JP2015025791A - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【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Ｖ_Ｓ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

Description

本発明は、インピーダンス測定に関する。

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

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。

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。

特開昭６１−１２５５１号公報 特開昭６３−１３１０９５号公報 特開平５−８３９３８号公報 国際公開第１２／１６４８４５Ａ１号パンフレット 国際公開第１２／０４６５３５Ａ１号パンフレット 特開２００６−６０９５３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

共振法の原理を示す図である。 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。 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（ａ）〜（ｆ）は、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチの構成例を示す図である。 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。 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。 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。 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８のインピーダンス測定装置の動作波形図である。 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１０のインピーダンス測定装置の動作波形図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、図１０のＡＴＡＣの変形例を示す回路図である。 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１３のインピーダンス測定装置の動作波形図である。 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（ａ）、（ｂ）は、測定補助回路の変形例を示す回路図である。 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（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。 測定補助回路の変形例を示す回路図である。 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（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（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。

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。

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。

（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。

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。

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Ｌ_ｒおよび抵抗Ｒｓを含む。

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。

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ｆ_０を有する交流のプローブ信号Ｖ_ｓを印加する。プローブ信号Ｖ_ｓ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。

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。

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。

（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。

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Ｃ_ｒ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Ｃ_Ａ１、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Ｖ_ＧＮＤ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。

第１スイッチＳＷ１および第１補助キャパシタＣ_Ａ１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Ｃ_Ａ１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Ｃ_Ａ１に対して並列に設けられる。

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Ｖ_ｓと同じ周波数ｆ_０で、かつプローブ信号Ｖ_ｓ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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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Ｖ_ｓと同期して、より具体的にはプローブ信号Ｖ_ｓと同じ周波数で、かつプローブ信号Ｖ_ｓ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。

共振回路１２に流れる共振電流Ｉ_ｒは、第１スイッチＳＷ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１において第１補助キャパシタＣ_Ａ１に流れ、第２スイッチＳＷ２のオン時間Ｔ_ＯＮ２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Ｃ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ｒによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣ_Ａ１には、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が発生する。

ＡＴＡＣ１０は、その第１端子Ｐ１に生ずる電圧（以下、補助電圧という）Ｖ_Ａ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Ｖ_Ａは、第１スイッチＳＷ１がオンの期間Ｔ_ＯＮ１において、第１補助キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１をとり、第２スイッチＳＷ２がオンの期間Ｔ_ＯＮ２において、接地電圧Ｖ_ＧＮＤをとる略矩形波である。

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。

波形（Ｉ）は、過渡状態における共振電流Ｉ_ｒを示す。スイッチＳＷ１がオンの期間Ｔ_ＯＮ１において、第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ｒによって充放電される。具体的には、第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ｒ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Ｖ_ＣＡ１は増大し、負の期間が長ければキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１は低下する。

あるサイクルのオン時間Ｔ_ＯＮ１において、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が増大する。そして、増大したキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に応じた補助電圧Ｖ_Ａ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Ｉ_ｒ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Ｖ_ＣＡ１がサイクル毎に増加しながら、共振電流Ｉ_ｒ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Ｉ_ｒの位相が進みすぎると、反対に第１補助キャパシタＣ_Ａ１の放電電流の方が大きくなり、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１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Ｃ_Ａ１の充電電流と放電電流がバランスし、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が平衡状態となり、波形（II）に示すように、共振電流Ｉ_ｒの位相が安定する定常状態となる。

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Ｉ_ｒ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Ｖ_ｓ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Ｖ_ｓと共振電流Ｉ_ｒ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Ｖ_ｓの周波数ｆ_０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。

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Ｖ_ｓの位相を基準（０°）として示す。上述のように、補助電圧Ｖ_Ａ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ｆ_０の成分（Ｖ_{Ａ［ｆ０］}）であることに留意されたい。

「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Ｉ_ｒは、（１）ＡＴＡＣ１０を仮想接地したときに、プローブ信号Ｖ_ｓ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Ｖ_{Ａ［ｆ０］}により誘起される電流成分Ｉ_Ａの和Ｉｓ＋Ｉ_Ａで与えられる。

プローブ信号Ｖ_ｓの位相は０°、補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の位相はθ＝９０°である。ｆｒ＜ｆ_０において、電流Ｉｓの位相は電圧Ｖ_ｓに対して位相差φ遅れる、同様に、電流Ｉ_Ａの位相は電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}に対して位相差φ遅れる。

プローブ信号Ｖ_ｓと補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}は位相差θ（＝９０°）を有するため、電流成分ＩｓとＩ_Ａの位相差も９０°となる。補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅、言い換えれば電流成分Ｉ_Ａの振幅を最適化すれば、２つの電流成分ＩｓとＩ_Ａの合成電流、すなわち共振電流Ｉ_ｒの位相を、プローブ信号Ｖ_ｓ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。

ＡＴＡＣ１０の動作に再度着目すると、補正電圧Ｖ_Ａ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Ｃ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ｒの位相がプローブ電圧Ｖ_ｓ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Ｖ_Ａ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。

（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。

図３の等価回路図から、以下の関係式を得る。
Ｖ_ｓ−Ｖ_{Ａ［ｆ０］}＝Ｉ_ｒ×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＝２πｆ_０、Ｒは抵抗Ｒ_ｓの抵抗値、ＬはインダクタＬ_ｒのインダクタンス、Ｃは容量Ｃ_ｒの容量値であり、Ｒ、Ｌおよびωは既知である。

疑似共振状態では、式（３）、（４）が成り立つ。
Ｖ_ｓ＝Ｒ×Ｉ_ｒ …（３）
Ｖ_{Ａ［ｆ０］}＝−（ｊωＬ＋１／ｊωＣ）×Ｉ_ｒ …（４）

式（４）を変形すると、式（５）を得る。
１／ｊωＣ＝−Ｖ_{Ａ［ｆ０］}／Ｉ_ｒ＋ｊωＬ …（５）
図６からわかるように、電流Ｉ_ｒの位相は電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の位相に対して９０度遅れているから、Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅を｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜、Ｉ_ｒの振幅を｜Ｉ_ｒ｜とすると、Ｖ_{Ａ［ｆ０］}＝ｊ×｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜、Ｉ_ｒ＝｜Ｉ_ｒ｜と表すことができ、式（６）を得る。
１／ｊωＣ＝−ｊ×｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜／｜Ｉ_ｒ｜＋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×｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜／｜Ｉ_ｒ｜−ω^２Ｌ｝ …（７）

Ｌおよびωは既知であるから、補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}および共振電流Ｉ_ｒ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Ｉ_ｒを検出し、電圧測定部１６２は、補助電圧Ｖ_{Ａ［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Ｉ_ｒ、電圧Ｖ_{Ａ［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。

電流測定部１６１は、以下のいずれかの方法により共振電流Ｉ_ｒを検出できる。
（１）たとえば、プローブ信号Ｖ_ｓ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Ｉ_ｒを式（３）から計算により求めてもよい。

（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Ｉ_ｒを直接測定してもよい。

（３）電流測定部１６１は、インダクタＬ_ｒの両端間の電圧Ｖ_Ｌｒを測定し、Ｉ_ｒ＝Ｖ_Ｌｒ／（ωＬ）にしたがって共振電流Ｉ_ｒを検出してもよい。

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Ｉ_ｒの検出方法は限定されない。

電圧測定部１６２は、以下のいずれかの方法により補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}を検出できる。

（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Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜を測定してもよい。ただし補助電圧Ｖ_Ａは矩形波電圧であるため、振幅｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜を測定するためには、補助電圧Ｖ_Ａ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。

（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Ｃ_Ａ１に生ずるキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１を測定する電圧計を含み、キャパシタＶ_ＣＡ１にもとづいて、補助電圧Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜を取得してもよい。

たとえば図３のＡＴＡＣ１０では、矩形波の補助電圧Ｖ_Ａの振幅｜Ｖ_Ａ｜は、Ｖ_ＣＡ１／２と一致する。疑似共振状態においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１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Ｖ_Ａを測定するより簡易に、振幅｜Ｖ_Ａ｜を取得できる。

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Ｖ_Ａの振幅｜Ｖ_Ａ｜と、その基本波Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜の間には、以下の関係式が成り立つ。
｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜＝｜Ｖ_Ａ｜×４π
したがって、基本波成分Ｖ_{Ａ［ｆ０］}の振幅｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜は、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１を用いて、以下の式から求めることができる。
｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜＝Ｖ_ＣＡ１／２×４π

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。

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。

（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。

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Ｃ_Ａ１、Ｃ_Ａ２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Ｃ_Ａ１、コントローラ１０２に加えて、第２補助キャパシタＣ_Ａ２を備える。第２補助キャパシタＣ_Ａ２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Ｃ_Ａ２は入れ替えてもよい。

図７のＡＴＡＣ１０ａにおいて、補助電圧Ｖ_Ａは、第１スイッチＳＷ１のオン時間Ｔ_ＯＮ１においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１と等しくなり、第２スイッチＳＷ２のオン時間Ｔ_ＯＮ２においてキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ２と等しくなる。

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Ｖ_ＣＡ１、Ｖ_ＣＡ２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。

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。

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Ｃ_Ａ１、コントローラ１０２ｂを備える。

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。

第１補助キャパシタＣ_Ａ１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Ｃ_Ａ１の容量値は、共振用キャパシタＣ_ＰＸに比べて十分に大きいことが望ましい。

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。

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。

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。

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Ｖ_ｓ、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４、補助電圧Ｖ_Ａ、共振回路１２に流れる共振電流Ｉ_ｒ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Ｉ_ｒ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。

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Ｖ_ｓ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Ｉ_ｒは、第１のペアのオン時間Ｔ_ＯＮ１において、第１スイッチＳＷ１、第１補助キャパシタＣ_Ａ１、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Ｔ_ＯＮ２において、第２スイッチＳＷ２、第１補助キャパシタＣ_Ａ２、第３スイッチＳＷ３を含む経路に流れる。

第１補助キャパシタＣ_Ａ１は、共振電流Ｉ_ｒによって充放電され、その結果、第１補助キャパシタＣ_Ａ１には、キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１が発生する。ＡＴＡＣ１０ｂは、共振回路１２の一端に補助電圧Ｖ_Ａを印加する。補助電圧Ｖ_Ａは、第１のペアがオンの期間Ｔ_ＯＮ１において第１の極性をとり、第２のペアがオンの期間Ｔ_ＯＮ２において第２の極性をとる。ＡＴＡＣ１０ｂは、補助電圧Ｖ_Ａ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。

キャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１に応じた補助電圧Ｖ_Ａ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Ｉ_ｒの位相がロックされる。

（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。

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。

・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Ｃ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮ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Ｃ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮ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Ｖ_ｓと同期して、より具体的には、プローブ信号Ｖ_ｓ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。

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Ｃ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮ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Ｉ_ｒによってＮ個の補助キャパシタＣ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮ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Ｃ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮそれぞれの両端間にキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１〜Ｖ_ＣＡＮを発生させるとともに、Ｎ個の補助キャパシタＣ_Ａ１〜Ｃ_ＡＮそれぞれのキャパシタ電圧Ｖ_ＣＡ１〜Ｖ_ＣＡＮに応じた補助電圧Ｖ_Ａを、共振回路１２に印加させる。

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。

（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。

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Ｉ_Ａを注入（ソース）し、または共振回路１２から補正電流Ｉ_Ａ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Ｌ_ｒと並列に接続される。なおＡＴＡＣ２０は、キャパシタＣ_ｒ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Ｉ_Ａの正とする。

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Ｌ_Ａ１、コントローラ２０２を備える。

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Ｌ_Ａ１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Ｌ_Ａ１は入れ替えてもよい。第２スイッチＳＷ２は、第１補助コイルＬ_Ａ１に対して並列に設けられる。

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Ｖ_ｓと同期して、より具体的には、プローブ信号Ｖ_ｓ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。

ＡＴＡＣ２０は、第１状態φ１と第２状態φ２を、プローブ信号Ｖ_ｓ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Ｖ_ｓの周波数ｆ_０は等しい。

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Ｌ_Ａ１が共振回路１２にカップリングされて、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１に応じた補正電流Ｉ_Ａ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Ｌ_Ａ１が共振回路１２から切り離され、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１が、共振回路１２とは独立した電流経路（ＳＷ２）に流れる。

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Ｖ_ｓと同じ周波数ｆ_０で、かつプローブ信号Ｖ_ｓに対して所定の位相差θで切りかえる。

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。

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。

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。

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Ｖ_ｓ、共振電流Ｉ_ｒ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、補正電流Ｉ_Ａ、第１補助コイルＬ_Ａ１の電流Ｉ_ＬＡ１を示す。共振電流Ｉ_ｒ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。

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Ｌ_Ａ１の電流Ｉ_ＬＡ１の大きさおよび向きは、共振電流Ｉ_ｒの位相がプローブ信号Ｖ_ｓの位相と一致するように自動的に調節される。

第２状態φ２では、電流Ｉ_ＬＡ１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Ｉ_ＬＡ１が、補正電流Ｉ_Ａとして共振回路１２に供給される。つまりＡＴＡＣ２０は、補正電流Ｉ_Ａ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。

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Ｉ_Ａ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。

以上がインピーダンス測定装置１ｄの動作である。

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。

そして、インピーダンス検出部１６によって、補助電流Ｉ_Ａと共振電流Ｉ_ｒ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。

（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。

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。

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。

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。

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Ｉ_Ａ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Ｉ_Ａを生成できるが、負の補正電流Ｉ_Ａは生成できない。反対に図１２（ｂ）のＡＴＡＣ２０ｂは、負の補正電流Ｉ_Ａを生成できるが、正の補正電流Ｉ_Ａ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。

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Ｌ_Ａ２を備える。第３スイッチＳＷ３および第２補助コイルＬ_Ａ２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Ｌ_Ａ２は入れ替えてもよい。第４スイッチＳＷ４は、第２補助コイルＬ_Ａ２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。

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。

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Ｌ_Ａ１が共振回路１２にカップリングされて、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１に応じた第１補正電流Ｉ_Ａ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Ｌ_Ａ２は共振回路１２から切り離され、第２補助コイルＬ_Ａ２に流れる電流Ｉ_ＬＡ２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では、第１補助コイルＬ_Ａ１が共振回路１２から切り離され、第１補助コイルＬ_Ａ１に流れる電流Ｉ_ＬＡ１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Ｌ_Ａ２が共振回路１２にカップリングされて、第２補助コイルＬ_Ａ２に流れる電流Ｉ_ＬＡ２に応じた第２補正電流Ｉ_Ａ２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。

つまり、２つの補助コイルＬ_Ａ１、Ｌ_Ａ２が相補的に共振回路１２にカップリングされ、補正電流Ｉ_Ａ１、Ｉ_Ａ２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Ｌ_Ａ１による補正電流Ｉ_Ａ１と、第２補助コイルＬ_Ａ２による補正電流Ｉ_Ａ２は逆極性となる。共振回路１２に供給される補正電流Ｉ_Ａは、２つの補正電流Ｉ_Ａ１、Ｉ_Ａ２の合計となる。

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。

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。

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。

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Ｌ_Ａ１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Ｌ_Ａ１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。

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。

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Ｖ_ｓと同じ周波数でスイッチングする。

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。

（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。

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Ｌ_Ａ１〜Ｌ_ＡＮ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Ｌ_Ａ１〜Ｌ_ＡＮ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Ｖ_ｓと同期してスイッチングする。

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Ｌ_Ａを含み、（１）補助コイルＬ_Ａが共振回路１２にカップリングされて、補助コイルＬ_Ａに流れる電流Ｉ_ＬＡに応じた補正電流Ｉ_Ａ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Ｌ_Ａが共振回路１２から切り離され、補助コイルＬ_Ａに流れる電流Ｉ_ＬＡ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。

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。

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。

（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。

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Ｃ_ｐを含む。対象物２の容量ＣとキャパシタＣ_ｐの合成容量Ｃ_ｒ＝Ｃ＋Ｃ_ｐ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＝Ｃ_ｒ−Ｃ_ｐにより、対象物２の容量Ｃを計算できる。

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Ｃ_ｓを含む。対象物２の容量ＣとキャパシタＣ_ｐの合成容量Ｃ_ｒ＝１／｛Ｃ^−１＋Ｃ_ｓ ^−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／｛Ｃ_ｒ ^−１＋Ｃ_ｓ ^−１｝により、対象物２の容量Ｃを計算できる。

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Ｃ_ｐ、Ｃ_ｓ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Ｃ_ｐ、Ｃ_ｓ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Ｃ_ｐ、Ｃ_ｓの容量値を制御してもよい。

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。

図１７（ａ）の測定補助回路１１は、抵抗Ｒ_ＬＤ、キャパシタＣ_ＬＤ、抵抗Ｒｐ、インダクタＬ_ｒを含む。対象物２と抵抗Ｒｐ、インダクタＬ_ｒ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Ｒ_ＬＤおよびキャパシタＣ_ＬＤを挿入することが好ましい。キャパシタＣ_ＬＤはＤＣブロックを目的として、抵抗Ｒ_ＬＤは、電流制限を目的として設けられる。

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Ｃ_ＬＤおよび抵抗Ｒ_ＬＤは無視するものとする。
Ｖ_ｓ−Ｖ_{Ａ［ｆ０］}＝Ｉ_ｒ×Ｚ …（９）
Ｚ＝１／｛１／Ｒ＋１／ｊωＬ＋ｊωＣ｝ …（１０）

Ｚは共振回路１２のインピーダンスであり、ω＝２πｆ_０、Ｒは抵抗Ｒ_ｐの抵抗値、ＬはインダクタＬ_ｒのインダクタンス、Ｃは容量Ｃ_ｒの容量値であり、Ｒ、Ｌおよびωは既知である。

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。

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。

（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Ｃ_ｒを含み、対象物２とともにＲＬＣ直列共振回路を形成する。

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Ｃ_ｒ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／ω^２Ｃ＋｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜／｜Ｉ_ｒ｜／ω …（８）

したがって｜Ｖ_{Ａ［ｆ０］}｜および｜Ｉ_ｒ｜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。

共振電流｜Ｉ_ｒ｜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Ｉ_ｒを検出できる。

（１）たとえば、プローブ信号Ｖ_ｓ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Ｉ_ｒを式（３）から計算により求めてもよい。

（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Ｉ_ｒを直接測定してもよい。

（３）電流測定部１６１は、キャパシタＣ_ｒの両端間の電圧Ｖ_Ｃｒを測定し、Ｉ_ｒ＝Ｖ_Ｃｒ×ωＣにしたがって共振電流Ｉ_ｒを検出してもよい。

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Ｌ_ｓ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Ｌ_ｒ＝Ｌ＋Ｌ_ｓ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＝Ｌ_ｒ−Ｌ_ｓにより、対象物２のインダクタンスＬを計算できる。

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Ｌ_ｐを含む。対象物２のインダクタンスＬとインダクタＬ_ｐの合成インダクタンスＬ_ｒ＝１／｛Ｌ^−１＋Ｌ_ｓ ^−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／｛Ｌ_ｒ ^−１＋Ｌ_ｓ ^−１｝により、対象物２の容量Ｌを計算できる。

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Ｌ_ｐ、Ｌ_ｓ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。

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。

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Ｌ_ｒ１は、抵抗ＲｓおよびキャパシタＣｒと直列に、その２次コイルＬ_ｒ２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Ｌ_ｒ１＝Ｌ_ｒ２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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (14)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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