計量標準総合センター　電気標準第１研究室

坂本　憲彦

キャパシタンス標準のキャパシタンス標準の高周波化に対する今後の展開高周波化に対する今後の展開

NMIJ におけるキャパシタンス標準の整備状況

1 k 10 k 100 k 1 M 10 M周波数　周波数　 ff (Hz) (Hz)

容量

容

量 CC

(F

) (

F)

1 m

1

1 n

1 p

現在の整備領域 ：現在の整備領域 ：　　 10 pF~1 10 pF~1 F@ F@ 1 kHz1 kHz 現在の整備領域 ：現在の整備領域 ：　　 10 pF~1 10 pF~1 F@ F@ 1 kHz1 kHz

高周波化の必要性は？

産業界における高周波キャパシタンス標準の需要

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 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

50 – 400 Hz30.9 %

1 kHz

51.9 %

10 kHz10 kHz4.9 %4.9 %

100 kHz100 kHz3.7 %3.7 %

1 MHz1 MHz8.7 %8.7 %高

周波領域

産業界には 産業界には 需要がある！ 需要がある！

産業界には 産業界には 需要がある！ 需要がある！

JCSS 認定範囲 1 pF ~ 10 F @ 1 kHz

（予定も含む）

49 %

高周波化に伴う技術的問題点

C

Cm

Lc Lp Hp Hc

r2 l2 r3 l3

r1

l1

r5

l5

r6

l6

r4

l4

c1 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

CjZ

1

m + r1 + jl1 + ・・・

寄生インピーダンスの高周波化への寄与

C

f 1 kHz

寄生インピーダンスが

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

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 等価回路方式 † † ZZ 行列方式 行列方式 ＊＊

方法

各々のインピーダンスを測定により求め、等価回路計算により値を推定

標準器内部をブラックボックス化

4

3

2

1

44434241

34333231

24232221

14131211

4

3

2

1

I

I

I

I

ZZZZ

ZZZZ

ZZZZ

ZZZZ

V

V

V

V

V1

I1

V2

I2

V3

I3

V4

I4

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 ）

C

f 1 kHz

校正器物 （ DUT ）

周波数特性 ： 既知 周波数特性 ： 既知

値付けには 値付けには 校正装置が必要校正装置が必要

値付けには 値付けには 校正装置が必要校正装置が必要

標準器から校正器物への値付け

ブリッジによる比較法 ブリッジによる比較法 LCRLCR メータによる置換メータによる置換法 法

S DUT S DUT

1 nF 1 nF

・・

・・

1 pF

1 nF

・・

・・

1 pF

1 nF

・・

・・

1 pF

・・

0.1 F

容量範囲拡張が可能容量範囲拡張が可能 容量範囲拡張が可能容量範囲拡張が可能

評価された標準器 １つ用意

評価された標準器各公称値ごとに用意

校正プロセスが簡易 校正プロセスが簡易 校正プロセスが簡易 校正プロセスが簡易

測定原理 – ブリッジによる比較法

1-N

N

D

ZDUT

(=1/jCDUT)

ZREF

(=1/jCREF)

A. Awan et al., IEEE Trans. Instrum. & Meas. 50, 282 (2001).

N

NCC

NNZZ

1

:1:

REFDUT

REFDUT

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による分圧比の校正が必要 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

V0

V1

VN-1

VN

V0

V1

VN-1

VN

V0.5

V1.5

VN-0.5

同軸ケーブル同軸ケーブル外部導体外部導体

同軸ケーブル同軸ケーブル内部導体内部導体

高周波化： 高周波化： 　漂遊容量無視できなくなる 　漂遊容量無視できなくなる なるべく近い電位で巻線を覆う ⇒ 漂遊容量の抑制 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 標準項目 20082008 年年 20092009 年年 20102010 年年

誘導分圧器 100 kHz 1 MHz

キャパシタンス - 100 kHz 1 MHz

交流抵抗 - 100 kHz 1 MHz

高周波用誘導分圧器の開発 高周波用誘導分圧器の開発 初期目標 初期目標 初期目標 初期目標

　　・ 高周波用ブリッジ回路を開発し、標準供給を開始したい 　　・ 高周波用ブリッジ回路を開発し、標準供給を開始したい 最終目標（最終目標（ 20102010 年）年） 最終目標（最終目標（ 20102010 年）年）

寄生インピーダンス評価法の検討・確立 寄生インピーダンス評価法の検討・確立

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。

• 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。

周波数特性の評価方法 周波数特性の評価方法 等価回路方式 Z 行列方式

校正器物の校正方法 校正器物の校正方法 ブリッジによる比較法

LCR メータによる置換法

交流ブリッジ回路を構築する予定

NMIJ NMIJ 今後の方針 今後の方針

比較・検討