JPS6296874A - 光フアイバ磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、磁界により偏光面が回転する磁気光学効果
を有する物質からなる光ファイバを用いた光ファイバ磁
力計に関する。

〔従来の技術〕

従来、磁界を加えることによって偏光面が回転する磁気
光学効果と呼ばれる特性をもつ物質、例えば、鉛ガラス
等が知られている。

かかる特性をもつ物質は、偏光子と組み合わせて用い、
該物質への特定方向、例えば物質を透過する光の伝播方
向に磁界が印加されるように送電線の近傍に配置して、
該送電線の電流測定などに利用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、このような磁気光学効果物質と偏光子の組み
合わせ構成によって磁界の強度を検出することは可能で
あるが、かかる構成のみによっては、特定方向の磁界の
強度を検出できるだけであって、不特定方向の磁界強度
や磁界方向を検出することは不可能であった。更に、磁
気光学効果をもつ物質を単純な光伝搬路として偏光子と
組み合わせて用いるだけなので、微弱な磁界を検出する
ことは不可能であった。

本発明は、従来の磁気光学効果物質を用いた磁界測定手
段の上記問題点を解消するためになされたもので、微弱
な全方向の磁界の強度及びその方向を測定できるように
した小型で軽量の光ファイバ磁力針を提供することを目
的とするものである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明は、磁
気光学効果を有する物質からなる光ファイバを多数回巻
回して形成した磁界検出素子を、３＆ｌＩ互いに直交す
るように配置し、所定の偏光面をもつ光を前記各磁界検
出素子に入射させ、該各磁界検出素子への印加磁界によ
って偏光面の回転を生じた該磁界検出素子からの各出力
光を検出するようにして光ファイバ磁力計を構成するも
のである。

このように構成した光ファイバ磁力計における、３組の
磁界検出素子の各出力光を検出することによって、全方
向の磁界強度とその方向を容易に検出でき、また磁気光
学効果を有する物質からなる光ファイバを多数回巻回し
て磁界検出素子を構成しているため、検出感度を向上さ
せ微弱な磁界の測定を行うことができる。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例について説明する。まず第１図に
基づいて本発明の詳細な説明する。今、磁気光学効果特
性をもつ物質からなる光ファイバを多数回巻回して形成
した３ｍの磁界検出素子１゜２．３を互いに直交するよ
うに、すなわち図示のように、Ｘ−Ｙ平面上に磁界検出
素子１、Ｙ−Ｚ平面上に磁界検出素子２、Ｚ−Ｘ平面上
に磁界検出素子３をそれぞれ配置し、これに磁界Ｈを印
加した状態を考察する。

磁界Ｈの入射方向をＸ−Ｙ平面上でＸ軸となすす角をφ
とし、Ｘ−Ｙ平面となす角をθとすると、各磁界検出素
子１．２．３に印加される磁界のＸ軸成分は、ｃｏｓθ
・ｃｏｓφに、Ｙ軸成分はＣＯ３θ・ｓｉｎφに、Ｘ軸
成分はｓｉｎθにそれぞれ比例する。

磁界ＨのＸ、Ｙ、Ｚ各軸成分Ｈ，、Ｈア、Ｈ２は、Ｈｏ
をその振幅とした時、第１図から次のように表される。

Ｈｘ＝Ｈ，−ｃｏｓθ−ｃｏｓφ・・・・・・・・（１
）Ｈ，＝Ｈ，−ｃｏｓθ・ｓｉｎφ・、　、　、　・・
・・ｆ２１Ｈ寞＝Ｈ６−ｓｉｎθ・・・・・・・・・・
・・・・・（３１次に磁気光学効果をもつ光ファイバで
構成した磁界検出素子に入射された光の出力光について
説明する。第２図に示すように、半径Ｒの円周上にＮ回
巻回した光ファイバ束からなる磁界検出素子４の円周の
なす平面と平行に、磁界Ｈ，がかかっているとする。光
ファイバ束からなる磁界検出素子４の入射側に、ある直
線偏光成分だけを透過させる偏光子５を配置し、そして
、この偏光子５を透過した出力光を送導光器６を介して
、磁界検出素子４に入射する。ここで磁界検出素子４に
は電界強度ＬＰの光の直線偏光成分だけが入射したとす
る。磁界検出素子４を構成する光ファイバ束内の光の伝
搬方向が磁界Ｈ，の方向と同じ方向の長さ、すなわち光
ファイバ束の長さの磁界方向成分は、２・Ｎ−Ｒとなり
、また、光ファイバ束内の光の伝搬方向が磁界方向と真
反対になっている部分の長さ、すなわち光ファイバ束の
長さの磁界反対方向成分は同じく２・Ｎ−Ｒとなる。光
が光ファイバ束中を磁界方向に長さ２・Ｎ−Ｈに亘って
伝搬した時に、磁界により回転させられる偏光面の回転
角と、光が光ファイバ束中を磁界方向と真反対方向に２
・Ｎ−Ｒ伝搬した時に磁界により回転させられる偏光面
の回転角とは、その大きさと回転方向が加算されるよう
に作用する。したがって、光ファイバ束からなる磁界検
出素子４に入射した光の偏光面が、磁界検出素子４から
出力する時にはδだけ回転するとすれば、その回転角δ
は次式で表される。

δ＝　４−　Ｈ，−Ｎ　−Ｒ−Ｖ、・−・−・−・＋４
１ここで、■４はベルデ定数で、物質の種類によって異
なった値をとる。

磁界検出素子４の出力側に光導光器７を介して、電界強
度Ｌ２の入力光の直線偏光成分と同じ方向の直線偏光成
分だけを透過させる検光子８を配置すると、該検光子８
を透過した出力光の振幅り。

は、Ｄを定数とすると、次式のように表される。

Ｌ、＝Ｄ　−Ｌ、・ｃｏｓδ・・・・・・・・・・・・
・（５）その出力光を光検出器９で検出し、その検出電
流を■とした場合、次式で表される。

Ｉ＝Ａ−Ｄ２・Ｌ、ｘ・ｃｏｓ２δ・・・・・・・（６
）但し、Ａは光電流変換係数。

すなわち、検出電流■は、光の電界強度り、の２乗に比
例し、光ファイバ束からなる磁界検出素子４に平行に印
加される磁界の強度の関数であるｃｏｓδにより定まる
ものであり、このｃｏｓδは任意の方向の磁界が磁界検
出素子４に印加される場合は、その強度と方向により定
まるものであるから、印加磁界の強度と方向の関数であ
ることがわかる。

そして一般に磁界の方向は第１図に示すように、２つの
角度成分θ、φで示されるから、磁界が任意の方向から
印加される場合は、出力電流■は結局３つの未知数で表
されることになる。

したがって、第２図に示した如き構成の磁界検出手段を
３組用い、それらの各光ファイバ束からなる磁界検知素
子を、第１図に示す如く配置すると、３つの光検出器か
らの出力電流により磁界強度と磁界方向とを検出するこ
とが可能となる。

次に本発明の具体的実施例について説明する。

第３図は本発明に係る光ファイバ磁力計の一実施例の概
略図である０図において、１０は光源で、該光源１０か
らの光は分光器１１により等しく３つに分光されて、そ
れぞれ偏光子１２を介して送導光器１３に導かれる。各
送導光器１３の先端は、磁気光学効果を有する光ファイ
バ束からなる３個の磁界検出素子１４．１５．１６の入
力端にそれぞれ接続されている。各磁界検出素子１４．
１５．１６は互いに直交するように、例えば、Ｘ−Ｙ平
面上、Ｙ−Ｘ平面上。

及びＺ−Ｘ平面上にそれぞれ配置されている。そして、
各磁界検出素子１４．１５．１６の出力端にはそれぞれ
光導光器１７が配置されており、それらの先端はそれぞ
れ検光子１８に接続されている。検光子１８は、光導光
器１７を介して伝播された各磁界検出素子１４．１５．
１６からの出力光のある直線偏光成分だけを、それぞれ
光検出器１９−１．１９−ｚ、　１９−３に入力させる
ものである。　２０は該光検出器１９−１．１９−ｇ＋
１９−　ｓにより検出し変換された電気信号を受けて演
算処理を行う演算器である。

このように構成された光ファイバ磁力計においては、光
源ｌＯからの光は分光器１１を通して分光され、それぞ
れ偏光子１２と送導光器１３を介して各磁界検出素子１
４．１５．１６に入射される。各磁界検出素子１４．１
５．１６に入射した光は、該各磁界検出素子１４．１５
．１６に印加された磁界により偏光面が回転し、検光子
１８からは偏光子１２の出力とは異にした出力光が出射
される。検光子１８からの出力光はそれぞれ光検出器Ｉ
Ｌ１．１９−２．１９−ｘで電気信号に変換され、次い
で、演算器２０で処理されて各磁界検出素子１４．１５
．１６に印加されている磁界の強度とその方向が求めら
れる。

次に各光検出器１！Ｌ、、　１９−ｚ＋　１９−ｉによ
り得られる構出電流１＋、Ｉｚ、ｌ＊から、磁界の強度
と方向が求められることについて説明をする。光の電界
強度を偏光子１２の出力端でり２、検光子１８の出力端
でＬ９とし、各出力電流Ｔｚ　　Ｉｚ、＋ｓが磁界検出
素子１４．１５．１６を伝播した光の各検光子１８にお
ける出力電界強度Ｌｑの２乗に比例するとすれば、＋５
）、　＋６１弐から次式が成立する。

Ｉ＋＝Ａ−Ｄ”−Ｌ、”・ｃｏｓ”δＩ　−・・−・、
　＋７１１、＝Ａ−Ｄ”°Ｌ、Ｚ・ｃｏｓ　”δ２・・
・・・・（８）Ｉ　３＝　Ａ−Ｄ”　・Ｌｐ”−ｃｏｓ
”δ、　、　、　、　、　、　、　（９１上記＋７］、
　＋８１．　＋９１弐におけるδ１　δ２．δ３は磁界
検出素子１４．１５．１６の偏光面回転角度で、第１図
、第２図の座標系と弐（４）から次の行列で表される。

但し、Ｒｘ＋、Ｒｙ＋、Ｒ□はそれぞれ磁界検出素子１
４を構成する光ファイバ束のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｘ軸
成分の長さ、Ｒ，ｇ、Ｒ□ｒＲＭｔはそれぞれ磁界検出
素子１５を構成する光ファイバ束のＸ軸成分、Ｙ軸成分
、Ｘ軸成分の長さ、ＲＸ３＋　　ＲＶｆｆ＋Ｒ，３はそ
れぞれ磁界検出素子１６を構成する光ファイバ束のＸ軸
成分、Ｙ軸成分、Ｘ軸成分の長さで、次式で表される。

Ｒｘ、＝　４−　Ｎ　−Ｒ・・−・・−（１１）Ｒ，、
＝４・Ｎ−Ｒ・・・・・・（１２）Ｒ，、−０・・・・
・・・・・・・・・・（１３）Ｒ，２＝Ｏ・・・・・・
・・・・・・・・（１４）Ｒｙｚ＝４・Ｎ−Ｒ・・・・
・・（１５）Ｒ０＝４・Ｎ−Ｒ・・・・・・（１６）Ｒ
−ｓ＝４°Ｎ−Ｒ・・・・・・（１７）Ｒ，３＝Ｏ・・
・・・・・・・・・・・・（１日）Ｒｏ−４・Ｎ−Ｒ・
・・・・・（１９）（７１，（８１，（９１式に（１１
，（２１，（３１式及び０１式から（１９）式までを代
入すると次式が得られる。

［＋＝Ａ−Ｄ”Ｌ、”ｃｏｓ”　（Ｖ。

・　（ＲＸＩ　−Ｈ，＋Ｒ□・）（ｙ＋ＩＬ＋・Ｈ，）
）＝Ｂ−ＣＯ３２（Ｃ−Ｈｏ・ＣＯ８θ（ｃｏｓφ＋ｓ
ｉｎφ））・・・・・・・・・・（２０） Ｉｇ＝Ａ−Ｄ”・Ｌ、”−ＣＯ３”　（Ｖ４・（Ｒｘｚ
−Ｈｘ＋Ｒｙｚ　ＨＨｙ　＋　Ｒｓｚ−ＨＪ　）＝Ｂ　
−ｃｏｓ”　（Ｃ−Ｈ，・（ｃｏｓθｓｉｎφ＋ｓｉｎ
θ））・・・・・・・・・・（２１） Ｉｔ−Ａ−Ｄ”ＬＰ”ｃｏｓ”［Ｖａ ・（ＨＸ３−ＨＸ”　ＲＦ３　・Ｈｙ　＋　ＲＩＩ３　
・Ｈｇ）　１−　Ｂ　′ｃｏｓ”　［ＣＨｏ　１（ｃｏ
ｓθｃｏｓφ＋ｓｉｎθ））・・・・・・・・・・（２
２） 但し、Ｂ　＝　Ａ　−Ｄ　”　−Ｌ　、”・・・・・−
・−（２３）Ｃ−４・ｖ−・Ｎ−Ｒ・・・・・・・・（
２４）したがって、未知数は磁界強度Ｈ０と２つの角度
θ、φとなり、これらは測定可能な出力電流値１１＋　
　ＴＺ＋　　ｔｆｆから演算処理により求めることがで
きる。

〔発明の効果〕

以上、実施例に基づいて説明したように本発明によれば
、磁気光学効果を有する物質からなる光ファイバ束で形
成された３組の磁界検出素子を互いに直交するように配
置し、所定の偏光面をもつ光を前記各磁界検出素子に入
力させ、該各磁界検出素子からの所定の偏光面をもつ出
力光を検出して磁界を測定するように構成したので、小
型、軽量で簡単な構成により全方向のしかも微弱な磁界
の強度及び方向を測定することができる。

また、各磁界検出素子は磁気光学効果を存する物質から
なる光ファイバを単に多数回巻回して一体的に形成でき
るので、容易に製作することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための説明図、第２
図は、磁気光学効果を有する光ファイバ束からなる磁界
検出素子により磁界を検出する手段を示す概略図、第３
図は、本発明に係る光ファイバ磁力計の一実施例を示す
概略図である。 図において、１，２．３．４は磁気光学効果を有する光
ファイバ束からなる磁界検出素子、５は偏光子、６は送
導光器、７は受環光器、８は検光子、９は光検出器を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁界によって偏光面が回転する磁気光学効果を有する物
   質からなる光ファイバを多数回巻回して形成した磁界検
   出素子を、３組互いに直交するように配置し、所定の偏
   光面をもつ光を前記各磁界検出素子に入射させ、該磁界
   検出素子から所定の偏光面をもつ各出力光を検出するこ
   とにより、微弱な磁界の強度と方向を測定するように構
   成したことを特徴とする光ファイバ磁力計。