JP2021166343A - カラーセンタ励振用アンテナ、及びセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】カラーセンタを有する素子を用いたセンサを、広い周波数帯域で安定して動作させ、且つ、センサの小型化にも対応するアンテナを提供する。【解決手段】カラーセンタ励振用のアンテナ１０は、励振対象のＮＶセンタを有するダイヤモンド素子に対向して設けられる基板１１と、基板１１におけるダイヤモンド素子と対向する第１の面に形成され、高周波電流を給電されてマイクロ波を放射する放射素子１２とを備え、放射素子１２は、複数のループ導体１２Ａ〜１２Ｅを備え、複数のループ導体１２Ａ〜１２Ｅは、相互に周方向の長さが異なり、周方向の長さが大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なる。【選択図】図５

Description

本発明は、カラーセンタ励振用アンテナ、及びセンサに関する。

ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子を用いて光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）の原理により磁界を計測するセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、励起光としての緑色光をＮＶセンタに照射すると共にマイクロ波を周波数掃引しながらＮＶセンタに照射し、ＮＶセンタから発せられる赤色蛍光を検出する。このセンサでは、共鳴周波数のマイクロ波がＮＶセンタに照射されると、ＮＶセンタにおいて電子スピン共鳴が生じてＮＶセンタから発せられる赤色蛍光の輝度が低下する。ここで、磁界が存在する場合、ＮＶセンタにゼーマン分裂が生じることにより、マイクロ波の周波数掃引時に少なくとも２点の赤色蛍光の輝度低下点が生じる。ＮＶセンタにおけるゼーマン分裂は、磁界強度に比例した大きさで生じるので、２点の赤色蛍光の輝度低下点に対応するマイクロ波の周波数の差（以下、周波数のスプリットという）は、磁界強度に比例して大きくなる。これにより、このマイクロ波の周波数のスプリットの大きさに基づいて磁界強度を検出できる。

国際公開第２０１５／１０７９０７号

ところで、電動車（ｘＥＶ）の電池残量を計測する電池センサには、電動車の出力電流のレンジの拡大に伴う測定レンジの拡大の要求がある。この電池センサに上述のセンサを用いる場合、マイクロ波の周波数のスプリットの変動のレンジが拡大する。そのため、広い周波数帯域でセンサを動作させることができるアンテナが要求される。また、センサには小型化の要求もある。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、ＮＶセンタ等のカラーセンタを有する素子を用いたセンサを、広い周波数帯域で安定して動作させることができ、且つ、センサの小型化にも対応できるカラーセンタ励振用アンテナ、及びセンサを提供することにある。

本発明のカラーセンタ励振用アンテナは、励振対象のカラーセンタを有する素子に対向して設けられる基板と、前記基板における前記素子と対向する第１の面に形成され、高周波電流を給電されてマイクロ波を放射する放射素子とを備え、前記放射素子は、複数のループ導体を備え、前記複数のループ導体は、相互に周方向の長さが異なり、周方向の長さが大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なる。

また、本発明のセンサは、上記のカラーセンタ励振用アンテナと、前記基板の前記第１の面に対向して配され前記カラーセンタ励振用アンテナにより励振されるカラーセンタを有する素子と、前記放射素子に周波数可変の高周波電流を給電する給電器とを備え、前記カラーセンタ励振用アンテナから前記素子に周波数可変のマイクロ波を放射させる。

本発明によれば、ＮＶセンタ等のカラーセンタを有する素子を用いたセンサを、広い周波数帯域で安定して動作させることができ、且つ、センサの小型化にも対応できる。

本発明の一実施形態に係るセンサの概略を示す図である。 ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子の構造を模式的に示す図である。 ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子を備え光検出磁気共鳴の原理により磁界強度等を計測するダイヤモンド量子センサの原理を説明するための図である。 マイクロ波の周波数掃引時の赤色蛍光の輝度低下点とマイクロ波の周波数と磁界強度との関係を示すグラフである。 アンテナを表面側から示す斜視図である。 アンテナを裏面側から示す斜視図である。 放射素子を３個にしたアンテナのモデルを示す図である。 図７Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。 放射素子を４個にしたアンテナのモデルを示す図である。 図８Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。 放射素子を５個にしたアンテナのモデルを示す図である。 図９Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。 放射素子を５個にしたアンテナのモデルＡ〜Ｅにおける周波数−磁束量の特性を確認したシミュレーション結果を示す図である。 図１０に示すアンテナのモデルＡ〜Ｅの周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１の概略を示す図である。この図に示すように、センサ１は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２と、励起光としての緑色光ＧＬをダイヤモンド素子２に照射する光学系３と、ＮＶセンタの電子スピン共鳴に起因して生じる光信号を検知する光センサ４と、光センサ４が検知した光信号を処理し、センサ１全体の制御を司る制御・演算処理部５と、ダイヤモンド素子２に周波数可変のマイクロ波を照射するアンテナ１０と、アンテナ１０に高周波電流を給電する電力増幅器６とを備える。センサ１は、緑色光ＧＬをＮＶセンタに照射すると共にマイクロ波を周波数掃引しながらＮＶセンタに照射させ、光検出磁気共鳴の原理により、計測対象の磁界強度、電界強度、温度等を計測する。

ダイヤモンド素子２は、例えば、縦２〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍの方形の板状に形成されている。即ち、ダイヤモンド素子２は、縦と横の寸法が１０ｍｍに満たない小サイズの板状の素子である。

一方、アンテナ１０は、例えば、縦２〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍの方形のマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。即ち、アンテナ１０は、縦と横の寸法が１０ｍｍに満たない小サイズのマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。なお、アンテナ１０のマイクロ波放射領域の縦の寸法は、ダイヤモンド素子２の縦の寸法と同等であることが好ましく、アンテナ１０のマイクロ波放射領域の横の寸法は、ダイヤモンド素子２の横の寸法と同等であることが好ましい。詳細は、後述するが、アンテナ１０のマイクロ波を放射する面とダイヤモンド素子２の一方の面とは相互に隙間を空けずに対向している。

図２は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２の構造を模式的に示す図である。この図に示すように、ＮＶセンタは、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Nitrogen）と、この窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔（Vacancy）との対からなる複合不純物欠陥である。このＮＶセンタは、中性電荷状態ＮＶ０から電子を１個捕獲してＮＶ⁻となると、磁気量子数ｍ_Ｓ＝−１、０、＋１の電子スピン３重項状態を形成する。ダイヤモンド量子センサは、この電子スピン３重項状態を用いて磁界や電界や温度や歪み等を計測する。

図３は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２を備え光検出磁気共鳴の原理により磁界強度等を計測するダイヤモンド量子センサの原理を説明するための図である。図２及び図３に示すように、ＮＶセンタは、励起光としての緑色光ＧＬを照射されると赤色蛍光ＲＬを発する。この赤色蛍光ＲＬの輝度は、ＮＶセンタが基底状態（電子スピンの磁気量子数ｍ_Ｓ＝０の状態）から励起された場合には大きいのに対して、ＮＶセンタが電子スピン共鳴が生じる準位（電子スピンの磁気量子数ｍ_Ｓ＝±１の状態）から励起された場合には小さくなる。

ここで、磁界強度が０の場合に共鳴周波数（約２．８ＧＨｚ）のマイクロ波ＭＷをＮＶセンタに照射すると、ＮＶセンタが電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）が生じる準位（ｍ_Ｓ＝±１）に遷移する。この準位から光励起された電子の一部は、無輻射遷移を経て基底状態に戻ることにより発光に寄与しない。従って、上述のように、ＮＶセンタが電子スピン共鳴が生じる準位から励起された場合、赤色蛍光ＲＬの輝度は低下する。

図４は、マイクロ波ＭＷの周波数掃引時の赤色蛍光ＲＬの輝度低下点とマイクロ波ＭＷの周波数と磁界強度Ｂとの関係を示すグラフである。このグラフに示すように、磁界強度Ｂが０の場合には、赤色蛍光ＲＬの輝度低下点は１点のみであるのに対し、磁界強度Ｂが０より大きな値Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３（Ｂ_３＞Ｂ_２＞Ｂ_１＞０）である場合には、赤色蛍光ＲＬの輝度低下点は２点存在する。ここで、２点の赤色蛍光ＲＬの輝度低下点に対応するマイクロ波ＭＷの周波数のスプリットΔｆ（＝ｆ_２−ｆ_１）は、磁界強度Ｂに比例して大きくなる。

ところで、本実施形態のセンサ１は、電動車の電池残量を計測する電池センサとして使用される。ここで、電動車の出力電流のレンジは、例えば１０ｍＡから１０００Ａを超える値までというように広い。それに伴って、本実施形態のセンサ１のアンテナ１０には、マイクロ波ＭＷを、例えば１〜５ＧＨｚのような広い周波数帯域で掃引でき、この広い周波数帯域で安定して高出力である性能が要求される。さらに、アンテナ１０のサイズをダイヤモンド素子２のサイズに合わせて小型化することが要求される。本実施形態では、ダイヤモンド素子２が縦２〜５ｍｍ×横２〜５ｍｍの方形と小型であることから、アンテナ１０もダイヤモンド素子２と同様に小型の方形にする必要がある。即ち、アンテナ１０には、小型化という制約の上で上記性能を満たすことが要求される。

以下、図５〜図１１を参照してアンテナ１０について説明する。図５は、アンテナ１０を表面側から示す斜視図であり、図６は、アンテナ１０を裏面側から示す斜視図である。図６に示すアンテナ１０は、図５に示すアンテナ１０が上下が反転するように裏返された状態である。これらの図に示すように、アンテナ１０は、基板１１と、放射素子１２と、複数のコンデンサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅと、給電部１４Ｂ，１４Ｄとを備える。

基板１１は、方形の板材であり、例えばプリント基板で用いられる材料等により形成されている。この基板１１の表面の中央部に方形のマイクロ波放射領域が設定されており、このマイクロ波放射領域がダイヤモンド素子２の一方の面と対向する。

放射素子１２は、複数のループ状の導体（以下、ループ導体という）１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅを備える。複数のループ導体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ（以下、１２Ａ〜１２Ｅと記載する場合がある。）は、基板１１のマイクロ波放射領域に形成されている。ループ導体１２Ａ〜１２Ｅは、銅箔等の導電性の箔であり、方形のループ状（環状）に形成されている。ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの形成方法としては、例えば銅箔エッチング等が挙げられる。

ループ導体１２Ａ〜１２Ｅは、相互に周方向の長さが異なる。なお、後述するようにループ導体１２Ａ〜１２Ｅには１箇所又は２箇所のギャップＧ１，Ｇ２が設けられているが、このギャップＧ１，Ｇ２の部分を含めたループ導体１２Ａ〜１２Ｅの周方向の長さを、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの周長と称する。

ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの周長は、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅの順に大きくなる。周長が最大（１番目）のループ導体１２Ｅは、マイクロ波放射領域の最外周部に形成されている。周長が２番目のループ導体１２Ｄは、ループ導体１２Ｅより内周側にループ導体１２Ｅとの間に間隔を空けて形成されている。周長が３番目のループ導体１２Ｃは、ループ導体１２Ｄより内周側にループ導体１２Ｄとの間に間隔を空けて形成されている。周長が４番目のループ導体１２Ｂは、ループ導体１２Ｃより内周側にループ導体１２Ｃとの間に間隔を空けて形成されている。周長が５番目（最小）のループ導体１２Ａは、ループ導体１２Ｂより内周側にループ導体１２Ｂとの間に間隔を空けて形成されている。

ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの中心は、一致している。また、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅは、マイクロ波放射領域の中央部から最外周部まで等間隔で配されている。

ループ導体１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｅには１個のギャップＧ１が形成され、ループ導体１２Ｂ，１２Ｄには２個のギャップＧ１，Ｇ２が形成されている。それに対して、基板１１には、ギャップＧ１と重なる位置にスルーホールＨ１が形成され、ギャップＧ２と重なる位置にスルーホールＨ２が形成されている。

５個のギャップＧ１は、同一直線上に並ぶように整列されている。この５個のギャップＧ１を通る直線は、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの中心を通りループ導体１２Ａ〜１２Ｅの図５中の上下に平行に並んだ対辺と直交する。ここで、それぞれのループ導体１２Ａ〜１２Ｅは、図５中の上下に平行に並んだ対辺を有するところ、ギャップＧ１は、ループ導体１２Ａ，１２Ｃ，１２Ｅの図６中の上側の一辺と、ループ導体１２Ｂ，１２Ｄの図５中の下側の一辺とに形成されている。即ち、５個のギャップＧ１は、図５中の上下に平行に並んだ１０辺に対して１辺おきに形成されている。

２個のギャップＧ２は、同一直線上に並ぶように配されている。この２個のギャップＧ２を通る直線は、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの中心を通り図５中の左右に平行に並んだ対辺と直交する。ここで、それぞれのループ導体１２Ｂ，１２Ｅは、図５中の左右に並んだ対辺を有するところ、ギャップＧ２は、ループ導体１２Ｂの図５中の右側の一辺と、ループ導体１２Ｄの図５中の左側の一辺とに形成されている。即ち、ループ導体１２Ｂに形成されたギャップＧ２は、図５中の右側に配されているのに対して、ループ導体１２Ｄに形成されたギャップＧ２は、図５中の左側に配されている。

複数のコンデンサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ（以下、１３Ａ〜１３Ｅと記載する場合がある。）は、基板１１の裏面に実装されている。複数のコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅは、基板１１の裏面の図中左右方向の中央部に１列に並べて整列されている。

コンデンサ１３Ａは、ループ導体１２ＡのギャップＧ１と重なる位置に配され、スルーホールＨ１を通してループ導体１２Ａと電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ａは、ループ導体１２Ａの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ａの共振周波数は、第1周波数（例えば、約５ＧＨｚ）に調整されている。この第１周波数は、スプリットΔｆ（＝ｆ_２−ｆ_１）が最大になるときの周波数ｆ_２に対応する。

コンデンサ１３Ｂは、ループ導体１２ＢのギャップＧ１と重なる位置に配され、スルーホールＨ１を通してループ導体１２Ｂと電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｂは、ループ導体１２Ｂの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｂの共振周波数は、第１周波数より低い第２周波数（例えば、約４ＧＨｚ）に調整されている。

コンデンサ１３Ｃは、ループ導体１２ＣのギャップＧ１と重なる位置に配され、スルーホールＨ１を通してループ導体１２Ｃと電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｃは、ループ導体１２Ｃの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｃの共振周波数は、第２周波数より低い第３周波数（例えば、約３ＧＨｚ）に調整されている。

コンデンサ１３Ｄは、ループ導体１２ＤのギャップＧ１と重なる位置に配され、スルーホールＨ１を通してループ導体１２Ｄと電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｄは、ループ導体１２Ｄの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｄの共振周波数は、第３周波数より低い第４周波数（例えば、約２ＧＨｚ）に調整されている。

コンデンサ１３Ｅは、ループ導体１２ＥのギャップＧ１と重なる位置に配され、スルーホールＨ１を通してループ導体１２Ｅと電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｅは、ループ導体１２Ｅの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｅの共振周波数は、第４周波数より低い第５周波数（例えば、約１ＧＨｚ）に調整されている。この第５周波数は、スプリットΔｆ（＝ｆ_２−ｆ_１）が最大になるときの周波数ｆ_１に対応する。なお、第１〜第５周波数は、等間隔で設定することが好ましい。

給電部１４Ｂ，１４Ｄは、基板１１の裏面に形成されたコプレーナ導波路である。給電部１４Ｂ，１４Ｄは、図６中の左右に離れて形成されている。給電部１４Ｂ，１４Ｄは、それぞれ、導体箔に左右に延びる線状の空隙部が設けられて、その空隙部の幅方向中央部に線状の導体箔（以下、給電線Ｌという）が形成された構成である。給電部１４Ｂは、基板１２の裏面における図６中の右側の領域に形成されている。給電部１４Ｄは、基板１２の裏面における図６中の左側の領域に形成されている。

給電部１４Ｂの給電線Ｌの始端には電力増幅器６（図１参照）が接続されている。一方、給電部１４Ｂの給電線Ｌの終端は、ループ導体１２ＢのギャップＧ２と重なる位置に配され、スルーホールＨ２を通してループ導体１２Ｂと電気的に接続されている。また給電部１４Ｄの給電線Ｌの始端には電力増幅器６が接続されている。一方、給電部１４Ｄの給電線Ｌの終端は、ループ導体１２ＤのギャップＧ２と重なる位置に配され、スルーホールＨ２を通してループ導体１２Ｄと電気的に接続されている。即ち、放射素子１２の給電点は、ループ導体１２Ｂ上の１点及びループ導体１２Ｄ上の１点の計２点である。ここで、給電線Ｌは、給電するループ導体１２Ｂ，１２Ｄのそれぞれに対応して設けられており、給電線Ｌの数と給電点の数と給電するループ導体の数とは同一である。なお、給電部１４Ｂ，１４Ｄを、マイクロストリップラインとしてもよい。

以上のような構成のアンテナ１０は、電力増幅器６から２本の給電線Ｌを通して２点の給電点において周波数可変の高周波電流を給電され、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅから周波数可変のマイクロ波ＭＷを放射する。アンテナ１０に給電される高周波電流の周波数は掃引される。この高周波電流の周波数掃引時の周波数に応じて、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅのいずれかにおいて共振が生じ、共振により増幅された電流に比例した磁界がループ導体１２Ａ〜１２Ｅから発生する。

以下、本発明者が本実施形態のアンテナ１０の効果を確認するために実施したシミュレーションについて図７Ａ〜図１１を参照して説明する。本発明者は、ループ導体１２Ｓの数による効果の差異を確認するためのシミュレーションを実施した。図７Ａは、ループ導体１２Ｓを３個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図７Ｂは、図７Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。図８Ａは、ループ導体１２Ｓを４個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図８Ｂは、図８Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。図９Ａは、ループ導体１２Ｓを５個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図９Ｂは、図９Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。これらのモデルでは、各ループ導体１２Ｓの上下一対の対辺のうちの上側の一辺にコンデンサ１３Ｓが設定されている。

このシミュレーションでの磁界強度（Ａ／ｍ）は、アンテナの直上の縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域における磁界強度であり、ダイヤモンド素子２のアンテナ１０との対向面における磁界強度を想定している。アンテナの磁界の発生領域は、縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域である。給電点は、ループ導体１２Ｓが３個、４個、５個の何れの場合も、外周側から２番目のループ導体１２Ｓ上に設定した。即ち、本シミュレーションでは、上述の実施形態のアンテナ１０とは異なり、給電点は１点とした。

このシミュレーションでは、１〜５ＧＨｚのレンジで高周波電流の周波数を掃引した。図７Ｂ、図８Ｂ、及び図９Ｂは、高周波電流の周波数が１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚのときのアンテナの直上での磁界強度の分布を示している。これらの図においてハッチングで示す領域は、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域である。これらの図から、ループ導体１２Ｓの数が多くなるほど、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域が広くなり、アンテナの特性が良好になることを確認できる。

ここで、図９Ｂから、５個のループ導体１２Ｓに２ＧＨｚの高周波電流を給電した場合が、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域が最も広くなり、アンテナの特性が最も良好になることを確認できる。本実施形態のアンテナ１０の外周側から２番目のループ導体１２Ｄの共振周波数は約２ＧＨｚであり、このループ導体１２Ｄには給電点が設定されている。従って、本実施形態のアンテナ１０は、本シミュレーションで最も特性が良好になる条件を満たしている。

本発明者は、複数のループ導体１２Ｓの給電点の位置による効果の差異を確認するためのシミュレーションを実施した。図１０は、ループ導体１２Ｓを５個にしたアンテナのモデルＡ〜Ｅにおける周波数−磁束量の特性を確認したシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、モデルＡは、最も内側のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＢは、内側から２番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＣは、内側から３番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＤは、内側から４番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＥは、最も外側のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものである。アンテナの磁界の発生領域は、縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域である。

このシミュレーションから、内側から４番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したモデルＤが、広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果が最大化することを確認できる。本実施形態のアンテナ１０の内側から４番目のループ導体１２Ｄには給電点が設定されている。従って、本実施形態のアンテナ１０は、本シミュレーションで確認された広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果を最大化するための条件を満たしている。

本発明者は、ループ導体１２Ｓを多重化することによる広帯域化を確認するためのシミュレーションを実施した。図１１は、図１０に示すモデルＡ〜Ｅの周波数特性を示すグラフである。このグラフの横軸は高周波電流の周波数、縦軸は磁界強度である。

本シミュレーションで用いるモデルＡ〜Ｅのそれぞれのループ導体１２Ｓの共振周波数は、内周側ほど高く外周側ほど低くなるように設定されている。このグラフから、アンテナから発生する磁界強度は、高周波電流の周波数がそれぞれのループ導体１２Ｓの共振周波数と一致するときに増幅されることを確認できる。従って、ループ導体１２Ｓを多重化することによりアンテナの広帯域化を実現できる。

以上説明したように、本実施形態に係るアンテナ１０では、相互に周長が異なる複数のループ導体１２Ａ〜１２Ｅが、周長が大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なる。このような構成を採用したことにより、それぞれのループ導体１２Ａ〜１２Ｅの共振周波数を計測対象の磁界強度やそのレンジに応じて適宜設定できる。また、方形のマイクロ波放射領域内での磁界強度が高い領域を広げることができる。さらに、アンテナ１０から発生される磁界強度を共振を利用して増幅できる。これにより、アンテナ１０をダイヤモンド素子２のサイズに合わせて小型化した場合でも、その小型化されたアンテナ１０が、１〜５ＧＨｚのような広い周波数帯域で安定して高出力のマイクロ波ＭＷを放射することが可能になる。従って、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２を用いたセンサ１を、小型化の制約の上で、広い周波数帯域で安定して動作させることが可能になる。

また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、発生する磁界強度を共振を利用して増幅するので、小型化の制約の上でアンテナ１０を高出力化すると共に、アンテナ１０に入力するエネルギーを低減することができる。

また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの共振周波数を調整するためのコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅが基板１１の裏面に設けられ、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅとそれぞれに対応するコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅとは、スルーホールＨ１を通して電気的に接続されている。また、ループ導体１２Ｂ，１２Ｄに給電するための給電部１４Ｂ，１４Ｄが基板１１の裏面に形成され、ループ導体１２Ｂ，１２Ｄと給電線ＬとがスルーホールＨ２を通して電気的に接続されている。このような構成を採用したことにより、基板１１のダイヤモンド素子２との対向面に、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅや給電部１４Ｂ，１４Ｄによる凹凸ができることを防止できる。従って、放射素子１２をダイヤモンド素子２に当接させることができ、放射素子１２とダイヤモンド素子２との平行性を確保することができる。

また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、複数のループ導体１２Ａ〜１２Ｅのうちの２つのループ導体１２Ｂ，１２Ｄに給電点が設定されていることにより、給電点がループ導体１２Ｄの１点のみに設定されている場合に比して、方形のマイクロ波放射領域の中心側の磁界強度を高めることができる。

また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、複数のループ導体１２Ａ〜１２Ｅのうちの最も外周側から２番目のループ導体１２Ｄに給電点が設定されている。これにより、給電点が最も外周側のループ導体１２Ｅに設定されている場合に比して、広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果が大きくなる（図１０参照）。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

例えば、本実施形態では、励振対象のカラーセンタを有する素子をＮＶセンタを有するダイヤモンド素子としたが、当該素子を、スズ（Ｓｎ）と空孔とからなるＳｎＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子、シリコン（Ｓｉ）と空孔とからなるＳｉＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子、又はゲルマニウム（Ｇｅ）と空孔とからなるＧｅＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子等の他のものにしてもよい。

また、本実施形態では、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの共振周波数を調整するためにコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを各ループ導体１２Ａ〜１２Ｅに設けたが、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの共振周波数がコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅによる調整無しで所望の値になるのであれば、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを設けなくてもよい。また、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを設ける場合、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを全てのループ導体１２Ａ〜１２Ｅに設けることは必須ではなく、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを設けるループ導体１２Ａ〜１２Ｅとコンデンサ１３Ａ〜１３Ｅを設けないループ導体１２Ａ〜１２Ｅとが混在してもよい。この場合、コンデンサ１３Ａ〜１３Ｅの設置数が１個であってもよい。

また、本実施形態では、５個のループ導体１２Ａ〜１２Ｅを設けたが、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの数は、カラーセンタを有する素子のサイズに応じて適宜増減してもよい。また、本実施形態では、ループ導体１２Ａ〜１２Ｅの形状を方形としたが、円形や三角形等の他のループ形状にしてもよい。また、本明細書に記載の「ループ導体」は、一又は複数のギャップのあることにより有端のものと、ギャップがないことにより無端のものとの双方を含む。さらに、本実施形態では、２個のループ導体１２Ｂ，１２Ｄに給電点を設定したが、給電点の数や位置は、アンテナ１０から発生する磁界強度及び磁界強度分布やカラーセンタを有する素子のサイズ等に応じて適宜設定すればよい。給電線Ｌの本数は１本であってもよい。

１ ：センサ
２ ：ダイヤモンド素子（素子）
３ ：光学系
４ ：光センサ
６ ：電力増幅器（給電器）
１０ ：アンテナ（カラーセンタ励振用アンテナ）
１１ ：基板
１２ ：放射素子
１２Ａ〜１２Ｅ：ループ導体
１３Ａ〜１３Ｅ：コンデンサ
Ｇ１ ：ギャップ（第１のギャップ）
Ｇ２ ：ギャップ（第２のギャップ）
Ｈ１ ：スルーホール（第１のスルーホール）
Ｈ２ ：スルーホール（第２のスルーホール）
Ｌ ：給電線
ＧＬ ：緑色光
ＲＬ ：赤色蛍光
ＭＷ ：マイクロ波

Claims (7)

1. 励振対象のカラーセンタを有する素子に対向して設けられる基板と、
   前記基板における前記素子と対向する第１の面に形成され、高周波電流を給電されてマイクロ波を放射する放射素子と
   を備え、
   前記放射素子は、複数のループ導体を備え、
   前記複数のループ導体は、相互に周方向の長さが異なり、周方向の長さが大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なるカラーセンタ励振用アンテナ。
2. 前記基板の前記第１の面の裏面に設けられた複数又は一のコンデンサを備え、
   前記複数のループ導体の少なくとも一つは、前記コンデンサと重なる位置に第１のギャップが形成され、
   前記基板は、前記コンデンサと前記第１のギャップとに重なる位置に第１のスルーホールが形成され、
   前記第１のギャップが形成された前記ループ導体と前記コンデンサとは、前記第１のスルーホールを通して電気的に接続されている請求項１に記載のカラーセンタ励振用アンテナ。
3. 前記基板の前記第１の面の裏面に形成された一又は複数の給電線を備え、
   前記複数のループ導体の少なくとも一つは、前記給電線と重なる位置に第２のギャップが形成され、
   前記基板は、前記給電線と前記第２のギャップとに重なる位置に第２のスルーホールが形成され、
   前記第２のギャップが形成された前記ループ導体と前記給電線とは、前記第２のスルーホールを通して電気的に接続されている請求項１又は２に記載のカラーセンタ励振用アンテナ。
4. 前記複数のループ導体の少なくとも一つは、給電点が設定されている請求項１〜３の何れか１項に記載のカラーセンタ励振用アンテナ。
5. 前記給電点は、前記複数のループ導体のうちの最も外周側から２番目のものに設定されている請求項４に記載のカラーセンタ励振用アンテナ。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のカラーセンタ励振用アンテナと、
   前記基板の前記第１の面に対向して配され前記カラーセンタ励振用アンテナにより励振されるカラーセンタを有する素子と、
   前記放射素子に周波数可変の高周波電流を給電する給電器と
   を備え、
   前記カラーセンタ励振用アンテナから前記素子に周波数可変のマイクロ波を放射させるセンサ。
7. 緑色光を前記素子に照射する光学系と、
   前記素子から発生する赤色蛍光の輝度を検出する光センサと
   を備え、
   前記光センサが検出する前記赤色蛍光の輝度に応じて、磁界、電界、及び温度の少なくとも一つを計測する請求項６に記載のセンサ。

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