JP3140546B2 - 光磁界測定装置及び方法 - Google Patents
光磁界測定装置及び方法Info
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- JP3140546B2 JP3140546B2 JP04081398A JP8139892A JP3140546B2 JP 3140546 B2 JP3140546 B2 JP 3140546B2 JP 04081398 A JP04081398 A JP 04081398A JP 8139892 A JP8139892 A JP 8139892A JP 3140546 B2 JP3140546 B2 JP 3140546B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、送電線、配電線の電流
を測定するのに好適な光磁界（電流）測定装置及び光磁
界（電流）測定方法に関し、更に詳細には、センサ部の
構造が極めて簡単であり且つ使用温度に依存しない新規
な光磁界測定装置及び光磁界測定方法に関する。
を測定するのに好適な光磁界（電流）測定装置及び光磁
界（電流）測定方法に関し、更に詳細には、センサ部の
構造が極めて簡単であり且つ使用温度に依存しない新規
な光磁界測定装置及び光磁界測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光磁界
センサは、光を媒体としているために、絶縁性が良好で
あり、電磁誘導の影響を受けないという特徴を持ち、送
電線の電流測定等に使用されている。図６に従来用いら
れていた磁界測定装置の一例を示す。この装置の光学系
は磁気光学素子１、光ファイバ２、２’コリメータレン
ズ３、３’、偏光子１７、検光子１８から構成されてい
る。光源４から射出した光はコリメータレンズ３により
平行ビームになり、偏光子１７を透過して直線偏光にな
る。磁気光学素子１に磁界が印加されるとファラデー効
果によりこの直線偏光の偏光面が磁界の強度に比例して
回転する。この光が検光子１８を透過すると偏光面の角
度により光量が変化し、コリメータレンズ３’により光
ファイバ２’へ集光され、受光素子１９により検出され
る。ここで、検光子を通過した光の磁界周波数ωで振動
する光成分の光強度I(ω) と直流成分に相当する光成分
の光強度Ｉ0 との比は、 I(ω) ／ＩO ＝２Ｖr ＬＨω （式中、Ｈωは周波数ωで振動する被測定体の交流磁界
強度、Ｖr はファラデー素子のヴェルデ定数、Ｌはファ
ラデー素子の厚さ）により表され、磁界の強度ＨωはI
(ω) ／ＩO を観測することによって簡単に求められ
る。
センサは、光を媒体としているために、絶縁性が良好で
あり、電磁誘導の影響を受けないという特徴を持ち、送
電線の電流測定等に使用されている。図６に従来用いら
れていた磁界測定装置の一例を示す。この装置の光学系
は磁気光学素子１、光ファイバ２、２’コリメータレン
ズ３、３’、偏光子１７、検光子１８から構成されてい
る。光源４から射出した光はコリメータレンズ３により
平行ビームになり、偏光子１７を透過して直線偏光にな
る。磁気光学素子１に磁界が印加されるとファラデー効
果によりこの直線偏光の偏光面が磁界の強度に比例して
回転する。この光が検光子１８を透過すると偏光面の角
度により光量が変化し、コリメータレンズ３’により光
ファイバ２’へ集光され、受光素子１９により検出され
る。ここで、検光子を通過した光の磁界周波数ωで振動
する光成分の光強度I(ω) と直流成分に相当する光成分
の光強度Ｉ0 との比は、 I(ω) ／ＩO ＝２Ｖr ＬＨω （式中、Ｈωは周波数ωで振動する被測定体の交流磁界
強度、Ｖr はファラデー素子のヴェルデ定数、Ｌはファ
ラデー素子の厚さ）により表され、磁界の強度ＨωはI
(ω) ／ＩO を観測することによって簡単に求められ
る。
【０００３】しかしながら、このような従来の磁界測定
装置は、磁気光学素子の両側に偏光子及び検光子を配置
する必要があり、センサ自体の構造が複雑化するという
欠点があった。また、磁気光学素子のヴェルデ定数Ｖr
は温度の関数であるので測定環境を一定にしなければな
らないという問題もあった。
装置は、磁気光学素子の両側に偏光子及び検光子を配置
する必要があり、センサ自体の構造が複雑化するという
欠点があった。また、磁気光学素子のヴェルデ定数Ｖr
は温度の関数であるので測定環境を一定にしなければな
らないという問題もあった。
【０００４】別の従来の磁界測定装置として、例えば、
特開平１−２２３３５９号に記載されたような光電流・
磁界測定装置が知られている。この装置では、センサヘ
ッドのファラデー素子に、測定する交流磁界とは異なる
一定のバイアス磁界を別に加え、ファラデー回転子を透
過する光の該交流磁界と同一の角周波数成分（Ｅω）及
び該交流磁界の２倍の角周波数成分（Ｅ２ω）をそれぞ
れ取り出し、該同一の角周波数成分（Ｅω）に対する該
２倍の角周波数成分（Ｅ２ω）の相対値を求めることに
よって磁界を測定している。この技術では、上記の技術
とは異なり、温度の関数であるＶr とは無関係に磁界強
度を知ることができるという利点があった。
特開平１−２２３３５９号に記載されたような光電流・
磁界測定装置が知られている。この装置では、センサヘ
ッドのファラデー素子に、測定する交流磁界とは異なる
一定のバイアス磁界を別に加え、ファラデー回転子を透
過する光の該交流磁界と同一の角周波数成分（Ｅω）及
び該交流磁界の２倍の角周波数成分（Ｅ２ω）をそれぞ
れ取り出し、該同一の角周波数成分（Ｅω）に対する該
２倍の角周波数成分（Ｅ２ω）の相対値を求めることに
よって磁界を測定している。この技術では、上記の技術
とは異なり、温度の関数であるＶr とは無関係に磁界強
度を知ることができるという利点があった。
【０００５】しかしながら、特開平１−２２３３５９号
の磁界測定装置も、前記の従来の技術と同様に磁気光学
素子の両側に偏光子及び検光子を配置する必要があり、
さらに、バイアス磁界印加手段も必要とするのでセンサ
の構造は一層複雑化するという欠点があった。
の磁界測定装置も、前記の従来の技術と同様に磁気光学
素子の両側に偏光子及び検光子を配置する必要があり、
さらに、バイアス磁界印加手段も必要とするのでセンサ
の構造は一層複雑化するという欠点があった。
【０００６】そこで、本発明の目的は、偏光子及び検光
子を必要としない簡単な構造を有する新規な光磁界測定
装置及び方法を提供することにある。また、本発明は、
偏光子及び検光子並びにバイアス印加手段をも必要とせ
ずに、送電線等の磁界を測定する装置及び方法を提供す
ることにある。
子を必要としない簡単な構造を有する新規な光磁界測定
装置及び方法を提供することにある。また、本発明は、
偏光子及び検光子並びにバイアス印加手段をも必要とせ
ずに、送電線等の磁界を測定する装置及び方法を提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するために鋭意、検討研究した結果、回折現象を利
用した新規な磁気光学素子を用いることによって、偏光
子及び検光子を必要としない構造が簡単な光磁界測定装
置並びに該装置を用いる新規な磁界測定方法を開発する
ことに成功した。
解決するために鋭意、検討研究した結果、回折現象を利
用した新規な磁気光学素子を用いることによって、偏光
子及び検光子を必要としない構造が簡単な光磁界測定装
置並びに該装置を用いる新規な磁界測定方法を開発する
ことに成功した。
【０００８】すなわち本発明は、磁界を印加しない状態
では多磁区構造を有し且つ磁区内の光の進行方向と平行
な磁化成分が隣接する磁区では互いに異なる磁気光学素
子と、該素子に光を入射するための発光手段と、該磁気
光学素子を通過した０次回折光のうち被磁界測定体の磁
界周波数ωの２倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ
(2ω) 及び該０次回折光のうちの直流成分に相当する光
成分の光強度ＩO とを求める手段と、比Ｉ(2ω) ／ＩO
を求める手段とを有する光磁界測定装置である。
では多磁区構造を有し且つ磁区内の光の進行方向と平行
な磁化成分が隣接する磁区では互いに異なる磁気光学素
子と、該素子に光を入射するための発光手段と、該磁気
光学素子を通過した０次回折光のうち被磁界測定体の磁
界周波数ωの２倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ
(2ω) 及び該０次回折光のうちの直流成分に相当する光
成分の光強度ＩO とを求める手段と、比Ｉ(2ω) ／ＩO
を求める手段とを有する光磁界測定装置である。
【０００９】また、本発明の別の態様に従えば、本発明
は、磁界を発生する被磁界測定体の近傍において、磁界
を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の光
の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互いに
異なる磁気光学素子に、光を入射させ、前記磁気光学素
子を通過した回折光のうち、０次回折光のみを取り出
し、該０次回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωの
２倍の周波数２ωで振動する光成分の光強度Ｉ(2ω) 及
び直流成分に相当する光成分の光強度ＩO とをそれぞれ
測定し、それらの比Ｉ(2ω) ／ＩO を求めることによっ
て被磁界測定体の磁界を測定する方法である。
は、磁界を発生する被磁界測定体の近傍において、磁界
を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の光
の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互いに
異なる磁気光学素子に、光を入射させ、前記磁気光学素
子を通過した回折光のうち、０次回折光のみを取り出
し、該０次回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωの
２倍の周波数２ωで振動する光成分の光強度Ｉ(2ω) 及
び直流成分に相当する光成分の光強度ＩO とをそれぞれ
測定し、それらの比Ｉ(2ω) ／ＩO を求めることによっ
て被磁界測定体の磁界を測定する方法である。
【００１０】本発明の別の態様に従えば、本発明は、磁
界を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の
光の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互い
に異なる磁気光学素子と、該素子に光を入射するための
発光手段と、上記磁気光学手段に一定のバイアス磁界を
加える磁界印加手段と、該磁気光学素子を通過した０次
回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωで振動する光
成分の光強度I(ω) と、その２倍の周波数２ωで振動す
る光成分の光強度I(２ω) とを測定する手段と、比Ｉ(2
ω) ／I(ω) を求める手段とを有する光磁界測定装置で
ある。
界を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の
光の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互い
に異なる磁気光学素子と、該素子に光を入射するための
発光手段と、上記磁気光学手段に一定のバイアス磁界を
加える磁界印加手段と、該磁気光学素子を通過した０次
回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωで振動する光
成分の光強度I(ω) と、その２倍の周波数２ωで振動す
る光成分の光強度I(２ω) とを測定する手段と、比Ｉ(2
ω) ／I(ω) を求める手段とを有する光磁界測定装置で
ある。
【００１１】本発明の別の態様に従えば、本発明は、磁
界を発生する被磁界測定体の近傍において、磁界を印加
しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の光の進行
方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互いに異なる
磁気光学素子に、一定のバイアス磁界を印加しながら光
を入射させ、前記磁気光学素子を通過した回折光のう
ち、０次回折光のみを取り出し、該０次回折光のうち被
磁界測定体の磁界周波数ωで振動する光成分の光強度I
(ω) とその２倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ
(2ω) をそれぞれ測定し、それらの比Ｉ(2ω) ／I(ω)
を求めることによって被測定体の磁界強度を測定する方
法である。
界を発生する被磁界測定体の近傍において、磁界を印加
しない状態では多磁区構造を有し且つ磁区内の光の進行
方向と平行な磁化成分が隣接する磁区では互いに異なる
磁気光学素子に、一定のバイアス磁界を印加しながら光
を入射させ、前記磁気光学素子を通過した回折光のう
ち、０次回折光のみを取り出し、該０次回折光のうち被
磁界測定体の磁界周波数ωで振動する光成分の光強度I
(ω) とその２倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ
(2ω) をそれぞれ測定し、それらの比Ｉ(2ω) ／I(ω)
を求めることによって被測定体の磁界強度を測定する方
法である。
【００１２】本発明に用いる磁気光学素子は、磁界を印
加しないときに、多磁区構造を有する材料であって、図
３に示すように、入射光の進行方向に対する磁化ベクト
ル成分が隣接する磁区で互いに異なるように配置され
る。例えば、Ｂｉを多量置換した磁性ガーネット材料
は、通常、垂直磁化であり、同図のような多磁区構造を
有している。このような多磁区構造に、磁化方向と平行
な直線偏光の光が入射すると、ファラデー効果により偏
波面が回転し、磁化が光の進行方向と同じ向きである磁
区では光の偏波面は＋θf 回転し、一方、逆向きの磁化
である磁区では−θf 回転する。このように磁区の場所
により偏波面の回転角が異なってくるため、回折が生じ
ることになる。このような多磁区構造は飽和磁界より小
さい磁界が印加されている場合に残存しており、ここに
光が入射すると、多磁区構造は回折格子として作用して
入射光の一部を回折する。その結果、検出光は回折損失
を生じることになる。ここで、回折損失が生じることに
よって回折次数ｎがｎ＝０次光、すなわち直進光の光強
度Ｉは、実測値を良好に再現する近似式である下記
（１）式によって表される：
加しないときに、多磁区構造を有する材料であって、図
３に示すように、入射光の進行方向に対する磁化ベクト
ル成分が隣接する磁区で互いに異なるように配置され
る。例えば、Ｂｉを多量置換した磁性ガーネット材料
は、通常、垂直磁化であり、同図のような多磁区構造を
有している。このような多磁区構造に、磁化方向と平行
な直線偏光の光が入射すると、ファラデー効果により偏
波面が回転し、磁化が光の進行方向と同じ向きである磁
区では光の偏波面は＋θf 回転し、一方、逆向きの磁化
である磁区では−θf 回転する。このように磁区の場所
により偏波面の回転角が異なってくるため、回折が生じ
ることになる。このような多磁区構造は飽和磁界より小
さい磁界が印加されている場合に残存しており、ここに
光が入射すると、多磁区構造は回折格子として作用して
入射光の一部を回折する。その結果、検出光は回折損失
を生じることになる。ここで、回折損失が生じることに
よって回折次数ｎがｎ＝０次光、すなわち直進光の光強
度Ｉは、実測値を良好に再現する近似式である下記
（１）式によって表される：
【数１】 Ｉ＝ＰO （ｃｏｓ2 θf ＋（Ｈ／Ｈs ）2 ｓｉｎ2 θf ）・・・（１） （式中、θf は飽和ファラデー回転角、Ｈは外部磁界、
Ｈs は飽和磁界、ＰO は飽和磁界以上のときの光強度、
｜Ｈ｜≦Ｈｓである） なお、｜Ｈ｜＞ＨｓではＩ＝ＰO である。従って、磁気
光学素子からの０次回折光強度Ｉを観測することによ
り、外部磁界Ｈが求められることになる。
Ｈs は飽和磁界、ＰO は飽和磁界以上のときの光強度、
｜Ｈ｜≦Ｈｓである） なお、｜Ｈ｜＞ＨｓではＩ＝ＰO である。従って、磁気
光学素子からの０次回折光強度Ｉを観測することによ
り、外部磁界Ｈが求められることになる。
【００１３】磁気光学素子の入射光に対する配置は、図
３に示すように、隣接する磁区内の磁化方向が入射光と
平行であり且つ互いに平行であることが好ましいが、垂
直磁化を有する磁気光学素子自体を入射光に対して斜め
の配置にすることもできる。また、光減衰量の調節等の
目的で磁気光学素子を複数枚重ね合わせて使用すること
もできる。
３に示すように、隣接する磁区内の磁化方向が入射光と
平行であり且つ互いに平行であることが好ましいが、垂
直磁化を有する磁気光学素子自体を入射光に対して斜め
の配置にすることもできる。また、光減衰量の調節等の
目的で磁気光学素子を複数枚重ね合わせて使用すること
もできる。
【００１４】上記のような磁界を印加しない状態で多磁
区構造を有する材料としては、例えば、ＬＰＥ法等によ
り作製したＢｉ置換稀土類鉄ガーネット材料、稀土類鉄
ガーネット、オルソフェライト等を挙げることができる
が、特にこれらに限定されず、本発明の目的を達成でき
る範囲内で多磁区構造を有する種々の材料を用いること
ができる。これらの材料を、磁化容易軸が面と垂直な方
向となるように切り出すことによって、一般に、垂直磁
化の薄膜が得られ、本発明の素子として用いることがで
きる。特に、ＬＰＥ法により作製したＢｉ置換稀土類鉄
ガーネット膜の場合は、成長誘導磁気異方性により特別
の処理をしなくてもそのままで垂直磁化性を有してお
り、本発明の目的を達成する上で好ましい。しかも、こ
のＢｉ置換稀土類鉄ガーネット材料はファラデー回転能
が大きいため、薄い厚さで大きな回折損失が得られると
いう点からも好適である。
区構造を有する材料としては、例えば、ＬＰＥ法等によ
り作製したＢｉ置換稀土類鉄ガーネット材料、稀土類鉄
ガーネット、オルソフェライト等を挙げることができる
が、特にこれらに限定されず、本発明の目的を達成でき
る範囲内で多磁区構造を有する種々の材料を用いること
ができる。これらの材料を、磁化容易軸が面と垂直な方
向となるように切り出すことによって、一般に、垂直磁
化の薄膜が得られ、本発明の素子として用いることがで
きる。特に、ＬＰＥ法により作製したＢｉ置換稀土類鉄
ガーネット膜の場合は、成長誘導磁気異方性により特別
の処理をしなくてもそのままで垂直磁化性を有してお
り、本発明の目的を達成する上で好ましい。しかも、こ
のＢｉ置換稀土類鉄ガーネット材料はファラデー回転能
が大きいため、薄い厚さで大きな回折損失が得られると
いう点からも好適である。
【００１５】本発明の第１の態様である光磁界測定装置
の一具体例を図１に示す。磁気光学素子１、該素子に光
を入射するための発光手段４と、コリメータレンズ３、
３’と、該０次回折光を受光して電気信号に変換する受
光手段１９と被測定体の磁界周波数ωの２倍の周波数で
振動する光成分の光強度を測定する手段５と、該０次回
折光のうちの直流成分に相当する光成分の光強度ＩO を
求める手段６と前記Ｉ(2ω) との比Ｉ(2ω) ／ＩO を求
める手段７を有する。手段５として、磁界周波数ωの２
倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ(2ω) を、受光
手段１９を通じて電気信号強度Ｉ'(2 ω) として測定す
る手段が便利である。同様に手段６として該０次回折光
のうちの直流成分に相当する光成分の光強度ＩO を、受
光手段１９を通じて電気信号強度Ｉ'Oとして測定する手
段が便利である。図中、２及び２’は光ファイバであ
る。０次回折光のみを取り出すには、光ファイバ２’内
にｎ≠０次光の回折光が入射しないように配置すればよ
く、例えば、光ファイバ２，２’としてシングルモード
ファイバを用い、コリメータレンズ３，３’により平行
ビーム光学系とすることにより実現できる。発光素子と
しては、例えば、レーザ、ＬＥＤ等が挙げられるが、特
にこれらに限定されず種々の光源を用いることができ
る。また、比Ｉ(2ω) ／ＩO を求める手段７としては、
例えば、割算回路を用いることができる。
の一具体例を図１に示す。磁気光学素子１、該素子に光
を入射するための発光手段４と、コリメータレンズ３、
３’と、該０次回折光を受光して電気信号に変換する受
光手段１９と被測定体の磁界周波数ωの２倍の周波数で
振動する光成分の光強度を測定する手段５と、該０次回
折光のうちの直流成分に相当する光成分の光強度ＩO を
求める手段６と前記Ｉ(2ω) との比Ｉ(2ω) ／ＩO を求
める手段７を有する。手段５として、磁界周波数ωの２
倍の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ(2ω) を、受光
手段１９を通じて電気信号強度Ｉ'(2 ω) として測定す
る手段が便利である。同様に手段６として該０次回折光
のうちの直流成分に相当する光成分の光強度ＩO を、受
光手段１９を通じて電気信号強度Ｉ'Oとして測定する手
段が便利である。図中、２及び２’は光ファイバであ
る。０次回折光のみを取り出すには、光ファイバ２’内
にｎ≠０次光の回折光が入射しないように配置すればよ
く、例えば、光ファイバ２，２’としてシングルモード
ファイバを用い、コリメータレンズ３，３’により平行
ビーム光学系とすることにより実現できる。発光素子と
しては、例えば、レーザ、ＬＥＤ等が挙げられるが、特
にこれらに限定されず種々の光源を用いることができ
る。また、比Ｉ(2ω) ／ＩO を求める手段７としては、
例えば、割算回路を用いることができる。
【００１６】このような装置を、被磁界測定体である電
線ケーブル８の近傍に設置して、以下のような操作によ
って磁界を測定する。最初に、発光素子４から光ファイ
バ等を通じて光を磁気光学素子１に入射させ、前記磁気
光学素子を通過した回折光のうち、０次回折光のみをコ
リメータレンズ３’を通じて光ファイバ２’へ取り出
し、受光素子により電気信号に変換する。次いでこの電
気信号のうち被測定体の磁界周波数ωの２倍の周波数成
分の強度Ｉ(2ω) 及び直流成分に相当する強度ＩO と
を、それぞれ、周波数成分検出器５及び６に入力させて
電気信号として観測する。次いでそれらの信号を割算器
７によってそれらの比ｋ＝Ｉ(2ω) ／ＩO 並びに下記式
（２）で表されるＨωを算出させる。
線ケーブル８の近傍に設置して、以下のような操作によ
って磁界を測定する。最初に、発光素子４から光ファイ
バ等を通じて光を磁気光学素子１に入射させ、前記磁気
光学素子を通過した回折光のうち、０次回折光のみをコ
リメータレンズ３’を通じて光ファイバ２’へ取り出
し、受光素子により電気信号に変換する。次いでこの電
気信号のうち被測定体の磁界周波数ωの２倍の周波数成
分の強度Ｉ(2ω) 及び直流成分に相当する強度ＩO と
を、それぞれ、周波数成分検出器５及び６に入力させて
電気信号として観測する。次いでそれらの信号を割算器
７によってそれらの比ｋ＝Ｉ(2ω) ／ＩO 並びに下記式
（２）で表されるＨωを算出させる。
【数２】 Ｈω＝（ＨS ／tan θf ）・√｛２ｋ／（１−ｋ）｝ ・・・（２） （式中、Ｈωは被測定体の磁界強度、ＨS は磁気光学素
子の飽和磁界、θf は飽和ファラデー回転角である）。
子の飽和磁界、θf は飽和ファラデー回転角である）。
【００１７】ｋを算出して式（２）により被測定体の磁
界強度Ｈωが導かれることを以下に示す。被測定体であ
る送電線等の電流から生ずる磁気光学素子における磁界
Ｈは、次式で表される：
界強度Ｈωが導かれることを以下に示す。被測定体であ
る送電線等の電流から生ずる磁気光学素子における磁界
Ｈは、次式で表される：
【数３】Ｈ＝Ｈωｓｉｎωｔ・・・・・（３） （式中、ωは送電線の交流電場の周波数であり、Ｈωは
磁界の振幅である） （３）式を（１）式に代入して次式を得る。
磁界の振幅である） （３）式を（１）式に代入して次式を得る。
【数４】 Ｉ＝ＩO −Ｉ(2ω) ｃｏｓ２ωｔ・・・・・（６） ここに、ＩO ＝ＰO （ｃｏｓ2 θf ＋（Ｈω2 ／２
ＨS 2）ｓｉｎ2 θf ） Ｉ(2ω) ＝ＰO （Ｈω2 ／２ＨS 2）ｓｉｎ2 θf であ
る。 ｋ＝Ｉ(2ω) ／ＩO としてＨωを求めると、下記（２）
式を得る。
ＨS 2）ｓｉｎ2 θf ） Ｉ(2ω) ＝ＰO （Ｈω2 ／２ＨS 2）ｓｉｎ2 θf であ
る。 ｋ＝Ｉ(2ω) ／ＩO としてＨωを求めると、下記（２）
式を得る。
【数５】 Ｈω＝（ＨS ／tan θf ）・√｛２ｋ／（１−ｋ）｝・・・（２）
【００１８】（２）式は、ｋ≪１の場合は、Ｈω≒（Ｈ
S ／tan θf ）√（２ｋ）のように一層簡単になる。こ
こで温度に対して安定にＨωを測定するためには（ＨS
／tan θf ）の温度依存性を小さくすればよい。温度を
Ｔとして、
S ／tan θf ）√（２ｋ）のように一層簡単になる。こ
こで温度に対して安定にＨωを測定するためには（ＨS
／tan θf ）の温度依存性を小さくすればよい。温度を
Ｔとして、
【００１９】
【数６】
【００２０】例えば、組成Ｂｉ1.5 Ｙ1.5 Ｆｅ5 Ｏ12の
磁気光学素子では、
磁気光学素子では、
【数７】 このように材料組成とファラデー回転角θf （すなわち
厚さ）を適宜調整することにより、磁気光学素子を周囲
温度に依存しないようにすることができる。
厚さ）を適宜調整することにより、磁気光学素子を周囲
温度に依存しないようにすることができる。
【００２１】この本発明の方法及び装置は、従来技術に
比べて偏光子及び検光子を必要とせず、さらに特開平１
−２２３３５９号の技術のようなバイアス磁界を印加す
ることなく装置の温度依存性を解消することができるた
め、磁界の測定が一層容易である。また、装置自体を一
層簡略にすることができる。
比べて偏光子及び検光子を必要とせず、さらに特開平１
−２２３３５９号の技術のようなバイアス磁界を印加す
ることなく装置の温度依存性を解消することができるた
め、磁界の測定が一層容易である。また、装置自体を一
層簡略にすることができる。
【００２２】次に、本発明の第２の態様に従う光磁界測
定装置の一具体例を図４に示す。同図は、図１の本発明
の光磁界測定装置において、磁気光学素子１の両側に磁
界印加手段９を設置し、図１の装置のＩO の代わりにI
(ω) を測定する装置を、また、比Ｉ(2ω) ／ＩO を算
出する手段の代わりに比Ｉ(2ω) ／I(ω) を求める手段
を設置した以外は図１と同様の装置である。ここで、磁
界印加手段としては、例えば、円筒状永久磁石、コイル
等を用いることができるが、特にそれらに限定されず磁
気光学素子１に一定の磁界を印加することができる手段
ならば種々のものを用いることができる。I(ω) を測定
する装置としては、例えば、Ｉ(2ω) と同様に周波数成
分検出器を、比Ｉ(2ω) ／I(ω) を算出する装置として
は、例えば、割算器を用いることができる。
定装置の一具体例を図４に示す。同図は、図１の本発明
の光磁界測定装置において、磁気光学素子１の両側に磁
界印加手段９を設置し、図１の装置のＩO の代わりにI
(ω) を測定する装置を、また、比Ｉ(2ω) ／ＩO を算
出する手段の代わりに比Ｉ(2ω) ／I(ω) を求める手段
を設置した以外は図１と同様の装置である。ここで、磁
界印加手段としては、例えば、円筒状永久磁石、コイル
等を用いることができるが、特にそれらに限定されず磁
気光学素子１に一定の磁界を印加することができる手段
ならば種々のものを用いることができる。I(ω) を測定
する装置としては、例えば、Ｉ(2ω) と同様に周波数成
分検出器を、比Ｉ(2ω) ／I(ω) を算出する装置として
は、例えば、割算器を用いることができる。
【００２３】図４に示すような装置を被磁界測定体であ
る電線ケーブル８の近傍に設置して磁界を測定する。磁
界の測定方法は、図１に示した装置の場合と基本的に同
様であるが、この方法においては、磁界印加手段によっ
て磁気光学素子に一定の磁界を印加しながら磁気光学素
子からの０次回折光を観測する。ここで観測する回折光
の光成分として、被測定体である送電線の電圧の周波数
ωで振動する光成分とその２倍の周波数２ωで振動する
光成分の光の強度I(ω) 及びＩ(2ω) をそれぞれ測定す
る。そして下記式（５）：
る電線ケーブル８の近傍に設置して磁界を測定する。磁
界の測定方法は、図１に示した装置の場合と基本的に同
様であるが、この方法においては、磁界印加手段によっ
て磁気光学素子に一定の磁界を印加しながら磁気光学素
子からの０次回折光を観測する。ここで観測する回折光
の光成分として、被測定体である送電線の電圧の周波数
ωで振動する光成分とその２倍の周波数２ωで振動する
光成分の光の強度I(ω) 及びＩ(2ω) をそれぞれ測定す
る。そして下記式（５）：
【数８】 Ｈω＝（４Ｉ(2ω) ／I(ω) ）Ｈｂ ・・・・・（５） （式中、Ｈｂはバイアス磁界強度である） を用いて送電線の磁界強度Ｈωを算出することができ
る。式（５）を用いる磁界Ｈωの算出原理を以下に説明
する。この場合、バイアス磁界が被磁界測定体からの磁
界とは別に磁気光学素子に印加されているので、磁気光
学素子が受ける磁界は全体として次のようになる。
る。式（５）を用いる磁界Ｈωの算出原理を以下に説明
する。この場合、バイアス磁界が被磁界測定体からの磁
界とは別に磁気光学素子に印加されているので、磁気光
学素子が受ける磁界は全体として次のようになる。
【数９】Ｈ＝Ｈｂ＋Ｈωｓｉｎωｔ この磁界Ｈを、０次回折光強度を求める式（１）に代入
して下記式（４）を得る。
して下記式（４）を得る。
【数１０】 Ｉ＝ＩO ＋I(ω) ｓｉｎωｔ−Ｉ(2ω) ｃｏｓ２ωｔ・・・（４） ここで、
【数１１】 ＩO ＝ＰO （ｃｏｓ2 θf ＋｛（Ｈｂ2 ＋Ｈω2 ／２）／ＨS 2｝ｓｉｎ2 θf I(ω) ＝ＰO （２ＨｂＨω／ＨS 2）ｓｉｎ2 θf Ｉ(2ω) ＝ＰO （Ｈω2 ／２ＨS 2）ｓｉｎ2 θf そしてI(ω) とＩ(2ω) の比を計算すると、I(ω) ／Ｉ
(2ω) ＝４Ｈｂ／Ｈωとなり、上記（５）式が求まる。
(2ω) ＝４Ｈｂ／Ｈωとなり、上記（５）式が求まる。
【００２４】このようにＨωは、Ｉ(2ω) ／I(ω) 、Ｈ
ｂから求めることができ、（５）式は、θf 、Ｈｓを含
まないため、磁気光学素子の温度特性にまったく依存せ
ず、Ｈωを安定に測定できる。但し、Ｈｂ自体の温度依
存性を充分小さくしておく必要がある。なお、測定可能
な磁界Ｈωの範囲はＨω＜Ｈｓ−Ｈｂである。
ｂから求めることができ、（５）式は、θf 、Ｈｓを含
まないため、磁気光学素子の温度特性にまったく依存せ
ず、Ｈωを安定に測定できる。但し、Ｈｂ自体の温度依
存性を充分小さくしておく必要がある。なお、測定可能
な磁界Ｈωの範囲はＨω＜Ｈｓ−Ｈｂである。
【００２５】本発明の光磁界測定装置及び方法を図１及
び図４を用いて説明してきたが、磁気光学素子、発光手
段及び受光手段等の配置はそれらの図に限定されること
なく種々の配置を採用することができる。例えば、磁気
光学素子の一端に鏡を密着配置または隔離配置して入射
光を鏡により入射方向に戻すことも可能である。また、
図５に示すように、磁界測定装置の検光部において、反
射鏡を備えたガラスプリズム１２を設置したような配置
も可能である。図５では、光ファイバから出射した光は
コリメータレンズ３で平行ビームとなり、反射膜１４で
反射され、磁気光学素子１を透過後、反射鏡１３で反射
される。反射光はほぼ同じ光路を通り、コリメータレン
ズ３により光ファイバ２’に集光される。また、磁気光
学素子は１枚に限らず複数枚を重ねて光の進行方向に配
置することもできる。以下に、本発明の実施例を示す
が、本発明はこれらに限定されるものではない。
び図４を用いて説明してきたが、磁気光学素子、発光手
段及び受光手段等の配置はそれらの図に限定されること
なく種々の配置を採用することができる。例えば、磁気
光学素子の一端に鏡を密着配置または隔離配置して入射
光を鏡により入射方向に戻すことも可能である。また、
図５に示すように、磁界測定装置の検光部において、反
射鏡を備えたガラスプリズム１２を設置したような配置
も可能である。図５では、光ファイバから出射した光は
コリメータレンズ３で平行ビームとなり、反射膜１４で
反射され、磁気光学素子１を透過後、反射鏡１３で反射
される。反射光はほぼ同じ光路を通り、コリメータレン
ズ３により光ファイバ２’に集光される。また、磁気光
学素子は１枚に限らず複数枚を重ねて光の進行方向に配
置することもできる。以下に、本発明の実施例を示す
が、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２６】
【実施例】実施例１ 図２に示すような本発明の光磁界測定装置を作製した。
同図の装置では、磁気光学素子１として、厚さが８０μ
ｍのＬＰＥ法により作製した組成Ｂｉ1.5 Ｙ1. 5 Ｆｅ5
Ｏ12の光学素子を用いた。この素子の一端に反射膜１４
を蒸着法により形成した。もう一方の端部に、接着層１
５である紫外線硬化樹脂を介してレンズ（ＳＭＬ）を付
着した。このレンズのもう一方の側にガラス管で支持し
た入射用及び射出用の光ファイバをそれぞれ装着し、こ
のガラス管及び光ファイバ部分を同図に示すようにＳＵ
Ｓスリーブにより包囲した。発光源として波長が１．３
μｍのＬＥＤ光を用いた（図示しない）。また受光素子
としてフォトダイオードを用いて（図示しない）、そし
て被磁界測定体の周波数ω、２ω及び直流成分に対応す
る光の強度I(ω) 、Ｉ(2ω) 及びＩO をそれぞれ周波数
成分検出器を用いて観測した。さらに磁気光学素子に磁
界を印加する手段９としてコイルを、同図に示すように
かかる素子の両側に配置した。
同図の装置では、磁気光学素子１として、厚さが８０μ
ｍのＬＰＥ法により作製した組成Ｂｉ1.5 Ｙ1. 5 Ｆｅ5
Ｏ12の光学素子を用いた。この素子の一端に反射膜１４
を蒸着法により形成した。もう一方の端部に、接着層１
５である紫外線硬化樹脂を介してレンズ（ＳＭＬ）を付
着した。このレンズのもう一方の側にガラス管で支持し
た入射用及び射出用の光ファイバをそれぞれ装着し、こ
のガラス管及び光ファイバ部分を同図に示すようにＳＵ
Ｓスリーブにより包囲した。発光源として波長が１．３
μｍのＬＥＤ光を用いた（図示しない）。また受光素子
としてフォトダイオードを用いて（図示しない）、そし
て被磁界測定体の周波数ω、２ω及び直流成分に対応す
る光の強度I(ω) 、Ｉ(2ω) 及びＩO をそれぞれ周波数
成分検出器を用いて観測した。さらに磁気光学素子に磁
界を印加する手段９としてコイルを、同図に示すように
かかる素子の両側に配置した。
【００２７】（１）バイアス磁界がない場合の磁界測定 図２の装置に磁界印加手段９により５０Ｈｚの外部磁界
を印加して、光の強度Ｉ(2ω) 及びＩO を測定し、ｋ＝
Ｉ(2ω) ／ＩO を測定した。Ｈωが小さいとき、外部磁
界の振幅Ｈωとｋの関係式（２）から次のように求めら
れた。
を印加して、光の強度Ｉ(2ω) 及びＩO を測定し、ｋ＝
Ｉ(2ω) ／ＩO を測定した。Ｈωが小さいとき、外部磁
界の振幅Ｈωとｋの関係式（２）から次のように求めら
れた。
【数１２】Ｈω（Ｏｅ）＝３１５０×√ｋ この関係は周囲の温度によってもほとんど変化しないこ
とがわかった。
とがわかった。
【００２８】（２）バイアス磁界がある場合の磁界測定 永久磁石を用いてバイアス磁界として５００（Ｏｅ）の
一定磁界を上記の装置に印加した状態で、上記（１）と
同様にして磁界印加手段から５０Ｈｚの外部磁界を印加
した。Ｉ(2ω) 、I(ω) 及びその比Ｉ(2ω) ／I(ω) を
測定して、（５）式の関係より下記式：
一定磁界を上記の装置に印加した状態で、上記（１）と
同様にして磁界印加手段から５０Ｈｚの外部磁界を印加
した。Ｉ(2ω) 、I(ω) 及びその比Ｉ(2ω) ／I(ω) を
測定して、（５）式の関係より下記式：
【数１３】Ｈω（Ｏｅ）＝２０００×Ｉ(2ω) ／I(ω) が求められ、これにより外部磁界Ｈωが容易に求められ
ることを確認した。
ることを確認した。
【００２９】
【発明の効果】本発明の光磁界測定装置は、偏光子、検
光子を用いないため、構造が簡単であり、小型化するこ
とができ、その製造も容易である。また、偏光子、検光
子を用いていないので、光ファイバを伝搬する光の偏波
面が変動しても光量の変化はなく、安定に測定できる。
また、Ｉ(2ω) ／I(ω) 、Ｉ(2ω) ／ＩO のように光量
の比を測定するため、環境変化により光ファイバを伝搬
する光量及び周囲温度が変化しても安定に測定できる。
さらに本発明の第１の光磁界測定装置にあってはバイア
ス磁界を必要とせずに温度安定化を図れるために、装置
の構造が一層簡単であり、それによる測定方法も一層容
易である。
光子を用いないため、構造が簡単であり、小型化するこ
とができ、その製造も容易である。また、偏光子、検光
子を用いていないので、光ファイバを伝搬する光の偏波
面が変動しても光量の変化はなく、安定に測定できる。
また、Ｉ(2ω) ／I(ω) 、Ｉ(2ω) ／ＩO のように光量
の比を測定するため、環境変化により光ファイバを伝搬
する光量及び周囲温度が変化しても安定に測定できる。
さらに本発明の第１の光磁界測定装置にあってはバイア
ス磁界を必要とせずに温度安定化を図れるために、装置
の構造が一層簡単であり、それによる測定方法も一層容
易である。
【図１】本発明の第１の光磁界測定装置の具体例を示
す。
す。
【図２】本発明の実施例で用いた光磁界測定装置のセン
サ部を示す。
サ部を示す。
【図３】本発明で用いる多磁区構造を有する磁気光学素
子を示す。
子を示す。
【図４】バイアス磁界を印加する本発明の第２の光磁界
測定装置の一具体例を示す。
測定装置の一具体例を示す。
【図５】反射鏡を備えたガラスプリズムを用いた本発明
の光磁界測定装置のセンサ部を示す。
の光磁界測定装置のセンサ部を示す。
【図６】偏光子、検光子及びファラデー回転子を用いる
従来の光磁界センサの配置を示す図である。
従来の光磁界センサの配置を示す図である。
１ 磁気光学素子 ２ 光ファイバ ３ コリメータレンズ ４ 発光素子（光源） ５，６ 周波数成分検出器 ７ 割算器７ ８ 電線ケーブル ９ 磁界印加手段 １２ プリズム １３ 反射鏡 １４ 反射膜 １５ 接着層 １７ 偏光子 １８ 検光子 １９ 受光素子 ２０ トランス ２１ プリアンプ ２２ ＤＣアンプ ２３ ＡＣアンプ ２４ 割算器 ２５ ガラス管 ２６ ＳＵＳスリーブ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 15/00 - 17/22 G01R 33/00 - 33/18 G02F 1/00 - 1/125
Claims (5)
- 【請求項１】 磁界を印加しない状態では多磁区構造を
有し且つ磁区内の光の進行方向と平行な磁化成分が隣接
する磁区では互いに異なる磁気光学素子と、該素子に光
を入射するための発光手段と、該磁気光学素子を通過し
た０次回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωの２倍
の周波数で振動する光成分の光強度Ｉ(2ω)及び該０次
回折光のうちの直流成分に相当する光成分の光強度ＩO
とを求める手段と、比Ｉ(2ω)／ＩOを求める手段とを有
する光磁界測定装置。 - 【請求項２】 磁界を発生する被磁界測定体の近傍にお
いて、磁界を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ
磁区内の光の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区
では互いに異なる磁気光学素子に、光を入射させ、前記
磁気光学素子を通過した回折光のうち、０次回折光のみ
を取り出し、該０次回折光のうち被磁界測定体の磁界周
波数ωの２倍の周波数２ωで振動する光成分の強度Ｉ(2
ω)及び直流成分に相当する光成分の強度ＩO とをそれ
ぞれ測定し、それらの比Ｉ(2ω)／ＩOを求めることによ
って被磁界測定体の磁界を測定する方法。 - 【請求項３】 磁界を印加しない状態では多磁区構造を
有し且つ磁区内の光の進行方向と平行な磁化成分が隣接
する磁区では互いに異なる磁気光学素子と、該素子に光
を入射するための発光手段と、上記磁気光学手段に一定
のバイアス磁界を加える磁界印加手段と、該磁気光学素
子を通過した０次回折光のうち被磁界測定体の磁界周波
数ωで振動する光成分の光強度I(ω)と、その２倍の周
波数２ωで振動する光成分の光強度I(２ω)とを測定す
る手段と、比Ｉ(2ω)／I(ω)を求める手段とを有する光
磁界測定装置。 - 【請求項４】 磁界を発生する被磁界測定体の近傍にお
いて、磁界を印加しない状態では多磁区構造を有し且つ
磁区内の光の進行方向と平行な磁化成分が隣接する磁区
では互いに異なる磁気光学素子に、一定のバイアス磁界
を印加しながら光を入射させ、前記磁気光学素子を通過
した回折光のうち、０次回折光のみを取り出し、該０次
回折光のうち被磁界測定体の磁界周波数ωで振動する光
成分の光強度I(ω)とその２倍の周波数で振動する光成
分の光強度Ｉ(2ω)をそれぞれ測定し、それらの比Ｉ(2
ω)／I(ω)を求めることによって被磁界測定体の磁界強
度を測定する方法。 - 【請求項５】 磁気光学素子としてＢｉ置換稀土類鉄ガ
ーネットを用い且つそのファラデー回転角をθf、飽和
磁界をＨSとしたとき、０次回折光方向の前記磁気光学
素子の厚さを、ＨS／tanθfの温度変化がほぼ最小とな
る値に設定した請求項１の光磁界測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04081398A JP3140546B2 (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | 光磁界測定装置及び方法 |
| US07/892,468 US5477376A (en) | 1991-06-04 | 1992-06-02 | Optical attenuators and optical modulators employing magneto-optic element |
| US08/526,336 US5619367A (en) | 1991-06-04 | 1995-09-11 | Apparatus and method for measuring magnetic fields employing magneto-optic element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04081398A JP3140546B2 (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | 光磁界測定装置及び方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05264603A JPH05264603A (ja) | 1993-10-12 |
| JP3140546B2 true JP3140546B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=13745205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04081398A Expired - Fee Related JP3140546B2 (ja) | 1991-06-04 | 1992-03-04 | 光磁界測定装置及び方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3140546B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4904740B2 (ja) * | 2005-07-29 | 2012-03-28 | 住友金属鉱山株式会社 | 磁気光学デバイスの評価方法 |
| JP5533819B2 (ja) * | 2011-08-18 | 2014-06-25 | 住友金属鉱山株式会社 | 磁気光学デバイスの評価方法 |
| JP2013200300A (ja) * | 2012-02-24 | 2013-10-03 | Stack Denshi Kk | 微小径３軸電界センサ及びその製造方法 |
| WO2024090561A1 (ja) * | 2022-10-28 | 2024-05-02 | シチズンファインデバイス株式会社 | 磁性膜及び磁界センサヘッド |
-
1992
- 1992-03-04 JP JP04081398A patent/JP3140546B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05264603A (ja) | 1993-10-12 |
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