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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-31
(45)【発行日】2024-02-08
(54)【発明の名称】センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/24 20060101AFI20240201BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20240201BHJP
G01R 19/00 20060101ALI20240201BHJP
【ＦＩ】
G01R33/24
G01N24/00 E
G01R19/00 C
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020140807
(22)【出願日】2020-08-24
(65)【公開番号】P2022036541
(43)【公開日】2022-03-08
【審査請求日】2023-05-22
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）公開日 令和１年１１月１３日 （第３３回ダイヤモンドシンポジウム予稿集，第２３０頁－第２３１頁，オーラルセッション６ ３１４ 自動車電池モニタに向けたダイヤモンド量子センサの開発） （２）発表日 令和１年１１月１５日 （第３３回ダイヤモンドシンポジウム オーラルセッション６ ３１４ 自動車電池モニタに向けたダイヤモンド量子センサの開発，国立大学法人東京工業大学蔵前会館、東京都目黒区大岡山２－１２－１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、量子計測・センシング技術研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000006895
【氏名又は名称】矢崎総業株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100145908
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 信雄
(74)【代理人】
【識別番号】100136711
【弁理士】
【氏名又は名称】益頭 正一
(72)【発明者】
【氏名】申 在原
(72)【発明者】
【氏名】波多野 雄治
【審査官】島▲崎▼ 純一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－６３９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１５５５０４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／２４
Ｇ０１Ｎ ２４／００
Ｇ０１Ｒ １９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
カラーセンタを有する素子と、前記素子にマイクロ波を放射するアンテナと、
前記素子に励起光を照射する光学系と、
前記素子から発生する蛍光の強度を検出する光センサと、
前記マイクロ波を発振する第１マイクロ波発振器と、
前記マイクロ波を発振する第２マイクロ波発振器と、
前記第１マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第１接続状態と、前記第２マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第２接続状態とを切り替える第１スイッチと、
前記光センサの検出信号が入力する第１ロックインアンプと、
前記光センサの検出信号が入力する第２ロックインアンプと、
前記第１ロックインアンプと前記光センサとを接続する第３接続状態と、前記第２ロックインアンプと前記光センサとを接続する第４接続状態とを切り替える第２スイッチと、
前記第１ロックインアンプの出力を積分する第１積分回路と、
前記第２ロックインアンプの出力を積分する第２積分回路と、
前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調すると共に前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第１変調信号を発生する変調信号発生部と、
前記第１スイッチを前記第１接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第３接続状態に設定し、前記第１スイッチを前記第２接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第４接続状態に設定するスイッチ制御部と
を備え、
前記第１積分回路の出力信号が、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第２変調信号として前記第１マイクロ波発振器に入力し、
前記第２積分回路の出力信号が、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第３変調信号として前記第２マイクロ波発振器に入力するセンサ。
【請求項2】
カラーセンタを有する素子と、前記素子にマイクロ波を放射するアンテナと、
前記素子に励起光を照射する光学系と、
前記素子から発生する蛍光の強度を検出する光センサと、
前記マイクロ波を発振する第１マイクロ波発振器と、
前記マイクロ波を発振する第２マイクロ波発振器と、
前記第１マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第１接続状態と、前記第２マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第２接続状態とを切り替える第１スイッチと、
前記光センサの検出信号が入力する第１ロックインアンプと、
前記光センサの検出信号が入力する第２ロックインアンプと、
前記第１ロックインアンプと前記光センサとを接続する第３接続状態と、前記第２ロックインアンプと前記光センサとを接続する第４接続状態とを切り替える第２スイッチと、
前記第１ロックインアンプの出力及び前記第２ロックインアンプの出力の第１の線型演算結果を積分する第１積分回路と、
前記第１ロックインアンプの出力及び前記第２ロックインアンプの出力の第２の線型演算結果を積分する第２積分回路と、
前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調すると共に前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第１変調信号を発生する変調信号発生部と、
前記第１スイッチを前記第１接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第３接続状態に設定し、前記第１スイッチを前記第２接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第４接続状態に設定するスイッチ制御部と
を備え、
前記第１積分回路の出力信号及び前記第２積分回路の出力信号の第３の線型演算結果が、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第２変調信号として前記第１マイクロ波発振器に入力し、
前記第１積分回路の出力信号及び前記第２積分回路の出力信号の第４の線型演算結果が、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第３変調信号として前記第２マイクロ波発振器に入力するセンサ。
【請求項3】
前記第１積分回路の出力信号はアナログ信号であり、前記第２積分回路の出力信号はアナログ信号である請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項4】
前記第１積分回路の出力信号をＡＤ変換する第１ＡＤ変換部と、前記第２積分回路の出力信号をＡＤ変換する第２ＡＤ変換部と、
前記第１ＡＤ変換部から出力された第１デジタル信号に基づいて、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の基準周波数を調整する第１帰還制御部と、
前記第２ＡＤ変換部から出力された第２デジタル信号に基づいて、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の基準周波数を調整する第２帰還制御部と
を備える請求項３に記載のセンサ。
【請求項5】
前記第１変調信号の振幅は、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値全幅以下である請求項４に記載のセンサ。
【請求項6】
前記第１帰還制御部は、前記第１積分回路の出力が、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値半幅の１未満の一定割合以上である場合に、前記第１ＡＤ変換部から出力された前記第１デジタル信号に基づいて、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の前記基準周波数を変化させ、前記第２帰還制御部は、前記第２積分回路の出力が、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値半幅の１未満の一定割合以上である場合に、前記第２ＡＤ変換部から出力された前記第２デジタル信号に基づいて、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の前記基準周波数を変化させる請求項５に記載のセンサ。
【請求項7】
前記第１スイッチと前記アンテナとの間に設けられたパワーアンプと、前記光センサと前記第２スイッチとの間に設けられたプリアンプと
を備える請求項１～６の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項8】
前記第１スイッチはダイオードスイッチである請求項１～７の何れか１項に記載のセンサ。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、センサに関する。
【背景技術】
【0002】
ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子を用いて光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）の原理により磁界を計測するセンサが知られている（例えば、特許文献１、及び非特許文献１～４参照）。このセンサでは、励起光としての緑色光をＮＶセンタに照射すると共にマイクロ波をＮＶセンタに照射し、ＮＶセンタから発せられる赤色蛍光を検出する。このセンサでは、共鳴周波数のマイクロ波がＮＶセンタに照射されると、ＮＶセンタにおいて電子スピン共鳴が生じてＮＶセンタから発せられる赤色蛍光の輝度が低下する。ここで、磁界がＮＶセンタにゼーマン分裂を生じさせることにより、少なくとも２点の赤色蛍光の輝度低下点が生じる。ＮＶセンタにおけるゼーマン分裂は、磁界強度に比例した大きさで生じるので、２点の赤色蛍光の輝度低下点（以下、ＯＤＭＲのピークという）のマイクロ波周波数の差は、磁界強度に比例して大きくなる。これにより、この２点のＯＤＭＲのピークの周波数のスプリットの大きさに基づいて磁界強度を検出できる。
【0003】
特許文献１に記載のセンサでは、マイクロ波の周波数掃引により、上記２点のＯＤＭＲのピークを検出する。それに対して、非特許文献１～４に記載のセンサでは、マイクロ波の周波数変調により、上記２点のＯＤＭＲのピークを検出する。
【0004】
非特許文献１～４では、周波数変調を利用してＯＤＭＲのピークを検出して磁場を計測する技術を報告している。非特許文献１は、２つのピークの相対的な動きを計測することにより、磁場または温度を計測する方法を示している。非特許文献２は、複数のピークの動きを同時に計測することにより、ベクトル磁場を計測する方法を示している。非特許文献３は、２つのピークを交互に計測することにより、磁場及び温度を、間欠的に長時間計測する方法を示している。非特許文献４は、ピークの検出を２次元的に行うことにより磁気イメージングを行う方法を示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第２０１５／１０７９０７号
【0006】
【文献】I. Fescenko, A. Jarmola, I. Savukov, P. Kehayias, J. Smits, J. Damron, N. Risto, N. Mosavian, V. Acosta, “Diamond magnetometer enhanced by ferrite flux concentrators”, arXiv.1911.05070
【文献】J. Schloss, J. Barry, M. Turner, R. Walsworth, “Simultaneous Broadband Vector Magnetometry Using Solid-State Spins”, PHYSICAL REVIEW APPLIED 10, 034044 (2018)
【文献】H. Clevenson, L. M. Pham, C. Teale, K. Johnson, D. Englund, D. Braje, “Robust high-dynamic vector magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond”, Appl. Phys. Lett. 112, 252406 (2018)
【文献】R. S. Schoenfeld, W. Harneit, “Real Time Magnetic Sensing Imaging Using Spin in Diamond”,PHYSICAL REVIEW LETTERS 106, 030802 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、電動車（ｘＥＶ）の電池残量を計測する電池センサに上述のセンサを用いて電池残量や電池温度を高精度に測定するためには、ＯＤＭＲのピークの検出の応答速度を高める必要がある。ここで、マイクロ波の周波数変調によりＯＤＭＲのピークを検出する方法は、マイクロ波の周波数掃引によりＯＤＭＲのピークを検出する方法に比して、ＯＤＭＲのピークの検出の応答速度に優れる。
【0008】
非特許文献１～４では、周波数変調を利用してＯＤＭＲのピークを検出して磁場を計測する技術が開示されているが、電池残量や電池温度を高精度に測定するために必要な、ＯＤＭＲの２つのピークを同時に高精度で連続計測する方法は開示されていない。２つのピークを交互に検出するとして、ピークを検出するためのＦＭ変調周波数を上げれば検出に必要な時間は一般的には短縮可能ではある。さらに、ＦＭ変調周波数を上げるほど、１／ｆノイズやＡＣ電源ノイズの低次高調波が除去される。しかしながら、ＦＭ変調周波数を上げるほど、フォトダイオードの出力も漸減するので、信号対雑音比の最適値を追求するのが難しくなる。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑み、ＯＤＭＲのピークを高い応答速度で検出できると共に、雑音の影響を低減できるセンサ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】
【0010】
本発明のセンサは、カラーセンタを有する素子と、前記素子にマイクロ波を放射するアンテナと、前記素子に励起光を照射する光学系と、前記素子から発生する蛍光の強度を検出する光センサと、前記マイクロ波を発振する第１マイクロ波発振器と、前記マイクロ波を発振する第２マイクロ波発振器と、前記第１マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第１接続状態と、前記第２マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第２接続状態とを切り替える第１スイッチと、前記光センサの検出信号が入力する第１ロックインアンプと、前記光センサの検出信号が入力する第２ロックインアンプと、前記第１ロックインアンプと前記光センサとを接続する第３接続状態と、前記第２ロックインアンプと前記光センサとを接続する第４接続状態とを切り替える第２スイッチと、前記第１ロックインアンプの出力を積分する第１積分回路と、前記第２ロックインアンプの出力を積分する第２積分回路と、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調すると共に前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第１変調信号を発生する変調信号発生部と、前記第１スイッチを前記第１接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第３接続状態に設定し、前記第１スイッチを前記第２接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第４接続状態に設定するスイッチ制御部とを備え、前記第１積分回路の出力信号が、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第２変調信号として前記第１マイクロ波発振器に入力し、前記第２積分回路の出力信号が、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第３変調信号として前記第２マイクロ波発振器に入力する。
【0011】
本発明の他の形態に係るセンサは、カラーセンタを有する素子と、前記素子にマイクロ波を放射するアンテナと、前記素子に励起光を照射する光学系と、前記素子から発生する蛍光の強度を検出する光センサと、前記マイクロ波を発振する第１マイクロ波発振器と、前記マイクロ波を発振する第２マイクロ波発振器と、前記第１マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第１接続状態と、前記第２マイクロ波発振器と前記アンテナとを接続する第２接続状態とを切り替える第１スイッチと、前記光センサの検出信号が入力する第１ロックインアンプと、前記光センサの検出信号が入力する第２ロックインアンプと、前記第１ロックインアンプと前記光センサとを接続する第３接続状態と、前記第２ロックインアンプと前記光センサとを接続する第４接続状態とを切り替える第２スイッチと、前記第１ロックインアンプの出力及び前記第２ロックインアンプの出力の第１の線型演算結果を積分する第１積分回路と、前記第１ロックインアンプの出力及び前記第２ロックインアンプの出力の第２の線型演算結果を積分する第２積分回路と、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調すると共に前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第１変調信号を発生する変調信号発生部と、前記第１スイッチを前記第１接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第３接続状態に設定し、前記第１スイッチを前記第２接続状態に設定している時に前記第２スイッチを前記第４接続状態に設定するスイッチ制御部とを備え、前記第１積分回路の出力信号及び前記第２積分回路の出力信号の第３の線型演算結果が、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第２変調信号として前記第１マイクロ波発振器に入力し、前記第１積分回路の出力信号及び前記第２積分回路の出力信号の第４の線型演算結果が、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の周波数を変調する第３変調信号として前記第２マイクロ波発振器に入力する。
【0012】
本発明のセンサにおいて、前記第１積分回路の出力信号はアナログ信号であって、前記第２積分回路の出力信号はアナログ信号であってもよい。
【0013】
本発明のセンサにおいて、前記第１積分回路の出力信号をＡＤ変換する第１ＡＤ変換部と、前記第２積分回路の出力信号をＡＤ変換する第２ＡＤ変換部と、前記第１ＡＤ変換部から出力された第１デジタル信号に基づいて、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の基準周波数を調整する第１帰還制御部と、前記第２ＡＤ変換部から出力された第２デジタル信号に基づいて、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の基準周波数を調整する第２帰還制御部とを備えてもよい。
【0014】
本発明のセンサにおいて、前記第１変調信号の振幅は、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値全幅以下であってもよい。
【0015】
本発明のセンサにおいて、前記第１帰還制御部は、前記第１積分回路の出力が、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値半幅の１未満の一定割合以上である場合に、前記第１ＡＤ変換部から出力された前記第１デジタル信号に基づいて、前記第１マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の前記基準周波数を変化させてもよい。また、前記第２帰還制御部は、前記第２積分回路の出力が、前記光センサによって検出される前記蛍光の強度の分布のピークに対する半値半幅の１未満の一定割合以上である場合に、前記第２ＡＤ変換部から出力された前記第２デジタル信号に基づいて、前記第２マイクロ波発振器が発振する前記マイクロ波の前記基準周波数を変化させてもよい。
【0016】
本発明のセンサにおいて、前記第１スイッチと前記アンテナとの間に設けられたパワーアンプと、前記光センサと前記第２スイッチとの間に設けられたプリアンプとを備えてもよい。
【0017】
本発明のセンサにおいて、前記第１スイッチはダイオードスイッチであってもよい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、ロックインアンプ、積分回路、マイクロ波発振器の順序の閉ループが２系統設けられ、一対のマイクロ波発振器が第１のスイッチにより切り替えられるのに同期して、一対のロックインアンプが第２のスイッチにより切り替えられ、上記の単一の変調信号に同期している一対のロックインアンプの出力が積分回路に入力する。それぞれの上記閉ループでは、積分回路の出力信号が変調信号としてマイクロ波発振器に入力する。これにより、一対のＯＤＭＲのピークを高い応答速度で検出することができる。さらに、単一の変調信号により一対のマイクロ波発振器のマイクロ波の周波数を変調することにより、複数の変調信号により複数のマイクロ波発振器の周波数を変調する場合に比して、信号対雑音比の最適化が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。
【0021】
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ１の概略を示す図である。この図に示すように、センサ１は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２と、励起光としての緑色光ＧＬをダイヤモンド素子２に照射する光学系３と、ＮＶセンタの電子スピン共鳴に起因して生じる光信号を検知する光センサ４と、ダイヤモンド素子２に周波数可変のマイクロ波を照射するアンテナ５と、アンテナ５にマイクロ波を供給するマイクロ波発生装置１０と、マイクロ波発生装置１０を制御する制御装置１００とを備える。
【0022】
センサ１は、緑色光ＧＬをＮＶセンタに照射すると共にマイクロ波に周波数変調をしながらマイクロ波をＮＶセンタに照射させ、ＯＤＭＲの原理により、計測対象の磁界強度、電界強度、温度等を計測する。
【0023】
ダイヤモンド素子２は、方形の板状に形成されている。一方、アンテナ５は、ダイヤモンド素子２に面して又はダイヤモンド素子２を包囲するように設けられたコイル等である。光センサ４はフォトダイオードである。マイクロ波発生装置１０と制御装置１００とについては後述する。
【0024】
図２は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子の構造を模式的に示す図である。この図に示すように、ＮＶセンタは、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Nitrogen）と、この窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔（Vacancy）との対からなる複合不純物欠陥である。このＮＶセンタは、中性電荷状態ＮＶ０から電子を１個捕獲してＮＶ－となると、磁気量子数ｍＳ＝－１、０、＋１の電子スピン３重項状態を形成する。ダイヤモンド量子センサは、この電子スピン３重項状態を用いて磁界や電界や温度や歪み等を計測する。
【0025】
図３は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２を備え光検出磁気共鳴の原理により磁界強度等を計測するダイヤモンド量子センサの原理を説明するための図である。図２及び図３に示すように、ＮＶセンタは、励起光としての緑色光ＧＬを照射されると赤色蛍光ＲＬを発する。この赤色蛍光ＲＬの強度（輝度）は、ＮＶセンタが基底状態（電子スピンの磁気量子数ｍＳ＝０の状態）から励起された場合には大きいのに対して、ＮＶセンタが電子スピン共鳴が生じる準位（電子スピンの磁気量子数ｍＳ＝±１の状態）から励起された場合には小さくなる。
【0026】
ここで、磁界強度が０の場合に共鳴周波数（約２．８７ＧＨｚ）のマイクロ波ＭＷをＮＶセンタに照射すると、ＮＶセンタが電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）が生じる準位（ｍＳ＝±１）に遷移する。この準位から励起された電子の一部は、無輻射遷移を経て基底状態に戻ることにより発光に寄与しない。従って、上述のように、ＮＶセンタが電子スピン共鳴が生じる準位から励起された場合、赤色蛍光ＲＬの強度は低下する。
【0027】
図４は、ＯＤＭＲのピークの周波数と磁界強度Ｂとの関係を示すグラフである。このグラフに示すように、磁界強度Ｂが０の場合には、ＯＤＭＲのピークは１点のみであるのに対し、磁界強度Ｂが０より大きな値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３（Ｂ３＞Ｂ２＞Ｂ１＞０）である場合には、ＯＤＭＲのピークは２点存在する。ここで、２点のＯＤＭＲのピークに対応するマイクロ波ＭＷの周波数のスプリットΔｆ（ｆ１－ｆ２）は、磁界強度Ｂに比例して大きくなる。
【0028】
図５は、２点のＯＤＭＲのピークの周波数と磁界強度（磁場）と温度との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、計測対象の温度変化に応じて、２点のＯＤＭＲのピークが同様に遷移する。即ち、計測対象の温度変化に応じて、一方のＯＤＭＲのピークが低周波側に変動した場合、他方のＯＤＭＲのピークも低周波側に同じ周波数だけ変動する。逆に、計測対象の温度変化に応じて、一方のＯＤＭＲのピークが高周波側に変動した場合、他方のＯＤＭＲのピークも高周波側に同じ周波数だけ変動する。従って、計測対象の温度変化は、２点のＯＤＭＲの周波数の中央値（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）を変化させる。
【0029】
ところで、本実施形態のセンサ１は、電動車の電池残量を計測する電池センサとして使用される。ここで、電動車の電池残量は、バッテリのバスバを流れる電流の積算値に基づいて算出される。バスバに近接してセンサ１を配置し、磁界強度（磁場）を計測することにより電流値を計測可能である。そのため、バッテリのバスバの電流値の変化に対する応答速度を高めて時刻毎の電流値の計測精度を向上させることにより、電流値の累積値に基づく電池残量の計測精度を向上させることが要求される。さらに、電動車の停止時における微量の漏洩電流の電流値を高精度に計測すると共に、電動車の急加速時や急減速時に生じる数百アンペアの電流値の変動に応答してこの時の電流値を高精度に計測することが要求される。そこで、本実施形態に係るセンサ１では、以下に説明するマイクロ波発生装置１０、ロックイン検出装置２０、及び周波数制御装置１００が用いられている。
【0030】
図１に示すように、マイクロ波発生装置１０は、第１マイクロ波発振器１１と、第２マイクロ波発振器１２と、スイッチ１３と、パワーアンプ１４とを備える。第１マイクロ波発振器１１の出力端子Ｆｏｕｔは、スイッチ１３の第１入力端子ＭＷ１に接続され、第２マイクロ波発振器１２の出力端子Ｆｏｕｔは、スイッチ１３の第２入力端子ＭＷ２に接続されている。スイッチ１３の出力端子は、パワーアンプ１４の入力端子に接続されている。スイッチ１３は、ダイオードスイッチであり、第１マイクロ波発振器１１とパワーアンプ１４とを接続する第１接続状態と、第２マイクロ波発振器１２とパワーアンプ１４とを接続する第２接続状態とを所定の周期で切り替える。パワーアンプの出力端子は、アンテナ５の入力端子に接続されている。
【0031】
スイッチ１３の第１接続状態において、第１マイクロ波発振器１１が発振したマイクロ波が、パワーアンプ１４により増幅されてアンテナ５に入力する。他方で、スイッチ１３の第２接続状態において、第２マイクロ波発振器１２が発振したマイクロ波が、パワーアンプ１４により増幅されてアンテナ５に入力する。
【0032】
第１マイクロ波発振器１１と第２マイクロ波発振器１２とは、ＦＭ（Frequency Modulation）変調入力端子ＦＭａと、ＦＭ変調入力端子ＦＭｂと、基準周波数入力端子ＦＤとを備える。
【0033】
ロックイン検出装置２０は、プリアンプ１０１と、スイッチ１０２と、第１ロックインアンプ１０３と、第２ロックインアンプ１０４とを備える。プリアンプ１０１の入力端子は、光センサ４の出力端子に接続されている。
【0034】
プリアンプ１０１の出力端子は、スイッチ１０２の入力端子に接続されている。スイッチ１０２の第１出力端子ＬＩ１は、第１ロックインアンプ１０３の入力端子に接続され、スイッチ１０２の第２出力端子ＬＩ２は、第２ロックインアンプ１０４の入力端子に接続されている。スイッチ１０２は、アナログスイッチであり、第１ロックインアンプ１０３とプリアンプ１０１とを接続する第３接続状態と、第２ロックインアンプ１０４とプリアンプ１０１とを接続する第４接続状態とを所定の周期で切り替える。
【0035】
スイッチ１０２の第３接続状態において、光センサ４から出力された赤色蛍光の強度の検出信号が、プリアンプ１０１により増幅されて第１ロックインアンプ１０３に入力する。他方で、スイッチ１０２の第４接続状態において、光センサ４から出力された赤色蛍光の強度の検出信号が、プリアンプ１０１により増幅されて第２ロックインアンプ１０４に入力する。
【0036】
周波数制御装置１００は、第１ＡＤ変換器１０７と、第２ＡＤ変換器１０８と、ＭＣ（マイクロコントローラ）１１０と、矩形波発生器１５と、タイミング制御器１６とを備える。矩形波発生器１５の出力端子は、第１マイクロ波発振器１１のＦＭ変調入力端子ＦＭａと第２マイクロ波発振器１２のＦＭ変調入力端子ＦＭａとに接続されており、矩形波発生器１５により発生された矩形波が、第１変調信号ＭＯＤとして第１マイクロ波発振器１１と第２マイクロ波発振器１２とに入力する。
【0037】
第１ロックインアンプ１０３と第２ロックインアンプ１０４とには、矩形波発生器１５から出力された周波数Ｆｍｏｄの信号が入力する。第１ロックインアンプ１０３と第２ロックインアンプ１０４とは、矩形波発生器１５の出力信号に同期して、後述の微分ＯＤＭＲのアナログ信号を出力する。
【0038】
第１ロックインアンプ１０３の出力端子には第１積分回路１０５の入力端子が接続され、第２ロックインアンプ１０４の出力端子には第２積分回路１０６の入力端子が接続されている。第１積分回路１０５の出力端子は、第１ＡＤ変換器１０７の入力端子と、第１マイクロ波発振器１１のＦＭ変調入力端子ＦＭｂに接続されている。他方で、第２積分回路１０６の出力端子は、第２ＡＤ変換器１０８の入力端子と、第２マイクロ波発振器１２のＦＭ変調入力端子ＦＭｂに接続されている。第１ロックインアンプ１０３から出力されたアナログ信号は、第１積分回路１０５で積分されて第１ＡＤ変換器１０７と第１マイクロ波発振器１１とに入力する。他方で、第２ロックインアンプ１０４から出力されたアナログ信号は、第２積分回路１０６で積分されて第２ＡＤ変換器１０８と第２マイクロ波発振器１２とに入力する。
【0039】
第１ＡＤ変換器１０７は、第１積分回路１０５から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。第２ＡＤ変換器１０８は、第２積分回路１０６から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【0040】
第１ロックインアンプ１０３と第２ロックインアンプ１０４とには、矩形波発生器１５から出力された周波数Ｆｍｏｄの矩形波信号が入力する。第１ロックインアンプ１０３と第２ロックインアンプ１０４とは、矩形波発生器１５から出力された矩形波信号に同期して、プリアンプ１０１からの入力信号を検出する。ＭＣ（マイクロコントローラ）１１０は、監視部１１１と、第１帰還制御部１１２と、第２帰還制御部１１３とを備える。
【0041】
第１帰還制御部１１２の出力端子は、第１マイクロ波発振器１１の基準周波数入力端子ＦＤに接続されている。第１帰還制御部１１２は、第１ＡＤ変換器１０７から出力された第１デジタル信号に基づいて、第１マイクロ波発振器１１の基準周波数ＦＤ１を算出して第１マイクロ波発振器１１に出力する。基準周波数ＦＤ１は、ＯＤＭＲのピーク（共鳴周波数１）の近似値に設定される。
【0042】
第２帰還制御部１１３の出力端子は、第２マイクロ波発振器１２の基準周波数入力端子ＦＤに接続されている。第２帰還制御部１１３は、第２ＡＤ変換器１０８から出力された第２デジタル信号に基づいて、第２マイクロ波発振器１２の基準周波数ＦＤ２を算出して第２マイクロ波発振器１２に出力する。基準周波数ＦＤ２は、ＯＤＭＲのピーク（共鳴周波数２）の近似値に設定される。
【0043】
第１帰還制御部１１２から出力された基準周波数ＦＤ１と第２帰還制御部１１３から出力された基準周波数ＦＤ２とは、監視部１１１に入力する。監視部１１１は、第１帰還制御部１１２から出力された基準周波数ＦＤ１と、第１ＡＤ変換器１０７から出力されて第１帰還制御部１１２に入力した周波数（第１積分回路１０５のアナログ出力がＡＤ変換されたものであり第１帰還制御部１１２の入力）との合計値を積算し、該積算値を監視する。他方で、監視部１１１は、第２帰還制御部１１３から出力された基準周波数ＦＤ２と、第２ＡＤ変換器１０８から出力されて第２帰還制御部１１３に入力した周波数（第２積分回路１０６のアナログ出力がＡＤ変換されたものであり第２帰還制御部１１３の入力）との合計値を積算し、該積算値を監視する。
【0044】
第１マイクロ波発振器１１には、第１帰還制御部１１２のデジタル出力である基準周波数ＦＤ１の信号と、矩形波発生器１５のアナログ出力である第１変調信号ＭＯＤと、第１積分回路１０５のアナログ出力である第２変調信号Ｂ１とが入力される。第１マイクロ波発振器１１は、基準周波数ＦＤ１の信号を第１変調信号ＭＯＤと第２変調信号Ｂ１とで周波数変調したＦＭ変調波を出力する。
【0045】
第２マイクロ波発振器１２には、第２帰還制御部１１３のデジタル出力である基準周波数ＦＤ２の信号と、矩形波発生器１５のアナログ出力である第１変調信号ＭＯＤと、第２積分回路１０６のアナログ出力である第３変調信号Ｂ２とが入力される。第２マイクロ波発振器１２は、基準周波数ＦＤ２の信号を第１変調信号ＭＯＤと第３変調信号Ｂ２とで周波数変調したＦＭ変調波を出力する。
【0046】
図６は、２点のＯＤＭＲのピークの検出方法を説明するための波形図である。図６の上段の波形は、ＯＤＭＲの蛍光強度のスペクトルを示し、図６の下段の波形は、基準周波数ＦＤ１の信号を第１変調信号ＭＯＤで周波数変調した場合に得られるＯＤＭＲの蛍光強度の変化率（以下、微分ＯＤＭＲという）のスペクトルを示す。この図の左側のＯＤＭＲのピークの周波数（共鳴周波数１）は、基準周波数ＦＤ１の近似値であり、この図の右側のＯＤＭＲのピークの周波数（共鳴周波数２）は、基準周波数ＦＤ２の近似値である。
【0047】
図６の下段左側に示す微分ＯＤＭＲが０になる周波数は共鳴周波数１と一致する。図６の下段左側に示す微分ＯＤＭＲは、第１ロックインアンプ１０３の出力信号である。他方で、図６の下段右側に示す微分ＯＤＭＲが０になる周波数は共鳴周波数２と一致する。図６の下段右側に示す微分ＯＤＭＲは、第２ロックインアンプ１０４の出力信号である。
【0048】
そこで、本実施形態に係るセンサ１では、第１ロックインアンプ１０３から出力される微分ＯＤＭＲが０になる点（すなわち共鳴周波数１）を第１の動作点Ｌ１とし、第１ロックインアンプ１０３から出力される微分ＯＤＭＲを第１積分回路１０５で積分してＦＭ変調入力端子ＦＭｂから第１マイクロ波発振器１１に入力するという帰還をかけることにより、第１マイクロ波発振器１１から出力されるマイクロ波の周波数を第１の動作点Ｌ１にロックする。他方で、第２ロックインアンプ１０４から出力される微分ＯＤＭＲが０になる点（すなわち共鳴周波数２）を第２の動作点Ｌ２とし、第２ロックインアンプ１０４から出力される微分ＯＤＭＲを第２積分回路１０６で積分してＦＭ変調入力端子ＦＭｂから第２マイクロ波発振器１２に入力するという帰還をかけることにより、第２マイクロ波発振器１２から出力されるマイクロ波の周波数を第２の動作点Ｌ２にロックする。
【0049】
ここで、計測対象の電流値と温度とを同時に計測するためには、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波の周波数を第１の動作点Ｌ１にロックすることと、第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波の周波数を第２の動作点Ｌ２にロックすることとを同時に実現する必要がある。そのために、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波と第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波とを相互に異なる変調信号で周波数変調することも考えられる（非特許文献２参照）。しかしながら、変調信号の周波数を上げるとフォトダイオードの出力が漸減することから、信号対雑音比の最適値を追及するためには、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波と第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波とを単一の変調信号で周波数変調する方が好適と考えられる。そこで、本実施形態では、単一の矩形波発生器１５で発生する単一の第１変調信号ＭＯＤを時分割で用いて第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波と第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波とを周波数変調する。
【0050】
本実施形態に係るセンサ１では、単一の第１変調信号ＭＯＤを用いて、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波の周波数を第１の動作点Ｌ１にロックすることと、第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波の周波数を第２の動作点Ｌ２にロックすることとを同時に実現するために、図１に示すマイクロ波発生装置１０、ロックイン検出装置２０、及び周波数制御装置１００の構成を採用している。ここで、本実施形態に係るセンサ１では、ロックインアンプ、積分回路、ＦＭ変調入力端子、マイクロ波発振器の順序の閉ループが２系統設けられ、プリアンプ１０１と第１及び第２ロックインアンプ１０３，１０４との間にアナログスイッチであるスイッチ１０２が設けられ、パワーアンプ１４と第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２との間にダイオードスイッチであるスイッチ１３が設けられている。上記２系統のループが、スイッチ１０２，１３により、第１変調信号ＭＯＤの周期よりは低周期で切り替えられる。
【0051】
図７は、矩形波発生器１５とタイミング制御器１６との制御信号を説明するためのタイミングチャートである。矩形波発生器１５とタイミング制御器１６とは同期しており、両者の原振周波数は１０ＭＨｚである。第１及び第２積分回路１０５，１０６の時定数は例えば３ｍｓである。
【0052】
図７のタイミングチャートに示すように、矩形波発生器１５が出力する第１変調信号ＭＯＤの周波数Ｆｍｏｄは例えば５ｋＨｚであり、第１マイクロ波発振器１１と第２マイクロ波発振器１２とを切り替える信号の周波数は例えば１ｋＨｚである。スイッチ１３により第１マイクロ波発振器１１とパワーアンプ１４とが接続される第１接続状態と、スイッチ１０２によりプリアンプ１０１と第１ロックインアンプ１０３とが接続される第３接続状態とは、同期する。他方で、スイッチ１３により第２マイクロ波発振器１２とパワーアンプ１４とが接続される第２接続状態と、スイッチ１０２によりプリアンプ１０１と第２ロックインアンプ１０４とが接続される第４接続状態とは、同期する。
【0053】
アナログスイッチであるスイッチ１０２は、上述の切り替える信号の周波数に十分追随する製品が有る。ダイオードスイッチであるスイッチ１３も、上述の切り替える信号の周波数に十分追随し、共鳴周波数（磁界強度が０の場合に約２．８７ＧＨｚ）前後のマイクロ波ＭＷを損失無く切り替え可能な製品が有る。
【0054】
矩形波発生器１５が出力する第１変調信号ＭＯＤの振幅は、図１に示す第１マイクロ波発振器１１及び第２マイクロ波発振器１２の周波数変調幅が、図６に示すＯＤＭＲのピークに対する半値全幅Ｈ程度になるように設定されている。本実施形態では、第１変調信号ＭＯＤの振幅は例えば±３．５ＭＨｚ程度である。
【0055】
図８は、２系統の閉ループを切り替えるタイミングを説明するためのタイミングチャートである。このタイミングチャートに示すように、周波数が例えば５ｋＨｚ、振幅が第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の周波数変調幅としてＯＤＭＲのピークに対する半値全幅Ｈ程度に相当する値の第１変調信号ＭＯＤが連続して矩形波発生器１５から第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２に出力される。第１の動作点Ｌ１と第２の動作点Ｌ２との切り替えは、動作周波数が例えば１ｋＨｚのスイッチ１３により行われる(図５参照)。
【0056】
本実施形態に係るセンサ１では、第１マイクロ波発振器１１の基準周波数ＦＤ１が第１の動作点Ｌ１の周波数の近似値に設定され、第２マイクロ波発振器１２の基準周波数ＦＤ２が第２の動作点Ｌ２の周波数の近似値に設定される。この状態で、振幅が第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の周波数変調幅として上記半値全幅Ｈ程度の第１変調信号ＭＯＤが矩形波発生器１５から第１マイクロ波発振器１１のＦＭ変調入力端子ＦＭａ及び第２マイクロ波発振器１２のＦＭ変調入力端子ＦＭａに入力される。さらに、この状態で、第１変調信号ＭＯＤを同期信号とする第１ロックインアンプ１０３の出力が第１積分回路１０５で積分されて第１マイクロ波発振器１１のＦＭ変調入力端子ＦＭｂに入力され、第１変調信号ＭＯＤを同期信号とする第２ロックインアンプ１０４の出力が第２積分回路１０６で積分されて第２マイクロ波発振器１２のＦＭ変調入力端子ＦＭｂに入力される。これにより、第１のマイクロ波発振器１１のマイクロ波の周波数が第１の動作点Ｌ１にロックされ、第２のマイクロ波発振器１２のマイクロ波の周波数が第２の動作点Ｌ２にロックされる。
【0057】
ここで、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波の周波数を第１の動作点Ｌ１にロックし、第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波の周波数を第２の動作点Ｌ２にロックするためには、第１マイクロ波発振器１１のマイクロ波の周波数の動作点Ｌ１からの変化分と第２マイクロ波発振器１２のマイクロ波の周波数の動作点Ｌ２からの変化分とが、それぞれＯＤＭＲのピークに対する半値半幅Ｈ／２程度以内である必要がある。半値全幅Ｈの値は、ダイヤモンド素子４のＮＶセンタの特性により異なるが、一般的には数百ｋＨｚ～数ＭＨｚの範囲である。
【0058】
他方で、電動車の出力電流のレンジの拡大に伴う測定レンジの拡大に対応するために、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２のマイクロ波の周波数を、第１の動作点Ｌ１及び第２の動作点Ｌ２の１ＧＨｚ以上の変動に追随して遷移させる必要がある。そこで、本実施形態に係るセンサ１では、以下説明するように、第１積分回路１０５のアナログ出力を、共鳴周波数１の変動時間よりは十分に短い一定時間毎に、第１ＡＤ変換器１０７によりＡＤ変換し、第１マイクロ波発振器１１の基準周波数ＦＤ１に帰還制御する。また、第２積分回路１０６のアナログ出力を、共鳴周波数２の変動時間よりは十分に短い一定時間毎に、第２ＡＤ変換器１０８によりＡＤ変換し、第２マイクロ波発振器１２の基準周波数ＦＤ２に帰還制御する。
【0059】
図９は、共鳴周波数１が変動した場合における第１積分回路１０５のアナログ出力及び基準周波数ＦＤ１の変動を示すタイミングチャートである。なお、共鳴周波数１が変動した場合における第１積分回路１０５のアナログ出力及び基準周波数ＦＤ１の変動について説明するが、共鳴周波数２が変動した場合における第２積分回路１０６のアナログ出力及び基準周波数ＦＤ２の変動も同様である。
【0060】
図９のタイミングチャートに示すように、共鳴周波数１の変化量がＯＤＭＲのピークの半値半幅Ｈ／２以内であれば、第１積分回路１０５のアナログ出力は、共鳴周波数１に必ず追随して変化する。しかしながら、共鳴周波数１の変化量が半値半幅Ｈ／２を超える場合は、第１積分回路１０５のアナログ出力は、共鳴周波数１に追随できなくなる場合が生じる。そこで、共鳴周波数１の変化量が半値半幅Ｈ／２の一定割合以上の場合には、基準周波数ＦＤ１を半値半幅Ｈ／２の一定割合だけ変化させる。ここで一定割合とは１未満の定数である。これにより第１積分回路１０５のアナログ出力は０に戻る。共鳴周波数１の変化量がさらに増大して半値半幅Ｈ／２の一定割合に達する場合には、基準周波数ＦＤ１をさらに半値半幅Ｈ／２の一定割合だけ変化させる。これにより第１積分回路１０５のアナログ出力は０に戻る。このように共鳴周波数１の変化量に合わせて基準周波数ＦＤ１を変化させることを繰り返すことにより、第１積分回路１０５の出力を、第１マイクロ波発振器１１の周波数変調幅として、ＯＤＭＲのピークの半値半幅Ｈ／２の一定割合に対応した値以内に抑えることができる。
【0061】
ここで、第１積分回路１０５から第１マイクロ波発振器１１のＦＭ変調入力端子ＦＭｂへの制御パスはアナログ信号であることから、共鳴周波数１，２の変化に高速に追随できる。しかしながら、帰還制御、基準周波数ＦＤ１の更新、基準周波数ＦＤ１の更新に基づく第１マイクロ波発振器１１の周波数の変化は、第１ＡＤ変換器１０７におけるＡＤ変換とその結果のデジタル信号処理を伴うデジタル信号のパスであることから、一定の遅延を伴う。このため、基準周波数ＦＤ１を監視するだけでは第１の動作点Ｌ１を監視していることにはならない。
【0062】
そこで、本実施形態に係るセンサ１では、電池残量を正確に計測するために、監視部１１１が、第１帰還制御部１１２から出力された基準周波数ＦＤ１と、第１ＡＤ変換器１０７から出力されて第１帰還制御部１１２に入力した周波数（第１積分回路１０５のアナログ出力がＡＤ変換されたものであり第１帰還制御部１１２の入力）との合計値を積算し、該積算値を監視する。他方で、監視部１１１は、第２帰還制御部１１３から出力された基準周波数ＦＤ２と、第２ＡＤ変換器１０８から出力されて第２帰還制御部１１３に入力した周波数（第２積分回路１０６のアナログ出力がＡＤ変換されたものであり第２帰還制御部１１３の入力）との合計値を積算し、該積算値を監視する。即ち、監視部１１１は、帰還制御出力のみならず、その誤差としての入力である第１及び第２ＡＤ変換器１０７，１０８からの出力も合計して積算する。
【0063】
以上説明したように、本実施形態に係るセンサ１によれば、ロックインアンプ、積分回路、マイクロ波発振器の順序の閉ループが２系統設けられ、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２がスイッチ１３により切り替えられるのに同期して、第１及び第２ロックインアンプ１０３，１０４がスイッチ１０２により切り替えられ、単一の第１変調信号ＭＯＤに同期している第１及び第２ロックインアンプ１０３，１０４の出力が第１及び第２積分回路１０５，１０６に入力する。それぞれの上記閉ループでは、積分回路の出力信号が変調信号としてマイクロ波発振器に入力する。これにより、一対のＯＤＭＲのピークを高い応答速度で検出することができる。さらに、単一の第１変調信号ＭＯＤにより第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２のマイクロ波の周波数を変調することにより、複数の変調信号により複数のマイクロ波発振器の周波数を変調する場合に比して、信号対雑音比の最適化が容易になる。
【0064】
また、本実施形態に係るセンサ１によれば、それぞれの上記閉ループにおいて、積分回路からのアナログ出力がマイクロ波発振器に第２及び第３変調信号Ｂ１，Ｂ２として入力するので、積分回路のアナログ出力をＡＤ変換してマイクロ波発振器の基準周波数に帰還制御する場合に比して、ＯＤＭＲのピークを高い応答速度で検出することができる。
【0065】
また、本実施形態に係るセンサ１によれば、それぞれの上記閉ループにおいて、積分回路からのアナログ出力をマイクロ波発振器に第２及び第３変調信号として入力するのに加えて、積分回路からのアナログ出力をＡＤ変換したデジタル信号に基づいてマイクロ波発振器のマイクロ波の基準周波数を調整するので、ＯＤＭＲのピークの変動レンジが大きい場合でも、ＯＤＭＲのピークの変動に追随してマイクロ波発振器のマイクロ波の周波数を調整することが可能になる。
【0066】
また、本実施形態に係るセンサ１によれば、第１変調信号ＭＯＤの振幅を第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の周波数変調幅としてＯＤＭＲのピークの半値全幅Ｈ以内としていることにより、それぞれの上記閉ループにおいて、微分ＯＤＭＲが０になる点を第１及び第２の動作点Ｌ１，Ｌ２とし、微分ＯＤＭＲを積分してＦＭ変調入力端子ＦＭｂからマイクロ波発振器に入力するという帰還をかけることで、マイクロ波発振器のマイクロ波の周波数を第１及び第２の動作点Ｌ１，Ｌ２にロックすることができる。
【0067】
また、本実施形態に係るセンサ１によれば、それぞれの上記閉ループにおいて、積分回路の出力が、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の周波数変調幅としてＯＤＭＲの半値全幅Ｈ以上である場合に、ＡＤ変換器から出力されたデジタル信号に基づいてマイクロ波発振器のマイクロ波の基準周波数を変化させる。これにより、ＯＤＭＲのピークの変動レンジがＯＤＭＲのピークの半値半幅Ｈ／２を超える程大きい場合でも、ＯＤＭＲのピークの変動に追随してマイクロ波発振器のマイクロ波の周波数を調整することができる。
【0068】
また、本実施形態に係るセンサ１によれば、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の個別にではなく共通のパワーアンプ１４により第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２のマイクロ波が増幅されることで、体積及び電力が大きいパワーアンプが１個で済むので、装置全体の小型化・集積化に効果が有る。また、プリアンプ１０１により光センサ４の出力信号がアナログスイッチであるスイッチ１０２を経由する前に増幅されることにより、スイッチ１０２によるスイッチング雑音の影響を緩和可能であり、センサ１の感度を向上できる。
【0069】
さらに、本実施形態に係るセンサ１によれば、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の第１接続状態と第２接続状態とを切り替えるスイッチ１３をダイオードスイッチとしたことにより、第１及び第２マイクロ波発振器１１，１２の出力のオン・オフを交互に繰り返す制御を行う場合に比して、第１の動作点Ｌ１と第２の動作点Ｌ２との切り替えの遅延によるセンサ１の応答速度の低下を抑制できる。
【0070】
図１０は、図１に示すセンサ１のうち、第１積分回路１０５、第２積分回路１０６、第１ＡＤ変換器１０７、第２ＡＤ変換器１０８、及びＭＣ（マイクロコントローラ）１１０の部分の他の実施形態を示すブロック図である。
【0071】
バッテリのバスバの電流（により発生する磁場）とバスバの温度とを同時に計測する電動車応用において、ＯＤＭＲのピークの周波数変化に関しては、温度によるものよりは電流変化によるものの方が急速な場合がある。電流変化は、電動車の急発進・急減速により短時間で大振幅の変化が生じるのに対し、温度変化は、電動車の動作温度範囲やバスバの熱容量から限定されている。ここで、ＯＤＭＲの２つの共鳴周波数Ｌ１，Ｌ２(図６参照)の変動のうち、両者が同符号に動く場合を同相の変動、逆符号に動く場合を逆相の変動とする。このため、第１及び第２ロックインアンプ１０３，１０４からの出力のうち、磁場を反映する逆相成分は、温度を反映する同相成分よりも変化が急峻になり得る。このため、第１及び第２ロックインアンプ１０３，１０４からの出力を逆相成分と同相成分とに分け、逆相成分に対応した積分回路の時定数を、同相成分に対応した積分回路の時定数よりも小さくすることにより同相雑音を極力除いて、逆相成分を極力広帯域に計測することが可能となる。積分回路は、その時定数よりも高周波の雑音は除くため、必要な信号帯域ぎりぎりで極力大きい時定数にすることが低雑音化に有効なのである。
【0072】
図１０に示すように、第１減算回路１２１は、第１ロックインアンプ１０３からの出力から第２ロックインアンプ１０４からの出力を減算して上記した逆相成分を抽出し、第１積分回路１０５に出力する。一方、第１加算回路１２２は、第１ロックインアンプ１０３からの出力と第２ロックインアンプ１０４からの出力を加算して上記した同相成分を抽出し、第２積分回路１０６に出力する。第１積分回路１０５の時定数は第２積分回路１０６の時定数よりも小さい。第２加算回路１２３は、上記した逆相成分を積分した第１積分回路１０５の出力及び上記した同相成分を積分した第２積分回路１０６の出力を加算して第１マイクロ波発振器１１の第２変調信号Ｂ１を抽出する。同様に、第２減算回路１２４は、上記した逆相成分を積分した第１積分回路１０５の出力を上記した同相成分を積分した第２積分回路１０６の出力から減算して第２マイクロ波発振器１２の第２変調信号Ｂ２を抽出する。逆相成分に対応した第１積分回路１０５の時定数を、同相成分に対応した第２積分回路１０６の時定数よりも小さくすることができる。同様に、第１帰還制御部１１２は、第１積分回路１０５の出力をＡＤ変換する第１ＡＤ変換器１０７の出力及び第２積分回路１０６の出力をＡＤ変換する第２ＡＤ変換器１０８の出力から第１マイクロ波発振器１１の基準周波数ＦＤ１を内部のデジタル演算により抽出する。同様に、第２帰還制御部１１３は、内部のデジタル演算により第２マイクロ波発振器１２の基準周波数ＦＤ２を抽出する。
【0073】
ここで、第１積分回路１０５のアナログ出力を、共鳴周波数１及び共鳴周波数２の磁場を反映する逆相成分の変動時間よりは十分に短い一定時間毎に、第１ＡＤ変換器１０７によりＡＤ変換する。また、第２積分回路１０６のアナログ出力を、共鳴周波数１及び共鳴周波数２の温度を反映する同相成分の変動時間よりは十分に短い一定時間毎に、第２ＡＤ変換器１０８によりＡＤ変換する。これにより、バスバー電流の急変動による磁場の急変動に対しても第１帰還制御部１１２及び第２帰還制御部１１３にて追随した基準周波数ＦＤ１及び基準周波数ＦＤ２を生成することが可能になるとともにバスバー電流の正確な積算を可能にし、電池残量を正確に算出することが可能になる。
【0074】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。
【0075】
例えば、本実施形態では、励振対象のカラーセンタを有する素子をＮＶセンタを有するダイヤモンド素子としたが、当該素子を、スズ（Ｓｎ）と空孔とからなるＳｎＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子、シリコン（Ｓｉ）と空孔とからなるＳｉＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子、又はゲルマニウム（Ｇｅ）と空孔とからなるＧｅＶカラーセンタを有するダイヤモンド素子等の他のものにしてもよい。
【符号の説明】
【0076】
１ ：センサ
２ ：ダイヤモンド素子（素子）
３ ：光学系
４ ：光センサ
５ ：アンテナ
１１ ：第１マイクロ波発振器
１２ ：第２マイクロ波発振器
１３ ：スイッチ（第１スイッチ）
１４ ：パワーアンプ
１５ ：矩形波発生器（変調信号発生部）
１６ ：タイミング制御器（スイッチ制御部）
１０１ ：プリアンプ
１０２ ：スイッチ（第２スイッチ）
１０３ ：第１ロックインアンプ
１０４ ：第２ロックインアンプ
１０５ ：第１積分回路
１０６ ：第２積分回路
１０７ ：第１ＡＤ変換器（第１ＡＤ変換部）
１０８ ：第２ＡＤ変換器（第２ＡＤ変換部）
１１２ ：第１帰還制御部
１１３ ：第２帰還制御部
ＭＯＤ ：第１変調信号
Ｂ１ ：第２変調信号
Ｂ２ ：第３変調信号
Ｈ／２ ：半値半幅
ＦＤ１ ：基準周波数
ＦＤ２ ：基準周波数
ＧＬ ：緑色光（励起光）
ＲＬ ：赤色蛍光（蛍光）
ＭＷ ：マイクロ波
２ ：ダイヤモンド素子（素子）
３ ：光学系
４ ：光センサ
５ ：アンテナ
１１ ：第１マイクロ波発振器
１２ ：第２マイクロ波発振器
１３ ：スイッチ（第１スイッチ）
１４ ：パワーアンプ
１５ ：矩形波発生器（変調信号発生部）
１６ ：タイミング制御器（スイッチ制御部）
１０１ ：プリアンプ
１０２ ：スイッチ（第２スイッチ）
１０３ ：第１ロックインアンプ
１０４ ：第２ロックインアンプ
１０５ ：第１積分回路
１０６ ：第２積分回路
１０７ ：第１ＡＤ変換器（第１ＡＤ変換部）
１０８ ：第２ＡＤ変換器（第２ＡＤ変換部）
１１２ ：第１帰還制御部
１１３ ：第２帰還制御部
ＭＯＤ ：第１変調信号
Ｂ１ ：第２変調信号
Ｂ２ ：第３変調信号
Ｈ／２ ：半値半幅
ＦＤ１ ：基準周波数
ＦＤ２ ：基準周波数
ＧＬ ：緑色光（励起光）
ＲＬ ：赤色蛍光（蛍光）
ＭＷ ：マイクロ波
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】