JP2013057545A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流供給用端子がシールド付き電線で電流源に接続されている測定装置において、電流供給端子とシールドとが接触したとしても電流制限回路が流れる電流を制限して装置を保護することができ、しかも、通常状態では、電流制限回路で無駄な電力が消費されず、無駄な熱が発生しない測定装置を提供する。
【解決手段】インピーダンス測定装置１は、電流供給端子Ｈｃ，Ｌｃを介して測定対象体（ＤＵＴ）に測定用電流Ｉ_DUTを供給する電流源２と、ＤＵＴに生じた電圧を検出する電圧検出回路３とを備え、測定用電流Ｉ_DUT及び電圧検出回路３の検出電圧に基づいてＤＵＴの電気的特性を測定するインピーダンス測定装置１であって、一対の電流供給端子Ｈｃ，Ｌｃが各々シールド付き電線Ｗ１，Ｗ２で電流源２に接続され、シールドには、所定電位を付与すると共に、流れる最大電流を制限可能な電流制限用の抵抗Ｒｐ１が接続されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象体に流れる測定用電流、及び測定対象体に生じた電圧から測定対象体の電気的特性を測定する測定装置に関するものである。

２端子法や４端子法などにより測定対象体（ＤＵＴ）に測定用電流を供給して、ＤＵＴの電気的特性を測定する測定装置が知られている。例えば、特許文献１には、４端子法でＤＵＴの抵抗を測定する四端子抵抗測定装置が記載されている。

このような測定装置では、電流源に電気的に接続された一対の電流供給端子を介してＤＵＴに測定用電流を供給し、この測定用電流が流れることで発生したＤＵＴの両端電圧（電圧降下）を検出して、この検出電圧と測定用電流とから、インピーダンス（抵抗、静電容量、インダクタンス）などのＤＵＴの電気的特性を測定している。

測定装置の電流源には、浮遊容量の影響や外来ノイズの影響を排除するために、シールド付き電線で電流供給端子を接続することが一般的に行われている。このようにシールド付き電線を用いた場合、その芯線に接続された電流供給端子と、基準電位等の所定電位に接続されたシールドとが接触すると、電流源が短絡して過大な電流が流れるため、測定装置の破損の原因になるという問題がある。そのため、電流供給端子がシールドに接触しても過大な電流が流れないように、電流源の出力に電流制限回路を設けることが行われている。

例えば、特許文献２に記載された演算増幅回路には、出力に電流制限回路が設けられている。このような演算増幅回路の出力回路が、測定装置の出力に用いられている。具体的には、同文献中の図２に示されているように、出力部に電流検出用の抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ１４が設けられていて、出力電流が増加して抵抗Ｒ１３又は抵抗Ｒ１４の電圧降下が０．６Ｖを超えると、トランジスタＱＡ１又はトランジスタＱＡ２がオンし、これにより電流を出力しているトランジスタＱ１３又はトランジスタＱ１４がオフすることで電流制限が掛かるようになっている。

特開２００５−６９７８１号公報 特開２００７−１９４７９９号公報

特許文献２に記載された電流制限回路のように、測定用電流の流れる経路内に電流検出用の抵抗を設けると、この抵抗に常時電流が流れるため、その電力損失が無駄である。また、この電力損失により熱が発生する。測定装置では、特に低インピーダンスのＤＵＴを測定するような場合、精度良く測定するために、大きな測定用電流（例えば１Ａ）を流す必要がある。このような大きな測定用電流を流すと、電流検出用の抵抗で発生する熱量が大きくなるため、測定装置の内部温度が上昇して、装置寿命が短くなる。また、内部温度が上昇して定常状態になるまでに要する時間が長くなるので、測定装置のウォームアップに必要な時間が長くなる。電流制限回路が制限する電流は、測定用電流よりも大きな電流値に設定する必要があるので、制限電流を流せるだけの大容量の電源回路が必要になる。また、温度上昇を防ぐためには、冷却用ファンなどの冷却器が必要になる。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、電流供給用端子がシールド付き電線で電流源に接続される測定装置において、電流供給端子とシールドとが接触（短絡）したとしても、電流制限回路が流れる電流を制限して装置を保護することができ、しかも通常状態では、電流制限回路で測定用電流による電力が消費されず、無駄な熱が発生しない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、一対の電流供給端子を介して測定対象体に測定用電流を供給する電流源と、該測定用電流により該測定対象体に生じた電圧を検出する電圧検出回路とを備え、該測定用電流及び該電圧検出回路の検出電圧に基づいて該測定対象体の電気的特性を測定する測定装置であって、該一対の電流供給端子が各々シールド付き電線で該電流源に接続され、該シールドには、所定電位を付与すると共に、流れる最大電流を制限可能な電流制限回路が接続されてい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に記載のものであり、前記電流制限回路が、大きくても前記測定用電流までの前記最大電流で電流制限す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１又は２に記載のものであり、前記電流源が正負の直流電圧で動作する両電源タイプのものであり、該電流源に該正負の直流電圧を供給する電源回路が、センタータップ付きの電源トランス及び正負の直流電圧に整流する整流回路を備え、前記シールドが、前記電流制限回路を介して該センタータップに接続され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に記載のものであり、前記正負の直流電圧とは別の直流電圧を出力する他の電源回路を備え、単電源で動作する単電源動作回路には、該他の電源回路から該別の直流電圧を供給することを特徴とする。

請求項５に記載された測定装置は、請求項１又は２に記載のものであり、前記シールドが、前記所定電位を出力するボルテージフォロア回路に接続されており、該ボルテージフォロア回路が、出力部に前記電流制限回路を有していることを特徴とする。

請求項６に記載された測定装置は、請求項５に記載のものであり、前記ボルテージフォロア回路の出力する前記所定電位が、前記電流供給端子の一方に付与すべき電位と同じ電位であることを特徴とする。

請求項７に記載された測定装置は、請求項１から６のいずれかに記載のものであり、前記電流制限回路が、電流制限用の抵抗、又は復帰性を有する過電流保護素子であることを特徴とする。

電流供給端子と電流源とを接続するシールド付き電線のシールドに、所定電位を付与すると共に流れる最大電流を制限可能な電流制限回路を接続することにより、通常の測定状態では電流制限回路に測定用電流が流れないため、電流制限回路で測定用電流による電力が消費されず、熱が発生しない。このため、従来のような測定用電流が電流制限回路に流れる測定装置と比較して、装置の寿命を長くすることができ、ウォームアップ時間を短くすることができる。さらに、冷却用ファンなどの冷却器が不要になる。

電流制限回路が大きくても測定用電流までの最大電流（つまり測定用電流以下の最大電流）で電流制限する場合、電流供給端子とシールドとが短絡しても短絡電流が測定用電流以下になるので、測定用電流を流せるように設計されている装置を確実に保護することができる。また、従来の装置では、電流制限回路が制限する最大電流を測定用電流よりも大きな値にする必要があったので、電源回路や電流源の電流容量を大きくする必要があったが、本発明の装置では、電源回路等は測定用電流を流すことができればよいため、従来の装置よりも電源回路等の電流容量を小さくすることができる。

電流源が両電源タイプのものであり、電流源に正負の直流電圧を供給する電源回路が、センタータップ付きの電源トランス及び正負の直流電圧に整流する整流回路を備えていて、シールドを、電流制限回路を介して電源トランスのセンタータップに接続する場合、簡便な構成でありながら、測定時に影響を与えずに、電流供給端子とシールドとの短絡電流を制限することができる。

単電源で動作する単電源動作回路に他の電源回路から別の直流電圧を供給する場合、通常の測定時に、単電源動作回路の動作電流が電流制限回路に流れないので、電流制限回路で無駄な電力が消費されることを防止することができる。

シールドが所定電位を出力するボルテージフォロア回路に接続されており、ボルテージフォロア回路が出力部に電流制限回路を有している場合、シールドをガードとして用いつつ、短絡電流を制限することができる。

所定電位が電流供給端子の一方に付与すべき電位と同じ電位である場合、ガードの効果を高めることができる。

電流制限回路として電流制限用の抵抗、又は復帰性を有する過電流保護素子を用いる場合、僅か一種の電気回路素子であるので極めて簡便な回路になる。

本発明を適用するインピーダンス測定装置の使用状態を示す回路図である。 図１のインピーダンス測定装置に用いる電源回路の他の一例を示す回路図である。 本発明を適用する他のインピーダンス測定装置の使用状態を示す回路図である。

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例に限定されるものではない。

本発明を適用する測定装置の一例として、図１にインピーダンス測定装置１を示す。このインピーダンス測定装置１は、４端子法で測定対象物（ＤＵＴ）のインピーダンスを測定可能なものである。

インピーダンス測定装置１は、電流源２、電圧検出回路３、一対の電流供給端子Ｈｃ，Ｌｃ、一対の電圧検出端子Ｈｐ，Ｌｐ、電源回路４、ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）５，６、ＣＰＵ（中央演算処理装置）７、及び表示部８を備えている。

電流源２は、一対の電流供給端子Ｈｃ，Ｌｃを介してＤＵＴに測定用電流を供給するためのものである。この電流源２は、一例として、正負の両電源で動作する両電源タイプのものであり、電流供給端子Ｈｃ側に、信号電圧源Ｖｍ１、オペアンプＡ１、及びトランジスタＱ１，Ｑ２を有し、電流供給端子Ｌｃ側に、オペアンプＡ２、トランジスタＱ３，Ｑ４、及び抵抗Ｒｓ１を有している。

信号電圧源Ｖｍ１は、測定に使用する周波数及び電圧の交流信号を、基準電位ＧＮＤを中心電位として出力可能になっている。なお、測定を直流で行う場合には、信号電圧源Ｖｍ１に直流電圧を出力させる。オペアンプＡ１及びプッシュプル回路となっているトランジスタＱ１，Ｑ２は、全体的にボルテージフォロア回路を構成しており、信号電圧源Ｖｍ１が出力する電圧波形を崩さずに同じ電圧波形で測定用電流を供給可能とするため、つまり電流ドライブ能力を向上させるために設けている。なお、オペアンプＡ１に電流ドライブ能力が充分にあれば、トランジスタＱ１，Ｑ２を設けなくてもよい。

回路について具体的に説明すると、オペアンプＡ１は、正負の両電源で動作する両電源タイプのものであり、正の直流電源Ｖ＋、負の直流電源Ｖ−に各電源端子が接続されている。このオペアンプＡ１の非反転入力端子には、信号電圧源Ｖｍ１が接続されている。オペアンプＡ１の出力は、ＮＰＮ型のトランジスタＱ１のベース及びＰＮＰ型のトランジスタＱ２のベースに接続されている。トランジスタＱ１のコレクタが正の直流電源Ｖ＋に接続され、トランジスタＱ２のコレクタが負の直流電源Ｖ−に接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ同士が接続されて、電流源２の出力端となっていると共に、オペアンプＡ１の反転入力端子に接続されている。この電流源２の出力端は、例えばＢＮＣ型レセプタクルなどの接続用コネクタの芯線に接続されており、このコネクタのシールド側には基準電位ＧＮＤが接続されている。

電流源２の出力端のコネクタには、シールド付き電線Ｗ１が、例えばＢＮＣ型ジャックなどの対応するコネクタで接続される。シールド付き電線Ｗ１は、芯線（内部導体）とそれを絶縁状態で同軸状に取り囲むシールド（外部導体）を有する線である。シールド付き電線Ｗ１の芯線の先端には、電流供給端子Ｈｃが接続されており、電線Ｗ１のシールドには、例えばＢＮＣ型ジャックのシールド側が接続されている。これにより、電流源２の出力端と電流供給端子Ｈｃとが接続され、インピーダンス測定装置１の基準電位ＧＮＤと電線Ｗ１のシールドとが接続される。

電流供給端子Ｈｃは、ＤＵＴの一端に接触させて用いられる。また、電流供給端子Ｌｃは、ＤＵＴの他端に接触させて用いられる。

電流供給端子Ｌｃは、シールド付き電線Ｗ２の芯線の先端に接続されている。シールド付き電線Ｗ２は、ＢＮＣ型コネクタなどでインピーダンス測定装置１（電流源２）に接続され、そのシールドが基準電位ＧＮＤに接続されている。シールド付き電線Ｗ２の芯線は、コネクタを介して、オペアンプＡ２の反転入力端子及び抵抗Ｒｓ１の一端に接続されている。

オペアンプＡ２、プッシュプル回路になっているトランジスタＱ３，Ｑ４、及び電流検出用の抵抗Ｒｓ１は、ＤＵＴに流れた測定用電流を検出するための電流検出回路として電流源２に設けられているものであり、電流供給端子Ｌｃを基準電位ＧＮＤと等しい電位にするように動作する。具体的には、オペアンプＡ２は、正負の両電源で動作する両電源タイプのものであり、正の直流電源Ｖ＋、負の直流電源Ｖ−に各電源端子が接続されている。このオペアンプＡ２の非反転入力端子は、基準電位ＧＮＤに接続されている。オペアンプＡ２の出力は、ＮＰＮ型のトランジスタＱ３のベース及びＰＮＰ型のトランジスタＱ４のベースに接続されている。トランジスタＱ３のコレクタが正の直流電源Ｖ＋に接続され、トランジスタＱ４のコレクタが負の直流電源Ｖ−に接続されている。トランジスタＱ３，Ｑ４のエミッタ同士が接続されていて、そこに抵抗Ｒｓ１の他端、及びＡＤＣ６の入力端子が接続されている。これらオペアンプＡ２等は、負帰還動作により電流供給端子Ｌｃ（オペアンプＡ２の反転入力端子）が基準電位ＧＮＤと等しい電位になるように動作することで、ＤＵＴに流れる測定用電流Ｉ_DUTが抵抗Ｒｓ１に流れる。抵抗Ｒｓ１の値は既知であるので、抵抗Ｒｓ１の他端の電圧をＡＤＣ６により測定すると、オームの法則から抵抗Ｒｓ１に流れた電流、つまり測定用電流Ｉ_DUTの値を算出できる。

電圧検出回路３は、一対の電圧検出端子Ｈｐ，Ｌｐを介して、測定用電流Ｉ_DUTによりＤＵＴの両端に生じた電圧を検出する回路であり、計装アンプとなっている差動増幅器Ａ３を有している。この差動増幅器Ａ３の一方の入力端子には、コネクタ及びシールド付き電線Ｗ３を介して電圧検出端子Ｈｐが接続され、他方の入力端子には、コネクタ及びシールド付き電線Ｗ４を介して電圧検出端子Ｌｐが接続されている。シールド付き電線Ｗ３，Ｗ４の各シールドは、基準電位ＧＮＤに接続されている。差動増幅器Ａ３は、正の直流電源Ｖ＋及び負の直流電源Ｖ−で動作する両電源タイプのものであり、必要性に応じて所定の増幅度で両入力端子間の電圧を差動増幅して、ＡＤＣ５に出力する。

電源回路４は、同図に示すように、センタータップＣＴ付きの電源トランスＴ１、及び電源トランスＴ１の２次側に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４によるダイオードブリッジ（ブリッジ型全波整流回路）を備えている。電源回路４は、電源トランスＴ１の１次側に入力される商用交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）を、正の直流電源（直流電圧）Ｖ＋、及び負の直流電源（直流電圧）Ｖ−に整流して出力する。ブリッジ型全波整流回路に設けられる平滑用のコンデンサについては図示を省略している。平滑用のコンデンサは、各電源Ｖ＋，Ｖ−と基準電位ＧＮＤとの間に接続される。なお、整流回路として、正の直流電源（直流電圧）Ｖ＋、及び負の直流電源（直流電圧）Ｖ−に整流して出力する他の両波整流回路や半波整流回路を用いてもよい。

電源トランスＴ１の２次側のセンタータップＣＴには、電流制限用の抵抗Ｒｐ１（電流制限回路の一例）の一端が接続され、抵抗Ｒｐ１の他端が、基準電位ＧＮＤに接続されている（基準電位ＧＮＤになっている）。これにより、シールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４のシールドが、抵抗Ｒｐ１を介してセンタータップＣＴに接続されて、各シールドにセンタータップＣＴの電位（所定電位）が付与される。

ＡＤＣ５，６は、入力されるアナログ電圧をサンプリングしてデジタル値に変換し、ＣＰＵ７に出力する。ＣＰＵ７は、不図示のメモリに予め記憶されたプログラムに従って動作して、インピーダンス測定装置１の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ７は、ＡＤＣ６からの出力値に基づき測定用電流を算出し、ＡＤＣ５からの出力値に基づき電圧検出回路３の検出電圧を算出して、これら測定用電流及び検出電圧からＤＵＴのインピーダンスを算出する。表示部８は、例えば液晶ディスプレイなどであり、ＣＰＵ７に動作を制御されて、測定したインピーダンスなどを表示する。

次に、インピーダンス測定装置１の動作について説明する。

通常の測定時には、信号電圧源Ｖｍ１が正電圧側の電圧波形を出力しているときに、測定用電流Ｉ_DUTは同図中に破線矢印で示すように、電源トランスＴ１→ダイオードＤ１（Ｄ２）→正の直流電源Ｖ＋→トランジスタＱ１→シールド付き電線Ｗ１の芯線→電流供給端子Ｈｃ→ＤＵＴ→電流供給端子Ｌｃ→シールド付き電線Ｗ２の芯線→抵抗Ｒｓ１→トランジスタＱ４→負の直流電源Ｖ−→ダイオードＤ４（Ｄ３）→電源トランスＴ１の経路で流れる。また、信号電圧源Ｖｍ１が負電圧側の電圧波形を出力しているときには、測定用電流Ｉ_DUTは図示しないが、電源トランスＴ１→ダイオードＤ１（Ｄ２）→正の直流電源Ｖ＋→トランジスタＱ３→抵抗Ｒｓ１→シールド付き電線Ｗ２の芯線→電流供給端子Ｌｃ→ＤＵＴ→電流供給端子Ｈｃ→シールド付き電線Ｗ１の芯線→トランジスタＱ２→負の直流電源Ｖ−→ダイオードＤ４（Ｄ３）→電源トランスＴ１の経路で流れる。

このように通常の測定時には、基準電位ＧＮＤには測定用電流Ｉ_DUTが流れず、したがって抵抗Ｒｐ１にも測定用電流Ｉ_DUTが流れないため、抵抗Ｒｐ１は測定に影響を与えない。シールドは、抵抗Ｒｐ１を介してセンタータップＣＴの電位である基準電位ＧＮＤになっているので、各電線Ｗ１〜Ｗ４は静電シールドされて浮遊容量の影響や外来ノイズの影響を排除できる。

電流供給端子Ｈｃがシールド付き電線Ｗ１のシールドに接触する短絡時には、信号電圧源Ｖｍ１が正電圧側の電圧波形を出力しているときに、短絡電流Ｉ_SHORTは、同図中に実線矢印で示すように、電源トランスＴ１→ダイオードＤ１（Ｄ２）→正の直流電源Ｖ＋→トランジスタＱ１→シールド付き電線Ｗ１の芯線→電流供給端子Ｈｃ→シールド付き電線Ｗ１のシールド→基準電位ＧＮＤ→抵抗Ｒｐ１→電源トランスＴ１の経路で流れる。また、信号電圧源Ｖｍ１が負電圧側の電圧波形を出力しているときに、短絡電流Ｉ_SHORTは、図示しないが、電源トランスＴ１→抵抗Ｒｐ１→シールド付き電線Ｗ１のシールド→電流供給端子Ｈｃ→シールド付き電線Ｗ１の芯線→トランジスタＱ２→負の直流電源Ｖ−→ダイオードＤ４（Ｄ３）→電源トランスＴ１の経路で流れる。電流供給端子Ｈｃがシールド付き電線Ｗ２〜Ｗ４のシールドに接触した場合にも、短絡電流Ｉ_SHORTは同様に抵抗Ｒｐ１を流れる。

このように、電流供給端子Ｈｃとシールドとの短絡時には、電流経路に抵抗Ｒｐ１が入ることから、抵抗Ｒｐ１が電流制限抵抗となって、流れる最大電流が制限される。このため、過電流によるトランジスタＱ１，Ｑ２や電源回路４などの破損を防止することができる。抵抗Ｒｐ１に流れる最大電流（短絡電流Ｉ_SHORT）は、オームの法則から（直流電圧Ｖ＋）／（抵抗Ｒｐ１）、又は同じ値になるが（直流電圧Ｖ−）／（抵抗Ｒｐ１）で規定できる。

抵抗Ｒｐ１には測定用電流Ｉ_DUTが流れないことから、抵抗Ｒｐ１に流れる最大電流（短絡電流Ｉ_SHORT）を、流れ得る測定用電流Ｉ_DUT以下に設定することが好ましい。流れ得る測定用電流Ｉ_DUT、つまり測定用電流Ｉ_DUTの最大値は、直流電圧Ｖ＋と測定可能なＤＵＴの最小インピーダンスとからオームの法則によって決まる。短絡電流Ｉ_SHORTを測定用電流Ｉ_DUT以下に設定することで、トランジスタＱ１，Ｑ２や電源回路４を確実に保護することができる。また、抵抗Ｒｐ１に定格電力の小さなものを用いることができる。各トランジスタＱ１〜Ｑ４や電源回路４の流せる最大電流は少なくとも測定用電流Ｉ_DUTが流せればよいことから、従来のように測定用電流Ｉ_DUTよりも大きな最大電流で電流制限を掛ける測定装置よりも、トランジスタＱ１〜Ｑ４の定格電力や電源回路４の電流容量を小さなものにすることができる。ただし、抵抗Ｒｐ１を大きくしすぎると、通常測定時に静電シールドによるノイズ電流が流れにくくなるので、抵抗Ｒｐ１は、短絡電流Ｉ_SHORTが測定用電流Ｉ_DUT以下になる条件を満たすと共に、なるべく小さな抵抗値に設定することが好ましい。

また、電流供給端子Ｌｃがシールド付き電線Ｗ２（又はＷ１，Ｗ３，Ｗ４）のシールドに接触した短絡時には、電流供給端子Ｌｃがシールドの電位、つまり基準電位ＧＮＤになるが、シールド付き電線Ｗ２の僅かな配線抵抗などで、オペアンプＡ２の非反転入力端子と反転入力端子との間に僅かに電位差が生じる。オペアンプＡ２やトランジスタＱ３，Ｑ４、抵抗Ｒｓ１で構成される負帰還回路は、この僅かに生じた電位差を無くすように動作して、トランジスタＱ３又はトランジスタＱ４のエミッタが正の直流電圧Ｖ＋側、又は負の直流電圧Ｖ−側にフルスイングして張りつく。したがって、正の直流電源Ｖ＋又は負の直流電源Ｖ−が（抵抗Ｒｓ１を介して）基準電位ＧＮＤに短絡するが、既に説明した電流供給端子Ｈｃの短絡時と同様に、短絡電流は基準電位ＧＮＤから電源回路４の抵抗Ｒｐ１を流れることで電流制限が掛かる。したがって、トランジスタＱ３，Ｑ４等を保護することができる。

なお、電流制限用の抵抗Ｒｐ１を、復帰性を有する過電流保護素子（電流制限回路の他の一例）に換えてもよい。復帰性を有する過電流保護素子は、リセッタブルヒューズとも呼ばれており、所定の電流値までは電流を流すが、所定の電流値を超えたときに、抵抗値が非線形的に急激に大きくなって電流の流れを制限する正温度特性（ＰＴＣ）サーミスタや、接点が開放となって電流を遮断するバイメタルスイッチのような素子である。復帰性を有する過電流保護素子は、素子の温度が下がるなどの所定条件で再度電流を流せるように復帰する。このような過電流保護素子の中でも特にＰＴＣサーミスタは、ポリマーＰＴＣサーミスタ、セラミックＰＴＣサーミスタなどのように種類も豊富に市販されているため、所望の特性のものの入手性が容易で、さらに信頼性にも優れることから好ましく用いることができる。

過電流保護素子は、測定用電流Ｉ_DUT以下の所定の電流値で作動（トリップ）して電流制限する特性のものを用いることが好ましい。過電流保護素子には、シールドに流れるノイズ電流を流せるものを用いる。また、後述するような周辺回路などの単電源動作回路の動作電流が流れるときには、その動作電流を流せるものを用いる。

抵抗Ｒｐ１を過電流保護素子に置き換えると、通常測定時には電源トランスＴ１のセンタータップＣＴと基準電位ＧＮＤとが低抵抗で接続され、電流供給端子Ｈｃや電流供給端子Ｌｃがシールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４のシールドに短絡すると、過電流保護素子が電流を制限するので、トランジスタＱ１〜Ｑ４や電源回路４を保護できる。なお、公知の種々の電流制限回路を抵抗Ｒｐ１に換えて用いてもよい。

なお、ＡＤＣ５，６、ＣＰＵ７、表示部８などの電流源２以外の回路が単電源で動作する単電源動作回路である場合、これらの電源端子に正の直流電源Ｖ＋を接続し、ＧＮＤ端子に基準電位ＧＮＤを接続すると、ＡＤＣ５，６、ＣＰＵ７、表示部８などの動作電流が基準電位ＧＮＤに流れて、抵抗Ｒｐ１に流れる。つまり、通常の測定時に、抵抗Ｒｐ１に測定用電流Ｉ_DUTは流れないが、ＣＰＵ７等の単電源動作回路の動作電流が流れてしまう。この単電源動作回路の動作電流が抵抗Ｒｐ１に流れることで、電力の無駄が生じてしまうので、好ましくない。

このように単電源動作回路を有する場合、図２に示すように、正の直流電源Ｖ＋，負の直流電源Ｖ−とは別系統の直流電圧である正の直流電源（直流電圧）Ｖ２＋，負の直流電源（直流電圧）Ｖ２−を出力する他の電源回路２１を備えて、電源回路２１から単電源動作回路に動作用の直流電圧を供給することが好ましい。なお、平滑用のコンデンサについては図示を省略している。図２には、電源回路４と電源回路２１とが電源トランスＴ２の１次側回路を共用する回路例を示しているが、電源回路４と電源回路２１とが、別個に電源トランスを有する回路にしてもよい。

電源回路２１は、一例として、センタータップＣＴ２付きの電源トランスＴ２及びダイオードＤ６〜Ｄ９を備えたダイオードブリッジにより、商用交流電圧から正負の直流電圧Ｖ２＋、Ｖ２−を整流するブリッジ型全波整流回路を備えている。センタータップＣＴ２は、基準電位ＧＮＤに接続されている。単電源動作回路の電源端子に正の直流電源Ｖ２＋を接続し、ＧＮＤ端子に基準電位ＧＮＤを接続する。単電源動作回路には、例えば３端子レギュレータなどの定電圧回路を介して直流電源Ｖ２＋を安定化してから供給してもよい。同図に示した電源回路２１は、負の直流電源Ｖ２−も生成する例を示しているが、必要なければ基準電位ＧＮＤに対して、正の直流電源Ｖ２＋だけを生成する電源回路２１としてもよい。

このように他の電源回路２１で単電源動作回路を動作させると、電源回路２１の正の直流電源Ｖ２＋からセンタータップＣＴ２に単電源動作回路の動作電流が流れるので、抵抗Ｒｐ１を流れない。したがって、通常測定時には、抵抗Ｒｐ１に電流が流れなくなり、電力の無駄や熱が発生しない。

次に、本発明を適用する測定装置の他の例として、図３にインピーダンス測定装置１０を示す。なお、既に説明した構成と同じ構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

インピーダンス測定装置１０は、電流源１２、電圧検出回路１３、電源回路１４、ＡＤＣ５、ＣＰＵ７、及び表示部８を備えており、シールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４のシールドが、所定電位を出力するボルテージフォロア回路で駆動（所定電位を付与）されるものである。また、このインピーダンス測定装置１０は、単電源で動作する回路の一例である。

電流源１２は、一例として、信号電圧源Ｖｍ２、オペアンプＡ５，Ａ６、トランジスタＱ５、及び抵抗Ｒｐ２，Ｒｓ２を有している。信号電圧源Ｖｍ２は、基準電位ＧＮＤに対して、正の直流電圧を出力する。この信号電圧源Ｖｍ２は、オペアンプＡ５及びオペアンプＡ６の非反転入力端子に接続されている。オペアンプＡ５の出力は、ＮＰＮ型のトランジスタＱ５のベースに接続されている。トランジスタＱ５のコレクタは、正の直流電源Ｖ＋に接続され、トランジスタＱ５のエミッタは、コネクタを介してシールド付き電線Ｗ１の芯線に接続されている。シールド付き電線Ｗ１の芯線の先端には電流供給端子Ｈｃが接続されている。

電流供給端子Ｌｃは、シールド付き電線Ｗ２の芯線の先端に接続されている。シールド付き電線Ｗ２の芯線は、コネクタを介して電流検出用の抵抗Ｒｓ２の一端に接続されている。また、この抵抗Ｒｓ２の一端には、オペアンプＡ５の反転入力端子が接続されている。抵抗Ｒｓ２の他端は、基準電位ＧＮＤに接続されている。

シールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４の各シールドは、各々が接続されていると共に、電流制限用の抵抗Ｒｐ２の一端、及びオペアンプＡ６の反転入力端子に接続されている。抵抗Ｒｐ２の他端は、オペアンプＡ６の出力に接続されている。このオペアンプＡ６及び抵抗Ｒｐ２は、出力抵抗が抵抗Ｒｐ２のボルテージフォロア回路になっている。

オペアンプＡ５，Ａ６は共に単電源で動作する単電源タイプのものであり、各電源端子が正の直流電源Ｖ＋、基準電位ＧＮＤに接続されている。

電圧検出回路１３は、単電源で動作する差動増幅器Ａ３を有し、差動増幅器Ａ３は、シールド付き電線Ｗ３，Ｗ４の芯線に接続された電圧検出端子Ｈｐ，Ｌｐの電位差を所定の増幅度で増幅して、ＡＤＣ５に出力する。シールド付き電線Ｗ３，Ｗ４の各シールドは、前述したように、シールド付き電線Ｗ１，Ｗ２のシールドに接続されると共に、ボルテージフォロア回路の出力に接続されている。

電源回路１４は、電源トランスＴ３、及びダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４のダイオードブリッジによるブリッジ型全波整流回路を有しており、商用交流電圧を全波整流して、基準電圧ＧＮＤに対して正の直流電源（直流電圧）Ｖ＋を生成する。

次にインピーダンス測定装置１０の動作について説明する。

通常測定時には、測定用電流Ｉ_DUTは同図中に破線矢印で示すように、電源トランスＴ３→ダイオードＤ１１（Ｄ１２）→正の直流電源Ｖ＋→トランジスタＱ５→シールド付き電線Ｗ１の芯線→電流供給端子Ｈｃ→ＤＵＴ→電流供給端子Ｌｃ→シールド付き電線Ｗ２の芯線→抵抗Ｒｓ２→基準電位ＧＮＤ→ダイオードＤ１４（Ｄ１３）→電源トランスＴ３の経路で流れる。オペアンプＡ５及びトランジスタＱ５は、信号電圧源Ｖｍ２の電圧と抵抗Ｒｓ２に発生する電圧とが等しくなるように負帰還動作する。信号電圧源Ｖｍ２の電圧値及び抵抗Ｒｓ２の抵抗値は既知であるので、抵抗Ｒｓ２には予め定めた所望の電流値の測定用電流Ｉ_DUTが流れる。したがって、測定用電流Ｉ_DUTを検出するＡＤＣを設けることを省略している。

ＣＰＵ７は、ＡＤＣ５からの出力値に基づき電圧検出回路１３の検出電圧を算出して、その検出電圧、及び予め設定された測定用電流Ｉ_DUTからＤＵＴのインピーダンスを算出し、表示部８に表示させる。

シールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４のシールドは、オペアンプＡ６及び抵抗Ｒｐ２によるボルテージフォロア回路で、信号電圧源Ｖｍ２の出力電圧、つまり電流供給端子Ｌｃに付与すべき電位（所定電位）と同電位に駆動される。したがって、いわゆるアクティブガードとなって浮遊容量の影響や外来ノイズの影響を排除できる。

電流供給端子Ｈｃがシールド付き電線Ｗ１（Ｗ２〜Ｗ４）のシールドに接触した短絡時には、短絡電流Ｉ_SHORTは同図中に実線矢印で示すように、電源トランスＴ３→ダイオードＤ１１（Ｄ１２）→正の直流電源Ｖ＋→トランジスタＱ５→シールド付き電線Ｗ１の芯線→電流供給端子Ｈｃ→シールド付き電線Ｗ１のシールド→抵抗Ｒｐ２→オペアンプＡ６→基準電位ＧＮＤ→ダイオードＤ１４（Ｄ１３）→電源トランスＴ３の経路で流れる。このように、電流供給端子Ｈｃがシールドに接触した短絡時には、電流経路に抵抗Ｒｐ２が入ることから、抵抗Ｒｐ２が電流制限抵抗（電流制限回路）となって、流れる最大電流が制限される。このため、過電流によるトランジスタＱ５や電源回路１４などの破損を防止することができる。抵抗Ｒｐ２に流れる最大電流（短絡電流Ｉ_SHORT）は、オームの法則から、（直流電圧Ｖ＋）／（抵抗Ｒｐ２）で規定できる。

抵抗Ｒｐ２には測定用電流Ｉ_DUTが流れないことから、短絡電流Ｉ_SHORTを測定用電流Ｉ_DUT以下の電流値とすることが好ましい。この例では、抵抗値を抵抗Ｒｐ２≧抵抗Ｒｓ２とする。ただし、抵抗Ｒｐ２を大きくしすぎると、通常測定時に静電シールドによるノイズ電流が流れにくくなるので、抵抗Ｒｐ２は、短絡電流Ｉ_SHORTが測定用電流Ｉ_DUT以下になる条件を満たす、なるべく小さな抵抗値に設定することが好ましい。

なお、電流制限用の抵抗Ｒｐ２を、前述したような復帰性を有する過電流保護素子や、公知の電流保護回路に換えてもよい。

また、図３のインピーダンス測定装置１０は、直流の測定用電流Ｉ_DUTで測定を行う例であるが、信号電圧源Ｖｍ２から交流電圧を出力させて交流の測定用電流Ｉ_DUTで測定するようにしてもよい。この場合、電流源１２、電圧検出回路１３、及び電源回路１４を両電源で動作するものにする。また、オペアンプＡ６及び抵抗Ｒｐ２によるボルテージフォロア回路の入力にトランジスタＱ５のエミッタを接続して、ボルテージフォロア回路から電流供給端子Ｈｃの電位（所定電位）を出力させるようにしてもよい。この場合、各シールドが電流供給端子Ｈｃの電位になる。また、各シールド付き電線Ｗ１〜Ｗ４に対応させた４つのボルテージフォロア回路を設け、各々独立してシールドがその芯線と同電位になるようにボルテージフォロア回路で駆動するようにしてもよい。要は、シールドに電位を付与するボルテージフォロア回路の出力部に、電流制限回路が入っていればよい。

インピーダンス測定装置１，１０は４端子法の測定装置の例であるが、本発明を２端子法の測定装置に適用してもよい。

１・１０はインピーダンス測定装置、２・１２は電流源、３・１３は電圧検出回路、４・１４は電源回路、５・６はＡＤＣ、７はＣＰＵ、８は表示部、２１は電源回路、Ａ１・Ａ２・Ａ５・Ａ６はオペアンプ、Ａ３は差動増幅器、ＣＴ・ＣＴ２はセンタータップ、Ｄ１〜Ｄ４・Ｄ６〜Ｄ９・Ｄ１１〜Ｄ１４はダイオード、ＧＮＤは基準電位、Ｈｃ・Ｌｃは電流供給端子、Ｈｐ・Ｌｐは電圧検出端子、Ｉ_DUTは測定用電流、Ｉ_SHORTは短絡電流、ＤＵＴは測定対象物、Ｑ１・Ｑ３・Ｑ５はＮＰＮ型のトランジスタ、Ｑ２・Ｑ４はＰＮＰ型のトランジスタ、Ｒｐ１・Ｒｐ２は電流制限用の抵抗、Ｒｓ１・Ｒｓ２は抵抗、Ｔ１〜Ｔ３は電源トランス、Ｖ＋は正の直流電源、Ｖ−は負の直流電源、Ｖ２＋は別系統の正の直流電源、Ｖ２−は別系統の負の直流電源、Ｖｍ１・Ｖｍ２は信号電圧源、Ｗ１〜Ｗ４はシールド付き電線である。

Claims (7)

1. 一対の電流供給端子を介して測定対象体に測定用電流を供給する電流源と、該測定用電流により該測定対象体に生じた電圧を検出する電圧検出回路とを備え、該測定用電流及び該電圧検出回路の検出電圧に基づいて該測定対象体の電気的特性を測定する測定装置であって、
   該一対の電流供給端子が各々シールド付き電線で該電流源に接続され、該シールドには、所定電位を付与すると共に、流れる最大電流を制限可能な電流制限回路が接続されていることを特徴とする測定装置。
2. 前記電流制限回路が、大きくても前記測定用電流までの前記最大電流で電流制限することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記電流源が正負の直流電圧で動作する両電源タイプのものであり、
   該電流源に該正負の直流電圧を供給する電源回路が、センタータップ付きの電源トランス及び正負の直流電圧に整流する整流回路を備え、
   前記シールドが、前記電流制限回路を介して該センタータップに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記正負の直流電圧とは別の直流電圧を出力する他の電源回路を備え、単電源で動作する単電源動作回路には、該他の電源回路から該別の直流電圧を供給することを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記シールドが、前記所定電位を出力するボルテージフォロア回路に接続されており、該ボルテージフォロア回路が、出力部に前記電流制限回路を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
6. 前記ボルテージフォロア回路の出力する前記所定電位が、前記電流供給端子の一方に付与すべき電位と同じ電位であることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 前記電流制限回路が、電流制限用の抵抗、又は復帰性を有する過電流保護素子であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の測定装置。

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