JPH0337584A - 磁界センサ - 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 本発明は、磁界センサに関し、よ−り詳細にはそのファ
ラデー効果素子の温度特性を補正して測定精度を向上し
得る磁界センサに関する。

逆１１りえ（− 第１の従来例として、光ファイバにより導かれる光を偏
光子、ファラデー効果素子、及び検光子に順次透過させ
て透過光の強度を検出することにより磁界強度を求める
磁界センサか知られているか、この場合検光子は、磁界
強度に比例した出力か得られるよう、偏光子に対し光軸
に関して４５度旋回させて配置されている。上記ファラ
デー効果素子どしては今、磁気旋光能（磁界をかけるこ
とによりファラデー効果により偏光面が回転する現象を
生ずる能力）を有するか、自然旋光能（磁界等かかかっ
ていない状態であっても分子構造や結晶構造の特殊な非
対称性により直線偏光が物質を透過するとき偏光面が回
転する現象を生ずる能力）を有さない、例えはＺｎ５ｅ
多結晶を採用しているとすると、上記透過光の強度Ｐは
次式により与えられる。

Ｐ−Ｐｏ　（１＋５ｉｎ２θ） −Ｐ。（ｌ−１−ｓｉｎ２Ｖｅ・１１・Ｉｌ）　　　　
−（１）（但し、Ｐ・・透過光の強度：Ｐｏ−・磁界を
セロとした場合の透過光の強度：　θ　ファラデー回転
角：Ｖｅ・・・２ｎＳｅのベルデ定数：　■・・・磁界
強度：　Ｃ・・・７アラデー効果素子の長さ：　　尚［
θ−Ｖｅｉｉｌｌ］の関係がある。） そして、（１）式中、５ｉｎ２Ｖｅｉｌｌｌの項をｎ〕
と置くと、ｒｍ＝ｓｉｎ２Ｖｅ・■・０．ｎ・・（２）
」が変調度、即ち光強度の変化割合である。

しかしながら、一般にファラデー効果素子のヘルプ定数
は、温度の影響を受けることが知られている。例えは、
室温（２０°Ｃとする）のときの変調度をｍ。、室温か
２０°ＣからΔＴ’Ｏだけ温度変化したときの変調度を
ｍｌとしたときの変調度ｎ〕の変化率は次式により与え
られる。

（ｍｌ　　ｍｏ）／ｍｏ　　　　・・・（３）（但し、
ｍｌ　＋　ｍｏ”温度（２０＋ΔＴ）’Ｃ！、２０°Ｃ
のときの変調度） これを図示したのか、第１図中の実線ａであり、同図中
Ｘ軸は温度（°Ｃ）、Ｙ軸は変調度変化率（ｍ、−ｍｏ
）／ｍ。（％）の各変化を表す。実線ａは、右上かりで
あり、変調度変化率は温度上昇と共に増大するゆえ、Ｚ
ｎ５ｅ製フアラデー効果素子は正の温度係数を有するこ
とが解る。

上述の如く、上記第１の従来例によれば、変調度変化率
が温度変化に応して変化する、即ち温度係数かゼロでな
いので、その後に別個に補正作業を必要とするという面
倒かあり、又上記の如く検光子をπ／４だけ旋回させて
配置する作業も比較的面倒であるという欠点かあった。

このため、第２の従来例として、第２図に示す如く、フ
ァラデー効果素子と、偏光子及び検光子の何れかとの間
に、π／４（即ち４５度）の旋光能を有する旋光子を配
置させることにより、検光子は何ら旋回させることなく
配置できるようにしたものがある。同図中、光ファイバ
により導かれる光１は、偏光子２、旋光子３、ファラデ
ー効果素子４、検光子５を順次透過する。この場合、旋
光子３は、ＢＳＯ（ヒスマスシリコンオキザイド：例え
はＢｉ＋２ＳｉＯ＋ｚ）単結晶からなり、又ファラデー
効果素子４は、上記と同しくＺｎ５ｅ多結晶からなる。

この場合、ＢＳＯ単結晶は自然旋光能のみならず磁気旋
光能をも有し、しかも自然旋光能も温度の影響を受ける
ため、その変調度Ｉｌｌ、及びその変調度変化率は夫々
上記（２）、（３）式を参考として次の如く与えられる
。

ｍ＝　５ｉｎ２（Ｖｅ＋　・Ｌ　＋Ｖｅ２・Ｑ２）Ｈ（
４） （Ｉｌｌ＋　　　ｍｏ）／ｍ。

＝（＋＋　　（ｋ、・ΔＴ−痣、十に２　　・ΔＴ−仏
２　）／　（Ｖｅ＋ａＬ　　＋Ｖｅｚ　　ＩＬ　）ｌ／
（１２に１ΔＴ）（５） （但し、ｍｌ　＋　ｎｏ”’温度（２０＋ΔＴ）０Ｃ，
２０°Ｃのときの変調度；　　Ｖｅ、　、Ｖｅ２　・・
４ｎＳｅ、　ＢＳＯのベルデ定数；　　Ｑ＋　、　Ｑ２
−４ｎＳｅ、　ＢＳＯの長さ：に１に２　　・ベルブ定
数Ｖｅ、　、Ｖｅ２の温度係数（即ち、単位温度当たり
の変化分）：に、・・ＢＳＯの自然旋光能の温度係数：
　ΔＴ・・・２０°Ｃからの温度変化）これを図示した
のか、第１図中の破線すであり、これによれは、変調度
変化率の温度係数は、ＢＳＯの自然旋光能の温度特性の
影響を受けて正から負に転し、しかも幾分温度係数ゼロ
に近付いているので、温度特性の補正が行われているこ
とか解る。

しかしながら、上記第２の従来例の如く、ＢＳＯ旋光子
３を採用する場合、透過光の波長か例えは８５０−８７
０ｎｍでは、ＢＳＯの１ｍｍ長さ当たりの旋光角は１０
，５度であるから、π／４（−４５°）の旋光角を得る
ためには、４５／ｌＯ，５−４，３ｍｍの結晶厚さ（長
さ）を必要とする。しかるに、近年は磁気センサの小型
化の要求か強く、上記厚さでは、この小型化の要求に応
えることが出来ないという欠点あった。

そこで第３の従来例として、上記π／４の旋光角を得る
他の方法として、第３図に示す如く、ＢＳＯ旋光子の代
わりに、ＸＹ二軸の偏光にπの位相差を与えるいわゆる
水晶製１／２波長板６を使用し、水晶の複屈折を利用す
るものが知られている。この水晶製１／２波長板は厚さ
１ｍｍ程度で良く、ＢＳＯの場合の約ｔ７４の厚さに薄
型化出来る。尚、厚さが約１ｍｍとなる根拠は以下の通
りである。１／２波長の光路差■は次式により与えられ
る。

１−　、ｔ　／　２（ｎｅ−ｎｏ） ＝　８５０７２（１，５＋７−１．５３８）−１７２２
２（ｎｍ） −１７，２２２（μｍ）　　　　　　　　　・　（６）
（但し、Ｉ・・・光路差：　λ・・・透過光の波長、こ
の場合８５０ｎｍ；　　ｎ、、　ｎ。・室温における水
晶の常光線及び異常光線に対する屈折率、この場合夫々
１５３８．１．５１７） 従って、理論的には１７．２２２（７１ｍ）の水晶厚さ
かあれは良いのであるが、この厚さでは研磨か困跡であ
るため、厚さがｄｌとｄ２の２枚の水晶板を互いに光軸
が直交するように重ね合わせ、直線複屈折か相殺するよ
うにして、その厚さの差（ｄ２ｄ、）か上記光路差Ｉに
等しい厚さの１枚の水晶板と等価の波長板を得る。現在
市販のものでは上記の如く重ね合わせ貼り合わせた厚さ
か」二記の如く約１ｍｍのものが多用されている。

ところで、１／２波長板は、これを透過する光のＸＹ二
軸間に位相差δ（理想的には２δ−πである）を与える
ものであり、その位相差δは次式により与えられる。

δ−（ｎｃ−ｎｏ）（ｄ２−ｄ、　）／λ・２ｙｒ　　
−（７）（但し、δ　・位相差；　　’Ｏ＋　ｎ、・・
・水晶の常光線及び異常光線に対する屈折率；ｄ２．ｄ
、・・・張り合わせ形水晶板の各板の厚さ：　λ・・・
透過光の波長：） 従って、変調度変化率の温度係数、換言すればファラデ
ー効果素子（ＺｎＳｅ）の温度係数の補正を行うに、第
２の従来例の場合にはＢＳＯ旋光子のヘルプ定数及び及
び自然旋光能により行ったか、上記第３の従来例の場合
には、１／２波長板の位相差δに着目して行う必要が生
ずる。

解決すべき問題点 しかしながら、上記第３の従来例において、１／２波長
板の位相差δの温度特性か上記変調度変化率（ｍ、　　
ｍｏ）／ｍｏの温度特性に与える影響については、未だ
調査されていないのが現状であった。

本発明Ｉコなる磁界センサは、上記従来の問題点を解決
することを目的とし、そのための構成は、光ファイバに
より導かれる光の進路に沿って、偏光子、ファラデー効
果素子、及び検光子を順次配置し、かつ該ファラデー効
果素子と、該偏光子及び検光子の何れか一方との間に、
水晶製１／２波長板を更に配置してなる磁界センサにお
いて、ファラデー効果素子の温度係数が負の場合は、室
温における前記１／２波長板のＸＹ二軸間の位相差をπ
（即ち１８０度）より大きくしかつ、ファラデー効果素
子の温度係数が正の場合は、室温における前記１／２波
長板のＸＹ二軸間の位相差をπ（即ち１８０度）より小
さくした、ことを特徴とする。

実施例 第４図は本発明になる磁界センサの一実施例である、１
／２波長板を使用した該磁界センサの概略構成を示す斜
視図であり、同図中、第３図と同部分には同一符号を付
す。

同図中、７は二枚の水晶板を張り合わせてなる１／２波
長板であるが、後述する如く第３図のｌ／２波長板６と
は厚さが異なる。

光ファイバにより導かれた光ｌは、偏光子２．１／２波
長板７、ファラデー効果素子４、及び検光子５を順次透
過する。尚１／２波長板７はファラデー効果素子４と検
光子５との間に配置しても良い。

この場合の検光子５を出た透過光の強度Ｐは次式により
与えられる。

Ｐ−Ｐ＋／２（１＋（ｃｏｓ２δ・ｃｏＳ２θ−５ｉｎ
２δ・５ｉｎ２θ））・・・（８） （但し、Ｐ・・・検光子５を出た透過光の強度：Ｐｌ・
・・入射光の強度；　δ・・・ｌ／２波長板の位相差：
θ・・ファラデー回転角） ここで、１／２波長板６が、正確にπの位相差を有する
と仮定すると、δ−π／２となるため、上記（８）式は
次式に書き換えられる。

Ｐ＝　Ｐ＋／２（１−５ｉｎ２θ）・（９）この式中、
５ｉｎ２θの項が変調度を表す。

次に、第４図の装置に全く磁界か作用していむいと仮定
すると、ファラデー回転を生しないため「θ−〇」とな
るゆえ、上記（８）式は次式に討き換えられる。

Ｐｄｅ−Ｐ＋／２（１＋　ＣＯ５２δ）　　　　・　（
１０）（但し、Ｐ６ｏ・装置に磁界か作用せず、光か１
／２波長板のみにより変調作用を受けたときの透過光の
強度） この（１０）式で求められるＰ、。の値は、透過光の直
流分（ＤＣ）強度を表しており、従って見掛Ｉフの変調
度ｍは次の様になる。

ｍ−（Ｐ　　Ｐ、＋ｃ）／Ｐｄｃ ＝　（ＣＯ３２δ０ＣＯ３２θ−５ｉｎ２δ６ｓｉｎ２
θ）／（１＋ｃｏｓ２δ）　　　　・（１１）ここで、
室温か２０’Ｃのときの変調度を＋１１２ｏとし、室温
か９０°Ｃになったときの変調度をｎ１９゜とすると、
変調度変化率は次式により与えられる。

（ｍｓ。−ｍ２ｏ）／ｍｚｏ　　・・（１２）計算例 次に、ファラデー効果素子として、ファラＴ回転かは度
の影響を全く受けない理想的温度性１１−１ （即ち温度係数か七〇）のファラデー効果素子を導入し
たと仮定し、変調度ｍの変化率が１／２波長板７のｘＹ
二軸間の位相差δの温度特性たけでとの程度の影響を受
けるか計算して見る。位相差δは上記（７）式から下記
の通りである。

δ−（ｎ、　　ｎｏ）（ｄ２ｄ＋　）／λ・２ｙｒ　　
−（７）この（７）式中の］／２波長板の設定厚さｄ２
ｄ、（−光路差Ｉ）は、上記（６）式から下記の如く与
えられている。

ｄ２−ｄ、＝Ｉ−λ／２（ｎ、　　ｎｏ）　　　　　−
（１３）ここで具体的な例として、７３０　ｎｍ（０，
７３μｍ）の波′長を例として計算してみる。このとき
、同式中の水晶の常光線及び異常光線に対す屈折率ｎ。

、ｎｏの値は次の如くなる。

２０℃　　　　　９０℃ 口。　　　　　　１．５１９　　　　　　　　　１．５
．４１１５２４ｎｏ−１，５３９１，５３８６０１１ 更にファラデー効果素子４のファラデー回転角は、例え
は２°　（−π／９０）で一定とする。

計算の手順としては、ます上記屈折率ｎ０、ｎ。

２ 値及び（１３）式を基に（７）式より２０°Ｃ及び９０
°Ｃのときの各位相差δを求め、次に（１１）式で変調
度ｍ２．及びｍ９．を夫々求め、最後に（１２）式て変
調度変化率（ｍｓ。−ｍｚｏ）／ｍｚｏを求める。

この場合、上記変調度変化率の温度特性を補正する要素
として１／２波長板７の設定厚さｄ２ｄ１に着目して見
る。一種類の設定厚さｄ２ｄ、に対して上記変調度変化
率か一種類求められるから、設定厚さｄ２−ｄ、を変化
させて夫々に対し変調度変化率を求め、全体として変調
度変化率の温度特性の補正が可能であるか否かを検討す
れば良い。尚、上記設定厚さｄ２−ｄ、は、室温（即ち
２０°Ｃ）下では、上記（１３）式より次のようになる
。

ｄ２−ｄｌ−λ／２（ｎ、　　ｎｏ） −〇、７３／２（１，５１９−１，５３９）−３６，５
（μｍ） 従って、上記設定厚さｄ２　ｄ＋は３６．５μｍを略中
心として、１０〜５０μｍの範囲で変化させｌこ。

第５図に、この計算結果を示す。同図中Ｘ軸は１／２波
長板の設定厚さ（＋Ｌ＋　−ｃｌ＋　）　　（μｍ）変
化、Ｙ軸は変調度の変化率（ｍ、ｏ　　ｍ２ｏ）／ｍ２
ｏ（％）変化を表し、同図より下記のことが言える。

■　ｌ／２波長板の設定厚さが図中ｐの位置、即ち波長
７３０μｍ用に３６．５μｍになっているときは、実際
に波長７３０μｍの光が透過すると、センサ全体の変調
度変化率の値（即ち温度係数）は約ゼロであり安定な温
度特性を示す。

■　設定厚さが図中ｑの位置、即ち波長７８０μＩｎ用
に約４９μＩｎ厚さになっているときは、実際に波長７
３０μｍの光が透過すると、温度係数は＋０５％となる
。

■　設定厚さが図中ｒの位置、即ち波長８３０μｎ〕用
に約４６μｍ厚さになっているときは、実際に波長７３
０μｍの光か透過すると、温度係数は＋２．４％となる
。

■　設定厚さを大きくするほどセンサ全体の変調度変化
率の値（温度係数）は大きくなる。又設定厚さが波長７
３０μｍの光用の厚さより大きくなると温度係数は正に
なり、かつ波長７３０μｎ〕の光用の厚さより小さくな
るど、温度係数は負になる。

以上の設定厚さと、温度係数の正負との関係を第６及び
第７図に解り易く略図的に示す。尚第６図（Ｂ）〜（Ｄ
）、及び第７図（Ｂ）〜（Ｉ））は、Ｘ軸か温度、Ｙ軸
が変調度変化率の各変化を表す。

第６図（Ｉ３）に示す如く、７アラデー効果素子の温度
係数が実際に正（右上がり）の場合には、同図（Ａ）に
示す如く、１／２波長板７の厚さしを、波長７３０μｍ
の光用の設定厚さＥ。（−３６５μｍ）より小さく設定
すれ１１よい。すると、同図（Ｃ）に示す如く、ファラ
デー回転かｎ１□（肚の形管を受けないような理想的温
度特性のファラデ効果素子を使用したと仮定したときの
センサ全体の温度係数は、上記■の項で説明した如く負
（右下かり）になる。従って、同図（Ｂ）の温度特性は
同図（Ｃ）の温度特性により補正されて、実際のセンサ
全体の温度特性は同図（Ｄ）に示す如く所定温度範囲に
わたり略ゼロとなり、良好な温度５ 補正がなされることか解る。

次に、第７図（Ｂ）に示す如く、ファラデー効果素子の
温度係数か実際に負（右下かり）の場合には、同図（Ａ
）に示す如く、１／２波長板７の厚さｔを、上記設定厚
さｔ。（＝３６．５μｍ）より大きく設定すればよい。

すると、同図（Ｃ）に示す如く、理想的温度特性のファ
ラデー効果素子を使用したと仮定したときのセンサ全体
の温度係数は、同しく上記■の項で説明した如く正（右
上かり）になるので、同図（Ｂ）の温度特性は同図（Ｃ
）の温度特性により補正されて、全体の温度特性は同図
（Ｄ）に示す如く同じく良好な温度補正かなされること
が解る。

実験例 次に第８図により、実際の実験例を示す。

同図中、発光ダイオード１１から出射される光は、光フ
アイバ１２により導かれて、偏光子２、ｌ／２波長板７
、Ｚｎ５ｅ製フアラデー効果素子４、検光子５を順次透
過する。その透過光は更に光フアイバ１３により導かれ
て受光ダイオード１４に至６ す、変換された電流かアンプ１５を介してＡＣアンプ１
６、ＤＣアンプ１７て夫々交流分及び直流分か増幅され
、更に割算器１８で割算されて、アウトプッ）１９から
交流分及び直流分の比ＡＣ／ＤＣか出力される。一方、
ＡＣ電源２０に接続したコイル２１を巻回したコ字形鉄
心２２が、上記ファラデー効果素子４を取り囲むよう配
設されて該素子４に磁界を与えている。これらは恒温槽
２３内に収納されて、上述した２０°Ｃ〜９０°Ｃの温
度変化を正確に行い得るようになっている。

この場合、発光ダイオード１１からの光の波長は８５０
ｎｍとし、ファラデー効果素子４はＺｎ５ｅ製で長さは
１２ｍｍとし、かつ１７２波長板６の設定厚さ（ｄ２−
ｄｔ）は光の波長８３０　ｎ　ｍ用及び８７Ｏｎｍ用に
夫々正規に対応する４６゜３μｍ及び４８．３μｍの二
種類の厚さに設定して実験を行った。

その結果を示したのが第９図であり、同図中Ｘ軸は温度
、Ｙ軸は変調度変化率の各変化を表す。

これによれは、ｌ／２波長板７の設定厚さか波長８３０
ｎｍ用の場合（ｄ２−ｄ、＝４６．３μｍ）は線Ｃのよ
うになり９０°Ｃで変化率か＋１．６％てあり、又設定
厚さが波長８７０用の場合（ｄ２ｄ、＝４ｓ、３μｍ）
は線ｄのようになり９００Ｃて変化率が＋３．４％であ
った。それゆえ、実際の光の波長８５０ｎｍに対し、設
定厚さ（ｄ２ｄｔ）を適宜変えることにより、変調度変
化率の値（温度係数）を変え得ることが解る。

ここで、第９図を第６及び第７図と比較して考察すると
、１／２波長板が実際に使用された光の波長８５０μｍ
用の設定厚さを有している場合にはその温度特性は第９
図中破線ｅで示すようになると思われるので、設定厚さ
を小さくすることにより実際の温度特性をセンサ全体の
温度係数か負（右下かり）になる方向に移動するよう補
正出来、逆に設定厚さを大きくすることにより正（右上
かり）になる方向に移動するよう補正出来ることか解り
、上述した計算か正しいことが証明された。

発明の効果 上述の如く、本発明になる磁界センサによれは、旋光子
の代わりに１／２ｆｉ長板を使用して、７アラデー効果
素子の温度係数が負の場合には、室温における１／２波
長板のＸＹ二軸間の位相差をπより大きくし、逆に７ア
ラデー効果素子の温度係数が正の場合には、上記二軸間
の位相差をπより小さくしているので、次に示す利点か
ある。

■　センサ全体として、ファラデー効果素子の温度係数
がゼロ（即ち変調度の変化率かセロ）となる方向に補正
することか出来、広い温度範囲にわたり安定して磁界強
さを検出し得、検出精度を向上し得る。

■　１７２波長板は厚さか約１．　ｍ　ｍ程度と小さい
ので、センサ全体の厚さを小さくして、センサを小型化
し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁界センサの第１の従来例及び第２の従来例に
おけるセンサの変調度変化率と温度との関係を示す図、 第２図は磁界センサの上記第２の従来例の概略構成を示
す斜視図、 ９ 第３図は磁界センサの第３の従来例の概略構成を示す斜
視図、 第４図は本発明になる磁界センサの一実施例である、１
／２波長板を使用した該磁界センサの概略構成を示ず斜
視図、 第５図は本発明磁界センサの変調度変化率とｌ／２波長
板の設定厚さの変化との関係を計算的に求めて示す図、 第６図（Ａ）は本発明磁界センサのファラデ効果素子の
温度係数が負でありかつ１／２波長板の厚さか正規の厚
さより小さい場合の概略構成図、第６図（Ｂ）は上記フ
ァラデー効果素子単独の温度特性を示す図、 第６図（Ｃ）は理想的温度特性（即ち温度係数かセロ）
を有するファラデー効果素子と上記ｌ／２彼長板とを用
いたときのセンサの温度特性図、第６図（Ｄ）は第６図
（Ｂ）及び（Ｃ）の各温度特性を台底した温度特性図、 第７図（Ａ）は本発明磁界センサのファラデ効果素子の
温度係数か正でありかつｌ／２波長板０ の厚さか正規の厚さより大きい場合の概略構成図、第７
図（Ｂ）〜（Ｄ）は夫々第７図（Ａ）の条件下での第６
図（Ｂ）〜（Ｄ）に対応する図、第８図は本発明磁界セ
ンサの一実施例の実験例の概略構成を示す図、 第９図は本発明磁界センサの変調度変化率と温度との関
係を実験的に求めて示した図である。 １・・光　　　　　　２・・偏光子 ３・・ＢＳＯ製π／４旋光子 ４・・・ファラデー効果素子　　５・・・検光子６．７
−　Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅ製１／２波長板１１・・発光ダイオ
ード １２．１３・・光ファイバ １４・・・受光ダイオード １５〜１７−アンプ　　１８・・・割算器２１・・・コ
イル　　　　　２２・・鉄心２３・・・恒温槽。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光ファイバにより導かれる光の進路に沿って、偏光子、
   ファラデー効果素子、及び検光子を順次配置し、かつ該
   ファラデー効果素子と、該偏光子及び検光子の何れか一
   方との間に、水晶製１／２波長板を更に配置してなる磁
   界センサにおいて、ファラデー効果素子の温度係数が負
   の場合は、室温における前記１／２波長板のＸＹ二軸間
   の位相差をπ（即ち１８０度）より大きくしかつ、ファ
   ラデー効果素子の温度係数が正の場合は、室温における
   前記１／２波長板のＸＹ二軸間の位相差をπ（即ち１８
   ０度）より小さくした、ことを特徴とする磁界センサ。