JP2013205325A

JP2013205325A - 電流測定装置

Info

Publication number: JP2013205325A
Application number: JP2012076455A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Tokuo; 聖一徳尾
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置を提供する。
【解決手段】センサ出力として測定電流を出力する電流出力センサと、前記電流出力センサの出力に接続されたときに、前記測定電流を電圧変換して出力する増幅器と、前記電流出力センサに接続されると、前記電流出力センサの出力電流によって充電される帰還コンデンサと、前記帰還コンデンサと接続されると、該帰還コンデンサに充電された電流を一定電流で放電する定電流放電器と、前記増幅器の出力と基準電圧とを比較して、該比較結果を出力する比較器と、前記電流出力センサの測定が終了してから前記比較器の出力が前記増幅器の出力と前記基準電位と等しくなったことを示すまで所定周期でカウントアップして前記電流出力センサでの測定電流を数値化するカウンタとを備える電流測定装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、電流測定装置に関し、より詳細には、微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置に関する。

従来から電流を測定する手段として、オペアンプなどの増幅器と帰還抵抗からなる電流電圧変換回路３（図１）を用いて電流を電圧に変換し、該電圧値を保った状態でＡＤ変換回路を用いて数値化されてきた（例えば、特許文献１参照）。

また、微弱電流を高い電圧に簡便に変換する手段として、オペアンプなどの増幅器と帰還コンデンサからなる電流電圧変換回路５（図２）を用いて電圧に変換し、該電圧値を保った状態でＡＤ変換回路を用いて数値化する回路も提案されている（図３、特許文献２参照）。

この特許文献２では、センサ９は増幅器とキャパシタとが並列に接続されてなるチャージアンプ１０が接続されており、チャージアンプ１０にはセンサ９が生成したモニタ電流が入力され、モニタ電流によってチャージアンプ１０のキャパシタに電荷が蓄積され、蓄積された電荷量に相当する電圧信号が、その電荷量にほぼ比例するモニタ電圧信号として生成されて出力される。さらに、チャージアンプ１０の入力と出力との間には、スイッチ１４が接続されており、スイッチ１４はコントローラ７から出力されるリセット信号におけるパルスの発生に同期して、チャージアンプ１０に蓄積された電荷を放電する。さらに、チャージアンプ１０の出力に接続されたサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）１１はコントローラ７からサンプルホールド信号（ホールド信号）が入力され、サンプルホールド信号におけるパルスの発生に合わせて、チャージアンプ１０から入力されたモニタ電圧信号の電圧を保持して、発光強度信号として出力している。このサンプルホールド回路１１はＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）１２を介してコントローラ７に接続され、サンプルホールド回路１１から出力された発光強度信号はサンプルホールド信号発生後にデジタル信号に変換されてコントローラ７に出力される構成となっている。

つまり、測定する電流を帰還コンデンサからなる電流電圧変換回路（図２）を用いて電圧に変換し、該電圧値を保った状態でＡＤ変換回路を用いて数値化する回路構成となっている。

国際公開ＷＯ２０１１−００１５２３号パンフレット特開２００７−８０５７２号公報

上述した特許文献１に見られるような、オペアンプなどの増幅器と帰還抵抗からなる電流電圧変換回路３（図１）を用いて電圧に変換する場合、電流電圧変換回路の出力電圧Ｖ_outは、入力電流をＩ_in、帰還抵抗２をＲ_fとすると、次の（式１）で表すことができる。

例えば、センサ出力電流Ｉ_inが１ｎＡと微弱な場合、帰還抵抗２を大きく取って１ＭΩとしても、出力電圧Ｖ_ouは１ｍＶと非常に小さな値となるため、ＡＤ変換するための電圧レベルとしては小さく、１０〜１０００倍程度の増幅器を設け、必要な電圧レベルまで増幅しサンプルホールドする必要があった。さらに、特許文献１ではＡＤ変換回路の構成についての記載がないが、一般に読み取り分解能を上げるためには、高分解能のＡＤ変換回路を用いる必要があった。

つまり、微弱な電流を高分解能で測定する場合、電流電圧変換回路で大きな帰還抵抗値や、ＡＤ変換前に増幅段や、サンプルホールド段や、高分解能のＡＤ変換回路がそれぞれ必要となるため、回路規模が大きくなり、消費電流が大きくなるといった問題点があった。

また、上述した特許文献２では、微弱電流を高い電圧に簡便に変換する手段として、オペアンプなどの増幅器と帰還コンデンサからなる電流電圧変換回路（図２）を用いて電圧に変換している。この場合、電流電圧変換回路の出力電圧Ｖ_outは、入力電流をＩ_in、帰還コンデンサをＣ_fとすると、次の（式２）で表すことができる。

例えば、センサ出力電流Ｉ_inが１ｎＡと微弱な場合、サンプリング時間が１ｍｓで、帰還コンデンサ３が１ｐＦとすれば、出力電圧Ｖ_outは１Ｖになるため、ＡＤ変換するための電圧レベルとしては十分であり、そのままサンプルホールドし、そのままＡＤ変換回路へ入力すれば良い。サンプリング時間の間、センサ出力電流Ｉ_inを積分するためノイズ低減効果もあり、Ｓ／Ｎ向上と言った利点もある。しかし、特許文献２ではＡＤ変換回路の構成についての記載がないが、一般に読み取り分解能を上げるためには、高分解能のＡＤ変換回路を用いる必要がある。

つまり、微弱な電流を高分解能で測定する場合、帰還コンデンサからなる電流電圧変換回路５で十分な電圧レベルを得ることが出来るが、サンプルホールド段や高分解能のＡＤ変換回路が必要となるため、依然回路規模が大きくなり、消費電流が大きくなるといった問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、センサ出力として測定電流を出力する電流出力センサと、前記電流出力センサに接続されると、前記電流出力センサの出力電流によって充電される帰還コンデンサと、前記帰還コンデンサの電圧を出力する増幅器と、前記帰還コンデンサと接続されると、該帰還コンデンサに充電された電流を一定電流で放電する定電流放電器と、前記増幅器の出力と基準電圧とを比較して、該比較結果を出力する比較器と、前記電流出力センサの測定が終了してから前記比較器の出力が前記増幅器の出力と前記基準電位と等しくなったことを示すまで所定周期でカウントアップして前記電流出力センサでの測定電流を数値化するカウンタとを備え、前記電流出力センサの出力は、第１のスイッチが閉状態のとき前記増幅器の入力と帰還コンデンサに接続され、前記帰還コンデンサは、第２のスイッチが開状態のとき前記電流出力センサの出力電流が充電され、前記帰還コンデンサは、第３のスイッチが閉状態のとき定電流放電器と接続される電流測定装置である。

請求項２に記載の発明は、前記電流出力センサの測定開始時に、前記第１のスイッチを閉状態、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチを開状態とする第１の状態として、前記電流出力センサの出力電流を前記帰還コンデンサに充電し、前記第１の状態としてから所定の測定時間経過後に、前記第３のスイッチを閉状態、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを開状態とする第２の状態として、前記帰還コンデンサに充電された電流を一定電流で放電するとともに前記カウンタが所定周期でカウントアップして測定対象の電流を数値化し、前記第２の状態としてから前記比較器の出力が前記増幅器の出力と前記基準電位とが等しくなったことを示したときに、前記第２のスイッチを閉状態、前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチを開状態とする第３の状態として、前記帰還コンデンサをショートしてリセットし、前記カウンタで数値化した値を前記測定電流として出力することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電流測定装置において、前記帰還コンデンサは、１００ｐＦ以下であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流測定装置において、前記定電流放電器が、定電圧源と抵抗とを有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流測定装置において、前記定電流放電器が、カレントミラー構成の定電流源により構成されることを特徴とする。

本発明によれば、微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置を実現することが可能である。

従来技術を説明するための抵抗帰還型電流電圧変換回路を示す図である。従来技術を説明するためのコンデンサ帰還型電流電圧変換回路を示す図である。従来技術を説明するための調光回路を示す図である。本発明の実施例を説明するための電流測定装置を示す図である。本発明の実施例を説明するための電流測定装置の状態経時変化図を示す図である。本発明の実施例を説明するための電流測定装置の状態変位図を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４は、本発明に係る電流測定装置の第１の実施形態を説明するための構成図である。電流測定装置２３は、センサ測定した結果得られる電流をセンサ出力として出力する電流出力センサ２２と、電流出力センサからの出力電流を充電する帰還コンデンサ１９と、前記帰還コンデンサ１９の電圧を出力する増幅器１と、増幅器１の出力と基準電圧とを比較してその比較結果を出力する比較器２０と、測定時間が終了した後に、比較器２０の出力を受けて時間を計測（所定周期でカウント）し電流を数値化するカウンタ２１と、帰還コンデンサ１９の充電された電流を一定電流で放電するための定電流放電器１５とを備えて構成されている。

また、電流出力センサ２２と前記増幅器１とは接続を切り換えるスイッチＳＷ２を介して接続され、帰還コンデンサ１９は充電電圧をリセットするためのスイッチＳＷ１を介して両端が接続され、帰還コンデンサ１９と定電流放電器１５とは帰還コンデンサ１９の放電を切り換えるためのスイッチＳＷ３を介して接続されている。基準電圧はＧＮＤとしている。

本実施形態の電流測定装置２３では、図４の電流出力センサ２２として中赤外線受光の量子型赤外線センサを用いた場合、出力電流は１ｎＡから１０ｎＡ程度となる。また、この帯域でのセンサの用途は、人の検出か、非接触温度検出か、ガス濃度検出なので、変化は早くなく応答時間は１００ｍｓから１ｓ程度となるため、電流取込時間は１０ｍｓから１００ｍｓ程度に設定することが好ましい。

また、中赤外線受光の量子型赤外線センサは、抵抗が数１００ｋΩ程度なので、ノイズレベルは数ｍＶレベルとなる。精度の高いＡＤ変換するためには１００ｍＶ以上あることが好ましいので、この場合の帰還コンデンサ１９の容量Ｃｆは、（式５）で示すとおり１００ｐＦ以下である必要がある。
Ｃｆ≦１０ｎＡ／１００ｍＶ×１００ｍｓ＝１００ｐＦ・・・（式５）

次に、図４に示した電流測定装置２３の動作について、図５の状態変位図及び図６の状態経時変化図を用いて説明する。図５は、図１に示す電流測定装置の動作を説明するための状態変位図であり、図６は、図１に示す電流測定装置の動作を説明するための状態経時変化図である。

該電流測定装置２３は、電流測定を開始する前では、ＳＷ１はＯＮとすることによって帰還コンデンサ１９の両端をショートしてリセット状態にし、ＳＷ２およびＳＷ３をＯＦＦとすることによって測定するための電流出力センサの電流は遮断する（Ｓ１）。この時増幅器１の出力は、図６に示すように、基準電位である。

電流取込開始と判断されると（Ｓ２：ＹＥＳ）、電流の取り込みが開始される。電流取込時は、ＳＷ１およびＳＷ３をＯＦＦとし、ＳＷ２をＯＮとすることによって、測定対象の電流出力センサ２２の電流が帰還コンデンサ１９に充電される（Ｓ３）。

この時図６に示す増幅器１の出力レベルをＶｏｕｔ、帰還コンデンサ容量１９をＣｆ、電流出力センサ２２の電流をＩｉｎ＿ｓｅｎｓとすると、（式３）で示される。

このように増幅器１の出力は帰還コンデンサの電圧となる。帰還コンデンサの電圧は基準電位と比較し低くなるため、比較器２０の出力は図６に示すようにＬからＨに変化する。

なお、電流取込時間は、測定する電流出力センサ２２の動作タイミングと、帰還コンデンサ１９の容量と、比較器２０が動作可能な電圧レベルで設定すれば良い。また、電流出力センサ２２の出力電流にノイズが多く積算時間を長くし平均化したい場合にも、測定時間を必要な長さに設定すれば良い。

電流測定を開始してから所定の電流取込時間が経過したかが判断され（Ｓ４）、電流取り込み終了後（Ｓ４：ＹＥＳ）は、ＳＷ１はＯＦＦのままで、ＳＷ２はＯＮからＯＦＦにし、ＳＷ３はＯＦＦからＯＮにすることで、カウンタ２１は所定周期でカウントを開始し、帰還コンデンサ１９に充電した電流は定電流放電器１５で放電される（Ｓ５）。

この時図６に示す増幅器１の出力レベルをＶｏｕｔ、電流取込期間の最終電位をＶｏｕｔ１、帰還コンデンサ容量１９をＣｆ、定電流放電器１５の電流をＩｉｎ＿ｃｏｎｓｔとすると、（式４）で示される。

帰還コンデンサ１９の放電を開始してからＶｏｕｔが基準電位となると、比較器２０の出力がＨからＬになるので（Ｓ６：Ｌ）、このときＳＷ１をＯＮ、ＳＷ３をＯＦＦにしてカウンタ２１のカウントを停止する（Ｓ７）。このときＳＷ２はＯＦＦのままである。
（式３）と（式４）で示すように、定電流放電器１５による放電電流は定電流なので、Ｖｏｕｔが基準電位になるまでの時間は、電流出力センサ２２の電流Ｉｉｎ＿ｓｅｎｓに比例することになり、カウンタ２１のカウンタ値も比例することになるため、カウンタ２１はカウンタ値を出力する（Ｓ８）ことで、電流値を数値化することになる。その後さらに測定を行うかが判断され（Ｓ９）、測定を行う場合はＳ１に戻る。
電流数値化の分解能を向上させるためには、カウンタ２１のカウント周波数を上げることで実現可能となる。また、定電流放電器１５の電流値を小さくして、増幅器１の出力レベルＶｏｕｔが基準電位となるまでの時間を長くすることでも、カウンタ値を大きくできるため、分解能を向上させることが可能である。
このように、この電流測定装置２３は、測定対象である電流出力センサ２２と、帰還コンデンサ１９が接続された増幅器１と、増幅器１の出力と基準電圧とを比較する比較器２０と、測定時間が終了し比較器２０の出力の出力を受けて時間を計測し電流を数値化するカウンタ２１と、帰還コンデンサ１９の充電された電流を一定電流で放電するための定電流放電器１５で構成することで、構成ブロックが少なく単純な構成で実現できるため、小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置を実現することが可能である。

なお、本実施形態の電流測定装置２３の基準電位は、図４ではＧＮＤで示している。ＧＮＤの電圧レベルは、０Ｖにする場合が多いが、これに限定されるものではなく、設定しやすい電圧レベルであれば任意の値でよい。同様に、構成する各ブロック１５〜２１の電源電圧も、基準電位と各ブロックの動作を制限しないレベルであれば任意の値でよい。

また、比較器２０の出力は、増幅器１の出力と基準電位のレベル差の区別ができればよく、ＨとＬの状態は上記に限定しない。

本実施形態によれば、微少電流を中間増幅段無しに初段増幅器のみで数値化に十分な電圧まで増幅でき、サンプルホールドが不要で、カウンタのカウント刻みを細かくすることで容易で簡便に読み取り精度を上げることができ、微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる電流測定装置を実現することが可能である。

また、前記定電流放電器の電流を、検出対象の電流出力センサの電流量に応じて少なくすることにより、前記カウンタのカウント時間を長く取ることができるため、電流検出精度を高くすることが可能となる。

なお、電流出力センサ２２の電流が帰還コンデンサからの電流放電であれば、前記定電流放電器は定電流充電器に置き換わることは言うまでもない。

（第２の実施形態）
この実施形態の電流測定装置２３では、図４に示す定電流放電器１５として定電圧Ｖｃｏｎｓｔと抵抗値Ｒとを用いた構成としている。図４に示す増幅器１の入力端子の電圧レベルは、基準電位となる。定電流放電器１５を定電圧Ｖｃｏｎｓｔと抵抗値Ｒとで構成することにより、基準電位をＶｒｅｆとすると、放電電流Ｉｉｎ＿ｃｏｎｓｔは、（式６）で示すことができる。

Ｉｉｎ＿ｃｏｎｓｔ＝（Ｖｒｅｆ−Ｖｃｏｎｓｔ）／Ｒ・・・（式６）
このように、抵抗と定電圧で構成することにより、簡易で安定的な定電流源を構成することができる。

（第３の実施形態）
この実施形態の電流測定装置２３では、図４に示す増幅器１を集積回路で集積することにより、さらに小型の電流測定装置２３を実現することができる。集積回路では、回路制御のため定電流をカレントミラーで実現しているので、定電流放電回路１５をカレントミラーで構成することにより、簡易で安定的な定電流源を構成することができる。

１増幅器
２帰還抵抗
３帰還抵抗型電流電圧変換回路
４帰還コンデンサ
５帰還コンデンサ型電流電圧変換回路
６光センサ集積回路
９電流出力センサ
１０チャージアンプ
１１サンプルホールド回路
１２Ａ／Ｄ変換器
１４スイッチ
１５定電流放電器
１９帰還コンデンサ
２０比較器
２１計測カウンタ
２２電流出力センサ
２３電流測定装置

Claims

センサ出力として測定電流を出力する電流出力センサと、
前記電流出力センサに接続されると、前記電流出力センサの出力電流によって充電される帰還コンデンサと、
前記帰還コンデンサの電圧を出力する増幅器と、
前記帰還コンデンサと接続されると、該帰還コンデンサに充電された電流を一定電流で放電する定電流放電器と、
前記増幅器の出力と基準電圧とを比較して、該比較結果を出力する比較器と、
前記電流出力センサの測定が終了してから前記比較器の出力が前記増幅器の出力と前記基準電位とが等しくなったことを示すまで所定周期でカウントアップして前記電流出力センサでの測定電流を数値化するカウンタとを備え、
前記電流出力センサの出力は、第１のスイッチが閉状態のとき前記増幅器の入力と帰還コンデンサに接続され、前記帰還コンデンサは、第２のスイッチが開状態のとき前記電流出力センサの出力電流が充電され、前記帰還コンデンサは、第３のスイッチが閉状態のとき定電流放電器と接続される電流測定装置。
前記電流出力センサの測定開始時に、前記第１のスイッチを閉状態、前記第２のスイッチおよび前記第３のスイッチを開状態とする第１の状態として、前記電流出力センサの出力電流を前記帰還コンデンサに充電し、
前記第１の状態としてから所定の測定時間経過後に、前記第３のスイッチを閉状態、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを開状態とする第２の状態として、前記帰還コンデンサに充電された電流を一定電流で放電するとともに前記カウンタが所定周期でカウントアップして測定対象の電流を数値化し、
前記第２の状態としてから前記比較器の出力が前記増幅器の出力と前記基準電位とが等しくなったことを示したときに、前記第２のスイッチを閉状態、前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチを開状態とする第３の状態として、前記帰還コンデンサをショートしてリセットし、前記カウンタで数値化した値を前記測定電流として出力することを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
前記帰還コンデンサは、１００ｐＦ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流測定装置。
前記定電流放電器が、定電圧源と抵抗とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流測定装置。
前記定電流放電器が、カレントミラー構成の定電流源により構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流測定装置。