JPH05264687A - 光式磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定範囲が広く、高精度で高利得の光式磁界
センサを提供する。 【構成】 被測定磁界中に磁歪素子２２が設けられ、こ
の磁歪素子２２には、それが被測定磁界により変位を生
じる方向と垂直な一端面に第１の干渉計ミラー２１ａが
固着されている。また、この第１の干渉計ミラー２１ａ
と対向する位置には、第１の干渉計ミラーと共に一対の
干渉計を構成する第２の干渉計ミラー２１ｂが配設され
ている。なお、前記磁歪素子２２は、被測定磁界の強さ
に比例して変位するように構成され、また、第２の干渉
計ミラー２１ｂとしては、ハーフミラーが用いられてい
る。さらに、前記干渉計に入射光を供給するための光源
１９、この光源１９と前記干渉計の中間に配置されたハ
ーフミラー２３及び干渉計の反射光を検出するためのテ
デクタ２０が配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪素子と光の干渉を
応用して、磁界強度を検出する光式磁界センサに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の磁界センサとしては、特開昭５
９−１５９０７６号公報に記載されたものが、従来から
知られている。図４は前記公報に開示された従来技術を
示すもので、磁界の強度Ｈそのものを測定する磁界セン
サである。

【０００３】図４において、発光ダイオード等から成る
発光部１から出射される光は、光ファイバ２を介して集
光レンズ３に導かれ、この集光レンズ３により平行光に
近い光とされた後、偏光子４に入射され、偏光子４によ
り取出された偏光が磁気光学素子５に入射されるように
構成されている。

【０００４】なお、前記磁気光学素子５は、それが置か
れた磁界の強度Ｈ（図中、矢印方向）によっていわゆる
ファラデー効果を示すもの、例えば、鉛ガラスや磁性膜
等によって形成されている。従って、磁気光学素子５の
一端面に入射された偏光の偏光面は、磁界強度Ｈに比例
してθだけ回転されて磁気光学素子５の他端面から射出
される。この射出光は、偏光プリズムまたは偏光ビーム
スプリッタなどから成る、主軸が偏光子４と４５゜の位
置にセットされた検光子７に入射され、ここにおいて、
図５に示す様に、直交２成分（Ｘ成分、Ｙ成分）のベク
トル光に分光されるようになっている。この場合、図５
から明らかな様に、それぞれのベクトル成分は次式で表
わされる。

【０００５】

【数１】 Ｅｘ＝Ｅ・ｓｉｎ（４５゜＋θ） …（１） Ｅｙ＝Ｅ・ｃｏｓ（４５゜＋θ） …（２）

【０００６】これらのベクトル光は、それぞれ集光レン
ズ８，９によって集光された光量信号Ｐｘ，Ｐｙとな
り、光ファイバー１０，１１を介して受光素子１２，１
３に導かれる。ここで、光量はベクトルの大きさの二乗
であるから、光量信号Ｐｘ，Ｐｙは、下記の通りとな
る。

【０００７】

【数２】 Ｐｘ＝Ｅｘ² ＝Ｅ² ・ｓｉｎ² （４５゜＋θ） ＝（Ｅ² ／２）・（１＋ｓｉｎ２θ） …（３） Ｐｘ＝Ｅｙ² ＝Ｅ² ・ｃｏｓ² （４５゜＋θ） ＝（Ｅ² ／２）・（１−ｓｉｎ２θ） …（４）

【０００８】前記受光素子１２，１３は、例えばフォト
ダイオードから形成されており、受光する光量信号Ｐ
ｘ，Ｐｙに比例した電流信号を出力する光電変換器であ
る。磁界が交番磁界の場合を例にとれば、この電流信号
は電流電圧変換アンプ１４，１５によって、次式
（５），（６）に示す電圧信号Ｖｘ，Ｖｙに変換され
る。なお、同式中のＫ₁ は定数である。

【０００９】

【数３】 Ｖｘ＝Ｋ₁ （１＋ｓｉｎ２θ） …（５） Ｖｙ＝Ｋ₁ （１−ｓｉｎ２θ） …（６）

【００１０】この電圧信号Ｖｘはアナログ加算器１６と
アナログ減算器１７の＋入力端に入力され、電圧信号Ｖ
ｙはアナログ加算器１６の＋入力端とアナログ減算器１
７の−入力端にそれぞれ入力されている。そして、アナ
ログ加算器１６の出力は割算器１８の分母入力端に、ア
ナログ減算器１７の出力は割算器１８の分子入力端にそ
れぞれ入力されている。これによって、割算器１８から
出力される信号Ｖ₀ は次式（７）で表わされたものとな
る。

【００１１】

【数４】 Ｖ₀ ＝（Ｖｘ−Ｖｙ）／（Ｖｘ＋Ｖｙ）＝ｓｉｎ２θ …（７） この（７）式においては、θが十分小さな範囲で、次式
（８）が成立する。

【００１２】

【数５】 Ｖ₀ ＝２θ＝Ｋ₂ ・Ｈ …（８） （ただし、Ｋ₂ は比例定数、Ｖ₀ ＝２θは近似値であ
る。）即ち、式（８）から明らかな様に、割算器１８の
出力信号Ｖ₀ によって、磁界強度Ｈを検出するようにな
っている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た様なファラデー効果を利用した従来の光式磁界センサ
は、光量信号に含まれるバイアス成分に対する被測定信
号成分の割合（変調度）が低いという欠点があった。こ
のため、低磁界領域を測定しようとしたとき、信号／騒
音比が小さく、十分な測定精度が得られず、また、変調
度が低いため、高精度・高利得の測定器を必要とすると
いう問題もあった。

【００１４】本発明は、上記の様な従来技術の問題点を
解決するために提案されたもので、その目的は、測定範
囲が広く、高精度で高利得の光式磁界センサを提供する
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の光式磁界センサ
は、被測定磁界の中に配置した磁歪素子と、この磁歪素
子が被測定磁界により変位を生じる方向と垂直な一端面
に固着した第１の干渉計ミラーと、この第１の干渉計ミ
ラーと対向する位置に配置され、第１の干渉計ミラーと
共に一対の干渉計を構成する第２の干渉計ミラーと、前
記干渉計に入射光を供給する光源と、この光源と前記干
渉計の中間に設けられたハーフミラーと、このハーフミ
ラーによる反射光を検出するテデクタを備え、前記磁歪
素子を被測定磁界の強さに比例して変位するように構成
し、被測定磁界の強さを光の強さに変換して出力するよ
うに構成したことを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】本発明の光式磁界センサによれば、被測定磁界
の強さに比例して変位する磁歪素子と、その変位に伴っ
て干渉計ミラーの間隔が変化するように構成された干渉
計によって得られた反射光の強度を、光検出器で測定す
ることにより、被測定磁界の強さを光の強さとして測定
することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。

【００１８】本実施例においては、図１に示した様に、
被測定磁界中に磁歪素子２２が設けられ、この磁歪素子
２２には、それが被測定磁界により変位を生じる方向と
垂直な一端面に第１の干渉計ミラー２１ａが固着されて
いる。また、この第１の干渉計ミラー２１ａと対向する
位置には、第１の干渉計ミラーと共に一対の干渉計を構
成する第２の干渉計ミラー２１ｂが配設されている。な
お、前記磁歪素子２２は、被測定磁界の強さに比例して
変位するように構成され、また、第２の干渉計ミラー２
１ｂとしては、ハーフミラーが用いられている。

【００１９】一方、前記干渉計に入射光を供給するため
の光源１９が設けられ、この光源１９と前記干渉計の中
間には、ハーフミラー２３が主軸（光軸）に対して４５
゜傾けて配設されている。また、前記ハーフミラー２３
によって主軸に対して直角方向に向かう干渉計の反射光
を検出するために、テデクタ２０が配設されている。な
お、前記光源１９としては、ＬＥＤなどの発光素子が用
いられる。

【００２０】この様な構成を有する本実施例の光式磁界
センサは、以下に述べる様に動作する。即ち、光源１９
から出射した光は、光軸に４５゜に配置した半透過性の
ハーフミラー２３を通過して入射光２４となり、さら
に、ハーフミラーを用いた第２の干渉計ミラー２１ｂを
経て、磁歪素子２２に固定された第１の干渉計ミラー２
１ａに達する。

【００２１】磁歪素子２２を図１に示した磁界強度Ｈ中
において検出する時、磁歪素子２２は磁界の強さに比例
して光軸方向に変位し、その結果、干渉計ミラー２１
ａ，２１ｂの間隔が変化するので、反射光２５は干渉光
となる。

【００２２】次に、図２及び図３に基づいて、前記干渉
計ミラー２１ａ，２１ｂの動作をより詳しく説明する。
なお、図２は干渉計ミラー２１ａ，２１ｂの位置と反射
の時間経過を説明する図である。

【００２３】図において、第２の干渉計ミラー２１ｂの
位置を“Ａ”とし、磁歪素子２２に固定された第１の干
渉計ミラー２１ａのある時点における位置を“Ｂ”とす
る。この場合、入射光２４が“Ｂ”の位置にある第１の
干渉計ミラーの反射点Ｒ₁ で反射すると、位置“Ａ”に
固定された第２の干渉計ミラー２１ｂはハーフミラーを
用いているため、一部はハーフミラーを通過して反射光
２５となって図中左方向に出射し、その残りは反射点Ｒ
₂ でさらに反射され、第１の干渉計ミラー２１ａのある
右方向に向かう。そして、反射点Ｒ₃ で再度反射し、同
様の反転を繰り返すことになる。

【００２４】ところが、上述した様に、磁歪素子２２は
磁界の強さに比例して光軸方向に変位するため、磁歪素
子２２に固着された第１の干渉計ミラー２１ａも共に変
位する。従って、第１の干渉計ミラー２１ａが位置
“Ｃ”に変位した場合、反射点Ｒ₄ で光が反転するた
め、干渉計ミラー間隔Ｌの変化により、干渉計ミラー内
の反射光が光の走行行程差、言い替えれば時間差を生ず
ることになり、光の干渉が発生する。

【００２５】この様な光の干渉により、反射光２５はそ
の光強度に粗密を生じる。図３は反射光強度Ｉと干渉計
ミラーの変位Ｘとの関係を図示したものである。なお、
波形にピークが出る所は、光の波長をλとする時、干渉
計ミラー間隔Ｌがλ／２の整数倍となる場合である。

【００２６】上記実施例においては、ある磁界の強さＨ
を測定した時、磁歪素子２２が変位して干渉計ミラー間
隔Ｌを得るとすると、ここから動作点Ｘ₀ が求まる。ま
た、磁界の強さが変化すると、曲線上矢印の様に反射光
強度Ｉが変化するので、この関係を図１の光検出器であ
るデテクタ２０で測定することにより、磁界の強さを示
す測定出力２６として取り出すことができる。

【００２７】なお、反射光２５は、デテクタ２０によっ
て測定できるように、主軸に対して４５゜に配置したハ
ーフミラー２３で再度反射させ、光路をデテクタ２０側
に変えている。

【００２８】以上述べた様に、本実施例は、ファラデー
効果を用いた従来の光式磁気センサとは全く構成が異な
る新原理による磁界検出方式を採用したため、図３の波
形に示す様に、波形の変化（信号成分）が大きく、バイ
アス成分を小さくすることが可能となるため、変調度を
根本的に改善することができる。

【００２９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、光源としてガスレーザ等を使用するも
の、光路に集光レンズやビームスプリッタを導入するも
の、半透明ミラーの透過率を変えたもの、デテクタにカ
ウンター等計測器を併用するもの、ＣＰＵを活用して処
理するもの等、その適用範囲は非常に広い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、被
測定磁界の強さを磁歪素子の変位に変換し、磁歪素子と
組合せた干渉計の反射光強度を検出することにより、磁
界の強さを光の強さに変換して測定するという新規な方
式の磁界センサであって、測定範囲が広く、高精度で高
利得の光式磁界センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光式磁界センサの一実施例を示す構成
図

【図２】本実施例に用いられる干渉計ミラーの位置と、
それによる反射光の反転状態を示す図

【図３】本実施例における反射光強度Ｉと干渉計ミラー
の変位Ｘとの関係を示す図

【図４】従来の光磁界センサの一例を示す構成図

【図５】従来の偏光子と検光子の作用を説明するベクト
ル図

【符号の説明】

１９…光源 ２０…デテクタ ２１ａ…第１の干渉計ミラー ２１ｂ…第２の干渉計ミラー ２２…磁歪素子 ２３…ハーフミラー ２４…入射光 ２５…反射光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定磁界の中に配置した磁歪素子と、
   この磁歪素子が被測定磁界により変位を生じる方向と垂
   直な一端面に固着した第１の干渉計ミラーと、この第１
   の干渉計ミラーと対向する位置に配置され、第１の干渉
   計ミラーと共に一対の干渉計を構成する第２の干渉計ミ
   ラーと、前記干渉計に入射光を供給する光源と、この光
   源と前記干渉計の中間に設けられたハーフミラーと、こ
   のハーフミラーによる反射光を検出するテデクタを備
   え、前記磁歪素子を被測定磁界の強さに比例して変位す
   るように構成し、被測定磁界の強さを光の強さに変換し
   て出力するように構成したことを特徴とする光式磁界セ
   ンサ。