JP2010071963A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象コンデンサ等の外部装置と測定端子との接続異常を検知して信頼性の高い測定を実現する。
【解決手段】外部装置から測定端子Ｔ1に入力された電流を電圧に変換して検出する電流測定装置において、測定端子Ｔ1と外部装置との接続異常を、上記電流を所定のランプ信号と比較することにより検知する接続異常検知手段（１，３，４，５，６）を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流を電圧として測定する電流測定装置に関する。

下記特許文献１，２には、電流−電圧変換回路が開示されている。このような電流−電圧変換回路は、演算増幅器、該演算増幅器の逆相入力端と出力端との間に接続された帰還抵抗とから構成されており、外部から逆相入力端に向けて入力される電流を演算増幅器の出力端の電圧に変換するものである。

このような電流−電圧変換回路は、例えば電圧源と組み合わせることにより、測定対象コンデンサの絶縁抵抗の測定に利用されている。すなわち、電流−電圧変換回路を用いた絶縁抵抗測定装置は、電圧源の正極端を測定対象コンデンサの一端に接続すると共に当該測定対象コンデンサの他端を上記演算増幅器の逆相入力端に接続、かつ電圧源の負極端及び演算増幅器の正相入力端とを接地することにより、測定対象コンデンサの絶縁抵抗値に基づいて当該測定対象コンデンサから帰還抵抗に流れる測定電流を演算増幅器の出力端の電圧として検出するものである。
なお、下記特許文献３、４には、上記電流−電圧変換回路を利用した２端子回路素子測定装置が開示されている。
特開２００３−３０９４３８号公報 特開２００２−０４３８５８号公報 特開２００４−０２０２４６号公報 特開２００４−２４５５８４号公報

ところで、上記従来の絶縁抵抗測定装置では、一対の測定端子と測定対象コンデンサの各端とを接触接続させることにより測定対象コンデンサを接続状態とするが、両者が正常に接触していない場合に、測定不能或いは測定対象コンデンサの絶縁抵抗値が極めて高い抵抗値として測定される。したがって、従来の絶縁抵抗測定装置では、正常な接触状態において高抵抗値が測定されたのか、或いは接続異常が原因で高抵抗値が測定されたのかを切り分けることができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、測定対象コンデンサ等の外部装置と測定端子との接続異常を検知して信頼性の高い測定を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、外部装置から測定端子に入力された電流を電圧に変換して検出する電流測定装置において、測定端子と外部装置との接続異常を、上記電流を所定のランプ信号と比較することにより検知する接続異常検知手段を具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、接続異常検知手段は、逆相入力端が測定端子に接続された演算増幅器と逆相入力端と演算増幅器の出力端との間に接続された帰還抵抗とからなる電流電圧変換回路と、正傾斜及び逆傾斜のランプ信号を生成して演算増幅器の正相入力端に出力するランプ信号発生手段と、該ランプ信号発生手段から出力されるランプ信号と演算増幅器の出力端の電圧との差分を出力する差分手段と、該差分手段の出力が所定のしきい値を越えるか否かに基づいて測定端子と外部装置との接続異常を判定する判定手段とからなり、測定端子に入力する上記電流を前記演算増幅器の出力端の電圧として検出する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、ランプ信号発生手段は、第２の演算増幅器を用いた逆相積分回路と、該逆相積分回路の入力端を正電圧あるいは負電圧に切り替える入力切替回路と、第２の演算増幅器の逆相入力端と出力端とを短絡させるスイッチとからなる、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、電圧源をさらに備え、当該電圧源の一方の出力端と測定端子との間に接続された測定対象コンデンサに流れる電流に基づいて測定対象コンデンサの絶縁抵抗値を演算増幅器の出力端の電圧として検出する、という手段を採用する。

本発明によれば、測定端子と外部装置との接続異常を、測定端子に入力された電流を所定のランプ信号と比較することにより検知する接続異常検知手段を具備するので、測定端子と外部装置との接続異常による異常微小電流の測定と測定端子と外部装置との接続が正常な場合における正常微小電流の測定とを切り分けることが可能であり、よって従来よりも信頼性の高い電流測定を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る絶縁抵抗測定装置Ａ（電流測定装置）の構成を示す回路図である。この図において、符号Ｔ1，Ｔ2は一対の測定端子、１は電流電圧変換回路、２は電圧計、３はランプ信号発生回路、４は接触不良検知回路、５は電圧源、６は操作制御部、またＣｘは測定対象コンデンサである。

また、上記電流電圧変換回路１は、演算増幅器Ｕ1と帰還抵抗器Ｒ1から構成され、上記ランプ信号発生回路３は、演算増幅器Ｕ2、積分コンデンサＣ1、積分抵抗器Ｒ2、３つのスイッチＳ1〜Ｓ3（開閉スイッチ）から構成され、また上記接触不良検知回路４は、差動増幅器７及び比較器８から構成されている。これら各構成要素のうち、測定対象コンデンサＣｘを除く一対の測定端子Ｔ1，Ｔ2、電流電圧変換回路１、電圧計２、ランプ信号発生回路３、接触不良検知回路４、電圧源５及び操作制御部６は一体として本絶縁抵抗測定装置Ａを構成する。なお、電圧源５については、本絶縁抵抗測定装置Ａ内に一体に設けられず、ユーザの使い勝手等を考慮して別体として設けられる場合がある。

また、本絶縁抵抗測定装置Ａを構成する各測定端子Ｔ1，Ｔ2、電流電圧変換回路１、電圧計２、ランプ信号発生回路３、接触不良検知回路４、電圧源５及び操作制御部６のうち、電圧計２を除く各測定端子Ｔ1，Ｔ2、電流電圧変換回路１、ランプ信号発生回路３、接触不良検知回路４、電圧源５及び操作制御部６は、本実施形態における接続異常検知手段を構成している。

上記一対の測定端子Ｔ1，Ｔ2のうち、一方の測定端子Ｔ1は、演算増幅器Ｕ1の逆相入力端に接続されると共に測定対象コンデンサＣｘの一端が接続される。他方の測定端子Ｔ2は、電圧源４を正極端に接続されると共に測定対象コンデンサＣｘの他端が接続される。

電流電圧変換回路１は、演算増幅器Ｕ1と当該演算増幅器Ｕ1の逆相入力端と出力端との間に設けられた帰還抵抗器Ｒ1からなる電流電圧変換回路である。このような電流電圧変換回路１は、上記一方の測定端子Ｔ1を介して入力される電流Ｉ1及びランプ信号発生回路３から入力される電圧Ｖ1とに基づいて電圧Ｖ2を生成するものであり、測定電圧として外部に出力すると共に評価信号として差動増幅器７の一方の入力端（例えば正相入力端）に出力する。

電圧計２は、上記電流電圧変換回路１から出力される測定電圧を測定する積分型電圧計である。ランプ信号発生回路３は、演算増幅器Ｕ2と、当該演算増幅器Ｕ2の逆相入力端と出力端との間に設けられた積分コンデンサＣ1と、一端が上記演算増幅器Ｕ2の逆相入力端に接続された積分抵抗器Ｒ2とからなる逆相積分回路を備えると共に、積分抵抗器Ｒ2の他端と正極基準電圧＋Ｖrefとの間に設けられたスイッチＳ1、積分抵抗器Ｒ2の他端と負極基準電圧−Ｖrefとの間に設けられたスイッチＳ2及び上記積分コンデンサＣ1に並列接続されたスイッチＳ3を備える。

このようなランプ信号発生回路３は、３つのスイッチＳ1〜Ｓ3の開閉状態に応じて正傾斜のランプ信号、逆傾斜のランプ信号あるいは一定電圧信号からなる電圧Ｖ1を生成して演算増幅器Ｕ1の正相入力端及び差動増幅器７の他方の入力端（例えば逆相入力端）に出力する。このランプ信号発生回路３は、本実施形態におけるランプ信号発生手段である。なお、上記３つのスイッチＳ1〜Ｓ3のうち、２つのスイッチＳ1，Ｓ2は、本実施形態における入力切替回路である。

接触不良検知回路４は、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2との差分を増幅して電圧Ｖ4を出力する差動増幅器７と、操作制御部６から入力される判定パルスのタイミングにおいて上記電圧Ｖ4を所定のしきい値と比較する比較器８とから構成されており、比較器７の出力を接触不良検知信号として外部に出力する。このような接触不良検知信号は、上記一対の測定端子Ｔ1，Ｔ2における測定対象コンデンサＣｘの接続状態が正常な接触による正常接続かあるいは接触不良による異常接続かを示す信号である。なお、上記差動増幅器７は本実施形態における差分手段、また比較器８は本実施形態における判定手段である。

電圧源５は、一定電圧Ｖｄを出力する定電圧源である。操作制御部６は、ユーザーの操作指示を受け付けると共に当該操作指示と予め記憶された制御プログラムに基づいて上記各スイッチＳ1〜Ｓ3及び比較器６を操作することにより、本絶縁抵抗測定装置Ａの全体動作を制御するものである。
また、上記測定対象コンデンサＣｘは、電子素子として周知なコンデンサであって、特にその種類に特徴はない。すなわち、測定対象コンデンサＣｘは、各種の電解コンデンサ、各種のフィルムコンデンサ等、どのようなものでも良い。なお、この測定対象コンデンサＣｘは本実施形態における外部装置である。

次に、このように構成された本絶縁抵抗測定装置Ａの特徴的動作について、図２をも参照して詳しく説明する。

本絶縁抵抗測定装置Ａを用いた絶縁抵抗測定は、図２に示すように３つの工程を経て完了する。第1の工程が接続チェック工程であり、第２の工程が放電工程であり、また第３の工程が絶縁抵抗測定工程である。

ユーザが測定対象コンデンサＣｘを測定端子Ｔ1，Ｔ2に接続すると、電圧源５により充電が開始される（図示略）。満充電になった後操作制御装置６に測定開始を指示すると、操作制御装置６は、最初の接続チェック工程において、スイッチＳ1をＯＦＦ状態に、スイッチＳ2を時刻ｔ1〜ｔ2の期間Ｔ1（積分時間）だけＯＮ状態に、またスイッチＳ3を上記スイッチＳ2に同期させて時刻ｔ1からＯＦＦ状態にそれぞれ設定する。このようなスイッチＳ1〜Ｓ3の設定状態では、ランプ信号発生回路３の逆相積分回路には負極基準電圧−Ｖrefが期間Ｔａに亘って供給されるので、その出力である電圧Ｖ1は、図２に示すように、時間経過と共に順次値が一定傾斜で増加する正傾斜のランプ信号となる。

また、このような電圧Ｖ1は、負極基準電圧−Ｖref、積分抵抗器Ｒ2、積分コンデンサＣ1及び時間変数ｔとからなる下式（１）によって表される。そして、このような正傾斜のランプ信号は、演算増幅器Ｕ1の正相入力端に入力される。

演算増幅器Ｕ1の逆相入力端には、負帰還制御により正相入力端と同じになる様に制御されるため、電圧Ｖ1と同じ信号が発生する。これにより、測定端子Ｔ1には、下式（２）に示すように測定対象コンデンサＣｘ（静電容量）に応じた電流Ｉ1が入力される。すなわち、この電流Ｉ1は、時刻ｔ2における電圧Ｖ1の値をＶｐとし、また測定対象コンデンサＣｘの絶縁抵抗値が十分に大きいとすると、測定対象コンデンサＣｘ（静電容量）、電圧Ｖｐ及び期間Ｔａとからなる下式（２）によって表される。

このような電流Ｉ1と上記正傾斜のランプ信号とが電流電圧変換回路１に入力されることにより、電流電圧変換回路１（演算増幅器Ｕ1）の出力端における電圧Ｖ2は、図２に示すように、電流Ｉ1と帰還抵抗器Ｒ1とによって発生する電圧ΔＶｃが正傾斜のランプ信号に重畳したものとなる。この電圧ΔＶｃは、演算増幅器Ｕ1の入力インピーダンスが十分い大きいとすると、電流Ｉ1と帰還抵抗器Ｒ1とに依存するので、測定対象コンデンサＣｘの静電容量を反映した値となる。

ここで、上記電圧ΔＶｃは、測定対象コンデンサＣｘが各測定端子Ｔ1，Ｔ2に正常に接触接続されている場合は測定対象コンデンサＣｘの静電容量を示す値となるが、測定対象コンデンサＣｘが各測定端子Ｔ1，Ｔ2に正常に接触接続されていない場合には、各測定端子Ｔ1，Ｔ2間の静電容量は測定対象コンデンサＣｘとりも大幅に小さな値となるので、測定対象コンデンサＣｘの静電容量を示す値にならない。

このような電圧Ｖ2と上記正傾斜のランプ信号とは差動増幅器７によって差分増幅され、差動増幅器７の出力である電圧Ｖ3は、図２に示すように電流Ｉ1の大きさによって規定される上記信号となる。そして、比較器８は、このような電圧ΔＶｃを示す電圧Ｖ3を操作制御部６から入力される判定パルスのタイミングで所定のしきい値と比較することによって接触不良検知信号を出力する。

このしきい値は、測定対象コンデンサＣｘの正常接続の場合と異常接続（接続不良）の場合とによる各測定端子Ｔ1，Ｔ2間の静電容量の違いを考慮することにより測定対象コンデンサＣｘと各測定端子Ｔ1，Ｔ2との接続状態の正常／異常を識別可能な値として設定されたものであり、接触不良検知信号は、測定対象コンデンサＣｘと各測定端子Ｔ1，Ｔ2との接続状態の正常／異常に応じて異なる論理レベルの信号、つまり上記接続状態の正常／異常を論理レベルの相違で示す信号となる。

このように、測定開始直後の接続チェック工程では、スイッチＳ1をＯＮ状態、かつスイッチＳ2，Ｓ3をＯＦＦ状態に設定した状態で電圧ΔＶｃの大小（つまり各測定端子Ｔ1，Ｔ2間の静電容量）を評価することにより測定対象コンデンサＣｘと各測定端子Ｔ1，Ｔ2との接続状態の正常／異常を検知し、この検知結果を示す接触不良検知信号を外部に出力する。

続いて、放電工程は、上記接続チェック工程の後に行われるものであり、図２に示すように、スイッチＳ1を時刻ｔ3〜ｔ4の期間Ｔｂ（積分時間）だけＯＮ状態、かつスイッチＳ2，Ｓ3をＯＦＦ状態に設定することにより電圧Ｖ2を負傾斜のランプ信号とする。この際の電圧Ｖ2は、ランプ信号発生回路３の逆相積分回路には正極基準電圧＋Ｖrefが供給されるので、下式（３）によって表される。

このような放電工程では、電圧Ｖ2を負傾斜のランプ信号とすることにより、先の接続チェック工程で測定対象コンデンサＣｘに蓄積された電荷を完全に放電させる。これによって、後ろの絶縁抵抗測定工程において測定対象コンデンサＣｘに過大な放電電流が流れて当該測定対象コンデンサＣｘにダメージを与えること、また演算増幅器Ｕ1の動作不安定を回避する。

最後の絶縁抵抗測定工程では、図２に示すように、スイッチＳ1，Ｓ2をＯＦＦ状態、かつスイッチＳ3をＯＮ状態に設定することにより、電圧Ｖ2を接地電位（演算増幅器Ｕ2の正相入力端の電位）とする。したがって、電流電圧変換回路１における演算増幅器Ｕ1の正相入力端の電位も接地電位となる。

この絶縁抵抗測定工程では、図示するように、測定対象コンデンサＣｘは満充電状態なので、電流Ｉ1は測定対象コンデンサＣｘの絶縁抵抗値を示す電圧ΔＶiとなる。このような電圧Ｖ2（＝ΔＶi）を電圧計２で計測し、電圧Ｖ2、帰還抵抗器Ｒ1及び電圧源５の出力電圧Ｖｄからなる下式（４）に代入することにより絶縁抵抗値Ｒｘが得られる。

本実施形態によれば、絶縁抵抗測定工程の前工程として行われる接続チェック工程において、各測定端子Ｔ1，Ｔ2間の静電容量を評価することにより測定対象コンデンサＣｘと各測定端子Ｔ1，Ｔ2との接続状態の正常／異常を検知するので、測定対象コンデンサＣｘについて信頼性の高い絶縁抵抗測定を実現することができる。
また、放電工程を行うので、後工程において測定対象コンデンサＣｘに短絡などによる過大な放電電流が流れて当該測定対象コンデンサＣｘにダメージを与えることを防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態は、本発明を測定対象コンデンサＣｘの絶縁抵抗の測定に適用したものであるが、本発明は、このような絶縁抵抗の測定に限定されることなく種々の電子部品の絶縁抵抗の測定や各種の電流測定に適用することができる。

（２）上記実施形態では、接続チェック工程の後で放電工程を行うようにしたが、必要に応じて放電工程を削除しても良い。また、上記実施形態では、接続チェック工程を絶縁抵抗測定工程の前工程としたが、絶縁抵抗測定工程の後工程としても良い。

（３）上記実施形態では、本発明のランプ信号発生手段をランプ信号発生回路３として構成したが、ランプ信号発生手段の構成はランプ信号発生回路３に限定されない。例えば、波形生成プログラムによってランプ信号発生回路３の出力信号と同等な信号を発生させるようにランプ信号発生手段を構成しても良い。

（４）上記実施形態では、本発明の差分手段を差動増幅器７として構成し、また本発明の判定手段を比較器として構成したが、本発明はこれに限定されない。例えばソフトウエアに基づくデジタル信号処理によって差動増幅器７及び比較器８の機能を実現しても良い。

本発明の一実施形態に係わる絶縁抵抗測定装置Ａの構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係わる絶縁抵抗測定装置Ａの動作を示す波形図である。

符号の説明

Ａ…絶縁抵抗測定装置、Ｔ1，Ｔ2…測定端子、１…電流電圧変換回路、２…電圧計、３…ランプ信号発生回路、４…接触不良検知回路、５…電圧源、６…操作制御部、Ｃｘ…測定対象コンデンサ、Ｕ1，Ｕ2…演算増幅器、Ｒ1…帰還抵抗器、Ｃ1…積分コンデンサ、Ｒ2…積分抵抗器、Ｓ1〜Ｓ3…スイッチ、７…差動増幅器、８…比較器

Claims (4)

1. 外部装置から測定端子に入力された電流を電圧に変換して検出する電流測定装置において、
   前記測定端子と外部装置との接続異常を、前記電流を所定のランプ信号と比較することにより検知する接続異常検知手段を具備することを特徴とする電流測定装置。
2. 接続異常検知手段は、
   逆相入力端が前記測定端子に接続された演算増幅器と前記逆相入力端と前記演算増幅器の出力端との間に接続された帰還抵抗とからなる電流電圧変換回路と、
   正傾斜及び逆傾斜のランプ信号を生成して前記演算増幅器の正相入力端に出力するランプ信号発生手段と、
   該ランプ信号発生手段から出力される前記ランプ信号と前記演算増幅器の出力端の電圧との差分を出力する差分手段と、
   該差分手段の出力が所定のしきい値を越えるか否かに基づいて前記測定端子と前記外部装置との接続異常を判定する判定手段とからなり、
   前記測定端子に入力する前記電流を前記演算増幅器の出力端の電圧として検出することを特徴とする請求項１記載の電流測定装置。
3. 前記ランプ信号発生手段は、
   第２の演算増幅器を用いた逆相積分回路と、
   該逆相積分回路の入力端を正電圧あるいは負電圧に切り替える入力切替回路と、
   前記第２の演算増幅器の逆相入力端と出力端とを短絡させるスイッチと
   からなることを特徴とする請求項２記載の電流測定装置。
4. 電圧源をさらに備え、当該電圧源の一方の出力端と前記測定端子との間に接続された測定対象コンデンサに流れる電流に基づいて前記測定対象コンデンサの絶縁抵抗値を前記演算増幅器の出力端の電圧として検出することを特徴とする請求項２または３に記載の電流測定装置。

Images