電流波形の測定方法及び測定装置

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【発明の名称】	電流波形の測定方法及び測定装置
【発明者】	【氏名】佐々木英樹【氏名】原田高志
【要約】	【課題】高密度プリント配線基板の配線パターンを流れる電流波形を磁界センサにより磁界波形を測定することにより間接測定するとき、測定精度を確保できる測定方法及び測定装置を提案する。【解決手段】測定対象の配線パターン８の長さＬ（ｍ）と、測定対象電流波形の周波数帯域の最大値ｆｒ（Ｈｚ）とから、磁界センサ２と配線パターン８との測定距離の最大許容値を、情報処理制御部５で求め、磁界センサ２を取り付けたアクチュエータ３を制御して、測定距離が前記最大許容値以下となるようにして磁界波形を電圧測定部４で測定し、この磁界波形値から電流波形値を求めるようにする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】測定対象となる長さＬ（単位ｍ）の配線パターンを有するプリント基板を固定する固定部と、前記配線パターンの一端に最大信号周波数ｆｒ（単位Ｈｚ）の信号を供給する信号源と、前記配線パターンの他端を終端する終端素子と、磁界センサと、前記固定部に固定したプリント基板に対し前記磁界センサの相対位置を位置決めするアクチュエータと、前記磁界センサの出力信号電圧を測定する電圧測定部と、情報処理制御部とを備え、前記情報処理制御部では、（３×１０⁸）／（６×ｆｒ）の演算値とＬ／２の演算値のどちらか小さいほうの演算値を、測定距離の最大許容値として求め、前記磁界センサと前記配線パターンとの最短距離が、前記最大許容値以下となるように前記アクチュエータを制御し、前記電圧測定部で時系列的に測定した電圧値Ｖｍ（ｉ）から時系列の電流値Ｉｍ（ｉ）を演算して求めるようにして、電流波形を測定するようにした電流波形の測定方法。
【請求項２】測定対象となる長さＬ（単位ｍ）の配線パターンを有するプリント基板を固定する固定部と、前記配線パターンの一端に最大信号周波数ｆｒ（単位Ｈｚ）の信号を供給する信号源と、前記配線パターンの他ＴＮを終端する終端素子と、磁界センサと、前記固定部に固定したプリント基板に対し前記磁界センサの相対位置を位置決めするアクチュエータと、前記磁界センサの出力信号電圧を測定する電圧測定部と、情報処理制御部とを備え、前記情報処理制御部では、（３×１０⁸）／（６×ｆｒ）の演算値とＬ／２の演算値のどちらか小さいほうの演算値を、測定距離の最大許容値として求め、前記磁界センサと前記配線パターンとの最短距離が、前記最大許容値以下となるように前記アクチュエータを制御し、前記電圧測定部で時系列的に測定した電圧値Ｖｍ（ｉ）から時系列の電流値Ｉｍ（ｉ）を演算して求めるようにして、電流波形を測定するようにした電流波形の測定装置。
【請求項３】前記の磁界センサがループコイルにより形成されたことを特徴とする請求項１記載の電流波形の測定方法。
【請求項４】前記の磁界センサがループコイルにより形成されたことを特徴とする請求項２記載の電流波形の測定装置。
【請求項５】前記の磁界センサが磁気抵抗素子で形成されたことを特徴とする請求項１記載の電流波形の測定方法。
【請求項６】前記の磁界センサが磁気抵抗素子で形成されたことを特徴とする請求項２記載の電流波形の測定装置。
【請求項７】前記配線パターンと磁界センサとの間隔を目測できるように、レンズ付き拡大鏡を備えるようにした請求項２または請求項４または請求項６記載の電流波形の測定装置。
【請求項８】請求項１記載の電流波形の測定方法の手順を記録した記録媒体。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電流波形の測定方法及び測定装置に関して、特に磁界測定により電流波形を間接的に測定する測定方法及びその測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、電子機器から放射される不要な電磁波が問題となっており、この放射を抑えるためには電子機器内のプリント回路基板上の電流、特にその信号配線パターンを流れる高周波（３０ＭＨｚ～１ＧＨｚ、さらにそれ以上）の電流の特性把握が必要となっている。また、電流の特性を把握するにはその時間軸波形または周波数スペクトルを測定する手法がある。この時間軸波形測定は、回路動作のどのタイミングで放射の原因となる高周波電流が流れているかを知るには有効な方法である。
【０００３】プリント回路基板の信号配線パターンを流れる電流波形を測定する方法として、従来から、２つの方法がある。１つは、信号配線の受端の電圧波形から電流波形を求める方法、もう１つは、信号配線上の磁界波形から電流波形を求める方法（図１１）である。配線受端の電圧波形から求める方法では、その受端が線形素子ならば、電圧波形の振幅をそのインピーダンスで割ることで電流波形が得られる。しかし、その受端がＩＣの入力などの非線形素子ならば、電圧波形から電流波形を求めることも困難である。一方、信号配線パターン上の磁界波形から電流波形を求める方法では、信号配線パターン受端のインピーダンスに無関係に電流波形を測定することができるため、その受端がＩＣの入力などの非線形素子でも精度よく測定できる利点をもつ。
【０００４】ここで、さらに、信号配線パターン上の磁界波形から電流波形を求める方法について詳しく説明する。これには２つの方法がある。１つはプリント回路基板の配線電流を微小電流に分割し、その微小電流が作る磁界の合成として、磁界と電流との関係を厳密に定義することで電流波形を求める方法である。もう１つは、信号配線長を無限長とすることで、配線パターンと磁界測定点との距離関係により磁界と電流との関係を近似的に定義することで電流波形を求める方法である。
【０００５】まず、厳密に定義する方法を説明する。この方法は、ＩＥＩＣＥＴＲＡＮ．ＣＯＭＭＵＮ．，ＶＯＬ．Ｅ７８－Ｂ，ＮＯ．２ＦＥＢＲＵＡＲＹ１９９５“ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＰｅａｋＦｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍａＳｉｇ－ｎａｌＬｉｎｅｏｎａＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ”に記載されている。図１１は、プリント回路基板の信号配線構造の１つであるマイクロストリップ線路を示している。測定点Ｐで磁界Ｈを測定することで、配線パターンを流れる電流Ｉとこの配線パターン電流の鏡像電流であるＩ’とが作る磁界を測定することができる。ここで、鏡像電流とは、グランドプレーンを中心として信号配線パターンと対象な位置に仮定した電流で、信号配線パターン電流とグランドプレーン電流とが作る磁界が信号配線パターン電流とこの鏡像電流とが作る磁界と等価であることから、計算上利用される電流のことである。
【０００６】信号配線パターン電流および鏡像電流は配線の長さ方向に位相差があるので、微小区間Δｘに分割する。その微小区間の電流が作る磁界の総和を取ることで、電流と磁界との関係式が次式で与えられる。

【０００７】ここで、ｒ（ｘ），ｒ’（ｘ）は微小区間Δｘに分割した電流、Ｉ，Ｉ’から観測点Ｐまでの距離である。配線パターンから測定点までの距離をｈ、配線パターンとグランドプレーンとの間隔をｄ、ｘ軸上で微小区間に分割した電流の位置をｘとすると、距離ｒ，ｒ’はそれぞれ、次式で表される。

【０００８】式（１）は波数ｋによって、各周波数ごとの磁界と電流との関係を示す。したがって、磁界波形から電流波形を求めるには、磁界波形をフーリエ変換し、周波数軸上で磁界から電流に変換し、さらに逆フーリエ変換することで、周波数軸から時間軸へと変換する必要がある。
【０００９】一方、配線パターン長を無限長と仮定し、かつ、磁界測定点までの距離ｈが信号配線パターン電流の波長に比べて十分短い場合、磁界と電流との関係は式（３）のような近似式で表現できることが知られている。

【００１０】この式は周波数の項がないため、厳密解による解法のように時間軸から周波数軸への変換なしに、直接、時間軸上で磁界波形から電流波形を求めることができる。したがって、信号配線パターン長を無限長と仮定できれば、磁界センサの距離と信号配線パターン－グランドプレーン間の距離さえわかれば、磁界波形から電流波形を容易に求めることができる。しかし、プリント回路基板からの電磁波放射の問題を扱うためには、高周波の電流を測定しなくてはならないため、常にこの仮定が成り立つとは限らない。例として、電流値Ｉと配線パターン長Ｌを一定とし、磁界測定点までの距離ｈをパラメータとした場合の磁界の周波数特性を図１２（ａ），（ｂ）に示す。縦軸は式（１）の厳密解と式（３）の近似解との比で表した。配線パターン長Ｌは５ｃｍと１０ｃｍ、配線パターンとグランド層との間隔ｄは０．１ｍｍとした。磁界測定点までの距離ｈは１０ｃｍ，５ｃｍ，２．５ｃｍ，１ｃｍとした。距離ｈが大きくなるほど、厳密解と近似解とが一致する領域は低周波側にシフトしている。また、配線パターン長が短いほど、厳密解と近似解とは一致しづらくなっている。プリント配線板の配線パターン長が１０ｃｍ，磁界センサであるループプローブの周波数帯域が２ＧＨｚ、ループプローブのセンシング部の直径が１ｃｍの場合には、配線パターンから磁界測定点までの距離を２．５ｃｍ以下にしなければ近似式が適用できないことがわかる。
【００１１】また、この種の電流波形を間接測定する測定方法及び測定装置は、磁力計や、磁束計を利用したり、さぐりコイルを利用したり、あるいは、ビスマススパイラルやホール素子などの磁気抵抗素子を使用した磁界センサを利用したり、またはガウスメータを利用して磁気量を時系列的に測定し、この測定値から電流値を時系列的に求めて、所要の電流波形を得る方法が一般的である。しかしながら、高密度プリント基板等に形成された配線パターンを流れる電流波形を測定する場合などには、プリント基板上に実装された部品などにより、前記のさぐりコイルや磁界センサと前記配線パターンとの間隔（測定距離）を十分に小さくできない場合があり、測定精度が十分に確保できない場合があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、磁界波形を測定する装置に、被測定信号配線パターンの構造から、磁界センサ－信号配線パターン間の距離が信号配線パターンの長さに比べ十分短く、かつ信号波長に比べても短いという条件を満たす磁界センサ位置を決める機能と、磁界波形から電流波形を算出する機能とを持たせた電流波形測定装置を提供し、また、前述したような高密度プリント基板上の配線パターンの電流波形を間接測定するとき、測定精度を十分に確保できるような、前記測定距離の最大許容値を求めて、磁界センサと前記配線パターンとの間隔を前記の最大許容値以下にして測定するようにした電流波形の間接測定方法及びその測定装置を提案するものである。
【００１３】さらに、ＩＣ間をつなぐ信号配線パターンの電流波形を測定する場合には、その送受信のＩＣと発振器とだけで回路を構成したプリント回路基板を用意し、上記電流波形測定装置を用いて信号配線パターンの電流波形を精度良く測定する方法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するため本発明の電流波形の測定方法及び測定装置は、測定対象となる長さＬ（単位ｍ）の配線パターンを有するプリント基板を固定する固定部と、前記配線パターンの一端に最大信号周波数ｆｒ（単位Ｈｚ）の信号を供給する信号源と、前記配線パターンの他端を終端する終端素子と、磁界センサと、前記固定部に固定したプリント基板に対し前記磁界センサの相対位置を位置決めするアクチュエータと、前記磁界センサの出力信号電圧を測定する電圧測定部と、情報処理制御部とを備え、前記情報処理制御部では、（３×１０⁸）／（６×ｆｒ）の演算値とＬ／２の演算値のどちらか小さいほうの演算値を、測定距離の最大許容値として求め、前記磁界センサと前記配線パターンとの最短距離が、前記最大許容値以下となるように前記アクチュエータを制御し、前記電圧測定部で時系列的に測定した電圧値Ｖｍ（ｉ）から時系列の電流値Ｉｍ（ｉ）を演算して求めるようにして、電流波形を測定するようにした電流波形の測定方法、あるいは測定装置とした。
【００１５】また、前記の磁気センサがループコイルにより形成されたものや、磁気抵抗素子で形成されたものとした。
【００１６】また、前記配線パターンと磁界センサとの間隔を目測できるように、レンズ付き拡大鏡を備えるようにした。
【００１７】さらに、前記の電流波形の測定方法の手順を記録媒体に記録して、他の情報処理制御部でも利用できるようにした。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。
【００１９】図１は、本発明の第１の実施の形態の電流波形測定装置１を説明するブロック図である。
【００２０】本装置は磁界センサ２と、この磁界センサをｘ，ｙ，ｚの３方向に移動するアクチュエータ３と、磁界センサの出力電圧波形を測定する電圧測定部４と、前記電圧測定部４で測定した電圧波形から電流波形を算出する機能とアクチュエータ３を制御する機能とを有する情報処理制御部５で構成する。
【００２１】図２を用いて、本電流波形測定装置１の動作の概要を説明する。本装置１は、まず、磁界から電流を近似式（式（３））で求めることのできる、配線パターンから磁界センサ２までの距離ｈ０を求める。次に、その距離ｈ０に磁界センサ２を、アクチュエータ３を用いて配置する。さらに、その位置で磁界波形を測定する。最後に、測定した磁界波形から近似式（式（３））を用いて電流波形を求める。
【００２２】次に、磁界センサ２の距離ｈ０を求める方法を、図３を用いて説明する。まず、測定する波形の周波数帯域ｆｒを電圧測定部４や磁界センサ２の周波数領域によって決める。この周波数帯域ｆｒをもとに、磁界測定距離ｈ１を、ｈ１＝３×１０⁸／（ｆｒ×６）によって求める。ここで、この式は、図１２（ａ），（ｂ）の結果より導いた式である。図１２（ａ），（ｂ）で磁界の厳密解は磁界センサ２の距離を１０ｃｍ，５ｃｍ，２．５ｃｍ，１ｃｍとすると、それぞれ約５００ＭＨｚ、１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、５ＧＨｚまで周波数に対してフラットな特性を示している。この関係をプロットしたものが図４で、各データがｈ１＝３×１０⁸／（ｆｒ×６）の直線とよく一致している。したがって、ｈ１は磁界を周波数に対してフラットな範囲で測定するための条件となる。次に、測定する配線パターンの長さＬにより、磁界測定距離ｈ２を、ｈ２＝Ｌ／２によって求める。この式も図１２から導き出した。配線パターン長の違いに着目すると、磁界測定距離が配線パターン長の１／２以内であれば、周波数に対してフラットな領域では、厳密解と近似解とがよく一致する。配線パターン長１０ｃｍで距離が５ｃｍの場合や配線パターン長５ｃｍで距離が２．５ｃｍの場合、厳密解と近似解の差は０．５ｄＢ以内であった。したがって、磁界測定距離ｈ２が配線パターン長の半分以下であれば、配線パターンが無限長と考えていいことを示している。最後に、磁界測定距離ｈ１とｈ２とで、小さい方の距離を実際に磁界波形を測定する距離ｈ０とする。このｈ０を用いることにより、この後に測定される磁界波形から、磁界と電流との関係の近似式を用いることで、電流波形を求めることができる。前記関係は、磁界測定距離ｈが信号配線パターン－グランドプレーン間の距離ｄに比べ十分長い場合、成り立つ。
【００２３】次に、磁界波形は、特開平８－１０１２６２「磁界波形測定システム」に記載されている方法を用いて測定する。この方法を、図５を用いて説明する。磁界センサ２の出力電圧波形ｖ（ｔ）を測定し、その電圧波形ｖ（ｔ）をフーリエ変換し、磁界センサ２の出力電圧の周波数スペクトルＶ（ｆ）を求める。次に、この周波数スペクトルＶ（ｆ）と磁界センサの校正係数Ｃ（ｆ）とを、それぞれの振幅同士は掛け合わせ、それぞれの位相同士は足し合わせることによって、磁界センサ２の受信磁界の周波数スペクトルＨ（ｆ）を求める。さらに、この周波数スペクトルＨ（ｆ）を逆フーリエ変換することによって、磁界波形ｈ（ｔ）を求める。
【００２４】最後に、電流波形を先に示した式（３）を用いて算出する。
【００２５】次に、本発明の第２の実施の形態の電流波形測定装置について説明する。磁界センサ２としては、直径１０ｍｍのループプローブを用いた。アクチュエータ３は、テフロン材やアクリル材などの被測定プリント配線基板近傍の電磁界を乱さない材料で作ったものを用いた。電圧測定部は、周波数帯域２６．５ＧＨｚのサンプリングオシロスコープを用いた。情報処理制御部５は汎用のパーソナルコンピュータを用い、アクチュエータ３の位置制御ができるコントローラボードを内蔵した。
【００２６】図６に測定に用いたプリント配線基板を示す。このプリント配線基板は４層基板で、上から信号層、グランド層、電源層、信号層とした。第１層の信号層には、２０ＭＨｚの水晶発振器、ＴＴＬ－ＩＣの７４ＡＳＯ４、長さ約１０ｃｍの配線パターン、７５オームの終端抵抗で回路を構成するようにした。第１層の信号層と第２層のグランド層との幅ｄは、０．１ｍｍとした。ループプローブはそのループ面を配線パターンを含む平面に配置し、配線パターンの周囲に発生する磁界がそのループ面に垂直に入射するようにした。
【００２７】次に、この動作を説明する。まず、磁界から電流を近似式で求めることのできる測定距離ｈ０を求めた。測定する波形の周波数帯域ｆｒは、オシロスコープの周波数帯域が２６．５ＧＨｚ、ループプローブの周波数帯域が２ＧＨｚということから、２ＧＨｚとした。この周波数帯域ｆｒをもとに磁界測定距離ｈ１は、ｈ１＝３×１０⁸／（ｆｒ×６）を用いて、２．５ｃｍとした。次に、測定する配線パターンの長さＬは約１０ｃｍということより磁界測定距離ｈ２は、ｈ２＝Ｌ／２を用いて、５ｃｍとした。
【００２８】磁界波形は、先に述べた図５の方法を用いて測定した。図７はループプローブの出力電圧波形、図８（ａ），（ｂ）はそれそれループプローブの校正係数の振幅成分、位相成分である。図９は磁界波形である。
【００２９】図１０に図９の結果から式（３）を用いて測定した電流波形を示す。実線がその電流波形で、波線は７５オーム抵抗の両端の電圧波形から求めた電流波形である。両者がよく一致していることから、本発明の電流波形測定装置は、配線パターンを流れる電流の波形を容易でかつ精度よく測定できることがわかる。
【００３０】第２の実施の形態においては、配線パターン回路の終端が線形素子の場合を示した。これは、本発明の妥当性を確認するためであり、終端がＩＣの入力のような非線形素子の場合でも同様に測定できる。
【００３１】また、本実施の形態では、磁界センサとしてループプローブを用いたが、磁気－抵抗変換や磁気－インピーダンス変換を利用した磁界センサを用いても良い。このような磁界センサを用いれば、ループプローブよりもセンシング部を小さくすることができるため、配線パターンに磁界センサをより接近させることができ、より高周波帯域まで本電流波形測定方法を適用することができる。
【００３２】また、磁界センサが小さい場合、配線パターンとの距離が目測では計れないことも考えられる。この場合、アクチュエータ部に配線パターンとの距離を精密に測定するレンズ付き拡大鏡を設けることも考えられる。
【００３３】
【発明の効果】以上のように、本発明の電流波形の測定方法及び測定装置によれば、高密度プリント配線基板などのように、測定したい配線パターンとの測定距離が実装部品により十分に小さくできない場合でも、測定距離を、求めた最大許容値以下にすることにより、十分な測定精度で間接測定することができるという効果がある。

【出願人】	【識別番号】０００００４２３７【氏名又は名称】日本電気株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１２月２４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】京本直樹（外２名）
【公開番号】	特開平１１－１８３５３７
【公開日】	平成１１年（１９９９）７月９日
【出願番号】	特願平９－３５５０６６