JP2005055253A - 光ファイバ磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱による光ファイバの伸張を防ぎ、誤検出を改善する磁気センサを提供することにある。
【解決手段】 筐体１０内に表面が金属で被覆された光ファイバ１６を複数設けるとともに、該金属被覆に通電したときに、外部磁束に応じて金属被覆層に生じる力学的変化による光ファイバ１６の変形を光信号として検出し、それぞれの光ファイバ１６で検出した光信号の位相差から外部磁束を検出する磁気センサ１において、それぞれの上記光ファイバ１６間に相互に、熱的に隔離する隔壁２を設けたものである。
上記隔壁２が合成樹脂等の非磁性体材料により成形されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気を検出する光ファイバ磁気センサに係り、特に熱的影響を軽減する光ファイバ磁気センサに関するものである。

従来の光ファイバにおける光の干渉を利用して磁気を検出する物として、例えば特許文献１がある。

背景技術を説明するにあたり、マッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計について以下に説明する。

図２にマッハツェンダ干渉計の動作に関連した簡単な構成を示す。

マッハツェンダ干渉計は、１つの光源３と、光源３からの光源光を２つのパス（光路）ａ、ｂに分波・合波するビームスプリッタ４、４と、光信号の進行方向を変えるミラー５、５と、光路長を変える媒質６と、光信号の干渉強度を検出する受光器７とで構成される。

マッハツェンダ干渉計は、１つの光源３からの光源光を２つのパスａ、ｂに分波させ、その２つのパスａ、ｂ間の光路差に応じた検出信号を出力する回路である。

光源３から出力される光源光はビームスプリッタ４により２つのパスａ、ｂに分波される。分波された一方のパスｂには、光路長を変化させる媒質６が挿入され、これによりパスｂの光信号の位相が変化する。ビームスプリッタ４の分波比を１：１とし、光路中の光の損失を無視すると、２つのパスａ、ｂ通過後の光の電場Ｅａ、Ｅｂは、
Ｅａ＝Ｅ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θａ） ・・・・・（１）
Ｅｂ＝Ｅ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θｂ） ・・・・・（２）
と表される。ここで、各パラメータは、次に示す意味をもつ。

ω：光の角周波数
θａ：パスａ内での位相変化量
θｂ：パスｂ内での位相変化量
ｔ：時刻
パスａ、パスｂに分波された光信号は、その後ビームスプリッタ４で合波され、受光器７において受光される。受光器７において、光信号の干渉強度が電気信号に変換され、検出される。受光器７における光強度Ｉは、（１）、（２）式より、次式で表される。

Ｉ＝＜（Ｅａ＋Ｅｂ）^２＞＝＜Ｅａ^２＞＋＜Ｅｂ^２＞＋２＜ＥａＥｂ＞
＝Ｉｏ＋ＩｏＶ（ｌ、ΔＬ）ｃｏｓ（Δθ） ・・・・・（３）
ここでＩｏ＝＜Ｅ^２＞であり、Δθ＝θａ−θｂである。Ｖは、ビジビリティ（ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ：可視度）とよばれる２つの光の干渉性を表す関数で、２つのパラメータすなわち光のコヒーレント長ｌと、２つのパスａ、ｂの光路差ΔＬに依存する。

仮に、光のコヒーレント長がｌであるとき、ビジビリティＶと光路差ΔＬの関係を図３に示す。図３のような光路差ΔＬとビジビリティＶとの関係を干渉パターンと呼ぶ。

図３の横軸は光路差ΔＬを示し、縦軸はビジビリティの大きさ｜Ｖ｜を示す。
図３（ａ）、（ｂ）は光源３の種類による干渉パターンの相違を示したもので、図３
（ａ）の干渉パターンのピーク間隔に比べて、図３（ｂ）の干渉パターンのピーク間隔は離れていることが分かる。図３（ａ）の光源３ではパスａ、パスｂによって光路長Ｌ１、Ｌ２を通るが、図３（ｂ）の光源３では図３（ａ）の場合に比べ、光路長Ｌ１、Ｌ２の差即ち光路差ΔＬが大きいことが分かる。

どのような光源３を選択しても、ΔＬ＝０においてＶ＝１となるが、光路差ΔＬとビジビリティＶとの関係即ち干渉パターンは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように使用する光源３の種類により異なる。

（３）式において右辺の第１項Ｉｏは光源３の光量のみに依存するオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）である。一方、（３）式の右辺第２項は、２つのパスａ、ｂを通った光信号の間の位相差Δθに依存する量であり、この位相差Δθはパスｂに設けられた媒質６において生じる光路長変化に依存する。このことから、媒質６における光路長変化を感知する光ファイバ磁気センサをマッハツェンダ干渉計のセンサとして用いる場合、干渉信号成分の振幅を決定するビジビリティＶは大きく、時間的に変化しないことが望まれる。

図２に示すマッハツェンダ干渉計は自由空間中で光を伝播させる系で構成されるが、光ファイバ１６など誘電体中に光を伝播させる系でもマッハツェンダ干渉計は同様に構成できる。このマッハツェンダ干渉計において大きな干渉信号を得るためには、２つのパスａ、ｂの光信号が充分に干渉するように、２つのパスａ、ｂ間の光路差（図３の説明では、ΔＬ＜Ｌ２）を充分に小さくする必要がある。

ところで、特許文献１においては、マッハツェンダ干渉計は光ファイバ１６にて構成されており、光ファイバ１６の長さを変化させる手段として、金属被覆光ファイバに流す電流と外部磁束との相互関係により得られるローレンツ力を用いている。

図４に、光ファイバ磁気センサの構成を示す。

マッハツェンダ干渉計は、光源１７と、光信号を伝送する光ファイバ１６と、光信号を分波・合波する光ファイバカプラ３０、３１と、外部磁束を受けかつ光信号が通る磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９と、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９の共振周波数にほぼ一致した周波数を有する発振器２５と、一定実効値電圧を有する交流信号を発生する発振器２６と、位相変調器２０、２１と、光信号を電気信号に変換する受光器２２、２３と、受光器２２、２３の電気信号を受け直流成分を除去し増幅する差動増幅器２７と、差動増幅器２７から出力された電気信号を同期検波する同期検波器２８、２９と、同期検波器２８からの出力を増幅して位相変調器２１に供給する増幅器２４とにより構成される。

次に光ファイバ磁気センサの動作について説明する。

光源１７から供給された光源光は、光ファイバ１６を通り光ファイバカプラ３０に供給される。光ファイバカプラ３０に入った光源光は分波され、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９に供給される。

磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９に供給された光信号は、位相変調器２０に出力される。磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８から光信号を供給された位相変調器２０には、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した交流電流を発振器２６から加えられる。位相変調器２０から出力された光信号は、位相変調器２１からの出力された光信号と光ファイバカプラ３１において合波される。

光ファイバカプラ３０によって分波され、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９に供給された光信号は、位相変調器２１に供給される。

光信号が供給された磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９の金属被覆に対して、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９の共振周波数にほぼ一致した発振周波数を有する発振器２５によって、一定実効値の交流電流が流される。

増幅器２４から出力された電気信号は帰還信号として、位相変調器２１に供給される。

位相変調器２１から出力された光信号は、位相変調器２０から出力された光信号と光ファイバカプラ３１において合波される。

光ファイバカプラ３１から出力された光信号は、受光器２２、２３に供給され、受光器２２、２３で光信号は電気信号に変換され、差動増幅器２７に供給される。 差動増幅器２７では変換された電気信号から直流成分が除去され後同期検波器２８、２９に供給される。

同期検波器２８では、発振器２６の２倍の周波数成分を発生するマッハツェンダ干渉計のドリフト信号が同期検波によって検出される。このドリフト信号は増幅器２４を介して、位相変調器２１に帰還される。帰還の結果、発振器２６の２倍の周波数成分を限りなく零に近づけることで、即ち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成立することで、マッハツェンダ干渉計のドリフトが除去される。

同期検波器２９では、差動増幅器２７の出力及び発振器２５の周波数成分をもつ磁気情報信号が供給され同期検波出力される。この同期検波出力された信号がセンサ出力となる。

特開平１１−３１６２６８号公報

しかしながら、磁気センサを例えば図５のように筐体５２内に収納して使用した場合に、以下の問題点があった。但し、図５において磁気センサ５１は、簡単表記の為に磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９、光ファイバカプラ３０、３１、位相変調器２０、２１のみを図示し、光ファイバ１６の一部、給電ケーブル等を省略する。

磁気センサ５１をＡ面を下にして或る時間使用した後、Ｂ面が下になるように姿勢を変えたとする。この場合、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９に発生するジュール熱により暖められた空気が上昇して磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８や位相変調器２０、２１等の各光部品に発生した熱が伝えられるため、これらの光ファイバ１６が用いられた光部品の光ファイバ１６が伸張する。このとき、２つの磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９に与えられる熱量に差がある場合には、熱による伸張差が生じるため、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９に内部熱によってファイバ長の差が現れ、この内部熱で生じたファイバ長差即ち光路差を磁気信号として誤検出してしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、熱による磁気検出用金属被覆光ファイバコイルの光ファイバの伸張を防ぎ、誤検出を改善する磁気センサを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、筐体内に表面が金属で被覆された光ファイバを複数設けるとともに、該金属被覆に通電したときに、外部磁束に応じて金属被覆層に生じる力学的変化による光ファイバの変形を光信号として検出し、それぞれの光ファイバで検出した光信号の位相差から外部磁束を検出する磁気センサにおいて、それぞれの上記光ファイバ間に相互に、熱的に隔離する隔壁を設けたものである。

第２の発明は、上記隔壁が合成樹脂等の非磁性体材料により成形されたものである。

本発明によれば、熱的影響を軽減することができ、磁気センサの誤検出を改善することができる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、本発明に係る磁気センサ１は、センサ筐体１０内に収納されて使用される。

磁気センサ１は、光源１７からの光源光を伝送する光ファイバ１６と、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９と、位相変調器２０、２１と、光ファイバカプラ３０、３１とで構成されている。上記した各部材間を接続する光ファイバや給電ケーブルは図示していない。

磁気センサの筐体１０においては、筐体１０の対向する内壁１０ｃ、１０ｄと仕切板の端２ｃ、２ｄとを繋げた形態の仕切板２を設けたことにより、空気の通過が防がれるとともに熱放射が遮断され、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８と磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９とを互いに熱的に隔離することができる。また、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９と他の光部品とを互いに熱的に隔離することができ、光部品からの熱の発生を他の光部品に伝えないことが実現できる。

仕切板２は、図１に示すように磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９が磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８や他の光部品と隔離されるように配置される隔壁である。
磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９は、仕切板２の側面２ｂに面する位置に筐体１０の対向する内壁１０ｃ、１０ｄ及び側面２ｂから離して配置されており、仕切板２の側面２ａ側に配置されている磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８や他の光部品との熱的隔離がなされている。筐体１０の対向する内壁１０ｃ、１０ｄと仕切板２の端２ｃ、２ｄとが隙間なくつながるように形成されることで、熱的隔離の効果が高まる。

磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８や他の光部品は、仕切板２の側面２ａに面する位置に筐体１０の対向する内壁１０ｃ、１０ｄ及び側面２ａから離して配置されており、仕切板２の側面２ｂ側に配置されている磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９との熱的隔離がなされている。筐体１０の対向する内壁１０ｃ、１０ｄと仕切板２の端２ｃ、２ｄとが隙間なくつながるように形成されることで、熱的隔離の効果が高まる。

図１で筐体１０の底面であるＡ面を下側にして使用する場合にも熱的隔離により、磁気センサ１のセンサ出力の検出誤差が低減し、Ｂ面を下側にして使用する場合も、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９によって暖められた空気が仕切板２により遮断され、また磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９からの放射熱も仕切板２により磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８等に伝わらない。

仕切板２には、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９と図４の位相変調器２１等の部品とを接続する光ファイバ１６が挿通されるのに充分な径の孔が設けられる。この孔によって筐体１０内で空気の流れによる多少の温度変化が発生したとしても、その程度の熱的変化によって生じる磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９等の位相ドリフトは、図４で説明した同期検波器２８の検波出力を増幅器２４を介して位相変調器２０へ帰還制御することにより位相ドリフトが除去されるため、誤検出の問題とはならない。

本発明に係る磁気センサ１においては、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９は仕切板２によって、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８から熱的に隔離されているので、磁気センサ１の稼働中にセンサ設置の姿勢を変化させても、周辺に配置された図４で説明した位相変調器２０、２１等他の光部品に熱的影響を及ぼさない。従って、光ファイバ１６の伸張を防ぎ、結果として磁気センサ１の姿勢を変えながらでも安定した測定を可能にし、誤検出を改善する磁気センサを提供することができる。

また、磁気センサ１のＡ面を下側にしてある時間使用した後、Ｂ面が下側になるように姿勢を変えたような場合も、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１９に発生するジュール熱によって暖められた空気が仕切板２によって遮断され他の光ファイバ１６や各光部品に伝わらないため、熱による光路長の変化が発生せず、安定した光干渉の測定が可能となる。

上記実施の形態においては、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９と周辺に配置される位相変調器２０、２１等の光部品を同一筐体１０内に収納し、別筐体内に増幅器２４等の制御回路を構成する形態としたが、これら一連の光部品を全て同一筐体１０内に収納する構成を取ることも可能である。この場合も、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９及び他の光部品の周辺に仕切板２を設けることにより、磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９相互や他の部品との熱的隔離ができ、上記実施形態と同等の熱的隔離の効果を得ることができる。

図示した仕切板２は、個々の構成部品を熱的に隔離するように複数の仕切板２を各構成部品の周囲に設けることにより磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９との熱的隔離が充分にでき、暖かい空気の対流や構成部品相互の放射熱による熱的な影響を低減させ、光ファイバ１６の伸張を防ぐことができ、一層の効果が期待できる。

仕切板２は、１枚であることに限定されず、筐体１０の図１（ａ）では上下に対向する内壁１０ｃ、１０ｄと仕切板２の端２ｃ、２ｄとを繋げ仕切板２と同様の仕切板２を所定の間隔で複数設けてもよい。この場合個々の光部品の隔離を行うことで、光部品からの熱の発生を他の光部品に伝えないことが実現できる。

センサ筐体１０は、アルミニウム等の非磁性体が用いられる。また、仕切板２として磁気検出用金属被覆光ファイバコイル１８、１９の発熱を、放射熱や対流により、他の光部品や光ファイバ１６などに伝導しなければ良く、例えば非磁性体材料やプラスチックなどの樹脂が用いられる。

図１（ａ）は、本発明に係る光ファイバ磁気センサの平面図である。図１（ｂ）は、本発明に係る光ファイバ磁気センサの側面図である。 マッハツェンダ干渉計の動作原理を示す図である。 図３（ａ）は、光源による干渉パターンを示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）とは異なる光源による干渉パターンを示す図である。 従来の光ファイバ磁気センサの構成を示す図である。 図５（ａ）は、従来の光ファイバ磁気センサの平面図である。図５（ｂ）は、従来の光ファイバ磁気センサの側面図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
２ 仕切板（隔壁）
１０ センサ筐体
１６ 光ファイバ
１７ 光源
１８、１９ 磁気検出用金属被覆光ファイバコイル
２０、２１ 位相変調器
２２、２３ 受光器
２４ 増幅器
２５、２６ 発振器
２７ 差動増幅器
２８、２９ 同期検波器
３０、３１ 光ファイバカプラ

Claims (2)

1. 筐体内に表面が金属で被覆された光ファイバを複数設けるとともに、該金属被覆に通電したときに、外部磁束に応じて金属被覆層に生じる力学的変化による光ファイバの変形を光信号として検出し、それぞれの光ファイバで検出した光信号の位相差から外部磁束を検出する磁気センサにおいて、それぞれの上記光ファイバ間に相互に、熱的に隔離する隔壁を設けたことを特徴とする光ファイバ磁気センサ。
2. 上記隔壁が合成樹脂等の非磁性体材料により成形された請求項１記載の光ファイバ磁気センサ。
   

Images