(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置において、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部と、反射鏡とを収納し、同一材料からなる複数の部品で外観を構成してなる光学系収納箱を有し、この複数の部品は相互に前記偏光部、前記検光部ならびに前記反射鏡のうち少なくとも１つを介して接着されてなることを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
前記検光部により得られる前記直線偏光の第１成分を受光する第１の受信ファイバーと、前記直線偏光の前記第１成分に直交する第２成分を受光する第２の受信ファイバーを、光学部品取付具を介して前記光学系収納箱に取付けてなることを特徴とする光計測装置。
【請求項３】
前記偏光部は、光源から入射した光を受光する位置に配置され導体側の面がハーフミラーとして構成される偏光子からなり、かつ前記検光部は、前記偏光部より偏光方位が４５度に設定されかつ導体側の面がハーフミラーとして構成された第１の検光子と、前記偏光子より偏光方位が４５度に設定されかつ前記第１の検光子より偏光方位が９０度に設定された第２の検光子と、を前記反射鏡を介して光路が連通するべく配置されてなることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項４】
前記偏光部及び前記検光部より光源側に配置されるレンズには屈折率分布型のロッド形状レンズを用いることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項５】
前記偏光部及び前記検光部より導体側に配置されるレンズには歪を除去した凸レンズをゴム状接着剤で固着したものを用いることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項６】
前記偏光部及び前記検光部は、ガラス中に金属微粒子を多数の平行線状に配列したワイヤグリッド型偏光素子により構成されることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項７】
光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置において、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部と、を収納する光学系収納箱には、光源から入射した光を受光する入射受光位置とこの入射受光位置に隣接し直交成分に分解された光の一方を受光する受信ファイバーに通ずる位置における導体側の面がハーフミラーとして形成され、その他の反射面には鏡面加工が施されてなるガラス状媒質が封入され光路が構成されるとともに、前記光学系収納箱の内面には反射錯乱防止用の表面処理が施されてなることを特徴とする光計測装置。
【請求項８】
光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置の製造方法であって、
光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部とを光学系収納箱に収納固定する工程と、
この光学系収納箱に光学部品取付具を介して光ファイバーを取付け光軸合わせ調整を行う工程と、
光軸を調整したのちに前記光学系収納箱と前記光学部品取付具を溶接によって固定する工程と、
を有し、前記光軸合わせ調整を行う工程では、前記導体側に配置される前記光学部品取付具は項軸方向及び光軸と直交する方向に摺動可能に配置されることを特徴とする光計測装置の製造方法。
【請求項９】
光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置の製造方法であって、
光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部とを光学系収納箱に収納固定する工程と、
この光学系収納箱に光学部品取付具を介して光ファイバーを取付け光軸を調整する工程と、
光軸を調整したのちに前記光学系収納箱と前記光学部品取付具を溶接によって固定する工程と、
を有し、前記光軸合わせ調整を行う工程では、前記光源側に配置される前記光学部品取付具は光軸方向に摺動可能に配置されることを特徴とする光計測装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファラデー効果の原理を応用して電流を測定する光計測装置に関し、特にその光学系取付ボックスの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光計測装置の一つとして電力用ＧＩＳシステムに用いられる、ＧＩＳ用光変流器を示す図６を参照して説明する。導体８は、内部を数気圧の絶縁ガスで封入したＧＩＳタンク１０内に設置され、これを取り巻くように加工組立された、石英や鉛ガラス等からなるセンサー２で覆われている。光源を発した光は、送信ファイバー７１を経由して光学系取付ボックス３１に入射され、ここで所定の直線偏光に変換された後、ＧＩＳタンク１０内のガス圧を保つために設置された圧力封止窓１１を透過してセンサー２に達する。センサー２内で反射を繰り返すことにより導体８近傍を通過した直線偏光は、再び圧力封止窓１１を透過して光学系取付ボックス３１に入射される。
【０００３】
ファラデー効果の原理によれば、導体８に流れる電流量に応じて周囲に生ずる磁力の強度に比例して偏光面は回転するので、再び光学系取付ボックス３１に入射された直線偏光は、導体８の電流量に応じて旋回している。これを光学系取付ボックス３１にて相互に直角なＸＹ成分にベクトル分解し、それぞれＸ成分用受信ファイバー７２及びＹ成分用受信ファイバー７３に出射する。その後、図示せぬ受光器に達して電気信号に変換された後、信号処理回路で求める電流値が算出される。
【０００４】
なお、光学系取付ボックス３１内の構造を詳述すると、受信ファイバー７１から入射した光はレンズ３３によって平行な空間ビームに変換された後、方解石のグラントムソンプリズム等からなる偏光子３４によって直線偏光に変換され、前述した圧力封止窓１１に出射される。一方、旋回した後、再び光学系取付ボックス３１に入射した直線偏光は、方解石のウォラストンプリズムや偏光ビームスプリッター等からなる検光子３５に入射し、相互に直角方向に分離される。これらＸ成分光及びＹ成分光をそれぞれレンズ３３で集光した後、前述したＸ成分用受信ファイバー７２及びＹ成分用受信ファイバー７３に出射する。ここで、これら各光学部品間の光軸を合わせて固定するために、光学部品取付具３２を用いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成のもとでは、以下の諸問題を包含する。第一の問題点として、かかる構成では高精度を維持するにはガス中を光束が伝播する距離が長過ぎるという点である。例えば、ある光学部品から光ファイバーに光束を入射する場合、両者間の距離が５ミリメートルだとすると、光ファイバーのコア部は直径数ミクロンであるため、それだけでも１万倍前後の精度が要求される。一方、周囲温度の変化によってガスの屈折率が変動するためビームの方向が変動し、光学部品間を通過する光量が変動することになる。
【０００６】
第二の問題点として、かかる構成では高精度を維持するには光学系取付ボックス３１内の各構成部品間の構造が複雑過ぎることである。つまり、周囲の温度変化による熱歪によって部品相互間の光軸ずれが生じるとともに、振動や衝撃に対しても不安定となる。
【０００７】
第三の問題点として、第一及び第二の問題点の結果として、光変流器全体が大型化する点である。特にこれは、ＧＩＳ全体の小型化の要請に反するものである。
本発明は、以上の諸問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、周囲温度変化に対して精度を損なうことなく小型で軽量な光計測装置を求めることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために本発明においては、請求項１の発明として、光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置において、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部と、反射鏡とを収納し、同一材料からなる複数の部品で外観を構成してなる光学系収納箱を有し、この複数の部品は相互に前記偏光部、前記検光部ならびに前記反射鏡のうち少なくとも１つを介して接着されてなることを特徴とする光計測装置を提供する。
【０００９】
かかる構成を有する光計測装置においては、光学系収納箱が同一材料からなる複数の部品で外函を構成するため、外気温の変化の際に、熱膨張係数の相違による熱歪の発生を阻止することが可能となる。さらに、光路を複数回反射させることで光学系収納箱内の光路長を短縮することができることに加え複数の光ファイバーを相互に平行に配置することもできるため、光計測装置の単純化及び小型化が可能となる。
【００１０】
さらに、請求項２記載の発明は、前記検光部により得られる前記直線偏光の第１成分を受光する第１の受信ファイバーと、前記直線偏光の前記第１成分に直交する第２成分を受光する第２の受信ファイバーを、光学部品取付具を介して前記光学系収納箱に取付けてなることを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項３記載の発明は、偏光部は、光源から入射した光を受光する位置に配置され導体側の面がハーフミラーとして構成される偏光子からなり、かつ前記検光部は、前記偏光部より偏光方位が４５度に設定されかつ導体側の面がハーフミラーとして構成された第１の検光子と、前記偏光子より偏光方位が４５度に設定されかつ前記第１の検光子より偏光方位が９０度に設定された第２の検光子と、を前記反射鏡を介して光路が連通するべく配置されてなることを特徴とする。かかる構成を有する光計測装置においては、簡易かつ効果的に光路を反射することができるとともに、導体近傍を通過して偏光した直線偏光を、効果的にベクトル分解することができる。
【００１２】
さらに、請求項４記載の発明は、前記偏光部及び前記検光部より光源側に配置されるレンズには屈折率分布型のロッド形状レンズを用いることを特徴とする。
かかる構成を有する光計測装置においては、光源側の光学部品取付具への取付を容易にして装置全体の小型化を可能とすることができる。
【００１３】
さらに、請求項５記載の発明は、前記偏光部及び前記検光部より導体側に配置されるレンズには歪を除去した凸レンズをゴム状接着剤で固着したものを用いることを特徴とする。かかる構成を有する光計測装置では、通過する光の偏光状態を変化させずかつ周囲から応力が加わった場合はこれをゴム状接着剤で吸収することにより測定精度を一層向上することが可能となる。
【００１４】
さらに、請求項６記載の発明は、前記偏光部及び前記検光部は、ガラス中に金属微粒子を多数の平行線状に配列したワイヤグリッド型偏光素子により構成されることを特徴とする。かかる構成を有する電流計測装置では、高分子型偏光素子と異なり光変流器に最低限度必要な精度を満足することに加え、熱膨張による精度ズレをも防止することができる。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置において、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部と、を収納する光学系収納箱には、光源から入射した光を受光する入射受光位置とこの入射受光位置に隣接し直交成分に分解された光の一方を受光する受信ファイバーに通ずる位置における導体側の面がハーフミラーとして形成され、その他の反射面には鏡面加工が施されてなるガラス状媒質が封入され光路が構成されるとともに、前記光学系収納箱の内面には反射錯乱防止用の表面処理が施されてなることを特徴とする光計測装置を提供する。
【００１６】
かかる構成を有する光計測装置では、反射鏡等を個別に設け光路を構成する必要はなく種々の表面処理を施したガラス状媒質を使用すれば良いため、光学系収納箱を単一の外函で構成し得る等、部品点数の一層の削減が可能となる。
【００１７】
また、請求項８記載の発明は、光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置の製造方法であって、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部とを光学系収納箱に収納固定する工程と、この光学系収納箱に光学部品取付具を介して光ファイバーを取付け光軸合わせ調整を行う工程と、光軸を調整したのちに前記光学系収納箱と前記光学部品取付具を溶接によって固定する工程と、を有し、前記光軸合わせ調整を行う工程では、前記導体側に配置される前記光学部品取付具は項軸方向及び光軸と直交する方向に摺動可能に配置されることを特徴とする光計測装置の製造方法を提供する。
【００１８】
かかる溶接固着によって製造された電流計測装置では、ネジや接着剤等の異種部材を用いずに同種部材のみで固着するため、周囲の温度変化の際に熱膨張係数の相違による熱歪の発生を阻止することが可能となる。また、光軸あわせを摺動によって行うことにより、部品点数を減少し、構造を単純化することが可能となり、ひいては光計測装置全体の小型軽量化が可能となる他立体的な光軸あわせが可能となる。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、光源から入射した光を直線偏光に変換し、通電導体近傍を通過させることにより旋回した前記直線偏光を、直交成分にベクトル分解して旋回角を求めることにより通電電流値を求める光計測装置の製造方法であって、光源からの入射光を直線偏光に変換する偏光部と、旋回した直線偏光を直交成分に分解する検光部とを光学系収納箱に収納固定する工程と、この光学系収納箱に光学部品取付具を介して光ファイバーを取付け光軸を調整する工程と、光軸を調整したのちに前記光学系収納箱と前記光学部品取付具を溶接によって固定する工程と、を有し、前記光軸合わせ調整を行う工程では、前記光源側に配置される前記光学部品取付具は光軸方向に摺動可能に配置されることを特徴とする光計測装置の製造方法を提供する。かかる製法を採用した場合であっても前項と同様、光軸合わせを摺動で行うことによる構造単純化等が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１は本発明を光変流器に用いた場合の全体構成図で、特に光ファイバー型のセンサーを用いた場合を示す。
【００２１】
光源１を発した光は、送信ファイバー７１を介して、光学系収納箱４に入射する。当該光はここで所定の直線偏光に変換された後、センサー２内にて当該偏光面が旋回し、再び光学系収納箱４に入射する。今度はここで相互に直角なＸ成分及びＹ成分に分解された後、Ｘ成分用受信ファイバー７２及びＹ成分用受信ファイバー７３を介して受光器５で検出され最終的には信号処理回路６で光データが処理される。
【００２２】
ここまでの構成は従来技術と同一であるが、本発明では光学系収納箱４内の構成に改良を施したものである。以下、光学系収納箱４の断面構造を示す図２を参照して説明する。
【００２３】
光学系収納箱４は熱膨張係数の小さい同一材料から成形される３つの取付部材４１、４２、４３からなり、その両端には後に詳述する光学部品取付具３２１、３２２が固着されている。３３は、光学系収納箱４から導体８側のセンサーへ直線偏光を入射するためのレンズで、焼きなまし等により光学的歪み除去の処理を施した後、ゴム状接着剤で固着してある。３４は、光源から入射された光を直線偏光に変換するために用いる、薄板状に形成した偏光子である。３５は、導体側のセンサーを経由した直線偏光からＸ成分のみ、あるいはＹ成分のみ、を取り出すための、薄板状に形成した検光子である。
【００２４】
２つの検光子３５は、それぞれ光の直交成分を検出するべく偏光方位が相互に直交するように配置されている。また、もとの直線偏光の初期条件も公平にするべく偏光子３４の偏光方位も２つの検光子３５に対してそれぞれ４５度となるように配置されている。偏光子３４、検光子３５は、ガラス中に金属微粒子を平行線上に多数配置してなる、ワイヤグリッド型偏光素子である。
【００２５】
さらに、偏光子３４の導体８側の面は、透過光と反射光との強度比がほぼ１：１となるようハーフミラー状に構成されている。また、Ｘ成分用受信ファイバー７２側に設置された検光子３５も同様に、導体８側の面がハーフミラー状に構成される。３６は、光路を折り曲げるための反射鏡であり、送信ファイバー７１、Ｘ成分用受信ファイバー７２、Ｙ成分用受信ファイバー７３が互いに平行をなすため、光路を折り曲げるものである。３７は、送信ファイバー７１、受信ファイバー７２、７３を光学的に結合するための屈折率分布型ロッドレンズである。
【００２６】
かかる構成においては、光学系収納箱４は、３つの取付部材４１、４２、４３から構成されてはいるが、いずれも同一材料からなる部品であり熱膨張係数も同一であるため、温度変化による光軸ズレを低減することができる。また、偏光子３４及び検光子３５に、ワイヤグリッド型偏光素子を用いたため、カメラ偏光フィルター等に用いる高分子型偏光素子と異なり光変流器に最低限度必要な精度を満足することに加え、熱膨張による精度ズレをも防止することができる。
【００２７】
また、歪を除去した凸レンズ３３をゴム状接着剤で固着するのは、通過する光の偏光状態を変化させず、周囲から応力が加わった場合はこれをゴム状接着剤で吸収するためである。また、反射鏡３６等を用いて、光路を反射させる構成を採用することにより、光学系収納箱４内の光路短縮による装置の小型化が可能となる他、前述したように、送信ファイバー７１、Ｘ成分用受信ファイバー７２、Ｙ成分用受信ファイバー７３が互いに平行をなすことによる装置の小型化も可能となる。
【００２８】
更に、３つの取付部材４１、４２、４３、の設置と相まって、複雑な光軸調整作業無しに偏光子３４、検光子３５、反射鏡３６を取り付けることが可能となる。なお、光学部品取付具３２１への取付を容易にして装置全体の小型化を図るため、屈折率分布型ロッドレンズ３７を図示の如く用いているが、偏光子３４を通過した後導体８近傍のセンサー２を通過する間は、特に正確な精度を要求されるため、導体８側へ光を入射する部分では、図示の如く通常の凸レンズ３３を用いる。
【００２９】
次に、光学系収納箱４に光が入射あるいは出射する際に光軸を合わせるために用いる、光学部品取付具について、特に導体８側の光学部品取付具３２２の詳細構造を図３を参照して説明する。ここで、フェルールホルダＢはフェルールＡとはめあわせて取り付けられるとともに、スリーブＣにもはめあわせられている。さらにフェルールＡの先端は、反射光が光学系収納箱４に入射しないように図示の如く斜めに形成されている。光学系収納箱４とセンサー２の光軸を合致させるためには、フェルールホルダＢとスリーブＣとを摺動して光軸方向の調整を行い、取付部材４２とスリーブＣとを摺動して光軸と直交方向の調整を行う。その後、フェルールＡ、フェルールホルダＢ、スリーブＣ、取付部材４２を溶接によって固着する。
【００３０】
ネジによって固着した場合には、異種部材であるため、熱膨張によって歪みが発生し、あるいはズレが生ずるため、高精度を維持することが困難となる。接着剤を用いた場合もやはり異種部材であるため、熱膨張によって高精度の維持が困難となる。これに対し、溶接固着は同種部材であるため、温度変化による精度低下の影響を考慮する必要がない。
【００３１】
次に、光源側の光学部品取付具３２１、すなわち、Ｘ成分用受信ファイバー７２、Ｙ成分用受信ファイバー７３の取付部について、図４を参照して説明する。ロッドホルダＤは、フェルールＡと屈折率分布形ロッドレンズ３７を光軸を合致させた状態で組み合わされ、取付部材４３に形成された穴に挿入されて、溶接によって固着されている。ただし、取付部材４３に形成された穴の直径はロッドホルダＤの直径より大きいため、ロッドホルダＤを光軸に対して直交方向に摺動させることで、直交方向の光軸を合致することができる。また、溶接固着するのは、やはり熱歪みによる精度低下の影響を考慮したからである。その他、光学部品取付具３２１、３２２に共通の効果として、光軸あわせを摺動によって行うことにより、部品点数を減少し、構造を単純化することが可能となり、ひいては光計測装置全体の小型軽量化が可能となる。
【００３２】
次に、本発明の他の実施形態について、図５を参照して説明する。ここで、図２と同一部分には同一符号を付し、説明は省略する。ここで、１３は、対向する二つの面を相互に平行ならしめ菱形状に形成したガラス状媒質である。また、ガラス状媒質１３上の面のうち、送信ファイバー７１に通ずる面及びＸ成分用受信ファイバー７２に通ずる面には、反射光強度と透過光強度の比率が１：１の部分反射面１３１が、センサー２に通ずる面及びＹ成分用受信ファイバー７３に通ずる面には、反射防止面１３２が、その他の光路反射面には全反射面１３３が、それぞれ形成されている。また、光学系収納箱４は内面を黒色つや消し塗装等の反射散乱防止用の表面処理を施してあり、更に、全ての接合部を気密あるいは水密構造として密閉してなることを特徴とする。
【００３３】
かかる構成においては、第一実施形態に示すような反射鏡３６を二つ個別に設ける必要はなく、反射面を形成したガラス状媒質１３を用いているため、部品点数及び接着箇所を減ずることが可能となり、ひいては光変流器の小型化、精度向上化が可能となる。また光学系収納箱４の内面を黒色つや消し塗装等の反射散乱防止用表面処理を施すことにより、迷光による測定精度の低下を防止することができる。また、本実施形態では、薄板状に形成した反射鏡等を個別に介在する必要がないため、光学系収納箱４は、単一の取付部材４４で構成することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上本発明においては、周囲温度の変化に対しても精度を損なうことなくなおかつ小型で軽量な光計測装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を光ファイバー型のセンサーに適用した場合の概略構成を示す全体構造図。
【図２】本発明の一実施形態の光学系収納箱の詳細断面を示す全体構造図。
【図３】図２に示した光学系収納箱のうち、導体側に取り付けた光学部品取付具の詳細を示す断面構造図。
【図４】図２に示した光学系収納箱のうち、光源側に取り付けた光学部品取付具の詳細を示す断面構造図。
【図５】本発明の他の実施形態の光学系収納箱の詳細断面を示す全体構造図。
【図６】従来のＧＩＳ用光変流器の概略構成を示す断面構造図。
【符号の説明】
１…光源、４…光学系収納箱、８…導体、１３…ガラス状透明媒質、３３…凸レンズ、３４…偏光子、３５…検光子、３６…反射鏡、３７…屈折率分布型ロッドレンズ、４１、４２、４３…取付部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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