JP5420387B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出対象体の検出対象交流電圧を非接触で検出する非接触型の電圧検出装置に関するものである。

この種の電圧検出装置として、下記の特許文献１に開示された非接触電圧計測装置（以下、「電圧検出装置」ともいう）が知られている。この電圧検出装置は、電線の絶縁物についての一部の表面を覆うことが可能な検出電極および検出電極を覆うシールド電極を備えた検出プローブと、所定の周波数の信号を出力する発振器とを備え、発振器の信号を検出電極に加えることによって、検出電極と電線の導体との間のインピーダンスを計測し、導体に印加された電圧に起因して検出電極から流出する電流を検出用抵抗器（抵抗値：Ｒ１）を用いて計測し、電流とインピーダンスとから導体に印加された電圧を計測することが可能となっている。

具体的には、この電圧検出装置では、まず、検出プローブを開き、発振器からの信号を検出用抵抗器を介して検出電極に印加している状態において、シールド電極と接地との間の静電容量（以下、説明のため第１静電容量という）の計測を行う。この計測によって得られる第１静電容量は、検出用抵抗器の抵抗値が第１静電容量についてのリアクタンスに比べて無視できる程度に小さいため、発振器から出力される信号電圧、検出用抵抗器の抵抗値、発振器から出力される信号の角周波数、および検出用抵抗の両端電圧から算出される。

次いで、電線を挟んで検出プローブを閉じ、発振器からの信号を検出用抵抗器を介して検出電極に印加している状態での静電容量（以下、説明のため第２静電容量という）の計測を行う。これによって計測される第２静電容量は、上記した第１静電容量と、検出電極および電線間の静電容量（以下、説明のため第３静電容量という）との合成容量となり、検出用抵抗器の抵抗値がこの合成容量についてのリアクタンスに比べて無視できる程度に小さいため、発振器から出力される信号電圧、検出用抵抗器の抵抗値、発振器から出力される信号の角周波数、および検出用抵抗の両端電圧から算出される。また、算出された第２静電容量から上記した第１静電容量を減算することにより、第３静電容量、つまり検出電極と電線の導体との間の静電容量が算出される。

続いて、電線を挟んで検出プローブを閉じ、発振器からの信号を検出用抵抗器を介して検出電極に印加している状態での、導体に印加された電圧に起因する検出用抵抗器の両端電圧を求める。導体の側から見た検出用抵抗器を経由する回路のインピーダンスは、検出用抵抗器の抵抗値と第３静電容量のリアクタンスとの加算値となるが、検出用抵抗器の抵抗値が第３静電容量についてのリアクタンスに比べて無視できる程度に小さいため、第３静電容量についてのリアクタンスとなる。これにより、検出用抵抗器に流れる電流は、導体に印加された電圧をこのリアクタンスで除算した値となるため、検出用抵抗器の両端電圧は、検出用抵抗器に流れる電流に検出用抵抗器の抵抗値を乗算した値となる。この場合、この検出用抵抗器の両端電圧は、導体に印加された電圧の角周波数、検出電極と電線との間の第３静電容量、導体に印加されている電圧、および検出用抵抗器の抵抗値の各パラメータで表される。したがって、電圧検出装置では、導体に印加されている電圧を、検出用抵抗器の両端電圧、導体に印加された電圧の角周波数、検出電極と電線との間の第３静電容量、および検出用抵抗器の抵抗値から算出して、表示部に表示させる。

特許第３１５８０６３号公報（第４−６頁、第３図）

ところが、上記の電圧検出装置には、以下のような問題点がある。すなわち、この電圧検出装置では、シールド電極と接地との間の静電容量（上記の第１静電容量）、および検出電極と電線の導体との間の静電容量（上記の第３静電容量）を個別に算出しなければならないため、導体に印加されている電圧の検出作業に手間や時間がかかるという問題点が存在している。また、発振器から出力される信号の検出に際してバンドパスフィルタを使用しているが、発振器から出力される信号以外の信号であっても同じ周波数の信号については検出されるため、ノイズの多い環境においては発振器から出力される信号のみを正確に検出できない結果、導体に印加されている電圧について検出誤差が生じ易いという問題点も存在している。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、検出電極と検出対象体（上記の例では電線の導体）との間の静電容量を算出することなく、検出対象体の電圧を精度よく検出し得る非接触型の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、検出対象体に生じている検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置であって、前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、参照信号を出力する参照信号出力部と、一端が前記検出電極に接続されると共に他端が前記参照信号出力部に接続されて当該他端に前記参照信号が印加される検出抵抗、および当該検出抵抗の両端間に発生する電圧を増幅することにより前記参照信号の信号成分であって当該参照信号を基準として位相が１８０°ずれた信号成分と前記検出対象交流電圧の信号成分とを含む検出信号を出力する差動増幅部を有する検出部と、前記検出信号を所定の利得で増幅して増幅検出信号を生成しつつ、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号と当該増幅検出信号との加算によって当該参照信号と当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分とを相殺可能に前記利得を制御すると共に、前記検出対象交流電圧の信号成分を当該増幅検出信号から抽出して出力信号として出力する信号抽出部とを備え、前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分または微分して前記参照信号を出力し、前記信号抽出部は、前記検出信号を前記利得で増幅して前記増幅検出信号を生成する増幅回路と、当該増幅検出信号と前記参照信号とを加算して前記出力信号として出力する演算回路と、当該出力信号に含まれている前記参照信号の信号成分の振幅を示す検波信号を前記参照信号出力部から出力される前記参照信号を用いた同期検波によって検出する検波回路と、前記増幅回路の前記利得を前記検波信号に基づいて制御する制御回路とを備えている。

また、請求項２記載の電圧検出装置は、検出対象体に生じている検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置であって、前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、参照信号を出力する参照信号出力部と、一端が前記検出電極に接続されると共に他端が前記参照信号出力部に接続されて当該他端に前記参照信号が印加される検出抵抗、および当該検出抵抗の両端間に発生する電圧を増幅することにより前記参照信号の信号成分であって当該参照信号を基準として位相が１８０°ずれた信号成分と前記検出対象交流電圧の信号成分とを含む検出信号を出力する差動増幅部を有する検出部と、前記検出信号を所定の利得で反転増幅して増幅検出信号を生成しつつ、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号と当該増幅検出信号との減算によって当該参照信号と当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分とを相殺可能に前記利得を制御すると共に、前記検出対象交流電圧の信号成分を当該増幅検出信号から抽出して出力信号として出力する信号抽出部とを備え、前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分または微分して前記参照信号を出力し、前記信号抽出部は、前記検出信号を前記利得で反転増幅して前記増幅検出信号を生成する増幅回路と、当該増幅検出信号と前記参照信号とを減算して前記出力信号として出力する演算回路と、当該出力信号に含まれている前記参照信号の信号成分の振幅を示す検波信号を前記参照信号出力部から出力される前記参照信号を用いた同期検波によって検出する検波回路と、前記増幅回路の前記利得を前記検波信号に基づいて制御する制御回路とを備えている。

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、前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分して前記参照信号を出力し、前記検波回路は、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号に基づいて同期信号を生成すると共に、当該同期信号を用いた同期検波によって前記検波信号を検出する。

請求項１，２記載の電圧検出装置によれば、検出対象体と検出電極との間の結合容量が未知の場合であっても、検出対象交流電圧についての感度が一定の感度になるように制御されるため、つまり、出力信号に含まれている検出対象交流電圧の信号成分の振幅が検出対象交流電圧の振幅に対応した大きさとなるように制御されるため、出力信号に含まれているこの電圧成分を検出することにより、結合容量の算出を行うことなく、検出対象交流電圧を非接触で検出することができる。また、この電圧検出装置では、参照信号出力部が検出信号を積分または微分して生成した信号を参照信号として使用する構成としたことにより、参照信号の周波数が検出対象交流電圧の周波数に常に一致する。このため、この電圧検出装置によれば、検出対象交流電圧の周波数と異なる周波数の信号を電圧検出装置内部で発生させて参照信号として使用する構成とは異なり、ノイズの多い環境下においても、増幅検出信号と参照信号との加算または減算によって増幅検出信号に含まれている参照信号の信号成分を除去する際におけるノイズ（検出対象交流電圧の周波数と異なる周波数の信号）の影響を大幅に低減することができる。したがって、この電圧検出装置によれば、ノイズの多い環境下においても、ノイズによる影響を低減しつつ出力信号を検出することができるため、検出対象交流電圧の検出誤差についても低減することができる結果、検出対象交流電圧の検出精度を十分に向上させることができる。

また、同期検波によって参照信号の信号成分を正確に検出することができるため、増幅検出信号に含まれている参照信号の信号成分を高い精度で相殺でき、これによって出力信号に含まれる参照信号の信号成分を大幅に低減することができる結果、検出対象交流電圧の検出精度を一層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、高周波成分の非常に少ない積分信号としての参照信号を使用して同期信号を生成し、この同期信号によって同期検波を実行しているため、例えば、ゼロクロス検出を行って同期信号を生成する場合においてはゼロクロス検出時のエラー（ゼロクロス点を正確に検出できないというエラー）の発生を低減でき、ひいては検出対象交流電圧の検出精度を一層向上させることができる。

電圧検出装置１の構成図である。 図１における検出部３の回路図である。 電圧検出装置１Ａの構成図である。

以下、添付図面を参照して、電圧検出装置の実施の形態について説明する。

最初に、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、非接触型の電圧検出装置であって、図１に示すように、検出電極２、検出部３、参照信号出力部４および信号抽出部５を備え、検出対象体６に生じている交流電圧Ｖ１（検出対象交流電圧）を非接触で検出可能に構成されている。検出電極２は、一例として平板状に形成されて、交流電圧Ｖ１の検出に際しては、図１に示すように、検出対象体６と容量結合（静電容量Ｃ０を介して結合）する。

検出部３は、検出電極２に接続されると共に、参照信号出力部４から参照信号Ｓｓを入力して（参照信号Ｓｓが印加されて）、交流電圧Ｖ１に基づいて流れる検出対象電流（交流電圧Ｖ１に起因した電流信号成分）Ｉｖ１、および参照信号Ｓｓに基づいて流れる参照電流（参照信号Ｓｓに起因した電流信号成分）Ｉｓ１の両電流値に応じて振幅が変化する検出信号Ｓ１を出力する。

本例では、検出部３は、一例として図２に示すように、検出抵抗１１および差動増幅部１２を備えている。検出抵抗１１は、一端が検出電極２に接続されると共に、他端が参照信号出力部４に接続されている。差動増幅部１２は、一例として３つの演算増幅器ＡＰ１〜ＡＰ３、および７つの抵抗Ｒ１〜Ｒ７を備えた公知のインスツルメンテーションアンプで構成されている。この差動増幅部１２では、各抵抗Ｒ１〜Ｒ７のうちの対称の位置にある抵抗同士はバランスが取られている（つまり、Ｒ２とＲ３、Ｒ４とＲ５、およびＲ６とＲ７が、それぞれ同一の抵抗値に規定されている）ものとする。また、差動増幅部１２では、差動増幅部１２における１つの入力端子として機能する演算増幅器ＡＰ１の非反転入力端子が検出抵抗１１の一端に接続され、差動増幅部１２における他の１つの入力端子として機能する演算増幅器ＡＰ２の非反転入力端子が検出抵抗１１の他端に接続されている。この差動増幅部１２では、各入力端子に入力される電圧をＶｉｎ１，Ｖｉｎ２としたときに、検出信号Ｓ１は以下の式で表される。
Ｓ１＝（Ｖｉｎ２−Ｖｉｎ１）×（１＋２×Ｒ２／Ｒ１）×Ｒ６／Ｒ４

この場合、上記のＳ１の式における（Ｖｉｎ２−Ｖｉｎ１）は、検出対象電流Ｉｖ１および参照電流Ｉｓ１が検出抵抗１１に流れることによって検出抵抗１１の両端間に発生する電圧を表している。したがって、検出部３は、上記したように、検出対象電流Ｉｖ１および参照電流Ｉｓ１の両電流値に応じて振幅が変化する検出信号Ｓ１を出力する。また、交流電圧Ｖ１が検出抵抗１１の一端側に印加されるのに対して、参照信号Ｓｓは検出抵抗１１の他端に印加される。このため、検出信号Ｓ１に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分は、検出抵抗１１の一端側に印加される参照信号Ｓｓを基準として、位相が１８０°ずれた状態となっている。

参照信号出力部４は、図１に示すように、一例として、積分回路２１および増幅回路２２を備え、検出信号Ｓ１に基づいて参照信号Ｓｓを生成して出力する。積分回路２１は、検出信号Ｓ１を入力すると共に積分して、積分信号Ｓ２として出力する。増幅回路２２は、積分信号Ｓ２を入力すると共に、予め決められた増幅率（１未満の増幅率）で増幅して参照信号Ｓｓとして低インピーダンスで出力する。この構成により、参照信号出力部４は、積分によって位相が検出信号Ｓ１の位相に対して９０°ずれた（遅れた）参照信号Ｓｓを出力する。

信号抽出部５は、一例として、増幅回路３１、振幅変更回路３２、加算回路３３、検波回路３４および制御回路３５を備え、検出信号Ｓ１を所定の利得で増幅して増幅検出信号Ｓ３を生成し、増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分と参照信号Ｓｓ（具体的には、後述するように、参照信号Ｓｓの振幅が変更されてなる参照信号Ｓｓ１）とを、増幅検出信号Ｓ３と参照信号Ｓｓ１との加算によって相殺可能に増幅検出信号Ｓ３を増幅する際の利得を制御すると共に、交流電圧Ｖ１の信号成分を増幅検出信号Ｓ３から抽出（生成）して出力信号Ｓｏとして出力する。この場合、増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分とは、参照信号Ｓｓの検出部３への出力（印加）に基づいて検出信号Ｓ１に含まれる信号成分を意味する。

増幅回路３１は、検出信号Ｓ１を入力すると共に、制御回路３５から出力される制御信号（具体的には制御電圧）Ｓｃのレベル（直流電圧レベル）によって規定される増幅率（利得は１以上でも１未満でもよい）で検出信号Ｓ１を増幅して、増幅検出信号Ｓ３を生成して出力する。振幅変更回路３２は、例えば、アンプやアッテネータで構成されて、参照信号Ｓｓを入力すると共に、参照信号Ｓｓの振幅を予め規定された割合で変更して（減少または増加させて）、加算回路３３で使用される新たな参照信号Ｓｓ１として出力する。

加算回路３３は、演算回路の一例であって、増幅検出信号Ｓ３および参照信号Ｓｓ１を入力すると共に両信号Ｓ３，Ｓｓ１を加算して、加算によって得られた加算信号を出力信号Ｓｏとして出力する。この場合、上記したように、検出信号Ｓ１は、交流電圧Ｖ１に起因した信号成分と参照信号Ｓｓに起因した信号成分とで構成され、この検出信号Ｓ１を増幅して生成された増幅検出信号Ｓ３も、交流電圧Ｖ１に起因した信号成分と参照信号Ｓｓに起因した信号成分とで構成されている。

また、上記したように、検出信号Ｓ１に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分は、参照信号出力部４から出力されて検出抵抗１１の一端側に印加される参照信号Ｓｓを基準として（参照信号Ｓｓ１を基準としても同様にして）、位相が１８０°ずれた状態となる。このため、加算回路３３が、両信号Ｓ３，Ｓｓ１の加算処理を実行することにより、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分は、振幅が参照信号Ｓｓ１の振幅と同一のときには完全にキャンセルされて（打ち消されて）除去される。一方、この参照信号Ｓｓの信号成分は、振幅が参照信号Ｓｓ１の振幅と相違するときには出力信号Ｓｏに残存する。また、この残存する参照信号Ｓｓの信号成分は、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅が参照信号Ｓｓ１の振幅よりも大きいときには参照信号Ｓｓと逆位相となり、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅が参照信号Ｓｓ１の振幅以下のときには参照信号Ｓｓと同位相となる。一方、参照信号Ｓｓは上記したように検出信号Ｓ１に対して位相が９０°ずれているため、検出信号Ｓ１に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分は、検出信号Ｓ１に対して位相が９０°または−９０°ずれた状態となる。したがって、検出信号Ｓ１に含まれている交流電圧Ｖ１の信号成分は、加算回路３３での両信号Ｓ３，Ｓｓ１の加算処理によっては影響を受けることなく、そのまま出力信号Ｓｏに含まれた状態で加算回路３３から出力される。

検波回路３４は、一例として、図１に示すように、乗算回路４１および積分回路４２を備えている。乗算回路４１は、出力信号Ｓｏおよび参照信号Ｓｓを入力すると共に、両信号Ｓｏ，Ｓｓを乗算することにより、出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分（参照信号Ｓｓと周波数が一致し、かつ位相が同一（一致）または反転する（１８０°ずれた）信号成分）を同期検出して出力する。積分回路４２は、乗算回路４１で検出された参照信号Ｓｓの信号成分を積分することにより、検波信号Ｖｄを生成して出力する。

具体的には、検波回路３４は、出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分（具体的には、参照信号Ｓｓと同一周波数の信号成分）の振幅の増減に応じて電圧の絶対値が増減し、かつ出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分についての位相が参照信号Ｓｓの位相と一致しているとき（同位相のとき）と１８０°ずれているとき（逆位相のとき）とで極性の異なる検波信号Ｖｄを生成して出力する。本例では、一例として、検波回路３４は、出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分と参照信号Ｓｓとが同位相のときには正極性（正電圧）となり、逆位相のときには負極性（負電圧）となる検波信号Ｖｄを生成して出力する。

制御回路３５は、入力した検波信号Ｖｄの極性に基づいて電圧が増減する制御信号Ｓｃを生成して、増幅回路３１に出力する。本例では、一例として、制御回路３５は、入力した検波信号Ｖｄが正極性のときには、制御信号Ｓｃの電圧レベルを増加させ、一方、入力した検波信号Ｖｄが負極性のときには、制御信号Ｓｃの電圧レベルを減少させる。

以上の構成により、信号抽出部５では、増幅回路３１の利得（増幅率）に対するフィードバック制御が検波回路３４および制御回路３５によって行われて、制御回路３５が、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分の振幅が一定となるように（本例では加算回路３３に入力される参照信号Ｓｓ１の振幅と同じ振幅となるように）、増幅回路３１の増幅率を検波信号Ｖｄに基づいて制御する。これにより、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分の振幅が、加算回路３３に入力される参照信号Ｓｓ１の振幅に一致させられる。したがって、加算回路３３は、増幅検出信号Ｓ３および参照信号Ｓｓ１の加算処理を実行して、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号成分を参照信号Ｓｓ１で相殺（キャンセル）させて、検出対象体６の交流電圧Ｖ１に起因した検出対象電流Ｉｖ１に基づく電圧成分（交流電圧Ｖ１と同一周波数の信号成分）で構成される出力信号Ｓｏを生成して出力する。

この場合、検出対象体６と検出電極２との間に形成される静電容量Ｃ０の大きさに応じて、参照電流Ｉｓ１および検出対象電流Ｉｖ１が同じ割合で変動し、検出信号Ｓ１に含まれる参照電圧成分（参照信号Ｓｓに起因した信号成分）および検出対象電圧成分（交流電圧Ｖ１に起因したで信号成分）も同じ割合で変動する。したがって、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分および交流電圧Ｖ１の信号成分についても、両成分は同じ割合で変動する。この場合、信号抽出部５では、上記したフィードバック制御により、増幅検出信号Ｓ３は、この信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅が参照信号Ｓｓ１の振幅と一致するように増幅回路３１によって生成される。このため、本例の構成の電圧検出装置１では、出力信号Ｓｏに含まれている検出対象電流Ｉｖ１に基づく電圧成分は、静電容量Ｃ０の大きさに拘わらず、その振幅が検出対象体６に発生している交流電圧Ｖ１の振幅に対応した大きさとなり、理論的には、その振幅が検出対象体６に発生している交流電圧Ｖ１の振幅と一致した状態となる。

次いで、電圧検出装置１による検出対象体６の交流電圧Ｖ１に対する検出動作について説明する。

まず、検出電極２を検出対象体６と非接触の状態で、かつ検出対象体６に対向するように配置する。これにより、図１に示すように、検出電極２と検出対象体６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２と検出対象体６の距離に反比例して変化するが、検出電極２を一旦配設した後は、温度などの環境が一定の条件下においては一定の（変動しない）値となる。この場合、静電容量Ｃ０の容量値は一般的に極めて小さい値（例えば数ｐＦ〜数十ｐＦ程度）となる。

また、検出電極２と検出対象体６とが静電容量Ｃ０を介して交流的に接続されることにより、検出対象体６、検出電極２および検出部３を含む経路に、参照信号Ｓｓに起因した参照電流Ｉｓ１と、交流電圧Ｖ１に起因した検出対象電流Ｉｖ１とが流れ、検出部３は、参照電流Ｉｓ１および検出対象電流Ｉｖ１の合成電流を検出して、検出信号Ｓ１を出力する。

また、参照信号出力部４は、検出信号Ｓ１を入力すると共に積分して、積分信号Ｓ２を生成し、生成した積分信号Ｓ２を増幅回路２２において１未満の増幅率で増幅して参照信号Ｓｓとして出力する。参照信号出力部４は、この参照信号Ｓｓを、検出部３に印加すると共に、振幅変更回路３２および検波回路３４に出力する。このようにして、参照信号出力部４が検出信号Ｓ１を積分して検出部３に印加することにより、上記したように、検出信号Ｓ１には、交流電圧Ｖ１の信号成分と共に、参照信号Ｓｓの信号成分が含まれることになる。

この関係をラプラス変換を用いて説明すると、交流電圧Ｖ１を関数ｘ（ｔ）で表し、この関数ｘ（ｔ）のラプラス変換をＸ（ｓ）で表すとすると、積分回路２１を含む参照信号出力部４から出力される最初の参照信号Ｓｓのラプラス変換はＸ（ｓ）／ｓで表される。また、この参照信号Ｓｓは１未満の増幅率（一例として、増幅率を「α」で表す）で増幅されて検出部３に印加され、さらに、この印加によって検出信号Ｓ１に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分は、検出部３に印加される参照信号Ｓｓに対して位相が１８０°ずれた状態となる。参照信号出力部４は、検出信号Ｓ１を積分して参照信号Ｓｓとして検出部３に印加する動作を繰り返し実行する。このため、検出信号Ｓ１をラプラス変換したものは、下記式で表される。
Ｘ（ｓ）−α×Ｘ（ｓ）／ｓ＋α^２×Ｘ（ｓ）／ｓ^２−α^３×Ｘ（ｓ）／ｓ^３＋・・・
ここで、上記したようにαは１未満の数値であることから、αに対して、それらの複数回の乗算値（α^２，α^３，・・・）はいずれも小さい値となるため、上記式を構成する各項のうちのこれらを係数に持つ項は無視できるとすると、上記式は、一例として第１項および第２項のみで簡略化できる。
したがって、検出信号Ｓ１は、式（Ｘ（ｓ）−α×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表され、参照信号Ｓｓは、式（α×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表される。

信号抽出部５では、増幅回路３１が、検出信号Ｓ１を入力すると共に、制御回路３５から出力される制御信号Ｓｃの電圧レベルで規定される増幅率βで検出信号Ｓ１を増幅して、増幅検出信号Ｓ３として出力する。この場合、増幅検出信号Ｓ３は、式（β×Ｘ（ｓ）−α×β×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表される。また、振幅変更回路３２が、参照信号Ｓｓを入力すると共にその振幅を変更して参照信号Ｓｓ１として出力する。この場合、振幅変更回路３２での増幅率をγとすると、参照信号Ｓｓ１は、式（α×γ×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表される。

次いで、加算回路３３が、増幅検出信号Ｓ３および参照信号Ｓｓ１を入力すると共に、両信号Ｓ３，Ｓｓ１を互いに加算する加算処理を実行して、出力信号Ｓｏとして出力する。この場合、増幅検出信号Ｓ３が、式（β×Ｘ（ｓ）−α×β×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表され、また参照信号Ｓｓ１が、式（α×γ×Ｘ（ｓ）／ｓ）で表されるため、上記したように、増幅回路３１の利得（増幅率）に対するフィードバック制御が検波回路３４および制御回路３５によって行われて、増幅回路３１からの増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分（α×β×Ｘ（ｓ）／ｓ）の振幅が参照信号Ｓｓ１（α×γ×Ｘ（ｓ）／ｓ）の振幅に一致させられる。このため、加算回路３３での加算処理により、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分（α×β×Ｘ（ｓ）／ｓ）が参照信号Ｓｓ１で相殺（キャンセル）されて、つまり、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分が除去されて、検出対象体６の交流電圧Ｖ１に起因した検出対象電流Ｉｖ１に基づく電圧成分（β×Ｘ（ｓ））で構成される出力信号Ｓｏが出力される。

この電圧検出装置１では、検出部３が、交流電圧Ｖ１に基づいて流れる検出対象電流（交流電圧Ｖ１に起因した電流信号成分）Ｉｖ１、および参照信号Ｓｓに基づいて流れる参照電流（参照信号Ｓｓに起因した電流信号成分）Ｉｓ１の両電流値に応じて振幅が変化する検出信号Ｓ１を検出して出力する。この場合、参照信号出力部４は、検出信号Ｓ１を積分して参照信号Ｓｓを生成して、検出部３に印加する。また、信号抽出部５では、検出信号Ｓ１を入力して増幅検出信号Ｓ３として出力し、増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの振幅が参照信号出力部４から出力される参照信号Ｓｓ（具体的には、振幅変更回路３２によって参照信号Ｓｓの振幅が変更されて生成された参照信号Ｓｓ１）の振幅と一致するように（参照信号Ｓｓ１との加算または減算によって増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分（参照信号Ｓｓと周波数が一致し、かつ位相が同一または反転する（１８０°ずれた）信号成分）を相殺可能な振幅となるように）、検出信号Ｓ１の振幅を制御して増幅検出信号Ｓ３として出力すると共に、このように振幅が制御された増幅検出信号Ｓ３と参照信号Ｓｓ１との加算または減算によって増幅検出信号Ｓ３に含まれている上記参照信号Ｓｓの信号成分を除去して出力信号Ｓｏとして出力する。

したがって、この電圧検出装置１によれば、検出対象体６と検出電極２との間の結合容量（静電容量Ｃ０）が未知の場合であっても（静電容量Ｃ０の値に拘わらず）、交流電圧Ｖ１についての感度が一定となるように制御するため、つまり、出力信号Ｓｏに含まれている検出対象電流Ｉｖ１に基づく電圧成分の振幅が交流電圧Ｖ１の振幅に対応した大きさとなるように制御するため、出力信号Ｓｏに含まれているこの電圧成分を検出することにより、静電容量Ｃ０の算出を行うことなく、交流電圧Ｖ１を非接触で検出することができる。

また、この電圧検出装置１では、参照信号出力部４が検出信号Ｓ１を積分して生成した信号を参照信号Ｓｓとして使用する構成としたことにより、参照信号Ｓｓの周波数が交流電圧Ｖ１の周波数に常に一致する。このため、この電圧検出装置１によれば、交流電圧Ｖ１の周波数と異なる周波数の信号を電圧検出装置１内部で発生させて参照信号Ｓｓとして使用する構成とは異なり、ノイズの多い環境下においても、増幅検出信号Ｓ３と参照信号Ｓｓ１との加算によって増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分を除去する際におけるノイズ（交流電圧Ｖ１の周波数と異なる周波数の信号）の影響を大幅に低減することができる。したがって、この電圧検出装置１によれば、ノイズの多い環境下においても、ノイズによる影響を低減しつつ出力信号Ｓｏを出力することができるため、交流電圧Ｖ１の検出誤差についても低減することができる結果、交流電圧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では、信号抽出部５が、増幅回路３１、加算回路３３、検波回路３４および制御回路３５を備えて構成されて、検波回路３４が、出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅を示す検波信号Ｖｄを参照信号出力部４から出力される参照信号Ｓｓを用いた同期検波によって検出し、制御回路３５が、この検波信号Ｖｄに基づいて増幅回路３１の利得を制御する。したがって、この電圧検出装置１によれば、同期検波によって参照信号Ｓｓの信号成分を正確に検出することができ、この結果、増幅検出信号Ｓ３に含まれている参照信号Ｓｓの信号成分を高い精度で相殺することができ、これによって出力信号Ｓｏに含まれる参照信号Ｓｓの信号成分を大幅に低減することができる結果、交流電圧Ｖ１の検出精度を一層向上させることができる。

なお、上記の電圧検出装置１では、出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅を示す検波信号Ｖｄを検出する構成として、出力信号Ｓｏと参照信号出力部４から出力される参照信号Ｓｓとを乗算する乗算回路４１を使用する構成を使用しているが、図３に示す電圧検出装置１Ａのように、同期信号生成回路４３および同期検波回路４４を備えて構成された検波回路３４Ａを使用する構成を採用することもできる。なお、電圧検出装置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。

この電圧検出装置１Ａでは、検波回路３４Ａの同期信号生成回路４３が、積分信号としての参照信号Ｓｓに対してゼロクロス法を適用して同期信号Ｓ５を生成し、同期検波回路４４がこの同期信号Ｓ５に基づいて出力信号Ｓｏに含まれている参照信号Ｓｓの信号成分についての振幅を示す検波信号Ｖｄを同期検出する。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、静電容量Ｃ０の算出を行うことなく、交流電圧Ｖ１を非接触で検出することができるという効果と、ノイズの多い環境下においても、交流電圧Ｖ１を精度よく検出することができるという効果とを奏することができる。また、この電圧検出装置１Ａでは、同期信号生成回路４３が高周波成分の非常に少ない積分信号としての参照信号Ｓｓを使用して同期信号Ｓ５を生成しているため、ゼロクロス検出時のエラー（ゼロクロス点を正確に検出できないというエラー）の発生を低減することができ、ひいては交流電圧Ｖ１の検出精度を一層向上させることができる。

また、交流電圧Ｖ１を示す出力信号Ｓｏを検出する電圧検出装置１，１Ａについて上記したが、出力信号Ｓｏの電圧波形（レベル）を所定周波数のサンプリングクロックでサンプリングしてデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器およびＣＰＵを備えた処理部と、このデジタルデータと交流電圧Ｖ１の電圧値とが対応させられた電圧算出用テーブルを記憶する記憶部と、ディスプレイ装置などで構成された出力部とをさらに設け、処理部が出力信号Ｓｏから取得したデジタルデータに基づいて交流電圧Ｖ１の電圧値を算出して出力部に出力（表示）させる構成とすることで、交流電圧Ｖ１の電圧値を測定する電圧測定装置を構成することもできる。

また、上記した電圧検出装置１，１Ａおよび電圧測定装置では、参照信号出力部４を積分回路２１を用いて構成すると共に、この参照信号出力部４において検出信号Ｓ１を積分することにより、参照信号Ｓｓを生成する構成を採用しているが、検出信号Ｓ１を微分して参照信号Ｓｓを生成する構成を採用することもできる。この構成では、図示はしないが、参照信号出力部４は、積分回路２１に代えて微分回路を備えて構成される。

この構成の場合には、検出信号Ｓ１をラプラス変換したものは、下記式で表される。
Ｘ（ｓ）−α×ｓ×Ｘ（ｓ）＋α^２×ｓ^２×Ｘ（ｓ）−α^３×ｓ^３×Ｘ（ｓ）＋・・・
ここで、上記したようにαは１未満の数値であることから、αに対して、それらの複数回の乗算値（α^２，α^３，・・・）はいずれも小さい値となるため、上記式を構成する各項のうちのこれらを係数に持つ項は無視できるとすると、上記式は、一例として第１項および第２項のみで簡略化できる。したがって、検出信号Ｓ１は、式（Ｘ（ｓ）−α×ｓ×Ｘ（ｓ））で表され、参照信号Ｓｓは、式（α×ｓ×Ｘ（ｓ））で表される。また、増幅回路３１の増幅率をβとすると、増幅検出信号Ｓ３は、式（β×Ｘ（ｓ）−α×β×ｓ×Ｘ（ｓ））で表される。また、振幅変更回路３２の増幅率をγとすると、参照信号Ｓｓ１は、式（α×γ×ｓ×Ｘ（ｓ））で表される。

この構成の場合においても、上記したように、増幅回路３１の利得（増幅率）に対するフィードバック制御が検波回路３４および制御回路３５によって行われて、増幅回路３１からの増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分（α×β×ｓ×Ｘ（ｓ））の振幅が参照信号Ｓｓ１（α×γ×ｓ×Ｘ（ｓ））の振幅に一致させられる。このため、加算回路３３での加算処理により、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分（α×β×ｓ×Ｘ（ｓ））が参照信号Ｓｓ１で相殺（キャンセル）されて、つまり、増幅検出信号Ｓ３を構成する参照信号Ｓｓの信号成分が除去されて、検出対象体６の交流電圧Ｖ１に起因した検出対象電流Ｉｖ１に基づく電圧成分（β×Ｘ（ｓ））で構成される出力信号Ｓｏを検出することができ、これによって、出力信号Ｓｏを出力することができる。

また、上記の信号抽出部５では、演算回路の一例として加算回路３３を使用して、増幅検出信号Ｓ３と参照信号Ｓｓ１とを加算して出力信号Ｓｏとして出力する構成を採用しているが、例えば、増幅回路３１については、検出信号Ｓ１を反転増幅して増幅検出信号Ｓ３を出力する構成とすることもでき、この構成を採用したときには、演算回路としての加算回路３３に代えて演算回路としての減算回路を使用して、増幅検出信号Ｓ３と参照信号Ｓｓ１とを減算することで、出力信号Ｓｏを出力することができる。

１，１Ａ 電圧検出装置
２ 検出電極
３ 検出部
４ 参照信号出力部
５ 信号抽出部
Ｓ１ 検出信号
Ｓ３ 増幅検出信号
Ｓｏ 出力信号
Ｓｓ 参照信号
Ｖ１ 交流電圧

Claims (3)

1. 検出対象体に生じている検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置であって、
   前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、
   参照信号を出力する参照信号出力部と、
   一端が前記検出電極に接続されると共に他端が前記参照信号出力部に接続されて当該他端に前記参照信号が印加される検出抵抗、および当該検出抵抗の両端間に発生する電圧を増幅することにより前記参照信号の信号成分であって当該参照信号を基準として位相が１８０°ずれた信号成分と前記検出対象交流電圧の信号成分とを含む検出信号を出力する差動増幅部を有する検出部と、
   前記検出信号を所定の利得で増幅して増幅検出信号を生成しつつ、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号と当該増幅検出信号との加算によって当該参照信号と当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分とを相殺可能に前記利得を制御すると共に、前記検出対象交流電圧の信号成分を当該増幅検出信号から抽出して出力信号として出力する信号抽出部とを備え、
   前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分または微分して前記参照信号を出力し、
   前記信号抽出部は、前記検出信号を前記利得で増幅して前記増幅検出信号を生成する増幅回路と、当該増幅検出信号と前記参照信号とを加算して前記出力信号として出力する演算回路と、当該出力信号に含まれている前記参照信号の信号成分の振幅を示す検波信号を前記参照信号出力部から出力される前記参照信号を用いた同期検波によって検出する検波回路と、前記増幅回路の前記利得を前記検波信号に基づいて制御する制御回路とを備えている電圧検出装置。
2. 検出対象体に生じている検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置であって、
   前記検出対象体に対向して配設されて当該検出対象体と容量結合する検出電極と、
   参照信号を出力する参照信号出力部と、
   一端が前記検出電極に接続されると共に他端が前記参照信号出力部に接続されて当該他端に前記参照信号が印加される検出抵抗、および当該検出抵抗の両端間に発生する電圧を増幅することにより前記参照信号の信号成分であって当該参照信号を基準として位相が１８０°ずれた信号成分と前記検出対象交流電圧の信号成分とを含む検出信号を出力する差動増幅部を有する検出部と、
   前記検出信号を所定の利得で反転増幅して増幅検出信号を生成しつつ、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号と当該増幅検出信号との減算によって当該参照信号と当該増幅検出信号に含まれている前記参照信号の信号成分とを相殺可能に前記利得を制御すると共に、前記検出対象交流電圧の信号成分を当該増幅検出信号から抽出して出力信号として出力する信号抽出部とを備え、
   前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分または微分して前記参照信号を出力し、
   前記信号抽出部は、前記検出信号を前記利得で反転増幅して前記増幅検出信号を生成する増幅回路と、当該増幅検出信号と前記参照信号とを減算して前記出力信号として出力する演算回路と、当該出力信号に含まれている前記参照信号の信号成分の振幅を示す検波信号を前記参照信号出力部から出力される前記参照信号を用いた同期検波によって検出する検波回路と、前記増幅回路の前記利得を前記検波信号に基づいて制御する制御回路とを備えている電圧検出装置。
3. 前記参照信号出力部は、前記検出信号を積分して前記参照信号を出力し、
   前記検波回路は、前記参照信号出力部から出力される前記参照信号に基づいて同期信号を生成すると共に、当該同期信号を用いた同期検波によって前記検波信号を検出する請求項１または２記載の電圧検出装置。

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