特開 2023-158963 干渉型光磁界センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023158963

(43)【公開日】2023-10-31

(54)【発明の名称】干渉型光磁界センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/032 20060101AFI20231024BHJP

   G01R 15/24 20060101ALI20231024BHJP

【ＦＩ】

G01R33/032

G01R15/24 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022069054

(22)【出願日】2022-04-19

(71)【出願人】

【識別番号】000166948

【氏名又は名称】シチズンファインデバイス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100160716

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 力

(72)【発明者】

【氏名】宮本 光教

(72)【発明者】

【氏名】須江 聡

【テーマコード（参考）】

2G017

2G025

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AD12

2G017BA05

2G025AB10

(57)【要約】

【課題】検出する磁界を示す電気信号の波形のゆがみを抑制可能な干渉型光磁界センサ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】干渉型光磁界センサ装置１は、第１直線偏光及び第２直線偏光が入射され、印加される磁界に応じて第１直線偏光及び第２直線偏光を変化させて前記第３直線偏光及び第４直線偏光を出射する第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂと、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路、並びに第１直線偏光及び第２直線偏光のそれぞれを分波して第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子に出射すると共に、第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子のそれぞれから入射する第３直線偏光及び第４直線偏光のそれぞれを合波して、合波した第３直線偏光を第２光路に出射すると共に、合波した第４直線偏光を第１光路に出射する分岐カプラとを有する光路部４０とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１直線偏波光を出射する発光部と、
入射された前記第１直線偏波光に応じて第１直線偏光と第２直線偏光を出射し、入射された第３直線偏光及び第４直線偏光に応じて第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、
前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光が入射され、印加される磁界に応じて前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を変化させて前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光を出射する第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子と、
前記第１直線偏光及び前記第４直線偏光を伝搬する第１光路、前記第２直線偏光及び前記第３直線偏光を伝搬する第２光路、並びに前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光のそれぞれを分波して前記第１磁界センサ素子及び前記第２磁界センサ素子に出射すると共に、前記第１磁界センサ素子及び前記第２磁界センサ素子のそれぞれから入射する前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光のそれぞれを合波して、合波した前記第３直線偏光を前記第２光路に出射すると共に、合波した前記第４直線偏光を前記第１光路に出射する分岐カプラとを有する光路部と、
前記第２直線偏波光の２成分を受光して電気信号に変換することで、前記磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、
前記第１直線偏波光を前記第１光学素子へ透過させ、前記第２直線偏波光を前記検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有する、
ことを特徴とする干渉型光磁界センサ装置。

【請求項2】

被測定導体の周りを囲むように配置され、前記第１磁界センサ素子及び前記第２磁界センサ素子を保持するヨークを更に有する、請求項１に記載の干渉型光磁界センサ装置。

【請求項3】

前記分岐カプラと前記第１磁界センサ素子とを光学的に接続する第１偏波保持ファイバと、
前記分岐カプラと前記第２磁界センサ素子とを光学的に接続する第２偏波保持ファイバと、を更に有し、
前記第１偏波保持ファイバ及び前記第２偏波保持ファイバの長さは、互いに等しい、請求項１又は２に記載の干渉型光磁界センサ装置。

【請求項4】

前記第２偏波保持ファイバは、前記第１直線偏光、前記第２直線偏光、前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光のそれぞれの偏光面を９０°回転させる、請求項３に記載の干渉型光磁界センサ装置。

【請求項5】

前記第２偏波保持ファイバは、遅相軸及び進相軸を９０°回転させて融着された一対の偏波保持ファイバにより形成される、請求項４に記載の干渉型光磁界センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、干渉型光磁界センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバ先端にファラデー回転子を設けた磁界センサ素子を使用し、磁界センサ素子を透過した光を光電変換してファラデー回転子に印加される磁界に応じた検出信号を生成する干渉型光磁界センサ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置（以下、センサ装置とも称する）は、被測定導体を間に挟んで所定の磁界内に配置可能な一対の磁界センサ素子を使用して磁界を検出することで、検出される磁界の測定値への外部磁界の影響を抑制することできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０２５７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載されるセンサ装置では、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１は、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂの間を接続するＰＡＮＤＡファイバを介して順次入射する。特許文献１に記載されるセンサ装置では、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１がＰＡＮＤＡファイバを通過する時間が磁界検出の時間差となり磁界を示す電気信号の波形がゆがむおそれがある。ＰＡＮＤＡファイバを通過する時間による磁界検出の時間差に起因する磁界を示す電気信号の波形のゆがみは、数ＭＨｚ以上の高周波数帯で動作するときに検出誤差の要因となる。特にセンサファイバ長が長いほど低い周波数帯から検出誤差を生じる。

【0005】

本発明は、検出する磁界を示す電気信号の波形のゆがみを抑制可能な干渉型光磁界センサ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、第１直線偏波光を出射する発光部と、入射された第１直線偏波光に応じて第１直線偏光と第２直線偏光を出射し、入射された第３直線偏光及び第４直線偏光に応じて第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、第１直線偏光及び第２直線偏光が入射され、印加される磁界に応じて第１直線偏光及び第２直線偏光を変化させて前記第３直線偏光及び第４直線偏光を出射する第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子と、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路、並びに第１直線偏光及び第２直線偏光のそれぞれを分波して第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子に出射すると共に、第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子のそれぞれから入射する第３直線偏光及び第４直線偏光のそれぞれを合波して、合波した第３直線偏光を第２光路に出射すると共に、合波した第４直線偏光を第１光路に出射する分岐カプラとを有する光路部と、第２直線偏波光の２成分を受光して電気信号に変換することで、磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、第１直線偏波光を第１光学素子へ透過させ、第２直線偏波光を検出信号発生部へ分岐する光分岐部とを有する。

【0007】

また、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、被測定導体の周りを囲むように配置され、第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子を保持するヨークを更に有することが好ましい。

【0008】

また、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、分岐カプラと第１磁界センサ素子とを光学的に接続する第１偏波保持ファイバと、分岐カプラと第２磁界センサ素子とを光学的に接続する第２偏波保持ファイバと、を更に有し、第１偏波保持ファイバ及び第２偏波保持ファイバの長さは、互いに等しいことが好ましい。

【0009】

また、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、第２偏波保持ファイバは、第１直線偏光、第２直線偏光、第３直線偏光及び第４直線偏光のそれぞれの偏光面を９０°回転させることが好ましい。

【0010】

また、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、第２偏波保持ファイバは、遅相軸及び進相軸を９０°回転させて融着された一対の偏波保持ファイバにより形成されることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、検出する磁界を示す電気信号の波形のゆがみを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係るセンサ装置のブロック図である。

【図2】図１に示す第１磁界センサ素子及び第２磁界センサ素子の模式図である。

【図3】図１において矢印Ａで示される部分の部分拡大平面図である。

【図4】図１に示す第１受光素子、第２受光素子及び信号処理回路の回路図である。

【図5】図１に示すセンサ装置の動作を説明するための図（その１）である。

【図6】図１に示すセンサ装置の動作を説明するための図（その２）である。

【図7】（ａ）は図１に示すセンサ装置の動作を説明するための図（その３）であり、（ｂ）は図１に示すセンサ装置の動作を説明するための図（その４）である。

【図8】（ａ）は比較例に係るセンサ装置のＰＢＳと磁界センサとの接続関係を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す磁界センサ素子のそれぞれにおいて検出された磁界を示す電気信号が出力されるタイミングを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、干渉型光磁界センサ装置について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

【0014】

図１は、センサ装置１のブロック図である。

【0015】

センサ装置１は、干渉型光磁界センサ装置の一例であり、発光部１０と、サーキュレータ２０と、１／２波長板３０と、光路部４０とを有する。センサ装置１は、第１磁界センサ素子５０Ａと、第２磁界センサ素子５０Ｂと、第１偏波保持ファイバ５１と、第２偏波保持ファイバ５２と、ヨーク５３と、検出信号発生部６０とを更に有する。発光部１０、サーキュレータ２０、１／２波長板３０、光路部４０及び検出信号発生部６０の間の光路は、ＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバによって形成される。なお、１／２波長板３０、光路部４０、及び検出信号発生部６０の間の光路は、ボウタイ（Bow-tie）ファイバ又は楕円ジャケット（Elliptical Jacket）ファイバ等の偏波保持ファイバによって形成してもよい。

【0016】

発光部１０は、発光素子１１と、アイソレータ１２と、偏光子１３とを有する。発光素子１１は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードであり、具体的には、ファブリペローレーザ、スーパールミネッセンスダイオード等であることが好ましい。アイソレータ１２は、発光素子１１が発した光をサーキュレータ２０側に透過すると共に、サーキュレータ２０から発光部１０に入射した光を発光素子１１側に透過しないことで発光素子１１を保護する。アイソレータ１２は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。偏光子１３は、発光素子１１が発した光を直線偏波光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子１３で得られる第１直線偏波光は、サーキュレータ２０に入射される。

【0017】

サーキュレータ２０は、光分岐部の一例であり、発光部１０から出射された第１直線偏波光を１／２波長板３０に透過すると共に、１／２波長板３０から出射された第２直線偏波光を検出信号発生部６０に分岐する。サーキュレータ２０は、例えばファラデー回転子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ又は反射ミラーによって形成される。

【0018】

１／２波長板３０は、第１光学素子の一例であり、サーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面に対して方位角が２２．５°になるように配置され、その第１直線偏波光の偏光面を４５°回転して光路部４０に出射する。１／２波長板３０から出射される第１直線偏波光は、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１と、第１直線偏光ＣＷ１に直交するＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する。また、１／２波長板３０は、光路部４０から入射される第２直線偏波光の偏光面を４５°回転してサーキュレータ２０に出射する。

【0019】

光路部４０は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４１と、分岐カプラ４２と、第１光路４３と、第２光路４４と、位相調整素子４５とを有する。

【0020】

ＰＢＳ４１は、１／２波長板３０から入射される第１直線偏波光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路４３に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路４４にそれぞれ出射する。また、ＰＢＳ４１は、第３直線偏光ＣＷ２が第２光路４４から、第４直線偏光ＣＣＷ２が第１光路４３からそれぞれ入射され、それらを合成して１／２波長板３０に出射する。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２は、１／２波長板３０に出射される第２直線偏波光の互いに直交する偏光成分である。ＰＢＳ４１は、例えばプリズム型ビームスプリッタであるが、平面型ビームスプリッタ又はウェッジ型ビームスプリッタであってもよい。

【0021】

分岐カプラ４２は、偏光無依存特性を有する溶融型又はフィルタ型の光ファイバカプラであり、第１光路４３、第２光路４４、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２に光学的に接続される。分岐カプラ４２は、第１光路４３から入射される第１直線偏光ＣＷ１及び第２光路４４から入射される第２直線偏光ＣＣＷ１のそれぞれを分波して、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２のそれぞれに出射する。分岐カプラ４２は、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１のそれぞれを５０：５０の比率で分波する。分岐カプラ４２によって分波された第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１の一方は、第１偏波保持ファイバ５１を介して第１磁界センサ素子５０Ａに入射される。分岐カプラ４２によって分波された第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１の他方は、第２偏波保持ファイバ５２を介して第２磁界センサ素子５０Ｂに入射される。

【0022】

分岐カプラ４２は、第１磁界センサ素子５０Ａから第１偏波保持ファイバ５１を介して入射される第３直線偏光ＣＷ２と、第２磁界センサ素子５０Ｂから第２偏波保持ファイバ５２を介して入射される第３直線偏光ＣＷ２とを合波する。分岐カプラ４２は、合波した第３直線偏光ＣＷ２を第２光路４４に出射する。分岐カプラ４２は、第１磁界センサ素子５０Ａから第１偏波保持ファイバ５１を介して入射される第４直線偏光ＣＣＷ２と、第２磁界センサ素子５０Ｂから第２偏波保持ファイバ５２を介して入射される及び第４直線偏光ＣＣＷ２とを合波する。分岐カプラ４２は、合波した第４直線偏光ＣＣＷ２を第１光路４３に出射する。

【0023】

第１光路４３は、一端がＰＢＳ４１に、他端が分岐カプラ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。第１光路４３は、ＰＢＳ４１から導入された第１直線偏光ＣＷ１を分岐カプラ４２に導出すると共に、分岐カプラ４２から導入された第４直線偏光ＣＣＷ２をＰＢＳ４１に導出する。第２光路４４は、一端がＰＢＳ４１に、他端が分岐カプラ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。第２光路４４は、ＰＢＳ４１から導入された第２直線偏光ＣＣＷ１を分岐カプラ４２に導出すると共に、分岐カプラ４２から導入された第３直線偏光ＣＷ２をＰＢＳ４１に導出する。分岐カプラ４２間の光路もＰＡＮＤＡファイバである。なお、第１光路４３、第２光路４４及び分岐カプラ４２間の光路は、ボウタイファイバ又は楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバであってもよい。

【0024】

位相調整素子４５は、１／４波長板４６，４７と、４５度ファラデー回転子４８とを有する。位相調整素子４５は、第２光学素子の一例であり、第２光路４４に配置され、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との位相差が９０°になるように第２直線偏光ＣＣＷ１及び第３直線偏光ＣＷ２の位相を調整する。１／４波長板４６は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５°傾斜して配置され、直線偏光を円偏光に変換すると共に、円偏光を直線偏光に変換する。１／４波長板４７は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が－４５°傾斜して配置され、円偏光を直線偏光に変換すると共に、直線偏光を円偏光に変換する。

【0025】

４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４６，４７の間に配置され、これらから入射される円偏光の位相を変化させる。４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４７から出射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相が１／４波長板４６に入射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相から４５°シフトするように、入射光の位相を変化させる。また、４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４６から出射される第３直線偏光ＣＷ２の位相が１／４波長板４７に入射される第３直線偏光ＣＷ２の位相から－４５°シフトするように、入射光の位相を変化させる。

【0026】

図２は、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂの模式図である。

【0027】

第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、同一の構成を有する１対の素子であり、何れも１／４波長板５４と、ファラデー回転子５５と、ミラー素子５６とを有する。

【0028】

第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、被測定導体１００を間に挟んで所定の磁界内に配置可能であり、互いに一定の間隔を空けて一体的に形成されている。第１磁界センサ素子５０Ａの第２磁界センサ素子５０Ｂに対する相対位置は固定されており、測定時にセンサ装置１が移動した場合でも第１磁界センサ素子５０Ａと第２磁界センサ素子５０Ｂ間との距離は不変である。第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは光透過性を有し、ファラデー回転子５５に印加される磁界に応じて透過光の位相を変化させる。第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂの双方は、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１が入射され、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１が入射されることに応じて、第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２を出射する。

【0029】

１／４波長板５４は、分岐カプラ４２又は分岐カプラ４２との間を光学的に接続する第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２の遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５°傾斜して配置される。１／４波長板５４は、分岐カプラ４２から入射される直線偏光を円偏光に変換すると共に、ファラデー回転子５５から入射される戻り光である円偏光を直線偏光に変換する。

【0030】

ファラデー回転子５５は、誘電体５５０と、誘電体５５０から安定的に相分離した状態で誘電体５５０中に分散しているナノオーダの磁性体粒子５５１とを有するグラニュラー膜であり、１／４波長板５４の端面に配置される。磁性体粒子５５１は、例えば最表層等のごく一部では酸化物になっていてもよいが、ファラデー回転子５５の全体では、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子５５内における磁性体粒子５５１の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体５５０として透明性が高いものを用いれば、誘電体５５０中に磁性体粒子５５１が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子５５は光透過性を有する。

【0031】

ファラデー回転子５５は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜にすることで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。

【0032】

誘電体５５０は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ₃）、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）等のフッ化物（金属フッ化物）が好ましい。また、誘電体５５０は、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ₂Ｏ₅）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）及び三酸化二アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の酸化物であってもよい。誘電体５５０と磁性体粒子５５１との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。

【0033】

磁性体粒子５５１の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、材質としては、強磁性金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）並びにこれらの合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて２～３桁近く大きい。なお、磁性体粒子５５１の材質は、磁性ガーネットやフェライトなどの従来からある透明磁性体を使用してもよい。

【0034】

ミラー素子５６は、ファラデー回転子５５の１／４波長板５４とは反対側の面に形成されており、ファラデー回転子５５を透過した光をファラデー回転子５５に向けて反射する。ミラー素子５６としては、例えば、銀（Ａｇ）膜、金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いＡｇ膜及び耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子５６の厚さは、９８％以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばＡｇ膜の場合には、５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下であることが好ましい。ミラー素子５６を用いてファラデー回転子５５内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。

【0035】

第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２のそれぞれは、互いに同一の長さを有するＰＡＮＤＡファイバである。第１偏波保持ファイバ５１は分岐カプラ４２と第１磁界センサ素子５０Ａとの間を光学的に接続し、第２偏波保持ファイバ５２は分岐カプラ４２と第２磁界センサ素子５０Ｂとの間を光学的に接続する。第１偏波保持ファイバ５１は、単一のＰＡＮＤＡファイバで形成され、Ｐ偏光の直線偏光が導入されたとき、Ｐ偏光の直線偏光を導出し、Ｓ偏光の直線偏光が導入されたとき、Ｓ偏光の直線偏光を導出する。第２偏波保持ファイバ５２は、融着点Ｐｆにおいて遅相軸及び進相軸を９０°回転させて融着された一対のＰＡＮＤＡファイバにより形成され、Ｐ偏光の直線偏光が導入されたとき、Ｓ偏光の直線偏光を導出し、Ｓ偏光の直線偏光が導入されたとき、Ｐ偏光の直線偏光を導出する。第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２のそれぞれは、ボウタイファイバ又は楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバによって形成してもよい。

【0036】

第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２は、分岐カプラ４２によって分波された第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１が導入される。第１偏波保持ファイバ５１は、分岐カプラ４２から導入された第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１を第１磁界センサ素子５０Ａに導出する。第２偏波保持ファイバ５２は分岐カプラ４２から導入された第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１の偏光面を、９０°回転させて第２磁界センサ素子５０Ｂに導出する。

【0037】

第１偏波保持ファイバ５１は、第１磁界センサ素子５０Ａから導入された第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２を分岐カプラ４２に導出する。第２偏波保持ファイバ５２は、第２磁界センサ素子５０Ｂから導入された第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の偏光面を、９０°回転させて分岐カプラ４２に導出する。

【0038】

図３は、図１において矢印Ａで示される部分の部分拡大平面図である。

【0039】

ヨーク５３は、第１ヨーク５３Ａ及び第２ヨーク５３Ｂを有する。第１ヨーク５３Ａ及び第２ヨーク５３Ｂは、比透磁率が１よりも大きな磁性体から成り、軟磁性粒子が樹脂などの絶縁体に分散したコンポジット材料を用いれば、渦電流の抑制効果によって高周波特性が良好となり好ましい。被測定導体１００に電流が流れることにより生じる磁界により形成される磁気回路を第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂと共に形成する。

【0040】

第１ヨーク５３Ａは、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２が埋入され、第２ヨーク５３Ｂと共に第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂを挟持することで、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂを保持する。第２ヨーク５３Ｂは、不図示の固定部材を介して第１ヨーク５３Ａに固定される。

【0041】

検出信号発生部６０は、ＰＢＳ６１と、第１受光素子６２と、第２受光素子６３と、信号処理回路７０とを有する。検出信号発生部６０は、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４及びＰ偏光成分６５に分離する。また、検出信号発生部６０は、分離したＳ偏光成分６４及びＰ偏光成分６５を受光して電気信号に変換して差動増幅することで、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂに印加される磁界に応じた検出信号Ｅｄを出力する。ＰＢＳ６１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型又は光導波路型等の偏光ビームスプリッタであり、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４とＰ偏光成分６５とに分離する。

【0042】

図４は、第１受光素子６２、第２受光素子６３及び信号処理回路７０の回路図である。

【0043】

信号処理回路７０は、例えばオペアンプである増幅素子７１と、抵抗素子７２とを有する。第１受光素子６２及び第２受光素子６３のそれぞれは、例えばＰＩＮフォトダイオードであり、光電変換をして受光量に応じた電気信号を出力する。第１受光素子６２のアノード及び第２受光素子６３のカソードは、増幅素子７１のマイナス入力端子に接続され、第１受光素子６２のカソードは正電源＋Ｖに接続され、第２受光素子６３のアノードは負電源－Ｖに接続される。第１受光素子６２は、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＳ偏光成分６４を受光し、その強度に比例する電流である第１電気信号Ｅ１を出力する。第２受光素子６３は、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＰ偏光成分６５を受光し、その強度に比例する電流である第２電気信号Ｅ２を出力する。

【0044】

検出信号発生部６０に入射する第３直線偏光ＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥＣＷで表され、第４直線偏光ＣＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥＣＣＷで表される。θ_Fはファラデー回転子５５に印加される磁界に応じたファラデー回転角であり、ｊは虚数単位である。

【0045】

【数1】

【0046】

第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＳ偏光成分Ｐ０及びＰ偏光成分Ｐ９０は、上記のＥＣＷとＥＣＣＷの式から次式のように表される。ＥＣＷ，０，ＥＣＣＷ，０，ＥＣＷ，９０，ＥＣＣＷ，９０は、それぞれ、第３直線偏光ＣＷ２のＳ偏光成分、第４直線偏光ＣＣＷ２のＳ偏光成分、第３直線偏光ＣＷ２のＰ偏光成分、第４直線偏光ＣＣＷ２のＰ偏光成分である。

【0047】

【数2】

【0048】

信号処理回路７０は、反転増幅回路であり、第１電気信号Ｅ１と第２電気信号Ｅ２との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅することで、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂに印加される磁界に応じた検出信号Ｅｄを出力する。増幅素子７１のプラス入力端子は接地され、増幅素子７１のマイナス入力端子には差動信号（Ｅ１－Ｅ２）が入力される。差動信号（Ｅ１－Ｅ２）は、Ｓ偏光成分Ｐ０とＰ偏光成分Ｐ９０との差分に比例し、ファラデー回転角θ_Fに応じた電気信号である。検出信号Ｅｄは、基準光強度に相当する直流成分が除去された電気信号である。

【0049】

図５～図７は、センサ装置１の動作を説明するための図である。図５及び図７（ａ）は第１直線偏光ＣＷ１及び第３直線偏光ＣＷ２の伝搬状態を示し、図６及び図７（ｂ）は第２直線偏光ＣＣＷ１及び第４直線偏光ＣＣＷ２の伝搬状態を示す。図５～図７において、細い矢印は光の伝搬方向を示し、図５及び図７（ａ）の太い矢印１０１～１１６及び図６及び図７（ｂ）の太い矢印２０１～２１６はそれぞれの箇所における偏光状態を示す。符号Ｉは被測定導体１００に流れる電流を示し、符号Ｈは被測定磁界を示す。

【0050】

まず、Ｐ偏光である第１直線偏波光が発光部１０の偏光子１３から出射され（矢印１０１，２０１）、サーキュレータ２０を透過して１／２波長板３０に入射する（矢印１０２，２０２）。第１直線偏波光は、１／２波長板３０を透過することで偏光面が４５°回転して、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１とＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する光になる（矢印１０３，２０３）。第１直線偏光ＣＷ１は、ＰＢＳ４１を介して第１光路４３に入射され（矢印１０４）、分岐カプラ４２で分波され、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２のそれぞれに導入される（矢印１０５，１０６）。

【0051】

第１偏波保持ファイバ５１に導入された第１直線偏光ＣＷ１は、第１偏波保持ファイバ５１から第１磁界センサ素子５０Ａに入射される。第１磁界センサ素子５０Ａに入射した第１直線偏光ＣＷ１は、１／４波長板５４を透過することで左回転の円偏光になり、ファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θ_F変化させる。第１直線偏光ＣＷ１は、ミラー素子５６で反射することで右回転の円偏光になり、再びファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θ_F変化させる。第１直線偏光ＣＷ１は、再び１／４波長板５４を透過することでＳ偏光に変換されて、第１偏波保持ファイバ５１を介して分岐カプラ４２に第３直線偏光ＣＷ３として出射される（矢印１０７）。第１磁界センサ素子５０Ａでの合計の位相変化量は－２θ_Fになる。

【0052】

第２偏波保持ファイバ５２に導入されたＰ偏光である第１直線偏光ＣＷ１は、第２偏波保持ファイバ５２の融着点Ｐｆにおいて偏光面が９０°回転されてＳ偏光として第２磁界センサ素子５０Ｂに入射される（矢印１０８）。第２磁界センサ素子５０Ｂに入射した第１直線偏光ＣＷ１は、１／４波長板５４を透過することで左回転の円偏光になり、ファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θ_F変化させる。第１直線偏光ＣＷ１は、ミラー素子５６で反射することで右回転の円偏光になり、再びファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θ_F変化させる。第１直線偏光ＣＷ１は、再び１／４波長板５４を透過することでＰ偏光に変換されて、第２偏波保持ファイバ５２に第３直線偏光ＣＷ３として導入される（矢印１０９）。第３直線偏光ＣＷ３は、第２偏波保持ファイバ５２の融着点Ｐｆにおいて偏光面が９０°回転されてＳ偏光である第３直線偏光ＣＷ２として分岐カプラ４２に出射される（矢印１１０）。第２磁界センサ素子５０Ｂでの合計の位相変化量は－２θ_Fになる。

【0053】

第３直線偏光ＣＷ２は、分岐カプラ４２を介して第２光路４４の位相調整素子４５に入射される（矢印１１１）。位相調整素子４５において、第３直線偏光ＣＷ２は、１／４波長板４７、４５度ファラデー回転子４８及び１／４波長板４６を順に透過することで、左回転の円偏光になり、位相を－４５°変化させ、Ｐ偏光になる。位相調整素子４５を透過した第３直線偏光ＣＷ２は、ＰＢＳ４１を介してＳ偏光に変換され（矢印１１２）、１／２波長板３０に出射される。

【0054】

一方、第２直線偏光ＣＣＷ１は、ＰＢＳ４１を介してＰ偏光に変換されて第２光路４４に入射され（矢印２０４）、位相調整素子４５に入射される。位相調整素子４５において、第２直線偏光ＣＣＷ１は、１／４波長板４６、４５度ファラデー回転子４８及び１／４波長板４７を順に透過することで、左回転の円偏光になり、位相を４５°変化させ、Ｐ偏光になる（矢印２０５）。位相調整素子４５を透過した第２直線偏光ＣＣＷ１は、分岐カプラ４２で分波され、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２のそれぞれに導入される（矢印２０６，２０７）。

【0055】

第１偏波保持ファイバ５１に導入された第２直線偏光ＣＣＷ１は、第１偏波保持ファイバ５１から第１磁界センサ素子５０Ａに入射される。第１磁界センサ素子５０Ａに入射した第２直線偏光ＣＣＷ１は、１／４波長板５４を透過することで左回転の円偏光になり、ファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θ_F変化させる。第２直線偏光ＣＣＷ１は、ミラー素子５６で反射することで右回転の円偏光になり、再びファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θ_F変化させ、再び１／４波長板５４を透過することでＳ偏光に変換される。第２直線偏光ＣＣＷ１は、第１偏波保持ファイバ５１を介して分岐カプラ４２に第４直線偏光ＣＣＷ２として出射される（矢印２０８）。第１磁界センサ素子５０Ａでの合計の位相変化量は－２θ_Fになる。

【0056】

第２偏波保持ファイバ５２に導入されたＳ偏光で第２直線偏光ＣＣＷ１は、第２偏波保持ファイバ５２の融着点Ｐｆにおいて偏光面が９０°回転されてＰ偏光として第２磁界センサ素子５０Ｂに入射される（矢印２０９）。第２磁界センサ素子５０Ｂに入射した第２直線偏光ＣＣＷ１は、１／４波長板５４を透過することで左回転の円偏光になり、ファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θ_F変化させる。第２直線偏光ＣＣＷ１は、ミラー素子５６で反射することで右回転の円偏光になり、再びファラデー回転子５５を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θ_F変化させる。第２直線偏光ＣＣＷ１は、再び１／４波長板５４を透過することでＳ偏光に変換され、第２偏波保持ファイバ５２に第４直線偏光ＣＣＷ２として導入される（矢印２１０）。第４直線偏光ＣＣＷ２は、第２偏波保持ファイバ５２の融着点Ｐｆにおいて偏光面が９０°回転されてＰ偏光である第４直線偏光ＣＣＷ２として分岐カプラ４２に出射される（矢印２１１）。第２磁界センサ素子５０Ｂでの合計の位相変化量は－２θ_Fになる。

【0057】

第４直線偏光ＣＣＷ２は、分岐カプラ４２を介して第１光路４３に導入される（矢印２１２）。第１光路４３に導出された第４直線偏光ＣＣＷ２は、ＰＢＳ４１を介してＰ偏光に変換され（矢印１１３）、１／２波長板３０に出射される。

【0058】

第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２はＰＢＳ４１で合波され、１／２波長板３０を透過することで偏光面が４５°回転する。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２のそれぞれは、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを有する光になり（矢印１１３，２１３）、サーキュレータ２０で分岐してＰＢＳ６１に入射する（矢印１１４，２１４）。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分は第１受光素子６２に（矢印１１５，２１５）、Ｐ偏光成分は第２受光素子６３に（矢印１１６，２１６）、それぞれＰＢＳ６１を介して入射する。このように、センサ装置１では、時計回りの偏光Ｅｃｗと反時計回りの偏光ＥｃｃｗがＰＢＳ４１で２経路に分離され、それぞれ２個の磁界センサ素子を通過し、最後に１／２波長板３０を通過するときに互いに干渉する。

【0059】

センサ装置１では、被測定導体１００の表裏に配置される第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂに直線偏光を同時に入射することで、被測定導体１００の表裏の磁界Ｈを同時に計測することができる。

【0060】

図８（ａ）は、特許文献１に記載される比較例に係るセンサ装置のＰＢＳ４２Ａ及び４２Ｂと第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂとの接続関係を示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂのそれぞれにおいて検出された磁界を示す電気信号が出力されるタイミングを示す図である。

【0061】

特許文献１に記載されるセンサ装置では、第１直線偏光ＣＷ１は、ＰＢＳ４２Ａから第１磁界センサ素子５０Ａに入射される。第１直線偏光ＣＷ１は、第１磁界センサ素子５０Ａから出射され、ＰＢＳ４２Ａ及び４２Ｂを介して、第１磁界センサ素子５０Ａから光学的距離Ｌだけ離隔した第２磁界センサ素子５０Ｂに入射される。第１直線偏光ＣＷ１は、第２磁界センサ素子５０Ｂから第３直線偏光ＣＷ２とて出射される。

【0062】

第２磁界センサ素子５０Ｂは、第１直線偏光ＣＷ１が第１磁界センサ素子５０Ａに入射してから、第１磁界センサ素子５０Ａと第２磁界センサ素子５０Ｂの間の光学的距離Ｌに応じた時間ｔ_L後に第１直線偏光ＣＷ１が入射する。時間差ｔ_Lが生じることより、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが検出した磁界を示す電気信号の波形Ｗ１０１及びＷ１０２が出力されるタイミングが相違する。第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが磁界を検出するタイミングが相違することで、検出された磁界を示す電気信号の波形Ｗ１０３は、立上り波形及び立下り波形に傾きが生じて波形にゆがみが生じる。

【0063】

一方、センサ装置１では、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１は、分岐カプラ４２によって分波されて第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂの双方に同時に入射される。センサ装置１では、第１直線偏光ＣＷ１及び第２直線偏光ＣＣＷ１は、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂの双方に同時に入射されるので、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが磁界を検出するタイミングが一致する。センサ装置１では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが磁界を検出するタイミングが一致するので、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが検出によって検出された磁界を示す電気信号は、波形にゆがみが生じない。センサ装置１では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂが検出によって検出された磁界を示す電気信号は、波形にゆがみが生じないので、高周波数で動作するときに検出誤差を抑制できる。

【0064】

また、センサ装置１は、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂを保持するヨーク５３を有する。センサ装置１は、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂをヨーク５３によって保持することで、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂに磁界を集中させて、高精度に磁界を検出できる。

【0065】

また、センサ装置１では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、同一の長さを有する第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２によって分岐カプラ４２に光学的に接続されるので、分岐カプラ４２との間の光学的距離が等しい。センサ装置１では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、分岐カプラ４２との間の光学的距離が等しいので、磁界を検出するタイミングが相違するおそれが低く、高周波数で動作するときに検出誤差を抑制できる。

【0066】

また、センサ装置１では、第２偏波保持ファイバ５２は、導入される直線偏光の偏光面を９０°回転させることで、第２磁界センサ素子５０Ｂにおけるファラデー回転の回転方向を第１磁界センサ素子５０Ａにおけるファラデー回転の回転方向と反転できる。センサ装置１では、第２磁界センサ素子５０Ｂにおけるファラデー回転の回転方向を第１磁界センサ素子５０Ａにおけるファラデー回転の回転方向と反転させることで、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂのファラデー回転を合成できる。

【0067】

また、センサ装置１では、第２偏波保持ファイバ５２は、遅相軸及び進相軸を９０°回転させて融着された一対の偏波保持ファイバにより形成されるので、導入される直線偏光の偏光面を９０°回転させる構造を簡易且つ高精度で製造することができる。

【0068】

センサ装置１では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、ヨークによって固定的に保持されるが、実施形態に係るセンサ装置では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、ヨーク以外の部材によって保持されてもよい。また、実施形態に係るセンサ装置では、第１磁界センサ素子５０Ａ及び第２磁界センサ素子５０Ｂは、ヨーク又はヨーク以外の部材によって移動可能に保持されてもよい。

【0069】

また、センサ装置１では、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２の長さは同一であるが、実施形態に係るセンサ装置では、第１偏波保持ファイバ５１及び第２偏波保持ファイバ５２の長さは、検出精度に影響を与えない範囲で相違してもよい。

【0070】

また、センサ装置１では、第２偏波保持ファイバ５２は、遅相軸及び進相軸を９０°回転させて融着された一対の偏波保持ファイバにより形成される。しかしながら、実施形態に係るセンサ装置では、１／２波長板を挟持するように配置された一対の偏波保持ファイバにより形成されてもよい。

【符号の説明】

【0071】

１ センサ装置
１０ 発光部
２０ サーキュレータ（光分岐部）
３０ １／２波長板（第１光学素子）
４０ 光路部
４２ 分岐カプラ
４３ 第１光路
４４ 第２光路
５０Ａ 第１磁界センサ素子
５０Ｂ 第２磁界センサ素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】