(57)【要約】【課題】ファラデー効果等の光センサ素子を利用して、測定対象の検出可能範囲を拡大できるようにする。【解決手段】ファラデー効果を利用する光センサの電流検出範囲は一般に２００ｋＡ程度であり、この範囲を拡大する方法としては例えば感度の異なる２つのセンサを用いる方法があるが、これもせいぜい３倍程度にしか拡大できない。そこで、この発明では感度の互いに異なる２つのセンサ８ａ．８ｂについて例えば光ヘテロダイン法を適用し、その結果得られる各センサ出力ＳA，ＳBを組み合わせることにより、数メガアンペア程度の電流をも容易に検出できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる物理量の光センサ素子に対する作用により、光センサ素子を通過した光が受ける偏波の変化を電気信号に変換して測定を行なうに当たり、
前記偏波の変化によって位相が変調を受ける検出キャリア信号と、位相の基準となる参照キャリア信号との位相差から測定対象を検出すべく、互いに感度の異なる２つの光センサ素子を用い、これら２つの光センサ素子出力の組み合わせから１つの測定対象の値を求めることにより、測定範囲の拡大化を図ることを特徴とする光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項２】
前記キャリア信号に、周波数の異なる２つの光の干渉によって得られるビート信号（光ヘテロダイン法）を用いることを特徴とする請求項１に記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項３】
前記２つの光センサ素子の感度差を、各光センサ素子の光源として波長の異なる光源を使用することにより実現することを特徴とする請求項１または２に記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項４】
前記測定対象が磁界であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化がファラデー効果によるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項５】
前記測定対象が電流であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化が電流のつくる磁界の印加に基づくファラデー効果によるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項６】
前記測定対象が電圧であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化がポッケルス効果によるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【請求項７】
前記測定対象が力学的な力であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化が光弾性効果によるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光センサの測定範囲拡大方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光センサ、特にファラデー効果等の磁気光学効果を利用して、大電流を含む物理量を測定し得る光センサの測定範囲拡大方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流センサとしては通常巻線形変流器（ＣＴ）が多用されている一方で、最近は大電流に対する検出要求が高まってきているが、上記ＣＴは磁気飽和現象のため限界がある。そこで、最大約２００ｋＡ程度の大電流を検出するものとして、例えばファラデー効果を利用する光センサが出現している。
これは、ファラデー効果による偏波面の回転角（ファラデー回転角）が光量の変化に変換されるように検出部を構成し、光電変換素子に伝達される光量の変化から回転角を求める方式（強度変調方式とも言う）である。この強度変調方式の場合、検出電流に比例するファラデー回転角θFと出力の関係が、ｓｉｎ２θFに比例する非線形特性を持ち、また、θFが±４５°を越えると入出力特性が単調増加の範囲を逸脱するだけでなく、１つの出力値に対して被検出電流の値が複数（多値関数）となり、θFが±４５°を越える範囲では測定が困難になるという問題がある。
【０００３】
このような問題を解決する大電流の検出方法として、感度の異なる２つの光学素子を用い、２つの光学素子の出力値の組み合わせからファラデー回転角θFを求める方法が、例えば非特許文献１に提案されている。
図９はその方法（以下、異感度２光学素子利用の強度変調方式とも言う）の原理説明図である。
これは、測定すべき電流をｉとし、２つの光学素子のベルデ定数および出力値をそれぞれＶA，ＶBおよびＳA，ＳBとすると、これらの間には、
ＳA＝ｓｉｎ２ＶAｉ                                      …（１ａ）
ＳB＝ｓｉｎ２ＶBｉ                                      …（１ｂ）
なる関係があることを利用するものである。図９に出力ＳA，ＳBと電流ｉとの関係を示す。
【０００４】
上記（１）式から電流ｉを消去し、出力ＳA，ＳBとの関係を求めると、図１０のようなＳA−ＳB特性（リサージュ図形）となる。同図より、測定可能範囲はＰ点からＱ点に到るまでのｉの範囲と言える。
いま、２ＶA＝ａ，２ＶB＝ｂと置き、
ＶA＝ｋＶB（１＜ｋ）                                      …（２）
とする（光学素子Ａの方が光学素子Ｂより高感度）と、
（１）Ｐ点
においては、図９，図１０に示す関係から、まず次の（３）〜（５）式が成立する。
【０００５】
ＳA（ｉ＝ｉ2）＝ＳA（ｉ＝ｉ-1）                      …（３ａ）
ＳB（ｉ＝ｉ2）＝ＳB（ｉ＝ｉ-1）                      …（３ｂ）
ｓｉｎａｉ2＝ｓｉｎａｉ-1                              …（４ａ）
ｓｉｎｂｉ2＝ｓｉｎｂｉ-1                              …（４ｂ）
ｉ-2＜ｉ-1＜０＜ｉ1＜ｉ2                              …（５）
【０００６】
また、Ｐ点における出力ＳAとファラデー回転角θA（＝ａｉ）との関係，出力ＳBとファラデー回転角θB（＝ｂｉ）との関係がそれぞれ図１１（ａ），（ｂ）のように表わされるとすると、この図１１（ａ），（ｂ）から次の（６）式が成立する。
ｓｉｎａｉ2＝ｓｉｎ（２π＋ａｉ-1）
∴ａｉ2＝２π＋ａｉ-1                                    …（６ａ）
ｓｉｎｂｉ2＝ｓｉｎ（π−ｂｉ-1）
∴ｂｉ2＝π−ｂｉ-1                                      …（６ｂ）
【０００７】
上記（６）式よりｉ-1，ｉ2を求めると、
ｉ2＝（１／ａ＋１／２ｂ）π                              …（７ａ）
ｉ-1＝（−１／ａ＋１／２ｂ）π                          …（７ｂ）
となり、先の（２）式よりａ＝ｋｂであるから、これを（７ａ）式に代入すると、
ｉ2＝（１／ｋ＋１／２）（π／ｂ）                          …（８）
となる。また、２ＶB＝ｂなので、これを（８）式に代入すると、
ｉ2＝（１／ｋ＋１／２）（π／２ＶB）                      …（９）
となる。（９）式を変形すると、次の（１０）式が得られる。
２ＶBｉ2＝（１／ｋ＋１／２）π＝（１＋２／ｋ）（π／２）…（１０）
【０００８】
以上のことから、ベルデ定数ＶBの光学素子にて検出可能な最大電流は、２ＶBｉ2＝π／２となるｉ2であるといえる。したがって、上記（１０）式から、異感度２光学素子利用の強度変調方式により検出可能な電流値の拡大率Ｍは、次式で表わされることになる。
Ｍ＝１＋２／ｋ                                            …（１１）
先に１＜ｋと仮定したから、次式が成立する。
Ｍ＝１＋２／ｋ＜３                                        …（１２）
ｋ＝１のときＭ＝３となるが、この場合はＶA＝ＶB、すなわち２つの光学素子に感度差がないことを示す。
【０００９】
（２）Q点
以上のＰ点についての考察をQ点についても当てはめると、電流の符号関係が上記とは異なるだけで、検出可能な電流値（絶対値）の拡大率Ｍは（１１）式と同じになる。
【００１０】
以上の説明は、ｋが“１”に近いことを前提としている。
次に、以上のような関係が成立し、（１１）式が成り立つｋの範囲について考察する。
いま、ｋが大きくなり、“１”から離れると、図１２（ａ）に示すように、図１０に示すＰ点，Ｑ点が原点に近づく。さらにｋが大きくなりｋ＝２になると、ＳAとＳBの関係は図１２（ｂ）のように、「８」の字状になる。したがって、上記（１１）式が成立するのは、１＜ｋ≦２の範囲にある場合と言える。なお、２＜ｋとなると、Ｐ点，Ｑ点がそれぞれＳA−ＳB平面の反対側の象限へ移動することから、２＜ｋの場合は拡大率Ｍ＜２になると考えられる。
【００１１】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗｉｌｌｓｃｈ，ｅｔ  ａｌ“Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｏｐｔｉｃ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｔｗｏ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ−ＯＦＳ，Ａｐｒｉｌ  １９９９，ｐ３６６〜３６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、異感度２光学素子利用の強度変調方式にも測定限界ファラデー回転角（４５°に相当する電流の３倍程度）があり、核融合装置のプラズマ電流、または送電鉄塔に流れ込む雷電流などのように数メガアンペアの大電流を検出することができない。なお、上記非特許文献１では、５００°（≒４５°×１１）程度のファラデー回転角の計測が可能との記載があるが、記載のみでその根拠は必ずしも明確ではない。
また、以上のようなセンサとは別に、ロゴウスキーコイル型センサと呼ばれるセンサがあるが、このセンサは原理上信号処理に時間積分を必要とし、精度の確保が難しいという問題だけでなく、電気絶縁，長距離信号伝送，電磁誘導雑音などの点でも問題がある。
したがって、この発明の課題は、このような問題の生じない光センサの測定可能範囲を拡大し得るようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、測定対象となる物理量の光センサ素子に対する作用により、光センサ素子を通過した光が受ける偏波の変化を電気信号に変換して測定を行なうに当たり、
前記偏波の変化によって位相が変調を受ける検出キャリア信号と、位相の基準となる参照キャリア信号との位相差から測定対象を検出すべく、互いに感度が異なる２つの光センサ素子を用い、これら２つの光センサ素子出力の組み合わせから１つの測定対象の値を求めることにより、測定可能範囲の拡大化を図ることを特徴とする。
上記請求項１の発明においては、前記キャリア信号に、周波数の異なる２つの光の干渉によって得られるビート信号（光ヘテロダイン法）を用いることができ（請求項２の発明）、請求項１または２の発明においては、前記２つの光センサ素子の感度差を、各光センサ素子の光源として波長の異なる光源を使用することにより実現することができる（請求項３の発明）。
【００１４】
請求項１ないし３のいずれかの発明においては、前記測定対象が磁界であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化がファラデー効果によるものであることができ（請求項４の発明）、前記測定対象が電流であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化が電流のつくる磁界の印加に基づくファラデー効果によるものであることができ（請求項５の発明）、または前記測定対象が電圧であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化がポッケルス効果によるものであることができ（請求項６の発明）、もしくは前記測定対象が力学的な力であり、光センサ素子内部で起きる偏波の変化が光弾性効果によるものであることができる（請求項７の発明）。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、比較的簡単な構成で測定範囲を飛躍的に拡大し得る光センサを提供することができ、例えば核融合装置のプラズマ電流のような、数メガアンペアの電流測定が可能となる利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１および図２はともに、この発明の実施の形態を示す構成図である。これは、上記のような異感度２光学素子利用の強度変調方式に、光ヘテロダイン法（これ自体は、例えば、黒澤“光ヘテロダイン法を利用した光電流変成器の基本特性の検討”電気学会論文誌ＢＶｏｌ．１１７−Ｂ，１９９７．３，ｐ３５４〜３６３として公知の技術である）を適用したものとなっている。そこで、まず図７，図８を参照して公知の光ヘテロダイン法から説明する。なお、図８は図７のＰ１〜Ｐ１２で示す各位置における光の挙動と、出力信号波形例を説明するための説明図である。
【００１７】
図７において、例えば光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ）１から、光を２つの音響光学変調器と光学部品を組み合わせた光周波数シフター２に導く。この光周波数シフター２の内部において、光は互いの偏波が直交する２つの直線偏波ビームに分けられ、それぞれ別の音響光学変調器に入射する。音響光学変調器を通過する際、光は変調器の駆動周波数に等しい周波数シフトを受ける。２つの変調器の駆動周波数にはΔωの差を付け、２つの光の角周波数にΔωの差を生じさせる。その後２本のビームは偏光ビームスプリッタで合成され、Ｐ２では図８（ａ）のような直交直線偏波２周波光となる。これらの２つの偏波成分を干渉させたビート信号の角周波数はΔωに等しい。
【００１８】
光周波数シフター２を通過後、光は偏波面保持ファイバ４に入射する。その際、半波長板３により、２つの偏波成分の方位と、同ファイバ４の固有偏波軸が、それぞれ一致するように調節して光の直交直線偏波状態を保持させたまま、ファイバ４を伝搬させる。２つの偏波成分の強度を等しくなるように調整しておくと、位置Ｐ４における出射光の電界成分Ｅx4，Ｅy4は次式で表わされる。なお、半波長板３は方位を合わせるためのもので、原理的には省略可能である。
Ｅx4＝（√２）ａ・ｅｘｐ[ｊ（ωｔ）]                …（１３ａ）
Ｅy4＝（√２）ａ・ｅｘｐ〔[ｊ（ω＋Δω）ｔ＋δ0]〕…（１３ｂ）
ここに、ｘ，ｙ：偏波面保持ファイバ４の固有偏波軸に一致した座標軸，添字４：図７のＰ４位置（添字と位置の関係は以下同様），ｊ：虚数単位，ｔ：時刻，ω：光の振動角周波数，Δω：ビート周波数，（√２）ａ：光の電界成分の振幅，δ0：偏波面保持ファイバ４のリタデーション（遅延）を示す。
【００１９】
以下の説明では、図８（ｂ）に示す角周波数ωの成分とω＋Δωの成分が、共通の光路を共通の偏波状態で伝搬する際に両者に発生する位相は等しいものとして扱い、それらを式から省略する。
偏波面保持ファイバ４の出射光は、固有偏波軸がｘ，ｙ軸に対して４５°傾けられた１／４波長板（水晶）５に入射し、互いに逆回転する円偏波に変換される。その結果、１／４波長板５の通過光の偏波成分Ｅx5，Ｅy5は次式のように表わされる。
Ｅx5＝[ａ／（√２）]ｅｘｐ[ｊ（ωｔ）]〔（１＋ｊ）＋（１−ｊ）ｅｘｐ[ｊ（Δωｔ＋δ0）]〕                                          …（１４ａ）
Ｅy5＝[ａ／（√２）]ｅｘｐ[ｊ（ωｔ）]〔（１−ｊ）＋（１＋ｊ）ｅｘｐ[ｊ（Δωｔ＋δ0）]〕                                          …（１４ｂ）
【００２０】
１／４波長板５を通過した光はビームスプリッタ（ＢＳ）６で２本のビームに分けられ、一方は参照信号用として検光子７に入射し、他方は検出信号用としてファラデー素子８に入射する。
いま、参照用検光子７の主軸の方位をｘ軸に一致させておくと、同検光子７の通過光強度Ｌ7は、（１４）式から次のようになる。
Ｌ7＝（１／２）Ｅx6Ｅx6*
＝（１／２）ｒ2Ｅx5・Ｅx5*
＝ｒ2ａ2[１＋ｓｉｎ（Δωｔ＋δ0）]              …（１５）
ここに、Ｅx6：参照用検光子７に入射する光のｘ方向偏波成分，ｒ：ビームスプリッタ６の振幅反射率，＊：複素共役を表わす。
【００２１】
上記（１５）式より、Ｌ7が直流とビート角周波数Δωの成分との和から成り立つことが分かる。参照用検光子７の通過光は、受光ファイバを介して光電変換素子（受光素子）１０ｃに導かれ、Ｌ7に比例する参照信号（参照キャリア信号ともいう）ＶRに変換される。
一方、ファラデー素子８に入射した光はファラデー回転角θF（＝ＶＨｌ，Ｖ：ベルデ定数，Ｈ：磁界の強さ，ｌ：素子長さ）を受け、出射する。そのときの光の挙動は図８（ｃ）のようになる。
【００２２】
磁気光学変調器であるファラデー素子８を通過し、検出用検光子９に入射する光の偏波成分Ｅx10，Ｅy10は、偏波面が回転したことから次式のように表わされる。
Ｅx10＝τ（ｃｏｓθFＥx5＋ｓｉｎθFＥy5）        …（１６ａ）
Ｅy10＝τ（−ｓｉｎθFＥx5＋ｃｏｓθFＥy5）      …（１６ｂ）
ここに、τ：ビームスプリッタ６の振幅透過率を表わす。
検出用検光子９の主軸方位をｘ軸に一致させておくと、それを通過する光の強度Ｌ11は、（１４），（１６）式から、次式のようになる。
Ｌ11＝（１／２）Ｅx10Ｅx10*
＝τ2ａ2[１＋ｓｉｎ（Δωｔ＋δ0＋２θF）]      …（１７）
【００２３】
検出用検光子９の通過光は、参照光と同様に受光ファイバを介して受光素子１０ａに導かれ、Ｌ11に比例する検出信号（検出キャリア信号ともいう）ＶFに変換される。（１７）式からＬ11も参照光強度Ｌ7と同様、直流とビート角周波数Δωの成分との和から成り立つことが分かる。これら参照光の検出信号ＶRと検出光の検出信号ＶFを、図８（ｄ）に示す。
【００２４】
（１７）式と（１５）式とを用い、検出信号と参照信号とのビート周波数成分同士の位相差φを位相検出回路１１で求めると、次式のようになる。
φ＝（Δωｔ＋δ0＋２θF）−（Δωｔ＋δ0）
＝２θF                                                …（１８）
（１８）式より、信号ＶFとＶRの交流成分同士の位相差φから、ファラデー回転角θFを検出できることが分かる。また、同式から位相差φは信号レベルに無関係であること、およびφとθFの関係は線形であることが分かる。位相検出回路１１の出力波形例を図８（ｅ）に示す。
【００２５】
ここで、この発明の実施の形態について説明する。なお、図１，図２の参照符号１〜１１は、図７に示すものとそれぞれ対応している。図１，図２の符号１２は比較・演算部を示す。
すなわち、この発明は上述のような公知の光ヘテロダイン法において、感度の異なる２つの光学素子を利用するものであり、したがって図１に示すように光学素子としてファラデー素子８ａ，８ｂを用い、図７のような機構を単純に２系統設けるか、または図２のようにファラデー素子８ａ，８ｂをビームスプリッタ６ｂの後段に配置し、構成要素１〜７を共通化することで、構成の簡略化を図ることができる。いずれの構成でも位相検出回路１１ａ，１１ｂ（または位相検出回路１１）からの出力ＳA，ＳBについては、
ＳA＝２ＶAＩ                                          …（１９ａ）
ＳB＝２ＶBＩ                                          …（１９ｂ）
のように、電流Ｉに対して線形となる出力を得ることができる。
【００２６】
図３に、ＳA，ＳBと電流Ｉとの関係を示す。ここで、ＶA＜ＶB（ＶB／ＶA＝１．３）としている。
また、（１９）式から電流Ｉを消去し、ＳA，ＳBの関係を示すと図４のようになる。図示の矢印は電流増加方向を示す。同図のＳA−ＳB特性（リサージュ図）にも示すようにθ≠π，θ≠−πで交点が無く、平行線で表わされることから、異感度２光学素子利用の強度変調方式の場合よりも、測定範囲を飛躍的に大きくとれることが分かる。
したがって、図１，図２の比較・演算部１２に、ＳA，ＳBの比と電流との関係を示す、図４のようなテーブルまたは表を予め用意しておくことにより、ファラデー素子８ａ，８ｂに流れる電流を高速に求めることができる。
【００２７】
以上では、主としてファラデー素子を用いて電流を測定する場合について説明したが、ファラデー素子に替えてポッケルス効果を呈する素子を用いることにより電圧を測定すること、同様に光弾性効果を呈する素子（ガラス，プラスチックなど）を用いて素子に加わる力学的な力を測定することなどが可能である。このとき、直線複屈折の検出であることから、図７で必要とされた１／４波長板５を不要にできる。また、図７で（レーザ１＋光周波数シフター２）の構成の代わりに、１つのゼーマンレーザを用いることも可能である。
【００２８】
図１，図２では光ヘテロダイン法により回転する直線偏波を得るようにしたが、図５のようにすることもできる。これは、電源／制御回路１３を介して回転，駆動されるモータ１４にて回転偏光子１５をΔωで回転させ、これにより回転する直線偏波（太字Ｅ参照）を得るもので、それから先の構成は図１，図２，図７と全く同様である。なお、参照信号は図示点線のように電源／制御回路１３からＶR1として、直接得ることもできる。
同じく図６のように、電源／制御回路１３に対し光源を３個以上設け（図は１Ａ，１Ｂ，１Ｃの３個の例）、これらに偏光子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃや、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２等を組み合わせることで、Δωで回転する直線偏波を得ることもできる。この場合は、受光素子１０ｅ，１０ｆの後段にそれぞれ平滑用フィルタ（ＢＰＦ）１６ａ，１６ｂが必要となるが、参照信号を図示点線のように、電源／制御回路１３からＶR1として直接得ることができるのは、図５の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図３】この発明による光学素子出力ＳA，ＳBと電流ｉとの関係説明図
【図４】図３でｉを消去した場合の出力ＳA，ＳBの関係説明図
【図５】この発明の第３の実施の形態を示す構成図
【図６】この発明の第４の実施の形態を示す構成図
【図７】光ヘテロダイン方式を説明する構成図
【図８】図７の各部における光の挙動を説明する説明図
【図９】異感度２光学素子利用の強度変調方式における、光学素子出力と被測定電流との関係を示すグラフ
【図１０】図９で被測定電流をパラメータとする２光学素子の出力関係図
【図１１】出力ＳA，ＳBとファラデー回転角θA，θBとの関係説明図
【図１２】出力ＳA，ＳBと係数ｋとの関係説明図
【符号の説明】
【００３０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…レーザー（光源）、２…光周波数シフター、３…半波長（λ／２）板、４…偏波面保持ファイバ、５…１／４波長（λ／４）板、６，６ａ，６ｂ…ビームスプリッタ（ＢＳ）、７，９…検光子、８，８ａ，８ｂ…ファラデー素子、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ…受光素子、１１，１１ａ，１１ｂ…位相検出回路、１２…比較・演算部、１３…電源／制御回路、１４…モータ、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…偏光子、１６ａ，１６ｂ…平滑用フィルタ（ＢＰＦ）。
【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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