JPH0980137A - 光磁界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低挿入損失で、且つ生産性の高い光磁界セン
サを提供する。 【解決手段】 本発明による光磁界センサは、光源，第
１の光ファイバ，第１のレンズ，第１の偏光子，磁気光
学素子，第２の偏光子，第２のレンズ，第２の光ファイ
バ及び検出器からなる光磁界センサにおいて、前記第１
のレンズ及び前記第２のレンズが、夫々球面とこの球面
の曲率の中心を含む平面とにより外周面が形成された半
球レンズ１２，１３により構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気光学素子のフ
ァラデー効果を利用して磁界強度を測定する光磁界セン
サに関するものであり、特に、電力を供給する送電線及
び配電線や、受変電設備（以下、キュービクルとい
う），ＧＩＳ(GAS INSULATED SWITCH GEAR) 等の電線の
周囲に発生する磁界の強度を測定することによって電流
の大きさを検知する光磁界センサ、及び一般的な静磁
界，交流磁界を測定する光磁界センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電所から消費者までの電力の輸
送経路である送電線や配電線に流れる電流の大きさを測
定して異常を発見する電流センサや、キュービクル，Ｇ
ＩＳ内において使用される電流センサとしては、トラン
ス型のものが用いられてきた。しかしながら、トランス
型の電流センサは、大型且つ大重量であって絶縁性も良
くないなど種々の問題点があるため、最近ではそのよう
なトランス型の電流センサに代えて光磁界（電流）セン
サを用いる計画が進められている。

【０００３】光磁界センサの原理は、導体例えば送電線
に流れる電流によりその周囲に発生する磁界を、磁気光
学材料が有するファラデー効果を利用して測定し、その
測定された磁界からそこに流れている電流値を求めるも
のであるが、光磁界センサの特徴としては、高耐圧，高
絶縁性，非接触，小型軽量であって、高圧側に電源や電
気回路が不要なこと等を挙げることができる。

【０００４】このような特徴を有する従来の光磁界セン
サの基本構成を図４を用いて説明する。光源１から射出
された光は、光ファイバ２を経てレンズ３により平行光
線にされた後、全反射三角プリズム４で光路を９０度曲
げられ、偏光子５を介して直線偏光とされ、磁気光学素
子６へ入射する。直線偏光となった光は、磁気光学素子
６を通過するとき被測定磁界（以下、磁界と略称する）
の強さに応じて旋光を受け、偏光子７を通過した後に磁
界の強さに対応した光強度となって全反射三角プリズム
８へ入射し、ここで再び光路を９０度曲げられ、レンズ
９により光ファイバ１０に集光される。そして、ここに
集光された光は、光検出器１１に導かれて光電変換され
るようになっている。

【０００５】ここで、光源１には一般的には発光ダイオ
ードが用いられる。光源１に発光強度が大きく、指向性
が強いレーザダイオードを用いることも考えられるが、
レーザダイオードから射出されるレーザ光は略直線偏光
のものであり、この光が光ファイバ２を通過する際に光
ファイバ２に生じる応力誘起複屈折により光の偏光面が
変化してしまい、偏光子５を通過した光の強度が不安定
になるという問題がある。よって、光源１には無偏光の
光を発する発光ダイオードが用いられるのである。

【０００６】このように構成された光磁界センサに用い
られる磁気光学素子６の材料としては、鉛ガラス，Ｚｎ
Ｓｅ，ＢＧＯ，ＢＳＯ等の反磁性材料、又は常磁性材料
があるが、これらの磁気感度は全般に低い。しかしなが
ら、最近では前述のように送電線，配電線の電流計測、
ＧＩＳ，キュービクル内の計器用変流器にも光磁界セン
サを用いる計画が積極的に進められており、光磁界セン
サに対し高感度化、小型化、低価格化が要求されてい
る。従って、このような観点から、量産性が高く磁気感
度の高い磁性ガーネットや、更に高感度のＢｉ置換の磁
性ガーネットを用いた光磁界センサの開発が行われるよ
うになってきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な光磁界センサにおいては、光検出器による光電変換後
のＳ／Ｎ比を高める必要があるが、そのためには各光学
素子における挿入損失をできる限り小さくすることが重
要である（尚、ここで云う挿入損失とは、各光学素子の
光吸収や回折による避けることのできない損失を除い
た、各光学素子の界面における反射損失を意味する）。
しかし、光ファイバ間に位置するレンズ，全反射三角プ
リズム，偏光子及び磁気光学素子の各光学素子では、フ
レネル反射損失が生じるため、前記挿入損失の低減には
限界があった。又、光ファイバ，レンズ及び全反射三角
プリズムの各光学素子間における光軸調整は、低挿入損
失を実現するには不可欠な作業ではあるが、これが光磁
界センサの生産性の向上を妨げる原因の一つとなってい
る。

【０００８】そこで、上記のような従来技術の有する問
題点に鑑み、本発明は、低挿入損失で、且つ生産性の高
い光磁界センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による光磁界センサは、光源，第１の光ファ
イバ，第１のレンズ，第１の偏光子，磁気光学素子，第
２の偏光子，第２のレンズ，第２の光ファイバ及び検出
器からなる光磁界センサにおいて、前記第１のレンズ及
び前記第２のレンズが、夫々球面とこの球面の曲率の中
心を含む平面とにより外周面が形成された半球レンズに
より構成されていることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の光磁界センサに用いられ
る半球レンズは、球レンズを半割にした形状を有してお
り、レンズの外周面が球面とこの球面の曲率の中心を含
む平面とから形成されている。従って、この半球レンズ
の球面の曲率の中心を通るように光が入射すると、光は
その球面の曲率の中心で反射され，同径，同材質の球レ
ンズと同じ焦点距離を有することになる。その際、前記
半球レンズの球面の曲率の中心を含む平面への光の入射
角の大きさが全反射の条件を満たせば、この平面に反射
膜を施さずとも入射光は損失を受けずに反射される。例
えば、このような半球レンズを１．４２以上の屈折率を
有する光学ガラスにより構成すれば、この半球レンズの
平面への光の入射角が４５度で全反射が起こるようにな
る。従って、このように構成された半球レンズは、レン
ズと全反射プリズムの２つの機能を備えることができ
る。

【００１１】このような機能を有する半球レンズ１２，
１３を用いて構成したのが、図１に示す本発明の光磁界
センサである。本発明の光磁界センサは、前述のよう
に、レンズと全反射プリズムの機能を備えた半球レンズ
１２，１３を用いて構成されている。即ち、本発明の光
磁界センサは、図４に示した従来の光磁界センサを構成
しているレンズ３及び全反射三角プリズム４とレンズ９
及び全反射三角プリズム８に代えて夫々半球レンズ１
２，１３を用いて構成されている。光は屈折率が変化す
る界面を通過する際にフレネル反射を生じるが、本発明
の光磁界センサでは、図４に示した従来例と比較してフ
レネル反射喪失を生じさせる界面が４面少なくなってい
る。具体的には、本発明の磁界センサにおける半球レン
ズ１２，１３の入出射界面をレンズ３，９の入出射界面
に相当すると考えれば、本発明の光磁界センサでは、全
反射三角プリズム４，８が有する合計４つの入出射界面
を省略することが可能になる。このような半球レンズ１
２，１３，レンズ３，９及び全反射三角プリズム４，８
が、全て屈折率１．５の代表的な光学ガラスから構成さ
れていると仮定すると、従来の光磁界センサに代えて本
発明の光磁界センサを用いることで、挿入損失は０．７
（ｄＢ）ほど改善される。

【００１２】又、本発明の光磁界センサでは、前述のよ
うに、半球レンズ１２，１３がレンズと全反射プリズム
との機能を兼ね備えているため、全反射三角プリズム
４，８を省略することができ、２つのレンズ（半球レン
ズ）間距離を従来よりも短くすることができる。レンズ
は拡散光を平行光に、平行光を収束光に変換するために
用いられるが、拡散光を完全な平行光に変換することは
不可能である。従って、前記レンズ間距離を短くするこ
とができれば、不完全な平行光による結合損失を低減す
ることができる。

【００１３】更に、従来の光磁界センサは、図４に示す
ように、２本の光ファイバ２，１０間に、レンズ３，
９，全反射三角プリズム４，８，偏光子５，７及び磁気
光学素子６の７つの光学部品を含んでおり、光軸の調整
にかなりの時間を要していた。これに対し、本発明の光
磁界センサでは、レンズ３，９及び全反射三角プリズム
４，８が省略されたことにより光学部品が５つとなり、
組立時間も短縮することができる。

【００１４】以下、具体例をあげて本発明を説明する。

【００１５】図１に示す本発明の光磁界センサにおい
て、光ファイバ２，１０にはコア径が２００μｍの多成
分ガラス光ファイバを、半球レンズ１２，１３には直径
２ｍｍで材質ＢＫ７からなるものを用いた。波長８５０
ｎｍの光のＢＫ７に対する屈折率は１．５１であり、Ｂ
Ｋ７と空気との界面における全反射の臨界角は４２度で
ある。従って、半球レンズ１２，１３の平面に対し４５
度で入射した光は全反射する。又、偏光子５，７には厚
さ１．０ｍｍの偏光ガラスを、磁気光学素子６にはＢｉ
置換磁性ガーネット膜を使用した。磁気光学素子６と偏
光子５，７とは、予め高透過率接着剤で接着し、一体化
した。

【００１６】光磁界センサの組立は、半球レンズ１２，
１３の間隔が５．０ｍｍになるように、且つ、光ファイ
バ２，１０、半球レンズ１２，１３及び前記一体化され
た光学素子を共通のホルダに接着することにより、図１
に示したように構成した。このとき５つの光学部品（半
球レンズ１２，偏光子５，磁気光学素子６，偏光子７及
び半球レンズ１３）の接着及び光軸調整に要した時間は
３０分程であった。

【００１７】このようにして構成された光磁界センサの
特性評価結果は以下の通りである。ここにおいて、磁界
センサの挿入損失は、図１に示された構成で光検出器１
１により計測された光強度と、図１に示された光ファイ
バ２を光検出器１１に直結した際に光検出器１１により
計測された光強度の差を挿入損失と定義した。この方法
で測定した本発明の光磁界センサの挿入損失は９．９
（ｄＢ）であった。

【００１８】又、５０Ｈｚの交流磁界７００（Ｏｅ）を
定格実効磁界として３５（Ｏｅ）まで変化させたときの
比誤差及び位相角の測定を本発明の光磁界センサに対し
て行った。光検出器の出力と測定したい磁界の大きさと
は本来直線関係にあるべきだが、種々の要因で光検出器
からの出力がこの直線からずれることがあり、このずれ
率を比誤差と云う。即ち、（定格実効磁界印加時の光検
出器からの出力）／（定格実効磁界）の値をＫ₀ 、（定
格実効磁界印加時の光検出器からの出力）／（測定実効
磁界）の値をＫとすると、比誤差Ｒは、 Ｒ＝（Ｋ₀ ／Ｋ−１）×１００ と表される。又、位相角とは、被測定磁界の位相と光検
出器の出力位相との間の位相差のことを云う。本発明の
光磁界センサで測定した比誤差と位相差は、夫々図２，
３に示すように３５〜７００（Ｏｅ）の実効磁界全範囲
において非常に小さく、ほぼ０であった。

【００１９】ここで、本発明による光磁界センサの優位
点を示すため、従来の光磁界センサにおいて上記と同様
に測定した結果を以下に示す。図４において、光ファイ
バ２，１０、及び磁気光学素子６と偏光子５，７とを接
着して一体化された光学素子には、上記本発明の光磁界
センサに用いられたものと同一のものを使用した。又、
レンズ３，９には材質がＢＫ７で直径２ｍｍの球レンズ
を、全反射三角プリズム４，８には材質がＢＫ７で光路
面の大きさが２ｍｍ角のものを使用した。全反射三角プ
リズム４，８の間隔が５．０ｍｍになるように、且つ、
光ファイバ２，１０、レンズ３，９、全反射三角プリズ
ム４，８及び前記一体化された光学素子を共通のホルダ
に接着して図４に示す光磁界センサを構成した。このと
き、７点の光学部品（レンズ３，全反射三角プリズム
４，偏光子５，磁気光学素子６，偏光子７，全反射三角
プリズム８及びレンズ９）の接着及び光軸調整に要した
時間は、およそ４４分であった。又、本発明の光磁界セ
ンサと同様に評価した従来の光磁界センサにおける挿入
損失は１１．６（ｄＢ）であった。

【００２０】

【発明の効果】上述のように、本発明による光磁界セン
サは、半球レンズが用いられて構成されているため、各
光学素子間のフレネル反射損失と結合損失の低減を可能
にした。又、本発明の光磁界センサは、製造工程におけ
る光軸調整に要する時間を短縮することができ、生産性
を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光磁界センサの基本構成図であ
る。

【図２】本発明の光磁界センサにおける比誤差を、定格
実効磁界７００（Ｏｅ）において測定した結果を示すグ
ラフである。

【図３】本発明の光磁界センサにおける位相角を、定格
実効磁界７００（Ｏｅ）において測定した結果を示すグ
ラフである。

【図４】従来の光磁界センサの基本構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２，１０ 光ファイバ ３，９ レンズ ４，８ 全反射三角プリズム ５，７ 偏光子 ６ 磁気光学素子 １１ 光検出器 １２，１３ 半球レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源，第１の光ファイバ，第１のレン
   ズ，第１の偏光子，磁気光学素子，第２の偏光子，第２
   のレンズ，第２の光ファイバ及び検出器からなる光磁界
   センサにおいて、 前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、夫々球面と
   該球面の曲率の中心を含む平面とにより外周面が形成さ
   れた半球レンズにより構成されていることを特徴とする
   光磁界センサ。