LCRメータ｜受動部品のL/C/Rを高精度測定

LCRメータ

LCRメータは受動素子のインダクタンス(L)、キャパシタンス(C)、レジスタンス(R)を交流励振で測定する計測器である。微小信号で素子のインピーダンスを周波数関数として捉え、等価回路(直列/並列)に換算して表示する。基本パラメータに加え、ESR、品質係数Q、損失係数D、位相角や|Z|、|Y|なども算出でき、部品評価、来料検査、工程内の自動選別に広く用いられる。近年は広帯域化と低インピーダンス高精度化が進み、オシロスコープやマルチメータと併用して回路レベルの解析に用いる場面が増えている。

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LCRメータ

測定原理と等価回路

LCRメータは既知の交流源で被測定素子に正弦波を印加し、電圧・電流の振幅と位相差から複素インピーダンスZを求める。Zの実部がR、虚部が±ωLまたは−1/(ωC)に対応するため、直列等価(Series)または並列等価(Parallel)に換算してL、C、Rを表示する。高Q素子・低損失領域では直列等価が、低Q素子・高損失領域では並列等価が安定する。ESR、X、θ、|Z|、|Y|の選択や、Q=|X|/R、D=1/Qなどの換算が一般的である。

測定方式の種類

ブリッジ方式：古典的なACブリッジで平衡点を探索する方式。高精度だが自動化に不向き。
自動平衡型電流検出(ABCD)：現行の主流。トランスインピーダンスアンプで電流を検出し、広いレンジで高確度を実現。
RFインピーダンスアナライザ系：数MHz〜GHz帯でのL/C/R測定に対応し、スペクトラムアナライザと分担して高周波部品評価に用いる。

直列/並列等価の選択

周波数と損失の組合せに応じて表示モードを切替える。例えばコンデンサの低周波・低損失ではCs-ESR、コイルの高周波・スキン効果顕著領域ではLs-Rpが安定する。

測定条件と誤差要因

LCRメータの確度は試験信号レベル(電圧/電流)、周波数(例：20 Hz〜1 MHzの一般機、RF拡張で10 MHz超)、温度、直流バイアスの有無、配線寄生成分に大きく依存する。素子は電圧係数/電流係数や周波数依存性を持つため、規格で規定された条件で比較することが重要である。表示確度は「基本確度±レンジ依存項±位相項」で与えられ、ゼロ点の安定性やガードの有無も測定再現性を左右する。

主な誤差抑制テクニック

Open/Short/Load補正：フィクスチャの寄生C、寄生Lを除去する基本操作。
4端子-ペア法(ケルビン)：接触抵抗やリード抵抗の影響を低減。
ガード配線：浮遊容量を帰還側に逃がし、漏れ電流の混入を抑える。
ケーブル長の整合：位相ずれの最小化。高周波では校正キットを用いる。

フィクスチャと治具設計

SMD用クリップ、スプリットシリンダ、バー型電極、同軸フィクスチャなど、目的に応じた治具を選ぶ。端子間距離、電極面積、圧接力は結果に直結する。特にSMDは電極の酸化や接触ばらつきでESR/ESLの再現性が崩れるため、定期的な清掃と圧接条件の管理が要る。リード部品ではリード長を最小化し、ループ面積を抑えることで寄生Lを低減する。

直流/交流バイアスの付与

コンデンサはDCバイアスで容量が低下する(特にMLCCの高誘電率系)、インダクタはDC重畳でLが低下し飽和に至る。LCRメータのDC bias機能または外部バイアスユニットを用いて実動作点で測定する。AC biasは小信号線形近似の範囲で非線形特性を探索するのに有効である。安全のため、最大重畳可能電圧/電流と耐圧・発熱を仕様で確認する。

表示パラメータと仕様の読み方

基本レンジ：|Z|、|Y|、R、X、L、Cの選択とレンジオート。
周波数レンジ：評価したい素子の自己共振(f_SR)付近まで届くか確認。
確度表記：例「L: ±0.1% rdg ±0.1% rng ±θ項」。温度係数・短期/長期安定度も参照。
スピード：binning用の測定サイクルタイム、ハンドラI/F、統計機能。
Bias能力：DC bias電圧/電流の範囲、外部ユニット互換性。

等価回路の選択と判定しきい値

QやDの閾値を設け、自動的に直列/並列表示を切替える機種がある。試験規格や社内基準に合わせて固定する方が比較性は高い。

実務活用とワークフロー

受入検査では規格化した周波数(例：1 kHz/10 kHz)と信号レベル(例：1 Vまたは1 mA)でのL/C/R、ESR、Q/Dを測り、合否判定を自動化する。設計段階では温度とバイアス依存性、周波数特性、自己共振前後の等価回路変化をスイープし、パワーメータやロジックアナライザ、スペクトラムアナライザの測定と組み合わせて回路挙動を整合させる。トラブルシュートでは、回路基板上でインサーキット測定を行い、部品を外さずに劣化(ESR上昇、誘電損失増大)を推定する。量産ではBIN分けやヒストグラム管理を導入し、治具のOpen/Short補正を日次ルーチン化する。