JP2010127725A - 非接触電圧測定装置および非接触電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置コストの上昇を回避しつつ、良好な精度で測定対象体の電圧を非接触で測定する。
【解決手段】測定対象体１１に近接して配設された対向電極２と基準電位Ｖｒｅｆに規定された基準電極３との間に中間電極４が配設されると共に、対向電極２と中間電極４との間に容量回路７が接続され、処理部８が、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更前において電圧測定部５および電圧測定部６で測定された電圧Ｖａ１，Ｖｂ１、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更後において電圧測定部５および電圧測定部６で測定された電圧Ｖａ２，Ｖｂ２、並びに下記式（ａ）に基づいて、測定対象体の電圧Ｖ１を測定する。
Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）
【選択図】図１

Description

本発明は、基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定装置および非接触電圧測定方法に関するものである。

この種の非接触電圧測定装置として、下記特許文献１に記載された非接触電圧測定装置が知られている。この非接触電圧測定装置は、導体（測定対象体）との間に結合容量が形成されるように配置された検出プローブと、容量値が異なる少なくとも２個のコンデンサと、これらのコンデンサを選択的に検出プローブと共通電位点との間に接続する選択手段と、検出プローブとコンデンサとの接続点の電圧が入力される高入力インピーダンス増幅器とを有し、選択手段によってコンデンサの１つを選択的に検出プローブと共通電位点との間に接続し、高入力インピーダンス増幅器の出力電圧の値および２つのコンデンサの容量値から結合容量の値を求め、この結合容量値を用いて導体に印加された電圧を演算するように構成されている。これにより、この非接触電圧測定装置では、導体を覆う絶縁を破ることなく非接触でその電圧を測定することが可能となっている。
特開２００３−２８９００号公報（第２−５頁、第１図）

ところが、上記の非接触電圧測定装置には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、この非接触電圧測定装置では、２つのコンデンサの容量値を用いて結合容量値を求め、この結合容量値を用いて導体に印加された電圧を演算している。しかしながら、コンデンサの容量値には必ず誤差が存在している。したがって、この非接触電圧測定装置には、コンデンサにおける容量値の誤差に起因して、測定対象体の電圧を十分な精度で測定できないという課題が存在している。また、この課題を解決するために、誤差の少ないコンデンサを使用することも考えられるが、このようなコンデンサは一般的に高価であるため、装置コストが上昇するという新たな課題が生じることになる。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、装置コストの上昇を回避しつつ、良好な精度で測定対象体の電圧を非接触で測定し得る非接触電圧測定装置および非接触電圧測定方法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記載の非接触電圧測定装置は、基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定装置であって、前記測定対象体に近接して非接触の状態で配設される対向電極と、前記基準電位に規定されると共に前記対向電極を基準として前記測定対象体と反対側に配設される基準電極と、前記対向電極と前記基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように配設された中間電極と、静電容量を有して前記対向電極と前記中間電極との間に接続されると共に外部から当該静電容量を変更可能に構成された容量回路と、前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該対向電極の第１電圧を測定する第１電圧測定部と、前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該中間電極の第２電圧を測定する第２電圧測定部と、前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記第１電圧Ｖａ１および前記第２電圧Ｖｂ１を前記第１電圧測定部および前記第２電圧測定部に対して測定させると共に、当該容量回路の当該静電容量の変更後における前記第１電圧Ｖａ２および前記第２電圧Ｖｂ２を当該第１電圧測定部および当該第２電圧測定部に対して測定させ、下記式（ａ）に基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する処理部とを備えている。
Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）

また、請求項２記載の非接触電圧測定装置は、基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定装置であって、前記測定対象体に近接して非接触の状態で配設される対向電極と、前記基準電位に規定されると共に前記対向電極を基準として前記測定対象体と反対側に配設される基準電極と、前記対向電極と前記基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように配設された中間電極と、静電容量を有して前記中間電極と前記基準電極との間に接続されると共に外部から当該静電容量を変更可能に構成された容量回路と、前記対向電極と前記中間電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該対向電極の第１電圧を測定する第１電圧測定部と、前記中間電極の第２電圧を測定する第２電圧測定部と、前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記第１電圧Ｖａ１および前記第２電圧Ｖｂ１を前記第１電圧測定部および前記第２電圧測定部に対して測定させると共に、当該容量回路の当該静電容量の変更後における前記第１電圧Ｖａ２および前記第２電圧Ｖｂ２を当該第１電圧測定部および当該第２電圧測定部に対して測定させ、下記式（ｂ）に基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する処理部とを備えている。
Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）

請求項３記載の非接触電圧測定方法は、基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定方法であって、前記測定対象体に近接して非接触の状態で対向電極が配設されると共に前記基準電位に規定された基準電極が当該対向電極を基準として当該測定対象体と反対側に配設され、かつ当該対向電極と当該基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように中間電極が配設されると共に静電容量を有して外部から当該静電容量を変更可能な容量回路が当該対向電極と当該中間電極との間に接続された状態において、前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ１および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、前記容量回路の前記静電容量の変更後における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ２および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ２を前記電圧測定部を用いて測定し、前記測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２と下記式（ａ）とに基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する。
Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）

また、請求項４記載の非接触電圧測定方法は、基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定方法であって、前記測定対象体に近接して非接触の状態で対向電極が配設されると共に前記基準電位に規定された基準電極が当該対向電極を基準として当該測定対象体と反対側に配設され、かつ当該対向電極と当該基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように中間電極が配設されると共に静電容量を有して外部から当該静電容量を変更可能な容量回路が当該中間電極と当該基準電位との間に接続された状態において、前記対向電極と前記中間電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ１および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、前記容量回路の前記静電容量の変更後における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ２および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ２を前記電圧測定部を用いて測定し、前記測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２と下記式（ｂ）とに基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する。
Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）

請求項１記載の非接触電圧測定装置では、測定対象体に近接して配設された対向電極と基準電位に規定された基準電極との間に中間電極が配設されると共に、対向電極と中間電極との間に容量回路が接続され、処理部が、容量回路の静電容量の変更前において第１および第２電圧測定部で測定された第１電圧Ｖａ１，第２電圧Ｖｂ１、容量回路の静電容量の変更後において第１および第２電圧測定部で測定された第１電圧Ｖａ２，第２電圧Ｖｂ２、並びに上記式（ａ）に基づいて、測定対象体の電圧Ｖ１を測定する。

また、請求項３記載の非接触電圧測定方法では、測定対象体に近接して配設された対向電極と基準電位に規定された基準電極との間に中間電極が配設されると共に、対向電極と中間電極との間に容量回路が接続された状態において、中間電極と基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて容量回路の静電容量の変更前における基準電位に対する対向電極の第１電圧Ｖａ１および基準電位に対する中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、この電圧測定部を用いて容量回路の静電容量の変更後における基準電位に対する対向電極の第１電圧Ｖａ２および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ２を測定し、測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２、並びに上記式（ａ）に基づいて、測定対象体の電圧Ｖ１を算出する。

請求項２記載の非接触電圧測定装置では、測定対象体に近接して配設された対向電極と基準電位に規定された基準電極との間に中間電極が配設されると共に、中間電極と基準電極との間に容量回路が接続され、処理部が、容量回路の静電容量の変更前において第１および第２電圧測定部で測定された第１電圧Ｖａ１，第２電圧Ｖｂ１、容量回路の静電容量の変更後において第１および第２電圧測定部で測定された第１電圧Ｖａ２，第２電圧Ｖｂ２、並びに上記式（ｂ）に基づいて、測定対象体の電圧Ｖ１を測定する。

また、請求項４記載の非接触電圧測定方法では、測定対象体に近接して配設された対向電極と基準電位に規定された基準電極との間に中間電極が配設されると共に、中間電極と基準電極との間に容量回路が接続された状態において、対向電極と中間電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて容量回路の静電容量の変更前における基準電位に対する対向電極の第１電圧Ｖａ１および基準電位に対する中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、この電圧測定部を用いて容量回路の静電容量の変更後における基準電位に対する対向電極の第１電圧Ｖａ２および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ２を測定し、測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２、並びに上記式（ｂ）に基づいて、測定対象体の電圧Ｖ１を算出する。

したがって、これらの各非接触電圧測定装置および各非接触電圧測定方法によれば、測定対象体と対向電極との間の静電容量、対向電極と中間電極との間の静電容量、基準電極と中間電極との間の静電容量、および容量回路の静電容量が未知であっても、測定対象体の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、容量回路への高価な高精度のコンデンサの使用を回避できる結果、装置コストの上昇を防止することができる。また、コンデンサの精度に影響を受けずに測定対象体の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、良好な測定精度を確保することができる。

以下、本発明に係る非接触電圧測定装置および非接触電圧測定方法の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、非接触電圧測定装置（以下、「電圧測定装置」ともいう）１の構成について、図面を参照して説明する。

図１に示す電圧測定装置１は、対向電極２、基準電極３、中間電極４、第１電圧測定部５（以下、「電圧測定部５」ともいう）、第２電圧測定部６（以下、「電圧測定部６」ともいう）、容量回路７、処理部８、記憶部９および出力部１０を備え、基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ。本例では一例としてグランド電位）を基準とした（基準電位に対する）測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定可能に構成されている。また、本例では、一例として、対向電極２、基準電極３、中間電極４、電圧測定部５、電圧測定部６、容量回路７、処理部８、記憶部９および出力部１０は、１つのケース１２に収容されている。なお、１つのケース１２に収容される構成に代えて、図示はしないが、例えば、対向電極２、基準電極３および中間電極４をセンサユニットとして１つのケースに収容し、かつこれ以外の構成要素を本体ユニットとして他の１つのケースに収容する構成（２つのケースとする構成）を採用することもできる。

対向電極２は、例えば平板状（平面形状は円形、多角形、楕円形など種々の形状から選択し得る）に形成されて、ケース１２を構成する壁部の外面、内面または壁部の内部に配設されている。基準電極３は、基準電位の電圧値Ｖｒｅｆに規定されると共に、図１に示すように、一例として平板状（平面形状は円形、多角形、楕円形など種々の形状から選択し得る）に形成されて、対向電極２と離間した状態でケース１２の内部に配設されている。また、本例では基準電極３は、対向電極２と対向し、かつ平行となるように配設されている。中間電極４は、図１に示すように、一例として平板状（平面形状は円形、多角形、楕円形など種々の形状から選択し得る）に形成されて、ケース１２の内部における対向電極２と基準電極３との間に、両電極２，３に対して非接触状態となるように配設されている。また、本例では中間電極４は、各電極２，３と平行に配設されている。以上のように配設された各電極２，３，４については、図１に示すように、対向電極２が測定対象体１１に非接触で、かつ近接している状態において、基準電極３が対向電極２を基準として測定対象体１１と反対側に位置すると共に、中間電極４が両電極２，３の間に位置して、測定対象体１１と対向電極２との間に静電容量Ｃ１が形成され、対向電極２と中間電極４との間に静電容量Ｃ２が形成され、中間電極４と基準電極３との間に静電容量Ｃ３が形成される。

電圧測定部５は、例えば、低容量プローブを備えた電圧計で構成されて、基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）を基準とした（基準電位に対する）対向電極２の電圧（本発明における第１電圧）Ｖａを測定する。この場合、電圧測定部５における信号の入力端子としての低容量プローブの静電容量（入力容量）Ｃｘは、対向電極２と中間電極４との間の静電容量Ｃ２、および中間電極４と基準電極３との間の静電容量Ｃ３よりも十分に小さい値となっている。電圧測定部６も電圧測定部５と同様にして、低容量プローブを備えた電圧計で構成されている。また、電圧測定部６は、基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）を基準とした（基準電位に対する）中間電極４の電圧（本発明における第２電圧）Ｖｂを測定する。この場合、電圧測定部６における信号の入力端子としての低容量プローブの静電容量（入力容量）Ｃｙも、対向電極２と中間電極４との間の静電容量Ｃ２、および中間電極４と基準電極３との間の静電容量Ｃ３よりも十分に小さい値となっている。

容量回路７は、静電容量Ｃｖを有し、図１に示すように、処理部８から入力した制御信号Ｓ１に従い、その静電容量Ｃｖを変更可能に構成されている。つまり、容量回路７は、外部から静電容量Ｃｖを変更可能に構成されている。また、容量回路７は、対向電極２と中間電極４との間に接続されている。また、容量回路７は、図示はしないが、例えば、可変容量コンデンサや、切換スイッチによって選択可能に構成された容量値の異なる複数のコンデンサなどで構成されている。本例では、一例として、容量回路７は、その静電容量Ｃｖを、静電容量Ｃｖ１および静電容量Ｃｖ２のいずれか一方に変更可能に構成されている。

処理部８は、一例としてＣＰＵで構成されて、記憶部９に記憶されている動作プログラムに従い、測定対象体１１の電圧Ｖ１を算出する電圧算出処理を実行する。また、処理部８は、容量回路７を制御して、その静電容量Ｃｖを変更させる。記憶部９はＲＯＭやＲＡＭなどの半導体メモリで構成されて、記憶部９にはＣＰＵの動作プログラムが予め記憶されている。また、記憶部９は、ＣＰＵのワークメモリとしても機能する。出力部１０は、一例としてディスプレイ装置などの表示装置で構成されて、測定された測定対象体１１の電圧Ｖ１を表示する。

次いで、電圧測定装置１による測定対象体１１の電圧Ｖ１についての測定動作について、図１，２を参照して説明すると共に、本発明に係る非接触電圧測定方法について説明する。

まず、対向電極２が測定対象体１１に近接して非接触な状態で位置するように、電圧測定装置１を測定対象体１１に対して配置する。これにより、上記したように測定対象体１１と対向電極２との間に静電容量Ｃ１が形成され、かつ対向電極２と中間電極４との間に静電容量Ｃ２が形成され、かつ中間電極４と基準電極３との間に静電容量Ｃ３が形成された状態となる（図１参照）。

この状態において、作動中の電圧測定装置１では、電圧測定部５が基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）を基準とした対向電極２の電圧Ｖａを測定して出力する処理を実行すると共に、電圧測定部６が基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）を基準とした中間電極４の電圧Ｖｂを測定して出力する処理を実行する。この各電圧測定部５，６による各電圧Ｖａ，Ｖｂの測定状態において、処理部８は、まず、制御信号Ｓ１を出力することにより、容量回路７の静電容量ＣｖをＣｖ１に変更させる。次いで、処理部８は、各電圧測定部５，６から出力される各電圧Ｖａ，Ｖｂを取得して、容量回路７の静電容量がＣｖ１のときの電圧Ｖａ１，Ｖｂ１として記憶部９に記憶させる。続いて、処理部８は、制御信号Ｓ１を出力することにより、容量回路７の静電容量ＣｖをＣｖ２に変更させ、このときに各電圧測定部５，６から出力される各電圧Ｖａ，Ｖｂを取得して、容量回路７の静電容量がＣｖ２のときの電圧Ｖａ２，Ｖｂ２として記憶部９に記憶させる。

次いで、処理部８は電圧算出処理を実行する。この電圧算出処理では、処理部８は、記憶部９に記憶させた各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２を読み出すと共に、下記式（ａ）に代入することにより、電圧Ｖ１を算出して、記憶部９に記憶させる。
Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）

この式（ａ）の導出過程についての概略を説明する。まず、図１における各静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、容量回路７の静電容量Ｃｖ、および各電圧測定部５，６の入力容量（静電容量）Ｃｘ，Ｃｙについての接続関係は、図２に示すような等価回路で表される。このため、測定対象体１１からみた対基準電位合成容量をＣｇ１、対向電極２からみた対基準電位合成容量をＣｇａ、中間電極４からみた対基準電位合成容量をＣｇｂとすると、これらは、以下の式（１），（２），（３）で表される。
Ｃｇ１＝（（（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｃ２＋Ｃｖ）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃｘ）×Ｃ１）／（（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｃ２＋Ｃｖ）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（１）
Ｃｇａ＝（（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｃ２＋Ｃｖ）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃｘ）／（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ） ・・・（２）
Ｃｇｂ＝Ｃｙ＋Ｃ３ ・・・（３）

このため、対向電極２の電圧Ｖａは、下記式（４）で表される。
Ｖａ＝Ｖ１×ｊω×Ｃｇ１／ｊω×Ｃｇａ
＝Ｖ１×（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃ１／（（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｃ２＋Ｃｖ）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（４）
また、対向電極２および中間電極４間に流れる電流Ｉａｂは、Ｖ１×（ｊω×Ｃｇ１−ｊω×Ｃｘ）となるため、中間電極４の電極Ｖｂは、下記式（５）で表される。
Ｖｂ＝Ｉａｂ／（ｊω×Ｃｇｂ）
＝Ｖ１×（ｊω×Ｃｇ１−ｊω×Ｃｘ）／（ｊω×Ｃｇｂ）
＝Ｖ１×（Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃ１／（（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｃ２＋Ｃｖ）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（５）

また、両電圧Ｖａ，Ｖｂの比率Ｖａ／Ｖｂは、下記式（６）で表される。
Ｖａ／Ｖｂ＝（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）／（Ｃ２＋Ｃｖ） ・・・（６）
また、式（６）を変形することにより、下記式（７）が導出される。
Ｃ２＋Ｃｖ＝Ｖｂ×（Ｃ３＋Ｃｙ）／（Ｖａ−Ｖｂ） ・・・（７）
また、式（７）の両辺に（Ｃ３＋Ｃｙ）を加算して、変形することにより、下記式（８）が導出される。
Ｃ２＋Ｃｖ＋Ｃ３＋Ｃｙ＝（Ｃ３＋Ｃｙ）×Ｖａ／（Ｖａ−Ｖｂ） ・・・（８）
また、上記各式（７），（８）を上記式（５）に代入して整理することにより、下記式（９）が導出される。
（Ｖａ−Ｖ１）×Ｃ１＝−Ｖ１×Ｃｘ−（Ｃｙ＋Ｃ３）×Ｖｂ ・・・（９）

この式（９）の電圧Ｖａ，Ｖｂに、異なる時間において測定された電圧Ｖａ，Ｖｂである（Ｖａ１，Ｖｂ１）、（Ｖａ２，Ｖｂ２）を代入すると、下記の２つの式（１０），（１１）が得られる。
（Ｖａ１−Ｖ１）×Ｃ１＝−Ｖ１×Ｃｘ−（Ｃｙ＋Ｃ３）×Ｖｂ１ ・・・（１０）
（Ｖａ２−Ｖ１）×Ｃ１＝−Ｖ１×Ｃｘ−（Ｃｙ＋Ｃ３）×Ｖｂ２ ・・・（１１）
次いで、これらの各式（１０），（１１）の両辺の比をとり、式を整理すると、電圧Ｖ１についての下記式（１２）が導出される。
Ｖ１＝（Ｃ３＋Ｃｙ）×（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｃｘ×（Ｖａ１−Ｖａ２）＋（Ｃｙ＋Ｃ３）×（Ｖｂ１−Ｖｂ２）） ・・・（１２）
最後に、この式（１２）の右辺の分母および分子をそれぞれ（Ｃ３＋Ｃｙ）で除算し、かつ上記したように各静電容量Ｃｘ，Ｃｙが静電容量Ｃ３と比較して十分に小さいことを考慮して、この式（１２）の右辺を整理すると、下記式（１３）、つまり上記式（ａ）が導出される。
Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（１３）

最後に、処理部８は、上記の電圧算出処理において算出した電圧Ｖ１を記憶部９から読み出して、出力部１０に表示させる。これにより、電圧測定装置１による電圧Ｖ１の測定が完了する。

このように、この電圧測定装置１では、測定対象体１１に近接して配設された対向電極２と基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）に規定された基準電極３との間に中間電極４が配設されると共に、対向電極２と中間電極４との間に容量回路７が接続され、処理部８が、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更前において各電圧測定部５，６で測定された電圧Ｖａ１，Ｖｂ１、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更後において各電圧測定部５，６で測定された電圧Ｖａ２，Ｖｂ２、および上記式（ａ）に基づいて、測定対象体１１の電圧Ｖ１を測定する。また、この非接触電圧測定方法では、測定対象体１１に対して上記のように対向電極２、基準電極３、中間電極４および容量回路７を配設して、電圧測定部５を用いて容量回路７の静電容量Ｃｖの変更前における基準電位に対する対向電極２の電圧Ｖａ１および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ１を測定し、電圧測定部６を用いて容量回路７の静電容量Ｃｖの変更後における基準電位に対する対向電極２の電圧Ｖａ２および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ２を測定し、測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２、および上記式（ａ）に基づいて、測定対象体１１の電圧Ｖ１を算出する。

したがって、この電圧測定装置１および非接触電圧測定方法によれば、各静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｖ，Ｃｘ，Ｃｙの容量値が未知であっても、測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、容量回路７への高価な高精度のコンデンサの使用を回避できる結果、装置コストの上昇を防止することができる。また、コンデンサの精度に影響を受けずに測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、良好な測定精度を確保することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、上記の電圧測定装置１では、対向電極２と中間電極４との間に容量回路７を接続する構成を採用したが、図３に示す電圧測定装置１Ａのように、中間電極４と基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）との間に容量回路７を接続する構成を採用することもできる。以下、この電圧測定装置１Ａについて説明する。

まず、電圧測定装置１Ａの構成について説明する。なお、電圧測定装置１と同一の構成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。

図３に示す電圧測定装置１Ａは、対向電極２、基準電極３、中間電極４、電圧測定部５、電圧測定部６、容量回路７、処理部８、記憶部９および出力部１０を備え、基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）を基準とした測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定可能に構成されている。また、電圧測定装置１Ａでは、容量回路７は、同図に示すように、中間電極４と基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）との間に接続されている。

次いで、電圧測定装置１Ａによる測定対象体１１の電圧Ｖ１の測定動作について、図３，４を参照して説明すると共に、本発明に係る他の非接触電圧測定方法について説明する。なお、電圧測定装置１と同一の動作についてはその概要を説明して、詳細な説明を省略する。

対向電極２が測定対象体１１に近接して非接触な状態で位置する状態において、電圧測定装置１Ａでは、各電圧測定部５，６による各電圧Ｖａ，Ｖｂの測定状態において、処理部８は、まず、制御信号Ｓ１を出力することにより、容量回路７の静電容量ＣｖをＣｖ１に変更させる。次いで、処理部８は、各電圧測定部５，６から出力される各電圧Ｖａ，Ｖｂを取得して、容量回路７の静電容量がＣｖ１のときの電圧Ｖａ１，Ｖｂ１として記憶部９に記憶させる。続いて、処理部８は、制御信号Ｓ１を出力することにより、容量回路７の静電容量ＣｖをＣｖ２に変更させ、このときに各電圧測定部５，６から出力される各電圧Ｖａ，Ｖｂを取得して、容量回路７の静電容量がＣｖ２のときの電圧Ｖａ２，Ｖｂ２として記憶部９に記憶させる。

次いで、処理部８は電圧算出処理を実行する。この電圧算出処理では、処理部８は、記憶部９に記憶させた各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２を読み出すと共に、下記式（ｂ）に代入することにより、電圧Ｖ１を算出して、記憶部９に記憶させる。
Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）

この式（ｂ）の導出過程についての概略を説明する。まず、図３における各静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３、容量回路７の静電容量Ｃｖ、および各電圧測定部５，６の入力容量（静電容量）Ｃｘ，Ｃｙについての接続関係は、図４に示すような等価回路で表される。このため、測定対象体１１からみた対基準電位合成容量をＣｇ１、対向電極２からみた対基準電位合成容量をＣｇａ、中間電極４からみた対基準電位合成容量をＣｇｂとすると、これらは、以下の式（２１），（２２），（２３）で表される。
Ｃｇ１＝（（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ）×Ｃ２＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃｘ）×Ｃ１）／（（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ）×Ｃ２）＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（２１）
Ｃｇａ＝（（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ）×Ｃ２＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃｘ）／（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ） ・・・（２２）
Ｃｇｂ＝Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ ・・・（２３）

このため、対向電極２の電圧Ｖａは、下記式（２４）で表される。
Ｖａ＝Ｖ１×ｊω×Ｃｇ１／ｊω×Ｃｇａ
＝Ｖ１×（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×Ｃ１／（（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ）×Ｃ２＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（２４）
また、対向電極２および中間電極４間に流れる電流Ｉａｂは、Ｖ１×（ｊω×Ｃｇ１−ｊω×Ｃｘ）となるため、中間電極４の電極Ｖｂは、下記式（２５）で表される。
Ｖｂ＝Ｉａｂ／（ｊω×Ｃｇｂ）
＝Ｖ１×（ｊω×Ｃｇ１−ｊω×Ｃｘ）／（ｊω×Ｃｇｂ）
＝Ｖ１×Ｃ２×Ｃ１／（（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ）×Ｃ２＋（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）×（Ｃｘ＋Ｃ１）） ・・・（２５）

また、両電圧Ｖａ，Ｖｂの比率Ｖａ／Ｖｂは、下記式（２６）で表される。
Ｖａ／Ｖｂ＝（Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃ２＋Ｃｖ）／Ｃ２ ・・・（２６）
また、式（６）を変形することにより、下記式（２７）が導出される。
Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ＝（Ｖａ−Ｖｂ）×Ｃ２／Ｖｂ ・・・（２７）
また、式（２７）の両辺にＣ２を加算して、変形することにより、下記式（２８）が導出される。
Ｃｙ＋Ｃ３＋Ｃｖ＋Ｃ２＝（Ｖａ−Ｖｂ）×Ｃ２／Ｖｂ＋Ｃ２
＝Ｖａ×Ｃ２／Ｖｂ ・・・（２８）
また、上記各式（２７），（２８）を上記式（２５）に代入して整理すると、下記式（２９）が導出される。
（Ｖａ−Ｖ１）×Ｃ１＝Ｖｂ×Ｃ１−（Ｃｘ＋Ｃ２）×Ｖａ ・・・（２９）

この式（２９）の電圧Ｖａ，Ｖｂに、異なる時間において測定された（Ｖａ１，Ｖｂ１）と、（Ｖａ１，Ｖｂ１）とを代入すると、下記の２つの式（３０），（３１）が得られる。
（Ｖａ１−Ｖ１）×Ｃ１＝Ｖｂ１×Ｃ１−（Ｃｘ＋Ｃ２）×Ｖａ１ ・・・（３０）
（Ｖａ２−Ｖ１）×Ｃ１＝Ｖｂ２×Ｃ１−（Ｃｘ＋Ｃ２）×Ｖａ２ ・・・（３１）
次いで、これらの各式（３０），（３１）の両辺の比をとり、式を整理すると、電圧Ｖ１についての下記式（３２）が導出される。
Ｖ１＝Ｃ２×（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（Ｃ２×（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｃｘ＋Ｃ２）×（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（３２）
最後に、この式（３２）の右辺の分母および分子をそれぞれＣ２で除算し、かつ上記したように各静電容量Ｃｘ，Ｃｙが静電容量Ｃ２と比較して十分に小さいことを考慮して、この式（３２）の右辺を整理すると、下記式（３３）、つまり上記式（ｂ）が導出される。
Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）

最後に、処理部８は、上記の電圧算出処理において算出した電圧Ｖ１を記憶部９から読み出して、出力部１０に表示させる。これにより、電圧測定装置１Ａによる電圧Ｖ１の測定が完了する。

このように、この電圧測定装置１Ａでは、測定対象体１１に近接して配設された対向電極２と基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）に規定された基準電極３との間に中間電極４が配設されると共に、中間電極４と基準電位（電圧値Ｖｒｅｆ）との間に容量回路７が接続され、処理部８が、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更前において各電圧測定部５，６で測定された電圧Ｖａ１，Ｖｂ１、容量回路７の静電容量Ｃｖの変更後において各電圧測定部５，６で測定された電圧Ｖａ２，Ｖｂ２、および上記式（ｂ）に基づいて、測定対象体１１の電圧Ｖ１を測定する。また、この非接触電圧測定方法では、測定対象体１１に対して上記のように対向電極２、基準電極３、中間電極４および容量回路７を配設して、電圧測定部５を用いて容量回路７の静電容量Ｃｖの変更前における基準電位に対する対向電極２の電圧Ｖａ１および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ１を測定し、電圧測定部６を用いて容量回路７の静電容量Ｃｖの変更後における基準電位に対する対向電極２の電圧Ｖａ２および基準電位に対する中間電極４の電圧Ｖｂ２を測定し、測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２、および上記式（ｂ）に基づいて、測定対象体１１の電圧Ｖ１を算出する。

したがって、この電圧測定装置１Ａおよびこの非接触電圧測定方法によれば、各静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｖ，Ｃｘ，Ｃｙの容量値が未知であっても、測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、容量回路７への高価な高精度のコンデンサの使用を回避できる結果、装置コストの上昇を防止することができる。また、コンデンサの精度に影響を受けずに測定対象体１１の電圧Ｖ１を非接触で測定できるため、良好な測定精度を確保することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限らず、適宜変更することができる。例えば、電圧測定装置１，１Ａでは、２つの電圧測定部５，６を備えて構成されているが、１つの電圧測定部だけを用いた構成を採用することもできる。この構成では、１つの電圧測定部の入力部と対向電極２および中間電極４との接続を順次切り替えて、電圧Ｖａ，Ｖｂを順次測定する。この構成によっても、上記の電圧測定装置１，１Ａと同じ効果を奏することができる。

電圧測定装置１の構成を示す構成図である。 図１の測定対象体１１、対向電極２、基準電極３および中間電極４の各電極間に形成される静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｘ，Ｃｙと容量回路７との接続関係を示す等価回路図である。 電圧測定装置１Ａの構成を示す構成図である。 図３の測定対象体１１、対向電極２、基準電極３および中間電極４の各電極間に形成される静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｘ，Ｃｙと容量回路７との接続関係を示す等価回路図である。

符号の説明

１，１Ａ 電圧測定装置
２ 対向電極
３ 基準電極
４ 中間電極
５，６ 電圧測定部
７ 容量回路
８ 処理部
１１ 測定対象体
Ｃｘ，Ｃｙ 静電容量（入力容量）
Ｖ１ 測定対象体の電圧
Ｖａ，Ｖａ１，Ｖａ２ 対向電極の電圧
Ｖｂ，Ｖｂ１，Ｖｂ２ 中間電極の電圧
Ｖｒｅｆ 基準電位の電圧値

Claims (4)

1. 基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定装置であって、
   前記測定対象体に近接して非接触の状態で配設される対向電極と、
   前記基準電位に規定されると共に前記対向電極を基準として前記測定対象体と反対側に配設される基準電極と、
   前記対向電極と前記基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように配設された中間電極と、
   静電容量を有して前記対向電極と前記中間電極との間に接続されると共に外部から当該静電容量を変更可能に構成された容量回路と、
   前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該対向電極の第１電圧を測定する第１電圧測定部と、
   前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該中間電極の第２電圧を測定する第２電圧測定部と、
   前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記第１電圧Ｖａ１および前記第２電圧Ｖｂ１を前記第１電圧測定部および前記第２電圧測定部に対して測定させると共に、当該容量回路の当該静電容量の変更後における前記第１電圧Ｖａ２および前記第２電圧Ｖｂ２を当該第１電圧測定部および当該第２電圧測定部に対して測定させ、下記式（ａ）に基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する処理部とを備えている非接触電圧測定装置。
   Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）
2. 基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定装置であって、
   前記測定対象体に近接して非接触の状態で配設される対向電極と、
   前記基準電位に規定されると共に前記対向電極を基準として前記測定対象体と反対側に配設される基準電極と、
   前記対向電極と前記基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように配設された中間電極と、
   静電容量を有して前記中間電極と前記基準電極との間に接続されると共に外部から当該静電容量を変更可能に構成された容量回路と、
   前記対向電極と前記中間電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有して前記基準電位に対する当該対向電極の第１電圧を測定する第１電圧測定部と、
   前記中間電極の第２電圧を測定する第２電圧測定部と、
   前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記第１電圧Ｖａ１および前記第２電圧Ｖｂ１を前記第１電圧測定部および前記第２電圧測定部に対して測定させると共に、当該容量回路の当該静電容量の変更後における前記第１電圧Ｖａ２および前記第２電圧Ｖｂ２を当該第１電圧測定部および当該第２電圧測定部に対して測定させ、下記式（ｂ）に基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する処理部とを備えている非接触電圧測定装置。
   Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）
3. 基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定方法であって、
   前記測定対象体に近接して非接触の状態で対向電極が配設されると共に前記基準電位に規定された基準電極が当該対向電極を基準として当該測定対象体と反対側に配設され、かつ当該対向電極と当該基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように中間電極が配設されると共に静電容量を有して外部から当該静電容量を変更可能な容量回路が当該対向電極と当該中間電極との間に接続された状態において、
   前記中間電極と前記基準電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ１および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、
   前記容量回路の前記静電容量の変更後における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ２および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ２を前記電圧測定部を用いて測定し、
   前記測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２と下記式（ａ）とに基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する非接触電圧測定方法。
   Ｖ１＝（Ｖａ２×Ｖｂ１−Ｖａ１×Ｖｂ２）／（Ｖｂ１−Ｖｂ２） ・・・（ａ）
4. 基準電位を基準とした測定対象体の電圧を非接触で測定する非接触電圧測定方法であって、
   前記測定対象体に近接して非接触の状態で対向電極が配設されると共に前記基準電位に規定された基準電極が当該対向電極を基準として当該測定対象体と反対側に配設され、かつ当該対向電極と当該基準電極との間に当該両電極に対して非接触状態となるように中間電極が配設されると共に静電容量を有して外部から当該静電容量を変更可能な容量回路が当該中間電極と当該基準電位との間に接続された状態において、
   前記対向電極と前記中間電極との間の静電容量よりも小さい入力容量を有する電圧測定部を用いて前記容量回路の前記静電容量の変更前における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ１および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ１を測定し、
   前記容量回路の前記静電容量の変更後における前記基準電位に対する前記対向電極の第１電圧Ｖａ２および前記基準電位に対する前記中間電極の第２電圧Ｖｂ２を前記電圧測定部を用いて測定し、
   前記測定した各電圧Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２と下記式（ｂ）とに基づいて前記測定対象体の電圧Ｖ１を算出する非接触電圧測定方法。
   Ｖ１＝（Ｖａ１×Ｖｂ２−Ｖａ２×Ｖｂ１）／（（Ｖｂ１−Ｖｂ２）−（Ｖａ１−Ｖａ２）） ・・・（ｂ）

Images