(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体を流れる電流の変化を検出する装置であって、
光源と、
入力と、出力と、温度依存ヴェルデ定数とを有するファラデー効果検知コイルと、
直線偏光信号を該検知コイルの該入力に伝達できるように該光源を該検知コイルの該入力へ接続する第１の手段と、
光学検出器と、
該検知コイルの該出力を該光学検出器へ接続する第２の手段とを具備し、該第２の接続手段は該ヴェルデ定数の温度誘発変動によって生じる該検知コイルの感度の変化を補正する手段を含む装置。
【請求項２】
非干渉性光源と、
入力と、出力と、温度依存ヴェルデ定数と、バイアス角度とを有し、バイアス角度の変化による感度の温度誘発変化を更に呈するファラデー効果検知コイルと、
直線偏光信号を該検知コイルの該入力に伝達できるように該光源を該検知コイルの該入力へ接続する第１の手段と、
光学検出器と、
該検知コイルの該出力を該光学検出器へ接続する第２の手段とを具備し、該第２の接続手段は該バイアス角度変化によって生じる該感度変化に対する該変動を相殺することによって該ヴェルデ定数の温度誘発変動によって生じる該検知コイルの感度の変化を補正する手段を含むファイバーオプチック電流センサ。
【請求項３】
入力と、出力と、温度依存ヴェルデ定数とを有するファラデー効果検知コイルを獲得するステップと、
光源を該入力に接続して直線偏光信号を該入力に提供するステップと、
光学検出器を該出力に接続して、該検出器によって受け取られた光学信号が、該ヴェルデ定数の温度誘発変動によって生じる該検知コイルの感度の変化に対して補正されるようにするステップと、を含むファイバーオプチック電流センサを組み立てる方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、主に、ファラデー効果ファイバーオプチック電流検知コイルに関し、特に、温度誘発変動を補正する改良したセンサ及びそのようなセンサを製造する方法に関する。
背景技術
磁場を検知する光ファイバーは当該分野では公知であり、電力用の光電流交換器（ＯＣＴ）としてますます使用されている。典型的なＯＣＴは、電気導体を取り巻くコイルに形成されたシングルモードファイバーを使用する。ファラデー回転またはクント効果としても知られる磁気光学ファラデー効果の結果として、導体を流れる電流の変化に応じて、ファイバーコイルを通る光の偏光は転ずる。ファラデー効果は、直線偏光のビームが磁場方向に物質を通るとき、その直線偏光の偏光面が回転することであり、ファラデー複屈折の結果である。ファラデー複屈折は、磁場に平行な物質を通る左円偏光と右円偏光との屈折率の差である。場検知光ファイバーに関する更なる検討は、Minnesota Mining and Manufacturing Co.（3M、本発明の譲受人）に譲受された米国特許第５，０５１，５７７号に記載されている。
先行技術のセンサの例を図１に示す。レーザ１は第１の光ファイバー２へ光信号を供給し、第１の光ファイバー２は偏光維持（ＰＭ）ファイバー、偏光（ＰＺ）ファイバーまたは透過を最大にするように光源偏光で調節されたファイバーオプチック偏光解消子のいずれでもよく、第２の光ファイバー３へ添え継ぎされ（光源／エレクトロニクスとセンサヘッドとの間のリンクとしての役割を果たす）、第２の光ファイバー３は次に、検知コイル５の入力に接続された第３のＰＺファイバー４へ添え継ぎされる。偏光レーザ源を使用する場合、ファイバー２はＰＺまたはＰＭファイバーであり、ファイバー３もＰＺまたはＰＭファイバーのいずれかである。偏光解消レーザ源を使用する場合、ファイバー２は偏光解消ファイバーであり、ファイバー３はシングルモードファイバーである。検知コイル５はアニールファイバーであるか、またはフリントガラス等の非アニール材である。検知コイル５の出力は別のＰＭファイバー６に添え継ぎされ、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）７で終結する。ＰＢＳ７は、ファイバー６の２本の直交検知軸に対応する２つの出力８、９を有し、それぞれ２つの検出器（フォトダイオード）１０、１１に接続される。電気導体（コイル５に取り囲まれる）を流れる電流の変化により、偏光された信号が回転し、検知器１０、１１からそれぞれ流れる出力電流Ｉ1、Ｉ2に影響を与える。これらの電流を測定して、一般には方程式（Ｉ1−Ｉ2）／（Ｉ1＋Ｉ2）によって、導体を流れる電流の変化を決定する。
多くの先行技術文献では、ＯＣＴの応答は、温度変動によって大幅に変動し、例えば−４０℃〜＋８０℃という広範に変動する温度範囲を有する環境で使用される極めて精密なＯＣＴであっても許容できなほど変動することが認識されている。例として、米国特許第５，３８２，９０１号、米国特許出願第０８／２０５，８９９号、欧州特許出願第６５７，７４０号及びJournal of Applied Optics, Vol. 30, No. 10, pp. 1176-1178 "Temperature Dependence of the Verdet Constant in Several Diamagnetic Glasses"（１９９１年４月１日）を参照のこと。先行技術文献では、検知コイルの温度効果は次の３つの異なる現象に関連することが認識されている。すなわち、（ｉ）検知ファイバーの直線複屈折の変化、（ii）検知ファイバーを保護する材料によって誘発されるストレスによる直線複屈折の変化、及び（ii）ファイバーコア材料のヴェルデ定数の変化である。ヴェルデ定数は、ファラデー効果を表す方程式、θ＝μNVＩの比例定数Vである。ただし、θは偏光面の回転角度、μはファイバーコア材料の透過度、Nは取り囲むファイバーループの回転数、Ｉは導体の電流である。言い換えれば、ヴェルデ定数は、適用された磁場を備えた物質中の平面偏光の回転角を、その物質の光路長と磁場の強さとの積で割ったものに等しく、温度と光信号の波長との両方の関数である。
図１の先行技術の装置は、ヴェルデ定数の温度誘発変化によるセンサの応答の変化を本来は扱わないが、これらの変化を補正するいくつかの技術が考案された。最初の技術は、ただ温度をモニターして、ヴェルデ定数の温度依存に関連する経験データに従って、検出器出力の値を調節するだけである。この技術により複雑な変形例は、米国特許第５，４１６，８６０号に開示されている。その装置は、更なる電子処理が必要なだけではなく、光電子部品も必要になるため、概して装置のコストが上がる。別の技術は米国特許第５，４５０，００６号に開示されているが、同様に、例えば、マイケルソン干渉計及び特に高いヴェルデ定数を有する特別な材料等、追加部品を必要とする。
本発明は、温度依存の電流検知に影響を与える第４の現象を認識しており、それは、温度循環中の入力ＰＺファイバーと出力ＰＺファイバーとの間の効果的な角度の実際の変化であり、これまでは認められていなかった。この変化は極めて小さいが（良好に設計されたセンサにおける０．３°程度）、それにもかかわらず広範に変動する温度に対するセンサの応答に悪影響を与える。電流に対するセンサの見かけの応答は、tan（Ω）に比例する。ただし、Ωは電流の非存在下または磁場の存在下で入力偏光子と出力偏光子との間の角度である。今後、Ωはバイアス角度と称される。Ωは一般に、tan（Ω）＝±１に対応する±４５°である。ただし、負の値は、光学応答が交流電流の位相から１８０°外れることを示す。バイアス角度の見かけの変化は多くの作用によって発生し、いくつかの例を挙げるが、これがすべてではない。例えば、入力偏光子または出力偏光子あるいは検知要素の物理的回転、検知コイルの形状に寄与する見かけの円形複屈折であるいわゆるベリー位相（Berry phase）、検知ファイバーの円形複屈折、あるいは、直流磁場または電流である。従って、ヴェルデ定数の変動と、温度変動によってもたらされるバイアス角度のみかけの変化の両方を克服する方法及び装置を考案することが望ましい。そのような装置が、追加部品を必要とするのではなく、センサの検知器アセンブリ部分を簡略化するのであれば、更に有利である。
発明の開示
本発明は、光源と、入力、出力、温度依存ヴェルデ定数を有するファラデー効果検知コイルと、直線偏光信号を入力に伝達するような光源を検知コイルの入力に接続する第１の手段と、検知コイルの出力を光学検出器に接続する第２の手段とを一般に具備し、第２の接続手段はヴェルデ定数の温度誘発変動によって発生する検知コイルの感度の変化を補正する手段を含むファイバーオプチックファラデー効果電流センサを提供する。検知コイルはバイアス角度の変化によって感度の温度誘発変化を呈し、第２の接続手段はバイアス角度の変化によって生じる角度変化に対する変動を相殺することによってヴェルデ定数の温度誘発変動を補正する。第２の接続手段は、第１及び第２の端を有する偏光（ＰＺ）ファイバーを含み、第１の端は検知コイルの出力に接続され、ＰＺファイバーの主軸はバイアス角度の変化によって生じる感度変化に関連する出力の好適なチャネルで調節され、第２の端は検出器に接続される。
光源が偏光されていない場合、第１の接続手段は、第１及び第２の端を有するシングルモードファイバーと、第１及び第２の端を有するＰＺファイバーとを含み、シングルモードファイバーの第１の端は光源に接続され、シングルモードファイバーの第２の端はＰＺファイバーの第１の端に添え継ぎされ、ＰＺファイバーの第２の端は検知コイルの入力に接続される。光源が偏光である場合、第１の接続手段は第１及び第２の端を有してＰＺファイバーである第１のファイバーと、第１及び第２の端を有してＰＺファイバーまたは偏光維持（ＰＭ）ファイバーである第２のファイバーと、第１及び第２の端を有してＰＺファイバーである第３のファイバーとを含み、第１のファイバーの第１の端は光源に接続され、第１のファイバーの第２の端は第２のファイバーの第１の端に添え継ぎされ、第２のファイバーの第２の端は第３のファイバーの第１の端に添え継ぎされ、第３のファイバーの第２の端は検知コイルの入力に接続される。光源は非干渉性であることが好ましく、超発光ダイオードであることが最も好ましい。
ここに記載された方法は、温度の関数としての電流感度の変化を減少する。バイアス角度の温度依存変化に関連して、ヴェルデ定数の材料作用による感度の変化を利用することによって、材料限定応答に対してより平坦な応答が得られる。センサは、ある長さのＰＭファイバーを検知コイルの出力に添え継ぎして、ＰＭファイバーの軸を検知コイルの入力でＰＺファイバーの軸に対して４５°の角度でバイアスすることによって製造される。偏光ビームスプリッターを使用して、ＰＭファイバーの速い軸を通る光とＰＭファイバーの遅い軸を通る光とを分ける。これらの軸の一方は＋４５°のバイアス角度で調節され、チャネル１と称し、他方は−４５°のバイアス角度で調節され、チャネル２と称す。これらのチャネルは、交流電流に対する各チャネルの位相を測定することによって、弁別可能である。次に、両チャネルをモニターしながらセンサを温度循環する。入力ＰＺ軸と出力ＰＭ軸との間の角度が少量、Δ（Ｔ）（Ｔの関数依存は変化が温度依存であることを示す）だけ変化すると、電流に対するチャネル１の応答は＋１からtan（４５°＋Δ（Ｔ））に変化し、電流に対するチャネル２の応答は−１からtan（−４５°＋Δ（Ｔ））に変化する。バイアス角度の変化Δ（Ｔ）が温度変化に対して正勾配であると、チャネル１は電流に対して上昇応答を有し、チャネル２は電流に対して減少応答を有する。一般的なファイバーオプチック波長（７００nm〜１５００nm）で石英ガラスにおけるヴェルデ定数の温度依存によって、温度が上がると電流に対するセンサの応答が上昇する。ヴェルデ定数の変化による電流に対するセンサの応答とバイアス角度との組み合わせ効果により、（この例では）チャネル１は一定の温度値からチャネル２よりも大きい偏差を有する。ヴェルデ定数変化へ最良の補正を示すチャネルに注意する。ＰＺファイバーの一片をＰＭファイバーの自由端に接続して、好適なチャネルを検出器へ伝達するために調節される。結果として得られるファイバーオプチック電流検知器は改良された温度応答を有するため、先行技術が二重検知器装置であるのに対し、一つの検知器のみでよい。あるいは、同一設計で複数のセンサが製造されるならば、バイアス角度の変化は、与えられたセンサパッケージ設計の温度に対し常に同一の応答をすることを示すことが可能である。この場合、どのチャネルの温度応答がもっとも少ないかを経験的に決定することができ（例えば、チャネルは＋４５°または−４５°でバイアスされる）、ＰＭファイバーを使用して異なるチャネルの応答を測定する中間ステップを削除することができ、ＰＺ出力ファイバーを適切な角度で検知コイルに添え継ぎすることができる。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付の図面を参照することによりよく理解できる。
図１は、先行技術のファイバーオプチック電流センサの概略図である。
図２は、本発明のファイバーオプチック電流センサの一実施態様の概略図である。
図３は、本発明のセンサの温度変動によるファイバーの物理的回転を示す立面図である。
図４は、センサの正規化した感度及び温度関数としての関連ヴェルデ定数を示すグラフである。
実施態様の詳細な説明
図面を参照すると、特に図２には、本発明のファイバーオプチック電流センサ（ＦＯＣＳ）２０の一実施態様が示される。ＦＯＣＳ２０は、通常、第１の光ファイバー２４に接続される光源２２からなり、第１の光ファイバー２４は第２の光ファイバーリンク２６に添え継ぎされ、第２の光ファイバーリンク２６は次に第３のＰＺファイバー２８に添え継ぎされる。ＰＺファイバー２８は、ファイバー検知コイル３０の入力に接続される。コイル３０の出力は、所定の好みのバイアス角度に調節される別のＰＺファイバー３２に添え継ぎされ、一つの検出器３４に供給される。
検知コイルは、アニールされてセラミック構造内に含まれ、変動する温度に対する熱ストレスを最小にすることが好ましい。入力及び出力偏光ファイバーは、好適なチャネルを伝達するように好適なバイアス角度で互いに対して調節される。これらのファイバーは、図３に示す方法によってこの角度で水晶板に固定される。これらのファイバーを、図３に示されるように、検知コイルへ溶融添え継ぎし、水晶板はセラミック構造に接続される。検知コイルの入力及び出力の添え継ぎ接続は同一のセラミック構造内に平行に維持され、入力及び出力の添え継ぎ点は互いに最も近づくことが好ましい。残りのＰＺファイバーまたはＰＭファイバーは互いに渦巻き状に巻かれ（同一方向に巻くことが好ましい）、検知コイル（直径がわずかに大きいことが好ましい）に平行且つ隣接した平面に保管される。これらのファイバーの長さは、光源及び検出器へ接続するパッケージを出る。
光源２２はレーザであってもよいが、光信号に影響を与える干渉パターン等の干渉作用を最小にするために、超発光ダイオード（ＳＬＤ）等の非干渉性の光源であることが好ましい。先行技術の装置と同様に、偏光光源を使用するのであれば、ファイバー２４はＰＺまたはＰＭファイバーであり、ファイバー２６はＰＺまたはＰＭファイバーのいずれでもよい。ＰＺファイバーは、その操作特性のためにＰＭファイバーよりも好適であるが、ＰＭファイバーの方が安価であり、大半の適用に適切である。偏光解消レーザ源を使用する場合、ファイバー２４は偏光解消子であり、ファイバー２６は単にシングルモードファイバーである。ＰＺファイバー２８は、コイル３０への入力に適切な直線偏光信号を提供するために、長さ７〜１０mであることが好ましい。コイル３０はアニールされても、されなくてもよい（フリントガラス）。ある別のファイバースピニング技術に沿って、アニールを行い、米国特許出願第０８／２０５，８８０９号（その内容を本願明細書に引用したものとする）で論じられるように、コイルの複屈折を最小にして関連温度作用を減じる。米国特許出願第０８／２０５，８８９号（その内容を本願明細書に引用したものとする）で教示されるように、コイルは、シリカで形成される螺旋ホルダーに納めてもよい。
ＦＯＣＳ２０は図１の先行技術のセンサとは異なるが、特に、一つの検出器３４しか必要とせず、偏光ビームスプリッターは不要である。ヴェルデ定数変化の温度補正は、前述のように、コイル３０の出力のあらかじめ選択されたチャネルをＰＺファイバー３２の軸で調節することによって達成される。本発明は、バイアス角度の変化が温度循環中に起こり、この現象を利用してヴェルデ定数のドリフトを補正することを認識する。この変化が起こる原因の可能性の一つは、この場合図３に示されるように固定される入力及び出力ＰＺファイバーの物理的回転である。検知コイル３０の入出力端２８、３２は基板３６に固定されるが、例えば、接着剤４２を使用して入出力端２８、３２をそれぞれ取付ブロック３８、４０に接続し、ブロック３８、４０をグルー等の便利な手段によって基板３６に固定する。電流センサは温度循環であるため、接続されたＰＺファイバーに対するいずれかのコイルファイバーの効果的な回転、またはコイル入出力に対するＰＺファイバーの回転がある。この作用は、接着剤または他のパッケージ材料の熱膨張のため動く一つまたは全ての部品による物理的回転によって明らかになる。また、効果的な回転は、円形複屈折または、ねじ状の動きが起こる場合にコイルの偏光が変化するベリー位相現象等の他の光学作用によっても誘発される。実験から、バイアス角度の変化は、与えられたパッケージ設計では同一の方向で一貫して起こる（すなわち、いつも）ことが示される。
入力及び出力偏光子の間のバイアス角度のこの変化の結果として、センサの感度が変化する。しかし、この変化は、コイル３０の２つのチャネルの差であり、言い換えれば、入力信号で規定される主軸から±４５°外れるファイバーの２本の軸の差である。図４に示されるように、感度は線Ａで示されるこれらのチャネルの一方に沿って上昇し、線Ｂで示される他方のチャネルに沿って減少する。これは、電流に対する装置の応答の結果であり、方程式（δＩ／δΩ）Ｉ＝tan（Ω）によって変動する。ただし、Ｉは電流であり、Ωはバイアス角度である。図４はまた、ヴェルデ定数の変動を示す。ヴェルデ定数の変化は、関心のある温度範囲上の実質的な直線であり、線Ｃで示されるように、約６．９×１０-5／℃の勾配を有する。バイアス角度の変化によるセンサ応答の変化を、ヴェルデ定数関数によるセンサ応答の変化に対抗するようにするならば、温度に対するより平坦な全体的応答を得ることができる。ＰＺファイバーの軸をチャネルＡに揃えると、線Ｄで示されるように、感度が悪化する。一方、ＰＺファイバーの軸をチャネルＢに揃えると、実際的に平坦な応答になり、すなわち、線Ｅで示されるように２つの作用をほぼ完全に中和する。
二つのチャネルのうちどちらがヴェルデ定数補正にふさわしいかの決定は、与えられたアセンブリ構造では経験による。センサは、ある長さのＰＭファイバーを検知コイルの出力に添え継ぎして、ＰＭファイバーの軸を検知コイルの入力でＰＺファイバーの軸に対して４５°の角度でバイアスすることによって製造される。偏光ビームスプリッターを使用して、ＰＭファイバーの速い軸を通る光とＰＭファイバーの遅い軸を通る光とを分ける。これらの軸の一方は＋４５°のバイアス角度で調節され（チャネル１）、他方は−４５°のバイアス角度で調節される（チャネル２）。これらのチャネルは、交流電流に対する各チャネルの位相を測定することによって、弁別可能である。次に、両チャネルをモニターしながらセンサを温度循環する。入力ＰＺと出力ＰＭ軸との間の角度が少量、Δ（Ｔ）だけ変化すると、電流に対するチャネル１の応答は＋１からtan（４５°＋Δ（Ｔ））に変化し、電流に対するチャネル２の応答は−１からtan（−４５°＋Δ（Ｔ））に変化する。バイアス角度の変化Δ（Ｔ）が温度変化に対して正勾配であると、チャネル１は電流に対して上昇応答を有し、チャネル２は電流に対して減少応答を有する。一般的なファイバーオプチック波長（７００nm〜１５００nm）で石英ガラスにおけるヴェルデ定数の温度依存によって、温度が上がると電流に対するセンサの応答が上昇する。ヴェルデ定数の変化による電流に対するセンサの応答とバイアス角度との組み合わせ効果により、（この例では）チャネル１は定温度値からチャネル２よりも大きい偏差を有する。ヴェルデ定数変化へ最良の補正を示すチャネルに注意する。ＰＺファイバーの一片をＰＭファイバーの自由端に接続して、好適なチャネルを検出器へ伝達するために調節される。結果として得られるファイバーオプチック電流検知器は改良された温度応答を有するため、先行技術が二重検知器装置であるのに対し、一つの検知器のみでよい。あるいは、同一設計で複数のセンサが製造されるならば、バイアス角度の変化は、与えられたセンサパッケージ設計の温度に対し常に同一の応答をする。そのような場合、どのチャネルの温度応答がもっとも少ないかを経験的に決定することができ（例えば、チャネルは＋４５°または−４５°でバイアスされる）、ＰＭファイバーを使用して異なるチャネル応答を測定する中間ステップを削除することができ、ＰＺ出力ファイバーを適切な角度で検知コイルに添え継ぎすることができる。
本発明に使用されるファイバーの好適な型は、コネチカット州、West Havenの3M Specialty Optical Fibersから市販されている。ＰＭファイバーは部品番号FS-PM-4611/200SA（動作波長820nm）で市販されており、ＰＺファイバーは部品番号FS-PZ-4611/200SA（動作波長850nm）で市販されている。コイル３０にアニールされたファイバーはFS-SM-4611（動作波長780nm）である。これは、レーザ光源からシングルモードファイバーに使用される。ブロック３８、４０は顕微鏡スライドから形成され、１／８”×１／２”×１mm片に切断される水晶板であることが好ましい。アルミノケイ酸塩基板３６は、ニューヨーク州、YonkersのAC Technologiesから調達した部品番号ACMA-1100である。ファイバーの接着に使用するのに適切なグルー４２は、ニュージャージー州、New BrunswickのNorland Productsが販売する紫外線硬化エポキシNOA #72である。ブロック３８、４０を基板３６に接着するのに適切なグルーは、コネチカット州、DanburyのElectronic Materialsが販売の部品番号XP1060-930-45-1Aである。光源２２用のレーザダイオード光学パッケージは、イギリス、ウィンチェスターのPoint Source Ltd.から得た部品番号LDS-Pz-3-K-780-0 5-TEである。Point Source Ltd.パッケージに含まれる代替超発光ダイオードは、カナダ、VaudreuilのEG&G Optoelectronicsが製造した。好適な検出器３４は、フロリダ州、OrlandoのGraseby Optronicsの販売のケイ素光検出器モデル番号２６０である。
本発明は特定の実施態様に関して説明しているが、この説明は限定された意味で解釈するものではない。開示された実施態様の種々の変形例及び本発明の別の実施態様は、本発明の詳細を参照すれば当業者には明らかである。従って、そのような変形例は、添付の請求の範囲によって規定される本発明の精神及び範囲から逸脱せずに作られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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