JP2016099207A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧の測定の正確度を向上させ得る電圧測定装置を提供する。【解決手段】電極１１は、対象電圧Ｖ０が印加される充電部２１に容量結合される。信号源１２は、電圧値が周期的に変動する参照信号Ｖ１を出力する。インピーダンス素子１３は、電極１１と信号源１２との間に電気的に接続されている。増幅部１４は、参照信号Ｖ１を増幅する。加算部１５は、インピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差に増幅信号Ｖ４を加算し、検出信号Ｖ５として出力する。調整部１０２は、検出信号Ｖ５に含まれる参照信号Ｖ１の成分の振幅が所定の閾値以下になるように、増幅部１４のゲインを調整する。測定部１０３は、調整部１０２で上記ゲインが調整された状態における検出信号Ｖ５および上記ゲインを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電圧測定装置に関し、より詳細には非接触で交流電圧の大きさを測定する電圧測定装置に関する。

従来、この種の電圧測定装置（非接触電圧測定装置）として、交流電圧が印加される充電部（導体）との間に結合容量が形成されるように電極（検出プローブ）を配置し、結合容量を利用して交流電圧を求める装置が提案されている（たとえば特許文献１）。

特許文献１に記載の電圧測定装置は、電極と共通電位点との間にコンデンサを接続して、このコンデンサと結合容量とで、充電部に印加される電圧を分圧し、分圧された電圧を検出する。この電圧測定装置は、電極と共通電位点との間に、容量値が異なる少なくとも２個のコンデンサを選択的に接続し、コンデンサを変えたときの分圧された電圧から結合容量を求め、この結合容量の値から、測定対象である充電部に印加された電圧を求める。

特開２００３−２８９００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電圧測定装置は、結合容量を求める際において、コンデンサを変える前後で測定対象となる電圧の大きさが異なっていると、結合容量が正確に求まらない可能性がある。すなわち、特許文献１に記載の電圧測定装置は、たとえば測定対象となる電圧の大きさが変動する場合においては、当該変動の影響を受けて結合容量が正確に求まらず、正確な電圧の測定が困難になることがある。

本発明は上記事由に鑑みてなされており、電圧の測定の正確度を向上させ得る電圧測定装置を提供することを目的とする。

本発明の電圧測定装置は、交流電圧が印加される充電部に対して間隔を空けて配置されることにより前記充電部に容量結合される電極と、電圧値が周期的に変動する参照信号を出力する信号源と、前記電極と前記信号源との間に電気的に接続されたインピーダンス素子と、前記参照信号を増幅する増幅部と、前記インピーダンス素子の両端間に生じる電位差に前記増幅部で増幅された前記参照信号を加算し検出信号として出力する加算部と、前記検出信号に含まれる前記参照信号の成分の振幅が所定の閾値以下になるように前記増幅部のゲインを調整する調整部と、前記調整部で前記ゲインが調整された状態における前記検出信号および前記ゲインを用いて前記交流電圧の大きさを求める測定部とを備えることを特徴とする。

この電圧測定装置において、前記測定部は、前記増幅部のゲインをβとしたときに１／βで表される値と前記検出信号との積を、前記交流電圧の大きさとして求めるように構成されていることが望ましい。

また、本発明の電圧測定装置は、交流電圧が印加される充電部に対して間隔を空けて配置されることにより前記充電部に容量結合される電極と、電圧値が周期的に変動する参照信号を出力する信号源と、前記電極と前記信号源との間に電気的に接続されたインピーダンス素子と、前記参照信号を増幅する増幅部と、前記信号源および前記インピーダンス素子からなる直列回路の両端間に生じる電位差から、前記増幅部で増幅された前記参照信号を減算し検出信号として出力する減算部と、前記検出信号に含まれる前記参照信号の成分の振幅が所定の閾値以下になるように前記増幅部のゲインを調整する調整部と、前記調整部で前記ゲインが調整された状態における前記検出信号および前記ゲインを用いて前記交流電圧の大きさを求める測定部とを備えることを特徴とする。

この電圧測定装置において、前記測定部は、前記増幅部のゲインをβとしたときに１／（１−β）で表される値と前記検出信号との積を、前記交流電圧の大きさとして求めるように構成されていることが望ましい。

上記の電圧測定装置においては、前記検出信号から前記参照信号の成分を分離するフィルタをさらに備え、前記調整部は、前記フィルタで分離された前記参照信号の成分の振幅が前記閾値以下になるように前記ゲインを調整するように構成されていることがより望ましい。

本発明は、検出信号中の参照信号の成分が閾値以下になるように増幅部のゲインを調整した状態で、検出信号およびゲインから測定対象の交流電圧の大きさを求める。ここで、増幅部のゲインは、測定対象の電圧の大きさの変動に影響されないため、電圧測定装置は、たとえば測定対象の電圧の大きさが変動する場合においても、当該変動の影響によらずに正確な電圧の測定が可能である。したがって、電圧測定装置は、電圧の測定の正確度を向上させ得る、という利点がある。

実施形態１に係る電圧測定装置の構成を示す概略回路図である。 実施形態１に係る電圧測定装置の使用状態を説明するための概念図である。 実施形態１に係る電圧測定装置の動作を説明するための波形図である。 実施形態１に係る電圧測定装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態２に係る電圧測定装置の構成を示す概略回路図である。 実施形態３に係る電圧測定装置の構成を示す概略回路図である。

（実施形態１）
本実施形態の電圧測定装置１は、図１に示すように、電極１１と、信号源１２と、インピーダンス素子１３と、増幅部１４と、加算部１５と、調整部１０２と、測定部１０３とを備えている。

電極１１は、交流電圧（対象電圧Ｖ０）が印加される充電部２１に対して間隔を空けて配置されることにより充電部２１に容量結合される。信号源１２は、電圧値が周期的に変動する参照信号Ｖ１を出力する。インピーダンス素子１３は、電極１１と信号源１２との間に電気的に接続されている。増幅部１４は、参照信号Ｖ１を増幅する。

加算部１５は、インピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差（中間信号Ｖ３＝Ｖ２−Ｖ１）に、増幅部１４で増幅された参照信号（増幅信号Ｖ４）を加算し、検出信号Ｖ５として出力する。調整部１０２は、検出信号Ｖ５に含まれる参照信号Ｖ１の成分の振幅が所定の閾値以下になるように、増幅部１４のゲインを調整する。測定部１０３は、調整部１０２で上記ゲインが調整された状態における検出信号Ｖ５および上記ゲインを用いて、交流電圧（対象電圧Ｖ０）の大きさを求める。

この構成によれば、電圧測定装置１は、電極１１を充電部２１に容量結合させることで、充電部２１に印加される交流電圧を非接触で測定することができる。

以下、本実施形態に係る電圧測定装置１について詳しく説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は、下記実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

ここでは、系統電源（商用電源）３に電気的に接続される電力線２（図２参照）の電圧の測定に、電圧測定装置１が用いられる場合を例に説明する。つまり、本実施形態で例示する電圧測定装置１は、系統電源３から出力される周波数が５０Ｈｚ（あるいは６０Ｈｚ）の交流電圧（対象電圧Ｖ０）を測定対象とする。ただし、電圧測定装置１は、交流電圧を測定対象とする構成であればよく、測定対象を系統電源３から出力される交流電圧に限定する趣旨ではない。

なお、以下では、グランド電位点を基準電位点と定め、基準電位点の電位を０〔Ｖ〕として説明する。

＜電圧測定装置の構成＞
まず、電圧測定装置１の構成について、図１および図２を参照して説明する。

本実施形態の電圧測定装置１は、図１に示すように、マイコン（マイクロコンピュータ）１０によって、調整部１０２および測定部１０３の機能を実現している。また、電圧測定装置１は、電極１１、信号源１２、インピーダンス素子１３、増幅部１４、加算部１５、およびマイコン１０に加えて、第１バッファ１６１と、第２バッファ１６２と、減算部１７と、表示部１８とを備えている。

本実施形態では、電圧測定装置１の測定対象となる交流電圧、つまり充電部２１に印加される交流電圧を「対象電圧Ｖ０」として説明する。また、信号源１２の出力電圧を「参照信号Ｖ１」、電極１１と基準電位点との間にかかる電圧を「入力信号Ｖ２」、減算部１７の出力電圧を「中間信号Ｖ３」、増幅部１４の出力電圧を「増幅信号Ｖ４」、加算部１５の出力電圧を「検出信号Ｖ５」として説明する。

電極１１は、電圧測定用のプローブとして機能する。本実施形態の電圧測定装置１は、充電部２１に印加される対象電圧Ｖ０を非接触で測定する装置であるため、電極１１は、充電部２１に直接接触しない状態で使用される。本実施形態では、図２に示すように、充電部２１は、導体からなる芯線が絶縁体からなる被覆２２によって覆われた構造の電力線２の芯線である。電力線２は、たとえば銅製で単線の芯線（充電部２１）が、ビニルなどの被覆２２で覆われたビニル絶縁電線である。

電極１１は、銅などの導電性材料にてシート状あるいは板状に形成されており、電力線２の被覆２２の表面に接触するように配置される。図２の例では、電極１１は被覆２２に対して殆ど隙間なく接するように、電力線２の外周面に沿って湾曲している。言い換えれば、電極１１は、芯線からなる充電部２１が被覆２２にて覆われた構造の電力線２を対象に、被覆２２を破ることなく被覆２２越しに充電部２１と対向するように配置される。したがって、電極１１から充電部２１までの距離は、被覆２２の厚み寸法ｔ１に略等しくなる。このように、電極１１は、充電部２１に対して被覆２２の厚み寸法ｔ１の分だけ間隔を空けて配置されることにより、充電部２１に対して容量結合されることになる。なお、電極１１は、電圧測定装置１の本体１００（図２参照）と一体的に設けられていてもよいが、本体１００とは別に設けられて本体１００とケーブルで電気的に接続された構成であってもよい。

ここで、電極１１と充電部２１との間に形成される静電容量成分（以下、「結合容量４」という）の大きさは、電極１１から充電部２１までの距離や、電極１１と充電部２１との間に介在する介在物の誘電率によって決まる。つまり、結合容量４の値（キャパシタンス）は、一定ではなく、被覆２２の厚み寸法ｔ１や被覆２２の材質（誘電率）などによって変化する。なお、電極１１と充電部２１との間には、結合容量４が形成される程度の間隔が設けられていればよく、電極１１と充電部２１との間に被覆２２が介在することは必須でなく、たとえば電極１１と充電部２１との間に隙間（空間）があってもよい。

信号源１２およびインピーダンス素子１３は、電極１１と基準電位点（グランド電位点）との間において、インピーダンス素子１３が電極１１側、信号源１２が基準電位点側となるように電気的に直列に接続されている。ここで、信号源１２は基準電位点（グランド電位点）を系統電源３と共通にしており、参照信号Ｖ１は対象電圧Ｖ０と同一の基準電位（０〔Ｖ〕）を基準に電圧値が変動する。

信号源１２は、対象電圧Ｖ０に比べて高い周波数で電圧値が周期的に変動する電圧信号を、参照信号Ｖ１として生成する。本実施形態では、対象電圧Ｖ０が系統電源３から出力される５０Ｈｚ（あるいは６０Ｈｚ）の電圧であるため、参照信号Ｖ１は、対象電圧Ｖ０よりも十分に高い周波数、たとえば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数の正弦波の信号であると仮定する。つまり、信号源１２は正弦波発振器からなる。

インピーダンス素子１３は、本実施形態では一例としてコンデンサ（キャパシタ）である。ただし、インピーダンス素子１３は、結合容量４を通して流れる電流に応じた電圧を発生する素子、つまり結合容量４を通して流れる電流に対してある程度のインピーダンスを有する素子であればよく、たとえばコンデンサに限らず抵抗であってもよい。

第１バッファ１６１の入力端子は、電極１１とインピーダンス素子１３との接続点に電気的に接続されている。そのため、第１バッファ１６１の入力端子には、信号源１２およびインピーダンス素子１３の直列回路の両端間に生じる電圧（電位差）が、入力信号Ｖ２として印加される。第１バッファ１６１は、たとえばオペアンプ（演算増幅器）を用いて構成され、入力端子に印加された入力信号Ｖ２と同じ大きさの電圧を出力する。

第２バッファ１６２の入力端子は、信号源１２とインピーダンス素子１３との接続点に電気的に接続されている。そのため、第２バッファ１６２の入力端子には、信号源１２の出力する参照信号Ｖ１が印加される。第２バッファ１６２は、たとえばオペアンプを用いて構成され、入力端子に印加された参照信号Ｖ１と同じ大きさの電圧を出力する。

減算部１７は、たとえばオペアンプを用いて構成された減算回路であり、＋端子（非反転入力端子）に入力された電圧から−端子（反転入力端子）に入力された電圧を減算した大きさの電圧を、中間信号Ｖ３として出力する。減算部１７の＋端子には、第１バッファ１６１の出力端子が電気的に接続されている。減算部１７の−端子には、第２バッファ１６２の出力端子が電気的に接続されている。したがって、減算部１７は、第１バッファ１６１の出力する入力信号Ｖ２から、第２バッファ１６２の出力する参照信号Ｖ１を減算した大きさの中間信号Ｖ３（＝Ｖ２−Ｖ１）を出力する。言い換えれば、減算部１７から出力される中間信号Ｖ３は、インピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差と同値になる。

増幅部１４は、たとえばオペアンプを用いて構成され、ゲイン（利得）が可変で、入力端子に入力された電圧を定数倍（β倍）して出力する可変ゲインアンプである。増幅部１４の入力端子には、第２バッファ１６２の出力端子が電気的に接続されている。したがって、増幅部１４は、第２バッファ１６２の出力する参照信号Ｖ１をβ倍した大きさの電圧を、増幅信号Ｖ４として出力する。つまり、増幅部１４から出力される増幅信号Ｖ４は、参照信号Ｖ１をβ倍した電圧信号となる。ここで、増幅部１４のゲインは１倍（０〔ｄＢ〕）未満にも調節可能であって、増幅部１４のゲインが１倍未満に設定された状態では、増幅信号Ｖ４は元の参照信号Ｖ１よりも小さくなる。

加算部１５は、たとえばオペアンプを用いて構成された加算回路であり、２つの入力端子に入力された電圧の和を、検出信号Ｖ５として出力する。加算部１５の一方の入力端子には、減算部１７の出力端子が電気的に接続されている。加算部１５の他方の入力端子には、増幅部１４の出力端子が電気的に接続されている。したがって、加算部１５は、減算部１７の出力する中間信号Ｖ３に、増幅部１４の出力する増幅信号Ｖ４を加算した大きさの電圧を、検出信号Ｖ５として出力する。言い換えれば、加算部１５から出力される検出信号Ｖ５は、インピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差（中間信号Ｖ３）に、参照信号Ｖ１のβ倍を加算した電圧と同値になる。

マイコン１０は、演算処理部およびメモリを有しており、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって適宜の機能を実現する。本実施形態では、マイコン１０は、調整部１０２および測定部１０３の機能に加えて、検出部１０１、およびＡ／Ｄ変換部（図中、単に「Ａ／Ｄ」と記載）１０４の機能をさらに有している。

Ａ／Ｄ変換部１０４は、加算部１５の出力端子に電気的に接続されている。Ａ／Ｄ変換部１０４は、加算部１５から出力される検出信号Ｖ５をＡ／Ｄ変換することにより、マイコン１０で処理可能なデジタル値へと変換し、検出部１０１へ出力する。Ａ／Ｄ変換部１０４のナイキスト周波数は、参照信号Ｖ１よりも高く設定されている。

検出部１０１は、デジタル値に変換された検出信号Ｖ５が入力されると、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅を検出して、調整部１０２へ出力する。調整部１０２は、検出部１０１で検出された振幅が所定の閾値以下になるように、増幅部１４のゲインを調整する。ここで、調整部１０２で用いる閾値は略ゼロである。すなわち、調整部１０２は、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになるように、増幅部１４のゲインを調整することになる。なお、ここでいう検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分とは、検出信号Ｖ５中における参照信号Ｖ１と同一周波数の信号成分であり、参照信号Ｖ１の定数倍の信号成分である。

測定部１０３は、調整部１０２で上記ゲインが調整された状態における検出信号Ｖ５および上記ゲインを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める。本実施形態では、測定部１０３は、増幅部１４のゲインを「β」としたときに「１／β」で表される値と、検出信号Ｖ５との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求めるように構成されている。言い換えれば、測定部１０３は、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになったときの検出信号Ｖ５に対して、増幅部１４のゲイン（β）の逆数を掛けることにより、対象電圧Ｖ０の大きさを算出する。

検出部１０１、調整部１０２、および測定部１０３の具体的な動作（処理）の詳細については、後述する。なお、検出部１０１と調整部１０２と測定部１０３とのうちの少なくとも２つは、一体化されて１つの演算部を構成していてもよい。

表示部１８は、たとえば液晶表示器を有しており、マイコン１０によって表示内容が制御されるように構成されている。ここでは、表示部１８は、測定部１０３で算出された対象電圧Ｖ０の大きさを表示する。なお、対象電圧Ｖ０は交流電圧であるから、表示部１８に表示される値は、たとえば対象電圧Ｖ０の実効値や最大値、振幅（peak to peak）などであればよい。

＜電圧測定装置の動作＞
次に、電圧測定装置１の動作について、図３および図４を参照して説明する。図３は、充電部２１に印加される交流電圧である対象電圧Ｖ０と、信号源１２の出力する参照信号Ｖ１と、電極１１と基準電位点との間にかかる入力信号Ｖ２とを表している。なお、図３では、対象電圧Ｖ０と参照信号Ｖ１との関係を模式的に表しているため、対象電圧Ｖ０の１周期中に参照信号Ｖ１が１３周期しか含まれていないが、この構成に限定する趣旨ではない。実際には、参照信号Ｖ１は対象電圧Ｖ０に比べて十分に高い周波数の電圧信号であるため、対象電圧Ｖ０の１周期中に参照信号Ｖ１が数十〜数千周期程度、含まれていてもよい。

電圧測定装置１は、電極１１と充電部２１とが結合容量４によって容量結合された状態では、系統電源３と信号源１２との間に、結合容量４およびインピーダンス素子１３が電気的に直列に接続されることになる。そのため、結合容量４およびインピーダンス素子１３には、系統電源３の交流電圧Ｖ０に基づく電流と、信号源１２の参照信号Ｖ１に基づく電流とが流れ、これらの電流に応じた電圧がインピーダンス素子１３の両端間に生じる。そのため、信号源１２およびインピーダンス素子１３の直列回路の両端間には、数１で表される入力信号Ｖ２が生じることになる。ただし、以下では、結合容量４のキャパシタンスを「Ｃｓ」、インピーダンス素子１３のキャパシタンスを「Ｃｉｎ」とする。

この入力信号Ｖ２は、対象電圧Ｖ０が結合容量４およびインピーダンス素子１３で分圧されて結合容量４の両端間に生じる電圧と、参照信号Ｖ１が結合容量４およびインピーダンス素子１３で分圧されてインピーダンス素子１３の両端間に生じる電圧との和である。要するに、入力信号Ｖ２は、図３に示すように、対象電圧Ｖ０を定数（Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ））倍した電圧と、参照信号Ｖ１を定数（Ｃｉｎ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ））倍した電圧との和（合成電圧）となる。

また、減算部１７の出力に生じる中間信号Ｖ３、つまりインピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差は、数２で表される。

さらに、増幅部１４の出力に生じる増幅信号Ｖ４は、増幅部１４のゲインβを用いて数３で表され、加算部１５の出力に生じる検出信号Ｖ５は数４で表される。

ここにおいて、マイコン１０は、図４のフローチャートに従って動作する。

すなわち、マイコン１０は、まず検出部１０１にて検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅を検出する（Ｓ１）。このとき、検出部１０１は、検出信号Ｖ５をＡ／Ｄ変換して得られたデータを順次監視し、たとえば検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の極大値および極小値を抽出し、隣接する極大値と極小値との差を、参照信号Ｖ１の成分の振幅として検出する。なお、この方法で検出される振幅には、検出信号Ｖ５中の対象電圧Ｖ０の成分が含まれているが、参照信号Ｖ１の周波数が対象電圧Ｖ０に比べて十分に高ければ、対象電圧Ｖ０の成分の影響は無視できる程度である。

次に、マイコン１０は、検出部１０１で検出された振幅が所定の閾値（略ゼロ）以下であるか否かを、調整部１０２にて判断する（Ｓ２）。振幅が閾値より大きければ（Ｓ２：Ｎｏ）、マイコン１０は、調整部１０２にて増幅部１４のゲインβを調整する（Ｓ３）。それから、マイコン１０は、再度、検出部１０１にて検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅を検出し（Ｓ１）、振幅が閾値以下であるか否かを調整部１０２にて判断する（Ｓ２）。マイコン１０は、振幅が閾値以下になる（Ｓ２：Ｙｅｓ）、つまり検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになるまで、上記Ｓ１〜Ｓ３の処理を繰り返す。

具体的に説明すると、調整部１０２は、処理Ｓ３においてゲインβを予め決められた刻み幅で増加方向あるいは減少方向に変化させることにより、ゲインβの調整を行う。ここで、調整部１０２は、Ｎ回目（Ｎは２以上の整数）の処理Ｓ３におけるゲインβの変更を以下のアルゴリズムで行うことが好ましい。すなわち、調整部１０２は、Ｎ−１回目の処理Ｓ３の前後にそれぞれ検出された振幅を比較し、Ｎ−１回目の処理Ｓ３前よりＮ−１回目の処理Ｓ３後の振幅の方が大きければ、Ｎ回目の処理Ｓ３では、Ｎ−１回目の処理Ｓ３とは逆方向にゲインβを変化させる。一方、Ｎ−１回目の処理Ｓ３前よりＮ−１回目の処理Ｓ３後の振幅の方が小さければ、調整部１０２は、Ｎ回目の処理Ｓ３では、Ｎ−１回目の処理Ｓ３と同方向にゲインβを変化させる。言い換えれば、調整部１０２は、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅をゼロに収束させるように、ゲインβの調整を行う。

振幅が閾値以下になると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、マイコン１０は、測定部１０３にて検出信号Ｖ５および増幅部１４のゲインβを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める（Ｓ４）。このとき、測定部１０３は、検出信号Ｖ５を検出部１０１から取得し、増幅部１４のゲインβを調整部１０２から取得して、検出信号Ｖ５に対して増幅部１４のゲインβの逆数（１／β）を掛けることにより、対象電圧Ｖ０（＝Ｖ５／β）を算出する。つまり、測定部１０３は、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになったときの、増幅部１４のゲインβを用いて１／βで表される値と検出信号Ｖ５との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求める。

要するに、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになるとき、増幅部１４のゲインβが「Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）」に略一致し、数４の式におけるＣｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）・Ｖ１の項は、β・Ｖ１の項によってキャンセルされることになる。この状態では、検出信号Ｖ５にはＣｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）・Ｖ０の項のみが残ることになり、Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）≒βであるから、検出信号Ｖ５に１／βを掛けることにより対象電圧Ｖ０が求まる。なお、検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロの状態では、ゲインβは「Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）」に略一致するため１未満の値となる（β＜１）。

マイコン１０は、測定部１０３で求めた対象電圧Ｖ０の大きさを測定結果として表示部１８へ出力する（Ｓ５）。

＜効果＞
以上説明した本実施形態の電圧測定装置１によれば、電極１１を充電部２１に容量結合させることで、充電部２１に印加される交流電圧を非接触で測定することができる。しかも、電圧測定装置１は、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分が閾値以下になるように増幅部１４のゲインを調整した状態で、検出信号Ｖ５およびゲインから測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）の大きさを求める。ここで、増幅部１４のゲインは、対象電圧Ｖ０の大きさの変動に影響されないため、電圧測定装置１は、たとえば測定対象となる電圧の大きさが変動する場合においても、当該変動の影響によらずに正確な電圧の測定が可能である。したがって、電圧測定装置１は、電圧の測定の正確度を向上させ得る、という利点がある。

また、本実施形態のように、測定部１０３は、増幅部１４のゲインをβとしたときに１／βで表される値と検出信号Ｖ５との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求める構成であることが好ましい。この構成によれば、測定部１０３は、増幅部１４のゲインβと検出信号Ｖ５との２つのパラメータから、簡単な演算処理で測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）を算出することができる。

＜比較例との対比＞
以下に、参照信号Ｖ１を増幅する増幅部１４に代えて、中間信号Ｖ３を増幅し増幅中間信号として出力する増幅部が設けられた構成の電圧測定装置を比較例として、本実施形態の電圧測定装置１との違いを説明する。比較例の電圧測定装置は、増幅部の位置を除く回路構成については本実施形態の電圧測定装置１と同様である。

第１の比較例の電圧測定装置は、加算部１５の一方の入力端子に、減算部１７の出力端子が増幅部を介して電気的に接続され、加算部１５の他方の入力端子に、第２バッファ１６２の出力端子が電気的に接続された構成とする。つまり、第１の比較例では、増幅部は、減算部１７と加算部１５との間に設けられており、加算部１５の一方の入力端子には、中間信号Ｖ３をβ倍した電圧が、増幅中間信号（＝β・Ｖ３）として印加される。そのため、加算部１５から出力される検出信号Ｖ５は、インピーダンス素子１３の両端間に生じる電位差（中間信号Ｖ３）のβ倍に、参照信号Ｖ１を加算した電圧と同値になる。

第１の比較例の電圧測定装置では、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分が略ゼロになるように増幅部のゲインβを調整した状態で、加算部１５から出力される検出信号Ｖ５から測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）の大きさを求めることができる。しかし、第１の比較例の電圧測定装置において、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分が略ゼロになるように増幅部のゲインβが調整された状態では、増幅部のゲインβは１より大きな値（（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）／Ｃｓ）となる。この状態でマイコン１０に入力される検出信号Ｖ５は、測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）と略同じになる。そのため、第１の比較例では、対象電圧Ｖ０が系統電源３から出力される交流電圧（ＡＣ１００Ｖ）であれば、マイコン１０に入力される電圧は比較的高電圧となり、電圧測定装置は、比較的高耐圧の部品を用いる必要がある。

これに対して、本実施形態の電圧測定装置１は、調整部１０２にて参照信号Ｖ１を増幅する増幅部１４のゲインβを調整することにより、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分が閾値（ここでは略ゼロ）以下になる状態を作り出す。この状態では上述したように増幅部１４のゲインβは１未満の値（Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ））となるため、マイコン１０に入力される検出信号Ｖ５は、測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）に比べて低く抑えることができる。したがって、マイコン１０に入力される電圧は比較的低く抑えられ、電圧測定装置１は、比較的低耐圧の部品を用いて実現可能である。

また、第２の比較例として、第１の比較例の構成に対して、第２バッファ１６２と加算部１５との間に、参照信号Ｖ１をα倍（ただしα＜１）する調節部を付加した構成を想定する。第２の比較例では、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分が略ゼロになるように増幅部のゲインβが調整された状態で、第１の比較例に比べて検出信号Ｖ５がα倍となるため、マイコン１０に入力される電圧を低くできる。ただし、第２の比較例の電圧測定装置は、中間信号Ｖ３をβ倍する増幅部と別に、参照信号Ｖ１をα倍する調節部が必要である。

これに対して、本実施形態の電圧測定装置１は、参照信号Ｖ１をβ倍する増幅部１４があればよく、中間信号Ｖ３側に増幅部（調節部）は必要ないので、回路構成を簡略化することができる。

（実施形態２）
本実施形態の電圧測定装置１は、図５に示すように、増幅部１４および減算部１７の位置、並びに加算部１５（図１参照）が省略されている点が、実施形態１の電圧測定装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

＜電圧測定装置の構成＞
本実施形態では、増幅部１４の出力電圧を「増幅信号Ｖ３」、減算部１７の出力電圧を「検出信号Ｖ４」として説明する。

本実施形態では、減算部１７の＋端子には、第１バッファ１６１の出力端子が電気的に接続され、減算部１７の−端子には、第２バッファ１６２の出力端子が増幅部１４を介して電気的に接続されている。つまり、増幅部１４は、第２バッファ１６２と減算部１７との間に設けられており、減算部１７の−端子には、参照信号Ｖ１をβ倍した電圧が、増幅信号Ｖ３（＝β・Ｖ１）として印加される。

したがって、減算部１７は、第１バッファ１６１の出力する入力信号Ｖ２から、増幅部１４の出力する増幅信号Ｖ３を減算した大きさの検出信号Ｖ４（＝Ｖ２−Ｖ３）を出力する。つまり、減算部１７は、信号源１２およびインピーダンス素子１３からなる直列回路の両端間に生じる電位差から、増幅部１４で増幅された参照信号Ｖ１を減算し検出信号Ｖ４として出力する。言い換えれば、減算部１７から出力される検出信号Ｖ４は、信号源１２およびインピーダンス素子１３の直列回路の両端間に生じる電圧（電位差）から、参照信号Ｖ１のβ倍を減算した電圧と同値になる。

マイコン１０のＡ／Ｄ変換部１０４は、減算部１７の出力端子に電気的に接続されている。Ａ／Ｄ変換部１０４は、減算部１７から出力される検出信号Ｖ４をＡ／Ｄ変換することにより、マイコン１０で処理可能なデジタル値へと変換し、検出部１０１へ出力する。

ここで、実施形態１の「検出信号Ｖ５」を「検出信号Ｖ４」と読み替えれば、検出部１０１および調整部１０２の構成については、実施形態１と同様であるから、ここでは説明を省略する。

測定部１０３は、調整部１０２で増幅部１４のゲインが調整された状態における検出信号Ｖ４および上記ゲインを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める。本実施形態では、測定部１０３は、増幅部１４のゲインを「β」としたときに「１／（１−β）」で表される値と、検出信号Ｖ４との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求めるように構成されている。言い換えれば、測定部１０３は、検出信号Ｖ４に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになったときの検出信号Ｖ４に対して、１から増幅部１４のゲイン（β）を減算した結果の逆数を掛けることにより、対象電圧Ｖ０の大きさを算出する。

＜電圧測定装置の動作＞
次に、本実施形態の電圧測定装置１の動作について説明する。

本実施形態では、減算部１７の出力に生じる検出信号Ｖ４は、数５で表される。

ここにおいて、マイコン１０は、検出信号Ｖ４中の参照信号Ｖ１の成分の振幅が所定の閾値（略ゼロ）以下になるように、調整部１０２にて増幅部１４のゲインβを調整する。振幅が閾値以下になると、マイコン１０は、測定部１０３にて検出信号Ｖ４および増幅部１４のゲインβを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める。このとき、測定部１０３は、検出信号Ｖ４を検出部１０１から取得し、増幅部１４のゲインβを調整部１０２から取得して、検出信号Ｖ４に対して、「１／（１−β）」を掛けることにより、対象電圧Ｖ０（＝Ｖ４／（１−β））を算出する。つまり、測定部１０３は、検出信号Ｖ４に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになったときの、増幅部１４のゲインβを用いて１／（１−β）で表される値と検出信号Ｖ４との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求める。

要するに、検出信号Ｖ４に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロになるとき、増幅部１４のゲインβが「Ｃｉｎ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）」に略一致し、数５の式におけるＣｉｎ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）・Ｖ１の項は、β・Ｖ１の項によってキャンセルされる。この状態では、検出信号Ｖ４にはＣｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）・Ｖ０の項のみが残ることになり、Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）≒１−βであるから、検出信号Ｖ４に１／（１−β）を掛けることにより対象電圧Ｖ０が求まる。なお、検出信号Ｖ４に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が略ゼロの状態では、ゲインβは「Ｃｉｎ／（Ｃｓ＋Ｃｉｎ）」に略一致するため１未満の値となる（β＜１）。

＜効果＞
以上説明した本実施形態の電圧測定装置１によれば、電極１１を充電部２１に容量結合させることで、充電部２１に印加される交流電圧を非接触で測定することができる。しかも、電圧測定装置１は、検出信号Ｖ４中の参照信号Ｖ１の成分が閾値以下になるように増幅部１４のゲインを調整した状態で、検出信号Ｖ４およびゲインから測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）の大きさを求める。ここで、増幅部１４のゲインは、対象電圧Ｖ０の大きさの変動に影響されないため、電圧測定装置１は、たとえば測定対象となる電圧の大きさが変動する場合においても、当該変動の影響によらずに正確な電圧の測定が可能である。したがって、電圧測定装置１は、電圧の測定の正確度を向上させ得る、という利点がある。さらに、本実施形態の電圧測定装置１は、加算部１５（図１参照）を省略できるので、実施形態１の電圧測定装置１に比べて回路構成を簡略化することができる。

また、本実施形態のように、測定部１０３は、増幅部１４のゲインをβとしたときに１／（１−β）で表される値と検出信号Ｖ４との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求める構成であることが好ましい。この構成によれば、測定部１０３は、増幅部１４のゲインβと検出信号Ｖ４との２つのパラメータから、簡単な演算処理で測定対象の交流電圧（対象電圧Ｖ０）を算出することができる。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態の電圧測定装置１は、図６に示すように、検出信号Ｖ５から参照信号Ｖ１の成分を分離するフィルタ１９をさらに備える点で、実施形態１の電圧測定装置１と相違する。以下、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態では、フィルタ１９は、加算部１５の後段、つまり加算部１５の出力端子とマイコン１０との間に電気的に接続されている。フィルタ１９は、検出信号Ｖ５が入力されると、この検出信号Ｖ５に含まれる参照信号Ｖ１の成分（以下、「抽出信号Ｖ６」という）を、検出信号Ｖ５から抽出して出力する。ここでは、参照信号Ｖ１は、対象電圧Ｖ０に比べて高い周波数で電圧値が周期的に変動する電圧信号であるので、フィルタ１９は、カットオフ周波数より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタである。そのため、図６ではフィルタ１９を「ＨＰＦ」と表記している。フィルタ１９のカットオフ周波数は、参照信号Ｖ１の周波数より低く、且つ対象電圧Ｖ０の周波数より高い値に設定される。なお、フィルタ１９の具体的な構成は特に限定されず、たとえばコンデンサと抵抗とを組み合わせた回路や、オペアンプを用いた回路などで適宜構成される。

マイコン１０は、実施形態１のＡ／Ｄ変換部１０４（図１参照）に代えて、加算部１５の出力端子に直接的に接続された第１Ａ／Ｄ変換部１０６と、フィルタ１９を介して加算部１５の出力端子に接続された第２Ａ／Ｄ変換部１０７とを備えている。第１Ａ／Ｄ変換部１０６は、フィルタ１９から出力される抽出信号Ｖ６をＡ／Ｄ変換することにより、マイコン１０で処理可能なデジタル値へと変換し、検出部１０１へ出力する。第２Ａ／Ｄ変換部１０７は、加算部１５から出力される検出信号Ｖ５をＡ／Ｄ変換することにより、マイコン１０で処理可能なデジタル値へと変換し、測定部１０３へ出力する。第１Ａ／Ｄ変換部１０６および第２Ａ／Ｄ変換部１０７のナイキスト周波数は、いずれも参照信号Ｖ１より高く設定されている。

検出部１０１は、デジタル値に変換された抽出信号Ｖ６が入力されると、抽出信号Ｖ６の振幅を検出して、調整部１０２へ出力する。調整部１０２は、検出部１０１で検出された振幅が所定の閾値以下になるように、増幅部１４のゲインを調整する。すなわち、調整部１０２は、フィルタ１９で分離された検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分の振幅が閾値（ここでは略ゼロ）以下になるように、増幅部１４のゲインを調整する。なお、ここでいう検出信号Ｖ５に含まれている参照信号Ｖ１の成分（抽出信号Ｖ６）とは、検出信号Ｖ５中における参照信号Ｖ１と同一周波数の信号成分であり、参照信号Ｖ１の定数倍の信号成分である。

測定部１０３は、調整部１０２で上記ゲインが調整された状態における検出信号Ｖ５および上記ゲインを用いて、対象電圧Ｖ０の大きさを求める。本実施形態では、測定部１０３は、増幅部１４のゲインを「β」としたときに「１／β」で表される値と、第２Ａ／Ｄ変換部１０７から出力される検出信号Ｖ５との積を、対象電圧Ｖ０の大きさとして求めるように構成されている。

また、電圧測定装置１の動作については、検出部１０１にて検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅を検出する方法が、実施形態１とは異なる。すなわち、本実施形態の電圧測定装置１では、検出部１０１は抽出信号Ｖ６の振幅を検出することにより、検出信号Ｖ５中の参照信号Ｖ１の成分の振幅を検出する。その他の電圧測定装置１の動作については、実施形態１と同様であるから、ここでは説明を省略する。

＜効果＞
以上説明した本実施形態の電圧測定装置１によれば、検出信号Ｖ５から参照信号Ｖ１の成分を分離するフィルタ１９が設けられることにより、第１Ａ／Ｄ変換部１０６の入力には対象電圧Ｖ０が含まれないことになる。したがって、電圧測定装置１は、第１Ａ／Ｄ変換部１０６のフルスケールの略全域にわたって参照信号Ｖ１を入力でき、参照信号Ｖ１の振幅の分解能を高くできるので、対象電圧Ｖ０の測定精度の向上を期待できる。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

なお、本実施形態の構成（フィルタ１９、第１Ａ／Ｄ変換部１０６、および第２Ａ／Ｄ変換部１０７を備える構成）は、実施形態１の構成に限らず、実施形態２の構成と組み合わせて適用することも可能である。すなわち、実施形態２の構成において、減算部１７の出力端子にフィルタ１９を接続し、検出信号Ｖ４から参照信号Ｖ１の成分を分離するように構成されていてもよい。

１ 電圧測定装置
１１ 電極
１２ 信号源
１３ インピーダンス素子
１４ 増幅部
１５ 加算部
１７ 減算部
２１ 充電部
１０２ 調整部
１０３ 測定部

Claims (5)

1. 交流電圧が印加される充電部に対して間隔を空けて配置されることにより前記充電部に容量結合される電極と、
   電圧値が周期的に変動する参照信号を出力する信号源と、
   前記電極と前記信号源との間に電気的に接続されたインピーダンス素子と、
   前記参照信号を増幅する増幅部と、
   前記インピーダンス素子の両端間に生じる電位差に前記増幅部で増幅された前記参照信号を加算し検出信号として出力する加算部と、
   前記検出信号に含まれる前記参照信号の成分の振幅が所定の閾値以下になるように前記増幅部のゲインを調整する調整部と、
   前記調整部で前記ゲインが調整された状態における前記検出信号および前記ゲインを用いて前記交流電圧の大きさを求める測定部とを備える
   ことを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記測定部は、前記増幅部のゲインをβとしたときに１／βで表される値と前記検出信号との積を、前記交流電圧の大きさとして求めるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 交流電圧が印加される充電部に対して間隔を空けて配置されることにより前記充電部に容量結合される電極と、
   電圧値が周期的に変動する参照信号を出力する信号源と、
   前記電極と前記信号源との間に電気的に接続されたインピーダンス素子と、
   前記参照信号を増幅する増幅部と、
   前記信号源および前記インピーダンス素子からなる直列回路の両端間に生じる電位差から、前記増幅部で増幅された前記参照信号を減算し検出信号として出力する減算部と、
   前記検出信号に含まれる前記参照信号の成分の振幅が所定の閾値以下になるように前記増幅部のゲインを調整する調整部と、
   前記調整部で前記ゲインが調整された状態における前記検出信号および前記ゲインを用いて前記交流電圧の大きさを求める測定部とを備える
   ことを特徴とする電圧測定装置。
4. 前記測定部は、前記増幅部のゲインをβとしたときに１／（１−β）で表される値と前記検出信号との積を、前記交流電圧の大きさとして求めるように構成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。
5. 前記検出信号から前記参照信号の成分を分離するフィルタをさらに備え、
   前記調整部は、前記フィルタで分離された前記参照信号の成分の振幅が前記閾値以下になるように前記ゲインを調整するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。

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