JPS60129676A - 磁界測定装置 - 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】

産業上の利用分野 本発明は磁気光学素子によるファラデー回転を観測して
磁界を検出し、その磁界強度を測定する装置に関するも
のである。 従来例の構成とその問題点 最近、磁界強度を測定する方法として、磁気光学効果の
１つであ□るファラデー効果を利用する方法が提案され
ている。光を媒体とするため、絶縁性が良好である。電
磁誘導ノイズを受けない等々の特長を持ち１発送電設備
内の高圧大電流測定。 溶接機の電流測定への応用等が考えられている。 ３ページ 第１図にファラデー効果を用いた磁界の測定方法の原理
図を示す。第１図において磁界Ｈ中に磁気光字素′子１
が配置□されている。この磁気光学素子１に偏光子２で
直線偏光（矢印で示す）とされた光を通過させると、フ
ァラデー効果により、磁界強度Ｈに比例して、（１）式
で表わされる一角度θ

〔０〕だけ、偏波面が回転する。 θ−ＶＨＬ　・・・・・・・・・・・・・・−（１）こ
こで−Ｖ［０／ｃＩｒＬ・０θ〕はヴエルデ定数で磁気
光学素子に固有の定数であり、Ｍｈｏｓ）は磁界の光の
進行方向成分−、Ｌ［：ｃＩｎ〕ｌｄ磁気光学素子の厚
さを表わす。ファラデー回転を受けた光はｍ個光子２と
偏光通過方向を４６°異ならしめた検光子（ここでは、
偏光ビームスプリッタ−）３によシ。 偏波面が互に直交する２つの直線偏光成分に分離される
。その時の２光出力の強さＰｌ、Ｐ２は（２）。 （３）式で表わされる０ β１＝に１Ｐ−ｓＩｎ２（θ＋４６°）＝−に１Ｐ・（
１＋　５ｌｎ２θ）・・・・・・・・・・・・・・・（
２）特開昭ＧＯ−１２９ｆｉ７Ｇ（２） ｐ２−に２Ｐ−ｃｏｓ２（θ＋４６°）−−に２Ｐ・（
１ｓｉｎ２θ）・・・・・・・・・・・・・・・（３）
ここで−Ｐｌ’ｊ磁気光学素子に入射する光の強さ。 １、に２１ｄこの光の２出力フアイバへの結合係数であ
る。 第２図は、信号処理部の構成図であ為。２光出力はそれ
ぞれ光ファイバを経由して第２図の信号処理部に到達し
、受光素子Ｄ１．Ｄ２で電気信号に蜜換され、増幅・演
算処理により磁界に比例した出力電圧となる。これを次
に示す。 第２図の増幅器Ａ１．Ａ２の出力ｖ１．ｖ２は光入力Ｐ
１．Ｐ２に比例し、 β１＝α１’Ｐ１　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・−・・・・（４）ｖ２−α２Ｐ２　
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・（５）α１．α２：定数（増幅率に相当） と表わされるから、これと（２）　、　（３）式より一
６ベージ β１＝β１Ｐ・　（１＋５ｉｎ２　θ　）　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（６）ｖ２’＝β２
Ｐ　・　（１ｓｌｎ２　θ　）　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（７）こζで、β１＝に１α１
−β２；に２α２　となるα１１α２を適当に選ぶこと
により、β１＝β２とすることができる。それぞれの出
力成分の、差、和およびそれらの比を演算回路Ｓ１１．
ｓ２．ｓ３で演算することにより、出力電圧ｖ０は。 となる。θ（１の時は− ｖｏさ２θｃｃＨ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（９）とガリ、磁界Ｈに比例した出力電圧を得
ることができる。 第３図に、従来の磁気光学変換部の構成例を示す。光フ
ァイバ１０１を伝搬した光は自己集束性ロッドレンズ１
０２により平行光線となり、磁気光学変換部に入射する
。入射光は、直角プリズム６、．１． １０３で反射後、偏光ビームスプリッタ２により直線偏
光となる。この光は磁気光学素子１を透過し、磁界Ｈに
比例した角度θだけ、偏波面が回転する。イアラブ−，
回転を受けた光は、偏光ビームスプリッタ−３により、
偏光方向が互に直交する２つの直線偏光成分ｐ２．ｐ１
に分離され、１偏光成分Ｐ２［Ｆ己集束性ロッドレンズ
１０４で光ファイバ１０５．［集光され、他の偏光成分
Ｐ１は、直角、フリズム、１０６で反射後、隼束性ロッ
ドレンズ１０了、で光ファイバ１０Ｂに集光され１、伝
送される。 この方法では、直角プリズム１．０３，１．０６ｉ２個
使用するため、コの字型に光学系が構、成され。 組立時の接着個所も多く、構造上、温度変動に対し不安
定である。また、偏光ビームスプリッタ−２，３を使用
するため、磁界測定の温度範囲が制限される。また１部
品数が多いため、大型化するきらいがある。 発明の目的 本発明は、広い温度範囲で、温度変動に対し安７、−ジ 定した計測が可能で、小型で取扱いが容易で、しかも、
高感度な磁気光学変換部を持った磁界測定装置を提供す
るものである。 発明の構成 本発明は、磁気光学変換部と、第１．第２．第３の光伝
送部と、前記第１の光伝送路に光を入射する光発生部と
、前記第１の光伝送路により伝送された光が前記磁気光
学変換部を透過し、前記第２、第３の光伝送路に導かれ
た一光の出力を検知。 増幅、演算処理する信号処理部を備え、前記磁気光学変
換部を磁界中に配置することにより、磁界強度を前記信
号処理部で検出する磁界測定装置において一前記磁気光
学変換部が、前記第１の光伝送路からの光を、光軸と一
定の角度を持つ面で切り出された第１の一軸性平板結晶
に入射させ、直交する２偏光に偏光分離させ、前記２偏
光のうちの１偏光成分を、磁気光学素子に入射させ、入
射面に相同かう端面に配置されるミラーで反射させ。 前記磁気光学素子を再通過後、光軸と一定の角度で切り
出されて、その偏光通過方向が、前記第１の一軸性平板
結晶と４６°異ならしめて、前記第１の一軸性平板結晶
と並列配置された第２の一軸性平板結晶に入射させ、直
交する２偏光に分離した各々の成分光を、前記第２．第
３の光伝送路に導く様に、前記第１．第２の一軸平板結
晶と前記磁気光学素子との間に、屈折率が中心軸から外
周面に向って放物線状に分布している柱状のガラス体を
介して光学系を形成することを特徴とするものである。 実施例の説明 次に一本発明の磁界測定装置について１図面を参照して
詳細に説明する。 初めに１本発明の磁気光学変換部について、詳細に説明
する。 第４図は１本発明の磁気光学変換部の動作原理の理解を
助けるため、使用さｎる自己集束性ロッドレンズ４０１
の構造および基本原理を説明する図である。自己集束性
ロッドレンズ４０１はガラス製の円柱体であり、光軸Ａ
Ａ’と直角な面内における光軸からの距離ｒと屈折率ｎ
の関係を示すと９４、−ミ・ 同図（ａ）のごとくなり、光軸上で最大の屈折率ｎ。 を持ち、ｒの増加とともに放物線状に低下するＯこの屈
折率分布ｎ　（ｒ）を次式に示す。 ｎ（ｒ）＝ｎＱ（１−二！−Ａｒ２）・・・・・・・・
・・・・・・・（１０）２　、 ここで、（ｎｏ　は光軸上の屈折率）人は屈折率分布定
数である。また、同図［有］）は自己集束性ロッドレン
ズの結像原理を示す図である。物体Ｏの存在する媒質の
屈折率をｎｌ、像が結ばれる媒質の屈折率をｎ２とし、
この時の自己集束性ロッドレンズのレンズ長を２とする
と、レンズの端面、焦点間距離８１（ｉ＝１．２）は１
次式で表わされる。 （ｉ＝１．２） 故に、同図（Ｃ）の様に、屈折率ｎ１の媒質４０２中の
焦点Ｆ１を含み光軸ムＡ′に垂直な平面４０３上におい
て、光軸ム人′　に対して対称な２つの位１０ページ 置に、光軸ＡＡ’　と平行に光ファイバ１０１゜１０５
を配置し、捷だ、屈折率ｎ２の媒質４０４中の焦点Ｆ２
を含み光軸ムＡ′に垂直にミラー４０５を配置すると、
光ファイバ１０１から出射した光は、ミラー４０６で反
射した後、光ファイバ１０６に入射する。 第６図は、本発明の実施例の磁気光学変換部の構成と動
作原理を示す図である。同図（ａ）において、１は磁気
光学素子であり、今は（ＹＴｂ）ＩＧ平板を用いた。光
源としては、（ＹＴｂ）ＩＧで吸収の小さい一波長１．
２７μｎ　のＬＥＤを用いた。 （ＹＴｂ）ＩＧ平板の長さＬは１式（１）　、　（９）
より明らかな様に１本発明の磁気光学変換部の感度を決
めるものであり、今、必要とする感度に応じて。 その長さＬを１．３１１１１１１とした。また、偏光子
２．検光子３は、光軸仁一定の角度を持つ面で切り出さ
れた２枚の一軸性平板結晶を、相互の偏光２通過方向を
４６°傾けて、固着一体化したものである。 具体的には、偏光、検光子２．３とでは、常光。 異常光の分離角度が最大となる様に、光軸と４８゜１１
ページ の角度を持つ面で切り出された２枚のルチル（Ｔｉ０２
）平板を用いた。このルチル平板の厚さＳｌ　はルチル
平板２，３の一端面４０３に一光軸と平行に配置された
光ファイバ１Ｏ１から入射した光が、常光と異常光との
２つの直交する偏光成分に偏光分離されて、その２偏光
成分が、ルチル平板２．３の他端面６０１において距離
的に完全に分離される様に、決める。 今一入力光ファイバ１０１のコア径を６０μｍ−出力光
ファイバ１０５，１○８のコア径を８０μｍと選んだの
で、上記の条件を十分みたすルチル平板の厚みＳ１ハ、
１．５　［１１ｍであり、この時、常光と異常光との分
離中心間距離は、１６０μｍである。 上記のルチル平板１組２．３と−（ＹＴｂ）ＩＧ平板１
との間に、自己集束性ロッドレンズ４０１を直列して並
べる。この時、光軸ムＡ′上、ルチル平＠２．３の他端
面４０３．及び、（ＹＴｂ）工Ｇ平根１の他端面６０４
の位置に、焦点Ｆ１．７２が来る様に、集束性ロッドレ
ンズ４０１の長さ２を決める。（１１）式に、自己集束
性ロッドレンズの屈折率分布定数Ａ＝０．０８４．　自
己集束性ロッドレンズの光軸での屈折率ｎ０＝１．６−
　ルチルの屈折率ｎ１＝２．６（ただし、異常光の屈折
率ｎ（Ｅ）−２，７゜常光の屈折率ｎ（０）−２，６）
　、ルチル平板の厚みＳ＋＝１．５．（ＹＴｂ）ＩＧの
屈折率ｎ２＝２．２゜（ＹＴｂ）ＩＧ平板の厚み５２＝
Ｌ＝１．３を代入すると、条件をみたす自己集束性ロッ
ドレンズ４０１の長さＺｌ’ｊ、　４．５ｍｒｎテあツ
タ。 第６図（ｂ）、　（Ｃ）は、光フアイバ側から本発明の
磁気光学変換部を見た図であり、各々（ｂ）図は、光の
分離の様子を、（Ｃ）図は、光ファイバの位置を示す図
である。第６図（ａ）〜（Ｃ）を用いて、本発明の光磁
気光学変換部の動作原理を説明する。ルチル平板２．３
の端面４０３に、自己集束性ロッドレンズ４０１の光軸
ｋｋ’　と平行に配置した光ファイバ１ｏ１からルチル
平板２に入射した光は、常光１１　と異常光１２との直
交する２偏光成分に分離される。２偏光のうち常光成分
１１の光路をたどると−（ＹＴｂ）ＩＣ千根１の端面５
○４に接合するミラー４０６で反射して一第２のルチル
平板１３４−ジ ３に達し、常光１１１１と異常光１１２との直交する２
偏光成分に分離される。２偏光のうち常光成分１１１１
１ｒ！、直進して、入力光ファイバ１ｏ１と自己集束性
ロッドレンズの光軸ＡＡ’に対して対称な位置に、光軸
ム人′と平行に配置した光ファイバ１０５に導かれる。 また、異常光成分１１２は、ルチル平板３内を常光成分
Ａ１１と異なった光路を伝搬し、ルチル平板３の端面４
０３で、光ファイバ１Ｏ６から距離ｄの位置に達し、こ
こに、光ファイバ１０Ｂを光軸五人′とほぼ平行に配置
して、異常光成分１１’２を光フアイバ１ｏ８内に導く
様にする。 今、入力光ファイバ１ｏ１と出力光ファイバ１０６との
間隔２ａｉ、ルチルとの接合面で他ファイバに光が散乱
混入しない様に４００μｍとし、光ファイバ１０５と光
ファイバ１０８との間隔は。 ルチル板の常光、異常光分離距離と等しく１６０μｍで
ある。 ところで、第１のルチル平板２で偏光分離された２偏光
のうち異常光成分Ｉ２は、ミラー４０５で反射した後、
第２のルチル平板３に達して、常１４４−ジ 光１２１．異常光７！２２に分離されるが−ルチル平板
３の端面４０３では、常光成分１１からの光１１１゜１
１２と異なる位置に像を結び、光ファイバ１０６゜１０
８内に混入することはない。 以上の方法により、光発生部より一光ファイバ１０１に
より伝送され、磁気光学変換部に入射した光は、ルチル
平板２を通過して直線偏光１１となり、♂界中に置かれ
た（ＹＴｂ　）ＩＧ平＠１を往復してファラデ回転を受
け、前記直線偏光１１と偏光通過方向を４６°異ならし
めたルチル平板３により、互に直交する２偏光成分ｊ！
！＋１．Ａ！１２に偏光分離されて一各々光ファイバ１
ｏｅ、１０８により信号処理部に伝送され、２光出力の
強さＰｌ、Ｐ２を検知、増幅、演算処理をして、磁界強
度を検出する。 なお、上記の実施例では、−軸性平板結晶にルチル平板
を用いたが、方解石等の他の一軸性平板結晶を用いても
良い。 なお、上記の実施例では、志気光学素子として（ＹＴｂ
）ＩＧを用いたが、鉛ガラ、ｚ、　、　Ｚｎ５ｅ　。 １６４−ジ ＹＩＪ等、他のファラデー効果のある素子を用いても良
い。 なお、上記の実施例では、第１の一軸性平板結晶２で偏
光分離された２偏光のうちの常光１１を用いたが一異常
光１２を用いても良い。 なお、上記の実施例では°、光ファイバの配置図として
、１例を挙げたが、（１）第１の一軸性平板結晶２で偏
光分離された２偏光のうち、常光を用いるか、異常光を
用いるか−（２）２枚の一軸性平板結晶の光軸をどの様
に組合せるかによシ、光ファイバの配置が異なるが、ど
れを採用しても良い。 発明の効果 本発明の磁気光学変換部によれば、偏光子、検光子とし
て偏光ビームスプリッタ−、グラントムソンプリズム等
を用いる代わ）に−軸性平板結晶を用いているため、広
い温度範囲で使用可能となシ、シかも、各部品が直列に
並ぶ構成のため、構造上温度変動に対して光軸ずれが起
こりにくく、安定した測定ができる。また、入出力光フ
ァイバは一方向からのみ取シ出しているため、センサプ
ローブとしての取り扱いを容易にしている。また。 従来例に比較して一部品点数も少なく一小形化できる上
、接着個所が少なく信頼性の向上に寄与している。さら
に、光をミラーで反射させて、磁気光学結晶内を１往復
させているので一磁気光学結晶長の同じ長さのものに光
を１回透過させる従来例と比較すると、２倍の感度が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はファラデー効果を用いた磁界測定方法の原理図
、第２図は磁界測定における信号処理部の構成図、第３
図は従来の磁気光学変換部の概略構成図、第４図（ａ）
は本発明に使用する自己集束性ロッドレンズの屈折率分
布図、第４図中）ハ同レンズの結像原理を示す図、第４
図（Ｃ）Ｕ同しンズを用いた磁気光学変換部の要部構成
図、第６図（ａ）は本発明の磁気光学変換部の一実施例
の構成図、第６図（ｂ＞　、　（Ｃ）は同変換部の光分
離、光フアイバ配置の説明図である。 １・・・・・・磁気光学素子、２・・・・・・偏光子、
３・・・・・・検光子、１０１・・・・・・入力光ファ
イバ°−１０５，１０８１７ページ ・・・・・・出力光ファイバー１０３，１０８・・・・
・・直角プリズム−１０２，１０４，１０７，４０１・
・・・・・自己集束性ロッドレンズ、４ｏ６・・・・・
・ミラー。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 図　良　ｃｌ−″） 、、、　鍼 脈 ＡＱＣニ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 磁気光□学変換部と、第１．第２．第３の光伝送部と、
   前記第１の光伝送路に光を入射する光発生部と、前記第
   ４の光伝送路によシ伝送された光が□前記磁気光学変換
   部を透過し、前記第２．第３の光伝送路長導かれた光の
   出力を検知、増幅、演算処理゛する信号一連部を備え、
   前記磁気光学変換部を磁界中に配置することにより、磁
   界強度を前記信号処理部で検出するとともに、前記磁気
   光学変換部が、晶記第１の光伝諌路からの光を光軸と一
   殖ア讐度□を誉つ□面で切り出された第、の−□軸性平
   板結晶に入射させて直交する２偏光に偏光分離させ、前
   記２偏光のうちの１偏光成分を、磁気光学素子に入射さ
   せ、入射面に相同かう端面に配置されるミラーで反射さ
   せ、前記ａ像光学素子を再通過後、光軸と一定の角度で
   切シ出されその偏光通過方向が前記第１の一軸性平板結
   晶と４６°異な一ページ らしめて前記第１の一軸性平板結晶と並列配置された第
   ２の一軸性平板結晶に入射させ、直交する２偏光に分離
   した各々の成分光を、前記第２．第３の光伝送路に導く
   様に前記第１．第２の一軸平板結晶と前記磁気光学素子
   との間に、屈折率が中心軸から外周面に向って放物線状
   に分布している柱状のガラス体を介して光学系を形成す
   ることを特徴とする磁界測定装置。