JP4551204B2

JP4551204B2 - インピーダンス測定装置

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Publication number: JP4551204B2
Application number: JP2004358842A
Authority: JP
Inventors: 友厚棚橋; 義郎山羽
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP2006162572A

Description

本発明は、インピーダンス測定装置に関し、より詳細には、低容量のコンデンサを１つ設けることで広範囲のインピーダンスを高精度に測定できるようにしたインピーダンス測定装置に関する。

従来から、機器の使用環境における温度，湿度，風速等の変量を測定するインピーダンス測定装置については提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種のインピーダンス測定装置において、低コストで高精度が維持できるようにすることが求められている。

図６は、従来のインピーダンス測定装置を説明するための構成図で、図中符号５１はパルスカウンタ、５２はＣＰＵ、５３は湿度センサ、５４はパルス発生装置、５５ａ，５５ｂはパルスカウンタ５１のクロック信号を発生するためのオシレータ、５６ａ，５６ｂはアナログスイッチ、１０１，１０２はトランジスタ、２０２，２０３，２０４はコンデンサ、３０１はコンパレータを示している。

まず、ＣＰＵ５２からアナログスイッチ５６ａに２ビットの信号を出力して被測定対象コンデンサをコンデンサ２０２に決定し（“００”ならコンデンサ２０２、“０１”ならコンデンサ２０３、“１０”ならコンデンサ２０４、なお、コンデンサ２０２，２０３，２０４はそれぞれ９１００ｐＦ，２２ｐＦ，０．９１μＦである。）、また、アナログスイッチ５６ｂに１ビットの信号を出力してカウンタクロックをオシレータ５５ａの出力に決定する（“０”なら標準クロックオシレータ５５ａ、“１”なら高周波数オシレータ５５ｂ）。

ＣＰＵ５２からパルス発生装置５４にパルス発生の命令を出力すると、トランジスタ１０１，１０２を介してｂ点にはＡＣ電圧が印加される。それと同時に湿度センサ５３，コンデンサ２０２にも印加される（湿度センサにＤＣ電圧を数百ｍｓ以上連続して印加すると湿度センサを急速に素子劣化させることになるので、このようにＡＣ電圧を印加している。）。

ｂ点を０Ｖに切換えた後、ＣＰＵ５２からパルス発生を止める信号及びカウンタ５１に対してスタート信号を出力する。すると、トランジスタ１０１，１０２は共にオフし、湿度センサ５３とコンデンサ２０２の直列回路に＋１Ｖが印加される状態となり、コンデンサ２０２は充電を始め、Ｖｒｅｆと同電位になるとコンパレータ３０１より“Ｈ”の信号がカウンタ５１に出力され（ｃ点にはＶｒｅｆに相当する電圧が抵抗分圧により発生している）、このカウンタ５１の動作がストップする。以上の動作と同時にＣＰＵ５２内部のカウンタによってカウンタ５１に対してスタート信号を出力した後の時間をカウンタしている。そして、そのカウント値をＣＰＵ５２に送り、コンデンサ２０２の充電電圧がＶｒｅｆに達するまでの時間ｔを測定する。

ここで、この充電時間ｔが１０ｍｓから１００μｓの範囲内であれば、湿度センサ５３の抵抗値及び実際の湿度の値は、時間ｔを変数とした、ある一次関数Ｒ（ｔ）＝αｔ＋β（Ｒは湿度センサの抵抗値、α，βは定数）によって求めることができる。

また、実際の湿度は、Ｒ（ｔ）を変数としたある関数Ｆ（Ｒ（ｔ））で求められる。この処理はＣＰＵ５２内部で行われる。

上述した測定手法は、環境条件の湿度が中湿度域（おおよそ２０％〜６０％）であれば測定完了となるが、湿度が約２０％以下では湿度センサ５３の抵抗値が数１０ＭΩ、ＧΩのオーダとなるので充電時間が１０ｍｓ以上となり、湿度センサ５３にはＤＣ電圧を連続的に数百ｍｓ以上印加すると急速な劣化が起こることから、ＣＰＵ５２内のカウンタで計測した充電時間が１０ｍｓ以上になった瞬間にＣＰＵ５２からパルス発生装置５４にパルス発生信号、カウンタ５１にカウントストップ信号、コンデンサ選択信号“０１”がアナログスイッチ５６ａに送られ、コンデンサ２０３（２２ｐＦ）を選択する。

その後、上述した場合と同様にコンデンサ２０３の充電時間を求め、湿度センサ５３の抵抗値及び実際の湿度を求める。湿度が約６０％以上であれば湿度センサ５３の抵抗値が数ＫΩ，数１０ＫΩのオーダとなり、充電時間が１００μｓ以下となるので、カウンタ５１のカウント値の精度に影響してしまうことから、ＣＰＵ５２からパルス発生装置５４にパルス発生信号がアナログスイッチ５６ａに容量選択信号“１０”が送られ、容量２０４（０．９１μＦ）を選択する。

その後、コンデンサ２０４の充電時間を求め、湿度センサ５３の抵抗値及び実際の湿度を求める。また、容量２０４（０．９１μＦ）の充電時間が１００μｓ以下であるならば測定精度を向上させるために、アナログスイッチ５６ｂに１ビットのカウンタクロック選択信号“１”を出力してクロック周波数を上げ、再度コンデンサ２０４の充電時間を求め、湿度センサ５３の抵抗値及び実際の湿度を求める。

このような従来技術によれば、測定対象とする湿度範囲を少なくとも３種類の範囲に分割するとともに、湿度センサと容量の組合せもこの分割数に合せて備え、湿度域にあわせて組合せを切り換えることによって測定可能な湿度範囲が広がる。

また、コンデンサを中容量→小容量→大容量と切り換えて行くので、一般的には短時間で測定が完了でき、湿度センサの素子劣化を避け、測定精度を維持できる。

なお、本発明に係るその他の従来技術を記載したものとしては、特許文献２乃至６がある。

特開平６−２２１８８２号公報特開平５−１４９９０５号公報特開平７−１２７６８号公報特開平７−２７０３５５号公報特開平７−３１１１６９号公報特開２００４−３０９５０１号公報

しかしながら、低コストで高精度が維持できるインピーダンス測定装置を実現するためには、なお一層の改良の余地が残されている。つまり、上述したような広い範囲で高精度にインピーダンスを測定する従来技術としては、例えば、インピーダンスの大きさによって容量が異なる複数のコンデンサを切り替える手法（特許文献１参照）があるが、このような従来手法では、低インピーダンスを測定するために高容量のコンデンサが必要になり、結果として低コストで測定装置を実現できないという問題があった。

また、ルックアップテーブルを用いた検索手段としては、例えば、上述したような特許文献１に示すような方法があるが、この従来方法では、測定精度を高くしようとすると記憶装置の容量が大きくなるため、コストが高くなるという問題があった。

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、低容量のコンデンサを１つ設けることで広範囲のインピーダンスを高精度に測定できるようにしたインピーダンス測定装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、被測定対象である、所定のインピーダンスを持ったインピーダンス素子と、該インピーダンス素子に直列接続されたコンデンサと、前記インピーダンス素子と前記コンデンサからなる回路に負の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを充電する第１の直流電圧発生手段と、前記コンデンサの端子電圧が正のしきい値電圧に達すると正の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを放電する第２の直流電圧発生手段と、前記コンデンサの端子電圧が０ボルトに達すると、前記第１の直流電圧発生手段により再び負の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを充電し、この充放電時間を測定するカウント手段と、該カウント手段による測定値から前記インピーダンス素子のインピーダンスを演算する演算手段とを備え、充放電回数を可変にすることで、広い範囲のインピーダンスを測定可能にし、前記インピーダンス素子を破壊することなくインピーダンスを測定するために、測定時に前記インピーダンス素子を流れる直流電流を平均すると０になるようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コンデンサは、低容量のコンデンサを１つ設けたものであることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記カウント手段が、測定開始時からの充放電の回数をカウントする充放電カウンタ及び測定開始時からのクロックをカウントする測定用カウンタからなり、前記測定用カウンタの値を前記充放電カウンタの値で割った値から、前記演算手段を構成する記憶手段に格納されたルックアップテーブルを検索することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、離散的な前記ルックアップテーブルの各点を線形演算で近似することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記カウント手段の前段に、前記コンデンサの充電電圧値と閾値電圧とを比較する比較手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記比較手段の閾値電圧の代わりに、前記第２の直流電源からの正の一定直流電圧を用いたことを特徴とする。

このように、本発明のインピーダンス測定装置は、あるインピーダンスを持ったインピーダンス素子とコンデンサを接続し、この回路に負の一定直流電圧を印加してコンデンサを充電し、コンデンサの端子電圧が正のしきい値電圧に達すると正の一定直流電圧を印加してコンデンサを放電し、コンデンサの端子電圧が０ボルトに達すると再び負の一定直流電圧を印加してコンデンサを充電し、この充放電時間をカウント手段で測定し、この測定値から演算手段によってインピーダンス素子のインピーダンスを求めるものである。

インピーダンスを持ったインピーダンス素子に正または負の直流電圧を印加してコンデンサを充放電し、インピーダンス素子のインピーダンスが大きいときは、インピーダンス素子を流れる電流が微少であるため、コンデンサの充放電時間が大きくなる。このとき、測定用カウンタで１回の充放電時間を測定する。インピーダンスが小さいときは、インピーダンス素子を流れる電流が増大してコンデンサの１回の充放電時間が短くなるため、カウンタによる測定精度が悪くなる。このため、インピーダンスが小さいときは、充放電時間の合計が所定のカウンタ値以上（例えば、３２カウント以上）になるまで充放電を繰り返し、この充放電時間を測定用カウンタで測定することで高精度に測定できる。

また、充放電回数を可変にすることで、広い範囲のインピーダンスを高精度に測定することが出来る。例えば、数ｋΩから数１００ＭＥＧΩまで指数関数的にインピーダンスが変化するインピーダンス素子であっても高精度に測定することが出来る。

本発明によれば、被測定対象である、所定のインピーダンスを持ったインピーダンス素子と、インピーダンス素子に直列接続されたコンデンサと、インピーダンス素子とコンデンサからなる回路に負の一定直流電圧を印加してコンデンサを充電する第１の直流電圧発生手段と、コンデンサの端子電圧が正のしきい値電圧に達すると正の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを放電する第２の直流電圧発生手段と、コンデンサの端子電圧が０ボルトに達すると、第１の直流電圧発生手段により再び負の一定直流電圧を印加してコンデンサを充電し、この充放電時間を測定するカウント手段と、カウント手段による測定値からインピーダンス素子のインピーダンスを演算する演算手段とを備え、充放電回数を可変にすることで、広い範囲のインピーダンスを測定可能にし、インピーダンス素子を破壊することなくインピーダンスを測定するために、測定時にインピーダンス素子を流れる直流電流を平均すると０になるようにしたので、低容量のコンデンサを１つ設けることで広範囲のインピーダンスを高精度に測定できるようにしたインピーダンス測定装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明のインピーダンス測定装置の実施例１を説明するための構成図、図２は、図１における回路構成の各信号波形を示す図である。図中符号１は被測定対象のインピーダンス素子、２はコンデンサ、３は負の一定直流電圧を発生する第１の直流電源、４は正の一定直流電圧を発生する第２の直流電源、５は充放電回数カウンタ、６はコントローラ、７は記憶装置（ＲＯＭ）、８は測定用カウンタ、９は測定用クロック発生装置、１０はオペアンプ、１１〜１６は第１〜第６のアナログスイッチＳＷ１〜ＳＷ６、１７はコンパレータ、１８は閾値電圧発生電源、２０は演算装置を示している。

本発明のインピーダンス装置は、所定のインピーダンスを持ったインピーダンス素子１と、このインピーダンス素子１に直列接続されたコンデンサ２と、インピーダンス素子１とコンデンサ２からなる回路に負の一定直流電圧を印加してコンデンサ２を充電する第１の直流電源３と、コンデンサ２の端子電圧が正のしきい値電圧に達すると正の一定直流電圧を印加してコンデンサを放電する第２の直流電源４と、コンデンサ２の端子電圧が０ボルトに達すると、第１の直流電源３により再び負の一定直流電圧を印加してコンデンサ２を充電し、この充放電時間を測定するカウンタ５と、このカウンタ５による測定値からインピーダンス素子１のインピーダンスを演算する演算装置２０とから構成されている。

また、演算装置２０は、充放電回数カウンタ５と接続されているコントローラ６と、このコントローラ６と接続されている記憶装置７と、コントローラ６と接続されている測定用カウンタ８と、この測定用カウンタ８と接続されている測定用クロック発生装置９とから構成されている。また、アナログスイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、コントローラ６で制御されている。

図３は、実施例１のインピーダンス測定装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。

まず、コントローラ６からアナログスイッチＳＷ１〜ＳＷ６に制御信号を出力し、ＳＷ１，ＳＷ２，及びＳＷ６をＯＦＦし、ＳＷ３，ＳＷ４，及びＳＷ５をＯＮする。同時に充放電カウンタ値及び測定用カウンタ値を０に設定する（Ｓ１）。このとき回路は非測定状態である。その後、回路が測定状態に遷移し、コントローラ６がＳＷ３及びＳＷ４をＯＦＦし、ＳＷ１をＯＮすると（Ｓ２）、図２に示すように、Ａ点に負の直流電圧が印加されるため測定対象のインピーダンス素子１に正の一定直流電流が流れ、コンデンサ２が充電されていく（Ｓ３）。このとき、測定用カウンタ８は、コンデンサ２の充放電の時定数より速いクロック（測定用クロック発生装置９）でカウントされる。

そして、コンデンサ２の充電電圧値（Ｃ点）がコンパレータ１７のマイナス入力側（Ｂ点）に与えられている閾値電圧に等しくなった瞬間、コンパレータ１７から“Ｈ”信号が出力され（Ｓ４）、コントローラ６がＳＷ１及びＳＷ５をＯＦＦし、ＳＷ２及びＳＷ６をＯＮする（Ｓ５）。すると、Ａ点には正の直流電圧が印加されるため測定対象のインピーダンス素子１に負の一定直流電流が流れ、コンデンサ２が放電されていく（Ｓ６）。そして、コンデンサ２の充電電圧値（Ｃ点）がコンパレータ１７のマイナス入力側（Ｂ点）に与えられている０Ｖｏｌｔになった瞬間、コンパレータ１７から“Ｌ”信号が出力され（Ｓ７）、充放電カウンタ値に１を加算する（Ｓ８）。

ここで、測定用カウンタ値が閾値（例えば３２）より小さい場合（Ｓ９）、コントローラ６はＳＷ２及びＳＷ６をＯＦＦし、ＳＷ１及びＳＷ５をＯＮし、再びコンデンサ２の充放電動作を繰り返す（Ｓ１０）。測定用カウンタ値が閾値（例えば３２）より大きい場合（Ｓ９）、コントローラ６はＳＷ１，ＳＷ２及びＳＷ６をＯＦＦし、ＳＷ３，ＳＷ４及びＳＷ５をＯＮし（Ｓ１１）、コントローラ６は充放電カウンタ値、測定用カウンタ値及び図４に示すような記憶装置７に格納されたルックアップテーブルを参照して線形演算でインピーダンスを求める（Ｓ１２）。

具体的には、まず、（測定用カウンタ値÷充放電カウンタ値）を記憶装置７のルックアップテーブルの０１番地と比較し、（測定用カウンタ値÷充放電カウンタ値）＞（０１番地のデータ）であれば０２番地のデータと比較する。このようにして、ルックアップテーブルのアドレスを変えながら比較し、アドレスＰ番地で（測定用カウンタ値÷充放電カウンタ値）＜（ルックアップテーブルのデータ）となると、コントローラ６はアドレス（Ｐ−１）番地とＰ番地のデータを線形補間してインピーダンスを求める。

図５は、本発明のインピーダンス測定装置の実施例２を説明するための構成図で、図１と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。図１に示した実施例１との相違は、コンパレータ１７の閾値電圧であるＢ点が、ＳＷ５を介して正の直流電圧を発生する第２の直流電源４に接続されている点である。なお、信号波形図，フローチャート及び記録装置に格納されるルックアップテーブルは、実施例１と同様である。

本実施例２において、ＳＷ５は第２の直流電源４に接続されており、コンパレータ１７の閾値電圧発生電源１８をなくして、測定対象のインピーダンス素子１に印加する正の一定直流電圧を用いていることが特徴である。このため、実施例１よりもさらに低コストでインピーダンス測定装置を提供することができる。

本発明のインピーダンス測定装置の実施例１を説明するための構成図である。図１における回路構成の各信号波形を示す図である。実施例１のインピーダンス測定装置の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。記憶装置に格納されたルックアップテーブルを示す図である。本発明のインピーダンス測定装置の実施例２を説明するための構成図である。従来のインピーダンス測定装置を説明するための構成図である。

符号の説明

１被測定対象のインピーダンス素子
２コンデンサ
３負の一定直流電圧を発生する第１の直流電源
４正の一定直流電圧を発生する第２の直流電源
５充放電回数カウンタ
６コントローラ
７記憶装置（ＲＯＭ）
８測定用カウンタ
９測定用クロック発生装置
１０オペアンプ
１１〜１６第１〜第６のアナログスイッチＳＷ１〜ＳＷ６
１７コンパレータ
１８閾値電圧発生電源
２０演算装置

Claims

被測定対象である、所定のインピーダンスを持ったインピーダンス素子と、該インピーダンス素子に直列接続されたコンデンサと、前記インピーダンス素子と前記コンデンサからなる回路に負の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを充電する第１の直流電圧発生手段と、前記コンデンサの端子電圧が正のしきい値電圧に達すると正の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを放電する第２の直流電圧発生手段と、前記コンデンサの端子電圧が０ボルトに達すると、前記第１の直流電圧発生手段により再び負の一定直流電圧を印加して前記コンデンサを充電し、この充放電時間を測定するカウント手段と、該カウント手段による測定値から前記インピーダンス素子のインピーダンスを演算する演算手段とを備え、充放電回数を可変にすることで、広い範囲のインピーダンスを測定可能にし、
前記インピーダンス素子を破壊することなくインピーダンスを測定するために、測定時に前記インピーダンス素子を流れる直流電流を平均すると０になるようにしたことを特徴とするインピーダンス測定装置。
前記コンデンサは、低容量のコンデンサを１つ設けたものであ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。
前記カウント手段が、測定開始時からの充放電の回数をカウントする充放電カウンタ及び測定開始時からのクロックをカウントする測定用カウンタからなり、前記測定用カウンタの値を前記充放電カウンタの値で割った値から、前記演算手段を構成する記憶手段に格納されたルックアップテーブルを検索す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。
離散的な前記ルックアップテーブルの各点を線形演算で近似することを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス測定装置。
前記カウント手段の前段に、前記コンデンサの充電電圧値と閾値電圧とを比較する比較手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のインピーダンス測定装置。
前記比較手段の閾値電圧の代わりに、前記第２の直流電源からの正の一定直流電圧を用いたことを特徴とする請求項５に記載のインピーダンス測定装置。