JPS6396567A - 小型高感度電流センサ - 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】 労技術分野 この発明は、高感度で小型の電流センサに関する。

配電線などの電流をモニタするための電流検出装置とし
て、いくつかの原理に基づくものがある。

光の偏光面のファラデー回転を用いるものが、電流セン
サとして使われ始めている。これは電気式のものと違っ
て、光を用いるのであるから、電磁ノイズの影響と全く
受けない。電源全不必要とするから、安全である。その
他にいくつかの長所がある。

しかし、ファラデー回転を検出原理として採用するから
、検出感度が低く、まな、温度特性が悪いという難点が
あった。

（イ）従来技術 ファラデー回転利用電流センサの原理について説明する
。

配電線に電流が流れると、そのまわりに、磁場を生ずる
。これは電線全中心として、回転角の方向に成分を持つ
磁場で、電流に比例し、電線からの距離に反比例する。

ある種の非対称性をもつ結晶は、磁場を加えると、その
磁場と平行な方向に進行する光の偏波面が回転する。単
位長さ、単位磁場あたりの偏波面の回転角をヴエルデ定
数という。この回転をファラデー回転という。

ファラデー回転を生ずる結晶であればファラデー回転角
から、磁場の強さを測定できる。ファラデー回転角は直
接側るのは煩雑であるから、ファラデー回転素子の両端
に、偏光子、検光子を配置し、通過する光の相対強度か
らファラデー回転角と求める。

配電線に近接して、このような測定装置を置けば、電流
が磁場を生じ、磁場がファラデー回転を生ずるのである
から、電流の大きさを測定する事ができる。

従来の電流センサの、センサ部ｋｆｘＴファラデー回転
素子には、ＢＳＯ単結晶（Ｂｉ　、２Ｓｉ　Ｏ，）、Ｚ
ｎ５ｅ多結晶、ＹＩＧ単結晶などが用いられてきた。

（つ）従来技術の問題点 Ｂ５０１ＺｎＳｅはヴエルデ定数が０．１〜０２ｍ１ｎ
１０ｅ　ｃｍであって、小さい値である。つ°エルデ定
数が小さいので、配電線電流モニタに用いるためには、
少なくともＩＱ　ｍｍ程度の厚みが必要である。しかし
、温度特性は比較的良い。−１０℃〜６０℃の温度範囲
に於て、ヴエルデ定数の変化は、±１．５％程度にすぎ
ない。

ＹＩＧ（イツトリウム鉄ガーネット）単結晶は、ヴエル
デ定数が１０　ｒａｉｎｌｏｅ−α程度でかなり大きい
。

センサ感度が高い。しかし、温度に対するヴエルデ定数
の変動が著しい。−１０℃〜６０℃の範囲で、ヴエルデ
定数は±１２％の幅で変動する。このように温度特性が
悪いので、温度に一定に保つか、温度補償と行なう必要
がある。

センサとするには、ファラデー回転素子の両側に偏光子
、検光子を配置しなければならない。従来、Ｚｎ５ｅ１
ＢＳＯを用いたセンサは、偏光子、検光子がそれぞれ５
繭程度の厚みがあった。このため、全長が２〜３０のセ
ンサとなる。つまり、大型のセンサとなり、目的によっ
ては使い難い場合がある。

さらに、偏光子、ファラデー回転素子、検光子の幾何学
的な位置合わせが難しい、という問題があった。

位）発明が解決しようとする問題点 ファラデー回転を用いた従来の電流センサは、感度、温
度特性のいずれかで難があった。

また、寸法の点でも問題であった。比較的大型のものに
なってしまう。

さらに、偏検光子、ファラデー回転素子の幾何学的位置
合わせが困難であった。

００　　　目　　　　　　　的 感度、温度特性ともに優れた電流センサに提供する事が
本発明の第１の目的である。

小型の電流センサを提供する事が本発明の第２の目的で
ある。

偏検光子、ファラデー回転素子の位置合わせが容易な電
流センサ全提供することが本発明の第３の目的である。

（イ）構　成 ファラデー回転素子として、ヴエルデ定数が３〜５酬１
０ｅ−と大きく、−１０℃〜６０℃に於てヴエルデ定数
の変動が±２％と小さいＣｄ、−ｘＭｎｘＴｅを用いる
。

Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅはＣｄＴｅとＭｎＴｅ　　の混晶
である。従来は良い結晶ができなかったが、最近の結晶
成長技術の進歩によって、欠陥の少ない、比較的大きい
単結晶が作れるようになってきた。

混合比の組成Ｘは、０≦Ｘ≦０．７４　　まで同一の結
晶系を保つように選ぶことができる。

Ｃｄ＝ｘＭｎｘＴｅ　　は、従来は、縦型ブリッジマン
法、横型ブリッジマン法で作られていた。しかし、転位
密度が大きく、素子の材料としては使えないものであっ
た。

ところが、ＬＥＣ法（液体カプセル法）でＣｄ、−。

Ｍｎ工Ｔｅを作る事が試みられ始めた。これは引上げ法
であって、原料融液の上をＢ２Ｏ３で蓋い、不活性気体
の高圧を加えて揮発性成分の揮散を防ぎながら結晶を引
上げるものである。

ＬＥＣ法によると、転位が２〜３×１０α程度の低転位
の単結晶が得られるようになった。

ヴエルデ定数は、同一の材料であっても、光の波長、温
度によって異なる。

Ｃｄ、−ｘＭｎｘＴｅ単結晶をファラデー回転素子とし
て用いると、混合比Ｘが自在に制御しつるパラメータに
なる。

ある波長の光に対して、ヴエルデ定数が大きい値をとり
、しかも温度変化の小さいようｌ　Ｃｄ１−エＭｎｘＴ
ｅ　ｆ、Ｘを選ぶことにより、自在に製造する事ができ
る。

第１図は本発明の電流センサの構成を略示する斜視図で
ある。

ｃｄ、−ｘＭｎｘＴ′ｅ単結晶チップ１は、磁界の存在
する場所に置かれて、光の偏光面全回転する事のできる
ファラデー回転素子として用いられている。

単結晶チップ１の一方の面には、偏光膜１が蒸着或は貼
付けである。

単結晶チップ１の両面には、２本の光ファイバ４．５が
対向するように設けられている。これらノ光ファイバは
マルチモードの光ファイバでよい。

受光側の光ファイバ５の入射端面に、検光膜３が蒸着、
又は貼付けられている。

ここで、偏光膜２、検光膜というのは、従来の複屈折を
用いた偏光子とは異なる。複屈折を用いるものは、通常
光と異常光とがπ／２　だけの位相差を生じるだけの厚
みがなければナウナい。このため例えば５　ｍｍ以上と
いうような厚いものになる。

ここで用いるものは、金属誘電体の多層膜である。

このような偏光子は、特開昭６０−９７３０４　（Ｓ、
６０゜５．３１）に於て、最初に提案されている。

光に対して透明な誘電体（厚みｄ）と２、より薄い金属
層（厚みｇ）とを、交互に繰り返し積層する。たとえば
ｄは数千オングストローム、ｇは数十〜百オングストロ
ームのオーダーである。このような積層体は、蒸着、ス
パックリングによって作る事ができる。

第２図に金属誘電体多層膜の原理図を示す。

層面と平行な方向に光を通丁。面と直角な方向に電界成
分を有する光をＴＭモードという。これは、金属層と直
角な方向に電界と持つから、金属層に電流が殆ど流れな
い。従って、減衰せずに透過する。

面と平行な方向に電界成分を有する光をＴＥモードとい
う。これは金！ｉｉＩ層と平行な電界を有するので、金
属中に渦電流と生じる。これによるジュール熱発生のた
め、ＴＥモードは急速に減衰する。

数１１ｍ〜十μｍの短い光路で、ＴＭモード／ＴＥモー
ドの比が１００ｄＢ程度になる。

直交する電界成分ｔもつふなつのモードの透過の状態が
著しく異なり１、ＴＭモードしか通さないのであるから
、これは偏光子なのである。複屈折と利用したものと原
理的には全く異なるが、これも偏光子といえる。

この偏光子は、従来の偏光子と異なり、厚みを数μｍ〜
数十Ｊｉｍにする事ができる、という極めて優れた長所
がある。

単結晶の面と、光ファイバの端面とに、このような金属
誘電体多層膜の偏検光子を形成する。

まず、石英の薄膜をスパッタリングにより、これらの而
に付ける。これは一様に付ける。厚さは数μｍとする。

さらにホトレジストを塗り乾燥させる。回折格子を用い
て、光源からの光と回折させ、ホトレジストに当てる。

多数の光の縞になって、ホトレジストに光が当る。

このあと現像する。ホトレジストにより、縞状に端面が
被覆される。

エツチングして、露出している石英の部分を除去する。

ホトレジストで覆われている部分の石英は縞状に残る。

ここへ金属全蒸着する。ホトレジストが露呈している部
分の石英が除かれているが、この溝に金属が蒸着される
。

ホトレジストを除く。すると、石英と金属とが交互膜全
形成する事になる。

或は、適当な基板の上に、誘電体と金属と全交互にスパ
ッタリング、蒸着して、二次元的な拡がりをもつ金属誘
電体多層膜を作製しておく。

これを、基板とともに刃物で切断して、数十μｍの幅の
素子とする。この素子に単結晶の面と光ファイバの面に
貼付ける。

偏光子と検光子の偏波面の傾き（■）は、通常は９０゜
であるが、そうでなくてもよい。

ファラデー回転角をΦとすると、光ファイバ５へ入る光
の強度ＪはＪ。を定数として、Ｊ　　＝　　Ｊ　ｏｃｏ
ｓ　（Φ−Φ）Φによって与えられる。ΦγＯ近傍での
感度全最大にし、かつ電流がＯの時にＪ＝０にしたけれ
ば、（＋）　＝　ｇ□°に選ばれる。しかし、そうでな
い場合もある。目的によって、偏検光子の偏波面の傾き
Φを適当に選ぶ。

この例では、偏光膜２と単結晶１の前面に、検光膜３を
受光側の光ファイバ端面に形成している。

これに限るものではない。

単結晶１の前面に偏光膜１、後面に検光膜３を設けても
よい。この場合、傾きΦは固定になる。

さらに、発光側の光ファイバ４の出射面に偏光膜２、受
光側の光ファイバ５の入射面に検光膜３全設けるように
してもよい。

Ｑノ）作　用 配電線の近くに、Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ単結晶１を置く
。

面に立てた法線と、電流の作る磁界が平行になるように
配置する。

一方の光ファイバ４に発光ダイオード、レーザダイオー
ド、気体ガスレーザ、その他の光源からの光と入れる。

この光は光ファイバ４の中に伝搬する。

光ファイバから出射され、偏光膜２に通る時、偏光膜に
よって決まる方向に偏波面を持つ直線偏光になる。

直線偏光が、Ｃｄ、−エＭｎｘＴｅに入ると、電流工に
よって作られん磁界Ｈにより偏波面が甲だけ回転する。

甲は、 １１１　　＝　　ＶＨＬ　　　　　　　　　　（２）＝
ＶＩａＬ　　　　　　　　　（３） と書くことができる。■はベルデ定数、Ｌは単結晶の長
さ、ａは定数である。

この光が検光膜と通るから、Φのような電界強度となる
。

受光用光ファイバ５の他端に光検出器に設けて、光強度
を測定することにより、電流の大きさ工が分る。

（ト）実施例 Ｃｄ、、８Ｍｎｏ、２Ｔｅ　ｆファラデー回転ぶ子とし
た。光源はＱ、７８／ｌ１ｍ　　の波長の発光ダイオー
ドとしな。この波長の光に対し、前記の単結晶は、ヴエ
ルデ定数が３．４　＋ｌｉｎ１０ｅ−ｃｍで、−１０℃
〜６０℃　に於ける温度変動によるヴエルデ定数の変化
は±２．５％　であった。

感度、温度特性ともに優れたものである。

これによって、配電線の電流（数１０Ａ〜数１０ＯＡ、
１を測定する事ができた。

サイズに関しては、全長で比較して、従来の１／４程度
の小型高１８度の電流センサが得られた。

（り）効　果 新材料であるＣｄ１−ｘ　Ｍｎ　ｘＴｅ　’（ファラデ
ー回転素子として用いる電流センサである。

ベルデ定数が大きいので感度の高いセンサｆ−得る事が
できる。

ベルデ定数が温度によってあまり変化しないから、温度
特性の優れにセンサを得る事ができる。

偏、検光子を素子又はバッファ面に設けているから、小
型化でき、また位置合わせも容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電流センサの構成全示す説明図。 第２図は偏光膜、検光膜として用いる金属誘電体多層膜
の説明用斜視図。 ｌ　　−−・−Ｃｄ、−ｘＭｎｘＴｅ単結晶２・・・・
偏　光膜 ３・・・・検　光膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ファラデー回転素子と、該ファラデー回転素子の前方に
   設けられた偏光子と、ファラデー回転素子の後方に設け
   られ前記偏光子の偏光面に対し一定の傾き角Φをなして
   設けられる検光子と、光源から出射された光を前記偏光
   子を通してファラデー回転素子へ導く光ファイバ４と、
   ファラデー回転素子及び検光子を透過した光を受光素子
   へ導く光ファイバ５とよりなる電流センサに於て、ファ
   ラデー回転素子がＣｄ＿１＿−＿ｘＭｎ＿ｘＴｅ単結晶
   １であり、偏光子及び検光子が薄い誘電体層と薄い金属
   層とを交互多層に積層してなる偏光膜２及び検光膜３で
   あつて、前記光ファイバ４、５の出射端面及は入射端面
   或はファラデー回転素子の前面又は後面に形成されてい
   る事を特徴とする小型高感度電流センサ。