(57)【要約】【課題】光ファイバ電流センサにおいてセンサファイバを伝搬する光の偏波面を精度良く、また光の波長に依存することなく制御する。【解決手段】第２センサファイバ２１と、この第２センサファイバ２１を取り囲むように設置された電流コイル２２とから構成される偏波制御手段２０を設け、電流コイル２２に流す制御電流Ｉｃｔｒｌを調整することによって、被測定電流Ｉを測定する第１センサファイバ１１へ入射される直線偏光の偏波面を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１センサファイバを備え、該第１センサファイバに直線偏光を入力し、該第１センサファイバの周囲に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって誘起される、前記直線偏光のファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記第１センサファイバに接続され直線偏光が入力される第２センサファイバと該第２センサファイバを取り囲む電流コイルとからなり、前記電流コイルを流れる電流を調整して該電流により生じる磁界によって前記第２センサファイバ中の直線偏光にファラデー回転を付与することで、前記第１センサファイバを通過する直線偏光の偏波面を制御する偏波制御手段を備える
ことを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項２】
前記偏波制御手段は、線状の前記第２センサファイバと、該第２センサファイバがその内部を貫くように設置された１または複数巻きの前記電流コイルと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項３】
前記偏波制御手段は、コイル状の前記第２センサファイバと、該第２センサファイバと鎖交するように設置された１または複数巻きの前記電流コイルと、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項４】
光源から入力される光を直線偏光に変換して前記第１センサファイバへ出力する偏光子と、
前記第１センサファイバを通過した光を互いに直交する２つの偏波成分に分離する検光子と、を更に備え、
前記偏波制御手段は、前記偏光子と前記検光子の間に設置される
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１の項に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項５】
前記偏波制御手段は、前記検光子に入力される直線偏光の該検光子に対する光学バイアスを制御することを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項６】
前記偏波制御手段は、ファラデー回転角の変化に対し、前記検光子から出力される光の強度の変化の割合が最も大きくなるように光学バイアスを設定することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項７】
前記第１センサファイバは、直線偏光が入力される入射端と反対側の他端に反射部を有し、
前記偏波制御手段は、前記第１センサファイバの入射端側に設置され、
光源から入力される光を直線偏光に変換して前記偏波制御手段へ出力するとともに、前記第１センサファイバの前記反射部から反射された光を互いに直交する２つの偏波成分に分離する、前記偏波制御手段に対して前記光源の側に設置された偏光分離素子を更に備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１の項に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項８】
前記偏波制御手段は、前記第１センサファイバを通過して前記偏光分離素子に入力される直線偏光の該偏光分離素子に対する光学バイアスを制御することを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項９】
前記偏波制御手段は、ファラデー回転角の変化に対し、前記検光子から出力される光の強度の変化の割合が最も大きくなるように光学バイアスを設定することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項１０】
前記第１センサファイバと前記第２センサファイバの少なくとも一方は、鉛ガラスファイバであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１の項に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項１１】
第１センサファイバに直線偏光を入力し、該第１センサファイバの周囲に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって誘起される、前記直線偏光のファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する電流測定方法において、
前記第１センサファイバに接続され直線偏光が入力される第２センサファイバと該第２センサファイバを取り囲む電流コイルとを設け、前記電流コイルを流れる電流を調整して該電流により生じる磁界によって前記第２センサファイバ中の直線偏光にファラデー回転を付与することで、前記第１センサファイバを通過する直線偏光の偏波面を制御する
ことを特徴とする電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ中を伝搬する光の偏波面が磁界により回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する光ファイバ電流センサおよび電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力設備の監視等を行う電流測定装置として、光ファイバをセンサに用いた光ファイバ電流センサが注目されている。
この光ファイバ電流センサでは、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに直線偏光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中の直線偏光に偏波面の回転（ファラデー回転）が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度（ファラデー回転角）は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。これが光ファイバ電流センサの原理である。
【０００３】
従来、こうした光ファイバ電流センサとして、透過型のものと反射型のものとが知られている。図５および図６を参照してこれらにつき簡単に説明する。
【０００４】
図５は、従来例における透過型の光ファイバ電流センサの構成を示した図である（非特許文献１参照）。
同図において、透過型の光ファイバ電流センサは、偏光子１５と、センサファイバ１１Ａと、検光子１６と、を有している。センサファイバ１１Ａは、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。そして、センサファイバ１１Ａの一端には偏光子１５が取り付けられ、他端には検光子１６が取り付けられる。
【０００５】
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源１２から発せられた光が、送光ファイバ７１を介して偏光子１５へ入射される。この光は、偏光子１５によって電界の振動方向が一方向（偏光子１５の主軸方向）にそろった直線偏光に変換されて、センサファイバ１１Ａへ入力される。そして、センサファイバ１１Ａの周回部分において、ファイバ中を伝搬する直線偏光は、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転した状態で、検光子１６へと導かれる。そして、検光子１６へ入射した光は、偏光方向の互いに直交（検光子１６の主軸方向とそれに垂直な方光）する２つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は受光ファイバ７２Ａを介して受光素子１３Ａによって受光され、電気信号Ｓ１に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ７２Ｂを介して受光素子１３Ｂによって受光され、電気信号Ｓ２に変換される。
【０００６】
センサファイバ１１Ａの周回部分で伝搬する直線偏光に与えられたファラデー回転角に応じて、受光素子１３Ａと１３Ｂで受光される光量が変化するので、この変化を反映した電気信号Ｓ１およびＳ２を信号処理回路１４１で処理することによって、付与されたファラデー回転角を求めることができる。そしてこの求められたファラデー回転角から、被測定電流Ｉが計算される。なお、受光素子１３Ａ，１３Ｂと信号処理回路１４１とから信号処理部１４が構成されている。
【０００７】
ここで、偏光子１５の主軸方向と検光子１６の主軸方向のなす角度は、以下のように設定しておく。即ち、センサファイバ１１Ａにおけるファラデー回転角をθＦとし、被測定電流Ｉ＝０の場合に検光子１６へ入射される直線偏光の偏光方向と検光子１６の主軸方向とのなす角度をθ０とすると、検光子１６から出力されて受光素子１３Ａと１３Ｂで受光される光の強度は、ｃｏｓ（２θ０−２θＦ）に従って変化することが知られている。この式から、角度θ０を変えることで、被測定量であるファラデー回転角θＦを測定する際の動作点を適宜設定できることが分かる。このように、動作点を定めるために角度θ０を変更し設定することを、光学バイアスを設定する、という。光学バイアスを適切に設定することは、測定の精度を高める上で重要である。例えば、ファラデー回転角θＦが微小量変化したときに、上記式で与えられる光の強度の変化の割合（検出感度）が最も大きくなるようにするためには、θ０＝π／４とすればよいことになる。よって、図５の光ファイバ電流センサでは、偏光子１５と検光子１６両者の主軸方向のなす角度を調整して、θ０＝π／４（４５度）となるように光学バイアスの設定を行う。
【０００８】
図６は、従来例における反射型の光ファイバ電流センサの構成を示した図である（特許文献１参照）。
同図において、反射型の光ファイバ電流センサは、光サーキュレータ１９と、偏光分離素子１８と、ファラデー回転子１０２と、センサファイバ１１Ｂと、を有している。センサファイバ１１Ｂは、透過型と同様に、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。そして、センサファイバ１１Ｂの一端にはファラデー回転子１０２が取り付けられ、他端には金属薄膜の蒸着等によって反射部（ミラー）１１１が形成されている。また、ファラデー回転子１０２と偏光分離素子１８、偏光分離素子１８と光サーキュレータ１９はそれぞれ光ファイバで接続され、光サーキュレータ１９は、光源１２からの光がセンサファイバ１１Ｂ側へ透過する向きに接続される。
【０００９】
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源１２から発せられた光が、送光ファイバ７１および光サーキュレータ１９を介して偏光分離素子１８へ入射される。この光は、偏光分離素子１８によって電界の振動方向が一方向（偏光分離素子１８の主軸方向）にそろった直線偏光に変換されて、ファラデー回転子１０２へ入力される。ファラデー回転子１０２は、永久磁石１０４と、この永久磁石１０４によって磁気飽和させられた強磁性体結晶である強磁性ガーネット１０３とからなり、強磁性ガーネット１０３を通過する光に片道２２．５度のファラデー回転を付与する。ファラデー回転子１０２を出た直線偏光は、センサファイバ１１Ｂへ入力され、センサファイバ１１Ｂの周回部分において、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転する。
【００１０】
センサファイバ１１Ｂを伝搬する光は、さらに反射部１１１で反射されて再び周回部分を通りファラデー回転を受け、ファラデー回転子１０２へ入力される。ファラデー回転子１０２を再び通過することでさらに２２．５度のファラデー回転が与えられるので、このファラデー回転子１０２により、往復で４５度の光学バイアスが設定されていることになる。ファラデー回転子１０２を通過した光は、再び偏光分離素子１８へと導かれ、偏光方向の互いに直交（偏光分離素子１８の主軸方向とそれに垂直な方光）する２つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は光サーキュレータ１９と受光ファイバ７２Ａを介して受光素子１３Ａによって受光され、電気信号Ｓ１に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ７２Ｂを介して受光素子１３Ｂによって受光され、電気信号Ｓ２に変換される。
【００１１】
上述した光ファイバ電流センサ（透過型、反射型ともに）において、センサファイバ１１Ａ，１１Ｂには、光弾性係数のごく小さい鉛ガラスファイバが好適に用いられている。これは、光弾性係数が大きいと、ファイバ内の非等方的な応力の影響を受けて光弾性効果を介して伝搬光にモード変換が発生し、ファイバからの出力光強度が変動してしまうという問題があるからである。
【００１２】
また、鉛ガラスファイバを用いる場合でも、センサファイバを設置した際にセンサファイバによって形作られる曲線の形状にファイバ内を伝搬する光の偏波が依存するという現象があるため、透過型の光ファイバ電流センサにおいては、センサファイバ１１Ａの周回部分を測定時に動かないように固定する必要がある。一方、反射型の光ファイバ電流センサでは、センサファイバ１１Ｂを伝搬する光は反射部１１１により反射されてセンサファイバ１１Ｂ内を往復するので、ファイバの設置形状に依存する偏波の変化は相殺され、原理上、上記の現象は発生しないことが知られている。
【特許文献１】特許第３６８５９０６号公報
【非特許文献１】黒澤他、小型・フレキシブルな光ファイバ電流センサ、第３０回光波センシング技術研究会、社団法人  応用物理学会、２００２年１２月、ＬＳＴ３０−１９、１３３−１４０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、上述したように、光ファイバ電流センサを利用して良好な感度・精度で電流の測定を行うためには、光学バイアスを適切に設定することが重要なことである。
しかしながら、透過型の光ファイバ電流センサにおいては、偏光子１５の主軸方向と検光子１６の主軸方向のなす角度を正しく調整する必要があり、測定時の設定が煩雑且つ面倒である。また、正しい調整には熟練を要し、調整の精度上からも問題があると考えられる。さらに、反射型の光ファイバ電流センサにおいて用いられるファラデー回転子１０２（強磁性ガーネット１０３）も、工業製品である以上個々の製品の特性バラツキは避けられず、これが光学バイアスの誤差となって測定に影響を与えてしまうという問題もある。
【００１４】
また、一方、光ファイバ電流センサによる電流測定の感度を向上させることが望まれており、そのための一つの手法として、測定に使用する光の波長を短波長化することが考えられる（詳しくは後述する）。しかしながら、反射型の光ファイバ電流センサで光学バイアスを設定するために用いられる強磁性体結晶である上記強磁性ガーネット１０３は、光の波長が約１０００ｎｍ以下の波長帯で光の透過率が悪くなり、使用するには不向きであるという問題がある。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバ電流センサおよび該光ファイバ電流センサを用いた電流測定方法において、センサファイバを伝搬する光の偏波面を精度良く、また光の波長に依存することなく制御することを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、第１センサファイバを備え、該第１センサファイバに直線偏光を入力し、該第１センサファイバの周囲に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって誘起される、前記直線偏光のファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記第１センサファイバに接続され直線偏光が入力される第２センサファイバと該第２センサファイバを取り囲む電流コイルとからなり、前記電流コイルを流れる電流を調整して該電流により生じる磁界によって前記第２センサファイバ中の直線偏光にファラデー回転を付与することで、前記第１センサファイバを通過する直線偏光の偏波面を制御する偏波制御手段を備えることを特徴とする。
この発明において、電流コイルを流れる電流によって第２センサファイバ内に磁界が発生し、第２センサファイバ中を伝搬する直線偏光に磁界に応じたファラデー回転が与えられる。電流コイルに流す電流を調整することにより、直線偏光に付与するファラデー回転角を制御することができる。したがって、光の偏波面の制御を電流の調整によって高精度に行うことが可能である。また、センサファイバ自身の使用可能波長であれば、光の波長は任意とすることができる。
【００１７】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、線状の前記第２センサファイバと、該第２センサファイバがその内部を貫くように設置された１または複数巻きの前記電流コイルと、から構成されることを特徴とする。
この発明において、電流コイルを複数巻きとすることで、第２センサファイバに印加する磁界が同じであれば電流コイルに流す電流を小さくすることができ、消費電力を小さく抑えることができる。また、電流コイルに電流を供給する電源を小型化することが可能である。
【００１８】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、コイル状の前記第２センサファイバと、該第２センサファイバと鎖交するように設置された１または複数巻きの前記電流コイルと、から構成されることを特徴とする。
この発明において、第２センサファイバをコイル状とすることで、第２センサファイバ中を伝搬する直線偏光に付与されるファラデー回転角を、該コイルの巻き数倍にすることができる。よって、測定の感度（測定されるファラデー回転角の大きさ）を同じとした場合には、電流コイルに流す電流をより小さくすることができ、消費電力を一層小さく抑えることができる。また、電流コイルに電流を供給する電源をより一層小型化することが可能である。
【００１９】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、光源から入力される光を直線偏光に変換して前記第１センサファイバへ出力する偏光子と、前記第１センサファイバを通過した光を互いに直交する２つの偏波成分に分離する検光子と、を更に備え、前記偏波制御手段は、前記偏光子と前記検光子の間に設置されることを特徴とする。
この発明によれば、偏光子と、第１センサファイバと、偏波制御手段と、検光子とによって透過型の光ファイバ電流センサを構成することができる。
【００２０】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、前記検光子に入力される直線偏光の該検光子に対する光学バイアスを制御することを特徴とする。
この発明によれば、偏波制御手段の電流コイルに流す電流を調整することで光学バイアスを任意に制御することができる。なお、ここでいう光学バイアスの制御には、光学バイアスを所定の値に設定することと、光学バイアスのズレ分または変動分を補正することが含まれる。
【００２１】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、ファラデー回転角の変化に対し、前記検光子から出力される光の強度の変化の割合が最も大きくなるように光学バイアスを設定することを特徴とする。
この発明によれば、偏波制御手段の電流コイルに流す電流を調整して、光強度の変化に対する検出感度が最も大きくなる状態に光学バイアスを設定することができ、電流の測定を感度良く行うことができる。
【００２２】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記第１センサファイバは、直線偏光が入力される入射端と反対側の他端に反射部を有し、前記偏波制御手段は、前記第１センサファイバの入射端側に設置され、光源から入力される光を直線偏光に変換して前記偏波制御手段へ出力するとともに、前記第１センサファイバの前記反射部から反射された光を互いに直交する２つの偏波成分に分離する、前記偏波制御手段に対して前記光源の側に設置された偏光分離素子を更に備えることを特徴とする。
この発明によれば、反射部を有する第１センサファイバと、偏波制御手段と、偏光分離素子とによって反射型の光ファイバ電流センサを構成することができる。
【００２３】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、前記第１センサファイバを通過して前記偏光分離素子に入力される直線偏光の該偏光分離素子に対する光学バイアスを制御することを特徴とする。
この発明によれば、偏波制御手段の電流コイルに流す電流を調整することで光学バイアスを任意に制御することができる。なお、ここでいう光学バイアスの制御には、光学バイアスを所定の値に設定することと、光学バイアスのズレ分または変動分を補正することが含まれる。
【００２４】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記偏波制御手段は、ファラデー回転角の変化に対し、前記検光子から出力される光の強度の変化の割合が最も大きくなるように光学バイアスを設定することを特徴とする。
この発明によれば、偏波制御手段の電流コイルに流す電流を調整して、この偏波制御手段を光が１往復したときの光学バイアスを、光強度の変化に対する検出感度が最も大きくなる状態に設定することができる。これにより、反射型の構成において電流の測定を感度良く行うことができる。
【００２５】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記第１センサファイバと前記第２センサファイバの少なくとも一方は、鉛ガラスファイバであることを特徴とする。
この発明によれば、センサファイバの光弾性係数が小さいので、センサファイバ中を伝搬する光の強度が変動することを抑えることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、センサファイバを伝搬する光の偏波面を精度良く、また光の波長に依存することなく制御することが可能な光ファイバ電流センサおよび電流測定方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、第１センサファイバ１１と、偏波制御手段２０とを有している。偏波制御手段２０は、第２センサファイバ２１と、この第２センサファイバ２１を取り囲むように設置された電流コイル２２とから構成され、第２センサファイバ２１は第１センサファイバ１１と接続されている。これら第１センサファイバ１１および第２センサファイバ２１として、好適にはともに鉛ガラスファイバを用いるが、いずれか一方だけが鉛ガラスファイバであってもよい。両方が鉛ガラスファイバである場合には、第１センサファイバ１１と第２センサファイバ２１を一体の（一本の）連続したファイバとしてもよい。
【００２８】
この鉛ガラスファイバは、光弾性係数がごく小さく、かつファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数が比較的大きいという特性を持ち、光ファイバ電流センサのセンサファイバとして非常に優れているものである。また、赤外の１５５０ｎｍ帯から可視領域の６３０ｎｍ程度の波長にわたって透過率が高く、幅広い波長の光に対して利用することができる。
【００２９】
偏波制御手段２０の電流コイル２２へは、図示しない外部の電源から、同じく図示しない外部の電流制御回路によってその電流値を制御された制御電流Ｉｃｔｒｌが供給される。この電流コイル２２を流れる制御電流Ｉｃｔｒｌは、第２センサファイバ２１内にファイバに沿った方向に磁界を発生させ、この発生した磁界によって、第２センサファイバ２１中を伝搬する光にファラデー回転が与えられるようになっている。
【００３０】
即ち、偏波制御手段２０の第２センサファイバ２１へ、図左から矢印で示すような偏波面を持つ直線偏光Ｐ１を入力すると、この直線偏光Ｐ１は第２センサファイバ２１を伝搬中に制御電流Ｉｃｔｒｌに応じた大きさでファラデー回転を受けてその偏波面が回転し、偏波面の異なる直線偏光Ｐ２となって第２センサファイバ２１から出力されてくる。制御電流Ｉｃｔｒｌの大きさを調整することで、出力される直線偏光Ｐ２の偏光方向を任意に制御することができる。
【００３１】
偏波制御手段２０から出てきた直線偏光Ｐ２は、ファイバ中を通って第１センサファイバ１１へ入力される。第１センサファイバ１１は、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる導体１００（図では紙面に垂直なものとして描かれている）の近傍に設置されている。この第１センサファイバ１１内には、被測定電流Ｉによってファイバに沿った方向に磁界Ｈが発生しており、この磁界Ｈによって、第１センサファイバ１１中を伝搬する直線偏光Ｐ２にファラデー回転角θＦでファラデー回転が与えられる。こうして、第１センサファイバ１１から、被測定電流Ｉの大きさを反映して偏波面が回転した直線偏光Ｐ３が出力される。この直線偏光Ｐ３が検光子１６へ入射されて、検光子１６の主軸（図では矢印で示す）方向成分の直線偏光Ｐ３の強度を検出することで、ファラデー回転角θＦが求められ、この求められたファラデー回転角θＦから被測定電流Ｉの大きさが求められる。
【００３２】
図２は、本実施形態における偏波制御手段２０の変形例を示す構成図である。
同図（Ａ）において、偏波制御手段２０は、線状（例えば直線状）の第２センサファイバ２１Ａと、この第２センサファイバ２１Ａが内部を貫くように設置された複数巻き（図では５回巻き）の電流コイル２２Ａとから構成するようにしている。このようにすることで、制御電流Ｉｃｔｒｌの大きさを一定とした場合、発生する磁界の大きさが増加するので第２センサファイバ２１Ａを伝搬する直線偏光Ｐ１へより大きなファラデー回転を与えることができる。また、付与するファラデー回転角を一定とした場合、必要な制御電流Ｉｃｔｒｌの大きさは小さくて済むので、制御電流Ｉｃｔｒｌを供給する電源の規模を小型化することができる。
【００３３】
同図（Ｂ）において、偏波制御手段２０は、コイル状に巻かれた（図では２回巻き）第２センサファイバ２１Ｂと、この第２センサファイバ２１Ｂと鎖交するようにして設置された複数巻き（図では５回巻き）の電流コイル２２Ｂとから構成するようにしている。この構成では、第２センサファイバ２１Ｂが形作る輪と電流コイル２２Ｂが形作る輪とが、互いの輪の内側を貫き合うことで鎖状に交わっている。このようにすることで、制御電流Ｉｃｔｒｌによって生じる磁界を一定とした場合、第２センサファイバ２１Ｂ中を伝搬する直線偏光Ｐ１が磁界中を通過する距離が長くなるので、直線偏光Ｐ１へより大きなファラデー回転を与えることができる。また、付与するファラデー回転角を一定とした場合、必要な制御電流Ｉｃｔｒｌの大きさは図２（Ａ）の構成より小さくて済むので、制御電流Ｉｃｔｒｌを供給する電源の規模をさらに小型化することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態である透過型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、偏光子１５と、偏波制御手段２０と、第１センサファイバ１１Ａと、検光子１６と、を有している。センサファイバ１１Ａは、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。偏波制御手段２０は、上記第１の実施形態として説明した図１または図２の構成と同じものである。そして、センサファイバ１１Ａの一端は偏波制御手段２０の第２センサファイバ２１の一端と接続され、他端には検光子１６が取り付けられる。また、第２センサファイバ２１の他端には、偏光子１５が取り付けられる。
【００３５】
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源１２から発せられた光が、送光ファイバ７１を介して偏光子１５へ入射される。この光は、偏光子１５によって電界の振動方向が一方向（偏光子１５の主軸方向）にそろった直線偏光に変換されて、偏波制御手段２０へ入力される。偏波制御手段２０へ入力された直線偏光は、制御電流Ｉｃｔｒｌに応じた大きさのファラデー回転を受けてその偏波面が回転させられ、第１センサファイバ１１Ａへと導入される。そして、センサファイバ１１Ａの周回部分において、ファイバ中を伝搬する直線偏光は、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってさらにファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転する。この光は、検光子１６へと導かれて、偏光方向の互いに直交（検光子１６の主軸方向とそれに垂直な方光）する２つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は受光ファイバ７２Ａを介して受光素子１３Ａによって受光され、電気信号Ｓ１に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ７２Ｂを介して受光素子１３Ｂによって受光され、電気信号Ｓ２に変換される。
【００３６】
センサファイバ１１Ａの周回部分で伝搬する直線偏光に与えられたファラデー回転角に応じて、受光素子１３Ａと１３Ｂで受光される光量が変化するので、この変化を反映した電気信号Ｓ１およびＳ２を信号処理回路１４１で処理することによって、付与されたファラデー回転角を求めることができる。そしてこの求められたファラデー回転角から、被測定電流Ｉが計算される。なお、受光素子１３Ａ，１３Ｂと信号処理回路１４１とから信号処理部１４が構成されている。
【００３７】
本実施形態において、偏波制御手段２０の電流コイル２２に流す制御電流Ｉｃｔｒｌは、第１センサファイバ１１Ａから検光子１６へ入射される直線偏光の光学バイアスが４５度になるように設定しておく。このように設定した場合、被測定電流Ｉによるファラデー回転角が微小量変化したときの受光素子１３Ａ，１３Ｂにおける光強度が最も感度良く変化することになり、測定の精度が向上する。
また、本実施形態において、従来技術として説明した図５の偏光子１５の主軸方向と検光子１６の主軸方向のなす角度をほぼ４５度に設定するとともに、偏波制御手段２０の制御電流Ｉｃｔｒｌを調整することにより、光学バイアスを正確に４５度に合わせ込むようにすることも可能である。これによって、経時的、あるいは環境温度などによる、偏光子１５の主軸方向と検光子１６の主軸方向のなす角度の変化についても補正をすることができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態である反射型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、光サーキュレータ１９と、偏光分離素子１８と、偏波制御手段２０と、センサファイバ１１Ｂと、を有している。センサファイバ１１Ｂは、透過型の図３と同様に、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。偏波制御手段２０は、上記第１の実施形態として説明した図１または図２の構成と同じものである。そして、センサファイバ１１Ａの一端は偏波制御手段２０の第２センサファイバ２１の一端と接続され、他端には金属薄膜の蒸着等によって反射部（ミラー）１１１が形成されている。第２センサファイバ２１の他端には、偏光分離素子１８が取り付けられ、偏光分離素子１８はさらに光サーキュレータ１９に接続される。また、光サーキュレータ１９は、光源１２からの光がセンサファイバ１１Ｂ側へ透過する向きに接続される。
【００３９】
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源１２から発せられた光が、送光ファイバ７１および光サーキュレータ１９を介して偏光分離素子１８へ入射される。この光は、偏光分離素子１８によって電界の振動方向が一方向（偏光分離素子１８の主軸方向）にそろった直線偏光に変換されて、偏波制御手段２０へ入力される。偏波制御手段２０へ入力された直線偏光は、制御電流Ｉｃｔｒｌに応じた大きさのファラデー回転を受けてその偏波面が回転させられ、第１センサファイバ１１Ｂへと導入される。本実施形態では、この制御電流Ｉｃｔｒｌは付与されるファラデー回転角が２２．５度となるように設定しておく。センサファイバ１１Ｂへ導入されファイバ中を伝搬する直線偏光は、ファイバの周回部分において、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってさらにファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転する。
【００４０】
センサファイバ１１Ｂを伝搬する光は、さらに反射部１１１で反射されて再び周回部分を通りファラデー回転を受け、偏波制御手段２０へ入力される。偏波制御手段２０を再び通過することでさらに２２．５度のファラデー回転が与えられるので、この偏波制御手段２０により、往復で４５度の光学バイアスが設定されていることになる。偏波制御手段２０を通過した光は、再び偏光分離素子１８へと導かれ、偏光方向の互いに直交（偏光分離素子１８の主軸方向とそれに垂直な方光）する２つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は光サーキュレータ１９と受光ファイバ７２Ａを介して受光素子１３Ａによって受光され、電気信号Ｓ１に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ７２Ｂを介して受光素子１３Ｂによって受光され、電気信号Ｓ２に変換される。
そして、第２の実施形態と同様に、電気信号Ｓ１およびＳ２を信号処理回路１４１で処理することによって、被測定電流Ｉにより付与されたファラデー回転角を求め、このファラデー回転角から被測定電流Ｉが計算される。なお、受光素子１３Ａ，１３Ｂと信号処理回路１４１とから信号処理部１４が構成されている。
【００４１】
なお、本実施形態では、上記のように光学バイアスを４５度に設定しているので、被測定電流Ｉによるファラデー回転角が微小量変化したときの受光素子１３Ａ，１３Ｂにおける光強度が最も感度良く変化することになり、測定の精度が向上する。
また、本実施形態において、従来技術として説明した図６のファラデー回転子１０２をさらに利用するようにしてもよい。そしてこの場合には、ファラデー回転子１０２でほぼ４５度（片道でほぼ２２．５度のファラデー回転角）の光学バイアス（４５度からのズレは、例えば、ファラデー回転子１０２の個体差バラツキや経時的あるいは環境温度などによる変化に起因することを想定している）を設定するとともに、偏波制御手段２０の制御電流Ｉｃｔｒｌを調整することにより、光学バイアスを正確に４５度に合わせ込むようにすることも可能である。
【００４２】
（実施例）
次に、本発明を適用した実際の光ファイバ電流センサについて説明する。
図２（Ｂ）を参照して、ここでは、電流コイル２２Ｂを１０００巻き、第２センサファイバ２１Ｂを５巻きとして、偏波制御手段２０を構成する。このとき、電流コイル２２Ｂを直径１ｍｍの銅線で作製するものとすると、電流コイル２２Ｂの断面の直径はおよそ３２ｍｍとなる。また、この３２ｍｍの断面直径を有する電流コイル２２Ｂに第２センサファイバ２１Ｂを５周巻きつけると、第２センサファイバ２１Ｂの長さはおよそ５０ｃｍとなる。
【００４３】
一方、本実施例では、測定に使用する光として、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム・ネオン）レーザを用いることとする。従来では、波長１５５０ｎｍ帯の光を利用して測定を行うことが多かったが、ファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数は波長の２乗に比例することが知られており、波長を短波長化することで磁界の大きさが同じでもファラデー回転角が大きくなり、電流測定の感度が向上することが期待できる。波長６３３んｍを用いた場合では、波長１５５０ｎｍを用いた場合と比べて、ベルデ定数は約６倍となる。
【００４４】
また、本実施例では、第２センサファイバ２１Ｂに鉛ガラスファイバを用いる。鉛ガラスファイバの波長１５５０ｎｍにおけるベルデ定数は、およそ４５度／２００ｋＡであることが知られている（Ａはアンペアで電流コイルに流す電流を表す）。このベルデ定数によれば、波長１５５０ｎｍの光を測定に用いる場合、電流コイルと第２センサファイバをともに１巻きとすれば４５度のファラデー回転角を得るためには銅線に２００ｋＡの電流を流さなければならないことになる。
【００４５】
本実施例においては、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを使用するのでベルデ定数は６倍になり、また電流コイルと第２センサファイバはそれぞれ１０００巻き、５巻きとして構成しているので、電流コイルに流さなければならない電流は、
ファラデー回転角４５度の時
……６．６Ａ（＝２００ｋＡ／（６×１０００×５））
ファラデー回転角２２．５度の時
……３．３Ａ（＝２００ｋＡ／２／（６×１０００×５））
と計算される。これらの値は現実的なものであり、本発明を適用した光ファイバ電流センサでは、波長６３３ｎｍにおいても十分に大きな光学バイアスを付与することができることが示された。
特に、従来の反射型の光ファイバ電流センサで用いていた磁性ガーネットは、波長が約１０００ｎｍ以下の波長帯で不透明であるためこの波長帯で使用できなかったが、本発明を適用した光ファイバ電流センサの偏波制御手段における第２センサファイバ（鉛ガラスファイバ）は、６３０ｎｍ程度まで透明であるので、反射型の光ファイバ電流センサが実現できる。
【００４６】
このように、本実施形態によれば、第２センサファイバ２１と、この第２センサファイバ２１を取り囲むように設置された電流コイル２２とから構成される偏波制御手段２０を設け、電流コイル２２に流す制御電流Ｉｃｔｒｌを調整することによって、被測定電流Ｉを測定する第１センサファイバ１１へ入射される直線偏光の偏波面を制御するようにした。これにより、上記偏波面の制御を、制御電流Ｉｃｔｒｌの調整により高精度に行うことが可能である。また、第２センサファイバ２１自身の使用可能波長であれば光の波長は制限されず、特に短波長の光源を用いて、ベルデ定数の大きい条件で感度の良い電流測定が可能となる。
【００４７】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本発明における第１センサファイバ、第２センサファイバは、その材質を限定するものではなく、鉛ガラスファイバ以外にも適宜、適当な材質のものを選択して使用することができる。
また、使用する光の波長帯についても、従来よく利用されている１５５０ｎｍ帯を用いることを妨げるものでもない。
さらに、測定する被測定電流Ｉは、直流でも交流でも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態による光ファイバ電流センサの構成図である。
【図２】第１の実施形態における偏波制御手段の変形例を示す構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態である反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図５】従来例における透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図６】従来例における反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１…第１センサファイバ  １２…光源  １３…受光素子  １４…信号処理部  １５…偏光子  １６…検光子  １８…偏光分離素子  １９…光サーキュレータ  ２０…偏波制御手段  ２１…第２センサファイバ  ２２…電流コイル  ７１…送光ファイバ  ７２…受光ファイバ  １００…導体  １１１…反射部
【図１】
2008256366.tif 000003
【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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