JPS6325307B2 - - Google Patents
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- JPS6325307B2 JPS6325307B2 JP56197350A JP19735081A JPS6325307B2 JP S6325307 B2 JPS6325307 B2 JP S6325307B2 JP 56197350 A JP56197350 A JP 56197350A JP 19735081 A JP19735081 A JP 19735081A JP S6325307 B2 JPS6325307 B2 JP S6325307B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- 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
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- 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
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はフア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。
による磁界を測定するものに関する。
フアラデー効果とは、図１において光学材料１
（長さｌ）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ｌに比例した角度θだけ回
転する効果であり、θは θ＝VelH で表わされる。ここでVeはベルデ定数である。
（長さｌ）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ｌに比例した角度θだけ回
転する効果であり、θは θ＝VelH 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１を通つた後検光
子８によつ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＝１／２Ｋ｛１＋sin2θ｝ の出力を得る。ここでＫは入射光強度と光検出器
感度によつて決まる定数である。
光子７で直線偏光とし光学材料１を通つた後検光
子８によつ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＝１／２Ｋ｛１＋sin2θ｝ の出力を得る。ここでＫは入射光強度と光検出器
感度によつ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 △Vout＝１／２Ksin2θ１／２Ｋ・2θ＝KVelH となり、磁界Ｈに比例した出力を得ることができ
る。従つてこのような装置を電流を流した導体１
０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。
すと △Vout＝１／２Ksin2θ１／２Ｋ・2θ＝KVelH となり、磁界Ｈに比例した出力を得ることができ
る。従つてこのような装置を電流を流した導体１
０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
フアラデー効果を有する材料（フアラデー材料と
呼ぶ）としては従来主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＝633mmでVe＝0.093min／Oe・
cm）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、常磁性ガラスでありベル
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つた。
フアラデー効果を有する材料（フアラデー材料と
呼ぶ）としては従来主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＝633mmでVe＝0.093min／Oe・
cm）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、常磁性ガラスでありベル
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つた。
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ア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。
すなわちフアラデー材料としてビスマスシリコン
オキサイド（Bi12SiO20）もしくはビスマス・ゲ
ルマニウム・オキサイド（Bi12GeO20）（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。
温度安定性も良好なフア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。
すなわちフアラデー材料としてビスマスシリコン
オキサイド（Bi12SiO20）もしくはビスマス・ゲ
ルマニウム・オキサイド（Bi12GeO20）（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。
BSO、BGOが比較的大きいベルデ定数（いず
れもVe＝0.2min／Oe・cm）を有することは
APPLIED PHYSICS LETTERS vol16 no5.
（1970）201によつて知られているが、今までフア
ラデー素子として用いられなかつたのは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（ポツケルス効
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。
れもVe＝0.2min／Oe・cm）を有することは
APPLIED PHYSICS LETTERS vol16 no5.
（1970）201によつて知られているが、今までフア
ラデー素子として用いられなかつたのは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（ポツケルス効
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（ρ゜／mm）及びその温度変
化（△ρ／△Ｔ）を打ち消すことにより、温度依
存性のないフア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。
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（ρ゜／mm）及びその温度変
化（△ρ／△Ｔ）を打ち消すことにより、温度依
存性のないフア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θpとフアラデー効果による回転角θHとについて
物理的な考察を行つたところ、旋光能は結晶中を
往復すると零となりフア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ずき図３の
光学系で実験を行つた。図で１１は全反射ミラ
ー、１２はビームスプリツタである。磁界強度を
一定にして長さ40mmの結晶１（BSO又はBGO）の
温度を−10℃〜＋60℃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（±0.3％）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
つた。
角θpとフアラデー効果による回転角θHとについて
物理的な考察を行つたところ、旋光能は結晶中を
往復すると零となりフア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ずき図３の
光学系で実験を行つた。図で１１は全反射ミラ
ー、１２はビームスプリツタである。磁界強度を
一定にして長さ40mmの結晶１（BSO又はBGO）の
温度を−10℃〜＋60℃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（±0.3％）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
つた。
一方、旋光能およびベルデ定数の温度係数は、
それぞれ（−1.67×10-3）゜／deg・mm、（1.5×
10-5）゜／deg・mmであり、旋光能の温度変化の
方がはるかに大きな値であることが知られてい
る。また、前述のようにBSO、BGOのベルデ定
数は、0.2min／Oe・cm＝（3.3×10-4）゜／Oe・
mmであり、通常測定する磁界の大きさが数100Oe
であることを考えると、温度変化に伴う旋光能の
変動が、磁界の測定値に数10％以上の大きな変動
を与えると予想される。これを確認すべく、発明
者らは長さ40mmの結晶１を用いて、旋光能による
回転角の温度変化を測定した。その結果、入射光
波長633nｍに対して、０℃〜60℃の温度変化で、
168.2゜〜151.9゜と−16.3゜の変動を示した。一方、
温度を30℃に保ち、磁界を0Oe〜1000Oeと変化
させた所、回転角は、159.9゜〜173.3゜と13.4゜の変
化を示した。これらの実験結果より、上記の予想
通り、旋光能の温度変化が磁界による回転角θHと
同レベルの変動を与えることが判つた。
それぞれ（−1.67×10-3）゜／deg・mm、（1.5×
10-5）゜／deg・mmであり、旋光能の温度変化の
方がはるかに大きな値であることが知られてい
る。また、前述のようにBSO、BGOのベルデ定
数は、0.2min／Oe・cm＝（3.3×10-4）゜／Oe・
mmであり、通常測定する磁界の大きさが数100Oe
であることを考えると、温度変化に伴う旋光能の
変動が、磁界の測定値に数10％以上の大きな変動
を与えると予想される。これを確認すべく、発明
者らは長さ40mmの結晶１を用いて、旋光能による
回転角の温度変化を測定した。その結果、入射光
波長633nｍに対して、０℃〜60℃の温度変化で、
168.2゜〜151.9゜と−16.3゜の変動を示した。一方、
温度を30℃に保ち、磁界を0Oe〜1000Oeと変化
させた所、回転角は、159.9゜〜173.3゜と13.4゜の変
化を示した。これらの実験結果より、上記の予想
通り、旋光能の温度変化が磁界による回転角θHと
同レベルの変動を与えることが判つた。
なおベルデ定数の温度係数は旋光能の温度係数
の約100分の１であり、ほとんど無視することが
できる。
の約100分の１であり、ほとんど無視することが
できる。
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＝（θO＋θH）＋（−θO＋θH）＝2θH となるためである。ここでθOは旋光能による回転
角であり、θHはフア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
BGO上に付加することも可能である。
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＝（θO＋θH）＋（−θO＋θH）＝2θH となるためである。ここでθOは旋光能による回転
角であり、θHはフア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
BGO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）な磁界の測定が可能
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つては
BSO BGOの有する電気光学効果によつて直線偏
光で入射した光が惰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。
高感度（鉛ガラスの約２倍）な磁界の測定が可能
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つては
BSO BGOの有する電気光学効果によつて直線偏
光で入射した光が惰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つて結晶表面が等
ポテンシヤ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。
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つて結晶表面が等
ポテンシヤ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BGOの光学研磨した厚さ３mmの結晶板１３
に多層誘電膜による反射層１４を両面に形成し、
その後In2O3もしくはIn2O3−SnO2系の透明電極
１５をRFスパツタ法によつて全面に付着させた。
この素子にLED光を光フアイバー１６で導いた
後、ロツドレンズ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、ロツドレンズ１
７、光フアイバー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。この両素子
でガス絶縁された高圧送電線の電流測定を行つた
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イからのずれ
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。これは送電線直下の電界強度が数100
〜数1000V／mmと高いため、本変換器の設置のし
かたによつては充分電気光学効果による変調が生
じるためである。
くはBGOの光学研磨した厚さ３mmの結晶板１３
に多層誘電膜による反射層１４を両面に形成し、
その後In2O3もしくはIn2O3−SnO2系の透明電極
１５をRFスパツタ法によつて全面に付着させた。
この素子にLED光を光フアイバー１６で導いた
後、ロツドレンズ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、ロツドレンズ１
７、光フアイバー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。この両素子
でガス絶縁された高圧送電線の電流測定を行つた
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イからのずれ
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。これは送電線直下の電界強度が数100
〜数1000V／mmと高いため、本変換器の設置のし
かたによつ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つた。
影響を受けないことが明らかとなつた。
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
つており、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ヤル角にすること
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。
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
つており、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ヤル角にすること
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はフア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４
導電層を有する場合の素子構成図を示す。図５は
変調度を示す図である。 １……フアラデー効果を有する光学材料、２…
…入射光、３……磁界、４……入射光の偏光方
向、５……出力光の偏光方向、６……光源、７…
…偏光子、８……検光子、９……光検出器、１０
……送電線、１１……反射ミラー、１２……ビー
ムスプリツタ、１３……BSOもしくはBGO結晶
板、１４……反射膜、１５……透明導電膜、１６
……光フアイバ、１７……ロツドレンズ、１８…
…偏光プリズム、１９……検光プリズム。
電流測定の構成図、図３は反射型の構成図、図４
導電層を有する場合の素子構成図を示す。図５は
変調度を示す図である。 １……フアラデー効果を有する光学材料、２…
…入射光、３……磁界、４……入射光の偏光方
向、５……出力光の偏光方向、６……光源、７…
…偏光子、８……検光子、９……光検出器、１０
……送電線、１１……反射ミラー、１２……ビー
ムスプリツタ、１３……BSOもしくはBGO結晶
板、１４……反射膜、１５……透明導電膜、１６
……光フアイバ、１７……ロツドレンズ、１８…
…偏光プリズム、１９……検光プリズム。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ フア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、フアラデー素子とし
てビスマスシリコンオキサイド（Bi12SiO20）も
しくはビスマスゲルマニウムオキサイド
（Bi12GeO20）を用い、該フアラデー素子に相対
する平行反射面、一方の平行反射面に光の入射部
及び出射部並びに光が１回以上往復する光路長と
を有することを特徴とする磁界−光変換器。 ２ 前記Bi12SiO20もしくはBi12GeO20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
る特許請求の範囲第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 |
| DE8282306480T DE3273846D1 (en) | 1981-12-07 | 1982-12-06 | Magnetic field and electric current measuring device |
| EP82306480A EP0081367B1 (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 |
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| JPS5897669A JPS5897669A (ja) | 1983-06-10 |
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