JP5190847B2

JP5190847B2 - 光ファイバ磁気センサ

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Publication number: JP5190847B2
Application number: JP2009220431A
Authority: JP
Inventors: 尚中村; 利治木村; 陽子寺西; 陵沢佐藤
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: JP2011069700A

Description

本発明は、光ファイバ干渉計を用いた磁気センサに関するものである。

従来の光ファイバ磁気センサに関する技術として、例えば『センシング光ファイバ５とリファレンス光ファイバ６を有する光ファイバ干渉計の前記センシング光ファイバ５に磁歪材料７を接着した光ファイバ磁気センサにおいて、前記センシング光ファイバ５に接着された磁歪材料７をその歪み方向の一方のみにより固定する固定部１１を設ける。』（特許文献１）というものがある。
また、光ファイバの音圧による伸び縮みにより、水中音波を光の位相変化として取り込んで検出する光ファイバハイドロホンに関する技術も開発されている（例えば、非特許文献１）。

上記従来技術は、光ファイバに外圧（磁界、音圧など）が印加された際に生じる歪みや伸び縮みにより、光に位相差が生じることを利用して、外圧をセンシングすることを基本原理とする技術に関するものである。
即ち、光ファイバに印加される外圧と、これにより生じる光の位相差との間の相関関係に基づき、光の位相差を検出することによって、元の外圧を計測するものである。そのため、位相差の検出精度が外圧の計測精度に影響を及ぼすので、位相差の検出精度を向上させ、ないしは補償することが、センサとしての性能向上に寄与するのである。

ここで、従来の光ファイバ磁気センサの１つの構成例について説明する。

まず、ＰＧＣ信号発生器から供給される正弦波の変調信号によりＰＧＣ変調されたレーザ光が光源から出力され、光ファイバを通って、入力側に設けられた光カプラにより２つの光に分岐される。
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイルを通過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバを通過する。このとき、センシング光ファイバコイルを取り囲むように設けられている励磁コイルは、励磁信号発生器から供給される正弦波状の励磁信号に基づき励磁磁界を発生しているので、この励磁磁界によって磁歪材料はそのひずみ方向に延び縮みし、磁歪材料に接着されているセンシング光ファイバコイルの光ファイバ部分も共に延び縮みする。なお、磁歪材料とこれに接着されているセンシング光ファイバコイルとで磁歪変換器が構成されている。
従って、このときのセンシング光ファイバコイル内を伝搬するセンシング光には、励磁信号による位相変化が生じる。

また、上述したセンシング光ファイバコイルと一体の磁歪材料に外部磁界である磁気信号が印加されると、磁歪材料には励磁コイルによる励磁磁界と外部磁界が重畳された磁界が印加され、センシング光ファイバを通過するセンシング光には、２つの重畳磁界に基づく位相変化が生じる。
磁歪材料を励磁信号発生器により正弦波状に励磁した状態で外部からの磁気信号を加えたときの磁歪材料の歪み（以後、磁歪と呼ぶ）は、次式（１）で表すことができる。

センシング光ファイバコイルの通過光とリファレンス光ファイバの通過光は光カプラに入力され、その光カプラは、前記重畳磁界に基づく位相変化に対応して変化した干渉光を出力する。
光カプラから出力される干渉光は、Ｏ／Ｅ変換器を介して電気信号に変換されてＰＧＣ復調器に供給される。ＰＧＣ位相復調器は、ＰＧＣ信号発生器からのＰＧＣ信号を用い、入力信号をパッシブホモダイン処理で復調する。

このＰＧＣ復調器の出力には、前記励磁磁界と外部磁界との重畳磁界の印加により磁歪材料を介して生じたセンシング光ファイバコイルにおけるセンシング光の位相変化が現れている。
換言すると、外部磁界が印加されることによって、ＰＧＣ復調器の出力の励磁磁界成分は外部磁界信号によって振幅変調を受けている。即ち、ＰＧＣ位相復調器が出力する励磁周波数成分は磁気信号に比例した振幅となる。
そこで、ＰＧＣ位相復調器の出力はＡＭ復調器に供給され、ＡＭ復調器は、励磁信号発生器から供給される励磁信号を用いて、励磁磁界成分から外部磁界成分を復調して、磁歪材料に印加された外部の磁気信号を検出する。

なお、上記従来の光ファイバ磁気センサ装置に用いられるＰＧＣホモダイン方式は、干渉計出力の位相φを復調する方法であり、干渉計出力にＰＧＣと称される正弦波状の位相変化を発生させるとＰＧＣの奇数次と偶数次の成分がそれぞれｓｉｎφとｃｏｓφとなるので、この直交成分から位相φを算出するものである（例えば、非特許文献１参照）。

位相復調器から出力される位相φには、上記式（１）の磁歪ξに比例した出力Ｍｋξが含まれている。ここで、ｋは磁歪材料と接着する光ファイバの長さなどで決まる係数で、定数ａを乗算したｋａは、磁歪変換器の感度となる。Ｍは変復調の感度、ｈｄは励磁振幅、Ｈｓは検出対象である信号磁界である。
ＡＭ復調器は、位相復調出力から励磁周波数でＡＭ復調して上記（１）式の２項目の振幅に比例したＭｋａｈｄＨｓを出力する。
したがって、Ｍｋａｈｄの値が安定していれば、Ｈｓも安定的に得られる。

特開２００２−２５７９１２号公報（要約）

電子情報通信学会技術研究報告書ＯＰＥ９５−２「光ファイバハイドロホンの研究」（第７頁から第１２頁）

上述の従来の光ファイバ磁気センサでは、次の要因から、微小な磁気信号を検出するときの検出限界があり、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が制限されていた。
（１）変復調の感度変化
ＰＧＣ信号発生器がＰＧＣを発生させるときに同時に強度変化が発生したり、またはＰＧＣに高調波歪みが発生する場合、理想的にはｓｉｎφとなるＰＧＣの奇数次の成分にｃｏｓφの成分が漏れこみ、ｃｏｓφとなるＰＧＣの偶数次の成分にはｓｉｎφの成分が漏れこみ、位相φの変化に伴って復調感度が変化する。
この他にも、前記非特許文献１に示された時分割多重伝送系を構成した場合に光パルスゲートから漏れた光の干渉など、変復調の感度を変化させる要因がある。
（２）磁歪変換器の感度変化
磁歪材料の動作点（入力直流磁界）が大きく変化したときなどに生じる磁歪定数の変化、光ファイバの被覆や光ファイバと磁歪材料を接着する接着剤の弾性係数が温度などで変化したときに生じる磁歪材料と光ファイバの機械的な結合度の変化により、磁歪変換器の感度が変化してセンサ出力に誤差が生じる。

本発明に係る光ファイバ磁気センサは、光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第１の復調器と、前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数の２倍の周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第２の復調器と、前記第１の復調器の出力を、前記第２の復調器の出力で除算して出力し、磁気信号を検出する第１の除算器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、磁歪変換器の感度、位相復調器の位相復調の感度がキャンセルされることとなり、磁歪変換器の感度または位相復調器の感度が変化しても安定した出力が得られるようになり、微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。

実施の形態１の光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。実施の形態２の光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。実施の形態３の光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図１の光ファイバ磁気センサは、光源１、ＰＧＣ信号発生器２、光ファイバ３ａ及び３ｂ、光カプラ４、磁気信号検出部５、Ｏ／Ｅ変換器１４、ＰＧＣ位相復調器１５、第１ＡＭ復調器１６、第２ＡＭ復調器１７、除算器１８を有する。
光源１は、レーザ光を供給する光源である。
ＰＧＣ信号発生器２は、光源１の発生するレーザ光を周波数変調するための変調信号（例えば正弦波信号）を発する。
光カプラ４は、光源１の発生するレーザ光を光ファイバ３ａを介して受光し、受光したレーザ光を分岐させ、また干渉光を光ファイバ３ｂを介して出力する。
磁気信号検出部５は、外部の磁気信号を検出する。
Ｏ／Ｅ変換器１４は、磁気信号検出部５の光信号を電気信号に変化する。
ＰＧＣ位相復調器１５は、Ｏ／Ｅ変換器１４からの電気信号をパッシブホモダイン処理で復調する。
第１ＡＭ復調器１６は、ＰＧＣ復調器１５の復調信号から、所定の励磁周波数に基づいてＡＭ復調処理を行う。
第２ＡＭ復調器１７は、ＰＧＣ復調器１５の復調信号から、所定の励磁周波数の２倍の周波数に基づいてＡＭ復調処理を行う。
除算器１８は、第１ＡＭ復調器１６のＡＭ復調出力を、第２ＡＭ復調器１７のＡＭ復調出力で除算して出力する。
除算器１８の出力より、検出対象である磁界Ｈｓを得ることができる。

磁気信号検出部５は、コイル状に巻かれたセンシング光ファイバコイル６と、リファレンス光ファイバ７と、センシング光ファイバコイル６に磁歪材料８を接着などの手段で一体にして形成された磁歪変換器９と、磁歪変換器９を励磁するための交流磁界を発生する励磁コイル１０とで構成されている。
励磁コイル１０には、正弦波状の励磁信号を発生する励磁信号発生器１１が接続されている。
励磁信号発生器１１には、第１ＡＭ復調器１６と第２ＡＭ復調器１７が接続されている。
ここで、励磁信号発生器１１の励磁振幅は、励磁振幅と外部の磁気信号の磁界の和が磁歪材料８の磁歪が前記磁界の和の二乗にほぼ比例する範囲内になるよう設定する。
１２、１３はセンシング光ファイバコイル６、リファレンス光ファイバ７の端末に設けられたミラーで、センシング光ファイバコイル６、リファレンス光ファイバ７、光カプラ４とでマイケルソン干渉計を構成している。

なお、本実施の形態１における第１の復調器は、第１ＡＭ復調器１６が相当する。
また、第２の復調器は、第２ＡＭ復調器１７が相当する。
また、第１の除算器は、除算器１８が相当する。

次に、本実施の形態１の光ファイバ磁気センサの動作を説明する。
（１）
ＰＧＣ信号発生器２から供給される正弦波の変調信号によりＰＧＣ変調されたレーザ光が光源１から出力され、光ファイバ３ａを通って、光カプラ４により２つの光に分岐される。
（２）
この一方の分岐光はセンシング光ファイバコイル６を通過し、他方の分岐光はリファレンス光ファイバ７を通過する。
このとき、励磁コイル１０は、励磁信号発生器１１から供給される正弦波状の励磁信号に基づき励磁磁界を発生しているので、この励磁磁界によって磁歪材料８はそのひずみ方向に延び縮みし、磁歪材料８に接着されているセンシング光ファイバコイル６の光ファイバ部分も共に延び縮みする。
従って、このときのセンシング光ファイバコイル５内を伝搬するセンシング光には、励磁信号による位相変化が生じる。
（３）
また、磁歪変換器９の磁歪材料８に外部磁界である磁気信号が印加されると、磁歪材料８には励磁コイル１０による励磁磁界と外部磁界が重畳された磁界が印加され、センシング光ファイバ６を通過するセンシング光には、２つの重畳磁界に基づく位相変化が生じる。
磁歪材料８を励磁信号発生器１１により正弦波状に励磁した状態で外部からの磁気信号を加えたときの磁歪材料９の磁歪は、上記式（１）で表すことができる。
（４）
センシング光ファイバコイル６の通過光とリファレンス光ファイバ７の通過光は、ミラー１２、１３により光カプラ４に入力され、その光カプラ４は前記重畳磁界に基づく位相変化に対応して変化した干渉光を出力する。
（５）
光カプラ４から出力される干渉光は、Ｏ／Ｅ変換器１４を介して電気信号に変換されてＰＧＣ位相復調器１５に供給される。
（６）
ＰＧＣ位相復調器１５は、Ｏ／Ｅ変換器１４の出力を受け取り、ＰＧＣ信号発生器２からのＰＧＣ信号を用いて、入力信号をホモダイン処理で復調して出力する。
このＰＧＣ位相復調器１５の出力には、前記励磁磁界と外部磁界との重畳磁界の印加により磁歪材料８を介して生じたセンシング光ファイバコイル６におけるセンシング光の位相変化が現れている。
換言すると、外部磁界が印加されることによって、ＰＧＣ位相復調器１５の出力の励磁磁界成分は外部の磁界信号によって振幅変調を受けている。即ち、ＰＧＣ位相復調器１５が出力する励磁周波数成分は、磁気信号に比例した振幅となる。
以上のように、ＰＧＣ位相復調器１５は、Ｏ／Ｅ変換器１４の出力を位相復調して、式（１）の磁歪ξに比例した出力ＭＫξを出力する。出力信号は、第１ＡＭ復調器１６と第２ＡＭ復調器１７に入力される。
（７）
第１ＡＭ復調器１６は、ＰＧＣ位相復調器１５の位相復調出力を、励磁信号発生器１１の励磁周波数成分（ｆｄ）でＡＭ復調し、式（１）の２項目の振幅に比例した「ＭＫａｈｄＨｓ」を出力する。
第２ＡＭ復調器１７は、ＰＧＣ位相復調器１５の位相復調出力を、励磁信号発生器１１の励磁周波数の２倍の周波数成分（２ｆｄ）でＡＭ復調し、式（１）の４項目の振幅に比例した「ＭＫａｈｄ＾２」を出力する。
それぞれのＡＭ復調器の出力は、除算器１８に出力される。
（８）
除算器１８は、第１ＡＭ復調器１６の出力を第２ＡＭ復調器１７の出力で除算して、「Ｈｓ／ｈｄ」を出力する。

こうして「Ｈｓ／ｈｄ」が得られれば、ｈｄは励磁信号発生器１１が出力する励磁信号の励磁振幅であるから既知であるため、最終的に検出対象である外部信号磁界Ｈｓを得ることができる。

なお、位相復調器１５の位相復調出力には磁歪変換器９の周波数特性もかかるため、励磁周波数の設定次第では感度に差が生じる場合がある。
その場合は、磁歪変換器１７の感度と第１ＡＭ復調器１６の感度の積と磁歪変換器１７の感度と第２ＡＭ復調器１７の感度の積とが等しくなるように第１ＡＭ復調器１６又は第２ＡＭ復調器１７の感度を変え、且つ励磁周波数と励磁周波数の２倍の周波数で等しくなるようにして、励磁成分と励磁周波数の２倍の周波数成分に対する感度の比を一定にすることが必要である。

本実施の形態１では、励磁周波数とその２倍の周波数で感度に差がある場合に第１ＡＭ復調器１６と第２ＡＭ復調器１７の感度で補償する例を示したが、ＰＧＣ位相復調器１５の周波数特性で補償する、周波数特性を補償するフィルタを用いるなど他の構成を用いることもできる。
また、第２ＡＭ復調器１７の出力で第１ＡＭ復調器１６の出力を除算する例を示したが、励磁信号発生器にフィードバックして感度が安定するように制御する手段、位相復調器にフィードバックしてセンサ全体の感度が安定するように制御する手段など他の手段を用いることもできる。この場合は第２ＡＭ復調器１７の出力で第１ＡＭ復調器１６の出力を除算することは不要となる。

本実施の形態１では、ＰＧＣホモダイン方式を用いる例で説明したが、ヘテロダイン方式など他の変復調方式を用いることもでき、この場合は光周波数シフターを用いることとなる。
また、光ファイバ干渉計として、マイケルソン干渉計を用いる例を示したが、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計を用いることもできる。

以上のように、本実施の形態１によれば、
光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分と、該励磁周波数の２倍の周波数に対応して生じる成分とに基づいて、磁気信号を検出するので、
変復調方式や、光ファイバ干渉計の構成等に依存することなく、磁気センサを構成することができる。

また、前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第１の復調器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数の２倍の周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第２の復調器と、
前記第１の復調器の出力を、前記第２の復調器の出力で除算して出力する第１の除算器とを有するので、
磁歪変換器９の感度、位相復調器１５の位相復調の感度がキャンセルされることとなり、磁歪変換器９の感度または位相復調器１５の感度が変化しても安定した出力が得られるようになり、微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図２において、図１に示す本発明の実施の形態１と同様の構成は、同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態２で実施の形態１と相違する構成は、参照信号発生器２１を新たに設けると共に磁気信号検出部５に参照信号コイル２２を新たに設けて磁歪材料８に参照信号を加えるようにしたことと、実施の形態１の第２のＡＭ復調器１７の代わりに参照信号検出器２３を設けて第１ＡＭ復調器１６即ちＡＭ復調器１６だけとし、さらにＡＭ復調器１６の出力と参照信号検出器２３の出力を除算する除算器２４と、除算器２４の出力側に検出したい信号磁界の帯域を通して参照信号を遮断するフィルタ２５を新たに設けたことである。

参照信号発生器２１によって参照信号コイル２２を励磁する参照信号は、周波数ｆｒ、振幅ｈｒの正弦波であり、周波数ｆｒを検出したい信号の周波数帯より高く、励磁信号発生器１１の励磁周波数ｆｄより低い周波数に設定することが、折り返し対策の観点から望ましい。
上記の関係を式で表すと、ｆｓ＜ｆｒ＜ｆｄ−ｆｓ（ｆｓは信号の周波数帯の上限）と表すことができる。

なお、本実施の形態２における復調手段ないし第３の復調器は、ＡＭ復調器１６が相当する。
また、第２の除算器は、除算器２４が相当する。

次に、本実施の形態２の光ファイバ磁気センサの動作を説明する。
本実施の形態２において、参照信号発生器２１、参照信号コイル２２とＰＧＣ位相復調器１５以降以外は実施の形態１と同様に動作するので、実施の形態１と同様の動作については説明を省略し、相違する動作について説明する。

（１）
本実施の形態２では、磁歪材料８に励磁コイル１０の励磁周波数の他に、参照信号発生器２１によって参照信号コイル２２を励磁する振幅ｈｒ、周波数ｆｒの参照信号がかけられる。
従って、磁歪材料８の磁歪ξは次式（２）で表すことができる。

（２）
ＡＭ復調器１６の出力は「Ｍｋａ・（Ｈｓ＋ｈｒｓｉｎ２πｆｒｔ）」となる。
また、参照信号検出器２３では、参照信号発生器２１の参照信号の振幅「ＭＫａ・ｈｒ」を検出して出力する。
（３）
除算器２４は、ＡＭ復調器１６の出力を参照信号検出器２３の出力で除算して「Ｈｓ／ｈｒ＋ｓｉｎ２πｆｒ」を出力する。
フィルタ２５は、除算器２４の出力のうち参照信号に係る成分「ｓｉｎ２πｆｒ」を遮断して「Ｈｓ／ｈｒ」を出力する。

このように、本実施の形態２では、参照信号の振幅ｈｒに基づいて、検出対象である外部信号磁界Ｈｓを得ることができる。
実施の形態１では、励磁成分と励磁周波数の２倍の周波数成分に対する感度の比が変化するとセンサの出力に誤差が生じるが、本実施の形態２では励磁成分と励磁周波数の２倍の周波数成分に対する感度の比が変化しても安定した出力を得ることができる。
実施の形態１より構成品が多くなるが、励磁周波数を磁歪変換器の共振周波数付近に設定する場合、励磁周波数とその２倍の周波数で磁歪変換器９の感度の比が変動することがあり、この場合に本実施の形態２の方が有利となる。

なお、本実施の形態２では、参照信号は正弦波を用いる例で説明したが、その代わりステップ関数を用いた場合は、ステップ関数を出力する参照信号発生器を用い、ステップ関数を検出する参照信号検出器を用いて感度の補償を行うようにしてもよい。即ち、参照信号検出器でレベルを検出できる関数であれば、どのような関数を用いてもよい。
また、本実施の形態２では、参照信号検出器２１の出力でＡＭ復調器１６の出力を除算する例を示したが、励磁信号発生器１１にフィードバックして感度が安定するように制御する手段、位相復調器１６にフィードバックしてセンサ全体の感度が安定するように制御する手段など他の手段を用いることもできる。この場合も参照信号検出器２１の出力でＡＭ復調器１６の出力を除算することは不要となる。

本実施の形態２では、ＰＧＣホモダイン方式を用いる例で説明したが、実施の形態１と同様に、ヘテロダイン方式など他の変復調方式を用いることもできるし、光ファイバ干渉計として、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計を用いることもできる。

以上のように、本実施の形態２によれば、
光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調する復調手段を有し、
前記復調手段が復調した成分と、
前記復調手段が復調した成分のうち、前記磁歪材料に印加される参照磁界信号に対応して生じる成分とに基づいて、磁気信号を検出するので、
変復調方式や、光ファイバ干渉計の構成等に依存することなく、磁気センサを構成することができる。また、参照磁界信号に対応して生じる成分が安定していれば、センサの検出精度としても安定した出力を得ることができる。

また、前記磁歪変換器に参照磁界信号を印加する参照信号発生器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調して出力する第３の復調器と、
前記第３の復調器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応して生じる成分を検出し、当該成分の振幅を出力する参照信号検出器とを有し、
前記第３の復調器の出力と、前記参照信号検出器の出力とに基づいて、磁気信号を検出するので、
参照信号検出器でレベルを検出できる任意の関数出力に基づき、外部磁界を検出することができる。

また、前記第３の復調器の出力を、前記参照信号検出器の出力で除算して出力する第２の除算器を有するので、
磁歪変換器９の感度、位相復調器１５の位相復調の感度をキャンセルすることができ、磁歪変換器９の感度または位相復調器１５の感度が変化しても安定した出力が得られるようになる。そのため、微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。

また、前記第２の除算器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応した成分を減衰させるフィルタを、前記第２の除算器の出力側に設けたので、
参照信号の振幅ｈｒに基づいて、検出対象である外部信号磁界Ｈｓを得ることができる。
即ち、実施の形態１では、励磁成分と励磁周波数の２倍の周波数成分に対する感度の比が変化するとセンサの出力に誤差が生じるが、本実施の形態２では励磁成分と励磁周波数の２倍の周波数成分に対する感度の比が変化しても安定した出力を得ることができる。
実施の形態１より構成品が多くなるが、励磁周波数を磁歪変換器の共振周波数付近に設定する場合、励磁周波数とその２倍の周波数で磁歪変換器９の感度の比が変動することがあり、この場合に本実施の形態２の方が有利となる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る光ファイバ磁気センサの構成を示すブロック図である。
図３において、図１に示す本発明の実施の形態１と同様の構成は、同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態３で実施の形態１と相違する構成は、ＰＧＣ信号にスクランブル信号を加算するスクランブル信号発生器３１と加算器３２を設け、実施の形態１の第２のＡＭ復調器１７を削除し、ＡＭ復調器１６を１つとしたことと、ＡＭ復調器１６の出力側にスクランブル信号を減衰させるフィルタ３３を設けたことである。

スクランブル信号発生器３１が発生するスクランブル信号は、干渉光の位相（上記非特許文献１の（４）式のψ）が常に変動するようにするための信号で、不規則に変化する関数でも正弦波のように規則的に変化する信号でも良い。
このように、干渉光の位相を常に変動させるのは、上記ψをスクランブル信号でスクランブルして平均をとることで一定値に収束させるためである。
また、スクランブル信号の周波数帯は、検出したい磁気信号の周波数帯より高くし、且つ、スクランブル信号がＡＭ復調器１６の出力に現われないようにすることと、ＰＧＣや励磁周波数からの折り返しをも考慮して選ぶ必要があるために、励磁周波数より低い帯域に周波数成分を有するように設定する。

次に、本実施の形態３の光ファイバ磁気センサ装置の動作を説明する。
本実施の形態３において、スクランブル信号発生器３１と加算器３２以外は実施の形態１と同様に動作するので、実施の形態１と同様の動作については説明を省略し、相違する動作について説明する。
この実施の形態３では、スクランブル信号がＯ／Ｅ変換器１４から出力される干渉計出力の位相にスクランブル信号が加算される以外は実施の形態１と同様に動作する。

（１）
ＰＧＣ信号発生器２のＰＧＣ信号に、スクランブル信号発生器３１のスクランブル信号を加算器３２で加算して、光源１に出力する。
これは、ψが０ｒａｄ（又はπｒａｄ）付近にある場合とπ／２ｒａｄ（−π／２ｒａｄ）付近にある場合でＰＧＣ位相復調器１５の感度が変わる現象があるため、干渉光の位相を常に変動させることにより、即ちψをスクランブル信号でスクランブルして平均をとることで一定値に収束させ、ψが結果的に収束された一定値となることでＰＧＣ位相復調器１５の感度の変動をできるだけ少なくすることを目的とする。
また、スクランブル信号発生器３１が出力するスクランブル信号の周波数帯は、検出したい磁気信号の周波数帯より高くし、且つ、励磁周波数より低い帯域に周波数成分を有するように設定されているため、誤差成分が磁気信号より高い周波数にシフトされ、磁気信号の周波数帯での誤差が小さくなる。
（２）
ＡＭ復調器１６から出力される信号にはスクランブル信号が含まれているので、フィルタ３２でスクランブル信号を減衰させて外部に出力する。

このように、本実施の形態３に係る光ファイバ磁気センサの特徴の１つは、スクランブル信号を加算することによって、干渉光の位相（上記非特許文献１の（４）式のψ）を常時変化させ、その時間平均により最終的にノイズの影響を除去することであるが、この根拠は例えば中心極限定理により説明することができる。
中心極限定理によれば、検出信号にスクランブル信号を加算して平均することにより、分散が１／ｎになるため、ノイズの影響はその分減少する。本実施の形態３に係る光ファイバ磁気センサは、この定理が示す法則を利用し、スクランブル信号の加算平均を繰り返して、ノイズの影響を除去するものである。

この実施の形態３の構成を、実施の形態１又は実施の形態２に併用することで、従来例で問題となっていた変復調の感度変化に対する改善効果を高くすることができる。

また、本実施の形態３では、スクランブル信号をレーザに加える構成で説明したが、磁歪変換器９に磁界としてかける方法、干渉計のアームとなるファイバを歪ませるなど他の方法で干渉計出力の位相を変化させることもできる。

本実施の形態３では、ＰＧＣホモダイン方式を用いる例で説明したが、実施の形態１と同様に、ヘテロダイン方式など他の変復調方式を用いることもできるし、光ファイバ干渉計として、マッハ・ツェンダ干渉計など他の型の干渉計を用いることもできる。

以上のように、本実施の形態３によれば、
光ファイバ干渉計の干渉光の位相を変動させるためのスクランブル信号を発生するスクランブル信号発生器を有し、
前記光ファイバ干渉計に、前記スクランブル信号発生器の出力を重畳的に印加するので、
そのスクランブル信号により、干渉光の位相が結果的に収束された一定値となってＰＧＣ位相復調器１５の感度の変動をできるだけ少なくするという効果がある。

また、前記スクランブル信号発生器が出力するスクランブル信号の周波数は、
検出したい磁気信号の周波数帯域幅値より高く、かつ、前記交流磁界の励磁周波数より低く設定されているので、
誤差成分が磁気信号より高い周波数にシフトされ、磁気信号の周波数帯での誤差が小さくなることにより、変復調の感度変化による微小な磁気信号を検出するときの検出限界と、磁気信号のレベルを測定するときの検出精度が改善されるという効果がある。

また、前記スクランブル信号を減衰させるフィルタを、出力端の前に設けたので、
最終的に、誤差成分を除去された信号を得ることができる。

１光源、２ＰＧＣ信号発生器、３ａ、光ファイバ、３ｂ光ファイバ、４光カプラ、５磁気信号検出器、６センシング光ファイバコイル、７リファレンス光ファイバ、８磁歪材料、９磁歪変換器、１０励磁コイル、１１励磁信号発生器、１２ミラー、１３ミラー、１４Ｏ／Ｅ変換器、１５ＰＧＣ位相復調器、１６第１ＡＭ復調器、１７第２ＡＭ復調器、１８除算器。

Claims

光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第１の復調器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数の２倍の周波数に対応して生じる成分を復調し、当該成分の振幅を出力する第２の復調器と、
前記第１の復調器の出力を、前記第２の復調器の出力で除算して出力し、磁気信号を検出する第１の除算器とを有することを特徴とする光ファイバ磁気センサ。
光ファイバ干渉計のセンシング光ファイバに磁歪材料を一体化させて磁歪変換器を構成し、該磁歪変換器に交流磁界を印加して励磁する光ファイバ磁気センサであって、
前記磁歪変換器に参照磁界信号を印加する参照信号発生器と、
前記磁歪材料に生じる磁歪成分のうち、前記交流磁界の励磁周波数に対応して生じる成分を復調して出力する第３の復調器と、
前記第３の復調器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応して生じる成分を検出し、当該成分の振幅を出力する参照信号検出器とを有し、
前記第３の復調器の出力を、前記参照信号検出器の出力で除算して出力し、磁気信号を検出する第２の除算器を有することを特徴とする光ファイバ磁気センサ。
前記参照磁界信号の周波数は、検出したい磁気信号の周波数帯域幅値より高く、かつ、前記交流磁界の励磁周波数より低く設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ磁気センサ。
前記第２の除算器の出力のうち、前記参照磁界信号に対応した成分を減衰させるフィルタを、前記第２の除算器の出力側に設けたことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ磁気センサ。