| 【発明の名称】 |
プローブ |
| 【発明者】 |
【氏名】竹内 伸成
【氏名】柳沢 幸樹
【氏名】菊池 潤
【氏名】伴城 暢一
【氏名】遠藤 善雄
【氏名】品川 満
【氏名】永妻 忠夫
【氏名】松広 一良
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| 【要約】 |
【課題】高感度であってかつ温度依存性が低いプローブを得ること。
【解決手段】測定時に信号線に当接される金属ピン５と、リチウムナイオベートが円柱形状に形成されてなり、金属ピン５を介して結合された電界強度に応じて屈折率が変化する電気光学結晶７と、その内部に電気光学結晶７が嵌合された第１の導熱部材２１と、第１の導熱部材２１を介して間接的に電気光学結晶７の温度を検出する温度検出器２２と、熱伝導率が高い金属等が略長尺形状に形成された第２の導熱部材２３と、ペルチェ効果により吸熱作用および発熱作用を生じさせる電子冷却素子２４と、温度検出信号Ｓｔから得られる検出温度から、温度設定値信号Ｓｓから得られる設定温度を減算して、減算結果を減算信号Ｓｇとして出力する減算器２６と、減算信号Ｓｇを所定の増幅率で増幅して、増幅結果を電流Ｉとして出力する増幅器２７とを有している。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定信号により生じる電界の強度に応じてその屈折率が変化する電気光学結晶の中を透過するレーザ光の偏光状態に基づいて前記被測定信号を検出するプローブにおいて、前記電気光学結晶の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記電気光学結晶の温度を一定に制御する温度制御手段とを具備することを特徴とするプローブ。
【請求項２】 前記温度制御手段は、熱伝導率が高い材料から構成され、その一端部が前記電気光学結晶に接するように設けられた導熱部材と、その一端部が前記導熱部材の他端部に接合され、供給される電流の方向に応じてその一端部において発熱作用または吸熱作用を生じさせる電子冷却手段と、前記温度検出手段の検出結果が一定温度になるような前記電流を前記電子冷却手段へ供給する電流供給手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】 前記温度制御手段は、その一端部が前記電気光学結晶に接するように設けられ、供給される電流の方向に応じてその一端部において発熱作用または吸熱作用を生じさせる電子冷却手段と、前記温度検出結果が一定温度になるような前記電流を前記電子冷却手段へ供給する電流供給手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
【請求項４】 前記電子冷却手段は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項２または３に記載のプローブ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定器における被測定信号の入力に用いられるプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】近時、例えば、２．４Ｇｂｐｓという超高速なビットレートの信号を扱う被測定回路の信号測定には、被測定回路に擾乱を与えることなく測定可能な電気光学サンプリングオシロスコープが用いられている。
【０００３】この電気光学サンプリングオシロスコープは、（１）信号を測定する際に、グランド線を必要としないため、測定が容易（２）電気光学プローブの先端にある金属ピンが回路系から絶縁されているので高入力インピーダンスを実現でき、その結果被測定点の状態をほとんど乱すことがない（３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーまでの広帯域測定が可能といった特徴があることから、高速化が進む通信情報システムの測定に特に用いられている。
【０００４】また、上記電気光学サンプリングオシロスコープには、被測定信号によって発生する電界を電気光学結晶に対して作用させた状態で、該電気光学結晶にレーザ光が入射されると、レーザ光の偏光状態が変化するという原理を用いたプローブが用いられている。
【０００５】図２は、上述した電気光学サンプリングオシロスコープに用いられるプロープによる測定原理を説明する図である。この図において、１はプリント基板であり、このプリント基板１の表面には、信号線２およびグランド線３が各々形成されている。４は、上述した電気光学サンプリングオシロスコープ（図示略）に接続されたプローブであり、信号線２を伝送する被測定信号を検出する。このプローブ４は、金属ピン５、絶縁体６、電気光学結晶７および反射鏡８から概略構成されている。
【０００６】金属ピン５は、その先端部分がテーパ状に形成されており、測定時に信号線２に当接される。絶縁体６は、円板形状をしており、その裏面中央部には、金属ピン５の端部が取り付けられている。すなわち、金属ピン５は、絶縁体６により保持されている。７は、ＢＳＯ（Ｂｉ12ＳｉＯ20）が円柱形状に形成されてなる電気光学結晶であり、結合された電界強度Ｅに応じて、一次の電気光学変化であるポッケルス効果によりその屈折率が変化するという、光学的性質を有している。
【０００７】反射鏡８は、電気光学結晶７の裏面に蒸着された誘電体多層膜ミラーであり、電気光学結晶７を透過したレーザ光Ｌａを反射する。電気光学結晶７は、反射鏡８を介して絶縁体６の表面に接合されている。
【０００８】上記構成において、金属ピン５の先端部が信号線２に当接されると、信号線２を伝送している被測定信号のレベルに応じた電界Ｅが電気光学結晶７と結合される。これにより、ポッケルス効果によって電気光学結晶７の屈折率が電界Ｅの強度に応じて変化する。この状態において、レーザ光Ｌａが電気光学結晶７の表面に入射されると、電気光学結晶７内部を伝搬しているレーザ光Ｌａの偏光状態が変化する。
【０００９】そして、偏光変化を受けたレーザ光Ｌａは、反射鏡８により反射された後、電気光学結晶７の表面から出射され、図示しない受光部に受光される。さらに、受光部の出力信号から偏光状態を把握することにより、信号線２を伝送している被測定信号が検出される。なお、上述した動作原理の詳細については、品川ら：”ＥＯＳによるハンディ型ハイインピーダンスプローブ”、第１５回光波センシング技術研究会 講演論文集 応用物理学会・光波センシング技術研究会、１９９５年５月、ｐｐ．１２３−１２９を参照されたい。
【００１０】図３は、従来の電気光学サンプリングオシロスコープに用いられるプローブの具体的構成を示す概略側面図である。この図において、図２の各部に対応する部分には同一の符号を付けその説明を省略する。図３に示すプローブ４において、９は、略円筒形状のケースであり、円筒形状の円筒部９ｂと、該円筒部９ｂの一端部にテーパ形状に形成され、かつ軸線に沿って貫通穴が形成された先端部９ａとを有している。この先端部９ａには、上述した金属ピン５、絶縁体６、電気光学結晶７および反射鏡８が各々収容されている。
【００１１】１０は、コネクタ１１と図示しないレーザ発生装置との間を接続する偏光保持光ファイバである。上記レーザ発生装置は、直線偏光のレーザ光Ｌａを発生する。また、コネクタ１１は、その出射端１１ａから出射されるレーザ光Ｌａが電気光学結晶７および反射鏡８に対して垂直に入射される位置に配設されている。１２は、コネクタ１１の左方に配設されたコリメートレンズであり、レーザ光Ｌａを平行光に変換する。
【００１２】１３は、コリメートレンズ１２の左方に配設された偏光ビームスプリッタであり、紙面に対して平行なレーザ光Ｌａの偏光成分を直進させるとともに、上記紙面に対して垂直なレーザ光Ｌａの偏光成分を、レーザ光Ｌａの直進方向に対して９０度曲げて直進させる。１４は、偏光ビームスプリッタ１３の左方に配設されたファラディ素子であり、偏光ビームスプリッタ１３を透過したレーザ光Ｌａの偏光を紙面に対して４５度回転させる。
【００１３】１５は、ファラディ素子１４の左方に、結晶軸方位が２２．５度傾くように配設された１／２波長板であり、ファラディ素子１４により回転された偏光を紙面に対して平行にする。１６は、１／２波長板１５の左方に配設された偏光ビームスプリッタであり、偏光ビームスプリッタ１３と同一構成とされている。１７は、偏光ビームスプリッタ１６の左方に配設された波長板であり、偏光ビームスプリッタ１６を透過したレーザ光Ｌａの強度バランスを調整することにより、最終的に得られるプローブ４の出力信号のＳ／Ｎ(Signal/Noise)比を調整する。
【００１４】１８は、偏光ビームスプリッタ１６の上方に配設された第１のフォトダイオードであり、偏光ビームスプリッタ１６により分岐されたレーザ光Ｌａを第１の検出信号Ｓ1に変換して、これを図示しない差動増幅器へ出力する。１９は、偏光ビームスプリッタ１３の上方に配設された第２のフォトダイオードであり、偏光ビームスプリッタ１３により分岐されたレーザ光Ｌａを第２の検出信号Ｓ2に変換して、これを図示しない差動増幅器へ出力する。
【００１５】上記構成において、図３に示す金属ピン５の先端部が信号線２（図２参照）に当接されると、信号線２を伝送している被測定信号のレベルに応じた電界Ｅが電気光学結晶７と結合される。これにより、電気光学結晶７の屈折率が電界Ｅの強度に応じて変化する。この状態において、図示しないレーザ光発生装置からレーザ光Ｌａが出射されると、該レーザ光Ｌａは、コネクタ１１の出射端１１ａから出射された後、コリメートレンズ１２、偏光ビームスプリッタ１３、ファラディ素子１４、１／２波長板１５、偏光ビームスプリッタ１６および波長板１７を介して電気光学結晶７の表面に入射される。
【００１６】この結果、電気光学結晶７内部を伝搬しているレーザ光Ｌａの偏光状態が変化する。そして、偏光変化を受けたレーザ光Ｌａは、反射鏡８により反射された後、電気光学結晶７の表面から出射され、偏光ビームスプリッタ１６により分岐される。上記分岐された一方のレーザ光Ｌａは、第１のフォトダイオード１８により第１の検出信号Ｓ1に変換され、該第１の検出信号Ｓ1は、差動増幅器へ入力される。
【００１７】また、偏光ビームスプリッタ１６により分岐された他方のレーザ光Ｌａは、偏光ビームスプリッタ１３により第２のフォトダイオード１９方向へ分岐された後、第２のフォトダイオード１９により第２の検出信号Ｓ2に変換される。そして、該第２の検出信号Ｓ2は、差動増幅器に入力される。これにより、差動増幅器においては、第１の検出信号Ｓ1と第２の検出信号Ｓ2とが差動増幅された後、差動増幅された信号がプローブ４の出力信号として電気光学サンプリングオシロスコープの入力端子に入力される。この結果、電気光学サンプリングオシロスコープの表示部には、信号線２を伝送している被測定信号の波形等が表示される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のプローブにおいては、電気光学結晶７としてＢＳＯを用いている。しかしながら、上記ＢＳＯは、図４に示すように温度依存性が低いという利点を有するものの、感度が低いという欠点がある。従って、ＢＳＯを用いた従来のプローブにおいては、微弱な被測定信号を高感度で測定することができないという欠点があった。そこで、電気光学結晶７として上述したＢＳＯに代えて、図４に示すＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）を用いた場合には、同図に示すように感度が高いという利点を有するものの、温度依存性が高いという欠点があった。本発明はこのような背景の下になされたもので、高感度であってかつ温度依存性が低いプローブを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、被測定信号により生じる電界の強度に応じてその屈折率が変化する電気光学結晶の中を透過するレーザ光の偏光状態に基づいて前記被測定信号を検出するプローブにおいて、前記電気光学結晶の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出結果に基づいて、前記電気光学結晶の温度を一定に制御する温度制御手段とを具備することを特徴とする。また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプローブにおいて、前記温度制御手段は、熱伝導率が高い材料から構成され、その一端部が前記電気光学結晶に接するように設けられた導熱部材と、その一端部が前記導熱部材の他端部に接合され、供給される電流の方向に応じてその一端部において発熱作用または吸熱作用を生じさせる電子冷却手段と、前記温度検出手段の検出結果が一定温度になるような前記電流を前記電子冷却手段へ供給する電流供給手段とを具備することを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のプローブにおいて、前記温度制御手段は、その一端部が前記電気光学結晶に接するように設けられ、供給される電流の方向に応じてその一端部において発熱作用または吸熱作用を生じさせる電子冷却手段と、前記温度検出結果が一定温度になるような前記電流を前記電子冷却手段へ供給する電流供給手段とを具備することを特徴とする。また、請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載のプローブにおいて、前記電子冷却手段は、ペルチェ素子であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態によるプローブの要部の構成を示す一部裁断断面図である。図１において、図３の各部に対応する部分には同一の符号を付けその説明を省略する。ただし、図１に示す電気光学結晶７としては、図４に示すリチウムナイオベート（ＬＮ）が用いられている。このリチウムナイオベートは、前述したように感度および温度依存性が共に高いという性質を有している。
【００２１】また、図１においては、第１の導熱部材２１、温度検出器２２、第２の導熱部材２３、電子冷却素子２４、放熱器２５、減算器２６および増幅器２７が新たに設けられており、かつ図３に示す偏光保持光ファイバ１０、コネクタ１１、・・・、第２のフォトダイオード１９から構成される光学系素子の図示が省略されている。
【００２２】図１に示すプローブ２０において、第１の導熱部材２１は、熱伝導率が高い金属等が、例えば、厚肉円筒形状に形成されてなり、その内部には、電気光学結晶７が嵌合されている。温度検出器２２は、第１の導熱部材２１の外周面に取り付けられており、第１の導熱部材２１を介して間接的に電気光学結晶７の温度を検出する。この温度検出器２２は、例えば、サーミスタであり、検出結果を温度検出信号Ｓｔとして出力する。
【００２３】第２の導熱部材２３は、熱伝導率が高い金属等が略長尺形状に形成されてなり、ケース９の内周面に沿うように、先端部９ａから円筒部９ｂの途中に至るまで配設されている。この第２の導熱部材２３の一端部２３ａは、第１の導熱部材２１の外周面に接合されている。また、上記第２の導熱部材２３としては、一例としてヒートパイプが用いられる。
【００２４】電子冷却素子２４は、ペルチェ効果により吸熱作用および発熱作用を生じさせるペルチェ素子であり、第１種の導体と該第１の導体の両端部に各々接合された２つの第２種の導体とからなり、かつ第１の接合部２４ａおよび第２の接合部２４ｂを有している。この電子冷却素子２４の第１の接合部２４ａは、第２の導熱部材２３の他端部２３ｂに接合されている。
【００２５】すなわち、電子冷却素子２４においては、供給される電流Ｉが接地方向に流れたとき、第１の接合部２４ａで吸熱作用が生じるとともに、第２の接合部２４ｂで発熱作用が生じる。ここで、第１の接合部２４ａおよび第２の接合部２４ｂにおける吸熱量および発熱量は、電流Ｉに比例する。
【００２６】放熱器２５は、ケース９の円筒部９ｂに取り付けられており、その一端面２５ａが電子冷却素子２４の第２の接合部２４ｂに接合され、かつその他端面２５ｂが大気中に露出している。この放熱器２５は、電子冷却素子２４の第２の接合部２４ｂにおける発熱作用による熱エネルギを大気中に放出する役目をしている。
【００２７】減算器２６は、温度検出器２２より入力される温度検出信号Ｓｔから得られる検出温度から、図示しない制御部より入力される温度設定値信号Ｓｓから得られる設定温度を減算して、減算結果を減算信号Ｓｇとして出力する。ここで、温度設定値信号Ｓｓから得られる設定温度は、一定値である。増幅器２７は、減算信号Ｓｇを所定の増幅率で増幅して、増幅結果を電流Ｉとして電子冷却素子２４へ出力する。
【００２８】次に、上述した一実施形態によるプローブの動作について説明する。図１において、今、電気光学結晶７（第１の導熱部材２１）の温度（以下、実温度と称する）は、温度設定値信号Ｓｓより得られる設定温度より高い状態にあるものとする。従って、電気光学結晶７（第１の導熱部材２１）の実温度は、温度検出器２２により検出され、温度検出器２２からは、上記温実度に対応する温度検出信号Ｓｔが減算器２６へ出力されている。
【００２９】これにより、減算器２６は、温度検出信号Ｓｔより得られる実温度から、温度設定値信号Ｓｓより得られる設定温度を減算する。このときの減算結果の符号は、実温度が設定温度より高いため、正である。従って、減算器２６からは、正の減算信号Ｓｇが増幅器２７へ出力される。そして、上記正の減算信号Ｓｇは、増幅器２７により増幅され、増幅器２７からは、接地方向に流れる正の電流Ｉが電子冷却素子２４へ出力される。
【００３０】これにより、電子冷却素子２４においては、第１の接合部２４ａに吸熱作用が生じることにより、第１の接合部２４ａおよび第２の導熱部材２３の他端部２３ｂの温度が低下する。従って、今、第２の導熱部材２３においては、一端部２３ａの温度に比して他端部２３ｂの温度が低い状態とされる。この結果、電気光学結晶７の熱エネルギーが第１の導熱部材２１、第２の導熱部材２３を介して電子冷却素子２４の第１の接合部２４ａへ移動することにより、電気光学結晶７の温度が徐々に低下する。
【００３１】一方、電子冷却素子２４においては、第２の接合部２４ｂに発熱作用が生じることにより、該発熱作用により生じた熱エネルギが放熱器２５を介して大気中に放出される。そして、今、電気光学結晶７の実温度が設定温度と等しくなると、減算器２６の減算結果がゼロとなり、この結果、減算器２６から出力されている減算信号Ｓｇがゼロとなり、さらに電流Ｉがゼロとなる。これにより、電気光学結晶７の温度は、一定値たる設定温度と同値になる。
【００３２】そして、今、電気光学結晶７（第１の導熱部材２１）の実温度が、温度設定値信号Ｓｓより得られる設定温度より低くなったとする。このとき、減算器２６の減算結果の符号は、実温度が設定温度より低いため、負である。従って、減算器２６からは、負の減算信号Ｓｇが増幅器２７へ出力される。そして、上記負の減算信号Ｓｇは、増幅器２７により増幅される。この結果、接地から電子冷却素子２４を経由して増幅器２７へは、負の電流Ｉが流れる。
【００３３】これにより、電子冷却素子２４においては、第１の接合部２４ａに発熱作用が生じることにより、第１の接合部２４ａおよび第２の導熱部材２３の他端部２３ｂの温度が上昇する。従って、今、第２の導熱部材２３においては、一端部２３ａの温度に比して他端部２３ｂの温度が高い状態とされる。この結果、第２の導熱部材２３の他端部２３ｂの熱エネルギーが第２の導熱部材２３、第１の導熱部材２１を介して電気光学結晶７へ移動することにより、電気光学結晶７の温度が徐々に上昇する。
【００３４】一方、電子冷却素子２４においては、第２の接合部２４ｂに吸熱作用が生じることにより、放熱器２５を介して大気中の熱エネルギが第２の接合部２４ｂに吸熱される。そして、今、電気光学結晶７の実温度が設定温度と等しくなると、減算器２６の減算結果がゼロとなり、この結果、減算器２６から出力されている減算信号Ｓｇがゼロとなり、さらに電流Ｉがゼロとなる。これにより、電気光学結晶７の温度は、一定値たる設定温度と同値となる。なお、上述した一実施形態によるプローブにおける被測定信号の検出動作については、図３を参照して説明した動作と同様であるため、その説明を省略する。
【００３５】以上説明したように、本発明の一実施形態によるプローブによれば、周囲の温度にかかわらず、電気光学結晶７の実温度が一定温度に制御されるので、プローブ２０における測定結果の温度依存性を低くすることができる。すなわち、上述した一実施形態によるプローブによれば、電気光学結晶７として、感度が高いリチウムナイオベートを用いているので、感度を高くすることができかつ温度依存性を低くすることができる。
【００３６】以上図面を参照して本発明の実施形態によるプローブについて説明してきたが、具体的な構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、一実施形態によるプローブにおいては、電気光学結晶７としてＬＮを用いた例について説明したが、これに限定されることなく、温度依存性がある電気光学結晶であればいかなるものを用いてもよい。
【００３７】また、上述した一実施形態によるプローブにおいては、電子冷却素子２４および放熱器２５を円筒部９ｂに設けた例について説明したが、スペース上の問題がなければ電子冷却素子２４および放熱器２５を先端部９ａに設けるようにしてもよい。
【００３８】さらに、上述した一実施形態によるプローブにおいては、図１に示す第２の導熱部材２３を設けることなく、第１の導熱部材２１（または電気光学結晶７）に直接、電子冷却素子２４を設ける構成としてもよい。この場合には、第２の導熱部材２３が不要となるためコストを安くすることができるとともに、電気光学結晶７と電子冷却素子２４との間の距離が短くなるため、熱エネルギのエネルギロスを少なくすることができる。
【００３９】さらに、上述した一実施形態によるプローブにおいては、電気光学結晶７として、ＬＮを用いた例について説明したが、これに限定されることなく、上記ＬＮに代えてＢＴＯ（Ｂｉ12ＴｉＯ20）またはＣｄＴｅを用いてもよい。加えて、上述した一実施形態によるプローブにおいては、図１に示す絶縁体６を設けることなく、金属ピン５の端部を、反射鏡８を介して電気光学結晶７の端面に取り付けてもよい。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、温度制御手段により電気光学結晶の温度が一定に制御されるので、温度依存性が高くかつ高感度な電気光学結晶を用いても周囲の温度にかかわらず安定した測定精度を得ることができる。また、請求項３に記載の発明によれば、導熱部材が不要であるため、請求項２に記載の発明に比して、コストを安くすることができるとともに、電気光学結晶と電子冷却手段との間の距離が短くなるため熱エネルギのエネルギロスを少なくすることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１１７７４４
【氏名又は名称】安藤電気株式会社
【識別番号】０００００４２２６
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月１５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外１１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１７４０８９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月２日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３４５５７０ |
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