JP2000292460A - 横型光電流計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便で高感度の光電流計測および高効率の偏
光変調が可能な装置を提供すること。 【構成】 鉄心コアの間隙部に置かれたファラデー素
子、コアの間隙部の横方向から光線を入出力させる光学
系、発光および受光素子、バイアス磁界印加機構を有し
て、光検出によってコアを貫通する電流を簡便かつ高感
度に測定ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光を用いて非接触に
微小電流を測定したり、光を変調する装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ファラデー効果を用いた微小
電流の測定法あるいは光の変調法として、鉄心コアの一
部に間隙を設け、そこに透明な磁性体をファラデー素子
として挿入し、光線をコア間隙の縦方向（すなわち間隙
の間隔方向）に平行に進行させ、通過光の偏光変化か
ら、鉄心コアを交差する電流を測定したり、また光変調
を行う手法が知られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、光線を鉄
心コアの間隙部において、縦方向（すなわち被測定電流
が発生する磁界方向）に平行に進行させる構造では、偏
光子やレンズなどの光学素子を挿入するために間隙部の
間隔がやむおえず大きくならざるを得なかった。このた
めに、鉄心コアの磁気抵抗が増加し、間隙部に置かれた
センサ磁性体に印加される磁界の強度低下をもたらし、
それが電流検出感度や変調効率を低下させるのみなら
ず、磁気回路が十分に閉じないので、電流測定時におい
て、鉄心の周辺の電流による誤差を生じる要因になって
いた。また、鉄心に貫通部を設ける構成では、光学素子
の配置構成が複雑にならざるを得ないばかりか、ファラ
デー素子に印加される磁界が不均一になり、感度の低下
の要因になる恐れがあった。いずれの場合も、コア間隙
部において使用する素子のサイズは極めて小さなものが
要求され、それが製作上の問題になっていた。これらの
理由により、鉄心コアの間隙部に起因する磁気抵抗を小
さくし、かつ簡単な構成による方法が求められていた。

【０００４】

【問題を解決するための手段】本発明は、磁性体のファ
ラデー効果は、光線と印加磁界のなす方位が垂直方向で
も発生するという現象を利用し、光線を鉄心コア間隙部
においてコアの横方向から入出力させるという新たな方
式を用いて、従来よりも簡便な構成で正確に微小電流を
測定を行ったり、高効率に光変調が行えるようにした。
本発明による方式では、特に電流測定への応用では、コ
ア間隙部における空隙の厚さをゼロまたは非常に小さく
できるので、高感度に微小電流を計測でき、かつ周辺電
流の影響が極めて小さくすることができるばかりでな
く、構成が簡単で、使用する光素子のサイズに対する制
約を受けない。

【０００５】

【作用】透明な磁性体に直線偏光を入射すると、通過光
は、ファラデー効果（磁気旋光）によって、磁性体の光
線方向の磁化に比例した偏光面の回転を生じる。

【０００６】ところで、磁性体においては、反磁界効果
や容易磁化方向の存在のために、外部から印加した磁界
で誘起される磁化の方向は必ずしも印加磁界に平行な方
向ではない。従って、磁性体におけるファラデー効果を
誘起するためには、磁性体に印加する磁界の方向は、必
ずしも光線に平行である必要はない。特別な場合とし
て、光線と印加磁界のなす方位が直角でもよい。

【０００７】鉄心コアに微小な間隙部を設けると、コア
を貫通する電流（被測定電流）によって誘起された磁界
がコア間隙部に集中して発生する。間隙部での発生磁界
の方向は間隙部の間隔方向である。

【０００８】間隙部で発生する磁界の大きさは、間隙部
における磁気抵抗に反比例する。同じ磁気旋光能（ヴェ
ルデ定数）を有する磁性体をファラデー素子とする場合
には、鉄心コアの磁気抵抗が小さいほど電流センサとし
て高感度になり、また光変調器としては高効率になる。

【０００９】鉄心コアの間隙部の磁気抵抗Ｚは、Ｚ＝
（間隙の間隔）Ｌｇ／（間隙媒体の透磁率）μｇで与え
られる。従って、磁気抵抗を小さくするには、間隙Ｌｇ
を小さくすることが望ましい。また一方で、間隙媒体の
透磁率μｇを大きくすることが有効であり、そのために
は、間隙部に、透磁率が大きな磁性体を挿入することが
望ましい。

【００１０】実用的なファラデー効果磁性体には、その
形状で大別すると、大きな結晶等からなるバルク状のも
のと、薄膜状のものとがある。

【００１１】ファラデー効果素子としてバルク状素子を
使用する場合には、透磁率μｇの大きい素子全体をコア
の間隙部に空隙を含まないように挿入することで、コア
の磁気抵抗Ｚが小さくなり、電流センサ感度や光変調効
率が高くなる。

【００１２】ファラデー効果素子として薄膜状素子を使
用する場合には、コアの間隙部にセンサ薄膜を傾けて設
置するので、間隙部の間隔Ｌｇを非常に薄くするするこ
とができる。従って、鉄心コアの磁気抵抗Ｚが小さくな
り、電流センサ感度や光変調効率が高くなる。また、光
線を素子膜に対して斜め方向から入射するので、ビーム
幅の狭い光線でも膜に入射する光ビーム幅は実効的に大
きくなり、それが磁区による光回折の効果の空間的平均
化をもたらすので、安定な電流測定や変調特性が可能に
なる。

【００１３】当該磁性体の初期磁化が光線方向に完全に
平行であると、電流測定や光変調の際、出力特性が非線
形になるので好ましくない。

【００１４】このような恐れがある場合には予め当該磁
性体にバイアス磁界を印加して、初期磁化が光線方向に
対して直角方向成分を含むようにすることで、確実に線
形な出力特性が得られ、それによる電流測定の高感度
化、光変調の高効率化が図れる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に関わる光電流計装置と光変調
器を詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明による光電流計測の実施例
を示すための基本構成図である。

【００１７】鉄心コア１の間隙部２に磁性体３を挿入
し、コア１の横方向から間隙部２に光線４を入射させ
る。被測定電流５はコア１の内部を貫通させる。

【００１８】図２は、バルク状の磁性体をファラデー素
子とする場合におけるコア間隙部近傍の拡大図である。

【００１９】鉄心コア１１の間隙部にバルク状の磁性体
１２を空隙が生じない様に挿入する。光源１３から出た
光線を光ファイバ１４で伝送し、レンズ１５で平行光線
にした後、偏光子１６で偏光させる。磁性体１２を通過
する平行光線１７は、検光子１８を通過した後、レンズ
１９で集光され、光ファイバ２０によって光検出器２１
に到達する。

【００２０】図３は、垂直容易磁化を有する磁性薄膜を
センサ素子とする場合における鉄心コア間隙部近傍の拡
大図である。磁性体膜２２をガラスなど非磁性体２３，
２４を用いて光線２５の進行方向に対して斜め方向に支
持して鉄心コア１１の間隙部に挿する。その他の光学系
はバルク磁性体の場合と同様である。

【００２１】図４は、電流測定感度および出力の線形性
の向上のために、磁性体にバイア磁界を電流を用いて印
加する場合の実施例を示す図である。直流電源３１から
直流電流３２を鉄心コア１に巻いたコイル３３に通電し
て、コア１の間隙部に置かれた磁性体３にバイアス磁界
を印加する。

【００２２】図５は、電流測定感度および出力の線形性
の向上のために、磁性体にバイア磁界を永久磁石を用い
て印加する場合の実施例を示す図である。永久磁石対３
４，３５のＮ，Ｓ極を対向させてコア１の間隙部付近に
設置して磁性体３にバイアス磁界を印加する。

【００２３】図６は、イットリウム鉄ガーネット結晶
（ＹＩＧ結晶）をバルク磁性体として使用したセンサの
電流センサの実施例を表わす図である。ＹＩＧ結晶４１
をパーマロイリングコア４２の間隙部に挿入し、交流電
源４３で発生させた５０Ｈｚの被測定交流電流４４をコ
ア内部に貫通させる。直流電源４５を用いてバイアス磁
界用電流４６をコアに巻いたコイル４７に供給する。発
振波長１．３μｍの低コヒーレンス光源４８から出た光
線をファイバ・偏光子・レンズ・ＹＩＧ・レンズ・検光
子・ファイバからなる光学系４９を通過させた後、ゲル
マニウム・アバランシェ光検出器５０で検出し、出力電
気信号５１をオッシロスコープ５２で観測する。

【００２４】図７は、直流バイアス磁界の効果を表わす
図である。図７（ａ）は、直流バイアス電流が無い場合
のオッシロスコープ波形を示す。出力波形が歪んでいる
のが分かる。図７（ｂ）は、直流バイアス電流が１０Ａ
（１ターンに換算した電流値、以下同様）の場合のオッ
シロスコープ波形を示す。出力が線形に応答し、波形が
歪まないのが分かる。

【００２５】図８は、１０Ａの直流バイアス電流印加時
における出力信号電圧を示す。図８（ａ）は、比較的大
きな被測定交流電流（０＜Ｉ_Ａｃ＜２Ａ）に対する出力
信号電圧を示す。１Ａ以下の測定電流に対して、よい線
形応答が得られているのが分かる。図８（ｂ）は、図８
（ａ）の微小な被測定電流領域（０＜Ｉ_Ａｃ＜０．２
Ａ）における拡大図である。数１０ｍＡ程度の小電流を
感度よく測定できているのが分かる。

【００２６】図９は、鉄心コア（外直径５０ｍｍ）の周
辺を流れる電流の影響を見るために測定例である。同一
強度の電流がコアの外部、内部を流れる場合の出力信号
の比、すなわち、アイソレーション比をコアの中心から
半径５０ｍｍの同心円上の位置における測定値を示す。
全ての角方位で影響は１％以下と、良好であることが示
されている。

【００２７】図１０は、本発明に関わる装置を光変調器
として用いる場合における基本構成の実施例を示す図で
ある。鉄心コア６１に巻いたコイル６２に電源６３から
変調電流６４を通電する。コアには必要に応じてバイア
スコイル６５を用いてバイアス電源６６からバイアス電
流６７を通電する。これにより、磁性体６８を通過する
光線６９の偏光が変調できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によると、簡単な構成によって、
微小電流の高感度な光学的測定および光線の偏光乃至光
強度の高効率な変調が行える。これは、従来の光電流計
測および磁気光学的変調技術では実現されていないこと
であり、新しい計測・変調技術として広い応用範囲をも
つ。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる装置を電流センサとして用いる
場合における基本構成の実施例を示す図である。

【図２】本発明に関わる光学系の実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明に関わる光学系の実施例を示す図であ
る。

【図４】本発明に関わるバイアス磁界印加の実施例を示
す図である。

【図５】本発明に関わるバイアス磁界印加の実施例を示
す図である。

【図６】本発明に関わる電流センサの実施例を示す図で
ある。

【図７】本発明に関わる電流センサの出力波形例を示す
図である。

【図８】本発明に関わる電流センサの出力電圧特性例を
示す図である。

【図９】本発明に関わる電流センサの周辺電流の影響例
を示す図である。

【図１０】本発明に関わる装置を光変調器として用いる
場合における基本構成の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 鉄心コア ２３ 透明体 ４
９ 光学系 ２ 間隙部 ２４ 透明体 ５
０ 検出器 ３ 磁性体 ２５ 光線 ５
１ 出力 ４ 光線 ５
２ オッシロスコープ ５ 電流 ３１ 電源 ３２ 電流 ６１ 鉄心コア １１ 鉄心コア ３３ コイル ６
２ コイル １２ 磁性体 ３４ 磁石 ６
３ 電源 １３ 光源 ３５ 磁石 ６
４ 電流 １４ ファイバ ６
５ コイル １５ レンズ ４１ 磁性体 ６
６ 電源 １６ 偏光子 ４２ 鉄心コア ６
７ 電流 １７ 光線 ４３ 電源 ６
８ 磁性体 １８ 検光子 ４４ 電流 ６
９ 光線 １９ レンズ ４５ 電源 ２０ ファイバ ４６ 電流 ２１ 検出器 ４７ コイル ２２ 磁性膜 ４８ 光源

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２日（１９９９．７．２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】鉄心コアの一部に間隙部を設け、当該間隙
   部に透明な磁性体を挿入し、鉄心コアの側面から当該磁
   性体に光線を入射せしめる配置で鉄心コアを交差する電
   流を測定することを特徴とする装置。 【請求項２】鉄心コアの一部に間隙部を設け、当該間隙
   部に透明な磁性体を挿入し、鉄心コアの側面から当該磁
   性体に光線を入射せしめる配置で鉄心コアにコイルを巻
   き、当該コイルの電流によって光の偏光を変調すること
   を特徴とする装置。 【請求項３】 【請求項１】、 【請求項１】および 【請求項２】に関わる装置において、光源と、光を伝送
   する光ファイバと、ファイバ出力光ビームを調整するレ
   ンズと、レンズ透過光を直線偏光させる偏光子と、当該
   磁性体を通過した光線を通過させる検光子と、検光子を
   通過した光線を集光するレンズと、レンズ通過光を伝送
   する光ファイバと、光ファイバで伝送された光強度を検
   出する受光器で構成される構成を特徴とする装置。 【請求項４】 【請求項１】、 【請求項２】および 【請求項３】に関わる装置において、鉄心コアにバイア
   ス磁界を発生させるためのコイル巻き線あるいは永久磁
   石を具備することを特徴とする装置。