JPH05126924A

JPH05126924A - 光磁界センサ

Info

Publication number: JPH05126924A
Application number: JP3279585A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Nakamura; 宣夫中村; Yosuke Asahara; 陽介浅原
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1993-05-25

Abstract

(57)【要約】【目的】磁界の大きさとセンサ出力の直線性が良好
で、しかもセンサ出力に対する温度の影響をなくするこ
とができると共に、位相角を小さくして小さい磁界の測
定に優れている光磁界センサを提供することである。【構成】光源側光ファイバ１の出射端１ａ直後に設け
たレンズ２から出射した光が、偏光子３，磁性ガーネッ
トを材料とする磁気光学素子４及び偏光子５を通過した
後、受光側光ファイバ７の入射端７ａ直前に設けたレン
ズ６により該受光側光ファイバ７へ入射するようになっ
ているが、上記磁気光学素子４と受光側の上記偏光子５
との間にレンズ８が挿入されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気光学素子のファラ
デー効果を利用して磁界強度を測定する光磁界センサに
関し、特に電力供給用の配電線の周囲に発生する磁界を
測定することにより、その電流の大きさを検知するため
の光磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電所から末端の電力消費者までの電力
輸送路において、変電所，送電線及び配電線等に流れる
電流の大きさを測定して、その異常を発見するための電
流センサとしてはトランス型のものが用いられてきた。
ところが、このトランス型電流センサは大型且つ大重量
で、しかも絶縁性が悪い等の問題があり、このため近
年、かかるトランス型電流センサの代わりに光磁界（電
流）センサが用いられ始めてきている。

【０００３】光磁界センサは、磁気光学材料のファラデ
ー効果を利用して、例えば送電線等の導体中を流れる電
流によって生じるその周囲の磁界を測定し、この測定結
果から上記導体中を流れる電流値を求めるようにしたも
のである。そしてこの光磁界センサの特徴は、高耐電圧
性，高絶縁性，非接触性，小型軽量等々の点をはじめ、
高圧側の電源や電気回路などを不必要にする点である。

【０００４】図６はこれまでに開発されてきた従来の電
流測定用の光磁界センサの基本構成例を示しているが、
図において、レーザダイオード又は発光ダイオード等の
光源からの光源光は、光ファイバ１内を伝播してその出
射端１ａから出射した後、レンズ２及び偏光子３を通過
して直線偏光になり、次の磁気光学素子４へ入射する。
そして、この磁気光学素子４を通過するときに被測定磁
界（以下、単に磁界という）の強さに応じて旋光作用を
受け、偏光子５を通過して上記磁界の強さに対応する強
度になり、更にレンズ６によって光ファイバ７の入射端
７ａに集光せしめられる。光ファイバ７に入射した光は
その後、該光ファイバ７を介して光検出器まで導かれて
光電変換される。ここに、上記偏光子３と上記偏光子５
とは一般に４５°の角度配置に設定され、また、測定磁
界と光の進路は平行である。

【０００５】そしてかかる光磁界センサを電流測定に用
いた例として、大電流を扱い且つ事故時の被害が広い範
囲に及ぶ例えば変電所や高圧送電線などの場合がある。
このような使用例の場合、光磁界センサに用いられる磁
気光学素子４の材料として、大きな磁界でも磁気飽和が
生じない鉛ガラス，ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の常磁
性材料又は反磁性材料が使用される。一方、電力消費者
側に近い配電線では比較的小電流を扱うが、この場合に
も光磁界センサを用いる計画が進んでいる。かかる配電
線の場合、発生する磁界が小さいため、上記鉛ガラス，
ＺｎＳｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の材料を用いると光磁界セ
ンサの感度が不十分になり、正確な測定結果を得ること
ができない。そこで、この場合には、磁気感度が高い磁
性ガーネット更にＢｉ置換の磁性ガーネットを磁気光学
素子４の材料とする光磁界センサの開発が進められてき
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示した構成の従来の光磁界センサにおいて、磁気光学素
子４の材料に磁性ガーネット等を用いる場合、磁界の大
きさとセンサ出力の直線性が悪くなるという問題があ
る。また、磁界変化が生じていないにも拘わらず、温度
によりセンサ出力が変化したり、磁界とセンサ出力の間
での位相のずれ方（以下、位相角という）が大きくなっ
てしまう等の問題もあった。

【０００７】本発明はかかる実情に鑑み、磁界の大きさ
とセンサ出力の直線性が良好で、しかもセンサ出力に対
する温度の影響をなくすることができると共に、位相角
を小さくして小さい磁界の測定に優れている光磁界セン
サを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光磁界セン
サは、図１に示したように光源側光ファイバ１の出射端
１ａ直後に設けたレンズ２から出射した光が、偏光子
３，磁性ガーネットを材料とする磁気光学素子４及び偏
光子５を通過した後、受光側光ファイバ７の入射端７ａ
直前に設けたレンズ６により該受光側光ファイバ７へ入
射せしめられるようになっているが、上記磁気光学素子
４と受光側の上記偏光子５との間にレンズ８が挿入され
ている。

【０００９】

【作用】本発明では特に上記磁気光学素子４の材料とし
て磁性ガーネットを使用するが、ここで先ず、磁性ガー
ネットは迷路状の磁区を有しているため、図１において
偏光子３を通過して直線偏光になり該磁気光学素子４へ
入射した光は、その材料である磁性ガーネットを通過し
た直後に回折現象を起こし、０次光，１次光，２次
光，．．．，ｎ次光としてその次数に応じて広がってい
く（但し、磁界が０のときは奇数次光のみである）。こ
れは上記迷路状の磁区が位相格子を形成するためである
が、かかる回折光の場合、０次光からより高次の回折光
まで含めて光ファイバ７へ入射せしめることが上述した
センサ出力の直線性，位相角及びセンサ出力に対する温
度の影響等の点で極めて好ましい。

【００１０】ところで、図６に示した従来の光磁界セン
サにおいて磁気光学素子４の材料として磁性ガーネット
を使用した場合、磁気光学素子４及びレンズ６間の距離
の大きさにもよるが、光ファイバ７へ入射する光は、０
次光又は高々０次光及び１次光の半分程度であるに過ぎ
ない。このため前述したように、磁界の大きさとセンサ
出力の直線性が悪く、また温度によりセンサ出力が変化
したり、位相角が大きくなってしまう。

【００１１】さて、本発明によれば上記のように、磁気
光学素子４と偏光子５との間にレンズ８が挿入されてい
る。このレンズ８を設けたことにより、０次光からより
高次の回折光まで光ファイバ７へ入射せしめることがで
き、従って磁界の大きさとセンサ出力の直線性を良く
し、しかもセンサ出力に対する温度の影響をなくするこ
とができると共に、位相角を小さくすることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図２乃至図５に基づき、従来例と同一
部材には同一符号を用いて本発明による光磁界センサの
一実施例を説明する。本発明の光磁界センサは図１に示
される基本構成を有しているが、図２はそれを更に具体
化したものである。即ち、光ファイバ１及び光ファイバ
７はそれぞれマルチモードファイバにより、レンズ２及
びレンズ６はそれぞれ凸レンズにより、偏光子３及び偏
光子５はそれぞれ偏光ビームスプリッタにより、そして
磁気光学素子４は液相エピタキシャル法によって製造し
た（ＹｂＴｂ）₅Ｆｅ₃Ｏ₁₂により構成される。また、
特にレンズ８は非球面レンズにより構成される。更に図
において、９は波長０．８５μｍの光を発生する発光ダ
イオードで成る光源、１０は上記偏光子３及び偏光子５
を同一平面上において４５°の角度配置にするために上
記磁気光学素子４の光路上直前に配置された１／２波長
板、１１はＳｉフォトダイオードで成る検出器である。

【００１３】本発明の光磁界センサは上記のように構成
されており、次に該光磁界センサに対して行った具体的
な試験及びその結果等を説明する。先ず、図３は磁界変
化に対するセンサ出力変化の試験結果を示すが（グラフ
中、実線ａ参照）、この試験では、±１．５ｋOe（エル
ステッド）の範囲で下記の電磁コイルによって光磁界セ
ンサに印加すべき磁界の大きさを変化させ、このときの
センサ出力の変化を測定した。そして、図３のグラフに
おいて縦軸は、磁界＝０の場合のセンサ出力を基準とし
て（０％）、かかる基準から磁界を加えていったときの
センサ出力の変化率を表している。なお、上記の場合、
磁気光学素子４の至近位置適所に電磁コイルを設置し、
該電磁コイルを流れる電流を変化させることにより磁界
の大きさを変化せしめることにより行った。グラフから
明らかなように、センサ出力と光磁界センサに印加した
磁界の大きさとは極めて良い直線関係になっている。

【００１４】次に、図４は温度変化に対するセンサ出力
変化の試験結果を示す（同様にグラフ中、実線ａ参
照）。この試験では、光磁界センサに３００ Oeの一定
磁界を印加しておき、温度を−３０〜８０°Ｃの範囲で
変化させ、このときのセンサ出力の変化を測定した。そ
して、図４のグラフにおいて縦軸は、図３の場合と同様
に磁界＝０の場合のセンサ出力を基準として（０％）、
かかる基準から上記一定磁界を印加した状態で温度を変
化させたときのセンサ出力の変化率を表している。な
お、上記の場合、光磁界センサの温度は、恒温槽内で変
化せしめることにより行った。グラフから明らかなよう
に、光磁界センサの温度を変化させてもセンサ出力は殆
ど変化しない、即ち温度変化による影響を受けないこと
が分かる。

【００１５】さらに、図５は磁界変化に対する位相角の
変化の試験結果を示す（同様にグラフ中、実線ａ参
照）。この試験では、光磁界センサに０〜６００ Oeの
範囲で５０Ｈｚの交流磁界の大きさを変化させ、このと
きのセンサ出力の変化を測定した。そして、図５のグラ
フにおいて縦軸は、磁界＝０の場合の位相角を基準とし
て（０度）、かかる基準から磁界を加えていったときの
位相角の変化を表している。そしてこの場合にもグラフ
から明らかなように、磁界の大きさを０〜６００Oeの範
囲で変化させても、位相角の変化は±１°の範囲内であ
る。

【００１６】ここで、図３，図４及び図５に併記されて
いる点線ｂは本発明に対する比較例の試験結果を示して
いる。即ち、この比較例は、図２に示される構成におい
てレンズ８を取り除いた以外は本発明のものと同一構成
の光磁界センサを用いて上記各試験を行ったものであ
る。そして各試験結果に基づく特性評価によれば、かか
る比較例では、先ず磁界とセンサ出力の直線性が悪く
（図３）、また一定磁界下におけるセンサ出力は温度に
よって著しく変化せしめられ（図４）、さらに位相角は
磁界が大きくなる程、大きくなってしまう（図５）。こ
の比較例からも明らかになるように、本発明ではレンズ
８を用いたことにより、磁界の大きさとセンサ出力の直
線性を良くし、しかもセンサ出力に対する温度の影響を
なくすることができると共に、位相角を小さくすること
ができる。

【００１７】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、磁界の
大きさとセンサ出力の直線性を良くし、また、磁界の大
きさが一定のときの温度によるセンサ出力変化をなくす
ることができると共に、位相角を小さくすることができ
る。さらに、磁気光学素子の材料に磁性ガーネット等を
用いることにより、極めて高い感度で磁界測定を行うこ
とができ、これにより、前記配電線等の比較的小さい磁
界を測定する場合にこの種センサとして極めて好適であ
る等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光磁界センサの基本構成を示す図
である。

【図２】本発明による光磁界センサの一実施例の全体構
成を示す図である。

【図３】本発明による光磁界センサにおいて磁界変化に
対するセンサ出力変化の試験結果を示すグラフである。

【図４】本発明による光磁界センサにおいて温度変化に
対するセンサ出力変化の試験結果を示すグラフである。

【図５】本発明による光磁界センサにおいて磁界変化に
対する位相角の変化の試験結果を示すグラフである。

【図６】従来の光磁界センサの基本構成を示す図であ
る。

【符号の説明】１光ファイバ２レンズ３偏光子４磁気光学素子５偏光子６レンズ７光ファイバ８レンズ９光源１０１／２波長板１１検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源側光ファイバの出射端直後に設けた
レンズから出射した光が、偏光子，磁性ガーネットを材
料とする磁気光学素子及び偏光子を通過した後、受光側
光ファイバの入射端直前に設けたレンズにより上記受光
側光ファイバへ入射するようにした光磁界センサにおい
て、上記磁気光学素子と受光側の上記偏光子との間にレ
ンズが挿入されて成ることを特徴とする光磁界センサ。