JP6796840B2 - 磁界センサ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明に係る磁界センサ素子1は、図1〜図4に示すように、シングルモード光ファイバ2(21,22)で構成された経路と、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の一方の端部(先端側の端部)25に設けられた反射膜3と、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の他方の端部26に連結された、シングルモード光ファイバ2に光を入出力するための光伝送用光ファイバ7と、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の途中に設けられたファラデー回転子4と、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の途中に設けられた1/4λ板5と、シングルモード光ファイバ2、反射膜3、ファラデー回転子4及び1/4λ板5を一体的に固定するセンサヘッド基材6とを有している。光伝送用光ファイバ7は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。
磁界センサ素子1は、図1及び図2に示すように、シングルモード光ファイバ2(21,22)、反射膜3、光伝送用光ファイバ7、ファラデー回転子4、1/4λ板5及びセンサヘッド基材6と、を有している。
シングルモード光ファイバ2として、シングルモード光ファイバ21及びシングルモード光ファイバ22が設けられている。シングルモード光ファイバ21及びシングルモード光ファイバ22は、特性や径が同種のものである。シングルモード光ファイバ21及びシングルモード光ファイバ22の長さは、各々任意の長さのものである。シングルモード光ファイバ2の経路は直線状である。後に詳述するように、シングルモード光ファイバ21とシングルモード光ファイバ22とは、元々1つに繋がっていたシングルモード光ファイバ2をセンサヘッド基材6に固定した状態で切断して形成したものであることが好ましい。
反射膜3は、図1及び図2に示すように、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の一方の端部(端面)25に設けられる。反射膜3は、シングルモード光ファイバ2(22)の端部25に少なくとも設けられていればよく、両図に示すように、端部25と面一に形成されたセンサヘッド基材6の先端面66の全体(又は先端面66の一部)に設けられていてもよい。
光伝送用光ファイバ7は、シングルモード光ファイバ2に光を入出力するためのものであり、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の他方の端部26に連結されている。光伝送用光ファイバ7は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。偏波保持光ファイバを用いることで、磁界センサ素子1の検出した光の偏波面の回転や位相差を維持したまま伝送することができる。なお、用途によっては、光伝送用光ファイバ7がシングルモード光ファイバであってもよい。各図で光伝送用光ファイバ7の図示を省略した側の端部(図の左側端部)には、一例として、磁界センサ装置100のハーフミラー83(図5参照)が接続されて使用される。
ファラデー回転子4は、ファラデー効果を生じさせるものである。ファラデー効果とは、磁場中の材料中を光が通過するときに偏光面が回転する効果である。ファラデー回転子4は、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の途中に設けられる。ファラデー回転子4は、一例として、ファラデー効果を生じさせる磁性膜10と、磁性膜10を支持するための透明な基板11とによって構成されている。
1/4λ板5は、シングルモード光ファイバ2で構成された経路の途中に設けられている。1/4λ板5は、ファラデー回転子4に対して反射膜3の反対側に設けられている。1/4λ板5は、公知のものであり、入射される直線偏光に対して光軸が22.5deg傾けられているものである。これにより、1/4λ板5は、入射された直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変換し、又、入射された円偏光又は楕円偏光を直線偏光に変換するように作用する。
センサヘッド基材6は、シングルモード光ファイバ2(21,22)、反射膜3、ファラデー回転子4及び1/4λ板5を一体的に固定するものである。センサヘッド基材6の材質として、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂を挙げることができる。固定するために必要であれば、接着剤、硬化型樹脂などの固定部材を使用する。例えば、シングルモード光ファイバ2、ファラデー回転子4、並びに1/4λ板5は、接着剤によってセンサヘッド基材6に固定されている。
一般的に、シングルモード光ファイバは、外力が及ばないように固定又は静置されていれば光の偏光面の回転角度や位相差を維持したまま、光を伝搬することができるものである。上記のように磁界センサ素子1では、シングルモード光ファイバ2(21,22)がセンサヘッド基材6に固定されて、光の経路を構成している。そのため、磁界センサ素子1のシングルモード光ファイバ2、1/4λ板5、ファラデー回転子4、反射膜3までの経路のいずれの位置であっても、光の偏光面位相差による回転角度が、外力によって影響を受けることはない。図1及び図2では、1/4λ板5とファラデー回転子4とを密着させて設けている例を示しているが、1/4λ板5とファラデー回転子4との間にシングルモード光ファイバ2を配置してもよい。
本発明に係る磁界センサ素子1を用いた磁界センサ装置100を図5に示す。磁界センサ装置100は、磁界センサ素子1と、磁界センサ素子1が有する光伝送用光ファイバ7に直線偏光を導入する発光装置80と、磁界センサ素子1が有する光伝送用光ファイバ7から導出された戻り光を受光する受光装置90とで構成されている。
発光装置80は、磁界センサ素子1が有する光伝送用光ファイバ7に直線偏光を導入する装置であり、発光素子81と、発光素子81から発した光を直線偏光にする偏光子82とを有している。偏光子82は光を直線偏光し、その直線偏光は、磁界センサ素子1を構成する光伝送用光ファイバ7に導入される。
光伝送用光ファイバ7を伝搬してきた戻り光は、例えば図5に示すハーフミラー83を経由し、光源とは別経路で伝搬して受光装置90に到達する。
偏光分離素子94は、戻り光のS偏光成分及びP偏光成分をそれぞれ分岐する光学素子である。偏光分離素子94としては、偏光ビームスプリッタ(PBS)を好ましく挙げることができる。偏光ビームスプリッタは、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型、光導波路型等の各種のものを適用することができる。
受光素子96(96S,96P)は、偏光分離素子94で分岐したS偏光成分とP偏光成分とをそれぞれ受光して光電変換する光学素子であり、PINフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。
信号処理部98は、光電変換された電気信号から2つの偏光の強度を回路により差分検出し、その差分に基づいて、磁界強度値、電流値などの所望の測定値に変換する。
第2実施形態の磁界センサ素子1aは、図3及び図4に示すように、シングルモード光ファイバ2(21,22)、反射膜3、光伝送用光ファイバ7、ファラデー回転子4、1/4λ板5及びセンサヘッド基材6aと、を有している。
図3に示すように、ファラデー回転子4の光入射面Mと、シングルモード光ファイバ2(21,22)の光軸C(C1,C2)に直交する直交面Vとが、傾斜角θをなしている。この傾斜角θは、シングルモード光ファイバ2とファラデー回転子4(磁性膜10)との界面で発生する反射光をシングルモード光ファイバ2のコアの外に逃がすための角度である。好ましい傾斜角θは、光の波長やファイバーコアの材質によって変わるため、適宜設定すればよい。
R=10log{R0・exp[(-2πn・ω・θr)^2/λ]} ・・・(1)
ここで、
R0=(n-1)^2/(n+1)^2
θr=θ×π/180 (単位rad)
R0:0度のときの反射量
n:コアの屈折率
ω:シングルモード光ファイバのモードフィールド半径(単位m)
λ:波長(単位m)
本発明に係る磁界センサ素子の製造方法は、各構成の説明欄で記載したとおり、図7及び図8に示すように、センサヘッド基材6に、1/4λ板5、ファラデー回転子4及び反射膜3を有する磁界センサ素子の製造方法であって、シングルモード光ファイバ2の経路の他方の端部に光を入出力するための光伝送用光ファイバ7を連結する工程(図7(B)参照)と、シングルモード光ファイバ2をセンサヘッド基材6に固定する工程(図7(C)参照)と、シングルモード光ファイバ2の経路の一方の端部25に反射膜3を形成する工程(図8(D)図8(E)参照)と、シングルモード光ファイバ2を切断するように、センサヘッド基材6にスリット41を形成する工程(図8(F)参照)と、ファラデー回転子4及び1/4λ板5をスリット41に入れて固定する工程(図8(G)参照)とを有している。
2(21,22) シングルモード光ファイバ
25 シングルモード光ファイバで構成された経路の一方の端部
26 シングルモード光ファイバで構成された経路の他方の端部
3 反射膜
4 ファラデー回転子
5 1/4λ板
6,6a センサヘッド基材
7 光伝送用光ファイバ
10 磁性膜
11 基板
31 溝
41 スリット
61 ベース部材
62 蓋板
63 接着剤
66 先端面
80 発光装置
81 発光素子
82 偏光子
83 ハーフミラー
90 受光装置
94 偏光分離素子
96 受光素子(96S,96P)
98 信号処理部
100 磁界センサ装置
201 研磨機
C(C1,C2) 光軸
M 光入射面
V 直交面
θ 傾斜角
Claims (6)
- シングルモード光ファイバで構成された経路と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の一方の端部に設けられた反射膜と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の他方の端部に連結された、前記シングルモード光ファイバに光を入出力するための光伝送用光ファイバと、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられたファラデー回転子と、前記シングルモード光ファイバで構成された経路の途中に設けられた1/4λ板と、前記シングルモード光ファイバ、前記反射膜、前記ファラデー回転子及び前記1/4λ板を一体的に固定するセンサヘッド基材と、を有することを特徴とする磁界センサ素子。
- 前記光伝送用光ファイバが、偏波保持光ファイバである、請求項1に記載の磁界センサ素子。
- 前記ファラデー回転子の光入射面が、前記シングルモード光ファイバの光軸に対して直交せずに傾斜させて設けられている、請求項1又は2に記載の磁界センサ素子。
- 前記ファラデー回転子が、前記1/4λ板上に膜状に設けられている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁界センサ素子。
- センサヘッド基材に、1/4λ板、ファラデー回転子及び反射膜を有する磁界センサ素子の製造方法であって、シングルモード光ファイバの経路の他方の端部に、光を入出力するための光伝送用光ファイバを連結する工程と、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程と、前記シングルモード光ファイバの経路の一方の端部に前記反射膜を成膜する工程と、前記シングルモード光ファイバを切断するように、前記センサヘッド基材にスリットを形成する工程と、前記ファラデー回転子及び前記1/4λ板を前記スリットに入れて固定する工程と、を有することを特徴とする磁界センサ素子の製造方法。
- 前記センサヘッド基材に前記シングルモード光ファイバを入れるための溝を形成する工程と、前記溝に前記シングルモード光ファイバを入れる工程とを行った後に、前記シングルモード光ファイバを前記センサヘッド基材に固定する工程を行う、請求項5に記載の磁界センサ素子の製造方法。
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