JP2007278820A - 電界プローブ及び電界測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板近傍に生じる電磁界の電界成分を高感度で測定することができる電界プローブ及び電界測定システムを提供する。
【解決手段】電界プローブ１は本体部２とセンサ部３とを備える。本体部２は、同軸ケーブルであり、内導体線２０と第１の誘電体２１と外導体２２とで成る。センサ部３は、導体部材３０を第２の誘電体３１で覆った構造になっている。導体部材３０は、内導体線２０を本体部２の先端から所定長さだけ露出させたものであり、その長さは、測定周波数における波長の１０分の１以下の長さに設定されている。第２の誘電体３１は、第１の誘電体２１の比誘電率よりも高い比誘電率を有した誘電体であり、導体部材３０全体を覆っている。この第２の誘電体３１の比誘電率は、通常１０以上に設定されるが、好ましくは、３０以上に設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、回路基板の近傍電磁界を測定するための電界プローブ及び電界測定システムに関し、特に、電磁界の電界成分を測定可能な電界プローブ及び電界測定システムに関するものである。

回路基板の近傍電磁界を測定するプローブには、例えば、特許文献１に開示されているように、磁界成分測定専用の磁界プローブと、電界成分測定専用の電界プローブとがある。磁界プローブは、回路基板の線路上を流れる電流が起こす磁界を感知して、その電流値を測定する。これに対して、電界プローブは、線路近傍の電界を感知して、その電圧値を測定する。

特開平０８−２４８０８０号公報

回路基板近傍に生じる電磁界の磁界成分は大きいので、磁界プローブによって、この磁界成分を高感度で感知することができる。これに対して、電界成分は、回路基板外側の大気中に放射状に広がっているので、電界プローブ先端に到達する電界成分が少なく、これらの電界成分を電界プローブで高感度で感知することができなかった。放射ノイズ等を測定する際には、磁界成分だけでなく、電界成分も高感度で測定する必要があり、高感度の電界プローブの登場が期待されていた。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、回路基板近傍に生じる電磁界の電界成分を高感度で測定することができる電界プローブ及び電界測定システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、内導体線，この内導体線を被覆した第１の誘電体及びこの第１の誘電体の外周面に設けられた外導体を有して成る本体部と、内導体線と電気的に連結した状態で本体部の先端から所定長さだけ露出した導体部材を有して成るセンサ部とを具備する電界プローブであって、センサ部は、所定長さの導体部材と、導体部材の少なくとも先端面を覆い且つ第１の誘電体の比誘電率よりも高い比誘電率を有した第２の誘電体とを具備する構成とした。
かかる構成により、センサ部の導体部材の先端を回路基板の測定箇所に近づけると、放射状に広がっている電界成分をこの導体部材の先端部で捉えることができる。このとき、導体部材の少なくとも先端面が、第１の誘電体の比誘電率よりも高い比誘電率を有した第２の誘電体で覆われているので、導体部材の先端面と測定箇所との間の容量結合が高くなり、導体部材先端近傍の電界成分が導体部材に強く引き寄せられる。このため、従来の電界プローブでは逃がしていた電界成分も第２の誘電体によって導体部材に引き寄せることができる。この結果、電界成分に対する十分な感度を得ることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電界プローブにおいて、センサ部の導体部材を、内導体線を本体部の先端から所定長さだけ露出させることで形成すると共に、露出した内導体線全体を、第２の誘電体で覆った構成とする。
かかる構成により、センサ部の導体部材の先端面だけでなく、導体部材全体を第２の誘電体で覆ったので、導体部材の側面においても、電界成分を引き寄せることができ、この結果、感度を高めることができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の電界プローブにおいて、センサ部の導体部材を、本体部の先端から所定長さだけ露出させた内導体線と露出した内導体線の先端に設けられた幅広の導体板とで形成すると共に、導体板の先端面を第２の誘電体で覆った構成とする。
かかる構成により、導体部材の先端面と測定箇所との間の対向面積が大きくなってその間の容量が大きくなる。このため、内導体線の先端面よりも幅広の導体板の先端面が第２の誘電体を通じて広い範囲の電界成分を引き寄せる。この結果、電界プローブの感度をさらに高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１に記載の電界プローブにおいて、導体部材を、所定長さの導体線とこの導体線の先端に設けられた幅広の導体板とで形成すると共に、導体部材全体を、導体線の後端を露出させた状態で、第２の誘電体で覆うことにより、センサ部全体を本体部とは別体のチップ状に形成し、導体線の露出した後端を本体部の内導体線に接続することにより、チップ状のセンサ部を本体部に取り付けた構成とする。
かかる構成により、予め作成されたチップ状のセンサ部を本体部に取り付けることで、電界プローブを製造することができる。したがって、パターン印刷工法やフォトリソグラフィ工法等で作成した高精度のチップ状のセンサ部を本体部に取り付けるだけで、高精度の電界プローブを容易に製造することができ、この結果、電界プローブの高精度化とコストダウンとを図ることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電界プローブにおいて、導体部材の長さを、測定周波数における波長の１０分の１以下の長さに設定した構成とする。
かかる構成により、回路基板上の微小な領域の電界のみを検出することができ、分解能の高い電界測定が可能となる。

また、請求項６の発明に係る電界測定システムは、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電界プローブと、この電界プローブを空間の３軸方向のうちの少なくとも２軸方向に移動可能なプローブ走査機構と、このプローブ走査機構を制御する制御器と、電界プローブを通じて所定位置の電界値を測定可能な計測器と、この計測器で測定した電界値を測定位置に対応させて出力する演算装置とを具備する構成とした。
かかる構成により、プローブ走査機構を制御器によって制御することで、電界プローブを２軸方向に移動させて、電界プローブを所定位置に静止させることができる。そして、計測器により、電界プローブを通じて当該所定位置の電界値を測定する。すると、演算装置によって、計測器で測定された電界値が測定位置に対応付けられて出力される。このとき、電界プローブが高感度で電界成分を感知するので、所定位置の電界値が計測器のノイズに埋もれることなく、明確に測定される。

以上詳しく説明したように、この発明の電界プローブによれば、測定箇所の電界成分を十分な感度で感知することができるという優れた効果がある。
特に、請求項２の発明によれば、導体部材の先端面だけでなく側面をも用いて、電界成分を引き寄せることができ、この結果、高感度の感知が可能となるという効果がある。
また、請求項３の発明によれば、広い範囲の電界成分を感知して、さらなる高感度化を図ることができるという効果がある。
また、請求項４の発明によれば、電界プローブの高精度化とコストダウンとを図ることができるという効果がある。
さらに、請求項５の発明によれば、分解能の高い電界測定が可能となるという効果がある。

また、この発明の電界測定システムによれば、高感度の電界プローブを用いて、所定位置の電界値を、計測器のノイズに埋もれさせることなく、明確に測定することができるという優れた効果がある。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る電界プローブを示す斜視図であり、図２は、電界プローブの要部を示す断面図である。
図１に示すように、この実施例の電界プローブ１は、本体部２とセンサ部３とを備えている。

本体部２は、例えば同軸構造のセミリジットケーブルであり、破線で示す内導体線２０を比誘電率が３〜４程度の第１の誘電体２１で覆い、この第１の誘電体２１をグランドとなる外導体２２で被覆した構造になっている。そして、この本体部２の後端側には、スペクトラムアナライザ等の計測器に接続するためのコネクタ２３が設けられ、先端部側には、センサ部３が設けられている。

センサ部３は、導体部材３０を第２の誘電体３１で覆った構造になっている。
導体部材３０は、本体部２の先端部の第１の誘電体２１と外導体２２とを取り除き、内導体線２０を本体部２の先端から所定長さだけ露出させたものである。したがって、導体部材３０は、内導体線２０そのものであり、内導体線２０と電気的に連結した状態になっている。また、この露出した内導体線２０である導体部材３０の長さは、測定周波数における波長の１０分の１以下の長さに設定されている。
一方、第２の誘電体３１は、第１の誘電体２１の比誘電率よりも高い比誘電率を有した誘電体であり、導体部材３０全体を覆っている。
具体的には、第２の誘電体３１は、チタン酸バリウムと樹脂との複合材料であり、１０以上の比誘電率を有する。
また、この実施例では、樹脂性材料の第２の誘電体３１を導体部材３０に円筒状に塗布して硬化させることで、センサ部３を形成する。勿論、導体部材３０を円筒状の固形セラミックス内に嵌め込んで、センサ部３を形成することもできる。
図３は、第２の誘電体３１の比誘電率と感度との関係を示す線図である。
発明者は、第２の誘電体３１の比誘電率を１〜１００迄変化させた場合に、電界プローブ１のよる感度がどのように変化するかをシミュレーションしたところ、図３の曲線Ｓで示すような結果を得た。ここで、縦軸は、第２の誘電体３１を設けていない電界プローブの感度に対するこの実施例の電界プローブ１が示す感度の比率（ｄＢ）を示す。
この曲線Ｓから明らかなように、比誘電率が１０以上ならば、第２の誘電体３１で覆っていない従来の電界プローブに比べて約１２ｄＢ以上も高くすることができる。この実施例では、少なくとも１２ｄＢの改善を得たいので、第２の誘電体３１の比誘電率として、最低１０を想定した。しかし、良好な電界感度を得るためには、第２の誘電体３１の比誘電率を３０以上に設定することが好ましい。

次に、この実施例の電界プローブが示す作用及び効果について説明する。
図４は、第２の誘電体３１を有しない電界プローブ１′による電界感度を示す模式図であり、図５は、この実施例の電界プローブ１による電界感度を示す模式図である。
図４に示すように、線路１０１とグランド１０２とで誘電体１０３を挟んだ構成のマイクロストリップ回路基板１００では、電界Ｅ１〜Ｅ３，Ｅ１１〜Ｅ１３が線路１０１上にも放射状に広がる。そして、これら放射状の電界Ｅ１〜Ｅ３，Ｅ１１〜Ｅ１３を感知することで、線路１０１近傍の電圧分布を測定することができる。
したがって、第２の誘電体３１を有していない従来型の電界プローブ１′では、導体部材３０の先端を線路１０１に近づけて、電界Ｅ１〜Ｅ３，Ｅ１１〜Ｅ１３の感知を試みても、導体部材３０で感知することができるのは、電界Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１１，Ｅ１２のみであり、感度が悪い。

これに対して、図５に示すように、この実施例の電界プローブ１を用い、導体部材３０の先端を線路１０１に近づけると、高比誘電率の第２の誘電体３１が導体部材３０の先端面３０ａと線路１０１との間に介在することとなる。これにより、導体部材３０の先端面３０ａと線路１０１との間の容量結合が高くなり、線路１０１上の電界Ｅ１〜Ｅ３，Ｅ１１〜Ｅ１３の大部分が導体部材３０に引き寄せられ、この結果、先端面３０ａと線路１０１との間の電界密度が、図４に示した電界プローブ１′の電界密度に比べて高くなり、電界成分に対する十分な感度を得ることができる。

次に、この発明の第２実施例について説明する。
図６は、この発明の第２実施例に係る電界プローブの要部を示す斜視図であり、図７は、図６の電界プローブの断面図である。
この実施例では、センサ部３の構造が上記第１実施例と異なる。
すなわち、センサ部３の導体部材３０を、本体部２の先端から所定長さだけ露出させた内導体線２０′と、この露出内導体線２０′の先端に取り付けられた導体板３２とで形成た。そして、第２の誘電体３１を導体板３２の先端面にだけ設けた。
具体的には、露出内導体線２０′の先端面２０ａ′の径よりも大きな径の円板状の導体板３２を露出内導体線２０′の先端面２０ａ′に取り付けた。そして、導体板３２の先端面全面を所定厚さの第２の誘電体３１で覆った。

図８は、この実施例の電界プローブ１による電界感度を示すための模式図である。
図８に示すように、この実施例の電界プローブ１を用い、露出内導体線２０′の先端に取り付けられた導体板３２を線路１０１に近づけると、第２の誘電体３１が導体板３２と線路１０１との間に介在することとなる。しかも、幅広の導体板３２を線路１０１に近づけるため、導体板３２と線路１０１との間の対向面積が広くなる。したがって、導体板３２と線路１０１との間の結合容量が大きくなり、線路１０１上の電界Ｅ１〜Ｅ４，Ｅ１１〜Ｅ１４という広範囲の電界を取り込むことができる。この結果、広い範囲の電界成分を感知することができ、電界プローブの感度をさらに高めることができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第３実施例について説明する。
図９は、この発明の第３実施例に係る電界プローブの要部を示す斜視図であり、図１０は、分離状態の本体部２とセンサ部３とを示す断面図である。
この実施例は、センサ部３が本体部２と別体のチップ状に形成されている点が、上記第１及び第２実施例と異なる。

すなわち、図９に示すように、本体部２は、内導体線２０の先端部が本体部２の先端から所定長さだけ露出した構造をなし、センサ部３は、この本体部２とは別体のチップ状を成す。
具体的には、図１０に示すように、導体部材３０を、所定長さの導体線３３とこの導体線３３の先端に取り付けられた円板状の導体板３２とで形成した。そして、これら導体線３３と導体板３２とを第２の誘電体３１で被覆することで、センサ部３を形成した。このとき、導体線３３の後端面３３ａだけは、第２の誘電体３１から露出させておく。そして、導体線３３のこの後端面３３ａと内導体線２０の先端面２０ａとを接合させることで、チップ状のセンサ部３を本体部２に接続した。
センサ部３は、誘電体シートに導体パターンを印刷するパターン印刷工法や誘電体層と導体パターン層とを露光、現像、焼成しながら積層するフォトリソグラフィ工法等を用いることで、高精度で作成することができる。

このように、この実施例によれば、センサ部３をパターン印刷工法やフォトリソグラフィ工法等によって予め高精度で作成しておくことができるので、このセンサ部３を本体部２に取り付けるだけで、高精度の電界プローブ１を容易に作成することができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１及び第２実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第４実施例について説明する。
図１１は、この発明の第４実施例に係る電界測定システムを示す構成図である。
図１１に示すように、この実施例の電界測定システムは、上記第１実施例の電界プローブ１と、走査機構としてのＸＹテーブル１１０と、制御器としてのＸＹコントローラ１２０と、計測器としてのスペクトラムアナライザ１３０と、プリアンプ１３１と、演算装置としてのコンピュータ１４０とを備えている。

ＸＹテーブル１１０は、電界プローブ１をＸ軸及びＹ軸の２軸方向に移動可能な機構であり、電界プローブ１を保持したホルダ１１１と、このホルダ１１１をＸ軸方向（図面の左右方向）に移動させる可動シャフト１１２と、ホルダ１１１をＹ軸方向（図面の上下方向）に移動させる可動シャフト１１３とを有している。
ＸＹコントローラ１２０は、ＸＹテーブル１１０を制御するための機器であり、制御信号Ｃｘ，Ｃｙを可動シャフト１１２，１１３に送ることで、電界プローブ１を測定位置に移動させる。
スペクトラムアナライザ１３０は、電界プローブ１で感知され、プリアンプ１３１で増幅された電界値を所望周波数範囲で電圧値として計測する機器である。
コンピュータ１４０は、スペクトラムアナライザ１３０から送られてきた電圧値ＶをＸＹコントローラ１２０から送られてきた測定位置（ｘ，ｙ）に対応させて出力する機能を有する装置である。

次に、この実施例の電界測定システムが示す作用及び効果について説明する。
ＸＹコントローラ１２０からＸＹテーブル１１０への制御信号Ｃｘ，Ｃｙによって、電界プローブ１がマイクロストリップ回路基板１００上の所望の測定位置に移動され、当該測定位置に位置決めされる。かかる状態で、電界プローブ１の近傍の電界値Ｅがセンサ部３によって感知され、プリアンプ１３１で増幅されて、スペクトラムアナライザ１３０に入力される。すると、スペクトラムアナライザ１３０において、入力した電界値Ｅに基づき、所望周波数範囲の電圧分布が計測される。
このとき、電界プローブ１が高感度で電界成分を感知するので、この電界値Ｅに対応した電圧分布がスペクトラムアナライザ１３０によって明確に計測される。

図１２は、スペクトラムアナライザにおける計測状態を示す概略図である。
図１２において、横軸が周波数であり、縦軸が電圧値である。また、電圧値Ｎは、スペクトラムアナライザ１３０固有のノイズであり、このスペクトラムアナライザ１３０では、この電圧値Ｎ以下の電圧を計測することができない。
すなわち、図４に示したような従来型の電界プローブ１′では、電界成分に対する感度が低いため、このような電界プローブ１′で感知しても、図１２の周波数ｆ１における電圧値ｖ１のように、スペクトラムアナライザ１３０における計測電圧値が電圧値Ｎ下に埋もれてしまったり、周波数ｆ２における電圧値ｖ２のように、大部分が電圧値Ｎの下に埋もれ、計測電圧値の頭部分だけが電圧値Ｎより僅かに超えるという状態が生じてしまう。このため、スペクトラムアナライザ１３０による当該測定位置での明確な電圧測定が不可能であった。
これに対して、この実施例の電界プローブ１では、電界成分に対する感度が高いため、周波数ｆ１における電圧値Ｖ１のように、スペクトラムアナライザ１３０における計測電圧値が電圧値Ｎを超え、又は周波数ｆ２における電圧値Ｖ２のように、その計測電圧値が電圧値Ｎより遙かに高くなるという状態を得ることができる。このため、スペクトラムアナライザ１３０による当該測定位置での明確な電圧測定が可能となる。

このように明確に測定された電圧値Ｖは、スペクトラムアナライザ１３０からコンピュータ１４０に送られ、これと同時に、当該電圧値Ｖの測定位置（ｘ，ｙ）がＸＹコントローラ１２０からコンピュータ１４０に送られる。すると、コンピュータ１４０において、測定位置（ｘ，ｙ）と電圧値Ｖとが関連づけられる。
以降、マイクロストリップ回路基板１００のすべての位置において、上記と同様な測定を行うことで、マイクロストリップ回路基板１００全面における測定位置（ｘ，ｙ）と電圧値Ｖとのデータが整理される。そして、図１３の電圧分布図Ｍで示すように、各測定位置（ｘ，ｙ）での電圧値Ｖが色の濃淡で表示され、測定者は、マイクロストリップ回路基板１００上の電圧分布を視覚的に確認することができる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記第１実施例では、第２の誘電体３１で導体部材３０全体を覆ったが、導体部材３０の少なくとも先端面を覆ってあれば良い。したがって、第１の誘電体２１を本体部２から露出した内導体線２０の先端面のみに設けた電界プローブも、この発明の範囲に含まれる。
また、上記実施例では、本体部２としてセミリジットケーブルを例示したが、セミリジットケーブル以外の同軸ケーブルやストリップラインを、本体部２として用いることができることは勿論である。
さらに、上記第４実施例では、第１実施例の電界プローブを適用した例を示したが、他の実施例の電界プローブを適用しても同様の作用効果を得ることができることは勿論である。

この発明の第１実施例に係る電界プローブを示す斜視図である。 電界プローブの要部を示す断面図である。 第２の誘電体の比誘電率と感度との関係を示す線図である。 第２の誘電体を有しない電界プローブによる電界感度を示す模式図である。 この実施例の電界プローブによる電界感度を示す模式図である。 この発明の第２実施例に係る電界プローブの要部を示す斜視図である。 図６の電界プローブの断面図である。 この実施例の電界プローブによる電界感度を示すための模式図である。 この発明の第３実施例に係る電界プローブの要部を示す斜視図である。 分離状態の本体部とセンサ部とを示す断面図である。 この発明の第４実施例に係る電界測定システムを示す構成図である。 スペクトラムアナライザにおける計測状態を示す概略図である。 測定した電圧の分布図である。

符号の説明

１…電界プローブ、 ２…本体部、 ３…センサ部、 ２０…内導体線、 ２０′…露出内導体線、 ２０ａ′，３０ａ…先端面、 ２１…第１の誘電体、 ２２…外導体、 ２３…コネクタ、 ３０…導体部材、 ３１…第２の誘電体、 ３２…導体板、 ３３…導体線、 ３３ａ…後端面、 １００…マイクロストリップ回路基板、 １０１…線路、 １０２…グランド、 １０３…誘電体、 １１０…ＸＹテーブル、 １１１…ホルダ、 １１２，１１３…可動シャフト、 １２０…ＸＹコントローラ、 １３０…スペクトラムアナライザ、 １３１…プリアンプ、 １４０…コンピュータ。

Claims (6)

1. 内導体線，この内導体線を被覆した第１の誘電体及びこの第１の誘電体の外周面に設けられた外導体を有して成る本体部と、上記内導体線と電気的に連結した状態で本体部の先端から所定長さだけ露出した導体部材を有して成るセンサ部とを具備する電界プローブであって、
   上記センサ部は、所定長さの上記導体部材と、当該導体部材の少なくとも先端面を覆い且つ上記第１の誘電体の比誘電率よりも高い比誘電率を有した第２の誘電体とを具備する、
   ことを特徴とする電界プローブ。
2. 請求項１に記載の電界プローブにおいて、
   上記センサ部の導体部材を、上記内導体線を上記本体部の先端から上記所定長さだけ露出させることで形成すると共に、当該露出した内導体線全体を、上記第２の誘電体で覆った、
   ことを特徴とする電界プローブ。
3. 請求項１に記載の電界プローブにおいて、
   上記センサ部の導体部材を、上記本体部の先端から上記所定長さだけ露出させた上記内導体線と当該露出した内導体線の先端に設けられた幅広の導体板とで形成すると共に、当該導体板の先端面を上記第２の誘電体で覆った、
   ことを特徴とする電界プローブ。
4. 請求項１に記載の電界プローブにおいて、
   上記導体部材を、所定長さの導体線とこの導体線の先端に設けられた幅広の導体板とで形成すると共に、当該導体部材全体を、上記導体線の後端を露出させた状態で、上記第２の誘電体で覆うことにより、センサ部全体を上記本体部とは別体のチップ状に形成し、上記導体の露出した後端を上記本体部の内導体線に接続することにより、当該チップ状のセンサ部を上記本体部に取り付けた、
   ことを特徴とする電界プローブ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電界プローブにおいて、
   上記導体部材の長さを、測定周波数における波長の１０分の１以下の長さに設定した、
   ことを特徴とする電界プローブ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電界プローブと、
   この電界プローブを空間の３軸方向のうちの少なくとも２軸方向に移動可能なプローブ走査機構と、
   このプローブ走査機構を制御する制御器と、
   上記電界プローブを通じて所定位置の電界値を測定可能な計測器と、
   この計測器で測定した電界値を測定位置に対応させて出力する演算装置と
   を具備することを特徴とする電界測定システム。

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