(57)【要約】【課題】従来よりも小型化を図り易くする。【解決手段】電圧測定装置１は、導体１１に対象電圧が印加されている状態において、第１電圧測定部４Ａ及び第２電圧測定部４Ｂで第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ測定する。演算処理部５は、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を用いて、対象電圧を演算する。したがって、電圧測定装置１は、従来例のように交流試験電圧を導体１１に印加した状態で第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を測定する必要がない。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第２電極、第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１電圧測定部、第２電圧測定部及び演算処理部を備え、
前記第１電極は、間隔を空けて導体と対向し、かつ前記導体との間に第１の結合容量を生じるように構成され、
前記第２電極は、間隔を空けて前記導体と対向し、かつ前記導体との間に第２の結合容量を生じるように構成され、
前記第１コンデンサは、第１端子と第２端子を有し、前記第１端子を前記第１電極と電気的に接続し、かつ前記第２端子を前記第２電極と電気的に接続するように構成され、
前記第２コンデンサは、一方の端子を前記第２電極と電気的に接続し、かつ他方の端子を基準電位と電気的に接続するように構成され、
前記第１電圧測定部は、前記第１電極の電位と前記基準電位との電位差である第１電圧を測定するように構成され、
前記第２電圧測定部は、前記第２電極の電位と前記基準電位との電位差である第２電圧を測定するように構成され、
前記演算処理部は、前記第１電圧及び前記第２電圧を用いて、前記導体の電位と前記基準電位との電位差である対象電圧を演算するように構成されることを特徴とする電圧測定装置。
【請求項２】
前記演算処理部は、前記第１電圧及び前記第２電圧に加えて、第３電圧を用いて、前記対象電圧を演算するように構成され、
前記第３電圧は、前記基準電位と、前記第２端子の電位との電位差であることを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。
【請求項３】
前記第３電圧を測定する第３電圧測定部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の電圧測定装置。
【請求項４】
前記演算処理部は、前記第２電圧から前記第３電圧を演算するように構成されることを特徴とする請求項２記載の電圧測定装置。
【請求項５】
切替部をさらに備え、前記切替部は、前記第２端子を前記第２コンデンサと電気的に接続する第１の接続状態と、前記第２端子を前記第２コンデンサから切り離して前記基準電位と電気的に接続する第２の接続状態とを切り替えるように構成され、
前記演算処理部は、少なくとも、前記第１の接続状態における前記第１電圧及び前記第２電圧と、前記第２の接続状態における前記第１電圧及び前記第２電圧とを用いて、前記対象電圧を演算するように構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項６】
前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサの静電容量と前記第１の結合容量の比率と、前記第２コンデンサの静電容量と前記第２の結合容量の比率とが等しくなるように構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項７】
前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサは、互いの静電容量を等しくするように構成され、
前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１の結合容量と前記第２の結合容量を等しくするように構成されることを特徴とする請求項６記載の電圧測定装置。
【請求項８】
ボルテージフォロワ回路をさらに備え、前記ボルテージフォロワ回路の入力端子が前記第２電極と電気的に接続され、かつ前記ボルテージフォロワ回路の出力端子が前記第２端子と電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項９】
反転増幅回路をさらに備え、前記反転増幅回路の入力端子が前記第２電極と電気的に接続され、かつ前記反転増幅回路の出力端子が前記第２端子と電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項１０】
前記演算処理部は、前記第１電極と前記基準電位との間に生じる第１の浮遊容量、並びに前記第２電極と前記基準電位との間に生じる第２の浮遊容量を用いて、前記対象電圧の演算結果を補正するように構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項１１】
前記演算処理部は、電圧値が既知である電圧が前記導体に印加されている状態において、前記第１電圧、前記第２電圧及び前記電圧値を用いて、前記第１の浮遊容量及び前記第２の浮遊容量をそれぞれ演算するように構成されることを特徴とする請求項１０記載の電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧測定装置に関し、より詳細には、電線の導体に印加される交流電圧を非接触で測定する電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例として、特許文献１記載の非接触型電圧検出装置を例示する。特許文献１記載の非接触型電圧検出装置（以下、従来例と呼ぶ）は、２つの電圧プローブ、第１の電圧検出部、第２の電圧検出部、演算処理部、信号発生部などを有している。各電圧プローブのそれぞれは、円筒形の内部電極と、内部電極よりも径の大きい円筒形の外部電極とを有し、外部電極の内側に内部電極が配置され、内部電極の内側に被測定ケーブルが挿通される。
【０００３】
第１の電圧検出部は、一方の電圧プローブの内部電極と外部電極の間の電圧（電位差）を検出する。第２の電圧検出部は、他方の電圧プローブの内部電極と外部電極の間の電圧（電位差）を検出する。また、信号発生部は、交流試験電圧を発生する。
【０００４】
演算処理部は、交流試験電圧が外部電極に印加されている状態において、第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧をそれぞれ取得する。また、演算処理部は、外部電極が接地されている状態において、第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧をそれぞれ取得する。そして、演算処理部は、それぞれの状態における第１の電圧検出部の検出電圧及び第２の電圧検出部の検出電圧から、被測定ケーブルの導体に印加されている電圧を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４２８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来例では、交流試験電圧を発生する信号発生部が必要であるため、小型化が図り難いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされており、従来よりも小型化を図り易くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電圧測定装置は、第１電極、第２電極、第１コンデンサ、第２コンデンサ、第１電圧測定部、第２電圧測定部及び演算処理部を備え、前記第１電極は、間隔を空けて導体と対向し、かつ前記導体との間に第１の結合容量を生じるように構成され、前記第２電極は、間隔を空けて前記導体と対向し、かつ前記導体との間に第２の結合容量を生じるように構成され、前記第１コンデンサは、第１端子と第２端子を有し、前記第１端子を前記第１電極と電気的に接続し、かつ前記第２端子を前記第２電極と電気的に接続するように構成され、前記第２コンデンサは、一方の端子を前記第２電極と電気的に接続し、かつ他方の端子を基準電位と電気的に接続するように構成され、前記第１電圧測定部は、前記第１電極の電位と前記基準電位との電位差である第１電圧を測定するように構成され、前記第２電圧測定部は、前記第２電極の電位と前記基準電位との電位差である第２電圧を測定するように構成され、前記演算処理部は、前記第１電圧及び前記第２電圧を用いて、前記導体の電位と前記基準電位との電位差である対象電圧を演算するように構成されることを特徴とする。
【０００９】
この電圧測定装置において、前記演算処理部は、前記第１電圧及び前記第２電圧に加えて、第３電圧を用いて、前記対象電圧を演算するように構成され、前記第３電圧は、前記基準電位と、前記第２端子の電位との電位差であることが好ましい。
【００１０】
この電圧測定装置において、前記第３電圧を測定する第３電圧測定部をさらに備えることが好ましい。
【００１１】
この電圧測定装置において、前記演算処理部は、前記第２電圧から前記第３電圧を演算するように構成されることが好ましい。
【００１２】
この電圧測定装置において、切替部をさらに備え、前記切替部は、前記第２端子を前記第２コンデンサと電気的に接続する第１の接続状態と、前記第２端子を前記第２コンデンサから切り離して前記基準電位と電気的に接続する第２の接続状態とを切り替えるように構成され、前記演算処理部は、少なくとも、前記第１の接続状態における前記第１電圧及び前記第２電圧と、前記第２の接続状態における前記第１電圧及び前記第２電圧とを用いて、前記対象電圧を演算するように構成されることが好ましい。
【００１３】
この電圧測定装置において、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサは、前記第１コンデンサの静電容量と前記第１の結合容量の比率と、前記第２コンデンサの静電容量と前記第２の結合容量の比率とが等しくなるように構成されることが好ましい。
【００１４】
この電圧測定装置において、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサは、互いの静電容量を等しくするように構成され、前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１の結合容量と前記第２の結合容量を等しくするように構成されることが好ましい。
【００１５】
この電圧測定装置において、ボルテージフォロワ回路をさらに備え、前記ボルテージフォロワ回路の入力端子が前記第２電極と電気的に接続され、かつ前記ボルテージフォロワ回路の出力端子が前記第２端子と電気的に接続されることが好ましい。
【００１６】
この電圧測定装置において、反転増幅回路をさらに備え、前記反転増幅回路の入力端子が前記第２電極と電気的に接続され、かつ前記反転増幅回路の出力端子が前記第２端子と電気的に接続されることが好ましい。
【００１７】
この電圧測定装置において、前記演算処理部は、前記第１電極と前記基準電位との間に生じる第１の浮遊容量、並びに前記第２電極と前記基準電位との間に生じる第２の浮遊容量を用いて、前記対象電圧の演算結果を補正するように構成されることが好ましい。
【００１８】
この電圧測定装置において、前記演算処理部は、電圧値が既知である電圧が前記導体に印加されている状態において、前記第１電圧、前記第２電圧及び前記電圧値を用いて、前記第１の浮遊容量及び前記第２の浮遊容量をそれぞれ演算するように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電圧測定装置は、導体に対象電圧が印加されている状態において、第１電圧測定部及び第２電圧測定部で第１電圧及び第２電圧をそれぞれ測定する。演算処理部は、第１電圧及び第２電圧を用いて、対象電圧を演算する。したがって、本発明の電圧測定装置は、従来例のように交流試験電圧を導体に印加した状態で第１電圧及び第２電圧を測定する必要がない。そのため、本発明の電圧測定装置は、交流試験電圧を発生する構成が不要であるから、従来よりも小型化が図り易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１に係る電圧測定装置のブロック図である。
【図２】実施形態１に係る電圧測定装置の使用状態を説明するための概念図である。
【図３】実施形態１に係る電圧測定装置の等価回路を示す回路図である。
【図４】実施形態２に係る電圧測定装置の等価回路を示す回路図である。
【図５】実施形態２に係る電圧測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】実施形態３及び実施形態４に係る電圧測定装置の等価回路の一部を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る電圧測定装置１について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態の電圧測定装置１は、図１に示すように、系統電源（商用交流電源）から負荷へ交流電力を給電するための電線１０の電圧を測定する用途に用いられる。つまり、各実施形態の電圧測定装置１は、電線１０の導体１１に印加される、５０［Ｈｚ］又は６０［Ｈｚ］の交流電圧を対象電圧Ｖｍとする。ただし、電圧測定装置１は、交流電圧を対象電圧とする構成であればよく、対象電圧を系統電源から供給される交流電圧に限定する趣旨ではない。また、電圧測定装置１は、交流電力を給電するための一対の電線の線間電圧ではなく、基準電位（例えば、グランド電位）に対する、一方の電線１０の導体１１の電位、すなわち、導体１１の電位と基準電位との電位差を対象電圧Ｖｍとする。
【００２２】
（実施形態１）
本実施形態の電圧測定装置１は、図１に示すように、第１電極２Ａ、第２電極２Ｂ、第１コンデンサ３Ａ、第２コンデンサ３Ｂ、第１電圧測定部４Ａ、第２電圧測定部４Ｂ、第３電圧測定部４Ｃ、演算処理部５、バッファ６、出力部７などを備える。
【００２３】
本実施形態の電圧測定装置１は、電線１０の導体１１に印加される対象電圧Ｖｍを非接触で測定するように構成される。そのため、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、導体１１に直接接触しない状態で使用される。電線１０は、例えば、銅又は銅合金などの金属製の単線（導体１１）と、導体１１を覆う絶縁体（被覆１２）とで構成される。なお、被覆１２は、例えば、ビニル樹脂などの電気絶縁性を有する合成樹脂材料で形成されることが好ましい。
【００２４】
第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは同一の構成を有し、電圧測定用のプローブとして機能する。第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、図２に示すように、銅などの導電性材料にてシート状あるいは板状に形成されており、電線１０の被覆１２の表面に接触するように配置される。第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、被覆１２に対して殆ど隙間なく接するように、電線１０の外周面に沿って湾曲するように構成されることが好ましい。言い換えれば、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、導体１１が被覆１２にて覆われた構造の電線１０を対象に、被覆１２を取り除くことなく、被覆１２越しに導体１１と対向するように配置される。したがって、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂから導体１１までの距離は、被覆１２の厚み寸法にほぼ等しくなる。このように、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、導体１１に対して被覆１２の厚み寸法の分だけ間隔を空けて配置されることにより、導体１１に対して容量結合される。ただし、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、可撓性を有しない板状の部材に形成されて被覆１２に押し当てられるように構成されてもよい。あるいは、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、合成樹脂製のクランプの内側に配置され、クランプで被覆１２を挟み込むことで被覆１２の近傍に配置されるように構成されてよい。なお、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、電圧測定装置１の本体１００（図２参照）と一体的に設けられていてもよいが、本体１００とは別に設けられて本体１００とケーブルで電気的に接続された構成であってもよい。
【００２５】
ここで、第１電極２Ａと導体１１との間に形成される静電容量成分を第１の結合容量２０Ａと呼び、第２電極２Ｂと導体１１との間に形成される静電容量成分を第２の結合容量２０Ｂと呼ぶ（図３参照）。なお、第１及び第２の結合容量２０Ａ、２０Ｂの大きさ（容量値）は、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂから導体１１の表面までの距離や、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂと導体１１との間に介在する介在物（被覆１２）の誘電率によって決まる。つまり、第１の結合容量２０Ａ及び第２の結合容量２０Ｂの容量値は一定ではなく、被覆１２の厚み寸法や被覆１２の材質（誘電率）などによって変化する。なお、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂと導体１１との間には、第１及び第２の結合容量２０Ａ、２０Ｂが形成される程度の間隔が設けられていればよい。また、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂと導体１１との間に被覆１２が介在することは必須でなく、例えば、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂと導体１１との間に隙間（空気）が存在してもよい。
【００２６】
第１コンデンサ３Ａは、第１端子３０Ａと第２端子３１Ａとを有し、容量値が既知である回路素子としての電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどで構成される。第１コンデンサ３Ａの第１端子３０Ａは、第１電極２Ａ及び第１電圧測定部４Ａと電気的に接続される。また、第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａは、バッファ６の出力端子及び第３電圧測定部４Ｃと電気的に接続される（図１参照）。第２コンデンサ３Ｂは、第１端子３０Ｂと第２端子３１Ｂとを有し、容量値が既知である回路素子としての電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどで構成される。第２コンデンサ３Ｂの第１端子３０Ｂは、第２電極２Ｂ及び第２電圧測定部４Ｂと電気的に接続される。また、第２コンデンサ３Ｂの第２端子３１Ｂは、基準電位と電気的に接続される（接地される）。
【００２７】
第１電圧測定部４Ａは、基準電位と第１電極２Ａとの電位差である第１電圧Ｖ１を測定するように構成される。同様に、第２電圧測定部４Ｂは、基準電位と第２電極２Ｂとの電位差である第２電圧Ｖ２を測定するように構成される。第３電圧測定部４Ｃは、第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａの電位と基準電位との電位差（第３電圧Ｖ３）を測定するように構成される。
【００２８】
バッファ６は、ボルテージフォロワ回路、反転増幅回路、若しくは非反転増幅回路のいずれかで構成されることが好ましい。バッファ６の入力端子が第２電極２Ｂと電気的に接続され、バッファ６の出力端子が第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａと電気的に接続される。なお、以下の説明においては、バッファ６がボルテージフォロワ回路で構成されているものとする。
【００２９】
演算処理部５は、例えば、マイクロコントローラと、マイクロコントローラで実行されるプログラムとで構成される。演算処理部５は、マイクロコントローラでプログラムを実行することにより、第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２及び第３電圧Ｖ３のそれぞれの測定値から対象電圧Ｖｍを演算するように構成される。
【００３０】
出力部７は、例えば、液晶表示器などの表示デバイスを有し、演算処理部５に制御されて対象電圧Ｖｍの測定値を表示するように構成される（図２参照）。ただし、対象電圧Ｖｍは交流電圧であるから、出力部７に表示される値は、例えば、対象電圧Ｖｍの実効値、瞬時値、振幅値などである。
【００３１】
本実施形態の電圧測定装置１の回路構成は、図３に示す等価回路で表すことができる。図３に示すように、第１コンデンサ３Ａの第１端子３０Ａが、第１電極２Ａ及び第１の結合容量２０Ａを介して導体１１と容量結合される。また、第２コンデンサ３Ｂの第１端子３０Ｂが、第２電極２Ｂ及び第２の結合容量２０Ｂを介して導体１１と容量結合される。つまり、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂが、第１の結合容量２０Ａ及び第２の結合容量２０Ｂを介して導体１１とそれぞれ容量結合されるため、第１電極２Ａの電位及び第２電極２Ｂの電位が、導体１１の電位（対象電圧Ｖｍ）に対応して正弦波状に変化する。
【００３２】
第１電圧測定部４Ａは、第１電極２Ａの電位と基準電位との電位差（第１電圧Ｖ１）を標本化（サンプリング）し、かつ各標本値（サンプリング値）を量子化することによって、第１電圧Ｖ１の測定値（瞬時値）を求めるように構成される。なお、第１電圧測定部４Ａは、複数の瞬時値から第１電圧Ｖ１の実効値を算出することも可能である。
【００３３】
第２電圧測定部４Ｂは、第２電極２Ｂの電位と基準電位との電位差（第２電圧Ｖ２）を標本化（サンプリング）し、かつ各標本値（サンプリング値）を量子化することによって、第２電圧Ｖ２の測定値（瞬時値）を求めるように構成される。なお、第２電圧測定部４Ｂは、複数の瞬時値から第２電圧Ｖ２の実効値を算出することも可能である。
【００３４】
同様に、第３電圧測定部４Ｃは、第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａの電位と基準電位との電位差（第３電圧Ｖ３）を標本化（サンプリング）し、かつ各標本値（サンプリング値）を量子化することによって、第３電圧Ｖ３の測定値（瞬時値）を求めるように構成される。なお、第３電圧測定部４Ｃは、複数の瞬時値から第３電圧Ｖ３の実効値を算出することも可能である。
【００３５】
第１電圧測定部４Ａ、第２電圧測定部４Ｂ及び第３電圧測定部４Ｃは、それぞれの測定値（第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値及び第３電圧Ｖ３の測定値）を演算処理部５に出力する。
【００３６】
演算処理部５は、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値及び第３電圧Ｖ３の測定値を、マイクロコントローラのメモリに格納した後、それらの測定値をメモリから読み出して、対象電圧Ｖｍを演算するように構成される。
【００３７】
次に、演算処理部５における対象電圧Ｖｍの演算処理について、詳しく説明する。ただし、以下の数式中の「Ｖ１」、「Ｖ２」、「Ｖ３」は、それぞれ第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値、第３電圧Ｖ３の測定値を表す。また、第１コンデンサ３Ａの容量値をＣin1、第２コンデンサ３Ｂの容量値をＣin2、第１の結合容量２０Ａの容量値をＣs1、第２の結合容量２０Ｂの容量値をＣs2とする。ただし、バッファ６が反転増幅回路で構成され、かつ測定値が振幅値又は実効値である場合においては、以下の数式中の「Ｖ３」を「−Ｖ３」に置き換える必要がある。
【００３８】
第２電圧Ｖ２は、対象電圧Ｖｍを第２コンデンサ３Ｂ及び第２の結合容量２０Ｂで分圧した値に一致し、下記の式１で表される。
【００３９】
Ｖ２＝β２×Ｖｍ  …（式１）  ただし、β２＝Ｃs2／（Ｃin2＋Ｃs2）
また、第１電圧Ｖ１は、対象電圧Ｖｍと第３電圧Ｖ３の差分を第１コンデンサ３Ａ及び第１の結合容量２０Ａで分圧した値と、第３電圧Ｖ３との和に一致し、下記の式２で表される。
【００４０】
Ｖ１＝β１×（Ｖｍ−Ｖ３）＋Ｖ３＝β１×Ｖｍ＋（１−β１）×Ｖ３  …（式２）
ただし、β１＝Ｃs1／（Ｃin1＋Ｃs1）
ここで、第１コンデンサ３Ａの容量値Ｃin1及び第２コンデンサ３Ｂの容量値Ｃin2を適当に設定することにより、β１＝β２の関係を満足させることができる。例えば、２つの容量値Ｃin1とＣin2とを等しい値とし、さらに、第１の結合容量２０Ａの容量値Ｃs1と第２の結合容量２０Ｂの容量値Ｃs2を等しい値とすればよい。なお、第１の結合容量２０Ａの容量値Ｃs1と第２の結合容量２０Ｂの容量値Ｃs2は、第１電極２Ａと第２電極２Ｂの形状、大きさ、材料などを揃えることでほぼ等しい値となる。
【００４１】
β１＝β２＝βとして、式１から式２を減算して対象電圧Ｖｍを消去すると、下記の式３が得られる。
【００４２】
Ｖ１＝Ｖ２＋（１−β）×Ｖ３  …（式３）
上記式３より、
β＝１−｛（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ３｝  …（式４）
上記式４を式１に代入して整理すると、
Ｖｍ＝Ｖ２／β＝Ｖ２×Ｖ３／（Ｖ２−Ｖ１＋Ｖ３）  …（式５）
したがって、演算処理部５は、第１電圧Ｖ１の測定値と、第２電圧Ｖ２の測定値と、第３電圧Ｖ３の測定値とを上記式５に代入することにより、対象電圧Ｖｍを演算することができる。ただし、バッファ６に使用される非反転増幅回路や反転増幅回路、あるいはボルテージフォロワ回路の増幅度（利得）αが既知であるから、演算処理部５は、下記の式６を用いて、第２電圧Ｖ２の測定値から第３電圧Ｖ３の測定値を演算することができる。
【００４３】
Ｖ３＝α×Ｖ２  …（式６）
したがって、演算処理部５は、少なくとも第１電圧Ｖ１の測定値及び第２電圧Ｖ２の測定値を用いて、対象電圧Ｖｍを演算することができる。ゆえに、本実施形態の電圧測定装置１は、第３電圧測定部４Ｃを備えていなくても構わない。
【００４４】
ここで、バッファ６がボルテージフォロワ回路で構成される場合と、バッファ６が反転増幅回路で構成される場合とで、それぞれ異なる利点がある。ボルテージフォロワ回路は、オペアンプの出力端子がオペアンプの反転入力端子に電気的かつ直接に接続されるため、オペアンプの入力端子と出力端子との間に帰還抵抗などを接続する反転増幅回路に比較して、増幅度αの誤差が低減される。ゆえに、ボルテージフォロワ回路がバッファ６に用いられる場合、反転増幅回路がバッファ６に用いられる場合と比較して、第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３を演算する際の精度の向上を図ることができる。
【００４５】
一方、反転増幅回路がバッファ６に用いられる場合は、ボルテージフォロワ回路及び非反転増幅回路がバッファ６に用いられる場合と比較して、対象電圧Ｖｍの測定範囲の上限（最大値）を高くすることができる。つまり、反転増幅回路の出力の極性が反転し、式３の右辺第２項の符号がマイナスとなるので、第１電圧Ｖ１が第２電圧Ｖ２よりも低くなる。ゆえに、対象電圧Ｖｍの測定範囲の上限は、第２電圧Ｖ２を測定する第２電圧測定部４Ｂの測定範囲の上限によって決まる。第２電圧測定部４Ｂの測定範囲の上限値をＶx2とすれば、対象電圧Ｖｍの測定範囲の上限値は、式１から、Ｖｍ＝Ｖx2／βとなる。
【００４６】
一方、バッファ６がボルテージフォロワ回路又は非反転増幅回路の場合、第１電圧Ｖ１が第２電圧Ｖ２よりも高くなる。ゆえに、対象電圧Ｖｍの測定範囲の上限は、第１電圧Ｖ１を測定する第１電圧測定部４Ａの測定範囲の上限によって決まる。第１電圧測定部４Ａの測定範囲の上限値をＶx1とすれば、対象電圧Ｖｍの測定範囲の上限値は、式２と式６から、Ｖｍ＝Ｖx1／（１＋α）βとなり、反転増幅回路がバッファ６に用いられる場合よりも低くなる。
【００４７】
上述のように本実施形態の電圧測定装置１は、導体１１に対象電圧Ｖｍが印加されている状態において、第１電圧測定部４Ａ及び第２電圧測定部４Ｂで第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２をそれぞれ測定する。そして、演算処理部５は、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を用いて、対象電圧Ｖｍを演算する。したがって、本実施形態の電圧測定装置１は、従来例のように交流試験電圧を導体１１に印加した状態で第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を測定する必要がない。そのため、本実施形態の電圧測定装置１は、交流試験電圧を発生する構成が不要であるから、従来よりも小型化が図り易くなる。
【００４８】
また、本実施形態の電圧測定装置１では、演算処理部５が、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２に加えて、第３電圧Ｖ３（基準電位と、第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａの電位との電位差）を用いて、対象電圧Ｖｍを演算するように構成される。なお、第３電圧Ｖ３は、演算処理部５が第２電圧Ｖ２から演算するようにしてもよいし、第３電圧測定部４Ｃで測定されるようにしてもよい。
【００４９】
さらに、本実施形態の電圧測定装置１において、第１コンデンサ３Ａ及び第２コンデンサ３Ｂは、第１コンデンサ３Ａの静電容量Ｃin1と第１の結合容量２０Ａ（の容量値Ｃs1）の比率β１と、第２コンデンサ３Ｂの静電容量Ｃin2と第２の結合容量２０Ｂ（の容量値Ｃs2）の比率β２とが等しくなるように構成されることが好ましい。特に、第１コンデンサ３Ａ及び第２コンデンサ３Ｂは、互いの静電容量Ｃin1、Ｃin2を等しくするように構成されることが好ましい。第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂは、第１の結合容量２０Ａ（の容量値Ｃs1）と第２の結合容量２０Ｂ（の容量値Ｃs2）を等しくするように構成されることが好ましい。
【００５０】
本実施形態の電圧測定装置１が上述のように構成されれば、対象電圧Ｖｍを演算する演算式を簡略化することができるので、演算処理部５の処理時間を短縮し、かつ対象電圧Ｖｍの測定精度の向上を図ることができる。
【００５１】
（実施形態２）
本実施形態の電圧測定装置１は、図４に示すように、制御部８と切替部９を備える点が実施形態１の電圧測定装置１と相違する。ただし、制御部８と切替部９以外の回路構成は、実施形態１の電圧測定装置１の回路構成と共通するので、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
切替部９は、例えば、１つの共通接点９０と、２つの切替接点９１、９２を有するアナログスイッチからなる。ただし、切替部９は、アナログスイッチに限定されず、例えば、電磁リレーなどのメカニカルリレーや半導体リレーなどで構成されてもよい。共通接点９０は、第１コンデンサ３Ａの第２端子３１Ａと電気的に接続される。一方の切替接点９１（第１切替接点と呼ぶ）は、バッファ６の出力端子と電気的に接続される。他方の切替接点９２（第２切替接点と呼ぶ）は、基準電位と電気的に接続（接地）される。切替部９は、共通接点９０を第１切替接点９１に接続する状態（第１の接続状態と呼ぶ）と、共通接点９０を第２切替接点９２に接続する状態（第２の接続状態と呼ぶ）とを切替可能に構成される。
【００５３】
制御部８は、演算処理部５からの指示を受けて切替部９を制御し、切替部９を第１の接続状態と第２の接続状態に相互に切り替えるように構成される。なお、制御部８は、演算処理部５を構成するマイクロコントローラで構成されてもよいし、演算処理部５とは独立した論理回路などで構成されてもよい。また、図４に示す等価回路では、出力部７が制御部８を介して演算処理部５に接続されているが、出力部７が演算処理部５に直接接続されても構わない。
【００５４】
次に、図５のフローチャートを参照しつつ、本実施形態の電圧測定装置１の動作を説明する。ただし、図５のフローチャートは、演算処理部５の処理を示している。
【００５５】
まず、演算処理部５は、制御部８に指示して切替部９を第２の接続状態に切り替える（ステップＳ１）。そして、第２の接続状態において、演算処理部５は、第１電圧測定部４Ａ及び第２電圧測定部４Ｂに第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を測定させ、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の測定値を取り込む（ステップＳ２）。なお、演算処理部５は、取り込んだ測定値をメモリに記憶する。
【００５６】
続いて、演算処理部５は、制御部８に指示して切替部９を第１の接続状態に切り替える（ステップＳ３）。そして、第１の接続状態において、演算処理部５は、第１電圧測定部４Ａ、第２電圧測定部４Ｂ及び第３電圧測定部４Ｃに第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２及び第３電圧Ｖ３を測定させ、第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２及び第３電圧Ｖ３の測定値を取り込む（ステップＳ４）。なお、演算処理部５は、取り込んだ測定値をメモリに記憶する。
【００５７】
演算処理部５は、メモリに記憶した測定値を読み出し、以下の演算によって、対象電圧Ｖｍを算出する（ステップＳ５）。
【００５８】
第２の接続状態における対象電圧Ｖｍ、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値を、それぞれＶｍｂ、Ｖ１ｂ、Ｖ２ｂとすると、以下の式７及び式８が成り立つ。ただし、β１＝Ｃs1／（Ｃin1＋Ｃs1）、β２＝Ｃs2／（Ｃin2＋Ｃs2）とする。
【００５９】
Ｖ１ｂ＝β１×Ｖｍｂ  …（式７）
Ｖ２ｂ＝β１×Ｖｍｂ  …（式８）
式７及び式８からＶｍｂを消去すると式９が得られる。
【００６０】
β２＝β１×Ｖ２ｂ／Ｖ１ｂ  …（式９）
一方、第１の接続状態における対象電圧Ｖｍ、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値を、それぞれＶｍａ、Ｖ１ａ、Ｖ２ａとすると、以下の式１０及び式１１が成り立つ。
【００６１】
Ｖ１ａ＝β１×Ｖｍａ＋（１−β１）×Ｖ３  …（式１０）
Ｖ２ａ＝β２×Ｖｍａ    …（式１１）
式９を式１１に代入して整理すると式１２が得られる。
【００６２】
Ｖｍａ＝Ｖ２ａ／β２＝（Ｖ２ａ×Ｖ１ｂ）／（β１×Ｖ２ｂ）  …（式１２）
式１２を式１０に代入して整理すると式１３が得られる。
【００６３】
【数１】
2016161449.tif 000003
【００６４】
したがって、第１の接続状態における対象電圧Ｖｍａ、並びに第２の接続状態における対象電圧Ｖｍｂは、式１３を式１１及び式７に代入して整理した、以下の式１４、式１５からそれぞれ求められる。
【００６５】
【数２】
2016161449.tif 000004
【００６６】
【数３】
2016161449.tif 000005
【００６７】
式１４及び式１５には、第１コンデンサ３Ａの容量値Ｃin1や第２コンデンサ３Ｂの容量値Ｃin2、並びに第１の結合容量２０Ａの容量値Ｃs1や第２の結合容量２０Ｂの容量値Ｃs2が含まれず、第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２及び第３電圧Ｖ３の測定値のみが含まれる。したがって、演算処理部５が上記式１４及び式１５から対象電圧Ｖｍａ、Ｖｍｂを演算することにより、β１＝β２の関係を満足することが困難である場合においても、対象電圧Ｖｍの測定精度の低下を抑制することができる。ただし、本実施形態の電圧測定装置１においても、第２電圧Ｖ２の測定値Ｖｍａにバッファ６の増幅度αを乗算した値を、第３電圧Ｖ３の測定値に用いれば、第３電圧測定部４Ｃを備えなくともよい。
【００６８】
（実施形態３）
本実施形態の電圧測定装置１は、実施形態１の電圧測定装置１と共通の回路構成を有するので、共通の構成要素には同一の符号を付して図示及び説明を省略する。
【００６９】
実施形態１の電圧測定装置１において、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂとグランドとの間、若しくは、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂを本体１００に接続する配線とグランドとの間に浮遊容量が生じることがある（図２参照）。ただし、第１電極２Ａ又は第１電極２Ａから本体１００への配線と基準電位との間に生じる浮遊容量を第１の浮遊容量２１Ａと呼ぶ。同様に、第２電極２Ｂ又は第２電極２Ｂから本体１００への配線と基準電位との間に生じる浮遊容量を第２の浮遊容量２１Ｂと呼ぶ（図６参照）。これらの浮遊容量２１Ａ、２１Ｂが、第１コンデンサ３Ａや第２コンデンサ３Ｂの容量値、並びに第１の結合容量２０Ａや第２の結合容量２０Ｂの容量値に対して無視できない値を持つ場合、実施形態１及び実施形態２で説明した演算では、測定精度の低下を招く。
【００７０】
そこで、本実施形態の電圧測定装置１は、第１の浮遊容量２１Ａ及び第２の浮遊容量２１Ｂを考慮して対象電圧Ｖｍを演算することにより、測定精度の低下を抑制するように構成される。
【００７１】
次に、演算処理部５における対象電圧Ｖｍの演算処理について、詳しく説明する。ただし、以下の説明においては、第１の浮遊容量２１Ａの容量値をＣf1とし、第２の浮遊容量２１Ｂの容量値をＣf2とする。また、第１の浮遊容量２１Ａの容量値Ｃf1と、第２の浮遊容量２１Ｂの容量値Ｃf2とが等しいと仮定する。
【００７２】
図６は、本実施形態の電圧測定装置１の等価回路のうち、第１電極２Ａ、第２電極２Ｂ、第１コンデンサ３Ａ、第２コンデンサ３Ｂ、第１及び第２の結合容量２０Ａ、２０Ｂ、第１及び第２の浮遊容量２１Ａ、２１Ｂのみを含む部分を示している。図６の等価回路から判るように、対象電圧Ｖｍは、第２コンデンサ３Ｂと第２の浮遊容量２１Ｂの並列回路と第２の結合容量２０Ｂとで分圧されるので、その分圧比βｍは、下記の式１６で表される。
【００７３】
【数４】
2016161449.tif 000006
【００７４】
一方、第３電圧Ｖ３は、第１の結合容量２０Ａと第１の浮遊容量２１Ａの並列回路と第１コンデンサ３Ａとで分圧されるので、その分圧比を１−βｒとすると、βｒは、下記の式１７で表される。
【００７５】
【数５】
2016161449.tif 000007
【００７６】
また、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２は、上記分圧比βｍ、βｒを用いて、下記の式１８、式１９のように表される。
【００７７】
Ｖ１＝βｍ×Ｖｍ＋（１−βｒ）×Ｖ３  …（式１８）
Ｖ２＝βｍ×Ｖｍ  …（式１９）
さらに、式１８から式１９を除算して整理すると、下記の式２０が得られる。
【００７８】
Ｖ１＝Ｖ２＋（１−βｒ）×Ｖ３  …（式２０）
上記式２０より、下記の式２１が得られる。
【００７９】
βｒ＝１−（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ３  …（式２１）
βｍは、式１６及び式１７からＣs1を消去し、かつ式２１を代入することにより、下記の式２２のように表される。
【００８０】
【数６】
2016161449.tif 000008
【００８１】
さらに、式１９及び式２２より、対象電圧Ｖｍは、下記の式２３より求まる。
【００８２】
【数７】
2016161449.tif 000009
【００８３】
上記式２３において、第１の浮遊容量２１Ａの容量値Ｃf1さえ判れば、演算処理部５は、対象電圧Ｖｍを算出することができる。
【００８４】
そこで、本実施形態の電圧測定装置１において、演算処理部５を構成するマイクロコントローラのメモリに、容量値Ｃf1（又はＣf2）を算出するための処理を行うプログラム（以下、補正プログラムと呼ぶ）を記憶しておくことが好ましい。例えば、電圧測定装置１の製造工場において、電圧値（対象電圧Ｖｍ）が既知である交流の基準電圧を導体１１に印加した状態で、演算処理部５のマイクロコントローラに補正プログラムを実行させる。そして、演算処理部５は、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値、第３電圧Ｖ３の測定値及び第１コンデンサ３Ａの容量値Ｃin1と、対象電圧Ｖｍの電圧値とから、式２３を用いて、容量値Ｃf1を算出する。演算処理部５（のマイクロコントローラ）は、算出した容量値Ｃf1をマイクロコントローラのメモリに格納した後、補正プログラムの実行を終了する。
【００８５】
本実施形態の電圧測定装置１は、上述のようにして、あらかじめ第１の浮遊容量２１Ａの容量値Ｃf1を算出しておくことにより、第１の浮遊容量２１Ａ及び第２の浮遊容量２１Ｂが存在する場合でも、対象電圧Ｖｍの測定精度の低下を抑制することができる。
【００８６】
（実施形態４）
本実施形態の電圧測定装置１は、実施形態２の電圧測定装置１と共通の回路構成を有するので、共通の構成要素には同一の符号を付して図示及び説明を省略する。
【００８７】
実施形態２の電圧測定装置１においても、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂとグランドとの間、若しくは、第１電極２Ａ及び第２電極２Ｂを本体１００に接続する配線とグランドとの間に第１の浮遊容量２１Ａ及び第２の浮遊容量２１Ｂが生じることがある。
【００８８】
そこで、本実施形態の電圧測定装置１は、第１の浮遊容量２１Ａ及び第２の浮遊容量２１Ｂを考慮して、第１の接続状態における対象電圧Ｖｍａ及び第２の接続状態における対象電圧Ｖｍｂを演算することにより、測定精度の低下を抑制するように構成される。
【００８９】
次に、演算処理部５における対象電圧Ｖｍａ、Ｖｍｂの演算処理について、詳しく説明する。ただし、以下の説明においては、第１の浮遊容量２１Ａの容量値をＣf1とし、第２の浮遊容量２１Ｂの容量値をＣf2とする。
【００９０】
分圧比β１ｍは、下記の式２４で表される。
【００９１】
【数８】
2016161449.tif 000010
【００９２】
同様に、分圧比β２ｍは、下記の式２５で表される。
【００９３】
【数９】
2016161449.tif 000011
【００９４】
一方、分圧比βｒは、下記の式２６で表される。
【００９５】
【数１０】
2016161449.tif 000012
【００９６】
実施形態２で説明したように、第２の接続状態における対象電圧Ｖｍ、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値を、それぞれＶｍｂ、Ｖ１ｂ、Ｖ２ｂとすると、以下の式２７及び式２８が成り立つ。
【００９７】
Ｖ１ｂ＝β１ｍ×Ｖｍｂ  …（式２７）
Ｖ２ｂ＝β２ｍ×Ｖｍｂ  …（式２８）
式２７及び式２８からＶｍｂを消去すると式２９が得られる。
【００９８】
β２ｍ＝β１ｍ×Ｖ２ｂ／Ｖ１ｂ  …（式２９）
一方、第１の接続状態における対象電圧Ｖｍ、第１電圧Ｖ１の測定値、第２電圧Ｖ２の測定値を、それぞれＶｍａ、Ｖ１ａ、Ｖ２ａとすると、以下の式３０及び式３１が成り立つ。
【００９９】
Ｖ１ａ＝β１ｍ×Ｖｍａ＋（１−βｒ）×Ｖ３  …（式３０）
Ｖ２ａ＝β２ｍ×Ｖｍａ    …（式３１）
式２９を式３１に代入して整理すると式３２が得られる。
【０１００】
Ｖｍａ＝Ｖ２ａ／β２ｍ＝（Ｖ２ａ×Ｖ１ｂ）／（β１ｍ×Ｖ２ｂ）  …（式３２）
式３２を式３０に代入して整理すると式３３が得られる。
【０１０１】
【数１１】
2016161449.tif 000013
【０１０２】
β１ｍは、式２４及び式２６からＣs1を消去し、かつ式３３を代入することにより、下記の式３４のように表される。
【０１０３】
【数１２】
2016161449.tif 000014
【０１０４】
したがって、第１の接続状態における対象電圧Ｖｍａは、式２９及び式３４を式３１に代入して整理した、下記の式３５から求められる。
【０１０５】
【数１３】
2016161449.tif 000015
【０１０６】
同様に、第２の接続状態における対象電圧Ｖｍｂは、式２７に式３４を代入して整理した、下記の式３６から求められる。
【０１０７】
【数１４】
2016161449.tif 000016
【０１０８】
上記式３５及び式３６において、第１の浮遊容量２１Ａの容量値Ｃf1さえ判れば、演算処理部５は、対象電圧Ｖｍａ、Ｖｍｂをそれぞれ算出することができる。ただし、実施形態３と同様に、演算処理部５が、補正プログラムを実行することによって、あらかじめ第１の浮遊容量２１Ａの容量値Ｃf1を算出しておくことが好ましい。
【符号の説明】
【０１０９】
１  電圧測定装置
２Ａ  第１電極
２Ｂ  第２電極
３Ａ  第１コンデンサ
３Ｂ  第２コンデンサ
４Ａ  第１電圧測定部
４Ｂ  第２電圧測定部
４Ｃ  第３電圧測定部
５  演算処理部
６  バッファ（ボルテージフォロワ回路又は反転増幅回路）
９  切替部
１０  電線
１１  導体
２０Ａ  第１の結合容量
２０Ｂ  第２の結合容量
２１Ａ  第１の浮遊容量
２１Ｂ  第２の浮遊容量
Ｖｍ  対象電圧
Ｖ１  第１電圧
Ｖ２  第２電圧
Ｖ３  第３電圧
【図１】
2016161449.tif 000017
【図２】
2016161449.tif 000018
【図３】
2016161449.tif 000019
【図４】
2016161449.tif 000020
【図５】
2016161449.tif 000021
【図６】
2016161449.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月14日(2016.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
Ｖ１ｂ＝β１×Ｖｍｂ  …（式７）
Ｖ２ｂ＝β２×Ｖｍｂ  …（式８）
式７及び式８からＶｍｂを消去すると式９が得られる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
Ｖ１＝βｍ×Ｖｍ＋（１−βｒ）×Ｖ３  …（式１８）
Ｖ２＝βｍ×Ｖｍ  …（式１９）
さらに、式１８から式１９を減算して整理すると、下記の式２０が得られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
【数１２】
2016161449.tif 000023
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
【数１４】
2016161449.tif 000024