JP4635944B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物に発生する物理量の大きさおよびその方向を取得する計測装置に関し、特に、電気回路が形成されたプリント基板に流れる電流の方向を検出するものに用いて好適である。

従来より、電気回路が形成されたプリント基板に発生する磁界の方向を検出する装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、この装置は、第１コイルが表面に形成されたＸ軸方向の第１基板と、第２コイルが表面に形成されたＹ軸方向の第２基板と、からなる直交する一体構成の磁界検出基板が備えている。

上記磁界検出基板をプリント基板上に配置させ、第２コイルから出力される第１誘起電圧値を検出すると共に、一体構成の基板をほぼ距離ＡＬだけＹ軸方向に移動させて第１コイルから出力される第２誘起電圧値を検出する。この距離ＡＬは、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な軸をＺ軸とし、このＺ軸方向を見たとき、Ｙ軸方向に平行な第２基板がＸ軸方向に平行な第１基板に接合される接合点と第２基板に形成された第２コイルの中心点との間のＹ軸方向の距離に相当する。このような距離ＡＬだけ移動した位置において第１コイルと第２コイルとを並列接続して並列接続されたコイルから出力される第３誘起電圧値を検出する。

そして、第１誘起電圧値と第２誘起電圧値との比と、第１誘起電圧値と第２誘起電圧値のうち大きい方の誘起電圧値が第３誘起電圧値より大きいか否かと、に基づいて磁界方向を検出する方法が提案されている。このような磁界方向を検出する方法によって、電流の向きを検出することが可能である。
特開平１１−１６６９６３号公報

しかしながら、上記従来の技術のように、磁界検出基板をプリント基板で移動させて各誘起電圧値を計測する場合、１つの計測ポイントに対して磁界検出基板の各コイルの中心点を配置させなければならない。すなわち、計測ポイントに第２基板の第２コイルの中心点を配置させて第１誘起電圧値を計測した後、磁界検出基板をＹ軸方向に距離ＡＬだけ移動させ、計測ポイントに第１基板の第１コイルの中心点を配置させて第２誘起電圧値を測定しなければならない。

これにより、１つの計測ポイントの磁界を検出するために磁界検出基板を移動させなければならず、計測ポイントに対して各コイルの中心点がずれてしまう可能性がある。これにより、各計測ポイントにおける磁界の検出精度が低下してしまう可能性がある。

また、上記のように１つの計測ポイントに対して磁界検出基板を移動させる工程や第１コイルと第２コイルとを並列接続させる工程が必要になるため、１つの計測ポイントでの計測時間がかかると共に、１つのプリント基板にかかるトータルの計測時間が長くなってしまう。

本発明は、上記点に鑑み、計測時間を短縮することができ、かつ、計測精度を向上することができる計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴では、まず、制御部（４０）は、一軸方向に感度を有するセンサ（１４〜１６）を用いて測定対象平面（５０）のうち基準方向（ｘ）に対して０〜πの範囲内に角度θｘだけ回転した第１方向（ｘ’）にて測定される第１出力（ｓ）と、基準方向に対して０〜πの範囲内に角度θｘよりも大きい角度θｙだけ回転した第２方向（ｙ’）にて測定される第２出力（ｔ）と、をそれぞれ検出部（１０）から入力する。そして、測定ポイントに発生する物理量の大きさ（ｒ）および基準方向に対する角度θｒを取得すると共に、基準方向する第３方向（ｖ、ｗ）にて測定される第３出力（ｖ’、ｗ’）と、基準方向に対する角度θｒと、を用いて物理量の向きを取得する。

これにより、１つの測定ポイントにおいて３方向における各出力を取得するだけであるので、１つの測定ポイントにおける検出部の位置ずれを防止することができる。したがって、検出部における測定精度を向上できる。さらに、測定対象平面上の１つの測定ポイントに対して上記第１〜第３方向の各方向の物理量を測定するだけであるので、例えば各方向に向けられた３つのセンサをあらかじめ用意し、これらのセンサで物理量を検出することにより、１つの計測ポイントにおける計測時間を低減することができる。

また、上記のように測定対象平面に設定する座標を斜交座標系とし、斜交座標系をなす２つの方向において第１出力および第２出力を取得することにより、斜交座標系において物理量の大きさを得ることができる。さらに、他の第３方向において第３出力を取得することにより、基準方向に対する物理量の向きを得ることができる。

この場合、制御部は、斜交座標系における三角関数の関係（後述する数５〜数８参照）から、物理量の大きさｒおよび基準方向に対する角度θｒを取得することができる。

また、斜交座標系において、３つめの方向として、第１方向と第２方向とのなす角の範囲内であって基準方向に対して角度θｖの方向（ｖ）、または第１方向と第２方向とのなす角の範囲外であって基準方向に対して角度θｗの方向（ｗ）のいずれかにおいて第３出力を測定する。

これにより、物理量の大きさおよび基準方向に対する角度θｒしか得られていなかったが、この第３出力を用いることによって第１および第２方向における各大きさとの比較が可能となり、例えば三角関数による大小関係によって物理量の方向が基準方向に対して時計回りの角度の方向であるのか。または反時計回りの角度の方向であるのかを判定することができる。

さらに、第３方向として、第１方向と第２方向とのなす角の範囲内の方向（ｖ）における出力ｖ’と、第１方向と第２方向とのなす角の範囲外の方向（ｗ）における出力ｗ’と、をそれぞれ測定し、出力ｖ’が出力ｗ’よりも大きいか否かを判定することにより、物理量が基準方向を基準にして０〜π／２の範囲にある方向であるか、または基準方向を基準にしてπ／２〜πの範囲にある方向であるかを判定することができる。

このように、３方向に加え、１方向の測定を増やすことにより、物理量の方向をより確実に判定することが可能となる。

本発明の第２の特徴では、一軸方向に感度を有するセンサ（１４〜１６）を有する検出部（１０）によって、測定対象平面（５０）上の第１方向にて測定される第１出力（Ｖ１）と、その第１方向に直交する第２方向にて測定される第２出力（Ｖ３）と、第１方向と第２方向との直交関係を二分割する第３方向にて測定される第３出力（Ｖ２）と、をそれぞれ検出する。そして、第１出力から得られる第１成分の二乗と、第２出力から得られる第２成分の二乗と、の和の平方根から物理量の大きさを取得する。続いて、第３出力が、第１出力および第２出力のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値より大きいか否かを判定し、２^{−（１／２）}倍した値より大きい場合、物理量は第１方向とその第１方向に直交する第２方向とによって形成される平面を通過するＡ方向であると判定する。逆に、２^{−（１／２）}倍した値より小さい場合、物理量はＡ方向を第１方向もしくは第２方向を基準に反転させたＢ方向であると判定する。こうして、測定ポイントに発生する物理量の大きさおよびその方向を取得する。

このようにすれば、１つの測定ポイントにおいて３方向における各出力を取得するだけであるので、測定対象平面上の測定ポイントに対して検出部の位置がずれることがない。したがって、測定精度を向上させることできる。また、検出部を測定ポイントから移動させることがないため、１つの計測ポイントにおける計測時間を低減することができる。

この場合、制御部は、第１方向に対して鈍角となる第４方向における第４出力（Ｖ４）を検出部から入力し、第３方向における第３出力が第４方向における第４出力よりも大きいか否かを判定する。そして、第３出力が第４出力より大きい場合、物理量はＡ方向であると判定し、第３出力が第４出力より小さい場合、物理量はＢ方向であると判定することにより、物理量の方向を取得することを特徴とする。

このように、測定対象平面上の１計測ポイントにおける測定方向を１つ増やすことで、測定ポイントにおける物理量の絶対値が小さい場合であっても、精度良く物理量の方向を判定することができる。

また、第４方向を第３方向に直交させることが好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態で示される計測装置は、電気回路が形成されたプリント基板において、電気回路を作動させたときに配線パターンに流れる電流やグランドに流れる電流等のプリント基板５０に流れるトータルの電流の向きを検出することにより、電流の漏れによるノイズや電気回路の不具合等を検出するものとして用いられる。

図１は、本発明の一実施形態に係る計測装置の概略ブロック図である。この図に示されるように、計測装置１００は、磁界プローブ１０と、電圧計２０と、駆動部３０と、制御部４０と、を備えて構成されている。

磁界プローブ１０は、いわゆるシールデッドループであり、プリント基板５０に発生する磁界を検出する検出部である。具体的に、図１に示されるように、磁界プローブ１０は、ロッド１１の一端側に金属導体のループアンテナ１２が接合されたものとして構成されている。ロッド１１には同軸線が内蔵されており、その同軸線はループアンテナ１２内に芯線１３として引き伸ばされている。そして、ループアンテナ１２のうち、ロッド１１とは反対側の一部が取り除かれて、芯線１３が露出した状態になっている。このようなループアンテナ１２として、ループの直径が例えばφ３０のものが採用される。

なお、プリント基板５０として、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍ等のサイズのものや、２００ｍｍ×３５０ｍｍ等のサイズのものなど、様々なサイズのものを対象とすることができる。また、測定対象物５０は本発明の測定対象平面を示すものである。

上記ループアンテナ１２に磁界を通過させると、芯線１３に流れる電流の変化に伴い、芯線１３の両端すなわち同軸線の両端にループアンテナ１２の出力として起電圧が発生する。このことについて、図２を参照して説明する。

図２は、磁界プローブ１０において誘導起電圧が発生する原理を説明する図である。この図に示されるように、コイル６０を横切る磁束をφとすると、コイル６０の両端に発生する起電圧ＶｅはＶｅ＝−∂φ／∂ｔ＝−ｉωＮπａ^２Ｂと表される。ここで、ｉはコイル６０に流れる電流、ωは角周波数、Ｎはコイル６０の巻き数、Ｂはコイル６０を通過する磁界の磁束密度である。このように、コイル６０すなわちループアンテナ１２を横切る磁束の変化に応じて発生する起電圧Ｖｅを測定することにより、プリント基板５０に発生する磁界、ひいてはプリント基板５０に流れる電流の向きを検出する。

また、図１に示される電圧計２０は、上記磁界プローブ１０に発生した起電圧Ｖｅ、すなわちループアンテナ１２を横切る磁界の変化に応じた電圧値を計測するものである。この電圧計２０で計測された起電圧Ｖｅは制御部４０に出力される。

駆動部３０は、磁界プローブ１０をプリント基板５０上で移動させる３次元移動手段である。磁界プローブ１０に対向するプリント基板５０の面をｘ−ｙ平面とすると、駆動部３０は、磁界プローブ１０をプリント基板５０のｘ−ｙ平面で移動させる機能や、ロッド１１の長軸を中心にして磁界プローブ１０を回動させる機能等を有している。このような駆動部３０は、制御部４０から入力される指令信号に基づいて磁界プローブ１０を駆動するようになっている。

制御部４０は、駆動部３０に対してプリント基板５０上で磁界プローブ１０を移動させる機能や、電圧計２０から入力される起電圧Ｖｅに基づいてプリント基板５０に流れる電流の方向を取得する機能を有するものである。このような機能を有する制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等を備えた周知のパーソナルコンピュータとして構成される。

すなわち、制御部４０は、駆動部３０に対し、プリント基板５０の各計測ポイントに磁界プローブ１０を移動させる移動プログラム、駆動部３０に対し、ロッド１１の長軸を中心にして磁界プローブ１０を一定角度で回転させる回転プログラム、電圧計２０で測定された起電圧Ｖｅから磁界の方向を求め、この磁界の方向から電流の向きを得る電流方向検出プログラム等のプログラムを例えばハードディスクに備えている。制御部４０では、これらのプログラムがＣＰＵにより実行されることで、プリント基板５０に流れる電流の向きが得られるようになっている。

次に、上記計測装置１００を用いて、プリント基板５０に形成された電気回路が作動したときにプリント基板５０に流れる電流の向きを取得する方法について、図を参照して説明する。

図３は、プリント基板５０に流れる電流の向きの一例を示した図である。プリント基板５０上の電流はプリント基板５０の導体部分に流れるので、電流はプリント基板５０平面上の電流ベクトル７１として表される。また、本実施形態では、四角形のプリント基板５０の一辺をｘ軸とし、プリント基板５０の平面内でｘ軸に垂直な軸をｙ軸としている。

なお、周知のように電流の向きは磁界の向きに対して直交しているため、ｘ軸およびｙ軸に垂直な軸（すなわちプリント基板５０の平面に垂直な方向）をｚ軸とすると、ｚ軸方向からループアンテナ１２を見たときのループアンテナ１２の長手方向に平行な軸の成分が電流ベクトル７１の成分として測定される。具体的には、ループアンテナ１２の長手方向がｘ軸に平行である場合、電流ベクトル７１のｘ軸成分が測定される。同様に、ループアンテナ１２の長手方向がｙ軸に平行である場合、電流ベクトル７１のｙ軸成分が測定される。

図４は、電流ベクトル７１のｘ軸成分およびｙ軸成分を測定する様子を示した図である。例えば、図４に示されるように、制御部４０の指令により駆動部３０を駆動して磁界プローブ１０をプリント基板５０上の計測ポイントに移動させ、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１を測定すると共に磁界プローブ１０をロッド１１の長軸を中心に９０°回転させて電流ベクトル７１のｙ軸成分８２を測定したとする。なお、図４以降では、ｘ軸およびｙ軸が交わる点を中心とした円でプリント基板５０を表現してある。

このように、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２を測定することにより、得られた各成分８１、８２の二乗の和の平方根、つまりｘ軸成分８１の二乗とｙ軸成分８２の二乗との和の平方根を求めることで電流ベクトル７１の大きさを得ることができる。しかしながら、図４に示されるように、その電流ベクトル７１の向きが、実線で示される電流ベクトル７１の向きであるか、または実線で示される電流ベクトル７１（Ａ方向）をｘ軸もしくはｙ軸で反転させた破線で示される電流ベクトル７２（Ｂ方向）の向きであるかを判定することができない。

そこで、本実施形態では、上記のように２方向の測定ではなく、プリント基板５０上の３方向における磁界プローブ１０に発生する起電圧Ｖｅを測定することにより、プリント基板５０に発生している磁界の向き、ひいてはプリント基板５０に流れる電流の向きを取得する。

すなわち、図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、例えば４５°方向の電流ベクトル７１の４５°成分８３ａ、８３ｂを測定する。これにより、実線で示された電流ベクトル７１の４５°成分８３ａ（図５（ａ）参照）と、破線で示された電流ベクトル７２の４５°成分８３ｂ（図５（ｂ）参照）と、が得られる。これにより、電流ベクトル７１が第１および第３象限にある場合と電流ベクトル７２が第２および第４象限にある場合とで各４５°成分８３の大きさに違いが生じることがわかる。したがって、各４５°成分８３の大きさの違いを利用することで、電流ベクトル７１の向きを判定することができるのである。

具体的に、電流ベクトル７１がｘ軸に平行な状態（０°）からｙ軸方向に回転して再びｘ軸に平行な状態（１８０°）になったとき、電流ベクトル７１の向きに応じて変化する電流ベクトル７１の４５°成分について検討する。図６〜図１３は、それぞれ電流ベクトル７１の向きに応じた４５°成分８３を示した図である。

図６に示されるように、電流ベクトル７１がｘ軸に平行な状態、すなわち０°の状態では、電流ベクトル７１の４５°成分８３はｘ軸成分８１の２^{−（１／２）}倍となる。続いて、電流ベクトル７１がｘ軸に対して０°以上４５°未満の範囲内にある場合、図７に示されるように、電流ベクトル７１の４５°成分８３は、電流ベクトル７１の回転と共にｘ軸成分８１の２^{−（１／２）}倍から増加していく。また、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１は減少していく。そして、図８に示されるように、電流ベクトル７１がｘ軸に対して４５°になった状態では、電流ベクトル７１の４５°成分８３は、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１の２^１／２倍になる。なお、電流ベクトル７１の４５°成分８３は、電流ベクトル７１のｙ軸成分８２の２^１／２倍でもある。

また、電流ベクトル７１がｘ軸に対して４５°以上９０°未満の範囲内にある場合、図９に示されるように、電流ベクトル７１の４５°成分８３は、電流ベクトル７１のｙ軸成分８２の２^１／２倍から減少していく。そして、図１０に示されるように、電流ベクトル７１がｘ軸に対して９０°になった状態（すなわちｙ軸に平行になった状態）では、電流ベクトル７１の４５°成分８３はｙ軸成分８２の２^{−（１／２）}倍になる。

以上のように、電流ベクトル７１がｘ軸に対して平行な状態から９０°まで回転した範囲において、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２は、電流ベクトル７１がｘ軸に対して０°〜４５°の範囲ではｘ軸成分８１＞ｙ軸成分８２となり、４５°〜９０°の範囲ではｘ軸成分８１＜ｙ軸成分８２となる。つまり、電流ベクトル７１が第１および第３象限にあるとき、その４５°成分８３は、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値よりも大きくなる。

同様に、電流ベクトル７１がｘ軸に対して９０°〜１８０°の範囲にある場合、図１１に示されるように、電流ベクトル７１の４５°成分８３はｙ軸成分８２の２^{−（１／２）}倍から減少する。そして、電流ベクトル７１がｘ軸に対して１３５°回転すると、図１２に示されるように、電流ベクトル７１の４５°成分８３は０になる。さらに、電流ベクトル７１がｘ軸に対して１３５°〜１８０°の範囲にある場合、図１３に示されるように、電流ベクトル７１の４５°成分８３は０の状態から増加し、１８０°回転した場合では図６に示される状態と同じ状態になり、電流ベクトル７１の４５°成分８３はｘ軸成分８１の２^{−（１／２）}倍となる。

以上のように、電流ベクトル７１がｘ軸に対して９０°の状態から１８０°まで回転した範囲において、電流ベクトル７１のｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２は、電流ベクトル７１がｘ軸に対して９０°〜１３５°の範囲ではｙ軸成分８２＞ｘ軸成分８１となり、１３５°〜１８０°の範囲ではｙ軸成分８２＜ｘ軸成分８１となる。つまり、電流ベクトル７１が第２および第４象限にあるとき、その４５°成分８３は、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値よりも小さくなる。

したがって、制御部４０は、磁界プローブ１０および駆動部３０を介して、プリント基板５０上の１つの測定ポイントにおける電流ベクトル７１のｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２、そして４５°成分８３に相当する各起電圧Ｖ１〜Ｖ３を取得し、それら各起電力Ｖ１〜Ｖ３の値を用いて電流ベクトル７１の４５°成分８３が、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値より大きいかまたは小さいかを判定する。

これにより、制御部４０は、４５°成分８３が、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値より大きい場合、電流ベクトル７１は第１、第３象限にあると判定し、４５°成分８３が、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値より小さい場合、電流ベクトル７１は第２、第４象限にあると判定することができる。

なお、このような判定は、上述のように、制御部４０に備えられた電流方向検出プログラムが実行されることによりなされる。また、ｘ軸成分８１およびｙ軸成分８２が得られるため、それらの二乗平均を求めることにより、電流ベクトル７１の大きさを得ることもできる。これは、上記電流方向検出プログラムにより算出される。また、電流ベクトル７１の方向が得られるが、その正負（第１象限から第３象限に向かうベクトルであるのか、または第３象限から第１象限に向かうベクトルであるのか。第２、第４象限に電流ベクトル７１がある場合も同様である。）については、電流ベクトル７１の方向が得られた後、例えばプリント基板５０の配線パターン等から総合的に判断される。

上記の測定原理を踏まえて、プリント基板５０のｘ−ｙ平面における３方向の電流ベクトル７１の成分をそれぞれ測定することにより、プリント基板５０に流れる電流の向きを取得する具体的な方法について説明する。以下では、１つの測定ポイントにおける電流ベクトル７１の向きを得る方法について説明する。

まず、プリント基板５０を図示しない固定台に固定し、プリント基板５０に形成した電気回路を作動させる。そして、制御部４０で移動プログラムを実行させて駆動部３０に指令信号を出力し、磁界プローブ１０をプリント基板５０上の計測ポイントに移動させる。

この後、制御部４０で回転プログラムを実行することにより、磁界プローブ１０をロッド１１の長軸を中心にして３つの角度で回転させる。これにより、磁界プローブ１０の各回転角度に応じて磁界プローブ１０に生じる起電圧Ｖｅを電圧計２０で測定し、その電圧値を制御部４０に出力する。

ここで、磁界プローブ１０の回転角度とは、具体的に、プリント基板５０のｘ軸およびｙ軸に垂直なｚ軸方向からループアンテナ１２（プリント基板５０側）を見たときのループアンテナ１２の長手方向とｘ軸とのなす角度に相当する。すなわち、ループアンテナ１２の長手方向がｘ軸に平行である場合を０°とする。この角度では、上述のように、電流ベクトル７１のｘ軸成分を測定することができる。また、ループアンテナ１２の長手方向がｙ軸に平行である場合を９０°とする。この角度では、上述のように、電流ベクトル７１のｙ軸成分を測定することができる。

したがって、プリント基板５０上の１つの測定ポイントにおいて、磁界プローブ１０を回転させ、ループアンテナ１２が０°の場合における起電圧Ｖ１（本発明の第１起電圧に相当）、４５°における起電圧Ｖ２（本発明の第３起電圧に相当）、９０°における起電圧Ｖ３（本発明の第２起電圧に相当）の３つの起電圧をそれぞれ測定し、電圧計２０から各起電圧値のデータを制御部４０に出力する。

そして、制御部４０で電流方向検出プログラムを実行することにより、上述の方法に従って、電圧計２０から入力された各起電圧値から電流ベクトル７１の大きさおよび方向を取得する。こうして、１つの測定ポイントにおける電流ベクトル７１の大きさおよび方向を得ることができる。

こうして１つの測定ポイントにおける電流ベクトル７１の大きさおよび方向を取得した後、駆動部３０を介して磁界プローブ１０をプリント基板５０のｘ−ｙ平面で移動させて各測定ポイントにおける各起電圧を測定し、各測定ポイントにおける電流ベクトル７１を取得する。なお、プリント基板５０の各測定ポイントにおける磁界プローブ１０の各起電圧をあらかじめ測定した後、電流ベクトル７１の大きさおよび方向を算出するようにしても構わない。

上記のようにして得られた電流ベクトル７１の向きや大きさをマップとして構成することにより、プリント基板５０上のどの部分にどれくらいの大きさの電流が流れているかを知ることができる。

なお、制御部４０に電流ベクトル７１を描画するプログラムを備え、このプログラムを実行することにより、上記のようにして得られた各測定ポイントにおける各起電圧や電流ベクトル７１の向きのデータから、プリント基板５０に流れる電流の大きさおよび向きをモニタ等の表示手段を用いて視覚的に出力することも可能である。

本実施形態において、プリント基板５０上の平面におけるｘ軸方向は本発明の第１方向、ｙ軸方向は本発明の第２方向、上記４５°の方向は本発明の第３方向にそれぞれ相当する。また、上記第１象限は、ｘ軸（第１方向）とそのｘ軸（第１方向）に直交するｙ軸（第２方向）とによって形成される平面に相当する。

以上説明したように、本実施形態では、プリント基板５０上の一測定ポイントに磁界プローブ１０を配置させ、その測定ポイントにおいて磁界プローブ１０の測定向きを変更することにより、測定ポイントにおける３方向の電流ベクトル７１の各成分を各起電圧Ｖ１〜Ｖ３として測定することを特徴としている。このように、１つの測定ポイントにおいて磁界プローブ１０をロッド１１の長軸を中心に３方向に回転させるだけであるので、測定ポイントに対して磁界プローブ１０がずれない。これにより、測定ポイントにおける各起電圧Ｖ１〜Ｖ３の測定精度を確保することができる。

また、１つの測定ポイントにおける各起電圧Ｖ１〜Ｖ３を測定するために、測定ポイントに対して磁界プローブ１０を何度も移動させることがなく、３方向のみを測定するだけであるので、１つの測定ポイントにおける測定時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第１実施形態においてプリント基板５０上の３方向における各起電圧の測定に加え、さらにもう１つの方向、詳しくはｘ軸に対して鈍角となる方向における起電圧を測定し、この起電圧を用いて電流ベクトル７１の方向を判定することが特徴である。具体的には、本実施形態では、電流ベクトル７１の１３５°成分に相当する起電圧を測定する。

図１４は、電流ベクトル７１の１３５°成分を測定する様子を示した図である。図１４（ａ）に示されるように、第１および第３象限にある電流ベクトル７１がｘ軸に対して０〜４５°の範囲内にある場合、電流ベクトル７１の４５°成分８３ａは、電流ベクトル７１の１３５°成分８４ａよりも大きくなっている。また、図１４（ｂ）に示されるように、第２および第４象限に電流ベクトル７１がある場合、電流ベクトル７２の１３５°成分８４ｂは、電流ベクトル７２の４５°成分８３ｂよりも大きくなっている。

すなわち、電流ベクトル７１の４５°成分と１３５°成分とを比較することにより、電流ベクトル７１が第１および第３象限にあるのかまたは第２および第４象限にあるのかを判定することができる。

したがって、まず、第１実施形態と同様にループアンテナ１２の長手方向をｘ軸に対して０°、４５°、９０°の各起電圧Ｖ１〜Ｖ３を測定した後、ループアンテナ１２の長手方向をｘ軸に対して１３５°回転させて起電圧Ｖ４を測定する。

そして、４５°における起電圧Ｖ２と１３５°における起電圧Ｖ４とを比較する。この比較によって、起電圧Ｖ２＞起電圧Ｖ４である場合、電流ベクトル７１は第１、３象限にあると判定し、起電圧Ｖ２＜起電圧Ｖ４である場合、電流ベクトル７１は第２、４象限にあると判定する。

以上のように、プリント基板５０上における測定方向を１つ増やすことで、測定ポイントを流れる電流が小さい場合であっても、精度良く電流の方向を判定することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、直交座標系に基づいて電流ベクトル７１の方向を決定する方法が示されているが、直交座標系は特殊な座標系であって、より一般化された斜交座標系であっても電流ベクトル７１を求めることができる。以下、斜交座標系において電流ベクトル７１の大きさおよびその方向を取得する内容について、図を参照して説明する。

まず、斜交座標系を定義する。図１５は、斜交座標系における電流ベクトル７１を示した図である。この図に示されるように、任意の軸ｘを基準軸として、このｘ軸（本発明の基準方向）に対して反時計回りの方向に角度θｘだけ回転した軸をｘ’軸（本発明の第１方向）とし、ｘ軸に対して反時計回りの方向に角度θｙだけ回転した軸をｙ’軸（本発明の第２方向）とする。これにより、ｘ’軸およびｙ’軸で構成される座標を斜交座標系として定義できる。

なお、図１５では、直交座標系から斜交座標系をイメージしやすいように、ｘ軸に直交したｙ軸も描いてある。また、ｘ軸を基準として軸を回転した場合、π〜２πの場合は０〜πの場合と同じであり、電流ベクトル７１の方向が得られれば良いため、以下ではπ〜２πの説明を省略する。

次に、上記斜交座標系における電流ベクトル７１の大きさおよびその方向を求める方法について説明する。まず、図１５に示される斜交座標系において、電流ベクトル７１の大きさをｒと定義し、ｘ軸に対する電流ベクトル７１の角度をθｒと定義すると、電流ベクトル７１のｘ’軸成分ｓはｓ＝ｒＣｏｓ［θｒ−θｘ］と表され、ｙ’軸成分ｔはｔ＝ｒＣｏｓ［θｙ−θｒ］と表される。したがって、これら２式により、電流ベクトル７１の大きさｒは、

として得られる。また、ｘ軸に対する電流ベクトル７１の角度θｒは、

として得られる。

上記のｘ’軸成分ｓおよびｙ’軸成分ｔはそれぞれ計測値（絶対値）であるため、ｓ＞０およびｔ＞０、ｓ＜０およびｔ＞０、ｓ＞０およびｔ＜０、ｓ＜０およびｔ＜０の４通りの場合が考えられる。しかしながら、本実施形態では、上記のようにｘ軸に対してπ〜２πの範囲を省略するため、ｔ＞０の場合のみを考えれば良い。したがって、ｘ’軸成分ｓの符号が正または負の場合の解が得られる。

すなわち、ｓ＞０およびｔ＞０の場合、上記数１および数２から電流ベクトル７１の大きさおよびその方向が得られる。また、ｓ＜０およびｔ＞０の場合、ｓが負であるので、上記数１および数２のｓを−ｓに置換すれば良く、電流ベクトル７１の大きさｒは、

として得られ、ｘ軸に対する電流ベクトル７１の角度θｃは、

として得られる。

これらをまとめると、図１５に示される電流ベクトル７１、７１’がｘ軸を基準にして０〜π／２の範囲にある場合（ｓ＞０およびｔ＞０）、その電流ベクトル７１、７１’の大きさｒおよびその方向（ｘ軸に対する角度θｃ）は上記数１および数２で得られる。また、電流ベクトル７１、７１’がπ／２〜πの範囲にある場合（ｓ＜０およびｔ＞０）、その電流ベクトル７１、７１’の大きさｒおよびその方向（ｘ軸に対する角度θｃ）は上記数３および数４で得られることとなる。

なお、上記数１〜数４において、θｘ＝０、θｙ＝π／２とすると、直交座標系での扱いとなるため、第１、第２実施形態と同様になる。すなわち、電流ベクトル７１が第１象限にある場合（ｓ＞０およびｔ＞０）、その電流ベクトル７１の大きさｒおよびその方向（ｘ軸に対する角度θｃ）は、

として得られる。また、電流ベクトル７１’が第２象限にある場合（ｓ＜０およびｔ＞０）、その電流ベクトル７１’の大きさｒおよびその方向（ｘ軸に対する角度θｃ）は、

として得られる。

以上のように、電流ベクトル７１、７１’のｘ’軸成分ｓおよびｙ’軸成分ｔから電流ベクトル７１、７１’の大きさを得ることができる。しかしながら、これら２方向の各成分ｓ、ｔだけでは、電流ベクトル７１、７１’の方向がｘ軸に対して反時計回りに回転した場合であるのか、時計回りに回転した場合であるのか、すなわち図１５においてｘ軸を基準にして０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１なのか、またはπ／２〜πの範囲にある電流ベクトル７１’であるのかはわからない。したがって、上記実施形態と同様に、電流ベクトル７１、７１’の方向を決定するためにもう１方向の成分を取得する。このことについて、図１６を参照して説明する。

図１６は、斜交座標系において、電流ベクトル７１、７１’の方向を決定するための第３の成分を測定する様子を示した図である。本実施形態では、電流ベクトル７１、７１’の方向を決定するための成分を測定する際、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲内の軸ｖ（本発明の第３方向）におけるｖ軸成分ｖ’、またはｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲外の軸ｗ（本発明の第３方向）におけるｗ軸成分ｗ’のいずれかを取得する。

具体的に、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角が範囲内、より詳しくはｘ’軸とｙ’軸とのなす角度（｜θｘ−θｙ｜）が｜θｘ−θｙ｜＜π／４の場合に図１６に示されるｖ軸でｖ軸成分ｖ’（本発明の第３出力に相当、実際はループアンテナ１２で測定される起電圧となる）を測定した場合、ｓ・｜Ｃｏｓ［θｖ−θｘ］｜＜ｖ’、かつ、ｔ・｜Ｃｏｓ［θｖ−θｙ］｜＜ｖ’を満たすとき、ｘ軸を基準にして０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１であると言える。なお、前記条件を満たさないときは、π／２〜πの範囲にある電流ベクトル７１’であると言える。

また、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角が範囲外、より詳しくはｘ’軸とｙ’軸とのなす角度（｜θｘ−θｙ｜）が｜θｘ−θｙ｜＞π／４の場合に図１６に示されるｗ軸でｗ軸成分ｗ’（本発明の第３出力に相当）を測定した場合、ｓ・｜Ｃｏｓ［θｗ−θｘ］｜＜ｗ’、かつ、ｔ・｜Ｃｏｓ［θｗ−θｙ］｜＜ｗ’、さらに、ｓ＜ｗ’およびｔ＜ｗ’を満たすとき、ｘ軸を基準にしてπ／２〜πの範囲にある電流ベクトル７１’であると言える。なお、前記条件を満たさないときは、０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１であると言える。

このように、第３の方向の測定においては上記ｖ軸またはｗ軸いずれか一方を測定し、各条件を満たすか否かによって電流ベクトル７１、７１’の方向を判定することができる。なお、基準軸ｘを決めることにより、角度θｘ、θｙを知ることができるので、｜θｘ−θｙ｜の値がπ／４より大きいかまたは小さいかに応じて、上記各条件のうちいずれかを選択して電流ベクトル７１、７１’の方向を取得すれば良い。

以上のようにして、斜交座標系において３方向を測定することにより、電流ベクトル７１、７１’の大きさおよびその方向を取得することができる。なお、測定方法は上記実施形態と同様である。

（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、第３実施形態において、さらにもう１つの方向における起電圧を測定し、この起電圧を用いて電流ベクトル７１、７１’の方向を判定することが特徴である。

具体的には、電流ベクトル７１、７１’の方向を決定するための成分を測定する際、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲内の軸ｖにおけるｖ軸成分ｖ’、およびｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲外の軸ｗにおけるｗ軸成分ｗ’をそれぞれ取得する。

そして、ｖ’＞ｗ’のとき、ｘ軸を基準にして０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１であると判定する。また、ｖ’＜ｗ’のとき、０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１’であると判定する。

なお、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲外の軸ｖにおけるｖ軸成分ｖ’、およびｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲内の軸ｗにおけるｗ軸成分ｗ’をそれぞれ取得しても良い。この場合、ｖ’＜ｗ’のとき、ｘ軸を基準にして０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１であると判定する。また、ｖ’＞ｗ’のとき、０〜π／２の範囲にある電流ベクトル７１’であると判定する。

以上のように、ｘ’軸とｙ’軸とのなす角の範囲内および範囲外における各軸ｖ、ｗにおいてそれぞれ取得した各成分ｖ’、ｗ’を比較することにより、電流ベクトル７１、７１’の方向を判定することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、磁界を検出するものとして磁界プローブ１０を用いたが、本実施形態では、一軸方向に感度を有する複数のセンサで構成された検出部を採用することが特徴となっている。

図１７は、第５実施形態に係る検出部の概略図を示したものであり、（ａ）はブロック図、（ｂ）はセンサの平面図を示したものである。この図に示されるように、検出部１０は、３つのセンサ１４〜１６を備えて構成されている。

これらセンサ１４〜１６は、空間における物理量に対して一軸方向に感度を有し、感度方向の物理量を検出してその物理量に応じたレベルの出力（例えば起電圧）を発生するものである。そして、図１７（ｂ）に示されるように、各センサ１４〜１６の感度方向が測定方向に向けられて固定された状態になっている。なお、図１７では、各センサ１４〜１６の感度方向を矢印で示している。

上記センサ１４〜１６の出力は、その出力を計測する物理量計測部４１にて取得され、その計測結果が制御部４０に入力されることとなる。

以上のように、一軸方向の物理量を検出する各センサ１４〜１６を検出したい方向に向けてあらかじめ配置させておいたものを検出部１０として構成することもできる。このような場合、検出部１０そのものを回転させる必要がないため、上記各実施形態に対してさらに計測時間を短縮することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、プリント基板５０に設定したｘ軸およびｙ軸を基準にして磁界プローブ１０を０°、４５°等としているが、これらの角度は一例を示すものであって、上記各実施形態に示した角度以外の角度で３方向もしくは４方向における各起電圧を測定するようにしても構わない。なお、電流ベクトル７１の大きさを二乗平均で得るために少なくとも２方向は直交していることが好ましい。すなわち、直交している２方向の間に少なくとも１方向の角度における測定を行えば良い。この１方向の角度は上記各実施形態では例えば４５°となっているが、他の角度であっても構わない。

また、磁界プローブ１０を回転させる角度の順序は、上記各実施形態に限定されるものではない。磁界プローブ１０の３方向もしくは４方向の各方向における起電圧を測定できれば各方向の測定順序はどの順番でも構わない。

上記各実施形態では、検出部として電流ベクトル７１の測定に磁界プローブ１０を用いているが、この他に電界プローブ等の他の測定機器を用いても良い。

上記第２実施形態では、電流ベクトル７１の方向を判定するための方向（上記実施形態の例では４５°や１３５°）は直交していることが好ましい。

上記各実施形態では、磁界プローブ１０に発生する起電圧Ｖｅを電圧計２０で測定していたが、例えばスペクトラアナライザやオシロスコープ等を用いて測定しても構わない。

上記各実施形態では、磁界プローブ１０に発生する起電圧Ｖｅを検出していたが、起電流を測定するようにしても構わない。このような場合、電圧計２０ではなく電流計を用いるようにすればよい。また、制御部４０では、起電流の値からプリント基板５０に生じる磁界の向き、ひいては電流の向きを得るプログラムを用いるようにすれば良い。

上記各実施形態では、プリント基板５０上に流れる電流の大きさおよび方向を検出していたが、一軸方向に成分をもつ物理量であれば、電流以外の物理量であってもその大きさおよび方向を測定することが可能である。

上記各実施形態では、磁界プローブ１０に発生する起電圧を電圧計２０で測定していたが、磁界プローブ１０の出力を直接制御部４０に入力するようにしても構わない。

また、上記各実施形態では、測定対象物としてプリント基板５０の例について説明したが、プリント基板５０以外のものを測定対象物としても構わない。

本発明の一実施形態に係る計測装置の概略ブロック図である。 磁界プローブにおいて誘導起電圧が発生する原理を説明する図である。 プリント基板に流れる電流の向きの一例を示した図である。 電流ベクトルのｘ軸成分およびｙ軸成分を測定する様子を示した図である。 電流ベクトルの４５°成分を測定する様子を示した図である。 電流ベクトルがｘ軸に平行である場合の４５°成分を示した図である。 電流ベクトルが０°〜４５°の範囲にある場合の４５°成分を示した図である。 電流ベクトルが４５°である場合のｘ軸成分およびｙ軸成分を示した図である。 電流ベクトルが４５°〜９０°の範囲にある場合の４５°成分を示した図である。 電流ベクトルが９０°である場合の４５°成分を示した図である。 電流ベクトルが９０°〜１３５°の範囲にある場合の４５°成分を示した図である。 電流ベクトルが１３５°である場合のｘ軸成分およびｙ軸成分を示した図である。 電流ベクトルが１３５°〜１８０°の範囲にある場合の４５°成分を示した図である。 第２実施形態において、電流ベクトルの１３５°成分を測定する様子を示した図である。 第３実施形態において、斜交座標系における電流ベクトルを示した図である。 斜交座標系において、電流ベクトルの方向を決定するための第３の成分を測定する様子を示した図である。 第５実施形態に係る検出部の概略図を示したものであり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は（ａ）に示すセンサの平面図である。

符号の説明

１０…検出部としての磁界プローブ、１１…ロッド、１２…ループアンテナ、２０…電圧計、３０…駆動部、４０…制御部、５０…プリント基板、７１…電流ベクトル。

Claims (9)

1. 空間における物理量に対して一軸方向に感度を有するセンサ（１４〜１６）が備えられ、前記センサの感度方向の物理量を検出してその物理量に応じたレベルの出力を発生する検出部（１０）と、測定対象平面（５０）に存在する物理量が前記検出部で測定され、前記検出部で得られた出力に基づいて前記測定対象平面に存在する物理量の大きさおよびその方向を取得する制御部（４０）と、を備えており、
   前記制御部は、前記検出部によって前記測定対象平面上の計測ポイントのうち基準方向（ｘ）に対して０〜πの範囲内に角度θｘだけ回転した第１方向（ｘ’）にて測定される第１出力（ｓ）と、前記基準方向に対して０〜πの範囲内に前記角度θｘよりも大きい角度θｙだけ回転した第２方向（ｙ’）にて測定される第２出力（ｔ）と、をそれぞれ前記検出部から入力して前記測定ポイントに発生する前記物理量の大きさ（ｒ）および前記基準方向に対する角度θｒを取得すると共に、前記基準方向に対する第３方向（ｖ、ｗ）にて測定される第３出力（ｖ’、ｗ’）と、前記基準方向に対する角度θｒと、を用いて前記物理量の向きを取得するようになっていることを特徴とする計測装置。
2. 前記制御部は、前記第１出力をｓとし、前記第２出力をｔとし、前記第３出力をｖ’とし、さらに前記物理量の大きさをｒとしたとき、前記物理量が前記基準方向を基準にして０〜π／２の範囲にあると仮定した場合、
   

   

   

   により、前記物理量の大きさｒおよび前記基準方向に対する角度θｒを取得し、前記物理量が前記基準方向を基準にしてπ／２〜πの範囲にあると仮定した場合、
   

   

   

   により、前記物理量の大きさｒおよび前記基準方向に対する角度θｒを取得するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記検出部は、前記第３方向として、前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲内であって前記基準方向に対して角度θｖの方向（ｖ）、または前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲外であって前記基準方向に対して角度θｗの方向（ｗ）のいずれかにおいて前記第３出力を測定するようになっており、
   前記制御部は、前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲内であって、前記第１方向と前記第２方向とのなす角がπ／４よりも小さい場合、前記範囲内における方向を第３方向（ｖ）として前記検出部にて測定された第３出力の大きさをｖ’とし、この第３出力ｖ’およびその角度θｖが、ｓ・｜Ｃｏｓ［θｖ−θｘ］｜＜ｖ’、かつ、ｔ・｜Ｃｏｓ［θｖ−θｙ］｜＜ｖ’を満たすとき、前記物理量は前記基準方向を基準にして０〜π／２の範囲にある方向であると判定し、満たさないとき、前記物理量は前記基準方向を基準にしてπ／２〜πの範囲にある方向であると判定するようになっており、前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲外であって、前記第１方向と前記第２方向とのなす角がπ／４よりも大きい場合、前記範囲外における方向を第３方向（ｗ）として前記検出部にて測定された第３出力の大きさをｗ’とし、この第３出力ｗ’およびその角度θｗが、ｓ・｜Ｃｏｓ［θｗ−θｘ］｜＜ｗ’、かつ、ｔ・｜Ｃｏｓ［θｗ−θｙ］｜＜ｗ’、さらにｓ＜ｗ’およびｔ＜ｗ’を満たすとき、前記物理量は前記基準方向を基準にしてπ／２〜πの範囲にある方向であると判定し、満たさないとき、前記物理量は前記基準方向を基準にして０〜π／２の範囲にある方向であると判定するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記検出部は、前記第３方向として、前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲内の方向（ｖ）における出力ｖ’と、前記第１方向と前記第２方向とのなす角の範囲外の方向（ｗ）における出力ｗ’と、をそれぞれ測定し、
   前記制御部は、前記出力ｖ’が前記出力ｗ’よりも大きいか否かを判定し、前記出力ｖ’が前記出力ｗ’より大きい場合、前記物理量は前記基準方向を基準にして０〜π／２の範囲にある方向であると判定し、前記出力ｖ’が前記出力ｗ’より小さい場合、前記物理量は前記基準方向を基準にしてπ／２〜πの範囲にある方向であると判定することにより、前記物理量の方向を取得するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の計測装置。
5. 空間における物理量に対して一軸方向に感度を有するセンサ（１４〜１６）が備えられ、前記センサの感度方向の物理量を検出してその物理量に応じたレベルの出力を発生する検出部（１０）と、測定対象平面（５０）に存在する物理量が前記検出部で測定され、前記検出部で得られた出力に基づいて前記測定対象平面に存在する物理量の大きさおよびその方向を取得する制御部（４０）と、を備えており、
   前記制御部は、前記検出部によって前記測定対象平面上の計測ポイントのうち第１方向にて測定される第１出力（Ｖ１）と、その第１方向に直交する第２方向にて測定される第２出力（Ｖ３）と、前記第１方向と前記第２方向との直交関係を二分割する第３方向にて測定される第３出力（Ｖ２）と、をそれぞれ前記検出部から入力し、前記第１出力から得られる前記物理量の前記第１方向に相当する第１成分の二乗と、前記第２出力から得られる前記物理量の前記第２方向に相当する第２成分の二乗と、の和の平方根から前記測定ポイントに発生する前記物理量の大きさを取得すると共に、前記第３方向における第３出力が、前記第１出力および前記第２出力のうち大きい値を２^{−（１／２）}倍した値より大きいかまたは小さいかを判定し、前記２^{−（１／２）}倍した値より大きい場合、前記物理量は前記第１方向とその第１方向に直交する前記第２方向とによって形成される平面を通過するＡ方向であると判定し、前記２^{−（１／２）}倍した値より小さい場合、前記Ａ方向を前記第１方向もしくは前記第２方向を基準に反転させたＢ方向であると判定することにより、前記測定ポイントに発生する前記物理量の大きさおよびその方向を得るようになっていることを特徴とする計測装置。
6. 前記検出部では、前記第１方向に対して鈍角となる第４方向における第４出力（Ｖ４）が測定され、
   前記制御部は、前記第３方向における前記第３出力が前記第４方向における前記第４出力よりも大きいか否かを判定し、前記第３出力が前記第４出力より大きい場合、前記物理量は前記Ａ方向であると判定し、前記第３出力が前記第４出力より小さい場合、前記物理量は前記Ｂ方向であると判定することにより、前記物理量の方向を取得するようになっていることを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. 前記第４方向は前記第３方向に直交していることを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
8. 前記検出部は、ロッド（１１）の先端に一軸方向に感度を有するループアンテナ（１２）を備え、前記ループアンテナを横切る物理量を検出してその物理量に応じたレベルの出力を発生するようになっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の計測装置。
9. 前記検出部では、前記物理量として、前記測定対象平面に流れる電流によって生じる磁界に応じた起電圧が測定されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の計測装置。

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