JP2002340953A - 電界センサ - Google Patents
電界センサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 微弱な電界を検出できるように高感度化した
電界センサを提供すること。 【解決手段】 電界を検知するアンテナと、その出力電
圧を光強度に変換する光変調器と、この変調器に光ファ
イバを介して一定強度の光を供給する光源と、前記光変
調器の出力光を伝送する光ファイバと、伝送された光の
強度を電圧に変換する光検出器とを備える電界センサに
おいて、前記アンテナと前記光変調器を一体化したセン
サヘッドの内部に、前記アンテナの出力電圧を増幅する
ための、電池と増幅器が内蔵されている。
電界センサを提供すること。 【解決手段】 電界を検知するアンテナと、その出力電
圧を光強度に変換する光変調器と、この変調器に光ファ
イバを介して一定強度の光を供給する光源と、前記光変
調器の出力光を伝送する光ファイバと、伝送された光の
強度を電圧に変換する光検出器とを備える電界センサに
おいて、前記アンテナと前記光変調器を一体化したセン
サヘッドの内部に、前記アンテナの出力電圧を増幅する
ための、電池と増幅器が内蔵されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて電界を
検出する電界センサに係り、特に、ＥＭＣ分野における
電界の強度あるいは周波数を測定するのに好適な光変調
器を有する電界センサに関する。
検出する電界センサに係り、特に、ＥＭＣ分野における
電界の強度あるいは周波数を測定するのに好適な光変調
器を有する電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】分岐干渉型光導波路を有し、電気光学効
果を利用して、電界測定を行う光電界センサは、以下の
ような優れた特徴を持っている。即ち、（１）センサヘ
ッドに強い電流が流れる金属部を持たないために被測定
電界を乱さないこと、（２）光ファイバで検出信号を伝
送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を受けないこ
と、（３）結晶の電気光学効果を利用するので、高速応
答が可能であり、かつその検出信号をそのまま少ない損
失で伝送できること、（４）光導波路部とアンテナ部を
センサヘッドとして一体化でき、小型化が可能なことな
どである。このような特質のゆえに光電界センサは、Ｅ
ＭＣ分野などの電界測定や放送用あるいは通信用電波の
中継装置における電波受信装置として用いられている。
果を利用して、電界測定を行う光電界センサは、以下の
ような優れた特徴を持っている。即ち、（１）センサヘ
ッドに強い電流が流れる金属部を持たないために被測定
電界を乱さないこと、（２）光ファイバで検出信号を伝
送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を受けないこ
と、（３）結晶の電気光学効果を利用するので、高速応
答が可能であり、かつその検出信号をそのまま少ない損
失で伝送できること、（４）光導波路部とアンテナ部を
センサヘッドとして一体化でき、小型化が可能なことな
どである。このような特質のゆえに光電界センサは、Ｅ
ＭＣ分野などの電界測定や放送用あるいは通信用電波の
中継装置における電波受信装置として用いられている。
【０００３】図６は、従来から用いられている、分岐干
渉型光導波路を有し、電気光学効果を利用した光変調器
の構造を示す斜視図である。光ファイバ６１ａを通して
入射した光はＬiＮbＯ３結晶基板６５の上の光導波路６
６ａを経て、２本の分岐光導波路６３ａおよび６３ｂに
分岐されて伝搬する。そのとき、分岐光導波路６３ａと
６３ｂには、金属電極６２ａ,６２ｂにより、電界が印
加され、屈折率の変化が生じている。また、金属電極６
２ａ,６２ｂは、アンテナから導かれた電界が２つの分
岐光導波路６３ａと６３ｂに対して、逆向きに印加され
る形状となっている。いずれの分岐光導波路を伝播する
光も光導波路６６ｂで、再び合波されるが、２つの光路
の屈折率の差異により生じた位相差のゆえに、合波後の
光強度は変化する。このようにして変調された光は光フ
ァイバ６１ｂに結合して、出射する。
渉型光導波路を有し、電気光学効果を利用した光変調器
の構造を示す斜視図である。光ファイバ６１ａを通して
入射した光はＬiＮbＯ３結晶基板６５の上の光導波路６
６ａを経て、２本の分岐光導波路６３ａおよび６３ｂに
分岐されて伝搬する。そのとき、分岐光導波路６３ａと
６３ｂには、金属電極６２ａ,６２ｂにより、電界が印
加され、屈折率の変化が生じている。また、金属電極６
２ａ,６２ｂは、アンテナから導かれた電界が２つの分
岐光導波路６３ａと６３ｂに対して、逆向きに印加され
る形状となっている。いずれの分岐光導波路を伝播する
光も光導波路６６ｂで、再び合波されるが、２つの光路
の屈折率の差異により生じた位相差のゆえに、合波後の
光強度は変化する。このようにして変調された光は光フ
ァイバ６１ｂに結合して、出射する。
【０００４】図５は、上述の光変調器を用いた電界セン
サの構成を示すブロック図である。５１はアンテナ、５
２は光変調器、５３，５４は光ファイバ、５５は光源、
５６は光検出器である。なお、図６の金属電極６２ａ，
６２ｂにアンテナ５１の出力が印加され、光ファイバ６
１ａは光ファイバ５３に、そして光ファイバ６１ｂは光
ファイバ５４に接続される。
サの構成を示すブロック図である。５１はアンテナ、５
２は光変調器、５３，５４は光ファイバ、５５は光源、
５６は光検出器である。なお、図６の金属電極６２ａ，
６２ｂにアンテナ５１の出力が印加され、光ファイバ６
１ａは光ファイバ５３に、そして光ファイバ６１ｂは光
ファイバ５４に接続される。
【０００５】このようにして光変調器を用いた従来の電
界センサは構成され、すでに説明したような優れた特徴
を持っている。
界センサは構成され、すでに説明したような優れた特徴
を持っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、検出しようと
する電界強度が低いときには、例えば、ＥＭＣ測定にお
いて、高速のデジタル信号を処理する電子部品から放射
され、隣接する電子部品に悪影響を与えるような電磁波
の強度スペクトルを測定しようとするとき、電界センサ
のノイズレベルよりも信号レベルが低くなり、電界を検
出できないということがあった。
する電界強度が低いときには、例えば、ＥＭＣ測定にお
いて、高速のデジタル信号を処理する電子部品から放射
され、隣接する電子部品に悪影響を与えるような電磁波
の強度スペクトルを測定しようとするとき、電界センサ
のノイズレベルよりも信号レベルが低くなり、電界を検
出できないということがあった。
【０００７】そこで、本発明は微弱な電界を検出できる
ように高感度化した電界センサを提供することを課題と
する。
ように高感度化した電界センサを提供することを課題と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】一般に、電気光学結晶の
表面に形成された分岐干渉型の光導波路による光変調器
を用いた電界センサの感度を高めるためには、以下のよ
うな方法が考えられる。
表面に形成された分岐干渉型の光導波路による光変調器
を用いた電界センサの感度を高めるためには、以下のよ
うな方法が考えられる。
【０００９】（１）相対雑音強度ＲＩＮが低く、光強度
の大きな光源を使用する、（２）光変調器の半波長電圧
Ｖπを小さくする、（３）光変調器の変調電極に印加さ
れる電圧を大きくする、などである。
の大きな光源を使用する、（２）光変調器の半波長電圧
Ｖπを小さくする、（３）光変調器の変調電極に印加さ
れる電圧を大きくする、などである。
【００１０】本発明においては、（３）の方法により、
アンテナと変調電極の間に増幅器を備え、変調電極に印
加される電圧を大きくしている。なお、この方法は、ア
ンテナを用いて電界をとらえ、その電圧を光強度に変換
して、伝送した後、再び電気信号に変換するタイプの電
界センサに共通する感度向上の方法である。
アンテナと変調電極の間に増幅器を備え、変調電極に印
加される電圧を大きくしている。なお、この方法は、ア
ンテナを用いて電界をとらえ、その電圧を光強度に変換
して、伝送した後、再び電気信号に変換するタイプの電
界センサに共通する感度向上の方法である。
【００１１】ところで、光変調器を用いた電界センサの
特徴である被測定電界を乱さないという特徴が失われる
と実用性が低下する。例えば、電線を用いて増幅器を駆
動する電力をセンサヘッドに送電することは、被測定電
界を乱し、実用的でない。
特徴である被測定電界を乱さないという特徴が失われる
と実用性が低下する。例えば、電線を用いて増幅器を駆
動する電力をセンサヘッドに送電することは、被測定電
界を乱し、実用的でない。
【００１２】そこで、本発明においては、増幅器とその
電源をセンサヘッドの内部に組み込み、被測定電界を乱
さない、小型で高感度の電界センサを構成する。
電源をセンサヘッドの内部に組み込み、被測定電界を乱
さない、小型で高感度の電界センサを構成する。
【００１３】即ち、本発明の電界センサは、電界を検知
するアンテナと、その出力電圧を光強度に変換する光変
調器と、この変調器に光ファイバを介して一定強度の光
を供給する光源と、前記光変調器の出力光を伝送する光
ファイバと、伝送された光の強度を電圧に変換する光検
出器とを備える電界センサであって、前記アンテナと前
記光変調器を一体化したセンサヘッドの内部に、前記ア
ンテナの出力電圧を増幅するための、増幅器と電池が内
蔵されている。
するアンテナと、その出力電圧を光強度に変換する光変
調器と、この変調器に光ファイバを介して一定強度の光
を供給する光源と、前記光変調器の出力光を伝送する光
ファイバと、伝送された光の強度を電圧に変換する光検
出器とを備える電界センサであって、前記アンテナと前
記光変調器を一体化したセンサヘッドの内部に、前記ア
ンテナの出力電圧を増幅するための、増幅器と電池が内
蔵されている。
【００１４】また、前記アンテナの内部に電池を内蔵す
ることができる。
ることができる。
【００１５】また、 前記アンテナは電池を収めるアン
テナロッド部と延長アンテナロッド部とから構成するこ
とができる。
テナロッド部と延長アンテナロッド部とから構成するこ
とができる。
【００１６】また、前記光変調器と前記増幅器はシール
ドケースの内部に収めることができる。
ドケースの内部に収めることができる。
【００１７】また、前記光変調器は電気光学結晶の表面
に形成された分岐干渉型光導波路を用いて構成すること
ができる。
に形成された分岐干渉型光導波路を用いて構成すること
ができる。
【００１８】また、前記電気光学結晶はＬiＮbＯ3結晶
とすることができる。
とすることができる。
【００１９】また、前記分岐干渉型光導波路は電気光学
結晶であるＬiＮbＯ3結晶の表面にＴiイオンを拡散して
形成することができる。
結晶であるＬiＮbＯ3結晶の表面にＴiイオンを拡散して
形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
て、図面を参照して説明する。
【００２１】図３は、本発明の電界センサの全体の構成
を示すブロック図である。３１は電界を検知するアンテ
ナ、３７は増幅器部であり、電池と増幅器から成る。ま
た、３２は光変調器であり、アンテナ３１と増幅器部３
７と一体化されて、センサヘッド３８を構成する。３
３，３４は光ファイバであり、３５は光源、３６は光検
出器である。
を示すブロック図である。３１は電界を検知するアンテ
ナ、３７は増幅器部であり、電池と増幅器から成る。ま
た、３２は光変調器であり、アンテナ３１と増幅器部３
７と一体化されて、センサヘッド３８を構成する。３
３，３４は光ファイバであり、３５は光源、３６は光検
出器である。
【００２２】光源３５には、ＤＦＢ（分布帰還型）半導
体レーザを用い、光検出器にはフォトダイオードとバイ
ポーラアンプを用いた。
体レーザを用い、光検出器にはフォトダイオードとバイ
ポーラアンプを用いた。
【００２３】また、用いた光変調器３２は、従来例とし
て図６に示したものと同様であり、ＬiＮbＯ3結晶基板
の表面にＴiイオンを熱拡散し、導波路を形成し、蒸着
法により金属電極を形成した後、光ファイバを接続して
作製した。
て図６に示したものと同様であり、ＬiＮbＯ3結晶基板
の表面にＴiイオンを熱拡散し、導波路を形成し、蒸着
法により金属電極を形成した後、光ファイバを接続して
作製した。
【００２４】次に、センサヘッド３８の構造を図１と図
２を参照して説明する。図１は、センサヘッドの全体の
構造を示す断面図である。延長アンテナロッド１１は、
電池１３を内蔵するアンテナロッド１２とともに、アン
テナを構成する。増幅器基板１５の増幅器部と光変調器
１６は、シールドケース１４によりシールドされて、プ
ラスチックケース１７に収められている。また、光変調
器１６には、光ファイバ１８，１９により、光が入出力
される。
２を参照して説明する。図１は、センサヘッドの全体の
構造を示す断面図である。延長アンテナロッド１１は、
電池１３を内蔵するアンテナロッド１２とともに、アン
テナを構成する。増幅器基板１５の増幅器部と光変調器
１６は、シールドケース１４によりシールドされて、プ
ラスチックケース１７に収められている。また、光変調
器１６には、光ファイバ１８，１９により、光が入出力
される。
【００２５】図２(ａ）は、アンテナの部分をさらに詳
しく示す斜視図である。電池１３は筒状のアンテナロッ
ド１２の内部に収納され、被測定電界を乱さない構成と
なっている。また、アンテナロッド１２には、延長アン
テナロッド１１が接続され、ダイポールアンテナとして
の長さを調節している。それらの寸法は、アンテロッド
１２がφ５×５０ｍｍ、延長アンテナロッドがφ４×１
００ｍｍである。
しく示す斜視図である。電池１３は筒状のアンテナロッ
ド１２の内部に収納され、被測定電界を乱さない構成と
なっている。また、アンテナロッド１２には、延長アン
テナロッド１１が接続され、ダイポールアンテナとして
の長さを調節している。それらの寸法は、アンテロッド
１２がφ５×５０ｍｍ、延長アンテナロッドがφ４×１
００ｍｍである。
【００２６】また、電池１３には、起電力３Ｖ、寸法φ
４.２×３６ｍｍのリチウム電池を使用し、両側で、２
個、直列につないで用いた。
４.２×３６ｍｍのリチウム電池を使用し、両側で、２
個、直列につないで用いた。
【００２７】図２（ｂ）は、増幅器と光変調器の部分を
示す断面的な図である。ここで、プラスチックケース１
７は、アンテナロッド１２を支持するとともに、内部に
増幅器と光変調器を含むシールドケース１４を有してい
る。
示す断面的な図である。ここで、プラスチックケース１
７は、アンテナロッド１２を支持するとともに、内部に
増幅器と光変調器を含むシールドケース１４を有してい
る。
【００２８】また、増幅器基板１５は、アンテナロッド
１２からの出力を受ける端子と電池１３からの電力を受
ける端子を有し、増幅器と光変調器はシールドケース１
４の内部に収められている。
１２からの出力を受ける端子と電池１３からの電力を受
ける端子を有し、増幅器と光変調器はシールドケース１
４の内部に収められている。
【００２９】ここで、用いる増幅器の負荷はＬiＮbＯ3
光変調器なので、この増幅器の入力インピーダンスは高
くとることができる。言い換えると、アンテナに流れる
電流を微少に保つことができるので、被測定電界を乱す
ことがない。
光変調器なので、この増幅器の入力インピーダンスは高
くとることができる。言い換えると、アンテナに流れる
電流を微少に保つことができるので、被測定電界を乱す
ことがない。
【００３０】上記のとおり構成した本発明の電界センサ
のノイズレベルを図４に示す。ＤＣから１ＧHzまでのノ
イズレベルがdＢμV／ｍを単位として示されている。ａ
の曲線は本発明の電界センサのノイズレベルを示し、ｂ
の曲線が従来のノイズレベルを示している。
のノイズレベルを図４に示す。ＤＣから１ＧHzまでのノ
イズレベルがdＢμV／ｍを単位として示されている。ａ
の曲線は本発明の電界センサのノイズレベルを示し、ｂ
の曲線が従来のノイズレベルを示している。
【００３１】この図から、従来、約３０dBμV／ｍであ
ったノイズレベルが、本発明の電界センサにおいては、
約１０dＢμV／ｍまで低減できたことがわかる。即ち、
約２０ｄBμV／ｍのノイズ改善ができた。
ったノイズレベルが、本発明の電界センサにおいては、
約１０dＢμV／ｍまで低減できたことがわかる。即ち、
約２０ｄBμV／ｍのノイズ改善ができた。
【００３２】この結果は、次のように解釈できる。即
ち、ＬiＮbＯ3光変調器を用いた電界センサのノイズ
は、大部分が光源の相対雑音強度ＲＩＮにより生じ、本
発明のように被測定電界を増幅してＬiＮbＯ3光変調器
の電極に印加すれば、その利得に応じて、光の変調度を
上げることができるが、増幅器の発生するノイズは微小
であり、増幅器の利得がほとんどそのままＳＮ比の改善
につながるということである。
ち、ＬiＮbＯ3光変調器を用いた電界センサのノイズ
は、大部分が光源の相対雑音強度ＲＩＮにより生じ、本
発明のように被測定電界を増幅してＬiＮbＯ3光変調器
の電極に印加すれば、その利得に応じて、光の変調度を
上げることができるが、増幅器の発生するノイズは微小
であり、増幅器の利得がほとんどそのままＳＮ比の改善
につながるということである。
【００３３】本発明の電解センサにおいては、０.５〜
０.９ＧHzの周波数範囲で１０dＢμV／ｍ以下まで検出
限界感度を向上させることができた。一方、用いたアン
テナの長さは片側で１５ｃｍ程度なので、電子回路基板
などに近づけて、その放射する電界を測定することがで
きる。
０.９ＧHzの周波数範囲で１０dＢμV／ｍ以下まで検出
限界感度を向上させることができた。一方、用いたアン
テナの長さは片側で１５ｃｍ程度なので、電子回路基板
などに近づけて、その放射する電界を測定することがで
きる。
【００３４】ところで、本発明のように、被測定電界を
乱すことなく、アンテナでとらえた電界信号を増幅して
光変調器の電極に印加して、光の変調度を上げる方法の
有効性は、分岐干渉型光導波路を有するＬiＮbＯ３光変
調器を用いる電界センサに限らないことは明らかであ
る。
乱すことなく、アンテナでとらえた電界信号を増幅して
光変調器の電極に印加して、光の変調度を上げる方法の
有効性は、分岐干渉型光導波路を有するＬiＮbＯ３光変
調器を用いる電界センサに限らないことは明らかであ
る。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微弱な電界を検出できるように高感度化した電界センサ
を提供することができる。
微弱な電界を検出できるように高感度化した電界センサ
を提供することができる。
【００３６】また、本発明によれば、高速のデジタル信
号を処理する電子回路基板のような、狭い場所から放射
される微弱な電磁波の強度スペクトルを測定することが
できる。
号を処理する電子回路基板のような、狭い場所から放射
される微弱な電磁波の強度スペクトルを測定することが
できる。
【図１】本発明の電界センサにおけるセンサヘッドの構
造を示す断面図。図１(ａ)は、構成部品の配置を示すた
めの図であり、上面から見た断面的な図である。図１
(ｂ)は、側面から見たときの部分断面図。
造を示す断面図。図１(ａ)は、構成部品の配置を示すた
めの図であり、上面から見た断面的な図である。図１
(ｂ)は、側面から見たときの部分断面図。
【図２】 図１に示した本発明のセンサヘッドの各部の
詳細を示す図。図２(ａ)はアンテナ部を示す斜視図であ
り、図２(ｂ)は増幅器と光変調器を示す断面的な図。
詳細を示す図。図２(ａ)はアンテナ部を示す斜視図であ
り、図２(ｂ)は増幅器と光変調器を示す断面的な図。
【図３】本発明の電界センサの全体の構成を示すブロッ
ク図。
ク図。
【図４】ノイズのレベルを示す図。
【図５】従来の電界センサの全体の構成を示すブロック
図。
図。
【図６】一般的な光変調器の構造を示す斜視図。
１１ 延長アンテナロッド １２ アンテナロッド １３ 電池 １４ シールドケース １５ 増幅器基板 １６ 光変調器 １７ プラスチックケース １８，１９ 光ファイバ ３１，５１ アンテナ ３２，５２ 光変調器 ３３，３４，５３，５４，６１ａ，６１ｂ 光ファイ
バ ３５，５５ 光源 ３６，５６ 光検出器 ３７ 増幅器部 ３８ センサヘッド ６２ａ，６２ｂ 金属電極 ６３ａ，６３ｂ 分岐光導波路 ６５ ＬiＮbＯ３結晶基板 ６６ａ，６６ｂ 光導波路
バ ３５，５５ 光源 ３６，５６ 光検出器 ３７ 増幅器部 ３８ センサヘッド ６２ａ，６２ｂ 金属電極 ６３ａ，６３ｂ 分岐光導波路 ６５ ＬiＮbＯ３結晶基板 ６６ａ，６６ｂ 光導波路
Claims (7)
- 【請求項１】 電界を検知するアンテナと、その出力電
圧を光強度に変換する光変調器と、この変調器に光ファ
イバを介して一定強度の光を供給する光源と、前記光変
調器の出力光を伝送する光ファイバと、伝送された光の
強度を電圧に変換する光検出器とを備える電界センサに
おいて、前記アンテナと前記光変調器を一体化したセン
サヘッドの内部に、前記アンテナの出力電圧を増幅する
ための、増幅器と電池が内蔵されていることを特徴とす
る電界センサ。 - 【請求項２】 前記アンテナの内部に電池が内蔵されて
いることを特徴とする請求項１記載の電界センサ。 - 【請求項３】 前記アンテナは電池を収めるアンテナロ
ッド部と延長アンテナロッド部とから成ることを特徴と
する請求項１または２記載の電界センサ。 - 【請求項４】 前記光変調器と前記増幅器はシールドケ
ースの内部に収められていることを特徴とする請求項１
から３のいずれか記載の電界センサ。 - 【請求項５】 前記光変調器は電気光学結晶の表面に形
成された分岐干渉型光導波路を用いて構成されることを
特徴とする請求項１から４のいずれか記載の電界セン
サ。 - 【請求項６】 前記電気光学結晶はＬiＮbＯ3結晶であ
ることを特徴とする請求項５記載の電界センサ。 - 【請求項７】 前記分岐干渉型光導波路は電気光学結晶
であるＬiＮbＯ3結晶の表面にＴiイオンを拡散して成る
ことを特徴とする請求項５から６のいずれか記載の電界
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001145978A JP2002340953A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 電界センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001145978A JP2002340953A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 電界センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002340953A true JP2002340953A (ja) | 2002-11-27 |
Family
ID=18991702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001145978A Pending JP2002340953A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 電界センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002340953A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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