(57)【要約】【課題】被測定体の特性を簡易に計測することを可能にする新しい装置等の提案。【解決手段】特性計測装置１において、信号源１１は、所定の基準交流信号Ｓ０を生成し、移相部１３は、基準交流信号Ｓ０に基づいて当該基準交流信号Ｓ０と所与の位相差を有する印加交流信号Ｓ１を生成する。測定用プローブ３０は、被測定体に印加交流信号Ｓ１を印加し、当該印加交流信号Ｓ１に対応する応答信号Ｓ２を受信する。乗算部５０は、基準交流信号Ｓ０に基づいて応答信号Ｓ２を検波する。位相差制御部１１０は、移相部１３を制御して位相差を時分割に変更させ、特性計測部１３０は、位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合の乗算部５０による第１の検波結果と、第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合の第２の検波結果との差を用いて、被測定体の特性を計測する。【選択図】図１
2014038060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基準交流信号を生成する第１の生成部と、
前記第１の生成部で生成された基準交流信号に基づいて当該基準交流信号と所与の位相差を有する印加交流信号を生成する第２の生成部と、
被測定体に前記印加交流信号を印加し、当該印加交流信号に対応する応答信号を受信するための測定治具と、
前記基準交流信号に基づいて前記応答信号を検波する検波部と、
前記第２の生成部を制御して前記位相差を変更させる位相差制御部と、
前記位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合の前記検波部による第１の検波結果と、前記第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合の第２の検波結果との差を用いて、前記被測定体の特性を計測する計測部と、
を備えた特性計測装置。
【請求項２】
前記計測部は、前記第１の検波結果と前記第２の検波結果との差から第１の計測値を求め、前記第１の位相差と９０度異なる第３の位相差の場合の第３の検波結果と２７０度異なる第４の位相差の場合の第４の検波結果との差から第２の計測値を求め、前記第１の計測値と前記第２の計測値とを用いて、少なくとも前記印加交流信号に対する前記応答信号の位相を計測可能に構成された、
請求項１に記載の特性計測装置。
【請求項３】
前記印加交流信号の印加及び前記応答信号の受信に係る送受信端回路であって、計測する前記被測定体の特性に応じた複数の送受信端回路を切り替え可能に構成された、
請求項１又は２に記載の特性計測装置。
【請求項４】
前記複数の送受信端回路には、少なくともインピーダンス特性、反射特性及び伝送特性の何れかを計測するための回路が含まれる、
請求項３に記載の特性計測装置。
【請求項５】
前記測定治具が前記複数の送受信端回路を有する、
請求項３又は４に記載の特性計測装置。
【請求項６】
前記測定治具は、計測時の前記被測定体への接触圧力を検出するための圧力検出部を有し、
前記圧力検出部の検出圧力の変動が所定の許容範囲を超えた場合に、前記計測部による計測を中断する計測中断制御部を更に備えた、
請求項１〜５の何れか一項に記載の特性計測装置。
【請求項７】
前記第１の生成部を制御して前記基準交流信号の周波数を変更させる周波数制御部を更に備え、
前記計測部は、前記周波数制御部により変更された各周波数での前記被測定体の特性を計測する、
請求項１〜６の何れか一項に記載の特性計測装置。
【請求項８】
所定の基準交流信号に基づいて当該基準交流信号と所与の位相差を有する印加交流信号を被測定体に印加することと、
前記印加交流信号に対応する前記被測定体からの応答信号を受信することと、
前記基準交流信号に基づいて前記応答信号を検波することと、
前記位相差を時分割に変更することと、
前記位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合に前記検波された第１の検波結果と、前記第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合に前記検波された第２の検波結果との差を用いて、前記被測定体の特性を計測することと、
を含む特性計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定体の特性を計測する特性計測装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定体（例えば回路網や電子デバイス等）の特性を計測する装置として、ネットワークアナライザー（スカラーネットワークアナライザーやベクトルネットワークアナライザー）が知られている。ネットワークアナライザーは、例えば、被測定体に高周波を印加し、被測定体からの反射信号や伝送信号を解析することで、被測定体の反射特性や伝送特性を計測することができる（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２３８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ネットワークアナライザーと言うと、一般的にはベクトルネットワークアナライザー（以下、「ＶＮＡ（Vector Network Analyzer）」と称す。）を指す。ＶＮＡは、多機能且つ高性能であるため、汎用性が高い。しかし、ＶＮＡは非常に高価なため、超高精度な計測を求めない場合や限られた特性のみを計測する場合（以下、このような測定を「簡易な計測」という。）には、ＶＮＡの購入価額に対する成果が見合わない。むしろ、測定の専門機関や専門部署等でなければ、簡易な計測で済むケースが殆どであると考えられる。
【０００５】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被測定体の特性の計測を簡易に行うことのできる新しい装置等を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するための第１の発明は、所定の基準交流信号を生成する第１の生成部と、前記基準交流信号に基づいて当該基準交流信号と所与の位相差を有する印加交流信号を生成する第２の生成部と、被測定体に前記印加交流信号を印加し、当該印加交流信号に対応する応答信号を受信するための測定治具と、前記基準交流信号に基づいて前記応答信号を検波する検波部と、前記第２の生成部を制御して前記位相差を変更させる位相差制御部と、前記位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合の前記検波部による第１の検波結果と、前記第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合の第２の検波結果との差を用いて、前記被測定体の特性を計測する計測部と、を備えた特性計測装置である。
【０００７】
この第１の発明によれば、所定の基準交流信号が第１の生成部によって生成される。また、この基準交流信号に基づいて当該基準交流信号と所与の位相差を有する印加交流信号が第２の生成部によって生成される。第１の生成部によって生成された印加交流信号が被測定体に印加され、対応する応答信号が受信される。測定治具は、例えば、いわゆるプローブ（接触子）や、被測定体を固定して測定を行うための固定具等の治具として構成することができる。
【０００８】
受信された応答信号は、基準交流信号に基づいて検波される。基準交流信号と印加交流信号との位相差は位相差制御部によって変更され、位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合の検波部による第１の検波結果と、第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合の第２の検波結果との差を用いて、被測定体の特性が計測部によって計測される。
【０００９】
本形態の特性計測装置では、基準交流信号と印加交流信号との位相差を１８０度変化させて検波を行うことで、逆極性の検波結果を得ることができる。印加交流信号は基準交流信号に基づいて生成されるため、同周波数の信号で応答信号を位相検波することができ、検波結果として直流成分を検出することができる。しかし、不要な漏れ信号や、無入力時のトランジスタのリーク電流等に起因して、検波結果にはオフセット成分（いわゆる直流オフセット）が含まれ得る。しかし、この直流オフセットは、基準交流信号と印加交流信号との位相差を変更しても変わらない。従って、位相差を１８０度変化させた場合の検波結果の差を計算することで、直流オフセットがキャンセルされた計測値を得ることができる。この計測値を用いることで、被測定体の特性を精度良く計測することが可能となる。また、基準交流信号と印加交流信号との位相差を変更するだけで、被測定体の特性を簡易に計測することができる。
【００１０】
この場合、他の発明として、所定の基準交流信号に基づいて当該基準交流信号と所与の位相差を有する印加交流信号を被測定体に印加することと、前記印加交流信号に対応する前記被測定体からの応答信号を受信することと、前記基準交流信号に基づいて前記応答信号を検波することと、前記位相差を時分割に変更することと、前記位相差が第１の位相差（０度以上３６０度以下）の場合に前記検波された第１の検波結果と、前記第１の位相差と１８０度異なる第２の位相差の場合に前記検波された第２の検波結果との差を用いて、前記被測定体の特性を計測することと、を含む特性計測方法を構成することで、第１の発明と同様の作用効果を奏する特性計測方法を実現することができる。
【００１１】
また、第２の発明として、第１の発明の特性計測装置における前記計測部は、前記第１の検波結果と前記第２の検波結果との差から第１の計測値を求め、前記第１の位相差と９０度異なる第３の位相差の場合の第３の検波結果と２７０度異なる第４の位相差の場合の第４の検波結果との差から第２の計測値を求め、前記第１の計測値と前記第２の計測値とを用いて、少なくとも前記印加交流信号に対する前記応答信号の位相を計測可能に構成された、特性計測装置を構成することとしてもよい。
【００１２】
この第２の発明によれば、計測部は、第１の検波結果と第２の検波結果との差から第１の計測値を求める。また、第１の位相差と９０度異なる第３の位相差の場合の第３の検波結果と２７０度異なる第４の位相差の場合の第４の検波結果との差から第２の計測値を求める。そして、第１の計測値と第２の計測値とを用いて、少なくとも印加交流信号に対する応答信号の位相を計測する。第１及び第２の計測値は、それぞれ検波信号の実成分と虚成分とに対応する。このため、第１及び第２の計測値を用いることで、少なくとも印加交流信号に対する応答信号の位相を計測することができる。勿論、計測値から応答信号の振幅を得ることもできるため、計測値をベクトルとして表わすことも可能である。
【００１３】
また、第３の発明として、第１又は第２の発明の特性計測装置において、前記印加交流信号の印加及び前記応答信号の受信に係る送受信端回路であって、計測する前記被測定体の特性に応じた複数の送受信端回路を切り替え可能に構成された、特性計測装置を構成することとしてもよい。
【００１４】
この第３の発明によれば、計測する被測定体の特性に応じた複数の送受信端回路を切り替え可能に構成された送受信端回路を用いることで、被測定体の種々の特性を計測することが可能となる。
【００１５】
具体的には、第４の発明のように、第３の発明の特性計測装置における前記複数の送受信端回路には、少なくともインピーダンス特性、反射特性及び伝送特性の何れかを計測するための回路が含まれるように特性計測装置を構成すると好適である。
【００１６】
この第４の発明によれば、少なくとも被測定体のインピーダンス特性、反射特性及び伝送特性の何れかの特性を計測することが可能となる。
【００１７】
また、第５の発明として、第３又は第４の発明の特性計測装置における前記測定治具が前記複数の送受信端回路を有する、特性計測装置を構成することとしてもよい。
【００１８】
また、第６の発明として、第１〜第５の何れかの発明の特性計測装置における前記測定治具は、計測時の前記被測定体への接触圧力を検出するための圧力検出部を有し、前記圧力検出部の検出圧力の変動が所定の許容範囲を超えた場合に、前記計測部による計測を中断する計測中断制御部を更に備えた、特性計測装置を構成することとしてもよい。
【００１９】
この第６の発明によれば、計測時の被測定体への接触圧力が圧力検出部によって検出される。そして、圧力検出部の検出圧力の変動が所定の許容範囲を超えた場合に、計測部による計測が計測中断制御部によって中断される。計測時に被測定体への接触圧力が変動すると、計測部による特性の計測結果にバラツキが生ずる可能性がある。そこで、圧力検出部の検出圧力の変動が所定の許容範囲を超えた場合は、計測部による計測を中断する。この場合、被測定体の装着状態の調整を測定者に促し、調整がなされた後に、計測をやり直すなどの措置を講ずると好適である。
【００２０】
また、第７の発明として、第１〜第６の何れかの発明の特性計測装置において、前記第１の生成部を制御して前記基準交流信号の周波数を変更させる周波数制御部を更に備え、前記計測部は、前記周波数制御部により変更された各周波数での前記被測定体の特性を計測する、特性計測装置を構成することとしてもよい。
【００２１】
この第７の発明によれば、周波数制御部は、第１の生成部を制御して基準交流信号の周波数を変更させる。そして、計測部は、周波数制御部により変更された各周波数での被測定体の特性を計測する。これにより、複数の周波数での被測定体の特性を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】特性計測装置の機能構成の一例を示すブロック図。
【図２】測定用プローブの構成例を示す図。
【図３】基準計測データのデータ構成の一例を示す図。
【図４】特性計測データのデータ構成の一例を示す図。
【図５】特性計測処理の流れを示すフローチャート。
【図６】（１）変形例における測定用プローブの構成例を示す図。（２）変形例における処理部の機能ブロックの一例を示す図。（３）変形例における記憶部のデータ構成の一例を示す図。
【図７】計測実行制御処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。本実施形態では、被測定体（以下、適宜「ＤＵＴ（Device Under Test）」と称す。）を生体（例えば皮膚）とし、生体に交流信号を印加した場合の応答信号に基づいて、生体の特性を計測する実施形態である。本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２４】
１．構成
図１は、本実施形態における特性計測装置１の機能ブロック図である。特性計測装置１は、信号生成部１０と、測定用プローブ３０と、乗算部５０と、フィルター部７０と、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換部９０と、処理部１００と、操作部２００と、表示部３００と、音出力部４００と、通信部５００と、記憶部６００とを有して構成される。
【００２５】
信号生成部１０は、基準交流信号Ｓ０を生成する信号源１１と、基準交流信号Ｓ０との位相差が可変の印加交流信号Ｓ１を生成する移相部１３とを有する。
【００２６】
信号源１１は、処理部１００から出力される周波数指示信号に従った周波数の正弦波信号である基準交流信号を生成する。信号源１１によって生成された基準交流信号Ｓ０は、移相部１３及び乗算部５０にそれぞれ出力される。信号源１１は、第１の生成部に相当する。
【００２７】
移相部１３は、基準交流信号Ｓ０を、処理部１００から出力される移相指示信号に応じて移相させることで、ＤＵＴに印加する印加交流信号Ｓ１を生成する。基準交流信号Ｓ０を移相して印加交流信号Ｓ１を生成するため、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１とは同周波数の信号となる。移相部１３は、第２の生成部に相当する。
【００２８】
なお、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１の二信号の関係を明確にするために、信号生成部１０を信号源１１と移相部１３とに分けて図示・説明しているが、実際には、例えばダイレクトデジタルシンセサイザー（ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer））やデジタルカウンター等の装置によって一体的に信号生成部１０を構成することができる。
【００２９】
基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１とは、位相差制御部１１０によって所与の位相差となるように制御される。より正確に説明すると、この位相差は、ＤＵＴが無い状態（理想的には真空状態）における乗算部５０での基準交流信号Ｓ０と応答信号Ｓ２（この場合は印加交流信号Ｓ１とも言える）との位相差である。従って、位相差制御部１１０からの移相指示信号は、基準交流信号Ｓ０が伝送される信号源１１から乗算部５０までの信号線の長さや、印加交流信号Ｓ１が伝送される移相部１３から測定用プローブ３０までの信号線の長さ、応答信号Ｓ２が伝送される測定用プローブ３０から乗算部５０までの信号線の長さ等を考慮した上で設計されており、ＤＵＴが無い状態において乗算部５０で所与の位相差となる移相量が、基準交流信号Ｓ０の周波数（すなわち波長）毎に定められている。
【００３０】
但し、以下では、説明を簡単にするために、信号線の長さ等による位相差のズレが生じないものとして説明する。例えば、位相差を０度とする場合には、移相部１３での移相量をゼロとすればよいものとして説明する。
【００３１】
測定用プローブ３０は、ＤＵＴの特性を計測するために用いられる測定治具の一種であり、その構成例を図２に示す。測定用プローブ３０は、送受信端回路３１と、ＤＵＴとの接触端子Ｔ１，Ｔ２とを有して構成される。送受信端回路３１は、処理部１００から出力される回路切替制御信号に従って、４種類の回路を切替可能に構成されている。これらの回路は、いわゆるベクトル計測を行うための回路である。
【００３２】
回路Ａは、ＤＵＴのインピーダンス特性を計測するための回路である。ＺOは印加交流信号Ｓ１が伝送されるベースラインの特性インピーダンスである。
回路Ｂは、ＤＵＴの反射特性を計測するための回路である。ＺＬは負荷インピーダンスである。ＤＵＴを接続する（接触させる）向きを変えることで、順方向接続の反射特性（ＳパラメーターＳ１１）と逆方向接続の反射特性（ＳパラメーターＳ２２）とをそれぞれ計測することができる。
回路Ｃは、ＤＵＴの伝送特性を計測するための回路である。同様に、ＤＵＴの接続の向きを変えることで、順方向接続の伝送特性（ＳパラメーターＳ１２）と逆方向接続の伝送特性（ＳパラメーターＳ２１）とをそれぞれ計測することができる。
回路Ｄは、基準計測用の回路である。
【００３３】
回路Ｂで計測される反射特性を示す特性値は、回路Ｄで計測される基準特性を示す特性値に反射成分が重畳された特性値となる。また、回路Ｃで計測される伝送特性の特性値は、回路Ｄで計測される基準特性の特性値に伝送成分が重畳された特性値となる。このため、反射特性及び伝送特性を計測するために、回路Ｄを用いて基準特性を予め計測しておくことが必要となる。
【００３４】
確度の高い計測を行うのであれば、計測の都度、測定者が回路Ｄを用いて基準計測を行うようにすると好適である。例えば、同軸ケーブルを用いて延長した先にＤＵＴを接続して計測を行うのであれば、同軸ケーブルを接続した状態で基準計測を行い、その結果を計測結果から差し引くことで、延長ケーブルの特性を除いたＤＵＴの特性を得ることができる。
【００３５】
また、特性計測装置１のメーカーが製品出荷前に事前に工場で基準計測を行って、その計測結果を特性計測装置１の記憶部６００に記憶させておき、計測結果の出力時に特性値を補正して出力させるように装置を調整することとしてもよい。この場合には、ＤＵＴの特性を計測する際に基準計測を一々行わずに済む。
【００３６】
図１に戻り、乗算部５０は、測定用プローブ３０から出力された応答信号Ｓ２を、信号源１１から入力した基準交流信号Ｓ０に基づいて検波する検波段であり、例えば乗算器を用いて構成される。乗算部５０の検波結果は検波信号Ｓ３としてフィルター部７０に出力される。
【００３７】
フィルター部７０は、乗算部５０から出力された検波信号Ｓ３のうち所定の周波数帯域成分を抽出するフィルター回路であり、例えばローパスフィルターを用いて構成される。検波信号Ｓ３の高周波成分はフィルター部７０においてカットされ、直流成分の信号である直流信号Ｓ４がＡ／Ｄ変換部９０に出力される。
【００３８】
Ａ／Ｄ変換部９０は、乗算部５０から出力されるアナログ信号である直流信号Ｓ４をデジタル信号に変換する変換器であり、例えばデルタシグマＡ／Ｄ変換器や二重積分型Ａ／Ｄ変換器を用いて構成される。
【００３９】
処理部１００は、特性計測装置１の各部を統括的に制御する制御装置であり、ＭＣＵ（Micro Control Unit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を有して構成される。
【００４０】
本実施形態において、処理部１００は、主要な機能部として、位相差制御部１１０と、周波数制御部１２０と、特性計測部１３０とを有する。但し、これらの機能部は、一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。また、これら以外の機能部を必須構成要素として追加してもよい。
【００４１】
操作部２００は、ボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたボタンの信号を処理部１００に出力する。この操作部２００の操作により、ＤＵＴの特性の計測開始指示や計測停止指示等の各種指示入力がなされる。
【００４２】
表示部３００は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成され、処理部１００から入力される表示信号に基づく各種表示を行う表示装置である。表示部３００には、ＤＵＴの特性の計測結果等の情報が表示される。ＤＵＴの特性の計測結果は、Ｓパラメーターのように数値として表示させることとしてもよいし、スミスチャートのようにグラフ化して表示させてもよい。
【００４３】
音出力部４００は、処理部１００から入力される音出力信号に基づく各種音出力を行う音出力装置である。例えば、測定開始や測定終了、エラー発生等の報知音が音出力される。
【００４４】
通信部５００は、処理部１００の制御に従って、装置内部で利用される情報を外部の情報処理装置との間で送受するための通信装置である。通信部５００の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドルと呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、近距離無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。
【００４５】
記憶部６００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置を有して構成される。記憶部６００は、システムプログラムや、特性計測機能といった各種機能を実現するための各種プログラム、データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００４６】
２．特性計測の原理
２−１．直流オフセットの除去
最終的にフィルター部７０から出力される直流信号Ｓ４には、ノイズや信号経路等の影響でオフセット電圧（以下、「直流オフセット」と称す。）が重畳される。本実施形態では、この直流オフセットを除去するために、測定用プローブ３０で受信された応答信号Ｓ２を以下の手順で検波する。
【００４７】
まず、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を所与の基準位相差（第１の位相差）とするように移相部１３を制御する。基準位相差は０度〜３６０度の範囲で選択される。説明を簡単にするために、ここでは基準位相差を０度とする。具体的には、位相差制御部１１０は、基準位相差を０度とする移相指示信号を移相部１３に出力する。この場合に測定用プローブ３０で受信された応答信号Ｓ２を乗算部５０で検波し、フィルター部７０で高周波成分をカットし、Ａ／Ｄ変換部９０から直流計測値を取得する。
【００４８】
次いで、位相差を基準位相差＋１８０度（第２の位相差）とする。具体的には、位相差制御部１１０が、移相量を１８０度とする移相指示信号を移相部１３に出力する。この場合に測定用プローブ３０で受信された応答信号Ｓ２を乗算部５０で検波し、フィルター部７０で高周波成分をカットし、Ａ／Ｄ変換部９０から直流計測値を取得する。
【００４９】
ここで、直流バイアスよりも高い電圧レベルの極性を「正極性」、低い電圧レベルの極性を「負極性」と定義する。この場合、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を０度とした場合の直流計測値が正極性の値となるならば、位相差を１８０度とした場合の直流計測値は負極性の値となる。つまり、上記の２つの直流計測値は逆極性となるが、それぞれの直流計測値に重畳されている直流オフセットは変わらない。このため、２つの直流計測値の差を計算することで、直流オフセットを相殺することができる。
【００５０】
数式を用いて説明する。基準交流信号Ｓ０を「ｃｏｓωｔ」とし、印加交流信号Ｓ１を「ｃｏｓ（ωｔ＋φ）」とする。但し、「ｔ」は時間であり、「ω」は角周波数である。基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１は周波数が等しいため、同じ角周波数としている。また、「φ」は印加交流信号Ｓ１の位相である。「φ」は基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差となる。
なお、説明の簡明化のため、それぞれの信号の振幅を「１」とする。
【００５１】
この場合、印加交流信号Ｓ１をＤＵＴに印加すると、印加交流信号Ｓ１の位相が変化する（実際には振幅も変化する）。従って、この場合に送受信端回路３１で受信される応答信号Ｓ２は「ｃｏｓ(ωｔ＋φ＋Δφ)」となる。印加交流信号Ｓ１に対する応答信号の位相が「Δφ」であり、この位相「Δφ」が計測対象となる。
【００５２】
このとき、乗算部５０から出力される検波信号Ｓ３は、次式（１）のように表される。
Ｓ３＝ｃｏｓ(ωｔ＋φ＋Δφ)・ｃｏｓωｔ
＝｛ｃｏｓ（２ωｔ＋φ＋Δφ)＋ｃｏｓ（φ＋Δφ）｝／２    ・・・（１）
【００５３】
式（１）の最終形態において、１つ目の余弦の項は２倍の周波数成分を示し、２つ目の余弦の項は直流成分を示している。フィルター部７０によって１つ目の余弦の項がカットされる。これにより、フィルター部７０から出力される直流信号Ｓ４は「ｃｏｓ（φ＋Δφ）／２」となる。しかし、実際にはこの直流信号Ｓ４には直流オフセットが重畳されているため、実際にフィルター部７０から出力される直流信号Ｓ４は「ｃｏｓ（φ＋Δφ）／２＋Ｖoffset」となる。但し、「Ｖoffset」は直流オフセットである。
【００５４】
基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差が０度である場合は「φ＝０」であるため、フィルター部７０から出力される直流信号Ｓ４は「ｃｏｓ（Δφ）／２＋Ｖoffset」となる。一方、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差が１８０度である場合は「φ＝π」であるため、フィルター部７０から出力される直流信号Ｓ４は「ｃｏｓ（Δφ＋π）／２＋Ｖoffset＝−ｃｏｓ（Δφ）／２＋Ｖoffset」となる。従って、この２つの直流信号Ｓ４の差を計算することで直流オフセット「Ｖoffset」は相殺され、結果として２倍の直流成分「ｃｏｓΔφ」が得られる。
【００５５】
２−２．ベクトル計測
本実施形態では、応答信号Ｓ２の位相及び振幅をベクトル計測によって求めることで、ＤＵＴの特性を計測する。ＤＵＴの特性を表すベクトルを「特性ベクトル」と称する。なお、特性ベクトルから位相及び振幅の両方の値を特性値として求めることができるが、必ずしも両方の値を計測しなくともよい。例えば、位相のみを計測することとしてもよい。
【００５６】
具体的に説明する。前述のように基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を０度と１８０度として計測を行う。そして、それぞれの位相差での直流計測値の差を計算することで２倍の直流成分を取得し、これを１／２倍することで、第１の計測値を得る。この第１の計測値を実成分の計測値とする。
【００５７】
次に、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を９０度と２７０度として計測を行う。そして、位相差を９０度とした場合にＡ／Ｄ変換部９０から取得した直流計測値と、位相差を２７０度とした場合にＡ／Ｄ変換部９０から取得した直流計測値との差から、上記と同様に第２の計測値を得る。この第２の計測値を虚成分の計測値とする。
【００５８】
次いで、横軸を実軸、縦軸を虚軸とする複素座標系を考え、この座標上に上記の実成分の計測値と虚成分の計測値とでなる座標値をプロットする。これにより、１本のベクトルが定まる。つまり、座標の原点から当該座標値に向かうベクトルが定まる。このベクトルがＤＵＴの特性ベクトルとなる。但し、反射特性及び伝送特性では、基準ベクトルに反射成分及び伝送成分が重畳されたベクトルが算出されるため、上記のようにして算出したベクトルから基準ベクトルを差し引いたベクトルが特性ベクトルとなる。
【００５９】
なお、特性ベクトルは、実成分の計測値及び虚成分の計測値を成分とするベクトルとして表すこともできるし、振幅及び位相を成分とするベクトルとして表すこともできる。印加交流信号をＤＵＴに印加することで、印加交流信号の振幅及び位相が変化するが、特性ベクトルからこの振幅及び位相が定まる。具体的には、振幅は特性ベクトルの長さで表され、位相は特性ベクトルの回転角で表される。計測結果を出力する際には、位相のみを出力することとしてもよいし、振幅のみを出力してもよいことは勿論である。
【００６０】
３．データ構成
図１に戻り、記憶部６００には、処理部１００によって読み出され、特性計測処理（図５参照）として実行される特性計測プログラム６１０が記憶されている。特性計測処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。
【００６１】
また、記憶部６００には、基準計測データ６２０と、特性計測データ６３０とが記憶される。
【００６２】
基準計測データ６２０は、基準計測（図２の回路Ｄに対応）の結果が記憶されたデータであり、そのデータ構成例を図３に示す。基準計測データ６２０には、計測周波数６２１と、基準ベクトル６２３とが対応付けて記憶されている。
【００６３】
計測周波数６２１は、ＤＵＴの特性計測用の周波数である。周波数掃引範囲として所定の周波数範囲を定めておき、この周波数掃引範囲で基準交流信号Ｓ０及び印加交流信号Ｓ１の周波数を変更しながらＤＵＴの特性を計測する。基準ベクトル６２３は、計測周波数６２１それぞれについて基準計測を行うことで得られるベクトル値のデータである。
【００６４】
特性計測データ６３０は、特性計測（図２の回路Ａ〜Ｃに対応）の結果が記憶されたデータであり、そのデータ構成例を図４に示す。特性計測データ６３０には、計測周波数６３１と、インピーダンス特性６３３と、反射特性６３５と、伝送特性６３７とが対応付けて定められている。
【００６５】
計測周波数６３１は、図３の計測周波数６２１と同じである。インピーダンス特性６３３には、インピーダンス計測（図２の回路Ａに対応）の結果として得られる特性ベクトルが記憶される。実成分はＤＵＴの抵抗分を表し、虚成分はＤＵＴのリアクタンス分を表す。
【００６６】
反射特性６３５には、反射計測（図２の回路Ｂに対応）の結果として得られる特性ベクトルが記憶される。ＤＵＴを順方向接続した場合の特性ベクトルとしてＳパラメーターＳ１１が記憶され、ＤＵＴを逆方向接続した場合の特性ベクトルとしてＳパラメーター２２が記憶される。
【００６７】
伝送特性６３７には、伝送計測（図２の回路Ｃに対応）の結果として得られる特性ベクトルが記憶される。ＤＵＴを順方向接続した場合の特性ベクトルとしてＳパラメーターＳ１２が記憶され、ＤＵＴを逆方向接続した場合の特性ベクトルとしてＳパラメーター２１が記憶される。
【００６８】
４．処理の流れ
図５は、処理部１００が、記憶部６００に記憶されている特性計測プログラム６１０に従って実行する特性計測処理の流れを示すフローチャートである。
【００６９】
最初に、処理部１００は、操作部２００からのユーザー操作に従って特性の計測種別を設定する（ステップＡ１）。そして、処理部１００は、当該計測種別に対応する送受信端回路３１に回路を切り替える制御を行う（ステップＡ３）。
【００７０】
次いで、処理部１００は、各計測周波数についてループＡの処理を行う（ステップＡ５〜Ａ２１）。ループＡの処理では、周波数制御部１２０は、当該計測周波数の交流信号を生成させるための周波数指示信号を信号源１１に出力する（ステップＡ７）。これにより、当該計測周波数の交流信号が信号源１１で生成される。また、位相差制御部１１０は、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を０度（θ＝０）とするための移相量を示す移相指示信号を移相部１３に出力する（ステップＡ９）。
【００７１】
その後、処理部１００は、ループＢとして４回の処理を行う（ステップＡ１１〜Ａ１７）。ループＢの処理では、処理部１００は、当該位相差での計測を行う。すなわち、第１回目の計測では位相差を０度とする計測を実行し、Ａ／Ｄ変換部９０から直流計測値を取得する（ステップＡ１３）。
【００７２】
次いで、位相差制御部１１０は、位相差の変更量Δθを９０度として位相差を更新し（θ←θ＋Δθ）、移相量をθとする移相指示信号を移相部１３に出力する（ステップＡ１５）。そして、処理部１００は、次の回の処理へと移行する。
【００７３】
Ａ１３及びＡ１５のステップを４回実行したならば、処理部１００は、ループＢの処理を終了する（ステップＡ１７）。４回の計測により、位相差を０度、９０度、１８０度及び２７０度とした場合の直流計測値が得られる。
【００７４】
次いで、処理部１００は、４回の計測結果を用いて、当該計測種別に係る特性ベクトルを求める（ステップＡ１９）。つまり、位相差０度及び１８０度の直流計測値の組合せで第１の計測値を求め、位相差９０度及び２７０度の直流計測値の組合せで第２の計測値を求める。そして、第１の計測値と第２の計測値とを成分とする計測ベクトルを求め、基準計測データ６２０に記憶された各計測周波数に対応する基準ベクトルを差し引くことで、特性ベクトルを算出する。処理部１００は、算出した特性ベクトルを特性計測データ６３０に記憶させる。そして、次の計測周波数へと処理を移行する。
【００７５】
全ての計測周波数についてステップＡ７〜Ａ１９の処理を行ったならば、処理部１００は、ループＡの処理を終了する（ステップＡ２１）。そして、処理部１００は、特性計測処理を終了する。
【００７６】
５．作用効果
特性計測装置１において、信号源１１によって基準交流信号Ｓ０が生成され、移相部１３によって、基準交流信号Ｓ０に基づいて当該基準交流信号Ｓ０と所与の位相差を有する印加交流信号Ｓ１が生成される。測定用プローブ３０は、印加交流信号Ｓ１を被測定体に印加するとともに、当該印加交流信号Ｓ１に対応する応答信号Ｓ２を受信する。測定用プローブ３０によって受信された応答信号Ｓ２は、乗算部５０において基準交流信号Ｓ０に基づいて検波される。位相差制御部１１０は、移相部１３を制御して位相差を時分割に変更させる。
【００７７】
基準位相差に対して位相差を０度とした場合の直流計測値と１８０度とした場合の直流計測値との差から、直流オフセットがキャンセルされた第１の計測値を得ることができる。同様に、基準位相差に対して位相差を９０度とした場合の直流計測値と２７０度とした場合の直流計測値から、直流オフセットがキャンセルされた第２の計測値を得ることができる。このようにして取得した第１及び第２の計測値から、被測定体の特性を示す特性ベクトルが求まる。
【００７８】
本実施形態では、生体を被測定体としている。この場合、特定の計測周波数でインピーダンス特性を計測することで、例えば被検者の体脂肪率を計測することができる。また、周波数を掃引させながら反射特性や伝送特性を計測し、スペクトラム解析を行うことで、生体の組成成分の分析を行うことができる。具体的には、スペクトラム解析により選択的又は排他的に特定成分を抽出・分析することで、例えば生体の皮膚に含有されているグルコース濃度を定量化することができる。この手法では、血液や体液を採取するといった侵襲式の測定方法とは異なり、電気信号を用いて非侵襲式にグルコース濃度を定量化することができるため、糖尿病患者等にとって身体への負担の少ない血糖値測定を実現することができる。
【００７９】
従来から用いられているＶＮＡは、信号源の他、信号分離器（パワースプリッター）や方向性結合器（カップラー）を具備し、更に基準計測用の受信機と、反射計測用の受信機と、伝送計測用の受信機とを備えている。ＶＮＡの受信機は狭帯域受信機であり、ヘテロダイン方式を用いて応答信号を検波する。具体的には、応答信号を中間周波数の信号（ＩＦ（Intermediate Frequency）信号）にダウンコンバートし、このＩＦ信号からベクトル計測を行う。しかし、ＩＦ信号は交流信号であるため、ベクトルを直流的に直読することはできない。このため、受信機内のＩＦ信号に変換する部分に直交復調器を設けて応答信号をＩＱ分離し、そのＩＱ成分からベクトルを算出する。つまり、応答信号をＩＱ分離する回路部分も必要となる。これらのことから、ＶＮＡは回路規模が大きくならざるを得ない。
【００８０】
それに対し、本実施形態の特性計測装置１は、基準交流信号Ｓ０と印加交流信号Ｓ１との位相差を変更することができればよく、これはダイレクトデジタルシンセサイザー等の装置を用いて簡単に実現することができる。測定用プローブ３０が複数の送受信端回路を有して構成されるため、計測を行う際には、計測対象とする特性に応じた回路に切り替えるだけで済む。また、応答信号の検波を行う回路ブロックには、一般的な検波回路を適用することで足りる。このため、回路規模の縮小化を図りつつ、簡易な構成によってＤＵＴの種々の特性を計測することが可能となる。
【００８１】
また、本実施形態の特性計測装置１では、印加交流信号Ｓ１と基準交流信号Ｓ０の位相差を変更しながら、Ａ／Ｄ変換部９０から取得した直流計測値の差を計算するといった簡易な演算によってＤＵＴの特性を計測することができるため、ＭＣＵ等の安価で低性能なプロセッサーで処理部１００を構成することができる。
【００８２】
ＶＮＡで用いられるＡ／Ｄ変換器は高速動作を必要とするため、通常１４ビット〜１６ビット程度の分解能が限界である。しかし、本実施形態の特性計測装置１では、位相差を時分割で変更する時間間隔の間にＤＵＴの特性が変化しない限りにおいて、高速動作を必要としない。このため、デルタシグマＡ／Ｄ変換器といった高分解能（例えば２４ビット）のＡ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換部９０を構成することができ、ＶＮＡと比べて高精度の計測を実現することが可能となる。
【００８３】
本実施形態の手法で求められる特性ベクトルは、種々のフォーマットで表示することができる。例えば、伝送特性については、ＳパラメーターＳ１２及びＳ２１を用いて、利得・挿入損失の周波数依存性を示すＬｏｇＭａｇフォーマットや、伝送信号の位相の周波数依存性を示すＰｈａｓｅフォーマット、群遅延の周波数依存性を示すＤｅｌａｙフォーマット等の表示フォーマットで表されるグラフを作成して表示部３００に表示させることができる。
【００８４】
また、反射特性については、ＳパラメーターＳ１１及びＳ２２を用いて、リターンロスの周波数依存性を示すＬｏｇＭａｇフォーマットや、反射信号の定在波比の周波数依存性を示すＳＷＲフォーマット、反射信号の振幅と位相を示すＰＯＬＡＲフォーマット、ＤＵＴに対する入力インピーダンスを示すスミスチャート等の表示フォーマットで表されるグラフを作成して表示部３００に表示させることができる。
【００８５】
６．変形例
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。
【００８６】
６−１．適用例
上記の実施形態では、被測定体を生体として説明したが、被測定体は生体に限られないことは勿論である。一般的なネットワークアナライザーと同様に、回路網や電子デバイス等を被測定体として、その電気的特性を計測することが可能であることは勿論である。また、ＤＵＴを植物とし、人体と同様の計測を行うことも可能である。
【００８７】
６−２．基準位相差
上記の実施形態では、基準位相差を０度として説明した。しかし、基準位相差は０度〜３６０度の範囲で選択可能であり、「基準位相差＋０度」、「基準位相差＋９０度」、「基準位相差＋１８０度」及び「基準位相差＋２７０度」の４通りに位相差を変更して計測を行えばよい。
【００８８】
６−３．特性計測の中断制御
測定用プローブ３０に、ＤＵＴに接触させた際の接触圧力を検出する圧力検出部を設けることとし、この圧力検出部の検出圧力に基づいて、特性計測部１３０によるＤＵＴの特性の計測を中断する制御を行ってもよい。
【００８９】
図６（１）は、本変形例における測定用プローブ３０の構成例を示す図である。測定用プローブ３０には、送受信端回路３１の他に、ＤＵＴへの接触圧力を検出するための圧力センサー３３が設けられている。圧力センサー３３の検出圧力は処理部１００に随時出力される。
【００９０】
図６（２）は、本変形例における処理部１００の機能ブロックの一例を示す図である。処理部１００は、図１で説明した機能部の他に、計測中断制御部１４０を機能部として有する。計測中断制御部１４０は、計測開始時の圧力センサー３３の検出値を基準として、検出圧力の変動が所定の許容範囲を超えた場合に、特性計測部１３０による計測を中断する制御を行う。
【００９１】
図６（３）は、本変形例における記憶部６００のデータ構成の一例を示す図である。記憶部６００には、図１で説明したデータの他に、計測実行制御処理として実行される計測実行制御プログラム６４０と、圧力センサー３３から取得した検出圧力が時系列に記憶される検出圧力データ６５０とを有する。
【００９２】
図７は、処理部１００が、記憶部６００に記憶されている計測実行制御プログラム６４０に従って実行する計測実行制御処理の流れを示すフローチャートである。この計測実行制御処理は、図５の特性計測処理のバックグラウンドで実行される処理である。
【００９３】
計測中断制御部１４０は、圧力センサー３３の検出結果に基づいて検出圧力の変動が生じたか否かを判定する（ステップＢ１）。変動が生じなかったと判定した場合は（ステップＢ１；Ｎｏ）、計測中断制御部１４０は、そのまま監視を続行する。一方、変動が生じたと判定したならば（ステップＢ１；Ｙｅｓ）、計測中断制御部１４０は、特性計測処理を一時中断させる（ステップＢ３）。
【００９４】
この際、計測中断制御部１４０は、停止時の計測周波数を判定する（ステップＢ５）。そして、計測中断制御部１４０は、検出圧力の変動が生じたことをユーザーに報知する報知制御を行う（ステップＢ７）。例えば、変動が生じたことを知らせるメッセージを表示部３００に表示させたり、ブザー音を音出力部４００から音出力させるなどすればよい。
【００９５】
計測中断制御部１４０は、検出圧力が所定の許容範囲内に復帰するまで待機する（ステップＢ９；Ｎｏ）。そして、復帰したならば（ステップＢ９；Ｙｅｓ）、計測中断制御部１４０は、停止した計測周波数から計測をやり直す（ステップＢ１１）。そして、計測中断制御部１４０は、ステップＢ１に戻る。
【００９６】
なお、上記の計測の中断／再開の制御は一例に過ぎない。例えば、検出圧力の変動が生じた際の位相差を判定して一時記憶し、復帰した場合に、一時記憶しておいた位相差から計測を再開するように制御してもよい。
【００９７】
なお、測定用プローブ３０にＤＵＴを挟持する保持部を装備させ、保持部でのＤＵＴの挟持圧を圧力センサー３３で検出するように構成することとしてもよい。また、測定治具の一例としてプローブを挙げて説明したが、試料を収容したキュベット等の容器をＤＵＴとしたり、電子デバイスをＤＵＴとする場合には、これらのＤＵＴを所定位置に保持する装置を測定治具としてもよいことは勿論である。この場合には、保持部での保持圧力を圧力センサー３３で検出するように構成すればよい。
【符号の説明】
【００９８】
１  特性計測装置、  １０  信号生成部、  １１  信号源、  １３  移相部、  ３０  測定用プローブ、  ３１  送受信端回路、  ３３  圧力センサー、  ５０  乗算部、  ７０  フィルター部、  ９０  Ａ／Ｄ変換部、  １００  処理部、  ２００  操作部、  ３００  表示部、  ４００  音出力部、  ５００  通信部、  ６００  記憶部
【図１】
2014038060.tif 000003
【図２】
2014038060.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014038060.tif 000008
【図７】
2014038060.tif 000009