JP2010025667A - 並列抵抗測定方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容量性被試験デバイスに直流を印加して等価並列抵抗の値を求めることができ、装置の規模を小さくしてコストダウンを図る並列抵抗計測方法及びその装置に提供する。
【解決手段】充電回路を用いて容量性被試験デバイスを所定の充電電流で所定の充電期間だけ充電する。充電期間の中間地点における等価容量の両端電圧を第1中間電圧Vmidとして計測する。充電期間の終了時点における等価容量の両端電圧を充電終了電圧Vc-endとして計測する。充電終了電圧Vc-endの1/2を第2中間電圧Vhalfとして算出する。次に、第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとの差分電圧Vdm(=Vmid−Vhalf)を求める。そして、予め定められた等価容量の静電容量に対応する等価並列抵抗の抵抗値及び差分電圧Vdmの関係から、上記算出した差分電圧Vdmに対応する等価並列抵抗の抵抗値を求める。
【選択図】図4
【解決手段】充電回路を用いて容量性被試験デバイスを所定の充電電流で所定の充電期間だけ充電する。充電期間の中間地点における等価容量の両端電圧を第1中間電圧Vmidとして計測する。充電期間の終了時点における等価容量の両端電圧を充電終了電圧Vc-endとして計測する。充電終了電圧Vc-endの1/2を第2中間電圧Vhalfとして算出する。次に、第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとの差分電圧Vdm(=Vmid−Vhalf)を求める。そして、予め定められた等価容量の静電容量に対応する等価並列抵抗の抵抗値及び差分電圧Vdmの関係から、上記算出した差分電圧Vdmに対応する等価並列抵抗の抵抗値を求める。
【選択図】図4
Description
本発明は、並列抵抗測定方法及びその装置に係り、特に、容量性素子の等価容量に並列接続された等価並列抵抗の値を測定するための並列抵抗測定方法に関するものである。
上述したコンデンサとしてみなせる容量性素子としての容量性被試験デバイス10は、一般的に、図7に示すような回路で等価される。同図に示すように、容量性被試験デバイス10は、その等価容量Cの他にこの等価容量Cに並列接続された等価並列抵抗Rp、等価容量Cに直列接続された等価直列抵抗Rs、及び、等価容量Cに直列接続されたインダクタンスLが等価的に発生する。上述した容量性被試験デバイス10を構成する等価容量C、等価並列抵抗Rp、等価直列抵抗Rs、及び、インダクタンスLは、容量性被試験デバイス10に内蔵されているため直接測定することができない。
ところで、上述した容量性被試験デバイス10の一例として、電気化学式COセンサが知られている。この電気化学式COセンサは、燃焼器具の不完全燃焼等によるCOガスを検出し警報するCO警報器に内蔵されている。そして、電気化学式COセンサは、上述したようにコンデンサとみなすことができ、例えば、その放電電流波形から故障の判断を行うことができる。よって、このCO警報器を設計する際に、容量性被試験デバイス10としての電気化学式COセンサを構成する等価容量C、等価並列抵抗Rp、及び、等価直列抵抗Rsの値を求める必要がある。
従来、上述した容量性被試験デバイス10の等価容量C、等価並列抵抗Rp、等価直列抵抗Rs、及び、インダクタンスLを求める装置として、LCRメータが知られている(特許文献1、2)。LCRメータは、容量性被試験デバイス10に対して印加する交流電圧と、その応答信号と、によりcole-cole-plot法などを用いインピーダンスの周波数特性を求め、求めたインピーダンスの周波数特性から容量性被試験デバイス10の等価容量C、等価並列抵抗Rp、等価直列抵抗Rs、及び、インダクタンスLを求めるものである。
特開平6−308176号公報
特公平6−52282号公報
しかしながら、上述したLCRメータは、容量性被試験デバイス10に交流電圧を印加する必要があり、簡単に容量性被試験デバイス10の等価容量C、等価並列抵抗Rp、及び、等価直列抵抗Rsを求めるものではない。このため、装置の規模が大きくなり、コスト的には小さなものではない。
そこで、本発明は、上記のような課題に着目し、容量性素子に直流を印加して等価並列抵抗の抵抗値を求めることにより、装置の規模を小さく、少ない経費で並列抵抗測定方法及びその装置を成立させることを課題とする。
上記課題を解決するためになされた請求項1記載の発明は、容量性素子の等価容量に並列接続された等価並列抵抗の抵抗値を測定するための並列抵抗測定方法であって、所定の充電電流で所定の充電期間だけ前記容量性素子を充電する工程と、前記充電期間の中間地点における前記等価容量の両端電圧を第1中間電圧として計測する工程と、前記充電期間の終了時点における前記等価容量の両端電圧を充電終了電圧として計測する工程と、前記充電終了電圧の1/2の電圧を第2中間電圧として算出する工程と、前記第1中間電圧及び前記第2中間電圧の差分電圧を算出する工程と、予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係から、前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の値を求める工程と、を備えたことを特徴とする並列抵抗測定方法に存する。
請求項2記載の発明は、前記容量性素子を第1放電抵抗に接続して放電する工程と、放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第1放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第1放電抵抗による放電での第1時定数として求める工程と、前記容量性素子を第2放電抵抗に接続して放電する工程と、放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第2放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第2放電抵抗による放電での第2時定数として求める工程と、下記に示す式(1)及び式(2)の連立方程式を解いて前記等価容量の静電容量を求める工程と、をさらに備え、
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記等価並列抵抗の抵抗値を求める工程において、予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係から、前記求めた等価容量の静電容量、及び、前記算出した差分電圧、に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求めることを特徴とする請求項1に記載の並列抵抗測定方法に存する。
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記等価並列抵抗の抵抗値を求める工程において、予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係から、前記求めた等価容量の静電容量、及び、前記算出した差分電圧、に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求めることを特徴とする請求項1に記載の並列抵抗測定方法に存する。
請求項3記載の発明は、容量性素子の等価容量に並列接続された等価並列抵抗の抵抗値を測定するための並列抵抗測定装置であって、前記容量性素子に充電電流を供給する定電流源と、前記容量性素子に対する充電電流の供給をオンオフする充電スイッチ素子と、前記スイッチ素子を制御して所定の充電期間だけ前記容量性素子に前記充電電流を供給する充電スイッチ制御手段と、前記充電期間の中間地点における前記等価容量の両端電圧を第1中間電圧として計測する第1中間電圧計測手段と、前記充電期間の終了時点における前記等価容量の両端電圧を充電終了電圧として計測する充電終了電圧計測手段と、前記充電終了電圧の1/2の電圧を第2中間電圧として算出する第2中間電圧算出手段と、前記第1中間電圧及び前記第2中間電圧の差分電圧を算出する差分電圧算出手段と、予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記関係から、前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求める並列抵抗算出手段と、を備えたことを特徴とする並列抵抗測定装置に存する。
請求項4記載の発明は、前記容量性素子を放電する互いに並列接続された第1放電抵抗及び第2放電抵抗と、前記容量性素子と前記第1放電抵抗及び前記第2放電抵抗との間に設けられた放電スイッチ素子と、前記放電スイッチ素子を制御して前記容量性素子を前記第1放電抵抗に接続して放電する第1放電スイッチ制御手段と、放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第1放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第1放電抵抗による放電での第1時定数として求める第1時定数算出手段と、前記放電スイッチ素子を制御して前記容量性素子を前記第2放電抵抗に接続して放電する第2放電スイッチ制御手段と、放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第2放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第2放電抵抗による放電での第2時定数として求める第2時定数算出手段と、下記に示す式(1)及び式(2)の連立方程式を解いて前記等価容量の静電容量を求める等価容量算出手段と、をさらに備え、
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記並列抵抗算出手段が、前記記憶手段に記憶された前記関係から、前記求めた等価容量の静電容量及び前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求めることを特徴とする請求項3に記載の並列抵抗測定装置に存する。
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記並列抵抗算出手段が、前記記憶手段に記憶された前記関係から、前記求めた等価容量の静電容量及び前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求めることを特徴とする請求項3に記載の並列抵抗測定装置に存する。
以上説明したように請求項1及び3記載の発明によれば、容量性素子に直流を印加して等価並列抵抗の値を求めることができ、装置の規模を小さくしてコストダウンを図ることができる。
請求項2及び4記載の発明によれば、容量性素子を放電するだけで簡単に等価容量の値を求めることができ、装置の規模を小さくしてコストダウンを図ることができる。
次に、本発明の並列抵抗測定方法及びその装置について図面を参照して説明する。直流を印加する場合、容量性被試験デバイス10は図1に示すような等価回路に等価することができる。同図に示すように、容量性被試験デバイス10は、等価容量Cと、等価容量Cに対して並列に接続された等価並列抵抗Rpと、等価容量Cに対して直列に接続された等価直列抵抗Rsと、から構成されている。本発明は、直流を印加する回路に限定することにより、インダクタンスL(図7)は、等価直列抵抗Rs、等価並列抵抗Rpに含まれる成分となると考える。
次に、本発明の並列抵抗測定装置1(以下測定装置1)の構成について説明する。図2に示すように、測定装置1は、充電回路2と、放電回路3と、充放電切替スイッチS1と、一対のプレ高速サンプルホールド回路4と、一対のメインサンプルホールド回路5と、差分電圧算出手段としての中間値差分増幅器Ampと、アナログ/デジタル(A/D)変換器6と、コンパレータCPと、タイマーtmと、制御回路7と、表示装置8と、を有している。充電回路2は、定電流源21と、充電スイッチ素子としての充電スイッチS2と、から構成されている。定電流源21は、一定の充電電流ichを出力する電源である。充電スイッチS2は、例えば半導体スイッチなどから構成され、バイアス電圧VB−定電流源21間に設けられている。よって、充電スイッチS2がオンすると、バイアス電圧VBが定電流源21に対して供給され、定電流源21が充電電流ichを出力する。充電スイッチS2がオフすると、定電流源21に対するバイアス電圧VBの供給が遮断され、定電流源21が充電電流ichの出力を停止する。
放電回路3は、第1放電抵抗Rb1と、第2放電抵抗Rb2と、放電スイッチ素子としての放電スイッチS3と、を備えている。第1放電抵抗Rb1及び第2放電抵抗Rb2は各々、上記容量性被試験デバイス10に対して直列に接続されている。また、第1放電抵抗Rb1及び第2放電抵抗Rb2は、互いに並列に接続されている。放電スイッチS3は、半導体スイッチなどから構成され、容量性被試験デバイス10に接続する放電抵抗を第1放電抵抗Rb1及び第2放電抵抗Rb2の間で切り替えるスイッチである。よって、放電スイッチS3の接点が第1放電抵抗Rb1側に接続されると、容量性被試験デバイス10が第1放電抵抗Rb1によって放電される。一方、放電スイッチS3の接点が第2放電抵抗Rb2側に接続されると、容量性被試験デバイス10が第2放電抵抗Rb2によって放電される。なお、第1放電抵抗Rb1及び第2放電抵抗Rb2は互いに放電時定数が異なるように設けられている。具体的には、例えば第1放電抵抗Rb1は放電時定数が−1となるように設定され、第2放電抵抗Rb2は放電時定数が−2となるように設定されている。
充放電切替スイッチS1は、容量性被試験デバイス10に接続する回路を充電回路2と放電回路3との間で切り替えるスイッチである。よって、充放電切替スイッチS1の接点が充電回路2側に接続されると、容量性被試験デバイス10が定電流源21から出力される充電電流ichにより充電される。これに対して、充放電切替スイッチS1の接点が放電回路3側に接続されると、容量性被試験デバイス10が第1放電抵抗Rb1又は第2放電抵抗Rb2により放電される。
次に、プレ高速サンプルホールド回路4、メインサンプルホールド回路5、中間値差分増幅器Amp、A/D変換器6、コンパレータCP、制御回路7及び表示装置8の構成について説明する前に、上記等価容量Cの静電容量及び等価直列抵抗Rsの抵抗値の測定方法について図3を参照して説明する。本実施形態では、放電時定数を利用して等価容量Cの静電容量及び等価直列抵抗Rsの抵抗値を求める。本実施形態では、これを「放電試験法」と称する。
放電開始時の等価容量Cの両端電圧Vcを放電開始電圧Vc-stとしたときのCR放電の放電時間tdと等価容量Cの両端電圧Vcとの関係は下記の式(3)で表すことができる。
Vc=Vc-st×e-td/(C×R) …(3)
一般に、CR直列回路の時定数Tは下記の式(4)で表すことができる。
T=C×R …(4)
また、放電時間tdと時定数Tとが等しいとき(td=T)上記式(3)は、下記の式(5)に示すようになる。
Vc=Vc-st×e-1 …(5)
e-1≒0.368なので、放電時間td=Tのときの等価容量Cの両端電圧Vcは放電開始時の放電開始電圧Vc-stの0.368倍になる。
Vc=Vc-st×e-td/(C×R) …(3)
一般に、CR直列回路の時定数Tは下記の式(4)で表すことができる。
T=C×R …(4)
また、放電時間tdと時定数Tとが等しいとき(td=T)上記式(3)は、下記の式(5)に示すようになる。
Vc=Vc-st×e-1 …(5)
e-1≒0.368なので、放電時間td=Tのときの等価容量Cの両端電圧Vcは放電開始時の放電開始電圧Vc-stの0.368倍になる。
そこで、2種類の第1、第2放電抵抗Rb1、Rb2を用いてそれぞれ放電を行い、図3に示すように、放電開始してから両端電圧Vcが放電開始電圧Vc-stの0.368倍となるまでの時間t1、t2をそれぞれ計測する。上述したように時間t1は、下記の式(6)に示すように、第1放電抵抗Rb1で放電したときの第1時定数(Rs+Rb1)×Cに相当する。また、時間t2は、下記の式(7)に示すように、第2放電抵抗Rb2で放電したときの第2時定数(Rs+Rb2)×Cに相当する。
t1=(Rs+Rb1)×C …(6)
t2=(Rs+Rb2)×C …(7)
ここで、時間t1、t2は測定結果であり、第1、第2放電抵抗Rb1、Rb2も既知であるから、上記式(6)、(7)の連立方程式を解けば、等価直列抵抗Rsの抵抗値と等価容量Cの静電容量を求めることができる。上記から明らかなように式(6)及び(7)が請求項中の式(1)及び(2)に相当する。
t1=(Rs+Rb1)×C …(6)
t2=(Rs+Rb2)×C …(7)
ここで、時間t1、t2は測定結果であり、第1、第2放電抵抗Rb1、Rb2も既知であるから、上記式(6)、(7)の連立方程式を解けば、等価直列抵抗Rsの抵抗値と等価容量Cの静電容量を求めることができる。上記から明らかなように式(6)及び(7)が請求項中の式(1)及び(2)に相当する。
上述した放電開始電圧Vc-stは容量性被試験デバイス10の内部である等価容量Cの放電開始時の両端電圧であるため、直接測定することができない。そこで、放電開始時の容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevを上記放電開始電圧Vc-stの代替電圧として用い、放電時における任意時点の両端電圧Vdevを放電時における任意時点の等価容量Cの両端電圧Vcの代替電圧として用いる。第1放電抵抗Rb1による放電時において、両端電圧Vcと両端電圧Vdevとの関係は下記の式(8)に示すようになる。
Vdev=Vc×{Rb1/(Rs+Rb1)} …(8)
また、第2放電抵抗Rb2による放電時において、両端電圧Vcと両端電圧Vdevとの関係は下記の式(9)に示すようになる。
Vdev=Vc×{Rb2/(Rs+Rb2)} …(9)
Vdev=Vc×{Rb1/(Rs+Rb1)} …(8)
また、第2放電抵抗Rb2による放電時において、両端電圧Vcと両端電圧Vdevとの関係は下記の式(9)に示すようになる。
Vdev=Vc×{Rb2/(Rs+Rb2)} …(9)
等価直列抵抗Rs、第1放電抵抗Rb1、第2放電抵抗Rb2を固定値とすれば、その分圧比は一定であり、等価容量Cの両端電圧Vcと両端電圧Vdevとは比例関係にある。よって、放電開始時の容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevを上記等価容量Cの放電開始電圧Vc-stの代替電圧とし、放電時における任意時点の両端電圧Vdevを放電時における任意時点の等価容量Cの両端電圧Vcの代替電圧として計測した時間t1、t2を第1、第2時定数とすることが可能である。
次に、上述した構成の測定装置1を用いた等価並列抵抗Rpの抵抗値の測定方法について図4を参照して説明する。本実施形態では、充電特性を利用して等価並列抵抗Rpの抵抗値を求める。今、容量性被試験デバイス10を、一定の充電電流ich=25mAでtde=0.5秒間、充電したとする。このとき、等価並列抵抗Rpの存在がなければ、充電終了後の等価容量Cの両端電圧Vc-end´は、下記の式(10)に示すようになる。なお、等価容量Cの静電容量を0.5mFとする。
Vc-end´=(ich×tde)/C
=(2.5mA×0.5)/5mF=0.25V …(10)
Vc-end´=(ich×tde)/C
=(2.5mA×0.5)/5mF=0.25V …(10)
即ち、等価並列抵抗Rpの存在がなければ等価容量Cの両端電圧の上昇は、図4中の二点鎖線に示すように直線的に上昇して両端電圧Vc-end´に達する。しかしながら、実際には並列等価抵抗Rpが存在しているため、充電電流ichは、等価容量Cに流れる充電電流icと等価並列抵抗Rpに流れるirpとに分流する(ich=ic+irp)。その結果、等価並列抵抗Rpに分流した電流irp分だけ、等価容量Cに流れる電流icが減少し、等価並列抵抗Rpの存在があるときの充電終了後の等価容量Cの両端電圧である充電終了電圧Vc-endは、下記の式(11)に示すように、上記両端電圧Vc-end´よりもΔα分小さくなる。
Vc-end=Vc-end´−Δα …(11)
Vc-end=Vc-end´−Δα …(11)
式(10)で示したように、等価並列抵抗Rpが存在していないときの充電終了後の等価容量Cの両端電圧Vc-end´は、0.25Vである。等価並列抵抗Rp=10kΩのときの充電終了時点での等価並列抵抗Rpに流れる電流irpは、下記の式(12)で表される。
irp=Vc-end´/Rp=0.25V/10kΩ=25μA …(12)
irp=Vc-end´/Rp=0.25V/10kΩ=25μA …(12)
この充電終了時点での等価並列抵抗Rpに流れる電流irp=25μAは、定電流ich=25mAの1/100であり、ich>>irpであるから、充電開始から充電終了までの間に等価並列抵抗Rpには図4中の二点鎖線で示すように、両端電圧Vc-end´まで直線的に上昇する電圧が印加されるとみなせる。よって、充電開始から充電終了までの間に等価並列抵抗Rpに印加される電圧の平均値Vave、充電開始から充電終了までの間に等価並列抵抗Rpに流れる電流の平均値Iaveはそれぞれ、下記の式(13)、(14)で表される。
Vave=Vc-end´/2=0.25/2=0.125 …(13)
Iave=Vave/Rp …(14)
Vave=Vc-end´/2=0.25/2=0.125 …(13)
Iave=Vave/Rp …(14)
即ち、等価並列抵抗Rpがある場合の充電終了後の等価容量Cの両端電圧である充電終了電圧Vc-endは、両端電圧Vc-end´に比べて等価並列抵抗Rpに平均値Iaveの電流が流れる分である下記の式(15)に示すΔαだけ減少する。
Δα≒(Iave×tde)/C
Vc-end´−Vc-end≒{(Vave/Rp)×tde}/C
≒[{(Vc-end´/2)/Rp}×tde]/C
≒[{(0.25V/2)/Rp}×0.5]/C …(15)
Δα≒(Iave×tde)/C
Vc-end´−Vc-end≒{(Vave/Rp)×tde}/C
≒[{(Vc-end´/2)/Rp}×tde]/C
≒[{(0.25V/2)/Rp}×0.5]/C …(15)
上述した両端電圧Vc-end´は、式(10)に示すように、充電電流ich、充電時間tde、等価容量Cの静電容量から求めることができる。また、充電終了後の容量性被試験デバイス10の両端電圧を充電終了電圧Vc-endとして求めることができる。よって、等価容量Cの静電容量を正確に捉えることができるならば、原理的には式(15)を変形した下記の式(16)によって等価並列抵抗Rpの抵抗値を求めることができる。
Rp=[{(Vc-end´/2)×tde}/C]/(Vc-end´−Vc-end) …(16)
Rp=[{(Vc-end´/2)×tde}/C]/(Vc-end´−Vc-end) …(16)
しかしながら、Rp=10kΩ、C=5mFとすると式(15)より、Δα=125μVとなる。このΔα=125μVを測定するためには、Δα/Vc-end´=125μV/0.25=0.05%のさらに何倍もの精度の容量測定ができなければ、等価並列抵抗Rpを正確に求めることができない。しかしながら、例えば上述したような「放電試験法」などを用いて等価容量Cの静電容量を0.05%で安定して測定することは困難である。そこで、本実施形態では、下記に示す「中間値差分法」を用いて等価並列抵抗Rpの抵抗値を算出する。
次に、上述した「中間値差分法」の原理について説明する。まず、本発明者は、下記に示す算出式を用いて、等価並列抵抗Rpが存在する場合における任意の充電時間tdに対する等価容量Cの両端電圧Vcについて求めた。即ち、等価並列抵抗Rpに流れる電流irpは、下記の式(17)で求めることができる。
irp=Vc/Rp …(17)
等価容量Cに流れる電流icは、下記の式(18)で求めることができる。
ic=ich−irp …(18)
よって、単位時間dt当たりの等価容量Cの両端電圧Vcの増加量dvcは下記の式(19)で求めることができる。
dvc=(ic×dt)/C …(19)
irp=Vc/Rp …(17)
等価容量Cに流れる電流icは、下記の式(18)で求めることができる。
ic=ich−irp …(18)
よって、単位時間dt当たりの等価容量Cの両端電圧Vcの増加量dvcは下記の式(19)で求めることができる。
dvc=(ic×dt)/C …(19)
従って、単位時間dt経過後の両端電圧Vcfは、下記の式(20)に示すように、単位時間dt経過前の両端電圧Vcbに対して増加量dvcだけ増加している。
Vcf=Vcb+dvc …(20)
充電開始前の等価容量Cの両端電圧Vc=0として充電開始から充電終了まで式(20)による積分を繰り返して、任意の充電時間tdに対する等価容量Cの両端電圧Vcを求めることができる。結果、等価並列抵抗Rpが存在する場合における任意の充電時間tdに対する等価容量Cの両端電圧Vcは、図4中の実線で示すようになる。
Vcf=Vcb+dvc …(20)
充電開始前の等価容量Cの両端電圧Vc=0として充電開始から充電終了まで式(20)による積分を繰り返して、任意の充電時間tdに対する等価容量Cの両端電圧Vcを求めることができる。結果、等価並列抵抗Rpが存在する場合における任意の充電時間tdに対する等価容量Cの両端電圧Vcは、図4中の実線で示すようになる。
図4中の実線で示すように、両端電圧Vcは上に凸となる曲線形状となる。ただし、図4は、本実施形態の理解を得るために誇張してあり、実際にはRp=10kΩでは目視で確認できるほどの曲率は発生しない。そこで、曲率を目視確認できるようにRp=200Ωとあえて小さな値を用いている。この説明からも明らかなように、図4中の実線で示す両端電圧Vcの曲線は、等価並列抵抗Rpの抵抗値が小さくなるに従って曲率が大きくなることが分かる。
よって、図4に示す第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとの差である差分電圧Vdmは、等価並列抵抗Rpの抵抗値と相関関係があることが分かる。なお、第1中間電圧Vmidは、図4中の実線で示すように充電期間の中間地点(td=0.25秒)での両端電圧Vcに相当する。第2中間電圧Vhalfは、図4中の一点鎖線で示すように両端電圧Vcが充電終了電圧Vc-endまで直線的に上昇したときの充電期間の中間地点での両端電圧Vc、即ち、充電終了電圧Vc-endの1/2に相当する。そこで、本実施形態では、図5に示すように、各静電容量(図5に示す例では、2、3、4、5、6、7、8、9、10(mF)における等価並列抵抗Rpの抵抗値と差分電圧Vdmとの関係を上記式(17)〜(20)の算出式を用いて予めシミュレーションにより計測して、記憶しておく。そして、上記図5に示す関係と、実際に容量性被試験デバイス10を充電して測定した差分電圧Vdmと、から等価並列抵抗Rpの抵抗値を求める。
次に、話を測定装置1の構成に戻して、プレ高速サンプルホールド回路4、メインサンプルホールド回路5、中間値差分増幅器Amp、A/D変換器6、コンパレータCP、制御回路7及び表示装置8の構成について説明する。一対のプレ高速サンプルホールド回路4は各々、容量性被試験デバイス10の両端電圧を一時的にホールドするプレホールドコンデンサ(図示せず)などから構成されている。このプレホールドコンデンサとしては、短時間で容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevに近い電圧となる小さな容量のものが用いられている。また、一対のプレ高速サンプルホールド回路4の一方は、充電開始から予め定めた充電期間の中間地点における容量性被試験デバイス10の両端電圧、即ち上記第1中間電圧Vmidがホールドされる。一方、一対のプレ高速サンプルホールド回路4の他方は、予め定めた充電期間の終了地点における容量性被試験デバイス10の両端電圧、即ち上記充電終了電圧Vc-endがホールドされる。
一対のメインサンプルホールド回路5は、プレホールドコンデンサの両端電圧を一時的にホールドするメインホールドコンデンサ(図示せず)などから構成されている。このメインホールドコンデンサとしては、長時間、電圧をホールドできる大きな容量のものが用いられている。容量性被試験デバイス10は、一旦プレホールドコンデンサにホールドされた後にメインホールドコンデンサに移される。このようにプレホールドコンデンサとメインホールドコンデンサとを組み合わせることにより、容量性被試験デバイス10の両端電圧を短時間に取り込んだ後に、メインサンプルホールド回路5にそれなりの時間をかけて取り込み、長時間、ホールドすることができる。上記一対のメインサンプルホールド回路5のうち一方は、第1中間電圧Vmidがホールドされたプレ高速サンプルホールド回路4に接続され、上記第1中間電圧Vmidがホールドされる。一方、一対のメインサンプルホールド回路5のうち他方は、充電終了電圧Vc-endがホールドされたプレ高速サンプルホールド回路4に接続され、上記充電終了電圧Vc-endがホールドされる。
上記中間値差分増幅器Ampは、メインサンプルホールド回路5の一方に接続されて第1中間電圧Vmidが供給されている。また、中間値差分増幅器Ampは、メインサンプルホールド回路5にホールドされた充電終了電圧Vc-endを互いに等しい一対の分圧抵抗Rで分圧して得た第2中間電圧Vhalf(=Vc-end/2)が供給されている。この一対の分圧抵抗Rが、請求項中の第2中間電圧算出手段として働く。中間値差分増幅器Ampは、それぞれ供給された第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとの差分電圧Vdmを増幅して後述するA/D変換器6に対して出力する。A/D変換器6は、中間地差分増幅器Ampから出力された差分電圧VdmをA/D変換して、制御回路7に対して出力する変換器である。コンパレータCPには、上記メインホールドコンデンサにホールドされた放電開始時の両端電圧Vdevである放電開始電圧Vc-stを分圧抵抗により分圧して0.368倍した放電開始電圧Vc-st×0.368と、両端電圧Vdevと、が入力されている。コンパレータCPは、両端電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368を下回ると、その旨を後述するタイマーtmに対して出力する。
タイマーtmは、後述する制御回路7からのreset信号によって0からカウントを開始する。タイマーtmは、コンパレータCPから、両端電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368を下回った旨の信号を受け取るとカウントを停止して、そのカウント値である時間t1、t2を制御回路7に対して出力する。
上記制御回路7は、例えば各種デジタル素子やマイクロコンピュータなどから構成されている。制御回路7は、測定装置1全体の制御を司り、上述した充放電切替スイッチS1、充電スイッチS2、放電スイッチS3、プレ高速サンプルホールド回路4、メインサンプルホールド回路5、タイマーtm、A/D変換器6及びコンパレータCPを制御する。制御回路7は、A/D変換器6から出力された差分電圧Vdmや、タイマーtmのカウント値である時間t1、t2に基づいて容量性被試験デバイス10の等価容量C、等価並列抵抗Rp、等価直列抵抗Rsを算出して、算出した等価容量C、等価並列抵抗Rp、等価直列抵抗Rsを表示装置8に表示させる。
次に、上述した測定方法を実施する測定装置1の動作について図6を参照して以下説明する。まず、制御回路7は、充電スイッチ制御手段として働き、充放電切替スイッチS1を制御してその接点を充電回路2側に接続すると共に充電スイッチS2をオンして定電流源21にバイアス電圧VBを供給する。これにより、容量性被試験デバイス10に充電電流ichが供給され、容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevが上昇する。なお、図6(a)中の電圧Vaは、等価直列抵抗Rsに充電電流ichが流れることにより生じる電圧降下分である(Va=Rs×ich)。
制御回路7は、充電開始から予め定めた充電期間の中間地点に達したと判断すると、充電スイッチS2をオフする。これにより、容量性被試験デバイス10に対する充電が停止されて、電圧Vaだけ等価容量Cの両端電圧Vdevが減少する。充電停止時は等価直列抵抗Rsに電圧降下が生じないため、容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevは等価容量Cの両端電圧Vcに等しい。よって、このときの容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevを上述した第1中間電圧Vmidとして取り込むことができる。
そして、制御回路7は、プレ高速サンプルホールド回路4に対してホールドトリガを出力してプレホールドコンデンサに等価容量Cの両端電圧Vdev、即ち第1中間電圧Vmidをホールドさせる(図6(d))。その後、制御回路7は、メインサンプルホールド回路5に対してホールドトリガを出力してプレホールドコンデンサにホールドされた第1中間電圧Vmidをメインホールドコンデンサに移す(図6(e))。以上のことから制御回路7が第1中間電圧計測手段に相当することが明らかである。
制御回路7は、第1中間電圧Vmidをメインサンプルホールド回路5の一方にホールドさせた後に、再び充電スイッチS2をオンして容量性被試験デバイス10に対する充電を再開する。これにより、容量性被試験デバイス10に充電電流ichが供給され、容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevが上昇する。制御回路7は、充電開始から予め定めた充電期間に達したと判断すると、充放電切替スイッチS1及び充電スイッチS2をオフする。これにより、容量性被試験デバイス10に対する充電が停止されて電圧Vaだけ等価容量Cの両端電圧Vdevが減少する。充電停止時は等価直列抵抗Rsに電圧降下が生じていないため、容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevは等価容量Cの両端電圧Vcに等しい。よって、このときの容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevを上述した充電終了電圧Vc-endとして取り込むことができる。
そして、制御回路7は、プレ高速サンプルホールド回路4に対してホールドトリガを出力してプレホールドコンデンサに等価容量Cの両端電圧Vdev、即ち充電終了電圧Vc-endをホールドさせる(図6(f))。その後、制御回路7は、メインサンプルホールド回路5に対してホールドトリガを出力してプレホールドコンデンサにホールドされた充電終了電圧Vc-endをメインホールドコンデンサに移す(図6(g))。以上のことから制御回路7が充電終了電圧計測手段に相当することが明らかである。そして、これにより、中間値差分増幅器Ampに第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとが供給される。中間値差分増幅器Ampは、それぞれ供給された第1中間電圧Vmidと第2中間電圧Vhalfとの差分電圧Vdmを増幅して出力する。次に、制御回路7は、A/D変換器6にA/Dトリガを出力して中間地差分増幅器Ampが出力する差分電圧VdmをA/D変換させた後に、差分電圧Vdmを取り込む。
制御回路7は、差分電圧Vdmを取り込んだ後に、第1放電スイッチ制御手段として働き、充放電切替スイッチS1を制御してその接点を放電回路3側に接続させると共に放電スイッチS3の接点を第1放電抵抗Rb1に接続させる。これにより、容量性被試験デバイス10が第1放電抵抗Rb1により放電されて容量性被試験デバイス10の両端電圧Vdevは充電終了電圧Vc-end、即ち放電開始電圧Vc-stから減少する。また、上述したようにメインサンプルホールド回路5には、すでに充電終了電圧Vc-end、即ち放電開始電圧Vc-stがホールドされている。
また、制御回路7は、第1放電抵抗Rb1の接続と同時にタイマーtmにreset信号を出力してカウントを開始させると共にコンパレータCPを動作させる。上述したようにメインホールドコンデンサには放電開始電圧Vc-stがホールドされているため、コンパレータCPは、電圧Vdevと放電開始電圧Vc-st×0.368とを比較して、電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368を下回るとその旨をタイマーtmに対して出力する。これにより、タイマーtmは、第1放電抵抗Rb1による放電を開始してからコンパレータCPから電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368を下回った旨を受け取るまでの時間をカウントして、時間t1として制御回路7に出力する。
その後、制御回路7は、電圧Vdev=0とみなせるような時間、第1放電抵抗Rb1による放電を継続した後、放電スイッチS3をオフして、放電を終了する。次に、制御回路7は、充放電切替スイッチS1及び充電スイッチS2を制御して、予め定めた充電期間だけ容量性被試験デバイス10を充電する。次に、制御回路7は、第2放電スイッチ制御手段として働き、充放電切替スイッチS1を制御してその接点を放電回路3側に接続させると共に放電スイッチS3の接点を第2放電抵抗Rb2に接続させる。その後、制御回路7は、第1放電抵抗Rb1による放電時と同様にプレ高速サンプルホールド回路4、メインサンプルホールド回路5、タイマーtm及びコンパレータCPを制御して、第2放電抵抗Rb2による放電を開始してからコンパレータCPから電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368を下回った旨を受けたるまでの時間t2をタイマーtmから受け取る。その後、制御回路7は、電圧Vdev=0とみなせるような時間、第1放電抵抗Rb1による放電を継続した後、放電スイッチS3をオフして、放電を終了する。
その後、制御回路7は、等価容量算出手段として働き、上述した放電で求めた時間t1、t2を代入した上記式(6)及び(7)の連立方程式をといて、等価直列抵抗Rsの抵抗値と等価容量Cの静電容量とを求める。次に、制御回路7は、並列抵抗算出手段として働き、図5に示す各静電容量における等価並列抵抗Rpの抵抗値と差分電圧Vdmとの関係から、上記求めた等価容量Cの静電容量と中間値差分増幅器Ampから取り込んだ差分電圧Vdmに対応する等価並列抵抗Rpの抵抗値を求める。制御回路7は、上記求めた等価直列抵抗Rsの抵抗値、等価容量Cの静電容量、等価並列抵抗Rpの抵抗値、を表示装置8に表示して、処理を終了する。
また、上述した測定装置1によれば、容量性被試験デバイス10を第1放電抵抗Rb1に接続して放電し、放電開始から電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368倍になるまでの時間を時間t1として求め、容量性被試験デバイス10を第2放電抵抗Rb2に接続して放電し、放電開始から電圧Vdevが放電開始電圧Vc-st×0.368倍になるまでの時間を時間t2として求め、求めた時間t1、t2を代入した式(6)及び(7)の連立方程式を解いて、等価容量Cの静電容量及び等価直列抵抗Rsの抵抗値を求めている。これにより、容量性被試験デバイス10を放電するだけで簡単に等価容量Cの値を求めることができ、装置の規模を小さくしてコストダウンを図ることができる。
上述した測定装置1によれば、充電電流ichで所定の充電期間だけ容量性被試験デバイス10を充電し、充電期間の中間地点における等価容量Cの両端電圧Vcを第1中間電圧Vmidとして計測し、充電期間の終了時点における等価容量Cの両端電圧Vcを充電終了電圧Vc-endとして計測し、充電終了電圧Vc-endの1/2の電圧を第2中間電圧Vhalfとして算出し、計測した第1中間電圧Vmidと算出した第2中間電圧Vhalfとの差分電圧Vdmを算出し、予め求められる等価容量Cの静電容量に対する等価並列抵抗Rpの抵抗値と差分電圧Vdmの電圧値との関係から、上記求めた等価容量Cの静電容量及び差分電圧Vdmに対応する等価並列抵抗Rpの抵抗値を求めている。これにより、容量性被試験デバイス10に直流を印加して等価並列抵抗Rpの値を求めることができ、装置の規模を小さくしてコストダウンを図ることができる。
なお、上述した実施形態では、式(6)及び式(7)の連立方程式を解いて、並列直列抵抗Rsを求めていた。しかしながら、本発明はこれに限ったものではない。図6に示すように、充電開始時に電圧Vdevに生じる電圧Vaは、下記の式(21)に示すように、並列直列抵抗Rsに充電電流ichが流れることにより生じる電圧降下分である。
Va=Rs×ich …(21)
よって、電圧Vaを測定して式(21)を用いて並列直列抵抗Rsを求めるようにしてもよい。
Va=Rs×ich …(21)
よって、電圧Vaを測定して式(21)を用いて並列直列抵抗Rsを求めるようにしてもよい。
また、上記式(21)にて並列直列抵抗Rsを求めた場合、上述した実施形態のように2種類の放電抵抗による放電を2回行わずに、1回の放電で得た例えば式(6)又は(7)に式(21)で求めた並列直列抵抗Rsの抵抗値を代入して等価容量Cの静電容量を求めてもよい。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1 並列抵抗測定装置
7 制御回路(充電スイッチ制御手段、第1中間電圧計測手段、充電終了電圧計測手段、第2中間電圧算出手段、並列抵抗算出手段、第1放電スイッチ制御手段、第2放電スイッチ制御手段、等価容量算出手段)
21 定電流源
C 等価容量
10 容量性被試験デバイス(容量性素子)
Amp 中間値差分増幅器(差分電圧算出手段)
R1 第1放電抵抗
R2 第2放電抵抗
Rp 等価並列抵抗
Rs 等価直列抵抗
S2 充電スイッチ(充電スイッチ素子)
S3 放電スイッチ(放電スイッチ素子)
tm タイマー(第1時定数算出手段、第2時定数算出手段)
R 分圧抵抗(第2中間電圧算出手段)
Vc-end 充電終了電圧
Vmid 第1中間電圧
Vhalf 第2中間電圧
Vdm 差分電圧
7 制御回路(充電スイッチ制御手段、第1中間電圧計測手段、充電終了電圧計測手段、第2中間電圧算出手段、並列抵抗算出手段、第1放電スイッチ制御手段、第2放電スイッチ制御手段、等価容量算出手段)
21 定電流源
C 等価容量
10 容量性被試験デバイス(容量性素子)
Amp 中間値差分増幅器(差分電圧算出手段)
R1 第1放電抵抗
R2 第2放電抵抗
Rp 等価並列抵抗
Rs 等価直列抵抗
S2 充電スイッチ(充電スイッチ素子)
S3 放電スイッチ(放電スイッチ素子)
tm タイマー(第1時定数算出手段、第2時定数算出手段)
R 分圧抵抗(第2中間電圧算出手段)
Vc-end 充電終了電圧
Vmid 第1中間電圧
Vhalf 第2中間電圧
Vdm 差分電圧
Claims (4)
- 容量性素子の等価容量に並列接続された等価並列抵抗の抵抗値を測定するための並列抵抗測定方法であって、
所定の充電電流で所定の充電期間だけ前記容量性素子を充電する工程と、
前記充電期間の中間地点における前記等価容量の両端電圧を第1中間電圧として計測する工程と、
前記充電期間の終了時点における前記等価容量の両端電圧を充電終了電圧として計測する工程と、
前記充電終了電圧の1/2の電圧を第2中間電圧として算出する工程と、
前記第1中間電圧及び前記第2中間電圧の差分電圧を算出する工程と、
予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係から、前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の値を求める工程と、
を備えたことを特徴とする並列抵抗測定方法。 - 前記容量性素子を第1放電抵抗に接続して放電する工程と、
放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第1放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第1放電抵抗による放電での第1時定数として求める工程と、
前記容量性素子を第2放電抵抗に接続して放電する工程と、
放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第2放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第2放電抵抗による放電での第2時定数として求める工程と、
下記に示す式(1)及び式(2)の連立方程式を解いて前記等価容量の静電容量を求める工程と、をさらに備え、
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記等価並列抵抗の抵抗値を求める工程において、予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係から、前記求めた等価容量の静電容量、及び、前記算出した差分電圧、に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求める
ことを特徴とする請求項1に記載の並列抵抗測定方法。 - 容量性素子の等価容量に並列接続された等価並列抵抗の抵抗値を測定するための並列抵抗測定装置であって、
前記容量性素子に充電電流を供給する定電流源と、
前記容量性素子に対する充電電流の供給をオンオフする充電スイッチ素子と、
前記スイッチ素子を制御して所定の充電期間だけ前記容量性素子に前記充電電流を供給する充電スイッチ制御手段と、
前記充電期間の中間地点における前記等価容量の両端電圧を第1中間電圧として計測する第1中間電圧計測手段と、
前記充電期間の終了時点における前記等価容量の両端電圧を充電終了電圧として計測する充電終了電圧計測手段と、
前記充電終了電圧の1/2の電圧を第2中間電圧として算出する第2中間電圧算出手段と、
前記第1中間電圧及び前記第2中間電圧の差分電圧を算出する差分電圧算出手段と、
予め求められた前記等価容量の静電容量に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値及び前記差分電圧の電圧値の関係を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記関係から、前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求める並列抵抗算出手段と、
を備えたことを特徴とする並列抵抗測定装置。 - 前記容量性素子を放電する互いに並列接続された第1放電抵抗及び第2放電抵抗と、
前記容量性素子と前記第1放電抵抗及び前記第2放電抵抗との間に設けられた放電スイッチ素子と、
前記放電スイッチ素子を制御して前記容量性素子を前記第1放電抵抗に接続して放電する第1放電スイッチ制御手段と、
放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第1放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第1放電抵抗による放電での第1時定数として求める第1時定数算出手段と、
前記放電スイッチ素子を制御して前記容量性素子を前記第2放電抵抗に接続して放電する第2放電スイッチ制御手段と、
放電開始時の前記容量性素子の両端電圧から求められる、前記放電を開始してからの経過時間が時定数と等しくなる時点における前記容量性素子の両端電圧、及び、前記第2放電抵抗による放電中の前記容量性素子の両端電圧、が等しくなったときの前記経過時間を前記第2放電抵抗による放電での第2時定数として求める第2時定数算出手段と、
下記に示す式(1)及び式(2)の連立方程式を解いて前記等価容量の静電容量を求める等価容量算出手段と、をさらに備え、
前記第1時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第1放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(1)
前記第2時定数=(前記等価直列抵抗の抵抗値+前記第2放電抵抗の抵抗値)×前記等価容量の静電容量 …(2)
前記並列抵抗算出手段が、前記記憶手段に記憶された前記関係から、前記求めた等価容量の静電容量及び前記算出した差分電圧に対応する前記等価並列抵抗の抵抗値を求める
ことを特徴とする請求項3に記載の並列抵抗測定装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20110527 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A762 | Written abandonment of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762 Effective date: 20120726 |