(57)【要約】【課題】電流センサの感度を良好にするファラデー回転子を提供する。【解決手段】柱状ガラス材からなることを特徴とする電流センサ用ファラデー回転子。【選択図】図１
2018112442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状ガラス材からなることを特徴とする電流センサ用ファラデー回転子。
【請求項２】
モル％の酸化物換算で、Ｔｂ２Ｏ３を３０％以上含有することを特徴とする電流センサ用ファラデー回転子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のファラデー回転子、及び、ファラデー回転子の周囲に巻かれた電線を備えることを特徴とする電流センサ用部材。
【請求項４】
請求項３に記載の電流センサ用部材、偏光子、検光子、光源、及び、光検出器を備えることを特徴とする電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサ用ファラデー回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力設備の監視等を行う電流センサが注目されている。電流センサは、伝搬する光の偏光面が磁界により回転するファラデー効果を利用して電流の強さを測定するセンサである。電流の強さによって磁界の強さは変化し、また、磁界の強さによって光の回転角度は変化するため、光の回転角度の変化を検知することで、電流の強さを測定することができる。
【０００３】
従来では、このような電流センサには、ファイバー状のファラデー回転子が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。具体的には、電線の周囲にファイバー状のファラデー回転子を巻きつけると、電線に流れた電流により発生する磁界により、ファラデー回転子を伝搬する光の偏光面が回転する。この偏光面の回転角を検知することで、電流の強さを測定する。
【０００４】
ちなみに、ファラデー効果による偏光面の回転角θは、磁場の強さをＨ、ファラデー回転子の長さをＬとして、以下の式により表される。式中において、Ｖは物質の種類に依存する定数であり、ベルデ定数と呼ばれる。ベルデ定数は反磁性体の場合は正の値、常磁性体の場合は負の値となる。ベルデ定数の絶対値が大きいほど、磁場の強さが大きいほど、ファラデー回転子の長さが大きいほど、偏光面の回転角は大きくなる。
【０００５】
θ＝ＶＨＬ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５０７７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ファイバー状のファラデー回転子を用いた電流センサは、偏光面の回転角を正確に測定することができず感度が悪いという問題があった。
【０００８】
以上に鑑み、本発明は、電流センサの感度を良好にするファラデー回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電流センサ用ファラデー回転子は、柱状ガラス材からなることを特徴とする。ファイバー状のファラデー回転子は、電線の周囲にコイル状に巻きつける必要があるため、曲げ応力による歪みが生じる。この歪みの影響で、光弾性効果による複屈折が生じ、入射した光の偏光状態が変化する。結果として、ファイバー状のファラデー回転子を用いた電流センサは、偏光面の回転角度を正確に測定することができず、電流センサの感度が悪くなる。一方、本発明のファラデー回転子は柱状ガラス材であり、周囲に電線を巻くことにより電流センサとして機能させるものである。そのため、本発明のファラデー回転子を用いた電流センサは、コイル状に巻く形態と異なり、歪みが生じにくいため、偏光面の回転角度を正確に測定することが出来るため、感度が良好になりやすい。
【００１０】
本発明の電流センサ用ファラデー回転子は、モル％の酸化物換算で、Ｔｂ２Ｏ３を３０％以上含有することが好ましい。上記の通り、Ｔｂ２Ｏ３を多量に含有することで、ベルデ定数の絶対値が大きくなり、十分なファラデー効果が得られるため、ファイバー形状のように長くしなくても大きなファラデー回転角が得やすい。
【００１１】
本発明の電流センサ用部材は、上記のファラデー回転子、及び、ファラデー回転子の周囲に巻かれた電線を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電流センサは、上記の電流センサ用部材、偏光子、検光子、光源、及び、光検出器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電流センサ用ファラデー回転子は、電流センサの感度を良好にするファラデー回転子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電流センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【図２】無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、電流センサの原理、構造について図１を用いて説明する。
【００１６】
図１は、電流センサの基本構造を示す模式的断面図である。
【００１７】
電流センサ１は電流の変化を光信号にて検出するセンサであり、光源１０、偏光子１１、ファラデー回転子１２、検光子１４、光検出器１５の順に配置してなる。なお、ファラデー回転子１２の周囲には電線１３がコイル状に巻かれており、電流センサ用部材を構成している。光源１０からの入力光が偏光子１１を通過し、直線偏光となって、ファラデー回転子１２へ入射される。入射された光は、ファラデー回転子１２、検光子１４を通り検出光となる。次に、検光子１４を回転させ、光検出器１５により検出光の強度を測定し、その強度が最大となる時の回転角度を測定する。測定した回転角度から電線１３に流れる電流の大きさの情報を得ることができる。
【００１８】
以下、各要素ごとに詳細を説明する。
【００１９】
（電流センサ用ファラデー回転子１２）
本発明の電流センサ用ファラデー回転子１２は、円柱状等の柱状ガラス材からなる。ファラデー回転子１２は、柱状であるため光弾性効果による複屈折が生じにくい。そのため、本発明のファラデー回転子１２を用いた電流センサは、偏光面の回転角度を正確に測定することが出来るため、感度が良好になりやすい。
【００２０】
ファラデー回転子１２の直径は、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５．５ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４．５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３．８ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下、特に３．４ｍｍ以下であることが好ましい。ガラス材の直径が大きすぎると、電流センサ１を小型化しにくくなる。なお、ファラデー回転子１２の直径の下限は特に限定されないが、現実的には０．５ｍｍ以上である。
【００２１】
ファラデー回転子１２の長さは２０ｍｍ以下、１９ｍｍ以下、１８．５ｍｍ以下、１８ｍｍ以下、１７ｍｍ以下、１６ｍｍ以下、特に１５．５ｍｍ以下であることが好ましい。ファラデー回転子１２の長さが大きすぎると、電流センサ１を小型化しにくくなる。なお、ファラデー回転子１２の長さの下限は特に限定されないが、現実的には０．５ｍｍ以上である。
【００２２】
ファラデー回転子１２は、モル％の酸化物換算で、Ｔｂ２Ｏ３を３０％以上含有するガラス材からなることが好ましい。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。
【００２３】
Ｔｂ２Ｏ３はベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Ｔｂ２Ｏ３の含有量は３０％以上であり、３５％以上、４０％以上、４５％以上、４８％以上、５０％以上、５１％以上であることが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、７５％以下、７０％以下、特に６９％以下であることが好ましい。
【００２４】
なお、本発明におけるＴｂ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在するＴｂを全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００２５】
Ｔｂを含有するガラスは、Ｔｂが主にＴｂ３＋とＴｂ４＋の状態で存在している。Ｔｂ３＋は波長４００〜１１００ｎｍの範囲で光吸収が比較的少ないのに対し、Ｔｂ４＋は波長４００〜１１００ｎｍの範囲で幅広い光吸収を持つため、光透過率低下の原因となる。よって、全Ｔｂに対するＴｂ３＋の割合は、モル％で５５％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、特に９５％以上であることが好ましい。
【００２６】
本発明に使用されるガラスには、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。
【００２７】
Ｂ２Ｏ３はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｂ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ２Ｏ３の含有量は０〜６０％、０〜５５％、０〜５０％、０〜４５％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２８】
Ｐ２Ｏ５はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｐ２Ｏ５はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｐ２Ｏ５の含有量は０〜６０％、０〜５５％、０〜５０％、０〜４５％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００２９】
Ａｌ２Ｏ３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ２Ｏ３の含有量は０〜４５％、０．１〜４０％、０．５〜３０％、０．８〜２５％、特に１〜２０％であることが好ましい。
【００３０】
ＳｉＯ２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ＳｉＯ２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０〜６０％、０〜５５％、０〜５０％、０〜４５％、１〜４０％、特に１〜３５％であることが好ましい。
【００３１】
Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。
【００３２】
Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３はガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て３価の酸化物に換算して表したものである。
【００３３】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０〜１０％、特に各々０〜５％であることが好ましい。
【００３４】
Ｇａ２Ｏ３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ２Ｏ３の含有量は０〜６％、特に０〜５％（ただし５％は含まない）であることが好ましい。
【００３５】
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こしたり、ガラス化の安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量（Ｆ２換算）は０〜１０％、０〜７％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００３６】
還元剤としてＳｂ２Ｏ３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ２Ｏ３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。
【００３７】
本発明に使用されるガラスは、波長４００〜１１００ｎｍの範囲で良好な光透過性を示す。具体的には、波長６３３ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、特に８０％以上であることが好ましい。また、波長５３２ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は３０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。さらに、波長１０６４ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は６０％以上、７０％以上、７５％以上、特に８０％以上であることが好ましい。
【００３８】
本発明に使用されるガラスは、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図２は、無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図２を参照しながら、本発明に使用されるガラスの製造方法について説明する。
【００３９】
ガラスの製造装置２は成形型２０を有する。成形型２０は溶融容器としての役割も果たす。成形型２０は、成形面２０ａと、成形面２０ａに開口している複数のガス噴出孔２０ｂとを有する。ガス噴出孔２０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構２１に接続されている。このガス供給機構２１からガス噴出孔２０ｂを経由して、成形面２０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
【００４０】
製造装置２を用いてガラスを製造するに際しては、まず、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に配置する。ガラス原料塊２２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
【００４１】
次に、ガス噴出孔２０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊２２を、成形面２０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置２３からレーザー光をガラス原料塊２２に照射する。これによりガラス原料塊２２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラスを得ることができる。ガラス原料塊２２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊２２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面２０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁界を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁界センサ用ファラデー回転子１２は、得られたガラスをプレス、切削、研磨等の加工を施し、所望の形状にすることにより得られる。
【００４２】
（電線１３）
電線１３の材質としては、銅、銅合金、アルミニウム等の良導体が挙げられる。
【００４３】
電線１３の直径は、１．５ｍｍ以下であることが好ましい。電線１３の直径が大きすぎると、電流センサ１を小型化しにくくなる。
【００４４】
電線１３をファラデー回転子１２に巻きつける回数は、２回以上であることが好ましい。巻きつける回数が少なすぎると、電線１３に流れた電流により発生する磁場がファラデー回転子１２にかかりにくくなる。
【００４５】
（偏光子１１及び検光子１４）
偏光子１１及び検光子１４の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、２０ｄＢ以上、３０ｄＢ以上、４０ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上の消光比を有する材料が好ましい。
【００４６】
（光源１０）
光源１０としては、波長範囲が４００〜１２００ｎｍであることが好ましい。特に、入手が容易で安価な８３０ｎｍや８５０ｎｍの発光ダイオードや、６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーであることが好ましい。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例）
６０Ｔｂ２Ｏ３−９Ｐ２Ｏ５−２６Ｂ２Ｏ３−５Ａｌ２Ｏ３（モル％）のガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、７００〜１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
【００４９】
次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、１．２ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図２に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス材（直径約６ｍｍ）を作製した。なお、熱源としては１００Ｗ  ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。
【００５０】
得られたガラス材を切削、研磨、プレス等により直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状のファラデー回転子を得た。得られたファラデー回転子を用いて、図１に示した構成のように電流センサを作製した。なお、電線の材質、電線をファラデー回転子に巻きつける回数、偏光子及び検光子、及び、光源は下記に示す通りである。
電線の材質：銅
巻きつける回数：５回
偏光子及び検光子：グラントムソン偏光子（消光比  ５０ｄＢ）
光源：６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー
【００５１】
電線に５００Ａの電流を流しながら、検光子を回転させ、検出光の強度が最大になった時の回転角度を測定した。電流を流していない状態では、回転角度は０°であったが、５００Ａの電流を流した状態では、回転角度が０．７°となり、電流センサとして機能することが分かった。
【符号の説明】
【００５２】
１  電流センサ
２  ガラスの製造装置
１０  光源
１１  偏光子
１２  ファラデー回転子
１３  電線
１４  検光子
１５  光検出器
２０：成形型
２０ａ：成形面
２０ｂ：ガス噴出孔
２１：ガス供給機構
２２：ガラス原料塊
２３：レーザー光照射装置
【図１】
2018112442.tif 000003
【図２】
2018112442.tif 000004