JPH0231171A - 光電流・磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、ファラデー効果を利用する光電流・磁界セン
サに関するものであり、更に詳しくは、送電線、配電線
の如き導体中を流れる電流を計測するための光電流・磁
界計測装置に関するものである。

（背景技術） 近年、磁界強度を測定する技術の一つとして、磁気光学
効果の一つであるファラデー効果を利用する測定手法が
注目を受けている。この手法によれば、光が媒体となる
ために、絶縁性が良好であり、また電磁誘導ノイズを受
けない等の特徴を発揮するからである。そして、そのよ
うな優れた耐絶縁信頼性や耐電磁ノイズ性の故に、かか
る光を利用した測定手法は、電力分野における送電線や
配電線等において発生する磁界、更にはそのような磁界
を発生せしめる電流の計測に応用されている。

ところで、かかるファラデー効果を用いた磁界（電流）
の測定には、よく知られているように、ファラデー効果
を有する磁気光学素子の前後に、偏光子、検光子を配し
て、所定の発光手段から出射された光を該偏光子を通じ
て前記磁気光学光子に入射せしめ、そして該磁気光学光
子に作用する磁界の強度に応じて変調された光を、前記
検光子を通じて、所定の受光手段にて受光することによ
り、かかる磁気光学素子に作用する磁界若しくはそれを
発生させる電流を測定するようにした構造の装置が用い
られることとなるのである。

第１図及び第２図には、そのような装置における光電流
・磁界センサヘッドの異なる構成例が示されている。そ
こにおいて、１．１１ｉ７，１７は光ファイバ、２，１
２；６，１６はコリメータ、３．１３は偏光子、４．１
４は磁気光学素子、５゜１５は検光子である。そして、
磁気光学素子４゜１４としては、検光子５．１５を光軸
の周りに回転させなくても済むように、ＢＳＯ（Ｂ　１
ｌｚｓ　ｉ０２゜）の如き自然旋光能を有する素子を用
いることが推奨されているが、その場合において、出力
波形（検出感度）をより良好と為すために、かかる磁気
光学素子４．１４の光透過方向における長さは、それが
４５°の旋光角を持つような長さにおいて設定されてい
る（例えば、実開昭６０−１７９８７７号公報、特開昭
６１−２４３３８０号公報等参照）。

そして、かかる光電流・磁界センサのセンサヘッドは、
測定されるべき磁界中に配置されて、以下のような動作
原理によって、磁界（電流）の測定が行なわれるのであ
る。即ち、先ず、所定の発光手段から出射された無偏光
な直流光は、光ファイバ１．１１、コリメータ２，１２
を透過して、偏光子３，１３によって直線偏光に変換さ
れる。

そして、直線偏光となった光は、磁気光学素子４゜１４
において、それに印加される磁界強度に比例した角度に
自然旋光による回転角（４５°）を加えた角度だけ偏光
面を回転せしめられ、更に検光子５．１５によって、光
強度の変調に変換された後、コリメータ６．１６、光フ
ァイバ７．１７を透過して、所定の受光手段によって測
定される。

そして、この測定された光強度は、磁気光学素子４．１
４に印加された磁界の強度に比例しているところから、
印加磁界強度の検出、ひいてはそのような磁界を側止さ
せる電流量の検出が可能となるのである。

ところで、これら光電流・磁界センサは、特に電力用等
として使用される場合において、使用環境として一２０
°Ｃ〜８０°Ｃと広い温度範囲が設定されることとなる
ため、そのセンサ出力の温度係数が小さいことが要求さ
れる。しかしながら、上記の如き従来構成の光電流・磁
界センサは、磁気光学素子の持つ物理量における温度係
数が大きいために、そのセンサ出力の温度係数が大きい
という欠点があった。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、上記の如き事情を背景にして
為されたものであって、その解決課題とするところは、
自然旋光能を有する磁気光学素子であるＢＳＯを用いた
光電流・磁界センサにおいて、その構成を複雑とするこ
とな（、環境温度変化によるセンサ出力の変動を低減せ
しめると共に、充分な感度を有する光電流・磁界センサ
を実現することにある。

（解決手段） そして、本発明は、かかる課題解決のために、ファラデ
ー効果を有する磁気光学素子の前後に、偏光子、検光子
を配して、所定の発光手段から出射された光を該偏光子
を通じて前記磁気光学素子に入射せしめ、そして該磁気
光学素子に作用する磁界の強度に応じて変調された光を
前記検光子を通じて所定の受光手段にて受光することに
より、かかる磁気光学素子に作用する磁界若しくはそれ
を発生させる電流を測定するようにした装置において、
前記磁気光学素子として、自然旋光能を有するＢ５０１
即ちＢｉ、２ＳｉＯ□。を用いると共に、素子長さを、
その旋光角が４０°±２°となるようにしたのである。

（具体的構成・実施例） 要するに、かかる本発明は、従来構造の光電流・磁界セ
ンサが、センサ出力の磁界依存性を最適とするために、
磁気光学素子における旋光角が４５°となるように素子
長さ（光路長）が設定されているのに対して、測定磁界
が７〜１００００ｅの範囲にあっては、ＢＳＯ単結晶か
らなる磁気光学素子の素子長を短くすることにより、充
分な感度を維持しつつ、光電流・磁界センサの温度特性
を改善し得ることに着目して、完成されたものである。

ところで、本発明において、ファラデー効果を有する磁
気光学素子として用いられる自然旋光能を有するＢＳＯ
（Ｂ　ｉ、、Ｓ　ｔｏ□。）の単結晶のファラデー回転
角をθ、（ηとし、またその自然旋光能をψ（１）とし
、そして偏光子を透過した直線偏光と検光子を透過する
直線偏光の偏光面が同一方向となるように、偏光子及び
検光子を配置したとき、光電流・磁界センサの変調度ｓ
ｍは、光量をＰ（ηとし、また変調の一周期の積分、即
ち変調の平均値をＰ　ｏｃｍとすると、下記（１）式：
Ｔ′　：変調の周期 で与えられ、またθＦ（η及びψ（Ｔｌは、それぞれ、
下記（２）式にて示され、次の第１表に示される物理量
を有し、それぞれ温度特性を有しているのである。

第　　１　　表 但し、Ｐ　ｍ＝　Ｐ　ｏ　（ｃｏｓ”　（θＦ　（Ｔ）
＋ψｍ））（なお、第１表に記載の値は、波長λ−８７
０価におけるものである） ここで、磁気光学素子（ＢＳＯ）の光の透過する素子長
（光路長）：Ｌに依存する旋光角：ψ（ηと光電流・磁
界センサの変調度：Ｓ（ηとの関係を前記（１）式、（
２）式より求めて、Ｔ＝２５°Ｃの時の変調度５（２５
°Ｃ）を基準とした−２０　’Ｃ〜８０°Ｃの範囲での
変調度が最大となる点：Ｓｍａｘ（Ｔｌ）と最小となる
点：　Ｓｍ１ｎ（Ｔｈ）を下記（３）式に代入して、変
調度変化率：ΔＳを計算により求めると、第３図の実線
の如くなるのである。

・・・（３） 但し、（３）式において、符号は、Ｔ、＞７２の時にマ
イナス（−）とする一方、Ｔ、＜Ｔ２の時にはプラス（
＋）とする。

また、実際に、第２図と同様な構成の光電流・磁界セン
サヘッドを用いて、ＢＳＯ素子（１４）の素子長：Ｌを
種々変化せしめ、第４図に示される回路構成において、
センサヘッド部を恒温槽に入れ、かかるセンサヘッド部
に交流磁界を印加して、変調度：Ｓの温度特性を測定し
た結果が、第５図に示されている。また、素子長：Ｌを
種々変化させたときの変調度変化率の測定値が、第３図
にプロットされている。

なお、第４図に示される測定系において、ＬＥＤ光源２
０から出射された光は光ファイバ２２を一通じて、光電
流・磁界センサのセンサヘッド部２４に導かれる。この
センサヘッド部２４は、第２図に示される如く、ＢＳＯ
単結晶からなる磁気光学素子（１４）とその前後に配さ
れた偏光子（１３）、検光子（１５）とを含んで構成さ
れている。

そして、光源２０から導かれた光は、交流磁場が印加さ
れたセンサヘッド部２４において強度変調された後、光
ファイバ２６を通じて、受光器であるＰＩＮ−フォトダ
イオード２８にて受光され、電気信号に変換される。こ
の電気信号は、引算器３０にて交流成分と直流成分に分
離され、更に割算器３２において、該交流成分を該直流
成分にて除算することにより、変調度出力Ｓを得るよう
になっている。

そして、第３図の結果から明らかなように、旋光角が小
さくなるに従って、換言すれば素子長：Ｌが短くなるに
従って、変調度変化率（ΔＳ）が小さくなるのであり、
その結果、従来から採用されている旋光角：４５°より
旋光角の小さな磁気光学素子（１４）を用いれば、変調
度：Ｓの温度特性が改善されることとなるのである。

また、従来においては、センサ出力の磁界依存性を良好
に得るために旋光角を４５°としているが、この旋光角
を４５°から変位することによる変調度の磁界依存性は
、偏光角：３５°〜４５゜の範囲において、印加磁界：
１〜１００００ｅで変調度の測定を行なったところ、所
望の値からのずれは０．１％以内となり、実用上回等問
題とはならないことが判ったのである。

ところで、センサの変調度出力（Ｓ）は、それと旋光角
との関係の計算値を示す第６図から明らかなように、磁
気光学素子の旋光角を小さくすることにより、換言すれ
ば、磁気光学素子の光が透過する部分の長さ（素子長：
Ｌ）を短くすることによって、小さ（なるのである。例
えば、この種の光電流・磁界センサを送電線路用に使用
する場合、７０ｅ程度以上の磁界検出がノイズレベルよ
り充分大きな変調度出力において必要である。このため
、検出器の誤差等を含めた変調度が、第６図より、１．
２Ｘ１０−”％程度以上は必要となり、そしてそれによ
って、磁気光学素子の素子長：Ｌは、その自然旋光角が
約３８°以上となるように設定されることが望ましいの
である。

以上、検討してきたところより、磁気光学素子として、
自然旋光能を有するＢ５０（Ｂｉ、□ＳｔＯ□。）単結
晶を用いた光電流・磁界センサにおいては、その充分な
感度（センサ出力）を維持しつつ、環境温度変化による
変調度出力の変動を減少させるには、かかるＢＳＯ素子
の自然旋光角は略４０°、換言すれば４０゛±２°とす
るのが有効であり、このため、そのような旋光角を与え
るように、ＢＳＯ素子の素子長さ、換言すればそのよう
な素子における光の透過する長さを設定する必要がある
のである。

因みに、強度既知の磁界を用いて、第２図に示されるセ
ンサヘッドに印加せしめ、そしてそのＢＳＯ素子（１４
）の旋光角（長さ）を種々変化せしめ、また環境温度を
種々変化せしめて、印加磁界の測定を行なった結果が、
下記第２表に示されているが、この第２表の結果から明
らかなように、本発明に従って、ＢＳＯ素子の素子長さ
を自然旋光角が４０°±２°となるように設定すること
によって、優れた結果が得られているのである。

なお、かかる第２表において、誤差Δは、印加磁界Ｈ０
に対する測定磁界Ｈｅｍの誤差、即ち第　　２ 表 であり、温度特性は一２０゛Ｃ〜８０°Ｃにおける最大
誤差範囲を示す。

以上、図面に基づいて、本発明の詳細な説明しつつ、本
発明の具体例を明らかにしたが、本発明が、そのような
例示の具体例にのみ限定して解釈されるものでは決して
なく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者
の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた
形態において実施され得るものであることが、理解され
るべきである。

例えば、本発明において、磁気光学素子として用いられ
る、自然旋光能を有するＢＳＯ単結晶は、右旋光素子及
び左旋光素子の何れの形態においても、使用可能である
。

また、上記においては、磁気光学素子として自然旋光能
を有するＢＳＯ単結晶を用いた場合について説明したが
、その考え方乃至は原理は、ＢＧＯ（Ｂｉ＋□Ｇ　ｅ　
Ｏｚ。）単結晶を用いた素子にも同様に適用可能である
。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、磁気光学素子として自
然旋光能を有するＢＳＯを用いた光電流・磁界センサに
おいて、かかるＢＳＯが、本発明に従って適切な自然旋
光角を有するように設定されることにより、センサ構成
を何等複雑とすることなく、環境温度変化による変調度
出力変動を効果的に低減させ得ると共に、充分な感度に
おいて、印加磁界乃至はそれを発生させる電流の検出が
可能なセンサを実現し得たのであり、そこに、本発明の
大きな工業的意義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、自然旋光能を有する磁
気光学素子を用いた光電流・磁界センサの構成を示す説
明図であり、第３図は、旋光角と変調度変化率との関係
を示すグラフであり、第４図は、本発明に従う光電流・
磁界センサの測定系の一例を示す系統図であり、第５図
は、測定温度に対する変調度変化を示すグラフであり、
第６図は、旋光角と変調度出力との関係を示すグラフで
ある。 １．７，１１，１７，２２，２６：光ファイバ２．６，
１２，１６：コリメータ ３．１３：偏光子 ４．１４：磁気光学素子 ５．１５’：検光子　　　２０：光源 ２４：センサヘッド部　　２８：受光器３０：引算器　
　　　　　３２：割算器第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ファラデー効果を有する磁気光学素子の前後に、偏光子
   、検光子を配して、所定の発光手段から出射された光を
   該偏光子を通じて前記磁気光学素子に入射せしめ、そし
   て該磁気光学素子に作用する磁界の強度に応じて変調さ
   れた光を前記検光子を通じて所定の受光手段にて受光す
   ることにより、かかる磁気光学素子に作用する磁界若し
   くはそれを発生させる電流を測定するようにした装置に
   おいて、 前記磁気光学素子、として、自然旋光能を有するＢＳＯ
   （Ｂｉ＿１＿２ＳｉＯ＿２＿０）を用いると共に、素子
   長さを、その旋光角が４０°±２°となるようにしたこ
   とを特徴とする光電流・磁界センサ。