JP2002257912A - 光ファイバ磁気センサ - Google Patents
光ファイバ磁気センサInfo
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Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 磁気検出感度が高く、センサ計測値の線形性
が良好な磁気センサ。 【解決手段】 センシング光ファイバ５とリファレンス
光ファイバ６を有する光ファイバ干渉計の前記センシン
グ光ファイバ５に磁歪材料７を接着した光ファイバ磁気
センサにおいて、前記センシング光ファイバ５に接着さ
れた磁歪材料７をその歪み方向の一方のみにより固定す
る固定部１１を設ける。
が良好な磁気センサ。 【解決手段】 センシング光ファイバ５とリファレンス
光ファイバ６を有する光ファイバ干渉計の前記センシン
グ光ファイバ５に磁歪材料７を接着した光ファイバ磁気
センサにおいて、前記センシング光ファイバ５に接着さ
れた磁歪材料７をその歪み方向の一方のみにより固定す
る固定部１１を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ磁気セ
ンサのセンサヘッドに関するものである。
ンサのセンサヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のセンサの公知文献として
は、例えば下記の文献がある。 文献：US Patent No.5,305,075 ,“MAGNETOSTRICTIVE T
RANSDUCER SYSTEM HAVING A THREE DUAL-STRIP FIBER O
PTIC MAGNETOSTRICTIVE TRANSDUCER BONDED INTOA SING
LE FIBER MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER ”
は、例えば下記の文献がある。 文献：US Patent No.5,305,075 ,“MAGNETOSTRICTIVE T
RANSDUCER SYSTEM HAVING A THREE DUAL-STRIP FIBER O
PTIC MAGNETOSTRICTIVE TRANSDUCER BONDED INTOA SING
LE FIBER MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER ”
【０００３】上記文献のＦＩＧ．２には、磁気ベクトル
計の構成例が示されており、その概要は次の通りであ
る。まずレーザ光源からアイソレータを介して光ファイ
バ内を伝搬してきたレーザ光は、入力側の光カプラで２
つに分岐される。この２つの分岐光の一方はセンサヘッ
ド内のセンシング光ファイバコイルを通過し、その分岐
光の他方はリファレンス光ファイバを通過する。この２
つの光ファイバの通過光を出口側の光カプラで干渉させ
マッハ・ツェンダ型干渉計を構成する。この干渉計の出
力をＯ／Ｅ変換器（光／電気変換器）で電気信号に変換
し、ＡＭ復調器に入力すると同時にアクティブホモダイ
ンのための帰還制御信号としてリファレンス光ファイバ
に取り付けた光位相変調器に入力するように構成されて
いる。
計の構成例が示されており、その概要は次の通りであ
る。まずレーザ光源からアイソレータを介して光ファイ
バ内を伝搬してきたレーザ光は、入力側の光カプラで２
つに分岐される。この２つの分岐光の一方はセンサヘッ
ド内のセンシング光ファイバコイルを通過し、その分岐
光の他方はリファレンス光ファイバを通過する。この２
つの光ファイバの通過光を出口側の光カプラで干渉させ
マッハ・ツェンダ型干渉計を構成する。この干渉計の出
力をＯ／Ｅ変換器（光／電気変換器）で電気信号に変換
し、ＡＭ復調器に入力すると同時にアクティブホモダイ
ンのための帰還制御信号としてリファレンス光ファイバ
に取り付けた光位相変調器に入力するように構成されて
いる。
【０００４】また上記文献のＦＩＧ．１には、センサヘ
ッド内のセンシング光ファイバコイル構成例が示されて
おり、その概要は次の通りである。断面が長円（一対の
平行線とその平行線の両端を結ぶ２つの円弧とにより形
成される長円）で、所定の奥行きのあるボビンの上に、
所定長さのセンシング光ファイバをコイル状に巻きセン
シング光ファイバコイルを形成し、このセンシング光フ
ァイバコイルの２つの平坦部（断面では一対の平行線と
なる部分）にそれぞれ板状の磁歪材料を接着する。そし
てこのセンシング光ファイバコイルの両端（断面では２
つの円弧の先端）は固定され、また上記２つの磁歪材料
は、励起磁界を発生する励起コイルの内側に配置され
る。
ッド内のセンシング光ファイバコイル構成例が示されて
おり、その概要は次の通りである。断面が長円（一対の
平行線とその平行線の両端を結ぶ２つの円弧とにより形
成される長円）で、所定の奥行きのあるボビンの上に、
所定長さのセンシング光ファイバをコイル状に巻きセン
シング光ファイバコイルを形成し、このセンシング光フ
ァイバコイルの２つの平坦部（断面では一対の平行線と
なる部分）にそれぞれ板状の磁歪材料を接着する。そし
てこのセンシング光ファイバコイルの両端（断面では２
つの円弧の先端）は固定され、また上記２つの磁歪材料
は、励起磁界を発生する励起コイルの内側に配置され
る。
【０００５】そして、このセンサヘッドに磁界が加わる
と磁歪材料が歪むためセンシング光ファイバコイルが伸
び縮みするので、このときセンシング光ファイバコイル
を伝わったセンシング光の位相が変化する。この位相変
化がＯ／Ｅ変換器の出力に現れる。センサヘッドに予め
正弦波状の励起磁界を加えた状態で、測定対象の磁気信
号を印加すると、Ｏ／Ｅ変換器出力の励起磁界成分が測
定対象の磁気信号で振幅変調される。この励起磁界成分
から磁気信号を復調してセンサヘッドに入力した測定対
象の磁気信号を検出する。
と磁歪材料が歪むためセンシング光ファイバコイルが伸
び縮みするので、このときセンシング光ファイバコイル
を伝わったセンシング光の位相が変化する。この位相変
化がＯ／Ｅ変換器の出力に現れる。センサヘッドに予め
正弦波状の励起磁界を加えた状態で、測定対象の磁気信
号を印加すると、Ｏ／Ｅ変換器出力の励起磁界成分が測
定対象の磁気信号で振幅変調される。この励起磁界成分
から磁気信号を復調してセンサヘッドに入力した測定対
象の磁気信号を検出する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構造のセンサヘッドでは、光ファイバと磁性材料を支
持するため、センシング光ファイバコイルの両端を固定
している。この構造では、磁気信号により磁歪材料が歪
み、センシング光ファイバコイルの磁歪材料を接着した
部分が伸び縮みしたとき、センシング光ファイバコイル
の両端の円弧を描いた部分とその周辺が変形する。した
がって、光ファイバコイル全体の光路長変化量と比例す
る光の位相変化量が、磁歪材料の歪みと単純な比例関係
ではなくなり、センサ動作の線形性が低下する。また、
光ファイバコイルが変形するときの光ファイバコイルの
弾性で光ファイバコイルの伸び縮みを抑制する力が働き
感度が低下するという問題があった。
の構造のセンサヘッドでは、光ファイバと磁性材料を支
持するため、センシング光ファイバコイルの両端を固定
している。この構造では、磁気信号により磁歪材料が歪
み、センシング光ファイバコイルの磁歪材料を接着した
部分が伸び縮みしたとき、センシング光ファイバコイル
の両端の円弧を描いた部分とその周辺が変形する。した
がって、光ファイバコイル全体の光路長変化量と比例す
る光の位相変化量が、磁歪材料の歪みと単純な比例関係
ではなくなり、センサ動作の線形性が低下する。また、
光ファイバコイルが変形するときの光ファイバコイルの
弾性で光ファイバコイルの伸び縮みを抑制する力が働き
感度が低下するという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
磁気センサは、センシング光ファイバとリファレンス光
ファイバを有する光ファイバ干渉計の前記センシング光
ファイバに磁歪材料を接着した光ファイバ磁気センサに
おいて、前記センシング光ファイバに接着された磁歪材
料をその歪み方向の一方のみにより固定する固定手段を
設けたものである。その結果、磁歪材料の歪みを抑制す
る力が軽減され磁気検出感度が向上すると共に、磁歪材
料の歪み以外でのセンシング光ファイバの変形が低減さ
れセンサ計測値の線形性が向上する。
磁気センサは、センシング光ファイバとリファレンス光
ファイバを有する光ファイバ干渉計の前記センシング光
ファイバに磁歪材料を接着した光ファイバ磁気センサに
おいて、前記センシング光ファイバに接着された磁歪材
料をその歪み方向の一方のみにより固定する固定手段を
設けたものである。その結果、磁歪材料の歪みを抑制す
る力が軽減され磁気検出感度が向上すると共に、磁歪材
料の歪み以外でのセンシング光ファイバの変形が低減さ
れセンサ計測値の線形性が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】実施形態１ 図１は本発明の実施形態１に係る光ファイバ磁気センサ
の構成図であり、図２は図１の磁気センサヘッドの斜視
図である。図１、２において、１は光源であり、例えば
レーザ光源を用いる。２はPhaseGenerated Carrier
（以下ＰＧＣと記す）信号発生器であり、光源１の発生
するレーザ光を周波数変調するための変調信号（例えば
正弦波信号）を発生する。３は光ファイバ、４は入力側
の光カプラ、５は長円形のコイル状に巻かれたセンシン
グ光ファイバコイル、６はリファレンス光ファイバであ
る。
の構成図であり、図２は図１の磁気センサヘッドの斜視
図である。図１、２において、１は光源であり、例えば
レーザ光源を用いる。２はPhaseGenerated Carrier
（以下ＰＧＣと記す）信号発生器であり、光源１の発生
するレーザ光を周波数変調するための変調信号（例えば
正弦波信号）を発生する。３は光ファイバ、４は入力側
の光カプラ、５は長円形のコイル状に巻かれたセンシン
グ光ファイバコイル、６はリファレンス光ファイバであ
る。
【０００９】また、７はシート状に形成された磁歪材料
（この例ではアモルファス金属）であり、図の上下方向
（信号検出方向と同一方向）がその歪み方向である。８
は励起磁界を発生するための励起コイルであり、磁歪材
料７の外側に配置される。９は励起信号発生器であり、
正弦波状の励起信号を発生して励起コイル８とＡＭ復調
器１５に供給する。１０は例えば糸等の補強具、１１は
磁歪材料７をその歪み方向（図の上下方向）の一方（図
の下側）のみで固定する固定部、１２は出力側の光カプ
ラ、１３はＯ／Ｅ（光／電気）変換器、１４はＰＧＣ復
調器、１５はＡＭ復調器である。
（この例ではアモルファス金属）であり、図の上下方向
（信号検出方向と同一方向）がその歪み方向である。８
は励起磁界を発生するための励起コイルであり、磁歪材
料７の外側に配置される。９は励起信号発生器であり、
正弦波状の励起信号を発生して励起コイル８とＡＭ復調
器１５に供給する。１０は例えば糸等の補強具、１１は
磁歪材料７をその歪み方向（図の上下方向）の一方（図
の下側）のみで固定する固定部、１２は出力側の光カプ
ラ、１３はＯ／Ｅ（光／電気）変換器、１４はＰＧＣ復
調器、１５はＡＭ復調器である。
【００１０】図１の構成を図２を参照して説明する。光
源１からの出力光が入力される入力側の光カプラ４、セ
ンシング光ファイバコイル５、リファレンス光ファイバ
６、及び出力側の光カプラ１２によりマッハ・ツェンダ
光干渉計が構成される（図１の破線で囲まれる部分を参
照）。干渉計の出力は、Ｏ／Ｅ変換器１３を介してＰＧ
Ｃ復調器１４に接続され、このＰＧＣ復調器１４の出力
はＡＭ復調器１５に接続される。光源１とＰＧＣ復調器
１４には、ＰＧＣホモダイン変調と復調のために、ＰＧ
Ｃ信号発生器２の発生出力がそれぞれ接続される。
源１からの出力光が入力される入力側の光カプラ４、セ
ンシング光ファイバコイル５、リファレンス光ファイバ
６、及び出力側の光カプラ１２によりマッハ・ツェンダ
光干渉計が構成される（図１の破線で囲まれる部分を参
照）。干渉計の出力は、Ｏ／Ｅ変換器１３を介してＰＧ
Ｃ復調器１４に接続され、このＰＧＣ復調器１４の出力
はＡＭ復調器１５に接続される。光源１とＰＧＣ復調器
１４には、ＰＧＣホモダイン変調と復調のために、ＰＧ
Ｃ信号発生器２の発生出力がそれぞれ接続される。
【００１１】センシング光ファイバコイル５は、断面が
図１の長円（一対の平行線とその平行線の両端を結ぶ２
つの円弧とにより形成される長円）の形状で、図２の斜
視図に示す奥行き方向に光ファイバが何回かコイル状に
巻かれ、前記一対の平行線とその奥行き深さとにより形
成される２つの（図示の左側と右側の）各平坦部には、
その表側と裏側の両方又はいずれか一方（図示では両側
としている）にシート状のアモルファス金属磁歪材料７
がそれぞれ接着されている。ここで前記平行線の長さ方
向（図示の信号検出方向と同一の上下方向）が磁歪材料
７の歪み方向となるように選定する。そしてこれらの
（図示では４個の）磁歪材料７の歪み方向の一方（図示
では下側）が固定部１１に固定された構造になっている
（図２の斜視図を参照）。
図１の長円（一対の平行線とその平行線の両端を結ぶ２
つの円弧とにより形成される長円）の形状で、図２の斜
視図に示す奥行き方向に光ファイバが何回かコイル状に
巻かれ、前記一対の平行線とその奥行き深さとにより形
成される２つの（図示の左側と右側の）各平坦部には、
その表側と裏側の両方又はいずれか一方（図示では両側
としている）にシート状のアモルファス金属磁歪材料７
がそれぞれ接着されている。ここで前記平行線の長さ方
向（図示の信号検出方向と同一の上下方向）が磁歪材料
７の歪み方向となるように選定する。そしてこれらの
（図示では４個の）磁歪材料７の歪み方向の一方（図示
では下側）が固定部１１に固定された構造になっている
（図２の斜視図を参照）。
【００１２】なおセンシング光ファイバコイル５と２つ
の磁歪材料７を接着する樹脂は、樹脂の硬化後、センシ
ング光ファイバコイル５と磁歪材料７が大きく変形しな
い適度の硬さで、磁歪材料の磁気歪を強く抑制しない程
度の軟らかさをもつ硬度のものが使用される。またセン
シング光ファイバコイル５、磁歪材料７、励起コイル
８、補強具１０及び固定部１１により磁気センサヘッド
が構成される。
の磁歪材料７を接着する樹脂は、樹脂の硬化後、センシ
ング光ファイバコイル５と磁歪材料７が大きく変形しな
い適度の硬さで、磁歪材料の磁気歪を強く抑制しない程
度の軟らかさをもつ硬度のものが使用される。またセン
シング光ファイバコイル５、磁歪材料７、励起コイル
８、補強具１０及び固定部１１により磁気センサヘッド
が構成される。
【００１３】またセンシング光ファイバコイル５を小形
化するため、長円形状の光ファイバの弧を描いた部分の
曲げ半径を小さくする場合等に、光ファイバの弧を描い
た部分の反発力によるセンシング光ファイバコイル５の
変形が樹脂だけでは抑えられない場合に、糸等の補強具
１０を長円形状光ファイバコイル５の固定部１１で固定
されていない方（図示の上側）の弧の部分に取付け、光
ファイバの反発力を抑える。前記４つの磁歪材料７は、
励起信号発生器９に接続された励起コイル８の内側に配
置される。この励起コイル８とＡＭ復調器１５には、励
起信号発生器９の発生した正弦波状の励起信号が供給さ
れる。
化するため、長円形状の光ファイバの弧を描いた部分の
曲げ半径を小さくする場合等に、光ファイバの弧を描い
た部分の反発力によるセンシング光ファイバコイル５の
変形が樹脂だけでは抑えられない場合に、糸等の補強具
１０を長円形状光ファイバコイル５の固定部１１で固定
されていない方（図示の上側）の弧の部分に取付け、光
ファイバの反発力を抑える。前記４つの磁歪材料７は、
励起信号発生器９に接続された励起コイル８の内側に配
置される。この励起コイル８とＡＭ復調器１５には、励
起信号発生器９の発生した正弦波状の励起信号が供給さ
れる。
【００１４】図１の動作を説明する。ＰＧＣ信号発生器
２から供給される正弦波の変調信号によりＰＧＣ変調さ
れたレーザ光が光源１から出力され、光ファバ３を通っ
て、入力側の光カプラ４により２つの光に分岐される。
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイル５を通
過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバ６を通過
する。このとき励起コイル８は、励起信号発生器９から
供給される正弦波状の励起信号に基づき励起磁界を発生
しているので、この励起磁界によって前記合計４個の磁
歪材料７はその歪み方向（図の信号検出方向）に伸び縮
みし、これらの磁歪材料７に接着されているセンシング
光ファイバコイル５の光ファイバ部分も共に伸び縮みす
る。従ってこのときセンシング光ファイバコイル５内を
伝搬するセンシング光には励起信号による位相変化が生
じる。
２から供給される正弦波の変調信号によりＰＧＣ変調さ
れたレーザ光が光源１から出力され、光ファバ３を通っ
て、入力側の光カプラ４により２つの光に分岐される。
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイル５を通
過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバ６を通過
する。このとき励起コイル８は、励起信号発生器９から
供給される正弦波状の励起信号に基づき励起磁界を発生
しているので、この励起磁界によって前記合計４個の磁
歪材料７はその歪み方向（図の信号検出方向）に伸び縮
みし、これらの磁歪材料７に接着されているセンシング
光ファイバコイル５の光ファイバ部分も共に伸び縮みす
る。従ってこのときセンシング光ファイバコイル５内を
伝搬するセンシング光には励起信号による位相変化が生
じる。
【００１５】センシング光ファイバコイル５の通過光と
リファレンス光ファイバ６の通過光は光カプラ１２に入
力され、光カプラ１２は２つの入力光を干渉させ、その
干渉結果の光を出力する。上記のように構成された光フ
ァイバ磁気センサのセンサヘッドに外部磁界が印加され
ると、磁歪材料７には励起磁界と外部磁界とが重畳され
た磁界が印加され、センシング光ファイバコイル５を通
過するセンシング光には、２つの重畳磁界に基づく位相
変化が生じる。そして光カプラ１２は、前記重畳磁界に
基づく位相変化に対応して変化した干渉光を出力する。
リファレンス光ファイバ６の通過光は光カプラ１２に入
力され、光カプラ１２は２つの入力光を干渉させ、その
干渉結果の光を出力する。上記のように構成された光フ
ァイバ磁気センサのセンサヘッドに外部磁界が印加され
ると、磁歪材料７には励起磁界と外部磁界とが重畳され
た磁界が印加され、センシング光ファイバコイル５を通
過するセンシング光には、２つの重畳磁界に基づく位相
変化が生じる。そして光カプラ１２は、前記重畳磁界に
基づく位相変化に対応して変化した干渉光を出力する。
【００１６】光カプラ１２から出力される干渉光は、Ｏ
／Ｅ変換器１３を介して電気信号に変換されてＰＧＣ復
調器１４に供給される。ＰＧＣ復調器１４は、ＰＧＣ信
号発生器２からのＰＧＣ信号を用い、入力信号をパッシ
ブホモダイン処理で復調する。このＰＧＣ復調器１４の
出力には、前記励起磁界と外部磁界との重畳磁界の印加
により磁歪材料７を介して生じたセンシング光ファイバ
５におけるセンシング光の位相変化が現れている。換言
すると外部磁界が印加されることによって、ＰＧＣ復調
器１４の出力の励起磁界成分は外部磁界信号によって振
幅変調を受けている。
／Ｅ変換器１３を介して電気信号に変換されてＰＧＣ復
調器１４に供給される。ＰＧＣ復調器１４は、ＰＧＣ信
号発生器２からのＰＧＣ信号を用い、入力信号をパッシ
ブホモダイン処理で復調する。このＰＧＣ復調器１４の
出力には、前記励起磁界と外部磁界との重畳磁界の印加
により磁歪材料７を介して生じたセンシング光ファイバ
５におけるセンシング光の位相変化が現れている。換言
すると外部磁界が印加されることによって、ＰＧＣ復調
器１４の出力の励起磁界成分は外部磁界信号によって振
幅変調を受けている。
【００１７】そこでＰＧＣ復調器１４の出力はＡＭ復調
器１５に供給され、ＡＭ復調器１５は、励起信号発生器
９から供給される励起信号を用いて、前記励起磁界成分
から外部磁界信号を復調して、磁歪材料７に印加された
外部磁気信号を検出する。なお信号の検出方向は図示の
上下方向であり、外部磁気信号は直流又は交流のいずれ
でも検出できる。
器１５に供給され、ＡＭ復調器１５は、励起信号発生器
９から供給される励起信号を用いて、前記励起磁界成分
から外部磁界信号を復調して、磁歪材料７に印加された
外部磁気信号を検出する。なお信号の検出方向は図示の
上下方向であり、外部磁気信号は直流又は交流のいずれ
でも検出できる。
【００１８】本実施形態１では、磁歪材料７の歪み方向
の片側のみを固定部１１に固定した構造とすることで、
磁界による磁歪材料７の歪みを抑制する力が軽減されて
いるため、磁気検出感度が向上する。また磁界による磁
歪材料７の歪み以外でのセンシング光ファイバコイル５
の変形が抑制される構造であるので、センサ計測値の線
形性が向上する。
の片側のみを固定部１１に固定した構造とすることで、
磁界による磁歪材料７の歪みを抑制する力が軽減されて
いるため、磁気検出感度が向上する。また磁界による磁
歪材料７の歪み以外でのセンシング光ファイバコイル５
の変形が抑制される構造であるので、センサ計測値の線
形性が向上する。
【００１９】実施形態２ 図３は本発明の実施形態２に係る光干渉計部分の構成図
であり、図４は図３の磁気センサヘッドの斜視図であ
る。図３，４において、２１は光ファイバコイル
（Ａ）、２２は光ファイバコイル（Ｂ）、２３はヨー
ク、２４は磁歪材料、２５は励起コイル、２６は固定
部、２７，２８はそれぞれ光カプラである。前記実施形
態１における図１の破線で囲まれた光干渉計部分の代り
に、図３の構成の光干渉計部分を使用することにより、
実施形態２における光ファイバ磁気センサは構成され
る。従って実施形態２では、光干渉計部分のみを説明す
る。
であり、図４は図３の磁気センサヘッドの斜視図であ
る。図３，４において、２１は光ファイバコイル
（Ａ）、２２は光ファイバコイル（Ｂ）、２３はヨー
ク、２４は磁歪材料、２５は励起コイル、２６は固定
部、２７，２８はそれぞれ光カプラである。前記実施形
態１における図１の破線で囲まれた光干渉計部分の代り
に、図３の構成の光干渉計部分を使用することにより、
実施形態２における光ファイバ磁気センサは構成され
る。従って実施形態２では、光干渉計部分のみを説明す
る。
【００２０】図３の構成を図４を参照して説明する。光
ファイバ（Ａ）２１、光ファイバコイル（Ｂ）２２は、
それぞれ図１，２におけるセンシング光ファイバコイル
５とほぼ同様に構成される。即ち断面が長円（前記一対
の平行線とその平行線の両端を結ぶ２つの円弧により形
成される長円）の形状で奥行き方向（図４の左右の方
向）に、ほぼ同じ長さの光ファイバがコイル状に巻か
れ、そのコイル面は平行に配置される。そして各光ファ
イバコイルの前記一対の平行線とその奥行き深とにより
形成される平坦部の表側と裏側の両方又はいずれか一方
（図３の右図では両側として示される）にシート状のア
モルファス金属磁歪材料２４がそれぞれ接着されてい
る。ここで前記平行線の長さ方向（図示の信号検出方向
と同一の方向）が磁歪材料２４の歪み方向となるように
選定する。
ファイバ（Ａ）２１、光ファイバコイル（Ｂ）２２は、
それぞれ図１，２におけるセンシング光ファイバコイル
５とほぼ同様に構成される。即ち断面が長円（前記一対
の平行線とその平行線の両端を結ぶ２つの円弧により形
成される長円）の形状で奥行き方向（図４の左右の方
向）に、ほぼ同じ長さの光ファイバがコイル状に巻か
れ、そのコイル面は平行に配置される。そして各光ファ
イバコイルの前記一対の平行線とその奥行き深とにより
形成される平坦部の表側と裏側の両方又はいずれか一方
（図３の右図では両側として示される）にシート状のア
モルファス金属磁歪材料２４がそれぞれ接着されてい
る。ここで前記平行線の長さ方向（図示の信号検出方向
と同一の方向）が磁歪材料２４の歪み方向となるように
選定する。
【００２１】そしてこれらの（この例では光ファイバコ
イル（Ａ）２１に４個、光ファイバコイル（Ｂ）２２に
４個の合計８個の）磁歪材料２４の歪み方向の一方（図
示では下側）が固定部２６に固定された構造になってい
る（図４の斜視図を参照）。また光ファイバ（Ａ）２１
と光ファイバ（Ｂ）２２の平坦部の表側と裏側にそれぞ
れ接着された磁歪材料２４の両端が磁気的に結合するよ
うに４つのヨーク２３（図４の斜視図を参照）が配置さ
れ、ループ状に閉じた磁気回路が構成されている。但し
固定部２６の反対側に配置されるヨーク２３は、磁歪材
料２４の歪みを抑制しないように、磁歪材料２４に直接
接触しないようにわずかに離して配置される。
イル（Ａ）２１に４個、光ファイバコイル（Ｂ）２２に
４個の合計８個の）磁歪材料２４の歪み方向の一方（図
示では下側）が固定部２６に固定された構造になってい
る（図４の斜視図を参照）。また光ファイバ（Ａ）２１
と光ファイバ（Ｂ）２２の平坦部の表側と裏側にそれぞ
れ接着された磁歪材料２４の両端が磁気的に結合するよ
うに４つのヨーク２３（図４の斜視図を参照）が配置さ
れ、ループ状に閉じた磁気回路が構成されている。但し
固定部２６の反対側に配置されるヨーク２３は、磁歪材
料２４の歪みを抑制しないように、磁歪材料２４に直接
接触しないようにわずかに離して配置される。
【００２２】磁歪材料２４とヨーク２３で構成された磁
気回路には、励起コイル２５が巻かれている。この励起
コイル２５の向きは、同じ光ファイバコイルに接着して
ある４個の磁歪材料２４には同じ方向の磁界が加わり、
光ファイバコイル（Ａ）２１に接着してある４個の磁歪
材料２４と光ファイバコイル（Ｂ）２２に接着してある
４個の磁歪材料２４とには、互に逆方向の磁界が加わる
向きに巻いてある。なお、この実施形態２では、上記磁
歪材料２４とヨーク２３で構成される磁気回路にそれぞ
れ巻かれる励起コイルをリング状に接続して単一のトロ
イダルコイルを形成し、効率良く磁界を発生させるよう
にしている。
気回路には、励起コイル２５が巻かれている。この励起
コイル２５の向きは、同じ光ファイバコイルに接着して
ある４個の磁歪材料２４には同じ方向の磁界が加わり、
光ファイバコイル（Ａ）２１に接着してある４個の磁歪
材料２４と光ファイバコイル（Ｂ）２２に接着してある
４個の磁歪材料２４とには、互に逆方向の磁界が加わる
向きに巻いてある。なお、この実施形態２では、上記磁
歪材料２４とヨーク２３で構成される磁気回路にそれぞ
れ巻かれる励起コイルをリング状に接続して単一のトロ
イダルコイルを形成し、効率良く磁界を発生させるよう
にしている。
【００２３】光ファイバコイル（Ａ）２１と光ファイバ
コイル（Ｂ）２２のそれぞれの両端に光カプラ２７，２
８が接続されてマッハ・ツェンダ光干渉計が構成され
る。即ち入力光は一方の光カプラで２つに分岐され、２
つの光ファイバコイルのそれぞれの一端に入力され、２
つの光ファイバコイルのそれぞれの他端からの出力光は
他方の光カプラで干渉させて出力する（図３の左図を参
照）。そして２つの光ファイバコイル２１，２２の下側
の円弧部分と、光カプラ２７，２８と、これらの間を接
続する光ファイバとは固定部２６に固定されている。上
記光干渉計以外は、実施形態１と同様に光ファイバ磁気
センサは構成される。
コイル（Ｂ）２２のそれぞれの両端に光カプラ２７，２
８が接続されてマッハ・ツェンダ光干渉計が構成され
る。即ち入力光は一方の光カプラで２つに分岐され、２
つの光ファイバコイルのそれぞれの一端に入力され、２
つの光ファイバコイルのそれぞれの他端からの出力光は
他方の光カプラで干渉させて出力する（図３の左図を参
照）。そして２つの光ファイバコイル２１，２２の下側
の円弧部分と、光カプラ２７，２８と、これらの間を接
続する光ファイバとは固定部２６に固定されている。上
記光干渉計以外は、実施形態１と同様に光ファイバ磁気
センサは構成される。
【００２４】図３の動作を説明する。励起信号発生器９
（図１を参照）からの交流励起信号によって励起コイル
２５に交流電流を流すと、光ファイバコイル（Ａ）２１
に接着した磁歪材料２４と、光ファイバコイル（Ｂ）２
２に接着した磁歪材料２４には互に相反する方向に交流
励起磁界が発生する。ここに、測定対象である磁気信号
ＨS が印加されたときの光ファイバコイル（Ａ）２１と
光ファイバコイル（Ｂ）２２の歪み量をそれぞれξA と
ξB とすると、これらは下記の（１），（２）式で表さ
れる。
（図１を参照）からの交流励起信号によって励起コイル
２５に交流電流を流すと、光ファイバコイル（Ａ）２１
に接着した磁歪材料２４と、光ファイバコイル（Ｂ）２
２に接着した磁歪材料２４には互に相反する方向に交流
励起磁界が発生する。ここに、測定対象である磁気信号
ＨS が印加されたときの光ファイバコイル（Ａ）２１と
光ファイバコイル（Ｂ）２２の歪み量をそれぞれξA と
ξB とすると、これらは下記の（１），（２）式で表さ
れる。
【００２５】 ξA ＝Ｃ（ＨS −ＨACcos ωm ｔ）2 …（１） ξB ＝Ｃ（ＨS ＋ＨACcos ωm ｔ）2 …（２）
【００２６】ここで、ＨS は外部から印加された磁気信
号、ＨACとωm は交流励起磁界の振幅と角周波数、Ｃは
磁歪材料の磁歪特性で決まる一般に定数として扱える量
である。このように磁歪材料２４は、励起磁界と外部磁
界との重畳された磁界により歪み、この磁歪材料２４の
歪みに比例して光ファイバコイル（Ａ）２１と（Ｂ）２
２も歪む。
号、ＨACとωm は交流励起磁界の振幅と角周波数、Ｃは
磁歪材料の磁歪特性で決まる一般に定数として扱える量
である。このように磁歪材料２４は、励起磁界と外部磁
界との重畳された磁界により歪み、この磁歪材料２４の
歪みに比例して光ファイバコイル（Ａ）２１と（Ｂ）２
２も歪む。
【００２７】光源１（図１を参照）から出力されるＰＧ
Ｃ変調されたレーザ光は、入力側の光カプラ２７で２つ
の光に分岐され、その一方の分岐光は光ファイバコイル
（Ａ）２１を通過し、他方の分岐光は光ファイバコイル
（Ｂ）２２を通過する。この光ファイバコイル（Ａ）２
１と（Ｂ）２２を通過した光の位相は、各光ファイバの
歪により変化する。そして光ファイバコイル（Ａ）２１
と（Ｂ）２２を通過した２つの光を出力側の光カプラ２
８で干渉させて出力し、Ｏ／Ｅ変換器１３（図１を参
照）に供給する。
Ｃ変調されたレーザ光は、入力側の光カプラ２７で２つ
の光に分岐され、その一方の分岐光は光ファイバコイル
（Ａ）２１を通過し、他方の分岐光は光ファイバコイル
（Ｂ）２２を通過する。この光ファイバコイル（Ａ）２
１と（Ｂ）２２を通過した光の位相は、各光ファイバの
歪により変化する。そして光ファイバコイル（Ａ）２１
と（Ｂ）２２を通過した２つの光を出力側の光カプラ２
８で干渉させて出力し、Ｏ／Ｅ変換器１３（図１を参
照）に供給する。
【００２８】Ｏ／Ｅ変換器１３によって電気信号に変換
される出力信号の位相に、２つの光ファイバコイル
（Ａ）２１と（Ｂ）２２を通過した光の位相差Δθが現
れる。そしてこの位相差Δθは次の（３）式で示され
る。
される出力信号の位相に、２つの光ファイバコイル
（Ａ）２１と（Ｂ）２２を通過した光の位相差Δθが現
れる。そしてこの位相差Δθは次の（３）式で示され
る。
【００２９】 Δθ＝ａ（ξB −ξA ）＝４ａＣＨS ＨACcos ωm ｔ …（３）
【００３０】ここで、ａは光ファイバコイルのファイバ
長等で決まる定数である。Ｏ／Ｅ変換器１３から出力さ
れる２つの光ファイバコイルの位相差Δθは、ＰＧＣ復
調器１４（図１を参照）によりパッシブホモダイン処理
で復調され、ＡＭ復調器１５（図１を参照）によりＡＭ
復調され、測定対象である磁気信号ＨS が検出される
（この動作は図１の場合と同様である）。なお信号の検
出方向は図示の上下方向であり、測定対象の磁気信号Ｈ
S は、直流又は交流のいずれでも検出できる。
長等で決まる定数である。Ｏ／Ｅ変換器１３から出力さ
れる２つの光ファイバコイルの位相差Δθは、ＰＧＣ復
調器１４（図１を参照）によりパッシブホモダイン処理
で復調され、ＡＭ復調器１５（図１を参照）によりＡＭ
復調され、測定対象である磁気信号ＨS が検出される
（この動作は図１の場合と同様である）。なお信号の検
出方向は図示の上下方向であり、測定対象の磁気信号Ｈ
S は、直流又は交流のいずれでも検出できる。
【００３１】本実施形態２では、下記の効果を得ること
ができる。 （１）磁歪材料２４の片側だけを固定部２６に固定した
ことで磁歪材料２４の磁界による歪みを抑制する力が軽
減されているため磁気検出感度が向上する。 （２）磁歪材料２４の磁界による歪み以外でのセンシン
グファイバ（Ａ）２１，（Ｂ）２２の変形が抑えられる
構成であるためセンサ計測値の線形性が向上する。 （３）光ファイバコイル（Ａ）２１と光ファイバコイル
（Ｂ）２２のファイバ長がほぼ均一なため、２つの光フ
ァイバコイル内で起こる温度変動による位相変化が同量
同方向になる。したがって、２つの光ファイバコイルを
通過した光の位相差を検出する本実施形態２では、温度
変動による位相変化が抑制される。 （４）干渉計を構成する２つの光カプラと光ファイバコ
イルを一体にしてあるので振動による雑音が抑制され
る。 （５）交流バイアス磁界の発生にトロイダルコイルを用
いているので、有限長のソレノイドコイルに比べて小さ
い電流で交流バイアス磁界を発生することができる。 （６）固定部２６の反対側のヨーク２３が磁歪材料２４
に直接接触しないように構成してあるため、磁歪材料の
歪みを妨げることなく高感度に磁気信号を検出できる。
ができる。 （１）磁歪材料２４の片側だけを固定部２６に固定した
ことで磁歪材料２４の磁界による歪みを抑制する力が軽
減されているため磁気検出感度が向上する。 （２）磁歪材料２４の磁界による歪み以外でのセンシン
グファイバ（Ａ）２１，（Ｂ）２２の変形が抑えられる
構成であるためセンサ計測値の線形性が向上する。 （３）光ファイバコイル（Ａ）２１と光ファイバコイル
（Ｂ）２２のファイバ長がほぼ均一なため、２つの光フ
ァイバコイル内で起こる温度変動による位相変化が同量
同方向になる。したがって、２つの光ファイバコイルを
通過した光の位相差を検出する本実施形態２では、温度
変動による位相変化が抑制される。 （４）干渉計を構成する２つの光カプラと光ファイバコ
イルを一体にしてあるので振動による雑音が抑制され
る。 （５）交流バイアス磁界の発生にトロイダルコイルを用
いているので、有限長のソレノイドコイルに比べて小さ
い電流で交流バイアス磁界を発生することができる。 （６）固定部２６の反対側のヨーク２３が磁歪材料２４
に直接接触しないように構成してあるため、磁歪材料の
歪みを妨げることなく高感度に磁気信号を検出できる。
【００３２】前記実施形態１，２においては、光干渉計
としてマッハ・ツェンダ光干渉計を構成する例で説明し
たが、マイケルソン光干渉計など他の型の光干渉計を構
成することもできる。例えばマイケルソン光干渉計の場
合には、出力側の光カプラの代りにミラーを設け、この
ミラーからの反射光を入力側に戻し、入力側ではこの反
射光を入力光と分離してＯ／Ｅ変換器１３に供給するよ
うにすればよい。また実施形態１，２においては、ＰＧ
Ｃホモダイン方式で干渉計での光の位相差を検出する例
を説明したが、アクティブホモダイン方式、ヘテロダイ
ン方式などの他の方式を用いることもできる。また実施
形態１，２においては、磁歪材料としてアモルファス金
属磁歪材料を用いる例を説明したが、他の磁歪材料を用
いて構成することもできる。
としてマッハ・ツェンダ光干渉計を構成する例で説明し
たが、マイケルソン光干渉計など他の型の光干渉計を構
成することもできる。例えばマイケルソン光干渉計の場
合には、出力側の光カプラの代りにミラーを設け、この
ミラーからの反射光を入力側に戻し、入力側ではこの反
射光を入力光と分離してＯ／Ｅ変換器１３に供給するよ
うにすればよい。また実施形態１，２においては、ＰＧ
Ｃホモダイン方式で干渉計での光の位相差を検出する例
を説明したが、アクティブホモダイン方式、ヘテロダイ
ン方式などの他の方式を用いることもできる。また実施
形態１，２においては、磁歪材料としてアモルファス金
属磁歪材料を用いる例を説明したが、他の磁歪材料を用
いて構成することもできる。
【００３３】また実施形態１，２においては、センサ光
ファイバコイルの内側と外側に各１枚の磁歪材料を接着
する例を説明したが、片側のみに磁歪材料を接着して
も、また内側と外側にそれぞれ複数枚接着してもよい。
また実施形態２では、固定部２６と反対側の光ファイバ
の弧を描いた部分の反発力による光ファイバコイルの変
形を抑える補強具を用いない例で説明したが、実施形態
１の場合と同様に補強具を取り付けて構成することもで
きる。実施形態１，２においては、センサ光ファイバを
コイル状に巻いて磁歪材料と接着した例を説明したが、
コイル状に巻かずに１本だけで構成してもよい。
ファイバコイルの内側と外側に各１枚の磁歪材料を接着
する例を説明したが、片側のみに磁歪材料を接着して
も、また内側と外側にそれぞれ複数枚接着してもよい。
また実施形態２では、固定部２６と反対側の光ファイバ
の弧を描いた部分の反発力による光ファイバコイルの変
形を抑える補強具を用いない例で説明したが、実施形態
１の場合と同様に補強具を取り付けて構成することもで
きる。実施形態１，２においては、センサ光ファイバを
コイル状に巻いて磁歪材料と接着した例を説明したが、
コイル状に巻かずに１本だけで構成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、センシン
グ光ファイバとリファレンス光ファイバを有する光ファ
イバ干渉計の前記センシング光ファイバに磁歪材料を接
着した光ファイバ磁気センサにおいて、前記センシング
光ファイバに接着された磁歪材料をその歪み方向の一方
のみにより固定する固定手段を設けるようにしたので、
その結果、磁歪材料の歪みを抑制する力が軽減され磁気
検出感度が向上すると共に、磁歪材料の歪み以外でのセ
ンシング光ファイバの変形が低減されセンサ計測値の線
形性が向上する。
グ光ファイバとリファレンス光ファイバを有する光ファ
イバ干渉計の前記センシング光ファイバに磁歪材料を接
着した光ファイバ磁気センサにおいて、前記センシング
光ファイバに接着された磁歪材料をその歪み方向の一方
のみにより固定する固定手段を設けるようにしたので、
その結果、磁歪材料の歪みを抑制する力が軽減され磁気
検出感度が向上すると共に、磁歪材料の歪み以外でのセ
ンシング光ファイバの変形が低減されセンサ計測値の線
形性が向上する。
【図１】本発明の実施形態１に係る光ファイバ磁気セン
サの構成図である。
サの構成図である。
【図２】図１の磁気センサヘッドの斜視図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る光干渉計部分の構成
図である。
図である。
【図４】図３の磁気センサヘッドの斜視図である。
１ 光源 ２ ＰＧＣ信号発生器 ３ 光ファイバ ４，２７ 光カプラ ５ センシング光ファイバコイル ６ リファレンス光ファイバ ７，２４ 磁歪材料 ８，２５ 励起コイル ９ 励起信号発生器 １０ 補強具 １１，２６ 固定部 １２，２８ 光カプラ １３ Ｏ／Ｅ変換器 １４ ＰＧＣ復調器 １５ ＡＭ復調器 ２３ ヨーク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA00 BB03 CC04 EE04 FF01 GG02 GG24 GG70 HH01 KK01 2G017 AA01 AB07 AD11 BA03
Claims (9)
- 【請求項１】 センシング光ファイバとリファレンス光
ファイバを有する光ファイバ干渉計の前記センシング光
ファイバに磁歪材料を接着した光ファイバ磁気センサに
おいて、 前記センシング光ファイバに接着された磁歪材料をその
歪み方向の一方のみにより固定する固定手段を設けたこ
とを特徴とする光ファイバ磁気センサ。 - 【請求項２】 前記センシング光ファイバをコイル状に
巻き、このコイル状に巻かれたセンシング光ファイバの
伸縮方向と直交する対向部分にそれぞれ磁歪材料を接着
したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ磁気セ
ンサ。 - 【請求項３】 前記コイル状に巻かれたセンシング光フ
ァイバにそれぞれ接着された磁歪材料の外側に巻かれ交
流励起される励起コイルを設けたことを特徴とする請求
項２記載の光ファイバ磁気センサ。 - 【請求項４】 前記コイル状に巻かれたセンシング光フ
ァイバの前記固定手段と反対側の円弧部分について、こ
の円弧部分の反発力による変形を抑える円弧保持手段を
設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の光ファイ
バ磁気センサ。 - 【請求項５】 互に平行に配置された２つの光ファイバ
を有する光ファイバ干渉計の前記２つの光ファイバにそ
れぞれ磁歪材料を接着した光ファイバ磁気センサにおい
て、 前記２つの光ファイバにそれぞれ接着された磁歪材料を
その歪み方向の一方のみにより固定する固定手段を設け
たことを特徴とする光ファイバ磁気センサ。 - 【請求項６】 前記２つの光ファイバをそれぞれコイル
状に巻き、そのコイル面を平行に配置すると共に、前記
コイル状に巻かれた各光ファイバの伸縮方向と直交する
対向部分にそれぞれ磁歪材料を接着したことを特徴とす
る請求項５記載の光ファイバ磁気センサ。 - 【請求項７】 前記コイル状に巻かれた２つの光ファイ
バの伸縮方向と直交する対向部分にそれぞれ接着された
磁歪材料の外側にそれぞれ巻かれた励起コイルと、前記
それぞれの励起コイルに互に逆方向の交流励起を行い、
相互に反対方向の励起磁界を発生させる交流励起手段と
を設けたことを特徴とする請求項６記載の光ファイバ磁
気センサ。 - 【請求項８】 前記コイル状に巻かれた２つの光ファイ
バにそれぞれ接着された２つの磁歪材料の両端の間にそ
れぞれ磁性材料を設けて磁気閉回路を形成し、且つ前記
固定手段と反対側に設けられた磁性材料は前記２つの磁
歪材料と接触しないように配置された磁気閉回路形成手
段を設けたことを特徴とする請求項６又は７記載の光フ
ァイバ磁気センサ。 - 【請求項９】 前記磁気閉回路形成手段内の各磁性材料
の外側にそれぞれ励起コイルを巻いて、この磁性材料に
それぞれ巻かれた励起コイルと前記磁歪材料にそれぞれ
巻かれた励起コイルとをリング状に接続して単一のトロ
イダルコイルを形成するようにしたことを特徴とする請
求項８記載の光ファイバ磁気センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001052263A JP3493552B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | 光ファイバ磁気センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001052263A JP3493552B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | 光ファイバ磁気センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002257912A true JP2002257912A (ja) | 2002-09-11 |
| JP3493552B2 JP3493552B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=18912921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001052263A Expired - Lifetime JP3493552B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | 光ファイバ磁気センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3493552B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011069700A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| JP2011069704A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| JP2012145596A (ja) * | 2012-05-07 | 2012-08-02 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| CN110412486A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-11-05 | 杭州电子科技大学 | 最佳灵敏度频率位置可调谐的光学空心管腔磁场传感系统 |
-
2001
- 2001-02-27 JP JP2001052263A patent/JP3493552B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011069700A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| JP2011069704A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| JP2012145596A (ja) * | 2012-05-07 | 2012-08-02 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| CN110412486A (zh) * | 2019-07-10 | 2019-11-05 | 杭州电子科技大学 | 最佳灵敏度频率位置可调谐的光学空心管腔磁场传感系统 |
| CN110412486B (zh) * | 2019-07-10 | 2021-03-16 | 杭州电子科技大学 | 最佳灵敏度频率位置可调谐的光学空心管腔磁场传感系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3493552B2 (ja) | 2004-02-03 |
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