JP2008261783A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧測定のばらつきを低減する。
【解決手段】検出電極１２とケース１１との間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、ケース１１の電位（フィードバック電圧Ｖ４（以下、電圧Ｖ４））を生成する電圧生成回路２５、および電圧生成回路２５に対して電圧Ｖ４を変化させる電圧制御部ＣＮＴを備えて測定対象体４の電圧Ｖ１を測定可能に構成され、可変容量回路１９は、ダイオードを逆向きに直列接続して構成された第１電気的要素をそれぞれ含む４つの構成単位３１〜３４が環状に接続されて、接続点Ａが検出電極１２に接続され、かつ接続点Ｃが電圧Ｖ４に接続された容量変化機能体１３と、接続点Ｂ，Ｄ間に駆動信号Ｓ２を印加して容量変化機能体１３の静電容量Ｃ１を変化させる駆動回路１４とを備え、駆動回路１４は駆動信号Ｓ２の正・負電圧波形を非対称にする調整回路７１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４−３０５１７１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。

この電圧測定装置は、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）として開示されたものであり、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。
特開平４−３０５１７１号公報（第２頁、第６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。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。

この問題点を解決するため、本願発明者は、図２、図４〜図９に示すような容量変化機能体１３，１３Ａ〜１３Ｆを備えた可変容量回路１９（図１３参照）を既に開発している。この容量変化機能体１３，１３Ａ〜１３Ｆ（以下、特に区別しないときには「容量変化機能体１３」ともいう）は、ダイオードを互いに逆向きに直列接続して構成された第１電気的要素Ｅ１１〜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）に対して交流電圧（正弦波電圧）を印加したときに、この第１電気的要素Ｅ１の静電容量Ｃ１がこの交流電圧の周波数の２倍の周波数で変化することを利用したものであり、これによって、機械的に可動する構成を排除でき、動作周波数の高速化が図られている。

また、容量変化機能体１３は、図２、図４〜図９に示すように、第１の構成単位３１、第２の構成単位３２（３２Ａ）、第３の構成単位３３（３３Ａ，３３Ｂ）、および第４の構成単位３４（３４Ａ）がこの順に環状に接続されてブリッジ回路として構成されている。また、容量変化機能体１３は、図１３に示すように、第１の構成単位３１および第４の構成単位３４（３４Ａ）の接続点Ａが検出電極１２（測定対象体４に対向して配設される電極）に接続され、かつ第２の構成単位３２（３２Ａ）および第３の構成単位３３（３３Ａ，３３Ｂ）の接続点Ｃが電流検出器１５を介して参照電位（ケース１１の電位）に接続されている。また、この可変容量回路１９では、駆動回路１０１におけるトランス１４ａの一次巻線１４ｂに入力された駆動信号Ｓ１（正弦波信号）に起因して二次巻線１４ｃに発生する駆動信号（正弦波信号）Ｓ２が、第１の構成単位３１および第２の構成単位３２（３２Ａ）の接続点Ｂと、第３の構成単位および第４の構成単位の接続点Ｄとの間に印加されるが、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、容量変化機能体１３は、設計上、ブリッジ回路としての平衡条件を満足するように構成されている。これにより、容量変化機能体１３は、理論上、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構成となっている。

したがって、この可変容量回路１９では、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、または容量変化機能体１３の両端間電圧（接続点Ａ，Ｃ間電圧）には、理論上、駆動信号Ｓ１の周波数の２倍の周波数成分（容量変化機能体１３の容量変化の周波数成分）のみが含まれ、この２倍の周波数成分の振幅は、測定対象体４の電圧Ｖ１と参照電位（ケース１１の電位、つまりフィードバック電圧Ｖ４）との電位差に比例する。このため、電流ｉに起因して電流検出器１５に発生する電圧Ｖ２をプリアンプ１６で検出信号Ｓ３に変換して出力し、この検出信号Ｓ３の振幅が減少するようにフィードバック電圧Ｖ４（基準電位）を制御することにより、駆動信号Ｓ１の周波数成分を分離する処理を省きつつ、測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。

しかしながら、ダイオードなどの電子部品では、電気的仕様の同じ部品間でも、その電気的特性に多少のばらつきが存在するのが一般的である。このため、ブリッジ回路としての平衡条件を完全に満足するように容量変化機能体１３を構成するのが困難なため、参照電位（フィードバック電圧Ｖ４）が測定対象体４の電圧Ｖ１と一致した場合であっても、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、または容量変化機能体１３の両端間電圧には、駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分および駆動信号Ｓ２の周波数成分が含まれる。また、この結果、検出信号Ｓ３にも、図１４に示すように、駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分（同図では一例として周波数が４．５ＭＨｚの成分）および駆動信号Ｓ２の周波数成分（同図では一例として周波数が２．２５ＭＨｚの成分）が含まれることになる。これにより、参照電位（フィードバック電圧Ｖ４）が測定対象体４の電圧Ｖ１と一致した場合に振幅が理論上ゼロとなるべき容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、容量変化機能体１３の両端間電圧および検出信号Ｓ３の振幅が、駆動信号Ｓ２の周波数成分および駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分が合成される結果、大きくなる状態が発生する場合がある。このため、測定対象体４の電圧Ｖ１を示す測定結果としてのフィードバック電圧Ｖ４に生じるばらつきが大きくなるという課題が存在している。

本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであり、電圧測定のばらつきを低減し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、測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、前記可変容量回路は、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た第１電気的要素をそれぞれ含む第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成されると共に当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続され、かつ当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている。

また、請求項２記載の電圧測定装置は、測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、前記可変容量回路は、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、かつ当該第１の構成単位と当該第４の構成単位との組、および当該第２の構成単位と当該第３の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位が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た第１電気的要素をそれぞれ含むと共に、他の組の各構成単位が交流信号の通過を許容する第２電気的要素をそれぞれ含み、かつ当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続されると共に当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている。

また、請求項３記載の電圧測定装置は、測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、前記可変容量回路は、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、かつ当該第１の構成単位と当該第２の構成単位との組、および当該第３の構成単位と当該第４の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位が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た第１電気的要素をそれぞれ含むと共に、他の組の各構成単位が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電気的要素をそれぞれ含み、かつ当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続されると共に当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている。

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、前記調整回路は、ダイオードおよびインピーダンス素子が直列接続されて構成されて、前記トランスの一次巻線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、前記調整回路は、ダイオードおよびインピーダンス素子が並列接続されて構成されて、前記トランスの一次巻線に直列に接続されている。

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、前記第１素子は、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されている。

請求項１，２または３記載の電圧測定装置では、調整回路が、駆動回路から容量変化機能体に印加される交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする。したがって、これらの電圧測定装置によれば、容量変化機能体に印加される交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にすることにより、容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧に二次高調波を任意のレベルで発生させることができるため、容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧に含まれる交流電圧の２倍の周波数成分および交流電圧の周波数成分のうちの前者の周波数成分を、発生させた二次高調波で相殺して低減することができ、その結果、参照電位が測定対象体の電圧に収束した場合における容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧の振幅を低減することができる。これにより、これらの電圧測定装置によれば、測定対象体の電圧を示す測定結果としての参照電位に生じるばらつきを低減することができるため、測定対象体の電圧の測定精度を十分に向上させることができる。

また、これらの電圧測定装置では、可変容量回路が、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た第１電気的要素を含んで構成され、第１電気的要素に対して交流電圧を印加することによって可変容量回路の静電容量を変化させる駆動回路を備えている。したがって、これらの電圧測定装置によれば、可変容量回路を上記の第１素子として例えば半導体素子で構成することで、容量変化機能体の静電容量を交流電圧の周期の二分の一の周期（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、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（容量変調周波数）の高速化が可能）となる結果、測定対象体の電圧を極めて短時間に測定することができる。また、可変容量回路は機械的に可動する部分がないため、装置の信頼性を向上させることができる。

また、請求項１記載の電圧測定装置によれば、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位の構成を同一にできるため、容量変化機能体の構成を簡易にすることができると共に、大幅に小型化することができる。

また、請求項２または３記載の電圧測定装置によれば、第２電気的要素または第３電気的要素を例えば１つのコンデンサ等で構成できるため、２つの第１素子を使用する構成と比較して、部品点数を削減でき、その結果として製品コストを低減することができる。また、第２電気的要素または第３電気的要素として共振体を使用することにより、容量変化機能体の容量変調周波数において、共振体で構成された構成単位のインピーダンスを低くすることができる結果、容量変化機能体に十分な電流を流すことができる。このため、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４記載の電圧測定装置では、ダイオードおよびインピーダンス素子が直列接続されて構成された調整回路が、駆動回路のトランスにおける一次巻線に並列に接続され、また請求項５記載の電圧測定装置では、ダイオードおよびインピーダンス素子が並列接続されて構成された調整回路が、駆動回路のトランスにおける一次巻線に直列に接続されている。このため、これらの電圧測定装置によれば、インピーダンス素子のインピーダンス（インピーダンス素子が抵抗であるときにはその抵抗値）を調整することにより、交流電圧に起因してトランスの一次巻線に流れる電流を交流電圧の正電圧期間および負電圧期間の少なくとも一方において個別に調整することができ、これによってトランスの二次巻線に発生する交流電圧の正電圧波形のレベルおよび負電圧波形のレベルの少なくとも一方を独立して調整することができる。したがって、これらの電圧測定装置によれば、容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧に発生させる二次高調波のレベル調整の自由度を高めることができるため、容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧に含まれる交流電圧の２倍の周波数成分および交流電圧の周波数成分のうちの前者の周波数成分を、発生させた二次高調波でより確実に相殺して低減することができる。これにより、この電圧測定装置によれば、参照電位が測定対象体の電圧に収束した場合における容量変化機能体に流れる電流、および容量変化機能体の両端間電圧の振幅を一層低減することができる結果、参照電位に生じるばらつきを一層低減することができるため、測定対象体の電圧の測定精度をさらに向上させることができる。

また、請求項６記載の電圧測定装置によれば、第１素子をダイオードで構成したことにより、可変容量回路、ひいては装置自体を簡易、かつ安価に構成することができる。

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、一例として、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１９、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。なお、本明細書において、「直流信号の通過を阻止する」とは、直流信号の通過を完全に阻止する場合と、直流信号に対して例えば１００ＭΩ以上の抵抗値で通過を制限する場合とを含む概念である。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、設計上、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）となるように設定されている。

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、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素子に置き換えた構成であっても、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、検出電極１２と参照電位となる部位（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側に位置すると共に第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側に位置するように配設されている。具体的には、可変容量回路１９は、図１に示すように、容量変化機能体１３の接続点Ａが検出電極１２に接続されると共に、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（数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった高い周波数の信号）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（本発明における交流電圧）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、二次巻線１４ｃの各端部が容量変化機能体１３の接続点Ｂ，Ｄに接続されたトランス１４ａを備え、入力した駆動信号Ｓ１に基づいてトランス１４ａの一次巻線１４ｂを励磁して、二次巻線１４ｃに駆動信号Ｓ２を発生させる。また、駆動回路１４は、ダイオード１４ｄおよび可変抵抗１４ｅ（本発明におけるインピーダンス素子）が直列接続されて構成された直列回路と、ダイオード１４ｆおよび可変抵抗１４ｇ（本発明におけるインピーダンス素子の一例）が直列接続されて構成された直列回路とで構成された調整回路７１を備えている。この場合、各ダイオード１４ｄ，１４ｆは、可変容量ダイオードでも、シリコンダイオードでもよい。前者の直列回路では、ダイオード１４ｄのアノード端子と可変抵抗１４ｅとが接続されている。一方、後者の直列回路では、ダイオード１４ｆのカソード端子と可変抵抗１４ｇとが接続されている。また、各直列回路は、トランス１４ａの一次巻線１４ｂにそれぞれ並列に接続されている。

この構成により、調整回路７１は、可変抵抗１４ｅ，１４ｇの抵抗値が調整されて各直列回路に流れる電流が増減されることにより、駆動信号Ｓ１に起因してトランス１４ａの一次巻線１４ｂに流れる電流を駆動信号Ｓ１の正電圧期間および負電圧期間において個別に調整可能であり、これにより、トランス１４ａの二次巻線１４ｃに発生する駆動信号Ｓ２の正電圧波形のレベルと負電圧波形のレベルとを独立して調整可能となっている。したがって、駆動回路１４は、入力した駆動信号Ｓ１を正電圧波形と負電圧波形とが非対称な駆動信号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間に印加可能となっている。なお、上記の駆動回路１４に代えて、単独で（本体ユニット３から駆動信号Ｓ１を入力せずに）駆動信号Ｓ２を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、一例として抵抗で構成されて、可変容量回路１９（具体的には可変容量回路１９の容量変化機能体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、発振回路２１、Ａ／Ｄ変換回路２２、ＣＰＵ２３、Ｄ／Ａ変換回路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。この場合、発振回路２１は、一定の周期Ｔ１（周波数ｆ１。本例では一例として２．２５ＭＨｚ）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。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。Ａ／Ｄ変換回路２２は、ＣＰＵ２３およびＤ／Ａ変換回路２４と共に、本発明における電圧制御部ＣＮＴ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ＣＰＵ２３に出力する。

ＣＰＵ２３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、ＣＰＵ２３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２４に出力する。

Ｄ／Ａ変換回路２４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。電圧生成回路２５は、電圧制御部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、基準電位（接続端子ＣＰの電位。グランド電位）を基準として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。なお、電圧計２６は、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に変換して外部に出力する構成を採用してもよい。

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。

最初に、電圧Ｖ１の測定前に、電圧測定装置１を校正する。具体的には、まず、電圧が一定の基準対象体（不図示）に対して、検出電極１２を非接触な状態で対向させ、次いで、電圧測定装置１を起動させる。電圧測定装置１では、起動状態において、後述するように、電流検出器１５、プリアンプ１６、Ａ／Ｄ変換回路２２、ＣＰＵ２３、Ｄ／Ａ変換回路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において、測定対象体４とケース１１との間の電位差が徐々に低下（減少）するように負のフィードバックが行われる。この結果、起動から所定時間が経過した時点で、フィードバック電圧Ｖ４が基準対象体の電圧と一致した状態となる。電圧測定装置１に対する校正は、この状態において、プローブユニット２から出力される検出信号Ｓ３の波形をオシロスコープなどで観測しつつ、調整回路７１における各抵抗１４ｅ，１４ｇのうちの少なくとも一方の抵抗値を変更して、検出信号Ｓ３の振幅が最小になるように調整することにより行われる。

この校正について具体的に説明すると、上記したように、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するように設計上は構成されてはいるものの、各構成単位３１〜３４に含まれるダイオード等の構成要素の特性のばらつきに起因して、フィードバック電圧Ｖ４が基準対象体の電圧に一致した場合であっても、容量変化機能体１３に流れる電流ｉおよび容量変化機能体１３の両端間電圧（接続点Ａ，Ｃ間電圧）に、駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分（図１１参照）および駆動信号Ｓ２の周波数成分が含まれる結果、検出信号Ｓ３の振幅が図１４に示すように大きくなることがある。しかしながら、この電圧測定装置１では、このような場合においても、調整回路７１の各抵抗１４ｅ，１４ｇのうちの少なくとも一方の抵抗値を変更して、容量変化機能体１３に印加される駆動信号Ｓ２の正電圧波形と負電圧波形とを非対称とすることにより、駆動信号Ｓ２中に、その基本周波数の二次（偶数次）高調波を発生させることができる。したがって、この電圧測定装置１では、検出信号Ｓ３の波形をオシロスコープなどで観測しつつ各抵抗１４ｅ，１４ｇのうちの少なくとも一方の抵抗値を微調整することにより、発生させた二次（偶数次）高調波を用いて、容量変化機能体１３に流れる電流ｉおよび容量変化機能体１３の両端間電圧（接続点Ａ，Ｃ間電圧）に含まれている駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分（図１１参照。なお、図１１では検出信号Ｓ３に含まれているこの２倍の周波数成分を示す）を図１０に示すように低減させることができ、検出信号Ｓ３全体の振幅についても低減させることができる。

この校正完了後、電圧Ｖ１の測定のため、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。

起動状態の電圧測定装置１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。この際、駆動回路１４では、調整回路７１が、上記したように、トランス１４ａの一次巻線１４ｂに流れる電流を駆動信号Ｓ１の正電圧期間と負電圧期間とで個別に調整することにより、二次巻線１４ｃに発生する駆動信号Ｓ２の正電圧波形および負電圧波形を、図３において実線で示すように、校正において設定された非対称状態にする。なお、破線で示す波形は、駆動信号Ｓ２が対称状態のときの波形を示している。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３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が電流検出器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３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、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。

また、電圧測定装置１の動作開始直後においては、本体ユニット３のＣＰＵ２３による積分処理も開始された直後であるため、ＣＰＵ２３から出力される積分データＤ２はほぼゼロであり、これにより、Ｄ／Ａ変換回路２４から出力される直流電圧Ｖ３もほぼゼロである。したがって、電圧生成回路２５は、ほぼゼロボルトの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。このため、電圧測定装置１におけるプローブユニット２のケース１１と測定対象体４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、電圧測定装置１のプローブユニット２では、測定対象体４とケース１１との間の電位差（Ｖ１−Ｖ４）に応じた振幅の電流ｉ（周期Ｔ２）が流れる。この場合、容量変化機能体１３に流れる電流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、容量変化機能体１３に流れる電流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−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、検出信号Ｓ３として本体ユニット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の電圧制御部ＣＮＴでは、Ａ／Ｄ変換回路２２が検出信号Ｓ３をディジタルデータＤ１に変換してＣＰＵ２３に出力する。ＣＰＵ２３は、入力したディジタルデータＤ１に対して検波処理を実行して周波数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し、さらに積分処理を実行してこの抽出されたデータを積分して積分データＤ２を生成して出力する。Ｄ／Ａ変換回路２４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に出し、電圧生成回路２５はこの直流電圧Ｖ３を増幅することにより、フィードバック電圧Ｖ４を生成して、プローブユニット２のケース１１に印加する。また、電圧計２６は、フィードバック電圧Ｖ４の電圧値を表示する。このように、電流検出器１５、プリアンプ１６、Ａ／Ｄ変換回路２２、ＣＰＵ２３、Ｄ／Ａ変換回路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において、各構成要素が上記のように作動することにより、フィードバック電圧Ｖ４が測定対象体４の電圧Ｖ１に急速に収束して、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が短時間でほぼゼロになり、プローブユニット２の容量変化機能体１３に流れる電流ｉもほぼゼロになる。

また、フィードバック電圧Ｖ４は、測定対象体４の電圧Ｖ１に一旦収束した後は、フィードバックループを構成する各構成要素が上記のように動作することにより、測定対象体４の電圧Ｖ１の変動に追従する。したがって、測定対象体４の電圧Ｖ１の変化に応じて、その電圧Ｖ１が電圧計２６に連続して表示される。

このように、この電圧測定装置１では、調整回路７１が、駆動回路１４から容量変化機能体１３に印加される駆動信号Ｓ２の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする。したがって、この電圧測定装置１によれば、容量変化機能体１３に印加される駆動信号Ｓ２の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にすることにより、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に二次高調波を任意のレベルで発生させることができるため、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に含まれる駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分および駆動信号Ｓ２の周波数成分のうちの前者の周波数成分を発生させた二次高調波で相殺して低減することができ、その結果、フィードバック電圧Ｖ４が測定対象体４の電圧Ｖ１に収束した（フィードバック電圧Ｖ４が測定対象体４の電圧Ｖ１と致した）場合における容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧の振幅を低減することができる。これにより、この電圧測定装置１によれば、測定対象体４の電圧Ｖ１を示す測定結果としてのフィードバック電圧Ｖ４に生じるばらつきを低減することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１の測定精度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では、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を逆向きに直列接続して構成された第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４を含んで可変容量回路１９が構成され、駆動回路１４が第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４に対して駆動信号Ｓ２を印加することによって可変容量回路１９の静電容量Ｃ１を変化させる。したがって、この電圧測定装置１によれば、可変容量回路１９を第１素子４１ａ，４１ｂとしての半導体素子（この例ではダイオード）で構成したことで、容量変化機能体１３の静電容量Ｃ１を駆動信号Ｓ２の周期の二分の一の周期（駆動信号Ｓ２の周波数の２倍の周波数）で変化させることができ、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）となる結果、測定対象体４の電圧Ｖ１を極めて短時間に測定することができる。また、電圧測定装置１によれば、可変容量回路１９は機械的に可動する部分がないため、装置の信頼性を向上させることができる。

さらに、この電圧測定装置１では、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が共に第１電気的要素Ｅ１を含んで構成されている。したがって、この電圧測定装置１によれば、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の構成を同一にできるため、容量変化機能体１３の構成を簡易にすることができると共に、大幅に小型化することができる。また、第１素子４１ａ，４１ｂとしてダイオードを使用したことにより、可変容量回路１９、ひいては電圧測定装置１を簡易、かつ安価に構成することができる。

また、この電圧測定装置１では、ダイオード１４ｄおよび可変抵抗１４ｅが直列接続されて構成された直列回路と、ダイオード１４ｆおよび可変抵抗１４ｇが直列接続されて構成された直列回路とを備えて調整回路７１が構成されて、調整回路７１、つまり各直列回路がトランス１４ａの一次巻線１４ｂに並列に接続されている。このため、この電圧測定装置１によれば、可変抵抗１４ｅ，１４ｇの抵抗値を調整することにより、駆動信号Ｓ１に起因してトランス１４ａの一次巻線１４ｂに流れる電流を駆動信号Ｓ１の正電圧期間および負電圧期間において個別に調整することができ、これによってトランス１４ａの二次巻線１４ｃに発生する駆動信号Ｓ２の正電圧波形のレベルと負電圧波形のレベルとを独立して調整することができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に発生させる二次高調波のレベル調整の自由度を高めることができるため、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に含まれる駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分および駆動信号Ｓ２の周波数成分のうちの前者の周波数成分を発生させた二次高調波でより確実に相殺して低減することができ、その結果、フィードバック電圧Ｖ４が測定対象体４の電圧Ｖ１に収束した場合における容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧の振幅を一層低減することができる。これにより、この電圧測定装置１によれば、測定対象体４の電圧Ｖ１を示す測定結果としてのフィードバック電圧Ｖ４に生じるばらつきを一層低減することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１の測定精度をさらに向上させることができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、ダイオード１４ｄおよび可変抵抗１４ｅで構成された直列回路と、ダイオード１４ｆおよび可変抵抗１４ｇで構成された直列回路の２つの直列回路を備えて、駆動信号Ｓ２の正電圧波形および負電圧波形のレベルに対する調整の自由度の高い調整回路７１について上記したが、この２つの直列回路のうちのいずれか一方だけを備えて構成することもできる。この１つの直列回路だけであっても、駆動信号Ｓ２の正電圧波形および負電圧波形のいずれか一方のレベルを調整することができ、これにより、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に二次高調波を任意のレベルで発生させることができるため、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に含まれる駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分をこの二次高調波で相殺して低減することができる。

また、ダイオード１４ｄおよび可変抵抗１４ｅで構成された直列回路と、ダイオード１４ｆおよび可変抵抗１４ｇで構成された直列回路をトランス１４ａの一次巻線１４ｂに並列に接続して構成した調整回路７１について上記したが、図１２に示すように、ダイオード１４ｄおよび可変抵抗１４ｅで構成された並列回路と、ダイオード１４ｆおよび可変抵抗１４ｇで構成された並列回路とをトランス１４ａの一次巻線１４ｂに直列に接続して構成した調整回路７１Ａを採用することもできる。この調整回路７１Ａにおいても、可変抵抗１４ｅ，１４ｇの抵抗値を変更することにより、トランス１４ａの一次巻線１４ｂに流れる電流を駆動信号Ｓ１の正電圧期間および負電圧期間において個別に調整可能であり、これにより、トランス１４ａの二次巻線１４ｃに発生する駆動信号Ｓ２の正電圧波形のレベルと負電圧波形のレベルとを独立して調整することができる。したがって、この調整回路７１Ａを備えた電圧測定装置１においても、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に二次高調波を任意のレベルで発生させることができるため、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に含まれる駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分をこの二次高調波で相殺して低減することができる。また、２つの並列回路を用いたことにより、駆動信号Ｓ１に起因してトランス１４ａの一次巻線１４ｂに流れる電流を駆動信号Ｓ１の正電圧期間および負電圧期間において個別に調整することができる。このため、前述した２つの直列回路を備えた調整回路７１と同様にして、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に発生させる二次高調波のレベル調整の自由度を高めることができる結果、容量変化機能体１３に流れる電流ｉ、および容量変化機能体１３の両端間電圧に含まれる駆動信号Ｓ２の２倍の周波数成分および駆動信号Ｓ２の周波数成分のうちの前者の周波数成分を発生させた二次高調波でより確実に相殺して低減することができる。これにより、この調整回路７１Ａを備えた電圧測定装置１によれば、測定対象体４の電圧Ｖ１を示す測定結果としてのフィードバック電圧Ｖ４に生じるばらつきを一層低減することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１の測定精度をさらに向上させることができる。また、２つの並列回路を用いる構成と比較して、調整の自由度は若干低下するものの、図１２中の上記２つの並列回路のうちのいずれか一方だけを用いて調整回路７１Ａを構成してもよいのは勿論である。

また、上記の各調整回路７１，７１Ａでは、インピーダンス素子として抵抗を使用したが、可変インダクタや可変コンデンサを使用して、インピーダンスとしてのインダクタンスやキャパシタンスを変更する構成を採用することもできる。

また、上記した可変容量回路１９の容量変化機能体１３では、図２に示すように、第１電気的要素Ｅ１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４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。

この容量変化機能体１３Ａにおいても、機械的に可動する構成が存在していないため、高い周波数での容量変化動作が可能で、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、容量変化機能体１３Ａでも、容量変化機能体１３と同様にして、少なくとも隣接する一対の構成単位が第１電気的要素Ｅ１を含むため、各接続点Ｂ，Ｄ間に駆動信号Ｓ２が印加されたときに、各接続点Ａ，Ｃ間の静電容量Ｃ１が駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２で変化する。このため、この容量変化機能体１３Ａを使用した電圧測定装置１（図１参照）でも、容量変化機能体１３を使用した電圧測定装置１と同様にして、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（動作周波数の高速化が可能）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。また、この容量変化機能体１３Ａにおいても、接続点Ａに接続されている各構成単位３１，３４、または接続点Ｃに接続されている各構成単位３２，３３が第１電気的要素（常時コンデンサとして機能する電気的要素）を含んで構成されている。このため、検出電極１２とケース１１とを、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することができる。また、上記した電気的特性の共振体６２ｃ，６３ｃを使用することにより、容量変化機能体１３Ａの容量変調周波数（周波数ｆ２）において、各共振体６２ｃ，６３ｃ（つまり共振体６２ｃ，６３ｃで構成された各構成単位３２Ａ，３３Ａ）のインピーダンスを低くすることができる結果、容量変化機能体１３Ａに十分な交流電流（電流ｉ）を流すことができる。このため、容量変化機能体１３Ａを使用した電圧測定装置１における電圧検出の精度を十分に高めることができる。

また、図２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５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。

この容量変化機能体１３Ｂにおいても、機械的に可動する構成が存在していないため、高い周波数での容量変化動作が可能で、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、容量変化機能体１３Ｂでも、容量変化機能体１３と同様にして、少なくとも隣接する一対の構成単位が第１電気的要素Ｅ１を含むため、各接続点Ｂ，Ｄ間に駆動信号Ｓ２が印加されたときに、各接続点Ａ，Ｃ間の静電容量Ｃ１が駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２で変化する。このため、この容量変化機能体１３Ｂを使用した電圧測定装置１（図１参照）でも、容量変化機能体１３を使用した電圧測定装置１と同様にして、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（動作周波数の高速化が可能）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。また、この容量変化機能体１３Ｂにおいては、接続点Ａに接続されている各構成単位３１，３４Ａの一方が第１電気的要素（常時コンデンサとして機能する電気的要素）を含むと共に、他方がコンデンサまたは直流電流の通過阻止機能を有する共振体を含んで構成され、また接続点Ｃに接続されている各構成単位３２，３３の一方が第１電気的要素（常時コンデンサとして機能する電気的要素）を含むと共に、他方がコンデンサまたは直流電流の通過阻止機能を有する共振体を含んで構成されている。このため、検出電極１２とケース１１とを、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することができる。また、上記した電気的特性の共振体６３ｄ，６４ａを使用することにより、容量変化機能体１３Ｂの容量変調周波数（周波数ｆ２）において、各共振体６３ｄ，６４ａ（つまり共振体６３ｄ，６４ａで構成された各構成単位３３Ｂ，３４Ａ）のインピーダンスを低くすることができる結果、容量変化機能体１３Ｂに十分な交流電流（電流ｉ）を流すことができる。このため、容量変化機能体１３Ｂを使用した電圧測定装置１における電圧検出の精度を十分に高めることができる。

なお、図４，５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２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４１ａ，４１ｂ（具体的には一般的な可変容量ダイオード）でそれぞれ構成しているが、各構成単位３１〜３４を構成する一対の可変容量ダイオードは、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２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４１ａ，４１ｂ（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Ｅ１を１つのトランジスタでそれぞれ構成して、図６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２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、この容量変化機能体１３では、この接続点を介して、各ダイオードを構成する２つのＰ型半導体と２つのＮ型半導体とがＰ−Ｎ−Ｎ−Ｐという順序で配列されている。具体的には、図２の容量変化機能体１３では、第４の構成単位３４の第１素子４１ｂと第１の構成単位３１の第１素子４１ａとの組、第１の構成単位３１の第１素子４１ｂと第２の構成単位３２の第１素子４１ａとの組、第２の構成単位３２の第１素子４１ｂと第３の構成単位３３の第１素子４１ａとの組、および第３の構成単位３３の第１素子４１ｂと第４の構成単位３４の第１素子４１ａとの組において、各第１素子４１ａ，４１ｂを構成する２つのダイオードが互いに逆向きに直列接続される結果、各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを挟んで２つのＰ型半導体と２つのＮ型半導体とが、Ｐ−Ｎ−Ｎ−Ｐという順序で配列されている。このため、各組の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ＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることにより、図７に示す容量変化機能体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、図２に示す容量変化機能体１３における各可変容量ダイオードを逆向きにして、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Ｅ１が構成された容量変化機能体（図示せず）についても、図８に示す容量変化機能体１３Ｅのように、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることができるし、また図９に示す容量変化機能体１３Ｆのように、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で置き換えることができる。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、上記した電圧測定装置１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Ｖ１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Ｖ１を正確に測定することができる。また、容量変化機能体１３に流れる電流ｉと同様にして、容量変化機能体１３の両端間電圧も、測定対象体４の電圧Ｖ１と参照電位（ケース１１の電位、つまりフィードバック電圧Ｖ４）との電位差に比例して変化する。このため、図示はしないが、電流検出器１５を配設せずに、容量変化機能体１３，１３Ａ，・・，１３Ｇの両端間電圧をプリアンプ１６で検出して検出信号Ｓ３として出力する構成を採用することもできる。

電圧測定装置１のブロック図である。 容量変化機能体１３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。 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。 検出信号Ｓ３に含まれるこの２倍の周波数成分の波形図である（調整回路７１有りの場合）。 検出信号Ｓ３に含まれるこの２倍の周波数成分の波形図である（調整回路７１無しの場合）。 電圧測定装置１の他の駆動回路１４のブロック図である。 本願発明者が既に開発している可変容量回路１９およびその周辺回路のブロック図である。 図１３に示す検出信号Ｓ３の波形図である。

符号の説明

１ 電圧測定装置
２ プローブユニット
３ 本体ユニット
４ 測定対象体
１１ ケース
１２ 検出電極
１３，１３Ａ〜１３Ｇ 容量変化機能体
１４ 駆動回路
１５ 電流検出器
１９ 可変容量回路
２５ 電圧生成回路
３１，３２，３２Ａ，３３，３３Ａ，３３Ｂ，３４，３４Ａ 構成単位
７１，７１Ａ 調整回路
ＣＮＴ 電圧制御部
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
ｉ 電流
Ｖ１ 測定対象体４の電圧
Ｖ４ フィードバック電圧（参照電位）

Claims (6)

1. 測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、
   前記可変容量回路は、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た第１電気的要素をそれぞれ含む第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成されると共に当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続され、かつ当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、
   前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている電圧測定装置。
2. 測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、
   前記可変容量回路は、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、かつ当該第１の構成単位と当該第４の構成単位との組、および当該第２の構成単位と当該第３の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位が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た第１電気的要素をそれぞれ含むと共に、他の組の各構成単位が交流信号の通過を許容する第２電気的要素をそれぞれ含み、かつ当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続されると共に当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、
   前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている電圧測定装置。
3. 測定対象体に対向可能な検出電極、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、前記参照電位を生成する電圧生成回路、および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制御部を備えて前記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、
   前記可変容量回路は、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、かつ当該第１の構成単位と当該第２の構成単位との組、および当該第３の構成単位と当該第４の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位が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た第１電気的要素をそれぞれ含むと共に、他の組の各構成単位が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電気的要素をそれぞれ含み、かつ当該第１の構成単位および当該第４の構成単位の接続点が前記検出電極に接続されると共に当該第２の構成単位および当該第３の構成単位の接続点が前記参照電位に接続された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に交流電圧を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて構成され、
   前記駆動回路から前記容量変化機能体に印加される前記交流電圧の正電圧波形と負電圧波形とを非対称にする調整回路を備えている電圧測定装置。
4. 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、
   前記調整回路は、ダイオードおよびインピーダンス素子が直列接続されて構成されて、前記トランスの一次巻線に並列に接続されている請求項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、
   前記調整回路は、ダイオードおよびインピーダンス素子が並列接続されて構成されて、前記トランスの一次巻線に直列に接続されている請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置。
6. 前記第１素子は、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されている請求項１から５のいずれかに記載の電圧測定装置。

Images