JP5151032B2 - 磁界プローブ装置及び磁界プローブ素子 - Google Patents

Description

本発明は，電子機器等の内部または外部に発生する磁界の強度・位相及び方向の空間分布を測定する為の測定方法及び測定装置に関する。

電子機器等において、不要電磁輻射（EMI＝Electromagnetic Interferenceとして知られる）の発生原因となる電流の位置や、誤動作・性能劣化等の原因となる電子機器または電子回路間の電磁的な相互干渉経路を特定する為に、電子機器近傍の磁界分布測定技術は有効である。

本発明者らは、既に特開２００２−１５６４３０号公報（以下、特許文献１）、及び特開２００３−２７９６１１号公報（以下、特許文献２）に記される如き、磁界プローブや、電子機器から発生される磁界の計測手法及び装置を開発し、出願してきた。このうち、前者は磁界プローブに関するものであり、後者は磁界の測定手法及び装置に関するものである。

一般に、測定対象近傍の磁界強度及び位相は、所望の分解能を得られるサイズのループ状導体の一端を、一対の引き出し伝送線路の一方（以下、信号導体と記す）に接続し、当該ループ状導体（Loop-like Conductor）の他端を当該引き出し伝送線路の他方（以下、便宜的にＧＮＤ導体と記す）に接続して成るプローブ素子（Probe Element）を用いて測定される。ここでいうループ状導体は、その一端と他端が環状の導体線路を成すことに限定されず、多角形の導体線路を形成することも許容される。また、ループ状導体の一端と他端とは離間されている。引き出し線路は抵抗（以下、終端抵抗とも記す）を介して電気的に接続される信号導体とＧＮＤ導体との一対を含み、ＧＮＤ導体は狭義の接地電位にある必要は無く、例えば、磁界計測装置の基準電位に電気的に接続されることもある。

斯様に構成されたループ状導体を測定対象近傍へ配置した時、測定対象近傍における磁界は、これに因り当該ループ状導体の両端に誘起する電圧を引き出し伝送線路の終端抵抗に発生する電圧又は電流の値から知ることができ、その大きさ及び位相からループ状導体周辺の磁界強度及び位相を知ることが出来る。

特開２００２−１５６４３０号公報 特開２００３−２７９６１１号公報

一般に、ループアンテナ（上記ループ状導体）を用いた磁界プローブにおいては、その寸法（以下、ループサイズ）が大きいほど同一磁界に対して誘起電圧が大きくなり、ループサイズが小さいほど誘起電圧が小さくなるため、測定対象たるシステムのノイズレベルが一定である場合、ループサイズが大きいほどＳ／Ｎ（信号／雑音）比を大きく確保でき、高感度な磁界測定が可能となる。しかし、上記アンテナのループサイズが大きくなるに従い、その空間分解能が劣化する。従って、ループアンテナの大きさは、これに所望される空間分解能が得られる範囲で制限する必要がある。ループアンテナのサイズを大きくした場合、ループを形成する導体が長く延在するため、そのインダクタンスが大きくなる。従って、ループアンテナで測定すべき磁界（又はこれを発生させる電気信号）の周波数が高くなるほどループ状導体のインピーダンスが高くなる。これにより、ループ状導体における電圧降下が大きくなってしまい、引き出し伝送線路を終端している測定系の負荷抵抗に誘起する電圧が小さくなる。その結果、測定系全体で見ると磁界感度が低下してしまうという問題があった。また、この問題を回避するためには引き出し伝送線路を終端する測定形の負荷抵抗を大きくする事が考えられるが、高周波測定器の付加抵抗は一般的に50Ω系であり、負荷抵抗を大きくした場合にはインピーダンス整合を考慮したインピーダンス変換器等の機構を挿入する必要があり、測定系の複雑化を招く。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、これまでの多層基板または半導体プロセスを用いたループ型の微小磁界プローブ及び一般的高周波測定器を用いて、所望の高周波領域において容易に高感度化な電磁界測定を実現する高感度磁界プローブを提供する事にある。

本発明によれば、磁界強度に対応した電圧を誘起させる為のループ状導体の一端が測定器から引き出される引き出し伝送線路の信号導体又はＧＮＤ導体に接続され、その他端は当該引き出し伝送線路と接続されることなく、その信号導体又はＧＮＤ導体と当該他端との間に電気的な容量が形成されるように配置される。ここで、ループ状導体のインダクタンスと、その他端と当該引き出し伝送線路間に形成した容量による直列共振周波数が所望の測定周波数となるように、当該ループ状導体の形状や当該容量の値が調整される。磁界プローブをこのように構成することで、測定周波数においては、上記ループ状導体のインダクタンスと、ループ状導体の他端と引き出し伝送線路との間の容量とによる直列共振によってループ状導体のインピーダンスを最小にし、当該ループ状導体における電圧降下を抑止する。よって、この直列共振周波数と同じ周波数を有する磁界は、本発明により従来に比べて高感度に測定される。

これらにより、所望の高周波領域（周波数領域）において高感度な磁界測定を可能とする磁界プローブである。

本発明による磁界プローブ装置の一例は、後述する図面に示された参照番号を付して以下のように記される。

即ち、この磁界プローブ装置は、測定対象（101）から発生する磁界を検知するプローブ素子（100）と、プローブ素子で検知された磁界に応じて電圧又は電流を誘起する負荷素子（104）を介して電気的に接続される少なくとも一対の伝送線路（105）と、測定対象（101）に対するプローブ素子の位置を制御する制御装置（206）とを備える。前記プローブ素子（100）は、前記制御装置（206）により前記測定対象（101）に近づけられるプローブ素子の検知側からその両端が検知側の反対側に夫々延びる少なくとも一つの導体線路（103，103＋106， 701，又は801＋802）を有する。前記少なくとも一つの導体線路（103，103＋106，701，又は801＋802）の前記両端の少なくとも一方は、前記プローブ素子の検知側の反対側で前記伝送線路（105）の一つと間隙を介して対向して、当該導体線路（103，103＋106，701，又は801＋802）の一端と当該一つの伝送線路（105）との間に容量（107）を形成する。

また、本発明による磁界の測定方法の一例は、測定対象（101）にプローブ素子（100）の検知側を対向させて、この測定対象（101）からプローブ素子（100）に印加される磁界により誘起される電圧又は電流から当該測定対象（101）における磁界の強度及び方向の分布を測定する。この測定方法において、前記プローブ素子（100）を成す少なくとも一つの導体線路（103，701，又は801＋802）と、前記電圧又は前記電流を誘起させる負荷素子（104）を介して接続された一対の伝送線路（105）とにより、少なくとも一つの「インダクタンス（Ｌ）」と少なくとも一つの「容量（Ｃ）」を備える直列共振回路が構成される。また、前記測定対象（101）にて測定すべき前記磁界の特定周波数で前記負荷素子（104）により誘起される前記電圧又は前記電流が極大値を示すように、前記少なくとも一つの導体線路（103，701，又は801＋802）の「インダクタンス」と、当該少なくとも一つの導体線路（103，701，又は801＋802）と前記一対の伝送線路（105）の少なくとも一方で形成される「容量」との夫々の値が調整される。

本発明によれば、電子機器等が発生する磁界分布を所望の周波数において高感度に測定可能とする。

以下に、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。

図１には、電子機器の筺体や印刷回路基板（以下、ＰＣＢと記す）、大規模集積回路（以下、ＬＳＩと記す）、配線等の測定対象１０１が輻射する磁界１０２の強度・位相及び方向を測定する本発明による磁界プローブの構造の一例を示す。

図２には、磁界プローブを用いて測定対象１０１が輻射する磁界１０２の強度・位相及び方向の空間分布を測定し、測定対象１０１において電磁エネルギーの放射源となっている部位を特定する測定装置の構成例を示す。この測定装置には、その用途（測定対象及びこれにより得られる物理量）に応じて、磁界プローブ装置、磁界測定装置、テスタ等、種々の名称が付せられる。

この測定装置の構成要素は、図２に示すように、測定対象１０１が発生する磁界１０２を測定する為の磁界プローブ２０１（例えば、図１に示されるプローブ素子）２０１と、当該磁界プローブ２０１からの信号を測定する測定器２０２と、磁界プローブ２０１の信号を所望の強度に増幅し、又はその所望の周波数成分のみ抽出する増幅器（Amplifier，以下、アンプと記す）又はフィルタ２０３と、測定器２０２で得られた電圧又は電流の測定結果から、測定対象１０１又はその近傍における磁界の強度及び位相を計算するＣＰＵ（Central Processing Unitの略）、メモリ、及びこれらを計算するプログラム等を記憶した記憶装置等を備えるコンピュータ２０４と、測定結果を表示する表示装置２０５と、磁界プローブ２０１の位置を制御する制御装置２０６を有する。

ここで、測定対象１０１の近傍の空間的電磁界分布を擾乱させないために、磁界プローブ２０１とフィルタ又はアンプ２０３を含む測定装置との間には距離を置く必要がある。また、電磁界的に近傍となる距離とは、波長λの電磁波が生じている測定対象１０１と磁界プローブ２０１とを隔てる距離ｒであって、ｒ≦λ／（２π）を満たす距離ｒを指す。

次に、磁界プローブ２０１を用いた磁界測定法について示す。

まず、電子機器やＰＣＢ、ＬＳＩ、配線等の測定対象１０１の近傍磁界１０２を測定する為に、磁界プローブ２０１の位置を制御装置２０６で制御しながら、磁界プローブ２０１に印加される磁界１０２（又はその一成分）により誘起される電圧をフィルタ又はアンプ２０３を通して所望の周波数ｆの成分（又は周波数ｆを含む帯域）の信号を抽出し、または所望の強度の電圧信号に増幅し、測定器２０２へ取り込む。フィルタは、バンドパスフィルタに限らず、例えば、可変ハイパスフィルタと可変ローパスフィルタとを組み合わせて構成されて、測定周波数を任意に設定できるようにしてもよい。測定対象１０１の近傍磁界１０２の測定期間中、その測定位置（例えば、磁界プローブ２０１の測定対象１０１に対する位置）、及び磁界測定結果は、コンピュータ２０４の記憶装置に記憶される。この測定期間内に、磁界プローブ２０１を測定対象１０１面内で走査する際に、必要な分解能以上の精度をもって位置を制御可能な制御装置２０６が必要である。

次に、本発明である磁界プローブの構造を示す。

磁界プローブ２０１（プローブ素子１００）は、図１に示すように、信号線路１０３によるループ状の導体部と、これと測定系の負荷抵抗１０４を接続するための引き出し伝送線路１０５を有する。本発明の実施形態の説明における「ループ」又は「ループ状」と表現される部材は、環状に成形されることに限定されず、多角形（例えば、矩形）に成形されることも許容され、また当該部材の一端と他端とが離間されてもよい。換言すれば、以降に述べるループやループ状部材は、特に断りのない限り、閉曲線を成す必要はない。

引き出し伝送線路１０５の形状は、特に限定されず、例えば、マイクロストリップ（Microstrip）、ストリップ線路（Strip Line）、ライン形状、コプレーナ線路（Coplanar Line）等を呈してもよいが、その測定器２０２との接続部において反射が生じないように測定器２０２（図２参照）に設けられる負荷抵抗１０４とのインピーダンス（Impedance）を整合させることが好ましい。引き出し伝送線路１０５は、負荷抵抗１０４等の負荷素子（Load Element）を介して電気的に接続される少なくとも一対の導体として形成される。この一対の導体の間には、磁界プローブ２０１に印加され、又は磁界プローブ２０１で検知される磁界により電位差が発生することがある。そこで、この一対の導体の一方を信号側、他方をＧＮＤ側と便宜的に記すが、ＧＮＤ側が狭義の接地電位である必要は無く、例えば、測定装置における基準電位（Reference Voltage）であっても、また当該接地電位に対して所定の電圧で浮遊した電位であってもよい。さらに、以降に例示される引き出し伝送線路１０５の各々において、これをなす一対の導体の一方が信号側であり、他方がＧＮＤ側であると限定される必要は無く、本発明を実施する条件に応じて、当該一対の導体間の関係は変り得る。

一方、図１において、測定すべき磁界１０２が印加される言わばプローブ素子１００の主要部分としてのループ状導体は、信号線路１０３とこれを挟むように形成された一対のＧＮＤ線路１０６とで構成される。これらのループ状導体をなすＧＮＤ線路１０６の定義やこれと信号線路１０３との関係は、上述した引き出し伝送線路１０５におけるＧＮＤ側の定義やこれと信号側との関係に準じる。図１のプローブ素子１００のループ状導体は、言わば少なくとも一対の信号線路１０３とＧＮＤ線路１０６とで構成されるが、後述される本発明の他の実施形態で論じられる如く、ループ導体部は、信号線路１０３及びＧＮＤ線路１０６のいずれか一方のパターンとして形成されても良い。図１に示すように、プローブ素子１００は、そのループ導体部（１０３，１０６）の一方を誘電体からなる基材（基板，フィルム等）の一方の主面に、その他方を当該基板又は基材の他方の主面に夫々密着させたマイクロストリップ構造を有するが、ループ導体部の形状や、プローブ素子１００の構造は図示された夫々に限定されない。また、信号線路１０３及びＧＮＤ線路１０６に夫々用いられる導電性材料に限定は無いが、その抵抗値をできるだけ小さくするため、銅や金等の導電率の高い材料を用いることが好ましい。

一対のループ導体部（１０３，１０６）を隔てる層間膜（Interlayer Film）や基板に用いられる材料（誘電材料や絶縁材料）にも限定は無いが、ループ導体部における漏れコンダクタンス等による損失（例えば、検知される磁界強度の減衰）を出来るだけ抑制する為にガラスエポキシ樹脂基板やシリコン基板、セラミック基板等を用いることが好ましい。また、ループ部分（ループ導体部（１０３，１０６）の少なくとも一つ）と引き出し伝送線路１０５とを同一基板上に形成しても、当該ループ部分のみが形成されたチップと引き出し伝送線路１０５が形成された基板とを接続しても良い。本発明では、ループ導体部をなす信号線路１０３とＧＮＤ線路１０６とを非接続１０７とし、ここに電気的な容量（Capacitance）Ｃが形成される構造とする。当該容量Ｃを形成する引き出し線路１０５及びこれに対向するループ導体部（１０３，１０６）の端部（ループ端）を一部変形し、又はその少なくとも一方にパターンを形成して、この容量Ｃの値を調整してもよい。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）には、図１に示すマイクロストリップ構造を有するプローブ素子１００の具体的な一例が示される。この例では、上述した層間材料や基板に相当する３つの基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの主面にループ状の信号線路１０３やＧＮＤ線路１０６がスクリーン印刷、フォトリソグラフィによるパターニング、又は導体フィルムの接着により形成される（図１２（ａ））。夫々の基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの主面には、ループ状の導体線路（１０３，１０６）に電気的に接続されるリード１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃが設けられ、基材主面の外側に引き出されている。これらの基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが樹脂材料による接着や圧着等により貼り合わされて、図１２（ｂ）に示すプローブ素子１００のチップが完成する。図１２（ｂ）には、積層された基材１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃと、基材１２０ａの主面に形成され且つＧＮＤ線路１０６ａを覆う保護膜とから成る封止部材（Sealing Member）１２１が示される。信号線路１０３の封止部材１２１の上辺に向けて突き出た部分（突出部分）は、リード１２５ｂを通して負荷素子１０４（図１参照）の電極の一方に接続し、ＧＮＤ線路１０６ａ，１０６ｂの封止部材１２１の上辺に向けて突き出た部分（突出部分）は、リード１２５ａ，１２５ｃを通して負荷素子１０４の電極の他方に接続される。従って、夫々の突出部分は引き出し伝送線路１０５の一部としても機能する。リード１２５ａ，１２５ｃの電位は、プローブ素子１００を備えた測定装置の基準電圧等により、リード１２５ｂの電位に比べて安定化される。

基材１２０ａ，１２０ｂは、上述のとおり、誘電材料や絶縁材料であるため、信号線路１０３は、第１のＧＮＤ線路１０６ａと基材１２０ａを介して対向して第１のマイクロストリップを構成し、第２のＧＮＤ線路１０６ｂと基材１２０ｂを介して対向して第２のマイクロストリップを構成する。信号線路１０３は、第１のＧＮＤ線路１０６ａ及び第２のＧＮＤ線路１０６ｂと容量を形成し、その値はループ状の導体線路（１０３，１０６）の不連続部分で調整される。この不連続部分は、ループ状の導体線路（１０３，１０６）の第１部分（例えば、その延在方向における一端）が、その第２部分（例えば、延在方向における他端）に対向して形成され、且つその第１部分と第２部分との間に位置する少なくとも一部分（第３部分）は、第１部分及び第２部分より測定対象１０１に近付けられると記される。基材１２０ｂの主面において、信号線路１０３はループ状に形成されるも、閉曲線を形成しない。しかし、その不連続部分を結ぶ最短の仮想的な線を含めて閉曲線を完成させることで、その閉曲線に囲まれた面積から後述のループ面積Ｓが近似的に求められる。

以上に説明した磁界プローブ２０１（プローブ素子１００）を測定対象１０１近傍に配置したとき、ループ面積をＳ、測定対象１０１又はその近傍に存在する磁界１０２の周波数をｆ、磁界プローブ２０１（例えば、当該磁界の磁力線が通過する上記仮想的な閉曲線内部）の透磁率をμ、磁界プローブ２０１に印加される磁界１０２の強度をＨとすると、ループ状の導体線路（例えば、信号線路１０３）の両端に誘起される電圧Ｖは、Ｖ＝２π・ｆ・μ・Ｓ・Ｈで表される。

引き出し伝送線路１０５が測定器２０２又は測定器と接続するためのケーブルのインピーダンスと整合していると、ループ状導体線路（１０３）で誘起した電圧は、当該ループ状導体線路（１０３）のインピーダンスと測定器２０２の負荷抵抗１０４で分圧される。本発明による磁界プローブ：２０１を用いた場合、磁界１０２の周波数ｆが、ループ状導体線路（１０３）のインダクタンスＬと非接続部分１０７に形成される容量Ｃとによる直列共振周波数：ｆｒ＝１／（２π・（Ｌ・Ｃ）^１／２）の値となるとき、ループ状導体線路１０３のインピーダンスは極小値となり、ループ状導体線路１０３で誘起された電圧の当該導体線路１０３における電圧降下は殆ど生じず、その誘起電圧の殆ど全てが測定器２０２の負荷抵抗１０４にかかる。よって、測定しようとする磁界１０２の強度Ｈが非常に微弱である場合でも、当該磁界１０２によりループ状導体線路１０３に誘起される電圧信号は雑音電圧レベルに埋もれず、高い感度で測定される。

図１に示される回路構成にて、負荷抵抗１０４をＲｌとし、これに誘起する電圧１０８をＶとすると、この誘起電圧：Ｖは、ループインダクタンス（ループ状導体線路１０３のインダクタンス）：Ｌ、ループ端の非接続部１０７の容量（ループ状導体線路１０３と、これと電気的に分離された引き出し伝送線路１０５とで形成される容量）：Ｃ、ループ抵抗（ループ状導体線路１０３の抵抗）：Ｒ、上述の透磁率：μ、磁界１０２の強度：Ｈ、磁界１０２の周波数：ｆ、及び上述のループ面積：Ｓを用いて、下記「数１」で近似的に求められる。「数１」において、非接続部分１０７のコンダクタンスや、磁界プローブ２０１に含まれる基材や基板に因る損失、引き出し線路１０５における損失やインピーダンス不整合による反射等は考慮していない。

一方、前述の特許文献１等に開示される一般的な磁界プローブ、即ち、これに備えられた磁界検出用コイル等のループ状導体線路の端（ループ端）に非接続部１０７をもたない所謂ショートループプローブは容量Ｃが無い。従って、このループ状導体線路の両端を上記Ｒｌの負荷抵抗を介して接続すると、当該負荷抵抗で誘起される電圧：Ｖは、下記「数２」のように表される。

図３には、磁界測定値（誘起電圧）の周波数依存性を理論的に解析した結果を示す。ここで、ループインダクタンスＬ＝１ｎＨ、ループ端の非接続部分容量Ｃ＝０．１［ｐＦ］、ループ抵抗Ｒ＝１［Ω］、測定器２０２の負荷抵抗１０４の値Ｒｌ＝５０［Ω］、透磁率μ＝４ｐ×１０^−７、磁界強度Ｈ＝１０［ｍＨ］、ループ面積Ｓ＝１０^−６［ｍ^２］とした。図３には、上述した本発明によるループ状導体線路を備えた磁界プローブ２０１の周波数特性３０１が示される。また、図３には、ループの両端をそれぞれ引き出し伝送線路の信号線路１０３とＧＮＤ線路１０６へ接続した一般的なショートループプローブ（所謂、従来の磁界プローブ）の周波数特性３０２も、本発明によるそれ３０１との比較のために示される。図３から明らかなように、周波数ｆ＝２０ＧＨｚ付近の磁界により本発明の磁界プローブ装置の測定器２０２の負荷抵抗１０４で誘起される電圧は、一般的なショートループプローブを備えた従来の磁界プローブ装置におけるそれ（誘起電圧）に比べて２０ｄＢ程度大きくなる。この結果から、特定の周波数を有し又は特定の周波数の電気信号で誘起される磁界の強度が微弱でも、本発明による磁界プローブは、この微弱な磁界から従来の磁界プローブより大きい電圧信号を得られていることが判る。このため、本発明による磁界プローブを搭載した測定装置が、高感度な磁界測定を実現することが確認できる。

高感度で測定される磁界の周波数は、磁界プローブを成すループのインダクタンスＬとループ端の非接続部１０７の容量Ｃによって決まる為、これら二つのパラメータを調整し、所望の周波数で高感度な特性を得る必要がある。ループ状導体線路（１０３，１０６）の一端と、引き出し伝送線路１０５の信号側（信号線路１０３の他端に接続される）又はＧＮＤ側（ＧＮＤ線路１０６の他端に接続される）との間に容量Ｃを形成する構造は、図１に示すような多層基板による平行平板構造（Parallel Plate Structure）に限定されない。例えば、この容量Ｃを、図４に示すようなコプレーナ構造（Coplanar Structure）によるフリンジ容量（Fringe Capacitance）として形成しても良い。

図１２（ｃ）には、図４に示すコプレーナ構造を有するプローブ素子１００の具体的な一例が示される。この例では、図１、図１２（ａ）、及び図１２（ｂ）を参照して上述したプローブ素子１００に用いた基板に相当する基材１２０の主面にループ状の信号線路１０３と線状のＧＮＤ線路１０６とがスクリーン印刷、フォトリソグラフィによるパターニング、又は導体フィルムの接着により形成される。ＧＮＤ線路１０６は引き出し伝送線路のＧＮＤ側１０５ａと一体に形成され、一端がＧＮＤ線路１０６と間隙（Gap）を介して対向する信号線路１０３の他端は引き出し伝送線路のＧＮＤ側１０５ｂとなる。信号線路１０３の一端とＧＮＤ線路１０６とを基材１２０の主面で隔てる間隙が、上述の容量Ｃを決める。引き出し伝送線路１０５ａ，１０５ｂの夫々の端部に接続されたリード１２５ａ，１２５ｂは、基材１２０の主面の外側に引き出され、負荷抵抗１０４を通して電気的に接続される。このように、プローブ素子１００に印加される磁界１０２により互いに異なる電位を持つ信号線路１０３とＧＮＤ線路１０６とが同じ基材１２０の主面に設けられて、コプレーナ線路を成す。この基材１２０の主面に、信号線路１０３やＧＮＤ線路１０６を保護する絶縁膜を形成してもよい。

図１に示す信号線路１０３と線状のＧＮＤ線路１０６、及び図４に示す信号線路１０３の各々のループは、図１２（ｄ）に模式的に描かれる。これらのループ（信号線路１０３として例示）は、それ自体で閉曲線を成さないが、その不連続部分を仮想的に結ぶ一点鎖線で上述のループ面積Ｓを規定する閉曲線を描く。また、このループ状導体線路１０３は、その機能に応じて、測定対象１０１に近付けられる領域Ａ（Region A）、領域Ａの反対側に位置する領域Ｂ（Region B）、及び領域Ａと領域Ｂとの間に位置する領域Ｃ（Region C）に分けられる。測定対象１０１又はその付近の磁界を成す磁力線が、上述の閉曲線内を通過すると、ループ状導体線路１０３の領域Ａを中心に電圧又は電流が誘起される。誘起される電圧や電流の強度は領域Ａにて大きく、領域Ｂに近付くにつれて弱まるが、実際には領域Ｃにて対向し合う導体線路１０３の部分間で相殺される。よって、磁界プローブ２０１による磁界の測定強度は、領域Ａに誘起される電圧や電流に依存し、この領域Ａはプローブ素子１００の検知側（Probe Side）ともなる。領域Ｃにおける誘起電圧や誘起電流の相殺を考慮すると、ループ状導体線路１０３の領域Ａに位置する部分を、線状に延びるように成形するとよい。一方、上述した容量Ｃをなす間隙は、そのプローブ素子１００による磁界測定への影響が無視できる領域Ｂに設けるとよい。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照して上述したループ状導体線路（１０３，１０６）の第１部分及び第２部分は領域Ｂに設けるとよく、その第３部分は領域Ａに位置するループ状導体線路（１０３，１０６）の一部分として定義される。従って、ループ状導体線路（１０３，１０６）の形状は、プローブ素子の検知側（領域Ａ）に位置する第３部分の両端が検知側の反対側（領域Ｂ）へ夫々延び、当該反対側（領域Ｂ）で夫々終端される（第１部分及び第２部分）とも記される。ループ状導体線路（１０３，１０６）の形状は、例えば、検知側の反対側（領域Ｂ）で開いた「Ｕ」字を成すとも記される。

図４に示すコプレーナ構造を有するプローブ素子１００における容量Ｃの値はループ端（信号線路１０３の一端）と引き出し線路１０５（ＧＮＤ側）とが接近する距離に依存する為、この距離を可変とすることによって直列共振周波数を調整可能にしても良い。その一例として、図５に示すようにループ一端と引き出し伝送線路間に電気的容量Ｃを有する電子部品５０１を実装することによって直列共振周波数を制御しても良く、実装電子部品５０１を可変容量とすることで直列共振周波数を調整してもよい。ループ状導体線路１０３及び引き出し伝送線路１０５を可撓基材（Flexible Base Member）に形成したプローブ素子１００では、圧電素子で可撓基材の非接続部１０７を形成する部分を歪ませることにより、上記容量Ｃが調整される。

ループ状導体線路と引き出し伝送線路の非接続部位は、ループ状導体線路の一端のみならず、その両端に形成してもよい。例えば、図６に示すようにループ状導体線路（１０３，１０６）の両端を非接続とし、これら両端に形成される容量値を調整することで直列共振周波数を制御してもよい。図６に示す例では、ループ状導体線路を信号線路１０３及びＧＮＤ線路１０６の２層に形成しているが、その一方を設けなくても、又はループ状導体線路を追加してもよい。

更に、直列共振周波数はループインダクタンスＬを調整することによっても制御できる為、ループ状導体線路のループサイズやループ導体線幅や線厚をパラメータとして、磁界プローブの直列共振周波数を調整してもよい。また、図７に示すようにループの形状を直線ではなく、メアンダ（Meander）型の導体線路７０１等にして、ループのインダクタンスを調整しても良く、ＭＥＭＳ（Micro Electronic Mechanical Systems）等によりループ形状（ループ状導体線路）を電気的に変形できるようにしても良い。

また、図８に示すように、インダクタンスの異なる２つのループ導体１（８０１）及びループ導体２（８０２）を基板の表裏に夫々形成し、ループ導体１及びループ導体２を引き出し伝送線路１０５の一方（例えばＧＮＤ側）に並列に接続して、プローブ素子１００を構成してもよい。ループ導体１（８０１）及びループ導体２（８０２）の夫々の一端又は両端が、非接続部１０７を介して引き出し伝送線路１０５と対向することで形成された容量により、プローブ素子１００は異なる直列共振周波数を示す。ループ導体１（８０１）が一辺に不連続部を有する矩形に成形される一方、ループ導体２（８０２）はスパイラル状に形成される。従って、ループ導体２（８０２）は上述した第１部分（一端）と第２部分（他端）との間に複数の第３部分を有する導体線路として成形される。図８に示す例では、基板の一方の主面に形成されたループ導体２（８０２）の一端がこの主面に形成された引き出し伝送線路１０５の一方と接合され、基板の他方の主面に形成されたループ導体１（８０１）の一端が基板を貫通するスルーホールを通して上記一方の引き出し伝送線路１０５に電気的に接続される。しかし、図６の例に倣い、これらのループ導体１（８０１）及びループ導体２（８０２）の各々の上記一端を上記一方の引き出し伝送線路１０５から電気的に分離してもよい。この場合も、当該ループ導体１（８０１）及びループ導体２（８０２）の各々の他端は、上記引き出し伝送線路１０５の他方から電気的に分離される。

図８の例でも、プローブ素子１００を構成するループ導体は２つに限らず、多層基板に３層以上のループ導体を形成して、当該プローブ素子１００が多数の直列共振を持たせてもよい。図６の例のように、図８に示すプローブ素子１００やその変形例におけるループ状導体の両端を非接続とすることで、多層のループ導体からなる構造においても、多層基板にスルーホールを形成する必要はなく、プローブ素子１００の高周波特性の劣化を防ぐ事ができる。図９には、図８のようにプローブ素子１００を２種類のループで形成することで、２つの直列共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を生じさせたときの、測定磁界の周波数依存性を理論的に解析した結果を示す。この解析は、ループインダクタンスＬ１＝２０［ｎＨ］、Ｌ２＝１［ｎＨ］、ループ端の非接続部分容量Ｃ１＝１［ｐＦ］、Ｃ２＝２［ｐＦ］、測定器の負荷抵抗Ｒｌ＝５０［Ω］と夫々設定し、簡単のため透磁率μ＝1、磁界強度Ｈ＝１とした。図９から、図８に示す如きプローブ素子１００の磁界測定感度が、複数の異なる周波数においても高くなることがわかる。

図３及び図９において、直列共振周波数ｆｒ（又はｆｒ１，ｆｒ２）を中心とした高感度周波数帯域幅、即ち、周波数特性の曲線が示す誘起電圧値が上昇する周波数の範囲は、直列共振のＱ（Quality Factor）値に依存する。ループの抵抗値が高い場合はＱ値が低くなり、高感度周波数帯域幅が広くなるため、広帯域に高感度な測定を行いたい場合にはループの抵抗値を高くし、Ｑ値を下げることが好ましい。更に、複数のループ導体や複数の非接続部分により、複数の容量Ｃを形成して、磁界プローブに複数の直列共振周波数ｆｒを生じさせるようにしてもよい。逆に、測定周波数が特定の値に決定しており、その周波数にて、磁界を高感度で測定したい場合は、ループ抵抗をできるだけ小さくし、Ｑ値を高くして、当該周波数における誘起電圧値を上げる。これにより、特定の周波数における磁界プローブの感度は顕著に高まり、当該周波数に隣接する周波数帯域におけるその感度に対してさえ際立つ。

本発明による磁界プローブを搭載した半導体検査装置や磁界測定装置等のシステムにおいては、図１０に示すように、引き出し伝送線路と測定器の間、又は測定器内に、ダイオード（Diode）や整流器（Rectifier）１００１などを用いて、磁界プローブで測定（検知）された電圧または電流を整流・検波し、直流電圧として磁界強度を測定しても良い。この時、測定によって得られる電圧や電流の値は直列共振周波数による誘起電圧が支配的であるため、所望（特定）の磁界強度に関係した値を得ることが出来る。この時、ダイオードや整流器：１００１の形態に限定は無く、例えば、ループ等と同じ基板上に集積化しても良い。

また、これまでは一つのアンテナを用いて測定対象１０１:の近傍を走査しながら磁界に起因する誘起電圧を測定する事を想定していたが、図１１に示すように、複数の磁界プローブ２０１をアレイ状に配置して所謂センサアレイを構成し、各センサ（磁界プローブの各々）の位置に対応した誘起電圧を並列処理して磁界の強度、位相、方向、及びこれらの空間分布を評価することも可能である。さらに複数の磁界プローブの直列共振周波数を夫々異なる値とすることで、広い周波数帯域での高感度な磁界測定が実現される。

本発明は、電子機器の筺体並びにＰＣＢ（Printed Circuit Board）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路素子（Integrated Circuit Element）に代表される半導体装置並びにこれを搭載したモジュール、その他種々の製品に形成された配線に生じる磁界の評価に利用され、通信機器、コンピュータ、及び表示装置等に利用される周波数の特定された電気信号を扱う電子装置を検査する技術においては、当該電子装置が扱う電気信号に起因する微弱な電磁輻射（Electromagnetic Radiation）を、その外側から高感度で検知させる。従って、本発明による磁界プローブを用いて電子装置からの不要電磁輻射を評価することで、電子装置の品質が確実に管理され、また当該評価結果に基づき、電磁波障害（Electromagnetic Interference，EMIとも記す）のない新しい電子装置の開発や設計が加速される。

本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明にかかる測定装置構成を表す図である。 本発明の磁界測定周波数特性を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブの構造を表す図である。 本発明の磁界測定周波数特性を表す図である。 本発明にかかる測定装置構成を表す図である。 本発明にかかる測定装置構成を表す図である。 本発明にかかる磁界プローブ（プローブ素子）の具体的な形状を示す図である。

符号の説明

１０１：測定対象
１０２：磁界
１０３：信号線路
１０４：負荷抵抗
１０５：伝送線路
１０６：ＧＮＤ線路
１０７：非接続部
１０８：誘起電圧
２０１：磁界プローブ
２０２：測定器
２０３：フィルタ又はアンプ
２０４：コンピュータ
２０５：表示装置
２０６：制御装置
３０１：本発明
３０２：ショートループプローブ
５０１：電子部品
７０１：メアンダ型
８０１：ループ導体１
８０２：ループ導体２
１００１：整流器。

Claims (10)

1. ループ状導体を備え、測定対象から発生する磁界を検知して電気信号を発生させるプロ
   ーブ素子と、
   該プローブ素子からの電気信号に基づいて、磁界を測定する測定手段と、
   該測定対象に対する該プローブ素子の位置を制御する制御装置とを備え、
   前記ループ状導体は、第１の導体と第２の導体によって、導体がループ状に形成された
   ループ部と、前記ループ部に接続された対の導体が設けられた引き出し伝送部と形成し、
   前記プローブ素子内では、前記第１の導体と前記第２の導体とは、間隙を有して対向し
   て容量を形成する非接続部を有し、互い接続されず絶縁されていることを特徴とする磁界
   プローブ装置。
2. 前記非接続部は、前記ループ状導体のループ部に設けられていることを特徴とする請求
   項１記載の磁界プローブ装置。
3. 前記プローブ素子は、前記第１の導体が形成された第１基板と、前記第２の導体が形成
   された第２基板とを含む複数の基板を積層して成る多層基板を有し、
   前記第１の導体と前記第２の導体とが、前記基板の積層方向に対向して、前記非接続部
   を形成していることを特徴とする請求項１に記載の磁界プローブ装置。
4. 前記第１の導体と前記第２の導体とは、互いに重なり、それぞれ異なる部分が欠落した
   略ループ形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の磁界プローブ装置。
5. GND線路である前記第１の導体を有する前記第１基板を２枚と、
   前記２枚の第１基板の間に設けられ、信号線路である前記第２の導体を有する前記第２
   基板とを備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の磁界プローブ装置。
6. 前記プローブ素子は、前記第１の導体と前記第２の導体とが形成された主面を有する基
   板を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁界プローブ装置。
7. 前記第１の導体及び第２の導体の一方は信号線路であり、他方はGND線路であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁界プローブ装置。
8. 前記非接続部に、電気容量を有する電子部品を有することを特徴とする請求項１または
   ２に記載の磁界プローブ装置。
9. 前記プローブ素子の前記第１または第２の導体は、メアンダ状又はスパイラル状に成形
   されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁界プローブ装置。
10. ループ状導体を備え、測定対象から発生する磁界を検知して電気信号を発生させる磁界
    プローブ素子において、
    前記ループ状導体は、第１の導体と第２の導体によって、導体がループ状に形成された
    ループ部と、前記ループ部に接続された対の導体が設けられた引き出し伝送部と形成し、
    前記プローブ素子内では、前記第１の導体と前記第２の導体とは、間隙を有して対向し
    て容量を形成する非接続部を有し、互い接続されず絶縁されていることを特徴とする磁界
    プローブ素子。

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