JP2005233818A - インダクタンスの測定装置と測定用プローブと測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来から知られるＩ−Ｖ法を用いたインダクタンスの測定（典型的には４端子対法）に比して、パワーモジュールやＩＣパッケージ等のインダクタンスを精度よく測定すること。
【解決手段】 ２端子間（１６２、１６４）のインダクタンスを測定する装置であり、ネットワークアナライザ１４２と、そのネットワークアナライザ１４２に接続されている１本の同軸ケーブル１３６と、その同軸ケーブル１３６の内芯線１３２をインダクタンスが既知の平板導体１５２を介してバスバーｐ端子１６２に接続し、その同軸ケーブル１３６の外側シールド被覆線１３４をバスバーｎ端子１６４に接続するとともに、バスバーｐ端子１６２とバスバーｎ端子１６４を容量が既知のチップコンデンサ１５４を介して接続するプローブ１００とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回路を内蔵する装置や素子の端子間のインダクタンスを測定する技術に関する。

回路を内蔵する部品の端子間のインダクタンスを精密に測定する必要がしばしば存在する。例えばパワーモジュールでは、内蔵するスイッチング素子のオンオフ時に端子間にサージ電圧が発生するところ、そのサージ電圧の大きさには端子間のインダクタンスが影響を与えるために、端子間のインダクタンスを精密に測定することが必要とされる。端子間のインダクタンスを精密に測定するためには、端子間に内蔵されているインダクタンス成分を持つ電子部品の自己インダクタンスを測定するだけでなく、回路構成部材同士が相互に磁気的に影響しあうことによって発生するインダクタンス（ここでは寄生インダクタンスという）まで精密に測定しなければならない。端子板やリード線や配線パターンにも、相互影響に由来する寄生インダクタンスが発生する。
寄生インダクタンスはそもそも小さく、それを精密に測定することが困難である。さらには、インダクタンスを測定するために通電すると、測定用ケーブルを流れる電流が作りだす磁界が回路の寄生インダクタンスの大きさを変化させてしまうために、端子間のインピーダンスを精密に測定することができないという問題も生じる。
後者の問題を克服するために、４端子対法がよく利用される。特許文献１に、４端子対法を用いたインピーダンスメーターが記載されている。
特開平５−３１２８５９号公報（その公報の図１参照）

図３を用いて、４端子対法を説明する。図示２０５は回路を内蔵する測定対象試料であり、端子２０５ａと端子２０５ｂ間のインダクタンスを測定することが求められている。その測定対象試料２０５に対して一対の同軸ケーブル２０４、２０８が接続される。以下では、図面上で上側に配置されている同軸ケーブルを上側同軸ケーブル２０４といい、下側に配置されている同軸ケーブルを下側同軸ケーブル２０８という。
測定電流は、交流電流源２０２から上側同軸ケーブル２０４の内芯線（内芯導体）を経由して測定対象試料２０５の上側端子２０５ａに供給される。この測定電流は、測定対象試料２０５の下側端子２０５ｂから下側同軸ケーブル２０８の内芯線を経由して電流計２０７へと流れる。測定電流の電流値はこの電流計２０７で測定される。測定された測定電流は下側同軸ケーブル２０８の外側シールド被覆線（外側導体）と、測定対象試料２０５を迂回する導線２１０と、上側同軸ケーブル２０４の外側シールド被覆線を経由して交流電流源２０２に戻る。この測定電流の往路と復路が、同軸ケーブル２０４、２０８の内芯線と外側シールド被覆線を逆方向へ流れるために、同軸ケーブルに起因する磁束の発生を抑制し、測定電流が測定対象試料２０５のインピーダンスを変化させてしまうことを抑制することができる。

一方、測定対象試料２０５の下側端子２０５ｂの電位は、下側同軸ケーブル２０８の内芯線を介して増幅器２０６の反転入力に印加されており、その増幅器２０６の非反転入力は下側同軸ケーブル２０８の外側シールド被覆線に接続されている。増幅器２０６の出力は、可変電流源２０９を介して下側同軸ケーブル２０８の外側シールド被覆線に接続されている。可変電流源２０９によって、下側同軸ケーブル２０８の内芯線と外側シールド被覆線の電位が等しくなるように、測定電流の大きさが調節される。下側同軸ケーブル２０８の外側シールド被覆線はこのグランド電位となるように接地されている。導体２１０を介して、上側同軸ケーブル２０４の外側シールド被覆線の電位もグランド電位に維持される。
以上によって、上側同軸ケーブル２０４の内芯線と外側シールド被覆線の電位差を電圧計２０３で測定することによって、測定対象試料２０５の上側端子２０５ａと下側端子２０５ｂの電位差を測定することができる。なお、図示Ｈｃ、Ｈｐ、Ｌｐ、Ｌｃは各測定端子を表している。
上記から、測定対象試料２０５の２端子２０５ａ、２０５ｂ間の電位差と電流値が測定できるので、この測定値の比と位相差から、測定対象試料２０５の端子２０５ａ、２０５ｂ間のインダクタンスを測定することができる。

上記の４端子対法はＩ−Ｖ手法と呼ばれる測定方法を用いている。この手法では、測定対象試料のインダクタンスが小さい場合には、その測定対象試料の両端子間に生じる電位差も小さくなり、測定誤差が大きくなるという問題がある。微小な寄生インダクタンスまで含めて精密にインダクタンスを測定するためには、従来からのＩ−Ｖ手法とは異なる測定手法の開発が望まれている。
また、４端子対法では、測定対象試料自体が大きい場合、図３に示すように、その測定対象試料を迂回する導線２１０の長さが長くなるという問題が発生する。導線２１０の長さが長くなると、その導線２１０を流れる測定用の電流が、測定対象試料の端子間に生じる寄生インダクタンスの大きさを変えてしまうという問題が無視できなくなる。
本発明の一つの課題は、インダクタンスを精密に測定することができる、Ｉ−Ｖ手法とは異なる測定手法を提供することである。
本発明の他の一つの課題は、測定のための電流が、測定対象試料の端子間に生じる寄生インダクタンスの大きさを変えてしまうことを抑制することができる測定手法を提供することである。
本発明は、上記した課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。

本発明は、２端子間のインダクタンスを測定するインダクタンス測定装置に具現化される。本発明のインダクタンス測定装置は、共振周波数測定装置（例えばネットワークアナライザ）と、その共振周波数測定装置に接続されている１本の同軸ケーブルを利用する。その同軸ケーブルにはプローブが取付けられている。そのプローブは、同軸ケーブルの一方の導体をインダクタンスが既知のダミー導体を介して一方の端子に接続し、同軸ケーブルの他方の導体を他方の端子に接続するとともに、一方の端子と他方の端子を容量が既知のコンデンサを介して接続する。

上記のインダクタンス測定装置によると、２端子間のインダクタンスと、ダミー導体のインダクタンスと、コンデンサの容量でＬＣ並列回路が構成される。ダミー導体のインダクタンスをＬ１とし、２端子間のインダクタンスをＬ２とし、コンデンサの容量をＣとすると、このＬＣ並列回路の共振周波数Ｆに対して、次の関係が成立する。
Ｆ＝1/（2π×（Ｃ（Ｌ１＋Ｌ２））^1/2） （１）
ＬＣ並列回路の共振周波数Ｆを測定すれば、上式（１）の関係から、２端子間のインダクタンスＬ２を求めることができる。
上記のインダクタンス測定装置は、ＬＣ並列回路の共振周波数によってインダクタンスを測定する手法を用いており、従来のＩ−Ｖ手法に比してその測定精度を向上することができる。高いＳＮ比が得られる。
このＬＣ並列回路と共振周波数測定装置の間は同軸ケーブルで接続されており、その同軸ケーブルには往路の測定電流と復路の測定電流が通電されることから、測定電流が２端子間のインダクタンスＬ２を変化させることが抑制されている。同軸ケーブルの長さに制約をうくることがない。
また、ダミー導体とコンデンサは、２端子間に対して所望の位置と形状で形成することができ、２端子間のインダクタンスＬ２に影響を与えないように配置することができる。
測定対象試料が大きい場合でも好適に用いることができる。

ダミー導体がコンデンサと一方の端子を接続する導体を兼用していることが好ましい。
この場合、ダミー導体とは別にコンデンサと一方の端子を接続する導体を設ける必要がなく、プローブの構成を簡単化することができる。さらには、測定対象試料の寄生インダクタンスに与える影響を実質的に無くすことができる。インダクタンスの測定精度がより向上する。

プローブ自体も本発明で創作された。そのプローブは、同軸ケーブルに取付けて用いられ、インダクタンスが既知のダミー導体と、容量が既知のコンデンサとを備えている。ダミー導体を測定対象試料の一方の端子に接触させ、コンデサの端部を測定対象試料の他方の端子に接触させると、同軸ケーブルの一方の導体がダミー導体を介して一方の端子に接続され、同軸ケーブルの他方の導体が他方の端子に接続され、測定対象試料の一方の端子と他方の端子がコンデンサとダミー導体を介して接続されることを特徴とする。

上記のプローブを両端子に接触させると、２端子間のインダクタンスと、ダミー導体のインダクタンスと、コンデンサの容量によってＬＣ並列回路が構成される。予め用意されているプローブを、両端子に対して接触して用いるだけで、手間をかけずに２端子間のインダクタンスを測定することができる。

ダミー導体を一方の端子に接触させ、コンデサの端部を他方の端子に接触させたときに、ダミー導体の通電方向と測定対象試料の一方の端子の通電方向が直交することが好ましい。
上記の直交関係が成立していると、ダミー導体を流れる測定電流が、一方の端子の寄生インダクタンスを変化させることがなく、測定対象試料の端子間のインダクタンスの測定精度を向上することができる。

本発明は、従来のＩ−Ｖ手法とは異なる、新たなインダクタンス測定方法に具現化される。
本発明で創作されたインダクタンス測定方法は、一方の端子にインダクタンスが既知のダミー導体を介して同軸ケーブルの一方の導体を接続する工程と、他方の端子に同軸ケーブルの他方の導体を接続する工程と、一方の端子と他方の端子の間を容量が既知のコンデンサを介して接続する工程と、２端子間のインダクタンスとダミー導体のインダクタンスとコンデンサの容量で構成されるＬＣ並列回路の共振周波数を測定する工程とを有する。
上記の各工程を実施することで、２端子間のインダクタンスとダミー導体のインダクタンスとコンデンサの容量によってＬＣ並列回路を構成することができ、そのＬＣ並列回路ＬＣ並列回路の共振周波数を測定することで２端子間のインダクタンスを測定することができる。共振周波数を測定することから高いＳＮ比を得ることができ、２端子間のインダクタンスを精密に測定することができる。

本発明のプローブを測定装置によると、高いＳＮ比が得られる共振周波数の測定によって、２端子間のインダクタンスを簡便かつ正確に測定することができる。測定によって、２端子間の寄生インダクタンスが変化する問題を解決することができる。

最初に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１実施形態） ２端子間（１６２、１６４）間のインダクタンスを測定するプローブであり、インダクタンスが既知のダミー導体（１５２）と、容量が既知のコンデンサ（１５４）とを備えている。ダミー導体（１５２）の一端が第１接続端子（１５６）を介して第１端子（１６２）に接続可能であり、そのダミー導体（１５２）の他端にはコンデンサ（１５４）の一端と同軸ケーブル（１３６）の内芯導体（１３２）が接続されている。コンデンサ（１５４）の他端は同軸ケーブル（１３６）の外側導体（１３４）に接続されており、第２接続端子（１５８）を介して、第２端子（１６４）に接続可能である。

図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
（第１実施例） まず、第１実施例のインダクタンス測定装置の構成を説明する前に、第１実施例の構成と等価な回路図を図１に示してその概要を説明する。
図示２２にＬＣ並列回路が形成されている。図示２８は容量Ｃ１０が既知のコンデンサであり、図示２４はインダクタンスＬ１１が既知のダミー導体であり、２６はインダクタンスＬ１２が未知の検出対象導体であり、２端子間の回路に相当する。同軸ケーブル３６の内芯導体３２と外側シールド被覆線（外側導体）３４に対して、インダクタンスＬ１１とインダクタンスＬ１２が直列に接続され、インダクタンスＬ１１とインダクタンスＬ１２に直列回路に対して、容量Ｃ１０が並列に接続されている。インダクタンスＬ１１とインダクタンスＬ１２と容量Ｃ１０は、インダクタンス成分と容量成分が並列に配置されたＬＣ並列回路２２を構成する。
同軸ケーブル３６は、ネットワークアナライザ４２に接続されており、このネットワークアナライザ４２とＬＣ並列回路２２は50Ωにインピーダンスマッチングされている。インピーダンスマッチングされているので、この同軸ケーブル３６のインダクタンスは無視し得る。同軸ケーブル３２には、往路の測定電流と復路の測定電流が通電されることから、測定電流がインダクタンスＬ１１の大きさに影響を与えることはない。

ネットワークアナライザ４２は、パワーデバイス等の各種回路の高周波特性を測定する一般的な機器である。本実施例では、このネットワークアナライザ４２によって、Ｓ_１１（反射係数）を測定する。この係数Ｓ_１１から、ＬＣ並列回路２２の共振周波数を測定することができる。ＬＣ並列回路２２の共振周波数をＦとすると次の関係が成立する。
Ｆ＝1/（2π×（Ｃ１０（Ｌ１１＋Ｌ１２））^1/2） （２）
容量Ｃ１０とインダクタンスＬ１１は既知であるから、共振周波数Ｆが測定されると、上式（２）より測定対象のインダクタンスＬ１２を計算することができる。

次に第１実施例のインダクタンス測定装置の構成を、図２を参照して詳細に説明する。なお、図２に示すネットワークアナライザ１４２と同軸ケーブル１３６は、図１の場合と同一である。
図２に示すインダクタンス測定装置は、パワーモジュール１６０の端子１６２、１６４間のインダクタンスを測定する場合を例示している。パワーモジュール１６０は、スイッチング素子を内蔵しており、端子１６２、１６４間が導通していないことがあるが、この場合には、スイッチング素子をオンして端子１６２、１６４間が導通した状態で測定する。あるいは、スイッチング素子に代えて常時オンしているダミースイッチング素子に置換えた状態で測定する。測定対象回路は、少なくとも２端子を備えているものであれば足り、３端子以上備えていてもよい。例えば、Ａ，Ｂ，Ｃの３端子回路であれば、本実施例の装置で、ＡＢ間のインダクタンス、ＢＣ間のインダクタンス、ＣＡ間のインダクタンスを測定することができる。
本実施例で測定する端子１６２、１６４間には、インダクタンス成分を有する電子部品は実装されていない。したがって、端子１６２、１６４間のインダクタンスは低い。しかしながら、回路を流れる電流によって、回路構成部品同士の間に磁気的接合関係が現われ、微小な相互インダクタンスが発生する。例えば、ボンディングワイヤを流れる電流が配線パターンにインダクタンス成分を発生させ、配線パターンを流れる電流がボンディングワイヤにインダクタンス成分を発生させる。端子１６２、１６４間には、微小なインダクタンスが観測される。
この微小なインダクタンスをＩ−Ｖ法で測定することは難しい。本実施例で採用する共振周波数観測法は、特定周波数で顕著に発生する共振現象を観測することからＳＮ比が高く、精密に測定することができる。
本実施例で測定する端子１６２、１６４間には、インダクタンス成分を有する電子部品は実装されていないが、インダクタンス成分を有する電子部品は実装されていたとしても、端子１６２、１６４間のインダクタンスを精密に測定する必要がある場合には、ボンディングワイヤ配線パターン等に生じる寄生インダクタンス成分までをも精密に測定することができる。本実施例の測定装置には、この場合にも有用である。

図示１６２、１６４はパワーモジュール１６０の端子であり、具体的には、バスバーである。図示１６２がｐ（Positive：＋）端子であり、図示１６４がｎ（Negative：−）端子である。バスバーの通電方向は、紙面の上下方向であり、パワーモジュール１６０内に形成されている配線パターンの通電方向と直交している。
破線１００で囲まれた箇所に対応するのがインダクタンス測定装置に用いられるプローブ１００である。なお、本実施例では同軸ケーブル１３６を含めてプローブ１００と称するが、本来的にはこの同軸ケーブル１３６を除いた構成をプローブ１００と称する。また、本実施例のプローブ１００は、バスバーとの接触を容易にするために接続端子１５６、１５８を備えているが、この接続端子１５６、１５８は省略可能である。このプローブ１００は前記の両端子１６２、１６４に接触させて用いられる。

プローブ１００は、インダクタンスが既知の平板導体１５２と、容量が既知のチップコンデンサ１５４と、セミリジッド同軸ケーブル１３６とを備えている。平板導体１５２の形状は平板を例示しているが、この導体はインダクタンスが既知のものであればよく、例えば細線導体等であってもよい。この導体の形状が円柱や直方体であると、予めそのインダクタンスを精度よく知ることができるので好ましい。
なお、チップコンデンサ１５４が、図１に示すコンデンサ２８に対応し、平板導体１５２はインダクタンス成分２４に対応している。

セミリジッド同軸ケーブル１３６の内芯線（内芯導体）１３２は、平板導体１５２の左端に接続されている。平板導体１５２の右端にはｐ側接続端子１５６が固定されている。
セミリジッド同軸ケーブル１３６の外側シールド被覆線（外側導体）１３４は、チップコンデンサ１５４の左端に接続されている。チップコンデンサ１５４の右端は、平板導体１５２の左端に接続されている。チップコンデンサ１５４の左端には、ｎ側接続端子１５８が固定されている。
使用時には、ｐ側接続端子１５６をｐ型パスバー１６２の先端に接触させ、ｎ側接続端子１５８をｎ型パスバー１６４の先端に接触させる。この状態では、図１に示す回路が構成されている。

平板導体１５２の長手方向（通電方向）は、ｐ型パスバー１６２の長手方向（通電方向）に直交する。平板導体１５２内を流れる測定電流の通電方向と、ｐ型パスバー１６２を流れる測定電流の通電方向が直交するために、平板導体１５２を流れる測定電流は、ｐ型パスバー１６２の寄生インダクタンスの大きさに影響を与えない。同様に、ｎ型パスバー１６４の寄生インダクタンスの大きさに影響を与えない。ｎ型パスバー１６４は平板導体１５２から離れているために、その影響は一層に小さい。パワーモジュール１６０内に形成されている配線パターンと平板導体１５２は、パスバー１６２、１６４の高さ分だけ離れており、平板導体１５２を流れる測定電流は、パワーモジュール１６０内に形成されている配線パターンの寄生インダクタンスの大きさにほとんど影響を与えない。

平板導体１５２と、チップコンデンサ１５４と、ｐ側接続端子１５６と、ｎ側接続端子１５８が上記の位置関係で配置されていると、そのプローブ１００が極めて小型化される。したがって、上記の各構成要素に起因する寄生インダクタンスの影響が小さくなり、インダクタンス測定装置として好適に用いることができる。
また、上記の位置関係で形成したプローブ１００を予め構成しておくことで、パワーモジュール１６０のバスバー１６２，１６４に対して、そのプローブ１００を容易に接続することができ、手間をかけずにパワーモジュール１６０のバスバー１６２，１６４間のインダクタンスを測定することができる。

なお、測定対象試料がバスバーを備えているパワーモジュールではなく、例えばリードフレームやワイヤボンディングによる配線を備えているＩＣパッケージ等にも、上記のプローブ１００を適用することができる。この場合、ＩＣパッケージにはパワーモジュールのようなバスバーを備えていないが、ｐ側接続端子１５６とｎ側接続端子１５８を長く形成することで、ＩＣパッケージのリードフレームやワイヤボンディングに対して直接接続することができる。ｐ側接続端子１５６とｎ側接続端子１５８を長くすることで、そのｐ側接続端子１５６とｎ側接続端子１５８の固有の寄生インダクタンスを考慮しなければならない場合が生じ得る。このときは、その寄生インダクタンスをＬ１３として上式（２）に代えて、次の式を用いればよい。
Ｆ＝1/（2π×（Ｃ１０（Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３））^1/2） （３）
ｐ側接続端子１５６とｎ側接続端子１５８の固有の寄生インダクタンスはその形状等から予め分かっているので、結局は同様の方法で、ＩＣパッケージのインダクタンスを測定することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例のインダクタンス装置の等価な回路図を示す。 第１実施例のインダクタンス装置の構成例を示す。 ４端子対法の回路図を示す。

符号の説明

１００：プローブ
１３６：セミリジッド同軸ケーブル（１３２：内芯線、１３４：外側シールド被覆線）
１４２：ネットワークアナライザ
１５２：平板導体
１５４：チップコンデンサ
１５６：ｎ側接続端子
１５８：ｐ側接続端子
１６２：バスバーｐ端子
１６４：バスバーｎ端子

Claims (5)

1. ２端子間のインダクタンスを測定する装置であり、
   共振周波数測定装置と、
   その共振周波数測定装置に接続されている１本の同軸ケーブルと、
   その同軸ケーブルの一方の導体をインダクタンスが既知のダミー導体を介して一方の端子に接続し、その同軸ケーブルの他方の導体を他方の端子に接続するとともに、一方の端子と他方の端子を容量が既知のコンデンサを介して接続するプローブと、
   を有するインダクタンス測定装置。
2. 前記ダミー導体が、前記コンデンサと前記一方の端子を接続する導体を兼用していることを特徴とする請求項１のインダクタンス測定装置。
3. 同軸ケーブルに接続して用いるとともに、２端子間のインダクタンスを測定するためにその両端子に接触させて用いるプローブであり、
   インダクタンスが既知のダミー導体と、
   容量が既知のコンデンサとを備え、
   ダミー導体を一方の端子に接触させ、コンデンサの端部を他方の端子に接触させると、同軸ケーブルの一方の導体がダミー導体を介して前記一方の端子に接続され、同軸ケーブルの他方の導体が前記他方の端子に接続され、前記一方の端子と他方の端子がコンデンサとダミー導体を介して接続されることを特徴とするプローブ。
4. ダミー導体を一方の端子に接触させ、コンデンサの端部を他方の端子に接触させると、前記ダミー導体の通電方向と、前記一方の端子の通電方向が直交することを特徴とする請求項３のプローブ。
5. ２端子間のインダクタンスを測定する方法であり、
   一方の端子にインダクタンスが既知のダミー導体を介して同軸ケーブルの一方の導体を接続する工程と、
   他方の端子に同軸ケーブルの他方の導体を接続する工程と、
   一方の端子と他方の端子の間を容量が既知のコンデンサを介して接続する工程と、
   ２端子間のインダクタンスとダミー導体のインダクタンスとコンデンサの容量で構成されるＬＣ並列回路の共振周波数を測定する工程と、
   を有することを特徴とするインダクタンス測定方法。

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