JPS6352076A

JPS6352076A - 光フアイバ磁界センサ

Info

Publication number: JPS6352076A
Application number: JP19516386A
Authority: JP
Inventors: Haruo Okamura; 岡村　治男
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1988-03-05

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〕本発明は、磁界強度の検出方式に関するものであって、
特に光ファイバを用いた高感度な磁界センサに係る。

〔従来の技術〕

従来、磁界を検出するために、（１）磁界中の電流が受
ける力を磁界強度検出に利用する技術、　（２）ホール
効果を磁界強度検出に利用する技術、（３）磁界中に置
かれた磁石が受ける力を磁界強度検出に利用する技術、
（４）磁歪材料の磁界中における変形を磁界強度検出に
利用する技術、（５）超伝導を利用し、量子力学領域で
の測定を行なう技術、等多くの原理にもとずく測定へが
１１１１発されている。

上記各技術の内、光ファイバを用いた磁界センサとして
は、磁歪材料の磁界中における変形を磁界強度検出に利
用する　（４）の原理に基づく下記の二側が公知である
。

（、）磁歪材料を被覆した光ファイバの磁界による変形
を尤ファイバ内を伝搬する光のモ渉で検出する（参考文
献：　Ａ　、Ｄ　ａｎｄｒｉｄＨｅ。

ｅｔ、　　ａｌ、＋　　　ＥｌｅｃＬｒｏｎ、ＬｅｔＬ
ｅｒ　　＋　　１　６＋　　１９８０．ｐ　　４０８　
　）。

（ｂ）磁歪材料に光ファイバを巻きつけ磁歪材料の磁界
による変形を光ファイバ内を伝搬する光の干渉で検出す
る　（参考文献：Ｋ。

Ｐ、　Ｋｏｏ　＋　ｅｔ、ａｌ、ｙ　　０ｐｔｉｃｓ　
Ｌｅｔｔｅｒ　。

マ、１９８２．ｐ　３３４）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の（１）〜　（５）で示した技術に基づいて実用化
された測定機の内、現在数も高感度のものとして超伝導
を利用し量子力学領域での測定を行なう　（５）の原理
によるものがあり、これは、ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ磁束計で実
用的に約１Ｏ−ｓ（Ｇａ）、実験室的には　１０−”　
−１０−”　（Ｇａ）の感度を有する。しかし、この方
式のものは低温での測定が必要など取り扱いに制限があ
るという問題点があった。

本発明は、磁界中の電流が受ける力を磁界強度検出に利
用する　（１）に示した原理を用いて、導電性被覆を施
した光ファイバの変形を光干渉を用いて検出するもので
、高感度であるとともに、測定上の制約が比較的少ない
磁界強度の測定方式を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、上述の目的は、前記特許請求の範囲に
記載した手段により達成される。

すなわち、本発明は導電材被覆した光ファイバを用い、
その被覆に電流を流し、これが測定しようとする周囲の
磁界から受ける力を光ファイバの敏感な変形に変換し、
これによって生ずる該光ファイバ内を伝搬する光の位相
変化によって高感度に検出しようとするものである。

従来の光ファイバを用いた磁界センサは、磁界中に置か
れた磁歪材料に生じる歪を光干渉で検出するものであり
、本発明と原理的に異なろ。

〔作　用〕

第１図は本発明の詳細な説明する図であって、１は光源
、１′はレンズ、２はセンシング光ファイバ、２′は磁
界からの力により撓んだセンシング光ファイバ、３はレ
ファレンス光７　ｒ　イバ、４はカップラ、５は受光器
、６は表示装置、７は磁界、８１［ｒｊ、、９は電線、
１０は光７アイバ支持体、１１は磁界により電流に作用
する力を表わしている。

ｔａｌからの光は光ファイバに入り、センシング光−ｙ
アイパ２およびレファレンス光ファイバ３に分岐し、再
びカップラ４を経て受光器５に入り干渉光強度が表示装
置６に表示される。

このようにセンシング光ファイバがｔｔｔｍによって２
′のように撓んだ結果、伝搬光（センシング光）の光路
長が変化し、レファレンス光との干渉により高感度に光
路長変化を検出し、磁界の強度を知ることができる。

第１図に示すように、両端が固定され水平に置かれた撓
みの少ない光ファイバの半径方向に、磁界による分布力
が均等に加わるとき光ファイバに生じるのびは以下のよ
うに求められる。

すなわち、Ｓ　；支持間隔Ｈ：光ファイバに加わる張力の水平方向分力Ｑ　：光ファイバの単位長当たりの重さＤ　：撓みＬ二元ファイバ長とすると、Ｈ＝ＱＳ２／８Ｄ　　　　　　　・・・・・・・・・・
・・（１）Ｌ＝Ｓ＋８Ｄ２／３Ｓ　　　　・・・・・・
・・・・・・（２）この状態で磁界による力が７レミン
グの左手の法則に従って重力方向に加わり、光ファイバ
の単位長当たりの重さが見掛は上Ｑ′となれば、撓みＤ
′、光ファイバに加わる張力の水平方向分力はＨ’、光
ファイバ長さはＬ′に変化する。

Ｈ’＝　Ｑ’Ｓ　２／　８　Ｄ　’　　　　　・・・・
・・・・・・・・（３）Ｌ′＝Ｓ＋８１）′２／３Ｓ　
　　・・・・・・・・・・・・（４）ここで撓みの少な
い光ファイバの長さは、水平張力の変化１こよると見な
せるから光ファイバの横断面積をＡ、［弾性係数をＥと
すれば、Ｌ−Ｌ′＝　（Ｈ−Ｈ’）Ｓ／ＡＥ　　・・・
・・・（５）の関係が成立する必要がある６式（１）〜
（４）を式（５）１こ代入すれば、Ｄ′に関する次式を
得る。

Ｄ’３−　Ｄ　２Ｄ′−３８’（Ｑ’−Ｑ　）／　６４
　Ａ　Ｅ＝０　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・　（６）ここで仮にＱ＝０　
（光ファイバ自重を無視）、Ｄ＝０、また光ファイバ長
さ方向に直角に働（磁界による力をΔＱ　（＝Ｑ’−Ｑ
）とすれば式％式％（７）よって光ファイバの伸びΔＬは式（４）よりΔＬ＝８（
３ＳＡＱ／６４ＡＥ）’／３Ｓ・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（９）となる。

今、光ファイバの定数を導電性の被覆が薄いとしてＳ＝１脇Ａ　＝　１　、２　Ｘ　１０−”ｍ”　（φ０．１２５
ａｍ）Ｅ＝７．４×１０嘗ｋｇ／ｍ’ 一方、電流に直交する磁界による力ΔＱ　（ｋｇｆ／ｍ
）はＢ　：磁束密度（Ｔ）Ｉ　：電流（Ａ）とすると ΔＱ＝ＢＩ／９．８　　　　・・・・旧・・・・・（１
ｏ）これらを用いて式（９）はＡＬ＝　３．７　（Ｂ　Ｉ　）　３Ｘ　１０−’　　−
−・・・・（１１）となる。

さて現在の光波干渉技術で検出可能な位相差の限界は、
およそＩ　Ｘ　１０−’ｒａｄ　（参考文献：Ａ、　Ｄ
ａｎｄｒｉｄｇｅｔ　ｅｔ、　ａｌ、ＩＥｌｅｃｔｒｏ
ｎ、ＬｅＬｔｅｒｔｌ　６．１９８０．ｐ　４０８）’
ｔ’あ７＋カ、コレハ光波長０．６μ論では　１×１０
−ｌ−の光ファイバの長さ変化を検出できることに相当
する。

よって、前記条件で構成した本発明のセンサを用いて得
られる磁界の検出限界はＡＬ＝３．７（Ｂｌ）　　コ×　１０−３冨ｌＸｌ０−
”　　　　　・・・・・・・・・・・・（１２）よりＢ　Ｉ＝０．１２５Ｘ１０−”　　　・・・・・・・・
・　（１３）となる。

これは、例えば長さ１簡のセンシング光ファイバの被覆
に１ｍＡの電流を流すと１，２５Ｘ１０−’（Ｇａ）の
極めて微弱な磁界を検出できる可能性を示している。

これは、参考文献：　Ａ　、　Ｄ　ａｎｃｌｒｉｄｇｅ＋　ｅｔ
、　ａｌ、　ｒＥ　Ｉｅｅｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔｅｒｔ　
　１６　、１　９８０　。

：　　Ｋ、Ｐ、Ｋｏｏ、ｅｔ、ａｌ、、０ｐｔｉｃｓＬ
ｅｔｔｅｒ、７．　１９８２＋　　ｐ　　３３４に示さ
れる従来の光ファイバを用いた磁界１演出限界１０−’
　（Ｇａ／ｍ）およＶ　　５　Ｘ　１０−’　（Ｇａ／
鋤）を超える感度である。

しかも本発明による磁界検出感度はセンシング光ファイ
バの被覆に流す電流の２／３未に比例して増加し、虫た
光７フイパの縦弾性係数の２Ｘ３乗に逆比例して増加す
る。

従って縦弾性係数の低いファイバを用い、被覆に流す電
流を増せば感度向上が朋待できる。

また、当然、センシング光ファイバの長さに比例して感
度が向上する。

以上の原理に基づき高感度で雑音に強い測定系を構成す
るには各種の光ファイバ構造、支持形状および干渉系が
考えられる。

〔実施例〕

第２図は、本発明の一実施例を示す図であって、（ａ）
は全体の構成を、（ｂ）は（ａ）において参照符Ｂで示
す部分の詳細について図示したものである。

第２図に示すように、センシング光７フイパ１２、し７
Ｔレンス光ファイバ１３は互いに接近した状態で支持体
２０′に巻き取られる。１２−１は光７フイパ素線、１
２−２は金属被覆、１２−３は高分子材料の被覆である
。

センシング光ファイバ１２の金属被覆に電流を流すから
、第２図の条件では磁界１７から支持体２０′の中心方
向の力がセンシング光ファイバ１２のみに加わる。セン
シング光ファイバ１２に接近して並行に位置するレファ
レンス光７フイパ１３も同一構造であれば温度、振動等
による影響が同等に及ぶのでこれらを相殺することがで
き、測定感度向上に寄与できる。測定対象となる磁場の
条件に上り光ファイバの曲率や長さ、電流値を選択する
ことができる。

更に、電流の方向またはセンサの方向を変化させること
により磁場強さとともにその方向を知ることも可能であ
る。光７フイパの被覆としては、金属ではＡＮ　、Ｃｕ
が考えられるが、磁歪効果のあるＮｉ　を用いれば本発
明の原理である電磁力の効果に加え、磁歪効果が加算さ
れるので更に測定感度の向上が期待でさる。

ただし、この場合は、レファレンス光ファイバの被覆材
料としてＮｉ　と同等の温度膨張率および縦弾性率を有
し、磁歪効果を示さない材料を選択する必要がある。

また、非金属の被覆としでは、導電性接着剤または導電
性ゴムが考えられる。

また、光ファイバとして石英光ファイバより縦弾性係数
の低いプラスチックファイバをもちいれば更に感度向上
が期待できる１例えば、メタクリル樹脂光ファイバ（Ｒ
弾性係数Ｅ＝２〜３Ｘ１０春ｋｇ／論２．光損失９　ｄ
Ｂ／ｋｍ　、ｉｔ熱温度約９０℃）の表面に低融点はん
だをディッピング付与し、または導電性接着剤または導
電性ゴムを被覆してもよい。

光干渉系としては、ここで示したマツハツエンダ系のほ
かに、７アブリベロ系も考えられるが位相分解能１０−
’ｒａｄもの高精度を得るためには温度、振動等の外乱
による位相変動の補償技術を併用するか、またはいわゆ
るヘテロゲイン干渉系を構成する必要がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は導電性材料で被覆した光
ファイバを用い、その被覆に電流を流し、これが測定し
ようとする周囲の磁界から受ける力を光７フイパ内を伝
搬する光の位相変化によって高感度に検出しようとする
ものである。

例えば、長さ１　輪の七ンンング光７フイパの被覆に１
ｍＡの電流を流すと１．２５Ｘ１０−’（Ｇ　ａ）の極
めて微弱な磁界を検出できる可能性を示している。しか
も、縦弾性係数の低いファイバを用い、被覆に流す電流
を増し、光ファイバ長を長くすれば更に感度向上が期待
できる。

例えば縦弾性係数Ｅ＝７．４Ｘ１０’　ｋｇ／ｗ”→２
×１０春に！Ｊ／−ま、被覆Ｎ流　１＝Ｉ　　ＩＩＡ→
１０ｍＡ、光７フイｔ＜Ｗ＜Ｌ＝　ｉｍ　−＋１０ｍ　
とすれば、前記条件下での測定感度は、１．１５Ｘ１０
−”　（Ｇａ）　と計算できる。

これは光ファイバを用いない従来の磁気検出装置の実用
的測定限界を越えろ可能性を示すとともに、光ファイバ
を用いた測定法についても報告されている感度をこえる
ものであり、その効果は大きい。

また、本発明は、高感度の磁界センサ以外に、一定の磁
界中に置いた光ファイバの導電性被覆に流す電流を変化
させて伝搬光の位相や偏光状態を制御する部品への応用
が考えられる。そして、このような場合においても磁界
強度、電流、光ファイバ１１！１ＭＳ長さおよびその支
持形状によって、位相や偏光状態の制御感度、帯域等を
調整できる。

【図面の簡単な説明】

ＰＩＳ１図は本発明の詳細な説明する図、第２図は本発
明の一実施例を示す図である。１．２２　・・・・・・光源、　　１′　・・・・・・
　レンズ、２　・・・・・・センシング光ファイバ、　
２′　・・・・・・磁界からの力により撓んだセンシン
グ光ファイバ、　３．１３　　・・・・・・　レファレ
ンス光ファイバ、４．１４　・・・・・・　カップラ、
　　５．１５　・・・・・・受光器、　　６．１６　・
・・・・・表示装置、　７　。１７　・・・・・・磁界、　　　８．１８　・・・・・
・電源、９．１９　・・・・・・電線、　　１０　・・
・・・・光７フイバ支持体、　　１１．２１　　・・・
・・・磁界により電流に作用する力、　　１２−１　・
・・・・・光ファイバ素線、　　１２−２　・・・・・
・金属被覆、　　１２−３・・・・・・高分子材料の被
覆

Claims

【特許請求の範囲】

可干渉性光源からの光を信号光を伝搬する導電性の材料
で被覆されていて少なくともその一部が変形可能なるご
とく支持された光ファイバによる第１の光路と参照光を
伝搬する光ファイバによる第２の光路とに分離して与え
るとともに、第１の光路によって伝搬した信号光と第２
の光路によって伝搬した参照光とを結合せしめてその干
渉光を受光するごとく光干渉系を構成し、第１の光路の
光ファイバの導電性被覆に電流を流して該電流に対し周
囲の磁界から加わる力による第１の光路の光ファイバの
変形に起因する信号光の位相差を前記干渉光から検出す
ることによって外部磁界の強さを測定することを特徴と
する光ファイバ磁界センサ。