JP2001349872A

JP2001349872A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2001349872A
Application number: JP2000168937A
Authority: JP
Inventors: Naoji Moriya; 直司森谷; Masahiro Ihara; 正博井原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-12-21
Also published as: US6462539B2; US20020000804A1

Abstract

(57)【要約】【課題】遠隔地の磁界の強度を測定する高感度な磁気
センサを供給する。【解決手段】伝送中に偏光面に回転を受けた光をコリ
メータ・レンズ４１で平行光にした後、第１の複屈折板
４２に透過させて偏光面の回転状態に関係なく直交する
２つの偏光Ｒａ１とＲａ２にする。そして、偏光Ｒａ１
とＲａ２は、ファラデー素子４３ａを透過する過程で、
磁界の強度による偏光面の回転を受け、後段のミラー４
４で反射されて同一光路を通り戻され、偏光Ｒｂ１、Ｒ
ｂ２となって再度複屈折板４２透過する。このとき、偏
光面の回転に応じて光強度の比の異なった４つの偏光に
分離され、コリメータ・レンズ４１で検出対象である直
交する偏光（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）２のみが選択され
る。そして後段の光検出器で検出されて、これら２の光
強度に基づいて演算処理が行なわれることにより、高感
度な測定磁界が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ファラデー素子
中を進行する光の偏光面が磁界の強度に応じて回転する
現象を利用した磁気センサに係り、特に、遠隔地の磁界
を測定する場合に、長距離の光ファイバにより伝送され
てきた光が外乱により受けた偏波面の変化による影響を
除去する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の磁気センサは、小型で、
かつ高感度化を図るためにファラデー素子が用いられて
いる。具体的には偏光がファラデー素子を透過したとき
のに受けた偏光面の回転角を知ることにより磁界の強度
を検出している。一般に、光源からの光を光ファイバ
（シングルモード光ファイバ）を使用して伝送させ、偏
光面が変化しないような状態でファラデー素子に透過さ
せれば十分である。しかし、ファイバによって伝送され
た光は、伝送途中に環境条件などの外乱の影響による位
相差の発生などによって偏光の変化を受る。このような
場合は、外乱などによる偏光の変化による影響を除去す
るために、次のような手法を用いている。

【０００３】第１の手法として、光ファイバの光の出射
口とファラデー素子との間に偏光子を設けて、特定の偏
光面方位を持つ直線偏光のみをファラデー素子に透過さ
せている。

【０００４】また、第２の手法として、光源からの光が
伝送途中に外乱の影響による偏光面の回転を受けにくい
ように、偏光面保存光ファイバを用いている。例えば、
図５に示すように、光Ｒの偏光面がＸ軸に対し垂直に伝
送されるように、一定の圧力を加える材料２１をＹ軸を
基準として左右対象に設けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。光ファイバの出射口とファラデー素子との間に偏
光子を設ける第１の手法において、光源からの光が光フ
ァイバを伝送する途中に受ける偏光面の変化が温度、圧
力などの環境条件による外乱の影響によって一定でなく
なるので、直線偏光を入射させても楕円偏光に変化す
る。そのため、偏光子の透過角度を任意に決めることが
できない。すなわち、光ファイバを伝送してきた光が、
例えば前記偏光子に対して直角（９０°）の偏光面を持
つ直線偏光となる場合は、偏光子により遮断されて全く
ファラデー素子に光が透過しないと言った問題がある。

【０００６】また、偏光面保存光ファイバを用いる第２
の手法において、前記光ファイバを長い距離に使用した
場合には、偏光面保存光ファイバと投入する光の偏光面
との初期状態での軸ズレ（図５中のＹ軸）による偏光の
不一致による影響が、伝送途中の環境条件などの影響に
より偏光面の変化をもたらすといった問題がある。ま
た、偏光面保存光ファイバが元来持っている性質である
クロストークを発生し、余分な偏光成分を含むことによ
り、正確な検出結果を得ることができないと言った問題
がある。

【０００７】また、上述の条件下で計測された検出結果
においては、偏光面の回転が磁界によるものか、それと
も、上述のような環境条件の変化などの外乱の影響によ
るものか判断するのが困難であると言った問題もある。

【０００８】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであって、外乱による影響を除去する高感度な
磁気センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、このような
目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、ファラデー素子中を進行する光の偏光面が磁界の強
度に応じて回転する現象を利用した磁気センサであっ
て、光出力手段と、第１の光伝送手段を介して光出力手
段に接続された光分岐手段と、第２の光伝送手段を介し
て光分岐手段に接続されたセンサヘッドと、第３の光伝
送手段を介して光分岐手段に接続された光検出手段と、
光検出手段の検出信号を与えられる演算手段とを備え、
かつセンサヘッドは、第２の光伝送手段との接続端側か
ら順に配設された光学手段、第１の複屈折板、第１のフ
ァラデー素子、および反射手段を備え、（ａ）光出力手
段は光を出力し、（ｂ）前記光分岐手段は、第１の光伝
送手段を介して光出力手段から伝送された光を第２の光
伝送手段に向けて出射し、（ｃ）センサヘッドの光学手
段は、第２の光伝送手段を介して光分岐手段から伝送さ
れた光を平行光に変換し、（ｄ）センサヘッドの第１の
複屈折板は、光学手段からの平行光を、複屈折板の光学
軸を基準とする互いに偏光面が直交する２つの偏光に分
離し、（ｅ）センサヘッドの第１のファラデー素子は、
複屈折板からの２つの偏光を透過させて、検出しようと
する磁界の強度を２つの偏光の偏光面の回転角に変換
し、（ｆ）センサヘッドの反射手段は、第１のファラデ
ー素子を透過した２つの偏光を反射して第１のファラデ
ー素子に戻して同一光路を往復透過させ、（ｇ）センサ
ヘッドの第１の複屈折板は、第１のファラデー素子から
戻ってきた２つの偏光のそれぞれを、各偏光の回転角に
応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光
（合計４つの偏光）に分離し、（ｈ）センサヘッドの光
学手段は、第１の複屈折板から出射された４つの偏光の
うち、入射光路とほぼ同じ光路を戻ってくる互いに直交
する２つの偏光を選択的に透過させ、（ｉ）光分岐手段
は、第２の光伝送手段を介して伝送された光学手段から
の２つの偏光を第３の光伝送手段に向けて分岐し、
（ｊ）光検出手段は、第３の光伝送手段を介して伝送さ
れた光分岐手段からの２つの偏光の光強度を検出し、
（ｋ）演算手段は、光検出手段で検出された光強度に基
づいて磁界の強度を算出することを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の磁気センサは、ファラデ
ー素子中を進行する光の偏光面が磁界の強度に応じて回
転する現象を利用した磁気センサであって、光出力手段
と、第１の光伝送手段を介して光出力手段に接続された
センサヘッドと、第２の光伝送手段を介してセンサヘッ
ドに接続された光検出手段と、光検出手段の検出信号を
与えられる演算手段とを備え、かつセンサヘッドは、第
１の光伝送手段との接続端側から順に配設された第１の
光学手段、第１の複屈折板、第１のファラデー素子、第
２の複屈折板、および第２の光学手段を備え、（ａ）光
出力手段は光を出力し、（ｂ）センサヘッドの第１の光
学手段は、第１の光伝送手段を介して光出力手段から伝
送された光を平行光に変換し、（ｃ）センサヘッドの第
１の複屈折板は、第１の光学手段からの平行光を、複屈
折板の光学軸を基準とする、互いに直交する２つの偏光
に分離し、（ｄ）センサヘッドのファラデー素子は、第
１の複屈折板からの２つの偏光を透過させて、検出しよ
うとする磁界の強度を２つの偏光の偏光面の回転角に変
換し、（ｅ）センサヘッドの第２の複屈折板は、ファラ
デー素子を透過してきた２つの偏光のそれぞれを、複屈
折板の光学軸を基準とする、互いに直交する２つの偏光
（合計４つの偏光）に分離し、（ｆ）センサヘッドの第
２の光学手段は、第２の複屈折板から出射された４つの
偏光のうち、入射光路とほぼ同一光路を戻ってくる互い
に直交する２つの偏光を選択的に透過させ、（ｇ）光検
出手段は、第２の光伝送手段を介して伝送された第２の
光学手段からの２つの偏光の光強度を検出し、（ｈ）演
算手段は、光検出手段で検出された光強度に基づいて磁
界の強度を算出することを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の磁気センサは、請求項１
または請求項２に記載の磁気センサにおいて、前記第１
の複屈折板と前記第１のファラデー素子との間に、第１
の複屈折板で分離された２つの偏光のそれぞれの偏光面
に所定の回転角を持たせるための素子を備えたことを特
徴とする。

【００１２】

【作用】この発明の作用は次の通りである。すなわち、
請求項１に記載の発明によれば、光出力手段から出力さ
れた光は第１および第２の光伝送手段を伝送されてセン
サヘッドに入射し、センサヘッド内の光学手段により平
行光にされた後に、第１の複屈折板を透過する。このと
き、前記平行光は、複屈折板の光学軸を基準とする互い
に偏光面が直交する２つの光路を通る偏光に分離され
て、第１のファラデー素子に向けて出射される。前記２
つの偏光は、第１のファラデー素子を透過する過程で、
それぞれの偏光面に磁界の強度に応じた角度の回転を受
けて、偏光の入射面とは反対側に設けられた反射手段に
より第１のファラデー素子中を先の偏光とほぼ同一光路
を通るように戻される。この第１のファラデー素子を戻
された２つの偏光は、再度第１の複屈折板を透過する。
その際に、２つの偏光のそれぞれは、各偏光の回転角に
応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つの偏光
（合計４つの偏光）に分離されて光学手段に出力され
る。すなわち、互いに直交する２組の２偏光（合計４つ
の偏光）が、光学手段に向けて出射される。前記出射さ
れた２組の２偏光は、前記光学手段により、入射光とほ
ぼ同一光路を戻る互いに直交する２つの偏光が選択され
て出力される。この出力された検出対象の２つの偏光は
第２の光伝送手段を伝送されて、光分岐手段に入力され
る。この光分岐手段により、センサヘッドから戻ってき
た検出対象の２つの偏光は第３の光伝送手段を介して光
検出手段へと出力される。前記検出対象の２つの偏光を
検出した光検出手段では、その光強度を演算手段へと送
る。前記演算手段は、検出された光強度に基づいて磁界
の強度を算出する。つまり、光出力手段から出力された
光が、光伝送手段を伝送中に外乱（温度、圧力など）の
影響を受けて偏光面が変化したとしても、第１の複屈折
板を透過させることにより、偏光面の回転状態（位相状
態）に関係なく、偏光面が互いに直交する２つの偏光に
分離され、いずれの偏光も利用される。さらに、第１の
ファラデー素子を透過する過程で偏光面に回転を受けた
偏光成分は、再度第の１複屈折板を透過する過程で分離
されて、同一光路を戻らない偏光成分は光学手段により
省かれる。つまり、第１のファラデー素子から出射され
た偏光の偏光面の回転角に応じて、光学手段から出力さ
れる２つの偏光の光強度が変化する。そして、この２つ
の偏光は、光伝送手段を伝送されて光検出手段に達し、
光の総エネルギー（光強度）として検出される。そし
て、この光強度に基づいて演算処理することにより、外
乱による影響を除去した検出結果が得られる。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、光出力手
段から出力された光は第１の光伝送手段を伝送されてセ
ンサヘッドに入射し、センサヘッド内の第１の光学手段
により平行光にされた後に、第１の複屈折板を透過す
る。このとき、複屈折板の光学軸を基準とする互いに偏
光面が直交する２つの異なる光路を通る偏光に分離され
て、第１のファラデー素子に向けて出射される。前記２
つの偏光は、第１のファラデー素子を透過する過程で、
それぞれの偏光面に磁界の強度に応じた回転を受けた後
に、第２の複屈折板に向けて出射され、第２の複屈折板
を透過する。その際に、２つの偏光のそれぞれは、偏光
面の回転角に応じた振幅レベルをもった、２組の互いに
直交する２つの偏光（合計４つの偏光）に分離されて光
学手段に出力される。すなわち、互いに直交する２組の
２偏光（合計４つの偏光）が、第２光学手段に向けて出
射される。前記出射された２組の２偏光は、前記第２の
光学手段により、ほぼ同一光路を通り、互いに直交する
２つの偏光のみが選択されて出力され、残りの２つの偏
光は第２の光学手段により省かれる。つまり、第１のフ
ァラデー素子から出射された偏光の偏光面の回転角に応
じて、第２の光学手段から出力される２つの偏光の光強
度が変化することになる。そして、前記出力された検出
対象の２つの偏光は、第２の光伝送手段を介して、光検
出手段に達する。前記検出対象の２つの偏光を検出した
光検出手段では、その光強度を演算手段へと送る。そし
て、前記演算手段は、前記検出された光強度に基づいて
磁界の強度を算出する。したがって、前記分離されて光
強度が変化した互いに直交する２つの偏光を光強度に基
づいて演算処理することにより、外乱による影響を除去
した検出結果が得られる。

【００１４】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
または請求項２に記載の磁気センサにおいて、光出力手
段からの初期の光が外乱や磁界の影響を受けずに検出さ
れる条件下で、光を複屈折板の後段に設けられた予め偏
光面の回転角を所定の角度にする素子を透過させること
により、光検出手段で与えられる光強度は測定対象の磁
界の方向に応じて変化する。つまり、測定磁界を「０」
としたときに検出される光強度を基準値とし、この基準
値と実測された検出結果とを比較することにより、磁界
の強度だけでなく測定磁界の方向も検出される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
実施例を説明する。〈第１実施例〉図１は、この発明の磁気センサの第１実
施例に係る構成図である。この実施例に係る磁気センサ
は大きく分けて、光を発生させる光源装置１０と、進行
方向に応じて光を分岐させるサーキュレータ３０と、磁
界の強度を偏光面の回転角に変換するセンサヘッド４０
と、検出対象の偏光の光強度を電気信号に変換する光検
出器５０と、前記検出された光強度の電気信号に基づい
て磁界強度を求める演算装置６０とを備えている。光源
装置１０は光ファイバ２０ａを介して、センサヘッド４
０は光ファイバ２０ｂを介して、光検出器５０は光ファ
イバ２０ｃを介して、それぞれサーキュレータ３０に接
続されている。なお、光源装置１０はこの発明の光出力
手段に、光ファイバ２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれ
は光伝送手段に、サーキュレータ３０は光分岐手段に、
光検出器５０は光検出手段に、演算装置６０は演算手段
に、それぞれ相当する。

【００１６】以下、各部の構成および機能について詳細
に説明する。光源装置１０は、例えばレーザダイオード
やＬＥＤなどの発光素子から発生する光を、一旦レンズ
などにより集光して出力している。

【００１７】光ファイバ２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、シ
ングルモード光ファイバや偏光面保存光ファイバなどが
使用されている。

【００１８】サーキュレータ３０は、光の入力端子Ｔ₁
と出力端子Ｔ₂、および光の入力と出力の両方を兼ね備
えた端子Ｔ₃をそれぞれ１個ずつ備えている。入力端子
Ｔ₁には光ファイバ２０ａが、出力端子Ｔ₂には光ファ
イバ２０ｃが、入力と出力を兼ね備えた端子Ｔ₃には光
ファイバ２０ｂがそれぞれ接続されている。すなわち、
光源装置１０から出力されて光ファイバ２０ａを伝送し
てきた光を、このサーキュレータ３０に一旦入力した後
に光ファイバ２０ｂを介してセンサヘッド４０に向けて
出力する。また、後段のセンサヘッド４０から検出対象
の偏光が、再度同一光路である光ファイバ２０ｂを戻さ
れて、サーキュレータ３０に入力される。さらに、サー
キュレータ３０内部では、光源装置１０からの初期光と
前記検出対象の偏光とを進行方向に応じて分岐させて、
検出対象の偏光のみを光ファイバ２０ｃを介して後段の
光検出器５０に出力している。

【００１９】センサヘッド４０は、図２に示すように、
光ファイバ２０ｂから出射された光を平行光に変換して
出射するコリメータ・レンズ４１と、このコリメータ・
レンズ４１から出射された平行光を透過させて互いに直
交する２つの偏光（常光線、異常光線）に分離する複屈
折板４２と、この複屈折板４２からの２つの偏光を透過
させて、検出しようとする磁界の強度を偏光面の回転角
に変化させるファラデー素子４３ａと、このファラデー
素子４３ａを透過した２つの偏光を反射させて再度ファ
ラデー素子４３ａ中に戻して往復透過させる反射ミラー
４４とを備えている。なお、コリメータ・レンズ４１は
この発明の光学手段に、ファラデー素子４３ａは第１の
ファラデー素子に、反射ミラー４４は反射手段に、それ
ぞれ相当する。

【００２０】コリメータ・レンズ４１は、光ファイバ２
０ａ、２０ｂ、サーキュレータ３０を介して長距離を伝
送される過程で環境条件（温度、圧力）などの外乱の影
響により偏光面の不定となった偏光状態の光を、平行光
に変換して出射している。

【００２１】また、コリメータ・レンズ４１では、後段
の反射ミラー４４により反射されてファラデー素子４３
ａ、複屈折板４２の順で同一光路を戻された２つの偏光
が複屈折板４２を透過する過程で、さらに互いに直交す
る２つの偏光（合計４つの偏光）とされ、その４つの偏
光から、複屈折板４２の偏光の出射面以降において入射
光路とほぼ同一光路を戻ってくる偏光を選択して光ファ
イバ２０ｂに戻す。このとき選択される各偏光は、互い
に直交する偏光となっている。つまり、残りの入射光路
と別の光路を通る２つの偏光は省かれる。なお、この発
明の光学手段はコリメータ・レンズ４１に限定されるも
のではなく、さらに個数や形状をも限定するものではな
い。

【００２２】複屈折板４２は、光を透過させることによ
り、この入射光の偏光面の状態に関係なく、偏光面が互
いに直交する２つの偏光に分離する特性を有している。
つまり、複屈折板４２は結晶軸をもっており、この結晶
軸に対して同一の偏光面を持った直線偏光が複屈折板４
２を透過すると、単一の偏光としてそのままの状態で出
射される。しかし、楕円偏光のように単一の偏光面では
ない偏光が複屈折板４２を透過する場合は、互いに直交
する２つの偏光として、一方を常光線Ｒａ１に、他方を
異常光線Ｒａ２として異なる光路に分離する。つまり平
行光が複屈折板４２を透過する過程で、総合した光強度
が保存された状態で互いに直交する２つの偏光Ｒａ１、
Ｒａ２として分離される。また、この２つの偏光Ｒａ
１、Ｒａ２の常光線Ｒａ１は複屈折板４２に対して垂直
に透過し、他方の異常光線Ｒａ２は屈折して透過する。

【００２３】また、後段のファラデー素子４３ａから戻
されてきた２つの偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２が、ファラデー素
子４３ａに磁界が印加されない状態で透過して、偏光面
の回転角を受けずに戻された場合は、複屈折板４２を透
過するときに分離されることなく、入射光路とほぼ同一
の光路を通り光ファイバ２０ｂに戻される。一方、ファ
ラデー素子４３ａを透過する過程で、ファラデー素子４
３ａに印加された磁界により偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２が偏光
面の回転角を受けて戻された場合には、この複屈折板４
２を透過するときに、それぞれの偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２
は、すでに複屈折板４２の結晶軸とその偏光面とのなす
角が平行または垂直な状態から変化しており、それぞれ
が互いに直交する２つの偏光に分離される。つまり、偏
光Ｒｂ１、Ｒｂ２のいずれもが、偏光面に受けた回転角
に応じて光強度の比の異なった２つの偏光に分離され
る。すなわち、それぞれの偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２は、磁界
の強度による偏光面の回転角を受けた異常光線（Ｒｂ
１）２、（Ｒｂ２）２と、偏光面に回転角を受けておら
ず、異常光線（Ｒｂ１）２、（Ｒｂ２）２と分離される
ことにより光強度が減衰された常光線（Ｒｂ１）１、
（Ｒｂ２）１とに分離される。つまり、複屈折板４２で
は、偏光面の受けた回転角に応じて常光線（Ｒｂ１）
１、（Ｒｂ２）１と異常光線（Ｒｂ１）２、（Ｒｂ２）
２の光強度の比が変化して現れる。

【００２４】また、複屈折板４２は、最初に分離された
２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２が後段のファラデー素子４３
ａを透過するように配置されている。この複屈折板４２
の厚みは、厚みが増すにつれて２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ
２の分離幅が広くなる傾向を備えているので、コリメー
タ・レンズ４１、ファラデー素子４３ａとの配置関係を
考慮して決められる。なお、複屈折板４２は、ＴｉＯ₂
（ルチル結晶）、ＣａＣＯ₃（方解石）などが使用され
る。

【００２５】ファラデー素子４３ａは、その内部を透過
する２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２のそれぞれの光路が、測
定しようとする磁界の方向と略平行となるように配置さ
れている。なお、ファラデー素子４３ａは、一般的にイ
ットリウム鉄ガーネット（Ytrium Iron Garnet）などが
使用される。

【００２６】反射ミラー４４は、ファラデー素子４３ａ
を透過した２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２が、再度ファラデ
ー素子４３ａ中に戻されて２つの偏光の入射光路と同一
光路を往復透過するように、ファラデー素子４３ａの偏
光の出射側端面に対して垂直に設置されている。なお、
反射ミラー４４は、ファラデー素子４３ｂの端面から離
して設置してもよい。

【００２７】光検出器５０は、センサヘッド４０で磁界
の強度による偏光面の回転角を受け、光ファイバ２０
ｂ、サーキュレータ３０、光ファイバ２０ｃの順に伝送
された検出対象の２つの偏光の光強度を検出して電気信
号に変換し、演算装置６０に出力する。なお、光検出器
５０には、フォトダイオードなどが挙げられる。

【００２８】演算装置６０は、前記光検出器５０からの
電気信号に基づいてファラデー素子４３ａの周辺の磁界
強度を算出して求める。

【００２９】次に上述した構成を備えた実施例装置の動
作について説明する。光源装置１０から出射された光
は、伝送途中に楕円偏光に変化して光ファイバ２０ｂか
ら出射され、センサヘッド４０に送られる。このときの
楕円偏光のジョーンズベクトル成分は次式（１）で表す
ことができる。

【数１】

【００３０】なお、θ、δは光ファイバの状態により変
化する不定値である。

【００３１】センサヘッド４０に伝送された楕円偏光
は、一旦コリメータ・レンズ４１で平行光に変換されて
複屈折板４２に出射される。この平行光は、複屈折板４
２を透過する過程で、２つの偏光Ｒａ１とＲａ２に分離
されてファラデー素子４３ａに向けて出射される。複屈
折板４２の特性（図２の左から右方向への伝送特性）は
ジョ─ンズ特性により、次式（２）、（３）で表すこと
ができる。すなわち、（２）式は常光線（偏光Ｒａ
１）、（３）式は異常光線（偏光Ｒａ２）である。

【数２】

【００３２】

【数３】

【００３３】前記２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２は、ファラ
デー素子４３ａを透過する過程で、磁界の強度よる偏光
面の回転角を受けて、ファラデー素子４３ａの端面の反
射ミラー４４で反射され、再度先の偏光と同一の光路を
通り、さらに偏光面の回転を受けて偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２
となり、複屈折板４２まで戻される。このときのファラ
デー素子４３ａの端面まで透過したときの偏光のベクト
ル成分は、次式（４ａ）で、反射ミラー４４の反射係数
は次式（５）で、さらに反射ミラー４４で反射してファ
ラデー素子４４に戻された偏光のベクトル成分は次式
（６ａ）で、それぞれ表すことができる。

【００３４】

【数４】

【００３５】

【数５】

【００３６】

【数６】

【００３７】なお、上記式（４ａ）、（６ａ）におい
て、Ｓはファラデー素子の感度係数、Ｈは磁界である。

【００３８】前記２つの偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２は、複屈折
板４２により、さらにそれぞれが２つの偏光に分離され
る。すなわち、偏光面の回転角を受けている異常光線
（Ｒｂ１）２、（Ｒｂ２）２と偏光面の回転角を受けて
いない常光線（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）１とに分離され
る。

【００３９】前記４つの偏光（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）
１、（Ｒｂ１）２、（Ｒｂ２）２のうち、常光線（Ｒｂ
１）１と、異常光線（Ｒｂ２）２とがコリメータ・レン
ズ４１に入射して集光され、光ファイバ２０ｂに戻さて
サーキュレータ３０に伝送される。サーキュレータ３０
内部に戻された２つの偏光（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）２
は光源装置１０からの光（初期光）とは区別されて端子
Ｔ₂から出力される。このとき、複屈折板４２の特性
（図２の右から左方向への伝送特性）は、次式（７）、
（８）で表すことができる。常光線（（Ｒｂ１）１）：Ｇ＝（１０） … （７）異常光線（（Ｒｂ２）２）：Ｈ＝（０１） … （８）

【００４０】前記検出対象の２つの偏光（Ｒｂ１）１、
（Ｒｂ２）２は、光ファイバ２０ｃを介して光検出器５
０に与えられ、電気信号に変換された後に、演算装置６
０に入力される。つまり、次に説明する演算処理によっ
て磁界の強度が算出される。

【００４１】次に、演算装置６０での演算方法について
説明する。仮に、光源装置１０から出射されて光ファイ
バ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを伝送された光が、外乱の影
響により楕円偏光にされたとすると、光検出器５０で計
測される２つの偏光（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）２の光強
度は、上述の各ベクトル成分の式（１）から（８）まで
を用いて、ジョーンズ・マトリックス（Jones Matri
x）を利用することにより、次式（９ａ）、（１０ａ）
で表すことができる。偏光（Ｒｂ１）１Ｇ・Ｆ・Ｅ・Ｄ・Ｂ・Ａ …（９ａ）偏光（Ｒｂ２）２Ｈ・Ｆ・Ｅ・Ｄ・Ｃ・Ａ …（１０ａ）

【００４２】なお、光ファイバの特性として伝送中の光
のエネルギー、すなわち、光強度は保存されるので、偏
光（Ｒｂ１）１、（Ｒｂ２）が光ファイバ２０ｂから光
検出器５０まで伝送される最中の光強度の損失を考慮す
る必要がない。

【００４３】それゆえ、光検出器５０で検出される光強
度Ｗは、前記式（９ａ）、（１０ａ）のそれぞれを２乗
してベクトル成分からエネルギー成分に変換して加算し
た値に等しい。すなわち光強度Ｗは、次式（１１ａ）で
表すことができる。Ｗ＝１−ｓｉｎ²( ２ＳＨ) …（１１ａ）

【００４４】例えば、ここで上記演算式において、ｓｉ
ｎ（２ＳＨ）≒２ＳＨが成り立つ微小測定磁界の範囲
（２ＳＨ＜＜１）を仮定して、級数展開する。その結果
は、次式（１２a ）で表すことができる。Ｗ＝１−（２ＳＨ）² …（１２ａ）

【００４５】すなわち、演算装置６０は、検出した光強
度Ｗに基づき（１２ａ）式を使って未知数である測定磁
界Ｈを算出することができる。

【００４６】〈第２実施例〉図３は、第２実施例の要部
であるセンサヘッドの構成図である。本実施例の特徴
は、図３に示すように、複屈折板４２とファラデー素子
４３ａとの間にファラデー素子４３ｂを設けている点で
ある。他の構成は第１実施例と同様であるので、ここで
の説明を省略する。

【００４７】ファラデー素子４３ｂは、複屈折板４２で
分離された２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２を、このファラデ
ー素子４３ｂに透過させことにより、２つの偏光Ｒａ
１、Ｒａ２のそれぞれの偏光面をコリメータ・レンズ４
１から出射された平行光の偏光面に対してπ／８だけ回
転させるように予めバイアス磁界が印加されている。こ
のファラデー素子４３ｂは、この発明における所定の回
転角を持たせる素子に相当する。なお、この素子は、フ
ァラデー素子に限られるものではない。

【００４８】なお、この実施例においてファラデー素子
４３ｂで２つの偏光Ｒａ１、Ｒａ２に予めπ／８の回転
角を与えたのは、検出対象である偏光（Ｒａ１）１、
（Ｒａ２）２の偏光面の回転方向を感度よく検出するた
めである。このときのファラデー素子４３ｂ、４３ａを
透過して端面の反射ミラー４４に到達した偏光のベクト
ル成分は次式（４ｂ）で、反射ミラー４４で反射してフ
ァラデー素子４３ａ、４３ｂを透過した偏光のベクトル
成分は次式（６ｂ）で表すことができる。

【００４９】

【数７】

【００５０】

【数８】

【００５１】前記偏光面の回転方向を検出する原理は、
次の通りである。ファラデー素子４３ｂ以外の構成およ
び条件は先の第１実施例と同様であるので、センサヘッ
ド４０から出力された互いに直交する２つの偏光（Ｒａ
１）１、（Ｒａ２）２は、上述のベクトル成分の式
（１）から（３）と、式（５）から（８）と、前記式
（４ｂ）、（６ｂ）とを用いて、ジョーンズ・マトリッ
クス(Jones Matrix) を利用することにより、次式（９
ｂ）、（１０ｂ）で表すことができる。偏光（Ｒａ１）１Ｇ・Ｊ・Ｅ・Ｉ・Ｂ・Ａ …（９ｂ）偏光（Ｒａ２）２Ｈ・Ｊ・Ｅ・Ｉ・Ｃ・Ａ …（１０ｂ）

【００５２】光検出器５０で検出される光強度Ｗは、、
前記式（９ｂ）、（１０ｂ）のそれぞれを２乗してベク
トル成分からエネルギー成分に変換して加算した値に等
しい。すなわち光強度は、次式（１１ｂ）で表すことが
できる。Ｗ＝１／２−１／２ｓｉｎ（４ＳＨ） …（１１ｂ）

【００５３】ここで上記演算式において、ｓｉｎ（４Ｓ
Ｈ）≒４ＳＨが成り立つ微小磁界の範囲（４ＳＨ＜＜
１）を仮定して、２次まで級数展開する。その結果は、
次式（１２ｂ）で表すことができる。Ｗ＝１／２−２ＳＨ …（１２ｂ）

【００５４】さらに、上記式（１２ｂ）において、光源
装置１０から出力された光（初期光）が、センサヘッド
４０まで伝送されるときに外乱の影響を受けることがな
く、かつセンサヘッド４０で磁界の影響による偏光面の
回転角を受けることがなく出力（Ｈ＝０）されたと仮定
すると、初期光の光強度に対して半分（１／２）の値と
なる。この１／２の値を予め基準値とすることで、実測
による検出結果と比較して、基準値に対してプラスまた
はマイナスの磁界の強度を確認することにより、偏光面
の回転方向、すなわち測定磁界Ｈの方向を検出すること
ができる。

【００５５】〈第３実施例〉図４は、第３実施例の要部
であるセンサヘッドの構成図である。本実施例の特徴
は、図４に示すように、ファラデー素子４３ａを基準に
左右対称に一対のコリメタータ・レンズ４１、４１ｃ
と、複屈折板４２、４２ｃとから構成されており、さら
にセンサヘッド４０には光源装置１０からの光（初期
光）を伝送する光ファイバ２０ｂと、センサヘッド４０
から出力された検出対象の２つの偏光が伝送される光フ
ァイバ２０ｃとが接続されていり、さらに光ファイバ２
０ｃは光検出手段に接続されている点である。なお、光
ファイバ２０ａ、２０ｂは本発明の第１、第２の光伝送
手段に、コリメータ・レンズ４１、４１ｃは第１、第２
の光学手段に、複屈折板４２、４２ｃは第１、第２の複
屈折板に、それぞれ相当する。

【００５６】本実施例の場合、ファラデー素子４３ａを
１回透過した２つの偏光Ｒｂ１、Ｒｂ２は、複屈折板４
２ｃを透過することにより、偏光面の回転角に応じた光
強度の比の異なった、２組（合計４つの偏光）の互いに
直交する偏光に分離される。一方は（Ｒｂ１）１、（Ｒ
ｂ１）２の組と、他方は（Ｒｂ２）１、（Ｒｂ２）２の
組となる。つまり、この２組の互いに直交する偏光から
組が異なり、互いに隣り合うとともに、直交関係にある
２つの偏光（Ｒｂ１）２と（Ｒｂ２）１が、コリメータ
・レンズ４１ｃにより選択されて出射された後、光ファ
イバ２０ｃを伝送されて光検出器５０に出力される。な
お、図４に示す複屈折板４２ｃの上下を入れ換えて、隣
り合い、互いに直交関係にある２つの偏光（Ｒｂ１）
１、（Ｒｂ１）２とが選択されるようにしてもよい。

【００５７】なお、その他の構成および作用は、先の実
施例の場合と同様であるので、上記以外の説明を省略す
る。

【００５８】なお、第２実施例についても第３実施例と
同様に、ファラデー素子４３ａを基準に左右対称の同一
構造にしてもよいし、磁界の印加されたファラデー素子
を複屈折板４２とファラデー素子４３ａ、若しくは複屈
折板４２ｃとコリメータ・レンズ４１ｃとの少なくとも
いずれか一方に配置したものであってもよい。

【００５９】この発明は、上記実施例の形態に限られる
ことなく、下記のような変形実施することができる。

【００６０】上述の各実施例において、センサヘッド４
０を小型化するために複屈折板４２の厚みを薄くするこ
とにより、分離された２つの偏光の間隔が狭くなり、検
出対象の２つの偏光を抽出することが困難な場合、コリ
メータ・レンズ４１と複屈折板４２との間に検出対象の
２つの偏光のみが通過するようなピンホールを設けた板
であるアパーチュアを予め配置してもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の磁気センサによれば、光出力手段から出力さ
れた直線光が、センサヘッドに伝送される途中で外乱に
より楕円軸・楕円率ともに不定となった楕円偏光になっ
たとしても、センサヘッド内に設けられた第１の複屈折
板を透過させるにより、偏光面の回転状態に関係なく、
光強度の総エネルギーは保存した状態で複屈折板の結晶
軸を基準とした、互いに直交する２つの偏光に分離して
利用することができる。また、前記２つの偏光は、第１
のファラデー素子を往復透過する過程で、磁界の強度に
より偏光面に回転を受ける。この２つの偏光は再度第１
の複屈折板を透過して、それぞれの２つの偏光を、さら
に偏光面の回転角に応じた振幅レベルをもった、互いに
直交する２つの偏光に分離され、入射光路と同一光路を
通らない偏光成分は光学手段により省かれる。つまり、
第１のファラデー素子をから出射された偏光の偏光面の
回転角に応じて、光学手段から出射される２つの偏光の
光強度が変化する。この前記２つの偏光の光強度を光検
出手段で検出して演算手段で演算処理をすることによ
り、外乱による偏光面の変化の影響を除去した検出結果
を得ることができる。また、光を第１のファラデー素子
に往復透過させているので、素子の感度の向上を図るこ
とができる。さらに、センサヘッドへの入射光とセンサ
ヘッドからの出射光とが、第２の光伝送手段を共有する
ので、装置の小型化を図ることができる。

【００６２】請求項２に記載の磁気センサによれば、光
出力手段から出力された直線光が、センサヘッドに伝送
される途中で外乱により楕円軸・楕円率ともに不定とな
った楕円偏光になったとしても、センサヘッド内に設け
られた第１の複屈折板を透過させることにより、偏光面
の回転状態に関係なく、光強度の総エネルギーは保存し
た状態で複屈折板の結晶軸を基準として、互いに直交す
る２つの偏光に分離して利用することができる。また、
前記２つの偏光を第１のファラデー素子を透過する過程
で、それぞれの偏光面に磁界の強度に応じた回転を受け
た後に、第２の複屈折板を透過させる。その際に、２つ
の偏光が、さらに偏光面の回転角に応じた、２組の互い
に直交する２つの偏光（合計４つの偏光）に分離されて
第２の光学手段に向けて出射される。そして、第２の光
学手段では、４つの偏光から入射光路とほぼ同一光路を
戻ってくる互いに直交する２つの偏光を選択して出力す
る。残りの２つの偏光は第２の光学手段により省かれ
る。つまり、第１のファラデー素子をから出射された偏
光の偏光面の回転角に応じて、光学手段から出射される
２つの偏光の光強度が変化する。この前記２つの偏光の
光強度を光検出手段で検出して演算手段で演算処理をす
ることにより、外乱による偏光面の変化の影響を除去し
た検出結果を得ることができる。

【００６３】請求項３に記載の磁気センサによれば、外
乱や磁界の影響を受けずに検出される条件下で、光を複
屈折板の後段に設けられた第２のファラデー素子を透過
させて予め所定の偏光面の回転角を与えることにより、
光検出手段で検出される光強度は測定対象の磁界の方向
に応じて変化する。つまり、測定磁界を「０」としたと
きに検出される光強度を基準として、この基準値と実測
された検出結果とを比較することにより、磁界の強度だ
けでなく測定磁界の方向も検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である磁気センサのブロッ
ク図である。

【図２】第１実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの
構造図である。

【図３】第２実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの
構造図である。

【図４】第３実施例に係る磁気センサのセンサヘッドの
構造図である。

【図５】偏光面保存光ファイバの断面構造図である。

【符号の説明】

１０ … 光源装置２０ａ… 光ファイバ２０ｂ… 光ファイバ２０ｃ… 光ファイバ３０ … サーキュレータ４０ … センサヘッド４１ … コリメータ・レンズ４２ … 複屈折板４３ … 第１のファラデー素子４４ … 反射ミラー５０ … 光検出器６０ … 演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G017 AA02 AB07 AD12 AD15 2G053 AB13 CA09 CB21 DB07 2H079 AA03 BA02 CA12 DA12 EA28 KA01 KA06 KA12 KA14 KA18 KA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファラデー素子中を進行する光の偏光面
が磁界の強度に応じて回転する現象を利用した磁気セン
サであって、光出力手段と、第１の光伝送手段を介して
光出力手段に接続された光分岐手段と、第２の光伝送手
段を介して光分岐手段に接続されたセンサヘッドと、第
３の光伝送手段を介して光分岐手段に接続された光検出
手段と、光検出手段の検出信号を与えられる演算手段と
を備え、かつセンサヘッドは、第２の光伝送手段との接
続端側から順に配設された光学手段、第１の複屈折板、
第１のファラデー素子、および反射手段を備え、（ａ）
光出力手段は光を出力し、（ｂ）前記光分岐手段は、第
１の光伝送手段を介して光出力手段から伝送された光を
第２の光伝送手段に向けて出射し、（ｃ）センサヘッド
の光学手段は、第２の光伝送手段を介して光分岐手段か
ら伝送された光を平行光に変換し、（ｄ）センサヘッド
の第１の複屈折板は、光学手段からの平行光を、複屈折
板の光学軸を基準とする互いに偏光面が直交する２つの
偏光に分離し、（ｅ）センサヘッドの第１のファラデー
素子は、複屈折板からの２つの偏光を透過させて、検出
しようとする磁界の強度を２つの偏光の偏光面の回転角
に変換し、（ｆ）センサヘッドの反射手段は、第１のフ
ァラデー素子を透過した２つの偏光を反射して第１のフ
ァラデー素子に戻して同一光路を往復透過させ、（ｇ）
センサヘッドの第１の複屈折板は、第１のファラデー素
子から戻ってきた２つの偏光のそれぞれを、各偏光の回
転角に応じた振幅レベルをもった、互いに直交する２つ
の偏光（合計４つの偏光）に分離し、（ｈ）センサヘッ
ドの光学手段は、第１の複屈折板から出射された４つの
偏光のうち、入射光路とほぼ同じ光路を戻ってくる互い
に直交する２つの偏光を選択的に透過させ、（ｉ）光分
岐手段は、第２の光伝送手段を介して伝送された光学手
段からの２つの偏光を第３の光伝送手段に向けて分岐
し、（ｊ）光検出手段は、第３の光伝送手段を介して伝
送された光分岐手段からの２つの偏光の光強度を検出
し、（ｋ）演算手段は、光検出手段で検出された光強度
に基づいて磁界の強度を算出することを特徴とする磁気
センサ。
【請求項２】ファラデー素子中を進行する光の偏光面
が磁界の強度に応じて回転する現象を利用した磁気セン
サであって、光出力手段と、第１の光伝送手段を介して
光出力手段に接続されたセンサヘッドと、第２の光伝送
手段を介してセンサヘッドに接続された光検出手段と、
光検出手段の検出信号を与えられる演算手段とを備え、
かつセンサヘッドは、第１の光伝送手段との接続端側か
ら順に配設された第１の光学手段、第１の複屈折板、第
１のファラデー素子、第２の複屈折板、および第２の光
学手段を備え、（ａ）光出力手段は光を出力し、（ｂ）
センサヘッドの第１の光学手段は、第１の光伝送手段を
介して光出力手段から伝送された偏光を平行光に変換
し、（ｃ）センサヘッドの第１の複屈折板は、第１の光
学手段からの平行光を、複屈折板の光学軸を基準とす
る、互いに直交する２つの偏光に分離し、（ｄ）センサ
ヘッドのファラデー素子は、第１の複屈折板からの２つ
の偏光を透過させて、検出しようとする磁界の強度を２
つの偏光の偏光面の回転角に変換し、（ｅ）センサヘッ
ドの第２の複屈折板は、ファラデー素子を透過してきた
２つの偏光のそれぞれを、複屈折板の光学軸を基準とす
る、互いに直交する２つの偏光（合計４つの偏光）に分
離し、（ｆ）センサヘッドの第２の光学手段は、第２の
複屈折板から出射された４つの偏光のうち、入射光路と
ほぼ同一光路を戻ってくる互いに直交する２つの偏光を
選択的に透過させ、（ｇ）光検出手段は、第２の光伝送
手段を介して伝送された第２の光学手段からの２つの偏
光の光強度を検出し、（ｈ）演算手段は、光検出手段で
検出された光強度に基づいて磁界の強度を算出すること
を特徴とする磁気センサ。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の磁気セ
ンサにおいて、前記第１の複屈折板と前記第１のファラ
デー素子との間に、第１の複屈折板で分離された２つの
偏光のそれぞれの偏光面に所定の回転角を持たせるため
の素子を備えたことを特徴とする磁気センサ。