(57)【要約】【課題】高精度な光電圧測定が可能で高信頼性を有する光電圧測定装置を提供する。【解決手段】光電圧測定装置１０は、少なくとも、光源１１と、光分岐器１２と、偏光子１３と、位相変調器１４と、伝送ファイバ２と、ファイバの出射光の偏波を回転させるファラデーローテータ３２と、回転させた光にポッケルス効果による屈折率変化を与える電気光学素子３１と、反射鏡３３と、検出器４１と、を備える。電気光学素子３１の感度の温度係数が正の場合は、使用温度範囲内の最も低い温度において、ポッケルス効果により現れる複屈折の軸と同一になるようにファラデーローテータ３２の電気光学素子３１への入射偏光方位を定める。電気光学素子３１の感度の温度係数が負の場合は、使用温度範囲内の最も高い温度において、同様の操作を行う。【選択図】図１
2015230163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を直線偏光にするための第１の光学素子と、
前記直線偏光にされた光に位相変調を加える位相変調器と、
前記直線偏光にされた光をその遅相軸、進相軸両方に伝播させるように配置されたファイバと、
前記ファイバの出射光の偏波を回転させる第２の光学素子と、
前記回転させた光にポッケルス効果による屈折率変化を与える電気光学素子と、
前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、
前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過してきた光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器で分岐された光を検出する検出器と、を少なくとも備え、
前記電気光学素子の感度の温度係数が正の場合は、使用温度範囲内の最も低い温度において、前記ポッケルス効果により現れる複屈折の軸と同一になるように前記第２の光学素子の前記電気光学素子への入射偏光方位を定め、前記電気光学素子の感度の温度係数が負の場合は、使用温度範囲内の最も高い温度において、前記ポッケルス効果により現れる複屈折の軸と同一になるように前記第２の光学素子の前記電気光学素子への入射偏光方位を定めることを特徴とする光電圧測定装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源からの光を直線偏光にするための偏光子と、
前記直線偏光にされた光に位相変調を加える位相変調器と、
前記直線偏光にされた光をその遅相軸、進相軸両方に伝播させるように配置されたファイバと、
入射光に対して、１／４波長分の位相差を生じさせる１／４波長板と、
ファラデー位相差を生じさせるセンサファイバと、
前記センサファイバを透過した光を反射する反射鏡と、
前記反射鏡を反射し、前記センサファイバを透過してきた光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器で分岐された光を検出する検出器と、を少なくとも備えるインラインサニャック干渉型光電流センサをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光電圧測定装置。
【請求項３】
前記電気光学素子を複数直列に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の光電圧測定装置。
【請求項４】
光源と、
前記光源からの光を直線偏光にするための第１の光学素子と、
前記直線偏光にされた光に位相変調を加える位相変調器と、
前記直線偏光にされた光をその遅相軸、進相軸両方に伝播させるように配置されたファイバと、
前記ファイバの出射光の偏波を回転させる第２の光学素子と、
前記回転させた光にポッケルス効果による屈折率変化を与える電気光学素子と、
前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、
前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過してきた光を分岐する光分岐器と、
前記光分岐器で分岐された光を検出する検出器と、を少なくとも備え、
前記電気光学素子として、入射光の偏波を回転させる旋光性を有する電気光学素子を用いたことを特徴とする光電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、送配電線の電圧、電力用機器の分担電圧等を測定する光電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に、従来の光電圧測定装置の構成例を示す。
この光電圧測定装置１００は、センサ部１０１と、発光部１０２と、受光部１０３と、発光側および受光側信号処理回路部（図示せず）とを備えている。
センサ部１０１は、光の入射側から順に同一光軸上に配置された偏光子１３、１／４波長板３５（以下、「λ／４板」とも記す）、電気光学素子３１、および検光子５２で構成される。
【０００３】
また、発光部１０２は、光源１１としてのＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の発光素子を含むＥ／Ｏ回路と、同一光軸上に配置された光ファイバ５３ａ、フェルール５４ａ、ＧＲＩＮレンズ５５ａ、およびホルダ５６ａからなる入力側光学系と、で構成されている。その入力側光学系における各光学部品は互いに接する光軸面が接着剤により接着されている。
【０００４】
さらに、受光部１０３は、同一光軸上に配置された光ファイバ５３ｂ、フェルール５４ｂ、ＧＲＩＮレンズ５５ｂおよびホルダ５６ｂからなる出力側光学系と、その出力側光学系から出射される光信号を電気信号に変換して検出する検出器４１を含むＯ／Ｅ回路とで構成されている。出力側光学系における各光学部品も互いに接する光軸面で接着剤により接着されている。
【０００５】
光電圧測定装置１００のセンサ部１０１において、同一光軸上に配置された上記各光学部品、すなわち偏光子１３、λ／４板３５、電気光学素子３１、および検光子５２は、互いに接する光軸面が全て接着剤で接着されている。ここで、光軸面とは光軸に垂直な面をいい、各光学部品につき光の入射面と出射面との２つが存在する（以下同様）。また、電気光学素子３１には１対の電極５７が蒸着されており、その１対の電極５７のそれぞれはリード線５８によって１対の電極端子５９のそれぞれに電気的に接続されている。光電圧測定装置１００の被測定電圧は、１対の電極端子５９の端子間に印加される。
【０００６】
発光側および受光側信号処理回路部（図示せず）は、それぞれ発光部１０２および受光部１０３によってセンサ部１０１と接続されている。センサ部１０１の偏光子１３の入力側光軸面は発光部１０２のＧＲＩＮレンズ５５ａの光軸面と、センサ部１０１の検光子５２の出力側光軸面は受光部１０３のＧＲＩＮレンズ５５ｂの光軸面と、それぞれ接着剤により固定される。そして、接着固定されたセンサ部１０１、発光部１０２における入力側光学系、および受光部１０３における出力側光学系は、ケース（図示せず）に機構的に固定される。また、光電圧測定装置１００における各光学部品のための接着剤としては、エポキシ系あるいはウレタン系等の樹脂が使用される。さらに、電気光学素子３１としては、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ、ビスマス・シリコン・オキサイド）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）等が使用される。
【０００７】
次に、上記構成を備える光電圧測定装置１００の動作原理について説明する。発光部１０２における光源１１として、例えば中心波長０．８５μｍのＬＥＤ(Light Emitting Diode)を使用した場合、光源１１からＬＥＤの無偏光が出射され、センサ部１０１の偏光子１３を通過した後、直線偏光となる。この直線偏光は１／４波長板３５を通過すると円偏光になり、この円偏光は、電気光学素子３１を通過した後、その電気光学素子３１への印加電圧Ｖｍに応じて楕円化する。すなわち、電気光学素子３１の通過光の偏光状態は印加電圧Ｖｍによって変化する。このような楕円偏光は検光子５２を通過した後に検出器４１で受光される。この出力強度変化は、電気光学素子３１の通過光の偏光状態に対応する。この偏光状態は印加電圧Ｖｍにより変化するため、受光側の光ファイバ５３ｂを介して、受光器において検光子５２の出力強度変化をモニターし、光量（強度）の変調度を計算することで、印加電圧Ｖｍを測定することができる。ここで、光量の変調度とは、光量のＡＣ成分と光量のＤＣ成分の比のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平２−１０３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、光電圧測定装置１００は、光量の変調度を計算して印加電圧Ｖｍを測定する方法であるため、本質的に直流電圧を測定できないという課題があった。また、温度を始めとして、環境変化により感度誤差、位相誤差を生じるが、その挙動が電流測定器のそれと異なるために電力、インピーダンス測定時の誤差となり、測定精度を悪くしていた。さらに、測定には分圧器が必要となるため、分圧器で測定精度、応答速度が制限されてしまうという課題もあった。
【００１０】
また、分圧器レスを目指した光電圧計では、長距離のガス中の光伝播が必要であったり、多数の光源、光学系が必要であったりと、精度面、信頼性面での問題があった。
【００１１】
一方、光量そのものを信号として用いて電圧を測定する方法も考えられるが、実際には検出器の感度変化や光学素子の透過率変化が直接誤差に結びつくために、必要な精度を得ることが難しかった。
【００１２】
本発明の実施形態は、上述したような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、高精度な光電圧測定が可能で高信頼性を有する光電圧測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の光電圧測定装置は、光源と、前記光源からの光を直線偏光にするための第１の光学素子と、前記直線偏光にされた光に位相変調を加える位相変調器と、前記直線偏光にされた光をその遅相軸、進相軸両方に伝播させるように配置されたファイバと、前記ファイバの出射光の偏波を回転させる第２の光学素子と、前記回転させた光にポッケルス効果による屈折率変化を与える電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過してきた光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器で分岐された光を検出する検出器と、を少なくとも備え、前記電気光学素子の感度の温度係数が正の場合は、使用温度範囲内の最も低い温度において、前記ポッケルス効果により現れる複屈折の軸と同一になるように前記第２の光学素子の前記電気光学素子への入射偏光方位を定め、前記電気光学素子の感度の温度係数が負の場合は、使用温度範囲内の最も高い温度において、前記ポッケルス効果により現れる複屈折の軸と同一になるように前記第２の光学素子の前記電気光学素子への入射偏光方位を定めることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の他の実施形態の光電圧測定装置は、光源と、前記光源からの光を直線偏光にするための第１の光学素子と、前記直線偏光にされた光に位相変調を加える位相変調器と、前記直線偏光にされた光をその遅相軸、進相軸両方に伝播させるように配置されたファイバと、前記ファイバの出射光の偏波を回転させる第２の光学素子と、前記回転させた光にポッケルス効果による屈折率変化を与える電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過してきた光を分岐する光分岐器と、前記光分岐器で分岐された光を検出する検出器と、を少なくとも備え、前記電気光学素子として、入射光の偏波を回転させる旋光性を有する電気光学素子を用いたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光電圧測定装置の全体構成を示す概略図。
【図２】ＢｉＧｅＯ２０の感度の温度特性を示すグラフ。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光電圧測定装置の作用および効果を説明する概略図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る複合型光電圧測定装置の全体構成を示す概略図。
【図５】インラインサニャック型光電流センサの構成を示す概略図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る多段型光電圧測定装置の全体構成を示す概略図。
【図７】従来の光電圧測定装置の構成例を示す透視正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
（光電圧測定装置１０の全体構成）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る光電圧測定装置の全体構成を示す。
光電圧測定装置１０は、光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部１と、電気光学素子３１により印加電圧に比例した位相差を生じるセンサ部３と、出射光調整部１とセンサ部３とを接続する伝送ファイバ２と、検波を行って電圧を算出する検出部４とを有している。
【００１８】
（出射光調整部１）
出射光調整部１は、光源１１、光分岐器（以下、「カップラー」とも記す）１２、偏光子１３、および位相変調器１４を有する。
【００１９】
光源１１は、電流の測定に用いる光を出射するものであり、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）等が用いられる。光源１１は、光分岐器１２に接続されている。
【００２０】
光分岐器１２は、入射光を２路に分岐して、その分岐路の一方に繋がれている偏光子１３に導入するものである。また、光分岐器１２は、後述するセンサ部３から戻ってきた光を２路に分岐して一方を検出部４に導入するものでもある。
【００２１】
偏光子１３は、導入された光を特定方向に偏波した光に変換することで、導出側の光を直線偏光とするものである。この偏光子１３としては、偏波面保持ファイバを利用したファイバ型偏光子や、結晶素子と偏波面保持ファイバを組み合わせて構成されたバルク素子型ファイバ偏光子などを使用することができる。偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバは、光軸を４５°傾けて融着接続される。偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバは、２つの直交する偏波成分の偏光状態を保持するものであり、応力付与型の偏波面保存ファイバが用いられる。この偏波面保存ファイバとしては、ＰＡＮＤＡファイバやＢｏｗ−Ｔｉｅファイバなどを用いることができる。
【００２２】
位相変調器１４は、その内部を伝播する光の成分に対して所定の位相差分だけ位相変調を与えるものである。この位相変調器１４としては、ピエゾ管（ＰＺＴ）に偏波面保存ファイバを巻きつけて構成されるＰＺＴ型位相変調子やポッケルス素子を利用したポッケルス素子型位相変調子等を使用することができる。位相変調器１４は、後述する位相変調器駆動回路４０により制御される。また、位相変調器１４の導出側の偏波面保存ファイバには、伝送ファイバ２が接続される。この伝送ファイバ２は、２つの直交する偏波成分の偏光状態を保持するものである。
【００２３】
（センサ部３）
センサ３部は、ファラデーローテータ３２、電気光学素子３１、反射鏡３３および印加電圧３４を有する。
ファラデーローテータ３２は、伝送ファイバ２から出射した光の偏波面を、例えば、４５°回転させて電気光学素子３１に入射させ、また、後述する反射鏡３３で反射され再度電気光学素子３１を通過した光の偏波面を、例えば、４５°回転させるものである。
【００２４】
電気光学素子３１には、光の複屈折特性が電界によって変化するポッケルス効果を有する電気光学結晶が用いられる。このような結晶としては、ＢｉＧｅＯ２０（ビスマス・ゲルマニウム・オキサイド）、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ、ビスマス・シリコン・オキサイド）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ＡＤＰ（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）およびＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）等を用いることができる。
【００２５】
（電気光学結晶の感度の温度依存性）
上記のような電気光学結晶の感度は温度によって変化することが知られている。例えば、図２に示すように、ＢｉＧｅＯ２０結晶の感度は高温側の１００℃で２．０％低下する。他方、温度が上がることによって感度が逆に向上する電気光学結晶も存在する。このため、通常の電圧測定器に必要な精度、例えば１％以内を満足することが困難となり、何らかの補正が必要となる。
【００２６】
本実施形態では、ファラデーローテータ３２の旋光角が温度によって変化することを利用して温度補正を実施する。
即ち、図３の点線に示すように、電気光学結晶の感度が高温側で高くなる場合（感度の温度係数が正の場合）は、ファラデーローテータ３２の旋光角が低温側（例えば、−４０℃）で４５°となるようにセットする。この時、電気光学素子３１には、ポッケルス効果で現れる複屈折の軸と同一になるように電気光学素子３１への入射偏光方位を定めると、直交する２軸の受ける光の複屈折は最大となる。
【００２７】
一方、高温側では、ファラデーローテータ３２の出射偏光方位は、低温の時とは異なり、電気光学素子３１の複屈折の軸と電気光学素子３１への入射偏光方位にズレが生じることになる。このズレが生じた分、両偏光が受ける複屈折による位相差は小さくなり、見かけ上の感度が低下する。この結果、高温での感度が抑制され、図３の実線で示したように、感度の温度特性を平坦にすることができる。
【００２８】
また、図３の点線とは反対に、電気光学結晶の感度が低温側で高くなる場合（感度の温度係数が負の場合）は、ファラデーローテータ３２の旋光角が高温側（例えば、９０℃）で４５°となるようにセットする。この時、電気光学素子３１には、ポッケルス効果で現れる複屈折の軸と同一になるように電気光学素子３１への入射偏光方位を定めると、直交する２軸の受ける光の複屈折は最大となる。これに対して、低温側では、ファラデーローテータ３２の出射偏光方位は、高温の時とは異なり、電気光学素子３１の複屈折の軸と電気光学素子３１への入射偏光方位にズレが生じることになる。このズレが生じた分、両偏光が受ける複屈折による位相差は小さくなり、見かけ上の感度が低下する。この結果、低温での感度が抑制され、図３の実線で示したように、感度の温度特性を平坦にすることができる。
【００２９】
また、ファラデーローテータ３２の旋光の温度依存性を用いて光電圧測定装置１０の感度の温度特性を平坦にする代わりに、旋光性を有した電気光学結晶特性を利用して同様の効果を得ることも可能である。代表的な旋光性を有する電気光学結晶の特性を表１に示す。例えばＺｎＳやＢｉ４Ｇｅ３Ｏ１２のように旋光性を有しない電気光学結晶も存在するが、多くの結晶が旋光性を有している。この様な旋光性を有する結晶を使用すると、図３に示したファラデーローテータによる旋光と、電気光学結晶の電界による複屈折とを１つの電気光学素子で与えることが出来る。
【表１】
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【００３０】
（検出部４）
検出部４は、位相変調器駆動回路４０、検出器４１、および同期検波回路４２を有する。
【００３１】
位相変調器駆動回路４０は、位相変調信号を発生させて、出射光調整部１の位相変調器１４を制御するものである。
【００３２】
検出器４１は、センサ部３において反射され、カップラー１２により分岐された一方の光量を検出するものである。この検出器４１としては、フォトダイオードや光電子倍増管のような光／電気交換素子（Ｏ／Ｅ変換素子）を用いることができる。
【００３３】
同期検波回路４２は、検出器４１により検出された光量を、位相変調角周波数で同期検波するものである。この同期検波回路４２としては、ロックインアンプを用いることができる。
【００３４】
（作用）
以下に、実際の光の流れに沿ってこの光電圧測定装置１０の作用を説明する。
まず、出射光調整部１の光源駆動回路（図示せず）により、光源１１の駆動を制御して光を出射させる。光源１１の出射光は、光分岐手段であるカップラー１２に導入される。出射光はカップラー１２によって、２つの光に分岐され、その一方の光が偏光子１３に導入される。なお、もう一方の光は光電圧測定装置１０の外部へと導出される。
【００３５】
偏光子１３に導入される前の光は複数方向に偏波した光を含むものであるが、偏光子１３を通過した後は、特定方向に偏波した光、すなわち直線偏光となる。この直線偏光は、偏光子１３に対して光軸を４５°傾けて融着接続されている位相変調器１４に導入される。
【００３６】
位相変調器１４は偏波面保存ファイバをピエゾ振動子の回りに巻き付けた構造をしており、ピエゾ振動子によってファイバを伸縮させることによって、位相の変調を行う。偏光子１３の出射光と変調子の偏波面保存ファイバとの光軸が４５°傾いているため、直線偏光は２つの直交する軸、すなわちｘ軸とｙ軸に対してそれぞれ４５°傾いた状態で、偏波面保存ファイバに導入される。この偏波面保存ファイバに導入された直線偏光は、その一部がｘ軸成分の直線偏光となり、残りの一部がｙ軸成分の直線偏光となる。すると、この２つの軸成分の直線偏光は、偏波面保存ファイバのそれぞれの光軸に拘束されて伝播することとなる。
【００３７】
ここでは説明の単純化のために、位相変調器駆動回路４０により制御される位相変調器１４は、ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光のどちらか一方の光に一定の角周波数で一定の振幅の位相変調を与えることとする。例えば、位相変調器１４がｘ軸の直線偏光にのみ位相変調を印加する場合を想定する。
【００３８】
位相変調器１４では、位相変調器１４を伝播するｘ軸の直線偏光に対して、位相差θだけ位相変調を与えると、ｘ軸の直線偏光は時刻ｔに位相変調を受ける。従って、位相変調器１４を通過した後のｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光には、位相差が生ずることとなる。また、位相変調器１４は、同期検波回路４２に使用した位相変調角周波数を出力する。
【００３９】
位相変調器１４を通過したｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、伝送ファイバ２に導入される。ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、伝送ファイバ２においても、２つの光軸それぞれに拘束されて伝播する。
【００４０】
伝送ファイバ２を出射した光は、ファラデーローテータ３２により、偏光を４５°回転した後に電気光学素子３１に入射する。この時の電気光学素子３１の軸は伝送ファイバ２に対して４５°にセットされ、ファイバをｘ軸、及びｙ軸に伝播してきた光は、電気光学素子３１により印加電圧３４に比例した位相差を受けることとなる。
【００４１】
電気光学素子３１を出射した光は反射鏡３３で折り返し、再び電気光学素子３１によって位相差を受けることとなるので、受ける位相差は片道光路の時の２倍となる。この光が再び伝送ファイバ２へと導かれる前に再びファラデーローテータ３２で偏波面を４５°回転されることとなるので、往路でｘ軸を伝播した光はｙ軸を、ｙ軸を伝播した光はｘ軸を伝播して折り返すこととなり、伝送ファイバ２での位相差は生じない。このため、電気光学素子３１による位相差のみが現れることとなる。
【００４２】
このｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光が、伝送ファイバ２に再び導入されて伝播し、位相変調器１４に導入される。ここでは、例えば、位相変調器１４がｘ軸の直線偏光にのみ位相変調を印加する。位相変調器１４では、位相変調器１４を伝播するｘ軸の直線偏光に対して、位相差θ'だけ位相変調を与えるとｘ軸の直線偏光は時刻ｔ'に位相変調を受ける。従って、位相変調器１４を通過した後のｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光には、位相差が生ずることとなる。また、位相変調器１４は、同期検波回路４２に使用した位相変調角周波数を出力する。
【００４３】
位相変調器１４から導出されたｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、偏光子１３に導入される。このとき位相変調器１４は、偏光子１３に対して４５°傾けて接続されているため、ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、合波されて干渉する。
【００４４】
偏光子１３を通過した光は、再度カップラー１２に導入されて分岐され、その一方が検出器４１に導入されて検出される。そして、検出器４１により検出された光量を、同期検波回路４２において、位相変調器駆動回路４０から入力された位相変調角周波数で同期検波する。
【００４５】
（効果）
本実施形態によれば、光量変化ではなく位相変化によって光電圧測定を行うため、光量変化や検出器のＤＣドリフトなどの影響を考慮することなく、高精度でかつ高信頼性の光電圧測定を行うことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、ファラデーローテータ３２の旋光角が温度によって変化することを利用して温度補正を実施しているので、電気光学素子３１の結晶の感度が温度によって変化しても、光電圧測定装置１０の感度の温度特性を平坦にすることができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
図４に、本発明の第２の実施形態に係る複合型光電圧測定装置の全体構成を示す。
本実施形態の複合型光電圧測定装置２０は、第１の実施形態に係る光電圧測定装置１０と、インラインサニャック干渉型の光電流センサ５０とを組み合わせて構成され、光電圧測定装置１０による電圧と光電流センサ５０による電流とを測定する電力測定器５１に接続されている。
【００４８】
光電圧測定装置１０は、第１の実施形態のように単体で電圧測定器として機能させるだけでなく、電流計と組み合わせて電力、電力量、或いは無効電力を計測したりインピーダンスを計算したりして、距離リレーと呼ばれる保護システムを動作させるために用いることもできる。この際に、電流計との位相関係が正確に一致していることが重要となる。
【００４９】
光電圧測定装置１０の構成については第１の実施形態で詳述したので、以下、インラインサニャック干渉型の光電流センサ５０について詳しく説明する。
インラインサニャック干渉型の光電流センサ５０は、ポッケルス効果によって偏波面保存ファイバのｘ軸、ｙ軸を伝播する光に位相差を加える光電圧測定装置１０とは異なり、ファラデー効果を用いて位相差を加えるものである。このために、光電流センサ５０では、図１に示す光電圧測定装置１０の構成を基本としながらも、幾つか異なった構成となっている。なお、図１に示す光電圧測定装置１０と同一の機能の部品については同一の番号を付し、説明を省略し、異なった構成の部分を中心に説明を行う。
【００５０】
（インラインサニャック型光電流センサ５０の構成）
図５に、本実施形態に係る複合型光電圧測定装置２０に用いられるインラインサニャック型光電流センサ５０の構成を示す。
【００５１】
光電流センサ５０は、光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部１と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部３’と、出射光調整部１とセンサ部３’とを接続する伝送ファイバ２と、検波を行って電流を算出する検出部４とを有する。
【００５２】
出射光調整部１、伝送ファイバ２および検出部４は、図１の光電圧測定装置１０と同一であるので、説明を省略する。
【００５３】
（センサ部３’）
センサ部３’は、１／４波長板３５、センサファイバ３６、および反射鏡３３よって構成される。
【００５４】
伝送ファイバ２が光軸を４５°傾けて接続される１／４波長板３５は、入射する光に対して、１／４波長分の位相差を生じさせるものである。１／４波長板３５の導出側には、センサファイバ３６が接続される。
【００５５】
センサファイバ３６は、ファラデー位相差を生じさせるものである。このセンサファイバ３６は、測定する電流を取り囲むように周回配置される。センサファイバ３６の端部には、センサファイバ３６からの光を反射させる反射鏡３３が設けられている。
【００５６】
（作用）
実際の光の流れに沿ってこの複合型光電圧測定装置２０の作用を説明する。
まず、複合型光電圧測定装置２０の光電圧測定装置１０の部分については、第１の実施形態と同様であるので説明を省略し、インラインサニャック型光電流センサ５０の部分の作用について、図５に従って説明する。
【００５７】
出射光調整部１および伝送ファイバ２の作用は、図１の光電圧測定装置１０と同一であるので、説明を省略する。
次に、伝送ファイバ２を通過したｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、続いてセンサ部３’の１／４波長板３５に導入される。１／４波長板３５は、導入された２つの直線偏光に１／４波長分の位相差を生じさせて、２つの逆周りの円偏光である右円偏光および左円偏光に変換する。この右円偏光および左円偏光が、ファラデー素子であるセンサファイバ３６に導入される。
【００５８】
センサファイバ３６において、右円偏光および左円偏光は、進行方向が同一であっても、磁界からのファラデー効果を逆向きに受ける。これにより、右円偏光および左円偏光にファラデー位相差が生じることとなる。そして、センサファイバ３６の端部に設けられた反射鏡３３によって、右円偏光および左円偏光は、反射されてセンサファイバ３６を逆戻りする。
【００５９】
反射鏡３３によって折り返された右円偏光および左円偏光は、再びセンサファイバ３６においてファラデー効果を受けるため、右円偏光および左円偏光が受けるファラデー効果による位相差は、倍になる。このセンサファイバ３６を通過した右円偏光および左円偏光は、１／４波長板３５に導入される。右円偏光および左円偏光は、１／４波長板３５において１／４波長分の位相差を与えられ、再び２つの軸成分の直線偏光となる。
【００６０】
このとき、センサ部３’の導入前にｘ軸成分の直線偏光として伝播してきた光は、ｙ軸成分の直線偏光に変換される。また、センサ部３’の導入前にｙ軸成分の直線偏光として伝播してきた光は、ｘ軸成分の直線偏光となる。すなわち、行きはｘ軸成分であった直線偏光は、帰りはy軸成分として伝播し、行きはｙ軸成分であった直線偏光は、帰りはｘ軸成分として伝播することとなる。従って、２つの直線偏光は、行きと帰りを合わせると同じ光路を進むため、光路差による位相差は生じない。
【００６１】
このｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光が、伝送ファイバ２に再び導入されて伝播し、位相変調器１４に導入される。ここでは、例えば、位相変調器１４がｘ軸の直線偏光にのみ位相変調を印加する。位相変調器１４では、位相変調器１４を伝播するｘ軸の直線偏光に対して、位相差θ'だけ位相変調を与えるとｘ軸の直線偏光は時刻ｔ'に位相変調を受ける。従って、位相変調器１４を通過した後のｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光には、位相差が生ずることとなる。また、位相変調器１４は、同期検波回路４２に使用した位相変調角周波数を出力する。
【００６２】
位相変調器１４から導出されたｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、偏光子１３に導入される。このとき位相変調器１４は、偏光子１３に対して４５°傾けて接続されているため、ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、合波されて干渉する。
【００６３】
偏光子１３を通過した光は、再度カップラー１２に導入されて分岐され、その一方が検出器４１に導入され検出される。そして、検出器４１により検出された光量を、同期検波回路４２において、位相変調器駆動回路４０から入力された位相変調角周波数で同期検波する。
【００６４】
検出光信号を変調角周波数ωｍの高調波成分で同期検波すると、同期検波出力Ｐｎωは、
Ｐωｍ  ∝Ｊ１（２δｓｉｎωｎα）ｓｉｎ４θｆ      基本波の検波信号
Ｐ２ωｍ∝Ｊ２（２δｓｉｎωｎα）ｃｏｓ４θｆ    ２倍高調波の検波信号
Ｐ３ωｍ∝Ｊ３（２δｓｉｎωｎα）ｓｉｎ４θｆ    ３倍高調波の検波信号
Ｐ４ωｍ∝Ｊ４（２δｓｉｎωｎα）ｃｏｓ４θｆ    ４倍高調波の検波信号
ここで、Ｊｎはｎ次のベッセル関数、θｆはファラデー回転角を表す。
【００６５】
この式から明らかなように、θｆが小さい範囲では、奇数次調波の信号を用いれば被測定電流の正弦に比例した信号が得られ、光量は偶数時調波の信号によって得られることから、これらの信号の比を用いることで、光量変動があっても、正確に電流を測ることができる。
【００６６】
（効果）
本実施形態の複合型光電圧測定装置２０において、光電圧測定装置１０と光電流センサ５０は、センサ部以外は全く同一構成になり、また、センサ部はどちらも光路の短い光センサとなるので遅延時間は問題にならない。このため、理想的に位相特性の揃ったセンサペアを実現することが可能となり、位相差の問題を排除した高精度測定が実現できる。
【００６７】
［第３の実施形態]
（構成）
図６に、本発明の第３の実施形態に係る多段型光電圧測定装置の全体構成を示す。
本実施形態の多段型光電圧測定装置３０は、第１の実施形態の光電圧測定装置１０におけるセンサ部３を第１のセンサ部３ａおよび第２のセンサ部３ｂの２段構成としたものである。第１のセンサ部３ａにおける第１の電気光学素子３７と第２のセンサ部３ｂにおける第２の電気光学素子３８とはファラデーローテータ３２を介して２つ直列に接続されている。
【００６８】
（作用）
出射光調整部１および伝送ファイバ２の作用は、図１の光電圧測定装置１０と同一であるので、説明を省略する。
伝送ファイバ２を出射した光は、第１のセンサ部３ａにおいて、ファラデーローテータ３２で４５°回転させられて第１の電気光学素子３７で電圧に比例した位相差を受ける。この光はファラデーローテータ３２で４５°回転させられて、伝送ファイバ２によって第２のセンサ部３ｂの第２の電気光学素子３８へと導かれる。
【００６９】
すなわち、往路ｘ軸を伝播した光は第１の電気光学素子３７のｘ軸を透過して次の伝送ファイバ２のｘ軸を伝播して第２のセンサ部３ｂへと光が導かれる。第２のセンサ部３ｂで最終的に反射鏡３３を反射してｙ軸に折り返してきた光は、第２の電気光学素子３８を透過し、ファラデーローテータ３２によって第１の電気光学素子３７のｘ軸を伝播して、更にファラデーローテータ３２によって４５°回転して伝送ファイバ２のｙ軸に光が折り返していく。
【００７０】
このため、第１の電気光学素子３７および第２の電気光学素子３８の位相差のみを受けることとなり、第１のセンサ部３ａと第２のセンサ部３ｂとを接続した状態で、第１のセンサ部３ａの電圧Ｖ１、第２のセンサ部３ｂの電圧Ｖ２および全体の電圧（Ｖ１＋Ｖ２）を測定することが可能となる。
【００７１】
（効果）
本実施形態による多段型光電圧測定装置３０によれば、２点の電圧の和を測定するような計測器の実現も容易となり、また、途中の地点までの電圧降下を測定することも可能になる。
【００７２】
[他の実施形態]
（１）第２の実施形態では、光電圧測定装置１０とインラインサニャック干渉型の光電流センサ５０とを組み合わせた複合型光電圧測定装置２０を示し、第３の実施形態では、光電圧測定装置１０におけるセンサ部３を２段にした多段型光電圧測定装置３０を示したが、第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせて、センサ部３を２段にした光電圧測定装置１０とインラインサニャック干渉型の光電流センサ５０とを組み合わせることもできる。
【００７３】
（２）第３の実施形態では多段型光電圧測定装置３０としてセンサ部３を２段とした例を示したが、段数は任意の数とすることができる。
【００７４】
（３）第３の実施形態において、第１のセンサ部３ａおよび第２のセンサ部３ｂのうちのいずれか一方についてのみ、第１の実施形態に記載したようなファラデーローテータ３２の温度特性を利用した温度補正を実施しても良い。
【００７５】
（４）以上、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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００７６】
１…出射光調整部
２…伝送ファイバ（偏波面保存ファイバ）
３、３’…センサ部
３ａ…第１のセンサ部
３ｂ…第２のセンサ部
４…検出部
１０…光電圧測定装置
１１…光源
１２…光分岐器（カップラー）
１３…偏光子（第１の光学素子）
１４…位相変調器
２０…複合型光電圧測定装置
３０…多段型光電圧測定装置
３１…電気光学素子
３２…ファラデーローテータ（第２の光学素子）
３３…反射鏡
３４…印加電圧
３５…１／４波長板
３６…センサファイバ
３７…第１の電気光学素子
３８…第２の電気光学素子
４０…位相変調器駆動回路
４１…検出器
４２…同期検波回路
５０…光電流センサ
５１…電力測定器
５２…検光子
５３ａ、５３ｂ…光ファイバ
５４ａ、５４ｂ…フェルール
５５ａ、５５ｂ…ＧＲＩＮレンズ
５６ａ、５６ｂ…ホルダ
５７…電極
５８…リード線
５９…電極端子
１００…光電圧測定装置
１０１…センサ部
１０２…発光部
１０３…受光部
【図１】
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【図２】
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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３】
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