(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電導体の外周に周回設置される光ファイバと、前記光ファイバに所定波長の光を入射させる光源と、前記光ファイバの入射端側と前記光源との間に設置される偏光子と、前記光ファイバの出射端側に設置される検光子と、前記検光子の出力光を光電変換して、前記光が前記光ファイバ内を通過する際に、前記通電導体の磁界により回転するファラデー回転角を演算する信号処理回路とを備えた光フアイバ型電流センサにおいて、
前記光源は、異なった波長の光を発射する第１および第２光源を備え、
前記検光子で分離された出力光のＰ，Ｓ偏光成分をそれぞれ受光して、受光した当該Ｐ，Ｓ偏光成分から、前記異なった波長に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分とをそれぞれ分離して出射する一対の波長フイルターを設け、
前記信号処理回路で前記波長フイルターで分離された前記異なった波長に対応するＰ偏光成分同士とＳ偏光成分同士とをそれぞれ減算させることを特長とする光ファイバ型電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバ型電流センサに関し、特に、光ファイバ型電流センサの３次元空間における捩じれに基づく測定誤差を低減する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ファラデー効果を用いた電流センサは、センサ素子を通過する光の偏光方位が、センサ素子にかかる磁界に比例して回転することを利用するものであり、この回転角から電流の大きさが測定される。この種の電流センサのうち、センサ素子に光ファイバを使用した光フアイバ型電流センサは、例えば、技術文献『光コンタクト、 Vol.33、 No.10(1955)pp.538- 545』に開示されているように、センサを小型化でき、構成が簡単になり、絶縁が容易になるといった特長を持っている。
【０００３】
ところが、センサ素子に光ファイバを採用した場合には、光ファイバの３次元空間内における形状が変化して、光ファイバに捩じれが生じると、この捩じれを光路長にわたって積分した大きさだけ偏光面が回転することが明らかになっている（『ＩＥＥＥ／ＯＳＡ  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．Ｖｏｌ．13,No.7(1955),pp.1378-1384』参照）。そのため、例えば、センサ素子に振動が加わった際などには、光ファイバの形状が変化して、電流値に変化がないのに出力値が変化するという現象が見られる。
【０００４】
ところで、交流電流を計測することを目的として、本発明者らが以前に提案した偏光子を用いて、偏光方位を光強度に変換する電流センサでは、ゆっくりとした光ファイバの位置ズレなどに起因する直流的な偏波方位の変化を補償している（特願平６−６２３２７号）。
しかしながら、この提案に基づく電流センサでは、光の結合効率などに起因する光出力の変動を補償することを目的として、光出力信号の交流分と直流分の比率を演算しているため、この方法は、振動などに起因する交流的な偏波の回転に対しては、効果的でない。
【０００５】
そこで、本発明者らは、このような問題を解決するために、２つの方法を案出して、特願平６−３８５５６号および特願平７−１９４６７５号で既に提案している。前者は、光ファイバ内で光を往復させて、捩じれに起因する測定誤差を補償する方法であり、後者は、光ファイバを固定することで、捩じれに起因する測定誤差を補償しようとする方法である。
【０００６】
ところが、このような測定誤差の補償方法には、その後の検討によると、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前者の補償方法では、光ファイバの入，出力端での光の分離部の構成が複雑になる。また、後者の補償方法では、光ファイバに損傷を与えないように注意深く固定する必要があり、その取扱が面倒になるとともに、完全に固定することが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構成で、捩じれに基づく測定誤差を低減することができる光ファイバ型電流センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、通電導体の外周に周回設置される光ファイバと、前記光ファイバに所定波長の光を入射させる光源と、前記光ファイバの入射端側と前記光源との間に設置される偏光子と、前記光ファイバの出射端側に設置される検光子と、前記検光子の出力光を光電変換して、前記光が前記光ファイバ内を通過する際に、前記通電導体の磁界により回転するファラデー回転角を演算する信号処理回路とを備えた光フアイバ型電流センサにおいて、前記光源は、異なった波長の光を発射する第１および第２光源を備え、前記検光子で分離された出力光のＰ，Ｓ偏光成分をそれぞれ受光して、受光した当該Ｐ，Ｓ偏光成分から、前記異なった波長に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分とをそれぞれ分離して出射する一対の波長フイルターを設け、前記信号処理回路で前記波長フイルターで分離された前記異なった波長に対応するＰ偏光成分同士とＳ偏光成分同士とをそれぞれ減算させるようにした。
この構成によれば、通電導体の外周に周回設置される光ファイバの３次元空間における形状変化に基づく捩じれによる測定誤差を低減させることができる。つまり、本発明では、光ファイバ型電流センサにおいて、ファラデー効果は、光の波長に依存するが、光ファイバの捩じれによる偏波の回転は、波長に依存しないことを利用して、光ファイバの捩じれによる回転を補償して、これに基づく測定誤差を低減させようとすることを基本原理としている。
以下に、その原理について、図１を参照して説明する。同図は、ファラデー効果を利用した光ファイバ型電流センサの概念図である。図１において、通電導体の外周に周回設置される光ファイバに入射光として、２つの異なる波長λ１，λ２を入射させる場合において、波長λ１の出射偏光の回転角度をθ１、波長λ２の出射偏光の回転角度をθ２とすると、θ１，θ２は、それぞれ
θ１＝θ１Ｆ＋θＴ                                    （１−１）
θ２＝θ２Ｆ＋θＴ                                    （１−２）
と表される。
θ１Ｆ，θ２Ｆは、それぞれ波長λ１の光および波長λ２の光に対するファラデー回転角度であり、θＴは、光ファイバの捩じれによる偏光面の回転角度を表している。ここで、２つの波長λ１，λ２の光は、同じ光ファイバ中を通過しているために、波長λ１，λ２の光に対するそれぞれのファラデー回転角θ１Ｆ，θ２Ｆは、比例することになり、比例定数をｋとすると、
θ２Ｆ＝ｋθ１Ｆ                                        （２）
となる。
（１−１），（１−２），（２）式より、
θ１Ｆ＝（θ１  −θ２  ）／（１−ｋ）                      （３）
となる。
つまり、この式（３）から明らかなように、波長の異なった第１および第２光源から光ファイバに光を入射させて、検光子からの出力光を波長に対応して分離する波長フイルターを設け、信号処理回路で波長フイルターで分離された信号を減算させると、θＴが除去されて、光ファイバの捩じれによる偏光の回転に起因する出力誤差を補正することが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図３は、本発明にかかる光ファイバ型電流センサの一実施例を示している。同図に示した光ファイバ型電流センサは、本発明を交流電流の測定に適用した場合であって、電流センサは、光ファイバ１０と、第１および第２光源１２，１４と、合波カプラー１６と、偏光子１８と、１／２波長板２０と、検光子２２と、一対の波長フィルター２４，２６と、信号処理回路２８とを有している。
【００１１】
光ファイバ１０は、全ての通過光に対して、単一モードととなる単一モード型の光ファイバであって、例えば、鉛ガラス光ファイバが用いられる。光ファイバ１０は、被測定電流が流れる通電導体３０の外周に、１回ないしは複数回周回するように設置される。そして、光ファイバ１０の入射端１０ａに近接して、偏光子１８が配置される。
【００１２】
偏光子１８は、直線偏光を光ファイバ１０に入射させるために設けられており、例えば、積層型の偏光子が使用される。この偏光子１８の前方には、デポラライズ用の偏波面保持ファイバ３２の一端が近接配置されている。偏波面保持ファイバ３２の他端側には、合波カプラー１６が接続されていて、合波カプラー１６の他端側には、第１および第２光源１２，１４が近接配置されている。
【００１３】
合波カプラー１６は、波長の異なる光を合波して、偏光子１８に入射させる。第１および第２光源１２，１４は、例えば、半導体レーザから構成され、それぞれ異なる波長λ1,λ2 の光を発射する。一方、光ファイバ１０の出射端１０ｂ側には、１／２波長板２０が近接配置されている。この１／２波長板２０は、偏光のバイアス調整用のものである。
【００１４】
そして、１／２波長板２０の後方には、出射光を直交する２つのＰ，Ｓ偏光成分に分離する検光子２２が配置されている。この検光子２２の後方には、分離されたＰおよびＳ偏光成分をそれぞれ受光して、所定の波長の光を透過させる波長フイルター２４，２６が配設されている。
この実施例の場合には、Ｐ偏光成分を受光する波長フィルター２４は、第１および第２光源１２，１４から出射した波長λ1,λ2 に対するそれぞれのＰ偏光成分の光λ1p, λ2pを分離して出射する。一方、Ｓ偏光成分を受光する波長フィルター２６は、第１および第２光源１２，１４から出射した波長λ1,λ2 に対するそれぞれのＳ偏光成分の光λ1s, λ2sを分離して出射する。
【００１５】
各波長フィルター２４，２６からの出射光を受光する信号処理回路２８の詳細を図３に示している。同図に示す信号処理回路２８は、波長λ1p, λ2p，λ1s, λ2sのそれぞれの光を個別に受光して、電気信号に変換する４つのＰＤ（ホトダイオード）２８ａ〜２８ｄと、各ＰＤ２８ａ〜２８ｄの出力側に接続され、それぞれの出力信号から交流成分を分離するＨＰＦ（ハイパスフィルタ）２８ｅ〜２８ｈと、各ＨＰＦ２８ｅ〜２８ｈと並列接続され、各ＰＤ２８ａ〜２８ｄの出力信号から直流成分を分離するＬＰＦ（ローパスフィルタ）２８ｉ〜２８ｌとを備えている。
【００１６】
並列接続された一対ずつのＨＰＦ２８ｅ〜２８ｈとＬＰＦ２８ｉ〜２８ｌの出力側には、それぞれ除算器２８ｍ〜２８ｐが接続され、さらに、一対ずつの除算器２８ｍ〜２８ｐの出力側には、２個の除算器２８ｑ，２８ｒが接続されている。そして、除算器２８ｑ，２８ｒの出力側には、１／２（ｋ−１）の演算を行う演算器２８ｓが接続されている。
【００１７】
このように構成された信号処理回路２８で行われる演算処理について説明する。いま、Ｐ偏光成分の波長λ1 の光強度をＰλ1p、 波長λ2 の光強度をＰλ2pとすると、ＰＤ２８ａ，２８ｂから出力されるＰλ1p、 Ｐλ2pは、以下のように表される。
0003704583.tif 000002
ここで、α1p，α2pは、それぞれＰ偏光成分の波長λ1 およびλ2 の変換効率、結合効率を表している。θ1F、 θ2F、θT があまり大きくないものとすると、（４−１）（４−２）式は、以下のように表すことができる。
Ｐλ1p≒（α1p／２）（１＋２θ1F＋２θT ）                （４−１’）
Ｐλ2p≒（α2p／２）（１＋２θ2F＋２θT ）                （４−２’）
この場合、前述したように、ファラデー回転角は、光の波長に比例するので、θ2F＝ｋθ1Fとなり、これを代入すると、式（４−１’）（４−２’）は、以下のようになる。
Ｐλ1p≒（α1p／２）（１＋２θ1F＋２θT ）                （４−１" ）
Ｐλ2p≒（α2p／２）（１＋２ｋθ1F＋２θT ）              （４−２" ）
ここで、Ｐλ1p、 Ｐλ2pの交流成分と直流成分とをそれぞれ、Ｐλ1pAC 、Ｐλ1pDC, Ｐλ2pAC 、Ｐλ2pDCとすると、ＨＰＦ２８ｅ〜２８ｆとＬＰＦ２８ｉ〜２８ｊの出力信号は、 以下の式で表される。
Ｐλ1pAC≒（α1p／２）（２θ1F＋２θTAC ）              （５−１−１）
Ｐλ1pDC≒（α1p／２）（１＋２θTDC ）                  （５−１−２）
Ｐλ2pAC≒（α2p／２）（２ｋθ1F＋２θTAC ）            （５−２−１）
Ｐλ2pDC≒（α2p／２）（１＋２θTDC ）                  （５−２−２）
だだし、
θT ＝θTAC ＋θTDC                                         （６）
θTAC は、 θT の交流成分とし、θTDC は、θT の直流成分とする。
【００１８】
ここで、交流成分と直流成分との比をとると、以下の式で表され、各除算器２８ｍ，２８ｎの出力信号は、
Ｐλ1pAC／Ｐλ1pDC≒（２θ1F＋２θTAC ）／（１＋２θTDC ）    （７−１）
Ｐλ2pAC／Ｐλ2pDC≒（２ｋθ1F＋２θTAC ／（１＋２θTDC ）    （７−２）
となる。
【００１９】
そして、減算器２８ｑ出力信号は、（７−１），（７−２）式の減算を行うことになるので、以下の式で表される。
（Ｐλ1pAC／Ｐλ1pDC）−（Ｐλ2pAC／Ｐλ2pDC）≒２（１−ｋ）θ1F／（１＋
２θTDC ）                                                      （８）
同様にして、Ｓ偏光成分の波長λ1 の光強度をＰλ1s、 波長λ2 の光強度をＰλ2sとすると、ＰＤ２８ｃ，２８ｄから出力されるＰλ1s、 Ｐλ2sは、以下のように表される。
0003704583.tif 000003
ここで、α1s，α2sは、それぞれＰ偏光成分の波長λ1 およびλ2 の変換効率、結合効率を表している。θ1F、 θ2F、θT があまり大きくないものとすると、（９−１）（９−２）式は、以下のように表すことができる。
Ｐλ1s≒（α1s／２）（１−２θ1F−２θT ）                （９−１’）
Ｐλ2s≒（α2s／２）（１−２θ2F−２θT ）                （９−２’）
θ2F＝ｋθ1Fとすると、
Ｐλ1s≒（α1s／２）（１−２θ1F−２θT ）                （９−１" ）
Ｐλ2s≒（α2s／２）（１−２ｋθ1F−２θT ）              （９−２" ）
ここで、Ｐλ1s、 Ｐλ2sの交流成分と直流成分とをそれぞれ、Ｐλ1sAC 、Ｐλ1sDC, Ｐλ2sAC 、Ｐλ2sDCとすると、ＨＰＦ２８ｇ〜２８ｈとＬＰＦ２８ｋ〜２８ｌの出力信号は、 以下の式で表される。
Ｐλ1sAC≒（α1s／２）（−２θ1F−２θTAC ）          （１０−１−１）
Ｐλ1sDC≒（α1s／２）（１−２θTDC ）                （１０−１−２）
Ｐλ2sAC≒（α2s／２）（−２ｋθ1F−２θTAC ）        （１０−２−１）
Ｐλ2sDC≒（α2s／２）（１−２θTDC ）                （１０−２−２）
だだし、
θT ＝θTAC ＋θTDC 
θTAC は、 θT の交流成分とし、θTDC は、θT の直流成分とする。
【００２０】
ここで、交流成分と直流成分との比をとると、各除算器２８ｏ，２８ｐの出力信号は、以下の式で表される。
Ｐλ1sAC／Ｐλ1sDC≒（−２θ1F−２θTAC ）／（１−２θTDC ）  （11−１）
Ｐλ2sAC／Ｐλ2sDC≒（−２ｋθ1F−２θTAC ）／（１−２θTDC ）（11−２）
そして、（11−１），（11−２）式の減算を行うと、減算器２８ｒ出力信号は、以下の式で表される。
（Ｐλ1sAC／Ｐλ1sDC）−（Ｐλ2sAC／Ｐλ2sDC）≒−２（１−ｋ）θ1F／（１
−２θTDC ）                                                    （12）
式（８）−式（12）を減算すると、
0003704583.tif 000004
この式を変形すると、
θ1F≒［｛（Ｐλ1pAC／Ｐλ1pDC）−（Ｐλ2pAC／Ｐλ2pDC）｝−｛（Ｐλ1sAC／Ｐλ1sDC）−（Ｐλ2sAC／Ｐλ2sDC）｝］／｛２（１−ｋ）（１＋４θTDC 2 ）｝
となって、減算器２８ｑ，２８ｒの出力を減算して、１／２（ｋ−１）の演算のを演算器２８ｓで行えば、光ファイバ１０の捩じれによる偏波の回転角θT に起因する出力誤差のうち、θT の交流成分θTAC に基づく誤差を補償するとともに、θT の直流成分θTDC に基づく誤差を二乗のオーダーに低減することができる。
【００２１】
なお、図３に示した信号処理回路２８では、減算器２８ｑ，２８ｒまでの第１段で、振動などに起因する交流的な捩じれによる偏波の回転を補償し、その後の第２段で、直交する２つの偏波からの信号を平均化することにより、静的な光ファイバ１０の位置ズレや光学素子の方位ズレに起因する直流的な偏波の回転に基づく出力変動を低減している。
【００２２】
図４は、本発明の電流センサに使用できる別の号処理回路２８’を示している。同図に示す信号処理回路２８’は、図３に示した回路と同じ構成であるが、ＰＤ２８ｂとＰＤ２８ｃに入力させる光の偏光成分が交換されている。このように構成した信号処理回路２８’においても、同様に光ファイバ１０の捩じれによる１偏波の回転角θT に起因する出力誤差のうち、θT の交流成分θTAC に基づく誤差を補償するとともに、θT の直流成分θTDC に基づく誤差を低減することができるが、この信号処理回路２８’では、第１段で直流的な偏波のバイアス変動を補償し、第２段で交流的な光ファイバ１０の捩じれに起因する偏波の回転を補償している。
【００２３】
なお、上記実施例では、本発明を交流電流の測定に適用した場合を例示したが、本発明の実施は、これに限定されることはなく、直流電流の測定にも勿論適用することができる。また、光ヘテロダイン法や全光式直流電流法などの他のファラデー効果を利用する電流計測法にも同様に応用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる光フアイバ型電流センサによれば、簡単な構成で、捩じれに基づく測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光ファイバ型電流センサの概念説明図である。
【図２】本発明にかかる光ファイバ型電流センサの一実施例を示す全体構成図である。
【図３】図２に示した信号処理回路の詳細図である。
【図４】本発明にかかる電流センサに適用できる信号処理回路の他の例を示す詳細図である。
【符号の説明】
１０                      光ファイバ
１０ａ                    入射端
１０ｂ                    出射端
１２                      第１光源
１４                      第２光源
１６                      合波カプラー
１８                      偏光子
２０                      １／２波長板
２２                      検光子
２４，２６                波長フィルター
２８                      信号処理回路
【図１】
0003704583.tif 000005
【図２】
0003704583.tif 000006
【図３】
0003704583.tif 000007
【図４】
0003704583.tif 000008