JP5767886B2

JP5767886B2 - 表面電流プローブ

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Publication number: JP5767886B2
Application number: JP2011166184A
Authority: JP
Inventors: 船戸　裕樹; 裕樹船戸; 須賀　卓; 卓須賀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: WO2013018458A1; US9329207B2; US20140132255A1; JP2013029437A

Description

本発明は、電流を計測するプローブにおいて外乱を抑制する技術に関する。

電子機器等において、電子機器内部の回路基板が発生する不要電磁輻射を電子機器内部へ閉じ込め、電子機器外部へ洩らさない為に、電子機器筐体の電磁シールド化や回路基板が発生する不要電磁輻射のレベルを抑制することは有効である。

これまで発明者らは、回路基板が発生する不要電磁輻射を低減する為の支援技術として特許文献１（特開２００２−１５６４３０）、特許文献２（特開２００３−２７９６１１）に記されるように、磁界プローブまたは計測手法及び装置を開示してきた。このうち、特許文献１は、磁界検出用のコイルの周囲に、当該コイルに鎖交する磁束が確保された状態で配置されたシールドを備えている磁界プローブ（特許請求の範囲）に関するものであり、特許文献２は、３次元筐体近傍の磁界分布を測定する磁界プローブと、ｘ、ｙ、ｚ、θおよびφ方向にプローブを移動又は回転させる手段と、磁界分布から電流分布を求める手段と、電流分布から所望の距離における電界強度を求める手段と、を有することを特徴とする電磁波発生源探査装置に関するものである。これらは、回路基板上近傍の磁界分布を測定することで、電磁放射原因となっている電流の位置を特定し、回路基板からの電磁放射を低減する為の考察に用いられる。

特開２００２−１５６４３０特開２００３−２７９６１１

磁界プローブや表面電流プローブは対象とする電流が発生する磁界を検出し、電圧に変換してその電圧の強度と位相から対象電流の強度と位相を特定する。回路基板のパターンに流れる電流等を測定対象とする場合は、その対象電流値が大きいため周囲のパターンに流れる電流が発生する磁界の影響は無視することができる。しかし、電子機器の筺体や、面状に分布した非常に小さな表面電流を測定対象とする場合、対象の表面電流が生成する磁界に比べ、隣接する表面電流や周囲の配線、基板パターンに流れる電流が発生する磁界が相対的に大きく、プローブがこれら外乱の磁界を検出してしまうため、測定対象の電流が発生する磁界の検出精度が低下してしまうという問題がある。

また、従来技術に、検出対象の磁界を検出するセンサ二つを磁界検出方向が逆方向となるように対象電流の周囲に配置することで、遠方から到来する平面磁界によってセンサに発生する外乱電圧成分を除去する手法があるが、これは外乱磁界が平面波ではない場合、即ち外乱磁界を発生する電流が十分に遠く無い場合には除去できない。一般的な電子機器において外乱となる電流は遠方ではなく近傍若しくは準近傍であるため、外乱磁界による測定精度の低下を避けられなかった。

そこで本発明は、外乱磁界による測定精度の低下を抑制する電流計測プローブを提供する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

電流検出対象面に対して垂直方向の磁界を検出するように配置された２つの電流検出用コイルと、該電流検出対象面に対して前記２つの電流検出用コイルよりも遠い位置に配置され、該電流検出対象面に対して平行方向の磁界を検出するように配置された２つの外乱抑制用コイルと、前記２つの外乱抑制用コイルと接続された終端抵抗と、を備え、前記２つの外乱抑制用コイルは、前記電流検出対象面における前記２つの電流検出用コイル間の外側を流れる電流によって発生する磁界が前記外乱抑制用コイルと前記電流検出用コイルの両方を鎖交するときに、前記外乱抑制用コイルに発生する誘起電圧が前記電流検出用コイルに生じる誘起電圧と逆極性となるように配置されていることを特徴とする表面電流プローブである。

本発明によれば、筺体等の表面電流を、周囲の電流および磁界の影響を抑制しつつ精度良く測定できる。

本発明に係る外乱抑制表面電流プローブの構造を表す図本発明に係る高感度外乱抑制表面電流プローブの構造を表す図本発明に係る表面電流プローブの効果を示す図図３の効果の検証に用いた電流検出用と外乱抑制用コイルの位置を示す図本発明に係る表面電流プローブにおける遠方および外乱抑制用プローブの構造図本発明に係る表面電流プローブにおける外乱抑制用プローブの応用構造図本発明に係る表面電流プローブにおいてシールド筐体を有する構造図本発明に係る表面電流プローブの構造図

以下に本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。

図１は、本発明に係る表面電流プローブの構造図である。
図１記載の表面電流プローブにより、周辺の電流が発生する磁界による影響を抑制する。表面電流プローブは、測定対象の表面電流107が発生する磁界108を検出するための表面電流検出用コイル状導体106と、測定対象の表面電流107の周辺の外乱電流105から発生する外乱磁界104の影響を低減するための外乱抑制用コイル状導体101と、コア部材103、終端抵抗102とを有する。

ここでまず表面電流について説明する。電子機器は筺体の内部に回路基板やハーネス等の部材を有する。回路基板上のLSI等が動作することで発生する雑音はハーネス等を介して他の電子機器や回路基板に伝搬する。回路基板等のGND（基準電位）は一般的に筺体と電気的に接続され、同電位とすることが多い。この場合、回路基板等が発生する雑音が筺体に漏れ出し、雑音電流が筺体表面を流れる。この筺体表面を流れる雑音電流が電磁放射雑音源となり、電子機器周囲へ電磁ノイズを放射する。このような現象を定量的に評価するために、表面電流プローブは重要な技術である。表面電流プローブを用いて筺体の表面電流を測定することで周囲への電磁放射原因となっている部分を特定でき、対策案の検討が可能となる。しかし、筺体の表面電流を測定する場合、周辺には回路基板やハーネス等、磁界を発生する電流が多く存在する。筺体の雑音表面電流を測定する際にこれら周囲の電流が発生する磁界が外乱として混入するため、測定対象としている電流の測定精度が低下してしまう。

次に表面電流の測定原理について説明する。一般的に電流を測定する方法として、電流が発生する磁界を検出する方法と、電流経路の電圧降下を測定する方法がよく用いられる。電流経路の電圧降下を測定する方法は、電流経路の抵抗値が必要であり、表面電流が複雑に分布している電子機器の筺体等では、その経路の抵抗値を精度よく得ることは非常に難しく、現実的ではない。よって本発明では電流が発生する磁界を検出する方法を用いる。以下、磁界を検出する方法としてコイル状導体を用いる。コイル状導体を測定対象電流に近づけると、対象電流が発生する磁界がコイル状導体に鎖交し、コイル状導体の両端には鎖交磁界強度に比例した電圧が誘起する。この誘起電圧を測定することで鎖交磁界、すなわち対象表面電流強度を測定することが出来る。磁界を検出する方法はコイル状導体に限定するものではなく、ホール素子などを用いても良い。先に述べたように、測定対象の電流が発生する磁界以外に周辺電流が発生する磁界がコイル状導体に鎖交すると、これが外乱となり測定精度が低下する。

次に本発明に係る表面電流プローブの構造について説明する。
電流プローブは、測定対象である表面電流107が発生する磁界108を検出するための表面電流検出用コイル状導体106を有する。表面電流検出用コイル状導体106は測定対象である表面電流107が流れる面（図２における測定対象面204）に対して垂直方向の磁界を検出するように2つ配置する。また、2つの表面電流検出用コイル状導体106は所望の空間分解能に合わせ距離を空けて配置する。ここで、2つの表面電流検出用コイル状導体106は電気的に接続するが、同じ方向の磁界を検出した際に発生する誘起電圧が逆極性となるように接続する。例えば、一方のコイルが右巻きとした場合、他方のコイルは左巻きとすれば、それぞれの誘起電圧を逆極性とすることができる。そうすることで、距離を空けて配置した2つの表面電流検出用コイルの間に存在する表面電流が同心円状に発生する磁界を検出する際に発生する誘起電圧は同極性となり検出電圧が大きくなる。

さらに、電流プローブは、測定対象である表面電流107の外乱を抑制するための2つの外乱抑制用コイル状導体101を有する。2つの外乱抑制用コイル状導体101は測定対象の表面電流107を中心とした場合に、2つの表面電流検出用コイル状導体106よりも外側に配置する。外乱抑制用コイル状導体101は測定対象面204に対して平行な磁界成分を検出する方向に配置する。
外乱抑制用コイルと表面電流検出用コイルは全て直列に接続し、終端抵抗102と接続する。極性は、表面電流検出用コイルよりも外側を流れる外乱電流が発生する外乱磁界104が外乱抑制用コイルと電流検出用コイルの両方を鎖交するときに誘起電圧が打ち消すような極性で接続する。このようにすることで、測定対象の表面電流107すなわち電流検出用の2つのコイルの間に存在する電流以外の電流、すなわち電流検出用の2つのコイルよりも外側に存在する表面電流が発生する外乱磁界104は外乱抑制用コイル101と電流検出用コイル106の両方に磁界が鎖交し、誘起電圧が打ち消す極性で発生するため、測定対象電流が発生する磁界による誘起電圧のみを検出できる。

コイル状導体が鎖交磁束に対して発生する誘起電圧はコイルの開口面積とターン数の積に比例する。よって、外乱抑制用コイルの開口面積とターン数の積は電流検出用コイルと同じとする。開口面積とターン数の積が異なると、同じ磁界が鎖交したとしても発生する誘起電圧が異なってしまうため、外乱磁界に対する打ち消し効果が低下してしまう。

また、外乱抑制用コイル状導体101は電流検出用コイル状導体106の近くに配置しなければならない。位置を離すと、外乱電流からコイルまでの距離が異なってしまうため、それぞれへの鎖交磁界強度が異なってしまい、外乱抑制効果が低下する。よって、外乱抑制用コイル状導体101と電流検出用コイル状導体106の間の距離は外乱抑制用コイル状導体101から測定対象面204までの距離以下とすることが望ましい。

図２は、本発明に係る高感度表面電流プローブの構造図である。図１記載の表面プローブと異なる点は、測定対象面204に対して平行な磁界成分を検出する方向に2つ配置された外乱抑制用コイル状導体101の間に表面電流検出用コイル状導体202を2つ追加配置した点である。図１の表面電流検出用コイル状導体106とは別に、さらに2つの表面電流検出用コイル状導体202を測定対象面204に対して平行な磁界成分を検出する方向に設けることで、測定対象表面電流107が発生する磁界による誘起電圧を大きくすることができる。

図３は、本発明に係る表面電流プローブの効果を示す図、図４は、図３の効果の検証に用いた電流検出用と外乱抑制用コイルの位置を示す図である。
図３では、外乱抑制構造がある場合（外乱抑制用コイルがある場合）とない場合との誘起電圧のちがいを示している。また、検証するにあたり、表面電流検出用コイル状導体および外乱抑制用コイル状導体のいずれも、コイルのサイズは全て10mm×10mmの１ターンとして計算した。測定対象電流は図３において位置0mmとし、外乱電流は30mm、-30mmの位置にあるとした。電流値は全て1A、周波数は10MHzとして計算した。

図３において、外乱抑制構造無しでは外乱電流の影響により電流の位置を特定することは難しい。外乱抑制構造有りでは0mm、-30mm、30mmの位置にピークがはっきりと表れており、外乱電流の影響を抑制しつつ位置0mmの対象電流を検出できていることがわかる。

次に表面電流プローブに対して遠方から到来する磁界に対する抑制構造について述べる。
図５は、本発明に係る表面電流プローブにおける遠方および外乱抑制用プローブの構造図である。遠方から到来する外乱磁界は、一様な磁界強度であり、各コイルに鎖交した時に発生する誘起電圧の総和が０になるようにする必要がある。先ず測定対象面に垂直な磁界に対しては電流検出用コイル状導体106が感度を有するが、この2つのコイル106は極性が逆なので一様な磁界によって発生する誘起電圧は打ち消しあう。測定対象面に平行な磁界に対しては、外乱抑制用の2つのコイル101が同じ極性の感度をもつため、逆極性の感度を持つように接続された同じ感度を持つコイルを図5のように配置する必要がある。全てのコイルは直列に接続する。このようにすることで遠方から到来した一様磁界に対しても抑制効果を持たせることが出来る。ここで配置した遠方外乱抑制用のコイルは、測定対象の表面電流が発生する磁界も鎖交し、電流検出用のコイルの感度極性と逆方向であるが、測定対象の表面電流107からの距離が電流検出用コイル106までの距離に比べ非常に大きいため、その影響は十分に小さく無視出来る。

次に磁性体を用いる効果について説明する。磁性体をコイルの芯すなわちコア部材103として用いることでコイルに鎖交する磁束密度が高くなり、発生する誘起電圧が大きくなる。磁性体をコア部材103として用いる場合、近傍外乱抑制用のコイルに用いる磁性体と表面電流検出用コイルに用いる磁性体は一体とする。これにより近傍外乱および測定対象電流が発生する磁界はそれぞれ磁性体によって形成される磁路が分断されることが無く、対象電流検出感度および近傍外乱抑制効果を高くすることができる。また、このコア部材と、遠方外乱抑制コイル用のコア部材は一体とする必要はなく、図5のように空隙501を設けてもかまわない。

図６は、本発明に係る表面電流プローブにおける外乱抑制用プローブの応用構造図である。図6のように外乱検出用コイルに用いるコア部材としての磁性体と測定対象表面電流検出用のコア部材としての磁性体を別体とし、間に空隙601を設けることで外乱電流が発生する磁界が測定対象表面電流を中心として反対側に鎖交する量を低減することができ、外乱抑制効果が向上するとともに、測定対象表面電流の検出精度が向上する。

図７は、本発明に係る表面電流プローブにおいてシールド筐体を有する構造図である。図7のようにコア部材とコイル状導体によって構成される表面電流プローブをシールド筺体701内に実装することで、外乱磁界および外乱電界に対する抑制効果を高めることができる。実装する際にはコネクタ702を用いることでケーブルとの接続が簡易になる。

図８は、本発明に係る表面電流プローブの構造図である。図8のように外乱抑制用コイル101のコア部材103として用いる磁性体を、表面電流検出用コイルとその磁性体を覆うように一体とすることで、外乱電流が発生する磁界がより磁気抵抗の低い外側の磁性体に集中し、表面電流検出用コイルおよびその磁性体に入り込まなくなる。よって外乱磁界の影響をより低減することができる。

以上述べた内容により、遠方から到来する外乱磁界だけでなく、隣接する測定対象以外の電流が発生する外乱磁界の影響を除去し、測定対象とする表面電流が発生する磁界のみを検出する構造およびそれを有する表面電流プローブを提供することにある。

１０１：外乱抑制用コイル状導体、１０２：終端抵抗、１０３：コア部材、１０４：外乱磁界、１０５：外乱電流、１０６：表面電流検出用コイル状導体、１０７：表面電流、１０８：磁界、２０１：誘起電圧、２０２：表面電流検出用コイル状導体、２０３：鎖交磁界、２０４：測定対象面、４０１：外乱電流、４０２：対象電流、７０１：シールド筐体、７０２：コネクタ

Claims

電流検出対象面に対して垂直方向の磁界を検出するように配置された２つの電流検出用コイルと、
該電流検出対象面に対して前記２つの電流検出用コイルよりも遠い位置に配置され、該電流検出対象面に対して平行方向の磁界を検出するように配置された２つの外乱抑制用コイルと、
前記２つの外乱抑制用コイルと接続された終端抵抗と、を備え、
前記２つの外乱抑制用コイルは、前記電流検出対象面における前記２つの電流検出用コイル間の外側を流れる電流によって発生する磁界が前記外乱抑制用コイルと前記電流検出用コイルの両方を鎖交するときに、前記外乱抑制用コイルに発生する誘起電圧が前記電流検出用コイルに生じる誘起電圧と逆極性となるように配置されていることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１に記載の表面電流プローブであって、
前記外乱抑制用コイルと該外乱抑制用コイルに近い方の前記電流検出用コイルとの距離は、該外乱抑制用コイルと前記測定対象面との距離以下とすることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１または２に記載の表面電流プローブであって、
前記２つの電流検出用コイルは、該電流検出対象面に対して前記２つの電流検出用コイルの内側の位置からの磁界を検出したときに発生する誘起電圧が同極性となるように配置されていることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の表面電流プローブであって、
前記２つの外乱抑制用コイルと前記２つの電流検出用コイルとは直列に接続されており、前記終端抵抗と接続されていることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１乃至４のいずれかに記載の表面電流プローブであって、
前記２つの外乱抑制用コイルの開口面積とターン数の積は、前記２つの電流検出用コイルの開口面積とターン数の積と同じであることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１乃至５のいずれかに記載の表面電流プローブであって、
該電流検出対象面に対して前記２つの外乱抑制用コイルの間に、該電流検出対象面に対して垂直方向の磁界を検出するように２つの電流検出用コイルを備えることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１乃至６のいずれかに記載の表面電流プローブであって、
前記２つの外乱抑制用コイルおよび前記２つの電流検出用コイルの芯が磁性体であることを特徴とする表面電流プローブ。
請求項１乃至７のいずれかに記載の表面電流プローブであって、
前記２つの電流検出用コイルと前記２つの外乱抑制用コイルと前記終端抵抗とはシールド筐体に内蔵されていることを特徴とする表面電流プローブ。