JP4296058B2

JP4296058B2 - 四端子抵抗測定装置

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Publication number: JP4296058B2
Application number: JP2003297866A
Authority: JP
Inventors: 隆幸寺島
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP2005069781A

Description

本発明は、測定信号源として定電流源を有し、測定部側にＡ／Ｄコンバータを含む四端子抵抗測定装置に関し、さらに詳しく言えば、定電流源側の基準電圧源と測定部側の基準電圧源とを共用化する技術に関するものである。

四端子抵抗測定法については各種の文献にその記述が見られ、原理的には測定用リード線の配線抵抗やプローブピンの接触抵抗の影響を受けないとされているため、特に低抵抗測定に多用されている。しかしながら、プローブピンの接触抵抗は現実的に無視できないことがある。例えば、特許文献１の図５に示されているように、被測定抵抗体の両端電圧を差動増幅器で受けるような場合に特に問題となる。

すなわち、プローブピンの接触抵抗は一般的には１Ω以下であるが、プローブピンが摩耗したり、大電流時の火花放電により接点が酸化した場合には、１ｋΩ以上になることが知られている。このように接触抵抗が高い状況のもとで、例えば被測定抵抗体が有する１ｍΩ程度の抵抗値を正確に測定するには、上記差動増幅器のＣＭＲＲ（同相信号除去比）として１２０ｄＢ以上が必要となる。

その一方で、ダイナミックレンジを広くしたい場合には、上記差動増幅器のゲインを「１」で使用するのが一般的な手法であるが、このようにすると、ＣＭＲＲはせいぜいのところ８０ｄＢ程度に止まってしまう。

そのため、上記特許文献１では測定電流を供給するＬｏ側プローブピンの接触抵抗による電位差をオペアンプの出力電流で吸収する制御ループを設けているが、ここでは、別の例として測定電流供給側（ソース側）と、電圧検出側（センス側）とを絶縁している従来例を図４により説明する。

この四端子抵抗測定装置は、被測定抵抗体Ｘに測定電流を供給する定電流源１０と、被測定抵抗体Ｘに発生する電圧を検出する測定部２０とを備えている。例えば１ｍΩ程度の低抵抗測定にはきわめて安定した定電流源が必要とされるため、この例では、定電流源１０に２つのオペアンプＡ１，Ａ２を用いている。

すなわち、基準電圧源１１を有する一方のオペアンプＡ１がＮチャネル・ジャンクションＦＥＴ１の内部抵抗を制御して抵抗Ｒ_ａの両端にその基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に相当する電圧を発生させる。他方のオペアンプＡ２は抵抗Ｒ_ａに発生した電圧を基準電圧として動作し、Ｐチャネル・ジャンクションＦＥＴ２の内部抵抗を制御する。これにより、基準電圧源１１の電圧に比例した定電流Ｉが得られる。

この定電流源１０から一対の電流供給端子１２ａ，１２ｂを介して被測定抵抗体Ｘに測定電流Ｉが供給される。なお、一方の電流供給端子１２ａがＨｉ側，他方の電流供給端子１２ｂが電流源側のグランドＧＮＤ２に接地されるＬｏ側で、Ｒ１，Ｒ２は接触抵抗を示している。

測定部２０には、被測定抵抗体Ｘに発生する電圧降下を検出する一対の電圧検出端子２１ａ，２１ｂと、電圧検出用のオペアンプＡ３と、Ａ／Ｄコンバータ２２とが含まれている。一方の電圧検出端子２１ａがＨｉ側，他方の電圧検出端子２１ｂが測定部側のグランドＧＮＤ１に接地されるＬｏ側で、Ｒ３，Ｒ４は接触抵抗を示している。

上記オペアンプＡ３はＨｉ側電圧検出端子２１ａに接続されており、その検出電圧がＡ／Ｄコンバータ２２に与えられる。Ａ／Ｄコンバータ２２には基準電圧源２３が接続されている。この従来例においては、Ｌｏ側電流供給端子１２ｂの接触抵抗Ｒ２による同相電圧（Ｒ２×Ｉ）の影響を回避するため、測定部側のグランドＧＮＤ１と電流源側のグランドＧＮＤ２との間を絶縁抵抗Ｒ５で絶縁している。なお、この絶縁抵抗Ｒ５は図示しない回路基板やトランスなどに寄生する絶縁抵抗で、通常は数ＧΩ以上の値を示す。

測定時には、定電流源１０から被測定抵抗体Ｘ（抵抗値Ｒｘ）に測定電流Ｉが流され、これに伴って被測定抵抗体Ｘに生ずる電圧降下がオペアンプＡ３によって検出され、その検出電圧がＡ／Ｄコンバータ２２によってデシタル信号に変換される。この場合、測定電流Ｉは基準電圧源１１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に比例し、Ａ／Ｄ変換の結果（変換精度）は基準電圧源２３の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に反比例する。この関係を次式（１）に示す。
Ａ／Ｄ変換の結果∝ＲｘＩ／Ｖ_ｒｅｆ１∝Ｒｘ（Ｖ_ｒｅｆ２／Ｖ_ｒｅｆ１）…式（１）

また、グランドＧＮＤ１，ＧＮＤ２間に存在する絶縁抵抗Ｒ５の抵抗値をＲ５とすると、同相電圧（Ｒ２×Ｉ）によりゼロ点が次式（２）
Ｒ２×Ｉ｛Ｒ４／（Ｒ４＋Ｒ５）｝…式（２）
にしたがって変動するが、一般的にＬｏ側電圧検出端子２１ｂの接触抵抗Ｒ４は数１０Ω以下で、絶縁抵抗Ｒ５の抵抗値Ｒ５は数ＧΩ以上である。したがって、一例としてＬｏ側電流供給端子１２ｂの接触抵抗Ｒ２が１ｋΩ，測定電流Ｉが１ｍＡである場合のゼロ点の変動は０．１μＶ以下である。

このように、上記従来例によれば、簡単な構成でありながら高い同相信号除去比が得られるが、他方において次のような問題がある。すなわち、定電流源１０側と測定部２０側とにそれぞれ基準電圧源１１と基準電圧源２３とを個別的に必要とするが、これらの基準電圧源１１，２３は、上記式（１）から分かるようにＡ／Ｄ変換の結果に直接的に影響をおよぼす。そのため、両方に用いる基準電圧源１１，２３は高安定なものでなくてはならず、これがコスト高の原因となっている。
特開平１１−３８０５３号公報

したがって、本発明の課題は、定電流源側の基準電圧源と測定部側の基準電圧源とを共用化して、低価格で高精度の四端子抵抗測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、一対の電流供給端子を介して被測定抵抗体に測定電流を供給するオペアンプを含む定電流源と、上記測定電流によって上記被測定抵抗体に生ずる電圧を一対の電圧検出端子を介して検出し、その検出電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを含む測定部とを備え、上記電流供給端子および上記電圧検出端子のうちのＬｏ側電流供給端子とＬｏ側電圧検出端子とが、絶縁された異なるグランドに接地されている四端子抵抗測定装置において、上記測定部側のＡ／Ｄコンバータに基準電圧を与える基準電圧源から上記定電流源に含まれているオペアンプに同一の基準電圧を給電して、上記測定部の基準電圧源を上記定電流源の基準電圧源として共用するとともに、上記測定部から上記定電流源への給電回路に、上記測定電流が上記Ｌｏ側電流供給端子から上記測定部側のグランドに流入しないようにするため、ボルテージフォロワの非反転オペアンプを接続したことを特徴としている。

また、装置内電源として、互いに絶縁された上記定電流源側の第１装置内電源と上記測定部側の第２装置内電源とを有し、上記定電流源に含まれるオペアンプおよび上記ボルテージフォロワの非反転オペアンプの各駆動電圧を上記第１装置内電源より得るようにしていることも本発明の特徴である。

本発明によれば、一つの電圧源が定電流源側の基準電圧源として用いられ、また、測定部側の基準電圧源としても用いられる。したがって、Ａ／Ｄ変換の結果を示す上記式（１）において、常にＶ_ｒｅｆ１＝Ｖ_ｒｅｆ２となるため基準電圧源に安価なものを使用しても測定精度上なんら差し支えない。また、共用電源回路内にボルテージフォロワの非反転オペアンプが接続されているため、測定電流が測定部側のグランドに流れ込むのを防止することができる。

次に、図１ないし図３を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明による四端子抵抗測定装置の第１実施形態を示す回路図で、図２は同四端子抵抗測定装置の電源構成を示す回路図である。図３は本発明の第２実施形態を示す回路図である。なお、この実施形態の説明において、先に説明した図４の従来例と同一もしくは同一と見なされてよい構成要素には、それと同一の参照符号を用いる。

図１の第１実施形態として示すように、本発明による四端子抵抗測定装置は、上記従来例と同じく基本的な構成として、被測定抵抗体Ｘに測定電流Ｉを供給する定電流源１０と、被測定抵抗体Ｘに生ずる電圧降下分を測定する測定部２０とを備えている。

この例においても、定電流源１０には、電流制御素子としてのＮチャネル・ジャンクションＦＥＴ１を制御するオペアンプＡ１と、Ｐチャネル・ジャンクションＦＥＴ２を制御するオペアンプＡ２とが含まれ、上記ＦＥＴ２よりＨｉ側電流供給端子１２ａおよびＬｏ側電流供給端子１２ｂを介して被測定抵抗体Ｘに測定電流Ｉが流される。Ｌｏ側電流供給端子１２ｂは、定電流源１０側のグランドＧＮＤ２に接続されている。

本発明において、定電流源１０はオペアンプＡ１とオペアンプＡ２の２つのオペアンプを必ずしも必要とするものではなく、場合によっては、定電流源１０は一方のオペアンプＡ１もしくは他方のオペアンプＡ２のいずれかにより構成されてもよい。

測定部２０は、上記Ｈｉ側電流供給端子１２ａとＬｏ側電流供給端子１２ｂとに対応するＨｉ側電圧検出端子２１ａとＬｏ側電圧検出端子２１ｂと、Ｈｉ側電圧検出端子２１ａに接続された電圧検出用のオペアンプＡ３と、オペアンプＡ３から出力される検出電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２２とを備えており、Ｌｏ側電圧検出端子２１ｂは測定部２０側のグランドＧＮＤ１に接続されている。

定電流源１０側には定電流を得るための基準電圧源が必要とされ、また、測定部２０側にもＡ／Ｄコンバータ２２に基準電圧を与える基準電圧源が必要とされるが、本発明ではその基準電圧源を一つとしている。

この例では、その基準電圧源として、測定部２０のＡ／Ｄコンバータ２２に基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を与える基準電圧源２３を採用し、この基準電圧源２３から定電流源１０に含まれているオペアンプＡ１に同一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１を供給するようにしている。

このように、定電流源１０側と測定部２０側とで基準電圧源を共用化するに伴って、測定電流ＩがＬｏ側電流供給端子１２ｂから測定部２０側のグランドＧＮＤ１に流入するのを影響を回避するため、この実施形態においては、測定部２０側のグランドＧＮＤ１と定電流源１０との間（この例では、オペアンプＡ１の負荷抵抗Ｒ_Ｌとの間）にボルテージフォロワの非反転オペアンプＡ４を接続している。

また、電源系については、Ｈｉ側電流供給端子１２ａから出た測定電流Ｉが必ずＬｏ側電流供給端子１２ｂを通って定電流源１０側に戻り、測定電流Ｉが電圧検出端子２１ａ，２１ｂ側に流入しないようにするため、図２に示すように定電流源１０側と測定部２０側とで別系統としている。

すなわち、定電流源１０側と測定部２０側とで、それぞれ個別的に商用電源電圧を所定に降圧するトランス１０ａ，２０ａ、その交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ１０ｂ，２０ｂおよび整流平滑回路１０ｃ，２０ｃを備え、これにより定電流源１０側では第１装置内電源Ｖ_ｃｃ１を得て上記オペアンプＡ１，Ａ２，Ａ４に駆動電圧を与えている。また、測定部２０側では第２装置内電源_Ｖｃｃ２を得て上記オペアンプＡ３に駆動電圧を与えている。

この四端子抵抗測定装置において、上記同相電圧（Ｒ２×Ｉ）の影響によるゼロ点の変動は、Ｌｏ側電圧検出端子２１ｂの接触抵抗Ｒ４と非反転オペアンプＡ４の入力インピーダンスＲＳとによる次式（３）
Ｒ２×Ｉ｛Ｒ４／（Ｒ４＋ＲＳ）｝…式（３）
で決まるが、一般的にＬｏ側電圧検出端子２１ｂの接触抵抗Ｒ４は数１０Ω以下で、非反転オペアンプＡ４の入力インピーダンスＲＳは１ＧΩ以上であるため、例えばＬｏ側電流供給端子１２ｂの接触抵抗Ｒ２が１ｋΩ，測定電流Ｉが１ｍＡである場合のゼロ点の変動は０．１μＶ以下である。

また、非反転オペアンプＡ４を入れたことによる測定電流Ｉの変動は、オペアンプＡ１と非反転オペアンプＡ４のＣＭＲＲ（同相信号除去比）と開ループゲインＡ_０に依存する。一般的に、オペアンプのＣＭＲＲ，Ａ_０は１２０ｄＢ以上であるため、Ｌｏ側電流供給端子１２ｂの接触抵抗Ｒ２によるオペアンプＡ１，Ａ４の出力誤差は１μＶ程度である。これに対して、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１は通常１Ｖ以上とされるため、上記接触抵抗Ｒ２による測定電流Ｉの変動は１μＶ／１Ｖ＝１ｐｐｍ程度に収まる。よって、高精度が維持される。

図３の第２実施形態は、上記第１実施形態を変形して、被測定抵抗体Ｘに流す測定電流ＩをグランドＧＮＤ２からオペアンプＡ２側に吸い込むように定電流源１０の回路を組み替えた例で、この場合には、その測定電流Ｉが測定部２０側のグランドＧＮＤ１に流れ込まないようにするため、基準電圧源２３の正極側の共用電源回路内にボルテージフォロワの非反転オペアンプＡ４を入れればよい。

本発明によれば、定電流源１０側と測定部２０側とに同一の基準電圧源を使用することができるため、Ａ／Ｄ変換の結果は次式（４）
Ａ／Ｄ変換の結果∝ＲｘＩ／Ｖ_ｒｅｆ１∝Ｒｘ（Ｖ_ｒｅｆ１／Ｖ_ｒｅｆ１）＝Ｒｘ…式（４）
となり、基準電圧源の精度と無関係になる。したがって、基準電圧源に安価なものを使用でき、低価格で高精度の四端子抵抗測定装置を実現できる。

本発明による四端子抵抗測定装置の第１実施形態を示す回路図。上記第１実施形態での電源構成を示す回路図。本発明による四端子抵抗測定装置の第２実施形態を示す回路図。従来の四端子抵抗測定装置を示す回路図。

符号の説明

１０定電流源
１２ａＨｉ側電流供給端子
１２ｂＬｏ側電流供給端子
２０測定部
２１ａＨｉ側電圧検出端子
２１ｂＬｏ側電圧検出端子
２２Ａ／Ｄコンバータ
２３基準電圧源
Ａ１シンク側オペアンプ
Ａ２ソース側オペアンプ
Ａ３電圧検出用オペアンプ
Ａ４ボルテージフォロワの非反転オペアンプ
Ｒ１〜Ｒ４接触抵抗
Ｘ被測定抵抗体

Claims

一対の電流供給端子を介して被測定抵抗体に測定電流を供給するオペアンプを含む定電流源と、上記測定電流によって上記被測定抵抗体に生ずる電圧を一対の電圧検出端子を介して検出し、その検出電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを含む測定部とを備え、上記電流供給端子および上記電圧検出端子のうちのＬｏ側電流供給端子とＬｏ側電圧検出端子とが、絶縁された異なるグランドに接地されている四端子抵抗測定装置において、
上記測定部側のＡ／Ｄコンバータに基準電圧を与える基準電圧源から上記定電流源に含まれているオペアンプに同一の基準電圧を給電して、上記測定部の基準電圧源を上記定電流源の基準電圧源として共用するとともに、上記測定部から上記定電流源への給電回路に、上記測定電流が上記Ｌｏ側電流供給端子から上記測定部側のグランドに流入しないようにするため、ボルテージフォロワの非反転オペアンプを接続したことを特徴とする四端子抵抗測定装置。
装置内電源として、互いに絶縁された上記定電流源側の第１装置内電源と上記測定部側の第２装置内電源とを有し、上記定電流源に含まれるオペアンプおよび上記ボルテージフォロワの非反転オペアンプの各駆動電圧を上記第１装置内電源より得ることを特徴とする請求項１に記載の四端子抵抗測定装置。