JP7530284B2

JP7530284B2 - センサ

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Publication number: JP7530284B2
Application number: JP2020212020A
Authority: JP
Inventors: 和義加々美
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2024-08-07
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP2022098572A

Description

本発明は、センサに関する。

ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子を用いて光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）の原理により磁界を計測するセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このセンサでは、励起光としての緑色光をＮＶセンタに照射すると共にマイクロ波を周波数掃引しながらＮＶセンタに照射し、ＮＶセンタから発せられる赤色蛍光を検出する。このセンサでは、共鳴周波数のマイクロ波がＮＶセンタに照射されると、ＮＶセンタにおいて電子スピン共鳴が生じてＮＶセンタから発せられる赤色蛍光の輝度が低下する。ここで、磁界が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。

国際公開第２０１５／１０７９０７号

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

また、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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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

一方、アンテナ１０は、例えば、縦２～５ｍｍ×横２～５ｍｍの方形のマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。即ち、アンテナ１０は、縦と横の寸法が１０ｍｍに満たない小サイズのマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。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。

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

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

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

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

ところで、本実施形態のセンサ１は、電動車の電池残量を計測する電池センサとして使用される。ここで、電動車の出力電流のレンジは、例えば１０ｍＡから１０００Ａを超える値までというように広い。それに伴って、本実施形態のセンサ１のアンテナ１０には、マイクロ波ＭＷを、例えば１～５ＧＨｚのような広い周波数帯域で掃引でき、この広い周波数帯域で安定して高出力である性能が要求される。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

また、本実施形態では、ループ導体１２Ａ，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。

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。

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。

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

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。