JP4726721B2 - 電圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置に関し、特に測定対象体の電圧を非接触で測定し得る電圧測定装置に関するものである。

この種の電圧測定装置として、特開平６−２４２１６６号公報において開示された電圧測定装置が知られている。

この電圧測定装置（距離補償型表面電位計）は、圧電音叉および検知電極を用いたセンサ部と、音叉駆動回路と、センサ部の検知電極に接続されたプリアンプ回路と、増幅回路と、同期検波回路と、積分回路と、トランスを用いた高圧増幅回路とを有して構成されている。この電圧測定装置では、センサ部、プリアンプ回路、増幅回路、同期検波回路、積分回路、高圧増幅回路の一次側、トランスを用いた電源回路の２次側、およびそのシールドを電源からフローティングさせ、かつ高圧増幅回路の発生電圧を少なくともセンサ部のコモングランドに帰還させて、この発生電圧を測定対象体の電圧と等しくなるようにフィードバック制御している。この電圧測定装置によれば、高圧増幅回路の発生電圧を検出することにより、測定対象体の電圧を測定することができる。
特開平６−２４２１６６号公報報（第１３−１４頁、第２図）

ところが、上記の電圧測定装置には、以下のような問題点がある。すなわち、この電圧測定装置では、センサ部に帰還させる高圧増幅回路の発生電圧をフィードバック制御して、測定対象体の電圧に一致させるようにしている。しかしながら、フィードバック制御には偏差が発生するという特性があるため、この電圧測定装置においても、高圧増幅回路の発生電圧を測定対象体の電圧に完全に一致させることができないことに起因して、測定対象体の電圧を高精度で測定できないという問題点が存在している。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、測定精度の高い電圧測定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記載の電圧測定装置は、測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、前記センサ部は、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位、前記第２の構成単位、前記第３の構成単位および前記第４の構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する。

また、請求項２記載の電圧測定装置は、測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、前記センサ部は、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位と前記第４の構成単位との組、および前記第２の構成単位と前記第３の構成単位との組のうちの一方の組の前記各構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、他方の組の前記各構成単位がコンデンサ、コイル、抵抗および共振体のうちの少なくとも１つをそれぞれ含んで構成され、かつ前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する。

また、請求項３記載の電圧測定装置は、測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、前記センサ部は、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位と前記第２の構成単位との組、および前記第３の構成単位と前記第４の構成単位との組のうちの一方の組の前記各構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、他方の組の前記各構成単位がコンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つをそれぞれ含んで構成され、かつ前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する。

また、請求項４記載の電圧測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置において、前記電圧生成部は、一次巻線に入力した信号を昇圧して二次巻線に前記参照電位を出力する昇圧トランスを備えている。

また、請求項５記載の電圧測定装置は、請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置において、前記電圧生成部は、前記参照電位を生成するコッククロフト・ウオルトン回路を備えている。

請求項１，２，３記載の電圧測定装置では、電圧生成部が予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成し、センサ部が測定対象体の電圧と参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力し、測定部が、センサ部からの検出信号に基づいて検出される測定対象体の電圧と参照電位との間の電位差が所定値以下になったときの参照電位を測定対象体の電圧として測定する。したがって、この電圧測定装置によれば、フィードバック制御を行わないため、フィードバック制御の際に発生する偏差に起因する測定誤差が発生しない結果、測定対象体の電圧を高精度で測定することができる。
また、検出電極をセンサ部の表面に配設し、かつ容量変化機能体および駆動回路をセンサ部の内部に配設した状態で測定対象体の電圧を測定することができるため、容量変化機能体を測定対象体と直接対向させるための孔を設けることなくセンサ部を構成することができる。したがって、この電圧測定装置によれば、この孔を介して異物がセンサ部内に誤って挿入される事態、およびこの誤挿入に起因したセンサ部内の部品の破損を確実に回避することができるため、装置全体の信頼性を向上させることができる。
また、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電気的要素（互いに逆向きに直列接続された２つのダイオード）を含んで容量変化機能体を構成したことにより、容量変化機能体を駆動する信号の周波数の２倍の周波数で容量変化機能体の静電容量を変化させることができる。したがって、この電圧測定装置によれば、測定対象体の電圧と参照電位との間の電位差をより短い周期で検出することができるため、参照電位が測定対象体の電圧と一致する（測定対象体の電圧と参照電位との間の電位差が所定値以下になる）タイミングをより正確に検出できる結果、測定対象体の電圧をより高精度で測定することができる。
また、容量変化機能体が環状（ブリッジ状）に接続された第１の構成単位から第４の構成単位までの４つの構成単位を備え、すべての構成単位か、第１の構成単位と第４の構成単位との組、および第２の構成単位と第３の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位か、または第１の構成単位と第２の構成単位との組、および第３の構成単位と第４の構成単位との組のうちの一方の組の各構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成され、かつ第１の構成単位および第３の構成単位の各インピーダンスの積と第２の構成単位および第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定されたことにより、容量変化機能体がブリッジ回路としての平衡条件を満足するため、各構成単位の接続点のうちの対向する一対の接続点（非隣接な一対の接続点）間に容量を変化させるための交流電圧（駆動信号）を印加した際に、対向する他の一対の接続点間にこの駆動信号の電圧成分を発生させないようにすることができる。このため、この対向する他の一対の接続点の一方を検出電極側に接続し、かつ他方を参照電位側に接続したことにより、静電容量変化時において容量変化機能体で発生する電流または容量変化機能体の両端間電圧への駆動信号の影響を排除することができる。したがって、この電圧測定装置によれば、容量変化機能体で発生する電流またはその両端間電圧をより正確に検出することができるため、参照電位が測定対象体の電圧と一致するタイミングを一層正確に検出できる結果、測定対象体の電圧を一層高精度で測定することができる。

また、請求項４記載の電圧測定装置によれば、一次巻線に入力した信号を昇圧して二次巻線に参照電位を出力する昇圧トランスを備えたことにより、昇圧トランスの巻数比を変更するという簡単な仕様変更で参照電位の変化範囲、つまり最小電圧値から最大電圧値までの所定電圧範囲を自由に設定することができる結果、様々な電位の測定対象体について、その電圧を正確に測定することができる。

また、請求項５記載の電圧測定装置によれば、電圧生成部が参照電位を生成するコッククロフト・ウオルトン回路を備えたことにより、簡易な構成でありながら所望の参照電位を確実に発生させることができ、様々な測定対象体の電圧を確実に測定することができる。

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

最初に、本発明に係る電圧測定装置１について、図面を参照して説明する。

電圧測定装置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、本発明におけるセンサ部として機能する。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、可変容量回路１９（具体的には容量変化機能体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、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を有して構成され、具体的には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２に示す容量変化機能体１３では、各第１電気的要素Ｅ１は、一対の第１素子４１ａ，４１ｂの一端同士を接続して（一対のダイオードのアノード端子同士を接続して）構成されているが、図３に示す容量変化機能体１３のように、一対の第１素子４１ａ，４１ｂの他端同士を接続して（一対のダイオードのカソード端子同士を接続して）、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、図２，３に示す各容量変化機能体１３におけるすべての第１素子４１ａ，４１ｂを、一般的なダイオードで構成された第１素子５１ａ，５１ｂ（以下、区別しないときには、第１素子５１ともいう）に置き換えた構成（図４，５参照）であっても、容量変化機能体１３を構成することができる。

また、可変容量回路１９は、図１に示すように、検出電極１２と参照電位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で構成されて本発明における検出回路として機能する。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、測定部３ａ、電圧生成部３ｂおよび出力部３ｃを備えて構成されている。この場合、測定部３ａは、発振回路２１、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４、Ａ／Ｄ変換回路２５、制御回路２６、およびサンプルホールド回路２７を備えている。具体的には、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。この場合、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を予め設定された電圧レベルまで増幅して、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。Ａ／Ｄ変換回路２５は、アナログ信号Ｓ５を所定のサンプリング周期でディジタルデータＤ１に変換して制御回路２６に出力する。

制御回路２６は、ＣＰＵおよびメモリ（いずれも図示せず）を備えて構成されている。制御回路２６では、ＣＰＵがメモリに予め記憶されている動作プログラムに従って動作して、入力したディジタルデータＤ１に基づいてアナログ信号Ｓ５が所定値以下（本例では一例としてゼロボルト）になるタイミング（時刻）ｔｚを検出してトリガ信号Ｓ６を出力するゼロ検出処理と、サンプルホールド回路２７から入力した参照電位Ｖｒ（タイミングｔｚにおける参照電位Ｖｒ）を示すデータＤ２に基づいて測定対象体４の電圧Ｖ１を算出する電圧算出処理とを実行する。サンプルホールド回路２７は、トリガ信号Ｓ６の入力に同期して、電圧生成部３ｂから入力している電圧信号Ｓ９（参照電位Ｖｒを示す電圧信号）の電圧値Ｖ３を保持すると共に、この電圧値Ｖ３を示すデータＤ２を制御回路２６に出力する。

電圧生成部３ｂは、電圧生成回路２８、トランス（昇圧トランス）Ｔｒ３および分圧回路２９を備えて構成されている。電圧生成回路２８は、予め規定された最小電圧値から予め規定された最大電圧値までの間で電圧値が徐々に増加、徐々に減少、または徐々に増加および徐々に減少の繰り返す基準信号Ｓ７を独自に生成して出力する。本例では、電圧生成回路２８は、一例として、所定の振幅および所定の周波数の基準信号（交流信号）Ｓ７を独自に生成して出力する。また、本例では、電圧生成部３ｂは、一例として周波数が周波数ｆ１の十分の一程度の正弦波信号を基準信号Ｓ７として出力する。なお、電圧生成部３ｂは、正弦波信号に代えて、三角波信号や鋸波信号など、所定の形状の波形が連続する交流信号を生成する構成を採用することもできる。トランスＴｒ３は、絶縁型のトランスであって、一次巻線Ｔｒ３ａ（巻数：ｎ１）および二次巻線Ｔｒ３ｂ（巻数：ｎ２＞ｎ１）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Ｔｒ３ａおよび二次巻線Ｔｒ３ｂ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Ｔｒ３ａの他端部には、電圧生成部３ｂによって基準信号Ｓ７が印加される。この構成により、トランスＴｒ３は、一次巻線Ｔｒ３ａに印加された基準信号Ｓ７を昇圧して、プラス側のピーク値（本発明における最大電圧値）が＋Ｖｐボルトで、かつマイナス側のピーク値（本発明における最小電圧値）が−Ｖｐボルトとなる正弦波信号（振幅：２×Ｖｐ）を参照電位信号Ｓ８として二次巻線Ｔｒ３ｂの他端部に出力して、プローブユニット２のケース１１に印加する。これにより、プローブユニット２のケース１１は、その電位（参照電位）Ｖｒが参照電位信号Ｓ８の電圧に規定される。また、トランスＴｒ３における一次巻線Ｔｒ３ａに対する二次巻線Ｔｒ３ｂの巻数比（ｎ２／ｎ１）は、参照電位信号Ｓ８のプラス側のピーク値＋Ｖｐとマイナス側のピーク値−Ｖｐとで規定される電圧範囲内に測定対象体４の電圧Ｖ１が含まれるように予め設定されている。分圧回路２９は、参照電位信号Ｓ８の電圧（参照電位Ｖｒ）を予め設定された分圧比で分圧して電圧信号Ｓ９（電圧値Ｖ３）として出力する。本例において分圧比とは、例えば、分圧回路２９が図１に示すように、互いに直列な状態で参照電位Ｖｒとグランドとの間に接続された抵抗２９ａ（抵抗値Ｒ１）、抵抗２９ｂ（抵抗値Ｒ２）で構成されているときには、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）を示すものとする。

出力部３ｃは、一例として表示装置で構成されて、測定された測定対象体４の電圧Ｖ１を表示する。なお、出力部３ｃは、表示装置に代えて、プリンタなどの印刷装置や、外部メモリなどの記憶装置や、外部機器にデータを出力する伝送装置などで構成することもできる。

次いで、電圧測定装置１の測定動作について説明する。なお、発明の理解を容易にするため、一例として、電圧Ｖ１が正の定電圧であるとして説明するが、電圧Ｖ１が負の定電圧であるときにも、対応する信号や電圧の極性が逆になる以外は、正の定電圧のときと同様にして測定される。また、電圧Ｖ１が交流のときにも、原理的には正の定電圧や負の定電圧のときと同様にして測定される。

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、一定の（変動しない）値となる。

次いで、電圧測定装置１の起動状態において、本体ユニット３の電圧生成部３ｂでは、電圧生成回路２８が基準信号Ｓ７の生成を開始し、トランスＴｒ３がこの基準信号Ｓ７を参照電位信号Ｓ８に昇圧してプローブユニット２に出力する。これにより、プローブユニット２では、ケース１１の電位（参照電位Ｖｒ）が参照電位信号Ｓ８の電圧変化に伴って変化する。また、電圧生成部３ｂでは、分圧回路２９が、参照電位信号Ｓ８の電圧（参照電位Ｖｒ）を分圧して電圧信号Ｓ９として測定部３ａのサンプルホールド回路２７に出力する。

また、測定部３ａ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６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６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。

したがって、図７に示すように、ケース１１の電位（参照電位）Ｖｒが正弦波状に変化してゼロボルトから徐々に増加（上昇）して正の定電圧である電圧Ｖ１に近づいているときには（期間Ｔ１１では）、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）は徐々に減少してゼロボルトに近づくように変化する。したがって、電流ｉは、この期間Ｔ１１では、図示はしないが、その周期がＴ２であって、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に応じて変化する（具体的には徐々に減少してゼロボルトに近づく）交流信号として流れる。一方、期間Ｔ１１に続く期間Ｔ１２では、ケース１１の電位（参照電位）Ｖｒが電圧Ｖ１以上となって電圧＋Ｖｐに達し、その後は徐々に減少（下降）して電圧Ｖ１に近づく。このため、期間Ｔ１２では、電流ｉは、図示はしないが、その周期がＴ２であって、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に応じて変化する（ゼロボルトから徐々に増加した後、徐々に減少してゼロボルトに近づく）交流信号として流れる。また、期間Ｔ１１，Ｔ１２以外の他の期間においても、期間Ｔ１１，Ｔ１２のときと同様にして、電流ｉは、その周期がＴ２であって、その振幅が電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に応じて変化する交流信号として流れる。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含まれている。また、検出信号Ｓ３には、参照電位信号Ｓ８の周波数成分も含まれている。

本体ユニット３の測定部３ａ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、Ａ／Ｄ変換回路２５に出力する。この場合、アナログ信号Ｓ５は、図７に示すように、参照電位信号Ｓ８を電圧Ｖ１を通過する時間軸と平行な直線を基準として変化する信号として捉えたときに、その電圧値がこの信号の電圧値に比例して変化する信号となる。このため、アナログ信号Ｓ５は、参照電位信号Ｓ８の電圧である参照電位Ｖｒが正弦波状に変化してゼロボルトから徐々に上昇して正の定電圧である電圧Ｖ１に近づいている期間Ｔ１１では、その電圧（負の電圧値）が徐々に増加してゼロボルトに近づくように変化する。また、アナログ信号Ｓ５は、期間Ｔ１１の終了時（期間Ｔ１２の開始時）において参照電位Ｖｒが電圧Ｖ１に達したときには、その電圧がゼロボルトになる。また、アナログ信号Ｓ５は、参照電位Ｖｒが電圧Ｖ１を超えてピーク（電圧＋Ｖｐ）に達し、その後に電圧Ｖ１に再度近づいている期間Ｔ１２では、その電圧がゼロボルトから徐々に増加してピークに達した後に徐々に減少してゼロボルトに再度近づくように変化する。Ａ／Ｄ変換回路２５は、このように変化するアナログ信号Ｓ５の振幅（電圧値）をディジタルデータＤ１に変換して制御回路２６へ出力する。

制御回路２６は、ゼロ検出処理を繰り返し実行している。このゼロ検出処理では、制御回路２６は、入力したディジタルデータＤ１に基づき、アナログ信号Ｓ５の電圧値がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出する。一例として、制御回路２６は、このタイミングｔｚの検出に際しては、極性が反転した最初のディジタルデータＤ１の値と、このディジタルデータＤ１の直前のディジタルデータＤ１（反転前のディジタルデータＤ１）の値と、Ａ／Ｄ変換回路２５のサンプリング周期とに基づき、この２つのディジタルデータＤ１間を例えば直線補間することにより、アナログ信号Ｓ５の電圧値がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出する。また、制御回路２６は、タイミングｔｚを検出したときには、このタイミングｔｚに同期してトリガ信号Ｓ６を生成してサンプルホールド回路２７に出力する。この場合、ディジタルデータＤ１は電位差（Ｖ１−Ｖｒ）に基づく値であるため、制御回路２６が上記のタイミングｔｚを検出することは、電位差（Ｖ１−Ｖｒ）がゼロボルト、すなわち参照電位Ｖｒが測定対象体４の電圧Ｖ１と一致するタイミングを検出することを意味する。これにより、ゼロ検出処理が完了する。

サンプルホールド回路２７は、トリガ信号Ｓ６の入力に同期して、電圧生成部３ｂから入力している電圧信号Ｓ９の電圧値Ｖ３を保持すると共に、この電圧値Ｖ３を示すデータＤ２を制御回路２６に出力する。制御回路２６は、ゼロ検出処理を実行した後にデータＤ２を入力したときに、電圧算出処理を実行する。この電圧算出処理では、制御回路２６は、入力したデータＤ２、および予め決められた分圧回路２９の分圧比に基づいて、参照電位信号Ｓ８の電圧（参照電位Ｖｒ）を算出する。具体的には、制御回路２６は、データＤ２に分圧比の逆数を乗算して参照電位信号Ｓ８の電圧（参照電位Ｖｒ）を算出し、この算出した参照電位Ｖｒを測定対象体４の電圧Ｖ１として出力部３ｃに出力する。これにより、電圧算出処理が完了する。最後に、出力部３ｃが、入力した電圧Ｖ１を表示する。以上により、測定対象体４の電圧Ｖ１についての電圧測定が完了する。

このように、この電圧測定装置１では、電圧生成部３ｂが測定対象体４の電圧Ｖ１を含む予め規定された電圧範囲（−Ｖｐボルトから＋Ｖｐボルトまでの電圧範囲）内で参照電位Ｖｒを独自に徐々に増加させる（または徐々に減少させる）と共に、測定部３ａの制御回路２６が、検出信号Ｓ３に基づいて検出される電位差（Ｖ１−Ｖｒ）を示すアナログ信号Ｓ５がゼロボルトになったときの参照電位Ｖｒを測定対象体４の電圧Ｖ１として算出（測定）する。したがって、この電圧測定装置１によれば、フィードバック制御を行わないため、フィードバック制御（特に比例動作によるフィードバック制御）において発生する偏差に起因する測定誤差の発生を回避できる結果、測定対象体４の電圧Ｖ１を高精度で測定することができる。

また、この電圧測定装置１では、一次巻線Ｔｒ３ａに入力した基準信号Ｓ７を昇圧して二次巻線Ｔｒ３ｂに参照電位Ｖｒを出力する昇圧トランスとしてのトランスＴｒ３を備えたことにより、トランスＴｒ３の巻数比（ｎ２／ｎ１）を変更するという簡単な仕様変更で参照電位Ｖｒの変化範囲、つまり最小電圧値（−Ｖｐボルト）から最大電圧値（＋Ｖｐボルト）までの所定電圧範囲を自由に設定することができる結果、様々な電位の測定対象体４について、その電圧Ｖ１を正確に測定することができる。

また、この電圧測定装置１では、検出電極１２をプローブユニット２の表面に配設し、かつ可変容量回路１９をプローブユニット２の内部に配設した状態で測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができるため、可変容量回路１９を測定対象体４と直接対向させるための孔をプローブユニット２に設けない構成にすることができる。したがって、この電圧測定装置１によれば、この孔を介して異物がプローブユニット２内に誤って挿入される事態、およびこの誤挿入に起因したプローブユニット２内の部品の破損を確実に回避することができるため、装置全体の信頼性を向上させることができる。

また、この電圧測定装置１によれば、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第１電気的要素Ｅ１（逆向きに直列接続された２つのダイオード）を含んで可変容量回路１９を構成したことにより、機械的に可動する構成が存在しないため、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚといった高い周波数での容量変化動作が可能な結果、測定対象体４の電圧Ｖ１と参照電位Ｖｒとの間の電位差（Ｖ１−Ｖｒ）をより短い周期Ｔ２で検出することができるため、参照電位Ｖｒが測定対象体４の電圧Ｖ１と一致する（電位差（Ｖ１−Ｖｒ）がゼロボルトになる）タイミングをより正確に検出できる結果、測定対象体４の電圧Ｖ１をより高精度で測定することができる。また、トランスＴｒ１，Ｔｒ２を小型化することができるため、装置全体を小型化することができる。

また、この電圧測定装置１によれば、ブリッジ状に接続された４つの第１電気的要素Ｅ１を備えて可変容量回路１９を構成し、かつ可変容量回路１９がブリッジ回路としての平衡条件を満足するように各第１電気的要素Ｅ１の各インピーダンスを設定したことにより、可変容量回路１９は、その各接続点Ｂ，Ｄ間に駆動信号Ｓ２が印加されているときに、駆動信号Ｓ２の電圧成分（駆動信号Ｓ２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（発生したとしても、非常にレベルの小さい電圧信号が発生している状態）で、その静電容量Ｃ１を周期Ｔ２で変化させることができる。したがって、この可変容量回路１９を用いた電圧測定装置１によれば、静電容量変化時において可変容量回路１９で発生する電流ｉへの駆動信号Ｓ２の影響を排除できる結果、この電流ｉをプローブユニット２においてより正確に検出することができ、これにより、測定対象体４の電圧Ｖ１をより正確に測定することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、上記した電圧測定装置１では、電圧生成部３ｂにおいて、基準信号Ｓ７をトランスＴｒ３で昇圧して参照電位信号Ｓ８を生成する構成を採用したが、図８に示すように、トランスＴｒ３に代えてコッククロフト・ウオルトン回路３０を使用して基準信号Ｓ７を参照電位信号Ｓ８に昇圧することもできる。なお、同図では一例として、３倍に昇圧するコッククロフト・ウオルトン回路を示したが、２倍、４倍、５倍等、必要に応じた倍率で昇圧するコッククロフト・ウオルトン回路を採用できるのは勿論である。このようにコッククロフト・ウオルトン回路を採用した構成においても、トランスＴｒ３を使用したときと同様にして、測定対象体４の電圧Ｖ１に応じた倍率の回路構成を採用することにより、参照電位Ｖｒの変化範囲（所定電圧範囲）内に電圧Ｖ１を確実に含めるようにすることができ、様々な電位の測定対象体４について、その電圧Ｖ１を正確に測定することができる。

また、コッククロフト・ウオルトン回路を使用した構成では、制御回路２６が、電圧値が徐々に増加する増加期間においてアナログ信号Ｓ５がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出することによって電位差（Ｖ１−Ｖｒ）がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出するように構成してもよい。これに限らない。例えば、増加期間後にコッククロフト・ウオルトン回路の動作を停止させて、一旦増加させた参照電位Ｖｒを分圧回路２９の抵抗２９ａ，２９ｂを放電抵抗として使用して徐々に減少させつつ（ゼロボルトに近づけつつ）、この参照電位Ｖｒの減少期間においてアナログ信号Ｓ５がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出することによって電位差（Ｖ１−Ｖｒ）がゼロボルトになるタイミングｔｚを検出する構成を採用することができ、この構成によれば、分圧回路２９の全体の抵抗値を調整することによって参照電位Ｖｒの減少度合い（傾き）をタイミングｔｚの検出に適したものに設定できるため、より好ましい。また、上記したコッククロフト・ウオルトン回路では正の電圧を生成する構成を採用したが、測定対象体４の電圧Ｖ１が負の電圧のときには、負の電圧を生成する回路構成のコッククロフト・ウオルトン回路（図示せず）を採用して電圧測定装置を構成できるのは勿論である。

また、上記した電圧測定装置１では、図２〜図５に示すように、第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４のみをそれぞれ含むようにしてすべての構成単位３１〜３４を構成しているが、これに限定されるものではなく、同各図に示す容量変化機能体１３において、第１〜第４の構成単位３１〜３４のうちの第１の構成単位３１と第４の構成単位３４との組、および第２の構成単位３２と第３の構成単位３３との組のうちの一方の組の各構成単位に含まれている第１電気的要素を、交流信号の通過を許容する第２電気的要素で置き換えて、容量変化機能体を構成することもできる。この場合、第２電気的要素は、コンデンサ、コイル、抵抗および共振体のうちの少なくとも１つを含んで構成される。一例として、図９に示す容量変化機能体１３Ａは、図２に示す容量変化機能体１３における第２の構成単位３２および第３の構成単位３３の各第１電気的要素Ｅ１２，Ｅ１３を第２電気的要素Ｅ２２，Ｅ２３（電気的特性の同じコンデンサ６２，６３）でそれぞれ置き換えて構成された第２の構成単位３２Ａおよび第３の構成単位３３Ａを含んで構成されている。なお、コンデンサ６２，６３に代えて、電気的特性（インダクタンス値）の同じ一対のコイル６２ａ，６３ａを使用してもよいし、電気的特性（抵抗値）の同じ一対の抵抗６２ｂ，６３ｂを使用してもよいし、または電気的特性（周波数−インピーダンス特性）の同じ一対の共振体６２ｃ，６３ｃを使用してもよい。この場合、共振体６２ｃ，６３ｃについては、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数（容量変調周波数）ｆ２のときにインピーダンスが最小となり、かつそれ以外の周波数のときに十分に高いインピーダンスとなる電気的特性の共振体を使用する。具体的には、セラミック共振器、水晶振動子、およびコイルとコンデンサとで構成されたＬＣ共振回路（直列共振回路）などの各種共振体を用いることができる。また、この共振体６２ｃ，６３ｃについては、直流電流の通過を許容する構成でもよい。

また、図２〜図５に示す容量変化機能体１３において、第１〜第４の構成単位３１〜３４のうちの第１の構成単位３１と第２の構成単位３２との組、および第３の構成単位３３と第４の構成単位３４との組のうちの一方の組の各構成単位に含まれている第１電気的要素Ｅ１を、直流信号の通過を阻止しつつ交流信号の通過を許容する第３電気的要素で置き換えて、容量変化機能体を構成することもできる。この場合、第３電気的要素は、コンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つを含んで構成される。一例として、図１０に示す容量変化機能体１３Ｂは、図２に示す容量変化機能体１３における第３の構成単位３３および第４の構成単位３４の各第１電気的要素Ｅ１３，Ｅ１４を第３電気的要素Ｅ３３，Ｅ３４（一例として電気的特性の同じコンデンサ６３，６４）でそれぞれ置き換えて構成された第３の構成単位３３Ｂおよび第４の構成単位３４Ａを含んで構成されている。なお、コンデンサ６３，６４に代えて、電気的特性（周波数−インピーダンス特性）の同じ一対の共振体６３ｄ，６４ａを使用してもよい。この場合、共振体６３ｄ，６４ａについては、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数（容量変調周波数）ｆ２のときにインピーダンスが最小となり、かつそれ以外の周波数のときに十分に高いインピーダンスとなる電気的特性の共振体を使用する。具体的には、セラミック共振器、水晶振動子、およびコイルとコンデンサとで構成されたＬＣ共振回路（直列共振回路）などの各種共振体を用いることができる。また、この共振体６３ｄ，６４ａについては、直流電流の通過を阻止する構成とする。

なお、図９，１０に示す容量変化機能体１３Ａ，１３Ｂについては、上記の構成に限定されるものではなく、図示はしないが、例えば、第１電気的要素Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１４を可変容量ダイオードに代えて、一般的なダイオード（シリコンダイオード）で構成してもよいし、またカソード端子同士が接続されて直列接続された一対のダイオード（可変容量ダイオードやシリコンダイオード）で構成することもできる。

また、図４に示す容量変化機能体１３では、各構成単位３１〜３４を一対の第１素子５１（具体的には一般的なダイオード）でそれぞれ構成しているが、各構成単位３１〜３４を構成する一対のダイオードは、アノード端子同士が接続されることにより、互いに逆向きに直列接続されている。すなわち、各構成単位３１〜３４は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが、Ｎ−Ｐ−Ｐ−Ｎというように配列されて構成されている。このため、図４に示す容量変化機能体１３において各構成単位３１〜３４を構成する一対の第１素子５１（ダイオード）を１つのＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で置き換えることにより、各構成単位３１〜３４に含まれている各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４を１つのトランジスタでそれぞれ構成して、図１１に示す容量変化機能体１３Ｃを構成することもできる。この容量変化機能体１３Ｃでは、各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４が、各々の入力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の一方）および出力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）、各構成単位３１〜３４で構成される環状経路内に配設されている。なお、各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４の制御端子（ベース端子）は未接続となる（接続点とはならない）。

また、図４に示す容量変化機能体１３では、各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを挟んで、構成単位３１，３４、構成単位３１，３２、構成単位３２，３３、および構成単位３３，３４の各第１電気的要素Ｅ１に含まれている１つのダイオード同士が互いに隣接している（具体的には、各ダイオード同士が互いに逆向きに直列接続されている）。このように、逆向きに直列接続された一対のダイオードで第１電気的要素Ｅ１が構成され、かつ少なくとも２つの隣接する構成単位がこの第１電気的要素Ｅ１を含んでいる容量変化機能体１３では、この２つの構成単位間の接続点を挟んで、各第１電気的要素Ｅ１に含まれている１つのダイオード同士が互いに逆向きに直列接続された構成となる。このため、図１２に示すように、破線で囲んだ一対のダイオードを１つのＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることにより、容量変化機能体１３Ｄを構成することもできる。この場合、各第１電気的要素Ｅ１は、１つのトランジスタの一部と、他の１つのトランジスタの一部とで構成されることになる。この容量変化機能体１３Ｄでも、容量変化機能体１３Ｃと同様にして、各トランジスタＴＲ５〜ＴＲ８が、各々の入力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の一方）および出力端子（コレクタ端子およびエミッタ端子の他方）がそれぞれ接続されて（それぞれ接続点となって）、各構成単位３１〜３４で構成される環状経路内に配設されている。他方、各トランジスタＴＲ５〜ＴＲ８の制御端子（ベース端子）は、容量変化機能体１３Ｃとは異なり、接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして使用される。

また、カソード端子同士が接続されて互いに直列に接続された一対のダイオードで各構成単位３１〜３４の各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４が構成されている図５に示す容量変化機能体１３についても、図４に示す容量変化機能体１３と同様にして、各第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４を構成する一対のダイオードをＰＮＰ型バイポーラトランジスタＴＲ５〜ＴＲ８で置き換えることにより、図１３に示す容量変化機能体１３Ｅを構成することができ、また、上記した各ダイオードの組（各接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを挟んで隣接する一対のダイオードでそれぞれ構成される４つの組）をＮＰＮ型バイポーラトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４で置き換えることにより、図１４に示す容量変化機能体１３Ｆを構成することができる。また、トランジスタとして、バイポーラトランジスタを使用する例について説明したが、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタに代えて同型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を使用してもよいし、またはＰＮＰ型バイポーラトランジスタに代えて同型のＭＯＳＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を使用してもよいのは勿論である。この場合、ＭＯＳＦＥＴについては、その入力端子はドレイン端子およびソース端子の一方となり、出力端子はドレイン端子およびソース端子の他方となる。また、図１２，１４に示す構成においては、制御端子としてのゲート端子が接続点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして使用される。このようにトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４（またはＴＲ５〜ＴＲ８）を用いて第１電気的要素Ｅ１を構成することにより、より少ない部品点数で、簡易、かつ安価に容量変化機能体１３Ｃ〜１３Ｆを構成することができる。

また、図１５に示す電圧測定装置１Ａのように、電流検出器１５を配設せずに、容量変化機能体１３，１３Ａ，・・，１３Ｆ（特に区別しないときには、これらを容量変化機能体１３ともいう）の両端間電圧Ｖ４をプリアンプ１６で検出して検出信号Ｓ３とするプローブユニット２Ａ（センサ部）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Ｖ４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、電圧測定装置１Ａは電圧測定装置１と同一のため、同図では、電圧測定装置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。この電圧測定装置１Ａにおいても、可変容量回路１９の両端間電圧Ｖ４への駆動信号Ｓ２の影響を排除できる結果、電流ｉを正確に検出でき、これによって測定対象体４の電圧Ｖ１をより正確に測定することができる。

また、電圧測定装置１では、可変容量回路１９とケース１１との間に電流検出器１５を配設しているが、検出電極１２と可変容量回路１９との間に電流検出器１５を配設することもできる。また、電圧測定装置１，１Ａでは、フィルタ回路２２、増幅回路２３および検波回路２４についてはアナログ信号で作動する回路構成としたが、フィルタ回路２２、増幅回路２３、検波回路２４、Ａ／Ｄ変換回路２５、制御回路２６およびサンプルホールド回路２７を１つまたは複数のＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成することもできる。

また、上記した各容量変化機能体１３の各構成単位については、図２〜図５、および図９〜図１４に示すように、第１電気的要素Ｅ１（一例として互いに逆向きに直列接続された２つのダイオード（図１１〜図１４の場合には等価的に２つのダイオード））、第２電気的要素Ｅ２２，Ｅ２３、および第３電気的要素Ｅ３３，Ｅ３４のいずれかで構成した例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２に示す第１の構成単位３１を例に挙げて、第１電気的要素Ｅ１１を含む構成単位に関して説明すると、１つの第１電気的要素Ｅ１１と共にこの第１電気的要素Ｅ１１以外の構成要素を含んで第１の構成単位３１を構成することもできる。具体的には、接続点Ａと第１素子４１ａとの間、接続点Ｂと第１素子４１ｂとの間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサ、コイルおよび他のダイオードの少なくとも１つを配設することもできる。また、各第１素子４１ａ，４１ｂ以外の構成要素を含んで第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。具体的には、各第１素子４１ａ，４１ｂ間に、抵抗、コンデンサおよびコイルの少なくとも１つを配設して、第１電気的要素Ｅ１を構成することもできる。また、第１素子４１ａ，４１ｂの各々、および第１素子４１ａ，４１ｂ全体の少なくとも１つに対してコンデンサを並列に接続することもできる。

また、例えば、図９に示す構成単位３２Ａを例に挙げて、第２電気的要素Ｅ２２（Ｅ２３）を含む構成単位に関して説明すると、接続点Ｂと第２電気的要素Ｅ２２との間、および接続点Ｃと第２電気的要素Ｅ２２との間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサ、およびコイルのうちの少なくとも１つを配設することもできる。また、第２電気的要素Ｅ２２に対してコンデンサを並列に接続することもできる。また、例えば、図１０に示す構成単位３３Ｂを例に挙げて、第３電気的要素Ｅ３３（Ｅ３４）を含む構成単位に関して説明すると、接続点Ｃと第３電気的要素Ｅ３３との間、および接続点Ｄと第３電気的要素Ｅ３３との間の少なくとも１つに、抵抗、コンデンサ、およびコイルの少なくとも１つを配設することもできる。また、第３電気的要素Ｅ３３に対して他のコンデンサを並列に接続することもできる。

また、可変容量ダイオードも一般的なダイオードも基本的な構成が同じであるため、例えば図２に示す容量変化機能体１３において、各第１電気的要素Ｅ１を構成する第１素子４１ａ，４１ｂとしての可変容量ダイオードのうちの一方を一般的なダイオードを使用して構成するなど、可変容量ダイオードと一般的なダイオードとを混在して使用することもできる。ただし、可変容量ダイオードと一般的なダイオードとは、逆バイアスが印加されたときの静電容量が異なるため、ブリッジ回路の平衡条件を満足し、かつ接続点Ａ，Ｃを基準としてその両側に配設されている各構成単位３１，３２と各構成単位３４，３３とが線対称となるか、または接続点Ｂ，Ｄを基準としてその両側に配設されている各構成単位３１，３４と各構成単位３２，３３とが線対称となるように構成する必要がある。

また、上記した電圧測定装置１，１Ａ等では、トランスＴｒ３やコッククロフト・ウオルトン回路３０を使用したため、電圧生成回路２８は基準信号Ｓ７として交流信号を生成しているが、トランスＴｒ３やコッククロフト・ウオルトン回路３０に代えて高圧アンプを使用して電圧生成部３ｂを構成することもできる。この構成では、電圧生成回路２８が、周期的に電圧値が変化する信号に代えて、例えば単発の三角波信号や鋸波信号を生成するように構成することができる。この構成によれば、電圧生成部３ｂから、例えば、電圧（参照電位Ｖｒ）が−Ｖｐから＋Ｖｐまで所定の増加率で変化し、その後にゼロボルトに戻る形態の参照電位信号Ｓ８や、−Ｖｐからゼロボルトまで所定の増加率で変化する形態の参照電位信号Ｓ８や、逆に、＋Ｖｐからゼロボルトまで所定の減少率で変化する形態の参照電位信号Ｓ８を出力させることができ、測定対象体４の電圧Ｖ１が参照電位信号Ｓ８の変化範囲に含まれるようにすることで、上記した電圧測定装置１等と同様にして、アナログ信号Ｓ５がゼロボルトになるタイミングｔｚにおける参照電位Ｖｒの値を検出して、測定対象体４の電圧Ｖ１を測定することができる。

また、上記した電圧測定装置１，１Ａ等では、電流検出器１５としてトランスＴｒ２を使用しているが、抵抗や共振体を使用し、これらの両端間電圧を電圧Ｖ２としてプリアンプ１６に入力する構成を採用することもできる。

また、本発明における可変容量回路は、上記のようにダイオードなどを使用した構成に限定されるものではなく、例えば、従来例として説明した特開平６−２４２１６６号公報に開示されている構成、すなわち、圧電音叉と検知電極（本願の検出電極１２に相当する電極）を利用した機械式の構成を採用することもできる。さらには、特開平４−３０５１７１号公報に開示されている構成、すなわち、検出電極および振動体を備えた構成（図示せず）を利用して構成することもできる。この構成の可変容量回路（可変容量機構）では、振動体によって検出電極（検出電極１２とは別の電極）が検出電極１２に対して接離動されることにより、その静電容量Ｃ１、つまり検出電極と検出電極１２との間の静電容量Ｃ１が変化する。また、可変容量回路は、特開平７−２４４１０３号公報に開示されている構成、すなわち、導体セクターおよび検出電極（検出電極１２とは別の電極）を備えた構成（図示せず）を利用して構成することもできる。この構成の可変容量回路（可変容量機構）では、検出電極を検出電極１２に対向させて配設すると共にこの両電極間に導体セクターを配置して、この状態において導体セクターが検出電極１２から検出電極に達する電気力線に対して遮蔽と開放とを繰り返すことにより、その静電容量Ｃ１、つまり検出電極１２と検出電極との間の静電容量Ｃ１が変化する。さらに、特開平８−１８１０３８号公報や特開平９−１５３４３６号公報にそれぞれ開示されている可変容量コンデンサ、すなわち、近接して配設した一対の電極の少なくとも一方を弾性変形させることによって両電極間の距離を変化させて静電容量Ｃ１を変化させる可変容量コンデンサ（いずれも図示せず）を可変容量回路として用いることもできる。

また、上記した電圧測定装置１，１Ａ等は、電圧測定装置単体として使用してもよいし、公知の電流測定装置と組み合わせて電力測定装置を構成することもできる。

電圧測定装置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。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 図１の容量変化機能体１３の他の回路図である。 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、参照電位信号Ｓ８およびアナログ信号Ｓ５の関係を示す波形図である。 コッククロフト・ウオルトン回路３０を使用した電圧生成部３ｂの回路図である。 容量変化機能体１３Ａの回路図である。 容量変化機能体１３Ｂの回路図である。 容量変化機能体１３Ｃの回路図である。 容量変化機能体１３Ｄの回路図である。 容量変化機能体１３Ｅの回路図である。 容量変化機能体１３Ｆの回路図である。 電圧測定装置１Ａのブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ 電圧測定装置
２ プローブユニット（センサ部）
３ 本体ユニット
３ａ 測定部
３ｂ 電圧生成部
４ 測定対象体
１１ ケース
１２ 検出電極
１４ 駆動回路
１５ 電流検出器
１９ 可変容量回路
３０ コッククロフト・ウオルトン回路
Ｅ１１〜Ｅ１４ 第１電気的要素
Ｅ２２，Ｅ２３ 第２電気的要素
Ｅ３３，Ｅ３４ 第３電気的要素
Ｔｒ３ トランス
Ｓ３ 検出信号
Ｖ１ 測定対象体の電圧
Ｖｒ 参照電位

Claims (5)

1. 測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、
   予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、
   前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、
   前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、
   前記センサ部は、
   前記測定対象体に対向可能な検出電極と、
   第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位、前記第２の構成単位、前記第３の構成単位および前記第４の構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、
   前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する電圧測定装置。
2. 測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、
   予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、
   前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、
   前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、
   前記センサ部は、
   前記測定対象体に対向可能な検出電極と、
   第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位と前記第４の構成単位との組、および前記第２の構成単位と前記第３の構成単位との組のうちの一方の組の前記各構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、他方の組の前記各構成単位がコンデンサ、コイル、抵抗および共振体のうちの少なくとも１つをそれぞれ含んで構成され、かつ前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、
   前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する電圧測定装置。
3. 測定対象体の電圧を測定可能に構成された電圧測定装置であって、
   予め規定した最小電圧値から最大電圧値までの間で電圧値を徐々に増加または徐々に減少させて参照電位を生成する電圧生成部と、
   前記測定対象体の電圧と前記参照電位との間の電位差に応じて振幅が変化する検出信号を出力するセンサ部と、
   前記検出信号に基づいて検出される前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位を前記測定対象体の電圧として測定する測定部とを備え、
   前記センサ部は、
   前記測定対象体に対向可能な検出電極と、
   第１の構成単位、第２の構成単位、第３の構成単位および第４の構成単位がこの順に環状に接続されて構成され、前記第１の構成単位および前記第４の構成単位の接続点が前記検出電極側に位置すると共に、前記第２の構成単位および前記第３の構成単位の接続点が前記参照電位側に位置するように前記検出電極と前記参照電位との間に配設され、かつ前記第１の構成単位と前記第２の構成単位との組、および前記第３の構成単位と前記第４の構成単位との組のうちの一方の組の前記各構成単位が互いに逆向きに直列接続された２つのダイオードを含んで構成されると共に、他方の組の前記各構成単位がコンデンサおよび共振体のうちの少なくとも１つをそれぞれ含んで構成され、かつ前記第１の構成単位および前記第３の構成単位の各インピーダンスの積と前記第２の構成単位および前記第４の構成単位の各インピーダンスの積とが同一またはほぼ同一に規定された容量変化機能体と、
   前記第１の構成単位および前記第２の構成単位の接続点と前記第３の構成単位および前記第４の構成単位の接続点との間に駆動信号を印加して前記容量変化機能体の静電容量を変化させる駆動回路とを備えて、前記容量変化機能体が前記静電容量を変化させているときに、前記容量変化機能体を介して前記検出電極と前記参照電位との間に流れる電流または前記容量変化機能体の両端間電圧に基づいて前記検出信号を生成して出力する電圧測定装置。
4. 前記電圧生成部は、一次巻線に入力した信号を昇圧して二次巻線に前記参照電位を出力する昇圧トランスを備えている請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置。
5. 前記電圧生成部は、前記参照電位を生成するコッククロフト・ウオルトン回路を備えている請求項１から３のいずれかに記載の電圧測定装置。

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