JP2022098572A - Sensor - Google Patents

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和義 加々美
Kazuyoshi Kagami
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Abstract

To provide a sensor capable of generating a uniform magnetic field in a wide frequency band to an element having a color center such as an NV center, and capable of coping with miniaturization of the sensor.SOLUTION: A sensor includes a diamond element 2 having an NV center, a pair of antennas 10 provided with the diamond element 2 sandwiched therebetween, and a feeder for supplying a frequency-variable high frequency current to the pair of antennas 10. A plurality of loop conductors provided in the radiation element 12 of the antenna 10 have mutually different lengths in the circumferential direction, and are arranged so as to be spaced apart on the outer peripheral side in a multiplexed manner as the length in the circumferential direction increases, and have mutually different resonance frequencies. The feeder supplies the high frequency current to the radiation element 12 of a pair of antennas 10 so that a magnetic flux induced by the radiation element 12 of one antenna 10 and a magnetic flux induced by the radiation element 12 of the other antenna 10 pass through the diamond element 2 in the same direction.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、センサに関する。 The present invention relates to a sensor.

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NVセンタにゼーマン分裂を生じさせることにより、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。 A sensor that measures a magnetic field by the principle of Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) using a diamond element having an NV center is known (see, for example, Patent Document 1). In this sensor, green light as excitation light is irradiated to the NV center, and microwaves are irradiated to the NV center while sweeping the frequency, and red fluorescence emitted from the NV center is detected. In this sensor, when a microwave having a resonance frequency is applied to the NV center, electron spin resonance occurs in the NV center and the brightness of the red fluorescence emitted from the NV center decreases. Here, the magnetic field causes Zeeman splitting in the NV center, which causes at least two red fluorescence luminance drop points during microwave frequency sweep. Since Zeeman splitting in the NV center occurs in a magnitude proportional to the magnetic field strength, the difference in microwave frequency (hereinafter referred to as frequency split) corresponding to the brightness reduction points of the two red fluorescence points is proportional to the magnetic field strength. And get bigger. Thereby, the magnetic field strength can be detected based on the magnitude of the split of the frequency of the microwave.

国際公開第2015/107907号International Publication No. 2015/107907

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。 By the way, a battery sensor for measuring the remaining battery level of an electric vehicle (xEV) is required to expand the measurement range with the expansion of the output current range of the electric vehicle. When the above-mentioned sensor is used for this battery sensor, the range of fluctuation of the microwave frequency split is expanded. Therefore, an antenna capable of operating the sensor in a wide frequency band is required.

また、電池センサに上述のセンサを用いる場合、NVセンタに対して、広い周波数帯域で一様な磁界を発生させる必要があるところ、コプレーナ線路をアンテナとして使用した場合には、周波数を変化させると磁界強度の分布が変化し、NVセンタの位置で磁界に強弱が生じることが確認されている(図16参照)。さらに、電池センサには小型化の要求もあるところ、コプレーナ線路はダイヤモンド素子の100倍以上の寸法になる。 Further, when the above-mentioned sensor is used as the battery sensor, it is necessary to generate a uniform magnetic field in a wide frequency band with respect to the NV center, but when the coplanar line is used as an antenna, the frequency is changed. It has been confirmed that the distribution of the magnetic field strength changes and the strength of the magnetic field changes at the position of the NV center (see FIG. 16). Further, there is a demand for miniaturization of the battery sensor, and the coplanar line has a size more than 100 times that of the diamond element.

本発明は、上記事情に鑑み、NVセンタ等のカラーセンタを有する素子に対して、広い周波数帯域で一様な磁界を発生させることができ、且つ、センサの小型化にも対応できるセンサを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a sensor that can generate a uniform magnetic field in a wide frequency band for an element having a color center such as an NV center, and can also cope with miniaturization of the sensor. The purpose is to do.

本発明のセンサは、励振対象のカラーセンタを有する素子と、前記素子を挟んで設けられた一対のカラーセンタ励振用アンテナと、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナに周波数可変の高周波電流を供給する給電器とを備え、前記カラーセンタ励振用アンテナは、前記素子に対向して設けられた基板と、前記基板における前記素子と対向する面に形成され、前記給電器により前記高周波電流を供給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、複数の前記ループ導体は、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り、前記給電器は、一方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束と他方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束とが同じ向きで前記素子を通過するように、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子に前記高周波電流を供給する。 The sensor of the present invention supplies a variable-frequency high-frequency current to an element having a color center to be excited, a pair of color center-exciting antennas provided across the element, and a pair of the color-center-exciting antennas. The color center excitation antenna is provided with a feeder, and is formed on a substrate facing the element and a surface of the substrate facing the element, and the high-frequency current is supplied by the feeder. The radiating element includes a radiating element that radiates a microwave, and the radiating element includes a plurality of loop conductors. The plurality of loop conductors have different circumferential lengths from each other. They are multiplely spaced apart from each other so as to be located at, and have different resonance frequencies from each other. The high-frequency current is supplied to the radiation element of the pair of color center excitation antennas so that the magnetic flux formed by the radiation element of the color center excitation antenna passes through the element in the same direction.

また、本発明のセンサは、励振対象のカラーセンタを有する素子と、前記素子を挟んで設けられた一対のカラーセンタ励振用アンテナと、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナに周波数可変の高周波電流を供給する給電器とを備え、前記カラーセンタ励振用アンテナは、前記素子の表面に形成され、前記給電器により前記高周波電流を供給されてマイクロ波を放射する放射素子を備え、前記放射素子は、複数のループ導体を備え、複数の前記ループ導体は、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り、前記給電器は、一方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束と他方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束とが同じ向きで前記素子を通過するように、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子に前記高周波電流を供給する。 Further, in the sensor of the present invention, a high frequency current having a variable frequency is applied to an element having a color center to be excited, a pair of color center excitation antennas provided across the element, and a pair of the color center excitation antennas. The color center excitation antenna is formed on the surface of the element, and includes a radiating element to which the high-frequency current is supplied by the feeding device to radiate microwaves. A plurality of loop conductors are provided, and the plurality of loop conductors have different circumferential lengths from each other, and are arranged at intervals from each other so as to be located on the outer peripheral side as the circumferential length increases. The resonance frequencies are different from each other, and the feeder has a magnetic current formed by the radiating element of one of the color center exciting antennas and a current flux formed by the radiating element of the other color center exciting antenna. The high-frequency current is supplied to the radiating element of the pair of the color center excitation antennas so that the antennas pass through the element in the same direction.

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に対して、広い周波数帯域で一様な磁界を発生させることができ、且つ、センサの小型化にも対応できる。 According to the present invention, a uniform magnetic field can be generated in a wide frequency band for an element having a color center such as an NV center, and the sensor can be miniaturized.

図1は、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。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a sensor according to an embodiment of the present invention. 図2は、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。FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of a diamond element having an NV center. 図3は、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。FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of a diamond quantum sensor including a diamond element having an NV center and measuring magnetic field strength and the like by the principle of optical detected magnetic resonance. 図4は、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。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the brightness reduction point of red fluorescence during microwave frequency sweep, the microwave frequency, and the magnetic field strength. 図5は、図1に示すアンテナを表面側から示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing the antenna shown in FIG. 1 from the front surface side. 図6は、図1に示すアンテナを表面側から示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing the antenna shown in FIG. 1 from the front surface side. 図7は、図1に示す一対のアンテナとダイヤモンド素子とを示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing the pair of antennas and the diamond element shown in FIG. 図8は、図7に示す一対のアンテナとダイヤモンド素子とを、基板を不図示にして示した斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing the pair of antennas and the diamond element shown in FIG. 7 with the substrate not shown. 図9は、図7及び図8に示す一対のアンテナによって形成される磁界を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a magnetic field formed by the pair of antennas shown in FIGS. 7 and 8. 図10は、図7及び図8に示す一対のアンテナによって形成される磁界を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a magnetic field formed by the pair of antennas shown in FIGS. 7 and 8. 図11は、実施例の一対のアンテナの磁界強度のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a simulation result of the magnetic field strength of the pair of antennas of the embodiment. 図12は、ループ導体を3個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having three loop conductors. 図13は、ループ導体を4個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having four loop conductors. 図14は、ループ導体を5個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having five loop conductors. 図15は、比較例のアンテナの磁界強度のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the simulation results of the magnetic field strength of the antenna of the comparative example. 図16は、第2の比較例のアンテナの磁界強度の分布を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the distribution of the magnetic field strength of the antenna of the second comparative example.

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る。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to preferred embodiments. The present invention is not limited to the embodiments shown below, and can be appropriately modified without departing from the spirit of the present invention. Further, in the embodiments shown below, some parts of the configuration are not shown or explained, but the details of the omitted techniques are within the range where there is no contradiction with the contents described below. , Known or well-known techniques are applied as appropriate.

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一対のアンテナ10と、一対のアンテナ10に高周波電流を供給する電力増幅器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。 FIG. 1 is a diagram showing an outline of a sensor 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in this figure, the sensor 1 is generated by the diamond element 2 having an NV center, the optical system 3 that irradiates the diamond element 2 with green light GL as excitation light, and the electron spin resonance of the NV center. A pair of an optical sensor 4 that detects an optical signal, a control / arithmetic processing unit 5 that processes an optical signal detected by the optical sensor 4 and controls the entire sensor 1, and a pair of diamond elements 2 that irradiate a variable frequency microwave. The antenna 10 is provided with a power amplifier 6 for supplying a high-frequency current to the pair of antennas 10. The sensor 1 irradiates the NV center with green light GL and irradiates the NV center with microwaves while sweeping the frequency, and measures the magnetic field strength, electric field strength, temperature, etc. of the measurement target by the principle of optical detected magnetic resonance.

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。 The diamond element 2 is formed, for example, in the shape of a square plate having a length of 2 to 5 mm and a width of 2 to 5 mm. That is, the diamond element 2 is a small plate-shaped element having a vertical and horizontal dimension of less than 10 mm.

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。詳細は後述するが、一対のアンテナ10は、ダイヤモンド素子2を挟む。そして、それぞれのアンテナ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。 On the other hand, the antenna 10 is, for example, a planar antenna having a square microwave radiation region of 2 to 5 mm in length × 2 to 5 mm in width. That is, the antenna 10 is a planar antenna having a small-sized microwave radiation region having a vertical and horizontal dimension of less than 10 mm. Although the details will be described later, the pair of antennas 10 sandwich the diamond element 2. Then, the surface of each antenna 10 that emits microwaves and one surface of the diamond element 2 face each other without leaving a gap.

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=-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。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the diamond element 2 having an NV center. As shown in this figure, the NV center is a complex impurity consisting of a pair of nitrogen (Nitrogen) that has entered the carbon substitution position in the diamond lattice and vacancy (Vacancy) in which the carbon atom adjacent to this nitrogen has escaped. It is a defect. When this NV center captures one electron from the neutral charge state NV0 and becomes NV , it forms an electron spin triplet state with magnetic quantum numbers ms = -1, 0, +1. The diamond quantum sensor uses this electron spin triplet state to measure a magnetic field, an electric field, temperature, distortion, and the like.

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=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=±1の状態)から励起された場合には小さくなる。 FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of a diamond quantum sensor including a diamond element 2 having an NV center and measuring magnetic field strength and the like by the principle of optical detected magnetic resonance. As shown in FIGS. 2 and 3, the NV center emits red fluorescent RL when irradiated with green light GL as excitation light. The brightness of this red fluorescent RL is large when the NV center is excited from the ground state (the state where the magnetic quantum number ms = 0 of the electron spin), whereas the NV center is the level at which electron spin resonance occurs. It becomes smaller when excited from (state of magnetic quantum number ms = ± 1 of electron spin).

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=±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。 Here, when the NV center is irradiated with a microwave MW having a resonance frequency (about 2.8 GHz) when the magnetic field strength is 0, the NV center causes an electron spin resonance (ESR) level (m S =). Transition to ± 1). Some of the electrons photoexcited from this level do not contribute to light emission by returning to the ground state through a non-radiative transition. Therefore, as described above, when the NV center is excited from the level at which electron spin resonance occurs, the brightness of the red fluorescent RL decreases.

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,B,B(B>B>B>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-f)は、磁界強度Bに比例して大きくなる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the luminance drop point of the red fluorescent RL at the time of frequency sweeping of the microwave MW, the frequency of the microwave MW, and the magnetic field intensity B. As shown in this graph, when the magnetic field strength B is 0, the luminance drop point of the red fluorescent RL is only one point, whereas the magnetic field strength B is a value B 1 , B 2 , B 3 larger than 0. When (B 3 > B 2 > B 1 > 0), the red fluorescent RL
There are two points of decrease in brightness. Here, the split Δf (= f 2 -f 1 ) of the frequency of the microwave MW corresponding to the brightness reduction points of the two red fluorescent RLs increases in proportion to the magnetic field strength B.

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。また、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。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。さらに、アンテナ10には、ダイヤモンド素子2に対して、広い周波数帯域で一様な磁界を生じさせることが要求される。 By the way, the sensor 1 of the present embodiment is used as a battery sensor for measuring the remaining battery level of the electric vehicle. Here, the range of the output current of the electric vehicle is wide, for example, from 10 mA to a value exceeding 1000 A. Along with this, the antenna 10 of the sensor 1 of the present embodiment is required to have the ability to sweep the microwave MW in a wide frequency band such as 1 to 5 GHz, and to have stable high output in this wide frequency band. Will be done. Further, it is required to reduce the size of the antenna 10 according to the size of the diamond element 2. That is, the antenna 10 is required to satisfy the above performance due to the constraint of miniaturization. Further, the antenna 10 is required to generate a uniform magnetic field in a wide frequency band with respect to the diamond element 2.

以下、一対のアンテナ10について説明する。図5は、図1に示すアンテナ10を表面側から示す斜視図であり、図6は、図1に示すアンテナ10を表面側から示す平面図である。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と、給電線14A,14Bとを備える。一対のアンテナ10は、同一の構成である。 Hereinafter, the pair of antennas 10 will be described. 5 is a perspective view showing the antenna 10 shown in FIG. 1 from the front surface side, and FIG. 6 is a plan view showing the antenna 10 shown in FIG. 1 from the front surface side. As shown in these figures, the antenna 10 includes a substrate 11, a radiating element 12, a plurality of capacitors 13A and 13B, and feeder lines 14A and 14B. The pair of antennas 10 have the same configuration.

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の一方の方形の面と対向する。本実施形態では、マイクロ波放射領域は、基板11の四辺のうちの一辺(図6中の上側の一辺)に寄った位置に配されている。 The substrate 11 is a rectangular plate material, and is formed of, for example, a material used in a printed circuit board or the like. A square microwave radiation region is set on the surface of the substrate 11, and the microwave radiation region faces one of the square surfaces of the diamond element 2. In the present embodiment, the microwave radiation region is arranged at a position closer to one side (upper side in FIG. 6) of the four sides of the substrate 11.

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を備える。複数のループ導体12A,12B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,12B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,12B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。 The radiating element 12 includes a plurality of loop-shaped conductors (hereinafter referred to as loop conductors) 12A and 12B. The plurality of loop conductors 12A and 12B are formed in the microwave radiation region of the substrate 11. The loop conductors 12A and 12B are conductive foils such as copper foil, and are formed in a rectangular loop shape (annular shape). Examples of the method for forming the loop conductors 12A and 12B include copper foil etching and the like.

ループ導体12A,12B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,12BにはギャップG1~G3が設けられているが、このギャップG1~G3の部分を含めたループ導体12A,12Bの周方向の長さを、ループ導体12A,12Bの周長と称する。 The loop conductors 12A and 12B have different lengths in the circumferential direction. As will be described later, the loop conductors 12A and 12B are provided with gaps G1 to G3, and the length of the loop conductors 12A and 12B including the gaps G1 to G3 in the circumferential direction is set to the loop conductor 12A. , 12B circumference.

ループ導体12A,12Bの周長は、12A,12Bの順に大きくなる。周長が最大(1番目)のループ導体12Bは、マイクロ波放射領域の最外周部に形成されている。周長が最小(2番目)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。 The peripheral lengths of the loop conductors 12A and 12B increase in the order of 12A and 12B. The loop conductor 12B having the maximum peripheral length (first) is formed at the outermost peripheral portion of the microwave radiation region. The loop conductor 12A having the minimum peripheral length (second) is formed on the inner peripheral side of the loop conductor 12B with a space between the loop conductor 12B and the loop conductor 12B.

ループ導体12A,12Bの中心は、一致している。なお、3個以上のループ導体を備える場合は、その3個以上のループ導体は、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る。 The centers of the loop conductors 12A and 12B are aligned. When three or more loop conductors are provided, the three or more loop conductors are arranged at equal intervals from the central portion to the outermost peripheral portion of the microwave radiation region.

ループ導体12Aには1個のギャップG1が形成され、ループ導体12Bには、2個のギャップG2,G3が形成されている。3個のギャップG1~G3は、同一直線上に並ぶように整列されている。この3個のギャップG1~G3を通る直線は、ループ導体12A,12Bの中心を通りループ導体12A,12Bの図6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,12Bは、図6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の図6中の上側の一辺に形成され、ギャップG2は、ループ導体12Bの図6中の上側の一辺に形成され、ギャップG3は、ループ導体12Bの図6中の下側の一辺に形成されている。 One gap G1 is formed in the loop conductor 12A, and two gaps G2 and G3 are formed in the loop conductor 12B. The three gaps G1 to G3 are arranged so as to be aligned on the same straight line. The straight line passing through the three gaps G1 to G3 passes through the center of the loop conductors 12A and 12B and is orthogonal to the opposite sides of the loop conductors 12A and 12B arranged in parallel in the vertical direction in FIG. Here, where each of the loop conductors 12A and 12B has opposite sides arranged in parallel vertically in FIG. 6, the gap G1 is formed on the upper side of the loop conductor 12A in FIG. 6, and the gap G2 is formed. The loop conductor 12B is formed on the upper side in FIG. 6, and the gap G3 is formed on the lower side of the loop conductor 12B in FIG.

複数のコンデンサ13A,13Bは、基板11の裏面に実装されている。複数のコンデンサ13A,13Bは、基板11の裏面の図6中左右方向の中央部に1列に並べて整列されている。 The plurality of capacitors 13A and 13B are mounted on the back surface of the substrate 11. The plurality of capacitors 13A and 13B are arranged side by side in a row at the center of FIG. 6 in the left-right direction on the back surface of the substrate 11.

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。 The capacitor 13A is arranged at a position overlapping the gap G1 of the loop conductor 12A, and is electrically connected to the loop conductor 12A through a through hole. The capacitor 13A has a function of adjusting the resonance frequency of the loop conductor 12A. The resonance frequency of the loop conductor 12A is adjusted to the first frequency (for example, about 5 GHz).

コンデンサ13Bは、ループ導体12BのギャップG2と重なる位置に配され、スルーホールをとおしてループ導体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1GHz)に調整されている。 The capacitor 13B is arranged at a position overlapping the gap G2 of the loop conductor 12B, and is electrically connected to the loop conductor 12B through a through hole. The capacitor 13B has a function of adjusting the resonance frequency of the loop conductor 12B. The resonance frequency of the loop conductor 12B is adjusted to a second frequency (for example, about 1 GHz) lower than the first frequency.

給電線14A,14Bは、基板11の表面に形成された導波路である。給電線14A,14Bは、銅箔等の導電性の箔であり、直線状に形成されている。給電線14A,14B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。 The feeder lines 14A and 14B are waveguides formed on the surface of the substrate 11. The feeder lines 14A and 14B are conductive foils such as copper foils, and are formed in a straight line. Examples of the method for forming the feeder lines 14A and 14B include copper foil etching and the like.

給電線14A,14Bは、基板11の表面に相互に平行に形成されている。給電線14A,14Bの一端は、基板11の四辺のうちの一辺(図6中の下側の一辺)に重なるように配され、電力増幅器6(図1参照)が接続されている。他方で、給電線14A,14Bの他端は、ループ導体12BのギャップG3を挟むように配され、ループ導体12Bの一端又は他端に接続されている。 The feeder lines 14A and 14B are formed parallel to each other on the surface of the substrate 11. One end of the feeder lines 14A and 14B is arranged so as to overlap one of the four sides of the substrate 11 (the lower side in FIG. 6), and the power amplifier 6 (see FIG. 1) is connected to the feeder line 14A and 14B. On the other hand, the other ends of the feeder lines 14A and 14B are arranged so as to sandwich the gap G3 of the loop conductor 12B, and are connected to one end or the other end of the loop conductor 12B.

図7は、図1に示す一対のアンテナ10とダイヤモンド素子2とを示す斜視図である。図8は、図7に示す一対のアンテナ10とダイヤモンド素子2とを、基板11を不図示にして示した斜視図である。これらの図に示すように、一対のアンテナ10は、マイクロ波放射領域でダイヤモンド素子2を挟み込むように配されている。具体的には、外周側のループ導体12Bにより囲繞された方形の領域と、ダイヤモンド素子2の一方の方形の面とは、縦辺の長さと横辺の長さが同等であり、中心位置も一致している。また、一対のアンテナ10は、給電線14A,14Bが相互に放射素子12の中心に対して対称に配されている。なお、外周側のループ導体12Bにより囲繞された方形の領域とダイヤモンド素子2のNVセンタとが対向していればよく、外周側のループ導体12Bとダイヤモンド素子2との寸法の関係は上記に限定されるものではない。例えば、ダイヤモンド素子2の一方の方形の面の縦横の長さが、外周側のループ導体12Bに囲繞された方形の領域の縦横の長さよりも大きかったり、外周側のループ導体12Bに囲繞された方形の領域の縦横の長さが、ダイヤモンド素子2の一方の方形の面の縦横の長さよりも大きかったりしてもよい。 FIG. 7 is a perspective view showing the pair of antennas 10 and the diamond element 2 shown in FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the pair of antennas 10 and the diamond element 2 shown in FIG. 7 with the substrate 11 not shown. As shown in these figures, the pair of antennas 10 are arranged so as to sandwich the diamond element 2 in the microwave radiation region. Specifically, the square region surrounded by the loop conductor 12B on the outer peripheral side and one square surface of the diamond element 2 have the same length of the vertical side and the length of the horizontal side, and the center position is also the same. Match. Further, in the pair of antennas 10, the feeder lines 14A and 14B are arranged symmetrically with respect to the center of the radiating element 12. It is sufficient that the square region surrounded by the loop conductor 12B on the outer peripheral side and the NV center of the diamond element 2 face each other, and the dimensional relationship between the loop conductor 12B on the outer peripheral side and the diamond element 2 is limited to the above. It is not something that will be done. For example, the vertical and horizontal lengths of one square surface of the diamond element 2 are larger than the vertical and horizontal lengths of the square region surrounded by the loop conductor 12B on the outer peripheral side, or are surrounded by the loop conductor 12B on the outer peripheral side. The vertical and horizontal lengths of the square region may be larger than the vertical and horizontal lengths of one of the square surfaces of the diamond element 2.

以上のような構成の一対のアンテナ10は、電力増幅器6(図1参照)から給電線14A,14Bを通して周波数可変の高周波電流を供給され、ループ導体12A,12Bから周波数可変のマイクロ波MWを放射する。一対のアンテナ10に供給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,12Bの何れかにおいて共振が生じ、共振により増幅された磁界がループ導体12A,12Bから発生する。 The pair of antennas 10 having the above configuration are supplied with a frequency-variable high-frequency current from the power amplifier 6 (see FIG. 1) through the feeder lines 14A and 14B, and radiate the frequency-variable microwave MW from the loop conductors 12A and 12B. do. The frequency of the high frequency current supplied to the pair of antennas 10 is swept. Resonance occurs in any of the loop conductors 12A and 12B according to the frequency of the high frequency current at the time of frequency sweep, and the magnetic field amplified by the resonance is generated from the loop conductors 12A and 12B.

ここで、電力増幅器6から出力される高周波電流は、不図示の分配器で分配されて一対のアンテナ10に対して供給される。これにより、周波数及び位相が同期した高周波電流が一対のアンテナ10に供給される。また、高周波電流は、一対のアンテナ10のループ導体12Bにおいて同じ方向(図中矢印Aで示す時計周り方向)に流れるように、一対のアンテナ10に対して供給される。 Here, the high-frequency current output from the power amplifier 6 is distributed by a distributor (not shown) and supplied to the pair of antennas 10. As a result, a high frequency current whose frequency and phase are synchronized is supplied to the pair of antennas 10. Further, the high frequency current is supplied to the pair of antennas 10 so as to flow in the same direction (clockwise direction indicated by the arrow A in the figure) in the loop conductor 12B of the pair of antennas 10.

図9及び図10は、図7及び図8に示す一対のアンテナ10によって形成される磁界を示す断面図である。図9は、一対のアンテナ10に周波数が1GHzの高周波電流を供給した場合に一対のアンテナ10によって形成される磁界のシミュレーション結果を示す。また、図10は、一対のアンテナ10に周波数が5GHzの高周波電流を供給した場合に一対のアンテナ10によって形成される磁界のシミュレーション結果を示す。 9 and 10 are cross-sectional views showing a magnetic field formed by the pair of antennas 10 shown in FIGS. 7 and 8. FIG. 9 shows a simulation result of a magnetic field formed by the pair of antennas 10 when a high frequency current having a frequency of 1 GHz is supplied to the pair of antennas 10. Further, FIG. 10 shows a simulation result of a magnetic field formed by the pair of antennas 10 when a high frequency current having a frequency of 5 GHz is supplied to the pair of antennas 10.

上述したように、周波数及び位相が同期した高周波電流が、相互に対向した一対のループ導体12Bにおいて同方向に流れる。そして、相互に対向した一対のループ導体12A,12Bの間にダイヤモンド素子2が存在する。これにより、図9及び図10に示すように、一方の放射素子12により形成される磁束と他方の放射素子12により形成される磁束とが、同じ向き(ダイヤモンド素子2の両面に対して垂直な方向)でダイヤモンド素子2を通過する。即ち、一方の放射素子12により形成される磁束と他方の放射素子12により形成される磁束とが、ダイヤモンド素子2の位置において重畳される。この現象は、一対のループ導体12Bに供給する高周波電流の周波数が、1GHzの場合と5GHzの場合との双方で生じることが、本願の発明者が実施したシミュレーションにより確認されている。従って、本実施形態のセンサ1によれば、ダイヤモンド素子2と同等の寸法のマイクロ波放射量域を備える一対のアンテナ10を用いて、NVセンタに対し、広い周波数帯域で一様な磁界を発生させることができる。 As described above, high frequency currents synchronized in frequency and phase flow in the same direction in the pair of loop conductors 12B facing each other. The diamond element 2 is present between the pair of loop conductors 12A and 12B facing each other. As a result, as shown in FIGS. 9 and 10, the magnetic flux formed by one radiating element 12 and the magnetic flux formed by the other radiating element 12 are in the same direction (perpendicular to both sides of the diamond element 2). It passes through the diamond element 2 in the direction). That is, the magnetic flux formed by one radiating element 12 and the magnetic flux formed by the other radiating element 12 are superimposed at the position of the diamond element 2. It has been confirmed by the simulation carried out by the inventor of the present application that this phenomenon occurs in both the case where the frequency of the high frequency current supplied to the pair of loop conductors 12B is 1 GHz and the case where the frequency is 5 GHz. Therefore, according to the sensor 1 of the present embodiment, a uniform magnetic field is generated in a wide frequency band with respect to the NV center by using a pair of antennas 10 having a microwave radiation amount range having the same dimensions as the diamond element 2. Can be made to.

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説明する。図11は、実施例のアンテナの磁界強度(ダイヤモンド素子2に設定した観測ライン上での磁界強度)のシミュレーション結果を示すグラフである。この図中に示すように、観測ラインは、ダイヤモンド素子2の厚さ方向の中央部に設定されている。この観測ラインは、ダイヤモンド素子2の対辺の一方から他方へダイヤモンド素子2の中心点を通過するように設定されている。観測ラインの図中左端は、グラフの0.0[mm]の位置に相当し、観測ラインの図中右端は、グラフの2.0[mm]の位置に相当する。 Hereinafter, a simulation carried out by the present inventor to confirm the effect of the antenna 10 of the present embodiment will be described. FIG. 11 is a graph showing a simulation result of the magnetic field strength of the antenna of the embodiment (magnetic field strength on the observation line set on the diamond element 2). As shown in this figure, the observation line is set at the center of the diamond element 2 in the thickness direction. This observation line is set so as to pass through the center point of the diamond element 2 from one of the opposite sides of the diamond element 2 to the other. The left end of the observation line in the figure corresponds to the position of 0.0 [mm] in the graph, and the right end of the observation line in the figure corresponds to the position of 2.0 [mm] in the graph.

本シミュレーションでは、一対のループ導体12Bに対して、周波数及び位相が同期した高周波電流を、同じ方向に流れるように供給し、ダイヤモンド素子2を通過する磁束を発生させた。高周波電流の周波数を、1GHz,2GHz,3GHz,4GHz,5GHzと変化させた。その結果、図11のグラフに示すように、1~5GHzの何れの周波数でも、磁界強度が約8.0[A/m]以上になることを確認できる。また、観測ラインの中心(1.0mmの位置)での磁界強度が観測ラインの両側(0.3mm、1.7mmの位置)での磁界強度と同等の高さであることを確認できる。 In this simulation, a high-frequency current having a synchronized frequency and phase was supplied to the pair of loop conductors 12B so as to flow in the same direction, and a magnetic flux passing through the diamond element 2 was generated. The frequency of the high frequency current was changed to 1 GHz, 2 GHz, 3 GHz, 4 GHz, and 5 GHz. As a result, as shown in the graph of FIG. 11, it can be confirmed that the magnetic field strength is about 8.0 [A / m] or more at any frequency of 1 to 5 GHz. Further, it can be confirmed that the magnetic field strength at the center of the observation line (position of 1.0 mm) is as high as the magnetic field strength at both sides of the observation line (position of 0.3 mm and 1.7 mm).

本発明者は、ループ導体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12は、ループ導体12Sを3個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。図13は、ループ導体12Sを4個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。図14は、ループ導体12Sを5個にしたアンテナの直上での磁界強度のシミュレーション結果を示す図である。これらのシミュレーションのモデルでは、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。 The present inventor carried out a simulation for confirming the difference in effect depending on the number of loop conductors. FIG. 12 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having three loop conductors 12S. FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having four loop conductors 12S. FIG. 14 is a diagram showing a simulation result of the magnetic field strength directly above the antenna having five loop conductors 12S. In these simulation models, a capacitor 13S is set on the upper side of the pair of upper and lower opposite sides of each loop conductor 12S.

このシミュレーションでの磁界強度は、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番目のループ導体上に設定した。 The magnetic field strength in this simulation is the magnetic field strength in a rectangular region of 5 mm in length × 5 mm in width directly above the antenna, and assumes the magnetic field strength in the surface of the diamond element 2 facing the antenna. The magnetic field generation region of the antenna is a rectangular region having a length of 5 mm and a width of 5 mm. The feeding point was set on the second loop conductor from the outer peripheral side in any of the three, four, and five loop conductors 12S.

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12、図13、及び図14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。 In this simulation, the frequency of the high frequency current was swept in the range of 1 to 5 GHz. 12, 13, and 14 show the distribution of the magnetic field strength directly above the antenna when the frequency of the high frequency current is 1 GHz, 2 GHz, 3 GHz, 4 GHz, and 5 GHz. The region shown by hatching in these figures is a region having a magnetic field strength of 10 A / m or more. From these figures, it can be confirmed that as the number of loop conductors 12S increases, the region where the magnetic field strength is 10 A / m or more becomes wider and the antenna characteristics become better.

本発明者は、比較例のアンテナの効果を確認するためにシミュレーションを実施した。図15は、比較例のアンテナの磁界強度のシミュレーション結果を示すグラフである。この図中に示すように、比較例のアンテナの放射素子12’は、共振周波数が3GHz、囲繞する領域が縦2mm横2mmの正方形である一のループ素子である。即ち、比較例のアンテナの放射素子12’は、本実施形態のアンテナ10の放射素子12から内周側のループ導体12Aを除いた構成である。また、比較例のセンサでは、1個のアンテナがダイヤモンド素子2の片側に設けられており、一対のアンテナによりダイヤモンド素子2を挟んだ本実施形態のセンサ1とは構成が異なる。観測ラインは、上記の実施例のシミュレーションと同様に設定されている。 The present inventor carried out a simulation to confirm the effect of the antenna of the comparative example. FIG. 15 is a graph showing the simulation results of the magnetic field strength of the antenna of the comparative example. As shown in this figure, the radiating element 12'of the antenna of the comparative example is a loop element having a resonance frequency of 3 GHz and a surrounding area of a square having a length of 2 mm and a width of 2 mm. That is, the radiating element 12'of the antenna of the comparative example has a configuration in which the loop conductor 12A on the inner peripheral side is removed from the radiating element 12 of the antenna 10 of the present embodiment. Further, in the sensor of the comparative example, one antenna is provided on one side of the diamond element 2, and the configuration is different from that of the sensor 1 of the present embodiment in which the diamond element 2 is sandwiched between the pair of antennas. The observation line is set in the same manner as in the simulation of the above embodiment.

本シミュレーションでは、1個のループ導体のみを備える放射素子12’に対して、高周波電流を供給し、ダイヤモンド素子2を通過する磁束を発生させた。高周波電流の周波数を、1GHz,2GHz,3GHz,4GHz,5GHzと変化させた。その結果、図15のグラフに示すように、上記の実施例に比して、観測ラインの中心(1.0mm)の位置での磁界強度が低くなることを確認できる。特に、周波数が1GHzの場合に、磁界強度が約7.0[A/m]未満となるように、上記の実施例に比して劣ることを確認できる。 In this simulation, a high-frequency current was supplied to the radiating element 12'with only one loop conductor to generate a magnetic flux passing through the diamond element 2. The frequency of the high frequency current was changed to 1 GHz, 2 GHz, 3 GHz, 4 GHz, and 5 GHz. As a result, as shown in the graph of FIG. 15, it can be confirmed that the magnetic field strength at the position of the center (1.0 mm) of the observation line is lower than that of the above embodiment. In particular, when the frequency is 1 GHz, it can be confirmed that the magnetic field strength is inferior to that of the above embodiment so that the magnetic field strength is less than about 7.0 [A / m].

また、本発明者は、第2の比較例のアンテナの効果を確認するためにシミュレーションを実施した。図16は、第2の比較例のアンテナの磁界強度の分布を示す図である。この図に示すように、第2の比較例のアンテナ100は、2本の平行なコプレーナ線路101が基板102上に形成されたものである。ダイヤモンド素子2は、2本のコプレーナ線路101の一部に面して設けられている。図中の破線で示す範囲は、磁界強度が0.1[A/m]未満の磁界強度が著しく低下する範囲である。 In addition, the present inventor carried out a simulation to confirm the effect of the antenna of the second comparative example. FIG. 16 is a diagram showing the distribution of the magnetic field strength of the antenna of the second comparative example. As shown in this figure, the antenna 100 of the second comparative example has two parallel coplanar lines 101 formed on the substrate 102. The diamond element 2 is provided facing a part of the two Coplanar lines 101. The range shown by the broken line in the figure is a range in which the magnetic field strength of less than 0.1 [A / m] is significantly reduced.

本シミュレーションでは、2本のコプレーナ線路101に対して、高周波電流を供給し、磁束を発生させた。高周波電流の周波数を、1GHz,3GHz,5GHzと変化させた。その結果、2本のコプレーナ線路101の周囲に磁束が形成されるものの、磁界強度は、コプレーナ線路101に沿って一様ではないことを確認できる。ここで、周波数が3GHz,5GHzの場合には、著しく磁界強度が低下する範囲が、コプレーナ線路101に沿って所定間隔で生じることを確認できる。特に、周波数が5GHzの場合には、ダイヤモンド素子2と重なる位置において、磁界強度が著しく低下することを確認できる。 In this simulation, a high-frequency current was supplied to the two Coplanar lines 101 to generate magnetic flux. The frequency of the high frequency current was changed to 1 GHz, 3 GHz, and 5 GHz. As a result, it can be confirmed that the magnetic field strength is not uniform along the coplanar line 101, although the magnetic flux is formed around the two coplanar lines 101. Here, when the frequencies are 3 GHz and 5 GHz, it can be confirmed that a range in which the magnetic field strength is remarkably lowered occurs at predetermined intervals along the Coplanar line 101. In particular, when the frequency is 5 GHz, it can be confirmed that the magnetic field strength is remarkably lowered at the position where it overlaps with the diamond element 2.

それに対して、本実施形態のセンサ1では、相互に周長が異なる複数のループ導体12A,12B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,12B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。また、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。さらに、周波数及び位相が同期した高周波電流が、相互に対向した一対のループ導体12Bにおいて同方向に流れることにより、一方の放射素子12により形成される磁束と他方の放射素子12により形成される磁束とが、同じ向きでダイヤモンド素子2を通過する。即ち、一方の放射素子12により形成される磁束と他方の放射素子12により形成される磁束とが、ダイヤモンド素子2の位置において重畳される。従って、本実施形態のセンサ1によれば、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。 On the other hand, in the sensor 1 of the present embodiment, a plurality of loop conductors 12A and 12B having different peripheral lengths are arranged at intervals from each other so as to be located on the outer peripheral side as the peripheral length increases. The resonance frequencies are different from each other. By adopting such a configuration, the resonance frequency of each of the loop conductors 12A and 12B can be appropriately set according to the magnetic field strength to be measured and its range. In addition, it is possible to expand the region where the magnetic field strength is high in the rectangular microwave radiation region. Further, the magnetic field strength generated from the antenna 10 can be amplified by utilizing resonance. Further, a high-frequency current having a synchronized frequency and phase flows in the same direction in a pair of loop conductors 12B facing each other, so that a magnetic flux formed by one radiating element 12 and a magnetic flux formed by the other radiating element 12 Passes through the diamond element 2 in the same direction. That is, the magnetic flux formed by one radiating element 12 and the magnetic flux formed by the other radiating element 12 are superimposed at the position of the diamond element 2. Therefore, according to the sensor 1 of the present embodiment, even when the antenna 10 is miniaturized according to the size of the diamond element 2, the miniaturized antenna 10 is stable in a wide frequency band such as 1 to 5 GHz. It becomes possible to emit a high-power microwave MW. Therefore, the sensor 1 using the diamond element 2 having an NV center can be stably operated in a wide frequency band due to the limitation of miniaturization.

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。 Further, according to the antenna 10 according to the present embodiment, since the generated magnetic field strength is amplified by using resonance, the antenna 10 is increased in output and the energy input to the antenna 10 is increased due to the limitation of miniaturization. Can be reduced.

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。 Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and changes may be made without departing from the spirit of the present invention. May be combined.

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。 For example, in the present embodiment, the element having the color center to be excited is a diamond element having an NV center, but the element is a diamond element having a SnV color center composed of tin (Sn) and pores, silicon ( Other devices such as a diamond element having a SiV color center composed of Si) and holes, or a diamond element having a GeV color center composed of germanium (Ge) and holes may be used.

また、本実施形態では、ループ導体12A,12Bの共振周波数を調整するためにコンデンサ13A,13Bを各ループ導体12A,12Bに設けたが、ループ導体12A,12Bの共振周波数がコンデンサ13A,13B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,13Bを設けなくてもよい。また、コンデンサ13A,13Bを設ける場合、コンデンサ13A,13Bを全てのループ導体12A,12Bに設けることは必須ではなく、コンデンサ13A,13Bを設けるループ導体12A,12Bとコンデンサ13A,13Bを設けないループ導体12A,12Bとが混在してもよい。 Further, in the present embodiment, the capacitors 13A and 13B are provided in the loop conductors 12A and 12B in order to adjust the resonance frequency of the loop conductors 12A and 12B, but the resonance frequency of the loop conductors 12A and 12B depends on the capacitors 13A and 13B. If the desired value can be obtained without adjustment, the capacitors 13A and 13B may not be provided. Further, when the capacitors 13A and 13B are provided, it is not essential to provide the capacitors 13A and 13B to all the loop conductors 12A and 12B, and the loop conductors 12A and 12B provided with the capacitors 13A and 13B and the loop without the capacitors 13A and 13B are provided. Conductors 12A and 12B may be mixed.

また、本実施形態では、2個のループ導体12A,12Bを設けたが、ループ導体12A,12B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,12B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。また、本実施形態では、2個のループ導体12Bに給電点を設定したが、給電点の数や位置は、アンテナ10から発生する磁界の強度及び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14A,14Bの本数は1本であってもよい。 Further, in the present embodiment, the two loop conductors 12A and 12B are provided, but the number of the loop conductors 12A and 12B may be appropriately increased or decreased depending on the size of the element having the color center. Further, in the present embodiment, the shapes of the loop conductors 12A and 12B are square, but other loop shapes such as a circle and a triangle may be used. Further, the "loop conductor" described in the present specification includes both an endless one due to the presence of one or more gaps and an endless one due to the absence of a gap. Further, in the present embodiment, the feeding points are set for the two loop conductors 12B, but the number and positions of the feeding points are determined by the strength and intensity distribution of the magnetic field generated from the antenna 10, the size of the element having the color center, and the like. It may be set appropriately accordingly. The number of feeder lines 14A and 14B may be one.

さらに、本実施形態では、アンテナ10の放射素子12を基板11に設けたが、アンテナ10の放射素子12をダイヤモンド素子2の表面に設けてもよい。即ち、ダイヤモンド素子2の相互に平行な一対の方形の面の一方と他方とにそれぞれアンテナ10の放射素子12を形成してもよい。この場合、基板11が不要になるので、センサ1をさらに小型化できる。 Further, in the present embodiment, the radiating element 12 of the antenna 10 is provided on the substrate 11, but the radiating element 12 of the antenna 10 may be provided on the surface of the diamond element 2. That is, the radiating element 12 of the antenna 10 may be formed on one of the pair of square surfaces parallel to each other of the diamond element 2 and the other. In this case, since the substrate 11 is not required, the sensor 1 can be further miniaturized.

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,12B:ループ導体
13A,13B:コンデンサ
14A,14B:給電線(第1の給電線、第2の給電線)
G1 :ギャップ(第1のギャップ)
G2 :ギャップ(第1のギャップ)
G3 :ギャップ(第2のギャップ)
GL :緑色光
RL :赤色蛍光
MW :マイクロ波
1: Sensor 2: Diamond element (element)
3: Optical system 4: Optical sensor 6: Power amplifier (feeder)
10: Antenna (antenna for color center excitation)
11: Substrate 12: Radiant element 12A, 12B: Loop conductor 13A, 13B: Capacitor 14A, 14B: Feed line (first feed line, second feed line)
G1: Gap (first gap)
G2: Gap (first gap)
G3: Gap (second gap)
GL: Green light RL: Red fluorescent MW: Microwave

Claims (6)

励振対象のカラーセンタを有する素子と、
前記素子を挟んで設けられた一対のカラーセンタ励振用アンテナと、
一対の前記カラーセンタ励振用アンテナに周波数可変の高周波電流を供給する給電器と
を備え、
前記カラーセンタ励振用アンテナは、
前記素子に対向して設けられた基板と、
前記基板における前記素子と対向する面に形成され、前記給電器により前記高周波電流を供給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、
複数の前記ループ導体は、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り、
前記給電器は、一方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束と他方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束とが同じ向きで前記素子を通過するように、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子に前記高周波電流を供給するセンサ。
An element having a color center to be excited and
A pair of color center excitation antennas provided across the element,
The pair of color center excitation antennas is equipped with a feeder that supplies a high-frequency current with variable frequency.
The color center excitation antenna is
A substrate provided facing the element and
A radiating element formed on a surface of the substrate facing the element and supplied with the high frequency current by the feeder to radiate microwaves is provided.
The radiating element comprises a plurality of loop conductors.
The plurality of loop conductors have different lengths in the circumferential direction, and are arranged at intervals so as to be located on the outer peripheral side as the length in the circumferential direction increases, and the resonance frequencies of the plurality of conductors are different from each other. Different,
In the feeder, the magnetic flux formed by the radiating element of one of the color center excitation antennas and the magnetic flux formed by the radiating element of the other color center exciting antenna pass through the element in the same direction. As described above, a sensor that supplies the high frequency current to the radiating element of the pair of color center excitation antennas.
前記給電器は、一対の前記放射素子に対して、周波数及び位相が同期した前記高周波電流を、同じ方向に流れるように供給する請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the feeder supplies the pair of radiating elements with the high-frequency current having a synchronized frequency and phase so as to flow in the same direction. 複数の前記ループ導体の少なくとも一つは、第1のギャップが形成され、
前記第1のギャップと重なる位置に設けられ、前記第1のギャップが形成された前記ループ導体と電気的に接続されたコンデンサを備える請求項1又は2に記載のセンサ。
At least one of the plurality of loop conductors has a first gap formed.
The sensor according to claim 1 or 2, further comprising a capacitor provided at a position overlapping the first gap and electrically connected to the loop conductor in which the first gap is formed.
複数の前記ループ導体の少なくとも一つは、第2のギャップが形成され、前記第2のギャップを挟んで前記ループ導体の一端と他端とが対向し、
前記ループ導体の一端に接続された第1の給電線と、
前記ループ導体の他端に接続された第2の給電線と
を備える請求項1~3の何れか1項に記載のセンサ。
A second gap is formed in at least one of the plurality of loop conductors, and one end and the other end of the loop conductor face each other with the second gap interposed therebetween.
A first feeder connected to one end of the loop conductor,
The sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second feeder connected to the other end of the loop conductor.
励振対象のカラーセンタを有する素子と、
前記素子を挟んで設けられた一対のカラーセンタ励振用アンテナと、
一対の前記カラーセンタ励振用アンテナに周波数可変の高周波電流を供給する給電器と
を備え、
前記カラーセンタ励振用アンテナは、
前記素子の表面に形成され、前記給電器により前記高周波電流を供給されてマイクロ波を放射する放射素子を備え、
前記放射素子は、複数のループ導体を備え、
複数の前記ループ導体は、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り、
前記給電器は、一方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束と他方の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子により形成される磁束とが同じ向きで前記素子を通過するように、一対の前記カラーセンタ励振用アンテナの前記放射素子に前記高周波電流を供給するセンサ。
An element having a color center to be excited and
A pair of color center excitation antennas provided across the element,
The pair of color center excitation antennas is equipped with a feeder that supplies a high-frequency current with variable frequency.
The color center excitation antenna is
A radiating element formed on the surface of the element and supplied with the high frequency current by the feeder to radiate microwaves is provided.
The radiating element comprises a plurality of loop conductors.
The plurality of loop conductors have different lengths in the circumferential direction, and are arranged at intervals so as to be located on the outer peripheral side as the length in the circumferential direction increases, and the resonance frequencies of the plurality of conductors are different from each other. Different,
In the feeder, the magnetic flux formed by the radiating element of one of the color center excitation antennas and the magnetic flux formed by the radiating element of the other color center exciting antenna pass through the element in the same direction. As described above, a sensor that supplies the high frequency current to the radiating element of the pair of color center excitation antennas.
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1~5の何れか1項に記載のセンサ。
An optical system that irradiates the element with green light,
It is equipped with an optical sensor that detects the brightness of red fluorescence generated from the element.
The sensor according to any one of claims 1 to 5, which measures at least one of a magnetic field, an electric field, and a temperature according to the brightness of the red fluorescence detected by the optical sensor.
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