JPH06102295A - 非接触型プローブおよび非接触電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クロストークがなく、しかもプローブ先端と
被測定配線の空隙間隔に依存することなしに、被測定配
線の絶対電圧の測定を可能とする。 【構成】 フィードバック回路５５により、差動増幅
器５２の出力が、例えばゼロになるように、導電膜２２
〜２４の電圧が制御される。ピンホールｈには外部電界
が照射されておらず、導電膜と被測定配線１２の電圧が
等しくなる。電気光学材料２１内での測定用光の偏光の
変化を電気光学材料２１内に生じる電位差として検出
し、さらにこの電位差に基づき被測定配線１２の電圧を
測定する。導電膜の電圧と被測定配線の電圧とを比較す
るので、非接触型プローブ２０Ｃと被測定回路１０との
間の距離に誤差が生じても、これが電圧測定の誤差とな
って表れることはなく、高精度に被測定配線１２の電圧
が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触型プローブおよ
び非接触電圧測定装置に係り、被測定対象以外からの電
界に影響されることなく検出用光の偏光変化を検知でき
る電気光学効果を利用した非接触型プローブ、および集
積回路，プリント基板等の内部回路の任意の配線および
ノードの電圧を非接触で測定できる前記非接触型プロー
ブを用いた非接触電圧測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】集積回路等の試験において、それらの内
部ノードを非接触、無侵襲で超高速に試験する方法とし
て、パルス幅の狭い光パルスをサンプリングパルスとし
て用いる方法（例えば、特開平１−１１０７４３号公
報、米国特許４，８９１，５８０等参照）が知られてい
る。

【０００３】図６は従来の非接触電圧測定装置の非接触
型プローブ先端の構成と被測定回路との配置を示す原理
図である。同図において被測定回路を形成する基板１１
の表面には、配線１２，１３が形成されている。ここで
は、実際に電圧が測定される配線（被測定配線）を１２
で示し、この被測定配線１２以外の配線を１３で示して
いる。被測定配線１２の上方には、非接触型プローブ６
０が、その先端と基板１１の表面との間に空隙をおいて
配置されている。非接触型プローブ６０の先端部には、
電気光学材料（電気光学効果を有する材料）６１が基台
６２に保持されて設けられており、この電気光学材料６
１の先端には反射膜６２が形成されている。なお、図６
では検出用のレーザ光３１を併せて図示してある。

【０００４】上記構成の非接触型プローブ６０では、後
述するポッケルス効果による電気光学材料６１内での検
出用レーザ光３１の偏光の変化は、該電気光学材料６１
の結晶対称性、結晶方位および被測定配線１２からのフ
リンジ電界の方向に依存する。電気光学材料６１にはニ
オブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ヒ化ガリウム（Ｇａ
Ａｓ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等の材料があるが、
ここではＧａＡｓを用いた例を示す。ＧａＡｓは、よく
知られているようにＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体で、そ
の結晶対称性は立方晶系に属し、結晶に電界が加えられ
ていない状態では複屈折は生じないが、結晶に電界が加
えられている状態では、中心対称性を持たないために加
えられた電界に比例した複屈折を生じる。このような現
象は、１次の電気光学効果、すなわち、いわゆるポッケ
ルス効果として知られている。この状態は、次に示す、
電界が加えられた屈折率楕円体と電気光学効果の基本式
によって示される。

【０００５】

【数１】

【０００６】

【数２】

【０００７】ここで、ｉ，ｊ，ｋは、結晶方位を表す整
数であり、ｒ_ｉｊｋは電気光学係数を、ｎ_ｉｊは屈折率
を表している。ＧａＡｓの場合は３つの電気光学係数ｒ
_４１，ｒ_５２，ｒ_６３以外はゼロとなり、次式が成立す
る。

【０００８】

【数３】 これらの関係を考慮すると、ＧａＡｓに入射する光の方
向が“３”の方向のとき、電界により誘起された複屈折
による２つの主屈折率の差により生じる位相差（ｐｈａ
ｓｅ ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ）Γは次式で示される。

【０００９】

【数４】

【００１０】（４）式において積分は入射光および反射
光の光路に沿って電気光学材料（この場合にはＧａＡ
ｓ）の厚みｄだけ行われることになり、積分値は結晶の
表面と裏面における光の通過位置での電位差に相当し、
光の進行方向の電界成分のみに依存している。これによ
り、ＧａＡｓ結晶内の光と平行な電界成分（縦効果）が
検出される。このようにして、ポッケルス効果により生
じた検出用レーザ光３１の偏光の変化を検出することに
より、電気光学材料６１の被測定配線１２と、反射膜６
２を有する面との間の電位差を知ることができる。この
電位差は、反射面６２と被測定配線１２とが所定距離で
あることを前提として、被測定配線１２の電圧に校正さ
れているので、該電位差に基づき、被測定配線１２の電
圧を求めることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示した
ように、被測定配線１２に隣接して測定対象とはなって
いない回路配線１３が存在すると、いわゆるクロストー
クの影響を受ける場合がある。すなわち、被測定配線１
２から出る電気力線は隣接した回路配線１３の電圧のた
めに容易に歪められ、該被測定配線１２のごく近傍以外
では垂直（光と平行）とはならない事態が生じる。すな
わち、回路配線１３からの電界が反射面６２を透過して
電気光学材料１２のレーザ光の経路に入り込み、本来検
出される電界以外の電界が、検出されてしまう。

【００１２】また、ＧａＡｓの高い誘電率（約１３）の
ために、ＧａＡｓ内部における電界は弱められ、被測定
配線１２からのフリンジ電界の一部だけが電気光学材料
６１の中を通過し、それ以外の電界は、被測定配線１２
と電気光学材料６１の間の空隙に集中してしまう。この
結果、電気光学材料６１を透過する電気力線の様子は、
被測定配線１２と電気光学材料６１の間の空隙の変化に
応じて大きく変化する。このため、被測定配線１２，電
気光学材料６１間距離の制御誤差がある場合には、それ
が被測定配線の測定誤差となって表れる。加えて、被測
定配線１２と電気光学材料６１との間の空隙に押し込め
られた電気力線は、その近傍にどの様な電圧が存在する
かに極めて敏感で、隣接配線１３の電圧により電気光学
材料６１中の電界強度を変化させる。このような結果と
して、実際には同一電圧を測定している場合であって
も、被測定回路の状態によっては、（４）式の積分値が
常に一定になるとは限らない。

【００１３】このように、図６に示したような非接触型
プローブ６０を用いた従来の非接触電圧測定装置では、
電気光学材料６１の中を往復する検出用レーザ光３１の
ポッケルス効果による偏光（複屈折）の変化量は、被測
定配線１２と隣接する配線１３の電圧によっても大きく
変化する（すなわち、クロストークの影響を受ける）ば
かりでなく、被測定配線１２と電気光学材料６１との間
の空隙によっても影響を受け、測定精度をさらに低下さ
せると言った問題があった。なお、電気光学材料６１を
被測定配線１２に接触させれば、空隙間隔に依存する問
題からは逃れられる。しかし、この場合には、（１）被
測定配線や回路に損傷を与えない、（２）任意の場所を
すばやく走査して測定できる、（３）接触による寄生容
量等の付加効果を生じない、（４）半導体などの表面保
護膜に覆われた回路配線でも測定できる等の、非接触測
定の持つ大きな特徴を失うことになり、上記したような
問題の現実的な解決は望めないことは明らかである。

【００１４】本発明は、被測定対象以外からの電界に影
響されることなく検出用光の偏光変化を検知できる電気
光学効果を利用した非接触型プローブを提供するととも
に、隣接する配線の電圧に影響されず（すなわち、クロ
ストークがなく）、しかもプローブ先端と被測定配線の
空隙間隔に依存することなしに、被測定配線の絶対電圧
の測定を可能とする非接触電圧測定装置を提供すること
を目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の非接触型プロー
ブは、電界強度の測定や被測定配線の電圧測定を非接触
で行う場合に使用されるものであり、外部電界の照射面
と、検出用光の入・出射面とを有する電気光学材料によ
り構成され、前記外部電界の照射面がピンホールを有す
る導電膜により被覆されてなることを特徴としている。

【００１６】また、前記電気光学材料の検出用光の入・
出射面を、透明な導電膜により被覆することもできる
し、電気光学材料の外部電界の照射面および検出用光の
入・出射面以外の面を、導電膜により被覆することもで
きる。なお、上記外部電界の照射面に、図６において説
明したような反射膜を形成してもよいことは勿論であ
る。

【００１７】上記電気光学材料として、従来のニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ヒ化ガリウム（ＧａＡ
ｓ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等の材料が使用され
る。通常、電気光学材料の、外部電界の照射面（すなわ
ち、被測定回路側の面）とは反対側の面が、検出用光の
入・出射面とされるが、例えば電気光学材料としてＬｉ
ＮｂＯ_３を用いた場合には、電気光学材料の側面が検出
用光の入・出射面とされることもある。なお、本発明の
非接触型プローブでは、検出用光は、電気光学材料の入
射面の或る部位から入射し、ピンホール開口面で反射
し、あるいはピンホール開口面を近接通過した後、電気
光学材料の出射面の或る部位から出射する。例えば、電
気光学材料としてＧａＡｓを用いた場合には、検出用光
がピンホール開口面に垂直に反射するようにもでき、該
検出用光の入射部位と出射部位とは同一となる。また、
例えば、電気光学材料としてアゾ色素ブランチ（ＰＭＭ
Ａ）を用いた場合には、検出用光がピンホール開口面に
斜めに入射して反射するようにもでき、該検出用光の入
射部位と出射部位とは異なる。ピンホールの径は、測定
される対象が、例えばＩＣ等の複数配線が近接している
場合には、その径のＩＣ側への延長上には、任意の１つ
の被測定配線以外には配線が存在しない大きさとされ
る。

【００１８】本発明の非接触型プローブは、光ファイバ
ーを用いて構成することもできる（以下、光ファイバー
を用いて構成したものを、「非接触型ファイバープロー
ブ」と言う）。 このような、非接触型ファイバープロ
ーブは、電気光学効果を有する材料からなるコアと、該
コアより光の屈折率が低い材料からなるクラッドとから
なる光ファイバーの、前記クラッドの少なくともファイ
バー一方端近傍の周側面が導電膜により被覆されるよう
に構成することができる。この場合、ファイバー端面が
導電膜により被覆されないようにすることもできるし、
該端面のクラッド部分（全部または一部）が導電膜によ
り被覆されるようにすることもできる。また、電気光学
効果を有する材料からなるコアと、該コアより光の屈折
率が低い材料からなるクラッドとからなる光ファイバー
の前記クラッドが導電性を有するように構成することも
できる。コアとして使用する電気光学効果を有する材料
としては、たとえば光第２高調波発生素子（いわゆるＳ
ＨＧデバイス）用の非線型有機材料が使用される。

【００１９】本発明の非接触電圧測定装置は、検出用光
を発生させる光源と、電気光学材料を被覆する導電膜が
一定電位に保持され、該電気光学材料内に入射した前記
検出用光が、ピンホール開口面で反射し、またはピンホ
ールを有する面に平行でかつ該ピンホール開口面を近接
通過するように配置された上記した非接触型プローブ
と、前記非接触型プローブの前記外部電界の照射面と被
測定回路との距離を制御する手段と、前記電気光学材料
からの出射光を受光する受光素子と、該受光素子の出力
に基づき前記から検出用光の前記電気光学結晶内での偏
光状態を検出する手段と、を具備してなることを特徴と
している（以下、「第１の発明装置」と言う）。

【００２０】また、本発明の非接触電圧測定装置は、第
１の発明装置において、電気光学結晶を被覆する導電膜
が一定電位に保持されるのではなく、前記受光素子の出
力が一定となるように前記電気光学材料を被覆する導電
膜の電圧を制御するフィードバック回路を具備してなる
ことをも特徴としている（以下、「第２の発明装置」と
言う）。

【００２１】さらに、本発明の非接触電圧測定装置は、
検出用光を発生させる光源と、前記光源に光学的に接続
された非線型プローブであって、クラッド周面等を被覆
している導電膜または導電性を有するクラッドが一定電
位に保持された非接触型プローブと、前記非接触型プロ
ーブの光ファイバーの一方の端面と被測定回路との距離
を制御する手段と、前記光ファイバー内を伝搬する前記
検出用光の前記一方の端面における反射光を受光する受
光素子と、該受光素子の出力に基づき検出用光の前記光
ファイバーのコア内での偏光状態を検出する手段と、を
具備してなることを特徴とする（以下、「第３の発明装
置」と言う）。

【００２２】また、本発明の非接触電圧測定装置は、第
３の発明装置において、電気光学結晶を被覆する導電膜
が一定電位に保持されるのではなく、前記受光素子の出
力が一定となるように非接触型ファイバープローブの導
電膜または導電性を有するクラッドの電圧を制御するフ
ィードバック回路をを具備してなることをも特徴とする
（以下、「第４の発明装置」と言う）。

【００２３】

【作用】第１の発明装置においては、非接触型プローブ
の先端が、被測定回路（たとえば、ＩＣ等の回路）上に
位置し、かつ被測定回路と一定の間隔（空隙）を有する
ように制御される。非接触型プローブの外部電界の照射
面は、ピンホールを有する導電膜により被覆されてい
る。ピンホール以外の部分は、電気的な空間フィルター
に相当しており、ピンホール開口面から垂直に電気光学
材料の外部側に延長した方向に存在する被測定配線から
のフリンジ電界のみが、ピンホールを通り電気光学材料
内に到達し、それ以外の配線（測定対象とはなっていな
い配線）からの電界は前記導電膜でシールドされる。

【００２４】例えば、電気光学材料がＧａＡｓ等の電気
光学効果の縦効果を生じさせるものである場合、検出用
光は、電気光学材料内をピンホール開口面に垂直に伝搬
し該ピンホール開口面で反射し、あるいはピンホール開
口面に一定の角度を持って伝搬し該ピンホール開口面で
反射し、この後電気光学材料外部に出射する。また、例
えば、電気光学材料が電気光学効果の横効果を生じさせ
るものである場合、検出用光は、電気光学材料内をピン
ホールを有する面に平行に伝搬し、ピンホール開口面を
近接通過する。そして、この光は、そのまま電気光学材
料外部に出射し、あるいは電気光学材料内部で反射した
後、該電気光学材料外部に出射する。

【００２５】電気光学材料外部に出射した光は、受光素
子により検出され、該受光素子の出力に基づき、電気光
学材料内での検出用光の偏光状態が所定の手段により検
出される。そして、この偏光状態から電気光学材料内の
電位差（ピンホール開口面と導電膜との間の電位差）が
検出され、この検出結果に基づき被測定配線の電圧が求
められる。このように、第１の発明装置によれば、ピン
ホールを通して電気光学材料に照射される外部電界は、
被測定配線が生じさせる電界のみであり、被測定配線以
外の配線が生じさせる電界は導電性膜によりシールドさ
れる。したがって、クロストークのない電圧測定が可能
となる。

【００２６】第２の発明装置においては、前述したよう
に、フィードバック回路により受光素子の出力が所定の
一定値になるように導電膜の電圧が制御される。例え
ば、受光素子の出力がゼロになるよう導電膜の電圧が制
御されている場合には、ピンホールには外部電界が照射
されておらず、導電膜と被測定配線の電圧が等しくなっ
ていることを意味している。

【００２７】電気光学材料内での測定用光の偏光の変化
を電気光学材料内に生じる電位差として検出し、さらに
この電位差に基づき被測定配線の電圧を測定する。第１
の発明装置では、非接触型プローブと被測定回路との間
の距離に誤差が生じると、これが電圧測定の誤差となっ
て表れるが、第２の発明装置によれば、導電膜の電圧と
被測定配線の電圧とを比較するので、非接触型プローブ
と被測定回路との間の距離に誤差が生じても、これが電
圧測定の誤差となって表れることはない。すなわち、第
２の発明装置によれば、クロストークがないことに加
え、非接触型プローブと被測定回路との間の距離に依存
しない測定も可能となる。

【００２８】第３および第４の発明装置の作用は、第１
および第２の発明装置の作用と、基本的に同一であり、
コアの先端面で反射した光を受光素子により受光し、測
定用光の前記光ファイバーのコア内での偏光状態を検出
する。第３の発明装置では、非接触型ファイバープロー
ブの長さ方向の偏光状態に基づき、第１の発明装置と同
様、被測定配線の電位をクロストークなしに求めること
ができる。また第４の発明装置では、非接触型ファイバ
ープローブ内の偏光状態を例えばゼロとするように、ク
ラッド周面の導電膜または導電性クラッドの電圧にフィ
ードバックをかけ、該導電膜または導電性クロッドの電
圧と被測定配線の電圧を等しくすることで、第２の発明
装置と同様、被測定配線の電圧を直接知ることができ
る。第３および第４の発明装置では、プローブとして光
ファイバーを使用しているので、プローブの作製が容易
であり、かつ光学系のアライメントに柔軟に対応でき
る。

【００２９】

【実施例】まず、本発明の非接触型プローブの実施例を
図１（Ａ）〜（Ｃ）により説明する。同図（Ａ）〜
（Ｃ）は、第１または第２の発明装置に好適に使用され
る非接触型のプローブの先端部分の構成および被測定回
路を示す断面図である。同図（Ａ）に示す非接触型プロ
ーブ２０Ａは、縦効果を生じるＧａＡｓ等の電気光学材
料２１により構成され、この電気光学材料２１の外部電
界照射面（図では下面）はピンホールｈを有する導電膜
２２により被覆されている（ここでは、基台の図示は省
略してある）。また、電気光学材料２１に入・出射する
検出用光（通常、レーザ光が使用される）を３１で示し
てある。

【００３０】そして、非接触型プローブ２０Ａの下方に
は、被測定回路１０が表面に形成された基板１１が配置
されている。被測定回路１０の回路配線のうち測定対象
となっている被測定回路配線を１２で示し、被測定配線
１２と隣接した測定対象となっていない回路配線を１３
で示している。同図（Ａ）では、被接触型プローブ２０
Ａは、ピンホールｈが被測定配線１２の真上に位置する
ように配置されている。ピンホールｈの径は、被測定回
路１０の配線状態（配線の幅や配線間の距離等）に関係
し、大きくても真下に被測定配線１２のみが存在し、被
測定配線１２に隣接する配線１３は存在しない大きさと
される。

【００３１】図１（Ｂ）に示す非接触型プローブ２０Ｂ
は、同図（Ａ）の非接触型プローブ２０Ａの電気光学材
料２１の上面（検出用レーザ光３１の入・出射面）が、
光学的に透明な導電膜２３により被覆された構成となっ
ている。また、図１（Ｃ）の非接触型プローブ２０Ｃ
は、同図（Ｂ）に示した非接触型プローブ２０Ｂの電気
光学材料２１の側面が導電膜２４で被覆され構成となっ
ている。なお、図示はしていないが、本発明の非接触型
プローブを、図１（Ａ）の非接触型プローブ２０Ａの側
面が導電膜２４で被覆された構成とすることもできる。

【００３２】図２は図１（Ａ）に示した非接触型プロー
ブ２０Ａを用いた、第１の発明装置の一実施例を示す図
である。図２において、検出用レーザ光源３０が放射す
る検出用レーザ光３１は、光学系を構成する、アイソレ
ータ４０、偏光素子４１、光変調器４２、補償板４３、
偏光ビームスプリッター４４、１／４波長板４８、収光
レンズ４９を介して非接触型プローブ２０Ａの電気光学
材料２１に入射される。非接触型プローブ２０Ａは、入
射した検出用レーザ光３１が、ピンホールｈの開口面の
中心を照射するように配置されている。検出用レーザ光
３１は、ピンホールｈの開口面で反射され、入射経路と
逆の経路で、電気光学材料２１を出射し、収光レンズ４
９，１／４波長板４８を介して偏光ビームスプリッター
４４に到達する。この出射光は、スプリッター４４によ
り反射され、受光素子５０に照射される。受光素子５０
は入力した偏光ビームを電気信号に変換してロックイン
アンプ５４に出力する。一方、変調信号発生回路５３よ
り発生した変調信号で、変調器４２により検出用レーザ
光３１を変調しており、ロックインアンプ５４は、受光
素子５０の出力から変調信号発生回路５３の変調信号で
復調することにより雑音を除去して、電気光学材料２１
内における偏光状態を検出している。

【００３３】以下、非接触型プローブ２０Ａの先端の電
界の様子を中心に、図２の非接触電圧測定装置の作用を
詳細に説明する。図３に示すように、基板１１上の被測
定配線１２から出たフリンジ電界を示す電気力線Ｌの一
部（Ｌ_１で示す）は、被測定配線１２の真上にある電気
光学材料２１の表面の導電膜２２に設けられたピンホー
ルを通って電気光学材料２１の内部に到達する。また、
電気力線の他の一部（Ｌ_２で示す）は電気光学材料２１
の表面の一定に保たれた導電膜２２に到達する。この導
電膜２２の電圧は、被測定配線１２の電圧の正負を正し
く得るために、通常は０〔Ｖ〕にするが、必ずしもその
必要はなく、０〔Ｖ〕以外の任意の一定の値であっても
測定上の支障は特に無く、測定値に一定の値が上乗せさ
れるだけである。一方、被測定配線１２に隣接した回路
配線１３からの電気力線（Ｌ′で示す）の一部は電気光
学材料２１の表面の一定に保たれた導電膜２２に到達す
るものの、導電膜２２のために電気光学材料２１の中に
到達することはない。

【００３４】この結果、電気光学材料２１内に到達する
電気力線は、電気光学材料２１の真下にある被測定配線
１２からのものに限られ、（４）式で示した積分値は隣
接の回路配線１３の影響受けることがなく、クロストー
クが全くない非接触な電圧測定を行うことが可能とな
る。これは導電膜２２のシールド効果によるものであ
り、この効果を十分に発揮させるために、前述したよう
に、導電膜２２のピンホールｈの径は、その真下に被測
定配線１２以外の測定配線１３が存在しない大きさとし
ている。

【００３５】このようにして、電気光学材料２１内部に
おける電気光学効果による検出用レーザ光３１の偏光
（複屈折）の変化は、被測定配線１２からの電界のみよ
り生じ、この偏光の変化が上述したように受光素子５０
によって検出され（図２参照）、クロストークの無い非
接触状態での電圧測定が可能となる。

【００３６】以上、非接触型プローブが図１（Ａ）に示
したものである場合について説明したが、図１（Ｂ）に
示したような、非接触型プローブ２０Ｂを用いた場合に
は、電気光学材料２１の検出用レーザ光２７の入・出射
面を被覆している光学的に透明な導電膜２３を一定電圧
に保持することにより、さらに優れた効果を得ることが
できる。このような非接触型プローブ２０Ｂでは、被測
定配線１２以外の回路配線１３からの電気力線は、外部
電界照射面を被覆する導電膜２２によりシールドされる
ことは勿論、電気光学材料２１の検出用レーザ光２７の
入・出射面に回り込むような場合が生じても、この入・
出射面を被覆している光学的に透明な導電膜２３により
シールドされる。これにより、クロストークの影響がな
い電圧の測定ができる。さらに、非接触型プローブ２０
Ｂでは、電気光学材料２２の透明な導電膜の電圧を所定
の値に定めることにより、（４）式で示された定積分の
上限および下限電圧が定まるので、被測定配線１２の電
圧の絶対値を正しく求めることができる。なお、クロス
トークの解消のみを目的とする場合において、電気光学
材料２１が十分に厚いときは、被測定配線１２以外の回
路配線１３からの電気力線が検出用レーザ光２７の入・
出射面に回り込みにくいので、必ずしも上記透明な導電
膜２３を設けなくてもよい。

【００３７】非接触型プローブ２０Ａや２０Ｂの幅が広
くなればなるほど、また長さが長くなればなるほどクロ
ストークの影響が減少するが、被測定回路１０の大きさ
に無関係に、完全にクロストークの影響を除去したい場
合には、図１（Ｃ）に示した全ての面がピンホールｈを
除き被覆された非接触型プローブ２０Ｃが使用される。
図１（Ａ），（Ｂ）の非接触型プローブ２０Ａ，２０Ｂ
では、電気光学材料２１の側面からわずかに被測定配線
１２以外のすべての配線から電気力線が入り込む可能性
があるが、図１（Ｃ）の非接触型プローブ２０Ｃを使用
した場合には、ピンホールｈからのみ電気力線が入り込
むので、クロストークの影響は皆無となる。なお、図１
（Ａ），（Ｂ）の非接触型プローブ２０Ａ，２０Ｂの側
面を図示しない導電性の筒体でシールドする場合にも、
図１（Ｃ）の非接触型プローブ２０Ｃと同様のシールド
効果を得ることができる。

【００３８】電気光学材料２１の前面に導電膜２２を有
する構成（すなわち、図１（Ａ）〜（Ｃ）に例示したよ
うな非接触型プローブの構成）において、特筆すべきこ
とは、導電膜２２と被測定回路１０上の被測定配線１２
も含めたすべての回路配線との間の寄生容量の効果であ
る。この寄生容量は、非接触型プローブ２０Ａ〜２０Ｃ
の形状や大きさ、被測定回路１０上の配線の線幅、非接
触型プローブ２０Ａ〜２０Ｃと被測定配線１２までの距
離によりその大きさは異なるが、通常、無視できる程度
に小さい値となる。例えば、非接触型プローブ２０Ａ〜
２０Ｃの先端の大きさ（すなわち、導電膜２２の径）を
数十ミクロン、電気配線の幅を数ミクロン、導電膜２２
と被測定配線１２との間隔を１ミクロン程度とした場合
の、導電膜２２と被測定回路１０上すべての回路配線と
の間の寄生容量の大きさは、高々数ｆＦと極めて小さい
値となる。この寄生容量の値は、例えば触針型の半導体
検査装置の触針の寄生容量の値に比べても極めて小さい
値であり、この寄生容量の値から概算しても数十ＧＨｚ
の信号に対してもほとんど、誤差のない電圧測定を行う
ことができる。

【００３９】次に、第２の発明装置の一実施例を図面を
参照して説明する。図４は図１（Ｃ）の非接触型プロー
ブ２０Ｃを用いた非接触電圧測定装置の全体構成を示す
説明図である。なお、図４において、基板１１上に形成
された被測定回路１０の構成は図２の場合と同一として
ある。図４において、レーザ光源３０が放射する検出用
レーザ光３１は、光学系を構成する、アイソレータ４
０、偏光素子４１、光変調器４２、補償板４３、第１の
偏光ビームスプリッター４４、１／２波長板４５、ファ
ラデー回転子４６、第２の偏光ビームスプリッター４
７、１／８波長板４８、収光レンズ４９を介して非接触
型プローブ２０Ｃに入射される。

【００４０】検出用レーザ光３１の反射信号の偏光状態
を検出するために、第１および第２の偏光ビームスプリ
ッター４４および４７で分離された反射光は、受光素子
５０および５１に入力され、これらの受光素子５０およ
び５１からの出力は、両出力の差を求める差動増幅器５
２に入力される。そして、ロックインアンプ５４は変調
信号発生回路５３の変調信号を参照信号として、差動増
幅器５２の信号出力から雑音を除去する。フィードバッ
ク回路５５は、差動増幅器５２の信号出力が一定値にな
るように、電気光学材料２１の外部電界の照射面、検出
用光の入・出射面、およびすべての側面に形成された導
電膜２２、２３および２４の電圧を制御する。導電膜２
２、２３および２４の電圧は、この場合には一定ではな
く、被測定配線１２の電圧に応じて制御されて変動する
値となる。

【００４１】図４に示す測定装置においても、図２に示
した測定装置と同様、外部電界照射面がピンホールｈを
有する導電膜により被覆されている。したがって、検出
用レーザ光３１が電気光学材料２１内を伝搬する際に受
ける電気光学効果による偏光状態の変化は、被測定配線
１２の電圧のみによって決まり、被測定回路１０上の他
の配線からのクロストークは全くない。

【００４２】上記のように構成された非接触電圧測定装
置の動作を、より詳細に説明する。差動増幅器５２から
の信号出力は常にある一定値に制御されるが、ここでは
理解を容易にするため、差動増幅器５２からの信号出力
をゼロにするようフィードバック回路５５を用いて制御
する場合を説明する。ある時刻ｔにおける被測定配線１
２の電圧をＶｔ、電気光学材料２１の外部電界照射面、
検出用レーザ光の入・出射面、およびすべての側面に形
成された導電膜２２、２３および２４はフィードバック
回路５５により、或る電圧に制御される。この電圧をＶ
ｂ（以下、「フィードバック電圧」と言う）とすると、
（４）式の積分範囲の一方の端点における電圧がＶｂと
なる。また出力が常にゼロになるようにフィードバック
するのであるから、（４）式の積分範囲のもう一方の端
点における電圧、すなわち電気光学材料２１の表面に設
けられた導電膜２２上のピンホール開口面の中心の電圧
もフィードバック電圧Ｖｂとならなければ（４）式の積
分値はゼロにならない。

【００４３】このピンホールの径の真下には被測定配線
１２があるという配置を考慮すれば、この電圧Ｖｔがフ
ィードバック電圧Ｖｂと全く同一であれば、電気光学材
料２１内およびプローブ２０Ｃと被測定配線１２との間
の空間は同電位となり、（４）式の積分値がゼロにな
る。換言するなら、常に差動増幅器５２からの信号出力
が常にゼロになるようにフィードバック回路５５を用い
て導電膜２２、２３および２４の電圧を制御すれば、常
にＶｂ＝Ｖｔが成り立ち、フィードバック電圧Ｖｂは測
定すべきＶｔとなり、Ｖｂの値を測定値とすれば良いこ
とがわかる。

【００４４】また、図２において説明したような第１の
発明装置では、受光素子５０により検出された光信号の
大きさを直接、被測定配線１２の電圧に対応させて被測
定配線１２の電圧を求める場合には、非接触型プローブ
（図２では２０Ａ）と被測定配線１２との空隙間隔（図
２ｇ参照）が変動する場合がある。このような場合に、
ピンホールｈを通して電気光学材料２１に入り込むフリ
ンジ電界が変化するため、受光素子５０および５１で検
出した光信号は変動し、測定値も変動してしまう。

【００４５】一方、図４において説明した第２の発明装
置では、常に電気光学材料２１内および非接触型プロー
ブ（図３では２０Ｃ）と被測定配線１２との間の空間を
同電位とし、検出する光信号を常にゼロにするようにフ
ィードバックしているため、空隙間隔ｇが変化してもこ
の系全体での出力値であるフィードバックＶｂには全く
影響せず、測定すべき電圧の絶対値を得ることができ
る。ここで、被測定配線１２の信号周波数が高くてフィ
ードバック回路５５が追従できない場合には、レーザ光
源３０にパルス光源を用いてサンプリングするか、また
は受光素子５０および５１で信号検出する際にサンプリ
ングしてやることにより、フィードバック回路５５の帯
域の制限を緩和することができ動作上何も問題はない。

【００４６】以上のように、第２の発明装置によれば、
被測定配線１２の電圧値を直接電圧の絶対値で測定する
ことが可能な上に、非接触型プローブ（同図では図１
（Ｃ）ものを用いたが、これに限定はされないことは勿
論である）と被測定配線１２との空隙間隔ｇに全く依存
せず、しかも被測定回路１０上の被測定配線１２以外の
すべての配線１３等からのクロストークのない測定を行
うことができるという、優れた効果を得ることができ
る。

【００４７】なお、検出用レーザ光３１の偏光の変化を
検出する光学系に、２つの偏光ビームスプリッター４
４，４７を用いたが、これは、２つの光信号の互いに逆
相の信号と同相の固定バイアスおよび雑音成分のうちか
ら、差動増幅器５２により同相の固定バイアスおよび雑
音成分を除去し、偏光に基づく信号成分をのみを感度良
く検出するためのシステム構成の一例で、本発明の本質
とは特に重要な関係はない。しかしながら、フィードバ
ック電圧Ｖｂと被測定配線１２の電圧Ｖｔとの差が常に
ゼロになるようにフィードバックを行うためには、光エ
ネルギーの検出器である受光素子５０および５１で得ら
れる光信号の値は常に正であるため、何らかの形で制御
すべき方向（フィードバック電圧の増減の方向）を知る
ために、光信号の位相などの検出が必要である。図４に
示した検出用レーザ光３１の偏光の変化を検出する光学
系では、互いに逆相の信号と同相の固定バイアスおよび
雑音成分を有する２つの信号の差分をとることにより、
このことを実現している。

【００４８】また、図４において説明した実施例では、
フィードバック電圧Ｖｂと被測定配線１２の電圧Ｖｔと
の差を常にゼロとしたが、特にゼロである必要はなく、
ある特定の値であっても動作上何の支障もない。この場
合には、測定結果にある固定のバイアス値が上乗せされ
るだけである。

【００４９】以上、非接触型プローブの構成として電気
光学材料２１の外部電界照射面、検出用レーザ光の入・
出射面およびすべての側面に導電膜２２、２３および２
４を形成した構成について説明を行ったが、外部電界照
射面の導電膜２２さえ有していれば、検出用レーザ光の
入・出射面およびすべての側面の導電膜２３あるいは２
４は必ずしも必要とは限らない。すなわち、非接触型プ
ローブ先端の大きさ（すなわち、導電膜２２により被覆
された外部電界照射面の大きさ）が、被測定回路２０上
の配線の線幅および配線の間隔より広ければ、クロスト
ークの影響は実用上無視できるレベルに抑えられるの
で、導電膜２３および２４を設けなくてもよい。また、
電気光学材料２１の厚さを被測定回路上のすべての配線
からのフリンジ電界の影響がおよばない程度の厚さとす
れば、検出用レーザ光の入・出射面の透明導電膜２３を
設けなくてもよい。

【００５０】次に、本発明の非接触型ファイバープロー
ブ（プローブを光ファイバーにより構成した非接触型プ
ローブ）の一実施例を図５（Ａ）および（Ｂ）により説
明する。図５（Ａ）において、コア２５は電気光学材料
により構成され、このコア２５は、該コア２５（電気光
学材料）よりも高い屈折率のクラッド２６により被覆さ
れ、さらに、クラッド２６の周側面およびファイバー先
端のコア２５の端面を除く部分は導電膜２７に被覆され
ている。この場合には、コア２５の端面部分ｈ′が図１
（Ａ）〜（Ｃ）に示した非接触型プローブ２０Ａ〜２０
Ｃのピンホールｈに相当する。なお、図示はしないが、
クラッド２６の周側面のみが導電膜２７により被覆され
るようにすることもできる。

【００５１】図５（Ｂ）は非接触型ファイバープローブ
の他の構成例を示す図である。図５（Ｂ）において、電
気光学材料からなるコア２５は、クラッド２８により被
覆されている。このクラッド２８は、電気光学材料２５
屈折率よりも屈折率が高く、かつ導電性を有する材料に
より形成されている。この非接触型ファイバープローブ
の導電性クラッド２８は、同図（Ａ）におけるクラッド
２６と導電膜２７の役目を両方の機能を兼ね備えたもの
である。

【００５２】本発明の第３および第４の発明装置は、図
２または図４に示した第１および第２の発明装置の実施
例において使用した非接触型プローブ（２０Ａ，２０
Ｃ）に代えて、図４（Ａ），（Ｂ）に示した非接触型フ
ァイバープローブを使用することで実現される。第３お
よび第４の発明装置においては、導電膜２７あるいは導
電性クラッド２８によって被測定回路上の被測定配線以
外からの影響（クロストーク）を取り除くことができ、
さらに第４の発明装置では、導電膜２７あるいは導電性
クラッド２８の電圧を光検出信号が一定値になるようフ
ィードバック制御して、空隙間隔の変動に対して影響の
ない非接触の測定を行うことができる。なお、クラッド
２６の周側面のみが導電膜２７により被覆されるような
プローブを使用する場合には、非接触型ファイバープロ
ーブの端面に、被測定配線以外の配線からの電界が照射
されるが、非接触型ファイバープローブの先端を極細に
加工しておけば、クロストークの影響は殆ど生じること
はない。

【００５３】第３および第４の発明装置では、検出用の
レーザ光の伝搬経路はクラッド２６あるいは２８とコア
２５との屈折率差によりコア内に閉じこめられ、光ファ
イバーと全く同一の構造をしている点が第１および第２
の発明装置と異なるが、レーザビームをピンホール開口
面の中心に調整する必要がなく、光学系の配置が容易に
なるといった利点を有している。

【００５４】コア２５に用いられる電気光学材料は、従
来の無機材料のニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウ
ム，ＧａＡｓ等の材料ではなく、有機材料からなる。大
きな電気光学効果を持つ有機材料としては、近年、光第
２高調波発生素子いわゆるＳＨＧデバイス用の非線形有
機材料がある。一般に非線形光学係数の高い材料は電気
光学効果も高くなる。これら有機材料の特徴は、電気光
学係数が大きい、応答速度が早い、誘電率が低く負荷効
果が小さい等優れた点が多い。この有機材料をコア２５
として本発明の非接触型ファイバープローブを作製する
場合、クラッド２６または２８となる中空のキャピラリ
（毛細管）に溶融した有機材料の原材料を毛細管現象を
用いて吸い上げることにより有機材料をキャピラリの中
に形成する。このとき、キャピラリ中に形成された有機
材料は多結晶状態となっているので、再溶解して結晶化
させるか、または、融点以下の温度で電界を加えて分極
化する。このような非接触型ファイバープローブは、フ
ァイバー型の構造からキャピラリの径でピンホールの径
が一義的に決められると言ったピンホール作製上の容易
さや、ピンホール開口面の中心への検出光レーザー光３
１のアライメントが必要なくなるという大きな効果を得
ることができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成したので、
以下のような効果を奏することができる。 （１）第１の発明装置によれば、電気光学材料の外部電
界照射面をピンホールを有する導電膜により被覆し、あ
るいは更に電気光学材料の検出用光の入・出射面や側面
にも導電膜を備えたので、被測定回路の被測定配線以外
の配線からのクロストークのまったくない電圧測定がで
きるという大きな効果を得ることができる。

【００５６】（２）第２の発明装置によれば、第１の発
明装置の効果に加え、フィードバック回路により電気光
学素子からの出射光を受光する受光素子の出力が所定の
一定値になるように導電膜の電圧をフィードバックする
ことにしたので、プローブと被測定回路との間隔に依存
しない、電圧の絶対測定ができるというさらに大きな効
果を得ることができる。

【００５７】（３）第３および第４の発明装置によれ
ば、有機材料をコアとする光ファイバーによりプローブ
を構成し、クラッドを導電膜で覆い、あるいはクラッド
を導電性の材料により形成することにより、クロストー
クがなく、かつプローブと被測定回路との間隔にも依存
しない電圧の絶対測定ができる。しかも、ファイバー型
の構造であるため、プローブ作製、光学系のアライメン
トが容易にできるという大きな特徴を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非接触型プローブの態様を被測定回路
とともに示す断面図であり、（Ａ）は電気光学結晶の外
部電界照射面がピンホールを有する導電膜に被覆された
場合を、（Ｂ）は（Ａ）のプローブにおける電気光学結
晶の検出用光の入・出射面が透明な導電膜により被覆さ
れた場合を、（Ｃ）は（Ｂ）のプローブにおける電気光
学結晶の側面が導電膜により被覆された場合をそれぞれ
示す図である。

【図２】第１の発明装置において図１（Ａ）の非接触型
プローブを使用した一実施例を示す図である。

【図３】本発明の非接触型プローブを第１の発明装置に
使用した際の、フリンジ電界の様子を示す図である。

【図４】第２の発明装置において図１（Ｃ）の非接触型
プローブを使用した一実施例を示す図である。

【図５】本発明の非接触型ファイバープローブの態様を
被測定回路とともに示す断面図であり、（Ａ）ではクラ
ッドの側面等が導電膜で被覆された場合を、（Ｂ）では
クラッドが導電性材料により形成された場合をそれぞれ
示している。

【図６】従来の非接触電圧測定装置のプローブ先端の構
成と非測定回路との配置を示す原理図である。

【符号の説明】

１０ 被測定回路 １１ 基板 １２ 被測定配線 １３ 被測定配線に隣接した配線 ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ プローブ ２１ 電気光学材料 ２２ ピンホールを有する導電膜 ２３ 透明な導電膜 ２４ 導電膜 ２５ 電気光学効果を有する有機材
料 ２６ クラッド ２７ クラッドを被覆する導電膜 ２８ 導電性クラッド ３０ レーザ光源 ３１ 検出用レーザ光 ４４，４７ 偏光ビームスプリッター ５０，５１ 受光素子 ５２ 差動増幅器 ５５ フィードバック回路 ｈ ピンホール

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部電界の照射面と、検出用光の入・出
   射面とを有する電気光学材料により構成された非接触型
   プローブであって、 前記外部電界の照射面がピンホールを有する導電膜によ
   り被覆されてなることを特徴とする非接触型プローブ。
2. 【請求項２】 電気光学材料の検出用光の入・出射面
   が、透明な導電膜により被覆されてなることを特徴とす
   る請求項１に記載の非接触型プローブ。
3. 【請求項３】 電気光学材料の外部電界の照射面および
   検出用光の入・出射面以外の面が、導電膜により被覆さ
   れてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載の非接触型プローブ。
4. 【請求項４】 電気光学効果を有する材料からなるコア
   と、該コアより光の屈折率が低い材料からなるクラッド
   とからなる光ファイバーの、前記クラッドの少なくとも
   ファイバー一方端近傍の周側面が導電膜により被覆され
   てなることを特徴とする非接触型プローブ。
5. 【請求項５】 電気光学効果を有する材料からなるコア
   と、該コアより光の屈折率が低い材料からなるクラッド
   とからなる光ファイバーの前記クラッドが導電性材料に
   より形成されてなることを特徴とする非接触型プロー
   ブ。
6. 【請求項６】 検出用光を発生させる光源と、 電気光学材料を被覆する導電膜が一定電位に保持され、
   該電気光学材料内に入射した前記検出用光が、ピンホー
   ル開口面で反射し、またはピンホールを有する面に平行
   でかつ該ピンホール部位を近接通過するように配置され
   た請求項１、請求項２または請求項３の何れかに記載の
   非接触型プローブと、 前記非接触型プローブの前記外部電界の照射面と被測定
   回路との距離を制御する手段と、 前記電気光学材料からの出射光を受光する受光素子と、 該受光素子の出力に基づき前記検出用光の前記電気光学
   材料内での偏光状態を検出する手段と、 を具備してなることを特徴とする非接触電圧測定装置。
7. 【請求項７】 検出用光を発生させる光源と、 電気光学材料内に入射した前記検出用光が、ピンホール
   開口面で反射し、またはピンホールを有する面の近傍を
   通過するように配置された請求項１、請求項２または請
   求項３の何れかに記載の非接触型プローブと、 前記非接触型プローブの前記外部電界の照射面と被測定
   回路との距離を制御する手段と、 前記電気光学材料からの出射光を受光する受光素子と、 該受光素子の出力に基づき前記検出用光の前記光学結晶
   内での偏光状態を検出する手段と、 前記受光素子の出力が一定となるように前記電気光学材
   料を被覆する導電膜の電圧を制御するフィードバック回
   路と、を具備してなることを特徴とする非接触電圧測定
   装置。
8. 【請求項８】 検出用光を発生させる光源と、 前記光源に光学的に接続された非線型プローブであっ
   て、導電膜が一定電位に保持された請求項４に記載の非
   接触型プローブまたは導電性を有するクラッドが一定電
   位に保持された請求項５に記載の非接触型プローブと、 前記非接触型プローブの光ファイバーの一方の端面と被
   測定回路との距離を制御する手段と、 前記光ファイバー内を伝搬する前記検出用光の前記一方
   の端面における反射光を受光する受光素子と、 該受光素子の出力に基づき検出用光の前記光ファイバー
   のコア内での偏光状態を検出する手段と、 を具備してなることを特徴とする非接触電圧測定装置。
9. 【請求項９】 検出用光を発生させる光源と、 前記光源に光学的に接続された請求項４または請求項５
   に記載の非接触型プローブと、 前記非接触型プローブの光ファイバーの一方の端面と被
   測定回路との距離を制御する手段と、 前記光ファイバー内を伝搬する前記検出用光の前記一方
   の端面における反射光を受光する受光素子と、 該受光素子の出力に基づき検出用光の前記光ファイバー
   のコア内での偏光状態を検出する手段と、 前記受光素子の出力が一定となるように請求項４に記載
   の非接触型プローブの導電膜または請求項５に記載の非
   接触型プローブの導電性を有するクラッドの電圧を制御
   するフィードバック回路と、を具備してなることを特徴
   とする非接触電圧測定装置。