JP5779034B2 - 積分型の電流電圧変換回路を有する電気測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、積分型の電流電圧変換回路を有する電気測定装置に関し、さらに詳しく言えば、帰還回路に接続されている積分用コンデンサの誘電吸収現象による測定誤差を排除する技術に関するものである。
本発明の電気測定装置は、特に自動検査機に搭載され、例えばセラミックコンデンサの漏れ電流等の微小電流や絶縁抵抗を繰り返し測定するのに適している。

積分型の電流電圧変換回路は、例えば特許文献１，２等に記載されているが、図３に積分型の電流電圧変換回路を有する電気測定装置を電流測定装置とした一般的な従来例を示し、まずは、これについて説明する。

図３に示すように、電流測定装置は、被測定抵抗体Ｒｘに所定の直流電圧を印加する直流電圧源１０と、被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路２０とを備える。

電流電圧変換回路２０は積分型であって、演算増幅器（高入力インピーダンス増幅器）２１の一方の入力端子２１ａと出力端子２１ｃとの間の帰還回路に積分用コンデンサ２２が接続されている。

この例において、一方の入力端子２１ａはマイナス側で、この端子２１ａにスイッチＳＷ１を介して被測定抵抗体Ｒｘが接続され、他方のプラス側の入力端子２１ｂは接地されていることから、演算増幅器２１は反転増幅器として動作する。

また、積分用コンデンサ２２に対して、抵抗素子３１とスイッチＳＷ２とを直列に接続した放電回路３０が並列に接続されている。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は、一方がオン（オフ）のとき、他方がオフ（オン）となるように動作する。

図４のタイミングチャートを併せて参照して、被測定抵抗体Ｒｘの電流測定前には、スイッチＳＷ１がオフ、スイッチＳＷ２がオンのリセット状態とされ、出力端子２１ｃの出力Ｖｏは０Ｖである。

被測定抵抗体Ｒｘの電流測定時には、スイッチＳＷ１がオンすると同時にスイッチＳＷ２がオフとなり、直流電圧源１０から被測定抵抗体Ｒｘを介して流れる電流ｉにより、積分用コンデンサ２２が充電される。

積分用コンデンサ２２の容量をＣ，充電時間（測定時間）をｔとすると、出力端子には、Ｖｏ＝ｉ×ｔ／Ｃなる電圧が現れる。これにより、被測定抵抗体Ｒｘを流れる電流ｉがｉ＝Ｃ×Ｖｏ／ｔにより求められる。

被測定抵抗体Ｒｘの電流測定後には、スイッチＳＷ１がオフすると同時にスイッチＳＷ２がオンとなり、積分用コンデンサ２２に充電された電荷が放電され、初期のリセット状態に戻される。

特開平７−７２１８０号公報 特開２００１−１７４４９２号公報

ところで、上記した電流測定装置により、被測定抵抗体Ｒｘの電流測定を繰り返し行う場合、積分用コンデンサ２２の誘電吸収現象により、その測定回数に応じて出力端子２１ｃに現れる出力電圧Ｖｏの値が徐々に変化し、これが誤差要因となる。

特に、上記した電流測定装置を自動検査機等に搭載して使用する場合には、繰り返し時間（測定のインターバル）が短く、しかも長時間にわたって使用されることから、出力端子２１ｃに現れる出力電圧Ｖｏの変化が大きくなる。

この点を考慮して、積分用コンデンサ２２に誘電吸収現象の小さいコンデンサを使用すれば、誘電吸収現象の大きいコンデンサを用いた場合と比べると、同じ回数測定した場合の出力電圧Ｖｏの変化は小さくはなるが、さらに長時間にわたって測定が繰り返し行われ測定回数が増えれば同様な問題が生じるため、根本的な解決にはならない。

また、被測定抵抗体Ｒｘに印加される電圧をＶ１，被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流をｉとして、被測定抵抗体Ｒｘの絶縁抵抗値ＲはＶ１／ｉで表され、上記電流測定装置によれば、被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流ｉがｉ＝Ｃ×Ｖｏ／ｔにより求められることから、上記電流測定装置と同じ構成で、被測定抵抗体Ｒｘの絶縁抵抗値ＲをＶ１×ｔ／（Ｃ×Ｖｏ）として測定することもできるが、この絶縁抵抗測定においても、上記と同様に、積分用コンデンサ２２の誘電吸収現象に起因する問題が生ずる。

したがって、本発明の課題は、積分型の電流電圧変換回路を有し、電流測定や絶縁抵抗測定を行う電気測定装置において、積分用コンデンサ固有の誘電吸収現象による測定誤差を排除することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、演算増幅器の一方の入力端子と出力端子との間の帰還回路に積分用コンデンサを有する積分型の電流電圧変換回路と、直流電圧源とを含み、上記直流電圧源と上記演算増幅器の一方の入力端子との間に被測定抵抗体を接続し、上記積分用コンデンサに充電される電荷に応じて上記演算増幅器の出力端子に現れる出力電圧に基づいて上記被測定抵抗体が備える所定の素子特性を測定する電気測定装置において、上記直流電圧源より上記被測定抵抗体に所定の電圧を印加して上記被測定抵抗体の素子特性を測定した後に、上記積分用コンデンサを上記素子特性の測定時とは逆方向に充電する逆充電用の直流電流源を備えていることを特徴としている。

本発明において、上記逆充電用の直流電流源には、出力電流が可変の可変直流電流源が用いられる。

本発明の好ましい態様によれば、上記演算増幅器の一方の入力端子側に上記被測定抵抗体を選択的に接続する第１スイッチが設けられ、上記積分用コンデンサに対して抵抗素子および第２スイッチを直列に接続してなる放電回路が並列的に接続されているとともに、上記逆充電用の直流電流源は、第３スイッチを介して上記積分用コンデンサの上記演算増幅器の一方の入力端子側の極と接地との間に接続される。

また、本発明は、少なくとも上記第１，第２および第３スイッチを制御する制御部をさらに備え、上記制御部は、上記第１スイッチをオフ，上記第２スイッチをオンとした状態から、第１ステップとして、上記第１スイッチをオン，上記第２スイッチをオフにして、上記直流電圧源より上記被測定抵抗体に所定の電圧を印加して上記被測定体の素子特性を測定し、その後、第２ステップとして、上記第１スイッチをオフ，上記第２スイッチをオンにして、上記積分用コンデンサに充電された電荷を上記放電回路により放電させ、その後、第３ステップとして、上記第２スイッチをオフ，上記第３スイッチをオンにして、上記逆充電用の直流電流源により上記積分用コンデンサを上記素子特性の測定時とは逆方向に充電し、その後、第４ステップとして、上記第２スイッチをオン，上記第３スイッチをオフにして上記第３ステップで上記積分用コンデンサに逆充電された電荷を上記放電回路により放電させることを特徴としている。

上記第３ステップでの逆充電時における上記積分用コンデンサへの充電電荷量は、上記第１ステップでの電流測定時における上記積分用コンデンサへの充電電荷量と同じとするが、上記第３ステップでの逆充電時における電流値および充電時間は、上記第１ステップでの素子特性測定時における電流値および測定時間と同じとすることが好ましい。

当該電気測定装置で測定される上記被測定抵抗体の素子特性は、電流値もしくは絶縁抵抗値である。

本発明によれば、素子特性の測定時（電流測定もしくは絶縁抵抗測定時）に、積分用コンデンサは被測定抵抗体に流れる電流により充電されるが、電流測定後には積分用コンデンサが逆充電されることにより、誘電吸収現象も逆方向に発生して打ち消し合うことになるため、被測定抵抗体の測定を繰り返し行っても、コンデンサ固有の誘電吸収現象による測定誤差を排除することができる。

本発明による電気測定装置により被測定抵抗体の電流測定を行う実施形態を示す模式的な構成図。 上記実施形態における動作説明用のタイミングチャート。 積分型電流電圧変換回路を有する従来の電流測定装置を示す模式的な構成図。 上記従来例における動作説明用のタイミングチャート。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、この実施形態の説明において、先の図３で説明した従来例と変更を要しない構成要素については、同じ参照符号を用いている。

図１に示すように、本発明による電気測定装置を電流測定装置として、被測定抵抗体の電流測定を行うにあたって、この実施形態に係る電流測定装置においても、先の図３で説明した従来例と同じく、基本的な構成として、被測定抵抗体Ｒｘに所定の直流電圧を印加する直流電圧源１０と、被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路２０とを備える。

なお、この実施形態において測定する電流は、例えばセラミックコンデンサ等の微小な漏れ電流を想定しているが、被測定抵抗体Ｒｘは、これに限定されるものではない。

電流電圧変換回路２０は積分型であって、演算増幅器（高入力インピーダンス増幅器）２１の一方の入力端子２１ａと出力端子２１ｃとの間の帰還回路に積分用コンデンサ２２が接続されている。

この実施形態においても、一方のマイナス側の入力端子２１ａに、スイッチＳＷ１（請求項３における第１スイッチ）を介して被測定抵抗体Ｒｘが接続され、他方のプラス側の入力端子２１ｂは接地に接続されていることから、演算増幅器２１は反転増幅器として動作する。なお、これとは反対に、プラス側の入力端子２１ｂを電流入力端子とし、マイナス側の入力端子２１ａを接地に接続して、非反転の増幅器としてもよい。

また、積分用コンデンサ２２に対して、抵抗素子３１とスイッチＳＷ２（請求項３における第２スイッチ）とを直列に接続した放電回路３０が並列に接続されている。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２は、一方がオン（オフ）のとき、他方がオフ（オン）となるように動作する。

上記した構成に加えて、本発明では、積分用コンデンサ２２を電流測定時とは逆方向に充電する逆充電用の直流電流源４０を備える。この直流電流源４０には、出力電流が可変の可変直流電流源が用いられる。

この逆充電用の直流電流源４０は、積分用コンデンサ２２における演算増幅器２１の一方の入力端子２１ａ側の極と接地との間に、スイッチＳＷ３（請求項３における第３スイッチ）を介して接続され、その電流の流れ方向は接地側である。

また、この実施形態に係る電流測定装置は、上記各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をオンオフ制御する制御部５０を備える。制御部５０には、好ましくはＣＰＵ（中央演算処理ユニット）やマイクロコンピュータが用いられる。

なお、制御部５０に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオンオフ制御機能のほか、演算増幅器２１の出力端子２１ｃに現れる出力電圧Ｖｏ（＝ｉ×ｔ／Ｃ）から、被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流値ｉ（＝Ｃ×Ｖｏ／ｔ）を求める演算機能を持たせてもよい。

次に、図２のタイミングチャートを併せて参照して、この電流測定装置の動作について説明する。

被測定抵抗体Ｒｘの電流測定前には、スイッチＳＷ１，ＳＷ３がオフ、スイッチＳＷ２がオンのリセット状態とされ、出力端子２１ｃの出力Ｖｏは０Ｖである。

まず、ｔ１時〜ｔ２時にかけての第１ステップで、被測定抵抗体Ｒｘの電流測定が行われる。このときスイッチＳＷ１がオンすると同時にスイッチＳＷ２がオフとなり（スイッチＳＷ３はオフを維持）、直流電圧源１０から被測定抵抗体Ｒｘを介して流れる電流ｉにより、積分用コンデンサ２２が充電される。

積分用コンデンサ２２の容量をＣ，充電時間（測定時間）をｔとすると、出力端子には、Ｖｏ＝ｉ×ｔ／Ｃなる電圧が現れる。これにより、被測定抵抗体Ｒｘを流れる電流ｉがｉ＝Ｃ×Ｖｏ／ｔにより求められる。

次に、第２ステップとして、被測定抵抗体Ｒｘの電流測定後のｔ２時〜ｔ３時にかけて、スイッチＳＷ１がオフすると同時にスイッチＳＷ２がオンとなり（スイッチＳＷ３はオフを維持）、積分用コンデンサ２２に充電された電荷が放電され、初期のリセット状態に戻される。

その後の第３ステップとして、ｔ３時〜ｔ４時にかけて、積分用コンデンサ２２に対して逆充電が行われる。このとき、スイッチＳＷ３がオンになると同時にスイッチＳＷ２がオフとなり（スイッチＳＷ１はオフを維持）、逆充電用の直流電流源４０により、積分用コンデンサ２２に対して電流測定時とは逆方向の電流ｉｒが流される。

そして、第４ステップとして、この逆充電が終了した時点のｔ４時に、スイッチＳＷ３がオフになると同時にスイッチＳＷ２がオンとなり（スイッチＳＷ１はオフを維持）、初期のリセット状態に戻される。

上記第３ステップにおいて、積分用コンデンサ２２に流される逆方向電流ｉｒの電流値は、上記第１ステップの電流測定時に積分用コンデンサ２２に流される電流ｉの電流値と同じとし、また、逆方向充電時間（ｔ３〜ｔ４）も、電流測定時の充電時間ｔ（ｔ１〜ｔ２）と同じとすることが好ましい。

別の実施形態として、図１の電流測定装置と同じ回路構成にて、被測定抵抗体Ｒｘの絶縁抵抗をも測定することができる。

すなわち、被測定抵抗体Ｒｘに印加される電圧をＶ１，被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流をｉとして、被測定抵抗体Ｒｘの絶縁抵抗値ＲはＶ１／ｉで表される。上記の実施形態に係る電流測定装置によれば、被測定抵抗体Ｒｘに流れる電流ｉがｉ＝Ｃ×Ｖｏ／ｔにより求められることから、上記電流測定装置と同じ回路構成で、被測定抵抗体Ｒｘの絶縁抵抗値ＲをＶ１×ｔ／（Ｃ×Ｖｏ）として測定することができる。

なお、被測定抵抗体Ｒｘに印加される電圧Ｖ１は、直流電圧源１０の発生電圧であってもよいし、図示しない電圧測定部により測定される被測定抵抗体Ｒｘの端子間電圧を用いてもよい。

この絶縁抵抗測定においても、制御部５０により、図２のタイミングチャートにしたがって、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を所定の順序でオンオフ制御することにより、電流測定時と同様に、積分用コンデンサ２２を逆充電することができる。

上記各実施形態によれば、電流測定後もしくは絶縁抵抗測定後で、積分用コンデンサ２２に蓄積された充電電荷を放電した後に、積分用コンデンサ２２に対して、電流測定時もしくは絶縁抵抗測定時と同じ電流値で、かつ、同じ時間だけ逆方向に充電を行うようにしたことにより、積分用コンデンサ２２における誘電吸収現象も逆方向に発生して打ち消し合うことになる。

したがって、自動検査機等に搭載され、電流測定や絶縁抵抗測定を繰り返し行っても、積分用コンデンサ固有の誘電吸収現象による測定誤差を排除することができる。また、積分用コンデンサを選択するにあたって、その誘電吸収の大小に余り気を使う必要がなく、積分用コンデンサの選択の自由度が高められる。

なお、上記各実施形態では、積分用コンデンサに対して電流測定時もしくは絶縁抵抗測定時と同じ電流値で、かつ、同じ時間だけ逆方向に充電するようにしているが、積分用コンデンサに対する逆充電は、電流測定時もしくは絶縁抵抗測定時に充電された電荷と同じ電荷量を充電すればよいことから、一例として、逆充電電流ｉｒを測定時の電流ｉの２倍とし、逆充電時間を測定時の１／２にしてもよい。

１０ 直流電圧源
２０ 積分型電流電圧変換回路
２１ 演算増幅器
２１ａ，２１ｂ 入力端子
２１ｃ 出力端子
２２ 積分用コンデンサ
３０ 放電回路
３１ 抵抗素子
４０ 逆充電用の直流電流源
５０ 制御部
Ｒｘ 被測定抵抗体
ＳＷ１〜ＳＷ３ スイッチ

Claims (5)

1. 演算増幅器の一方の入力端子と出力端子との間の帰還回路に積分用コンデンサを有する積分型の電流電圧変換回路と、直流電圧源とを含み、上記直流電圧源と上記演算増幅器の一方の入力端子との間に被測定抵抗体を接続し、上記積分用コンデンサに充電される電荷に応じて上記演算増幅器の出力端子に現れる出力電圧に基づいて上記被測定抵抗体が備える所定の素子特性を測定する電気測定装置において、
   上記直流電圧源より上記被測定抵抗体に所定の電圧を印加して上記被測定抵抗体の素子特性を測定した後に、上記積分用コンデンサを上記素子特性の測定時とは逆方向に充電する逆充電用の直流電流源を備えており、
   上記演算増幅器の一方の入力端子側に上記被測定抵抗体を選択的に接続する第１スイッチが設けられ、上記積分用コンデンサに対して抵抗素子および第２スイッチを直列に接続してなる放電回路が並列的に接続されているとともに、上記逆充電用の直流電流源は、第３スイッチを介して上記積分用コンデンサの上記演算増幅器の一方の入力端子側の極と接地との間に接続されており、
   少なくとも上記第１，第２および第３スイッチを制御する制御部をさらに備え、上記制御部は、上記第１スイッチをオフ，上記第２スイッチをオンとした状態から、
   第１ステップとして、上記第１スイッチをオン，上記第２スイッチをオフにして、上記直流電圧源より上記被測定抵抗体に所定の電圧を印加して上記被測定抵抗体の素子特性を測定し、
   その後、第２ステップとして、上記第１スイッチをオフ，上記第２スイッチをオンにして、上記積分用コンデンサに充電された電荷を上記放電回路により放電させ、
   その後、第３ステップとして、上記第２スイッチをオフ，上記第３スイッチをオンにして、上記逆充電用の直流電流源により上記積分用コンデンサを上記素子特性の測定時とは逆方向に充電し、
   その後、第４ステップとして、上記第２スイッチをオン，上記第３スイッチをオフにして上記第３ステップで上記積分用コンデンサに逆充電された電荷を上記放電回路により放電させることを特徴とする電気測定装置。
2. 上記第３ステップでの逆充電時における上記積分用コンデンサへの充電電荷量は、上記第１ステップでの素子特性の測定時における上記積分用コンデンサへの充電電荷量と同じとすることを特徴とする請求項１に記載の電気測定装置。
3. 上記第３ステップでの逆充電時における電流値および充電時間は、上記第１ステップでの素子特性の測定時における電流値および測定時間と同じとすることを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
4. 当該電気測定装置で測定される上記被測定抵抗体の素子特性が電流値であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気測定装置。
5. 当該電気測定装置で測定される上記被測定抵抗体の素子特性が絶縁抵抗値であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気測定装置。

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