JP3135744B2 - Optical magnetic field sensor - Google Patents
Optical magnetic field sensorInfo
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Description
【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 for detecting a magnetic field using a magneto-optical element having a Faraday effect and measuring the intensity of the magnetic field.
【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, in the field of electric power in particular, as a method of measuring the intensity of a magnetic field 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 where the current is flowing has characteristics such as good insulation because it uses light as a medium, and it does not receive electromagnetic induction noise. Application to equipment is considered.
【0003】図12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12において、磁界H中に磁
気光学素子4が配置されている。この磁気光学素子4に
偏光子3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12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3と透過偏光
方向を45度に異ならしめた検光子5を通過し、回転角
θの大きさが光量変化に変換される。この磁気測定方法
を実現するために、一般に図11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. 12 shows a principle diagram of a method for measuring a magnetic field using the Faraday effect. In FIG. 12, a magneto-optical element 4 is arranged in a magnetic field H. The light made linearly polarized by the polarizer 3 is passed through the magneto-optical element 4. The polarization plane is rotated in proportion to the magnetic field strength H by the Faraday effect. FIG. 12 shows a case where the Faraday rotation indicates a negative sign. The rotated linearly polarized light passes through the polarizer 3 and the analyzer 5 in which the transmitted polarization direction is changed by 45 degrees, and the magnitude of the rotation angle θ is converted into a change in the amount of light. In order to realize this magnetic measurement method, an optical magnetic field sensor generally configured as shown in FIG. 11 is used (National Technical Report)
Vol.38 No.2 P.127 (1992)).
【0004】図11のように構成された光磁界センサで
は、光ファイバ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、7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3、検光子5
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6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4に使用するフェリ磁性ガーネ
ット結晶の膜厚は50μmである。In the optical magnetic field sensor configured as shown in FIG. 11, a multimode fiber having a core diameter of 80 μm is used for the optical fiber 9, and a 0.25 pitch self-focusing rod lens is used for the lenses 2 and 7. Further, the polarizer 3 and the analyzer 5
As a method, a polarizing beam splitter is used, and the optical path is 90
The total reflection mirror 6 is used to bend the lens. The polarizing beam splitter and the total reflection mirror are cubes with a side of 5 mm. The thickness of the ferrimagnetic garnet crystal used for the magneto-optical element 4 is 50 μm.
【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9ように観測され、中心から0次光3
2、1次光33、2次光34、・・・と定義される。図
11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7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.4 P.642 (1990) 参照)。However, when a rare-earth iron garnet crystal, which is a ferrimagnetic material, is used for a magneto-optical element used in an optical magnetic field sensor, light transmitted through the crystal is diffracted by a multi-domain structure unique to the rare-earth iron garnet crystal. .
When the magnetic domain structure of the ferrimagnetic garnet crystal is a maize domain, diffracted light is observed as shown in FIG.
, The primary light 33, the secondary light 34,... In the optical magnetic field sensor configured as shown in FIG. 11, since the observation condition of the diffracted light at the emission side lens 7 is almost zero-order light observation, the output is represented by (Equation 1). Journal Journal Vol.14, No.4, P.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, θ F is the Faraday rotation angle when the material is magnetically saturated, and is expressed as θ F = FL. F is a material-specific Faraday rotation coefficient, and L is an optical path length (element length). M is the magnetization of the material when a magnetic field is applied, M S 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
(1992) 参照)。この従来の技術においては、YをBi
やGd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-described optical magnetic field sensor is represented by the following general formula (Formula 1), where the value of X is X = 1.3, the value of Y is Y = 0.1, and the value of Z is A rare earth iron garnet crystal having a value of Z = 0.1 and a value of W of W = 0.6 is disclosed (IEICE technical report OQE92-105).
(1992)). In this prior art, Y is Bi
By replacing with Gd or Gd, a magneto-optical element having good temperature characteristics is realized. The chemical formula of the crystal used in this conventional example is shown in (Formula 1).
【0009】[0009]
【化1】 BiXGdYLaZY3-(X+Y+Z)Fe5-WGaWO12 ## STR1 ## Bi X Gd Y La Z Y 3- (X + Y + Z) Fe 5-W Ga W O 12
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】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10に示すように、5.0 Oe〜190 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. 10, a linearity error of the magnetic field measurement of ± 2.0% or less in the range of 5.0 Oe to 190 Oe is shown, and there is a problem in the linearity of the optical magnetic field sensor.
【0011】このように、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、出射側の光学系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
いう課題があった。As described above, when the rare earth iron garnet crystal is used for the magneto-optical element used in the optical magnetic field sensor,
When light is transmitted through a garnet crystal, which is a ferrimagnetic material,
Due to the multi-domain structure of the garnet crystal, light diffraction occurs, and the diffracted light transmitted through the crystal does not completely converge on the optical system on the emission side, so that there is a problem that the linearity with respect to the magnetic field intensity deteriorates.
【0012】本発明はかかる従来技術の課題を鑑みてな
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-mentioned problems of the prior art, and has as its object 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、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、磁気光学素子の一端面に、検光子をはさんで設けら
れた第2の光ファイバのコア径が、前記磁気光学素子の
他の端面に、偏光子をはさんで設けられた第1の光ファ
イバのコア径よりも大なる透過型光磁界センサである。According to the present invention, there is provided an optical system for receiving a higher order diffracted light than a conventional one using an output side optical fiber, and a polarizer is provided at least along a light traveling direction. And a magneto-optical element and an optical magnetic field sensor for detecting the magnetic field to be measured as an output light intensity by disposing an analyzer in which the transmission polarization directions are different from each other with respect to the polarizer. The core diameter of the second optical fiber provided across the analyzer is the same as that of the magneto-optical element.
A transmission type optical magnetic field sensor having a larger diameter than the core diameter of the first optical fiber provided with a polarizer on the other end face .
【0014】[0014]
【作用】(数1)を展開すると、(数2)のように表さ
れる。When the (Equation 1) is expanded, it is expressed as (Equation 2).
【0015】[0015]
【数2】 (Equation 2)
【0016】ここで、M=χHであり、χは磁化率であ
る。さらに、(数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, and χ is the magnetic susceptibility. Further, considering that the applied magnetic field is an AC magnetic field in (Equation 2) and substituting and transforming H = H 0 sinωt, the output AC component V 0 ac is expressed as (Equation 3).
【0017】[0017]
【数3】 (Equation 3)
【0018】(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H0 2がかか
ることがわかる。したがって、交流磁界に対しては、si
nωt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。From equation (3), it can be seen that the expression representing the output includes the term sin2ωt, and its coefficient is multiplied by the square term H 0 2 of the magnetic field strength. Therefore, for an alternating magnetic field, si
The presence of the second harmonic with respect to the fundamental wave of nωt causes the linearity distortion with respect to the magnetic field. Therefore, as the intensity H 0 of the applied magnetic field increases, the amplitude of the second harmonic increases in proportion to the square of H 0 , and the output linearity deteriorates.
【0019】一方、高次の回折光まですべて受光するよ
うに実像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 a real image is observed so as to receive all high-order diffracted lights, the output from the sensor is expressed by the following equation.
【0020】[0020]
【数4】 (Equation 4)
【0021】(数4)からわかる様に実像観測を行った
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 a real image is observed, it is considered that the effective value of the output is simply proportional to the applied magnetic field, and the nonlinearity of the output due to the presence of the second harmonic does not occur. Can be
【0022】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てい
るので、磁界に対する直線性が改良される。According to the present invention, the optical system of the optical magnetic field sensor is configured to receive light diffracted by the rare-earth iron garnet crystal, which is a ferrimagnetic substance, up to higher-order light. Be improved.
【0023】[0023]
【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.
【0024】(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は光ファイバのコア径が50μmのマルチモードファイ
バを使用し、出射側光ファイバ8は光ファイバのコア径
が200μm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7は、0.25ピッチの自己集
束型ロッドレンズである。偏光子3と検光子5は、磁気
光学素子4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。また、光路を90度曲げるために全反射ミラー6を
配置している。(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the input side optical fiber 1 uses a multi-mode fiber having an optical fiber core diameter of 50 μm, and the output side optical fiber 8 uses a multi-mode fiber having an optical fiber core diameter of 200 μm. The entrance side lens 2 and the exit side lens 7 are 0.25 pitch self-focusing rod lenses. The polarizer 3 and the analyzer 5 are arranged on both opposing surfaces of the rare-earth iron garnet crystal, which is the magneto-optical element 4, with their transmission polarization directions inclined by 45 degrees. Further, a total reflection mirror 6 is arranged to bend the optical path by 90 degrees.
【0025】光源から入射された光は、光ファイバ1を
通過して、レンズ2で平行光とされ、偏光子3で直線偏
光となり、反射光が磁気光学素子4に入射される。この
とき、磁気光学素子4に入射される光のビーム径は800
μmである。磁気光学素子4に入射した光は、図9に示
すように多磁区構造を有する磁気光学素子4で回折を受
け、発散しながら進行し、検光子5で偏光子3に対して
45度成分のみを検光され、全反射ミラー6で進行方向
を90度曲げられる。進行方向を90度曲げられた光
は、レンズ7に入射され、出射側光ファイバ8に集光す
る。希土類鉄ガーネット結晶には、(BiGdLaY)3(FeGa)5O
12結晶を用いたので、波長880nmに対しては回折光1次
あたりの回折角θは2.6度である。Light incident from the light source passes through the optical fiber 1, is converted into parallel light by the lens 2, becomes linearly polarized light by the polarizer 3, and the reflected light is incident on the magneto-optical element 4. At this time, the beam diameter of the light incident on the magneto-optical element 4 is 800
μm. The light incident on the magneto-optical element 4 is diffracted by the magneto-optical element 4 having a multi-domain structure as shown in FIG. 9, travels while diverging, and the analyzer 5 has only a 45-degree component with respect to the polarizer 3. And the traveling direction is bent by 90 degrees by the total reflection mirror 6. The light whose traveling direction is bent by 90 degrees is incident on the lens 7 and is condensed on the output side optical fiber 8. (BiGdLaY) 3 (FeGa) 5 O
Since 12 crystals were used, the diffraction angle θ per order of the diffracted light was 2.6 degrees for the wavelength of 880 nm.
【0026】本実施例のように、入射側光ファイバ1の
コア径50μmよりも大きい、コア径200μmのマルチモ
ードファイバを出射側光ファイバ8に使用した場合は、
出射側光学系の開口数が、入射側光学系の開口数より大
きくなる。したがって、従来例の図11に示すように光
ファイバ9に同一のコア径の光ファイバを用いて光磁界
センサを構成する場合には0次光のみを受光していた
が、本実施例では出射側レンズ7で受光できる回折光の
次数が大きくなり、第2次光までを受光することが可能
となった。When a multi-mode fiber having a core diameter of 200 μm, which is larger than the core diameter of 50 μm of the input side optical fiber 1 and used as the output side optical fiber 8 as in this embodiment,
The numerical aperture of the exit-side optical system becomes larger than the numerical aperture of the entrance-side optical system. Therefore, when an optical magnetic field sensor is formed by using an optical fiber having the same core diameter as the optical fiber 9 as shown in FIG. 11 of the conventional example, only the zero-order light is received. The order of the diffracted light that can be received by the side lens 7 is increased, and it is possible to receive up to the second order light.
【0027】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例
を図7に示す。光磁界センサ24は、電線30に直接設
置するか、もしくは図7に示すように測定磁界を強くす
るために設けたコア29のギャップ中に配置される。2
6は、光伝送路を形成する光ファイバである。25は光
信号発生手段であり、波長0.8μm帯のLEDまたは1.3
μm帯、1.5μm帯のLDを用いる。ここで、光磁界セ
ンサに用いた自己集束性ロッドレンズは、平行光を得る
ように異なる波長に対しては最適の長さのものを使用し
た。27は光磁界センサ24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。2
8は信号処理用電気回路である。Next, FIG. 7 shows an example of a current measuring device configured to evaluate a linearity error of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field. The optical magnetic field sensor 24 is installed directly on the electric wire 30 or, as shown in FIG. 7, is arranged in a gap of a core 29 provided for increasing the measurement magnetic field. 2
Reference numeral 6 denotes an optical fiber forming an optical transmission line. Reference numeral 25 denotes an optical signal generating means, which is an LED having a wavelength of 0.8 μm
μm band and 1.5 μm band LDs are used. Here, the self-focusing rod lens used in the optical magnetic field sensor had an optimal length for different wavelengths so as to obtain parallel light. 27 is a detecting means for detecting the light transmitted through the optical magnetic field sensor 24 and converting the light into an electric signal.
Although a PIN-PD or the like is used, in this embodiment, since an LED in a 0.8 μm band is used, a Si PIN-PD is used. 2
8 is an electric circuit for signal processing.
【0028】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8に示している。
交流磁界の周波数は、60Hzである。また、図8からの読
み取りデータを(表1)にまとめている。FIG. 1 shows the structure of the current measuring device constructed as described above.
FIG. 8 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. Further, the read data from FIG. 8 is summarized in (Table 1).
【0029】[0029]
【表1】 [Table 1]
【0030】従来例の測定データである図10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。Compared to FIG. 10, which is the measured data of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 1, the diffracted light is received to a higher order and the second light included in the output is received.
The signal intensity of harmonics can be reduced, and the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【0031】(実施例2)第2の実施例を図2に示す。
図2の光磁界センサが、図11に示す従来例と異なる点
は、入射側レンズ10に直径1mmの0.25ピッチの自己集
束型ロッドレンズと、出射側レンズ11に直径3mmや5
mmの0.25ヒ゜ッチの自己集束型ロッドレンズを配置している
点である。(Embodiment 2) FIG. 2 shows a second embodiment.
The optical magnetic field sensor shown in FIG. 2 is different from the conventional example shown in FIG. 11 in that the incident side lens 10 has a 0.25 pitch self-focusing rod lens with a diameter of 1 mm, and the exit side lens 11 has a diameter of 3 mm or 5 mm.
The point is that a self-focusing rod lens of 0.25 mm in mm is arranged.
【0032】本実施例のように、出射側レンズ11に入
射側レンズ10の直径よりも大きなレンズを使用した場
合は、第1の実施例と同様に出射側光学系の開口数が、
入射側光学系の開口数より大きくなる。したがって、従
来例の図11に示すようにレンズ2、7に同一の直径の
0.25ヒ゜ッチの自己集束型ロッドレンズを用いて光磁界セン
サを構成する場合には0次光のみを受光していたが、第
2の実施例では出射側レンズ 11で受光できる回折光
の次数をより高次光まで受光することが可能となった。When a lens larger than the diameter of the incident side lens 10 is used as the exit side lens 11 as in the present embodiment, the numerical aperture of the exit side optical system is increased as in the first embodiment.
It becomes larger than the numerical aperture of the entrance side optical system. Therefore, the lenses 2 and 7 have the same diameter as shown in FIG.
In the case where the optical magnetic field sensor is constituted by using a self-focusing rod lens of 0.25 pitch, only the 0th order light is received. In the second embodiment, however, the order of the diffracted light that can be received by the exit lens 11 is increased. Higher order light can be received.
【0033】図7のように構成した電流測定装置に図2
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。交流磁界の周波数は、60
Hzである。測定結果を(表1)に示している。従来例の
測定結果と比較すると、直線性が改善されていることが
わかる。したがって、第2の実施例においても、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。FIG. 2 shows a current measuring device constructed as shown in FIG.
The linearity error was measured 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 measurement results are shown in (Table 1). Compared with the measurement result of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, also in the second embodiment, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 2, it is possible to receive the diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic included in the output. Thus, the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【0034】なお、図7の自己集束型ロッドレンズ1
0、11の代わりに平行光を得ることの出来る非球面レ
ンズを用いて、出射側レンズの直径を入射側レンズの直
径より大きくした場合にも同様の効果が認められた。The self-focusing rod lens 1 shown in FIG.
Similar effects were observed when an aspheric lens capable of obtaining parallel light was used instead of 0 and 11 and the diameter of the exit lens was made larger than the diameter of the entrance lens.
【0035】(実施例3)第3の実施例を図3に示す。
図3の光磁界センサが、図11に示す従来例と異なる点
は、従来例の光磁界センサにおいて、光路上の磁気光学
素子4に対して偏光子3の対向する面に図3に示す方向
にフレネルレンズ12を配置した点である。フレネルレ
ンズには、直径3mmで開口数0.3のものを使用した。し
たがって、波長880nmに対して用いたフレネルレンズの
全ゾーン数は、実際には約2.56×105である。(Embodiment 3) FIG. 3 shows a third embodiment.
The optical magnetic field sensor of FIG. 3 is different from the conventional example shown in FIG. 11 in that, in the conventional optical magnetic field sensor, the direction shown in FIG. This is the point that the Fresnel lens 12 is disposed in the first position. A Fresnel lens having a diameter of 3 mm and a numerical aperture of 0.3 was used. Therefore, the total number of zones of the Fresnel lens used for the wavelength of 880 nm is actually about 2.56 × 10 5 .
【0036】本実施例のように、光の進行方向に対して
磁気光学素子の直後に、発散する光を平行光とするよう
にフレネルレンズを配置した場合は、磁気光学素子4で
回折された光を効率よく平行光とすることが可能とな
る。したがって、従来例の図11に示す光磁界センサを
構成する場合には0次光のみを受光していたが、第3の
実施例では出射側レンズ7で受光できる回折光の次数を
より高次光まで受光することが可能となった。In the case where the Fresnel lens is arranged immediately after the magneto-optical element in the traveling direction of the light so that the diverging light becomes parallel light as in this embodiment, the light is diffracted by the magneto-optical element 4. The light can be efficiently converted into parallel light. Therefore, when the optical magnetic field sensor shown in FIG. 11 of the conventional example is configured, only the zero-order light is received. However, in the third embodiment, the order of the diffracted light that can be received by the exit lens 7 is increased to higher-order light. It became possible to receive light.
【0037】また、フレネルレンズは平凸レンズ等より
もレンズの肉厚が薄いので、光磁界センサをケースに収
納する際に、センサの外形が大きくならないという利点
があった。なお、フレネルレンズの代わりにグレーティ
ングレンズを使用しても同様の効果が認められた。Further, since the Fresnel lens has a smaller thickness than a plano-convex lens or the like, there is an advantage that the external shape of the optical magnetic field sensor does not become large when it is stored in a case. A similar effect was observed when a grating lens was used instead of the Fresnel lens.
【0038】図3に示す第3の実施例の光磁界センサを
図7に示す電流測定装置に構成して5.0 Oeから200 Oeの
磁界範囲で直線性誤差を測定した。交流磁界の周波数
は、60Hzである。測定結果を同様に(表1)に示してい
る。従来例の測定結果と比較すると、直線性が改善され
ていることがわかる。したがって、第3の実施例におい
ても、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。The optical magnetic field sensor of the third embodiment shown in FIG. 3 was configured in the current measuring device shown in FIG. 7, and the linearity error was measured in a magnetic field range of 5.0 Oe to 200 Oe. The frequency of the alternating magnetic field is 60 Hz. The measurement results are similarly shown in (Table 1). Compared with the measurement result of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, also in the third embodiment, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 3, it is possible to receive the diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic included in the output. Thus, the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【0039】(実施例4)第4の実施例を図4に示す。
図4の光磁界センサが、図11に示す従来例と異なる点
は、入射側レンズ10と出射側レンズ11に直径3mmの
球レンズ13、14を配置し、集光光学系を構成してい
る点である。ここで、集光光学系を構成する際には、光
路上で入射側光ファイバ9と入射側球レンズ13の距離
c、入射側球レンズ13と偏光子3の距離d、全反射ミ
ラー6と出射側球レンズ14の距離e、出射側球レンズ
14と出射側光ファイバ9の距離fに注意が必要であ
り、本実施例ではそれぞれの距離をすべて1mmに設計し
た。但し、偏光子3、検光子5、全反射ミラー6は、一
辺5mm角の立方体である。球レンズの材質をBK7と
し、光源波長に880nmを使用した場合、結晶位置での光
のビーム径は、480μmである。本実施例のように集光
光学系を構成した場合、結晶位置がビームウエストに近
くなり、従来よりも結晶位置でのビーム径が小さくなっ
た。その結果、出射側球レンズ14でより高次光まで受
光することが可能となった。(Embodiment 4) FIG. 4 shows a fourth embodiment.
The optical magnetic field sensor shown in FIG. 4 differs from the conventional example shown in FIG. 11 in that spherical lenses 13 and 14 each having a diameter of 3 mm are arranged on the entrance side lens 10 and the exit side lens 11 to constitute a condensing optical system. Is a point. Here, when configuring the condensing optical system, the distance c between the incident-side optical fiber 9 and the incident-side spherical lens 13, the distance d between the incident-side spherical lens 13 and the polarizer 3, and the total reflection mirror 6 on the optical path. It is necessary to pay attention to the distance e between the emission-side spherical lens 14 and the distance f between the emission-side spherical lens 14 and the emission-side optical fiber 9, and in this embodiment, each distance is designed to be 1 mm. However, the polarizer 3, the analyzer 5, and the total reflection mirror 6 are 5 mm square cubes. When the material of the spherical lens is BK7 and the wavelength of the light source is 880 nm, the light beam diameter at the crystal position is 480 μm. When the condensing optical system is configured as in this embodiment, the crystal position is closer to the beam waist, and the beam diameter at the crystal position is smaller than before. As a result, higher-order light can be received by the emission-side spherical lens 14.
【0040】図7のように構成した電流測定装置に図4
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。交流磁界の周波数は、60
Hzである。測定結果を(表1)に示している。従来例の
測定結果と比較すると、直線性が改善されていることが
わかる。したがって、第4の実施例においても、図4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。FIG. 4 shows a current measuring device constructed as shown in FIG.
The linearity error was measured 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 measurement results are shown in (Table 1). Compared with the measurement result of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, also in the fourth embodiment, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 4, it is possible to receive the diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic included in the output. Thus, the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【0041】(実施例5)第5の実施例を図5に示す。
図5の光磁界センサが、図11に示す従来例と異なる点
は、磁気光学素子15を光軸に対して角度αだけ傾けて
配置した点である。磁気光学素子15を光軸に対して傾
けて配置することによって、磁気光学素子で発生する回
折効果を低減することが可能となる。(Embodiment 5) FIG. 5 shows a fifth embodiment.
The optical magnetic field sensor of FIG. 5 is different from the conventional example shown in FIG. 11 in that the magneto-optical element 15 is arranged at an angle α to the optical axis. By arranging the magneto-optical element 15 at an angle to the optical axis, it is possible to reduce a diffraction effect generated in the magneto-optical element.
【0042】フェリ磁性体である希土類鉄ガーネット結
晶は、多磁区構造を有するため光に対して回折格子にな
る。一般に、回折格子に対する光の入射角をゼロから大
きくすると、回折格子の回折効果は極端に減少する。し
たがって、本実施例のように入射ビームの光軸に対し
て、磁気光学素子15を傾けることによって、磁気光学
素子の回折効果を小さくすることが可能となった。本実
施例では、センサの感度と光挿入損失の点から、傾き角
αを最適値の45度とした。 図7のように構成した電
流測定装置に図5に示す光磁界センサを用いて、5.0 Oe
から200 Oeの磁界範囲で直線性誤差を測定した。交流磁
界の周波数は、60Hzである。測定結果を(表1)に示し
ている。従来例の測定結果と比較すると、直線性が改善
されていることがわかる。したがって、第5の実施例に
おいては回折効果を消去することによって、直線性の歪
みの原因となる第2高調波の振幅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。The rare earth iron garnet crystal, which is a ferrimagnetic material, has a multi-domain structure, and thus becomes a diffraction grating for light. Generally, when the incident angle of light on a diffraction grating is increased from zero, the diffraction effect of the diffraction grating is extremely reduced. Therefore, by inclining the magneto-optical element 15 with respect to the optical axis of the incident beam as in the present embodiment, the diffraction effect of the magneto-optical element can be reduced. In the present embodiment, the inclination angle α is set to the optimum value of 45 degrees in view of the sensitivity of the sensor and the light insertion loss. Using the optical magnetic field sensor shown in FIG. 5 in the current measuring device configured as shown in FIG.
The linearity error was measured in the magnetic field range from to 200 Oe. The frequency of the alternating magnetic field is 60 Hz. The measurement results are shown in (Table 1). Compared with the measurement result of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, in the fifth embodiment, by eliminating the diffraction effect, it is possible to reduce the amplitude of the second harmonic, which causes linearity distortion, and to greatly improve the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field. It became possible.
【0043】(実施例6)第6の実施例を図6に示す。
図6は、直線型光磁界センサであり、16はコア径50
μmのマルチモードファイバである。偏光子18と検光
子19は積層型偏光子薄膜であって、互いの透過偏光方
向を45度傾けて磁気光学素子4の両面に設置してい
る。磁気光学素子4、偏光子18、検光子19は、3mm
角を使用した。レンズ20は自己集束型ロッドレンズで
あり、23はコア径200μmのマルチモードファイバ
である。17、22はファイバの固定の為のフェルール
であり、これらの部品がケース21に収納されている。
図6に示す光磁界センサは、上述の実施例を組み合わせ
た構成となっている。(Embodiment 6) FIG. 6 shows a sixth embodiment.
FIG. 6 shows a linear optical magnetic field sensor.
μm multimode fiber. The polarizer 18 and the analyzer 19 are laminated polarizer thin films, and are disposed on both surfaces of the magneto-optical element 4 with their transmission polarization directions inclined at 45 degrees. Magneto-optical element 4, polarizer 18, analyzer 19 are 3mm
Horns were used. The lens 20 is a self-focusing type rod lens, and 23 is a multimode fiber having a core diameter of 200 μm. Reference numerals 17 and 22 denote ferrules for fixing the fiber, and these parts are housed in a case 21.
The optical magnetic field sensor shown in FIG. 6 has a configuration obtained by combining the above-described embodiments.
【0044】なお、透過光を光ファイバ23の端面に集
光することができれば、レンズ20は凸レンズも可能で
ある。さらに、光ファイバ23のコア径が光ファイバ1
6のコア径よりも大きく、互いのファイバ端面が近接し
ている場合は、レンズ20を配置しない構成も可能であ
った。The lens 20 can be a convex lens as long as the transmitted light can be focused on the end face of the optical fiber 23. Further, the core diameter of the optical fiber 23 is
In the case where the fiber diameter is larger than the core diameter of No. 6 and the fiber end faces are close to each other, a configuration in which the lens 20 is not provided is also possible.
【0045】入射光aは光ファイバ16を通り、偏光子
18で直線偏光とされ、磁気光学素子4のフェリ磁性ガ
ーネット結晶で回折される。透過した光は45度成分を
検光子19で検光された後、高次回折光も含んで、レン
ズ20によって光ファイバ23に集光される。The incident light a passes through the optical fiber 16, is linearly polarized by the polarizer 18, and is diffracted by the ferrimagnetic garnet crystal of the magneto-optical element 4. After the transmitted light is analyzed by the analyzer 19 for the 45-degree component, the light including the higher-order diffracted light is collected on the optical fiber 23 by the lens 20.
【0046】図7のように構成した電流測定装置に図6
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。交流磁界の周波数は、60
Hzである。測定結果を(表1)に示している。従来例の
測定結果と比較すると、直線性が改善されていることが
わかる。したがって、第6の実施例においても、図6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。FIG. 6 shows a current measuring device constructed as shown in FIG.
The linearity error was measured 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 measurement results are shown in (Table 1). Compared with the measurement result of the conventional example, it can be seen that the linearity is improved. Therefore, also in the sixth embodiment, by configuring the optical magnetic field sensor as shown in FIG. 6, it is possible to receive the diffracted light to a higher order and reduce the signal intensity of the second harmonic included in the output. Thus, the linearity of the optical magnetic field sensor with respect to the magnetic field can be greatly improved.
【0047】したがって、本発明の光磁界センサを図7
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。Therefore, the optical magnetic field sensor according to the present invention is shown in FIG.
When used as a current measuring device, an optical CT having a ratio error of ± 1% or less in the current measuring range of 0.025I to I with respect to the rated current value I can be configured. Become.
【0048】なお、本実施例では偏光子及び検光子を偏
光ビームスプリッタとしたが、グラントンプソンプリズ
ムやガラス製偏光板、積層型偏光子薄膜を用いることも
可能である。特に、ガラス製偏光子や積層型偏光子薄膜
を偏光子と検光子に用いた光磁界センサは、小型化でき
るという大きな利点がある。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、全反射ミラーを使用せずに
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 and the analyzer are polarization beam splitters. However, a Glan Thompson prism, a polarizing plate made of glass, or a laminated polarizer thin film can be used. In particular, an optical magnetic field sensor using a glass polarizer or a laminated polarizer thin film for a polarizer and an analyzer has a great advantage that the size can be reduced. It is also possible to replace the self-focusing rod lens with a lens capable of obtaining parallel light. Furthermore, it was possible to configure a linear optical magnetic field sensor without using a total reflection mirror.
【0049】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。The improvement of the linearity can be achieved not only with a light source in the 0.8 μm band but also with a 1.3 μm band which transmits a rare earth iron garnet crystal.
Other wavelengths in the μm band and 1.5 μm band were also observed.
In addition, it was confirmed that the magnetic field was measured not only at a frequency of 60 Hz but also from a DC magnetic field to about several hundred kHz with good linearity.
【0050】また、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すべ
てに適応可能であり、またこれらの実施例を組み合わせ
て光磁界センサを構成することも可能である。In the magneto-optical device of this embodiment, an example is shown in which a rare earth iron garnet crystal represented by the following formula (1) is used in order to consider the temperature characteristics of the optical magnetic field sensor. The configuration of the optical system can be applied to all optical magnetic field sensors using a garnet crystal, which is a ferrimagnetic material, as a magneto-optical element, and it is also possible to configure an optical magnetic field sensor by combining these embodiments.
【0051】[0051]
【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である。As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide an optical magnetic field sensor having higher linearity with respect to a magnetic field than conventional ones.
【図1】本発明による第1の実施例の光磁界センサの構
成図である。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
成図である。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
成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明による第4の実施例の光磁界センサの構
成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明による第5の実施例の光磁界センサの構
成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
【図6】本発明による第6の実施例の光磁界センサの構
成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of an optical magnetic field sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
【図7】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である。FIG. 7 is a schematic diagram of an embodiment of a current measuring device using the optical magnetic field sensor according to the present invention.
【図8】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である。FIG. 8 is a diagram showing a linearity error of an output of a current measuring device using the photomagnetic field sensor according to the first embodiment of the present invention.
【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である。FIG. 9 is a diagram showing a linearity error of an output of a current measuring device using a conventional optical magnetic field sensor.
【図10】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である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a diffraction phenomenon of light by a ferrimagnetic garnet crystal.
【図11】従来の光磁界センサの構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional optical magnetic field sensor.
【図12】ファラデー効果を用いた磁界の測定原理を示
す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a principle of measuring a magnetic field using the Faraday effect.
a 入射光 b 出射光 c 入射側光ファイバ9と入射側球レンズ13の距離 d 入射側球レンズ13と偏光子3の距離 e 全反射ミラー6と出射側球レンズ14の距離 f 出射側球レンズ14と出射側光ファイバ9の距離 1、8、9、16、23、26 光ファイバ 2、7、10、11、20 レンズ 3、18 偏光子 4、15 磁気光学素子 5、19 検光子 6 全反射ミラー 12 フレネルレンズまたはグレーティングレンズ 13、14 球レンズ 17、22、38 フェ
ルール 21 ケース 24 光磁界センサ 25 光源 27 光検出部 28 信号処理用電気回路 29 コア 30 電線 31 フェリ磁性ガーネ
ット結晶 32 0次光 33 1次光 34 2次光 35 3次光 36 スクリーン 37 ホルダーa Incident light b Outgoing light c Distance between the incident side optical fiber 9 and the incident side spherical lens 13 d Distance between the incident side spherical lens 13 and the polarizer 3 e Distance between the total reflection mirror 6 and the emitting side spherical lens 14 f Outgoing side spherical lens Distance between 14 and output side optical fiber 9 1, 8, 9, 16, 23, 26 Optical fiber 2, 7, 10, 11, 20 Lens 3, 18 Polarizer 4, 15 Magneto-optical element 5, 19 Analyzer 6 All Reflecting mirror 12 Fresnel lens or grating lens 13, 14 Ball lens 17, 22, 38 Ferrule 21 Case 24 Optical magnetic field sensor 25 Light source 27 Light detection unit 28 Signal processing electric circuit 29 Core 30 Electric wire 31 Ferrimagnetic garnet crystal 32 0th-order light 33 Primary light 34 Secondary light 35 Tertiary light 36 Screen 37 Holder
Claims (5)
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面に、前記偏光子をはさんで、
第1の光伝送路が設けられ、また、前記磁気光学素子の
他方の端面に、前記検光子をはさんで、第2の光伝送路
が設けられ、 前記第2の光伝送路の伝送路径が、前記第1の光伝送路
の伝送路径より大きいことを 特徴とする透過形光磁界セ
ンサ。A polarizer, a magneto-optical element, and an analyzer having transmission polarization directions different from each other with respect to the polarizer are arranged at least along a traveling direction of light, and a magnetic field to be measured is output light intensity. In the optical magnetic field sensor to detect as , on one end surface of the magneto-optical element, sandwich the polarizer,
A first optical transmission line is provided, and the first
A second optical transmission line sandwiching the analyzer on the other end face
Is provided, and the transmission path diameter of the second optical transmission path is the first optical transmission path.
A transmission type optical magnetic field sensor, wherein the transmission type optical magnetic field sensor is larger than the transmission path diameter .
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面に、前記偏光子をはさんで、
第1のレンズが設けられ、また、前記磁気光学素子の他
方の端面に、前記検光子をはさんで、第2のレンズが設
けられ、 前記第2のレンズのレンズ径が、前記第1のレンズのレ
ンズ径より大きいことを 特徴とする透過形光磁界セン
サ。2. A magnetic field to be measured is output light intensity by disposing a polarizer, a magneto-optical element, and an analyzer having different transmission polarization directions with respect to the polarizer at least along a traveling direction of light. In the optical magnetic field sensor to detect as , on one end surface of the magneto-optical element, sandwich the polarizer,
A first lens is provided, and a first lens is provided in addition to the magneto-optical element.
A second lens is set on one end face with the analyzer
And the lens diameter of the second lens is smaller than the lens diameter of the first lens.
A transmission-type optical magnetic field sensor having a diameter larger than the diameter of the lens .
と、多磁区構造を有する磁気光学素子と、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、前記磁気光学素子と前記検光子の間の光路
上に、発散光を平行光となす方向にフレネルレンズまた
はグレーティングを設けたことを特徴とする光磁界セン
サ。3. A device to be measured by arranging a polarizer, a magneto-optical element having a multi-domain structure, and an analyzer having transmission polarization directions different from each other with respect to the polarizer at least along a traveling direction of light. An optical magnetic field sensor for detecting a magnetic field as output light intensity, wherein a Fresnel lens or a grating is provided on an optical path between the magneto-optical element and the analyzer in a direction in which divergent light becomes parallel light. Magnetic field sensor.
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面に、前記偏光子をはさんで設
けられた第1のレンズと、前記磁気光学素子の他の端面
に、前記検光子をはさんで設けられた第2のレンズと
が、集光光学系で構成されていることを特徴とする光磁
界センサ。4. A magnetic field to be measured is output by a polarizer, a magneto-optical element, and an analyzer having transmission polarization directions different from each other with respect to the polarizer, at least along a traveling direction of light. A first lens provided on one end face of the magneto-optical element with the polarizer interposed therebetween, and another end face of the magneto-optical element.
In a second lens provided across the analyzer
Is a light condensing optical system.
結晶であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに
記載の光磁界センサ。 5. An optical magnetic field sensor according to claim 1, wherein said magneto-optical element is a ferrimagnetic garnet crystal.
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