JP7216397B2

JP7216397B2 - 磁界空間分布検出装置

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Publication number: JP7216397B2
Application number: JP2018158302A
Authority: JP
Inventors: 聡八木谷; 卓也坪田; 浩史瀬川
Original assignee: Kanazawa University NUC
Current assignee: Kanazawa University NUC
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2023-02-01
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: JP2020034285A

Description

本発明は、磁界空間分布検出装置に関する。

電子機器から漏洩する不要な電波（すなわち、ノイズ）が周囲の電子機器に悪影響を与えることを防ぐには、波源となる電子機器の周辺で不要な電波の空間分布を測定することが重要である。その方法として従来、平面状の電波吸収体（メタマテリアル電波吸収体）を用いて、電波の強度・位相の２次元空間分布を計測するセンサが開発されている（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、表面に配列した方形金属電極を用いることで電波の電界成分（センサ表面上のベクトル２方向成分）の計測が可能となり、これは電界ノイズの空間分布を計測するために用いられてきた。

国際公開第２０１０／０１３４０８号

一方で、上記特許文献１では、電波強度計測装置が電界成分の検出を行うものの、磁界成分の検出については触れられていない。波源から放射され、電波の波長よりも十分離れた距離で伝搬する遠方界に対しては、電界と磁界の比率が決まっているため、電界または磁界のいずれかを検出するのみで十分である。しかし、電波の波長に比べて波源からの距離が短い領域では近傍界が支配的となり、電界および磁界が複雑に変化する。電子機器から漏洩する不要な電波（近傍界）を検出する際には、磁界ノイズの検出も電界ノイズと並んで重要であることから、磁界ノイズの空間分布を計測できることが求められている。

そこで本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、磁界ベクトルの空間内における分布を一挙に検出できる装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁界空間分布検出装置の一態様においては、磁界の空間分布を検出する磁界空間分布検出装置であって、３次元の磁界ベクトルを検出するセルを複数備える。

本発明に係る磁界空間分布検出装置により、磁界ベクトルの空間内における分布を一挙に検出できる装置を提供できる。

図１は本実施の形態における磁界空間分布検出装置の概観図である。図２は本実施の形態における磁界空間分布検出装置のセルを説明する図である。図３は本実施の形態における磁界空間分布検出装置のセルを説明する断面図である。図４は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００による磁界分布の検出例とシミュレーション結果とを説明する図である。図５は本実施の形態における磁界空間分布検出装置の動作の妥当性を説明する図である。

（実施の形態）
［装置構成］
以下、本発明の実施の一形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、動作の順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。

はじめに図１を用いて、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００の概観図について説明する。

なお、以降の説明においては、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の３軸によって規定される３次元空間のＸＹ平面に、磁界空間分布検出装置１００の基板２０の板面が配置されるものとして説明する。たとえばこの場合、基板２０の厚み方向とＺ軸方向とが一致するものと理解できる。

図１は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００の概観図である。図１には基板２０が図示されており、基板２０のＺ軸プラス側の面において、複数のループが周期的に配置（言い換えると、配列）されていることがわかる。ここで、複数のループのそれぞれは導体ループ（言い換えると、金属ループ）の一例である。複数のループは、それぞれの配向から３種類に分類でき、それぞれ第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３として示している。

なお、図１では磁界空間分布検出装置１００のＸ軸方向における中央部、およびＹ軸方向における中央部が便宜的に破断、省略されているが、省略箇所においても各方向における周期的な構造が繰り返されている。

また、繰り返し構造の最小単位として、近接する３種類のループを各１個組み合わせた基本構造を、概念的にセル１０として２点鎖線の領域により示した。なお、図１に示すセル１０はＸ軸マイナス側最端部、およびＹ軸マイナス側最端部における一例であり、いずれの箇所においても近接する３種類のループ組み合わせたものはセル１０として扱う。セル１０の詳細については、図２を用いて後述する。

基板２０は矩形状の誘電体基板であり、たとえばＦＲ－４（ＦｌａｍｅＲｅｔａｒｄａｎｔＴｙｐｅ４）基板等の樹脂基板である。なお、基板２０の形状、および材質はこれに限定されず、六角形もしくは三角形などの多角形状であってもよく、ガラスやフッ素樹脂など他の材質の基板であってもよい。基板２０はたとえばＸ軸方向に３１０ｍｍ、Ｙ軸方向に３１０ｍｍの長さをもつ正方形基板である。

また、基板２０のうち、前述の第１ループ３１、第２ループ３２および第３ループ３３が実装されるＺ軸プラス側の面（つまり表面）を計測面２１、計測面２１と背向するＺ軸マイナス側の面を裏面２２と定義する。

第１ループ３１は、Ｚ軸方向のベクトルを有する磁界成分を検出するために用いられる、基板２０に平行な面に形成された金属パターンである。具体的には計測面２１においてＸ軸方向に平行な２配線と、Ｙ軸方向に平行な２配線とによって構成された矩形状のプリント配線であり、銅などの導体配線によって構成される。

第１ループ３１は以上のような敷設型であるため、基板２０と同一のＸＹ平面に配置されたループ面を形成する。なお、第１ループ３１を構成するプリント配線は、適切な絶縁性の塗料等によって絶縁処理がなされている。なお、第１ループ３１は、このような絶縁処理がなされていなくてもよく、後述する第２ループ３２、および第３ループ３３と電気的に接続されていなければ、どのような形態であってもよい。

なお、第１ループ３１はプリント配線としたが、計測面２１上に同様の配向をなす配線材によって形成されてもよい。

第１ループ３１によって形成される矩形は、たとえば一辺が１０ｍｍの正方形である。なお、第１ループ３１はこのような形状に限定されず、円形や、三角形、および六角形等であってもよい。

第２ループ３２は、Ｙ軸方向のベクトルを有する磁界成分を検出するために用いられる、基板２０上に実装される導体による配線であり、計測面２１においてＸ軸方向に平行な２配線と、Ｚ軸方向に平行な２配線とによって構成される矩形状の配線材である。より具体的には、基板２０において、Ｘ軸方向に平行なプリント配線と、その両端部からＺ軸プラス方向に延びる配線材と、基板２０上におけるＺ軸方向の所定の位置において、Ｚ軸方向に延びた２本の配線材を接続する、Ｘ軸方向に平行な配線材とによって形成される、矩形状の配線である。

なお、第２ループ３２を構成する配線材は基板２０上の空間において、所定の形状を維持できる剛性を備えた導体であり、たとえば錫めっき銅などによって実現される。したがって第２ループ３２は基板２０に対する立設型であり、ＸＺ平面と平行なループ面を形成する。なお、第２ループ３２のうちプリント配線箇所は、適切な絶縁性の塗料等によって絶縁処理がなされている。なお、第２ループ３２は、第１ループ３１と同様にこのような絶縁処理がなされていなくてもよい。

第２ループ３２によって形成される矩形は、たとえばＸ軸方向に平行な辺が１０ｍｍ、Ｚ軸方向に平行な辺が５ｍｍの長方形である。なお、第１ループ３１と同様に、第２ループ３２もこのような形状に限定されない。

第３ループ３３は、Ｘ軸方向のベクトルを有する磁界成分を検出するために用いられる、基板２０上に実装される導体による配線であり、計測面２１においてＹ軸方向に平行な２配線と、Ｚ軸方向に平行な２配線とによって構成される矩形状の配線材である。より具体的には、基板２０において、Ｙ軸方向に平行なプリント配線と、その両端部からＺ軸プラス方向に延びる配線材と、基板２０上におけるＺ軸方向の所定の位置において、Ｚ軸方向に延びた２本の配線材を接続するＹ軸方向に平行な配線材とによって形成される、矩形状の配線である。

第３ループ３３によって形成される矩形は、たとえばＹ軸方向に平行な辺が１０ｍｍ、Ｚ軸方向に平行な辺が５ｍｍの長方形である。なお、第１ループ３１、および第２ループ３２と同様に、第３ループ３３もこのような形状に限定されない。

また、第３ループ３３は、基板２０上の空間において所定の形状を維持できる剛性を備えた配線であり、たとえば錫めっき銅などによって実現される。したがって第３ループ３３は基板２０に対する直立型であり、ＹＺ平面と平行なループ面を形成する。

以下、ループの周期的配置についてより具体的に説明する。

まず、Ｘ軸方向マイナス側からプラス側にかけて、基板２０の端部１５ｍｍの位置からＸ軸方向に１０ｍｍの長さをもって、１個目の第１ループ３１が配置され、さらに２０ｍｍの間隔をあけて２個目の第１ループ３１が配置される。以降２０ｍｍ間隔でＸ軸方向に１０ｍｍの長さの第１ループ３１が順次配置され、１０個目の第１ループ３１が配置された後、１５ｍｍの間隔をあけて基板２０の端部に至る。

Ｙ軸方向マイナス側からプラス側にかけても、同様に第１ループ３１が１０個配置される。つまり、基板２０上には省略された箇所も含め、合計１０×１０＝１００個の第１ループ３１が配置されている。

次に、Ｘ軸方向マイナス側からプラス側にかけて、基板２０の端部１５ｍｍの地点からＸ軸方向に１０ｍｍの長さをもって、１個目の第２ループ３２が配置され、さらに２０ｍｍ間隔をあけて２個目の第２ループ３２が配置される。以降２０ｍｍ間隔でＸ軸方向に１０ｍｍの長さの第２ループ３２が順次配置され、１０個目の第２ループ３２が配置された後、１５ｍｍの間隔をあけて基板２０の端部に至る。

Ｙ軸方向においては、マイナス側からプラス側にかけて基板２０の端部５ｍｍの地点に、１個目の第２ループ３２が配置され、さらに３０ｍｍの間隔をあけて２個目の第２ループ３２が配置される。以降３０ｍｍ間隔で第２ループ３２が順次配置され、１１個目の第２ループ３２が配置された後、５ｍｍの間隔をあけて基板２０の端部に至る。

つまり、基板２０上には省略された箇所も含め、合計１０×１１＝１１０個の第２ループ３２が配置されている。

次に、Ｘ軸方向マイナス側からプラス側にかけて、基板２０の端部５ｍｍの地点に、１個目の第３ループ３３が配置され、さらに３０ｍｍ間隔をあけて２個目の第３ループ３３が配置される。以降３０ｍｍ間隔で第３ループ３３が順次配置され、１１個目の第３ループ３３が配置された後、５ｍｍの間隔をあけて基板２０の端部に至る。

Ｙ軸方向においては、マイナス側からプラス側にかけて基板２０の端部１５ｍｍの地点からＹ軸方向に１０ｍｍの長さをもって、１個目の第３ループ３３が配置され、さらに２０ｍｍの間隔をあけて２個目の第３ループ３３が配置される。以降２０ｍｍ間隔でＹ軸方向に１０ｍｍの長さの第３ループ３３が順次配置され、１０個目の第３ループ３３が配置された後、１５ｍｍの間隔をあけて基板２０の端部に至る。

つまり、基板２０上には省略された箇所も含め、合計１１×１０＝１１０個の第３ループ３３が配置されている。

以上のように磁界空間分布検出装置１００は、セル１０の構成をＸ軸方向、およびＹ軸方向にそれぞれ１０周期配列した後、基板中心から点対称になるように、基板のＸ軸方向端部に第３ループ３３、Ｙ軸方向端部に第２ループ３２を追加で配列した構成となっている。

ここで第１ループ３１と、第２ループ３２、および第３ループ３３とは、基板２０上に実装されたループの個数がそれぞれ１００個と、１１０個、および１１０個とであり、実装数が異なっている。

本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、ある地点のセル１０において３次元方向の磁界の強度、および位相が検出できる。一方で図１に示すように空間内に複数のセル１０を配置した場合には、磁界の各ベクトル成分に関する空間内の分布として解釈することもできる。つまり、本実施の形態において、磁界空間分布検出装置１００は空間内のＺ軸方向のベクトルをもった磁界成分の、１００地点における分布、Ｙ軸方向のベクトルをもった磁界成分の、１１０地点における分布、およびＸ軸方向のベクトルをもった磁界成分の、１１０地点における分布のように磁界の各方向成分それぞれの分布として検出できる装置でもある。

よって磁界空間分布検出装置１００は、第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３の実装数がそれぞれで異なっていてもよい。

なお、基板２０上のループの配置はこのような位置関係に限定されない。たとえば、磁界空間分布検出装置１００は、３０ｍｍ周期で規則的に配列された配置としたが、さらに周期を短くしてもよく、長くしてもよい。だたし、磁界空間分布検出装置１００の効果を均質に得られるようにするためには、検出したい対象の電磁波が有する波長よりも十分に細かい周期で配列されたループ配置が必要となる。たとえば、後述する試験的な実施例において、検出する対象となる電磁波の波長を１５０ｍｍに設定したが、これに対して磁界空間分布検出装置１００における３０ｍｍの周期的構造は十分に細かいといえる。

本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、このように対象の波長よりも十分に細かい繰り返し構造を有するため、磁界空間分布検出可能なメタマテリアル、もしくは面状の配置をとることから磁界空間分布検出可能なメタサーフェスとみなすことができる。

また、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００においては、平面状にセル１０が配列されたが、たとえば基板２０を積層することで、３次元的に配置したセル１０によって、磁界ベクトルの３次元空間分布を一挙に検出できる構成としてもよい。

次に図２、および図３を用いて本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００を構成する最小単位のセル１０について説明する。

図２は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００のセル１０を説明する図である。図２には磁界空間分布検出装置１００を構成する、複数のうちの一つのセル１０、基板２０、第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３が図示されている。

セル１０は、前述のように３次元方向の磁界の強度、および位相を検出するための構造概念であり、磁界空間分布検出装置１００を構成する複数のセル１０のうちの一つである。セル１０は、互いに直交する３方向の磁界を検出する３つの導体ループを有する。つまり、第１ループ３１、第２ループ３２、第３ループ３３、およびこれらのループを実装する基板２０によって構成される。すなわち、セル１０は磁界空間分布検出装置１００において、一つの面を構成するように配置される。言い換えると、磁界空間分布検出装置１００において、セル１０は二次元面状に周期的に配列されている。

第１ループ３１は基板２０の計測面２１においてＸＹ平面上に配置される。

第１ループ３１を構成する基板２０上のプリント配線の厚み、および幅はどのような値であってもよい。たとえば０．０３６ｍｍの厚み、および１ｍｍの幅であってもよく、これ以上、またはこれ以下の厚みと幅であってもよい。また厚みと幅は一致していてもよい。ただし、後述するが、第１ループ３１によって形成される第１ループ面３１ｓの内部面積（つまり表面積）は、大きければ大きいほど、磁界による誘導起電力が大きくなるため、計測の精度が増す。よって第１ループ３１の配線の厚み、および幅は、計測したい磁界が十分計測可能な表面積を確保できるような値であることが望ましい。

また、第１ループ３１は、Ｙ軸方向に平行な２配線の略中央部においてそれぞれ破断されており、破断箇所の両端がそれぞれ、所定の抵抗値を有する抵抗素子４１、および４２の両端に電気的に接続されている。本実施の形態において抵抗素子４１、および４２は、基板２０上に実装可能なチップ抵抗を採用しているが、これに限定されるものでない。

なお、破断箇所もこの位置に限定されるものでなく、Ｙ軸方向に平行な２配線の略中央部であってもよく、各配線の端部であってもよい。また、第１ループ３１に接続される抵抗素子は１つであってもよい。

本実施の形態においては、計測器を用いて第１ループ３１に発生した電圧を計測することで、第１ループ面３１ｓに垂直なベクトル（つまりＺ軸方向のベクトル）を有する磁界成分の強度、および位相を検出する。

ここで、前述の抵抗素子４１、および４２が示す所定の抵抗値は、計測に用いる計測器の入力インピーダンスと同じ値である。

図１に示したように、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、セル１０を複数配置した繰り返し構造を有する。これら複数のセル１０のうち、計測に用いるセル１０に実装されたループには計測器が接続されるが、その他のループについては接続されない。つまり計測に用いないセル１０と計測に用いるセル１０とでは計測器の有する、入力インピーダンス（つまり抵抗成分）が存在するという点で回路特性に差異が生じてしまう。このような差異を軽減するため、測定に用いないセル１０に関しては、抵抗素子４１、および４２が接続される。したがって、計測に用いるセル１０においては、計測器の入力インピーダンスが接続されるため（抵抗成分を有するため）抵抗素子４１、および４２は接続されない。

なお、以上の抵抗値についての記載は後述の抵抗素子４３、および４４においても同様である。

第２ループ３２は、第１ループ３１からＹ軸方向マイナス側（およびプラス側）に１０ｍｍ離間して設置される。

第２ループ３２を構成する基板２０上のプリント配線、および基板２０上の空間に配置された配線材の厚み、および幅は、どのような値であってもよい。プリント配線箇所は、たとえば０．０３６ｍｍの厚み、および１ｍｍの幅である。また、配線材箇所は、たとえば０．７ｍｍの厚み、および０．７ｍｍの幅である。なお、プリント配線箇所、および配線材箇所のいずれにおいても、これ以上、またはこれ以下の厚みと幅であってもよい。また、厚みと幅は一致していてもよく、一致していなくてもよい。ただし、第１ループ３１と同様に第２ループ３２によって形成される第２ループ面３２ｓの表面積は、大きければ大きいほど、磁界による誘導起電力が大きくなるため、計測の精度が増す。よって第２ループ３２の配線の厚み、および幅は、計測したい磁界が十分計測可能な表面積を確保できるような値であることが望ましい。

以上のような構成の第２ループ３２に発生した電圧を計測することで、第２ループ面３２ｓに垂直なベクトル（つまりＹ軸方向のベクトル）を有する磁界成分の強度、および位相を検出する。

また、第２ループ３２は、Ｘ軸方向に平行な２配線のうち、基板２０上にプリントされた配線の略中央部において破断されており、破断箇所の両端がそれぞれ、所定の抵抗値を有する抵抗素子４３の両端に電気的に接続されている。抵抗素子４３は抵抗素子４１、および４２と同様に、基板２０上に実装可能なチップ抵抗を採用しているが、これに限定されるものでない。

なお、破断箇所はこの位置に限定されず、いずれの箇所で破断されていてもよい。

第３ループ３３は、第１ループ３１からＸ軸方向マイナス側（およびプラス側）に１０ｍｍ離間して設置され、ＸＺ平面に配置された第２ループ３２と同様の配線が、ＹＺ平面に配置されたものである。第３ループ３３の構造については第２ループ３２と同様であり、詳細な説明は省略する。

つまり、第３ループ３３において、所定の表面積を有する第３ループ面３３ｓによって、磁界に基づき発生した電圧を計測することで、第３ループ面３３ｓに垂直なベクトル（つまりＸ軸方向のベクトル）を有する磁界成分の強度、および位相を検出する。なお、第２ループ３２と同様に第３ループ３３には、抵抗素子４４が電気的に接続されている。

また、図２において説明したように第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３は少しずつ位置をずらして構成したが、これらが重なるように構成されてもよい。たとえば少しずつ配線長の異なる（言い換えると、矩形の長さや高さが異なる、または円形であれば半径が異なる）金属ループを、適切な絶縁処理によって相互に電気的な接続が生じないようにして重ねることで構成したセルを、平面基板上に周期的に配列してもよい。

また磁界空間分布検出装置１００が純粋に「検出」のための装置として振る舞うためには、計測によって周囲の磁場を乱さないことが望ましい。たとえば、アンテナなどの共振機器は共振現象に伴い周囲の電場や磁場を乱す。本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００はこのような共振現象を避けることが好ましい。

つまり磁界空間分布検出装置１００を用いて測定したい、対象の電磁波が有する波長に対して、第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３はループそれぞれの配線長を、４分の１波長の長さよりも十分短くして構成することが望ましい。したがって、ループの大きさは使用状況に合わせ、このような配線長の制限に干渉しないように、適宜設計されるべきである。

ここで図３を用いてセル１０の断面構造について説明する。

図３は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００のセル１０を説明する断面図である。図３には、計測面２１に実装された導体３４、および３５が図示されている。また裏面２２を被覆する銅箔３６、および誘電体層３７を貫通して計測面２１の導体３４、および３５を裏面２２まで電気的に導くビア３８も図示されている。

図３の（ａ）は第１ループ３１の断面図が、図３の（ｂ）には第２ループ３２断面図がそれぞれ図示されている。なお、図３の（ｂ）に関して、第２ループ３２と第３ループ３３とは、配向が異なるのみで同一の構成であるため、図３の（ｂ）は第３ループ３３の断面図と解釈することもできる。

なお、図３においては計測器が接続されるセル１０を図示しているため、抵抗素子４１～４３は図示されていない。

図３の（ａ）は第１ループ３１の矩形配線のうち、Ｙ軸方向に平行な一辺に沿って切断したＹＺ平面の断面図である。第１ループ３１は、図３の（ａ）に示すように誘電体層３７を含む基板２０上に構成される。

上記で説明したように、本実施の形態における第１ループ３１は、プリント配線によって基板２０に「埋め込まれた」形態で実現される。図３の（ａ）においても第１ループ３１を構成する導体３４が、誘電体層３７に埋め込まれた形態であることが示されている。

なお、第１ループ３１のＹ軸方向における配線の長さをＷ１と定義する。図１において説明したように、本実施の形態においてＷ１は１０ｍｍである。また図示しないが第１ループ３１は正方形の配線であるためＸ軸方向における配線の長さも１０ｍｍである。つまり、図３の（ａ）において、第１ループ３１のループ１周分の長さは、４×Ｗ１によって規定される４０ｍｍの配線長である。

ここで、基板２０上にパターン配線として第１ループ３１を形成した後、たとえばエポキシ樹脂などの適切な塗料等によって、ループは絶縁処理され「埋め込まれた」形状となる。絶縁処理によって形成された絶縁層は、厳密には基板２０の誘電体層とは異なる材質である場合も考えられるが、図３では便宜的に絶縁層、および誘電体層をあわせて誘電体層３７として図示している。以上の絶縁処理についての記述は、第２ループ３２、および第３ループ３３に関して、埋め込まれた配線箇所において同様である。なお、本実施の形態においては、第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３の「埋め込まれた」箇所について、塗料等によって絶縁処理される構成を説明したが、これに限られるものではない。たとえば第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３が十分に離間された配置であれば、これらループどうしは電気的に絶縁されているため別途絶縁処理を行う必要はない。

計測面２１に形成された導体３４によって構成される第１ループ３１は、ビア３８によって裏面２２へと電気的に接続される。ビア３８は、導体３４と同一、または異なる導電性材料によって構成され、たとえば基板２０に設けられた穿孔に銅などが充填されることで形成される。ビア３８の長さは層間距離Ｔ、および裏面２２をグランドとして被覆する銅箔３６の厚みによって規定される。本実施の形態においてＴはたとえば１．６ｍｍである。なお、銅箔３６はビア３８の貫通箇所に対応して開口しており、ビア３８がグランドと電気的に接続されないよう構成されている。

以上のようにして、第１ループ３１はビア３８を介して裏面２２に電気的に接続され、さらに裏面２２において計測器に接続されることで、裏面２２側から計測を行う。

図３の（ｂ）は、第２ループ３２の矩形配線をループ面と平行な面で切断したＸＺ平面の断面図である。第２ループ３２も、第１ループ３１と同様に誘電体層３７を含む基板２０上に構成されるが、第１ループ３１が「埋め込まれた」形態であるのに対し、第２ループ３２は「立設された」形態である点で異なる。

このため図３の（ｂ）には、第２ループ３２を構成する導体３５は、Ｚ軸方向に延びる配線材を有していることが示されている。また、第２ループ３２を構成するＸ軸方向に平行な配線のうち一方は、Ｚ軸方向に延びる２配線をそれぞれのＺ軸プラス側端部において接続する。また他方は、プリント配線によって基板２０に埋め込まれる。このようにして第２ループ３２の「立設された」形態が実現される。

なお、第２ループ３２のＸ軸方向における配線の長さをＷ２、Ｚ軸方向における配線の長さをＨ２と定義する。図１において説明したように、本実施の形態においては第２ループ３２のＨ２は５ｍｍであり、Ｗ２は１０ｍｍである。つまり図３の（ｂ）において、第２ループ３２のループ１周分の長さは、２×Ｗ２＋２×Ｈ２によって規定される３０ｍｍの配線長である。

ここで、第２ループ３２に関しても、Ｘ軸方向に平行な配線のうち基板２０に埋め込まれた一方において、ビア３８によって裏面２２へと電気的に接続される。

したがって磁界空間分布検出装置１００によって検出される磁界のうち、Ｙ軸方向のベクトルを有する磁界成分は、ビア３８を介して裏面２２において第２ループ３２と電気的に接続された計測器によって検出される。

また図示を省略したが、Ｚ軸方向に平行な２配線と、Ｙ軸方向に平行な２配線とによって構成される他は、第２ループ３２と同様の構成である第３ループ３３が、ビア３８を介し、裏面２２において計測器に接続される。第３ループ３３は計測器によってＸ軸方向のベクトルを有する磁界成分を検出する際に使用される。

以上のように、複数配置されたセル１０のうち、単一のセル１０によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の３方向のベクトルをもつ磁界成分を、それぞれ検出することができる。つまり、セル１０が配置された空間内の一箇所において、これら３方向の磁界の強度、および位相が検出でき、３方向の磁界成分を合成することで磁界のベクトルを計測することができる。

［装置の動作］
次に、以上のように構成された本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００の動作について、実施例を用いて詳細に説明する。

まず、試験的に行った実施例の実施条件について説明する。基板２０の中心からＺ軸プラス方向に１００ｍｍ離間した位置より、標準ダイポールアンテナを用いて周波数２ＧＨｚ、強度０ｄＢｍのＸ軸方向偏波の電磁波を放射した。この放射された電磁波によって発生する磁界の、各セル１０の配置された地点における強度（つまり、実測値）をそれぞれ取得した。つまり、各セル１０が備える第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３それぞれの抵抗素子４１～４４において、ファラデーの電磁誘導の法則に従って生じる誘導起電力を測定し、以下の式１を用いて磁界の強度を計算した。

ここで、Ｈは磁界の強度、ωは角周波数、μは透磁率、Ｓは第１ループ面３１ｓ、第２ループ面３２ｓ、または第３ループ面３３ｓの表面積、Ｖ_Ｒは抵抗素子４１～４４に生じた誘導起電力をそれぞれ示している。前述で述べたループ面の表面積の大きさは、式１の中でＳとして記述されるが、測定対象である磁界の強度が一定とすれば、表面積Ｓが大きければ大きいほど、発生する誘導起電力Ｖ_Ｒが大きくなることがわかる。よって、精度よく磁界の強度Ｈを計算するために、Ｖ_Ｒを大きくするように、可能な限りループ面の表面積が大きなループを実装することが望ましい。

一方で、コンピュータ上で実行されるアプリケーションソフトウェアにおいて、同様の構成を仮想的に構築し、仮想の磁界空間分布検出装置における複数のセルそれぞれによって、取得される仮想の磁界の強度（つまり、シミュレーション値）を計算科学的に取得した。

なお、実装した１０×１０＝１００個のセル１０と、追加配列したループとで、１００個の第１ループ３１、１１０個の第２ループ３２、および１１０個の第３ループ３３が基板２０上に実装されている。上記の実測値を得る際は、これらのループから第１ループ３１を６×６＝３６個、第２ループ３２を６×５＝３０個、第３ループを５×６＝３０個選択して、このそれぞれについて計測器を接続して磁界により発生する誘導起電力を取得した。

また、一方で上記のシミュレーション値を得る際は、構築した仮想の磁界空間分布検出装置における複数のセル全てにおいて磁界により発生する誘導起電力を取得した。このため、以下の図４に示す実測値と、シミュレーション値とでは計測点数が異なり、マトリックスの格子サイズが異なっている。

このようにして、以上の条件において得られた実測値、およびシミュレーション値について、図４を用いて結果をもとに説明する。

図４は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００による磁界分布の検出例とシミュレーション結果とを説明する図である。図４には、ＸＹ平面に配置された各セル１０それぞれにおいて、計測された磁界の強度がマトリックス状に示されている。つまり図４は、磁界成分の２次元磁界分布を示す図である。なお、図４の値は一例として、Ｘ軸方向偏波の電磁波が持つＹ軸方向の磁界成分を検出するため、第２ループ３２に着目している。

図４の（ａ）は実測値を、図４の（ｂ）はシミュレーション値を示している。先に述べたように、実測値は全ループ点１１０点のうち、計測点３０点を選択して検出した結果を示し、シミュレーション値は全ループ点１１０点の全ての点において計算された結果を示している。つまりこれらの結果は、互いに解像度の異なるマトリックスを示している。

図４は縦軸に、Ｙ軸方向における基板の長さ３１０ｍｍ（－１５５ｍｍ～＋１５５ｍｍ）のうち、いずれの位置におけるセル１０の第２ループ３２において得られた磁界強度であるかを示している。また同様に横軸には、Ｘ軸方向における基板の長さ３１０ｍｍ（－１５５ｍｍ～＋１５５ｍｍ）のうち、いずれの位置におけるセル１０の第２ループ３２において得られた磁界強度であるかを示している。また、図４の（ａ）、および図４の（ｂ）それぞれの右側に付したグレースケールバーにより、各計測点における磁界の強さを示している。図４の（ａ）ではＸ軸方向、およびＹ軸方向のいずれにおいても中央部が最も磁界強度が大きく、各軸の両端に至るにつれて磁界強度が小さくなる「山なり」の形状を示している。一方、図４の（ｂ）でもＸ軸方向、およびＹ軸方向のいずれにおいても中央部が最も磁界強度が大きく、各軸の両端に至るにつれて磁界強度が小さくなる、同様の「山なり」の形状を示している。つまり計測によって得られた実測値は、計算されたシミュレーション値を正確に反映した、同様の磁界強度の分布を示している。

次に、図５を用いて、試験的に行った実施例において得られた結果について、考察を踏まえて説明する。

図５は本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００の動作の妥当性を説明する図である。図５は、横軸に、Ｘ軸方向における基板の長さ３１０ｍｍ（－１５５ｍｍ～＋１５５ｍｍ）のうち、いずれの位置におけるセル１０の第２ループ３２において得られた磁界強度であるかを示している。なお、横軸のうち両端の５ｍｍずつは、ループが配置されない箇所であるため、図５においては省略している。また縦軸には、図４に破線で示した（つまりＹ軸方向における中央部の）Ｘ軸方向に沿った磁界分布として、各セル１０において検出された磁界強度をプロットしている。

また図５には、先に述べた図４と同様に実測値とシミュレーション値を示した。また標準ダイポールアンテナから１００ｍｍの距離において、磁界の強度がどのように分布するかを、計算によって求めた理論磁界分布を作成した。図５には、作成した理論磁界分布のうち、実施例における計測点に対応する、Ｙ軸方向０ｍｍ、Ｘ軸方向－１５５ｍｍ～＋１５５ｍｍにおける理論値のプロットも併せて示した。なお、図５においては実測値、およびシミュレーション値は、各セルの備えるループで得られた離散した数値であるのに対し、理論値は理論上の磁界の強度分布であるため連続した数値であり、図５において曲線として示されている。

なお、実測値の計測点としてＸ軸方向におけるマイナス側からプラス側にかけて２個目、４個目、７個目、９個目の第２ループ３２は、計測には使用しなかったため、これらに対応するプロットは図示されていない。すなわち、計測に用いられたのは基板２０のＸ軸マイナス側端部から１５ｍｍ、７５ｍｍ、１３５ｍｍ、１６５ｍｍ、２２５ｍｍ、および２８５ｍｍの位置から、それぞれＸ軸方向に１０ｍｍの長さをもって設置されたループ６点である。

図５に示すように、実測値とシミュレーション値とはやはり一致しており、その誤差は２５％以内である。一方で、理論値と比較した場合は、実測値、およびシミュレーション値は非常に大きいことがわかる。この要因として、理論値は直接波のみを観測しているのに対して、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は図１、および図２に示すように、基板２０や各ループなどの構造物が存在する点が考えられる。理論値はこのような構造物については考慮されないが、実測値、およびシミュレーション値は構造物による反射があったために、これらは理論値と比べて磁界強度に大きな差が生じたと予測される。

しかしながら、本実施の形態においては、磁界ベクトルの空間内における分布を一挙に検出できる装置を提供することを目的としており、以上に説明した通り、上記目的は実現されている。

なお、必要に応じて構造や材質パラメータを調整することで、電磁波吸収性能を高め、反射波を抑制する構成としてもよい。

以上のように、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、磁界の空間分布を検出する磁界空間分布検出装置１００であって、３次元で磁界ベクトルを検出するセル１０を複数備える。

このような構成により、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００によれば、磁界ベクトルの空間内における分布を一挙に検出できる。

また、複数のセル１０は、一つの面を構成するように配置されてもよい。これにより、２次元面上における磁界ベクトルの分布を一挙に検出できる。

また、複数のセル１０のそれぞれは、互いに直交する３方向の磁界を検出する３つの導体ループを有してもよい。これにより、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、複数のセル１０のうち、単一のセル１０ごとに磁界ベクトルを検出できる。

また、さらに、基板２０を備え、複数のセル１０が有する３つの導体ループは、いずれも、基板２０に配置されてもよい。これにより、３つの導体ループである第１ループ３１、第２ループ３２、および第３ループ３３を基板に実装するのみで磁界空間分布検出装置１００が実現できる。

また、複数のセル１０のそれぞれが有する３つの導体ループの一つは、基板２０に平行な面に形成された金属パターンであり、複数のセル１０のそれぞれが有する３つの導体ループの他の二つは、基板２０に立設された金属ループであってもよい。これにより、第１ループ３１を基板２０に「埋め込まれた」形態で実現し、第２ループ３２、および第３ループ３３を基板２０に「立設された」形態で実現できる。

また、複数のセル１０のそれぞれが有する３つの導体ループは、抵抗素子４１～４４が挿入されたループ構造を有してもよい。これにより、形成されたループ内を貫通する磁束によって生じる誘導起電力を、抵抗素子４１～４４において計測することができる。

（その他の実施の形態）
以上、例示的な各実施の形態について説明したが、本願の請求の範囲は、これらの実施の形態に限定されるものではない。添付の請求の範囲に記載された主題の新規な教示および利点から逸脱することなく、上記各実施の形態においてさまざまな変形を施してもよく、上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせて他の実施の形態を得てもよいことを、当業者であれば容易に理解するであろう。したがって、そのような変形例や他の実施の形態も本開示に含まれる。

たとえば、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は平面の基板２０上に実装される、３つの導体ループによって構成されたが、たとえば曲面状等の基板であってもよく、波板などの形状の基板であってもよい。つまり本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、このような基板の形状に限定されない。

さらに本実施の形態において磁界空間分布検出装置１００は二次元面状に配置されたセル１０によって実現されたが、１次元の直線状に配列されてもよく、複数のセルは２個であってもよい。このような最小構成の磁界空間分布検出装置を用いても、セル１０の配列位置における磁界ベクトルが得られ、波源の推定が可能である。

また、本開示において実施例として磁界空間分布検出装置１００による磁界の強度分布の計測について説明したが、磁界の強度および位相を計測できる計測器を接続し、磁界の強度とともに磁界の位相も計測できる構成としてもよい。

またたとえば、本実施の形態における磁界空間分布検出装置１００は、一つの基板２０上に複数のセル１０が実装されたが、個々のセル１０がそれぞれ個別の基板に実装されてもよい。

またさらに、本実施の形態においてセル１０の第１ループ３１は、基板２０に平行な面に形成された金属パターンであり、第２ループ３２、および第３ループ３３は基板２０に立設された金属ループであったがこれに限らない。たとえば個別の基板に、形成された金属パターンのループを３つ用意し、それぞれ直交するよう配置してセルを構成してもよい。もしくは、基板２０を備えず、直交するループどうしを固定する樹脂担体などによってセルを実現してもよい。

また、本実施の形態におけるセル１０の有する３つの導体ループは、抵抗素子４１～４４が挿入されたループ構造を有したが、抵抗素子４１～４４を有しなくてもよい。

また上記で説明した実施例においては、複数のセル１０のうちから計測に用いる点を選択して構成したが、複数のセル１０全てに計測器を接続してもよく、もしくは適切なスイッチなどによって計測器が接続される計測点を、切り替え可能な構成としてもよい。このようにして全てのセル１０を用いることで、磁界空間分布検出の空間分解能を向上させてもよい。なお、複数のセルをさらに短い周期で配列するなどによって空間分解能を向上させてもよい。

さらに、配置するセル１０の個数を増やすことで検出エリアを拡大してもよい。

また、電波吸収体としてのパラメータを調整することにより反射波の発生を抑制し、理論値と実測値が一致するような構成を実現してもよい。

なお、さらに磁界空間分布検出装置１００を、適切なプログラム、およびこれを実行するためのプロセッサ、メモリ、記憶装置等を備えるコンピュータに接続し、当該コンピュータを用いて検出された磁界ベクトルの分布を解析することで、磁界ノイズのノイズ源を特定する構成としてもよい。

電気・電子・通信・産業機器メーカ、ＥＭＣ（電磁環境：Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）計測機器メーカ、ＥＭＣ計測サービス企業での利用が期待される。機器開発メーカの現場、ＥＭＣ試験用電波暗室など、電磁ノイズを計測する必要がある現場は、全て市場となり得る。

１０セル
２０基板
２１計測面
２２裏面
３１第１ループ
３１ｓ第１ループ面
３２第２ループ
３２ｓ第２ループ面
３３第３ループ
３３ｓ第３ループ面
３４、３５導体
３６銅箔
３７誘電体層
３８ビア
４１、４２、４３、４４抵抗素子
１００磁界空間分布検出装置

Claims

磁界の空間分布を検出する磁界空間分布検出装置であって、
３次元の磁界ベクトルを検出するセルを複数備え、
前記複数のセルのそれぞれは、互いに直交する３方向の磁界を検出する３つの導体ループを有し、
前記３つの導体ループのそれぞれは、互いに交差せずに配置されており、
前記複数のセルは、一つの面を構成するように配置されている
磁界空間分布検出装置。
磁界の空間分布を検出する磁界空間分布検出装置であって、
基板と、
３次元の磁界ベクトルを検出するセルを複数備え、
前記複数のセルのそれぞれは、互いに直交する３方向の磁界を検出する３つの導体ループであって、前記３つの導体ループは、いずれも、前記基板に配置されている３つの導体ループを有し、
前記３つの導体ループのそれぞれは、互いに交差せずに配置されており、
前記３つの導体ループの一つは、前記基板に平行な面に形成された金属パターンであり、
前記３つの導体ループの他の二つは、前記基板に立設された金属ループである
磁界空間分布検出装置。
前記３つの導体ループは、抵抗素子が挿入されたループ構造を有する
請求項２に記載の磁界空間分布検出装置。