JPWO2015141236A1 - 電流センサアレイとそれを用いた電流可視化装置 - Google Patents

Abstract

複雑な電気回路では、実際に結線された状態というのは、配線の束が縦横に配置されている。そのような状態で、現在電流がどのような状態で流れているかを表示することは現場での利便性が著しく向上する。直線上に配置した、磁性素子を有する複数の電流センサと、前記電流センサの磁性素子に電流を流す、開閉スイッチを有する電流回路と、前記開閉スイッチを順次開閉する駆動回路と、前記複数の磁性素子の出力を増幅するアンプを有することを特徴とする電流センサアレイと、前記駆動回路と前記アンプに接続され、前記電流センサの位置をＸ成分とし、前記アンプの出力をＺ成分として表示する表示部を有することを特徴とする電流可視化装置。

Description

本発明は磁性素子を直線上に配置した電流センサアレイと、それを用いて電線中を流れる電流を可視化する電流可視化装置に関するものである。

電線中を流れる電流を測定するには、通常クランプ式電流計（例えば特許文献１）が利用される。しかし、クランプ式電流計は、電線をクランプする必要がある。クランプ式電流計は、電線中に流れる電流を正確に測定することができる反面、平面上に配線された状態では測定することができない。また、クランプ式電流計は、機械的なクランプ機構を有するため、半導体が搭載された基板等の微小な部分での電流測定も容易ではない。

特許文献２では、電気回路装置が放射する電磁界強度を算出する電磁界強度算出装置に関し、電気回路装置上を流れる電流の様子を、要素の形状によらずに見やすく、わかりやすい態様で表示することにより、電磁波放射メカニズムを解明する有力な情報を得ることができるようにする技術が開示されている。

特開２００９−１４３６６号公報 特開平９−５３７５号公報

特許文献２に示すように、実際の電気回路に流れている電流の様子を可視化することができれば、有用である局面は多い。複雑な電気回路では、実際に結線された状態では、配線の束が縦横に配置されている。そのような状態で、現在電流がどのような状態で流れているかを表示することは現場での利便性が著しく向上する。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたもので、磁性素子を用いた電流センサアレイに関する。より具体的には、
直線上に配置した、磁性素子を有する複数の電流センサと、
前記電流センサの磁性素子に電流を流す、開閉スイッチを有する電流回路と、
前記開閉スイッチを順次開閉する駆動回路と、
前記磁性素子の出力を増幅するアンプを有することを特徴とする。

また、上記電流センサアレイを用いた、電線中に流れる電流を可視化する装置に関する。

より具体的には、
前記電流センサアレイと、
前記駆動回路と前記アンプに接続され、前記電流センサの位置をＸ成分とし、前記アンプの出力をＺ成分として表示する表示部を有することを特徴とする。

本発明に係る電流センサアレイは、複数の磁性素子を直線上に配置し、順次計測し測定結果を出力するので、平面的に配置された配線であっても、電流の流れを可視化することができる。

本発明の電流可視化装置の構成を示す図である。 電流センサの構成を示す図である。 電流可視化装置の他の実施形態の構成を示す図である。 図３の電流可視化装置で電線を走査することを模式的に示した図である。 図３の電流可視化装置で電線を走査することを模式的に示した図である。 電流センサを２次元配置した時の電流可視化装置の実施形態の構成を示す図である。

以下に本発明に係る電流センサアレイと、電流可視化装置について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態を例示するものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態は本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて改変することができる。

（実施の形態１）
図１には、本発明に係る電流可視化装置の構成を示す。本発明の電流可視化装置１は、電流センサアレイ１０と、表示部４０を含む。

電流センサアレイ１０は、電流センサ１２と、電流回路２０と、アンプ２２と駆動回路２４を含む。複数個の電流センサ１２は並列に配置される。また配置の方向Ａは、直線上であって、かつ等間隔に配置される。ただし、不等間隔に配置することを排除しない。

電流回路２０は、電流源１８と開閉スイッチ１４を含む。電流源１８は、直線上に配置された複数の電流センサ１２のそれぞれに並列的に電流を流す。すなわち、電流源１８に対して各電流センサ１２は並列に接続される。

開閉スイッチ１４は、各電流センサ１２それぞれに設置される。開閉スイッチ１４は電流センサ１２と直列に配置される。したがって、各電流センサ１２は、個々にオンオフできる。ここで電流センサ１２がオンになるという点を説明する。

図２には、電流センサ１２の詳細な構成例を示す。電流センサ１２は磁性素子３０と抵抗３６で構成される。磁性素子３０は、磁性膜３２と導体部３４を含む。磁性膜３２は、短冊状に形成され短冊状の長手方向に磁化容易軸を誘導されているものが望ましい。なお、電流センサ１２は磁性素子３０を複数使用してもよい。例えば、複数の磁性素子３０をブリッジ回路に組むことで感度を高めることもできる。

また短冊状の長手方向の両端には、素子端子３０ａ、３０ｂが設けられる。磁性素子３０に電流を流すためである。つまり、磁性素子３０の磁気抵抗効果を電流センサ１２として利用する。磁性膜３２上には導体部３４が設けられる。導体部３４は短冊状の長手方向に対して傾斜した帯状に設けられる。これはバーバーポールと呼ばれるパターンである。

このように構成された磁性素子３０は、バイアス磁界をかけなくても見かけ上動作点を磁気抵抗効果が変化する途中に設定することができる。したがって、短冊状の長手方向に対して直角方向からの磁界に対して、動作点の上下の値を出力することができる。なお、出力は磁性素子３０の素子端子３０ａ、３０ｂ間の電圧として出力される。

磁性素子３０には抵抗３６が直列に接続される。抵抗３６は、個々の磁性素子３０に一定の電流を流すために配置するものである。つまり、個々の磁性素子３０に感度の差がある場合は、この抵抗３６で調整してよい。また、個々の磁性素子３０の特性の差が無視できる程度に小さい場合は、省略してもよい。

以上のように構成される電流センサ１２は、磁性素子３０に電流が流れれば電流センサ１２の素子端子３０ａ、３０ｂの電圧が出力として得られる。つまり、磁性素子３０に電流が流れる状態を電流センサ１２がオンになると呼ぶ。

再び図１を参照して、電流センサ１２の抵抗３６には、開閉スイッチ１４が直列に接続される。開閉スイッチ１４は、トランジスタとして図示したが、これに限定されるものではない。開閉スイッチ１４は、スイッチ線１５を介する開閉信号Ｓｓで開閉スイッチ１４を導通状態にすることができる。開閉スイッチ１４が導通すると、電流センサ１２はオン状態になる。

電流センサ１２の磁性素子３０の素子端子３０ａ、３０ｂは、出力端子線２１ａ、２１ｂによって連結される。出力端子線２１ａ、２１ｂの端部はアンプ２２に接続される。すなわち、アンプ２２は、複数の電流センサ１２のうち、どれかの電流センサ１２がオンになれば、その磁性素子３０の素子端子３０ａ、３０ｂ間の電圧を出力する。アンプ２２の出力を出力Ｖｓとする。

また、スイッチ線１５は、駆動回路２４に接続される。駆動回路２４は、スイッチ線１５を順番にオンにする。順番とは、方向Ａに向かって配置された複数の電流センサ１２において、一方の端の電流センサ１２から他方の端の電流センサ１２に向かって、順次オンオフを繰り返す。

１つの電流センサ１２をオンにする時間は、電流センサ１２の素子端子３０ａ、３０ｂ間の電圧を測定できる時間であればよい。なお、駆動回路２４は、スイッチ線１５をオンにするタイミングでタイミング信号Ｔｓを出力する。

表示部４０には、駆動回路２４からのタイミング信号Ｔｓと、アンプ２２からの出力Ｖｓが入力される。表示部４０は、タイミング信号Ｔｓを横軸４４に、出力Ｖｓを縦軸４２にして表示する。この際に、横軸４４は、タイミング信号Ｔｓを受信する毎に横軸４４の座標をずらす。そして、タイミング信号Ｔｓを受信した時の出力Ｖｓをタイミング信号Ｔｓの縦軸４２方向の座標上に表示する。

より詳細に説明すると、タイミング信号Ｔｓを受信する毎に表示部４０は、タイミング信号ＴｓをＸ座標としてＸ_０＋ｎとする。ここでＸ_０は、表示する際のＸ軸の始点であり、ｎは電流センサ１２の一方の端から、ｎ個目の電流センサ１２をオンにしたことを示す番号である。そしてその時のアンプ２２の出力ＶｓをＹ座標としてＶｓとする。つまり表示部４０は表示画面上に（Ｘ_０＋ｎ、Ｖｓ）に相当する位置に信号を表示する。この点同士を線で繋ぐことで、表示部４０には、電流センサアレイ１０が検出する電流の位置を表示することができる。

なお、Ｘ軸について点（Ｘ_０＋ｋ、０）と、点（Ｘ_０＋ｋ＋１）とは、電流センサアレイ１０において、ｋ番目とｋ＋１番目の電流センサ１２の配置間隔（距離）を表す。以上のように本発明に係る電流可視化装置１は、複数の電流センサ１２を直線上に配置し、順次オンオフを繰り返し、オンになった電流センサ１２の位置と、その時の出力Ｖｓを２次元上に表示するので、電流センサアレイ１０が置かれた場所で、どこに電流が流れているかを可視化することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１の電流可視化装置１に位置センサ５０が備えられる。位置センサ５０は、電流センサアレイ１０の位置を測定し、測定開始点からの移動距離を出力する。この位置センサ５０の動きに応じて実施の形態１の電流可視化装置２を動作させると、２次元平面内での電流の状態を可視化することができる。

図３に本実施の形態に係る電流可視化装置２の構成を示す。電流センサアレイ１０については、実施の形態１と同じである。電流可視化装置２には、位置センサ５０が備えられている。位置センサ５０は、基準点から電流センサアレイ１０が電流センサ１２の配列方向Ａと直角方向（これを方向Ｂと呼ぶ。）に移動した位置情報Ｐｙを出力する。

次に電流可視化装置２の動作について説明する。起動指令Ｃｓｔは、位置センサ５０に与えられる。位置センサ５０は、電流センサアレイ１０が方向Ｂに所定距離Ｌだけ移動したら位置情報Ｐｙを出力する。位置情報Ｐｙは表示部４０に送られる。また位置情報Ｐｙは、駆動回路２４にも送られる。

駆動回路２４は位置情報Ｐｙを受信したら、スイッチ線１５を介して開閉スイッチ１４を順次オンオフさせる。このオンオフのタイミングはタイミング信号Ｔｓによって表示部４０に送られる。また、表示部４０は、タイミング信号Ｔｓを受信する毎にアンプ２２の出力Ｖｓを得る。このようにして、電流センサアレイ１０のＢ方向の位置情報Ｐｙと、タイミング信号Ｔｓとアンプ２２の出力Ｖｓからなる３次元データを得ることができる。ここで、位置情報Ｐｙは、所定の距離Ｌ毎に送信されるので、位置情報ＰｙもＢ方向に距離Ｌ毎に作られると言ってよい。

表示部４０はこれらのデータを３次元表示する。ここで３次元表示とは、２次元平面上に３次元グラフを表示することを意味する。図４（Ａ）および図４（Ｂ）には、その一例を示す。図４（Ａ）は、電流センサアレイ１０を電線９９上を走査させる様子を示す。図４（Ｂ）は、このときの表示部４０における表示例である。

軸（Ｘ軸）はＡ方向の距離である。Ａ方向の距離は、電流センサアレイ１０同士の間の距離を累積することで求められる。縦軸（Ｙ軸）はＢ方向の距離である。これは位置情報Ｐｙを累積することで求められる。高さ軸（Ｚ軸）は、電流センサアレイ１０の出力Ｖｓである。

図４（Ａ）は、１本の電線９９に電流Ｉが流れている状態を示している。電流センサアレイ１０をスキャンさせることで、電流Ｉが流れている電線９９からの磁界を感じる電流センサ１２の位置が代わり、それが表示部４０上に描き出される。このように、本実施の形態の電流可視化装置２は、２次元に配置された配線上で、現在電流がどのように流れているかを示すことができる。

なお、位置センサ５０は、速度・加速度センサと入れ替えてもよい。速度・加速度センサにすることで、電流センサアレイ１０の移動を手動で行っても、位置情報Ｐｙを正確に求めることができる。また、電流センサ１２は直流を検知するようにも、交流を検知するようにもできる。したがって、複雑な配線中で、定電圧ラインと接地ラインを容易に見つけ出すことができる。

また、電流センサ１２は、磁気抵抗効果を用いているので、電流の向きも同時に調べることができる。すなわち、図２において、短冊状の磁性膜３２の長手方向を軸として軸の右から左へ向かう磁界と逆方向に向かう磁界は動作点を中心に逆方向の出力とすることができる。したがって、動作点を接地電位とすれば、向きの違いを出力の極性の違いとして表すことができる。

（実施の形態３）
図５に本実施の形態に係る電流可視化装置３の構成を示す。電流可視化装置３は、電流センサアレイ１０を複数段に並べて２次元の電流センサアレイ１０を複数配置する。そして、それぞれの電流センサアレイ１０に駆動電流を流すための切換回路６０が付与されている。なお、スイッチ線１５は、個々の電流センサ１２の開閉スイッチ１４毎に配設されているが、１本の点線で省略した。また、電流センサ１２の抵抗３６も記載を省略した。

電流可視化装置３の動作を説明する。起動指令Ｃｓｔは、切換回路６０に送信される。切換回路６０は、電流源１８が電流を流す電流センサアレイ１０を順次切り替える。切り換えた事を示す切換信号Ｓｂは、切換回路６０から表示部４０に送られる。また、電流センサアレイ１０の駆動回路２４にも送られる。

駆動回路２４は、切換信号Ｓｂを受信したら、スイッチ線１５によって、開閉スイッチ１４を順次オンオフする。ここで、電流源１８から電流が流されている電流センサアレイ１０だけが、出力Ｖｓを出力することができる。このようにして、電流センサアレイ１０が次々と切換回路６０で選択される。そして選択された電流センサアレイ１０が、開閉スイッチ１４毎に出力Ｖｓを出力する。

表示部４０は、選択された電流センサアレイ１０毎に、各電流センサ１２の出力Ｖｓを受信する。したがって、選択された電流センサアレイ１０を縦軸（Ｙ軸）に表示し、各電流センサ１２毎の位置を横軸（Ｘ軸）とし、各電流センサ１２の出力Ｖｓを高さ軸（Ｚ軸）とすれば、実施の形態２同様（図４（Ｂ）参照）の２次元平面における電流分布を可視化することができる。

なお、本発明の電流センサアレイでは、直線状および２次元平面状を例示したが、螺旋状や輪形体が重なり合った形状などであってもよい。また本発明では電流センサアレイとして説明を行ったが、電力センサとしてもよい。

本発明に係る電流可視化装置は、複雑な配線に流れる電流を可視化することができるので、電流回路におけるチェックに広く利用することができる。

１ 電流可視化装置
２ 電流可視化装置
３ 電流可視化装置
１０ 電流センサアレイ
１２ 電流センサ
１４ 開閉スイッチ
１５ スイッチ線
１８ 電流源
２０ 電流回路
２１ａ、２１ｂ 出力端子線
２２ アンプ
２４ 駆動回路
３０ 磁性素子
３０ａ、３０ｂ 素子端子
３２ 磁性膜
３４ 導体部
３６ 抵抗
４０ 表示部
４２ 縦軸
４４ 横軸
５０ 位置センサ
６０ 切換回路
９９ 電線
Ｖｓ 出力
Ｔｓ タイミング信号
Ｃｓｔ 起動指令
Ｐｙ 位置情報
Ｓｂ 切換信号

Claims (6)

1. 直線上に配置した、磁性素子を有する複数の電流センサと、
   前記電流センサの磁性素子に電流を流す、開閉スイッチを有する電流回路と、
   前記開閉スイッチを順次開閉する駆動回路と、
   前記磁性素子の出力を増幅するアンプを有することを特徴とする電流センサアレイ。
2. 請求項１に記載された電流センサアレイと、
   前記駆動回路と前記アンプに接続され、前記電流センサの位置をＸ成分とし、前記アンプの出力をＺ成分として表示する表示部を有することを特徴とする電流可視化装置。
3. さらに前記表示部に接続される位置センサを有し、
   前記表示部は、
   前記電流センサアレイの位置をＹ成分とし、
   前記電流センサの位置をＸ成分とし、
   前記アンプの出力をＺ成分として表示する表示部を有することを特徴とする請求項２に記載された電流可視化装置。
4. 前記電流センサが配列された方向と直角方向に配列された、請求項１に記載された複数の電流センサアレイと、
   電流源からの電流を順次個々の前記電流センサアレイに流す切換回路と、
   前記駆動回路と前記アンプに接続され、
   前記電流センサアレイの位置をＹ成分とし、
   前記電流センサの位置をＸ成分とし、
   前記アンプの出力をＺ成分として表示する表示部と、を有することを特徴とする電流可視化装置。
5. 前記複数の電流センサのそれぞれは、前記磁性素子と、前記磁性素子と直列接続された抵抗と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサアレイ。
6. 前記磁性膜は、短冊状の磁性膜を含み、その長手方向に磁化容易軸が誘導されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサアレイ。
   
   

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