Transcript キャパシタンス標準の高周波化に対する今後の展開

キャパシタンス標準の
高周波化に対する今後の展開
計量標準総合センター 電気標準第１研究室
坂本 憲彦
NMIJにおけるキャパシタンス標準の整備状況
現在の整備領域 ：
10 pF~1 mF@ 1 kHz
容量 C (F)
1m
1m
1n
高周波化の
必要性は？
1p
1k
10 k
100 k 1 M
周波数 f (Hz)
10 M
産業界における高周波キャパシタンス標準の需要
高
周
波
領
域
産業界には
需要がある！
1 MHz
8.7 %
100 kHz
3.7 %
10 kHz
4.9 %
1 kHz
51.9 %
50 – 400 Hz
30.9 %
JCSS認定範囲
1 pF ~ 10 mF @ 1 kHz
（予定も含む）
49 %
日電検の周波数別標準キャパシタ校正実績(H14-16年度)による
高周波化に伴う技術的問題点
Cm
Lc
Lp
Hp
1
Zm 
+ r1 + jl1 + ・・・
jC
Hc
r1
r5
r6
r4
l1
l5
r2
l6
l4
c1
r3
l2
C
l3
c2
特に高周波では、
寄生インピーダンス
の影響著しい
C = Cm
寄生インピーダンスの高周波化への寄与
寄生インピーダンスが
C
周波数特性を決める
寄生インピーダンスを
｢評価する｣必要がある
f
1 kHz
評価には２つの方式がある
寄生インピーダンスの評価方法
等価回路方式 †
Z行列方式 ＊
各々のインピーダンスを測
標準器内部をブラックボックス化
定により求め、等価回路計
V1 V2
V3 V4
算により値を推定
I
1
I2
I3
I4
V1  Z11 Z12 Z13 Z14   I1 
V  Z Z Z Z   I 
 2    21 22 23 24   2 
V3  Z31 Z32 Z33 Z34   I 3 
 
  
V
Z
Z
Z
Z
 4   41 42 43 44   I 4 
方法
Z行列要素をﾈｯﾄﾜｰｸｱﾅﾗｲｻﾞで
測定後、 計算により値を推定
† R. N. Jones, NBS Technical Note 1024 (1980).
＊ K. Suzuki, IEEE Trans. Instrum. & Meas. 40, 420 (1991).
標準器から校正器物への値付け
標準器
（S）
校正器物
（DUT）
周波数特性 ： 既知
C
値付けには
校正装置が必要
1 kHz
f
標準器から校正器物への値付け
ブリッジによる比較法
S
DUT
評価された標準器
１つ用意
0.1 mF
LCRメータによる置換法
S
DUT
評価された標準器
各公称値ごとに用意
・・
1 nF
1 nF
1 nF
1 nF
・・
・・
・・
・・
・・
・・
1 pF
1 pF
1 pF
容量範囲拡張が可能
校正プロセスが簡易
測定原理 – ブリッジによる比較法
A. Awan et al., IEEE Trans. Instrum. & Meas. 50,
282 (2001).
ZDUT
(=1/jCDUT)
1-N
D
ZREF
N
(=1/jCREF)
Z DUT : Z REF  1  N : N
 N 
 CDUT  CREF  

 1 N 
分圧比 N が分かれば
CDUT が求まる
高周波用誘導分圧器による分圧比の校正が必要
高周波用誘導分圧器の開発
• 開発のための工夫例 : 漂遊容量抑制のための特殊な巻線
VN
VN-1
V1
V0
VN
VN-0.5
VN-1
V1.5
V1
V0
V0.5
同軸ケーブル
外部導体
高周波化：
漂遊容量無視できなくなる
同軸ケーブル
内部導体
なるべく近い電位で巻線を覆う ⇒ 漂遊容量の抑制
NMIJにおける標準整備計画
標準項目
2008年
2009年
2010年
誘導分圧器
100 kHz
キャパシタンス
-
100 kHz
1 MHz
交流抵抗
-
100 kHz
1 MHz
1 MHz
初期目標
高周波用誘導分圧器の開発
寄生インピーダンス評価法の検討・確立
最終目標（2010年）
・ 高周波用ブリッジ回路を開発し、標準供給を開始したい
まとめ
• NMIJのキャパシタンス標準供給は、現在１ kHzに限定されているが、産業
界には1 kHz - 1 MHz領域にも需要がある。
• 高周波化を実現する技術として以下の手法が挙げられる。
周波数特性の評価方法
校正器物の校正方法
等価回路方式
Z行列方式
ブリッジによる比較法 LCRメータによる置換法
NMIJ 今後の方針
比較・検討
交流ブリッジ回路を構築する予定
• NMIJでは、 キャパシタンス標準高周波化を実現できる最適な諸技術を検
討・開発し、2010年までに1 MHzにおけるキャパシタンス標準供給を開始
する。