WO1999057571A1 - Capteur magnetique employant une fibre optique - Google Patents

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WO1999057571A1
WO1999057571A1 PCT/JP1999/002254 JP9902254W WO9957571A1 WO 1999057571 A1 WO1999057571 A1 WO 1999057571A1 JP 9902254 W JP9902254 W JP 9902254W WO 9957571 A1 WO9957571 A1 WO 9957571A1
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optical fiber
metal
coated
magnetic sensor
layer
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PCT/JP1999/002254
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Inventor
Jumpei Miyazaki
Hideo Ikegami
Shuichi Sunahara
Original Assignee
Hitachi Cable, Ltd.
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber magnetic sensor.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conventional example of an optical fiber magnetic sensor
  • FIG. 2 is a principle diagram of a conventional optical fiber magnetic sensor.
  • the method using this electromagnetic force is a metal-coated light that is stretched linearly using a metal fixing jig 1 and a fixing material 2 fixed to an insulating casing 4 and fixed at both ends.
  • a constant current flows through a closed circuit composed of the fiber 3, the AC power supply 5, and the conductor 6.
  • the use is made of the fact that when a magnetic field 7 is applied from the outside, an oscillating electromagnetic force is generated in the metal coated optical fiber 8 in the direction of the arrow.
  • a system in which both ends are fixed with clamps 10 so as to maintain a constant tension, and an AC power supply 9 is connected to both clamps 10 with a conducting wire 11 acts as a resonance system.
  • a dip method has been used in which a molten metal is added at the time of drawing, as a method of applying a metal coating on the optical fiber, which is a main part to receive a current and receive an electromagnetic force, on the optical fiber.
  • the coating material include aluminum, copper, and nickel.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-52076 does not describe frequency response.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 11-325284 describes that it is possible to measure up to 100 Hz because the mechanical resonance frequency is 170 kHz at a support interval of 115 mm. .
  • the mechanical resonance frequency is 170 kHz at a support interval of 115 mm.
  • it can only have a frequency response of about 0.5% of the resonance frequency by analogy with the Q value of resonance. In other words, it can detect only a magnetic change of about 0.8 Hz in frequency. Therefore, almost only magnetism close to direct current (DC) can be detected, greatly limiting the application.
  • DC direct current
  • the support interval needs to be 1/10.
  • the sensitivity is 1 0 - would be greatly reduced to 5, it is difficult to apply to ordinary applications.
  • the optical fiber is kept straight by the support at two points, and tension is generated in the optical fiber. This change in tension significantly changes the sensitivity and resonance frequency.
  • the two fixing jigs that support the optical fiber are usually fixed to a common housing and apply a certain tension to the optical fiber. However, if the thermal expansion coefficients of the optical fiber, the jig, and the housing are not the same, the tension of the optical fiber changes with temperature, and the characteristics of the sensor greatly change. In addition, in a state where the optical fiber has almost no tension and the optical fiber hangs, the tension changes due to the expansion of the optical fiber itself due to a temperature change.
  • an object of the present invention is to solve the above problems and provide a highly reliable optical fiber magnetic sensor that has good frequency response and sensitivity, has excellent environmental resistance to temperature and vibration, and the like. is there. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a metal-coated optical fiber in which an optical fiber is coated with a metal, an AC power supply that supplies an AC current to the metal coating of the metal-coated optical fiber, and an optical fiber through an interaction with an external magnetic flux.
  • An optical interferometer that detects a change in optical path due to expansion and contraction generated in the longitudinal direction of the fiber or a change in lateral pressure generated in the radial direction as an intensity signal of light.
  • the optical fiber is formed in a circular or spiral shape so as to maintain a constant radius so that the bending stress of the optical fiber is sufficiently large so that the magnetic detection unit to be detected can be considered as a substantially rigid body.
  • the structure of the optical fiber determines the mechanical resonance frequency of the magnetic detector, and the circular or spiral shape does not depend on the spacing, regularity, and fixing method. One in which was fixed to.
  • the present invention provides a metal-coated optical fiber in which an optical fiber is coated with a metal, an AC power supply for applying an AC current to the metal coating of the metal-coated optical fiber, and a longitudinal direction of the optical fiber by an interaction with an external magnetic flux.
  • An optical fiber magnetic sensor equipped with an optical interferometer that detects a change in the optical path due to the resulting expansion or contraction or a change in the lateral pressure that occurs in the radial direction as a light intensity signal.
  • the optical fiber is formed in an elliptical shape so as to maintain a radius such that the bending stress of the optical fiber is sufficiently large so that the optical fiber can be considered as a substantially rigid body, and the major and minor diameters of the ellipse and the structure of the optical fiber are combined. Determines the mechanical resonance frequency of the magnetic detector and the elliptical shape .
  • a nickel layer of 2 m or less is formed as a first layer by electroless plating on the optical fiber strand of the optical fiber magnetic sensor of the present invention, and a 5 / m or less layer is formed on the second layer.
  • the gold layer is formed by electroplating.
  • a metal-coated optical fiber for detecting an external magnetic flux through which an alternating current flows is formed in a circular shape or a spiral shape so as to maintain a constant radius so that the bending stress of the optical fiber becomes sufficiently large.
  • Fixing points that are independent of spacing, regularity and fixing method are provided to maintain An alternating current with a relatively high frequency (a diameter approximately the same as the length of the conventional linear magnetic detection unit and a frequency approximately two orders of magnitude higher) flows through this fixed point.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-52076 Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-352284
  • the present invention differs from the present invention in that a transverse wave as a string having a Young's modulus (a displacement occurs in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical fiber) is used as a resonance point of the system.
  • FIG. 3 is a principle diagram of the optical fiber magnetic sensor of the present invention.
  • the metal-coated optical fibers 13 are separated from each other by two so that they keep a constant radius in a circular or spiral shape so that they do not touch each other It is held using clamps 14 or other jigs.
  • An AC power supply 15 is connected to both clamps 14, and an optical interferometer (not shown) is connected to the metal-coated optical fiber 13.
  • the reason why the metal-coated optical fibers 13 are not in contact with each other is to properly supply current to the metal coating of the circular optical fiber.
  • Stress is extremely large in the curved portion of the metal-coated optical fiber 13 as compared with the straight portion.
  • the curved portion of the metal-coated optical fiber 13 resonates due to the longitudinal wave of the sound wave (displacement occurs in the longitudinal direction of the optical fiber) which propagates as a medium with the optical fiber itself, which can be regarded as almost a rigid body. For this reason, a much higher resonance frequency can be obtained even with the same size as a conventional linear sensor, and the measurement range is expanded.
  • the resonance frequency depends on the magnitude of the stress. Therefore, when the same optical fiber is used, if the bending radius is reduced, the resonance frequency increases, and the frequency response can be improved. At this time, since the resonance frequency is determined by the bending radius, if the spiral number is increased while maintaining the same bending radius and the number of evenings is increased, the sensitivity is improved substantially in proportion to the evening number while maintaining the resonance frequency. And an improvement in sensitivity can be achieved.
  • the displacement of the optical fiber is in the longitudinal direction (axial direction) of the optical fiber, and no displacement occurs in the direction perpendicular to the longitudinal direction (axial direction) of the optical fiber, that is, in the radial direction.
  • the resonance frequency does not change even if the intervals and positions of the points are changed. As long as the accuracy of the bending radius can be maintained, it is unlikely to be affected by the position of the fixing point or the fixing method.
  • nickel is coated on the first layer of the optical fiber with a non-electrolytic plating to 2 or less on the first layer, and gold on the second layer is 5 / xm by electrolytic plating.
  • the one coated below is used.
  • the plating method differs from the dipping method in that almost no lateral pressure is applied to the optical fiber after the coating process is completed, so that the reliability of the metal-coated optical fiber can be improved, and the increase in loss and the occurrence of cracks are extremely reduced.
  • gold for the outer coating a magnetic detection section having excellent corrosion resistance can be obtained.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a conventional example of an optical fiber magnetic sensor.
  • FIG. 2 is a principle diagram of a conventional optical fiber magnetic sensor.
  • FIG. 3 is a principle diagram of the optical fiber magnetic sensor of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the optical fiber magnetic sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a modified example of the optical fiber magnetic sensor of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of an application example of the optical fiber magnetic sensor of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 4 is a block diagram showing one embodiment of the optical fiber magnetic sensor of the present invention.
  • This optical fiber magnetic sensor comprises a metal-coated optical fiber coil 18, 19 in which an optical fiber is coated with metal, and an oscillator 2 as an AC power supply for supplying an alternating current to the metal coating of the metal-coated optical fiber coil 19. 5 and an optical interferometer system that detects changes in the optical path difference due to expansion and contraction generated in the longitudinal direction of the optical fiber due to the interaction with the external magnetic flux or lateral pressure generated in the radial direction as a light intensity signal. .
  • the metal-coated optical fiber coils 18 and 19 are circular so as to maintain a constant radius so that the bending stress of the optical fiber is sufficiently large so that the magnetic detector that detects the external magnetic flux can be considered as a substantially rigid body.
  • the mechanical resonance frequency of the magnetic detection unit is determined by the shape (or spiral), the radius of the circle (or spiral) and the fiber structure, and the circular shape (or spiral) is spaced It is fixed so as not to depend on regularity and fixing method.
  • the mechanical resonance frequency of the magnetic detection unit is determined by the major and minor diameters of the ellipse and the fiber structure.
  • a Mach-Zehnder interferometer is used as an optical interferometer.
  • the optical interferometer includes a light source 17, an optical fiber force bra 30 for splitting light from the light source 17 into a signal light and a reference light, and one output terminal of the optical fiber force bra 30 (lower side in the figure).
  • a metal-coated optical fiber coil 19 connected to the other end and transmitting signal light;
  • a metal-coated optical fiber coil 18 connected to the other output end (upper side in the figure) of the optical fiber coupler 30 and transmitting reference light;
  • Phase modulators 20 and 21 connected to the two metal-coated optical fiber coils 18 and 19, respectively, and an optical fiber power bracket connected to the phase modulators 20 and 21 for superimposing the signal light and the reference light.
  • a differential amplifier 27 that receives the electric signals from both receivers 22 and 23 and differentially amplifies it, and an output signal from differential amplifier 27 Synchronous detectors 28 and 29 that detect synchronously, an amplifier 24 that amplifies the output signal of synchronous detector 28 and sends it to phase modulator 21 1, phase modulator 20 and differential amplifier 27 It consists of an oscillator 26 and a signal.
  • the light emitted from the light source 17 enters the optical fiber force bra 30 via the optical fiber.
  • the light is split into two optical paths by the optical fiber power blur 30, and one light is incident on the optical fiber coupler 31 via the metal-coated optical fiber coil 18 and the phase modulator 20 as reference light.
  • the light branched as signal light by the optical fiber power blur 30 passes through the metal-coated optical fiber coil 19 and the phase modulator 21 and is superposed on the reference light by the optical fiber power blur 31.
  • An alternating current having a constant effective value flows through the metal coating of the metal-coated optical fiber coil 19 through which the signal light propagates, by the oscillator 25 having a frequency substantially matching the resonance frequency of the metal-coated optical fiber coil 19.
  • An AC signal having a voltage of a constant effective value for detecting drift of the Mach-Zehnder interferometer is applied to the phase modulator 20 from the oscillator 26.
  • the optical signals are converted into electric signals by the optical receivers 22 and 23 and sent to the differential amplifier 27.
  • the electric signal from which the DC component has been removed by the differential amplifier 27 is sent to the synchronous detectors 28 and 29.
  • the drift of the Mach-Zehnder interferometer which occurs in a frequency component twice as high as that of the oscillator 26, is extracted by synchronous detection.
  • This drift signal is sent to the phase modulator 21 via the amplifier 24, and is fed back to the Mach-Zehnder interferometer.
  • a feedback control loop that stabilizes the frequency component twice as high as that of the oscillator 26 as close as possible to zero, that is, an operating point that maximizes the sensitivity of the Mach-Zehnder interferometer, is established, and the drift is reduced. Removed.
  • the synchronous detector 29 extracts a magnetic information signal having the frequency component of the oscillator 25 by synchronous detection. This output is the sensor output.
  • the two optical paths of the Mach-Zehnder interferometer are fixed to a reference optical path and a signal optical path for convenience.
  • the optical paths on the other side can be regarded as reference optical paths.
  • a current flows through the metal-coated optical fiber coil 18 while no current flows. This modification is shown in FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the optical fiber magnetic sensor of the present invention. The same members as those of the optical fiber magnetic sensor shown in FIG.
  • the optical fiber magnetic sensor shown in Fig. 5 is a new signal system in addition to the oscillator 25, metal-coated optical fiber coil 19, and synchronous detector 29 that are the signal system of the optical fiber magnetic sensor shown in Fig. 4.
  • An oscillator 32 and a synchronous detector 33 are provided to form a new signal system.
  • the frequency settings for these two signal systems include (a) and (b).
  • a highly sensitive magnetic sensor can be obtained.
  • a magnetic sensor with a wider bandwidth can be obtained.
  • the number of turns X 40 Hz by changing the bending radius so as to shift the resonance frequency by 40 Hz can be obtained.
  • the band reaches 1 kHz.
  • This optical fiber magnetic sensor can be used not only as a replacement for conventional magnetic sensors, but also in fields where conventional magnetic sensors have not been able to cope with conventional magnetic sensors. Application becomes possible.
  • the spatial distribution of the current generating the magnetism can be known. For example, by arranging this small sensor around the superconducting coil conductor in multiple stages, it is applied to find the spatial distribution of the current in the superconducting body.
  • Detecting changes in geomagnetism by taking advantage of high-sensitivity performance may be able to detect crustal movements, changes in active layers, etc.
  • conventional sensors have low responsiveness and can detect geomagnetic changes in high frequency regions. As a result, useful information for earthquake prediction can be obtained.
  • high-sensitivity performance can be used to detect the presence of magnetic bacteria that inhabit the water, it can be applied to groundwater detection, water leak detection, and non-contact wetness detection of groundwater when the field is uncut. .
  • a magnetic field is generated around the flow of the charged particles. If this magnetic field is detected, the direction of flow of the fluid containing the charged particles, the flow rate and the flow velocity, or the composition of the contained components can be measured in a non-contact manner. It can be applied to rivers, groundwater, oceans, etc.
  • II Human body magnetic observation 1Q
  • Blood contains charged particles such as ions, and when the charged particles flow through blood vessels, magnetism is generated accordingly. Blood also contains magnetic substances, which are expected to change in magnetism as they move through blood vessels. By detecting these magnetic changes, it is possible to know the pulsation of the circulatory system, the flow rate and components of the body fluid, and the like.
  • the degree of accumulation can be evaluated by examining the magnetic properties of those organs.
  • the position of the magnetic object can be detected without making an incision.
  • administering a contrast agent containing a magnetic component and performing magnetic imaging eliminates the need for conventional X-ray imaging. Can be prevented.
  • Fig. 6 shows an example of application to traveling vehicle detection.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of an application example of the optical fiber magnetic sensor of the present invention, and corresponds to the block diagram shown in FIG.
  • the vehicle 50 travels on the road 47 and passes through the optical fiber magnetic sensor 48 (metal-coated optical fiber coil 19) and the optical fiber magnetic sensor 49 (metal-coated optical fiber coil 18) in this order.
  • the optical fiber magnetic sensors 48 and 49 are buried in the road 47, but they may be installed at the top and side.
  • the output of the optical fiber magnetic sensor 48 and the optical fiber magnetic sensor 49 when the same time is set as the starting point on the horizontal axis is output 5 2 (sensor output 1), output data 54 (sensor output 2).
  • the horizontal axis is the time starting from the same time, and the vertical axis is the output of the optical fiber magnetic sensor.
  • a vehicle detection waveform 55 is output when the vehicle 50 passes through the optical fiber magnetic sensor 48, and after a certain time delay, the vehicle 50 passes through the optical fiber magnetic sensor 49 and outputs a vehicle detection waveform 53.
  • the geomagnetic detection amounts 51 and 56 are the detection magnetic amounts when the vehicle 50 is not present at each point.
  • the traveling speed of the vehicle 50 can be calculated from the difference between the rise times of the two output waveforms 53, 55. It is also possible to determine the type of vehicle from the output waveform pattern. In addition, the length of the vehicle can be calculated from the speed and the duration of the output waveform.
  • a magnetic field is generated around the flow of the charged particles. If this magnetic field is detected, the direction, flow rate, flow velocity, or composition of the component containing charged particles can be measured in a non-contact manner. Widely applicable to water and sewage and exhaust pipes. Industrial applicability

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Description

明 細 書 光ファイバ磁気センサ 技術分野
本発明は、 光ファイバ磁気センサに関する。 背景技術
光ファイバの干渉を利用して磁気を検出する方法として、
(1) 磁歪素子を用いるもの、
(2) ファラデー効果を用いるもの、
(3) 電磁力を用いるもの、
の 3つに分類することができる。
これら（1)〜 ）はいずれも磁界が加わることによって光ファイバ内を伝搬する 光の状態が変わったり、 光ファイバに歪みが発生したりすることを利用したもの である。 このうち（3)の電磁力を用いる方法は、 原理的に最も感度が高い方法と されてきた。
図 1は光ファイバ磁気センサの従来例を示す図であり、 図 2は従来の光フアイ バ磁気センサの原理図である。
この電磁力を用いる方法は、 図 1に示すように、 絶縁筐体 4に固定された金属 製固定治具 1と固定材料 2とを用いて直線状に張ると共に両端を固定した金属被 覆光ファイバ 3と、 交流電源 5と導線 6とからなる閉回路に一定の電流を流すも のである。 このとき、 図 2に示すように外部から磁界 7が加わると金属被覆光フ アイバ 8に矢印方向の振動的な電磁力が発生することを利用している。 また、 一 定の張力を保つようにクランプ 1 0で両端を固定し、 両クランプ 1 0に交流電源 9を導線 1 1で接続した系は、 共振系として作用するため、 特定周波数の交流電 流を供給すると、系の共振効果によって磁気に対する感度が極めて良好となる（特 開昭 6 3— 5 2 0 2 7 6号公報、 特開平 1一 3 5 2 8 4号公報）。 また、 電流を流し、 電磁力を受ける主要な部分となる金属被覆を光ファイバ素 線上に施す手法として、 溶融金属を線引時に付加するディップ法が用いられてき た。 また、 被覆材料としてはアルミニウム、 銅、 ニッケル等が挙げられる。
ところで、 電磁力を利用する方法は、 最も感度が良いとされているが、 図 1に 示すような光ファイバを直線状に支持した磁気検出部を用いた従来技術には以下 のような問題があった。
(1) 狭い周波数応答性
特開昭 6 3 - 5 2 0 7 6号公報には周波数応答性については記載されていない。 特開平 1一 3 5 2 8 4号公報には、 支持間隔 1 1 5 mmで機械的共振周波数が 1 7 0 k H zであるため 1 0 0 H zまで測定可能であると記載されている。 実際に は機械的共振周波数 1 7 0 k H z付近で同期検波を行うため共振の Q値から類推 して、 共振周波数の 0 . 5 %程度の周波数応答性しか持ち得ない。 つまり、 周波 数にして 0 . 8 H z程度の磁気の変化しか検出できないのである。 従って殆ど直 流 （D C ) に近い磁気しか検出できず、 アプリケーションが大きく限定される。 例えば実用的な周波数応答性 8 0 H zを得るためには支持間隔を 1 / 1 0にする 必要がある。 しかし、 感度は 1 0 - 5に大きく低下してしまい、 通常のアプリケ ーションへの適用が困難である。
(2) 特性の張力依存性
2点の支持によって直線状に保たれ光ファイバには張力が発生する。 この張力 の変化によって感度及び共振周波数が著しく変化する。 光ファイバの支持を行う 2点の固定治具は、 通常共通の筐体に固定されて光ファイバに一定の張力を与え る。 ところが、 光ファイバ、 治具、 筐体の熱膨張率が同一でないと光ファイバの 張力が温度によって変化し、 センサの特性が大きく変化してしまう。 また張力の 殆どない、 光ファイバを垂らしたような状態では、 温度変化による光ファイバ自 体の膨張によって張力が変化してしまう。
(3) 低信頼性
光ファイバに金属被覆を形成するときに従来のディップ法を用いた場合、 線引 き後の冷却時にガラスより金属の方が収縮率が大きいため、 光ファイバに大きな 側圧がかかり、これが損失の増大ゃクラック発生の原因となり信頼性が低かった。 また、 感度を良好にするためには大きな電流を流せるように金属被膜を厚くする 必要がある。 しかし金属被膜が厚いと光ファイバ自体に初期的な構造歪みが生じ たり、 外力によって不可逆的な変形をもたらし、 安定した特性を得ることが難し い。
そこで、 本発明の目的は、 上記課題を解決し、 良好な周波数応答性と感度とを 有し、 温度 ·振動等の耐環境性に優れ、 信頼性の高い光ファイバ磁気センサを提 供することにある。 発明の開示
上記目的を達成するために本発明は、 光ファイバに金属が被覆された金属被覆 光ファイバと、金属被覆光フアイバの金属被覆に交流電流を通電する交流電源と、 外部磁束との相互作用によって光ファイバの長手方向に生じた伸縮或いは径方向 に生じた側圧変化による光路差変化を光の強弱信号として検出する光学干渉計と を備えた光ファイバ磁気センサにおいて、 金属被覆光ファイバを、 外部磁束を検 出する磁気検出部が力学的に略剛体とみなせるほど光フアイバの曲げ応力が十分 に大きくなるような一定半径を保つように円形状または螺旋状に形成すると共に、 その円または螺旋の半径と光ファイバの構造とで磁気検出部の機械的共振周波数 を決定し、 かつその円形状または螺旋形状が間隔、 規則性及び固定方法に依存し ないように固定したものである。
また本発明は、 光ファイバに金属が被覆された金属被覆光ファイバと、 該金属 被覆光ファイバの金属被覆に交流電流を通電する交流電源と、 外部磁束との相互 作用によって光ファイバの長手方向に生じた伸縮或いは径方向に生じた側圧変化 による光路差変化を光の強弱信号として検出する光学干渉計とを備えた光フアイ バ磁気センサにおいて、 金属被覆光ファイバを、 外部磁束を検出する磁気検出部 が力学的に略剛体とみなせるほど光ファイバの曲げ応力が十分に大きくなるよう な半径を保つように楕円形状に形成すると共に、 その楕円の長径、 短径と光ファ ィバの構造とで磁気検出部の機械的共振周波数を決定し、 かつその楕円形状が間 .
4 隔、 規則性及び固定方法に依存しないように固定したものである。
上記構成に加え本発明の光フアイバ磁気センサの光ファィバの素線に対して第 1層目に 2 m以下のニッケル層を非電解メツキで形成し、 第 2層目に 5 / m以 下の金層を電解メツキで形成するのが好ましい。
本発明は、 交流電流を通電する外部磁束検出用の金属被覆光ファイバを、 光フ アイバの曲げ応力が十分に大きくなるような一定半径を保つように円形状または 螺旋状に形成し、 その形状を保持するために間隔、 規則性及び固定方法に依存し ない固定点を設ける。 この固定点に比較的高い周波数 （従来の直線状磁気検出部 の長さと同程度の直径で、 2桁程度高い周波数） の交流電流を流すものである。 従来例 （特開昭 6 3 - 5 2 0 7 6号公報、 特開平 1 _ 3 5 2 8 4号公報） では、 図 2に示すように 2つの固定点クランプ 1 0を節としての一定のヤング率を有す る弦としての横波 （光ファイバ長手方向に垂直な方向に変位が発生する） を系の 共振点として利用している点で本発明と相違している。 図 3は本発明の光フアイ バ磁気センサの原理図である。
図 3に示すように紙面に垂直で裏から表に向かう磁界 1 2がある場合、 金属被 覆光ファイバ 1 3は、 互いに接触しないように円形状または螺旋状に一定半径を 保つように二つのクランプ 1 4或いは他の治具を用いて保持される。 両クランプ 1 4には交流電源 1 5が接続されており、 金属被覆光ファイバ 1 3には光学干渉 計 （図示せず） が接続されている。
ここで、 金属被覆光ファイバ 1 3が互いに接触しないようにするのは、 円形状 の光フアイバの金属被覆に正しく電流を流すためである。 金属被覆光ファイバ 1 3の曲線部では直線部と比較して応力が極めて大きい。 殆ど剛体とみなせる光フ アイバ自体が媒質となって伝搬する音波の縦波 （光ファイバ長手方向に変位が発 生する） によって金属被覆光ファイバ 1 3の曲線部が共振する。 このため、 従来 の直線状センサと同程度の寸法でもはるかに高い共振周波数を得ることができる ので、 測定範囲が広がるのである。 すなわち測定範囲に応じた高い周波数の交流 電流を、 金属被覆光ファイバ 1 3と、 交流電源 1 5と、 導線 1 6とで構成された 閉回路に流すことにより実現できる。 また、 共振周波数が応力の大きさによって 決定するため、 同一光ファイバを用いた場合、 曲げ半径を小さくすると共振周波 数が高くなり、 周波数応答性を向上させることができる。 このとき、 共振周波数 は曲げ半径で決まってしまうので、 同一曲げ半径を保持したまま螺旋状にして夕 一ン数を増やせば共振周波数を維持したまま感度が夕一ン数に略比例して向上し、 感度改善が達成できる。
また、 本発明では、 光ファイバの変位は光ファイバの長手方向 （軸方向） であ り、 光ファイバの長手方向 （軸方向） に垂直な方向、 すなわち径方向には変位が 発生しないため、 固定点の間隔や位置を変えても共振周波数は変化しない。 曲げ 半径の精度さえ維持できれば、 固定点の位置や固定方法に左右されにくい。
一方、 使用される金属被覆光ファイバには、 光ファイバの素線に対して第 1層 目にニッケルを非電解メツキで 2 以下に被覆し、 第 2層目に金を電解メツキ で 5 /x m以下に被覆したものを使用する。 メツキ法はディップ法と異なり、 被覆 処理完了後の光ファイバに殆ど側圧を与えないので金属被覆光ファイバの信頼性 を向上させることができ、 損失の増大、 クラックの発生が極めて少なくなる。 ま た、 外側の被覆に金を用いることにより、 耐蝕性に優れた磁気検出部を得ること ができる。
光フアイバの外側の金属被覆が厚くなるに従って、 金属被覆光ファィバの機械 的性質は、 ガラスよりも金が支配的になってくる。 金の膜厚が厚いほど流せる電 流は大きくなり、 感度改善が図れる反面、 光ファイバ自体に初期的な構造的歪み や外力による不可逆的な変形をもたらす。 ガラスは弾性が強いので、 外力がなく なれば元の形状に戻る。 金属被覆光ファイバでガラスの性質が十分支配的となる ように金の厚みを制限 （5 // m以下） することにより、 磁気検出部の信頼性を高 めることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 光ファイバ磁気センサの従来例を示す説明図である。
図 2は、 従来の光ファイバ磁気センサの原理図である。
図 3は、 本発明の光ファイバ磁気センサの原理図である。 g
図 4は、本発明の光ファィバ磁気センサの一実施形態を示すプロック図である。 図 5は、 本発明の光ファイバ磁気センサの変形例を示す説明図である。
図 6は、 本発明の光ファイバ磁気センサの応用例の説明図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図 4は本発明の光フアイバ磁気センサの一実施の形態を示すブロック図である。 この光フアイバ磁気センサは、 光フアイバに金属が被覆された金属被覆光ファ ィバコイル 1 8 , 1 9と、 金属被覆光ファイバコイル 1 9の金属被覆にそれぞれ 交流電流を通電する交流電源としての発振器 2 5と、 外部磁束との相互作用によ つて光ファイバの長手方向に生じた伸縮或いは径方向に生じた側圧による光路差 変化を光の強弱信号として検出する光学干渉計系とで構成されている。
金属被覆光ファイバコイル 1 8、 1 9は、 外部磁束を検出する磁気検出部が力 学的に略剛体とみなせるほど光ファイバの曲げ応力が十分に大きくなるような一 定半径を保つように円形状 （または螺旋状） に形成されていると共にその円 （ま たは螺旋）の半径とファイバ構造とで磁気検出部の機械的共振周波数を決定され、 かつその円形状 （または螺旋形状） が間隔、 規則性及び固定方法に依存しないよ うに固定されている。
なお、 円形状とする代わりに楕円形状としてもよく、 その場合は楕円の長径、 短径とファイバ構造とで磁気検出部の機械的共振周波数を決定する。 光学干渉計 としてはマッハツエンダ干渉計が用いられている。
光学干渉計は、 光源 1 7と、 光源 1 7からの光を信号光及び参照光に分岐する 光ファイバ力ブラ 3 0と、 光ファイバ力ブラ 3 0の一方の出力端 （図では下側） に接続され信号光が伝搬する金属被覆光ファイバコイル 1 9と、 光ファイバカブ ラ 3 0の他方の出力端 （図では上側） に接続され参照光が伝搬する金属被覆光フ アイバコイル 1 8と、 両金属被覆光ファイバコイル 1 8， 1 9にそれぞれ接続さ れた位相変調器 2 0 , 2 1と、 位相変調器 2 0 , 2 1に接続され信号光及び参照 光を重ね合わせる光ファイバ力ブラ 3 1と、 光ファイバ力ブラ 3 1に接続され光 を電気信号に変換する受光器 2 2， 2 3と、 両受光器 2 2 , 2 3からの電気信号 を受けて差動増幅する差動増幅器 2 7と、 差動増幅器 2 7からの出力信号を同期 検波する同期検波器 2 8 , 2 9と、 同期検波器 2 8の出力信号を増幅して位相変 調器 2 1に送る増幅器 2 4と、 位相変調器 2 0及び差動増幅器 2 7に信号を送る 発振器 2 6とで構成されている。
光源 1 7から出射した光は、 光ファイバを介して光ファイバ力ブラ 3 0に入射 する。 この光ファイバ力ブラ 3 0で光は 2つの光路に分かれ、 一方の光は参照光 として金属被覆光ファイバコイル 1 8及び位相変調器 2 0を経て光ファイバカブ ラ 3 1に入射する。
光ファイバ力ブラ 3 0で信号光として分岐された光は金属被覆光ファイバコィ ル 1 9、位相変調器 2 1を経て光ファイバ力ブラ 3 1で参照光と重ね合わされる。 信号光が伝搬する金属被覆光ファイバコイル 1 9の金属被覆には、 金属被覆光フ アイバコイル 1 9の共振周波数に略一致した周波数を有する発振器 2 5によって 一定実効値の交流電流が流れる。
位相変調器 2 0にはマッハツエンダ干渉計のドリフトを検出するための一定実 効値の電圧を有する交流信号が発振器 2 6から加えられる。
受光器 2 2 , 2 3で光信号は電気信号に変換され、差動増幅器 2 7に送られる。 この差動増幅器 2 7で D C成分が除去された電気信号が同期検波器 2 8 , 2 9に 送られる。
同期検波器 2 8では、 発振器 2 6の 2倍の周波数成分に発生する、 マッハツエ ンダ干渉計のドリフトを同期検波によって抽出する。 このドリフ卜信号は増幅器 2 4を介して位相変調器 2 1に送られ、マッハツエンダ干渉計に帰還が行われる。 その結果、発振器 2 6の 2倍の周波数成分が限りなく零に近付くように、つまり、 マッハツエンダ干渉計の感度が最大となるような動作点に安定させる帰還制御ル —プが成立し、 ドリフトが除去される。
同期検波器 2 9では、 発振器 2 5の周波数成分を有する、 磁気情報信号を同期 検波によって抽出する。 この出力がセンサ出力となる。
次に本発明の光ファイバ磁気センサの変形例について説明する。 g
( 1) 2点化 （タンデム型） 磁気センサ
図 4に示した光ファイバ磁気センサは、 マッハツエンダ干渉計の 2つの光路を 便宜上参照光路と信号光路とに固定した。 ところがそれぞれの光路に信号源を設 けると、 互いに相手側の光路を参照光路とみなすことができる。 つまり、 図 4に 示した光フアイバ磁気センサでは電流を流さなかつた金属被覆光ファイバコイル 1 8に電流を流すことになる。 この変形例が図 5に示されている。
図 5は本発明の光ファイバ磁気センサの変形例を示すブロック図である。なお、 図 4に示した光ファイバ磁気センサと同様の部材には共通の符号を用いた。
図 5に示した光フアイバ磁気センサは、 図 4に示した光フアイバ磁気センサの 信号系である発振器 2 5、 金属被覆光ファイバコイル 1 9、 同期検波器 2 9に加 えて、 新しい信号系として発振器 3 2、 同期検波器 3 3を設け、 新たに信号系を 形成したものである。 これら 2つの信号系の周波数の設定には（a)、 （b)の 2つの ものが挙げられる。
(a) 発振器 2 5 , 3 2の発振周波数はそれぞれ金属被覆光ファイバコイル 1 8 , 1 9の共振周波数に略一致するものとする。 発振器 2 5及び発振器 3 2の発振周 波数が略同じとき、 つまり、 金属被覆光ファイバコイル 1 8及び金属被覆光ファ ィバコイル 1 9の共振周波数が略同じときは、 同じ磁気の強さでも 2倍の出力が 得られることになり、 感度を上げることができる。
(b) 発振器 2 5と発振器 3 2との発振周波数が離れているとき、 つまり金属被 覆光ファイバコイル 1 8及び金属被覆光ファイバコイル 1 9の共振周波数が離れ ているときは、 同時に 2つのセンサが動作していることになる。 すなわち、 マツ ハツエンダ干渉計が一つのままであるのにかかわらず、 センサを 2台使用した場 合と同じ結果を得ることができる。
(2) 高感度磁気センサ
曲げ半径を一定とし、 巻き数を増加すると、 巻き数に略比例して感度が向上す る。 それぞれのターンの共振周波数が一定の精度に収まるようにすると、 感度が 重ね合わされる。 5 0ターン （6 0 φ ) でも地磁気の 1 Z 1 0 0程度が数十 H z の応答性で検知可能であり、 この夕一ン数を増加することによつて従来得られな g
かった高感度の磁気センサを得ることができる。
(3) 広帯域磁気センサ
テーパ状の治具等を用いて巻き半径を徐々に変化させ、 多数巻くと帯域幅をさ らに広くした磁気センサを得ることができる。 例えばワンターンの場合、 帯域幅 (半値となる点） 2 0 H zのセンサであれば、 共振周波数を 4 0 H zずつずらす ように曲げ半径を変えることによってターン数 X 4 0 H zの帯域幅を得ることが できる。 2 5ターンの場合、 その帯域は 1 k H zにも達する。
本光ファイバ磁気センサは、 従来の磁気センサの代わりに使用することができ るだけでなく、 高感度、 高応答性の特長を活かして、 これまで従来の磁気センサ では対応できなかつた分野への応用が可能となる。
(4) 電流分布センサ
磁気を測ることによって、 その磁気を発生している電流の空間的分布を知るこ とができる。 例えば、 超電導コイル導体の周囲に本小型センサを多段配位するこ とにより、 超電導々体中の電流の空間分布を求めることに応用される。
(I) 自然磁気観測
(a) 地磁気
高感度の性能を活かして地磁気の変化を検出することにより、 地殻変動、 活断 層の変化等を検出できる可能性がある。 また、 従来のセンサでは応答性が低かつ たため、 高い周波数領域での地磁気変化も検出できる。 これにより、 地震予測の ための有用な情報を得ることができる。
(b) 磁性生物
高感度の性能を活かして、 水中に生息する磁性バクテリアの存在等を検知でき れば、 フィールド非開削状態での地下水の探知や水道の水漏れ検知、 非接触での 地面の湿潤検出に応用できる。
(c) 荷電粒子の流れが発生する周囲には磁界が発生する。 この磁界を検出すれ ば、 荷電粒子が含まれる流体の流れる方向、 流量や流速或いは含まれる成分組成 等を非接触で測定できる。 河川、 地下水、 海洋等に応用できる可能性がある。 (I I) 人体磁気観測 1Q
(a) 脳、 神経系の体内電流によって発生する磁気
脳神経等には微小でパルス的な電流が流れる。 従ってこの電流による微細で時 間的に短い磁界変化が発生するはずである。 良好な感度、 応答性能を活かしてこ の磁界変化を測定すれば、 体内へ電極を挿入することなく脳、 神経に流れる電流 波形を間接的に知ることができる。
(b) 血液流によって発生する磁気
血液内にはィォン等の荷電粒子が含まれており、 血管中をこの荷電粒子が流れ ると、 これに伴う磁気が発生する。 また、 血液に磁性物質も含まれており、 これ が血管中を移動することによつて磁気が変化することが予想される。 これらの磁 気変化を検出することにより、 循環器系の脈動、 体液の流量、 成分等を知ること ができる。
(c) その他の体内磁気
体内にとって有害な磁性物質が、 一部の臓器に蓄積した場合、 その臓器の磁気 的な性質を調べることにより、 蓄積度合いを評価することができる。 同様に、 事 故等によって体内に磁性物体が侵入したり残留した場合、 切開せずにその物体の 位置を検出することができる。
また、 消化器系の造影写真をとる時など、 磁性成分の入った造影剤を投与し、 磁気的な撮影を行えば従来のような X線撮影を行う必要がなくなり、 披験者の被 曝が防止できる。
(I I I) 金属、 磁性体検出
(a) 金属埋設物検出
地中にある磁性金属物を検出し、 位置を特定することができる。 これは、 地中 の鉄パイプの配管調査、 鉱物資源の探索、 金属危険物 （地雷、 不発弾等） の検知 に応用可能である。
(b) 走行車両検出
センサの近傍を車両等の磁性体を含む物体が通過すると、 その付近の地磁気が 乱れ、 光ファイバ磁気センサに磁気変化の出力となって現れる。 これによつて車 両を検出することができる。 走行車両検出への応用例を図 6に示す。 U
図 6は本発明の光ファイバ磁気センサの応用例の説明図であり、 図 5に示した ブロック図に対応している。
車両 5 0が道路 4 7上を走行し、 光ファイバ磁気センサ 4 8 (金属被覆光ファ ィバコイル 1 9 )、 光ファイバ磁気センサ 4 9 (金属被覆光ファイバコイル 1 8 ) の順に通過する。 この例では、 光ファイバ磁気センサ 4 8， 4 9が道路 4 7に埋 設されているが、 上部及び側部に設置してもよい。
同一時刻を横軸開始点としたときの光ファイバ磁気センサ 4 8、 光ファイバ磁 気センサ 4 9の出力を出力デ一夕 5 2 (センサ出力 1 )、 出力データ 5 4 (セン サ出力 2 ) にそれぞれ示す。 横軸は同一時刻を開始点とした時刻、 縦軸は光ファ ィバ磁気センサの出力である。
まず、 車両 5 0が光ファイバ磁気センサ 4 8を通過した時に車両検出波形 5 5 が出力され、 一定時間遅れてから光ファイバ磁気センサ 4 9を通過して車両検出 波形 5 3が出力される。 なお、 地磁気検出量 5 1 , 5 6はそれぞれの地点で車両 5 0がない場合の検出磁気量である。 このセンサ出力を用いると、 二つの出力波 形 5 3， 5 5の立上がり時間の差から、 車両 5 0の走行速度が計算できる。 また、 出力波形のパターンから車両の種類の判別も可能である。 さらに、 速度と出力波 形の時間的長さから車両の長さも計算できる。
(c) 流体計測
荷電粒子の流れの周囲には磁界が発生する。 この磁界を検出すれば、 荷電粒子 が含まれる流体の流れる方向、 流量、 流速或いは含まれる成分組成等を非接触で 測定できる。 上下水道や排気管等に広く応用できる。 産業上の利用可能性
以上要するに本発明によれば、 次のような優れた効果を発揮する。
良好な周波数応答性と感度を有し、 温度 ·振動等の耐環境性に優れ、 信頼性の 高い光ファイバ磁気センサの提供を実現できる。

Claims

請求の範囲
1 . 光ファイバに金属が被覆された金属被覆光ファイバと： 該金属被覆光フアイ バの金属被覆に交流電流を通電する交流電源と、 外部磁束との相互作用によって 上記光ファイバの長手方向に生じた伸縮或いは径方向に生じた側圧変化による光 路差変化を光の強弱信号として検出する光学干渉計とを備えた光ファイバ磁気セ ンサにおいて、 上記金属被覆光ファイバを、 外部磁束を検出する電気検出部が力 学的に略剛体とみなせるほど光ファイバの曲げ応力が十分に大きくなるような一 定半径を保つように円形状または螺旋状に形成すると共に、 その円または螺旋の 半径と光ファイバの構造とで磁気検出部の機械的共振周波数を決定し、 かつその 円形状または螺旋形状が間隔、 規則性及び固定方法に依存しないように固定した ことを特徴とする光フアイバ磁気センサ。
2 . 上記光ファィバの素線に対して第 1層目に 2 /i m以下の二ッゲル層を非電解 メツキで形成し、 第 2層目に 5 / m以下の金層を電解メツキで形成した請求項 1 項記載の光ファイバ磁気センサ。
3 . 光ファイバに金属が被覆された金属被覆光ファイバと、 該金属被覆光フアイ バの金属被覆に交流電流を通電する交流電源と、 外部磁束との相互作用によって 上記光ファイバの長手方向に生じた伸縮或いは径方向に生じた側圧変化による光 路差変化を光の強弱信号として検出する光学干渉計とを備えた光ファイバ磁気セ ンサにおいて、 上記金属被覆光ファイバを、 外部磁束を検出する磁気検出部が力 学的に略剛体とみなせるほど光ファイバの曲げ応力が十分に大きくなるような半 径を保つように楕円形状に形成すると共に、 その楕円の長径、 短径と光ファイバ の構造とで磁気検出部の機械的共振周波数を決定し、 かつその楕円形状が間隔、 規則性及び固定方法に依存しないように固定したことを特徴とする光ファイバ磁 気センサ。
4 . 上記光ファィバの素線に対して第 1層目に 2 ^ m以下のニッケル層を非電解 メツキで形成し、 第 2層目に 5 以下の金層を電解メツキで形成した請求項 3 項記載の光フアイバ磁気センサ。
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