(57)【要約】【課題】高い周波数帯域の電流等の計測対象を計測することができる計測装置を提供する。【解決手段】計測装置は、偏光子と、ファラデー素子と、検光子と、を備える。偏光子は、光源からの計測光を直線偏光に変換する。ファラデー素子は、磁性体の粒子を含み、計測対象に基づく磁界に応じた旋光角で、前記直線偏光に変換された前記計測光の振動方向を旋光させる。検光子は、前記計測光を前記旋光角に応じた強度の前記計測光に変換する。【選択図】図１
2019191111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの計測光を直線偏光に変換する偏光子と、
磁性体の粒子を含み、計測対象に基づく磁界に応じた旋光角で、前記直線偏光に変換された前記計測光の振動方向を旋光させるファラデー素子と、
前記計測光を前記旋光角に応じた強度の前記計測光に変換する検光子と、
を備える計測装置。
【請求項２】
前記ファラデー素子は、前記磁性体の粒子を固定する接合剤を有する
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記磁性体の粒子は、ニッケルの粒子を含む
請求項１または請求項２に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
計算機を始めとする電子回路の高速化から、電圧及び電流の波形を高い周波数帯域で計測できる装置のニーズが高まっている。電圧については、電界によって光の偏光特性を変化させるポッケルス効果を用いた計測装置が１０ＧＨｚの周波数帯域の電圧の計測を実現している。
【０００３】
電流については、磁界によって光の偏光特性を変化させるファラデー効果を用いた電流の計測装置が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１３９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の電流の計測装置では、高い周波数帯域の電流等の計測対象を計測することが難しいといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の計測装置は、偏光子と、ファラデー素子と、検光子と、を備える。偏光子は、光源からの計測光を直線偏光に変換する。ファラデー素子は、磁性体の粒子を含み、計測対象に基づく磁界に応じた旋光角で、前記直線偏光に変換された前記計測光の振動方向を旋光させる。検光子は、前記計測光を前記旋光角に応じた強度の前記計測光に変換する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１実施形態の計測装置の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、ファラデー素子による計測光の旋光角と、検光子を通過する光の強度との関係を示す図である。
【図３】図３は、第２実施形態の計測装置の全体構成を示す図である。
【図４】図４は、単位時間当たりの基板の回転数と、スピンコート法によって生成される膜の膜厚との一般的な関係を示す図である。
【図５】図５は、第３実施形態の計測装置の全体構成を示す図である。
【図６】図６は、第３実施形態のファラデー素子の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。実施形態や変形例に含まれる部分は、他の実施形態や変形例の対応する部分と置き換えて構成されることができる。また、実施形態や変形例に含まれる部分の構成や位置等は、特に言及しない限りは、他の実施形態や変形例と同様である。
【０００９】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の計測装置１０の全体構成を示す図である。計測装置１０は、導体１２に流れる電流の大きさ、または、導体１２に流れる電流によって生じる磁界（以下、光磁界）の大きさを、ファラデー効果によって計測する。電流及び光磁界は計測対象の例である。図１に示すように、計測装置１０は、導体１２と、光源１４と、送光ファイバ１６と、偏光子１８と、ファラデー素子２０と、検光子２２と、受光ファイバ２４と、検出器２６と、信号処理器２８とを備える。
【００１０】
導体１２は、計測対象の電流、または、計測対象の光磁界を生じさせる電流を流す。導体１２は、例えば、導電性の材料を含む配線である。導体１２は、ファラデー素子２０の近傍に設けられている。
【００１１】
光源１４は、計測対象を計測するための光（以下、計測光）を送光ファイバ１６へ出射する。光源１４は、例えば、レーザまたはＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）等である。
【００１２】
送光ファイバ１６は、光源１４が出射した計測光を偏光子１８へと導く。
【００１３】
偏光子１８は、光源１４からの計測光を直線偏光に変換し、ファラデー素子２０へ出射する。偏光子１８は、例えば、複数の方向に振動する入射した光の成分のうち、一の方向に振動する成分を通過させて、入射した光を直線偏光として出射する偏光フィルター等の光学素子である。
【００１４】
ファラデー素子２０は、計測対象に基づく磁界に応じた旋光角で、偏光子１８によって直線偏光に変換された計測光の振動方向を旋光させて検光子２２へ出射する。ファラデー素子２０は、磁界に応じて直線偏光を旋光角で旋光させて光の偏光特性を変えるファラデー効果を有する。例えば、ファラデー素子２０は、計測対象である導体１２を流れる電流が生じさせた自身を貫く磁界の大きさに応じた旋光角で、直線偏光である計測光の振動方向を旋光させる。ここで、ファラデー素子２０は、磁性体の粒子３２を含む。粒子３２は、例えば、強磁性体金属であるニッケルを含む。ファラデー素子２０は、例えば、１μｍ以下の厚み、かつ、１×１０−４％から１０％の透過率であることが好ましい。尚、ファラデー素子２０の厚みは、計測光の進行方向に沿ったファラデー素子２０の長さである。
【００１５】
検光子２２は、ファラデー素子２０が旋光させた直線偏光の計測光を、旋光角に応じた強度の計測光に変換して、受光ファイバ２４へ出射する。検光子２２は、例えば、計測光の振動成分のうち、一の方向に振動する成分を通過させる偏光フィルター等の光学素子である。検光子２２が透過させる成分の振動方向は、例えば、偏光子１８が透過させる成分の振動方向に対して４５°傾斜している。この場合、ファラデー素子２０による旋光角が４５°の場合、検光子２２は、最も強度の大きい計測光を出射する。尚、検光子２２が透過させる成分の振動方向は、偏光子１８が透過させる成分の振動方向に対して直交していてもよく、両振動方向が平行であってもよい。
【００１６】
受光ファイバ２４は、検光子２２が出射した計測光を検出器２６へと導く。
【００１７】
検出器２６は、受光ファイバ２４から受光した計測光の強度に応じた電気信号を信号処理器２８へと出力する。検出器２６は、例えば、フォトダイオードまたはフォトトランジスタ等の光を電気信号に変換する素子を有する。
【００１８】
信号処理器２８は、検出器２６が出力した電気信号を取得し、当該電気信号に基づいて計測対象の情報である検出情報を出力する。例えば、信号処理器２８は、検出器２６が出力した電気信号の強度に応じた、計測対象である導体１２を流れる電流の大きさまたは電流によって生じた計測対象としての光磁界の大きさに関する情報を検出情報として出力する。
【００１９】
次に、ファラデー素子２０の機能について説明する。
【００２０】
直線偏光の振動方向がファラデー素子２０によって回転される角度である旋光角θは、次の式（１）で表すことができる。
θ＝Ｖ・Ｂ・ｄ    ・・・（１）
Ｖ：ベルデ定数
Ｂ：磁界
ｄ：ファラデー素子２０の素子長
【００２１】
ファラデー素子２０による旋光角θを大きくする場合、ファラデー素子２０の素子長ｄを大きくすることが考えられる。この場合、計測光がファラデー素子２０を透過するために必要な伝搬時間ｔによって、応答速度（即ち、周波数応答）は制限される。ここで、伝搬時間ｔは次の式（２）で計算できる。
ｔ＝ｎ・ｄ／Ｃ  ・・・（２）
ｎ：ファラデー素子２０の屈折率
Ｃ：光速
例えば、ファラデー素子２０の屈折率ｎが１．５、かつ、素子長ｄが１００ｍｍの場合、伝搬時間ｔは５×１０−１０秒となる。この場合、周波数応答の限界は１ＧＨｚ程度となる。
【００２２】
また、導体１２を流れる電流が小さい場合、導体１２の回りに多数回巻いた光ファイバをファラデー素子として採用する場合がある。この場合、ファイバ長（即ち、ファラデー素子長）は１０ｍを超えるので、計測可能な周波数帯域は１０ＭＨｚ程度となる。
【００２３】
本実施形態のファラデー素子２０は、ベルデ定数Ｖが大きい強磁性金属であるニッケルの粒子３２を含むので、素子長ｄを小さくしても旋光角θを大きくすることができる。これにより、ファラデー素子２０は、計測光がファラデー素子２０を透過する伝搬時間ｔを大幅に短縮して、周波数応答を向上させる。
【００２４】
図２は、ファラデー素子２０による計測光の旋光角θと、検光子２２を通過する光の強度との関係を示す図である。尚、図２に縦軸に示す光の強度は、偏光子１８が通過させる計測光の振動方向と、検光子２２が通過させる計測光の振動方向とを同じ方向に配置して計測された値である。
【００２５】
図２に示すように、ファラデー素子２０による計測光の旋光角θが大きくなると、検光子２２を通過する計測光の強度は正弦関数的に徐々に変化して小さくなり、旋光角θが９０°以上になると、計測光の強度は折り返して強くなる。ここで、旋光角θは、ファラデー素子２０の素子長ｄに依存する。具体的には、旋光角θは、ファラデー素子２０の素子長ｄが長くなると、大きくなる。しかし、旋光角θが大きくなっても、検光子２２を通過する計測光の強度が大きくなるとは限らないので、検光子２２を通過する計測光の強度を大きくするためには、ファラデー素子２０の素子長ｄによって旋光角θを適切に調整することが重要となる。
【００２６】
ここで、単位長さ当たりの旋光角θが小さい石英ファイバでファラデー素子を構成した場合、ファイバ長（即ち、素子長）は数ｍにする必要があるので、石英ファイバのファイバ長で旋光角θを容易に調整できる。一方、強磁性体を含むファラデー素子の場合、ファラデー素子の素子長ｄは１μｍ以下となるので、蒸着等によってファラデー素子を形成しなければならず、ファラデー素子の素子長ｄを柔軟に調整することが難しい。
【００２７】
本実施形態では、ファラデー素子２０の素子長ｄを容易に調整するために、ファラデー素子２０の強磁性体を粒子３２とした。粒子３２の粒径が、光源１４が出射する計測光の波長よりも大きい場合、粒子３２の端面が反射する計測光の割合が大きくなる。これにより、計測光は、粒子３２によって複数回反射された後、検出器２６に達するので、反射された計測光の強度が、粒子３２によって旋光された計測光の強度を上回り、かつ、強度が不安定になるので、電流または光磁界の計測を行うことが難しくなる。従って、ファラデー素子２０の粒子３２の最大粒径は、計測光の波長よりも小さくすることが好ましい。
【００２８】
次に、計測装置１０の動作について説明する。
【００２９】
計測装置１０では、光源１４が計測光を出射すると、送光ファイバ１６は光源１４からの計測光を偏光子１８へと導く。偏光子１８は、計測光を直線偏光に変換して、ファラデー素子２０へ出射する。ファラデー素子２０は、導体１２を流れる電流によって生じた光磁界の大きさに応じた旋光角θで直線偏光の計測光を旋光させて、検光子２２へ出射する。検光子２２は、ファラデー素子２０による旋光角θに応じた強度の計測光を通過させる。受光ファイバ２４は、検光子２２が出射した計測光を検出器２６へ導く。検出器２６は、計測光の強度に応じた電気信号を信号処理器２８へ出力する。信号処理器２８は、電気信号に基づいて、導体１２を流れる電流の大きさ、及び、当該電流によって生じた光磁界の大きさの少なくともいずれかを算出し、算出した結果を検出情報として出力する。
【００３０】
上述したように、第１実施形態の計測装置１０は、ファラデー素子２０が磁性体の粒子３２を含むので、ファラデー素子２０の素子長ｄを容易に調整することができるとともに、素子長ｄを小さくすることができる。これにより、計測装置１０は、高い周波数帯域の電流または当該電流による光磁界の計測を実現するとともに、ファラデー素子２０内での反射による計測光の減衰を小さくして計測光の強度を大きくすることができる。
【００３１】
第１実施形態の計測装置１０では、ファラデー素子２０が強磁性体のニッケルの粒子３２を含むので、ファラデー素子２０の素子長ｄをより小さくすることができる。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態の計測装置１０Ａの全体構成を示す図である。第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を簡略化する。図３に示すように、第２実施形態の計測装置１０Ａは、ファラデー素子２０Ａを有する。ファラデー素子２０Ａは、粒子３２と、接合剤３４とを有する。
【００３３】
接合剤３４は、粒子３２同士を接合して固定する。接合剤３４は、例えば、計測光を透過可能な樹脂であって、熱または光等によって硬化する樹脂である。
【００３４】
次に、ファラデー素子２０Ａの製造方法について説明する。
【００３５】
粒子３２を含む硬化前の接合剤３４を検光子２２の一方の面上に滴下する。次に、スピンコート法によって、検光子２２上の全面に粒子３２及び接合剤３４を広げる。具体的には、検光子２２を回転させることによって、検光子２２上に塗布された粒子３２を含む接合剤３４を広げる。ここで、検光子２２の単位時間当たりの回転数によって、粒子３２及び接合剤３４の厚み、即ち、ファラデー素子２０Ａの素子長ｄを調整してよい。次に、接合剤３４を硬化させて、検光子２２上にファラデー素子２０Ａを形成する。尚、検光子２２上にファラデー素子２０Ａを形成する例を挙げて説明したが、同様の方法によって偏光子１８の一方の面上にファラデー素子２０Ａを形成してもよい。
【００３６】
図４は、単位時間当たりの基板の回転数と、スピンコート法によって生成される膜の膜厚との一般的な関係を示す図である。横軸の基板の回転数は、本実施形態では検光子２２または偏光子１８の回転数であってよい。図４に示すように、基板の回転数が大きくなると、膜厚は薄くなる。従って、本実施形態においても、検光子２２に粒子３２を含む硬化前の接合剤３４を滴下した後、検光子２２を、所望の素子長ｄに応じた回転数で回転させることにより、当該素子長ｄのファラデー素子２０Ａを検光子２２上に形成することができる。
【００３７】
第２実施形態の計測装置１０Ａでは、ファラデー素子２０Ａが、粒子３２及び粒子３２を固定する接合剤３４を有する。これにより、計測装置１０Ａは、ファラデー素子２０Ａの破損等を抑制できる。
【００３８】
計測装置１０Ａでは、スピンコート法によって、ファラデー素子２０Ａを生成している。これにより、計測装置１０Ａでは、ファラデー素子２０Ａの素子長ｄを容易に調整することができるので、計測対象の電流及び光磁界に応じて、適切な素子長ｄのファラデー素子２０Ａを生成できる。
【００３９】
＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態の計測装置１０Ｂの全体構成を示す図である。図６は、第３実施形態のファラデー素子２０Ｂの部分拡大断面図である。第３実施形態の構成のうち、上述の実施形態と同様の構成については説明を簡略化または省略する。
【００４０】
図５に示すように、第３実施形態の計測装置１０Ｂは、導体１２と、光源１４と、第１送光ファイバ１６Ｂと、偏光子１８Ｂと、第２送光ファイバ１９Ｂと、ファラデー素子２０Ｂと、第１受光ファイバ２１Ｂと、検光子２２Ｂと、第２受光ファイバ２４Ｂと、検出器２６と、信号処理器２８とを備える。
【００４１】
第１送光ファイバ１６Ｂは、光源１４が出射した計測光を偏光子１８Ｂへと導く。偏光子１８Ｂは、第１送光ファイバ１６Ｂ、及び、第２送光ファイバ１９Ｂと一体化されたファイバ型の偏光フィルターであってよい。偏光子１８Ｂは、光源１４が出射した計測光を直線偏光に変換し、第２送光ファイバ１９Ｂへ出射する。第２送光ファイバ１９Ｂは、偏光子１８Ｂが出射した直線偏光の計測光を検光子２２Ｂへ導く。
【００４２】
図６に示すように、ファラデー部材４０Ｂは、粒子３２及び接合剤３４を含むファラデー素子２０Ｂと、筒部材３８Ｂと、スペーサ３６Ｂとを有する。
【００４３】
スペーサ３６Ｂは、円筒形状に構成されている。スペーサ３６Ｂの中心軸方向の長さは、筒部材３８Ｂの中心軸方向の長さよりも短い。
【００４４】
筒部材３８Ｂは、円筒形状に構成されている。筒部材３８Ｂの内径は、例えば、第２送光ファイバ１９Ｂ、第１受光ファイバ２１Ｂ及びスペーサ３６Ｂの外径より少し大きい。筒部材３８Ｂの一端部には、第２送光ファイバ１９Ｂのリード部分が挿入される。筒部材３８Ｂの中央部には、スペーサ３６Ｂが挿入される。筒部材３８Ｂの他端部には、第１受光ファイバ２１Ｂのリード部分が挿入される。換言すれば、第２送光ファイバ１９Ｂの端部は、スペーサ３６Ｂを挟んで、第１受光ファイバ２１Ｂの端部と反対側に配置される。第２送光ファイバ１９Ｂの中心軸は、筒部材３８Ｂの内部において、第１受光ファイバ２１Ｂの中心軸の延長線上に配置される。
【００４５】
ファラデー素子２０Ｂの粒子３２及び接合剤３４は、スペーサ３６Ｂの内側に設けられている。従って、ファラデー素子２０Ｂの素子長ｄは、スペーサ３６Ｂの中心軸方向の長さとなる。即ち、スペーサ３６Ｂの中心軸方向の長さを調整することで、ファラデー素子２０Ｂの素子長ｄを調整できる。
【００４６】
ファラデー部材４０Ｂを製造する場合、例えば、第２送光ファイバ１９Ｂ及びスペーサ３６Ｂが筒部材３８Ｂに挿入された状態で、筒部材３８Ｂの他端部から粒子３２及び接合剤３４をスペーサ３６Ｂの内部に注入してよい。この状態で、筒部材３８Ｂの他端部から第１受光ファイバ２１Ｂを筒部材３８Ｂに挿入して、ファラデー部材４０Ｂを生成してよい。尚、第１受光ファイバ２１Ｂを筒部材３８Ｂに挿入する際に、接合剤３４の一部が、第２送光ファイバ１９Ｂ、第１受光ファイバ２１Ｂ及びスペーサ３６Ｂの外側にはみ出してもよい。
【００４７】
図５に戻って、第１受光ファイバ２１Ｂは、ファラデー素子２０Ｂが旋光した計測光を検光子２２Ｂへと導く。検光子２２Ｂは、第１受光ファイバ２１Ｂ、及び、第２受光ファイバ２４Ｂと一体化されたファイバ型の偏光フィルターあってよい。検光子２２Ｂは、ファラデー素子２０による計測光の旋光角θに応じた強度の計測光を通過させて、第２受光ファイバ２４Ｂへ出射する。第２受光ファイバ２４Ｂは、検光子２２Ｂが出射した直線偏光の計測光を検出器２６へ導く。
【００４８】
上述したように、第３実施形態の計測装置１０Ｂでは、スペーサ３６Ｂの長さによって、ファラデー素子２０Ｂの素子長ｄを調整している。これにより、計測装置１０Ｂは、ファラデー素子２０Ｂの素子長ｄを容易に調整できるので、素子長ｄに基づいて計測可能な周波数帯域を容易に調整できる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１０，１０Ａ，１０Ｂ：計測装置、      １２：導体、      １４：光源、      １８：偏光子、      １８Ｂ：偏光子、      ２０，２０Ａ，２０Ｂ：ファラデー素子、      ２２，２２Ｂ：検光子、      ２６：検出器、      ２８：信号処理器、      ３２：粒子、      ３４：接合剤。
【図１】
2019191111.tif 000003
【図２】
2019191111.tif 000004
【図３】
2019191111.tif 000005
【図４】
2019191111.tif 000006
【図５】
2019191111.tif 000007
【図６】
2019191111.tif 000008