(57)【要約】【課題】煩雑なチューニング操作が不要なインピーダンス測定装置を提供する。【解決手段】測定補助回路１１は、対象物２とともに共振回路１２を形成するよう構成される。ＡＴＡＣ１０は共振回路１２とカップリングされる。信号発生器１３は、共振回路１２に交流のプローブ信号ＶＳを印加する。インピーダンス検出部１６は、インピーダンス測定装置１が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて対象物２のインピーダンスを検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記対象物とともに共振回路を形成するよう構成された測定補助回路と、
前記共振回路とカップリングされる自動チューニング補助回路であって、（i）第１端子および第２端子と、（ii）Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、（iii）それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、（iv）前記複数のスイッチそれぞれをスイッチングするコントローラと、を含む自動チューニング補助回路と、
前記共振回路に交流のプローブ信号を印加する信号発生器と、
前記インピーダンス測定装置が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて前記対象物のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項２】
前記インピーダンス検出部は、前記自動チューニング補助回路の少なくともひとつの補助キャパシタに生ずるキャパシタ電圧にもとづいて、前記対象物のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項３】
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第１補助キャパシタを含み、
前記複数のスイッチは、第１スイッチおよび第２スイッチを含み、
前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第２スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第１補助キャパシタに対して並列に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第２補助キャパシタをさらに含み、
前記第２補助キャパシタは、前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第２スイッチと直列に設けられることを特徴とする請求項３に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項５】
前記複数のスイッチは、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、第４スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助キャパシタは、第１補助キャパシタを含み、
前記第１スイッチおよび第２スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第３スイッチおよび前記第４スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチに対して並列な経路上に順に直列に設けられ、
前記第１補助キャパシタは、前記第１スイッチと前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチの接続点との間の設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項６】
対象物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記対象物とともに共振回路を形成するよう構成された測定補助回路と、
前記共振回路とカップリングされる自動チューニング補助回路であって、（i）Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、（ii）前記共振回路に流れる電流によって前記Ｎ個の補助キャパシタそれぞれを充電および放電するために設けられた複数のスイッチと、（iii）前記複数のスイッチをスイッチングすることにより、前記Ｎ個の補助キャパシタそれぞれの両端間にキャパシタ電圧を発生させるとともに、前記Ｎ個の補助キャパシタそれぞれのキャパシタ電圧に応じた補助電圧を、前記共振回路に印加せしめるコントローラと、を含む自動チューニング補助回路と、
前記共振回路に交流のプローブ信号を印加する信号発生器と、
前記インピーダンス測定装置が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて前記対象物のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項７】
前記インピーダンス検出部は、前記少なくともひとつの補助キャパシタに生ずるキャパシタ電圧にもとづいて、前記対象物のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項６に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項８】
対象物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記対象物とともに共振回路を形成するよう構成された測定補助回路と、
前記共振回路とカップリングされ、前記共振回路に補正電流を注入し、または前記共振回路から補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路であって、（i）第１端子および第２端子と、（ii）Ｎ個（Ｎは自然数）の補助コイルと、（iii）それぞれが、前記第１端子、前記第２端子、前記Ｎ個の補助コイルの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、（iv）前記複数のスイッチそれぞれをスイッチングするコントローラと、を含む自動チューニング補助回路と、
前記共振回路に交流のプローブ信号を印加する信号発生器と、
前記インピーダンス測定装置が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて前記対象物のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項９】
前記インピーダンス検出部は、前記自動チューニング補助回路の少なくともひとつの補助コイルに流れる補助電流にもとづいて、前記対象物のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項８に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項１０】
前記複数のスイッチは、第１スイッチおよび第２スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助コイルは、第１補助コイルを含み、
第１スイッチおよび第１補助コイルは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第２スイッチは、前記第１補助コイルに対して並列に設けられることを特徴とする請求項８または９に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項１１】
前記複数のスイッチは、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、第４スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助コイルは、第１補助コイルおよび第２補助コイルを含み、
前記第１スイッチおよび前記第１補助コイルは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第２スイッチは、前記第１補助コイルに対して並列に設けら、
前記第３スイッチおよび前記第２補助コイルは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第４スイッチは、前記第２補助コイルに対して並列に設けられることを特徴とする請求項８または９に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項１２】
前記複数のスイッチは、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチ、第４スイッチを含み、
前記Ｎ個の補助コイルは、第１補助コイルを含み、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に設けられ、
前記第３スイッチおよび前記第４スイッチは、前記第１端子と前記第２端子の間に直列に、かつ前記第１スイッチおよび前記第２スイッチに対して並列に設けられ、
前記第１補助コイルは、前記第１スイッチと前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチの接続点と、の間に設けられることを特徴とする請求項８または９に記載のインピーダンス測定装置。
【請求項１３】
対象物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置であって、
前記対象物とともに共振回路を形成するよう構成された測定補助回路と、
補助コイルを含み、（１）前記補助コイルが前記共振回路にカップリングされて、前記補助コイルに流れる電流に応じた補正電流を、前記共振回路に注入しもしくは前記共振回路から引き抜く第１状態と、（２）前記補助コイルが前記共振回路から切り離され、前記補助コイルに流れる電流が、前記共振回路とは独立した電流経路に流れる第２状態と、を交互に繰り返すよう構成される自動チューニング補助回路と、
前記共振回路に交流のプローブ信号を印加する信号発生器と、
前記インピーダンス測定装置が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて前記対象物のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス測定装置。
【請求項１４】
前記インピーダンス検出部は、前記自動チューニング補助回路の少なくともひとつの補助コイルに流れる電流にもとづいて、前記対象物のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項１３に記載のインピーダンス測定装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
抵抗、静電容量やインダクタンスなどのインピーダンス、あるいはそれに付随する量を測定するために、ブリッジ法、共振法、Ｉ−Ｖ法、ＲＦ  Ｉ−Ｖ法、ネットワーク解析法、自動平衡ブリッジ法などが利用される。市販されるネットワークアナライザやＬＣＲメータは、これらの方式のうちネットワーク解析法や自動平衡ブリッジ法などを採用するものが多く、高精度な測定が可能であるが、非常に高価であり、また測定時間が長いという問題がある
【０００３】
図１は、共振法の原理を示す図である。図１には、インダクタンスＬｘと抵抗Ｒｘの直列接続を含むインピーダンスＺを測定する例が示される。測定対象のインピーダンスＺが誘導性である場合、そのインピーダンスＺと直列に、同調用の可変キャパシタＣが設けられ、ＲＬＣ直列共振回路が形成される。そして、信号発生器ＳＧによりこの直列共振回路の両端間に交流の測定信号を印加した上で、可変キャパシタの容量値および測定信号の周波数の少なくとも一方を調節し、回路を共振状態にチューニングする。
【０００４】
この共振法によれば、共振状態における可変キャパシタＣの容量値および周波数にもとづいて、インダクタンスＬｘの値を測定でき、また、可変キャパシタの両端間の電圧にもとづいて、回路のＱ値、ひいては抵抗Ｒｘを測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１２５５１号公報
【特許文献２】特開昭６３−１３１０９５号公報
【特許文献３】特開平５−８３９３８号公報
【特許文献４】国際公開第１２／１６４８４５Ａ１号パンフレット
【特許文献５】国際公開第１２／０４６５３５Ａ１号パンフレット
【特許文献６】特開２００６−６０９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように共振法では、装置を簡易かつ安価に構成でき、高精度にインピーダンスを測定可能であるが、その反面、チューニング操作が必要であるという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、煩雑なチューニング操作が不要なインピーダンス測定装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、対象物のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置に関する。インピーダンス測定装置は、対象物とともに共振回路を形成するよう構成された測定補助回路と、共振回路とカップリングされる自動チューニング補助回路と、共振回路に交流のプローブ信号を印加する信号発生器と、インピーダンス測定装置が安定した状態において、少なくともひとつのノードの電圧、および／または、少なくともひとつの経路の電流を測定し、測定値にもとづいて対象物のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、を備える。自動チューニング補助回路は、（i）第１端子および第２端子と、（ii）Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタと、（iii）それぞれが、第１端子、第２端子、Ｎ個の補助キャパシタの端子のうち２つの間に設けられた複数のスイッチと、（iv）複数のスイッチそれぞれをスイッチングするコントローラと、を含む。
【０００９】
この態様によれば、共振回路に流れる共振電流の位相を、複数のスイッチのスイッチングの位相と同期した安定点にロックすることができ、これによりプローブ信号の周波数が、共振回路の共振周波数と一致していないにもかかわらず、擬似的な共振状態を実現することができる。これにより、煩雑なチューニング操作を自動で行うことができ、対象物のインピーダンスを簡易に測定できる。
【００１０】
なお、本明細書において、「対象物のインピーダンスを測定する」とは、対象物のインピーダンスそのものを測定する場合の他、インピーダンスに影響を与える量を測定することを含む。たとえば、誘電率や電極間距離はキャパシタのインピーダンス（容量値）に影響を与えるものであり、したがって対象物が容量性である場合、「インピーダンスを測定する」ことは、誘電率や電極間距離を測定することなどを含む。同様に、透磁率やコイルの巻数はインダクタのインピーダンス（インダクタンス）に影響を与えるものであり、したがって対象物が誘導性である場合、「インピーダンスを測定する」ことは、透磁率や巻数を測定し、あるいは磁性体の有無を判定することなどを含む。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のある態様によれば、煩雑なチューニング操作を行うことなく、インピーダンスを測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】共振法の原理を示す図である。
【図２】実施の形態に係るインピーダンス測定装置のブロック図である。
【図３】第１の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｆ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。
【図５】過渡状態および定常状態におけるインピーダンス測定装置の動作波形図である。
【図６】ＡＴＡＣによる疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。
【図７】第２の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図８】第３の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図９】図８のインピーダンス測定装置の動作波形図である。
【図１０】第４の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図１１】図１０のインピーダンス測定装置の動作波形図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、図１０のＡＴＡＣの変形例を示す回路図である。
【図１３】第５の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図１４】図１３のインピーダンス測定装置の動作波形図である。
【図１５】第６の実施例に係るインピーダンス測定装置を示す回路図である。
【図１６】図１６（ａ）、（ｂ）は、測定補助回路の変形例を示す回路図である。
【図１７】図１７（ａ）〜（ｃ）は、測定補助回路の変形例を示す回路図である。
【図１８】図１８（ａ）〜（ｃ）は、インダクタンスを測定するときの測定補助回路を示す回路図である。
【図１９】測定補助回路の変形例を示す回路図である。
【図２０】インピーダンス測定装置を用いた加速度センサの評価装置を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、インピーダンス測定装置を備えたバイタルモニタ、ユーザインタフェース装置、人体モニタ装置を示す図である。
【図２２】図２２は、インピーダンス測定装置を備える磁気検出装置を示す図である。
【図２３】図２３（ａ）〜（ｅ）は、磁気検出装置に好適なピックアップコイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１５】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」、あるいは「部材Ａが、部材Ｂとカップリングされた状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１６】
（インピーダンス測定装置１の全体構成）
図２は、実施の形態に係るインピーダンス測定装置１のブロック図である。インピーダンス測定装置１は、対象物２のインピーダンスを測定する。対象物２は、キャパシタ、インダクタ、抵抗などの回路素子が例示されるが、本実施の形態では、キャパシタであるものとする。
【００１７】
インピーダンス測定装置１は、ＡＴＡＣ１０、測定補助回路１１、信号発生器１３、インピーダンス検出部１６を備える。
【００１８】
測定補助回路１１は、対象物２とともに共振回路１２を形成するよう構成される。共振回路１２は、本実施の形態では、ＲＬＣ直列共振回路であるが、そのトポロジーは特に限定されるものではない。共振回路１２は、対象物２と直列に設けられたインダクタＬｒおよび抵抗Ｒｓを含む。
【００１９】
自動チューニング補助回路（Automatic Tuning Assist Circuit、以下ＡＴＡＣと称する）１０は、共振回路１２と直列にカップリングされる。ＡＴＡＣ１０の詳細については後述するが、ＡＴＡＣ１０は、少なくともひとつの補助キャパシタを含む。
【００２０】
信号発生器１３は、共振回路１２とＡＴＡＣ１０の両端間に、所定の周波数ｆ０を有する交流のプローブ信号Ｖｓを印加する。プローブ信号Ｖｓは正弦波であってもよいし、矩形波や台形波であってもよい。
【００２１】
インピーダンス検出部１６は、インピーダンス測定装置１が、後述する疑似共振状態に安定化したときに、インピーダンス測定装置１の少なくともひとつのノードの電圧を測定し、測定値にもとづいて対象物２のインピーダンスを検出する。インピーダンス検出部１６によるインピーダンス検出の原理は後述する。
【００２２】
続いて、ＡＴＡＣ１０について詳細に説明する。ＡＴＡＣ１０は、大きく分けて、キャパシタを用いるタイプ（キャパシタ型という）と、インダクタを用いるタイプ（インダクタ型）に分類される。以下、それぞれについて説明する。
【００２３】
（キャパシタ型ＡＴＡＣ）
はじめにキャパシタ型のＡＴＡＣ１０を用いたインピーダンス測定装置１の第１の実施例について説明する。
【００２４】
図３は、第１の実施例に係るインピーダンス測定装置１を示す回路図である。
図３では、インピーダンス検出部１６は省略されており、またＣｒは、図２の対象物２の容量成分を示す。図３のインピーダンス測定装置１において、ＡＴＡＣ１０は、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣＡ１、コントローラ１０２を備える。第１端子Ｐ１および第２端子Ｐ２の一方は、その電位が固定される。本実施の形態では、第２端子Ｐ２が接地されて、その電位が接地電圧ＶＧＮＤに固定されるものとする。なお、電位を固定すべきノードは、第１端子Ｐ１または第２端子Ｐ２には限定されず、その他のノードの電位を固定してもよい。
【００２５】
第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣＡ１は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられる。第１スイッチＳＷ１と第１補助キャパシタＣＡ１は入れ替えてもよい。第２スイッチＳＷ２は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に、第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣＡ１に対して並列に設けられる。
【００２６】
コントローラ１０２は、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２それぞれを、信号発生器１３が発生するプローブ信号Ｖｓと同じ周波数ｆ０で、かつプローブ信号Ｖｓに対して所定の位相差θでスイッチングする。位相差θは９０度付近とすることが好ましいが、９０度からずれていても構わない。以下では、理解の容易化、説明の簡潔化のため、θ＝９０度の場合を説明する。
【００２７】
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ等を用いて構成できる。図４（ａ）〜（ｆ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。
【００２８】
図４（ａ）は、Ｎチャンネル、図４（ｂ）は、ＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴを用いた構成を示す。ＭＯＳＦＥＴのバックゲートをソースと接続すると、バックゲートとドレイン間のボディダイオードがゲート電圧によらずに導通状態となる。したがって、ＭＯＳＦＥＴを単体で用いたスイッチでは、片方向に対する電流を阻止することができない。本明細書においてこのようなスイッチを片方向スイッチという。
【００２９】
図４（ｃ）〜（ｆ）のスイッチは、２つのＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、もしくは２つのＰチャンネルＭＯＳＦＥＴが、それらのボディダイオードが逆向きとなるように接続される（バックトゥバック接続）。図４（ｃ）〜（ｆ）では、オフ状態において、いずれの方向にも電流が流れない。本明細書においてこのようなスイッチを、双方向スイッチという。
【００３０】
本実施の形態において、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、片方向スイッチ、両方向スイッチのいずれでも構成することができる。なお、片方向スイッチを用いる場合、それらのスイッチングの位相に注意を払う必要がある。これについては後述する。
【００３１】
（キャパシタ型ＡＴＡＣの動作原理）
以上が第１の実施例に係るインピーダンス測定装置１の構成である。続いてインピーダンス測定装置１の動作原理を説明する。
【００３２】
コントローラ１０２は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を、プローブ信号Ｖｓと同期して、より具体的にはプローブ信号Ｖｓと同じ周波数で、かつプローブ信号Ｖｓに対してある位相差θ＝９０度で相補的にスイッチングする。
【００３３】
共振回路１２に流れる共振電流Ｉｒは、第１スイッチＳＷ１のオン時間ＴＯＮ１において第１補助キャパシタＣＡ１に流れ、第２スイッチＳＷ２のオン時間ＴＯＮ２において、第２スイッチＳＷ２を介して接地に流れる。つまり、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流Ｉｒによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣＡ１には、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が発生する。
【００３４】
ＡＴＡＣ１０は、その第１端子Ｐ１に生ずる電圧（以下、補助電圧という）ＶＡを共振回路１２に印加する電圧源と把握することができる。補助電圧ＶＡは、第１スイッチＳＷ１がオンの期間ＴＯＮ１において、第１補助キャパシタ電圧ＶＣＡ１をとり、第２スイッチＳＷ２がオンの期間ＴＯＮ２において、接地電圧ＶＧＮＤをとる略矩形波である。
【００３５】
図５は、過渡状態および定常状態におけるインピーダンス測定装置１の動作波形図である。なお、本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。
【００３６】
波形（Ｉ）は、過渡状態における共振電流Ｉｒを示す。スイッチＳＷ１がオンの期間ＴＯＮ１において、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流Ｉｒによって充放電される。具体的には、第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流Ｉｒが正の期間に充電され、負の期間に放電される。その結果、正の期間が長ければキャパシタ電圧ＶＣＡ１は増大し、負の期間が長ければキャパシタ電圧ＶＣＡ１は低下する。
【００３７】
あるサイクルのオン時間ＴＯＮ１において、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が増大する。そして、増大したキャパシタ電圧ＶＣＡ１に応じた補助電圧ＶＡが共振回路１２に印加される。そうすると、次のサイクルでは、共振電流Ｉｒの位相が前のサイクルより進む。これを繰り返すと、キャパシタ電圧ＶＣＡ１がサイクル毎に増加しながら、共振電流Ｉｒの位相が徐々に進んでいき、安定点までシフトしていく。共振電流Ｉｒの位相が進みすぎると、反対に第１補助キャパシタＣＡ１の放電電流の方が大きくなり、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が低下する方向にフィードバックがかかり、安定点に引き戻される。安定点では１サイクルでの第１補助キャパシタＣＡ１の充電電流と放電電流がバランスし、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が平衡状態となり、波形（II）に示すように、共振電流Ｉｒの位相が安定する定常状態となる。
【００３８】
つまり、実施の形態に係るインピーダンス測定装置１によれば、共振回路１２に流れる共振電流Ｉｒの位相を、第１スイッチＳＷ１のスイッチングの位相と同期した安定点にロックすることができる。ここで第１スイッチＳＷ１を、プローブ信号Ｖｓに対してθ＝９０度遅れた位相でスイッチングした場合、プローブ信号Ｖｓと共振電流Ｉｒの位相差はゼロとなる。これは、信号発生器１３が発生するプローブ信号Ｖｓの周波数ｆ０が、測定補助回路１１の共振周波数ｆｒと一致していないにもかかわらず、擬似的な共振状態が成り立っていることを意味する。
【００３９】
図６は、ＡＴＡＣ１０による疑似共振状態を説明するフェーザ図（ベクトル図）である。プローブ信号Ｖｓの位相を基準（０°）として示す。上述のように、補助電圧ＶＡは略矩形波であるところ、疑似共振に寄与するのは、その基本波ｆ０の成分（ＶＡ［ｆ０］）であることに留意されたい。
【００４０】
「重ねの理」を利用すると、信号発生器１３とＡＴＡＣ１０を分けて考えることができる。つまり共振回路１２に流れる共振電流Ｉｒは、（１）ＡＴＡＣ１０を仮想接地したときに、プローブ信号Ｖｓにより誘起される電流成分Ｉｓと、（２）信号発生器１３を仮想接地したときに、補助電圧ＶＡ［ｆ０］により誘起される電流成分ＩＡの和Ｉｓ＋ＩＡで与えられる。
【００４１】
プローブ信号Ｖｓの位相は０°、補助電圧ＶＡ［ｆ０］の位相はθ＝９０°である。ｆｒ＜ｆ０において、電流Ｉｓの位相は電圧Ｖｓに対して位相差φ遅れる、同様に、電流ＩＡの位相は電圧ＶＡ［ｆ０］に対して位相差φ遅れる。
【００４２】
プローブ信号Ｖｓと補助電圧ＶＡ［ｆ０］は位相差θ（＝９０°）を有するため、電流成分ＩｓとＩＡの位相差も９０°となる。補助電圧ＶＡ［ｆ０］の振幅、言い換えれば電流成分ＩＡの振幅を最適化すれば、２つの電流成分ＩｓとＩＡの合成電流、すなわち共振電流Ｉｒの位相を、プローブ信号Ｖｓの位相（０°）と一致させることができ、疑似共振状態が実現できることが分かる。
【００４３】
ＡＴＡＣ１０の動作に再度着目すると、補正電圧ＶＡがどのような位相であったとしても、第１端子Ｐ１を流れる電流は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２と同期した成分のみである。したがって過渡的な状態を経過したのち、補助キャパシタＣＡ１は、共振電流Ｉｒの位相がプローブ電圧Ｖｓの位相と一致する電圧レベルにチャージアップされる。その結果、疑似共振状態を満足する補助電圧ＶＡが自動的に生成され、ＡＴＡＣ１０、共振回路１２、信号発生器１３を含む系が擬似的な共振状態に自動的にチューニングされる。
【００４４】
（インピーダンス測定装置１の動作）
続いてインピーダンス検出部１６による対象物２のインピーダンス検出について説明する。上述のように、インピーダンス検出部１６は、疑似共振状態を利用して、対象物２のインピーダンスを検出する。
【００４５】
図３の等価回路図から、以下の関係式を得る。
Ｖｓ−ＶＡ［ｆ０］＝Ｉｒ×Ｚ      …（１）
Ｚ＝（Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ）      …（２）
Ｚは共振回路１２のインピーダンスであり、ω＝２πｆ０、Ｒは抵抗Ｒｓの抵抗値、ＬはインダクタＬｒのインダクタンス、Ｃは容量Ｃｒの容量値であり、Ｒ、Ｌおよびωは既知である。
【００４６】
疑似共振状態では、式（３）、（４）が成り立つ。
Ｖｓ＝Ｒ×Ｉｒ      …（３）
ＶＡ［ｆ０］＝−（ｊωＬ＋１／ｊωＣ）×Ｉｒ      …（４）
【００４７】
式（４）を変形すると、式（５）を得る。
１／ｊωＣ＝−ＶＡ［ｆ０］／Ｉｒ＋ｊωＬ    …（５）
図６からわかるように、電流Ｉｒの位相は電圧ＶＡ［ｆ０］の位相に対して９０度遅れているから、ＶＡ［ｆ０］の振幅を｜ＶＡ［ｆ０］｜、Ｉｒの振幅を｜Ｉｒ｜とすると、ＶＡ［ｆ０］＝ｊ×｜ＶＡ［ｆ０］｜、Ｉｒ＝｜Ｉｒ｜と表すことができ、式（６）を得る。
１／ｊωＣ＝−ｊ×｜ＶＡ［ｆ０］｜／｜Ｉｒ｜＋ｊωＬ    …（６）
したがって、対象物２の容量Ｃは、式（７）で与えられる。
Ｃ＝１／｛ω×｜ＶＡ［ｆ０］｜／｜Ｉｒ｜−ω２Ｌ｝    …（７）
【００４８】
Ｌおよびωは既知であるから、補助電圧ＶＡ［ｆ０］および共振電流Ｉｒが分かれば、対象物２のインピーダンス、すなわち容量値Ｃを求めることができる。そこで図２のインピーダンス検出部１６は、電流測定部１６１、電圧測定部１６２、演算部１６３を備える。電流測定部１６１は、共振電流Ｉｒを検出し、電圧測定部１６２は、補助電圧ＶＡ［ｆ０］を検出する。演算部１６３は、電流測定部１６１、電圧測定部１６２により検出された電流Ｉｒ、電圧ＶＡ［ｆ０］にもとづいて、式（７）から、対象物２のインピーダンスＣを計算する。
【００４９】
電流測定部１６１は、以下のいずれかの方法により共振電流Ｉｒを検出できる。
（１）たとえば、プローブ信号Ｖｓの振幅が既知であり、抵抗Ｒｓの抵抗値Ｒが既知である場合、電流測定部１６１は、共振電流Ｉｒを式（３）から計算により求めてもよい。
【００５０】
（２）電流測定部１６１は、測定補助回路１１と直列に挿入された電流計を含み、共振電流Ｉｒを直接測定してもよい。
【００５１】
（３）電流測定部１６１は、インダクタＬｒの両端間の電圧ＶＬｒを測定し、Ｉｒ＝ＶＬｒ／（ωＬ）にしたがって共振電流Ｉｒを検出してもよい。
【００５２】
このように、本発明において、電流測定部１６１による共振電流Ｉｒの検出方法は限定されない。
【００５３】
電圧測定部１６２は、以下のいずれかの方法により補助電圧ＶＡ［ｆ０］を検出できる。
【００５４】
（１）たとえば、電圧測定部１６２は、ＡＴＡＣ１０の第１端子Ｐ１の電位を測定する電圧計を含み、補助電圧ＶＡ［ｆ０］の振幅｜ＶＡ［ｆ０］｜を測定してもよい。ただし補助電圧ＶＡは矩形波電圧であるため、振幅｜ＶＡ［ｆ０］｜を測定するためには、補助電圧ＶＡをピークホールドし、あるいはフィルタリングするなどの処理が必要となる。
【００５５】
（２）より好ましくは、電流測定部１６１は、ＡＴＡＣ１０の内部の補助キャパシタＣＡ１に生ずるキャパシタ電圧ＶＣＡ１を測定する電圧計を含み、キャパシタＶＣＡ１にもとづいて、補助電圧ＶＡ［ｆ０］の振幅｜ＶＡ［ｆ０］｜を取得してもよい。
【００５６】
たとえば図３のＡＴＡＣ１０では、矩形波の補助電圧ＶＡの振幅｜ＶＡ｜は、ＶＣＡ１／２と一致する。疑似共振状態においてキャパシタ電圧ＶＣＡ１は実質的に一定レベルをとるため、それを測定することにより、補助電圧ＶＡを測定するより簡易に、振幅｜ＶＡ｜を取得できる。
【００５７】
矩形波のフーリエ級数展開を利用すると、矩形波の補正電圧ＶＡの振幅｜ＶＡ｜と、その基本波ＶＡ［ｆ０］の振幅｜ＶＡ［ｆ０］｜の間には、以下の関係式が成り立つ。
｜ＶＡ［ｆ０］｜＝｜ＶＡ｜×４π
したがって、基本波成分ＶＡ［ｆ０］の振幅｜ＶＡ［ｆ０］｜は、キャパシタ電圧ＶＣＡ１を用いて、以下の式から求めることができる。
｜ＶＡ［ｆ０］｜＝ＶＣＡ１／２×４π
【００５８】
以上がインピーダンス測定装置１の構成およびその動作原理である。
【００５９】
このように、実施の形態に係るインピーダンス測定装置１によれば、ＡＴＡＣ１０によって擬似的な共振状態に自動的に短時間でチューニングできるため、従来の共振法において必要であった複雑な、あるいは長時間を要したチューニング処理が不要となる。したがって、短時間で高精度に、安価な装置で対象物２のインピーダンスを測定することができる。
【００６０】
（キャパシタ型ＡＴＡＣの別の実施例）
続いて第２の実施例に係るインピーダンス測定装置１について説明する。図７は、第２の実施例に係るインピーダンス測定装置１ａを示す回路図である。図７では、インピーダンス検出部１６は省略されている。
【００６１】
このインピーダンス測定装置１ａにおいて、ＡＴＡＣ１０ａは、２個の補助キャパシタＣＡ１、ＣＡ２を備える。より具体的には、ＡＴＡＣ１０ａは、図３の第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣＡ１、コントローラ１０２に加えて、第２補助キャパシタＣＡ２を備える。第２補助キャパシタＣＡ２は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に、第２スイッチＳＷ２と直列に設けられる。第２スイッチＳＷ２と第２補助キャパシタＣＡ２は入れ替えてもよい。
【００６２】
図７のＡＴＡＣ１０ａにおいて、補助電圧ＶＡは、第１スイッチＳＷ１のオン時間ＴＯＮ１においてキャパシタ電圧ＶＣＡ１と等しくなり、第２スイッチＳＷ２のオン時間ＴＯＮ２においてキャパシタ電圧ＶＣＡ２と等しくなる。
【００６３】
ＡＴＡＣ１０ａを備えるインピーダンス測定装置１ａによれば、キャパシタ電圧ＶＣＡ１、ＶＣＡ２が自動的に最適化され、これによりＡＴＡＣ１０ａ、共振回路１２、信号発生器１３を含む系が疑似共振状態に安定化される。
【００６４】
続いて第３の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｂについて説明する。図８は、第３の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｂを示す回路図である。図８のインピーダンス測定装置１ｂにおいて、ＡＴＡＣ１０ｂは、１個の補助キャパシタを備える点で第１の実施例と共通するが、複数のスイッチのトポロジーが第１の実施例と異なっている。
【００６５】
ＡＴＡＣ１０ｂは、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第１補助キャパシタＣＡ１、コントローラ１０２ｂを備える。
【００６６】
第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４は、いわゆるＨブリッジ（フルブリッジ）回路を構成している。具体的には、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２に対して並列な経路上に順に直列に設けられる。
【００６７】
第１補助キャパシタＣＡ１は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の接続点Ｎ１と、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４の接続点Ｎ２との間の設けられる。第１補助キャパシタＣＡ１の容量値は、共振用キャパシタＣＰＸに比べて十分に大きいことが望ましい。
【００６８】
第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４は、片方向スイッチで構成してもよい。この場合、コントローラ１０２ｂは、第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ２を、それぞれの逆導通素子に電流が流れない位相θでスイッチングする。つまり、位相θが制約を受ける。
【００６９】
あるいは第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４は、双方向スイッチで構成してもよい。この場合、コントローラ１０２ｂスイッチングの位相θの制約を緩和できる。
【００７０】
以上が第３の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｂの構成である。続いてその動作を説明する。
【００７１】
図９は、図８のインピーダンス測定装置１ｂの動作波形図である。図９は上から順に、プローブ信号Ｖｓ、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４、補助電圧ＶＡ、共振回路１２に流れる共振電流Ｉｒを示す。スイッチを示す波形は、ハイレベルがオン状態を、ローレベルがオフ状態を示す。共振電流Ｉｒは、ＡＴＡＣ１０ｂを動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。
【００７２】
第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４を含む第１のペアは、プローブ信号Ｖｓに対してある位相差θ＝９０度で相補的にスイッチングされる。第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３を含む第２のペアは、第１のペアと相補的にスイッチングされる。共振電流Ｉｒは、第１のペアのオン時間ＴＯＮ１において、第１スイッチＳＷ１、第１補助キャパシタＣＡ１、第４スイッチＳＷ４を含む経路に流れ、第２のペアのオン時間ＴＯＮ２において、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣＡ２、第３スイッチＳＷ３を含む経路に流れる。
【００７３】
第１補助キャパシタＣＡ１は、共振電流Ｉｒによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣＡ１には、キャパシタ電圧ＶＣＡ１が発生する。ＡＴＡＣ１０ｂは、共振回路１２の一端に補助電圧ＶＡを印加する。補助電圧ＶＡは、第１のペアがオンの期間ＴＯＮ１において第１の極性をとり、第２のペアがオンの期間ＴＯＮ２において第２の極性をとる。ＡＴＡＣ１０ｂは、補助電圧ＶＡを共振回路１２に印加する補正電源と把握することができる。すなわち、インピーダンス測定装置１ｂの動作原理は、第１、第２の実施例のそれと同様であることがわかる。
【００７４】
キャパシタ電圧ＶＣＡ１に応じた補助電圧ＶＡが共振回路１２に印加されることにより、疑似共振状態が成立するように、共振電流Ｉｒの位相がロックされる。
【００７５】
（キャパシタ型ＡＴＡＣのまとめ）
第１、第２の実施例では、補助キャパシタが１個、または２個の場合を説明したが、当業者であれば、任意の個数の補助キャパシタを用いて、同様の機能を奏する回路を構成しうることが理解されよう。
また、第１、第２の実施例では、スイッチが２個の場合、第３の実施例では、スイッチが４個の場合を説明したが、当業者によれば、複数のスイッチのトポロジーも、補助キャパシタの個数に応じて適宜配置しうる。
【００７６】
つまり、第１から第３の実施例に具現化される第１の実施の形態に係る発明を一般化すると、以下の技術的思想が導かれる。
【００７７】
・第１の技術的思想
ＡＴＡＣ１０は、共振回路１２とカップリングされる第１端子Ｐ１および第２端子Ｐ２と、Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮと、複数Ｍ個（Ｍは自然数）のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭと、コントローラ１０２と、を備える。複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭはそれぞれ、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、Ｎ個の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮの端子のうち２つの間に設けられる。コントローラ１０２は、プローブ信号Ｖｓと同期して、より具体的には、プローブ信号Ｖｓに対してある位相差で複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭそれぞれをスイッチングする。
【００７８】
また、別の観点からみると、以下の技術的思想が導かれる。
・第２の技術的思想
ＡＴＡＣ１０は、Ｎ個（Ｎは自然数）の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮと、複数Ｍ個（Ｍは自然数）のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭと、コントローラ１０２と、を備える。複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭは、共振回路１２に流れる電流ＩｒによってＮ個の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮそれぞれを充電および放電できるように配置される。コントローラ１０２は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭをスイッチングすることにより、Ｎ個の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮそれぞれの両端間にキャパシタ電圧ＶＣＡ１〜ＶＣＡＮを発生させるとともに、Ｎ個の補助キャパシタＣＡ１〜ＣＡＮそれぞれのキャパシタ電圧ＶＣＡ１〜ＶＣＡＮに応じた補助電圧ＶＡを、共振回路１２に印加させる。
【００７９】
したがって、第１から第３の実施例で説明した構成のみでなく、第１または第２の技術的思想によって導かれるさまざまな形式の自動チューニング補助回路が、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８０】
（インダクタ型ＡＴＡＣ）
続いて、インダクタ型ＡＴＡＣを利用したインピーダンス測定装置について説明する。
【００８１】
図１０は、第４の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｄを示す回路図である。インピーダンス測定装置１ｄのＡＴＡＣ２０は、共振回路１２とカップリングされ、共振回路１２に第１補正電流ＩＡを注入（ソース）し、または共振回路１２から補正電流ＩＡを引き抜く（シンク）ように構成される。図１０では、ＡＴＡＣ２０は、共振回路１２のインダクタＬｒと並列に接続される。なおＡＴＡＣ２０は、キャパシタＣｒつまり対象物２と並列に接続されてもよい。本実施の形態では、共振回路１２から自動チューニング補助回路３０に向かう向き（シンク）を、補正電流ＩＡの正とする。
【００８２】
ＡＴＡＣ２０は、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１補助コイルＬＡ１、コントローラ２０２を備える。
【００８３】
第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２は、共振回路１２とカップリングされる。第１スイッチＳＷ１および第１補助コイルＬＡ１は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられる。第１スイッチＳＷ１および第１補助コイルＬＡ１は入れ替えてもよい。第２スイッチＳＷ２は、第１補助コイルＬＡ１に対して並列に設けられる。
【００８４】
コントローラ２０２は、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２それぞれを、プローブ信号Ｖｓと同期して、より具体的には、プローブ信号Ｖｓに対して所定の位相差θでスイッチングする。位相差θは０度、つまり同相付近とすることが好ましいが、０度からずれていても構わない。以下では、理解の容易化、説明の簡潔化のため、θ＝０度の場合を説明する。
【００８５】
ＡＴＡＣ２０は、第１状態φ１と第２状態φ２を、プローブ信号Ｖｓと同じ周波数で交互に繰り返す。つまり本実施の形態では、スイッチング周波数とプローブ信号Ｖｓの周波数ｆ０は等しい。
【００８６】
第１状態φ１では、第１スイッチＳＷ１がオン、第２スイッチＳＷ２がオフし、第１補助コイルＬＡ１が共振回路１２にカップリングされて、第１補助コイルＬＡ１に流れる電流ＩＬＡ１に応じた補正電流ＩＡが、共振回路１２に注入され、もしくは共振回路１２から引き抜かれる。第２状態φ２では、第２スイッチＳＷ２がオン、第１スイッチＳＷ１がオフし、第１補助コイルＬＡ１が共振回路１２から切り離され、第１補助コイルＬＡ１に流れる電流ＩＬＡ１が、共振回路１２とは独立した電流経路（ＳＷ２）に流れる。
【００８７】
コントローラ２０２は、第１状態φ１と第２状態φ２を、プローブ信号Ｖｓと同じ周波数ｆ０で、かつプローブ信号Ｖｓに対して所定の位相差θで切りかえる。
【００８８】
第１の実施の形態と同様に、各スイッチは、片方向スイッチであってもよいし、双方向スイッチであってもよい。なお、片方向スイッチを使用する場合、コントローラ２０２は、各スイッチを、それぞれの逆導通素子に電流が流れない位相でスイッチングする。
【００８９】
以上がインピーダンス測定装置１ｄの構成である。続いてその動作を説明する。
【００９０】
スイッチＳＷ１、ＳＷ２はそれぞれ、オフ状態においていずれの方向にも電流を流さない双方向スイッチであるものとする。
【００９１】
図１１は、図１０のインピーダンス測定装置１ｄの動作波形図である。上から順に、プローブ信号Ｖｓ、共振電流Ｉｒ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、補正電流ＩＡ、第１補助コイルＬＡ１の電流ＩＬＡ１を示す。共振電流Ｉｒは、ＡＴＡＣ２０を動作させてから十分な時間が経過した後の定常状態における波形を示す。
【００９２】
第１状態φ１と第２状態φ２を繰り返すことにより、第１補助コイルＬＡ１の電流ＩＬＡ１の大きさおよび向きは、共振電流Ｉｒの位相がプローブ信号Ｖｓの位相と一致するように自動的に調節される。
【００９３】
第２状態φ２では、電流ＩＬＡ１は第２スイッチＳＷ２を含むループに流れ、そのレベルは一定に保たれる。そして第１状態φ１では、電流ＩＬＡ１が、補正電流ＩＡとして共振回路１２に供給される。つまりＡＴＡＣ２０は、補正電流ＩＡを共振回路１２に供給する補正電流源と把握することができる。
【００９４】
第１の実施の形態で説明したキャパシタを用いたＡＴＡＣ１０が補助電圧源と把握されるのに対して、コイルを用いたＡＴＡＣ２０は、補正電流ＩＡを共振回路１２に供給する補正電流源と把握することができる。
【００９５】
以上がインピーダンス測定装置１ｄの動作である。
【００９６】
図１０のインピーダンス測定装置１ｄによれば、第１の実施の形態と同様に、ＡＴＡＣ２０によって擬似的な共振状態に自動的に短時間でチューニングできるため、従来の共振法において必要であった複雑な、あるいは長時間を要したチューニング処理が不要となる。したがって、短時間で高精度に、安価な装置で対象物２のインピーダンスを測定することができる。
【００９７】
そして、インピーダンス検出部１６によって、補助電流ＩＡと共振電流Ｉｒを検出し、それらの値を利用することにより、対象物２のインピーダンス（容量値）を測定することができる。
【００９８】
（インダクタ型ＡＴＡＣの変形例、別の実施例）
図１２（ａ）、（ｂ）は、図１０のＡＴＡＣ２０の変形例を示す回路図である。これらの変形例では、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、片方向スイッチを用いて構成される。
【００９９】
図１２（ａ）、（ｂ）において、第１スイッチＳＷ１は、片方向スイッチＳＷ１ａと、それと直列に設けられた整流ダイオードＤ１ｂを含む。整流ダイオードＤ１ｂは、片方向スイッチＳＷ１ａの逆導通素子である寄生ダイオード（ボディダイオード）Ｄ１ａと逆向きに配置される。スイッチＳＷ１ａと整流ダイオードＤ１ｂの順序は入れ替えてもよい。
【０１００】
第２スイッチＳＷ２も第１スイッチＳＷ１と同様に構成され、片方向スイッチＳＷ２ａと、それと直列に設けられた整流ダイオードＤ２ｂを含む。整流ダイオードＤ２ｂは、片方向スイッチＳＷ２ａの寄生ダイオード（ボディダイオード）Ｄ２ａと逆向きに配置される。スイッチＳＷ２ａと整流ダイオードＤ２ｂの順序は入れ替えてもよい。
【０１０１】
整流ダイオードＤ１ｂ、Ｄ２ｂを、寄生ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａと逆向きに設けることにより、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が意図せずにオンするのを防止することができる。
【０１０２】
なお、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を双方向スイッチで構成する場合、ＡＴＡＣ２０は、正、負両方の補正電流ＩＡを生成可能であった。これに対して、図１２（ａ）のＡＴＡＣ２０ａは、正の補正電流ＩＡを生成できるが、負の補正電流ＩＡは生成できない。反対に図１２（ｂ）のＡＴＡＣ２０ｂは、負の補正電流ＩＡを生成できるが、正の補正電流ＩＡは生成できない。したがって、図１２（ａ）、（ｂ）のＡＴＡＣ２０ａ、２００ｂでは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のスイッチングの位相が制約される。
【０１０３】
図１３は、第５の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｅを示す回路図である。
ＡＴＡＣ２０ｃは、図１０のＡＴＡＣ２０に加えて、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第２補助コイルＬＡ２を備える。第３スイッチＳＷ３および第２補助コイルＬＡ２は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３および第２補助コイルＬＡ２は入れ替えてもよい。第４スイッチＳＷ４は、第２補助コイルＬＡ２に対して並列に設けられる。コントローラ２０２は、第１状態φ１において第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４をオンし、第２状態φ２において第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３をオンする。
【０１０４】
以上がインピーダンス測定装置１ｅの構成である。続いてその動作を説明する。
【０１０５】
図１４は、図１３のインピーダンス測定装置１ｅの動作波形図である。
第１状態φ１では、第１補助コイルＬＡ１が共振回路１２にカップリングされて、第１補助コイルＬＡ１に流れる電流ＩＬＡ１に応じた第１補正電流ＩＡが、共振回路１２に注入され、もしくは共振回路１２から引き抜かれる。このとき、第２補助コイルＬＡ２は共振回路１２から切り離され、第２補助コイルＬＡ２に流れる電流ＩＬＡ２が、共振回路１２とは独立した電流経路に流れる。
【０１０６】
第２状態φ２では、第１補助コイルＬＡ１が共振回路１２から切り離され、第１補助コイルＬＡ１に流れる電流ＩＬＡ１が、共振回路１２とは独立した電流経路に流れる。このとき、第２補助コイルＬＡ２が共振回路１２にカップリングされて、第２補助コイルＬＡ２に流れる電流ＩＬＡ２に応じた第２補正電流ＩＡ２が、共振回路１２に注入され、もしくは共振回路１２から引き抜かれる。
【０１０７】
つまり、２つの補助コイルＬＡ１、ＬＡ２が相補的に共振回路１２にカップリングされ、補正電流ＩＡ１、ＩＡ２が交互に共振回路１２に供給される。別の観点から見ると図１３のＡＴＡＣ２０ａは、図１０のＡＴＡＣ２０を２個備え、それらが逆相で動作するものと理解できる。そして、第１補助コイルＬＡ１による補正電流ＩＡ１と、第２補助コイルＬＡ２による補正電流ＩＡ２は逆極性となる。共振回路１２に供給される補正電流ＩＡは、２つの補正電流ＩＡ１、ＩＡ２の合計となる。
【０１０８】
このインピーダンス測定装置１ｅによれば、第４の実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１０９】
図１３のＡＴＡＣ２０ｃにおいて、図１２（ａ）、（ｂ）の変形例と同様に、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４を、片方向スイッチを用いて構成してもよい。この場合、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、図１２（ａ）と同様に構成され、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、図１２（ｂ）と同様に構成される。この変形例によっても、図１３のＡＴＡＣ２０ｃと同様の効果を得ることができる。
【０１１０】
図１５は、第６の実施例に係るインピーダンス測定装置１ｆを示す回路図である。
【０１１１】
ＡＴＡＣ２０ｅは、Ｈブリッジ回路を構成する第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４および第１補助コイルＬＡ１を備える。具体的には、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３および第４スイッチは、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に、かつ第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２に対して並列に設けられる。第１補助コイルＬＡ１は、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の接続点Ｎ３と、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４の接続点Ｎ４の間に設けられる。
【０１１２】
第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４は、片方向スイッチで構成してもよいし、双方向スイッチで構成してもよい。双方向スイッチを用いる場合、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を、図１２のスイッチと同様に構成すればよい。
【０１１３】
コントローラ２０２は、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４のペアがオンとなる第１状態φ１と、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３のペアがオンとなる第２状態φ２と、をプローブ信号Ｖｓと同じ周波数でスイッチングする。
【０１１４】
図１５のＡＴＡＣ２０ｅによれば、正負両極性の補正電流を、単一の補正コイルを用いて生成することができる。
【０１１５】
（インダクタ型ＡＴＡＣのまとめ）
第４、第５の実施例では、補助コイルが１個、または２個の場合を説明したが、当業者であれば、任意の個数の補助コイルを用いて、同様の機能を奏する回路を構成しうることが理解されよう。
また、第４の実施例ではスイッチが２個の場合、第５、第６の実施例では、スイッチが４個の場合を説明したが、当業者によれば、複数のスイッチのトポロジーも、補助コイルの個数に応じて適宜配置しうる。
【０１１６】
つまり、第４から第６の実施例に具現化される第２の実施の形態に係る発明を一般化すると、以下の技術的思想が導かれる。
・第３の技術的思想
ＡＴＡＣ２０は、共振回路１２とカップリングされる第１端子Ｐ１および第２端子Ｐ２と、Ｎ個（Ｎは自然数）の補助コイルＬＡ１〜ＬＡＮと、複数Ｍ個（Ｍは自然数）のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭと、コントローラ２０２と、を備える。複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭはそれぞれ、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、Ｎ個の補助コイルＬＡ１〜ＬＡＮの端子のうち２つの間に設けられる。コントローラ２０２は、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷＭそれぞれを、プローブ信号Ｖｓと同期してスイッチングする。
【０１１７】
また、別の観点からみると、以下の技術的思想が導かれる。
・第４の技術的思想
ＡＴＡＣ２０は、補助コイルＬＡを含み、（１）補助コイルＬＡが共振回路１２にカップリングされて、補助コイルＬＡに流れる電流ＩＬＡに応じた補正電流ＩＡを、共振回路１２に注入しもしくは共振回路１２から引き抜く第１状態φ１と、（２）補助コイルＬＡが共振回路１２から切り離され、補助コイルＬＡに流れる電流ＩＬＡが、共振回路１２とは独立した電流経路に流れる第２状態φ２と、を交互に繰り返すよう構成される。
【０１１８】
したがって、第４から第６の実施例で説明した構成のみでなく、第３または第４の技術的思想によって導かれるさまざまな形式の自動チューニング補助回路が、本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１１９】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【０１２０】
（測定補助回路１１のトポロジー）
測定補助回路１１の構成にはさまざまな変形例が存在する。以下、いくつかの変形例について説明する。
【０１２１】
図１６（ａ）、（ｂ）は、測定補助回路１１の変形例を示す回路図である。図１６（ａ）では、測定補助回路１１は、対象物２と並列に設けられたキャパシタＣｐを含む。対象物２の容量ＣとキャパシタＣｐの合成容量Ｃｒ＝Ｃ＋Ｃｐが、インピーダンス検出部１６により測定される。したがって、Ｃ＝Ｃｒ−Ｃｐにより、対象物２の容量Ｃを計算できる。
【０１２２】
図１６（ｂ）では、測定補助回路１１は、対象物２と直列に設けられたキャパシタＣｓを含む。対象物２の容量ＣとキャパシタＣｐの合成容量Ｃｒ＝１／｛Ｃ−１＋Ｃｓ−１｝が、インピーダンス検出部１６により測定される。したがって、Ｃ＝１／｛Ｃｒ−１＋Ｃｓ−１｝により、対象物２の容量Ｃを計算できる。
【０１２３】
図２の測定補助回路１１の構成では、対象物２の容量値Ｃが大き過ぎ、あるいは小さすぎると、測定感度が高く、あるいは低くなり過ぎて、容量値Ｃの測定精度が低下するおそれがある。図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、対象物２の容量値Ｃに応じて測定補助回路１１の最適なトポロジーを選択し、キャパシタＣｐ、Ｃｓの最適な容量値を選択することにより、容量値Ｃを高精度に測定することが可能となる。キャパシタＣｐ、Ｃｓを可変容量とし、対象物２の容量値Ｃの測定レンジに応じて、キャパシタＣｐ、Ｃｓの容量値を制御してもよい。
【０１２４】
実施の形態では、測定補助回路１１が、対象物２とともにＲＬＣ直列共振回路を形成する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、並列共振回路を形成してもよい。図１７（ａ）〜（ｃ）は、測定補助回路１１の変形例を示す回路図である。
【０１２５】
図１７（ａ）の測定補助回路１１は、抵抗ＲＬＤ、キャパシタＣＬＤ、抵抗Ｒｐ、インダクタＬｒを含む。対象物２と抵抗Ｒｐ、インダクタＬｒは、並列共振回路を形成している。並列共振回路に対して直列に、抵抗ＲＬＤおよびキャパシタＣＬＤを挿入することが好ましい。キャパシタＣＬＤはＤＣブロックを目的として、抵抗ＲＬＤは、電流制限を目的として設けられる。
【０１２６】
図１７（ａ）の測定補助回路１１において、以下の式（９）、（１０）が成り立つ。ここでは説明の簡潔化、理解の容易化を目的として、キャパシタＣＬＤおよび抵抗ＲＬＤは無視するものとする。
Ｖｓ−ＶＡ［ｆ０］＝Ｉｒ×Ｚ    …（９）
Ｚ＝１／｛１／Ｒ＋１／ｊωＬ＋ｊωＣ｝      …（１０）
【０１２７】
Ｚは共振回路１２のインピーダンスであり、ω＝２πｆ０、Ｒは抵抗Ｒｐの抵抗値、ＬはインダクタＬｒのインダクタンス、Ｃは容量Ｃｒの容量値であり、Ｒ、Ｌおよびωは既知である。
【０１２８】
ＡＴＡＣ２０による自動チューニングの結果、擬似的な共振状態が成り立つとき、Ｃの値を計算から求めることができる。
【０１２９】
図１７（ｂ）の測定補助回路１１は、対象物２と並列なキャパシタＣｐを含む。図１７（ｃ）の測定補助回路１１は、対象物２と直列なキャパシタＣｓを含む。測定補助回路１１のトポロジーおよびキャパシタＣｐ、Ｃｓの容量値を、対象物２の容量値Ｃに応じて適切に選択することで、対象物２の容量値Ｃを正確に測定できる。
【０１３０】
（対象物２の変形例）
実施の形態では、対象物２の容量を測定する場合を説明したが、本発明は、対象物２のインダクタンスの測定にも利用可能である。図１８（ａ）〜（ｃ）は、インダクタンスを測定するときの測定補助回路１１を示す回路図である。図１８（ａ）の測定補助回路１１は、対象物２と直列に接続される抵抗ＲｓおよびキャパシタＣｒを含み、対象物２とともにＲＬＣ直列共振回路を形成する。
【０１３１】
ＡＴＡＣにより疑似共振状態に安定化されるとき、式（６）が成り立つ。図１８（ａ）の構成では、キャパシタＣｒの容量Ｃが既知、インダクタンスＬが未知数であり、インダクタンスＬは、式（８）で与えられる。
Ｌ＝１／ω２Ｃ＋｜ＶＡ［ｆ０］｜／｜Ｉｒ｜／ω    …（８）
【０１３２】
したがって｜ＶＡ［ｆ０］｜および｜Ｉｒ｜を測定することで、インダクタンスＬを計算することができる。
【０１３３】
共振電流｜Ｉｒ｜の測定方法は特に限定されず、電流測定部１６１は、以下のいずれかの方法により共振電流Ｉｒを検出できる。
【０１３４】
（１）たとえば、プローブ信号Ｖｓの振幅が既知であり、抵抗Ｒｓの抵抗値Ｒが既知である場合、電流測定部１６１は、共振電流Ｉｒを式（３）から計算により求めてもよい。
【０１３５】
（２）電流測定部１６１は、測定補助回路１１と直列に挿入された電流計を含み、共振電流Ｉｒを直接測定してもよい。
【０１３６】
（３）電流測定部１６１は、キャパシタＣｒの両端間の電圧ＶＣｒを測定し、Ｉｒ＝ＶＣｒ×ωＣにしたがって共振電流Ｉｒを検出してもよい。
【０１３７】
図１８（ｂ）の測定補助回路１１は、対象物２と直列に設けられたインダクタＬｓを含む。対象物２のインダクタンスＬとインダクタＬ２の合成インダクタンスＬｒ＝Ｌ＋Ｌｓが、インピーダンス検出部１６により測定される。したがって、Ｌ＝Ｌｒ−Ｌｓにより、対象物２のインダクタンスＬを計算できる。
【０１３８】
図１８（ｃ）の測定補助回路１１は、対象物２と並列に設けられたインダクタＬｐを含む。対象物２のインダクタンスＬとインダクタＬｐの合成インダクタンスＬｒ＝１／｛Ｌ−１＋Ｌｓ−１｝が、インピーダンス検出部１６により測定される。したがって、Ｌ＝１／｛Ｌｒ−１＋Ｌｓ−１｝により、対象物２の容量Ｌを計算できる。
【０１３９】
対象物２のインダクタンスが大きすぎる場合、あるいは小さすぎる場合には、図１８の測定補助回路１１の構成では、対象物２のインダクタンスＬが大き過ぎ、あるいは小さすぎると、測定感度が高く、あるいは低くなり過ぎて、インダクタンスＬの測定精度が低下するおそれがある。図１８（ｂ）、（ｃ）に示すように、対象物２のインダクタンスＬに応じて測定補助回路１１の最適なトポロジーを選択し、インダクタＬｐ、Ｌｓの最適なインダクタンスを選択することにより、インダクタンスＬを高精度に測定することが可能となる。
【０１４０】
また、図１７（ａ）に示す並列共振型の測定補助回路１１を用いて、対象物２のインダクタンスを測定することも可能である。この場合、対象物２と直列にインダクタを挿入し、あるいは、対象物２と並列にインダクタンスを挿入してもよい。
【０１４１】
図１９は、測定補助回路１１の変形例を示す回路図である。この測定補助回路１１は、図１８（ａ）の測定補助回路１１と同様に、対象物２のインダクタンスを測定可能であり、トランスＴ１をさらに備える。トランスＴ１の１次コイルＬｒ１は、抵抗ＲｓおよびキャパシタＣｒと直列に、その２次コイルＬｒ２は、対象物２と接続される。トランスＴ１の結合係数κ＝１であり、かつＬｒ１＝Ｌｒ２が成り立つとき、図１８（ａ）と等価回路は同一となる。この変形例は、対象物２を測定系に対して直流的に分離することができるという利点がある。
【０１４２】
また、インピーダンス測定装置１によれば、対象物２の抵抗値を測定することも可能である。
【０１４３】
（インピーダンス測定装置１の用途）
最後に、インピーダンス測定装置１の用途を説明する。
【０１４４】
インピーダンス測定装置１は、上述のように、インダクタＬ、キャパシタＣ、抵抗Ｒの値を測定するＬＣＲメータに利用することができる。
【０１４５】
図２０は、インピーダンス測定装置１を用いた加速度センサの評価装置３００を示す図である。ＤＵＴ（被試験デバイス）は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて構成された静電容量検出方式の加速度センサであり、可動部と固定部の間に形成される可変容量を測定することにより、加速度が検出可能となっている。
【０１４６】
評価装置３００は、インピーダンス測定装置１に加えて、振動発生器３０２を備える。振動発生器３０２は、ＤＵＴに対して機械的な振動を与え、それにより可変容量を変化させる。インピーダンス測定装置１は、振動により誘起される容量変化を測定する。
【０１４７】
そのほか、インピーダンス測定装置１は、静電容量センサ、あるいは近接センサとして利用することも可能である。
【０１４８】
図２１（ａ）は、インピーダンス測定装置１を備えるバイタルモニタを示す図である。バイタルモニタ４００は、ベッドの下に備え付けられたインピーダンス測定装置１を備える。インピーダンス測定装置１は、患者を対象物２として、対象物２が形成する静電容量を検出する。
【０１４９】
このバイタルモニタ４００によれば、対象物２がベッド上に存在するか否かを検出することができる。さらに、インピーダンス測定装置１の感度は非常に高いため、対象物２のわずかな静電容量の変化を検出することができる。ここで、人体は、５０ｋＨｚ以下の周波数では、呼吸や心拍動にともなって、組織導電率や誘電率が変化することが知られている。したがってインピーダンス測定装置１を用いたバイタルモニタ４００によれば、静電容量変化を検出することで、呼吸や心拍動を非接触、無拘束、非侵襲にて測定することが可能となる。
【０１５０】
従来のバイタルモニタは、ベッドの下に備え付けられた感圧センサを備えるものが一般的であり、看者がベッドの上にいるか否かを確認することしかできないものであった。これに対して図２１（ａ）のバイタルモニタ４００によれば、患者の存在のみでなく、そのバイタルを測定することができる。
【０１５１】
図２１（ｂ）は、インピーダンス測定装置１を備えるユーザインタフェース装置５００を示す図である。インタフェース装置５００において、インピーダンス測定装置１は、透明のウィンドウ上に貼り付けられた透明電極５０２を備える。透明電極５０２にユーザが接触し、あるいは近接すると、透明電極５０２が形成する静電容量が変化する。インピーダンス測定装置１は、この静電容量を対象物２として測定することで、ユーザの動きを検出する。このインタフェース装置５００によれば、壁面への穴開け工事が不要となる。また、従来用いられていた光学式のインタフェース装置では、赤外線を用いるところ、屋外において環境光の影響を受けやすいという問題があったが、図２１（ｂ）のインタフェース装置５００によれば、屋外でも問題なく使用できる。
【０１５２】
図２１（ｃ）は、インピーダンス測定装置１を備える人体モニタ装置６００を示す図である。人体モニタ装置６００は、床に埋め込まれた電極６０２を備える。人体が電極６０２上を通過すると、電極６０２が形成する静電容量が変化する。インピーダンス測定装置１は、この静電容量を対象物２として測定することで、人体の通過を検出する。このような人体モニタ装置６００は、安否確認や防犯用途にも利用可能である。
【０１５３】
インピーダンス測定装置１は、磁気検出装置にも使用可能である。図２２は、インピーダンス測定装置１を備える磁気検出装置７００を示す図である。磁気検出装置７００は、上述のインピーダンス測定装置１と、ピックアップコイル７０２と、を備える。磁気検出装置７００において、ピックアップコイル７０２およびその周囲の電気的、磁気的環境（たとえば金属片７０４）が、図１８（ａ）〜（ｃ）の対象物２に相当する。この磁気検出装置７００は、金属探知機、微量な磁性流体を検出するためのセンサ、磁気結合変化、透磁率変化を検出するセンサとして利用できる。
【０１５４】
図２３（ａ）〜（ｅ）は、磁気検出装置７００に好適なピックアップコイル７０２を示す図である。
【０１５５】
図２３（ａ）のピックアップコイル７０２は一般的なコイルである。図２３（ｂ）のピックアップコイル７０２は、互いに直交する３個のコイルを有し、ベクトル検出が可能となっている。図２３（ｃ）〜（ｅ）のピックアップコイル７０２は、２個、あるいは３個のコイルを含み、それらは反対極性で結線されたグラジオメータで構成される。図２３（ｃ）、（ｄ）は、１次のグラジオメータであり、図２３（ｅ）は、２次のグラジオメータである。特に図２３（ｃ）〜（ｅ）のようなグラジオメータを利用した場合、インピーダンス測定装置１を用いたことによる相乗効果として極めて高感度な検出が可能となる。
【０１５６】
インピーダンス測定装置１を利用した磁気検出装置７００の重要な特徴として、ＡＴＡＣにより磁性発生コイルを常に、共振状態と等価な状態に維持することができるため、発熱ロスを低減することができることが挙げられる。この特徴により、電池駆動型の携帯可能な磁気検出装置７００を提供することが可能となる。
【０１５７】
この磁気検出装置７００は、乳ガンの転移を判定するセンチネル・リンパ節ナビゲーション外科手術に用いるセンサとしても利用可能である。あるいは、壁内、あるいは地下に埋設された金属性配管、ガス管、水道管の位置を、壁や地面を非破壊で検出することができる。
【０１５８】
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【０１５９】
１…インピーダンス測定装置、２…対象物、４…センサ、１０…ＡＴＡＣ、１１…測定補助回路、１２…共振回路、１３…信号発生器、１６１…電流測定部、１６２…電圧測定部、１６３…演算部、１６…インピーダンス検出部、２０…ＡＴＡＣ、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、３００…評価装置、４００…バイタルモニタ、５００…ユーザインタフェース装置、６００…人体モニタ装置、７００…磁気検出装置、７０２…ピックアップコイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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