JPH0980135A - 光磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光磁界センサのフレネル反射損失と結合損失と
を低減させるとともに、光軸調整に要する時間を短縮さ
せる。 【解決手段】光路中に、外周面が、球面１１ａ，１２ａ
と、該球面の曲率中心を含む平面１１ｂ，１２ｂとから
なる半球レンズ１１，１２を配置する。各半球レンズ１
１，１２には偏光分離膜１３，１４が蒸着されている。
半球レンズ１１，１２は従来の光磁界センサにおけるレ
ンズと偏光ビームスプリッターに代えて用いられるもの
である。このため、光学部品点数を減らすことができ、
その分、上記の損失を低減させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気光学素子のフ
ァラデー効果を用いて磁界強度を測定する光磁界センサ
に関する。本発明は、特に、電力を供給する送電線、配
電線、受変電設備（以下、「キュービクル」という）、
ＧＩＳ (GAS INSULATED SWITCH GEAR)などの電線の周囲
に発生する磁界の強度を測定することによって、電流の
大きさを検知する光磁界センサ、並びに、一般的な静磁
界、交流磁界などを測定する光磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電所から消費者までの電力輸送経路で
ある送電線、配電線に流れる電流の大きさを測定し、異
常を発見する電流センサ、あるいは、キュービクル、Ｇ
ＩＳ内で使用される電流センサとしては、従来、トラン
ス型のものが用いられてきた。しかし、このトランス型
電流センサは、大型、大重量、低絶縁性などの種々の問
題点がある。このため、近年では、トランス型電流セン
サに代えて、高耐圧、高絶縁性、非接触、小型軽量、高
圧側に電源や電気回路が不要であるなどの利点を有する
光磁界センサが用いられるようになっている。光磁界セ
ンサとは、導体に流れる電流によって、その導体（例え
ば、送電線）の周囲に発生する磁界を磁気光学材料の有
するファラデー効果を利用して測定し、その磁界の値か
ら電流値を求めるものである。

【０００３】従来の電流測定用の光磁界センサの基本構
成を図４に示す。光源１から出射した光は光ファイバー
２を通り、第一レンズ３において平行光に変換された
後、第一の偏光ビームスプリッター（以下、「ＰＢＳ」
という）４に入射する。ＰＢＳ４において、光はＳ偏光
成分とＰ偏光成分の各直線偏光に分離される。Ｓ偏光成
分のみが光路を９０度曲げられ、半波長板５に入射す
る。この半波長板５は、ＰＢＳ４において形成されたＳ
偏光成分の偏光面を４５度回転させ、本光磁界センサの
感度を最大にするために使用されるものである。光は、
半波長板５を通過した後、磁気光学素子６を通過する。
光は磁気光学素子６を通過するときに、被測定磁界の強
度に応じて旋光し、第二のＰＢＳ７に入射する。ＰＢＳ
７において、光は被測定磁界の強度に応じた光強度とな
り、かつ、再び光路を９０度曲げられ、第二レンズ８に
よって、光ファイバー９に集光される。この後、光は、
光ファイバー９によって検出器１０に導かれ、光電変換
される。

【０００４】光源１としては、一般的には、発光ダイオ
ードが用いられる。光源１には、発光強度が大きく、指
向性が強いレーザーダイオードを用いることもできる
が、レーザーダイオードを用いると、レーザーダイオー
ドから出射する光は、ほぼ直線偏光であり、光ファイバ
ー２を通過するときに、光ファイバー２に応力変化が発
生すると、偏光面が不安定になり、ＰＢＳ４を通過した
光の強度が変動するという問題が生じる。このため、光
源１としては、無偏光の光を出射する発光ダイオードが
適している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】送電線や配電線の電流
計測、ＧＩＳやキュービクル内の計器用変流器に用いら
れる光磁界センサは高感度であることが要求される。光
磁界センサの構成要素である磁気光学素子６の材料とし
ては、鉛ガラス、ＺｎＳｅ、ＢＧＯ、ＢＳＯなどの反磁
性材料、あるいは、常磁性材料があるが、これらからつ
くられる磁気光学素子の感度は全般的に低い。このた
め、磁気感度が高く、量産性が高い磁性ガーネット又は
一層高感度なＢｉ置換磁性ガーネットを磁気光学素子６
の材料として用いることが検討されている。

【０００６】一般に、光磁界センサの挿入損失はできる
だけ小さくし、光検出器で光電変換する際のＳ／Ｎ比を
高めることが必要である。しかし、入出射ファイバー間
に位置するレンズ、ＰＢＳ、半波長板及び磁気光学素子
の各光学素子においてフレネル反射損失が生じるため、
光磁界センサの挿入損失の低減には限界があった。

【０００７】また、光ファイバー、レンズ及びＰＢＳの
各光学素子間における光軸合わせは低挿入損失を実現す
るためには不可欠な作業ではあるが、素子の数が多くな
るほど光軸を合わせるには手間がかかり、生産性の向上
を妨げる一因になっている。

【０００８】本発明は、このような従来の光磁界センサ
における問題点に鑑みてなされたものであり、低損失で
あり、かつ、生産性の高い光磁界センサを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】各光学素子において生じ
るフレネル反射損失による挿入損失を低減させ、かつ、
各光学素子間における光軸合わせの手間を少なくするこ
とは、光学素子の数を減らすことによって達成すること
ができる。本発明はこの点に着目し、図４に示した従来
の光磁界センサにおける第一のレンズ３及びＰＢＳ４並
びに第二のレンズ８及びＰＢＳ７の各々を一つの光学素
子に置き換えることにより、光学素子の数の低減を図っ
ている。

【００１０】すなわち、本発明に係る光磁界センサは、
光源から発せられた光が、第一のレンズ、入射界面及び
出射界面を有する透光体に設けられた第一の偏光分離
膜、半波長板、磁気光学素子、入射界面及び出射界面を
有する透光体に設けられた第二の偏光分離膜及び第二の
レンズを経て出力される光磁界センサにおいて、前記第
一のレンズ及び前記透光体に設けられた前記第一の偏光
分離膜並びに前記第二のレンズ及び前記透光体に設けら
れた前記第二の偏光分離膜に代えて各々半球レンズが配
置されており、該半球レンズは、球面と、該球面の曲率
中心を含む平面とから外周面が形成されており、前記平
面には偏光分離膜が設けられており、前記半球レンズ
は、前記光が前記球面から入射するように配置されてい
ることを特徴とする。

【００１１】本発明に係る光磁界センサにおいて用いら
れる半球レンズは、球レンズを半割にした形状を有して
おり、その外周面は、球面と、該球面の曲率中心を含む
平面とからなっている。この半球レンズの平面には、無
偏光で単一波長の光が４５度の角度で入射した際に、偏
光子として機能するような誘電体多層膜からなる偏光分
離膜が設けられている。これにより、半球レンズにレン
ズ（図４のレンズ３又は８）とＰＢＳ（図４のＰＢＳ４
又は７）の二つの機能を持たせることができ、結果的
に、光磁界センサを構成する光学素子の数を低減させる
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に本発明に係る光磁界センサ
の一実施形態を示す。本実施形態に係る光磁界センサに
おいては、図４に示した従来の光磁界センサにおけるレ
ンズ３及びＰＢＳ４並びにレンズ８及びＰＢＳ７に代え
て、各々半球レンズ１１，１２が配置されている。

【００１３】半球レンズ１１，１２は、球面１１ａ，１
２ａと、該球面の曲率中心を含む平面１１ｂ，１２ｂと
から外周面が形成されており、平面１１ｂ，１２ｂに
は、誘電体多層膜からなる偏光分離膜１３，１４が各々
コーティングされている。半球レンズ１１，１２は、光
が球面１１ａ，１２ａから入射した後、偏光分離膜１
３，１４に達するように配置されている。なお、偏光分
離膜１３，１４は図４に示した光磁界センサのＰＢＳ
４，７に用いられている偏光分離膜と同一のものであ
る。

【００１４】発光ダイオードからなる光源１から発せら
れた光は光ファイバー２により集光され、光ファイバー
２からは広がり角１０度以下で出射される。この出射光
は、半球レンズ１１の球面１１ａの中心１１ｃを通り、
かつ、平面１１ｂに４５度の入射角で入射するように半
球レンズ１１に入射する。半球レンズ１１に入射し、平
面１１ｂに達した入射光におけるＰ偏光成分は全く反射
することなく偏光分離膜１３を透過するが、Ｓ偏光成分
は偏光分離膜１３を構成する誘電体多層膜の各誘電体膜
の境界面で部分的に反射し、最終的には、９８％以上の
反射率で反射する。

【００１５】反射したＳ偏光成分は平行光となり、半球
レンズ１１から出射される。その出射方向は入射方向に
対して９０度の方向である。その後、平行光は半波長板
５及び磁気光学素子６を通過することによって、被測定
磁界の磁界強度に応じて偏光面が回転し、さらに、偏光
分離膜１４を備えた半球レンズ１２を通過することによ
り、磁界強度に応じた光強度に変わる。この後、光は光
ファイバー９により集光され、検出器１０に導かれ、光
電変換される。以上のような構成を有する本実施形態に
係る光磁界センサは、以下に述べるように、図４に示し
た従来の光磁界センサと比較して、フレネル反射損失が
低減されている。

【００１６】フレネル反射損失は光が屈折率が変化する
界面を通過する際に生じる。本実施形態に係る光磁界セ
ンサにおいては、半球レンズ１１，１２が図４に示した
光磁界センサにおけるレンズ３，８とＰＢＳ４，７とを
兼ねているため、図４に示した従来の光磁界センサと比
較して、フレネル反射損失を生じさせる界面が４個少な
い。すなわち、半球レンズ１１，１２の入出射界面は図
４に示した光磁界センサのレンズ３，８の入出射界面に
相当するので、本実施形態に係る光磁界センサにおいて
は、図４の光磁界センサにおけるＰＢＳ４，７の４個の
入出射界面が省略されていることになる。この入出射界
面の個数の低減により、フレネル反射損失も減少してい
る。

【００１７】半球レンズ１１，１２、レンズ３，８（図
４参照）、ＰＢＳ４，７（図４参照）が全て屈折率１．
５の代表的な光学ガラスからなるものと仮定すると、本
実施形態に係る光磁界センサを用いることにより、挿入
損失は約０．７ｄＢ少なくなる。

【００１８】また、本実施形態に係る光磁界センサにお
いては、半球レンズ１１，１２がレンズ３，８及びＰＢ
Ｓ４，７の機能を備えているため、ＰＢＳを別個に設け
る必要がなく、二つの半球レンズ１１，１２の間の距離
を従来よりも短くすることができる。レンズ３，８は拡
散光を平行光に、あるいは、平行光を集束光に変換する
ために用いられるが、拡散光を完全な平行光に変換する
ことは不可能である。このため、レンズ間の距離を短く
することができれば、不完全な平行光による結合損失を
低減することができる。

【００１９】さらに、従来の光磁界センサは、２個の光
ファイバー２，９の間にレンズ３，８、ＰＢＳ４，７、
半波長板５及び磁気光学素子６の６個の光学部品を有し
ており、光軸調整にはかなりの時間を必要としていた。
これに対して、本実施形態に係る光磁界センサにおいて
は、ＰＢＳを配置する必要がないので、２個の光ファイ
バー２，９の間の光学部品の数は４個となり、光軸調整
に要する時間もその分短縮することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本実施形態に係る光磁界センサと従来
の光磁界センサとの比較実験について説明する。まず、
本実施形態に係る光磁界センサは以下のようにして作製
した。光ファイバー２，９にはコア径２００μｍの多成
分ガラス光ファイバーを、半球レンズ１１，１２には直
径２ｍｍ、材質ＢＫ７のものを使用した。半球レンズ１
１，１２の平面１１ａ，１２ａには、入射角４５度で光
が入射した場合にＰ偏光成分は通過するが、Ｓ偏光成分
は反射するような誘電体多層膜からなる偏光分離膜１
３，１４を蒸着した。また、半波長板５には厚さ１．０
ｍｍの光学人工水晶を、磁気光学素子６にはＢｉ置換磁
性ガーネット膜を使用した。

【００２１】光磁界センサの組立は、半球レンズ１１，
１２の間隔が５．０ｍｍになるように、光ファイバー
２，９、半球レンズ１１，１２、半波長板５及び磁気光
学素子６をホルダーに接着することにより行った。光フ
ァイバー２，９、半球レンズ１１，１２、半波長板５及
び磁気光学素子６のホルダーへの接着及び光軸調整に要
した時間は光磁界センサ１個当たり３２分であった。

【００２２】このように製作した本実施形態に係る光磁
界センサの挿入損失は９．９ｄＢであった。なお、ここ
で挿入損失とは、検出器１０により計測された光強度
と、光ファイバー２を検出器１０に直結した際に検出器
１０により計測された光強度の差である。

【００２３】また、５０Ｈｚの交流磁界７００〔Ｏｅ〕
を定格実効磁界として３５〔Ｏｅ〕まで変化させたとき
の比誤差及び位相角の測定を本実施形態に係る光磁界セ
ンサに対して行ったところ、それぞれ図２及び図３に示
すように、３５〜７００〔Ｏｅ〕の実効磁界範囲におい
て非常に小さく、ほぼゼロであった。

【００２４】ここで、比誤差Ｒは、（定格実効磁界印加
時の光検出器からの出力）／（定格実効磁界）＝Ｋ０、
（測定実効磁界印加時の光検出器からの出力）／（測定
実効磁界）＝Ｋとすると、次式で表される。 Ｒ＝（Ｋ０／Ｋ−１）×１００ すなわち、光検出器の出力と被測定磁界の大きさとは本
来直線関係にあるはずであるが、種々の要因により、光
検出器の出力がこの直線関係からずれることがある。こ
のずれ率が比誤差である。また、位相角とは、被測定磁
界の位相と光検出器の出力位相との間の位相差を指す。

【００２５】一方、従来の光磁界センサは以下のように
して作製した。光ファイバー２，９、半波長板５及び磁
気光学素子６には上記の実施形態と同様のものを使用し
た。また、レンズ３，８には材質ＢＫ７、直径２ｍｍの
球レンズを、ＰＢＳ４，７には材質ＢＫ７、２ｍｍ角の
ものを使用した。

【００２６】ＰＢＳ４，７の間の間隔が５．０ｍｍにな
るように、光ファイバー２，９、レンズ３，８、ＰＢＳ
４，７、半波長板５及び磁気光学素子６を共通のホルダ
ーに接着し、図１に示すような光磁界センサを組み立て
た。これら８個の光学部品の接着及び光軸調整に要した
時間は光磁界センサ１個当たり４６分であった。また、
前述の実施形態の場合と同様に測定した従来の光磁界セ
ンサの挿入損失は１１．６ｄＢであった。

【００２７】このように、この実験により、光磁界セン
サの挿入損失及び組立時間の双方において、本実施形態
に係る光磁界センサは従来の光磁界センサよりも改善さ
れていることが証明できた。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係る光磁界センサによれば、従
来のレンズ及びＰＢＳに代えて、半球レンズを使用する
ことにより、フレネル反射損失と結合損失とを低減させ
ることができ、かつ、光軸調整に要する時間を短縮させ
ることもでき、光磁界センサの生産性の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光磁界センサの一実施形態の基本
構成を示す概略図である。

【図２】本発明に係る光磁界センサの比誤差を定格実効
磁界７００〔Ｏｅ〕において測定した結果を示すグラフ
である。

【図３】本発明に係る光磁界センサの位相角を定格実効
磁界７００〔Ｏｅ〕において測定した結果を示すグラフ
である。

【図４】従来の光磁界センサの基本構成を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１ 光源 ２，９ 光ファイバー ３，８ レンズ ４，７ ＰＢＳ ５ 半波長板 ６ 磁気光学素子 １０ 検出器 １１，１２ 半球レンズ １３，１４ 偏光分離膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発せられた光が、第一のレン
   ズ、入射界面及び出射界面を有する透光体に設けられた
   第一の偏光分離膜、半波長板、磁気光学素子、入射界面
   及び出射界面を有する透光体に設けられた第二の偏光分
   離膜及び第二のレンズを経て出力される光磁界センサに
   おいて、 前記第一のレンズ及び前記透光体に設けられた前記第一
   の偏光分離膜並びに前記第二のレンズ及び前記透光体に
   設けられた前記第二の偏光分離膜に代えて各々半球レン
   ズが配置されており、 該半球レンズは、球面と、該球面の曲率中心を含む平面
   とから外周面が形成されており、前記平面には偏光分離
   膜が設けられており、 前記半球レンズは、前記光が前記球面から入射するよう
   に配置されていることを特徴とする光磁界センサ。