JP7061416B2 - 電気試験測定装置及びプロセッサ制御による方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気試験装置に関し、特に、デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）、電源、ソース・メジャー・ユニット（ＳＭＵ）等の電気試験装置における冷却機構の振動に起因するノイズを、電気信号の測定結果から低減又は除去する手法に関する。

例えば、オシロスコープ、デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）、ソース・メジャー・ユニット（ＳＭＵ）などの電気試験装置は、一般に、電源、測定回路、プロセッサ及び他の内部構成要素によって生成された熱を放散する冷却機構を含む。一般に、装置で行われる測定に対する熱的影響を最小限にするため、電気試験装置の内部温度を一定に維持するように冷却機構を動作させることが望ましい。このような冷却機構は、しばしば、シャーシに取り付けられた冷却ファンを含む。

特許第３５１５７５２号公報 特開２０１３－１５７８７２号公報

「デジタル・マルチメータ」の製品紹介サイト、テクトロニクス／ケースレー、［online］、［２０１７年４月５日検索］、インターネット<http://jp.tek.com/digital-multimeter-０> 「ソース・メジャー・ユニット」の製品紹介サイト、ケースレー、［online］、［２０１７年４月５日検索］、インターネット<http://jp.tek.com/keithley-source-measure-units> 「グロメット」の記事、Wikipedia、［online］、［２０１７年４月５日検索］、インターネット<https://ja.wikipedia.org/wiki/グロメット>

しかしながら、このような冷却ファンは、試験装置で行われる多くの種類の電気的な測定、特にセンシティブ（敏感）な測定（高感度測定）において悪影響を及ぼすことで知られる試験装置内の機械的振動を生成する。これら機械的振動を抑制する従来の試みは、例えば、ゴム製の装着支柱（post）又は電気試験装置シャーシと冷却ファンとの間に取り付けられたグロメットのような、元々の性質上、受動的なものである。しかし、こうした試みは、機械的振動に起因する悪影響を最小限に抑えることに一貫して成功していない。

よって、電気試験装置における冷却ファンの機械的振動によって生じる問題を解決することが依然として望まれている。

本発明の実施例を以下に示す。本発明の実施形態は、以下に記載される複数の実施例の任意の１つ以上の実施例や任意の組み合わせも含まれる。

本発明による電気試験装置の実施例１は、電気信号を受けるように構成された信号入力部と、冷却機構と、プロセッサとを具え、上記プロセッサは、上記冷却機構が動作すべき周波数を決定し、上記冷却機構を決定された上記周波数で動作させ、決定された上記周波数に基づいてフィルタを選択し、上記フィルタを上記電気信号に適用して上記冷却機構の機械的振動から生じる上記電気信号との干渉を低減するよう構成される。

本発明の実施例２は、上記実施例１による電気試験装置であって、上記冷却機構は、冷却ファンを含む。

本発明の実施例３は、上記実施例２による電気試験装置であって、このとき、上記冷却ファンは、シャーシ装着型冷却ファンである。

本発明の実施例４は、上記実施例１～３による電気試験装置であって、このとき、決定された上記周波数は、電気試験装置が受ける商用電源の周波数の１倍以上の整数倍の周波数であって、例えば、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの整数倍、又は、３００Ｈｚの整数倍である。

本発明の実施例５は、上記実施例１～４による電気試験装置であって、受けた上記電気信号に関する高感度測定（sensitive measurement）を実行するよう構成された測定回路を更に具えている。

本発明の実施例６は、上記実施例５による電気試験装置であって、このとき、上記高感度測定としては、電圧測定、電流測定又はこれらの両方がある。

本発明の実施例７は、プロセッサ制御による方法であって、電気試験装置の冷却機構が動作すべき周波数を決定するステップと、決定された上記周波数で冷却機構を動作させるステップと、決定された上記周波数に基づいて信号フィルタを選択するステップと、上記電気試験装置によって測定される電気信号に信号フィルタを適用し、上記冷却機構の機械的振動から生じる上記電気信号への影響を低減するステップとを具える。

本発明の実施例８は、上記実施例７によるプロセッサ制御による方法であって、上記冷却機構は、冷却ファンを含む。

本発明の実施例９は、上記実施例８によるプロセッサ制御による方法であって、どの商用電源周波数地域が使用されているかを知らせる検出用ソフトウェア構成設定（configure settings）を利用するステップを更に具える。

本発明の実施例１０は、上記実施例９によるプロセッサ制御による方法であって、電気試験装置が受ける商用電源の周波数の整数倍の周波数、例えば、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの整数倍、又は、３００Ｈｚの整数倍の周波数で上記冷却ファン動作させるステップを更に具えている。

本発明の実施例１１は、上記実施例７～１０によるプロセッサ制御による方法であって、このとき、上記電気試験装置が、上記電気信号について高感度測定（sensitive measurement）を実行する。

本発明の実施例１２は、上記実施例１１によるプロセッサ制御による方法であって、記高感度測定としては、電圧測定、電流測定又はこれらの両方がある。

本発明の実施例１３は、電気試験測定システムであって、被試験デバイス（DUT）と、前記DUTからの電気信号を受けるように構成された信号入力部と、冷却機構と、プロセッサとを具え、上記プロセッサは、上記冷却機構が動作すべき周波数を決定し、上記冷却機構を決定された上記周波数で動作させ、決定された上記周波数に基づいてフィルタを選択し、上記フィルタを上記電気信号に適用して上記冷却機構の機械的振動から生じる上記電気信号との干渉を低減するよう構成される。

本発明の実施例１４は、上記実施例１３による電気試験測定システムであって、上記冷却機構は、シャーシ装着型冷却ファンを含む。

本発明の実施例１５は、上記実施例１３又は１４による電気試験測定システムであって、このとき、決定された上記周波数は、電気試験装置が受ける商用電源の周波数の１倍以上の整数倍の周波数であって、例えば、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの整数倍、又は、３００Ｈｚの整数倍である。

本発明の実施例１６は、上記実施例１３～１５による電気試験測定システムであって、このとき、上記電気試験装置は、受けた上記電気信号に関する高感度測定（sensitive measurement）を実行するよう構成された測定回路を有している。

本発明の実施例１７は、上記実施例１６による電気試験測定システムであって、このとき、上記高感度測定としては、電圧測定、電流測定又はこれらの両方がある。

本発明の実施例１８は、上記実施例１３～１７による電気試験測定システムであって、このとき、上記電気試験装置は、デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）である。

本発明の実施例１９は、上記実施例１３～１７による電気試験測定システムであって、このとき、上記電気試験装置は、ソース・メジャー・ユニット（source measure unit：ＳＭＵ）である。

本発明の実施例２０は、上記実施例１３～１７による電気試験測定システムであって、このとき、上記電気試験装置は、オシロスコープである。

図１は、本発明のある実施形態による電気試験測定システムの一例を示すブロック図である。 図２は、本発明のある実施形態による電気試験測定システムのためのプロセッサ制御による方法の例のフローチャートである。

本発明の実施形態は、一般に、デジタル・マルチメータ（ＤＭＭ）、ソース・メジャー・ユニット（ＳＭＵ）、種々のオシロスコープなどのような異なる種類の電気試験装置内のシャーシ（筐体）に装着された冷却ファンのような特定の振動発生構成要素から生じる機械的振動を能動的に制御するシステム及び方法を含む。そのような実施形態は、例えば、実際的には、任意の適切なデジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を使用して、電気試験装置によって測定される信号において、抑制可能な特定の既知の周波数に、電気試験装置内の冷却ファンの速度を制御する処理を含んでいても良い。

図１は、本発明の特定の実施形態による電気試験測定システム１００の例を示すブロック図である。この例では、システム１００には、ＤＭＭ、ＳＭＵ、オシロスコープなどの電気試験装置１１０がある。電気試験装置１１０には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数（地域によって異なる）を有する商用電源からの電力を受けて、電気試験装置１１０内の各コンポーネントに必要な電力を供給する主電源回路１１１がある。なお、図１では、簡単のため、主電源回路１１１から各コンポーネントへの電力供給ラインは、省略している。主電源回路１１１は、商用電源の周波数を検出する周波数検出回路を有していても良く、検出された周波数は、プロセッサ１１６に通知できるようにしても良い。また、電気試験装置１１０には、被試験デバイス（ＤＵＴ）１２０から電気信号を受けるように構成された少なくとも１つの信号入力部１１２がある。

この例では、電気試験装置１１０は、例えば、試験装置１１０を冷却するための、１つ以上のシャーシ装着型ファンのような冷却機構１１４も含む。振動発生機構である冷却機構１１４は、試験装置１１０全体を冷却するための、又は、例えば、プロセッサや特定の集積回路（ＩＣ）などの試験装置１１０の特定の部品を冷却するといった何らかの別の機能を実行するための、実際的な任意の適切なデバイス、コンポーネント、機構であっても良い。

この例では、電気試験装置１１０は、信号入力部１１２から受ける電気信号を処理するように構成されたプロセッサ１１６も含む。これに代えて、又は、これに加えて、プロセッサ１１６が、ファン１１４の動作を制御するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、電気試験装置１１０は、測定回路１１８も含む。測定回路１１８は、信号入力部１１２に結合され、信号入力１１２から受けた信号を測定するように構成される。測定回路１１８は、例えば、増幅器、アッテネータ、ミキサ、バイアス回路、サンプル・ホールド回路、アナログ・デジタル変換回路、メモリ、トリガ回路、又は、その他のサブ回路を含んでいても良い。

いくつかの実施形態では、測定回路１１８は、受けた電気信号について高感度測定（sensitive measurement）を実行するように構成される。本願で使用される場合、「高感度測定」という用語は、大まかに言えば、電流、電圧、又はその他の形式の測定であって、ファン１１４の通常の運転から生じるであろう機械的振動に敏感であり、悪影響を受ける可能性のある測定を指していること注意されたい。例えば、SMUでしばしば行われる低電流測定は、高感度測定（sensitive measurement：敏感な測定）の１つの例である。

本発明を実施しない場合、信号入力部１１２で受けた信号について、例えば、測定回路１１８によって、測定高感度測定を実行するプロセスの間に、ファン１１４のランダム若しくは変動する、又は未知の周波数の機械振動が、試験装置１１０において電流の変動に変換され、そのために、測定値に好ましくない多くのノイズが誘発され、結果として、試験装置１１０で行われる測定の精度及び再現性の両方に望ましくない重大な影響を及ぼす。

本発明の実施形態としては、ファン１１４の速度（回転周波数）を、例えば、プロセッサ１１６によって、能動的（アクティブ）に制御して特定の既知の周波数に制御する処理があり、これによって、試験装置１１０に誘発されるファン１１４の機械的振動を、実際的には、任意の適切なデジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を用いることによって、抑制できる。こうしたＤＳＰ技法は、例えば、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）を利用する測定期間中又は測定期間後に使用しても良い。

図２は、本発明の特定の実施形態による図１に示した試験測定システム１００のような電気試験測定システム用のプロセッサ制御による方法２００の一例を示すフローチャートである。

ステップ２０２では、例えば、試験装置１１０の信号入力部１１２が、電気信号をＤＵＴ１２０から受ける。試験装置１１０は、信号入力部１１２が受けた電気信号（被測定信号）について、例えば、電圧測定や電流測定などの高感度な測定を行ってもよく、このとき、電気信号は、周知の技術によって、アナログ・デジタル変換回路（図示せず）によって、デジタル化される。

ステップ２０４では、電気試験装置１１０の冷却機構が動作すべき周波数が、例えば、プロッサ１１６によって決定される。ステップ２０６では、例えば、プロセッサ１１６によって、冷却機構が決定された周波数で動作するよう制御される。冷却機構が動作すべき周波数をどのように決定するのが好ましいかは、後述する。

ステップ２０８では、決定された周波数に少なくとも部分的には基づいて、フィルタが、例えば、プロセッサ１１６によって選択される。ステップ２１０では、例えば、プロセッサ１１６におけるデジタル信号処理によって、フィルタをデジタル化された電気信号にデジタル的に適用して、冷却機構の機械的振動から生じる電気信号との干渉を低減する。これによって、冷却機構の機械的振動から生じる干渉ノイズは、フィルタの適用によって効果的に低減又は排除される。

本発明の特定の実施態様においては、閉ループ制御システムが利用され、これは、ファンのタコメータ出力信号を入力信号として受け、次いで、ファンの入力信号を駆動するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を出力信号として制御することによって、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルの比率に基いて、ファンの速度を制御する。すなわち、閉ループ制御システムは、例えば、ゼロ毎分回転数（revolutions per minute：RPM）からファンの最大速度まで、連続的な周波数でファン速度を変化させるのではなく、その代わりに、閉ループ制御システムは、ファン速度を特定の速度に制御するように管理する。

低レベル信号の測定で利用される導体又はケーブルに誘発されるランダム又は未知の機械的周波数ノイズを最小限に抑えるか、更には排除するために、ファン速度を、例えば、３００ＲＰＭの整数倍に厳密に制御するようにしても良い。３００ＲＰＭ及びその整数倍は、５０Ｈｚと６０Ｈｚの両方の高調波であるため、そのような許容速度の設定は、電気試験装置（つまり、電気試験装置の主電源回路）に供給される商用電源の周波数が、５０Ｈｚか６０Ｈｚかのどちらに関係なく効果的に機能する。すなわち、特定の実施形態では、ファン速度の選択は、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ、又は、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの公倍数（３００Ｈｚ）の数学的整数倍であってもよい。３００Ｈｚ又はその整数倍を選択すれば、商用電源の周波数が５０Ｈｚか、６０Ｈｚかのどちらであるかを検出しなくても、どちらの場合でも有効に動作する。

ファンがこれらの速度のうちの１つに制御されると、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ及びこれらの高調波という商用電源によるサイクル・ノイズを低減または排除するために、試験装置が実際に採用している既存の任意の適切な技術（例えば、特許文献２の段落０００５参照）を、ファンの回転に起因する機械的振動で誘起されるノイズを低減又は排除するのにも効果的に利用できる。

別の実施形態では、ファン制御システムは、製品がどの商用電源周波数地域（つまり、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの地域）で使用されているかを知らせる検出用ソフトウェア構成設定（configuration settings）を利用しても良く、次に商用電源周波数地域の情報を利用して、ファン制御システムが、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの両方の商用電源周波数地域での動作に適したファン速度（ファン回転周波数）に制御するのではなく、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのどちらかの商用電源周波数地域の一方にのみ適している（即ち、どちらか一方の周波数のみの整数倍のファン速度となる）ように制御するという、よりフレキシブルなものであっても良い。更に別の実施形態では、ファン速度（ファン回転周波数）を、主電源回路で受けた商用電源の周波数を検出し、その検出した周波数の１以上の整数倍の周波数となるように制御しても良い。

ある実施形態では、電気的な測定を行う前に、機械的振動のスペクトラムを分析するために、ファン速度を掃引しながら（ファン速度を徐々に変化させながら）、アナログ・デジタル変換回路を用いる高速アクイジション（信号取り込み）機能を具えていてもよい。これは、正式な電気的な測定を行う前に、システムの機械的な特性を評価するのに利用でき、電気的な測定中に、貴重な時間を機械的な分析に費やすことなく、その結果を電気的な測定に素早く反映させることができる。

ファンが１個以上ある場合においても、ファン（１つ又は複数）によって誘発され、測定されたノイズを、例えば、それに関連する周波数とその高調波をフィルタ処理することによって抑制できるように、ファンの速度を特定の選択された周波数に制御すれば良い。

ある実施形態においては、電気測定回路の近く又は電気測定回路における機械的振動の測定と、電気的測定に対する機械的振動の有害な影響の低減又は完全な除去は、校正に行うことによって改善できる。

コンピュータ読み出し可能媒体は、コンピューティング・デバイスによってアクセス可能な任意の媒体を意味する。限定はされないが、コンピュータ読み出し可能媒体は、一例としては、コンピュータ記憶媒体および通信媒体（communication media）としても良い。

コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ読み取り可能な情報を記憶するために使用することができる任意の媒体を意味する。コンピュータ記憶媒体は、限定するものではないが、例としては、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ又は他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）または他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶装置、及びその他の揮発性又は不揮発性の取り外し可能または固定の媒体などがある。コンピュータ記憶媒体は、信号そのもの、及び信号伝送の一時的な形態は含まない。

通信媒体（Communication media）とは、コンピュータ読み取り可能情報の通信に使用できる任意の媒体を意味する。通信媒体は、限定するものではないが、例としては、電気、光学、無線周波数（ＲＦ）、赤外線、音響又は他の形式の信号の通信に適した同軸ケーブル、光ファイバ・ケーブル、空気、又はその他の媒体を含むことができる。

例示した実施形態を参照して本発明の原理を説明し例示したが、例示された実施形態は、そのような原理から逸脱することなく構成および詳細を変更することができ、任意の所望の方法で組み合わせることができる。上述の説明は特定の実施形態に焦点を当てているが、他の構成も考えられる。例えば、振動発生機構として、冷却機構の例を説明したが、他の形式の回転機構を有するなどの振動発生機構としても良い。

特に、「本発明の実施形態による」などの表現が本願で使用されているとしても、これらの語句は、実施形態の可能性に言及するものであり、本発明を特定の実施形態構成に限定することを意図するものではない。本願で使用される場合、これらの用語は、他の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態に言及していることが有り得る。

したがって、本願に記載された実施形態に対する広範な変更の観点から、この詳細な説明及び付随する図面等は例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

１００ 電気試験測定システム
１１０ 電気試験装置
１１１ 主電源回路
１１２ 信号入力部
１１４ 冷却ファン
１１６ プロセッサ
１１８ 測定回路
１２０ 被測定デバイス

Claims (3)

1. 被測定デバイスからの電気信号を受けるように構成された信号入力部と、
   動作中に周期的な機械的振動が生じる冷却機構と、
   商用電源から電力を受ける主電源回路と、
   プロセッサと
   を具え、
   上記プロセッサが、
   上記冷却機構が動作すべき周波数を特定の周波数に決定し、
   上記冷却機構を決定された上記特定の周波数で動作させ、
   決定された上記特定の周波数に基づいてフィルタを選択し、
   上記フィルタを上記電気信号に適用して上記冷却機構の上記機械的振動から生じる上記電気信号への干渉を低減するよう構成される電気試験測定装置。
2. 上記特定の周波数が、上記商用電源の周波数の整数倍である請求項１記載の電気試験測定装置。
3. プロセッサ制御による方法であって、
   電気試験装置の中の動作中に周期的な機械的振動の生じる冷却機構が動作すべき周波数を特定の周波数に決定するステップと、
   決定された上記特定の周波数で上記冷却機構を動作させるステップと、
   決定された上記特定の周波数に基づいて信号フィルタを選択するステップと、
   上記電気試験装置によって測定される電気信号に上記信号フィルタを適用し、上記冷却機構の上記機械的振動から生じる上記電気信号への影響を低減するステップと
   を具えるプロセッサ制御による方法。

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