WO2013145928A1

WO2013145928A1 - 電流検出装置及び電流検出方法

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Publication number: WO2013145928A1
Application number: PCT/JP2013/053796
Authority: WO
Inventors: 野間　辰次; 中村　聡; 鳥越　誠; 等横田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2013-10-03
Also published as: JP2013210216A

Abstract

　電流の測定方法として従来用いられている磁界センサで電流により生じた磁界を測定し、その磁界センサの出力より電流を計算する方法は，電流からの距離により磁界強度が変化するため、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという問題があった。　電流検出対象物を、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間に配置し、第１及び第２の磁界センサで、前記配置された電流検出対象物を流れる電流により発生した磁界を、それぞれ検出し、前記第１及び第２の磁界センサが発した信号と、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離ｄとに基いて、電流値を演算する。

Description

電流検出装置及び電流検出方法

　本発明は、電流を測定する技術に関する。

　近年の電子機器の高速化・高機能化に従い、EMC問題は複雑化している。これらのメカニズム解明には、電磁波波源となっている電流を測定する必要がある。一般に、電流の測定には、磁界センサで電流によって発生している磁界を計測し、その磁界から電流を算出する方法が用いられる。

　電流の測定を行うための磁界測定方法として、例えば、特開2007-101330号公報（特許文献１）に開示されているようなループアンテナが用いられている。

　また、特開2001-228227号公報（特許文献２）がある。この公報には、「誤差電圧を低減し、磁界検出精度を向上させたＮターンコイルの磁界プローブを有する磁界測定装置を提供する。」と記載されている。

　また、特開平8-68837号公報（特許文献３）がある。この公報には、「被測定ケーブルの幅や太さに関する制約を受けることなく、ケーブル近傍の高周波磁界を測定する装置を提供する。」と記載されている。

　また、IEC61967-6Ed.1（非特許文献１）にLSIの雑音電流の測定方法として、LSIに接続された基板上のマイクロストリップ配線に流れる電流により発生している磁界をループアンテナで測定し、雑音電流を測定するMP法（マグネティックプローブ法）について規格が定められている。

特開2007-101330号公報特開2001-228227号公報特開平8-68837号公報

IEC61967-6Ed.1

　電流の測定方法として従来用いられている磁界センサで電流により生じた磁界を測定し、その磁界センサの出力より電流を計算する方法は，電流からの距離により磁界強度が変化するため、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという問題があった。そのため、LSIの雑音電流の測定方法として、MP法の規格が定められているIEC61967-6Ed.1（非特許文献１）では、マイクロストリップ配線とループアンテナとの位置関係を細かく規定している。

　また、特開2001-228227号公報（特許文献２）に開示される磁界プローブは、磁界を検出するコイルの引き出し配線が不要なループを作りこれが測定精度を劣化させるとして、逆相のループを加えることで不要なループで発生する誘起電圧を相殺し測定精度を向上させるものであって、電流からの磁界センサの位置精度が誤差要因となり、測定精度を劣化させるという問題を解決するものではない。

　同様に、特開平8-68837号公報（特許文献３）においても、「被測定ケーブルの幅や太さに関する制約を受けることなく、ケーブル近傍の高周波磁界を測定する装置」であって、電流からの位置精度が誤差要因になることは解決されていない。

　本発明の目的は、配線からの位置精度が誤差要因となって測定精度を劣化させるという課題を解決する手段を提供することである。

　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、同一軸方向の磁界を検出する二つの磁界センサと該磁界センサの出力を演算する回路と演算結果を出力する回路で構成され、当該二つの磁界センサの距離を固定し、当該二つの磁界センサのそれぞれの出力と、二つの磁界センサ間の距離ｄを用いて演算することにより電流を算出することを特徴とする。

　本発明によれば、電流からの磁界センサの位置による測定誤差を抑えて、精度よく電流を測定できる電流検出器を提供できる。

　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例にかかる電流検出器の構成図の例である。本発明の一実施例にかかる磁界センサ部分の断面図である。本発明の一実施例にかかるループアンテナを使用した電流検出器の構成図の例である。本発明の一実施例にかかるループアンテナ部分の断面図である。

　以下、実施例を図面を用いて説明する。

　本実施例では、精度よく電流測定を行う電流検出器の例を説明する。

　図１は、本実施例の電流検出器の構成例である。

　電流検出器は、二つの磁界センサ１０１および磁界センサ１０２、演算回路部１０３、出力回路部１０４を有する。測定対象は、導線１０５である。

　二つの磁界センサ１０１および磁界センサ１０２は、ともに、磁界センサホルダ（図示せず）に固定されている。磁界センサホルダ上では、磁界センサ１０１・１０２は、距離ｄ離れて、x軸方向に直交するｚ軸方向に感度があるように、同じｘ軸上に配置される。
磁界センサ１０１は磁界Ｈが入力されると出力Ｖ_１が出力される。磁界センサ１０１の入力と出力の関係はＶ_１＝ｆ_１（Ｈ）の関数で示される。また、出力Ｖ_１より磁界Ｈを求めるには、逆関数Ｈ＝ｆ_１ ^－１（Ｖ_１）を計算する。

　同様に磁界センサ１０２に磁界Ｈが入力されたときの入力と出力の関係はＶ_２＝ｆ_２（Ｈ）の関数で示され、出力Ｖ_２より磁界Ｈを求めるには、逆関数Ｈ＝ｆ_２ ^－１（Ｖ_２）を計算する。

　演算回路部１０３は、二つの磁界センサの出力を入力し、演算を行い出力する。出力回路部１０４は、演算結果を入力し、所望のフォーマットに整形して電流値を出力する。演算回路部１０３と出力回路部１０４は、ひとつの回路部としてもよい。

　図２は、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の間に電流が流れているときのｘｚ平面の断面図を示す。

　電流の周りには、電流進行方向に対して、時計周りに磁界が発生する。その磁界は、ビオ・サバールの法則により、電流をＩ、電流から観測点までの距離をｒとすると、
Ｈ＝Ｉ／２πｒ　（数１）
で示される。

　電流から磁界センサ１０１の距離をｒ_１、磁界センサ１０１の位置での磁界をＨ_１、電流から磁界センサ１０２までの距離をｒ_２、磁界センサ１０２の位置での磁界をＨ_２とすると、磁界センサそれぞれの位置での磁界は、
Ｈ_１＝Ｉ／２πｒ_１　（数２）
Ｈ_２＝Ｉ／２πｒ_２　（数３）
となる。ここで、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の検出する磁界の方向は略平行であり、かつ互いに逆の方向が正となるようにしてある。　また、磁界Ｈ_１、Ｈ_２と磁界センサの出力Ｖ_１、Ｖ_２の関係は、
Ｖ_１＝ｆ_１（Ｈ_１）　（数４）
Ｖ_２＝ｆ_２（Ｈ_２）　（数５）
となり、出力Ｖ_１、Ｖ_２から磁界Ｈ_１、Ｈ_２を求めると、
Ｈ_１＝ｆ_１ ^－１（Ｖ_１）　（数６）
Ｈ_２＝ｆ_２ ^－１（Ｖ_２）　（数７）
となる。

　更に、磁界センサ１０１と磁界センサ１０２を磁界Ｈと出力Ｖの関係が
Ｖ＝ｆ（Ｈ）　（数８）
となる同形とすることで、
Ｖ_１＝ｆ（Ｈ_１）　（数９）
Ｖ_２＝ｆ（Ｈ_２）　（数１０）
となり、出力Ｖ_１、Ｖ_２より磁界Ｈ_１、Ｈ_２を求めるには、
Ｈ_１＝ｆ^－１（Ｖ_１）　（数１１）
Ｈ_２＝ｆ^－１（Ｖ_２）　（数１２）
となる。

　ここで、（数２）に（数１１）を代入して、ｒ_１について解くと、
ｒ_１＝Ｉ／２πｆ^－１（Ｖ_１）　（数１３）
同様に、（数３）に（数１２）を代入して、ｒ_２について解くと、
ｒ_２＝Ｉ／２πｆ^－１（Ｖ_２）　（数１４）
となる。更に、（数１３）と（数１４）の和を求めると、
ｒ_１＋ｒ_２＝（Ｉ／２π）｛（ｆ^－１（Ｖ_１）＋ｆ^－１（Ｖ_２））／（ｆ^－１（Ｖ_１）・ｆ^－１（Ｖ_２））｝　（数１５）
となる。また、ｄ＝ｒ_１＋ｒ_２であるから、これを（数１５）に代入して、Ｉについて解くと、
Ｉ＝２πｄ｛ｆ^－１（Ｖ_１）・ｆ^－１（Ｖ_２）／（ｆ^－１（Ｖ_１）＋ｆ^－１（Ｖ_２））｝　（数１６）
となる。すなわち、電流Iは、磁界H₁の逆数と磁界H₂の逆数の和についての逆数に比例する。また、電流Iは、磁界センサ間の距離ｄと、磁界センサが検出した検出値とを乗じた値に比例する。

　よって、電流Ｉをｒ_１、ｒ_２によらず、求めることができる。

　つまり、磁界センサ１０１および磁界センサ１０２の出力Ｖ_１、Ｖ_２を演算回路部１０３に入力し、演算回路部１０３で（式１６）の計算を行い出力回路部１０４で所望のフォーマットに整形した電流値を出力することで、電流Ｉを測定することができる。

　そのとき、電流からの磁界センサ距離ｒ_１、ｒ_２によらないことから、電流が磁界センサ１０１と磁界センサ１０２の間にあればよく、磁界センサの電流からの位置精度が誤差要因となり電流測定精度を劣化させるという問題が起こらない。

　よって、本実施例によれば、電流を精度よく測定することができる。

　本実施例では、精度よく電流測定を行う電流検出器において、磁界センサにループアンテナを用いた例を説明する。

　図３は、本実施例の電流検出器の構成例である。

　電流検出器は、同形の二つのループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４、アナログ演算回路部２０５、プリアンプ２０６、スペクトラムアナライザ２０７、ＰＣ２０８を有する。

　二つのループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４は、距離ｄ離れて、ｚ軸方向に感度があるように、ループの法線方向がｚ軸になるように、同じｘ軸上に配置される。

　ループアンテナに誘起される電圧Ｖは、ループアンテナに鎖交する磁界をＨ、周波数をｆ、ループの面積をＳ、透磁率をμとすると、ファラデーの法則より、
Ｖ＝２πｆＳμＨ　（数１７）
で求められる。

　アナログ演算回路部２０５は、二つのループアンテナの出力を入力し、演算を行い出力する。

　プリアンプ２０６はアナログ演算回路部２０５の出力を増幅する。スペクトラムアナライザ２０７で各周波数の値を計測し、その結果をＰＣ２０８で計算し所望のフォーマットに整形した周波数に応じた電流値を出力する。

　図４は、ループアンテナ２０３とループアンテナ２０４の間に電流が流れているときのｘｚ平面の断面図を示す。

　電流をＩ、電流からループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４までの距離をそれぞれ、ｒ_３、ｒ_４、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の位置での磁界をＨ_３、Ｈ_４とすると、ビオ・サバールの法則により、
Ｈ_３＝Ｉ／２πｒ_３　（数１８）
Ｈ_４＝Ｉ／２πｒ_４　（数１９）
となる。

　また、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の誘起電圧をそれぞれＶ_３、Ｖ_４とすると
Ｖ_３＝２πｆＳμＨ_３　（数２０）
Ｖ_４＝２πｆＳμＨ_４　（数２１）
となる。

　ここで、（数１８）と（数２０）から、ｒ_３について解くと、
ｒ_３＝ＩｆＳμ／Ｖ_３　（数２２）
同様に、（数１９）と（数２１）から、ｒ_２について解くと、
ｒ_４＝ＩｆＳμ／Ｖ_４　（数２３）
となる。更に、（数２２）と（数２３）の和を求めると、
ｒ_３＋ｒ_４＝ＩｆＳμ｛（Ｖ_３＋Ｖ_４）／（Ｖ_３Ｖ_４）｝　（数２４）
となる。また、ｄ＝ｒ_１＋ｒ_２であるから、これを（数２４）に代入して、Ｉについて解くと、
Ｉ＝ｄ／ｆＳμ｛Ｖ_３Ｖ_４／（Ｖ_３＋Ｖ_４））｝　（数２５）
となる。

　よって、電流Ｉをｒ_３、ｒ_４によらず、求めることができる。

　つまり、ループアンテナ２０３およびループアンテナ２０４の誘起電圧Ｖ_３、Ｖ_４をアナログ演算回路部２０５に入力し、Ｖ_３Ｖ_４／（Ｖ_３＋Ｖ_４）を演算する。演算結果をプリアンプ２０６で増幅し、スペクトラムアナライザ２０７に入力する。スペクトラムアナライザ２０７で測定した各周波数の測定値をＰＣ２０８に入力し、ＰＣ２０８でスペクトラムアナライザ２０７の各周波数の測定値をまずプリアンプ２０６の増幅分を補正し、ｄ／ｆＳμとの積を計算することで電流値を得ることができる。得られた周波数と電流値を所望のフォーマットに整形し、表示あるいは出力する。

　ここで、スペクトラムアナライザ２０７は、例えばレシーバ等の周波数と電圧を測定できる測定器あるいは回路であればよい。

　以上の結果、電流からのループアンテナまでの距離ｒ_３、ｒ_４によらないことから、電流がループアンテナ２０３とループアンテナ２０４の間にあればよく、ループアンテナの電流からの位置精度が誤差要因となり電流測定精度を劣化させるという問題が起こらない。

　また、ループアンテナの出力を入力、演算する初段の演算回路をアナログ演算回路とすることで、二つのループアンテナの出力の同時性が確保され、精度の高い電流測定ができる。

　ループアンテナは、１軸方向に感度のある磁界センサでよく、例えばＧＭＲ、ホール素子等が使用できる。例えば、ホール素子を使用すれば、直流電流の測定ができ、ＧＭＲにすれば、センサ部分を小型化でき微小な部分の電流を測定することが出来る。

１０１　磁界センサ
１０２　磁界センサ
１０３　演算回路部
１０４　出力回路部
１０５　導線
２０３　ループアンテナ
２０４　ループアンテナ
２０５　アナログ演算回路部
２０６　プリアンプ
２０７　スペクトラムアナライザ
２０８　ＰＣ

Claims

　電流の発する磁界を検出する磁界検出手段と、
　前記磁界センサからの信号に基いて電流値を演算する演算手段と、
　前記演算した電流値を出力する出力手段とを備えた電流検出装置において、
　前記磁界検出手段は、同一面上に、当該面と交差する方向に感度を有する第１及び第２の磁界センサを備え、
　前記演算手段は、前記第１及び第２の磁界センサが検出した磁界にかかる信号に基いて、前記電流値の演算を行うことを特徴とすることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１において、
　前記演算手段は、前記第1及び第２の磁界センサの検出方向は前記面に対して逆の方向を正とし、前記第１の磁界センサの信号に基く値と前記第２の磁界センサの信号に基く値とのに基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
　請求項２において、
　前記演算手段は、前記第1の磁界センサの信号により求めた磁界の値の逆数と、前記第２の磁界センサの信号により求めた磁界の値の逆数との和を求め、当該和の逆数に基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
　請求項１において、
　下記の数１６及び数８に基いて、前記電流値を演算することを特徴とする電流検出装置。
Ｉ＝２πｄ｛ｆ^－１（Ｖ_１）・ｆ^－１（Ｖ_２）／（ｆ^－１（Ｖ_１）＋ｆ^－１（Ｖ_２））｝
・・（数１６）
　Ｖ＝ｆ（Ｈ）　（数８）
　但し、
　I：測定対象物を流れる電流値
　ｄ：第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離
　Ｈ：磁界センサの位置での磁束
　Ｖ：磁界センサの出力信号値
　請求項１乃至４のいずれかにおいて、
　前記二つの磁界センサは、互いの距離及び向きを固定されて磁界センサホルダに保持されていることを特徴とする電流検出装置。
　請求項１乃至５のいずれかにおいて、
　前記磁界センサは、１軸方向に感度を有することを特徴とする電流検出器。
　請求項１乃至６のいずれかにおいて、
　前記磁界センサは、ループアンテナ、GMR、ホール素子のいずれかであることを特徴とする電流検出装置。
　電流検出対象物を、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間に配置する工程と、
　前記第１及び第２の磁界センサで、前記配置された電流検出対象物を流れる電流により発生した磁界を、それぞれ検出する工程と、
　前記検出により、前記第１及び第２の磁界センサが発した信号と、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の距離ｄとに基いて、演算手段が電流値を演算する工程と、を含む電流検出方法。
　請求項８において、
　前記第１の磁界センサの磁界検出方向と第２の磁界センサの磁界検出方向とは、略平行であることを特徴とする電流検出方法。
　請求項８または９において、
　前記電流検出対象物は、前記第１の磁界センサと第２の磁界センサが並んだ方向に交わる方向に配置された導線であることを特徴とする電流検出方法。