WO2015137018A1

WO2015137018A1 - 非接触電圧計測装置

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Publication number: WO2015137018A1
Application number: PCT/JP2015/053149
Authority: WO
Inventors: 紘今井; 圭記松浦; 裕幸徳崎; 真央荻本
Original assignee: オムロン株式会社
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-09-17
Also published as: CN106030320A; JP2015175655A; US10215779B2; CN106030320B; EP3118635B1; EP3118635A1; US20170059619A1; EP3118635A4; JP6343984B2

Abstract

　電界シールド部（１２）と電気回路（ＥＣ）との間に発生する寄生容量（Ｃ_ｐｐＬ）を介して漏れ電流が流れることを抑制することによって、計測対象電圧を高精度に計測することができる非接触電圧計測装置（１）を提供する。駆動電圧印加部（１６）は、電気回路（ＥＣ）の低インピーダンス部（ＬＯＷ）における出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）から生成した、高インピーダンス部（ＨＩ）における入力電圧（Ｖ_ｉｎ）に等しい電圧を、高インピーダンス部（ＨＩ）を被覆する第１電界シールド部（１２Ａ）に印加する。

Description

非接触電圧計測装置

　本発明は、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。このような非接触電圧計測装置の例が、特許文献１～３に示されている。

　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。

　ところが、非接触電圧計測装置では、電気回路と配線以外の電圧源とが容量結合することにより、電気回路中の電圧信号にノイズが重畳する場合がある。電圧信号に重畳したノイズは、計測対象電圧の計測精度を低下させる原因となる。そこで、電気回路の周囲に、外部の電界を遮断するための電界シールドを配置することが考えられる。

日本国公開特許公報「特開昭５８－１７４８５６号公報（１９８３年１０月１３日公開）」日本国公開特許公報「特開２００３－２８９００号公報（２００３年１月２９日公開）」日本国公開特許公報「特開２０１２－１６３３９４号公報（２０１２年８月３０日公開）」

　しかしながら、上述した従来の非接触電圧計測装置では、電気回路の周囲に電界シールドが配置された場合、電界シールドと電気回路との間に寄生容量が発生する。すると、電気回路において、寄生容量を通る電流経路が生成されるので、この電流経路を漏れ電流が流れる。その結果、計測対象電圧の計測精度が悪化するという問題がある。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、電界シールドと電気回路との間に発生する寄生容量を漏れ電流が流れることを抑制することによって、計測対象電圧を高精度に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、プローブと導線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線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、上記導線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、上記電気回路は、インピーダンス値が異なる第１インピーダンス部と第２インピーダンス部とを含んでおり、上記電気回路において、上記第１インピーダンス部は、上記第２インピーダンス部よりも上記プローブに近い位置に配置されており、上記第１インピーダンス部の少なくとも一部を被覆することにより、上記第１インピーダンス部に入射する電界を遮断する第１電界シールドと、上記第２インピーダンス部における電圧信号から、上記第１インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号を生成し、生成した上記等電圧信号を、上記第１電界シールドに対して印加する電圧信号印加部と、を備えている。

　上記の構成によれば、電気回路の第１インピーダンス部における電圧信号と、第１電界シールドに印加される電圧信号（等電圧信号）とが等しい。すなわち、２つの電圧信号の振幅および位相がどちらも等しい。そのため、電気回路の第１インピーダンス部と、第１電界シールドとは常に同電位である。

　従って、第１インピーダンス部と第１電界シールドとの間に発生する寄生容量は実質的に無効となり、第１インピーダンス部から第１電界シールドへ（またはその逆）の漏えい電流は発生しない。

　ゆえに、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、導線に印加される計測対象電圧を精度よく計測することができる。

　本発明によれば、電界シールドと電気回路との間に発生する寄生容量を漏れ電流が流れることを抑制することによって、計測対象電圧を高精度に計測することができる。

本発明の実施形態１に係る非接触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２に係る非接触電圧計測装置が備えた検出プローブおよび第１電界シールドを示す概略図であり、配線、検出プローブ、および第１電界シールドを通り、かつ、配線の長さ方向に垂直な断面における断面図である。本発明の実施形態２に係る非接触電圧計測装置が備えた検出プローブおよび第１電界シールドを示す斜視図である。本発明の実施形態２に係る非接触電圧計測装置が備えた検出プローブおよび第１電界シールドの変形例を示す概略図である。本発明の実施形態２に係る非接触電圧計測装置が備えた検出プローブおよび第１電界シールドの他の変形例を示す概略図である。本発明の実施形態３に係る非接触電圧計測装置が備えた電気回路の回路図である。本発明の実施形態３に係る非接触電圧計測装置が計測した計測対象電圧の誤差の計算結果を示す図である。本発明の実施形態４に係る非接触電圧計測装置が備えた電気回路ＥＣ２の回路図である。本発明の実施形態５に係る非接触電圧計測装置が備えた駆動電圧印加部の概略図である。本発明の参考例に係る非接触電圧計測装置の構成を示す概略図である。本発明の参考例に係る電気回路の回路図である。

　〔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の構成を示す概略図である。電圧計測装置１は、配線ｗ（一次側配線）内の導線を流れる交流（周波数：ｆ）の電圧（電圧信号、電圧信号波形）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１に示すように、電圧計測装置１は、検出プローブ１１、電界シールド１２、導出部１３（電圧導出部）、および電気回路ＥＣを備えている。

　検出プローブ１１は、配線ｗの絶縁被覆の外周面に密着するように取り付けることができる電極を備えている。検出プローブ１１は、電極を被覆する絶縁部材を備えていてもよい。

　検出プローブ１１と配線ｗとが十分に近接しているとき、検出プローブ１１と配線ｗとの間には、計測対象電圧Ｖ_Ｌに応じた容量値の結合容量Ｃ_Ｌが生じる。検出プローブ１１の電極には、配線ｗ内を流れる交流によって、誘導電圧が誘導される。検出プローブ１１の電極に生じた誘導電圧は、検出プローブ１１と電気的に接続された電気回路ＥＣに入力される。

　電気回路ＥＣは、入力電圧Ｖ_ｉｎとして、検出プローブ１１の電極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（検出点電圧信号）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（第１インピーダンス部）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（第２インピーダンス部）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ｗ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。

　電界シールド１２は、電気回路ＥＣの高インピーダンス部ＨＩを被覆する第１電界シールド部１２Ａ（第１電界シールド）と、低インピーダンス部ＬＯＷを被覆する第２電界シールド部１２Ｂ（第２電界シールド）とを含む。第１電界シールド部１２Ａと第２電界シールド部１２Ｂとの間は絶縁されている。

　なお、第１電界シールド部１２Ａは、高インピーダンス部ＨＩの少なくとも一部を被覆していればよい。また、第２電界シールド部１２Ｂは、低インピーダンス部ＬＯＷの少なくとも一部を被覆していればよい。

　図１に示すように、第１電界シールド部１２Ａ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、第２電界シールド部１２Ｂ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ｗ内を流れる交流の周波数）である。また、第２電界シールド部１２Ｂと低インピーダンス部ＬＯＷとの間に発生する寄生容量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１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、オペアンプ１５（第２電圧信号印加部）、および駆動電圧印加部１６（電圧信号印加部）を備えている。ただし、駆動電圧印加部１６は、電気回路ＥＣの他の部位と一体で形成されていてもよいし、電気回路ＥＣが配置された基板とは別の基板上に配置されていてもよい。なお、電気回路ＥＣを実現する具体的な回路構成を、実施形態３～実施形態５で説明する。

　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、第２電界シールド部１２Ｂとの間を接続する。オペアンプ１５は、第２電界シールド部１２Ｂ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、第２電界シールド部１２Ｂ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、第２電界シールド部１２Ｂ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、生成された電圧が第２電界シールド部１２Ｂ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。

　駆動電圧印加部１６は、電気回路ＥＣの低インピーダンス部ＬＯＷに接続されている。駆動電圧印加部１６は、低インピーダンス部ＬＯＷから出力電圧Ｖ_ｏｕｔを取得して、取得した出力電圧Ｖ_ｏｕｔに基づいて、入力電圧Ｖ_ｉｎに等しい駆動電圧Ｖ_ｐｐＬ（等電圧信号）を生成する。言い換えれば、駆動電圧印加部１６は、低インピーダンス部ＬＯＷにおける電圧信号波形から、高インピーダンス部ＨＩにおける電圧信号波形に等しい電圧信号波形を生成する。

　駆動電圧印加部１６は、生成された駆動電圧Ｖ_ｐｐＬを、第１電界シールド部１２Ａに印加する。駆動電圧Ｖ_ｐｐＬと入力電圧Ｖ_ｉｎとは等しいから、高インピーダンス部ＨＩと、駆動電圧Ｖ_ｐｐＬが印加された第１電界シールド部１２Ａとは同電位になる。すなわち、駆動電圧Ｖ_ｐｐＬは、高インピーダンス部ＨＩと第１電界シールド部１２Ａとの電位差をキャンセルする。

　そのため、高インピーダンス部ＨＩと第１電界シールド部１２Ａとの間に発生する寄生容量Ｃ_ｐｐＬには電流が流れない。言い換えれば、寄生容量Ｃ_ｐｐＬは実質的に無効である。従って、寄生容量Ｃ_ｐｐＬ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、図１に示す構成では、駆動電圧印加部１６は、低インピーダンス部ＬＯＷと電気的に接続されており、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを低インピーダンス部ＬＯＷから直接的に取得する。しかしながら、駆動電圧印加部１６は、低インピーダンス部ＬＯＷから出力電圧Ｖ_ｏｕｔが入力される導出部１３から、間接的に出力電圧Ｖ_ｏｕｔを取得してもよい。

　図１に示すように、駆動電圧印加部１６は、フィルタ部１６１、移相部１６２（位相調整部）、および増幅部１６３（振幅調整部）を備えている。

　フィルタ部１６１は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔからノイズを除去する。フィルタ部１６１は、ノイズが除去された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを移相部１６２に出力する。フィルタ部１６１が除去するノイズは、例えば、アース線（基準電位点ＧＮＤ）から電気回路ＥＣに侵入するノイズ、または、外部から電気回路ＥＣに侵入する電磁波を原因とするノイズであってよい。

　移相部１６２は、フィルタ部１６１から入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相と、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相とが等しくなるように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を調整（移相）する。

　具体的には、移相部１６２は、出力電圧Ｖｏｕｔの位相を増減することによって、出力段（すなわち、低インピーダンス部ＬＯＷ）における出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を、結合容量Ｃ_Ｌ－コンデンサＣ_１、Ｃ_２間（すなわち、高インピーダンス部ＨＩ）における入力電圧Ｖ_ｉｎの位相に一致させる。

　出力電圧Ｖ_ｏｕｔと入力電圧Ｖ_ｉｎとの位相差は、電気回路ＥＣの構成に基づいて、理論的に、または実験的に計算することができる。

　例えば、図１に示す電気回路ＥＣにおいて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相は、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相に対して９０°進む。そのため、移相部１６２は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を９０°遅らせることによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相と入力電圧Ｖ_ｉｎの位相とを一致させる。なお、フィルタ部１６１によって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相が変化する場合、移相部１６２は、この変化も考慮して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を調整する。

　あるいは、移相部１６２は、検出プローブ１１とは別の検出プローブから、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相情報を取得してもよい。この構成では、移相部１６２は、配線ｗに近接した別の検出プローブに誘導される誘導電圧の位相を、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相として取得する。なお、別の検出プローブと配線ｗとの間に発生する結合容量は、検出プローブ１１と配線ｗとの間に発生する結合容量Ｃ_Ｌと比較して小さいことが望ましい。一般的に、結合容量が小さいほど、誘導電圧の位相はばらつきが小さくなる。従って、移相部１６２は、別の検出プローブから、ばらつきの小さい正確な位相を取得することができる。なお、移相部１６２は、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相情報を配線ｗから取得してもよい。

　移相部１６２は、移相された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを増幅部１６３に出力する。

　増幅部１６３は、移相部１６２から入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅と、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅とが等しくなるように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を調整する。

　前述したように、電気回路ＥＣにおいて、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。そして、検出抵抗Ｒ_１に印加される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの分圧は、理論的にまたは実験的に計算することができる。

　増幅部１６３は、検出抵抗Ｒ_１に印加される出力電圧Ｖ_ｏｕｔの分圧に基づいて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅と、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅とが等しくなるように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を調整する。なお、増幅部１６３は、フィルタ部１６１および移相部１６２による出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅の減衰がある場合、この減衰も考慮して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を調整する。

　増幅部１６３は、位相および振幅が調整された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、駆動電圧Ｖ_ｐｐＬとして、第１電界シールド部１２Ａに印加する。駆動電圧Ｖ_ｐｐＬの位相および振幅は、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相および振幅に等しい。

　なお、切換スイッチ１４が電気回路ＥＣの状態を切り換えたとき、コンデンサＣ_１、Ｃ_２と検出抵抗Ｒ_１との間の分圧比が変化することによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅も変化する。そのため、増幅部１６３は、切換スイッチ１４の切り換えに応じて、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの増幅度を変更する。

　〔実施形態２〕
　本発明の他の実施形態について、図２～図５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の非接触電圧計測装置１（図１参照）によって、計測対象電圧Ｖ_Ｌの計測が行われるとき、検出プローブ１１は、配線ｗの被覆（配線被覆）に接触または近接する。

　ところが、配線被覆の表面には、表面抵抗（表面抵抗成分）が存在する。そのため、配線ｗと検出プローブ１１との間には、結合容量Ｃ_Ｌを通る電流経路の他に、表面抵抗を通る電流経路が存在する。表面抵抗を通る電流経路を電流が流れることは、計測対象電圧Ｖ_Ｌの計測精度が低下する原因となる。

　そこで、本実施形態では、検出プローブ１１が配線被覆の表面に接触しているとき、電流が表面抵抗を通って流れることを抑制することができる構成を説明する。

　図２は、電圧計測装置１が備えた検出プローブ１１および第１電界シールド部１２Ａを示す概略図であり、配線ｗ、検出プローブ１１、および第１電界シールド部１２Ａを通り、かつ、配線ｗの長さ方向に垂直な断面における断面図である。図２には、配線ｗと配線被覆の表面との間の寄生容量Ｃ_ｐｓ、および、配線被覆の表面に発生する表面抵抗Ｒ_ｃｓを仮想的に示している。

　図２に示すように、本実施形態に係る第１電界シールド部１２Ａは、検出プローブ１１の側面に非接触で隣接している。第１電界シールド部１２Ａと検出プローブ１１とは、空気または誘電体によって、電気的に絶縁されている。また、第１電界シールド部１２Ａは、検出プローブ１１が配線被覆に接触しているとき、第１電界シールド部１２Ａも配線被覆に接触する。

　図３は、配線ｗに取り付けられた検出プローブ１１および第１電界シールド部１２Ａの構成を示す斜視図である。図３に示すように、第１電界シールド部１２Ａは、検出プローブ１１の側面を取り囲んでいる。ここで、検出プローブ１１の側面とは、配線被覆に接触する検出プローブ１１の面（表面）に隣接する面のことである。

　あるいは、第１電界シールド部１２Ａは、検出プローブ１１の側面の一部に、非接触で隣接していてもよい。

　図２に示すように、配線ｗから、寄生容量Ｃ_ｐｓおよび表面抵抗Ｒ_ｃｓを通って、第１電界シールド部１２Ａ（またはその逆）へ至る電流経路が存在する。従って、寄生容量Ｃ_ｐｓおよび表面抵抗Ｒ_ｃｓを介して、配線ｗから第１電界シールド部１２Ａ（またはその逆）へ電流が流れる。

　また、第１電界シールド部１２Ａと検出プローブ１１との間にも、表面抵抗Ｒ_ｃｓが存在する。ところが、前述したように、第１電界シールド部１２Ａと、検出プローブ１１とは常に同電位である。そのため、電流は、配線ｗから第１電界シールド部１２Ａへ流れる一方、第１電界シールド部１２Ａから検出プローブ１１へ流れることはない。

　従って、配線ｗから、寄生容量Ｃ_ｐｓおよび表面抵抗Ｒ_ｃｓを通って検出プローブ１１に流れ込む電流の量を抑制することができる。言い換えれば、寄生容量Ｃ_ｐｓは実質的に無効である。ゆえに、計測対象電圧Ｖ_Ｌを精度よく計測することができる。

　［変形例］
　計測対象電圧Ｖ_Ｌの計測が行われるとき、検出プローブ１１および第１電界シールド部１２Ａは、配線ｗに接触している必要はない。検出プローブ１１および第１電界シールド部１２Ａのうちいずれか一方が、配線ｗに接触していてもよい。また、第１電界シールド部１２Ａと配線ｗとの距離は、検出プローブ１１と配線ｗとの距離以下であってよい。

　図４および図５に、本実施形態の変形例に係る構成を示す。図４に示す変形例では、検出プローブ１１が、配線ｗに非接触で近接している一方、第１電界シールド部１２Ａは、配線ｗに接触している。図５に示す変形例では、第１電界シールド部１２Ａは、検出プローブ１１の表面と、配線ｗとの間に入り込んでいる。

　〔実施形態３〕
　本発明の他の実施形態について、図６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１～２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。

　本実施形態では、前記実施形態１で説明した電気回路ＥＣを実現する具体的な回路構成の一例を説明する。

　図６は、本実施形態に係る電気回路ＥＣ１の回路図である。図６に示すように、電気回路ＥＣ１はアナログ回路であり、移相回路および増幅回路を備えている。なお、図示しないが、電気回路ＥＣ１において、電気回路ＥＣ１からの出力段「Ｏｕｔ２」と、移相回路への入力段「Ｏｕｔ３＿ＡＤ」とは電気的に接続される。

　移相回路は、前記実施形態１の移相部１６２に相当する。移相回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を９０°移相することによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相に一致させる。なお、移相回路が、別の周波数（例えば６０Ｈｚ）における出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を９０°移相する場合、移相回路が備えた回路素子の定数（抵抗値、容量値）は再設定される必要がある。

　増幅回路は、前記実施形態１の増幅部１６３に相当する。増幅回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅に一致させる。増幅回路は、位相および振幅が調整された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、第１電界シールド部１２Ａ（図１参照）の駆動電圧Ｖ_ｐｐＬ（∠Ｖ_ｐｐＬ＝∠Ｖ_ｉｎ、｜Ｖ_ｐｐＬ｜＝｜Ｖ_ｉｎ｜）として出力する。なお、増幅回路が、別の周波数（例えば６０Ｈｚ）における出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅に一致させる場合、増幅回路が備えた回路素子の定数（抵抗値、容量値）は変更される必要がある。

　増幅回路はスイッチＳ３、Ｓ４を備えている。スイッチＳ１、Ｓ２（前記実施形態１の切換スイッチ１４に相当する）が切り換えられたとき、増幅回路は、スイッチＳ３、Ｓ４を切り換えることによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅と、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅とが一致するように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの増幅度を変更する。

　図６に示すように、電気回路ＥＣ１は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔからノイズを除去するためのフィルタ回路をさらに備えていてもよい。フィルタ回路は、前記実施形態１におけるフィルタ部１６１に相当する。この構成では、電気回路ＥＣ１において、フィルタ回路は、電気回路ＥＣ１からの出力段「ｏｕｔ２」と、移相回路への入力段「Ｏｕｔ３＿ＡＤ」との間に接続される。また、この構成では、移相回路は、フィルタ回路における出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相遅れを考慮して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相の調整量を補正する。

　［効果の検証］
　本発明によれば、電圧計測装置１によって計測される計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差が抑制される。ここでは、この効果を検証するために、本実施形態に係る電気回路ＥＣ１を備えた電圧計測装置１によって計測される計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差の計算結果を示す。

　計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差の計算では、駆動電圧印加部１６の回路素子（回路部品）の定数にばらつきがあることを考慮した。具体的には、駆動電圧印加部１６が備えた抵抗の抵抗値、容量の容量値には、それぞれ０．１％、１％のばらつきがあり、それらのばらつきは、どちらも一様分布を有すると仮定した。

　また、寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値を３ｐＦに設定し、寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値のばらつきを１０％の一様分布に設定した。なお、出力電圧Ｖ_ｏｕｔのばらつきは、キャリブレーションで除去されるため、無視することができると仮定した。そして、計測対象電圧Ｖ_Ｌを１００回計測した場合における計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差を計算した。

　また、上記の計算結果と比較するため、寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値のばらつきを０％（ばらつきなし）に再設定し、他の条件を変えずに、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差を計算した。

　さらに、参考例に係る電気回路ＥＣＸ（図１１参照）を備えた電圧計測装置１によって計測される計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差も計算した。この計算でも、寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値を３ｐＦに設定した。寄生容量Ｃ_ｐｐＬの容量値のばらつきを１０％（０％から１０％の一様分布）に設定した。また、出力電圧Ｖｏｕｔのばらつきは、キャリブレーションで除去されるため、無視することができると仮定した。

　図１０は、参考例に係る電気回路ＥＣＸを備えた電圧計測装置９の構成を示す概略図である。参考例に係る電圧計測装置９は、電圧計測装置１と比較して、駆動電圧印加部１６を備えていない点と、電界シールド９２が２つの部分に（電気的に）分断されていない点とが異なる。電界シールド９２は、電圧計測装置１の第２電界シールド部１２Ｂに相当する。

　図１１は、図１０に示す電圧計測装置９が備えた電気回路ＥＣＸ（Driven Shield回路）の回路図である。図１１に示す電気回路ＥＣＸの構成は、移相回路（移相部１６２）および増幅回路（増幅部１６３）を備えていない点以外は、電気回路ＥＣ１の構成と同じである。

　図７に、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差の計算結果を示す。図７の表には、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差の計算値の他に、計測対象電圧Ｖ_Ｌの計算値に基づいて算出される寄生容量Ｃ_ｐｐＬの計算値を示している。また、図７において、左のグラフは、電気回路ＥＣ１の寄生容量Ｃ_ｐｐＬを流れる漏れ電流Ｉ＿Ｃ_ｐｐＬの時間変化を示すグラフであり、右のグラフは、電気回路ＥＣＸの寄生容量Ｃ_ｐｐＬを流れる漏れ電流Ｉ＿Ｃ_ｐｐＬの時間変化を示すグラフである。

　図７の表に示すように、電気回路ＥＣ１を備えた電圧計測装置１により計測された計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差（０．１５％）は、電気回路ＥＣＸを備えた電圧計測装置１により計測された計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差（３．４６％）と比較して、１／２０以下である。

　なお、電気回路ＥＣ１を備えた電圧計測装置１により計測された計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差は、電気回路ＥＣ１の駆動電圧印加部１６が備えた回路素子の定数（抵抗値、容量値）のばらつきに由来する。この誤差は、初期のキャリブレーションにおいて除去することが可能である。

　また、図７の表に示すように、本実施形態に係る構成によれば、寄生容量Ｃ_ｐｐＬにばらつきが有るか無いかによらず、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差（０．１５％）は一定である。さらに、本実施形態に係る構成によれば、寄生容量Ｃ_ｐｐＬの計算値は、ほぼゼロ（０．００ｐＦ）である。

　従って、本実施形態に係る構成によれば、寄生容量Ｃ_ｐｐＬが実質的に無効である。

　なお、ここでは、本実施形態に係る構成に基づいて、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差が抑制されることを説明したが、他の実施形態に係る構成であっても、同様に、計測対象電圧Ｖ_Ｌの誤差を抑制することができる。

　〔実施形態４〕
　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１～３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３では、前記実施形態１の移相部１６２、増幅部１６３が、それぞれ、移相回路、増幅回路によって実現される構成を説明した。

　本実施形態では、前記実施形態１の移相部１６２および増幅部１６３が、１つの積分回路によって実現される構成を説明する。従って、本実施形態の構成によれば、前記実施形態３に示す構成と比較して、電気回路を簡素化することができる。

　図８は、本実施形態に係る電気回路ＥＣ２の回路図である。図８に示すように、電気回路ＥＣ２はアナログ回路であり、積分回路を備えている。図８において、「Ｐｒｏｂｅ（Ｐｒ）」は、検出プローブ１１（図１参照）に対応する。また、同図において、「Ｓｈｉｅｌｄ（Ｓｈ）」は、第１電界シールド部１２Ａ（図１参照）に対応する。

　積分回路は、前記実施形態１の移相部１６２および増幅部１６３に相当する。すなわち、積分回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を９０°移相することによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相に一致させる。さらに、積分回路は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅に一致させる。積分回路は、移相および振幅が調整された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、駆動電圧Ｖ_ｐｐＬとして、第１電界シールド部１２Ａに出力する。

　なお、積分回路の安定度を増すために、図８に示すコンデンサＣ_３およびコンデンサＣ_４と並列に、抵抗器を繋いでもよい。

　〔実施形態５〕
　本発明の他の実施形態について、図９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１～４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３～４では、駆動電圧印加部１６が、アナログ回路によって実現される構成を説明した。しかしながら、駆動電圧印加部１６は、デジタル回路によって実現されてもよい。デジタル回路は、アナログ回路と比較して、ノイズの影響を受け難いという利点を有する。

　本実施形態では、一例として、駆動電圧印加部１６の移相部１６２がデジタル回路で実現された構成を説明する。

　図９は、本実施形態に係る駆動電圧印加部１６´の概略図である。図９に示すように、駆動電圧印加部１６´は、移相用ＭＰＵ１６２´および増幅部１６３を備えている。移相用ＭＰＵ１６２´は、ＡＤコンバータ１６４１、位相増減部１６４２、およびＤＡコンバータ１６４３を備えている。

　ＡＤコンバータ１６４１は、低インピーダンス部ＬＯＷから、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを取得して、取得した出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＡＤ変換する。そして、デジタル信号に変換された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを位相増減部１６４２に出力する。

　位相増減部１６４２は、ＡＤコンバータ１６４１から入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相と、入力電圧Ｖ_ｉｎの位相とが等しくなるように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を増減（調整）する。その後、位相増減部１６４２は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＤＡコンバータ１６４３に出力する。例えば、位相増減部１６４２は、前記実施形態１の移相部１６２と同様の方法で、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの位相を調整してもよい。

　ＤＡコンバータ１６４３は、位相増減部１６４２から入力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、デジタル信号からアナログ信号に変換する。そして、アナログ信号に変換された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを増幅部１６３に送信する。

　増幅部１６３は、ＤＡコンバータ１６４３から受信した出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅と、入力電圧Ｖ_ｉｎの振幅とが等しくなるように、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅を増幅（調整）する。その後、増幅部１６３は、位相および振幅を調整された出力電圧Ｖ_ｏｕｔを、駆動電圧Ｖ_ｐｐＬとして、第１電界シールド部１２Ａに印加する。なお、増幅部１６３を実現する増幅回路も、デジタル回路で実現されてよい。

　〔ソフトウェアによる実現例〕
　非接触電圧計測装置１の制御ブロック（特に移相部１６２および増幅部１６３）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。

　後者の場合、非接触電圧計測装置１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random AccessMemory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

　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。

　〔まとめ〕
　以上のように、本発明の一態様に係る非接触電圧計測装置は、プローブと導線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線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、上記導線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、上記電気回路は、インピーダンス値が異なる第１インピーダンス部と第２インピーダンス部とを含んでおり、上記電気回路において、上記第１インピーダンス部は、上記第２インピーダンス部よりも上記プローブに近い位置に配置されており、上記第１インピーダンス部の少なくとも一部を被覆することにより、上記第１インピーダンス部に入射する電界を遮断する第１電界シールドと、上記第２インピーダンス部における電圧信号から、上記第１インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号を生成し、生成した上記等電圧信号を、上記第１電界シールドに対して印加する電圧信号印加部と、を備えている。

　なお、電圧信号印加部が、第２インピーダンス部における電圧信号から、第１インピーダンス部における電圧信号を生成するためには、第２インピーダンス部のインピーダンス値は、第１インピーダンス部のインピーダンス値よりも低い必要がある。

　本発明の他の態様に係る非接触電圧計測装置は、上記第２インピーダンス部内に設定された検出点で検出される検出点電圧信号に基づいて、上記計測対象電圧を導出する電圧導出部をさらに備え、上記電圧信号印加部は、上記第２インピーダンス部における電圧信号として、上記検出点電圧信号を取得してもよい。

　上記の構成によれば、電気回路の第２インピーダンス部内に設定された検出点で検出される検出点電圧信号から、等電圧信号が生成される。

　検出点電圧信号は、計測対象電圧を導出するために計測される電圧信号であるから、電気回路は、検出点電圧信号を出力する構成を必ず備えている。そのため、第２インピーダンス部における電圧信号を出力するために、電気回路に新たな回路を追加する必要がない。

　従って、電気回路の構成を簡素化することができる。

　本発明の他の態様に係る非接触電圧計測装置は、上記第２インピーダンス部の少なくとも一部を被覆し、かつ、上記第１電界シールドから絶縁された第２電界シールドと、上記第２電界シールドに対して、上記第２インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号を印加する第２電圧信号印加部と、をさらに備えていてもよい。

　上記の構成によれば、第２電界シールドに対し、電気回路の第２インピーダンス部における電圧信号に等しい電圧信号が印加される。これにより、電気回路の第２インピーダンス部と、第２電界シールドとは同電位になるから、これらの間に発生する寄生容量を流れる電流も存在しない。そのため、電気回路から第２電界シールドへの漏えい電流を抑制することができる。第２電圧信号印加部は、例えば、オペアンプを備えていてもよい。

　本発明の他の態様に係る非接触電圧計測装置では、上記計測対象電圧が計測されるとき、上記導線に最も近接する上記プローブの面を表面とし、上記表面に隣接する上記プローブの面を側面とするとき、上記第１電界シールドは、上記側面の少なくとも一部に非接触で隣接してもよい。

　上記の構成によれば、プローブの側面の少なくとも一部と、第１電界シールドとが隣接している。そのため、上記計測対象電圧が計測されるとき、導線の被覆の表面を流れる表面電流の少なくとも一部は、プローブではなく第１電界シールドに流入する。

　従って、表面電流がプローブのみに流入する構成と比較して、プローブに流入する表面電流の量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、上記電圧信号印加部は、（ｉ）上記第２インピーダンス部における電圧信号の振幅を、上記第１インピーダンス部における電圧信号の振幅に等しくなるように調整する振幅調整部と、（ｉｉ）上記第２インピーダンス部における電圧信号の位相を、上記第１インピーダンス部における電圧信号の位相に等しくなるように調整する位相調整部と、を備えていてもよい。

　上記の構成によれば、第２インピーダンス部における電圧信号の振幅および位相が、それぞれ、第１インピーダンス部における電圧信号の振幅および位相と一致するように調整される。こうして、第２インピーダンス部における電圧信号から、第１インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号が生成される。

　なお、電圧信号の振幅調整および位相調整は、電圧信号印加部が備えた単一の部材によって実現されてもよい。例えば、電圧信号の振幅調整および位相調整は、積分回路によって実現されてもよい。

　本発明の各態様に係る非接触電圧計測装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記非接触電圧計測装置が備える各手段として動作させることにより上記非接触電圧計測装置をコンピュータにて実現させる非接触電圧計測装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

　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。

　ＨＩ　　高インピーダンス部（第１インピーダンス部）
　ＬＯＷ　低インピーダンス部（第２インピーダンス部）
　Ｖ_ｏｕｔ　出力電圧（検出点電圧信号）
　Ｖ_Ｌ　　計測対象電圧
　１　　　非接触電圧計測装置
　１１　　検出プローブ（プローブ）
　１２Ａ　第１電界シールド部（第１電界シールド）
　１２Ｂ　第２電界シールド部（第２電界シールド）
　１３　　導出部
　１５　　オペアンプ（第２電圧信号印加部）
　１６　　駆動電圧印加部（電圧信号印加部）
　１６２　移相部（位相調整部）
　１６３　増幅部（振幅調整部）

Claims

　プローブと導線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線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、上記導線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、
　上記電気回路は、インピーダンス値が異なる第１インピーダンス部と第２インピーダンス部とを含んでおり、
　上記電気回路において、上記第１インピーダンス部は、上記第２インピーダンス部よりも上記プローブに近い位置に配置されており、
　上記第１インピーダンス部の少なくとも一部を被覆することにより、上記第１インピーダンス部に入射する電界を遮断する第１電界シールドと、
　上記第２インピーダンス部における電圧信号から、上記第１インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号を生成し、生成した上記等電圧信号を、上記第１電界シールドに対して印加する電圧信号印加部と、
　を備えている
　ことを特徴とする非接触電圧計測装置。
　上記第２インピーダンス部内に設定された検出点で検出される検出点電圧信号に基づいて、上記計測対象電圧を導出する電圧導出部をさらに備え、
　上記電圧信号印加部は、上記第２インピーダンス部における電圧信号として、上記検出点電圧信号を取得する
　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。
　上記第２インピーダンス部の少なくとも一部を被覆し、かつ、上記第１電界シールドから絶縁された第２電界シールドと、
　上記第２電界シールドに対して、上記第２インピーダンス部における電圧信号に等しい等電圧信号を印加する第２電圧信号印加部と、
　をさらに備えている
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電圧計測装置。
　上記導線は被覆で覆われており、
　上記計測対象電圧が計測されるとき、上記被覆に最も近接する上記プローブの面を表面とし、上記表面に隣接する上記プローブの面を側面とするとき、
　上記第１電界シールドは、上記側面の少なくとも一部に非接触で隣接している
　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触電圧計測装置。
　上記電圧信号印加部は、
　（ｉ）上記第２インピーダンス部における電圧信号の振幅を、上記第１インピーダンス部における電圧信号の振幅に等しくなるように調整する振幅調整部と、
　（ｉｉ）上記第２インピーダンス部における電圧信号の位相を、上記第１インピーダンス部における電圧信号の位相に等しくなるように調整する位相調整部と、
　を備えている
　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の非接触電圧計測装置。