JP2016109435A

JP2016109435A - 電圧検出装置

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Publication number: JP2016109435A
Application number: JP2014243762A
Authority: JP
Inventors: 浩一柳沢; Koichi Yanagisawa
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: JP6502072B2

Abstract

【課題】検出対象と検出電極との間に絶縁体が存在する場合でも、検出対象の電圧を非接触で検出する。【解決手段】絶縁体５１で被覆された検出対象５２に生じている電圧Ｖ１を検出する電圧検出装置１であって、絶縁体５１に接触して配設された検出電極１１と検出対象５２に静磁界Ｍを印加しつつ検出対象５２における静磁界Ｍの印加部位に渦電流Ｉｅｄを発生させることによって印加部位の表面に対して交差する方向に振動する超音波ＵＳを検出対象５２に励起させる超音波励起部１３と、検出対象５２に超音波ＵＳが励起されている状態において、検出対象５２から検出電極１１を経由してグランドに流れると共に電圧Ｖ１とグランドとの間の電位差Ｖｄｉに応じて振幅が変調された超音波ＵＳに同期する検出電流Ｉを検出電圧信号Ｖ２に変換する電流電圧変換回路１４と、電位差Ｖｄｉを示す検波出力Ｖ３を検出電圧信号Ｖ２から検出する検波回路１６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁材で被覆された検出対象の電圧をこの絶縁材を介して検出する非接触型の電圧検出装置に関するものである。

非接触型の電圧検出装置として、下記の特許文献１に開示された電圧検出装置（非接触式の静電圧フォロア）が知られている。この電圧検出装置は、電圧検出のためのプローブを備えている。このプローブは、測定されるべき静電量をもつ測定表面（検出対象の表面）に向けて配置される検出電極と、検出電極と測定表面間の容量結合を変調するために検出電極に作用連結された変調器ないし駆動手段と、検出電極と一致する測定表面の区域を照射するために測定表面に向けられた輻射線の通路を規定する手段とを含んでいる。

また、検出電極はハウジング内に収容されている。また、このハウジングには第１開口ないし窓が設けられ、この第１開口ないし窓を通して検出電極が測定表面に露呈される。また、検出電極は、ハウジング内に収容された増幅器（電流電圧変換用の演算増幅器）の加算入力端（反転入力端）に線によって接続され、この増幅器の非反転入力端は線によって基準単位となるハウジングに接続されている。また、変調器ないし駆動手段には、例えば圧電トランスデューサを用いることができ、変調器ないし駆動手段は、作用連結された検出電極を機械的に運動（振動）させることで、測定表面と検出電極との間に形成される容量（結合容量）を変調させる。

このプローブを備えた電圧検出装置では、この容量の変調時に、この容量、および電流電圧変換用として増幅器の加算入力端（反転入力端）と出力端子との間に接続された抵抗を介して流れる電流に基づいて、測定表面の電圧を非接触で検出することが可能になっている。

特公平７−９２４８７号公報（第６頁、第７図）

ところが、上記の電圧検出装置には、以下のような解決すべき課題が存在している。すなわち、この電圧検出装置では、ハウジングに設けられた第１開口（ないし窓）を通して検出電極が測定表面に露呈されるようにプローブを測定表面に配置する必要がある。これは、第１開口を絶縁体で覆う構成とすると、絶縁体の表面にも理論的には測定表面の電圧の影響を受けて電荷が現れるが、絶縁体の表面に現れる電荷は容易に逃げて消失する。したがって、この電圧検出装置には、測定表面と検出電極との間に絶縁体が介在する場合には、測定表面の電圧を検出することができないという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、検出対象と検出電極との間に絶縁体が存在する場合であっても、検出対象の電圧を非接触で検出し得る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、絶縁体で被覆された検出対象に生じている検出対象電圧を検出する電圧検出装置であって、前記絶縁体に直接的または他の絶縁体を介在させた状態で間接的に接触して配設された検出電極と前記検出対象に静磁界を印加しつつ当該検出対象における当該静磁界の印加部位に渦電流を発生させることによって当該印加部位の表面に対して交差する方向に振動する超音波を当該検出対象に励起させる超音波励起部と、前記検出対象に前記超音波が励起されている状態において、前記検出対象から前記検出電極を経由して基準電圧に流れると共に前記検出対象電圧と当該基準電圧との間の電位差に応じて振幅が変調された前記超音波に同期する検出電流を検出電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、前記電位差を示す検波出力を前記検出電圧信号から検出する検波回路とを備えている。

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、前記超音波励起部は、前記静磁界を発生させて前記検出対象に印加することによって当該検出対象における前記印加部位の内部に前記表面に沿った静磁界を発生させる磁石と、供給される交流電流に基づいて前記検出対象に前記渦電流を発生させるコイルとを備えて、前記印加部位の前記表面に対して直交する方向に振動する前記超音波を励起させる。

請求項３記載の電圧検出装置は、請求項２記載の電圧検出装置において、前記磁石は、前記印加部位側の磁極の近傍に前記コイルが配設された第１磁石と、それぞれの前記印加部位側の磁極が前記第１磁石の前記磁極とは異なる極性に着磁されると共に当該第１磁石の当該磁極を挟むように配設された第２磁石および第３磁石とを備えている。

請求項４記載の電圧検出装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記検波回路は、前記検出電圧信号に同期した同期信号で当該検出電圧信号を同期検波して前記検波出力を検出する。

請求項５記載の電圧検出装置は、請求項１から４のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記電流電圧変換回路は、第１の入力端子が前記基準電圧に規定され、第２の入力端子が前記検出電極に接続され、かつ当該第２の入力端子と出力端子との間に帰還回路が接続されて、当該帰還回路に流れる前記検出電流を前記検出電圧信号に変換する演算増幅器を有している。

請求項６記載の電圧検出装置は、請求項１から５のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記検出電極、前記超音波励起部、前記電流電圧変換回路および前記検波回路を覆うシールド部材を備えている。

請求項１記載の電圧検出装置では、超音波励起部が検出対象の内部に超音波を励起させることによって検出対象に振動を発生させ、この発生させた振動で検出電極を接触させた絶縁体を振動させることで、検出電流を発生させると共に、この検出電流に基づいて検出対象の検出対象電圧を検出する。したがって、この電圧検出装置によれば、検出対象と検出電極との間に絶縁体が存在する場合であっても、検出対象電圧を非接触で（検出電極を検出対象に直接接触させることなく）検出することができる。

請求項２記載の電圧検出装置では、超音波励起部が、検出対象における静磁界の印加部位の内部にこの印加部位の表面に沿った静磁界を発生させる磁石と、供給される交流電流に基づいて検出対象に渦電流を発生させるコイルとを備え、この印加部位の表面に対して直交する方向（検出対象の深さ方向）に振動する超音波を検出対象内に励起させる。したがって、この電圧検出装置によれば、絶縁体の静電容量の容量値を最も効率良く変化させ得る方向の振動を検出対象および絶縁体に発生させることができるため、検出対象から検出電極を経由して基準電位に流れる検出電流のレベルを高めることができる結果、検出対象電圧の検出感度を十分に高めることができる。

請求項３記載の電圧検出装置によれば、静磁界の印加部位における中央の第１磁石の磁極との対向部位を基準として、この対向部位の両側の内部に検出対象の表面に沿った静磁界を発生させることができるため、この対向部位の周囲に発生する渦電流に対してより多く静磁界を作用させることができる結果、より強い超音波、ひいてはより強い振動を検出対象の内部に発生させることができる。これにより、この電圧検出装置によれば、検出対象から検出電極を経由して基準電位に流れる検出電流のレベルを一層高めることができる結果、検出対象電圧の検出感度を一層高めることができる。

請求項４記載の電圧検出装置によれば、検波回路が検出電圧信号を同期信号で同期検波して検波出力を出力することにより、外乱の影響が少ない状態で検波出力を検出することができる。

請求項５記載の電圧検出装置によれば、電流電圧変換回路を、演算増幅器および帰還抵抗を有する構成としたことにより、検出電流を感度よく検出して検出電圧信号に変換することができる。

電圧検出装置１の構成図である。検出電極１１および超音波励起部１３の斜視図である。電圧検出装置１の動作を説明するための説明図である。超音波励起部１３Ａの構成を説明するための説明図である。超音波励起部１３Ｂの構成を説明するための説明図である。

以下、電圧検出装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、電圧検出装置の構成について、図面を参照して説明する。

図１に示す電圧検出装置としての電圧検出装置１は、非接触型の電圧検出装置であって、一例として、検出電極１１、発振回路１２、超音波励起部１３、電流電圧変換回路１４、バッファアンプ１５、検波回路１６、位相調整回路１７および出力回路１８を備え、絶縁体５１で被覆された検出対象５２に生じている電圧（検出対象電圧）Ｖ１を非接触で検出可能に構成されている。

この場合、検出対象５２は、導電体であって、図１，３に示すように、その表面における一部の部位が絶縁体５１で被覆されていてもよいし、図４に示すように、表面全域が絶縁体５１で被覆されていてもよい（例えば、検出対象５２は、外周面全域が絶縁被覆で覆われた被覆電線の芯線でもよい）。また、絶縁体５１は、１種類の絶縁材料で構成された単層構造であってもよいし、それぞれ異なる種類の絶縁材料で構成された複数の層が積層されてなる多層構造であってもよい。

検出電極１１は、後述する構成により、検出対象５２を被覆する絶縁体５１の表面に直接的に接触可能に配置されている。

発振回路１２は、例えば、数十ｋＨｚ（可聴域を超える周波数）〜数ＭＨｚ程度の一定の周波数（所定周波数）の基準信号Ｓ１を生成して出力する。この場合、発振回路１２は、この基準信号Ｓ１を作動中において連続的に出力する構成を採用することもできるし、一定時間ずつ断続して周期的に出力する構成を採用することもできるし、測定時にのみ単発的に一定時間だけ出力する構成を採用することもできる。また、発振回路１２は、例えば、矩形波信号、三角波信号および正弦波信号などのいずれかの信号を基準信号Ｓ１として出力する。なお、発振回路１２は、上記のように一定の周波数で基準信号Ｓ１を生成して出力する構成に代えて、例えば、予め規定された下限周波数および上限周波数の範囲内で周波数が時間と共に変化するスイープ信号として基準信号Ｓ１を生成して出力する構成や、周波数が時間と共にランダムに変化するランダム信号（ノイズ信号）として基準信号Ｓ１を生成して出力する構成を採用することもできる。

超音波励起部１３は、図１に示すように、検出対象５２に静磁界Ｍを印加しつつ、検出対象５２における静磁界Ｍの印加部位に渦電流Ｉｅｄを発生させることによって、この印加部位の表面に対して交差する方向（深さ方向）に振動する超音波ＵＳを検出対象５２の内部に励起させる。本例では一例として、超音波励起部１３は、図２，３に示すように、静磁界Ｍを発生させて検出対象５２に印加することによってこの検出対象５２における印加部位の内部に印加部位の表面に沿った静磁界Ｍを発生させる磁石２１と、基準信号Ｓ１に基づいて基準信号Ｓ１と同じ周波数の交流電流Ｉａｃを生成する電流源回路２２と、電流源回路２２から交流電流Ｉａｃの供給を受けて検出対象５２における上記の印加部位（印加部位の表面）に渦電流Ｉｅｄを発生させるコイル２３とを備えている。

本例では磁石２１は、それぞれ柱状体（円柱体や、四角柱体などの多角柱体など。本例では一例として四角柱体）に形成されて、磁極としての両端部がそれぞれ異極に着磁された３つの磁石（本例では一例として永久磁石）２１ａ，２１ｂ，２１ｃ（第２磁石としての磁石２１ａ、第１磁石としての磁石２１ｂ、第３磁石としての磁石２１ｃ）を備えている。この磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、絶縁体２４を介在させた状態で一列に並んで配設されている。また、各磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃの同じ一方側の端部（一方の端部。図１中の上端部であって、上記の印加部位側の端部）の極性は、中央の磁石２１ｂの極性（本例では一例としてＮ極）が他の２つの磁石（両側の磁石）２１ａ，２１ｃの極性（本例では一例としてＳ極）と異なるように構成されている。

なお、各磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、永久磁石に代えて電磁石で構成することもできる。また、別体に形成された２つの磁石２１ａ，２１ｃを中央の磁石２１ｂの両側に配設する構成（中央の磁石２１ｂを挟むようにして２つの磁石２１ａ，２１ｃを配設する構成）に代えて、図示はしないが、２つの磁石２１ａ，２１ｃのうちの一方のみを中央の磁石２１ｂの片側に配設する構成や、２つの磁石２１ａ，２１ｃを円筒状の１つの磁石として形成して、この円筒状の磁石の軸線上に磁石２１ｂを配置する構成を採用することもできる。

また、本例では一例として、両側の磁石２１ａ，２１ｃは、それぞれの一方の端部の端面が同一の仮想平面Ｗ内に位置するように構成されている。また、中央の磁石２１ｂおよびその両側に位置している絶縁体２４は、それぞれの一方の端部（同図中の上端部）の端面が仮想平面Ｗ（両側の磁石２１ａ，２１ｃにおける一方の端部の端面）に対してほぼ同じ長さだけ凹む構成となっている。この構成により、両側の磁石２１ａ，２１ｃのそれぞれの一方の端部間には、ほぼ一定の深さの凹部Ａが形成されている。

コイル２３は、一例として環状の平面コイルとして構成されて、磁石２１ｂの一方の端部の近傍に配設されている。具体的には、コイル２３は、磁石２１ｂの一方の端部の近傍であって、その中心部（コイル２３の中心に形成された孔部）から磁石２１ｂの一方の端部の端面が覗く凹部Ａ内の位置に、かつ仮想平面Ｗと平行になるように配設されている。

また、本例では一例として、検出電極１１は、中央の磁石２１ｂの一方の端部の端面上に絶縁体２５を介在させた状態で配設されている。また、検出電極１１は、凹部Ａの深さ、絶縁体２５の厚みおよび検出電極１１の厚みのうちの少なくとも１つが調整されることで、その表面（図２，３中の検出電極１１における上面）が仮想平面Ｗ内に位置する状態、または仮想平面Ｗから若干突出する状態のうちのいずれかの状態（本例では一例として前者の状態）になるように構成されている。

この構成により、電圧検出装置１では、超音波励起部１３を各磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃの一方の端部側から絶縁体５１に近づけて接触させることで、検出電極１１を絶縁体５１の表面に直接的に接触させることが可能になっている。つまり、この超音波励起部１３は、絶縁体５１に対して（つまり、検出対象５２の印加部位に対して）、各磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃを縦にした状態で配置する構成となっている。

電流電圧変換回路１４は、一例として、演算増幅器１４ａおよび帰還回路としての帰還抵抗１４ｂを備えて構成されている。演算増幅器１４ａは、非反転入力端子（第１の入力端子）が基準電位（グランド）に接続されて基準電圧（ゼロボルト）に規定され、反転入力端子（第２の入力端子）が検出電極１１に接続され、かつ反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗１４ｂが接続されている。なお、本例では一例として、１個の帰還抵抗１４ｂで帰還回路を構成しているが、複数の抵抗の直列回路または並列回路や、直列回路および並列回路を組み合わせた直並列回路で帰還回路を構成することもできる。

この電流電圧変換回路１４は、超音波励起部１３によって検出対象５２内に発生させられた超音波ＵＳに基づいて検出対象５２に生じる振動に起因して検出対象５２と検出電極１１との間に位置する絶縁体５１の静電容量の容量値が変化しているときに、検出対象５２の電圧Ｖ１と検出電極１１の電圧（演算増幅器１４ａの各入力端子間がバーチャルショート状態のため、基準電圧）との電位差Ｖｄｉ（本例では基準電圧はゼロボルトのため、電圧Ｖ１）に起因して、この電位差Ｖｄｉの大きさに応じた電流値（振幅）で検出対象５２から検出電極１１を経由して基準電位に流れる検出電流Ｉを検出電圧信号Ｖ２に変換して出力する。つまり、この電流電圧変換回路１４では、検出対象５２の電圧Ｖ１と、検出電極１１の電圧（基準電圧）との間の電位差に応じて振幅が変調された検出電流Ｉ（検出対象５２に生じる振動に同期する電流）を検出電圧信号Ｖ２に変換する。

この場合、検出電流Ｉは、検出対象５２に生じる振動の周波数（つまり、超音波ＵＳの周波数、すなわち交流電流Ｉａｃおよび基準信号Ｓ１の各周波数と同じ周波数。以下では、「振動周波数」ともいう）で絶縁体５１の静電容量の容量値が変化することに起因して発生するため、振動周波数と同じ周波数の交流信号であって、その振幅が上記した電位差Ｖｄｉ（本例では電圧Ｖ１）に応じたレベルに変調された交流信号として発生する。このため、検出電圧信号Ｖ２もまた、振動周波数と同じ周波数の交流信号であって、その振幅が電位差Ｖｄｉ（本例では電圧Ｖ１）に応じたレベルに変調された交流信号として電流電圧変換回路１４から出力される。

なお、電流電圧変換回路１４は、一例として上記したように、演算増幅器１４ａおよび帰還抵抗１４ｂを有する構成として、一般的にその振幅が極めて小さな（微弱な）検出電流Ｉを感度よく検出して検出電圧信号Ｖ２に変換し得るようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、より簡易な構成で電流電圧変換回路１４を実現することが望まれる場合には、上記の構成に代えて、図示はしないが、検出電極１１に一端が接続されると共に他端が基準電位（グランド）に接続された抵抗を有する構成を採用することもできる。この構成の電流電圧変換回路１４では、この抵抗が、検出対象５２から検出電極１１を経由して基準電位（基準電圧）に流れる検出電流Ｉを検出電圧信号Ｖ２に変換する。そして、この抵抗の一端において変換された検出電圧信号Ｖ２が、後述するバッファアンプ１５に出力される。

バッファアンプ１５は、高入力インピーダンス、かつ低出力インピーダンスのアンプで構成されて、電流電圧変換回路１４から出力される検出電圧信号Ｖ２を入力して低インピーダンスで出力する。検波回路１６は、一例として同期検波回路で構成されて、バッファアンプ１５から入力した検出電圧信号Ｖ２を、位相調整回路１７から入力した同期信号Ｓ２で同期検波することにより、検出電圧信号Ｖ２の振幅成分（直流成分）を検出（抽出）して、検波出力（電圧信号）Ｖ３として出力する。この検波回路１６は、乗算器、アナログスイッチで構成された切替スイッチ（マルチプレクサ）、および相関器のいずれかで構成されている。なお、検波回路１６は、包絡線検波回路で構成することもでき、この構成を採用したときには、同期信号Ｓ２が不要となるため、位相調整回路１７を省略することができる。

位相調整回路１７は、発振回路１２からの基準信号Ｓ１を入力すると共に遅延させて同期信号Ｓ２として出力する。位相調整回路１７は、この基準信号Ｓ１に対する同期信号Ｓ２の遅延量を調整することが可能に構成されている。また、この遅延量は、検波回路１６に入力される交流信号としての検出電圧信号Ｖ２の位相と、同期信号Ｓ２の位相とが一致するように予め調整されている。

出力回路１８は、例えば、検波出力Ｖ３の電圧値を検出して表示する電圧計や、検波出力Ｖ３を入力して低インピーダンスで出力するバッファ回路や、検波出力Ｖ３をＡ／Ｄ変換してその電圧値を示す電圧データを出力するＡ／Ｄ変換器などで構成されている。

次いで、電圧検出装置１による検出対象５２の電圧Ｖ１についての検出動作について説明する。なお、電圧Ｖ１は、直流電圧であってもよいし、交流電圧であってもよい。本例では一例として、電圧Ｖ１は直流電圧であるものとする。

まず、図１，３に示すように、検出対象５２を被覆する絶縁体５１の表面に超音波励起部１３を構成する各磁石２１ａ，２１ｃの一方の端部の端面を接触（密着）させることにより、これらの端面と同じ仮想平面Ｗ内に位置している検出電極１１を絶縁体５１の表面に接触（密着）させる。この際には、絶縁体５１と検出電極１１との間の密着性を向上させるため、これらの部材間に他の絶縁体（例えば、絶縁シートやジェル状の絶縁体）を介在させてもよい。

これにより、図３に示すように、磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうちの一対の磁石２１ａ，２１ｂの各一方の端部間（互いに異なる極性に着磁された端部間）に生じている静磁界Ｍ、および他の一対の磁石２１ｂ，２１ｃの各一方の端部間（互いに異なる極性に着磁された端部間）に生じている静磁界Ｍが絶縁体５１を介して検出対象５２の印加部位に印加される。この場合、一対の磁石２１ａ，２１ｂの各一方の端部同士が絶縁体５１の表面に沿って（「検出対象５２の表面に沿って」でもある）離間して配置され、また一対の磁石２１ｂ，２１ｃの各一方の端部同士も絶縁体５１の表面に沿って（「検出対象５２の表面に沿って」でもある）離間して配置される構成のため、同図に示すように、検出対象５２における印加部位の内部での静磁界Ｍは、この印加部位の表面に沿った向きで生じている。

また、この超音波励起部１３では、磁石２１ｂに対して、一方の端部の極性がこの磁石２１ｂの一方の端部の極性と異なる磁石２１ａ，２１ｃ（磁石２１ｂとは別体の磁石）が、それぞれの一方の端部同士が近接するように配置されているため、強い静磁界Ｍを検出対象５２の内部に発生させることが可能になっている。

この状態において、発振回路１２から基準信号Ｓ１が出力されると、超音波励起部１３では、電流源回路２２が、基準信号Ｓ１に基づいて交流電流Ｉａｃを生成してコイル２３に供給する。コイル２３は、この交流電流Ｉａｃの供給を受けて、不図示の交番磁界を発生させる。コイル２３は上記したように両側の磁石２１ａ，２１ｃの一方の端部間に形成されている凹部Ａ内に、仮想平面Ｗと平行な状態で配設されている。このため、コイル２３に発生している交番磁界は、検出対象５２における静磁界Ｍの印加部位の表面に印加される。この交番磁界により、検出対象５２におけるこの印加部位の表面には、渦電流Ｉｅｄが発生する。

このようにして、この検出対象５２における静磁界Ｍの印加部位（検出対象５２の表面に沿った向きで静磁界Ｍが生じている部位）の表面に渦電流Ｉｅｄが発生することから、この静磁界Ｍと渦電流Ｉｅｄとに基づいて、白抜きの矢印で示すように、検出対象５２のこの印加部位の表面に対して交差する方向（検出対象５２の深さ方向。つまり、この印加部位の表面に対して直交する方向）に沿ってローレンツ力Ｆが発生する。このローレンツ力Ｆの向きは交流電流Ｉａｃの半周期毎に逆転するため、検出対象５２の内部には、このローレンツ力Ｆに基づいて、この印加部位の表面に対して交差する方向（検出対象５２の深さ方向）に沿って、交流電流Ｉａｃと同じ周波数の超音波ＵＳが励起される。また、この超音波ＵＳの発生に起因して、検出対象５２には、印加部位の表面に対して交差する方向（検出対象５２の深さ方向）の振動が交流電流Ｉａｃと同じ周波数で発生する。

この振動（機械的振動）は検出対象５２と接触している絶縁体５１に伝わるため、絶縁体５１も、検出対象５２と同じ周波数（振動周波数）で振動する。この場合、検出対象５２と検出電極１１との間の距離または密度（絶縁体５１の密度）が絶縁体５１の振動周波数（検出対象５２の振動周波数でもある）と同じ周波数で変化するため、検出対象５２と検出電極１１との間に位置する絶縁体５１の静電容量の容量値もこの振動周波数と同じ周波数で変化する。また、この静電容量の容量値が変化するのに伴い、振幅が電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）に応じたレベルに変調され、かつ振動周波数と同じ周波数の交流信号である検出電流Ｉが、検出対象５２、検出電極１１および電流電圧変換回路１４の帰還抵抗１４ｂを含む経路に流れる。

電流電圧変換回路１４は、この検出電流Ｉを検出電圧信号Ｖ２に変換して出力し、バッファアンプ１５が、電流電圧変換回路１４から出力されるこの検出電圧信号Ｖ２を入力して低インピーダンスで出力する。一方、位相調整回路１７は、基準信号Ｓ１を入力すると共に遅延させることにより、同期信号Ｓ２を検波回路１６に出力している。

検波回路１６は、バッファアンプ１５から出力されるこの検出電圧信号Ｖ２を、位相調整回路１７から出力される同期信号Ｓ２で同期検波することにより、検出電圧信号Ｖ２の振幅成分（直流成分）を外乱の影響が少ない状態で検出して検波出力（電圧信号）Ｖ３として出力回路１８に出力する。この場合、検波出力Ｖ３として検出された検出電圧信号Ｖ２の振幅成分（直流成分）は、上記した電位差Ｖｄｉ（本例では電圧Ｖ１）に応じて、そのレベルが変化する。

出力回路１８は、この検波出力（電圧信号）Ｖ３を入力して、例えば、アナログ電圧計で構成されているときには、検波出力Ｖ３の電圧値（電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）と比例する電圧値）に基づいて、電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）の電圧値を示す数値まで指針を移動させることで、電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）の電圧値を目視し得る状態で出力する。また、出力回路１８は、例えば、バッファ回路で構成されているときには、検波出力Ｖ３を入力して低インピーダンスで外部に出力する（外部の計測器などに対して、検波出力Ｖ３に基づいて、電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）の電圧値を検出できるように出力する）。また、出力回路１８は、例えば、Ａ／Ｄ変換器で構成されているときには、検波出力Ｖ３を入力してその電圧値を示す電圧データ（電位差Ｖｄｉ（電圧Ｖ１）の電圧値を示す電圧データでもある）を、内部に設けられた処理部（不図示）や外部の処理装置に出力する。

このように、この電圧検出装置１では、超音波励起部１３が検出対象５２の内部に超音波ＵＳを励起させることによって検出対象５２に振動を発生させ、この発生させた振動で検出電極１１を接触させた絶縁体５１を振動させることで、検出電流Ｉを発生させると共に、この検出電流Ｉに基づいて検出対象５２の電圧Ｖ１を検出する。したがって、この電圧検出装置１によれば、検出対象５２と検出電極１１との間に絶縁体５１が存在する場合であっても、検出対象５２の電圧Ｖ１を非接触で（検出電極１１を検出対象５２に直接接触させることなく）検出することができる。

また、この電圧検出装置１では、超音波励起部１３が、検出対象５２における静磁界Ｍの印加部位の内部にこの印加部位の表面に沿った静磁界Ｍを発生させる磁石２１と、供給される交流電流Ｉａｃに基づいて検出対象５２に渦電流Ｉｅｄを発生させるコイル２３とを備え、この印加部位の表面に対して直交する方向（検出対象５２の深さ方向）に振動する超音波ＵＳを検出対象５２内に励起させる。したがって、この電圧検出装置１によれば、絶縁体５１の静電容量の容量値を最も効率良く変化させ得る方向の振動を検出対象５２および絶縁体５１に発生させることができるため、検出対象５２から検出電極１１を経由して基準電位に流れる検出電流Ｉのレベルを高めることができる結果、検出対象５２の電圧Ｖ１の検出感度を十分に高めることができる。

また、この電圧検出装置１では、磁石２１が、印加部位側の磁極としての一方の端部の近傍にコイル２３が配設された中央の磁石２１ｂと、それぞれの印加部位側の磁極としての一方の端部が磁石２１ｂの一方の端部とは異なる極性に着磁されると共に、磁石２１ｂの一方の端部を挟むようにその両側に配設された２つの磁石２１ａ，２１ｃとを備えている。

したがって、この電圧検出装置１によれば、静磁界Ｍの印加部位における中央の磁石２１ｂの一方の端部との対向部位を基準として、この対向部位の両側の内部に検出対象５２の表面に沿った静磁界Ｍを発生させることができるため、この対向部位の周囲に発生する渦電流Ｉｅｄに対してより多く静磁界Ｍを作用させることができる結果、より強い超音波ＵＳ、ひいてはより強い振動を検出対象５２の内部に発生させることができる。これにより、この電圧検出装置１によれば、検出対象５２から検出電極１１を経由して基準電位に流れる検出電流Ｉのレベルを一層高めることができる結果、検出対象５２の電圧Ｖ１の検出感度を一層高めることができる。

また、この電圧検出装置１によれば、検波回路１６が検出電圧信号Ｖ２を同期信号Ｓ２で同期検波して検波出力Ｖ３を出力することにより、外乱の影響が少ない状態で検波出力Ｖ３を検出して出力することができる。

また、この電圧検出装置１によれば、電流電圧変換回路１４を、演算増幅器１４ａおよび帰還抵抗１４ｂを有する構成としたことにより、検出電流Ｉを感度よく検出して検出電圧信号Ｖ２に変換することができる。

なお、上記の例では、両側の磁石２１ａ，２１ｃのそれぞれの一方の端部間に凹部Ａを形成して、この凹部Ａ内に検出電極１１を超音波励起部１３に配設する（上記の例では、中央の磁石２１ｂの一方の端部の端面上に絶縁体２５を介在させた状態で配設する）構成を採用しているが、図４に示す超音波励起部１３Ａのように、検出電極１１を分離する構成を採用することもできる。一例として、この超音波励起部１３Ａでは、同図に示すように、磁石２１ｂの一方の端部の端面を仮想平面Ｗ内に位置するようにして、コイル２３の中心に形成された孔部内に磁石２１ｂのこの一方の端部を進入させる構成（この一方の端部の外周にコイル２３を形成する構成）を採用しているが、上記した超音波励起部１３と同様にして、磁石２１ｂの一方の端部を仮想平面Ｗから凹ませる構成を採用することもできる。なお、上記の超音波励起部１３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。

この構成を採用することにより、図４において符号Ｘ，Ｙで示すように、絶縁体５１の表面における静磁界Ｍの印加部位とは異なる位置（位置Ｘは印加部位と同じ側の位置、位置Ｙは印加部位とは逆側の位置）に配置することができる。

また、上記の超音波励起部１３，１３Ａでは、検出対象５２の印加部位の表面に対して、磁石２１（磁石２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を縦にした状態で配置する構成を採用しているが、図５に示す超音波励起部１３Ｂのように、磁石２１を横にした状態で配置する構成を採用することもできる。この構成では、検出対象５２における印加部位の内部に発生させる静磁界Ｍの強さが上記の超音波励起部１３，１３Ａと比較して弱くなるものの、この構成においても、同図に示すように、この印加部位の内部に印加部位の表面に沿った状態で静磁界Ｍを発生させることが可能である。したがって、この超音波励起部１３Ｂにおいても、超音波ＵＳを検出対象５２の深さ方向に沿って発生させることができるため、検出対象５２を深さ方向（印加部位の表面と交差する方向。この例では直交する方向）に沿って振動させることができる。

１電圧検出装置
１１検出電極
１３，１３Ａ，１３Ｂ超音波励起部
１４電流電圧変換回路
１４ａ演算増幅器
１４ｂ帰還抵抗
１６検波回路
２１，２１ａ〜２１ｃ磁石
２３コイル
５１絶縁体
５２検出対象
Ｉ検出電流
Ｉａｃ交流電流
Ｉｅｄ渦電流
Ｍ静磁界
ＵＳ超音波
Ｖ１電圧（検出対象電圧）
Ｖ２検出電圧信号
Ｖ３検波出力
Ｖｄｉ電位差

Claims

絶縁体で被覆された検出対象に生じている検出対象電圧を検出する電圧検出装置であって、
前記絶縁体に直接的または他の絶縁体を介在させた状態で間接的に接触して配設された検出電極と
前記検出対象に静磁界を印加しつつ当該検出対象における当該静磁界の印加部位に渦電流を発生させることによって当該印加部位の表面に対して交差する方向に振動する超音波を当該検出対象に励起させる超音波励起部と、
前記検出対象に前記超音波が励起されている状態において、前記検出対象から前記検出電極を経由して基準電圧に流れると共に前記検出対象電圧と当該基準電圧との間の電位差に応じて振幅が変調された前記超音波に同期する検出電流を検出電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電位差を示す検波出力を前記検出電圧信号から検出する検波回路とを備えている電圧検出装置。
前記超音波励起部は、前記静磁界を発生させて前記検出対象に印加することによって当該検出対象における前記印加部位の内部に前記表面に沿った静磁界を発生させる磁石と、供給される交流電流に基づいて前記検出対象に前記渦電流を発生させるコイルとを備えて、前記印加部位の前記表面に対して直交する方向に振動する前記超音波を励起させる請求項１記載の電圧検出装置。
前記磁石は、前記印加部位側の磁極の近傍に前記コイルが配設された第１磁石と、それぞれの前記印加部位側の磁極が前記第１磁石の前記磁極とは異なる極性に着磁されると共に当該第１磁石の当該磁極を挟むように配設された第２磁石および第３磁石とを備えている請求項２記載の電圧検出装置。
前記検波回路は、前記検出電圧信号に同期した同期信号で当該検出電圧信号を同期検波して前記検波出力を検出する請求項１から３のいずれかに記載の電圧検出装置。
前記電流電圧変換回路は、第１の入力端子が前記基準電圧に規定され、第２の入力端子が前記検出電極に接続され、かつ当該第２の入力端子と出力端子との間に帰還回路が接続されて、当該帰還回路に流れる前記検出電流を前記検出電圧信号に変換する演算増幅器を有している請求項１から４のいずれかに記載の電圧検出装置。
前記検出電極、前記超音波励起部、前記電流電圧変換回路および前記検波回路を覆うシールド部材を備えている請求項１から５のいずれかに記載の電圧検出装置。