JP6459188B2

JP6459188B2 - 非接触電圧計測装置

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Publication number: JP6459188B2
Application number: JP2014050654A
Authority: JP
Inventors: 紘今井; 圭記松浦; 裕幸徳崎; 真央荻本; 悟郎川上; 公平冨田; 篤宏岡村
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2019-01-30
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Also published as: EP3118632B1; JP2015175654A; CN106062569A; EP3118632A1; WO2015137017A1; CN106062569B; US20170067939A1; US10145865B2; EP3118632A4

Description

本発明は、導体を流れる交流の電圧を、導体に接触することなく計測する非接触電圧計測装置に関する。

従来、絶縁被覆された配線内の導線を流れる交流の電圧（計測対象電圧）を、導線に接触することなく計測する非接触電圧計測装置が開示されている。

一般的に、非接触電圧計測装置は、プローブおよび電気回路を備えており、プローブと配線との間に結合容量が発生するように、プローブを配線に近接させたとき、プローブを介して電気回路に入力される電圧信号に基づいて、計測対象電圧を導出する。電気回路の周囲には、外部の電界を遮断するための電界シールドが配置される。

一般的に、プローブと配線とが近接するほど、結合容量の容量値が増大し、計測対象電圧の計測精度が向上する。そのため、プローブは、配線の表面にできるだけ近接するように配置されることが望ましい。また、非接触電圧計測装置は、径の太さが異なる様々な配線の計測対象電圧を計測できることが望ましい。

しかしながら、従来の非接触電圧計測装置では、配線の径の太さによって、プローブと配線とを十分に近接させることができない場合がある。この場合、結合容量の容量値が小さくなり、計測対象電圧の計測精度が低下する。

特開２０１０−８３３３号公報（２０１０年１月１４日公開）特開２０１２−１３７４９６号公報（２０１２年７月１９日公開）特開２００９−４１９２５号公報（２００９年２月２６日公開）

そこで、配線の径の太さによらず、プローブと配線とを十分に近接させることができるように、プローブを変形可能に構成することが考えられる。

しかしながら、上述した非接触電圧計測装置では、プローブが変形した場合、プローブと電界シールドとの位置関係が変化することによって、プローブと電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値が変動する。この寄生容量の変動は、計測対象電圧の計測精度に悪影響を及ぼすという問題がある。

なお、特許文献１〜３には、配線の形状に応じて変形することができるプローブは開示されていない。従って、特許文献１〜３に記載の非接触電圧計測装置では、配線の形状に依存して、結合容量の容量値が小さくなり、その結果、計測対象電圧の計測精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、形状が異なる様々な導線の計測対象電圧を一定の精度で計測することができる非接触電圧計測装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る非接触電圧計測装置は、プローブを備え、該プローブの電極と導体との間に結合容量が発生するように、該プローブを上記導体に非接触で近接させたとき、該プローブを介して電気回路に入力される電圧信号に基づいて、上記導体に印加される計測対象電圧を計測する非接触電圧計測装置において、上記電気回路の少なくとも一部を被覆することにより、上記電気回路に入射する電界を遮断する電界シールドを備え、上記プローブは、上記導体の形状に応じて変形し、かつ、上記電極と上記電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値を一定に維持する。

上記の構成によれば、プローブが備えた電極は、変形することが可能である。具体的には、電極は、導線（導体）の外線被覆に密着するように、変形することが可能であってよい。また、プローブは、電極が変形した場合であっても、電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値を一定に維持する。

一般的に、プローブの電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量が計測対象電圧の計測精度に与える影響は、キャリブレーションによって排除される。しかしながら、従来の構成では、電極の変形の度合いが変化することによって、電極と電界シールドとの間の距離も変化し、その結果、電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値も変化する。そのため、従来の構成では、電極の変形の度合いによって、計測対象電圧の計測精度が変化するという問題があった。

一方、上記の構成によれば、プローブの変形の度合いが変化した場合であっても、電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値は変化しない。

ゆえに、径の太さが異なる様々な導線の計測対象電圧を一定の精度で計測することができる。

本発明の他の態様に係る非接触電圧計測装置では、上記プローブは、上記導体の形状に応じて変形することが可能な第１電極と、上記電界シールドに対する相対的な位置を保持する第２電極と、を備えており、上記第１電極と上記第２電極とは、電気的に接続されており、上記第２電極は、上記第１電極と上記電界シールドとの間に発生する電界を遮蔽することが可能な位置に配置されていてもよい。

上記の構成によれば、プローブの第２電極は、電界シールドに対する相対的な位置を保持する。プローブの第１電極は、導体の形状に応じて変形する。

第１電極が変形した場合であっても、第２電極と電界シールドとの間の距離は変化しない。そのため、第２電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値も変化しない。従って、第１電極がどれほど変形したとしても、第２電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量を流れる漏れ電流の量は変化しない。

よって、第２電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量を流れる漏れ電流の総量は、第１電極の変形の度合いによらず一定である。

さらに、上記の構成によれば、第２電極が、第１電極と電界シールドとの間に発生する電界を遮蔽可能な位置に配置されている。そのため、第１電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量には漏れ電流が流れないので、プローブと電界シールドとの間を流れる漏れ電流の総量が減少し、計測対象電圧の計測精度が向上する。

また、上記の構成において、非接触電圧計測装置は、第１電極から電界シールドまでの距離よりも、第２電極から電界シールドまでの距離のほうが近くなるように構成されていてもよい。

この構成では、第１電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値は、第２電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値と比較して小さくなる。そのため、プローブと電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値全体に占める、第１電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値の割合が小さくなる。従って、第１電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量の値が変化したとき、その変化が計測対象電圧の計測精度に与える影響を抑制することができる。

本発明の他の態様に係る非接触電圧計測装置では、上記プローブは、上記導体の形状に応じて変形することが可能な変形部を備えており、上記変形部は、連結部によって互いに連結され、上記連結部を支点に回動する複数のアームで構成されており、複数の上記アームのうち少なくとも１つには、上記電極および上記電界シールドが、一定の距離で離間して配置されていてもよい。

上記の構成によれば、電極および電界シールドが、導体の形状に応じて変形する変形部が備えたアームに配置されている。変形部が変形するとき、変形部のアームは移動する。電極と電界シールドとは、同じアームに、一定の距離で離間して配置されているので、電極は、アームが移動したとき、電界シールドに対する相対的な位置を維持することができる。

従って、アームがどれほど移動したとしても、電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量を流れる漏れ電流の量は変化しない。ゆえに、アームの移動量によらず、計測対象電圧を一定の精度で計測することができる。

本発明によれば、形状が異なる様々な導体の計測対象電圧を一定の精度で計測することができる。

本発明の実施形態１に係る電圧計測装置の外観図である。本発明の実施形態１に係る電圧計測装置の構成を示す概略図である。本発明の実施形態１に係る電圧計測装置において発生する電界をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。（ａ）は、本発明の実施形態１に係る電圧計測装置において発生する電位をシミュレートした結果を示すコンタープロット図であり、（ｂ）は、参考例に係る電圧計測装置において発生する電位をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。（ａ）は、図４の（ａ）に破線で示した範囲における電位を示すグラフであり、（ｂ）は、図４の（ｂ）に破線で示した範囲における電位を示すグラフである。（ａ）は、本発明の実施形態１に係る電圧計測装置において発生する電界をシミュレートした結果を示すコンタープロット図であり、（ｂ）は、参考例に係る電圧計測装置において発生する電界をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。（ａ）は、図６の（ａ）に破線で示した範囲における電界を示すグラフであり、（ｂ）は、図６の（ｂ）に破線で示した範囲における電界を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る非接触電圧計測装置の構成を示す外観図である。結合容量と計測対象電圧との関係を示す図であり、結合容量の静電容量値と、計測対象電圧の絶対値の２回微分との関係を表すグラフを示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を用いて詳細に説明する。

［非接触電圧計測装置１の構成］
図１〜図２を用いて、本実施形態に係る非接触電圧計測装置１（以下、電圧計測装置１と略称する）の構成を説明する。図１は、電圧計測装置１の外観図である。また、図２は、電圧計測装置１の構成を示す概略図である。電圧計測装置１は、様々な直径（例えばφ１１（ｍｍ）〜φ１６（ｍｍ））を有する配線ｗ（一次側配線、導体）内の導線を流れる交流（周波数：ｆ）の電圧である計測対象電圧Ｖ_Ｌを、該導線に非接触で計測することができる。

図２に示すように、電圧計測装置１は、検出プローブ１１（プローブ）、電界シールド１２、導出部１３、および電気回路ＥＣを備えている。

図１に示すように、計測対象電圧Ｖ_Ｌのセンサである検出プローブ１１は、２つの検出電極（内側電極１１Ａ（第１電極）および外側電極１１Ｂ（第２電極））を備えている。内側電極１１Ａと外側電極１１Ｂとは、接続部２０を介して、電気的に接続されている。また、外側電極１１Ｂは、電界シールド１２に固定されている。内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間は、それぞれ絶縁されている。

可動電極である内側電極１１Ａは、２枚の板バネで構成される。２枚の板バネの間には、配線ｗが配置される。２枚の板バネは、配線ｗを把持することによって、配線ｗに密着する。内側電極１１Ａは、配線ｗの径の太さに応じて、配線ｗに密着するように弾性変形することが可能である。内側電極１１Ａが配線ｗに近接するほど、内側電極１１Ａと配線ｗとの間に発生する結合容量Ｃ_Ｌの容量値は大きくなる。

内側電極１１Ａには、配線ｗ内を流れる交流によって、誘導電圧が誘導される。また、接続部２０を介して内側電極１１Ａと接続された外側電極１１Ｂにも、内側電極１１Ａと同じ誘導電圧が誘導される。内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂに生じた誘導電圧は、外側電極１１Ｂと電気的に接続された電気回路ＥＣ（図２参照）に入力される。

結合容量Ｃ_Ｌの容量値が大きくなるほど、検出プローブ１１から電気回路ＥＣに入力される電圧信号の振幅も大きくなるので、相対的に、電圧信号中のノイズが小さくなる。また、電気回路ＥＣから出力される電気信号に基づいて計算される計測対象電圧Ｖ_Ｌの精度が向上する。従って、結合容量Ｃ_Ｌの容量値が大きいほど、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差は小さくなる。

内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂに対して、誘導電圧が誘導されたとき、内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂと、電界シールド１２との間には、電界が発生する。

なお、図１には示さないが、電圧計測装置１は、樹脂構造物３０、４０、５０（図４の（ａ）参照）をさらに備えている。これらの樹脂構造物３０、４０、５０は、配線ｗ、外側電極１１Ｂ、または接続部２０などを保持する役割を有する。

図３は、電圧計測装置１において発生する電界をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。本シミュレーションでは、内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂに対して、電界シールド１２の電位を基準（０Ｖ）とする所定の電位を与えた。なお、このシミュレーションでは、配線ｗが生成する電界を考慮していない。

図３に示すように、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間における電界の強度に比べて、内側電極１１Ａと電界シールド１２との間における電界の強度は小さい。その理由は、内側電極１１Ａの生成する電界が、内側電極１１Ａと電界シールド１２との間に配置された外側電極１１Ｂによって遮蔽されるからである。

そのため、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間に発生する寄生容量の容量値に比べて、内側電極１１Ａと電界シールド１２との間に発生する寄生容量の容量値は小さい。従って、検出プローブ１１と電界シールド１２との間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値は、ほとんど、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間に発生する寄生容量の容量値のみに依存する。

電気回路ＥＣは、入力電圧Ｖ_ｉｎとして、検出プローブ１１（内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂ）に誘導された誘導電圧を取得する。また、電気回路ＥＣは、電気回路ＥＣ内に設定された検出点における電圧を、出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして、導出部１３に出力する。

電気回路ＥＣは、インピーダンス値が相対的に高い高インピーダンス部ＨＩと、インピーダンス値が相対的に低い低インピーダンス部ＬＯＷとを含む。なお、電気回路ＥＣの詳細については後述する。

電界シールド１２は、電気回路ＥＣに入射する電界を遮断することによって、電気回路ＥＣと配線以外の電圧源とが容量結合することを防止する。電界シールド１２は、金属（シールド金属）で構成されてよい。

図１に示すように、電界シールド１２は、シールド上部１２Ａおよびシールド下部１２Ｂで構成される。シールド上部１２Ａの内側には、検出プローブ１１の外側電極１１Ｂが固定されている。シールド下部１２Ｂは、シールド上部１２Ａに対して着脱することができる。

ユーザは、内側電極１１Ａに配線ｗを把持させた後、シールド下部１２Ｂをシールド上部１２Ａに対して取り付ける。また、ユーザは、シールド下部１２Ｂを取り外すことによって、内側電極１１Ａに把持された配線ｗを、別の配線に取り換えることができる。

なお、電界シールド１２は、入力点ｐ１と等電位である電気回路ＥＣの部分（高インピーダンス部ＨＩ）を被覆する第１電界シールド部と、検出点ｐ２と等電位である電気回路ＥＣの部分（低インピーダンス部ＬＯＷ）を被覆する第２電界シールド部とを含んでいてもよい。この構成では、第１電界シールド部と第２電界シールド部との間は絶縁される。

図２に示すように、電界シールド１２と高インピーダンス部ＨＩとの間には、寄生容量Ｃ_ｐｐＬが発生する。また、電界シールド１２とと低インピーダンス部ＬＯＷとの間には、寄生容量Ｃ_ｐが発生する。

導出部１３は、電気回路ＥＣから出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて、計測対象電圧Ｖ_Ｌを導出する。具体的には、導出部１３は、以下の式に従って、計測対象電圧Ｖ_Ｌを導出する。

ここで、Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２は、それぞれ、電気回路ＥＣが第１の状態、第２の状態（後述）であるときの出力電圧Ｖ_ｏｕｔを意味している。ω＝２πｆ（ｆは、配線内を流れる交流の周波数）である。また、寄生容量Ｃ_ｐ＝０とした。後述するように、寄生容量Ｃ_ｐは、オペアンプ１５によって無効化される。

［電気回路ＥＣの詳細］
ここでは、電気回路ＥＣの詳細を説明する。

図２に示すように、電気回路ＥＣは、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、検出抵抗Ｒ_１、切換スイッチ１４、およびオペアンプ１５を備えている。

電気回路ＥＣにおいて、コンデンサＣ_１、Ｃ_２は、どちらも、検出プローブ１１から入力電圧Ｖ_ｉｎが入力される入力点ｐ１に接続されている。検出抵抗Ｒ_１は、コンデンサＣ_１、Ｃ_２と基準電位点ＧＮＤとの間に取り付けられている。前述した検出点ｐ２は、コンデンサＣ_１、Ｃ_２と検出抵抗Ｒ_１との間に位置している。

検出プローブ１１から電気回路ＥＣに入力される入力電圧Ｖ_ｉｎは、コンデンサＣ_１、Ｃ_２と検出抵抗Ｒ_１とに分圧される。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、検出抵抗Ｒ_１に印加される入力電圧Ｖ_ｉｎの分圧に等しい。

コンデンサＣ_１、Ｃ_２の容量値、および検出抵抗Ｒ_１の抵抗値は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが十分に小さくなるような値に決定される。例えば、結合容量Ｃ_Ｌの容量値が１０ｐＦであり、計測対象電圧Ｖ_Ｌが１００Ｖであり、コンデンサＣ_１＝４７０ｐＦ、Ｃ_２＝４７ｐＦ、検出抵抗Ｒ_１＝１ＭΩである場合、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、数１０ｍＶから数１００ｍＶ程度（ｆ＝５０Ｈｚの場合）であるので、一般的な電圧計を用いて計測することが可能である。

切換スイッチ１４は、電気回路ＥＣを、（ｉ）コンデンサＣ_１が、結合容量Ｃ_Ｌと検出抵抗Ｒ_１との間に直列接続した第１の状態と、（ｉｉ）コンデンサＣ_１およびコンデンサＣ_２が、結合容量Ｃ_Ｌと検出抵抗Ｒ_１との間に直列接続した第２の状態と、の間で切り替える。

電気回路ＥＣが第１の状態であるとき、入力電圧Ｖ_ｉｎは、検出抵抗Ｒ_１と、コンデンサＣ_１との間で分圧される。一方、電気回路ＥＣが第２の状態であるとき、入力電圧Ｖｉｎは、検出抵抗Ｒ_１と、コンデンサＣ_１およびコンデンサＣ_２との間で分圧される。

なお、切換スイッチ１４は、電気回路ＥＣを、（ｉ）コンデンサＣ_１が、結合容量Ｃ_Ｌと検出抵抗Ｒ_１との間に直列接続した第１の状態と、（ｉｉ）コンデンサＣ_２が、結合容量Ｃ_Ｌと検出抵抗Ｒ_１との間に直列接続した第２の状態と、の間で切り替えるように構成されていてもよい。この構成は、例えば、電気回路ＥＣにおいて、入力点ｐ１とコンデンサＣ_１との間、および、入力点ｐ１とコンデンサＣ_２との間に、それぞれ、オンとオフを切り換えることができるスイッチを設けることによって、実現することができる。

以下では、電気回路ＥＣにおいて、入力点ｐ１と同電位である部分を、高インピーダンス部ＨＩと呼ぶ。また、電気回路ＥＣにおいて、検出点ｐ２と同電位である部分を、低インピーダンス部ＬＯＷと呼ぶ。

オペアンプ１５は、電気回路ＥＣにおいて、低インピーダンス部ＬＯＷと、電界シールド１２との間を接続する。オペアンプ１５は、電界シールド１２と、低インピーダンス部ＬＯＷとを同電位にするように機能する。これは、いわゆるドリブンシールドの回路技法である。

このように、電気回路ＥＣでは、オペアンプ１５により、低インピーダンス部ＬＯＷと、電界シールド１２とが同電位になっている。そのため、低インピーダンス部ＬＯＷと、電界シールド１２との間に発生する寄生容量Ｃ_ｐには電流が流れない。従って、寄生容量Ｃ_ｐが出力電圧Ｖ_ｏｕｔの検出値に影響を与える可能性を排除することができる。なお、別の実施形態では、高インピーダンス部ＨＩにおける電圧（入力電圧Ｖ_ｉｎ）から、低インピーダンス部ＬＯＷにおける電圧（出力電圧Ｖ_ｏｕｔ）に等しい電圧が生成されて、生成された電圧が電界シールド１２に印加されてもよい。

なお、電圧計測装置１は、オペアンプ１５を備えていなくてもよい。

［効果の検証：電磁界シミュレーション］
前述したように、電圧計測装置１では、内側電極１１Ａの生成する電界が、外側電極１１Ｂによって遮蔽される。

そのため、外側電極１１Ｂよりも外側の電磁界、すなわち、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間に発生する電磁界は、外側電極１１Ｂが生成する電界のみに依存し、内側電極１１Ａが生成する電界の影響を受けない。従って、内側電極１１Ａが変形して、内側電極１１Ａが生成する電界が変化した場合であっても、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間に発生する電磁界は変化しない。

ここでは、この効果を検証するために、電圧計測装置１において発生する電磁界をシミュレートした結果を示す。

シミュレーションでは、内側電極１１Ａおよび外側電極１１Ｂの電位を１Ｖに設定した。また、配線ｗおよび電界シールド１２の電位を０Ｖに設定した。そして、配線ｗの直径を１４．４φ（１４．４．ｍｍ）、９．４φ（９．４ｍｍ）に設定し、それぞれの設定の下で、電圧計測装置１における電位および電界を計算した。配線ｗの直径に応じて、配線ｗに近接する内側電極１１Ａの形状は変化する。

また、上記の計算結果と比較するため、参考例に係る電圧計測装置９において発生する電位および電界もシミュレートした。電圧計測装置９は、電圧計測装置１の内側電極１１Ａに相当する１つの電極９１のみを備えている。すなわち、電圧計測装置１は、外側電極１１Ｂを備えていない点で、電圧計測装置１と異なる（図４の（ｂ）参照）。

（１．シミュレーション結果：電位）
図４の（ａ）は、電圧計測装置１において発生する電位をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。図４の（ａ）において、左の図は、配線ｗの直径が１４．４φ（１４．４．ｍｍ）である場合の電位を表し、右の図は、配線ｗの直径が９．４φ（９．４ｍｍ）である場合の電位を表す。また、図４の（ｂ）は、電圧計測装置９において発生する電位をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。

図４の（ａ）に示すように、電圧計測装置１では、内側電極１１Ａと外側電極１１Ｂとの間に等電位線が存在しない。また、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間では、等電位線の間隔および形状が、配線ｗの直径に依存しない。言い換えれば、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間では、等電位線の間隔および形状が、内側電極１１Ａの形状に依存しない。

図５の（ａ）は、図４の（ａ）に破線で示した範囲（外側電極１１Ｂからシールド上部１２Ａまで）における電位（Ｖ）を示すグラフである。また、図５の（ｂ）は、図４の（ｂ）に破線で示した範囲における電位（Ｖ）を示すグラフである。電圧計測装置１において、図５の（ａ）に破線で示す範囲と、電圧計測装置９において、図５の（ｂ）に破線で示す範囲とは対応している。

図５の（ａ）によれば、電圧計測装置１では、外側電極１１Ｂの位置（０ｍｍ）からシールド上部１２Ａの位置（６ｍｍ）までの範囲において、電位（Ｖ）の高さが、配線ｗの直径に依存しない。すなわち、この範囲における電位（Ｖ）の高さは、内側電極１１Ａの形状に依存しない。

一方、図５の（ｂ）から分かるように、電圧計測装置９では、同じ範囲（０ｍｍ〜６ｍｍ）において、電位（Ｖ）の高さが、内側電極１１Ａの形状に依存する。

（２．シミュレーション結果：電界）
図６の（ａ）は、電圧計測装置１において発生する電界をシミュレーションした結果を示すコンタープロット図である。また、図６の（ｂ）は、電圧計測装置９において発生する電界をシミュレートした結果を示すコンタープロット図である。

図６の（ａ）に示すように、外側電極１１Ｂと電界シールド１２との間では、等電位線の間隔および形状が、内側電極１１Ａの形状に依存しない。

図７の（ａ）は、図６の（ａ）に破線で示した範囲（外側電極１１Ｂからシールド上部１２Ａまで）における電界（Ｖ／ｍ）を示すグラフである。また、図７の（ｂ）は、図６の（ｂ）に破線で示した範囲における電界（Ｖ／ｍ）を示すグラフである。図７の（ａ）に破線で示す範囲と、図７の（ｂ）に破線で示す範囲とは対応している。

図７の（ａ）よれば、電圧計測装置１では、外側電極１１Ｂの位置（０ｍｍ）からシールド上部１２Ａの位置（６ｍｍ）までの範囲において、電界（Ｖ／ｍ）の強さが、配線ｗの直径に依存しない。すなわち、この範囲における電界（Ｖ／ｍ）の強さは、内側電極１１Ａの形状に依存しない。

一方、図７の（ｂ）から分かるように、電圧計測装置９では、同じ範囲（０ｍｍ〜６ｍｍ）において、電界（Ｖ／ｍ）の強さが、内側電極１１Ａの形状に依存する。

図５の（ａ）および図７の（ａ）に示すグラフから、電圧計測装置１では、内側電極１１Ａの形状によらず、電界シールド１２−外側電極１１Ｂ間の結合の強さが一定であることが分かる。これは、内側電極１１Ａが変形した場合であっても、検出プローブ１１と電界シールド１２との間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値が変化しないことを意味する。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

前記実施形態１では、配線ｗの太さに応じて変形する内側電極１１Ａとは別に、電界シールド１２に対して固定された外側電極１１Ｂも備えた検出プローブ１１の構成を説明した（図１参照）。しかしながら、検出プローブは、ただ１つの電極を備え、この電極が、電界シールドとの間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値を一定に保持したままで変形または移動することが可能であるように構成されていてもよい。

本実施形態では、検出プローブの電極が、電界シールドに対する相対的な位置を保持したままで移動する構成を説明する。本構成では、電極と電界シールドとの間の距離が不変であるので、電極と電界シールドとの間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値が一定に保持される。

図８は、本実施形態に係る検出プローブ２１の構成を示す外観図である。図８に示すように、検出プローブ２１は、２本のアーム（第１アーム２５０Ａ、第２アーム２５０Ｂ）で構成されたクランプ部２５０（変形部）を備えている。クランプ部２５０は、第１アーム２５０Ａと第２アーム２５０Ｂとの間に、異なる径を有する様々な配線ｗを把持することができる。

図８に示すように、第１アーム２５０Ａと第２アーム２５０Ｂとは、連結部２６０によって、互いに連結されている。連結部２６０は、例えばコイルスプリングであってよい。第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂは、連結部２６０を支点として、回動することが可能である。連結部２６０は、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂに対して、第１アーム２５０Ａと第２アーム２５０Ｂとの距離を縮める方向に働く力を印加する。

第１アーム２５０Ａ、第２アーム２５０Ｂには、それぞれ、電極２１１および電界シールド２１２が配設されている。２つの電極２１１は、電気的に接続されている。また、２つの電界シールド２１２は、どちらも、基準電位点（ＧＮＤ）に接続されている。なお、電極２１１および電界シールド２１２は、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂのうちのどちらか一方に配置されてもよい。

クランプ部２５０に配線ｗが把持されているとき、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂに配設された電極２１１と、配線ｗとが近接する。そのため、電極２１１と配線ｗとの間には、結合容量Ｃ_Ｌが発生する。電極２１１には、配線ｗ内を流れる交流によって、誘導電圧が誘導される。

図示しないが、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂのうち少なくとも一方には、電界シールド２１２によって被覆された電気回路ＥＣ（図２参照）が内蔵されている。電極２１１と電気回路ＥＣとは電気的に接続されており、電極２１１に生じた誘導電圧は、入力電圧Ｖ_ｉｎとして、電気回路ＥＣに入力される。電気回路ＥＣは、検出抵抗Ｒ_１に印加される入力電圧Ｖ_ｉｎの分圧である出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、導出部１３（図２参照）に出力する。導出部１３は、電気回路ＥＣから出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて、計測対象電圧Ｖ_Ｌを導出する。なお、導出部１３は、検出プローブ２１の内部に存在していてもよいし、外部に存在していてもよい。

検出プローブ２１の構成によれば、電極２１１および電界シールド２１２が、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂに配設される。そのため、クランプ部２５０に把持される配線ｗの径に応じて、第１アーム２５０Ａおよび第２アーム２５０Ｂが移動した場合であっても、電極２１１と電界シールド２１２とは、相対的な位置を維持する。正確には、第１アーム２５０Ａに配設された電極２１１と電界シールド２１２との間における相対的な位置、および、第２アーム２５０Ｂに配設された電極２１１と電界シールド２１２との間における相対的な位置が、それぞれ維持される。

従って、電極２１１と電界シールド２１２との間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値が一定に保持される。

〔補足〕
前述したように、結合容量Ｃ_Ｌの容量値が大きいほど、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差は小さくなる。ここでは、その根拠を理論的に説明する。

図２に示す電気回路ＥＣにおいて、計測対象電圧Ｖ_Ｌは以下の数式で表される。

ここで、電気回路ＥＣが第１の状態であるときに、導出部１３に出力される電流をＩ_１、出力電圧をＶ_ｏｕｔ１とし、電気回路ＥＣが第２の状態であるときに、導出部１３に出力される電流をＩ_２、出力電圧をＶ_ｏｕｔ２とした。また、コンデンサＣ_２の容量値は、コンデンサＣ_１の容量値よりも十分大きい（Ｃ_１＜＜Ｃ_２）とした。

式（２）を式（１）に代入すると、

ゆえに、

従って、

図９に、計測対象電圧Ｖ_Ｌの絶対値の２回微分ｄ｜Ｖ_Ｌ｜２／ｄＣ_Ｌと、結合容量Ｃ_Ｌとの関係をグラフに示す。同図に示すグラフから、結合容量Ｃ_Ｌの容量値が大きいほど、ｄ｜Ｖ_Ｌ｜２／ｄＣ_Ｌの変動が小さいことが分かる。このことから、結合容量Ｃ_Ｌの容量値が大きいほど、計測対象電圧Ｖ_Ｌの計測値の変動および誤差が小さいことが、理論的に導かれる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、絶縁被覆された配線内の導線を流れる交流の電圧を、導線に接触することなく計測する電圧計測装置に利用することができる。

ｗ配線（導体）
１非接触電圧計測装置
１１検出プローブ（プローブ）
２１検出プローブ（プローブ）
２１１電極
１１Ａ内側電極（第１電極）
１１Ｂ外側電極（第２電極）
１２電界シールド
２１２電界シールド
２５０クランプ部（変形部）
２５０Ａ第１アーム（アーム）
２５０Ｂ第２アーム（アーム）
２６０連結部

Claims

プローブを備え、該プローブと導体との間に結合容量が発生するように、該プローブを上記導体に非接触で近接させたとき、該プローブを介して電気回路に入力される電圧信号に基づいて、上記導体に印加される計測対象電圧を計測する非接触電圧計測装置において、
上記電気回路の少なくとも一部を被覆することにより、上記電気回路に入射する電界を遮断する電界シールドを備え、
上記プローブは、
変形または移動する第１電極と、
上記第１電極が変形または移動した場合であっても、当該第２電極と上記電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値を一定に維持する第２電極と、
を備えており、
上記第２電極は、上記第１電極と上記電界シールドとの間に発生する電界を遮蔽することが可能な位置に配置されている
ことを特徴とする非接触電圧計測装置。
上記電界シールドに対する上記第２電極の相対的な位置を保持し、
上記第１電極と上記第２電極とは、電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電圧計測装置。
プローブを備え、該プローブと導体との間に結合容量が発生するように、該プローブを上記導体に非接触で近接させたとき、該プローブを介して電気回路に入力される電圧信号に基づいて、上記導体に印加される計測対象電圧を計測する非接触電圧計測装置において、
上記電気回路の少なくとも一部を被覆することにより、上記電気回路に入射する電界を遮断する電界シールドを備え、
上記プローブは、上記導体の形状に応じて変形または移動する電極を備え、かつ、上記電極と上記電界シールドとの間に発生する寄生容量の容量値を一定に維持し、
上記電極は、
上記導体の形状に応じて変形することが可能な第１電極と、
上記電界シールドに対する相対的な位置を保持する第２電極と、
を備えており、
上記第１電極と上記第２電極とは、電気的に接続されており、
上記第２電極は、上記第１電極と上記電界シールドとの間に発生する電界を遮蔽することが可能な位置に配置されている
ことを特徴とする非接触電圧計測装置。