JPH07209394A

JPH07209394A - 光磁界センサ

Info

Publication number: JPH07209394A
Application number: JP6003064A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Itou; 伸器伊藤; Satoshi Ishizuka; 訓石塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】磁界に対して高い直線性を提供すること。【構成】少なくとも、光の進行方向に沿って、偏光子
４と、フェリ磁性ガーネット結晶である磁気光学素子５
と、検光子６を用いた光磁界センサにおいて、出射側光
ファイバ９で高次の回折光まで受光することを可能とし
た光学系を構成したものであり、磁気光学素子５の一端
と第１の光ファイバ１の間と、磁気光学素子５の一端で
あって第２の光ファイバ９の間に設置した光伝送路３、
７がライトガイドであることを特徴とする光磁界センサ
である。【効果】この光磁界センサは、0 Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性が±1.0％以下であり、従来よりも高い磁
界測定精度を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファラデー効果を有す
る磁気光学素子を用いて磁界を検出し、その磁界強度を
測定する光磁界センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に電力分野において、電線の周
りに発生する磁界強度を光を用いて測定する方法とし
て、ファラデー効果を有する磁気光学素子と光ファイバ
を組み合わせた電流測定装置が提案され、実用化されつ
つある。電流が流れている導体の周りの磁界強度を測定
して電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁
性が良好であり、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴
を持ち、送配電設備への適用が考えられている。

【０００３】図１１にファラデー効果を用いた磁界の測
定方法の原理図を示す。図１１において、磁界Ｈ中に磁
気光学素子５が配置されている。この磁気光学素子５に
偏光子４で直線偏光とされた光を通過させる。ファラデ
ー効果により偏光面は磁界強度Ｈに比例して回転を受け
る。図１１はファラデー回転が負符号を示す場合を示し
ている。回転を受けた直線偏光は、偏光子４と透過偏光
方向を45度に異ならしめた検光子６を通過し、回転角θ
の大きさが光量変化に変換される。この磁気光学変換部
を構成するために、一般に図１０のように構成される光
磁界センサが使用される（National Technical Report
Vol.38 No.2 P.127 (1992) 参照）。

【０００４】図１０のように構成された光磁界センサで
は、光ファイバ１、９にコア径80μｍのマルチモードフ
ァイバを使用し、レンズ２、８には0.25ピッチの自己集
束型ロッドレンズを用いている。また、偏光子４、検光
子６としては、偏光ビームスプリッタを使用し、光路を
90度曲げるために全反射ミラー28を用いている。偏光ビ
ームスプリッタと全反射ミラーは、一辺５mmの立方体で
ある。また、磁気光学素子５には、希土類鉄ガーネット
結晶を使用している。

【０００５】しかしながら、光磁界センサに用いられる
磁気光学素子にフェリ磁性体である希土類鉄ガーネット
結晶を使用した場合、希土類鉄ガーネット結晶に特有の
多磁区構造によって、結晶を透過した光は回折される。
フェリ磁性ガーネット結晶の磁区構造がメイズ磁区の場
合は、回折光は図８ように観測され、中心から０次光2
3、１次光24、２次光25、・・・と定義される。図１０
に示すように構成された光磁界センサでは、出射側レン
ズ８での回折光の観測条件がほぼ０次光観測であるため
に、その出力は（数１）で示される（日本応用磁気学会
誌 Vol.14, No.4P.642 (1990) 参照）。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、θ_Fは材料が磁気的に飽和したと
きのファラデー回転角であり、θ_F＝Ｆ・Ｌと表され
る。また、Ｆは材料固有のファラデー回転係数で、Ｌは
光路長（素子長）である。Ｍは、磁界が印加されたとき
の材料の磁化であり、Ｍ_Sは、材料が磁気的に飽和した
ときの磁化（飽和磁化）である。

【０００８】上述の様な光磁界センサに用いられている
磁気光学素子として、一般式（化１）で示され、Xの値
がX=1.3、かつYの値がY=0.1、かつZの値がZ=0.1、かつW
の値がW=0.6である希土類鉄ガーネット結晶が開示され
ている（電子情報通信学会技術研究報告 OQE92-105 (19
92) 参照）。この従来の技術においては、ＹをＢｉやＧ
ｄで置換することにより温度特性の良い磁気光学素子を
実現している。この従来例で用いられている結晶の化学
式を（化１）に示す。

【０００９】

【化１】

【００１０】しかしながら、この磁気光学素子を用いて
光磁界センサを構成した場合には、図９に示すように、
5.0 Oe〜200 Oeの範囲で±2.0%以下の磁界測定の直線性
誤差が示されており、光磁界センサの直線性に問題があ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、光磁界センサに用いられる磁気光学素子に希土類
鉄ガーネット結晶を使用した場合、フェリ磁性体である
ガーネット結晶に光を透過すると、ガーネット結晶の多
磁区構造によって、光の回折が生じ、出射側の光ファイ
バに結晶を透過した回折光が完全に集光しないために、
磁界強度に対する直線性が悪くなるという問題点があっ
た。

【００１２】本発明はかかる点を鑑みてなされたもので
あり、磁界に対する直線性の高い光磁界センサを提供す
ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、出射側光ファイバで従来より高次の回折光
まで受光するために光学系を構成したものであり、少な
くとも光の進行方向に沿って、偏光子と、磁気光学素子
と、前記偏光子に対して透過偏光方向を互いに異ならし
めた検光子を配置して被測定磁界を出力光強度として検
知する光磁界センサにおいて、前記磁気光学素子の一端
と第１の光ファイバの間と、前記磁気光学素子の一端で
あって前記第１の光ファイバに対向する面と第２の光フ
ァイバの間に設置した光伝送路がライトガイドであるこ
とを特徴とする光磁界センサ等を提供するものである。

【００１４】

【作用】本発明は、より広い磁界範囲で直線性が高い光
磁界センサを提供するものであり、その作用を以下に説
明する。

【００１５】（数１）を展開すると、（数２）のように
表される。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここで、Ｍ＝χＨであり、χは磁化率であ
る。さらに、式２に印加磁界が交流磁界であることを考
慮し、Ｈ＝Ｈ₀sinωtを代入し変形すると、出力の交流
成分Ｖ₀acは、（数３）のように表される。

【００１８】

【数３】

【００１９】と表される。（数３）より、出力を表す式
にsin2ωtの項が含まれ、その係数には磁界強度の２乗
項Ｈ₀ ²がかかることがわかる。したがって、交流磁界に
対しては、sinωtの基本波に対する第２高調波の存在が
磁界に対する直線性の歪みの原因になっている。よっ
て、印加磁界の強度Ｈ₀が大きくなるほど第２高調波の
振幅がＨ₀の２乗に比例して大きくなり、出力の線形性
が悪化することになる。

【００２０】一方、高次の回折光まですべて受光するよ
うに全次数観測を行った場合は、センサからの出力は次
式のように表される。

【００２１】

【数４】

【００２２】（数４）からわかる様に全次数観測を行っ
た場合は、出力の実効値が印加磁界に単純に比例すると
考えられ、第２高調波の存在による出力の非線形性は生
じないと考えられる。

【００２３】本発明は、このような観点からフェリ磁性
体である希土類鉄ガーネット結晶で回折した光を高次光
まで受光するように光磁界センサの光学系を構成し、磁
界に対する直線性を改良することを可能とする。

【００２４】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。

【００２５】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例を示した図である。図１において、入射側光ファイバ
１と出射側光ファイバ９には光ファイバのコア径が200
μｍのマルチモードファイバを使用している。入射側レ
ンズ２と出射側レンズ８は、使用する波長に応じて0.25
ピッチの自己集束型ロッドレンズである。偏光子４と検
光子６は、磁気光学素子５である希土類鉄ガーネット結
晶の対向する両面に、互いの透過偏光方向を45度傾けて
配置されている。

【００２６】第１の実施例が、従来例の図１０の光磁界
センサの光学系構成と大きく異なる点は、入射側レンズ
２と磁気光学素子５、磁気光学素子５と出射側レンズ８
の間に、図１に示されるような、光軸方向が90度折れ曲
がったライトガイドを使用した点である。ライトガイド
は、図４のような断面を有し、光ファイバを複数本束ね
て配列したものであり、一般には、バンドル型光ファイ
バやイメージファイバとも称されるものである。ここ
で、12は光ファイバのコアで、13はクラッド、14はセカ
ンドクラッドである。本実施例には、外径２mmのライト
ガイドを使用した。

【００２７】光源から入射された光は、光ファイバ１を
通過して、入射側レンズ２で平行光とされ、入射側ライ
トガイド３を伝搬方向を90度曲げられて伝送し、偏光子
４で直線偏光となり、磁気光学素子５に入射される。こ
のとき、磁気光学素子６に入射される光のビーム径は約
１mmである。磁気光学素子５に入射した光は、図８に示
すように多磁区構造を有する磁気光学素子５で回折を受
け、検光子６で偏光子４に対して45度成分のみを検光さ
れ、出射側ライトガイド７に入射する。ライトガイドで
伝搬方向を90度曲げられた光は、出射側レンズ８で集光
し、光ファイバ９で伝搬される。希土類鉄ガーネット結
晶には、(BiGdLaY)₃(FeGa)₅O₁₂結晶を用いたので、波長
0.8μｍに対しては回折光１次あたりの回折角θは約３
度である。

【００２８】したがって、ライトガイドの開口数が大き
いほど、高次数の回折光を受光できることになる。しか
しながら、伝送路用光ファイバ１、９と開口数が一致し
ていなければ、開口数による損失が生じて、センサの光
挿入損失が増大するので、光ファイバとライトガイドの
開口数は0.35から0.40が適切な値であった。また、同じ
値であるほどセンサの光挿入損失が低減された。その結
果、センサの光挿入損失値は−14dBであり、問題のない
値であった。

【００２９】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために構成した電流測定装置の実
施例を図６に示す。光磁界センサ18は、測定磁界下や図
６に示すようなコア21のギャップ中に配置される。ここ
で、１、９は光伝送路を形成する光ファイバである。17
は光信号発生手段であり、波長0.8μｍ帯のＬＥＤまた
は1.3μｍ帯、1.5μｍ帯のＬＤを用いる。19は光磁界セ
ンサ18を透過した後の光を検知し電気信号に変換する検
知手段であり、Ｇｅ−ＰＤ、ＳｉＰＩＮ−ＰＤ等を用
いるが、本実施例では0.8μｍ帯のＬＥＤを用いたの
で、ＳｉＰＩＮ−ＰＤを用いた。20は信号処理用電気
回路である。22は、測定対象とする電線である。

【００３０】上述のように構成した電流測定装置に図１
に示す光磁界センサを用いて、5.0Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差を測定した結果を図７に示している。
交流磁界の周波数は、60Hzである。また、図７からの読
み取りデータを表１にまとめている。

【００３１】従来例の測定データである図９と比較する
と、直線性が改善されていることがわかる。したがっ
て、図１に示すように光磁界センサを構成することによ
り、回折光をより高次まで受光し、出力に含まれる第２
高調波の信号強度を減少することができ、光磁界センサ
の磁界に対する直線性を大きく改善することが可能とな
った。

【００３２】なお、図１に示すような光磁界センサのラ
イトガイドは、光伝送路としての機能を有し、コア径が
大きく、光挿入損失が小さければ、先端が90度に曲げら
れた一本の光ファイバで形成されていることも可能であ
る。その場合のライトガイドの断面図を図５に示してい
る。図５のようなライトガイドを使用した場合にも、光
磁界センサの直線性が改善されることを確認した。

【００３３】（実施例２）第２図は、本発明の第２の実
施例を示した図である。第２の実施例が、第１の実施例
と異なる点は、光学部品を入射光の伝搬する順に見た場
合に、偏光子４を入射側ライトガイド３の前に配置し、
検光子６を出射側ライトガイド７の後に配置した点であ
る。すなわち、図２において、光源から入射された光
は、光ファイバ１を通過して、入射レンズ２で平行とさ
れ、偏光子４を透過した後、入射側ライトガイド３を伝
搬方向を90度曲げられて伝送する。次に、磁気光学素子
５に入射した光は、図８に示すように多磁区構造を有す
る磁気光学素子５で回折を受け、再び出射側ライトガイ
ド７に入射する。ライトガイド内で伝搬方向を90度曲げ
られた光は、その後検光子６で偏光子４に対して45度成
分のみを検光され、出射側レンズ８で集光され、出射側
光ファイバ９に集光する。希土類鉄ガーネット結晶に
は、同じく(BiGdLaY)₃(FeGa)₅O₁₂結晶を用いた。構成し
た光磁界センサの光挿入損失値は、−14dBであり、問題
のない値であった。

【００３４】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために、実施例１と同様に図６の
ように電流測定装置を構成した。0 Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差を測定した結果からの読み取りデータ
を表１にまとめている。交流磁界の周波数は、60Hzであ
る。また、従来例の測定データと比較すると、直線性が
改善されていることがわかる。したがって、図２に示す
ように光磁界センサを構成することにより、回折光をよ
り高次まで受光し、出力に含まれる第２高調波の信号強
度を減少することができ、光磁界センサの磁界に対する
直線性を大きく改善することが可能となった。

【００３５】（実施例３）図３は、本発明の第３の実施
例を示した図である。第３の実施例が、第１や第２の実
施例と異なる点は、レンズを使用せずに、入出射光ファ
イバ１、９に先端を90度曲げられた屈曲光ファイバを使
用した点である。90度屈曲加工を施した光ファイバ10、
11は、光挿入損失も小さく、コア径も200μｍと大きい
ので、光磁界センサ全体の光挿入損失も−15dBであり、
問題のない値となっている。

【００３６】図３において、光源から入射された光は、
入射側屈曲光ファイバ10で伝搬方向を90度曲げられて伝
送し、偏光子４を透過した後、磁気光学素子５に入射す
る。入射した光は、磁気光学素子５で回折を受け、検光
子６で偏光子４に対して45度成分のみを検光され、再び
出射側屈曲光ファイバ11に入射する。屈曲光ファイバの
開口数は 0.4であるので、磁気光学素子５での回折光
を高次数まで受光するのに十分であった。また、屈曲光
ファイバを使用することにより、光磁界センサの幅が約
５mmと小型化することが可能となり、部品点数も減少さ
せることができた。

【００３７】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために、図６のように電流測定装
置を構成した。0 Oeから200 Oeの磁界範囲で直線性誤差
を測定した結果からの読み取りデータを表１にまとめて
いる。交流磁界の周波数は、60Hzである。従来例の測定
データと比較すると、直線性が改善されていることがわ
かる。したがって、図３に示すように光磁界センサを構
成することにより、回折光をより高次まで受光し、出力
に含まれる第２高調波の信号強度を減少することがで
き、光磁界センサの磁界に対する直線性を大きく改善す
ることが可能となった。

【００３８】

【表１】

【００３９】したがって、本発明の光磁界センサを図６
のように構成し、電流測定装置として使用する場合に
は、定格電流値Ｉに対して0.025Ｉ〜Ｉの電流測定範囲
で±１％以下の比誤差を有する光ＣＴを構成することが
可能となる。さらに、本実施例の第１と第２の光磁界セ
ンサは幅10mm程度であり、本実施例の第３の光磁界セン
サは幅約５mmと従来の光磁界センサよりも形状を小型化
することが可能であるので、電流測定装置にギャップ付
きコアを使用する場合は、コアギャップを小さくするこ
とができ、電流測定装置の感度を大きく向上することが
可能となった。

【００４０】なお、本実施例では偏光子４及び検光子６
をガラス製偏光板としたが、偏光ビームスプリッタや積
層型偏光子薄膜を用いることも可能である。また、自己
集束型ロッドレンズを、平行光を得ることの出来るレン
ズで置換することも可能である。さらには、90度曲げら
れたライトガイドではなく、直線型ライトガイドを使用
して、直線性誤差の小さい直線型光磁界センサを構成す
ることも可能であった。

【００４１】また、この直線性の改善は0.8μｍ帯の光
源だけでなく、希土類鉄ガーネット結晶を透過する1.3
μｍ帯や1.5μｍ帯の他の波長についても認められた。
また、周波数60Hzだけでなく、直流磁界から数百kHz程
度まで直線性よく磁界を測定することを確認した。

【００４２】本実施例の磁気光学素子には、光磁界セン
サの温度特性も考慮するために（化１）で表す希土類鉄
ガーネット結晶を使用した例について示しているが、本
実施例の光学系の構成はフェリ磁性体であるガーネット
結晶を磁気光学素子に使用した光磁界センサや他の磁気
光学素子材料すべてに適応可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上述べてきたことから明かな様に、本
発明よれば、従来よりも磁界に対する直線性の高い光磁
界センサを提供することが可能となり、その工業的価値
は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例の光磁界センサの構
成図

【図２】本発明による第２の実施例の光磁界センサの構
成図

【図３】本発明による第３の実施例の光磁界センサの構
成図

【図４】本発明で使用した第１のライトガイドの断面図

【図５】本発明で使用した第２のライトガイドの断面図

【図６】本発明による光磁界センサを用いた電流測定装
置の実施例の概略図

【図７】本発明による第１の実施例の光磁界センサを用
いた電流測定装置の出力の直線性誤差を示す図

【図８】フェリ磁性ガーネット結晶による光の回折現象
を説明した模式図

【図９】従来の光磁界センサを用いた電流測定装置の出
力の直線性誤差を示す図

【図１０】従来の光磁界センサの構成図

【図１１】ファラデー効果を用いた磁界の測定原理を示
す図

【符号の説明】

ａ入射光ｂ出射光１、９光ファイバ２、８レンズ３、７ライトガイド４偏光子５磁気光学素子６検光子 10、11 屈曲光ファイバ 12、15 コア 13、16 クラッド 14 セカンドクラッド 17 光源 18 光磁界センサ 19 光検出部 20 信号処理用電気回路 21 コア 22 電線 23 ０次光 24 １次光 25 ２次光 26 ３次光 27 スクリーン 28 全反射ミラー 29 フェルール 30 ホルダー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも光の進行方向に沿って、偏光子
と、磁気光学素子と、前記偏光子に対して透過偏光方向
を互いに異ならしめた検光子を配置して被測定磁界を出
力光強度として検知する光磁界センサにおいて、前記磁
気光学素子の一端と第１の光ファイバの間と、前記磁気
光学素子の一端であって前記第１の光ファイバに対向す
る面と第２の光ファイバの間にライトガイドを配置した
ことを特徴とする光磁界センサ。
【請求項２】少なくとも光の進行方向に沿って、偏光子
と、磁気光学素子と、前記偏光子に対して透過偏光方向
を互いに異ならしめた検光子を配置して被測定磁界を出
力光強度として検知する光磁界センサにおいて、第１の
光伝送路と前記第１の光伝送路に対向する面に設置した
第２の光伝送路が屈曲光ファイバであることを特徴とす
る光磁界センサ。
【請求項３】磁気光学素子がフェリ磁性ガーネット結晶
であることを特徴とする請求項１または２記載の光磁界
センサ。