(57)【要約】【課題】検出プローブの電極の浮遊静電容量の影響を抑制し、測定対象電線の種別が異なっても導体の交流電圧の電圧測定を高精度で行うことができる絶縁型電圧測定装置を提供することである。【解決手段】検出プローブ１３は、電圧測定対象物の外面に近接して配置される導体側電極１８と、導体側電極１８より面積が小さく導体側電極１８と間隔を保って対面して配置される出力側電極１９と、導体側電極１８と出力側電極１９との間に設けられ絶縁抵抗が大きく誘電率が小さい誘電体２０とを有し、電圧検出部２１は、Ｉ／Ｖ変換回路で構成され、出力側電極１９の電流を入力し出力側電極１９の電流に比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得る。【選択図】  図１
2019174129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧測定対象物に検出プローブを近接させ、前記検出プローブに電圧検出部を接続し、前記電圧検出部で前記電圧測定対象物に印加される交流電圧を測定する絶縁型電圧測定装置において、
前記検出プローブは、前記電圧測定対象物の外面に近接して配置される導体側電極と、前記導体側電極より面積が小さく前記導体側電極と間隔を保って対面して配置される出力側電極と、前記導体側電極と前記出力側電極との間に設けられ絶縁抵抗が大きい誘電体とを有し、
前記電圧検出部は、Ｉ／Ｖ変換回路で構成され前記出力側電極の電流を入力し前記出力側電極の電流に比例した出力電圧を得ることを特徴とする絶縁型電圧測定装置。
【請求項２】
前記出力側電極の面積は、前記導体側電極の面積の１／１３以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁型電圧測定装置。
【請求項３】
前記導体側電極の大きさは、軸方向長さＬと周方向幅Ｈとの比Ｌ／Ｈが４〜１０の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁型電圧測定装置。
【請求項４】
前記検出プローブを保持するともに電圧測定対象物の太さに応じて前記検出プローブと前記電圧測定対象物との距離調整を行い前記電圧測定対象物の導体と前記導体側電極との間の静電容量の変動が小さくなるように前記検出プローブを前記電圧測定対象物に装着する検出プローブ保持部を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の絶縁型電圧測定装置。
【請求項５】
前記検出プローブ保持部は、前記検出プローブを嵌装するための凹部を有し、前記凹部に前記検出プローブを挿入することにより前記検出プローブを保持し、前記凹部の開口部の縁部の長さで前記検出プローブと前記電圧測定対象物との距離調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の絶縁型電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧測定対象物に印加された電圧を測定する絶縁型電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧測定対象物に印加された電圧を測定するものとして、絶縁被覆した電線の導体に印加された電圧を非接触で測定する絶縁型電圧測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。これは、絶縁部材中に電線側の第１電極と電圧検出用の第２電極とを有し、第１電極の一部に第２電極を間隔を保って配置し、電線の絶縁被覆の外面に密着させて巻き付け可能な可撓性を有した検出プローブを有したものである。
【０００３】
この検出プローブは、第１電極と第２電極との間で形成する補助コンデンサ部分の静電容量Ｃａを電線の導体と第１電極間の静電容量Ｃｓに比べて十分小さく形成され、絶縁型電圧測定装置は、検出プローブの補助コンデンサ部分に検出用コンデンサ及び電圧検出回路を接続し、電線の導体に印加される交流電圧Ｖを測定するものである。
【０００４】
つまり、電圧検出回路の入力電圧ＶｉｎはＶｉｎ≒（Ｃａ/Ｃｉｎ）・Ｖ（Ｃｉｎは検出用コンデンサの静電容量、Ｖは被測定電圧）となるので、被測定電圧（電線導体の交流電圧）Ｖは、補助コンデンサ部分の静電容量Ｃａと検出用コンデンサの静電容量Ｃｉｎとの比で表されることから、電線の導体と第１電極間の静電容量Ｃｓの影響を受けるとことなく、電線導体の交流電圧の電圧測定を高精度で行うことができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６３３９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１のものでは、電圧検出回路への入力電圧Ｖｉｎは非常に微小でありノイズの影響を受けやすい。例えば、第２電極から信号を引き出す配線には浮遊容量が存在して、その信号配線の屈曲状態により電線自体の静電容量も変化するので、ノイズの影響を受けやすい。浮遊容量や配線静電容量の変化は、第２電極からの信号の分圧を変化させるので、浮遊容量や静電容量変化の小さな信号配線が必要となる。第２電極の静電容量は0.1ｐＦ程度と小さいので、信号配線の浮遊容量は0.001ｐＦレベルが必要となってしまい、このような信号配線を用いて実現することは困難である。
【０００７】
図１３は、特許文献１の絶縁型電圧測定装置の説明図である。図１３（ａ）はその概略構成図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の等価回路、図１３（ｃ）は第１電極の浮遊静電容量Ｃｓ１及び第２電極１５の浮遊静電容量Ｃａ１を考慮した等価回路である。図１３に示すように、電圧の測定対象電線１１の導体１２に印加される交流電圧を測定するにあたって、測定対象電線１１の絶縁被覆の外面に検出プローブ１３を取り付ける。検出プローブ１３は、絶縁被覆の外面に密着させて巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材中に、測定対象電線１１側の大面積の第１電極１４と、この第１電極１４の一部に対向させる電圧検出用の小面積の第２電極１５とを有している。そして、第２電極１５の後段に大容量の検出用コンデンサＣｉｎを接続し検出用コンデンサＣｉｎの電圧を電圧検出回路１６で測定することにより測定対象電線１１の導体１２に印加される交流電圧を測定する。
【０００８】
図１３（ｂ）に示すように、電線の導体と第１電極１４との間の静電容量Ｃｓと、第１電極１４と第２電極１５との間で形成する補助コンデンサ部分の静電容量Ｃａとの合成静電容量Ｃｐが検出用コンデンサＣｉｎに直列接続されている。検出用コンデンサＣｉｎは測定対象電線１１の浮遊容量分が無視できるほど大きな検出用コンデンサであり、図１３（ｃ）に示すように、第１電極１４の浮遊静電容量Ｃｓ１及び第２電極１５の浮遊静電容量Ｃａ１が存在していても、これら浮遊容量分Ｃｓ１、Ｃａ１の影響を受けないようにしている。
【０００９】
つまり、低静電容量である第２電極１５からの電流を大容量の検出用コンデンサＣｉｎの電圧Ｖｉｎに変換し、ケーブルの浮遊容量分が無視できるようにしている。このことから、低静電容量である第２電極１５からの電流は非常に小さく大容量コンデンサＣｉｎの容量は大きいので、電圧検出回路の入力電圧Ｖｉｎは非常に微小になってしまい、ノイズの影響を受けやすい。
【００１０】
本発明の目的は、検出プローブの電極の浮遊静電容量の影響を抑制し、電圧測定対象物の種別が異なっても電圧測定対象物に印加される交流電圧の電圧測定を高精度で行うことができる絶縁型電圧測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明に係わる絶縁型電圧測定装置は、電圧測定対象物に検出プローブを近接させ、前記検出プローブに電圧検出部を接続し、前記電圧検出部で前記電圧測定対象物に印加される交流電圧を測定する絶縁型電圧測定装置において、前記検出プローブは、前記電圧測定対象物の外面に近接して配置される導体側電極と、前記導体側電極より面積が小さく前記導体側電極と間隔を保って対面して配置される出力側電極と、前記導体側電極と前記出力側電極との間に設けられ絶縁抵抗が大きい誘電体とを有し、前記電圧検出部は、Ｉ／Ｖ変換回路で構成され前記出力側電極の電流を入力し前記出力側電極の電流に比例した出力電圧を得ることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明に係わる絶縁型電圧測定装置は、請求項１の発明において、前記出力側電極の面積は、前記導体側電極の面積の１／１３以下であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明に係わる絶縁型電圧測定装置は、請求項１の発明または請求項２において、前記導体側電極の大きさは、軸方向長さＬと周方向幅Ｈとの比Ｌ／Ｈが４〜１０の範囲であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明に係わる絶縁型電圧測定装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、前記検出プローブを保持するともに電圧測定対象物の太さに応じて前記検出プローブと前記電圧測定対象物との距離調整を行い前記電圧測定対象物の導体と前記導体側電極との間の静電容量の変動が小さくなるように前記検出プローブを前記電圧測定対象物に装着する検出プローブ保持部を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明に係わる絶縁型電圧測定装置は、請求項４の発明において、前記検出プローブ保持部は、前記検出プローブを嵌装するための凹部を有し、前記凹部に前記検出プローブを挿入することにより前記検出プローブを保持し、前記凹部の開口部の縁部の長さで前記検出プローブと前記電圧測定対象物との距離調整を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、電圧検出部をインピーダンスの小さいＩ／Ｖ変換回路で構成し出力側電極の電流を入力するので、出力側電極の浮遊静電容量の影響を抑制できる。
導体側電極と出力側電極との間に設けられる誘電体は、絶縁抵抗が大きいものを使用し誘電率の小さいものを使用すれば出力側電極を小さくできる。また、誘電率が大きいものである場合は導体側電極と出力側電極との間の距離を大きくすることで出力側電極を小さくできる。これにより、検出プローブの合成静電容量のバラツキを抑制でき、電圧測定対象物の種別が異なっても電圧測定対象物に印加される交流電圧を精度よく測定できる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、出力側電極の面積は導体側電極の面積の１／１３以下とするので、検出プローブの合成静電容量のバラツキを抑制できる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、導体側電極の大きさは、軸方向長さＬと周方向幅Ｈとの比Ｌ／Ｈが４〜１０の範囲とするので、導体側電極の浮遊静電容量の影響を抑制できる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明の効果に加え、検出プローブ保持部により、検出プローブを保持するともに、電圧測定対象物の太さに応じて検出プローブと電圧測定対象物との距離調整を行い電圧測定対象物と導体側電極との間の静電容量の変動が小さくなるように検出プローブを電圧測定対象物に装着するので、電圧測定対象物の太さが変化しても電圧測定対象物と導体側電極との間の静電容量の変動を小さくできる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明の効果に加え、検出プローブ保持部は、凹部に検出プローブを嵌装し凹部の開口部の縁部の長さで検出プローブと電圧測定対象物との距離調整を行うので、簡単な構造で検出プローブ保持部を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の他の一例の構成図
【図３】図１に示した本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の等価回路。
【図４】本発明の実施形態で用いた測定対象電線に対する検出プローブの合成静電容量の変化を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態における検出プローブの導体側電極及び出力側電極の構造図。
【図６】測定対象電線と検出プローブの導体側電極との間にギャップなしの場合の図５（ａ１）、図５（ａ２）、図５（ａ３）に示した検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図７】図６のグラフに対し電圧測定対象物と検出プローブの導体側電極との間に０．５ｍｍのギャップを設けた場合の検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図８】電圧測定対象物と検出プローブの導体側電極との間にギャップなしの場合の図５（ｂ１）、図５（ｂ２）、図５（ｂ３）に示した検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図９】図８のグラフに対し電圧測定対象物と検出プローブの導体側電極との間に０．５ｍｍのギャップを設けた場合の検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図１０】電圧測定対象物と検出プローブの導体側電極との間にギャップなしの場合の図５（ｃ１）、図５（ｃ２）、図５（ｃ３）に示した検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図１１】本発明の実施形態における検出プローブ保持部の説明図。
【図１２】図１１に示した検出プローブ保持部にて検出プローブを電圧測定対象物に装着した場合の検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフ。
【図１３】特許文献１の絶縁型電圧測定装置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の構成図である。以下の説明では、電圧測定対象物として絶縁被覆された電線の場合について説明する。図１において、絶縁被覆された測定対象電線１１の導体１２には交流電源１７から試験用電圧Ｖｒが印加されている。この交流電源１７から印加された交流電圧Ｖｒは、測定対象電線１１の導体１２の電圧であり測定対象電線１１の電圧である。その測定対象電線１１の電圧を測定するにあたり、測定対象電線１１の絶縁被覆の外面に検出プローブ１３を取り付ける。
【００２３】
検出プローブ１３は、測定対象電線１１の絶縁被覆の外面に絶縁または接触して配置される導体側電極１８と、導体側電極１８より面積が小さく導体側電極１８と間隔を保って対面して配置される出力側電極１９とを有し、導体側電極１８と出力側電極１９との間に誘電体２０が設けられている。
【００２４】
出力側電極１９からの電流Ｉｏｕｔは電圧検出部２１に入力される。電圧検出部２１はインピーダンスが小さいＩ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）で形成される。図１では、オペアンプ２２を用いたＩ／Ｖ変換回路で形成した場合を示しているが、ベース接地のトランジスタ回路やゲート接地回路のFET回路のように入力インピーダンスが低い回路で形成することも可能である。本発明の実施形態では、Ｉ／Ｖ変換回路には、オペアンプ２２を用いたＩ／Ｖ変換回路、ベース接地のトランジスタ回路やゲート接地回路のFET回路のように入力インピーダンスが低い回路を含むものとする。以下の説明では、オペアンプ２２を用いたＩ／Ｖ変換回路の場合について説明する。
【００２５】
出力側電極１９からの電流Ｉｏｕｔは電圧検出部２１のオペアンプ２２のマイナス端子に入力され、帰還インピーダンスＺで出力電流Ｉｒが負帰還される。オペアンプ２２のプラス端子は接地（GND）されている。つまり、電圧検出部２１はオペアンプ２２を用いたＩ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）で形成している。オペアンプ２２では、Ｉｏｕｔ＝Ｉｒとなるように演算増幅されるので、電圧検出部２１の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ｉｒ・Ｚ＝Ｉｏｕｔ・Ｚとなる。これにより、出力側電流Ｉｏｕｔに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを得る。
【００２６】
ここで、Ｃ１は導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量、Ｃ２は測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量、Ｃ１２は検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）である。また、Ｃ３は出力側電極１９の浮遊静電容量、Ｃ４は電極側電極１８の浮遊静電容量である。浮遊静電容量のＣ３、Ｃ４が存在していない条件では、出力側電流Ｉｏｕｔは、Ｉｏｕｔ＝Ｖｒ／（１／ωＣ１＋１／ωＣ２）で示されるので、出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝｛ωＣ１・ωＣ２／（ωＣ１＋ωＣ２）｝・Ｚ・Ｖｒとなり、測定対象電線１１の導体１２の電圧Ｖｒに比例した電圧となる。
【００２７】
測定対象電線１１から導体１２と非接触で電圧を測定する場合に、測定対象電線１１と検出プローブ１３の出力側電極１９との間の検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２が一定であれば、合成静電容量Ｃ１２を通して流れる電流Ｉｏｕｔは測定対象電線１１の導体１２の電圧Ｖｒに比例するので導体１２と非接触で測定対象電線１１の導体１２の電圧Ｖｒを測ることができる。
【００２８】
実際には、測定対象電線１１の太さが違うと、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２のバラツキの影響を受け、検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２にバラツキが生じて合成静電容量Ｃ１２を通じて流れる出力側電流Ｉｏｕｔが変化して精度よく測定対象電線１１の導体１２の電圧Ｖｒが測定できない。
【００２９】
前述のように、浮遊静電容量のＣ３、Ｃ４が存在していない条件では、出力側電流Ｉｏｕｔは、Ｉｏｕｔ＝Ｖｒ／（１／ωＣ１＋１／ωＣ２）で示されるので、検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２のバラツキの影響を受けないようにするには、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２を、導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量Ｃ１より非常に大きくする。逆に言えば静電容量Ｃ１を小さくする。これにより、１／ωＣ２≒０となり、出力側電流Ｉｏｕｔは、Ｉｏｕｔ≒Ｖｒ／（１／ωＣ１）で近似されるので、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２のバラツキの影響を受けなくなり、測定対象電線１１の太さ変化に対して静電容量変化の少ない検出プローブ１３の製作が可能となる。
【００３０】
ここで、導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量Ｃ１は小さくするので、出力側電極１９からの配線の静電容量が問題になる。そこで、出力側電極１９からの配線の静電容量が問題になる場合には、図２に示すように、電圧検出部２１のオペアンプ２２のマイナス入力端子から出力側電極１９の直近までシールド線２５を配置し、出力側電極１９からの電圧検出部２１までの配線の静電容量の影響を軽減する。
【００３１】
図２において、検出プローブ１３の出力側電流Ｉｏｕｔは電圧検出部２１のオペアンプ２２のマイナス端子に入力され、シールド線２５の外皮はオペアンプ２２のプラス端子に接続されている。また、オペアンプ２２のプラス端子は接地されている。オペアンプ２２のプラス端子は接地されているので、オペアンプ２２のマイナス端子とプラス端子との間はイマジナリーショートの効果で電位差はなくなる。このため、シールド線２５の導体はシールド外皮と同じ接地電位となるので、出力側電極１９は、電圧検出部２１の直近で接地されている状態となって、出力側電極１９から電圧検出部２１までの配線の静電容量の影響を軽減できる。
【００３２】
シールド線２５は取扱時に変形すると静電容量が変化してしまうが、図２の一例では、シールド線２５の導体は接地電位状態に保たれるので、シールド線２５の静電容量が変化したとしても、検出プローブ１３の出力側電流Ｉｏｕｔは、シールド線２５の静電容量変化に関係なく伝送できるので、シールド線２５の距離を長くしてシールド線２５の静電容量変動値が大きくなっても、検出プローブ１３を電圧検出部２１から離すことが可能となる。従って、構造が微妙な検出プローブ１３の導体側電極１８と出力側電極１９との構造を電気系とは関係なく決定できる。
【００３３】
本発明の第１実施の形態では、測定対象電線１１の太さ変化に対して静電容量変化の少ない検出プローブ１３を得るために、導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量Ｃ１を小さくする。静電容量Ｃ１は、誘電体２０の誘電率をε、出力側電極１９の面積をＳ、導体側電極１８と出力側電極１９との間の距離をｄとすると、Ｃ１＝ε・（Ｓ／ｄ）で示される。従って、静電容量Ｃ１を小さくするためには誘電率εを小さくするか出力側電極１９の面積Ｓを小さくすればよい。あるいは、導体側電極１８と出力側電極１９との間の距離を大きくすればよい。
【００３４】
出力側電極１９を小さくしすぎると出力側電極１９の製作が困難となるので、出力側電極１９の大きさをある程度確保し、本発明の実施形態では誘電体２０として絶縁抵抗が大きく誘電率εの小さい誘電体２０を用いる。例えば、テフロン（登録商標）、ポリカーボネート、アクリル、ＡＢＳ樹脂などの樹脂を用いる。また、誘電率εの大きい誘電体２０を用いる場合には、導体側電極１８と出力側電極１９との間の距離を大きくする。これにより、測定対象電線１１の種類による電線の太さ変化に対して合成静電容量Ｃ１２の変化の少ない検出プローブ１３を実現している。
【００３５】
図３は図１に示した本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の等価回路である。図３に示すように、本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置の等価回路は、導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量Ｃ１と、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２とが直列接続され、その合成成静電容量Ｃ１２を流れる電流Ｉｏｕｔが電圧検出部２１のＩ／Ｖ変換回路を構成するオペアンプ２１に入力されるようになっている。これにより、出力側電極１９の浮遊静電容量Ｃ３は接地極に対してショート状態となるので、出力側電極１９の浮遊静電容量Ｃ３の影響をなくすことができる。また、図３に示すように、導体側電極１８の浮遊静電容量Ｃ４も存在するが、この導体側電極１８の浮遊静電容量Ｃ４の対策については後述する。
【００３６】
表１は本発明の実施形態で用いた測定対象電線１１を示す表である。電線として外径及び導体径が異なる通常ケーブル及びエコケーブルを用意し電線番号として１〜９の番号を付している。
【００３７】
【表１】
2019174129.tif 000003
【００３８】
図４は、電線番号１〜９の測定対象電線１１に対する検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２の変化を示すグラフであり、図４（ａ）は誘電体２０として誘電率εが小さいテフロン（登録商標）を用いた場合のグラフ、図４（ｂ）は誘電体２０として誘電率εが大きいＦＲ４（Flame Retardant Type 4）を用いた場合のグラフである。図４（ａ）、図４（ｂ）では、導体側電極１８は、測定対象電線１１の軸方向長さＬが２０ｍｍ、周方向幅Ｈが３ｍｍの平板状の電極であり、出力側電極は１ｍｍ角の電極であり、導体側電極１８と出力側電極１９との間の距離（誘電体２０の厚さ）ｄは１．６ｍｍである場合の合成静電容量Ｃ１２の変化を示している。
【００３９】
静電容量Ｃ１は前述したようにＣ１＝ε・（Ｓ／ｄ）で示される。静電容量Ｃ２は、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量であり、測定対象電線１１の絶縁被覆の材質、導体側電極１９の面積、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の距離（外径−導体径）で示される。電線番号１〜９の測定対象電線１１ごとに静電容量Ｃ２は計算で求められるので、検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２（Ｃ１＋Ｃ２）も計算で求められる。
【００４０】
しかし、実際に電線番号１〜９の測定対象電線１１に検出プローブ１３を装着する場合には、導体側電極１８が平板状であることから検出プローブ１３の合成静電容量Ｃ１２に誤差が生じる。誘電体２０として誘電率εの小さいテフロン（登録商標）を使用した場合には、図４（ａ）に示すように−３％〜１％程度と変動である。一方、誘電体２０として誘電率εの大きいＦＲ４を用いた場合には、図４（ｂ）に示すように−６％〜３％程度の変化を生じる。
【００４１】
これにより、本発明の実施形態では誘電体２０として誘電率εの小さい誘電体、例えばテフロン（登録商標）、ポリカーボネート、アクリル、ＡＢＳ樹脂などの誘電体２０を使うことにより、測定対象電線１１の種類による合成静電容量Ｃ１２の変動幅を抑制し、測定対象電線１１の電圧の検出感度を向上させる。一方、誘電率εの大きいＦＲ４を用いた場合には、−６％〜３％程度の変化を生じるが、この程度の変化が許容できる場合には、そのままＦＲ４を用いる。この変化が許容できない場合には、導体側電極１８と出力側電極１９との間の距離ｄを大きくし、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２を小さくする。これにより、測定対象電線１１の種類による合成静電容量Ｃ１２の変動幅を抑制し、測定対象電線１１の電圧の検出感度を向上させる。
【００４２】
次に、検出プローブ１３の導体側電極１８及び出力側電極１９の大きさについて説明する。導体側電極１８及び出力側電極１９について各種寸法の電極を作成し、これらの寸法の導体側電極１８及び出力側電極１９を組み合わせて電圧検出部２１の出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、測定対象電線１１の種類によらず電圧検出部２１の出力電圧Ｖｏｕｔのバラツキが少ない検出プローブ１３の導体側電極１８及び出力側電極１９の大きさについて評価した。
【００４３】
この測定結果から、導体側電極１８についは面積が大きいほど測定対象電線１１からの信号レベルが大きくなるが、導体側電極１８の周方向幅Ｈが広いとノイズの影響を受けやすくなることが分かり、逆に、周方向幅Ｈが狭いと測定対象電線１１からの信号レベルが小さくなることが分かった。また，導体側電極は測定対象電線１１に密着している状態で測定したが、安全規格の関係で測定対象電線１１と導体側電極１８との間に絶縁を保つためのギャップが必要であることが分かってきた。
【００４４】
そこで、これらを考慮し、さらに絞り込み、出力側電極１９は、１ｍｍ角に加え、２ｍｍ角、３ｍｍ角を用意して検討した。２ｍｍ角及び３ｍｍ角を用意したのは、出力側電極１９は電気的には小さい方がよいが製作面を考慮し２ｍｍ角及び３ｍｍ角の出力側電極１９である場合の特性を把握するためである。また、導体側電極１８としては、測定対象電線１１の軸方向長さＬが１３〜３０ｍｍ、周方向幅Ｈが３ｍｍの平板状の電極を用意した。周方向幅Ｈを３ｍｍとしたのは導体側電極１８の浮遊静電容量Ｃ４の影響を受けにくくするためである。さらに、測定対象電線１１と導体側電極１８との間のギャップについては、ギャップなしと０．５ｍｍのギャップを設けたものを用意した。ギャップには絶縁物として０．５ｍｍのアクリル膜を設けた。そして、検出プローブ１３の導体側電極１８及び出力側電極１９の大きさについて評価した。
【００４５】
図５は、本発明の実施形態における検出プローブ１３の導体側電極１８及び出力側電極１９の構造図である。図５（ａ１）〜図５（ｃ３）は、いずれも導体側電極１８は幅３ｍｍで長さ１３ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍであり、図５（ａ１）〜図５（ａ３）は出力側電極１９が１ｍｍ角、図５（ｂ１）〜図５（ｂ３）は出力側電極１９が２ｍｍ角、図５（ｃ１）〜図５（ｃ３）は出力側電極１９が３ｍｍ角であるものを示している。
【００４６】
図６〜図１１は、図５に示した検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフである。出力電圧は、同一の試験用電圧Ｖｒを電線番号１〜９の測定対象電線１１に印加した場合に得られる出力電圧Ｖｏｕｔであり、出力電圧のばらつきは、同一の試験用電圧Ｖｒを電線番号１〜９の測定対象電線１１に印加した場合に得られる出力電圧の平均値に対するばらつきである。
【００４７】
まず、出力側電極１９が１ｍｍ角の場合について、図６及び図７を参照して説明する。図６は、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしの場合の図５（ａ１）、図５（ａ２）、図５（ａ３）に示した検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図６（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図６（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。図５（ａ１）、図５（ａ２）、図５（ａ３）に示した検出プローブ１３の導体側電極１８は幅３ｍｍで長さ１３ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍであり、出力側電極１９は１ｍｍ角である。
【００４８】
図６（ａ）において、曲線ａ１は、幅３ｍｍで長さ１３ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ａ２は、幅３ｍｍで長さ２０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ａ３は、幅３ｍｍで長さ３０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線である。
【００４９】
導体側電極１８の長さが２０ｍｍの曲線ａ２と導体側電極１８の長さが３０ｍｍの曲線ａ３とを比較すると、導体側電極１８の長さが３０ｍｍの方が電極面積が大きいが、出力電圧は導体側電極１８の長さが３０ｍｍの方が小さい。導体側電極１８の長さが長くなると面積が大きくなるので出力電圧も大きくなるのではなく、導体側電極１８の長さには出力電圧が最大となる最良点があることが分かる。すなわち、出力電圧が最大となる導体側電極１８の長さの最良点は、導体側電極１８の周方向幅Ｈが３ｍｍの場合、導体側電極１８の長さが２０ｍｍの近傍であると推測されるので、本発明の実施形態では、導体側電極１８の大きさは軸方向長さＬと周方向幅Ｈとの比Ｌ／Ｈが４〜１０の範囲のものを採用する。これにより、導体側電極１８の浮遊静電容量Ｃ４によるノイズの影響を受けにくく出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなる検出プローブ１３とすることができる。
【００５０】
図６（ｂ）において、電線番号１〜９の測定対象電線１１に対する出力電圧のばらつきは、−６％〜８％の範囲に収まっており実用的に問題のないばらつきである。このように、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしで、出力側電極１９の大きさが１ｍｍ角である場合には、導体側電極１８の大きさとして、軸方向長さＬと周方向幅Ｈとの比Ｌ／Ｈが４〜１０の範囲のものを採用できる。
【００５１】
図７は、図６のグラフに対し測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間に０．５ｍｍのギャップを設けた場合の検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図７（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図７（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。ギャップには絶縁物として０．５ｍｍのアクリル膜を設け、測定対象電線１１と導体側電極１８との間に絶縁を保つようにした。
【００５２】
出力電圧を示す図７（ａ）のグラフとギャップなしの図６（ａ）のグラフとを比較すると出力電圧にはほとんど変化がなく、また、出力電圧のばらつきを示す図７（ｂ）のグラフとギャップなしの図６（ｂ）のグラフとを比較しても出力電圧のばらつきにほとんど変化がない。従って、０．５ｍｍのギャップを設けても実用上問題ない。なお、図示は省略するが、ギャップを大きくすると出力電圧は小さくなり、出力電圧のばらつきは大きくなることを確認した。ギャップは、測定対象電線１１と導体側電極１８との間に絶縁を保つことができ、安全を図れる０．５ｍｍのギャップでよい。
【００５３】
次に、出力側電極１９が２ｍｍ角の場合について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしの場合の図５（ｂ１）、図５（ｂ２）、図５（ｂ３）に示した検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図８（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図８（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。図５（ｂ１）、図５（ｂ２）、図５（ｂ３）に示した検出プローブ１３の導体側電極１８は幅３ｍｍで長さ１３ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍであり、出力側電極１９は２ｍｍ角である。
【００５４】
図８（ａ）において、曲線ｂ１は、幅３ｍｍで長さ１３ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ｂ２は、幅３ｍｍで長さ２０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ｂ３は、幅３ｍｍで長さ３０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線である。
【００５５】
図８（ａ）のグラフと出力側電極１９が１ｍｍ角の図６（ａ）のグラフとを比較すると、出力側電極１９は２ｍｍ角と大きくしたことから出力電圧は約２倍になっている。図８（ｂ）のグラフと出力側電極１９が１ｍｍ角の図６（ｂ）のグラフとを比較すると、出力電圧のばらつきは−５％〜１０％の範囲に収まっており実用的に問題のないばらつきである。このように、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしで、出力側電極１９の大きさを２ｍｍ角に大きくしても実用的に問題がないことが分かる。
【００５６】
図９は、図８のグラフに対し測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間に０．５ｍｍのギャップを設けた場合の検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図９（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図９（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。ギャップには絶縁物として０．５ｍｍのアクリル膜を設け、測定対象電線１１と導体側電極１８との間に絶縁を保つようにした。
【００５７】
図９（ａ）のグラフとギャップなしの図８（ａ）のグラフとを比較すると、出力電圧はやや下がっている。また、出力電圧のばらつきを示す図９（ｂ）のグラフとギャップなしの図８（ｂ）のグラフとを比較すると、出力電圧のばらつきはマイナス方向にシフトしている。しかし、全体と比較すると有意な変化ではない。従って、０．５ｍｍのギャップを設けても実用上問題ない。なお、ギャップを大きくすると出力電圧は小さくなり、出力電圧のばらつきは大きくなる。
【００５８】
次に、出力側電極１９が３ｍｍ角の場合について、図１０を参照して説明する。図１０は、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしの場合の図５（ｃ１）、図５（ｃ２）、図５（ｃ３）に示した検出プローブ１３の出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図１０（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図１０（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。図５（ｃ１）、図５（ｃ２）、図５（ｃ３）に示した検出プローブ１３の導体側電極１８は幅３ｍｍで長さ１３ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍであり、出力側電極１９は３ｍｍ角である。
【００５９】
図１０（ａ）において、曲線ｃ１は、幅３ｍｍで長さ１３ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ｃ２は、幅３ｍｍで長さ２０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線であり、曲線ｃ３は、幅３ｍｍで長さ３０ｍｍの導体側電極１８の場合の出力電圧を示す曲線である。
【００６０】
図１０（ａ）のグラフと出力側電極１９が２ｍｍ角の図８（ａ）のグラフとを比較すると、出力側電極１９は３ｍｍ角と大きくしたことから出力電圧は約１．５倍になっている。一方、図１０（ｂ）のグラフと出力側電極１９が２ｍｍ角の図８（ｂ）のグラフとを比較すると、出力電圧のばらつきは−７％〜１５％超の範囲になっており実用的に使用できない大きなばらつきとなっている。このように、測定対象電線１１と検出プローブ１３の導体側電極１８との間にギャップなしで、出力側電極１９の大きさを３ｍｍ角に大きすると実用的に使用できない検出プローブ１３となる。
【００６１】
以上のことから、出力側電極１９の大きさが大きくなると（３ｍｍ角以上となると）実用的に使用できない検出プローブ１３となる。実用的に使用できない検出プローブ１３の出力側電極１９の大きさの上限は、２ｍｍ角〜３ｍｍ角の間にあると推測される。そこで、出力側電極１９の大きさとして、出力側電極１９の面積と導体側電極１８の面積との比で表し、本発明の実施形態では出力側電極１９の面積は導体側電極１８の面積の１／１３以下とする。なお、この場合の導体側電極１８は、幅３ｍｍで長さ１３ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍである。これにより、実用的に使用できる検出プローブ１３が得られる。
【００６２】
次に、検出プローブ１３を保持して検出プローブ１３を測定対象電線１１に装着する検出プローブ保持部について説明する。図１１は本発明の実施形態における検出プローブ保持部の説明図であり、図１１（ａ）は斜視図、図１１（ｂ）は細い測定対象電線１１を装着した場合の側面図、図１１（ｃ）は太い測定対象電線１１を装着した場合の側面図である。
【００６３】
図１１（ａ）に示すように、検出プローブ保持部２３は検出プローブ１３を嵌装するための凹部２４を有し、この凹部２４に検出プローブ１３を挿入することにより検出プローブ１３を保持する。図１１（ｂ）に示すように細い測定対象電線１１を装着した場合には、測定対象電線１１に直接接触できる。また、図１１（ｃ）に示すように太い測定対象電線１１を装着した場合には多少の距離を保って測定対象電線１１に近接する。この場合、凹部２４の開口部の縁部の長さで検出プローブ１３と測定対象電線１１との距離調整を行う。このように、細い測定対象電線１１の場合には電極側電極１８に近く、太い測定対象電線１１の場合には電極側電極１８から多少の距離を保って近接する。これにより、測定対象電線１１の導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２のばらつきを抑制できる。すなわち、静電容量Ｃ２は、Ｃ２＝ε・（Ｓ／ｄ）で示されるので、距離ｄを調整することにより、測定対象電線１１の太さによる静電容量Ｃ２のばらつきを調整する。なお、調整する距離ｄは、前述の測定対象電線１１と導体側電極１８との間のギャップのとは異なる。前述の測定対象電線１１と導体側電極１８との間のギャップは測定対象電線１１から導体側電極１８が遠ざかったときの特性を示しているが、凹部２４での距離調整は測定対象電線１１の太さによる静電容量Ｃ２のばらつきを調整するためである。
【００６４】
図１２は、図１１に示した検出プローブ保持部２３にて検出プローブ１３を測定対象電線１１に装着した場合の検出プローブの出力電圧及び出力電圧のばらつきのグラフであり、図１２（ａ）は検出プローブ１３の出力電圧のグラフ、図１２（ｂ）は検出プローブ１３の出力電圧のばらつきのグラフである。この場合の検出プローブ１３は、導体側電極１８が３ｍｍ幅で長さが２０ｍｍで、出力側電極１９が１ｍｍ角のものである。検出プローブ１３の出力電圧が大きくなり、検出プローブ１３の出力電圧のばらつきも±５％に収まっている。
【００６５】
このように、検出プローブ保持部２３を用いることにより、測定対象電線１１の絶縁被覆の外面への検出プローブ１３の配置を効率よく行え、検出プローブ１３は測定対象電線１１の絶縁被覆の外面への密着性が向上する。従って、出力電圧やそのばらつきも改善される。以上の説明では、検出プローブ保持部２３は検出プローブ１３を嵌装するための凹部２４を有した場合について説明したが、凹部２４に限らず、距離ｄを調整することにより、測定対象電線１１の太さによる静電容量Ｃ２のばらつきを調整できる構造であればよい。
【００６６】
また、交流電源１７の電圧Ｖｒ（測定対象電線１１の導体１２の電圧Ｖｒ）は、導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２と、導体側電極１８と接地との間に生じる浮遊静電容量Ｃ４により分圧されている。浮遊静電容量Ｃ４が大きく分圧の程度が大きい場合は、静電容量Ｃ２の電位は浮遊静電容量Ｃ４の影響を受ける。この影響を受けなくするために、電線種別が変わった場合に、導体側電極１８と出力側電極１９との間の静電容量Ｃ１の導体側電極１８の電位が一定に成るように静電容量Ｃ２を調節する。つまり、導体１２と導体側電極１８との間の静電容量Ｃ２と、導体側電極１８と接地との間に生じる浮遊静電容量Ｃ４との合成容量により流れるＩｏｕｔが電線の種別によらず一定に成るような測定対象電線１１との保持構造を持たせることで、電線種別によらず絶縁電圧測定が可能となる。
【００６７】
以上の説明では、測定対象電線１１の導体１２の接地（GND）に対する電位を求める場合について説明したが、図１または図２に示した本発明の実施形態に係る絶縁型電圧測定装置を２系統準備して２系統の絶縁型電圧測定装置の電圧差をとるようにすると、２つの測定対象電線１１の線間電圧を得ることができる。
【００６８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１１…測定対象電線、１２…導体、１３…検出プローブ、１４…第１電極、１５…第２電極、１６…電圧検出回路、１７…交流電源、１８…導体側電極、１９…出力側電極、２０…誘電体、２１…電圧検出部、２２…オペアンプ、２３…検出プローブ保持部、２４…凹部、２５…シールド線、２６…二重シールド線、２７…誘導電圧検出部、２８…補正電圧演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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