(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子と、
第２の端子と、
一端が前記第１の端子に接続された抵抗値の異なる高精度の複数の抵抗と、
一端が前記第２の端子に接続され他端が前記複数の抵抗の他端に個別に接続された複数のスイッチ素子と、
第１の入力端子が前記第１の端子に接続され第２の入力端子が前記第２の端子に接続された増幅回路を有し、前記第１の端子および前記第２の端子の一方に負荷抵抗を接続し他方に所定の電圧を印加して、前記複数のスイッチ素子のいずれか１つを導通させて前記第１の端子と前記第２の端子の間の電圧を増幅して測定することにより、負荷抵抗に流れる電流を測定する電流測定回路を備えた電流測定装置において、
積分回路を有するノイズ除去回路を備え、該ノイズ除去回路によってノイズが除去された所定電圧が前記電流測定回路に供給され、
前記ノイズ除去回路は、所定の電圧に加えて、前記電流測定回路が前記負荷抵抗に印加する電圧と；前記負荷抵抗を流れることによって低下した電圧と；の差に応じた電圧が入力されるものであり、
前記電流測定回路は、前記複数のスイッチ素子としてフォトモスリレーを備えるとともに、前記複数の抵抗のうち抵抗値が所定値未満のものの前記スイッチ素子側の端と前記増幅回路の第２の入力端子、および前記第２の端子と前記増幅回路の第２の入力端子を、それぞれ接続する複数のアナログスイッチを備えて、前記複数のスイッチ素子のうち抵抗値が前記所定値未満の抵抗に接続されたものを導通させるときに、前記複数のアナログスイッチのうちその抵抗の端に接続されたもののみを導通させ、前記複数のスイッチ素子のうち抵抗値が前記所定値以上の抵抗に接続されたものを導通させるときに、前記複数のアナログスイッチのうち前記第２の端子に接続されたもののみを導通させることを特徴とする電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は定電圧を印加して負荷抵抗に流れる電流を測定する電流測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
定電圧を印加して測定対象である負荷抵抗に流れる電流を測定する従来の電流測定装置の要部の構成を図５に示す。この電流測定装置９は、抵抗値が１０倍ずつ異なる５つの高精度の抵抗Ｒ１〜Ｒ５と、これらの抵抗にそれぞれ接続された５つの水銀リレーＳ１〜Ｓ５と、増幅回路９３を備えている。抵抗Ｒ１〜Ｒ５は所定の電圧を印加される入力端子９１に接続され、水銀リレーＳ１〜Ｓ５は図外の負荷抵抗に接続される出力端子９２に接続されている。
【０００３】
水銀リレーＳ１〜Ｓ５のいずれかを導通させると、入力端子９１と出力端子９２が接続されて出力端子９２から負荷抵抗に電流が流れ、導通した水銀リレーに接続されている抵抗には、負荷抵抗を流れる電流に等しい電流が流れる。増幅回路９３で入力端子９１と出力端子９２の間の電圧を増幅し、端子９３ｃに現れる増幅後の電圧を不図示の電圧検出回路で測定することにより、負荷抵抗を流れる電流が測定される。
【０００４】
導通させる水銀リレーを切り換えて電流を通す抵抗を切り換えることにより、入力端子９１と出力端子９２の間に現れる電圧は変化し、これにより測定レンジが切り換わる。この電流測定装置９は最小レンジＲ８ＵＡから最大レンジＲ８０ＭＡまで５段階の測定レンジをもち、最大レンジＲ８０ＭＡから始めて順次測定レンジを切り換えて、電圧検出回路に与える電圧を所定範囲内とするレンジ自動設定機能を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の電流測定装置は測定レンジを切り換えるためのスイッチ素子として水銀リレーを使用している。ところが水銀リレーは、動作／復旧時間すなわち導通動作を始めてから完全に導通するまでの時間および導通動作を止め始めてから完全に非導通となるまでの時間が、共に３ｍｓｅｃ（ミリ秒）程度と長い。
【０００６】
このため、測定レンジを頻繁に切り換えて負荷抵抗に流れる電流を測定するときには、測定にかなりの時間を要する。例えば、上記の電流測定装置９で、最小レンジＲ８ＵＡで測定すべき負荷抵抗を最大レンジＲ８０ＭＡから始めてレンジ自動設定する場合、適正なレンジに設定するまでに約２７ｍｓｅｃかかることになる。
【０００７】
速やかに測定を行い得るようにするためには、水銀リレーに代えて、動作／復旧時間の短いスイッチ素子を用いればよい。例えば、フォトモスリレーは動作／復旧時間がそれぞれ０．５ｍｓｅｃと０．２ｍｓｅｃ程度であり、これを用いれば測定レンジの切り換えを速やかに行うことができる。しかしながら、水銀リレーのオン抵抗すなわち導通時の抵抗値が１００ｍΩ程度であるのに対し、フォトモスリレーのオン抵抗は１０Ω程度と１００倍も高い。このため、抵抗値の小さな抵抗に電流を流す大レンジでの測定では、その抵抗値に匹敵するオン抵抗が新たに加わることになって、正しく電流を測定することができなくなる。
【０００８】
動作／復旧時間が短い他のスイッチ素子も同様であり、これらのスイッチ素子を水銀リレーに代わるものとしてそのまま使用することはできない。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、負荷抵抗に流れる微小な電流から大電流までを精度よく測定することが可能で、測定レンジを速やかに切り換えることができる電流測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の端子と、第２の端子と、一端が第１の端子に接続された抵抗値の異なる高精度の複数の抵抗と、一端が第２の端子に接続され他端が複数の抵抗の他端に個別に接続された複数のスイッチ素子と、第１の入力端子が第１の端子に接続され第２の入力端子が第２の端子に接続された増幅回路を有し、第１の端子および第２の端子の一方に負荷抵抗を接続し他方に所定の電圧を印加して、複数のスイッチ素子のいずれか１つを導通させて第１の端子と第２の端子の間の電圧を増幅して測定することにより、負荷抵抗に流れる電流を測定する電流測定回路を備えた電流測定装置において、前記電流測定回路は、複数のスイッチ素子としてフォトモスリレーを備えるとともに、複数の抵抗のうち抵抗値が所定値未満のもののスイッチ素子側の端と増幅回路の第２の入力端子および第２の端子と増幅回路の第２の入力端子をそれぞれ接続する複数のアナログスイッチを備える。
【００１１】
そして、複数のスイッチ素子のうち抵抗値が所定値未満の抵抗に接続されたものを導通させるときに、複数のアナログスイッチのうちその抵抗の端に接続されたもののみを導通させ、複数のスイッチ素子のうち抵抗値が所定値以上の抵抗に接続されたものを導通させるときに、複数のアナログスイッチのうち第２の端子に接続されたもののみを導通させるようにする。
また、積分回路を有するノイズ除去回路を備え、該ノイズ除去回路によってノイズが除去された所定電圧を前記電流測定回路に供給する。
【００１２】
複数のスイッチ素子のうちどれを導通させるかによって測定レンジが切り換わるが、スイッチ素子として動作／復旧時間のきわめて短いフォトモスリレーを用いたことで、測定レンジの切り換えをきわめて速やかに行うことができる。抵抗値が所定値未満の抵抗に電流を流すときには、その抵抗に接続されたアナログスイッチによって抵抗と増幅回路が直接接続され、第２の端子と増幅回路とは遮断される。このとき、増幅回路には直列に接続された抵抗とフォトモスリレーの両端間の電圧ではなく、抵抗の両端間の電圧が与えられることになり、フォトモスリレーのオン抵抗は測定値に影響しない。
【００１３】
しかも、増幅回路の入力インピーダンスはアナログスイッチの抵抗値を無視し得るほど大きいから、アナログスイッチのオン抵抗によって測定が不正確になることもない。したがって、抵抗値の小さな大レンジで測定するときでも、正確に電流を測定することができる。
【００１４】
また、抵抗値が所定値以上の抵抗に電流を流すときには、第２の端子と増幅回路が接続され、直列に接続された抵抗とフォトモスリレーの両端間の電圧に基づいて測定を行うことになる。ここで、例えば、所定値を１０ｋΩ程度以上にしておけばフォトモスリレーのオン抵抗の１０００倍以上となり、そのオン抵抗の測定への影響は０．１％以下に抑えられる。したがって、小レンジでも精度よく電流を測定することができる。このように設定することで、アナログスイッチを不必要に多く備える無駄が避けられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電流測定装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１に電流測定装置１の概略構成を示す。電流測定装置１は、ノイズ除去回路１０、電流測定回路２０、電圧検出回路３０、およびフィードバック回路４０を備えている。
【００１６】
ノイズ除去回路１０は積分回路１１、反転増幅回路１２およびバッファ１３から成り、図外の定電圧源より抵抗１０ａを介して与えられる約８Ｖの所定電圧からノイズを除去し、ノイズ除去後の電圧を電流測定回路２０に供給する。電流測定回路２０は、電流測定の対象である負荷抵抗ＲＬに２芯シールド線２０ａを介してノイズ除去回路１０からの電圧を印加し、それによって自身の内部を流れる電流ｉを電圧に変換して出力する。電流測定回路２０については後に詳述する。
【００１７】
電圧検出回路３０は、反転増幅回路３１および電圧計３２より成り、電流測定回路２０が出力する電圧を反転増幅回路３１によって所定の倍率で増幅し、増幅後の電圧を電圧計３２で測定する。電圧計３２で測定される電圧は負荷抵抗ＲＬを流れる電流ｉに応じて変化するが、その電圧値は負荷抵抗ＲＬを流れる電流値を直接表すものではなく、電圧値と電流値の対応関係は電流測定回路２０の内部設定によって変わる。電流測定回路２０から電圧検出回路３０に与えられる電圧の基準レベルを調節するために、両回路間に可変抵抗３０ａが設けられている。
【００１８】
フィードバック回路４０は倍率１倍の差動増幅回路４１より成り、電流測定回路２０が負荷抵抗ＲＬに印加する電圧と負荷抵抗ＲＬを流れることによって低下した電圧の差をとって反転し、可変抵抗１０ｂを介してノイズ除去回路１０に帰還させる。差動増幅回路４１の入力インピーダンスは高く、電流測定回路２０からフィードバック回路４０には電流は流れない。したがって、負荷抵抗ＲＬを流れる電流ｉと電流測定回路２０を流れる電流ｉは等しい。
【００１９】
なお、図１および以下に説明する図の各回路の端子に付した＋１５および−１５の数値は供給される駆動電圧（Ｖ）を、ＣＧＮＤはグランド電位に接続されていることを表す。
【００２０】
電流測定回路２０の構成を図２に示す。電流測定回路２０はノイズ除去回路１０から供給される電圧を受ける入力端子２１、その電圧を負荷抵抗ＲＬに印加する出力端子２２、５つの抵抗Ｒ１〜Ｒ５、およびスイッチ素子である６つのフォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を備えている。
【００２１】
抵抗Ｒ１〜Ｒ５は誤差０．１％以内の高精度のもので、それらの抵抗値は１０倍ずつ相違する。具体的には、抵抗Ｒ１が１００ｋΩで最大であり、抵抗Ｒ５が１０Ωで最小である。抵抗Ｒ１〜Ｒ５の一端は入力端子２１に接続されており、他端はそれぞれフォトモスリレーＫ１〜Ｋ５の一端に接続されている。フォトモスリレーＫ１〜Ｋ５の他端は出力端子２２に接続されている。フォトモスリレーＫ６は、抵抗Ｒ５と出力端子２２間に、フォトモスリレーＫ５に対して並列に接続されている。抵抗Ｒ５と出力端子２２間に２つのフォトモスリレーＫ５、Ｋ６を並列に設けたのは、連続負荷電流の絶対最大定格を超えないようにするためである。
【００２２】
直列に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ４とフォトモスリレーＫ１〜Ｋ４および抵抗Ｒ５とフォトモスリレーＫ５、Ｋ６は、入力端子２１と出力端子２２間に並列な５つの電流路を形成する。図示しないが、電流測定装置１は装置全体を制御する制御部を備えており、この制御部はフォトモスリレーＫ１〜Ｋ５を一時に１つだけ導通させる。フォトモスリレーＫ５とＫ６は同時に動作させられる。入力端子２１と出力端子２２の間を流れる電流の最大値は、動作する電流路に応じて、８μＡ〜８０ｍＡとなる。５つの電流路は電流測定装置１の５つの測定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡ、Ｒ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡ、Ｒ８０ＭＡに対応する。
【００２３】
電流測定回路２０はまた、計測増幅回路２３および４つのアナログスイッチＫ７〜Ｋ１０を備えている。計測増幅回路２３の一方の入力端子２３ａは抵抗Ｒ６を介して入力端子２１に接続されており、他方の入力端子２３ｂは抵抗Ｒ７の一端に接続されている。抵抗Ｒ７の他端は、アナログスイッチＫ７、Ｋ８、Ｋ９をそれぞれ介して抵抗Ｒ５、Ｒ４、Ｒ３のフォトモスリレーＫ５、Ｋ４、Ｋ３側の端に接続され、アナログスイッチＫ１０を介して出力端子２２に接続されている。
【００２４】
計測増幅回路２３は、入力端子２３ａ、２３ｂ間に加えられる電圧を１０倍に増幅して、その出力端子２３ｃより電圧検出回路３０に出力する。計測増幅回路２３には精度誤差０．１％以内の２つの抵抗Ｒ８およびＲ９が並列に接続されている。計測増幅回路２３の構成を図３に示す。計測増幅回路２３は、３つのオペアンプ５１ａ、５１ｂ、５２、および２つの過電圧保護回路５３ａ、５３ｂより成る。
【００２５】
オペアンプ５１ａの入力端子（＋）は過電圧保護回路５３ａを介して入力端子２３ａに接続されており、同様に、オペアンプ５１ｂの入力端子（＋）は過電圧保護回路５３ｂを介して入力端子２３ｂに接続されている。オペアンプ５１ａ、５１ｂの他方の入力端子（−）は抵抗Ｒ８、Ｒ９によって接続されている。オペアンプ５１ａの出力端子は、抵抗５４ａを介してオペアンプ５２の入力端子（−）に接続され、抵抗５５ａを介して自身の入力端子（−）に接続されている。オペアンプ５１ｂの出力端子は、抵抗５４ｂを介してオペアンプ５２の入力端子（＋）に接続され、抵抗５５ｂを介して自身の入力端子（−）に接続されている。
【００２６】
オペアンプ５２の出力端子は計測増幅回路２３の出力端子２３ｃとなっている。この出力端子２３ｃは帰還のために抵抗５６ａを介してオペアンプ５２の入力端子（−）に接続されている。オペアンプ５２の入力端子（＋）は抵抗５６ｂを介してグランド電位に接続されている。このような構成により、計測増幅回路２３は、与えられる電圧を精度よく増幅することが可能であり、また、１０10Ω程度の高い入力インピーダンスをもつ。
【００２７】
前述の制御部はアナログスイッチＫ７〜Ｋ１０を一時に１つだけ導通させる。具体的には、フォトモスリレーＫ５、Ｋ６を導通させる時にアナログスイッチＫ７を導通させ、フォトモスリレーＫ４を導通させる時にアナログスイッチＫ８を導通させ、フォトモスリレーＫ３を導通させる時にアナログスイッチＫ９を導通させる。また、フォトモスリレーＫ１またはＫ２を導通させる時にアナログスイッチＫ１０を導通させる。
【００２８】
したがって、計測増幅回路２３には、測定レンジＲ８ＵＡまたはＲ８０ＵＡが選択されているときには、入力端子２１と出力端子２２の間の電圧が与えられ、測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡまたはＲ８０ＭＡが選択されているときには、それぞれ抵抗Ｒ３、Ｒ４またはＲ５の両端間の電圧が与えられることになる。
【００２９】
フォトモスリレーのオン抵抗は１０Ω程度であり、これは抵抗Ｒ３、Ｒ４およびＲ５の抵抗値の１％、１０％および１００％に相当する。しかしながら、フォトモスリレーＫ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６に電流が流れる測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡ、Ｒ８０ＭＡで負荷抵抗ＲＬに流れる電流を測定するときには、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の両端間の電圧を直接測定することになり、それらのオン抵抗は測定に影響を及ぼさない。
【００３０】
しかも、アナログスイッチのオン抵抗は１７５Ω程度であって計測増幅回路２３の入力インピーダンスに比べて無視し得るほど小さいから、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５と計測増幅回路２３を接続するアナログスイッチＫ７、Ｋ８、Ｋ９のオン抵抗も測定に影響を及ぼさない。したがって、測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡ、Ｒ８０ＭＡで測定される中電流ないし大電流の精度は高い。
【００３１】
測定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡで測定するときは、フォトモスリレーＫ１、Ｋ２のオン抵抗が影響する。しかしながら、フォトモスリレーのオン抵抗は抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値の０．０１％および０．１％に過ぎず、この電流測定装置１で用いている高精度抵抗の精度誤差以下となって、その影響は無視し得る。したがって、測定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡで測定される微小ないし小電流の精度も高い。
【００３２】
電流測定装置１はレンジ自動設定機能を備えている。レンジ自動設定に際して制御部は、計測増幅回路２３から出力される電圧が、電圧検出回路３０が測定し得る最大電圧以下でその最大電圧の５％以上の範囲に収まるように、測定レンジを最大レンジＲ８０ＭＡから始めて順次切り換える。電流測定装置１では動作／復旧時間が０．５／０．２ｍｓｅｃときわめて短いフォトモスリレーを用いていることにより、測定レンジの切り換えを速やかに行うことができる。アナログスイッチの動作／復旧時間は１／０．５μｓｅｃとさらに短く、測定には全く影響しない。
【００３３】
負荷抵抗ＲＬを流れる電流が４〜８０μＡの場合の、レンジ自動設定での測定に要する時間を、水銀リレーを用いた従来の装置と対比して図４に示す。（ａ）は電流測定装置１で要する時間、（ｂ）は図５の電流測定装置９で要する時間である。どちらもＲ８０ＭＡからＲ８０ＵＡまでの４つの測定レンジを切り換えることになるが、１回の動作時間に２．５ｍｓｅｃ、１回の復旧時間に２．８ｍｓｅｃの差が生じるため、測定完了までに２１．２ｍｓｅｃの差異が生じる。すなわち、電流測定装置１では従来の約１２％の時間で測定が完了する。
【００３４】
なお、ここでは、電流測定回路２０の入力端子２１に抵抗Ｒ１〜Ｒ５を接続し、出力端子２２にフォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を接続する構成としたが、配列順序を逆にして、フォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を入力端子２１に接続し、抵抗Ｒ１〜Ｒ５を出力端子２２に接続する構成としてもよい。その場合、抵抗Ｒ７を出力端子２２に直接接続し、抵抗Ｒ６をアナログスイッチＫ１０を介して入力端子２１に接続し、抵抗Ｒ６をアナログスイッチＫ７、Ｋ８、Ｋ９に接続する。制御動作に違いは生じない。
【００３５】
また、５つの抵抗Ｒ１〜Ｒ５のうち抵抗値の小さな３つのみをアナログスイッチＫ７〜Ｋ９を介して計測増幅回路２３に接続する構成としたが、全ての抵抗Ｒ１〜Ｒ５をアナログスイッチを介して計測増幅回路２３に接続するようにしてもよい。このとき、出力端子２２と計測増幅回路２３を接続するアナログスイッチＫ１０は不要になる。ただし、抵抗の精度誤差よりもフォトモスリレーのオン抵抗が小さいときには、抵抗の両端の電圧のみを測定することは測定精度の向上には寄与しない。したがって、どの抵抗をアナログスイッチを介して計測増幅回路２３に接続するかは、抵抗値の大きさと精度誤差を考慮して定めることが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電流測定装置によるときは、レンジの切り換えに要する時間がきわめて短いから、測定の能率が大きく向上する。しかも、どのレンジで測定するときでも誤差はほとんど生じず、微小な電流から大電流までを精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の電流測定装置の概略構成を示す図。
【図２】  上記電流測定装置の電流測定回路の構成を示す図。
【図３】  上記電流測定回路の計測増幅回路の構成を示す図。
【図４】  上記電流測定装置と従来の電流測定装置の測定時間の比較例を示す図。
【図５】  従来の電流測定装置の要部の構成を示す図。
【符号の説明】
１          電流測定装置
１０          ノイズ除去回路
１１          積分回路
１２          反転増幅回路
１３          バッファ
２０          電流測定回路
２０ａ        ２芯シールド線
２１          入力端子
２２          出力端子
２３          計測増幅回路
Ｒ１〜Ｒ５    高精度抵抗
Ｋ１〜Ｋ６    フォトモスリレー
Ｋ７〜Ｋ１０  アナログスイッチ
３０          電圧検出回路
３１          反転増幅回路
３２          電圧計
４０          フィードバック回路
４１          差動増幅回路
５１ａ、５１ｂ、５２  オペアンプ
５３ａ、５３ｂ  過電圧保護回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003784168.tif 000005
【図５】
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