JP2005156182A

JP2005156182A - 磁界センサを用いた磁界検出装置

Info

Publication number: JP2005156182A
Application number: JP2003391052A
Authority: JP
Inventors: Akira Sawada; 彰澤田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】精度よくプリント基板の電界放射分布を短時間で容易に測定することにある。
【解決手段】磁歪素子２と圧電素子３を密接に接合し、磁界の強度に比例した磁歪素子２の変位が圧電素子３に応力として作用することで磁界の強度に比例した電気エネルギーを発生する複数個の磁界センサ１を平面または曲面上に密接に配列して構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定対象から発生する磁界の強度と、その空間的な分布を測定する磁界センサを用いた磁界検出装置に関する。

電子機器に使用されるプリント基板は、電子部品の小型化によって実装密度が高まり、さらに動作周波数が高くなっている。このため、電磁波ノイズが放射し易くなっているが、その電磁波障害（ＥＭＩ）の対策は困難である。プリント基板の電磁波ノイズは、基板に配置した電子部品やその他の構成部品からの放射がノイズ源となっているが、このノイズ対策を講じるにはその発生位置と強度を把握する必要がある。

従来、このプリント基板の電磁波ノイズの発生源を測定する手段として、多数のループアンテナを格子状に配置して電磁波ノイズのセンサとし、被測定プリント基板をこのループアンテナ上で動作させて近磁界放射を測定し、その周波数強度分布を測定するようにした装置が開発されている。

しかし、このような装置では、ループアンテナの格子配列密度に限界があり、ノイズ発生位置の分解精度に限界があった。

また、電磁波ノイズの発生源を測定する他の手段として、一つのアンテナを被測定対象のプリント基板の上面を走査して磁界強度を測定する装置がある（例えば、特許文献１）。

この測定装置は、アンテナをプリント基板の上面を走査しているため、分解能は向上するものの、物理的にアンテナを移動するための機構が必要となるため、装置が大型になり、且つ測定のために多くの時間が必要となる。

これらの装置は被測定対象のプリント基板をループアンテナの上面に設置したり、アンテナ走査ステージ上に設置したりする必要がある。

最近、変電所または送電線における電流計測手段として、磁歪素子及び圧電素子を組合せ、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませて電圧に変換する電力用磁界センサが知られている（例えば、特許文献２）。

この磁界センサは、導体に流れる電流により発生する磁場を測定するものであるが、この磁界センサをプリント基板の電磁波ノイズの発生源測定手段として適用することが考えられる。しかし、この磁界センサを単に適用するだけでは、プリント基板に広範囲に亘って配置されている電子部品やその他の構成部品からの放射がノイズ源となっているため、その発生位置と強度を適確に把握することはできない。
特開２０００−１９２０４号公報特開２０００−８８９３７号公報

このように従来の磁界測定装置においては、測定精度が悪く、測定に長い時間が必要である。さらに問題なのは、測定時には被測定対象のプリント基板を測定装置にセットし、通常使用と同じ状態で動作を行わなければならないが、産業用機器においては、プリント基板単体で動作させることは稀である。

通常、産業用電子機器に使用されるプリント基板は、複数の基板を組みあわてラックに格納して動作させている。したがって、被測定対象のプリント基板を通常動作させながら測定するには、基板を動作させるための付帯設備が必要であり、測定に多くの労力を要する。

また、プリント基板から発生する磁界が経時変化する場合は、ループコイルに誘導電流が発生するため、磁界の強さや発生周波数を検出することができるが、プリント基板を流れる電流が直流の場合は、電流が流れる瞬間、又は電流を遮断した瞬間しか磁界変化が起きないため、誘導電流はその瞬間しか発生せず、さらに定常的に直流電流が流れ、定常的な磁場が発生している場合には、ループアンテナによる測定では磁界強度を検出することができない。

さらに、プリント基板の電磁波ノイズの発生源測定手段として、磁界センサの適用が考えられるが、プリント基板には広範囲に亘って電子部品やその他の構成部品が配置され、これらからの放射がノイズ源となっているため、その発生位置と強度を適確に検出することはできない。

本発明は、プリント基板が制御装置などのラックに実装され、通常に動作している場合でも、精度よくプリント基板の電界放射分布を短時間で容易に測定することができ、また定常的に発生している磁界の強度も計測できる磁界センサを用いた磁界検出装置及び電流測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、次のような手段により磁界検出装置を構成するものである。

請求項１に対応する発明は、磁歪素子と圧電素子を密接に接合し、磁界の強度に比例した前記磁歪素子の変位が前記圧電素子に応力として作用することで磁界の強度に比例した電気エネルギーを発生する複数個の磁界センサを平面または曲面状に配列して構成する。

請求２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の磁界検出装置において、平面または曲面状に配列される複数個の磁界センサは、それぞれの磁歪素子と圧電素子の接合面が平行になるように支持する磁界透過部材で固定保持される構造として薄型のシート状に形成し、且つ前記各磁界センサの圧電素子の正極及び負極それぞれに共通の計測導体を接続して発電電力を測定可能にする。

請求項３に対応する発明は、請求項２に対応する発明の面磁界検出装置において、前記共通の計測導体を順次走査して各圧電素子より発生する電気エネルギーをそれぞれ計測する手段を備え、前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出可能にする。

請求項４に対応する発明は、シート状に形成された磁歪素子の一方の面に複数の圧電素子を密接に配列し、且つ前記磁歪素子が磁界強度により変位すると前記圧電素子に作用する応力により磁界の強度に比例した電気エネルギーを発生させる。

請求項５に対応する発明は、薄膜に加工したシート状の磁歪素子と均一で凹凸のない平面体に形成された透磁性支持部材とを面接合させて構成してなる磁界センサと、この磁界センサの前記磁歪素子の均一な面のひずみを光学的に検出する手段とを備え、この検出手段により検出されるひずみ度合いに応じて前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出する。

請求項６に対応する発明は、請求項５に対応する発明の磁界検出装置において、光学的なひずみ検出手段は、単一波長光線のモアレ干渉縞を利用して前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出する。

請求項７に対応する発明は、請求項５に対応する発明磁界検出装置において、請求項５記載の磁界検出装置において、光学的なひずみ検出手段は、磁歪素子の均一な面に形成された均一な幾何学パターンの変化量を検出することでひずみ量を検出し、磁歪素子に作用する磁界強度を検出する。

請求項８に対応する発明は、請求項１乃至請求項７のいずれかに対応する発明の磁界検出装置において、一方の面が遮磁素子で構成されている。

本発明によれば、プリント基板が制御装置などのラックに実装され、通常に動作している場合でも、精度よくプリント基板の磁界分布を測定することができる。また、磁歪素子は外部から作用した磁界に対する変形の応答性がよく、高い周波数の磁界の変化に対しても変形が追従できるため、高い速度で変化する磁界の測定も可能である。

さらに、磁界センサを小形化でき、薄型のシート状に構成できるため、プリント基板の隙間や曲面上の磁界分布も計測することが可能となる。

以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明による磁界検出装置に用いられる磁界センサの構造を示す図である。

図１において、１は磁界センサで、この磁界センサ１は磁歪素子２と圧電素子３とを接合し、磁界強度に比例した磁歪素子２の変位が圧電素子に応力として作用することにより磁界の強度に比例した電気エネルギーを取出し可能にしたものである。

上記磁歪素子２はその結晶方向によって、磁界が印加されたときに最大変位を生ずる方向が決まっており、その最大変位が発生する延長線上に圧電素子３が配置されるように、磁歪素子２が設けられる。

また、圧電素子３も同様に、印加される応力強度が同一でもその結晶方向によって発電量が変化するため、圧電素子３の結晶方向を磁歪素子２が発生する応力を最も効率よく電気エネルギーに変換できる位置関係にして配置される。すなわち、磁界による変位量が最大となる方向と、応力による発電量が最大となる方向が一致するように磁歪素子２と圧電素子３とを接合する。

さらに、磁歪素子２で発生した体積変化が応力として効率的に圧電素子３に伝播するため、圧電素子３と磁歪素子２は磁界を透過する固定部材４で固定されている。この固定部材４は磁気を透過し、磁歪素子２の体積変化の応力で破壊されない強度を有する部材であればどのようなものでもよく、セラミックスなどが適している。

また、圧電素子３にはリード線５ａと５ｂが接続され、圧電素子３で発生した電気エネルギーは、このリード線５ａ，５ｂを通して出力される。

このように構成された磁界センサ１は、磁歪素子２の磁界が印加されたときに最大変位を生ずる方向の素子寸法を変更することで、変位量を変化させることができるので、磁歪素子２に印加される磁界強度が同一でも圧電素子３に印加する応力を変更することができ、磁界強度に対応する発電エネルギー量を変更することが可能である。すなわち、磁歪素子２と圧電素子３を接合してなる磁界センサ１を使用する場合に、磁界強度に対する感度を磁歪素子２の寸法で変更することが可能である。

同様に圧電素子３も磁歪素子２が発生する応力方向の素子寸法を変更することで、電気エネルギー量が変化するので、磁歪素子２の変位量が同一でも圧電素子３から発生する電気エネルギー量を変更することが可能である。すなわち、磁歪素子２と圧電素子３を接合した磁界センサ１として使用する場合に、磁気強度に対する感度を圧電素子３の寸法で変更することが可能である。

図２及び図３は上述した磁界センサ１を用いた本発明による磁界検出装置の第１の実施形態を示す断面構造図及び斜視図である。

図２及び図３において、１ａ〜１ｈは微小な磁界センサで、これらの磁界センサ１ａ〜１ｈは、それぞれ微小な磁歪素子２ａ〜２ｈを微小な圧電素子３ａ〜３ｈに各々結合して構成されている。

これらの磁界センサ１ａ〜１ｈは、平板状に一体成形された磁界を透過する固定部材４上に、横方向（図示左右方向）だけでなく縦方向（図示左右方向と直交する方向）に適宜の間隔を存して、図３に示すように全体が平面を形成するようにマトリクス状に配列され、磁界分布センサを構成している。

また、磁界センサ１ａ〜１ｈがマトリクス状に配列された固定部材４の一方の平面上には、磁気遮蔽部材８が結合され、被測定対象から見て後方からの磁気を遮断することによって、被測定対象から発生する磁界強度のみを測定可能にしている。

このようにマトリクス状に配列された磁界センサ１ａ〜１ｈにおいて、圧電素子３ａには、その正極と負極に対応させて測定導体６ａと７ａとがそれぞれ接続され、圧電素子３ａが発電した電気エネルギー量を取出す。また、導体６ａは横方向の最前列に配置された圧電素子３ａ〜３ｈに共通の測定導体であり、導体７ａは同様に縦方向の再左列に配置された圧電素子に共通の測定導体である。

また、図３に示すように横方向に並んだ各列の圧電素子３ａ〜３ｈには測定導体６ａ〜６ｈが接続され、縦方向に並んだ各列の圧電素子には測定導体７ａ〜７ｈが接続されている。

一方、９ａは縦方向に並んだ各列の圧電素子に接続された測定導体７ａ〜７ｈを選択する第１のマルチプレクサ、９ｂは横方向に並んだ各列の圧電素子に接続された測定導体６ａ〜６ｈを選択する第２のマルチプレクサで、これら第１及び第２のマルチプレクサ９ａ，９ｂのコモン端子間にシャント抵抗１０が接続され、このシャント抵抗１０の両端に電圧計１１が並列に接続されている。

このように構成された磁界測定装置において、いまプリント基板上に配設した状態で、磁界センサ１ａの発電エネルギー量を計測する場合には、第１のマルチプレクサ９ａで圧電素子３ａに接続された測定導体７ａを選択し、第２のマルチプレクサ９ｂで測定導体６ａを選択する。

これら第１及び第２のマルチプレクサ９ａ，９ｂにより選択接続された圧電素子３ａで発電された電気エネルギーは、第１及び第２のマルチプレクサ９ａ，９ｂのコモン端子間に接続されたシャント抵抗１０に与えられる。このシャント抵抗１０に発電エネルギーが与えられると、その両端に発電エネルギーに比例した電圧降下が発生する。

したがって、この電圧を電圧計１１で計測することにより、圧電素子３ａが発電した電気エネルギー量を計測することができ、磁歪素子２ａと圧電素子３ａで構成される磁界センサ１ａの位置を通過する磁界の強度を計測することができる。

同様に第１のマルチプレクサ９ａと第２のマルチプレクサ９ｂにより測定導体７ａ〜７ｃ，６ａ〜６ｈを順次走査し、電圧計１１にてそれぞれの磁界センサの発電エネルギー量を計測することによって、測定平面のそれぞれの位置での磁界強度値を得ることができる。

このように本発明の第１の実施形態では、磁歪素子２と圧電素子３とを結合してなる複数個の磁界センサ１を平板状に一体成形された透磁率の高い固定部材４上に、横方向及び縦方向に適宜の間隔を存して全体が平面を形成するようにマトリクス状に配列して磁界分布センサを構成するようにしたので、被測定対象であるプリント基板より発生する電磁波ノイズの強度分布を精度よく短時間で容易に測定することができ、また定常的に発生している磁界の強度も計測することができる。

また、マトリクス状に配列される複数個の磁界センサ１は、平板状に一体成形された透磁率の高い固定部材４上に磁歪素子２と圧電素子３の接合面が平行になるように固定支持されているので、磁界に比例して変位する磁歪素子２の応力が効率良く圧電素子３に伝達され、電気エネルギーを効率良く発生させることが可能となり、計測感度を向上させることができる。

さらに、マトリクス状に配列された複数個の磁界センサ１の発電エネルギーは各圧電素子３の正負極にそれぞれ共通に接続された計測導線６，７を第１及び第２のマルチプレクサ９ａ，９ｂにより選択することで得られるようにしたので、計測配線の大幅な削減を図ることができる。

また、磁界センサ１ａ〜１ｈがマトリクス状に配列された固定部材４の一方の平面上には、磁気遮蔽部材８が結合され、被測定対象から見て後方からの磁気を遮断するようにしているので、外部からの磁界の影響によって精度が悪化することを防止することができる。

上記実施形態では、複数個の磁界センサを平面状に配置して平面磁界の強度分布を測定する場合について述べたが、複数個の磁界センサを曲面状に配置して曲面磁界の強度分布を測定する場合にも前述同様にして実施することができる。

また、上記実施形態では、微小の磁歪素子２と微小の圧電素子３とを接合した複数の磁界センサ１を平面状に配置するようにしたが、磁歪素子をシート状に形成し、このシート
状磁歪素子の一方の面に複数の微小圧電素子を平面又は曲面状に密接に配列した構成の磁界分布センサとしても前述同様の効果を得ることができると共に、磁界センサを容易に製造することができる。

図４は本発明による磁界測定装置の第２の実施形態を示す斜視図である。

図４において、磁界分布の被測定対象であるプリント基板１２の上部に薄膜に加工したシート状の磁歪素子１３とこのシート状の磁歪素子１３を均一で凹凸のない平面体に形成するための透磁性支持体１４とを面接合させて配置する。

上記シート状の磁歪素子１３は磁界分布の被測定対象であるプリント基板１２から発生する磁界の強度に応じて部分的に伸縮（面に対して垂直方向に）するものである。

また、このシート状磁歪素子１３の伸縮面の上方に単一波長光を発生するレーザ光発生装置からなる複数個の光源１５ａ，１５ｂを配置するとともに、シート状の磁歪素子１３の伸縮により生じる縞模様の状態を撮影する図示しないＣＣＤカメラを設置する。

上記透磁性支持部材１４は、透磁性を有する素子で構成されていればどのような材質でもよいが、シート状の磁歪素子１３を支持するための強度を有している必要がある。また、熱的な膨張係数が低い素子が望ましく、セラミックスや熱膨張係数の小さいプラスチック素材などが望ましい。

このような構成の磁界測定装置において、透磁性支持部材１４に面接合されたシート状の磁歪素子シート１３がプリント基板１２から発生する磁界の影響により伸縮変化すると、シート状の磁歪素子１３の表面に凹凸が生じる。

このとき、シート状の磁歪素子１２の伸縮面上方に配置された光源１５ａと１５ｂより単一波長光線（レーザ光線）１６ａ，１６ｂを照射するとシート状の磁歪素子１３の表面にモアレ縞１７が発生し、表面の凹凸状態を可視化できる。この磁歪素子１３の表面の凹凸状態は、プリント基板１２から発生する磁界の位置と強度を表している。

従って、このモアレ縞１７の状態をＣＣＤカメラ（その他の撮像素子）で撮影することで、プリント基板１２から発生する磁界分布を判別することができる。

このように本発明の第２の実施形態では、プリント基板１２の上部に薄膜に加工したシート状の磁歪素子１３と均一で凹凸のない平面体に形成された透磁性支持体１４とを面接合させて配置すると共に、シート状磁歪素子１３の伸縮面にその上方に配置された光源１５ａ，１５ｂより単一波長光線を照射し、シート状の磁歪素子１３の伸縮により生じる縞模様の状態をＣＣＤカメラやその他の撮像素子で撮像してプリント基板１２から発生する磁界分布を判別するようにしたものである。

従って、磁界強度に応じて体積変化を起こすシート状の磁歪素子１３の体積変化分布を光学的に検出することが可能となり、経時的な変化のない磁界分布を測定することができる。

なお、前述した第１の実施形態及び第２の実施形態において、磁界が計測された点、または面の磁界強度と測定した点、あるいは面の被計測位置との距離情報を用いて、被測定位置に流れている電流量を算出するようにしてもよい。このようにすれば、プリント基板などの表面に流れる電流量または電流分布の情報を得ることができる。

本発明による磁界検出装置に用いられる磁界センサの構造図。本発明による磁界検出装置の第１の実施形態を示す断面構造図。同実施形態の全体構成を示す斜視図。本発明による磁界検出装置の第２の実施形態を示す斜視図。

符号の説明

１，１ａ〜１ｈ…磁界センサ、磁歪素子、２，２ａ〜２ｈ…磁歪素子、３，３ａ〜３ｈ…圧電素子、４…固定部材、５ａ，５ｂ…リード線、６ａ〜６ｈ，７ａ〜７ｈ…測定導体、８…磁気遮蔽部材、９ａ，９ｂ…第１，第２のマルチプレクサ、１０…シャント抵抗、１１…電圧計、１２…プリント基板、１３…磁歪素子シート、１４…透磁性支持部材、１５ａ、１５ｂ…光源、１６ａ、１６ｂ…光線、１７…モアレ縞。

Claims

磁歪素子と圧電素子を密接に接合し、磁界の強度に比例した前記磁歪素子の変位が前記圧電素子に応力として作用することで磁界の強度に比例した電気エネルギーを発生する複数個の磁界センサを平面または曲面状に配列して構成したことを特徴とする磁界検出装置。
請求項１記載の磁界検出装置において、平面または曲面状に配列される複数個の磁界センサは、それぞれの磁歪素子と圧電素子の接合面が平行になるように支持する磁界透過部材で固定保持される構造として薄型のシート状に形成し、且つ前記各磁界センサの圧電素子の正極及び負極それぞれに共通の計測導体を接続して発電電力を測定可能にしたことを特徴とする界磁検出装置。
請求項２記載の磁界検出装置において、前記共通の計測導体を順次走査して各圧電素子より発生する電気エネルギーをそれぞれ計測する手段を備え、前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出可能にしたことを特徴とする磁界検出装置。
シート状に形成された磁歪素子の一方の面に複数の圧電素子を密接に配列し、且つ前記磁歪素子が磁界強度により変位すると前記圧電素子に作用する応力により磁界の強度に比例した電気エネルギーを発生させるようにしたことを特徴とする磁界検出装置。
薄膜に加工したシート状の磁歪素子と均一で凹凸のない平面体に形成された透磁性支持部材とを面接合させて構成してなる磁界センサと、この磁界センサの前記磁歪素子の均一な面のひずみを光学的に検出する手段とを備え、この検出手段により検出されるひずみ度合いに応じて前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出することを特徴とする磁界検出装置。
請求項５記載の磁界検出装置において、光学的なひずみ検出手段は、単一波長光線のモアレ干渉縞を利用して前記磁歪素子に作用する磁界強度を検出することを特徴とする磁界検出装置。
請求項５記載の磁界検出装置において、光学的なひずみ検出手段は、磁歪素子の均一な面に形成された均一な幾何学パターンの変化量を検出することでひずみ量を検出し、磁歪素子に作用する磁界強度を検出することを特徴とする磁界検出装置。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の磁界検出装置において、一方の面が遮磁素子で構成されていることを特徴とする磁界検出装置。