(57)【要約】【課題】何らかの温度補償装置を装備することなく温度補償を可能とし、偏光無依存性で且つ、演算処理を行う演算処理装置の簡略化と高速化が実現可能であると共に、光源の安定動作が可能な光電流センサの提供。【解決手段】少なくとも２つ以上の複屈折素子と、回転角が45度と22.5度の２つの非相反偏光面回転素子と、偏光面回転素子とを有する光回路部を備え、２本の光ファイバを導体の周りに逆回りに配して光電流センサを構成する。光源からの入射光を光回路部で２つの偏光成分に分離して、各偏光成分別に各光ファイバ内に伝搬させ、光ファイバから出射した各偏光成分を、次に複屈折素子によって常光線と異常光線とに分離して入射光を４つの偏光成分に分離する。入射光を４つの偏光成分に分離した複屈折素子において常光線である偏光成分どうし又は異常光線である偏光成分どうしを結合させ、その結合光を検出光として前記受光器で受光させる。【選択図】  図１
2008134183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れる導体の周りを周回するように配した光ファイバと、光源と受光器とを有する光電変換部とを備え、前記光源からの入射光を光ファイバ内に伝搬させ、光ファイバ内の伝搬光に生じるファラデー効果を利用して前記導体に流れる電流を計測する光電流センサにおいて、
少なくとも２つ以上の複屈折素子と、回転角が45度と22.5度の２つの非相反偏光面回転素子と、偏光面回転素子とを有する光回路部を備え、
前記光ファイバを２本、前記導体の周りに互いに逆回りとなるように配すると共に、前記光源からの入射光を前記光回路部によって２つの偏光成分に分離して、各偏光成分別に各光ファイバ内に伝搬させ、伝搬後に前記光ファイバから出射された前記各偏光成分を、前記複屈折素子によって常光線と異常光線とに分離することによって、前記入射光を４つの偏光成分に分離し、
更に、前記入射光を前記４つの偏光成分に分離させた前記複屈折素子において常光線である偏光成分どうし又は異常光線である偏光成分どうしを結合させ、その結合光を検出光として前記受光器で受光することを特徴とする光電流センサ。
【請求項２】
前記受光器の個数が１つであることを特徴とする請求項１記載の光電流センサ。
【請求項３】
前記検出光を受光して前記受光器から出力された電気信号を、受光器の出力側に接続したフィルタによって直流成分と交流成分とに分岐し、直流成分のみを前記光源にフィードバックして前記光源を動作させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光電流センサ。
【請求項４】
前記光源から前記光ファイバに至る光路上に、少なくとも２つの前記複屈折素子を配置し、２つの前記複屈折素子における各異常光線のシフト量が互いに等しくなるように、各複屈折素子を構成することを特徴とする、請求項１乃至３の何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、ファラデー効果を利用した光電流センサに関し、特に、光ファイバを用いる光電流センサにおいて、光電流センサの一端側から光を入射して、他端側で反射させる反射型の光電流センサの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の偏光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光電流センサが知られており、このような光電流センサにおいては、電磁雑音の影響を受けないといった利点があるため、例えば、ガス絶縁式の開閉装置内での電流の測定等に利用されている。
【０００３】
種々の光電流センサが存在するが、このうち光ファイバをセンサ部として、被測定電流が流れている導体の外周に周回させる型式のものが出願されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１９０５１号公報（第３−６頁、第１図）
【０００５】
図２４に示すように、特許文献１の光電流センサ100は、被測定電流が流れている導体101の外周に周回設置された光ファイバ102を有していて、光ファイバ102の一端側から入射させた直線偏光を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偏光のファラデー回転角を測定することを基本原理としている。光ファイバ102の一端側には、第１の非相反偏光面回転素子（第１強磁性ファラデー回転子）103と、第１の複屈折素子（第１方解石）106が設けられている。非相反偏光面回転素子103は、直線偏光の偏光面を22.5度回転させる光透過型のものである。
【０００６】
第１の複屈折素子103の入射側には、プリズム105と、偏光面保存光ファイバ106の一端側とが配置されている。偏光面保存光ファイバ106の他端側は、第２の非相反偏光面回転素子（第２強磁性ファラデー回転子）107の光軸上に配置されている。第２の非相反偏光面回転素子107は、直線偏光の偏光面を45度回転させる。第２の非相反偏光面回転素子107の入射側には、第２の複屈折素子（第２方解石）108が配置されている。
【０００７】
更に、偏光面保存光ファイバ109の他端側は、光源110に接続されている。光源110から出射される光は、図示省略の偏光子などを透過させることにより、直線偏光の入射光が偏光面保存光ファイバ109に入射する。なお、符号111で示した部品は、２つの受光器（光電変換素子）112，113から出力される各電気信号の、直流成分と交流成分との比を掛け合わせることにより変調度の和を求めるという演算処理を行う演算処理装置である（このような演算処理を行う演算処理装置を、割り算回路と云う）。
【０００８】
以上のように構成された光電流センサ100では、光源110から伝搬された直線偏光を偏光面保存光ファイバ109により偏光状態を維持した状態で、第２の複屈折素子108に入射し、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第２の非相反偏光面回転素子107に入射する。第２の非相反偏光面回転素子107に入射した直線偏光の偏光面は45度回転されて偏光面保存光ファイバ106に入射し、この偏光状態を維持して、第１の複屈折素子104に入射され、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第１の非相反偏光面回転素子103に入射される。
【０００９】
第１の非相反偏光面回転素子103に入射した直線偏光の偏光面は更に22.5度回転されて光ファイバ102に入射し、導体101の外周を廻って反射ミラー114で反射し、その反射光が、再び第１の非相反偏光面回転素子103に入射される。
【００１０】
反射光は、第１の非相反偏光面回転素子103で偏光面が22.5度回転されて第１の複屈折素子104に入射する。この結果、第１の複屈折素子104に入射する反射光Loutは、被測定電流によるファラデー回転角を除くと、第１の非相反偏光面回転素子103に入射する前の直線偏光Linの偏光面から合計45度回転したことになる。このため、反射光Loutは、第１の複屈折素子104を透過する際に複屈折を起こし、強度が1/2ずつの反射光Lout1と同反射光Lout2とに分離される。
【００１１】
分離された一方の反射光Lout1は、プリズム105およびマルチモード光ファイバ115を介して、受光素子112に入射して電気信号に変換され、その出力信号が演算処理装置111に入力する。一方の反射光Lout2は、偏光面保存光ファイバ106を介して、第２の非相反偏光面回転素子107に入射して再び45度偏光面が回転して、第２の複屈折素子108に入射する。
【００１２】
この結果、第２の複屈折素子108に入射する反射光Lout2は、被測定電流によるファラデー回転角を除くと、直線偏波光Linの偏光面から合計90度回転したことになる。このため、反射光Lout2は、第２の複屈折素子108を透過する際に複屈折を起こし、その全部がプリズム116側に向かう。プリズム116を透過した反射光Lout2は、マルチモード光ファイバ117を介して、受光器113に入射して電気信号に変換され、その出力信号が演算処理装置111に入力される。
【００１３】
その後、受光器112，113からの出力信号を受けた演算処理装置111で所定の信号処理を行うことにより被測定電流の大きさが求められる。光電流センサ100では、２つの非相反偏光面回転素子103，107のファラデー回転能に温度依存性があっても、２つの信号の変調度の和をシステムの出力とする信号処理を行うことにより、その影響を小さくすることができると説明されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述したように光電流センサ100では２つの非相反偏光面回転素子103，
104に温度依存性が存在するため、２つの信号の変調度の和をシステムの出力とする信号処理を行っても、温度依存性の影響を完全に解消することは出来ない。従って、光電流センサ全体の温度依存性が解消されないので、何らかの温度補償装置が必要であった。
【００１５】
更に、光源からの入射光を直線偏光に変換して伝搬しているので、光電流センサ100全体の光学系に偏光依存性が存在する。従って、偏光面保存光ファイバ106，109を使用しなければならないが、偏光面保存光ファイバの構造上、長距離の光伝搬では伝搬損失が大きくなってしまう。よって、光電流センサの長距離対応への要求があっても、実現することは不可能であった。
【００１６】
又、光電流センサ100に使用する割り算回路は高周波で動作させることが難しく、仮に高周波化しようとすると演算処理装置がコスト高になってしまう。このため、光電流センサ100全体の動作を高速化することが困難であった。
【００１７】
本発明は、上記各課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、何らかの温度補償装置を装備することなく温度補償を可能とし、偏光無依存性で、且つ、演算処理を行う演算処理装置の簡略化と高速化が実現可能であると共に、光源の安定動作が可能な光電流センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の請求項１記載の発明は、電流が流れる導体の周りを周回するように配した光ファイバと、光源と受光器とを有する光電変換部とを備え、前記光源からの入射光を光ファイバ内に伝搬させ、光ファイバ内の伝搬光に生じるファラデー効果を利用して前記導体に流れる電流を計測する光電流センサにおいて、
少なくとも２つ以上の複屈折素子と、回転角が45度と22.5度の２つの非相反偏光面回転素子と、偏光面回転素子とを有する光回路部を備え、
前記光ファイバを２本、前記導体の周りに互いに逆回りとなるように配すると共に、前記光源からの入射光を前記光回路部によって２つの偏光成分に分離して、各偏光成分別に各光ファイバ内に伝搬させ、伝搬後に前記光ファイバから出射された前記各偏光成分を、前記複屈折素子によって常光線と異常光線とに分離することによって、前記入射光を４つの偏光成分に分離し、
更に、前記入射光を前記４つの偏光成分に分離させた前記複屈折素子において常光線である偏光成分どうし又は異常光線である偏光成分どうしを結合させ、その結合光を検出光として前記受光器で受光することを特徴とする光電流センサである。
【００１９】
更に、本発明の請求項２記載の発明は、前記受光器の個数が１つであることを特徴とする光電流センサである。
【００２０】
更に、本発明の請求項３記載の発明は、前記検出光を受光して前記受光器から出力された電気信号を、受光器の出力側に接続したフィルタによって直流成分と交流成分とに分岐し、直流成分のみを前記光源にフィードバックして前記光源を動作させることを特徴とする光電流センサである。
【００２１】
更に、本発明の請求項４記載の発明は、前記光源から前記光ファイバに至る光路上に、少なくとも２つの前記複屈折素子を配置し、２つの前記複屈折素子における各異常光線のシフト量が互いに等しくなるように、各複屈折素子を構成することを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載の光電流センサである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の請求項１記載の光電流センサに依れば、光源から出力された光を４つの偏光成分に分離し、常光線どうし又は異常光線どうしを結合させて検出光とし、その検出光を受光器で検出する。これにより、被測定電流の磁界による回転角に、非相反偏光面回転素子の温度依存性に起因した角度ずれが発生したとしても、温度補償を行うことが可能となる。従って、別途、光電流センサに温度補償装置を設ける必要が無くなるので、光電流センサの小型化・簡略化・低コスト化を図ることが可能となる。
【００２３】
更に、光源から無偏光の光を入射させても光電流センサを動作させられるので、偏光面保存光ファイバを使用せずに光電流センサを構成することができ、光電流センサの長距離対応の要求を実現することが可能となる。
【００２４】
又、本発明の請求項２記載の光電流センサに依れば、光電流センサの演算処理装置の受光器を１個で構成することにより、演算処理装置の簡略化と、演算動作の高速化が可能となる。
【００２５】
更に、本発明の請求項３記載の光電流センサに依れば、演算動作の高速化を確立した上で、光源から出力した光を受光器で検出し、その検出光の直流成分の電気信号を光源にフィードバックさせることによって、光源を安定して動作させることが可能となる。よって、光電流センサの測定精度の悪化を防止することが出来る。
【００２６】
更に、本発明の請求項４記載の光電流センサに依れば、順方向における２つの偏光成分のシフト量を同一にすることで、光回路部での順方向の光路の損失変動を解消することができ、光電流センサ全体の損失変動を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る第１の実施形態を、図１〜図１３を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る光電流センサ１の構成を示す概略平面図であり、図２は図１に示す光電流センサ１から光ファイバ2a，2bとレンズ８のみを抜粋した概略図であり、
図３は図１に示す光電流センサ１から光回路部４のみを抜粋して順方向の光路状態を記入した概略平面図であり、図４は同じく光回路部４のみを抜粋して逆方向の光路状態を記入した概略平面図である。更に、図５は光回路部４の構成を表す斜視図であり、図６は光回路部４を構成する各光学素子の配置と、順方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図であり、図７は同じく光回路部４の各光学素子の配置と、逆方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図である。
【００２８】
又、図８は図１に示す光電流センサ１から光ファイバ19a，19bとレンズ16のみを抜粋した概略図であり、図９は光ファイバ2a，2b，19a，19bを挿入，保持するフェルール７，18の構成図であり、図１０は図９の変更例を示す構成図である。図１１の（Ａ）〜（Ｅ）は、図３の光回路部４における順方向の光の偏光状態を示す図であり、図１２の（Ｆ）〜（Ｋ）は、図４の光回路部４における逆方向の光の偏光状態を示す図である。図１１及び図１２の（Ａ）〜（Ｋ）は図３及び図４中の符号（Ａ）〜（Ｋ）で示す各光路断面での偏光状態に対応している。更に、図１２（Ｆ）の偏光成分の拡大図を図１３に示す。なお、図３〜図７ではレンズ８，16の図示を省略しており、又、本発明では、光源５から光ファイバ2a，2bへと向かう光路を「順方向」と定義し、光ファイバ2a，2bから受光器20へと向かう光路を「逆方向」と、それぞれ定義する。
【００２９】
第１の実施形態に係る光電流センサ１は、光ファイバ2a，2b、光電変換部３、及び光回路部４とを備えて成り、光源５からの入射光を光ファイバ2a，2b内に伝搬させ、外部の電流の磁界により光ファイバ2a，2b内の伝搬光に生じるファラデー効果を利用して、前記電流の大きさを計測する物である。光ファイバ2a，2bは、被測定電流が流れている導体６の周りを周回するように配されており、図１に示すように、２本の光ファイバ2a，2bが互いに逆回りとなるように、且つ、同一長で同一周回数、導体６の周りに配されている。更に、光回路部４に向けて延在される側の光ファイバ2a，2bは２芯フェルール７によって保持される。センサ部として用いる光ファイバ2a，2bには、鉛ガラスファイバや石英ガラスファイバの様に、直線偏光を伝搬可能な物が最適である。
【００３０】
図２に示すように、レンズ８とフェルール７とを、レンズ８の光軸oaとフェルール７の中心点Cとがz軸方向において同一直線上に来るように、互いに配置されて位置決めされる。このようにレンズ８とフェルール７とを配置することにより、各光ファイバ2a，2bの中心点（前記中心点Cと同位置）とレンズ８の光軸oaとは同一直線上に配置され、レンズ８の光軸oaに対して、各光ファイバ2a，2bの中心軸fcが等距離となるように、フェルール７によって保持されることになる。
【００３１】
各光ファイバ2a，2bは同一材料、同一構造で、同一モードのものが用いられる。又、各光ファイバ2a，2bの端部には反射用部材として反射膜15が設けられている。なお、反射膜15の換わりに、例えば、金、銀、銅、クロム、アルミ等、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ても良い。
【００３２】
光回路部４は、常光線及び異常光線の各偏光成分の直線偏光が光ファイバ2a，2bに入射するように、又、光ファイバ2a，2bから出射された各偏光成分の偏光面の回転角を検出するために、被測定電流の磁界の影響を受けた直線偏光の各常光線どうし又は異常光線どうしを結合するための回路部である。図１〜図５に示すように光回路部は、少なくとも２つ以上の複屈折素子（本実施形態では９，10，11の３つで構成）と、回転角が45度と22.5度を有する２つの非相反偏光面回転素子12，13と、１つの偏光面回転素子14、及びレンズ８，16とを有する。
【００３３】
２つの非相反偏光面回転素子12，13は、外部に各マグネット17が設けられた光透過型のファラデー回転子であり、入射する直線偏光の偏光面をそれぞれ45度、又は22.5度所定方向に回転させる。材料としては、ガーネット，TBIG，GBIG等が最適であり、使用波長帯域で回転角がそれぞれ45度又は22.5度程度の、できるだけ薄いものを使用する。各非相反偏光面回転素子12，13の回転方向は、図５に示すようにz軸方向に見たときに反時計回りになるように設定される。なお、図３〜図７では、各非相反偏光面回転素子12，13に磁気を印加するマグネット17については図示を省略している。
【００３４】
又、３つの複屈折素子９，10，11は、光透過型の一軸単結晶から成り、ルチル（TiO2），方解石（CaCO3），水晶（SiO2），イットリウム・オソバナデート（YVO4），アルファバリウム・ボーデート（αBaB2O4）等が使用される。このような材料から選択された各複屈折素子９，10，11は、対向する２面の光学面が平行となるように平板状に加工される。
【００３５】
第１の複屈折素子９の、光学面の法線に対する結晶軸X92（図５参照）の方向は、最大の分離幅を得られるように光学面の法線に対して42〜50度前後（最も好ましくは47.8度）に設定されており、又、光学面上における結晶軸X91の方向はｙ軸方向と平行に設定される。更に、第２の複屈折素子10の、光学面の法線に対する結晶軸X102方向は、光学面の法線に対して約42〜50度前後（最も好ましくは47.8度）に設定されるが、光学面上における結晶軸X101の方向はx軸方向に対して45度傾くように設定されている。従って、２つの複屈折素子９，10は、互いの光学面上における結晶軸X91，X101方向が45度異なるように配置されることになる。又、第３の複屈折素子11の光学面に対する結晶軸X112（図５参照）の方向は、z軸方向と平行に設定されると共に、光学面上における結晶軸X111の方向はx軸方向と平行に設定される。
【００３６】
偏光面回転素子14は、入射する直線偏光の偏光面を90度所定方向に回転させるものであり、半波長素子などの様に直線偏光の偏光面を回転させる作用効果を有する光学素子で構成される。半波長素子を用いる場合には、図５に示すように結晶軸X141方向がx軸に対して45度傾いた位相素子が最適である。
【００３７】
レンズ８，16は、入射する光のコリメーション又は収束を行うもので、レンズ８は非相反偏光面回転素子13と２芯フェルール７の間に、一方、レンズ16は光電変換部３と第３の複屈折素子11の間にそれぞれ設置される。レンズ８，16における各結像点は図２又はに示すように、各光ファイバ2a，2b，19a，19bの端面のコア部に設定されている。レンズ８，16には、非球面レンズ，ボールレンズ，平凸レンズ或いは分布屈折レンズ等を使用することが出来る。本実施形態では、非球面レンズを使用する。
【００３８】
光電変換部３は、光源５と、１つの受光器20と、LPF（Low Pass Filter：ローパスフィルター）21と、レンズ22とを有して構成されている。受光器20はフォトダイオード等と云った、受光した光を電気信号に変換する光電変換素子で構成されている。更に、受光器20の電気信号出力側には、フィルタの一種であるLPF21が接続されており、受光器20から出力された電気信号を成分毎に分岐して、所望の電気信号成分のみを光源５にフィードバックさせる。又、光源５には半導体レーザ、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード等が用いられる。更に、レンズ22は、入射する光を収束するもので、光源５と光ファイバ19aの間に設置され、その結像点は光ファイバ19aの端面のコア部に設定される。
【００３９】
光電変換部３と光回路部４とを繋ぐ導波路として用いられる光ファイバ19a，19bには、SMFやMMFが用いられる。２つの光ファイバ19a，19bの一端側の端面どうしは同一平面上にあり、所定間隔を隔てて２芯構造のフェルール18により保持されている。レンズ16の光軸oaとフェルール18の中心点Cとは、図８に示すようにz軸方向において同一直線上に来るように、互いに位置決めされる。このようにレンズ16とフェルール18とを配置することにより、光ファイバ19a，19bの中心点（前記中心点Cと同位置）とレンズ16の光軸oaとは同一直線上に配置され、レンズ16の光軸oaに対して、全ての光ファイバ19a，19bの中心軸fcが等距離となるように、フェルール18によって保持されることになる。
【００４０】
更に、光ファイバ2a，2b（又は、19a，19b）の光入出射端面は、図９に示すように同一傾斜角度φで斜めに形成される。但し、光ファイバ2a，2bと19a，19bとでは傾斜角度を変更することもある。図９では、フェルール７（又は18）先端を円錐状に加工することにより、光ファイバ2a，2b（19a，19b）の光入出射端面を、同一の傾斜角度φで斜めに形成する例を挙げた。或いは図１０に示すようにフェルール７（18）端面から、各光ファイバ2a，2b（19a，19b）を突出させて、各光ファイバ2a，2b（19a，19b）の各入出射端面のみを研磨して同一傾斜角度で斜めに形成しても良い。
【００４１】
以上のように構成された光電流センサ１の動作について図１，２，６〜８，１１〜１３を参照して説明する。図１１及び図１２では、横方向がx軸、縦方向がy軸、紙面に向かう方向がz軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に４分割して各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００４２】
光源５から出射された無偏光の光は、レンズ22によって光ファイバ19a端面に入射されて光ファイバ19a内を伝搬し、斜めに形成された光入出射端面から出射される。出射の際に、その出射光は傾斜角度φに応じて斜めに出射され、一定の広がり角θ≒λ／(πω0)でビーム径が広がりながら、レンズ16の光軸oaを横切るように伝搬して、レンズ16の表面に入射される。レンズ16に入射された光は、図８で示すレンズ16の左側の凸曲面で光軸oaから外側へと屈折され、光線軸IBaがz軸に対し平行になるようにレンズ16から出射される（図３，図１１（Ａ）参照）。出射された光IBは、コリメート光又は収束光に変換されて第１の複屈折素子２へ出射され、図６及び図１１（Ｂ）に示すように、複屈折素子９で結晶軸X91に直交した常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分P1，P2に分離される。
【００４３】
分離された各偏光成分P1，P2は、非相反偏光面回転素子12に入射される（図６参照）。各偏光成分P1，P2が非相反偏光面回転素子12を透過すると、図１１（Ｃ）に示すように、偏光方向はそれぞれ同一方向に45度回転される。非相反偏光面回転素子12で回転されることにより、一方の偏光成分P2の偏光面方向が、第２の複屈折素子10の結晶軸X101方向と平行に揃えられる。従って、次に各偏光成分P1，P2が第２の複屈折素子10に入射されると、図６及び図１１（Ｄ）に示すように偏光成分P2が斜め上方へとシフトされる。
【００４４】
第２の複屈折素子10を透過した各偏光成分P1，P2は、次に非相反偏光面回転素子13に入射される。各偏光成分P1，P2が非相反偏光面回転素子13を透過すると、図６及び図１１（Ｅ）に示すように、偏光方向がそれぞれ同一方向に22.5度回転される。偏光面が回転された各偏光成分P1，P2は、図２に示すようにレンズ８の右の凸曲面からレンズ８内部で内側へと屈折され、レンズ８左の凸曲面で更に内側へと屈折されて、光ファイバ2a，2bの光入出射端面に向かって光軸oaを横切るように斜めに収束されながら、レンズ８から出射される。
【００４５】
光ファイバ2a，2bの光入出射端面に結合した各偏光成分P1，P2は、その光入出射端面で屈折し、光ファイバ2a，2b内を伝搬して他端面に到達する。そこで反射膜15で反射されて直線偏光状態を保ったまま伝搬され、伝搬後に再び各光ファイバ2a，2b端面からレンズ８へと出射される。前記のように光ファイバ2a，2bは被測定電流が流れている導体６の周りを周回するように配されているので、伝搬の際に各偏光成分P1，P2の偏光面は電流磁界の影響を受け、被測定電流の大きさに応じて回転される。
【００４６】
前記の通り、２つの光ファイバ2a，2bは、導体６の周りを互いに逆回りに、且つ、同一長で同一周回数だけ配されている。従って、各偏光成分P1，P2における、光ファイバ2a，2b内での伝搬光路長と、被測定電流の磁界の周回積分とが等しくなるため、２つの偏光成分P1，P2間の位相が光ファイバ2a，2bから出射された後でも同相に設定される。
【００４７】
レンズ８に再入射した光は、図２で示すようにレンズ８の右側の凸曲面で光軸oaから外側へと屈折され、各光線軸ba1，ba2がz軸に対し平行になるようにレンズ８から出射される。出射された各偏光成分P1，P2は、コリメート光又は収束光に変換されて、再度非相反偏光面回転素子13に入射される（図７及び図１１（Ｅ）参照）。各偏光成分P1，P2が非相反偏光面回転素子13を再度透過する際に、偏光面が更に22.5度回転される（図７，図１２（Ｆ），及び図１３参照）。従って、順方向の光路に於いて非相反偏光面回転素子13を透過する前の各偏光成分P1，P2の偏光面と、逆方向の光路に於いて非相反偏光面回転素子13を透過した後の各偏光成分P1，P2の偏光面とは45度のずれが生じることになる。このように偏光面を45度回転させるのは、最終的な検出光が電流磁界の影響でどの程度回転したか、その回転角を求め、この回転角から被測定電流値を算出するためである。
【００４８】
偏光面を45度ずらすことにより、光電流センサ１の測定レンジを最大にすることが可能となる。但し、測定レンジが多少狭くなっても光電流センサ１の機能は十分確保されると判断される場合には、非相反偏光面回転素子13を22.5度以外の回転角を有する素子に置き換えても良い。
【００４９】
非相反偏光面回転素子13で22.5度偏光面が回転された各偏光成分P1，P2は、第２の複屈折素子10に入射される。第２の複屈折素子10に入射された各偏光成分P1，P2の偏光面は、電流磁界の影響を考慮しない偏光面に対してα度ずれてP1’，P2’のような状態を呈する（α度は、被測定電流による影響と、非相反偏光面回転素子12，13の温度依存性の影響を受けた回転角）。このため、各偏光成分P1，P2の偏光面は、図７及び図１３に示すように、第２の複屈折素子10によって相互に直交する偏光面の常光線P1Ro，P2Roと、異常光線P1Re，P2Reとに分離される。これによって、光源５から入射された入射光は４つの偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reに分離されることになる。
【００５０】
第２の複屈折素子10で分離される常光線P1Ro，P2Roと異常光線P1Re，P2Reとは、２つの非相反偏光面回転素子12，13の回転角に温度依存性が無ければ、平均強度比は１：１となる。しかしながら、ファラデー回転子には偏光面の回転角に温度依存性があるため、その温度依存性によって回転角が変動し、その結果、第２の複屈折素子10での各偏光成分P1，P2の分離の際に、常光線P1Ro，P2Roと異常光線P1Re，P2Reの強度比が１：１に対応せず、図１３に示すように強度にバラツキが発生する。
【００５１】
第２の複屈折素子10内で、常光線P1Ro，P2Roは結晶軸X101方向と直交するためシフトせず、そのままの光路を保持して出射される。一方の異常光線P1Re，P2Reは結晶軸X101方向と平行な方向である斜め上方へとシフトされて出射される（図７及び図１２（Ｇ）参照）。
【００５２】
次に、非相反偏光面回転素子12に入射された各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reは、図７，図１２（Ｈ）に示すようにそれぞれ同一方向に45度回転され、第２の複屈折素子10で異常光線であった偏光成分P1Re，P2Reの偏光面が、第１の複屈折素子９の結晶軸X91方向と平行に揃えられる。従って、次に各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reが第１の複屈折素子９に入射されると、偏光成分P1Re，P2Reは図７，図１２（Ｉ）のように下方へとシフトされる。一方、偏光成分P1Ro，P2Roの偏光面は、第３の複屈折素子11の結晶軸X111方向と平行に揃えられる。
【００５３】
次に、各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reは偏光面回転素子14へと伝搬される。しかし、偏光面回転素子14の大きさは、１つの常光線P2Roのみ透過するように設定されて光路上に配置されているため、常光線P2Roの偏光面のみ90度回転されて（図７，図１２（Ｊ）参照）、第３の複屈折素子11へと伝搬される。
【００５４】
第３の複屈折素子11の大きさは、常光線P1Ro，P2Roのみ透過するように設定され、光路上に配置されている。更に、偏光面回転素子14での偏光面の回転により、常光線P1Roの偏光方向は結晶軸X111方向と平行に、常光線P2Roの偏光方向は結晶軸X111方向と垂直にそれぞれ設定されている。従って、第３の複屈折素子11では常光線P1Roのみシフトされて、第２の複屈折素子10において常光線であった偏光成分P1Ro，P2Roどうしが結合される（図７，図１２（Ｋ）参照）。
【００５５】
常光線P1Ro，P2Roどうしが結合された結合光DBは、図８に示すようにレンズ16によって収束され、レンズ16の光軸oaを横切るように光ファイバ19b端面に入射される。光ファイバ19bに入射された結合光DBは、その光入出射端面で屈折し、光ファイバ19b内を伝搬して受光器20に検出光として受光されて、電気信号に変換される。
【００５６】
受光器20から出力された電気信号はLPF21に入力されて直流成分と交流成分とに分岐される。交流成分は、LPF21から図示しない演算処理装置へと入力され、所定の演算を行うことにより、被測定電流の大きさが求められる。交流成分の振幅は電流値、周波数はそのまま導体６に流れる被測定電流の周波数となる。一方、直流成分はLPF21から光源５へと入力される。
【００５７】
なお、レンズ16の光軸oaは、z軸方向に見たときに図１２（Ｋ）中の点A1で示すように、入射光IBと検出光DBの中間上に来るように、位置決めするものとする。又、レンズ８の光軸oaは、同じくz軸方向に見たときに図１１（Ｅ）中の点A2で示すように、変更成分P1とP2の中間上に来るように、位置決めするものとする。
【００５８】
本発明の光電流センサ１はその技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば図１４〜図１６に示すように、偏光面回転素子14をどちらかの異常光線P1Re，P2Reの光路上に配置させて、その偏光面を90度回転させると共に、第３の複屈折素子11を２つの異常光線P1Re，P2Reの光路上に配置して、２つの異常光線P1Re，P2Reどうしを結合させて結合光DBとし、その結合光DBを検出光として受光器20に受光させるように変更しても良い。なお、図１４は図４の変更例であり、図１４の（Ｆ）〜（Ｋ）と図１６の（Ｆ）〜（Ｋ）は対応するものとする。
【００５９】
又、偏光面回転素子14には逆方向の光のみが透過されるので、偏光面回転素子14を90度の回転角を有するファラデー回転子に置き換えても良い。
【００６０】
以上のように、第１の実施形態の光電流センサ１では、光源５から出力された光IBを４つの偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reに分離し、常光線P1Ro，P2Roどうし又は異常光線P1Re，P2Reどうしを結合させ、受光器20で検出する。これにより、被測定電流の磁界による回転角に、非相反偏光面回転素子12，13の温度依存性に起因した角度ずれが発生したとしても、温度補償がなされる。従って、別途、温度補償装置を設ける必要が無くなるので、光電流センサ１の小型化・簡略化・低コスト化を図ることも可能となる。
【００６１】
更に、光源５から無偏光の光を入射させても光電流センサ１を動作させられるため、偏光面保存光ファイバを使用せずに光電流センサを構成することが可能となる。従って、光電流センサの長距離対応の要求を実現することが可能となる。
【００６２】
又、光電流センサ１の演算処理装置の受光器20を１個で構成することが出来るので、演算処理装置の簡略化と、演算動作の高速化が可能となる。
【００６３】
更に、演算動作の高速化を確立した上で、光源５から出力した光IBを受光器20で検出し、その検出光の直流成分の電気信号を光源５にフィードバックさせることによって光源５を安定して動作させることが可能となり、測定精度の悪化を防止することが出来る。
【００６４】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態を、図１７〜図２３を参照しながら詳細に説明する。なお、第１の実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明や図は省略、又は簡略化して示す。図１７は第２の実施形態に係る光電流センサの光回路部４の構成を表す斜視図であり、図１８は第２の実施形態の光回路部４のみを抜粋して順方向の光路状態を記入した概略平面図であり、図１９は同じく光回路部４のみを抜粋して逆方向の光路状態を記入した概略平面図である。図２０は第２の実施形態の光回路部４を構成する各光学素子の配置と、順方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図であり、図２１は同じく光回路部４の各光学素子の配置と、逆方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図である。
【００６５】
又、図２２の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１８の光回路部４における順方向の光の偏光状態を示す図であり、図２３の（Ｆ）〜（Ｋ）は、図１９の光回路４における逆方向の光の偏光状態を示す図である。図２２及び図２３の（Ａ）〜（Ｋ）は図１８及び図１９中の符号（Ａ）〜（Ｋ）で示す各光路断面での偏光状態に対応している。なお、図１７〜図２１ではレンズ８，16の図示を省略している。
【００６６】
第２の実施形態に係る光電流センサが、第１の実施形態の光電流センサ１と異なる点は、第２の複屈折素子10’と、偏光面回転素子14’と、第３の複屈折素子11’の構成である。まず、第２の複屈折素子10’において異常光線となる偏光成分P2のシフト量が、第１の複屈折素子９における異常光線P1のシフト量と等しくなるように、第２の複屈折素子10’の材料や厚み等を設定して、各複屈折素子９，10’を構成する。このような構成とすることにより、光源５から光ファイバ2a，2bに至る光路上に配置される２つの複屈折素子９及び10’における各偏光成分P1及びP2のシフト量が等しくなるので、順方向における２つの偏光成分P1，P2のシフト量を同一に設定することが出来る。これにより、光回路部４の順方向の光路における損失変動を解消することが出来るので、光電流センサ全体の損失変動を抑制することが可能となる。
【００６７】
更に、第３の複屈折素子11’の、光学面の法線に対する結晶軸X112’（図１７参照）の方向は、最大の分離幅を得られるように光学面の法線に対して42〜50度前後（最も好ましくは47.8度）に設定されており、光学面上における結晶軸X111’の方向はx軸方向に対して22.5度傾くように設定される。
【００６８】
３つの複屈折素子９，10’，11’は、光透過型の一軸単結晶から成り、材料には、ルチル（TiO2），方解石（CaCO3），水晶（SiO2），イットリウム・オソバナデート（YVO4），アルファバリウム・ボーデート（αBaB2O4）等が使用される。このような材料から選択された各複屈折素子９，10’，11’は、対向する２面の光学面が平行となるように平板状に加工される。
【００６９】
次に、偏光面回転素子14’は、入射する直線偏光の偏光面を90度所定方向に回転させる光学素子であり、半波長素子からなる２つの偏光面回転素子板14’a，14’bとから構成されている。偏光面回転素子板14’aの結晶軸X14’a方向はx軸に対して33.75度傾いており、一方の偏光面回転素子板14’bの結晶軸X14’b方向はx軸に対して11.25度傾くように設定されている。２つの偏光面回転素子板14’aと14’bは、互いの接合面で重ね合わされ、紫外線硬化型等の光学接着剤で接着されて、偏光面回転素子14’を構成する。なお、接着剤が接合面から光学面にはみ出さないこととする。
【００７０】
このように光回路部４の構成が変更された光電流センサの動作について、図１７〜図２３を参照して説明する。図２２及び図２３では、横方向がx軸、縦方向がy軸、紙面に向かう方向がz軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に４分割して各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。
【００７１】
光源５から出射された無偏光の光は、光ファイバ19aから第１の複屈折素子９に伝搬して偏光成分P1とP2とに分離され、非相反偏光面回転素子12で偏光方向が45度回転されて第２の複屈折素子10’に入射される。偏光成分P1とP2とが第２の複屈折素子10’に入射されると、図２０及び図２２（Ｄ）に示すように偏光成分P2が斜め上方へとシフトされる。前述の通り、第２の複屈折素子10’で異常光線となる偏光成分P2のシフト量が、第１の複屈折素子９で異常光線となる偏光成分P1のシフト量と同一となるように、第２の複屈折素子10’が構成されている。従って、図２２（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように各偏光成分P1，P2のシフト量が等しい偏光状態で、各偏光成分P1，P2は非相反偏光面回転素子13を透過して、光ファイバ2a，2bに結合される。
【００７２】
光ファイバ2a，2bに結合した各偏光成分P1，P2の偏光面は、被測定電流の磁界の影響を受けて回転され、再び、非相反偏光面回転素子13を透過後、第２の複屈折素子10に入射される。第２の複屈折素子10に入射された各偏光成分P1，P2の偏光面は、前記の通りα度の角度ずれを起こすので、各偏光成分P1，P2の偏光面は、図２１及び図２３（Ｇ）に示すように、相互に直交する常光線P1Ro，P2Roと、異常光線P1Re，P2Reとに分離される。
【００７３】
第２の複屈折素子10’内で、常光線P1Ro，P2Roは結晶軸X101方向と直交するためシフトせず、一方、異常光線P1Re，P2Reは結晶軸X101方向と平行な方向である斜め上方へとシフトされて出射される（図２１及び図２３（Ｇ）参照）。
【００７４】
次に、各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reは、非相反偏光面回転素子12で45度回転され、偏光成分P1Re，P2Reの偏光面が、第１の複屈折素子９の結晶軸X91方向と平行に揃えられる。従って、偏光成分P1Re，P2Reは第１の複屈折素子９によって下方へとシフトされる。
【００７５】
次に、各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reは偏光面回転素子14’へと伝搬される。しかし、偏光面回転板14’a及び14’bの大きさは、常光線P1RoとP2Roのみをそれぞれ透過するように設定されて光路上に配置されている。従って、常光線P1Roの偏光面は22.5度、もう一方の常光線P2Roの偏光面は67.5度の角度で、それぞれ逆方向に回転される（図２１，図２３（Ｊ）参照）。回転された状態で、次に各偏光成分P1Ro，P2Ro，P1Re，P2Reは、第３の複屈折素子11’へと伝搬される。
【００７６】
第３の複屈折素子11’の大きさは、常光線P1Ro，P2Roのみ透過するように設定されて光路上に配置されている。更に、偏光面回転板14’a及び14’bでの偏光面の回転により、常光線P1Roの偏光方向は結晶軸X111’方向と平行に、常光線P2Roの偏光方向は結晶軸X111’方向と垂直にそれぞれ設定されている。従って、第３の複屈折素子11’では常光線P1Roのみがシフトされて、第２の複屈折素子10’において常光線であった偏光成分P1Ro，P2Roどうしが結合される（図２１，図２３（Ｋ）参照）。
【００７７】
常光線P1Ro，P2Roどうしが結合された結合光DBは、光ファイバ19b内を伝搬して受光器20に検出光として受光されて、電気信号に変換され、LPF21によって直流成分と交流成分とに分岐される。交流成分は、LPF21から図示しない演算処理装置へと入力されて被測定電流の大きさが求められる。一方、直流成分はLPF21から光源５へと入力される。
【００７８】
なお、第２の実施形態の光電流センサはその技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば、x軸方向に対して78.75度の方向に結晶軸X14’aを変更した偏光面回転板14’aと、x軸方向に対して33.75度の方向に結晶軸X14’bを変更した偏光面回転板14’bとから偏光面回転素子14’を構成し、異常光線P1Reを22.5度，異常光線P2Reを112.5度それぞれ同一方向に回転させて、２つの異常光線P1Re，P2Reどうしを結合させて結合光DBとし、その結合光DBを検出光として受光器20に受光させるように変更しても良い。
【００７９】
又、偏光面回転素子14’には逆方向の光のみが透過されるので、偏光面回転素子14’をファラデー回転子に置き換えても良い。
【００８０】
以上のように、第２の実施形態の光電流センサに依れば、第１の実施形態の光電流センサ１が有する、温度補償、長距離対応、演算処理装置の簡略化と演算動作の高速化、及び光源５の安定動作と測定精度の悪化防止の効果と共に、順方向における２つの偏光成分P1，P2のシフト量を同一にすることが可能となる。これにより、光回路部での順方向の光路の損失変動を解消することが出来るので、光電流センサ全体の損失変動を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の光電流センサは、変電所の電力系統における、保護継電装置の電流測定部等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光電流センサ１の構成を示す概略平面図。
【図２】図１に示す光電流センサ１から光ファイバ2a，2bとレンズ８のみを抜粋            した概略図。
【図３】図１に示す光電流センサ１から光回路部４のみを抜粋して順方向の光路状          態を記入した概略平面図。
【図４】図１に示す光電流センサ１から光回路部４のみを抜粋して逆方向の光路状          態を記入した概略平面図。
【図５】図１に示す光電流センサ１の光回路部４の構成を表す斜視図。
【図６】図１に示す光電流センサ１の光回路部４を構成する各光学素子の配置と、          順方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図。
【図７】図１に示す光電流センサ１の光回路部４の各光学素子の配置と、逆方向で          の伝搬光の偏光状態を示す斜視図。
【図８】図１に示す光電流センサ１から光ファイバ19a，19bとレンズ16のみを抜            粋した概略図。
【図９】光ファイバ2a，2b，19a，19bを挿入，保持するフェルール７，18の構成            図。
【図１０】図９の変更例を示す構成図。
【図１１】図３の光回路部４における順方向の光の偏光状態を示す図。
【図１２】図４の光回路部４における逆方向の光の偏光状態を示す図。
【図１３】図１２（Ｆ）の偏光成分の拡大図。
【図１４】図４の変更例を示す概略平面図。
【図１５】図７の変更例を示す斜視図。
【図１６】図１２の変更例を示す偏光状態提示図。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る光電流センサの光回路部４の構成を表す            斜視図。
【図１８】第２の実施形態の光回路部４のみを抜粋して順方向の光路状態を記入し            た概略平面図。
【図１９】第２の実施形態の光回路部４のみを抜粋して逆方向の光路状態を記入し            た概略平面図。
【図２０】第２の実施形態の光回路部４を構成する各光学素子の配置と、順方向で            の伝搬光の偏光状態を示す斜視図。
【図２１】第２の実施形態の光回路部４の各光学素子の配置と、逆方向での伝搬光            の偏光状態を示す斜視図。
【図２２】図１８の光回路部４における順方向の光の偏光状態を示す図。
【図２３】図１９の光回路４における逆方向の光の偏光状態を示す図。
【図２４】従来の光電流センサの構成を示す概略図。
【符号の説明】
【００８３】
１                      光電流センサ
2a，2b，19a，19b        光ファイバ
３                      光電変換部
４                      光回路部
５                      光源
６                      導体
７，18                  フェルール
８，16                  レンズ
９                      第１の複屈折素子反射膜
10，10’                第２の複屈折素子
11，11’                第３の複屈折素子
12                      第１の非相反偏光面回転素子
13                      第２の非相反偏光面回転素子
14，14’                偏光面回転素子
15                      反射膜
17                      マグネット
【図１】
2008134183.tif 000003
【図２】
2008134183.tif 000004
【図３】
2008134183.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008134183.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008134183.tif 000009
【図８】
2008134183.tif 000010
【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】
2008134183.tif 000016
【図１５】
2008134183.tif 000017
【図１６】
2008134183.tif 000018
【図１７】
2008134183.tif 000019
【図１８】
2008134183.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
2008134183.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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