JP2009168696A

JP2009168696A - 電圧検出装置

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Publication number: JP2009168696A
Application number: JP2008008678A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kutsukake; 浩沓掛
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP5160248B2

Abstract

【課題】測定対象体の電圧を簡易に非接触で測定する。
【解決手段】測定対象体４に対向可能な検出電極１２と、参照電圧Ｖｒを発生させる電圧生成部２６と、一端に検出電極１２を介して測定対象体４の電圧Ｖ１が印加されると共に他端に参照電圧Ｖｒが印加される可変容量回路１９と、静電容量変化時における可変容量回路１９に発生する電流ｉを検出して検出信号Ｓ３として出力する電流検出器１５と、検出信号Ｓ３を検波することにより測定対象体４の電圧Ｖ１と参照電圧Ｖｒとの電位差に応じて振幅が変化するアナログ信号Ｓ５を出力する検波回路２４と、電圧生成部２６に対して参照電圧Ｖｒを段階的に変更させつつ各段階でのアナログ信号Ｓ５のレベルを測定する電圧変更・測定処理を実行すると共に、検出したレベルが最小となる参照電圧Ｖｒを示す電圧情報Ｄ１を出力する処理部２５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非接触で検出する電圧検出装置に関するものである。

本願出願人は、測定対象体の電圧を非接触で測定する種々の電圧測定装置を既に提案している（一例として下記特許文献１，２に開示されている電圧測定装置）。

これらの電圧測定装置は、測定対象体の電圧を非接触で測定可能に構成された電圧検出装置であって、測定対象体に対向可能な検出電極と、検出電極とケース（基準電位）との間に接続されてその静電容量を周期的に変化可能に構成された可変容量回路と、基準電位の電圧となるフィードバック電圧を生成する電圧生成回路と、制御部とを備えている。これらの電圧測定装置では、可変容量回路が静電容量を変化させているきに、制御部が電圧生成回路を制御して、可変容量回路に流れる電流が減少するようにフィードバック電圧の電圧値を変化させる。この場合、可変容量回路に流れる電流は、検出電極が対向する測定対象体の電圧と基準電位との電位差に応じたものとなるため、フィードバック電圧は測定対象体の電圧に収束する。したがって、フィードバック電圧を測定することにより、測定対象体の電圧が非接触で測定される。
特開２００７−１３２９２６号公報（第７−１２頁、第１図）特開２００７−１６３４１５号公報（第９−１４頁、第１図）

ところで、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正確に測定する測定装置についての本願出願人の提案に対して、商用電源ラインのように電圧の種類が数種類に限定されている測定対象体の電圧を簡易に非接触で測定し得る安価な電圧測定装置（検電器のような電圧検出装置）の実現に対する要望も多く存在していることが判明した。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、測定対象体の電圧を簡易に非接触で測定し得る安価な電圧検出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記載の電圧検出装置は、測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電圧を発生させる電圧生成部と、静電容量を変化可能に構成され、一端に前記検出電極を介して前記測定対象体の電圧が印加されると共に他端に前記参照電圧が印加される可変容量回路と、静電容量変化時における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検出して検出信号として出力する検出部と、前記検出信号を検波することにより前記測定対象体の前記電圧と前記参照電圧との電位差に応じて振幅が変化するアナログ信号を出力する検波回路と、前記電圧生成部に対して前記参照電圧を段階的に変更させつつ各段階での前記アナログ信号のレベルを測定する電圧変更・測定処理を実行して、当該検出したレベルが最小となる前記参照電圧を示す電圧情報を出力する処理部とを備えている。

また、請求項２記載の電圧検出装置は、請求項１記載の電圧検出装置において、前記電圧生成部は、前記参照電圧としての交流電圧をその振幅およびその周波数を変更して生成可能に構成され、前記処理部は、前記電圧生成部に対して前記参照電圧を前記アナログ信号に同期させた後に前記電圧変更・測定処理を実行する。

また、請求項３記載の電圧検出装置は、請求項１または２記載の電圧検出装置において、前記処理部は、前記電圧情報を表示装置に出力して表示させる。

請求項１記載の電圧検出装置では、処理部が、電圧変更・測定処理を実行することにより、電圧生成部に対して参照電圧を段階的に変更させつつ各段階でのアナログ信号のレベルを検出して、この検出したレベルが最小となる参照電圧を示す電圧情報を出力する。この場合、レベルが最小となる参照電圧は、段階的に変更させた参照電圧のうちで測定対象体の電圧に最も近い電圧となる。したがって、この電圧検出装置によれば、電圧の種類が限定されている測定対象体の電圧を非接触で、しかも参照電圧を測定対象体の電圧に収束させてこの電圧を検出するフィードバック方法と比較して簡易な構成で検出することができる。これにより、電圧検出装置の製品コストを十分に安価にすることができる。

また、請求項２記載の電圧検出装置では、参照電圧としての交流電圧をその振幅およびその周波数を変更して生成可能に電圧生成部が構成され、処理部が、この電圧生成部に対して参照電圧をアナログ信号に同期させた後に、電圧変更・測定処理を実行して、参照電圧を段階的に変更させてアナログ信号のレベルを検出する。したがって、この電圧検出装置によれば、参照電圧を交流電圧である測定対象体の電圧に同期させることができるため、アナログ信号の振幅を参照電圧と測定対象体の電圧との電位差に正確に比例させることができる結果、アナログ信号の振幅に基づく測定対象体の電圧の検出精度を十分に向上させることができる。

また、請求項３記載の電圧検出装置によれば、アナログ信号のレベルが最小となる参照電圧についての電圧情報が表示装置に表示されるため、検出した測定対象体の電圧を目視にて確実に認識することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧検出装置の最良の形態について説明する。

最初に、本発明に係る電圧検出装置１について、図面を参照して説明する。

電圧検出装置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（一定周期の交流電圧）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、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、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、図示はしないが、各第１電気的要素Ｅ１は、一対のダイオードのカソード端子同士を接続して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、可変容量ダイオードに代えて、一般的なダイオードで各第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。

また、可変容量回路１９は、図１に示すように、検出電極１２と参照電圧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で構成されてプリアンプ１６と共に本発明における検出部として機能する。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、発振回路２１、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４、処理部２５、電圧生成部２６および出力部２７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）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。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。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、周波数および位相が互いに同期し、かつ比例した信号となる。処理部２５は、例えばＣＰＵとメモリとで構成されて、アナログ信号Ｓ５の零クロス点を検出してこの零クロス点に同期したタイミングパルスＳｔｐを出力する零クロス検出処理、切替信号Ｓｓを出力して電圧生成部２６内の後述する切替スイッチ５３を切り替える切替処理、アナログ信号Ｓ５のレベル測定処理、アナログ信号Ｓ５のレベルに基づいて電圧Ｖ１を示す電圧情報を特定する電圧特定処理、および特定した電圧情報を出力部２７に出力させる出力処理を実行する。

電圧生成部２６は、電圧生成回路５１、トランス５２および切替スイッチ５３を備えている。この場合、電圧生成回路５１は、一定振幅の交流信号Ｓ６（本例では、測定対象体の電圧Ｖ１に対応させて正弦波）を、立ち上がりの零クロス点が処理部２５から出力されるタイミングパルスＳｔｐに同期するように生成して出力する。トランス５２は、絶縁型のトランスであって、一次巻線５２ａ、および複数（本例では一例として３つ）のタップが設けられた二次巻線５２ｂ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５２ａおよび二次巻線５２ｂ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５２ａの他端部は電圧生成回路５１に、二次巻線５２ｂの各タップは切替スイッチ５３にそれぞれ接続されている。この構成により、トランス５２は、一次巻線５２ａに入力した交流信号Ｓ６を昇圧して切替スイッチ５３に出力する。本例では一例として、トランス５２は、第１タップからＡＣ１００ボルトの交流電圧Ｖｒ１を出力し、第２タップからＡＣ１２０ボルトの交流電圧Ｖｒ２を出力し、第３タップからＡＣ２２０ボルトの交流電圧Ｖｒ３を出力する。

切替スイッチ５３は、一例として４入力１出力型であって、各入力端子にグランド（電圧Ｖｒ０）、およびトランス５２の第１〜第３タップが接続され、かつ出力端子がプローブユニット２のケース１１に接続されている。また、切替スイッチ５３は、処理部２５から出力される切替信号Ｓｓによって内部接点が切り替えられて、各入力端子に入力されている電圧（Ｖｒ０〜Ｖｒ３）のうちの任意の１つを出力端子から参照電圧Ｖｒとして出力して、プローブユニット２のケース１１に印加する。なお、本例では一例として１つの入力端子を上記のようにグランドに接続しているが、グランド電位以外の電位であっても、固定電位（直流定電位）であればよい。出力部２７は、本例では一例として表示装置（ディスプレイ装置）で構成されて、処理部２５から出力された電圧情報Ｄ１を入力して表示画面上に表示させる。この場合、出力部２７は、「ＡＣ１００Ｖ」、「ＡＣ１２０Ｖ」および「ＡＣ２２０Ｖ」の文字のうちのいずれかを電圧情報Ｄ１として表示する。なお、出力部２７は、ＬＥＤなどの表示装置で構成することもできるし、プリンタなどの印字装置などで構成することもできる。

次いで、電圧検出装置１の検出動作について説明する。

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）。なお、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が、その変動は、電圧検出装置１による電圧Ｖ１の検出時間と比べたときにゆっくりとしたものであるため、実質的に一定とみなすことができる。

次いで、電圧検出装置１の起動後において、処理部２５は、図５に示す電圧検出処理１００を実行する。この電圧検出処理１００では、処理部２５は、まず、切替処理を行ってプローブユニット２のケース１１を固定電位（本例ではグランド電位）に規定する（ステップ１０１）。具体的には、処理部２５は、切替信号Ｓｓを切替スイッチ５３に出力して切替スイッチ５３の接点を切り替えることにより、切替スイッチ５３の出力端子をグランド（Ｖｒ０）に接続する。これにより、切替スイッチ５３から参照電圧Ｖｒとして電圧Ｖｒ０が出力されるため、プローブユニット２のケース１１がグランド電位に規定される。

電圧検出装置１の起動状態においては、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。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、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。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若干含まれている。

本体ユニット３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を所定の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を生成して処理部２５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が、上記したように参照電圧Ｖｒ（プローブユニット２のケース１１の電圧）がグランド電位に規定されているため、その振幅が測定対象体４の電圧Ｖ１に比例して変化すると共に、周波数および位相が電圧Ｖ１に同期した信号となっている。すなわち、アナログ信号Ｓ５および電圧Ｖ１は、各々の立ち上がりおよび立ち下がりが互いに一致した状態となっている。

この状態において、処理部２５は、零クロス点検出処理を実行する（ステップ１０２）。この零クロス点検出処理では、処理部２５は、検波回路２４から出力されているアナログ信号Ｓ５の零クロス点を検出すると共に、零クロス点を検出したタイミングに同期してタイミングパルスＳｔｐを生成して出力する。本例では、処理部２５は、アナログ信号Ｓ５の立ち上がり時における零クロス点を検出してタイミングパルスＳｔｐを出力する。処理部２５は、この零クロス点検出処理を継続する。これにより、タイミングパルスＳｔｐが継続して処理部２５から電圧生成部２６の電圧生成回路５１に出力されるため、電圧生成回路５１は、立ち上がりの零クロス点がタイミングパルスＳｔｐに同期する一定振幅の交流信号Ｓ６の生成を開始する。また、トランス５２は、交流信号Ｓ６を昇圧して各交流電圧Ｖｒ１〜Ｖｒ３を出力する。

次いで、処理部２５は、電圧変更・測定処理を実行する。この電圧変更・測定処理では、処理部２５は、まず、切替処理を実行して切替スイッチ５３から出力される参照電圧Ｖｒを交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３のうちのいずれかに変更する（ステップ１０３）。続いて、処理部２５は、この変更状態においてレベル測定処理を実行する（ステップ１０４）。このレベル測定処理では、処理部２５は、アナログ信号Ｓ５の振幅を測定し、測定した振幅を参照電圧Ｖｒの電圧（交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３）に対応させてメモリに記憶する。処理部２５は、レベル測定処理の回数が所定回数（トランス５２のタップ数と同数。本例では３回）を完了したか否かを判別しつつ（ステップ１０５）、上記ステップ１０３，１０４を繰り返し実行し、所定回数のレベル測定を完了したとき（すべての交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３でのレベル測定が完了したとき）に、切替処理およびレベル測定処理を終了させる。これにより、参照電圧Ｖｒを段階的に変更させたときの各段階（交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３）でのアナログ信号Ｓ５のレベルが、交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３に対応してメモリに記憶される。これにより、電圧変更・測定処理が完了する。

続いて、処理部２５は電圧特定処理を実行する（ステップ１０６）。この電圧特定処理では、処理部２５は、メモリに記憶されている交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３での各アナログ信号Ｓ５のレベル同士を比較して、レベルが最小となる交流電圧を検出（特定）してメモリに記憶する。これにより、電圧特定処理が完了する。

上記のステップ１０３が所定回数（３回）実行されたときには、参照電圧Ｖｒ（プローブユニット２のケース１１の電圧）が図４に示すように、段階的（本例では交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３の３段階）に変化する（変更される）。この場合、各交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３は、電圧生成回路５１においてタイミングパルスＳｔｐに同期して生成される交流信号Ｓ６を昇圧したものであるため、同図に示すように、周波数および位相が電圧Ｖ１と同期した状態（立ち上がりおよび立ち下がりが一致した状態）となっている。このため、交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３のうちの電圧Ｖ１との電位差（Ｖ１−Ｖｒ）が最小となる交流電圧（すなわち、電圧Ｖ１に最も近い交流電圧。図４では交流電圧Ｖｒ２）でのアナログ信号Ｓ５のレベルが最小となる。したがって、上記の電圧特定処理により、測定対象体４の電圧Ｖ１に最も近い交流電圧が検出（特定）される。

最後に、処理部２５は、交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３のうちの特定した交流電圧を示す電圧情報Ｄ１を出力部２７に出力する出力処理を実行する（ステップ１０７）。これにより、表示装置で構成された出力部２７の表示画面上に、特定した交流電圧を示す電圧情報が表示される。例えば、各交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３と電圧Ｖ１との関係が図４の関係になっているときには、出力部２７の表示画面上には、電圧Ｖ１に最も近い交流電圧Ｖｒ２についての電圧情報として「ＡＣ１２０Ｖ」の文字が表示される。これにより、電圧検出処理が完了する。

このように、この電圧検出装置１では、処理部２５が電圧生成部２６に対して参照電圧Ｖｒを段階的に変更させつつ各段階でのアナログ信号Ｓ５のレベルを検出して、この検出したレベルが最小となる参照電圧Ｖｒ（つまり、交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３のうちの測定対象体４の電圧Ｖ１に最も近い交流電圧）を示す電圧情報を出力する。したがって、この電圧検出装置１によれば、電圧の種類が限定されている測定対象体４の電圧Ｖ１を非接触で、しかも参照電圧Ｖｒを電圧Ｖ１に収束させて電圧Ｖ１を検出（測定）するフィードバック方法と比較して簡易な構成で検出することができる。これにより、電圧検出装置１の製品コストを十分に安価にすることができる。

また、この電圧検出装置１では、参照電圧Ｖｒとしての交流電圧をその振幅およびその周波数を変更して生成可能に電圧生成部２６が構成され、処理部２５が、この電圧生成部２６に対して参照電圧Ｖｒをアナログ信号Ｓ５に同期させた後に参照電圧Ｖｒを段階的に変更させてアナログ信号Ｓ５のレベルを検出する。したがって、この電圧検出装置１によれば、参照電圧Ｖｒを交流電圧である測定対象体４の電圧Ｖ１に同期させることができるため、アナログ信号Ｓ５の振幅を参照電圧Ｖｒと電圧Ｖ１との電位差に正確に比例させることができる結果、アナログ信号Ｓ５の振幅に基づく電圧Ｖ１の検出精度を十分に向上させることができる。

また、この電圧検出装置１によれば、参照電圧Ｖｒとして電圧生成部２６から出力される交流電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３のうちのアナログ信号Ｓ５のレベルが最小となる交流電圧（参照電圧Ｖｒ）についての電圧情報が表示装置で構成された出力部２７に表示されるため、検出した電圧Ｖ１を目視にて確実に認識することができる。

なお、上記の構成に限定されるものではなく、電圧生成部２６については、タップを備えたトランス５２を使用する構成に代えて、交流電圧Ｖｒ１を生成する電源、交流電圧Ｖｒ２を生成する電源、および交流電圧Ｖｒ３を生成する電源を備え、これらの電源を切替信号Ｓｓによって切り替えて作動させる構成を採用することもできる。また、可変容量回路１９は、上記の容量変化機能体１３等を使用する構成に代えて、公知の種々の構成を採用することもできる。

また、図６に示す電圧検出装置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として出力するプローブユニット２Ａ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、電圧検出装置１Ａは電圧検出装置１と同一のため、同図では、電圧検出装置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。この電圧検出装置１Ａにおいても、電圧検出装置１と同様にして電圧Ｖ１を検出することができると共に、トランスＴｒ２のような電流検出器１５を省略できる分だけ、構成を一層簡易にすることができ、装置コストを一層安価にすることができる。

また、交流電圧である測定対象体４の電圧Ｖ１を検出する電圧検出装置１，１Ａについて上記したが、例えば、電圧検出装置１，１Ａの構成のうちの処理部２５および電圧生成部２６の構成に変更を加え、かつ処理部２５および電圧生成部２６以外の構成は同一とすることにより、直流電圧である測定対象体４の電圧Ｖ１を検出し得る電圧検出装置を実現することができる。以下、この電圧検出装置の概要について、一例として電圧検出装置１の構成を変更した例を挙げて説明する。この電圧検出装置では、電圧生成部２６は、上記構成に代えて、処理部２５の制御により、予め設定された複数の電圧値の直流電圧のうちの任意の１つを参照電圧Ｖｒとして出力する構成とする。例えば、電圧生成部２６は、切替信号Ｓｓに基づいて複数の直流電圧の１つを参照電圧Ｖｒとして出力する構成とする。この場合、電圧Ｖ１が直流電圧であり、参照電圧Ｖｒも直流電圧であるため、検波回路２４から出力されるアナログ信号Ｓ５も直流電圧となる。このため、この電圧検出装置での処理部２５は、電圧検出装置１，１Ａの構成とは異なり、アナログ信号Ｓ５の零クロスを検出する必要がない。したがって、この電圧検出装置での処理部２５は、図５に示す電圧検出処理のうちの切替処理１０１と零クロス検出処理１０２は行わずに、切替信号Ｓｓを出力して電圧生成部２６から出力される参照電圧Ｖｒを段階的に切り替える切替処理１０３から出力処理１０７までを実行する構成とする。これにより、このように構成された電圧検出装置によれば、簡易な構成を維持しつつ、直流電圧である測定対象体４の電圧Ｖ１を非接触で検出することができる。

電圧検出装置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。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および参照電圧Ｖｒ（交流電圧Ｖｒ１〜Ｖｒ３）の関係を示す波形図である。電圧検出処理１００のフローチャートである。電圧検出装置１Ａのブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ電圧検出装置
４測定対象体
１２検出電極
１５電流検出器
１６プリアンプ
１９可変容量回路
２４検波回路
２５処理部
２６電圧生成部
Ｓ３検出信号
Ｓ６アナログ信号
Ｖ１測定対象体の電圧
Ｖｒ参照電圧

Claims

測定対象体に対向可能な検出電極と、
参照電圧を発生させる電圧生成部と、
静電容量を変化可能に構成され、一端に前記検出電極を介して前記測定対象体の電圧が印加されると共に他端に前記参照電圧が印加される可変容量回路と、
静電容量変化時における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検出して検出信号として出力する検出部と、
前記検出信号を検波することにより前記測定対象体の前記電圧と前記参照電圧との電位差に応じて振幅が変化するアナログ信号を出力する検波回路と、
前記電圧生成部に対して前記参照電圧を段階的に変更させつつ各段階での前記アナログ信号のレベルを測定する電圧変更・測定処理を実行して、当該検出したレベルが最小となる前記参照電圧を示す電圧情報を出力する処理部とを備えている電圧検出装置。
前記電圧生成部は、前記参照電圧としての交流電圧をその振幅およびその周波数を変更して生成可能に構成され、
前記処理部は、前記電圧生成部に対して前記参照電圧を前記アナログ信号に同期させた後に前記電圧変更・測定処理を実行する請求項１記載の電圧検出装置。
前記処理部は、前記電圧情報を表示装置に出力して表示させる請求項１または２記載の電圧検出装置。