(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電位と測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置であって、
前記測定対象体に対向可能な検出電極と、
参照電位を生成する電圧生成回路と、
前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して前記基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、
前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記参照電位と前記測定対象体との間の電位差が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、
電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されると共に前記検出電極に対向可能な電位体と、
前記検出電極を前記参照電位に電気的に接続可能な接続回路とを備えている電圧検出装置。
【請求項２】
基準電位と測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置であって、
前記測定対象体に対向可能な検出電極と、
参照電位を生成する電圧生成回路と、
前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して前記基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、
前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記測定対象体の電圧の存在範囲の上限値から下限値まで、または当該下限値から当該上限値まで、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、
電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されると共に前記検出電極に対向可能な電位体と、
前記検出電極を前記参照電位に電気的に接続可能な接続回路とを備えている電圧検出装置。
【請求項３】
測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記参照電位と前記測定対象体との間の電位差が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部とを備え、前記基準電位と前記測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置に対して、
電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されている電位体に前記検出電極を対向させて配置した状態において、前記検出電極を一時的に前記参照電位に電気的に接続させる初期化方法。
【請求項４】
測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記測定対象体の電圧の存在範囲の上限値から下限値まで、または当該下限値から当該上限値まで、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部とを備え、前記基準電位と前記測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置に対して、
電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されている電位体に前記検出電極を対向させて配置した状態において、前記検出電極を一時的に前記参照電位に電気的に接続させる初期化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象体の電圧を非接触で測定し得る電圧検出装置および初期化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の電圧検出装置として、本願発明者は、特願２００５−２９７１７１号、特願２００５−３４１３８８号、特願２００５−３６３２８３号、および特願２００５−３６５６６６号において種々の電圧検出装置（具体的には電圧測定装置）を開示している。
【０００３】
これらの電圧検出装置はいずれも、測定対象体に対向可能な検出電極と、検出電極と参照電位との間に接続されてその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、参照電位を生成する電圧生成回路と、可変容量回路が静電容量を変化させているときに電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させる制御部とを備えている。これらの電圧検出装置では、可変容量回路が静電容量を変化させているときに、制御部が、可変容量回路を流れる電流（または可変容量回路の両端間電圧）を検出しつつ、電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させ、検出している電流（または両端間電圧）がゼロになったときの参照電位を測定対象体の電圧（基準電位を基準とした電圧、言い換えれば基準電位と測定対象体との間の電圧）として検出（具体的には測定）している。
【０００４】
これらの電圧検出装置によれば、例えば、特開平４−３０５１７１号公報や特開平７−２４４１０３号公報に開示されている電圧測定装置とは異なり、可変容量回路と測定対象体との間に検出電極（固定電極）を配設する構成のため、例えば、プローブユニットの外面にこの検出電極を配設することにより、外部に露出しない状態で、プローブユニットの内部に可変容量回路を配設することができる。したがって、この検出電極によってプローブユニット内への異物の誤挿入を防止できるため、装置の信頼性を向上させることができる。また、可変容量回路が電気的に作動する構成要素で構成されているため、容量を可変させるための機構部品を不要にすることができる。したがって、これによっても装置の信頼性を向上させることができる。
【特許文献１】特開平４−３０５１７１号公報（第２頁、第６図）
【特許文献２】特開平７−２４４１０３号公報（第２頁、第９図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、本願発明者は、本願発明者が開示している上記の各電圧測定装置をさらに検討した結果、これらの電圧測定装置には、以下のような解決すべき課題が存在していることを見出した。すなわち、いずれの電圧測定装置においても、検出電極が帯電していないとき（検出電極の初期電荷がゼロの状態のとき）には、測定対象体の電圧を正確に測定できるものの、検出電極が帯電しているとき（初期電荷がゼロでない状態のとき）には、帯電に起因して、測定した測定対象体の電圧に誤差が生じるという課題が存在している。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであり、測定対象体の電圧を正確に検出し得る電圧検出装置および初期化方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく請求項１記載の電圧検出装置は、基準電位と測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置であって、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して前記基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記参照電位と前記測定対象体との間の電位差が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されると共に前記検出電極に対向可能な電位体と、前記検出電極を前記参照電位に電気的に接続可能な接続回路とを備えている。
【０００９】
また、請求項２記載の電圧検出装置は、基準電位と測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置であって、前記測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して前記基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記測定対象体の電圧の存在範囲の上限値から下限値まで、または当該下限値から当該上限値まで、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部と、電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されると共に前記検出電極に対向可能な電位体と、前記検出電極を前記参照電位に電気的に接続可能な接続回路とを備えている。
【００１０】
また、請求項３記載の初期化方法は、測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記参照電位と前記測定対象体との間の電位差が減少するように前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部とを備え、前記基準電位と前記測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置に対して、電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されている電位体に前記検出電極を対向させて配置した状態において、前記検出電極を一時的に前記参照電位に電気的に接続させる。
【００１１】
また、請求項４記載の初期化方法は、測定対象体に対向可能な検出電極と、参照電位を生成する電圧生成回路と、前記検出電極と前記電圧生成回路の出力インピーダンスを介して基準電位に接続される前記参照電位との間に接続されると共にその静電容量を変化可能に構成された可変容量回路と、前記可変容量回路が前記静電容量を変化させているときに、前記測定対象体の電圧の存在範囲の上限値から下限値まで、または当該下限値から当該上限値まで、前記電圧生成回路に対して前記参照電位の電圧を変化させる制御部とを備え、前記基準電位と前記測定対象体との間の電圧を検出可能に構成された電圧検出装置に対して、電位が前記基準電位または前記参照電位に規定されている電位体に前記検出電極を対向させて配置した状態において、前記検出電極を一時的に前記参照電位に電気的に接続させる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１，２記載の電圧検出装置および請求項３，４記載の初期化方法によれば、電位が基準電位または参照電位に規定されている電位体に検出電極を対向させて配置した状態において、接続回路によって検出電極を一時的に、電圧生成回路の出力インピーダンスを介して基準電位に接続される参照電位に電気的に接続させることにより、検出電極に帯電している電荷を放電させることができる。この場合、検出電極が正または負に帯電しているときには、検出電極が基準電位または参照電位と同電位の電位体と対向しているため、検出電極に帯電している正電荷および負電荷のうちの電荷量の多い一方の電荷は、電位体の斥力によって遠ざけられる結果、他方の電荷量と等しくなるまで基準電位に流出する。このため、検出電極は、正電荷と負電荷とがバランスした状態（等価的に電荷がゼロの状態）になる。したがって、これらの電圧測定装置および初期化方法によれば、単に検出電極を基準電位に接続させる構成と比較して、検出電極の電荷を確実にゼロ（正および負の電荷がバランスした状態）に初期化することができる。この結果、この電圧測定装置によれば、検出電極の初期電荷がゼロの状態（検出電極が帯電していない状態）から、測定対象体についての電圧の測定処理を常に開始することができるため、検出電極の帯電に起因する影響を回避することができ、これにより、測定対象体の電圧を常に正確に検出（測定）することができる。
【００１３】
また、これらの電圧検出装置によれば、検出電極と参照電位との間に可変容量回路を接続し、かつ、参照電位を生成する電圧生成回路と、可変容量回路が静電容量を変化させているときに電圧生成回路に対して参照電位の電圧を変化させる制御部とを備えたことにより、可変容量回路の容量変化時において可変容量回路に発生する（流れる）電流（または可変容量回路の両端間電圧）を検出しつつ、この電流（または両端間電圧）がゼロアンペア（またはゼロボルト）となったときの参照電位の電圧を測定対象体の電圧として測定することで、測定対象体の電圧を高い精度で測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧検出装置の最良の形態について説明する。なお、電圧検出装置の一例として、測定対象体の電圧を測定する電圧測定装置を例に挙げて説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
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（交流電圧）Ｖ１を非接触で測定可能に構成されている。
【００１８】
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、プリアンプ１６およびスイッチ５１を備え、可撓性を有するケーブル５２を介して本体ユニット３に接続されている。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。
【００１９】
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がこの順に環状に接続されて、いわゆるブリッジ回路（環状回路）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Ｅ１１，１２，１３，１４（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、図示はしないが、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、図示はしないが、上記した容量変化機能体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置き換えて容量変化機能体を構成することもできる。
【００２２】
また、可変容量回路１９は、検出電極１２と参照電位となる部位（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側に位置すると共に第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側に位置するように配設されている。具体的には、可変容量回路１９は、図１に示すように、容量変化機能体１３の接続点Ａが検出電極１２に接続されると共に、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。
【００２３】
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からケーブル５２を介して入力した駆動信号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、電圧Ｖ１の周波数と比較して、駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１は極めて高く設定されている。また、一例として、駆動回路１４は、図１に示すように、二次巻線１４ｃの各端部が容量変化機能体１３の接続点Ｂ，Ｄに接続されたトランス１４ａを備え、入力した駆動信号Ｓ１に基づいてトランス１４ａの一次巻線１４ｂを励磁して、二次巻線１４ｃ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。なお、上記の駆動回路１４に代えて、単独で（本体ユニット３から駆動信号Ｓ１を入力せずに）駆動信号Ｓ２を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。
【００２４】
電流検出器１５は、一例として抵抗で構成されて、可変容量回路１９（具体的には可変容量回路１９の容量変化機能体１３）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（物理量）を検出すると共に、この電流ｉの電流値に比例した値で、かつ電流ｉの向きに対応した極性の電圧Ｖ２をその両端間に発生させる。プリアンプ１６は、不図示の直流遮断用の一対のコンデンサ、不図示の増幅回路（演算増幅器など）、および不図示の絶縁用電子部品（トランスおよびフォトカプラなど）を備えて構成されている。また、プリアンプ１６は、コンデンサを介して入力した電圧Ｖ２を増幅回路で増幅すると共に、増幅した電圧を絶縁用電子部品によって増幅回路に対して電気的に絶縁された検出信号Ｓ３に変換して出力する。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。
【００２５】
スイッチ５１は、本発明における接続回路を構成し、検出電極１２（本例では容量変化機能体１３の接続点Ａ）と参照電位（ケース１１）との間に接続されている。本例では、スイッチ５１は、一例としてモーメンタリ式の押しボタンスイッチで構成されて、プローブユニット２の外部から操作可能に配設されている。この場合、ケース１１は、図１に示す電圧生成回路２５におけるフィードバック電圧Ｖ４の供給ライン（ケーブル５２内の少なくとも１つの導線（図示せず））と電圧生成回路２５とを介して、本発明における基準電位としてのグランドに接続されている。ここで、フィードバック電圧Ｖ４を出力する電圧生成回路２５は、グランドを基準として所定のインピーダンス（出力インピーダンスＺ１）でフィードバック電圧Ｖ４を出力する。このため、プローブユニット２の接続点Ａは、スイッチ５１、ケーブル５２および電圧生成回路２５の出力インピーダンスＺ１の直列回路を介してグランド（基準電位）に接続されている。したがって、スイッチ５１がオフ状態からオン状態に移行したときには、接続点Ａはスイッチ５１等を介して基準電位に接続される。
【００２６】
本体ユニット３は、図１に示すように、発振回路２１、増幅回路２２、同期検波回路２３、積分器２４、電圧生成回路２５、電圧計２６、フィルタ回路２７および電位体２８を備えて構成されている。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にケーブル５２を介して出力すると共に、周期Ｔ１の二分の一の周期Ｔ２（周波数（２×ｆ１））の検波用信号Ｓ１１を駆動信号Ｓ１に同期させて生成して同期検波回路２３に出力する。この場合、本例では、発振回路２１は、駆動信号Ｓ１および検波用信号Ｓ１１として正弦波信号を生成する。フィルタ回路２７は、プローブユニット２からケーブル５２を介して入力した検出信号Ｓ３に含まれている容量変化機能体１３の容量変調周波数と同じ周波数の信号Ｓ３ａを選択的に通過させる。
【００２７】
増幅回路２２は、フィルタ回路２７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の容量変調周波数は、駆動信号Ｓ２の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２になる。このため、この静電容量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倍の周波数ｆ２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２２から出力される検出信号Ｓ４の周波数はフィルタ回路２７によるフィルタリングによってｆ２となる。同期検波回路２３は、検出信号Ｓ４を検波用信号Ｓ１１で同期検波することにより、パルス信号Ｓ５を生成するように構成されている。この場合、パルス信号Ｓ５は、その振幅が可変容量回路１９を流れる電流ｉの値に比例して変化し、かつその極性が可変容量回路１９を流れる電流ｉの向きに応じて変化する。
【００２８】
積分器２４は、パルス信号Ｓ５を連続的に積分することで直流電圧Ｖ３を生成して、電圧生成回路２５に出力する。本例では、一例として、積分器２４は、積分動作を開始した後に、最初のパルス信号Ｓ５が入力されるまでの間、ゼロボルトの直流電圧Ｖ３を出力するように設定されている。これらのフィルタ回路２７、増幅回路２２、同期検波回路２３および積分器２４は、制御部ＣＮＴを構成して、電圧生成回路２５を制御する。電圧生成回路２５は、制御部ＣＮＴの制御下で、フィードバック電圧Ｖ４を生成してプローブユニット２のケース１１に印加する。具体的には、電圧生成回路２５は、入力した直流電圧Ｖ３を増幅することにより、フィードバック電圧Ｖ４を生成する。これにより、参照電位であるケース１１の電圧は、フィードバック電圧Ｖ４と等しく維持される。
【００２９】
電圧計２６は、フィードバック電圧Ｖ４を測定して、その電圧値を表示する。電位体２８は、例えば、平板状に形成されて本体ユニット３の外表面に配設（固定）されている。また、電位体２８は、本体ユニット３の内部において基準電位としてのグランドに接続されている。
【００３０】
次いで、電圧測定装置１を使用した測定対象体４の電圧（交流電圧）Ｖ１の測定方法と共に、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が正の電圧期間にあるとして説明するが、電圧Ｖ１が負の電圧期間にあるときにも、対応する信号や電圧の極性が逆になる以外は、正の電圧期間のときと同様にして測定される。
【００３１】
まず、電圧Ｖ１の測定に先立って、検出電極１２に帯電している電荷を放電させる初期化（リセット）処理を実行する。この初期化処理では、まず、プローブユニット２を本体ユニット３の近傍に移動させて、本体ユニット３の電位体２８に対して検出電極１２を非接触状態で対向させる。次いで、プローブユニット２のスイッチ５１を操作して、スイッチ５１をオフ状態からオン状態に一時的に移行させる。これにより、検出電極１２（プローブユニット２の接続点Ａ）が、オン状態のスイッチ５１、ケース１１、ケーブル５２および電圧生成回路２５の出力インピーダンスＺ１の直列回路を介してグランド（基準電位）に接続される。この場合、検出電極１２が正または負に帯電しているときには、検出電極１２がグランドと同電位の電位体２８と対向しているため、検出電極１２に帯電している正電荷および負電荷のうちの電荷量の多い一方の電荷は、電位体２８の斥力によって遠ざけられる結果、スイッチ５１を含む上記の直列回路を介してグランドに他方の電荷量と等しくなるまで流出する。したがって、検出電極１２、つまり検出電極１２と容量変化機能体１３との間の部位は、正電荷と負電荷とがバランスした状態（等価的に電荷がゼロの状態）になる。これにより、初期化処理が完了する。
【００３２】
続いて、電圧Ｖ１の測定処理を実行する。この測定処理では、まず、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を一旦配設した後は、一定の（変動しない）値となる。また、上記の初期化処理により、検出電極１２（プローブユニット２の接続点Ａ）の初期電荷はゼロの状態になっている。
【００３３】
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では、発振回路２１が駆動信号Ｓ１および検波用信号Ｓ１１の生成を開始して、駆動信号Ｓ１をプローブユニット２に、また検波用信号Ｓ１１を同期検波回路２３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。
【００３４】
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３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。
【００３５】
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。
【００３６】
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と直列に接続された状態でケース１１と検出電極１２との間に配設（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３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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、本体ユニット３の積分器２４は、電圧測定装置１の動作開始直後において、ゼロボルトの直流電圧Ｖ３を出力するため、電圧生成回路２５は、所定電圧のフィードバック電圧Ｖ４（一例として、電圧Ｖ１よりも低電圧であって、ほぼゼロボルトとする）を生成してプローブユニット２のケース１１に印加する。このため、測定対象体４とケース１１との間には電位差（Ｖ１−Ｖ４）が生じた状態になっている。したがって、上記したように、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、電流値を周期Ｔ２で変化させつつ電流ｉが流れる。この場合、電流ｉは、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が大きいときにはその電流値が大きくなり、電位差（Ｖ１−Ｖ４）が小さいときにはその電流値が小さくなる。また、電流ｉは、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の極性が正のときには検出電極１２から電流検出器１５に向かって流れ、電位差（Ｖ１−Ｖ４）の極性が負のときには逆向きに流れる。
【００３９】
本例では、電圧Ｖ１は正の電圧期間にあり、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１よりも低い状態（一例としてゼロボルト）からスタートするため、電位差（Ｖ１−Ｖ４）は常にゼロボルト以上の電圧となる。したがって、電流ｉは、本例では、常に検出電極１２から電流検出器１５に向かって、その電流値を周期Ｔ２で変化させつつ流れる。なお、電圧Ｖ１が交流電圧であるため、電流ｉは、この電圧Ｖ１の変化に起因してもその電流値を変化させるが、電圧Ｖ１の周波数よりも駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１が極めて高く、容量変化機能体１３の容量変調周波数ｆ２も電圧Ｖ１の周波数よりも極めて高いため、短い期間で見たときには、電圧Ｖ１の変化に起因する変化分は無視できる。
【００４０】
プリアンプ１６は、この電流ｉに起因して電流検出器１５の両端に発生する電圧Ｖ２を増幅することにより、正極性の検出信号Ｓ３を本体ユニット３に出力する。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ている。
【００４１】
本体ユニット３の制御部ＣＮＴでは、フィルタ回路２７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２２は、この信号Ｓ３ａを増幅して検出信号Ｓ４を生成して同期検波回路２３に出力する。次いで、同期検波回路２３は、入力した検出信号Ｓ４を検波用信号Ｓ１１で同期検波することにより、パルス信号Ｓ５を生成して、積分器２４に出力する。続いて、積分器２４は、パルス信号Ｓ５を連続的に積分することで直流電圧Ｖ３を生成して、電圧生成回路２５に出力する。この場合、上記したように、本例では、検出信号Ｓ３が常に正極性の信号となり、同様にして検出信号Ｓ４も正極性の信号となるため、パルス信号Ｓ５は、常に正極性のパルス信号となる。この結果、積分器２４、つまり制御部ＣＮＴから出力される直流電圧Ｖ３は徐々にその電圧値が上昇する。したがって、電圧生成回路２５で生成されるフィードバック電圧Ｖ４も、図４に示すように、その電圧値が電圧Ｖ１に向けて徐々に上昇する。この結果、電流検出器１５、プリアンプ１６、フィルタ回路２７、増幅回路２２、同期検波回路２３、積分器２４および電圧生成回路２５で構成されるフィードバックループ内で、測定対象体４とケース１１との間の電位差（Ｖ１−Ｖ４）が徐々に低下（減少）するように負のフィードバックが行われる。したがって、電流ｉは、電流値が徐々に低下（減少）していく。
【００４２】
その後、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１に達したときには、電位差（Ｖ１−Ｖ４）がゼロボルトになる。この状態では、測定対象体４とケース１１との間の静電容量Ｃ２が周期的に変化していたとしても、電流ｉが流れない。また、電流ｉが流れないため、電流検出器１５において電圧Ｖ２が発生しない（電圧Ｖ２がゼロボルトになる）結果、プリアンプ１６から検出信号Ｓ３が出力されなくなる。また、検出信号Ｓ３が出力されないため、増幅回路２２からも検出信号Ｓ４が出力されない状態となり、同期検波回路２３からのパルス信号Ｓ５の出力も停止し、この結果、積分器２４から出力される直流電圧Ｖ３の上昇も停止し、電圧生成回路２５から出力されるフィードバック電圧Ｖ４の上昇が停止する結果、図４に示すように、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１で維持される。このようにして、フィードバック電圧Ｖ４が電圧Ｖ１に追従する。したがって、電圧計２６で表示されている電圧値（フィードバック電圧Ｖ４）を観察することにより、測定対象体４の電圧（グランドと測定対象体４との間の電圧）Ｖ１が測定される。
【００４３】
このように、この電圧測定装置１および電圧測定装置１の初期化方法では、電位が基準電位（グランド）に規定されている電位体２８に検出電極１２を対向させて配置した状態において、スイッチ５１を操作して検出電極１２を一時的に基準電位に電気的に接続させることによって検出電極１２に帯電している電荷を放電させる。この場合、検出電極１２が正または負に帯電しているときには、検出電極１２がグランド（基準電位）と同電位の電位体２８と対向しているため、検出電極１２に帯電している正電荷および負電荷のうちの電荷量の多い一方の電荷は、電位体２８の斥力によって遠ざけられる結果、他方の電荷量と等しくなるまでグランドに流出する。このため、検出電極１２は、正電荷と負電荷とがバランスした状態（等価的に電荷がゼロの状態）になる。したがって、この電圧測定装置１および電圧測定装置１の初期化方法によれば、単に検出電極１２を基準電位に接続させる構成と比較して、検出電極１２（プローブユニット２の接続点Ａ）の電荷を確実にゼロ（正および負の電荷がバランスした状態）に初期化することができる。また、この電圧測定装置１によれば、検出電極１２の初期電荷がゼロの状態（検出電極１２が帯電していない状態）から、電圧Ｖ１の測定処理を常に開始することができるため、検出電極１２の帯電に起因する影響を回避することができ、これにより、測定対象体４の電圧Ｖ１を常に正確に測定することができる。
【００４４】
また、この電圧測定装置１によれば、検出電極１２と参照電位（ケース１１）との間に可変容量回路１９を接続し、かつ、参照電位（フィードバック電圧Ｖ４）を生成する電圧生成回路２５と、可変容量回路１９（具体的には容量変化機能体１３）が静電容量Ｃ１を変化させているときに電圧生成回路２５に対してフィードバック電圧Ｖ４を変化させる制御部ＣＮＴとを備えたことにより、可変容量回路１９の容量変化時において可変容量回路１９に発生する（流れる）電流ｉを検出しつつ、この電流ｉがゼロアンペアとなったときのフィードバック電圧Ｖ４の電圧を測定対象体４の電圧Ｖ１として測定することで、測定対象体４の電圧Ｖ１を高い精度で測定することができる。
【００４５】
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における可変容量回路１９の容量変化機能体１３では、図２に示すように、第１電気的要素Ｅ１１〜Ｅ１４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５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。
【００４６】
また、図２に示す電圧測定装置１の容量変化機能体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６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。
【００４７】
上記の各容量変化機能体１３Ａ，１３Ｂを採用した構成においても、上記したように電位体２８とスイッチ５１とを備えることにより、検出電極１２の初期電荷がゼロの状態（検出電極１２が帯電していない状態）から、電圧Ｖ１の測定処理を常に実行することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１を常に正確に測定することができる。
【００４８】
また、図１に示す電圧測定装置１では、電流検出器１５を配設して、プリアンプ１６が、電流ｉに起因して電流検出器１５の両端に発生する電圧Ｖ２を検出信号Ｓ３に変換して出力する構成を採用しているが、プリアンプ１６が、可変容量回路１９（具体的には容量変化機能体１３）の両端間電圧を検出して検出信号Ｓ３に変換して出力する構成を採用することもできる。この構成においても、上記の電圧測定装置１と同様にして、電位体２８とスイッチ５１とを配設することにより、検出電極１２の初期電荷がゼロの状態（検出電極１２が帯電していない状態）から、電圧Ｖ１の測定処理を常に実行することができるため、測定対象体４の電圧Ｖ１を常に正確に測定することができる。
【００４９】
また、電圧測定装置１では、可変容量回路１９が静電容量Ｃ１を変化させているときに、制御部ＣＮＴが電圧生成回路２５に対して参照電位となる部位（本例ではケース１１）の電圧（フィードバック電圧Ｖ４）を変化させるフィードバック制御方式を採用し、フィードバック電圧Ｖ４が測定対象体４の電圧Ｖ１と一致したときに、可変容量回路１９に流れる電流ｉ、または可変容量回路１９の両端間電圧がほぼゼロになることを利用して、測定対象体４の電圧Ｖ１を測定しているが、測定対象体４の電圧Ｖ１の存在範囲が予め判明しているときには、フィードバック制御方式に代えて、オープン制御方式を採用して本体ユニットを構成することもできる。具体的には、可変容量回路１９が静電容量Ｃ１を変化させているときに、制御部が電圧生成回路に対してその出力電圧を、この電圧Ｖ１の存在範囲の下限値から上限値まで（または上限値から下限値まで）変化（スキャン）させつつ、可変容量回路１９に流れる電流ｉ、または可変容量回路１９の両端間電圧がほぼゼロになったときの電圧生成回路の出力電圧を検出し、この出力電圧を測定対象体４の電圧Ｖ１として特定するように本体ユニットを構成することもできる。
【００５０】
また、可変容量回路１９を測定対象体４の電圧を測定する電圧測定装置１に適用した例について上記したが、測定対象体４と参照電位となる部位（本例ではケース１１）との間に電位差が生じているときには、可変容量回路１９が静電容量Ｃ１を変化させているときに、可変容量回路１９に必ず電流ｉが流れ、また可変容量回路１９の両端間電圧がゼロになっていないことを利用することにより、可変容量回路１９を電圧検出装置の一例としての検電器に適用することもできる。この場合においても、電位体２８とスイッチ５１とを配設することにより、検出電極１２の初期電荷がゼロの状態（検出電極１２が帯電していない状態）から、電圧Ｖ１の測定処理を常に実行することができるため、測定対象体４の電圧が基準電位とは異なる電圧か否かを常に正確に検出することができる。
【００５１】
また、電位体２８を本体ユニット３に配設した例について上記したが、本体ユニット３と別体にする構成を採用することもできる。また、本願発明は、上記した各容量変化機能体１３を備えた電圧測定装置１に限定されず、検出電極１２および他の構成の容量変化機能体を備えたプローブユニット２を含むすべての電圧検出装置に適用できるのは勿論である。
【００５２】
また、上記の各電圧検出装置では、電位を基準電位とした電位体２８を使用しているが、図７に示す電圧測定装置１Ａのように、電位を参照電位とした電位体２８Ａを使用することもできる。この電圧測定装置１Ａでは、一例として、配線材５３を介して電位体２８Ａをケース１１に接続することにより、電位体２８Ａの電位を参照電位としている。なお、電圧測定装置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。
【００５３】
この電圧測定装置１Ａにおいても、電圧Ｖ１の測定に先立って、以下の初期化方法を実行することにより、検出電極１２と容量変化機能体１３との間の部位を、正電荷と負電荷とがバランスした状態（等価的に電荷がゼロの状態）に初期化することができる。具体的には、電位体２８Ａを移動させて検出電極１２に非接触な状態で対向させ、この状態においてプローブユニット２のスイッチ５１を操作してスイッチ５１を一時的にオン状態に移行させる。これにより、検出電極１２は、オン状態のスイッチ５１を介して、対向している電位体２８Ａと同電位のケース１１（参照電位）に接続される。したがって、検出電極１２が正または負に帯電しているときには、検出電極１２に帯電している正電荷および負電荷のうちの電荷量の多い一方の電荷は、電位体２８Ａの斥力によって遠ざけられる結果、スイッチ５１を介して参照電位に他方の電荷量と等しくなるまで流出する。したがって、検出電極１２、つまり検出電極１２と容量変化機能体１３との間の部位が、正電荷と負電荷とがバランスした状態（等価的に電荷がゼロの状態）に初期化される。
【００５４】
したがって、この電圧測定装置１Ａおよび電圧測定装置１Ａの初期化方法によれば、電圧測定装置１およびその初期化方法と同様にして、検出電極１２の初期電荷がゼロの状態（検出電極１２が帯電していない状態）から、電圧Ｖ１の測定処理を常に開始することができるため、検出電極１２の帯電に起因する影響を回避することができ、これにより、測定対象体４の電圧Ｖ１を常に正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】電圧測定装置１のブロック図である。
【図２】電圧測定装置１の容量変化機能体１３の回路図である。
【図３】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。
【図４】フィードバック電圧Ｖ４の時間変化を示す特性図である。
【図５】容量変化機能体１３Ａの回路図である。
【図６】容量変化機能体１３Ｂの回路図である。
【図７】電圧測定装置１Ａのブロック図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１Ａ  電圧測定装置
３  本体ユニット
４  測定対象体
１１  ケース
１２  検出電極
１３，１３Ａ，１３Ｂ  容量変化機能体
１９  可変容量回路
２５  電圧生成回路
２８，２８Ａ  電位体
５１  スイッチ
Ｃ１  静電容量
ＣＮＴ  制御部
Ｖ１  測定対象体の電圧
Ｖ４  フィードバック電圧（参照電位）
【図１】
0004648228.tif 000002
【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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