JPH07306235A - 電界センサ - Google Patents
電界センサInfo
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-
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Abstract
する。 【構成】 電界受信用アンテナ1で受ける入力信号の電
界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構成
された電界センサヘッド3を有する。電界センサヘッド
3は、入射光導波路9と、電界の強度に応じて屈折率が
変化する2つの位相シフト光導波路10と、出射光導波
路11と、2つの位相シフト光導波路10のうち少なく
とも一方の近傍に形成された変調電極12とからなる。
変調電極12と電界受信用アンテナ1との間に接続され
た共振用回路2を有し、変調電極12の膜厚は1μm以
上とする。変調電極12は、光進行方向において分割さ
れ、かつ、容量結合されている複数の分割電極から構成
する。電界受信用アンテナは、低放射抵抗アンテナで構
成する。
Description
を検出し、または、電磁波の電界強度を測定するための
電界センサに関する。
よびロボット等のFA機器、自動車および電車等の制御
器などの多くの電気機器は互いに外部からの電磁ノイズ
によって誤動作などの影響を受ける危険を常にもってい
るから、EMC分野においては外部の電磁環境や影響を
及ぼすようなノイズの大きさ、また、自らが発生するノ
イズ等を正確に測定することが重要となっている。
は、(a)通常のアンテナを用いて受信し、同軸ケーブ
ルで測定器まで導く装置、(b)アンテナを用いて受信
した信号を検波して光信号に変換し光ファイバで測定器
まで導く装置、(c)印加される電界強度に応じて透過
光の強度が変化するように構成された光学素子を用いて
電界強度変化を光強度変化に変換し、前記光学素子と光
源及び測定器に接続された光検出器間を光ファイバで接
続する装置がある。
一般的であるが、同軸ケーブル等の電気ケーブルの存在
により電界分布が乱れてしまったりケーブル途中からの
ノイズ混入の恐れがある等の問題があったため、光ファ
イバを用いた前記(b)、(c)の装置が開発されてい
る。
た信号を増幅して発光ダイオードに加えて光信号に変換
して光ファイバで光検出器に導くものであるが、センサ
ヘッド部に電気回路やバッテリを必要とするため、ある
大きさの金属部分が存在し、かつ形状も大きくなってし
まうという問題があり、また、電界の検出感度が低く応
答速度が遅いという問題がある。
透過光の強度変化に変換する光学素子として電気光学効
果を有する結晶を用いている。その素子構造としては、
光ファイバの出射光をレンズで平行光として小型アンテ
ナを取り付けた結晶中を通過させて結晶中の電界により
偏光状態を変化させ、検光子で強度変化に変換した後再
び光ファイバに結合するバルク型素子と、結晶上に設け
た光導波路により上記光学素子を構成する導波路型素子
とであり、通常導波路型のほうがバルク型よりも10倍
以上検出感度が高い。
センサの要部を示す一部切欠正面図である。この電界セ
ンサは、電界受信用アンテナ101で受ける入力信号の
電界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構
成された電界センサヘッド102と、この電界センサヘ
ッド102に接続された入射光ファイバ103および出
射光ファイバ104と、前記入射光ファイバ103の一
端に接続されこの入射光ファイバ103に光を放射する
光源(図示せず)と、前記電界センサヘッド102から
の透過光を前記出射光ファイバ104を介して受けて前
記透過光を検出する光検出器(図示せず)とを具備して
いる。
5と、前記入射光ファイバ103に接続されるように前
記基板105に形成された入射光導波路106と、前記
入射光導波路106より分岐するように前記基板105
に形成され電界の強度に応じて屈折率が変化する2つの
位相シフト光導波路107と、前記出射光ファイバ10
4に接続され前記2つの位相シフト光導波路107が合
流するように前記基板105に形成された出射光導波路
108と、前記2つの位相シフト光導波路107の近傍
に形成され前記電界受信用アンテナ101に接続されて
いる変調電極109とからなる。
りだしたニオブ酸リチウム単結晶板からなる。この基板
105上にチタンを拡散して前記入射光導波路106と
位相シフト光導波路107および出射光導波路108が
形成されている。前記入射光ファイバ103からの入射
光は入射光導波路106に入射した後、位相シフト光導
波路107にエネルギーが分割される。電界が印加され
た場合、電界受信用アンテナ101で受ける信号より変
調電極109に電圧が誘起されて位相シフト光導波路1
07中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じ
る。この結果、位相シフト光導波路107に電気光学効
果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波路107
を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた位相差
が生じ、それらが合流して出射光導波路108に結合す
る場合に干渉により光強度が変化する。すなわち、印加
電界強度に応じて出射光ファイバ104に出射する出射
光の強度は変化することになり、その光強度変化を光検
出器で測定することにより印加電界の強度を測定でき
る。
導波路型の電界センサの場合、電気ケーブルの存在によ
る電界分布の乱れ、ノイズ混入は無いものの最小検出可
能電界強度は、前記(a)のアンテナを用いて同軸ケー
ブルで測定器まで導く電界センサに比べると一桁程度劣
っている。
あって、感度を高めることができる電界センサを提供す
ることにある。
解決するために、電界受信用アンテナと、この電界受信
用アンテナで受ける入力信号の電界強度に応じて透過す
る光の強度が変化するように構成された電界センサヘッ
ドと、この電界センサヘッドに接続された入射光ファイ
バおよび出射光ファイバと、前記入射光ファイバの一端
に接続されこの入射光ファイバに光を放射する光源と、
前記電界センサヘッドからの透過光を前記出射光ファイ
バを介して受けて前記透過光を検出する光検出器とを具
備し、前記電界センサヘッドは、基板と、前記入射光フ
ァイバに接続されるように前記基板に形成された入射光
導波路と、前記入射光導波路より分岐するように前記基
板に形成され電界の強度に応じて屈折率が変化する2つ
の位相シフト光導波路と、前記出射光ファイバに接続さ
れ前記2つの位相シフト光導波路が合流するように前記
基板に形成された出射光導波路と、前記2つの位相シフ
ト光導波路のうち少なくとも一方の近傍に形成された変
調電極とからなる電界センサにおいて、前記変調電極と
前記電界受信用アンテナとの間に接続された共振用回路
を有し、前記変調電極の膜厚は1μm以上とすることを
特徴とする。
され、かつ、容量結合されている複数の分割電極から構
成することが望ましい。前記電界受信用アンテナは、低
放射抵抗アンテナで構成すること望ましい。さらに、こ
の電界センサに結合された導波器および反射器の少なく
とも一つを有するようにしてもよい。
この電界受信用アンテナで受ける入力信号の電界強度に
応じて透過する光の強度が変化するように構成された電
界センサヘッドと、この電界センサヘッドに接続された
入射光ファイバおよび出射光ファイバと、前記入射光フ
ァイバの一端に接続されこの入射光ファイバに光を放射
する光源と、前記電界センサヘッドからの透過光を前記
出射光ファイバを介して受けて前記透過光を検出する光
検出器とを具備し、前記電界センサヘッドは、基板と、
前記入射光ファイバに接続されように前記基板に形成さ
れた入射光導波路と、前記入射光導波路より分岐するよ
うに前記基板に形成され電界の強度に応じて屈折率が変
化する2つの位相シフト光導波路と、前記出射光ファイ
バに接続され前記2つの位相シフト光導波路が合流する
ように前記基板に形成された出射光導波路と、前記2つ
の位相シフト光導波路のうち少なくとも一方の近傍に形
成された変調電極とからなる電界センサにおいて、前記
変調電極と前記電界受信用アンテナとの間に接続された
共振用回路を有し、前記変調電極は、光進行方向におい
て分割され、かつ、容量結合されている複数の分割電極
からなることを特徴とする。この電界センサにおいて、
前記電界受信用アンテナは低放射抵抗アンテナであるこ
とが望ましく、また、前記電界センサに接続された導波
器および反射器の少なくとも一つを有することが望まし
い。
ク図である。本発明の電界センサは、電界受信用アンテ
ナ1と、この電界受信用アンテナ1からの入力信号を共
振用回路2を介して受け電界強度に応じて透過する光の
強度が変化するように構成された電界センサヘッド3
と、この電界センサヘッド3に接続された入射光ファイ
バ4および出射光ファイバ5と、前記入射光ファイバ4
の一端に接続されこの入射光ファイバ4に光を放射する
光源6と、前記電界センサヘッド3からの透過光を前記
出射光ファイバ5を介して受けて前記透過光を検出する
光検出器7とを具備している。
3は、基板8と、前記入射光ファイバ4に接続されるよ
うに前記基板8に形成された入射光導波路9と、前記入
射光導波路9より分岐するように前記基板8に形成され
電界の強度に応じて屈折率が変化する2つの位相シフト
光導波路10と、前記出射光ファイバ5に接続され前記
2つの位相シフト光導波路10が合流するように前記基
板8に形成された出射光導波路11と、前記2つの位相
シフト光導波路の近傍に形成された変調電極12とから
なる。前記変調電極12と前記電界受信用アンテナ1と
の間に共振用回路2が接続されている。前記電界受信用
アンテナ1および共振用回路2は、電極パッド13を介
して変調電極12に接続されている。
オブ酸リチウム単結晶板からなる。この基板8上にチタ
ンを拡散して前記入射光導波路9と位相シフト光導波路
10および出射光導波路11が形成されている。前記入
射光ファイバ4からの入射光は入射光導波路9に入射し
た後、位相シフト光導波路10にエネルギーが分割され
る。電界が印加された場合、電界受信用アンテナ1で受
ける信号より変調電極12に電圧が誘起されて位相シフ
ト光導波路10中には深さ方向に互いに反対向きの電界
成分が生じる。この結果、位相シフト光導波路10に電
気光学効果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波
路10を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた
位相差が生じ、それらが合流して出射光導波路11に結
合する場合に干渉により光強度が変化する。すなわち、
印加電界強度に応じて出射光ファイバ5に出射する出射
光の強度は変化することになり、その光強度変化を光検
出器7で測定することにより印加電界の強度を測定でき
る。
て、変調電極12の抵抗を小さくすることにより、電界
センサヘッド3と電界受信用アンテナ1と共振用回路2
とで構成される共振回路のQ値は一定値(例えば20)
以上となるようにしている。この共振回路の等価回路が
図3に示されている。この共振回路は、電界センサヘッ
ド3の合成抵抗をreとし合成インダクタンスをLeと
し合成容量をCeとし、電界受信用アンテナ1の放射抵
抗をraとし入力信号の電圧をVとし、共振用回路2を
インダクタンスLpを有するコイルで構成してなる。な
お、前記共振用回路2は、コンデンサまたはコンデンサ
とインダクタとの結合とで構成してもよい。
かかる電圧を増幅させるため変調電極12に共振用回路
2を接続して前記共振回路を構成し、この共振回路のQ
値(電圧比)を上げることにより感度を高めるものであ
る。
量成分をC、抵抗成分をRとすれば、Q=1/(2πf
CR)で表される。
上昇するため、変調電極12の膜厚を厚くすることにに
より電界センサヘッド3の合成抵抗を低減することにし
ている。変調電極12の膜厚と電界センサヘッド3の合
成抵抗との関係は、図4の曲線Aで表される。本発明の
第1の実施例は、変調電極12の膜厚を1μm以上とし
たものである。
て説明する。
が光進行方向において分割され、かつ、容量結合されて
いる複数の分割電極12aからなり、また、前記電界受
信用アンテナ1が低放射抵抗アンテナであるものであ
る。第2の実施例は、電界センサヘッド3の合成容量を
小さくし、また、電界受信用アンテナ1の放射抵抗を低
くすることにより、前記共振回路のQ値を上げることに
より電界センサの感度を高くするものである。
2は、それぞれ4つの分割電極12aで構成されてい
る。これらの分割電極12aの一端に位置する分割電極
12aが電界受信用アンテナ1に接続されている。ま
た、複数の分割電極12aの他端に位置する分割電極1
2aが共振用回路2を介して電界受信用アンテナ1に接
続されている。電界受信用アンテナ1に接続されている
分割電極12a以外の分割電極12aは、対向するもの
が接続されている。
アンテナの一つであるジヨン・クラウスの発明による8
JKビームアンテナである。この8JKビームアンテナ
は、図6に示す基本形で構成され、L=λ/2ダイポー
ル(λ:電波の波長)のエレメント1aを普通w=λ/
8程度の狭い間隔で平行に配列して、逆位相で励起する
といった原理となっており、逆位相で励起しているた
め、エレメント1aの間隔wを狭くしていくほど放射抵
抗がどんどん低くなっていくものである。
アンテナのような導波器または反射器を設けてもよく、
この場合には電波の集中化により電界センサの感度を高
めることができる。
的実施例を説明する。
チウム結晶板(Z板)で形成した。光の吸収を防ぐため
のバッファ層として二酸化珪素(SiO2 )膜で全面を
コートした上で、位相シフト光導波路10上に一対の変
調電極12を形成した。この場合、変調電極12はAu
で形成し、電界センサヘッド3の合成抵抗を5Ω以下を
目標とし、変調電極12の膜厚を1μmとした。また、
電界センサヘッド3の合成容量を3pFにするため変調
電極12を光進行方向に対して4分割した(図5)。
をネットワークアナライザにより測定したところ、抵抗
5Ω(500MHz)、容量3pFであった。また、電
界受信用アンテナ1にエレメント1aの間隔w=λ/1
0、エレメント1aの長さL=λ/2の8JKビームア
ンテナを作成し(図6参照)、放射抵抗をネットワーク
アナライザにより測定したところ5Ωであった。
共振用回路2および電界受信用の8JKビームアンテナ
を接続し、電界検出感度を調べたところ、後述の従来の
電界センサに比べQ値にみあった感度の向上がみられ、
500MHzの電波に対して、電界強度80dBμV/
mのときの光検出器7の検出信号出力は75dBμVで
あった。
の電界センサを作成し(図10参照)、測定した。電極
構造が単一電極、膜厚1000A、受信用アンテナが半
波長ダイポールと異なる以外は同様な材料、方法により
電界センサを作成した。
の抵抗および容量をネットワークアナライザにより測定
したところ、抵抗50Ω(500MHz)、容量12p
Fであり、また、半波長ダイポールアンテナの放射抵抗
は73Ωであった。
を前記実施例と全く同一とし、電界検出感度を調べたと
ころ、500MHzの電波に対して、本発明の実施例に
おいては電界強度80dBμV/mのときの光検出器7
の検出信号出力は55dBμVであった。以上のように
本発明によれば従来構成の電界センサより20dB高感
度であった。なお、本実施例により作成した電界センサ
を20素子の導波器を設けた八木アンテナと組み合わせ
た結果、更に10dB以上の感度上昇が見られた。
例1のように電界センサを送信点と受信点が分離された
テレビ中継放送所の送受信間伝送システムに使用した例
を示す。この送受信間伝送システムは、図1に示す第1
の実施例と同じ符号の構成要素を有している。この送受
信間伝送システムは、さらに前記出射光ファイバ5から
の光を電気信号に変換する光電変換回路14と、これの
光を受ける補償回路15と、これからの信号を受ける変
換増幅回路16とを有している。前記変換増幅回路16
は、光電変換回路14からの信号を補償回路15を介し
て受けてIF信号(中間周波信号)に変換して放送機に
送る。このように、微弱なRF信号により光信号を直接
変調できるため、受信側に電源は不要となる。
および高電圧が印加されている機器の絶縁に使用した例
を示す。
ンテナ1bは図8に示すように、100m程度の中波空
中線17に取り付けられていることが多い。この場合、
中波空中線17には高周波・高電圧が印加されている。
前記電界センサヘッド3は、ポールギャップ18を介し
て接地されている。この前記電界センサヘッド3とポー
ルギャップ18との接続点に中波送信器19が接続され
ている。本発明による電界センサを用いれば、図8のよ
うに絶縁共用器を不要にでき、低廉化が可能となる。
線の雷害対策に用いた例を示す。この例においては、前
記電界センサヘッド3は、外部有線回路20とアレスタ
21および終端抵抗22を介して接続されている。本発
明による電界センサを用いれば、電気的に送受信間が分
離できるため、雷等による受信側機器の破壊を防止する
ことが可能となる。
受信用アンテナとの間に共振用回路を接続して共振回路
を構成し、かつ、この共振回路のQ値を大きくすること
により、感度を高めることができる。
る。
る。
テナと電界センサヘッドを含む共振回路の等価回路を示
す回路図である。
と電界センサヘッドの抵抗との関係を示す図である。
る。
テナを示す斜視図である。
る。
る。
る。
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 電界受信用アンテナと、この電界受信用
アンテナで受ける入力信号の電界強度に応じて透過する
光の強度が変化するように構成された電界センサヘッド
と、この電界センサヘッドに接続された入射光ファイバ
および出射光ファイバと、前記入射光ファイバの一端に
接続されこの入射光ファイバに光を放射する光源と、前
記電界センサヘッドからの透過光を前記出射光ファイバ
を介して受けて前記透過光を検出する光検出器とを具備
し、前記電界センサヘッドは、基板と、前記入射光ファ
イバに接続されるように前記基板に形成された入射光導
波路と、前記入射光導波路より分岐するように前記基板
に形成され電界の強度に応じて屈折率が変化する2つの
位相シフト光導波路と、前記出射光ファイバに接続され
前記2つの位相シフト光導波路が合流するように前記基
板に形成された出射光導波路と、前記2つの位相シフト
光導波路のうち少なくとも一方の近傍に形成された変調
電極とからなる電界センサにおいて、前記変調電極と前
記電界受信用アンテナとの間に接続された共振用回路を
有し、前記変調電極の膜厚は1μm以上とすることを特
徴とする電界センサ。 - 【請求項2】 前記変調電極は、光進行方向において分
割され、かつ、容量結合されている複数の分割電極から
なることを特徴とする前記請求項1記載の電界センサ。 - 【請求項3】 前記電界受信用アンテナは、低放射抵抗
アンテナであることを特徴とする前記請求項1記載の電
界センサ。 - 【請求項4】 前記電界センサは、さらにこの電界セン
サに結合された導波器および反射器の少なくとも一つを
有することを特徴とする前記請求項1記載の電界セン
サ。 - 【請求項5】 電界受信用アンテナと、この電界受信用
アンテナで受ける入力信号の電界強度に応じて透過する
光の強度が変化するように構成された電界センサヘッド
と、この電界センサヘッドに接続された入射光ファイバ
および出射光ファイバと、前記入射光ファイバの一端に
接続されこの入射光ファイバに光を放射する光源と、前
記電界センサヘッドからの透過光を前記出射光ファイバ
を介して受けて前記透過光を検出する光検出器とを具備
し、前記電界センサヘッドは、基板と、前記入射光ファ
イバに接続されように前記基板に形成された入射光導波
路と、前記入射光導波路より分岐するように前記基板に
形成され電界の強度に応じて屈折率が変化する2つの位
相シフト光導波路と、前記出射光ファイバに接続され前
記2つの位相シフト光導波路が合流するように前記基板
に形成された出射光導波路と、前記2つの位相シフト光
導波路のうち少なくとも一方の近傍に形成された変調電
極とからなる電界センサにおいて、前記変調電極と前記
電界受信用アンテナとの間に接続された共振用回路を有
し、前記変調電極は、光進行方向において分割され、か
つ、容量結合されている複数の分割電極からなることを
特徴とする電界センサ。 - 【請求項6】 前記電界受信用アンテナは、低放射抵抗
アンテナであることを特徴とする前記請求項5記載の電
界センサ。 - 【請求項7】 前記電界センサは、さらにこの電界セン
サに結合された導波器および反射器の少なくとも一つを
有することを特徴とする前記請求項5記載の電界セン
サ。
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