(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサファイバを備え、該センサファイバに直線偏光を入力し、該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前記直線偏光に付与されるファラデー回転の大きさを検出することで、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、
前記センサファイバからの出力光を偏波面が互いに直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段によって分離された２つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第１信号および第２信号に変換し、該第１信号の直流成分と交流成分の比および該第２信号の直流成分と交流成分の比に異なる係数を乗じてその差分値を算出する信号処理手段と、
温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段によって計測された温度に応じて前記係数を制御する制御手段と、
を具備し、前記信号処理手段により算出された前記差分値に基づいて前記ファラデー回転の大きさを求めることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項２】
センサファイバに直線偏光を入力し、該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前記直線偏光に付与されるファラデー回転の大きさを検出することで、前記被測定電流を測定する電流測定方法において、
前記センサファイバからの出力光を偏波面が互いに直交する２つの偏光成分に分離し、
前記分離された２つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第１信号および第２信号に
変換し、
前記第１信号の直流成分と交流成分の比および前記第２信号の直流成分と交流成分の比に異なる係数を乗じてその差分値を算出し、
計測された温度に応じて前記係数を制御し、
前記算出された差分値に基づいて前記ファラデー回転の大きさを求める
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】
ファラデー回転角を測定するために、光ファイバから出力された光をフォトダイオード等で受光して電気信号に変換し、得られた電気信号に所定の信号処理を行うという手法を採用することができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−２７０５０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光ファイバ電流センサが設置された場所の環境温度が変化すると、ファラデー回転角を測定する際の動作点である光学バイアスが変動したり、光ファイバにおけるファラデー効果の感度を与える物性値であるベルデ定数が変動したりする。そしてこれらの影響を受けて、上記の信号処理により求められるファラデー回転角が誤差を持つようになり、結果として電流の測定値に温度依存性が発生して正しい測定を行うことができなくなるという問題が生じてしまう。
【０００５】
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、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おいて、電流測定値の温度依存性を低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、センサファイバを備え、該センサファイバに直線偏光を入力し、該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前記直線偏光に付与されるファラデー回転の大きさを検出することで、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、前記センサファイバからの出力光を偏波面が互いに直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段によって分離された２つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第１信号および第２信号に変換し、該第１信号の直流成分と交流成分の比および該第２信号の直流成分と交流成分の比に異なる係数を乗じてその差分値を算出する信号処理手段と、を具備し、前記信号処理手段により算出された前記差分値に基づいて前記ファラデー回転の大きさを求めることを特徴とする。
【０００７】
この発明において、第１信号の直流成分と交流成分の比Ｓｘを求め、第２信号の直流成分と交流成分の比Ｓｙを求め、求めたＳｘとＳｙに異なる係数を乗じた上で両者の差分値を算出し、得られた差分値に基づいてファラデー回転角を求めるようにした。上記の差分値は温度に応じて変化する特性を有し、その変化の仕方はＳｘ，Ｓｙに乗じる係数によって異なる。したがって、この係数を適宜設定することにより、得られるファラデー回転角の温度依存性、即ち電流測定値の温度依存性を低減させることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記係数は、前記差分値の温度変化に対して１次で変化する成分がゼロとなるように設定されたことを特徴とする。
【０００９】
上記の差分値は、温度変化に対して変化しない成分、温度変化に対して１次で変化する成分、温度変化に対して２次で変化する成分、…からなっており、温度変化による差分値の変化量が小さい領域では１次の成分がその温度依存性を支配する。この発明によれば、上記差分値において温度変化に対して１次で変化する成分をゼロとするように係数を設定しているので、電流測定値の温度依存性を低減させることができる。
【００１０】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記係数の一方は１に設定され、他方は光学バイアスの温度依存係数と前記センサファイバにおけるファラデー回転の温度依存係数との差を和で除した値に設定されたことを特徴とする。
【００１１】
上記差分値の温度変化に対して１次で変化する成分は、係数の一方を１、他方を光学バイアスの温度依存係数とセンサファイバにおけるファラデー回転の温度依存係数との差を和で除した値に設定した場合に、その値がゼロとなる。この発明によれば、係数を当該設定にすることで、上記差分値の温度変化に対して１次で変化する成分がゼロとなるので、電流測定値の温度依存性を低減させることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段によって計測された温度に応じて前記係数を制御する制御手段と、を更に具備することを特徴とする。
【００１３】
この発明において、上記のＳｘ，Ｓｙに乗じる係数の最適値自体が温度により変化する場合でも、温度を計測しこの係数を温度に応じて最適に制御するので、電流測定値の温度依存性を幅広い温度領域にわたって低減させることができる。
【００１４】
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を入力し、該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前記直線偏光に付与されるファラデー回転の大きさを検出することで、前記被測定電流を測定する電流測定方法において、前記センサファイバからの出力光を偏波面が互いに直交する２つの偏光成分に分離し、前記分離された２つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第１信号および第２信号に変換し、前記第１信号の直流成分と交流成分の比および前記第２信号の直流成分と交流成分の比に異なる係数を乗じてその差分値を算出し、前記算出された差分値に基づいて前記ファラデー回転の大きさを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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おいて、電流測定値の温度依存性を低減させることができ、これにより精度の良い電流測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
図１は、本発明の第１の実施形態によ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、センサファイバ１１と、光サーキュレータ１２と、偏光分離素子１３と、ファラデー回転子１４と、信号処理部１５と、を含んで構成される。また、信号処理部１５は、受光素子１５１Ａ，１５１Ｂと、バンドパスフィルタＢＰＦ１，ＢＰＦ２と、ローパスフィルタＬＰＦ１，ＬＰＦ２と、除算部１５２Ａ，１５２Ｂと、符号反転部１５３と、可変利得部１５４と、加算部１５５と、から構成される。
【００１７】
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。このセンサファイバ１１として、好適にはファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数が大きい特性を持った光ファイバである、鉛ガラスファイバを用いることができる。センサファイバ１１の一端にはファラデー回転子１４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。ファラデー回転子１４と偏光分離素子１３、偏光分離素子１３と光サーキュレータ１２はそれぞれ光ファイバで接続され、光サーキュレータ１２は、光源２１から送光ファイバ２２を通じて供給される光がセンサファイバ１１側へ透過する向きに接続される。信号処理部１５は入力部として２つの受光素子１５１Ａ，１５１Ｂを有し、その１つの受光素子１５１Ａは受光ファイバ１６Ａにより光サーキュレータ１２のセンサファイバ１１側からの透過光が出力される端子に接続され、もう１つの受光素子１５１Ｂは受光ファイバ１６Ｂにより偏光分離素子１３に接続される。
【００１８】
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２１から発せられた光が送光ファイバ２２および光サーキュレータ１２を介して偏光分離素子１３へ入射される。この光は、偏光分離素子１３によって電界の振動方向が一方向（偏光分離素子１３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１４へ入力される。ファラデー回転子１４は、永久磁石とこの永久磁石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とからなり、強磁性ガーネット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１４を出た直線偏光は、センサファイバ１１へ入力され、センサファイバ１１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。
【００１９】
センサファイバ１１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１４へ入力される。ファラデー回転子１４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１４により、往復で合計４５度のファラデー回転が与えられることになる。即ち、この光ファイバ電流センサでは、光学バイアスが４５度に設定されている。ファラデー回転子１４を通過した光は、再び偏光分離素子１３へと導かれ、偏光方向の互いに直交（偏光分離素子１３の主軸方向とそれに垂直な方向）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１２と受光ファイバ１６Ａを介して受光素子１５１Ａによって受光され、その光強度に比例した電気信号Ｐｘに変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ１６Ｂを介して受光素子１５１Ｂによって受光され、その光強度に比例した電気信号Ｐｙに変換される。
【００２０】
ここで、本光ファイバ電流センサで測定する被測定電流Ｉは、交流電流（交流成分のみ）であるとする。このとき、センサファイバ１１中の光が感じるファラデー効果もこの交流電流を反映したものとなり、上記の電気信号ＰｘとＰｙは、ともに直流成分と交流成分とを含むことになる（図２参照）。
【００２１】
受光素子１５１Ａからの電気信号Ｐｘは、バンドパスフィルタＢＰＦ１とローパスフィルタＬＰＦ１へ入力される。バンドパスフィルタＢＰＦ１は電気信号Ｐｘに含まれる交流成分を抽出して除算部１５２Ａへ出力し、ローパスフィルタＬＰＦ１は電気信号Ｐｘに含まれる直流成分を抽出して除算部１５２Ａへ出力する。除算部１５２Ａは、入力された交流成分を直流成分で除算することにより得られる交流成分と直流成分との比を表す信号Ｓｘを加算部１５５へ出力する。
【００２２】
また、受光素子１５１Ｂからの電気信号Ｐｙは、バンドパスフィルタＢＰＦ２とローパスフィルタＬＰＦ２へ入力される。バンドパスフィルタＢＰＦ２とローパスフィルタＬＰＦ２は、上記と同様に、それぞれ電気信号Ｐｙに含まれる交流成分および直流成分を抽出して除算部１５２Ｂへ出力する。除算部１５２Ｂは、入力された交流成分を直流成分で除算することにより得られる交流成分と直流成分との比を表す信号Ｓｙを、符号反転部１５３へ出力する。符号反転部１５３は、信号Ｓｙの符号を反転して可変利得部１５４へ出力し、可変利得部１５４は、この入力された信号にゲインｋを乗ずることにより得られる信号Ｓｙ’を加算部１５５へ出力する。
加算部１５５は、入力された上記２つの信号ＳｘとＳｙ’とを加算し、加算結果の信号Ｓを出力する。
【００２３】
次に、信号処理部１５の詳細な動作原理を数式を用いて説明する。
図２は、受光素子１５１Ａ，１５１Ｂで得られる電気信号ＰｘおよびＰｙ（受光される光の光強度）の特性を表すグラフである。このグラフにおいて、横軸はセンサファイバ１１へ入力された直線偏光が受けるファラデー回転角θであり、縦軸は上記各電気信号の信号強度Ｐである。２つの受光素子１５１Ａと１５１Ｂそれぞれに到達する光の光強度は、上述の説明のとおり、センサファイバ１１において与えられるファラデー回転角θと、ファラデー回転子１４により与えられるファラデー回転角、即ち光学バイアスの値とによって決まる。一般に光学バイアスがその設定値４５度からδだけ誤差を有している場合を考慮すると、θの関数として電気信号Ｐｘ（θ）およびＰｙ（θ）が次式（１ａ）と（１ｂ）により与えられる。
Ｐｘ（θ）＝１＋ｓｉｎ（２δ＋２θ）            （１ａ）
Ｐｙ（θ）＝１−ｓｉｎ（２δ＋２θ）            （１ｂ）
【００２４】
ここで、被測定電流Ｉは交流成分のみからなる交流電流であるので、この被測定電流Ｉによってセンサファイバ１１中の直線偏光に付与されるファラデー回転は、角度０度の周りに当該交流電流の周波数で振動するものとなる。この振動の振幅をφとする。また、図中に、この交流の被測定電流Ｉによって生じるファラデー回転角の時間的変化を曲線Ｃで表す。
【００２５】
曲線Ｃに沿ってファラデー回転角が−φ→０→φのように時間変化すると、受光素子１５１Ａで得られる電気信号Ｐｘは、順次、次のように変化する。
Ｐｘ（−φ）＝１＋ｓｉｎ（２δ−２φ）
→Ｐｘ（０）＝１＋ｓｉｎ（２δ）
→Ｐｘ（φ）＝１＋ｓｉｎ（２δ＋２φ）
こうして、交流の被測定電流Ｉに対応して得られる電気信号Ｐｘは、図中に曲線Ｐｘで示すように、被測定電流Ｉと同じ周波数で振動する信号となる。この信号は、直流成分の大きさＰｘ（０）＝１＋ｓｉｎ（２δ）を有し、交流成分の振幅｛Ｐｘ（φ）−Ｐｘ（−φ）｝／２＝｛ｓｉｎ（２δ＋２φ）−ｓｉｎ（２δ−２φ）｝／２を有する。光学バイアスの誤差δとセンサファイバ１１によるファラデー回転の振幅φが十分小さい（δ，φ≪１）領域では、被測定電流Ｉを測定した時の電気信号Ｐｘの直流成分ＰｘＤＣと交流成分ＰｘＡＣは、それぞれ次の式（２ａ），（２ｂ）で表すことができる。
ＰｘＤＣ＝Ｐｘ（０）≒１＋２δ                            （２ａ）
ＰｘＡＣ＝｛Ｐｘ（φ）−Ｐｘ（−φ）｝／２≒２φ            （２ｂ）
上記の式（２ａ）と式（２ｂ）が、それぞれバンドパスフィルタＢＰＦ１，ローパスフィルタＬＰＦ１から出力される信号である。
【００２６】
また同様に、曲線Ｃに沿ってファラデー回転角が−φ→０→φのように時間変化したとき、受光素子１５１Ｂで得られる電気信号Ｐｙは、順次、次のように変化する。
Ｐｙ（−φ）＝１−ｓｉｎ（２δ−２φ）
→Ｐｙ（０）＝１−ｓｉｎ（２δ）
→Ｐｙ（φ）＝１−ｓｉｎ（２δ＋２φ）
こうして、交流の被測定電流Ｉに対応して得られる電気信号Ｐｙは、図中に曲線Ｐｙで示すように、被測定電流Ｉと同じ周波数で振動する信号となる。この信号は、直流成分の大きさＰｙ（０）＝１−ｓｉｎ（２δ）を有し、交流成分の振幅｛Ｐｙ（−φ）−Ｐｙ（φ）｝／２＝｛ｓｉｎ（２δ＋２φ）−ｓｉｎ（２δ−２φ）｝／２を有する。同様にδ，φ≪１が成り立つ領域では、被測定電流Ｉを測定した時の電気信号Ｐｙの直流成分ＰｙＤＣと交流成分ＰｙＡＣは、それぞれ次の式（３ａ），（３ｂ）で表すことができる。
ＰｙＤＣ＝Ｐｙ（０）≒１−２δ                              （３ａ）
ＰｙＡＣ＝−｛Ｐｙ（−φ）−Ｐｙ（φ）｝／２≒−２φ          （３ｂ）
但し、交流成分ＰｙＡＣの負号は交流成分ＰｘＡＣと位相が反転していることを考慮したものである。上記の式（３ａ）と式（３ｂ）が、それぞれバンドパスフィルタＢＰＦ２，ローパスフィルタＬＰＦ２から出力される信号である。
【００２７】
以上の式（２ａ），（２ｂ），（３ａ），（３ｂ）より、加算部１５５へ入力される信号ＳｘとＳｙ’はそれぞれ次式（４ａ），（４ｂ）で表される。
【００２８】
【数１】
0005200852.tif 000002
【００２９】
したがって、加算部１５５の出力信号Ｓは次式（５）で表すことができる。
【００３０】
【数２】
0005200852.tif 000003
【００３１】
上式（５）においてδ，φ≪１として高次の項を無視すると、Ｓ＝２（１＋ｋ）φとなるので、この出力信号Ｓから被測定電流Ｉに対応するファラデー回転角φを求めることができる。
【００３２】
ここで、センサファイバ１１において付与されるファラデー回転の大きさは、センサファイバ１１のベルデ定数が温度依存性を有することに起因して、環境温度の変化に応じて変化する。また、ファラデー回転子１４による光学バイアスも、強磁性ガーネットのベルデ定数が温度依存性を有することに起因して、環境温度の変化に応じて変化する。これを考慮して、センサファイバ１１によるファラデー回転の振幅φと光学バイアスの誤差δが次式（６ａ），（６ｂ）で表される温度依存性を有するものと仮定する。
δ＝αＴ／２                        （６ａ）
φ＝（１＋βＴ）φ０                （６ｂ）
但し、αとβはそれぞれの温度依存係数（既知の値）、Ｔは基準温度（例えば２０℃）からの温度変化量、φ０はその基準温度におけるファラデー回転角の振幅である。
【００３３】
上式（５）および（６ａ），（６ｂ）から、加算部１５５の出力信号Ｓは温度変化Ｔの関数として次式（７）で表すことができる。
【００３４】
【数３】
0005200852.tif 000004
【００３５】
式（７）の分子において、δ，φ≪１の近似の下では温度変化Ｔの１次の項が２次の項よりも支配的である。そこで、温度変化Ｔの１次の項がゼロとなるように可変利得部１５４のゲインｋを決めることで、加算部１５５から得られる出力信号Ｓの温度依存性を低減することが可能である。このようなゲインｋは、式（７）より次の式（８）のように求められる。
【００３６】
【数４】
0005200852.tif 000005
【００３７】
したがって、本光ファイバ電流センサの可変利得部１５４には、上式（８）で与えられるゲインｋを設定する。このときの加算部１５５の出力信号Ｓは、次の式（９）のように表される。
【００３８】
【数５】
0005200852.tif 000006
【００３９】
一方、可変利得部１５４を有しない従来の光ファイバ電流センサにおいては、加算部１５５の出力信号Ｓは、上式（７）でｋ＝１とおいて次の式（１０）のように表される。
【００４０】
【数６】
0005200852.tif 000007
【００４１】
このように、式（９）および式（１０）の分子に着目すると、従来の光ファイバ電流センサはファラデー回転角の測定値（出力信号Ｓ）が温度変化に対して１次の依存性を有していたのに対し、本光ファイバ電流センサはその依存性が２次である。そして、δ，φ≪１の領域では温度変化の２次の項が１次の項よりも十分に小さい。したがって、本光ファイバ電流センサは、測定されるファラデー回転角の温度依存性を低減でき、これにより電流測定値の温度依存性を低減させることが可能となる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサを図３の構成図を参照して説明する。
この光ファイバ電流センサは、上述した図１の光ファイバ電流センサに、温度センサ１７と制御部１５６とを追加して設けた構成のものである。温度センサ１７および制御部１５６以外の部分の機能、動作は図１の光ファイバ電流センサと同じであるので、説明は省略する。
【００４３】
図３において、温度センサ１７は、光ファイバ電流センサ内の所定の箇所、例えばセンサファイバ１１やファラデー回転子１４の近傍に設置され、当該箇所の温度を計測してその計測された温度を示す信号を制御部１５６へ供給する。制御部１５６は、温度センサ１７によって計測した温度に応じて可変利得部１５４のゲインｋを可変に制御する。
【００４４】
上述した第１の実施形態では、ゲインｋを式（８）で与えられる固定値に設定することにより、出力信号Ｓの温度依存性を表す式（７）の分子において温度変化Ｔの１次の項がゼロとなるようにした。本実施形態では、式（７）の分母と分子を含めた全体に対して温度変化Ｔの影響が補償されるように、ゲインｋを温度変化Ｔの関数として可変値に設定する。具体的には、ｃを任意の定数としたとき、式（７）がＳ＝２ｃφ０となり温度に依存しなくなるためのゲインｋは、次式（１１）のように書き表される。
【００４５】
【数７】
0005200852.tif 000008
【００４６】
そこで、制御部１５６は、既知の値α，βと、温度センサ１７によって計測された温度から求まる基準温度からの温度変化Ｔとから、上式（１１）に従って当該計測された温度におけるゲインｋ（Ｔ）を算出し、この算出したゲインｋ（Ｔ）を可変利得部１５４に設定する。このようにすることにより、測定されるファラデー回転角の温度依存性を更に低減させて、電流測定値の温度依存性をより一層低減させることができ、環境温度に影響されない精密な電流測定を行うことが可能になる。なお、温度センサ１７はファラデー回転子１４やセンサファイバ１１の近傍に設置してそれらの温度を計測するようにすることが好ましい。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサを図４の構成図を参照して説明する。
この光ファイバ電流センサは、上述した図３の可変利得部１５４に代えて、加算部１５５の出力が入力される可変利得部１５７を設け、この可変利得部１５７のゲインＧを制御部１５６が温度センサ１７の計測温度に応じて可変に制御する構成である。この構成において、可変利得部１５７の出力信号Ｓは、上述の式（７）の導出過程から明らかなように式（７）のｋを１とし右辺にゲインＧを乗ずればよいので、次式（１２）のように表される。
【００４８】
【数８】
0005200852.tif 000009
【００４９】
本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、式（１２）の全体に対して温度変化Ｔの影響が補償されるように、ゲインＧを温度変化Ｔの関数として可変値に設定する。具体的には、ｃを任意の定数としたとき、式（１２）がＳ＝４ｃφ０となり温度に依存しなくなるためのゲインＧは、次式（１３）のように書き表される。
【００５０】
【数９】
0005200852.tif 000010
【００５１】
そこで、制御部１５６は、既知の値α，βと、温度センサ１７によって計測された温度から求まる基準温度からの温度変化Ｔとから、上式（１３）に従って当該計測された温度におけるゲインＧ（Ｔ）を算出し、この算出したゲインＧ（Ｔ）を可変利得部１５７に設定する。このようにすることにより、第２の実施形態と同様に、測定されるファラデー回転角の温度依存性を更に低減させて、電流測定値の温度依存性をより一層低減させることができ、環境温度に影響されない精密な電流測定を行うことが可能になる。
【００５２】
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。
【００５３】
また、光ファイバ電流センサは反射型のものに限られず、本発明は透過型の光ファイバ電流センサにも適用することができる。なお、透過型の光ファイバ電流センサとは、偏光分離素子１３と信号処理部１５とをセンサファイバ１１の光源２１とは反対側に設けた構成のものである。透過型の光ファイバ電流センサでは、反射型の光ファイバ電流センサで用いるファラデー回転子１４の代わりに、入射した光のうち電界の振動方向が一方向の成分だけを透過させる偏光子や、透過する直線偏光の偏波面を所定角度回転させる波長板などを用いて光学バイアスを設定する場合があり、この場合には光学バイアスの誤差δはこれら偏光子や波長板に起因するものとなるが、上記説明した原理は同じである。
【００５４】
また、除算部１５２Ｂからの信号Ｓｙにのみゲインｋを乗ずるものとしたが、除算部１５２Ａからの信号Ｓｘと除算部１５２Ｂからの信号Ｓｙそれぞれに異なる係数を乗ずるように信号処理部１５を構成しても構わない。
【００５５】
次に、上述した第１の実施形態による光ファイバ電流センサにおいて、ゲインｋを調節することにより出力信号Ｓの温度依存性を低減させる具体例を、実験結果を交えて説明する。実験では、光ファイバ電流センサのヘッド（センサファイバ１１、ファラデー回転子１４、偏光分離素子１３を含む部分）をサンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣの３タイプ試作し、これら各サンプルをそれぞれ恒温槽内に設置して恒温槽の温度を−２０℃〜＋８０℃の範囲で変化させ、可変利得部１５４のゲインをｋ＝１に固定した状態で、除算部１５２Ａの出力信号Ｓｘと、除算部１５２Ｂの出力信号Ｓｙと、加算部１５５の出力信号Ｓと、について温度変化を計測した。
【００５６】
ここで、サンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣは、ファラデー回転子１４を構成している強磁性ガーネットの光学特性のみが異なっている他は、同一構成の光ファイバ電流センサである。図５に、各サンプルに用いた強磁性ガーネットの光学特性を示す。サンプルＢおよびＣは、サンプルＡに比べてファラデー回転角の温度依存性が小さい特性を持っている。なお、サンプルＢは、温度依存性の符号が異なる２つの強磁性ガーネットを接合させることにより全体としての温度依存性を低減させた強磁性ガーネットを用いており、サンプルＣは、組成を調整することにより温度依存性を低減させた強磁性ガーネットを用いている。
【００５７】
図６は、サンプルＡについての計測結果を示す図である。同図（Ａ）は、出力信号ＳｘおよびＳｙの計測値を示し、同図（Ｂ）は、出力信号ＳｘおよびＳｙの比誤差を示し、同図（Ｃ）は、ゲインｋ＝１とした状態における出力信号Ｓの比誤差を示している。ここで、比誤差は、温度３０℃の時の計測値を基準とした各温度における計測値の変化率で定義する。なお、同図（Ｂ）および（Ｃ）において、各出力信号の実験結果と併せて上述の式（４ａ），（４ｂ），（５），（６ａ），（６ｂ）に基づく理論値（但し、式（５）でｋ＝１とする）も示した。
【００５８】
図６（Ｃ）によれば、ゲインｋを調節しない場合（ｋ＝１）には、出力信号Ｓは比誤差が−２％から＋１％までの値をとり、比誤差の変化幅が３％の温度依存性を有していることが分かる。
【００５９】
なお、図６（Ｂ）において、出力信号Ｓｘの比誤差が低温側で理論値からずれている理由は、次のように考えられる。即ち、受光素子１５１Ａによって受光される光には、センサファイバ１１を通って戻って来る測定されるべき光の他に、光サーキュレータ１２や偏光分離素子１３の光学的接続部からの反射光が含まれている。このとき、低温環境下では、光ファイバのマイクロベンディングロスや各光学部材の軸ずれ等によって光伝送路の損失が増加し、相対的に反射光の影響が大きくなることで、信号Ｓｘが理論値に対して大きな誤差を持ってしまうと推定される。
【００６０】
図７および図８は、それぞれサンプルＢ，サンプルＣについての計測結果を示す、図６と同様の図である。各図（Ｃ）によれば、出力信号Ｓは、サンプルＢについては−０．８％から＋０．５％まで（幅で１．３％）、サンプルＣについては−０．８％から＋０．６％まで（幅で１．４％）の温度依存性を有していることが分かる。サンプルＢとサンプルＣはファラデー回転角の温度依存性がサンプルＡよりも小さいため、出力信号Ｓの温度依存性も小さくなっている。
【００６１】
さて、以上の実験結果に基づいてゲインｋを最適値に調節する方法として、次の２つの方法を用いることができる。
図９は、第１の方法を説明する図であり、同図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれサンプルＡ〜Ｃについてゲインｋを変化させた場合の出力信号Ｓの振る舞いを示している。図９において、ｋ＝１以外のゲインｋに対応する曲線は、上述の実験で計測された出力信号ＳｘおよびＳｙ（図６〜図８）と、それぞれのゲインｋとから、次式
Ｓ＝Ｓｘ＋ｋ・Ｓｙ
に従って出力信号Ｓを計算することにより得られた曲線である。
【００６２】
図９から分かるように、ゲインｋを変化させると出力信号Ｓの比誤差が変化し、温度範囲−２０℃〜＋８０℃にわたる比誤差の変化幅も変化する。
例えば、サンプルＡについては、ゲインｋ＝０．８に設定したときに、出力信号Ｓは比誤差が−１．２％から＋０．４％までの値をとり、出力信号Ｓの温度依存性は比誤差の変化幅が１．６％と最小になる。なお、ゲインｋ＝０．７のときも、出力信号Ｓの温度依存性は比誤差の変化幅が１．７％と同程度である。このように、ゲインをｋ＝０．７〜０．８に調節することで、サンプルＡの出力信号Ｓの温度依存性は調節前の３％から１．６％程度へと低減する。
【００６３】
また、サンプルＢについては、ゲインｋ＝０．７に設定したときに、出力信号Ｓは比誤差が−０．３％から＋０．４％までの値をとり、出力信号Ｓの温度依存性は比誤差の変化幅が０．７％と最小になる。なお、サンプルＣについてはゲインｋを変化させても出力信号Ｓの温度依存性は低減されていないが、その理由として考えられることは後述する。
【００６４】
次に、ゲインｋを最適値に調節する第２の方法を説明する。出力信号Ｓの温度依存性を低減させることは、上述した図６〜図８の各図（Ａ）において、出力信号Ｓｘの曲線形状と上下対称の曲線形状を持つように出力信号Ｓｙに乗ずる係数（つまりゲインｋ）を決めることに相当する。図１０は、この係数を求めるための図であり、同図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれサンプルＡ〜Ｃに対応している。
【００６５】
図１０において、出力信号Ｓｘの各曲線は図６〜図８の各図（Ａ）と同じであるが、出力信号Ｓｙの各曲線は、図６〜図８の各図（Ａ）における出力信号Ｓｙの曲線を、温度３０℃での値を基準に上下反転し、更に温度３０℃で出力信号Ｓｘと値が一致するように上下に平行移動した曲線である。したがって、図１０の出力信号ＳｘとＳｙの曲線から、両者の傾きの比率を求めれば、それが求めるべきゲインｋとなる。
【００６６】
ここで、サンプルＡについては、出力信号Ｓｘの低温側を除いて出力信号ＳｘとＳｙは直線的な形状であるので、両者の傾きの比率は温度によらずほぼ一定値となり、上述したゲインｋ＝０．７〜０．８が得られる。
一方、サンプルＣについては、温度３０℃より低温側では出力信号Ｓｘの曲線の傾きが出力信号Ｓｙの曲線の傾きよりも大きいが、温度３０℃より高温側では出力信号Ｓｘの曲線の傾きが出力信号Ｓｙの曲線の傾きよりも小さくなっている。そのため、両曲線の傾きの比率は低温側と高温側とで異なることとなり、例えば低温側で出力信号ＳｘとＳｙの曲線形状が合うようにゲインｋを決めると高温側では曲線形状の差が広がるので、全温度範囲にわたって出力信号Ｓの温度依存性を低減できない。また、高温側でゲインｋを決める場合も同様である。これが、サンプルＣについてはゲインｋを変化させても出力信号Ｓの温度依存性が低減されない理由であると考えられる。
【００６７】
このように、サンプルＡは出力信号Ｓｘ，Ｓｙの温度変化が直線的であり、サンプルＣは出力信号Ｓｘ，Ｓｙの温度変化が非直線的であるが、出力信号Ｓｘ，Ｓｙの温度変化は主としてファラデー回転子１４によるファラデー回転角の温度依存性を反映したものであるため、出力信号Ｓの温度依存性を効果的に低減させるためには、ファラデー回転角の温度依存性が直線的な特性を持ったファラデー回転子１４（強磁性ガーネット）を用いることが望ましいといえる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図２】受光素子で得られる電気信号ＰｘおよびＰｙの特性を表すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態によ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の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図５】実験に使用した各サンプルの強磁性ガーネットの光学特性を示す図である。
【図６】サンプルＡについての各出力信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓの計測結果を示す図である。
【図７】サンプルＢについての各出力信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓの計測結果を示す図である。
【図８】サンプルＣについての各出力信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓの計測結果を示す図である。
【図９】ゲインｋを最適値に調節する第１の方法を説明する図である。
【図１０】ゲインｋを最適値に調節する第２の方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００６９】
１１…センサファイバ  １２…光サーキュレータ  １３…偏光分離素子  １４…ファラデー回転子  １５…信号処理部  １６…受光ファイバ  １７…温度センサ  ２１…光源  ２２…送光ファイバ  １５１…受光素子  １５２…除算部  １５３…符号反転部  １５４…可変利得部  １５５…加算部  １５６…制御部  １５７…可変利得部
【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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