JP5630460B2

JP5630460B2 - 光ファイバ磁気センサ

Info

Publication number: JP5630460B2
Application number: JP2012105766A
Authority: JP
Inventors: 中村　尚; 尚中村; 利治木村; 健太郎草田; 陵沢佐藤; 健之関谷; 秀則小畑
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: JP2012145596A

Description

本発明は、光ファイバ磁気センサの構造に関するものである。

従来の光ファイバ磁気センサに用いられている磁気センシング部として、例えば、コの字形に形成された磁歪材料と、この磁歪材料の２辺にそれぞれ巻回されて接着された２本の光ファイバコイルと、磁歪材料の端部対向面に両端が固着された強磁性材料と、磁歪材料の各辺に巻回方向が異なるように巻かれたトロイダルコイルと、２本の光ファイバコイルの各一端がそれぞれ接続され、入力側が光源と接続された光入力用の光カプラと、２本の光ファイバコイルの各他端がそれぞれ接続され、出力側がＯ／Ｅ変換器と接続された光出力用の光カプラとで構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の磁気センシング部として、例えば、長円状に巻回されたセンシング光ファイバコイルと、このセンシング光ファイバコイルの平坦部に接着された磁歪材料と、磁歪材料の周囲に設けられた励起コイルとで構成されたものがある。センシング光ファイバコイルの一端は、入力側が光源と接続された光入力用の光カプラと接続され、その光ファイバコイルの他端は、出力側がＯ／Ｅ変換器と接続された光出力用の光カプラと接続されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３０３０３５８号公報（第３頁、図１）特許第３４９３５５２号公報（第３頁、図１）

前述した従来の光ファイバ磁気センサを水中用として使用する場合、又は地中用として使用する場合、磁気センシング部を耐圧性のある容器に収納するが、容器に耐圧性に優れた金属材料を使用した場合には、その金属材料がトロイダルコイルや励起コイルに発生する磁界により磁化されたり、金属材料に渦電流が生じることがあり、このような状態になった場合には、その影響で磁気信号の検出精度が低下する虞があった。また、磁化、渦電流などの影響を受けない容器の材料として、樹脂やセラミックなどの非磁性絶縁材があるが、高い耐圧性が得られなかった。また、直接海水などに曝した場合は、磁歪材料などが急激に劣化するという課題があった。

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コイル、センシング光ファイバコイルに接着された磁歪材料及びこの磁歪材料に交流磁界を印加するための励磁コイルを有する磁気センシング部と、内部に磁気センシング部が収納された容器とを備え、容器は、第１容器と、この第１容器に連結され、内部に磁気センシング部が収納された第２容器とからなり、第１容器及び第２容器に液体が注入され、第２容器の第１容器と隔離する面に、水圧の変化に応じて液体を移動させるオリフィスが設けられている。

本発明においては、磁気センシング部を液体が充填された容器内に収納したので、金属製の耐水圧容器と同様に高圧力下でも使用が可能になり、検出精度が低下することなく磁気信号を検出することができる。また、直接海水などに曝すことがないので、磁歪材料などが急激に劣化することもないという効果がある。

本発明の実施の形態１に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。本発明の実施の形態５に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。本発明の実施の形態６に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。
図中に示す容器１は、例えばゴムなどの弾性部材により形成され（以下、容器を「ゴム容器」という）、その内部には、液体２が充填され、その中に磁気センシング部３が設けられている。液体２は、磁気センシング部３を化学変化などで劣化させないような例えば油やフッ素系不活性液体などが用いられている。磁気センシング部３は、長円状に複数回巻かれて形成されたセンシング光ファイバコイル３ａと、このセンシング光ファイバコイル３ａの対向する平坦部の両側或いは片側にそれぞれ接着された例えばアモルファス金属からなるシート状の磁歪材料３ｂと、この磁歪材料３ｂの外側に間隙を有して巻回された交流磁界を発生させるための励磁コイル３ｃとで構成されている。センシング光ファイバコイル３ａは、一端が光カプラ４と接続され、他端がミラー５と接続されている。リファレンス光ファイバ６は、一端が光カプラ４と接続され、他端がミラー７と接続されている。

励磁信号発生器１０は、磁気センシング部３の励磁コイル３ｃと接続され、光源１１は、光カプラ４の入力側と変調信号発生器１２とに接続され、Ｏ／Ｅ変換器１３は、光カプラ４の出力側と接続されている。復調器１４は、位相復調器１４ａとＡＭ復調器１４ｂとからなり、その位相復調器１４ａは、Ｏ／Ｅ変換器１３と変調信号発生器１２とに接続され、ＡＭ復調器１４ｂは、その位相復調器１４ａと励磁信号発生器１０とに接続されている。

前述したゴム容器１、ゴム容器１内に液体２と共に入れられた磁気センシング部３、光カプラ４、ミラー５、７及びリファレンス光ファイバ６によりマイケルソン光干渉計（以下、単に「光干渉計」という）が構成され、水中に設けられている。そのため、光カプラ４とミラー５、７には、耐水圧性の高いものが使用されている。また、励磁信号発生器１０、光源１１、変調信号発生器１２、Ｏ／Ｅ変換器１３及び復調器１４は、空中に設置されている。

前記のように構成された光ファイバ磁気センサにおいては、励磁信号発生器１０からの励磁信号が容器１内の磁気センシング部３の励起コイル３ｃに印加されると、その励起コイル３ｃに交流磁界が発生し、その交流磁界によって磁歪材料３ｂが歪み、この磁歪材料３ｂの歪みによりセンシング光ファイバコイル３ａが伸縮する。この時、そのセンシング光ファイバコイル３ａを伝搬する光源１２からのレーザ光の位相が変化し、光カプラ４によってリファレンス光ファイバ６からのレーザ光と干渉される。レーザ光は、変調信号発生器１２の変調信号により変調された光である。光カプラ４により干渉されたレーザ光は、Ｏ／Ｅ変換器１３により電気信号に変換され、位相復調器１４ａに入力される。この位相復調器１４ａは、変調信号発生器１１の変調信号を用いて、Ｏ／Ｅ変換器１３からの入力信号の位相をパッシブホモダイン処理（又はヘテロダイン処理）で復調しＡＭ復調器１４ｂに出力する。ＡＭ復調器１４ｂは、その入力信号を励磁信号発生器１０からの励磁信号の周波数でＡＭ復調し、測定対象の磁気信号を検出する。

ところで、ゴム容器１に収納された磁気センシング部３には、ゴム容器１内に充填された液体２により静水圧が均一に加わっており、そのため、高圧力下でも破損することなく、前述した動作を行う。

以上のように実施の形態１によれば、ゴム容器１内に充填された液体２の中に磁気センシング部３を設けたので、金属製の耐水圧容器を用いることなく高圧力下でも使用が可能になり、そのため、精度が低下することなく磁気信号を検出することができる。また、磁気センシング部３を海水に曝すことがないので、磁歪材料３ｂなどの劣化を防止することもできる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態は、光カプラ４とミラー７との間に設けられたリファレンス光ファイバ６に音圧感度調整部８を設けたものである。この音圧感度調整部８は、リファレンス光ファイバ６を複数回コイル状に巻き、その部分を例えば金属などの部材で覆ったものである。音圧感度は、コイル状のリファレンス光ファイバ６の長さ、その光ファイバ６と前記部材の弾性係数、前記部材の遮音特性で調整される。また、光干渉計で受ける音圧が復調器１４の出力に現れる周波数帯において、センシング光ファイバコイル３ａの受ける音圧とほぼ同じ音圧をリファレンス光ファイバ６が受けられるように、磁気センシング部３が収納されたゴム容器１とリファレンス光ファイバ６とが互いに接近して設けられている。

実施の形態２における光ファイバ磁気センサは、前述した実施の形態１と同様に動作し、測定対象の磁気信号を検出する。センシング光ファイバコイル３ａと音圧感度調整部８を備えたリファレンス光ファイバ６は、それぞれ同じ感度の音圧を受けることになる。一方、励起コイル３ｃから発生した交流磁界により磁歪材料３ｂが歪み、この磁歪材料３ｂの歪みによりセンシング光ファイバコイル３ａが伸縮するので、そのセンシング光ファイバコイル３ａを伝搬するレーザ光の位相が変化し、リファレンス光ファイバ６を伝播するレーザ光と位相差が生じ、Ｏ／Ｅ変換器１３を介して復調器１４に入力される。一方、各光ファイバ３ａ、６に音圧が加わった場合、各光ファイバ３ａ、６の音圧感度がほぼ同じであるため、復調器１４の出力に現れる音圧による雑音が低減され、測定対象の磁気信号が検出される。

このように実施の形態２においては、センシング光ファイバコイル３ａの受ける音圧とほぼ同じ感度の音圧をリファレンス光ファイバ６が受けるように、その光ファイバ６に音圧感度調整部８を設けたので、復調器１４の出力に現れる雑音が実施の形態１と比べ低くなり、より小さい磁気信号も検出することが可能になる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態１の光ファイバ磁気センサに用いられた磁気センシング部３と同じ構造の第１磁気センシング部３１と第２磁気センシング部３２をゴム容器１内に収納したものである。この容器１内には、前述したように液体２が充填されている。第１及び第２磁気センシング部３１、３２は、構造が同じであるため、音圧感度が同一となる。なお、第１及び第２磁気センシング部３１、３２の各磁歪材料３ｂの外側にそれぞれ巻回された励磁コイル３ｃは、巻き方向が互いに逆になっている。

本実施の形態においては、第１及び第２磁気センシング部３１、３２のそれぞれのセンシング光ファイバコイル３ａを通過したレーザ光の位相は、各光ファイバコイル３ａの歪みによりそれぞれ変化し、光カプラ４により干渉光となってＯ／Ｅ変換１３に入力され、位相差のある電気信号に変換される。そして、この位相差は、前述したように、位相復調器１４ａによりパッシブホモダイン処理で復調され、ＡＭ復調器１４ｂによりＡＭ復調され、測定対象の磁気信号が検出される。一方、第１及び第２磁気センシング部３１、３２の各光ファイバコイル３ａに音圧が加わった場合、各光ファイバ３ａ、６の音圧感度がほぼ同じであるため、復調器１４の出力に現れる音圧による雑音が低減される。

また、第１及び第２磁気センシング部３１、３２は、液体２が充填されたゴム容器１内に収納されているため、第１及び第２磁気センシング部３１、３２には、その液体２により圧力が均一に加わっており、高圧力下でも破損することなく、前述した動作を行う。

以上のように実施の形態３によれば、ゴム容器１内に充填された液体２の中に第１及び第２磁気センシング部３１、３２を設けたので、金属製の耐圧容器を用いることなく高水圧下の水中でも使用が可能になっている。また、第１及び第２磁気センシング部３１、３２を海水に曝すことがないので、磁歪材料３ｂなどの劣化も防止することができる。また、第１及び第２磁気センシング部３１、３２の構造が同じで、音圧感度が同一であるため、復調器１４の出力に現れる雑音が実施の形態１と比べ低くなり、より小さい磁気信号も検出することが可能になる。

なお、前述した第１及び第２磁気センシング部３１、３２の光ファイバに実施の形態２に示す音圧感度調整部８を設けて、双方の音圧感度の誤差を調整するようにしてもよい。

また、前記の実施の形態３では、実施の形態１に示す磁気センシング部３と同じ構造の第１及び第２磁気センシング部３１、３２をゴム容器１内に収納したことを述べたが、これに限定されるものではない。例えば、コの字形の磁歪材料、この磁歪材料の平行な２辺にそれぞれ接着された２つの光ファイバコイル、コの字形の磁歪材料に強磁性材を取り付けて環状にし、その磁歪材料の２辺に巻回方向が異なるように巻かれたトロイダルコイル、各光ファイバコイルの両端に接続された２つの光カプラ、環状の磁歪材料の外周に間隙を有して巻かれたソレノイドコイルなどでなる磁気センシング部をゴム容器１に収納するようにしてもよい。その場合、一方の光カプラは光源１１と接続され、もう一方の光カプラはＯ／Ｅ変換器１３と接続される。また、ＡＭ復調器１４ｂの出力側にソレノイドコイルと接続される帰還制御信号発生器を設ける。

また、前述したように、コの字形の磁歪材料、この磁歪材料の平行な２辺にそれぞれ接着された２つの光ファイバコイル、コの字形の磁歪材料に強磁性材を取り付けて環状にし、その磁歪材料の２辺に巻回方向が異なるように巻かれたトロイダルコイルにより形成される磁気回路を、直交する３方向に配置してなる磁気センシング部をゴム容器１に収納するようにしてもよい。

また、他の磁気センシング部として、例えば、長円状に巻回さた２つの光ファイバコイル、各光ファイバコイルの互いに対向する平坦部にそれぞれ接着された磁歪材料、各光ファイバコイルに接着された磁歪材料の両端が互いに磁気的に結合されるように設けられたヨーク、同じ光ファイバコイルに接着された磁歪材料には同じ方向の磁界が加わるように、また、一方の光ファイバコイルに接着された磁歪材料ともう一方の光ファイバコイルに接着された磁歪材料とには互いに逆方向の磁界が加わるように巻回された励磁コイル、各光ファイバコイルの両端に接続された２つの光カプラなどからなるものであってもよい。その場合、一方の光カプラは光源１１と接続され、もう一方の光カプラはＯ／Ｅ変換器１３と接続される。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。また、測定対象の磁気信号検出時の動作についても実施の形態１と同じであるため説明を割愛する。

本実施の形態は、ゴム容器１に代えて、例えば、セラミック、ガラス、セメント、石材などの非磁性で導電性の低く、遮音効果の高い材料の筐体１ａ（以下、「非磁性筐体１ａ」という）を用いたものであり、充填された液体２の中に磁気センシング部３が設けられている。この非磁性筐体１ａは、周囲で発生する音を遮断し、非磁性筐体１ａ内の磁気センシング部３のセンシング光ファイバ３ａに加わる音圧を減衰させる。

以上のように実施の形態４においては、液体２が充填された非磁性筐体１ａを水中に用いるようにしたので、外圧に対する剛性が強く、そのため、空洞の非磁性筐体や非磁性材料の耐圧容器と比べ高い耐水圧性が得られている。
また、センシング光ファイバ３ａは、励磁コイル３ｃから発生する交流磁界の周波数近傍の音を感知する程の感度を有しているが、遮音効果の有する非磁性筐体１ａを用いているので、復調器１４の出力に現れる雑音が低く、より小さい磁気信号も検出ができる。
また、非磁性で渦電流の影響も小さい筐体を用いているため、検出精度を低下させることなく測定対象の磁気信号を検出することができ、直接海水に曝すことがないので、磁歪材料などを劣化させることもない。

なお、光カプラ４とミラー７の間に設けられたリファレンス光ファイバ６に、実施の形態２で説明した音圧感度調整部８を設けて、復調器１４の出力に現れる雑音をより低減させるようにしてもよい。

実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。また、測定対象の磁気信号検出時の動作についても実施の形態１と同じであるため説明を割愛する。

本実施の形態は、磁気センシング部３が収納された非磁性筐体１ａと、この非磁性筐体１ａの例えば上部に連結されたゴム容器１とからなるものを水中に設けるようにしたものである。非磁性筐体１ａの上部面のほぼ中央にオリフィス９が設けられ、非磁性筐体１ａとゴム容器１の両方には液体２が注入されている。

非磁性筐体１ａのキャビティの容積、液体２の弾性係数とオリフィス９の形状で決まるヘルムホルツ共振を励磁コイル３ｃから発生する交流磁界の周波数より低くし、かつ、非磁性筐体１ａの内部に伝わる音圧が減衰するように非磁性筐体１ａのキャビティの容積、液体２の弾性係数とオリフィス９の形状が決められている。また、ゴム容器１の容積は、使用する環境の静水圧による体積収縮分の液体２を非磁性筐体１ａ内に供給できる容積とする。

本実施の形態においては、非磁性筐体１ａはヘルムホルツ共振より高い周波数の音を減衰させ、非磁性筐体１ａに収納された磁気センシング部３のセンシング光ファイバ３ａに加わる音圧を低減させる。外部水圧による静水圧が変化すると、ゴム容器１と非磁性筐体１ａの間で液体２がオリフィス９を通って移動し、非磁性筐体１ａの内外で圧力平衡が保たれる。

このように、非磁性筐体１ａの内外で圧力平衡状態となるため、実施の形態４の非磁性筐体１ａよりも高い耐水圧が得られ、復調器１４の出力に現れる周波数帯の音が非磁性筐体１ａにより低減されるため、より小さい磁気信号も検出することができる。

なお、本実施の形態では、非磁性筐体１ａの上部にゴム容器１を連結させるようにしたが、非磁性筐体１ａの下部にゴム容器１を連結させても同じ効果を奏する。

また、光カプラ４とミラー７の間に設けられたリファレンス光ファイバ６に、実施の形態２で説明した音圧感度調整部８を設けて、復調器１４の出力に現れる雑音をより低減させるようにしてもよい。

実施の形態６．
図６は本発明の実施の形態６に係る光ファイバ磁気センサを示す概略構成図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。また、測定対象の磁気信号検出時の動作についても実施の形態１と同じであるため説明を割愛する。

本実施の形態は、図中に示すように、一体に形成されたゴム容器１と非磁性筐体１ａの液体２の中に、空気などの気体をゴムなどの弾性部材で包んだ物（以下、「気泡入り部材９１」という）を入れたものである。なお、気泡入り部材９１として、複数の小さな気泡を有するゴムなどであってもよいし、また、気体を入れた袋であってもよい。

本実施の形態においては、ゴム容器１と非磁性筐体１ａの液体２中に設けられた気泡入り部材９１により、外部からの音が吸収されたり反射されたりし、また散乱されたりして、音圧が低下する。また、非磁性筐体１ａの中に設けられた気泡入り部材９１によって、キャビティの容積弾性係数が低くなり、ヘルムホルツ共振がより低い周波数に移り、非磁性筐体１ａでの音の減衰が大きくなる。

以上のように、ゴム容器１と非磁性筐体１ａの液体２の中に気泡入り部材９１を入れたので、復調器１４の出力に現れる雑音が実施の形態５よりもさらに低くなり、より小さい磁気信号も検出することができる。

なお、本実施の形態では、ゴム容器１と非磁性筐体１ａの液体２の中に気泡入り部材９１を入れて説明したが、その非磁性筐体１ａの外周に設けて、センシング光ファイバ３ａに加わる音圧を低減させるようにしてもよい。また、そのゴム容器１の外周に設けてもよい。

また、実施の形態１のゴム容器１や、実施の形態４の非磁性筐体１ａの中に気泡入り部材９１を入れて、センシング光ファイバ３ａに加わる音圧を低減させるようにしてもよい。

前述した各実施の形態では、光カプラ４とミラー５、７をゴム容器１や非磁性筐体１ａの外に配置したことを述べたが、光カプラ４とミラー５、７をゴム容器１や非磁性筐体１ａの中に収めるようにしてもよい。

また、実施の形態４以外の実施の形態では、ゴム容器１の内部が外部と同じ静水圧を受ける例を説明したが、ある程度の剛性があるゴム容器１を用いて、その容器内外で圧力差が生じてもよい。

また、各実施の形態では、マイケルソン光干渉計を用いる例を示したが、これに代えて、マッハ・ツェンダ光干渉計など他の型の光干渉計を用いることもできる。

さらに、Ｏ／Ｅ変換器１３の出力をパッシブホモダイン又はヘテロダイン処理で復調するようにしたが、アクティブホモダインのようにＯ／Ｅ変換器１３の出力で位相復調後と同等の出力を得る方法を用いることもできる。

１ゴム容器、１ａ非磁性筐体、２液体、３磁気センシング部、３１第１磁気センシング部、３２第２磁気センシング部、３ａセンシング光ファイバ、３ｂ磁歪材料、３ｃ励磁コイル、４光カプラ、５，７ミラー、６リファレンス光ファイバ、８音圧感度調整部、９オリフィス、９１気泡入り部材、１０励磁信号発生器、１１光源、１２変調信号発生器、１３Ｏ／Ｅ変換器、１４復調器、１４ａ位相復調器、１４ｂＡＭ復調器。

Claims

センシング光ファイバコイル、センシング光ファイバコイルに接着された磁歪材料及びこの磁歪材料に交流磁界を印加するための励磁コイルを有する磁気センシング部と、
内部に前記磁気センシング部が収納された容器とを備え、
前記容器は、第１容器と、この第１容器に連結され、内部に前記磁気センシング部が収納された第２容器とからなり、
前記第１容器及び第２容器に液体が注入され、前記第２容器の第１容器と隔離する面に、水圧の変化に応じて前記液体を移動させるオリフィスが設けられていることを特徴とする光ファイバ磁気センサ。
前記第１容器に弾性材を、前記第２容器に遮音効果の高い部材を用い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。
少なくとも前記第２容器内の磁気センシング部の周辺に、音圧を低下させる部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ磁気センサ。