JP6796840B2 - 磁界センサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界センサ素子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、磁性体のファラデー効果を利用して磁界レベルや電流値を測定することができる、小型でシンプルな光学系を備える磁界センサ素子及びその製造方法に関する。

特許文献１には、１／４λ板（１／４波長板）、ファラデー素子及び反射板を磁界センサ素子（センサヘッド）として備え、この磁界センサ素子に偏波面保持光ファイバを接続した偏波面保持光ファイバ型磁界センサが提案されている。この磁界センサ素子では、偏波面保持光ファイバを介して直線偏光が入射されて１／４λ板、ファラデー素子を通過する。通過した光が、反射板で反射されて、同じ経路を戻って偏波面保持光ファイバに出射される。

上記の磁界センサ素子は、１本の偏波面保持光ファイバで送受光を伝送できるためコンパクトであり実装が容易で取扱いに便利である。又、この磁界センサ素子は、１／４λ板及びファラデー素子を光が２回通過するため磁界の検出レベルが大きくなって検出精度が高いものになる。

特開平７−２０２１７号公報

特許文献１で提案された磁界センサ素子では、偏波面保持光ファイバを介して入射された光が反射板で反射し、その反射光が偏波面保持光ファイバに戻る必要がある。つまり、偏波面保持光ファイバの光軸と、１／４λ板、ファラデー素子及び反射板の経路の光軸とを合わせる必要がある。光軸が合っていないと光の損失が大きくなり、磁界センサ素子の性能が悪化してしまう。光軸を合わせるためには、各部品の形状精度を高くしたり、精度よく組み立てたりする必要があり、製造が難しいという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡便に製造することができるとともに、光の損失を低減することができる磁界センサ素子及びその製造方法を提供することにある。

（１）本発明に係る磁界センサ素子は、シングルモード光ファイバで構成された経路と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の一方の端部に設けられた反射膜と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の他方の端部に連結された、前記シングルモード光ファイバに光を入出力するための光伝送用光ファイバと、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられたファラデー回転子と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられた１／４λ板と、前記シングルモード光ファイバ、前記反射膜、前記ファラデー回転子及び前記１／４λ板を一体的に固定するセンサヘッド基材と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、光伝送用光ファイバから１／４λ板、ファラデー回転子を通って反射膜までの経路がシングルモード光ファイバで構成された経路で接続されて光が導かれるため、光軸を合わせるために各部品の形状精度を高くしたり、精度よく組み立てたりする必要がなく簡便に製造することができるとともに、光の損失を低減することができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記光伝送用光ファイバが、偏波保持光ファイバであるように構成できる。

この発明によれば、偏波面を保持したまま光を伝送できるため、検出した磁界の情報を離れた場所まで正確に伝送することができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記ファラデー回転子の光入射面が、前記シングルモード光ファイバの光軸に対して直交せずに傾斜させて設けられるように構成できる。

この発明によれば、ファラデー回転子の表面（界面）で発生する反射光をシングルモード光ファイバのコア外に逃がすことができるため、反射光の影響を受けることなく、測定を行うことができる。

本発明に係る磁界センサ素子において、前記ファラデー回転子が、前記１／４λ板上に膜状に設けられるように構成できる。

この発明によれば、部品点数を減らせて部品形状を小さくできるため、小型化することができるとともに、トータルの部品の厚さを減らせるため、光の損失を低減することができる。

（２）本発明に係る磁界センサ素子の製造方法は、センサヘッド基材に、１／４λ板、ファラデー回転子及び反射膜を有する磁界センサ素子の製造方法であって、シングルモード光ファイバに、光を入出力するための光伝送用光ファイバを連結する工程と、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程と、前記シングルモード光ファイバの一方の端部に前記反射膜を成膜する工程と、前記シングルモード光ファイバを切断するように、前記センサヘッド基材にスリットを形成する工程と、前記ファラデー回転子及び前記１／４λ板を前記スリットに入れて固定する工程と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、元々１本だったシングルモード光ファイバにスリットを入れていることから、シングルモード光ファイバの経路の光軸が確実に一致するため、光の損失を低減することができる。又、光軸を合わせるために各部品の形状精度を高くしたり、精度よく組み立てたりする必要がないため、簡便に製造することができる。

本発明に係る磁界センサ素子の製造方法において、前記センサヘッド基材に前記シングルモード光ファイバを入れるための溝を形成する工程と、前記溝に前記シングルモード光ファイバを入れる工程とを行った後に、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程を行うようにしてもよい。

この発明によれば、シングルモード光ファイバを溝に入れて固定すればよいので、作業性に優れており、簡便に製造することができる。

本発明によれば、簡便に製造することができるとともに、光の損失を低減することができる磁界センサ素子及びその製造方法を提供することができる。

本発明に係る磁界センサ素子の一例を示す模式的な平面構成図である。 図１の模式的なＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る磁界センサ素子の他の一例を示す模式的な平面構成図である。 図３の模式的なＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る磁界センサ素子を用いた磁界センサ装置の一例を示す構成図である。 ファラデー回転子の光入射面とシングルモード光ファイバの光軸に直交する直交面との傾斜角θに対する光の反射減衰量Ｒを示すグラフである。 本発明に係る磁界センサ素子の製造方法の一例を示す図である。 本発明に係る磁界センサ素子の製造方法の一例を示す図である。

本発明に係る磁界センサ素子及びその製造方法について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、その要旨の範囲で以下の説明及び図面に限定されない。

［磁界センサ素子］
本発明に係る磁界センサ素子１は、図１〜図４に示すように、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）で構成された経路と、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の一方の端部（先端側の端部）２５に設けられた反射膜３と、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の他方の端部２６に連結された、シングルモード光ファイバ２に光を入出力するための光伝送用光ファイバ７と、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の途中に設けられたファラデー回転子４と、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の途中に設けられた１／４λ板５と、シングルモード光ファイバ２、反射膜３、ファラデー回転子４及び１／４λ板５を一体的に固定するセンサヘッド基材６とを有している。光伝送用光ファイバ７は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。

こうして構成された磁界センサ素子１では、光伝送用光ファイバ７を伝搬してきた直線偏光がシングルモード光ファイバ２（２１，２２）の経路の他方の端部２６から入射し、シングルモード光ファイバ２１を伝搬して１／４λ板５及びファラデー回転子４を透過してシングルモード光ファイバ２２を伝搬する。シングルモード光ファイバ２２を伝搬した光は、端部２５の反射膜３で反射した後に、シングルモード光ファイバ２２、ファラデー回転子４、１／４λ板５、シングルモード光ファイバ２１を通過して、光伝送用光ファイバ７に出力される。シングルモード光ファイバ２で構成された経路の一方の端部２５には反射膜３が設けられているため、反射光はシングルモード光ファイバ２に確実に戻る。さらに、１／４λ板５、ファラデー回転子４はシングルモード光ファイバ２で構成された経路の途中に設けられているため、１／４λ板５及びファラデー回転子４を透過した光は、シングルモード光ファイバ２の経路に確実に入る。このようにシングルモード光ファイバ２によって光が導かれるため、光軸を合わせるように各部品の形状精度を高くしたり、各部品を精度よく組み立てたりする必要がないため、簡便に製造することができる。又、光軸が合っているため、光の損失を低減することができる。

上記の構成の磁界センサ素子１では、ファラデー回転子４を透過した光がさらに反射膜３で反射した後に再度ファラデー回転子４を透過するので、磁界の存在下において、ファラデー回転子４のファラデー効果により光の偏光面の回転角を大きくすることができる。その結果、存在する磁界をセンシングすることができる。その磁界が導体を流れる電流によって生じている場合には、流れる電流の電流値を測定することができる。

以下、磁界センサ素子の各構成要素を詳しく説明する。

［第１実施形態］
磁界センサ素子１は、図１及び図２に示すように、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）、反射膜３、光伝送用光ファイバ７、ファラデー回転子４、１／４λ板５及びセンサヘッド基材６と、を有している。

（シングルモード光ファイバ）
シングルモード光ファイバ２として、シングルモード光ファイバ２１及びシングルモード光ファイバ２２が設けられている。シングルモード光ファイバ２１及びシングルモード光ファイバ２２は、特性や径が同種のものである。シングルモード光ファイバ２１及びシングルモード光ファイバ２２の長さは、各々任意の長さのものである。シングルモード光ファイバ２の経路は直線状である。後に詳述するように、シングルモード光ファイバ２１とシングルモード光ファイバ２２とは、元々１つに繋がっていたシングルモード光ファイバ２をセンサヘッド基材６に固定した状態で切断して形成したものであることが好ましい。

図１に示すように、シングルモード光ファイバ２１及びシングルモード光ファイバ２２は、シングルモード光ファイバ２１の光軸Ｃ１と、シングルモード光ファイバ２２の光軸Ｃ２が一致して、センサヘッド基材６に固定されている。つまり、ファラデー回転子４及び１／４λ板５を挟むシングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）が、一致している。

（反射膜）
反射膜３は、図１及び図２に示すように、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の一方の端部（端面）２５に設けられる。反射膜３は、シングルモード光ファイバ２（２２）の端部２５に少なくとも設けられていればよく、両図に示すように、端部２５と面一に形成されたセンサヘッド基材６の先端面６６の全体（又は先端面６６の一部）に設けられていてもよい。

反射膜３は、シングルモード光ファイバ２で構成された経路（シングルモード光ファイバ２２）内を伝搬した光を反射するために設けられており、その種類としては、例えば、Ａｇ膜、Ａｕ膜、Ａｌ膜、誘電体多層膜ミラー等を挙げることができる。特に反射率の高いＡｇ膜や耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。

（光伝送用光ファイバ）
光伝送用光ファイバ７は、シングルモード光ファイバ２に光を入出力するためのものであり、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の他方の端部２６に連結されている。光伝送用光ファイバ７は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。偏波保持光ファイバを用いることで、磁界センサ素子１の検出した光の偏波面の回転や位相差を維持したまま伝送することができる。なお、用途によっては、光伝送用光ファイバ７がシングルモード光ファイバであってもよい。各図で光伝送用光ファイバ７の図示を省略した側の端部（図の左側端部）には、一例として、磁界センサ装置１００のハーフミラー８３（図５参照）が接続されて使用される。

（ファラデー回転子）
ファラデー回転子４は、ファラデー効果を生じさせるものである。ファラデー効果とは、磁場中の材料中を光が通過するときに偏光面が回転する効果である。ファラデー回転子４は、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の途中に設けられる。ファラデー回転子４は、一例として、ファラデー効果を生じさせる磁性膜１０と、磁性膜１０を支持するための透明な基板１１とによって構成されている。

磁性膜１０は、直線偏光を、ファラデー効果により偏光面の回転角を大きくするように作用する。磁性膜１０は、そうした挙動を生じる性質を有する膜であればよく、その種類は特に限定されない。例えば、従来からファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットが挙げられる。又、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びこれらの合金を挙げることができる。その合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金を挙げることができる。更に、これらの強磁性体を誘電体マトリックス中に微粒子として分散させたグラニュラー薄膜も用いることができる。マトリックスとして用いる誘電体は、ＭｇＦ_２等のフッ化物や、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の酸化物を挙げることができる。

磁性膜１０は、一例として、磁性膜１０を保持するための透明な基板１１上に設けられている。基板１１の材質として、例えば、ガラス、水晶、透明な合成樹脂を挙げることができる。

ファラデー回転子４の光入射面Ｍ、すなわち磁性膜１０の膜面は、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）に対して直交するように設けられている。

（１／４λ板）
１／４λ板５は、シングルモード光ファイバ２で構成された経路の途中に設けられている。１／４λ板５は、ファラデー回転子４に対して反射膜３の反対側に設けられている。１／４λ板５は、公知のものであり、入射される直線偏光に対して光軸が２２．５ｄｅｇ傾けられているものである。これにより、１／４λ板５は、入射された直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変換し、又、入射された円偏光又は楕円偏光を直線偏光に変換するように作用する。

１／４λ板５をセンサヘッド基材６（磁界センサ素子１）内に設けることで、磁界センサ素子１内で全ての偏光回転が完結する。そのため、その後の光伝送用光ファイバ７の伝送によって位相差が生じたとしても、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の強度は保たれ、正確な測定を行うことができる。

なお、この例では、ファラデー回転子４と１／４λ板５とが別体である例を示したが、磁性膜１０を１／４λ板５上に形成して、ファラデー回転子４（磁性膜１０）と１／４λ板５とが一体的に形成されているものを用いてもよい。この場合、基板１１が不要になって部品点数を削減できる。又、基板１１の分だけ部品の厚さが薄くなり光の損失が少なくなる。その結果、小型化でき組み立て作業がより簡便になるとともに、光の損失を低減することができる。

（センサヘッド基材）
センサヘッド基材６は、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）、反射膜３、ファラデー回転子４及び１／４λ板５を一体的に固定するものである。センサヘッド基材６の材質として、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂を挙げることができる。固定するために必要であれば、接着剤、硬化型樹脂などの固定部材を使用する。例えば、シングルモード光ファイバ２、ファラデー回転子４、並びに１／４λ板５は、接着剤によってセンサヘッド基材６に固定されている。

（シングルモード光ファイバの作用）
一般的に、シングルモード光ファイバは、外力が及ばないように固定又は静置されていれば光の偏光面の回転角度や位相差を維持したまま、光を伝搬することができるものである。上記のように磁界センサ素子１では、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）がセンサヘッド基材６に固定されて、光の経路を構成している。そのため、磁界センサ素子１のシングルモード光ファイバ２、１／４λ板５、ファラデー回転子４、反射膜３までの経路のいずれの位置であっても、光の偏光面位相差による回転角度が、外力によって影響を受けることはない。図１及び図２では、１／４λ板５とファラデー回転子４とを密着させて設けている例を示しているが、１／４λ板５とファラデー回転子４との間にシングルモード光ファイバ２を配置してもよい。

シングルモード光ファイバ２で構成された経路によって光が導かれるため、光伝送用光ファイバ７を伝搬してきた直線偏光は、１／４λ板５、ファラデー回転子４を通過して、反射膜３まで確実に到達する。反射膜３は、シングルモード光ファイバ２（２２）の一方の端部２５に形成されているため、反射光はシングルモード光ファイバ２（２２）に確実に戻る。そして反射光はシングルモード光ファイバ２によって導かれるため、ファラデー回転子４、１／４λ板５を通過して、シングルモード光ファイバ２の他方の端部２６に連結された光伝送用光ファイバ７に確実に戻る。そのため、光の損失を低減することができる。

シングルモード光ファイバ２は部分的な振動などの機械的な外乱に弱く、外乱の影響があると偏波面を維持したまま光を伝送することが難しいという特性がある。本発明に係る磁界センサ素子１では、シングルモード光ファイバ２をセンサヘッド基材６で一体的に固定しているため、シングルモード光ファイバ２が部分的に振動することが防止されている。その結果、シングルモード光ファイバ２は、機械的な外乱が加えられたとしてもその影響を受けず、偏波面を維持したまま光を伝送することができる。

なお、磁界センサ素子１のシングルモード光ファイバ２を、偏波面保持光ファイバに置き換えることが考えられる。しかしながら、円偏光は、偏波面保持光ファイバの持つビート長やコヒーレント長の影響で、周期的な位相ずれやクロストークによって偏光回転の波形が崩れてランダム偏光になってしまう。そのため、シングルモード光ファイバ２を偏波面保持光ファイバに置き換えることはできない。

［磁界センサ装置］
本発明に係る磁界センサ素子１を用いた磁界センサ装置１００を図５に示す。磁界センサ装置１００は、磁界センサ素子１と、磁界センサ素子１が有する光伝送用光ファイバ７に直線偏光を導入する発光装置８０と、磁界センサ素子１が有する光伝送用光ファイバ７から導出された戻り光を受光する受光装置９０とで構成されている。

この磁界センサ装置１００では、磁界センサ素子１が有する光伝送用光ファイバ７の後端側の端面は、発光素子８１を含む発光装置８０に光学的に接合されているとともに、受光素子９６等を含む受光装置９０にも光学的に接合されている。この接続形態により、発光装置８０では、発光素子８１からの光を偏光子８２で直線偏光とする。直線偏光は、光伝送用光ファイバ７を経由して、図１及び図２に示した磁界センサ素子１のシングルモード光ファイバ２１、１／４λ板５を透過する。直線偏光は、１／４λ板５を透過するときに、円偏光に変換される。この円偏光が、ファラデー回転子４、シングルモード光ファイバ２２の順に透過し、反射膜３で反射し、再び、シングルモード光ファイバ２２、ファラデー回転子４、１／４λ板５を透過する。ファラデー回転子４に磁界が印加されていると、その磁界強度に応じて偏光面が回転する。この円偏光が１／４λ板５を透過するときに直線偏光に変換されて、シングルモード光ファイバ２１を透過して戻り光となる。

この戻り光は、光伝送用光ファイバ７を経由して、受光装置９０に入る。受光装置９０では、戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子９４と、Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子９６（９６Ｓ，９６Ｐ）と、電気信号を処理する信号処理部９８とを有している。

＜発光装置＞
発光装置８０は、磁界センサ素子１が有する光伝送用光ファイバ７に直線偏光を導入する装置であり、発光素子８１と、発光素子８１から発した光を直線偏光にする偏光子８２とを有している。偏光子８２は光を直線偏光し、その直線偏光は、磁界センサ素子１を構成する光伝送用光ファイバ７に導入される。

発光素子８１としては、例えば、半導体レーザ又は発光ダイオード等を適用することができる。具体的には、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。

偏光子８２は、発光素子８１から発した光を直線偏光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されず、各種のものを用いることができる。

直線偏光の光伝送用光ファイバ７への導入は、光カプラ、サーキュレータ、ハーフミラー等によって行われる。図５中の符号８３はハーフミラーであり、このハーフミラー８３は、偏光子８２で偏光された直線偏光を光伝送用光ファイバ７に導入するとともに、光伝送用光ファイバ７を伝搬してきた戻り光を光源側とは別系統に伝搬させる光学素子である。なお、ハーフミラー８３に代えて、光ファイバを結合分岐するための光カプラであってもよいし、光を分割するビームスプリッタであってもよいし、光サーキュレータであってもよい。

＜受光装置＞
光伝送用光ファイバ７を伝搬してきた戻り光は、例えば図５に示すハーフミラー８３を経由し、光源とは別経路で伝搬して受光装置９０に到達する。

受光装置９０は、磁界センサ素子１が有する光伝送用光ファイバ７から導出された戻り光を受光する装置である。この受光装置９０は、図５に示すように、戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光分離素子９４と、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を受光する受光素子９６（９６Ｓ，９６Ｐ）と、受光した光を電気信号に変換する信号処理部９８とを有している。

（偏光分離素子）
偏光分離素子９４は、戻り光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分をそれぞれ分岐する光学素子である。偏光分離素子９４としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を好ましく挙げることができる。偏光ビームスプリッタは、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型、光導波路型等の各種のものを適用することができる。

（受光素子）
受光素子９６（９６Ｓ，９６Ｐ）は、偏光分離素子９４で分岐したＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれ受光して光電変換する光学素子であり、ＰＩＮフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。

（信号処理部）
信号処理部９８は、光電変換された電気信号から２つの偏光の強度を回路により差分検出し、その差分に基づいて、磁界強度値、電流値などの所望の測定値に変換する。

［第２実施形態］
第２実施形態の磁界センサ素子１ａは、図３及び図４に示すように、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）、反射膜３、光伝送用光ファイバ７、ファラデー回転子４、１／４λ板５及びセンサヘッド基材６ａと、を有している。

第２実施形態の磁界センサ素子１ａは、ファラデー回転子４の光入射面Ｍがシングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）に対して直交せず傾斜している点で第１実施形態の磁界センサ素子１と異なっている。他の点は第１実施形態の磁界センサ素子１の構成と同様である。そのため、第１実施形態の磁界センサ素子１と同様の構成については、同じ符号を図面に付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態の磁界センサ素子１では、図１に示したように、ファラデー回転子４の光入射面Ｍがシングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）に対して直交している。この場合、ファラデー回転子４（磁性膜１０）の屈折率とシングルモード光ファイバ２の屈折率に差があると、界面でフレネルの式による反射光が発生する。この反射光は不要光として光伝送用光ファイバ７に戻ってしまい、測定結果に影響を与えてしまう。ファラデー回転子４の屈折率とシングルモード光ファイバ２の屈折率とに大きな差がなく反射光の影響が小さい場合には、第１実施形態の磁界センサ素子１のように、ファラデー回転子４の光入射面Ｍがシングルモード光ファイバ２の光軸Ｃに対して直交するように構成すればよい。

なお、１／４λ板５は、シングルモード光ファイバ２の屈折率とほぼ同様の屈折率であるため、反射光の発生は少ない。又、ファラデー回転子４の基板１１は、シングルモード光ファイバ２の屈折率とほぼ同様の屈折率のものであるため、反射光の発生は少ない。

一方、ファラデー回転子４の屈折率とシングルモード光ファイバ２の屈折率とに差があり、反射光の影響を無視できない場合、図３に示す第２実施形態の磁界センサ素子１ａのように、ファラデー回転子４の光入射面Ｍがシングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）に対して直交せずに傾斜させて構成することが好ましい。

（傾斜角）
図３に示すように、ファラデー回転子４の光入射面Ｍと、シングルモード光ファイバ２（２１，２２）の光軸Ｃ（Ｃ１，Ｃ２）に直交する直交面Ｖとが、傾斜角θをなしている。この傾斜角θは、シングルモード光ファイバ２とファラデー回転子４（磁性膜１０）との界面で発生する反射光をシングルモード光ファイバ２のコアの外に逃がすための角度である。好ましい傾斜角θは、光の波長やファイバーコアの材質によって変わるため、適宜設定すればよい。

傾斜角θ（deg）のときに、シングルモード光ファイバ２に戻る光の反射減衰量Ｒ（dB）は下記の式（１）で表される。
R=10log{R0・exp[(-2πn・ω・θr)^2/λ]} ・・・（１）
ここで、
R0=(n-1)^2/(n+1)^2
θr＝θ×π／180 （単位rad）
R0：０度のときの反射量
n：コアの屈折率
ω：シングルモード光ファイバのモードフィールド半径（単位m）
λ：波長（単位m）

例えば、光の波長λ＝１５５０ｎｍ、ゲルマニウムドープ石英をコアとする光ファイバの屈折率ｎ＝１．４５２、シングルモード光ファイバのモードフィールド半径ω＝４．５μｍ、である場合、式（１）で計算した傾斜角θに対する光の反射減衰量Ｒを示すグラフを図６に示す。

図６に示すように、傾斜角θ＝６ｄｅｇのときに反射減衰量Ｒ＝−６２ｄＢと充分に小さくなり、傾斜角θ＝８ｄｅｇのときに反射減衰量Ｒ＝−９８ｄＢとより小さくなる。この結果から、傾斜角θ≧６ｄｅｇ以上であることが好ましく、傾斜角θ≧８ｄｅｇであることがより好ましい。このことは、例えば反射減衰量Ｒが−６０ｄＢ以下であることが好ましく、−９０ｄＢ以下であることがより好ましいということもできる。なお、傾斜角θが大きくなりすぎると磁性膜１０に入射する光に偏光成分が顕著に生じ、入射光の光軸と傾斜角の設定が猥雑となるためθ≦１０ｄｅｇが好ましい。したがって、傾斜角θの最適な範囲は、６ｄｅｇ≦傾斜角θ≦１０ｄｅｇの範囲となり、より好ましくは８ｄｅｇ≦傾斜角θ≦１０ｄｅｇの範囲となる。

このように傾斜角θを設けることで、偏光回転に寄与しない不要な反射光を光の経路外に逃がせるため、精度よく測定することができる。

［磁界センサ素子の製造方法］
本発明に係る磁界センサ素子の製造方法は、各構成の説明欄で記載したとおり、図７及び図８に示すように、センサヘッド基材６に、１／４λ板５、ファラデー回転子４及び反射膜３を有する磁界センサ素子の製造方法であって、シングルモード光ファイバ２の経路の他方の端部に光を入出力するための光伝送用光ファイバ７を連結する工程（図７（Ｂ）参照）と、シングルモード光ファイバ２をセンサヘッド基材６に固定する工程（図７（Ｃ）参照）と、シングルモード光ファイバ２の経路の一方の端部２５に反射膜３を形成する工程（図８（Ｄ）図８（Ｅ）参照）と、シングルモード光ファイバ２を切断するように、センサヘッド基材６にスリット４１を形成する工程（図８（Ｆ）参照）と、ファラデー回転子４及び１／４λ板５をスリット４１に入れて固定する工程（図８（Ｇ）参照）とを有している。

図７に示すように、センサヘッド基材６（ベース部材６１）にシングルモード光ファイバ２を入れるための溝３１を形成する工程（図７（Ａ）参照）と、溝３１にシングルモード光ファイバ２を入れる工程（図７（Ｃ）参照）とを行った後に、シングルモード光ファイバ２をセンサヘッド基材６に固定する工程（図７（Ｃ）参照）を行うことが好ましい。さらに、溝３１が、略Ｖ字形の断面の溝（図７（Ｃ）の丸枠内参照）であることが好ましい。

以下、磁界センサ素子の製造方法を詳しく説明する。

図７（Ａ）に示すように、センサヘッド基材６になるベース部材６１にシングルモード光ファイバ２を入れるための溝３１を形成する工程を行う。ベース部材６１の材質は、例えば、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂である。ベース部材６１の全体形状（例えば直方体形状）を形成するときに、溝３１を同時に形成してもよいし、ベース部材６１の全体形状を形成した後に、ベース部材６１を加工して溝３１を形成してもよい。

溝３１は、図７（Ｃ）の丸枠内に示すように、略Ｖ字形の断面の溝を形成することが好ましい。略Ｖ字形の断面の溝３１であれば、シングルモード光ファイバ２を入れたときに、位置決めすることができる。溝３１として、位置決めの精度は多少低下するが、略Ｕ字形の断面の溝を形成してもよい。

又、図７（Ｂ）に示すように、シングルモード光ファイバ２の他方の端部（端面）２６に、光伝送用光ファイバ７の端面を連結する工程を行う。この連結は、例えば融着又は接着などの公知の方法により行う。融着する場合、公知のアーク放電融着機を好ましく用いることができる。接着する場合、図７（Ｃ）に示すように、溝３１内にシングルモード光ファイバ２及び光伝送用光ファイバ７を入れて位置決めしてから接着してもよい。

次に、図７（Ｃ）に示すように、シングルモード光ファイバ２を、ベース部材６１の溝３１に入れて、センサヘッド基材６に固定する工程を行う。固定には、例えば接着剤６３を使用する。接着剤６３として、例えばＵＶ硬化型接着剤など、公知の接着剤を用いればよい。シングルモード光ファイバ２が部分的に動かないように、シングルモード光ファイバ２を接着剤６３で全体的にモールドして、センサヘッド基材６（ベース部材６１）にしっかりと固定することが重要である。又、光伝送用光ファイバ７に振動などの機械的な外乱が加わったときにシングルモード光ファイバ２に機械的な外乱が伝わらないように、光伝送用光ファイバ７との連結箇所であるシングルモード光ファイバ２の端部２６が、センサヘッド基材６（ベース部材６１）の内部に位置するように、光伝送用光ファイバ７の先端部側（シングルモード光ファイバ２側）をセンサヘッド基材６内に固定することが好ましい。なお、必要性に応じて、シングルモード光ファイバ２とセンサヘッド基材６との長さが同じであってもよい。この場合、シングルモード光ファイバ２の他方の端部（端面）２６がセンサヘッド基材６の後端側（図８の左端側）の端面と面一になる。

又、例えば、図７（Ｃ）に示すように、ベース部材６１の溝３１側の面全体を覆う蓋板６２を、接着剤６３で固定してもよい。蓋板６２で溝３１を覆うことで、シングルモード光ファイバ２を保護しつつ、しっかりと固定することができる。

なお、センサヘッド基材６の形状や構造は任意であり、少なくともシングルモード光ファイバ２全体がセンサヘッド基材６に固定される形状や構造であればよい。必要性に応じて、蓋板６２を使用しなくてもよい。

次に、図８（Ｄ）に示すように、シングルモード光ファイバ２の端部２５とセンサヘッド基材６の先端面６６とが面一になるように、センサヘッド基材６の先端面６６を一例として研磨機２０１で研磨する工程を行う。これは、シングルモード光ファイバ２の端部２５に反射膜３を形成するための前処理工程である。

次に、図８（Ｅ）に示すように、シングルモード光ファイバ２の端部２５を含む、センサヘッド基材６の先端面６６に反射膜を成膜する工程を行う。反射膜３は、例えば、気相成長法（物理蒸着法、化学蒸着法、真空蒸着法、スパッタリング法）、印刷法、スピンコート法、メッキ法などの公知の方法で形成すればよい。

次に、図８（Ｆ）に示すように、シングルモード光ファイバ２を切断するように、センサヘッド基材６にスリット４１を形成する工程を行う。スリット４１は、例えば、ダイシングブレードでセンサヘッド基材６をダイシングすることで形成すればよい。スリット４１の溝幅は、１／４λ板５及びファラデー回転子４がちょうど入る幅で形成する。

次に、図８（Ｇ）に示すように、スリット４１に１／４λ板５及びファラデー回転子４を挿入して固定する。固定は、例えば接着などの公知の方法で行えばよい。

第１実施形態の磁界センサ素子１を製造する場合、スリット４１は、図１に示したように、シングルモード光ファイバ２の光軸Ｃと、ファラデー回転子４の光入射面Ｍとが直交する向きで形成すればよい。第２実施形態の磁界センサ素子１ａを製造する場合、スリット４１は、図３に示したように、シングルモード光ファイバ２の光軸Ｃの直交面Ｖと、ファラデー回転子４の光入射面Ｍとが傾斜角θで傾斜する向きで形成すればよい。

以上で、磁界センサ素子１（磁界センサ素子１ａ）が完成する。

シングルモード光ファイバ２１及びシングルモード光ファイバ２２は、元々１本のシングルモード光ファイバ２を固定した後に切断して形成したものである。つまり、図１、図３に示したシングルモード光ファイバ２１の光軸Ｃ１及びシングルモード光ファイバ２２の光軸Ｃ２は、シングルモード光ファイバ２１の光軸Ｃとして元々合っていたものであるため、確実に一致する。

なお、センサヘッド基材６にスリット４１を形成した後に、センサヘッド基材６の先端面６６に反射膜３を成膜するようにしてもよい。又、光ファイバ２単体（端部２５）だけに反射膜３を成膜してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、簡便に製造することができるとともに、光の損失を低減することができる磁界センサ素子１，１ａ及びその製造方法を提供することができる。

１，１ａ 磁界センサ素子
２（２１，２２） シングルモード光ファイバ
２５ シングルモード光ファイバで構成された経路の一方の端部
２６ シングルモード光ファイバで構成された経路の他方の端部
３ 反射膜
４ ファラデー回転子
５ １／４λ板
６，６ａ センサヘッド基材
７ 光伝送用光ファイバ
１０ 磁性膜
１１ 基板
３１ 溝
４１ スリット
６１ ベース部材
６２ 蓋板
６３ 接着剤
６６ 先端面
８０ 発光装置
８１ 発光素子
８２ 偏光子
８３ ハーフミラー
９０ 受光装置
９４ 偏光分離素子
９６ 受光素子（９６Ｓ，９６Ｐ）
９８ 信号処理部
１００ 磁界センサ装置
２０１ 研磨機
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２） 光軸
Ｍ 光入射面
Ｖ 直交面
θ 傾斜角

Claims (6)

1. シングルモード光ファイバで構成された経路と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の一方の端部に設けられた反射膜と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の他方の端部に連結された、前記シングルモード光ファイバに光を入出力するための光伝送用光ファイバと、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられたファラデー回転子と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられた１／４λ板と、前記シングルモード光ファイバ、前記反射膜、前記ファラデー回転子及び前記１／４λ板を一体的に固定するセンサヘッド基材と、を有することを特徴とする磁界センサ素子。
2. 前記光伝送用光ファイバが、偏波保持光ファイバである、請求項１に記載の磁界センサ素子。
3. 前記ファラデー回転子の光入射面が、前記シングルモード光ファイバの光軸に対して直交せずに傾斜させて設けられている、請求項１又は２に記載の磁界センサ素子。
4. 前記ファラデー回転子が、前記１／４λ板上に膜状に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁界センサ素子。
5. センサヘッド基材に、１／４λ板、ファラデー回転子及び反射膜を有する磁界センサ素子の製造方法であって、シングルモード光ファイバの経路の他方の端部に、光を入出力するための光伝送用光ファイバを連結する工程と、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程と、前記シングルモード光ファイバの経路の一方の端部に前記反射膜を成膜する工程と、前記シングルモード光ファイバを切断するように、前記センサヘッド基材にスリットを形成する工程と、前記ファラデー回転子及び前記１／４λ板を前記スリットに入れて固定する工程と、を有することを特徴とする磁界センサ素子の製造方法。
6. 前記センサヘッド基材に前記シングルモード光ファイバを入れるための溝を形成する工程と、前記溝に前記シングルモード光ファイバを入れる工程とを行った後に、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程を行う、請求項５に記載の磁界センサ素子の製造方法。
   

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