JP6815001B2 - 磁界センサ素子及び磁界センサ装置 - Google Patents
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Description
本発明に係る磁界センサ装置1は、図9に示すように、磁界センサ素子10と発光装置50と受光装置60とを有する。この磁界センサ装置1において、磁界センサ素子10は、光ファイバ20と、光ファイバ20の端面(先端側の端面)27に設けられた光透過膜30と、光透過膜30上に設けられた反射膜40とを有している。また、発光装置50は、発光素子51と偏光子52とを有している。また、受光装置60は、偏光子62と偏光分離素子64と受光素子66(66S,66P)と信号処理部67とを有している。磁界センサ装置1は、さらに、ハーフミラー53を有し、そのハーフミラー53は、発光装置50からの光を光ファイバ20に導入するとともに、磁界センサ素子10からの戻り光を受光装置60に送るように機能する。
磁界センサ素子10は、図1に示すように、光ファイバ20と、光ファイバ20の端面(先端側の端面)27に設けられた、金属磁性体31を含む光透過膜30と、光透過膜30上に設けられた反射膜40とを有している。
光透過膜30は、図1に示すように、光ファイバ20の先端側の端面27に設けられている。この光透過膜30は、光透過性であるとともに、金属磁性体31を含んでいる。光透過膜30は、平坦に端面加工された光ファイバ20の端部27に設けられていることが好ましい。
金属磁性体31は、図2に示すように、光ファイバ20で伝搬された直線偏光を、ファラデー効果により偏光面の回転角を大きくするように作用する。金属磁性体31は、そうした挙動を生じる性質を有する膜であればよく、その種類は特に限定されないが、Fe、Co、Ni、及びこれらの合金を挙げることができる。その合金としては、例えば、FeNi合金、FeCo合金、FeNiCo合金、NiCo合金を挙げることができる。ファラデー回転角はベルデ定数で定義されているが、Fe、Co、Niの単位長さあたりの旋光角(ファラデー回転角)は、表1に示すように、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べると、2桁〜3桁近く大きい。したがって、Fe、Co、Niやこれらの合金である金属磁性体31を用いることにより、図2及び図3に示すファラデー効果を生じるので好ましく適用できる(後述の図18の結果も参照。)。なお、表1中、「室温」とは、25℃である。
金属磁性体薄膜31aは、金属磁性体31で構成された薄膜である。この金属磁性体薄膜31aを有する光透過膜30は、図4及び図5に示すように、金属磁性体薄膜31aと誘電体層32とを積層させて構成されている。具体的には、図4に示すように、金属磁性体薄膜31aと誘電体膜32とが交互に積層されていてもよいし、図5に示すように、金属磁性体薄膜31aを挟んで誘電体膜32a,32bが配置されていてもよい。こうした積層形態とする理由は、金属磁性体薄膜31aとすることにより光透過膜30のトータル厚さを薄くして光の波長の1/2にすることができ、ファブリペロー共振させることができること、さらに、金属磁性体薄膜31aにすることにより光透過率の低下を抑制できること、誘電体膜32は光透過率が良いこと、等である。
光透過膜30の厚さは、光ファイバ20で伝搬される光の波長λの1/2であることが好ましい。光透過膜30の厚さが光のλ/2であることにより、ファブリペロー共振器となる。ファブリペロー共振器とは、光が通過する経路の両端に結晶の劈開などで形成した2枚の反射面を対向させた共振器のことであり、本発明では、光ファイバ20の端面27に設けられた光透過膜30上に反射膜40を設けることにより、光透過膜30を透過した光を反射させ、光透過膜30内で光を往復させている。こうした光は光透過膜30内で共振し、定在波ができる。したがって、光透過膜30の厚さは、光透過膜30を構成する各層の種類や透過率を考慮し、さらに光の波長との関係を考慮して任意に設定される。
光透過膜30は、グラニュラー膜33を有するものであってもよい。グラニュラー膜33は、図6に示すように、誘電体33aと、その誘電体33a中に分散している金属磁性体微粒子31bとを有している。グラニュラー膜33を有する光透過膜30は、図7(A)に示すように単層のグラニュラー膜33からなる光透過膜30であってもよいし、図7(B)に示すようにグラニュラー膜33と誘電体膜32とが積層してなる光透過膜30であってもよい。グラニュラー膜33はそれ単層で用いてもよいが、誘電体膜32との多層膜とすることで多重反射によって、より大きなファラデー回転角を得ることができる。このとき、使用波長の1/4の厚さで交互積層し、多層膜中心付近のグラニュラー膜の厚さを1/2λや3/4λとすれば(図7(B)を参照)、より効果的である。
一般に、金属材料は光を透過しないが、10nmオーダーの極薄超薄膜、あるいは、10nmオーダーの微粒子構造を採用することで透過率を上げることができる。また、センサ感度に関係する金属磁性体31の磁気異方性が薄膜形状(金属磁性体薄膜31)、微粒子形状(金属磁性体微粒子31b)に依存する反磁界で決定される。そのため、センサ感度の温度特性は金属磁性体31の磁化の温度特性のみに依存し、キュリー温度の高い磁性膜材料を採用することで広い温度範囲でセンサ感度を一定にできる。
反射膜40は、図1、図4〜図7に示すように、光透過膜30の上に設けられる。反射膜40は、光透過膜30内を透過した光を反射するために設けられており、その種類としては、例えば、Ag膜、Au膜、Al膜、誘電体多層膜ミラー等を挙げることができる。この反射膜40を光透過膜30上に設けることにより、ファラデー効果により偏光回転を大きくすることができる。特に反射率の高いAg膜や耐食性が高いAu膜が成膜上簡便で好ましい。
光ファイバ20は、発光装置50からの直線偏光を光透過膜30まで伝搬し、その光透過膜30を透過して反射膜40で反射した戻り光を受光装置60まで伝搬する。
磁界センサ装置1は、図9に示すように、磁界センサ素子10と、磁界センサ素子10が有する光ファイバ20に直線偏光を導入する発光装置50と、磁界センサ素子10が有する光ファイバ20から導出された戻り光を受光する受光装置60とで構成されている。
発光装置50は、磁界センサ素子10が有する光ファイバ20に直線偏光を導入する装置であり、発光素子51と、発光素子51から発した光を直線偏光にする偏光子52とを有している。偏光子52は光を直線偏光し、その直線偏光は、磁界センサ素子10を構成する光ファイバ20に導入される。
光ファイバ20のコア21を伝搬してきた戻り光は、例えば図9に示すハーフミラー53を経由し、光源とは別経路で伝搬して受光装置60に到達する。
図9の例では、受光装置60内に1/2λ板(HWP)62が設けられている。この1/2λ板62は、位相差をλ/2(180°)与え、光を回転させて出射させるものであり、複屈折材料等を利用した一般的なものを適用できる。この1/2λ板62は、偏光分離素子64の手前側に設けられていればよい。また、同様の位相差を与えるため、λ/2板の代わりに、λ/4板を磁界センサ素子10に配置しても同様の効果が得られる。このとき、λ/4板は、光透過膜30と反射膜40との間に挿入されることが望ましく、λ/4板の内部を光が往復することで反射型のλ/2板として機能する。
偏光分離素子64は、戻り光のS偏光成分65S及びP偏光成分65Pをそれぞれ分岐する光学素子である。図9の例では1/2λ板62が偏光分離素子64に導入する前の導入経路に設けられており、戻り光がその1/2λ板62で位相変調され、位相変調された光が、偏光分離素子64でS偏光成分65SとP偏光成分65Pとにそれぞれ分岐されて伝搬する。
受光素子66は、偏光分離素子64で分岐したS偏光成分65SとP偏光成分65Pとをそれぞれ受光して光電変換する光学素子であり、PINフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。
信号処理部70では、光電変換された電気信号から2つの偏光の強度を回路により差分検出し、その数値を電流値に置き換える。すなわち、偏光分離されたP偏光成分65PとS偏光成分65Sは、電気信号1、電気信号2に変換される。信号処理部70は、電気信号1、電気信号2を除算する除算回路72と、電気信号2で電気信号1を除算する除算回路73と、除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅回路74で差動増幅して最終的に電流値に変換する。
図11は、1センサヘッド型の磁界センサ素子80Aの具体例である。図12は、2センサヘッド型の磁界センサ素子80Bの具体例である。図11(A)及び図12(A)は、丸線導体81aに流れる電流を測定するための1又は2センサヘッド型の磁界センサ素子80の構造形態であり、図11(B)及び図12(B)は、矩形導体81bに流れる電流を測定するための1又は2センサヘッド型の磁界センサ素子80の構造形態である。これらセンサヘッド型の磁界センサ素子80は、磁気ヨークを用いなくても外乱磁界の影響をキャンセルすることができるという利点がある。
図16は、磁界センサ素子10に用いる金属磁性体31のファラデー回転角を測定する装置100の模式図である。この測定装置100は、光源101から光を発し、その光は、グラントムソン偏光プリズム102と全反射ミラー103を経て測定対象の金属磁性体31を透過する。透過した光は、全反射ミラー104、1/2λ板105、偏光ビームスプリッタ106を経由し、分岐されたP偏光成分とS偏光成分は、それぞれ集光レンズ107a,107bを経てフォトダイオード108a,108bで受光される。このとき、光は金属磁性体31の法線方向Aから入射して透過するが、その法線方向Aと同じ方向の磁界H1を印加できるように電磁石110a,110bを配置した。電磁石110a,110bは、金属磁性体31を挟むように法線方向Aに配置した。したがって、この電磁石間に生じさせる磁界H1を変化させることにより、金属磁性体31のファラデー効果によるファラデー回転角を測定することができる。
10(10A,10B) 磁界センサ素子
20 偏波保持光ファイバ
21 コア
22 クラッド
23(23a,23b) 応力付与部
24 Slow軸
25 Fast軸
26 被覆材
27 端面(先端側の端面)
28 端面(後端側の端面)
30 光透過膜
31 金属磁性体
31a 金属磁性体薄膜
31b 金属磁性体微粒子
32 誘電体膜
32a,32b 2種の誘電体膜
33 グラニュラー膜
33a 誘電体
39 ガラス基板
40 反射膜
51 発光素子
52 偏光子
53 ハーフミラー
54 光結合部
60 受光装置
62 λ/2板
64 偏光分離素子(偏光分離ビームスプリッタ
65P P偏光成分
65S S偏光成分
66(66P,66S) 受光素子(フォトダイオード)
70 信号処理部
71P,71S 増幅器
72,73 除算回路
74 差動増幅回路
80 センサヘッド型磁界センサ素子
80A 1センサヘッド型磁界センサ素子
80B,80C 2センサヘッド型磁界センサ素子
81 被測定導体
81a 丸線導体
81b 矩形導体
82 保持材
83 保護材
84 被覆材
85(85a,85b) レバー部
86 蝶番部
87(87a,87b) クリップ部
90(90A,90B) センサヘッド
100 磁性膜測定装置
101 光源
102 偏光プリズム
103,104 全反射ミラー
105 λ/2板
106 偏光ビームスプリッタ
107(107a,107b) 集光レンズ
108(108a,108b) フォトダイオード
110(110a,110b) 電磁石
H1 磁界の方向
H2 磁性膜の磁界方向
H3 外乱磁界の磁界方向
A 金属磁性体の法線方向
L 距離
Claims (12)
- 光ファイバと、前記光ファイバの端面に設けられた、金属磁性体を含む光透過膜と、前記光透過膜上に設けられた反射膜とを有し、
前記光透過膜が、前記金属磁性体の微粒子を誘電体中に含むグラニュラー膜からなる単層膜である、又は、前記金属磁性体の微粒子を誘電体中に含むグラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層してなる多層膜である、ことを特徴とする磁界センサ素子。 - 前記単層膜の光透過膜において、前記グラニュラー膜の厚さが、前記光透過膜に入射する光の波長λの1/2の整数倍である、請求項1に記載の磁界センサ素子。
- 前記多層膜の光透過膜において、該多層膜の中心の前記グラニュラー膜の厚さが前記光透過膜に入射する光の波長λの1/2の整数倍又は3/4の整数倍であり、それ以外の交互に積層した前記グラニュラー膜と前記誘電体膜の厚さが前記光透過膜に入射する光の波長λの1/4の整数倍である、請求項1に記載の磁界センサ素子。
- 前記金属磁性体が、Fe、Co及びNiから選ばれる1又は2以上の元素を含む、請求項1〜3に記載の磁界センサ素子。
- 前記金属磁性体が、Al、Si、B、P、C等のファラデー効果調整元素を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の磁界センサ素子。
- 前記光ファイバが、偏波保持光ファイバである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の磁界センサ素子。
- 前記光透過膜は、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる前記光透過膜上での磁界の方向と、前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置に配置される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の磁界センサ素子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の磁界センサ素子と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバに直線偏光を導入する発光装置と、前記磁界センサ素子が有する光ファイバから導出された戻り光を受光する受光装置とを有する、ことを特徴とする磁界センサ装置。
- 前記受光装置は、前記戻り光をS偏光成分及びP偏光成分に分離する偏光分離素子と、前記S偏光成分及び前記P偏光成分を受光して電気信号に変換する受光素子と、前記電気信号を処理する信号処理部とを有する、請求項8に記載の磁界センサ装置。
- 前記発光装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光にする偏光子と、を有する、請求項8又は9に記載の磁界センサ装置。
- 1つ又は2つの前記磁界センサ素子からなるセンサヘッドを有する、請求項8〜10のいずれか1項に記載の磁界センサ装置。
- 前記センサヘッドを構成する前記磁界センサ素子の前記光透過膜が、電流値の測定対象の導体に電流が流れた際に生じる前記光透過膜上での磁界の方向と、前記光透過膜の膜面の法線方向とが一致する位置となるように配置されている、請求項8〜11のいずれか1項に記載の磁界センサ装置。
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