JP2002236240A

JP2002236240A - 金属被覆光ファイバ及びそれを用いた磁気センサ

Info

Publication number: JP2002236240A
Application number: JP2001032156A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Osono; 和正大薗; Kazushi Osuga; 一志大須賀; Junpei Miyazaki; 淳平宮崎; Yukio Ikeda; 幸雄池田; Noribumi Shiina; 則文椎名; Shuichi Sunahara; 秀一砂原
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】実装が容易で、しかも小型で磁気検出精度が
安定した金属被覆光ファイバ及びそれを用いた磁気セン
サを提供する。【解決手段】光ファイバを金属被覆層２２、２３で被
覆した金属被覆光ファイバ２０の光ファイバを偏波面保
存光ファイバ２１にすることにより、実装が容易で、し
かも小型で磁気検出精度が安定した金属被覆光ファイバ
２１及びそれを用いた磁気センサの提供を実現すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属被覆光ファイ
バ及びそれを用いた磁気センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバの干渉を利用して磁気を検出
する方法の一つに電磁力を用いる方法がある。

【０００３】図６は光ファイバ磁気センサの従来例を示
す外観斜視図であり、図７は図６に示した従来例の原理
図である。

【０００４】電磁力を用いる方法は、図６に示すように
絶縁基板１上に固定された一対の金属製固定治具２に直
線状に引っ張られた状態で両端が固定材料３で固定され
た金属被覆光ファイバ４と、交流電源５と、導線６とで
構成される閉回路に一定の電流を流す方法である。

【０００５】図７に示すように電磁力を用いる方法は、
金属被覆層に交流電源５から電流が流れている金属被覆
光ファイバ４の外部に紙面に垂直で裏から表に向かう磁
界７が加わると、フレミングの左手の法則により金属被
覆光ファイバ４に矢印方向の振動的な電磁力が発生する
ことを利用したものである。また、一定の応力を保つよ
うにクランプ８で金属被覆光ファイバ４の両端を固定
し、両クランプ８に交流電源５を導線６で接続した系
は、共振系として作用するため、特定周波数の交流電流
を供給すると、系の共振効果によって磁気に対する感度
が極めて良好となる（特開昭６３−５２０７６号公報、
特開平１−３５２８４号公報参照）。

【０００６】さらに、磁気検出感度を高めるために、金
属被覆光ファイバを曲げ応力が十分に大きくなるような
一定半径を保つように円形状（または螺旋状）に形成さ
れ、金属被覆光ファイバの金属被覆層に比較的高い周波
数（直線状磁気検出部の長さと同程度の直径で２桁程高
い周波数）の交流電流を流す光ファイバ磁気センサがあ
る。なお、図８は光ファイバ磁気センサの原理図であ
る。

【０００７】同図に示すように、紙面に垂直で裏から表
に向かう磁界７がある場合、金属被覆光ファイバ４は、
互いに接触しないように円形状（または螺旋状）に一定
半径を保つように二つのクランプ（あるいは他の治具）
８で保持される。両クランプ８には交流電源５が接続さ
れており、金属被覆光ファイバ４には光学干渉計（図示
せず。）が接続されている。金属被覆光ファイバ４を互
いに接触させないのは、円形状の金属被覆光ファイバ４
の金属被覆層に正常に電流を流すためである。磁気検出
感度は、共振周波数が高ければ高いほど、また、螺旋状
の金属被覆光ファイバ４の長さが長いほど向上するの
で、曲げ径は金属被覆光ファイバ４の信頼性を損なわな
い程度にできるだけ小さくし（φ６０ｍｍ程度）、さら
にターン数を増やして向上させていた。

【０００８】また、電流を流し、電磁力を受けるセンサ
となる金属被覆光ファイバ４としては、図９に示すよう
にシングルモード光ファイバ９の外周部にメッキ法でニ
ッケル及び金メッキ層１０を被覆したものを用いていた
（特願平１０−１２０９３３号）。なお、図９は従来の
金属被覆光ファイバの断面図である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従
来技術には次のような問題があった。すなわち、従来の
光ファイバ磁気センサは、金属被覆層を被覆したシング
ルモード光ファイバに交流電流を流し、外部磁束との相
互作用によって光ファイバの長手方向に生じた伸縮ある
いは径方向に生じた側圧変化による光路差変化を光学干
渉計により光の強弱信号として検出していた。

【００１０】しかしながら、通常のシングルモード光フ
ァイバは、工業的に不可避な構造状の僅かな異方性、例
えばコアの非円や偏心、光ファイバ内に残留する応力や
光ファイバの外部から加わる力の非対称性等の影響によ
り、光ファイバのコア内を伝搬する光に偏り（偏光）が
発生する。

【００１１】ここで、この偏光状態の光を偏波と呼び、
通常のシングルモード光ファイバでは光ファイバ内の偏
波状態は僅かではあるが、時間と共に常に変化してい
る。そのため、光学干渉計により検出する信号光の強度
が光路長に変化がなくても緩やかに変動してしまい、時
間的に安定した磁気の検出ができなかった。

【００１２】また、磁気検出感度を上げるためには、金
属被覆光ファイバの長さを長くすることが重要である
が、螺旋状の金属被覆光ファイバ４をセンサとして用い
る場合、図１０に示すような十字断面形状のボビン１１
の周りに螺旋状に巻かれた金属被覆光ファイバ４に流れ
る電流が金属被覆光ファイバ４同士の接触により短絡し
ないように十分な間隔Ｓを保つ必要がある。そのため、
螺旋状金属被覆光ファイバセンサの形状は高感度になる
ほど大きくなり、小型化への対応が難しくなる。さら
に、金属被覆光ファイバセンサを筐体内に実装する際に
センサ端末部の金属被覆光ファイバの電気的な絶縁性に
も注意する必要があり、実装の手間が増大するという問
題があった。なお、図１０は螺旋状の金属被覆光ファイ
バをセンサとして用いた場合の外観斜視図である。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、実装が容易で、しかも小型で磁気検出精度が安定し
た金属被覆光ファイバ及びそれを用いた磁気センサを提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の金属被覆光ファイバは、光ファイバの外周に
金属被覆層を設けた金属被覆光ファイバにおいて、光フ
ァイバに偏波面保存光ファイバを用いたものである。

【００１５】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バは、金属被覆層の外周に電気絶縁性及び耐熱性を有す
る樹脂被覆層を設けるのが好ましい。

【００１６】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バは、金属被覆層の厚さが５μｍ以上、１０μｍ以下で
あるのが好ましい。

【００１７】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バは、樹脂被覆層の材質がポリイミドもしくはポリイミ
ドチラノからなり、厚さが５μｍ以上であるのが好まし
い。本発明の金属被覆光ファイバを用いた磁気センサ
は、光ファイバの外周に金属被覆層を設け、曲げ応力が
十分に大きくなるような一定半径を保つように円形状ま
たは螺旋状に形成された金属被覆光ファイバと、金属被
覆層に交流電流を流す交流電源と、外部磁束との相互作
用によって光ファイバの長手方向に生じた伸縮あるいは
径方向に生じた側圧変化による光路差を光の強弱信号と
して検出する光学干渉計とを備えた磁気センサにおい
て、金属被覆光ファイバが偏波面保存光ファイバである
ものである。

【００１８】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バを用いた磁気センサは、金属被覆層の外周に電気絶縁
性及び耐熱性を有する樹脂被覆層を設けるのが好まし
い。

【００１９】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バを用いた磁気センサは、金属被覆層の厚さが５μｍ以
上、１０μｍ以下であるのが好ましい。

【００２０】上記構成に加え本発明の金属被覆光ファイ
バを用いた磁気センサは、樹脂被覆層の材質がポリイミ
ドもしくはポリイミドチラノからなり、厚さが５μｍ以
上であるのが好ましい。

【００２１】本発明によれば、光ファイバを金属被覆層
で被覆した金属被覆光ファイバの光ファイバを偏波面保
存光ファイバにすることにより、実装が容易で、しかも
小型で磁気検出精度が安定した金属被覆光ファイバ及び
それを用いた磁気センサの提供を実現することができ
る。

【００２２】偏波面保存光ファイバの外側に耐絶縁性と
耐熱性とを兼ね備えた被覆材、具体的にはポリイミド層
やポリイミドチラノ層の被覆を厚さ５μｍ以上施し、金
属被覆光ファイバを螺旋状に実装する際の実装密度を高
くし、小型化を図るために各ターンピッチをできるだけ
小さくし、たとえ隣接するターン同士の光ファイバが接
触したとしても、金属被覆光ファイバを流れる電流が短
絡することがない。

【００２３】ポリイミドやポリイミドチラノ層の厚さを
５μｍ以上とする理由は、工業的に５μｍ以下を目標と
して生産すると被覆の偏肉により１〜２μｍの厚さの被
覆部分が光ファイバの長手方向に存在してしまうため
と、耐摩耗特性を考えた時に５μｍ以上が必要となるた
めである。

【００２４】電流を金属被覆光ファイバの金属被覆層に
流すと発熱し、通常の光ファイバの被覆に用いるアクリ
ル系の被覆材では耐久性に問題が生じるので、耐熱性も
兼ね備えた材料を用いた。

【００２５】金属被覆光ファイバの外径が標準的な１２
５μｍの場合、金属被覆層としては第１層目に厚さ１〜
２μｍのニッケル層を無電解メッキで形成し、第２層目
に厚さ３〜７μｍの金層を電解メッキで形成するのが好
ましい。

【００２６】ここで、第１層目にニッケル層をメッキす
るのは石英である光ファイバの表面に長手方向に連続的
に直接メッキができる方法は無電解メッキ以外にはな
く、また、無電解メッキを石英表面に安定して行える材
料はニッケルだけだからである。さらに第２層目に金層
をメッキするのは腐食性がない金を用いることでメッキ
層の長期信頼性を図るためである。

【００２７】メッキ層の厚さを限定する理由は、メッキ
層が５μｍ以下と薄くなると光ファイバ強度が低下する
ことと、電流を流す際の抵抗が大きくなり高感度化を図
ることができなくなるためである。また、メッキ層の厚
さが１０μｍ以上となると、メッキ層からの光ファイバ
への外力の影響が強くなりすぎ、偏波状態を安定にする
ために用いている偏波面保存光ファイバでさえも影響を
受けてしまうからである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２９】図１は本発明の金属被覆光ファイバの一実
施の形態を示す断面図であり、図２は図１に示した金属
被覆光ファイバに用いられる偏波面保存光ファイバの断
面図である。

【００３０】本金属被覆光ファイバ２０は、例えば直径
１２５μｍの偏波面保存光ファイバ２１の外周に厚さ約
１．５μｍのニッケルメッキ層２２を形成し、ニッケル
メッキ層２２の外周に厚さ約５μｍの金メッキ層２３を
形成し、金メッキ層２３の外周に最外層部の被覆として
厚さ約１０μｍのポリイミド層２４を形成した構造とな
っている。

【００３１】偏波面保存光ファイバ２１の構造は、偏波
面保存特性を持たせるため、コア２５及びクラッド２６
からなる光ファイバ心線の周りに楕円断面形状の応力付
与部２７を有する楕円ジャケット型構造である。応力付
与部２７の周りはサポート２８と呼ばれる保護部材で覆
われている。

【００３２】図３は偏波面保存光ファイバ（直径１２５
μｍ）の消光比と全金属メッキ層の厚さとの関係を示す
図であり、横軸が金属メッキ厚さ軸であり、縦軸が消光
比軸である。

【００３３】消光比ηは直線偏波ＨＥ_11y の光を入射さ
せたときに数１式で定義される光ファイバ特性の一つで
あり、大きいほど偏波特性がよい。

【００３４】

【数１】η＝−１０ｌｏｇ（Ｐｙ／Ｐｘ）但し、Ｐｙ：ＨＥ_11y モードの光の出力パワーＰｘ：ＨＥ_11x モードの光の出力パワー金属被覆層（金属メッキ層）２２、２３の厚さは１０μ
ｍ以下であるのが好ましい。これは、金属被覆層２２、
２３の厚さが１０μｍを超えると、消光比ηは１０ｄＢ
未満となり、磁気検出時の光の強弱信号への偏波の影響
が無視できなくなるためである。

【００３５】図４は本発明の金属被覆光ファイバを用い
た磁気センサの一実施の形態を示すブロック図である。

【００３６】この磁気センサは、偏波面保存光ファイバ
の外周に金属被覆層が被覆され、金属被覆層の外周に耐
熱性被覆材であるポリイミドが被覆されたポリイミド金
属被覆偏波面保存光ファイバからなる光ファイバコイル
３０、３１と、光ファイバコイル３１の金属被覆層にそ
れぞれ交流電流を流す交流電源としての発振器３２と、
外部磁束との相互作用によって光ファイバの長手方向に
生じた伸縮あるいは径方向に生じた側圧による光路差変
化を光の強弱信号として検出する光学干渉計とで構成さ
れている。

【００３７】光ファイバコイル３０、３１は、外部磁束
を検出する磁気検出部が力学的に略剛体とみなせるほど
光ファイバの曲げ応力が十分に大きくなるように円形状
（または螺旋状）に形成されていると共に、その円（螺
旋）の半径と光ファイバ構造とで磁気検出部の機械的共
振周波数が決定される。

【００３８】光学干渉計としてはマッハツェンダ干渉計
が用いられる。光学干渉計は、光源３４と、光源３４か
らの光を信号光及び参照光に分岐する光ファイバカプラ
３５と、光ファイバカプラ３５の一方の出力端（図では
下側）に接続され信号光が伝搬する光ファイバコイル３
１と、光ファイバカプラ３５の他方の出力端（図では上
側）に接続され、参照光が伝搬する光ファイバコイル３
０と、両光ファイバコイル３０、３１にそれぞれ接続さ
れた位相変調器３６、３７と、位相変調器３６、３７に
接続され信号光及び参照光を重ね合わせる光ファイバカ
プラ３８と、光ファイバカプラ３８に接続され光を電気
信号に変換する受光器３９、４０と、両受光器３９、４
０からの電気信号を受けて差動増幅する差動増幅器４１
と、差動増幅器４１からの出力信号を同期検波する同期
検波器４２、４３と、同期検波器４２の出力信号を増幅
して位相変調器３７に送る増幅器４４と、位相変調器３
６及び同期検波器４２に信号を送る発振器３３とで構成
されている。

【００３９】光源３４から出射した光は、光ファイバを
介して光ファイバカプラ３５に入射する。この光ファイ
バカプラ３５で光は二つの光路に分かれ、一方の光は参
照光として光ファイバコイル３１及び位相変調器３６を
経て光ファイバカプラ３８に入射する。

【００４０】光ファイバカプラ３５で信号光として分岐
された光は光ファイバコイル３１、位相変調器３７を経
て光ファイバカプラ３８で参照光と重ね合わされる。

【００４１】信号光が伝搬する光ファイバコイル３１の
金属被覆層には、光ファイバコイル３１の共振周波数に
略一致した周波数を発振する発振器３２によって一定の
実効値の交流電流が流れる。

【００４２】位相変調器３６は、マッハツェンダ干渉計
のドリフトを検出するための一定実効値の電圧を有する
交流信号が発振器３３から加えられる。

【００４３】受光器３９、４０で光信号は電気信号に変
換され、差動増幅器４１に送られる。この差動増幅器４
１で直流成分が除去された電気信号が同期検波器４２、
４３に送られる。同期検波器４２では発振器３３の２倍
の周波数成分に発生するマッハツェンダ干渉計のドリフ
トを同期検波によって抽出する。このドリフト信号は増
幅器４４を介して位相変調器３７に送られ、マッハッェ
ンダ干渉計に帰還が行われる。その結果、発振器３３の
２倍の周波数成分が限り無く「０」に近づくように、つ
まり、マッハツェンダ干渉計の感度が最大となるような
動作点に安定させる帰還制御ループが形成され、ドリフ
トが除去される。

【００４４】同期検波器４３では発振器３２の周波数成
分を有する磁気情報信号を同期検波によって抽出する。
この出力がセンサ出力となる。

【００４５】以上において本磁気センサによれば、従来
の磁気センサでは達成できなかった高感度、高応答性を
有するので、磁気測定が可能となる。

【００４６】

【実施例】図５（ａ）は本発明の金属被覆光ファイバを
用いた磁気センサの一実施例を示す概念図であり、図５
（ｂ）は本発明の金属被覆光ファイバを用いた場合のセ
ンサ出力を示し、図５（ｃ）は従来の金属被覆光ファイ
バを用いた場合のセンサ出力を示す図である。図５
（ｂ）、（ｃ）において横軸は時間軸を示し、縦軸はセ
ンサ出力軸を示す。

【００４７】図５（ａ）に示すように車両５０が道路５
１上を走行し、道路５１中に埋設されている光ファイバ
磁気センサ５２の上を通過するものとする。図５
（ｂ）、（ｃ）は車両の通過位置、、に対応する
光ファイバ磁気センサ５２の出力結果を示しており、Ｐ
_thは判定可能最小出力値を示している。

【００４８】本発明のように金属被覆光ファイバの光フ
ァイバが偏波面保存光ファイバの場合にはセンサ出力が
安定するので、車両５０が光ファイバ磁気センサ５２の
真上（の位置）に来たときに出力波形が再現性よく発
生し、車両５０が光ファイバ磁気センサ５２の真上を通
過したことが判定できる。

【００４９】これに対して金属被覆光ファイバの光ファ
イバが通常の光ファイバである従来の場合には偏波の不
安定に起因する出力変動が常に発生するので、車両５０
が光ファイバ磁気センサ５２の真上を通過しても、出力
波形が安定せず、判定可能最小値Ｐ_thにセンサ出力が達
しないときがあり、車両５０の通過判定の誤りが発生す
る問題が生じる。

【００５０】このように、磁気センサ用光ファイバとし
て、偏波面保存光ファイバに金属被覆層を被覆した金属
被覆光ファイバを用いることでセンサ出力が安定した磁
気センサが得られる。

【００５１】ところで、車両通過時に発生する振動によ
り、コイル状の光ファイバ同士が接触し、光ファイバコ
イルの金属被覆層を流れる電流が短絡し、その際に生じ
たスパークが原因と思われる金属被覆層の破壊が発生
し、センサ機能が停止してしまうことがあった。

【００５２】そこで、磁気センサ用金属被覆光ファイバ
の表面に耐熱絶縁材であるポリイミド被覆を施したとこ
ろ、ポリイミド被覆により電流の短絡は発生しなくな
り、磁気センサの信頼性が大幅に向上した。被覆材とし
て、ポリイミド材を選択した理由は、センサ用金属被覆
光ファイバには常に電流が流れているため発熱が伴う。
そのため、耐熱性のあるポリイミド材を被覆に用いたの
である。

【００５３】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００５４】実装が容易で、しかも小型で磁気検出精度
が安定した金属被覆光ファイバ及びそれを用いた磁気セ
ンサの提供を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属被覆光ファイバの一実施の形態を
示す断面図である。

【図２】図１に示した金属被覆光ファイバに用いられる
偏波面保存光ファイバの断面図である。

【図３】偏波面保存光ファイバの消光比と全金属メッキ
層の厚さとの関係を示す図である。

【図４】本発明の金属被覆光ファイバを用いた磁気セン
サの一実施の形態を示すブロック図である。

【図５】（ａ）は本発明の金属被覆光ファイバを用いた
磁気センサの一実施例を示す概念図であり、（ｂ）は本
発明の金属被覆光ファイバを用いた場合のセンサ出力を
示し、（ｃ）は従来の金属被覆光ファイバを用いた場合
のセンサ出力を示す図である。

【図６】光ファイバ磁気センサの従来例を示す外観斜視
図である。

【図７】図６に示した従来例の原理図である。

【図８】光ファイバ磁気センサの原理図である。

【図９】従来の金属被覆光ファイバの断面図である。

【図１０】螺旋状の金属被覆光ファイバをセンサとして
用いた場合の外観斜視図である。

【符号の説明】

２０金属被覆光ファイバ２１偏波面保存光ファイバ２２、２３金属被覆層（金属メッキ層）

フロントページの続き (72)発明者大須賀一志茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者宮崎淳平茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者池田幸雄茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者椎名則文茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者砂原秀一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 2H050 AC43 BB06S BB26Q BB26R BC04 4G060 AA01 AA06 AB02 AC08 AD30 CA00 CB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバの外周に金属被覆層を設けた
金属被覆光ファイバにおいて、上記光ファイバに偏波面
保存光ファイバを用いたことを特徴とする金属被覆光フ
ァイバ。
【請求項２】上記金属被覆層の外周に電気絶縁性及び
耐熱性を有する樹脂被覆層を設けた請求項１に記載の金
属被覆光ファイバ。
【請求項３】上記金属被覆層の厚さが５μｍ以上、１
０μｍ以下である請求項１又は２に記載の金属被覆光フ
ァイバ。
【請求項４】上記樹脂被覆層の材質がポリイミドもし
くはポリイミドチラノからなり、厚さが５μｍ以上であ
る請求項２に記載の金属被覆光ファイバ。
【請求項５】光ファイバの外周に金属被覆層を設け、
曲げ応力が十分に大きくなるような一定半径を保つよう
に円形状または螺旋状に形成された金属被覆光ファイバ
と、上記金属被覆層に交流電流を流す交流電源と、外部
磁束との相互作用によって上記光ファイバの長手方向に
生じた伸縮あるいは径方向に生じた側圧変化による光路
差を光の強弱信号として検出する光学干渉計とを備えた
磁気センサにおいて、上記金属被覆光ファイバが偏波面
保存光ファイバであることを特徴とする金属被覆光ファ
イバを用いた磁気センサ。
【請求項６】上記金属被覆層の外周に電気絶縁性及び
耐熱性を有する樹脂被覆層を設けた請求項５に記載の金
属被覆光ファイバを用いた磁気センサ。
【請求項７】上記金属被覆層の厚さが５μｍ以上、１
０μｍ以下である請求項５又は６に記載の金属被覆光フ
ァイバを用いた磁気センサ。
【請求項８】上記樹脂被覆層の材質がポリイミドもし
くはポリイミドチラノからなり、厚さが５μｍ以上であ
る請求項６に記載の金属被覆光ファイバを用いた磁気セ
ンサ。