JP2005345249A

JP2005345249A - 電流分布測定装置

Info

Publication number: JP2005345249A
Application number: JP2004164965A
Authority: JP
Inventors: Masato Niizoe; 真人新添
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】電極などの被測定面の電流分布状態とくに電流方向の分布状態（ベクトル分布状態）を、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保できなくても、また複雑かつ大掛かりな走査移動機構を使用することなく、簡単かつ的確に観測できるようにする。
【解決手段】被測定面５０に近接・対面させられる基板１１に、多数の測定セル２０をマトリックス状に配置・実装するとともに、各測定セル２０をそれぞれ、同一面上にて感度指向方向が互いに直交するように配置された２つの単一指向性磁気センサ２０ｘ，２０ｙで構成することにより、測定セル２０ごとに上記被測定面５０における磁気の作用方向を検出し、この検出に基づいて測定セル２０ごとに上記被測定面における電流方向の情報を取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば燃料電池の電極のように、所定の導電面積を有する導体すなわち被測定面での電流分布状態を観測するのに使用して有効な電流分布測定装置に関する。

被測定面の電流分布状態を観測する装置としては、導体である被測定面から放射される電／磁界を、その被測定面の上方でセンサを走査移動させることにより検出するものが提供されている（たとえば特許文献１、２参照）。また、被測定面からの放射温度分布から電流分布を観測するようにしたものもある。

特開２０００−２７３２特開２００２−３４０９４３

上述した従来の装置では、被測定面の上方へ向けて放射される電／磁界あるいは熱線を観測するために、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保する必要があった。このため、たとえば、燃料電池の電極表面の電流分布を観測しようとした場合、その電極を燃料電池に組み込んだ稼動状態では、その電極の上方に上記開放スペースを確保することができなかった。観測のためには、観測対象である電極の部分だけを取り出すしかないが、それだと稼動状態での観測ができない。

このように、上記装置では測定対象が限られ、たとえば稼動状態にある燃料電池の電極表面の電流分布測定には適用できない、という問題があった。

また、被測定面の上方でセンサを走査移動させる方式は、被測定面の上方に大きな開放スペースが必要であることに加えて、機構が複雑で大掛かりになってしまう、という問題もあった。

さらに、上述した従来の装置では、被測定面に流れる電流の急激な過渡状態すなわち高周波電流による電／磁界波の放射を検出するものであって、たとえば燃料電池の電極のように、直流電流の電流分布を観測する用途には適用できなかった。直流電流の分布を観測する手段としては、その電流の強弱による発熱量の違いを放射温度分布による観測するという方法もあるが、この方法は、温度差を生じるほどの大電流（異常電流）の観測、あるいは半導体集積回路チップ内の極細配線に流れる電流の観測などには有効であるが、電流による温度差が顕著に現れない測定対象には適用できない。仮に、温度分布による観測が可能であったとしても、強弱分布（スカラー分布）しか観測できず、電流が流れる方向（ベクトル分布）を観測することはできなかった。

本発明は以上のように技術背景を鑑みてなされたもので、その目的は、電極などの被測定面の電流分布状態とくに電流方向の分布状態（ベクトル分布状態）を、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保できなくても、また複雑かつ大掛かりな走査移動機構を使用することなく、簡単かつ的確に観測するための測定情報を取得できる電流分布測定装置を提供することにある。

本発明の手段は、被測定面の電流分布状態を観測するための測定情報を取得する電流分布測定装置であって、被測定面に近接・対面させられる基板に、多数の測定セルをマトリックス状に配置・実装するとともに、各測定セルをそれぞれ、同一面上にて感度指向方向が互いに異方向を向くように配置された少なくとも２つの単一指向性磁気センサで構成することにより、測定セルごとに上記被測定面における磁気の作用方向を検出し、この検出に基づいて測定セルごとに上記被測定面における電流方向の情報を取得することを特徴とする。

上記手段においては、次のような手段の付加が好適または望ましい。
各測定セルがそれぞれ、同一面上にて感度指向方向が互いに直交するように配置された２つの単一指向性磁気センサで構成されている。

測定セルを構成する２つの磁気センサがそれぞれに検出した磁気の強さに基づいて、測定セルごとに前記被測定面における電流の方向と強さに関する測定情報を取得する。

前記磁気センサが、検出方向に対して平行に位置する直線状の磁性コアにコイルを巻回してなるインダクタンス素子を用いて構成されている。

前記基板には、前記磁気センサを測定セルごとに順次選択して外部回路へ接続する周辺回路が搭載されている。

磁気センサによる磁気検出を行う検出処理回路を測定セルごとに設けるとともに、各検出処理回路の検出動作タイミングを測定セル間で同期させる。
測定セルごとの磁気検出結果を無線発信する無線送信手段を前記基板に搭載する。

電極などの被測定面の電流分布状態とくに電流方向の分布状態（ベクトル分布状態）を、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保できなくても、また複雑かつ大掛かりな走査移動機構を使用することなく、簡単かつ的確に観測するための測定情報を取得することができる。

図１は本発明による電流分布装置の要部における一実施形態を示す。同図において、（ａ）は本発明の主要部をなす測定プローブ１０の概要を示す平面図、（ｂ）はその測定プローブ１０内に設けられた測定セル２０の概要を示す回路図、（ｃ）は被測定面に流れる電流と磁界の方向を示すベクトル図である。

同図の（ａ）に示す測定プローブ１０は、被測定面に近接・対面させられる基板１１が構成本体（ベース）となっている。この基板１１は、たとえばガラスエポキシなどを用いたＰＣＢ（プリント配線基板）であって、この基板１１の表面には、多数の測定セル２０がマトリックス状に配置・実装されている。基板１１には、各測定セル２０を外部の測定回路に接続するための回路やコネクタ３１なども必要に応じて搭載されている。

各測定セル２０はそれぞれ、（ｂ）に示すように、基板１１の表面である同一面上にて感度指向方向が互いに直交するように配置された２つの単一指向性磁気センサ２０ｘ，２０ｙにより構成されている。磁気センサ２０ｘ，２０ｙの実装はそれぞれ表面実装（ＳＭＤ）方式で行っている。

各磁気センサ２０ｘ，２０ｙは共に、検出方向に対して平行に位置する直線状の磁性コア２１にコイル２２を巻回してなるインダクタンス素子を用いて構成されている。この磁気センサ２０ｘ，２０ｙは磁性コア２１の方向に感度指向を有し、その方向の磁束密度に応じてインダクタンスが変化する。このインダクタンス変化を測定すれば、その磁性コア２１と同方向の磁気強度を測定することができ、この磁気強度から電流強度を測定することができる。

なお、インダクタンス変化の測定方法としては、たとえば三角波などの特定波形の交流電流を通電してその位相変化を定量検出する方法などがある。

測定セル２０内の２つの磁気センサ２０ｘ，２０ｙは、同一面上にて感度指向方向が互いに直交するように配置されているが、これにより、（ｃ）に示すように、その測定セル２０に平行に作用する磁気ベクトル（Ｈｘ，Ｈｙ）を定量検出することができる。

したがって、（ｂ）に示すように、その２つの磁気センサ２０ｘ，２０ｙからそれぞれに得られる磁気検出出力φ（Ｈｘ），φ（Ｈｙ）を、ケーブル３２等を介して適当な磁気測定装置（測定処理システム）４０に接続することにより、その測定セル２０が対面する被測定部分における電流の大きさと方向を測定して分布状態の観測に必要な情報を得ることができる。

磁気測定装置４０は、上記基板１１に実装されたすべての磁気センサ２０ｘ，２０ｙに作用する磁気を個別に検出し、この検出に基づいて測定セル２０ごとに被測定面における電流の大きさ方向を測定する。この測定結果は、パソコン（パーソナルコンピュータ）などを用いて半導体メモリあるいはハードディスク等の記憶媒体４５に記憶・蓄積する。

この蓄積された測定データ（測定情報）を、パソコンなどを用いてプリンタ、プロッタなどまたは画面表示させることにより、被測定面での電流分布状態を直接観測することができる。つまり、可視化して表示させることができる（図３を参照）。

図２は本発明に係る電流分布測定装置の使用例を、その要部だけを抽出した省略斜視図により示す。上述した測定プローブ１０は、同図に示すように、たとえば燃料電池の一部を構成している板状電極のような測定対象の表面（被測定面）５０に、直接または薄い非磁性の電気絶縁セパレータを介して近接・対面させる。

図示の例では、被測定面５０の上に被された測定プローブ１０の上方に何も置いていないが、実際には、その上に被測定側装置の構成要素が被さることが多い。しかし、基板１１上に形成された本発明の測定プローブ１０は、その基板１１を差し込むだけのスペースがあれば使用可能であり、被測定面５０の上方に大きな開放スペースが確保できなくてもよい。

測定プローブ１０にマトリックス状に配置されている各測定セル２０（図示省略：図１参照）は、ケーブルで直接またはコネクタ３１およびケーブル３２を介して測定装置４０（図示省略：図１参照）に接続される。

図３の（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る電流分布測定装置を用いて測定された電流分布の表示例をそれぞれ示す。同図において、（ａ）は、図の一番左側の列に電流流入個所が位置し、この電流流入個所から図の右側に示す一つの電流取出個所に向けて流れる電流の分布状態を示す。

同図に示すように、各部における電流強さと電流方向がそれぞれ線の長さと方向により可視化表示されている。同図の（ｂ）は、図の左側に示す一点の電流流入個所から図の右側に示す一点電流取出個所に向けて流れる電流の分布状態（電流強さと方向）を、同図の（ａ）と同様に可視表示した例を示す。
なお、図示の例では、電流の強さを線の長さで表示させてあるが、それ以外の表示形式も可能であり、たとえば線の太さや矢印の大きさ、および／または線の色彩などで電流の強さを表示させるようにしてもよい。

図４は本発明の要部をなす上記測定プローブ１０の周辺回路構成の実施形態を示す。同図において、基板１１にマトリックス状に配置・実装された多数の測定セル２０はそれぞれ、Ｘ方向の選択線対２４ｘとＹ方向の選択線対２４ｙに接続されている。各選択線対２４ｘ，２４ｙは、Ｘ選択回路２５ｘおよびＹ選択回路２５ｙにより、ＸＹの２方向から択一的に順次選択されるようになっている。

Ｘ選択回路２５ｘとＹ選択回路２５ｙはそれぞれ多数の選択スイッチを有し、Ｘデコーダ２６ｘおよびＹデコーダ２６ｙにより生成される択一的な選択信号により、Ｘ選択線対２４ｘとＹ選択線対２４ｙの選択組み合わせを周期的に更新する。これにより、前記２つの磁気センサが測定セル２０ごとに順次選択されて外部の測定装置４０へ接続する周辺回路が形成されている。なお、２５X、２５Yの選択回路は、測定プローブ１０の外部に設けることもできる。

図５は本発明の別の実施形態を示す。同図に示す実施形態では、磁気センサ２０ｘ，２０ｙよる磁気検出を行う検出処理回路４１を測定セル２０ごとに設けるとともに、各検出処理回路４１の検出動作タイミングを測定セル２０間で同期させるようにしてある。φｔはその同期を行わせるための同期信号であって、各測定セル２０に共通に分配される。各検出回路４１は測定プローブの外部に一括して設けることもできる。

検出処理回路４１は、２つの磁気センサ２０ｘ，２０ｙに作用する磁気の強さを個別に検出する磁気測定回路４２、この測定回路４２の測定結果をサンプリングおよびデジタル変換（量子化）して記憶・保持するアナログ・デジタル変換回路４３、およびデジタル変換された測定データをシリアルデータとして転送送信する転送回路（ＳＲ）４４などにより構成される。

これらの回路機能は測定セル２０ごとに単一の半導体チップに集積形成されて基板１１に実装されている。なお、半導体チップ化は測定セルごとでなくてもよく、たとえば複数の測定セルの分を一つにまとめて半導体チップ化してもよい。

さらに、基板１１には、各検出処理回路４１からシリアル転送されてくる測定データをパソコンなどの外部装置へ転送するためのインターフェイス装置３５が搭載されている。このインターフェイス装置３５は、たとえば有線式のシリアル通信ドライバであってもよいが、たとえばブルートゥースなどの無線送信手段を使用すれば、配線の引き回しやコネクタ接続などの作業を省いて測定作業を効率良く行わせることができる。

以上のように、本発明に係る電流分布測定装置によれば、電極などの被測定面の電流分布状態とくに電流方向の分布状態（スカラーおよびベクトルの分布状態）を、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保できなくても、また複雑かつ大掛かりな走査移動機構を使用することなく、簡単かつ的確に観測するための測定情報を取得することができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、基板１１は、被測定面の形状に合わせて矩形以外の任意の形状にすることができる。その基板１１は前記ＰＣＢ以外のものであってもよい。

また、磁気センサ２０ｘ，２０ｙは、磁性コアとコイルを用いたインダクタンス素子以外の磁気センサであってもよい。磁気センサの配置も被測定物の測定目的によって自由に決めることができる。さらに、本発明は、たとえば金属製筐体などに流れるアース電流や渦電流の解析などにも有効利用可能である。

電極などの被測定面の電流分布状態とくに電流方向の分布状態（ベクトル分布状態）を、被測定面の上方に大きな開放スペースを確保できなくても、また複雑かつ大掛かりな走査移動機構を使用することなく、簡単かつ的確に観測するための測定情報を取得することができるようになる。

本発明による電流分布装置の要部における一実施形態を示す平面図、回路図、ベクトル図である。本発明に係る電流分布測定装置の使用例を示す斜視図である。本発明に係る電流分布測定装置を用いて測定された電流分布の可視化表示例を示す図である。本発明の要部をなす測定プローブの回路構成例を示す図である。本発明の別の実施形態を示す平面図および回路図である。

符号の説明

１０測定プローブ
１１基板
２０測定セル
２０ｘ，２０ｙ磁気センサ
２１磁性コア
２２コイル
２４ｘ，２４ｙ選択線対
２５ｘ，２５ｙＸ，Ｙ選択回路
２６ｘ，２６ｙＸ，Ｙデコーダ
３１コネクタ
３２ケーブル
３５インターフェイス装置
４０磁気測定装置
４１検出処理回路
４２磁気測定回路（測定処理システム）
４３アナログ・デジタル変換回路
４４転送回路
５０被測定面

Claims

被測定面の電流分布状態を観測するための測定情報を取得する電流分布測定装置であって、被測定面に近接・対面させられる基板に、多数の測定セルをマトリックス状に配置・実装するとともに、各測定セルをそれぞれ、同一面上にて感度指向方向が互いに異方向を向くように配置された少なくとも２つの単一指向性磁気センサで構成することにより、測定セルごとに上記被測定面における磁気の作用方向を検出し、この検出に基づいて測定セルごとに上記被測定面における電流方向の情報を取得することを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１において、各測定セルがそれぞれ、同一面上にて感度指向方向が互いに直交するように配置された２つの単一指向性磁気センサで構成されていることを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１または２において、測定セルを構成する２つの磁気センサがそれぞれに検出した磁気の強さに基づいて、測定セルごとに前記被測定面における電流の方向と強さに関する測定情報を取得することを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記磁気センサが、検出方向に対して平行に位置する直線状の磁性コアにコイルを巻回してなるインダクタンス素子を用いて構成されていることを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記基板には、前記磁気センサを測定セルごとに順次選択して外部回路へ接続する周辺回路が搭載されていることを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、磁気センサによる磁気検出を行う検出処理回路を測定セルごとに設けるとともに、各検出処理回路の検出動作タイミングを測定セル間で同期させるようにしたことを特徴とする電流分布測定装置。
請求項１〜６のいずれかにおいて、測定セルごとの磁気検出結果を無線発信する無線送信手段を前記基板に搭載したことを特徴とする電流分布測定装置。