JP6553875B2 - 電気特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体試料の比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を測定する電気特性測定装置に関するものである。

従来、絶縁性を有する液体試料の比抵抗を測定するものとして、特許文献１に示すものが考えられている。この比抵抗測定装置は、外部電極及び内部電極に交流電圧を印加して、外部電極及び内部電極の間に位置する液体試料の比抵抗を測定するものである。

しかしながら、絶縁性を有する液体試料の比抵抗を測定するためには、外部電極及び内部電極に高電圧を印加しなければならない。両電極に印加する電圧は、外部電極及び内部電極の間隔が大きければ大きいほど高電圧となってしまう。そうすると、感電の危険性が高くなってしまう。ここで、外部電極及び内部電極の間隔を小さくすることも考えられるが、外部からの振動による測定誤差の影響を受け易くなってしまう。

さらに、従来の比抵抗測定装置では、例えば図５に示すように、オペアンプを用いて一対の電極の間に生じる電圧を検出することによって比抵抗を演算するように構成されている。しかしながら、外部電極に高電圧を印加する構成では、図５の（Ａ）の回路構成では、オペアンプの動作電圧の範囲しか一対の電極に電圧をかけることができず、抵抗が高い場合は流れる電流が小さく測定が困難になってしまい、また、図５の（Ｂ）の回路構成では、オペアンプの非反転反転入力端子への入力電圧が大きくなってしまい、何れの場合も、オペアンプを使用することができない。

特許第３７６９１１９号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、絶縁性の高い液体試料の比抵抗等の電気特性をオペアンプを用いて測定可能にし、感電の危険性を低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電気特性測定装置は、液体試料に接触する一対の電極と、前記一対の電極に電圧を印加するための電源回路及び前記一対の電極間に流れる電流を検出する検出回路を有する回路本体部と、前記一対の電極及び前記回路本体部を接続する２本の接続導線と、前記２本の接続導線を被覆するとともにコモンに接続された被覆導体、又は、前記電源回路の高電圧側の配線に設けられ、感電した場合に人に流れる電流値を３Ａ以下とする感電防止用抵抗とを備え、前記検出回路により検出された電流から比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を演算するように構成されたことを特徴とする。

前記被覆導体を有する電気特性測定装置であれば、一対の電極及び回路本体部を接続する２本の接続導線が、被覆導体により被覆されているので、絶縁性の高い液体試料を測定するに際して、一対の電極に高電圧を印加する場合であっても、感電の危険性を低減することができる。また、被覆導体がコモンに接続されているので、検出回路により検出されるノイズを低減することができ、液体試料の比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を示す信号の抽出を容易にすることができ、液体試料の比抵抗又は比抵抗に関連する物理量の測定精度を向上させることができる。さらに、接続導体に形成される浮遊容量の充電電流と、検出回路で検出される電流とを分離することができるので、浮遊容量の充電電流が定常状態になるのを待たずに、比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を測定することができる。その上、検出回路が、一対の電極間に流れる電流を検出するように構成されているので、検出回路を構成するオペアンプに入力される電圧を小さくすることができ、従来のオペアンプを無理なく使用することができる。
前記感電防止用抵抗を有する電気特性測定装置であれば、絶縁性の高い液体試料を測定するに際して一対の電極に高電圧を印加する場合であっても、前記感電防止用抵抗により人体に流れる電流を３Ａ以下に制限することができ、感電の危険性を低減することができる。

被覆導体を設ける態様としては、前記被覆導体が、前記２本の接続導線それぞれに互いに独立して設けられていることが望ましい。これならば、安価な二重の同軸ケーブルを使用することができ、高価な高絶縁ケーブルを使用することなく、感電の危険性を回避しつつ、ノイズを低減することができる。

前記電源回路において、高電圧電源と前記接続導線に接続される外部端子との間の配線が空中配線とされていることが望ましい。これならば、高電圧電源及び外部端子の間が空中配線されているので、本体回路部を構成する配線基板の絶縁を確実に確保することができる。

検出回路に検出される電流に重畳するノイズを低減するためには、前記一対の電極が、円筒状をなす外部電極と、当該外部電極の内部に配置された円柱状をなす内部電極とからなり、前記外部電極に前記電源回路の高電圧が印加されるとともに、電極間に流れる電流が前記内部電極から前記検出回路に検出されるように構成されたものが望ましい。

このように構成した本発明によれば、絶縁性の高い液体試料の比抵抗等の電気特性をオペアンプを用いて測定可能にし、感電の危険性を低減することができる。特に、絶縁性の高い液体試料の比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を安全に測定することができる。

第１実施形態の電気特性測定装置の構成を示す模式図。 第１実施形態の検出回路を含む比抵抗測定回路の構成を示す図。 変形実施形態の電気特性測定装置の構成を示す模式図。 第２実施形態の電気特性測定装置の構成を示す模式図。 従来の比抵抗測定回路の構成を示す図。

＜第１実施形態＞
以下に本発明に係る電気特性測定装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。

第１実施形態の電気特性測定装置１００は、例えばウエハ支持台等に温度調整機構に用いられるフッ素系液体等の液体の劣化を検知するために当該液体試料の比抵抗（電気抵抗率）を連続測定する比抵抗測定装置である。なお、この比抵抗測定装置１００の測定対象である液体試料には、潤滑油、潤滑用液状有機媒体、錆止め油、放電加工油、液圧作動媒体液、食用油等のオイル類、熱媒体液、熱処理液、ワニス・顔料・農薬等希釈用炭化水素系溶媒、洗浄用炭化水素系溶媒、流動性を有するグリス類などが含まれる。

具体的に比抵抗測定装置１００は、２電極方式のものであり、図１に示すように、液体試料に接触する一対の電極２１、２２と、一対の電極２１、２２に電圧を印加するための電源回路３１及び液体試料の比抵抗を測定するための検出回路３２を有する回路本体部３と、一対の電極２１、２２及び回路本体部３を接続する２本の接続導線４１、４２を備えている。

一対の電極２１、２２は、円筒状をなす外部電極２１の内部に円柱状をなす内部電極２２を配置して、外部電極２１の内周面と内部電極２２の外周面との間にセル空間Ｓが形成されたものである。つまり、本実施形態の一対の電極２１、２２は、測定セルを構成するものである。その他、平板状をなす電極２１及び平板状をなす電極２２を対向配置して構成されたものであっても良い。この一対の電極２１、２２は、液体試料を貯留する貯留容器２００の例えば側壁に挿入されて、当該貯留容器２００内の液体試料に接触するように前記貯留容器２００に取り付けられる。

回路本体部３は、電源回路３１及び検出回路３２等を配線基板３０１上に形成して構成されたものである。この回路本体部３は、接続導線４１、４２を接続するための外部端子３ａ、３ｂを有している。また、回路本体部３は、筐体３０２に収容されており、当該筐体３０２に外部端子３ａ、３ｂが設けられている。

そして、電源回路３１の高電圧電源３１１と外部端子３ａとの間の配線３１２は空中配線とされている。このように高電圧側の配線３１２が空中配線とされているので、後述するオペアンプ３２ａの反転入力端子に接続される配線等との間で絶縁性を確保することができ、オペアンプ３２ａにより検出されるノイズを低減することができる。また、本実施形態の高電圧電源３１１は、液体試料の電気分解を考慮する必要が無いため、直流電源（例えば５００Ｖ）を用いている。なお、直流電源を用いた場合であっても、定期的に直流電源を０Ｖにすることが好ましい。このとき、後述する検出回路３２のゼロ出力を確認したり、又、回路に溜まった電荷を放電させたりすることができる。

検出回路３２は、外部電極２１及び内部電極２２の間に流れる電流を検出することによって、液体試料の比抵抗を測定するものである。

具体的にこの検出回路３２は、図１に示すように、外部電極２１及び内部電極２２の間に流れる電流を検出すべく、オペアンプ３２ａを用いて構成されたものであり、オペアンプ３２ａの反転入力端子は、外部端子３ｂと配線により接続さている。また、オペアンプ３２ａの非反転入力端子は、コモンに接続されている。なお、オペアンプ３２ａの非反転入力端子は、接地されていても良い。また、オペアンプ３２ａの反転入力端子及び出力側との間には、オペアンプ３２ａに対して並列に検出用抵抗３２ｂが接続されている。このような構成により、オペアンプ３２ａから外部電極２１及び内部電極２２の間に流れる電流に応じた出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）が出力される。検出回路３２は、このオペアンプ３２ａからの出力電圧を用いてオイルの比抵抗（Ｒ_２）を演算する比抵抗演算部３２ｃを有する。比抵抗演算部３２ｃによる比抵抗（Ｒ_２）の演算は、Ｒ_２＝Ｒ_１×Ｖ_１／Ｖ_ｏｕｔ、である。ここで、Ｖ_１は、外部電極２１及び内部電極２２に印加される直流電圧であり、Ｒ_１は検出用抵抗３２ｂの抵抗値である。

そして、本実施形態の比抵抗測定装置１００は、２本の接続導線４１、４２を被覆するとともに、コモンに接続された被覆導体５を備えている。ここで、一方の接続導体４１は、外部端子３ａと内部電極２２とを接続するものであり、他方の接続導体４２は、外部端子３ｂと外部電極２１とを接続するものである。本実施形態では、内部電極２２に高電圧が印加されるように構成されている。これは、外部電極２１が、接地された導電性を有する貯留容器２００に直接（絶縁体を介さずに）取り付けられる構成としてあるためである。

この被覆導体５は、２本の接続導線４１、４２それぞれに互いに独立して設けられている。つまり、被覆導体５は、一方の接続導線４１の周囲を被覆するとともにコモンに接続された第１被覆導体５１と、当該第１被覆導体５１とは別に設けられ、他方の接続導線４２の周囲を被覆するとともにコモンに接続された第２被覆導体５２とを有している。つまり、第１被覆導体５１の内部には、一方の接続導体４１が収容されて他方の接続導体４２は収容されていない。また、第２被覆導体５２の内部には、他方の接続導体４２が収容されて一方の接続導体４１は収容されていない。また、各被覆導体５１、５２に接続されるコモンは、本体回路部３に設けられている。各被覆導体５１、５２は接地されていても良い。さらに、他方の接続導体４２及び第２被覆導体５２をコモンに接続して互いに等電位となるように構成し、他方の接続導体４２と第２被覆導体５２との間で電流の行き来が生じないように構成している。

具体的な構成として、一方の接続導体４１と第１被覆導体５１とは、それらの間に絶縁性を有する樹脂が設けられ、第１被覆導体５１の周囲にも絶縁性を有する樹脂が設けられた同軸ケーブルにより構成されている。また、他方の接続導体４２と第２被覆導体５２とは、それらの間に絶縁性を有する樹脂が設けられ、第２被覆導体５２の周囲にも絶縁性を有する樹脂が設けられた同軸ケーブルにより構成されている。つまり、一対の電極２１、２２と本体回路部３とは、２本の同軸ケーブルにより接続されている。なお、第１被覆導体５１の周囲に設けられる樹脂と第２被覆導体５２の周囲に設けられる樹脂とを共通化して、１本のケーブル構成としても良い。

このように構成した比抵抗測定装置１００によれば、一対の電極２１、２２及び回路本体部３を接続する２本の接続導線４１、４２が、被覆導体５１、５２により被覆されているので、絶縁性の高い液体試料を測定するに際して、一対の電極２１、２２に高電圧を印加する場合であっても、感電の危険性を低減することができる。また、検出回路３２が、一対の電極２１、２２間に流れる電流を検出するように構成されているので、検出回路３２を構成するオペアンプ３２ａに入力される電圧を小さくすることができ、オペアンプ３２ａを用いて絶縁性の高い液体試料の比抵抗を測定することができる。さらに、被覆導体５１、５２がコモンに接続されているので、検出回路３２により検出されるノイズを低減することができ、液体試料の比抵抗を示す信号の抽出を容易にすることができ、液体試料の比抵抗の測定精度を向上させることができる。その上、接続導体４１に形成される浮遊容量の充電電流と、検出回路３２で検出される電流とを分離することができるので、浮遊容量の充電電流が定常状態になるのを待たずに、比抵抗を測定することができる。

また、各接続導線４１、４２それぞれに、コモンに接続された被覆導体５１、５２を設ける構成としているので、安価な１つの芯線と１つのシール導線とからなる二重の同軸ケーブルを使用することができ、高価な高絶縁ケーブルを使用することなく、感電の危険性を回避しつつ、ノイズを低減することができる。

なお、本発明は前記第１実施形態に限られるものではない。
例えば、前記第１実施形態では、２本の接続導線それぞれに被覆導体５１、５２を設けた２本の同軸ケーブルを用いて構成しているが、図３に示すように、３本の三重同軸ケーブルにより構成しても良い。具体的には、高電圧側の接続導線４１を、低電圧側の接続導線４２で被覆するとともに、当該低電圧側の接続導線４２の周囲をコモンに接続された被覆導体５で被覆することが考えられる。この場合、２つの接続導体４１、４２の間で電流リークが生じる可能性があるため、２つの接続導体４１、４２の間に絶縁性の高い樹脂が必要等の理由から、前記実施形態に比べて高価になるが、感電の危険性を低減するとともに、検出回路により検出されるノイズを低減することができる。また、配線を簡略化することができる。

また、感電の危険性を低減するとともに、検出回路により検出されるノイズを低減して測定精度を向上する目的からすれば、電気特性測定装置は、液体試料に接触する一対の電極と、前記一対の電極に電圧を印加するための電源回路及び前記一対の電極間に流れる電流を検出する検出回路を有する回路本体部と、前記一対の電極及び前記回路本体部を接続する２本の接続導線と、前記２本の接続導線を被覆するとともに、コモンに接続された被覆導体とを備えたものであれば良い。

＜第２実施形態＞
次に本発明に係る電気特性測定装置の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記第１実施形態と同一又は対応する部材には同一の符号を用いる。

第２実施形態の電気特性測定装置１００は、図４に示すように、前記第１実施形態とは異なり、前記電源回路３１の高電圧側の配線３１２に感電防止用抵抗３１３が設けられている。この感電防止用抵抗３１３は、例えば人が筐体３０２に設けられた外部端子３ａ、３ｂに触れた場合に当該人に流れる電流を制限する電流制限抵抗（例えば数ＭΩ）である。具体的には、感電した場合に、人に流れる電流値を３Ａ以下に制限する抵抗であり、好ましくは、５０ｍＡ以下に制限する抵抗であり、より好ましくは１０ｍＡ以下に制限する抵抗である。なお、感電防止用抵抗３１３の抵抗値は、上記の人に流れる電流値及び直流電源３１１の直流電圧値をパラメータとして定められる。

また、本実施形態の比抵抗測定装置１００では、一方の接続導体４１は、外部端子３ａと外部電極２１とを接続するものであり、他方の接続導体４２は、外部端子３ｂと内部電極２２とを接続するものである。本実施形態では、外部電極２１に高電圧が印加されるように構成されている。これにより、外部電極２１及び内部電極２２の間に流れる電流を内部電極２２から取り出して検出回路３２のオペアンプ３２ａに入力される構成となる。このとき、内部電極２２は外部電極２１に収容されているので、貯留容器２００等の周囲部材と直接接触しない構成となるため、前記電流に重畳するノイズを低減することができ、液体試料の比抵抗の測定精度を向上させることができる。

このように構成した比抵抗測定装置１００によれば、絶縁性の高い液体試料を測定するに際して一対の電極に高電圧を印加する場合であっても、前記感電防止用抵抗３１３により人体に流れる電流を制限することができ、感電の危険性を低減することができる。

なお、本発明は前記第２実施形態に限られるものではない。
例えば、前記第２実施形態において、前記第１実施形態と同様に、２本の接続導線４１、４２を被覆するとともに、コモンに接続された被覆導体を備える構成としても良い。この構成ならば、感電の危険性をより一層低減することができる。

また、ノイズ除去の観点からすれば、２本の接続導体４１、４２のうち、接続導体４２を被覆導体により被覆しておけばよい。この構成ならば、感電防止用抵抗により感電を防止しつつ、被覆導体によりノイズを除去することができる。

また、前記各実施形態の電気特性測定装置は、比抵抗を測定するものであったが、その他、比抵抗に関連する物理量として例えば導電率を測定するものであっても良い。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・比抵抗測定装置（電気特性測定装置）
２１、２２・・・一対の電極
Ｓ・・・収容空間
３・・・回路本体部
３ａ、３ｂ・・・外部端子
３１・・・電源回路
３１１・・・高電圧電源
３１２・・・高電圧側の配線
３１３・・・感電防止用抵抗
３２・・・検出回路
４１、４２・・・接続導線
５・・・被覆導体

Claims (3)

1. 絶縁性を有する液体試料に接触する一対の電極と、
   前記一対の電極に直流電圧を印加するための高電圧電源を備える電源回路及び前記一対の電極間に流れる電流を検出する検出回路を有する回路本体部と、
   前記一対の電極及び前記回路本体部を接続する２本の接続導線と、
   前記２本の接続導線を被覆するとともにコモンに接続された被覆導体、又は、前記電源回路の高電圧側の配線に設けられ、感電した場合に人に流れる電流値を３Ａ以下とする感電防止用抵抗とを備え、
   前記検出回路により検出された電流から比抵抗又は比抵抗に関連する物理量を演算するように構成され、
   前記電源回路及び前記検出回路は共通の筐体内に収容されており、
   前記電源回路において、前記高電圧電源と、前記筐体に設けられ前記接続導線に接続される外部端子との間の配線が空中配線とされている電気特性測定装置。
2. 前記被覆導体が、前記２本の接続導線それぞれに互いに独立して設けられている請求項１記載の電気特性測定装置。
3. 前記一対の電極が、円筒状をなす外部電極と、当該外部電極の内部に配置された円柱状をなす内部電極とからなり、
   前記外部電極に前記電源回路の高電圧が印加されるとともに、電極間に流れる電流が前記内部電極から前記検出回路に検出されるように構成された請求項１又は２に記載の電気特性測定装置。