(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物の近くに配置された光ファイバーセンサと、測定用の光を発生して前記センサに送る光源と、前記センサからの出射光を検出する検出器と、前記センサと光源及び検出器とを光学的に結合する結合光学系と、前記検出器からの信号を処理する信号処理部とを備え、
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして、磁界がない状態でも常に旋光性を有する光ファイバーを用いており、光の特性の変化により物理量を計測する光ファイバー応用計測器において、
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径を２ｒ（μｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍ（回）とした場合に、この光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率ｎt（回／ｍ）が、
ｎt ≦（１２５／２ｒ）（８．０−ｌｏｇ10ｍ）
を満足する値であることを特徴とする光ファイバー応用計測器。
【請求項２】
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバー全長が有する複屈折量が、捻じり数と複屈折量との関係によって０°近傍と極値近傍のいずれか一方の値を持つように、捻じり数を設定したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバー応用計測器。
【請求項３】
前記光ファイバーセンサに入射する光の偏波面の方向が、光ファイバーが配置されている面に対して、＋４５°、＋１３５°、−４５°、もしくは−１３５°の近傍となるようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバー応用計測器。
【請求項４】
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長に亘る捻じり数Ｎ（回）が、
３．５Ｍ−１≦Ｎ≦３．５Ｍ＋１ （Ｍは０以外の整数）
を満足する値であることを特徴とする請求項２又は３記載の光ファイバー応用計測器。
【請求項５】
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長に亘る捻じり数Ｎ（回）が、
｜Ｎ｜＝１．７５＋３．５Ｍ （Ｍは正の整数）
を満足する値の±１以内の値であることを特徴とする請求項２記載の光ファイバー応用計測器。
【請求項６】
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半径をＲ（ｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍ、光の波長をλとした場合に、この光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）が、
（ｒ／６２．５）2 ≦（８０／２ｍπＲ／３．８）（Ｒ／０．２５）2 （λ／０．８）
を満足する値であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器。
【請求項７】
前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半径をＲ（ｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍとした場合に、この光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）が、
２ｒ／１２５≦（８．０−ｌｏｇ10ｍ）×２ｍπＲ／３．５
を満足する値であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の特性の変化を利用して物理量を測定する光応用計測器に係り、特に、光ファイバーセンサの構成を改良した光応用計測器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光で物理量を測定する光ファイバー応用計測器が提案されている。特に、光ファイバー電流計測器は、被測定電流が流れる導体に近接して光ファイバーをセンサとして配置し、このセンサに直線偏光の光を通過させて、被測定電流によって生ずるファラデー効果の旋光角を測定するものである。
【０００３】
図８は、従来の光ファイバー電流計測器の一例として、Ｕ．Ｓ．Patent No.３，６０５，０１３の公報に記載の光ファイバー電流計測器を示す構成図である。この図８に示すように、光ファイバー電流計測器は、レーザ１、偏光子２、送光用ファイバー３、光ファイバーセンサ（光ガイド）３´、被測定導体４、検光子５、光検出器６、および表示装置７より構成されており、光ファイバーセンサ３´は、センサ用光ファイバーを、被測定導体４の周りに巻き付けるように近接配置して構成されている。
【０００４】
光源となるレーザ１より出射された光は、偏光子２により直線偏光にされ、送光用ファイバー３を通して光ファイバーセンサ３´に導かれる。被測定導体４に電流Ｉが流れることによって磁界が発生し、この磁界により、光ファイバーセンサ３´中を伝播する光に、ファラデー効果に基づく旋光が生じる。光ファイバーセンサ３´を通過した後、光は、送光用ファイバー３を通って検光子５に導かれ、検光子５の方位の光の成分のみが通過して光検出器６に導かれる。電流量Ｉが変化すると、この変化に応じてファラデー旋光角が変化するため、検光子５通過後の光量が変化し、それに伴い光検出器６の出力が変化する。したがって、光検出器６の出力を測定することにより、電流量Ｉを求めることができる。得られた結果は、信号処理器を兼ねた表示装置７によって表示される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示すような従来の光ファイバー電流計測器においては、センサ用光ファイバーを被測定導体の周りに巻き付けることにより光ファイバー中に誘起される複屈折により、センサ用光ファイバーの感度が低下し、かつ、温度等の外部環境により測定結果が変動するという問題点がある。また、電力系統に用いるためには、高精度測定だけでなく、さらに長期信頼性を確保することが必要である。
【０００６】
なお、このような問題点は、光ファイバー電流計測器に限らず、被測定対象物の近傍に配置された光ファイバーセンサを通る光の変化を利用して被測定対象物の各種の物理量を測定するように構成した各種の光ファイバー応用計測器において、同様に存在している。
【０００７】
本発明は、こ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、その目的は、高精度な測定が可能でしかも長期信頼性に優れた光ファイバー応用計測器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１記載の発明においては、被測定対象物の近くに配置された光ファイバーセンサと、測定用の光を発生して前記センサに送る光源と、前記センサからの出射光を検出する検出器と、前記センサと光源及び検出器とを光学的に結合する結合光学系と、前記検出器からの信号を処理する信号処理部とを備え、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして、磁界がない状態でも常に旋光性を有する光ファイバーを用いており、光の特性の変化により物理量を計測する光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径を２ｒ（μｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍ（回）とした場合に、この光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率ｎt（回／ｍ）が、ｎt ≦（１２５／２ｒ）（８．０−ｌｏｇ10ｍ）を満足する値であることを特徴としている。
【０００９】
以上のような請求項１に係る発明によれば、光ファイバーセンサとして磁界がない状態でも常に旋光性を有する光ファイバーを用いることにより、光ファイバーセンサ内を光が伝播する際、光の偏波面が旋光を受けて回転することによって平均化されるため、光から見た光ファイバーセンサ内部の不均一性が緩和される。その結果、光ファイバー中に誘起されて不均一性の原因となる直線複屈折の影響を抑制することができ、高精度な測定を実現することができる。また、光ファイバーセンサ用の光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率ｎt （回／ｍ）の値を、クラッド外径２ｒ（μｍ）に関して具体的に規定することにより、捻じりに伴う機械的強度に基づく寿命の低下を抑制し、長期信頼性を高めることができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバー全長が有する複屈折量が、捻じり数と複屈折量との関係によって０°近傍と極値近傍のいずれか一方の値を持つように、捻じり数を設定したことを特徴としている。
【００１７】
請求項２に係る発明によれば、光ファイバーセンサ用の光ファイバー全長が０°近傍もしくは極値近傍となることにより、温度等の外部環境が変化しても感度の変化量が小さくなるため、高精度を保つことができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサに入射する光の偏波面の方向が、光ファイバーが配置されている面に対して、＋４５°、＋１３５°、−４５°、もしくは−１３５°の近傍となるようにしたことを特徴としている。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、光ファイバーセンサを捻じることにより、ファイバー内で誘起される複屈折量を平均化する度合いを大きくすることができ、結果として、少ない捻じり量で感度の変化量を小さくできるため、寿命の低下を抑制できるとともに、高精度を保つことができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長に亘る捻じり数Ｎ（回）が、３．５Ｍ−１≦Ｎ≦３．５Ｍ＋１ （Ｍは０以外の整数）を満足する値であることを特徴としている。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、光ファイバーセンサ用の石英ファイバーの全長に亘る捻じり数Ｎ（回）を具体的に規定することにより、捻じりによる光の偏光面の回転角を９０°近傍の整数倍にすることができるため、これにより、光ファイバーセンサ用の光ファイバー全長が有する複屈折量を０°近傍にすることができる。したがって、感度が低下することなく、温度等の外部環境が変化しても感度の変化量が小さくなるため、高精度を保つことができる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項２記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、この光ファイバー全長に亘る捻じり数Ｎ（回）が、｜Ｎ｜＝１．７５＋３．５Ｍ （Ｍは正の整数）
を満足する値の±１以内の値であることを特徴としている。
【００２３】
請求項５に係る発明によれば、光ファイバーセンサ用の石英ファイバーの全長に亘る捻じり数Ｎ（回）を具体的に規定することにより、複屈折量を極値にすることができる。したがって、温度等の外部環境が変化しても感度の変化量が小さくなるため、高精度を保つことができる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半径をＲ（ｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍ、光の波長をλとした場合に、この光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）が、（ｒ／６２．５）2 ≦（８０／２ｍπＲ／３．８）（Ｒ／０．２５）2 （λ／０．８）
を満足する値であることを特徴としている。
【００２５】
請求項６に係る発明によれば、光ファイバーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）を、光ファイバーの平均曲げ半径Ｒ（ｍ）と巻き数ｍ、および光の波長λに関して具体的に規定することにより、曲げによる複屈折を小さくすることができるため、精度を高めることができる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバー応用計測器において、前記光ファイバーセンサ用の光ファイバーの平均曲げ半径をＲ（ｍ）、前記被測定対象物の周りにおけるこの光ファイバーの巻き数をｍとした場合に、この光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）が、２ｒ／１２５≦（８．０−ｌｏｇ10ｍ）×２ｍπＲ／３．５を満足する値であることを特徴としている。
【００２７】
請求項７に係る発明によれば、光ファイバーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径２ｒ（μｍ）を、光ファイバーの平均曲げ半径Ｒ（ｍ）と巻き数ｍに関して具体的に規定することにより、光ファイバーの曲げ半径Ｒが小さい場合でも、曲げによる複屈折を小さくできると共に、実装段階で捻じることによる機械的強度に基づく寿命の低下を抑制できるため、精度および長期信頼性を高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明による光ファイバー応用計測器を光ファイバー電流計測器に適用した複数の実施の形態について、図１〜図８を参照して説明する。
【００３５】
［１．第１の実施の形態］
［１−１．全体の構成］
図１に示すように、本実施の形態の光ファイバー電流計測器において、光ファイバーセンサ８は、被測定導体４の周りを囲むように配置されている。
【００３６】
この図１に示すように、本実施の形態の光ファイバー電流計測器は、大別して、センサ光学部９、信号処理部１０、および伝送用ファイバー部１１から構成されている。
【００３７】
このうち、信号処理部１０は、測定光を発生する光源１２、センサ光学部９からの２つの光を検出してその強度に応じた電気信号に変換する検出器１３、検出器１３で得られた信号を演算処理する信号処理回路１４、および処理結果を出力する出力端子１５を備えている。光源１２は、レーザダイオードまたはスーパールミネセントダイオードによって構成されている。
【００３８】
また、伝送用ファイバー部１１は、信号処理部１０内の光源１２からセンサ光学部９に光を送る送光用ファイバー１６と、センサ光学部９から信号処理部１０内の２つの検出器１３に光を送る２本の受光用ファイバー１７とを備えている。
【００３９】
一方、センサ光学部９は、結合光学部１８ａと光ファイバーセンサ部１８ｂとを備えている。このうち、結合光学部１８ａは、４つのレンズ１９〜２２、偏光子２３、２つのビームスプリッタ２４，２５、および２つの検光子２６，２７から構成されている。ここで、４つのレンズ１９〜２２のうち、第１のレンズ１９は、送光用ファイバー１６からの光を平行ビームに変換するために使用され、第２のレンズ２０は、光ファイバーセンサ部１８ｂに光を入射し、かつ、光ファイバーセンサ部１８ｂからの出射光を受光するために使用され、第３と第４のレンズ２１，２２は、平行ビームを集光して各受光用ファイバー１７に入射するためにそれぞれ使用される。
【００４０】
偏光子２３は、光を水平方向（光ファイバーセンサ８が配置されている面）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、２つのビームスプリッタ２４，２５は、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それぞれ使用される。２つの検光子２６，２７は、各々水平方向および垂直方向の直線偏光の光を透過させることにより、直交するｘ，ｙ方向の各偏光成分を抽出するためにそれぞれ使用される。
【００４１】
この場合、結合光学部１８ａは、送光用ファイバー１６からの光を、第１のレンズ１９、偏光子２３、第１のビームスプリッタ２４、および第２のレンズ２０を介して光ファイバーセンサ部１８ｂの一端に送るようになっている。
【００４２】
また、光ファイバーセンサ部１８ｂからの反射方向の光は、第２のレンズ２０を透過した後、第１のビームスプリッタ２４で反射され、第２のビームスプリッタ２５に送られ、２方向の光に分割されるようになっている。この一方の分割光は、第１の検光子２６および第３のレンズ２１を介して一方の受光用ファイバー１７に送られる。他方の分割光は、第２の検光子２７および第４のレンズ２２を介して他方の受光用ファイバー１７に送られる。
【００４３】
一方、光ファイバーセンサ部１８ｂは、被測定電流が流れる被測定導体４の周囲に１以上のほぼ整数倍の回数だけ巻き付けられた光ファイバーからなる光ファイバーセンサ８から構成されており、この光ファイバーセンサ８は、その終端部に反射端２８を備えている。ここでは、光ファイバーセンサ８用の光ファイバーとして、信頼性の高い石英ファイバーを使用した場合について説明するが、特に、石英ファイバーに限定されるものではない。また、光ファイバーセンサ８の反射端２８は、光ファイバーセンサ８内を伝播してきた光を反射して再び光ファイバーセンサ８内に戻し、反対方向に伝播させるようになっている。この時、反射端２８を用いることにより、光ファイバーの入射端と出射端は完全に一致している。図中２９は、このような入出射端を示しており、この入出射端２９は、構造物中に収納されている。そして、光ファイバーセンサ８の両端であるこの入出射端２９と前述した反射端２８は互いに近接して配置されている。
【００４４】
［１−２．光ファイバーセンサの構成］
図２は、光ファイバーセンサ８の詳細を示す説明図である。光ファイバーセンサ８用の光ファイバーとしては、磁界がない状態でも常に旋光性を有するシングルモードファイバーが採用されており、この光ファイバー自体は、製造段階に捻じられた（スパン）ファイバーである。この光ファイバーセンサ８用の光ファイバーは、光が伝播するコア部３０と、その外周に順次設けられたクラッド層３１およびコーティング層３２から構成されており、実装段階で右方向に機械的に捻じられている。
【００４５】
［１−３．電流計測］
以上の構成を有する図１の光ファイバー電流計測器による被測定導体４の電流計測は、次のようにして行われる。まず、信号処理部１０の光源１２から発した光は、送光用ファイバー１６を通ってセンサ光学部９の結合光学系１８ａに送られる。
【００４６】
この送光用ファイバー１６からの光は、第１のレンズ１９によって平行ビームに変換され、偏光子２３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２４を透過して第２のレンズ２０によって集光され、光ファイバーセンサ部１８ｂの始端部に入射する。
【００４７】
光ファイバーセンサ部１８ｂに入射した光は、光ファイバーセンサ８内を伝播して反射端２８で反射された後、再び光ファイバーセンサ８内に戻され、反対方向に伝播して結合光学系１８ａ側の始端部である入射端から出射する。この場合、光ファイバーセンサ部１８ｂ内を往復する形で通過する光の偏光面は、被測定導体４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回転する。
【００４８】
そして、光ファイバーセンサ８からの出射光は、結合光学系１８ａの第２のレンズ２０で平行ビームに変換された後、第１のビームスプリッタ２４で反射され、第２のビームスプリッタ２５で２方向の光に分割される。
【００４９】
この場合、第２のビームスプリッタ２５からの一方の分割光は、第１の検光子２６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２１および受光用ファイバー１７を介して、信号処理部１０の一方の検出器１３に送られる。また、他方の分割光は、第２の検光子２７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２２および受光用ファイバー１７を介して、他方の検出器１３に送られる。
【００５０】
このようにして、ｘ方向とｙ方向の偏光成分の光は、各検出器１３に送られ、これらの検出器１３で得られた各偏光成分の信号は、信号処理回路１４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１５によって出力される。
【００５１】
［１−４．光ファイバーセンサの作用］
以上が、図１の光ファイバー電流計測器における信号の流れであるが、特に、光ファイバーセンサ８は、その構成の特徴から、コア部３０が均一である上、光ファイバーセンサ８内を光が伝播する際、光の偏光面が回転する。この点について次に説明する。
【００５２】
まず、光ファイバーセンサ８用の光ファイバーは、磁界がない状態でも常に旋光性を有するシングルモードファイバーであり、しかも、この光ファイバー自体は、製造段階においてプリフォームを回転させながら線引きすることによって捻じられた（スパン）ファイバーであるため、ファイバー製作時に生ずるコア部３０の非対称性がなくなり、複屈折量が小さくなっている（＜２°／ｍ）。すなわち、コア部３０が均一化されている。
【００５３】
また、光ファイバーを曲げると曲げた方向、すなわち光ファイバーを配置した方向（ｘ軸）とこれに垂直な方向（ｙ軸）に複屈折の主軸が発生し、これが光ファイバー内の不均一性の原因になる。これに対して、光ファイバーセンサ８は、実装段階でも右方向に機械的に捻じられているため、この光ファイバーセンサ８内を伝播する光が旋光する。すなわち、図２においては、光ファイバーセンサ８の軸方向（ｚ軸方向）に直線方向の光が伝播する際の、コア部３０内のＡ点およびＢ点での偏光面の方向が示してあり、光ファイバーが捩じられていることから、光の偏光面は、Ｂ点ではＡ点に比べて角度θだけ旋光している。なお、光ファイバーが、左方向に機械的に捻じられた場合でも、同様の作用が得られる。
【００５４】
このように、光ファイバーセンサ８内を光が伝播する際、光の偏光面が回転することにより平均化されるため、光から見た光ファイバーセンサ８内部の不均一性を解消することができ、感度の低下なしに高精度な測定が実現できる。なお、捻じり応力による旋光性は捻じり量に対して一定の割合となるため、あらかじめ捻じり量がわかれば、この旋光量を求めることができ、被測定電流４によって生ずる磁界によるファラデー効果と分離することができる。特に、本実施の形態では、反射鏡２８を用いて光路を往復させているので、捻じりによる旋光量は行きと帰りで逆方向となり打ち消される構成になっているため、実質的にファラデー旋光のみが測定できるという利点がある。
【００５５】
したがって、本実施の形態の形態によれば、光ファイバーに旋光性を持たせた結果、ファイバー内部の不均一性を解消することができるので、高精度な電流測定が実現できる。
【００５６】
［２．第２の実施の形態］
本発明に係る第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００５７】
すなわち、本実施の形態は、図１に示すような光ファイバーセンサ８の光ファイバーに加える捻じり量を規定して、長期信頼性を向上するものである。特に、光ファイバー電流計測器を電力系統用として適用するためには、光ファイバーセンサ８の寿命が重要である。
【００５８】
まず、実装段階で捻じられた光ファイバーの寿命ｔs は、次の（１）式によって表される。
【数１】
0004028035.tif 000002
この（１）式において、各パラメータは、製造段階に捻じられた光ファイバーの強度試験のパラメータを表している。ｔpe1 、ｔpe2 は、１、２回目の耐力試験時間、Ｐf は破壊確率、Ｌはファイバー長、Ｎp1、Ｎp2は１、２回目の耐力試験時の単位長さ当たりの破断個数、σp1、σp2は、１、２回目の耐力試験時の応力、ｎは動的疲労試験による傾きである。
【００５９】
σs は実使用時の応力であり、ファイバーの最大主応力と等しい。すなわち、次のように表される。
【数２】
σs ＝［σzmax＋｛（σzmax）2 ＋４Ｇ2 θ2 ｒ2 ｝1/2 ］／２
ここで、Ｇは横弾性係数、θは単位長さ当たりの捻じり角度、ｒは光ファイバーのクラッド層の外半径である。また、σzmaxは曲げの最大応力であり、次式で表わされる。
【数３】
σzmax＝｛ｒ／（Ｒ＋ｒ）｝Ｅ
ここで、Ｒはファイバーの曲げ半径、Ｅはヤング率である。
【００６０】
具体的に、光ファイバーセンサ用の光ファイバーとして石英ファイバーを用い、破断確率Ｐf ＝１０-5、光ファイバーのクラッド外半径ｒ＝６２．５μｍ、ファイバーの曲げ半径０．５ｍ、巻回数ｍ＝１回とし、強度試験を行ったところ、ｎ＝２０、ｔpe1 ＝１．２（ｓ）、ｂ＝０．０４９２、σp1＝３．１９６×１０s （Ｐａ）、Ｎp1＝１．４３（コ／ｍ）、Ｅ＝７．２×１０10（Ｎ／ｍ2 ）、Ｇ＝Ｅ／｛２・（１＋０．２）｝、という結果が得られた。そして、この結果を前記（１）式に代入したところ、図３に示すような、ファイバー破断寿命のファイバー捻じり回数依存性が得られた。この図３から明らかなように、捻じり率を８回／ｍ以下にすれば、電力系統用として要求される２５年以上の機械的寿命を確保することができる。
【００６１】
さらに、具体的に、破断確率Ｐf ＝１０-5で、２５年以上の機械的寿命を確保するためには、前記（１）式をより簡略化することで、次のような条件式が求められる。すなわち、光ファイバーセンサ用の光ファイバーのクラッド外径を２ｒ（μｍ）、被測定対象物の周りにおける光ファイバーの巻き数をｍ（回）とした場合に、光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率ｎt （回／ｍ）が、次の（２）式を満足すれば、破断確率Ｐf ＝１０-5で、２５年以上の寿命を確保することができる。
【００６２】
【数４】
ｎt ≦（１２５／２ｒ）（８．０−ｌｏｇ10ｍ）…（２）
なお、この（２）式は、ファイバーの曲げ半径Ｒ≦０．５ｍの場合に成り立つ必要条件であり、Ｒ＞０．５ｍの場合には、さらに寿命を延ばすことができる。ちなみに、図３の条件を代入すれば、ｎt ≦８．０（回／ｍ）＝１６．０π（ラジアン／ｍ）となり、図３の結果と一致する。
【００６３】
したがって、この（２）式の条件を満足するような捻じりを光ファイバーに加えることにより、前記光ファイバーが均質となるため、高精度な測定が実現でき、かつ長期信頼性も向上させることができる。
【００６４】
［３．第３の実施の形態］
本発明に係る第３の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００６５】
すなわち、本実施の形態は、図１に示すような光ファイバーセンサ８において、捻じり数と複屈折量の関係において光ファイバー全長が有する複屈折量が０°近傍、もしくは極値近傍となるように捻じり数を設定して、高精度を確保するものである。
【００６６】
図４は、石英ファイバーにおける光ファイバー全長に亘る捻じり数と複屈折量（任意目盛り）の関係を示す。このとき、光ファイバーセンサ８に入射する光の偏波面は光ファイバーを配置した方向に対して＋４５°近傍である（＋１３５°、−４５°、−１３５°近傍でも同等の結果である）。ここで、近傍とは、±２２．５°の範囲を示すが、±１０°の範囲ならばさらに効果が大である。石英ファイバーにおける捻じり量ξと旋光量ωの関係は、次式で表される。
【数５】
ω＝０．０７３ξ（ラジアン）
なお、係数０．０７３は、温度により若干変化する。ここで、捻じり数Ｎ（回）と捻じり量ξとの間には、ξ＝２πＮの関係がある。捻じり量ξを３．５回の倍数近傍とする条件は、次の（３）式で表される。
【数６】
２π（３．５Ｍ−１）≦ξ（＝２πＮ）≦２π（３．５Ｍ＋１）…（３）
なお、この（３）式において、Ｍは正の整数であり、ξが負の時は左向きの捻じりを示す。この（３）式に示すように捻じり量ξを規定すれば、旋光量ωは（π／２）・Ｍとほぼ等しくなり、図４に示すように、光ファイバー全長に亘る複屈折量は０°近傍となる。
【００６７】
ところで、電流値が低い場合に、光ファイバー電流計測器の感度Ｓと複屈折量δとの間には、次の（４）式で表されるような関係がある。
【数７】
Ｓ＝ｓｉｎδ／δ                    …（４）
という関係がある。したがって、複屈折量δが０°近傍にあれば、感度が高くて精度の高い測定ができる。また、温度変化により旋光量が若干変化しても、複屈折量が０°近傍にあるため、感度Ｓはほとんど変化せず、温度安定性に優れている。
【００６８】
また、図４において、捻じり数Ｎ（回）を、３．５回の倍数に１．７５を加えた値の近傍する条件は、次の（５）式で表される。
【数８】
｜Ｎ｜＝１．７５＋３．５Ｍ                …（５）
なお、この（５）式において、Ｍは、正の整数である。この（５）式を満足する近傍、すなわち、±１以内となるように捻じり数Ｎを規定すれば、図４に示すように、複屈折量は極値近傍となる。この場合、計測器の感度Ｓは若干低下するが、複屈折量が極値近傍であるため、温度変化により旋光量が若干変化しても感度の変動は少ない。
【００６９】
以上のように、光ファイバーセンサの複屈折量を、捻じり数と複屈折量の関係において、０°近傍もしくは極値近傍となるように捻じり数を設定することにより、温度変化に影響されにくい、高精度な計測器を実現することができる。また、光ファイバーセンサに入射する光の偏波面の方向（直線偏光の方向）を、光ファイバーが配置される面に対して、＋４５°、＋１３５°、−４５°、もしくは−１３５°の近傍とすることにより、少ない捻じり量で感度の変化量を小さくでき、寿命の低下を抑制することができる。
【００７０】
［４．第４の実施の形態］
本発明に係る第４の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００７１】
すなわち、本実施の形態は、図１に示すような光ファイバーセンサ８のクラッド外径２ｒ（μｍ）の条件を、光ファイバーの平均曲げ半径Ｒ（ｍ）と巻き数ｍ、および光の波長λに関して規定することにより、曲げによる複屈折を小さくして精度を高めるものである。
【００７２】
まず、クラッド外径２ｒ（μｍ）の光ファイバーセンサ８が被測定導体４の周りに平均曲げ半径Ｒ（ｍ）にて設置されている場合、光ファイバー中に誘起される曲げによる複屈折量Δβ（°／ｍ）は次の（６）式で表わされる。
【数９】
Δβ＝｜（πＥｃ／λ）（ｒ／Ｒ）2 ×（１８０／π）｜…（６）
ここで、Ｅはヤング率（＝７．７５×１０9 ｋｇ／ｍ2 （石英））、ｃは光弾性定数（＝−３．５×１０-11 ｍ2 ／ｋｇ）、λは光の波長である。図５は、ｒ＝６２．５μｍの場合における平均曲げ半径Ｒと複屈折量Δβの関係を示す。この図５から、平均曲げ半径Ｒ（ｍ）が小さい程、複屈折量Δβが大きくなり、光ファイバーセンサ８の感度が低下することがわかる。
【００７３】
よって、光ファイバーセンサ８の全長に亘る複屈折量をδ（°）、光ファイバーセンサ８の被測定導体４の周りの巻き数をｍとすると、前記（６）式より、次式が得られる。
【数１０】
δ＝３．８×（０．２５／Ｒ）2 （ｒ／６２．５）2 （０．８／λ）×２ｍπＲ
この場合、光ファイバーセンサ８の感度Ｓは、前記（４）式のように表わされるため、測定精度±１％以内とするためには、δ≦０．３５ラジアン＝２０°とするのが望ましい。また、図４より光ファイバー全長に亘る捻じり数を約３．５回以上にすると、複屈折量は捻じり数０回の時に比べて１／４以下になる。したがって、曲げによって誘起される複屈折量を２０°×４＝８０°以下に抑制するようなファイバーパラメータを設定すれば、測定精度±１％は容易に満足できる。
【００７４】
よって、本実施の形態の光ファイバーセンサ８のパラメータは、以下の（７）式に示す条件を満足するように設定される。
【００７５】
【数１１】
0004028035.tif 000003
この（７）式に、Ｒ＝０．１（ｍ）、ｍ＝１０（回）、λ＝０．８（μｍ）を代入すると、光ファイバーセンサのクラッド外半径ｒは、４５μｍ以下である。
【００７６】
また、Ｒ≧０．２５（ｍ）、ｍ＝１（回）、λ＝１．３（μｍ）でｒ＜４０（μｍ）とすると、δ＜３°となり、光ファイバー全長に亘る捻じり数が０でも所定の精度を満足することができる。さらに、これを光ファイバー全長に亘って約３．５回転以上捻じるとδ＜０．７５°となり、感度Ｓ＞０．９９９９７が実現でき、超高精度な光ファイバー電流計測器が実現できる。
【００７７】
したがって、本実施の形態によれば、前記（７）式を満足するような光ファイバーセンサ８のパラメータを用いることにより、光ファイバー全長に亘る複屈折量を大幅に低減できるため、光ファイバー電流計測器の精度を高めることができる。
【００７８】
［５．第５の実施の形態］
本発明に係る第５の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００７９】
すなわち、本実施の形態は、図１に示すような光ファイバーセンサ８のクラッド外径２ｒ（μｍ）の条件を、光ファイバーの平均曲げ半径Ｒ（ｍ）と巻き数ｍに関して規定することにより、光ファイバー全長に亘る複屈折量を低減して精度を高めると共に、機械的寿命の低下を抑制して長期信頼性を高めるものである。
【００８０】
電力系統用として要求される機械的寿命を確保するための条件としては、前記（２）式において、光ファイバーに対して実装段階に加える捻じり率ｎt （回／ｍ）を規定した。また、光ファイバー全長に亘る複屈折量をある程度低い値にするためには、図４に示すように、光ファイバー全長に亘って少なくとも約３．５回転以上捻じらなければならない。
【００８１】
よって、光ファイバーセンサ８の平均曲げ半径をＲ（ｍ）とすると、次式が成り立つ。
【数１２】
（１２５／２ｒ）（８．０−ｌｏｇ10ｍ）×２ｍπＲ≧３．５
すなわち、光ファイバーセンサ８は、次の（８）式を満足する。
【００８２】
【数１３】
２ｒ／１２５≦（８．０−ｌｏｇ10ｍ）×２ｍπＲ／３．５…（８）
ここで、ｒは光ファイバーのクラッド外半径（μｍ）、ｍは被測定導体４の周りにおける光ファイバーの巻き数（回）である。この（８）式に、ｍ＝１（回）、Ｒ＝０．０５（ｍ）を代入すると、ｒ≦４５（μｍ）となる。
【００８３】
したがって、本実施の形態によれば、（８）式を満足するような光ファイバーセンサ８を用いることにより、光ファイバーセンサ８の曲げ半径が小さい場合でも、光ファイバー全長に亘る複屈折量を小さくできると共に、実装段階で捻じることによる機械的寿命の低下を抑制できるため、精度および長期信頼性に優れた光ファイバー電流計測器が実現できる。
【００８４】
さらに、本実施の形態の変形例としては、前記（８）式のクラッド外径２ｒの条件と、第４の実施の形態について説明した前記（７）式のクラッド外径２ｒの条件とを組み合わせて、光ファイバーセンサ８のクラッド外半径ｒを４０μｍ未満（クラッド外径８０μｍ未満）にすることが考えられる。この構成によれば、さらに超高精度で長期信頼性に優れた光ファイバー電流計測器が実現できる。
【００８５】
［６．第６の実施の形態］
図６は、本発明の第６の実施の形態を示す図であり、特に、光ファイバーセンサ８の詳細を示す説明図である。なお、本実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００８６】
すなわち、本実施の形態においては、図６に示すように、光ファイバーセンサ８のコア部３０、クラッド層３１、およびコーティング層３２までを捻じることによりこれらの部分に捻じり応力が加えられており、この捻じりが、コーティング層３２の周囲に新たに設けられたアクリル等の外部コーティング層３３によって固定されている。
【００８７】
この構成により、捻じりに起因する光ファイバーの絡みを防止することができ、実装が容易になると共に、光ファイバー中に誘起されて不均一性の原因となる直線複屈折の影響を、捻じり応力による光の旋光によって抑制することができる。
【００８８】
以上のように、本実施の形態によれば、光ファイバーセンサ８のコア部３０からコーティング層３２までの部分に捻じり応力を加え、その周囲に、この捻じりを固定するための外部コーティング層３３を設けることにより、非常に取り扱い易く、かつ高精度の光ファイバー電流計測器を実現できる。なお、必ずしもコア部３０からコーティング層３２までの部分全体に捻じり応力を加える必要はなく、少なくともコア部３０に捻じり応力を加えることにより、同様に優れた効果を得ることができるものである。
【００８９】
［７．第７の実施の形態］
図７は、本発明の第７の実施の形態として、特に、請求項１１、１２記載の各発明を適用した光ファイバー電流計測器の一つの実施の形態を示す図であり、特に、光ファイバーセンサ８の詳細を示す説明図である。なお、本実施の形態は、前述した第１の実施の形態の変形例に相当するため、第１の実施の形態と同等の構成についての説明は省略する。
【００９０】
すなわち、本実施の形態においては、図７に示すように、光ファイバーセンサ８の光ファイバーを構成するコア部３０、クラッド層３１、およびコーティング層３２までを捻じることによりこれらの部分に捻じり応力が加えられている点では、前記第６の実施の形態と同様であるが、この捻じりの固定方法が異なる。本実施の形態においては、この捻じりが、光ファイバーセンサ８の両端を固定するコネクタ３４で固定されると共に、光ファイバーセンサ８の外側に外被となる保護用のパイプ３５が設けられている。また、両端のコネクタ３４の少なくとも一方には、捻じりを調整した後に固定するための捻じり固定具３６が設けられている。さらに、図示していないが、パイプ３５内には部分的もしくは全体的に光ファイバーセンサ８のガイドを設けてもよい。
【００９１】
この構成により、パイプ３５に光ファイバーセンサ８を通した後、一方のコネクタ３４を回転することによって、光ファイバーセンサ８の全長に亘る捻じり数を容易に決定できる。したがって、捻じりに起因する光ファイバーの絡みを防止することができ、実装が容易になると共に、実装段階において容易に捻じり数を調整でき、光ファイバー中に誘起されて不均一性の原因となる直線複屈折の影響を、適切な捻じり応力による光の旋光によって適切に抑制することができる。
【００９２】
以上のように、本実施の形態によれば、光ファイバーセンサ８のコア部３０からコーティング層３２までの部分に捻じり応力を加え、この光ファイバーセンサ８の両端を固定すると共に、その外側にパイプ３５を設けることにより、非常に取り扱い易く、光ファイバーセンサ８自体の劣化を防止でき、しかも、実装段階で容易に調整可能な、高精度の光ファイバー電流計測器を実現できる。
【００９３】
なお、必ずしもコア部３０からコーティング層３２までの部分全体に捻じり応力を加える必要はなく、少なくともコア部３０に捻じり応力を加えることにより、同様に優れた効果を得ることができるものである。また、光ファイバーセンサ８の両端を固定する手段は、コネクタ３４や捻じり固定具３６等の構成に限定されるものではなく、その具体的な構成は適宜選択可能であり、また、パイプ３５の具体的な構成も適宜選択可能である。
【００９４】
［８．他の実施の形態］
なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されるものではなく、他にも本発明の範囲内で多種多様の変形例を実施可能である。例えば、前記の実施の形態において説明したように、本発明は、特に、光ファイバー電流計測器に有効であり、長期信頼性を考えれば、さらに電力系統用に好適であるが、他の各種の光ファイバー応用計測器にも同様に適用可能であり、同様に優れた効果を得られるものである。
【００９５】
また、前記の実施の形態においては、光ファイバーセンサとして、特に、石英ファイバーを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば鉛ガラス等の、他の各種の材質の光ファイバーを適用可能であり、そのような場合にも、前記の実施の形態と同等な効果が得られる。とりわけ、前記（１）式で述べた機械的寿命の条件は、あらゆる光ファイバーセンサについて成り立つものであり、捻じりの有無に係らず、機械的応力に関してこの条件で光ファイバー寿命ｔs ≧２５年を満足する光ファイバーパラメータを用い、電力系統用あるいは他の用途に応用した場合には、それらの応用は全て本発明の範囲内である。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバーセンサ用の光ファイバーに旋光性を持たせることにより、光ファイバー内の光に対する均質性を向上することができるので、高精度な測定が可能な光ファイバー応用計測器を提供することができる。特に、光ファイバーに適切な捻じりを加えることにより、高精度な測定が可能でしかも長期信頼性に優れた光ファイバー応用計測器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の実施の形態に係る光ファイバー電流計測器を示す構成図。
【図２】図１の光ファイバーセンサの詳細を示す説明図。
【図３】本発明による第２の実施の形態に係る光ファイバーセンサの捻じり率と寿命との関係を示すグラフ。
【図４】本発明による第３の実施の形態に係る光ファイバーセンサのファイバー全長に亘る捻じり数と複屈折量との関係を示すグラフ。
【図５】本発明による第４の実施の形態に係る光ファイバーセンサの曲げ直径と単位長さ当りの複屈折量との関係を示すグラフ。
【図６】本発明による第６の実施の形態に係る光ファイバーセンサの詳細を示す説明図。
【図７】本発明による第７の実施の形態に係る光ファイバーセンサの詳細を示す説明図。
【図８】従来の光ファイバー電流計測器の一例を示す構成図。
【符号の説明】
４…被測定導体
８…光ファイバーセンサ
９…センサ光学部
１０…信号処理部
１１…伝送用ファイバー部
１８ａ…結合光学部
１８ｂ…光ファイバーセンサ部
３０…コア部
３１…クラッド層
３２…コーティング層
３３…外部コーティング層
３４…コネクタ
３５…パイプ
３６…捻じり固定具
【図１】
0004028035.tif 000004
【図２】
0004028035.tif 000005
【図３】
0004028035.tif 000006
【図４】
0004028035.tif 000007
【図５】
0004028035.tif 000008
【図６】
0004028035.tif 000009
【図７】
0004028035.tif 000010
【図８】
0004028035.tif 000011