(57)【要約】【課題】  電流の測定方法として従来用いられている磁界センサで電流により生じた磁界を測定し、その磁界センサの出力より電流を計算する方法は，電流からの距離により磁界強度が変化するため、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという問題があった。【解決手段】  電流検出対象物を、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間に配置し、第１及び第２の磁界センサで、前記配置された電流検出対象物を流れる電流により発生した磁界を、それぞれ検出し、前記第１及び第２の磁界センサが発した信号と、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離ｄとに基いて、電流値を演算する。【選択図】  図１
2013210216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の発する磁界を検出する磁界検出手段と、
前記磁界センサからの信号に基いて電流値を演算する演算手段と、
前記演算した電流値を出力する出力手段とを備えた電流検出装置において、
前記磁界検出手段は、同一面上に、当該面と交差する方向に感度を有する第１及び第２の磁界センサを備え、
前記演算手段は、前記第１及び第２の磁界センサが検出した磁界にかかる信号に基いて、前記電流値の演算を行うことを特徴とすることを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記演算手段は、前記第1及び第２の磁界センサの検出方向は前記面に対して逆の方向を正とし、前記第１の磁界センサの信号に基く値と前記第２の磁界センサの信号に基く値とのに基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記演算手段は、前記第1の磁界センサの信号により求めた磁界の値の逆数と、前記第２の磁界センサの信号により求めた磁界の値の逆数との和を求め、当該和の逆数に基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
【請求項４】
請求項１において、
下記の数１６及び数８に基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
Ｉ＝２πｄ｛ｆ−１（Ｖ１）・ｆ−１（Ｖ２）／（ｆ−１（Ｖ１）＋ｆ−１（Ｖ２））｝・・（数１６）
Ｖ＝ｆ（Ｈ）  （数８）
但し、
I：測定対象物を流れる電流値
ｄ：第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離
Ｈ：磁界センサの位置での磁束
Ｖ：磁界センサの出力信号値
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記二つの磁界センサは、互いの距離及び向きを固定されて磁界センサホルダに保持されていることを特徴とする電流検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記磁界センサは、１軸方向に感度を有することを特徴とする電流検出器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記磁界センサは、ループアンテナ、GMR、ホール素子のいずれかであることを特徴とする電流検出装置。
【請求項８】
電流検出対象物を、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間に配置する工程と、
前記第１及び第２の磁界センサで、前記配置された電流検出対象物を流れる電流により発生した磁界を、それぞれ検出する工程と、
前記検出により、前記第１及び第２の磁界センサが発した信号と、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離ｄとに基いて、演算手段が電流値を演算する工程と、を含む電流検出方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記第１の磁界センサの磁界検出方向と第２の磁界センサの磁界検出方向とは、略平行であることを特徴とする電流検出方法。
【請求項１０】
請求項８または９において、
前記電流検出対象物は、前記第１の磁界センサと第２の磁界センサが並んだ方向に交わる方向に配置された導線であることを特徴とする電流検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の高速化・高機能化に従い、EMC問題は複雑化している。これらのメカニズム解明には、電磁波波源となっている電流を測定する必要がある。一般に、電流の測定には、磁界センサで電流によって発生している磁界を計測し、その磁界から電流を算出する方法が用いられる。
【０００３】
電流の測定を行うための磁界測定方法として、例えば、特開2007-101330号公報（特許文献１）に開示されているようなループアンテナが用いられている。
【０００４】
また、特開2001-228227号公報（特許文献２）がある。この公報には、「誤差電圧を低減し、磁界検出精度を向上させたＮターンコイルの磁界プローブを有する磁界測定装置を提供する。」と記載されている。
【０００５】
また、特開平8-68837号公報（特許文献３）がある。この公報には、「被測定ケーブルの幅や太さに関する制約を受けることなく、ケーブル近傍の高周波磁界を測定する装置を提供する。」と記載されている。
【０００６】
また、IEC61967-6Ed.1（非特許文献１）にLSIの雑音電流の測定方法として、LSIに接続された基板上のマイクロストリップ配線に流れる電流により発生している磁界をループアンテナで測定し、雑音電流を測定するMP法（マグネティックプローブ法）について規格が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2007-101330号公報
【特許文献２】特開2001-228227号公報
【特許文献３】特開平8-68837号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】IEC61967-6Ed.1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電流の測定方法として従来用いられている磁界センサで電流により生じた磁界を測定し、その磁界センサの出力より電流を計算する方法は，電流からの距離により磁界強度が変化するため、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという問題があった。そのため、LSIの雑音電流の測定方法として、MP法の規格が定められているIEC61967-6Ed.1（非特許文献１）では、マイクロストリップ配線とループアンテナとの位置関係を細かく規定している。
【００１０】
また、特開2001-228227号公報（特許文献２）に開示される磁界プローブは、磁界を検出するコイルの引き出し配線が不要なループを作りこれが測定精度を劣化させるとして、逆相のループを加えることで不要なループで発生する誘起電圧を相殺し測定精度を向上させるものであって、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となり、測定精度を劣化させるという問題を解決するものではない。
【００１１】
同様に、特開平8-68837号公報（特許文献３）においても、「被測定ケーブルの幅や太さに関する制約を受けることなく、ケーブル近傍の高周波磁界を測定する装置」であって、電流からの位置精度が誤差要因になることは解決されていない。
【００１２】
本発明の目的は、配線からの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという課題を解決する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１４】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、同一軸方向の磁界を検出する二つの磁界センサと該磁界センサの出力を演算する回路と演算結果を出力する回路で構成され、当該二つの磁界センサの距離を固定し、当該二つの磁界センサのそれぞれの出力と、二つの磁界センサ間の距離ｄを用いて演算することにより電流を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流からの磁界センサの位置による測定誤差を抑えて、精度よく電流を測定できる電流検出器を提供できる。
【００１６】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例にかかる電流検出器の構成図の例である。
【図２】本発明の一実施例にかかる磁界センサ部分の断面図である。
【図３】本発明の一実施例にかかるループアンテナを使用した電流検出器の構成図の例である。
【図４】本発明の一実施例にかかるループアンテナ部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、精度よく電流測定を行う電流検出器の例を説明する。
【００２０】
図１は、本実施例の電流検出器の構成例である。
【００２１】
電流検出器は、二つの磁界センサ１０１および磁界センサ１０２、演算回路部１０３、出力回路部１０４を有する。測定対象は、導線１０５である。
【００２２】
二つの磁界センサ１０１および磁界センサ１０２は、ともに、磁界センサホルダ（図示せず）に固定されている。磁界センサホルダ上では、磁界センサ１０１・１０２は、距離ｄ離れて、x軸方向に直交するｚ軸方向に感度があるように、同じｘ軸上に配置される。磁界センサ１０１は磁界Ｈが入力されると出力Ｖ１が出力される。磁界センサ１０１の入力と出力の関係はＶ１＝ｆ１（Ｈ）の関数で示される。また、出力Ｖ１より磁界Ｈを求めるには、逆関数Ｈ＝ｆ１−１（Ｖ１）を計算する。
【００２３】
同様に磁界センサ１０２に磁界Ｈが入力されたときの入力と出力の関係はＶ２＝ｆ２（Ｈ）の関数で示され、出力Ｖ２より磁界Ｈを求めるには、逆関数Ｈ＝ｆ２−１（Ｖ２）を計算する。
【００２４】
演算回路部１０３は、二つの磁界センサの出力を入力し、演算を行い出力する。出力回路部１０４は、演算結果を入力し、所望のフォーマットに整形して電流値を出力する。演算回路部１０３と出力回路部１０４は、ひとつの回路部としてもよい。
【００２５】
図２は、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の間に電流が流れているときのｘｚ平面の断面図を示す。
【００２６】
電流の周りには、電流進行方向に対して、時計周りに磁界が発生する。その磁界は、ビオ・サバールの法則により、電流をＩ、電流から観測点までの距離をｒとすると、
Ｈ＝Ｉ／２πｒ  （数１）
で示される。
【００２７】
電流から磁界センサ１０１の距離をｒ１、磁界センサ１０１の位置での磁界をＨ１、電流から磁界センサ１０２までの距離をｒ２、磁界センサ１０２の位置での磁界をＨ２とすると、磁界センサそれぞれの位置での磁界は、
Ｈ１＝Ｉ／２πｒ１  （数２）
Ｈ２＝Ｉ／２πｒ２  （数３）
となる。ここで、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の検出する磁界の方向は略平行であり、かつ互いに逆の方向が正となるようにしてある。  また、磁界Ｈ１、Ｈ２と磁界センサの出力Ｖ１、Ｖ２の関係は、
Ｖ１＝ｆ１（Ｈ１）  （数４）
Ｖ２＝ｆ２（Ｈ２）  （数５）
となり、出力Ｖ１、Ｖ２から磁界Ｈ１、Ｈ２を求めると、
Ｈ１＝ｆ１−１（Ｖ１）  （数６）
Ｈ２＝ｆ２−１（Ｖ２）  （数７）
となる。
【００２８】
更に、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２を磁界Ｈと出力Ｖの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｈ）  （数８）
となる同形とすることで、
Ｖ１＝ｆ（Ｈ１）  （数９）
Ｖ２＝ｆ（Ｈ２）  （数１０）
となり、出力Ｖ１、Ｖ２より磁界Ｈ１、Ｈ２を求めるには、
Ｈ１＝ｆ−１（Ｖ１）  （数１１）
Ｈ２＝ｆ−１（Ｖ２）  （数１２）
となる。
【００２９】
ここで、（数２）に（数１１）を代入して、ｒ１について解くと、
ｒ１＝Ｉ／２πｆ−１（Ｖ１）  （数１３）
同様に、（数３）に（数１２）を代入して、ｒ２について解くと、
ｒ２＝Ｉ／２πｆ−１（Ｖ２）  （数１４）
となる。更に、（数１３）と（数１４）の和を求めると、
ｒ１＋ｒ２＝（Ｉ／２π）｛（ｆ−１（Ｖ１）＋ｆ−１（Ｖ２））／（ｆ−１（Ｖ１）・ｆ−１（Ｖ２））｝  （数１５）
となる。また、ｄ＝ｒ１＋ｒ２であるから、これを（数１５）に代入して、Ｉについて解くと、
Ｉ＝２πｄ｛ｆ−１（Ｖ１）・ｆ−１（Ｖ２）／（ｆ−１（Ｖ１）＋ｆ−１（Ｖ２））｝  （数１６）
となる。すなわち、電流Iは、磁界H1の逆数と磁界H2の逆数の和についての逆数に比例する。また、電流Iは、磁界センサ間の距離ｄと、磁界センサが検出した検出値とを乗じた値に比例する。
【００３０】
よって、電流Ｉをｒ１、ｒ２によらず、求めることができる。
【００３１】
つまり、磁界センサ１０１および磁界センサ１０２の出力Ｖ１、Ｖ２を演算回路部１０３に入力し、演算回路部１０３で（式１６）の計算を行い出力回路部１０４で所望のフォーマットに整形した電流値を出力することで、電流Ｉを測定することができる。
【００３２】
そのとき、電流からの磁界センサ距離ｒ１、ｒ２によらないことから、電流が磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の間にあればよく、磁界センサの電流からの位置精度が誤差要因となり電流測定精度を劣化させるという問題が起こらない。
【００３３】
よって、本実施例によれば、電流を精度よく測定することができる。
【実施例２】
【００３４】
本実施例では、精度よく電流測定を行う電流検出器において、磁界センサにループアンテナを用いた例を説明する。
【００３５】
図３は、本実施例の電流検出器の構成例である。
【００３６】
電流検出器は、同形の二つのループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４、アナログ演算回路部２０５、プリアンプ２０６、スペクトラムアナライザ２０７、ＰＣ２０８を有する。
【００３７】
二つのループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４は、距離ｄ離れて、ｚ軸方向に感度があるように、ループの法線方向がｚ軸になるように、同じｘ軸上に配置される。
【００３８】
ループアンテナに誘起される電圧Ｖは、ループアンテナに鎖交する磁界をＨ、周波数をｆ、ループの面積をＳ、透磁率をμとすると、ファラデーの法則より、
Ｖ＝２πｆＳμＨ  （数１７）
で求められる。
【００３９】
アナログ演算回路部２０５は、二つのループアンテナの出力を入力し、演算を行い出力する。
【００４０】
プリアンプ２０６はアナログ演算回路部２０５の出力を増幅する。スペクトラムアナライザ２０７で各周波数の値を計測し、その結果をＰＣ２０８で計算し所望のフォーマットに整形した周波数に応じた電流値を出力する。
【００４１】
図４は、ループアンテナ２０３とループアンテナ２０４の間に電流が流れているときのｘｚ平面の断面図を示す。
【００４２】
電流をＩ、電流からループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４までの距離をそれぞれ、ｒ３、ｒ４、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の位置での磁界をＨ３、Ｈ４とすると、ビオ・サバールの法則により、
Ｈ３＝Ｉ／２πｒ３  （数１８）
Ｈ４＝Ｉ／２πｒ４  （数１９）
となる。
【００４３】
また、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の誘起電圧をそれぞれＶ３、Ｖ４とすると
Ｖ３＝２πｆＳμＨ３  （数２０）
Ｖ４＝２πｆＳμＨ４  （数２１）
となる。
【００４４】
ここで、（数１８）と（数２０）から、ｒ３について解くと、
ｒ３＝ＩｆＳμ／Ｖ３  （数２２）
同様に、（数１９）と（数２１）から、ｒ２について解くと、
ｒ４＝ＩｆＳμ／Ｖ４  （数２３）
となる。更に、（数２２）と（数２３）の和を求めると、
ｒ３＋ｒ４＝ＩｆＳμ｛（Ｖ３＋Ｖ４）／（Ｖ３Ｖ４）｝  （数２４）
となる。また、ｄ＝ｒ１＋ｒ２であるから、これを（数２４）に代入して、Ｉについて解くと、
Ｉ＝ｄ／ｆＳμ｛Ｖ３Ｖ４／（Ｖ３＋Ｖ４））｝  （数２５）
となる。
【００４５】
よって、電流Ｉをｒ３、ｒ４によらず、求めることができる。
【００４６】
つまり、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の誘起電圧Ｖ３、Ｖ４をアナログ演算回路部２０５に入力し、Ｖ３Ｖ４／（Ｖ３＋Ｖ４）を演算する。演算結果をプリアンプ２０６で増幅し、スペクトラムアナライザ２０７に入力する。スペクトラムアナライザ２０７で測定した各周波数の測定値をＰＣ２０８に入力し、ＰＣ２０８でスペクトラムアナライザ２０７の各周波数の測定値をまずプリアンプ２０６の増幅分を補正し、
ｄ／ｆＳμとの積を計算することで電流値を得ることができる。得られた周波数と電流値を所望のフォーマットに整形し、表示あるいは出力する。
【００４７】
ここで、スペクトラムアナライザ２０７は、例えばレシーバ等の周波数と電圧を測定できる測定器あるいは回路であればよい。
【００４８】
以上の結果、電流からのループアンテナまでの距離ｒ３、ｒ４によらないことから、電流がループアンテナ２０３とループアンテナ２０４の間にあればよく、ループアンテナの電流からの位置精度が誤差要因となり電流測定精度を劣化させるという問題が起こらない。
【００４９】
また、ループアンテナの出力を入力、演算する初段の演算回路をアナログ演算回路とすることで、二つのループアンテナの出力の同時性が確保され、精度の高い電流測定ができる。
【００５０】
よって、本実施例によれば、電流を精度よく測定することができる。
【００５１】
ループアンテナは、１軸方向に感度のある磁界センサでよく、例えばＧＭＲ、ホール素子等が使用できる。例えば、ホール素子を使用すれば、直流電流の測定ができ、ＧＭＲにすれば、センサ部分を小型化でき微小な部分の電流を測定することが出来る。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  磁界センサ
１０２  磁界センサ
１０３  演算回路部
１０４  出力回路部
１０５  導線
２０３  ループアンテナ
２０４  ループアンテナ
２０５  アナログ演算回路部
２０６  プリアンプ
２０７  スペクトラムアナライザ
２０８  ＰＣ
【図１】
2013210216.tif 000003
【図２】
2013210216.tif 000004
【図３】
2013210216.tif 000005
【図４】
2013210216.tif 000006