JP6038529B2

JP6038529B2 - 測定装置

Info

Publication number: JP6038529B2
Application number: JP2012172985A
Authority: JP
Inventors: 長井秀行
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: JP2014032121A

Description

本発明は、測定対象体に測定用電流を流して発生する両端電圧を測定し、測定用電流及び両端電圧から電気的特性値を測定する測定装置に関するものである。

測定対象体の抵抗や、インダクタンス、静電容量、インピーダンス等の電気的特性値を四端子法や二端子法で測定することが行われている。例えば特許文献１には、四端子測定回路が記載されている。この四端子測定回路では、測定対象体（被測定物）に定電流を流すための電流発生回路（定電流電源）の出力に、開放電圧監視回路が接続されていて、電流供給用のプローブ（定電流端子）の断線や測定対象物からのプローブ外れといったプローブのオープン状態（開状態）をチェックできるようになっている。

実用新案登録第２５８００６４号公報

接触型のプローブを用いる測定装置では、プローブを高電圧回路に誤って接触させてしまい、電流発生回路の出力端子に過電圧が印加されて、電流発生回路を破損させてしまう可能性がある。そのため、電流発生回路からプローブまでの電流経路にヒューズを入れて、過電圧入力時にヒューズを溶断させる保護回路を設けることが考えられる。

特許文献１の測定装置にヒューズを設けた場合、過電圧入力でヒューズが溶断してオープン状態になったときにも、開放電圧監視回路が作動してしまう。しかしながら、その原因がヒューズの異常状態（溶断）であるか、プローブのオープン状態であるかを判断することができない。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、測定対象体にプローブを介して測定用電流を流す測定装置において、電流発生回路保護用のヒューズが異常状態であるか否かを、判定することができる測定装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された測定装置は、測定対象体に測定用電流を流して発生する両端電圧を測定し、該測定用電流及び該両端電圧から該測定対象体の電気的特性値を測定する測定装置であって、該測定対象体の両端に接触させる電流供給用の一対のプローブを介して該測定対象体に該測定用電流を供給する電流発生回路と、該電流発生回路の出力端子から、この出力端子に接続されている一方の該プローブまでの電流経路に配置されるヒューズと、該ヒューズの該電流発生回路側に配置され、該一対のプローブに過電圧が印加されたときに導通して該ヒューズを溶断させる保護回路と、該電流発生回路の出力端子の出力電圧又は出力電流を検出する検出回路と、該一対のプローブ同士に接続されていて、導通しない開状態又は導通する閉状態に開閉制御されるヒューズ試験回路と、該ヒューズ試験回路を閉状態に制御して該検出回路の検出結果に基づき、該ヒューズの異常状態を判定する判定回路とを備える。

該判定回路が、該検出回路の検出結果に基づいて該測定用電流の異常を検出したときに、該ヒューズ試験回路を閉状態に制御して、この閉状態の該検出回路の検出結果に基づき、該ヒューズが異常状態であるか、該プローブがオープン状態であるかを判定することを特徴とする。

請求項２に記載された測定装置は、請求項１に記載されたものであり、前記ヒューズ試験回路が、開閉制御可能な半導体スイッチを備えていることを特徴とする。

請求項３に記載された測定装置は、請求項２に記載されたものであり、前記ヒューズ試験回路が、前記半導体スイッチに過電圧が印加されることを防止するための電圧制限回路を備えていることを特徴とする。

請求項４に記載された測定装置は、請求項３に記載されたものであり、前記ヒューズ試験回路が、前記半導体スイッチに直列接続された抵抗を備えていることを特徴とする。

本発明の測定装置によれば、電流供給用の一対のプローブ同士にヒューズ試験回路を接続して、ヒューズ試験回路を導通させてプローブを通さずにヒューズだけを通す測定用電流の電流経路を形成するようにしたことで、ヒューズが異常状態であるか否かを判定することができる。

判定回路が、検出回路の検出結果に基づいて測定用電流の異常を検出したときに、ヒューズ試験回路を閉状態に制御する場合、この閉状態の検出回路の検出結果に基づき、ヒューズが異常状態であるか、プローブがオープン状態であるかを判定することができる。

ヒューズ試験回路が、開閉制御可能な半導体スイッチで構成されている場合、例えば機械接点式の電磁リレーと比較して、寿命を長く、動作速度を早く、信頼性を高く、消費電力を小さくすることができる。半導体スイッチに過電圧が印加されることを防止するための電圧制限回路を備える場合、ヒューズ試験回路の耐久性、信頼性を向上させることができる。この半導体スイッチに抵抗を直列接続する場合、電圧制限回路に要求される電流容量が小さくなり、回路を小型化することができる。

本発明を適用する測定装置の使用状態を示すブロック図である。本発明を適用する測定装置のヒューズ試験回路の構成を示すブロック図である。本発明を適用する測定装置の判定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。

図１に、本発明を適用する測定装置１を示す。測定装置１は、電流供給用の一対のプローブＨｃ，Ｌｃ、電圧測定用の一対のプローブＨｖ，Ｌｖ、定電流回路２、ヒューズ３、保護回路４、検出回路５、ヒューズ試験回路６、判定回路７、表示部８、及び電圧測定回路１１を備えている。

定電流回路２は、本発明における電流発生回路の一例であり、測定対象体９０の両端に接触させるプローブＨｃ，Ｌｃを介して、電流供給用の能動素子である差動アンプ２１から測定対象体９０に測定用電流Ｉを供給し、測定用電流Ｉが定電流になるように差動アンプ２１が負帰還制御されている回路である。

具体的には、定電流回路２は、一例として、差動アンプ２１、電流検出用の基準抵抗Ｒｒ、及び基準電圧源Ｖｒを備えている。差動アンプ２１の出力端子が定電流回路２の正端子となっている。差動アンプ２１の反転入力端子（−）には、基準抵抗Ｒｒの一端が接続され、基準抵抗Ｒｒの他端が基準電位に接続されている。差動アンプ２１の反転入力端子と基準抵抗Ｒｒの一端との接続部分が、定電流回路２の負端子になっている。差動アンプ２１の非反転入力端子（＋）には、基準電圧源Ｖｒの正端子が接続され、基準電圧源Ｖｒの負端子が基準電位に接続されている。

定電流回路２の正端子（差動アンプ２１の出力端子）が、ヒューズ３を介して、一方のプローブＨｃに接続されている。定電流回路２の負端子（差動アンプ２１の反転入力端子及び基準抵抗Ｒｒの一端）は、他方のプローブＬｃに接続されている。これにより、プローブＨｃ，Ｌｃを測定対象体９０の両端に接触させたときに、差動アンプ２１の出力端子から測定用電流Ｉが出力され、基準抵抗Ｒｒに測定用電流Ｉが流れて生じる電圧降下と基準電圧源Ｖｒとが等しくなるように差動アンプ２１が負帰還制御されて、一定電流の測定用電流Ｉが測定対象体９０に流れるようになっている。基準抵抗Ｒｒ及び基準電圧源Ｖｒは、所望の測定用電流Ｉが流れるように設定されている。

電圧測定回路１１は、プローブＨｖ，Ｌｖを介して、測定対象体９０の両端電圧を測定する。図示しないが、電圧測定回路１１が測定した両端電圧、及び測定用電流Ｉから、例えばＣＰＵ（中央処理演算回路）が抵抗などの電気的特性値を算出して表示部８に表示するようになっている。

ヒューズ３は、過電流が流れたときに直ちに溶断する例えばガラス管ヒューズであり、差動アンプ２１の出力端子からプローブＨｃまでの電流経路に配置されている。ヒューズ３には、差動アンプ２１が出力する測定用電流Ｉでは溶断しないものを用いる。

保護回路４は、ヒューズ３よりも定電流回路２側に設けられ、定電流回路２の正負端子間、つまり差動アンプ２１の出力端子と基準抵抗Ｒｒの一端とに接続されている。保護回路４は、所定のオン電圧Ｖonよりも低い電圧が印加されている通常状態のときにオフ（非導通状態）になっていて、所定のオン電圧Ｖon以上の電圧が印加されている状態でオン（導通状態）になる回路である。ここで、差動アンプ２１の出力可能な最大電圧をＶomax、差動アンプ２１の出力端子に印加しても破損しない耐電圧をＶwsvとしたときに、オン電圧Ｖonを、Ｖomax＜Ｖon＜Ｖwsvの関係に設定する。例えば、差動アンプ２１が電源電圧１２Ｖで動作して、出力可能な最大電圧Ｖomaxが１０Ｖであり、差動アンプ２１の出力端子の耐電圧Ｖwsvが１４Ｖである場合、保護回路４のオン電圧Ｖonは、１０Ｖ＜Ｖon＜１４Ｖに設定する。オン電圧Ｖonは、電源電圧Ｖccよりも若干高い電圧に設定することが好ましい。保護回路４としては、例えば、ツェナー電圧がオン電圧Ｖonと等しいツェナーダイオードを用いる。オン電圧Ｖonを１２Ｖに設定するときには、保護回路４としてツェナー電圧が１２Ｖのツェナーダイオードを用いたり、ツェナー電圧が６Ｖのツェナーダイオードを２個直列接続して用いたりする。保護回路４として、例えばサイリスタを用いた過電圧保護素子など、オン電圧Ｖonで導通する公知の過電圧保護素子や過電圧保護回路を用いてもよい。

又、差動アンプ２１の出力端子には、検出回路５の入力端子が接続されている。検出回路５は、差動アンプ２１の出力電圧を検出する回路である。検出回路５は、測定電流Ｉの流れる電流経路がオープン状態になったときに、差動アンプ２１の出力電圧が最大電圧Ｖomaxになるので、この最大電圧Ｖomaxが出力されていることを検出できる回路であればよい。検出回路５として、例えば、コンパレータを用いて、最大電圧Ｖomaxの９０％又は電源電圧Ｖccの８０％のように、最大電圧Ｖomaxよりも若干低い基準電圧と、差動アンプ２１の出力電圧とを比較して、その比較結果を出力する回路を用いてもよい。又、検出回路５として、Ａ／Ｄ変換器を用いて、差動アンプ２１の出力電圧をデジタル値で検出する回路を用いてもよい。

検出回路５の検出結果は、判定回路７に入力される。判定回路７は、一例として、プログラムに従って動作するＣＰＵで構成されている。判定回路７は、検出回路５の検出結果に基づき、測定用電流Ｉが流れている正常状態であるか流れていない異常状態であるかを判定する。この判定回路７は、ヒューズ試験回路６を開閉制御する。さらに、判定回路７は、プローブがオープン状態であるか、ヒューズが溶断（異常）状態であるか判定し、液晶パネルなどの表示部８に判定結果を表示させる。判定回路７の動作については後述する。

ヒューズ試験回路６は、ヒューズ３よりもプローブＨｃ側に配置され、プローブＨｃ及びプローブＬｃ同士に接続されている。ヒューズ試験回路６は、判定回路７に開閉制御されて、導通しない開状態又は導通する閉状態になる回路である。

図２に、ヒューズ試験回路６の具体的な回路例を示す。同図に示すように、ヒューズ試験回路６は、一例として、抵抗３１，３３、スイッチ３２、ダイオード３４〜３７を備えている。

ヒューズ試験回路６は、抵抗３１、スイッチ３２、抵抗３３の順に直列接続されていて、抵抗３１側がプローブＨｃに、抵抗３３側がプローブＬｃに接続されている。スイッチ３２の一端には、直列接続されたダイオード３４，３５の中点が接続されている。ダイオード３４のカソードは電源電圧Ｖccに、ダイオード３５のアノードは基準電位に接続されている。スイッチ３２の他端には、直列接続されたダイオード３６，３７の中点が接続されている。ダイオード３６のカソードは電源電圧Ｖccに、ダイオード３７のアノードは基準電位に接続されている。

スイッチ３２は、判定回路７の制御で開閉可能な、例えばアナログスイッチなどの半導体スイッチである。抵抗３１，３３は、ヒューズ試験回路６に過電圧が印加された場合に、スイッチ３２に流れる電流やダイオード３４〜３７に流れる電流を制限するためにスイッチ３２の両側に設けられている。抵抗３１、３３として、過電圧印加時の電流を小さくするために、定電流回路２がヒューズ試験回路６に測定用電流Ｉを流せる範囲内で、例えば１００ｋΩ〜１ＭΩのように極力大きな抵抗を用いる。例えば、測定用電流Ｉが１μＡであり、抵抗３１，３３が各々１００ｋΩであるときに、抵抗３１，３３に測定用電流Ｉを流したときの定電流回路２の正負端子間の出力電圧は２００ｍＶになる。定電流回路２の電源電圧Ｖccは通常５〜１５Ｖが用いられることが多いから、出力電圧として２００ｍＶは充分に出力可能であり、測定用電流Ｉを流すことができる。抵抗３１の抵抗値をＲ_１、抵抗３３の抵抗値をＲ_２、基準抵抗Ｒｒの抵抗値をＲｒとしたときに、この関係を数式で表すと、下記の関係になる。
Ｉ（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒｒ）＜Ｖomax

なお、漏れ電流を少なくするために、スイッチ３２として、複数の半導体スイッチを直列接続して用いてもよい。

ダイオード３４〜３７は、スイッチ３２に過電圧が印加されることを防止するための電圧制限回路である。ダイオード３４〜３７は、プローブＨｃ，Ｌｃに、電源電圧Ｖccよりも高い、又は基準電位よりも低い、正又は負の過電圧が入力したときに、対応するダイオードがオンする。このため、スイッチ３２に過電圧が印加されず、スイッチ３２が保護される。

次に、測定装置１の動作について図１〜図３を参照して説明する。図３に、判定回路７の動作用のフローチャートを示す。

判定回路７は、検出回路５の検出結果を常時監視している。判定回路７は、通常の動作状態では、ヒューズ試験回路６を開状態に制御している。

ヒューズ３が正常であり、プローブＨｃ，Ｌｃが測定対象体９０に接触している場合、測定用電流Ｉは、図１に示すように、差動アンプ２１の出力端子から、ヒューズ３、プローブＨｃ、測定対象体９０、プローブＬｃ、基準抵抗Ｒｒの電流経路を流れる。この場合、差動アンプ２１の出力電圧は、最大電圧Ｖomaxよりも充分低い電圧（正常範囲電圧）になる。

プローブＨｃ，Ｌｃが測定対象体９０から外れたり、プローブＨｃ，Ｌｃが断線したりするプローブオープン状態の場合、測定用電流Ｉが流れなくなる。差動アンプ２１は、負帰還制御されているので最大電圧Ｖomaxを出力する。判定回路７は、検出回路５の検出結果から、最大電圧Ｖomaxが出力されていることを検出したときに、測定用電流Ｉが流れていない状態である測定用電流異常が発生したと判定する（ステップＳ１）。

これにより、判定回路７は、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に閉制御して（ステップＳ２）、測定用電流異常のままであるか、解消するかを判別する（ステップＳ３）。ヒューズ試験回路６が閉制御されると、図２に示すスイッチ３２が閉になることで、ヒューズ試験回路６が導通状態になって測定用電流Ｉの電流経路になる。つまり、測定用電流Ｉは、差動アンプ２１の出力端子から、ヒューズ３、ヒューズ試験回路６（抵抗３１、スイッチ３２、抵抗３３）、基準抵抗Ｒｒの電流経路を流れる。このように測定用電流Ｉが流れることで、差動アンプ２１の出力電圧は最大電圧Ｖomaxよりも低い正常範囲電圧になる。このため、判定回路７は、検出回路５の検出結果から測定用電流異常ではないと判別し（ステップＳ３）、ヒューズ３が溶断しておらずプローブオープン状態である判定する（ステップＳ４）。判定回路７は、プローブオープン状態であることを表示部８に表示させる。測定者は、この表示を確認して、プローブＨｃ，Ｌｃの接触や断線をチェックする。

プローブＨｃ，Ｌｃに、保護回路４のオン電圧Ｖon以上の過電圧が印加された場合、保護回路４がオンしてヒューズ３が溶断し、差動アンプ２１が保護される。このようにヒューズ３が溶断した場合、測定用電流Ｉが流れなくなり、差動アンプ２１が最大電圧Ｖomaxを出力する。検出回路５によって最大電圧Ｖomaxの出力が検出されたときに、判定回路７は、測定用電流Ｉが流れていない状態である測定用電流異常が発生したと判定する（ステップＳ１）。

続いて、判定回路７は、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に閉制御して（ステップＳ２）、測定用電流異常のままであるか解消するかを判別する（ステップＳ３）。ヒューズ試験回路６が閉状態になっても、ヒューズ３が溶断しているので測定用電流Ｉが流れず、差動アンプ２１は最大電圧Ｖomaxを出力し続ける。このため、判定回路７は、検出回路５の検出結果から測定用電流異常のままであると判別し（ステップＳ３）、ヒューズ溶断状態であると判定する（ステップＳ５）。判定回路７は、ヒューズ溶断状態であることを表示部８に表示させる。測定者は、この表示を確認して、ヒューズ３の交換を実施する。

このように、本発明の測定装置１は、プローブオープン状態であるかヒューズ溶断状態であるかを判定することができる。

なお、検出回路５が、差動アンプ２１の出力電圧を検出する例について説明したが、検出回路５が差動アンプ２１の出力電流を検出するように構成し、測定用電流Ｉが流れているか、流れていないか（測定用電流異常）を、判定回路７が判定してもよい。出力電流を検出する場合、例えば電流経路に電流検出用の抵抗を配置し、その電圧降下から電流に換算する。

ヒューズ３として、溶断タイプのヒューズを用いた例を示したが、自動的に復帰するタイプ又は手動で復帰させるタイプのヒューズを用いてもよい。

ヒューズ試験回路６のスイッチ３２として、寿命や動作速度の観点から半導体スイッチを好ましく用いることができるが、必要性に応じて機械接点式の電磁リレーを用いてもよい。この場合、過電圧に対して耐えうるので抵抗３１，３３、ダイオード３４〜３７を設けなくてもよい。

差動アンプ２１が測定用電流Ｉを吐き出して供給する回路例について示したが、差動アンプ２１が測定用電流Ｉを吸い込んで供給する回路で構成してもよい。その場合、測定用電流Ｉの流れる向きは、図１と逆向きになる。又、回路構成は、吸い込み型の回路構成に合わせて適宜変更する。

差動アンプ２１を用いずに能動素子としてトランジスタ、電界効果トランジスタ、半導体集積回路（ＩＣ）、その他の公知の半導体素子を用いて定電流回路を構成してもよい。

又、電流発生回路として定電流回路２を用いた例を説明したが、電流を発生（供給）できる回路であれば、どのような回路を用いてもよい。例えば、定電流回路２に換えて、定電圧回路を用いて測定対象体９０に測定用電流Ｉを供給してもよい。この場合、プローブオープン状態であってもヒューズ溶断状態であっても定電圧回路の出力電圧は一定であるので、検出回路５を、測定用電流Ｉを検出する回路にする。判定回路７は、検出回路５の検出結果から測定用電流Ｉが流れていないとき（ゼロのとき）に、測定用電流異常と判定し、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御する。判定回路７は、検出回路５の検出結果から、測定用電流Ｉがゼロではなく流れていると判定したときに、プローブオープン状態であると判定し、測定用電流Ｉがゼロのときに、ヒューズ異常状態であると判定する。

又、判定回路７が、測定用電流異常であると判定したときに、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御して、ヒューズ異常状態であるか、プローブオープン状態であるかを判定する例について説明したが、測定用電流異常の有無にかかわらず、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御して、検出回路５の検出結果に基づき、ヒューズ３が異常状態であるか否かを判定するようにしてもよい。

例えば、判定回路７が、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御したときに、検出回路５の検出結果が変化すればヒューズ３が正常状態であると判定し、検出回路５の検出結果に変化がなければヒューズ３が異常状態であると判定する。具体的に説明すると、図１に示すように測定対象体９０に測定用電流Ｉが流れている状態で、判定回路７が、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御した場合、閉状態になったヒューズ試験回路６にも電流が流れるため、定電流回路２の出力電圧が下がる。判定回路７は、検出回路５の検出結果から電圧変化があったことを検出し、ヒューズ３が正常状態であると判定する。プローブオープン状態の場合、既に説明したように、ヒューズ試験回路６が開状態で検出回路５は最大電圧Ｖomaxを検出し、閉状態では電圧が低下するので、ヒューズ３が正常状態であると判定する。ヒューズ３が溶断している場合、ヒューズ試験回路６が開状態であっても閉状態であっても定電流回路２の出力電圧は最大電圧Ｖomaxのまま変化しないため、判定回路７はヒューズ３が異常状態であると判定する。

定電流回路２に換えて、電流発生回路が定電圧回路である場合、検出回路５を、測定用電流Ｉを検出する回路にする。プローブＨｃ，Ｌｃを測定対象体９０に接触させて、測定対象体９０に測定用電流Ｉが流れている場合、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御すると、ヒューズ試験回路６に電流が流れるため、定電圧回路の出力電流が増加して、検出回路５の検出電流が増加（変化）する。このため、判定回路７は、ヒューズ３が正常状態であると判定する。プローブオープン状態の場合、ヒューズ試験回路６を開状態から閉状態に制御すると、電流がゼロから増加する。このため、判定回路７は、ヒューズ３が正常状態であると判定する。ヒューズ３が溶断している場合、ヒューズ試験回路６が開状態であっても閉状態であっても電流はゼロのままで変化せず、判定回路７はヒューズ３が異常状態であると判定する。

なお、本発明を二端子法で電気的特性値を測定する測定装置に適用してもよい。

１は測定装置、２は定電流回路、３はヒューズ、４は保護回路、５は検出回路、６はヒューズ試験回路、７は判定回路、８は表示部、１１は電圧測定回路、２１は差動アンプ、３１・３３は抵抗、３２はスイッチ、３４〜３７はダイオード、９０は測定対象体、Ｉは測定用電流、Ｈｃは電流供給用の一方のプローブ、Ｌｃは電流供給用の他方のプローブ、Ｈｖは電圧測定用の一方のプローブ、Ｌｖは電圧測定用の他方のプローブ、Ｒｒは基準抵抗、Ｖｒは基準電圧源である。

Claims

測定対象体に測定用電流を流して発生する両端電圧を測定し、該測定用電流及び該両端電圧から該測定対象体の電気的特性値を測定する測定装置であって、
該測定対象体の両端に接触させる電流供給用の一対のプローブを介して該測定対象体に該測定用電流を供給する電流発生回路と、
該電流発生回路の出力端子から、この出力端子に接続されている一方の該プローブまでの電流経路に配置されるヒューズと、
該ヒューズの該電流発生回路側に配置され、該一対のプローブに過電圧が印加されたときに導通して該ヒューズを溶断させる保護回路と、
該電流発生回路の出力端子の出力電圧又は出力電流を検出する検出回路と、
該一対のプローブ同士に接続されていて、導通しない開状態又は導通する閉状態に開閉制御されるヒューズ試験回路と、
該ヒューズ試験回路を閉状態に制御して該検出回路の検出結果に基づき、該ヒューズの異常状態を判定する判定回路とを備え、
該判定回路が、該検出回路の検出結果に基づいて該測定用電流の異常を検出したときに、該ヒューズ試験回路を閉状態に制御して、この閉状態の該検出回路の検出結果に基づき、該ヒューズが異常状態であるか、該プローブがオープン状態であるかを判定することを特徴とする測定装置。
前記ヒューズ試験回路が、開閉制御可能な半導体スイッチを備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記ヒューズ試験回路が、前記半導体スイッチに過電圧が印加されることを防止するための電圧制限回路を備えていることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
前記ヒューズ試験回路が、前記半導体スイッチに直列接続された抵抗を備えていることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。