(57)【要約】【課題】不要な外部磁界の影響を回避して、被測定ポイント或いは被測定領域の磁界を正確に測定することができる磁気センサー、及び磁気測定装置を提供する。【解決手段】この磁気測定装置１００は、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象（電磁誘起透過現象）を発生させるための共鳴光対を発生するＬＤ（光源）と、図３の磁気センサー４０と、ＥＩＴ信号にゼーマン分裂を生起させるための静磁界を発生する磁界発生手段１２と、磁気センサー４０から出射した共鳴光対を検出するＰＤ（光検出手段）１４と、ＥＩＴ信号を検知して発振周波数をロックするロック回路１５と、ロック回路１５の電圧に基づいて発振周波数を制御するローカル発振器１６と、ローカル発振器１６の周波数を逓倍して高周波を生成するＰＬＬ１７と、を備えて構成されている。【選択図】図４
2011089868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を全反射するクラッドと、前記全反射した光を伝播するコアーと、前記コアーの内部
に形成された中空部とを有する光ファイバーと、
前記中空部に密封されたアルカリ金属原子と、を備えたことを特徴とするファイバーセ
ル。
【請求項２】
前記光ファイバーを多重巻きに構成したことを特徴とする請求項１に記載のファイバー
セル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のファイバーセルを外部磁界の強度を検出するセンサーとして備
えたことを特徴とする磁気センサー。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のファイバーセルを格子状に配列して、２次元領域の磁界強度を
測定可能としたことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサー。
【請求項５】
アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させるための共鳴光対を発生する光源と、
請求項３又は４に記載の磁気センサーと、
前記アルカリ金属原子にゼーマン分裂を生起させるための静磁界を発生する磁界発生手
段と、
前記磁気センサーから出射した前記共鳴光対を検出する光検出手段と、
前記共鳴光対の周波数差を掃引する周波数掃引手段と、
前記周波数差の掃引に同期して前記光検出手段の出力強度における複数の極大値の発生
した時間の間隔を記録する記録手段と、を備え、
前記複数の極大値の発生した時間の間隔に基づいて外部磁界の強度を計測することを特
徴とする磁界測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバーセル、磁気センサー、及び磁界測定装置に関し、さらに詳しくは
、光ファイバーの一部にアルカリ金属原子を封入したファイバーセルを用いて、外部磁界
の強度を検出する磁気センサー、及び磁界測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子発振器の発振周波数は、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差（Δ
Ｅ１２）を基準としている。ΔＥ１２の値は、外部磁気の強さやゆらぎで変化するため、
原子発振器のセルには、外部磁気の影響を受けないように、磁気シールドが施されている
。そこで磁気シールドを外し、ΔＥ１２の変化を発振周波数変化から読取ることにより、
外部磁気の強さや変動を測定する磁気センサーをつくることができる。しかし、原子発振
器内部の電子部品からも磁界が発生しており、セルの周辺には、被測定磁界以外の磁界が
存在するため、被測定磁界のみを正確に測定することが困難である。
また、特許文献１には、光ポンピング方式を用いた磁束計について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６７６１６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に記載の従来技術は、アルカリ金属と光の作用を利用するこ
とで高感度磁気センサーを構成する点では優れているが、レーザーを空間に放出してレン
ズでコリメートして、その光を光検出器で受光する構成や、セルの近くにレーザーやその
周辺回路が配置されている構成のため、光軸合わせなどが困難であり、光検出器などから
発生される磁気ノイズを受け易いといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ファイバーの一部にアルカリ金属
原子を封入したファイバーセルを用いて、外部磁界の強度を検出することにより、不要な
外部磁界の影響を回避して、被測定ポイント或いは被測定領域の磁界を正確に測定するこ
とができる磁気センサー、及び磁気測定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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］光を全反射するクラッドと、前記全反射した光を伝播するコアーと、前記
コアーの内部に形成された中空部とを有する光ファイバーと、前記中空部に密封されたア
ルカリ金属原子と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
光ファイバーは電界や磁界の影響を受けないで光を伝播することができる。また、磁気
の強度を検知するために、アルカリ金属原子を封入したセルをファイバーと一体的に構成
する必要がある。そこで本発明では、光ファイバーのコアーの中心部を貫通して中空部を
形成し、その中にアルカリ金属原子を封入して、両端を光ファイバーのコアーで封止する
。これにより、全体を光ファイバーで構成した磁気センサーを実現することができる。
【０００８】
［適用例２］前記ファイバーセルを多重巻きに構成したことを特徴とする。
【０００９】
電磁誘起透過現象による光出力信号のＳＮ比を向上させるには、レーザー光と相互作用
するアルカリ金属の原子数を増やす必要がある。そこで本発明では、アルカリ金属原子を
封入したファイバーセルの長さを長くして、そのファイバーセルを多重巻きに構成する。
これにより、光出力信号のＳＮ比を向上させると共に、磁気を検知する感度を高めること
ができる。
【００１０】
［適用例３］適用例１又は２に記載のファイバーセルを外部磁界の強度を検出するセン
サーとして備えたことを特徴とする。
【００１１】
アルカリ金属原子が封入されたファイバーセルは、磁気を検出するセンサーとして働く
。また、原子発振器の発振周波数は、原子の２つの基底準位間のエネルギー差の値が、外
部磁気の強さやゆらぎで変化することが知られている。そのため、実際に測定する場所を
ピンポイントで検出できる構成とすることが好ましい。そこで本発明では、ファイバーセ
ルの構成を、２つの部分に分けて構成する。即ち、アルカリ金属原子が封入された第２の
光ファイバーと、その両端に光を伝播する役目の第１の光ファイバーを夫々接続する。こ
れにより、被測定領域以外の不要な磁界を検出することなく、被測定領域の磁界を正確に
検出することができる磁気センサーを提供することができる。
【００１２】
［適用例４］適用例１又は２に記載のファイバーセルを格子状に配列して、２次元領域
の磁界強度を測定可能としたことを特徴とする。
【００１３】
被測定領域が１ポイントであれば１本のファイバーセルでよい。しかし、被測定領域が
２次元的に広がっている場合は、１本のファイバーセルでは、測定に多くの時間を要する
ばかりでなく、測定の精度も低下する。そこで本発明では、ファイバーセルを格子状に配
列して、２次元領域の磁界強度を測定可能とした。これにより、複数個所の測定を同時に
且つ正確に測定することができる。
【００１４】
［適用例５］アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させるための共鳴光対を発生
する光源と、適用例３又は４に記載の磁気センサーと、前記アルカリ金属原子にゼーマン
分裂を生起させるための静磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁気センサーから出射し
た前記共鳴光対を検出する光検出手段と、前記共鳴光対の周波数差を掃引する周波数掃引
手段と、前記周波数差の掃引に同期して前記光検出手段の出力強度における複数の極大値
を記録する記録手段と、を備え、前記複数の極大値に対応する前記周波数差に基づいて外
部磁界の強度を計測することを特徴とする。
【００１５】
本発明の磁気センサーを用いて磁気測定装置を実現するためには、磁気センサー（光フ
ァイバー）に共鳴光対を入射する光源と、磁気センサーから出射した共鳴光対の強度を検
出する光検出手段と、マイクロ波をスイープして電磁誘起透過現象を発生させるスイープ
回路と、前記アルカリ金属原子をゼーマン分裂させるための静磁界を発生する磁界発生手
段と、光検出手段から出力された信号の極大値を記憶するピーク検出回路と、を備えてい
る。そして、ゼーマン分裂させた状態で複数の極大値をピーク検出手段により検出して、
それぞれのピークの周期差から磁気の強度を判定する。即ち、ピークの周期差が大きいほ
ど磁気の強度は大きいと判断する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明のファイバーセルの一部分の構成を示す図である。
【図２】一般的な光ファイバーの構成を示す図であり、（ａ）は光ファイバーを円周方向に切断した断面図、（ｂ）は光ファイバーを軸方向（Ｂ−Ｂ）に切断した断面図である。
【図３】本発明の磁気センサーの全体構成を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る磁気測定装置の構成を示すブロック図、（ｂ）は本発明の磁気センサーを多重巻きにして構成した図である。
【図５】図４（ｂ）のファイバーセルを格子状に配置して、領域Ａ内に９つのファイバーセルを配置した例を示す図である。
【図６】ファイバーセルを格子状に構成した場合の他の駆動方式を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気測定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】（ａ）はゼーマン分裂したＥＩＴ信号の様子を説明する図であり、（ｂ）は磁束密度とゼーマン分裂との関係を示す図である。
【図９】（ａ）は図８のピーク検出回路２５に代えてオシロスコープ２８を備えた磁気測定装置の構成を示すブロック図、（ｂ）は周波数掃引制御信号及びトリガー信号の波形を示す図、（ｃ）はオシロスコープ２８に表示されたゼーマン分裂されたＥＩＴ信号である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１８】
図１は本発明のファイバーセルの一部分の構成を示す図である。図１（ａ）はファイバ
ーセルを円周方向に切断した断面図、図１（ｂ）はファイバーセルを軸方向（Ａ−Ａ）に
切断した断面図である。このファイバーセル５は、光を全反射する筒状のクラッド１と、
クラッド１の筒内部に形成され全反射した光を伝播するコアー２と、コアー２の略中心部
を貫通しでありコアー２から入射した光を伝播する中空部３とを有する。そして、中空部
３にアルカリ金属原子４を封入して、中空部３の両端ａ、ｂを図示しない別の光ファイバ
ー（図２参照）のコアーにより夫々封止する。
光ファイバーは電界や磁界の影響を受けないで光を伝播することができる。また、磁気
の強度を検知するために、アルカリ金属原子４を封入したセルをファイバーと一体的に構
成する必要がある。そこで本実施形態では、ファイバーセル５のコアー２の中心部を貫通
して中空部３を形成し、その中にアルカリ金属原子４を封入して、両端を別の光ファイバ
ー（図２参照）のコアーで封止する。これにより、全体を光ファイバーで構成した磁気セ
ンサーを実現することができる。
【００１９】
図２は一般的な光ファイバーの構成を示す図である。図２（ａ）は光ファイバーを円周
方向に切断した断面図、図２（ｂ）は光ファイバーを軸方向（Ｂ−Ｂ）に切断した断面図
である。この光ファイバー７は、光を全反射するクラッド５と、全反射した光を伝播する
コアー６により構成される。
【００２０】
図３は本発明の磁気センサーの全体構成を示す図である。この磁気センサー４０は、図
１のファイバーセル５の両端に図２の光ファイバー８を接合部９により接合して、中空部
３内にアルカリ金属原子４を封入している。一般的な製造方法としては、アルカリ金属原
子４の雰囲気内で、光ファイバーを接合する技術と同じようにして接合することにより容
易に実現することができる。この磁気センサー４０は、例えば、左側から伝播したレーザ
ー光１０が、クラッド７により全反射してコアー６を伝播して接合部９からファイバーセ
ル５に伝播する。ファイバーセル５に入射したレーザー光１０は、中空部３内のアルカリ
金属原子４と相互作用を起こしながら、クラッド１により全反射して中空部３内を何回も
通過する。これによりＥＩＴ信号のレベルが高くなり、Ｓ／Ｎが向上する。ファイバーセ
ル５から出たレーザー光１０は右側の光ファイバーに入射して、クラッド７により全反射
されてコアー６内を伝播する。
アルカリ金属原子４が封入されたファイバーセル５は、磁気を検出するセンサーとして
働く。また、原子発振器の発振周波数は、原子の２つの基底準位間のエネルギー差の値が
、外部磁気の強さやゆらぎで変化することが知られている。そのため、実際に測定する場
所をピンポイントで検出できる構成とすることが好ましい。そこで本実施形態では、ファ
イバーセル５の構成を、２つの部分に分けて構成する。即ち、アルカリ金属原子４が封入
されたファイバーセル５と、その両端に光を伝播する役目の光ファイバー８を夫々接続す
る。これにより、被測定領域以外の不要な磁界を検出することなく、被測定領域の磁界を
正確に検出することができる磁気センサーを提供することができる。
【００２１】
図４（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る磁気測定装置の構成を示すブロック図であ
る。この磁気測定装置１００は、アルカリ金属原子にElectromagnetically Induced Tran
sparency:ＥＩＴ現象（電磁誘起透過現象）を発生させるための共鳴光対を発生するレー
ザー送信部ＬＤ（光源）と、図３の磁気センサー４０と、アルカリ金属原子にゼーマン分
裂を生起させるための静磁界を発生する磁界発生手段１２と、磁気センサー４０から出射
した共鳴光対を検出するレーザー受信部ＰＤ（光検出手段）１４と、ＥＩＴ信号を検知し
て発振周波数をロックするロック回路１５と、ロック回路１５の電圧に基づいて発振周波
数を制御するローカル発振器１６と、ローカル発振器１６の周波数を逓倍して高周波を生
成するＰＬＬ１７と、を備えて構成されている。また、磁気センサー４０は、不要な外部
磁界から遮断するために、測定室１１の内部に設置され、磁界発生手段１２によりゼーマ
ン分裂が発生するように管理される。そして、被測定物１３から発生される磁界の変化を
磁気センサー４０により検知する。ここで、ゼーマン分裂について説明する。ゼーマン分
裂とは、アルカリ金属原子に外部から磁界を与えると、アルカリ金属原子の基底準位がエ
ネルギー状態の異なる複数の準位に分裂する現象である。ゼーマン分裂によって、アルカ
リ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差（ΔＥ１２）である共鳴周波数も変化する
。図８（ｂ）はセシウム原子のゼーマン分裂した状態を示した図である。横軸は磁界強度
を示し、縦軸は分裂した基底準位間のエネルギー差の変化（共鳴周波数の変化）を示して
いる。ｍは磁気量子数と呼ばれているものであり、同じ磁気量子数ｍの組み合わせに対応
した７つの共鳴周波数のみが存在することが知られている。磁界強度がゼロであればこれ
ら７つの共鳴周波数は全て一致し縮退した状態となっているが、磁界の強度変化に伴いそ
れぞれの共鳴周波数が変化しその変化率も異なる。ここで、磁気量子数ｍ＝０を除くある
一つの磁気量子数（例えばｍ＝＋３）に着目して、磁気量子数ｍ＝＋３の組み合わせに対
応した共鳴周波数（ＥＩＴ信号）が選択されるように、前記ローカル発振器１６の出力周
波数（ＰＬＬ１７の出力周波数）を制御する。例えば、前記ローカル発振器１６の発振周
波数の範囲を制限しておけば良い。そこで、被測定物１３の磁界が前記磁界発生手段１２
によって発生された静磁界に重畳された状態を考えると、被測定物１３の磁界強度に応じ
てローカル発振器１６の発振周波数が変化することが分かる。よって、ローカル発振器１
６の周波数変化を測定することにより、被測定物１３の磁界強度を検出することができる
。なお、選択する磁気量子数ｍは０以外のものであれば、どれでも構わない。
図４（ｂ）は本発明の磁気センサーを多重巻きにして構成した図である。ＥＩＴ現象に
よる光出力信号のＳＮ比を向上させるには、レーザー光と相互作用するアルカリ金属の原
子数を増やす必要がある。そこで本実施形態では、アルカリ金属原子を封入したファイバ
ーセル５の長さを長くして、そのファイバーセル５を多重巻きに構成する。これにより、
光出力信号のＳ／Ｎ比を向上させると共に、磁気を検知する感度を高めることができる。
【００２２】
図５は図４（ｂ）のファイバーセルを格子状に配置して、領域Ａ内に５ａ〜５ｉの９つ
のファイバーセルを配置した例である。各ファイバーセルは一端にレーザー送信部（ＬＤ
）１８ａ〜１８ｉを接続し、他端にレーザー受信部（ＰＤ）１４ａ〜１４ｉを接続する。
即ち、被測定領域が１ポイントであれば１本のファイバーセルでよい。しかし、被測定領
域が２次元的に広がっている場合は、１本のファイバーセルでは、測定に多くの時間を要
するばかりでなく、測定の精度も低下する。そこで本実施形態では、ファイバーセル５ａ
〜５ｉを格子状に配列して、２次元領域Ａの磁界強度を測定可能とした。これにより、複
数個所の測定を同時に且つ正確に測定することができる。
【００２３】
図６はファイバーセルを格子状に構成した場合の他の駆動方式を説明する図である。図
５では１本のファイバーセルに夫々レーザー送信部１８とレーザー受信部１４とが対応し
ているため、ファイバーセルの数だけ必要とするため、装置全体のコストが嵩むといった
問題がある。そこで本実施形態では、装着可能な装置２１に格子状のファイバーセル２０
を取り付け、各ファイバーセル８は光スイッチ２２と２３に１対１に対応するように接続
する。そして、例えば光スイッチ２２の入力にはＬＤ１８から出射されたレーザー光を入
力し、光スイッチ２３の出力はＰＤ１４に入射するように構成する。図示は省略するが、
光スイッチ２２と２３は同期したタイミングにより切り替えるための制御回路が存在する
。この構成により、ＬＤ１８とＰＤ１４の数を増加させることなく、格子状の磁気センサ
ーからの情報を取得することができる。
尚、光スイッチ２２及び２３は、例えば、光ビームを反射するマイクロミラーにより構
成されるＭＥＭＳ光スイッチにより構成されている。即ち、光信号をスイッチングする一
つの方法として、光信号を電気信号に一旦変換して、その電気信号をオン・オフすること
により実現できる。しかし、光信号を電気信号に変換する場合、光電変換素子が必要とな
り、変換時に信号のロスが発生する。そこで本実施形態では、ＭＥＭＳ光スイッチを使用
して光を直接スイッチングする。これにより、光電変換素子を必要としないため、低損失
なスイッチをコンパクトに実現することができる。
【００２４】
図７は本発明の第２の実施形態に係る磁気測定装置の構成を示すブロック図である。こ
の磁気測定装置１１０は、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させるための共鳴光対を
発生するＬＤ１８と、図３の磁気センサー４０と、アルカリ金属原子にゼーマン分裂を生
起させるための静磁界を発生する磁界発生手段１２と、磁気センサー４０から出射した共
鳴光対を検出するＰＤ１４と、共鳴光対の周波数差を掃引するスイープ回路（周波数掃引
手段）２６と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生回路２７と、周波数差の掃引に同期
してＰＤ１４の出力強度における複数の極大値を記録するピーク検出回路（記録手段）２
５と、を備えて構成されている。そして、複数の極大値に対応する周波数差に基づいて外
部磁界の強度を計測する。
本発明の磁気センサー４０を用いて磁気測定装置を実現するためには、磁気センサー４
０に共鳴光対を入射するＬＤ１８と、磁気センサー４０から出射した共鳴光対の強度を検
出するＰＤ１４と、マイクロ波をスイープしてＥＩＴ信号を発生させるスイープ回路２６
と、予めアルカリ金属原子をゼーマン分裂させるための静磁界を与える磁界発生手段１２
と、ＰＤ１４から出力された信号の極大値を記憶するピーク検出回路２５と、を備えてい
る。そして、ゼーマン分裂させた状態でＥＩＴ信号（複数の極大値）をピーク検出回路２
５により検出して、ピークの発生した時間の間隔（時間差）を基準値として記憶しておく
。そこで、被測定物１３の磁界強度に応じて、それぞれのピークの発生した時間の間隔が
変化するので、この変化を前記基準値と比較することにより被測定部１３の発生する磁気
の強度を判定する。即ち、ピークの発生時間の間隔（時間差）の変化が大きいほど磁気の
強度は大きいと判断する。
【００２５】
図８（ａ）はゼーマン分裂した状態におけるＥＩＴ信号の様子を説明する図であり、図
８（ｂ）は磁束密度とゼーマン分裂との関係を示す図である。即ち、ＣＰＴ方式の原子発
振器は、原子発振器の出力信号が同期すると、電磁誘起透過現象によりＥＩＴ信号（極大
値）が発生する。しかし、このＥＩＴ信号のスペクトラムは、複数の基底準位が縮退して
いるのでレベルは大きいが半値幅が広がっている。原子発振器の出力信号が同期したこと
を同期検出部により検出し、磁気センサー（ファイバーセル）４０に所定の強度を有する
磁場を印加する。磁気センサー内の気体状のアルカリ金属原子は、磁場が印加されると、
例えば、セシウムの場合、ＥＩＴ信号のスペクトラムがエネルギーが異なる７つの基底準
位に分裂する（図８（ａ）参照）。この現象をゼーマン分裂という。図８（ｂ）より、磁
束密度とゼーマン分裂との関係は、磁束密度に比例してゼーマン分裂の幅（エネルギー差
に相当する周波数差）が変化する。ここでｍは磁気量子数と呼ばれる。
【００２６】
図９（ａ）は図８のピーク検出回路２５に代えてオシロスコープ２８を備えた磁気測定
装置の構成を示すブロック図である。同じ構成要素には図８と同じ参照番号を付して説明
する。スイープ回路２６は周波数掃引制御信号２９とオシロスコープ２８の同期をとるた
めのトリガー信号３０が出力される。図９（ｂ）は周波数掃引制御信号及びトリガー信号
の波形を示す図である。周波数掃引制御信号は周期Ｔ内で直線的に変化する鋸歯状波であ
り、トリガー信号は周期Ｔのデューティ５０％の矩形波である。また、図９（ｃ）はオシ
ロスコープ２８に表示されたゼーマン分裂した状態のＥＩＴ信号である。このようにオシ
ロスコープに表示された波形のピークの間隔ｔ０は被測定物１３の磁気の強度に応じて変
化する様子がリアルタイムに観測することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  クラッド、２  コアー、３  中空部、４  アルカリ金属原子、５  ファイバーセル
、６  コアー、７  クラッド、８  光ファイバー、９  接合部、１０  レーザー光、１１
測定室、１２  磁界発生手段、１３  被測定物、１４  ＰＤ、１５  ロック回路、１６
ローカル発振器、１７  ＰＬＬ、１８  ＬＤ、２０  格子状のファイバーセル、４０  
磁気センサー、１００  磁気測定装置
【図１】
2011089868.tif 000003
【図２】
2011089868.tif 000004
【図３】
2011089868.tif 000005
【図４】
2011089868.tif 000006
【図５】
2011089868.tif 000007
【図６】
2011089868.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
2011089868.tif 000011