(57)【要約】電流測定装置は、電流検出部１０と、光電変換部２０とを備えている。検出部１０に、導体３０の外周に周回設置される光ファイバセンサ１１を有し、センサ１１は、端部で反射するように一端側に反射膜１２が設けられている。電流検出部１０は、第１ファラデー素子１３と、光透過型の複屈折体１４と、第１光ファイバ１５と、第２光ファイバ１６と、レンズ１７とを備えている。ファラデー素子１３は、入射する光の偏波面をおよそ２２．５°回転させる。複屈折体１４は、センサ１１からの出射光を、相互に直交する常光Ｌ１と異常光Ｌ２とに分離するとともに、光源から発射される直線状偏波光Ｌ０を透過させる機能を備えている。レンズ１７は、素子１３と複屈折体１４との間に設置され、結像点がセンサ１１の入射端１１ａと第１光ファイバ１５の一端面１５ａのコア部に設定されている。このような構成によって、構成部品を低減して、小型化する。
2003075018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流測定装置であって、
被測定電流が流れている導体の外周に周回設置される光ファイバセンサを備え、
光源から出射され前記光ファイバセンサ中を伝播する直線状偏波光の偏波面が、前記被測定電流の磁界で回転され、
前記光ファイバセンサから出射される前記直線状偏波光の偏波面の回転角を電気量に変換する光電変換部と、
前記光ファイバセンサと前記光電変換部との間に設けられた光回路部とを備え、
前記光回路部は、直線状偏波光を複屈折させて常光と異常光とに分離して出射させる複屈折体を有しており、
前記電流測定装置は、また、
前記常光を、前記光回路部の複屈折体から前記光電変換部に送出すると共に、前記異常光を、前記光回路部の複屈折体から前記光電変換部に送出するための複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバを所定間隔を隔て保持する保持手段とを備え、
前記複数の光ファイバは、一端と他端とを有しており、
前記複数の光ファイバの一端は、前記複屈折体の近傍に配置され、前記他端は前記光電変換部に接続されていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電流測定装置において、
前記複屈折体における前記常光と前記異常光との分離間隔と、前記保持手段における前記所定間隔とを一致させたことを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電流測定装置において、
前記光回路部は、さらに、前記光ファイバセンサの一端と前記複屈折体との間に設けられたレンズ系であって、結像点が前記光ファイバセンサの一端と前記光ファイバの一端とに設定されるレンズ系を備えることを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記保持手段は、前記光ファイバを所定間隔を隔てて平行に保持する間隔保持部材を備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバセンサは、前記直線状偏波光を入射するための一端と、入射した前記直線状偏波光を反射するための他端とを備え、前記反射された前記直線状偏波光は、前記一端を通して出射されることを特徴とする電流測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電流測定装置において、
前記光回路部は、さらに、前記光ファイバセンサの一端と前記複屈折体との間に配置され、前記直線状偏波光の偏波面を２２．５°だけ回転させるファラデー素子を備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバは、
前記光源側からの光を前記複屈折体に入射させるとともに、前記複屈折体から出射される戻り常光を前記光電変換部に送出する第１光ファイバと、
前記複屈折体から出射される戻り異常光を前記光電変換部に送出する第２光ファイバとを備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電流測定装置において、
前記レンズ系は、前記光ファイバセンサの一端と前記複屈折体との間に設置されており、前記レンズ系の結像点は、前記光ファイバセンサと前記第１光ファイバの端面コア部に設定されていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電流測定装置において、
前記間隔保持部材は、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを所定間隔を隔てて平行に保持する２芯構造のフェルールからなることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の電流測定装置において、
前記光回路部は、さらに、
前記光ファイバセンサから出射し前記ファラデー素子を介して入射した前記直線状偏波光を、互いに対して直交する常光と異常光とに分離する第２の複屈折体と、
前記第２の複屈折体からの前記常光の偏波面と前記異常光の偏波面とをそれぞれ４５°だけ回転させる第２のファラデー素子とを備え、
前記複屈折体は、偏波面が４５°だけ回転された前記常光をそのまま通過させると共に、偏波面が４５°だけ回転された前記異常光を複屈折させて、前記常光と前記異常光との間の相対距離を広げて出射し、
また、前記複屈折体は、前記光源から出射された光のうち前記複屈折体の結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿った直線状偏波光をそのまま透過させて、前記第２のファラデー素子に送出することを特徴とする電流測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバは、
前記光源からの前記ランダム光を前記複屈折体に入射させる偏波保持光ファイバと、
前記複屈折体から出射される常光を前記光電変換部に送出する第１光ファイバと、
前記複屈折体から出射される異常光を前記光電変換部に送出する第２光ファイバとを備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電流測定装置において、
前記光回路部は、さらに、前記光ファイバセンサの一端と前記第２の複屈折体との間に設置され、結像点が前記光ファイバセンサと前記偏波保持光ファイバの端面コア部に設定されるレンズ系を備えることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電流測定装置において、
前記間隔保持部材は、前記偏波保持光ファイバと前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを、所定間隔を隔てて平行に保持する３芯フェルールからなることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１４】
請求項５ないし１３のいずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバセンサは、反射型のセンサであることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバセンサは、前記直線状偏波光を入射するための一端と、入射した前記直線状偏波光を出射するための他端とを備えたことを特徴とする電流測定装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電流測定装置において、
前記光回路部は、さらに、前記光源から出射されたランダム光のうち直線状偏波光のみを送出する偏光子を備え、
前記光ファイバセンサの一端は前記偏光子に近接して配置され、
前記光ファイバセンサの他端は、前記複屈折体に接して配置されており、
前記偏光子の透過軸と前記複屈折体の結晶軸とは互いに対して４５°ずれており、これによって、前記複屈折体は、前記光ファイバセンサから出射された前記直線状偏波光を互いに対して直交する常光と異常光とに分離することを特徴とする電流測定装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバは、
前記複屈折体から出射される常光を前記光電変換部に送出する第１光ファイバと、
前記複屈折体から出射される異常光を前記光電変換部に送出する第２光ファイバとを備えていることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電流測定装置において、
前記レンズ系は、前記光ファイバセンサの他端と前記複屈折体との間に設置されており、前記レンズ系の結像点は、前記光ファイバセンサの他端と前記第１光ファイバの端面コア部に設定されることを特徴とする電流測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電流測定装置において、
前記間隔保持部材は、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとを所定間隔を隔てて平行に保持する２芯構造のフェルールからなることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２０】
請求項１５ないし１９いずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記光ファイバセンサは、透過型のセンサであることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の電流測定装置において、
前記光電変換部は、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子とを備えており、
前記光ファイバは、
前記常光を、前記複屈折体から前記第１の光電変換素子に送出するための第１の光ファイバと、
前記異常光を、前記複屈折体から前記第２の光電変換素子に送出するための第２の光ファイバとを備えており、
前記第１および第２光電変換素子により得られた２つの電気信号のそれぞれの変調度の平均を演算したことを特徴とする電流測定装置。
【請求項２２】
被測定電流が流れている導体の外周に周回設置される光ファイバセンサであって、光源から出射され前記光ファイバセンサ中を伝播する直線状偏波光が、前記被測定電流の磁界で回転するファラデー回転角を検出する前記光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサで検出されたファラデー回転角を電気量に変換する光電変換部と、
前記光ファイバセンサと前記光電変換部との間に設けられた光回路部とを備え、
前記光回路部は、
前記光ファイバセンサの入射端近傍に設置され、前記直線状偏波光の偏波面を所定角度だけ回転させるファラデー素子と、
前記ファラデー素子の前記光電変換部側に設置され、前記光ファイバセンサからの出射光を、互いに対して直交する常光と異常光とに分離する光透過型の複屈折体とを備え、
前記電流測定装置は、また、
前記直線状偏波光を前記複屈折体に入射させるとともに、前記複屈折体から出射される常光を前記光電変換部に送出する第１光ファイバと、
前記複屈折体から出射される異常光を前記光電変換部に送出する第２光ファイバとを備え、
前記光回路部は、さらに、前記光ファイバセンサの入射端と前記複屈折体との間に設置され、結像点が前記光ファイバセンサと前記第１光ファイバの端面コア部に設定されるレンズ系を有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の電流測定装置において、
前記レンズ系は、前記複屈折体と前記ファラデー素子との間に設置することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２４】
請求項２２記載の電流測定装置において、
前記複屈折体は、ルチル，オルトヴァナジン酸イットリウム，ニオブ酸リチウム，方解石からなる平行平板から選択されることを特徴とする電流測定装置。
【請求項２５】
請求項２２ないし２４のいずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記第１および第２光ファイバは、２芯構造のフェルールなどからなる間隔保持部材により所定間隔を隔てて平行に保持され、
前記第１および第２ファイバの保持間隔を、前記平行平板で構成された前記複屈折体の厚みと物質とに応じて求められる前記常光と異常光との間の分離間隔に設定することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２６】
請求項２２ないし２５のいずれか１項に記載の電流測定装置において、
前記所定角度は、２２．５°に近い値であることを特徴とする電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ファラデー効果を利用した電流測定装置に関し、特に、反射型の又は透過型の光ファイバセンサを用いる電流測定装置に関するものである。
背景技術
光の偏波面が磁界の作用により回転するファラデー効果を利用した電流の測定装置が知られている。この種の測定装置としては、例えば、特開平１０−３１９０５１号公報や特開２０００−２９２４５９に反射型の電流測定装置例が開示されている。
このような電流測定装置では、電磁雑音の影響を受けず、また、電流検出用光ファイバを周回配置した内部のみに感知して、周回配置した外部導体に流れる電流からの影響を受け難いなどの長所がある。したがって、例えば、ガス絶縁式の開閉装置内への適用や、短絡事故，地絡事故の発生区間の特定用、新需要家や新供給家による電力需給変動の監視、さらには、効率的需給配電用としての適用が検討されている。
上記公報に開示されている反射型の電流測定装置は、被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサを周回設置し、光ファイバセンサの一端側から入射させた直線状偏波光を、光ファイバセンサの他端側で反射させた際に、被測定電流の磁界で回転する直線状偏波光のファラデー回転角を測定することを基本構成としている。
図１１は、従来のこの種の反射型の電流測定装置の要部を示したものである。電流測定装置は、被測定電量が流れている導体１の外周に、反射型の光ファイバセンサ２が周回設置されている。
光ファイバセンサ２の入射端側には、直線状偏波光の偏波面を２２．５°回転させる光透過型の磁気飽和性を持つ強磁性ファラデー素子３が設けられている。強磁性ファラデー素子３の前端側には、光ファイバセンサ２からの出射光を、直交する常光と異常光とに分離して受光素子に導く光透過型の複屈折体４が設置されている。
しかしながら、このような構成を備えた電流測定装置には、以下に説明する技術的な課題があった。
すなわち、上記公報に開示されている電流測定装置は、実際に、測定機器として使用する際には、光ファイバのコアに光を収束させる必要がある。そのため、例えば、図１１に示すように、光ファイバセンサ２と強磁性ファラデー素子３との間、および、複屈折体４とこれに直線状偏波光を導入する光ファイバ５との間、ないしは、偏光分離された異常光を導出する光ファイバ６との間に、それぞれレンズ７を介在させることになる。
ところがこのような構成では、複屈折体４における常光と異常光との間の分離間隔が比較的狭いので、複屈折体４と光ファイバ５，６との間に、２個のレンズ７を平行に配置することが非常に難しい。
レンズ７の設置が可能な分離間隔を確保しようとすると、この分離間隔が複屈折体４の厚みに比例するので、複屈折体４の厚みが大きくなり、全体構造が大型化する。
また、図１１に示した構造では、構成部品が多くなり、構成が複雑化するとともに、レンズ７と光ファイバなどの光軸合わせにも時間がかかり、組立て工数も嵩み、その結果、製造コストも高くなるという問題があった。
さらに、特開平１０−３１９０５１号公報では、電流検出部内部に一軸性複屈折結晶製平行平板はあるものの、偏波保持光ファイバ５と光ファイバ６が一括固着された部分組立品とレンズとを一括組立てできる構成ではない。従って、それぞれの光ファイバは独立に固定する必要がある。このため、独立に固定するための部材の容積と組立てするためのスペースが必要となり、偏波保持光ファイバと光ファイバ間の距離が長くなる。結果として電流検出部は大きなサイズとなってしまう。
このような問題の解決手段として、例えば、図１２に示すように、複屈折体として、ローションプリズム４ａを用い、これと光ファイバ５，６との間に１つのレンズ９を設置する構成が考えられる。
また、図１３に示すように、複屈折体として、一軸性複屈折結晶材料製のクサビ形プリズム４ｂを用い、これと光ファイバ５，６との間に１つのレンズ９を用いる構成が考えられ、図１２と図１３に示した構成によれば、構成部品の低減を図ることができる。
しかしながら、このような解決手段では、ローションプリズム４ａないしはクサビ形プリズム４ｂから送出される常光と異常光との光路が、平行にならず、このような状態でレンズ９に光を入射すると、レンズ９を通過した後で両光を平行にする必要があるので、レンズ９の構造が複雑になり、また、高度な調整も必要となって、所要の効果が得られない。
一方、特開２０００−２９２４５９においては、電流検出部と光電変換部が１本の光ファイバで結ばれ、簡素化されている。しかしながら、電流検出部内にある２２．５°ファラデー素子の温度特性による電流測定値の変動を補償できない。すなわち、電流検出用光ファイバ内の直線状偏波光がファラデー効果により回転する角度と２２．５°ファラデー素子の偏波面回転角が温度により変化した分が複合された状態で光電変換素子で受光されるため、２２．５°ファラデー素子の偏波面回転角が温度により変化した分が分離できない。以上のように、電流検出部が小型で２２．５°ファラデー素子の温度特性による電流測定値の変動を補償し、且つ電流検出部からの被測定光を効率よく受光し、安価な電流測定装置を提供する方法が無かった。
次に、従来技術に係る透過型の電流測定装置の一例を、図１４に基づいて説明する。透過型の電流測定装置においては、被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサ２００が、周回設置されている。光ファイバセンサ２００の一端側は、薄型の偏光子２０２が接続されており、他端側は偏光分離部２０４が接続されている。偏光子２０２は、図示しない光源からのランダム光を受け、このランダム光のうち波の振動方向がそろった直線状偏波光のみを取り出して光ファイバセンサ２００に送出する。直線状偏波光が光ファイバセンサ２００を通る際に、被測定電流の磁界の影響を受けて、磁界の大きさに比例して直線状偏波光の偏波面が所定角度だけ回転する。このようにして、偏波面が回転した直線状偏波光は、光ファイバセンサ２００の他端側から送出され、偏光分離部２０４に入射する。直線状偏波光は、偏光分離部２０４において常光と異常光とに分離され、常光は第１の光ファイバ２０６に出力され、異常光は第２の光ファイバ２０８に出力される。第１の光ファイバ２０６を通った常光と、第２の光ファイバ２０８を通った異常光とは、図示しない光電変換部に出力される。光電変換部において、常光と異常光とがそれぞれ電気量に変換され、これらの電気量が図示しない信号処理回路に送られ、かかる電気量に基づいてファラデー回転角が求められ、最終的に被測定電流が測定される。
偏光分離部２０４は、直線状偏波光を常光と異常光とに分離するための複屈折体としての複屈折体２１０と、光ファイバセンサ２００の出射端から出射される直線状偏波光を複屈折体２１０に導くためのレンズ２１２と、複屈折体２１０から出射される常光を第１の光ファイバ２０６に導くためのレンズ２１４と、複屈折体２１０から出射される異常光を第２の光ファイバ２０８に導くための光路シフト用プリズム２１６及びレンズ２１８とを備えている。偏光子２０２の結晶軸と複屈折体２１０の結晶軸とは互いに対して４５°ずれており、これによって、複屈折体２１０は、光ファイバセンサ２００から出射された直線状偏波光を互いに対して直交する常光と異常光とに分離することができるようになっている。
このように、透過型の光ファイバセンサにおいても、複屈折体２１０と光ファイバセンサ２０６、２０８との間に２個のレンズ２１４、２１８が必要となり、分離間隔を大きくとる際にはさらに光路シフト用プリズム２１６が必要となり、結果として電流測定装置の全体構造が大型化するという問題点があった。
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、構成部品の低減により、小型化を達成し、かつ、簡単に組み立てられる電流測定装置を提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明は、電流測定装置であって、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置される光ファイバセンサを備え、光源から出射され前記光ファイバセンサ中を伝播する直線状偏波光の偏波面が、前記被測定電流の磁界で回転され、前記光ファイバセンサから出射される前記直線状偏波光の偏波面の回転角を電気量に変換する光電変換部と、前記光ファイバセンサと前記光電変換部との間に設けられた光回路部とを備え、前記光回路部は、結晶軸を有する複屈折体であって、前記光ファイバセンサから出射した直線状偏波光が前記結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿って入射したときには当該直線状偏波光をそのまま透過し、前記光ファイバセンサから出射した直線状偏波光が前記結晶軸と光軸を含む面に沿って入射したときには当該直線状偏波光を平行移動させて出射させる複屈折体を有しており、前記電流測定装置は、また、常光を、前記光回路部の複屈折体から前記光電変換部に送出すると共に、異常光を、前記光回路部の複屈折体から前記光電変換部に送出するための複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバを所定間隔を隔て保持する保持手段とを備え、前記複数の光ファイバは、一端と他端とを有しており、前記複数の光ファイバの一端は、前記複屈折体の近傍に配置され、前記他端は前記光電変換部に接続されている電流測定装置を提供するものである。
上記構成の電流測定装置によれば、各光ファイバの一端を複屈折体の近傍に配置して、光を各光ファイバのコア部に導入することができるようにしたので、各光ファイバの一端と複屈折体との間に従来のようにレンズを設ける必要がなくなって、少なくとも一つのレンズで各光ファイバに光を導くことが可能となり、これにより、電流測定装置の小型化を図ることができる。
また、本発明の電流測定装置は、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置される光ファイバセンサと、光源から出射され前記光ファイバセンサ中を伝播する直線状偏波光が、前記被測定電流の磁界で回転するファラデー回転角を検出する前記光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサで検出されたファラデー回転角を電気量に変換する光電変換部と、前記光ファイバセンサと前記光電変換部との間に設けられた光回路部とを備える。前記光回路部は、前記光ファイバセンサの入射端近傍に設置され、前記直線状偏波光の偏波面を所定角度回転させるファラデー素子と、前記ファラデー素子の前記光電変換部側に設置され、前記光ファイバセンサからの出射光を、互いに対して直交する常光と異常光とに分離する光透過型の複屈折体とを備える。前記電流測定装置は、また、前記直線状偏波光を前記複屈折体に入射させるとともに、前記複屈折体から出射される常光を前記光電変換部に送出する第１光ファイバと、前記複屈折体から出射される異常光を前記光電変換部に送出する第２光ファイバとを備える。前記光回路部は、さらに、前記光ファイバセンサの入射端と前記複屈折体との間に設置され、結像点が前記光ファイバセンサと前記第１光ファイバの端面コア部に設定されるレンズ系を有している。
上記構成の電流測定装置によれば、光ファイバセンサの入射端と複屈折体との間に設置するレンズ系は、結像点を、光ファイバセンサの端面コア部と、直線状偏波光を複屈折体に入射させるとともに、複屈折体から出射される常光を光電変換部に送出する第１光ファイバの端面コア部とにそれぞれ設定するので、この１つのレンズ系だけで済み、光回路部の構成部品の低減と小型化とが達成され、光軸合わせも簡単になる。
また、複屈折体と第１および第２光ファイバとの間にレンズを配置しない構成では、複屈折体を薄型化して、常光と異常光との間の分離間隔を小さくしても、これに対応させて第１および第２光ファイバの設置間隔を合わせればよく、複屈折体を薄型化して、より一層の小型化を図ることができる。
本発明の電流測定装置では、前記レンズ系は、前記複屈折体と前記ファラデー素子との間、または、前記ファラデー素子と前記光ファイバセンサとの間に設置することができる。
前記複屈折体は、ルチル，オルトヴァナジン酸イットリウム，ニオブ酸リチウム，方解石からなる平行平板から選択することができる。
前記第１および第２光ファイバは、２芯構造のフェルールなどからなる間隔保持部材により所定間隔を隔てて平行に保持され、前記第１および第２ファイバの保持間隔を、前記平行平板で構成された前記複屈折体の厚みと物質とに応じて求められる前記常光と異常光との間の分離間隔に設定することができる。
発明を実施するための最良の形態
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および図２は、本発明にかかる電流測定装置の第１実施例を示している。同図に示した電流測定装置は、反射型の光ファイバセンサ１１と、光回路部１０と、光電変換部２０とを備えている。
光ファイバセンサ１１は、被測定電流Ｉが流れている導体３０の外周に周回設置される。光ファイバセンサ１１は、鉛ガラスファイバや石英ガラスファイバなどで構成され、内部に直線状偏波光Ｌ０ないしは反射直線状偏波光ＬＲ伝播させるものである。導体３０の外周を周回した後に、直線状偏波光Ｌ０を端部で反射するように、一端側に反射用部材としての反射膜１２が設けられている。本実施例においては、反射膜１２を設けたが、本発明においてはこれに限定されるものではなく直線状偏波光を反射するような任意の要素を採用することができ、例えば、金、銀、銅、クロム、アルミなどの光に対して低吸収率、高反射率の金属や、低吸収率、高反射率の多層膜を用いた反射ミラーを用いることができる。
光回路部１０は、常光又は異常光のうちのいずれか一方の直線状偏波光が光ファイバセンサ１１に入力するように、また、光ファイバセンサ１１から出力された直線状偏波光の偏波面のファラデー回転角を検出するために、被測定電流Ｉの磁界Ｈの影響を受けた直線状偏波光を常光と異常光とに分離するための回路であり、第１ファラデー素子１３と、複屈折体としての複屈折体１４と、第１光ファイバ１５と、第２光ファイバ１６と、レンズ１７とを備えている。
なお、光回路部１０と光ファイバセンサ１１とから、光ファイバセンサ中を伝播する直線状偏波光Ｌ０，ＬＲが、被測定電流Ｉの磁界Ｈの影響を受けて偏波の方位が回転した光ファラデー回転角を検出する電流検出部が構成されている。
第１ファラデー素子１３は、外周に磁石１３ａが設けられた光透過型のものであって、光ファイバセンサ１１の入射端１１ａ近傍に設置され、入射する直線状偏波光Ｌ０ないしは反射直線状偏波光ＬＲの偏波面を２２．５°回転させる。したがって、第１ファラデー素子１３を通った直線状偏波光Ｌ０の偏波面と、第１ファラデー素子１３を通った反射直線状偏波光ＬＲの偏波面は、被測定電流Ｉの影響を受けない場合、４５°のずれが生じることになる。このように、直線状偏波光の偏波面を４５°回転させるのは、複屈折体１４において、反射直線状偏波光ＬＲを常光と異常光とに分離して、常光と異常光とに基づいてファラデー回転角を求め、ファラデー回転角から被測定電流値を算出するためのである。なお、後述する透過型の光ファイバセンサを用いた場合は、偏波面を２２．５°回転させるようなファラデー素子を設ける必要はない。というのは、透過型の光ファイバセンサにおいては、該光ファイバセンサの入射端側に偏光子を設け、出射側に複屈折体（検光子ともいう）を設け、偏光子の結晶軸に対して検光子の結晶軸の角度を４５°ずらすことによって対応できるからである。これに対して、本実施例のような反射型の光ファイバセンサを用いる場合、複屈折体１４を出射した直線状偏波光の偏波面と、反射して複屈折体１４に戻ってきた直線状偏波光の偏波面との間の角度を４５°ずらすために、直線状偏波光の偏波面を２２．５°回転させる第１のファラデー素子１３が設けられている。
常光と異常光とに基づいてファラデー回転角を求め、ファラデー回転角から被測定電流値を正確且つ容易に算出するには、複屈折体１４を出射した直線状偏波光の偏波面と、反射して複屈折体１４に戻ってきた直線状偏波光の偏波面との間の角度差は、被測定電流の磁界の影響を受けない状態で、４５°にするのが最も好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。光の偏波面を２２．５°回転させるように第１のファラデー素子１３を設定しているのは、測定レンジを最大にするためである。測定レンジが多少狭くなっても電流測定装置として機能することから、第１のファラデー素子１３は、偏波面を２２．５°よりも小さい角度又は大きい角度だけ回転させるようなものであってもよい。
複屈折体１４は、光透過型のものであって、第１ファラデー素子１３の光電変換部２０側に設置されている。複屈折体１４は、常光が異常光に対して平行に移動して出射するような結晶軸にした複屈折体から構成されており、直線状偏波光が前記結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿って入射したときには当該直線状偏波光をそのまま透過し、直線状偏波光が前記結晶軸と光軸を含む面に沿って入射したときには当該直線状偏波光を平行移動させて出射させる機能を備えている。前記２つの直交する面以外の面で入射したときは光強度はそれぞれのベクトル成分に分配され、常光はそのまま透過し、異常光は平行移動して出射する。したがって、複屈折体１４は、光ファイバセンサ１１からの出射光を、相互に直交する常光Ｌ１と異常光Ｌ２とに分離するとともに、後述する光源から発射される直線状偏波光Ｌ０を透過させる。
このような機能を有する複屈折体１４は、以下の表に示す物性を有する複屈折結晶物質、すなわち、ルチル，オルトヴァナジン酸イットリウム，ニオブ酸リチウム，方解石から選択することができる。
このような材質から選択された物質は、所定厚みｔで、対向する２面が平行となる平板に加工して複屈折体１４とされ、平行な平面の一方が、第１光ファイバ１５および第２光ファイバ１６の端面と対向し、他方の平面がレンズ１７と対向するように設置する。
このような平行平板に加工された複屈折体１４では、反射直線状偏波光ＬＲが一方の平面から入射すると、常光Ｌ１と異常光Ｌ２とに分離され、他方の平面から出射すると、これらの常光Ｌ１と異常光Ｌ２とが所定の分離間隔ｄを隔てて平行になる。
2003075018.tif 000003
第１光ファイバ１５は、偏波面保持ファイバから構成され、一端側の端面１５ａが複屈折体１４の近傍に配置されている。すなわち、一端側の端面１５ａは、複屈折体１４に僅かな間隔を隔てて近接配置するか、あるいは、双方が当接するように配置することができる。その結果、第１光ファイバ１５は、直線状偏波光Ｌ０を複屈折体１４に入射させるとともに、複屈折体１４から出射される常光Ｌ１を光電変換部２０側に送出することができるようになっている。
第２光ファイバ１６は、通常形態の単一モード光ファイバやマルチモード光ファイバや偏波面保持ファイバなどから構成され、一端側の端面１６ａが、第１光ファイバ１５と実質的に同様に、複屈折体１４の近傍に配置されている。すなわち、一端側の端面１６ａは、複屈折体１４に僅かな間隔を隔てて近接して配置するか、あるいは、双方が当接するように配置することができる。その結果、第２光ファイバ１６は、複屈折体１４から出射される異常光Ｌ２を光電変換部２０側に送出することができるようになっている。
本実施例の場合には、第１および第２光ファイバ１５，１６は、一端側の端面１５ａ，１６ａ同士が同一平面上にあって、所定間隔Ｌを隔てて、２芯構造のフェルール１８により保持されている。
この場合の所定間隔Ｌは、平行平板状の複屈折体１４の厚みｔと選択された物質の物性に応じて設定される。すなわち、表１に示した複屈折結晶では、常光Ｌ１と異常光Ｌ２との分離間隔ｄは、以下の式求められる。（ｄ＝Ｌ）
ｄ＝ｔ×（ｎｎ−ｎｏ）／λ
ここで、
2003075018.tif 000004
ｄ：常光Ｌ１と異常光Ｌ２との分離間隔
ｔ：複屈折体１４の厚み
ｎｏ：複屈折体１４の常光屈折率
ｎｅ：複屈折体１４の異常光屈折率
α：複屈折体１４の入射角と結晶光軸のなす角度
λ：光の波長
分離間隔ｄが求められると、平行平板状の複屈折体１４では、素子１４から出射した常光Ｌ１と異常光Ｌ２とが平行になるので、所定間隔Ｌを分離間隔ｄと一致させることで、これらの光を各光ファイバ１５，１６のコア部に導入することができる。
この場合、２芯構造のフェルール１８は、例えば、間隔が１２５μｍに規格化されたものが市販されているので、分離間隔ｄがこれに適合するように複屈折体１４の厚みを設定すると、規格品の利用が可能になり、経済性も向上する。
なお、第１および第２光ファイバ１５，１６を所定間隔に保持する手段は、２芯構造のフェルール１８に限る必要はなく、例えば、平行な２本のＶ字溝を備え、光ファイバ１５，１６をＶ溝内に挿入することで、双方の位置決めが可能な機能を備えた挟持構造の間隔保持部材であってもよい。
レンズ１７は、本実施例の場合には、単一のレンズから構成され、第１ファラデー素子１３と複屈折体１４との間に設置され、結像点Ａ，Ｂが、図２に示すように、光ファイバセンサ１１の入射端１１ａと第１光ファイバ１５の端面１５ａのコア部に設定されている。
本実施例の場合、光ファイバセンサ１１の入射端１１ａと第１光ファイバ１５の一端面１５ａは、それぞれの光軸と直交する直立面になっていて、レンズ１７の結像点は、各ファイバのコア部の概略中心上に設定されている。
一方、光電変換部２０には、光源２１と、レンズ２２と、偏波分離プリズム２３と、２個の第１，第２光電変換素子２４，２５と、第２ファラデー素子２６とを備えている。
光源２１は、半導体レーザーなどで構成され、所定波長λの光を発射させる。レンズ２２は、光源２１の前方に設置され、光源２１から発射される光を結合させて、偏波分離プリズム２３に入射させる。
偏波分離プリズム２３は、光源２１から発射された光を透過偏光させるとともに、第１光ファイバ１５を介して入射される常光を、第１光電変換素子２４側に反射させる。
第１および第２光電変換素子２４，２５は、ホトダイオードなどで構成され、光を受光して、電気信号に変換する。第２ファラデー素子２６は、偏波分離プリズム２３の前方に設置され、入射する直線状偏波光を４５°回転させる。このように、直線状偏波光を４５°回転させる第２ファラデー素子２６を設けたのは、順方向の直線状偏波光の偏波面と反射して戻ってくる逆方向の直線状偏波光の偏波面との間に９０°のずれを生じさせることにより、逆方向の直線状偏波光を偏波分離プリズム２３で屈折させてそのまま全てを第２光電変換素子２４に入射させるためである。
第２ファラデー素子２６の前方には、第１光ファイバ１５の他端１５ｂが近接配置されている。また、第２光電変換素子２５には、第２光ファイバ１６から送出される光が入力されるようになっている。
以上のように構成された電流測定装置では、光源２１から発射された光は、レンズ２２，偏波分離プリズム２３を透過して、第２ファラデー素子２６に入射し、ここで偏波面を４５°回転させることで、直線状偏波光Ｌ０として送出され、この直線状偏波光Ｌ０が、第１光ファイバ１５，複屈折体１４，レンズ１７，第１ファラデー素子１３を通って、光ファイバセンサ１１の入射端１１ａに到達し、この入射端１１ａから光ファイバセンサ１１内に入射する。直線状偏波光Ｌ０が、複屈折体１４を通る際、直線状偏波光Ｌ０の偏波面は複屈折体１４の結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿って入射されるため、直線状偏波光Ｌ０は複屈折体１４をそのまま透過する。
レンズ１７を通った直線状偏波光Ｌ０は、第１ファラデー素子１３を通過する際に、偏波面が２２．５°回転させられる。このときの偏波状態をＬｏ’とする。光ファイバセンサ１１内に入射した直線状偏波光Ｌ０’は、その内部を伝播して、他端側に到達し、反射膜１２で反射して反射直線状偏波光ＬＲとなって、再び入射端１１ａに戻る。
このような伝播の際に、光ファイバセンサ１１は、被測定電流Ｉが流れている導体３０の外周に周回設置されているので、直線状偏波光Ｌ０’，反射直線状偏波光ＬＲは、電流磁界の影響を受けて偏波面が、被測定電流Ｉの大きさに応じて回転する。
入射端１１ａから出射した反射直線状偏波光ＬＲは、再度第１ファラデー素子１３を通過する際に、その偏波面がＬ０’に対し更に２２．５°回転させられ、レンズ１７を通過して、複屈折体１４に入射する。
複屈折体１４に入射した反射直線状偏波光ＬＲの偏波面は、直線状偏波光Ｌ０の偏波面（に対して４５°＋α°ずれている（α°は、被測定電流値によって影響を受けた角度）そのため、反射直線状偏波光ＬＲは、複屈折体１４において、相互に直交する偏波面の常光Ｌ１と異常光Ｌ２とに分離される。常光Ｌ１は、複屈折体１４の結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿って出射され、異常光Ｌ２は、光軸から離れて出射される。常光Ｌ１は、第１光ファイバ１５を介して、第１光電変換素子２４に受光されて電気信号に変換される。一方、異常光Ｌ２は、第２光ファイバ１６を介して、第２光電変換素子２５に受光されて電気信号に変換される。
光電変換素子２４，２５により電気信号に変換されると、この電気信号は、例えば、１９９６年発行の技術論文（電気学会論文誌Ｂ、１１６巻１号、９３ないし１０３）に開示されているような論理回路に入力して、所定の演算を行うことにより、被測定電流Ｉの大きさを求めることができる。
なお、上述した複屈折体１４で分離される常光Ｌ１と異常光Ｌ２とは、第１ファラデー素子１３の偏波面回転角に温度依存性がなければ、平均強度比が１：１となる。
ところが、本発明者らの知見によると、ファラデー素子１３には、偏波面の回転角度に温度依存性があり、これを考慮しないと、測定誤差となる。そこで、本実施例では、第１および第２光電変換素子２４，２５により得られた２つの電気信号のそれぞれの変調度（ＡＣ成分／ＤＣ成分）の平均を演算することにした。
このような演算処理を行うと、ファラデー素子１３の温度特性に基づく、偏波面の回転角度の変動を補償して、高精度の測定を可能にしつつ、光回路部１０からの測定光を効率良く受光することができる。
さて、以上のように構成した電流測定装置によれば、第１ファラデー素子１３と複屈折体１４との間に設置するレンズ１７は、結像点を、光ファイバセンサ１１の端面コア部と、直線状偏波光Ｌ０を複屈折体１４に入射させるとともに、複屈折体１４から送出される常光Ｌ１を光電変換部２０に送出する第１光ファイバ１５の端面コア部とにそれぞれ設定するので、この１つのレンズだけで済み、光回路部１０の構成部品の低減と小型化とが達成され、光軸合わせも簡単になる。
また、複屈折体１４と第１および第２光ファイバ１５，１６との間にレンズを配置する必要がなくなり、複屈折体１４を薄型化して、常光Ｌ１と異常光Ｌ２との間の分離間隔ｄを小さくしても、これに対応させて第１および第２光ファイバ１５，１６の設置間隔Ｌを合わせることができる。したがって、複屈折体１４を薄型化しても従来の方式のような不都合がなく、より一層の小型化を図ることができる。
図３は、本発明にかかる電流測定装置の第２実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ詳述する。
同図に示した実施例では、光回路部１０は、上記実施例と同様に、第１ファラデー素子１３と、光透過型の複屈折体１４と、第１光ファイバ１５と、第２光ファイバ１６とを備えている。
複屈折体１４と第１ファラデー素子１３との間には、レンズ系１９が介装されている。このレンズ系１９は、所定の間隔を隔てて対向配置される２枚のレンズ１９ａ，１９ｂから構成されている。
一方のレンズ１９ａは、結像点Ａが第１光ファイバ１５の端面１５ａのコア部になるように設置されている。他方のレンズ１９ｂは、結像点Ｂが光ファイバセンサ１１の入射面１１ａのコア部になるように設置されている。
また、レンズ１９ａ，１９ｂ間では、平行光線になるように、レンズ１９ａ，１９ｂの間隔が設定されている。
このように構成した第２実施例では、レンズの数が第１実施例よりも１枚増えるがレンズ１９ａ，１９ｂに関して、単純な構成のコリメートレンズを用いることができ、したがって、レンズそれぞれを小型にすることができ、それに合わせて、全体の構成も小型化することができる。
また、このようなレンズ系１９を採用すると、空間伝搬光と各ファイバ１１，１５のモードフィールドの整合が図れ、挿入損失の低減が図れる。
図４は、本発明にかかる電流測定装置の第３実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ詳述する。
なお、上記実施例では、レンズ系１７，１９は、複屈折体１４とファラデー素子１３との間に設置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、結像点を光ファイバセンサ１１と第１光ファイバ１５の端面コア部に設定するようにすれば、レンズ系１７，１９は、ファラデー素子１３と光ファイバセンサ１１との間に設置することもできる。
同図に示した実施例では、図１に示した第１実施例に対して、光回路部１０の構成は、実質的に同一であるが、光電変換部２０ａの構成に特徴がある。すなわち、本実施例の光電変換部２０ａは、第１実施例と同様に、光源２１や第１および第２光電変換素子２４，２５を備えているが、偏波分離プリズム２３などの構成に替えて、第１実施例で示した光回路部１０にほぼ相当する部分Ｃ（図１に一点鎖線で囲んだ部分）の構成を用いている。
Ｃ部分の構成は、第１ファラデー素子１３あるいは１３’と、複屈折体１４と、第１光ファイバ１５と、第２光ファイバ１６と、レンズ１７と、フェルール１８に保持された第１および第２光ファイバ１５，１６とを備えている。
このように構成した実施例によれば、光回路部１０と光電変換部２０ａとに、実質的に同じ構成の部品が共通使用されるので、構成部品の削減が可能になるとともに、共通する部分をユニット化すると、組立てもより一層簡単になる。
なお、図４の光電変換部２０ａ内のファラデー素子１３’のファラデー回転角は４５°であるのに対して、図４の光回路部１０のファラデー素子１３のファラデー回転角は２２．５°となっている。
次に、第４実施例にかかる電流測定装置を図５に基づいて説明する。
第４実施例にかかる電流測定装置は、ファラデー効果によって、電流が流れている導体１００からの磁界により、電流検出用の光ファイバセンサ１０２内の直線状偏波光が回転する角度を測定するものである。この電流測定装置は、導体１００を流れる電流を検出するための光ファイバセンサ１０２と、光回路部１０４と、光回路部１０４からの光量を電気に変換するための光電変換部１０６と、光回路部１０４と光電変換部１０６とを接続する光ファイバ１０８、１１０、１１２とを備えている。光回路部１０４は、光源１１４から出射される直線状偏波光もしくはランダム偏波光から直線状偏波光を光ファイバセンサ１１に入力するようにするための回路であり、また、光ファイバセンサ１１から出力された直線状偏波光の偏波面のファラデー回転角を検出するために、被測定電流Ｉの磁界Ｈの影響を受けた直線状偏波光を常光と異常光とに分離するための回路である。
光電変換部１０６は、ＬＤ（半導体レーザー）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）などから構成される光源１１４と、光源１１４から出射される光を偏波保持光ファイバ１０８の入射端１０８ａに結像させるためのレンズ１１６と、２個の受光器１１８、１２０とを備えている。光源１１４と、レンズ１１６と、２個の受光器１１８、１２０とは、同じ筐体内に設けられている。光電変換部１０６からは２本の光ファイバ（シングルモードファイバ又はマルチモードファイバ）１１０、１１２と、偏波保持光ファイバ１０８の計３本の光ファイバが、光回路部１０４に向けて延在している。
光回路部１０４は、光ファイバを保持するための３芯フェルール１２２と、第１の複屈折体１２４と、第２の複屈折体１２６と、４５°回転ファラデー素子１２８と、４５°回転ファラデー素子に磁界を与えるマグネット１３０と、２２．５°回転ファラデー素子１３２と、２２．５°回転ファラデー素子に磁界を与えるマグネット１３４と、第２の複屈折体１２６と２２．５°回転ファラデー素子１３２との間に配置されたレンズ１３６とを備えている。
３芯フェルール１２２内には、３本の光ファイバが装填されており、偏波保持光ファイバ１０８と光ファイバ１１０と光ファイバ１１２との間が所定間隔に保持されている。図５（ｋ）は、光源１１４側から３芯フェルール１２２を見た際の、偏波保持光ファイバ１０８及び光ファイバ１１０、１１２の配置パターンを示したものである。この図５（ｋ）に示されているように、３芯フェルール１２２によって、偏波保持光ファイバ１０８は中心に位置決めされ、光ファイバ１１０は図中上側に位置決めされ、光ファイバ１１２は図中下右側に位置決めされている。
光回路部１０４からは電流センシング用の光ファイバセンサ１０２が延在している。光ファイバセンサ１０２は、鉛ガラスファイバから構成されており、その先端には反射鏡１０２ａが取付けられている。
次に、本実施例の作用を図５の（ａ）ないし（ｊ）に基づいて説明する。
光源１１４から出た光が、光ファイバセンサ１０２先端の反射鏡１０２ａまで進行する方向を順方向光と呼び（ａ）〜（ｅ）とする。反射鏡から受光器に戻って進行する方向を逆方向光と呼び、（ｆ）〜（ｊ）とする。
図５の（ａ）ないし（ｊ）には、常光Ｒｏと異常光Ｒｅのそれぞれの偏波面が図式的に示されている。
順方向において、光源１１４から出た、ランダム偏波光は、レンズ１１６によって偏波保持光ファイバ１０８の入射端１０８ａに結合され、次いで、３芯フェルール１２２を通過して、第１の複屈折体１２４に入る（図５の（ａ）参照）。
第１の複屈折体１２４では、光が、直線状偏波光としての常光Ｒｏと、直線状偏波光としての異常光Ｒｅとに分離される（図５の（ｂ）参照）。第１の複屈折林１２４の結晶軸が、α＝４７．８°で配置されている。そのため、結晶軸と光軸を含む面と直交する面内で振動している常光Ｒｏは、そのままスネルの法則に従って出力され、結晶軸を含む面内で振動する偏波面をもっ異常光Ｒｅは、第１の複屈折体を通る際に屈折して光軸Ｐから離れる方向に分離される。
次に、４５°回転ファラデー素子１２８により、常光Ｒｏと異常光Ｒｅとは、共にそれらの偏波面が４５°回転し、第２の複屈折体１２６に入る（図５の（ｃ）参照）。
第２の複屈折体１２６の結晶軸は、４５°回転した常光Ｒｏの偏波面にに対し、直交する面内にあるように構成されている。したがって、常光Ｒｏは、第２の複屈折体１２６をそのまま常光Ｒｏとして透過する。一方、第２の複屈折体１２６の結晶軸を含む面内で振動する偏波面をもつ異常光Ｒｅは、第２の複屈折体１２６内で移動して出力される（図５の（ｄ）参照）
レンズ１３６は、２２．５°回転ファラデー素子１３２を通過した常光Ｒｏ及び異常光Ｒｅのうち常光Ｒｏのみが、光ファイバセンサ１０２の入射端１０２ｂに結合されるように設定されている（図５の（ｅ）参照）。２２．５°回転ファラデー素子１３２によって、常光Ｒｏ及び異常光Ｒｅのそれぞれの偏波面が２２．５°回転させられる（図５の（ｄ）参照）。そして、上述したようにレンズ１３６の作用によって、常光Ｒｏのみが光ファイバセンサ１０２に入射する。異常光Ｒｅは、光軸Ｐから離れた方向および位置に分離されているので光ファイバセンサ１０２に入射しない。もちろん、異常光Ｒｅのみが光ファイバセンサ１０２に入るように構成してもよい。常光Ｒｏ及び異常光Ｒｅのうちのどちらを選択すべきかという際には、センサの性能を上げるために光パワーの高い偏波面を有するほうの光を選択すべきである。
光ファイバセンサ１０２を通過中の常光Ｒｏは、電線１００電流に依存した磁界の影響を受け、ファラデー効果により、磁界強度に応じてその偏波面が回転する（以降ファラデー回転）。光ファイバセンサ１０２の最終端には全反射ミラー１０２ａが設けられており、この反射ミラー１０２ａの作用により、常光Ｒｏは全反射し、折り返し、逆方向光（すなわち、逆方向の直線状偏波光）となる。全反射した逆方向の直線状偏波光は、鉛ガラスファイバ内で更にファラデー回転し（図５の（ｆ）参照）２２．５°回転ファラデー素子に入る。ここで、ファラデー回転の合計をα°とする。
２２．５°回転ファラデー素子では、逆方向光の偏波面がさらに２２．５°回転する（図５の（ｇ）参照）。
従って、２２．５°回転ファラデー素子１３２と、レンズ１３６とを通過した逆方向の直線状偏波光の偏波面は、順方向時での同位置の常光Ｒｏの偏波面に対し、４５°＋α回転していることとなる。ここでαは、上述したように、光ファイバセンサ１０２内を往復して得られる磁界強度に依存したファラデー回転角である。
第２の複屈折体１２６を通過する際、逆方向の直線状偏波光は、常光Ｒｏと異常光Ｒｅに分離される（図５の（ｈ）参照）。というのは、逆方向の直線状偏波光は、第２の複屈折体１２６の順方向時での偏波面に対して４５°＋αのずれが生じているからである。常光Ｒｏの偏波面は、第２の複屈折体１２６の結晶軸と光軸を含む面と直交する面内で出力され、異常光Ｒｅは、その結晶軸と光軸を含む面内で振動する偏波面で出力される。すなわち、第２の複屈折体１２６を透過して分離した常光の偏波面と異常光の偏波面とは、第２の複屈折体の結晶軸が基準となって分離する。常光Ｒｏは、結晶軸と光軸を含む面と直交する面内であり、異常光Ｒｅはそれと直交した偏波面となる。
常光と異常光の光強度比は、第２の複屈折体透過前の光強度をＰとすると常光ＲｏはＲｏ＝Ｐ・ｃｏｓ２（４５＋α）で表され、異常光ＲｅはＲｅ＝Ｐ・ｓｉｎ２（４５＋α）で表される。ここでαは、光ファイバセンサ１０２内を往復して得られる磁界強度に依存したファラデー回転角である。
４５°ファラデー回転素子１２８を通過する際、常光Ｒｏの偏波面と異常光Ｒｅの偏波面とがそれぞれ４５°回転し（図５の（ｉ）参照）、第１の複屈折体１２４に入射する。
第１の複屈折体１２４では常光Ｒｏの位置が移動する。これは順方向において常光であったものが４５°ファラデー回転素子１２８を通り、偏波面が４５°回転し、更に逆方向において第２の複屈折体を通った常光は４５°ファラデー回転素子１２８を通り、４５°回転する事により、９０°回転した偏波面の状態で第１の複屈折体１２４を通り、異常光としての振舞いをするためである。移動方向は順方向での移動方向を辿る方向となる（図５の（ｊ）参照）。結果として、第１の複屈折体１２４を透過した常光Ｒｏと異常光Ｒｅは、順方向時での偏波保持光ファイバ１０８には戻らず、残りの２本の光ファイバ１１０、１１２と結合する。常光Ｒｏは光ファイバ１１０を通って受光器１１８に導かれ、異常光Ｒｅは光ファイバ１１２を通って受光器１２０に導かれ、それぞれ、受光器１１８、１１２で光電変換される。そして、図示しない演算処理装置において、受光器１１８、１１２で得られた２つの電気信号のそれぞれの変調度（ＡＣ成分／ＤＣ成分）の平均が演算される。このような演算処理を行うと、上述したように、ファラデー素子１２８、１３２の温度特性に基づく、偏波面の回転角度の変動が補償され、高精度の測定を可能にしつつ、光回路部１０４からの測定光を効率良く受光することができる。
４５°回転ファラデー素子、２２．５°回転ファラデー素子のそれぞれの角度は、ファラデー回転角度のもっとも好ましい数値を示したものであり、本発明はこれらの角度に限定されるものではない。というのは、それらの角度は最適な角度であって、それからズレても本発明の本質的な機能は維持されるからである。但し、ズレた分、光損失、電流測定範囲、測定精度などの低下がおこる可能がある。
２つの複屈折体の結晶軸方向と、２つのファラデー素子１２８、１３２へマグネット１３０、１３４によって加えられる磁界方向とにより、また、順方向における２２．５°ファラデー素子透過後の常光または異常光のどちらを光ファイバ１０２に結合するかで、幾つかの３芯フェルール内の光ファイバの配置パターンを考えることができる。
図６は、３芯フェルール内の光ファイバの配置パターンを変えた、第５実施例に係る電流測定装置の概略的な構成図である。図６において、図５に示す構成と同様な構成は同じ符号が用いられており、同様な説明は省略し、相違点のみ説明する。
３芯フェルール１２３は、３本の光ファイバ１０８、１１０、１１２を保持しており、これによって、偏波保持光ファイバ１０８と光ファイバ１１０と光ファイバ１１２との間が所定間隔で保持されている。図６（ｋ）は、光源１１４側から３芯フェルール１２２を見た際の、偏波保持光ファイバ１０８及び光ファイバ１１０、１１２の配置パターンを示したものである。この図６（ｋ）に示されているように、３芯フェルール１２３によって、偏波保持光ファイバ１０８は中心に位置決めされ、光ファイバ１１０は図中下右側に位置決めされ、光ファイバ１１２は図中真下に位置決めされている。
図５に示す第１の複屈折体１２４の結晶軸は、光軸に沿って図中上方に向いているのに対して、図６に示す第１の複屈折体１２４は、光軸に沿って図中下方に向いている。したがって、順方向光に関して、図５に示す実施例においては、複屈折体１２４によって異常光Ｒｅは下側にずれたが（図５（ｂ）参照）、図６に示す実施例においては、第１の複屈折体１２４によって異常光Ｒｅは上側にずれる。一方、逆方向光に関しては、第１の複屈折体１２４において、常光Ｒｏの位置が下側に移動する。移動方向は順方向での移動方向を辿る方向となる（図６の（ｊ）参照）。結果として、第１の複屈折体１２４を透過した常光Ｒｏと異常光Ｒｅは、順方向時での偏波保持光ファイバ１０８には戻らず、残りの２本の光ファイバ１１０、１１２と結合する。
３芯フェルールのフェルールパターン（偏波保持光ファイバと光ファイバとの配置パターン）をどうように構成するの否かは、第２の複屈折体１２６の結晶軸と第１の複屈折体１２４の結晶軸に関係している。図５に示す実施例においては、第２の複屈折体１２６の結晶軸が、第１の複屈折体１２４の結晶軸に対して４５度傾いている。この場合、図５で示すフェルールパターンのほかに図６で示すフェルールパターンを取ることができる。
図７は、３芯フェルール図５の４５°回転ファラデー素子のファラデー回転角が３０°になり、２２．５°回転ファラデー素子のファラデー回転角が１５°にズレた場合の第６実施例に係る電流測定装置の概略的な構成図である。図７において、図５に示す構成と同様な構成は同じ符号が用いられており、同様な説明は省略し、相違点のみ説明する。
３芯フェルール１２５は、３本の光ファイバ１０８、１１０、１１２を保持しており、これによって、偏波保持光ファイバ１０８と光ファイバ１１０と光ファイバ１１２との間が所定間隔に保持されている。図７（ｋ）は、光源１１４側から３芯フェルール１２５を見た際の、偏波保持光ファイバ１０８及び光ファイバ１１０、１１２の配置パターンを示したものである。この図６（ｋ）に示されているように、３芯フェルール１２５によって、偏波保持光ファイバ１０８は中心に位置決めされ、光ファイバ１１０は図中真上に位置決めされ、光ファイバ１１２は図中下右側に位置決めされている。
図７では、第２の複屈折体１２６の結晶軸が第１の複屈折体１２４の結晶軸に対して３０度傾いており、且つ４５°回転ファラデー素子のファラデー回転角が３０°となっている。この場合、フェルールパターンは図７に示すパターン以外にも考えられる。
第２の複屈折体１２６の結晶軸が第１の複屈折体１２４の結晶軸に対して３０度傾いている場合でも、電流測定装置としての機能を果たすことができる。しかし、電流測定のレンジが狭まる欠点と、光の損失が生じる欠点（結果として逆方向光が４本に分離するため、受光器への光量が減り、系全体の光損失が増加する）とがある。このため、図５や図６の実施例に示すように、第２複屈折体の結晶軸が第１の複屈折体の結晶軸に対して４５度傾いている構成を採用することが好ましい。
以上のような図５ないし図７において示した実施例に係る反射型の光ファイバセンサを用いた電流測定装置においては、図１ないし図４に示した実施例に係る電流測定装置と比較して、さらに安価で低損失な構造を提供することができる。
図１に示した光電変換部２０には、４５°回転ファラデー素子２６、マグネット２６ａ、複屈折体２３、受光器２４、２５がある。この図１に示した構成の場合、偏波保持光ファイバ１５と受光器２４との間にレンズはないが、４５°回転ファラデー素子２６と複屈折体２３とがあるため、偏波保持光ファイバ１５と受光器２４との間の距離を短くすることができない。このため、偏波保持光ファイバ１５から出射された逆方向光を全て受光するためには、受光器２４内の受光エリアサイズを大きくしておく必要がある。これにより、受光器の価格が高くなってしまうデメリットを有している。
図４に示された実施例において、受光器内の受光エリアサイズは小さくてすみ、Ｃ部が２箇所あることから標準化され、従来技術と比較して安価とすることができる。しかしながら、Ｃ部が２箇所あることにより、調芯組立てを２回行なう必要がある。調芯組立ては、光ファイバと光ファイバをレンズを介して最適な光結合を行なうために、ＸＹＺ方向に微調整しながら最適結合位置を探し出し、固定するものである。調芯には長い時間が必要であり、また、調芯設備は、レーザー溶接機を含むため高価である。従って、これに伴うコストは高く、調芯組立てを２回行なうところを１回で行なうことができれば、そのコストは半分となる。また、調芯設備による生産量は２倍にできる。Ｃ部の数を２個を１個にすることにより、レンズ、２芯キャピラリの部品点数も削減できる。
以上のように上記実施例によれば、光回路部を一回の調芯組立てができるため、部品点数が少なくてすみ、安価な反射型電流センサを提供できる。また、部品点数が少ないため光の透過損失が低く、一回の調芯組立てですむため、光の結合点が少なくなり、光の結合損失を低くすることができる。
次に、本発明の第７実施例に係る電流測定装置を図８に基づいて説明する。上記実施例においては、反射型の光ファイバセンサを用いた電流測定装置を説明したが、第７実施例に係る電流測定装置においては、透過型の光ファイバセンサが用いられている。なお、第７実施例に係る電流測定装置は、図１４に示した従来技術に係る電流測定装置に改良を加えたものであり、同様な構成は同符号を用いる。
図８に示す透過型の電流測定装置においては、被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサ２００が、周回設置される。光ファイバセンサ２００の一端側は薄型の偏光子２０２に接続されており、他端側は偏光分離部としての光回路部３００に接続されている。偏光子２０２は、図示しない光源からのランダム光を受け、直線状偏波光を取り出して、光ファイバセンサ２００に送出する。直線状偏波光が光ファイバセンサ２００を通る際に、被測定電流の磁界の影響を受けてファラデー効果により、偏波面が回転する。偏波面が回転した直線状偏波光は、光ファイバセンサ２００の他端側から送出され、光回路部３００に入射する。光回路部３００は光ファイバセンサ２００に磁界が印加されない状態のときに光ファイバセンサ２００からの偏波面に対し、光回路部３００内の複屈折体３１０の結晶軸を４５°回転した状態に回転配置しておく。このようにすると常光５００と異常光６００とに分離される。常光５００は第１の光ファイバ３０６に出力され、異常光６００は第２の光ファイバ３０８に出力される。第１の光ファイバ３０６を通った光と、第２の光ファイバ３０８を通った光とは、図示しない光電変換部に出力される。光電変換部において、第１の光ファイバ３０６を通った光と第２の光ファイバ３０８を通った光とがそれぞれ電気量に変換され、これらの電気量が図示しない信号処理回路に送られ、かかる電気量に基づいてファラデー回転角が求められ、最終的に被測定電流が測定される。
光回路部３００は、直線状偏波光４００を常光５００と異常光６００とに分離するための複屈折体としての複屈折体３１０と、光ファイバセンサ２００の出射端２００ａから出射される直線状偏波光を複屈折体３１０に導くレンズ３１２とを備えている。複屈折体３１０とレンズ３１２とは、円筒状の筐体３２０内に配置されている。円筒状の筐体３２０の一端側には、１つ穴のフェルール３２２が取り付けられており、円筒状の筐体３２０の他端側には、２芯フェルール３２４が取り付けられている。光ファイバセンサ２００の出射端側が、１つ穴のフェルール３２２の穴に嵌入されて保持されている。第１の光ファイバ２０６と第２の光ファイバ２０８の入射端が、２芯フェルール３２４のそれぞれの穴に嵌入されて保持されている。２芯フェルール３２４は、第１及び第２の光ファイバを所定間隔（すなわち、２芯の離間距離に相当）を隔て保持する保持手段として構成されている。２芯フェルール３２４は、第１及び第２の光ファイバ３０６、３０８の入射端側を保持するセンサ側の端面３２４ａを有しており、この端面３２４ａは、複屈折体３１０に近接して配置されている。
このように、２芯フェルール３２４によって第１及び第２の光ファイバを所定間隔を隔て保持するようにしたので、第１及び第２の光ファイバの３０６、３０８の入射端を、複屈折体３１０の近傍に配置することによって、複屈折体３１０と第１及び第２の光ファイバの３０６、３０８の入射端との間にレンズを設けることなく、複屈折体３１０における常光５００と異常光６００との分離間隔と、２芯フェルール３２４における前記所定間隔とを一致させるように容易に調整できる。
レンズ３１２は、ファイバセンサの出射端２００ａと複屈折体３１２との間に設けられており、レンズ３１２の結像点は、光ファイバセンサの出射端２００ａと、第１及び第２の光ファイバ３０６、３０８の入射端に設定されている。
偏光子２０２の透過軸と複屈折体３１０の結晶軸とは互いに対して４５°ずれており、これによって、複屈折体３１０は、光ファイバセンサ２００から出射された直線状偏波光を互いに対して直交する常光と異常光とに分離することができるようになっている。
このように、本実施例に係る透過型の光ファイバセンサにおいて、複屈折体３１０と光ファイバセンサ３０６、３０８との間に、従来必要であった２個のレンズ２１４、２１８、光路変換プリズム２１６を設けることが不要となり、これによって、光学回路部３００を小さく構成することができ、ひいては電流測定装置の全体構造を小型化することができる。
なお、図８に示すレンズ３１２に代えて、屈折率分布を有するＧＲＩＮレンズを採用してもよい。
上記実施例においては、光ファイバセンサ２００の出射端と複屈折体３１０との間に１つのレンズ３１２を設けるようにしたが、図９に示すように、光ファイバセンサ２００の出射端と複屈折体３１０との間に、２つのレンズ３３０、３３２を直列に配置するようにしてもよい。この場合、一方のレンズ３３０をコリメートレンズ（平行ビーム形成用のレンズ）とし、他方のレンズ３３２を集光レンズとすることが好ましい。かかる実施例を採用した場合、コリメートレンズ３３０で直線偏波光を平行にした後、集光レンズ３３２で直線偏波光の焦点合わせるをすればよいことから、直線偏波光の、第１及び第２の光ファイバの３０６、３０８の入射端への焦点合わせをより容易に行うことができる。なお、図９において、図８に示した要素と同様な要素は同符号が用いられており、これによって、同様な構成の説明は省略する。
産業上の利用の可能性
以上、詳細に説明したように、本発明にかかる電流測定装置によれば、構成部品の低減により、小型化を達成し、かつ、簡単に組み立てられ、コストの低減も図れる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例にかかる電流測定装置の全体構成説明図である。
図２は、図１の要部拡大図である。
図３は、本発明の第２実施例にかかる電流測定装置の要部拡大図である。
図４は、本発明の第３実施例にかかる電流測定装置の全体構成説明図ある。
図５は、本発明の第４実施例にかかる電流測定装の置全体構成説明図である。
図６は、本発明の第５実施例にかかる電流測定装置の全体構成説明図である。
図７は、本発明の第６実施例にかかる電流測定装置の全体構成説明図である。
図８（ａ）は、本発明の第７実施例にかかる電流測定装置の全体構成説明図である。
図８（ｂ）は、第７実施例にかかる電流測定装置の要部拡大図である。
図９は、本発明の第８実施例にかかる電流測定装置の要部拡大図である。
図１０は、他の実施例に係るレンズの構成を説明するための概略図である。
図１１は、従来の電流測定装置の一例を示す要部説明図である。
図１２は、図１１に示した電流測定装置の改良例の要部説明図である。
図１３は、図１１に示した電流測定装置の他の改良例の要部説明図である。
図１４は、透過型の電流測定装置の従来技術の一例示す概略図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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