JPH06242159A - 静電容量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定コンデンサの容量の大小に拘らず、
高い精度で短時間に静電容量の測定が行えるようにする
こと。 【構成】 並列接続した被測定コンデンサと補助コン
デンサに定電流を充電して、その充電電圧が一定値に達
すると両コンデンサの電荷を放電させ、その充電時間を
カウンタでカウントして、被測定コンデンサの静電容量
を測定する。このとき、カウンタのカウント値が小さ過
ぎるとき又は大き過ぎるときは、充電用の定電流の値、
補助コンデンサの静電容量、カウンタをカウントするク
ロックパルスの周波数等を切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、定電流の充電期間又は
放電期間を利用して被測定用コンデンサの静電容量を測
定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コンデンサの静電容量は、容量がＣのコ
ンデンサに定電流Ｉを充電して、そのコンデンサの両端
の電圧が所定の電圧値Ｖになるまでに時間Ｔがかかった
とすると、 Ｉ・Ｔ＝Ｃ・Ｖ （１） Ｃ＝Ｔ・Ｉ／Ｖ （２） の式からその容量Ｃを知ることができる。

【０００３】このとき、電流Ｉ、電圧Ｖを固定値にすれ
ば、充電時間Ｔからその容量Ｃを知ることができる。そ
して、充電／放電のサイクルを複数回繰り返すことによ
り、容量Ｃの値を複数回連続して得ることができ、測定
精度が向上する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
定電流充電方式を利用した従来の静電容量測定装置にお
いては、被測定用のコンデンサの充電／放電の発振ルー
プに直流的に安定する動作点が存在したので、発振停止
が起こり測定不能になる場合があった。

【０００５】また、被測定用のコンデンサの静電容量が
微少容量のときは、発振周期Ｔが短くなり過ぎたり浮遊
容量の影響を受け易くなって、測定精度が低下する問題
があった。逆に大容量のときは、発振周期が長くなりす
ぎて測定時間が長くかかる問題もあった。

【０００６】そこで、発振周期を短くするために定電流
Ｉの値を大きくすることも考えられたが、消費電流が大
きくなりポータブル装置に適さなくなってしまう問題が
発生する。

【０００７】本発明は以上のような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、測定のための動作が安定して確実
な測定が実行でき、また被測定コンデンサの容量の大小
の制約を受けず高い精度で測定が行えるようにした静電
容量測定装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このために第１の発明
は、第１スイッチを介して定電流源からの定電流で充電
される被測定コンデンサと、該被測定コンデンサの電荷
を放電するための第２スイッチ素子と、上記被測定コン
デンサの充電電圧が基準値になるとこれを検出する比較
器と、該比較器の該検出出力を所定時間だけ遅延又は保
持するバッファと、該バッファの出力の上記被測定用コ
ンデンサの充電開始から上記基準値までに達する充電時
間に対応する期間をカウントするカウンタと、上記被測
定コンデンサに並列接続した補助コンデンサとからな
り、上記バッファが出力する上記検出出力で上記第１ス
イッチ素子をオフさせると同時に上記第２スイッチ素子
をオンさせ、上記被測定コンデンサの放電により上記検
出出力が解除されると上記第１スイッチ素子をオンさせ
ると同時に上記第２スイッチ素子をオフさせるように構
成した。

【０００９】第２の発明は、第３スイッチ素子を介して
所定電圧に充電される被測定コンデンサと、該被測定コ
ンデンサの電荷を放電するために第４のスイッチ素子を
介して接続された定電流源と、該被測定用コンデンサの
放電電圧が基準値になるとこれを検出する比較器と、該
比較器の出力の上記被測定コンデンサの上記所定電圧か
ら上記基準値にまで達する放電時間に対応する期間をカ
ウントするカウンタと、上記被測定コンデンサに並列接
続した補助コンデンサとからなり、上記第３スイッチ素
子をオンさせると共に上記第４スイッチ素子をオフさせ
て上記充電を行い、上記第３スイッチ素子をオフさせる
と共に上記第４スイッチ素子をオンさせて上記放電を行
うように構成した。

【００１０】本発明では、上記カウンタが検出したデー
タを入力するレンジ制御部を設けて、該レンジ制御部に
よって上記補助コンデンサの静電容量値、上記定電流源
の電流値、及び／又は上記カウンタを動作させるクロッ
ク周波数が切り替えられるようにすることが好ましい。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１はその第１の実施例の静電容量測定装置のブロック図
である。１は出力する定電流Ｉの値を変化可能な定電流
源であり、スイッチ２を介して被測定コンデンサ３（容
量がＣｘ）に接続されている。４は演算増幅器からなる
比較器で、その非反転入力端子には抵抗５、６により電
源電圧Ｖｄｄを分割して得た基準電圧Ｖｒが印加し、反
転入力端子には被測定コンデンサ３の充電電圧Ｖａが印
加する。７は該被測定コンデンサ３に並列接続された可
変容量ネットワークからなる補助コンデンサ（容量がＣ
ｏ）である。８は両コンデンサ３、７の充電電荷を放電
させるためのスイッチである。９は比較器４の充電検出
出力を所定時間ｔだけ遅延するための反転バッファであ
り、その遅延時間はコンデンサ３、７の放電時間よりも
長い時間に設定され、その出力信号によりスイッチ２、
８が切り替えられる。

【００１２】１０は反転バッファ９の出力信号の内、コ
ンデンサ３、７の充電／放電の充電期間に相当する期間
をクロックでカウントする周期カウンタ、１１はそのた
めの基準クロックを発生するクロック発振器、１２は被
測定コンデンサ３の容量を表示するための表示部であ
る。１３はレンジ制御部であって、周期カウンタ１０の
検出周期データに応じて、定電流源１の定電流Ｉの値、
補助コンデンサ７の容量Ｃｏの値、クロック発振器１１
の発振周波数等を制御する。

【００１３】次に測定動作を説明する。最初にスイッチ
２がオン、８がオフにセットされることにより、両コン
デンサ３、７に定電流源１から定電流Ｉが充電される。
この充電動作が進行してすると電圧Ｖａが上昇してい
き、その電圧Ｖａが比較器４の非反転入力端子の基準電
圧Ｖｒを越えると、その比較器４の出力電圧Ｖｂが
「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化する。このときの
出力電圧Ｖｂは充電検出出力電圧である。そして、それ
から時間ｔだけ遅れたタイミングで反転バッファ９の出
力電圧Ｖｃが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化す
る。

【００１４】この結果、スイッチ２がオフ、スイッチ８
がオンとなって、両コンデンサ３、７の電荷が放電され
る。よって、電圧Ｖａが電圧Ｖｒ以下に低下して、比較
器４の出力電圧Ｖｂが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに
変化する。そして、この変化が上記時間ｔだけ遅れて反
転バッファ９の出力側に電圧Ｖｃとして現れる。

【００１５】よって、スイッチ２がオン、スイッチ８が
オフとなって最初の状態に戻り、コンデンサ３、７への
充電が開始され、以上の動作、つまり発振動作が繰り返
される。

【００１６】図２は上記動作を表すタイミングチャート
であり、反転バッファ９の出力電圧Ｖｃは、上記遅延時
間ｔと、零から電圧Ｖｒにまで充電する時間に相当する
時間Ｔを加算した時間を１周期とするパルス電圧とな
る。そこで、このパルス電圧Ｖｃの時間Ｔを周期カウン
タ１０でカウントすることにより、その時間Ｔが得られ
るので、充電定電流Ｉ、被測定コンデンサ３の静電容量
Ｃｘ、補助コンデンサ７の静電容量Ｃｏとの間には、 Ｃｘ＋Ｃｏ＝Ｉ・Ｔ／Ｖｒ （３） の関係が成立し、この式（３）から、 Ｃｘ＝Ｉ・Ｔ／Ｖｒ−Ｃｏ （４） として、被測定コンデンサ３の容量Ｃｘを得ることがで
きる。この演算は周期カウンタ１０内に設けた演算部
（図示せず）で行われ、その結果が表示部１２で静電容
量値として表示される。

【００１７】このとき、被測定コンデンサ３と補助コン
デンサ７の容量合計値が小さいとき、つまり被測定コン
デンサＣｘが微少容量のときは、周期カウンタ１０で計
測される周期Ｔそのものが短くなって、クロック発振器
１１から出力するクロックパルスのカウント数が少なく
なるので、測定誤差が大きくなり、また浮遊容量の影響
も受ける。

【００１８】そこで、このような場合には、その周期カ
ウンタ１０から周期データを受けるレンジ制御部１３に
よって補助コンデンサ７の容量Ｃｏが大きくなるように
制御することにより、被測定コンデンサ３と補助コンデ
ンサ７の容量合計値（Ｃｘ＋Ｃｏ）を大きくすることが
でき、これによって周期Ｔを所定の範囲内にし留めて、
測定誤差が大きくなることを防止できる。なお、このと
き定電流源１の定電流Ｉの値が小さくなるように制御し
ても周期カウンタ１０の入力信号の周期Ｔを大きくでき
るので、同様な効果がある。

【００１９】また、上記と逆に、被測定コンデンサ３と
補助コンデンサ７の容量合計値が大きいとき、つまり被
測定コンデンサ３の容量が大容量のときは、周期カウン
タ１０で計測される周期Ｔそのものが長くなって、その
期間をカウントする時間が長くかかるようになる。

【００２０】そこで、このような場合には、レンジ制御
部１３によってクロック発振器１１をその発振周波数が
高くなるように制御することにより、カウントに要する
時間を短くできる。なお、このとき可変定電流源１の定
電流Ｉの値を大きくしても、また補助コンデンサ７の値
を小さくしても、周期カウンタ１０に入力する信号の周
期Ｔが短くなり、短時間にそのカウントができる。ただ
し、定電流Ｉを大きくすることは、消費電流が大きくな
る問題がある。

【００２１】また、従来では、被測定コンデンサ３の非
接地側から周期カウンタ１０の入力側までのループが直
流的に安定してしまうポイントが必ず存在したので発振
ができなくなることがあったが、この実施例ではスイッ
チ２を挿入したので、直流的安定点はなくなり発振を安
定して継続させることができる。

【００２２】なお、反転バッファ９は、遅延を利用する
ものに代えて、比較器４の出力電圧が「Ｈ」から「Ｌ」
に変化すると、それから時間ｔだけのパルス幅のパルス
を出力するワンショットマルチ等からなるバッファを利
用しても良い。

【００２３】図３はこの静電容量測定回路の具体的な回
路図である。ここでは、定電流源１を、カレントミラー
回路を構成するＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１０１、１０
２、４個の抵抗１０３〜１０６、及び４個のスイッチ１
０７〜１１０から構成し、レンジ制御部１３から出力す
る制御信号ＲＣによりそのスイッチ１０７〜１１０を切
り替えて基準電流Ｉｏを切り替え、出力する定電流Ｉを
切り替えるようにしている。

【００２４】また、スイッチ２はＰチャンネルＭＯＳＦ
ＥＴ２０１で、スイッチ８はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ
８０１で構成している。更に、補助コンデンサ７は、４
個のコンテンサ７０１〜７０４と５個のスイッチ７０５
〜７０８で構成し、レンジ制御部１３から出力する制御
信号ＲＣによりそのスイッチ７０５〜７０８で切り替え
てその容量値Ｃｏを設定できるようにしている。更に、
反転バッファ９は３個のインバータ９０１〜９０３を直
列接続して構成し、その各インバータ９０１〜９０３の
動作遅れを利用している。

【００２５】なお、定電流回路１としては、図３に示し
たものの他に図４に示すように、４個のＰチャンネルＦ
ＥＴ１１１〜１１４を使用したものでも良い。この回路
では、抵抗１１５の値をレンジ制御部１３から出力する
制御信号ＲＣにより切り替えることより、出力定電流Ｉ
を切り替えることができる。

【００２６】図５は第２の実施例の静電容量測定装置の
充放電回路部分を示す図である。ここでは、被測定コン
デンサ３への充電電源として定電圧源１４をスイッチ１
５を介して接続し、放電回路としてスイッチ１６を介し
て定電流源１７を接続している。また、反転バッファは
使用せず、比較器９の出力電圧Ｖｂはそのまま周期カウ
ンタ１０に入力させている。また、スイッチ１４、１６
のオン／オフ制御はレンジ制御部１３のゲート信号Ｇで
行っている。なお、定電圧源１５の出力電圧、定電流源
１７の出力定電流、補助コンデンサ７の容量Ｃｏ等もレ
ンジ制御部１３のレンジ制御信号ＲＣで切り替えてい
る。

【００２７】この装置では、図６のタイミングチャート
に示すように、ゲート信号Ｇによってスイッチ１４をオ
ン、スイッチ１６をオフにすれば、両コンデンサ３、７
が充電されてその電圧Ｖａが定電圧源１４の出力電圧Ｖ
ｏ（＞Ｖｒ）にまで上昇し、比較器４の出力電圧Ｖｂが
「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化する。次に、この
後にゲート信号Ｇを反転してスイッチ１４をオフ、スイ
ッチ１６をオンにすれば、こんどは両コンデンサ３、７
の充電電荷が定電流源１７の定電流によって放電され
る。この放電によって、両コンデンサ３、７の電圧Ｖａ
が比較器４の基準電圧Ｖｒに低下するまでの時間をＴと
すると、次の式（５）の関係が成立するので、 Ｃｘ＋Ｃｏ＝Ｉ・Ｔ／（Ｖｏ−Ｖｒ） （５） Ｃｘ＝Ｔ・Ｉ／（Ｖｏ−Ｖｒ）−Ｃｏ （６） この式（６）から被測定コンデンサ３の容量Ｃｘを知る
ことができる。

【００２８】この時間Ｔはゲート信号Ｇを反転した時点
から比較器４の出力電圧Ｖｂが反転するまでの時間であ
り、レンジ制御部１３からのゲート信号Ｇを周期カウン
タ１０に取り込むことでその周期Ｔを計測できる。得ら
れる周期Ｔに応じて、レンジ制御部１３より定電圧源１
５の出力電圧Ｖｏを切り替えたり、定電流源１７の出力
定電流Ｉを切り替えたり、補助コンデンサ７の容量Ｃｏ
を切り替えることは、前述した実施例と同様である。

【００２９】図７は図５の装置の具体的回路図である。
ここでは、スイッチ１４にＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１
４０１を、スイッチ１６にＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１
６０１を使用している。定電流源１７は、基準側をＮチ
ャンネルＭＯＳＦＥＴ１７０１と抵抗１７０２で構成
し、出力側は基準側のＦＥＴ１７０１と同一又は異なる
面積比の４個のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１７０３〜１
７０６及びレンジ制御信号ＲＣで切り替えられるスイッ
チ１７０７〜１７１０で構成している。

【００３０】

【発明の効果】以上から本発明によれば、安定して確実
に被測定コンデンサの容量を測定することができる。ま
た、補助コンデンサを使用するので、被測定コンデンサ
の容量の大小に拘らず、高い精度でその容量の測定が行
えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例の静電容量測定回路の
ブロック図である。

【図２】 同回路の動作説明のためのタイミングチャー
トである。

【図３】 同回路の具体的回路図である。

【図４】 定電流回路の別の回路図である。

【図５】 本発明の第２の実施例の静電容量測定回路の
ブロック図である。

【図６】 同回路の動作説明のためのタイミングチャー
トである。

【図７】 同回路の具体的回路図である。

【符号の説明】

１：定電流源、２：スイッチ、３：被測定コンデンサ、
４：比較器、５、６：抵抗、７：補助コンデンサ、８：
スイッチ、９：反転バッファ、１０：周期カウンタ、１
１：クロック発振器、１２：表示器、１３：レンジ制御
部、１４：スイッチ、１５：定電圧源、１６：スイッ
チ、１７：定電流源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１スイッチを介して定電流源からの定
   電流で充電される被測定コンデンサと、該被測定コンデ
   ンサの電荷を放電するための第２スイッチ素子と、上記
   被測定コンデンサの充電電圧が基準値になるとこれを検
   出する比較器と、該比較器の該検出出力を所定時間だけ
   遅延又は保持するバッファと、該バッファの出力の上記
   被測定用コンデンサの充電開始から上記基準値までに達
   する充電時間に対応する期間をカウントするカウンタ
   と、上記被測定コンデンサに並列接続した補助コンデン
   サとからなり、 上記バッファが出力する上記検出出力で上記第１スイッ
   チ素子をオフさせると同時に上記第２スイッチ素子をオ
   ンさせ、上記被測定コンデンサの放電により上記検出出
   力が解除されると上記第１スイッチ素子をオンさせると
   同時に上記第２スイッチ素子をオフさせるようにしたこ
   とを特徴とする静電容量測定装置。
2. 【請求項２】 第３スイッチ素子を介して所定電圧に充
   電される被測定コンデンサと、該被測定コンデンサの電
   荷を放電するために第４のスイッチ素子を介して接続さ
   れた定電流源と、該被測定用コンデンサの放電電圧が基
   準値になるとこれを検出する比較器と、該比較器の出力
   の上記被測定コンデンサの上記所定電圧から上記基準値
   にまで達する放電時間に対応する期間をカウントするカ
   ウンタと、上記被測定コンデンサに並列接続した補助コ
   ンデンサとからなり、 上記第３スイッチ素子をオンさせると共に上記第４スイ
   ッチ素子をオフさせて上記充電を行い、上記第３スイッ
   チ素子をオフさせると共に上記第４スイッチ素子をオン
   させて上記放電を行うことを特徴とする静電容量測定装
   置。
3. 【請求項３】 上記カウンタが検出したデータを入力す
   るレンジ制御部を設けて、該レンジ制御部によって上記
   補助コンデンサの静電容量値、上記定電流源の電流値、
   及び／又は上記カウンタを動作させるクロック周波数が
   切り替えられるようにしたことを特徴とする請求項１又
   は２に記載の静電容量測定装置。