反射型光磁界センサ
【課題】入射光の偏光状態が楕円光の状態でも検知する光強度が入射光の偏光状態の変化に依存しない偏光無依存性であり、且つ入射光の挿入損失が低減された光磁界センサの提供。
【解決手段】光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含んで反射型光磁界センサを構成し、光導波路を単芯とし、偏光面回転素子の回転角を９０度以上且つ３６０度以下に設定し、光導波路からの入射光を偏光分離素子で２つの偏光成分に分離後、レンズで収束し、偏光面回転素子でそれぞれの偏光面を回転させて、反射体の反射面の一点で点対称に反射し、再び偏光面回転素子で偏光面を回転後、偏光分離素子で合成して、光導波路に入射させることで、２つの偏光成分をそれぞれ偏光分離素子において異常光線としてシフトさせることを特徴とする。
【解決手段】光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含んで反射型光磁界センサを構成し、光導波路を単芯とし、偏光面回転素子の回転角を９０度以上且つ３６０度以下に設定し、光導波路からの入射光を偏光分離素子で２つの偏光成分に分離後、レンズで収束し、偏光面回転素子でそれぞれの偏光面を回転させて、反射体の反射面の一点で点対称に反射し、再び偏光面回転素子で偏光面を回転後、偏光分離素子で合成して、光導波路に入射させることで、２つの偏光成分をそれぞれ偏光分離素子において異常光線としてシフトさせることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶と云った偏光面回転素子のファラデー効果を利用した、反射型光磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、汎用されている工業用装置や民生機器などには、モータ等の回転装置或いは歯車などの回転部分を有しているものが多い。これらの回転装置や回転部分を、より高度にかつ高精度に制御するためには、その回転速度や回転数を、連続的にしかも正確に測定しなければならない。
【０００３】
回転速度や回転数を測定する方法としては、磁気光学材料（ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶）のファラデー効果を利用した光磁界センサが提案されている。このようなファラデー効果を利用した光磁界方式によるセンサの計測では、電磁的な雑音の影響が殆ど無く、有機溶剤などの可燃性物質を扱う場所でも防爆対策が不要と云った特長を有する。
【０００４】
光磁界センサの型式には、透過型と反射型とがある。透過型はその構成上、光の入射および透過の方向が一直線上となるように構成しなければならないので、設置場所に制約が生ずる。
【０００５】
このような透過型光磁界センサの欠点を改善する光磁界センサとして、反射型光磁界センサが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１９１３７号（第４−６頁、図１）
【０００７】
図１４は、特許文献１記載の反射型光磁界センサ１００の一構成例を示す模式図である。反射型光磁界センサ１００は、２本の光ファイバ１０１，１０２を固着した２芯のフェルールまたはガラスキャピラリ１０３、複屈折板（偏光分離素子）１０４、レンズ１０５、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶からなるファラデー回転子（偏光面回転素子）１０６、ミラー（反射体）１０７の順に構成部品を配置することで構成される。
【０００８】
反射型光磁界センサ１００の動作は次の通りである。入射側の光ファイバから複屈折板１０４に入射した光は常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、レンズ１０５を透過後にファラデー回転子１０６に入射される。ファラデー回転子１０６は外部磁界の有無によって、磁気的に飽和又は未飽和状態となることにより、２つの偏光成分の偏光面が変化される。ファラデー回転子１０６を透過した２つの偏光成分はミラー１０７により反射されて、再びファラデー回転子１０６を透過して、レンズ１０５により集光された後、複屈折板１０４で合成されて出射側の光ファイバへ入射される。
【０００９】
複屈折板１０４を透過する際に、ファラデー回転子１０６の回転角に応じて複屈折板１０４で２つの偏光成分の光路分離が更に起こるので、出射側の光ファイバに入射する光が減少する。この光強度変化を検知することで、反射型光磁界センサ１００が動作する。
【００１０】
また最近では、光磁界センサの防爆対策不要との特性を活かして、油田産業用途向けの光磁界センサが考案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【００１１】
【特許文献２】特表２００８−５２３４０１号（第７−１０頁、図１）
【００１２】
図１５は、掘削作業後の一般的な陸上炭化水素杭井場所と、炭化水素地層１０８、及び表面機器１０９とを示した概略図である。掘削穴を安定化させるケーシングストリング１１０は、複数のケーシングジョイント１１１を備えており、ケーシングジョイント１１１がケーシングカラー１１２によって互いに結合される。ボーリング検層作業では、炭化水素地層１０８の様々なパラメータ（例えば、抵抗、空隙率など）や、掘削穴内の様々なパラメータ（例えば、温度、圧力、流体タイプ、流体流速など）を測定する。そのような測定は、ロギングツール１１３に備えられた光磁界センサよって行なわれる。
【００１３】
図１６は、図１５の掘削穴の一部の拡大図と、光磁界センサ１１４の動作原理を示した概略図である。光磁界センサ１１４は、前記ケーシングストリング１１０の第１のケーシングジョイント１１１ａと第２のケーシングジョイント１１１ｂとの間の、ケーシングカラー１１２ａの存在を検出する。ケーシングカラー１１２ａの検出を、ロギングツール１１３によって行なわれる他の測定と関連付けることにより、更なる地層測定、及び／又は、開拓対象の前記炭化水素地層１０８の位置をケーシングジョイント１１１ａ，１１１ｂの位置（即ち、深さの位置）と関連付けることが出来る。
【００１４】
光磁気センサ１１４は、光ファイバ１１５に光学的に結合されており、二色性の吸収型偏光子１１６と、ファラデー回転子（偏光面回転素子）１１７と、反射素子（反射体）１１８とを備える。更に、ファラデー回転子１１７に磁界を印加する永久磁石１１９を備える。光ファイバ１１５から光が入射されると、偏光子１１６により光の偏光状態は直線偏光に変換され、反射素子１１８で反射される前後で、ファラデー回転子１１７を２回透過し、所定の回転角の２倍だけ直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することにより、ケーシングカラーの存在を検出する。
【００１５】
更に、特許文献２の他にも、導波路である光ファイバを単芯とすることで、光磁界センサの導波路部分の細経化と、低コスト化を図った光磁界センサが考案されている（例えば、特許文献３または特許文献４を参照）。
【００１６】
【特許文献３】特開平０２−０２８５７４号（第２−３頁、第１図）
【特許文献４】特開昭６０−１２０２７１号（第２頁、第１図）
【００１７】
図１７より、特許文献３の光磁界センサ１２０は、単芯の光ファイバ１２１、レンズ１２２、二色性の吸収型偏光子１２３、ファラデー回転子１２４、及び反射体１２５が順に配置されると共に、ファラデー回転子１２４に磁界を印加する円筒状の永久磁石１２６を備えて構成される。光ファイバ１２１から光が入射されると、偏光子１２３により光の偏光状態が直線偏光に変換され、反射体１２５で反射される前後で、ファラデー回転子１２４を２回透過し、所定の回転角の２倍だけ直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することで光磁界センサ１２０が動作する。
【００１８】
図１８より、特許文献４の光磁界センサ１２７は、単芯の光ファイバ１２８、偏光ビームスプリッタ１２９、ファラデー回転子１３０、２２．５度の旋光子１３１、及び反射膜（反射体）１３２が順に配置されて構成される。光ファイバ１２８からＬＥＤ光源１３３の光が入射されると、偏光ビームスプリッタ１２９により光が２つの直線偏光に分離され、一方の直線偏光のみ、反射膜１３２で反射される前後で、ファラデー回転子１３０及び旋光子１３１を２回透過し、直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することで光磁界センサ１２７が動作する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献１の光磁界センサ１００の構成は、入射側の光ファイバから光を入射後、その光を複屈折板１０４に入射させて常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離し、ミラー１０７により反射させた後、再び複屈折板で合成して、出光側の光ファイバへと入射させている。従って、２つの偏光成分のうち一方の偏光成分のみが常に異常光線として複屈折板１０４内でシフトされると、楕円光のように時間の経過と共に偏光状態が変化する光が入射すると片方の偏光成分の大きさのみ変化するため、出射側の光ファイバに入射する偏光成分の大きさが時間と共に変化する。よって、検知される光強度が、入射側光ファイバに入射する光の偏光状態に伴って変化するため、光磁界センサ１００が偏光依存性を持ってしまう。
【００２０】
そのため、入射側光ファイバから出射される光を、完全な円偏光に変換しなければならない。ＡＳＥ光源とデポラライザーを使用することで、光の偏光状態を真円に近づけることは出来るものの、完全な真円状態に変換することは不可能であり、その結果、特許文献１の光磁界センサ１００では偏光依存性を解消することは不可能であった。
【００２１】
また、特許文献２，３，４記載の光磁界センサ１１４，１２０，１２７は、光の直交する２つの偏光成分のうち、一方の偏光成分を吸収型偏光子又は偏光ビームスプリッタにより吸収もしくは除外しているため、入射光の挿入損失が大きいという課題があった。
【００２２】
本発明の反射型光磁界センサは上記課題に基づいて為されたものであり、その目的は入射光の偏光状態が真円ではない楕円光の状態でも、検知する光強度が入射光の偏光状態の変化に依存しない、偏光無依存性の光磁界センサを提供することである。
【００２３】
更に、従来の光磁界センサに比べて入射光の挿入損失が低減された光磁界センサ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】
【００２４】
本発明の請求項１に記載の反射型光磁界センサは、
光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含み、
光導波路から順に、偏光分離素子，集光レンズ，偏光面回転素子，反射体と配置され、
光導波路は単芯であり、
更に、偏光面回転素子の周囲には磁界印加手段が配置されて、その磁界印加手段によって偏光面回転素子に磁界が印加され、
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が、９０度以上且つ３６０度以下となるように、偏光面回転素子の回転角が設定され、
光導波路から偏光分離素子に光が入射され、
偏光分離素子に入射された光は、偏光分離素子によって常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて収束され、
収束された２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、前記設定された回転角だけ回転され、
更に、２つの偏光成分は反射体の反射面の一点に収束されて点対称に反射され、
再度、２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、偏光面が前記設定された回転角だけ更に回転され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて平行光に変換され、
平行光に変換された２つの偏光成分は、更に偏光分離素子に入射され、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は異常光線として透過すると共に、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に異常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は常光線として透過して、２つの偏光成分が合成され、
合成された光が光導波路に入射されることを特徴とする反射型光磁界センサである。
【００２５】
更に、本発明の請求項２に記載の反射型光磁界センサは、前記光導波路がシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の反射型光磁界センサである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１記載の反射型光磁界センサに依れば、光導波路から楕円光が入射されても、２つの偏光成分の大きさがそれぞれ補償された上で合成されて光導波路に入射されるため、検知される光強度が入射光の偏光状態に伴って変化しないため、反射型光磁界センサを偏光無依存性とすることが出来る。
【００２７】
又、前記反射型光磁界センサは、直交する２つの偏光成分を合成し、その合成した光を入射させて光強度を検知するため、一方の偏光成分を吸収もしくは除外しないので、入射光の挿入損失が低減可能である。
【００２８】
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が９０度以上且つ３６０度以下となるように偏光面回転素子の回転角を設定することにより、反射型光磁界センサの応答性並びに感度を向上させることが出来る。
【００２９】
更に、本発明の請求項２記載の反射型光磁界センサに依れば、光導波路にシングルモード光ファイバを使用するので、光導波路を延長しても低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る反射型光磁界センサ１の最良の実施形態を、図１から図１３を参照して詳細に説明する。なお、各図に示してあるＸ軸，Ｙ軸，及びＺ軸は、それぞれの図で対応している。図１と図２に、光の伝搬方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたときの、反射型光磁界センサ１の光導波路２から反射体６までの各光学素子の構成と配置を示す。また、光が各光学素子内部を透過する際の光路は破線で表し、それ以外の光路は実線で表すものとする。
【００３１】
本発明の反射型光磁界センサ１（以下、「光磁界センサ１」と記す）は、図１と図２に示すように、偏光分離素子３，レンズ４，偏光面回転素子５ａ及び５ｂ，とから成る光学素子部を備える。更に、これら光学素子部の一端側に光導波路２が配置され、前記光学素子部を挟んで光導波路２の反対側には、反射体６が配置される。更に、偏光面回転素子５ａ及び５ｂの周囲には、偏光面回転素子５ａ及び５ｂに磁界を印加するための磁界印加手段である永久磁石７が配置される。
【００３２】
光学素子部の各光学素子は、光導波路２からＺ軸方向に順に、偏光分離素子３，レンズ４，偏光面回転素子５ａ及び５ｂ、と配置される。各光学素子のそれぞれの光学面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２等の反射防止コートを施すことが望ましい。
【００３３】
光導波路２は、単芯のシングルモード光ファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）で構成される（以下、「光ファイバ２」と記載する）。シングルモード光ファイバはコアが石英ガラス、クラッドがＧｅ等を添加した石英ガラスから構成され、波長１５５０ｎｍの光を伝搬させる。なお、光導波路２及び永久磁石７は、図２，図６，図１０では図示を省略している。
【００３４】
偏光分離素子３は、光ファイバ２から入射された光を常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離、及び後述する反射体６で反射して戻ってくる前記２つの偏光成分の合成を行う光学素子である。偏光分離素子３には、例えば、ルチル（ＴｉＯ２）等の複屈折単結晶が使用される。更に、偏光分離素子３の光学面上の結晶軸Ｘ２１（図２参照）の方向は、Ｙ軸方向と平行に設定する。一方、光学面に対する結晶軸Ｘ２２（図２参照）の方向は、最大の分離幅を得られるように光学面の法線に対して４２〜５０度前後（最も好ましくは４７．８度）に設定する。
【００３５】
レンズ４は、入射する光の収束又はコリメーションを行う単一レンズであり、平凸レンズを使用する。凸面を偏光分離素子３に対向させると共に、平面を偏光面回転素子５に対向させて配置する。
【００３６】
偏光面回転素子５ａ及び５ｂは、偏光分離素子３を透過した前記２つの偏光成分の偏光面を回転させる、非相反性の偏光面回転素子であり、使用波長帯域で磁気飽和時にそれぞれで回転角４５度を有する、できるだけ薄いものを使用する。例えば、磁性のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶等が最適である。偏光面回転素子５ａ及び５ｂは、一定の間隔でＺ軸方向に直列に並べて配置する。更に、偏光面回転素子５ａ及び５ｂとＺ軸方向とは２度以上４度以下の傾き角度を持たせる。この傾き角度は、原理的に９０度未満まで可能であるが、傾き角度が大きくなるにつれて、光磁界センサとしてのＳＮ比が大きくなるため、２度以上４度以下の角度範囲が好ましい。
【００３７】
更に、本実施の形態では、偏光面回転素子５ａ及び５ｂの回転角の方向を、光ファイバ２からＺ軸方向に見たときに、同一方向である時計方向に設定することとする。従って、偏光面回転素子５ａ及び５ｂを透過した、前記２つの偏光成分の偏光面の合計回転角は９０度に設定される。
【００３８】
永久磁石７は、中空円筒型のＳｍ−Ｃｏ製の永久磁石を使用し、偏光面回転素子５ａ及び５ｂに飽和磁界又は所定の回転角を発生するために必要な磁界を印加する。また、磁化方向はＺ軸方向と平行となるように、円筒型の端面がそれぞれＮ，Ｓ極となるように着磁される。
【００３９】
反射体６は、偏光面回転素子５ｂを透過した２つの偏光成分を反射する反射鏡で、本実施の形態では、一例として、基板の表面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２をコーティングした全反射鏡を用いる。
【００４０】
次に、光磁界センサ１の動作について説明する。図１乃至図４は、例えば磁性体の被測定対象が永久磁石７の近傍に存在せず、永久磁石７の磁界が全て偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加されて偏光面回転素子５ａ，５ｂが磁気飽和されたときの光磁界センサ１の動作を示す。図３及び図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、図１中の符号（Ａ）〜（Ｄ）で示す各光路断面での偏光状態に対応している。図３及び図４では、横方向がＸ軸、縦方向がｙ軸、紙面に向かう方向がｚ軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に６分割して、Ｘ軸方向には１から６で、Ｙ軸方向にはａ〜ｆで、各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００４１】
光ファイバ２に光が入射されると、その光は光ファイバ２を伝搬して、光入出射端面から偏光分離素子３へと入射される。
【００４２】
光ファイバ２から偏光分離素子３へと入射する光の入射位置は、マトリクスで見ると図３（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向では３と４の間で、Ｙ軸方向ではｂとｃの間である。本実施の形態ではこのような位置を（３−４，ｂ−ｃ）と表す。
【００４３】
偏光分離素子２に入射された光は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、偏光分離素子２で結晶軸Ｘ２１に直交する常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分に分離される。偏光分離素子２から出射する異常光線の伝搬位置は、図３（Ｂ）より（３−４，ｄ−ｅ）へとシフトされる。
【００４４】
分離された２つの偏光成分はレンズ４に入射され、図１で示すレンズ４の左側の凸曲面で光軸ｏａから内側へと屈折され、収束光に変換されてレンズ４から出射される。
【００４５】
次に、２つ偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する度に同一方向（時計回り）にそれぞれ４５度ずつ偏光面が回転されることで、図３（Ｃ）に示すように、時計方向（右回り）に合計９０度回転される。
【００４６】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、前記レンズ４の収束作用によって反射体６の反射面の一点Ｒに収束され、入射角と反対側に一点Ｒで点対称に反射される（図２，図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）参照）。つまり、レンズ４の後側焦点が点対称の反射点（Ｒ点）になる。
【００４７】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射され、図４（Ｄ）に示すように時計方向にそれぞれ４５度、合計で９０度偏光面が更に回転される。
【００４８】
次に、２つの偏光成分はレンズ４に入射され、図１で示すレンズ４の左側の凸曲面で平行光に変換される。
【００４９】
そして、平行光に変換された２つの偏光成分は偏光分離素子３に入射、透過することにより、図１、図２、及び図４（Ａ）に示すように結晶軸Ｘ２１に平行な異常光線がＹ軸方向にシフトされて光ファイバ２に入射されず、更に常光線となる偏光成分も光ファイバ２には入射されない。従って、前記被測定対象が光磁界センサ１の近傍に存在しない状態では、伝搬光が光ファイバ２に結合されないため伝搬光が検知されず、これにより、被測定対象を検知しないというセンサ動作を呈する。
【００５０】
次に、磁性体の被測定対象の存在により、永久磁石７から偏光分離素子５ａ及び５ｂに印加される磁界が変化し、偏光分離素子５ａ及び５ｂのそれぞれの回転角が磁気飽和時の半分の２２．５度の場合における、光磁界センサ１の動作を、図５乃至図８を参照して説明する。
【００５１】
図５，図６，及び図７（Ａ）と（Ｂ）より、光ファイバ２から偏光分離素子３へと光が入射され、偏光分離素子３で常光線と異常光線に分離されて、レンズ４で収束光に変換されるまでは、光磁界センサ１は前記図１，図２，図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の動作を示す。
【００５２】
次に、分離された２つの偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する度に同一方向（時計回り）にそれぞれ２２．５度ずつ偏光面が回転されることで、図７（Ｃ）に示すように時計方向（右回り）に合計４５度偏光面が回転される。前記の通り、磁性体の被測定対象が永久磁石７の近傍に接近すると、永久磁石７の磁界の一部が被測定対象に引き寄せられるので、永久磁石７から偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加される磁界が減少し、偏光面回転素子５ａ，５ｂのそれぞれの回転角が２２．５度まで減少する。
【００５３】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、反射体６で入射角と反対側に、一点Ｒで点対称となる様に反射される（図２，図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）参照）。
【００５４】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射され、図８（Ｄ）に示すように時計方向にそれぞれ２２．５度、合計で４５度偏光面が更に回転される。従って、２つの偏光成分の偏光面は、レンズ７から偏光面回転素子５ａに入射する時点から合計で９０度回転されたことになる。
【００５５】
更に、２つの偏光成分はレンズ４で平行光に変換され、偏光分離素子３に入射、透過される。この際、反射体６によって２つの偏光成分は点対称に反射されているため、光ファイバ２から光が偏光分離素子３に入射された時に、常光線として偏光分離素子３を透過した偏光成分は、反射体６で反射された後に偏光分離素子３に入射される時は異常光線として偏光分離素子３を透過する。
【００５６】
一方、光ファイバ２から光が偏光分離素子３に入射された時に、異常光線として偏光分離素子３を透過した偏光成分は、反射体６で反射された後に偏光分離素子３に入射される時は常光線として偏光分離素子３を透過する。
【００５７】
図６及び図８（Ａ）に示すように、結晶軸Ｘ２１に平行な偏光成分が異常光線としてＹ軸方向にシフトされて（３−４，ｂ−ｃ）の伝搬位置で２つの偏光成分は完全に合成され、光ファイバ２に入射される。
【００５８】
従って、被測定対象が光磁界センサ１の近傍に存在する時には、伝搬光が光ファイバ２に結合されるため、伝搬光が検知されることで被測定対象を検知するというセンサ動作を呈する。特に、図５乃至図８で示すように、偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加される永久磁石７からの磁界が磁気飽和時の半分となり、回転角が２２．５度になった場合、最終的に異常光線が完全にシフトされて常光線と結合して光ファイバ２に入射するため、検出される光強度が最大となる。
【００５９】
なお、永久磁石７の磁界が全て被測定対象に引き寄せられ、偏光分離素子５ａ及び５ｂに永久磁石７から磁界が印加されない場合における、光磁界センサ１の動作を、図９乃至図１２を参照して説明する。
【００６０】
図９，図１０，及び図１１（Ａ）と（Ｂ）より、光ファイバ２から偏光分離素子３へと光が入射され、偏光分離素子３で常光線と異常光線に分離されて、レンズ４で収束光に変換されるまでは、光磁界センサ１は前記図１，図２，図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の動作を示す。
【００６１】
次に、分離された２つの偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する際にそれぞれの偏光面は回転されず、そのままの偏光面を保持したまま偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する（図１１（Ｃ）参照）。
【００６２】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、反射体６で入射角と反対側に、一点Ｒで点対称となる様に反射される（図２，図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）参照）。
【００６３】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射されるが、やはり偏光面は回転されず、そのままの偏光面を保持したまま偏光面回転素子５ｂ，５ａを透過する。
【００６４】
更に、２つの偏光成分はレンズ４で平行光に変換され、偏光分離素子３に入射、透過され、図９、図１０、及び図１２（Ａ）に示すように結晶軸Ｘ２１に平行な異常光線がＹ軸方向にシフトされて光ファイバ２に入射されず、更に常光線となる偏光成分も光ファイバ２には入射されない。従って、永久磁石７の磁界が全て被測定対象に引っ張られ、偏光成分の偏光面が回転しない（偏光面回転素子５ｂ及び５ａの回転角が０）状態では、伝搬光が光ファイバ２に結合されないため、伝搬光が検知されない。即ち、測定対象を検知しないというセンサ動作を呈する。
【００６５】
以上のように、永久磁石７から偏光面回転素子５ｂ，５ａに印加される磁界の変化により、光の偏光面を回転させて光の強度を変化させて、被測定対象の有無を検出する。即ち、偏光面回転素子５ｂ，５ａの回転角に応じた量だけ、偏光分離素子３によって２つの偏光成分の光路の分離又は合成が起こるので、光ファイバ２に入射する光が減少又は増加する。この光強度の変化を検知することで、被測定対象を検知する光磁界センサとして動作する。このような永久磁石７の磁界の変化に伴う、光の強度の変化を図１３にグラフで示す。図１３のグラフは、光の強度変化を反射率，永久磁石７の磁界の変化を磁束密度として表したグラフである。
【００６６】
図１３より、グラフの直線部分上にセンサ動作点を設定するように構成することにより、センサ感度が最適化されることが分かる。
【００６７】
また、磁界印加手段を、永久磁石７に換えて電磁石や空芯コイルに変更しても良い。電磁石又は空芯コイルを使用すれば、偏光面回転素子５ａ，５ｂにそれぞれ所定の回転角を生じる磁界の調整を、コイルの通電制御によって容易に行うことが出来るため、前記センサ動作点の最適化が容易化される。なお、実際に光磁界センサ１を動作させる際には、偏光面回転素子５ａ，５ｂのそれぞれの回転角を４０度当たりからスタートさせることが好ましい。
【００６８】
以上のように、本発明の光磁界センサ１に依れば、反射体６によって２つの偏光成分を点対称に反射させ、互いの光路を交換するため、２つの偏光成分が偏光分離素子３を透過する時に、どちらの偏光成分も必ず異常光線となる。従って、２つの偏光成分が同一量だけ偏光分離素子３でシフトされて合成され、光ファイバ２に入射される。よって、光ファイバ２から楕円光が光学素子部に入射されても、２つの偏光成分の大きさがそれぞれ補償された上で合成されて光ファイバ２に入射されるため、検知される光強度が光ファイバ２に入射する光の偏光状態に伴って変化しない。以上により、光磁界センサ１００を偏光無依存性とすることが出来る。
【００６９】
又、光磁界センサ１が光強度を検知する際には、直交する２つの偏光成分を合成し、その合成した光を入射させて光強度を検知しているため、従来の光磁界センサのように一方の偏光成分を吸収もしくは除外していない。従って、入射光の挿入損失が低減可能である。
【００７０】
更に、光導波路２にシングルモード光ファイバを使用することによって、光導波路を延長しても低コスト化が可能となる。
【００７１】
又、本発明はその技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば、磁気飽和時に４５度の回転角を有する偏光面回転素子を、本実施形態の２枚から、３枚乃至８数に増やして、偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角を、９０度以上から３６０度以下までの任意の回転角に設定しても良い。図１３に、回転角を１８０度又は２７０度としたときの、反射率−永久磁石７の磁束密度のグラフをそれぞれ示す。図１３より、偏光面回転素子の枚数を増加して総回転角が大きくなるほど、永久磁石７の磁界の変化に対する光の光強度の応答性が急峻になり、光磁界センサ１の応答性並びに感度が向上することが分かる。
【００７２】
更に、光導波路２には、本実施形態のようなシングルモード光ファイバに換えて、ガラスや高分子フィルム母材内にパターニングされている光導波路に変更しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係る光磁界センサは、油田産業用途や、モータ等の回転装置或いは歯車などの回転部分の制御用途などに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子が磁気飽和されたときの光の光路を示す側面図。
【図２】図１の反射型磁界センサの斜視図。
【図３】図１の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図４】図１の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図５】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子に印加される永久磁石からの磁界が磁気飽和時の半分となったときの光の光路を示す側面図。
【図６】図５の反射型磁界センサの斜視図。
【図７】図５の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図８】図５の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図９】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子に永久磁石からの磁界が印加されないときの光の光路を示す側面図。
【図１０】図９の反射型磁界センサの斜視図。
【図１１】図９の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図１２】図９の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図１３】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの、光の強度変化を反射率，永久磁石の磁界の変化を磁束密度として表したグラフ。
【図１４】特許文献１記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【図１５】掘削作業後の一般的な陸上炭化水素杭井場所と、炭化水素地層及び表面機器を示した概略図。
【図１６】図１５の掘削穴の一部の拡大図と、光磁界センサの動作原理を示した概略図。
【図１７】特許文献３記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【図１８】特許文献４記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【符号の説明】
【００７５】
１ 光磁界センサ
２ 光導波路（光ファイバ）
３ 偏光分離素子
４ レンズ
５ａ，５ｂ 偏光面回転素子
６ 反射体
７ 永久磁石
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶と云った偏光面回転素子のファラデー効果を利用した、反射型光磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、汎用されている工業用装置や民生機器などには、モータ等の回転装置或いは歯車などの回転部分を有しているものが多い。これらの回転装置や回転部分を、より高度にかつ高精度に制御するためには、その回転速度や回転数を、連続的にしかも正確に測定しなければならない。
【０００３】
回転速度や回転数を測定する方法としては、磁気光学材料（ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶）のファラデー効果を利用した光磁界センサが提案されている。このようなファラデー効果を利用した光磁界方式によるセンサの計測では、電磁的な雑音の影響が殆ど無く、有機溶剤などの可燃性物質を扱う場所でも防爆対策が不要と云った特長を有する。
【０００４】
光磁界センサの型式には、透過型と反射型とがある。透過型はその構成上、光の入射および透過の方向が一直線上となるように構成しなければならないので、設置場所に制約が生ずる。
【０００５】
このような透過型光磁界センサの欠点を改善する光磁界センサとして、反射型光磁界センサが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１９１３７号（第４−６頁、図１）
【０００７】
図１４は、特許文献１記載の反射型光磁界センサ１００の一構成例を示す模式図である。反射型光磁界センサ１００は、２本の光ファイバ１０１，１０２を固着した２芯のフェルールまたはガラスキャピラリ１０３、複屈折板（偏光分離素子）１０４、レンズ１０５、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶からなるファラデー回転子（偏光面回転素子）１０６、ミラー（反射体）１０７の順に構成部品を配置することで構成される。
【０００８】
反射型光磁界センサ１００の動作は次の通りである。入射側の光ファイバから複屈折板１０４に入射した光は常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、レンズ１０５を透過後にファラデー回転子１０６に入射される。ファラデー回転子１０６は外部磁界の有無によって、磁気的に飽和又は未飽和状態となることにより、２つの偏光成分の偏光面が変化される。ファラデー回転子１０６を透過した２つの偏光成分はミラー１０７により反射されて、再びファラデー回転子１０６を透過して、レンズ１０５により集光された後、複屈折板１０４で合成されて出射側の光ファイバへ入射される。
【０００９】
複屈折板１０４を透過する際に、ファラデー回転子１０６の回転角に応じて複屈折板１０４で２つの偏光成分の光路分離が更に起こるので、出射側の光ファイバに入射する光が減少する。この光強度変化を検知することで、反射型光磁界センサ１００が動作する。
【００１０】
また最近では、光磁界センサの防爆対策不要との特性を活かして、油田産業用途向けの光磁界センサが考案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【００１１】
【特許文献２】特表２００８−５２３４０１号（第７−１０頁、図１）
【００１２】
図１５は、掘削作業後の一般的な陸上炭化水素杭井場所と、炭化水素地層１０８、及び表面機器１０９とを示した概略図である。掘削穴を安定化させるケーシングストリング１１０は、複数のケーシングジョイント１１１を備えており、ケーシングジョイント１１１がケーシングカラー１１２によって互いに結合される。ボーリング検層作業では、炭化水素地層１０８の様々なパラメータ（例えば、抵抗、空隙率など）や、掘削穴内の様々なパラメータ（例えば、温度、圧力、流体タイプ、流体流速など）を測定する。そのような測定は、ロギングツール１１３に備えられた光磁界センサよって行なわれる。
【００１３】
図１６は、図１５の掘削穴の一部の拡大図と、光磁界センサ１１４の動作原理を示した概略図である。光磁界センサ１１４は、前記ケーシングストリング１１０の第１のケーシングジョイント１１１ａと第２のケーシングジョイント１１１ｂとの間の、ケーシングカラー１１２ａの存在を検出する。ケーシングカラー１１２ａの検出を、ロギングツール１１３によって行なわれる他の測定と関連付けることにより、更なる地層測定、及び／又は、開拓対象の前記炭化水素地層１０８の位置をケーシングジョイント１１１ａ，１１１ｂの位置（即ち、深さの位置）と関連付けることが出来る。
【００１４】
光磁気センサ１１４は、光ファイバ１１５に光学的に結合されており、二色性の吸収型偏光子１１６と、ファラデー回転子（偏光面回転素子）１１７と、反射素子（反射体）１１８とを備える。更に、ファラデー回転子１１７に磁界を印加する永久磁石１１９を備える。光ファイバ１１５から光が入射されると、偏光子１１６により光の偏光状態は直線偏光に変換され、反射素子１１８で反射される前後で、ファラデー回転子１１７を２回透過し、所定の回転角の２倍だけ直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することにより、ケーシングカラーの存在を検出する。
【００１５】
更に、特許文献２の他にも、導波路である光ファイバを単芯とすることで、光磁界センサの導波路部分の細経化と、低コスト化を図った光磁界センサが考案されている（例えば、特許文献３または特許文献４を参照）。
【００１６】
【特許文献３】特開平０２−０２８５７４号（第２−３頁、第１図）
【特許文献４】特開昭６０−１２０２７１号（第２頁、第１図）
【００１７】
図１７より、特許文献３の光磁界センサ１２０は、単芯の光ファイバ１２１、レンズ１２２、二色性の吸収型偏光子１２３、ファラデー回転子１２４、及び反射体１２５が順に配置されると共に、ファラデー回転子１２４に磁界を印加する円筒状の永久磁石１２６を備えて構成される。光ファイバ１２１から光が入射されると、偏光子１２３により光の偏光状態が直線偏光に変換され、反射体１２５で反射される前後で、ファラデー回転子１２４を２回透過し、所定の回転角の２倍だけ直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することで光磁界センサ１２０が動作する。
【００１８】
図１８より、特許文献４の光磁界センサ１２７は、単芯の光ファイバ１２８、偏光ビームスプリッタ１２９、ファラデー回転子１３０、２２．５度の旋光子１３１、及び反射膜（反射体）１３２が順に配置されて構成される。光ファイバ１２８からＬＥＤ光源１３３の光が入射されると、偏光ビームスプリッタ１２９により光が２つの直線偏光に分離され、一方の直線偏光のみ、反射膜１３２で反射される前後で、ファラデー回転子１３０及び旋光子１３１を２回透過し、直線偏光の偏光面が回転される。この偏光面の回転角を測定することで光磁界センサ１２７が動作する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献１の光磁界センサ１００の構成は、入射側の光ファイバから光を入射後、その光を複屈折板１０４に入射させて常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離し、ミラー１０７により反射させた後、再び複屈折板で合成して、出光側の光ファイバへと入射させている。従って、２つの偏光成分のうち一方の偏光成分のみが常に異常光線として複屈折板１０４内でシフトされると、楕円光のように時間の経過と共に偏光状態が変化する光が入射すると片方の偏光成分の大きさのみ変化するため、出射側の光ファイバに入射する偏光成分の大きさが時間と共に変化する。よって、検知される光強度が、入射側光ファイバに入射する光の偏光状態に伴って変化するため、光磁界センサ１００が偏光依存性を持ってしまう。
【００２０】
そのため、入射側光ファイバから出射される光を、完全な円偏光に変換しなければならない。ＡＳＥ光源とデポラライザーを使用することで、光の偏光状態を真円に近づけることは出来るものの、完全な真円状態に変換することは不可能であり、その結果、特許文献１の光磁界センサ１００では偏光依存性を解消することは不可能であった。
【００２１】
また、特許文献２，３，４記載の光磁界センサ１１４，１２０，１２７は、光の直交する２つの偏光成分のうち、一方の偏光成分を吸収型偏光子又は偏光ビームスプリッタにより吸収もしくは除外しているため、入射光の挿入損失が大きいという課題があった。
【００２２】
本発明の反射型光磁界センサは上記課題に基づいて為されたものであり、その目的は入射光の偏光状態が真円ではない楕円光の状態でも、検知する光強度が入射光の偏光状態の変化に依存しない、偏光無依存性の光磁界センサを提供することである。
【００２３】
更に、従来の光磁界センサに比べて入射光の挿入損失が低減された光磁界センサ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】
【００２４】
本発明の請求項１に記載の反射型光磁界センサは、
光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含み、
光導波路から順に、偏光分離素子，集光レンズ，偏光面回転素子，反射体と配置され、
光導波路は単芯であり、
更に、偏光面回転素子の周囲には磁界印加手段が配置されて、その磁界印加手段によって偏光面回転素子に磁界が印加され、
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が、９０度以上且つ３６０度以下となるように、偏光面回転素子の回転角が設定され、
光導波路から偏光分離素子に光が入射され、
偏光分離素子に入射された光は、偏光分離素子によって常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて収束され、
収束された２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、前記設定された回転角だけ回転され、
更に、２つの偏光成分は反射体の反射面の一点に収束されて点対称に反射され、
再度、２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、偏光面が前記設定された回転角だけ更に回転され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて平行光に変換され、
平行光に変換された２つの偏光成分は、更に偏光分離素子に入射され、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は異常光線として透過すると共に、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に異常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は常光線として透過して、２つの偏光成分が合成され、
合成された光が光導波路に入射されることを特徴とする反射型光磁界センサである。
【００２５】
更に、本発明の請求項２に記載の反射型光磁界センサは、前記光導波路がシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の反射型光磁界センサである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１記載の反射型光磁界センサに依れば、光導波路から楕円光が入射されても、２つの偏光成分の大きさがそれぞれ補償された上で合成されて光導波路に入射されるため、検知される光強度が入射光の偏光状態に伴って変化しないため、反射型光磁界センサを偏光無依存性とすることが出来る。
【００２７】
又、前記反射型光磁界センサは、直交する２つの偏光成分を合成し、その合成した光を入射させて光強度を検知するため、一方の偏光成分を吸収もしくは除外しないので、入射光の挿入損失が低減可能である。
【００２８】
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が９０度以上且つ３６０度以下となるように偏光面回転素子の回転角を設定することにより、反射型光磁界センサの応答性並びに感度を向上させることが出来る。
【００２９】
更に、本発明の請求項２記載の反射型光磁界センサに依れば、光導波路にシングルモード光ファイバを使用するので、光導波路を延長しても低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る反射型光磁界センサ１の最良の実施形態を、図１から図１３を参照して詳細に説明する。なお、各図に示してあるＸ軸，Ｙ軸，及びＺ軸は、それぞれの図で対応している。図１と図２に、光の伝搬方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたときの、反射型光磁界センサ１の光導波路２から反射体６までの各光学素子の構成と配置を示す。また、光が各光学素子内部を透過する際の光路は破線で表し、それ以外の光路は実線で表すものとする。
【００３１】
本発明の反射型光磁界センサ１（以下、「光磁界センサ１」と記す）は、図１と図２に示すように、偏光分離素子３，レンズ４，偏光面回転素子５ａ及び５ｂ，とから成る光学素子部を備える。更に、これら光学素子部の一端側に光導波路２が配置され、前記光学素子部を挟んで光導波路２の反対側には、反射体６が配置される。更に、偏光面回転素子５ａ及び５ｂの周囲には、偏光面回転素子５ａ及び５ｂに磁界を印加するための磁界印加手段である永久磁石７が配置される。
【００３２】
光学素子部の各光学素子は、光導波路２からＺ軸方向に順に、偏光分離素子３，レンズ４，偏光面回転素子５ａ及び５ｂ、と配置される。各光学素子のそれぞれの光学面には、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２等の反射防止コートを施すことが望ましい。
【００３３】
光導波路２は、単芯のシングルモード光ファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）で構成される（以下、「光ファイバ２」と記載する）。シングルモード光ファイバはコアが石英ガラス、クラッドがＧｅ等を添加した石英ガラスから構成され、波長１５５０ｎｍの光を伝搬させる。なお、光導波路２及び永久磁石７は、図２，図６，図１０では図示を省略している。
【００３４】
偏光分離素子３は、光ファイバ２から入射された光を常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離、及び後述する反射体６で反射して戻ってくる前記２つの偏光成分の合成を行う光学素子である。偏光分離素子３には、例えば、ルチル（ＴｉＯ２）等の複屈折単結晶が使用される。更に、偏光分離素子３の光学面上の結晶軸Ｘ２１（図２参照）の方向は、Ｙ軸方向と平行に設定する。一方、光学面に対する結晶軸Ｘ２２（図２参照）の方向は、最大の分離幅を得られるように光学面の法線に対して４２〜５０度前後（最も好ましくは４７．８度）に設定する。
【００３５】
レンズ４は、入射する光の収束又はコリメーションを行う単一レンズであり、平凸レンズを使用する。凸面を偏光分離素子３に対向させると共に、平面を偏光面回転素子５に対向させて配置する。
【００３６】
偏光面回転素子５ａ及び５ｂは、偏光分離素子３を透過した前記２つの偏光成分の偏光面を回転させる、非相反性の偏光面回転素子であり、使用波長帯域で磁気飽和時にそれぞれで回転角４５度を有する、できるだけ薄いものを使用する。例えば、磁性のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶等が最適である。偏光面回転素子５ａ及び５ｂは、一定の間隔でＺ軸方向に直列に並べて配置する。更に、偏光面回転素子５ａ及び５ｂとＺ軸方向とは２度以上４度以下の傾き角度を持たせる。この傾き角度は、原理的に９０度未満まで可能であるが、傾き角度が大きくなるにつれて、光磁界センサとしてのＳＮ比が大きくなるため、２度以上４度以下の角度範囲が好ましい。
【００３７】
更に、本実施の形態では、偏光面回転素子５ａ及び５ｂの回転角の方向を、光ファイバ２からＺ軸方向に見たときに、同一方向である時計方向に設定することとする。従って、偏光面回転素子５ａ及び５ｂを透過した、前記２つの偏光成分の偏光面の合計回転角は９０度に設定される。
【００３８】
永久磁石７は、中空円筒型のＳｍ−Ｃｏ製の永久磁石を使用し、偏光面回転素子５ａ及び５ｂに飽和磁界又は所定の回転角を発生するために必要な磁界を印加する。また、磁化方向はＺ軸方向と平行となるように、円筒型の端面がそれぞれＮ，Ｓ極となるように着磁される。
【００３９】
反射体６は、偏光面回転素子５ｂを透過した２つの偏光成分を反射する反射鏡で、本実施の形態では、一例として、基板の表面にＳｉＯ２／ＴｉＯ２をコーティングした全反射鏡を用いる。
【００４０】
次に、光磁界センサ１の動作について説明する。図１乃至図４は、例えば磁性体の被測定対象が永久磁石７の近傍に存在せず、永久磁石７の磁界が全て偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加されて偏光面回転素子５ａ，５ｂが磁気飽和されたときの光磁界センサ１の動作を示す。図３及び図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、図１中の符号（Ａ）〜（Ｄ）で示す各光路断面での偏光状態に対応している。図３及び図４では、横方向がＸ軸、縦方向がｙ軸、紙面に向かう方向がｚ軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に６分割して、Ｘ軸方向には１から６で、Ｙ軸方向にはａ〜ｆで、各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００４１】
光ファイバ２に光が入射されると、その光は光ファイバ２を伝搬して、光入出射端面から偏光分離素子３へと入射される。
【００４２】
光ファイバ２から偏光分離素子３へと入射する光の入射位置は、マトリクスで見ると図３（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向では３と４の間で、Ｙ軸方向ではｂとｃの間である。本実施の形態ではこのような位置を（３−４，ｂ−ｃ）と表す。
【００４３】
偏光分離素子２に入射された光は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、偏光分離素子２で結晶軸Ｘ２１に直交する常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分に分離される。偏光分離素子２から出射する異常光線の伝搬位置は、図３（Ｂ）より（３−４，ｄ−ｅ）へとシフトされる。
【００４４】
分離された２つの偏光成分はレンズ４に入射され、図１で示すレンズ４の左側の凸曲面で光軸ｏａから内側へと屈折され、収束光に変換されてレンズ４から出射される。
【００４５】
次に、２つ偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する度に同一方向（時計回り）にそれぞれ４５度ずつ偏光面が回転されることで、図３（Ｃ）に示すように、時計方向（右回り）に合計９０度回転される。
【００４６】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、前記レンズ４の収束作用によって反射体６の反射面の一点Ｒに収束され、入射角と反対側に一点Ｒで点対称に反射される（図２，図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）参照）。つまり、レンズ４の後側焦点が点対称の反射点（Ｒ点）になる。
【００４７】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射され、図４（Ｄ）に示すように時計方向にそれぞれ４５度、合計で９０度偏光面が更に回転される。
【００４８】
次に、２つの偏光成分はレンズ４に入射され、図１で示すレンズ４の左側の凸曲面で平行光に変換される。
【００４９】
そして、平行光に変換された２つの偏光成分は偏光分離素子３に入射、透過することにより、図１、図２、及び図４（Ａ）に示すように結晶軸Ｘ２１に平行な異常光線がＹ軸方向にシフトされて光ファイバ２に入射されず、更に常光線となる偏光成分も光ファイバ２には入射されない。従って、前記被測定対象が光磁界センサ１の近傍に存在しない状態では、伝搬光が光ファイバ２に結合されないため伝搬光が検知されず、これにより、被測定対象を検知しないというセンサ動作を呈する。
【００５０】
次に、磁性体の被測定対象の存在により、永久磁石７から偏光分離素子５ａ及び５ｂに印加される磁界が変化し、偏光分離素子５ａ及び５ｂのそれぞれの回転角が磁気飽和時の半分の２２．５度の場合における、光磁界センサ１の動作を、図５乃至図８を参照して説明する。
【００５１】
図５，図６，及び図７（Ａ）と（Ｂ）より、光ファイバ２から偏光分離素子３へと光が入射され、偏光分離素子３で常光線と異常光線に分離されて、レンズ４で収束光に変換されるまでは、光磁界センサ１は前記図１，図２，図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の動作を示す。
【００５２】
次に、分離された２つの偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する度に同一方向（時計回り）にそれぞれ２２．５度ずつ偏光面が回転されることで、図７（Ｃ）に示すように時計方向（右回り）に合計４５度偏光面が回転される。前記の通り、磁性体の被測定対象が永久磁石７の近傍に接近すると、永久磁石７の磁界の一部が被測定対象に引き寄せられるので、永久磁石７から偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加される磁界が減少し、偏光面回転素子５ａ，５ｂのそれぞれの回転角が２２．５度まで減少する。
【００５３】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、反射体６で入射角と反対側に、一点Ｒで点対称となる様に反射される（図２，図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）参照）。
【００５４】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射され、図８（Ｄ）に示すように時計方向にそれぞれ２２．５度、合計で４５度偏光面が更に回転される。従って、２つの偏光成分の偏光面は、レンズ７から偏光面回転素子５ａに入射する時点から合計で９０度回転されたことになる。
【００５５】
更に、２つの偏光成分はレンズ４で平行光に変換され、偏光分離素子３に入射、透過される。この際、反射体６によって２つの偏光成分は点対称に反射されているため、光ファイバ２から光が偏光分離素子３に入射された時に、常光線として偏光分離素子３を透過した偏光成分は、反射体６で反射された後に偏光分離素子３に入射される時は異常光線として偏光分離素子３を透過する。
【００５６】
一方、光ファイバ２から光が偏光分離素子３に入射された時に、異常光線として偏光分離素子３を透過した偏光成分は、反射体６で反射された後に偏光分離素子３に入射される時は常光線として偏光分離素子３を透過する。
【００５７】
図６及び図８（Ａ）に示すように、結晶軸Ｘ２１に平行な偏光成分が異常光線としてＹ軸方向にシフトされて（３−４，ｂ−ｃ）の伝搬位置で２つの偏光成分は完全に合成され、光ファイバ２に入射される。
【００５８】
従って、被測定対象が光磁界センサ１の近傍に存在する時には、伝搬光が光ファイバ２に結合されるため、伝搬光が検知されることで被測定対象を検知するというセンサ動作を呈する。特に、図５乃至図８で示すように、偏光面回転素子５ａ，５ｂに印加される永久磁石７からの磁界が磁気飽和時の半分となり、回転角が２２．５度になった場合、最終的に異常光線が完全にシフトされて常光線と結合して光ファイバ２に入射するため、検出される光強度が最大となる。
【００５９】
なお、永久磁石７の磁界が全て被測定対象に引き寄せられ、偏光分離素子５ａ及び５ｂに永久磁石７から磁界が印加されない場合における、光磁界センサ１の動作を、図９乃至図１２を参照して説明する。
【００６０】
図９，図１０，及び図１１（Ａ）と（Ｂ）より、光ファイバ２から偏光分離素子３へと光が入射され、偏光分離素子３で常光線と異常光線に分離されて、レンズ４で収束光に変換されるまでは、光磁界センサ１は前記図１，図２，図３（Ａ）及び（Ｂ）と同様の動作を示す。
【００６１】
次に、分離された２つの偏光成分は、偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する際にそれぞれの偏光面は回転されず、そのままの偏光面を保持したまま偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過する（図１１（Ｃ）参照）。
【００６２】
偏光面回転素子５ａ，５ｂを透過した２つの偏光成分の光は、反射体６で入射角と反対側に、一点Ｒで点対称となる様に反射される（図２，図１１（Ｃ）及び図１２（Ｃ）参照）。
【００６３】
反射された２つの偏光成分は、再度、偏光面回転素子５ｂ及び５ａに入射されるが、やはり偏光面は回転されず、そのままの偏光面を保持したまま偏光面回転素子５ｂ，５ａを透過する。
【００６４】
更に、２つの偏光成分はレンズ４で平行光に変換され、偏光分離素子３に入射、透過され、図９、図１０、及び図１２（Ａ）に示すように結晶軸Ｘ２１に平行な異常光線がＹ軸方向にシフトされて光ファイバ２に入射されず、更に常光線となる偏光成分も光ファイバ２には入射されない。従って、永久磁石７の磁界が全て被測定対象に引っ張られ、偏光成分の偏光面が回転しない（偏光面回転素子５ｂ及び５ａの回転角が０）状態では、伝搬光が光ファイバ２に結合されないため、伝搬光が検知されない。即ち、測定対象を検知しないというセンサ動作を呈する。
【００６５】
以上のように、永久磁石７から偏光面回転素子５ｂ，５ａに印加される磁界の変化により、光の偏光面を回転させて光の強度を変化させて、被測定対象の有無を検出する。即ち、偏光面回転素子５ｂ，５ａの回転角に応じた量だけ、偏光分離素子３によって２つの偏光成分の光路の分離又は合成が起こるので、光ファイバ２に入射する光が減少又は増加する。この光強度の変化を検知することで、被測定対象を検知する光磁界センサとして動作する。このような永久磁石７の磁界の変化に伴う、光の強度の変化を図１３にグラフで示す。図１３のグラフは、光の強度変化を反射率，永久磁石７の磁界の変化を磁束密度として表したグラフである。
【００６６】
図１３より、グラフの直線部分上にセンサ動作点を設定するように構成することにより、センサ感度が最適化されることが分かる。
【００６７】
また、磁界印加手段を、永久磁石７に換えて電磁石や空芯コイルに変更しても良い。電磁石又は空芯コイルを使用すれば、偏光面回転素子５ａ，５ｂにそれぞれ所定の回転角を生じる磁界の調整を、コイルの通電制御によって容易に行うことが出来るため、前記センサ動作点の最適化が容易化される。なお、実際に光磁界センサ１を動作させる際には、偏光面回転素子５ａ，５ｂのそれぞれの回転角を４０度当たりからスタートさせることが好ましい。
【００６８】
以上のように、本発明の光磁界センサ１に依れば、反射体６によって２つの偏光成分を点対称に反射させ、互いの光路を交換するため、２つの偏光成分が偏光分離素子３を透過する時に、どちらの偏光成分も必ず異常光線となる。従って、２つの偏光成分が同一量だけ偏光分離素子３でシフトされて合成され、光ファイバ２に入射される。よって、光ファイバ２から楕円光が光学素子部に入射されても、２つの偏光成分の大きさがそれぞれ補償された上で合成されて光ファイバ２に入射されるため、検知される光強度が光ファイバ２に入射する光の偏光状態に伴って変化しない。以上により、光磁界センサ１００を偏光無依存性とすることが出来る。
【００６９】
又、光磁界センサ１が光強度を検知する際には、直交する２つの偏光成分を合成し、その合成した光を入射させて光強度を検知しているため、従来の光磁界センサのように一方の偏光成分を吸収もしくは除外していない。従って、入射光の挿入損失が低減可能である。
【００７０】
更に、光導波路２にシングルモード光ファイバを使用することによって、光導波路を延長しても低コスト化が可能となる。
【００７１】
又、本発明はその技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば、磁気飽和時に４５度の回転角を有する偏光面回転素子を、本実施形態の２枚から、３枚乃至８数に増やして、偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角を、９０度以上から３６０度以下までの任意の回転角に設定しても良い。図１３に、回転角を１８０度又は２７０度としたときの、反射率−永久磁石７の磁束密度のグラフをそれぞれ示す。図１３より、偏光面回転素子の枚数を増加して総回転角が大きくなるほど、永久磁石７の磁界の変化に対する光の光強度の応答性が急峻になり、光磁界センサ１の応答性並びに感度が向上することが分かる。
【００７２】
更に、光導波路２には、本実施形態のようなシングルモード光ファイバに換えて、ガラスや高分子フィルム母材内にパターニングされている光導波路に変更しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係る光磁界センサは、油田産業用途や、モータ等の回転装置或いは歯車などの回転部分の制御用途などに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子が磁気飽和されたときの光の光路を示す側面図。
【図２】図１の反射型磁界センサの斜視図。
【図３】図１の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図４】図１の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図５】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子に印加される永久磁石からの磁界が磁気飽和時の半分となったときの光の光路を示す側面図。
【図６】図５の反射型磁界センサの斜視図。
【図７】図５の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図８】図５の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図９】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの構成と、偏光面回転素子に永久磁石からの磁界が印加されないときの光の光路を示す側面図。
【図１０】図９の反射型磁界センサの斜視図。
【図１１】図９の反射型磁界センサにおいて、光ファイバから出射して反射体で反射されるまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図１２】図９の反射型磁界センサにおいて、反射体で反射されて光ファイバに入射するまでの光の偏光状態を示す説明図。
【図１３】本発明に係る最良の実施形態の反射型磁界センサの、光の強度変化を反射率，永久磁石の磁界の変化を磁束密度として表したグラフ。
【図１４】特許文献１記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【図１５】掘削作業後の一般的な陸上炭化水素杭井場所と、炭化水素地層及び表面機器を示した概略図。
【図１６】図１５の掘削穴の一部の拡大図と、光磁界センサの動作原理を示した概略図。
【図１７】特許文献３記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【図１８】特許文献４記載の反射型光磁界センサの一構成例を示す模式図。
【符号の説明】
【００７５】
１ 光磁界センサ
２ 光導波路（光ファイバ）
３ 偏光分離素子
４ レンズ
５ａ，５ｂ 偏光面回転素子
６ 反射体
７ 永久磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型光磁界センサは、
光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含み、
光導波路から順に、偏光分離素子，集光レンズ，偏光面回転素子，反射体と配置され、
光導波路は単芯であり、
更に、偏光面回転素子の周囲には磁界印加手段が配置されて、その磁界印加手段によって偏光面回転素子に磁界が印加され、
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が、９０度以上且つ３６０度以下となるように、偏光面回転素子の回転角が設定され、
光導波路から偏光分離素子に光が入射され、
偏光分離素子に入射された光は、偏光分離素子によって常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて収束され、
収束された２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、前記設定された回転角だけ回転され、
更に、２つの偏光成分は反射体の反射面の一点に収束されて点対称に反射され、
再度、２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、偏光面が前記設定された回転角だけ更に回転され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて平行光に変換され、
平行光に変換された２つの偏光成分は、更に偏光分離素子に入射され、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は異常光線として透過すると共に、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に異常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は常光線として透過して、２つの偏光成分が合成され、
合成された光が光導波路に入射されることを特徴とする反射型光磁界センサ。
【請求項２】
前記光導波路がシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の反射型光磁界センサ。
【請求項１】
反射型光磁界センサは、
光導波路と、偏光分離素子と、レンズと、非相反性の偏光面回転素子と、反射体を含み、
光導波路から順に、偏光分離素子，集光レンズ，偏光面回転素子，反射体と配置され、
光導波路は単芯であり、
更に、偏光面回転素子の周囲には磁界印加手段が配置されて、その磁界印加手段によって偏光面回転素子に磁界が印加され、
偏光面回転素子を透過する光の偏光面の回転角が、９０度以上且つ３６０度以下となるように、偏光面回転素子の回転角が設定され、
光導波路から偏光分離素子に光が入射され、
偏光分離素子に入射された光は、偏光分離素子によって常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて収束され、
収束された２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、前記設定された回転角だけ回転され、
更に、２つの偏光成分は反射体の反射面の一点に収束されて点対称に反射され、
再度、２つの偏光成分は偏光面回転素子に入射されて、偏光面が前記設定された回転角だけ更に回転され、
次に、２つの偏光成分はレンズに入射されて平行光に変換され、
平行光に変換された２つの偏光成分は、更に偏光分離素子に入射され、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は異常光線として透過すると共に、
光導波路から光が偏光分離素子に入射された時に異常光線として偏光分離素子を透過した偏光成分は、反射体で反射された後に偏光分離素子に入射された時は常光線として透過して、２つの偏光成分が合成され、
合成された光が光導波路に入射されることを特徴とする反射型光磁界センサ。
【請求項２】
前記光導波路がシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の反射型光磁界センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−１０７４９０（Ｐ２０１０−１０７４９０Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９８７４１（Ｐ２００８−２９８７４１）
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００１０１３８５）アダマンド工業株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００１０１３８５）アダマンド工業株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
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