(57)【要約】【課題】相互に直交するＸＹＺ成分の電磁界強度を測定可能な小型の電磁界センサを備える電磁界センサシステムを提供する。【解決手段】各々の軸心が相互に直交するＸＹＺ方向に配置されている複数のコイルと、前記各コイルによって誘起される電磁界に基づく電圧を増幅するアンプとを有する電磁界センサ１００と、電磁界センサ１００の出力端とＳＷ３００の入力端とを結ぶケーブル２００と、電磁界センサ１００から出力された複数の信号のいずれか選択するスイッチ（ＳＷ）３００と、電磁界センサ１００のアンプに接続されたスペクトラムアナライザ（ＳＡ）４００と、を備える電磁界センサシステムを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の軸心が相互に直交するＸＹＺ方向に配置されている複数のコイルと、
前記各コイルによって誘起される電磁界に基づく電圧を増幅するアンプと、を備える電磁界センサ。
【請求項２】
前記各コイルは、フェライトコイルである、請求項１記載の電磁界センサ。
【請求項３】
前記ＸＹＺ方向には、それぞれ、複数のコイルが配置されている、請求項１記載の電磁界センサ。
【請求項４】
前記各コイルは、対称性をもって配置されている、請求項１記載の電磁界センサ。
【請求項５】
前記アンプは、負帰還多段アンプである、請求項１記載の電磁界センサ。
【請求項６】
請求項１記載の電磁界センサと、
前記電磁界センサのアンプに接続されたスペクトラムアナライザと、を備える電磁界センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁界センサ及びシステムに関し、特に、相互に直交するＸＹＺ成分の電磁界強度を計測可能な電磁界センサ及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２００７年６月１８日に、世界保健機関のタスクグループによって、低周波（４００ｋＨｚまでの超低周波）の電界及び磁界への暴露による健康リスクに関する環境保健クライテリアが発行された。
【０００３】
我々の身の回りでも、電磁調理器（ＩＨ調理器）、電気掃除機、家庭用テレビ、パーソナルコンピュータ、家電製品全般、デジタル家電全般、情報機器、照明器具、さらには今後普及が見込まれる電気自動車も低周波磁界の発生源を有している。
【０００４】
低周波磁界の人体への暴露による健康リスクを回避するためには、電磁界のシールド対策を講ずる必要があるが、そのためには、電磁調理器等のいずれの位置からどのくらいの強度の低周波磁界が発生しているかを特定する必要がある。
【０００５】
【非特許文献１】http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs322_ELF_fields_jp_final.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電磁界のシールド対策を講ずるためには、家電製品等のどの部分からどのくらいの強度の電磁界が発生しているかを簡易に特定し、その発生源に対してシールド対策などの適切な措置を講ずることが必要であると考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記不都合を解決するために、相互に直交するＸＹＺ成分の電磁界強度を測定可能な電磁界センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の電磁界センサは、
各々の軸心が相互に直交するＸＹＺ方向に配置されている複数のコイルと、
前記各コイルによって誘起される電磁界に基づく電圧を増幅するアンプと、を備える。
【０００９】
また、本発明の電磁界センサシステムは、前記電磁界センサと、前記アンプに接続されたスペクトラムアナライザと、を備える。
【００１０】
なお、上記各コイルとしては、電磁界センサの小型化のため、フェライトコイルを用いるとよい。これにより、空間分解能を向上させることができる。さらに、スペクトラムアナライザを用いると、計測対象となる周波数帯域における電磁界強度を把握すること、すなわち、電磁界の周波数分解をすることができる。
【００１１】
本発明によれば、上記各コイルによって誘起される電磁界のＸＹＺ方向の電圧を計測することができる。なお、電磁界に基づく電圧自体が微弱であることを補完するため、それをアンプによって増幅させることで対応している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の電磁界センサシステムの模式的な構成図である。
【図２】図１に示す電磁界センサ１００における複数のコイル付近の模式的な配置例を示す図である。
【図３】図１に示す電磁界センサ１００の電気的接続の説明図である。
【図４】図２に示すコイルＸ１の説明図である。
【図５】図３に示すコイル群の配置例を示す図である。
【図６】本発明の実施例の電磁界センサシステムの使用例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００１３】
１００  センサ
２００  ケーブル
３００  スイッチ（ＳＷ）
４００  スペクトラムアナライザ（ＳＡ）
５００  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
【発明の実施の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
（構成の説明）
図１は、本発明の実施形態の電磁界センサシステムの模式的な構成図である。図１には、以下説明する、電磁界センサ１００と、ケーブル２００と、スイッチ（以下、「ＳＷ」と称する。）３００と、スペクトラムアナライザ（以下、「ＳＡ」と称する。）４００と、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と称する。）５００とを示している。なお、図１には、電磁界センサシステムの一構成を示しており、電磁界センサ１００を複数用意し、それに付随してＳＷ３００も複数用意してもよい。
【００１６】
電磁界センサ１００は、電磁界の向き及び強度を計測するものである。電磁界センサ１００は、ＳＷ３００に接続されている。後述するように、本実施形態では、電磁界の向きが特定できるようにするために、各々の軸心が相互に直交するＸＹＺ方向に配置されている複数のコイルと、各コイルによって誘起される電磁界に基づく電圧を増幅するアンプとを備える。
【００１７】
なお、図１には、電磁界センサ１００の形状をドーム状とした例を示しているが、形状はこれに限定されず、例えば、円柱状、立方体、直方体などとしてもよい。電磁界センサ１００の外観寸法の一例を示すと、後述するコイルのサイズからすれば、φ４０ｍｍ×３０ｍｍ、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍ或いは２０ｍｍ×３０ｍｍ×４０ｍｍ内に収まるような大きさとすることができる。もっとも、電磁界の測定対象によっては、このサイズまで小型化することは不要であろうことから、測定対象のサイズに応じてコイルサイズを決定し、それに応じて電磁界センサ１００自体の大きさも選択すればよい。したがって、電磁界センサ１００自体の大きさは、例えば、上記サイズの１．５倍〜３倍程度の大きさとしてもよい。
【００１８】
また、本実施形態では、電磁界センサ１００に設けられているアンプとしては、内部アンプゲインが２０ｄＢ程度であることが好ましい。また、電磁界センサ１００は、１０Ｈｚ〜１ＧＨｚの周波数帯域をカバーできるようにするとよい。このための条件については後述する。
【００１９】
ケーブル２００は、電磁界センサ１００の出力端とＳＷ３００の入力端とを結ぶものである。ケーブル２００は、限定的ではないが、電磁界センサ１００からの出力信号に対して外部からノイズ成分が重畳されにくいように、同軸ケーブルを採用するとよい。
【００２０】
ＳＷ３００は、電磁界センサ１００から出力された複数の信号のいずれか選択するものである。ＳＷ３００の出力端は、ＳＡ４００の入力端に接続されている。これらの接続も、例えば同軸ケーブルを採用するとよい。
【００２１】
ＳＡ４００は、電磁界センサ１００からの出力信号を入力して、予め設定された測定範囲の周波数帯域幅において電圧レベルを測定するものである。ここでは、低周波用のＳＡを用いている。ＳＡ４００の出力端は、ＰＣ５００の入力端に接続されている。
【００２２】
ＰＣ５００は、ＳＡ４００から出力された計測データを処理して、図示しない記録媒体に記録したり、当該各データに基づいて所定の画像処理を施して画像データを作成して、ＰＣ５００に接続されているディスプレイに出力したりするものである。
【００２３】
なお、図１に示す構成は一例であり、例えば、ＳＡ４００をコイルの数に応じて用意すれば、ＳＷ３００を割愛することも可能である。
【００２４】
図２は、図１に示す電磁界センサ１００における複数のコイル（以下、「コイル群」とも称する。）付近の模式的な配置例を示す図である。図２（ａ）にはコイル群の平面図を示し、図２（ｂ）にはコイル群の側面図を示している。
【００２５】
図２に示すように、電磁界センサ１００は、図示しない基板上に設けられているスペーサ１１０を備える。この基板及びスペーサ１１０は、発泡体、樹脂材、木材などのように、電磁界の強度を正確に測定することができる素材とすべきであり、例えば、発泡スチロールを用いることができる。
【００２６】
図２（ａ）には、直方体状の外形で中央部分が矩形状に開口されているスペーサ１１０を示しているが、スペーサ１１０の形状は、これに限定されるものではなく、例えば、円筒状の外形としてもよい。
【００２７】
コイル群は、軸心がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のいずれかに沿う態様で配置されているコイルを備える。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とは、相互に直交しているという相対的なものであり、Ｘ軸等の絶対的なものがあるわけではない点に留意されたい。
【００２８】
スペーサ１１０は、コイルＺ１，Ｚ２の長さ方向の中心に、コイルＸ１，Ｘ２等の軸心が直交する条件としている。したがって、例えば、コイルＸ１等が相対的に図２に示す場合に比して短い場合には、必ずしもスペーサ１１０を設ける必要はない。
【００２９】
また、スペーサ１１０を設けなくて済むように、コイル群のレイアウトを変更することも可能である。具体的には、例えば、立方体に組んだ基板を用意し、各基板の垂直方向にコイルの軸心が沿うように配置することも一法である。
【００３０】
スペーサ１１０上には、それぞれ、軸心がＸ方向となる態様でコイルＸ１，Ｘ２が、軸心がＹ方向となる態様でコイルＹ１，Ｙ２とが栽置される。また、スペーサ１１０の開口部分には、軸心がＺ方向となる態様でコイルＺ１，Ｚ２が栽置される。
【００３１】
なお、図２には、コイルＺ１，Ｚ２が矩形状の開口部分に対角上に栽置されている例を示しているが、載置条件はこれに限定されず、コイルＺ１，Ｚ２は対称性を持たせる条件で栽置させればよい。
【００３２】
また、コイル群から出力される電圧は、既述のように、各コイルに接続されるアンプによって増幅されるが、アンプは、例えば、図示しない基板の下側に、アンプ用基板などを用意して、この上に設ければよい。
【００３３】
図３は、図１に示す電磁界センサ１００の電気的接続の説明図である。ここでは、コイルＸ１，Ｘ２についての電気的接続関係を示しているが、コイルＹ１，Ｙ２及びコイルＺ１，Ｚ２の電気的接続関係も、これと同様としている。
【００３４】
図３に示すように、例えば、コイルＸ１の巻き始め側は、既述のアンプ（ＡＭＰ）１２０の第１の入力端に対して電線１３０を通じて接続されている。また、コイルＸ１の巻き終り側は、コイルＸ２の巻き始め側に直列接続されている。さらに、コイルＸ２の巻き終り側が既述のアンプ１２０の第２の入力端に対して電線１４０を通じて接続されている。コイルＸ１，Ｘ２等を直列接続されているので、これらに誘起される電磁界のＸ成分に基づく電圧は合成される。
【００３５】
アンプ１２０の出力端及びコイルＹ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２のアンプの出力端は、ケーブル２００を通じてそれぞれＳＷ３００の入力端に接続されている。
【００３６】
ここで、アンプ１２０は、どのようなタイプのものを用いてもよいが、広い周波数帯域において、高利得を得られるようにするとよい。したがって、負帰還多段アンプを採用し、一段あたりの利得を下げ、その分、周波数帯域を広げるようにするとよい。
【００３７】
図４は、図２に示すコイルＸ１の説明図である。図４（ａ）にはコイルを構成するフェライトコアを示し、図４（ｂ）には図４（ａ）に示したフェライトコアに対して電線を巻いた様子を示している。なお、コイルＸ１以外の他のコイルＹ１，Ｚ１等も、図４に示すコイルＸ１と同様の構成としている。
【００３８】
コイルＸ１は、例えば、直径φ１４ｍｍ程度、高さが１２ｍｍ程度という大きさとしている。もっとも、このサイズは例示であり、これに対して１．５〜３倍程度の大きさとしてもよいし、これに対して小さくしてもよい。ただし、コイルＸ１は、空間分解能を高めようとしてあまりに小さくすると、電磁界の受信感度が小さくなるため、小さくするといっても、せいぜい上記サイズの半分程度までに留めておくことがよい。
【００３９】
コイルＸ１は、上記のようにフェライトコアとしているが、詳しくは、例えば、マンガンと亜鉛とを含むフェライトコアを採用することができる。具体的には、透磁率に着目すれば「２Ｇ４」、「２Ｈ６」と称されるフェライト材料を用いると、１００ｋＨｚまでの超低周波領域に好適に用いることができる。
【００４０】
換言すると、高周波領域における電磁界強度を計測したい場合には、「７Ｂ２」と称されるフェライト材料など、ニッケルと亜鉛とを含むフェライトコアを採用するとよい。もっとも、係る場合には、アンプ１２０とＳＡ４００とを高周波用のものに変更するとよい。
【００４１】
コイルＸ１は、電磁界アンテナとして機能することになるので、その大きさ、形状の決定は重要である。一般的には、アンテナの開口部が大きいほど受信レベルは大きくなるが、その一方で電磁界センサ１００の大きさの制限もある。
【００４２】
本実施形態では、フェライト材に巻くコイルの巻き数をある程度確保してインダクタンスを大きくするようにしている。このため、図４に示すように、コイルの巻き領域を一般的なフェライトコイルに比して大きく確保している。
【００４３】
コイルＸ１を構成する電線は、例えば、低周波の電磁界センサに好適に用いることができる、２種ポリウレタン被覆銅線とすることができる。このような導線を用いる場合には、フェライト材に巻くコイルの巻き数をある程度確保するためには、０．０５φ〜０．１６φ程度の線径のものを選択するとよい。
【００４４】
電線を機械巻きする場合には、０．０５φ〜０．０９φ程度のものを採用するとよい。一方、人手によって巻く場合には、０．１０φ〜０．１６φ程度のものを採用するとよい。何れの巻き方を採用するかは、各々、メリットとデメリットとがあるため、電磁界の計測対象或いは計測感度などに応じて決定すればよい。
【００４５】
なお、人手巻きの場合には、コイルＸ１の直流抵抗の増加を防止でき、電磁界の受信感度を高められるというメリットが挙げられる。一方、機械巻きの場合には、綿密な巻き方ができ、巻きムラが生じにくいというメリットがある。  
【００４６】
図５は、図３に示すコイル群の配置例を示す図である。図５に示す配置例は、図２に示す態様に似通っているが、コイルＸ１等の形状に起因して、スペーサ１１０が不要な場合を示している。図５に示す態様で各コイルを配置すると、コイル群全体としてみれば、半球状に近い受信指向特性を有することになる。
【００４７】
ここで、コイルＸ１等は平衡接続で使用されるが、アンプ１２０等の入力は不平衡接続とされる。この相違につき整合を図るするために、バランであるところの「平衡：不平衡トランス」といった信号変換素子をコイルＸ１等とアンプ１２０等との間に備えることも一法である。
【００４８】
ただ、上記トランスには周波数振幅特性があり、広い周波数を伝達する場合には不向きであるので、信号変換素子に代えて同様の主機能である信号変換ＩＣを用いるとよい。これにより、コイルＸ１等で誘起される電圧を、損失なく不平衡に変換してアンプ１２０等に入力することができる。
【００４９】
（動作の説明）
つぎに、本実施形態の電磁界センサシステムの動作について、開発中の電気自動車内の電磁界強度を測定する場合を例に説明する。
【００５０】
まず、電磁界センサシステムの使用者は、例えば、電磁界強度の測定対象となる電気自動車の車内に、複数の電磁界センサ１００をセットする。各電磁界センサ１００をセットする位置は、例えば、開発中の電気自動車における電磁界シールド対策を講じることを目的とする場合には、車内の各座席付近にセットすることが通常であろう。
【００５１】
つぎに、ＳＡ４００に対して、測定範囲となる周波数帯域幅を設定する。世界保健機関が発行した環境保健クライテリアによれば、１０Ｈｚ〜４００ｋＨｚという周波数帯域における電磁界の強度を調査することが好ましいので、これらの周波数帯域が選択されることになろう。
【００５２】
この状態で、各電磁界センサをオンすると、電磁界センサ１００に設けられているコイルＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｚ１，Ｚ２には、電磁界のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分に基づく電圧が誘起される。この結果、コイルＸ１，Ｘ２で誘起された電磁界のＸ成分に基づく電圧は合成されアンプ１２０に出力される。同様に、コイルＹ１，Ｙ２及びコイルＺ１，Ｚ２における電磁界のＹ成分及びＺ成分に基づく誘起電圧が、これらに接続されているアンプに出力される。
【００５３】
アンプ１２０等では、コイルＸ１，Ｘ２等から出力される電圧が増幅され、ケーブル２００を通じてＳＷ３００の入力端に入力される。ＳＷ３００では、アンプ１２０等から出力される信号のいずれかが選択され、選択された信号がＳＡ４００に出力される。
【００５４】
ＳＡ４００では、予め設定された測定範囲の周波数帯域幅において電圧レベルが測定される。この測定データは、ＰＣ５００に出力される。ＰＣ５００では、ＳＡ４００から出力された計測データが処理される。この結果、ＰＣ５００における処理結果をディスプレイに出力等することが可能となる。
【００５５】
以上の各動作の結果、電気自動車の開発者らは、電磁界センサシステムによって得られる、電磁界の強度及び向きに基づいて、電磁界の発生源に対して電磁界シールド対策を講じることが可能となる。
【実施例】
【００５６】
図６は、本発明の実施例の電磁界センサシステムの使用例を示す模式図である。図６には、開発中などの電気自動車１０００から発生する電磁界を測定する場合の使用例を示している。ここでは、例えば、電気自動車１０００の運転手、助手席乗車者、後部座席乗車者３名の各々が、頭部、胸部、脚部付近において、どの程度の低周波磁界の暴露があるかを調査するための使用例について説明する。
【００５７】
図６に示すように、本実施例の電磁界センサシステムは、電気自動車１０００の助手席乗車者の頭部付近の電磁界を検知するための頭部用電磁界センサ１００Ａと、胸部付近の電磁界を検知するための胸部用電磁界センサ１００Ｂ、脚部付近の電磁界を検知するための頭部用電磁界センサ１００Ｃを備える。
【００５８】
同様に、本実施例の電磁界センサシステムは、運転席、後部座席においても、電磁界センサ１００Ｃ〜１００Ｏを備える。もっとも、後部座席では２人分の電磁界センサを用いてもよい。また、各人３個の電磁界センサを用いる例を示しているが、これよりも、例えば各人１５個というように多くてもよいし、逆に、例えば各人１個といういうように少なくてもよい。
【００５９】
なお、本実施例で用いる電磁界センサ１００Ａ〜１００Ｏは、既述の実施形態で説明したものとすることは必須ではない。したがって、例えば、ＮＡＲＤＡ社製の電磁波測定器「ＥＬＴ−４００」、日置電機社製の磁界測定器「ＦＴ３４７０−５２」などを用いることも可能である。ただし、これらに比して、既述の実施形態で説明したものは、小型であり、ＸＹＺ軸という３軸方向に対する電磁界強度を測定することができるので、電磁界のシールド対策を講ずる上で非常に有益である。
【００６０】
これらの電磁界センサ１００Ａ等は、実際に助手席乗車者等に取り付けてもよいし、助手席等自体の適切な位置などに取り付けてもよいし、等身大人形などに取り付けて助手席等に栽置してもよい。なお、本実施例の電磁界センサシステムは、運転手に限っては、電磁界センサ１００Ｄ〜１００Ｆを取り付ければ、電気自動車１０００を実際に走行させ、走行時に発生する電磁界を測定することも可能となる。
【００６１】
また、本実施例の電磁界センサシステムは、トランクスペースなどに栽置可能な、以下説明する、ＰＣ５００と、ＤＣ−ＡＣコンバータ７００と、フィルターボックス８００Ａ〜８００Ｅと、オシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏとを有するシールドラック２０００を備える。
【００６２】
もっとも、シールドラック２０００は、トランクスペースに栽置することが必須ではない点に留意されたい。ただし、電気自動車１０００を実際に走行させ、走行時に発生する電磁界を測定する場合には、シールドラック２０００をトランクスペースに栽置するとよい。一方、単に、電気自動車１０００のエンジンをかけた状態で、或いは、更にアクセルを踏み込んだ状態で発生する電磁界を測定するだけであれば、シールドラック２０００は、電気自動車１０００の車外に設けることも可能である。
【００６３】
ＤＣ−ＡＣコンバータ７００は、電気自動車１０００に搭載されているＤＣ１２Ｖ電源を、ＡＣ１００Ｖ電源に変換するためのコンバータ７００である。ＤＣ−ＡＣコンバータ７００によって変換された電源は、ＰＣ５００及びオシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏに用いられる。もっとも、ＤＣ−ＡＣコンバータ７００は、必須ではなく、蓄電池などをＰＣ５００等の電源として用いてもよい。
【００６４】
フィルターボックス８００Ａ〜８００Ｅは、電磁界センサ１００Ａ等からの出力信号に重畳する外来ノイズを除去するためのものである。フィルターボックス８００Ａ〜８００Ｅを設けることは必須ではないが、電磁界センサ１００Ａ等として「ＥＬＴ−４００」、「ＦＴ３４７０−５２」を用いる場合には、これらに設けられている表示部等がノイズ発生源となるため、この種のノイズを除去するためには設けることが望ましい。
【００６５】
オシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏは、ＳＡ４００の代替品として例示するものである。したがって、もちろんオシロスコープ９００Ａ〜９００ＯではなくＳＡ４００を用いてもよい。また、計測データの処理がリアルタイムでは必要ないような場合には、オシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏ及びＰＣ５００に代えて、データーロガーを用いてもよい。この場合、データロガーの種別によっては１５台も設置する必要がなく１台で済むという利点もある。いずれを選択するかは、電気自動車１０００のトランクスペースの容量なども考慮するとよい。
【００６６】
また、オシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏ、或いはデータロガーで取得されたノイズデータを周波数解析をする場合には、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析を行えるものを用いることもできる。
【００６７】
ＰＣ５００は、図１に示したものと同様である。図６に示す例ではトランクスペースの容量を考慮してノート型或いはタブレット型などといった小型のＰＣを用いるとよい。ＰＣ５００には、オシロスコープ９００Ａ〜９００Ｏからの出力が入力され、既述の実施形態と同様の処理がなされる。
【００６８】
本実施例の電磁界センサシステムによれば、電気自動車１０００内における人体への電磁界の暴露状況を計測することができ、電磁界の遮蔽対策などを効果的に講ずることが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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