(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する光源と、
交流磁界を発生し得る磁界発生用コイルと、
磁界発生用コイル内に配置され且つ、ギャップを有しつつ導電性材料により環状に形成された磁界検出用コイルと、
磁界検出用コイルのギャップに挿入され且つ、光源からの光が通過され得る電気光学結晶と、
電気光学結晶を通過した光の状態を検出する光検出部材と、
を有したことを特徴とする透磁率測定装置。
【請求項２】
基板上に配置された導体パターンにより磁界検出用コイルが形成され、この基板の磁界検出用コイル内の部分に貫通穴が設けられることを特徴とする請求項１記載の透磁率測定装置。
【請求項３】
電気光学結晶が、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムにより形成されたことを特徴とする請求項１或いは請求項２記載の透磁率測定装置。
【請求項４】
磁界検出用コイルのギャップ周辺部分に支持部を設け、この支持部間で電気光学結晶を挟持することで、電気光学結晶がギャップに挿入されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の透磁率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低周波数帯域から高周波数帯域まで高精度に磁界情報を取得して磁性材料の透磁率を正確に測定する透磁率測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性材料の透磁率の測定にはインダクタンス法やヨーク法等が利用されている他、下記の特許文献１、２に開示された透磁率測定装置も高周波透磁率測定用としてそれぞれ知られている。この内の例えば特許文献１には、図５に示すように磁性試料Ｍを挿入する貫通穴を有した測定用コイル１１６が、磁界発生用コイル１１２内に設置された構造となる透磁率測定装置が開示されている。
【０００３】
この透磁率測定装置では、高周波電源１１４からの電圧によりこの磁界発生用コイル１１２に交流磁界を発生させ、測定用コイル１１６でこの交流磁界を検出すると共に、得た磁界情報を電気信号として金属伝送路である信号引出し部１１８及びアース導体１２０を介して図示しない測定機側に伝送するような、磁界センサとして機能するようになっていた。
【０００４】
そして、測定用コイル１１６の貫通穴に磁性試料Ｍを挿入していない場合の測定用コイル１１６の出力となる電気信号と、測定用コイル１１６の貫通穴に磁性試料Ｍを挿入した場合の出力となる電気信号が、信号引出し部１１８及びアース導体１２０を介して伝送された測定機においてそれぞれ計測され、これら各場合の出力からこの磁性試料Ｍの比透磁率を求めていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１０４０４４号公報
【特許文献２】
特開昭６１−５７８７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１にて開示された透磁率測定装置により、高周波透磁率を測定しようとした場合、測定用コイル１１６と信号引出し部１１８等の金属伝送路との接続部におけるインピーダンス整合が不十分な為に反射が生じることや、測定用コイル１１６や信号引出し部１１８等の金属伝送路が受信する電界による信号が重畳されることにより、測定精度が低下してしまう虞を有していた。つまり、この結果として、１００ＭＨｚ程度までしか比透磁率の測定ができず、ＧＨｚ帯での高精度な比透磁率の測定は出来なかった。
【０００７】
以上より、従来の透磁率測定装置によっては、ＧＨｚ帯のような高周波数帯域における比透磁率の高精度な測定は困難であった。
本発明は上記事実を考慮し、低周波数帯域から高周波数帯域まで高精度に磁界情報を取得して正確な比透磁率を得る透磁率測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１による透磁率測定装置は、光を発生する光源と、
交流磁界を発生し得る磁界発生用コイルと、
磁界発生用コイル内に配置され且つ、ギャップを有しつつ導電性材料により環状に形成された磁界検出用コイルと、
磁界検出用コイルのギャップに挿入され且つ、光源からの光が通過され得る電気光学結晶と、
電気光学結晶を通過した光の状態を検出する光検出部材と、
を有したことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る透磁率測定装置によれば、ギャップを有しつつ導電性材料により環状に形成された磁界検出用コイルが、交流磁界を発生し得る磁界発生用コイル内に配置され、この磁界検出用コイルのギャップに電気光学結晶が挿入された構成を有している。さらに、光を発生する光源からの光がこの電気光学結晶を通過し、この通過した光の状態を光検出部材が検出するようになる。
【００１０】
従って、本請求項に係る透磁率測定装置は、磁界発生用コイル内に配置された磁界検出用コイルにギャップが形成され、このギャップに電気光学結晶が挿入される構成とされている。そして、この電気光学結晶に光源からの例えばレーザー光等の光を通過させることで、この磁界検出用コイルが検出して取得した磁界情報を電気光学結晶の電気光学効果を利用して光信号に変換することができる。
【００１１】
具体的には、磁界検出用コイル内に磁性試料を挿入していない場合の出力及び、この磁界検出用コイル内に磁性試料を挿入した場合の出力が、電気光学結晶を通過した光の状態を光検出部材により検出することでそれぞれ得られ、これら各場合の出力を基に、この磁性試料の比透磁率を得ていた。
【００１２】
これに伴い本請求項に係る透磁率測定装置のセンサ部分は、磁界検出用コイル及び電気光学結晶によって磁界を光信号に変換しこの光信号を伝送するような簡易な構成であり、この電気光学結晶を通過した光源からの光の状態を光検出部材が検出するようになっているので、電気信号を金属伝送路により伝送する従来の磁界センサと異なって、金属伝送路を使用していないことになる。
【００１３】
この為、電界の影響が少ない状態での磁界測定が可能であり、また磁界検出用コイルと金属伝送路との接続部におけるインピーダンス整合が不十分なことによる反射を無くすこともできる。つまり、光を用いていることから、低周波数帯域だけでなく特にＧＨｚ帯等の高周波数帯域においても、高精度に高周波透磁率の測定が可能になる。
【００１４】
以上の結果として、本請求項に係る透磁率測定装置によれば、低周波数帯域から高周波数帯域まで高精度な磁界の測定が可能となると共に高精度なままでの磁界情報の伝送が可能となるのに伴って、高精度に磁界情報を取得して正確な比透磁率を得ることができる。
【００１５】
請求項２に係る透磁率測定装置によれば、請求項１の透磁率測定装置と同様の構成の他に、基板上に配置された導体パターンにより磁界検出用コイルが形成され、この基板の磁界検出用コイル内の部分に貫通穴が設けられるという構成を有している。
【００１６】
つまり、本請求項によれば請求項１の作用効果だけでなく、基板上に配置された導体パターンにより磁界検出用コイルが形成されることで、磁界検出用コイルの形状が安定し、これに伴って測定データも安定化するという作用効果をも有する。また、基板上に磁界検出用コイルが配置されているので、この磁界検出用コイルのギャップ内への電気光学結晶の取り付けも容易になる。
【００１７】
請求項３に係る透磁率測定装置によれば、請求項１及び請求項２の透磁率測定装置と同様の構成の他に、電気光学結晶が、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムにより形成されるという構成を有している。つまり、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを電気光学結晶として採用することで、請求項１の作用効果をより確実に達成可能となる。
【００１８】
請求項４に係る透磁率測定装置によれば、請求項１から請求項３の透磁率測定装置と同様の構成の他に、磁界検出用コイルのギャップ周辺部分に支持部を設け、この支持部間で電気光学結晶を挟持することで、電気光学結晶がギャップに挿入されるという構成を有している。
【００１９】
つまり、磁界検出用コイルを請求項２のように基板上に配置された導体パターンとすれば、ギャップに電気光学結晶を単に挿入しただけでは、電気光学結晶の広い範囲で均一に電界を印加できないが、例えば金属製の支持部をギャップ周辺部分に設けた場合には、この支持部間で電気光学結晶を挟持する形となるので、支持部が電極となって電気光学結晶の広い範囲で電界を均一に印加できるようになる。この結果として、電気光学結晶の電気光学効果をより確実に利用できるのに伴って、請求項１の作用効果をより一層確実に達成可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る透磁率測定装置の一実施の形態を図面に基づき説明する。本実施の形態に係る透磁率測定装置１０は、図１から図４に示すように、被測定対象とする電磁界中に配置される光磁界センサであるセンサ本体１２及び、レーザー光Ｌを送受光し得る光学系等により、構成されている。
【００２１】
図１及び図２に示すように、このセンサ本体１２の外枠となる磁界発生用コイル１４が、金属板を屈曲した四角形の筒状であって一端が開放された形に形成されている。この開放された磁界発生用コイル１４の両側の端部に配線１６がそれぞれ接続されており、高周波数の交流電流を発生する高周波電源１８が、この配線１６を介して磁界発生用コイル１４の端部にそれぞれ接続されている。この為、高周波電源１８からの交流電流によって、磁界発生用コイル１４がほぼ一様な交流磁界を発生することになる。
【００２２】
この磁界発生用コイル１４内には、図１から図３に示すようなガラスエポキシ製のプリント基板２０が、磁界発生用コイル１４の貫通方向に対して面を直交する形で配置されており、このプリント基板２０上には、環状の内の例えば長方形に形成された磁界検出用コイルである導体パターン２２が、金属等の導電性材料で平面的に設けられている。そして、このプリント基板２０の導体パターン２２内の部分には、導体パターン２２の内周側に沿った内周面を有する貫通穴２６が、設けられており、また、この導体パターン２２の途中の部分には、隙間であるギャップ２４がプリント基板２０を切り欠きつつ、設けられている。
【００２３】
一方、特に本実施の形態の要部を詳細に表す図３に示すように、このギャップ２４を形成する導体パターン２２の端部には、支持部である一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂが相互に平行になるようにそれぞれ配置されている。つまり、導体パターン２２のギャップ２４の周辺部分には、Ｌ字形に銅等で形成された一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂが、半田づけによってそれぞれ接続されている。
【００２４】
また、導体パターン２２のギャップ２４内には、直方体状に形成された電気光学素子２８が、これら一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂの相互に対向する側にそれぞれ当接されると共に例えば図示しない導電性接着剤で接着される形で、挿入されて配置されている。この電気光学素子２８は、電気光学結晶により形成されているが、この電気光学結晶としては、加わる電圧の変化により屈折率が変化する例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の結晶が、用いられている。
【００２５】
従って、本実施の形態に係るセンサ本体１２は、磁界発生用コイル１４、高周波電源１８、プリント基板２０、導体パターン２２、平行平板電極２５Ａ、２５Ｂ及び電気光学素子２８等により、製作できることになり、また、本実施の形態では、磁界情報を確実に抽出できるように光学軸方向が所定の方向に向く形で、この電気光学素子２８は配置されている。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０の光学系全体について、図４に基づき説明する。
図４に示すように本実施の形態では、レーザー光Ｌを発生するレーザー光源３０を有しており、このレーザー光源３０に接続された光ファイバ３２の端部に設けられた発光部となるレンズ３２Ａがレーザー光源３０から送られたレーザー光Ｌを射出するようになっている。
【００２７】
一方、光の強度の変化を電流量の変化に変換する光検出部材であるフォトレシーバ４２に光ファイバ４０が繋がれており、この光ファイバ４０の端部に設けられて受光部となるレンズ４０Ａが、レーザー光Ｌを受光するようになっている。この為、レンズ４０Ａが受光したレーザー光Ｌが光ファイバ４０内を通過し、フォトレシーバ４２がこのレーザー光Ｌの状態を検出し得るようになっている。そして、このフォトレシーバ４２には、フォトレシーバ４２で変換された電流量の変化を表示し得るネットワークアナライザ４４が接続されており、またこのネットワークアナライザ４４が磁界発生用コイル１４にも接続されている。
【００２８】
さらに、前述のレンズ３２Ａから射出されたレーザー光Ｌを受光し得る位置にこのレンズ４０Ａは配置されており、これらのレンズ３２Ａとレンズ４０Ａとの間には、レンズ３２Ａ側から順に、レーザー光Ｌを偏光する偏光子３４、電気光学素子２８、波長板３６及び、偏光状態の変化を光の強度変化に変換する検光子３８が、直線上に並んで配置されている。つまり、本実施の形態はレーザー光Ｌが直進する直進系となっている。
【００２９】
以上より、レーザー光源３０がレーザー光Ｌを発生すると、この光ファイバ３２内を通過すると共にレンズ３２Ａから射出されて、上記の順でレーザー光Ｌが通過し、光ファイバ４０のレンズ４０Ａで受光するようになる。そして、レンズ４０Ａから光ファイバ４０内に入ったこのレーザー光Ｌの状態をフォトレシーバ４２が検出することになる。
【００３０】
他方、導電性のループである図１から図３に示す導体パターン２２の貫通穴２６内を例えば磁束が貫通した場合には、この導体パターン２２に電流が流れる。これに伴って、この導体パターン２２のギャップ２４周辺に電圧が生じると共に、このギャップ２４内に配置された電気光学素子２８にこの電圧が加わって電界が生じる結果として、この電気光学素子２８の屈折率が変化する。つまり、導体パターン２２内を貫通した磁束は、センサ本体１２により検出された磁界情報となり、この磁界情報が、電気光学素子２８の屈折率の変化に変換される。
【００３１】
さらに、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０は、図４に示す構造より電気光学素子２８の屈折率の変化をこの電気光学素子２８に打ち込まれたレーザー光Ｌの偏光状態の変化として一旦捉えることができる。そして、検光子３８を通過させることによって、偏光状態の変化をレーザー光Ｌの強度変化に変換し、最後にフォトレシーバ４２によって電流量の変化に変換されることになる。この結果として、このフォトレシーバ４２に接続されるネットワークアナライザ４４がこの電流量の変化を表示でき、このネットワークアナライザ４４の表示に基づいて比透磁率を算出することで、比透磁率が得られるようになる。
【００３２】
以上のことから、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０の光学系は、レーザー光源３０及びフォトレシーバ４２、さらにはこれらレーザー光源３０とフォトレシーバ４２との間に配置された光ファイバ３２、偏光子３４、波長板３６、検光子３８及び光ファイバ４０等で、構成されていることになる。
【００３３】
次に、上記のフォトレシーバ４２の出力から比透磁率を算出する手順を説明する。
具体的には、以上の透磁率測定装置１０において磁界発生用コイル１４により交流磁界を発生させ、図１に示すプリント基板２０の貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入していない場合のフォトレシーバ４２の出力と、図２に示すこの貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入した場合のフォトレシーバ４２の出力とをそれぞれ求め、以下の数式によってこの磁性試料Ｍの比透磁率を得るようにする。
【００３４】
先ず、図１に示す状態での出力をＶOUT0とし、図２に示す状態での出力をＶOUTMとして、下記の式１、式２からプリント基板２０の貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入していない場合の磁界による誘導起電圧Ｖ0 及び、この貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入した場合の磁界による誘導起電圧ＶM をそれぞれ算出する。
【００３５】
Ｖ0 ＝α・ＶOUT0…式１
ＶM ＝α・ＶOUTM…式２
つまり、これら式１、式２から誘導起電圧Ｖ0 、ＶM は、フォトレシーバ４２の出力ＶOUT0、ＶOUTMとそれぞれ線形関係にある。ここで、αはセンサ本体１２と光学系により定まる定数である。
【００３６】
さらに、これら誘導起電圧Ｖ0 、ＶM から磁性試料Ｍの比透磁率であるμr は、次の式３により算出される。
μr ＝Ｓ／（ｔ・ｄ）・（ＶM ／Ｖ0 −１）＋１…式３
ここで、図１に示すように、Ｓは貫通穴２６の開口面積、ｔは磁性試料Ｍの厚さ、ｄは磁性試料Ｍの幅である。
【００３７】
次に、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０の作用を説明する。
本実施の形態に係る透磁率測定装置１０によれば、図１から図４に示すように、ほぼ一様な交流磁界を発生し得る磁界発生用コイル１４内にプリント基板２０が配置されており、このプリント基板２０上に導電性材料により環状に形成された導体パターン２２が配置され、またこのプリント基板２０の導体パターン２２内の部分に貫通穴２６が設けられている。さらに、この導体パターン２２にはギャップ２４が形成されており、このギャップ２４に光学軸方向が調整された状態で電気光学素子２８が挿入されている。
【００３８】
さらに、レーザー光源３０からのレーザー光Ｌが、図４に示すようにレーザー光源３０とフォトレシーバ４２との間に配置されている光ファイバ３２、偏光子３４、電気光学素子２８、波長板３６、検光子３８及び光ファイバ４０を通過し、これらを通過したレーザー光Ｌの状態をフォトレシーバ４２が最終的に検出するようになる。
【００３９】
従って、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０は、磁界発生用コイル１４内に配置された導体パターン２２にギャップ２４が形成され、このギャップ２４に電気光学素子２８が挿入される構成とされている。そして、この電気光学素子２８にレーザー光源３０からのレーザー光Ｌを通過させることで、この導体パターン２２が検出して取得した磁界情報を電気光学素子２８の電気光学効果を利用して前述のように光信号に変換していた。
【００４０】
さらに本実施の形態では、レーザー光源３０とフォトレシーバ４２との間に配置された偏光子３４、波長板３６及び検光子３８がレーザー光Ｌの状態を調整し、この最適に調整されたレーザー光Ｌの状態をフォトレシーバ４２が検出し、ネットワークアナライザ４４が、このフォトレシーバ４２で検出された磁界情報を表示していた。そして、最終的にこの表示された磁界情報から比透磁率を算出していた。
【００４１】
具体的には、図１に示す導体パターン２２内の貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入していない場合の出力ＶOUT0及び、図２に示すこの貫通穴２６に磁性試料Ｍを挿入した場合の出力ＶOUTMが、電気光学素子２８を通過したレーザー光Ｌの状態をフォトレシーバ４２でそれぞれ検出することで得られ、これら各場合の出力を基に、前述の数式によってこの磁性試料Ｍの比透磁率μr を得ていた。
【００４２】
これに伴い本実施の形態に係る透磁率測定装置１０のセンサ部分は、導体パターン２２及び電気光学素子２８によって磁界を光信号に変換しこの光信号を伝送するような簡易な構成であり、この電気光学素子２８を通過したレーザー光源３０からのレーザー光Ｌの状態をフォトレシーバ４２が検出するようになっているので、電気信号を金属伝送路により伝送する従来の磁界センサと異なって、金属伝送路を使用していないことになる。
【００４３】
この為、電界の影響が少ない状態での磁界測定が可能であり、導体パターンと金属伝送路との接続部におけるインピーダンス整合が不十分なことによる反射を無くすこともでき、レーザー光Ｌを用いていることから、低周波数帯域だけでなく特にＧＨｚ帯等の高周波数帯域においても、高精度に透磁率の測定が可能になる。
【００４４】
以上の結果として、本実施の形態に係る透磁率測定装置１０によれば、低周波数帯域から高周波数帯域まで高精度な磁界の測定が可能となると共に高精度なままでの磁界情報の伝送が可能となるのに伴って、高精度に磁界情報を取得して比透磁率を高精度に得ることができるようになる。
【００４５】
一方、本実施の形態では、プリント基板２０上に配置された導体パターン２２により磁界検出用コイルが形成され、このプリント基板２０の導体パターン２２内の部分に貫通穴２６が設けられているので、導体パターン２２の形状が安定し、これに伴って測定データも安定化する。また、プリント基板２０上に導体パターン２２が配置されているので、この導体パターン２２のギャップ２４内への電気光学素子２８の取り付けも容易になる。
【００４６】
他方、本実施の形態では、図３に示すように、導体パターン２２のギャップ２４周辺部分に一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂを設け、これら一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂで電気光学素子２８を挟持することで、電気光学素子２８がギャップ２４に挿入された構造になっている。
【００４７】
つまり、導体パターン２２のギャップ２４に電気光学素子２８を単に挿入しただけでは、電気光学素子２８の広い範囲で均一に電界を印加できないものの、金属製の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂをギャップ２４周辺部分に設け、これら平行平板電極２５Ａ、２５Ｂ間で電気光学素子２８を挟持する形とすれば、平行平板電極２５Ａ、２５Ｂによって電気光学素子２８の広い範囲で電界を均一に印加できるようになる。この結果として、電気光学素子２８の電気光学効果をより確実に利用できるのに伴って、上記の高精度に磁界情報を取得して比透磁率を高精度に得るという作用効果をより一層確実に達成できるようになる。
【００４８】
尚、本実施の形態では、電気光学素子２８を一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂ間に配置する際に導電性接着剤を用いたが、電気光学素子２８に導電性接着剤を塗布せずに、一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂで単に挟持するようにしても良い。また、一対の平行平板電極２５Ａ、２５Ｂの少なくとも電気光学素子２８と対向する部分の厚さは、例えば１５０μｍ程度とすることが考えられる。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、導体パターン２２を長方形としたが、正方形や円形等の他の形状に導体パターン２２を形成しても良く、また、導体パターン２２は本実施の形態のような薄い金属性の導電性材料に限らず、ワイヤー等の部材であっても良い。一方、上記実施の形態では、電気光学結晶として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を採用したが、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3 ）等の他の電気光学結晶を採用しても良い。さらに、上記実施の形態では、電気光学結晶を１つ使用したが、２つ使用した形にしても良い。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、低周波数帯域から高周波数帯域まで高精度に磁界情報を取得して正確な比透磁率が得られる透磁率測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るセンサ本体の一部破断した斜視図であって、貫通穴に磁性試料が挿入されていない状態を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るセンサ本体の一部破断した斜視図であって、貫通穴に磁性試料が挿入された状態を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に適用されるプリント基板を示す図であって、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ矢視線図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る透磁率測定装置を示す全体図である。
【図５】従来例の透磁率測定装置を示す全体図である。
【符号の説明】
１０          透磁率測定装置
１４          磁界発生用コイル
２０          プリント基板（基板）
２２          導体パターン（磁界検出用コイル）
２４          ギャップ
２５Ａ        平行平板電極（支持部）
２５Ｂ        平行平板電極（支持部）
２６          貫通穴
２８          電気光学素子（電気光学結晶）
３０          レーザー光源（光源）
４２          フォトレシーバ（光検出部材）
【図１】
0003702962.tif 000002
【図２】
0003702962.tif 000003
【図３】
0003702962.tif 000004
【図４】
0003702962.tif 000005
【図５】
0003702962.tif 000006