増幅回路の発生電圧を検出することにより、測定対象体の電圧を測定することができる。
特開平６−２４２１６６号公報報（第１３−１５頁、第２図）

ところで、この種の電圧測定装置で用いられているフィードバック制御には偏差が発生するという特性があり、さらに、例えば比例制御のときには、この偏差はフィードバックループの利得（ゲイン）によって変化し、利得が大きいときには小さくなり、利得が小さいときには大きくなる。このため、この種の電圧測定装置では、通常は、測定精度などを考慮して許容し得る偏差を決定し、決定した偏差に対応する利得となるようにフィードバックループの利得を設定している。

ところが、上記の電圧測定装置のように、測定対象体の電圧を非接触で測定する構成の装置では、測定対象体との間の距離を一定にしたとしても、湿度などの変化によって測定対象体と検知電極との間の静電結合の度合いが変化し、この結果、センサ部の利得が変化してフィードバックループの利得も予め想定した値とは異なる値に変化する。また、この電圧測定装置では、実際のフィードバックループの利得を確認するすべもない。このため、この種の電圧測定装置には、測定時における実際のフィードバックループの利得が許容し得る偏差を確保できる利得よりも小さい値となったときにも、通常通りに電圧を測定するため、測定の信頼性を確保できないという問題点が存在している。他方、湿度などの変化によってフィードバックループの利得が変化した場合であっても、十分な利得を確保し得るように、最初からフィードバックループの利得を十分に大きな値に設定しておく方法も考えられるが、フィードバックループの利得を大きくし過ぎると、フィードバックループの耐ノイズ特性が低下して、やはり、測定の信頼性を確保できない状況が発生するという問題点もある。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、測定の信頼性を確保し得る利得でフィードバック制御を行い得る電圧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、参照電位を生成する電圧生成部と、前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、前記検出信号の振幅が減少するように前記電圧生成部に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、前記センサ部および前記電圧生成部を含むフィードバックループの利得を少なくとも１段階増加または減少させて当該各利得における前記検出信号の振幅および前記参照電位の少なくとも一方の値をそれぞれ検出すると共に相互の差分値を算出する処理部とを備えている。

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、前記処理部は、前記差分値が予め設定された規定値内のときに、前記各利得のいずれか一方を前記フィードバックループの利得として設定する。

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、前記処理部は、前記各利得のうちの値の大きい方を前記利得として設定する。

また、請求項４記載の電圧測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置において、前記センサ部は、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、当該検出電極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、静電容量変化時において前記可変容量回路に発生する電流または前記可変容量回路の両端間電圧を前記検出信号として検出する検出回路とを備えている。

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電気的要素を含んで構成されている。

また、請求項６記載の電圧測定装置は、請求項５記載の電圧測定装置において、前記可変容量回路は、ブリッジ状に接続された４つの前記電気的要素を備えている。

請求項１記載の電圧測定装置では、処理部がフィードバックループの利得を少なくとも１段階増加または減少させて、増加の前後または減少の前後の各利得においてセンサ部から出力される検出信号の振幅および電圧生成部によって生成される参照電位の少なくとも一方の値をそれぞれ検出すると共に相互の差分値を算出する。したがって、この電圧測定装置によれば、この差分値に基づいて、検出信号や参照電位がほとんど変化しない利得であって、しかも下限値または下限値に極めて近い利得にフィードバックループの利得を設定した状態で、測定対象体の電圧を測定することができる。このため、湿度等の環境条件の変化に起因してフィードバックループの利得が低下して所望の測定精度を確保できない事態や、逆にフィードバックループの利得を必要以上に大きく設定したときに生じる耐ノイズ特性の低下に起因して所望の測定精度を確保できなくなる事態を回避できる結果、測定対象体の電圧測定についての信頼性を十分に高めることができる。

また、請求項２記載の電圧測定装置によれば、差分値が予め設定された規定値内のときに、各利得のいずれか一方をフィードバックループの利得（例えば初期利得）として処理部が設定することにより、測定対象体の電圧を再度測定する際や、同種の測定対象体の電圧を連続的に測定する際に、測定の開始当初から適切な測定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３記載の電圧測定装置によれば、処理部が各利得のうちの値の大きい方を利得（例えば初期利得）として設定することにより、耐ノイズ特性の低下を回避し得る範囲内でフィードバックループの利得をより大きい利得に設定できる結果、測定精度を一層高めることができる。

また、請求項４記載の電圧測定装置によれば、検出電極をセンサ部の表面に配設し、かつ可変容量回路および検出回路をセンサ部の内部に配設した状態で測定対象体の電圧を測定することができるため、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設けることなくセンサ部を構成することができる。したがって、この電圧測定装置によれば、この孔を介して異物がセンサ部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センサ部内の部品の破損を確実に回避することができるため、装置全体の信頼性を向上させることができる。

また、請求項５記載の電圧測定装置によれば、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電気的要素を含んで可変容量回路を構成したことにより、可変容量回路を駆動する信号の周波数の２倍の周波数で可変容量回路の静電容量を変化させることができる。したがって、この電圧測定装置によれば、フィードバックループの応答速度を高速化できるため、電圧生成部で生成している電圧を測定対象体の電圧に正確に追従させることができる結果、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６記載の電圧測定装置によれば、ブリッジ状に接続された４つの電気的要素を備えて可変容量回路を構成したことにより、可変容量回路がブリッジ回路としての平衡条件を満足するように各電気的要素の各インピーダンスが設定されたときには、各電気的要素の接続点のうちの対向する一対の接続点（非隣接な一対の接続点）間に容量を変化させるための交流電圧（駆動信号）を印加した際に、対向する他の一対の接続点間にこの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、この対向する他の一対の接続点の一方を検出電極側に接続し、かつ他方を基準電位側に接続することにより、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、可変容量回路に発生する電流またはその両端間電圧をより正確に検出することができる結果、測定対象体の電圧をより正確に測定することができる。

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１９、電流検出器１５およびプリアンプ１６を備え、本発明におけるセンサ部として機能する。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１９は、図１に示すように、１つの容量変化機能体１３および１つの駆動回路１４を備えている。また、可変容量回路１９（具体的には容量変化機能体１３）は、第１の構成単位３１、第２の構成単位３２、第３の構成単位３３および第４の構成単位３４がこの順に環状（ブリッジ状）に接続されて、いわゆるブリッジ回路に構成されている。具体的には、各構成単位３１，３２，３３，３４は、図２に示すように、第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４（以下、特に区別しないときには「第１電気的要素Ｅ１」ともいう）をそれぞれ１つずつ含んで構成されている。

この場合、各第１電気的要素Ｅ１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それぞれ機能する一対の第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）をそれぞれ１つずつ含み、各第１素子４１が互いに逆向きに直列接続されて構成されている。これにより、各第１電気的要素Ｅ１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ように構成されている。本例では、一例として、各第１素子４１は、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有して構成され、具体的には１つのダイオード（一例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。）で構成され、各第１電気的要素Ｅ１は、これら２つのダイオードが逆向きに直列接続されて（アノード端子同士が接続されて）構成されている。また、各第１素子４１ａ，４１ｂには同一またはほぼ同一の特性の可変容量ダイオードが使用されて、第１の構成単位３１および第３の構成単位３３の各インピーダンスの積と、第２の構成単位３２および第４の構成単位３４の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一（一例として数％程度の範囲内で相違する状態）に設定されている。

なお、図２に示す容量変化機能体１３では、各第１電気的要素Ｅ１は、一対の第１素子４１ａ，４１ｂの一端同士を接続して（一対のダイオードのアノード端子同士を接続して）構成されているが、図３に示す容量変化機能体１３のように、一対の第１素子４１ａ，４１ｂの他端同士を接続して（一対のダイオードのカソード端子同士を接続して）、各第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。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２，３に示す各容量変化機能体１３におけるすべての第１素子４１ａ，４１ｂを、一般的なダイオードで構成された第１素子５１ａ，５１ｂ（以下、区別しないときには、第１素子５１ともいう）に置き換えた構成（図４，５参照）であっても、容量変化機能体１３を構成することができる。

また、可変容量回路１９は、図１に示すように、検出電極１２と参照電位Ｖｒとなる部位（本例ではケース１１）との間に、容量変化機能体１３における第１の構成単位３１および第４の構成単位３４の接続点Ａが検出電極１２側に接続されると共に第２の構成単位３２および第３の構成単位３３の接続点Ｃがケース１１側に接続された状態で配設されている。具体的には、可変容量回路１９は、容量変化機能体１３の接続点Ａが検出電極１２に直接接続されると共に、容量変化機能体１３の接続点Ｃが電流検出器１５を介してケース１１に接続されて検出電極１２とケース１１との間に配設されている。また、第１の構成単位３１および第２の構成単位３２の接続点Ｂと、第３の構成単位３３および第４の構成単位３４の接続点Ｄとが駆動回路１４に接続されている。また、可変容量回路１９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。

駆動回路１４は、例えば、トランスおよび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ｆ１の駆動信号Ｓ２に変換して容量変化機能体１３に出力（印加）する。本例では、一例として、駆動回路１４は、図１に示すように、一次巻線Ｔｒ１ａおよび二次巻線Ｔｒ１ｂを備えた絶縁型のトランスＴｒ１を用いて構成されている。この場合、二次巻線Ｔｒ１ｂの各端部が容量変化機能体１３の接続点Ｂ，Ｄに接続されている。駆動回路１４では、入力した駆動信号Ｓ１に基づいて一次巻線Ｔｒ１ａが励磁されることで、トランスＴｒ１が二次巻線Ｔｒ１ｂに駆動信号Ｓ２を発生させる。この構成により、駆動回路１４は、駆動信号Ｓ１を低歪みで駆動信号Ｓ２に変換し、この駆動信号Ｓ２を容量変化機能体１３の各接続点Ｂ，Ｄ間に印加する。本例では、後述するように一例として駆動信号Ｓ１として正弦波信号を用いているため、駆動信号Ｓ２も正弦波信号として出力される。また、上記の駆動回路１４に代えて、本体ユニット３から駆動信号Ｓ１を入力することなく駆動信号Ｓ２を単独で出力するフローティング信号源（図示せず）をプローブユニット２内に配設することもできる。

電流検出器１５は、一例として絶縁型のトランスＴｒ２で構成されて本発明における検出回路として機能する。また、電流検出器１５は、トランスＴｒ２の一次巻線Ｔｒ２ａの一端部が可変容量回路１９（具体的には可変容量回路１９における容量変化機能体１３の接続点Ｃ）に接続され、かつ他端部がケース１１に接続されて、可変容量回路１９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（つまりトランスＴｒ２）は、可変容量回路１９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１９の容量変化機能体１３に流れている電流ｉを検出すると共に、この電流ｉの電流値（振幅）に比例した振幅の電圧Ｖ２を二次巻線Ｔｒ２ｂに誘起（発生）させる。プリアンプ１６は、トランスＴｒ２の二次巻線Ｔｒ２ｂに誘起される電圧Ｖ２を増幅して、検出信号Ｓ３として出力する。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、上記した電流検出器１５およびプリアンプ１６は、可変容量回路１９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、制御部３ａ、処理部３ｂ、電圧生成部３ｃ、電圧計３ｄおよび出力部３ｅを備えて構成されている。この場合、制御部３ａは、入力した検出信号Ｓ３に基づいて後述するアナログ信号Ｓ５と極性信号Ｓ８とを生成して電圧生成部３ｃに出力し、電圧生成部３ｃに対して参照電位Ｖｒの電圧を変化させる。具体的には、制御部３ａは、発振回路２１、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４および極性判定回路２５を備えている。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。また、発振回路２１は、周期Ｔ１の二分の一の周期Ｔ２（周波数ｆ２＝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極性判定回路２５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２２は、プローブユニット２から入力した検出信号Ｓ３に含まれている容量変化機能体１３の容量変調周波数ｆ２と同じ周波数の信号Ｓ３ａを選択的に通過させる。

増幅回路２３は、フィルタ回路２２から入力した信号Ｓ３ａを増幅して、検出信号Ｓ４として出力する。また、増幅回路２３は、動作開始直後においては予め設定された初期利得（初期増幅率Ｇａ０）で信号Ｓ３ａを増幅し、処理部３ｂから制御信号Ｓ１２を入力したときには、制御信号Ｓ１２に基づいてその利得（増幅率）を変更して信号Ｓ３ａを増幅する。本例では、容量変化機能体１３の容量変調周波数ｆ２は、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍であるため、容量変化機能体１３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２３から出力される検出信号Ｓ４の周波数はフィルタ回路２２によるフィルタリングによってｆ２となる。検波回路２４は、例えば包絡線検波方式によって検出信号Ｓ４を検波することにより、アナログ信号Ｓ５を生成する。この場合、アナログ信号Ｓ５は、その振幅（電圧値）が可変容量回路１９を流れる電流ｉの電流値に比例して変化する。したがって、検出信号Ｓ３も電流ｉの振幅（電流値）に比例して変化する信号であるため、アナログ信号Ｓ５と検出信号Ｓ３とは、互いに同期し、かつ比例した信号となる。極性判定回路２５は、検波用信号Ｓ１１および検出信号Ｓ４を入力して検波用信号Ｓ１１に対する検出信号Ｓ４の位相を検出する。また、極性判定回路２５は、検出した位相に基づいて、測定対象体４およびケース１１の各電圧Ｖ１，Ｖｒの電位差（Ｖ１−Ｖｒ）の極性を判定すると共に、この極性を示す極性信号Ｓ８を生成して出力する。一例として、本例では、極性判定回路２５は、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）の極性と同じ極性で極性信号Ｓ８を出力する。

処理部３ｂは、一例としてＣＰＵおよび内部メモリを備えて構成されて、電圧測定装置１のフィードバックループの利得を設定する利得設定処理を実行する。また、処理部３ｂは、現在のフィードバックループの利得が適切なものであるか否かを示すデータＤ１を出力部３ｅに出力する出力処理を実行する。なお、内部メモリには、利得設定処理で使用される規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）、増幅回路２３に対する複数の増幅率Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，・・・（Ｇａ０＜Ｇａ１＜Ｇａ２＜Ｇａ３，・・・）が予め記憶されている。

電圧生成部３ｃは、電圧生成回路２７およびトランス（昇圧トランス）Ｔｒ３を備えて構成されている。電圧生成回路２７は、電圧信号Ｓ６を生成して出力する。この場合、電圧生成回路２７は、出力している電圧信号Ｓ６の電圧を、入力したアナログ信号Ｓ５の振幅（電圧値）に比例した量だけ、入力した極性信号Ｓ８の極性が「正」のときには増加させ、逆に「負」のときには減少させる。トランスＴｒ３は、絶縁型のトランスであって、一次巻線Ｔｒ３ａ（巻数：ｎ１）および二次巻線Ｔｒ３ｂ（巻数：ｎ２＞ｎ１）を備えて昇圧トランスとして構成されている。この場合、一次巻線Ｔｒ３ａおよび二次巻線Ｔｒ３ｂは、それぞれの一端部が接地（グランドに接続）されている。また、一次巻線Ｔｒ３ａの他端部は電圧生成回路２７に、二次巻線Ｔｒ３ｂの他端部はプローブユニット２のケース１１にそれぞれ接続されている。この構成により、トランスＴｒ３は、一次巻線Ｔｒ３ａに入力した電圧信号Ｓ６を昇圧して、参照電位信号Ｓ７として二次巻線Ｔｒ３ｂの他端部に出力すると共に、プローブユニット２のケース１１に印加する。このようにしてケース１１は、その電位（参照電位）Ｖｒが参照電位信号Ｓ７の電圧に規定される。

電圧計３ｄは、参照電位信号Ｓ７の電圧（参照電位Ｖｒ）を測定して、その電圧値を表示する。なお、電圧計３ｄは、測定した参照電位Ｖｒを表示する構成に代えて、プリンタなどの印刷装置に出力したり、外部メモリなどの記憶装置に記憶させたり、外部機器に伝送したりする構成にすることもできる。出力部３ｅは、本例では一例として表示装置で構成されて、処理部３ｂからのデータＤ１に基づいて、現在のフィードバックループの利得が適切なものであるか否かを示す内容を表示する。一例として出力部３ｅは、フィードバックループの利得が適切であるときには「測定値有効」という文字を表示し、適切でないときには「測定値無効」という文字を表示する。なお、出力部３ｅとしては、表示装置以外に、「測定値有効」および「測定値無効」などの文字を印刷する印刷装置を採用することもできるし、現在のフィードバックループの利得が適切なものであるか否かをブザー音、音声およびＬＥＤの点灯状態で報知する報知装置や、その旨を示すデータを送信する伝送装置を採用することができる。

次いで、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、電圧生成回路２７は、電圧測定装置１の測定動作開始時（時刻ｔ０）は、ゼロボルトの電圧信号Ｓ６を生成し、その後、その電圧を増加または減少させるものとする。したがって、電圧生成部３ｃは、図７において実線で示すように、参照電位信号Ｓ７をゼロボルトから生成し始めるものとする。

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、制御部３ａ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を極性判定回路２５に出力する。プローブユニット２では、可変容量回路１９の駆動回路１４が、入力した駆動信号Ｓ１を駆動信号Ｓ２に変換して容量変化機能体１３の各接続点Ｂ，Ｄ間に印加（出力）する。容量変化機能体１３では、各接続点Ｂ，Ｄ間に印加された駆動信号Ｓ２が分圧されて、第１の構成単位３１、第２の構成単位３２、第３の構成単位３３および第４の構成単位３４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（接続点Ｄを基準として接続点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、各第１電気的要素Ｅ１における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各第１素子４１の各静電容量が徐々に減少する。具体的には、各第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１４では、逆バイアスされている各第１素子４１ｂの静電容量が、また各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３では、逆バイアスされている各第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Ｔｂ（接続点Ｄを基準として接続点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、逆バイアスされている各第１素子４１、具体的には各第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１４では各第１素子４１ｂ、また各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３では各第１素子４１ａの各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（接続点Ｄを基準として接続点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、逆バイアスされてコンデンサとして機能する各第１素子４１、具体的には各第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１４では各第１素子４１ａ、また各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３では各第１素子４１ｂの各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（接続点Ｄを基準として接続点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、逆バイアスされている各第１素子、具体的には各第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１４では各第１素子４１ａ、また各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３では各第１素子４１ｂの各静電容量が徐々に増加する。なお、各第１電気的要素Ｅ１に含まれている第１素子４１ａ，４１ｂ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４１ａ，４１ｂは等価的に抵抗として機能している。このため、各第１電気的要素Ｅ１の静電容量は、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。

このようにして、駆動信号Ｓ２の１周期Ｔ１内において、各構成単位３１〜３４に含まれている各第１電気的要素Ｅ１の静電容量が増加および減少を２回ずつ繰り返すため、これらの静電容量を合成してなる容量変化機能体１３の静電容量Ｃ１（接続点Ａ，Ｂ間の静電容量）も増加および減少を２回繰り返す。つまり、可変容量回路１９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１９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、可変容量回路１９では、上記したように、容量変化機能体１３の各第１素子４１には同一またはほぼ同一の特性の可変容量ダイオード（または一般的なダイオード）が使用され、この結果、第１の構成単位３１および第３の構成単位３３の各インピーダンスの積と、第２の構成単位３２および第４の構成単位３４の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に設定されている。したがって、ブリッジ回路でもある容量変化機能体１３は、ブリッジ回路としての平衡条件を満足しているため、駆動信号Ｓ２の電圧成分（駆動信号Ｓ１と同じ周波数ｆ１の電圧信号）が各接続点Ａ，Ｃ間にほとんど発生しない状態で、その静電容量Ｃ１を周期Ｔ２で変化させている。また、接続点Ａに接続されている各構成単位３１，３４に含まれている各第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１４の組、および接続点Ｃに接続されている各構成単位３２，３３に含まれている各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３の組のうちの少なくとも一方の組に含まれている２つの第１電気的要素Ｅ１が共に常時コンデンサとして機能しているため、検出電極１２とケース１１とは、可変容量回路１９を介して交流的に接続されているものの直流的には短絡されない状態に維持されている。

このため、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１９には、測定対象体４およびケース１１の各電圧Ｖ１，Ｖｒの電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に応じた振幅の電流ｉ（周期Ｔ２）が流れる。具体的には、電流ｉは、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）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−Ｖｒ）が小さいときにはその電流値が小さくなる。

したがって、図７に示すように、測定対象体４の電圧Ｖ１が正の電圧のとき（時刻ｔ０）に、電圧測定装置１が測定動作を開始したときには、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）は正の電圧となり、電流ｉは、図示はしないが、その周期がＴ２であって、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖｒ）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を構成するトランスＴｒ２の二次巻線Ｔｒ２ｂに誘起される電圧Ｖ２を増幅して、検出信号Ｓ３として出力する。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３ａでは、フィルタ回路２２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２３は、この信号Ｓ３ａを初期増幅率で増幅して検出信号Ｓ４を生成して検波回路２４に出力する。次いで、検波回路２４は、入力した検出信号Ｓ４を検波してアナログ信号Ｓ５を生成して電圧生成部３ｃに出力する。この場合、アナログ信号Ｓ５は、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖｒ）の値に比例して変化する信号となる。また、極性判定回路２５は、検波用信号Ｓ１１および検出信号Ｓ４を入力して検波用信号Ｓ１１に対する検出信号Ｓ４の位相を検出することにより、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）の極性と同じ極性となる極性信号Ｓ８を生成して電圧生成部３ｃに出力する。

本体ユニット３の電圧生成部３ｃでは、電圧生成回路２７が、出力している電圧信号Ｓ６の電圧を、入力したアナログ信号Ｓ５の振幅（電圧値）に比例した量だけ、入力した極性信号Ｓ８の極性が「正」のときには増加させ、逆に「負」のときには減少させる。したがって、図７に示すように、測定対象体４の電圧Ｖ１が正の電圧のとき（時刻ｔ０）に、電圧測定装置１が測定動作を開始したときには、電圧信号Ｓ６は当初ゼロボルトであるため、参照電位信号Ｓ７もゼロボルトである。この結果、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）は正の電圧となり、これによって極性信号Ｓ８の極性も正となる。このため、電圧生成部３ｃでは、電圧生成回路２７が、入力したアナログ信号Ｓ５の振幅に比例した量だけ、電圧値を増加させて電圧信号Ｓ６を出力する。次いで、トランスＴｒ３が電圧信号Ｓ６を昇圧して参照電位信号Ｓ７を出力してケース１１に印加する。この結果、電流検出器１５、プリアンプ１６、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４および電圧生成部３ｃ（電圧生成回路２７とトランスＴｒ３）で構成されるフィードバックループ（本発明におけるセンサ部および電圧生成部を含むフィードバックループの一例）内で、測定対象体４とケース１１との間の電位差（Ｖ１−Ｖｒ）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（振幅）が徐々に低下（減少）していく。一般的には、電圧測定装置１では、参照電位Ｖｒの測定対象体４の電圧Ｖ１への収束が短時間で完了するように、その過渡特性が設定される。このため、参照電位信号Ｓ７は、図７に示すように、電圧Ｖ１に対してオーバーシュートしつつ時刻ｔ１において収束する。なお、オーバーシュートして、参照電位Ｖｒが測定対象体４の電圧Ｖ１を上回ったときには、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）は負の電圧となり、これによって極性信号Ｓ８の極性も負となる。このため、電圧生成部３ｃでは、電圧生成回路２７が、入力したアナログ信号Ｓ５の振幅に比例した量だけ、電圧値を減少させて電圧信号Ｓ６を出力する。その後は、電圧測定装置１は、上記のフィードバック動作を継続することにより、変化する測定対象体４の電圧Ｖ１に対して一定の偏差内に収まるように参照電位信号Ｓ７の電圧値（参照電位Ｖｒ）を変化させる。この場合、参照電位信号Ｓ７（および電圧信号Ｓ６）は、測定対象体４の電圧Ｖ１に同期して変化する交流信号となる。電圧計３ｄは、参照電位信号Ｓ７の電圧をリアルタイムで計測して、その電圧値（参照電位Ｖｒ）を表示する。

一方、処理部３ｂは、測定開始（時刻ｔ０）から時間（ｔ１−ｔ０）だけ経過した後に、図８に示す利得設定処理１００を実行する。この利得設定処理１００では、処理部３ｂは、まず、増幅回路２３の増幅率がＧａ０のときのアナログ信号Ｓ５の振幅Ｖｐ１を第１振幅として検出する（ステップ１０１）。ここで、上記したように検出信号Ｓ３とアナログ信号Ｓ５とは比例するため、アナログ信号Ｓ５の振幅Ｖｐ１を検出することは、実質的には検出信号Ｓ３の振幅を検出することと等価である。次いで、処理部３ｂは、検出したアナログ信号Ｓ５の第１振幅Ｖｐ１を内部メモリ（図示せず）の第１振幅記憶領域に記憶する（ステップ１０２）。

続いて、処理部３ｂは、増幅回路２３の増幅率を１段階増加させる（ステップ１０３）。具体的には、処理部３ｂは、増幅率Ｇａ０の次に値の大きい増幅率Ｇａ１を内部メモリから読み出すと共に、この増幅率Ｇａ１に対応する制御信号Ｓ１２（例えば、増幅率Ｇａ１に対応する電圧レベルの制御信号Ｓ１２）を生成して増幅回路２３に出力する。次いで、処理部３ｂは、増幅回路２３の増幅率がＧａ１のときのアナログ信号Ｓ５の振幅Ｖｐ２を第２振幅として検出し（ステップ１０４）、次いで、検出したアナログ信号Ｓ５の第２振幅Ｖｐ２を内部メモリの第２振幅記憶領域に記憶する（ステップ１０５）。このようにして増幅回路２３の増幅率（利得）を増加させることにより、電圧測定装置１のフィードバックループの利得も増加するため、測定対象体４の電圧Ｖ１に対する参照電位信号Ｓ７の電圧（参照電位Ｖｒ）の偏差も、増幅回路２３の増幅率（利得）の増加前と比較して小さくなる。続いて、処理部３ｂは、第１振幅記憶領域および第２振幅記憶領域に記憶されている各振幅Ｖｐ１，Ｖｐ２を読み出して、これらの差分値Ｖｄｉｆ（＝Ｖｐ１−Ｖｐ２）を算出し（ステップ１０６）、次いで、規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）と比較する（ステップ１０７）。

この比較の結果、差分値Ｖｄｉｆが規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）の範囲外のとき（規定値を満たさないとき）には、処理部３ｂは、内部メモリの第２振幅記憶領域に記憶されている第２振幅Ｖｐ２を第１振幅Ｖｐ１として第１振幅記憶領域に上書き記憶する（ステップ１０８）。次いで、処理部３ｂは、上記のステップ１０３〜ステップ１０７を実行する。この際に、処理部３ｂは、ステップ１０３において、増幅率Ｇａ１の次に値の大きい増幅率Ｇａ２を内部メモリから読み出すと共に、この増幅率Ｇａ２に対応する制御信号Ｓ１２（例えば、増幅率Ｇａ２に対応する電圧レベルの制御信号Ｓ１２）を生成して増幅回路２３に出力する。したがって、処理部３ｂは、２回目のステップ１０６において、第１振幅記憶領域に記憶されている増幅率Ｇａ１のときの振幅Ｖｐ１と、第２振幅記憶領域に記憶されている増幅率Ｇａ２のときの振幅Ｖｐ２との差分値Ｖｄｉｆを算出し、次のステップ１０７において、この差分値Ｖｄｉｆを規定値と比較する。

上記したように、増幅回路２３の増幅率（利得）をさらに増加させることにより、電圧測定装置１のフィードバックループの利得もさらに増加するため、測定対象体４の電圧Ｖ１に対する参照電位信号Ｓ７の電圧（参照電位Ｖｒ）の偏差も、増幅回路２３の増幅率（利得）の変更前と比較してさらに小さくなる。処理部３ｂは、ステップ１０３〜ステップ１０８を、ステップ１０３において増幅回路２３の増幅率を段階的に増加させながら、ステップ１０７において、差分値Ｖｄｉｆが規定値内（規定値の範囲内）となるまで繰り返し実行する。その結果、ステップ１０７において、差分値Ｖｄｉｆが規定値内となったときには、現在の増幅率のときのアナログ信号Ｓ５の振幅Ｖｐ２は、一つ前の増幅率（一段階小さい増幅率）のときのアナログ信号Ｓ５の振幅Ｖｐ１と比較して、規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）の範囲内でしか大きくなっていないこと、言い換えれば、現在の増幅回路２３の増幅率（つまりフィードバックループの利得）および増幅回路２３の一つ前の増幅率において、電圧測定装置１は、所望の精度で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定していることを意味している。したがって、これ以上、増幅回路２３の増幅率を増加させて、電圧測定装置１のフィードバックループの利得を増加させる必要がないため、処理部３ｂは、この利得設定処理１００を終了して、出力処理を実行する。

この出力処理では、処理部３ｂは、「測定値有効」を示すデータＤ１を出力部３ｅに出力する。出力部３ｅは、入力したデータＤ１に基づいて、「測定値有効」という文字を表示する。したがって、出力部３ｅに「測定値有効」が表示されたときに電圧計３ｄに表示されている電圧値（参照電位Ｖｒ）を測定することにより、所望の精度での測定対象体４の電圧Ｖ１の測定が可能となる。なお、利得設定処理１００の実行中においては、処理部３ｂは、「測定値無効」を示すデータＤ１を出力部３ｅに出力し、出力部３ｅが、入力したデータＤ１に基づいて、「測定値無効」という文字を表示する。したがって、測定対象体４の電圧Ｖ１についての所望の精度以下での測定を回避することが可能となる。

このように、この電圧測定装置１では、処理部３ｂがフィードバックループの利得を少なくとも１段階増加させて、増加の前後の各利得において検出したプローブユニット２から出力される検出信号Ｓ３の振幅（本例では、一例として検出信号Ｓ３に比例するアナログ信号Ｓ５の振幅）をそれぞれ記憶すると共に相互の差分値Ｖｄｉｆを算出して、この差分値Ｖｄｉｆが規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）内のときに出力部３ｅに対して「測定値有効」を表示させる。したがって、この電圧測定装置によれば、この表示に基づいて、検出信号や参照電位がほとんど変化しない利得であって、しかも下限値または下限値に極めて近い利得にフィードバックループの利得を設定した状態で、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、湿度等の環境条件の変化に起因してフィードバックループの利得が低下して所望の測定精度を確保できない事態や、逆にフィードバックループの利得を必要以上に大きく設定したときに生じる耐ノイズ特性の低下に起因して所望の測定精度を確保できないという事態を回避できる結果、測定対象体４の電圧測定についての信頼性を十分に高めることができる。

また、この電圧測定装置１では、測定対象体４に対向可能な検出電極１２と、検出電極１２に接続されてその静電容量Ｃ１を変化可能に構成された可変容量回路１９と、電流検出器１５とを備えてプローブユニット２がセンサ部として構成されている。したがって、この電圧測定装置１によれば、検出電極１２をプローブユニット２の表面に配設し、かつ可変容量回路１９および電流検出器１５をプローブユニット２の内部に配設した状態で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができるため、可変容量回路１９を測定対象体４と直接対向させるための孔を設けることなくプローブユニット２を構成することができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、この孔を介して異物がプローブユニット２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プローブユニット２内の部品の破損を確実に回避することができるため、装置全体の信頼性を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、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Ｅ１を含んで可変容量回路１９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、ひいては測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２を周波数ｆ２で変化させることができる。したがって、電圧測定装置１によれば、電流検出器１５〜電圧生成部３ｃ（電圧生成回路２７とトランスＴｒ３）のフィードバックループの応答速度を高速化できるため、参照電位信号Ｓ７（参照電位Ｖｒ）を電圧Ｖ１に正確に追従させることができる結果、測定対象体４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、ブリッジ状に接続された４つの第１電気的要素Ｅ１を備えて可変容量回路１９を構成し、かつ可変容量回路１９がブリッジ回路としての平衡条件を満足するように各第１電気的要素Ｅ１の各インピーダンスを設定したことにより、可変容量回路１９は、その各接続点Ｂ，Ｄ間に駆動信号Ｓ２が印加されているときに、駆動信号Ｓ２の電圧成分（駆動信号Ｓ２と同じ周波数ｆ１の電圧信号）が各接続点Ａ，Ｃ間にほとんど発生しない状態（発生したとしても、非常にレベルの小さい電圧信号が発生している状態）で、その静電容量Ｃ１を周期Ｔ２で変化させることができる。したがって、この可変容量回路１９を用いた電圧測定装置１によれば、静電容量変化時において可変容量回路１９に発生する電流ｉへの駆動信号Ｓ２の影響を排除できる結果、この電流ｉをプローブユニット２においてより正確に検出することができ、これにより、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。

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、動作を開始する都度、増幅回路２３が動作開始直後においては予め設定された初期利得（初期増幅率Ｇａ０）で信号Ｓ３ａを増幅し、処理部３ｂから制御信号Ｓ１２を入力したときには制御信号Ｓ１２に基づいてその利得（増幅率）を変更する構成を採用しているが、電圧測定装置１の測定動作開始時において処理部３ｂが増幅回路２３の初期利得を設定してフィードバックループの初期利得を設定し、増幅回路２３がこの設定された初期利得で信号Ｓ３ａの増幅を開始する構成とすることもできる。この構成を採用することにより、処理部３ｂが既に実行した利得設定処理１００において最終的に増幅回路２３に対して設定した利得（差分値Ｖｄｉｆが規定値内となったときの利得）を次の測定動作開始時の初期利得として設定することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１を再度測定する際や、同種の測定対象体４の電圧を連続的に測定する際に、測定の開始当初から適切な測定精度で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。

具体的には、互いの差分値Ｖｄｉｆが規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）内となったときの増幅回路２３の各利得のうちのいずれかを、処理部３ｂが次の測定動作開始時において増幅回路２３に対して初期利得（等価的にはフィードバックループの初期利得）として設定する構成を採用することができる。この場合、互いの差分値Ｖｄｉｆが規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）内となったときの増幅回路２３の各利得のうちの大きい方を初期利得として設定することにより、耐ノイズ特性の低下を回避し得る範囲内でフィードバックループの利得をより大きくして、測定精度を一層高めることができる。

一方、増幅回路２３の最終の利得とその１つ前の増幅回路２３の利得との間の差分値Ｖｄｉｆが規定値内になっていることを考慮すれば、この１つ前の利得、つまり小さい方の利得でも十分に精度の高い、つまり信頼性の高い測定が可能であると考えられる。また、耐ノイズ特性を考えれば、フィードバックループの利得は精度を確保できる範囲内においてより小さい方のが好ましい。そこで、処理部３ｂが、増幅回路２３に対して、小さい方の利得、つまり最終の利得の１つ前の利得を初期利得として設定する構成を採用することもできる。

また、上記した電圧測定装置１では、増幅回路２３の利得を変更することにより、電圧測定装置１のフィードバックループの利得を変更する構成を採用しているが、図１において破線で示すように、処理部３ｂが電圧生成回路２７の利得を変更して電圧測定装置１のフィードバックループの利得を変更するように構成してもよい。さらには、図示はしないが、電流検出器１５から電圧生成回路２７までの経路内に増幅回路２３以外の増幅回路を設けてこの増幅回路の利得を変更することで、電圧測定装置１におけるフィードバックループの利得を変更するようにしてもよい。さらに、可変容量回路１９に出力する駆動信号Ｓ１の電圧値を変更することもできる。

また、上記した電圧測定装置１では、フィードバックループの利得を１段階増加させたときの前後における各利得でのアナログ信号Ｓ５の各振幅の差分値Ｖｄｉｆに基づいて、フィードバックループの利得として設定すべき利得を特定する構成を採用しているが、参照電位信号Ｓ７の電圧（参照電位Ｖｒ）を例えば抵抗などで分圧して低電圧化し、フィードバックループの利得を１段階増加させたときの前後の各利得におけるこの電圧（低電圧化した電圧）の差分値に基づいて、フィードバックループの利得とすべき利得を特定する構成を採用することもできる。また、フィードバックループの利得（具体的には増幅回路２３の利得）を１段階ずつ増加させる構成について上記したが、逆に、フィードバックループの利得を１段階ずつ減少させる構成を採用することもできる。この構成では、処理部３ｂは、フィードバックループの利得（具体的には増幅回路２３の利得）を１段階ずつ減少させたときの前後における各利得でのアナログ信号Ｓ５の各振幅の差分値Ｖｄｉｆが規定値（−Ｖｄｒ以上＋Ｖｄｒ以下）外となる１つ前およびさらに１つ前の各利得のうちのいずれかをフィードバックループの利得として設定する。この場合、上記した理由により、大きい方の利得、つまり最終の利得の２つ前の利得が好ましい。

また、上記した電圧測定装置１では、フィードバックループの利得を変化させる方式として、電圧測定装置１のフィードバックループ内の信号（アナログ信号Ｓ５や電圧信号Ｓ６など）に対する増幅率を変化させる方式を採用しているが、検出電極１２の測定対象体４に対する有効面積を変化させたり、検出電極１２の測定対象体４に対する結合距離を変化させる方式を採用することもできる。この場合、検出電極１２の測定対象体４に対する有効面積を変化させる構成としては、検出電極１２を複数の電極で構成してこの電極の数を変化させる構成や、検出電極１２の表面に遮蔽部材を配置してこの遮蔽部材によって覆われる検出電極１２の面積（遮蔽面積）を変化させる構成を採用することができる。また、検出電極１２の測定対象体４に対する結合距離を変化させる構成としては、検出電極１２をボールねじなどで駆動する構成を採用することができる。

また、上記した電圧測定装置１では、処理部３ｂが利得設定処理１００の結果に基づいてフィードバックループの利得を適切な利得に自動的に変化させる構成を採用しているが、処理部３ｂが利得設定処理１００の結果を出力するだけで、フィードバックループの利得を自動的には変化させない構成を採用することもできる。この構成においても、作業者が、出力部３ｅに出力された結果を確認することにより、電圧計３ｄに表示されている参照電位Ｖｒが測定対象体４の電圧Ｖ１を示すものとして信頼性のあるものであるか否かを判別することができる。また、この構成においては、手動でフィードバックループの利得を変更可能に構成することにより、作業者が出力部３ｅに出力されている結果を見ながら、フィードバックループの利得を自ら変更して適切な利得に設定することができる。

また、上記した電圧測定装置１では、図２〜図５に示すように、第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４のみをそれぞれ含むようにしてすべての構成単位３１〜３４を構成しているが、これに限定されるものではなく、同各図に示す容量変化機能体１３において、第１〜第４の構成単位３１〜３４のうちの第１の構成単位３１と第４の構成単位３４との組、および第２の構成単位３２と第３の構成単位３３との組のうちの一方の組の各構成単位に含まれている第１電気的要素を、交流信号の通過を許容する第２電気的要素で置き換えて、容量変化機能体を構成することもできる。この場合、第２電気的要素は、コンデンサ、コイル、抵抗および共振体のうちの少なくとも１つを含んで構成される。一例として、図９に示す容量変化機能体１３Ａは、図２に示す容量変化機能体１３における第２の構成単位３２および第３の構成単位３３の各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３を第２電気的要素Ｅ２２，Ｅ２３（電気的特性の同じコンデンサ６２，６３）でそれぞれ置き換えて構成された第２の構成単位３２Ａおよび第３の構成単位３３Ａを含んで構成されている。なお、コンデンサ６２，６３に代えて、電気的特性（インダクタンス値）の同じ一対のコイル６２ａ，６３ａを使用してもよいし、電気的特性（抵抗値）の同じ一対の抵抗６２ｂ，６３ｂを使用してもよいし、または電気的特性（周波数−インピーダンス特性）の同じ一対の共振体６２ｃ，６３ｃを使用してもよい。この場合、共振体６２ｃ，６３ｃについては、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数（容量変調周波数）ｆ２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電気的特性の共振体を使用する。具体的には、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ることができる。また、この共振体６２ｃ，６３ｃについては、直流電流の通過を許容する構成でもよい。

また、図２〜図５に示す容量変化機能体１３において、第１〜第４の構成単位３１〜３４のうちの第１の構成単位３１と第２の構成単位３２との組、および第３の構成単位３３と第４の構成単位３４との組のうちの一方の組の各構成単位に含まれている第１電気的要素Ｅ１を、直流信号の通過を阻止しつつ交流信号の通過を許容する第３電気的要素で置き換えて、容量変化機能体を構成することもできる。この場合、第３電気的要素は、コンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つを含んで構成される。一例として、図１０に示す容量変化機能体１３Ｂは、図２に示す容量変化機能体１３における第３の構成単位３３および第４の構成単位３４の各第１電気的要素Ｅ１３，Ｅ１４を第３電気的要素Ｅ３３，Ｅ３４（一例として電気的特性の同じコンデンサ６３，６４）でそれぞれ置き換えて構成された第３の構成単位３３Ｂおよび第４の構成単位３４Ａを含んで構成されている。なお、コンデンサ６３，６４に代えて、電気的特性（周波数−インピーダンス特性）の同じ一対の共振体６３ｄ，６４ａを使用してもよい。この場合、共振体６３ｄ，６４ａについては、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数（容量変調周波数）ｆ２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電気的特性の共振体を使用する。具体的には、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ることができる。また、この共振体６３ｄ，６４ａについては、直流電流の通過を阻止する構成とする。

なお、図９，１０に示す容量変化機能体１３Ａ，１３Ｂについては、上記の構成に限定されるものではなく、図示はしないが、例えば、第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１４を可変容量ダイオードに代えて、一般的なダイオード（シリコンダイオード）で構成してもよいし、またカソード端子同士が接続されて直列接続された一対のダイオード（可変容量ダイオードやシリコンダイオード）で構成することもできる。

また、図４に示す容量変化機能体１３では、各構成単位３１〜３４を一対の第１素子５１（具体的には一般的なダイオード）でそれぞれ構成しているが、各構成単位３１〜３４を構成する一対のダイオードは、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、各構成単位３１〜３４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に示す容量変化機能体１３において各構成単位３１〜３４を構成する一対の第１素子５１（ダイオード）を１つのＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で置き換えることにより、各構成単位３１〜３４に含まれている各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４を１つのトランジスタでそれぞれ構成して、図１１に示す容量変化機能体１３Ｃを構成することもできる。この容量変化機能体１３Ｃでは、各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４が、各々の入力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の一方）および出力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）、各構成単位３１〜３４で構成される環状経路内に配設されている。なお、各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４の制御端子（ベース端子）は未接続となる（接続点とはならない）。

また、図４に示す容量変化機能体１３では、各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを挟んで、構成単位３１，３４、構成単位３１，３２、構成単位３２，３３、および構成単位３３，３４の各第１電気的要素Ｅ１に含まれている１つのダイオード同士が互いに隣接している（具体的には、各ダイオード同士が互いに逆向きに直列接続されている）。このように、逆向きに直列接続された一対のダイオードで第１電気的要素Ｅ１が構成され、かつ少なくとも２つの隣接する構成単位がこの第１電気的要素Ｅ１を含んでいる容量変化機能体１３では、この２つの構成単位間の接続点を挟んで、各第１電気的要素Ｅ１に含まれている１つのダイオード同士が互いに逆向きに直列接続された構成となる。このため、図１２に示すように、破線で囲んだ一対のダイオードを１つのＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることにより、容量変化機能体１３Ｄを構成することもできる。この場合、各第１電気的要素Ｅ１は、１つのトランジスタの一部と、他の１つのトランジスタの一部とで構成されることになる。この容量変化機能体１３Ｄでも、容量変化機能体１３Ｃと同様にして、各トランジスタＴＲ５〜ＴＲ８が、各々の入力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の一方）および出力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）、各構成単位３１〜３４で構成される環状経路内に配設されている。他方、各トランジスタＴＲ５〜ＴＲ８の制御端子（ベース端子）は、容量変化機能体１３Ｃとは異なり、接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして使用される。

また、カソード端子同士が接続されて互いに直列に接続された一対のダイオードで各構成単位３１〜３４の各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４が構成されている図５に示す容量変化機能体１３についても、図４に示す容量変化機能体１３と同様にして、各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４を構成する一対のダイオードをＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることにより、図１３に示す容量変化機能体１３Ｅを構成することができ、また、上記した各ダイオードの組（各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを挟んで隣接する一対のダイオードでそれぞれ構成される４つの組）をＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で置き換えることにより、図１４に示す容量変化機能体１３Ｆを構成することができる。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ているが、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。また、図１２，１３に示す構成においては、制御端子としてのゲート端子が接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして使用される。このようにトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４（またはＴＲ５〜ＴＲ８）を用いて第１電気的要素Ｅ１を構成することにより、より少ない部品点数で、簡易、かつ安価に容量変化機能体１３Ｃ〜１３Ｆを構成することができる。

また、図１５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、容量変化機能体１３，１３Ａ，・・，１３Ｆ（特に区別しないときには、これらを容量変化機能体１３ともいう）の両端間電圧Ｖ３をプリアンプ１６で検出して検出信号Ｓ３としてプローブユニット２Ａ（センサ部）を採用することもできる。ここで、容量変化機能体１３の両端間電圧Ｖ３とは、容量変化機能体１３における検出電極１２側の端部（接続点Ａ）と、容量変化機能体１３におけるケース１１側の端部（接続点Ｃ）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、同図に示すように、コンデンサ１７を介して容量変化機能体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、容量変化機能体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、同図では、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、可変容量回路１９の両端間電圧Ｖ３への駆動信号Ｓ２の影響が排除されるため、この両端間電圧Ｖ３に基づいて本体ユニット３が測定対象体４の交流電圧Ｖ１に参照電位信号Ｓ７を正確に追従させることができる結果、測定対象体４の交流電圧Ｖ１を正確に測定することができる。

また、電圧測定装置１では、可変容量回路１９とケース１１との間に電流検出器１５を配設しているが、検出電極１２と可変容量回路１９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１，１Ａでは、フィルタ回路２２、増幅回路２３および検波回路２４についてはアナログ信号で作動する回路構成としているが、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４、極性判定回路２５および処理部３ｂを１つまたは複数のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成することもできる。

また、上記した各容量変化機能体１３の各構成単位については、図２〜図５、および図９〜図１４に示すように、第１電気的要素Ｅ１（一例として互いに逆向きに直列接続された２つのダイオード（図１１〜図１４の場合には等価的に２つのダイオード））、第２電気的要素Ｅ２２，Ｅ２３、および第３電気的要素Ｅ３３，Ｅ３４のいずれか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の構成単位３１を例に挙げて、第１電気的要素Ｅ１１を含む構成単位に関して説明すると、１つの第１電気的要素Ｅ１１と共にこの第１電気的要素Ｅ１１以外の構成要素を含んで第１の構成単位３１を構成することもできる。具体的には、接続点Ａと第１素子４１ａとの間、接続点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、コイルおよび他のダイオードの少なくとも１つを配設することもできる。また、各第１素子４１ａ，４１ｂ以外の構成要素を含んで第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。具体的には、各第１素子４１ａ，４１ｂ間に、抵抗、コンデンサおよびコイルの少なくとも１つを配設して、第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。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、例えば、図９に示す構成単位３２Ａを例に挙げて、第２電気的要素Ｅ２２（Ｅ２３）を含む構成単位に関して説明すると、接続点Ｂと第２電気的要素Ｅ２２との間、および接続点Ｃと第２電気的要素Ｅ２２との間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサ、およびコイルのうちの少なくとも１つを配設することもできる。また、第２電気的要素Ｅ２２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、例えば、図１０に示す構成単位３３Ｂを例に挙げて、第３電気的要素Ｅ３３（Ｅ３４）を含む構成単位に関して説明すると、接続点Ｃと第３電気的要素Ｅ３３との間、および接続点Ｄと第３電気的要素Ｅ３３との間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサ、およびコイルの少なくとも１つを配設することもできる。また、第３電気的要素Ｅ３３に対して他の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ダイオードも基本的な構成が同じであるため、例えば図２に示す容量変化機能体１３において、各第１電気的要素Ｅ１を構成する第１素子４１ａ，４１ｂとしての可変容量ダイオードのうちの一方を一般的な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。ただし、可変容量ダイオードと一般的なダイオードとは、逆バイアスが印加されたときの静電容量が異なるため、ブリッジ回路の平衡条件を満足し、かつ接続点Ａ，Ｃを基準としてその両側に配設されている各構成単位３１，３２と各構成単位３４，３３とが線対称となるか、または接続点Ｂ，Ｄを基準としてその両側に配設されている各構成単位３１，３４と各構成単位３２，３３とが線対称となるように構成する必要がある。

また、上記した電圧測定装置１，１Ａ等では、電流検出器１５としてトランスＴｒ２を使用しているが、抵抗や共振体を使用し、これらの両端間電圧を電圧Ｖ２としてプリアンプ１６に入力する構成を採用することもできる。

また、本発明における可変容量回路は、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、例えば、従来例として説明した特開平６−２４２１６６号公報に開示されている構成、すなわち、圧電音叉と検知電極（本願の検出電極１２に相当する電極）を利用した機械式の構成を採用することもできる。さらには、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。

また、上記した電圧測定装置１，１Ａ等は、電圧測定装置単体として使用しても良いし、公知の電流測定装置と組み合わせて電力測定装置を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。 図１の容量変化機能体１３の回路図である。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 容量変化機能体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。 電圧Ｖ１および参照電位信号Ｓ７の関係を示す波形図である。 利得設定処理１００のフローチャートである。 容量変化機能体１３Ａの回路図である。 容量変化機能体１３Ｂの回路図である。 容量変化機能体１３Ｃの回路図である。 容量変化機能体１３Ｄの回路図である。 容量変化機能体１３Ｅの回路図である。 容量変化機能体１３Ｆの回路図である。 電圧測定装置１Ａのブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ 電圧測定装置
２ プローブユニット（センサ部）
３ 本体ユニット
３ａ 制御部
３ｂ 処理部
３ｃ 電圧生成部
４ 測定対象体
１１ ケース
１２ 検出電極
１４ 駆動回路
１５ 電流検出器
１９ 可変容量回路
１００ 利得設定処理
Ｅ１１〜Ｅ１４ 第１電気的要素
Ｅ２２，Ｅ２３ 第２電気的要素
Ｅ３３，Ｅ３４ 第３電気的要素
Ｔｒ３ トランス
Ｓ３ 検出信号
Ｖ１ 測定対象体の電圧
Ｖｒ 参照電位

Claims (6)

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、
   参照電位を生成する電圧生成部と、
   前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、
   前記検出信号の振幅が減少するように前記電圧生成部に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、
   前記センサ部および前記電圧生成部を含むフィードバックループの利得を少なくとも１段階増加または減少させて当該各利得における前記検出信号の振幅および前記参照電位の少なくとも一方の値をそれぞれ検出すると共に相互の差分値を算出する処理部とを備えている電圧測定装置。
2. 前記処理部は、前記差分値が予め設定された規定値内のときに、前記各利得のいずれか一方を前記フィードバックループの利得として設定する請求項１記載の電圧測定装置。
3. 前記処理部は、前記各利得のうちの値の大きい方を前記利得として設定する請求項２記載の電圧測定装置。
4. 前記センサ部は、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、当該検出電極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、静電容量変化時において前記可変容量回路に発生する電流または前記可変容量回路の両端間電圧を前記検出信号として検出する検出回路とを備えている請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置。
5. 前記可変容量回路は、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電気的要素を含んで構成されている請求項４記載の電圧測定装置。
6. 前記可変容量回路は、ブリッジ状に接続された４つの前記電気的要素を備えている請求項５記載の電圧測定装置。

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