JPH0915280A - 電界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特定の周波数の電界の検出感度を向上させ
る。 【構成】 受信用アンテナ５と、これで受ける入力信号
の電界強度に応じて透過する光の強度が変化する電界セ
ンサヘッド１と、これに接続された入射光ファイバ２お
よび出射光ファイバ３と、光源と、光検出器とを具備す
る。電界センサヘッド１は、基板７と、入射光ファイバ
２に接続されるように基板７に形成された入射光導波路
８と、これより分岐するように基板７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９と、これらが合流するように基板７に形成された出
射光導波路１０と、２つの位相シフト光導波路９のうち
少なくとも一方の近傍に形成された変調電極１１とを有
している。電界センサは、さらに変調電極１１に接続さ
れている共振回路４と、これと受信用アンテナ５との間
に接続されているインピーダンス変換トランス６とを有
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＥＭＣ分野で電波や電
極ノイズの特性測定に用いる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、
ロボット等のＦＡ機器、自動車、鉄道等の制御器など多
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。ＥＭ
Ｃ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、上述のような電磁ノイズの測定に
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
およ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。前記（ａ）の装置が最も一般的であ
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
入の恐れがあるなど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。

【０００４】前記（ｂ）の装置は、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
しまい、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。

【０００５】一方、前記（ｃ）の装置では、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が
あり、通常導波路型の方がバルク型よりも１０倍以上検
出感度が高い。また、導波路型の電界センサ用基板結晶
には電気光学定数の高いニオブ酸リチウム単結晶が一般
に使われている。

【０００６】図４は、従来の電界センサの要部を示す正
面図である。この電界センサは、受信用アンテナ１０１
と、電界センサヘッド１０２と、入射光ファイバ１０３
と、出射光ファイバ１０４と、光源（図示せず）と、光
検出器（図示せず）とを具備している。

【０００７】前記受信用アンテナ１０１は、入力信号を
受ける。前記電界センサヘッド１０２は、前記受信用ア
ンテナ１０１で受ける前記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ている。前
記入射光ファイバ１０３および前記出射光ファイバ１０
４は、前記電界センサヘッド１０２に接続されている。
前記光源は、前記入射光ファイバ１０３の一端に接続さ
れ、かつ、この入射光ファイバ１０３に光を放射する。
前記光検出器は、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。

【０００８】前記電界センサヘッド１０２は、基板１０
５と、入射光導波路１０６と、２つの位相シフト光導波
路１０７と、出射光導波路１０８と、変調電極１０９と
を有する。前記入射光導波路１０６は、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
れている。前記位相シフト光導波路１０７は、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
成されている。前記出射光導波路１０８は、前記出射光
ファイバ１０４に接続され、かつ、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
成されている。前記変調電極１０９は、前記２つの位相
シフト光導波路１０７の近傍に形成され、かつ、前記受
信用アンテナ１０１に接続されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述導
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
電界強度が、（ａ）のアンテナを用いて同軸ケーブルで
測定器まで導く装置に比べると一桁程度劣っている。さ
らに、導波路型の電界センサの感度を向上させるには、
入射光出力を増大する装置、電界センサヘッド自体の感
度を向上させる装置があるが、前者の場合、入射光出力
に限界があり、感度向上には不十分である。

【００１０】本発明の目的は、特定の周波数の電界の検
出感度を向上させることができる電界センサを提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、入力信号を受ける受信用アンテナと、こ
の受信用アンテナで受ける前記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、この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を有し、前記電界センサは、さらに
前記変調電極に接続されている共振回路と、この共振回
路と前記受信用アンテナとの間に接続されているインピ
ーダンス変換トランスとを有していることを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】本発明の電界センサは、電界強度に依存して透
過光強度が変化する性質を利用することをその動作の基
本原理とする。本発明の電界センサにおいては、電界強
度信号は、電界受信アンテナを通じて変調電極に導か
れ、二つの位相シフト光導波路に電界を発生する。その
結果、二つの位相シフト光導波路の屈折率の変化の差
が、二つの光波の間の位相差による光の干渉を生じ、透
過光の強度変化として電界強度が測定される。受信アン
テナで受信した信号は、共振によって変調電極にかか
る。電界センサヘッドの感度は、位相シフト光導波路の
近傍に形成した変調電極にかかる電圧によって決まる。

【００１３】一般に共振回路のＱ値は、周波数をｆ、容
量成分をＣ、抵抗成分をＲとすれば、Ｑ＝１／（２πｆ
ＣＲ）で表される。Ｑ値を高めるために、電界センサヘ
ッドの変調電極を光進行方向に分割して容量低減し、さ
らに変調電極にＡｕの厚膜を用いる技術を、本発明はそ
の基盤技術としている。しかしながら、通常用いられる
ダイポールアンテナは放射抵抗が高いため、十分に上記
効果を具現化することは困難である。

【００１４】そこで、本発明によれば、電界受信アンテ
ナはインピーダンス変換トランスを介し、放射抵抗を下
げ、共振回路に接続することにより共振回路のＱを上
げ、その上で変調電極に接続することにより高利得が得
られる。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１６】図１は、本発明の１実施例における電界セ
ンサヘッドを示す斜視図である。

【００１７】図２は、図１に示す電界センサヘッドを含
む電界センサを示すブロック図である。図１に示すよう
に、本発明の電界センサは、電界センサヘッド１と、入
射光ファイバ２と、出射光ファイバ３と、光源（図示せ
ず）と、光検出器（図示せず）とを具備している。図２
に示すように、本発明の電界センサは、さらに電界セン
サヘッド１に接続されている共振回路４と、受信用アン
テナ５と、前記共振回路４と前記受信用アンテナ５との
間に接続されているインピーダンス変換トランス６とを
有している。すなわち、前記電界センサヘッド１は、イ
ンピーダンス変換トランス６および共振回路４を介して
前記受信用アンテナ１に接続されている。前記電界セン
サヘッド１は、前記受信用アンテナ５からの入力信号を
インピーダンス変換トランス６および共振回路４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
うに構成されている。

【００１８】前記入射光ファイバ２および前記出射光フ
ァイバ３は、前記電界センサヘッド１に接続されてい
る。前記光源は、前記入射光ファイバ２の一端に接続さ
れこの入射光ファイバ２に光を放射する。前記光検出器
は、前記電界センサヘッド１からの透過光を前記出射光
ファイバ３を介して受けて前記透過光を検出する。

【００１９】図１に示すように、前記電界センサヘッド
１は、基板７と、入射光導波路８と、２つの位相シフト
光導波路９と、出射光導波路１０と、変調電極１１とを
有する。前記入射光導波路８は、前記入射光ファイバ２
に接続されるように前記基板７に形成されている。前記
２つの位相シフト光導波路９は、前記入射光導波路８よ
り分岐するように前記基板７に形成され、かつ、電界の
強度に応じて屈折率が変化する。前記出射光導波路１０
は、前記出射光ファイバ３に接続され前記２つの位相シ
フト光導波路９が合流するように前記基板７に形成され
ている。前記変調電極１１は、前記２つの位相シフト光
導波路９の近傍に形成されている。

【００２０】前記変調電極１１には電極パッド１２を介
して前記共振回路４が接続されている。すなわち、前記
変調電極１１は、インピーダンス変換トランス６および
共振回路４を介して前記受信用アンテナ５に接続されて
いる。前記変調電極１１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１１ａ，
１１ｂからなる。前記受信用アンテナ５に接続されてい
る分割電極１１ａ，１１ｂ以外の分割電極１１ａ，１１
ｂは、それぞれ対向するものが接続されている。

【００２１】次に、本発明の具体的な実施例を説明す
る。

【００２２】前記基板７は、ｚ板のニオブ酸リチウム結
晶からなる。光の吸収を防ぐためのバッファ層として二
酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）膜で基板７の表面を全面コートし
た上で、基板７の上に、入射光導波路８と、２つの位相
シフト光導波路９と、出射光導波路１０とを形成した。
次に、前記位相シフト光導波路９上に変調電極１１を形
成した。変調電極１１は、光進行方向に４分割した構造
とし、その容量は３ｐＦとした。変調電極１１の材料に
はＡｕを用い、電界センサヘッド１の抵抗の目標を約５
Ωとし、膜厚を１μｍとした。さらに、入射光導波路８
および出射光導波路１０６には、それぞれ入射光ファイ
バ２および出射光ファイバ３を接続して電界センサヘッ
ド１を製造した。

【００２３】次に、図２に示すように、受信用アンテナ
５をインピーダンス変換トランス６および共振回路４を
介して、変調電極５に接続して電界センサを構成した。

【００２４】ここで、受信用アンテナ５には７５Ωの半
波長ダイポールアンテナを用い、同軸ケーブル（７５
Ω）によって入出力比１：５なるインピーダンス変換ト
ランス６に接続し、アンテナ側のインピーダンスを１５
Ωとした。

【００２５】前記電界センサを用い、電界検出感度を調
べたところ、従来の電界センサに比べＱ値に見合った感
度の向上がみられ、５００ＭＨｚの電波に対して、電界
強度８０ｄＢμＶのときの光検出器の検出信号出力は７
５ｄＢμＶであった。

【００２６】本発明の効果を確認するために、前記本発
明の電界センサからインピーダンス変換トランス６を取
り除き、半波長ダイポールアンテナからの同軸ケーブル
を共振回路４に接続し、前記と同じ条件下で計測を行っ
た結果、光検出器の検出信号出力６２ｄＢμＶであっ
た。すなわち本発明の電界センサは、従来技術によるそ
れよりも１０ｄＢ以上高い感度が得られる。

【００２７】次に、本発明の他の実施例を図３に基いて
詳細に説明する。

【００２８】図３に示す実施例は、電界センサヘッド１
と、入射光ファイバ２と、出射光ファイバ３と、光源
（図示せず）と、光検出器（図示せず）と、光サーキュ
レータ１３と、中間伝送光ファイバ１４とを具備してい
る。

【００２９】前記電界センサヘッド１は、基板７と、入
出射光導波路１５と、２つの位相シフト光導波路９と、
反射膜１５と、変調電極１１とを有する。前記入出射光
導波路１５は、前記中間伝送光ファイバ１４に接続され
るように前記基板７に形成されている。前記２つの位相
シフト光導波路９は、前記入出射光導波路１５より分岐
するように前記基板７に形成され、かつ、電界の強度に
応じて屈折率が変化する。前記反射膜１５は、前記中間
伝送光ファイバ１４が位置する側を反対側の基板７の端
部に形成されている。前記変調電極１１は、前記２つの
位相シフト光導波路９の近傍に形成されている。

【００３０】前記中間伝送光ファイバ１４と入射光ファ
イバ２と出射光ファイバ３とは、光サーキュレータ１３
に接続されている。前記光源からの光は、光サーキュレ
ータ１３および中間伝送光ファイバ１４を通って入出射
光導波路１５に入り、次に２つに分岐された２つの位相
シフト光導波路９を通過して反射膜１５で反射されて、
位相シフト光導波路９と入出射光導波路１５と中間伝送
光ファイバ１４と通って光サーキュレータ１３に到達
し、この光サーキュレータ１３で方向を変えられて出射
光ファイバ３と通過して光検出器に達する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、受信用アンテナがインピーダ
ンス変換トランスを介し、受信用アンテナ側のインピー
ダンスを下げることにより、回路のＱを上げることがで
きるから、特定の周波数の電界の検出感度を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例における電界センサヘッドを
示す斜視図である。

【図２】図１に示す電界センサヘッドを含む電界センサ
を示すブロック図である。

【図３】本発明の他の実施例における電界センサヘッド
を示す斜視図である。

【図４】従来の電界センサにおける電界センサヘッドを
示す。

【符号の説明】

１ 電界センサヘッド ２ 入射光ファイバ ３ 出射光ファイバ ４ 共振回路 ５ 受信用アンテナ ６ インピーダンス変換トランス ７ 基板 ８ 入射光導波路 ９ 位相シフト光導波路 １０ 出射光導波路 １１ 変調電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号を受ける受信用アンテナと、こ
   の受信用アンテナで受ける前記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、この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を有し、前記電界センサは、さらに
   前記変調電極に接続されている共振回路と、この共振回
   路と前記受信用アンテナとの間に接続されているインピ
   ーダンス変換トランスとを有していることを特徴とする
   電界センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された電界センサにおい
   て、前記変調電極は、光進行方向において分割され、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。