JP2004219137A - Reflection type optical magnetic field sensor head - Google Patents

Reflection type optical magnetic field sensor head Download PDF

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JP2004219137A
JP2004219137A JP2003004165A JP2003004165A JP2004219137A JP 2004219137 A JP2004219137 A JP 2004219137A JP 2003004165 A JP2003004165 A JP 2003004165A JP 2003004165 A JP2003004165 A JP 2003004165A JP 2004219137 A JP2004219137 A JP 2004219137A
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Kazushi Shirai
一志 白井
Tetsuya Iishi
哲也 飯石
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple measuring instrument that can accurately measure rotating speeds and has a light weight more inexpensively and in a large amount. <P>SOLUTION: This reflection type optical magnetic field sensor head is constituted so that its optical path may intersect the normal to the main surface of a Faraday rotator at an angle of 5 to 20° by successively arranging a two-core ferrule or glass capillary to which two optical fibers are stuck, a double refraction plate, a lens, the Faraday rotator composed of a bismuth-substituted rare-earth-iron-garnet single-crystal film, and a mirror in this order. Consequently, the size of the sensor head can be reduced and the head hardly causes PDL. In addition, the head has a large SN ratio. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット膜のファラデー効果を利用した光磁界センサヘッドに関する。更に詳しくいえば、本発明は、部品点数が少なく、小型軽量で、信頼性が高く、しかも量産が容易な反射型光磁界センサヘッドの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、汎用されている工業用装置や民生機器などには、モーター等の回転装置或いは歯車などの回転部分を有しているものが多い。これらの装置や機器では、科学技術の進歩と、地球環境保護・省エネルギーに対する社会的要請が高まっている。これらの要請に対応するために、航空機や船舶などの産業用装置や、乗用車などの民生機器の制御が、より高度にかつ高精度に行われるようになってきた。回転機器や回転装置を、より高度にかつ高精度に制御するためには、その回転速度(数)を連続的に、しかも正確に測定しなければならない。そのためには、先ず、より正確に回転速度を計測することのできる、簡便で軽量な測定装置を開発して、より安価に、しかも、大量に提供する必要がある。
【0003】
回転速度(数)を測定する方法として、既に、電磁誘導を利用する方法(センサ技術、1986年、12月号、68頁)(非特許文献1)や磁気光学材料のファラデー効果を利用した光磁界センサを用いる方法(アプライド・オプテイックス(Applied Optics)第28巻、第11号、1992頁(1989年))が提案されている(非特許文献2)。
【0004】
電磁誘導を利用する方法は、既に、航空機用エンジンや自動車用エンジンなどの回転速度(数)の計測に用いられている。しかし、電磁誘導を利用した回転速度計には、計測端子と機器本体との間を結ぶ伝送線路(ケーブル)が電磁気的雑音を受け易いと言った重大な欠点がある。また、磁界の計測部が電気回路で構成されるので、有機溶剤などの可燃性物質を取り扱う危険物製造所や危険物取扱所では、計測装置の防爆対策を実施しなければならないと言う重大な問題点がある。
【0005】
これに対して、例えば、磁気光学材料が示すファラデー効果を利用した光磁界方式による回転速度の計測では、電磁的な雑音の影響がほとんど無いとか、有機溶剤などの可燃性物質を扱う場所でも防爆対策が不要であるなどの特長を有する。
【0006】
ビスマス置換希土類鉄ガーネット膜等の磁気光学特性を利用した光磁界センサの基本原理は、外部磁界の影響によって磁気光学材料の磁区構造が変化するという現象を利用するものである。即ち、磁区構造を有する磁気光学材料を透過した光は、その磁区構造によって回折現象を起すが、透過光の一部である0次回折光は外部磁界によって変化した磁区構造の違いの影響を受け、その量に応じて偏光面が回転するとともに、光強度そのものも変化する。そこで、偏光面の変化を光強度の変化に変換、または光強度そのものの変化を検知及び計数をして回転速度(数)を測定するものである。
【0007】
光磁界センサには、透過型と反射型とがある。透過型は、その構成部品の性質から、信号光の入射および透過の方向が一直線上となるように配置しなければならないので、その設置場所に制約がある。したがって、その使用目的と設置場所によっては、採用できない。
【0008】
透過型光磁界センサの欠点を改善する構成として、本発明者等は、ファラデー効果が非常に大きいビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜をファラデー回転子として用いた、小型で高性能の反射型光磁界センサを提案した(特許文献1)。
【0009】
図7は、特開平11−44744号公報に記載された反射型光磁界センサヘッドの構成を示す。この反射型光磁界センサヘッドでは、光源として半導体レーザや発光ダイオードが適している。しかし、同公報に開示された反射型光回転センサヘッドでは、特定の偏光方向の光のみを通過させる偏光素子26を用いている。このため、入射光が完全なランダム偏光、または円偏光に近い必要があるといった制約から、半導体レーザではなく発光ダイオードを採用した。また安価に入手できることから、短波長帯域の発光ダイオードが好ましい。
【0010】
【非特許文献1】
センサ技術、1986年、12月号、68頁
【非特許文献2】
アプライド・オプテイックス(Applied Optics)第28巻、第11号、1992頁(1989年))
【特許文献1】
特開平11−44744号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光ダイオードは、発振波長の波長分布が広いことに加えて、またファラデー回転子にはファラデー回転角の波長依存性があるので、特開平11−44744号公報に開示された反射型光磁界センサヘッドのSN比は、13〜15dB程度が限界であった。近年、光通信システムが普及して、安価に半導体レーザが入手できるようになった。発振波長の波長分布がほとんど無い半導体レーザを用いることで、SN比は30dB以上にも向上する。しかし、半導体レーザは一定の偏光方向を持つ光であることから、特開平11−44744号公報の反射型光磁界センサヘッドでは、入射光の偏光方向によって損失に差が生じる。すなわち、大きな偏光依存損失(PLD)を有するので、光磁界センサシステムを構成する上で問題であった。
【0012】
また、光磁界センサヘッド内部において、レンズから出射する光のビーム径は、同一レンズを使った場合、使用した光ファイバーの開口数に依存する。小型化を図るためには、光磁界センサヘッドには開口数の小さな、例えば、シングルモード光ファイバーを使用することが有効であるが、開口数の小さなシングルモード光ファイバーに、発光ダイオードの光を効率良く結合することは技術的に困難である。
【0013】
【課題を解決するための手段】
図1は、本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド(本明細書ではOMS−Iと呼ぶ)の全体構成の一例を示す。また、上述したように、本願の発明者等は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いた反射型光磁界センサの問題点を解決するため鋭意検討した結果、2本の光ファイバーを固着した2芯のフェルールまたはガラスキャピラリー11、偏光素子21、レンズ31、ビスマス置換稀土類鉄ガーネット単結晶からなるファラデー回転子41、ミラー51の順に配置し、前記ファラデー回転子に入射する光の光路とファラデー回転子の主面に対する法線とがなす角度が、5度以上、20度以下の範囲であることを特徴とする反射型光磁界センサを考案した。
【0014】
本発明の反射型光磁界センサ(OMS−I)の原理を以下に説明する。図2(a)から図2(d)は、OMS−Iの動作原理を示した図である。ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜は外部磁界の有無によって、磁気的に飽和状態又は未飽和状態になり、飽和状態と未飽和状態の違いは、磁区構造の変化となって現れる。すなわち、飽和状態は、図2(a)や図2(b)に示す単一磁区構造(シングルドメインともいう)であり、未飽和状態は、図2(c)や図2(d)に示す多磁区構造(マルチドメインともいう)である。光がビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を透過し、さらにミラー等で反射されて戻ってくる際、ガーネット単結晶膜がシングルドメインであるかマルチドメインであるかによって、光の偏波面が変化する。その結果、戻ってきた光が偏光子を透過すると、光の強度が変化する。OMS−Iでは、磁区構造の状態の変化を、光の強度の変化に置き換えて検出する。
【0015】
マルチドメインを有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の各磁区は、膜面に垂直な磁気異方性を有し、膜面内にて二次元に広がり、入射光に対して十分に細かな磁区幅を有する。この多磁区構造を有する膜面に対して、光が垂直に入射した場合、前記多磁区構造によって回折現象が生じ、透過光の一部が回折することになるが、その挙動は極めて複雑である。前記マルチドメインを有するファラデー回転子を垂直に通過する、いわゆる0次光(回折しない光成分)は、外部磁界の大きさに比例した磁区構造の変化を反映し、外部磁界の大きさにほぼ比例したファラデー回転を受けることになる。また、回折光は、入射光の偏光面に対して90度の偏光面を有することになる。例えば、ファラデー回転子が90度のファラデー回転角を有する場合、理論的には、膜を通過する光全体が、入射光の偏光面に対して90度の偏光面を有する光となり、回折光と0次光との区別が付かなくなる。SN比をできるだけ大きくしようとする場合、光がファラデー回転子を片道だけ透過すると45度、往復で90度のファラデー回転角が得られる回転子が好適となり、本発明においてもこの条件を満足することが好ましい。
特開平11−44744号公報及び本発明では、光路が、ファラデー回転子の主面に対する法線と一定の角度を有することに特徴がある。
【0016】
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の法線に対して、光が斜めに入射し、膜を透過後にミラーにより反射して、膜を逆方向に透過するとき、シングルドメイン状態(図2(b))にある場合と、マルチドメイン状態(図2(d))にある場合とで、戻ってきた光の偏波面に変化が見られる。シングルドメインの場合は、ファラデー回転を受ける。マルチドメインの場合は、実質的にはファラデー回転を受けない。マルチドメインの場合は、光線が個々の磁区を通過する際、隣り合う磁区は互いに逆向きのファラデー回転を与えるので、全体としては干渉しあって打ち消し合うからである。
【0017】
図3(a)から図3(d)は、ファラデー回転子に垂直に光が入射した場合のファラデー回転を表す。ファラデー回転子がシングルドメインである場合、膜の主面に垂直な方向に光線が入射すると、膜を通過した後、光線がミラー51で反射されて、図3(b)のように、逆方向に膜を通過する。例えばファラデー回転角度が45度回転する素子であれば、往復90度となる。マルチドメインである場合、図3(d)のように、膜の主面に垂直な方向に光線が入射すると、個々の磁区を通過した後、光線がミラー51で反射されて、同じ磁区を逆方向に通過する。したがって、例えばファラデー回転角度が45度回転する素子であれば、往復90度となる。すなわち、どの磁区を通過する場合でも、反射光の偏光面は入射光の偏光面に対して垂直(90度)となり、シングルドメインの場合と変わらなくなるのである。また、前述したように、マルチドメインによる回折光の偏光面は、入射光の偏光面と90度になる。上述のとおり、膜の主面に垂直な方向に光線が入射する場合、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が磁気的に飽和された状態と未飽和状態とでは、戻ってきた光の偏光面の回転角度に区別が無くなる。
【0018】
図4は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子を、一定の間隔に直列に並べた反射型光磁界センサヘッドを表す。例えば、磁石が、この反射型光磁界センサに近づく場合には、個々のファラデー回転子が順番に磁化され、個々のファラデー回転子が磁化される度に、反射光の光強度が変化するので、磁石の特定位置が検知できるようになる。この原理を利用すると、例えば、シリンダ内部における磁石の位置の検知が可能になるのである。
【0019】
図5は、本発明に係わるもう一つの反射型光磁界センサヘッド(本明細書ではOMS−IIと呼ぶ)の全体構成を示す。この反射型光磁界センサヘッドは、ファラデー回転子以外はOMS−Iと同一構造である。すなわち2本の光ファイバーを固着した2芯のフェルールまたはガラスキャピラリー11、複屈折板21、レンズ31、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子41、ミラー51の順に配置したことを特徴とする。この反射型光磁界センサヘッドは、ファラデー回転子に入射する光の光路がファラデー回転子の主面に対して、垂直であり、ファラデー回転子は熱処理によって磁気異方性を減じたファラデー回転子であり、かつファラデー回転子の面に平行な方向には一定の外部磁界が加わるように永久磁石45、46を配置したことを特徴とする。
【0020】
一般に液相エピタキシャル法(LPE法)によって結晶育成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、強い成長誘導磁気異方性を有している。この成長誘導磁気異方性によって、膜面に垂直な方向に磁化した磁区が生じ、膜面内で二次元に広がる磁区構造を有している。この磁区構造は、膜面に垂直に加わった外部磁界の影響を受け、その外部磁界の大きさに応じて変化する。しかし、膜面に平行な方向の外部磁界の影響はほとんど受けない。しかしながら、成長誘導磁気異方性は、熱処理によって消失することが知られている。前記OMS−IIは、熱処理によって成長誘導磁気異方性を除去したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる。
【0021】
本発明の反射型光磁界センサ(OMS−II)の原理を以下に説明する。図6(a)と図6(b)は、OMS−IIの動作原理の説明図であり、図5のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の膜面に垂直な成分を有する磁界が加わる場合(図6(a))と、膜面に対して垂直以外の角度をなす磁界が加わる場合(図6(b))とを、それぞれ、示す。
【0022】
熱処理によって成長誘導磁気異方性を除去したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜では、本来の磁気異方性のみを有することになり、膜面に垂直に磁化するのに必要な磁界、すなわち飽和磁界程度の磁界で、膜面に平行な方向にも磁化するようになる。すなわち、飽和磁界以上の外部磁界を加えると、シングルドメインを有し、外部磁界の方向にシングルドメインの磁化が容易に傾くようになる。
【0023】
OMS−IIは、熱処理によって磁気異方性を除去したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いる。磁気異方性を除去したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜では、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁化の方向が、外部磁界の方向と同じになる。永久磁石などによって、膜面に平行な方向に外部磁界を加えることで、磁化の方向は膜面に平行となる。したがって、膜面に垂直に光が透過しても、透過した光は、ファラデー効果を受けないが(図6(a))、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に膜面に垂直な成分を有する磁界が加わると、その外部磁界と、予め加えた膜面に対して平行な磁界との合成磁界の方向に、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁化が向くため、膜面に垂直に透過した光にファラデー効果が生じ、透過光の偏波面に変化が生じるようになる(図6(b))。
【0024】
膜面に平行な方向に磁化するためには、上述したように、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界以上の外部磁界が必要になる。この膜面に平行な磁界と、膜面に対して垂直な磁界(磁界センサが感知しようとする磁界)の合成磁界の方向に、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁化が向くことが、本発明の光磁界センサヘッドの動作原理である。したがって、本発明に用いるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の飽和磁界は小さいほど、光磁界センサヘッドとしての感度は上がるので好ましい。また、膜面に対して平行な方向の磁界を加えるための永久磁石は、検知しようとする磁界の影響を受けない材質でつくる必要があり、加えて前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を磁気的に飽和するのに最小の磁界を与えるように、サイズや配置を定める必要がある。OMS−IIにおいても、OMS−Iと同様に、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子を、一定の間隔で直列に並べることで、個々のファラデー回転子が磁化される度に、反射光の光強度が変化するので、例えばシリンダ内部における磁石の位置が検知できるようになる。
【0025】
上記のように、反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」と、「OMS−II」は共に、外部磁界の無い状態では、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を透過した光の偏光面には変化が無いが、外部磁界が加わると、透過光の偏光面が変化するようになる。反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」と、「OMS−II」は共に、入光側の光ファイバーから出射した光が、複屈折板により、偏光方向が互いに直交した光線に分離される。各光線は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子を透過し、ミラーにより反射して、再びファラデー回転子を透過して、レンズにより集光して、複屈折板により合流して、出光側の光ファイバーへ入る。このとき、ファラデー回転子を透過した光の偏向面が変化しなければ、すなわち、外部磁界が加わっていない場合は、ミラーが若干傾いていれば、ほぼ同じ光路を辿り出光側の光ファイバーへ結合する。
しかし、ファラデー回転子を透過した光の偏光面が変化する、すなわちファラデー回転子に外部磁界が加わると、ファラデー回転角に応じた量だけ、複屈折板によって光路の分離が更に起こるので、出光側の光ファイバーに入る光が減少する。この光量変化を検知することで、光磁界センサとして動作するのである。
【0026】
上記原理から、複屈折板の分離距離は、最大でも光ファイバーのクラッド径以上であれば十分である。原理的には、コア径以上でも良いが、クラッドに入った光も、短い距離であればクラッドモードとして伝搬する。このクラッドモードはノイズとなることから、クラッドモードでの伝搬を除去する必要が生じるので、複屈折板の分離距離はクラッド径以上が好ましい。
【0027】
本発明は、光ファイバーとレンズ間に複屈折板を配置していることに特徴がある。本発明では、分布屈折率レンズや球レンズ、非球面レンズなどが使用できる。例えば、特願平10−31057号公報の反射型光磁界センサヘッドと同じく、0.25ピッチの分布屈折板レンズを用いて、レンズの後に屈折板を用いた場合、レンズから出射された光は、レンズや光ファイバーの種類でも異なるが、0.4mm〜2mm以上の平行光となり、この平行光が、複屈折板によって、偏光方向が互いに直交した光線に分離する。この分離が不十分だと、ミラーで反射されて戻ってくる光が複屈折板にて合流するとき、分離すべき光が、合流すべき光の光路に重なり、出光側の光ファイバーに入ることになり、SN比が低下する。
しかし、光ファイバーとレンズの間に複屈折板を用いた場合は、レンズから出射した光は重なるが、反射した後、集光する際に分離されるため、SN比は低下しない。
【0028】
光入出力路は、一般に市販されている光ファイバや、或いは、ガラスや高分子フィルム母材内にパターニングされている光導波路を選ぶことができる。一般には、その量産性や小型化の観点から、特に、光ファイバを選ぶのが好ましい。さらに、光結合効率を上げるために、光入力路としての光ファイバの開口数は小さいことが好ましく、10〜50μmのコア径を有する小さなシングルモードファイバーやグレーテッドインデックスファイバを用いるのが良い。また、光出力路としては、組立が容易なことから、出光側の光ファイバのコア径は入光側と同じ、もしくは、それより大きいことが好ましい。また光入出力路間の距離は短いほうが良いことから、光ファイバ径の大きさが制限され、コア径10〜100μmの光ファイバーが好ましい。
【0029】
ファラデー回転子に用いる(111)ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜としては、下記の一般式で示される組成を有する希土類鉄ガーネット単結晶の中から適宜に選ぶのが好ましい。
R3−X BiX Fe5−Z AZ O12
ここで、Rは、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの群から選ばれる少なくとも一種であり、Aは、Ga、Sc、Al、Inの群から選ばれる少なくとも一種であり、Xの範囲は0.3≦X<2.0、Zの範囲は0≦Z≦1.0である。本発明のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、公知の方法によって製造することができる。とりわけ、製造装置の操作が容易で、しかも量産性に優れた液相エピタキシャル(LPE)法が好ましい。また、液相エピタキシャル法を実施するとき、その基板としては、公知の何れの基板も使用し得るが、一般には、SGGG基板と称して市販されている格子定数が12.490Åから12.515Åの非磁性ガーネット[(GdCa)3(GaMgZr)5O12]の中から適宜に選べば良い。本発明の反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」を実施するとき、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と光路とは5度以上の傾き角を持たせる必要がある。この傾き角は、原理的に90度未満であれば可能ではある。しかし、角度が大きくなるにつれて、センサとしてのSN比が大きくなるとともに、光入出力端からミラーまでの距離が長くなる。換言すれば、センサヘッドの長さが増すので好ましくない。したがって、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の法線に対する光線の角度は20度以下が好ましい。さらに好ましくは15度以下である。図4は、「OMS−I」に複数のファラデー回転子を挿入した例を示す模式図である。
【0030】
また、本発明の反射型光磁界センサヘッド「OMS−II」を実施するときは、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を熱処理して磁気異方性を減らす必要がある。磁気異方性を減らす手段としては、900〜1300℃での焼きなましが有効であるが(「磁気バブル」、桜井等、オーム社、1982年)、本発明を実施する場合、1100℃程度の温度にて十数時間焼なますことで、磁気異方性が十分減少させることができることを確認した。
【0031】
ミラーには、一般に市販されているガラス等に金属を蒸着した金属薄膜ミラー、若しくは、SiO2やTiO2等の金属酸化物の多層膜からなる誘電体多層膜ミラーなどの中から所望によって適宜に選べば良い。
【0032】
以下、本発明を実施例によって、その実施態様と効果を具体的に、かつ詳細に説明するが、以下の例は、具体的に説明するためのものであって、本発明の実施態様や発明の範囲を限定するものとしては意図されていない。
【0033】
【実施例】
実施例1
図1に示す構造の反射型光磁界センサヘッドを、以下のような部品を使用して作製した。入光側の光ファイバ12は、光ファイバ外径が125μmのシングルモード光ファイバである。出光側の光ファイバー13は、コア径が50μm、光ファイバ外径が125μmのマルチモード光ファイバーである。複屈折板21は1.265mmのルチル単結晶である。ファラデー回転子41は三菱ガス化学社製0.82μm用ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜である。ミラー51はガラスの基板側に蒸着したアルミニウム金属薄膜である。レンズ31は分布屈折率型レンズである。ファラデー回転子41は、光路に対して18度傾けて配置した。
【0034】
この光磁界センサヘッドに、820nmの波長を有する半導体レーザ光源の光を入光側のシングルモード光ファイバー12に入射させ、出光側の光ファイバー13から出射した光の光強度を光検出器にて測定しながら、磁界を徐々に印加した。その結果、ファラデー回転子41に磁界強度260(Oe)の磁界を印加したときに、ファラデー回転子が磁気的に飽和して、光出力は一定値となった。ファラデー回転子41に磁界を印加しない状態と、ファラデー回転子41に磁界強度260(Oe)の磁界を印加した状態との光強度差(すなわち、SN比)は28dBであった。
【0035】
実施例2
実施例1において、光をファラデー回転子の主面に対して6度の角度をなすように光を入射させた以外は、すべて実施例1と同様にして光磁界センサヘッドを作製し、実施例1と同様にして光強度差(SN比)を測定したところ24dBであった。
【0036】
実施例3
図5に示す構造の反射型光磁界センサヘッドを、以下のような部品を使用して作製した。入光側の光ファイバ12は光ファイバ外径が125μmのシングルモード光ファイバである。出光側の光ファイバー13は、コア径50μm外径125μmのマルチモード光ファイバーである。複屈折板21は1.265mmのルチル単結晶である。ファラデー回転子41は、焼きなましを行った三菱ガス化学社製1.31μm用ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜である。ミラー51はガラスの基板側に蒸着したアルミニウム金属薄膜である。レンズ31は半球レンズである。
【0037】
この光磁界センサヘッドに、1310nmの波長を有する半導体レーザ光源の光を入光側のシングルモード光ファイバー12に入射させ、出光側の光ファイバー13からの光の強度を光検出器により測定しながら、磁界を徐々に印加した。
その結果、ファラデー回転子41に磁界強度230(Oe)の磁界を印加したときに、ファラデー回転子41が磁気的に飽和して光出力が一定値となった。ファラデー回転子に磁界を印加しない状態と、ファラデー回転子41に磁界強度230(Oe)の磁界を印加した状態との光強度差は32dBであった。
【0038】
比較例1
実施例1において、光をファラデー回転子の主面に対して垂直に入射させる以外は、すべて実施例1と同様にして、光磁界センサヘッドを作製し、実施例1と同様にして光強度差を測定したところ4.2dBであった。
【0039】
【発明の効果】
正確に回転速度を計測する簡便で軽量な測定装置を、より安価に、しかも、大量に提供できる。検出信号のSN比が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」の全体構成の一例を示す模式図である。
【図2】(a)、(b)、(c)及び(d)は、本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」の動作原理を示した図である。
【図3】(a)、(b)、(c)及び(d)は、マルチドメインのファラデー回転子に垂直に光が入射した場合のファアデー回転を表す図である。
【図4】本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド「OMS−I」に複数のファラデー回転子を挿入した例を示す模式図である。
【図5】本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド「OMS−II」の全体構成の一例を示す模式図である。
【図6】本発明に係わる反射型光磁界センサヘッド「OMS−II」の動作原理を示した図であり、(a)は、膜面に垂直な成分を有する磁界が加わる場合を示し、(b)は、膜面に対して垂直以外の角度をなす磁界が加わる場合を示す。
【図7】特開平11−44744号公報に開示された反射型光磁界センサヘッドの全体構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
11 フェルールやガラスキャピラリなどの光ファイバー保持具、 12,13 光ファイバ、 21 複屈折板、 26 ガラス偏光素子、 31 レンズ、 41,42 ファラデー回転子、 45,46 永久磁石 51 ミラー。
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an optical magnetic field sensor head utilizing the Faraday effect of a bismuth-substituted rare earth iron garnet film. More specifically, the present invention relates to an improvement in a reflection type optical magnetic field sensor head which has a small number of parts, is small and lightweight, has high reliability, and is easily mass-produced.
[0002]
[Prior art]
At present, many industrial devices and consumer appliances generally used have a rotating device such as a motor or a rotating portion such as a gear. In these devices and devices, advances in science and technology and social demands for global environmental protection and energy saving are increasing. In order to respond to these demands, control of industrial devices such as aircraft and ships, and consumer devices such as passenger cars has been performed with higher precision and higher accuracy. In order to control a rotating device or a rotating device with higher precision and higher accuracy, the rotation speed (number) must be continuously and accurately measured. For that purpose, it is necessary to develop a simple and lightweight measuring device capable of more accurately measuring the rotation speed, and to provide it inexpensively and in large quantities.
[0003]
As a method of measuring the rotation speed (number), a method using electromagnetic induction (sensor technology, December 1986, p. 68) (Non-Patent Document 1) or light utilizing the Faraday effect of a magneto-optical material has already been used. A method using a magnetic field sensor (Applied Optics, Vol. 28, No. 11, p. 1992 (1989)) has been proposed (Non-Patent Document 2).
[0004]
The method using electromagnetic induction has already been used for measuring the rotational speed (number) of an aircraft engine, an automobile engine, and the like. However, the tachometer using electromagnetic induction has a serious drawback that a transmission line (cable) connecting a measurement terminal and a device body is susceptible to electromagnetic noise. In addition, since the magnetic field measurement unit is composed of an electric circuit, it is important to note that explosion-proof measures must be taken for measuring equipment at hazardous material factories and hazardous material handling sites that handle flammable substances such as organic solvents. There is a problem.
[0005]
On the other hand, for example, in the measurement of the rotation speed by the optical magnetic field method using the Faraday effect shown by the magneto-optical material, there is almost no effect of electromagnetic noise or explosion-proof even in places handling flammable substances such as organic solvents. Features such as no need for countermeasures.
[0006]
The basic principle of an optical magnetic field sensor using magneto-optical characteristics of a bismuth-substituted rare earth iron garnet film or the like utilizes a phenomenon that a magnetic domain structure of a magneto-optical material changes due to an external magnetic field. That is, the light transmitted through the magneto-optical material having the magnetic domain structure causes a diffraction phenomenon due to the magnetic domain structure, but the 0th-order diffracted light that is a part of the transmitted light is affected by the difference in the magnetic domain structure changed by the external magnetic field, The polarization plane rotates according to the amount, and the light intensity itself changes. Therefore, the change in the polarization plane is converted into a change in the light intensity, or the change in the light intensity itself is detected and counted to measure the rotation speed (number).
[0007]
Optical magnetic field sensors include a transmission type and a reflection type. Since the transmission type must be arranged so that the directions of incidence and transmission of signal light are on a straight line due to the properties of the components thereof, the installation location is limited. Therefore, it cannot be adopted depending on the purpose of use and the installation location.
[0008]
As a configuration for improving the drawbacks of the transmission type optical magnetic field sensor, the present inventors have developed a small, high-performance reflection type optical magnetic field using a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having a very large Faraday effect as a Faraday rotator. A sensor has been proposed (Patent Document 1).
[0009]
FIG. 7 shows a configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-44744. In this reflection type optical magnetic field sensor head, a semiconductor laser or a light emitting diode is suitable as a light source. However, the reflection-type optical rotation sensor head disclosed in the publication uses the polarization element 26 that transmits only light in a specific polarization direction. For this reason, a light emitting diode was used instead of a semiconductor laser because of the restriction that incident light must be close to perfect random polarization or circular polarization. In addition, a light emitting diode in a short wavelength band is preferable because it can be obtained at low cost.
[0010]
[Non-patent document 1]
Sensor Technology, December 1986, p. 68
[Non-patent document 2]
Applied Optics, Vol. 28, No. 11, p. 1992 (1989))
[Patent Document 1]
JP-A-11-44744
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the light emitting diode has a wide wavelength distribution of the oscillation wavelength and the Faraday rotator has a wavelength dependence of the Faraday rotation angle, the reflection type optical magnetic field disclosed in JP-A-11-44744 is disclosed. The limit of the SN ratio of the sensor head was about 13 to 15 dB. In recent years, optical communication systems have become widespread, and semiconductor lasers have become available at low cost. By using a semiconductor laser having almost no oscillation wavelength distribution, the SN ratio is improved to 30 dB or more. However, since the semiconductor laser is a light having a certain polarization direction, in the reflection type optical magnetic field sensor head disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-44744, a difference occurs in the loss depending on the polarization direction of the incident light. That is, it has a large polarization dependent loss (PLD), which is a problem in configuring an optical magnetic field sensor system.
[0012]
Further, inside the optical magnetic field sensor head, the beam diameter of the light emitted from the lens depends on the numerical aperture of the used optical fiber when the same lens is used. In order to reduce the size, it is effective to use a single-mode optical fiber having a small numerical aperture for the optical magnetic field sensor head. Joining is technically difficult.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 shows an example of the entire configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head (hereinafter, referred to as OMS-I) according to the present invention. Further, as described above, the inventors of the present application have conducted intensive studies to solve the problem of the reflection type optical magnetic field sensor using the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film. As a result, two optical fibers were fixed. A core ferrule or glass capillary 11, a polarizing element 21, a lens 31, a Faraday rotator 41 made of bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal, and a mirror 51 are arranged in this order, and the optical path and Faraday rotation of light incident on the Faraday rotator. A reflection type optical magnetic field sensor has been devised, wherein the angle formed by the normal to the main surface of the child is in the range of 5 degrees or more and 20 degrees or less.
[0014]
The principle of the reflection type optical magnetic field sensor (OMS-I) of the present invention will be described below. 2 (a) to 2 (d) are diagrams illustrating the operation principle of OMS-I. The bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is magnetically saturated or unsaturated depending on the presence or absence of an external magnetic field, and the difference between the saturated state and the unsaturated state appears as a change in the magnetic domain structure. That is, the saturated state is a single magnetic domain structure (also called a single domain) shown in FIGS. 2A and 2B, and the unsaturated state is shown in FIGS. 2C and 2D. It has a multi-domain structure (also called multi-domain). When light passes through the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film and is reflected back by a mirror or the like and returns, the polarization plane of light changes depending on whether the garnet single crystal film is single-domain or multi-domain. . As a result, when the returned light passes through the polarizer, the light intensity changes. In OMS-I, a change in the state of the magnetic domain structure is detected by replacing it with a change in light intensity.
[0015]
Each magnetic domain of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having multi-domains has magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, spreads two-dimensionally in the film surface, and is sufficiently fine for incident light. Have a width. When light is perpendicularly incident on the film surface having the multi-domain structure, a diffraction phenomenon occurs due to the multi-domain structure, and a part of transmitted light is diffracted, but the behavior is extremely complicated. . The so-called zero-order light (light component that does not diffract) that vertically passes through the Faraday rotator having the multi-domain reflects a change in the magnetic domain structure that is proportional to the magnitude of the external magnetic field, and is substantially proportional to the magnitude of the external magnetic field. Will receive the Faraday rotation. Further, the diffracted light has a polarization plane of 90 degrees with respect to the polarization plane of the incident light. For example, if the Faraday rotator has a Faraday rotation angle of 90 degrees, theoretically, the entire light passing through the film becomes light having a polarization plane of 90 degrees with respect to the polarization plane of the incident light, and diffracted light and It cannot be distinguished from the zero-order light. In order to increase the S / N ratio as much as possible, a rotator capable of obtaining a Faraday rotation angle of 45 degrees when light passes through the Faraday rotator only in one way and a 90-degree reciprocation in the reciprocation is preferable, and the present invention also satisfies this condition. Is preferred.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-44744 and the present invention are characterized in that the optical path has a certain angle with the normal to the main surface of the Faraday rotator.
[0016]
When light enters obliquely with respect to the normal line of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, passes through the film, is reflected by a mirror, and transmits through the film in the opposite direction, the single domain state (FIG. 2B) ) And in the multi-domain state (FIG. 2D), the polarization plane of the returned light changes. In the case of a single domain, it undergoes Faraday rotation. In the case of multi-domain, it is not substantially subjected to Faraday rotation. This is because, in the case of the multi-domain, when a light beam passes through each magnetic domain, the adjacent magnetic domains give Faraday rotations in opposite directions to each other, so that they interfere and cancel each other as a whole.
[0017]
FIGS. 3A to 3D show the Faraday rotation when light is vertically incident on the Faraday rotator. In the case where the Faraday rotator has a single domain, when a light beam enters in a direction perpendicular to the main surface of the film, the light beam passes through the film and is reflected by the mirror 51, and the light beam is reflected in the opposite direction as shown in FIG. Through the membrane. For example, if the element rotates the Faraday rotation angle by 45 degrees, the reciprocation is 90 degrees. In the case of multi-domain, as shown in FIG. 3D, when a light beam enters in a direction perpendicular to the main surface of the film, the light beam passes through each magnetic domain, is reflected by the mirror 51, and reverses the same magnetic domain. Pass in the direction. Therefore, for example, if the element rotates the Faraday rotation angle by 45 degrees, the reciprocation is 90 degrees. That is, regardless of which magnetic domain passes, the plane of polarization of the reflected light is perpendicular (90 degrees) to the plane of polarization of the incident light, which is no different from the case of the single domain. Further, as described above, the polarization plane of the diffracted light by the multi-domain is 90 degrees with the polarization plane of the incident light. As described above, when a light beam is incident in a direction perpendicular to the main surface of the film, the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is in a magnetically saturated state and an unsaturated state. There is no distinction in the rotation angle.
[0018]
FIG. 4 shows a reflection type optical magnetic field sensor head in which Faraday rotators made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film are arranged in series at regular intervals. For example, when the magnet approaches the reflection type optical magnetic field sensor, the individual Faraday rotators are sequentially magnetized, and each time the individual Faraday rotator is magnetized, the light intensity of the reflected light changes. The specific position of the magnet can be detected. Using this principle, for example, the position of the magnet inside the cylinder can be detected.
[0019]
FIG. 5 shows the overall configuration of another reflection type optical magnetic field sensor head (hereinafter, referred to as OMS-II) according to the present invention. This reflection type optical magnetic field sensor head has the same structure as the OMS-I except for the Faraday rotator. That is, a two-core ferrule or glass capillary 11 to which two optical fibers are fixed, a birefringent plate 21, a lens 31, a Faraday rotator 41 made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and a mirror 51 are arranged in this order. I do. In this reflection type optical magnetic field sensor head, the optical path of light incident on the Faraday rotator is perpendicular to the main surface of the Faraday rotator, and the Faraday rotator is a Faraday rotator whose magnetic anisotropy has been reduced by heat treatment. The permanent magnets 45 and 46 are arranged so that a constant external magnetic field is applied in a direction parallel to the plane of the Faraday rotator.
[0020]
Generally, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal grown by a liquid phase epitaxial method (LPE method) has a strong growth-induced magnetic anisotropy. Due to the growth-induced magnetic anisotropy, a magnetic domain magnetized in a direction perpendicular to the film surface is generated, and has a magnetic domain structure that spreads two-dimensionally in the film surface. The magnetic domain structure is affected by an external magnetic field applied perpendicular to the film surface, and changes according to the magnitude of the external magnetic field. However, it is hardly affected by an external magnetic field in a direction parallel to the film surface. However, it is known that the growth-induced magnetic anisotropy disappears by the heat treatment. The OMS-II uses a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal from which growth-induced magnetic anisotropy has been removed by heat treatment.
[0021]
The principle of the reflection type optical magnetic field sensor (OMS-II) of the present invention will be described below. FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of the operation principle of the OMS-II, in which a magnetic field having a component perpendicular to the film surface of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film of FIG. 5 is applied ( FIG. 6A shows a case where a magnetic field at an angle other than perpendicular to the film surface is applied (FIG. 6B).
[0022]
A bismuth-substituted rare-earth iron garnet single crystal film from which the growth-induced magnetic anisotropy has been removed by heat treatment has only the original magnetic anisotropy, and the magnetic field required to magnetize perpendicularly to the film surface, that is, the saturation magnetic field With a magnetic field of about the same degree, it is also magnetized in a direction parallel to the film surface. That is, when an external magnetic field that is equal to or greater than the saturation magnetic field is applied, a single domain is provided, and the magnetization of the single domain is easily inclined in the direction of the external magnetic field.
[0023]
OMS-II uses a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film from which magnetic anisotropy has been removed by heat treatment. In the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film from which the magnetic anisotropy has been removed, the direction of magnetization of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is the same as the direction of the external magnetic field. By applying an external magnetic field in a direction parallel to the film surface using a permanent magnet or the like, the direction of magnetization becomes parallel to the film surface. Therefore, even if light is transmitted perpendicular to the film surface, the transmitted light does not receive the Faraday effect (FIG. 6A), but the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film has a component perpendicular to the film surface. When a magnetic field is applied, the magnetization of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is oriented in the direction of the combined magnetic field of the external magnetic field and the magnetic field parallel to the film surface added in advance, so that the permeation is perpendicular to the film surface. The Faraday effect occurs in the light, and the polarization plane of the transmitted light changes (FIG. 6B).
[0024]
In order to magnetize in a direction parallel to the film surface, as described above, an external magnetic field equal to or higher than the saturation magnetic field of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is required. The magnetization of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is oriented in the direction of the combined magnetic field of the magnetic field parallel to the film surface and the magnetic field perpendicular to the film surface (the magnetic field to be sensed by the magnetic field sensor). 4 is an operation principle of the optical magnetic field sensor head of the invention. Therefore, the smaller the saturation magnetic field of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal used in the present invention, the higher the sensitivity as an optical magnetic field sensor head. Further, a permanent magnet for applying a magnetic field in a direction parallel to the film surface needs to be made of a material that is not affected by the magnetic field to be detected. In addition, the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal is magnetically It is necessary to determine the size and arrangement so as to give the minimum magnetic field for saturation. In the OMS-II, similarly to the OMS-I, by arranging the Faraday rotators made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film in series at a constant interval, each time the Faraday rotators are magnetized, Since the light intensity of the reflected light changes, for example, the position of the magnet inside the cylinder can be detected.
[0025]
As described above, both of the reflection type optical magnetic field sensor heads “OMS-I” and “OMS-II” have a polarization plane of light transmitted through the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film in the absence of an external magnetic field. Although there is no change, when an external magnetic field is applied, the polarization plane of the transmitted light changes. In both the reflection type optical magnetic field sensor heads "OMS-I" and "OMS-II", the light emitted from the optical fiber on the light incident side is separated by the birefringent plate into light beams whose polarization directions are orthogonal to each other. Each ray is transmitted through a Faraday rotator made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, reflected by a mirror, transmitted again through the Faraday rotator, condensed by a lens, and joined by a birefringent plate. Enters the optical fiber on the exit side. At this time, if the deflecting surface of the light transmitted through the Faraday rotator does not change, that is, if no external magnetic field is applied, if the mirror is slightly tilted, it follows almost the same optical path and couples to the optical fiber on the exit side. .
However, when the polarization plane of light transmitted through the Faraday rotator changes, that is, when an external magnetic field is applied to the Faraday rotator, the birefringent plate further separates the optical path by an amount corresponding to the Faraday rotation angle. The light entering the optical fiber is reduced. By detecting this change in the amount of light, it operates as an optical magnetic field sensor.
[0026]
From the above principle, it is sufficient that the separation distance of the birefringent plate is not less than the cladding diameter of the optical fiber at the maximum. In principle, the diameter may be larger than the core diameter, but light entering the clad also propagates as a clad mode if the distance is short. Since the cladding mode causes noise, it is necessary to eliminate the propagation in the cladding mode. Therefore, the separation distance of the birefringent plate is preferably equal to or larger than the cladding diameter.
[0027]
The present invention is characterized in that a birefringent plate is arranged between an optical fiber and a lens. In the present invention, a distributed index lens, a spherical lens, an aspherical lens, or the like can be used. For example, as in the reflection type optical magnetic field sensor head disclosed in Japanese Patent Application No. 10-31057, when a 0.25 pitch distributed refraction plate lens is used and a refraction plate is used after the lens, the light emitted from the lens is Although it differs depending on the type of the lens and the optical fiber, the light becomes parallel light of 0.4 mm to 2 mm or more, and this parallel light is separated by the birefringent plate into light beams whose polarization directions are orthogonal to each other. If the separation is insufficient, when the light reflected by the mirror and returned is merged at the birefringent plate, the light to be separated overlaps with the optical path of the light to be merged and enters the optical fiber on the exit side. And the SN ratio decreases.
However, when a birefringent plate is used between the optical fiber and the lens, the light emitted from the lens overlaps, but is reflected and then separated when condensed, so that the SN ratio does not decrease.
[0028]
As the optical input / output path, a commercially available optical fiber or an optical waveguide patterned in a glass or polymer film base material can be selected. Generally, it is preferable to select an optical fiber from the viewpoint of mass productivity and miniaturization. Further, in order to increase the optical coupling efficiency, the numerical aperture of the optical fiber as the optical input path is preferably small, and a small single mode fiber having a core diameter of 10 to 50 μm or a graded index fiber is preferably used. In addition, as for the light output path, it is preferable that the core diameter of the optical fiber on the light output side is the same as or larger than that on the light input side because of easy assembly. Also, since the shorter the distance between the optical input and output paths, the smaller the diameter of the optical fiber is, the optical fiber having a core diameter of 10 to 100 μm is preferable.
[0029]
The (111) bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film used for the Faraday rotator is preferably appropriately selected from rare earth iron garnet single crystals having a composition represented by the following general formula.
R3-X BiX Fe5-Z AZ O12
Here, R is at least one selected from the group consisting of Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and A is Ga, It is at least one selected from the group consisting of Sc, Al, and In. The range of X is 0.3 ≦ X <2.0, and the range of Z is 0 ≦ Z ≦ 1.0. The bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal of the present invention can be produced by a known method. In particular, a liquid phase epitaxy (LPE) method in which the operation of the manufacturing apparatus is easy and which is excellent in mass productivity is preferable. When the liquid phase epitaxy method is performed, any known substrate can be used as the substrate. Generally, a commercially available lattice constant called a SGGG substrate having a lattice constant of 12.490 ° to 12.515 ° is used. What is necessary is just to select suitably from nonmagnetic garnet [(GdCa) 3 (GaMgZr) 5O12]. When implementing the reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-I” of the present invention, it is necessary that the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film and the optical path have an inclination angle of 5 degrees or more. This inclination angle is possible if it is less than 90 degrees in principle. However, as the angle increases, the SN ratio as a sensor increases, and the distance from the light input / output end to the mirror increases. In other words, it is not preferable because the length of the sensor head increases. Therefore, the angle of the light beam with respect to the normal line of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is preferably 20 degrees or less. More preferably, it is 15 degrees or less. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example in which a plurality of Faraday rotators are inserted into “OMS-I”.
[0030]
Further, when implementing the reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-II” of the present invention, it is necessary to reduce the magnetic anisotropy by heat-treating the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film. As a means for reducing the magnetic anisotropy, annealing at 900 to 1300 ° C. is effective (“Magnetic Bubble”, Sakurai et al., Ohmsha, 1982), but when practicing the present invention, a temperature of about 1100 ° C. It was confirmed that the magnetic anisotropy can be sufficiently reduced by annealing for more than 10 hours.
[0031]
The mirror may be appropriately selected from commercially available thin film metal mirrors obtained by depositing metal on glass or the like, or dielectric multilayer mirrors formed of a multilayer film of a metal oxide such as SiO 2 or TiO 2 as required. good.
[0032]
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described specifically and in detail with reference to examples, but the following examples are for the purpose of specifically explaining the present invention, and the embodiments and the invention of the present invention will be described. Is not intended to limit the scope of
[0033]
【Example】
Example 1
A reflection type optical magnetic field sensor head having the structure shown in FIG. 1 was manufactured using the following components. The optical fiber 12 on the light incident side is a single mode optical fiber having an optical fiber outer diameter of 125 μm. The optical fiber 13 on the light output side is a multi-mode optical fiber having a core diameter of 50 μm and an optical fiber outer diameter of 125 μm. The birefringent plate 21 is a 1.265 mm rutile single crystal. The Faraday rotator 41 is a 0.82 μm bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company. The mirror 51 is an aluminum metal thin film deposited on the glass substrate. The lens 31 is a distributed index lens. The Faraday rotator 41 was arranged at an angle of 18 degrees with respect to the optical path.
[0034]
Light from a semiconductor laser light source having a wavelength of 820 nm is made incident on the single-mode optical fiber 12 on the light incident side of the optical magnetic field sensor head, and the light intensity of light emitted from the optical fiber 13 on the light emitting side is measured by a photodetector. While applying a magnetic field gradually. As a result, when a magnetic field having a magnetic field strength of 260 (Oe) was applied to the Faraday rotator 41, the Faraday rotator was magnetically saturated, and the light output became a constant value. The light intensity difference (that is, SN ratio) between the state where no magnetic field was applied to the Faraday rotator 41 and the state where a magnetic field strength of 260 (Oe) was applied to the Faraday rotator 41 was 28 dB.
[0035]
Example 2
In Example 1, an optical magnetic field sensor head was manufactured in the same manner as in Example 1 except that light was incident so as to form an angle of 6 degrees with the main surface of the Faraday rotator. When the light intensity difference (SN ratio) was measured in the same manner as in Example 1, it was 24 dB.
[0036]
Example 3
A reflection type optical magnetic field sensor head having the structure shown in FIG. 5 was manufactured using the following components. The optical fiber 12 on the light incident side is a single mode optical fiber having an optical fiber outer diameter of 125 μm. The light emitting side optical fiber 13 is a multi-mode optical fiber having a core diameter of 50 μm and an outer diameter of 125 μm. The birefringent plate 21 is a 1.265 mm rutile single crystal. The Faraday rotator 41 is an annealed 1.31 μm bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company. The mirror 51 is an aluminum metal thin film deposited on a glass substrate. The lens 31 is a hemispherical lens.
[0037]
Light from a semiconductor laser light source having a wavelength of 1310 nm is made incident on the single-mode optical fiber 12 on the light incident side of the optical magnetic field sensor head, and the intensity of the light from the optical fiber 13 on the light emitting side is measured by a photodetector. Was gradually applied.
As a result, when a magnetic field having a magnetic field strength of 230 (Oe) was applied to the Faraday rotator 41, the Faraday rotator 41 was magnetically saturated and the light output became a constant value. The light intensity difference between the state where no magnetic field was applied to the Faraday rotator and the state where a magnetic field of a magnetic field strength of 230 (Oe) was applied to the Faraday rotator 41 was 32 dB.
[0038]
Comparative Example 1
In Example 1, an optical magnetic field sensor head was manufactured in the same manner as in Example 1 except that light was incident perpendicularly to the main surface of the Faraday rotator. Was 4.2 dB.
[0039]
【The invention's effect】
A simple and lightweight measuring device for accurately measuring the rotation speed can be provided at a lower cost and in large quantities. The SN ratio of the detection signal is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the entire configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-I” according to the present invention.
FIGS. 2 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing the operation principle of a reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-I” according to the present invention.
FIGS. 3 (a), (b), (c) and (d) are diagrams illustrating Faraday rotation when light is vertically incident on a multi-domain Faraday rotator.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example in which a plurality of Faraday rotators are inserted into a reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-I” according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the overall configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-II” according to the present invention.
6A and 6B are diagrams showing the operation principle of the reflection type optical magnetic field sensor head “OMS-II” according to the present invention, wherein FIG. 6A shows a case where a magnetic field having a component perpendicular to the film surface is applied; b) shows a case where a magnetic field at an angle other than perpendicular to the film surface is applied.
FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the entire configuration of a reflection type optical magnetic field sensor head disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-44744.
[Explanation of symbols]
11 optical fiber holders such as ferrules and glass capillaries, 12, 13 optical fibers, 21 birefringent plates, 26 glass polarizing elements, 31 lenses, 41, 42 Faraday rotators, 45, 46 permanent magnets 51 mirrors.

Claims (5)

2本の光ファイバーを固着した2芯のフェルールまたはガラスキャピラリー、レンズ、偏光素子、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子、ミラーの順に配置してなる反射型光磁界センサヘッドにおいて、前記偏光素子に代えて複屈折板を用い、かつ前記複屈折板の配置を前記フェルールまたはガラスキャピラリーとレンズとの間とすることを特徴とする反射型光磁界センサヘッド。In a reflection type optical magnetic field sensor head, a two-core ferrule or glass capillary to which two optical fibers are fixed, a lens, a polarizing element, a Faraday rotator made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and a mirror are arranged in this order. A reflection type optical magnetic field sensor head, wherein a birefringent plate is used instead of a polarizing element, and the birefringent plate is arranged between the ferrule or the glass capillary and the lens. 前記ファラデー回転子の主面に対する法線の方向が、光路に対して5度以上、20度以下の角度を成すことを特徴とする請求項1に記載の反射型光磁界センサヘッド。2. The reflection type optical magnetic field sensor head according to claim 1, wherein a direction of a normal to the main surface of the Faraday rotator forms an angle of 5 degrees or more and 20 degrees or less with respect to an optical path. ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子を2個以上直列に配置したことを特徴とする請求項3に記載の反射型光磁界センサヘッド。The reflection type optical magnetic field sensor head according to claim 3, wherein two or more Faraday rotators made of a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film are arranged in series. 前記ファラデー回転子が、熱処理によって成長誘導磁気異方性を実質的に無くしたものであって、前記ファラデー回転子の主面の法線方向と光路の方向とが実質的に同一となるように配置し、かつ、前記ファラデー回転子の主面と平行な方向に外部磁界が加わるように永久磁石を配置してなることを特徴とする請求項1記載の反射型光磁界センサヘッド。The Faraday rotator is one in which growth-induced magnetic anisotropy is substantially eliminated by heat treatment, and a direction of a normal line of the main surface of the Faraday rotator and a direction of an optical path are substantially the same. 2. The reflection type optical magnetic field sensor head according to claim 1, wherein a permanent magnet is arranged so that an external magnetic field is applied in a direction parallel to a main surface of the Faraday rotator. 前記ファラデー回転子と永久磁石の組みが2組以上直列に配置されてなるものである請求項4記載の反射型光磁界センサヘッド。5. The reflection type optical magnetic field sensor head according to claim 4, wherein two or more pairs of said Faraday rotator and permanent magnet are arranged in series.
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