JP2019086474A - インピーダンス測定システムおよびインピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数台のインピーダンス測定器を用いて測定試料を測定する場合において、インピーダンス測定器相互間の誘導電圧の影響等による測定誤差を小さくするインピーダンス測定システムおよび測定方法を提供する。【解決手段】 複数台のインピーダンス測定器の測定交流源である定電流源を同期させて、同期した測定交流を測定試料に与える。あるいは、隣り合うインピーダンス測定器が発生する測定交流の位相を相互に逆位相に制御して測定試料に与えて測定を行う。【選択図】 図１

Description

本発明は、インピーダンス測定システム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交流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については、以下の先行技術文献がある。

以下図面を参照して同期検波によるインピーダンス測定を説明する。
図６は、同期検波によるインピーダンス測定器の構成を示す図である。

図６のインピーダンス測定器でのインピーダンス測定動作を説明する。
定電流源１１からは、測定交流電流として、ｉ＝Ｉｓｉｎ（ω_１ｔ）の正弦波が試料１３に印加される。試料１３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）］
交流成分をローパスフィルタで遮断すると、アナログデジタル変換器２３の入力は、
Ｖ_ＡＤ＝１／２・ｋＩＲ_ｘｃｏｓ（０）＝１／２・ｋＩＲ_ｘ
となり、これにより、試料の抵抗値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（ｃｏｓ（２ω_１ｔ））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２０１７−０５８１７６号公報

上述のインピーダンス測定器を複数用い、測定対象として、例えば電池などの交流インピーダンスを測定する場合に、インピーダンス測定器が供給する測定交流電流によって生ずる磁束が干渉しあい、発生する誘導電圧によって測定誤差が生じ、さらにインピーダンス測定器近隣の金属に生ずる渦電流による誘導電圧によって測定誤差が生じてくる場合がある。

この誘導電圧によって測定誤差を生ずる現象について説明する。
インピーダンス測定器の近傍に金属があった場合をモデルとして説明する。生産ラインで測定対象の試料となる電池のインピーダンスを測定しようすると、電池を収容するラックや、電池の筐体など測定対象の近傍には金属が存在する。この金属には、インピーダンス測定器が発生する測定交流電流による電磁誘導によって渦電流が生ずる。

図７にインピーダンス測定器の近傍に金属板（ケーブルのループに対して平行な）があった場合の影響を図示して示す。
インピーダンス測定器の定電流源からは、測定交流電流ｉ＝Ｉｓｉｎ（ωｔ）の測定交流電流が測定対象の試料（抵抗）に印加されると、プローブのケーブルには、φ∝Ｉｓｉｎ（ωｔ）の磁束が生ずる。この磁束によって、図７（Ａ）に示すように以下のＶ_Ｍの誘導電圧が生ずる

一方、図７（Ｂ）に示すように、インピーダンス測定器１の近傍にある金属板４には、このケーブルに発生する磁束により、次の式で表される渦電流が生ずる。

この渦電流により、こんどは渦電流を打ち消そうとする磁束が生じて、その磁束によりインピーダンス測定器１のプローブのケーブルには誘導電圧Ｖ_Ｕを生ずる。

試料から検出される測定信号と９０度位相が異なる誘導電圧は、上述の同期検波により打ち消すことができるが、インピーダンス測定器の近傍の金属板４による渦電流によって生ずる誘導電圧Ｖ_Ｕは、位相が回転しており、測定交流電流の位相と直交するものではないので、同期検波では打ち消すことは難しく、位相ずれによるノイズとなり、測定誤差となる。

上記のインピーダンス測定器の近傍に金属が存在した場合に生ずる誘導電圧の例は、インピーダンス測定器のケーブルに平行に金属板が存在した場合の例で検討したが、金属の位置、方向等により、インピーダンス測定器に影響する誘導電圧Ｖ_Ｕの位相、振幅は変化する。
しかし、単独のインピーダンス測定器の近傍に金属があった場合に生ずる誘導電圧による定電流源１１と電圧検出部１２との位相ずれは小さいので、測定誤差は小さく、ゼロインピーダンス測定治具を用いたゼロアジャスト機能によってその測定誤差を較正することは可能である。

一方、インピーダンス測定器が複数あった場合には、さらに複雑になる。一つのインピーダンス測定器によって磁束が生じ、その磁束によって、他のインピーダンス測定器のケーブルには誘導電圧が発生して相互に影響し合う。また、近傍に金属があった場合には、一つのインピーダンス測定器の電磁誘導によって近傍の金属に渦電流が生じ、その渦電流を打ち消すように発生する磁束によって他方のインピーダンス測定器にも誘導電圧が発生し、また、他方のインピーダンス測定器によって生ずる渦電流によりもう一つのインピーダンス測定器に誘導電圧を発生するというように、相互に発生する磁束によって影響を与え合う。複数のインピーダンス測定器によって磁束が干渉し合って生ずる誘導電圧は、それぞれの測定交流電流とは位相が一致しないため、大きなノイズとなり、大きな測定誤差となる。

このように、複数のインピーダンス測定器が存在して相互に影響し合うことによる誘導電圧によるノイズ、さらに近傍の金属の渦電流によるノイズが加わった場合にそれらを消去することは難しい。複数のインピーダンス測定器が同時に測定しているときの測定交流電流の位相は当然ながらそれぞれずれており、また、それによって発生する誘導電圧の位相は異なるので、他のインピーダンス測定器によって生ずる誘導電圧と測定信号の位相のずれは、一意に決定できるものではない。また、複数のインピーダンス測定器が同時に測定しているときと、一方のインピーダンス測定器が動作しており、他方のインピーダンス測定器が動作していないときとでも生ずる誘導電圧の位相は異なってくるので、複数のインピーダンス測定器間に生ずる誘導電圧と測定信号との位相のずれは一意に決定できるものではない。さらに、複数のインピーダンス測定器の相互の位置関係によっても発生する磁束の方向も変わってくるので、複数のインピーダンス測定器が影響し合うことによって生ずる誘導電圧によるノイズを消去することは難しく、これらのノイズによる測定誤差を消去することは難しい。

上述の複数のインピーダンス測定器によって相互に影響しあうことによって発生する測定誤差を低減することが望まれる。また、複数のインピーダンス測定器を用いて測定を行い、さらに近傍に金属があるときに、相互に磁束によって誘導電圧が発生してノイズとなって測定誤差が発生するので、このような測定誤差を低減することが望まれる。
本発明は、このような、複数の測定器および近傍の金属によって生ずる誘導電圧による測定誤差を少なくして、安定した測定が可能なインピーダンス測定システムおよび測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第一の側面は、測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給するインピーダンス測定器を複数備えたインピーダンス測定システムであって、複数のインピーダンス測定器の測定交流の位相が同期していることを特徴とする。

位相同期信号発生部を備え、位相同期信号発生部が出力する位相同期信号を各インピーダンス測定器の測定交流源に供給することができる。

本発明の他の側面は、測定対象の試料にそれぞれ所定周波数の測定交流を供給するインピーダンス測定器を複数備えたインピーダンス測定システムであって、隣り合ったインピーダンス測定器が供給する測定交流は、その位相が逆位相であることを特徴とする。

なお、インピーダンス測定器は、測定交流を供給する測定交流源と、測定交流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るローパスフィルタとを備えることができる。

本発明の他の側面は、複数のインピーダンス測定器からそれぞれの測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給し、試料に現れる検出信号を測定交流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、複数のインピーダンス測定器の発生する交流電流の位相を同期させることを特徴とする。

本発明の他の側面は、複数のインピーダンス測定器からそれぞれの測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給し、試料に現れる検出信号を測定交流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、隣り合うインピーダンス測定器の発生する測定電流の位相を逆位相とすることを特徴とする。

複数の測定器が相互に影響し合うことによって生ずるノイズの発生を抑止あるいは低減することができるため、インピーダンス測定の誤差を少なくでき、より正確な測定ができる。また、安定した測定をすることができ、測定対象の生産工程の効率化を図ることができる。

本発明の第一の実施形態で複数のインピーダンス測定器が発生する測定交流電流の位相を同期させている構成を示す図である。 第一の実施形態で、複数の同期検波インピーダンス測定器を用いたインピーダンス測定システムの例を示す図である。 複数のインピーダンス測定器によって生ずる誘導磁束が同一位相となることを示す図である。 本発明の第二の実施形態で、隣り合うインピーダンス測定器の測定交流電流の位相を逆位相としている構成を示す図である。 複数のインピーダンス測定器によって生ずる誘導磁束が逆方向となって打ち消されることを示す図である。 同期検波方式によるインピーダンス測定器の構成を示す図である。 インピーダンス測定器の近傍の金属の渦電流による誘導磁束によって生ずる誘導電圧を説明する図である。

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、本発明の第一実施の形態のインピーダンス測定システムの構成を示す図であり、複数のインピーダンス測定器の発生する測定交流電流を同期させて、同一位相で測定対象の試料に与えて、インピーダンス測定を行う構成を示している。

複数のインピーダンス測定器１―１、１−２、・・は、それぞれ、測定対象の試料３−１、３―２、・・に、定電流源１１−１、１１−２・・から所定周波数の測定交流電流を供給し、電圧検出部１２−１、１２−２、・・で電圧を検出して、測定対象の試料のインピーダンスを測定する。このインピーダンス測定システムは、複数のインピーダンス測定器１−１、１−２、・・・を備えた構成であり、インピーダンス測定器１−１、１−２・・・は、通信接続されており、測定交流電流の位相を同位相で測定対象の試料に供給するように制御している。

図１に示すインピーダンス測定システムを同期検波方式のインピーダンス測定器を用いて構成した例を図２を用いて説明する。
このインピーダンス測定システムは、複数のインピーダンス測定器１−１、１−２・・・１−ｎと、これらのインピーダンス測定器１−１、１−２、・・・１−ｎに共通する位相同期信号発生器２とを備えており、各インピーダンス測定器１−１、１−２・・・１−ｎは、位相同期信号発生器２から与えられる位相同期信号によって、その定電流源が発生する測定交流電流の位相が同期するように制御され、それぞれの測定対象の試料１３のインピーダンスを測定する構成である。

それぞれのインピーダンス測定器１は、所定周波数の測定交流電流ｉを発生する定電流源１１、電流検出用抵抗（Ｒｓ）１４、増幅器１５、１６、測定周波数を通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１７、同期検波器２０、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２３、処理部２４、出力部２５を備える。

このインピーダンス測定器１の動作を説明する。
測定交流電流ｉは、定電流源１１から、試料１３（ＤＵＴ：device under testの略）に供給される。なお、ここでは、試料１３は、内部抵抗Ｒｘをもつ電池である。抵抗（Ｒｓ）１４は、測定交流電流ｉの電流値を検出するための電流検出用抵抗であり、定電流源１１、試料１３に直列に挿入されている。符号１５は、測定交流電流ｉに応じて試料１３に現れた検出信号（電圧信号）を増幅する増幅器である。同様に、符号１６は、電流検出用抵抗（Ｒｓ）１２で検出された電圧信号を増幅する増幅器である。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を通して同期検波器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。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（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、演算手段を備えた処理部２４に入力され、試料１３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、出力部２５の表示部等に表示され、あるいはプリントされて出力される。また、処理部２４により記憶装置に記録される。

なお、図１に示された電圧検出部１２は、増幅器１５以降の試料の電圧を検出して交流インピーダンス値を出力する構成に相当する。

この複数のインピーダンス測定器１−１、１−２の測定交流電流の位相を同期させることによる効果を図３を用いて説明する。
インピーダンス測定器１０−１、１０−２の定電流源１１−１、１１−２の出力する測定交流電流の位相は、同期されているので、金属板４に生ずる渦電流および磁束の位相は、一致する。したがって、渦電流によって生ずる誘導電圧は２倍の大きさになるかもしれないが、その影響は、インピーダンス測定器１０−１、１０−２にとって一定のずれとなる。一定のずれであるので、ゼロ調整（ゼロアジャストともいう）を行うことで無視することが可能である。ゼロ調整は、測定対象の試料をゼロ調整用の治具、例えば０Ωの試料を用いて測定したときに現れる抵抗値をその後の測定値から引くようにして、一定の誤差調整することをいう。
このように、複数のインピーダンス測定器が与える測定交流電流の位相を同期させることで、一定の測定値のずれを検出し、この一定の測定値のずれを調整することで、相互に誘導電圧による影響があったとしてもより正確で誤差の少ないインピーダンス測定を行うことができる。

次に、本発明の第二の実施の形態を図４、５を用いて説明する。
本発明第二の実施の形態では、図４に示すように隣り合ったインピーダンス測定器１が出す測定交流電流の位相が逆位相となるようにしている。
このとき、隣り合うインピーダンス測定器のプローブのケーブルから発生する磁束の向きは、反対となるので、図５に示したように、相互に打ち消し合って、図３の場合と違って、誘導電圧は小さくなり、ノイズは小さくなる。また、周囲の金属にも、渦電流が生じないことになるので、周囲金属に発生する渦電流の影響による測定誤差は小さくなる。このとき、第一の実施形態のように、複数のインピーダンス測定器によって生ずる磁束の誘導電圧による一定の測定値のずれが生ずることはないので、この場合は、第一の実施形態で必要であった誘導電圧による誤差のゼロ調整は不要となる。

インピーダンス測定器が奇数の場合も、中央のインピーダンス測定器の隣のインピーダンス測定器の測定交流が逆位相となっていればよいので、インピーダンス測定器が偶数の場合だけでなく、奇数の場合であっても効果がある。

測定交流電流の位相を逆位相とするには、各インピーダンス測定器に与えられる位相同期信号に基づいて、隣り合うインピーダンス測定器の一方が発生する測定交流電流の位相を反波長ずらして、それぞれ逆位相として出力すればよい。

上記の実施の形態で、インピーダンス測定器の測定交流電流の位相を同期する構成として、図２では、位相同期信号発生器２により同期信号をそれぞれのインピーダンス測定器に与える構成としたが、第一のインピーダンス測定器１−１に位相同期信号発生器２を設けてマスタインピーダンス測定器とし、他のインピーダンス測定器１−２、・・・をスレーブとし、第一のインピーダンス測定器１−１から同期信号を伝送するものとしてもよい。また、同期信号により各インピーダンス測定器の測定交流電流の定電流源となる発振器のクロックを同期させる構成としてもよい。あるいは、一つのマスタインピーダンス測定器が所定周波数の測定交流電流を出力して、各インピーダンス測定器がその測定交流電流の位相を同期または反波長ずらして測定対象の試料に与える構成としてもよい。さらに、インピーダンス測定器に同期信号を伝送するには、有線だけでなく、無線を用いてもよい。

上記の実施の形態は、定電流源１１から試料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、定電圧交流によるインピーダンス測定でもよい。

１、１−１〜１−ｎ インピーダンス測定器
２ 位相同期信号発生器
３ 測定試料
４ 金属板
１１、１１−１〜１１−ｎ 定電流源
１２ 電圧検出部
１３、１３−１〜１３−ｎ 試料（ＤＵＴ）
１４、１４−１〜１４−ｎ 電流検出用抵抗（Ｒｓ）
１５、１５−１〜１５−ｎ、１６、１６１−１〜１６−ｎ 増幅器
１７、１７−１〜１７−ｎ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２０、２０−１〜２０−ｎ、２１、２１−１〜２１−ｎ 同期検波器
２２、２２−１〜２２−ｎ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２３ ２３−１〜２３−ｎ アナログデジタルコンバータ
２４ ２４−１〜２４−ｎ 処理部
２５ ２５−１〜２５−ｎ 出力部

Claims (6)

1. 測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給するインピーダンス測定器を複数備えたインピーダンス測定システムであって、
   前記複数のインピーダンス測定器の前記測定交流の位相が同期している
   ことを特徴とするインピーダンス測定システム。
2. 請求項１記載のインピーダンス測定システムにおいて、
   位相同期信号発生部を備え、前記位相同期信号発生部が出力する位相同期信号を各インピーダンス測定器の前記測定交流源に供給する
   ことを特徴とするインピーダンス測定システム。
3. 測定対象の試料にそれぞれ所定周波数の測定交流を供給するインピーダンス測定器を複数備えたインピーダンス測定システムであって、
   隣り合ったインピーダンス測定器が供給する測定交流は、その位相が逆位相である
   ことを特徴とするインピーダンス測定システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のインピーダンス測定システムにおいて、
   前記インピーダンス測定器は、
   前記測定交流を供給する測定交流源と、
   前記測定交流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るローパスフィルタと
   を備えた同期検波インピーダンス測定器である
   ことを特徴とするインピーダンス測定システム。
5. 複数のインピーダンス測定器からそれぞれの測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給し、前記試料に現れる検出信号を前記測定交流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、
   前記複数のインピーダンス測定器の発生する交流電流の位相を同期させる
   ことを特徴とするインピーダンス測定方法。
6. 複数のインピーダンス測定器からそれぞれの測定対象の試料に所定周波数の測定交流を供給し、前記試料に現れる検出信号を前記測定交流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、
   隣り合うインピーダンス測定器の発生する測定電流の位相を逆位相とする
   ことを特徴とするインピーダンス測定方法。

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