(57)【要約】      （修正有）【課題】光源等を含む光磁気効果以外の要因による光レベル変動の影響をほとんど受けることなく、高精度で電流を測定できる光電流センサを実現する。【解決手段】２波長光を出力する光源２１と、光源２１から出力された２波長光を入力し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力する偏光調整部２２と、偏光調整部２２の出力端における２種の円偏光のビート信号を検出するリファレンス光検光部２３と、偏光調整部２２から出力された２種の円偏光を一端から入力し、電流が流される電流路２５の周りに少なくとも１回周回させて伝播させ、他端から出力する光路部２４と、光路部２４の他端から出力される２種の円偏光のビート信号を検出する出力光検光部２６と、リファレンス光検光部２３が検出したビート信号と、出力光検光部２６が検出したビート信号とに基づき、電流路２５に流された電流を測定する電流測定部２７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２波長光を出力する光源と、
この光源から出力された２波長光を入力し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力する偏光調整部と、
この偏光調整部の出力端における前記２種の円偏光のビート信号を検出するリファレンス光検光部と、
前記偏光調整部から出力された前記２種の円偏光を一端から入力し、電流が流される電流路の周りに少なくとも１回周回させて伝播させ、他端から出力する光路部と、
この光路部の他端から出力される前記２種の円偏光のビート信号を検出する出力光検光部と、
前記リファレンス光検光部が検出したビート信号と、前記出力光検光部が検出したビート信号とに基づき、前記電流路に流された電流を測定する電流測定部と、
を備えること特徴とする光電流センサ。
【請求項２】
２波長光を出力する光源と、
この光源から出力された２波長光を入力し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力する偏光調整部と、
この偏光調整部の出力端における前記２種の円偏光のビート信号を検出するリファレンス光検光部と、
前記偏光調整部から出力された前記２種の円偏光を一端から入力し、電流が流される電流路の周りに少なくとも１回周回させて他端まで伝播させ、他端に取り付けられたミラーにより反射させて前記一端まで逆戻りさせる光路と、
前記一端まで逆戻りした前記２種の円偏光のビート信号を検出する出力光検光部と、
前記リファレンス光検光部が検出したビート信号と、前記出力光検光部が検出したビート信号とに基づき、前記電流路に流された電流を測定する電流測定部と、
を備えること特徴とする光電流センサ。
【請求項３】
前記光路部は、光ファイバで形成されることを特徴とする請求項１または２記載の光電流センサ。
【請求項４】
前記リファレンス光検光部および前記出力光検光部は、２種の円偏光の各々から一定角度の偏光面を有する偏光を分離し、それらの偏光の周波数差によって生じるビート信号を検出し、
前記電流測定部は、前記リファレンス光検光部および前記出力光検光部が検出するそれぞれのビート信号の位相差に基づいて電流を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光電流センサ。
【請求項５】
前記光源は、ゼーマン分離ＨｅＮｅレーザにより２波長光を出力することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光電流センサ。
【請求項６】
前記光源は、レーザ光源と、このレーザ光源から出力されるレーザ光からサブキャリアを発生するニオブ酸リチウム結晶を用いた光変調器と、により２波長光を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電流センサ。
【請求項７】
前記偏光調整部は、入力した２波長光を遅延干渉計を用いて偏光調整し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学効果により電流を検出する光電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気光学効果を利用した光電流センサは、偏光が電流路を周回する光路を伝播する過程で、電流路を流れる電流によって生じる磁束による偏光面の回転角度から電流路の電流を測定する装置である。
【０００３】
このような従来の装置例を、図面を用いて詳細に説明する。図５は、従来の光電流センサの構成例を示した図である。
図５において、光源１はレーザ等で、単一波長光を出力する。偏光調整部２は、光源１が出力する単一波長光を入力し、直交する偏光面を有する直線偏光を出力する。光路３は、電流が流れるコイル等で形成される電流路４を少なくとも1回周回する光ファイバ等で形成され、偏光調整部２が出力する直線偏光をその一端から入力する。光路３の一端から入力されたこの直線偏光は、光路３を伝播し、光路３の他端から出力する。光路３の他端から出力した直線偏光は検光部５に入力され、偏光面の角度変化が検出される。
電流値換算部６は、検光部５が検出した偏光面の角度変化を電流値に換算する。
【０００４】
このような、装置の動作例を、図面を用いて説明する。
図５において、光源１から出力された単一波長光は、偏光調整部２により直交する偏光面を有する直線偏光となって出力される。この直線偏光は、光路３の一端に入力される。光路３が周回する電流路４には電流が流されて磁束が発生し、この磁束がファラデー効果を奏し、光路に伝播する直線偏光の偏光面を、磁束密度に応じて回転させる。検光部５は、偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)やウォラストンプリズムを有しており、光路３の他端から出力される直線偏光を入力し、縦方向と横方向の偏光に分離し、縦方向と横方向の光レベルの比によって、あらかじめ定められた直交する偏光面からの角度変化を検出する。図６は、偏光状態を検出する構成例を示す図であり、偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)１１または、ウォラストンプリズム１２等により、直線偏光が縦方向の偏光と横方向の偏光に分離される様子を示している。
電流測定部６は、検光部５が検出した偏光面の角度変化を電流値に換算する。
【０００５】
特許文献１には、偏光が電流路を周回する光路を伝播する過程で、電流路を流れる電流による磁束により偏光面が回転し、この偏光面の回転角度から電流値を求める光電流センサの構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２９４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように従来の装置では、光路を伝播した直線偏光をＰＢＳ等により縦方向と横方向の偏光に分離し、それらの偏光の光レベル比から偏向角の変化を検出して、電流路を流れる電流値を求める構成をとる。しかしながらこのような構成では、レーザ等の光源自体に光レベルの変動があるなど、光源等を含む光磁気効果以外の要因による光レベル変動が偏向角の検出誤差を生じ、結果として電流測定精度に限界があるという課題があった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、異なる波長で直交する２種の円偏光を、電流路を周回する光路に伝播させ、光路の入力端と出力端における２種の円偏光間の位相差に基づいて電流路を流れる電流値を求めることにより、光源等を含む光磁気効果以外の要因による光レベル変動の影響をほとんど受けることなく、電流を高精度測定できる光電流センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
２波長光を出力する光源と、
この光源から出力された２波長光を入力し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力する偏光調整部と、
この偏光調整部の出力端における前記２種の円偏光のビート信号を検出するリファレンス光検光部と、
前記偏光調整部から出力された前記２種の円偏光を一端から入力し、電流が流される電流路の周りに少なくとも１回周回させて伝播させ、他端から出力する光路部と、
この光路部の他端から出力される前記２種の円偏光のビート信号を検出する出力光検光部と、
前記リファレンス光検光部が検出したビート信号と、前記出力光検光部が検出したビート信号とに基づき、前記電流路に流された電流を測定する電流測定部と、
を備えること特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、
２波長光を出力する光源と、
この光源から出力された２波長光を入力し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力する偏光調整部と、
この偏光調整部の出力端における前記２種の円偏光のビート信号を検出するリファレンス光検光部と、
前記偏光調整部から出力された前記２種の円偏光を一端から入力し、電流が流される電流路の周りに少なくとも１回周回させて他端まで伝播させ、他端に取り付けられたミラーにより反射させて前記一端まで逆戻りさせる光路と、
前記一端まで逆戻りした前記２種の円偏光のビート信号を検出する出力光検光部と、
前記リファレンス光検光部が検出したビート信号と、前記出力光検光部が検出したビート信号とに基づき、前記電流路に流された電流を測定する電流測定部と、
を備えること特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明であって、
前記光路部は、光ファイバで形成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明であって、
前記リファレンス光検光部および前記出力光検光部は、２種の円偏光の各々から一定角度の偏光面を有する偏光を分離し、それらの偏光の周波数差によって生じるビート信号を検出し、
前記電流測定部は、前記リファレンス光検光部および前記出力光検光部が出力するそれぞれのビート信号の位相差に基づいて電流を測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明であって、
前記光源は、ゼーマン分離ＨｅＮｅレーザにより２波長光を出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明であって、
前記光源は、レーザ光源と、このレーザ光源から出力されるレーザ光からサブキャリアを発生するニオブ酸リチウム結晶を用いた光変調器と、により２波長光を発生することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明であって、
前記偏光調整部は、入力した２波長光を遅延干渉計を用いて偏光調整し、それぞれの波長光を互いに直交する２種の円偏光として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光源が２波長光を出力し、偏光調整部がこれら２波長光を互いに直交する２種の円偏光に調整して出力し、リファレンス光検光部がこれら２種の円偏光からそれぞれ一定角度の偏光成分を分離してそのビート信号を検出し、電流路を少なくとも１回周回する光路が偏光調整部の出力する２種の円偏光を一端から入力し他端から出力し、出力光検光部が光路の他端から出力された２種の円偏光それぞれから一定角度の偏光成分を分離しそのビート信号を検出し、電流測定部がリファレンス光検光部のビート信号である基準ビート信号と光路の出力端でのビート信号である出力ビート信号の位相差に基づいて電流路に流れる電流値を求める。したがって、光路を伝播した偏光の回転角度は、光レベルではなく、基準ビート信号と出力ビート信号との位相差に基づいて検出されるので、光源等を含む光磁気効果以外の要因による光レベル変動の影響をほとんど受けることなく、高精度で電流を測定できる光電流センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例の構成を示した図である。
【図２】本発明の他の実施例の構成を示した図である。
【図３】本発明で使用する遅延干渉計を用いた偏光調整部の構成例を示す図である。
【図４】２波長光の光軸に対する偏光方向を示した図である。
【図５】従来の装置の構成例を示した図である。
【図６】直線偏光から偏光状態を検出する構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の構成を示した図である。
図１において、光源２１は、２波長光を出力するゼーマン分離ＨｅＮｅレーザ等で、安定した周波数差を有する２波長光を出力する。この２波長光は、周波数差が僅かで、うなり（その差周波に等しい光レベルの周期的な変化、ビート信号）が検出可能である。偏光調整部２２は、光源が出力する２波長光を、互いに直交する２種の円偏光に調整し出力する。
リファレンス光検光部２３は、偏光調整部２２が出力する２種の円偏光を入力し、それぞれから一定角度の偏光面を有する偏光を分離して干渉させ、ビート信号（基準ビート信号）を検出する。
【００１８】
光路２４は、電流が流れるコイル等で形成される電流路２５を少なくとも１回周回する光ファイバ等で、偏光調整部２２が出力する２種の円偏光を一端から入力する。光路２４の一端へ入力したこれら２種の円偏光は、光路２４を伝播し光路２４の他端から出力される。
出力光検光部２６は、光路２４が出力する２種の円偏光それぞれから、一定角度の偏光面を有する偏光を分離して干渉させ、ビート信号（出力ビート信号）を検出する。
電流測定部２７は、リファレンス光検光部２３の基準ビート信号と、出力光検光部２６の出力ビート信号とを入力し、それらの位相変化に基づいて、電流路に流れる電流値を求める。
【００１９】
このような装置の動作例を、図１を用いて詳細に説明する。
図１において、偏光調整部２２は、光源２１が出力する２波長光のうち、一方の波長光を左回転の円偏光、他方の波長光を右回転の円偏光に調整し出力する。
リファレンス光検光部２３は、内部に図示しない偏光分離器を含みこの偏光分離器により偏光調整部２２が出力する２種の円偏光それぞれから、一定角度の偏光面を有する偏光を分離し、それらを干渉させビート信号を基準ビート信号として検出する。
【００２０】
光路２４は、電流が流れる電流路２５の周りに少なくとも１回周回し、偏光調整部２２が出力する２種の円偏光を一端から入力する。電流路２５に流れる電流は磁束を発生させ、この磁束の向きと密度は、それぞれ電流の向きと電流値に依存する。光路２４を伝播する２種の円偏光は、この磁束に依存して偏光面が回転する。この回転の向きと角度は、それぞれ磁束の向きと密度に依存する。
ここで、２種の円偏光は、互いに直交し、左回転および右回転を有する２種の円偏光である。たとえば円偏光の偏光面に左回転を加える磁束が発生すると、左回転の円偏光はもとの速さよりも速く光路２４を伝播し、逆に右回転の円偏光は元の速さよりも遅く光路２４を伝播することになる。
出力光検光部２６は、内部に図示しない偏光分離器を含みこの偏光分離器により光路２４が出力する２種の円偏光それぞれから、一定角度の偏光面を有する偏光を分離し、それらを干渉させビート信号を出力ビート信号として検出する。
【００２１】
前述した例のような、左回転の円偏光が光路をもとの速さよりも速く伝播し、逆に右回転の円偏光が遅く伝播することになる場合には、２種の円偏光は、出力光検光部２６において、リファレンス光検光部２３での周波数差よりも大きい周波数差が生じていることになる。この周波数差の変化は基準ビート信号と出力ビート信号の位相変化として検出される。
電流測定部２７は、リファレンス光検光部２３の基準ビート信号と、出力光検光部２６の出力ビート信号の位相変化に基づいて、電流路２５に流れる電流値を求める。
【００２２】
このように、光源２１が２波長光を出力し、偏光調整部２２がこれら２波長光を互いに直交する２種の円偏光に調整して出力し、リファレンス光検光部２３がこれら２種の円偏光からそれぞれ一定角度の偏光成分を分離してそのビート信号を検出し、電流路２５を少なくとも１回周回する光路２４が偏光調整部２２の出力する２種の円偏光を一端から入力し他端から出力し、出力光検光部２６が光路２４の他端から出力された２種の円偏光それぞれから一定角度の偏光成分を分離しそのビート信号を検出し、電流測定部２７がリファレンス光検光部２３のビート信号である基準ビート信号と光路２４の出力端でのビート信号である出力ビート信号の位相差に基づいて電流路２５に流れる電流値を求める。したがって、光路を伝播した偏光の回転角度を、光レベルではなく、基準ビート信号と出力ビート信号との位相差に基づいて検出するので、光源等を含む光磁気効果以外の要因による光レベル変動の影響をほとんど受けることなく、高精度で電流を測定できる光電流センサを実現することができる。
【００２３】
なお、本発明では、光路２１が、偏光調整部２２から出力された２種の円偏光を一端から入力し、電流路２５の周りに少なくとも１回周回させて伝播させ、他端から出力する構成を示したが、図２のように、偏光調整部２２から出力された２種の円偏光を一端から入力し、電流路２５の周りに少なくとも１回周回させて他端まで伝播させ、他端に取り付けられたミラー２８により反射させて一端まで逆戻りさせる構成でもよい。この場合、出力光検光部２６は、光路２４の一端まで逆戻りした前記２種の円偏光の位相差を検出することとなる。
【００２４】
そして、光源２１は、ゼーマン分離ＨｅＮｅレーザである構成を示したが、単一波長のレーザ光源と、このレーザ光源から出力されるレーザ光からサブキャリアを発生するニオブ酸リチウムの結晶を用いた光変調器（ＬＮ光変調器）と、により２波長光を発生する構成でもよい。
【００２５】
本発明で使用する偏光調整部２２は、例えば図３のような遅延干渉計を用いたものがある。図３は、遅延干渉計を用いた偏光調整部の構成例を示す図である。図３において、入力部３１には、図１等に示す光源２１から、図４（ａ）のような同一方向の直線偏光を有する２波長光（Ｌ１，Ｌ２）が入力する。これら２波長光は、ハーフミラー３２によって、二分される。二分されたうちの一方の光（Ｌ１＋Ｌ２）は、位相補償器３３に入力し、位相が補償され、直角プリズムミラー３４を経由して、再度ハーフミラー３２に入力する。他方の光（Ｌ１＋Ｌ２）は、直角プリズムミラー３５を経由して、再度ハーフミラー３２に入力する。合波する際の位相条件によりＬ１成分とＬ２成分に分離される。ここでは、Ｌ１，Ｌ２は、図４（ａ）のような同一方向の直線偏光を有する２波長光のままである。
遅延干渉計部２２１は、入力部３１からこのハーフミラー３２に至るの経路によって構成される。
さらに、Ｌ１はハーフミラー３２から出力され、直角プリズムミラー３６を経由し、λ／２波長板３７により偏光方向を９０度回転し、ビームスプリッタ３８へ入力する。Ｌ２は、ハーフミラー３２から出力され、ビームスプリッタ３８へ入力する。ここで、Ｌ１，Ｌ２は、図４（ｂ）のような互いに直交した直線偏光となる。
その後、Ｌ１，Ｌ２はλ／４波長板３９を経由することにより、図４（ｃ）のように互いに直交する円偏光となり、出力部４０から出力される。
【符号の説明】
【００２６】
２１  光源
２２  偏光調整部
２３  リファレンス光検光部
２４  光路
２５  電流路
２６  出力光検光部
２７  電流測定部
２８  ミラー
【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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