(57)【要約】  フィールド検出器２は、所定のフィールドにさらされたときに寸法変化を起こすフィールド反応素子１０と、フィールド反応素子の寸法変化を検出する干渉測定装置を備え、干渉測定装置は光源４と少なくとも１つの光検出器６とを有している。光源４は、フィールド反応素子１０で反射される測定ビームとフィールド応答素子１０で反射されない参照ビームと供給し、光検出器６は、測定ビームと参照ビームとによって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するように構成されている。フィールド反応素子１０は、曲面を含む形状を有し、寸法変化することで曲面が参照ビームに対する測定ビームの光路長が変化する方向に変位し、これにより光検出器によって検出される干渉パターンが変化するように、フィールド反応素子の端部１２の少なくとも１つが拘束されている。【選択図】図１
2020537139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のフィールドにさらされたときに寸法変化を起こすフィールド反応素子と、
前記フィールド反応素子の寸法変化を検出する干渉測定装置と、を備え、
前記干渉測定装置は、光源と少なくとも１つの光検出器とを有し、
前記光源は前記フィールド反応素子で反射する測定ビームと前記フィールド反応素子で反射しない参照ビームとを供給し、
前記光検出器は前記測定ビームと前記参照ビームとによって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するように構成されており、
前記フィールド反応素子は、曲面を含む形状を有し、寸法変化することで前記曲面が前記参照ビームに対する前記測定ビームの光路長が変化する方向に変位し、これにより前記光検出器によって検出される干渉パターンが変化するように、前記フィールド反応素子の端部の少なくとも１つが拘束されている、フィールド検出器。
【請求項２】
前記フィールド反応素子が細長いストリップの形状を有する、請求項1に記載のフィールド検出器。
【請求項３】
前記細長いストリップの長さが１〜１００mmである、請求項2に記載のフィールド検出器。
【請求項４】
前記細長いストリップの幅が１〜１０mmである、請求項2または3に記載のフィールド検出器。
【請求項５】
前記細長いストリップは、その少なくとも2つの端部で拘束されている、請求項２乃至４のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項６】
前記２つの端部が互いに対向している、請求項５に記載のフィールド検出器。
【請求項７】
前記フィールド反応素子が球形または楕円形の端部を有する、請求項1に記載のフィールド検出器。
【請求項８】
拘束された少なくとも1つの端部は、表面の連続した全端部である、請求項7に記載のフィールド検出器。
【請求項９】
拘束された少なくとも1つの端部は、表面の全外端部の一部である、請求項7に記載のフィールド検出器。
【請求項１０】
前記フィールド反応素子は、前記フィールド反応素子の少なくとも１つの端部を位置決め装置に係合させることによって拘束される、請求項１乃至９のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項１１】
前記位置決め装置は、前記フィールド反応素子の横方向の移動を妨げ、他のいくつかの方向への移動を許容する、請求項１０に記載のフィールド検出器。
【請求項１２】
前記フィールド反応素子は、その少なくとも１つの端部が固定的に所定の位置に保持されるように拘束されている、請求項１０に記載のフィールド検出器。
【請求項１３】
前記フィールド反応素子は、機械的負荷が前記フィールド反応素子に加えられていないときに湾曲した表面を有している、請求項１乃至１２のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項１４】
前記フィールド反応素子は、当該フィールド検出器内で停止しており、前記フィールド反応素子の曲率に影響を与える機械的負荷を実質的に受けないように拘束されている、請求項１３に記載のフィールド検出器。
【請求項１５】
前記フィールド反応素子の表面全体が湾曲している、請求項１乃至１４のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項１６】
前記フィールド反応素子は、湾曲している少なくとも第１の部分と、前記第１の部分と異なる曲率であるか、または、湾曲していない少なくとも第２の部分と、を有している、請求項１乃至１４のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項１７】
前記フィールド反応素子が拘束されている２点間の距離に対する前記フィールド反応素子の長さの比は１より大きい、請求項１乃至１６のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項１８】
前記フィールド反応素子が拘束されている２点間の距離に対する前記フィールド反応素子の長さの比は１．０００１〜１．０５の間である、請求項１７に記載のフィールド検出器。
【請求項１９】
前記フィールド反応素子は１０〜１００μmの厚さを有している、請求項１乃至１８のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２０】
前記フィールド反応素子は、一方向のフィールドにのみ反応する、請求項１乃至１９のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２１】
前記フィールド反応素子は、磁場の存在下で寸法変化を起こす磁歪性材料によって構成されている、請求項１乃至２０のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２２】
磁歪性素子がアモルファス金属、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、MetglasTM、Galfenol、Terfenol-D、または多層フィルムのうちの少なくとも1つから形成されている、請求項２１に記載のフィールド検出器。
【請求項２３】
ヘルムホルツコイルをさらに備えている、請求項２１または２２に記載のフィールド検出器。
【請求項２４】
前記フィールド反応素子が当該フィールド検出器の外側部分を形成している、請求項１乃至２３のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２５】
前記干渉測定装置は、前記測定ビームと前記参照ビームの光路に配置された回折素子を有している、請求項１乃至２４のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２６】
前記フィールド反応素子は、前記曲面の凹面または凸面が光源の方を向くように拘束されている、請求項１乃至２５のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２７】
前記フィールド反応素子および前記干渉測定装置は、回折素子と曲面との間の距離の2倍（経路不均衡）が、光源から放出される光のコヒーレンス長よりも短くなるように配置されている、請求項１乃至２６のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項２８】
前記経路不均衡が０．１〜５mmの範囲にある、請求項２７に記載のフィールド検出器。
【請求項２９】
前記光源がレーザダイオードである、請求項１乃至２８のうちいずれか一の項に記載のフィールド検出器。
【請求項３０】
請求項１乃至２９のうちいずれか一の項に記載の３つのフィールド検出器を互いに直交するようにして配置されてなる、3軸検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド（例えば磁場）を検出するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィールドを検出することが必要であるか、または望ましいとされる様々な場合がある。フィールドの存在、方向および／または強度を検出することは、多くの異なる分野で必要とされる。例えば、医療分野では、バイオインピーダンスを決定するために磁場を検出することが必要な場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
磁場を検出することができる様々な異なる検出器が過去に提案されてきたが、いずれも欠点に悩まされている。特に、出願人は、検出器の感度が改善され、コストが低減され得ることを認識している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の態様によれば、本発明は、所定のフィールドにさらされたときに寸法変化を起こすフィールド反応素子と、前記フィールド反応素子の寸法変化を検出する干渉測定装置と、を備え、前記干渉測定装置は光源と少なくとも１つの光検出器を有し、前記光源は、前記フィールド反応素子で反射する測定ビームと前記フィールド反応素子で反射しない参照ビームとを提供し、前記光検出器は、前記測定ビームと前記参照ビームとによって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するように構成されており、前記フィールド反応素子は、曲面を含む形状を有し、寸法変化することで前記曲面が前記参照ビームに対する前記測定ビームの光路長が変化する方向に変位し、これにより前記光検出器によって検出される干渉パターンが変化するように、前記フィールド反応素子の端部の少なくとも１つが拘束されている、フィールド検出器を提供する。
【０００５】
少なくとも好ましい実施形態において、干渉測定装置と、少なくとも１つの端部が拘束されたフィールド反応素子との組み合わせは、比較的低コストのフィールド検出器を提供することができる。少なくともいくつかの好ましい実施形態において、干渉測定装置とフィールド反応素子により、低消費電力およびセンサ体積比に対して高いフィールド感度を有するフィールド検出器を提供することができる。
【０００６】
少なくとも１つの端部が拘束され、通常の湾曲した表面を有するフィールド反応素子は、拘束されていない平坦なフィールド反応素子、または、別の表面に対面して取り付けられているフィールド反応素子と比べて、フィールド下で大きく寸法変化する素子を提供することができる。フィールドに反応して増加した寸法変化は、フィールド検出器の感度をより大きくし、フィールドのより正確な検出を可能にする。少なくとも好ましい実施形態において、少なくとも１つの端部でフィールド反応素子を拘束することは、特に、先行技術の検出器、例えば、磁歪性トランスデューサ材料を使用するコヒーレンス光ファイバセンサに基づくものと比較して、フィールド検出器の効率が向上することを見出した。これらの先行技術のセンサでは、フィールド反応素子のゆがみは、光ファイバの軸方向のゆがみに変換されて測定することができるが、これは大きな機械的負荷をもたらし、センサの効率は低下する。
【０００７】
出願人は、フィールド反応素子の曲面が、寸法変化を引き起こす可能性のある温度変化に対する抵抗性の向上をもたらすとともに、拘束されていない平坦なフィールド反応素子と比べてダイナミックレンジおよび２次応答における線形性の向上をもたらすことを見出した。
【０００８】
フィールド反応素子の拘束は、フィールド反応素子が少なくとも１つの方向への移動を阻止するような方法で保持されることを意味すると理解されるべきであるが、フィールド反応素子が固定的に所定の位置に保持されることを必ずしも必要としない。フィールド反応素子を少なくとも１つの端部で拘束することは、フィールド検出器内でフィールド反応素子を効果的に停止させ、これによりフィールド反応素子がフィールドに反応して自由に拡張することを可能にする。フィールド反応素子の停止は、フィールド反応素子を拘束する様々な方法で達成できる。出願人は、フィールド反応素子を拘束する方法がその感度に影響を与える可能性があることを認識している。後述するように、フィールド反応素子が拘束される端部の数は、フィールド反応素子の形状に依存する。例えば、円形のフィールド反応素子は、単一の端部を有すると考えられ、その端部またはその一部を拘束することでフィールド反応素子は適切に停止される。一方、リボン形状のフィールド反応素子は、４つの端部を有すると考えられ、フィールド反応素子を適切に停止するために、フィールド反応素子を少なくとも２つ（例えば、反対側）の端部を拘束することが好ましい。典型的に、フィールド反応素子は、拘束されている端部を除く他の部分で拘束されない。例えば、辺で囲まれたフィールド反応素子の面は、典型的に拘束されないため、他の何とも接触しない。
【０００９】
フィールド反応素子の選択は、フィールド検出器の特定の用途、特に検出するフィールドの種類、および／または、検出するフィールドの強度によって決定される。ある実施形態では、フィールド反応素子は細長いストリップ、例えばリボンの形状を有する。さらなる実施形態では、細長いストリップは、１〜１００mm、例えば１０〜１５mm、例えば１０．０５mmの長さを有する。別の実施形態では、細長いストリップは、１〜１０ｍｍ、例えば１ｍｍの幅を有する。
【００１０】
さらなる実施形態では、フィールド反応素子が細長いストリップの形状である場合、細長いストリップは、その少なくとも２つの端部で拘束される。好ましくは、２つの端部は互いに反対側である。例えば、細長いストリップは、その狭い端部のそれぞれで拘束されてもよい。このように細長いストリップを拘束することにより、ストリップが拘束されている２つの点の間でストリップを効果的に停止させ、これによりフィールドに自由に反応できる停止部分を形成する。
【００１１】
別の実施形態では、フィールドに反応するフィールド反応素子は、球形または楕円形の端部を有する。このような実施形態では、フィールド反応素子はドーム状の構造を形成することが理解できる。さらなる実施形態では、拘束される少なくとも１つの端部は、表面の連続した全端部である。しかしながら、別の実施形態では、拘束される少なくとも１つの端部は、表面の全外端部の一部である。
【００１２】
実施形態では、フィールド反応素子は、フィールド反応素子の少なくとも１つの端部を位置決め装置に係合させることによって拘束される。位置決め装置は、フィールド反応素子の横方向の動き、すなわち、ある特定の方向への動きを妨げ、他のいくつかの方向への動きを許容してもよく、例えば、端部が位置決め装置内で回転することを許容してもよい。
【００１３】
代替的な実施形態では、フィールド反応素子は、少なくとも１つの端部が固定的に所定の位置に保持されるように拘束される。このような実施形態は、フィールド反応素子の横方向の剛性が増加するという利点がある。これは、例えば、フィールド反応素子の少なくとも１つの端部を積極的に把持することによって実現してもよい。これは、フィールド反応素子の少なくとも１つの端部を把持するクランプによって実現してもよい。この実施形態では、フィールド反応素子がフィールドにさらされると、測定ビームの光路長が変化するように特定の方向に変形する可能性があると理解される。
【００１４】
上記の両方の実施形態では、フィールド反応素子は、少なくとも１つの方向に移動できないように拘束されていると理解される。もちろん、フィールド反応素子を拘束する他の方法があってもよく、単一のフィールド反応素子が異なる端部で異なる手法によって拘束されてもよい。
【００１５】
好ましい実施形態では、フィールド反応素子の面は、拘束されていない（すなわち、他のいかなる部分とも接触していない）。
【００１６】
出願人は、様々な要因がフィールド検出器の感度に影響を及ぼす可能性があることを認識している。例えば、フィールド反応素子の大きさ、フィールド反応素子の材料組成、熱磁気処理、および／または、ひずみ焼なましのような特定の処理、ならびに他の要因、例えば、フィールド反応素子においては、切断後の端面での減磁効果などがある。また、フィールド反応素子においては、フィールド反応素子の材料混合物に加えて、表面の曲率を利用して、例えば、磁気弾性結合係数を最適化することができる。
【００１７】
上述したように、少なくとも１つの端部が拘束された曲面を有するフィールド反応素子を使用することにより、フィールド反応素子の寸法が拡大して、フィールド検出器の感度が高まる可能性があるという利点がある。曲面を形成する方法は様々ある。フィールド反応素子が装置内に取り付けたときに曲面が形成されてもよい。つまり、実施形態では、曲面は、フィールド反応素子の少なくとも１つの端部で拘束することによって、フィールド検出器内でフィールド反応素子に加わる機械的負荷によって形成される。すなわち、フィールド反応素子は、曲面を形成するためにその静止形状から曲げられて所定の位置に保持されるような、本来的には平坦な素子であってもよい。このような実施形態は、平坦なフィールド反応素子を使用できる一方で、出願人は、このような機械的負荷の形態がフィールド検出器の感度に悪影響を与えることを理解している。
【００１８】
したがって、代替的な好ましい実施形態では、フィールド反応素子は、機械的負荷がフィールド反応素子に加えられていないときに湾曲した表面を有している（すなわちフィールド反応素子の自然な静止形状が湾曲している）。さらなる実施形態では、フィールド反応素子はフィールド検出器内で停止しており、フィールド反応素子の曲率に影響を与える機械的負荷を受けないか、または実質的に受けないように拘束されている。これは、拘束される前に湾曲しているフィールド反応素子を用いることにより実現できる。このような実施形態では、フィールド反応素子は端部が停止状態で効果的に保持され、フィールド反応素子の残りの部分がフィールド下で自由にたわむことが確認できる。このような湾曲したフィールド反応素子は、自然に湾曲した形状を有していてもよく、または、これに代えて平坦なフィールド反応素子が、機械的に負荷をかけられ、曲げられ、あるいは、圧縮成形され、フィールド検出器で拘束される前に、残留応力および／またはひずみを除去するために、例えば、アニールを利用して処理されてもよいことが理解できる。自然に湾曲した形状を有する場合であっても、フィールド反応素子は湾曲を変化させるような機械的負荷を受けるように拘束されてもよい。例えば、フィールド反応素子は、フィールド反応素子の少なくとも１つの端部を積極的に把持して、フィールド反応素子を固定位置に保持し、同時にその曲率を変化させないように拘束されていてもよい。
【００１９】
拘束される前にフィールド反応素子が湾曲しているか否かにかかわらず、フィールド反応素子の感度は、アニール技術による磁区磁化を用いて高められてもよい。
【００２０】
磁場に応答する典型的な材料には、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属混合物をベースとするアモルファス磁歪性材料が含まれる。所望のフィールド反応特性を有するフィールド反応素子を得るための１つの方法は、関連する金属混合物を溶融状態となるように加熱し、その後に溶融金属を急冷して、所望のフィールド反応素子構造、例えばリボンまたはワイヤにすることである。
【００２１】
一つの実施形態では、フィールド反応素子の表面全体が湾曲している。出願人はまた、フィールド反応素子は、表面全体が同じ曲率を有していなくてもよく、実際には、いくつかの部分では平坦であってもよいことを理解している。したがって、代替的な実施形態では、フィールド反応素子は、湾曲している少なくとも第１の部分と、第１の部分と異なる曲率であるか、または、湾曲していない少なくとも第２の部分と、を有している。例えば、第２の部分は平坦な部分を構成してもよく、これらの平坦な部分は、フィールド検出器におけるフィールド反応素子の拘束を容易にする。
【００２２】
一つの実施形態では、フィールド反応素子の曲面は円弧に沿うようにしてもよい。代替的な実施形態では、曲面は非円形の円弧に沿うようにしてもよい。例えば、曲面は正弦波形状を有していてもよい。さらなる実施形態では、フィールド反応素子が拘束される2つの点間の距離に対するフィールド反応素子の長さの比は１より大きく、好ましくは、フィールド反応素子が拘束される2つの点間の距離に対するフィールド反応素子の長さの比は１．０００１〜１．０５の間、例えば１．００１〜１．０２０の間、例えば１．００１〜１．００１０の間である。出願人は、これらの低い比率では、フィールド反応素子の感度が増加し得ることを見出した。
【００２３】
測定によっては、フィールド検出器の感度は、フィールド強度に対するフィールド反応素子の寸法変化に正比例する場合がある。上述したように、フィールド検出器は、フィールド反応素子の長さが、フィールド反応素子が拘束されている点間の距離よりもわずかに大きい場合に最も感度が高くなることが出願人によって認識されている。このような寸法を有するフィールド反応素子は、大きな寸法変化が生じることが判明している。したがって、例えば、フィールド反応素子が拘束されている点間の距離が１０mmである実施形態では、フィールド反応素子の長さは１０．０２〜１０．０５mmである。上記の比率を実現するために、フィールド反応素子は、典型的には比較的小さい曲率を有する。
【００２４】
フィールド反応素子は、様々な形態をとることができる。一つの実施形態では、フィールド反応素子は、材料の単層から形成される。別の実施形態では、フィールド反応素子は、材料の複数層から形成される。フィールド反応素子の形態によって製造方法が決定され、当該製造方法は利点および欠点をもたらす場合がある。別の実施形態では、フィールド反応素子は、単一のフィールド反応素子から形成されていてもよく、またはこれに代えて、複数のフィールド反応素子から形成されていてもよい。例えば、細長いストリップ／リボンは、互いに隣接して配置された複数のフィールド反応ワイヤから形成されていてもよい。一つの実施形態では、フィールド反応素子は薄いシートとして形成される。一つの実施形態では、フィールド反応素子は、１０〜１００μｍ、例えば３０〜８０μｍ、例えば５０μｍの厚さを有している。
【００２５】
一つの実施形態では、フィールド反応素子は、一方向のフィールドにのみ反応する。磁界に反応する磁歪性素子の場合、これは、磁区が適切に整列する容易軸を形成するように、フィールド反応素子の熱および磁界焼きなましによって実現できる。このような実施形態では、フィールド検出器の方向性感度は、フィールドを正確に測定するためにフィールド検出器を適切に整列させてベクトル検出器とする必要があることを意味する。
【００２６】
フィールド検出器は、磁場や電場などの様々なフィールドのうちの1つを検出することができる。前述したように、フィールド検出器の特定の用途は、フィールド反応素子の選択、特に特定のタイプのフィールドに反応する能力に関して影響を与える。例えば、磁場を検出するために使用される場合、フィールド反応素子は磁歪性素子によって構成されてもよい。磁歪性材料は、磁場の存在下で寸法変化することが知られており、本発明でフィールド検出器として使用する場合、磁場を検出することができる。したがって、一つの実施形態では、フィールド反応素子は、磁場の存在下で寸法変化する磁歪性材料で形成される。このようなフィールド検出器が静磁場を検出することができることは、当業者であれば理解できる。いくつかの磁歪性材料の高い応答性または磁気弾性結合、すなわち、小さく変化する磁場に応答して寸法を急速に変化させる能力のために、高周波の交流磁場を検出することも可能となる。磁歪性材料は、典型的には、材料内の磁区の移動に起因する伸長が可能な強磁性材料である。この伸長は、比較的高い変形力を伴う。伸長の結果として生じる形状変化は、通常、可逆的である。
【００２７】
磁歪性素子は、例えば、アモルファス金属、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、MetglasTM、Galfenol、Terfenol-D、または多層フィルムなどの様々な材料から形成することができる。材料の選択は、フィールド検出器の用途に応じて、関連する要件、例えば感度やコストに関連する要件に依存する。例えば、MetglasTMから形成されたリボンは、比較的高い磁歪係数と効率的な磁気弾性カップリングを有している。
【００２８】
現在、磁歪性材料を購入することが可能である。出願人は、このような磁歪性材料を適切な長さに切断し、フィールド反応素子を所望の形状に曲げ、次いでフィールド反応素子を焼きなましして効率的な検出器構造を形成することで、フィールド反応素子を製造することが可能であることを認識している。出願人は、この方法を用いて、磁歪性フィールド反応素子を容易に製造することが可能であることを認識している。
【００２９】
あるいは、磁歪性薄膜を微細構造体に直接堆積させることも可能である。そのような堆積は、スパッタリングまたはパルスレーザー蒸着などの物理的蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって行うことができる。材料によるが、これはしばしば、蒸着プロセス中に磁場バイアスを必要とすることがあり、したがって、磁性薄膜の特性を調整するための特別な装置を必要とする場合がある。薄膜構造は、例えば機械的なシリコン構造と一緒にバイモルフ構造として、または、磁歪性材料のみで作られたブリッジを形成するための犠牲層プロセスを使用する場合のいずれかが使用可能である。そのような犠牲層は、ポリマーまたは酸化シリコンであってもよい。電界は、電歪材料または圧電材料を用いて検出されてもよい。
【００３０】
直接測定されないフィールドの存在を考慮に入れることができる検出器の調整・フィードバックシステムを提供することが望ましい。例えば、フィールド反応素子が磁場に反応する場合、実施形態のフィールド検出器はさらにヘルムホルツコイルを有している。例えば、フィールド検出器は、望ましくないことに、地球の磁場の影響を受ける。そのような場合、ヘルムホルツコイルを用いて、地球の磁場を効果的に無効化する磁場を作り出すことが可能である。ヘルムホルツコイルは、フィールド反応素子の端部の周囲に配置されていてもよい。これによりヘルムホルツコイルを用いて磁場を発生させ、フィールド反応素子にフィードバックすることができる。
【００３１】
本発明に係るフィールド検出器は、例えば、医療用途（例えば生体インピーダンス）、エネルギー用途（例えば炭化水素探査、海底ロギングまたは制御ソース電磁気学（ＣＳＥＭ）および磁気テルル学（ＭＴ）を使用した石油およびガス生産の監視）、さらには防衛用途（例えば陸上および沖合での目標監視およびナビゲーション）などの多数の用途で用いることができると出願人は理解している。
【００３２】
フィールド検出器の構成品は、他の必要な電子・電気構成品とともに、比較的コンパクトなＭＥＭＳ構造に収容されている。このようなコンパクトなＭＥＭＳ構造により、フィールド検出器を適用できる用途の数を増加させることができる。フィールド反応素子は、フィールド検出器の外側部分を形成してもよく、したがってフィールド検出器の外側膜とみなすことができる。
【００３３】
干渉測定装置は、フィールド反応素子のたわみ、すなわち寸法変化を測定することによって検出器がフィールドの存在を検出することを可能にすることが理解できる。以下でより詳細に説明するように、フィールド反応素子がフィールドの存在下で寸法変化を起こすとき、測定ビームの光路長が変化するのに対し、参照ビームの光路長は同じままである。干渉測定装置は、２つのビーム間の光路長の変化を検出し、これによりフィールド反応素子の寸法変化を検出することができる。
【００３４】
検出器は、単にフィールドの存在を示すように構成されていてもよく、あるいは、これに代えてフィールドの強さを示すように構成されていてもよい。フィールドの強さを示すためには、フィールド反応素子の寸法変化とフィールドの強さとの間の関係を知っておく必要がある。
【００３５】
上記の関係を求めるには、既知の大きさのフィールドでフィールド検出器を較正する必要があることが理解できる。寸法変化とフィールド強度との間の特定の関係は、材料のタイプ、形状およびサイズ、ならびにフィールドのタイプに依存する。例えば、磁場に反応するフィールド反応素子、例えば磁歪性素子は、適切に準備された場合、寸法変化とフィールド強度との間に二次的な関係を有することが知られている。
【００３６】
上述した構成要素に加えて、干渉測定装置は、光路差を決定することを可能にするために他の構成要素を有していてもよい。実施形態では、干渉測定装置は、さらに、測定ビームおよび参照ビームの光路に配置された回折素子を有している。このような実施形態では、回折素子から直接反射される光が参照ビームを形成し、回折素子によって回折され、フィールド反応素子によって反射され、その後回折素子によって再び回折される光が測定ビームを形成することは、当業者であれば理解できる。回折素子は、例えば、回折格子または回折フレネルレンズで構成されていてもよい。
【００３７】
このような実施形態では、測定ビームの光路長の変化は、回折素子の回折効率に影響を与え、したがって、異なる回折次数で回折される光強度を変化させる。異なる回折次数の光の強度を比較することにより、測定ビームの光路長の変化、ひいてはフィールド反応素子の寸法変化を決定することができる。この寸法変化は、フィールドの存在を検出するために使用でき、あるいはフィールドの強さを測定するために使用できる。
【００３８】
一つの実施形態では、フィールド反応素子は、曲面の凹面または凸面が光源の方を向くように拘束される。一つの実施形態では、フィールド反応素子および干渉測定装置は、回折素子と曲面との間の距離の２倍、すなわち曲面から反射される光によって移動する距離（経路不均衡）が、光源から放出される光のコヒーレンス長よりも短くなるように配置されている。
これにより、高いコントラストおよび／または視認性を確保することができる。コヒーレンス長は、コヒーレンス波が特定の程度のコヒーレンスを維持する伝搬距離として定義される。コヒーレンス長は、フィールド検出器で使用される光源のスペクトル幅および形状に依存し、例えば、典型的な半導体レーザは、干渉経路不均衡よりもはるかに大きいコヒーレンス長を有する。好ましい実施形態では、経路不均衡が０．１〜５mmの範囲にある。このように構成要素を配置することにより、検出器がフィールド反応素子の寸法変化を正確に測定できることを保証する。
【００３９】
一つの実施形態において、光源はレーザダイオードからなる。一つの実施形態では、光源は複数の光源からなる。一つの実施形態では、検出器は、少なくとも1つの光検出器で構成されている。
【００４０】
本発明に係るフィールド検出器は、単軸センサ、すなわち単一方向からのフィールドを検出するセンサを使用してもよい。しかしながら、複数の方向、例えば３方向からのフィールドを検出することが望ましいことは、出願人は認識している。出願人は、本発明において、互いに直交する３つのフィールド検出器をパッケージ化して、３軸検出器を形成することが可能であることを認識している。
【００４１】
出願人は、多方向検出器を形成するために複数の検出器が用いられる場合には、各個々の検出器の間で問題となる混線が発生する可能性があることを認識している。フィールド検出器が磁場を検出するように設計されている場合には、磁気的な混線が問題となる可能性があり、その場合には、磁気的に変化する（正弦波または方形波）周波数を異なる装置に用いて混線および識別を強化することができる。
【００４２】
フィールド検出器のアレイを提供することが可能であることは、出願人によってさらに理解されている。そのようなアレイは、広い領域にわたってフィールドを検出することが可能であり、フィールド強度をより正確にマッピングすることが可能である。このアレイは、複数の単軸フィールド検出器または複数軸のフィールド検出器から構成される。
【００４３】
本発明の特定の実施形態を、添付の図面を参照して、例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るフィールド検出器を示す。
【図２】図２は、本発明の別の実施形態に係る別のフィールド検出器を示す。
【図３】図３は、端部で拘束されたフィールド反応素子の拡大図である。
【図４】図４は、磁場にさらされたときの図３のフィールド反応素子を示す。
【図５】図５は、代替的な方法で拘束されたフィールド反応素子の拡大図である。
【図６】図６は、磁場にさらされたときの図５のフィールド反応素子を示す。
【図７】図７は、図３および図４のように拘束されたリボンのシミュレーションデータの表である。
【図８】図８は、図５および図６のように拘束されたリボンのシミュレーションデータの表である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態に係る単軸フィールド検出器２を示している。フィールド検出器２は、光源４と、光検出器６と、回折格子８と、フィールド反応素子１０とを備えている。光検出器６と光源４は同一平面上に配置されている。回折格子８は、光検出器６および光源４から一定の距離を置いて配置されている。フィールド反応素子１０の端部１２は拘束されており、フィールド反応素子１０の残りの部分は自由に移動することができる。
【００４６】
単軸フィールド検出器２が作動しているとき、光源４（レーザダイオードであってもよい）は、回折格子８に向けて光を発生させる。回折格子８に衝突する光のうち、第１の部分は、回折格子８を通過して回折される。この回折された光は、フィールド反応素子１０で反射し回折格子を介して光検出器６に向かう。第２の部分は、回折格子８で反射し光検出器６に向かう。第２の部分は第１の部分と干渉して干渉縞を形成する。つまり、光検出器６で検出される光の強度は、干渉縞つまり第１の部分と第２の部分との間の光位相差に依存し、回折格子８とフィールド反応素子１０との間の距離に依存する。これは、コヒーレンスと偏光の適切な条件が満たされていれば、高い縞視認性を確保することができる。
【００４７】
光検出器１０で検出される光の強度は、回折格子８とフィールド反応素子１０との間の距離に依存するため、検出された光の強度に基づいて膜の位置（これにより寸法の変化）を推測することができる。
【００４８】
フィールド反応素子１０が磁気弾性結合を介してフィールド（例えば磁場）にさらされると、フィールド反応素子１０に弾性ひずみが生じ、それに応じてフィールド反応素子１０にたわみが発生する。回折格子８の端面とフィールド反応素子１０の表面との間の２倍の距離が光のコヒーレンス長よりも短ければ、干渉が生じ、干渉波がそれらの偏光に関して適切に整列されている場合、たわみは光位相シフトとして与えられる。この光位相シフトと光検出器６からの信号の適切な増幅および信号処理とを組み合わせることで、位相シフトをフィールド反応素子によって検出されたフィールドの大きさに依存する出力電圧に変換することができる。
【００４９】
回折パターンの０次回折に従う光の一部は、光位相シフトの関数であり、次のように２ビーム干渉式で近似することができる。
【数１】
2020537139.tif 000003
【００５０】
ここで、Ｉは出力信号であり、Ａは光強度、損失およびデバイス内の界面反射に依存するＤＣレベルであり、Ｂは光強度、損失およびデバイス内の界面反射に加え、光参照ビームと信号ビームの間の偏光配列およびコヒーレンスに依存する定数であり、λは光波長であり、Δｄはフィールド反応素子の光軸方向の変位である。
【００５１】
１次回折（回折パターンが回折フレネルレンズによって与えられる場合に集束する回折）に従う光の一部は、式１とは逆の位相を有することになり、次のように表すことができる。
【数２】
2020537139.tif 000004
【００５２】
磁歪性素子の具体的な例では、磁歪は一般的に２次であり、たわみは次のように表すことができる。
【数３】
2020537139.tif 000005
【００５３】
ここでCeffは、磁歪性材料の材料特性、減磁効果、焼きなまし加工後の材料の処理方法（温度、ひずみ、磁場）、サイズおよび形状に依存する定数である。典型的な形状は、曲がった細長い長方形の帯状、すなわち曲がったリボン、または球状表面の一部である。
【００５４】
非線形方程式１、２から直線性を得るために、干渉復調とフィードバック信号の両方を適用してもよい。これは、例えば図２で示されており、ここで光干渉信号は、Ｉ.Ｒ.ヨハンセン、Ｍ.ラコル、Ｔ.バッケ、Ａ.ヴォーグル、Ｄ.Ｔ.ワン、Ｓ.クヌードセン、Ｏ.ロフハウゲン、Ｈ.アンゲルスコーおよびゼリコ・スコシア、「光モーションセンサ」、特許出願番号P4598NO00-DT"に記載された技術を用いて復調される。この信号はまた、K.P.クー、A.ダンドリッジ、F.ブホルツおよびA.B.トヴェテン、「磁気フィードバックを備えた光ファイバ磁力計の分析」、IEEE J. of Lightwave Technology, Vol. LT-5, No.12、1680-1685頁、1987年に記載されているように、ＡＣおよびＤＣヌルスキームを使用して磁気的に線形化されていてもよい。対象の磁気信号に比例する光検出器６の信号は、フィードバック信号の低周波部分となる。図２に示すように、フィールド検出器２は、フィールド反応素子１０と２つのヘルムホルツコイルを備えている。この装置を使用して、上述したように、フィードバック信号をフィールド反応素子１０に供給することが可能である。２次ひずみ（たわみ）の光位相シフトへの線形化は、磁気ＡＣディザリングとともに、磁気トランスデューサ素子をゼロにするための低周波フィードバック信号を利用したロックイン増幅技術による同期検出を用いて得ることができる。フィードバック信号は、ディザ信号によって適切に混合され、ローパスフィルタリングの後、目的の線形化された低周波出力信号となる。
【００５５】
図３は、端部１２'で拘束されたフィールド反応素子１０'の拡大図である。ここでは、フィールド反応素子１０'が一様な曲率を有していることが分かる。フィールド反応素子１０'の端部１２'は、フィールド反応素子１０を水平方向に拘束する一方で垂直方向には拘束しないＬ字型支持体１６内に配置されている。つまり、フィールド反応素子１０は、検出器に支持されている。干渉測定装置がフィールド反応素子１０'の寸法変化を検出するためには、フィールド反応素子１０'が図３の矢印が図示するようにＺ方向にたわむことが必要である。測定ビームについて光路長の増大が生じるので、上で説明したとおりたわみを測定することが可能になる。Ｌ字型支持体１６を用いてフィールド反応素子１０'を拘束することにより、フィールドにさらされたときにフィールド反応素子１０'が伸びると、確実にフィールド反応素子１０'がＺ方向へたわむ。端部１２'はＬ字型支持体１６内で拘束されるが固定されていないため、フィールド反応素子１０'の端部１２'はＬ字型支持体１６内で変形することもできる。Ｌ字型支持体は一定の距離だけ離れており、フィールド反応素子は既知の長さＬを有している。
【００５６】
図４は、磁場にさらされたときの図３と同じフィールド反応素子１０'を示す。磁界の存在は、棒磁石に対応する磁界線によって図示されている。磁場が存在することで、フィールド反応素子１０'は伸長し、その長さが第１の長さＬから第２の長さＬ＋ΔＬに変化する。フィールド反応素子１０'は、その端部１２'が拘束されているため、フィールド反応素子が伸長することで少なくとも中心が量Δｚだけ変位することになる。
【００５７】
図５は、Ｕ字型支持体１６'内でその端部１２'を固定的に挟むことによって別の方法で拘束されるフィールド反応素子１０''の別の形態の拡大図である。つまり、フィールド反応素子１０''は、検出器に固定的に支持されている。フィールド反応素子１０''は、緩やかな曲面を有することが分かる。フィールド反応素子１０''は、既知の長さＬを有しており、Ｕ字型支持体１６''は既知の距離だけ離間している。
【００５８】
図６は、図５と同じフィールド反応素子１０'であって磁場にさらされたものを示している。磁界の存在は、棒磁石および対応する磁界線によって図示されている。磁場の影響を受けると、フィールド反応素子の長さは、第１の長さＬから第２の長さＬ＋ΔＬに変化する。その端部は拘束されているため、少なくともフィールド反応素子１０''の中心は量Δｚだけ変位する。
【００５９】
もちろん、フィールド反応素子は多くの異なる外形を有し、様々な異なる方法で拘束され得ることは当業者であれば理解できる。図３〜６で示す例は、特定の湾曲外形曲線を有する可能性のあるフィールド反応素子、および、フィールド反応素子を拘束する方法の単なる例示にすぎない。
【００６０】
出願人は、図３〜６で示す実施形態のいくつかのモデリングを行った。以下のデータにおけるフィールド反応素子の端部は、端部から端部まで１０ｍｍの固定距離で拘束されている。
【００６１】
出願人は、図３〜６に示すように拘束されたＮｉのリボンが固定磁場にさらされたときのシミュレーションを数多く実施した。これらのシミュレーションから得られたデータは、図７および図８に示されている。図７は、図３および４で示すような拘束されたリボンのシミュレーションから得られたデータを含む表である。この表は、リボンの垂直方向のたわみ（Δｚ変位）、リボンの線熱膨張、およびリボンのｚ膨張率を詳細に示している。このデータは、長さLが１０．２５mm〜１５mmの範囲のリボンのデータである。
【００６２】
図8は、図5および図6に示すようにリボンを取り付けた場合のシミュレーションのデータを示している。データは、長さLが１０．０５mm〜１５mmの範囲のリボンのデータである。
【００６３】
これらのデータから、リボンの長さが小さくなるほど、フィールドにさらされたときのリボンの垂直方向のたわみ（Δz変位）が大きくなることがわかる。より大きい垂直のたわみは、フィールド検出器がより敏感になることを意味する。
【００６４】
出願人は、特に短いリボン、特に１１ｍｍ以下の長さのリボンは、曲がっておらず線熱膨張し停止していないストリップに比べて大きな垂直たわみが生じることを見出した。
【００６５】
図７および図８に示された表のデータを比較することにより、出願人はまた、フィールド反応素子を拘束する方法が、フィールド反応素子の垂直たわみに大きな影響を与えないことを見出した。しかしながら、出願人は、図５および図６に示すように拘束されたフィールド反応素子が、横方向の剛性の恩恵を受けることが分かった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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