以下、添付図面を参照して、電圧検出装置の実施の形態について説明する。
最初に、電圧検出装置1の構成について、図面を参照して説明する。
電圧検出装置1は、非接触型の電圧検出装置であって、図1に示すように、フローティング回路部2および本体回路部3を備え、検出対象体(測定対象体)4に生じている交流電圧V1(検出対象交流電圧。周波数f1)を非接触で検出(測定)可能に構成されている。
フローティング回路部2は、図1,2,3に示すように、ガード電極21、検出電極22、電流電圧変換部CV、駆動回路25および絶縁回路26を備えている。電流電圧変換部CVは、本例では一例として電流電圧変換回路23および積分回路24を備えている。絶縁回路26は、本例では一例としてフォトカプラ(以下、「フォトカプラ26」ともいう)で構成されている。ガード電極21は、導電性材料(例えば金属材料)を用いて、フローティング回路部2における基準電圧部として構成されて、一例としてその内部に、検出電極22の後段の回路から絶縁回路26までの回路、つまり、電流電圧変換回路23、積分回路24、駆動回路25およびフォトカプラ26が収容されている。これにより、電流電圧変換回路23からフォトカプラ26までがガード電極21に覆われた構成となっている。なお、ガード電極21で覆うべき部位は、検出電極22の後段の回路(検出電極22に接続される回路。本例では電流電圧変換回路23)からフォトカプラ26の一次側回路(後述する発光ダイオード)まででよい。このため、フォトカプラ26の二次側回路(後述するフォトトランジスタ)については、ガード電極21で覆われない構成とすることもできる。一例として、樹脂材料で一次側回路と二次側回路とが1つのパッケージに封止されて構成されたフォトカプラ26のような光絶縁素子の場合には、パッケージにおける一次側回路が含まれる部位(パッケージの発光ダイオード側の半分)がガード電極21の内部に位置し、二次側回路が含まれる部位(パッケージのフォトトランジスタ側の半分)がガード電極21の外部に突出(露出)するように、ガード電極21に対してフォトカプラ26を配置する。また、ガード電極21には開口部(孔)21aが形成されると共に、本例では、さらに、図2,3に示すように、ガード電極21全体が絶縁層(絶縁物の一例)21bで覆われている。検出電極22は、例えば、平板状に形成されて、ガード電極21内における開口部21aを臨む位置に、開口部21aからガード電極21の外側に突出しない状態(つまり、検出電極22の表面をガード電極21の表面から凹ませた非突出状態)で配設されている。このようにガード電極21全体が絶縁層21bで覆われ、かつ検出電極22が開口部21aを臨む位置に配置されている構成のため、絶縁層21bが検出電極22における検出対象体4と対向する表面全体を覆う構成となっている。
電流電圧変換回路23は、一例として、図1に示すように、非反転入力端子(第1の入力端子)が抵抗23aを介してガード電極21に接続されると共に、反転入力端子(第2の入力端子)が検出電極22に接続され、かつ抵抗23bが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第1演算増幅器23c(以下、「演算増幅器23c」ともいう)を備えて構成されている。この電流電圧変換回路23は、演算増幅器23cが後述する正電圧Vf+および負電圧Vf−の供給を受けて作動して、検出対象体4の交流電圧V1とガード電極21の電圧(基準電圧)との電位差(交流の電位差。つまり、交流電圧V1の交流成分と基準電圧の交流成分との電位差)Vdiに起因して、この電位差Vdiに応じた電流値で検出対象体4と検出電極22との間(具体的には、検出電極22と抵抗23bとを含む経路)に流れる検出電流(以下、電流信号ともいう)Iを検出電圧信号V2に変換して出力する。この場合、検出電圧信号V2は、その振幅が電流信号Iの振幅に比例して変化する。
積分回路24は、一例として、非反転入力端子が抵抗24aを介してガード電極21に接続されると共に、反転入力端子が入力抵抗24bを介して演算増幅器23cの出力端子に接続され、かつコンデンサ24cが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第2演算増幅器24d(以下、「演算増幅器24d」ともいう)を備えて構成されている。この積分回路24は、演算増幅器24dが正電圧Vf+および負電圧Vf−の供給を受けて作動して、検出電圧信号V2を積分することにより、電位差Vdiに比例して電圧値が変化する積分信号V3を生成して出力する。なお、積分回路24は、上記構成に代えて、ローパスフィルタで構成することもできる。
駆動回路25は、積分信号V3に基づいて、フォトカプラ26を駆動する。本例では一例として、駆動回路25は、ベース端子が演算増幅器24dの出力端子に接続され、コレクタ端子がフォトカプラ26の発光ダイオードに接続され、かつエミッタ端子が抵抗25aを介して負電圧Vf−に接続されたトランジスタ(本例では一例としてNPN型のバイポーラトランジスタ)25bで構成されている。この構成により、駆動回路25を構成するトランジスタ25bは、その動作点が正電圧Vf+と負電圧Vf−のほぼ中間電位に規定されて、リニア領域で作動する。このため、このトランジスタ25bで構成される駆動回路25によって駆動されるフォトカプラ26の発光ダイオードには、積分信号V3の電圧に応じてトランジスタ25bに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Icbに、動作点でのバイアス電圧(定電圧)に起因してトランジスタ25bを定常的に流れる一定のベース電流に基づくコレクタ電流成分(電流値が一定の直流電流成分。直流バイアス信号)Icaが重畳してなる駆動電流Icが流れる。この場合、上記したように積分信号V3は電位差Vdiに比例して電圧値が変化する信号であるため、コレクタ電流成分Icbもまた電位差Vdiに比例してその電流値が変化する。したがって、電流電圧変換部CV、駆動回路25およびフォトカプラ26の発光ダイオードが検出部として機能して、電位差Vdiに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Icbを検出信号として出力し、さらに駆動回路25が、コレクタ電流成分Icbに電流値が一定の直流電流成分であるコレクタ電流成分Icaを参照信号として重畳させて駆動電流Icを生成することで、参照信号重畳部としても機能する。
フォトカプラ26は、絶縁回路の一例である光絶縁素子に含まれるものであって、その一次側回路としての発光ダイオードは、カソード端子が上記したようにトランジスタ25bのコレクタ端子に接続され、アノード端子が正電圧Vf+に接続されている。また、フォトカプラ26の二次側回路としてのフォトトランジスタは、配線W1を介して本体回路部3と接続されている。具体的には、フォトカプラ26のフォトトランジスタは、そのコレクタ端子が本体回路部3側の正電圧Vddに接続され、そのエミッタ端子が本体回路部3側の後述の電流電圧変換回路33に接続されている。フォトカプラ26は、上記したように、駆動回路25によってその発光ダイオードに駆動電流Ic(=Ica+Icb)が供給されることにより、参照信号としてのコレクタ電流成分Icaの電流値と信号伝達率(CTR)とから算出される(具体的には、コレクタ電流成分Icaの電流値と信号伝達率(CTR)とを乗算して算出される)電流値の直流電流成分I1aと、電位差Vdiに比例するコレクタ電流成分Icbの電流値と信号伝達率(CTR)とから算出される(具体的には、コレクタ電流成分Icbの電流値と信号伝達率(CTR)とを乗算して算出される)電流値の交流電流成分I1bとで構成される電流I1をフォトトランジスタで生成して、生成した電流I1を絶縁検出信号として配線W1を介して本体回路部3に出力する。なお、フォトカプラ26に代えて、同じ光絶縁素子である光MOS−FETを使用することもできる。この場合、光MOS−FETは、その一次側回路としての発光ダイオードが上記したフォトカプラ26の発光ダイオードと同様にしてトランジスタ25b等に接続され、その二次側回路としてのFET対が配線W1を介して本体回路部3と接続される。
本体回路部3は、図1に示すように、一例として、主電源回路31、DC/DCコンバータ(以下、単に「コンバータ」ともいう)32、電流電圧変換回路33、利得制御部34、信号抽出部35、電圧生成回路36および電圧計37を備えている。主電源回路31は、例えば、バッテリーを備えて構成されて、本体回路部3の各構成要素32〜37を作動させるための正電圧Vddおよび負電圧Vss(グランドG1の電位を基準として生成される絶対値が同じで、互いの極性の異なる直流電圧)をそのバッテリーの直流電圧から生成して出力する。コンバータ32は、一例として互いに電気的に絶縁された一次巻線および二次巻線を有する絶縁型のトランスと、このトランスの一次巻線を駆動する駆動回路と、トランスの二次巻線に誘起される交流電圧を整流平滑する直流変換部(いずれも図示せず)とを備えて、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成されている。このコンバータ32では、入力した正電圧Vddおよび負電圧Vssに基づいて駆動回路が作動して、正電圧Vddが印加された状態にあるトランスの一次巻線を駆動して二次巻線に交流電圧を誘起させる。また、直流変換部が、この交流電圧を整流して平滑する。これにより、内部基準電位(内部グランド)を基準として、上記電圧(正電圧Vf+および負電圧Vf−)がフローティング状態(グランドG1、正電圧Vddおよび負電圧Vssと電気的に分離された状態)で生成される。このようにして生成された正電圧Vf+および負電圧Vf−は、上記の内部グランドがガード電極21に電気的に接続された状態で、フローティング回路部2に供給される。なお、正電圧Vf+および負電圧Vf−は、絶対値がほぼ同一で、極性が互いに異なる直流電圧として生成される。
電流電圧変換回路(本体回路部側の電流電圧変換回路)33は、一例として、図4に示すように、非反転入力端子がグランドG1に接続されると共に、反転入力端子が配線W1を介して図1に示すようにフォトカプラ26に接続され、かつ抵抗33bが帰還回路として反転入力端子と出力端子との間に接続された第3演算増幅器33a(以下、「演算増幅器33a」ともいう)を備えて構成されている。この電流電圧変換回路33は、演算増幅器33aが正電圧Vddおよび負電圧Vssの供給を受けて作動して、電流I1を電圧に変換することにより、この変換した電圧信号を最終的な絶縁検出信号V4として出力する。この場合、絶縁検出信号V4は、電流I1の直流成分である電流成分I1aが電圧に変換されてなる直流電圧成分V4a(参照信号の信号成分でもある)、および電流I1の交流成分である電流成分I1bが電圧に変換されてなる交流電圧成分V4bで構成されている。この電流電圧変換回路33は、演算増幅器33aの非反転入力端子がグランドG1に接続されることにより、直流電圧成分V4aは常に負電圧となり、交流電圧成分V4bはこの負の直流電圧成分V4aに重畳した状態で出力される。
利得制御部34は、図1に示すように、増幅回路41および制御回路42を備えて構成されて、絶縁検出信号V4を入力すると共に所定の利得で増幅して増幅検出信号V5を生成しつつ、増幅検出信号V5に含まれている直流電圧成分V5a(参照信号の信号成分でもある)のレベルが一定となるように、増幅する際の上記利得を制御する。
この場合、増幅回路41は、絶縁検出信号V4を入力すると共に、制御回路42からの制御信号Scの電圧によって規定される利得で絶縁検出信号V4を増幅して増幅検出信号V5を出力する。この場合、増幅検出信号V5は、絶縁検出信号V4の直流電圧成分V4aが増幅されてなる直流電圧成分V5a、および絶縁検出信号V4の交流電圧成分V4bが増幅されてなる交流電圧成分V5bで構成されている。本例では一例として、増幅回路41は、図4に示すように、第4演算増幅器41a(以下、「演算増幅器41a」ともいう)、電圧制御型の可変抵抗回路VR(抵抗41bおよびJFET(接合型電界効果トランジスタ)41cの並列回路で構成された基準電位(本例では一例としてグランド)側の抵抗回路)および帰還抵抗41d(出力端子側の抵抗回路)を用いて、非反転増幅回路として構成されている。この増幅回路41では、演算増幅器41aの非反転入力端子が演算増幅器33aの出力端子に接続され、演算増幅器41aの反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗41dが接続されている。また、演算増幅器41aの反転入力端子とグランドG1との間に可変抵抗回路VRが接続されている。この構成により、増幅回路41は、制御信号Scの電圧が増加(上昇)したときにJFET41cのオン状態が浅くなってドレイン・ソース間の抵抗値が増加することで可変抵抗回路VR全体の抵抗値が増加して、利得(増幅率)が低下する。一方、増幅回路41は、制御信号Scの電圧が減少(低下)したときにJFET41cのオン状態が深くなってドレイン・ソース間の抵抗値が減少することで可変抵抗回路VR全体の抵抗値が減少して、利得(増幅率)が上昇する。
制御回路42は、一例として図4に示すように、第5演算増幅器42a(以下、「演算増幅器42a」ともいう)、抵抗42b,42c,42d,42eおよびコンデンサ42fを備えて、ローパスフィルタの機能を備えた反転増幅回路として構成されている。この制御回路42では、演算増幅器42aは、非反転入力端子がグランドG1に接続されると共に、反転入力端子と出力端子との間に帰還回路として抵抗42bおよびコンデンサ42fの並列回路が接続されている。また、演算増幅器42aは、反転入力端子に、抵抗42cを介して基準電圧Ve(正の直流電圧)が入力されると共に抵抗42dを介して増幅検出信号V5が入力される。この場合、演算増幅器42aは、抵抗42cを介して入力する基準電圧Veと抵抗42dを介して入力する増幅検出信号V5とを加算して増幅するが、上記したように基準電圧Veは正電圧であり、増幅検出信号V5は負電圧であることから、結果として演算増幅器42aは、基準電圧Veおよび増幅検出信号V5の各絶対値の差分を演算して検出信号Vdを生成し、生成した検出信号Vdを出力端子から出力する。また、ローパスフィルタとして機能する制御回路42のカットオフ周波数f0は、交流電圧V1の周波数f1よりも低い周波数に規定されている。このため、制御回路42から出力される検出信号Vdは、基準電圧Veと、増幅検出信号V5に含まれている直流電圧成分V5aの絶対値との差分(電位差)を示す信号となる。
この構成により、利得制御部34では、絶縁検出信号V4の直流電圧成分V4aが低下したとき(マイナス領域において絶対値が増加したとき)には、増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aも低下し(マイナス領域において絶対値が増加し)、これに伴い、制御回路42の演算増幅器42aに入力される基準電圧Veおよび増幅検出信号V5の各絶対値の差分電圧が低下する。このため、可変抵抗回路VRの抵抗値が上昇する結果、増幅回路41の利得(増幅率)が低下させられて、増幅回路41から出力されている増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aの低下が抑制される。一方、絶縁検出信号V4の直流電圧成分V4aが上昇したとき(マイナス領域において絶対値が減少したとき)には、増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aも上昇し(マイナス領域において絶対値が減少し)、これに伴い、制御回路42の演算増幅器42aに入力される基準電圧Veおよび増幅検出信号V5の各絶対値の差分電圧が上昇する。このため、演算増幅器42aから出力される検出信号Vd、ひいては制御信号Scの電圧値が低下し、これによって可変抵抗回路VRの抵抗値が低下する結果、増幅回路41の利得(増幅率)が増加させられて、増幅回路41から出力されている増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aの上昇が抑制される。以上のようなフィードバック制御を制御回路42が増幅回路41に対して行う結果、増幅回路41から出力されている増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aの電圧値が一定に維持される。
信号抽出部35は、増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5b(検出信号としてのコレクタ電流成分Icbの信号成分)を抽出して抽出検出信号として出力する。一例として、信号抽出部35は、ハイパスフィルタで構成されて、増幅検出信号V5に含まれている直流電圧成分V5aを減衰させ、交流電圧成分V5bを抽出検出信号として選択的に出力する。
電圧生成回路36は、交流電圧成分V5bを入力して増幅することにより、電圧信号V6(つまり基準電圧)を生成して、ガード電極21に出力(印加)する。この場合、電圧生成回路36は、フローティング回路部2のガード電極21、検出電極22、電流電圧変換部CV、駆動回路25および絶縁回路26と、本体回路部3の電流電圧変換回路33、利得制御部34および信号抽出部35と共にフィードバックループを形成して、電位差Vdiを減少させるように交流電圧成分V5bを増幅する増幅動作を行うことにより、電圧信号V6を生成する。本例では、一例として、電圧生成回路36は、交流増幅回路36a、位相補償回路36bおよび昇圧回路36cを備えて構成されている。ここで、交流増幅回路36aは、交流電圧成分V5bを入力して増幅することにより、電圧信号V6aを生成する。この場合、交流増幅回路36aは、交流電圧成分V5bの電圧値についての絶対値の増加・減少に対応して、電圧値の絶対値が変化する電圧信号V6aを増幅動作によって生成する。位相補償回路36bは、フィードバック制御動作の安定化(発振防止)を図るため、電圧信号V6aを入力してその位相を調整して電圧信号V6bとして出力する。昇圧回路36cは、一例として昇圧トランスを用いて構成されて、電圧信号V6bを所定の倍率で昇圧することにより(極性は変えずに絶対を増加させることにより)、電圧信号V6を生成してガード電極21に出力(印加)する。電圧計37は、この電圧信号V6の実効値を検出(測定)して出力する(一例として自らの表示部(不図示)に表示させる)。
次いで、電圧検出装置1による検出対象体4の交流電圧V1についての検出動作(測定動作)について説明する。
まず、検出電極22が非接触の状態で検出対象体4に対向するように、フローティング回路部2(または電圧検出装置1全体)を検出対象体4の近傍に位置させる。これにより、図1に示すように、検出電極22と検出対象体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22と検出対象体4の距離に反比例して変化するが、フローティング回路部2を一旦配設した後は、温度などの環境が一定の条件下においては一定の(変動しない)値となる。また、静電容量C0の容量値が一般的に極めて小さい(例えば数pF〜数十pF程度)ため、交流電圧V1の周波数が数百Hz程度であったとしても、検出対象体4と検出電極22との間のインピーダンスが十分に大きな値(数MΩ)となる。このため、この電圧検出装置1では、検出対象体4の交流電圧V1とガード電極21の電圧(電圧信号V6の電圧)とが大きく異なる場合(電位差Vdiが大きい場合)においても、電流電圧変換回路23を構成する演算増幅器23cに入力耐圧の低い安価な製品を使用することができ、この構成においても、電位差Vdiによる演算増幅器23cの破壊が回避されている。
次いで、電圧検出装置1の起動状態において、検出対象体4の交流電圧V1と、ガード電極21の電圧(基準電圧。電圧信号V6の電圧)との電位差Vdiが増加しているとき(例えば、交流電圧V1の上昇に起因して電位差Vdiが増加しているとき)には、検出対象体4から検出電極22を介して電流電圧変換回路23に流れ込む(流入する)電流信号Iの電流量が増加する。この場合、電流電圧変換回路23は、出力している検出電圧信号V2の電圧値を低下させる。積分回路24では、この検出電圧信号V2の低下に起因して、演算増幅器24dの出力端子からコンデンサ24cを介して反転入力端子に向けて流れる電流が増加する。このため、積分回路24は、積分信号V3の電圧を上昇させる。また、この積分信号V3の電圧上昇に伴い、駆動回路25は、フォトカプラ26の発光ダイオードに供給しているコレクタ電流成分Icbの電流値を増加させる。これにより、フォトトランジスタに流れる電流I1のうちの交流電流成分I1bも増加する。フォトカプラ26は、この交流電流成分I1bと直流電流成分I1aとで構成される電流I1を絶縁検出信号として配線W1を介して本体回路部3に出力する。
電流電圧変換回路33は、電流I1(=I1b+I1a)を最終的な絶縁検出信号V4(=V4a+V4b)に変換して利得制御部34に出力する。この際に、反転増幅器として構成された電流電圧変換回路33は、増加する交流電流成分I1bに対応させて、出力している交流電圧成分V4bの電圧を低下させる。この絶縁検出信号V4を入力している利得制御部34では、増幅回路41が非反転増幅回路に構成されているため、増幅回路41は、入力している絶縁検出信号V4の交流電圧成分V4bの電圧が低下したときには、出力している増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5bの電圧を低下させる。
ところで、この絶縁検出信号V4を入力している利得制御部34では、制御回路42が、増幅回路41の利得(増幅率)に対するフィードバック制御を実行して、絶縁検出信号V4が増幅されて生成される増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aのレベル(電圧値)を常に一定に制御している。このため、温度変化の影響を受けてフォトカプラ26の信号伝達率が変化した場合に、利得制御部34がないときには、この信号伝達率の変化に応じて、増幅検出信号V5の直流電圧成分V5aのレベルが変化する。一方、利得制御部34を配設したときには、利得制御部34がこのようにして直流電圧成分V5aのレベルを強制的に一定に制御する。このため、直流電圧成分V5aと共に増幅検出信号V5を構成する交流電圧成分V5bは、フォトカプラ26の信号伝達率が温度の影響を受けて変動しているか否かに拘わらず、常に温度の影響を受けていない状態と同じレベルで出力される。すなわち、温度変化などの影響を受けて変化するフォトカプラ26の信号伝達率が利得制御部34によって補償される。次いで、信号抽出部35が、増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5bを抽出して出力する。
電圧生成回路36は、この交流電圧成分V5bに基づいて、生成している電圧信号V6の電圧値を上昇させる。この電圧検出装置1では、このようにしてフィードバックループを構成する検出電極22、電流電圧変換部CV、駆動回路25、絶縁回路26、電流電圧変換回路33、利得制御部34、信号抽出部35および電圧生成回路36が、検出対象体4の交流電圧V1の上昇を検出して、電圧信号V6の電圧値を上昇させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V6の電圧)を交流電圧V1に追従させる。
また、交流電圧V1の低下に起因して電位差Vdiが増加したときには、検出電極22を介して電流電圧変換部CVの電流電圧変換回路23から検出対象体4に流れ出る(流出する)電流信号Iの電流量が増加する。この際には、フィードバックループを構成する電流電圧変換部CV等が上記のフィードバック制御動作とは逆の動作を実行して、電圧信号V6の電圧を低下させることにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V6の電圧)を交流電圧V1に追従させる。このようにして、電圧検出装置1では、ガード電極21の電圧(電圧信号V6の電圧)を交流電圧V1に追従させるフィードバック制御動作が短時間に実行されて、ガード電極21の電圧(演算増幅器23cのバーチャルショートにより、検出電極22の電圧でもある)が交流電圧V1に一致させられる。電圧計37は、電圧信号V6の実効値(基準電圧。ガード電極21の電圧)をリアルタイムで計測(検出)して表示する。したがって、この電圧計37に表示される数値を観測することにより、検出対象体4の交流電圧V1が検出(測定)される。
このように、この電圧検出装置1では、検出電極22を検出対象体4に対向させて配置した状態において、検出対象体4と検出電極22との間に形成されている静電容量C0および検出電極22を介して、交流電圧V1および電圧信号V6(基準電圧)の交流の電位差Vdiに応じた電流値で検出対象体4と電流電圧変換回路23との間で流れる電流信号Iを電流電圧変換回路23で検出電圧信号V2に変換し、この検出電圧信号V2(具体的には、検出電圧信号V2と基準電圧との電位差Vdiに基づいて流れる電流)を積分回路24で積分して、検出電極22の電圧(ガード電極21の電圧)と検出対象体4の交流電圧V1との電位差Vdiに応じて振幅が変化する積分信号V3を生成する。次いで、駆動回路25が、積分信号V3の電圧に応じたコレクタ電流成分Icbに、動作点でのバイアス電圧(定電圧)に起因するコレクタ電流成分(電流値が一定の直流電流成分。直流バイアス信号)Icaを参照信号として重畳させてなる駆動電流Icをフォトカプラ26の発光ダイオードに供給し、フォトカプラ26がこの駆動電流Icを電気的に絶縁して絶縁検出信号としての電流I1を生成する。続いて、本体回路部3の電流電圧変換回路33が、この電流I1を最終的な絶縁検出信号としての絶縁検出信号V4に変換して出力し、利得制御部34が、絶縁検出信号V4を所定の利得で増幅して増幅検出信号V5を生成しつつ、この増幅検出信号V5に含まれている直流電圧成分V5a(参照信号としてのコレクタ電流成分Icaに基づく信号成分)のレベルが一定となるように上記の利得を制御し、信号抽出部35が、この増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5bを抽出して出力し、この交流電圧成分V5bに基づいて電圧生成回路36が電圧信号V6を生成してガード電極21に印加する。
したがって、この電圧検出装置1によれば、検出電極22を検出対象体4と容量結合させることによって検出対象体4の交流電圧V1を非接触で測定可能としつつ、静電容量C0の容量値が一般的に極めて小さい(例えば数pF〜数十pF程度)ために、検出対象体4と検出電極22との間のインピーダンスを十分に大きな値(数MΩ)とすることができる結果、電流電圧変換回路23の入力インピーダンスを相対的に小さな値にできることから、電流電圧変換回路23に過電圧が印加されにくく、電流電圧変換部CVの電流電圧変換回路23に入力耐圧の低い安価な製品を使用したとしても、具体的には電流電圧変換回路23を構成する演算増幅器23cに入力耐圧の低い安価な製品を使用したとしても、電位差Vdiによる演算増幅器23cの破壊を回避することができる。
また、この電圧検出装置1によれば、利得制御部34が、絶縁検出信号V4を所定の利得で増幅して増幅検出信号V5を生成しつつ、この増幅検出信号V5に含まれている直流電圧成分V5a(参照信号としてのコレクタ電流成分Icaに基づく信号成分)のレベルが一定となるように上記の利得を制御するため、温度変化などの各種環境の変化の影響を受けてフォトカプラ26の信号伝達率が変化した場合においても、直流電圧成分V5aと共に増幅検出信号V5を構成する交流電圧成分V5bをフォトカプラ26の信号伝達率が温度の影響を受けていない状態と同じレベルで(つまり信号伝達率の変動を補償して同じレベルで)出力することができる。したがって、この電圧検出装置1によれば、検出対象体4の交流電圧V1についての検出精度の一層の安定化を図ることができる。
また、この電圧検出装置1によれば、絶縁部をフォトカプラ26で構成し、参照信号重畳部として機能する駆動回路25が、電位差Vdiに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Icbを検出信号として出力すると共に、このコレクタ電流成分Icbに一定(電流値が一定)の直流電流成分であるコレクタ電流成分Icaを参照信号として重畳させて駆動電流Icを生成して、フォトカプラ26の発光ダイオードをリニア領域で駆動することにより、検出信号としてのコレクタ電流成分Icbに直流成分の参照信号を簡易な構成で重畳させることができる。
また、この電圧検出装置1によれば、利得制御部34における絶縁検出信号V4を増幅して増幅検出信号V5を生成する増幅回路41を非反転増幅回路で構成すると共に、非反転増幅回路を構成する演算増幅器41aの反転入力端子にそれぞれ接続されて利得を規定する一対の抵抗回路のうちのグランドG1に接続される抵抗回路を電圧制御型の可変抵抗回路VRで構成したことにより、演算増幅器41aの利得が基準電位(この例ではグランド電位)側の抵抗回路の抵抗値で出力端子側の抵抗回路の抵抗値を除算した値を含む構成(利得値)となるため、出力端子側の抵抗回路を可変抵抗回路とする構成と比較して、より少ない抵抗変化でより広い範囲に亘って増幅回路41の利得を変化させることができる。
なお、上記の電圧検出装置1では、駆動回路25において、フォトカプラ26の発光ダイオードに供給される検出信号としてのコレクタ電流成分Icbに、電流値が一定の直流電流成分であるコレクタ電流成分Icaを参照信号として重畳させる構成を採用しているが、図5に示す電圧検出装置1Aのように、コレクタ電流成分Icbに振幅が一定の交流電流成分を参照信号として重畳させ、この信号を駆動電流Icとしてフォトカプラ26の発光ダイオードに供給する構成を採用することもできる。以下、この電圧検出装置1Aについて説明する。なお、電圧検出装置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。
最初に、電圧検出装置1Aの構成について、図面を参照して説明する。
電圧検出装置1Aは、非接触型の電圧検出装置であって、図5に示すように、フローティング回路部2および本体回路部3Aを備え、検出対象体4に生じている交流電圧V1を非接触で検出可能に構成されている。なお、後述するようにフローティング回路部2は電圧検出装置1と同一の構成のため、その概要についてのみ説明し、主として本体回路部3Aについて説明する。
フローティング回路部2は、図5に示すように、電圧検出装置1のフローティング回路部2と同一の回路で構成されて、その構造も図2,3に示す電圧検出装置1と同一の構造に構成されている。
本体回路部3Aは、図5に示すように、主電源回路31、コンバータ32、電流電圧変換回路33、利得制御部34A、信号抽出部35、電圧生成回路36、電圧計37および参照信号出力部38を備えている。なお、利得制御部34Aおよび参照信号出力部38を除く他の構成は電圧検出装置1の本体回路部3と同一であるため、詳細な説明を省略し、相違する利得制御部34Aおよび参照信号出力部38の構成について説明する。
利得制御部34Aは、図5に示すように、増幅回路41、制御回路42および分離回路43を備えて構成されて、絶縁検出信号V4を入力すると共に所定の利得で増幅して増幅検出信号V5を生成しつつ、増幅検出信号V5に含まれている後述の交流電圧成分V5c(参照信号の信号成分でもある)のレベルが一定となるように、増幅する際の上記利得を制御する。
この場合、増幅回路41は、図6に示すように、電圧検出装置1の増幅回路41(図4参照)と同一回路に構成されている。分離回路43は、図示はしないが、一例としてバンドパスフィルタと整流平滑回路で構成されて、増幅検出信号V5に含まれている信号成分のうちの参照信号出力部38から出力される参照信号Ss(基準交流信号)と同一の周波数の信号成分のみをバンドパスフィルタで分離し、分離された信号成分(交流信号成分)を整流平滑回路で直流に変換し、変換された直流電圧をレベル検出信号V7として制御回路42に出力する。なお、バンドパスフィルタに代えて同期検波回路を使用して、参照信号Ssと同一の周波数の信号成分のみを分離する構成とすることもできる。制御回路42は、図6に示すように、電圧検出装置1の制御回路42(図4参照)と同一回路に構成されている。なお、本例の制御回路42では、電圧検出装置1での構成(増幅検出信号V5が抵抗42dを介して演算増幅器42aに入力される構成)に代えて、分離回路43から出力されるレベル検出信号V7が抵抗42dを介して演算増幅器42aに入力される構成となっている。
参照信号出力部38は、グランドG1の電位を基準として電圧Vsが所定の周期で変化する振幅が一定の参照信号Ss(周波数および振幅が一定の基準交流信号)を生成して、ガード電極21に出力する。この場合、参照信号Ssの周波数は、一例として、分離回路43での分離が容易に行えるように、交流電圧V1の周波数f1よりも十分に高い周波数に規定されている。
次いで、電圧検出装置1Aによる検出対象体4の交流電圧V1についての検出動作(測定動作)について説明する。
まず、検出電極22が非接触の状態で検出対象体4に対向するように、フローティング回路部2(または電圧検出装置1A全体)を検出対象体4の近傍に位置させる。これにより、図5に示すように、検出電極22と検出対象体4との間に静電容量C0が形成された状態となる。
次いで、電圧検出装置1Aを起動させる。これにより、参照信号出力部38が、参照信号Ssの生成を開始して、参照信号Ssをガード電極21に出力する。この起動状態において、電流電圧変換回路23は、電位差Vdiに応じて流れる電流信号Iを電圧に変換して検出電圧信号V2を出力する。本例では、ガード電極21には参照信号Ssの電圧Vsが印加され、かつ電流電圧変換回路23および積分回路24の非反転入力端子は抵抗23a,24aを介してそれぞれガード電極21に接続されているため、検出電圧信号V2および積分信号V3には、参照信号Ssの信号成分が含まれた状態となっている。
これにより、トランジスタ25bで構成される駆動回路25によって駆動されるフォトカプラ26の発光ダイオードには、積分信号V3の電圧に応じてトランジスタ25bに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Icb、および動作点でのバイアス電圧(定電圧)に起因してトランジスタ25bに定常的に流れる一定のベース電流に基づくコレクタ電流成分(電流値が一定の直流電流成分)Icaと共に、参照信号Ssの電圧に応じてトランジスタ25bに流れるベース電流に基づくコレクタ電流成分Iccを含んで構成される駆動電流Icが流れる。この場合、電圧検出装置1と同様にして、電流電圧変換部CV、駆動回路25およびフォトカプラ26の発光ダイオードが、検出部として機能して、電位差Vdiに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Icbを検出信号として出力する。一方、本例の電圧検出装置1Aでは、参照信号出力部38が、参照信号重畳部として機能して、検出信号としてのコレクタ電流成分Icbに参照信号Ssの信号成分であるコレクタ電流成分Iccを重畳させる。なお、電圧検出装置1Aでは、上記したように、積分信号V3にも参照信号Ssの信号成分が重畳された状態となっているため、積分信号V3を検出信号とみなすこともできる。
フォトカプラ26は、駆動電流Ic(=Ica+Icb+Icc)を所定の信号伝達率で電流I1(=I1a+I1b+I1c)に変換して本体回路部3Aに出力する。本体回路部3Aでは、電流電圧変換回路33が、この電流I1(=I1a+I1b+I1c)を入力して、最終的な絶縁検出信号V4(=V4a+V4b+V4c)に変換して利得制御部34に出力する。利得制御部34Aでは、増幅回路41は、この絶縁検出信号V4を入力すると共に、制御信号Scの電圧によって規定される利得で絶縁検出信号V4を増幅して増幅検出信号V5(=V5a+V5b+V5c)を出力する。分離回路43は、増幅検出信号V5に含まれている信号成分のうちの参照信号出力部38から出力される参照信号Ssと同一の周波数の信号成分のみを分離・直流変換して、レベル検出信号V7として制御回路42に出力する。
制御回路42は、分離回路43と共に増幅回路41に対するフィードバックループを形成して、増幅回路41の利得(増幅率)に対するフィードバック制御を実行し、増幅検出信号V5に含まれている参照信号Ssについての信号成分(交流電圧成分V5c)のレベル(振幅)を常に一定に制御している。このため、温度変化の影響を受けてフォトカプラ26の信号伝達率が変化した場合においても、交流電圧成分V5cと共に増幅検出信号V5を構成する交流電圧成分V5bは、フォトカプラ26の信号伝達率が温度などの種々の環境の変化の影響を受けて変動しているか否かに拘わらず、常に環境変化の影響を受けていない状態と同じレベルで出力される。次いで、信号抽出部35が、増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5bを抽出して出力する。
電圧生成回路36は、この交流電圧成分V5bに基づいて、生成している電圧信号V6の電圧値を上昇させる。この電圧検出装置1Aでは、このようにしてフィードバックループを構成する検出電極22、電流電圧変換部CV、駆動回路25、絶縁回路26、電流電圧変換回路33、利得制御部34A、信号抽出部35および電圧生成回路36が、検出対象体4の交流電圧V1の上昇または低下を検出して、電圧信号V6の電圧値を上昇または低下させるフィードバック制御動作を実行することにより、ガード電極21の電圧(電圧信号V6の電圧)を交流電圧V1に追従させて、短時間に一致させる。したがって、この電圧計37に表示される数値を観測することにより、検出対象体4の交流電圧V1が検出(測定)される。
このように、この電圧検出装置1Aにおいても、利得制御部34Aが、絶縁検出信号V4を所定の利得で増幅して増幅検出信号V5を生成しつつ、この増幅検出信号V5に含まれている交流電圧成分V5c(参照信号Ssについての信号成分)のレベルが一定となるように上記の利得を制御するため、温度変化などの各種環境の変化の影響を受けてフォトカプラ26の信号伝達率が変化した場合においても、交流電圧成分V5cと共に増幅検出信号V5を構成する交流電圧成分V5bをフォトカプラ26の信号伝達率が温度の影響を受けていない状態と同じレベルで(つまり信号伝達率の変動を補償して同じレベルで)出力することができる。したがって、この電圧検出装置1Aによれば、検出対象体4の交流電圧V1についての検出精度の一層の安定化を図ることができる。また、フォトカプラ26の信号伝達率だけでなく、駆動回路25の動作点が温度の影響を受けて変動した場合においても、検出対象体4の交流電圧V1を高精度で検出することができる。
また、この電圧検出装置1Aによれば、参照信号Ssを出力する参照信号出力部38で参照信号重畳部を構成すると共に、この参照信号Ssをガード電極21に出力することによって検出信号(電位差Vdiに応じて振幅が変化するコレクタ電流成分Icbや、積分信号V3)に参照信号Ssの信号成分を重畳させる構成を採用したことにより、より高精度の検出を行い得る電圧検出装置を、簡易な構成で実現することができる。
なお、上記した電圧検出装置1,1Aの構成に限定されず、種々の構成を採用することができる。例えば、主電源回路31が外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Vddおよび負電圧Vssを生成する構成の場合には、コンバータ32は、正電圧Vddおよび負電圧Vssの供給を受けて正電圧Vf+および負電圧Vf−を生成する構成(DCからDCを生成する構成)に代えて、主電源回路31と同様にして外部から交流電圧の供給を受けて正電圧Vf+および負電圧Vf−を生成する構成を採用することもできる。なお、この構成(ACからDCを生成する構成)においても、コンバータ32は、上記した例と同様にトランスを使用することにより、一次側に対して二次側が電気的に絶縁された絶縁型電源として構成する。
また、電流電圧変換部CVについては、上記の構成に代えて、図7〜図9に示すいずれかの構成を採用して実現することもできる。以下、上記した電圧検出装置1,1Aの各構成要素と同じ機能を有するものには同一の符号を付して重複した説明を省略する。最初に、図7に示す電流電圧変換部CVでは、電流電圧変換回路23は、ボルテージフォロアに構成された演算増幅器23c、および演算増幅器23cの非反転入力端子とガード電極21(基準電圧部)との間に配置された抵抗23dで構成されている。これにより、この抵抗23dで電流信号Iを電圧V8に変換することができ、この電圧V8(抵抗23dの両端間に発生する電圧)をバッファ(倍率が1倍の増幅器)として機能する演算増幅器23c(増幅器)が検出電圧信号V2として出力する。また、図8に示す電流電圧変換部CVでは、電流電圧変換回路23は、演算増幅器23c、演算増幅器23cの非反転入力端子とガード電極21(基準電圧部)との間に配置された抵抗23d、演算増幅器23cの反転入力端子とガード電極21との間に配置された抵抗23e、および演算増幅器23cの出力端子と反転入力端子との間に帰還回路として配置された抵抗23bで構成されている。これにより、抵抗23dで電流信号Iを電圧V8に変換することができ、この電圧V8(抵抗23dの両端間に発生する電圧)を非反転増幅器として機能する演算増幅器23c(増幅器)が検出電圧信号V2として出力する。したがって、図7,8に示す構成の電流電圧変換部CVを採用した電圧検出装置1,1Aにおいても、図1に示す電流電圧変換部CVを採用した上記の電圧検出装置1,1Aと同様にして、検出対象体4の交流電圧V1を非接触で検出することができると共に、電圧検出装置1,1Aと同様の作用効果を奏することができる。
また、電流電圧変換回路23と積分回路24とで電流電圧変換部CVを構成する例について上記したが、図9に示すように、電流電圧変換部CVを1つの積分回路27で構成することもできる。積分回路27は、電流電圧変換回路の機能と積分回路の機能とを有し,一例として、図1に示す電流電圧変換回路23の構成を基本構成として、その抵抗23bにコンデンサ27aを並列接続して構成されている。この場合、コンデンサ27aは、一例として0.01μF程度のコンデンサで構成され、抵抗23bは、例えば1MΩ程度の高い抵抗値の抵抗で構成されている。このため、この積分回路27では、主としてコンデンサ27aに電流信号Iが流れることにより、電流電圧変換動作と同時に積分動作が行われて、検出対象体4の交流電圧V1とガード電極21の電圧(基準電圧)との電位差Vdiに比例して電圧値が変化する積分信号V3が生成される。したがって、図9に示す構成の電流電圧変換部CVを採用した電圧検出装置1,1Aにおいても、図1に示す電流電圧変換部CVを採用した上記の電圧検出装置1,1Aと同様にして、検出対象体4の交流電圧V1を非接触で検出することができると共に、電圧検出装置1,1Aと同様の作用効果を奏することができる。
また、上記の電圧検出装置1では、フォトカプラ26をリニア領域で作動させるために駆動電流Icに含めるコレクタ電流成分(電流値が一定の直流電流成分)Icaを参照信号として重畳させているが、図示はしないが、直流電圧源をフローティング回路部2内に設けて、積分信号V3に直流定電圧を参照信号として重畳させる構成を採用することもできる。また、上記の電圧検出装置1Aでは、本体回路部3側に参照信号出力部38を設けて、参照信号Ssをガード電極21に出力することで、フローティング回路部2で検出される検出信号に参照信号Ssの信号成分を重畳させているが、フローティング回路部2内に参照信号出力部を配置して、検出電圧信号V2や積分信号V3などに参照信号Ssの信号成分を直接重畳させる構成を採用することもできる。