JPH0318770A

JPH0318770A - キャパシタンス測定装置

Info

Publication number: JPH0318770A
Application number: JP1154093A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kurebayashi; 紅林　仁; Shunichi Omori; 大森　俊一; Hiroshi Nakane; 中根　央
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1989-06-16
Publication date: 1991-01-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明はキャパシタンス測定装置に係り、詳しくは血
流量測定等に用いられるキャバシタンス測定装置に関す
るものである．［従来の技術］キャバシタンス測定装置は、例えば第１図に示すように
、キャバシタンスブレチスモグラフ測定に用いられる．
このキャパシタンスブレチスモグラフ（ＣＲＬ）は人体
四肢の血流測定法のひとつで、数１０ｋＨｚ以上の測定
周波数では生態がほぼ導体と見なせるという電気特性を
用いて、静脈圧迫による被検部容積増加時の傾き（体肢
血流量）を、被検部である生態と体表からわずかに離れ
た筒状の外部電極間のキャパシタンスの変化から求める
装置である．このキャバシタンスブレチスモグラフ測定に用いられる
従来のキャパシタンス測定装置は、第２図に示すように
、電流端子（Ｈｃｕｒ，Ｌｃｕｒ）と電圧端子（Ｈｐｏ
ｔ，Ｌｐｏｔ）を持った４４子測定法を用いている．そ
して、測定試料に連続正弦波電圧を印加して、測定試料
の両端の電位差Ｖと、測定試料を流れる電流Ｉをベクト
ル測定し、Ｚ＝Ｖ／Ｉの虚数部より、測定試料のキャパ
シタンスＣを求めている．［発明が解決しようとする課題］ところで，ＣＰＬ等に用いられるキャパシタンス測定装
置に要求される条件として、人体を測定対象とするため
、安全性が優先されなければならｔｊい．特に、生体に
流すことのできる電流値については、腕などの場合５０
０μ八以下であることが規定されているため、万一の短
絡事故を考えると、定電圧構成の装置は生体に用いるべ
きではなく、定電流構成の装置もしくは電流制限回路な
ど安全対策のなされた定電圧構成の装置を用いる必要が
ある．市販されている測定装置の多くが定電圧構成で、
’ｌｉｔ流の制限値も１０ｍＡ程度であることを考える
と、ＣＰＬ等の人体測定用には望ましくない．また、開発中のＣＰＬは軽量化と被検部への装着を容易
にすることを目的としたセンサであるから、ＣＰＬとキ
ャバシタンス測定装置との間は細いケーブルで長く引き
廻せることが必要である。

さらに、２端子で測定できれば装着の自由度をより大き
くすることが可能となる．上記のことを、ＣＰＬとケーブルを含めた等価回路で考
えると第３図のようになる．ＣＰＬについては、生体と
外部電極間が空気で満たされているため、損失Ｄは非常
に小さ＜（Ｄ＝０．０１程度）絶縁抵抗を無視した理想
的なコンデンサとみなせる．ケーブルについては抵抗Ｒ
とインダクタンスＬの直列回路で表すことができ、また
実際には第１図に示すように、外部電極の回りにシール
ドを設けてあるため、測定対象のＣにストレキャパシテ
ィＣｆ，Ｃｓが並列に加わった等価回路となる．しかし、実際に被検部容積変化を測定する時に必要とな
る情報は、Ｃだけであるから測定装置ではこの等価回路
の中から必要なＣだけを測定できることが要求される，
ＣＰＬが実用化されなかった原因のひとつは、従来のキ
ャバシタンス測定装置が複雑で大がかりだったからであ
る．よって、上で述べた条件をできるだけ簡ＪＩＩＬな
回路構戊で実現できなければ々らない。

この発明は、かかる点に鑑みなされたもので、導体で形
成されるＲＬＣ直５１１回路から、簡革な回路構成で、
Ｃを得ることができるキャパシタンス測定装置をｉ足供
することを目的としている。

［課題を解決するための手段］前記課題を解決するため、この発明のキャバシタンス測
定装置は、導体で形成されるＲＬＣ直列回路に定電流を
間欠的に通電する通電手段と、前記ＲＬＣ直列回路の非
通電時の電圧を取り込む電圧取出手段とを有することを
特徴としている．〔作用〕この発明では、定電流を間欠的に、導体で形或されるＲ
ＬＣ直列回路に通電すると、定電流源からの電流をＬ，
Ｈに通電した場合、電圧は電流が流れている期間にしか
現れない。しかし、Ｃについては、チャージされた電荷
が逃げないため電圧はホールド状態となる。そこで、こ
のようなし．ＲとＣの性質の違いを用いて、Ｃのみを取
り出すことができる．［実施例］以下、この発明のキャバシタンス測定装置のー実施例を
添付図面に基づいて詳細に説明する．第４図はキャバシ
タンス測定装置の概略図、第５図はＲＬＣ直列回路図、
第６図は定電疏間欠正弦波を示す図、第７図はＲＬＣ直
列回路のシミュレーション波形を示す図である．キャバシタンス測定装置は、導体で形成されるＲＬＣ直
列回路１に定電流を間欠的に通電する通電手段２と、前
記ＲＬＣ直列回路ｌの非通電時の電圧を取り込む電圧取
出手段３とを有している。

導体で形成されるＲＬＣ直列回路１は第５図に示すよう
にキャパシタンスＣに直列に抵抗ＲとインダクタンスＬ
が接続され、このＲＬＣ直列回路１に通電手段２で、第
６図に示す定電流間欠正弦波が通電される．この実施例
では数１０ＫＨｚ以上の定電流（一定振幅の交流電流）
を用いている．定電流源からの電流をＬ，Ｒに通電した場合、電圧は電
流が流れている期間にしか現れないが、Ｃについてはチ
ャージされた電荷が逃げないため電圧はホールド状態と
なる．そこで、このようなＬ，ＲとＣの性質の違いを用
いて、電圧取出手段３でＣのみを取り出す．即ち、定電流の間欠正弦波を測定試料のＲＬＣ直列回路
１に通電すると、第６図の定電流波形の振幅を■とし、
角周波数をωとおいて、フーリエ級数に展開すると、・　・　・　（１）となる．この定電流波形を第５図のＲＬＣ直列回路に通
電した場合、それぞれの出力電圧はｉＶｃ（ｔ）ａ　−　　１（ｔ）ｄｔＣ・　・　・　（２）Ｖｒ　（ｔ）　−　　Ｒｉ　（ｔ）・　・　・　（３）Ｖｓｕｍ（ｔ）−　　　Ｖｃ（ｔ）＋Ｖｒｆｔ）＋Ｖｌ
（ｔ）　　　−　　−　　−　　　（５）となり、コン
ピュータによってシミュレーションを行なったＲ，Ｌ，
Ｃの電圧波形は、それぞれ第７図のように得られた．等価回路は分離できないため、実際に測定されるのはＲ
，　Ｌ，　Ｃ’ｉＢｉｊ端の電圧の和Ｖｓｕｍである。

第７図より、時間Ｔ／４〜３Ｔ／４の期間（綱線部）に
はＣだけに関係した電圧Ｖｓｕｍが得られている．さらに、このＶｓｕｍは式（２）からＣに逆比例し、式
（１）から■に比例した電圧である。このため、この時
間Ｔ７４〜３Ｔ／４の期間の電圧を取り込むことによっ
て、直列に接続されたＲ，Ｌを分離することができる．従って、このキャパシタンス測定装置の利点としては、
数１０μ八程度の電流で測定可能なこと、またＴ／４〜
３Ｔ／４の任意期間でサンプル・ホールドすればよいた
め、回路系の位相の遅れはほとんど問題にしなくてもよ
いことがあげられる。

次に、このキャパシタンス測定装置のさらに具体的な実
施例を，第８図及び第９図の構成ブロックを示す，キャパシタンス測定装置は基本的に４端子構成とし、ス
トレキャパシティＣｆ．ＣｓやＣに直列に接続されたＲ
，Ｌを除去できることを確認したのち２端子構戊に変更
する．第８図及び第９図に示す装置の両者に共通している動作
は、定電流源からの間欠正弦波を測定試料のＲＬＣ直列
回路に通電すること、そして試料のＲＬＣ直列回路の電
圧Ｖｓｕｍを計装用増幅器で増幅（２倍）したのちにサ
ンプル・本一ルドし、さらに除算器を通して電圧Ｖｓｕ
ｍの逆数を取り、Ｃに比例した出力電圧を得ることであ
る。

第８図及び第９図に示す装置の両者の異なっている点は
、ストレキャパシティＣｆ，Ｃｓを除去する方法である
．ｉａ図の方式はバッフ１を用いて、同図中の■と■を
常に同電位に保ち定電疏源からの電流！がすべて試料の
ＲＬＣ直列回路を流れるようにしてストレキャパシティ
を除去する（Ｂｕｆｆ方式と呼ぶ）。この方式の利点は
シールドと生体電極がともに低インピーダンスであるた
めに生体電極を外部に露出させても安定に動作すること
である，しかし、バッファは定電圧源であるために、電
流制限器を付加しなければならずまた同図中の点線の回
路を考えると、Ｒ，Ｌ，Ｃの組合せによって直列共振回
路を形戒するため、適当な終端抵抗Ｒｅを付けて被振動
状態に保たなければならない．第９図の方式は、電疏電圧交換器を用いて試料に流れる
電流Ｉを測定する方怯（ｒｖ方式と呼ぶ）である。この
回路はＣｒを用いた積分動作をすることを特徴とし、Ｃ
「の両端には第７図のＶｃと同じ出力波形（Ｉに比例）
を生じるため、電圧Ｖｓｕｍと同じタイミングで取り込
むことによって容易に■を測定できる。なお、図中のＲ
ｒは直流の帰還路である．また、外部電極は仮想接地さ
れているため、シールドと同電位になり、ストレキャパ
シティを除去することができる。この方式は、試料のＲ
ＬＣ直列回路のＣを基準値Ｃｒとの比較によって求める
方法と見なすこともできる．このｒｖ方式の利点は、完全に定電流構成であるためし
負荷に強く、生体に対する安全性が高いことである。し
かし、電流電圧変換器は外来雑音に対して弱いため、外
部電極と生体電極をシールドで覆わなければならない．
特に、ＣＰＬにおいては生体が外部に露出しているため
、Ｂｕｆｆ方式の方法が適している．ここで、第８図及び第９図に示すキャバシタンス測定装
置を評価する．なお、測定は周波数２０ｋＨｚ，Ｂｕｆ
ｆ方式についてはＩ−１５７ｊＡ，Ｒｅｔ！５．６ｋΩ
，ＴＶ方式ではＩ＝５０ｊＪＡ．Ｃｒ＝１０ｐＦ，Ｒｒ
＝５０ＭΩで行ない、試料Ｃにはディップマイカコンデ
ンサを用いた。測定はシールドボックスを用いて行ない
（ケーブル容量、シールドボックス内ストレキャパシテ
ィＣｆａ，Ｃｓ６はともに１２０９Ｆ）、キャパシタン
スの基準値測定ＣはＨｅｗｌｅｔｔ−ＰａｃｋａｒｄＨ
Ｐ４２７５＾ＬＣＲメータを用いた．評価は両方式とも
同様の結果が得られている場合、ＣＰＬで実際に使用す
るＢｕｆｆ方式についてのみ述べる．キャバシタンスの測定精度まず、試料としてキャバシタンスＣだけを接続した時の
Ｃと、出力電圧Ｖｓｕｍの関係（Ｂｕｆｆ方式）を求め
た．結果を第１０図に示す．また、Ｃの出力波形を第１
１図に示す。測定結果から求めた回帰式はｒ　±０．９９９のように得られた．ＣとＶｓ　ｕｍが完全な反比例関係にならないのは、回
路の人力容量がＣに並列接続されているからである。し
かし、人力容量は式（６）の計数を除算器に設定するこ
とによって除去できる゛．また、コンピュータを用いて
計算した式（２）はＩ＝１５μＡのときのように得られた．計装用増幅器の利得が２倍であるこ
とを考慮に入れると、試作した装置はほぼ理論通りの動
作であることがわかる．次に、ＬＣＲメータで測定した基準値と、本装置（除算
器設定後）で得られたＣの誤差の関係を求めた．結果を
第１２図に示す。ＣＰＬの実用範囲（網線部）では１％
の精度が得られた．直列抵抗接続時の測定誤差次に、Ｃに直列抵抗Ｒを接続した時の誤差の関係を求め
た．結果を第１３図（Ｂｕｆｆ方式）に示す。同図にお
いてＲ＝６ＢｋΩまでは１％の精度が得られたが、Ｒ＝
１００ｋΩ、ｃ＝ｔｏｔｐＦの時には誤差１．７３％と
大きくなっている．この時の出力波形Ｖｓｕｍを第１４
図に示す．同図の波形はわずかに位相遅れが生じている
．Ｂｕｆｆ方式の理論では、外部！極とシールドを同電
位に保つためストレキャパシティＣｓには電流は流れず
除去できる。しかし、実際の装置ではバッファの出力に
抵抗（電流制限器の起動用）が接続されているためにわ
ずかにシールド側が低電位となる．そして、これはＣｓ
が完全に除去されず、小さなＣｓが残留しているのと等
価になる。

Ｃｓによって電流に位相の遅れを生じ、第１４図によう
な波形が観測された．上記のことを確認するために、Ｃｓ＝１ｐＦ．１０ｐＦ
，１００ｐＦの時のｐｃ直列回路の出力波形についてシ
ミュレーションを行なった。結果を第１５図に示す。な
お、図中にはそれぞれのＣｓの時に計算されるＣの測定
誤差（推定値）を示した．波形の類似性と誤差の推定値
から等価なＣｓは１ｐＦ程度と考えられ、より大きなＲ
を除去するには外部電極とシールドを完全に同電位に保
つような回路構成が必要である．直列インピーダンス接続時の測定誤差ここでは、Ｃに直列インダクタンスＬを接続した時の誤
差について述べる．Ｂｕｆｆ方式の測定結果を第１６図
に、ＩＶ方式、ＬＣＲメータについての結果を第１７図
に示す．なお、ｉｎｌ１定はＣ＝１０１ｐＦについて行
ない，Ｂｕｆｆ方式については終端抵抗Ｒｅをパラメー
タにとった。

第１６図において、プロットの描かれていない部分は、
キャパシタンス測定装置が振動状態であったことを表し
ている．一般に、ステップ応答に対してのＲＬＣ直列共振回路の
非振動条件はＲ＞２ＪＬ／Ｃとして知られるように、Ｒ
が大きいほどＬ負荷に対して有利になる．これは、第１
６図からも確認できるが、測定精度はどのＲｅについて
も動作安定領域では１％が得られた．￥Ｓ１７図はし負荷に強いＴＶ方式と、ＬＣＲメータの
比較結果である．なお、図中の実線が以下によって求め
られるＬＣＲメータ測定誤差の理論値である。ＬＣＲメ
ータにおいては、第１７図のＬＣ直列回路の合成インピ
ーダンス２をキャバシタンスＣｍとみなして測定するの
でとなる．よってＣにＬが直列に接続された時の測定誤差
は次式で表される。

同図において、ＩＶ方式はＬ＝２６ｍＨまで１％の精度
が得られたが、Ｌ−３２Ｈ以上では誤差が大きくなって
いる。これは、装置の定電流源が第１８図のように定電
圧源に抵抗Ｒｓを付けて正帰還をかけた構成であるため
、大きなしに対してはＲｓと試粕（Ｃ．Ｌ）の直列共振
回路を形成して振動状態になるためである。

以上の結果から、Ｂｕｆｆ方式、ＩＶ方式ともに動作安
定領域では、Ｃに直列に接続されたＬを除去できること
、より大きなしを除去するためにはし負荷に強いバッフ
ァ、定電流源が必要であることがわかる．ストレキャパシティ接続時の測定誤差ストレキャパシティ接続時の測定誤差については、Ｃｓ
とＣｆに等しい大きさのコンデンサを接続した場合につ
いてフ１１定した．結果を第Ｘ９図に示す．なお、Ｃ−
１６９ＦでストレキＶバシティが５００９Ｆ以上の時は
’ＩｔＥ流制限回路が動作した。同図の結果からＣＰＬ
の実用範１７Ｄ（網線部）でストレキャパシティを除去
し、１％の精度でキャパシタンスを測定できることがわ
かった。

なお、この実施例では、キャパシタンスブレチスモグラ
フ測定に用いられるキャバシタンス測定装置について説
明したが、これに限定されない。

また、導体で形成されるＲＬＣ直列回路に通電する定電
流は正弦波に限定されず、定電疏を間欠的に通電すれば
、ＲＬＣ直列回路じ非通電時に所定電圧がチャージされ
、キャパシタンスを得ることができる．［発明の効果コ前記のように、この発明のキャバシタンス測定装置では
、導体で形成されるＲＬＣ直５１１回路に定電流を間欠
的に通電する通電手段と、ＲＬＣ直列回路の非通電時の
電圧を取り込む電圧取出手段とを有するから、定電流を
間欠的に測定試料に通電して、高精度でキャバシタンス
を測定し、キャバシタンスに接続ざれた直列抵抗、直列
インダクタンスやストレキャパシティを分離することも
可能となった。

従って、ＣＰＬに用いると、ＣＰＬと測定装置の間は細
いケーブル２木で接続することが可能となり、ＣＰＬの
装着の自由度を大きくすることができ、また数１０μＡ
の電流で測定できるため、生体に対する安全性を高める
こともできる等の効果がある．

【図面の簡単な説明】

第１図はＣＰＬの概念図、第２図はＬＣＲメータの測定
原理図、第３図はＣＰＬとケーブルの等価回路図、第４
図はこの発明のキャパシタンス測定装置のブロック図、
第５図はＲＬＣ直列回路図、第６図は定電流間欠正弦波
形図、第７図はＲＬＣ直列回路のシミュレーション波形
図、第８図はこの発明のキャバシタンス測定装置のＢｕ
ｆｆ方式の構成ブロック図、第９図はこの発明のキャパ
シタンス測定装置のＩＶ方式の構成ブロック図、第１０
図はキャバシタンスと出力電圧の関係を示す図、第１１
図はキャバシタンスの出力波形図、第１２図はキャパシ
タンスの測定誤差を示す図、第１３図は直列抵抗接続時
の測定誤差を示す図、第１４図はＲＣ直列回路の出力波
形図、第１５図はＲＣ直列回路のシミュレーション波形
図、第１６図及び第１７図は直列インダクタンス接続時
の測定誤差を示す図、第１８図は定電流源の内部ブロッ
ク図、第１９図はストレキャパシティ接続時の測定誤差
を示す図である。図中符号１はＲＬＣ直列回路、２は通電手段、３は電圧
取出手段、Ｒは抵抗、しはインダクタンス、Ｃはキャバ
シタンスである。

Claims

【特許請求の範囲】

　導体で形成されるＲＬＣ直列回路に定電流を間欠的に
通電する通電手段と、前記ＲＬＣ直列回路の非通電時の
電圧を取り込む電圧取出手段とを有することを特徴とす
るキャパシタンス測定装置。