JP2016125959A - 歪み特性測定装置および歪み特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 インダクタの歪み特性を精度良く推定することができる歪み特性測定装置および歪み特性測定方法を提供する。
【解決手段】 歪み特性測定装置１は、基準信号Ｓrを出力する発振器３を有するインピーダンス測定器２と、基準信号Ｓrを増幅してインダクタ１０に入力する増幅器４と、インダクタ１０と増幅器４とに接続された抵抗器５と、インピーダンス測定器２を制御するコントローラ６とを備える。コントローラ６は、少なくとも最大電流値ｉmaxと最小電流値ｉminとを含む２条件以上の異なる電流値でインダクタ１０のリアクタンスを測定する。コントローラ６は、測定したリアクタンスの標準偏差に基づいて、インダクタ１０の歪み特性を推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インダクタの歪み特性を測定する歪み特性測定装置および歪み特性測定方法に関する。

一般に、インダクタの歪み特性の測定装置として、オーディオアナライザを用いてインダクタの全高調波歪みにノイズを加えたＴＨＤ＋Ｎ（Total Harmonic Distortion + Noise）を測定するものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。この場合、オーディオアナライザは、インダクタに対して基本波成分の信号を入力し、インダクタからの出力信号（出力電圧）を検出する。この検出した出力信号に基づいて、高調波成分全体にノイズ成分を加えたものと、基本波成分との比率を演算し、ＴＨＤ＋Ｎを測定している。

特開２００５−１５０４２５号公報 特開平１０−３１１８５５号公報 特開平８−２６２０９３号公報

ところで、ＴＨＤ＋Ｎは、インダクタに対する入力信号（入力電流）のレベルに応じて異なる傾向がある。このため、実際の使用状況に応じたＴＨＤ＋Ｎを測定するためには、使用状況に応じたレベルの信号を、インダクタに入力する必要がある。一方、オーディオアナライザから出力される基本波成分の信号は、一般的に信号レベルが小さい傾向があり、信号レベルが不足することがある。このように信号レベルが不足する場合、オーディオアナライザに増幅器を接続し、増幅器によって増幅された基本波成分の信号を、インダクタに入力する。

しかしながら、増幅器は非線形特性を有するため、インダクタに加えて、増幅器も高調波が発生する。この結果、オーディオアナライザは、インダクタと増幅器との両方による高調波を測定することになるから、インダクタのみの測定結果を得ることができないという問題がある。

本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、インダクタの歪み特性を精度良く推定することができる歪み特性測定装置および歪み特性測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、被測定物となるインダクタの歪み特性を測定する歪み特性測定装置において、信号源から出力される基準信号を用いて前記インダクタのリアクタンスを測定するインピーダンス測定器と、前記信号源による基準信号を増幅して前記インダクタに入力する増幅器と、前記インダクタのリアクタンスを測定するために、前記インダクタと前記増幅器とに接続された抵抗器と、前記インピーダンス測定器を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、少なくとも２条件以上の異なる電流値で前記インダクタのリアクタンスを測定し、前記リアクタンスの標準偏差に基づいて、前記インダクタの歪み特性を推定する構成としている。

請求項２の歪み特性測定装置は、前記電流値は、最大電流値と最小電流値とを含む構成としている。

請求項３の発明は、信号源から出力される基準信号を用いて被測定物となるインダクタのリアクタンスを測定するインピーダンス測定器と、前記信号源による基準信号を増幅して前記インダクタに入力する増幅器と、前記インダクタのリアクタンスを測定するために前記インダクタと前記増幅器とに接続された抵抗器と、を用いて前記インダクタの歪み特性を測定する歪み特性測定方法であって、少なくとも２条件以上の異なる電流値で前記インダクタのリアクタンスを測定するリアクタンス測定工程と、前記リアクタンスの標準偏差を算出し、算出した標準偏差に基づいて、前記インダクタの歪み特性を推定する標準偏差算出工程とを備えてなる構成としている。

請求項４の歪み特性測定方法は、前記電流値は、最大電流値と最小電流値とを含む構成としている。

請求項１，３の発明によれば、インピーダンス測定器を用いて、インダクタのリアクタンスを測定する。ここで、インダクタのリアクタンスは、入力される電流の大きさに応じて変化する。本発明者が鋭意検討した結果、インダクタのＴＨＤ＋Ｎ測定で測定される高調波成分は、電流値毎に異なるインダクタのリアクタンス値の差と関連が深いことを見出した。この点を考慮して、少なくとも２条件以上の異なる電流値でインダクタのリアクタンスを測定し、測定した複数のリアクタンスの標準偏差を求める。このリアクタンスの標準偏差に基づいて、インダクタの歪み特性を推定することができる。

また、インピーダンス測定器は、高調波成分を省いて基本波成分の信号に基づいて、インダクタのリアクタンスを測定することができる。このため、高調波成分に基づいてＴＨＤ＋Ｎを測定する場合のように、増幅器による高調波成分が混入することがなく、インダクタのリアクタンスを正確に測定することができる。この結果、異なる電流値の下でインダクタのリアクタンスを正確に測定することができるから、インダクタの歪み特性を精度良く推定することができる。

さらに、ＴＨＤ＋Ｎを測定する場合、低周波側ではインダクタのリアクタンス値が小さくなるため、増幅器による高調波の影響が大きくなり易く、インダクタの歪み特性が測定し難い傾向がある。これに対し、本発明では、インダクタと増幅器との間に抵抗器を接続したから、例えば抵抗器をシャント抵抗とすることによって、インダクタに供給される電流を測定することができる。これにより、インダクタに供給される電流と電圧を測定することができるから、これらの電流と電圧に基づいて、インダクタのリアクタンスを測定することができる。インダクタに供給される電流と電圧は、低周波側であっても誤差を抑えて測定することができるから、インダクタのＴＨＤ＋Ｎを測定する方法と比べて、インダクタの歪み特性を精度良く推定することができる。

請求項２，４の発明によれば、インダクタのリアクタンスを測定する電流値は、最大電流値と最小電流値とを含む構成としている。これにより、電流値の差を大きくすることにより、インダクタのリアクタンス変化を大きくすることができる。この結果、インダクタの歪み特性を精度良く推定することができる。

本発明の実施の形態による歪み特性測定装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態による歪み特性測定の処理を示す流れ図である。 本発明の実施の形態による歪み特性測定装置を用いてインダクタの標準偏差の周波数特性を示す特性線図である。 比較例による歪み特性測定装置の構成を示す回路図である。 比較例による歪み特性測定装置を用いてインダクタのＴＨＤ＋Ｎの周波数特性を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態による歪み特性測定装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、実施の形態による歪み特性測定装置１を示している。歪み特性測定装置１は、インピーダンス測定器２と、増幅器４と、抵抗器５と、コントローラ６とを備えている。この歪み特性測定装置１は、被測定物となるインダクタ１０の歪み特性を測定するものである。

インダクタ１０は、一方の端部１０Ａが後述の抵抗器５に接続され、他方の端部１０Ｂがグランドに接続されている。このインダクタ１０は、例えばコアコイル等により構成されている。

インピーダンス測定器２は、信号源としての発振器３を含んで構成されている。発振器３は、周波数ｆの基準信号Ｓrを出力する。このとき、基準信号Ｓrの周波数ｆおよび電流値は、コントローラ６によって可変に調整される。また、発振器３は、増幅器４、抵抗器５を介してインダクタ１０の端部１０Ａに接続され、インダクタ１０に基準信号Ｓrを入力する。

インピーダンス測定器２は、例えば２つの検出端子２Ａ，２Ｂを備えている。一方の検出端子２Ａは、例えばプローブ（図示せず）を介して抵抗器５の一端と増幅器４との接続点に接続され、他方の検出端子２Ｂは、プローブを介して抵抗器５の他端とインダクタ１０の端部１０Ａとの接続点に接続されている。

増幅器４は、その入力側が発振器３に接続され、その出力側が抵抗器５の一端に接続されている。この増幅器４は、発振器３から出力された基準信号Ｓrを、所定ゲインで増幅し、インダクタ１０に向けて出力する。これにより、基準信号Ｓrの電流が増幅器４によって増幅されるから、インダクタ１０には、発振器３から出力される基準信号Ｓrよりも大きな電流ｉが供給される。

抵抗器５は、増幅器４とインダクタ１０との間に直列に接続されている。抵抗器５の一端は増幅器４の出力端子に接続され、抵抗器５の他端はインダクタ１０の端部１０Ａに接続されている。この抵抗器５は、シャント抵抗として機能し、インダクタ１０のリアクタンスを測定するために用いられる。抵抗器５の両端は、インピーダンス測定器２の検出端子２Ａ，２Ｂにそれぞれ接続されている。

インピーダンス測定器２は、検出端子２Ａに入力される信号に基づいて、抵抗器５の一端に印加される電圧Ｖ_１を測定する。同様に、インピーダンス測定器２は、検出端子２Ｂに入力される信号に基づいて、抵抗器５の他端に印加される電圧Ｖ_２を測定する。このとき、インピーダンス測定器２は、例えばデジタルフィルタ等を備え、検出端子２Ａ，２Ｂに入力される信号から基準信号Ｓrの基本波以外の成分（周波数ｆ以外の成分）を除去することができる。これにより、インピーダンス測定器２は、基準信号Ｓrの基本波成分に応じた電圧Ｖ_１，Ｖ_２を測定することができる。インピーダンス測定器２は、電圧Ｖ_１，Ｖ_２に基づいて、インダクタ１０のリアクタンスを算出する。

具体的に説明すると、インピーダンス測定器２は、電圧Ｖ_１，Ｖ_２に基づいて抵抗器５の両端間の電位差を算出し、この電位差と抵抗器５の抵抗値とに基づいて抵抗器５に流れる電流ｉを求める。このとき、抵抗器５とインダクタ１０は、増幅器４の出力端子とグランドとの間に直列接続されているから、インダクタ１０には、抵抗器５と同じ電流ｉが供給される。一方、インダクタ１０の両端間には、電圧Ｖ_２が印加される。このため、インピーダンス測定器２は、電圧Ｖ_２と電流ｉとの比率に基づいて、インダクタ１０のリアクタンスを算出することができる。

コントローラ６は、インピーダンス測定器２に接続され、インピーダンス測定器２の制御手段を構成している。具体的には、コントローラ６は、マイクロコンピュータ等により構成され、図２に示す歪み特性測定処理を行う。これにより、コントローラ６は、少なくとも２条件以上の異なる電流値でインダクタ１０のリアクタンスを測定し、リアクタンスの標準偏差に基づいて、インダクタ１０の歪み特性を推定する。

次に、図２および図３を用いて、歪み特性測定装置１によるインダクタ１０の歪み特性測定方法について説明する。

まず、ステップ１では、インダクタ１０のリアクタンスを周波数毎に測定する。このとき、コントローラ６は、発振器３を制御して、インダクタ１０に供給する電流ｉが最小電流値ｉmin（例えばｉmin＝０．０３Ａ）と最大電流値ｉmax（例えばｉmax＝２．０Ａ）との間の範囲内で所定の電流値となるように、基準信号Ｓrの信号レベルを設定する。この状態で、基準信号Ｓrの周波数ｆを、最低周波数ｆmin（例えばｆmin＝１０Ｈｚ）と最高周波数ｆmax（例えばｆmax＝１００ｋＨｚ）との間で変化させて、周波数毎のリアクタンスを測定する。

具体的に説明すると、コントローラ６は、例えばインダクタ１０に供給する電流ｉが最小電流値ｉminとなるように、基準信号Ｓrの信号レベルを設定する。また、コントローラ６は、発振器３を制御して、基準信号Ｓrの周波数ｆを最低周波数ｆminに設定する。この状態で、インダクタ１０のリアクタンスを測定する。最低周波数ｆminにおけるリアクタンスの測定が終了すると、基準信号Ｓrの周波数ｆを上昇させて、再びインダクタ１０のリアクタンスを測定する。以上の操作を、基準信号Ｓrの周波数ｆが最高周波数ｆmaxになるまで繰り返す。これにより、最低周波数ｆminと最高周波数ｆmaxとの間で、全ての帯域のリアクタンスを得ることができる。

続くステップ２では、インピーダンス測定器２によるインダクタ１０のリアクタンス測定を終了するか否かの判定を行う。即ち、ステップ２では、インダクタ１０の歪みを推定するために必要なリアクタンスのデータの取得が完了したか否か、より具体的には、予め設定された複数の電流値でリアクタンスの測定が完了したか否かを判定する。

ステップ２で「ＮＯ」と判定し、リアクタンスの測定を終了しない場合は、ステップ３に移行する。ステップ３では、コントローラ６は発振器３を制御して、インダクタ１０に供給する電流ｉの電流値を変更し、ステップ１に戻る。これにより、複数の異なる電流値でインダクタ１０のリアクタンスの測定を行う。コントローラ６は、これらステップ１〜３のリアクタンス測定工程処理を、リアクタンスのデータの取得が完了するまで繰り返す。この場合、コントローラ６は、最大電流値ｉmaxと最小電流値ｉminとを含む少なくとも２条件以上の異なる電流値でインダクタ１０のリアクタンスを測定する。なお、最大電流値ｉmax、最小電流値ｉminは、例えばインダクタ１０を製品に組み込んだときに、その使用条件下で供給される最大または最小の電流値であり、製品の仕様等に応じて適宜設定される。

一方、ステップ２で「ＹＥＳ」と判定し、リアクタンスの測定を終了した場合は、ステップ４に移行する。ステップ４では、コントローラ６は、標準偏差算出工程として収集したリアクタンスのデータに基づいて、リアクタンスの標準偏差を周波数毎に算出する。

そして、コントローラ６は、算出した標準偏差からインダクタ１０の歪み特性を推定する。この場合、リアクタンスの標準偏差は電流ｉに応じて変化するインダクタ１０の変化の割合を示し、リアクタンスの標準偏差が大きければインダクタ１０の歪み特性も大きいということを示している。

本実施の形態による歪み特性測定装置１について、リアクタンスの標準偏差の周波数特性を求めた。その結果を図３に示す。また、本実施の形態による歪み特性測定装置１の結果と対比するために、比較例として図４に示す歪み特性測定装置１０１を用いてインダクタ１０のＴＨＤ＋Ｎの周波数特性を測定した。その結果を図５に示す。なお、本実施の形態による歪み特性測定装置１と比較例による歪み特性測定装置１０１とにおいて、インダクタＡとして（株）村田製作所のＮＦＺ２ＭＳＭ１０１ＳＮ１０を用い、インダクタＢとして（株）村田製作所のＮＦＺ２ＭＳＭ１８１ＳＮ１０を用いた。

図４に示すように、比較例による歪み特性測定装置１０１は、オーディオアナライザ１０２と、増幅器１０４と、抵抗器１０５とを備えている。このとき、オーディオアナライザ１０２は、発振器３とほぼ同様な発振器１０３を備えると共に、発振器１０３の出力側は、増幅器１０４を介してインダクタ１０の一端に接続される。また、インダクタ１０の他端は、抵抗器１０５に接続されると共に、オーディオアナライザ１０２の検出端子１０２Ａに接続される。これにより、オーディオアナライザ１０２は、インダクタ１０の一端に対して基本波成分の信号Ｓr0を入力し、インダクタ１０の他端からの出力電圧Ｖを検出端子１０２Ａによって検出する。オーディオアナライザ１０２は、検出した出力電圧Ｖ、発振器１０３の信号Ｓr0、増幅器１０４のゲイン等に基づいて、高調波成分全体にノイズ成分を加えたものと、基本波成分との比率を演算し、ＴＨＤ＋Ｎを測定する。

図５に示すように、比較例の場合は、１ｋＨｚ付近よりも高周波側において、ｓｈｏｒｔのときのＴＨＤ＋Ｎ、即ちインダクタ１０を省いて増幅器１０４の出力端子を抵抗器１０５に短絡させたときのＴＨＤ＋Ｎに比べて、インダクタＡ，ＢのＴＨＤ＋Ｎの方が大きい。これは、高周波側では、インダクタＡ，Ｂにより回路の歪み特性が大きくなるからであると考えられる。また、高周波側では、インダクタＢのＴＨＤ＋Ｎの方が、インダクタＡのＴＨＤ＋Ｎよりも大きくなっている。

一方、比較例の場合は、１ｋＨｚ付近よりも低周波側では、インダクタＡ，ＢおよびｓｈｏｒｔのＴＨＤ＋Ｎはほとんど差異がない。これは、低周波側では、増幅器１０４の非線形性による高調波の影響が大きくなり、インダクタＡ，ＢのＴＨＤ＋Ｎを正確に測定できない等の理由によるものと考えられる。

ここで、発明者が鋭意検討した結果、インダクタ１０のＴＨＤ＋Ｎ測定で測定される高調波成分は、電流値毎に異なるインダクタ１０のリアクタンス値の差と関連が深いことを見出した。インダクタ１０による高調波成分は、供給される電流ｉに応じてインダクタ１０の比透磁率が変化することが主な発生原因と考えられる。このことを考慮すると、電流ｉに応じてインダクタＡ，Ｂのリアクタンス値の変化を検出すれば、ＴＨＤ＋Ｎと関連した歪み特性が測定可能と考えられる。

そこで、本実施の形態による歪み特性測定装置１では、２条件以上の異なる電流値でインダクタＡ，Ｂのリアクタンスを測定し、測定した複数のリアクタンスの標準偏差を求める。図３に示す結果は、電流ｉを、０．０３Ａ，０．０５Ａ，０．１Ａ，０．２Ａ，０．３Ａ，０．５Ａ，１．０Ａ，１．５Ａ，２．０Ａの９種類の異なる値に設定したときに、それぞれインダクタＡ，Ｂのリアクタンスを測定し、これら複数のリアクタンスの標準偏差を求めたものである。

図３に示すように、本実施の形態の場合は、１ｋＨｚ付近より高周波側で、インダクタＡのリアクタンスの標準偏差よりもインダクタＢのリアクタンスの標準偏差の方が大きい。この点は、比較例によるＴＨＤ＋Ｎの測定結果と同様であり、リアクタンスの標準偏差とＴＨＤ＋Ｎとの間に相関関係があることが分かる。これに加えて、本実施の形態の場合は、１ｋＨｚ付近より低周波側でも、インダクタＡのリアクタンスの標準偏差よりもインダクタＢのリアクタンスの標準偏差の方が大きい。このことから、本実施の形態では、増幅器１０４の高調波による影響を抑制して、インダクタ１０の歪み特性が測定できることが分かる。

かくして、本実施の形態によれば、インピーダンス測定器２を用いて、２条件以上の異なる電流値でインダクタ１０のリアクタンスを測定し、測定した複数のリアクタンスの標準偏差を求めた。このとき、インピーダンス測定器２は、インダクタ１０による高調波成分を計測してＴＨＤ＋Ｎを測定する方法と異なり、基本波成分の信号（電圧Ｖ_１，Ｖ_２）に基づいて、インダクタ１０のリアクタンスを正確に測定することができる。このため、増幅器４の高調波成分を含まずにインダクタ１０のリアクタンスを測定することができるから、リアクタンスの標準偏差に基づいて、インダクタ１０の歪み特性を精度良く推定することができる。

また、ＴＨＤ＋Ｎを測定する場合、低周波側ではインダクタ１０のリアクタンス値が小さくなるため、増幅器による高調波の影響が大きくなり易く、インダクタ１０の歪み特性が測定し難い傾向がある。これに対し、本実施の形態では、インダクタ１０と増幅器４との間に抵抗器５を接続したから、例えば抵抗器５をシャント抵抗とすることによって、インダクタ１０に供給される電流ｉを測定することができる。これにより、インダクタ１０に供給される電流ｉと電圧Ｖ_２を測定することができるから、これらの電流ｉと電圧Ｖ_２に基づいて、インダクタ１０のリアクタンスを測定することができる。インダクタ１０に供給される電流ｉと電圧Ｖ_２は、低周波側であっても誤差を抑えて測定することができるから、インダクタ１０のＴＨＤ＋Ｎを測定する方法と比べて、インダクタ１０の歪み特性を精度良く推定することができる。

また、インダクタ１０のリアクタンスを測定する電流値は、最大電流値ｉmaxと最小電流値ｉminとを含む。これにより、電流値の差を大きくすることにより、インダクタ１０のリアクタンス変化を大きくして、インダクタ１０の歪みを発生し易くすることができる。この結果、インダクタ１０の歪み特性を精度良く推定することができる。

なお、前記実施の形態では、最低周波数ｆminが１０Ｈｚ、最高周波数ｆmaxが１００ｋＨｚ、最小電流値ｉminが０．０３Ａ、最大電流値ｉmaxが２．０Ａの例に挙げて説明した。これらは一例を示したものに過ぎず、インダクタの仕様等に応じて適宜設定されるものである。

前記実施の形態では、歪み特性測定装置１は、最大電流値ｉmaxと最小電流値ｉminとを含む少なくとも２条件以上の異なる電流値でリアクタンスを測定する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、最大電流値ｉmaxと最小電流値ｉminとを含まない２条件以上の異なる電流値でリアクタンスを測定する構成としてもよい。

前記実施の形態では、歪み特性測定装置１は、９種類の異なる電流値で求めたリアクタンスから標準偏差を算出して、インダクタ１０の歪み特性を推定する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、２〜８種類の異なる電流値でインダクタのリアクタンスを測定してもよく、１０種類以上の異なる電流値でインダクタのリアクタンスを測定してもよい。２種類の異なる電流値でリアクタンス求めた場合は、標準偏差に応じるものとして、２つのリアクタンスの測定結果の差を求めてインダクタの歪み特性を推定する構成としてもよい。

前記実施の形態では、コントローラ６は、インピーダンス測定器２の発振器３を制御することによって、インダクタ１０に供給する電流ｉを調整するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、増幅器４のゲインを調整することによって、インダクタ１０に供給する電流ｉを調整してもよい。

前記実施の形態では、インピーダンス測定器２は、基準信号Ｓrを出力する発振器３を備える構成としたが、インピーダンス測定器とは別個に信号源となる発振器を設けてもよい。

１ 歪み特性測定装置
２ インピーダンス測定器
３ 発振器（信号源）
４ 増幅器
５ 抵抗器
６ コントローラ
１０ インダクタ

Claims (4)

1. 被測定物となるインダクタの歪み特性を測定する歪み特性測定装置において、
   信号源から出力される基準信号を用いて前記インダクタのリアクタンスを測定するインピーダンス測定器と、
   前記信号源による基準信号を増幅して前記インダクタに入力する増幅器と、
   前記インダクタのリアクタンスを測定するために、前記インダクタと前記増幅器とに接続された抵抗器と、
   前記インピーダンス測定器を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、少なくとも２条件以上の異なる電流値で前記インダクタのリアクタンスを測定し、前記リアクタンスの標準偏差に基づいて、前記インダクタの歪み特性を推定することを特徴とする歪み特性測定装置。
2. 前記電流値は、最大電流値と最小電流値とを含む請求項１に記載の歪み特性測定装置。
3. 信号源から出力される基準信号を用いて被測定物となるインダクタのリアクタンスを測定するインピーダンス測定器と、前記信号源による基準信号を増幅して前記インダクタに入力する増幅器と、前記インダクタのリアクタンスを測定するために前記インダクタと前記増幅器とに接続された抵抗器と、を用いて前記インダクタの歪み特性を測定する歪み特性測定方法であって、
   少なくとも２条件以上の異なる電流値で前記インダクタのリアクタンスを測定するリアクタンス測定工程と、
   前記リアクタンスの標準偏差を算出し、算出した標準偏差に基づいて、前記インダクタの歪み特性を推定する標準偏差算出工程とを備えてなる歪み特性測定方法。
4. 前記電流値は、最大電流値と最小電流値とを含む請求項３に記載の歪み特性測定方法。

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