JPWO2016135870A1 - 光ファイバセンサ及びそれを用いた計測装置 - Google Patents

Abstract

光源部１０から照射される光を受光部２０に伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａ，の外周に形成されたクラッド４１ｂ，４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体４４の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備える。これにより、受光感度の低下を抑制しつつ磁場検出感度を向上することができる光ファイバセンサ及びそれを用いた計測装置を提供することができる。

Description

本発明は、電気・電子機器に係る電流や磁場の評価に用いる光ファイバセンサ及びそれを用いた計測装置に関する。

電気・電子機器の動作の把握には、各機能を構成する素子に関する電圧や電流などの電気的な状態を観測する必要がある。例えば、電気エネルギーを機械運動に変換する電気機器の一つである電気モータでは、発生トルクと電流とが密接に関係しており、このような電気機器の動作確認や制御を行うためには、電流計測が必要不可欠である。このような電気・電子機器の電気的な状態の評価方法としては、動作中の電圧・電流波形の類似度、振幅の差異、位相の差異、動作状態に対応する周波数成分パターンを利用するものがある。

例えば、電流計測では、電気抵抗を利用する方式と、磁場を利用する方式が一般に広く知られている。電気抵抗を利用する方式では、抵抗値が既知の抵抗に電流を流した場合に両端に生じる電圧値を測定し、その電圧値からオームの法則に基づいて電流値を算出する。しかしながら、大電流を測定する場合には、電流の通電によって抵抗素子に生じるジュール熱が大きくなり、温度上昇による抵抗値の上昇も大きくなる。したがって、電流値が数アンペアになるような電気機器や、長時間動作している電子機器では、電圧値を電流値に換算する際の誤差が大きくなることが懸念される。一方で、磁場を利用する方式は、電流が生じたときに生成される磁場を測定し、アンペールの法則に基づいて電流に換算するものであり、電気抵抗を利用する方式のようなジュール熱による懸念は生じないという特徴がある。磁場の測定には、コイル、ホール素子などの磁気センサが一般的に用いられており、コイルは交流（高周波）磁場成分、ホール素子は直流（低周波）磁場成分が主な適用範囲となっている。また、磁気光学効果と呼ばれる光と磁気の相互作用を利用した磁場の測定は、直流磁場成分と交流磁場成分の両方に適用することができる。

磁気光学効果は、磁性材料に光を照射した場合に、その磁性材料の磁化状態によって照射した光の偏光角が回転する現象であり、対象の磁化材料における反射光に関するものがカー効果、透過光に関するものがファラデー効果としてよく知られている。このうち、ファラデー効果を利用して磁場の強さを測定する方法としては、測定対象の電流ラインにより生じる磁場を光ファイバに作用させ、光ファイバを通る光の偏向角の回転量を計測することによって磁場の強さを測定するものがある。

このような磁気光学効果を利用した磁場の測定について、例えば、特許文献１（特開２００１−２８１４７０号公報）には、強磁性体の粒子を含むことを特徴とする光ファイバに関する技術が開示されている。

特開２００１−２８１４７０号公報

測定対象の電流ラインにより生じる磁場を光ファイバに作用させ、光ファイバを通る光の偏向角の回転量を計測することによって磁場の強さ及び電流量を測定する場合、磁場に対する偏向角の回転量、すなわち、磁場に対する感度は、光の磁化材料に対する通過距離やベルデ定数などによって定まる。

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術のように、ベルデ定数の高い磁性体を光ファイバに拡散させて、磁場の強さに対する偏光角、すなわち磁場に対する感度を向上しようとする場合には、磁性体粒子が光ファイバ中を透過する光の強度を減衰させてしまうため、光ファイバの透過光強度が小さくなって受光感度が低下してしまうという問題点がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、受光感度の低下を抑制しつつ磁場検出感度を向上することができる光ファイバセンサ及びそれを用いた計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、光源から照射される光を検出器に伝搬するコアと、前記コアの外周に形成されたクラッドとから構成される光ファイバと、前記光ファイバの光軸上に配置された磁性体と、前記磁性体の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列と、前記磁性体の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列とを備えたものとする。

本発明によれば、受光感度の低下を抑制しつつ磁場検出感度を向上することができる。

第１の実施の形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。 光ファイバセンサの光軸を通る平面における断面図である。 磁性体に作用する磁場と磁性体を透過する光の偏向角の関係を模式的示す図である。 光ファイバセンサに電流に起因する磁場が作用して透過する光の偏向角が変化する様子を模式的示す図である。 磁性体を透過する光の偏光角の回転量と磁性体に作用する磁場強度の関係を示す図である。 磁性体の光軸方向の厚みと偏光角の関係を示す図である。 磁性体のみの構成に入射光を入射し、透過光を得る場合を本実施の形態の比較例として示す図である。 第１の実施の形態における光ファイバセンサの検知部での光の行程について説明する図である。 第１の実施の形態の検知部の一構造例として形成した磁性フォトニック結晶膜における入射光の波長と反射率及び偏光角との関係を示す図である。 第１の実施の形態の光ファイバセンサにおける透過光の偏光角の回転量と、検知部に作用する磁場強度の関係を示す図である。 換算部で算出した電流の波形が表示部に表示される場合の一例を示す図である。 磁性体に用いる材料と磁場強度の変化に対する応答特性の関係を示す図である。 一変形例に係る発光部と受光部の構成を模式的に示す機能ブロック図である。 他の変形例に係る発光部と受光部の構造を模式的に示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。 光ファイバセンサの光軸を通る平面における断面図である。 第２の実施の形態の検知部の一構造例として形成した磁性フォトニック結晶膜における入射光の波長と反射率及び偏光角との関係を示す図である。 光ファイバセンサによって２箇所の電流を計測し表示した例を示す図である。 第３の実施の形態の三相電動機と計測装置の配置を概略的に示す図である。 三相電動機の電流波形を３箇所の光ファイバセンサで、３波長の光を用いて測定した電流波形の一例を示す図である。 三相電動機のＶ相電源ラインの電流に異常が生じたときの出力例を示す図である。 第１の誘電体配列と、磁性体と、第２の誘電体配列で構成する磁性フォトニック結晶膜を予め作成し、光ファイバのコアに接着して製造する場合を示す図である。 光ファイバの端面に蒸着法で第２の誘電体配列と、磁性体と、第１の誘電体配列を積層させて検知部を形成し、光ファイバセンサを製造する方法を示す図である。 光ファイバの周方向から紫外線の干渉縞を照射する様子を示す図である。 光ファイバにマスクをかけて穴を形成する様子を示す図である。 光ファイバに形成した穴に磁性体を形成する様子を示す図である。 光ファイバにマスクをかけた様子を示す断面図である。 マスクをかけた光ファイバに穴を形成する様子を示す断面図である。 マスクに形成した穴に磁性体を形成する様子を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図１２を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。

図１において、計測装置１００は、測定に用いる光の送受信及び測定値の計算処理を行う測定部１と、測定部１への各種設定値や指令信号の入力を行う入力部２と、測定部１での計算処理の結果である測定値を表示する表示部３と、測定部１からの送信光１ａを透過して受信光１ｂとして測定部１に送る光ファイバセンサ４０とから概略構成されている。

測定部１は、測定に用いる光（送信光１ａ）を生成し、コネクタ１９を介して光ファイバセンサ４０に送信する光源部１０と、光ファイバセンサ４０からの光（受信光１ｂ）をコネクタ２９を介して受信する受光部２０と、受光部で受信した受信光１ｂに基づいて計算処理を行う計算部３０とを備えている。

光源部１０は、入力部１からの指令信号に基づいて測定に用いる光を生成する発光部１１と、発光部１１で生成された光の波長の調整や直線偏波への変換を行い、コネクタ１９を介して光ファイバセンサ４０に送信するする送信光調整部１２とを備えている。発光部１１は、可視光を発する白色光源を備えている。また、送信光調整部１２は、発光部１１で生成された光から一定の波長を抽出する分光器や干渉フィルタなどの波長選択部や、直線偏波への変換部などを有しており、少なくとも１種類の波長の光を生成することができる。なお、発光部１１には、生成する光の仕様によって、発光ダイオードやレーザダイオードを用いることができる。

受光部２０は、光ファイバセンサ４０からの受信光１ｂをコネクタ２９を介して受信し、受信光１ｂを波長や偏光角に応じて選択する調整する受信光調整部２３と、受信光調整部２３からの光を受光して電気信号に変換する受光素子２２と、受光素子２２で得られた電気信号を受信データに変換するデータ変換部２１とを備えている。

受信光調整部２３は、受信光１ｂから一定の波長を抽出する分光器や干渉フィルタなどの波長選択部を有している。受光素子２２には、例えば、フォトダイオードやアバランシェダイオードなどが用いられる。データ変換２１は、受光素子２２からの電気信号を受信データに変換して計算部３０に送信する。

計算部３０は、受光部２０からの受信データを電流値や磁場の強さに換算する換算部３１と、換算部３１で用いる換算値を格納するメモリ３２とを備えている。換算部３１には、受信データと電流、受信データと磁場の関係などが実験やシミュレーション等の結果から予め経験的に求められ換算値として格納されている。換算部３１は、メモリ３２に格納された換算値に基づいて受信データを電流値や磁場の強さなどに換算し、測定値として表示部３に送る。

図２は、光ファイバセンサの光軸を通る平面における断面図であり、図中上側が光源部側、図中下側が受光部側である。

図１及び図２において、光ファイバセンサ４０は、光源部１０から照射される送信光１ａを受光部２０に伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａの外周に形成されたクラッド４１ｂ、４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体４４の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備えている。光ファイバセンサ４０としては、第１の誘電体４３、磁性体４４、及び第２の磁性体４５を併せて検知部４２と称する。光ファイバ４１，４６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体４４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列４３、４５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

ここで、光ファイバセンサ４０における磁場検知の原理について図３〜図９を参照しつつ説明する。

図３は磁性体に作用する磁場と磁性体を透過する光の偏向角の関係を模式的示す図であり、図４は光ファイバセンサに電流に起因する磁場が作用して透過する光の偏向角が変化する様子を模式的示す図である。

図３に示すように、磁性体２０２を直線偏光された光が通過するとき、磁気光学効果により、磁性体２０２の磁化状態に依存して偏光角が回転し変化する。これをファラデー効果という。すなわち、磁性体２０２に磁場（磁束）が作用することによって磁化状態が変化する場合、光源２００ａで生成されて磁性体２０２に入射する入射光２００に対する透過光２０１の偏向角の回転量を検出することにより、磁性体２０２の磁化状態を検知することができ、磁性体２０２に作用する磁場の強さを検知することが可能である。

図４に示すように、本実施の形態においては、光ファイバセンサ４０を測定対象の電流が流れる電流ライン１１０の近傍に配置した状態で、光源部１０で生成した直線偏波を送信光１ａとして光ファイバセンサ４０に入射し、電流ライン１１０を流れる電流に起因する磁場（アンペールの法則に従って生じる磁場）の作用によって検知部４２で生じる偏光角の回転を受信光１ｂから検出することにより、検知部４２の磁性体４４の磁化状態、すなわち、磁性体４４に作用する磁場の強さを検知することができる。

図５は、磁性体を透過する光の偏光角の回転量と磁性体に作用する磁場強度の関係を示す図であり、縦軸に偏光角（度）を、横軸に磁場強度（Ａ／ｍ）をそれぞれ示している。

図５に示すように、ファラデー効果を呈する磁性体（磁性薄膜など）においては、磁場強度に比例して偏光角が変わる。また、磁場強度と電流量の間にも比例関係があるため、図５のように磁場強度と偏光角との関係を予め取得しておくことによって、偏光角の情報から電流を計測することができる。

図６は、磁性体の光軸方向の厚みと偏光角の関係を示す図であり、縦軸に偏光角（度）を、横軸に磁性体の厚さ（ｍｍ）をそれぞれ示している。

図６に示すように、ファラデー効果を呈する磁性体においては、その光軸方向の厚み（すなわち磁性体中の光路庁光路長）に比例して大きくなる。

図８は、本実施の形態における光ファイバセンサの検知部での光の行程について説明する図である。

図８において、光ファイバセンサ４０の誘電体配列４３，４５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。検知部４２は、磁性体４４を光軸方向両端から誘電体配列４３，４５で挟んだ構造になっており、このような構成を磁性フォトニック結晶膜と称する。誘電体配列４３，４５は、五酸化タンタルと酸化シリコンを積層したものである。なお、誘電体ミラーとしての誘電体配列４３，４５の両方において、五酸化タンタル層と酸化シリコン層を入れ替えて誘電体配列を構成しても、同様の効果が得られる。

誘電体ミラーとしての誘電体配列４３，４５によって構成されるマイクロキャビティーと呼ばれる構造は、特定の波長に対して、透過もしくは反射させる性質がある。すなわち、入射される光の波長に依存するように反射率及び透過率を変更することができるので、磁性体４４による光の偏光角の回転を検知する対象の光（送信光１ａ）の波長を決定し、その波長の光を反射するように誘電体ミラーとしての誘電体配列４３，４５を設計すれば、所望する波長の光について光ファイバセンサ４０を通過させ、透過光（受信光１ｂ）の偏光角の回転情報を取得することが可能である。

検知部４２に入射された送信光１ａは、誘電体配列４３を透過し、誘電体ミラーとしての誘電体配列４３，４５の間で多重反射し、誘電体配列４５を透過し、受信光１ｂとして出力される。すなわち、誘電体配列４３，４５の間で光が複数回反射しすることにより、光の磁性体４４中における距離（光路の行程）は、多重反射分する分だけ長くなる。このため、磁性体４４の光軸方向の膜厚を厚くした場合と同様の効果が得られる。

図７は、磁性体のみの構成に入射光を入射し、透過光を得る場合を本実施の形態の比較例として示す図である。

図７においては、の従来材料を用いたセンサは、ファラデー効果を示す磁性層の片側に反射板３０としてアルミなどを設置した構成となっている。磁性材の層２０２は、磁性ガーネットなどである。材料を蒸着し、入射光２００を入射させ、出力する光２０１を得ることができる。磁性層２０２は、前述の通り、膜厚が厚いほど偏光角の回転が大きいため、厚くすることが望ましい。

一方で、電流が作る磁場は、その流域（電線）に近いほど強く、距離が離れるほど小さくなることから、電流の流域に近い小さな領域において大きな偏光角が得られる技術が必要となる。

本実施の形態の検知部４２においては、磁性体４４を伝搬する光は、誘電体配列４３，４５間で、複数回反射し、反射の回数分だけ磁性体４４中における光路長が長くなり、送信光１ａに対する受信光１ｂの偏光角が増幅される。すなわち、磁性体４４の厚さを薄くした場合においても、厚さを厚くした場合と同等な偏光角の回転を実現することができるので、検知部４２をより小さい領域に形成することができ、測定対象の電流ラインにより近づけることが可能となる。

図９は、本実施の形態の検知部の一構造例として形成した磁性フォトニック結晶膜における入射光の波長と反射率及び偏光角との関係を示す図であり、縦軸に反射率（％）及び偏光角（度）を、横軸に入射光の波長（ｎｍ）をそれぞれ示している。

図９に示すように、偏光角の回転が最大となる５４０ｎｍの波長での反射率はほぼ０％になる。すなわち、波長が５４０ｎｍの光は、磁性体４４で光が局在化されて光路長が長くなり、大きな偏光面回転角を持った磁場分布の情報が取得されることを意味する。一方、偏光角の回転が０度に近い６８０ｎｍの波長では反射率が低く、透過率が高い。これは、６８０ｎｍの光に関しては、検知部４２を透過した光の偏光角の情報の変化がほとんどないことを示している。

図１０は、本実施の形態の光ファイバセンサにおける透過光の偏光角の回転量と、検知部に作用する磁場強度の関係を示す図であり、縦軸に偏光角（度）を、横軸に磁場強度（ｋＯｅ）をそれぞれ示している。

図１０に示すように、透過光の偏光角の回転量と検知部に作用する磁場強度の関係を予め取得し、メモリ３２に格納しておくことにより、磁場と電流の間に比例関係があることを利用して、換算部３１において偏光角の情報から電流を計測することができる。表示部３では、図１１に示すように、換算部で算出した電流の波形が表示される。

図１２は、磁性体に用いる材料と磁場強度の変化に対する応答特性の関係を示す図である。図１２おいて、グラフ１２０ａは、磁性体４４の材料としてイットリウム・鉄・ガーネットを用いた場合の磁場強度と偏光角の関係を示すものであり、グラフ１２０ｂは、磁性体４４の材料としてガドリウム・鉄・ガーネットを用いた場合の磁場強度と偏光角の関係を示すものである。

磁性体４４は、履歴現象と呼ばれる非線形応答を有する。これは、磁区と呼ばれる磁性体の性質によるものである。一般的に、磁性体は、Ｎ極Ｓ極の小さい磁石の集合として考えることができ、強力な永久磁石はこの磁区の大きさが大きい傾向にある。一方で、磁区が大きい場合は、外部からの磁場強度を大きくしないと磁区が変化しないという特徴がある。すなわち、磁区が大きい場合は、磁場強度の変化に対して偏光角の変化が小さいことを示しており、したがって、磁場を生じる電流に対する応答性が得られない。そこで、本実の形態における磁性体４４には、磁区構造を持たないように、材料内部の粒子構造間に距離がでるような材料を含有させたものを用いる。特に、ガドリウム・鉄・ガーネットと呼ばれる材料は、粒子構造間の結合力が弱く、電流の変動すなわち磁場変動に対する応答性が優れており、また透過率および偏光角に変化に優れた材料となる。ガドリウム・鉄・ガーネットにビスマスを添加することで偏光角の変化をより向上する材料の材料等も用いることができる。

図１２に示すように、グラフ１２０ｂのように磁性体４４の材料としてガドリウム・鉄・ガーネットを用いた場合は、グラフ１２０ａのようにイットリウム・鉄・ガーネットを用いた場合と比較して、応答性にかかわる保磁力が小さいので、小さい磁場強度で、偏光角の変動が得られる。

以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。

本実施の形態の計測装置１００では、まず、光ファイバセンサ４０の検知部３２を、測定対象の電流が流れる電流ライン１１０の近傍に配置する。続いて、入力部２から計測の指示がなされると、光源部１０から直線偏波の光が送信光１ａとして生成され、コネクタ１９を介して光ファイバセンサの光ファイバ４１に入射され、光ファイバ４１を介して検知部４２に入射される。検知部４２の第１の誘電体配列４３及び第２の誘電体配列４５では、予め設定した波長の光が透過して多重反射し、磁性体４４内を往復した後に受信光１ｂとして光ファイバ４６に射出される。このとき、電流ライン１１０を流れる電流によって生じる磁場による磁性体４４の磁化状態により、光の偏光角が回転される。その他の波長の光は、波長の違いによって、検知部４２に入射されることなく反射されるものと、検知部４２内で多重反射することなく透過するものとがある。検知部４２から光ファイバ４６に射出された受信光１ｂは、コネクタ２９を介して受光部２０に入射される。受光部２０では、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量などのデータが取得されて計算部３０に送られる。計算部３０においては、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量と、予めメモリ３２に格納した換算値とに基づいて電流ライン１１０を流れる電流値が算出され、算出結果が表示部３に表示される。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

測定対象の電流ラインにより生じる磁場を光ファイバに作用させ、光ファイバを通る光の偏向角の回転量を計測することによって磁場の強さ及び電流量を測定する場合、磁場に対する偏向角の回転量、すなわち、磁場に対する感度は、光の磁化材料に対する通過距離やベルデ定数などによって定まる。しかしながら、従来技術のように、ベルデ定数の高い磁性体を光ファイバに拡散させて、磁場の強さに対する偏光角、すなわち磁場に対する感度を向上しようとする場合には、磁性体粒子が光ファイバ中を透過する光の強度を減衰させてしまうため、光ファイバの透過光強度が小さくなって受光感度が低下してしまうという問題点がある。

これに対して、本実施の形態においては、光源部１０から照射される光を受光部２０に伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａの外周に形成されたクラッド４１ｂ，４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備えた光ファイバセンサ４０を形成したので、光が磁性体に局在することで実効的な光路長を増大することができる。その結果として、薄膜で偏光角の変化が大きくすることができるので、受光感度の低下を抑制しつつ磁場検出感度を向上することができる。

＜第１の実施の形態の変形例＞
本発明の第１の実施の形態の変形例を、図１３及び図１４を参照しつつ説明する。

図１３は、一変形例に係る発光部と受光部の構成を模式的に示す機能ブロック図であり、図１４は、他の変形例に係る発光部と受光部の構造を模式的に示す機能ブロック図である。

図１３に示すように、第１の実施の形態における発光部１０の送信光調整部１２及び受光部２０の受信光調整部２３に代えて、偏光子１２Ａ及び検光子２３Ａを用いた発光部１０Ａ及び受光部２０Ａを用いる場合にも第１の実施の形態と同ようの効果をえることができる。

また、図１４に示すように、第１の実施の形態における発光部１０の送信光調整部１２及び受光部２０の受信光調整部２３に代えて、位相調整部１２ａ及び１／４波長板１２ｂを有する送信光調整部１２Ｂ及びカプラ２３ａ，２３ｃ、偏光子２３ｂ、及び１／４波長板２３ｄを有する受信光調整部２３Ｂを用い、光ファイバセンサ４０に円偏光を伝播させ、偏光角の差異をカプラで干渉させて抽出する方法を用いることもでききる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１５〜図１８を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、複数（本実施の形態では２つ）の光ファイバセンサを同一光軸上に直列に配置して電流の測定を行うものである。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１５は、本実施の形態に係る計測装置の全体構成を模式的に示す機能ブロック図である。

図１５において、計測装置１００Ａは、測定に用いる光の送受信及び測定値の計算処理を行う測定部１と、測定部１への各種設定値や指令信号の入力を行う入力部２と、測定部１での計算処理の結果である測定値を表示する表示部３と、測定部１からの送信光１ａを透過して受信光１ｂとして測定部１に送る複数（本実施の形態では２つ）の光ファイバセンサ４０，５０とから概略構成されている。

図１６は、光ファイバセンサの光軸を通る平面における断面図であり、図中上側が光源部側、図中下側が受光部側である。

図１５及び図１６において、光ファイバセンサ４０は、光源部１０から照射される送信光１ａを伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａの外周に形成されたクラッド４１ｂ、４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体４４の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備えている。光ファイバセンサ４０としては、第１の誘電体４３、磁性体４４、及び第２の磁性体４５を併せて検知部４２と称する。光ファイバ４１，４６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体４４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列４３、４５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

また、光ファイバセンサ５０も同様の構造を有しており、光ファイバセンサ５０を介した光を受光部２０に伝搬するコア５１ａ，５６ａと、コア５１ａ，５６ａの外周に形成されたクラッド５１ｂ、５６ｂとから構成される光ファイバ５１，５６と、光ファイバ５１，５６の光軸上に配置された磁性体５４と、磁性体５４の光軸方向の一方に形成された第３の誘電体配列５３と、磁性体５４の光軸方向の他方に形成された第４の誘電体配列５５とを備えている。光ファイバセンサ５０としては、第３の誘電体５３、磁性体５４、及び第４の磁性体５５を併せて検知部５２と称する。光ファイバ５１，５６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体５４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列５３、５５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

なお、光ファイバセンサ４０，５０は同一光軸上に直列に配置されており、光ファイバセンサ４０の光ファイバ４６と光ファイバセンサ５０の光ファイバ５１とは、一体的に構成されている。

本実施の形態では、誘電体配列の厚み、磁性材の厚みが異なる光ファイバセンサ４０，５０を用い、応答する波長を変えることによって、同一光軸上で複数点の計測が可能となる。

図１７は、本実施の形態の検知部の一構造例として形成した磁性フォトニック結晶膜における入射光の波長と反射率及び偏光角との関係を示す図であり、縦軸に反射率（％）及び偏光角（度）を、横軸に入射光の波長（ｎｍ）をそれぞれ示している。

図１７に示すように、検知部４２の特性では、偏光角は回転が最大となる５４０ｎｍの波長での反射率はほぼ０％になる。一方、磁場偏光角の回転の０度に近く、６８０ｎｍ付近の波長では、反射率が低く、透過率が高い。検知部５２の特性では、この領域に偏光角の増幅が起こるように、誘電体配列の厚み、磁性材の層の厚みを設計する。設計は、マトリックス法などで屈折率と材料の厚みを入力として波長に依存した偏光状態をシミュレートすることで可能である。このような方法でセンサの構造を設計すると、検知部４２の特性における波長５４０ｎｍの光により得られる磁場情報と、検知部５２の特性における波長６８０ｎｍの光により得られる磁場情報とを同一光軸上に配置した複数の光ファイバセンサで取得することができる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図１８は、光ファイバセンサによって２箇所の電流を計測し表示した例を示す図である。

図１８に示すように、複数の波長の光を用い、波長に対応する複数の検知エリア（検知部４２，５２）を光ファイバセンサ４０，５０に備えることで、同一ラインの光ファイバ系で、複数箇所の電流や磁場を計測が実施でき、光ファイバの本数を減らすことができる。そのため、計測効率のよい計測装置を提供することができる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図１９〜図２１を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第２の実施の形態における光ファイバセンサの数を３つとし、三相電動機に供給される各相の電流を同時に測定する場合を示すものである。図中、第１及び第２の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１９において、三相電動機３００には、電源端子ボックス３０１から引き出されているＵ相電源ライン３０２、Ｖ相電源ライン３０３、Ｗ相電源ライン３０４により図示しない三相電源からの電力が供給されているＵ相電源ライン３０２、Ｖ相電源ライン３０３、Ｗ相電源ライン３０４にはそれぞれ光ファイバセンサ４０、５０、６０が設置されており、計測装置１に接続されている。

なお、光ファイバセンサ６０は、光ファイバ４０，５０と同様の構成を有しており、同一光軸上に配置されている。すなわち、光ファイバセンサ６０は、第２の実施の形態に倣って、光ファイバセンサ４０，５０の検知部４０，５０の特性において、反射率が低く透過率が高い周波数において、偏光角の増幅が起こるように、誘電体配列の厚み、磁性材の層の厚みを設計した検知部を有するよう構成されている。

図２０は、図１９で示した三相電動機の電流波形を３箇所の光ファイバセンサ４０，５０，６０で、３波長の光を用いて測定した電流波形の一例を示す図である。

三相電動機３００の場合、相間の位相差は１２０度あり、動作状態を監視することができる。

図２１は、三相電動機のＶ相電源ラインの電流に異常が生じたときの出力例を示す図である。

このような異常が生じた場合には、振幅のバランスの異常を測定結果から感知するよう設定して異常アラーム等を発信するよう構成することができ、設備の異常を知らせたり、停止させたりするのに利用できる。

その他の構成は第１及び第２の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜その他の実施の形態＞
本発明のその他の実施の形態について図２２〜図２９を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、光ファイバセンサの製造方法に関するものである。

図２２は、第１の誘電体配列４３と、磁性体４４と、第２の誘電体配列４５で構成する素子（磁性フォトニック結晶膜）を予め作成し、光ファイバ４１，４６のコア４１ａ，４６ａに接着して製造する場合を示している。

図２３は、光ファイバ４６の端面に蒸着法で第２の誘電体配列４５と、磁性体４４と、第１の誘電体配列４３を積層させて検知部４２を形成し、光ファイバセンサを製造する方法を示している。この製造方法では、結束した多数の光ファイバの端面に各素材を蒸着させて誘電体配列や磁性体を形成することで、大量かつ同一特性の光ファイバセンサを製作することができる。

図２４〜図２９は、誘電体配列の加工に、ひずみ測定で用いるＦＢＧ（ファイバ・ブラック・グレーティング）センサの製造方法を応用した場合を示す図である。

図２４〜図２６に示すように、光ファイバ４１，４６の周方向から、ミラー４００ａ、４００ｂ，４００ｃ等により紫外線４００の干渉縞を照射する。紫外線の照射により、光ファイバ４１，４６の屈折率を変化させることができる。干渉縞の間隔の精度は極めて高く、誘電体配列４３，４５を設計寸法で精度よく実現することができる。

図２７〜図２９に示すように、磁性体４４は、光ファイバ４１，４６にマスク２５をかけて穴を開け、蒸着法などで埋め込むことができる。まず、光ファイバ４１、４６にマスク２５をかけ（図２７参照）、光ファイバ４１，４６に穴を開け
（図２８参照）、磁性体４４を埋め込む（図２９参照）。光ファイバの軸方向の穴あけ長さはマスク２５の範囲の変更によって容易にかえることができる。そのため、光が通過する磁性体４４の距離を容易に変更できる。すなわち光路に対する磁性体４４の光軸方向の厚みを容易に変更することができる。なお、磁性体４４を必要とする範囲は、光が伝播する光ファイバ４１，４６のコア４１ａ，４６ａの部分だけである。たとえば、コア系が１０ｎｍであれば、磁性体４４の蒸着は１０ｕｍ分の時間で、光路に対する磁性体４４のあらゆる厚みを実現することができる。

このような製造方法を用いることにより、光ファイバを複数並べて加工することができ、波長特性に関わる誘電体配列の寸法を精度よく実現することができるため、複数点の電流センサ（検知部）を有する光ファイバセンサをコネクタなどのつなぎ目なしに製造する場合に有利である。

１００，１００Ａ 計測装置
１ 測定部
２ 入力部
３ 表示部
１０ 光源部
２０ 受光部
３０ 計算部
４０，５０，６０ 光ファイバセンサ
４１，４６，５１，５６ 光ファイバ
４２，５２ 検知部
４３ 第１の誘電体配列
４４，５４ 磁性体
４５ 第２の誘電体配列
５３ 第３の誘電体配列
５５ 第４の誘電体配列

図１及び図２において、光ファイバセンサ４０は、光源部１０から照射される送信光１ａを受光部２０に伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａの外周に形成されたクラッド４１ｂ、４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体４４の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備えている。光ファイバセンサ４０としては、第１の誘電体４３、磁性体４４、及び第２の誘電体配列４５を併せて検知部４２と称する。光ファイバ４１，４６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体４４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列４３、４５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

本実施の形態の計測装置１００では、まず、光ファイバセンサ４０の検知部４２を、測定対象の電流が流れる電流ライン１１０の近傍に配置する。続いて、入力部２から計測の指示がなされると、光源部１０から直線偏波の光が送信光１ａとして生成され、コネクタ１９を介して光ファイバセンサの光ファイバ４１に入射され、光ファイバ４１を介して検知部４２に入射される。検知部４２の第１の誘電体配列４３及び第２の誘電体配列４５では、予め設定した波長の光が透過して多重反射し、磁性体４４内を往復した後に受信光１ｂとして光ファイバ４６に射出される。このとき、電流ライン１１０を流れる電流によって生じる磁場による磁性体４４の磁化状態により、光の偏光角が回転される。その他の波長の光は、波長の違いによって、検知部４２に入射されることなく反射されるものと、検知部４２内で多重反射することなく透過するものとがある。検知部４２から光ファイバ４６に射出された受信光１ｂは、コネクタ２９を介して受光部２０に入射される。受光部２０では、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量などのデータが取得されて計算部３０に送られる。計算部３０においては、送信光１ａと受信光１ｂから得られる偏光角の変化量と、予めメモリ３２に格納した換算値とに基づいて電流ライン１１０を流れる電流値が算出され、算出結果が表示部３に表示される。

図１５及び図１６において、光ファイバセンサ４０は、光源部１０から照射される送信光１ａを伝搬するコア４１ａ，４６ａと、コア４１ａ，４６ａの外周に形成されたクラッド４１ｂ、４６ｂとから構成される光ファイバ４１，４６と、光ファイバ４１，４６の光軸上に配置された磁性体４４と、磁性体４４の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列４３と、磁性体４４の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列４５とを備えている。光ファイバセンサ４０としては、第１の誘電体４３、磁性体４４、及び第２の誘電体配列４５を併せて検知部４２と称する。光ファイバ４１，４６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体４４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列４３、４５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

また、光ファイバセンサ５０も同様の構造を有しており、光ファイバセンサ５０を介した光を受光部２０に伝搬するコア５１ａ，５６ａと、コア５１ａ，５６ａの外周に形成されたクラッド５１ｂ、５６ｂとから構成される光ファイバ５１，５６と、光ファイバ５１，５６の光軸上に配置された磁性体５４と、磁性体５４の光軸方向の一方に形成された第３の誘電体配列５３と、磁性体５４の光軸方向の他方に形成された第４の誘電体配列５５とを備えている。光ファイバセンサ５０としては、第３の誘電体５３、磁性体５４、及び第４の誘電体配列５５を併せて検知部５２と称する。光ファイバ５１，５６は、石英ガラス、鉛入りの石英ガラスなどで形成されている。磁性体５４は、透明性を有するガーネットと呼ばれる金属を用いることができ、Ｂｉを添加したイットリウム・鉄・ガーネットや、後述するガドリウム・鉄・ガーネットなどで形成されている。誘電体配列５３、５５は、異なる屈折率をもつ誘電体を光軸方向に周期的に配列したものであり、誘電体ミラーとして機能する。

Claims (10)

1. 光源から照射される光を検出器に伝搬するコアと、前記コアの外周に形成されたクラッドとから構成される光ファイバと、
   前記光ファイバの光軸上に配置された磁性体と、
   前記磁性体の光軸方向の一方に形成された第１の誘電体配列と、
   前記磁性体の光軸方向の他方に形成された第２の誘電体配列と
   を備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記第１の誘電体配列及び第２の誘電体配列は、異なる屈折率を有する２種類以上の誘電体を光軸方向に周期的に配列したことを特徴とする光ファイバセンサ。
3. 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記第１の誘電体配列及び第２の誘電体配列は、五酸化タンタルと酸化シリコンとを光軸方向に周期的に配列したことを特徴とする光ファイバセンサ。
4. 請求項１記載の光ファイバセンサにおいて、
   前記磁性体は、ガドリウム・鉄・ガーネット（ＧｄＩＧ）であることを特徴とする光ファイバセンサ。
5. 請求項１記載の光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサの一端に光を入射する光源と、
   前記光ファイバセンサの他端から射出される光を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された光の偏向角に基づいて前記磁性体の磁化状態を検出することにより前記磁性体に作用する磁場を検出する磁場検出部と
   を備えたことを特徴とする計測装置。
6. 請求項５記載の計測装置において、
   前記第１の誘電体配列、前記第２の誘電体配列、及び前記磁性体の厚みが異なる第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサを直列に接続したことを特徴とする計測装置。
7. 請求項５記載の計測装置において、
   前記第１の誘電体配列、前記第２の誘電体配列、及び前記磁性体の厚みが異なる第１の光ファイバセンサ、第２の光ファイバセンサ、及び第３の光ファイバセンサを直列に接続したことを特徴とする計測装置。
8. 請求項１記載の光ファイバセンサは、
   前記磁性体の光軸方向両端に前記第１の誘電体配列及び前記第２の誘電体配列を結合した磁気光学素子の両端に２つの光ファイバのそれぞれ一方の端面を接着して製造されることを特徴とする計測装置。
9. 請求項１記載の光ファイバセンサは、
   第１の光ファイバの端面に前記第１の誘電体配列を堆積して形成し、前記第１の誘電体配列の前記第１の光ファイバと反対側の端面に前記磁性体を堆積して形成し、前記磁性体の前記第１の誘電体配列と反対側の端面に前記第２の誘電体配列を堆積して形成し、前記第２の誘電体配列の前記磁性体と反対側の端面に第２の光ファイバを接着して製造されることを特徴とする計測装置。
10. 請求項１記載の光ファイバセンサは、
    前記光ファイバに干渉縞を生じるように紫外線を照射して異なる屈折率を有する２種類以上の誘電体を光軸方向に周期的に配列した前記第１の誘電体配列及び第２の誘電体配列を形成し、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の間にスリット穴を形成し、前記スリット穴に磁性体を堆積させて製造されることを特徴とする計測装置。

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