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技術 光ファイバ磁気センサ

出願人 日立電線株式会社トヨタ自動車株式会社
発明者 宮崎淳平池田幸雄砂原秀一
出願日 2001年2月8日 (19年10ヶ月経過) 出願番号 2001-032157
公開日 2002年8月23日 (18年4ヶ月経過) 公開番号 2002-236159
状態 未査定
技術分野 磁気的変量の測定 測定装置の細部とブリッジ、自動平衡装置
主要キーワード 位相一致 磁場印加装置 干渉長 磁気成分 行路差 干渉値 磁気変化 磁場発生コイル
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この項目の情報は公開日時点(2002年8月23日)のものです。
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図面 (5)

課題

センサ特性変化が発生しても、その影響を受けない安定した磁気検出が可能な光ファイバ磁気センサを提供する。

解決手段

光ファイバ伝送する光信号の中に検出した磁気情報を取り込む磁気検出素子15と、この磁気検出素子15に参照磁場を印加する参照磁場印加装置14と、前記磁気検出素子15が取り込んだ磁気情報から参照磁場成分検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を前記参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報とする較正手段101とを備えた。

概要

背景

従来の光ファイバ磁気センサは、光ファイバに挿入した磁気検出素子によって地磁気等の検出対象磁気情報を得るもので、例えば、図4に示されるように、光源1と、カプラ2,5で分岐・結合させたアームの中に磁気検出素子3を組み込んだマッハツェンダ干渉計と、マッハツェンダ干渉計の光出力電気信号に変換する受光器6とを備える。

光源1から出た光は、カプラ2で分岐され2つのアームを通ってカプラ5で合波される。2つのアームのうち一方には磁気検出素子3が挿入されており、磁気検出素子3は感知した磁気の変化を光行路の変化に変換する。

変調器4、変調器7、発振器10及び同期検波器11は、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差を常に一定にする制御を行う。即ち、発振器10からの交流信号が一方のアームの変調器4に加えられ、これによって変調を受けた光はカプラ5で他方のアームの光と合波される。このとき2つのアームの光行路差に応じて干渉が起こり、その干渉の起きた光が受光器6で電気信号に変換される。この電気信号から同期検波器11によって変調成分が取り出され、その変調成分出力が一定になるように変調器7に信号が加えられる。このようにして、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差が常に一定になるように制御される。

一方、磁気検出素子3には発振器8によって、上記とは異なる周波数の交流信号が加えられる。この周波数成分に磁気情報が取り込まれる。磁気情報が取り込まれた周波数成分を持つ光とその周波数成分を持たない他方のアームの光とが合波されることで、周波数成分に応じた干渉が起こり、その干渉の起きた光が受光器6で電気信号に変換される。この電気信号から同期検波器9によって磁気変化成分(磁気情報)が取り出され、磁気信号として出力される。

概要

センサ特性変化が発生しても、その影響を受けない安定した磁気検出が可能な光ファイバ磁気センサを提供する。

光ファイバを伝送する光信号の中に検出した磁気情報を取り込む磁気検出素子15と、この磁気検出素子15に参照磁場を印加する参照磁場印加装置14と、前記磁気検出素子15が取り込んだ磁気情報から参照磁場成分と検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を前記参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報とする較正手段101とを備えた。

目的

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、センサに特性変化が発生しても、その影響を受けない安定した磁気検出が可能な光ファイバ磁気センサを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光ファイバ伝送する光信号の中に検出した磁気情報を取り込む磁気検出素子と、この磁気検出素子に参照磁場を印加する参照磁場印加装置と、前記磁気検出素子が取り込んだ磁気情報から参照磁場成分検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を前記参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報とする較正手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ磁気センサ

請求項2

前記磁気検出素子をマッハツェンダ干渉計内に組み込んだことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ磁気センサ。

請求項3

前記参照磁場印加装置が印加する参照磁場が交流磁場であることを特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバ磁気センサ。

技術分野

0001

本発明は、光ファイバ磁気検出素子とを用いて磁気(磁場)を検出する光ファイバ磁気センサ係り、特に、センサ特性変化が発生しても、その影響を受けない安定した磁気検出が可能な光ファイバ磁気センサに関するものである。

背景技術

0002

従来の光ファイバ磁気センサは、光ファイバに挿入した磁気検出素子によって地磁気等の検出対象磁気情報を得るもので、例えば、図4に示されるように、光源1と、カプラ2,5で分岐・結合させたアームの中に磁気検出素子3を組み込んだマッハツェンダ干渉計と、マッハツェンダ干渉計の光出力電気信号に変換する受光器6とを備える。

0003

光源1から出た光は、カプラ2で分岐され2つのアームを通ってカプラ5で合波される。2つのアームのうち一方には磁気検出素子3が挿入されており、磁気検出素子3は感知した磁気の変化を光行路の変化に変換する。

0004

変調器4、変調器7、発振器10及び同期検波器11は、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差を常に一定にする制御を行う。即ち、発振器10からの交流信号が一方のアームの変調器4に加えられ、これによって変調を受けた光はカプラ5で他方のアームの光と合波される。このとき2つのアームの光行路差に応じて干渉が起こり、その干渉の起きた光が受光器6で電気信号に変換される。この電気信号から同期検波器11によって変調成分が取り出され、その変調成分出力が一定になるように変調器7に信号が加えられる。このようにして、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差が常に一定になるように制御される。

0005

一方、磁気検出素子3には発振器8によって、上記とは異なる周波数の交流信号が加えられる。この周波数成分に磁気情報が取り込まれる。磁気情報が取り込まれた周波数成分を持つ光とその周波数成分を持たない他方のアームの光とが合波されることで、周波数成分に応じた干渉が起こり、その干渉の起きた光が受光器6で電気信号に変換される。この電気信号から同期検波器9によって磁気変化成分(磁気情報)が取り出され、磁気信号として出力される。

発明が解決しようとする課題

0006

従来技術では、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差を一定にする制御を行っているにもかかわらず、光源1の出力・干渉長の変化、光学系の損失の変動、磁気検出素子3の温度特性経年変化によって、同じ磁場を検出しても磁気信号出力が変動していた。

0007

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、センサに特性変化が発生しても、その影響を受けない安定した磁気検出が可能な光ファイバ磁気センサを提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために本発明は、光ファイバを伝送する光信号の中に検出した磁気情報を取り込む磁気検出素子と、この磁気検出素子に参照磁場を印加する参照磁場印加装置と、前記磁気検出素子が取り込んだ磁気情報から参照磁場成分と検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を前記参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報とする較正手段とを備えたものである。

0009

前記磁気検出素子をマッハツェンダ干渉計内に組み込んでもよい。

0010

前記参照磁場印加装置が印加する参照磁場が交流磁場であってもよい。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

0012

図1に示されるように、本発明に係る光ファイバ磁気センサは、光ファイバを伝送する光信号の中に検出した磁気情報を取り込む磁気検出素子15と、この磁気検出素子15に参照磁場を印加する参照磁場印加装置(参照磁場発生装置)14と、磁気検出素子15が取り込んだ磁気情報から参照磁場成分と検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を前記参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報とする較正手段101とを備えている。

0013

詳しくは、光ファイバ磁気センサは、光源12と、マッハツェンダ干渉計の一端を形成するカプラ13と、このカプラ13で分岐させた2つのアームの一方に挿入した磁気検出素子15と、その磁気検出素子15が挿入されたアームに設けられた変調器16と、他方のアームに設けられた変調器19と、マッハツェンダ干渉計の反対端を形成するカプラ17と、マッハツェンダ干渉計で干渉の起きた光を電気信号に変換する受光器18と、磁気検出素子15に磁気情報を取り込むための所定周波数の交流信号を印加する発振器20と、受光器18からの電気信号を同期検波して磁気情報を取り出す同期検波器21と、変調器16に交流信号を印加する発振器22と、受光器18からの電気信号を同期検波してその出力を変調器19に印加する同期検波器23と、磁気検出素子15の近傍に設けられた参照磁場印加装置14と、この参照磁場印加装置14に交流磁場発生用の交流電流を供給する発振器24と、同期検波器21が取り出した磁気情報を発振器24の交流信号で同期検波して参照磁場成分(振幅)を分離する同期検波器25と、発振器24の交流信号の位相を、同期検波器21の出力信号に含まれる発振器24の交流信号と同一周波数成分の位相に一致させる移相器26と、その位相一致させた交流信号を参照磁場成分(振幅)に乗算して参照磁場成分(交流信号)を再生する乗算器27と、その積の信号を同期検波器21が取り出した磁気情報から差し引いて検出対象磁気成分を分離する減算手段102と、その差の信号を参照磁場成分(振幅)で除算することにより検出対象磁気成分を較正する除算器28とからなる。

0014

図1の光ファイバ磁気センサの動作を説明する。従来技術と同じ動作は説明を省略するが、同期検波器21は、磁気検出素子15が感知している磁気情報を出力する。磁気検出素子15には、本来検出しようとしている外部からの磁気(磁場)に参照磁場印加装置14が発生させた参照磁場が重畳しているため、同期検波器21の出力も検出対象磁気成分に参照磁場成分が重畳している。

0015

この同期検波器21の出力を同期検波器25により発振器24の交流信号で同期検波すると、参照磁場成分の振幅値が得られる。この振幅値は、光源12の出力・干渉長の変化、光学系の損失の変動、磁気検出素子15の温度特性・経年変化が発生している場合、本来検出しようとしている検出対象磁気成分に比例して変化する。

0016

交流的な参照磁場成分を含んだ同期検波器21の磁気情報の信号出力より、この周波数成分(参照磁場成分)を除去するために、まず、移相器26により、発振器24からの交流信号の位相を、同期検波器21の信号出力のうち発振器24の交流信号と同一周波数成分の位相に一致させる。さらに、乗算器27で移相器26からの交流信号に同期検波器25からの参照磁場成分振幅値を乗算して、同期検波器21の信号出力から差し引くための交流信号を再生する。

0017

同期検波器21の信号出力から、乗算器27で再生された参照磁場成分を差し引き、その差の信号を検出対象磁気成分として分離する。除算器28により、その検出対象磁気成分を同期検波器25からの参照磁場成分振幅値で除算すると、検出対象磁気成分が較正された検出対象の磁気情報が得られる。

0018

次に、図2を用いて具体的な実施形態を説明する。

0019

図2に示した光ファイバ磁気センサでは、磁気検出素子として金属皮膜ファイバコイル34を使用する。参照光路用金属皮膜ファイバコイル31は、マッハツェンダ干渉計の2つのアームの光行路差を少なくするためのものである。また、参照磁場印加装置としては、参照磁場発生コイル37を使用する。

0020

光源29、カプラ30、変調器32、カプラ33、変調器35、受光器36、発振器38、発振器39、発振器40、同期検波器41、同期検波器42、同期検波器43、移相器44、乗算器45、減算手段103、除算器46は、いずれも図1で説明したものであって、相互の接続関係も同じである。

0021

金属皮膜ファイバコイル34に発振器38からの交流電流を通電する。このとき、外部磁場(検出対象)が発生し、その外部磁場が金属皮膜ファイバコイル34に印加されると、電磁力によって金属皮膜ファイバコイル34に伸びまたは縮みが発生して金属皮膜ファイバコイル34の長さが変わり、磁場の変化がファイバの伸び縮みに変換される。

0022

参照磁場発生コイル37に発振器39からの一定の交流電流を通電し、金属皮膜ファイバコイル34に一定の交流磁場を与える。

0023

既に説明したように、カプラ33で合波を行うと、2つのアームの光行路差に応じて干渉が起こり、その干渉の起きた光が受光器36で電気信号に変換される。この電気信号から、同期検波器41は、金属皮膜ファイバコイル34が感知している磁気情報を取り出すことができる。そして、その磁気情報から参照磁場成分と検出対象磁気成分とを分離し、その検出対象磁気成分を参照磁場成分で較正して検出対象の磁気情報(磁気信号)を出力する。

0024

次に、図2の実施形態を変形した構成を説明する。

0025

図3に示した光ファイバ磁気センサは、光源47、カプラ48、金属皮膜ファイバコイル50、参照磁場発生コイル53、変調器51、カプラ49、受光器52、発振器54、発振器55、発振器56、同期検波器58、加算器57、同期検波器59、同期検波器60、移相器61、乗算器62、減算手段104、除算器63からなる。図2と同じ配置にある部材は、符号は異なっても図2のものと同じ部材である。この光ファイバ磁気センサは、図2の光ファイバ磁気センサから参照光路用金属皮膜ファイバコイル31および変調器32を取り除き、発振器56の交流信号に同期検波器60の信号出力を加算して変調器51に印加する加算器57を設けたものである。

0026

発振器56から供給される光行路差調整用のための基準信号と、同期検波器60から供給される光行路差一定化のための制御信号とを加算器57で足し合わせ、その和の信号で変調器51を駆動する。

0027

この構成により、光学系の部品点数を減らし、センサを簡素化すると共に低コスト化することができる。

0028

なお、以上の実施形態では、金属皮膜ファイバコイルからなる磁気検出素子を用いて光ファイバ磁気センサを構成したが、他の方式のセンサについても、本発明は同様の効果を得ることができる。

発明の効果

0029

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

0030

(1)磁気検出素子が温度の影響を受けて感度が変化したり、光源の出力・干渉値などが変化しても、参照磁場成分で較正することにより、安定な磁気信号出力を得られる。従って、センサの使用温度範囲を拡大でき、応用用途範囲が拡大できる。

0031

(2)経年変化によるセンサ特性変化についても較正できるので、製品としての寿命が長くなる。

図面の簡単な説明

0032

図1本発明の一実施形態を示す光ファイバ磁気センサの構成図である。
図2本発明の他の実施形態を示す光ファイバ磁気センサの構成図である。
図3本発明の他の実施形態を示す光ファイバ磁気センサの構成図である。
図4従来の光ファイバ磁気センサの構成図である。

--

0033

14,37,53 参照磁場印加装置(参照磁場発生装置)
15,31,34,50磁気検出素子
101,103,104較正手段

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