JPS63158476A - 光フアイバ電磁界センサ - 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】 「産業上の利用分野」 この発明は、電界あるいは磁界の強度を測定する電磁界
センサに係わり、詳しくは複数の測定レンジを有する電
磁界センサに関する。

「従来技術とその問題点」 従来より、光ファイバ電界センサとしては、印加電圧の
大きさに応じて複屈折（屈折率に異方性が生じる）の程
度が変化するポッケルス効果やカー効果を利用したもの
が知られている。

一方、光ファイバ磁界センサとしては、等方性物質中を
伝搬する光の偏波面が磁界によって回転するファラデイ
ー効果を利用したものや、光ファイバ中を通過する光の
位相が変化する磁歪効果を利用したものが知られている
。

ところで、これらの電界あるいは磁界センサにあっては
、通常その測定レンジがセンサ部の光の伝送経路長に対
応した単一のものとなっているため、被測定箇所の電界
あるいは磁界の強度に対応しきれず、測定不能に陥った
りあるいは必要精度が得ら−れないということがあった
。

また、このような不都合を解決するため、入力端に発光
源を、また出力端に受光器をそれぞれ接続した測定レン
ジの異なる複数のセンサ部を並列的に配し、被測定箇所
の電磁界の強度に応じて測定レンジを切り替えることに
より、測定に供されるセンサ部が適宜選択されるように
したタイプの電磁界センサも知られている。

しかしながら、このような電磁界センサでは、複数のセ
ンサ部を配していることから全体が大型になり、よって
運搬等が困難になることから屋外での計測などに適さな
いという問題がある。また、部品等も重複して使用され
ているため、コストが高くなるという問題もある。

「問題点を解決するための手段」 そこで、この発明の光ファイバ電磁界センサでは、セン
サ部を入力端と出力端とを有する複数のセンサ体から構
成し、これらセンサ体のうちの１のセンサ体の入力端と
出力端との間あるいは出力端に分岐部を設け、この分岐
部に２のセンナ体の入力端を接続し、以下同様にして順
次センサ体を接続し、これらセンサ体のそれぞれの出力
端から出力を得ることにより上記の問題点を解決した。

「実施例」 以下、図面を参照してこの発明を説明する。

第１図はこの発明を磁界センサに適用した場合の一実施
例を示すものである。図において符号ｌは発光源である
。この発光源ｌは発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザー
ダイオード（ＬＤ）などからなり測定用光を発するもの
で、その発光部には入力用光ファイバ２の一端が接続さ
れている。この入力用光ファイバ２の他端にはセルフォ
ックレンズ３の一端が接続され、このセルフォックレン
ズ３の他端には４５゛回転偏光ビームスプリッタ４が接
続され、さらに４５゛回転偏光ビームスプリッタ４には
光ファイバ型の第１センサ体５の入力端５ａが接続され
ている。ここで、第１センサ体５は、コアがＢＧＯ（ビ
スマス・ゲルマニウム・オキサイド）、Ｂ５０（ビスマ
ス・シリコン・オキサイド）、Ｙ　Ｉ　Ｇ（イツトリウ
ム、鉄ガーネット　）などの結晶性のファラデイー素子
からなるもので、このファラデイー素子の磁歪効果によ
り磁界の強度を検出するものである。また、この第１セ
ンサ体の径、長さ等は、磁界センサの検出範囲などの仕
様に合わせて適宜決定される。第１センサ体５の出力端
５ｂには部分透過型の反射体６が接続されている。この
反射体６は、第１センサ体５の軸に対して４５゛の角度
で交差するように配置された部分反射ミラー６ａにより
、第１センサ体５から伝送された光のｌＯ〜５０％程度
を透過し、残りの９０〜５０％程度を第１センサ体５の
軸の直角方向に反射するものである。そして、この反射
体６により磁界センサは、その先軸が２方向に分岐する
。また、反射体６の材料としては、光ファイバ中を伝搬
する光の位相合わせのため、第１センサ体５のコアに使
用したものが好適に用いられる。

反射体６のセンサ部５と反対の側で、第１センサ体５か
らの光が透過する側には、偏光ビームスプリッタ７が接
続されており、この偏光ビームスプリッタ７には、セル
フォックレンズ８の一端が接続されている。また、この
セルフォックレンズ８の他端には出力用光ファイバ９の
一端が接続され、この出力用光ファイバ９の他端にはホ
トダイオード（ＰＤ）やアバランシェホトダイオード（
ＡＰＤ　）などからなる受光器ＩＯが接続されている。

また、反射体６の、第１センサ体５の軸と直角方向で第
１センサ体５からの光が反射する側には、第２センサ体
１１の入力端１１ａが接続されている。この第２センサ
体１１は、第１センサ体５と同様に結晶性のファラデイ
ー素子からなるコアを有する３本の光ファイバ１２．１
３．１４が、全反射ミラー１５．１６を介して接続され
たもので、全体がコ字状となり、またその先軸も光ファ
イバ！２．１３．１４に沿って曲折したものである。

ここで、上記光ファイバ１２．１３．１４の径、長さな
ども、第１センサ体と同様に磁界センサの仕様に合わせ
て適宜決定される。全反射ミラー１５．１６は、光ファ
イバ１２．１３から伝送された光を直角方向に全反射し
てそれぞれ光ファイバ１３．１４に伝搬するものである
。また、これら全反射ミラーＩ５．１６の材料としては
、光ファイバ１２．１３．１４中を伝搬する光の位相合
わせのため、これら光ファイバ１２、ｉ３．１４のコア
に使用したものが好適に用いられる。光ファイバ１４の
全反射ミラー１６と反対の側の端部は、第２センサ体１
１の出力端ｔｔｂとなっており、この出力端１１ｂには
偏光ビームスプリッタ１７が接続されている。ここで、
この偏光ビームスプリッタ１７は、内部に設けられた全
反射ミラー１７ａにより光軸を直角に曲折するものであ
る。さらに、この偏光ビームスプリッタ１７にはセルフ
ォックレンズ１８の一端が接続され、このセルフォック
レンズ１８の他端には出力用光ファイバ１９の一端が接
続されている。ここで、これらセルフォックレンズ１８
および出力用光ファイバ１９は、セルフォックレンズ３
、入力用光ファイバ２と並行に配置され、かつ同方向に
延びている。さらに、出力用光ファイバ１９の他端には
ホトダイオードやアバランシェホトダイオードなどから
なる受光器２０が接続されており、これも発光源１に隣
接して配置されている。

さらに、第１センサ体５、第２センサ体１１などの底面
には基板２１が接合されている。この基板２１は、第１
センサ体、第２センサ体を補強するもので、厚さ２〜１
０ｍｍ程度で正方形の石英板、ガラス板、セラミック板
などからなっている。また、この基板２１には、中央に
案内孔２２が形成されている。この案内孔２２は、ケー
ブル等の線状あるいは棒状のものを測定する際にこの被
測定物を挿通させるためのもので、その大きさ、形状は
被測定物に合わせて適宜決定される。

このような磁界センサを作製するには、予め案内孔２２
を形成した基板２１の上に、光学用接着剤を塗布した反
射体６、全反射ミラー１５．１６を所定の位置に載置し
接着固定する。次に、第１センサ５、光ファイバ１２．
１３．１４を、それぞれ光学用接着剤用いて上記反射体
６、全反射ミラー１５．１６の所定の側面に接着しかつ
基板２１に接着固定する。次いで、・１５°回転偏光ビ
ームスプリッタ４、偏光ビームスプリッタ７．１７を、
同じく光学用接着剤を用いてそれぞれ所定の位置に接着
固定する。その後、セルフォックレンズ３．８．１８を
所定の部材の側面に接着接続し、そしてこれらに入力用
光ファイバ２、出力用光ファイバ９．１９を接着接続し
、さらにこれらに発光源！、受光器１０．２０を接着接
続して磁界センサとする。

このような構成からなる磁界センサにより高レベルの磁
界を計測するには、まず被測定物を基板２１の案内孔２
２に挿通する。次に、発光源ｌより光を出射し、この光
を入力用光ファイバ２を介してセルフォックレンズ３に
導き、さらにここで光束を絞って４５°回転偏光ビーム
スプリッタ４に導く。するとこの光は、４５°回転偏光
ビームスプリッタ４を通過して直線偏光波となり、第１
センサ体５の結晶性のファラデイー素子からなるコアに
導かれる。そしてこの直線偏光波は、第１センサ体５を
通過することによりこの第１センサ５に印加される磁界
レベルに応じてその偏波面が回転し、その状態で反射体
６に導かれ、その一部が透過して偏光ビームスプリッタ
７に伝わる。次いで、この偏光ビームスプリッタ７で上
記直線偏光波の偏波面の回転角を光の強度に変換し、さ
らにこれをセルフォックレンズ８で集光して出力用光フ
ァイバ９に伝え、その後受光器ｌＯに導いて電気的出力
とする。

また、低レベルの磁界の計測も上記と同様にして行うが
、その場合には反射体６により反射して第２センサ体１
１に導かれた直線偏光波を、光ファイバ１２．１３．１
４中を通過させることによってより精度良く磁界レベル
に対応させてその偏波面を回転させ、さらに偏光ビーム
スプリッタ１７で偏波面の回転角を光の強度に変換した
後、セルフォックレンズ１８、出力用光ファイバ１９を
介して受光器２０に導き、ここで電気的出力とする。

この低レベルの測定では、磁界レベルを感知するセンサ
部が第１センサ体５および第２センサ体ＩＩを合わせた
ものになっているため、光の伝送長さが第１センサ体５
だけのときより長くなり７、よってこの測定系の分解能
が高まり、高感度となる。したがってこの磁界センサは
、受光器２０から電気的出力を得た場合に、受光器ｌＯ
から得た場合に比較してより高感度の出力が得られ、よ
って低レベルの磁界を精度良く検出する。

このような構成の磁界センサにあっては、受光器２０よ
り出力する測定系と受光器１０より出力する測定系とが
それぞれに異なる分解能を有しているため、これらの分
解能に合わせて高レンジおよび低レンジの２段階の測定
が行える。また、この磁界センサでは、発光源１１出力
用光ファイバ２、セルフォックレンズ３．４５°回転偏
光ビームスプリッタ４、第１センサ体５が高レンジ測定
系および低レンジ測定系に共通で用いられているためコ
ストが低下し、さらにこれに加えて発光源ｌと受光器２
０とが隣接して配置され、入力用光ファイバ２と出力用
光ファイバ１９、セルフォックレンズ３とセルフォック
レンズ１８とがそれぞれ並列に配置しているため全体が
コンパクトになる。

第２図はこの発明を電界センサに適用した場合の一実施
例を示すものである。図において符号２３は発光ダイオ
ードやレーザーダイオードからなる発光源である。この
発光源２３には入力用光ファイバ２４、セルフォックレ
ンズ２４、偏光ビームスプリッタ２６が順次接続されて
おり、偏光ビームスブリ・ツタ２６には光ファイバ型の
第１センサ体２７の入力端２７ａが接続されている。こ
こで、第１センサ体２７は、コアがＬｉＮｂＯ５、Ｌｉ
ＴａＯ３などの結晶性のポッケルス素子からなるもので
、このポッケルス素子のポッケルス効果により電界の強
度を検出するものである。第１センサ体２７の出力端２
７ｂには部分透過型の反射体２８が接続されている。こ
の反射体２８は、第１図に示した反射体６と同一のもの
で、部分反射ミラー２８ａが第１センサ体２７の軸に対
して４５°の角度で交差するように配置されたものであ
る。

反射体２８のセンサ部２７と反対の側で、第１センサ体
２７からの光が透過する側には、１／４波長板２８が貼
着されており、このｌ／４波長板２９には偏光ビームス
プリッタ３０が接続されている。また、この偏光ビーム
スプリッタ３０にはセルフォックレンズ３１の一端が接
続され、このセルフォックレンズ３Ｉの他端には出力用
光ファイバ３２の一端が接続され、この出力用光ファイ
バ３２の他端にはホトダイオードやアバランシェホトダ
イオードなどの受光器３３が接続されている。

また、反射体２８の、第１センサ体２７の軸と直角方向
で第１センサ体２７からの光が反射する側には、全反射
ミラー３４が接続されている。この全反射ミラー３４も
、第１図に示した全反射ミラー１５．１６と同様に反射
体２８から伝送された光を直角方向に全反射するもので
、この場合には反射した光を、第１センサ体２７が延び
る側と反対の側に伝送するように配置されている。全反
射ミラー３４の反射側には、第２センサ体３５の入力端
３５ａが接続されている。この第２センサ体３５は、第
１センサ体２７と同様の光ファイバであって、結晶性の
ポッケルス素子からなるコアを有するものである。この
第２センサ体３４の出力端３５ｂには１／４波長板３６
が貼着されており、この１／４波長板３６には偏光ビー
ムスプリッタ３７が接続されている。また、この偏光ビ
ームスプリッタ３７にはセルフォックレンズ３８の一端
が接続され、このセルフォックレンズ３８の他端には出
力用光ファイバ３９の一端が接続され、この出力用光フ
ァイバ３９の他端にはホトダイオードやアバランシェホ
トダイオードなどの受光器４０が接続されている。

このような構成からなる電界センサにより高レベルの電
界を計測するには、第１図に示した磁界センサの場合と
同様に、まず第１センサ体２７および第２センサ体３５
を電界中に置く。次に、発光源２３より光を出射し、こ
の光を入力用光ファイバ２４、セルフォックレンズ２５
を介して偏光ビームスプリッタ２６に導く。するとこの
光は、偏光ビームスプリッタ２６を通過して直線偏光波
となり、第１センサ体２７の結晶性のパッケルス素子か
らなるコアに導かれる。そしてこの直線偏光波は、第１
センサ体２７を通過することにより、この第１センサ体
２７に印加された電圧による複屈折効果によって楕円偏
光波に変換され、さらに反射体２Ｂに導かれ、その一部
が透過してｌ／４波長板２９に伝わる。次いで、上記楕
円偏光波を、１／４波長板を介して偏光ビームスプリッ
タ３０で光強度に変換し、その後これをセルフォックレ
ンズ３１．出力用光ファイバ３２を介して受光器３３で
電気的出力とする。

また、低レベルの電界の計測も上記と同様にして行なわ
れ、その場合には第１図に示した磁界センサと同様に、
第２センサ体３５からの出力を得るようにして電界レベ
ルを検出する。

このような電界センサにあっても、受光器３３より出力
する測定系と、受光器４０より出力する測定系との分解
能が異なることにより、それぞれの分解能に対応した２
段階のレンジの測定が行える。

なお、上記の実施例では、第１センサ体の出力端に部分
透過型の反射体を設けたが、この反射体を第１センサ体
の中間部に設け、該反射体に第２センサ体を接続するよ
うにしてもよい。

また、上記の実施例では、第１センサ体に第２センサ体
を接続して２段階の測定レンジを作製したが、第２セン
サ体に第３センサ体を接続し、以下同様に第４、第５・
・・のセンサ体を順次接続して３．４．５・・・段階の
測定レンジを作製してもよい。

（実験例） 外径２　ｍｍ、長さ４０ｍｍでコアがＹＡＧ製の光ファ
イバを第１センサ体とした。また、これと同一の光ファ
イバ２本と、長さのみを３８ｍｍに変えた光ファイバ１
本と、ＹＡＧ製の全反射ミラー２個とを光学用接着剤で
接着してコ字状に組み立て第２センサ体とした。また、
反射体に２０％透過、８０％反射タイプの部分反射ミラ
ーを、発光源に発光ダイオードを、受光器にＰＩＮホト
ダイオードを用いた。さらに、セルフォックレンズ、入
出力用光ファイバなどを加え、これらを厚さ５ｍｍ、外
寸４５Ｘ４５ｍｍで内径４０ｍｍの孔を有する石英板の
上に光学用接着剤で接着固定して組み立て、さらに無反
射コートを施して第１図に示した磁界センサを作製した
。

このようにして得た磁界センサにより、６６００ｖ送電
線の磁界検出を行ったところ、第１センサ体の出力端に
接続された低分解能側の受光器からは１００　Ａ＋１０
０ＯＡの高レベル電流の検出が可能テあり、第２センサ
体の出力端に接続された高分解能側の受光器からは０．
１〜１００Ａの低レベル電流の検出が可能であった。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明の光ファイバ電磁界セン
サは、センサ部を入力端と出力端とを有する複数のセン
サ体から構成し、これらセンサ体のうちの１のセンサ体
の入力端と出力端との間あるいは出力端に分岐部を設け
、この分岐部に２のセンサ体の入力端を接続し、以下同
様にして順次センサ体を接続したものであるから、それ
ぞれのセンサ体から得られる出力が分解能の異なった測
定系から得られた出力となり、よってこれらセンサ部か
らなる測定系に対応した多段階のレンジの測定を行うこ
とができる。また、この電磁界センサでは、発光源、第
１センサ体などを高レンジ測定系および低レンジ測定系
で共有しているため、従来の複数のセンサ部を配したも
のに比べ、全体を小型にすることができ、さらにコスト
を低減することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光ファイバ電磁界センサを磁界セン
サに適用した場合の一実施例を示す図であって、概略構
成を示す斜視図、第２図は同じく電界センサに適用した
場合の一実施例を示す図であって、概略構成を示す斜視
図である。 ！、２３・・・・・・発光源 ５．２７・・・・・・第１センサ体、 ５ａ、２７ａ・・・・・・第１センサ体の入力端、５ｂ
、２７ｂ・・・・・・第１センサ体の出力端、６．２８
・・・・・・反射体、 １１１３５・・・・・・第２センサ体、１１ａ、３５ａ
・・・・・第２センサ体の入力端、１１ｂ、３５ｂ・・
・・・・第２センサ体の出力端ｌ０１２０．３３．４０
・・・・・・受光器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ファラディー素子あるいはポッケルス素子を用いたセン
   サ部により電界あるいは磁界の強さを測定する光ファイ
   バ電磁界センサにおいて、 上記センサ部を入力端と出力端とを有する複数のセンサ
   体から構成し、これらセンサ体のうちの１のセンサ体の
   入力端と出力端との間あるいは出力端に分岐部を設け、
   この分岐部に２のセンサ体の入力端を接続し、以下同様
   にして順次センサ体を接続したことを特徴とする光ファ
   イバ電磁界センサ。