JP5684856B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、回路素子の測定技術に関し、特に、回路素子が測定装置に電気的に接続されているかを検出する技術に関する。

コンデンサなどの回路素子（試料／ＤＵＴ）の絶縁抵抗を測定する場合、測定装置に試料を接続し、その試料に直流電圧を印加し、電流値を検出する。試料の絶縁抵抗が小さい場合には、試料が測定装置に接続されているか否かによって電流値が大きく相違するため、電流値に基づいて試料が測定装置に電気的に接続されているか否か（接続状態）を検出することができる。

しかしながら、試料の絶縁抵抗が非常に大きい場合には、測定装置に試料が電気的に接続されていたとしても電流値は非常に小さくなる。その結果、試料の接続状態による電流値の相違も小さくなり、電流値に基づいて試料の接続状態を検出することが困難となる。

これに対し、交流電圧を印加することで試料の容量リアクタンス成分が小さくなることを利用し、試料の接続状態を検出する技術がある（例えば、特許文献１参照）。図１Ａは、このような技術で接続状態を検出する測定装置９００を例示した回路図である（図１Ａの回路自体は非公知）。測定装置９００では、試料９２０と直流電圧源９１１と交流電圧印加回路９３０とが直列に接続されている。交流電圧印加回路９３０とスイッチ９１６との間には、電流測定のための電流電圧変換回路９４０と接続状態検出のための交流電圧検出回路９５０とが並列に接続され、スイッチ９１６には直流電圧計９１７が接続されている。試料９２０の接続状態を検出する場合には、交流電圧検出回路９５０が直流電圧計９１７に接続される。試料９２０には、直流電圧値ＶＳに交流電圧値Ｖａｃが重畳された値の電圧が印加される。交流電圧検出回路９５０はコンデンサを介して交流電圧印加回路９３０に結合され、交流電圧検出回路９５０の入力側の交流電圧値Ｖ１は、交流電圧検出回路９５０で、交流増幅、絶対値化、および平均化される。直流電圧計９１７は、そのように得られた交流電圧検出回路９５０の出力側の直流電圧値Ｖ２を検出する。

ここで、上記の交流電圧値Ｖ１は以下の式で表される。

ただし、試料９２０を静電容量Ｃｘのコンデンサと抵抗値Ｒｘの抵抗との並列回路とみなし、電流電圧変換回路９４０のコンデンサの静電容量をＣｆとし、抵抗の抵抗値をＲｆとし、ｊを虚数単位とし、ωを交流電圧の角周波数ω＝２πｆとし、ｆを周波数とする。

式（１）に示すように、交流電圧値Ｖ１は、試料の静電容量Ｃｘの増加に伴って増加する。したがって、交流電圧値Ｖ１から試料９２０の接続状態を検出することができる。

特開２００４−２０２４６号公報

交流電圧値Ｖ１の大きさは試料の静電容量Ｃｘの増加に対して直線的に変化するものではない。図１Ｂは、Ｒｘ＝１Ｔ［Ω］，Ｒｆ＝１０Ｇ［Ω］，Ｃｆ＝５ｐ［Ｆ］，ｆ＝２００ｋ［Ｈｚ］，Ｖａｃ＝１［Ｖ］での交流電圧値Ｖ１の絶対値｜Ｖ１｜と静電電容量Ｃｘとの関係を示したグラフである。図１Ｂに例示するように、或る交流電圧値Ｖａｃでの交流電圧値Ｖ１の絶対値｜Ｖ１｜の傾きは、静電容量Ｃｘが大きくなるにつれて小さくなる。交流電圧値Ｖ１を増幅、絶対値化、および平均化してもこの特性は変わらない。そのため、直流電圧計９１７の測定誤差εが同じであったとしても、直流電圧値Ｖ２の大きさに応じて測定誤差εの影響が異なる。例えば、図１Ｂの例で、Ｃｘが１０ｐ［Ｆ］から１ｐ［Ｆ］増加した場合と、１００ｐ［Ｆ］から１ｐ［Ｆ］増加した場合とでの交流電圧値Ｖ１の変化量は以下のようになる。
＜Ｃｘが１０ｐ［Ｆ］→１１ｐ［Ｆ］に変化した場合＞
Ｖ１：０．６６６６６７［Ｖ］→０．６８７５［Ｖ］
Ｖ１変化量：０．０２０８３３［Ｖ］
＜Ｃｘが１００ｐ［Ｆ］→１０１ｐ［Ｆ］に変化した場合＞
Ｖ１：０．９５２３８１［Ｖ］→０．９５２８３［Ｖ］
Ｖ１変化量：０．０００４４９［Ｖ］

以上のように、従来方法では、静電容量Ｃｘが大きいほど電圧値の測定誤差が静電容量Ｃｘの測定誤差に与える影響が大きくなり、試料の接続状態の検出精度が低下する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、試料の静電容量が大きい場合であっても、試料の接続状態を高精度で検出できる技術を提供することを目的とする。

本発明では、測定対象の回路素子である試料が接続される端子に交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、端子に接続された交流増幅回路と、交流増幅回路の出力側の交流増幅電圧値を直流電圧値に変換する直流変換回路と、この直流電圧値を増幅した直流増幅電圧値から或る減算電圧値を減じた検出電圧値を得る直流増幅回路とを有する測定装置が提供される。

上記の検出電圧値を用いることで、試料の静電容量が大きい場合であっても、試料の接続状態を高精度で検出することができる。

図１Ａは、従来の測定装置を例示した回路図である。図１Ｂは、電圧値Ｖ１の絶対値｜Ｖ１｜と静電電容量Ｃｘとの関係を例示したグラフである。 図２は、第１実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図３は、電圧値Ｖ２，Ｖ３と静電電容量Ｃｘとの関係を例示したグラフである。 図４は、第２実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図５は、電圧値Ｖ２、Ｖｏｆ１〜Ｖｏｆ３に対応するＶ３と静電電容量Ｃｘとの関係を例示したグラフである。 図６は、第３実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図７は、第４実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図８は、第５実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図９は、第６実施形態の測定装置を例示した回路図である。 図１０は、第７実施形態の測定装置を例示した回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を説明する。

＜構成＞
図２に例示するように、本形態の測定装置１００は、直流電圧源１１１、測定対象の回路素子である試料１２０が接続される端子１１２，１１３、シールドケーブル１１４、交流電圧印加回路１３０、電流電圧変換回路１４０、コンデンサ１１５、交流増幅回路１５０、直流変換回路１６０、直流増幅回路１７０、スイッチ１１６、および直流電圧計１１７を有する。

試料１２０は、コンデンサ１２１および抵抗（絶縁抵抗）１２２を並列に接続した並列回路とみなすことができる二端子回路素子である。試料１２０の例は、コンデンサ等である。シールドケーブル１１４は、信号線とガードとからなるケーブルである。シールドケーブル１１４の例は、同軸ケーブル等である。例えば同軸ケーブルをシールドケーブル１１４と用いる場合には、中心導体を信号線として用い、外部導体をガードとして用いる。交流電圧印加回路１３０は、１個の一次コイルと２個の二次コイルとを持つ３巻線のコアトランス１３１、および一次コイルに交流電圧を印加する交流電圧源１３２を有する回路である。１次コイルに対する２個の二次コイルａ，ｂの変圧比（例えば１）は等しく、２個の二次コイルａ，ｂの電圧は互いに同相である。電流電圧変換回路１４０は、コンデンサ１４１、抵抗１４２，１４３、および演算増幅器１４４を有する、電流測定のための回路である。交流増幅回路１５０は、演算増幅器１５１、および抵抗１５２，１５３からなる非反転増幅回路であり、入力端の交流電圧を交流増幅する。直流変換回路１６０は、絶対値回路（全波整流回路）および平均化回路からなり、入力端の交流電圧の絶対値化および平均化を行う。直流増幅回路１７０は、演算増幅器１７１、抵抗１７２，１７３、および直流電圧源１７４を有する非反転増幅回路である。

直流電圧源１１１の一端はグランドＧＮＤに接地され、他端は端子１１２に接続されている。端子１１３は、シールドケーブル１１４の信号線を通じ、コアトランス１３１の一方の二次コイルａの一端に接続されている。二次コイルａの他端は、電流電圧変換回路１４０の入力側とコンデンサ１１５の一端とに接続されている。コアトランス１３１の他方の二次コイルｂの一端は、シールドケーブル１１４のガードに接続され、他端はグランドＧＮＤに接地されている。交流電圧源１３２は、コアトランス１３１の一次コイルに直列に接続され、一端がグランドＧＮＤに接地されている。

電流電圧変換回路１４０の入力側は、コンデンサ１４１の一端、抵抗１４２の一端、抵抗１４３の一端に接続されている。抵抗１４３の他端は、演算増幅器１４４の反転入力端子に接続されている。演算増幅器１４４の非反転入力端子は、グランドＧＮＤに接地されている。コンデンサ１４１の他端、抵抗１４２の他端、および演算増幅器１４４の出力端子は、スイッチ１１６の第１入力端子に接続されている。

コンデンサ１１５の他端は、交流増幅回路１５０の演算増幅器１５１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器１５１の反転入力端子は抵抗１５２，１５３の一端に接続され、抵抗１５２の他端はグランドＧＮＤに接地され、抵抗１５３の他端は演算増幅器１５１の出力端子に接続されている。演算増幅器１５１の出力端子は、直流変換回路１６０の入力側に接続され、直流変換回路１６０の出力側は直流増幅回路１７０の入力側に接続されている。直流増幅回路１７０の入力側は、演算増幅器１７１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器１７１の反転入力端子は抵抗１７２，１７３の一端に接続され、抵抗１７２の他端は直流電圧源１７４の一端に接続され、直流電圧源１７４の他端はグランドＧＮＤに接地され、抵抗１７３の他端は演算増幅器１７１の出力端子に接続されている。演算増幅器１７１の出力端子は、スイッチ１１６の第２入力端子に接続されている。

スイッチ１１６の出力端子は、グランドＧＮＤに接地された直流電圧計１１７に接続されている。

直流電圧源１１１の一端のグランドＧＮＤに対する電圧値はＶＳ［Ｖ］であり、交流電圧源１３２の印加電圧値は交流電圧値Ｖａｃである。なお、交流電圧値Ｖａｃの周波数は演算増幅器１４４の周波数帯域よりも大きいことが望ましい。交流増幅回路１５０の入力端側の電圧値（交流電圧値）はＶ１［Ｖ］であり、直流変換回路１６０の出力側の電圧値（直流電圧値）はＶ２［Ｖ］であり、演算増幅器１７１の出力端子の電圧値（検出電圧値）はＶ３［Ｖ］である。直流電圧源１７４の一端のグランドＧＮＤに対する電圧値はＶｏｆ［Ｖ］である。Ｖｏｆは演算増幅器１７１のオフセット電圧値であってもよいし、それ以外の電圧値であってもよい。ただし、Ｖｏｆは零を除く値であり（Ｖｏｆ≠０）、Ｖ２とＶｏｆの正負符号は同一である。例えば、Ｖ２およびＶｏｆはともに正値である。コンデンサ１２１の静電容量はＣｘ［Ｆ］であり、抵抗１２２の抵抗値はＲｘ［Ω］である。コンデンサ１４１の静電容量はＣｆ［Ｆ］であり、抵抗１４２の抵抗値はＲｆ［Ω］である。コンデンサ１１５の静電容量はＣ［Ｆ］であり、抵抗１７３の抵抗値はＲ１［Ω］であり、抵抗１７２の抵抗値はＲ２［Ω］である。

＜動作＞
試料１２０の測定時、端子１１２が試料１２０の一端に接続され、試料１２０の他端が端子１１３に接続される。電流測定を行う場合には、スイッチ１１６の第１入力端子が出力端子に接続され、電流電圧変換回路１４０の出力側が直流電圧計１１７に接続される。一方、試料１２０の接続状態の検出を行う場合には、スイッチ１１６の第２入力端子が出力端子に接続され、直流増幅回路１７０の出力側が直流電圧計１１７に接続される。本技術は試料１２０の接続状態を検出するための動作に特徴があるため、以下では試料１２０の接続状態を検出する際の動作のみを説明する。

コアトランス１３１の二次コイルａにより、直流電圧値ＶＳに交流電圧値Ｖａｃが重畳された交流電圧が試料１２０に印加される。さらに、コアトランス１３１の二次コイルｂにより、シールドケーブル１１４のガードに二次コイルａと同相の交流電圧が印加される。これにより、シールドケーブル１１４での容量リアクタンス成分の影響を抑制することができる。

コンデンサ１１５によって交流電圧印加回路１３０に結合された交流増幅回路１５０は、その入力側の電圧値を交流的に非反転増幅する。交流増幅回路１５０の出力側の交流増幅電圧値は、交流増幅回路１５０の出力側に接続された直流変換回路１６０で絶対値化および平均化され、直流電圧値Ｖ２に変換される。この直流電圧値Ｖ２は、直流増幅回路１７０で直流的に増幅され、さらにそれから或る減算電圧値が減じられた検出電圧値Ｖ３となる。この直流増幅回路１７０により、試料１２０の接続状態の検出精度を向上させることができる。以下にその詳細を説明する。

直流増幅回路１７０の演算増幅器１７１の反転入力端子の入力インピーダンスが無限大であると仮定すると、演算増幅器１７１の反転入力端子の電圧値Ｖｉは、以下のような抵抗値Ｒ１，Ｒ２による分圧値となる。
Ｖｉ＝（Ｖ３−Ｖｏｆ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｖｏｆ （２）
演算増幅器１７１の差動利得が無限大であると仮定すると、演算増幅器１７１の仮想短絡によりＶ２＝Ｖｉとなり、以下の関係が成り立つ。
Ｖ２＝（Ｖ３−Ｖｏｆ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｖｏｆ （３）
式（３）を変形すると、以下の関係が成り立つ。
Ｖ３＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２−（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ （４）
よって、直流増幅回路１７０の出力側の検出電圧値Ｖ３は、入力端の直流電圧値Ｖ２を利得（１＋Ｒ１／Ｒ２）で増幅した直流増幅電圧値（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２から減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆを減じた電圧値となる。ここで、減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆは零を除く値であり（（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ≠０）、（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆと（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２の正負符号は同一である。

図３は、Ｖｏｆ＝１および（１＋Ｒ１／Ｒ２）＝４の場合における、試料１２０の静電容量Ｃｘに対する直流電圧値Ｖ２と検出電圧値Ｖ３との関係を例示したグラフである。図３に例示するように、直流電圧値Ｖ２に比べ、検出電圧値Ｖ３は静電容量Ｃｘが大きな領域でもその傾きが大きい。すなわち、静電容量Ｃｘの大部分の領域で、検出電圧値Ｖ３の測定誤差が静電容量Ｃｘの測定誤差に与える影響が、直流電圧値Ｖ２の測定誤差が静電容量Ｃｘの測定誤差に与える影響よりも小さくなる。そのため、直流電圧計１１７で検出電圧値Ｖ３を測定し、その測定値に基づいて試料１２０の接続状態を検出することで、試料１２０の接続状態の検出精度を向上させることができる。

また本形態では、減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆを適切な値に調整することで、検出電圧値Ｖ３が検出電圧値Ｖ３の測定可能範囲を超えてしまうことを防止できる。さらに、本形態の直流増幅回路１７０が増幅するＶ２は直流電圧値であるため、直流増幅回路１７０の回路構成を簡易化できる。また、Ｖ２は直流電圧値であるため、減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆの調整によって容易にレベルシフトが可能であるという利点もある。

［第２実施形態］
第２実施形態は第１実施形態の変形例であり、直流増幅回路が減算電圧値の大きさを変更するレベルシフト回路を含む点、および、直流電圧値Ｖ２を検出電圧値Ｖ３とするバッファ回路に切り替え可能な点で第１実施形態と相違する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と共通する事項についてはそれと同一の参照符号を用いて説明を省略する。

＜構成＞
図４に例示するように、本形態の測定装置２００は、直流電圧源１１１、測定対象の回路素子である試料１２０が接続される端子１１２，１１３、シールドケーブル１１４、交流電圧印加回路１３０、電流電圧変換回路１４０、コンデンサ１１５、交流増幅回路１５０、直流変換回路１６０、直流増幅回路２７０、スイッチ１１６、および直流電圧計１１７を有する。

直流増幅回路２７０は、演算増幅器１７１、抵抗１７２，１７３、および直流電圧源２７５，２７６，２７７を有する非反転増幅回路、スイッチ２７１〜２７３を含むレベルシフト回路、ならびに直流増幅回路２７０をバッファ回路に切り替えるスイッチ２７４を有する。本形態では、直流変換回路１６０の出力側が直流増幅回路２７０の入力側に接続されている。直流増幅回路２７０の入力側は、演算増幅器１７１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器１７１の反転入力端子は抵抗１７２，１７３およびスイッチ２７４の一端に接続され、抵抗１７３およびスイッチ２７４の他端は演算増幅器１７１の出力端子に接続されている。抵抗１７２の他端は、スイッチ２７１，２７２，２７３の一端に接続されている。スイッチ２７１，２７２，２７３の他端は、それぞれ、直流電圧源２７５，２７６，２７７の一端に接続され、直流電圧源２７５，２７６，２７７の他端はそれぞれグランドＧＮＤに接地されている。

直流電圧源２７５，２７６，２７７の一端のグランドＧＮＤに対する電圧値は、それぞれＶｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３［Ｖ］である。Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３は演算増幅器１７１のオフセット電圧値であってもよいし、それ以外の電圧値であってもよい。ただし、Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３は互いに異なり、Ｖ２とＶｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３の正負符号は同一である。例えば、Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３は零を除く値であり、例えば、Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３は正値である。

＜動作＞
第１実施形態で説明した事項に加え、さらに本形態では、スイッチ２７１〜２７４のオン・オフによって減算電圧値を変更したり、直流増幅回路２７０をバッファ回路に切り替えたりすることができる。例えば、スイッチ２７１をオンにし、スイッチ２７２〜２７４をオフにした場合には、減算電圧値が（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ１となり、Ｖ３＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２−（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ１となる。スイッチ２７２をオンにし、スイッチ２７１，２７３，２７４をオフにした場合には、減算電圧値が（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ２となり、Ｖ３＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２−（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ２となる。スイッチ２７３をオンにし、スイッチ２７１，２７２，２７４をオフにした場合には、減算電圧値が（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ３となり、Ｖ３＝（１＋Ｒ１／Ｒ２）×Ｖ２−（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ３となる。スイッチ２７４をオンにした場合には、演算増幅器１７１がバッファとして機能し、Ｖ３＝Ｖ２となる。

このように本形態では、複数個の直流電圧源２７５，２７６，２７７を設け、スイッチ２７１，２７２，２７３によって減算電圧値を調整可能な構成としたため、より広い範囲の静電容量Ｃｘの試料１２０の接続状態を精度よく測定することができる。すなわち、静電容量Ｃｘの大きさ（すなわち直流電圧値Ｖ２の大きさ）に応じ、直流電圧源２７５，２７６，２７７を切り替えて減算電圧値を変更することで、より広い範囲の静電容量Ｃｘの試料１２０の接続状態を高精度で測定することができる。例えば、０＜Ｖｏｆ１＜Ｖｏｆ２＜Ｖｏｆ３とし、０≦Ｃｘ＜Ｔｈ１の領域でＶｏｆ１を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ１とし、Ｔｈ１≦Ｃｘ＜Ｔｈ２の領域でＶｏｆ２を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ２とし、Ｔｈ２≦Ｃｘ＜Ｔｈ３の領域でＶｏｆ３を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ３とすることにより、より広い範囲の静電容量Ｃｘの試料１２０の接続状態を精度よく測定できる。さらに演算増幅器１７１をバッファとして機能させれば、直流電圧値Ｖ２を増幅せずにＶ３＝Ｖ２とすることもでき、静電容量Ｃｘが小さな領域においてＶ３＝Ｖ２として試料１２０の接続状態を検出することもできる。図５に、Ｖｏｆ１＝０．９，Ｖｏｆ２＝１．０５，Ｖｏｆ３＝１．２、（１＋Ｒ１／Ｒ２）＝４とした場合の減算電圧値の調整例を示す。図５の例では、静電容量Ｃｘの大きさに応じてＶｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３を切り替え、またはＶ３＝Ｖ２に切り替えることで、より広い静電容量Ｃｘの領域で、試料１２０の接続状態を精度よく検出することができる。

なお、本形態では３種類の直流電圧値Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３に切り替え可能な構成であったが、２種類または４種類以上の直流電圧値への切り替えが可能であってもよい。また、本形態では演算増幅器１７１をバッファとして機能させることも可能であったが、演算増幅器１７１をバッファとして機能させることができなくてもよい。

［第３実施形態］
本形態は第２実施形態の変形例であり、減算電圧値の大きさを交流増幅電圧値のピーク電圧値の大きさに対して広義単調増加（単調非減少）の関係にある大きさに自働的に調整する点で第２実施形態と相違する。以下では、第１，２実施形態との相違点を中心に説明し、第１，２実施形態と共通する事項についてはそれと同一の参照符号を用いて説明を省略する。

＜構成＞
図６に例示するように、本形態の測定装置３００は、直流電圧源１１１、測定対象の回路素子である試料１２０が接続される端子１１２，１１３、シールドケーブル１１４、交流電圧印加回路１３０、電流電圧変換回路１４０、コンデンサ１１５、交流増幅回路１５０、直流変換回路１６０、直流増幅回路３７０、ピーク検出回路３８０、スイッチ選択回路３９０、スイッチ１１６、直流電圧計１１７を有する。

直流増幅回路３７０は、演算増幅器１７１、抵抗１７２，１７３、および直流電圧源２７５，２７６，２７７を有する非反転増幅回路、スイッチ３７１〜３７３を含むレベルシフト回路、ならびに直流増幅回路３７０をバッファ回路に切り替えるスイッチ２７４を有する。ピーク検出回路３８０は、演算増幅器３８１，３８２、ダイオード３８３、ホールドコンデンサであるコンデンサ３８４、およびリセット回路であるスイッチ３８５を有する。スイッチ選択回路３９０は、コンパレータとして機能する演算増幅器３９４，３９５，３９６、および演算増幅器３９４，３９５，３９６に基準電圧を印加する直流電圧源３９１，３９２，３９３を有する。直流電圧源３９１，３９２，３９３の電圧値は、互いに異なる。

本形態では、直流変換回路１６０の出力側が直流増幅回路３７０の入力側に接続されている。直流増幅回路３７０の入力側は、演算増幅器１７１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器１７１の反転入力端子は抵抗１７２，１７３およびスイッチ２７４の一端に接続され、抵抗１７３およびスイッチ２７４の他端は演算増幅器１７１の出力端子に接続されている。抵抗１７２の他端はスイッチ３７１，３７２，３７３の一端に接続されている。スイッチ３７１，３７２，３７３の他端は、それぞれ、直流電圧源２７５，２７６，２７７の一端に接続され、直流電圧源２７５，２７６，２７７の他端はそれぞれグランドＧＮＤに接地されている。

また本形態では、交流増幅回路１５０の演算増幅器１５１の出力端子が演算増幅器３８１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器３８１の出力端子はダイオード３８３のアノードに接続され、演算増幅器３８１の反転入力端子はダイオード３８３のカソード、コンデンサ３８４の一端、スイッチ３８５の一端、および演算増幅器３８２の非反転入力端子に接続されている。コンデンサ３８４およびスイッチ３８５の他端はグランドＧＮＤに接地されている。演算増幅器３８２の反転入力端子は演算増幅器３８２の出力端子に接続され、演算増幅器３８２の出力端子はスイッチ選択回路３９０の演算増幅器３９４，３９５，３９６の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器３９４，３９５，３９６の反転入力端子は、それぞれ直流電圧源３９１，３９２，３９３の一端に接続されており、直流電圧源３９１，３９２，３９３の他端はそれぞれグランドＧＮＤに接地されている。演算増幅器３９４，３９５，３９６の出力端子は、それぞれスイッチ３７１，３７２，３７３のオン・オフを制御する制御回路（図示せず）に接続されている。

＜動作＞
第１，２実施形態で説明した事項に加え、さらに本形態では、交流増幅回路１５０の出力側の交流電圧値のレベルにより、Ｖｏｆ１，Ｖｏｆ２，Ｖｏｆ３の切り替えを自動で行う。すなわち、ピーク検出回路３８０が交流増幅回路１５０の出力側の交流電圧値のピーク値（振幅レベル）を得て、演算増幅器３８２の出力端子の電圧値とする。演算増幅器３９４，３９５，３９６は、それぞれ演算増幅器３８２の出力端子の電圧値と直流電圧源３９１，３９２，３９３の基準電圧との大小関係を比較し、出力端子の電圧をその比較結果を表す値とする。直流電圧源３９１，３９２，３９３の出力端子の電圧値に応じ、スイッチ３７１，３７２，３７３の何れか一つがオンとなり、その他がオフとなる。このようなスイッチ３７１〜３７４のオン・オフにより、上述の振幅レベルに応じて減算電圧値を自働的に変更することができる。例えば、０＜Ｖｏｆ１＜Ｖｏｆ２＜Ｖｏｆ３とし、０≦振幅レベル＜Ｔｈ１１の領域でＶｏｆ１を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ１とし、Ｔｈ１１≦振幅レベル＜Ｔｈ１２の領域でＶｏｆ２を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ２とし、Ｔｈ１２≦振幅レベル＜Ｔｈ１３の領域でＶｏｆ３を使用して減算電圧値（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｏｆ３とすることができる。これにより、検出電圧値Ｖ３が直流電圧計１１７の測定可能範囲を超えてしまうことを自働的に抑制でき、さらにより広い範囲の静電容量Ｃｘの試料１２０の接続状態を高精度で測定することが可能となる。

［第４実施形態］
第１〜３実施形態の電流電圧変換回路１４０をシャント型の回路に置換することも可能である。図７は、第１実施形態の測定装置１００の電流電圧変換回路１４０をシャント型回路４４０に置換した例である。図７に例示する測定装置４００のシャント型回路４４０は、演算増幅器４４１、抵抗値Ｒｆの抵抗４４２、および静電容量Ｃｆのコンデンサ４４３を有する。図７の例では、コアトランス１３１の二次コイルａの他端が、演算増幅器４４１の非反転入力端子、抵抗４４２、およびコンデンサ４４３の一端に接続されている。抵抗４４２およびコンデンサ４４３の他端はグランドＧＮＤに接地されている。演算増幅器４４１の反転入力端子は、演算増幅器４４１の出力端子、コアトランス１３１の二次コイルｂの他端、およびスイッチ１１６の第１入力端子に接続されている。なお、第２，３実施形態の測定装置２００，３００の電流電圧変換回路１４０をシャント型回路４４０に置換した構成でもよい。

［第５実施形態］
第１〜３実施形態の電流電圧変換回路１４０を、２個の演算増幅器を備える電流電圧変換回路に置換し、電流電圧変換回路での利得を調整可能な構成としてもよい。図８は、第１実施形態の測定装置１００の電流電圧変換回路１４０を、このような回路に置換した例である。図８に例示する測定装置５００は、測定装置１００の電流電圧変換回路１４０が電流電圧変換回路５４０に置換され、さらに交流増幅回路として機能する演算増幅器５１１が付加されたものである。電流電圧変換回路５４０は、コンデンサ１４１、抵抗１４２，１４３，５４１、および演算増幅器１４４，５４４を有する。本形態では、コアトランス１３１の二次コイルａの他端が、演算増幅器５４４の非反転入力端子、コンデンサ１１５，１４１の一端、および抵抗１４２の一端に接続されている。演算増幅器５４４の反転入力端子は、演算増幅器５４４の出力端子、および抵抗１４３の一端に接続されている。演算増幅器５４４の出力端子は演算増幅器５１１の非反転入力端子に接続され、演算増幅器５１１の反転入力端子はその出力端子に接続され、演算増幅器５１１の出力端子はコアトランス１３１の二次コイルｂの他端に接続されている。抵抗１４３の他端は、演算増幅器１４４の反転入力端子および抵抗５４１の一端に接続されている。演算増幅器１４４の出力端子は、抵抗１４２，５４１の他端、コンデンサ１４１の他端、およびスイッチ１１６の第１入力端子に接続され、演算増幅器１４４の非反転入力端子はグランドＧＮＤに接地されている。なお、第２，３実施形態の測定装置２００，３００の電流電圧変換回路１４０が電流電圧変換回路５４０に置換され、さらに交流増幅回路として機能する演算増幅器５１１が付加された構成でもよい。

［第６実施形態］
第１〜５実施形態において、交流電圧源を電流電圧変換回路に接続し、コアトランス１３１を用いない構成としてもよい。図９の測定装置６００は、第５実施形態の測定装置５００の交流電圧印加回路１３０および電流電圧変換回路５４０に代えて、交流電圧源６４２を備える電流電圧変換回路６４０を設けた例である。電流電圧変換回路６４０は、コンデンサ１４１、抵抗１４２，１４３，５４１，６４１、演算増幅器１４４，５４４、および交流電圧源６４２を有する。本形態では、シールドケーブル１１４の信号線が演算増幅器５４４の非反転入力端子に接続され、演算増幅器５１１の出力端子がシールドケーブル１１４のガードに接続されている。抵抗６４１の一端は抵抗１４３の他端、抵抗５４１の一端、および演算増幅器１４４の反転入力端子に接続され、抵抗６４１の他端はグランドＧＮＤに接地された交流電圧源６４２に接続されている。このようにコアトランス１３１を用いないことで装置を小型化することができる。ただし、演算増幅器１４４，５４４は、交流電圧源６４２の交流信号を増幅できる十分な周波数帯域を持つ必要がある。

［第７実施形態］
第１〜６実施形態において、直流変換回路１６０が第３実施形態で説明したピーク検出回路３８０に置換されてもよい。この場合、ピーク検出回路３８０の入力側の電圧が交流増幅電圧値となり、ピーク検出回路３８０の出力側の電圧が直流電圧値Ｖ２となる。直流電圧値Ｖ２の大きさは、交流増幅電圧値のピーク電圧値の大きさに対して広義単調増加の関係にある。図１０は、第１実施形態の測定装置１００の直流変換回路１６０をピーク検出回路３８０に置換した例である。図１０に例示するように、ピーク検出回路３８０は、演算増幅器３８１，３８２、ダイオード３８３、ホールドコンデンサであるコンデンサ３８４、およびリセット回路であるスイッチ３８５を有する。本形態では、演算増幅器１５１の出力端子が演算増幅器３８１の非反転入力端子に接続されており、演算増幅器３８２の出力端子が演算増幅器１７１の非反転入力端子に接続されている。ピーク検出回路３８０は平均化を行わないため、本形態では測定レスポンスが早くなる。なお、第２〜６実施形態の測定装置２００〜６００の直流変換回路１６０がピーク検出回路３８０に置換した構成でもよい。

その他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

１００〜７００，９００ 測定装置

Claims (4)

1. 測定対象の回路素子である試料の接続状態を検出する測定装置であって、
   前記試料が接続される端子に交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、
   前記端子に接続された交流増幅回路と、
   前記交流増幅回路の出力側に接続され、前記交流増幅回路の出力側の交流増幅電圧値を直流電圧値に変換する直流変換回路と、
   前記直流変換回路の出力側に接続され、前記直流電圧値を増幅した直流増幅電圧値から或る減算電圧値を減じた検出電圧値を得る直流増幅回路と、
   を有し、
   前記直流増幅回路は、前記減算電圧値の大きさを、前記交流増幅電圧値のピーク電圧値の大きさに対して広義単調増加の関係にある大きさに調整するレベルシフト回路を含む、測定装置。
2. 請求項１の測定装置であって、
   前記直流増幅回路は、前記直流電圧値を前記検出電圧値とするバッファ回路に切り替え可能である、
   ことを特徴とする測定装置。
3. 請求項１または２の測定装置であって、
   前記直流変換回路は、ピーク検出回路であり、
   前記直流電圧値の大きさは、前記交流増幅電圧値のピーク電圧値の大きさに対して広義単調増加の関係にある、
   ことを特徴とする測定装置。
4. 請求項１から３の何れかの測定装置であって、
   前記減算電圧値が零を除く値であり、前記直流増幅電圧値および前記減算電圧値の正負符号が同一である、
   ことを特徴とする測定装置。

Images