(57)【要約】【課題】高精度でしかも長期に亘って安定性を有する、実用性の高い光応用測定装置および光応用電流測定装置を提供する。【解決手段】送信ファイバ３のコリメータ、偏光子４、センサファイバ５とそのコリメータ、検光子７、および受信ファイバ８のコリメータを含む光学系のうち、センサファイバ５を除く光学部品を、光学系収納箱２１内に収納する。各コリメータを構成するファイバコネクタ１５、送信ファイバ３と受信ファイバ８のコリメータを構成する取付部材１６、およびセンサファイバ５のコリメータを構成するレンズホルダ２２、調節スリーブ２３、およびコネクタホルダ２４などの固定部材と、光学系収納箱２１を、ニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼で構成する。各固定部材間、および各固定部材と光学系収納箱２１との間を、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定する。【選択図】　図１
2004045397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導く光ファイバと、この光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系と、この光学系の一部に設けられたセンサ部とを備え、前記センサ部を通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記集光手段は、前記光ファイバの端面における入射光のスポットサイズがこの光ファイバのコア径の２１／２以上となるように構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項２】
光を導く光ファイバと、この光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系と、この光学系の一部に設けられたセンサ部とを備え、前記センサ部を通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記集光手段は、前記光ファイバの端面における入射光のスポットサイズがこの光ファイバのコア径の２−１／２以下となるように構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項３】
光を導く光ファイバと、この光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系と、この光学系の一部に設けられたセンサ部とを備え、前記センサ部を通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記集光手段は、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）から構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項４】
光を導く光ファイバと、この光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系と、この光学系の一部に設けられたセンサ部とを備え、前記センサ部を通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記集光手段は、レンズから構成され、このレンズは、その焦点位置がレンズ端面に位置するように構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項５】
前記光ファイバの端部にはこのファイバ端部を支持するファイバコネクタが設けられ、前記レンズは、前記ファイバコネクタの直径と等しい直径を有することを特徴とする請求項３または請求項４記載の光応用測定装置。
【請求項６】
センサ用光学素子と、このセンサ用光学素子の出射光の偏光状態により透過光量が変化する検光子と、この検光子を透過した光を導く受信用光ファイバと、この受信用光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系を備え、前記受信用光ファイバによって導かれた光の光量を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記受信用光ファイバは、コア径が１００μｍ以上のマルチモード光ファイバから構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項７】
センサ用光学素子と、このセンサ用光学素子の出射光の偏光状態により透過光量が変化する検光子と、この検光子を透過した光を導く受信用光ファイバと、この受信用光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系を備え、前記受信用光ファイバによって導かれた光の光量を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記受信用光ファイバは、ＮＡが０．２５以上のマルチモード光ファイバから構成されていることを特徴とする光応用測定装置。
【請求項８】
前記マルチモード光ファイバは、多成分ガラスから構成されていることを特徴とする請求項６または請求項７記載の光応用測定装置。
【請求項９】
前記マルチモード光ファイバは、コアが石英から構成され、クラッドがプラスチックから構成されていることを特徴とする請求項６または請求項７記載の光応用測定装置。
【請求項１０】
測定対象となる物理量を検出可能な位置に配置されたセンサ用光ファイバを備え、このセンサ用光ファイバを通過した光の偏光状態を検出することによって前記物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、前記検出可能な位置に円環状取付部材が設けられ、前記センサ用光ファイバは、前記円環状取付部材に沿って巻回され、前記円環状取付部材は、前記センサ用光ファイバを部分的に固定する固定部を有し、前記固定部は、センサ用光ファイバを収納する溝部を有し、この溝部は、前記センサ用光ファイバの径よりも大きい寸法を有することを特徴とする光応用測定装置。
【請求項１１】
前記円環状取付部材の前記固定部は、前記円環状取付部材の周方向における複数箇所に分散配置されていることを特徴とする請求項１０記載の光応用測定装置。
【請求項１２】
前記センサ用光ファイバは、その両端部のみが接着によって固定されていることを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の光応用測定装置。
【請求項１３】
前記センサ用光ファイバは、複数のターン数で巻回され、前記円環状取付部材の前記固定部は、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形でこれらを固定するように構成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１２までのいずれか一つに記載の光応用測定装置。
【請求項１４】
前記センサ用光ファイバは、複数のセンサを構成する複数のセンサ用光ファイバであり、前記円環状取付部材の前記固定部は、前記複数のセンサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形でこれらを一括的に固定する構成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１３までのいずれか一つに記載の光応用測定装置。
【請求項１５】
前記円環状取付部材の前記固定部は、複数の前記溝部を有し、各溝部に前記センサ用光ファイバが収納されるように構成されていることを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の光応用測定装置。
【請求項１６】
前記円環状取付部材の前記固定部は、前記溝部内に収納されて、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形で各ファイバを個別にガイドするファイバガイド部を有することを特徴とする請求項１３から請求項１５までのいずれか一つに記載の光応用測定装置。
【請求項１７】
前記円環状取付部材の前記ファイバガイド部は、前記円環状取付部材の周方向における複数箇所に分散配置されていることを特徴とする請求項１６記載の光応用測定装置。
【請求項１８】
前記円環状取付部材の前記ファイバガイド部は、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間にそれぞれ配置された複数の円筒状ガイドであることを特徴とする請求項１６または請求項１７記載の光応用測定装置。
【請求項１９】
前記円環状取付部材の前記固定部は、軸方向に積層配置される複数のディスク状収納部を有し、各ディスク状収納部は、軸方向の片側の端面に前記溝部をそれぞれ有することを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の光応用測定装置。
【請求項２０】
被測定電流が流れる導体の近傍に配置されたセンサ用光ファイバを備え、このセンサ用光ファイバ中を通過した光の偏光状態を検出することによって前記導体に流れる電流を求めるように構成された光応用電流測定装置において、前記請求項１０から請求項１９に記載の光応用測定装置の中から選択された光応用測定装置の構成を有し、前記円環状取付部材は、前記導体を囲むように配置されていることを特徴とする光応用電流測定装置。
【請求項２１】
前記センサ用光ファイバは、その電流測定感度低下が１０％以下となるように構成されていることを特徴とする請求項２０記載の光応用電流測定装置。
【請求項２２】
前記導体は、絶縁ガスを封入したタンク内に配置され、前記センサ用光ファイバは、前記絶縁ガス領域の外側でかつ前記タンクの電流路の内側となる部分に配置されていることを特徴とする請求項２０または請求項２１記載の光応用電流測定装置。
【請求項２３】
前記導体は、絶縁ガスを封入したタンク内に配置され、前記タンクは、複数のタンクを絶縁スペーサを介して接続して構成され、前記円環状固定部材は、前記絶縁スペーサであることを特徴とする請求項２０から請求項２２までのいずれか一つに記載の光応用電流測定装置。
【請求項２４】
前記センサ用光ファイバは、石英ファイバから構成されていることを特徴とする請求項２０から請求項２３までのいずれか一つに記載の光応用電流測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度・電界や磁界などの物理量の変化によって偏光特性が変化する光学素子をセンサとして利用して、測定対象となる物理量を求める光応用測定装置および光応用電流測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁界によって偏光の旋光角度が変化するファラデー効果や、応力によって複屈折が発生する光弾性効果などを利用し、偏光を測定することによって磁界・電界・歪・温度などの各種の物理量を測定する試みが広く行われており、各種の光応用測定装置が提案されている。
【０００３】
［１．従来の光応用電流測定装置］
図１６は、従来の光応用測定装置として、特に、光応用電流測定装置の代表的な一例を示す構成図である。この図１６に示すように、レーザダイオードや発光ダイオードからなる光源１からの光はレンズ２によって集光され、送信ファイバ３に入射する。この送信ファイバ３を伝播した光は、レンズ２によって平行ビームとされ、偏光子４を通って直線偏光に変換される。この光は、レンズ２によって集光され、センサファイバ５に入射する。このセンサファイバ５は、被測定電流の流れる導体６の周囲に巻回されており、光は、このセンサファイバ５を伝播する間に、導体６を流れる被測定電流の作る磁界に比例したファラデー旋光を受け、角度θだけ回転した直線偏光となって出力される。したがって、この旋光角度θを測定することにより電流値を得ることができる。
【０００４】
このような旋光角度θの測定方法として、図１６においては、偏光子４に対して４５度回転させて配置されたウォラストンプリズムからなる検光子７を使用し、直交する２つの偏光線分の光に分けて検出する方法が採用されている。すなわち、まず、センサファイバ５から出射した光は、レンズ２によって再び平行ビームとされ、ウォラストンプリズムからなる検光子７によって、ｘ，ｙの２成分の光に分けられる。この２成分の光は、個別のレンズ２を介して２つの受信ファイバ８にそれぞれ入射する。この受信ファイバ８をそれぞれ伝播したｘ，ｙの２成分の光は、２つの検出器９にそれぞれ導かれる。
【０００５】
次に、ｘ，ｙの２成分の光信号は、２つの検出器９によってそれぞれ電気信号Ｖｘ，Ｖｙに変換される。この場合の電気信号Ｖｘ，Ｖｙは、次の式（１）によって表される。
【数１】
2004045397.tif 000003
【０００６】
このようにして検出器９で得られた電気信号Ｖｘ，Ｖｙは、さらに、２つのＡＧＣ増幅器１０にそれぞれ送られ、次の式（２）によって、直流分成分で規格化される。
【数２】
2004045397.tif 000004
【０００７】
この電気信号Ｖｘ’，Ｖｙ’は、除算器１１とＲＯＭテーブル１２によって処理され、次の式（３）に示すような、和と差のわり算のアークサインを求める演算によって、電流値Ｉが求められる。
【数３】
2004045397.tif 000005
【０００８】
以上のような光応用電流測定装置においては、電流信号出力が光信号強度に無関係であるため、アライメントずれや光源の劣化による光量の変化などによる誤差を生じることなく、高精度の電流測定を行うことができる。このような光応用電流測定装置は、絶縁特性に優れており、構成もコンパクトであることから、特に、電力系統における高圧機器用の電流測定装置として、その一層の高性能化が期待されている。
【０００９】
［２．従来の光応用電流測定装置の光学系］
また、以上のような光応用電流測定装置において、送信ファイバ３から受信ファイバ８に至るまでの光学系は、例えば、図１７および図１８に示すように構成されている。ここで、図１７は、光学系の具体的な構成の一例を示す平面図、図１８は、図１７の断面図である。
【００１０】
図１７に示すように、送信ファイバ３から２つの受信ファイバ８に至るまでの光学系を構成する複数の光学部品は、光ファイバ部分を除いて、細長い光学系取付基板１３上に配置されている。まず、光学系取付基板１３の長手方向の一端には、被測定電流が流れる導体６を貫通させる円形の取付部１３ａが設けられ、この取付部１３ａの周囲にセンサファイバ５が巻回されている。このセンサファイバ５の両端部は、光学系取付基板１３の長手方向に沿って互いに平行にかつ同じ位置となるように配置されている。そして、センサファイバ５の入射端部の延長線上に、偏光子４、レンズ２、および送信ファイバ３の出射端部が一列に並べられると共に、センサファイバ５の出射端部の延長線上に、検光子７、レンズ２、および第１の受信ファイバ８の入射端部が一列に並べられている。
【００１１】
この場合、偏光子４は、その偏光方位が水平あるいは垂直方向に対して４５度をなすように配置されている。また、検光子７は、任意の方向に偏光している入射光を水平方向と垂直方向に偏光する２つの直線偏光に分解し、それぞれ異なる方向に出射する光学部品であるが、図１７においては、ここでは、光学系取付基板１３の長手方向と、それに対して９０度をなす方向（偏光子４側に向かう方向）に出射するように配置されている。
【００１２】
さらに、第２の受信ファイバ８の入射端部は、送信ファイバ３の出射端部と第１の受信ファイバ８の入射端部との間に、これらと平行に設けられている。そして、このように配置された第２の受信ファイバ８の入射端部に対して、前述した検光子７で９０度方向に出射した光を導くために、この検光子７と偏光子４の間には、光路を９０度折り曲げるための折り曲げ鏡１４が配置されている。
【００１３】
一方、このように配置された各ファイバ３，５，８の各端部には、このファイバ端部を支持するためのファイバコネクタ１５がそれぞれ設けられており、各ファイバコネクタ１５と各ファイバ３，５，８に結合される各レンズ２は、光軸を一致させる一定の位置関係となるようにして個別の取付部材１６に取り付けられている。これらの取付部材１６は、金属製であり、図１８に示すように、光学系取付基板１３上に、接着剤１７によって固定されている。また、偏光子４や検光子７、および折り曲げ鏡１４についても、同様に、接着剤１７によって光学系取付基板１３上に固定されている。そして、このように光学部品が固定された光学系取付基板１３の表面は、その重量が問題とならない程度の軽量の簡単なカバーによって覆われ、全体として、光学系収納箱を構成している。
【００１４】
以上のような構成を有する図１７および図１８の光学系の動作は、次の通りである。すなわち、この光学系において、各ファイバ３，５，８の各ファイバコネクタ１５と、取付部材１６、およびレンズ２からなる構造物は、ファイバからの光を平行ビームに変換するか、あるいは逆に、平行ビームを集光してファイバに入射させるコリメータとして機能する。
【００１５】
したがって、まず、図示していない光源を出射した光は、送信ファイバ３によって導かれ、その出射端部のコリメータにより平行ビームとなって偏光子４に達する。この場合、偏光子４は、前述したように、その偏光方位が水平あるいは垂直方向に対して４５度をなすように配置されているため、この偏光子４によって、光は方位４５度の直線偏光に変換される。この光は、センサファイバ５の入射端部のコリメータにより集光ビームとなってセンサファイバ５に入射する。
【００１６】
センサファイバ５に入射した光は、このセンサファイバ５を伝播する間に、導体６に流れる被測定電流の作る磁界によってファラデー旋光を受けてその方位が変化した後、センサファイバ５の出射端部のコリメータにより平行ビームとなって検光子７に入射する。この検光子７によって、光は、水平方向に偏光する直線偏光（ｘ成分）と垂直方向に偏光する直線偏光（ｙ成分）とに分解される。このように分解された２つの光のうち、一方の光はそのままの状態で、また他方の光は折り曲げ鏡１４を介して、２つの受信ファイバ８の入射端部のコリメータにそれぞれ入射し、各コリメータで集光ビームとなって各受信ファイバ８にそれぞれ入射する。
【００１７】
以上のような光学系の動作において、各光学部品は、高精度で位置決めされている必要がある。この場合、光学系取付基板１３は、各光学部品を所定の位置に正確に保持固定するように機能する。この光学系取付基板１３上における各光学部品の取付は、前述したように、接着剤１７によって行われているが、このような取付は、具体的には次のような手順によって行われている。すなわち、光学部品の取付に当たっては、光学部品の下面に接着剤を塗布し、この状態で、光学部品を微動装置によって保持しながら光学系取付基板１３上で位置決めし、その位置に接着固定している。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１６〜図１８に示したような従来の光応用電流測定装置には、次のような問題点がある。
（１）　接着剤に起因する光学部品の位置ずれや脱落の可能性
（２）　光ファイバとそれに光を入射する集光光学系との間の位置ずれとそれによる光量変化
（３）　温度・湿度や外部磁界などの周囲環境や応力などの影響による精度低下
（４）　光ファイバ端面の異物付着による光量変化
（５）　受信ファイバの曲がりによる光損失
これらの問題点（１）　〜（５）　の具体的な内容について、以下に説明する。
【００１９】
（１）　「接着剤に起因する光学部品の位置ずれや脱落の可能性」について
図１７と図１８に示したように、従来、光学系の光学部品は、光学系収納箱の一部である光学系取付基板１３に対し、取付部材１６などの固定部材を使用して接着剤で固定されているにすぎない。この場合、接着剤は、一般的に、金属やガラスに対して膨脹率が１０倍以上大きいため、周囲温度が大きく変化した場合には、接着剤が大きく収縮してしまい、その結果、光学部品同士の位置がずれてしまう。また、光学系に温度変化や振動が繰り返し加わった場合には、前述したような大きな収縮と外部機械力との相乗的な影響によって接着剤が劣化し、長期間の後には、光学部品が脱落してしまう可能性がある。
【００２０】
（２）　「光ファイバとそれに光を入射する集光光学系との間の位置ずれとそれによる光量変化」について
光ファイバのコア径は極めて小径であるため、特に、このような光ファイバとそれに光を入射する集光光学系との間には極めて精度の高いアライメントが要求される。しかしながら、振動や温度変化が生じた場合、あるいは、接着剤の収縮を生じた場合には、センサと集光光学系との間のアライメントが崩れ、センサに入射する光量が大きく変化する可能性がある。このような光量変化は、測定精度の低下につながる。
【００２１】
特に、センサファイバを構成する光ファイバには、偏光情報を伝播することが要求されることから、シングルモード光ファイバが使用されるが、このようなシングルモード光ファイバのコア径は２〜１０μｍ程度と極めて小径であるため、振動や温度変化、接着剤の収縮などによって容易にアライメントが崩れ、ひどい場合にはセンサファイバに光を入射できなくなる可能性がある。
【００２２】
また、光学系の各部で、光量変化を生じた場合でも、ある程度の光量を確保することができれば、光学系のうち、検光子までの部分で発生した光量変化分については、電子回路で補正可能である。しかしながら、検光子以降で発生した光量変化分については、必ずしもｘ，ｙ成分共に同位相とならないため、電子回路で補正することは困難であり、誤差の原因となる。
【００２３】
この場合、受信ファイバを構成する光ファイバには、マルチモード光ファイバを使用することができるため、前述したシングルモード光ファイバを使用したセンサファイバに比べれば、比較的容易に光を入射することができる。しかしながら、前述したように、検光子以降で発生した光量変化分の補正は困難であるため、受信ファイバの入射時に光量変化が多少でも発生した場合には、この光量変化分はそのまま誤差の原因となってしまう。
【００２４】
（３）　「温度・湿度や外部磁界などの周囲環境や応力などの影響による精度低下」について
光学部品は、基本的に、温度・湿度や外部磁界などの周囲環境の影響を受けやすいが、図１７と図１８に示したように、光学系取付基板１３上に光学部品を取り付けて、この光学系取付基板１３を簡単なカバーで覆うだけの構造では、これらの周囲環境の影響から光学系を十分に保護することはできない。そのため、特に、センサファイバ以外の光学部品の光学特性が周囲環境の影響によって変化し、これらの光学部品を通過する光の誤差の原因となる可能性がある。
【００２５】
また、光応用電流測定装置において、センサファイバは、図１７と図１８に示したように、被測定電流の流れる導体の外周に配置された固定部材（図１７、図１８中では光学系取付基板１３の取付部１３ａ）に巻回されるが、センサファイバを固定部材に対して強固に固定した場合には、温度変化により固定部材からセンサファイバに大きな応力が加わり、誤差の原因となる。
【００２６】
（４）　「光ファイバ端面の異物付着による光量変化」について
光ファイバのコア径は極めて小径であるため、その端面に異物が付着した場合には光量損失を生じる。特に、センサファイバを構成するシングルモード光ファイバのコア径は、前述したように、２〜１０μｍ程度と極めて小径であるため、その端面に極めて微小の異物が付着した場合でも、大きな光量損失を生じてしまい、誤差の原因となる。
【００２７】
（５）　「受信ファイバの曲がりによる光損失」について
受信ファイバは、入射した光を検出器まで１００％導くことが望ましいが、曲り部分においては光の一部がファイバの外に逃げてしまい、光損失を生じてしまう。しかしながら、配設上の都合などから、受信ファイバを全く曲げずに配設し、その状態を維持することは通常困難であるため、このような受信ファイバの曲りによる光損失の発生は避けられない。
【００２８】
なお、以上のような問題点（１）　〜（５）　は、図１６〜図１８に示した光応用電流測定装置に限らず、光ファイバを含む光学系を使用して各種の物理量を測定する光応用測定装置一般に同様に存在している。
【００２９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その第１の目的は、高精度でしかも長期に亘って安定性を有する、実用性の高い光応用測定装置を提供することである。
【００３０】
本発明の第２の目的は、温度・湿度や外部磁界などの周囲環境の影響を回避可能であり、高精度でしかも長期に亘って安定性を有する光学系を備えた光応用測定装置を提供することである。
【００３１】
本発明の第３の目的は、従来の光応用測定装置の構造に起因する光量損失を改善し、測定精度を向上させた光応用測定装置を提供することである。
【００３２】
本発明の第４の目的は、光ファイバに入射する光量の変化や光ファイバ端面への異物の付着を抑制可能であり、光量の安定性に優れた高精度の光学系を備えた光応用測定装置を提供することである。
【００３３】
本発明の第５の目的は、受信ファイバの曲りによる光損失を低減可能であり、光量の安定性に優れた高精度の光学系を備えた光応用測定装置を提供することである。
【００３４】
本発明の第６の目的は、センサファイバに対する応力などの外部影響を低減可能であり、高精度でかつ小型・簡略なセンサファイバを備えた光応用測定装置を提供することであり、特に、電力系統に適した光応用電流測定装置を提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１、２記載の各発明は、光を導く光ファイバと、この光ファイバに光を入射するための集光手段とを含む複数の光学部品から構成された光学系と、この光学系の一部に設けられたセンサ部とを備え、前記センサ部を通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、次のような特徴を有する。
【００３６】
すなわち、請求項１記載の発明は、前記集光手段の、前記光ファイバの端面における入射光のスポットサイズがこの光ファイバのコア径の２１／２以上となるように構成されていることを特徴としている。請求項２記載の発明は、前記集光手段の、前記光ファイバの端面における入射光のスポットサイズがこの光ファイバのコア径の２−１／２以下となるように構成されていることを特徴としている。
【００３７】
以上のような構成を有する請求項１，２記載の各発明によれば、光ファイバに入射する光のファイバ端面におけるスポットサイズを光ファイバのコア径よりも大きくするか、あるいは逆に小さくすることによって、アライメントの変化に対するファイバ入射光量の変化を低減することができる。
【００３８】
請求項３記載の発明は、前記集光手段が、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）から構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項３記載の発明によれば、光ファイバに入射する集光手段に屈折率分布型レンズを使用することにより、レンズの外周とレンズの光学的中心との同軸度を容易に得ることができ、レンズ端面とファイバ端面との間の距離を機械加工で容易に設定できるため、アライメント精度を向上することができる。
【００３９】
請求項４記載の発明は、前記集光手段が、レンズから構成され、このレンズの焦点位置がレンズ端面に位置するように構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項４記載の発明によれば、光ファイバに入射する集光手段にレンズを使用し、このレンズの焦点位置がレンズ端面に位置するように設計することにより、光ファイバとレンズとを突き合わせ配置することができる。そして、このように突き合わせ配置することにより、光ファイバとレンズを同一振動条件下に設定することができるため、光量変化を抑制し、光量の安定性を向上することができる。
【００４０】
請求項５記載の発明は、前記請求項３または４記載の発明において、前記光ファイバの端部にはこのファイバ端部を支持するファイバコネクタが設けられ、前記レンズが、前記ファイバコネクタの直径と等しい直径を有することを特徴としている。以上のような構成を有する請求項５記載の発明によれば、前記請求項３，４記載の発明の作用効果に加えて、さらに、ファイバコネクタの直径とレンズの直径を同一にすることにより、光ファイバとレンズの同軸度を向上でき、アライメント精度を一層向上することができる。
【００４１】
請求項６記載の発明は、前記受信用光ファイバが、コア径が１００μｍ以上のマルチモード光ファイバから構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項６記載の発明によれば、受信用光ファイバに、大径のマルチモード光ファイバを使用することにより、アライメントの変化に対するファイバ入射光量の変化を低減することができる。
【００４２】
請求項７記載の発明は、前記受信用光ファイバが、ＮＡが０．２５以上のマルチモード光ファイバから構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項７記載の発明によれば、受信用光ファイバに、高ＮＡのマルチモード光ファイバを使用することにより、ファイバの曲りによる光損失を低減することができ、検出器への到達光量の変化を低減することができる。
【００４３】
請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の発明において、前記マルチモード光ファイバが、多成分ガラスから構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項８記載の発明によれば、請求項６または７記載の発明の作用効果に加えて、さらに、受信用光ファイバを、多成分ガラスのマルチモード光ファイバを使用することにより、一層の高ＮＡと低損失を実現することができる。
【００４４】
請求項９記載の発明は、請求項６または７記載の発明において、前記マルチモード光ファイバのコアが石英から構成され、クラッドがプラスチックから構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項９記載の発明によれば、請求項６または７記載の発明の作用効果に加えて、さらに、受信用光ファイバのコアを石英、クラッドをプラスチックであることから、赤外域での高い透過率と、プラスチッククラッドによる高ＮＡを実現することができる。
【００４５】
また、上記目的を達成するため、請求項１０記載の発明は、測定対象となる物理量を検出可能な位置に配置されたセンサ用光ファイバを備え、このセンサ用光ファイバを通過した光の偏光状態を検出することによって測定対象となる物理量を求めるように構成された光応用測定装置において、次のような特徴を有する。
【００４６】
すなわち、請求項１０記載の発明においては、前記検出可能な位置に円環状取付部材が設けられ、前記センサ用光ファイバが、この円環状取付部材に沿って巻回される。そして、この円環状取付部材は、前記センサ用光ファイバを部分的に固定する固定部を有する。そして、この固定部は、センサ用光ファイバを収納する溝部とを有し、この溝部は、前記センサ用光ファイバの径よりも大きい寸法を有する。
【００４７】
以上のような構成を有する請求項１０記載の発明によれば、センサ用光ファイバを円環状取付部材に対して、緩やかにかつ部分的に固定することができるため、外部の影響を受けにくくすることができ、強固に固定した場合のように大きな応力を生じることがないため、そのような応力に起因する複屈折量の増加を抑制することができる。したがって、測定精度を向上することができる。
【００４８】
請求項１１記載の発明は、前記請求項１０記載の発明において、前記円環状取付部材の前記固定部は、前記円環状取付部材の周方向における複数箇所に分散配置されていることを特徴としている。請求項１２記載の発明は、前記請求項１０または１９記載の発明において、センサ用光ファイバの両端部のみが接着によって固定されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項１１、１２記載の各発明によれば、前記請求項１０記載の発明の作用効果に加えて、さらに、構造を簡略化することができ、設計の自由度を向上できる。また、センサ用光ファイバをより緩やかに固定することができるため、応力に起因する複屈折量の増加を一層抑制することができる。
【００４９】
請求項１３記載の発明は、前記請求項１０〜１２記載の発明において、前記センサ用光ファイバが、複数のターン数で巻回され、前記円環状取付部材の前記固定部が、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形でこれらを固定するように構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項１３記載の発明によれば、前記請求項１０〜１２記載の発明の作用効果に加えて、さらに、複数のターン数を有するセンサ用光ファイバを、各ターンのファイバを緩やかに配置しながら、しかも互いに干渉することなしに、良好に配置することができる。
【００５０】
請求項１４記載の発明は、前記請求項１０〜１３記載の発明において、前記センサ用光ファイバが、複数のセンサを構成する複数のセンサ用光ファイバであり、前記円環状取付部材の前記固定部が、前記複数のセンサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形でこれらを一括的に固定するように構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項１４記載の発明によれば、前記請求項１０〜１３記載の発明の作用効果に加えて、さらに、複数のセンサを構成する複数のセンサ用光ファイバを、各ファイバを緩やかに配置しながら、しかも互いに干渉することなしに、良好に配置することができる。特に、単一の円環状取付部材に複数のセンサを一括的に構成することができるため、複数のセンサを別に配置した場合に比べて、センサ全体の構成を小型・簡略化することができる。
【００５１】
請求項１５記載の発明は、前記請求項１３または１４記載の発明において、前記円環状取付部材の前記固定部が、複数の前記溝部を有し、各溝部に前記センサ用光ファイバが収納されるように構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項１５記載の発明によれば、固定部に設けた複数の溝部に、複数ターンのセンサ用光ファイバの各ターンのファイバ、あるいは、複数のセンサを構成する複数のセンサ用光ファイバを互いに分離して容易に配置することができる。したがって、このような複数ターンあるいは複数のセンサを構成するセンサ用光ファイバにおける、緩やかでかつ互いに干渉しないような良好な配置を容易に実現することができる。
【００５２】
請求項１６記載の発明は、前記請求項１３〜１５記載の発明において、前記円環状取付部材の前記固定部が、ファイバガイド部を有することを特徴としている。このファイバガイド部は、前記溝部内に収納されて、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間を分離する形で各ファイバを個別にガイドするように構成される。以上のような構成を有する請求項１６記載の発明によれば、固定部に設けたファイバガイド部により、複数ターンのセンサ用光ファイバの各ターンのファイバ、あるいは、複数のセンサを構成する複数のセンサ用光ファイバを互いに分離して容易に配置することができる。したがって、このような複数ターンあるいは複数のセンサを構成するセンサ用光ファイバにおける、緩やかでかつ互いに干渉しないような良好な配置を容易に実現することができる。
【００５３】
請求項１７記載の発明は、前記請求項１６記載の発明において、前記円環状取付部材の前記ファイバガイド部が、前記円環状取付部材の周方向における複数箇所に分散配置されていることを特徴としている。請求項１８記載の発明は、前記請求項１６または１７記載の発明において、前記円環状取付部材の前記ファイバガイド部は、前記センサ用光ファイバの隣接するファイバ間にそれぞれ配置された複数の円筒状ガイドであることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項１７、１８記載の発明によれば、前記請求項１６記載の発明の作用効果に加えて、さらに、構造を簡略化することができ、設計の自由度を向上できる。また、センサ用光ファイバをより緩やかに固定することができるため、応力に起因する複屈折量の増加を一層抑制することができる。
【００５４】
請求項１９記載の発明は、前記請求項１３または１４記載の発明において、前記円環状取付部材の前記固定部が、軸方向に積層配置される複数のディスク状収納部を有し、各ディスク状収納部が、軸方向の片側の端面に前記溝部をそれぞれ有することを特徴としている。
【００５５】
以上のような構成を有する請求項１９記載の発明によれば、前記請求項１３または１４記載の発明の作用効果に加えて、さらに、ディスク状収納部を規格化することができ、固定部の構造を簡略化することができる。特に、ディスク状収納部の積層数を増減することによって、容易に設計変更が可能であるため、実用性に優れている。
【００５６】
請求項２０記載の発明は、前記請求項１０から請求項１１に記載の光応用測定装置の中から選択された光応用測定装置の構成を有し、前記円環状取付部材が、前記導体を囲むように配置されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２０記載の発明によれば、前記請求項１０〜１９に記載の各発明と同様の作用効果を得ることができ、導体に流れる被測定電流を高精度で測定することができる。
【００５７】
請求項２１記載の発明は、前記請求項２０記載の発明において、前記センサ用光ファイバは、その電流測定感度低下が１０％以下となるように構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２１記載の発明によれば、前記請求項２０記載の発明と同様の作用効果が得られることに加えて、さらに、センサ用光ファイバの電流測定感度低下を１０％以下とすることにより、外部の影響を受けにくくすることができる。すなわち、測定電流０Ａ限界における光ファイバの電流測定感度Ｓは、光ファイバの複屈折をδ（ラジアン）とした場合に、次の式（４）で表される。
【数４】
Ｓ＝ｓｉｎδ／δ…式（４）
この場合に、電流測定感度Ｓを９０％以上とするためには、複屈折δを、δ＜０．８０ラジアン、すなわち、４５度以下にする必要がある。通常、計測用に使用される光変流器に要求される精度は、定格電流値において±１％以下である。外部の影響を受けない条件での電流測定感度Ｓを９１％（δ＝０．７４）とすると、要求される精度は、複屈折δが０．７０〜０．８０ラジアンの場合に満足される。前記式（４）の関数は、電流測定感度Ｓが小さくなるほどδの変動による影響が大きくなるため、電流測定感度Ｓの低下を１０％以下とすることにより、センサ用光ファイバの高精度を実現することができる。
【００５８】
また、より高い精度と安定性を実現するためには、許容精度幅が電流測定感度Ｓの幅となるようにし、電流測定感度Ｓを９８％以上とすることが望ましい。この場合に要求されるδの範囲は、０〜０．３５ラジアンである。
【００５９】
なお、ここで説明した電流測定感度Ｓは、ベルデ定数Ｖで決定されるファラデー旋光角が、Ｓを乗じた場合に低下することを意味している。すなわち、ファラデー旋光角Φは、導体の周囲の光ファイバのターン数をｎ、導体に流れる電流値をＩとした場合に、次の式（５）によって表される。
【数５】
Φ＝Ｓ・ｍ・ｎＶＩ…式（５）
ここで、ｍは一方向の光路の場合に１であり、往復光路の場合に２である。
【００６０】
請求項２２記載の発明は、前記請求項２０または２１記載の発明において、前記導体が、絶縁ガスを封入したタンク内に配置され、前記センサ用光ファイバが、前記絶縁ガス領域の外側でかつ前記タンクの電流路の内側となる部分に配置されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２２記載の発明によれば、前記請求項２０または２１記載の発明の作用効果が得られることに加えて、さらに、センサ用光ファイバを、絶縁ガス領域の外側でかつタンクの電流路の内側に配置することにより、導体からの発熱の影響や被測定電流以外の電流による影響が少なくなるため、導体に流れる電流を正確に測定することができる。また、ガス領域の外側に配置することにより、センサ用光ファイバの取り扱いが容易となる。
【００６１】
請求項２３記載の発明は、前記請求項２０〜２２記載の各発明において、前記導体が、絶縁ガスを封入したタンク内に配置され、前記タンクが、複数のタンクを絶縁スペーサを介して接続して構成され、前記円環状固定部材が、前記絶縁スペーサであることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２３記載の発明によれば、前記請求項２０〜２２記載の発明の作用効果が得られることに加えて、さらに、タンク間を接続する絶縁スペーサをセンサ用光ファイバの取付部材として利用することにより、電力系統の小型・簡略化を図ることができる。
【００６２】
請求項２４記載の発明は、前記請求項２０〜２３記載の各発明において、前記センサ用光ファイバが、石英ファイバから構成されていることを特徴としている。以上のような構成を有する請求項２４記載の発明によれば、前記請求項２０〜２３記載の発明の作用効果が得られることに加えて、さらに、センサ用光ファイバとして、石英ファイバを使用することにより、ファイバのターン数を１以上の整数倍とし、ファラデー旋光角Φを４５度以内とすることによって、通信用ファイバで使用されている波長領域以下（１．５５μｍ以下）で、電力系統での測定に必要な最大電流：２×２１／２×６３ｋＡ＝１７８ｋＡまでを測定することができる。すなわち、電力系統で要求される電流計測器の条件を満足することができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明による光応用測定装置を、図１６〜図１８に示したような光応用電流測定装置として適用した場合の複数の実施の形態について、図１〜図１５を参照して具体的に説明する。
【００６４】
［１．第１の実施の形態］
図１は、本発明による光応用測定装置の第１の実施の形態を示す構成図である。なお、図１７および図１８に示した従来例においては、センサファイバ中を単一方向にのみ光が通過する方式の光学系の構成を示したが、本実施の形態においては、センサファイバ中を光が往復する方式の光学系に適用した場合の構成を示している。このような方式の差異は、設計上の選択にすぎず、本発明の本質に関わるものではないため、ここではその説明を省略する。
【００６５】
［１−１．構成］
図１に示すように、送信ファイバ３から２つの受信ファイバ８に至るまでの光学系を構成する複数の光学部品は、光ファイバ部分を除いて、光学系収納箱２１内に収納されており、レーザ溶接によって光学系収納箱２１に固定されている。図中ＷＬは、このようなレーザ溶接部を示している。以下には、各部の構成について順次説明する。
【００６６】
［１−１−１．光学系収納箱］
光学系収納箱２１は、ニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼から構成された３つのブロックをレーザ溶接によって互いに接合して構成されている。これらの３つのブロックは、それぞれに固定する光学部品に合わせてくり抜いて構成されている。
【００６７】
［１−１−２．センサファイバ周辺］
光学系収納箱２１のブロック積層方向における一方のブロックの端部には、センサファイバ５の一方の端部に取り付けられたファイバコネクタ１５とそれに結合されるレンズ２を含むコリメータが、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されている。このセンサファイバ５のコリメータは、単一の取付部材１６の代わりに、レンズホルダ２２、調節スリーブ２３、およびコネクタホルダ２４を使用して組み立てられている。
【００６８】
ここで、レンズホルダ２２は、レンズ２を取り付ける固定部材であり、コネクタホルダ２４は、ファイバコネクタ１５を保持する固定部材であり、調節スリーブ２３は、レンズ２とファイバコネクタ１５との間のアライメントを行うために、レンズホルダ２２とファイバホルダ２４との間に設けられた固定部材である。すなわち、このコリメータの組み立て時には、調節スリーブ２３とコネクタホルダ２４との摺動によって光軸方向のアライメントが行われ、レンズ２とセンサファイバ５の光軸の一致については、レンズホルダ２２と調節スリーブ２３を光軸と直交方向に摺動させてアライメントが行われる。これらのアライメントは、別に容易した治具によって行われ、位置決めされた時点で、各部材間がレーザ溶接によって固定される。
【００６９】
これらのレンズホルダ２２、調節スリーブ２３、およびコネクタホルダ２４とファイバコネクタ１５は、いずれも、前述した光学系収納箱２１と同一の、ニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼から構成されている。そして、レンズホルダ２２は、光学系収納箱２１にレーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されており、また、レンズホルダ２２、調節スリーブ２３、コネクタホルダ２４、およびファイバコネクタ１５の各部材間も、それぞれレーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されている。なお、センサファイバ５の他方の端部には、センサファイバ５を伝播してきた往路光を反射させて復路光として反対方向に伝播させるための反射鏡１８が取り付けられている。
【００７０】
［１−１−３．送信ファイバ側］
センサファイバ５のコリメータの延長線上には、ビームスプリッタ１９、偏光子４、レンズ２、および送信ファイバ３のコリメータが一列に配置されている。このうち、ビームスプリッタ１９は、偏光子４からの直線偏光の一部を通過させてセンサファイバ５に入射すると共に、センサファイバ５からの出射光の一部を９０度方向に反射するために配置されている。このビームスプリッタ１９と偏光子４は、光学系収納箱２１の中央のブロック内に組み込まれている。
【００７１】
また、送信ファイバ３のファイバコネクタ１５とそれに結合されるレンズ２を含むコリメータは、光学系収納箱２１のセンサファイバ５と反対側のブロックの端部に、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されている。この送信ファイバ３のコリメータは、前記センサファイバ５のコリメータとは異なり、単一の取付部材（固定部材）１６を使用して組み立てられている。
【００７２】
さらに、このコリメータの取付部材１６とファイバコネクタ１５は、いずれも、前述した光学系収納箱２１と同一の、ニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼から構成されている。そして、取付部材１６は、光学系収納箱２１にレーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されており、この取付部材１６とファイバコネクタ１５の間も、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されている。
【００７３】
［１−１−４．受信ファイバ側］
ビームスプリッタ１９の反射光の光路上には、検光子７および折り曲げ鏡１４が一列に配置されており、さらに、検光子７の９０度方向の出射光の光路上には、第１の受信ファイバ８のコリメータが配置され、また、折り曲げ鏡１４の折り曲げ光の光路上には、第２の受信ファイバ８のコリメータが配置されている。このうち、検光子７と折り曲げ鏡１４は、前述したビームスプリッタ１９および偏光子４と同様に、光学系収納箱２１の中央のブロック内に組み込まれている。
【００７４】
また、２つの受信ファイバ８の各コリメータは、前述した送信ファイバ３のコリメータと平行に配置されている。この２つの受信ファイバ８の各コリメータは、前述した送信ファイバ３のコリメータと同様にファイバコネクタ１５とレンズ２、および取付部材（固定部材）１６からそれぞれ組み立てられており、同様に、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって光学系収納箱２１にそれぞれ固定されている。
【００７５】
さらに、この２つの受信ファイバ８の各コリメータの取付部材１６とファイバコネクタ１５は、いずれも、前述した光学系収納箱２１と同一の、ニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼から構成されている。そして、取付部材１６は、光学系収納箱２１にレーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されており、この取付部材１６とファイバコネクタ１５の間喪、レーザ溶接（レーザ溶接部ＷＬ）によって固定されている。
【００７６】
［１−２．作用］
以上のような構成を有する第１の実施の形態の光学系の動作は、次の通りである。すなわち、まず、図示していない光源を出射した光は、送信ファイバ３によって導かれ、その出射端部のコリメータにより平行ビームとなって偏光子４に達する。この場合、偏光子４は、前述したように、その偏光方位が水平あるいは垂直方向に対して４５度をなすように配置されているため、この偏光子４によって、光は方位４５度の直線偏光に変換される。この光は、ビームスプリッタ１９に入射し、その一部がこのビームスプリッタ１９を通過した後、センサファイバ５の端部のコリメータにより集光ビームとなってセンサファイバ５の一端に入射する。
【００７７】
センサファイバ５の一端に入射した光は、このセンサファイバ５を伝播して他端の反射鏡１８で反射し、再びコリメータに戻る。このようにセンサファイバ５を往復する間に、この光は、導体６に流れる被測定電流の作る磁界によってファラデー旋光を受けてその方位が変化した後、センサファイバ５の端部のコリメータにより平行ビームとなってビームスプリッタ１９に戻る。ビームスプリッタ１９に戻った光の一部は反射して検光子７に入射する。この検光子７によって、光は、水平方向に偏光する直線偏光（ｘ成分）と垂直方向に偏光する直線偏光（ｙ成分）とに分解される。このように分解された２つの光のうち、一方の光はそのままの状態で、また他方の光は折り曲げ鏡１４を介して、２つの受信ファイバ８の入射端部のコリメータにそれぞれ入射し、各コリメータで集光ビームとなって各受信ファイバ８にそれぞれ入射する。このように受信ファイバ８に入射した光は、従来の技術の項で図１６の光応用電流測定装置に関して説明したのと同様に、検出器などを含む信号処理手段によって、同様の手順で処理される。
【００７８】
［１−３．効果］
以上のように、本実施の形態においては、ファイバコネクタ１５、取付部材１６、レンズホルダ２２、調節スリーブ２３、およびコネクタホルダ２４などの固定部材と光学系収納箱２１を、リンを含まないニッケル合金鋼で構成している。このように、リンを含まない合金で固定部材と光学系収納箱を作製し、レーザ溶接で組み立てているため、異種材料の介在やひび割れなどを発生することなしに信頼性の高い固定部を形成することができ、光学部品を強固に安定した状態で固定することが可能となる。その結果、従来問題となっていたような、各光学部品の位置ずれや脱落などを発生する可能性がなくなり、高精度の光学系を長期間に亘って安定した状態で維持することが可能となる。
【００７９】
また、レーザ溶接は、非接触加工であるため、光学部品に力を加えずに組み立てることができ、光学部品の光学特性に影響を与える可能性はない。さらに、レーザ溶接は、入熱量の小さい溶接方法であるため、光学系全体に与える熱歪みを、実用上無視できる程度まで小さくすることができる。
【００８０】
特に、送信ファイバ３、センサファイバ５、受信ファイバ８などの光ファイバ以外の光学部品を収納した光学系収納箱２１を磁性金属であるニッケル合金鋼で構成しているため、その内部に収納された光学部品を外部磁界から遮蔽することができ、センサファイバ以外の光学部品における不都合なファラデー旋光の発生を防止することができる。その結果、外部磁界による誤差やノイズの影響を低減することができる。また、このように、光ファイバを除く光学部品を光学系収納箱２１に収納しているため、光学系収納箱にセンサファイバ５を取り付けた図１７および図１８の従来例に比べて、光学系収納箱２１を小型・簡略化することができる。
【００８１】
さらに、本実施の形態において使用しているニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼の熱膨脹率は、他の金属に比べて１０分の１程度と極めて低い。したがって、このような熱膨脹率の低いニッケル合金鋼を、固定部材と光学系収納箱の材料とすることにより、光学系全体の温度安定性を確保することができる。
【００８２】
［１−４．変形例］
なお、前記第１の実施の形態においては、固定部材と光学系収納箱の材質をニッケル含有率が３０〜４０％のニッケル合金鋼としたが、他の含有率を有するニッケル合金鋼を使用することも可能である。また、ニッケル合金鋼に限らず、別の各種の磁性金属やリンを含まない金属を同様に使用可能であり、その場合にも、材質によって多少の差はあるものの、優れた作用効果を得ることができる。
【００８３】
さらに、リンを含まない金属は、少なくとも固定部材と光学系収納箱の固定部分に使用すれば、一定の作用効果を得ることができる。そしてまた、光学系収納箱を、磁性金属から構成しないことも可能である。この場合には、光学系収納箱に比べて、外部磁界からの遮蔽効果は劣るものの、レーザ溶接で固定することにより、前述したような十分な作用効果を得ることができる。
【００８４】
一方、前記第１の実施の形態においては、光学系収納箱を、３つのブロックを溶接して構成したが、光学系収納箱の具体的な構成は自由に変更可能であり、例えば、２つのブロックを溶接して構成したり、あるいは逆に、４つ以上のブロックを溶接して構成することも可能である。また、単体のブロックをくり抜いて構成することも可能である。そしてまた、光学系収納箱を、板状部材から構成したり、あるいは、板状部材とブロックを組み合わせて構成することなども考えられる。
【００８５】
［２．第２の実施の形態］
図２は、本発明による光応用測定装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【００８６】
［２−１．構成］
図２に示すように、送信ファイバ３の出射端部とセンサファイバ５の入射端部との結合部分には、第１のレンズ２ａ、偏光子４、第２のレンズ２ｂが一列に配置されている。この場合、送信ファイバ３の出射光を、第１のレンズ２ａによって平行ビームにして偏光子４に入射し、偏光子４で直線偏光にした光を、第２のレンズ２ｂによって集光してセンサファイバ５に入射するように構成されている。また、送信ファイバ３とセンサファイバ５は、コア径の等しいシングルモード光ファイバによって構成されている。
【００８７】
そして、本実施の形態においては特に、第１と第２のレンズ２ａ，２ｂが、次のように選択されている。すなわち、第１と第２のレンズ２ａ，２ｂは、第１のレンズ２ａの焦点距離ｆａと第２のレンズ２ｂの焦点距離ｆｂが、ｆｂ≧２１／２ｆａの関係を有するように選択されている。そして、これらのレンズ２ａ，２ｂの各焦点位置に、送信ファイバ３の出射端面とセンサファイバ５の入射端面がそれぞれ配置されている。このようなレンズ２ａ，２ｂの焦点距離ｆａ，ｆｂの関係とファイバ３，５の配置によって、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズは、送信ファイバ３のコア径のｆｂ／ｆａ倍、すなわち、２１／２倍以上に設定される。この場合、前述したように、送信ファイバ３とセンサファイバ５のコア径は等しいため、結局、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズは、センサファイバ５のコア径の２１／２倍以上に設定されることになる。
【００８８】
［２−２．作用効果］
以上のような構成を有する第２の実施の形態においては、次のような作用効果が得られる。すなわち、送信ファイバ３からセンサファイバ５への結合効率は、送信ファイバ３とセンサファイバ５がコア径の等しいシングルモード光ファイバである場合には、ｆａ＝ｆｂの時に最大となるが、振動や温度変化によるアライメントずれに対しては、結合効率が急激に低下する。これに対して、本実施の形態においては、センサファイバ５のコア径に対し、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズを２１／２倍以上と大きく設定しているため、このようなコア径とスポットサイズとの差が、アライメントずれに対する余裕となり、アライメントずれに対する光量変化を低減し、光量の安定性を向上させることができる。特に、本実施の形態においては、コア径に対してスポットサイズを大きく設定しているため、アライメントずれに対する余裕度を大きくとることができる。
【００８９】
したがって、本実施の形態によれば、センサファイバ５のコア径に対して入射ビームのスポットサイズを大きくしたことにより、センサファイバ５に入射する光量の安定性を向上し、光学系の精度を向上することができ、それによって、光応用測定装置の測定精度を向上することができる。
【００９０】
［２−３．変形例］
なお、以上のように、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズをセンサファイバ５のコア径より大きくするための具体的な方法は、前記第２の実施の形態のように、焦点距離の異なるレンズを使用することに限定されない。すなわち、第２の実施の形態の変形例としては、焦点距離の同じレンズを使用して、第２のレンズ２ｂの焦点位置から若干ずらした位置にセンサファイバ５の入射端面を配置することも可能である。このように構成した場合でも、第２の実施の形態と同様に、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズを大きくすることができ、同様の作用効果を得ることができる。
【００９１】
また、前記第２の実施の形態における発明では、受信ファイバの入射端部のコリメータに適用することも同様に可能である。その場合にも、前記第２の実施の形態と同様に、アライメントずれに対する光量変化を低減することができる。
【００９２】
［３．第３の実施の形態］
図３は、本発明による光応用測定装置の第３の実施の形態を示す構成図である。
【００９３】
［３−１．構成］
図３に示すように、本実施の形態における基本的な構成は、前記第２の実施の形態と同様である。すなわち、送信ファイバ３の出射端部とセンサファイバ５の入射端部との結合部分には、第１のレンズ２ａ、偏光子４、第２のレンズ２ｂが一列に配置され、送信ファイバ３の出射光を、第１のレンズ２ａによって平行ビームにして偏光子４に入射し、偏光子４で直線偏光にした光を、第２のレンズ２ｂによって集光してセンサファイバ５に入射するように構成されている。また、送信ファイバ３とセンサファイバ５は、コア径の等しいシングルモード光ファイバによって構成されている。
【００９４】
そして、本実施の形態においては特に、第１と第２のレンズ２ａ，２ｂが、次のように選択されている。すなわち、第１と第２のレンズ２ａ，２ｂは、前記第２の実施の形態とは逆に、第１のレンズ２ａの焦点距離ｆａと第２のレンズ２ｂの焦点距離ｆｂが、ｆａ≧２１／２ｆｂの関係を有するように選択されている。そして、これらのレンズ２ａ，２ｂの各焦点位置に、送信ファイバ３の出射端面とセンサファイバ５の入射端面がそれぞれ配置されている。このようなレンズ２ａ，２ｂの焦点距離ｆａ，ｆｂの関係とファイバ３，５の配置によって、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズは、送信ファイバ３のコア径のｆｂ／ｆａ倍、すなわち、２−１／２倍以下に設定される。この場合、前述したように、送信ファイバ３とセンサファイバ５のコア径は等しいため、結局、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズは、センサファイバ５のコア径の２−１／２倍以下に設定されることになる。
【００９５】
［３−２．作用効果］
以上のような構成を有する第３の実施の形態においては、センサファイバ５のコア径に対し、センサファイバ５の入射端面でのビームのスポットサイズを２−１／２倍以下と小さく設定しているため、このようなコア径とスポットサイズとの差が、アライメントずれに対する余裕となる。この場合、センサファイバ５のＮＡより大きなＮＡで光が入射することとなり、損失を生じるが、アライメントずれがコア径の範囲内であれば、この範囲では光量変化を生じない。
【００９６】
このように、本実施の形態においては、コア径に対してスポットサイズを小さく設定しているため、アライメントずれに対する余裕度を、第２の実施の形態と同程度に大きくとることはできないが、その一方で、アライメントずれに対する光量変化を生じないという利点がある。すなわち、アライメントずれを生じても、ビームの全てをセンサファイバ５のコアに入射することができるため、光量変化を生じることはない。そのため、本実施の形態は、特に、光量変化を嫌う装置への適用に有効である。
【００９７】
したがって、本実施の形態によれば、センサファイバ５のコア径に対して入射ビームのスポットサイズを小さくしたことにより、センサファイバ５に入射する光量の安定性を高く確保し、光学系の精度を向上することができ、それによって、光応用測定装置の測定精度を向上することができる。
【００９８】
［３−３．変形例］
なお、前記第３の実施の形態における発明では、受信ファイバの入射端部のコリメータに適用することも同様に可能である。その場合にも、前記第３の実施の形態と同様に、アライメントずれに対する光量変化を防止することができる。
【００９９】
［４．第４の実施の形態］
図４は、本発明による光応用測定装置の第４の実施の形態を示す構成図である。
【０１００】
［４−１．構成］
図４に示すように、第４の実施の形態においては、送信ファイバ３の出射光を平行ビームにして偏光子４に入射するためのレンズとして、前記第２、第３の実施の形態のレンズ２ａと同様のレンズ２が配置されている。また、偏光子４で直線偏光にした光を集光してセンサファイバ５に入射するレンズとしては、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）３１が配置されている。
【０１０１】
このＧＲＩＮレンズ３１は、その焦点位置がレンズ端面に位置するように設計されると共に、その直径は、センサファイバ５の入射端部に設けられたファイバコネクタ１５の直径と等しくされている。さらに、このＧＲＩＮレンズ３１とセンサファイバ５は、ＧＲＩＮレンズ３１のレンズ端面とセンサファイバ５のファイバ端面とが面接触するように突き合わせ配置されている。この場合、ＧＲＩＮレンズ３１のレンズ端面は、ファイバコネクタ１５の端面に対しても面接触している。そして、このような状態で、ＧＲＩＮレンズ３１とファイバコネクタ１５とは、単一の取付部材１６に取り付けられている。
【０１０２】
［４−２．作用効果］
以上のような構成を有する第４の実施の形態においては、センサファイバ５への入射光を集光するためのレンズとして、ＧＲＩＮレンズ３１を使用していることから、レンズ外周とレンズ光軸との間に高い同軸度を得ることができる。そのため、このＧＲＩＮレンズ３１とセンサファイバ５との光軸を光軸調整機構なしで正確に合わせることができ、光量の安定性を向上することができる。特に、本実施の形態においては、センサファイバ５の端部を支持するファイバコネクタ１５とＧＲＩＮレンズ３１の直径を等しくしているため、これらを取付部材１６に取り付けることにより、容易に光軸合わせを行うことができる。
【０１０３】
また、ＧＲＩＮレンズ３１においては、焦点位置がレンズ端面に位置するように正確に設計することができるため、前述したように、このＧＲＩＮレンズ３１のレンズ端面とセンサファイバ５のファイバ端面とが面接触するように突き合わせ配置することができる。このような焦点位置での突き合わせ配置によって、ＧＲＩＮレンズ３１とセンサファイバ５とを同一振動条件下に設定することができるため、振動による結合効率の低下を抑制することができ、光量の安定性を向上することができる。
【０１０４】
さらに、レンズや光ファイバなどの光学部品の端面には、反射率低減のために蒸着などの方法によって無反射膜を形成する必要があるが、本実施の形態においては、ＧＲＩＮレンズ３１のレンズ端面とセンサファイバ５のファイバ端面を突き合わせているため、このような無反射膜が不要となる利点もある。また、センサファイバ５のファイバ端面は、最もビーム径が小さくなり、埃や汚れ、結露などの異物付着による光量変化が発生しやすい部分であるが、本実施の形態においては、ＧＲＩＮレンズ３１のレンズ端面とセンサファイバ５のファイバ端面を突き合わせているため、ファイバ端面におけるこのような異物の侵入・付着を防止することができ、この点からも光量の安定性を向上できる。
【０１０５】
したがって、本実施の形態によれば、センサファイバ５に光を入射するレンズとしてＧＲＩＮレンズ３１を使用し、そのレンズ端面をファイバ端面と突き合わせたことにより、センサファイバ５に入射する光量の安定性を向上し、光学系の精度を向上することができ、それによって、光応用測定装置の測定精度を向上することができる。
【０１０６】
［４−３．変形例］
なお、前記第４の実施の形態においては、センサファイバ５に光を入射するためのレンズとしてＧＲＩＮレンズを使用したが、このようにＧＲＩＮレンズを使用する代わりに、球面レンズを使用することも可能である。図５は、このように球面レンズ３２を使用して、その焦点位置がレンズ端面に位置するように設計した例を示している。このように構成した場合にも、前記第４の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０７】
また、前記第４の実施の形態における発明では、受信ファイバの入射端部のコリメータに適用することも同様に可能である。その場合にも、前記第４の実施の形態と同様に光量の安定性を向上することができる。
【０１０８】
［５．第５の実施の形態］
図６は、本発明による光応用測定装置の第５の実施の形態を示す構成図である。
【０１０９】
［５−１．構成］
図６に示すように、センサファイバ５の出射端部と２つの受信ファイバの各入射端部との結合部分は、センサファイバ５の出射光を、レンズ２によって平行ビームにしてウォラストンプリズムからなる検光子７に入射し、この検光子７によってｘ，ｙの２成分に分解された光を２つのレンズ２によってそれぞれ集光して２つの受信ファイバ８にそれぞれ入射するように構成されている。そして、本実施の形態においては特に、受信ファイバ８として、コア径が１００μｍ以上でかつＮＡが０．２５以上のステップインデックス型のマルチモード光ファイバが使用されている。
【０１１０】
［５−２．作用効果］
以上のような構成を有する第５の実施の形態においては、次のような作用効果を得ることができる。
【０１１１】
すなわち、受信ファイバ８への結合部における損失が振動などで変化すると、誤差の原因となるため、通常、このような受信ファイバ８としては、マルチモード光ファイバが使用されている。しかしながら、通常使用されている屈折率分布型（ＧＩ型）ファイバは、そのコア径が５０μｍしかなく、また、コアの中心部に光を集光させた場合とコアの周辺部に光を集光させた場合とでは結合効率が異なるため、振動により光量損失が発生する。また、このような、屈折率分布型（ＧＩ型）ファイバのＮＡは、０．２程度と低いため、レンズからの光とファイバとの間の角度にずれがある場合には、損失が増加し、誤差の原因となる。
【０１１２】
これに対して、本実施の形態においては、コア径が１００μｍ以上の大径のマルチモード光ファイバを使用しているため、アライメントずれに起因する結合効率の変化を抑制することができる。また、ＮＡが０．２５以上の光ファイバを使用しているため、光ファイバの曲りによる光損失を低減することができる。
【０１１３】
したがって、本実施の形態によれば、受信ファイバ８として、コア径とＮＡが高いマルチモード光ファイバを使用したことにより、受信ファイバ８に入射する光量の安定性を向上し、光損失を低減して、光学系の精度を向上することができ、それによって、光応用測定装置の測定精度を向上することができる。
【０１１４】
［５−３．変形例］
また、受信ファイバ８に使用する光ファイバとしては、多成分ガラスからなるマルチモード光ファイバを使用することが考えられる。このように構成した場合には、一層の高ＮＡと低損失を実現することができる。さらに、コアが石英、クラッドがプラスチックからなるマルチモード光ファイバを使用することも考えられる。このように構成した場合には、赤外域での高い透過率と高ＮＡを実現することができる。
【０１１５】
［６．第６の実施の形態］
図７は、本発明による光応用測定装置の第６の実施の形態を示す構成図である。本実施の形態においては、前記第１の実施の形態と同様に、センサファイバ中を光が往復する方式の光学系に適用した場合の構成を示している。
【０１１６】
［６−１．構成］
［６−１−１．センサファイバ］
図７に示すように、本実施の形態の光応用電流測定装置は、センサとして、センサファイバ（センサ用光ファイバ）５を使用している。このセンサファイバ５は、被測定電流が流れる導体６の周囲に配置された円環状取付部材５１に沿って巻回されており、この円環状取付部材５１によって部分的に固定されている。より詳細には、円環状取付部材５１は、その外周面に沿って、センサファイバ５の径より大きい寸法の溝部とその開口面を閉塞する押さえ部とを含む固定部（図示していない）を有している。そして、センサファイバ５は、このような固定部の溝部内に余裕を持って収納されており、これによって、円環状取付部材５１に緩やかに固定されている。なお、このセンサファイバ５としては、石英ファイバが使用され、外部の影響を受けにくくするために捻りが加えられている。また、このセンサファイバ５の電流測定感度低下は１０％以下となるように構成されている。
【０１１７】
［６−１−２．光応用電流測定装置全体］
以上のようなセンサファイバ５を有する本実施の形態の光応用測定装置は、図７に示すように、大別して、センサ光学部４１、信号処理部４２、および伝送ファイバ部４３から構成されている。このうち、信号処理部４２は、測定光を発生する光源１、センサ光学部４１からの２つの光を検出し、その強度に応じた電気信号に変換する検出器４４ａ，４４ｂ、この検出器４４ａ，４４ｂで得られた信号を演算処理する信号処理回路４５、および処理結果を出力する出力端子４６を備えている。このような構成を有する信号処理部４２は、センサ光学部４１から十分に（少なくとも１０ｍ以上）離れた位置に配置されている。一方、伝送ファイバ部４３は、信号処理部４２内の光源１からセンサ光学部４１に光を送る送信ファイバ３と、センサ光学部４１から信号処理部４２内の２つの検出器４４ａ，４４ｂに光を送る２つの受信ファイバ８ａ，８ｂを備えている。ここで、光源１は、レーザダイオードあるいはスーパールミネセントダイオードなどから構成されている。
【０１１８】
また、センサ光学部４１は、前述したセンサファイバ５と結合光学系４７を備えている。このうち、結合光学系４７は、結合光学箱２１と、この結合光学箱２１内に収納された、複数の光学部品、すなわち、４つのレンズ２ａ〜２ｄ、偏光子４、２つのビームスプリッタ１９ａ，１９ｂ、および２つの検光子７ａ，７ｂを備えている。
【０１１９】
ここで、レンズ２ａ〜２ｄは、光ファイバからの光を平行ビームに変換するかあるいは平行ビームを集光して光ファイバに入射するために使用される。偏光子４は、レンズ２ａからの光を水平方向に関して４５度方向の直線偏光に変換するために使用される。第１のビームスプリッタ１９ａは、偏光子４からセンサファイバ５に入射する光およびセンサファイバ５から出射する光をその入射方向に応じて透過光と反射光とに分割するために使用され、第２のビームスプリッタ１９ｂは、第１のビームスプリッタ１９ａからの反射光を透過光と反射光とに分割するために使用される。２つの検光子７ａ，７ｂは、第２のビームスプリッタ１９ｂからの水平方向及び垂直方向の直線偏光の光をそれぞれ透過させることにより、直交するｘ，ｙの各偏光成分の光を抽出するために使用される。
【０１２０】
すなわち、この結合光学系４７は、送信ファイバ３からの光を、第１のレンズ２ａ、偏光子４、第１のビームスプリッタ１９ａ、および第２のレンズ２ｂを介してセンサファイバ５の始端部に導くようになっている。また、このセンサファイバ５からの出射光は、第２のレンズ２ｂを透過した後、第１のビームスプリッタ２４ａで反射して、第２のビームスプリッタ１９ｂに送られ、２方向の光に分割されるようになっている。そして、この一方の分割光は、第１の検光子７ａおよび第３のレンズ２ｃを介して一方の受信ファイバ８ａに送られるようになっている。また、他方の分割光は、第２の検光子７ｂおよび第４のレンズ２ｄを介して他方の受信ファイバ８ｂに送られるようになっている。なお、センサファイバ５の始端部と反対側の終端部には、反射鏡１８が設けられている。この反射鏡１８によって、センサファイバ５内を伝播してきた光を反射して再びセンサファイバ５内に戻し、反対方向に伝播させるようになっている。
【０１２１】
［６−２．作用］
以上のような構成を有する第６の実施の形態において、導体６を流れる被測定電流の測定は、次のようにして行われる。すなわち、まず、信号処理部４２の光源１から発した光が、送信ファイバ３を通って、センサ光学部４１の結合光学系４７に送られる。この送信ファイバ３からの光は、第１のレンズ２ａによって平行ビームに変換され、偏光子４によって直線偏光に変換された後、第１のビームスプリッタ１９ａを透過して第２のレンズ２ｂによって集光され、センサファイバ５の始端部に入射する。
【０１２２】
センサファイバ５に入射した光は、このセンサファイバ５内を伝播して終端部の反射鏡１８で反射された後、再びセンサファイバ５内に戻され、反対方向に伝播してその始端部から結合光学系４７側に出射する。この場合、センサファイバ５内を往復方向に通過する光は、導体６を流れる被測定電流によって誘起されるファラデー効果により、その偏光面が回転する。
【０１２３】
そして、センサファイバ５からの出射光は、結合光学系４７の第２のレンズ２ｂで平行ビームに変換された後、第１のビームスプリッタ１９ａで反射され、第２のビームスプリッタ１９ｂで２方向の光に分割される。このうち、一方の分割光は、第１の検光子７ａに送られ、この第１の検光子７ａによってｘ方向の偏光成分が抽出された後、第３のレンズ２ｃおよび受信ファイバ８ａを介して信号処理部４２の一方の検出器４４ａに送られる。また、他方の分割光は、第２の検光子７ｂに送られ、この第２の検光子７ｂによってｙ方向の偏光成分が抽出された後、第４のレンズ２ｄおよび受信ファイバ８ｂを介して信号処理部４２の他方の検出器４４ｂに送られる。
【０１２４】
さらに、このようにして、各検出器４４ａ，４４ｂに送られたｘ方向とｙ方向の偏光成分を表す各光信号は、各検出器４４ａ，４４ｂで、電気信号に変換され、増幅される。そして、これらの電気信号は、信号処理回路４５に送られて、演算処理され、得られた処理結果、すなわち、測定結果は、出力端子４６によって出力される。なお、この場合の具体的な信号処理については、従来の技術の項で説明したのと同様に処理可能であるため、ここでは説明を省略する。
【０１２５】
［６−３．効果］
以上のように、本実施の形態においては、センサとしてセンサファイバ５を使用し、このセンサファイバを、円環状取付部材５１に緩やかに固定しているため、従来のように強固に固定した場合に比べて、大きな応力を生じることがない。したがって、そのような応力に起因する複屈折量の増加を抑制することができ、測定精度を向上することができる。また、センサファイバ５は、導体６周囲の空きスペースを利用して設置できるため、装置全体を小型・簡略化することができ、低コスト化の面でも有利である。
【０１２６】
一方、本実施の形態においては、センサファイバ５の固有の複屈折と固定方法に基づく複屈折の和によって決定される電流測定感度低下が１０％以下となるように構成しているため、外部の影響を受けにくくすることができ、測定精度を向上することができる。特に、電流測定感度を９８％以上、すなわち、電流測定感度低下を２％以内にした場合には、より高い精度と安定性を実現することができる。この場合には、所定精度を実現するために必要な外部の影響に伴う複屈折の許容範囲が広くなる。
【０１２７】
さらに、電力系統で要求される電流計測器として適当なベルデ定数値を有する石英ファイバを使用しているため、電力系統での測定に必要な最大電流を測定することができる。この場合、石英ファイバは、光弾性定数が大きいため、外部の影響を比較的受けやすいが、本実施の形態のように、円環状取付部材５１に緩やかに固定することにより、外部の影響から十分に保護することができる。
【０１２８】
［７．第７の実施の形態］
図８は、本発明による光応用測定装置の第７の実施の形態を示す断面図である。なお、この第７の実施の形態は、センサファイバの固定構造に特徴を有するものであり、センサファイバ自身については、前記第６の実施の形態のセンサファイバと同様に構成されている。
【０１２９】
［７−１．構成］
図８に示すように、本実施の形態のセンサファイバ５は、被測定電流が流れる導体６の周囲に配置された円環状取付部材５１に沿って巻回されており、円環状取付部材５１の外周面に固定されたセンサ固定具（固定部）５２によって固定されている。このセンサ固定具５２は、センサファイバ５の径より大きい寸法の溝部とこの溝部の開口面を閉塞する押さえ部を備えており、この溝部内に、センサファイバ５が余裕を持って収納され、緩やかに固定されている。
【０１３０】
また、導体６は、電力系統のガス絶縁機器であり、絶縁ガスを封入したタンク５３内に収納されている。そして、センサファイバ５を取り付けた円環状取付部材５１は、このタンク５３の対向する端部に設けられた２つのタンクフランジ５４ａ，５４ｂの間に配置されている。この場合、円環状取付部材５３のタンクフランジ５４ａ，５４ｂとの接続面には、オーリング５５ａ，５５ｂが設けられており、センサファイバ５は、このオーリング５５ａ，５５ｂと円環状取付部材５１によって、導体６を含むガス領域５６から隔離されている。
【０１３１】
さらに、円環状取付部材５１は、絶縁材料によって絶縁物フランジとして構成されており、この円環状取付部材５１のセンサ固定具５２の外側には、タンクフランジ５４ａ，５４ｂ間を電気的かつ機械的に接続するための金属フランジ５７が配置されている。この金属フランジ５７と、タンクフランジ５４ａ，５４ｂとは、ボルト５８によって強固に接続固定されている。すなわち、金属フランジ５７は、タンク５３の電流路の一部を構成しており、この内側に配置されたセンサ固定具５２内に収納されたセンサファイバ５は、タンク５３の電流路の内側に配置されていることになる。なお、以上のような固定構造を除けば、本実施の形態のセンサファイバ５は、前述したとおり、前記第１の実施の形態のセンサファイバ５と全く同様に構成されている。
【０１３２】
［７−２．作用効果］
以上のような構成を有する本実施の形態によれば、前記第６の実施の形態のセンサファイバ５と同様の作用効果が得られることに加えて、さらに、次のような作用効果が得られる。
【０１３３】
すなわち、センサファイバ５がタンク５３内のガス領域５６から分離された空間内に配置されているため、導体６の通電に伴ってタンク５３内のガスの温度が上昇した場合でも、この温度上昇がセンサファイバ５に影響を及ぼす可能性はほとんどない。しかも、このセンサファイバ５は、タンク５３の電流路の内側に位置しているため、導体６に流れる被測定電流以外の電流による影響の可能性もほとんどない。さらに、このような電力系統のタンク５３の密閉性は高いため、外部からの影響も問題とならない程度に少なくすることができ、水分などの異物の付着を確実に防止できるなど、センサファイバ５にとって、好適な気密環境を得ることができる。したがって、本実施の形態によれば、センサファイバ５に対する外部の影響を十分に低減でき、測定精度を向上することができる。
【０１３４】
［７−３．変形例］
なお、前記第７の実施の形態においては、円環状取付部材５１を絶縁物フランジとして構成したが、円環状取付部材５１を金属フランジとして構成することも可能である。この場合には、円環状取付部材５１とタンク５３との間に絶縁物を介在させて電流路の形成を回避する必要がある。
【０１３５】
また、図９に示すように、電力系統においてタンク５３間接続やガス区分用として通常使用されている絶縁スペーサ５９を、円環状取付部材として使用することも可能である。この図９においては、絶縁スペーサ５９の外周面にセンサ固定具５２が固定され、このセンサ固定具５２によってセンサファイバ５が前記第７の実施の形態と同様に固定されている。この場合には、フランジを新たに増設することなしに、センサ固定具５２やセンサファイバ５などを追加するだけで簡単にセンサを構成し、電流測定が容易に可能となるため、電力系統の小型・簡略化を図ることができ、また、低コスト化の面でも有利である。
【０１３６】
［８．第８の実施の形態］
図１０は、本発明による光応用測定装置の第８の実施の形態を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図である。なお、この第８の実施の形態は、センサファイバの固定構造に特徴を有するものであり、センサファイバ自身については、前記第６の実施の形態のセンサファイバと同様に構成されている。
【０１３７】
［８−１．構成］
図１０に示すように、本実施の形態のセンサファイバ５は、円環状取付部材５１の外周面に固定されたセンサ固定具５２によって固定されている。このセンサ固定具５２は、センサファイバ５の径より大きい寸法の複数の互いに分離した溝部を有する溝付き固定部６１と、この溝付き固定部６１の溝部の開口面を閉塞する押さえ部６２を備えている。また、円環状取付部材５１の周方向の一部には、このようなセンサ固定具５２のない領域６３が設けられている。すなわち、本実施の形態においては、溝部をねじ状に切らず、複数の溝部を互いに分離して設けているため、センサファイバ５を複数のターン数で巻回する場合に隣接する溝部に移行することを可能にするために、このようなセンサ固定具５２のない領域６３が設けられているのである。なお、溝付き固定部６１と押さえ部６２は、シリコンゴム、絶縁物、アルミなどの金属材料で構成されている。
【０１３８】
そして、本実施の形態においては、このようなセンサ固定具５２に対し、２つのセンサを構成する２つのセンサファイバ５ａ，５ｂが固定されている。すなわち、第１のセンサファイバ５ａは、４ターンで巻回されており、各ターンのファイバが、溝付き固定部６１の４つの溝部に順次収納されている。この第１のセンサファイバ５ａは、その両端に取り付けられた結合光学系４７ａおよび反射鏡１８ａと共に、第１のセンサを構成している。また、第２のセンサファイバ５ｂは、１ターンのみで巻回されており、溝付き固定部６１の１つの溝部に収納されている。この第２のセンサファイバ５ｂは、その両端に取り付けられた結合光学系４７ｂおよび反射鏡１８ｂと共に、第２のセンサを構成している。
【０１３９】
この場合、センサファイバ５ａ，５ｂは、その両端部の反射鏡１８ａ，１８ｂと結合光学系４７ａ，４７ｂで接着によって固定されていると共に、溝付き固定部６１に対しても接着によって部分的に固定されている。このうち、センサファイバ５ａ，５ｂと溝付き固定部６１との間の接着による固定は、ヤング率が低く柔らかなシリコンゴムを接着材として行われている。
【０１４０】
［８−２．作用効果］
以上のような構成を有する本実施の形態によれば、前記第６の実施の形態のセンサファイバ５と同様の作用効果が得られることに加えて、さらに、次のような作用効果が得られる。
【０１４１】
すなわち、複数の溝部を有する溝付き固定部６１を使用して、２つのセンサファイバ５ａ，５ｂを、各ファイバをそれぞれ緩やかに配置しながら、しかも互いに干渉することなしに、良好かつ容易に配置することができる。特に、単一の円環状取付部材５１に対して、２つのセンサを一括的に構成することができるため、複数のセンサを別に配設した場合に比べて、センサ全体の構成を小型・簡略化することができる。したがって、本実施の形態によれば、２つのセンサを構成する２つのセンサファイバ５ａ，５ｂを、互いに干渉することなく緩やかに配設でき、それぞれの測定精度を向上することができる。
【０１４２】
［８−３．変形例］
なお、前記第８の実施の形態のように、溝付き固定部６１に対して接着によって固定した場合には、押さえ部６２を省略することも可能であり、この場合には、構成をより簡略にすることができる。逆に、前記第８の実施の形態のように、押さえ部６２を使用した場合には、この押さえ部６２によって、センサファイバが溝付き固定部６１から外れることを防止できる。
【０１４３】
そのため、このように押さえ部６２を使用した場合には、さらに、接着による固定部分を、センサファイバの両端部の反射鏡および結合光学系部分のみとする構成も可能である。このようにセンサファイバの接着による固定部分を低減することにより、センサファイバを一層緩やかな状態で固定できる。そしてまた、押さえ部６２を、円環状取付部材５１の周方向に分散配置することも可能である。いずれの場合も、固定に伴う応力によって生じる複屈折の増加を抑制することができるため、測定精度をより向上することができる。
【０１４４】
一方、図１１は、前記第８の実施の形態の一つの変形例として、円環状取付部材５１に溝部を直接設けた構成を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図である。このように構成した場合には、前記第８の実施の形態と同様の作用効果が得られることに加え、さらに、センサ固定具５２を別に設けた場合に比べて部材数を低減でき、構成を簡略化することができる。
【０１４５】
さらに、図１２は、前記第８の実施の形態の一つの変形例を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図である。このように構成した場合には、センサ固定具５２のない領域６３を特に設ける必要はなく、センサ固定具５２間の部分を利用してセンサファイバ５を隣接する溝部に容易に移行することができる。また、この変形例においても、前記第８の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【０１４６】
そしてまた、単一の円環状取付部材５１に３つ以上のセンサを構成する３つ以上のセンサファイバを取り付ける構成や、あるいは逆に、１つのセンサを構成する１つのセンサファイバのみを取り付ける構成なども可能であり、その場合にも同様に優れた作用効果を得ることができる。
【０１４７】
［９．第９の実施の形態］
図１３は、本発明による光応用測定装置の第９の実施の形態を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図である。なお、この第９の実施の形態は、センサファイバの固定構造に特徴を有するものであり、センサファイバ自身については、前記第６の実施の形態のセンサファイバと同様に構成されている。
【０１４８】
［９−１．構成］
図１３に示すように、本実施の形態において、円環状取付部材５１には、その軸方向の端面に開口面を有する溝部６４が、軸方向に沿って伸びるように形成されている。そして、この溝部６４内に、２つのセンサを構成する２つのセンサファイバ５ａ，５ｂが固定されている。すなわち、第１のセンサファイバ５ａは、４ターンで巻回され、第２のセンサファイバ５ｂは、１ターンのみで巻回されており、溝部６４内に一括的に収納されている。また、各ターンのファイバ間は、この溝部６４内に挿入された複数の円筒状ガイド６５によって互いに分離されている。この複数の円筒状ガイド６５は、ポリテトラフロロエチレンなどのフッ素系樹脂やシリコンゴムなどの絶縁物あるいはアルミニウムなどの金属から構成されており、円環状取付部材５１の周方向に沿って分散配置されている。
【０１４９】
また、円環状取付部材５１の一部には、２つのセンサファイバ５ａ，５ｂの両端部を引き出すために、ファイバ出入口６６が設けられている。さらに、溝部６４の開口面は、押さえ部５２によって閉塞されている。なお、本実施の形態において、センサファイバ５ａ，５ｂは、その両端部の反射鏡１８ａ，１８ｂと結合光学系４７ａ，４７ｂにおいてのみ、接着によって固定されており、それ以外の部分については、接着されていない。
【０１５０】
［９−２．作用効果］
以上のような構成を有する本実施の形態によれば、前記第６の実施の形態のセンサファイバ５と同様の作用効果が得られることに加えて、さらに、次のような作用効果が得られる。
【０１５１】
すなわち、円環状取付部材５１に直接設けた溝部６４とこの溝部６４に部分的に挿入した複数の円筒状ガイド６５を使用して、２つのセンサファイバ５ａ，５ｂを、各ファイバをそれぞれ緩やかに配置しながら、しかも互いに干渉することなしに、良好かつ容易に配置することができる。特に、前記第８の実施の形態と同様に、単一の円環状取付部材５１に対して、２つのセンサを一括的に構成することができるため、複数のセンサを別に配設した場合に比べて、センサ全体の構成を小型・簡略化することができる。
【０１５２】
したがって、本実施の形態によれば、前記第８の実施の形態と同様に、２つのセンサを構成する２つのセンサファイバ５ａ，５ｂを、互いに干渉することなく緩やかに配設でき、それぞれの測定精度を向上することができる。また、接着による固定をセンサファイバ５ａ，５ｂの両端部のみで行っているため、センサファイバ５ａ，５ｂを一層緩やかな状態で固定でき、測定精度をより向上することができる。さらに、このように、円筒状ガイド６５などのファイバガイドを使用する構成は、簡略であり、設計の自由度に優れている。
【０１５３】
［９−３．変形例］
なお、前記第９の実施の形態の変形例としては、例えば、円筒状ガイド６５によってセンサファイバ５ａ，５ｂを接着によって固定することなども可能である。また、ファイバガイドの構成は自由に変更可能であり、例えば、単一のファイバガイドによって複数のファイバを一括的にガイドするような構成も可能である。
【０１５４】
［１０．第１０の実施の形態］
図１４および図１５は、本発明による光応用測定装置の第１０の実施の形態を示す図であり、図１４は断面図、図１５は、センサファイバの配設方法を説明する斜視図である。なお、この第８の実施の形態は、センサファイバの固定構造に特徴を有するものであり、センサファイバ自身については、前記第６の実施の形態のセンサファイバと同様に構成されている。
【０１５５】
［１０−１．構成］
図１４に示すように、本実施の形態の円環状取付部材５１の外周面には、複数のディスク状収納部６７が、軸方向に積層配置されている。この場合、各ディスク状収納部６７は、軸方向の片側の端面に、一つの溝部６８をそれぞれ有しており、各溝部６８に、複数のターン数で巻回されたセンサファイバ５の各ターンのファイバがそれぞれ収納されている。
【０１５６】
より詳細には、図１５に示すように、各ディスク状収納部６７の周方向の一部には、前記第８の実施の形態におけるセンサ固定具５２のない領域６３と同じ目的で、切欠き部６９が設けられている。すなわち、この切欠き部６９は、一つのディスク状収納部６７の溝部６８内に配設したセンサファイバ５を、隣接するディスク状収納部６７の溝部６８内に移行することを可能にするために設けられている。また、センサファイバ５は、前記第９の実施の形態と同様に、その両端部においてのみ、接着によって固定されており、それ以外の部分については、接着されていない。
【０１５７】
［１０−２．作用効果］
以上のような構成を有する本実施の形態によれば、前記第６の実施の形態のセンサファイバ５と同様の作用効果が得られることに加えて、さらに、次のような作用効果が得られる。
【０１５８】
すなわち、複数のディスク状収納部６７を使用して、図１５に示すように、その各溝部６８に、センサファイバ５の各ターンのファイバをそれぞれ収納しながら、ディスク状収納部６７を順次積層することにより、センサファイバ５の各ターンのファイバをそれぞれ緩やかに配置しながら、しかも互いに干渉することなしに、良好かつ容易に配置することができる。
【０１５９】
したがって、本実施の形態によれば、前記第８、第９の実施の形態と同様に、センサファイバ５の各ターンのファイバを、互いに干渉することなく緩やかに配設でき、測定精度を向上することができる。また、第９の実施の形態と同様に、接着による固定をセンサファイバ５の両端部のみで行っているため、センサファイバ５を一層緩やかな状態で固定でき、測定精度をより向上することができる。さらに、このようなディスク状収納部６７は、規格化することができ、固定構造の簡略化を図ることができる。特に、ディスク状収納部６７の積層数を増減することによって、容易に設計変更が可能であるため、実用性に優れている。
【０１６０】
［１０−３．変形例］
なお、前記第１０の実施の形態の変形例としては、例えば、ディスク状収納部６７間を接着によって固定することも可能である。また、前記第８、第９の実施の形態と同様に、複数のセンサを構成する複数のセンサファイバを一括的に取り付けることも可能である。
【０１６１】
［１１．他の実施の形態］
なお、本発明は、前記各実施の形態に限定されるものではなく、他にも多種多様の形態を実施することが可能である。例えば、前記第１、第６の実施の形態においては、センサファイバ中を光が往復する方式の光学系に適用した場合について説明したが、本発明は、センサファイバ中を単一方向にのみ光が通過する方式の光学系にも同様に適用可能であり、同様に優れた作用効果を得ることができる。また、本発明は、光応用電流測定装置に限らず、光ファイバを含む光学系を使用して各種の物理量を測定する各種の光応用測定装置に同様に適用可能であり、同様に優れた作用効果を得ることができる。
【０１６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学系の製造方法とその構成を改良し、また、光ファイバとこの光ファイバに光を入射する集光手段や受信ファイバの構成を改良し、あるいは、センサファイバの固定構造を改良することにより、従来に比べて、高精度でしかも長期に亘って安定性を有する、実用性の高い光応用測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態の光学系を示す構成図。
【図２】本発明による第２の実施の形態の送信ファイバとセンサファイバとの間の結合部分を示す構成図。
【図３】本発明による第３の実施の形態の送信ファイバとセンサファイバとの間の結合部分を示す構成図。
【図４】本発明による第４の実施の形態の送信ファイバとセンサファイバとの間の結合部分を示す構成図。
【図５】図４の結合部分の変形例を示す構成図。
【図６】本発明による第５の実施の形態のセンサファイバと２つの受信ファイバとの間の結合部分を示す構成図。
【図７】本発明による第６の実施の形態の光応用電流測定装置を示す構成図。
【図８】本発明による第７の実施の形態のセンサファイバの固定構造を示す断面図。
【図９】図８の固定構造の変形例を示す断面図。
【図１０】本発明による第８の実施の形態のセンサファイバの固定構造を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図。
【図１１】図１０の固定構造の一つの変形例を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図。
【図１２】図１０の固定構造の別の変形例を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図。
【図１３】本発明による第９の実施の形態のセンサファイバの固定構造を示す図であり、（Ａ）は構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ１−Ｙ２線断面図。
【図１４】本発明による第１０の実施の形態のセンサファイバの固定構造を示す断面図。
【図１５】図１４の固定構造におけるセンサファイバの配設方法を示す斜視図。
【図１６】従来の光応用電流測定装置の一例を示す構成図。
【図１７】図１６の装置に使用される従来の光学系の具体的な構成の一例を示す平面図。
【図１８】図１７の断面図。
【符号の説明】
１：光源
２，２ａ〜２ｄ：レンズ
３：送信ファイバ
４：偏光子
５，５ａ，５ｂ：センサファイバ
６：導体
７，７ａ，７ｂ：検光子
８：受信ファイバ
９：検出器
１０：ＡＧＣ増幅器
１１：除算器
１２：ＲＯＭテーブル
１３：光学系取付基板
１４：折り曲げ鏡
１５：ファイバコネクタ
１６：取付部材
１７：接着剤
１８，１８ａ，１８ｂ：反射鏡
１９，１９ａ，１９ｂ：ビームスプリッタ
２１：光学系収納箱
２２：レンズホルダ
２３：調節スリーブ
２４：コネクタホルダ
３１：屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）
３２：球面レンズ
４１：センサ光学部
４２：信号処理部
４３：伝送ファイバ部
４４ａ，４４ｂ：検出器
４５：信号処理回路
４６：出力端子
４７，４７ａ，４７ｂ：結合光学系
５１：円環状取付部材
５２：センサ固定具
５３：タンク
５４ａ，５４ｂ：タンクフランジ
５５ａ，５５ｂ：オーリング
５６：ガス領域
５７：金属フランジ
５８：ボルト
５９：絶縁スペーサ
６１：溝付き固定部
６２：押さえ部
６３：センサ固定具のない領域
６４：溝部
６５：円筒状ガイド
６６：ファイバ出入口
６７：ディスク状収納部
６８：溝部
６９：切欠き部
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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