JPH09133723A - 電界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感度を高めることができる電界センサを提供
する。 【解決手段】 電界センサヘッド３内の変調電極１２
ａ、１２ｂと、電界受信用アンテナ１とで形成する共振
回路に関して、変調電圧１２ａ、１２ｂの膜厚を１μｍ
以上とすることで、変調電極１２の合成抵抗を小さくす
ることによりＱ値を上げ、また、変調電極１２ａ、１２
ｂを、位相シフト光導波路１０ａ、１０ｂにおける光進
行方向において分割し、分割された電極の内、電界受信
用アンテナと電気的に一番近い２つの分割電極を除いた
分割電極を、２つの位相シフト光導波路を跨ぐ様に容量
結合することにより、変調電極１２の合成容量を小さく
することにより、Ｑ値を上げ、更に、電界受信用アンテ
ナ１を、低放射抵抗アンテナとすることで、電界受信用
アンテナ１の放射抵抗を低くすることで、Ｑ値を上げる
ことにより、感度を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間を伝搬する電
磁波を検出し、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。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の情報機器や通信機器お
よびロボット等のＦＡ機器、自動車および電車等の制御
機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。このため、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。

【０００３】従来、前述のような電磁ノイズの測定に
は、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（以下、（ａ）装置）、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（以下、（ｂ）装置）、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（以下、（ｃ）装
置）の３通りが用いられている。

【０００４】このうち、（ａ）装置を用いた測定が最も
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るため、光ファイ
バを用いた（ｂ）装置、及び、（ｃ）装置の開発が望ま
れている。

【０００５】ここで、（ｂ）装置は、ダイオードで検波
した信号を増幅して発光ダイオードに加え、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、電界
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、応答速度が遅い
という問題がある。

【０００６】一方、（ｃ）装置は、電界強度を透過光の
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があ
り、通常、導波路型素子のほうがバルク型素子よりも１
０倍以上検出感度が高い。

【０００７】バルク型素子を用いた電界センサの例とし
て、従来、特開平４−２８５８６６に開示されているも
の（以下、引用例１）がある。

【０００８】これは、センサロッドと光変調器の電極間
に、インピーダンス素子を挿入することにより、センサ
ロッドの共振周波数を変化させ、感度を向上させている
ものである。

【０００９】また、導波路型素子を用いた電界センサと
しては、従来、図１０に示される様なもの（以下、引用
例２）がある。ここで、図１０は、従来の導波路型素子
を用いた電界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と、
光を放射する光源（図示せず）と、その光源に接続され
て光源の放射する光を伝達する入射光ファイバ１０３
と、電界受信用アンテナ１０１及び入射光ファイバ１０
３に接続されており、入射光ファイバ１０３を介して入
射する光の強度が、電界受信用アンテナ１０１で受信し
た入力信号の電界強度に応じて変化する様に構成された
電界センサヘッド１０２と、電界センサヘッド１０２に
接続されており、電界センサヘッド１０２を透過してき
た透過光を伝達する出射光ファイバ１０４と、出射光フ
ァイバ１０４により伝達されてきた透過光の光強度変化
を検出する光検出器（図示せず）とを具備している。

【００１０】ここで、前記電界センサヘッド１０２は、
基板１０５と、入射光ファイバ１０３に接続されるよう
に基板１０５上に形成された入射光導波路１０６と、電
界受信用アンテナ１０１で受信した入力信号の電界の強
度に応じて屈折率が変化するものであって、入射光導波
路１０６より分岐するように基板１０５上に形成された
２つの位相シフト光導波路１０７ａ及び１０７ｂと、出
射光ファイバ１０４に接続され２つの位相シフト光導波
路１０７ａ及び１０７ｂが合流するように基板１０５上
に形成された出射光導波路１０８と、電界受信用アンテ
ナ１０１に接続されるように２つの位相シフト光導波路
１０７ａ及び１０７ｂの双方の近傍に形成されている２
つの変調電極１０９ａ及び１０９ｂとからなる。

【００１１】また、基板１０５は、結晶のｃ軸に垂直に
切りだしたニオブ酸リチウム単結晶板からなっており、
この基板１０５上にチタンを拡散して入射光導波路１０
６と２つの位相シフト光導波路１０７ａ及び１０７ｂ
と、出射光導波路１０８とが形成されている。

【００１２】この電界センサにおいて、入射光ファイバ
１０３を伝達されてきた入射光は入射光導波路１０６に
入射した後、２つの位相シフト光導波路１０７ａ及び１
０７ｂにエネルギーが分割される。ここで、電界受信用
アンテナ１０１で受信した入力信号により、２つの変調
電極１０９ａ及び１０９ｂに電圧が誘起されて、２つの
位相シフト光導波路１０７ａ、１０７ｂ中には深さ方
向、即ち、図における紙面に垂直な方向に、それぞれ互
いに反対向きの電界成分が生じる。この結果、２つの位
相シフト光導波路１０７ａ及び１０７ｂにおいて、電気
光学効果によりそれぞれ屈折率変化が生じ、２つの位相
シフト光導波路１０７ａ、１０７ｂを伝搬する光波同士
の間には、２つの位相シフト光導波路１０７ａ及び１０
７ｂにそれぞれ生じた電界の大きさに応じた位相差が生
じ、それら位相差の生じた２つの光波が合流して出射光
導波路１０８において結合する場合に、干渉が起こり光
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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、引用例
２の導波路型素子を用いた電界センサの場合、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、（ａ）装置、即ち、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。

【００１４】一般に、アンテナの感度を高くするために
は、アンテナのエレメント長を長くする事で、実効長ｈ
ｅを大きくする方法をとるが、アンテナのエレメント長
を長くしその長さが受信電波の波長に近づくとアンテナ
の放射抵抗は大きくなる。ここで、電波の受信によく使
用されるアンテナとして、半波長ダイポールアンテナを
例にとり説明する。このアンテナの放射抵抗ｒａは７３
Ωであり、リアクタンスＸａは誘導性の４２Ωである。
この様なアンテナを、図３（ｂ）に示される様に、合成
抵抗ｒｅ、合成リアクタンスＬｅ、合成容量Ｃｅをもつ
変調電極１０９に接続した場合、アンテナの放射抵抗ｒ
ａと変調電極１０９の持つ合成抵抗ｒｅによって、電力
が消費され感度が失われてしまい、高感度化の実現が難
しい。

【００１５】また、１つのアンテナで電波を広い周波数
にわたって受信するためには、アンテナを広帯域化しな
ければならない。この様なアンテナとしては、ショート
ダイポールアンテナが挙げられる。このショートダイポ
ールアンテナは、受信する電波の波長よりアンテナエレ
メントを十分に短くすることにより、その特性は容量性
でかつ、放射抵抗が小さく出来、また、アンテナエレメ
ントの共振がないので、広い周波数範囲にわたり平坦な
特性すなわちアンテナの広帯域化が得られる。このアン
テナを、図３（ｃ）に示される様に、変調電極１０９に
接続した場合、変調電極１０９の合成容量Ｃｅ及びアン
テナに生じる容量Ｃの比により、感度は決定される。す
なわち、アンテナの容量Ｃに比較し、変調電極１０９の
合成容量Ｃｅを小さくすると高い感度を得ることができ
る。しかしながら、変調電極１０９の合成抵抗ｒｅが大
きいと、この合成抵抗ｒｅにより電力消費が生じ、感度
が低下するという問題がある。

【００１６】これらの問題は、引用例１の電界センサに
ついても、当てはまるものである。更に、引用例１は、
センサロッドの共振周波数を変化させることにより希望
する共振周波数を得ようとしているものであり、変調電
極については考慮されていない。ところが、実際には、
変調電極もアンテナ全体の共振周波数に影響を及ぼして
おり、この変調電極の共振周波数に対する影響を考慮に
入れないと、希望する共振周波数を得ることが出来ない
という問題があった。

【００１７】本発明の目的は、導波路型素子を用いた電
界センサであって、アンテナ全体の共振周波数を所望す
る共振周波数とすることにより、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。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するために、以下の様な電界センサを提供するもの
である。

【００１９】即ち、本発明によれば、電界受信用アンテ
ナと、光を放射する光源と、該光源に接続され該光源に
より放射された光を伝達する入射光ファイバと、前記電
界受信用アンテナ及び前記入射光ファイバに接続され前
記入射光ファイバを介して入射する光の強度が該電界受
信用アンテナで受信した入力信号の電界強度に応じて変
化するように構成された電界センサヘッドと、該電界セ
ンサヘッドに接続され該電界センサヘッドを透過してき
た透過光を伝達する出射光ファイバと、前記透過光を該
出射光ファイバを介して受けて前記透過光の光強度変化
を検出する光検出器とを具備する電界センサであって、
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該基板上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上に
形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
電界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
相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
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、前記変調電極及び前記電界受
信用アンテナは、共振回路を形成しており、前記共振回
路のＱ値を２以上とすることにより、感度を向上させる
ことを特徴とする電界センサが得られる。

【００２０】また、本発明によれば、電界受信用アンテ
ナと、光を放射する光源と、該光源に接続され該光源に
より放射された光を伝達する入射光ファイバと、前記電
界受信用アンテナ及び前記入射光ファイバに接続され前
記入射光ファイバを介して入射する光の強度が該電界受
信用アンテナで受信した入力信号の電界強度に応じて変
化するように構成された電界センサヘッドと、該電界セ
ンサヘッドに接続され該電界センサヘッドを透過してき
た透過光を伝達する出射光ファイバと、前記透過光を該
出射光ファイバを介して受けて前記透過光の光強度変化
を検出する光検出器とを具備する電界センサであって、
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該基板上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上に
形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
電界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
相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
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、前記変調電極及び前記電界受
信用アンテナは、共振回路を形成しており、前記変調電
極の膜厚は１μｍ以上とすることで、変調電極の抵抗を
小さくし、前記共振回路のＱ値を２以上とすることによ
り、感度を向上させることを特徴とする電界センサが得
られる。

【００２１】また、本発明によれば、前記電界センサで
あって、前記２つの位相シフト光導波路の双方の近傍に
前記変調電極が形成されている電界センサにおいて、前
記変調電極は、光進行方向において分割され該分割され
た分割電極は、互いに容量結合されていることにより、
前記変調電極の合成容量を小さくし、前記共振回路のＱ
値を上げることにより、感度を向上させることを特徴と
する電界センサが得られる。

【００２２】更に、本発明によれば、電界受信用アンテ
ナと、光を放射する光源と、該光源に接続され該光源に
より放射された光を伝達する入射光ファイバと、前記電
界受信用アンテナ及び前記入射光ファイバに接続され前
記入射光ファイバを介して入射する光の強度が該電界受
信用アンテナで受信した入力信号の電界強度に応じて変
化するように構成された電界センサヘッドと、該電界セ
ンサヘッドに接続され該電界センサヘッドを透過してき
た透過光を伝達する出射光ファイバと、前記透過光を該
出射光ファイバを介して受けて前記透過光の光強度変化
を検出する光検出器とを具備する電界センサであって、
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該基板上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上に
形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
電界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
相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
れた出射光導波路と、前記２つの位相シフト光導波路の
双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、前記変調電極及び前記電界受信用アンテナ
は、共振回路を形成しており、前記変調電極は、光進行
方向において分割され、該分割された分割電極は、互い
に容量結合されていることにより、前記変調電極の合成
容量を小さくし、前記共振回路のＱ値を上げることによ
り、感度を向上させることを特徴とする電界センサが得
られる。

【００２３】また、本発明によれば、前記いずれかの電
界センサにおいて、前記電界受信用アンテナは、低放射
抵抗アンテナとすることで、該電界受信用アンテナの放
射抵抗を低くし、前記共振回路のＱ値を上げることによ
り、感度を向上させることを特徴とする電界センサが得
られる。

【００２４】また、本発明によれば、前記いずれかの電
界センサにおいて、該電界センサは、更に、該電界セン
サに結合された導波器および反射器の内、少なくとも一
つを有することことにより、電波の集中化を図り、感度
を向上させることを特徴とする電界センサが得られる。

【００２５】更に、本発明によれば、前記いずれかの電
界センサにおいて、前記共振回路は、前記変調電極と、
前記電界受信用アンテナと、前記変調電極と前記電界受
信用アンテナを接続する経路の少なくとも一方に挿入さ
れた共振補正回路からなることを特徴とする電界センサ
が得られる。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
第１の実施の形態の電界センサについて説明する。第１
の実施の形態の電界センサは、図１に示す様に、電界受
信用アンテナ１と、光を放射する光源６と、光源６に接
続されており、光源６により放射された光を伝達する入
射光ファイバ４と、入射光ファイバ４を介して入射する
光の強度が電界受信用アンテナ１で受信した入力信号の
電界強度に応じて変化する様に構成されたものであっ
て、電界受信用アンテナ１及び入射光ファイバ４に接続
された電界センサヘッド３と、電界センサヘッド３に接
続され電界センサヘッド３を透過してきた透過光を伝達
する出射光ファイバ５と、出射光ファイバを介して伝達
されてきた透過光の光強度変化を検出する光検出器７と
を具備している。

【００２７】ここで、電界センサヘッド３は、図２に示
すように、基板８と、入射光ファイバ４に接続されるよ
うに基板８上に形成された入射光導波路９と、電界の強
度に応じて屈折率が変化するものであって、入射光導波
路９より分岐するように基板８上に形成された２つの位
相シフト光導波路１０ａ及び１０ｂと、出射光ファイバ
５に接続され２つの位相シフト光導波路１０ａ及び１０
ｂが合流するように基板８上に形成された出射光導波路
１１と、２つの位相シフト光導波路１０ａ及び１０ｂの
双方の近傍に形成された２つの変調電極１２ａ、１２ｂ
とからなる。

【００２８】また、変調電極１２ａと電界受信用アンテ
ナ１とを接続する経路に共振補正回路２が接続されてい
る。更に、電界受信用アンテナ１及び共振補正回路２
は、電極パッド１３を介してそれぞれ変調電極１２ａ、
１２ｂに接続されている。

【００２９】尚、共振補正回路２は、あくまでも電界受
信用アンテナ１と２つの変調電極１２ａ、１２ｂで構成
される共振回路の共振周波数を補正するものである。即
ち、例えば、共振補正回路２を挿入していない時の電界
受信用アンテナ１と２つの変調電極１２ａ、１２ｂで構
成される共振回路の共振周波数が８００ＭＨｚであり、
所望する共振周波数が５００ＭＨｚである様な場合に、
共振補正回路２として４８ｎＨのインダクタンスを電界
受信用アンテナ１と２つの変調電極１２ａ、１２ｂで構
成される共振回路に付加することにより所望の共振周波
数５００ＭＨｚを得ることが出来る様なものである。従
って、電界受信用アンテナ１と２つの変調電極１２ａ、
１２ｂで構成される共振回路の共振周波数が受信を目的
とする電波の周波数と一致する場合には、使用する必要
はない。

【００３０】また、共振補正回路２は、前述の様な理由
のため、２つの変調電極１２ａ、１２ｂと電界受信用ア
ンテナ１とを接続する経路の一方に挿入されていれば良
く、必ずしも、２つの変調電極１２ａ、１２ｂと電界受
信用アンテナ１とを接続する経路の双方に接続されなけ
ればならないという訳ではない。また、共振補正回路２
は、図２において、変調電極１２ａと電界受信用アンテ
ナ１とを接続する経路にのみ挿入されているが、変調電
極１２ｂと電界受信用アンテナ１とを接続する経路にの
み挿入されていても、変調電極１２ａと電界受信用アン
テナ１とを接続する経路及び変調電極１２ｂと電界受信
用アンテナ１とを接続する経路の双方に挿入されていて
も良い。更に、共振補正回路２は、所望の効果を備えて
いれば良く、コンデンサのみ、インダクタのみ、又はコ
ンデンサ及びインダクタの組み合わせで構成しても良
く、本実施の形態に制限されるものではない。

【００３１】ここで、基板８は、ｃ軸に垂直に切りだし
たニ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、入射光導波路９と、２つの位相シフト
光導波路１０ａ及び１０ｂと、及び出射光導波路１１と
が形成されている。この電界センサにおいて、入射光フ
ァイバ４により伝達されてきた入射光は、入射光導波路
９に入射した後、２つの位相シフト光導波路１０ａ及び
１０ｂにエネルギーが分割される。ここで、電界受信用
アンテナ１で受信した入力信号により、２つの変調電極
１２ａ、１２ｂに電圧が誘起されて、２つの位相シフト
光導波路１０ａ及び１０ｂ中には、深さ方向、即ち、図
における紙面に垂直な方向に、それぞれ互いに反対向き
の電界成分が生じる。この結果、２つの位相シフト光導
波路１０ａ及び１０ｂにおいて、電気光学効果によりそ
れぞれ屈折率変化が生じ、２つの位相シフト光導波路１
０ａ及び１０ｂを伝搬する光波同志の間には、その２つ
の位相シフト光導波路１０ａ及び１０ｂのそれぞれに生
じた電界の大きさに応じた位相差が生じ、それら位相差
の生じた２つの光波が合流して、出射光導波路１１にお
いて結合する場合に、干渉が起こ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。

【００３２】ここで、第１の実施の形態における電界セ
ンサは、２つの変調電極１２ａ、１２ｂと電界受信用ア
ンテナ１と共振補正回路２とで構成される共振回路にお
いて、２つの変調電極１２ａ、１２ｂのそれぞれの膜厚
を１μｍ以上として、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂ
の合成抵抗を小さくすることにより、共振回路のＱ値
が、一定以上となるようにしているものである。

【００３３】この第１の実施の形態の電界センサにおけ
る共振回路の等価回路が、図３（ａ）に示されている。
尚、この共振回路においては、電界受信用アンテナ１の
放射インピーダンスをＺａ（＝ｒａ＋ｊＸａ）とし、ア
ンテナの開放電圧をＶ（＝Ｅ・ｈｅ）とした。さらに、
共振補正回路２のインダクタンスをＬｐとし、変調電極
１２（２つの変調電極１２ａ及び１２ｂの合成したもの
を意味する。（以下において同じ））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
とした。ここで、Ｅは電界強度（Ｖ／ｍ）、ｈｅは実効
長である。

【００３４】本発明の第一の実施の形態における電界セ
ンサは、変調電極１２にかかる電圧を増幅させるため、
変調電極１２と電界受信用アンテナ１に生じるリアクタ
ンス成分とで共振回路を構成し、この共振回路のＱ値を
上げることによって感度を高めたものである。

【００３５】一般に、共振回路の共振周波数ｆは、電界
受信用アンテナ１の放射インピーダンスＺａのリアクタ
ンス成分Ｘａと変調電極１２の合成インダクタンスＬｅ
及び合成容量Ｃｅで決まる。ここで、ＬｅはＣｅに比較
して十分にインピーダンスは小さいので無視することが
できる。また、共振補正回路が接続されていれば、さら
に、この共振補正回路のリアクタンス成分（ここでは、
インダクタンスＬｐ）を含めて周波数が決定される。
尚、共振回路の良さを示すＱ値は、周波数ｆ、容量成分
Ｃ（本実施の形態においては、主にＣｅ）抵抗成分Ｒ
（本実施の形態においては、主にｒａ＋ｒｅ）とすれ
ば、直列共振回路の場合、Ｑ＝１／（２πｆＣＲ）（電
気・電子の基礎 オーム社，平成４年１月発行による定
義）で表される。

【００３６】そこで、本発明の第１の実施の形態におい
ては、感度を高めるため、２つの変調電極１２ａ、１２
ｂ双方の膜厚を厚くすることにより、Ｑ値を上げること
とした。ここで、変調電極１２の合成抵抗と２つの変調
電極１２ａ、１２ｂのそれぞれの膜厚との関係は、図４
に示される様な曲線で表される。この図４から分かる様
に、２つの変調電極１２ａ、１２ｂの膜厚を１μｍ以上
とすることにより、変調電極１２の合成抵抗を小さい値
に抑えることが出来、即ち、Ｑ値を上げることが出来、
これにより、感度を向上させることが出来る。

【００３７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態の電界センサを図５に基いて説明する。

【００３８】尚、第２の実施の形態の電界センサにおい
ても、基板８は、ｃ軸に垂直に切りだしたニオブ酸リチ
ウム単結晶板からなるものを用いた。

【００３９】本発明の第２の実施の形態の電界センサに
おいて、変調電極１２ａは、位相シフト光導波路１０ａ
における光の進行方向において、１２ａ１、１２ａ２、
１２ａ３、及び１２ａ４の４つに分割されており、同様
に変調電極１２ｂは、１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３、
及び１２ｂ４の４つに分割されている。更に、その分割
された分割電極１２ａ１、１２ａ２、１２ａ３、１２ａ
４、１２ｂ１、１２ｂ２、１２ｂ３、１２ｂ４は、互い
に容量結合されている。また、前記電界受信用アンテナ
１は、低放射抵抗アンテナを用いた。第２の実施の形態
の電界センサは、変調電極１２の合成容量Ｃｅを小さく
し、また、電界受信用アンテナ１の放射抵抗ｒａを低く
することにより、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。

【００４０】尚、第２の実施の形態の電界センサにおい
て、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂは、それぞれ４つ
に分割したが、５つや６つ等に分割しても良く、本実施
の形態に制限されるものではない。

【００４１】また、分割電極の容量結合の仕方は、基板
として用いた結晶の面方位により決定されるものである
ため、他の面方位により切り出した結晶を用いた場合
は、その結晶に適合した容量結合をすれば良く本実施の
形態に制限されない。

【００４２】ここで、図５に記載されている電界受信用
アンテナ１は、低放射抵抗アンテナの一つであるジヨン
・クラウスの発明による８ＪＫ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（半波長ダイポールアンテ
ナ）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。ここでλは電波の波長である。

【００４３】尚、本発明の電界センサは、これに八木ア
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。

【００４４】また、第１及び第２の実施の形態の電界セ
ンサにおいては、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂを用
いて説明してきたが、変調電極は、必ずしも２つの位相
シフト光導波路１０ａ及び１０ｂの双方の近傍になけれ
ばならない訳ではなく、どちらか一方の位相シフト光導
波路の近傍にのみ設けられても良い。

【００４５】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態として、図７に示す様に、本発明の電界センサを
送信点と受信点が分離されたテレビ中継放送所等の送受
信間伝送システムに使用した例について説明する。この
送受信間伝送システムは、図１に示す第１の実施の形態
と同じ符号の構成要素を有している。更に、この送受信
間伝送システムは、出射光ファイバ５からの光をもとの
ＲＦ信号に復元する光電変換回路１４と、光電変換回路
１４から漏れた光を受ける補償回路１５と、補償回路１
５を通過したＲＦ信号を受けＩＦ信号（中間周波信号）
に変換する変換増幅回路１６とを有している。更に、変
換増幅回路１６は、変換したＩＦ信号（中間周波信号）
を放送機に送る。

【００４６】このように、本発明の第３の実施の形態に
よれば、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。

【００４７】（第４の実施の形態）本発明の第４の実施
の形態として、図８に示す様な、本発明の電界センサを
高周波および高電圧が印加されている機器の絶縁に使用
した例について説明する。

【００４８】経費節減のため、ＳＴＬの受信パラボラア
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。また、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。更に、この電界センサヘッド３とポールギ
ャップ１８との接続点に中波送信機１９が接続されてい
る。ここで、一般的に、中波空中線１７には高周波・高
電圧が印加されており、ＳＴＬの受信機との間に大型の
絶縁共用器といわれるものが用いられている。ところ
が、本発明の電界センサを用いた第４の実施の形態にお
いては、絶縁共用器を不要にすることが出来、低廉化が
可能になる。

【００４９】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態として、図９に示す様に、本発明の電界センサを
有線回線の雷害対策に用いた例を説明する。本発明の第
５の実施の形態において、電界センサヘッド３は、アレ
スタ２１及び終端抵抗２２を介して、外部有線回路２０
と接続されている。このように、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。

【００５０】

【実施例】次に、本発明の効果を確認するための実施例
を説明する。

【００５１】本発明の実施例は、図５に示されるタイプ
の電界センサヘッド３を有する電界センサである。

【００５２】ここで、基板８は、ニオブ酸リチウム結晶
板（Ｚ板）で形成した。この基板８上にチタンを拡散し
て、入射光導波路９と、２つの位相シフト光導波路１０
ａ及び１０ｂと、及び出射光導波路１１とを形成した。
更に、その上に、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、２つの
位相シフト光導波路１０ａ及び１０ｂ上にあたる領域
に、一対の変調電極１２ａ及び１２ｂを形成した。ま
た、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂはＡｕで形成し、
変調電極１２の合成抵抗ｒｅを５Ω以下を目標とするた
め、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂの膜厚をそれぞれ
１μｍとした。また、２つの変調電極１２ａ及び１２ｂ
それぞれを、２つの位相シフト光導波路１０ａ及び１０
ｂにおける光の進行方向に対して、４分割することによ
り、変調電極１２の合成容量Ｃｅを３ｐＦ程度となる様
にした。

【００５３】変調電極１２の合成抵抗ｒｅ及び合成容量
Ｃｅをネットワークアナライザにより測定したところ、
合成抵抗ｒｅは５Ω（５００ＭＨｚ）、合成容量Ｃｅは
３ｐＦであった。また、電界受信用アンテナ１として、
エレメント１ａの間隔ｗ＝λ／１０、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）、アンテナの放射抵抗ｒａ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。

【００５４】この電界センサヘッド３の２つの変調電極
１２ａ及び１２ｂに共振補正回路２及び電界受信用アン
テナ１である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、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。

【００５５】更に、本発明の電界センサと比較するため
に、従来構成の電界センサを作成した（図１０参照）。
ここで、変調電極の構造が単一電極であり、膜厚が１０
００×１０^-10 ｍであり、電界受信用アンテナが半波長
ダイポールであることを除いては、同様な材料及び方法
により従来構成の電界センサを作成した。

【００５６】そこで、この従来構成の電界センサヘッド
の変調電極の合成抵抗ｒｅおよび合成容量Ｃｅをネット
ワークアナライザにより測定したところ、合成抵抗ｒｅ
は５０Ω（５００ＭＨｚ）、合成容量Ｃｅは１２ｐＦで
あり、また、半波長ダイポールアンテナの放射抵抗ｒａ
は７３Ωであった。

【００５７】この従来構成の電界センサに対し、光源６
および光検出器７等の測定条件を本発明の実施例と全く
同一とし、電界検出感度を測定したところ、５００ＭＨ
ｚ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５５ｄＢμＶであった。

【００５８】以上のように本発明の実施例の電界センサ
は、従来構成の電界センサより２０ｄＢ高感度であっ
た。

【００５９】尚、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。

【００６０】ここで、周波数調整が電界受信用アンテナ
と変調電極で可能である場合、前述した様に、共振補正
回路が必要ないことは、いうまでもないことである。

【００６１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、共
振回路のＱ値を上げることが出来、即ち、シフト光導波
路の近傍に形成した変調電極にかかる電圧を増幅するこ
とが出来、これにより、感度を高めることが出来る。

【００６２】また、本発明の電界センサヘッドと多素子
の導波器等を設けた八木アンテナとの組み合わせによ
り、更に感度を高めることが出来る。

【００６３】また、本発明の電界センサを送受信点間が
分離されたテレビ中継放送所の送受信間信号伝送システ
ムとして利用すれば、受信所側への電源供給は不要なた
め、電気的に完全に送受信点間を分離することが出来、
雷害防止などに大きな効果を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例の要部を示す正面図であ
る。

【図３】（ａ）本発明の第１の実施例における電界受信
用アン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。 （ｂ）従来例において、アンテナに半波長ダイポールア
ンテナを用いた場合の共振回路の等価回路を示す回路図
である。 （ｃ）従来例において、アンテナにショートダイポール
アンテナを用いた場合の共振回路の等価回路を示す回路
図である。

【図４】本発明の第１の実施例における変調電極の膜厚
と電界センサヘッドの抵抗との関係を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例の要部を示す正面図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施例における電界受信用アン
テナを示す斜視図である。

【図７】本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。

【図８】本発明の第４の実施例を示すブロック図であ
る。

【図９】本発明の第５の実施例を示すブロック図であ
る。

【図１０】従来の電界センサの要部を示す正面図であ
る。

【符号の説明】 １ 電界受信用アンテナ ２ 共振補正回路 ３ 電界センサヘッド ４ 入射光ファイバ ５ 出射光ファイバ ６ 光源 ７ 光検出器 ８ 基板 ９ 入射光導波路 １０ａ 位相シフト光導波路 １０ｂ 位相シフト光導波路 １１ 出射光導波路 １２ 変調電極 １２ａ 変調電極 １２ｂ 変調電極 １２ａ１ 分割電極 １２ａ２ 分割電極 １２ａ３ 分割電極 １２ａ４ 分割電極 １２ｂ１ 分割電極 １２ｂ２ 分割電極 １２ｂ３ 分割電極 １２ｂ４ 分割電極 １３ 電極パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 由郎 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 生岩 量久 東京都渋谷区神南二丁目２番１号 日本放 送協会放送センター内 (72)発明者 中 尚 東京都渋谷区神南二丁目２番１号 日本放 送協会放送センター内 (72)発明者 石川 匡 東京都渋谷区神南二丁目２番１号 日本放 送協会放送センター内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電界受信用アンテナと、光を放射する光
   源と、該光源に接続され該光源により放射された光を伝
   達する入射光ファイバと、前記電界受信用アンテナ及び
   前記入射光ファイバに接続され前記入射光ファイバを介
   して入射する光の強度が該電界受信用アンテナで受信し
   た入力信号の電界強度に応じて変化するように構成され
   た電界センサヘッドと、該電界センサヘッドに接続され
   該電界センサヘッドを透過してきた透過光を伝達する出
   射光ファイバと、前記透過光を該出射光ファイバを介し
   て受けて前記透過光の光強度変化を検出する光検出器と
   を具備する電界センサであって、 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該基板上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上に
   形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
   電界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
   相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
   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、 前記変調電極及び前記電界受信用アンテナは、共振回路
   を形成しており、 前記共振回路のＱ値を２以上とすることにより、感度を
   向上させることを特徴とする電界センサ。
2. 【請求項２】 電界受信用アンテナと、光を放射する光
   源と、該光源に接続され該光源により放射された光を伝
   達する入射光ファイバと、前記電界受信用アンテナ及び
   前記入射光ファイバに接続され前記入射光ファイバを介
   して入射する光の強度が該電界受信用アンテナで受信し
   た入力信号の電界強度に応じて変化するように構成され
   た電界センサヘッドと、該電界センサヘッドに接続され
   該電界センサヘッドを透過してきた透過光を伝達する出
   射光ファイバと、前記透過光を該出射光ファイバを介し
   て受けて前記透過光の光強度変化を検出する光検出器と
   を具備する電界センサであって、 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該基板上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上に
   形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
   電界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
   相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
   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、 前記変調電極及び前記電界受信用アンテナは、共振回路
   を形成しており、 前記変調電極の膜厚は１μｍ以上とすることで、変調電
   極の抵抗を小さくし、前記共振回路のＱ値を２以上とす
   ることにより、感度を向上させることを特徴とする電界
   センサ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のいずれか
   の電界センサであって、 前記２つの位相シフト光導波路の双方の近傍に前記変調
   電極が形成されている電界センサにおいて、 前記変調電極は、光進行方向において分割されており、 該分割された分割電極は、互いに容量結合されているこ
   とにより、 前記変調電極の合成容量を小さくし、前記共振回路のＱ
   値を上げることにより、感度を向上させることを特徴と
   する電界センサ。
4. 【請求項４】 電界受信用アンテナと、光を放射する光
   源と、該光源に接続され該光源により放射された光を伝
   達する入射光ファイバと、前記電界受信用アンテナ及び
   前記入射光ファイバに接続され前記入射光ファイバを介
   して入射する光の強度が該電界受信用アンテナで受信し
   た入力信号の電界強度に応じて変化するように構成され
   た電界センサヘッドと、該電界センサヘッドに接続され
   該電界センサヘッドを透過してきた透過光を伝達する出
   射光ファイバと、前記透過光を該出射光ファイバを介し
   て受けて前記透過光の光強度変化を検出する光検出器と
   を具備する電界センサであって、 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該基板上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上に
   形成され前記電界受信用アンテナで受信した入力信号の
   電界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
   相シフト光導波路を合流するように前記基板上に形成さ
   れた出射光導波路と、前記２つの位相シフト光導波路の
   双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、 前記変調電極及び前記電界受信用アンテナは、共振回路
   を形成しており、 前記変調電極は、光進行方向において分割され、 該分割された分割電極は、互いに容量結合されているこ
   とにより、 前記変調電極の合成容量を小さくし、前記共振回路のＱ
   値を上げることにより、感度を向上させることを特徴と
   する電界センサ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４に記載のいずれか
   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とする
   ことで、該電界受信用アンテナの放射抵抗を低くし、前
   記共振回路のＱ値を上げることにより、感度を向上させ
   ることを特徴とする電界センサ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５に記載のいずれか
   の電界センサにおいて、 該電界センサは、更に、該電界センサに結合された導波
   器および反射器の内、少なくとも一つを有することこと
   により、電波の集中化を図り、感度を向上させることを
   特徴とする電界センサ。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６に記載のいずれか
   の電界センサにおいて、 前記共振回路は、前記変調電極と、前記電界受信用アン
   テナと、前記変調電極と前記電界受信用アンテナを接続
   する経路の少なくとも一方に挿入された共振補正回路か
   らなることを特徴とする電界センサ。