特開 2023-107029 インピーダンス測定装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023107029

(43)【公開日】2023-08-02

(54)【発明の名称】インピーダンス測定装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/02 20060101AFI20230726BHJP

【ＦＩ】

G01R27/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022008111

(22)【出願日】2022-01-21

(71)【出願人】

【識別番号】000227180

【氏名又は名称】日置電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】羽田 一暁

(72)【発明者】

【氏名】横山 智大

【テーマコード（参考）】

2G028

【Ｆターム（参考）】

2G028AA01

2G028CG08

2G028CG18

2G028DH05

2G028FK01

2G028GL03

2G028GL11

2G028HN11

2G028HN13

(57)【要約】

【課題】測定周波数近傍のノイズの影響を抑制し、高精度な測定が可能なインピーダンス測定装置を提供する。
【解決手段】上記課題は、第１の参照信号、および、第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生する信号発生部（３０）と、第２の参照信号に基づいて測定信号を生成し、測定対象に供給する測定信号供給部（１０）と、測定信号によって測定対象に生ずる信号を、第１の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成する測定部（２０）と、第１の参照信号と第２の参照信号とが同相のときの濾波信号の大きさと、第１の参照信号と第２の参照信号とが逆相のときの濾波信号を符号反転した大きさとの加算平均に基づいて、測定対象のインピーダンスを求める演算部（４０）とを備えるインピーダンス測定装置（１）等により解決することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の参照信号、および、前記第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生する信号発生部と、
前記第２の参照信号に基づいて測定信号を生成し、測定対象に供給する測定信号供給部と、
前記測定信号よって前記測定対象に生ずる信号を、前記第１の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成する測定部と、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが同相のときの前記濾波信号の大きさと、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが逆相のときの前記濾波信号を符号反転した大きさとの加算平均に基づいて、前記測定対象のインピーダンスを求める演算部と、
を備える、インピーダンス測定装置。

【請求項2】

第１の参照信号、および、前記第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生する信号発生部と、
前記第２の参照信号に基づいて測定信号を生成し、測定対象に供給する測定信号供給部と、
前記測定信号よって前記測定対象に生ずる信号を、前記第２の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成する測定部と、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが同相のときの前記濾波信号の大きさと、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが逆相のときの前記濾波信号の大きさとの加算平均に基づいて、前記測定対象のインピーダンスを求める演算部と、
を備える、インピーダンス測定装置。

【請求項3】

前記反転周期は、前記測定信号の周期の整数倍であり、
前記演算部は、前記反転周期の整数倍の測定期間にわたる加算平均に基づいて、前記測定対象のインピーダンスを求める、
請求項１または２記載のインピーダンス測定装置。

【請求項4】

第１の参照信号、および、前記第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生するステップと、
前記第２の参照信号に基づいて測定信号を生成して、測定対象に供給するステップと、
前記測定信号によって前記測定対象に生ずる信号を、前記第１の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成するステップと、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが同相のときの前記濾波信号の大きさと、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが逆相のときの前記濾波信号を符号反転した大きさとの加算平均に基づいて、前記測定対象のインピーダンスを求めるステップと、
を含む、方法。

【請求項5】

第１の参照信号、および、前記第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生するステップと、
前記第２の参照信号に基づいて測定信号を生成して、測定対象に供給するステップと、
前記測定信号によって前記測定対象に生ずる信号を、前記第２の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成するステップと、
前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが同相のときの前記濾波信号の大きさと、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号とが逆相のときの前記濾波信号の大きさとの加算平均に基づいて、前記測定対象のインピーダンスを求めるステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インピーダンス測定装置および方法に関し、同期検波を利用した４端子インピーダンス測定装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

被測定物の内部インピーダンスを測定する装置として、４端子インピーダンス測定装置がある。４端子インピーダンス測定装置は、測定対象に電流源から交流の測定信号を供給し、測定信号によって測定対象に生ずる信号を検出し、測定対象に流れる電流と測定対象の両端子間電圧とから、測定対象の内部インピーダンスを求める。

【0003】

このとき、検出信号に含まれる測定周波数成分を精度よく抽出するために、特許文献１に記載されているような同期検波が利用されることがある。同期検波を利用した４端子インピーダンス測定は、まず、測定信号によって測定対象に生じる検出信号を、測定信号と同一の周波数で位相が９０度異なる２つの変調信号で検波する。すると、検出信号に含まれる測定周波数成分は直流に変換されるため、同相の変調信号で検波した検波信号には、測定対象の抵抗成分に比例する直流成分が含まれる。また、検出信号を測定信号と直交する位相で検波した検波信号には、測定対象のリアクタンス成分に比例する直流成分が含まれる。それぞれの検波信号をローパスフィルタ（ＬＦＰ）で濾波して直流成分を抽出してその大きさを測定し、数値処理を行うことにより、測定対象の内部インピーダンスを求めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５９４０３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

検波信号には、検出信号の周波数と測定信号の周波数との差の周波数成分が含まれるため、検出信号に含まれるノイズの周波数が測定周波数と近いほど低周波に変調されてしまい、ＬＰＦによる除去が困難になるという課題がある。例えば、複数のインピーダンス測定装置を用いて並行してインピーダンス測定を行う場合には、測定装置間で相互干渉が生じるが、自身の測定周波数と他の測定器の測定周波数に起因する外部ノイズ周波数との差に下限がない場合、ＬＰＦにより干渉の影響を除去することは実質的に不可能である。

【0006】

この干渉の影響を低減するために、複数の測定装置の測定信号を同期させることが考えられる。しかしながら、同期を行うためには測定装置間で正確な通信を行う必要があり、測定装置のハードウェア・ソフトウェアが煩雑になり、さらに測定装置が組み込まれる検査システムにとっても配線が増えるという問題がある。

【0007】

また、信号処理などで干渉の影響を補償する方法も考えられる。しかしながら、干渉の影響量は、測定ケーブルの作るループ形状や周囲の金属との位置関係による磁気結合の状態、干渉相手の測定信号の状態などで変動してしまい、常に一定の影響量を保つことは容易でないため、高精度な補償を行うことは非常に困難である。

【0008】

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、測定周波数近傍のノイズの影響を抑制し、高精度なインピーダンス測定を可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題は、第１の参照信号、および、第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生する信号発生部と、第２の参照信号に基づいて測定信号を生成し、測定対象に供給する測定信号供給部と、測定信号によって測定対象に生ずる信号を、第１の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成する測定部と、第１の参照信号と第２の参照信号とが同相のときの濾波信号の大きさと、第１の参照信号と第２の参照信号とが逆相のときの濾波信号を符号反転した大きさとの加算平均に基づいて、測定対象のインピーダンスを求める演算部とを備える、インピーダンス測定装置によって、解決することができる。

【0010】

すなわち、反転周期で反転する測定信号を、反転のない変調信号で同期検波した場合には、測定信号によって測定対象に生ずる信号成分（本来の測定信号成分）が反転周期ごとに反転し、ノイズ成分は反転しない。この濾波信号の符号を反転させると、本来の測定信号成分は反転周期ごとに反転せず、ノイズ成分のみが反転する。よって、反転周期で反転する前後で加算平均をとることによって、ノイズ信号を相殺することができる。そして、ノイズ信号が相殺された濾波信号の大きさに基づいて、測定対象のインピーダンスを求めることにより、測定周波数近傍のノイズの影響を抑制した高精度なインピーダンス測定が可能となる。なお、本願における「加算平均」とは、信号の大きさを加算して平均をとること（大きさの平均）と、所定期間にわたる大きさの平均を加算して平均をとること（大きさ及び時間的平均）のいずれの意味も含む。また、「同期検波」とは、測定信号によって測定対象に生じる検出信号を、測定信号と同一周波数で位相が９０度異なる２つの変調信号で検波することを意味する。

【0011】

また、上記課題は、第１の参照信号、および、第１の参照信号の位相を所定の反転周期ごとに反転させた第２の参照信号を発生する信号発生部と、第２の参照信号に基づいて測定信号を生成し、測定対象に供給する電流供給部と、測定信号によって測定対象に生ずる信号を、第２の参照信号に基づいて生成された変調信号で同期検波し、さらに低域通過濾波した濾波信号を生成する測定部と、第１の参照信号と第２の参照信号とが同相のときの濾波信号の大きさと、第１の参照信号と第２の参照信号とが逆相のときの濾波信号の大きさとの加算平均に基づいて、測定対象のインピーダンスを求める演算部とを備える、インピーダンス測定装置によっても、解決することができる。

【0012】

すなわち、反転周期で反転する測定信号を、反転周期ごとに反転する変調信号で同期検波した場合には、本来の測定信号成分は反転せず、ノイズ成分のみが反転周期ごとに反転する。よって、位相の反転前後で加算平均をとることによって、ノイズ信号を相殺することができる。そして、ノイズ信号が相殺された濾波信号の大きさに基づいて、測定対象のインピーダンスを求めることにより、測定周波数近傍のノイズの影響を抑制した高精度なインピーダンス測定が可能となる。

【0013】

ここで、反転周期は、測定対象に供給する測定信号の周期の整数倍であり、かつ、演算部は、反転周期の整数倍の測定期間にわたる加算平均に基づいて、測定対象のインピーダンスを求めることが望ましい。測定信号の周期単位の時間的な平均をとることにより、測定周波数に近い周波数を有するノイズ信号をさらに抑制することが可能となる。

【0014】

さらに、上記課題は、上述した信号発生部、電流供給部、測定部および演算部の各機能を実施する方法によっても解決することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係るインピーダンス測定装置によれば、測定周波数近傍のノイズの影響を抑制し、高精度なインピーダンス測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係るインピーダンス測定装置１を測定対象に接続した状態の概略構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係るインピーダンス測定装置１の動作フローチャートである。

【図3】インピーダンス測定装置１に関して、測定対象に供給する測定信号、外部ノイズ、および参照信号の説明図である。

【図4】本発明の実施形態に係るインピーダンス測定装置１’を測定対象に接続した状態の概略構成図である。

【図5】本発明の実施形態に係るインピーダンス測定装置１’の動作フローチャートである。

【図6】インピーダンス測定装置１’に関して、測定対象に供給する測定信号、外部ノイズ、および参照信号の説明図である。

【図7】複数のインピーダンス測定の概略構成図である。

【図8】複数のインピーダンス測定の測定結果である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態の具体例について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一例であるインピーダンス測定装置１を、測定対象６０に接続した状態の概略構成図である。このようなインピーダンス測定装置には、例えば、蓄電池を測定対象とするバッテリテスタ、コイル・コンデンサ・抵抗などの受動部品を測定対象とするＬＣＲメータ、コンデンサ専用のＣメータなどがある。

【0018】

インピーダンス測定装置１は、測定信号供給部１０と、測定部２０と、信号発生部３０と、演算部４０とを備える。インピーダンス測定装置１は、測定信号供給部１０から測定用の測定信号Ｉｍを、測定対象６０の両端子のそれぞれに接触する接触端子５１、５３を介して、測定対象６０に供給し、測定部２０で、測定信号Ｉｍによって測定対象６０の両端子のそれぞれに接触する接触端子５２、５４間に生ずる信号Ｖｍを検出し、演算部４０で、測定対象６０に供給された測定信号Ｉｍの大きさと検出信号Ｖｍの大きさとに基づいて、測定対象６０の内部インピーダンスＺおよび位相角θを求める装置である。測定信号Ｉｍの基準となる参照信号Ｖｒ２と、検出信号Ｖｍを検波するための変調信号Ｖｍｏｄ１、Ｖｍｏｄ２の基準となる参照信号Ｖｒ１とは、信号発生部３０で発生される。

【0019】

測定信号供給部１０は、信号発生部３０および接触端子５１、５３に接続され、信号発生部３０から入力された参照信号Ｖｒ２と同相の測定信号Ｉｍを生成する信号源を備える。生成された測定信号Ｉｍは、接触端子５１、５３を介して、接触端子５１、５３に接続された測定対象６０に供給される。

【0020】

測定部２０は、信号発生部３０、演算部４０および接触端子５２、５４に接続され、検出回路２１と、９０度移相器２６と、２つのローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４、２５と、２つの乗算器２２、２３とを備える。

【0021】

検出回路２１は、入力が接触端子５２、５４に、出力が乗算器２２、２３に接続されている。検出回路２１は、測定信号Ｉｍによって測定対象６０の両端子のそれぞれに接触する接触端子５２、５４間に生ずる信号を検出して、検出信号Ｖｍを出力する。

【0022】

９０度移相器２６は、入力が信号発生部３０に、出力が乗算器２３に接続されている。９０度移相器２６は、信号発生部３０から受信した参照信号Ｖｒ１の位相を９０度移相して、変調信号Ｖｍｏｄ２を生成する。

【0023】

乗算器２２は、入力が検出回路２１および信号発生部３０に、出力がＬＰＦ２４に接続されている。乗算器２２は、信号発生部３０から受信した参照信号Ｖｒ１と同相の変調信号Ｖｍｏｄ１で、検出回路２１から受信した検出信号Ｖｍを検波し、検波信号Ｖｄ１を出力する。乗算器２３は、入力が検出回路２１および９０度移相器２６に、出力がＬＰＦ２５に接続されている。乗算器２３は、９０度移相器２６から受信した、参照信号Ｖｒ１と位相が直交する変調信号Ｖｍｏｄ２で、検出回路２１から受信した検出信号Ｖｍを検波し、検波信号Ｖｄ２を出力する。

【0024】

ＬＰＦ２４、２５は、入力がそれぞれ対応する乗算器２２、２３に接続され、出力が演算部４０に接続されている。ＬＰＦ２４は、乗算器２２から出力された検波信号Ｖｄ１を低域通過濾波して直流成分を抽出した濾波信号Ｖｉを生成する。ＬＰＦ２５は、乗算器２３から出力された検波信号Ｖｄ２を低域通過濾波して直流成分を抽出した濾波信号Ｖｑを生成する。

【0025】

信号発生部３０は、入力が演算部４０に、出力が測定信号供給部１０および測定部２０に接続され、参照信号発生器３３と、位相反転器３１と、スイッチ３２とを備える。

【0026】

参照信号発生器３３は、入力が演算部４０に、出力が位相反転器３１と、スイッチ３２と、測定部２０の乗算器２２および９０度移相器２６とに接続されている。参照信号発生器３３は、演算部４０からの制御信号によって指示された周期および位相角の参照信号Ｖｒ１を発生する。

【0027】

位相反転器３１は、入力が参照信号発生器３３に、出力がスイッチ３２に接続されている。位相反転器３１は、参照信号発生器３３から受信した参照信号Ｖｒ１の位相を１８０度移相（反転）した参照信号を生成する。

【0028】

スイッチ３２は、入力の一端が参照信号発生器３３に、他端が位相反転器３１に、制御端子が演算部４０に、出力が測定信号供給部１０に接続されている。スイッチ３２は、演算部４０で生成された制御信号Ｖｓに基づいて、参照信号Ｖｒ１と同相の信号（正相）と、位相反転器３１が生成した参照信号Ｖｒ１と逆相の信号とを選択して、参照信号Ｖｒ２として出力する。

【0029】

演算部４０は、測定部２０から入力された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさをメモリに記録する。また、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が正相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑ（正相濾波信号）の大きさと、逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑ（逆相濾波信号）を符号反転した大きさとの加算平均とに基づいて、測定対象６０の内部インピーダンスＺおよび位相角θを求める。また、演算部４０は、参照信号発生器３３が発生する参照信号Ｖｒ１の周期および位相角を制御する信号や、スイッチ３２を所定の反転周期Ｔごとに切り替える制御信号Ｖｓを生成する。

【0030】

反転周期Ｔは、参照信号Ｖｒ１の周期（すなわち測定信号の周期）の整数倍となるように設定する。これにより、参照信号Ｖｒ１の各位相に対応する、正相濾波信号と逆相濾波信号の大きさを取得することが可能となる。また、測定期間は、反転周期Ｔの整数倍となるように設定する。さらに、測定期間を反転周期Ｔの偶数倍に設定すると、正相濾波信号の大きさを取得する測定期間と、逆相濾波信号の大きさを取得する測定期間とを等しくすることができる。

【0031】

なお、本実施例のインピーダンス測定装置１では、測定部２０の乗算器２２、２３、ＬＰＦ２４、２５および９０度移相器２６、ならびに演算部４０は、プロセッサとメモリとを備えるコンピュータで構成されている。すなわち、プロセッサで実行すると上述した測定部２０の各要素および演算部４０の各機能を実現する命令が記載されたプログラムがメモリに格納され、各プログラムをプロセッサで実行することにより、上述した測定部２０の各要素および演算部４０の機能を実現している。ただし、上述した測定部２０の各要素および演算部４０の一部または全てを電子回路や装置などのハードウェアで実現してもよい。上述したインピーダンス測定装置１の各要素間の接続関係の説明は、ハードウェア構成に対しては電気的・機械的な接続を、ソフトウェア構成に対しては処理の流れを意味する。

【0032】

次に、本実施例のインピーダンス測定装置１の動作、すなわち本発明のインピーダンス測定方法の実施態様の一例について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。

【0033】

はじめに、信号発生部３０が同相の参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２を発生する（ステップ１０１）。より具体的には、演算部４０からの制御信号に基づいて、参照信号発生器３３が、周波数ｆの参照信号Ｖｒ１＝ｓｉｎ２πｆｔ（ｔは時間）を発生し、スイッチ３２は正相入力を選択的に出力する。この結果、スイッチ３２からは参照信号Ｖｒ１と同相の参照信号Ｖｒ２＝ｓｉｎ２πｆｔが出力される。

【0034】

次に、測定信号供給部１０が、信号発生部３０から受信した参照信号Ｖｒ２と同相の測定信号Ｉｍ＝Ｉｓｉｎ２πｆｔを生成して、測定対象６０に供給する（ステップ１０２）。測定信号Ｉｍにより測定対象６０の両端子間には、測定対象６０のインピーダンスＺと位相角θに応じた電圧が生じる。検出回路２１により、測定対象６０の両端子のそれぞれに接触する接触端子５２、５４間に生ずる検出信号Ｖｍ＝ＺＩｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）を検出する（ステップ１０３）。

【0035】

次に、乗算器２２により、検出信号Ｖｍを、参照信号Ｖｒ１と同相の変調信号Ｖｍｏｄ１＝ｓｉｎ２πｆｔで変調すると、（１）式で示すように、測定対象６０のインピーダンスＺの抵抗成分Ｒ＝Ｚｃｏｓθに対応する直流成分と、周波数２ｆの交流成分とが重畳された検波信号Ｖｄ１が得られる（ステップ１０４）。

【0036】

【数1】

【0037】

また、乗算器２３により、検出信号Ｖｍを、９０度移相器２６で生成された、参照信号Ｖｒ１と位相が９０度異なる変調信号Ｖｍｏｄ２＝ｃｏｓ２πｆｔで変調すると、（２）式で示すように、測定対象６０のインピーダンスＺのリアクタンス成分Ｘ＝Ｚｓｉｎθに対応する直流成分と、周波数２ｆの交流成分とが重畳された検波信号Ｖｄ２が得られる（ステップ１０４）。

【0038】

【数2】

【0039】

次に、ＬＰＦ２４、２５により、検波信号Ｖｄ１、Ｖｄ２を低域通過濾波して、（３）式に示されるような、直流成分を抽出した濾波信号Ｖｉ、Ｖｑを生成する（ステップ１０５）。次に、演算部４０が、生成された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさを、検出時刻とともにメモリに格納する（ステップ１０６）。

【0040】

【数3】

【0041】

インピーダンス測定装置１の外部からのノイズが無い場合には、濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の瞬時値から測定対象６０のインピーダンスＺ（ＲおよびＸ）および位相角θを求めることができる。なお、測定信号Ｉｍの値が既知でなくとも、同期検波による方法で測定信号の振幅・位相を測定すれば、電圧・電流それぞれの値に基づいて、インピーダンスＺ（ＲおよびＸ）および位相角θを求めることができる。

【0042】

ここで、検出信号Ｖｍに周波数ｆｎの外部ノイズＶｎｓｉｎ（２πｆｎｔ＋φ）が含まれると、外部ノイズＶｎの検波信号には（４）式に示す成分信号が含まれる。

【0043】

【数4】

【0044】

（４）式の右辺第１項から明らかなとおり、検波信号には、外部ノイズの周波数ｆｎと変調信号Ｖｍｏｄ１の周波数ｆとの差の周波数成分が含まれる。複数のインピーダンス測定装置を用いて並行してインピーダンス測定を行う場合に生じ得る測定装置間の相互干渉のように、外部ノイズＶｎの周波数ｆｎが変調信号Ｖｍｏｄ１に近いと、ＬＰＦ２４、２５によって外部ノイズＶｎを十分に除去することが困難になり、濾波信号に（４）式の右辺第１項の低域成分が含まれる。このような濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの測定値から測定対象６０のインピーダンスＺ（ＲおよびＸ）および位相角θを求めると、測定誤差が大きくなってしまう。このため、インピーダンス測定装置１では、（４）式の右辺第１項の低域成分と位相が逆の低域成分を生成して加算平均をとることにより、右辺第１項の低域成分を相殺して、外部ノイズＶｎによる影響を抑制する。

【0045】

具体的には、まず、前述したステップ１０２からステップ１０６までの動作を、所定のサンプリング周期ごとに、反転周期Ｔにわたって繰り返し実施する（ステップ１０７）。反転周期Ｔは、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の周期の整数倍に設定することが望ましい。これにより、参照信号Ｖｒ１の各位相に対応する、濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の時間的変化をメモリに記録することができる。本実施例のインピーダンス測定装置１では、反転周期Ｔを参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の周期の２倍に設定している。反転周期Ｔは、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の１０周期、１００周期など適宜設定可能である。

【0046】

所定の反転周期Ｔが経過すると、演算部４０は、スイッチ３２を切り替える制御信号Ｖｓを送信する。すると、スイッチ３２は逆相入力を選択的に出力する。この結果、スイッチ３２からは、参照信号Ｖｒ１とは逆相の参照信号Ｖｒ２＝－ｓｉｎ２πｆｔが出力される（ステップ１０８）。

【0047】

その後、所定の測定期間が終了したか否かが判定される（ステップ１０９）。測定期間は、反転周期Ｔの整数倍に設定することが望ましい。特に、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさと、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑを符号反転した大きさとの時間的な加算平均をとるためには、測定期間が等しい同相および逆相の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさの記録があることが望ましいことから、測定期間は、反転周期Ｔの偶数倍に設定することが望ましい。本実施例のインピーダンス測定装置１では、測定期間を反転周期Ｔの２倍、したがって参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の４周期分に相当する期間に設定している。

【0048】

ステップ１０２～１０８の１回目の処理を終えた時点では、反転周期１周期分の測定しか行っていないことから、ステップ１０２に戻って、ステップ１０２～１０８の動作を繰り返す。ただし、２回目の処理では、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相となっている。

【0049】

図３に測定対象６０に供給する測定信号Ｉｍと、外部ノイズＶｎと、変調信号Ｖｍｏｄ１の時間的な変化を示す。時間０～Ｔが１回目の処理に、時間Ｔ～２Ｔが２回目の処理に対応する。変調信号Ｖｍｏｄ１は、参照信号Ｖｒ１に基づく信号であることから、１回目の処理と２回目の処理とで位相変化はないが、測定信号Ｉｍは、参照信号Ｖｒ２に基づく信号であることから、１回目の処理と２回目の処理とで逆相となっている。したがって濾波信号Ｖｉ、Ｖｑに含まれる、測定対象６０のインピーダンスＺに比例する成分は、１回目の処理と２回目の処理とで逆相となる。これに対して、検波信号に含まれる外部ノイズＶｎに起因する成分は、測定信号Ｉｍの位相の影響を受けないため、１回目の処理と２回目の処理とで同相となる。

【0050】

【数5】

【0051】

ステップ１０２～１０８の２回目の処理が終わると、反転周期Ｔの２倍の測定時間が経過したことから、測定期間が終了する（ステップ１０９）。この結果、メモリ内には、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のときの参照信号２周期分の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の時間的変化と、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のときの参照信号２周期分の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の時間的変化とが記録される。

【0052】

次に、演算部４０のプロセッサは、メモリ内から濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧を読み出して、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧を符号反転させて、加算平均をとる（ステップ１１０）。２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさと、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑを符号反転した大きさとの加算平均をとることにより、（４）式および（４’）式の右辺第１項に相当する成分を相殺して、外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさを取得することができる。

【0053】

なお、本実施例のインピーダンス測定装置１では、メモリ内に格納された全測定期間にわたる濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさの加算平均を算出しているが、測定期間のうち、参照信号Ｖｒ１が同一の位相にあるときの同相濾波信号と逆相濾波信号のセットを１つまたは複数取得して、各濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの加算平均を算出してもよい。例えば、ステップ１０２～１０８の１回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／４のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさ、およびステップ１０２～１０８の２回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／４のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさで構成される、合計４つの濾波信号の大きさをメモリから取得し、１回目の処理の濾波信号Ｖｉの大きさと２回目の処理の濾波信号Ｖｉを符号反転した大きさとを加算平均して、外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｉの大きさを求める。また、１回目の処理の濾波信号Ｖｑの大きさと２回目の処理の濾波信号Ｖｑを符号反転した大きさとを加算平均して、外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｑの大きさを求める。

【0054】

別例として、１回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／４のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさ、および２回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／４のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさからなる第１のセットと、１回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／２のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさ、および２回目の処理における参照信号Ｖｒ１の位相がπ／２のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさからなる第２のセットとで構成される、合計８つの濾波信号の大きさをメモリから読み出す。取得した濾波信号の大きさに含まれる４つの濾波信号Ｖｉの大きさを、２回目の処理の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑのみ符号反転して加算平均（大きさ及び時間的平均）をとって外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｉの大きさを求める。また、４つの濾波信号Ｖｑの大きさを、２回目の処理の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑのみ符号反転して加算平均（大きさ及び時間的平均）をとって外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｑの大きさを求める。

【0055】

最後に、演算部４０のプロセッサは、ステップ１１０で求められた加算平均、すなわち外部ノイズＶｎが相殺された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさから、測定対象６０のインピーダンスＺ（ＲおよびＸ）および位相角θを算出する（ステップ１１１）。

【0056】

図４および図５に、本発明の別の実施形態であるインピーダンス測定装置１’を、測定対象６０に接続した状態の概略構成図と動作フローチャートを示す。インピーダンス測定装置１’は、信号発生部３０’の位相反転器３１とスイッチ３２の位置と、演算部４０’による図２のステップ１１０の動作が、インピーダンス測定装置１と異なるが、他の構成はインピーダンス測定装置１と同様である。このため、インピーダンス測定装置１と同一の機能や動作を示す構成や動作については、同一の参照符号を付して、説明を省く。

【0057】

信号発生部３０’は、入力が演算部４０’に、出力が測定信号供給部１０および測定部２０に接続され、参照信号発生器３３と、位相反転器３１と、スイッチ３２とを備える。

【0058】

参照信号発生器３３は、入力が演算部４０’に、出力が位相反転器３１と、スイッチ３２とに接続されている。参照信号発生器３３は、演算部４０’からの制御信号によって指示された周期および位相角の参照信号Ｖｒ１を発生する。

【0059】

位相反転器３１は、入力が参照信号発生器３３に、出力がスイッチ３２に接続されている。位相反転器３１は、参照信号発生器３３から受信した参照信号Ｖｒ１の位相を１８０度移相（反転）した参照信号を生成する。

【0060】

スイッチ３２は、入力の一端が参照信号発生器３３に、他端が位相反転器３１に、制御端子が演算部４０’に、出力が測定信号供給部１０と測定部２０の乗算器２２および９０度移相器２６に接続されている。スイッチ３２は、演算部４０’で生成された制御信号Ｖｓに基づいて、参照信号Ｖｒ１と同相の信号（正相）と、位相反転器３１が生成した参照信号Ｖｒ１と逆相の信号とを選択して、参照信号Ｖｒ２として出力する。

【0061】

演算部４０’は、測定部２０から入力された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさを求めてメモリに記録する。また、参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が正相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑ（正相濾波信号）の大きさと、逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑ（逆相濾波信号）の大きさとの加算平均とに基づいて、測定対象６０の内部インピーダンスＺおよび位相角θを求める。また、演算部４０’は、参照信号発生器３３が発生する参照信号Ｖｒ１の周期および位相角を制御する信号や、スイッチ３２を所定の反転周期Ｔごとに切り替える制御信号Ｖｓを生成する。

【0062】

なお、本実施例のインピーダンス測定装置１’では、測定部２０の乗算器２２、２３、ＬＰＦ２４、２５および９０度移相器２６、ならびに演算部４０は、プロセッサとメモリを備えるコンピュータで構成されている。すなわち、プロセッサで実行すると上述した測定部２０の各要素および演算部４０’の各機能を実現する命令が記載されたプログラムがメモリに格納され、各プログラムをプロセッサで実行することにより、上述した測定部２０の各要素および演算部４０’の機能を実現している。ただし、上述した測定部２０の各要素および演算部４０’の一部及び全てを電子回路や装置などのハードウェアで実現してもよい。上述したインピーダンス測定装置１’の各要素間の接続関係の説明は、ハードウェア構成に対しては電気的・機械的な接続を、ソフトウェア構成に対しては処理の流れを意味する。

【0063】

次に、本実施例のインピーダンス測定装置１’の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

【0064】

はじめに、信号発生部３０’が同相の参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２を発生する（ステップ１０１）。より具体的には、演算部４０’からの制御信号に基づいて、参照信号発生器３３が、周波数ｆの参照信号Ｖｒ１＝ｓｉｎ２πｆｔ（ｔは時間）を発生し、スイッチ３２は正相入力を選択的に出力する。この結果、スイッチ３２からは参照信号Ｖｒ１と同相の参照信号Ｖｒ２＝ｓｉｎ２πｆｔが出力される。

【0065】

次に、測定信号供給部１０が、信号発生部３０’から受信した参照信号Ｖｒ２と同相の測定信号Ｉｍ＝Ｉｓｉｎ２πｆｔを生成して、測定対象６０に供給する（ステップ１０２）。測定信号Ｉｍにより測定対象６０の両端子間には、測定対象６０のインピーダンスＺと位相角θに応じた電圧が生じる。検出回路２１により、測定対象６０の両端子のそれぞれに接触する接触端子５２、５４間に生ずる検出信号Ｖｍ＝ＺＩｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）を検出する（ステップ１０３）。

【0066】

次に、乗算器２２により、検出信号Ｖｍを、参照信号Ｖｒ２と同相の変調信号Ｖｍｏｄ１＝ｓｉｎ２πｆｔで変調すると、測定対象６０のインピーダンスＺの抵抗成分Ｒ＝Ｚｃｏｓθに対応する直流成分と、周波数２ｆの交流成分とが重畳された検波信号Ｖｄ１が得られる（ステップ１０４）。

【0067】

また、乗算器２３により、検出信号Ｖｍを、９０度移相器２６で生成された、参照信号Ｖｒ２と位相が９０度異なる変調信号Ｖｍｏｄ２＝ｃｏｓ２πｆｔで変調すると、測定対象６０のインピーダンスＺのリアクタンス成分Ｘ＝Ｚｓｉｎθに対応する直流成分と、周波数２ｆの交流成分とが重畳された検波信号Ｖｄ２が得られる（ステップ１０４）。

【0068】

次に、ＬＰＦ２４、２５により、検波信号Ｖｄ１、Ｖｄ２を低域通過濾波して、直流成分を抽出した濾波信号Ｖｉ、Ｖｑを生成する（ステップ１０５）。次に、演算部４０’が、生成された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさを、検出時刻とともにメモリに格納する（ステップ１０６）。

【0069】

前述したステップ１０２からステップ１０６までの動作を、所定のサンプリング周期ごとに、反転周期Ｔにわたって繰り返し実施する（ステップ１０７）。本実施例のインピーダンス測定装置１’でも、反転周期Ｔを参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の周期の２倍に設定している。

【0070】

所定の反転周期Ｔが経過すると、演算部４０’は、スイッチ３２を切り替える制御信号Ｖｓを送信する。すると、スイッチ３２は逆相入力を選択的に出力する。この結果、スイッチ３２からは、参照信号Ｖｒ１とは逆相の参照信号Ｖｒ２＝－ｓｉｎ２πｆｔが出力される（ステップ１０８）。

【0071】

その後、所定の測定期間が終了したか否かが判定される（ステップ１０９）。本実施例のインピーダンス測定装置１’でも、測定期間を反転周期Ｔの２倍、したがって参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２の４周期分に相当する期間に設定している。

【0072】

ステップ１０２～１０８の１回目の処理を終えた時点では、反転周期１周期分の測定しか行っていないことから、ステップ１０２に戻って、ステップ１０２～１０８の動作を繰り返す。ただし、２回目の処理では、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相となっている。

【0073】

図６に測定対象に供給する測定信号Ｉｍと、外部ノイズＶｎと、変調信号Ｖｍｏｄ１の時間的な変化を示す。時間０～Ｔが１回目の処理に、時間Ｔ～２Ｔが２回目の処理に対応する。測定信号Ｉｍ、変調信号Ｖｍｏｄ１ともに、参照信号Ｖｒ２に基づく信号であることから、１回目の処理と２回目の処理とで逆相となっているが、測定信号Ｉｍと変調信号Ｖｍｏｄ１との関係においては同相のまま維持される。よって、濾波信号Ｖｉ、Ｖｑに含まれる、測定対象６０のインピーダンスＺに比例する成分は、１回目の処理と２回目の処理とで同相となる。これに対して、検波信号に含まれる外部ノイズＶｎに起因する成分は、変調信号Ｖｍｏｄ１が１回目の処理と２回目の処理とで逆相となるため、逆相となる。

【0074】

ステップ１０２～１０８の２回目の処理が終わると、反転周期Ｔの２倍の測定時間が経過したことから、測定期間が終了する（ステップ１０９）。この結果、メモリ内には、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のとき（測定信号Ｉｍと変調信号Ｖｍｏｄ１はともに正相）の参照信号２周期分の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の時間的変化と、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のとき（測定信号Ｉｍと変調信号Ｖｍｏｄ１はともに逆相）の参照信号２周期分の濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧の時間的変化とが記録される。

【0075】

次に、演算部４０’のプロセッサは、メモリ内から濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの電圧を読み出して、濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの加算平均をとる（ステップ１１０’）。濾波信号に含まれる外部ノイズＶｎに起因する成分は、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のときと、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が逆相のときとで逆相となるため、両者の加算平均をとることにより相殺されて、外部ノイズＶｎによる影響を抑制した濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさを取得することができる。

【0076】

最後に、演算部４０’のプロセッサは、ステップ１１０’で求められた加算平均、すなわち外部ノイズＶｎが相殺された濾波信号Ｖｉ、Ｖｑの大きさから、測定対象６０のインピーダンスＺ（ＲおよびＸ）および位相角θを算出する（ステップ１１１）。

【0077】

図７に、上記実施態様で説明したインピーダンス測定装置を２台用いて、インピーダンス測定を同時並行的に実施するときの構成を、図８に濾波信号のシミュレーション結果を示す。インピーダンス測定装置２は、測定対象６１のインピーダンスＺおよび位相角θを、１ｋＨｚの測定周波数ｆで測定する。インピーダンス測定装置３は、測定対象６２のインピーダンスＺおよび位相角θを、９９９Ｈｚの測定周波数ｆで測定する。２台のインピーダンス測定装置２、３は近接して配置されているため、それぞれの装置が相互干渉する。すなわち、インピーダンス測定装置２の検出回路２１には、インピーダンス測定装置３の９９９Ｈｚの測定信号Ｉｍに起因する外部ノイズが入力される。また、インピーダンス測定装置３の検出回路２１には、インピーダンス測定装置２の１ｋＨｚの測定信号Ｉｍに起因する外部ノイズが入力される。

【0078】

図８は、インピーダンス測定装置２（測定周波数１ｋＨｚ、外部ノイズ９９９Ｈｚ）の測定結果であり、図８（ａ）はステップ１１０による加算平均処理を施す前の濾波信号、図８（ｂ）は加算平均処理後の濾波信号である。加算平均処理を施す前の濾波信号は、参照信号と外部ノイズとの周波数差１Ｈｚ＝１０００Ｈｚ－９９９Ｈｚに相当する交流成分が、直流成分に重畳されている。これに対して、加算平均処理後の濾波信号は、交流成分が抑制されていることがわかる。このことから、２つの参照信号Ｖｒ１、Ｖｒ２が同相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑと、逆相のときの濾波信号Ｖｉ、Ｖｑとの加算平均をとることにより、外部ノイズＶｎによる影響を抑制できることがわかる。外部ノイズが抑制された濾波信号の大きさに基づいて、測定対象６１のインピーダンスＺおよび位相角θを求めることにより、測定周波数近傍のノイズの影響を抑制した高精度なインピーダンス測定が可能となる。

【0079】

以上、本願発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるでことは言うまでもない。例えば、上述した実施態様で説明したインピーダンス測定装置１、１’では、演算部４０、４０’で規定した参照信号の周波数と位相角に基づいて、信号発生部３０が参照信号を発生しているが、正相と逆相が切り替わる参照信号波形のデジタルデータを演算部４０内部で生成し、信号発生部３０で参照信号を発生するように構成してもよい。また、インピーダンス測定装置１、１’の測定信号Ｉｍは参照信号Ｖｒ２と同相であり、変調信号Ｖｍｏｄ１は参照信号Ｖｒ１またはＶｒ２と同相であるが、それぞれの参照信号を基準に同量の位相オフセットがあってもよい。ただし、位相オフセットがある場合でも、測定信号Ｉｍと変調信号Ｖｍｏｄ１とが同相または逆相の関係を維持しなければならない。

【符号の説明】

【0080】

１、１’、２、３ インピーダンス測定装置
１０ 測定信号供給部
２０ 測定部
２１ 検出回路
２２、２３ 乗算器
２４、２５ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２６ ９０度移相器
３０、３０’ 信号発生部
３１ 位相反転器
３２ スイッチ
３３ 参照信号発生器
４０、４０’ 演算部
５１、５２、５３、５４ 接触端子
６０、６１、６２ 測定対象

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2022-10-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0079】

以上、本願発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施態様で説明したインピーダンス測定装置１、１’では、演算部４０、４０’で規定した参照信号の周波数と位相角に基づいて、信号発生部３０が参照信号を発生しているが、正相と逆相が切り替わる参照信号波形のデジタルデータを演算部４０内部で生成し、信号発生部３０で参照信号を発生するように構成してもよい。また、インピーダンス測定装置１、１’の測定信号Ｉｍは参照信号Ｖｒ２と同相であり、変調信号Ｖｍｏｄ１は参照信号Ｖｒ１またはＶｒ２と同相であるが、それぞれの参照信号を基準に同量の位相オフセットがあってもよい。ただし、位相オフセットがある場合でも、測定信号Ｉｍと変調信号Ｖｍｏｄ１とが同相または逆相の関係を維持しなければならない。