JP2024010321A - 光センサプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で高電圧の信号の測定や電磁ノイズ発生個所及びそのノイズ波形の測定を可能とする光センサプローブを提供する。【解決手段】その場の電界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部１を備え、光センサ部１は、アンテナ３と一体に構成された変調電極４を備えた光変調器２を有し、光変調器２は、分岐干渉型光変調器であり、反射型光変調器であって、入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバ５で構成されている。パッケージ６は、電界に対して遮蔽層となる金属板７で構成され、被測定個所に対向して近接することが可能な先端面８に開口９を有し、開口９の周囲の最外部の表面に絶縁体層１１を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定個所より発生する電界又は磁界の強度変化を光センサ部により光信号に変換して出力光ファイバより出力する光センサプローブに関する。

近年、高速のＣＰＵ等を用いた様々な制御装置が開発されており、誤動作の防止対策のため、電子回路単体から製品全体を試験体として、それらに対して意図的に電磁界の放射またはノイズ電圧の注入を行う耐性試験、例えばＩＥＣ－６１０００－４と呼ばれる規格のイミュニティ試験が実施されている。これらの試験においては、試験を行う電磁界または電圧等の試験環境レベルが規格により規定されており、合否判定は誤動作の有無で行う。しかしながら誤動作を解決するためには、上記試験において回路中に生ずる誤動作の原因となるノイズの発生個所の特定やノイズ波形の検出、電気回路基板上に設置された電気部品の入出力信号や配線上を伝わる電気信号を正確に測定すること等が要求されている。

電気部品や配線の電気信号を測定する一般的な方法は、接触端子を有する電気プローブにより被測定点の電気信号をオシロスコープ等の測定器に導いてその伝達された電圧波形等を測定する方法である。しかし、被測定点のグランドレベルが測定器と異なる場合や、グランドされていない２点間の電圧信号を測定する場合等には、アースからの信号の混入や電気プローブの有する容量の影響などのため、正確な電圧波形の測定が困難となる。特に高周波領域においては上記のグランドや容量の影響は大きい。さらに、ＩＣ、ＬＳＩ等の集積回路において、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスは５０Ωではないものが多いため、入力インピーダンスが小さい電気プローブを使ってノイズ入力電圧を測定すると、電気プローブ側に電流が流れてしまい、本来測定すべきノイズ電圧を低下させるプロービングの負荷効果が生じてしまう。

この問題を解決する手段として、電圧信号を光信号に変換し、その光信号を光ファイバにより測定器に導く光電圧プローブを使用した測定器が開発されている。この方式では、プローブの有する容量成分が非常に小さいため、入力インピーダンスが非常に高く、被測定点と測定器が電気的に完全に分離される。光電圧プローブでは高周波成分まで測定でき、グランドの影響や途中での電気信号ノイズの混入等を防ぐことができる。このような従来の光電圧プローブの例が特許文献１及び２に記載されている。導波路型の光変調器を用いた光電圧プローブであって、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成した分岐干渉型光変調器の２つの変調電極間に接触端子の電圧信号を印加して光強度変調信号を得るものである。

一方、電磁波ノイズは一般的なアンテナで検出可能であるが、測定装置までの途中の電気ケーブルの影響を除くため、上記の光電圧プローブに使用される光変調器等の電極にアンテナパッドを接続して光信号で電磁波ノイズ信号を出力する光電界センサプローブが開発されている。その一例が特許文献３に記載されている。

特許第６８１３７６３号公報 特開２０２０－８５３７号公報 特開２０２１－１１０６４７号公報

自動車の電動化の進展等に伴って高電圧回路が多く使用されており、高電圧回路に対する信号測定や電磁ノイズの検出の要求が高まっている。このような高電圧信号の測定においては、上記の従来の電気プローブだけでなく光電圧プローブを用いてもプローブ端子の接触による回路の正常な動作への影響が生じ、正常な動作における信号の測定が困難な場合が生じている。
また、電磁波ノイズの発生個所の特定やノイズ波形の測定のため、通常の小型アンテナや光電界センサプローブによる計測が試みられているが、電磁波の伝搬方向に対する受信範囲が広いため、同時に試験環境電磁界も受信してしまい、発生したノイズ信号が環境電磁界に埋もれてしまうため電磁波ノイズ信号の発生位置やそのノイズ信号を十分に正確に検出することが困難であった。
以上のように、光電圧プローブや光電界センサプローブ等の従来の光センサプローブでは、高電圧の信号の測定や電磁ノイズ発生個所及びそのノイズ波形の測定等の目的に対しては十分ではなかった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、非接触で高電圧の信号の測定や電磁ノイズ発生個所及びそのノイズ波形の測定を可能とする光センサプローブを提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による光センサプローブは、その場の電界又は磁界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部と、前記光センサ部に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、前記光センサ部と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、被測定個所より発生する電界又は磁界の強度変化を前記光センサ部により光信号に変換して前記出力光ファイバより出力する光センサプローブであって、前記パッケージは、少なくとも一部に前記電界又は前記磁界に対して遮蔽効果を有する材料により構成された遮蔽層を備え、前記遮蔽層は、前記被測定個所に対向して近接することが可能な位置に開口を有することを特徴とする。

本発明の光センサローブにおいては、上記のように、その場の電界又は磁界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部を備えている。ここで、電界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部としては、例えば、従来の光電界センサのように、電気光学効果を利用した光変調器の電極にアンテナパッドを接続して構成することができる。また、電極を持たずポッケルス効果等を有する電気光学媒体により電界の強度に依存して入射光の偏光面を回転させ、偏光性能を持つ検光子を通過させることにより強度変調信号を得る等の構成を用いることが出来る。さらに、磁界についても、ファラデー効果等を有する磁気光学媒体を使用することによりにより磁界の強度に依存して入射光の偏光面を回転させ、偏光子等を通過させて光強度変調信号を得る等の構成を用いることができる。入射光を光センサ部に導く入力光ファイバとしては、光センサ部の必要性に応じて、単一モード光ファイバ、偏光保存光ファイバ等を用いることができ、出力光ファイバとしては入射光の強度や位相が変調される場合は単一モード光ファイバを、偏波面の方向が変調される場合は偏光保存光ファイバを用いることができる。

また、本発明の光センサプローブは、光センサ部を保護し、取り扱いを容易にするためのパッケージを有し、そのパッケージ内に光センサ部と光センサ部に取り付けられた入力光ファイバ及び出力光ファイバの一部を収納している。そのパッケージは、少なくとも一部に遮蔽層を備え、その遮蔽層は、電界を測定する場合は電界に対して遮蔽効果を有する材料により構成され、磁界を測定する場合は磁界に対して遮蔽効果を有する材料により構成されている。さらに、その遮蔽層は、被測定個所に対向して近接することが可能な位置に開口を有し、その開口を通してのみ、測定する電界又は磁界が光センサ部に到達するように構成されている。開口部の面積は光センサプローブの感度に影響するため、開口の形状や大きさは被測定対象の部分の形状および感度に合わせて選択すればよく、異なる開口部形状を持つ筐体を後付けで取り付ける方法でも良い。また、パッケージに備える遮蔽層の領域は、少なくとも目的とする被測定個所以外からの電界や磁界の光センサ部への到達を遮蔽できる領域に設置すればよい。

電気回路の特定の部分の配線や端子を伝搬する電圧信号を検出する場合は、その部分に遮蔽層の開口を近接させ、その配線等の電圧信号により周囲に発生する電界や電流信号により発生する磁界が遮蔽層の開口を通過して光センサ部に到達する成分を検出すればよい。同様に特定部分から発生する電磁波ノイズを検出する場合は、その部分に開口を近接させればよい。このように遮蔽層の開口を有することにより、開口以外から光センサ部に到達する電界や磁界を遮断することができ、被測定個所以外の配線等の電気信号により発生する電界や磁界、及び電磁波ノイズの検出を排除して、目的とする被測定個所の情報を得ることができる。

なお、本発明において、電界の遮蔽効果を得るための遮蔽層の材料としては、金属が代表的な材料であるが、金属以外にもカーボンのような導電体材料や電波吸収体で構成してもよい。磁界の遮蔽効果を得るための遮蔽層はフェライト等の電波吸収体を用いることができる。さらに、遮蔽層は金属と電波吸収体の積層構造であっても良く、その間に絶縁層を加えた積層構造であっても良い。パッケージの形状は光センサ部やそれに取り付けた入力及び出力光ファイバの取り付け部を内部に収納して覆うものであれば任意の形状が可能である。また、遮蔽層はパッケージの最外面に備えてもよいが、パッケージの内面やパッケージを構成する材料の中間層として備えてもよい。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の光センサプローブにおいて、前記パッケージは、少なくとも前記開口及び前記開口の周囲の最外部の表面に絶縁体層を有することを特徴とする。本発明の光センサプローブでは、上記のように高電圧回路に対する信号測定や電磁ノイズの検出を目的としているので、誤って接触する可能性のある開口及び開口の周囲の最外部の表面に絶縁体層を有することにより、パッケージを構成する金属などの導電体が被測定対象の配線等に接触し回路の正常な動作への影響が生じることを防ぐことができる。なお、絶縁体層による電磁波の吸収が小さい場合には、絶縁体層は開口を覆っていてもよい。

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光センサプローブにおいて、前記光センサ部は、その場の電界の強度に依存して電圧を発生するアンテナと、前記アンテナに接続されるか又は前記アンテナと一体に構成された変調電極を備えた光変調器とを有し、前記変調電極に印加された電圧に依存して前記入射光を強度変調して出力することを特徴とする。本発明に使用する光変調器としては、位相変調器等も可能であるが、強度変調器の方が光信号から電気信号への変換が容易であり、受信側の構成が簡単となる。また、アンテナと変調電極の構成としては、光変調器とは別に小型のアンテナをパッケージ内に収納して変調電極に接続するか、又は、変調電極と同じ構造のアンテナパッドを変調電極と一体として作成してもよい。又は変調電極にアンテナとしての機能を持たせること、すなわち、電界により所定の個所に電圧を発生するように変調電極を構成してもよい。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の光センサプローブにおいて、前記光変調器は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であることを特徴とする。本観点の発明は、光変調器として、従来から用いられているニオブ酸リチウム結晶上に形成された光導波路による分岐干渉型光変調器を用いるものである。分岐干渉型光変調器の基本構成は、光の入射側から延びる入力光導波路と、入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、その２本の位相シフト光導波路が合流して光の出射側につながる出力光導波路と、位相シフト導波路に並行に配置された変調電極により構成される。電圧信号を変調電極を介して位相シフト導波路に印加し、位相シフト光導波路の屈折率を変化させ、その２つの位相シフト光導波路を通過した光が合流して干渉し、光強度が変調される。小型、高効率、広帯域の光変調器が得られるので、本発明の光センサプローブに適している。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点の光センサプローブにおいて、前記光変調器は、前記入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする。本観点の発明の反射型光変調器は、入射光を位相シフト導波路において反射させて入射側の光導波路に戻す構成を用いる。このような反射型の光変調器の構成を用いることにより、透過型の光変調器に比べて同じ電極長に対して２倍の長さ光が透過するので、光変調器の高効率化、広帯域化が可能となり、かつ小型化が可能となる。さらに、光変調器に接続される光ファイバが１本であるので取り扱いが容易となる。

第６の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光センサプローブにおいて、前記光センサ部は、その場の磁界の強度に依存して前記入射光の偏光面を回転させる光変調媒体を有し、前記磁界の強度変化に依存して前記入射光の強度、位相、偏光面の少なくとも１つを変調して前記出力光ファイバより出力することを特徴とする。本観点の発明の光センサ部においては、ファラデー効果等の磁気光学効果を有する媒体中を入射光を通過させて磁界の強度に依存して偏光面を回転させる。入力及び出力光ファイバを偏光保存光ファイバで構成して偏波面の回転角を変調して出力する方法や、偏光子等を使用して特定の偏光成分のみを出力し、強度変調光を得て単一モード光ファイバで出力する方法等が可能である。入射光をレンズで平行光に変換してバルク状の光変調媒体中を通過させる構成や、光の通路を光導波路で構成して光導波路中で変調を行う構成等が可能である。電気回路を流れる電流により周囲の磁界が変化するので、本観点の発明を用いてその磁界の変化を検出すれば、電流波形の測定が可能となる。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点の光センサプローブにおいて、記光センサ部は、特定の偏光成分のみを通過する偏光素子を有し、前記磁界の強度変化に依存して前記入射光の強度を変調して前記出力光ファイバより出力することを特徴とする。

第８の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光センサプローブにおいて、前記パッケージは、前記遮蔽層の内側に電磁波の反射を抑制する電波吸収体を有することを特徴とする。本発明において、パッケージの遮蔽層が金属等の電磁波の反射率が大きい物質である場合、測定対象の周波数によってはパッケージの内部での電磁波の反射や共振の発生等により正確な測定が妨げられる可能性がある。本観点の発明はパッケージの内面に電波吸収体層等を設けて測定対象の電磁波の反射を抑制することにより、さらに正確な測定が可能となる。電波の吸収体としては、電波の反射を減少させる機能を有するものであればよい。例えば、材料内部の抵抗によって電波によって発生する電流を吸収する導電性繊維の織物等により構成される導電性電波吸収材料、誘電損失を利用し、カーボン粉等をゴム、発泡ウレタン、発泡ポリスチロール等の誘電体に混合して見かけ上の誘電損失を大きくした誘電性電波吸収材料、磁気損失によって電波を吸収する鉄、ニッケル、フェライト等を使用した磁性電波吸収材料等を用いることができる。また、材料形状としては、シート状の材料、塗布型の材料等も可能である。

上記のように、本発明により、非接触で高電圧の信号の測定や電磁ノイズ発生個所及びそのノイズ波形の測定を可能とする光センサプローブが得られる。

実施例１に係る光センサプローブの構成を模式的に示す図であり、図１（ａ）は透過型の平面図、図１（ｂ）は開口の周囲の部分拡大断面図。 実施例１に係る光センサプローブを用いた測定システムのブロック構成図。 光センサプローブに内蔵される光センサ部が備える反射型の光変調器の構成の一例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＡ－Ａ断面図。 光センサプローブの測定結果の一例を示す図であり、周波数特性を示す図。 光センサプローブの測定結果の一例を示す図であり、電圧振幅特性を示す図。 実施例２に係る光センサプローブの構成を模式的に示す図であり、図６（ａ）は光センサプローブの透過型の平面図、図６（ｂ）は光変調器のＡ－Ａ断面図。 実施例２に係る光センサプローブを用いた測定システムのブロック構成図。 実施例３に係る光センサプローブの構成を模式的に示す透過型の平面図。

以下、図面を参照して本発明の光センサプローブを実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は実施例１に係る光センサプローブの構成を模式的に示す図であり、図１（ａ）は透過型の平面図、図１（ｂ）は開口の周囲の部分拡大断面図である。

図１において、本実施例の光センサプローブ１０は、その場の電界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部１と、光センサ部１に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバとを備えている。ここで、光センサ部１は、その場の電界の強度に依存して電圧を発生するアンテナ３と一体に構成された変調電極４を備えた光変調器２を有し、変調電極４に印加された電圧に依存して入射光を強度変調して出力する。光変調器２は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であり、さらに、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバ５で構成されている。

光センサプローブ１０は、光センサ部１と入出力光ファイバ５の一部を収納したほぼ直方体形状のパッケージ６を備え、パッケージ６は、電界に対して遮蔽効果を有する金属材料により構成された遮蔽層となる金属板７で構成され、金属板７は、被測定個所に対向して近接することが可能な位置、すなわち、直方体の先端面８に開口９を有している。さらに、先端面８の開口９の周囲の最外部の表面に絶縁体層１１を備えている。また、パッケージ６は、内部での電磁波の反射を抑制するため、金属板７の内側に誘電性電波吸収材料等からなる電波吸収体層１２を備えている。

入出力光ファイバ５の先端は、光変調器２の入出射端面と端面同士を接着固定するため、フェルール１３内に挿入され固定されている。光変調器２はパッケージ６に固定された台座等に固定され、入出力光ファイバ５はゴム状の固定部品１４によりパッケージ６に固定されている。

次に、本実施例の光センサプローブ１０を用いた測定システムについて説明する。
図２は実施例１に係る光センサプローブを用いた測定システムのブロック構成図である。図２に示すように、光センサプローブ１０には、光送受信ユニット２１より入出力光ファイバ５を通して入射光１５が送られ、光変調器２より出力される光強度変調信号１６が同じ入出力光ファイバ５より光送受信ユニット２１に入力される。
光送受信ユニット２１は、半導体レーザ等の光源２２、Ｏ／Ｅ変換器２３、入射光１５と光強度変調信号１６を分離するための送受分離器２４、アンプ２５を備えている。光源２２からの出射光は送受分離器２４を通して入出力光ファイバ５に結合し、入出力光ファイバ５から戻る光強度変調信号１６は送受分離器２４を通してＯ／Ｅ変換器２３に入力する。Ｏ／Ｅ変換器２３において光強度変調信号１６は電気信号に変換され、アンプ２５により増幅されて出力端子２６に出力される。その電気信号はオシロスコープ等の測定器２７の入力端子２８に入力される。送受分離器２４は、光サーキュレータ、光ファイバ分岐、半透過ミラーのいずれかを用いて構成することができる。

図２は、被測定個所として、電気回路基板２９上に組み込まれた２つの電気部品間の配線１７に印加されている電圧信号を測定する場合を示している。配線１７を伝搬する電圧信号によりその周囲に電界の変化による電磁波信号が発生し、その電磁波信号は光センサプローブ１０の先端の開口９からパッケージ６内に侵入する。その電磁波信号は、図１に示すように、光センサ部１のアンテナ３により検出されて電圧信号として変調電極４に印加され、入射光１５を光強度変調信号１６に変換する。

以上のように、配線１７を伝搬する電圧信号は光強度変調信号１６に変換される。その光強度変調信号１６は光送受信ユニット２１内で電気信号に変換される。測定器２７によりその電圧波形等を観測することにより配線１７を伝搬する電圧信号波形を把握することができる。

図３は、本実施例の光センサプローブ１０に内蔵される光センサ部１が備える反射型の光変調器２の構成の一例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＡ－Ａ断面図である。

図３において、光変調器２は、電気光学効果を有する結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶からＸカットで切り出して作られた基板３１と、基板３１の上面側にＴｉ拡散によって作られた分岐干渉型光導波路３２と、基板３１の上面側に成膜されたバッファ層３３と、バッファ層３３の上に形成された変調電極４及び変調電極４と一体に形成されたアンテナ３と、基板３１の一方の端部に設置された光反射部３５とから構成されている。変調電極４及びアンテナ３は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。

分岐干渉型光導波路３２は、入力光の入射側に延びる１本の入出力光導波路３２ａと、入出力光導波路３２ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃとから構成されている。入出力光導波路３２ａや位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃでは、延伸方向に垂直な方向の幅Ｗはすべて等しい。また、位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃは、それらの延伸方向の長さはほぼ等しい。

これらの光導波路の幅Ｗは、５～１２μｍの範囲にある。位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃの延伸方向の長さは、１０～３０ｍｍの範囲にある。位相シフト光導波路３２ｂと３２ｃは、その中央部分が幅方向へ所定の間隔で離間し、互いに平行に延びている。中央部分における位相シフト光導波路３２ｂと３２ｃの間の間隔は、１５～５０μｍの範囲にある。なお、入出力光導波路３２ａ、位相シフト光導波路３２ｂ、３２ｃの幅Ｗ、位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃの長さ、位相シフト光導波路３２ｂ、３２ｃ間の間隔について特に限定はなく、それら寸法を任意に設定することができる。

バッファ層３３は、分岐干渉型光導波路３２を伝播する光の一部が変調電極部４やアンテナ３に吸収されることを防止する目的で設けられる。バッファ層３３は、主として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜等から作られ、その厚さは０．１～１．０μｍ程度である。

光変調器２においては、変調電極４は、位相シフト光導波路３２ｂと３２ｃの間に配置され左側のアンテナ３に接続された電極部４ａと、位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃを挟んで電極部４ａの両側に配置され右側のアンテナ３に接続された電極部４ｂ及び４ｃとを有している。基板３１の入出力光導波路３２ａの光入出射端には入出力光ファイバ５の入出射端面が結合している。光反射部３５は、入出力光導波路３２ａから入射して位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃを伝播した光を反射し、位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃから入出力光導波路３２ａへ戻して伝播させる。アンテナ３に誘起された電圧により、電極部４ａと４ｂとの間、及び電極部４ａと４ｃとの間の２つの位相シフト光導波路３２ｂ，３２ｃ中に互いに逆向きに電界が印加される。これにより、位相シフト光導波路３２ｂと３２ｃには互いに逆向きの屈折率変化が生じ、それらを通過する光に互いに逆極性の位相シフトが生じ、それらの光が合流するときに互いに干渉して強度変化が生ずる。これによりアンテナ３を介して変調電極４への印加電圧に対応した光強度変化を有する光強度変調信号が得られる。

図４及び図５は、本実施例の光センサプローブの測定結果の一例を示す図であり、それぞれ、図４は周波数特性、図５は電圧振幅特性の測定結果を示す。電圧信号が通過する電気配線上に、光センサプローブ１０の開口９を２～３ｍｍ程度の間隔を開けて近接させて設置し、開口９を円形とし、その大きさφを５ｍｍ、８ｍｍとした場合について、それぞれ測定を行った。図４において、いずれの開口の場合も、本実施例のパッケージを用いない従来の光電界センサプローブにおいての周波数特性とほぼ同じ周波数特性が得られた。図５において、いずれの開口の場合も、電圧振幅に対してリニアな特性が得られている。

図６は実施例２に係る光センサプローブの構成を模式的に示す図であり、図６（ａ）は光センサプローブの透過型の平面図、図６（ｂ）は光変調器のＡ－Ａ断面図である。

図６において、本実施例の光センサプローブ４０は、その場の電界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部４１と、光センサ部４１に接続された入力光ファイバ４５及び出力光ファイバ４６とを備えている。ここで、光センサ部４１は、その場の電界の強度に依存して電圧を発生するアンテナ４３と、アンテナ４３に接続された変調電極４４を備えた光変調器４２を有し、変調電極４４に印加された電圧に依存して入射光を強度変調して出力する。光変調器４２は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器である。

光センサプローブ４０は、光センサ部４１と入力光ファイバ４５及び出力光ファイバ４６の一部を収納したほぼ直方体形状のパッケージ４７を備え、パッケージ４７は、電界に対して遮蔽効果を有する金属板４８で構成され、金属板４８は、被測定個所に対向して近接することが可能な位置、すなわち、直方体のアンテナ４３に近い側面に開口４９を有している。さらに、開口４９の周囲の最外部の表面に絶縁体層５１を備えている。

入力光ファイバ４５及び出力光ファイバ４６の先端は、光変調器４２の入出射端面と端面同士を接着固定するため、フェルール内に挿入され固定されている。光変調器４２はパッケージ４７に固定された台座等に固定され、入力光ファイバ４５及び出力光ファイバ４６はゴム状の固定部品５２によりパッケージ４７に固定されている。

図６において、光変調器４２は、電気光学効果を有する結晶であるニオブ酸リチウム結晶からＸカットで切り出して作られた基板３１上に実施例１の光変調器２と同様な工程で作成された分岐干渉型光導波路を備えている。但し、本実施例の光変調器４２は反射型ではなく、透過型の光変調器である。その分岐干渉型光導波路は、入力光の入射側に延びる１本の入力光導波路５４ａと、入力光導波路５４ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト光導波路５４ｂ，５４ｃと、２本の位相シフト光導波路５４ｂ，５４ｃが合流する出力光導波路５４ｄと、から構成されている。

光変調器４２においては、変調電極４４は、位相シフト光導波路５４ｂと５４ｃの間に配置され上側のアンテナ４３ａに接続された電極部４４ａと、位相シフト光導波路５４ｃを挟んで電極部４４ａに対向して配置され下側のアンテナ４３ｂに接続された電極部４４ｂとを有している。アンテナ４３に誘起された電圧により、電極部４４ａと４４ｂとの間に電界が印加され、位相シフト光導波路５４ｃには屈折率変化が生じるので、位相シフト光導波路５４ｂと５４ｃを伝搬する光波には位相シフトが生じ、それらが合流するときに互いに干渉して強度変化が生ずる。これによりアンテナ４３を介して変調電極４４への印加電圧に対応した光強度変化を有する光強度変調信号が得られる。

次に、本実施例の光センサプローブ４０を用いた測定システムについて説明する。
図７は実施例２に係る光センサプローブを用いた測定システムのブロック構成図である。図７に示すように、光センサプローブ４０には、光送受信ユニット５５より入力光ファイバ４５を通して入射光５６が送られ、光センサプローブ４０より出力される光強度変調信号５７が出力光ファイバ４６より送受信ユニット５５に入力される。
光送受信ユニット５５は、半導体レーザ等の光源２２、Ｏ／Ｅ変換器２３、アンプ２５を備えている。光源２２からの出射光は入力光ファイバ４５に結合し、出力光ファイバ４６から戻る光強度変調信号５７はＯ／Ｅ変換器２３に入力する。Ｏ／Ｅ変換器２３において光強度変調信号５７は電気信号に変換され、アンプ２５により増幅されて出力端子２６に出力される。その電気信号はオシロスコープ等の測定器の入力端子に入力される。

電気回路基板２９上に組み込まれた２つの電気部品間の配線１７を伝搬する電圧信号によりその周囲に電界の変化による電磁波信号が発生し、その電磁波信号は光センサプローブ４０の開口４９からパッケージ４７内に侵入し、光センサ部４１のアンテナ４３により検出されて電圧信号として変調電極４４に印加され、入射光５６を光強度変調信号５７に変換する。

図８は実施例３に係る光センサプローブの構成を模式的に示す透過型の平面図である。図８において、本実施例の光センサプローブ６０の光センサ部６１は、その場の磁界の強度に依存して入射光の偏光面を回転させる光変調媒体６２を有している。光変調媒体６２としては、例えば、ファラデー効果を有し、特定の波長の光を透過するガーネット結晶や化合物半導体材料等を用いることができる。入力光ファイバ６３からの出射光をレンズ６５により平行光として、特定の偏光成分のみを通過する偏光素子６６を通過させ光変調媒体６２に入射する。その入射光の偏光面は、光変調媒体６２を通過することにより、光変調媒体６２が置かれた場の磁界の強度に依存して回転するので、出射側に配置された偏光素子６６を通過することにより光強度変調光となって出射側のレンズ６５により集光され、出力光ファイバ６４に入射する。

本実施例においても、光センサプローブ６０は、光センサ部６１と入力光ファイバ６３及び出力光ファイバ６４の一部を収納したほぼ直方体形状のパッケージ６７を備え、パッケージ６７は、磁界に対して遮蔽効果を有するフェライト板６８で構成されている。フェライト板６８は、被測定個所に対向して近接することが可能な位置、すなわち、直方体の光変調媒体６２に近い側面に開口６９を有している。さらに、開口６９の周囲の最外部の表面に絶縁体層７１を備えている。

本実施例の光センサプローブ６０を用いた測定システムは、実施例２の測定システムと同様に構成することができる。回路基板などを流れる電流によりその配線の周囲の磁界が変化するので、開口６９を通して検出される電流信号により誘起された磁界信号が光強度変調信号に変換され、最終的に電気信号としてオシロスコープ等により測定される。

上記のように、本発明においては、非接触で高電圧の信号や電流波形、及び電磁ノイズ波形等の測定が可能となる。さらに、開口を走査して信号強度の大きな個所を特定すれば、電磁ノイズの発生個所を検出することも可能となる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的に応じて様々な変形が可能である。例えば、使用する光変調器の方式、変調電極への分割電極の使用等、目的とする測定電圧の周波数、振幅などに応じて任意に設定可能である。また、パッケージの遮蔽層や絶縁層の材料も目的とする電磁波の遮蔽性能等に合わせて選択可能である。パッケージの形状や構造も任意に選択可能である。例えば、上記の実施例のような直方体形状以外にも円筒型等の形状が可能である。本発明に使用する入力光ファイバ、又は入出力光ファイバとしては偏光保存光ファイバを用いてもよい。

１、４１、６１ 光センサ部
２、４２ 光変調器
３、４３、４３ａ、４３ｂ アンテナ
４、４４ 変調電極
４ａ、４ｂ、４ｃ、４４ａ、４４ｂ 電極部
５ 入出力光ファイバ
６、４７、６７ パッケージ
７、４８ 金属板
８ 先端面
９、４９、６９ 開口
１０、４０、６０ 光センサプローブ
１１、５１、７１ 絶縁体層
１２ 電波吸収体層
１３ フェルール
１４、５２ 固定部品
１５、５６ 入射光
１６、５７ 光強度変調信号
１７ 配線
２１、５５ 光送受信ユニット
２２ 光源
２３ Ｏ／Ｅ変換器
２４ 送受分離器
２５ アンプ
２６ 出力端子
２７ 測定器
２８ 入力端子
２９ 電気回路基板
３１ 基板
３２ 分岐干渉型光導波路
３２ａ 入出力光導波路
３２ｂ、３２ｃ、５４ｂ、５４ｃ 位相シフト光導波路
３３ バッファ層
３５ 光反射部
４５、６３ 入力光ファイバ
３６、６４ 出力光ファイバ
６２ 光変調媒体
６５ レンズ
６６ 偏光素子
６８ フェライト板

Claims (8)

1. その場の電界又は磁界の強度に依存して入射光を変調して出力する光センサ部と、
   前記光センサ部に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、
   前記光センサ部と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、
   被測定個所より発生する電界又は磁界の強度変化を前記光センサ部により光信号に変換して前記出力光ファイバより出力する光センサプローブであって、
   前記パッケージは、少なくとも一部に前記電界又は前記磁界に対して遮蔽効果を有する材料により構成された遮蔽層を備え、
   前記遮蔽層は、前記被測定個所に対向して近接することが可能な位置に開口を有する
   ことを特徴とする光センサプローブ。
2. 前記パッケージは、少なくとも前記開口及び前記開口の周囲の最外部の表面に絶縁体層を有することを特徴とする請求項１に記載の光センサプローブ。
3. 前記光センサ部は、その場の電界の強度に依存して電圧を発生するアンテナと、前記アンテナに接続されるか又は前記アンテナと一体に構成された変調電極を備えた光変調器とを有し、前記変調電極に印加された電圧に依存して前記入射光を強度変調して出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサプローブ。
4. 前記光変調器は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であることを特徴とする請求項３に記載の光センサプローブ。
5. 前記光変調器は、前記入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光センサプローブ。
6. 前記光センサ部は、その場の磁界の強度に依存して前記入射光の偏光面を回転させる光変調媒体を有し、
   前記磁界の強度変化に依存して前記入射光の強度、位相、偏光面の少なくとも１つを変調して前記出力光ファイバより出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサプローブ。
7. 前記光センサ部は、特定の偏光成分のみを通過する偏光素子を有し、前記磁界の強度変化に依存して前記入射光の強度を変調して前記出力光ファイバより出力することを特徴とする請求項６に記載の光センサプローブ。
8. 前記パッケージは、前記遮蔽層の内側に電磁波の反射を抑制する電波吸収体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサプローブ。