【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ファラデー効果を有す
る磁気光学素子を用いて磁界を検出し、その磁界強度を
測定する光磁界センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical magnetic field sensor which detects a magnetic field using a magneto-optical element having a Faraday effect and measures the magnetic field strength.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、特に電力分野において、電線の周
りに発生する磁界強度を光を用いて測定する方法とし
て、ファラデー効果を有する磁気光学素子と光ファイバ
を組み合わせた電流測定装置が提案され、実用化されつ
つある。電流が流れている導体の周りの磁界強度を測定
して電流を検知する方法は、光を媒体とするために絶縁
性が良好であり、電磁誘導ノイズを受けないなどの特徴
を持ち、送配電設備への適用が考えられている。2. Description of the Related Art In recent years, particularly in the field of electric power, as a method of measuring the magnetic field strength generated around an electric wire using light, a current measuring device combining a magneto-optical element having a Faraday effect and an optical fiber has been proposed. It is being put to practical use. The method of detecting the current by measuring the magnetic field strength around the conductor in which the current flows is characterized by good insulation because it uses light as a medium and that it does not receive electromagnetic induction noise. Application to equipment is considered.
【０００３】図１１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。図１１において、磁界Ｈ中に磁
気光学素子５が配置されている。この磁気光学素子５に
偏光子４で直線偏光とされた光を通過させる。ファラデ
ー効果により偏光面は磁界強度Ｈに比例して回転を受け
る。図１１はファラデー回転が負符号を示す場合を示し
ている。回転を受けた直線偏光は、偏光子４と透過偏光
方向を45度に異ならしめた検光子６を通過し、回転角θ
の大きさが光量変化に変換される。この磁気光学変換部
を構成するために、一般に図１０のように構成される光
磁界センサが使用される（National Technical Report
Vol.38 No.2 P.127 (1992) 参照）。FIG. 11 shows the principle of a magnetic field measuring method using the Faraday effect. In FIG. 11, the magneto-optical element 5 is arranged in the magnetic field H. Light that has been linearly polarized by the polarizer 4 passes through the magneto-optical element 5. Due to the Faraday effect, the polarization plane is rotated in proportion to the magnetic field strength H. FIG. 11 shows a case where the Faraday rotation has a negative sign. The linearly polarized light that has been rotated passes through the polarizer 4 and the analyzer 6 in which the transmission polarization direction is different by 45 degrees, and the rotation angle θ
Is converted into light intensity change. To construct this magneto-optical conversion unit, an optical magnetic field sensor generally configured as shown in FIG. 10 is used (National Technical Report
Vol.38 No.2 P.127 (1992)).
【０００４】図１０のように構成された光磁界センサで
は、光ファイバ１、９にコア径80μｍのマルチモードフ
ァイバを使用し、レンズ２、８には0.25ピッチの自己集
束型ロッドレンズを用いている。また、偏光子４、検光
子６としては、偏光ビームスプリッタを使用し、光路を
90度曲げるために全反射ミラー28を用いている。偏光ビ
ームスプリッタと全反射ミラーは、一辺５mmの立方体で
ある。また、磁気光学素子５には、希土類鉄ガーネット
結晶を使用している。In the optical magnetic field sensor constructed as shown in FIG. 10, a multimode fiber having a core diameter of 80 μm is used for the optical fibers 1 and 9, and a self-focusing rod lens of 0.25 pitch is used for the lenses 2 and 8. There is. A polarizing beam splitter is used as the polarizer 4 and the analyzer 6, and the optical path is
A total reflection mirror 28 is used to bend 90 degrees. The polarization beam splitter and total reflection mirror are cubes with a side of 5 mm. Further, the magneto-optical element 5 uses a rare earth iron garnet crystal.
【０００５】しかしながら、光磁界センサに用いられる
磁気光学素子にフェリ磁性体である希土類鉄ガーネット
結晶を使用した場合、希土類鉄ガーネット結晶に特有の
多磁区構造によって、結晶を透過した光は回折される。
フェリ磁性ガーネット結晶の磁区構造がメイズ磁区の場
合は、回折光は図８ように観測され、中心から０次光2
3、１次光24、２次光25、・・・と定義される。図１０
に示すように構成された光磁界センサでは、出射側レン
ズ８での回折光の観測条件がほぼ０次光観測であるため
に、その出力は（数１）で示される（日本応用磁気学会
誌 Vol.14, No.4P.642 (1990) 参照）。However, when a rare earth iron garnet crystal, which is a ferrimagnetic material, is used in the magneto-optical element used in the optical magnetic field sensor, the light transmitted through the crystal is diffracted by the multi-domain structure peculiar to the rare earth iron garnet crystal. .
When the magnetic domain structure of the ferrimagnetic garnet crystal is the maize magnetic domain, the diffracted light is observed as shown in Fig. 8 and the 0th order light from the center 2
3, primary light 24, secondary light 25, ... Figure 10
In the optical magnetic field sensor configured as shown in, the output is expressed by (Equation 1) because the observation condition of the diffracted light at the exit side lens 8 is almost zero-order light observation. Vol.14, No.4P.642 (1990)).
【０００６】[0006]
【数１】[Equation 1]
【０００７】ここで、θFは材料が磁気的に飽和したと
きのファラデー回転角であり、θF＝Ｆ・Ｌと表され
る。また、Ｆは材料固有のファラデー回転係数で、Ｌは
光路長（素子長）である。Ｍは、磁界が印加されたとき
の材料の磁化であり、ＭSは、材料が磁気的に飽和した
ときの磁化（飽和磁化）である。Here, θF is the Faraday rotation angle when the material is magnetically saturated, and is represented by θF = F · L. Further, F is a Faraday rotation coefficient peculiar to the material, and L is an optical path length (element length). M is the magnetization of the material when a magnetic field is applied, and MS is the magnetization when the material is magnetically saturated (saturation magnetization).
【０００８】上述の様な光磁界センサに用いられている
磁気光学素子として、一般式（化１）で示され、Xの値
がX=1.3、かつYの値がY=0.1、かつZの値がZ=0.1、かつW
の値がW=0.6である希土類鉄ガーネット結晶が開示され
ている（電子情報通信学会技術研究報告 OQE92-105 (19
92) 参照）。この従来の技術においては、ＹをＢｉやＧ
ｄで置換することにより温度特性の良い磁気光学素子を
実現している。この従来例で用いられている結晶の化学
式を（化１）に示す。A magneto-optical element used in the above-mentioned optical magnetic field sensor is represented by the general formula (Formula 1), in which X value is X = 1.3, Y value is Y = 0.1, and Z is Value is Z = 0.1 and W
A rare earth iron garnet crystal having a value of W = 0.6 is disclosed (Technical Report of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers OQE92-105 (19
92)). In this conventional technique, Y is Bi or G
By substituting with d, a magneto-optical element with good temperature characteristics is realized. The chemical formula of the crystal used in this conventional example is shown in (Chemical formula 1).
【０００９】[0009]
【化１】[Chemical 1]
【００１０】しかしながら、この磁気光学素子を用いて
光磁界センサを構成した場合には、図９に示すように、
5.0 Oe〜200 Oeの範囲で±2.0%以下の磁界測定の直線性
誤差が示されており、光磁界センサの直線性に問題があ
る。However, when an optical magnetic field sensor is constructed using this magneto-optical element, as shown in FIG.
A linearity error of magnetic field measurement of ± 2.0% or less is shown in the range of 5.0 Oe to 200 Oe, and there is a problem in the linearity of the optical magnetic field sensor.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、光磁界センサに用いられる磁気光学素子に希土類
鉄ガーネット結晶を使用した場合、フェリ磁性体である
ガーネット結晶に光を透過すると、ガーネット結晶の多
磁区構造によって、光の回折が生じ、出射側の光ファイ
バに結晶を透過した回折光が完全に集光しないために、
磁界強度に対する直線性が悪くなるという問題点があっ
た。As described in the prior art, when a rare earth iron garnet crystal is used in the magneto-optical element used in the optical magnetic field sensor, when light is transmitted through the garnet crystal which is a ferrimagnetic material, Due to the multi-domain structure of the garnet crystal, light is diffracted, and the diffracted light that has passed through the crystal is not completely focused on the optical fiber on the output side.
There is a problem that the linearity with respect to the magnetic field strength becomes poor.
【００１２】本発明はかかる点を鑑みてなされたもので
あり、磁界に対する直線性の高い光磁界センサを提供す
ることを目的としている。The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an optical magnetic field sensor having high linearity with respect to a magnetic field.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するため、出射側光ファイバで従来より高次の回折光
まで受光するために光学系を構成したものであり、少な
くとも光の進行方向に沿って、偏光子と、磁気光学素子
と、前記偏光子に対して透過偏光方向を互いに異ならし
めた検光子を配置して被測定磁界を出力光強度として検
知する光磁界センサにおいて、前記磁気光学素子の一端
と第１の光ファイバの間と、前記磁気光学素子の一端で
あって前記第１の光ファイバに対向する面と第２の光フ
ァイバの間に設置した光伝送路がライトガイドであるこ
とを特徴とする光磁界センサ等を提供するものである。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises an optical system for receiving even higher-order diffracted light from the exit side optical fiber, and at least the progress of light. Along the direction, a polarizer, a magneto-optical element, and an optical magnetic field sensor for detecting a magnetic field to be measured as an output light intensity by arranging an analyzer having transmission polarization directions different from each other with respect to the polarizer, A light transmission path is installed between one end of the magneto-optical element and the first optical fiber, and between one end of the magneto-optical element facing the first optical fiber and the second optical fiber. An optical magnetic field sensor or the like characterized by being a guide.
【００１４】[0014]
【作用】本発明は、より広い磁界範囲で直線性が高い光
磁界センサを提供するものであり、その作用を以下に説
明する。The present invention provides an optical magnetic field sensor having high linearity in a wider magnetic field range, and its operation will be described below.
【００１５】（数１）を展開すると、（数２）のように
表される。When the expression (1) is expanded, it is expressed as the expression (2).
【００１６】[0016]
【数２】[Equation 2]
【００１７】ここで、Ｍ＝χＨであり、χは磁化率であ
る。さらに、式２に印加磁界が交流磁界であることを考
慮し、Ｈ＝Ｈ0sinωtを代入し変形すると、出力の交流
成分Ｖ0acは、（数３）のように表される。Here, M = χH, where χ is the magnetic susceptibility. Further, considering that the applied magnetic field is an AC magnetic field in Expression 2, H = H0 sin ωt is substituted and transformed, and the AC component V0 ac of the output is expressed as in (Equation 3).
【００１８】[0018]
【数３】[Equation 3]
【００１９】と表される。（数３）より、出力を表す式
にsin2ωtの項が含まれ、その係数には磁界強度の２乗
項Ｈ02がかかることがわかる。したがって、交流磁界に
対しては、sinωtの基本波に対する第２高調波の存在が
磁界に対する直線性の歪みの原因になっている。よっ
て、印加磁界の強度Ｈ0が大きくなるほど第２高調波の
振幅がＨ0の２乗に比例して大きくなり、出力の線形性
が悪化することになる。Is expressed as From (Equation 3), it is understood that the expression representing the output includes the term of sin2ωt, and the coefficient is multiplied by the square term H02 of the magnetic field strength. Therefore, for an AC magnetic field, the presence of the second harmonic with respect to the fundamental wave of sin ωt causes the distortion of linearity with respect to the magnetic field. Therefore, as the strength H0 of the applied magnetic field increases, the amplitude of the second harmonic increases in proportion to the square of H0 , and the linearity of the output deteriorates.
【００２０】一方、高次の回折光まですべて受光するよ
うに全次数観測を行った場合は、センサからの出力は次
式のように表される。On the other hand, when full-order observation is performed so that all higher-order diffracted light is received, the output from the sensor is expressed by the following equation.
【００２１】[0021]
【数４】[Equation 4]
【００２２】（数４）からわかる様に全次数観測を行っ
た場合は、出力の実効値が印加磁界に単純に比例すると
考えられ、第２高調波の存在による出力の非線形性は生
じないと考えられる。As can be seen from (Equation 4), when the full-order observation is performed, it is considered that the effective value of the output is simply proportional to the applied magnetic field, and the nonlinearity of the output does not occur due to the presence of the second harmonic. Conceivable.
【００２３】本発明は、このような観点からフェリ磁性
体である希土類鉄ガーネット結晶で回折した光を高次光
まで受光するように光磁界センサの光学系を構成し、磁
界に対する直線性を改良することを可能とする。From this point of view, the present invention configures an optical system of an optical magnetic field sensor to receive light diffracted by a rare earth iron garnet crystal, which is a ferrimagnetic material, up to higher order light, and improves linearity with respect to a magnetic field. Is possible.
【００２４】[0024]
【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００２５】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例を示した図である。図１において、入射側光ファイバ
１と出射側光ファイバ９には光ファイバのコア径が200
μｍのマルチモードファイバを使用している。入射側レ
ンズ２と出射側レンズ８は、使用する波長に応じて0.25
ピッチの自己集束型ロッドレンズである。偏光子４と検
光子６は、磁気光学素子５である希土類鉄ガーネット結
晶の対向する両面に、互いの透過偏光方向を45度傾けて
配置されている。(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the entrance side optical fiber 1 and the exit side optical fiber 9 have an optical fiber core diameter of 200
A μm multimode fiber is used. The entrance side lens 2 and the exit side lens 8 are 0.25 depending on the wavelength used.
It is a pitch self-focusing rod lens. The polarizer 4 and the analyzer 6 are arranged on opposite surfaces of the rare-earth iron garnet crystal, which is the magneto-optical element 5, with their transmission polarization directions inclined by 45 degrees.
【００２６】第１の実施例が、従来例の図１０の光磁界
センサの光学系構成と大きく異なる点は、入射側レンズ
２と磁気光学素子５、磁気光学素子５と出射側レンズ８
の間に、図１に示されるような、光軸方向が90度折れ曲
がったライトガイドを使用した点である。ライトガイド
は、図４のような断面を有し、光ファイバを複数本束ね
て配列したものであり、一般には、バンドル型光ファイ
バやイメージファイバとも称されるものである。ここ
で、12は光ファイバのコアで、13はクラッド、14はセカ
ンドクラッドである。本実施例には、外径２mmのライト
ガイドを使用した。The first embodiment is greatly different from the optical system configuration of the optical magnetic field sensor of FIG. 10 of the conventional example in that the incident side lens 2 and the magneto-optical element 5, and the magneto-optical element 5 and the exit side lens 8 are provided.
In the meantime, as shown in FIG. 1, a light guide whose optical axis direction is bent by 90 degrees is used. The light guide has a cross section as shown in FIG. 4 and is formed by bundling and arranging a plurality of optical fibers, and is generally called a bundle type optical fiber or an image fiber. Here, 12 is an optical fiber core, 13 is a clad, and 14 is a second clad. A light guide having an outer diameter of 2 mm was used in this example.
【００２７】光源から入射された光は、光ファイバ１を
通過して、入射側レンズ２で平行光とされ、入射側ライ
トガイド３を伝搬方向を90度曲げられて伝送し、偏光子
４で直線偏光となり、磁気光学素子５に入射される。こ
のとき、磁気光学素子６に入射される光のビーム径は約
１mmである。磁気光学素子５に入射した光は、図８に示
すように多磁区構造を有する磁気光学素子５で回折を受
け、検光子６で偏光子４に対して45度成分のみを検光さ
れ、出射側ライトガイド７に入射する。ライトガイドで
伝搬方向を90度曲げられた光は、出射側レンズ８で集光
し、光ファイバ９で伝搬される。希土類鉄ガーネット結
晶には、(BiGdLaY)3(FeGa)5O12結晶を用いたので、波長
0.8μｍに対しては回折光１次あたりの回折角θは約３
度である。The light incident from the light source passes through the optical fiber 1, is collimated by the incident side lens 2, is transmitted through the incident side light guide 3 with its propagation direction bent 90 degrees, and is transmitted by the polarizer 4. It becomes linearly polarized light and enters the magneto-optical element 5. At this time, the beam diameter of the light incident on the magneto-optical element 6 is about 1 mm. The light incident on the magneto-optical element 5 is diffracted by the magneto-optical element 5 having a multi-domain structure as shown in FIG. 8, and the analyzer 6 detects only the 45-degree component with respect to the polarizer 4 and outputs it. It is incident on the side light guide 7. The light whose propagation direction is bent 90 degrees by the light guide is condensed by the exit side lens 8 and propagated by the optical fiber 9. Since (BiGdLaY)3 (FeGa)5 O12 crystal was used for the rare earth iron garnet crystal,
For 0.8 μm, the diffraction angle θ for the first order of diffracted light is about 3
It is degree.
【００２８】したがって、ライトガイドの開口数が大き
いほど、高次数の回折光を受光できることになる。しか
しながら、伝送路用光ファイバ１、９と開口数が一致し
ていなければ、開口数による損失が生じて、センサの光
挿入損失が増大するので、光ファイバとライトガイドの
開口数は0.35から0.40が適切な値であった。また、同じ
値であるほどセンサの光挿入損失が低減された。その結
果、センサの光挿入損失値は−14dBであり、問題のない
値であった。Therefore, the larger the numerical aperture of the light guide, the more diffracted light of higher order can be received. However, if the numerical apertures do not match those of the optical fibers 1 and 9 for the transmission line, a loss due to the numerical aperture occurs and the optical insertion loss of the sensor increases, so the numerical apertures of the optical fiber and the light guide are 0.35 to 0.40. Was an appropriate value. Moreover, the optical insertion loss of the sensor was reduced as the value was the same. As a result, the optical insertion loss value of the sensor was -14 dB, which was a value with no problem.
【００２９】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために構成した電流測定装置の実
施例を図６に示す。光磁界センサ18は、測定磁界下や図
６に示すようなコア21のギャップ中に配置される。ここ
で、１、９は光伝送路を形成する光ファイバである。17
は光信号発生手段であり、波長0.8μｍ帯のＬＥＤまた
は1.3μｍ帯、1.5μｍ帯のＬＤを用いる。19は光磁界セ
ンサ18を透過した後の光を検知し電気信号に変換する検
知手段であり、Ｇｅ−ＰＤ、Ｓｉ ＰＩＮ−ＰＤ等を用
いるが、本実施例では0.8μｍ帯のＬＥＤを用いたの
で、Ｓｉ ＰＩＮ−ＰＤを用いた。20は信号処理用電気
回路である。22は、測定対象とする電線である。Next, FIG. 6 shows an embodiment of a current measuring device constructed to evaluate the linearity error with respect to the magnetic field of the optical magnetic field sensor. The optical magnetic field sensor 18 is arranged under the measurement magnetic field or in the gap of the core 21 as shown in FIG. Here, 1 and 9 are optical fibers forming an optical transmission path. 17
Is an optical signal generating means, and uses an LED of wavelength 0.8 μm band or LD of 1.3 μm band, 1.5 μm band. Reference numeral 19 is a detection means for detecting the light after passing through the optical magnetic field sensor 18 and converting it into an electric signal, and Ge-PD, Si PIN-PD or the like is used, but in the present embodiment, a 0.8 μm band LED is used. Therefore, Si PIN-PD was used. Reference numeral 20 is an electric circuit for signal processing. 22 is an electric wire to be measured.
【００３０】上述のように構成した電流測定装置に図１
に示す光磁界センサを用いて、5.0Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差を測定した結果を図７に示している。
交流磁界の周波数は、60Hzである。また、図７からの読
み取りデータを表１にまとめている。The current measuring device configured as described above is shown in FIG.
FIG. 7 shows the result of measuring the linearity error in the magnetic field range of 5.0 Oe to 200 Oe using the optical magnetic field sensor shown in FIG.
The frequency of the alternating magnetic field is 60 Hz. The read data from FIG. 7 are summarized in Table 1.
【００３１】従来例の測定データである図９と比較する
と、直線性が改善されていることがわかる。したがっ
て、図１に示すように光磁界センサを構成することによ
り、回折光をより高次まで受光し、出力に含まれる第２
高調波の信号強度を減少することができ、光磁界センサ
の磁界に対する直線性を大きく改善することが可能とな
った。It can be seen that the linearity is improved when compared with the measurement data of the conventional example shown in FIG. Therefore, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 1, the diffracted light is received up to a higher order and the second light included in the output is received.
The signal strength of the harmonics can be reduced, and the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【００３２】なお、図１に示すような光磁界センサのラ
イトガイドは、光伝送路としての機能を有し、コア径が
大きく、光挿入損失が小さければ、先端が90度に曲げら
れた一本の光ファイバで形成されていることも可能であ
る。その場合のライトガイドの断面図を図５に示してい
る。図５のようなライトガイドを使用した場合にも、光
磁界センサの直線性が改善されることを確認した。The light guide of the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 1 has a function as an optical transmission line, and if the core diameter is large and the optical insertion loss is small, the tip is bent at 90 degrees. It is also possible that it is formed of a book optical fiber. A cross-sectional view of the light guide in that case is shown in FIG. It was confirmed that the linearity of the optical magnetic field sensor was improved even when the light guide as shown in FIG. 5 was used.
【００３３】（実施例２）第２図は、本発明の第２の実
施例を示した図である。第２の実施例が、第１の実施例
と異なる点は、光学部品を入射光の伝搬する順に見た場
合に、偏光子４を入射側ライトガイド３の前に配置し、
検光子６を出射側ライトガイド７の後に配置した点であ
る。すなわち、図２において、光源から入射された光
は、光ファイバ１を通過して、入射レンズ２で平行とさ
れ、偏光子４を透過した後、入射側ライトガイド３を伝
搬方向を90度曲げられて伝送する。次に、磁気光学素子
５に入射した光は、図８に示すように多磁区構造を有す
る磁気光学素子５で回折を受け、再び出射側ライトガイ
ド７に入射する。ライトガイド内で伝搬方向を90度曲げ
られた光は、その後検光子６で偏光子４に対して45度成
分のみを検光され、出射側レンズ８で集光され、出射側
光ファイバ９に集光する。希土類鉄ガーネット結晶に
は、同じく(BiGdLaY)3(FeGa)5O12結晶を用いた。構成し
た光磁界センサの光挿入損失値は、−14dBであり、問題
のない値であった。(Embodiment 2) FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. The second embodiment is different from the first embodiment in that the polarizer 4 is arranged in front of the incident side light guide 3 when the optical components are viewed in the order of propagation of incident light,
This is the point where the analyzer 6 is arranged after the emission side light guide 7. That is, in FIG. 2, the light incident from the light source passes through the optical fiber 1, is collimated by the incident lens 2, passes through the polarizer 4, and then the incident side light guide 3 is bent 90 degrees in the propagation direction. Be transmitted. Next, the light incident on the magneto-optical element 5 is diffracted by the magneto-optical element 5 having a multi-domain structure as shown in FIG. The light whose propagation direction is bent 90 degrees in the light guide is then analyzed by the analyzer 6 for only the 45-degree component with respect to the polarizer 4, is condensed by the emission side lens 8, and is emitted to the emission side optical fiber 9. Collect light. As the rare earth iron garnet crystal, the same (BiGdLaY)3 (FeGa)5 O12 crystal was used. The optical insertion loss value of the constructed optical magnetic field sensor was -14 dB, which was a value with no problem.
【００３４】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために、実施例１と同様に図６の
ように電流測定装置を構成した。0 Oeから200 Oeの磁界
範囲で直線性誤差を測定した結果からの読み取りデータ
を表１にまとめている。交流磁界の周波数は、60Hzであ
る。また、従来例の測定データと比較すると、直線性が
改善されていることがわかる。したがって、図２に示す
ように光磁界センサを構成することにより、回折光をよ
り高次まで受光し、出力に含まれる第２高調波の信号強
度を減少することができ、光磁界センサの磁界に対する
直線性を大きく改善することが可能となった。Next, in order to evaluate the linearity error of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field, a current measuring device was constructed as shown in FIG. 6 as in the first embodiment. Table 1 summarizes the read data from the results of measuring the linearity error in the magnetic field range of 0 Oe to 200 Oe. The frequency of the alternating magnetic field is 60 Hz. Further, it can be seen that the linearity is improved when compared with the measurement data of the conventional example. Therefore, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 2, it is possible to receive diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic wave included in the output, and to reduce the magnetic field of the optical magnetic field sensor. It has become possible to greatly improve the linearity with respect to.
【００３５】（実施例３）図３は、本発明の第３の実施
例を示した図である。第３の実施例が、第１や第２の実
施例と異なる点は、レンズを使用せずに、入出射光ファ
イバ１、９に先端を90度曲げられた屈曲光ファイバを使
用した点である。90度屈曲加工を施した光ファイバ10、
11は、光挿入損失も小さく、コア径も200μｍと大きい
ので、光磁界センサ全体の光挿入損失も−15dBであり、
問題のない値となっている。(Embodiment 3) FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. The third embodiment is different from the first and second embodiments in that a bent optical fiber whose tip is bent by 90 degrees is used for the input / output optical fibers 1 and 9 without using a lens. . Optical fiber 10 with 90 degree bending,
11 has a small optical insertion loss and a large core diameter of 200 μm, so the optical insertion loss of the entire optical magnetic field sensor is −15 dB,
There is no problem.
【００３６】図３において、光源から入射された光は、
入射側屈曲光ファイバ10で伝搬方向を90度曲げられて伝
送し、偏光子４を透過した後、磁気光学素子５に入射す
る。入射した光は、磁気光学素子５で回折を受け、検光
子６で偏光子４に対して45度成分のみを検光され、再び
出射側屈曲光ファイバ11に入射する。屈曲光ファイバの
開口数は 0.4であるので、磁気光学素子５での回折光
を高次数まで受光するのに十分であった。また、屈曲光
ファイバを使用することにより、光磁界センサの幅が約
５mmと小型化することが可能となり、部品点数も減少さ
せることができた。In FIG. 3, the light incident from the light source is
The incident side bent optical fiber 10 bends the propagation direction by 90 degrees for transmission, transmits the polarizer 4, and then enters the magneto-optical element 5. The incident light is diffracted by the magneto-optical element 5, only the 45-degree component is detected by the analyzer 6 with respect to the polarizer 4, and again enters the exit side bent optical fiber 11. Since the numerical aperture of the bent optical fiber was 0.4, it was sufficient to receive the diffracted light in the magneto-optical element 5 up to a high order. Moreover, by using the bent optical fiber, the width of the optical magnetic field sensor can be reduced to about 5 mm, and the number of parts can be reduced.
【００３７】次に、上記の光磁界センサの磁界に対する
直線性誤差を評価するために、図６のように電流測定装
置を構成した。0 Oeから200 Oeの磁界範囲で直線性誤差
を測定した結果からの読み取りデータを表１にまとめて
いる。交流磁界の周波数は、60Hzである。従来例の測定
データと比較すると、直線性が改善されていることがわ
かる。したがって、図３に示すように光磁界センサを構
成することにより、回折光をより高次まで受光し、出力
に含まれる第２高調波の信号強度を減少することがで
き、光磁界センサの磁界に対する直線性を大きく改善す
ることが可能となった。Next, in order to evaluate the linearity error of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field, a current measuring device was constructed as shown in FIG. Table 1 summarizes the read data from the results of measuring the linearity error in the magnetic field range of 0 Oe to 200 Oe. The frequency of the alternating magnetic field is 60 Hz. It can be seen that the linearity is improved when compared with the measurement data of the conventional example. Therefore, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 3, it is possible to receive diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic wave included in the output, and to reduce the magnetic field of the optical magnetic field sensor. It has become possible to greatly improve the linearity with respect to.
【００３８】[0038]
【表１】[Table 1]
【００３９】したがって、本発明の光磁界センサを図６
のように構成し、電流測定装置として使用する場合に
は、定格電流値Ｉに対して0.025Ｉ〜Ｉの電流測定範囲
で±１％以下の比誤差を有する光ＣＴを構成することが
可能となる。さらに、本実施例の第１と第２の光磁界セ
ンサは幅10mm程度であり、本実施例の第３の光磁界セン
サは幅約５mmと従来の光磁界センサよりも形状を小型化
することが可能であるので、電流測定装置にギャップ付
きコアを使用する場合は、コアギャップを小さくするこ
とができ、電流測定装置の感度を大きく向上することが
可能となった。Therefore, the optical magnetic field sensor of the present invention is shown in FIG.
When configured as described above and used as a current measuring device, it is possible to configure an optical CT having a ratio error of ± 1% or less with respect to the rated current value I in the current measuring range of 0.025I to I. Become. Furthermore, the first and second optical magnetic field sensors of this embodiment have a width of about 10 mm, and the third optical magnetic field sensor of this embodiment has a width of about 5 mm, which is smaller than the conventional optical magnetic field sensor. Therefore, when a core with a gap is used in the current measuring device, the core gap can be reduced and the sensitivity of the current measuring device can be greatly improved.
【００４０】なお、本実施例では偏光子４及び検光子６
をガラス製偏光板としたが、偏光ビームスプリッタや積
層型偏光子薄膜を用いることも可能である。また、自己
集束型ロッドレンズを、平行光を得ることの出来るレン
ズで置換することも可能である。さらには、90度曲げら
れたライトガイドではなく、直線型ライトガイドを使用
して、直線性誤差の小さい直線型光磁界センサを構成す
ることも可能であった。In this embodiment, the polarizer 4 and the analyzer 6 are
Is a glass polarizing plate, it is also possible to use a polarizing beam splitter or a laminated polarizer thin film. It is also possible to replace the self-focusing rod lens with a lens that can obtain parallel light. Furthermore, it was possible to construct a linear optical magnetic field sensor with a small linearity error by using a linear light guide instead of a 90 ° bent light guide.
【００４１】また、この直線性の改善は0.8μｍ帯の光
源だけでなく、希土類鉄ガーネット結晶を透過する1.3
μｍ帯や1.5μｍ帯の他の波長についても認められた。
また、周波数60Hzだけでなく、直流磁界から数百kHz程
度まで直線性よく磁界を測定することを確認した。Further, the improvement of the linearity is achieved by transmitting not only the 0.8 μm band light source but also the rare earth iron garnet crystal.
It was also observed for other wavelengths in the μm band and 1.5 μm band.
Moreover, it was confirmed that not only the frequency of 60 Hz but also the magnetic field was measured with good linearity from DC magnetic field to several hundred kHz.
【００４２】本実施例の磁気光学素子には、光磁界セン
サの温度特性も考慮するために（化１）で表す希土類鉄
ガーネット結晶を使用した例について示しているが、本
実施例の光学系の構成はフェリ磁性体であるガーネット
結晶を磁気光学素子に使用した光磁界センサや他の磁気
光学素子材料すべてに適応可能である。The magneto-optical element of the present embodiment shows an example in which the rare earth iron garnet crystal represented by (Chemical Formula 1) is used in order to consider the temperature characteristic of the optical magnetic field sensor, but the optical system of the present embodiment is shown. The configuration can be applied to all magneto-optical element materials and other optical magnetic field sensors using a garnet crystal that is a ferrimagnetic material for a magneto-optical element.
【００４３】[0043]
【発明の効果】以上述べてきたことから明かな様に、本
発明よれば、従来よりも磁界に対する直線性の高い光磁
界センサを提供することが可能となり、その工業的価値
は大なるものである。As is apparent from the above description, according to the present invention, it becomes possible to provide an optical magnetic field sensor having higher linearity with respect to a magnetic field than ever before, and its industrial value is great. is there.
【図１】本発明による第１の実施例の光磁界センサの構
成図FIG. 1 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明による第２の実施例の光磁界センサの構
成図FIG. 2 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明による第３の実施例の光磁界センサの構
成図FIG. 3 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図４】本発明で使用した第１のライトガイドの断面図FIG. 4 is a sectional view of the first light guide used in the present invention.
【図５】本発明で使用した第２のライトガイドの断面図FIG. 5 is a sectional view of a second light guide used in the present invention.
【図６】本発明による光磁界センサを用いた電流測定装
置の実施例の概略図FIG. 6 is a schematic view of an embodiment of a current measuring device using an optical magnetic field sensor according to the present invention.
【図７】本発明による第１の実施例の光磁界センサを用
いた電流測定装置の出力の直線性誤差を示す図FIG. 7 is a diagram showing an output linearity error of a current measuring device using the optical magnetic field sensor according to the first embodiment of the present invention.
【図８】フェリ磁性ガーネット結晶による光の回折現象
を説明した模式図FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a light diffraction phenomenon by a ferrimagnetic garnet crystal.
【図９】従来の光磁界センサを用いた電流測定装置の出
力の直線性誤差を示す図FIG. 9 is a diagram showing an output linearity error of a current measuring device using a conventional optical magnetic field sensor.
【図１０】従来の光磁界センサの構成図FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional optical magnetic field sensor.
【図１１】ファラデー効果を用いた磁界の測定原理を示
す図FIG. 11 is a diagram showing a principle of measuring a magnetic field using the Faraday effect.
ａ 入射光 ｂ 出射光 １、９ 光ファイバ ２、８ レンズ ３、７ ライトガイド ４ 偏光子 ５ 磁気光学素子 ６ 検光子 10、11 屈曲光ファイバ 12、15 コア 13、16 クラッド 14 セカンドクラッド 17 光源 18 光磁界センサ 19 光検出部 20 信号処理用電気回路 21 コア 22 電線 23 ０次光 24 １次光 25 ２次光 26 ３次光 27 スクリーン 28 全反射ミラー 29 フェルール 30 ホルダー a incident light b outgoing light 1,9 optical fiber 2,8 lens 3,7 light guide 4 polarizer 5 magneto-optical element 6 analyzer 10, 11 bent optical fiber 12, 15 core 13, 16 clad 14 second clad 17 light source 18 Optical magnetic field sensor 19 Photodetector 20 Electric circuit for signal processing 21 Core 22 Wire 23 0th light 24 1st light 25 2nd light 26 3rd light 27 Screen 28 Total reflection mirror 29 Ferrule 30 Holder
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6003064AJPH07209394A (en) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | Optical magnetic field sensor |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6003064AJPH07209394A (en) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | Optical magnetic field sensor |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07209394Atrue JPH07209394A (en) | 1995-08-11 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6003064APendingJPH07209394A (en) | 1994-01-17 | 1994-01-17 | Optical magnetic field sensor |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07209394A (en) |
| Publication | Publication Date | Title |
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