JP2017083379A - インピーダンス測定装置およびインピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズがいかなる周波数成分を有していたとしてもノイズ成分から生ずる影響を抑制して、安定した測定値をより速く取得できるインピーダンス測定装置および測定方法を提供する。【解決手段】 測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給し、測定信号に同期する基準信号を生成して試料に現れる検出信号を前記基準信号で同期検波する。特性が異なる複数のローパスフィルタによって同期検波された信号を通過させ、複数のローパスフィルタの内のいずれかを選択し、その選択はノイズの影響のない測定値の取得により終了される。【選択図】 図１

Description

本発明は、インピーダンス測定装置およびインピーダンス測定方法に関する。

電気回路を構成する素子がもつ内部インピーダンスを測定する方法として、測定対象である試料に交流信号を与えてその電気応答を測定する交流インピーダンス測定法がある。この方法では、試料がもつ抵抗成分、キャパシタンス成分、インダクタンス成分の大きさを調べることができる。また、それらの成分が試料内でどのような等価回路を構成しているか、あるいは、その等価回路のパラメータを求めることができる。

このようなインピーダンス測定法として、定電流源から試料に正弦波の測定交流電流を供給し、試料に現れる電圧信号を、供給する測定交流電流に同期する同一周波数の基準信号（または参照信号ともいう）で同期検波することで、試料に現れるノイズ成分の影響を小さくする同期検波を用いたインピーダンス測定方法がある。
同期検波によるインピーダンス測定装置については、以下の先行技術文献がある。

以下同期検波によるインピーダンス測定を説明する。
測定交流電流は、定電流源から、試料（例えば、内部抵抗をもつ電池）に供給される。測定交流電流の電流値を検出するための検出用の抵抗（電流検出用抵抗）は、定電流源、試料に直列に挿入されている。測定交流電流に応じて試料に現れた検出信号（電圧信号）を増幅する第１増幅器と、電流検出用抵抗で検出された電圧信号を増幅する第２増幅器を備え、第１増幅器で増幅された電圧検出信号は、測定周波数を通過させるバンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＢＰＦ）を通して同期検波器に入力される。また、測定交流電流に同期する基準信号は第２増幅器で増幅され同期検波器に入力される。同期検波器は、電圧検出信号を基準信号で同期検波し、その検波出力は、交流成分を除去するためのローパスフィルタ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＬＰＦ）に入力され交流成分が除去されて、アナログデジタルコンバータ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）に入力される。アナログデジタルコンバータは、同期検波出力をデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は、演算装置に入力され、試料の交流インピーダンス値、等価回路のパラメメータ等が演算され、これらの値は表示装置等に表示され、あるいはプリントされて出力される。

このように、試料の両端の電圧検出信号を測定交流電流と同位相の基準信号で同期検波し、ローパスフィルタにより交流成分を除去することにより、直流成分のみが抽出されるので、電池など純抵抗以外の成分を含む測定対象の試料の実効インピーダンスを求めることができる。また、同期検波で現れた交流成分はローパスフィルタで除去されるため、交流であるノイズの影響を除去でき、ノイズに埋もれた微小信号を取り出すことが可能である。

特開２００７−１３２８０６号公報

測定対象となる試料は、電気回路を構成する要素であるため、ノイズが重畳されるものがあり、そのノイズがインピーダンス測定に影響を与える。例えば、ＵＰＳ（無停電電源装置：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）に装備されているバッテリを測定試料とする場合である。ＵＰＳは、常時稼働している必要があるため、インバータやコンバータが稼働して充電あるいは放電を行っている。このため、インバータやコンバータから生ずるノイズがバッテリに印加されていることが多い。また、負荷が接続されているため、負荷側からもノイズが入り込むことが多い。このように、ＵＰＳのバッテリを試料としてインピーダンス測定しようとすると、測定交流電流が印加された試料からノイズ成分を検出することになる。

しかしながら、測定交流電流と同位相の基準信号を用いて同期検波を行い、ローパスフィルタで交流成分を除去してもノイズを取りきることができない場合がある。

例えば、図５に示すような周波数特性を有するローパスフィルタでは、Ｘ（Ｈｚ）以上の周波数についてはノイズを取り除くことができるが、ＸＨｚ未満の周波数はほとんど除去できない。
このように、ノイズが測定周波数（例えば図５ではＸ（Ｈｚ））に近い周波数のノイズである場合には、その周波数に対する減衰量がほとんどないような減衰特性を有するローパスフィルタでは、すべてのノイズを除去することは難しい。

このため、ノイズが検出信号に入り込むと測定誤差が生じ、また、測定したインピーダンス値もばらつきが生ずるので、測定値が安定しないという問題が生ずる。

本発明は、ノイズがいかなる周波数成分を有していたとしてもノイズ成分から生ずる影響を抑制して、安定した測定値をより速く取得できるインピーダンス測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によると、測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給する交流供給部と、測定信号に同期する基準信号を生成する基準信号生成部と、試料に現れる検出信号を基準信号で同期検波する同期検波部と、同期検波された信号を通過させ、特性が異なる複数のローパスフィルタと、複数のローパスフィルタを選択する選択手段とを備え、複数のローパスフィルタの選択はノイズの影響のない測定値の取得により終了されることを特徴とするインピーダンス測定装置が提供される。

なお、選択手段は複数のローパスフィルタの出力側に接続され、複数のローパスフィルタは並列に動作することが好ましい。

また、試料は、電池であって、交流供給部は、定電流源であることが好ましい。

本発明の他の観点によると、測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給し、試料に現れる検出信号を測定信号に同期する基準信号で同期検波し、同期検波された信号の直流成分を抽出して試料の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定方法であって、測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給するステップと、測定信号に同期する基準信号を生成するステップと、試料に現れる検出信号を基準信号で同期検波するステップと、同期検波された信号を通過させるステップを有し、同期検波された信号を通過させるステップは、特性が異なる複数のローパスフィルタによって実行され、さらに複数のローパスフィルタを選択するステップと、複数のローパスフィルタの選択をノイズの影響のない測定値の取得により終了するステップを有することを特徴とするインピーダンス測定方法が提供される。

なお、複数のローパスフィルタを選択するステップの実行前に、複数のローパスフィルタの動作が並列に実行されることが好ましい。

ノイズがいかなる周波数成分を有していたとしてもノイズ成分から生ずる影響を抑制して、安定した測定値をより速く取得することができる。

本発明の一実施の形態に係る同期検波によるインピーダンス測定装置の構成を示す図である。 ３種類のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の応答特性を示した図である。 ３種類のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の減衰特性を示した図である。 選択処理によりノイズに影響されない範囲が広がる効果を説明するための図である。 ローパスフィルタの周波数特性例を示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る同期検波によるインピーダンス測定装置の構成を示す図である。インピーダンス測定装置１は、定電流源１０、増幅器１５，１６、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７、同期検波器２０、複数のローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎ、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３を備えて構成されている。なお、定電流源１０は請求項１の交流供給部に相当し、同期検波器２０は請求項１の同期検波部に相当する。

定電流源１０は一対の出力端子（図示せず）を介して測定対象の試料（ＤＵＴ）１１に接続されている。本実施の形態では、試料１１は、電池であり、内部抵抗としてＲ_ｘをもつ。定電流源１０と試料１１の間には電流検出用抵抗Ｒ_ｓが挿入（接続）され、試料１１の検出信号は、増幅器１５を介して測定周波数を通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７に入力される。なお、電流検出用抵抗Ｒ_ｓは請求項１の基準信号生成部に相当する。

増幅器１５は定電流源１０から供給される測定交流電流ｉに応じて試料１１に現れた検出信号（電圧信号）を増幅し、増幅器１６は電流検出用抵抗Ｒｓで検出された電圧信号を増幅する。増幅器１５で増幅された電圧検出信号ｖ_１は、測定周波数を通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７を介して同期検波器２０に入力される。また、測定交流電流ｉに同期する基準信号ｖ_２は増幅器１６で増幅され同期検波器２０に入力される。

バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７の出力部は、同期検波器２０の入力部に接続され、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７の出力は同期検波器２０に入力される。電流検出用抵抗Ｒｓは、増幅器１６に接続され、増幅器１６の出力部は、同期検波器２０の入力部に接続され、増幅器１６の出力は同期検波器２０に入力される。

同期検波器２０の出力部はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎの入力部に接続される。同期検波器２０は、電圧検出信号ｖ_１を基準信号ｖ_２で同期検波し、その検波出力は、交流成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎに入力される。

ローパスフィルタ２２−１，２２−２，・・・２２−ｎの出力部は、ＳＷ１を介してアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３に接続され、ローパスフィルタ２２−１，２２−２，・・・２２−ｎの出力Ｖ_ＡＤ１，Ｖ_ＡＤ２，・・・Ｖ_ＡＤｎは、ＳＷ１を介してアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３に入力される。なお、ローパスフィルタ２２−１，２２−２，・・・２２−ｎは互いに並列に接続されている。なお、ＳＷ１は請求項１の選択手段に相当する。

各ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎにおいてフィルタ処理（交流成分除去）は並列で行われ、その出力は後述する所定のルールに基づいて選択出力され、選択された出力はアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３に入力される。アナログデジタルコンバータ２３は、同期検波出力をデジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は、図示されない演算装置に入力され、試料１１の交流インピーダンス値、等価回路のパラメータ等が演算され、これらの値は、図示されない表示装置等に表示され、あるいはプリントされて出力される。

ここで、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎは、それぞれ応答特性、減衰特性が異なっている。応答特性とはローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎに入力を与えた場合，その時間的変化に応じ，指針の振れなどの出力が時間的に変化する性質をいう。例えば応答特性がよいとは、出力が１００％になるまでの応答時間が短い場合をいう。減衰特性とはカットオフ周波数よりも低い周波数を通し、それより高い周波数を通さないという性質をいう。後述する図３の示すように減衰傾度が減衰特性を表す。

次に図１のインピーダンス測定装置におけるインピーダンス測定動作を説明する。定電流源１０からは、測定交流電流として、ｉ＝Ｉｓｉｎ（ω_１ｔ）の正弦波が試料１１に印加される。試料１１の両端には、電池の内部抵抗Ｒ_ｘに対応した電圧が発生し、その電圧は増幅器１５で増幅されてｖ_１＝ｉＲ_ｘとして出力される。また、増幅器１６からは、電流検出用抵抗Ｒ_ｓに対応したｖ_２＝ｉＲｓが出力され、同期検波器２０で同期検波される。ここで、ｖ_１、ｖ_２は、
ｖ_１＝Ｖｓｉｎ（ω_１ｔ）＝ＩＲ_ｘｓｉｎ（ω_１ｔ）
ｖ_２＝ｉＲｓ＝ＩＲ_ｓｓｉｎ（ω_１ｔ）＝ｋｓｉｎ（ω_１ｔ）
である。なお、ｋは定数とする（ＩとＲｓは一定であるとする）

同期検波出力は、
ｖ_１×ｖ_２＝ｋＩＲ_ｘｓｉｎ（ω_１ｔ）ｓｉｎ（ω_１ｔ）
＝１／２・ｋＩＲ_ｘ［ｃｏｓ（０）−ｃｏｓ（２ω_１ｔ）］
となる。

この同期検波出力は、減衰特性（カットオフ周波数、減衰量）、応答特性（応答時間）の異なるローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１，２２−２，・・・２２−ｎに入力される。最初は、スイッチＳＷ１によってローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１が選択される。即ち、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−１の出力Ｖ_ＡＤ１が選択され、所定の交流成分が遮断された出力がアナログデジタルコンバータ２３に入力される。

アナログデジタルコンバータ２３の入力は、
Ｖ_ＡＤ＝１／２・ｋＩＲ_ｘｃｏｓ（０）＝１／２・ｋＩＲ_ｘ
となり、これにより、測定値である試料の内部抵抗の抵抗値Ｒｘは、
Ｒ_ｘ＝２／ｋ・（Ｖ_ＡＤ／Ｉ）
により求めることができる。

ここで、求めた測定値がノイズの影響で安定しない場合には、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−２に切り換える。それでもノイズの影響で測定値が安定しない場合には、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２−３に切り換える。このように測定値が安定するまでスイッチＳＷ１でローパスフィルタ（ＬＰＦ）を順に切り換える。そして、順次、定電流源１０からの測定周波数を変え、上記した処理を繰り返す。

次に、図２及び図３を参照してローパスフィルタ（ＬＰＦ）の切り換え動作について詳細に説明する。測定値の算出において、測定値の出力が安定し、しかも測定時間を短くするために上記したローパスフィルタ（ＬＰＦ）の選択（切り換え）をどのように行うのかについて図２及び図３を参照して具体的に説明する。図２は３種類のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の応答特性を示した図である。図３は３種類のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の減衰特性を示した図である。

ローパスフィルタ（１），（２），（３）の応答特性については、図２に示すようにローパスフィルタ（１）の応答時間が一番速く、ローパスフィルタ（３）の応答時間が一番遅い。ローパスフィルタ（１），（２），（３）の減衰特性については、図３に示すようにローパスフィルタ（１）の減衰量が一番小さく、ローパスフィルタ（３）の減衰量が一番大きい。本実施の形態では、このような特性を有するローパスフィルタを３種類用意した。

最初に所定の測定周波数を選び、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（１）を選択する。ローパスフィルタ（１）は図２及び図３に示すように応答速度が最も速く、減衰量が最も小さいローパスフィルタである。そして得られた測定値が安定していた場合にはここでその測定周波数におけるインピーダンス測定は終了する。

しかし、得られた測定値が安定していない場合には、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（２）を選択（切り換え）する。ローパスフィルタ（２）は図２及び図３に示すように応答速度がローパスフィルタ（１）よりも遅く、減衰量もローパスフィルタ（１）よりも大きい。そして得られた測定値が安定していた場合にはここでその測定周波数におけるインピーダンス測定は終了する。
しかし、得られた測定値が安定していない場合には、スイッチＳＷ１でローパスフィルタ（３）を選択（切り換え）する。ローパスフィルタ（３）は図２及び図３に示すように応答速度がローパスフィルタ（２）よりも遅く、減衰量もローパスフィルタ（２）よりも大きい。そして得られた測定値が安定していた場合にはここでその測定周波数におけるインピーダンス測定は終了する。

上記した例では３種類のローパスフィルタを用いた例であるが、さらに異なる特性をもつローパスフィルタを用意して行えば、３種類の場合に比較してより安定した測定値をできる限り速く算出することができる。なお、ローパスフィルタの数は、安定性と測定時間のバランスを考慮して決定するのが好ましい。

また、ローパスフィルタの選択（切り換え）については、上記した実施の形態ではローパスフィルタ（１），（２），（３）の順に切り替えたが、図示されない演算装置内のメモリに記憶された順番にしたがって行うこともできるし、図示されない表示装置に表示された測定値に応じて手動で切り換えるようにしてもよい。

（本発明による効果）
本発明では、複数の異なる特性（応答特性、減衰特性）を有するローパスフィルタを並列に動作させた上で、ローパスフィルタの切り換えを、ノイズの影響が最も受けにくく、かつ応答速度が最も速いローパスフィルタが見つかるまで行っているので、最もノイズの影響のない安定した測定値が速くに得られる。例えば、負荷電流や充電電流が流れていない電池のようにノイズの影響が少ないような場合には、上記した図２及び図３の例でいうとローパスフィルタ（１）が選択され測定後に実施した測定周波数におけるインピーダンス測定は終了する。

つまり、ノイズの影響の少ない試料であってもノイズの影響の大きい試料、例えばＵＰＳのバッテリなど、検出信号にノイズが重畳しているような試料における測定であっても、最も早い応答速度で、かつ減衰量の最も少ないローパスフィルタが選択されるので、ノイズの影響の少ない安定的なインピーダンスの測定値がより速く求められる。

また、図４を参照して本発明による他の効果について述べる。所定の測定周波数が例えばＹ（Ｈｚ）であって図４に示すようなノイズが現れており、Ｙ（Ｈｚ）の測定周波数でインピーダンス測定をする場合に、ノイズの影響を受ける範囲はその測定周波数から左右ａ（Ｈｚ）までの範囲である。この場合左右ａ（Ｈｚ）までの範囲にあるノイズは上記した選択（切り換え）処理によって減衰するので、ノイズに影響されない範囲を広げることができる（ノイズに影響されない範囲が広がる）。

上記した実施の形態は、定電流源１０から試料１１に交流定電流を供給してインピーダンスを測定する例で説明したが、電圧によるインピーダンス測定も可能である。たとえば、電圧源から試料に交流定電圧を供給して同期検波によりインピーダンスを測定するものでもよい。測定対象が電池の場合には、定電流によりインピーダンス測定を行うことが好ましいが、例えば、電気回路に組み込まれてノイズが現れる可能性のあるコンデンサの場合には、交流定電圧によるインピーダンス測定でもよい。

以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されることはなく、これ以外にも種々変形可能である。

１０ 定電流源
１１ 試料（ＤＵＴ）
１５、１６ 増幅器
１７ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２０ 同期検波器
２２-１、２２−２、・・・・、２２−ｎ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２３ アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）
Ｒｓ 電流検出用抵抗
ＳＷ１ スイッチ

Claims (5)

1. 測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給する交流供給部と、
   前記測定信号に同期する基準信号を生成する基準信号生成部と、
   前記試料に現れる検出信号を前記基準信号で同期検波する同期検波部と、
   同期検波された信号を通過させ、特性が異なる複数のローパスフィルタと、
   前記複数のローパスフィルタの内のいずれか一つを選択する選択手段と、
   を備え、
   前記ローパスフィルタの選択はノイズの影響のない測定値の取得により終了される
   ことを特徴とするインピーダンス測定装置。
2. 前記選択手段は前記複数のローパスフィルタの出力側に接続され、
   前記複数のローパスフィルタは並列に動作する
   ことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
3. 前記試料は、電池であって、前記交流供給部は、定電流源である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のインピーダンス測定装置。
4. 測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給し、前記試料に現れる検出信号を前記測定信号に同期する基準信号で同期検波し、同期検波された信号の直流成分を抽出して前記試料の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定方法であって、
   測定対象の試料に所定周波数の測定信号を供給するステップと、
   前記測定信号に同期する基準信号を生成するステップと、
   前記試料に現れる検出信号を前記基準信号で同期検波するステップと、
   同期検波された信号を通過させるステップを有し、
   前記同期検波された信号を通過させるステップは、特性が異なる複数のローパスフィルタによって実行され、
   さらに前記複数のローパスフィルタの内のいずれか一つを選択するステップと、
   前記ローパスフィルタの選択をノイズの影響のない測定値の取得により終了するステップ
   を有することを特徴とするインピーダンス測定方法。
5. 前記ローパスフィルタを選択するステップの実行前に、前記複数のローパスフィルタの動作が並列に実行される、
   ことを特徴とする請求項４に記載のインピーダンス測定方法。

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