(57)【要約】【課題】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制御する。【解決手段】光ファイバ電流センサにファラデー回転子３０と偏波制御手段２０とを設け、この偏波制御手段２０を、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とから構成した。被測定電流Ｉを測定する第１センサファイバ１１へは、ファラデー回転子３０および偏波制御手段２０によりファラデー回転を付与された直線偏光が入射される。そして、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、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センサファイバを通過する直線偏光に所定のファラデー回転を付与するファラデー回転子と、
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偏波制御手段と、を設け、
前記ファラデー回転子と前記偏波制御手段とにより前記第１センサファイバを通過する直線偏光に所望のファラデー回転を付与する
ことを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項２】
前記電流コイルを流れる電流の調整によって前記ファラデー回転子の特性変動の影響を補償す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】
前記特性変動は、温度に依存したファラデー回転角の変化であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項４】
前記ファラデー回転子は、磁界を印加して磁化した常磁性体または強磁性体であ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】
前記常磁性体は、常磁性結晶であるＴＧＧまたはＴＡＧ、若しくは常磁性ガラスであるＦＲ５のいずれかであ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、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から請求項５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７】
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から請求項５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、
前記ファラデー回転子と前記偏波制御手段とからなる光学バイアス設定手段を前記第１センサファイバの入射端側に設置し、
光源から入力される光を直線偏光に変換して前記光学バイアス設定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、前記光学バイアス設定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７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９】
前記光学バイアス設定手段は、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センサファイバを通過する直線偏光に所定のファラデー回転を付与するファラデー回転子と、
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偏波制御手段と、
を用いて前記第１センサファイバを通過する直線偏光に所望のファラデー回転を付与する
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（例えば、非特許文献１参照）と反射型のものとが知られている。図５を参照して反射型の光ファイバ電流センサにつき簡単に説明する。
【０００４】
図５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、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。
【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。
【０００６】
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（光学バイアスについては後述する）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。
【０００７】
センサファイバ１１Ｂ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。
【０００８】
ここで、センサファイバ１１Ｂにおけるファラデー回転角をθＦとし、被測定電流Ｉ＝０の場合にセンサファイバ１１Ｂを通って偏光分離素子１８へ入射される直線偏光の偏光方向と偏光分離素子１８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。このことから、ファラデー回転子１０２を用いて、光学バイアスがθ０＝π／４（４５度）となるように、即ち、被測定電流Ｉ＝０のときにセンサファイバ１１Ｂから戻ってきた直線偏光が偏波面を４５度回転させるように、設定を行っている。
【０００９】
上述した光ファイバ電流センサにおいて、センサファイバ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。
【００１０】
なお、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、光弾性係数の小さい鉛ガラスファイバを用いる場合でも一般的には発生する。しかし上述した反射型の構成による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、トータルで見れば上記の現象による影響を受けることがない。
【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
【非特許文献２】藤井他、ファラデー効果を示すＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２単結晶育成と光特性評価、ＮＥＷ  ＧＬＡＳＳ、社団法人  ニューガラスフォーラム、２００３年、１８巻、４号、３２−３６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、反射型の光ファイバ電流センサにおいて光学バイアスを与えるために用いられるファラデー回転子１０２（強磁性ガーネット１０３）は、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がある。
【００１２】
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、強磁性体結晶である上記強磁性ガーネットは、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。そこで、強磁性ガーネットに代わる材料として、１０００ｎｍ以下の波長帯で光の透過率が良い常磁性体を用いてファラデー回転子を構成することが考えられる。このような常磁性体としては、ＴＧＧやＴＡＧなどの常磁性ガーネットが存在する。例えばＴＡＧを用いた場合、上記の非特許文献２によれば波長５００ｎｍ付近まで透過率が低下することがなく使用可能である。
しかしながら、こうした常磁性体は、ファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数の温度依存性が強磁性体結晶（例えば強磁性ガーネットなど）に比較して大きいため、これらの常磁性体を利用した光ファイバ電流センサでは、光学バイアスが環境温度に依存して変動してしまい、電流の測定に影響が及ぼされてしまうということが問題となる。また、常磁性体は磁気飽和しないため、外部磁界の影響や、磁界を印加する永久磁石の温度特性によっても、光学バイアスの設定が変動（動作点が変動）してしまう問題がある。
【００１３】
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】
【００１４】
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センサファイバを通過する直線偏光に所定のファラデー回転を付与するファラデー回転子と、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偏波制御手段と、を設け、前記ファラデー回転子と前記偏波制御手段とにより前記第１センサファイバを通過する直線偏光に所望のファラデー回転を付与す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。このファラデー回転と、ファラデー回転子によるファラデー回転とを受けた直線偏光が第１センサファイバへ入射される。電流コイルに流す電流を調整することにより、第１センサファイバへ入力する直線偏光に付与するトータルとしての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。
【００１５】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記電流コイルを流れる電流の調整によって前記ファラデー回転子の特性変動の影響を補償することを特徴とする。
この発明によれば、ファラデー回転子によるファラデー回転角が所望の値から元々ずれていたり、あるいは環境変化等によって変動したりした場合でも、電流の調整という簡便且つ柔軟な方法でそれらの影響を無くすことができる。
【００１６】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記特性変動は、温度に依存したファラデー回転角の変化であることを特徴とする。
この発明によれば、環境温度に依存しない電流測定を行うことができる。
【００１７】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記ファラデー回転子は、磁界を印加して磁化した常磁性体または強磁性体であることを特徴とする。
この発明によれば、常磁性体や強磁性体として大きなファラデー効果を示すものを選択することで、電流コイルに流す電流を小さくすることができる。
【００１８】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記常磁性体は、常磁性結晶であるＴＧＧまたはＴＡＧ、若しくは常磁性ガラスであるＦＲ５のいずれかであることを特徴とする。
この発明において、ＴＧＧ，ＴＡＧ，ＦＲ５は可視領域の波長帯でも透明であるので、高い感度のファラデー効果が得られる波長帯を使った電流測定を行うことができる。
【００１９】
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。
【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、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。
【００２１】
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、前記ファラデー回転子と前記偏波制御手段とからなる光学バイアス設定手段を前記第１センサファイバの入射端側に設置し、光源から入力される光を直線偏光に変換して前記光学バイアス設定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、前記光学バイアス設定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、ファラデー回転子と、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。
【００２２】
また、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記光学バイアス設定手段は、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、電流コイルに流す電流を調整して、光学バイアス設定手段を光が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、電流の測定を感度良く行うことができる。
【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】
【００２４】
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】
【００２５】
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、ファラデー回転子３０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。ファラデー回転子３０は、ファラデー素子３１と、このファラデー素子３１に磁界を印加する永久磁石３２とから構成され、第２センサファイバ２１のもう一端にファラデー素子３１が取り付けられている。
【００２６】
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。
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。
【００２７】
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。
【００２８】
上記のファラデー素子３１には、光ファイバ電流センサの用途や使用波長に応じて強磁性体や常磁性体を適宜選択して用いることができる。例えば、強磁性体である強磁性ガーネットを用いた場合には、使用波長はほぼ１０００ｎｍ以上に限定される。また、常磁性体結晶であるＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット；Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２）、ＴＧＧ（テルビウム・ガリウム・ガーネット；Ｔｂ３Ｇａ５Ｏ１２）や、常磁性ガラスであるＦＲ５などを用いた場合には、使用波長に可視領域の波長帯のものを選択可能であり、測定に用いる光の波長の短波長化によってこれら各物質のベルデ定数が増大するので、ファラデー回転角を大きくすることができる。
【００２９】
上記構成の光ファイバ電流センサにおいて、偏波制御手段２０とファラデー回転子３０とによって光はファラデー回転を受けて、第１センサファイバ１１へ入射されるようになっている。
即ち、ファラデー回転子３０のファラデー素子３１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はファラデー素子３１によって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となって出力される。そして、この直線偏光Ｐ２は、偏波制御手段２０の第２センサファイバ２１へ入力されて、第２センサファイバ２１を伝搬中に制御電流Ｉｃｔｒｌに応じた向きと大きさでさらに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Ｐ３となって第２センサファイバ２１から出力されてくる。
【００３０】
ファラデー回転子３０によって与えられるファラデー回転角は、ファラデー素子３１の材料、印加する磁界（常磁性体の場合）、使用波長等によって変わるが、随時変更することはできず固定値である。一方、偏波制御手段２０においては、制御電流Ｉｃｔｒｌの大きさと向きを調整することで、出力される直線偏光Ｐ３の偏光方向を任意に制御することができる。こうして、ファラデー回転子３０と偏波制御手段２０とによって、第１センサファイバ１１へ入力する直線偏光に所望のファラデー回転が与えられる。例えば、ファラデー回転子３０により所望のファラデー回転角に近いファラデー回転を付与し、偏波制御手段２０により所望のファラデー回転角への合わせ込みを行うようにすることができる。この場合、ファラデー回転子３０に個体差や温度変動による特性ズレがあったとしても、偏波制御手段２０で偏波面を正しく制御することで、高精度な測定を行うことが可能である。
なお、偏波制御手段２０を前段に配置し、ファラデー回転子３０を後段に配置するように光ファイバ電流センサを構成してもよい。
【００３１】
さて、偏波制御手段２０から出てきた直線偏光Ｐ３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Ｐ３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Ｐ４が出力される。この直線偏光Ｐ４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Ｐ４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Ｐ２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Ｐ２が磁界中を通過する距離が長くなるので、直線偏光Ｐ２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、ファラデー回転子３０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、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およびファラデー回転子３０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１１Ｂ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、ファラデー回転子３０のファラデー素子３１が取り付けられ、ファラデー素子３１はさらに偏光分離素子１８を介して光サーキュレータ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。
【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３０へ入力される。ファラデー回転子３０へ入力された直線偏光は、所定の大きさのファラデー回転を受けて出力され偏波制御手段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に応じた向きと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、ファラデー回転子３０と偏波制御手段２０とによって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。
【００３６】
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およびファラデー回転子３０を順に通過する。偏波制御手段２０とファラデー回転子３０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とファラデー回転子３０とにより、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３０を出た光は、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。
【００３７】
そして、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。また、信号処理回路１４１では、電気信号Ｓ１とＳ２とを用いて所望の光学バイアス（ここでは最適値である４５度）からのズレを演算し、その結果を制御信号として電流制御部６０へ送る。電流制御部６０は、この制御信号に従ってＤＣ電源６１から電流コイル２２へその向きと大きさを調整した制御電流Ｉｃｔｒｌを供給することで、常時所望の光学バイアスを維持している。これにより、例えば外部で発生した磁界の影響を受けたり、環境温度が変化したりする等して、ファラデー回転子３０におけるファラデー回転角が変動したような場合であっても、ファラデー回転子３０と偏波制御手段２０の全体として見れば、常に一定のファラデー回転が付与されることになり、電流測定の精度・安定性が増す。
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。
【００３８】
本実施形態においては、上記のように光学バイアスを４５度に設定して、それが保持されることになるので、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、測定の精度が良い状態で保たれる。
【００３９】
なお、本発明では上記の制御信号を求める方法は限定しないが、例えば、被測定電流Ｉと異なる周波数で制御電流Ｉｃｔｒｌを振動させ、電気信号Ｓ１およびＳ２をバンドパスフィルタに通して制御電流Ｉｃｔｒｌに対応する成分を抽出するといった方法が適用可能である。
【００４０】
（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。
本実施形態は、上述した第２の実施形態と制御電流Ｉｃｔｒｌの制御の仕方のみが異なるので、その部分だけを説明し他の部分は説明を省略する。
【００４１】
本実施形態の光ファイバ電流センサは、ファラデー素子３１に温度センサ６２を取り付け、この温度センサ６２でファラデー素子３１の温度を検出して電流制御部６０へ知らせるような構成としている。ファラデー素子３１は、通過する光に付与されるファラデー回転角にある一定の温度依存性を示すので、この温度依存性と検出された温度から、実際のファラデー回転角を求めることができる。電流制御部６０は、この原理を用い、ＤＣ電源６１から供給する制御電流Ｉｃｔｒｌを制御する。
【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６３３ｎｍ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）。このベルデ定数は、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巻きとしたとき４５度のファラデー回転角を得るために必要な電流は２００ｋＡであることを示す。
【００４５】
本実施例では、このような構成を有する偏波制御手段２０を用いてファラデー回転子３０の温度依存性を解消する。ファラデー回転子３０のファラデー素子３１には、常磁性ガラスであるＦＲ５を用いる。ＦＲ５におけるベルデ定数の温度依存性は、０．３４度／℃程度であることが知られている。一方、光ファイバ電流センサは、およそ１００℃の温度範囲内で測定精度を補償する必要がある。したがって、偏波制御手段２０は、ファラデー回転角を３．４度（＝０．３４×１００）分、制御することのできる能力が求められることになる。
【００４６】
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上記した４５度／２００ｋＡの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、
０．５Ａ（＝２００ｋＡ／（４５／３．４）／（６×１０００×５））
と計算される。こ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、温度範囲１００℃で光学バイアスを高精度に制御することができることが示された。
【００４７】
このように、本実施形態によれば、光ファイバ電流センサにファラデー回転子３０と偏波制御手段２０とを設け、この偏波制御手段２０を、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とから構成した。被測定電流Ｉを測定する第１センサファイバ１１へは、ファラデー回転子３０および偏波制御手段２０によりファラデー回転を付与された直線偏光が入射される。そして、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、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。
【００４８】
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】
【００４９】
【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の実施形態である反射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】
【００５０】
１１…第１センサファイバ  １２…光源  １３…受光素子  １４…信号処理部  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  ３０…ファラデー回転子  ３１…ファラデー素子  ３２…永久磁石  ６０…電流制御部  ６１…ＤＣ電源  ６２…温度センサ  ７１…送光ファイバ  ７２…受光ファイバ  １００…導体  １１１…反射部
【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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