LCRメータとは
LCRメータは、電子回路を詳細に分析する際や製造する際に使う測定機器です。LCRメータでは、L（インダクタンス）、C（コンデンサ）、R（抵抗）の3つの受動素子の値を測ることができます。
受動素子とは、電力を蓄積したり消費したり、放出したりする動作を行う電子部品のことです。
受動素子の特性は、構造やパーツ精度、使用する素材によって異なります。特定の電子回路を製造するためには、各受動素子の特性を理解したうえで、適切な素子を選択する必要があります。
LCRの意味
LCRメータのL、C、Rの各成分についてご紹介します。
L成分
L成分は、インダクタンスと呼ばれる成分です。インダクタンスは、コイルに流れる電流の変化を妨げる方向に生み出す電流の強さを表します。
L成分が大きい回路は電流の変化に疎くなります。急なノイズ電流などには強いものの、交流回路に使うと力率が遅れてしまい、効率が低くなります。
C成分
C成分は、コンデンサと呼ばれ、日本語では「静電容量」とも呼ばれる成分です。C成分は、電気の源である電荷を蓄積する容量を表します。
コンデンサはコイルとは逆の役割を果たし、C成分が大きい回路は電流が急に変化します。交流回路で使用すると力率を進めるものの、ノイズ電流などの発生が増加する場合も。
直流制御回路においては、電圧を拡大させたり、平滑化したりする働きをします。
R成分
レジスタンスと呼ばれているR成分は、電気抵抗のことです。
電気抵抗が大きいと、直流回路でも交流回路でも電流の流れが悪くなります。電流の送電効率が悪くなるものの、故障の際の最大電流も小さくなる特性を持っています。
LCRメータの使用用途
LCRメータは、産業分野や医療分野などで使用されることが多いです。
産業分野では電子機器の開発や電力・電子部品の試験、医療分野では体脂肪率測定器などに用いられます。人体のインピーダンスによる体脂肪率や水分量を測定できることから、医学研究にもよく使用されます。
LCRメータは、CTやNMRといった装置よりも低コストで購入できるため導入がしやすいのがメリットです。
LCRメータの接続方法
ここではLCRメータの接続方法についてご紹介します。一般的に、端子の数が多く接続が複雑になるものほど正確な値を測定できるとされています。
2端子法
2端子法は、テストリードを使いデバイスにある2つの端子を接続するだけという非常に簡易な接続方法です。
2端子法では、接触抵抗やケーブルの直列インピーダンス、端子間やケーブルの浮遊容量などが与える影響が非常に大きくなります。2端子法の場合、正しい値を測定するのは難しいので、結果大きな誤差が生じる可能性があります。
3端子法
3端子法は、主に小さな容量を測定するのに使われる接続方法です。試料やケーブルに静電シールドをつけて、高インピーダンスにおける測定誤差を減らすことができます。
静電シールドをつけることで、浮遊容量を抑制できます。
4端子法
電圧検出ケーブルを自立させて設けることで、低インピーダンスの誤差を軽減する接続方法です。電圧検出ケーブルの自立により、ケーブルの直列インピーダンスが与える接触抵抗や電圧降下の影響をなくします。
4電子法を採用する際は、ケーブル間の相互インダクタンスによる影響を考慮しなければいけません。
接続する際は、ケルビンクリップという電極が2個ある特殊なクリップを2つ用いて接続すれば簡単です。
5端子法
5端子法は、4端子法の各ケーブルにシールドを施し、インピーダンスの幅広い範囲による測定誤差を大幅に減らせる接続方法です。
使用するシールドは、機器を電磁波から保護するための特別なカバーです。外部からのEMIを防いでEMRを制御するため、信号の誤認識やデータ損失を防ぐことが可能です。
4端子対法
4端子対法は、測定電流で発生する磁界の影響を減らして、インピーダンスの範囲の測定誤差を低減することができる接続方法です。
ケーブルのカバーを活用して、電流の往路と復路を合わせることで磁束が生じるのを抑えて、電磁誘導による残留容量を減らします。
LCRメータの測定方法
LCRメータの測定方法には、主に「自動平衡ブリッジ法」「RF I-V法」の2種類があります。
自動平衡ブリッジ法
自動平衡ブリッジ法は、LCRメータの測定方法としてよく使用される回線方式のひとつです。LCRメータが4端子あり、4端子すべてに測定対象の素子が接続されます。
インピーダンス測定を広範囲で行うことができ、温度の範囲も広くなります。ただし複雑な回路になるため、100MHz以上の高周波域の測定には不向きです。
RF I-V法
RF I-V法は、高周波域の測定向きの測定方法です。
広帯域の電流検出を行うことのできるトランスを使用し、測定対象の素子に流れる電流と電圧によってインピーダンスの測定をします。
LCRメータの測定誤差の補正方法
LCRメータを使って正確な値を測定するためには、測定誤差の補正は必須です。ここでは、LCRメータの測定誤差の補正方法についてご紹介します。
オープン／ショート補正
オープン補正は、LCRメータと測定対象を接続するフィクスチャの浮遊容量や接続リード、漏れ抵抗を補正する方法です。配線の配置で値が変動するので、試料を測定するときと同じ状態にして行います。
ショート補正は、フィクスチャや接続リードの接続ケーブルや接続抵抗のインピーダンスを補正する方法です。
残量抵抗を最小限に抑えるために、金属板や太い電線を用いてショートします。ケーブル間の繋ぎによる変動を少なくするために、試料の測定と同様の状態にして行います。
ロード補正
ロード補正は、残留成分が特に大きく、オープン補正もしくはショート補正を行っても無視できない誤差が生じたときに行う方法です。正確な値がわかる標準器などの部品を使用して行います。
ロード補正を行うことで、測定レンジや周波数、信号レベルなどの特定の条件時で生じる細かい誤差を減らす効果が期待できます。
ケーブル長補正
ケーブル長補正は、LCRメータを装置に組み入れて使う場合や、測定対象の素子が大きい場合に使う補正方法です。
長いケーブルを使うと、ケーブル自体の浮遊容量や配線抵抗による影響を受け、試料に加えられる信号の位相やふり幅に誤差が起こる可能性があります。
しかしLCRメータには、長いケーブルを使用する際に発生する誤差を補正するための機能が搭載されています。
LCRメータにケーブルの長さを設定すると、信号の位相やふり幅の誤差が補正されるため、ケーブル長による測定誤差を最小まで抑えることが可能です。
LCRメータについてのまとめ
LCRメータは、インダクタンス、コンデンサ、抵抗を測定する目的で使用される電子機器です。主に産業分野や医療分野で重宝されています。
種類が複数あるので、使用用途にあったLCRメータを選びましょう。
