JP2713537B2

JP2713537B2 - 光学式物理量検出センサ

Info

Publication number: JP2713537B2
Application number: JP5070340A
Authority: JP
Inventors: 久和岡島; 正信山本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH06281676A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電圧センサ、光電界
センサ、光磁界センサ等光学式物理量検出センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光学式物理量検出センサの一形式として
特開昭６１−２２１６８７号公報に示されているよう
に、偏光手段、入射光の偏光面を印加磁界に応じて回転
させる光学手段、および検光手段を備え、光源から出射
する光を光ファイバーを介して前記偏光手段に導入する
とともに、前記検光手段から出射する光を光ファイバー
を介して導出する光学式物理量検出センサが知られてい
る。かかる形式のセンサにおいて、前記光学手段として
上記した公報に示されているようにファラデー素子を採
用した場合には、磁界の強度を検出する光磁界センサが
構成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した公
報に示された光磁界センサにおいては、光ファィバーと
して500μｍ以上という大口径の光ファイバーを採用し
て、光源からの出射光を光ファイバーに大量の光（大光
量）が導入できるようにして、結合効率の向上を意図し
ている。しかしながら、当該光磁界センサにおいては、
光源からの出射光を光ファイバーに大光量導入すること
ができるものの、光ファイバーが大口径のため折れ易
く、また、ファイバーベンディングによる光量損失があ
る。また、当該光磁界センサのごとく、光ファイバーと
してプラスチック製のものを採用した場合には、光ファ
イバーの熱膨張、熱収縮等に起因して温度特性が悪く、
損失温度依存性、波長温度依存性等の悪特性が発生す
る。

【０００４】従って、本発明の目的は、上記した光磁界
センサを含む光学式物理量検出センサにおいて、結合効
率を向上させかつ上記した問題を解消することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、偏光手段、入
射光の偏光成分間に印加電圧、印加電界に応じた位相差
を付与し、または入射光の偏光面を印加磁界に応じて回
転させる光学手段、および検光手段を備え、光源から出
射する光を光ファイバーを介して前記偏光手段に導入す
るとともに、前記検光手段から出射する光を光ファイバ
ーを介して導出する光学式物理量検出センサにおいて、
前記各光ファイバーとして、ガラス質で、コア径が２０
０〜５００μｍで開口数が０．３〜０．７の特性を有す
る光ファイバーを採用したことを特徴とするものであ
る。当該検出センサにおいて前記各光ファイバーはステ
ップインデックス型石英系ファイバー、グレーデッドイ
ンデックス型石英系ファイバー、多成分系ガラスファイ
バー等ガラス質のものであることが好ましい。

【０００６】

【発明の作用・効果】かかる構成の光学式物理量検出セ
ンサにおいては、光ファイバーのコア径が２００〜５０
０μｍであって、５００μｍ以上という大口径の光ファ
イバーに比較して中口径であるため光量の導入量の点で
は劣るものの、ガラス質で大口径であることに起因する
問題点であるファイバーの折れ易さ、ファイバーベンデ
ィングによる光量損失が解消される。また、当該光フア
イバーは開口数が０．３〜０．７という大きな開口数の
ものを採用しているため、光ファイバーには大光量を導
入することができ、中口径のファイバーに起因する光量
導入の損失を補うことができる。

【０００７】従って、当該光学式物理量検出センサにお
いては、コア径が大口径の光ファイバーに起因する問題
を解消し得るとともに、結合効率の向上を図ることがで
きる。このことは、複数のセンサと複数の光源および検
出器とを結合する多芯コネクタにおいては、コネクタの
芯精度がさほど高い精度を要求されないことを意味し、
極めて有利である。本発明の検出センサにおいては、ガ
ラス質の光ファイバーを採用しているので、プラスチッ
ク製の光ファイバーを採用することによる温度依存性が
解消される。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
るに、図１および図２には本発明に係る第１，第２実施
例である光磁界センサの２つの例が示されており、また
図３および図４には本発明に係る第３，第４実施例であ
る光電圧センサの２つの例が示されている。

【０００９】第１実施例に係る光磁界センサ１０は偏光
子の機能を有する第１偏光ビームスプリッタ１１、ファ
ラデー素子１２、検光子の機能を有する第２偏光ビーム
スプリッタ１３を備えているとともに、一対のロッドレ
ンズ１４ａ，１４ｂを備えており、通信用発光ダイオー
ドを採用した光源１５から出射する光を第１光ファイバ
ー１６ａを介して第１ロッドレンズ１４ａに導入し、か
つ第２ロッドレンズ１４ｂから出射する光を第２光ファ
イバー１６ｂを介して導出するように構成されている。

【００１０】かかる構成は公知の構成であり、光源１５
から出射した光は第１光ファイバー１６ａに導入され、
第１ロッドレンズ１４ａを経て平行光として第１偏光ビ
ームスプリッタ１１に出射される。第１偏光ビームスプ
リッタ１１においては、入射光を直線偏光に変換すると
ともに光の進行方向を９０度変更してファラデー素子１
２へ出射する。ファラデー素子１２においては、入射光
の偏光面が印加される磁界に応じて回転して第２偏光ビ
ームスプリッタ１３へ出射する。第２偏光ビームスプリ
ッタ１３においては、入射光を印可磁界に応じた強度の
変調光として、第２ロッドレンズ１４ｂへ出射する。第
２ロッドレンズ１４ｂにおいては、入射光を集光して第
２光ファイバー１６ｂに導入し、同ファイバー１６ｂか
ら光電変換手段に導出される。ファラデー素子１２に印
加された磁界の強度は、この光電変換手段からの信号に
基づいて検出される。

【００１１】しかして、当該光磁界センサ１０において
は、両光ファイバー１６ａ，１６ｂとしてコア径が200
〜500μｍ、開口数(NA)が0.3〜0.7の特性のステップイ
ンデックス型多成分ガラスからなる光ファイバーを採用
している。かかる光ファイバー１６ａ，１６ｂはコア径
が中口径であるため光の導入量の点では大口径のものに
劣るものの、大口径に起因する問題点であるファイバー
の折れ易さ、ファイバーベンディングによる光量損失が
解消され、また開口数が0.3〜0.7という大きな開口数の
ものを採用しているため、この点で光ファイバーに大光
量を導入することができ、コア径が中口径のファイバー
に起因する光量導入の損失を補うことができる。従っ
て、当該光磁界センサ１０においては、コア径が大口径
の光ファイバーに起因する問題を解消し得るとともに、
結合効率の向上を図ることができる。

【００１２】図５および図６には、図１に示す光磁界セ
ンサ１０において、光ファイバー１６ａ，１６ｂのコア
径(d)と結合効率との関係、および開口数(NA)と結合効
率との関係を測定した実験結果（第１実験および第２実
験）を示すグラフである。これらの実験においては、光
源１５として出射光の波長が850nmのものを採用すると
ともに、実験中の温度を25℃に設定して行った。第１実
験においては開口数が0.25で各種のコア径のものを採用
し、かつ第２実験においてはコア径が250μｍで各種の
開口数のものを採用している。これらの実験結果から明
かなように、結合効率に対する開口数およびコア径には
かなり明確な臨界点が認められ、コア径については200
〜500μｍの範囲、開口数については0.3〜0.7の範囲に
おいて結合効率が高い。

【００１３】また、表１には、本発明で採用する光ファ
イバー（コア径300μｍ、開口数0.5の多成分ガラス製）
とコア径が600μｍ、開口数が0.25のプラスチック製光
ファイバーとの透過光の-20〜80℃の範囲での損失変化
量を比較実験した結果（Ａ）、これら両光ファイバーに
おける３種類の波長（800nm，850nm，900nm）の透過光
の各波長間での損失変化量を比較実験した結果（Ｂ）、
これらの光ファイバーを採用して構成した光磁界センサ
における上記した各損失変化量を比較実験した結果
（Ｃ），（Ｄ）が示されている。これらの各実験結果か
ら、本発明で特定している光ファイバーを採用する場合
には透過光の損失変化が極めて少ないことが認められ
る。

【００１４】

【表１】

【００１５】図２には本発明の第２実施例にかかる光磁
界センサ２０が示されている。当該光磁界センサ２０は
偏光子の機能を有する第１偏光ビームスプリッタ２１、
ファラデー素子２２、検光子の機能を有する第２偏光ビ
ームスプリッタ２３を備えているとともに、一対のロッ
ドレンズ２４ａ，２４ｂを備えており、通信用発光ダイ
オードを採用した光源２５から出射する光を第１光ファ
イバー２６ａを介して第１ロッドレンズ２４ａに導入
し、かつ第２ロッドレンズ２４ｂから出射する光を第２
光ファイバー２６ｂを介して導出するように構成されて
いる。なお、当該光磁界センサ２０においては、第２偏
光ビームスプリッタ２３と第２ロッドレンズ２４ｂ間に
全反射ミラー２７が配置されていて、第２偏光ビームス
プリッタ２３を出射した光がミラー２７により９０度進
行方向が変更されるように構成されている。その他の構
成は第１実施例の光磁界センサ１０と同様であり、略同
様の作用効果を奏するものである。

【００１６】図３には本発明の第３実施例に係る光電圧
センサ３０が示されている。当該光電圧センサ３０にお
いては、第１実施例に係る光磁界センサ１０のファラデ
ー素子１２に換えてポッツケルス素子３２を採用してい
る点、および第１偏光ビームスプリッタ３１とポッケル
ス素子３２間に１／４波長板３８を配置している点で構
成上相違する。また、当該光電圧センサ３０において
は、ポッケルス素子３２を採用していることから、ポッ
ケルス素子３２に印加される電圧強度を検出する機能を
有するもので、この点で光磁界センサ１０とは機能上相
違する。但し、光ファイバー３６ａ，３６ｂとして光磁
界センサ１０と同様のファイバーを採用しているため、
同磁界センサ１０と同様の作用効果を奏するものであ
る。なお、その他の構成については図１に示すセンサと
同様であるので、３０番台の類似する符号を付して説明
を省略する。

【００１７】図４には本発明の第４実施例に係る光電圧
センサ４０が示されている。当該光電圧センサ４０にお
いては、第２実施例に係る光磁界センサ２０のファラデ
ー素子２２に換えてポッケルス素子４２を採用している
点、および第１偏光ビームスプリッタ４１とポッケルス
素子４２間に１／４波長板４８を配置している点で構成
上相違する。また、当該光電圧センサ４０においては、
ポッケルス素子４２を採用していることから、ポッケル
ス素子４２に印加される電圧強度を検出する機能を有す
るもので、この点で光磁界センサ２０とは機能上相違す
る。但し、光ファイバー４６ａ，４６ｂとして光磁界セ
ンサ２０と同様のファイバーを採用しているため、同磁
界センサ２０と同様の作用効果を奏するものである。な
お、その他の構成については図２に示すセンサと同様で
あるので、４０番台の類似する符号を付して説明を省略
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光磁界センサの概略
構成図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る光磁界センサの概略
構成図である。

【図３】本発明の第３実施例に係る光電圧センサの概略
構成図である。

【図４】本発明の第４実施例に係る光電圧センサの概略
構成図である。

【図５】光ファイバーの開口数と結合効率の関係を示す
グラフである。

【図６】光ファイバーのコア径と結合効率の関係を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０，２０…光磁界センサ、３０，４０…光電圧セン
サ、１１，２１，３１，４１…第１偏光ビームスプリッ
タ、１２，２２…ファラデー素子、３２，４２…ポッケ
ルス素子、１３，２３，３３，４３…第２偏光ビームス
プリッタ、１５，２５，３５，４５…光源、１６ａ，１
６ｂ，２６ａ，２６ｂ…光ファイバー、３６ａ，３６
ｂ，４６ａ，４６ｂ…光ファイバー、２７，４７…反射
ミラー、３８，４８…１／４波長板。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光手段、入射光の偏光成分間に印加電
圧、印加電界に応じた位相差を付与し、または入射光の
偏光面を印加磁界に応じて回転させる光学手段、および
検光手段を備え、光源から出射する光を光ファイバーを
介して前記偏光手段に導入するとともに、前記検光手段
から出射する光を光ファイバーを介して導出する光学式
物理量検出センサにおいて、前記各光ファイバーとし
て、ガラス質で、コア径が２００〜５００μｍで開口数
が０．３〜０．７の特性を有する光ファイバーを採用し
たことを特徴とする光学式物理量検出センサ。