JP2003255031A - 光ファイバ磁気センサ - Google Patents

光ファイバ磁気センサ

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JP2003255031A
JP2003255031A JP2002053957A JP2002053957A JP2003255031A JP 2003255031 A JP2003255031 A JP 2003255031A JP 2002053957 A JP2002053957 A JP 2002053957A JP 2002053957 A JP2002053957 A JP 2002053957A JP 2003255031 A JP2003255031 A JP 2003255031A
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metal
coated optical
coated
magnetic sensor
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Katsumi Sakai
克巳 酒井
Shuichi Sunahara
秀一 砂原
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Hitachi Cable Ltd
Toyota Motor Corp
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Hitachi Cable Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属被覆光ファイバの支持部材が1種類でよ
く、高感度で測定周波数帯域が広い光ファイバ磁気セン
サを提供する。 【解決手段】 一対の金属被覆光ファイバコイル3a、
3bの金属被覆にそれぞれ流れる交流電源としての可変
移相器12a、12bの周波数が同一であるので、交流
電流の位相差をπ/2とすることにより、検出手段の出
力が、光量等により決定される定数と、感度と、磁束密
度と、交流電流との積で表され、予め求められた定数
と、感度と、電流との積から磁束密度を求めることがで
きる。また、参照磁場発生器21a、21bと、駆動回
路22a、22bとを用いて金属被覆光ファイバコイル
3a、3bの近傍に磁場を発生させることにより、光フ
ァイバ磁気センサの校正を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ磁気セ
ンサに関する。
【0002】
【従来の技術】図2は光ファイバ磁気センサの従来例を
示すブロック図である(特開平11−316268号公
報)。
【0003】この光ファイバ磁気センサは、マッハ・ツ
ェンダ光干渉計を利用したものである。
【0004】光源1から出射した光は、光ファイバに導
かれ、光ファイバカプラ2aで2方向に分岐される。分
岐された光のうち一方(図では上側)の光は、金属被覆
光ファイバコイル3a及び位相変調器4aを経由し、光
ファイバカプラ2bに至る。他方(図では下側)の光
は、金属被覆光ファイバコイル3b及び位相変調器4b
を経由し、光ファイバカプラ2bに至る。光ファイバカ
プラ2bでは分岐された両方の光が合波される。合波さ
れた光は、受光器5a、5bで電気信号に変換される。
両受光器5a、5bで検出された信号は、差動増幅器6
で直流成分が除去された後、同期検波器16、17a、
17bに送られる。
【0005】一方の金属被覆光ファイバコイル3aの金
属被覆には、金属被覆光ファイバコイル3aの共振周波
数にほぼ等しい周波数で発振する発振器11aにより、
Asin(ωAt)の交流電流が供給される。
【0006】金属被覆光ファイバコイル3aの軸方向の
磁束密度がBAであるとすると、金属被覆光ファイバコ
イル3aの金属被覆にローレンツ力が発生し、金属被覆
光ファイバコイル3aの光ファイバに作用する。このロ
ーレンツ力により、金属被覆光ファイバ3aに伸縮が生
じ、金属被覆光ファイバ3aの光路長が変化するため、
マッハ・ツェンダ干渉計の2つの光路を通る光に位相差
ΦAが生じる。この位相差ΦAは数1式で表すことができ
る。
【0007】
【数1】ΦA=GAAAsin(ωAt+θA) ここで、GAは金属被覆光ファイバコイル3aの磁気感
度であり、θAは交流電流と光路長変化との間の位相差
である。
【0008】他方の金属被覆光ファイバコイル3bの金
属被覆には、金属被覆光ファイバコイル3bの共振周波
数にほぼ等しい周波数で発振する発振器11bによりI
Bsin(ωBt)の交流電流が供給される。このとき、
金属被覆光ファイバコイル3aの場合と同様に、マッハ
・ツェンダ干渉計の2つの光路を通る光に数2式で表さ
れる位相差ΦBが生じる。
【0009】
【数2】ΦB=GBBBsin(ωBt+θB) ここで、BBは金属被覆光ファイバコイル3bの軸方向
の磁束密度であり、GBは金属被覆光ファイバコイル3
bの磁気感度であり、θBは交流電流と光路長変化との
位相差である。
【0010】また、位相変調器4bに角周波数ωRの交
流電圧を印加して数3式で表される位相変調を行う。
【0011】
【数3】ΦR=ΦR0sin(ωRt) なお、位相変調器4aによる位相差は発生していないも
のとする。
【0012】以上において、差動増幅器の出力Vは、数
4式で表される。
【0013】
【数4】V=V0cos(ΦD+ΦR+ΦA+ΦB) ここで、V0は光量等により決定される定数であり、ΦD
はΦR=ΦA=ΦB=0におけるマッハ・ツェンダ干渉計
の2つの光路を通る光の位相差である。また、位相差Φ
R+ΦA+ΦBが十分に小さいとして数4式をΦDの近傍で
テーラー展開すると、数5式となる。
【0014】
【数5】 V=V0cos(ΦD)−V0sin(ΦD)(ΦR+ΦA+ΦB) −V0cos(ΦD)(ΦR+ΦA+ΦB2 マッハ・ツェンダ干渉計においては、位相差ΦDが周囲
温度等により非常に変化しやすいため、位相差ΦDを一
定に保つための制御が必要となる。
【0015】この制御について説明する。
【0016】数5式に含まれる角周波数ωR成分はV0
in(ΦD)に比例し、角周波数2ωR成分はV0cos
(ΦD)に比例するので、同期検波器16でωR成分及び
2ω R成分の振幅等を測定することにより、位相差ΦD
求められる。
【0017】制御回路15により位相変調器4aで発生
する位相差を変化させて、ΦD=−π/2となるように
制御を行うと数5式は数6式となる。
【0018】
【数6】V=V0(ΦR+ΦA+ΦB) =V0(ΦR+GAAAsin(ωAt+θA) +GBBBsin(ωBt+θB)) 次に、磁気量について説明する。
【0019】同期検波器17aにて、出力Vに含まれる
角周波数ωAの成分を検波位相θAで同期検波すると、V
0AAA/2を得ることができる。ここで、角周波数
ωの成分を検波位相θで同期検波することは、数6式に
sin(ωt+θ)を乗算した後に直流成分を取り出す
ことを意味するものとする。予めV0AA/2を求め
ておけば、以上の方法により磁束密度BAを測定するこ
とができる。また、磁束密度BBについても同様の方法
で測定することができる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の光ファイバ磁気センサは、差動増幅器の出力には、
ωA及びωBの角周波数成分が含まれている。また、一般
に、同期検波器17a、17bには図3に示した構成の
回路が用いられる。
【0021】図3は図2に示した光ファイバ磁気センサ
に用いられる同期検波器のブロック図である。図4
(a)は図2に示した光ファイバ磁気センサに用いられ
る金属被覆光ファイバコイルの感度特性を示す図であ
り、図4(b)は図2に示した光ファイバ磁気センサに
用いられる金属被覆光ファイバコイルの位相特性を示す
図である。図4(a)において横軸は角周波数を示し、
縦軸は感度を示し、図4(b)において横軸は角周波数
を示し、縦軸は位相を示している。
【0022】図3に示す同期検波器17a、17b内に
差動増幅器6からの信号が入力すると共に、位相器30
3に同期信号が入力すると、乗算器301において?ωA
−ω B?の角周波数成分が発生するので、この角周波数成
分をローパスフィルタ(LPF)302で除去する必要
がある。つまり、測定周波数帯域が?ωA−ωB?より低い
周波数に制限される。
【0023】一方、金属被覆光ファイバコイル3a、3
bの感度特性G(ω)は、図4(a)に示すように金属
被覆光ファイバコイル3a、3bの曲げ半径により決ま
る共振周波数ωにピークを有する正規曲線形状となる。
【0024】このため、2つの金属被覆光ファイバ3
a、3bの曲げ半径を同一とした場合には、図5(a)
に示すように?ωA−ωB?を大きくすると感度G(ω)が
低下してしまう。つまり、感度G(ω)と測定周波数帯
域との間にはトレードオフの関係がある。このトレード
オフをなくすためには、図5(b)に示すように?ωA
ωB?を大きくとっても感度G(ω)が低下しないように
2つの金属被覆光ファイバ3a、3bの曲げ半径が異な
る値を取るようにすればよい。
【0025】図5(a)、(b)は図2に示した光ファ
イバ磁気センサの問題点を説明するための説明図であ
る。
【0026】しかし、この場合、金属被覆光ファイバ3
a、3bをほぼ円形平面形状に支持する部品(例えば、
十字平面形状で側面が円筒の一部をなす図示しない台
座)として、曲げ半径(外径)の異なる2種類の部品が
必要となり、部品調達、工程管理、製品コスト等の点で
不利となるという問題があった。
【0027】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、金属被覆光ファイバの支持部材が1種類でよく、高
感度で測定周波数帯域が広い光ファイバ磁気センサを提
供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光ファイバ磁気センサは、光源からの光を2
分岐する第1の光カプラと、第1の光カプラの分岐側に
接続された2つの金属被覆光ファイバコイルと、両金属
被覆光ファイバコイルの金属被覆にそれぞれ交流電流を
供給する交流電源と、両金属光ファイバコイルを結合す
る第2の光カプラと、第2の光カプラに接続され、外部
磁束との相互作用によって各金属被覆光ファイバコイル
の周方向に生じた伸縮或いは径方向に生じた側圧変化に
よる光路差変化を光の強弱信号として検出する検出手段
とを備えた光ファイバ磁気センサにおいて、両交流電源
の周波数を同一としたものである。
【0029】上記構成に加え本発明の光ファイバ磁気セ
ンサは、一方の金属被覆光ファイバコイルの金属被覆に
流れる交流電流の位相と他方の金属被覆光ファイバコイ
ルの金属被覆に流れる交流電流の位相との差がπ/2と
なるように制御する制御回路を有するのが好ましい。
【0030】上記構成に加え本発明の光ファイバ磁気セ
ンサは、金属被覆光ファイバコイルの近傍にそれぞれ配
置され、参照のための磁場を発生する参照磁場発生器
と、参照磁場発生器を駆動する駆動回路とを有してもよ
い。
【0031】本発明によれば、一対の金属被覆光ファイ
バコイルの金属被覆にそれぞれ流れる交流電源の周波数
が同一であるので、交流電流の位相差をπ/2とするこ
とにより、検出手段の出力が、光量等により決定される
定数と、感度と、磁束密度と、交流電流との積で表さ
れ、予め求められた定数と、感度と、電流との積から磁
束密度を求めることができる。
【0032】また、参照磁場発生器と、駆動回路とを用
いて金属被覆光ファイバコイルの近傍に磁場を発生させ
ることにより、光ファイバ磁気センサの校正を行うこと
ができる。
【0033】
【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。
【0034】図1は本発明の光ファイバ磁気センサの一
実施の形態を示すブロック図である。
【0035】まず、光ファイバ磁気センサの構成につい
て説明する。
【0036】光源(例えばレーザダイオード、若しくは
発光ダイオード)1の出力端に、入力光を2分岐する第
1の光カプラとしての2入力2出力光カプラ(以下「2
×2光カプラ」という。)2aの入力端が接続され、2
×2光カプラ2aの一方(図では上側)の分岐側には金
属被覆光ファイバコイル3aの光ファイバの一端が接続
されている。2×2光カプラ2aの他方(図では下側)
の分岐側には金属被覆光ファイバコイル3bの光ファイ
バの一端が接続されている。両金属被覆光ファイバコイ
ル3a、3bは同一材質(例えばフェノール樹脂)で同
一径の台座に巻き回されており、中心軸が平行になるよ
うに配置されている。
【0037】両金属被覆光ファイバコイル3a、3bの
光ファイバの他端には位相変調器4a、4bの入力端が
それぞれ接続されており、両位相変調器4a、4bの出
力端は第2の光カプラとしての2×2光カプラ2bの結
合側に接続されている。
【0038】2×2光カプラの分岐側2bには2つの受
光器(例えばフォトダイオード、若しくはフォトトラン
ジスタ)5a、5bがそれぞれ接続されており、両受光
器5a、5bの出力は差動増幅器6の反転入力端子及び
非反転入力端子にそれぞれ接続されている。差動増幅器
6の出力端は3つの同期検波器16、17a、17bの
一方の入力端に接続されている。同期検波器17a、1
7bの検波位相はそれぞれ0、π/2に設定されてい
る。
【0039】11、14は共に角周波数がωcの発振器
であり、発振器11の出力は2つの可変移相器12a、
12b及び2つの同期検波器17a、17bの入力端子
に接続され、発振器14の出力は同期検波器16と位相
変調器4bの入力端にそれぞれ接続されている。
【0040】同期検波器16の出力端は制御回路15の
入力端に接続され、制御回路15の出力端は位相変調器
4aの入力端に接続されている。両可変移相器12a、
12bは両金属被覆光ファイバコイル3a、3bの金属
被覆の両端にそれぞれ接続されており、両金属被覆光フ
ァイバコイル3a、3bの金属被覆に角周波数ωcの交
流電流で駆動するようになっている。交流電流の位相
は、可変移相器12a、12bによりそれぞれ独立な値
に設定できるようになっている。
【0041】両金属被覆光ファイバコイル3a、3bの
近傍には参照磁場発生器としてのコイル21a、21b
が同軸になるようにそれぞれ配置されている。両コイル
21a、21bにはそれぞれ駆動回路22a、22bが
接続されている。センサ出力は同期検波器17a、17
bからそれぞれ出力されるようになっている。
【0042】次に光ファイバ磁気センサの作用について
説明する。
【0043】まず、参照磁場発生器21a、21bで磁
場を発生させていない場合について考える。
【0044】可変移相器12a、12bでの移相量をそ
れぞれαA、αBとすると、数6式は数7式となる。
【0045】
【数7】 V=V0(ΦR+GAAAsin(ωct+θA+αA) +GBBBsin(ωct+θB+αB)) このとき、θA+αA=0及びθB+αB=π/2を満たす
ように、移相量αA、αBを設定すると、数7式の右辺の
第2項、第3項は位相がπ/2だけ異なることになる。
従って、同期検波器17aの出力は数7式の右辺の第2
項及び第3項は位相がπ/2だけ異なることになる。従
って、同期検波器17aの出力は数7式の第3項の影響
を受けなくなり、その出力はV0AAA/2となる。
【0046】同期検波器17aの出力と、予め求めてお
いたV0AA/2とから磁束密度BAを求めることがで
きる。磁束密度BBについても同様にして求めることが
できる。
【0047】次に位相θA、θBが周囲温度等により変化
する場合、高精度な測定を行うためには、定期的に校正
を行う必要がある。例えば、θB+αB−π/2の値が約
0.09rad(約5°)になると、同期検波器17a
の出力には、数7式の第3項の振幅の約9%(=sin
(0.09))の値が測定誤差として含まれる。
【0048】校正には、参照磁場発生器21a、21b
で磁場を発生させることにより行われる。
【0049】参照磁場発生器21aにより、金属被覆光
ファイバコイル3aの周囲の磁束密度を時間的に変化さ
せると(この磁束密度の変化をB0(t)と表記す
る。)、同期検波器16の出力にはB0(t)に比例し
た変化がみられる(この比例定数をxとする。)。同期
検波器16の出力は、移相量αAが正しい値に設定され
ている場合には変化しないが、移相量αAが正しい値か
らずれていると、B0(t)に比例した変化がみられる
(この比例定数をyとする。)。このとき、tanz=
y/xを満たすzだけ移相量αAがずれていることにな
るので、この分だけ補正を行う。移相量αBも同様の方
法で校正を行う。
【0050】以上において、1つのマッハ・ツェンダ干
渉計を2つの磁気センサとして使用する場合、2つの金
属被覆光ファイバ3a、3bを支持する部品(台座)を
共通の部品とすることができ、かつ、高感度、広測定周
波数帯域である光ファイバ磁気センサを提供することが
できる。
【0051】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、金属被覆
光ファイバの支持部材が1種類でよく、高感度で測定周
波数帯域が広い光ファイバ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】本発明の光ファイバ磁気センサの一実施の形態
を示すブロック図である。
【図2】光ファイバ磁気センサの従来例を示すブロック
図である。
【図3】図2に示した光ファイバ磁気センサに用いられ
る同期検波器のブロック図である。
【図4】(a)は図2に示した光ファイバ磁気センサに
用いられる金属被覆光ファイバコイルの感度特性を示す
図であり、(b)は図2に示した光ファイバ磁気センサ
に用いられる金属被覆光ファイバコイルの位相特性を示
す図である。
【図5】(a)、(b)は図2に示した光ファイバ磁気
センサの問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1 光源 2a、2b 光カプラ 3a、3b 金属被覆光ファイバコイル 4a、4b 位相変調器 5a、5b 受光器 6 差動増幅器 11、14 発振器 12a、12b 可変移相器 15 制御回路 16、17a、17b 同期検波器 21a、21b 参照磁場発生器 22a、22b 駆動回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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) 2G017 AA07 AD10 AD11 BA03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源からの光を2分岐する第1の光カプ
    ラと、第1の光カプラの分岐側に接続された2つの金属
    被覆光ファイバコイルと、両金属被覆光ファイバコイル
    の金属被覆にそれぞれ交流電流を供給する交流電源と、
    両金属光ファイバを結合する第2の光カプラと、第2の
    光カプラに接続され、外部磁束との相互作用によって各
    金属被覆光ファイバコイルの周方向に生じた伸縮或いは
    径方向に生じた側圧変化による光路差変化を光の強弱信
    号として検出する検出手段とを備えた光ファイバ磁気セ
    ンサにおいて、両交流電源の周波数を同一としたことを
    特徴とする光ファイバ磁気センサ。
  2. 【請求項2】 一方の金属被覆光ファイバコイルの金属
    被覆に流れる交流電流の位相と他方の金属被覆光ファイ
    バコイルの金属被覆に流れる交流電流の位相との差がπ
    /2となるように制御する制御回路を有する請求項1に
    記載の光ファイバ磁気センサ。
  3. 【請求項3】 上記金属被覆光ファイバコイルの近傍に
    それぞれ配置され、参照のための磁場を発生する参照磁
    場発生器と、該参照磁場発生器を駆動する駆動回路とを
    有する請求項1または2に記載の光ファイバ磁気セン
    サ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011079664A1 (zh) * 2009-12-31 2011-07-07 上海舜宇海逸光电技术有限公司 光纤磁光探测系统和方法
CN108519566A (zh) * 2018-04-11 2018-09-11 北京航空航天大学 一种基于光频移调制的serf原子磁强计装置及方法

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