JPH10319068A - 電界センサおよび電界検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 検出時のノイズレベルを低下せしめ、相対的
感度の上昇を実現した電界センサを提供する。 【解決手段】 光源１１と、検出すべき電界を受信する
アンテナ１２と、光源１１の出射光をアンテナ１２の出
力電圧に応じた光強度の光に変調して出射するセンサヘ
ッド１３と、センサヘッド１３の出射光を電気的に検出
する光検出器１４と、光源１１とセンサヘッド１３との
間およびセンサヘッド１３と光検出器１４との間をそれ
ぞれ光学的に接続する光ファイバとしてのシングルモー
ドファイバ１５および１６とを有している。センサヘッ
ド１３は、印加電圧と出射光強度との関係を表す特性曲
線として、第１の入射光強度によって規定される第１の
特性曲線と、第１の入射光強度よりも強い第２の入射光
強度によって規定され、第１の特性曲線よりも振幅が大
きい第２の特性曲線とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＭＣ分野に関
し、空間を伝搬する電磁波の電界を検出する電界センサ
および電界検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＭＣ分野にて、電磁ノイズの測定や、
放送電波等の特定周波数の信号電波の受信に際しては、
電磁ノイズや信号電波の電界強度を検出する。

【０００３】電界強度を検出するために用いられる電界
センサとして、最近は、光を用いた電界センサが用いら
れることが多い。この種の電界センサの一例を図４に示
す。図４を参照して、電界センサ２０は、光源２１と、
検出すべき電界を受信するアンテナ１２と、光源２１の
出射光である入射光をアンテナ１２の出力電圧（電界の
電圧）に応じた光強度の光に変調して出射するセンサヘ
ッド２３と、センサヘッド２３の出射光を電気的に検出
する光検出器１４と、光源２１とセンサヘッド２３との
間およびセンサヘッド２３と光検出器１４との間をそれ
ぞれ光学的に接続するシングルモードファイバ（光ファ
イバ）１５および１６とを有している。この電界センサ
は、検出すべき電界強度を光の形態で光検出器１４まで
伝送し、光検出器１４内で初めて電気信号とし、後続の
測定装置や受信装置等に入力する構成であるため、伝送
路線系とその周囲環境との間でノイズの授受がないなど
の好ましい特徴がある。

【０００４】センサヘッド２３の電界強度に対する出射
光強度を決定する特性曲線は、図５に示すように、周期
的に変化する曲線である。この特性曲線に応じて、印加
される電圧は光強度に変調して出力される。特性曲線の
振幅は、光源２１からの入射光強度に依存する。特性曲
線は正弦曲線で表され、その周期は波長電圧と呼ばれ
る。従来、電界検出において、センサヘッドは、多くの
場合、特性曲線上で出射光強度の最大値と最小値の中点
（以後、一部を除いて、単に中点と呼ぶ）を動作点と
し、動作点を中心にしてその近傍で作動するようにして
いる。これは、中点における勾配が最も大きく、最も高
い感度が得られ、また、中点近傍で最も直線性が高く、
検出された電界の波形歪みが小さいからである。

【０００５】尚、特性曲線の中点を動作点とする上記従
来のセンサヘッドでは、仮に検出される電界強度が小さ
くても、出射光強度のレベルは低くはない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電界検出において、こ
れの弊害となるノイズのレベルは、センサヘッドの出射
光強度に応じている。このため、特性曲線の中点を動作
点とする上記従来のセンサヘッドでは、検出される電界
強度が小さくても、センサヘッドの出射光強度のレベル
は低くはないので、ノイズレベルを低下させることが困
難である。

【０００７】本発明の課題は、主に、比較的弱い電界の
検出や、放送波の受信等を検出対象とし、検出時のノイ
ズレベルを低下せしめ、相対的感度の上昇を実現できる
電界センサおよび電界検出方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、光源
と、検出すべき電界を受信するアンテナと、前記光源の
出射光を前記アンテナの出力電圧に応じた光強度の光に
変調して出射するセンサヘッドと、前記センサヘッドの
出射光を電気的に検出する光検出器と、前記光源と前記
センサヘッドとの間および前記センサヘッドと前記光検
出器との間をそれぞれ光学的に接続する光ファイバとを
有する電界センサにおいて、前記センサヘッドは、印加
電圧と出射光強度との関係を表す特性曲線として、第１
の入射光強度によって規定される第１の特性曲線と、該
第１の入射光強度よりも強い第２の入射光強度によって
規定され、該第１の特性曲線よりも振幅が大きい第２の
特性曲線とを有し、前記センサヘッドはさらに、前記第
１の特性曲線上の最大と最小の出射光強度の中点に対応
する印加電圧よりも低い電圧値を動作点とし、前記光源
は、前記第２の入射光強度の光を出射することを特徴と
する電界センサが得られる。

【０００９】本発明によればまた、前記動作点は、前記
中点以下で、かつ該中点から１／４波長電圧以内である
前記電界センサが得られる。

【００１０】本発明によればさらに、センサヘッドを用
いて光源からの入射光を検出すべき電界強度である印加
電圧に応じた光強度の光に変調して出射し、光検出器に
よって前記出射光を電気的に検出することで電界を検出
する電界検出方法において、前記センサヘッドは、印加
電圧と出射光強度との関係を表す特性曲線として、第１
の入射光強度によって規定される第１の特性曲線と、該
第１の入射光強度よりも強い第２の入射光強度によって
規定され、該第１の特性曲線よりも振幅が大きい第２の
特性曲線とを有し、前記センサヘッドはさらに、前記第
１の特性曲線上の最大と最小の出射光強度の中点に対応
する印加電圧よりも低い電圧値を動作点とし、前記光源
は、前記第２の入射光強度の光を出射することを特徴と
する電界検出方法が得られる。

【００１１】本発明によればまた、前記動作点は、前記
中点以下で、かつ該中点から１／４波長電圧以内である
前記電界検出方法が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態による電界センサおよび電界検出方法を説明
する。

【００１３】［実施の形態１］実施の形態１では、本発
明による電界検出方法を説明する。

【００１４】図１は、本電界検出方法を行う電界センサ
の構成を示す図である。尚、同図において、従来例と同
一部には、図４と同符号を付している。図１を参照し
て、電界センサ１０は、光源１１と、検出すべき電界を
受信するアンテナ１２と、光源１１の出射光である入射
光をアンテナ１２の出力電圧（電界の電圧）に応じた光
強度の光に変調して出射するセンサヘッド１３と、セン
サヘッド１３の出射光を電気的に検出する光検出器１４
と、光源１１とセンサヘッド１３との間およびセンサヘ
ッド１３と光検出器１４との間をそれぞれ光学的に接続
するシングルモードファイバ１５および１６とを有して
いる。

【００１５】図３は、本電界検出方法を説明するための
図である。

【００１６】図３を参照して、図中破線で示す特性曲線
Ｂは、比較例としての図４に示した従来の電界センサ２
０におけるセンサヘッド２３の特性曲線である。接線Ｂ
１は、特性曲線Ｂの最大と最小の出射光強度の中点Ｑ１
に接する接線である。接線Ｂ１の勾配は、特性曲線Ｂが
規定される入射光強度におけるセンサヘッド２３の検出
感度に対応する。本来、それぞれの動作点における印加
電圧は０であるが、以下の説明では、便宜上、特性曲線
Ｂの中点Ｑ１を動作点とした場合を基準とする。

【００１７】一方、図中実線で示す特性曲線Ａは、図１
に示した本発明による電界センサ１０におけるセンサヘ
ッド１３の特性曲線である。特性曲線Ａは、比較例のセ
ンサヘッド２３（特性曲線Ｂ）の入射光強度を高めるこ
とにより振幅が増加した状態の特性ともいえる。

【００１８】ここで、特性曲線Ａ、Ｂが単調増加にある
領域において、特性曲線Ｂ上の中点Ｑ１における接線Ｂ
１、中点Ｑ１と等しい出射光強度である特性曲線Ａ上の
点Ｐ１における接線Ａ１、ならびに点Ｐ１と等しい印加
電圧である特性曲線Ｂ上の点Ｑ２における接線Ｂ２の３
接線を対比する。

【００１９】これら３接線は、勾配の大きい順に、接線
Ａ１、接線Ｂ２、接線Ｂ１である。したがって、勾配が
最も大きい接線Ａ１の接点である点Ｐ１を動作点にする
と、検出感度が最も高い。さらに、接線Ａ１の接点であ
る点Ｐ１と接線Ｂ１の接点である中点Ｑ１とを比べる
と、出射光強度が同じであるのでノイズレベルも同じで
あるが、接線Ａ１と接線Ｂ１との勾配差により、点Ｐ１
を動作点にした方が、中点Ｑ１を動作点にするよりも高
い感度が得られる。

【００２０】このことから、動作点の印加電圧を特性曲
線Ｂの中点Ｑ１以下に移動しても、点Ｑ２では、感度の
低下よりも、ノイズの低下の方が顕著であり、好まし
い。さらに、点Ｑ２から点Ｐ１に入射光強度を高める
と、ノイズレベルの増加よりも、感度の増加の方が顕著
であり、好ましい。

【００２１】尚、動作点が、中点から１／４波長電圧よ
りも低いと、動作自体は可能であるものの、その効果が
小さくなると共に、非直線性の問題が大きくなる。この
ため、動作点（印加電圧）は、中点とそれ以下１／４波
長電圧との間が、より好ましい範囲である。

【００２２】［実施の形態２］本発明の実施の形態２
は、図１に示した本発明による電界センサ１０の具体的
な構成例である。図１を参照して、電界センサ１０は、
光源１１と、アンテナ１２と、センサヘッド１３と、光
検出器１４と、シングルモードファイバ１５および１６
とを有し、実施の形態１で説明した電界検出方法が適用
された構成である。即ち、図３に示した従来の電界セン
サ２０の構成と基本的には同じであるが、光源１１およ
びセンサヘッド１３が異なる。

【００２３】光源１１は、センサヘッド１３の出射光強
度を従来のものよりも高くできる出射能力を有してい
る。

【００２４】図２は、センサヘッド１３の具体的な構造
を示す斜視図である。図１および図２を参照して、セン
サヘッド１３は、光源１１の出射光である入射光をアン
テナ１２の出力電圧（電界の電圧）に応じた光強度の光
に変調して出射する構成である。センサヘッド１３は、
ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム単結晶からな
る基板１３１と、基板１３１上に形成された、入射光導
波路１３２、入射光導波路１３２に対して連続する２本
に分岐して再び合流する形態の位相シフト光導波路１３
３、位相シフト光導波路１３３に対して連続する出射光
導波路１３４と、位相シフト光導波路１３３の一部の上
に形成された変調電極１３５とを有している。センサヘ
ッド１３の動作点は、位相シフト光導波路１３３をトリ
ミング加工を施すなどして所定の印加電圧に設定され
る。変調電極１３５には、アンテナ１２が電気的に接続
される。入射光導波路１３２の入射端および出射光導波
路１３４の出射端にはそれぞれ、シングルモードファイ
バ１５および１６を通して、光源１１および光検出器１
４が光学的に接続される。尚、図２のセンサヘッド１３
は透過型であるが、本発明においては、反射型を用いて
もよい。

【００２５】以上説明した電界センサ１０は、ノイズレ
ベルに対して検出感度が高い。光検出器の入力レベルが
低く、これに用いられる光検出器の種類が限定されてい
た従来例に対し、本発明は、この制約を緩和する。そし
て、本発明による電界センサは、波形歪みの影響が小さ
い弱い電界の検出や、放送波の受信の用途に好適であ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明による電界センサおよび電界検出
方法は、出射光強度が実用上差し支えない程度に低く、
かつその程度以上にノイズレベルが低い。このため、弱
い電界強度の検出においても、従来例のごとく、出射光
強度と共にノイズレベルも高いといったことがない。し
たがって、相対的検出感度が高い電界検出が実現され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電界センサの構成を示すブロック
図である。

【図２】図１に示す電界センサのセンサヘッドの構造を
示す斜視図である。

【図３】本発明による電界検出方法を説明するための図
である。

【図４】従来例による電界センサの構成を示すブロック
図である。

【図５】図４に示す電界センサのセンサヘッドの特性曲
線ならびに動作説明図である。

【符号の説明】

１０、２０ 電界センサ １１、２１ 光源 １２ アンテナ １３、２３ センサヘッド １４ 光検出器 １５、１６ シングルモードファイバ １３１ 基板 １３２ 入射光導波路 １３３ 位相シフト光導波路 １３４ 出射光導波路 １３５ 変調電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、検出すべき電界を受信するアン
   テナと、前記光源の出射光を前記アンテナの出力電圧に
   応じた光強度の光に変調して出射するセンサヘッドと、
   前記センサヘッドの出射光を電気的に検出する光検出器
   と、前記光源と前記センサヘッドとの間および前記セン
   サヘッドと前記光検出器との間をそれぞれ光学的に接続
   する光ファイバとを有する電界センサにおいて、前記セ
   ンサヘッドは、印加電圧と出射光強度との関係を表す特
   性曲線として、第１の入射光強度によって規定される第
   １の特性曲線と、該第１の入射光強度よりも強い第２の
   入射光強度によって規定され、該第１の特性曲線よりも
   振幅が大きい第２の特性曲線とを有し、前記センサヘッ
   ドはさらに、前記第１の特性曲線上の最大と最小の出射
   光強度の中点に対応する印加電圧よりも低い電圧値を動
   作点とし、前記光源は、前記第２の入射光強度の光を出
   射することを特徴とする電界センサ。
2. 【請求項２】 前記動作点は、前記中点以下で、かつ該
   中点から１／４波長電圧以内である請求項１に記載の電
   界センサ。
3. 【請求項３】 センサヘッドを用いて光源からの入射光
   を検出すべき電界強度である印加電圧に応じた光強度の
   光に変調して出射し、光検出器によって前記出射光を電
   気的に検出することで電界を検出する電界検出方法にお
   いて、 前記センサヘッドは、印加電圧と出射光強度との関係を
   表す特性曲線として、第１の入射光強度によって規定さ
   れる第１の特性曲線と、該第１の入射光強度よりも強い
   第２の入射光強度によって規定され、該第１の特性曲線
   よりも振幅が大きい第２の特性曲線とを有し、 前記センサヘッドはさらに、前記第１の特性曲線上の最
   大と最小の出射光強度の中点に対応する印加電圧よりも
   低い電圧値を動作点とし、 前記光源は、前記第２の入射光強度の光を出射すること
   を特徴とする電界検出方法。
4. 【請求項４】 前記動作点は、前記中点以下で、かつ該
   中点から１／４波長電圧以内である請求項３に記載の電
   界検出方法。