(57)【要約】【課題】簡易な構成で電界による影響の抑制及び磁界に基づく検出信号の感度向上を実現する磁界検出プローブの提供。【解決手段】磁界検出プローブ１では、センサ部２を構成する伝送線路（信号用導体４，定電位用導体５）のインピーダンスに終端抵抗６のインピーダンスＺＬを整合させるだけでなく、これらのインピーダンスを、検出回路の入力インピーダンス（接続部３の特性インピーダンス）Ｚｓより小さな値に設定する。これにより磁界検出プローブ１は、伝送線路のインピーダンスや終端抵抗６のインピーダンスＺＬを検出回路の入力インピーダンスＺｓと一致（整合）させた場合と比較して検出回路側の分圧比が大きくなるため、検出感度を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号を伝送する信号用導体（４）と前記信号用導体を電磁的に遮蔽する定電位用導体（５）とで構成され、部分的に前記信号用導体を露出させたギャップ部（７）を有する伝送線路によってループ状に形成されたセンサ部（２）と、
前記伝送線路の一端に接続される終端抵抗（６）と、
を備えた平衡出力型のシールデッドループアンテナを用いて構成される磁界検出プローブ（１）であって、
前記伝送線路及び前記終端抵抗のインピーダンスが、前記伝送線路の前記終端抵抗の接続端とは異なる一端（３）に接続される検出回路の入力インピーダンスより小さな値にて互いに整合するように設定されていることを特徴とする磁界検出プローブ。
【請求項２】
前記伝送線路及び前記終端抵抗のインピーダンスは、前記検出回路の入力インピーダンスの１／２〜１／１０であることを特徴とする請求項１に記載の磁界検出プローブ。
【請求項３】
前記センサ部は、フレキシブルな多層基板（２１，２２）を用いて構成され、前記伝送線路は、前記多層基板上に構成されたストリップライン（４，５）からなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の磁界検出プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールデッドループアンテナを利用する磁界検出プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁界検出プローブとしてシールデッドループアンテナを利用したものが知られている。シールデッドループアンテナは、同軸ケーブルやセミリジッドケーブルをループ状に形成し、ケーブルの一端が検出回路に接続されている。ケーブルの他端は内部導体を直接接地（外部導体に接続）する不平衡出力型と、終端抵抗を介して、内部導体を接地（外部導体に接続）する平衡出力型がある。いずれも、ループ中に外部導体を利用したギャップを形成し、ループを鎖交する磁界によってギャップに生じる誘起電圧を検出回路で検出するように構成される。
【０００３】
ところで、不平衡出力型では、電界により生じた電圧が検出回路にて検出されてしまうという問題があり、一方、平衡出力型では、電界の検出感度を抑えることができるが、磁界によって発生した誘起電圧を検出回路の入力インピーダンスと終端抵抗のインピーダンスとで分圧することになり、検出回路での検出電圧が１／２に低下する（−６ｄＢになる）という問題があることが知られている。
【０００４】
これに対して、ループ中にギャップを二つ形成し、両ギャップに生じた誘起電圧に基づく信号を個別に検出すると共に、一方の信号を移相器により反転させて他方の信号と加算することにより、電界により生じた信号（誘起電圧）を打ち消すことで、磁界のみ検出するダブルギャップ型のシールデッドループアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２６８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の従来技術では、ループ部分に二つのギャップを設けたり、検出信号を抽出するのに移相器を設けたりする必要があるなど、磁界検出プローブの構成が複雑になってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成で電界による影響の抑制及び磁界に基づく検出信号の感度向上を実現する磁界検出プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、平衡出力型のシールデッドループアンテナを用いて構成される磁界検出プローブを前提とする。平衡出力型のシールデッドループアンテナは、信号用導体と定電位用導体とで構成され部分的にギャップ部を有する伝送線路によってループ状に形成されたセンサ部と、センサ部を構成する伝送線路の一端に接続される終端抵抗とを備える。そして、本発明では、伝送線路及び終端抵抗のインピーダンスが、伝送線路の終端抵抗の接続端とは異なる一端に接続される検出回路の入力インピーダンスより小さな値にて、互いに整合するように設定されている。
【０００９】
このように構成された本発明の磁界検出プローブによれば、伝送線路及び終端抵抗のインピーダンスが異なる以外は、周知の平衡出力型のシールデッドループアンテナと同様の構成をしているため、簡易な構成であり、しかも電界による影響を抑制することができる。しかも、本発明によれば、終端抵抗のインピーダンスが検出回路の入力インピーダンスより小さいため、検出回路での検出電圧は誘起電圧の１／２より大きな値となり検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】磁界検出プローブの外観を示す斜視図である。
【図２】磁界検出プローブの内部構成を模式的に示した断面図である。
【図３】図２におけるIII−III断面図である。
【図４】平衡出力型のシールデッドループアンテナの等価回路を示す回路図である。
【図５】測定系の構成を示す説明図である。
【図６】比較例として用いたシールデッドループをアンテナの構成を示す説明図であり、（ａ）が不平衡出力型、（ｂ）が平衡出力型である。
【図７】磁界検出感度の測定結果を示すグラフである。
【図８】電界検出感度の測定結果を示すグラフである。
【図９】伝送線路及び終端抵抗のインピーダンスを変化させて磁界検出感度を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
磁界検出プローブ１は、図１に示すように、磁界の大きさに応じた信号を発生するセンサ部２と、センサ部２から信号を取り出すための接続部３とを備えている。
【００１２】
接続部３は、中心導体３１とその中心導体３１の周囲に形成された円筒状の外部導体３２を有し、特性インピーダンスが５０Ωである周知のＳＡＭコネクタからなる。
センサ部２は、ループ状に成形されたフレキシブルな多層基板を用いて構成され、この多層基板にプリントされたストリップラインを利用して形成された平衡出力型のシールデッドループアンテナからなる。
【００１３】
センサ部２を構成する多層基板は、図２に示すように、４層の誘電体層２１（２１１〜２１４）と、各誘電体層２１の間に形成された３層の導体層２２（２２１〜２２３）からなる。以下では、ループの最も内側に位置する誘電体層を第１層２１１、最も外側に位置する誘電体層を第４層２１４、その間に位置する二つの誘電体層を内側から第２層２１２及び第３層２１３と呼ぶものとする。そして、第２層２１２と第３層２１２の間に位置する導体層である信号用導体層２２２には信号用導体４が形成され、また、第１層２１１と第２層２１２の間に位置する導体層である内側導体層２２１、及び第３層２１３と第４層２１４の間に位置する導体層である外側導体層２２３には、それぞれ定電位用導体５（５１，５２）が形成されている。
【００１４】
但し、図３に示すように、定電位用導体５は、信号用導体４及び定電位用導体５によって形成される伝送線路がストリップラインとして機能するように、線路幅（図中Ｙ軸方向の幅）が、信号用導体４の線路幅と比較して十分に広に幅を有するように形成されている。つまり、信号用導体４の幅をＷ、信号用導体４の厚さをＬ、定電位用導体５１，５２間の間隔をＨ、誘電体層２１の比誘電率をεとして、これらのパラメータを適宜設定することにより、信号用導体４及び定電位用導体５からなる伝送線路（ストリップライン）のインピーダンスを任意の大きさに設定することができる。
【００１５】
図２に戻り、信号用導体４は、多層基板の形状に沿ってループをほぼ一周するように形成されている。そして、信号用導体４の一端は、接続部３を構成する中心導体３１に接続され、他端は、接続部３の近傍にて外側導体層２２３に形成された定電位用導体５２に、終端抵抗６を介して接続されている。
【００１６】
定電位用導体５１，５２は、いずれも多層基板の形状に沿ってループを形成する配線されていると共に、多層基板によって形成されるループの中空部分を挟んで、接続部３の形成部位と対向する部位に、ギャップ（定電位用導体５１，５２の切れ目）が設けられている。このギャップが設けられているセンサ部２の部位を、以下ではギャップ部７という。また、定電位用導体５２は、定電位用導体５２は、接続部３を構成する外部導体３２に接続されている。
【００１７】
つまり、信号用導体４と定電位用導体５とで形成される伝送線路は、ギャップ部７以外の部位では、定電位用導体５によって電界に対しても磁界に対しても遮蔽効果を有し、信号用導体４が露出したギャップ部７では、電界に対しては遮蔽効果を有するが、磁界は信号用導体４を鎖交する構造を有している。
【００１８】
また、信号用導体４と定電位用導体５とで形成される伝送線路のインピーダンス、及び終端抵抗６のインピーダンスＺＬは、接続部３の特性インピーダンスＺｓ（ひいては接続部３に接続される検出回路の入力インピーダンス）より小さな値に設定され、本実施形態では１０Ωに設定されている。特に、伝送線路のインピーダンスは、ε＝３．５の基板を使用し、Ｈ＝０．４１８ｍｍ、ｔ＝１８μｍ、Ｗ＝１．８１ｍｍに設計することで１０Ωを実現している。
【００１９】
＜動作＞
このように構成されたセンサ部２は、同軸ケーブルやセミリジッドケーブルを使用して構成される周知の平衡出力型のシールデッドループアンテナ（図６（ｂ）参照）と等価な構成をしており、ループを形成する伝送線路として、同軸ケーブルやセミリジッドケーブルの代わりに、多層基板に形成されたストリップラインを用いたものとなっている。但し、符号は、本実施形態の磁界検出プローブ１の各部に対応する構成に、同じ符号を付している。
【００２０】
また、センサ部２の伝送線路が形成するループは、図中におけるＸ−Ｚ平面に形成されている（図１，２参照）。つまり、磁界検出プローブ１は、センサ部２（特にループの中空部分）を通過する磁束のＹ軸方向に沿った成分の大きさに応じた検出信号を出力するように構成されている。
【００２１】
平衡出力型のシールデッドループアンテナの等価回路は、図４で表され、センサ部２（伝送線路が形成するループアンテナ）を通過する磁束（ひいては磁界）の大きさに応じてギャップａ，ｆ間に誘起電圧が発生し、その誘起電圧を、接続部３の特性インピーダンス（検出回路の入力インピーダンス）Ｚｓと終端抵抗６のインピーダンスＺＬとで分圧した大きさの検出信号が検出回路に入力されることになる。つまり、誘起電圧をＶｅとすると、検出回路の入力電圧Ｖｉは（１）式で表される。
【００２２】
Ｖｉ＝Ｖｅ×Ｚｓ／（Ｚｓ＋ＺＬ）      （１）
なお、等価回路において、Ｌはループアンテナの自己インダクタンス、Ｒはループアンテナの抵抗を表す。また、等価回路中の記号ａ〜ｆで示されるポイントは、図６（ｂ）における記号ａ〜ｆで示されるポイントに対応する。
【００２３】
＜効果＞
以上説明したように、磁界検出プローブ１では、センサ部２を構成する伝送線路のインピーダンスに終端抵抗６のインピーダンスＺＬを整合させるだけでなく、これらのインピーダンスを、検出回路の入力インピーダンス（接続部３の特性インピーダンス）Ｚｓより小さく設定している。これにより磁界検出プローブ１は、伝送線路のインピーダンスや終端抵抗６のインピーダンスＺＬを検出回路の入力インピーダンスＺｓと一致（整合）させた場合と比較して検出回路側の分圧比が大きくなるため、検出感度を向上させることができる。
【００２４】
ここでは、検出回路の入力インピーダンスを５０Ωとし、終端抵抗及び伝送線路のインピーダンスを１０Ωに設定しているため、誘起電圧Ｖｅに対する入力電圧Ｖｉの低下を、１７％（−１．６ｄＢ）に抑制することができる。
【００２５】
＜実験＞
磁界検出感度、電界検出感度の測定結果を図７〜９に示す。但し、測定系として、図５に示すように、マイクロストリップラインが形成された基板上に、磁界検出プローブ１を配置し、ネットワークアナライザのポート１からマイクロストリップラインに信号が供給され磁界検出プローブ１の接続部３から出力される検出信号がネットワークアナライザのポート２に入力されるように接続したものを使用する。
【００２６】
但し、磁界検出プローブ１におけるセンサ部２は、Ｘ軸方向のサイズＬｘが３５．４ｍｍ、Ｙ軸方向のサイズＬｙが１０ｍｍ、Ｚ軸方向のサイズＬｚが５．４ｍｍに形成されているもの（図１，２参照）を使用し、Ｘ軸方向がマイクロストリップラインの配線方向に沿うように配置した。
【００２７】
図７は、磁界検出感度を示すグラフである。具体的には、ネットワークアナライザによって、ポート１を介してマイクロストリップラインに供給する信号の周波数を１ＭＨz〜１ＧＨzの範囲で掃引した場合に、ポート１からポート２へのＳパラメータ（Ｓ２１：通過損失）をシミュレーションによって算出した。
【００２８】
比較例として、不平衡出力型のシールデッドループアンテナ（図６（ａ）参照）を使用したもの（比較例１）、平衡出力型のシールデッドループアンテナ（図６（ｂ）参照）を使用したもの（比較例２）についても同様に測定を行った。但し、比較例１，２では、いずれもセミリジッドケーブル（５０Ω）を用いて構成された周知のものであり、特に後者は、終端抵抗をセミリジッドケーブルのインピーダンスに整合させたもの（５０Ω）が用いられている。図７に示すように、磁界検出プローブ１の磁界検出感度は、比較例２のものと比較して６ｄＢ向上し、比較例１のものと同程度となる。
【００２９】
図８は、電界検出感度を示すグラフである。具体的には、空間に設置した磁界検出プローブに対し、平面波を照射した場合の接続部３の出力電圧をシミュレーションによって算出した。但し、照射する平面波は、直交する磁界と電界から形成されており、磁界検出プローブの形状を考慮して、磁界をＺ軸方向（図１，２参照）、電界をＸ軸方向（図１，２参照）に設定し、磁界を最も検出しにくく電界の影響だけを受け易い（電界だけを検出し易い）状態になっている。図８に示すように、磁界検出プローブ１の電界検出感度は、比較例１，２のものと比較して、−１０ｄＢ以下（但し、１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚ）となる。
【００３０】
つまり、磁界検出プローブ１では、電界の影響が抑制され、且つ、比較例１と同等の磁界検出感度が得られることがわかる。
次に、図９は、磁界検出プローブ１において、伝送線路（信号用導体４，定電位用導体５）及び終端抵抗６のインピーダンスを変化させ、検出回路の入力インピーダンスＺｓと終端抵抗６のインピーダンスの分圧比を変化させて通過損失Ｓ２１をシミュレーションによって算出した結果である。ここでは、分圧比を１：１（ＺＬ＝５０Ω、即ち従来品）、２．５：１（ＺＬ＝２０Ω）、５：１（ＺＬ＝１０Ω）、１０：１（ＺＬ＝５Ω）について求めた。図９に示すように、分圧比を大きくするほど検出感度は向上するが、直線性が乱れて周波数特性が劣化し、使用できる周波数範囲が狭まることがわかる。なお、直線性の乱れは、伝送線路のインピーダンスを０Ωに近づけるほど、定電位用導体５の幅を無限大に近づける必要があるが、実際には、定電位用導体５の幅には限度があることに基づく。このことから、分圧比は、２：１〜１０：１程度であること、即ち、伝送線路及び終端抵抗のインピーダンスは、検出回路の入力インピーダンスの１／２〜１／１０程度であることが望ましい。
【００３１】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。例えば、上記実施形態の構成の一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。
【００３２】
上記実施形態では、センサ部２（平衡出力型のシールデッドループアンテナ）を多層基板上に構成したストリップラインを用いて構成しているが、検出回路の入力インピーダンスより小さいインピーダンスを有する同軸ケーブルやセミリジッドケーブルを用いて構成してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１…磁界検出プローブ  ２…センサ部  ３…接続部  ４…信号用導体  ５（５１，５２）…定電位用導体  ６…終端抵抗  ７…ギャップ部  ２１（２１１〜２１４）…誘電体層  ２２（２２１〜２２３）…導体層  ３１…中心導体  ３２…外部導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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