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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】2024-02-28
(45)【発行日】2024-03-07
(54)【発明の名称】センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 33/20 20060101AFI20240229BHJP
H01Q 7/00 20060101ALI20240229BHJP
H01Q 21/30 20060101ALI20240229BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20240229BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20240229BHJP
【ＦＩ】
G01R33/20
H01Q7/00
H01Q21/30
G01N24/00 E
G01N24/00 G
G01N21/64 Z
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020069018
(22)【出願日】2020-04-07
(65)【公開番号】P2021165670
(43)【公開日】2021-10-14
【審査請求日】2023-03-10
【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、「光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Ｑ－ＬＥＡＰ）」委託事業、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
(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】加々美 和義
(72)【発明者】
【氏名】小川 和之
【審査官】島▲崎▼ 純一
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３５０３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００３－０６９３３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１５５５０４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０４８４７４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／２０
Ｈ０１Ｑ ７／００
Ｈ０１Ｑ ２１／３０
Ｇ０１Ｎ ２４／００
Ｇ０１Ｎ ２１／６４
(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、放射素子と、
前記放射素子に周波数可変の高周波電流を給電して前記放射素子から前記素子に周波数可変のマイクロ波を周波数を掃引しながら放射させる給電器と
を備え、
前記放射素子は、前記素子の表面に形成された複数のループ導体を備え、
前記複数のループ導体は、相互に周方向の長さが異なり、周方向の長さが大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なり、
前記複数のループ導体の共振周波数は、内周側から外周側へかけて低くなり、
最も内周側の前記ループ導体の共振周波数は、掃引される前記マイクロ波の周波数の最高値と等しく、
最も外周側の前記ループ導体の共振周波数は、掃引される前記マイクロ波の周波数の最低値と等しいセンサ。
【請求項2】
前記複数のループ導体の少なくとも一つは、給電点が設定されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
前記給電点は、前記複数のループ導体のうちの最も外周側から２番目のものに設定されている請求項２に記載のセンサ。
【請求項4】
前記複数のループ導体の少なくとも一つは、ギャップが形成され、前記ギャップに配され、前記ギャップが形成された前記ループ導体と電気的に接続されたコンデンサを備える請求項１～３の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項5】
緑色光を前記素子に照射する光学系と、前記素子から発生する赤色蛍光の輝度を検出する光センサと
を備え、
前記光センサが検出する前記赤色蛍光の輝度に応じて、磁界、電界、及び温度の少なくとも一つを計測する請求項１～４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、カラーセンタを有する素子を用いたセンサに関する。
【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周波数掃引しながら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、磁界が存在する場合、ＮＶセンタにゼーマン分裂が生じることにより、マイクロ波の周波数掃引時に少なくとも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に対応するマイクロ波の周波数の差（以下、周波数のスプリットという）は、磁界強度に比例して大きくなる。これにより、このマイクロ波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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１５／１０７９０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、電動車（ｘＥＶ）の電池残量を計測する電池センサには、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の要求がある。この電池センサに上述のセンサを用いる場合、マイクロ波の周波数のスプリットの変動のレンジが拡大する。そのため、広い周波数帯域でセンサを動作させることが要求される。また、センサには小型化や部品点数の削減の要求もある。
【0005】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、ＮＶセンタ等のカラーセンタを有する素子を用いたセンサを、広い周波数帯域で安定して動作させることができ、且つ、センサの小型化や部品点数の削減にも対応できるセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のセンサは、カラーセンタを有する素子と、放射素子と、前記放射素子に周波数可変の高周波電流を給電して前記放射素子から前記素子に周波数可変のマイクロ波を周波数を掃引しながら放射させる給電器とを備え、前記放射素子は、前記素子の表面に形成された複数のループ導体を備え、前記複数のループ導体は、相互に周方向の長さが異なり、周方向の長さが大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なり、前記複数のループ導体の共振周波数は、内周側から外周側へかけて低くなり、最も内周側の前記ループ導体の共振周波数は、掃引される前記マイクロ波の周波数の最高値と等しく、最も外周側の前記ループ導体の共振周波数は、掃引される前記マイクロ波の周波数の最低値と等しい。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ＮＶセンタ等のカラーセンタを有する素子を用いたセンサを、広い周波数帯域で安定して動作させることができ、且つ、センサの小型化や部品点数の削減にも対応できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係るセンサの概略を示す図である。
【図2】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。
【図3】ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子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4】マイクロ波の周波数掃引時の赤色蛍光の輝度低下点とマイクロ波の周波数と磁界強度との関係を示すグラフである。
【図5】アンテナ及びダイヤモンド素子を示す斜視図である。
【図6A】放射素子を３個にしたアンテナのモデルを示す図である。
【図7A】放射素子を４個にしたアンテナのモデルを示す図である。
【図8A】放射素子を５個にしたアンテナのモデルを示す図である。
【図9】放射素子を５個にしたアンテナのモデルＡ～Ｅにおける周波数－磁束量の特性を確認したシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
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、光センサ４が検知した光信号を処理し、センサ１全体の制御を司る制御・演算処理部５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１０と、アンテナ１０に高周波電流を給電する電力増幅器６とを備える。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を周波数掃引しながらＮＶセンタに照射させ、光検出磁気共鳴の原理により、計測対象の磁界強度、電界強度、温度等を計測する。
【0011】
ダイヤモンド素子２は、例えば、縦２～５ｍｍ×横２～５ｍｍの方形の板状に形成されている。即ち、ダイヤモンド素子２は、縦と横の寸法が１０ｍｍに満たない小サイズの板状の素子である。
【0012】
一方、アンテナ１０は、例えば、縦２～５ｍｍ×横２～５ｍｍの方形のマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。即ち、アンテナ１０は、縦と横の寸法が１０ｍｍに満たない小サイズのマイクロ波放射領域を備える平面アンテナである。なお、アンテナ１０のマイクロ波ＭＷを放射する面の面積及び形状は、ダイヤモンド素子２の方形の面の面積及び形状と同等であることが好ましい。詳細は後述するが、アンテナ１０のマイクロ波ＭＷを放射する面は、ダイヤモンド素子２の方形の面に、直接、形成されている。
【0013】
図２は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２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。
【0014】
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。
【0015】
ここで、磁界強度が０の場合に共鳴周波数（約２．８ＧＨｚ）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。この準位から光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の輝度は低下する。
【0016】
図４は、マイクロ波ＭＷの周波数掃引時の赤色蛍光ＲＬの輝度低下点とマイクロ波ＭＷ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、赤色蛍光ＲＬの輝度低下点は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、赤色蛍光ＲＬの輝度低下点は２点存在する。ここで、２点の赤色蛍光ＲＬの輝度低下点に対応するマイクロ波ＭＷの周波数のスプリットΔｆ（＝ｆ２－ｆ１）は、磁界強度Ｂに比例して大きくなる。
【0017】
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、電動車の出力電流のレンジは、例えば１０ｍＡから１０００Ａを超える値までというように広い。それに伴って、本実施形態のセンサ１のアンテナ１０には、マイクロ波ＭＷを、例えば１～５ＧＨｚのような広い周波数帯域で掃引でき、この広い周波数帯域で安定して高出力である性能が要求される。また、アンテナ１０のサイズをダイヤモンド素子２のサイズに合わせて小型化することが要求される。本実施形態では、ダイヤモンド素子２が縦２～５ｍｍ×横２～５ｍｍの方形と小型であることから、アンテナ１０もダイヤモンド素子２と同様に小型の方形にする必要がある。さらに、アンテナ１０の部品点数の削減も要求される。即ち、アンテナ１０には、小型化や部品点数の削減という制約の上で上記性能を満たすことが要求される。
【0018】
以下、図５～図１０を参照してアンテナ１０について説明する。図５は、アンテナ１０及びダイヤモンド素子２を示す斜視図である。これらの図に示すように、アンテナ１０は、放射素子１２と、複数のコンデンサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅと、給電点１４Ｂ，１４Ｄとを備える。
【0019】
放射素子１２は、複数のループ状の導体（以下、ループ導体という）１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅを備える。複数のループ導体１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ（以下、１２Ａ～１２Ｅと記載する場合がある。）は、ダイヤモンド素子２の方形の面に設定されたマイクロ波放射領域に形成されている。ループ導体１２Ａ～１２Ｅは、銅箔等の導電性の箔であり、方形のループ状（環状）に形成されている。ループ導体１２Ａ～１２Ｅの形成方法としては、例えば銅箔エッチング等が挙げられる。
【0020】
ループ導体１２Ａ～１２Ｅは、相互に周方向の長さが異なる。なお、後述するようにループ導体１２Ａ～１２Ｅには１箇所のギャップＧが設けられているが、このギャップＧの部分を含めたループ導体１２Ａ～１２Ｅの周方向の長さを、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの周長と称する。
【0021】
ループ導体１２Ａ～１２Ｅの周長は、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅの順に大きくなる。周長が最大（１番目）のループ導体１２Ｅは、マイクロ波放射領域の最外周部に形成されている。周長が２番目のループ導体１２Ｄは、ループ導体１２Ｅより内周側にループ導体１２Ｅとの間に間隔を空けて形成されている。周長が３番目のループ導体１２Ｃは、ループ導体１２Ｄより内周側にループ導体１２Ｄとの間に間隔を空けて形成されている。周長が４番目のループ導体１２Ｂは、ループ導体１２Ｃより内周側にループ導体１２Ｃとの間に間隔を空けて形成されている。周長が５番目（最小）のループ導体１２Ａは、ループ導体１２Ｂより内周側にループ導体１２Ｂとの間に間隔を空けて形成されている。
【0022】
ループ導体１２Ａ～１２Ｅの中心は、一致している。また、ループ導体１２Ａ～１２Ｅは、マイクロ波放射領域の中央部から最外周部まで等間隔で配されている。
【0023】
５個のギャップＧは、同一直線上に並ぶように整列されている。この５個のギャップＧを通る直線は、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの中心を通りループ導体１２Ａ～１２Ｅの図中の上下に平行に並んだ対辺と直交する。ここで、それぞれのループ導体１２Ａ～１２Ｅは、図中の上下に平行に並んだ対辺を有するところ、ギャップＧは、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの図中の上側の一辺に形成されている。
【0024】
複数のコンデンサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ（以下、１３Ａ～１３Ｅと記載する場合がある。）は、ダイヤモンド素子２の方形の面における放射素子１２が形成された領域に設けられている。複数のコンデンサ１３Ａ～１３Ｅは、放射素子１２の図中左右方向の中央部に１列に並べて整列されている。
【0025】
コンデンサ１３Ａは、ループ導体１２ＡのギャップＧに配され、ループ導体１２Ａの両端と電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ａは、ループ導体１２Ａの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ａの共振周波数は、第1周波数（例えば、約５ＧＨｚ）に調整されている。この第１周波数は、スプリットΔｆ（＝ｆ２－ｆ１）が最大になるときの周波数ｆ２に対応する。
【0026】
コンデンサ１３Ｂは、ループ導体１２ＢのギャップＧに配され、ループ導体１２Ｂの両端と電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｂは、ループ導体１２Ｂの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｂの共振周波数は、第１周波数より低い第２周波数（例えば、約４ＧＨｚ）に調整されている。
【0027】
コンデンサ１３Ｃは、ループ導体１２ＣのギャップＧに配され、ループ導体１２Ｃの両端と電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｃは、ループ導体１２Ｃの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｃの共振周波数は、第２周波数より低い第３周波数（例えば、約３ＧＨｚ）に調整されている。
【0028】
コンデンサ１３Ｄは、ループ導体１２ＤのギャップＧに配され、ループ導体１２Ｄの両端と電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｄは、ループ導体１２Ｄの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｄの共振周波数は、第３周波数より低い第４周波数（例えば、約２ＧＨｚ）に調整されている。
【0029】
コンデンサ１３Ｅは、ループ導体１２ＥのギャップＧに配され、ループ導体１２Ｅの両端と電気的に接続されている。このコンデンサ１３Ｅは、ループ導体１２Ｅの共振周波数を調整する機能を有する。ループ導体１２Ｅの共振周波数は、第４周波数より低い第５周波数（例えば、約１ＧＨｚ）に調整されている。この第５周波数は、スプリットΔｆ（＝ｆ２－ｆ１）が最大になるときの周波数ｆ１に対応する。なお、第１～第５周波数は、等間隔で設定することが好ましい。
【0030】
給電点１４Ｂは、ループ導体１２Ｂ上に設定されている。この給電点１４Ｂにおいて、同軸ケーブル等の給電線ＬＢの終端がループ導体１２Ｂに電気的に接続されている。この給電線ＬＢの始端は、電力増幅器６（図１参照）に接続されている。
【0031】
給電点１４Ｄは、ループ導体１２Ｄ上に設定されている。この給電点１４Ｄにおいて、同軸ケーブル等の給電線ＬＤの終端がループ導体１２Ｄに電気的に接続されている。この給電線ＬＤの始端は、電力増幅器６に接続されている。
【0032】
以上のような構成のアンテナ１０は、電力増幅器６から２本の給電線ＬＢ，ＬＤを通して２点の給電点１４Ｂ，１４Ｄにおいて周波数可変の高周波電流を給電され、ループ導体１２Ａ～１２Ｅから周波数可変のマイクロ波ＭＷを放射する。アンテナ１０に給電される高周波電流の周波数は掃引される。この高周波電流の周波数掃引時の周波数に応じて、ループ導体１２Ａ～１２Ｅのいずれかにおいて共振が生じ、共振により増幅された電流に比例した磁界がループ導体１２Ａ～１２Ｅから発生する。
【0033】
以下、本発明者が本実施形態のアンテナ１０の効果を確認するために実施したシミュレーションについて図６Ａ～図１０を参照して説明する。本発明者は、ループ導体１２Ｓの数による効果の差異を確認するためのシミュレーションを実施した。図６Ａは、ループ導体１２Ｓを３個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図６Ｂは、図６Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。図７Ａは、ループ導体１２Ｓを４個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図７Ｂは、図７Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。図８Ａは、ループ導体１２Ｓを５個にしたアンテナのモデルを示す図であり、図８Ｂは、図８Ａに示すアンテナの直上での磁界強度（Ａ／ｍ）のシミュレーション結果を示す図である。これらのモデルでは、各ループ導体１２Ｓの上下一対の対辺のうちの上側の一辺にコンデンサ１３Ｓが設定されている。
【0034】
このシミュレーションでの磁界強度（Ａ／ｍ）は、アンテナの直上の縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域における磁界強度であり、ダイヤモンド素子２の放射素子１２が形成された領域における磁界強度を想定している。アンテナの磁界の発生領域は、縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域である。給電点は、ループ導体１２Ｓが３個、４個、５個の何れの場合も、外周側から２番目のループ導体１２Ｓ上に設定した。即ち、本シミュレーションでは、上述の実施形態のアンテナ１０とは異なり、給電点は１点とした。
【0035】
このシミュレーションでは、１～５ＧＨｚのレンジで高周波電流の周波数を掃引した。図６Ｂ、図７Ｂ、及び図８Ｂは、高周波電流の周波数が１ＧＨｚ、２ＧＨｚ、３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、５ＧＨｚのときのアンテナの直上での磁界強度の分布を示している。これらの図においてハッチングで示す領域は、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域である。これらの図から、ループ導体１２Ｓの数が多くなるほど、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域が広くなり、アンテナの特性が良好になることを確認できる。
【0036】
ここで、図８Ｂから、５個のループ導体１２Ｓに２ＧＨｚの高周波電流を給電した場合が、磁界強度が１０Ａ／ｍ以上の領域が最も広くなり、アンテナの特性が最も良好になることを確認できる。本実施形態のアンテナ１０の外周側から２番目のループ導体１２Ｄの共振周波数は約２ＧＨｚであり、このループ導体１２Ｄには給電点１４Ｄが設定されている（図５参照）。従って、本実施形態のアンテナ１０は、本シミュレーションで最も特性が良好になる条件を満たしている。
【0037】
本発明者は、複数のループ導体１２Ｓの給電点の位置による効果の差異を確認するためのシミュレーションを実施した。図９は、ループ導体１２Ｓを５個にしたアンテナのモデルＡ～Ｅにおける周波数－磁束量の特性を確認したシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいて、モデルＡは、最も内周側のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＢは、内周側から２番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＣは、内周側から３番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＤは、内周側から４番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものであり、モデルＥは、最も外周側のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したものである。アンテナの磁界の発生領域は、縦５ｍｍ×横５ｍｍの方形領域である。
【0038】
このシミュレーションから、内側から４番目のループ導体１２Ｓ上に給電点を設定したモデルＤが、広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果が最大化することを確認できる。本実施形態のアンテナ１０の内側から４番目のループ導体１２Ｄには給電点１４Ｄが設定されている（図５参照）。従って、本実施形態のアンテナ１０は、本シミュレーションで確認された広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果を最大化するための条件を満たしている。
【0039】
本発明者は、ループ導体１２Ｓを多重化することによる広帯域化を確認するためのシミュレーションを実施した。図１０は、図９に示すモデルＡ～Ｅの周波数特性を示すグラフである。このグラフの横軸は高周波電流の周波数、縦軸は磁界強度である。
【0040】
本シミュレーションで用いるモデルＡ～Ｅのそれぞれのループ導体１２Ｓの共振周波数は、内周側ほど高く外周側ほど低くなるように設定されている。このグラフから、アンテナから発生する磁界強度は、高周波電流の周波数がそれぞれのループ導体１２Ｓの共振周波数と一致するときに増幅されることを確認できる。従って、ループ導体１２Ｓを多重化することによりアンテナの広帯域化を実現できる。
【0041】
以上説明したように、本実施形態に係るアンテナ１０では、相互に周長が異なる複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅが、周長が大きくなるほど外周側に位置するように多重に相互に間隔を空けて配されており、相互に共振周波数が異なる。このような構成を採用したことにより、それぞれのループ導体１２Ａ～１２Ｅの共振周波数を計測対象の磁界強度やそのレンジに応じて適宜設定できる。また、方形のマイクロ波放射領域内での磁界強度が高い領域を広げることができる。さらに、アンテナ１０から発生される磁界強度を共振を利用して増幅できる。これにより、アンテナ１０をダイヤモンド素子２のサイズに合わせて小型化した場合でも、その小型化されたアンテナ１０が、１～５ＧＨｚのような広い周波数帯域で安定して高出力のマイクロ波ＭＷを放射することが可能になる。さらに、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅを、直接、ダイヤモンド素子２の表面に形成したことにより、通常の平面アンテナが必要とする基板を不要にできる。従って、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子２を用いたセンサ１を、小型化や部品点数の削減という制約の上で、広い周波数帯域で安定して動作させることが可能になる。
【0042】
また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、発生する磁界強度を共振を利用して増幅するので、小型化の制約の上でアンテナ１０を高出力化すると共に、アンテナ１０に入力するエネルギーを低減することができる。
【0043】
また、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅが形成されたダイヤモンド素子２は、放熱板として機能する。従って、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅで熱が発生した場合でも、その熱による影響をダイヤモンド素子２の放熱機能により緩和できる。
【0044】
また、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅをダイヤモンド素子２の平坦な表面に、直接、形成したことにより、ループ導体１２Ａ～１２Ｅとダイヤモンド素子２との平行性を確保できる。
【0045】
また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅのうちの２つのループ導体１２Ｂ，１２Ｄに給電点が設定されていることにより、給電点がループ導体１２Ｄの１点のみに設定されている場合に比して、方形のマイクロ波放射領域の中心側の磁界強度を高めることができる。
【0046】
また、本実施形態に係るアンテナ１０によれば、複数のループ導体１２Ａ～１２Ｅのうちの最も外周側から２番目のループ導体１２Ｄに給電点１４Ｄが設定されている。これにより、給電点が最も外周側のループ導体１２Ｅに設定されている場合に比して、広い周波数帯域に亘って安定して高出力という効果が大きくなる（図９参照）。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
また、本実施形態では、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの共振周波数を調整するためにコンデンサ１３Ａ～１３Ｅを各ループ導体１２Ａ～１２Ｅに設けたが、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの共振周波数がコンデンサ１３Ａ～１３Ｅによる調整無しで所望の値になるのであれば、コンデンサ１３Ａ～１３Ｅを設けなくてもよい。また、コンデンサ１３Ａ～１３Ｅを設ける場合、コンデンサ１３Ａ～１３Ｅを全てのループ導体１２Ａ～１２Ｅに設けることは必須ではなく、コンデンサ１３Ａ～１３Ｅを設けるループ導体１２Ａ～１２Ｅとコンデンサ１３Ａ～１３Ｅを設けないループ導体１２Ａ～１２Ｅとが混在してもよい。この場合、コンデンサ１３Ａ～１３Ｅの設置数が１個であってもよい。
【0050】
また、本実施形態では、５個のループ導体１２Ａ～１２Ｅを設けたが、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの数は、カラーセンタを有する素子のサイズに応じて適宜増減してもよい。また、本実施形態では、ループ導体１２Ａ～１２Ｅの形状を方形としたが、円形や三角形等の他のループ形状にしてもよい。また、本明細書に記載の「ループ導体」は、一又は複数のギャップのあることにより有端のものと、ギャップがないことにより無端のものとの双方を含む。さらに、本実施形態では、２個のループ導体１２Ｂ，１２Ｄに給電点１４Ｂ，１４Ｄを設定したが、給電点の数や位置は、アンテナ１０から発生する磁界強度及び磁界強度分布やカラーセンタを有する素子のサイズ等に応じて適宜設定すればよい。給電線の本数は１本であってもよい。
【符号の説明】
【0051】
１ ：センサ
２ ：ダイヤモンド素子（素子）
３ ：光学系
４ ：光センサ
６ ：電力増幅器（給電器）
１２ ：放射素子
１２Ａ～１２Ｅ：ループ導体
１３Ａ～１３Ｅ：コンデンサ
１４Ｂ，１４Ｄ：給電点
Ｇ ：ギャップ
ＧＬ ：緑色光
ＲＬ ：赤色蛍光
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
６ ：電力増幅器（給電器）
１２ ：放射素子
１２Ａ～１２Ｅ：ループ導体
１３Ａ～１３Ｅ：コンデンサ
１４Ｂ，１４Ｄ：給電点
Ｇ ：ギャップ
ＧＬ ：緑色光
ＲＬ ：赤色蛍光
ＭＷ ：マイクロ波
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】