(57)【要約】反射干渉計（１，１０）を有する光学電流センサが、その光ファイバ（２）内に、進行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保持する第１光ファイバ分岐部（２０）を有し、逆行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保持する第２光ファイバ分岐部（２０′）を有する。この場合、これらの２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）は、センサ側の結合器（８）によって互いに接続されている。第１分岐部（２０）は、光源（４）に接続されていて、第２分岐部（２０′）は、検出器（５）に接続されている。位相をシフトさせる手段（７）が、これらの光ファイバ分岐部（２０，２０′）のうちの少なくとも１つに作用接続されている。これによって、波の位相差を擬似静的に制御することができる。その結果、このような電流センサで一般に使用される位相変調器と信号プロセッサに対する要求よりも低い要求が、この位相をシフトさせる手段に課され得る。
2004503751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項０１】
反射干渉計と、光ファイバ内で伝播する互いに直交する２つの偏光波の位相差の位相をシフトさせる少なくとも１つの手段（７，７′）と、検出器（５）とを有し、反射干渉計は、光ファイバ（２）及びコイル状の光学センサ（１）を有し、この場合、センサ（１）は、その一方の端部で光ファイバ（２）に接続されていて、その他方の端部で反射器（１０）を有する光学電流センサにおいて、
光ファイバ（２）は、進行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保持する第１光ファイバ分岐部（２０）を有し、逆行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保持する第２光ファイバ分岐部（２０′）を有し、この場合、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）は、センサ側の結合器（８）を介して互いに接続されていて、この場合、第１光ファイバ分岐部（２０）は、光源（４）に接続されていて、第２光ファイバ分岐部（２０′）は、検出器（５）に接続されていること、及び、
位相をシフトさせる少なくとも１つの手段（７）は、これらの２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）のうちの一方に作用接続されていることを特徴とする光学電流センサ。
【請求項０２】
両分岐部内で伝播する光波が光ファイバ軸線に対して逆に入れ替えられているように、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）の光ファイバ軸線が、結合器（８）によって互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０３】
２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）は、少なくともほぼ同一の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０４】
位相をシフトさせる少なくとも１つの手段（７）及び検出器（５）は、信号プロセッサ（６）に接続されていて、この信号プロセッサ（６）は、擬似静的な位相シフトを直角位相制御して校正する手段（６２，６４）を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０５】
位相をシフトさせる少なくとも１つの手段（７）及び検出器（５）は、信号プロセッサ（６）に接続されていて、この信号プロセッサ（６）は、測定すべき交流電流によって誘導された位相のずれを校正する手段（６２，６４）を有することを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０６】
位相をシフトさせる２つの手段（７，７′）が存在し、この場合、各々は、他方の光ファイバ分岐部（２０，２０′）に割当てられていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０７】
位相をシフトさせる両手段（７，７′）は、同一の信号プロセッサ（６）に接続されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の電流センサ。
【請求項０８】
検出器（５）は、３つのビームスプリッタ（５１，５１′，５１″）を有し、逆行する波の各々がビームスプリッタによって反射して透過するように、これらのビームスプリッタが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項０９】
反射干渉計によって光学電流センサ内で動作点を設定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法にあって、この場合、電流センサは、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、２つの光ファイバ分岐部（２０）のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部内で伝播すること、及び、これらの伝播する波の位相シフトが、少なくとも１つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）内で制御されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
動作点は、直角位相点に擬似静的に設定されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
動作点は、直角位相点に設定され、測定すべき電流によって引き起こされる位相シフトが、周期的に校正されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
逆行する互いに直交する直線偏光波の対が、２つの波の対に分割され、その結果生じた各々の波の対が、検光子内で干渉し、この場合、検光子の通過方向が、９０°より下に対向して存在すること、２つの得られた干渉信号が検出されること、及び、干渉信号の差が形成されること、及び、この差が零に制御されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
反射構造を有する光学電流センサによって電流を測定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法にあって、この場合、電流センサは、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、２つの光ファイバ分岐部（２０）のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部（２０′）内で伝播すること、これらの伝播する波の位相差が制御されること、逆行する互いに直交する直線偏光波の対が、２つの波の対に分割され、その結果生じた各々の波の対が、検光子内で干渉し、この場合、検光子の通過方向が、９０°より下に対向して存在すること、２つの得られた干渉信号が検出されること、これらの干渉信号の和と差が作られること、及び、この差が、この和によって除算されて、測定すべき電流に少なくともほぼ比例する信号を得ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載の反射干渉計による光ファイバ電流センサ、請求項９の上位概念に記載のこの電流センサの動作点を設定する方法及び請求項１３の上位概念に記載のこの電流センサを用いて電流を測定する方法に関する。
【０００２】
従来の技術
このような種類の光ファイバ電流センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 ４２ ２４ １９０号明細書及びＧ．Ｆｒｏｓｉｏ等“Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ａ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ Ｆａｒａｄａｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２５，第 ６１１１−６１２２頁（１９９４）から公知である。この光ファイバ電流センサは、磁気光学的に作動するコイル状に巻かれたセンサ光ファイバを有する。このセンサ光ファイバは、１本の電流導線を包囲する。このセンサ光ファイバは、一方の端部では光を反射し、他方の端部では位相遅延素子を介して偏波面保存光ファイバに接続されている。光をこの偏波面保存光ファイバ経由でセンサ光ファイバ内に入射させたり又は出射させたりすることができる。この場合、この偏波面保存光ファイバは、互いに直交する直線偏光波を伝播させる。これらの直線偏光波は、センサコイル中に入射する前に光ファイバ位相遅れ素子によって２つの円偏光波に変換される。この場合、これらの２つの円偏光波は、互いに反対方向に回転する。これらの２つの円偏光波は、センサコイルの通過後にこのセンサコイルの端部で反射する。この場合、これらの円偏光波は、その偏光方向が入れ替わってセンサコイルを通じて逆行する。
【０００３】
電流が電流導線を流れると、電流磁場が両円偏光波間に位相差を生じさせる。この効果は、磁気光学的効果又はファラデー効果と呼ばれる。これらの円偏光波は、センサコイルを２回通過することによって位相差ΔΦＳ ＝ ４ＶＮＩを積算する。この場合、Ｖは、光ファイバのヴェルデ定数である。Ｎは、センサコイルの光ファイバの巻数である。Ｉは、電流導体を流れる電流である。
【０００４】
円偏光波は、センサコイルからの出射時に位相遅れ素子中で直交する直線偏光波に再び変えられ、偏波面保存光ファイバを経由して検出システムに送られる。これらの逆行する直交波の偏光方向は、前進する直交波の偏光方向に対して入れ替わっている。反射した２つの直線偏光波が、偏波面保存光ファイバにつながっている偏光子内で干渉することによって、電流によって引き起こされた位相シフトを検出することができる。
【０００５】
利用可能な干渉信号を得るためには、干渉計の有効な動作点を余弦干渉関数の線形領域内に持っていく必要がある。このことは、位相変調器を有する変調ユニットによって実施される。この位相変調器は、偏波面保存光ファイバ内の複屈折及び両直交偏光波の位相差を変化させる。進行する直交偏光波も逆行する直交偏光波もこの同じ位相変調器を通過するので、干渉するこれらの両直交偏光波の位相差を非相関に変調させるために、この位相変調器はこれらの直交偏光波の循環時間に合わせられて周波数で振動する必要がある。変調ユニットなしでは、これらの干渉する２つの直交偏光波の位相差は零に等しい。
【０００６】
変調周波数は、理想的には干渉計内の光の循環時間の２倍の逆数に一致する。変調周波数は、一般的には １００ｋＨｚ と数 ＭＨｚとの間にあり、特にセンサ光ファイバに対する光ファイバ接続部分、すなわち偏波面保存光ファイバの長さによって決定される。
電流誘導された位相シフトを適切な復調によって測定することができる。この復調技術は、光ファイバージャイロスコープに対して利用されている。そしてこの復調技術は、例えばＲ． Ａ． Ｂｅｒｇｈ 等“Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ”，Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２，９１’１０７ （１９８４） 中に記されている。この場合、主にオープンループとクローズドループとに区別される。
【０００７】
光ファイバ電流センサが実際に使用可能であるためには、この光ファイバ電流センサは長期間の良好な安定性を必要とする。例えば圧電変調器を有するような簡単な変調ユニットでは、その振幅が、例えば温度の変動に起因して残念ながらドリフトする。それ故に従来の技術では、比較的高価で可能な限り安定な変調ユニットが使用される。この変調ユニットは、光学変調器又は振幅の変動を校正する手段を内蔵する。このような手段を付加的な制御回路によって一定に保持するため、このような手段は、例えば位相変調器の振幅を測定する測定手段である。しかしながらこれらの手段は、センサの構成を複雑にし、同時にコストを上げる。
【０００８】
本発明の説明
本発明の課題は、変調ユニット、特に変調ユニットの評価電子機器に高度な要求をすることなしに反射構造の光ファイバ電流センサを提供することにある。
この課題は、請求項１の特徴を有する光ファイバ電流センサ、請求項９の特徴を有するこのような電流センサの動作点を調整する方法、及び請求項１３の特徴を有するこのような電流センサによって電流を測定する方法によって解決される。
【０００９】
本発明の電流センサでは、進行する波と逆行する波とが２つの分離された光ファイバセグメント内の区間の一部上で伝播する。この場合、位相をシフトさせる手段が、少なくとも１つのこの光ファイバセグメントに作用接続されている。公知の位相変調器が、このような手段として適している。これらの２つのセグメントのために、進行する波と逆行する波とが、この変調器によって１回だけ影響を受ける。したがって、擬似静的作動する変調器によって動作点を直角位相点（ Ｑ点；Ｑｕａｄｒａｔｕｒｐｕｎｋｔ） にシフトすること、さらに電流誘導ではなくて、同時に進行する波の位相差の、例えば温度変化によって引き起こされた変動を校正することが可能である。このためには、狭い周波数帯、例えば約５Ｈｚによる変調器で十分である。
【００１０】
さらに本発明の電流センサの利点は、偏波面保存光ファイバの長さをもはや変調周波数に合わせる必要がなくて、任意に選択可能である点である。下限が、偏波面保存光ファイバに対して事実上もはや存在しない。これによって、コストが節減され得る。
本発明の方法の変形では、温度及び別の影響によって誘導された位相シフトが擬似静的に（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｓｃｈｅ） 校正されるだけではなくて、動的な変調も使用される。この変調は、測定すべき交流電流に対応する周波数によって実施される。このことは、同じ変調器によって実施することができるか又は第２の変調器によって実施することができる。この第２の場合では、この第２の変調器が、特に別の光ファイバ分岐部内に配置されている。
【００１１】
その他の好適な実施形は、従属請求項中に記載されている。
以下に、本発明を添付した図面中に示されている好適な実施の形態に基づいて詳しく説明する。
発明の詳細な説明
図１は、反射干渉計を有する本発明の光ファイバ電流センサを示す。センサ光ファイバ１が、１本の電流導線Ｌの周りにコイル状に巻かれている。このセンサ光ファイバ１は、特に円いコア横断面を有し、特に石英ガラスから作られている。センサ光ファイバ１の一方の端部が、光ファイバ線２に接続されている。第２の端部は、反射器１０を有する。一般に、反射器１０は、センサ光ファイバの他方の端部の反射面によって形成されている。光ファイバ２の少なくとも１部が、複屈折性であり、同時に偏波面保存的に形成されている。特にこの光ファイバ線は、複屈折を起こすために楕円の横断面を有する。しかしながら、応力誘導される複屈折性の光ファイバを使用することも可能である。光ファイバ線２は、位相遅れ素子２を介してセンサ光ファイバ１に接続される。この場合、特にλ／４位相遅れファイバセグメントが、このために使用されている。
【００１２】
さらに、光源４が存在する。この光源４の光が、光ファイバによって伝送される。特に小さいコヒーレント長の光源、特に大出力発光ダイオード，レーザ閾値の下で作動するレーザダイオード，ＬＥＤ又は広い帯域の光ファイバ光源が、光源として適している。光ファイバ電流センサは、検出器５を使用する。この検出器５は、センサ光ファイバを通じて伝播して干渉する光を検出する。この検出器５は、検出器信号導線５０を介して信号プロセッサ６に接続されている。この信号プロセッサ６は、センサ信号をセンサ信号導線６０を介して図示しなかった評価電子機器に伝送する。
【００１３】
本発明では、光ファイバ線２が、偏波面を保存する２つの分岐部２０，２０′を有する。特に楕円のコアを有する光ファイバセグメントが、光ファイバ分岐部として適している。これらの光ファイバ分岐部２０，２０′は、少なくともほぼ同一の光学的長さを有する。すなわち、これらの光ファイバ分岐部２９，２０′は、光源４のコヒーレント長の範囲内で等しい。したがって、異なる光ファイバ分岐部内で伝播する２つのモード又は波を積算する光路長の差が等しい。２つの光ファイバ分岐部は、並列に接続されていて、それらのセンサ側の端部の領域内で偏波面保存結合器８に互いに接続されている。ここで示された好適な実施の形態では、結合器８は、楕円のコアを有する光ファイバ結合器である。この場合、結合器８の軸線が光ファイバ分岐部２０，２０′の軸線に平行にあるように、この結合器８の軸線が配置されている。その他の種類の結合器を使用することも可能である。進行する（分岐部２０）波と逆行する（分岐部２０′）波との直線偏光の方向が光りファイバの軸線に対して逆に入れ替えられているように、２つの光ファイバ分岐部２０，２０′が特に結合器に接続されている。第１分岐部２０内でコアの長軸線に対して平行に振動する光波が、第２分岐部２０′内では短軸線に対して平行に振動して反転する。
【００１４】
第１光ファイバ分岐部、すなわち供給分岐部２０は、その他方の端部で光源４に作用接続されている。第２光ファイバ分岐部、すなわち検出分岐部２０′は、検出器５に作用接続されている。
供給分岐部２０は、光源４に対する途中で偏光子２１に接続されている。特に、偏光子の偏光方向が分岐部２０の主軸線に対して ４５ °より下にあるように、偏光子２１は指向されている。この例では、中継点２１′を介して供給分岐部２０に接続されている光ファイバ偏光子２１が使用されている。しかしながら、その他の偏光子を使用することも可能である。
【００１５】
光ファイバ２０は、特に長さがｌのデコヒーレント素子２２をさらに有する。このデコヒーレント素子２２は、供給分岐部２０内で拡散して進行する波の中に光路差を生成する。この光路差は、光源４のコヒーレント長よりも長い。これによって、モード結合による有害な効果が、以下で説明する位相をシフトさせる手段７，７′内で阻止される。変調器が分岐部２０′内に存在する場合、この変調器は、特に少なくとも長さｌの区間だけ光ファイバの端部つまり検出器５前方に配置されている。
【００１６】
２つの光ファイバ分岐部２０，２０′のうちの少なくとも１つが、位相シフトユニット（移相器）に作用接続されている。この位相シフトユニットは、実際は公知の位相変調ユニットに相当し、主に上述した信号プロセッサ６と変調信号導線６１を介してこの信号プロセッサ６に接続されている少なくとも１つの位相変調器７，７′とから構成される。この少なくとも１つの位相変調器７，７′は、ここではしかしながら位相差を変調するために公知の方法で使用されるのではなくて、擬似静的に位相をシフトさせる手段として使用される。特に圧電変調器が、位相変調器７として使用されている。この場合、それぞれの光ファイバ分岐部２０，２０′の一部が、変調器７の圧電体の周りに巻かれている。しかしながら、その他の変調器、特に光ファイバ内の光電効果に基づく集積光学変調器を使用することも可能である。
【００１７】
最も簡単な実施形では、２つの光ファイバ分岐部２０，２０′のうちの１つだけが位相変調器７に作用接続されている。この場合、光ファイバ分岐部の選択は任意である。しかしながらここで示された実施の形態では、各光ファイバ分岐部２０，２０′は、位相変調器７，７′に作用接続されている。これらの２つの位相変調器７，７′は、特に同一の信号プロセッサに接続されている。
図１中には、本発明の電流センサ内で進行する波と逆行する波との偏光が細い矢印で示されている。さらに、太い矢印が、これらの波の拡散方向を示す。光源によって放射される進行する光波が、偏光子２１内で直線に偏光され、４５°の中継点（Ｓｐｌｅｉｓｓ） を経由して互いに直交する２つの偏光として偏波面を保存する光ファイバ２内に、ここでは供給分岐部２０内に入射する。これらの２つの偏光は、以下では直交する直線偏光波とも呼ぶ。光ファイバ２のデコヒーレント素子２２は、コヒーレントを損なう影響を波に与え、伝播する２つの直交偏光の中に光路差を生成する。この光路差は、光路４のコヒーレント長よりも非常に長い。デコヒーレント素子２１は、それに応じて選択する必要がある。この場合、光路差ΔＬとΔｎＧ ２つの偏光が認めるグループインデックス（Ｇｒｕｐｐｅｎｉｎｄｅｘ）とによって、ΔＬ＝ｌΔｎＧ を満たさなければならない。
【００１８】
進行する波の直交偏光が、第１変調器７の入射領域を通過し、結合器８及び光ファイバ２の偏波面を保存するもう１つの光ファイバセグメント２３経由で位相遅延素子３に到達する。ここでは、図１中に示したように、直交偏光波が、２つの左回りの偏光波と右回りの偏光波とに変化する。これらの円い波は、センサ光ファイバ１を通過し、コイルの端部１０で反射され、このときにその偏光状況を入れ替え、コイルを逆行し、そしてλ／４遅延器内で直交する直線偏光波に再び変えられる。この時点で、これらの直交する直線偏光波の偏光は、進行する方向に相当する波の偏光に対して垂直になっている。分岐部２０，２０′が少なくともほぼ同一の光学長さを有する場合、進行する波と逆行する波との全位相差は、検出器側の光ファイバの端部で電流導体Ｓが通電しないときは零に等しく、通電するときは零でない。逆行する波は、結合器８を経由して検出器の分岐部２０′に到達し、検出器５内で干渉し、これによって存在する干渉信号が検出される。
【００１９】
直交偏光の位相差は、ほぼ静的な位相制御によって本発明にしたがって制御される。そして、適切な動作点が設定される。このような擬似静的位相制御（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｏｎａｅｒｅ Ｐｈａｓｅｎｋｏｎｔｒｏｌｌｅ） は、Ｄ．Ａ．Ｊａｃｋｓｏｎ 等“Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｆｔ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｃｏｉｌｅｄ ｆｉｂｅｒ”， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， ｖｏｌ． １９， Ｎｏ．１７，１９８０ から公知である。ここでは、擬似静的位相制御が、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計で使用される。この場合、動作点が直角位相点Ｑで選択される。すなわち、ΔΘ＝ΔΘ１ ＋ΔΘ２ が、π／２＋ｍπに等しく選択される。この場合、ｍは整数である。動作点の設定は、図２中に示されている。この場合、ΔΘは、組合わせた位相差である。この位相差は、電流センサを通じて伝播した波を別々の２つの光ファイバ分岐部内で積算したものである。この場合、ΔΘ１ 及びΔΘ２ は、２つの分岐部内の位相差である。これらの光ファイバ分岐部が同一の光学長さを有する場合、無通電状態でかつ反転された偏光のために、ΔΘ１ は、−ΔΘ２ に等しい。
【００２０】
本発明の光ファイバ電流センサでは、進行する波及び／又は逆行する波の直交する偏光の位相を制御することができる。
動作点の設定，位相差の制御及び信号の検出は、進行する波と逆行する波とを２つの分離された光ファイバ分岐部２０，２０′に分割することによって本発明にしたがって実施される。
【００２１】
以下に、この目的のために使用される検出器５及び変調ユニットを図３に基づいて詳しく説明する。逆行する直交直線偏光波が、検出器の分岐部２０′を通じて検出器５内に到達する。この検出器５は、特に偏光を感知しないビームスプリッタ５１を有する。このビームスプリッタ５１は、光を特に１：１の比で分割する。その結果生じる２対の直交波の各々が、検光子として作用する偏光子５２内で干渉し、その結果生じる光Ｉ＋ ，Ｉ− が、それぞれのフォトダイオード５３で検出される。これらの検光子５２は、検出器の分岐部２０′の光ファイバ軸線に対して±４５°の角度で、すなわちこれらの検光子５２の固有の伝送方向が互いに垂直にあるように指向されている。検出されたフォトダイオード信号Ｉ＋ ，Ｉ− に対しては、
【００２２】
Ｉ±＝Ｉ０ （１±Ｋｃｏｓ （ΔΦ＋ΔΘ））
が成立する。この場合、Ｉ０ は、直角位相点の光強度であり、Ｋは、干渉縞の鮮明度である。
信号プロセッサ６の減算素子６２内では、これらの２つのフォトダイオードの信号の差が形成され、直角位相制御部６４に入力される。差が無通電状態でかつ外部の影響のないときに零に等しいように、この直角位相制御部６４は、位相変調器を制御する。この場合、直角位相点Ｑが得られる。この制御は、擬似静的に実施される。すなわち、この制御は、直角位相点に常に制御される。この場合、電圧値が、動作点の場合によっては起こりうるドリフト時に又は外部の影響によって誘導される緩やかな位相のシフト時に適合される。これに対しては、僅かな周波数帯域幅、例えば５Ｈｚの直角位相制御部６４で十分である。
【００２３】
本発明の方法の好適な変形では、電流導体Ｓ内で測定すべき交流電流によって引き起こされる別の位相変調も付加的に校正される。このためには、より広い帯域幅、例えば １００Ｈｚの直角位相制御部が必要である。この直角位相制御部は、差の中の周期的な変動も校正する。この校正は、動的でクローズドループな制御である。この場合、直角位相制御部によって生成され、変調器７，７′で生じる電圧が、センサの出力信号として同時に使用される。
単一の変調器を擬似静的な制御に対しても動的な制御に対しても使用されることが可能である。好適な実施形では、しかしながら２つの変調器７，７′が存在する。この場合、一方の変調器が擬似静的な制御に対して使用され、他方の変調器が動的な制御に対して使用される。
【００２４】
電流誘導された位相変調器が校正されない場合は、電流導体Ｌを流れる電流を測定するための信号プロセッサが、加算素子６３及び除算素子６５をさらに有する。通電状態では、信号Ｉ＋ ，Ｉー の得られる差が、一定な光強度のときに電流に比例する。２つの信号の和が、光強度に比例する。除算素子６５内で差を和で除算することによって、
Ｓ＝（Ｉ＋ −Ｉ− ）／（Ｉ＋ ＋Ｉ− ）＝Ｋ ｓｉｎ（ΔΦ）≒ＫΔΦ
が、検出信号６０として得られる。これは、光強度Ｉ０ に依存しないが、電流Ｉに比例する。
【００２５】
図４中には、本発明の電流センサつまりこの電流センサの変調ユニットのもう１つの実施形が示されている。ここでは、少なくともほぼ同一な３つのビームスプリッタ５１，５１′，５１″が存在する。したがって、逆行する波の各々が、これらのビームスプリッタ内で反射し、透過する。この配置には、両波がビームスプリッタの老化過程，温度変動及びその他の外部の影響によって引き起こされる特性として同一の変化を受けるという利点がある。
【００２６】
本発明の電流センサでは、変調器及びこの変調器の変調ユニットの安定性に依存しない検出信号を得ることができる。この場合、上述した例のさらなる変形も可能である。すなわち、コイル状のセンサ光ファイバの代わりに、内蔵された光学素子をコイル状の光学センサとして使用することもできる。コイルは、光ファイバの構成でも内蔵された光学的な構成でもただ１本の巻線から形成され得る。さらに、偏光を感知しないビームスプリッタ及び２つの検光子の代わりに、偏向させるビームスプリッタを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の光ファイバ電流センサを示す。
【図２】
擬似静的位相制御中の動作点のグラフを示す。
【図３】
検出器及び本発明の第１の実施形の電流センサの変調ユニットを示す。
【図４】
本発明の第２の実施形の電流センサの検出器を示す。
【符号の説明】
Ｌ　　　電流導線
１　　　センサ光ファイバ
１０　　反射器
２　　　光ファイバ線
２０　　第１分岐部
２０′　第２分岐部
２１　　偏光子（ポラライザ）
２２　　遅延ループ
２３　　偏波面保存光ファイバ素子
３　　　位相遅れ素子
４　　　光源
５　　　検出器
５０　　検出器信号導線
５１　　ビームスプリッタ
５２　　検光子（アナライザ）
５３　　フォトダイオード
６　　　信号プロセッサ
６０　　センサ信号導線
６１　　変調信号導線
６２　　減算素子
６３　　加算素子
６４　　直角位相制御部
６５　　除算素子
７　　　位相変調器
７′　　位相変調器
８　　　結合器
【国際公開パンフレット】
2004503751.tif 000003
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月24日(2002.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
反射干渉計によって光学電流センサ内で動作点を設定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法にあって、この場合、電流センサは、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、２つの光ファイバ分岐部（２０）のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部内で伝播すること、及び、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）のうちの一方の光ファイバ分岐部内で伝播する互いに直交する直線偏光波の位相の相互のシフトが、少なくとも１つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）内で制御されることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
反射構造を有する光学電流センサによって電流を測定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法にあって、電流センサは、２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、２つの光ファイバ分岐部（２０）のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部（２０′）内で伝播すること、これらの伝播する波の位相差が制御されること、逆行する互いに直交する直線偏光波の対が、２つの波の対に分割され、その結果生じた２つの波の対の各々が、各検光子内で干渉し、この場合、これらの検光子（５２）の通過方向が、９０°より下に対向して存在すること、２つの得られた干渉信号が検出されること、これらの干渉信号の和と差が作られること、及び、この差が、この和によって除算されて、測定すべき電流に少なくともほぼ比例する信号を得ることを特徴とする方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
光ファイバ２０は、特に長さがｌのデコヒーレント素子２２をさらに有する。このデコヒーレント素子２２は、供給分岐部２０内で拡散して進行する波の中に光路差を生成する。この光路差は、光源４のコヒーレント長よりも長い。これによって、モード結合による有害な効果が、以下で説明する位相をシフトさせる手段７，７′（位相変調器７，７′）内で阻止される。変調器７′が分岐部２０′内に存在する場合、この変調器は、特に少なくとも長さｌの区間だけ光ファイバの端部つまり検出器５前方に配置されている。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
２つの光ファイバ分岐部２０，２０′のうちの少なくとも１つが、位相シフトユニット（移相器）に作用接続されている。この位相シフトユニットは、実際は公知の位相変調ユニットに相当し、主に上述した信号プロセッサ６と変調信号導線６１を介してこの信号プロセッサ６に接続されている少なくとも１つの位相変調器７，７′とから構成される。この少なくとも１つの位相変調器７，７′は、ここではしかしながら位相差を変調するために公知の方法で使用されるのではなくて、擬似静的に位相をシフトさせる手段として使用される。特に圧電変調器が、位相変調器７，７′として使用されている。この場合、それぞれの光ファイバ分岐部２０，２０′の一部が、変調器７，７′の圧電体の周りに巻かれている。しかしながら、その他の変調器、特に光ファイバ内の光電効果に基づく集積光学変調器を使用することも可能である。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
最も簡単な実施形では、２つの光ファイバ分岐部２０，２０′のうちの１つだけが位相変調器７，７′に作用接続されている。この場合、光ファイバ分岐部の選択は任意である。しかしながらここで示された実施の形態では、各光ファイバ分岐部２０，２０′は、位相変調器７，７′に作用接続されている。これらの２つの位相変調器７，７′は、特に同一の信号プロセッサに接続されている。
図１中には、本発明の電流センサ内で進行する波と逆行する波との偏光が細い矢印で示されている。さらに、太い矢印が、これらの波の拡散方向を示す。光源によって放射される進行する光波が、偏光子２１内で直線に偏光され、４５°の中継点（Ｓｐｌｅｉｓｓ） を経由して互いに直交する２つの偏光を有する波として偏波面を保存する光ファイバ２内に、ここでは供給分岐部２０内に入射する。これらの２つの偏光は、以下では直交する直線偏光波とも呼ぶ。光ファイバ２のデコヒーレント素子２２は、コヒーレントを損なう影響を波に与え、伝播する２つの直交偏光波の中に光路差を生成する。この光路差は、光路４のコヒーレント長よりも非常に長い。デコヒーレント素子２２は、それに応じて選択する必要がある。この場合、光路差ΔＬとΔｎＧ ２つの偏光が認めるグループインデックス（Ｇｒｕｐｐｅｎｉｎｄｅｘ）とによって、ΔＬ＝ｌΔｎＧ を満たさなければならない。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
進行する波の直交偏光が、第１変調器７の入射領域を通過し、結合器８及び光ファイバ２の偏波面を保存するもう１つの光ファイバセグメント２３経由で位相遅延素子３、特にλ／４位相遅れファイバセグメントに到達する。ここでは、図１中に示したように、直交偏光波が、２つの左回りの偏光波と右回りの偏光波とに変化する。これらの円い波は、センサ光ファイバ１を通過し、コイルの端部１０で反射され、このときにその偏光状況を入れ替え、コイルを逆行し、そしてλ／４遅延器３内で直交する直線偏光波に再び変えられる。この時点で、これらの直交する直線偏光波の偏光は、進行する方向に相当する波の偏光に対して垂直になっている。分岐部２０，２０′が少なくともほぼ同一の光学長さを有する場合、進行する波と逆行する波との全位相差は、検出器側の光ファイバの端部で電流導体Ｓが通電しないときは零に等しく、通電するときは零でない。逆行する波は、結合器８を経由して検出器の分岐部２０′に到達し、検出器５内で干渉し、これによって存在する干渉信号が検出される。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
Ｉ±＝Ｉ０ （１±Ｋｃｏｓ （ΔΦ＋ΔΘ））
が成立する。この場合、Ｉ０ は、直角位相点の光強度であり、Ｋは、干渉縞の鮮明度である。そして、ΔΘは、結合した位相差（ｋｏｍｂｉｎｉｅｒｔｅ Ｐｈａｓｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｚ） であり、ΔΦは、位相シフト（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｅｌｌｅ Ｐｈａｓｅｎｖｅｒｓｃｈｉｅｂｕｎｇ） である。
信号プロセッサ６の減算素子６２内では、これらの２つのフォトダイオードの信号の差が形成され、直角位相制御部６４に入力される。差が無通電状態でかつ外部の影響のないときに零に等しいように、この直角位相制御部６４は、位相変調器を制御する。この場合、直角位相点Ｑが得られる。この制御は、擬似静的に実施される。すなわち、この制御は、直角位相点に常に制御される。この場合、電圧値が、動作点の場合によっては起こりうるドリフト時に又は外部の影響によって誘導される緩やかな位相のシフト時に適合される。これに対しては、僅かな周波数帯域幅、例えば５Ｈｚの直角位相制御部６４で十分である。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
図４中には、本発明の電流センサの変調ユニットのもう１つの実施形が示されている。ここでは、少なくともほぼ同一な３つのビームスプリッタ５１，５１′，５１″が存在する。したがって、逆行する波の各々が、これらのビームスプリッタ内で反射し、透過する。この配置には、両波がビームスプリッタの老化過程，温度変動及びその他の外部の影響によって引き起こされる特性として同一の変化を受けるという利点がある。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【符号の説明】
Ｌ　　　電流導線
１　　　センサ光ファイバ
１０　　反射器
２　　　光ファイバ線
２０　　第１分岐部
２０′　第２分岐部
２１　　偏光子（ポラライザ）
２２　　遅延ループ
２３　　偏波面保存光ファイバ素子
３　　　位相遅れ素子
４　　　光源
５　　　検出器
５０　　検出器信号導線
５１　　ビームスプリッタ
５１′　ビームスプリッタ
５１″　ビームスプリッタ
５２　　検光子（アナライザ）
５３　　フォトダイオード
６　　　信号プロセッサ
６０　　センサ信号導線
６１　　変調信号導線
６２　　減算素子
６３　　加算素子
６４　　直角位相制御部
６５　　除算素子
７　　　位相変調器
７′　　位相変調器
８　　　結合器




【手続補正書】
【提出日】平成14年9月30日(2002.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
−検出器（５）を備え、
−反射干渉計を備え、この反射干渉計は、光ファイバ（２）及びコイル状の光学センサ（１）を有し、この場合、光ファイバ（２）は、第１光ファイバ分岐部（２０）及び第２光ファイバ分岐部（２０′）を有し、これらの２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）は、センサ側の結合器（８）によって互いに接続されていて、この場合、第１光ファイバ分岐部（２０）は、光源（４）に接続されていて、第２光ファイバ分岐部（２０′）は、検出器（５）に接続されていて、この場合、センサ（１）の一方の端部が、光ファイバ（２）に接続されていて、その他方の端部が、反射器（１０）を有し、及び、
−光ファイバ（２）内で伝播する互いに直交する２つの偏光波の位相差を位相変調する手段（７，７′）を備える光学電流センサにおいて、
−第１光ファイバ（２０）は、進行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保存する第１光ファイバ分岐部（２０）として形成されていること、
−第２光ファイバ（２０′）は、逆行する互いに直交する２つの偏光波に対して偏波面を保存する第２光ファイバ分岐部（２０′）として形成されていること、
−位相変調する手段（７，７′）が、これらの光ファイバ分岐部（２０，２０′）のうちの一方に作用接続されていること、又は、位相変調する第２の手段（７，７′）が設けられていて、位相変調する手段（７，７′）が、これらの光ファイバ分岐部（２０，２０′）の各々に接続されていることを特徴とする光学電流センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
両光ファイバ分岐部（２０，２０′）内で伝播する直線偏光波のうちの一方の直線偏光波の直線偏光の方向が、第１光ファイバ分岐部（２０）内ではその一方の光ファイバ主軸線に対して平行に指向されていて、第２光ファイバ分岐部（２０′）内ではその他方の光ファイバ主軸線に対して平行に指向されているように、これらの２つの光ファイバ分岐部（２０，２０′）は、結合器（８）によって互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
従来の技術
このような種類の光ファイバ電流センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 ４２ ２４ １９０号明細書及びＧ．Ｆｒｏｓｉｏ等“Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ａ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ Ｆａｒａｄａｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２５，第 ６１１１−６１２２頁（１９９４）から公知である。この概念の特徴が、Ｇ．Ｆｒｏｓｉｏ等から公知である。この光ファイバ電流センサは、磁気光学的に作動するコイル状に巻かれたセンサ光ファイバを有する。このセンサ光ファイバは、１本の電流導線を包囲する。このセンサ光ファイバは、一方の端部では光を反射し、他方の端部では位相遅延素子を介して偏波面保存光ファイバに接続されている。光をこの偏波面保存光ファイバ経由でセンサ光ファイバ内に入射させたり又は出射させたりすることができる。この場合、この偏波面保存光ファイバは、互いに直交する直線偏光波を伝播させる。これらの直線偏光波は、センサコイル中に入射する前に光ファイバ位相遅れ素子によって２つの円偏光波に変換される。この場合、これらの２つの円偏光波は、互いに反対方向に回転する。これらの２つの円偏光波は、センサコイルの通過後にこのセンサコイルの端部で反射する。この場合、これらの円偏光波は、その偏光方向が入れ替わってセンサコイルを通じて逆行する。




【国際調査報告】
2004503751.tif 000026
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2004503751.tif 000029
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