(57)【要約】【課題】１つの光源を複数種類の用途に用いることを実現した光ファイバ型電圧センサを提供することを目的とする。【解決手段】光ファイバ型電圧センサ１０は、測定用光ファイバ部１２ｂを有する光ファイバ１２を備えており、光源１１から発せられた光が光ファイバ１２と測定用光ファイバ部１２ｂとに分岐される。測定用光ファイバ部１２ｂには、被測定回路１５の電圧に応じて屈折率が変化するポッケルス効果部材２１と第一ＦＢＧ２２とが設けられている。また、光ファイバ１２には、第一ＦＢＧ２２と同一のブラッグ波長λとなるように形成された第二ＦＢＧ２３が設けられている。光源１１から発せられた光のうち、第二ＦＢＧ２３に反射された波長λの光と、ポッケルス効果部材２１によって伝播速度を変えられるとともに第一ＦＢＧ２２に反射された波長λの光とが合成され、干渉現象が発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定回路の電圧を測定する光ファイバ型電圧センサであって、
光ファイバと、
電圧に応じて屈折率が変化する電気光学効果部材と
を備え、
前記光ファイバは、前記光ファイバから分岐されるとともに前記電気光学効果部材と連結して設けられる測定用光ファイバ部を有し、
前記測定用光ファイバ部には、入射光が伝播する方向における前記電気光学効果部材の下流側に第一ＦＢＧが設けられることを特徴とする光ファイバ型電圧センサ。
【請求項２】
前記光ファイバには、前記入射光が伝播する方向における前記電気光学効果部材の上流側に、前記第一ＦＢＧと同一波長の光を反射する第二ＦＢＧが設けられる請求項１に記載の光ファイバ型電圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバを利用して電圧を測定する光ファイバ型電圧センサの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電圧を測定するためのセンサとして、ポッケルス効果やカー効果と呼ばれる電気光学効果を利用した光ファイバ型電圧センサが用いられる。ポッケルス効果とは、ある物質に電圧を印加して電場をかけると、電場の強さに比例して物質の屈折率が変化する現象である。一方、カー効果では電場の強さの２乗に比例して物質の屈折率が変化する。
【０００３】
例えば特許文献１には、ポッケルス効果を有するポッケルス材料を用いて被測定電圧を測定する光ファイバ型電圧センサが開示されている。これによれば、入力用及び出力用の光ファイバが、複屈折材料であるルチル平板を介してロッドレンズの一端側に接続されている。また、ロッドレンズの他端側には、ポッケルス材料、１／８波長板及び反射板が設けられており、ポッケルス材料に被測定電圧が印加されている。入力用光ファイバに入射された光はルチル平板を通過する際に直線偏光に変換され、ポッケルス材料及び１／８波長板を通過する。次いで、光は反射板に反射され、１／８波長板及びポッケルス材料を再び通過してからルチル平板に達する。
【０００４】
その際、ポッケルス材料の屈折率は被測定電圧に応じて変化しているため、ポッケルス材料を通過する光には被測定電圧に応じた位相変化が生じる。また、１／８波長板を二度通過する際に１／４波長の位相差が与えられることにより、反射板に反射されてルチル平板に達する光は楕円偏光に変換される。このように、被測定電圧に応じた位相変化が生じた状態の楕円偏光は、ルチル平板を再び通過する際に常光と異常光とに偏光分離され、異常光が出力用光ファイバに導かれる。また、この異常光の強度変化は、被測定電圧に応じた位相変化に応じたものとなる。すなわち、出力用光ファイバ内を伝播する異常光の強度を測定することにより、被測定電圧が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１９８７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、光ファイバは、複数の波長の光を同時に伝送することが可能である。また、光ファイバは、例えば被測定物のひずみ、振動あるいは温度等、電圧以外の物理量を測定するためのセンサとして適用することが可能である。このような特性から、近年、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両内に、光ファイバを介して各種センサや車両の制御機器等を接続したセンサネットワークを構築することが注目されている。光ファイバに複数の波長の光を入射し、各波長を複数個所の電圧測定や電圧以外の物理量測定、あるいは測定した物理量以外の情報伝達に振り分ければ、車両内に１本の光ファイバを敷設するだけでセンサネットワークを構築できる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の光ファイバ型電圧センサでは、発する光の波長帯域が狭い半導体レーザが光源として用いられており、１つの光源により、１つのポッケルス材料に印加された電圧のみを測定する構成となっている。そのため、この光ファイバ型電圧センサは、電圧測定に用いる光の波長を選択する手段を備えておらず、仮に複数の波長の光を発する光源を用いたとしても、各波長を異なる用途に振り分けることが不可能となっている。すなわち、特許文献１に記載の光ファイバ型電圧センサでは、１つの光源を複数種類の用途に用いることができず、上述したようなセンサネットワークに適用しようとする場合、用途の数に応じた複数の光源を必要とするという問題点を有していた。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、１つの光源を複数種類の用途に用いることを実現した光ファイバ型電圧センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る光ファイバ型電圧センサは、被測定回路の電圧を測定するセンサであって、光ファイバと、電圧に応じて屈折率が変化する電気光学効果部材とを備え、光ファイバは、光ファイバから分岐されるとともに電気光学効果部材と連結して設けられる測定用光ファイバ部を有し、測定用光ファイバ部には、入射光が伝播する方向における電気光学効果部材の下流側に第一ＦＢＧが設けられることを特徴とするものである。
【００１０】
まず、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）とは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた所定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有する。
【００１１】
光ファイバに光が入射されると、入射された光は測定用光ファイバ部側にも分岐され、光ファイバ内と測定用光ファイバ部内とをそれぞれ伝播する。測定用光ファイバ部内を伝播する光は、被測定回路の電圧が印加されている電気光学効果部材に導かれ、電気光学効果部材の内部を伝播して第一ＦＢＧに入射される。電気光学効果部材の屈折率は印加されている電圧に応じて変化するため、その内部における光の伝播速度も電圧に応じて変化する。このように伝播速度が変化した光のうち、ブラッグ波長の光は第一ＦＢＧに反射され、測定用光ファイバ部内を逆行して光ファイバ内に戻される。
【００１２】
光ファイバ内に戻された第一ＦＢＧからの反射光は、光ファイバ内を伝播する同じ波長の光と合成され、光の干渉現象が発生する。ここで、第一ＦＢＧからの反射光の伝播速度は、電気光学効果部材を通過する際に被測定回路の電圧に応じて変化しているため、光ファイバ内で合成されて干渉した光の強度も電圧に応じたものとなる。つまり、光ファイバ内を伝播する光のうち、第一ＦＢＧからの反射光と合成された光の強度、すなわち第一ＦＢＧが反射するブラッグ波長の光の強度を測定することにより、被測定回路の電圧が求められる。
【００１３】
また、上述したように、ＦＢＧはブラッグ波長の光を反射し、残りの波長の光を透過するという特性を有している。つまり、光ファイバに光を入射する光源として、第一ＦＢＧの反射スペクトルの帯域幅より広い帯域幅を有する広帯域の光を発する機器を用いれば、ブラッグ波長の光のみを電圧測定に利用し、残りの波長の光を他の用途に利用することができる。したがって、光ファイバ型電圧センサにおいて、１つの光源を複数種類の用途に用いることが可能となる。
【００１４】
光ファイバには、入射光が伝播する方向における電気光学効果部材の上流側に、第一ＦＢＧと同一波長の光を反射する第二ＦＢＧが設けられてもよい。この場合、第一ＦＢＧからの反射光と第二ＦＢＧからの反射光とが光ファイバ内で合成されて光ファイバ内を逆行する。すなわち、逆行するこの光の強度を測定することによって被測定回路の電圧が求められる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、光ファイバ型電圧センサにおいて、１つの光源が発する光を複数種類の用途に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光ファイバ型電圧センサの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係る光ファイバ型電圧センサにおけるＦＢＧの構成を示す概略図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光ファイバ型電圧センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る光ファイバ型電圧センサ１０の構成を概略的に示す。
光ファイバ型電圧センサ１０は、一端に光源１１が接続された光ファイバ１２を備えている。また、光ファイバ１２は、その分岐部１２ａから分岐された測定用光ファイバ部１２ｂを有している。光源１１から発せられた光は、光ファイバ１２内を矢印Ａで示される方向に伝播するとともに、矢印Ｂで示されるように分岐部１２ａで分岐されて測定用光ファイバ部１２ｂ内を伝播する。
【００１８】
光源１１と分岐部１２ａとの間にはサーキュレータ１３が設けられており、このサーキュレータ１３には、分岐用光ファイバ１２ｃを介して測定機１４が接続されている。サーキュレータ１３は、光源１１から光ファイバ１２に入射された光を矢印Ａで示される方向に通過させるとともに、後述する第一ＦＢＧ２２及び第二ＦＢＧ２３から光源１１側に向かって反射された反射光を、矢印Ｃで示すように測定機１４に導く光学部品である。また、測定機１４としては、例えばフォトダイオード等により、光の強度に比例する光子量（フォトン量）を測定する機器が用いられる。
【００１９】
測定用光ファイバ部１２ｂの途中には、印加された被測定回路１５の電圧に応じて屈折率が変化する電気光学効果部材としてのポッケルス効果部材２１が設けられており、測定用光ファイバ部１２ｂ内を伝播する光がポッケルス効果部材２１内を通過可能となっている。ポッケルス効果部材２１は圧電性のある等方性結晶からなる部材であり、その両側部には、被測定回路１５の電圧を印加するための一対の電極２１ａ、２１ｂが設けられている。また、矢印Ｂで示される光の伝播方向におけるポッケルス効果部材２１の下流側には、ポッケルス効果部材２１を通過した光のうち、ブラッグ波長と呼ばれる所定の波長の光を反射する第一ＦＢＧ２２が、ポッケルス効果部材２１と連結して設けられている。尚、この実施の形態１における測定用光ファイバ部１２ｂは、矢印Ｂで示される光の伝播方向における第一ＦＢＧ２２の下流側で切断されている。
【００２０】
一方、光ファイバ１２において、矢印Ａで示される光の伝播方向における分岐部１２ａの下流側には、分岐部１２ａを通過して光ファイバ１２内を伝播する光のうち、ブラッグ波長の光を反射する第二ＦＢＧ２３が形成されている。以下に説明するように、ＦＢＧのブラッグ波長はグレーティング周期と呼ばれる長さ周期に応じて決まる値であり、第一ＦＢＧ２２と第二ＦＢＧ２３とは、ブラッグ波長が互いに同一の波長となるように設けられている。
【００２１】
次に、図２を用いて、測定用光ファイバ部１２ｂ及び第一ＦＢＧ２２の構成について説明する。尚、これらの構成と光ファイバ１２及び第二ＦＢＧ２３の構成とは共通であるため、図２には、光ファイバ１２側の構成要素を括弧付きの符号にて示している。測定用光ファイバ部１２ｂは、分岐部１２ａ（図１参照）で分岐された光である入射光Ｌ１が伝播するコア２４ａと、コア２４ａの外周部を覆うクラッド２４ｂとを有している。第一ＦＢＧ２２は、コア２４ａの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）Λで変化させた回折格子であって、例えばコア２４ａに紫外線等を照射することによって形成される。上述したように、第一ＦＢＧ２２のブラッグ波長λはグレーティング周期Λに応じて決まる値となっており、第一ＦＢＧ２２は、入射光Ｌ１に対してブラッグ波長λの光を反射光Ｌ２として反射するとともに、残りの波長の光を透過光Ｌ３として透過する。
【００２２】
図１に戻って、光源１１は、複数の波長の光を含み、且つ第一ＦＢＧ２２及び第二ＦＢＧ２３の反射スペクトルを帯域幅に含む広帯域の光を発する機器であり、例えば白色光を発するＬＥＤ等が光源１１として用いられる。尚、光源１１から発せられる白色光とは、紫外線（不可視）、紫色〜赤色に対応する波長の光（可視）および赤外線（不可視）が連続的につながったスペクトルを示す光を指す。すなわち、光源１１から入射されて光ファイバ１２及び測定用光ファイバ部１２ｂを伝播する光は無色の光のみに限定されるものではなく、そのスペクトルの帯域幅に応じた様々な色の光を含み得る。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係る光ファイバ型電圧センサ１０を用いて被測定回路１５の電圧を測定する方法について説明する。
図１に示すように、まず、ポッケルス効果部材２１の両側部に設けられた電極２１ａと電極２１ｂとの間に被測定回路１５の電圧が印加され、次いで、光源１１から発せられた光が光ファイバ１２に入射される。尚、電極２１ａと電極２１ｂとの間に被測定回路１５の電圧が印加されてポッケルス効果部材２１に電場がかかると、ポッケルス効果部材２１の屈折率が電圧に応じて変化する。光ファイバ１２に入射された光はサーキュレータ１３を通過し、次いで、分岐部１２ａにおいて分岐され、光ファイバ１２内（矢印Ａ参照）と測定用光ファイバ部１２ｂ内（矢印Ｂ参照）とを伝播する。
【００２４】
分岐部１２ａにおいて光ファイバ１２側に分岐した光は、第二ＦＢＧ２３に入射される。第二ＦＢＧ２３は、そのブラッグ波長λの光を反射するとともに残りの波長の光を透過し、反射されたブラッグ波長λの光は、矢印Ｄ２で示されるように光ファイバ１２内を逆行する。一方、分岐部１２ａにおいて測定用光ファイバ部１２ｂ側に分岐された光は、ポッケルス効果部材２１を通過して第一ＦＢＧ２２に入射される。ここで、ポッケルス効果部材２１の屈折率は、電極２１ａと電極２１ｂとの間に印加された被測定回路１５の電圧に応じて変化しているため、ポッケルス効果部材２１内における光の伝播速度も電圧に応じて変化する。このように伝播速度を変えられてポッケルス効果部材２１を通過した光のうち、ブラッグ波長λの光は第一ＦＢＧ２２によって反射され、矢印Ｄ１で示すように測定用光ファイバ部１２ｂ内を逆行する。
【００２５】
第一ＦＢＧ２２に反射されて測定用光ファイバ部１２ｂ内を逆行する反射光は、分岐部１２ａを通って光ファイバ１２内に戻され、その内部を逆行する。また、光ファイバ１２内では、第二ＦＢＧ２３に反射された反射光が逆行している。これらの逆行する光が分岐部１２ａにおいて合成されると、光の干渉現象が発生する。ここで、第一ＦＢＧ２２からの反射光の伝播速度は、ポッケルス効果部材２１を通過する際に被測定回路１５の電圧に応じて変化しているため、光ファイバ１２内で合成されて干渉した光の強度もこの電圧に応じたものとなる。このように干渉した光は光ファイバ１２内を逆行してサーキュレータ１３に達し、分岐用光ファイバ１２ｃを介して測定機１４に導かれる。測定機１４は、受け取った光の光子量、すなわちブラッグ波長λの光の光子量を測定し、測定した光子量に基づいて被測定回路１５の電圧が求められる。
【００２６】
また、光源１１から発せられて光ファイバ１２側を伝播する広帯域の光において、ブラッグ波長λ以外の波長の光は、第二ＦＢＧ２３に透過されてその下流側を伝播する。上述したように、被測定電圧の測定を行うために用いられる波長はブラッグ波長λの光だけであるため、第二ＦＢＧ２３に透過された光は、被測定回路１５の電圧測定以外の用途に用いることが可能となっている。尚、このような用途としては、別の部位における電圧の測定や、例えば被測定物のひずみ、振動、温度等、電圧以外の物理量の測定、あるいは測定した物理量以外の情報伝達が挙げられる。
【００２７】
このように、ポッケルス効果部材２１によって伝播速度を変えられるとともに第一ＦＢＧ２２に反射されたブラッグ波長λの光と、光ファイバ１２内を伝播して第二ＦＢＧ２３に反射されたブラッグ波長λの光とを合成することによって干渉現象を発生させ、干渉した光を測定機１４で受け取るように構成したので、測定機１４が受け取った光の強度、具体的には強度に比例する光子量に基づいて被測定回路１５の電圧を測定することができる。また、光ファイバ１２内を伝播する光のうち、ブラッグ波長λ以外の波長の光は第二ＦＢＧ２３に透過されるため、透過した光を他の用途に用いることができる。したがって、光ファイバ型電圧センサ１０において、１つの光源１１を複数種類の用途に用いることが可能となる。尚、複数種類の用途とは、例えば複数の箇所の電圧を測定する電圧センサに用いる場合や、電流センサ及び電圧センサ等の複数種類のセンサに用いる場合を含む。
【００２８】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る光ファイバ型電圧センサについて説明する。この実施の形態２に係る光ファイバ型電圧センサは、実施の形態１における測定機１４が、光ファイバ１２において光源１１側に接続されていたのに対し、測定機１４を光源１１とは反対側となる端部に接続するように構成したものである。尚、以下に説明する実施の形態において、図１、２に示される符号と同一の符号は同一または同様の構成要素であるため、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
図３に示すように、光ファイバ型電圧センサ３０における光ファイバ１２の一端には光源１１が接続されており、他端には測定機１４が接続されている。また、光ファイバ１２の途中にはサーキュレータ３１が設けられており、このサーキュレータ３１に測定用光ファイバ部１２ｂが接続されている。測定用光ファイバ部１２ｂには、実施の形態１と同様にポッケルス効果部材２１及び第一ＦＢＧ２２が設けられている。一方、光ファイバ１２には、実施の形態１における第二ＦＢＧ２３は設けられておらず、光ファイバ１２側を伝播する光（矢印Ａ参照）が、測定機１４に導かれるようになっている。
【００３０】
サーキュレータ３１は、光源１１から光ファイバ１２に入射された光を矢印Ａで示される方向に通過させるとともに、矢印Ｂで示されるように測定用光ファイバ部１２ｂに分岐させる。また、サーキュレータ３１は、第一ＦＢＧ２２が反射した光（矢印Ｄ１参照）を矢印Ｅで示される方向、すなわち矢印Ａで示される方向に伝播する光に合流させる方向に通過させる。その他の構成については実施の形態１と同様である。
【００３１】
以上のように構成される光ファイバ型電圧センサ３０において、光源１１から光ファイバ１２に入射された光はサーキュレータ３１によって分岐され、光ファイバ１２内と測定用光ファイバ部１２ｂ内とを伝播する。測定用光ファイバ部１２ｂ内を伝播する光は、ポッケルス効果部材２１を通過する際に被測定回路１５の電圧に応じた伝播速度に変えられてから第一ＦＢＧ２２に入射される。第一ＦＢＧ２２は、入射された光のうちブラッグ波長λの光を反射し、この反射光がサーキュレータ３１によって光ファイバ１２内に戻されると、実施の形態１と同様に、波長λの光同士が合成されることによって光の干渉現象が発生する。干渉した光は光ファイバ１２内を矢印Ａで示される方向に伝播して測定機１４に導かれ、それにより、被測定回路１５の電圧が求められる。
【００３２】
このように、光ファイバ１２の一端側に光源１１が接続され、他端側に測定機１４が接続されるように光ファイバ型電圧センサ３０を構成しても、実施の形態１と同様に、光の干渉現象を利用して被測定回路１５の電圧を求めることができる。また、この電圧の測定に利用している光は、第一ＦＢＧ２２のブラッグ波長λの光のみであるため、実施の形態１と同様に、波長λ以外の波長の光を他の用途に利用することができる。さらに、光ファイバ型電圧センサ３０では、実施の形態１における第二ＦＢＧ２３のように、光ファイバ１２にＦＢＧを形成する必要がないため、低コストで被測定回路１５の電圧測定を行うことも可能となる。
【００３３】
実施の形態１、２における電気光学効果部材は、ポッケルス効果を有するポッケルス効果部材２１として構成されたが、ポッケルス効果を利用することに限定するものではない。電場の強さの２乗に比例して物質の屈折率が変化するカー効果を有する部材を電気光学効果部材として用いても、実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０，３０  光ファイバ型電圧センサ、１２  光ファイバ、１２ｂ  測定用光ファイバ部、１５  被測定回路、２１  ポッケルス効果部材（電気光学効果部材）、２２  第一ＦＢＧ、２３  第二ＦＢＧ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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