JP2006105927A

JP2006105927A - 素子測定装置

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Publication number: JP2006105927A
Application number: JP2004296659A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Koyama; 光明小山; Takehito Ishii; 武仁石井
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】コンデンサの容量あるいはコイルのインダクタンスを高精度に測定することができる素子測定装置を提供すること。
【解決手段】発振回路におけるコンデンサの容量やコイルのインダクタンスの値を用いて水晶振動子と発振回路とからなる発振器の発振周波数を計算する手法を逆に用い、実際にコンデンサやコイルである被測定素子と水晶振動子との直列回路を形成する装置を作成し、その直列共振周波数を測定してその測定値と水晶振動子の等価回路定数とに基づいて演算により被測定素子の容量あるいはインダクタンスを求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、被測定素子であるコンデンサの容量あるいは被測定素子であるコイルのインダクタンスを測定するための素子測定装置に関する。

一般に水晶発振器の商取引においては、発振周波数の許容値が規定されている。取引上の水晶発振器の発振周波数は、水晶振動子の等価回路定数と発振回路に用いられる電子部品の容量とに基づいて計算から決められ、発振器のメーカー側では発振周波数が前記許容値に入るように電子部品を選択している。このため前記電子部品であるコンデンサの容量やコイルのインダクタンスは精密に測定される必要があり、その測定値が定められた範囲内に収まるように電子部品を製造することが要求される。

従来から電子部品の容量やインダクタンスは、電流計と電圧計とを用いたＬＣＲメータと呼ばれる測定装置により測定されている。特許文献１には、オートブリッジバランスを用いた４端子対ＬＣＲメータによりコイルのインダクタンスを測定するにあたり、測定系の配線間及び測定系の配線と測定サンプル間の寄生インダクタンスを十分に小さくして高精度にインダクタンスを測定できるようにするために、測定サンプルに接続される配線に工夫を凝らした技術が記載されている。

そして実際の市場では、ＬＣＲメータによる電子部品の測定値（容量あるいはインダクタンス）の確度は０．１％と可成り高い精度で測定されているが、その測定周波数の上限は、１００ｋＨｚである。これに対して、最近では水晶発振器あるいはフィルタの周波数が高くなる傾向にあり、１００ＭＨｚを越える場合もある。１００ｋＨｚの水晶発振器であれば、上述のように計算から求めた発振周波数により実際に使用されたときの発振周波数を正しく評価することできるが、例えば１００ＭＨｚもの高周波領域で使用されるとなると、電子部品における測定値がそのまま適用できるとは保証できない。こうしたことから、コンデンサの容量あるいはコイルのインダクタンスについて高周波域において高精度に測定する技術の確立が望まれている。

特開平８−１４６０６０号公報

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、コンデンサの容量あるいはコイルのインダクタンスを高い周波数領域においても高精度に測定することができる素子測定装置を提供することにある。

本発明は、発振回路におけるコンデンサの容量やコイルのインダクタンスの値を用いて水晶振動子と発振回路とからなる発振器の発振周波数を計算する手法を逆に用い、実際にコンデンサやコイルである被測定素子と水晶振動子との直列回路を形成する装置を作成し、その直列共振周波数を測定してその測定値と水晶振動子の等価回路定数とに基づいて演算により被測定素子の容量あるいはインダクタンスを求めようとするものである。

図１は、本発明の測定原理を示す図であり、水晶振動子１と被測定素子である例えばコンデンサ２とが直列に接続される。水晶振動子１の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0はメモリに記憶され、この直列回路の共振周波数の測定値ｆLと前記メモリ内のデータとに基づいてコンデンサ２の容量が求められる。

具体的には、本発明は、被測定素子であるコンデンサの容量を測定するための素子測定装置において、
水晶振動子と、
この水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を記憶する第１の記憶部と、
前記水晶振動子に対して直列に被測定素子を着脱自在に接続するための第１の接続端子と、
前記水晶振動子と前記第１の接続端子間に接続された被測定素子との直列回路の共振周波数ｆLを測定する測定手段と、
この測定手段により測定された共振周波数ｆLと、前記記憶部に記憶されている水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0と、に基づいて被測定素子であるコンデンサの容量ＣLを求めるための演算手段と、を備えたものである。そして演算手段による演算式は下記の通りである。

ＣL＝｛Ｃ1／（Ａ−２）｝−Ｃ0 ………（１）
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）
また他の発明は、被測定素子であるコイルのインダクタンスを測定するための素子測定装置において、
水晶振動子と、
この水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を記憶する第１の記憶部と、
前記水晶振動子に対して直列に被測定素子を着脱自在に接続するための第１の接続端子と、
前記水晶振動子と前記第１の接続端子間に接続された被測定素子との直列回路の共振周波数ｆLを測定する測定手段と、
この測定手段により測定された共振周波数ｆLと、前記記憶部に記憶されている水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0と、に基づいて被測定素子であるコイルのコイルンスＬを求めるための演算手段と、を備えたものである。そして演算手段による演算式は下記の通りである。

Ｌ＝−Ａ・｛１／（ω^２・Ｃ0）｝・｛１／（Ａ＋１）｝ ………（２）
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）、ω＝２π・ｆL
このインダクタンスを測定する発明は、先の容量を測定する発明において、コンデンサをコイルに置き換えたものである。従ってコイルのインダクタンスＬは１／（ω^２・ＣL）で表されるので、この式と（１）式とからＬを求めると（２）式になる。

また本発明の測定装置においては、前記水晶振動子の等価回路定数（ｆr、Ｃ1及びＣ0）を当該測定装置により測定し、その測定値を用いて既述の演算を行うことが好ましい。

このような発明の構成例としては、前記水晶振動子を着脱自在に接続するための第２の接続端子と、この第２の接続端子を短絡しかつ前記第１の接続端子にキャリブレーション用の素子が接続された状態で、キャリブレーションを行う手段と、キャリブレーションの結果を記憶する第２の記憶部と、前記第１の接続端子を短絡しかつ前記第２の接続端子に水晶振動子を接続した状態で、この水晶振動子に電圧信号を供給して得られた測定結果とキャリブレーションの結果とに基づいて水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を求め、前記第１の記憶部に記憶する手段と、を備えた構成を挙げることができる。

本発明は、被測定素子と水晶振動子との直列回路を形成し、その直列共振周波数を測定してその測定値と水晶振動子の等価回路定数とに基づいて演算により被測定素子の容量あるいはインダクタンスを求めようとするものであるから、水晶振動子を選定することにより測定周波数を任意に選ぶことができ、周波数の高い領域における被測定素子の容量あるいはインダクタンスの値を保証することができる。従って例えば被測定素子が適用される発振回路の発振周波数に応じた水晶振動子を用いて測定することにより、結果として当該被測定素子が適用される発振器の周波数が正確に求まり、公称周波数からの誤差を保証できる。

本発明の実施の形態に係る素子測定装置は、図２に示すように水晶振動子及び被測定素子が装着される測定治具３と、この測定治具に電気信号を与えて後述の種々の測定を行うと共に被測定素子の容量あるいはインダクタンスを求めるネットワークアナライザ４と、を備えている。

測定治具３は、本体３１の上部にプリント基板３２が配置され、その上にプレート状のデバイスガイド３３が設けられている。このデバイスガイド３３には、コンデンサあるいはコイルである被測定素子及びキャリブレーション用の素子を着脱自在に接続するための第１の接続端子５１と、水晶振動子を着脱自在に接続するための第２の接続端子５２とが設けられている。図２で見えている部分は、素子や水晶振動子が位置決めして装着される凹部であって、実際にはこの凹部の中に接続端子が設けられているが、便宜上これら凹部を５１、５２として示している。本体３１の両面にはコネクタ３４、３５が設けられ、ネットワークアナライザ４側のコネクタ４１、４２に夫々接続されるようになっている。

ネットワークアナライザ４は、図３に示すように測定部４１と、この測定部４１に制御信号を与えると共に測定部４１にて測定された測定値を記憶したり演算したりするための制御部例えばパーソナルコンピュータ６と、を備えている。測定部４１は、直流電源部、交流電源部、電圧計、位相計及び抵抗減衰器などを備えており、この例では測定治具３に装着された水晶振動子及び被測定素子の直列回路を共振させるための機能に加えて、前記直列回路の水晶振動子の等価回路定数を測定する機能を備えている。

本発明では、被測定素子と水晶振動子との直列共振周波数の測定値に基づいて被測定素子の例えば容量を演算するにあたって、その水晶振動子の等価回路定数として例えば別の装置で予め測定しておいた値を用いてもよいが、測定系が変わると測定系の回路定数も微妙に変わってくることから、より一層正確な測定を行うためには、被測定素子と水晶振動子とを直列共振する状態において当該水晶振動子の等価回路定数を測定してその測定値を用いることが好ましい。このためこの実施の形態では、測定部４１に水晶振動子の等価回路定数を測定する機能を持たせており、具体的には水晶振動子の測定法に係るＩＥＣ国際規格の６０４４４に規定されている水晶振動子定数の測定法を実施できるように構成されている。このＩＥＣ６０４４４は、６０４４４−１（π回路網を使用したゼロ位相法による水晶振動子の共振周波数及び共振抵抗の測定法）、６０４４４−２（位相オフセット方による水晶振動子の直列容量測定法）、６０４４４−３（並列容量Ｃ0を補償したπ回路網での位相法による２００ＭＨｚまでの水晶振動子２端子パラメータ測定法基準）、６０４４４−４（水晶振動子負荷時共振周波数ｆL、負荷時等価抵抗ＲLの測定と関連値の計算法）、６０４４４−５（自動ネットワーク法による定数の決定法と補正法）からなる。

制御部であるパーソナルコンピュータ６は、例えばＣＰＵからなるデータ処理部６１、メモリ６２、プログラム格納部６３及びＣＲＴ画面などからなる表示部６４などを備えている。プログラム格納部６３には、キャリブレーションを行うためのキャリブレーション用プログラム６５と、水晶振動子の等価回路定数を決定するための定数決定用プログラム６６と、コンデンサの容量あるいはコイルのインダクタンスを演算により算出するための容量／インダクタンス演算プログラム６７と、が格納されている。

キャリブレーション用プログラム６５は、水晶振動子の等価回路定数を求める前に、既述の国際規格ＩＥＣ６０４４４に基づいて測定系のキャリブレーションを行うために測定部４１に制御信号を出力し、また測定部４１における測定値をメモリ６２内に記憶するためのプログラムである。定数決定用プログラム６６は、キャリブレーションを行った後、国際規格ＩＥＣ６０４４４に基づいて水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を求めるために測定部４１に制御信号を出力し、また測定部４１における測定値をメモリ６２内に記憶するためのプログラムである。

容量／インダクタンス演算プログラム６７は、測定治具３の第１の接続端子５１及び第２の接続端子５２に夫々接続された被測定素子及び水晶振動子の直列回路を共振させるために測定部４１に制御信号を出力すると共に、測定部４１にて測定されたその直列回路の共振周波数ｆLとメモリ６２内に格納されている水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0とに基づいて下記の数式により被測定素子であるコンデンサの容量ＣLあるいはコイルのインダクタンスＬを求めるためのプログラムである。

ＣL＝｛Ｃ1／（Ａ−２）｝−Ｃ0 ………（３）
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）
Ｌ＝−Ａ・｛１／（ω^２・Ｃ0）｝・｛１／（Ａ＋１）｝ ………（４）
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）、ω＝２π・ｆL
これら（３）式及び（４）式は、夫々既述の（１）式及び（２）式に対応するものであり、被測定素子がコンデンサである場合には、（３）式が選択され、被測定素子がコイルである場合には、（４）式が選択される。この選択は例えば測定者がキーボードやマウスなどの操作部により表示部６４の画面上の所定のソフトスイッチを選択することにより行われる。

この例では、メモリ６２内において、定数決定用プログラム６６により求められた水晶振動子の等価回路定数を記憶する領域は第１の記憶部に相当し、キャリブレーションを行って得られた測定値（測定結果）が記憶される領域は第２の記憶部に相当する。また容量／インダクタンス演算プログラムにおいて、被測定素子及び水晶振動子の直列回路を共振させるために測定部４１に制御信号を出力するプログラムと測定部４１とは、この例では水晶振動子と被測定素子との直列回路の共振周波数ｆLを測定する測定手段に相当する。更に容量／インダクタンス演算プログラムにおいて、上記の数式３を演算するプログラムは、被測定素子であるコンデンサの容量ＣLを求めるための演算手段に相当し、数式４を演算するプログラムは、被測定素子であるコイルの容量Ｌを求めるための演算手段に相当する。

次に上述実施の形態の素子測定装置を用いて被測定素子である例えばコンデンサの容量を測定する手法について説明する。

（キャリブレーションについて）
被測定素子と直列に接続される水晶振動子を標準水晶振動子と呼ぶことにすると、標準水晶振動子の等価回路定数を求める前に測定系についてキャリブレーションを行わなければならない。このキャリブレーションとは、標準水晶振動子が接続される測定治具３の第２の接続端子５２からネットワークアナライザ４の測定部４１までの電圧及び位相の基準を得ることを意味する。先ずキャリブレーション素子として、インピーダンス値が無限大のオープン素子、インピーダンス値が０Ωのショート素子及び決められたインピーダンス値（一般的には５０Ω）のロード素子の３つの素子を用意する。そして図４（ａ）に示すように、第２の接続端子５２にインピーダンスがゼロのショート素子７２を接続すると共に、前記３つのキャリブレーション素子７１（７１の符号で代表している）を第１の接続端子５１に順番に接続し、各々の接続時における当該第１の接続端子５１の電位差をネットワークアナライザ４の測定部４１内の電圧計で測定し、その測定値（キャリブレーションの結果）をメモリ６２内に記憶する。またキャリブレーション素子７１であるショート素子及びロード素子を第１の接続端子５１に接続したときの各々の位相差を前記測定部４１内の位相差計で測定し、その測定値（キャリブレーションの結果）をメモリ６２内に記憶する。各素子の着脱は作業者により行われるが、測定及び測定値の書き込みなどの処理は、前記キャリブレーション用プログラム６５により行われる。

（標準水晶振動子の等価回路定数の決定について）
次に図４（ｂ）に示すように、第２の接続端子５２に接続されていたショート素子７２を取り外し、例えば発振周波数が１５０ＭＨｚの標準水晶振動子１を当該接続端子５２に接続すると共に、第１の接続端子５１にキャリブレーション素子７１であるショート素子７１ａを接続し、前記測定部４１内の電圧計及び位相差計により夫々標準水晶振動子１の両端電圧及び位相を測定する。そして前記定数決定用プログラム６６により、これら測定値はメモリ６２内に記憶され、キャリブレーション時に得られた測定値と比較されて、標準水晶振動子１の等価回路定数、即ち共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0が求められてメモリ６２内に記憶される。

（被測定素子であるコンデンサの容量またはコイルのインダクタンスの測定について）
続いて図４（ｃ）に示すように、第１の接続端子５１に接続されていたショート素子７１ａを取り外して被測定素子である例えばコンデンサ２１を接続し、前記演算プログラム６７に基づいて測定部４１により標準水晶振動子１とコンデンサ２との直列回路を共振させ、その直列共振周波数ｆLを測定してメモリ６２に記憶する。そして前記演算プログラム６７は、この直列共振周波数ｆＬと既に測定した標準水晶振動子１の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0をメモリ６２から読み出して、上記の（３）式の演算を行ってコンデンサ２の容量ＣLを算出し、メモリ６２内に記憶する。なお水晶振動子の並列容量Ｃ0は、ＬＣＲメータやブリッジなどの既存の測定器を用いて測定し、その値を用いてもよい。

また被測定素子であるコイル２１のインダクタンスを測定する場合には、図４（ｄ）に示すように第１の接続端子５１にコイル２１を接続し、同様にして標準水晶振動子１とコイル２１との直列回路を共振させ、その直列共振周波数ｆLを測定してメモリ６２に記憶する。そして（４）式に基づいてインダクタンスＬを求める。なお（４）式のωはω＝２πｆLで表される。このインダクタンスＬの演算は、言い換えればＬ＝１／（ω²ＣL）の関係と（３）式とに基づいて計算されたことになる。

以後、他の被測定素子について測定する場合には、標準水晶振動子１を第１の接続端子５１に接続した状態でその被測定素子を第２の接続端子５２に接続することにより連続して測定を行うことができる。このように標準水晶振動子１の等価回路定数を当該測定装置により測定し、その測定値を用いて既述の演算を行うようにすれば、前記等価回路定数の測定を行った測定系で標準水晶振動子１と被測定素子との直列共振を行えるので、等価回路定数に関する誤差は実質キャンセルされるので好ましいが、本発明ではこれに限定されずに、予め別の測定系で標準水晶振動子の等価回路定数を測定しておき、その値を用いて数式３あるいは数式４の演算を行うようにしてもよい。

上述の実施の形態によれば、被測定素子と水晶振動子との直列回路を形成し、その直列共振周波数を測定してその測定値と水晶振動子の等価回路定数とに基づいて演算によりコンデンサ２の容量あるいはコイル２１のインダクタンスを求めようとするものであるから、水晶振動子を選定することにより測定周波数を任意に選ぶことができ、高い周波数を用いて測定することができる。従って周波数の高い領域における被測定素子の容量あるいはインダクタンスの値を保証することができる。そして被測定素子が適用される発振回路の発振周波数に応じた水晶振動子を用いて測定することにより、当該被測定素子が適用される発振器の周波数が正確に求まり、このため公称周波数からの周波数誤差を明確化できる。言い換えれば発振器の発振周波数が許容値内に収まっていることを保証することができ、仕様を逸脱せずに発振器を取引することができ、結果としてその発振器が適用されるアプリケーションの性能が保証されることになる。

上述の実施の形態の測定装置を用い、１５５ＭＨｚの水晶振動子を第２の接続端子５２に接続した状態で、２２０ｎＨのコイル１個（平均値２７３ｎＨ）について各々インダクタンスを３０回繰り返し測定した。各回においては、前記直列回路の共振周波数ｆLを１１回測定し、その平均値をｆLとした。こうして得られたインダクタンスの標準偏差をインダクタンスの平均値で割って百分率で表わしたところ±０．２％であった。従ってこの測定手法によれば、高い周波数帯域においても高精度に容量やインダクタンスを測定できることが分かる。

本発明の素子測定装置における測定原理を示す説明図である。本発明の実施の形態の全体構成の外観を概略的に示す斜視図である。本発明の実施の形態の全体の回路構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における測定の様子を段階的に示す説明図である。

符号の説明

１水晶振動子
２コンデンサ
３測定治具
４ネットワークアナライザ
４１測定部
５１第１の接続端子
５２第２の接続端子
６パーソナルコンピュータ
７１キャリブレーション素子
７２ショート素子

Claims

被測定素子であるコンデンサの容量を測定するための素子測定装置において、
水晶振動子と、
この水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を記憶する第１の記憶部と、
前記水晶振動子に対して直列に被測定素子を着脱自在に接続するための第１の接続端子と、
前記水晶振動子と前記第１の接続端子間に接続された被測定素子との直列回路の共振周波数ｆLを測定する測定手段と、
この測定手段により測定された共振周波数ｆLと、前記記憶部に記憶されている水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0と、に基づいて下記の数式により被測定素子であるコンデンサの容量ＣLを求めるための演算手段と、を備えたことを特徴とする素子測定装置。
ＣL＝｛Ｃ1／（Ａ−２）｝−Ｃ0
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）
被測定素子であるコイルのインダクタンスを測定するための素子測定装置において、
水晶振動子と、
この水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を記憶する第１の記憶部と、
前記水晶振動子に対して直列に被測定素子を着脱自在に接続するための第１の接続端子と、
前記水晶振動子と前記第１の接続端子間に接続された被測定素子との直列回路の共振周波数ｆLを測定する測定手段と、
この測定手段により測定された共振周波数ｆLと、前記記憶部に記憶されている水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0と、に基づいて下記の数式により被測定素子であるコイルのインダクタンスＬを求めるための演算手段と、を備えたことを特徴とする素子測定装置。
Ｌ＝−Ａ・｛１／（ω^２・Ｃ0）｝・｛１／（Ａ＋１）｝
ただしＡ＝２（ｆL／ｆr）、ω＝２π・ｆL
前記水晶振動子を着脱自在に接続するための第２の接続端子と、
この第２の接続端子を短絡しかつ前記第１の接続端子にキャリブレーション用の素子が接続された状態で、キャリブレーションを行う手段と、キャリブレーションの結果を記憶する第２の記憶部と、前記第１の接続端子を短絡しかつ前記第２の接続端子に水晶振動子を接続した状態で、この水晶振動子に電圧信号を供給して得られた測定結果とキャリブレーションの結果とに基づいて水晶振動子の共振周波数ｆr、等価直列容量Ｃ1及び並列容量Ｃ0を求め、前記第１の記憶部に記憶する手段と、を備えたことを特徴とする素子測定装置。