JPS5897669A - 磁界−光変換器 - Google Patents
磁界−光変換器Info
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- JPS5897669A JPS5897669A JP56197350A JP19735081A JPS5897669A JP S5897669 A JPS5897669 A JP S5897669A JP 56197350 A JP56197350 A JP 56197350A JP 19735081 A JP19735081 A JP 19735081A JP S5897669 A JPS5897669 A JP S5897669A
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- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
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- G—PHYSICS
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- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
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- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はファラデー効果を用いて電流や磁石等による磁
界を測定するものに関する。
界を測定するものに関する。
７アラデー効果とは、図１において光学材料ｌ（長さり
に光２（偏光方向をｙ方向とする）を入射させ、光と同
一方向の磁界Ｈを印加すると出力光の偏光方向がＨとノ
に比例した角度θだけ回転する効果であり、θは θ＝ ＶｅノＨ■ で表わされる。ここでＶｅはベルデ定数である。
に光２（偏光方向をｙ方向とする）を入射させ、光と同
一方向の磁界Ｈを印加すると出力光の偏光方向がＨとノ
に比例した角度θだけ回転する効果であり、θは θ＝ ＶｅノＨ■ で表わされる。ここでＶｅはベルデ定数である。
さらに図２に示すように光源６より出た光を偏光子７で
直線偏光とし光学材料ｌを通った後検光千８によって偏
光方向の変化による光強度の変化を取り出し、これを光
検出器９で電気信号Ｖｏｕｔに直すと、偏検光子の成す
角を４５°に設定したときＶｏｕｔ ＝ ＋Ｋ （１＋
ｓｉｎ ２θ） ■の出力を得る。ここで
Ｋは入射光、強度と光検出器感度によって決まる定数で
ある。
直線偏光とし光学材料ｌを通った後検光千８によって偏
光方向の変化による光強度の変化を取り出し、これを光
検出器９で電気信号Ｖｏｕｔに直すと、偏検光子の成す
角を４５°に設定したときＶｏｕｔ ＝ ＋Ｋ （１＋
ｓｉｎ ２θ） ■の出力を得る。ここで
Ｋは入射光、強度と光検出器感度によって決まる定数で
ある。
■式において磁界印加による変化分のみ取り出すと
ΔＶｏｕｔ＝＋Ｋｓｉｎ ２θ”？−）Ｋ−２０＝ＫＶ
ｅノＨ■ となり、磁界Ｈに比例した出力を得ることができる。従
ってこのような装置を電流を流した導体ｌＯの下に置く
ことにより、電流による磁界すなわち電流値を測定でき
ることは周知の事実である。
ｅノＨ■ となり、磁界Ｈに比例した出力を得ることができる。従
ってこのような装置を電流を流した導体ｌＯの下に置く
ことにより、電流による磁界すなわち電流値を測定でき
ることは周知の事実である。
このような電流もしくは磁界を測定するためのファラデ
ー効果を有する材料（ファラデー材料と呼ぶ）としては
従来上として鉛ガラスが用いられて来た。その理由は鉛
ガラスが比較的大きいベルデ定数（波長λ＝６３８鎮で
Ｖｅ ＝ ０．０９８ ｍｉ ｎ１０ｅ −ｚ）を持ち
、かつ反磁性ガラスの特徴として本質的に温度安定性が
良いことによる。これに対して今まで他の金属元素（た
とえばＴｂ）等を添加して鉛ガラス・の２倍前後のベル
デ定数を有するガラスが製造されて来たが、常磁性ガラ
スであリベルデ定数が１／Ｔ（Ｔ：絶対温度）で変化す
るため温度特性が悪いという欠点があった。
ー効果を有する材料（ファラデー材料と呼ぶ）としては
従来上として鉛ガラスが用いられて来た。その理由は鉛
ガラスが比較的大きいベルデ定数（波長λ＝６３８鎮で
Ｖｅ ＝ ０．０９８ ｍｉ ｎ１０ｅ −ｚ）を持ち
、かつ反磁性ガラスの特徴として本質的に温度安定性が
良いことによる。これに対して今まで他の金属元素（た
とえばＴｂ）等を添加して鉛ガラス・の２倍前後のベル
デ定数を有するガラスが製造されて来たが、常磁性ガラ
スであリベルデ定数が１／Ｔ（Ｔ：絶対温度）で変化す
るため温度特性が悪いという欠点があった。
本発明は、鉛ガラスより感度が良く、なおかつ温度安定
性も良好なファラデー材料を用いて特性の良い電流・磁
界測定器を提供するものである。
性も良好なファラデー材料を用いて特性の良い電流・磁
界測定器を提供するものである。
すなわち７アラデー材料としてビスマスシリコンオキサ
イド（Ｂｉ１２ ＳｉＯｇｏ）もしくはビスマス・ゲル
マニウム・オキサイド（ＢｉｌｇＧｅＯｇｏ） （以後
ＢＳＯ。
イド（Ｂｉ１２ ＳｉＯｇｏ）もしくはビスマス・ゲル
マニウム・オキサイド（ＢｉｌｇＧｅＯｇｏ） （以後
ＢＳＯ。
ＢＧＯと略記する）。を用いることを特徴とする磁界−
光変換器である。
光変換器である。
ＢＳＯ，ＢＧＯが比較的大きいベルデ定数（いずれもＶ
ｅ ＝ ０．２ｍ１ｎ１０ｅ−ｃｒｎ）を有することは
ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣ５ＬＥＴｒＥＲ５ｖｏｌ１
６ ｎｏ５． （１９７０） ２０１によって知られて
いるが、今までファラデー素子として用いられなかった
のはＢＳＯ，ＢＧＯともに磁界零でも偏光方向が回転す
る旋光能を有することと、この旋光能に温度依存性が存
在すること、さらに電気光学効果（ポッケルス効果）を
も有するため、電界の影響をうけることなどの理由によ
る。
ｅ ＝ ０．２ｍ１ｎ１０ｅ−ｃｒｎ）を有することは
ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣ５ＬＥＴｒＥＲ５ｖｏｌ１
６ ｎｏ５． （１９７０） ２０１によって知られて
いるが、今までファラデー素子として用いられなかった
のはＢＳＯ，ＢＧＯともに磁界零でも偏光方向が回転す
る旋光能を有することと、この旋光能に温度依存性が存
在すること、さらに電気光学効果（ポッケルス効果）を
も有するため、電界の影響をうけることなどの理由によ
る。
本発明はこのような欠点を無くしてＢＳＯ，ＢＧＯが反
磁性材料で本質的に温度安定性がよく、かつ鉛ガラスの
２倍の感度を有するという特長を生かした磁界−光変換
器を提供するものである。即ち本発明は、旋光能（ρ０
／鎮）及びその温度変化（Δρ／ΔＴ）を打ち消すこと
により、温度依存性のないファラデー効果のみを検出す
る方法を応用した磁界−光変換器を提供するものである
。
磁性材料で本質的に温度安定性がよく、かつ鉛ガラスの
２倍の感度を有するという特長を生かした磁界−光変換
器を提供するものである。即ち本発明は、旋光能（ρ０
／鎮）及びその温度変化（Δρ／ΔＴ）を打ち消すこと
により、温度依存性のないファラデー効果のみを検出す
る方法を応用した磁界−光変換器を提供するものである
。
以下本発明について説明する。
本発明の発明者らは旋光能による偏波面の回転角θ０と
ファラデー効果による回転角θＨと＃ζついて物理的な
考察を行ったところ、旋光能は結晶中を往復すると零と
なりファラデー効果は倍になるという原理を応用すれば
好ましい結果が得られることを見出した。そしてその原
理にもとすき図３の光学系で実験を行った。図で１１は
全反射ミラー、１２はビームスプリッタである。磁界強
度を一定にして長さ４０ｕＬの結晶１ （ＢＳＯ又は
ＢＧＯ）の温度を一１Ｏ°Ｃ〜＋６０°Ｃまで変化させ
て光検出器９の出力を測定したところ温度変化による光
出力の変動は測定誤差（±０．３９６）の範囲内であり
、旋光能の温度依存性が完全に打ち消されることが判っ
た。
ファラデー効果による回転角θＨと＃ζついて物理的な
考察を行ったところ、旋光能は結晶中を往復すると零と
なりファラデー効果は倍になるという原理を応用すれば
好ましい結果が得られることを見出した。そしてその原
理にもとすき図３の光学系で実験を行った。図で１１は
全反射ミラー、１２はビームスプリッタである。磁界強
度を一定にして長さ４０ｕＬの結晶１ （ＢＳＯ又は
ＢＧＯ）の温度を一１Ｏ°Ｃ〜＋６０°Ｃまで変化させ
て光検出器９の出力を測定したところ温度変化による光
出力の変動は測定誤差（±０．３９６）の範囲内であり
、旋光能の温度依存性が完全に打ち消されることが判っ
た。
−力先を往復させない場合は温度上昇とともに旋光能が
減少する（−０，２°／８０°Ｃ／ｕ）ため、３０°Ｃ
±３０゜で旋光能による回転角が〒８°の変動を示した
ため印加磁界による回転角θＨと同レベルの変動であり
数１０％〜数１００％の変動を与えることが判った。
減少する（−０，２°／８０°Ｃ／ｕ）ため、３０°Ｃ
±３０゜で旋光能による回転角が〒８°の変動を示した
ため印加磁界による回転角θＨと同レベルの変動であり
数１０％〜数１００％の変動を与えることが判った。
このように結晶中を往復させることにより旋光能の温度
変化を打ち消すことができることは、光が往復した場合
全体としての偏波長の回転角θがθ＝（θ０＋θＨ）＋
（−００＋θＨ）−２θＨ■となるためである。ここで
θ０は旋光能による回転角であり、θＨはファラデー効
果による回転角である。さらに往復回数は多数回でもも
ちろん良くこの場合は往復回数に比例して感度が向上す
ることになる。また反射ミラーは直接ＢＳＯもしくはＢ
ＧＯ上に付加することも可能である。
変化を打ち消すことができることは、光が往復した場合
全体としての偏波長の回転角θがθ＝（θ０＋θＨ）＋
（−００＋θＨ）−２θＨ■となるためである。ここで
θ０は旋光能による回転角であり、θＨはファラデー効
果による回転角である。さらに往復回数は多数回でもも
ちろん良くこの場合は往復回数に比例して感度が向上す
ることになる。また反射ミラーは直接ＢＳＯもしくはＢ
ＧＯ上に付加することも可能である。
以上のように本発明では温度安定性の良いかつ高感度（
鉛ガラスの約２倍）を磁界の測定が可能であるが送電線
のように高電圧導体の電流を測定する場合は、本変換器
の設置状態によってはＢ５０ＢＧＯの有する電気光学効
果によって直線偏光で入射した光が楕円偏光に変調をう
けるため、得られる信号はわずかに電界強度を含むもの
となる場合も存在する。
鉛ガラスの約２倍）を磁界の測定が可能であるが送電線
のように高電圧導体の電流を測定する場合は、本変換器
の設置状態によってはＢ５０ＢＧＯの有する電気光学効
果によって直線偏光で入射した光が楕円偏光に変調をう
けるため、得られる信号はわずかに電界強度を含むもの
となる場合も存在する。
本発明の発明者は、このような欠点をさらに無くす方法
を種々考察した結果結晶全体を透明かつ導電性の材料で
おおうことによって結晶表面が等ポテンシャル面となり
結晶中には電界の印加されない構造にすればよいことを
見出した。
を種々考察した結果結晶全体を透明かつ導電性の材料で
おおうことによって結晶表面が等ポテンシャル面となり
結晶中には電界の印加されない構造にすればよいことを
見出した。
図４においてその一例を示す。図でＢＳＯもしくはＢＧ
Ｏの光学研磨した厚さ８＃Ｉｘの結晶板１８に多層誘電
膜による反射層１４を両面に形成し、その後Ｉｎｋρ３
もしくはＩｎ２Ｏ３５ｎｏ１１系の透明電極１５をＲＦ
スパッタ法によって全面に付着させた。この素子にＬＥ
Ｄ光を光ファイバー１６で導いた後、ロッドレンズ１７
で平行光束とし、偏光プリズム１８で直線偏光とした。
Ｏの光学研磨した厚さ８＃Ｉｘの結晶板１８に多層誘電
膜による反射層１４を両面に形成し、その後Ｉｎｋρ３
もしくはＩｎ２Ｏ３５ｎｏ１１系の透明電極１５をＲＦ
スパッタ法によって全面に付着させた。この素子にＬＥ
Ｄ光を光ファイバー１６で導いた後、ロッドレンズ１７
で平行光束とし、偏光プリズム１８で直線偏光とした。
この光をＢＳＯ中を７回往復させてから偏光プリズムと
４５°の角を成す検光子プリズム１９を通し、ロッドレ
ンズ１７、光ファイバー１６で光検出器に導いた。この
素子をＡとし一方比較のため透明電極を施こさない素子
を同時に作りこれをＢとした。この画素子でガス絶縁さ
れた高圧送電線の電流測定を行ったところ図５に示すよ
うにＡ素子では電流と光出力の変調度とはクリアーな関
係を満たしていたが、Ｂ素子では低電流部分でリニアリ
ティからのずれが存在し電流値に対応する値よりも大き
い変調度を示した。これは送電“練直下の電界強度が数
１００〜数１０００Ｖ、４ｘと高いため、本変換器の設
置のしかたによっては充分電気光学効果による変調が生
じるためである。
４５°の角を成す検光子プリズム１９を通し、ロッドレ
ンズ１７、光ファイバー１６で光検出器に導いた。この
素子をＡとし一方比較のため透明電極を施こさない素子
を同時に作りこれをＢとした。この画素子でガス絶縁さ
れた高圧送電線の電流測定を行ったところ図５に示すよ
うにＡ素子では電流と光出力の変調度とはクリアーな関
係を満たしていたが、Ｂ素子では低電流部分でリニアリ
ティからのずれが存在し電流値に対応する値よりも大き
い変調度を示した。これは送電“練直下の電界強度が数
１００〜数１０００Ｖ、４ｘと高いため、本変換器の設
置のしかたによっては充分電気光学効果による変調が生
じるためである。
以上のように本発明の素子では全く外部電界の影響を受
けないことが明らかとなった。
けないことが明らかとなった。
以上述べたように、本発明によれば、
■ＢＧＯ，ＢＳＯは鉛ガラスよりもベルデ定数が大きく
、かつ温度に対して安定であるため、高感度でかつ温度
安定性の優れた磁界−光変換器が可能となり、 ■結晶中を所定回数往復させることにより、温度変化に
より旋光能が変化しても、その変化分を打ち消せるので
、偏波長の回転角は一定となっており、温度変化に対し
て安定した磁界−光変換器が得られ、 ■さらに、結晶全体を透明かつ導電性材料で被覆して結
晶表面が等ポテンシャル角にすることにより、外部電界
の影響を全く受けない磁界−光変換器が可能となり、 優れた磁界−光変換器を得ることが出来る。
、かつ温度に対して安定であるため、高感度でかつ温度
安定性の優れた磁界−光変換器が可能となり、 ■結晶中を所定回数往復させることにより、温度変化に
より旋光能が変化しても、その変化分を打ち消せるので
、偏波長の回転角は一定となっており、温度変化に対し
て安定した磁界−光変換器が得られ、 ■さらに、結晶全体を透明かつ導電性材料で被覆して結
晶表面が等ポテンシャル角にすることにより、外部電界
の影響を全く受けない磁界−光変換器が可能となり、 優れた磁界−光変換器を得ることが出来る。
図１はファラデー効果の説明図、図２は磁界、電流測定
の構成図、図３は反射型の構成図、図４１、ファラデー
効果を有する光学材料 ２、入射光 ３、磁 界 未入射光の偏光方向 ５、出力光 〃 〃 ６、光 源 ７、偏光子 ８検光子 ９、光検出器 １０、送電線 ｉｔ反射ミラー １２、 ビームスプリッタ １３、 ＢＳＯもしくはＢＧＯ結晶結晶板１肘 １６、光ファイバ １７、ロッドレンズ １８、偏光プリズム １９、検光プリズム 代理人弁理士上代哲寂ルトー
４−← １−−１＋ 図４ 図５ マ 丸
の構成図、図３は反射型の構成図、図４１、ファラデー
効果を有する光学材料 ２、入射光 ３、磁 界 未入射光の偏光方向 ５、出力光 〃 〃 ６、光 源 ７、偏光子 ８検光子 ９、光検出器 １０、送電線 ｉｔ反射ミラー １２、 ビームスプリッタ １３、 ＢＳＯもしくはＢＧＯ結晶結晶板１肘 １６、光ファイバ １７、ロッドレンズ １８、偏光プリズム １９、検光プリズム 代理人弁理士上代哲寂ルトー
４−← １−−１＋ 図４ 図５ マ 丸
Claims (2)
- （１）ファラデー効果を用いて磁界の信号を光の信号に
変換する装置において、ファラデー素子としてビスマス
シリコンオキサイド−’（Ｂｉｘｇ ＳｉＯｇｏ）もし
くはビスマスゲルマニウムオキサイド（Ｂｉ１２ Ｇｅ
Ｏ２゜）を用い、かつ該Ｂｉ１２５ｉ０２（１もしくは
ＢＢ１１４Ｇｅ０２中を光が少くとも１回以上往復する
ことを特徴とする磁界−光変換器。 - （２）前記Ｂ１１ｇ ＳｉＯｇｏもしくはＢｉＨＧｅＯ
ｇｏの表面に導電性かつ透光性の薄膜を形成したことを
特徴とする特許請求範囲第１項記載の磁界−光変換器。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56197350A JPS5897669A (ja) | 1981-12-07 | 1981-12-07 | 磁界−光変換器 |
| US06/446,395 US4608535A (en) | 1981-12-07 | 1982-12-02 | Magnetic field and current measuring device using a Faraday cell with a thin electrically conductive film substantially covering the Faraday cell |
| CA000416938A CA1205862A (en) | 1981-12-07 | 1982-12-03 | Magnetic field and electric current measuring device |
| EP82306480A EP0081367B1 (en) | 1981-12-07 | 1982-12-06 | Magnetic field and electric current measuring device |
| DE8282306480T DE3273846D1 (en) | 1981-12-07 | 1982-12-06 | Magnetic field and electric current measuring device |
| AU91198/82A AU558929B2 (en) | 1981-12-07 | 1982-12-07 | Faraday cell for measurement of magnetic field and electric current |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56197350A JPS5897669A (ja) | 1981-12-07 | 1981-12-07 | 磁界−光変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5897669A true JPS5897669A (ja) | 1983-06-10 |
| JPS6325307B2 JPS6325307B2 (ja) | 1988-05-25 |
Family
ID=16373015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56197350A Granted JPS5897669A (ja) | 1981-12-07 | 1981-12-07 | 磁界−光変換器 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4608535A (ja) |
| EP (1) | EP0081367B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5897669A (ja) |
| AU (1) | AU558929B2 (ja) |
| CA (1) | CA1205862A (ja) |
| DE (1) | DE3273846D1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58146859A (ja) * | 1982-02-24 | 1983-09-01 | Mitsubishi Electric Corp | 光電流・磁界計測装置 |
| JPS6290545A (ja) * | 1985-03-08 | 1987-04-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 送配電用ケ−ブルの電流計測方法 |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS613075A (ja) * | 1984-06-18 | 1986-01-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 送電線用事故区間判別装置 |
| JPH0721512B2 (ja) * | 1987-03-27 | 1995-03-08 | 日本碍子株式会社 | 光センサ用光部品 |
| US4894608A (en) * | 1987-07-22 | 1990-01-16 | Square D Company | Electric current sensor using the faraday effect |
| DE3742878A1 (de) * | 1987-08-07 | 1989-07-06 | Siemens Ag | Optischer magnetfeldsensor |
| DE3903293A1 (de) * | 1987-08-07 | 1990-08-09 | Siemens Ag | Optischer magnetfeldsensor |
| US5124634A (en) * | 1989-03-14 | 1992-06-23 | Square D Company | Ring optical current transducer |
| US4998063A (en) * | 1989-07-31 | 1991-03-05 | Abb Power T & D Company, Inc. | Fiber optic coupled magneto-optic sensor having a concave reflective focusing surface |
| US5149962A (en) * | 1991-06-03 | 1992-09-22 | Simmonds Precision Products, Inc. | Proximity detector using faraday effect and bidirectional transmission |
| GB9201896D0 (en) * | 1992-01-29 | 1992-03-18 | Instr Transformers Ltd | Electric current measurement |
| US5241412A (en) * | 1992-04-13 | 1993-08-31 | Litton Systems, Inc. | Magneto-optic device with reflective conductor |
| US5408092A (en) * | 1993-12-09 | 1995-04-18 | Simmonds Precision Products, Inc. | Multiple optic sensor system |
| DE4342409A1 (de) * | 1993-12-13 | 1995-06-14 | Abb Research Ltd | Massivoptischer Stromsensor |
| US5982174A (en) * | 1997-07-21 | 1999-11-09 | Wagreich; Richard B. | External cavity fiber Fabry-Perot magnetometer |
| JP3812525B2 (ja) * | 2002-09-20 | 2006-08-23 | 株式会社村田製作所 | 光磁界センサ |
| RU2663545C1 (ru) * | 2017-08-28 | 2018-08-07 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Оптический измеритель переменного и постоянного тока в высоковольтных сетях |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3420601A (en) * | 1965-06-24 | 1969-01-07 | American Optical Corp | Materials and structures for optical faraday rotation devices |
| FR1569657A (ja) * | 1968-01-29 | 1969-06-06 | ||
| CH482200A (de) * | 1968-04-23 | 1969-11-30 | Bbc Brown Boveri & Cie | Verfahren und Einrichtung zur Messung der zeitlichen Änderung der Feldstärke eines Magnetfeldes |
| CH510266A (de) * | 1969-12-04 | 1971-07-15 | Bbc Brown Boveri & Cie | Sonde zur Messung magnetischer Felder |
| DE2346722C2 (de) * | 1973-09-17 | 1974-12-05 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Magnetooptischer Meßwandler für Hochspannungsströme |
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