(57)【要約】【課題】少ない部品点数で、且つシングルモード光ファイバを伝送路に使用可能とすること。【解決手段】光源11、その光を伝播する光導波路20、光導波路20の光を無偏光化する無偏向子31、無偏向子31の光を直線偏光化する偏光子32、偏光子32の光を２つの独立直線偏光化する偏波面保持ファイバ33、偏光子32の光を右回り、左回りの各円偏光化する1/4波長板34、1/4波長板34の光で被測定電流SCの磁界を感知するセンサファイバ35、該ファイバ35終端で光を反射して再び該ファイバ35を通過させるミラー36、ファイバ35、偏光子32、無偏向子31、光導波路20を進んだ光量を検出する光検出器13、その光量から被測定電流SCの大きさを算出する演算回路15、及び該ファイバ35内を折返す右回り、左回りの各円偏光に相対的に略±π/4何れかの位相差を与えるファラデー回転子(磁石)37を備える。【選択図】図１
2016197023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を伝播する光導波路と、
前記光導波路と光学的に接続され、前記光導波路からの光を無偏光化する無偏光素子と、
前記無偏光素子と光学的に接続され、前記無偏光素子からの光を直線偏光に変換する偏光子と、
前記偏光子と方位角略４５度で光学的に接続され、２つの独立した直線偏光に変換する偏波面保持ファイバと、
前記偏波面保持ファイバと方位角略４５度で光学的に接続され、前記偏光子からの光を右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換する１／４波長板と、
前記１／４波長板に光学的に接続された、被測定電流の磁界を感知するファラデー素子と、
前記ファラデー素子を通過した光を反射して再び前記ファラデー素子を通過させるミラーと、
前記光導波路と光学的に接続され、前記ファラデー素子、偏光子、無偏光素子、光導波路の順に進んだ光の光量を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果から被測定電流の大きさを演算する信号処理回路と、
前記ファラデー素子内を折り返す右回り円偏光と左回り円偏光のそれぞれに相対的に略π／４、または略−π／４の位相差を与える光学的手段と
を備えたことを特徴とする交流用光電流センサ。
【請求項２】
前記光学的手段は、ファラデー素子の周りに配置した磁石で構成したことを特徴とする請求項１記載の交流用光電流センサ。
【請求項３】
前記光学的手段は、ファラデー素子の周りに配置した複数の磁石で構成し、それら複数の磁石間の距離により、ファラデー素子内を折り返す右回り円偏光と左回り円偏光のそれぞれに対する相対的位相差を調整することを特徴とする請求項２記載の交流用光電流センサ。
【請求項４】
前記光学的手段は、ファラデー素子の周りに配置した円筒状の磁石で構成したことを特徴とする請求項２記載の交流用光電流センサ。
【請求項５】
前記光学的手段は、ファラデー素子の周りに配置した半割の円筒状の磁石で構成したことを特徴とする請求項２記載の交流用光電流センサ。
【請求項６】
前記光学的手段は、ファラデー素子端部の前記ミラーの周囲に配置した磁石で構成したことを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載の交流用光電流センサ。
【請求項７】
前記光学的手段は、ファラデー素子の周りに周回配置した導体に電流を流すことを特徴とする請求項１記載の交流用光電流センサ。
【請求項８】
前記光導波路にシングルモード光ファイバを用いることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の交流用光電流センサ。
【請求項９】
前記信号処理回路は、前記光検出器の受光量の交流成分から被測定電流の大きさを演算することを特徴とした請求項１乃至８いずれか記載の交流用光電流センサ。
【請求項１０】
前記信号処理回路は、前記光検出器の受光量の交流成分と直流成分を演算し、前記交流成分を前記直流成分で規格化して、被測定電流の大きさを演算することを特徴とした請求項１乃至９いずれか記載の交流用光電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデー素子を用いた交流用光電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファラデー素子を用いた干渉型光電流センサとしては、下記特許文献１記載の「サニャック干渉型光電流センサ」や下記特許文献２記載の「光電式電流センサーのセンサーヘッドの製造方法」が知られている。いずれの光電流センサも、センサ部分は１／４波長板とファラデー素子としてのセンサファイバで構成された、位相変調法を用いた光電流センサの構成となっている。
【０００３】
図７は、特許文献１記載のサニャック干渉型光電流センサの構成を示す。同図で、サニャック干渉型光電流センサは、光源駆動回路１０１、光源１０２、ファイバカプラ１０３、光学フィルタ１０４、位相変調子１０５、余長コイル、検出器１０６、同期検波回路１０７、位相変調子駆動回路１０８、及び演算回路１０９が設けられた信号処理ユニット１００を備えている。また、送光ファイバ２００を介して、この信号処理ユニット１００と繋がれる、１／４波長板３０１、センサファイバ３０２、及び鏡３０３を有するヘッド部３００を備えている。
【０００４】
図８は、特許文献２記載のサニャック構成の電流または磁場センサの構成を示す。同図で、センサヘッド４００内に、電流導体Ｓ、この電流導体Ｓにコイル状の取り巻く磁気光学作用を持つファイバでなるセンサ部品４０１、このセンサ部品４０１の両端に接続された第１の位相差部品４０２及び第２の位相差部品４０３を備えている。また、このセンサヘッド４００の第１の位相差部品４０２及び第２の位相差部品４０３と、２本の送光ファイバ５０１，５０２を介して、送信・評価ユニット６００が繋がれる。この送信・評価ユニット６００は、光源６０１、第１のファイバカップラ６０２、ファイバ偏波器６０３、第２のファイバカップラ６０４、位相変調器６０５、検出器６０６、及び信号処理装置６０７を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２２９４８号公報
【特許文献２】特表２００５−５１７９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１，２に記載されたいずれの光電流センサも、位相変調子のような高価な光学部品が必要な構成となっており、光学構成が複雑となるという不具合がある。
【０００７】
前記図７で示した光電流センサの場合、信号処理部１００とセンサヘッド部３００を繋ぐ送光ファイバ２００は１本であるが、単価が高価な偏波面保持ファイバを用いる必要があるため、信号処理部１００とセンサヘッド２００との間の距離が長距離になる場合、装置全体の価格がきわめて高価になるという不具合がある。
【０００８】
前記図８の光電流センサの場合は、さらに信号処理部である送信・評価ユニット６００と、センサヘッド４００とを２本の偏波面保持ファイバによる送光ファイバ５０１，５０２で繋ぐ必要があるという不具合がある。
【０００９】
以上のように従来の光電流センサは、部品点数が多く、複雑で価格も高価な構成となるという不具合があった。
【００１０】
本発明は前記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、部品点数が少なく、シンプルな光学構成を採ると共に、信号処理部と光センサ部とを結ぶ送光ファイバにシングルモード光ファイバを用いることで、信号処理部と光センサ部との間が長距離となる場合でも全体で安価な構成となる交流用光電流センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態に係る交流用光電流センサは、光源と、前記光源からの光を伝播する光導波路と、前記光導波路と光学的に接続された、前記光導波路からの光を無偏光化する無偏光素子と、前記無偏光素子と光学的に接続された、前記無偏光素子からの光を直線偏光に変換する偏光子と、前記偏光子と方位角約４５度で光学的に接続された、２つの独立した直線偏光に変換する偏波面保持ファイバと、前記偏波面保持ファイバと方位角約４５度で光学的に接続された、前記偏光子からの光を右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換する１／４波長板と、前記１／４波長板に光学的に接続された、被測定電流の磁界を感知するファラデー素子と、前記ファラデー素子を通過した光を反射して再び前記ファラデー素子を通過させるミラーと、前記光導波路と光学的に接続された、前記ファラデー素子、偏光子、無偏光素子、光導波路の順に進んだ光の光量を検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果から被測定電流の大きさを演算する信号処理回路と、前記ファラデー素子内を折り返す右回り円偏光と左回り円偏光のそれぞれに相対的に略π／４、または略−π／４の位相差を与える光学的手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、部品点数が少なく、シンプルな光学構成を採ると共に、信号処理部と光センサ部とを結ぶ送光ファイバにシングルモード光ファイバを用いることで、信号処理部と光センサ部との間が長距離となる場合でも全体で安価な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る光電流センサ全体の回路構成を示す図。
【図２】同実施形態に係るセンサファイバの終端のミラーとファラデー回転子の構成例を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る光電流センサ全体の回路構成を示す図。
【図４】同実施形態に係るセンサファイバの終端のミラーとファラデー回転子の構成例を示す図。
【図５】同実施形態に係るファラデー回転子の他の構成例を示す図。
【図６】同実施形態に係るファラデー回転子の他の構成例を示す図。
【図７】一般的なサニャック干渉型光電流センサの構成を示す図。
【図８】一般的なサニャック構成の電流または磁場センサの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。  
［第１の実施形態］  
図１は、第１の実施形態に係る光電流センサの全体構成を示す図である。同図で、信号処理部１０とセンサ部３０が光ファイバ２０で接続される。信号処理部１０の光源１１には、干渉性の少ないＳＬＤ光源やＡＳＥ光源が使用される。この光源１１に、光導波路であるシングルモードの前記光ファイバ２０が結合され、信号処理部１０の光源１１が出射した光がセンサ部３０に伝送される。センサ部３０からの光信号を信号処理部１０内の光検出器１３で検出するため、信号処理部１０側では光源１１と光検出器１３の間に光分岐手段である光ファイバカプラ１４を介在させる。
【００１５】
センサ部３０に入射した光は、偏波面保持ファイバの長さが約１：２の比で、かつ偏波面保持ファイバ同士の方位角の差が約４５度となるように接続されたリオ型のデポラライザ（無偏光子）３１を通過して無偏光化された後、ファイバ偏光子３２により直線偏光に変換される。
【００１６】
なお、ファイバ偏光子３２の前段に前記デポラライザ３１を挿入することで、偏光子３２に入射する光の偏光状態によって、前記偏光子３２が変換した直線偏光の光強度に変化が生じることを抑制できる。偏光子３２で変換した直線偏光は、偏光子３２と方位角が約４５度傾いて光学的に接続、例えば融着接続された、偏波面保持ファイバ３３に導かれる。
【００１７】
前記ファイバ偏光子３２のセンサファイバ側リード部と前記偏波面保持ファイバ３３とでリオ型デポラライザを構成するように予め長さを設定しておくことで、前記偏波面保持ファイバ３３を出射する光は、互いに相関のない、独立した２つの直線偏光となる。
【００１８】
さらに前記偏波面保持ファイバ３３と１／４波長板３４とが、方位角約４５度で光学的に接続される。偏波面保持ファイバ３３を出た２つの直線偏光は、この１／４波長板３４でそれぞれ右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換される。
【００１９】
それぞれの円偏光は、その後、ファラデー素子であるセンサファイバ３５に導かれる。このセンサファイバ３５は、石英ファイバや鉛ガラスファイバ等で構成されるもので、被測定電流ＳＣを中心に周回するように配置されて、ファイバ終端面に形成されたミラー３６が前記１／４波長板３４とほぼ同じ位置になるように設置される。前記ミラー３６は、センサファイバ３５の終端面部に金属膜を形成してなる。
【００２０】
図２に示すように、前記センサファイバ３５の任意の位置、例えばセンサファイバ３５の終端側のミラー３６を包含する位置に、例えば円筒状の磁石で構成されたファラデー回転子３７をセンサファイバ３５と同軸的に設置する。ここでは、センサファイバ３５終端で被覆を除いてクラッドが露出した部分を覆うようにして円筒形状のファラデー回転子３７を設けることで、金属膜で形成された前記センサファイバ３５をファラデー回転子３７により保護する一方で、センサファイバ３５を往復する左右両円偏光のそれぞれに、約π／４または約−π／４の位相差を生じさせることができる。
【００２１】
前記図２は、円筒状の磁石３７でミラー３６を保護する構成を例示したものであるが、ミラー３６の形成された終端位置を外し、センサファイバ３５の他の位置にファラデー回転子３７を設置してもよい。ファラデー回転子３７が与える位相差は、円筒状の磁石の中心部の磁界強度で決定されるため、当該磁石は予め所定の磁界強度となるように構成されているものとする。
【００２２】
前記ミラー３６での反射によりセンサファイバ３５を往復したそれぞれの円偏光は１／４波長板３４でそれぞれ２つの直線偏光に変換され、偏波面保持ファイバ３３を通過した後、ファイバ偏光子３２で両直線偏光間の干渉光に変換される。このファイバ偏光子３２を出射した干渉光は、デポラライザ３１、光ファイバ２０を介し、さらに信号処理部１０側の光ファイバカプラ１４を介して光検出器１３まで導かれる。
【００２３】
光検出器１３は、干渉光強度に比例した電気信号を検出して演算回路１５に出力する。演算回路１５は、光検出器１３の出力により、干渉光強度の直流成分に比例した電気信号と干渉光強度の交流成分に比例した電気信号とをそれぞれ抽出し、それらから前記被測定電流ＳＣにおける交流電流の大きさを求めて外部に出力する。
【００２４】
次に同実施形態での動作について説明する。  
上記ミラー３６での反射によりセンサファイバ３５を往復したそれぞれの円偏光は、１／４波長板３４でそれぞれ２つの直線偏光に変換され、偏波面保持ファイバ３３を通過した後、ファイバ偏光子３２で両直線偏光間の干渉光に変換される。偏光子３２を出射した干渉光は、デポラライザ３１、光ファイバ２０を介して、信号処理部１０の光検出器１３まで導かれる。
【００２５】
この際、光検出器１３で検出される干渉光強度Ｐは、次式のようになる。すなわち、  
Ｐ＝ｋ・(１±sin(４θf))                                    …（１）  
（但し、ｋ：比例定数。）  
光検出器１３では、前記（１）式で示した干渉光強度Ｐに比例した電気信号を演算回路１５に出力する。演算回路１５では、被測定電流（交流電流）の周波数より小さな周波数を遮断周波数とする低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を通過させることで、干渉光強度Ｐの直流成分に比例した電気信号（直流電圧）Ｖdcを取り出すと共に、被測定電流（交流電流）の周波数より小さな周波数を遮断周波数とする高域通過フィルタ（ＨＰＦ）を通過させることで、干渉光強度Ｐの交流成分に比例した電気信号（交流電圧）Ｖacを取り出す。
【００２６】
ここで取り出される交流電圧Ｖacと直流電圧Ｖdcの関係は、次式で表される。  
Ｖac∝sin(４θf)＝sin(４ｎＶＩ）                            …（２）  
したがって、θf＜＜１となる電流領域では、Ｖac∝Ｉとなり、交流電圧Ｖacが被測定電流の大きさ（Ｉ）に比例した出力を得ることができるため、交流電流の大きさを求めることができる。
【００２７】
また直流電圧Ｖdcは、光源１１での発光光量に比例した値であるため、Ｖac／Ｖdcを演算する除算器を前記演算回路１５内に設けることで、光源１１での発光光量に依存しない
Ｖac／Ｖdc∝sin(４θf)＝sin(４ｎＶＩ)                        …（３）  
なる関係を得ることができる。
【００２８】
したがって、θf＜＜１となる電流領域では、Ｖac／Ｖdc∝Ｉとなり、被測定電流の大きさＩに比例した出力を得ることができることから、光源１１での発光光量に依存せずに、交流電流の大きさを求めることができる。
【００２９】
以上詳述した如く前記実施形態によれば、光学部品の点数が少なく、簡素な構成で安価な光電流センサを提供することができる。
【００３０】
また前記実施形態では、ファラデー素子であるセンサファイバ３５内を折り返す右回り円偏光と左回り円偏光のそれぞれに相対的に約π／４、または約−π／４の位相差を与えるファラデー回転子３７として磁石を用いるものとしたので、予め所定の磁界強度となるように構成された磁石により容易にファラデー回転子を実現できる。
【００３１】
加えて前記ファラデー回転子３７として円筒形状の磁石を用いるものとした場合、磁石の中心軸位置にセンサファイバ３５を配置して磁石との距離を一様にできるため、均一な磁界下で必要な位相差を精度良く与えることができる。
【００３２】
さらに前記円筒形状の磁石によるファラデー回転子３７は、センサファイバ３５終端のミラー３６を形成した部分を覆うようにして配置したことにより、例えばファイバ終端面への金属蒸着等によって形成されるミラー３６のカバーとしてミラー３６の破損等を回避できる。
【００３３】
また前記実施形態では、信号処理部１０と光ファイバ２０とを接続する光導波路にシングルモードの光ファイバ２０を用いるものとしたので、光ファイバとして単価が非常に安価であり、信号処理部１０と光ファイバ２０の間の距離を大きく設定しなければならないセンサシステムでもシステム全体を安価に構築できる。
【００３４】
前記実施形態の信号処理部１０は、光検出器１３での受光量の交流成分から被測定電流の大きさを演算するものとしたので、被測定電流のサイン関数に比例した値となり、信号処理部１０の回路構成を簡素化して安価に構築できる。
【００３５】
さらに前記実施形態の信号処理部１０では、光検出器１３の受光量の交流成分と直流成分を演算し、前記交流成分を前記直流成分で規格化することで被測定電流の大きさを演算するものとした。そのため、当該直流成分が光源１１での発光量に比例した値となり、光源１１の発光量の変動に影響を受けずに被測定電流を算出でき、電流の測定精度を向上できる。
【００３６】
［第２の実施形態］  
図３は、第２の実施形態に係る交流用光電流センサの全体構成を示す図である。前記図１と同一部分には同一符号を用いるものとして、それらの説明については省略するものとする。  
前記図１に示した構成との差異は、信号処理部１０′において、光源１１の近傍に、例えばフォトダイオード等で構成される光検出器１３を設置することにより、センサ部３０からの光が光源１１を通過して光検出器１３まで届く構成を採る。
【００３７】
このような構成とすることで、前記図１の光ファイバカプラ１４を使用する必要性がなくなり、より簡素化した交流用光電流センサが構築できる。
【００３８】
また図４に示すように、本実施形態ではファラデー回転子３７として前記図２に示した構成と異なり、例えば２枚の板状の磁石を用いた構成を例示する。同図において、２枚の板状の磁石３７Ａ，３７Ａを、センサファイバ３５終端のミラー３６形成部を含む範囲を挟むように配置している。
【００３９】
これら磁石３７Ａ，３７Ａ間の距離を調整して、磁石３７Ａ，３７Ａの間に挟まれて位置するセンサファイバ３５での磁界強度を調整することで、結果としてセンサファイバを往復する左右両円偏波に対して容易に約π／４、または約−π／４の位相差を与えることができる。なお、磁石３７Ａ，３７Ａの形状や個数は、上記図４に記載した内容に固定される必要はなく、センサファイバ３５に一様な磁界を与えるものであれば、形状や個数はどのようなものでも良い。
【００４０】
以上詳述した如く前記実施形態によれば、前記第１の実施形態での効果に加えて、複数、例えば２つの磁石３７Ａ，３７Ａをセンサファイバ３５を挟むように配置してファラデー回転子を構成するものとしたので、それぞれの磁石とセンサファイバ３５との距離により、センサファイバ３５内を折り返す両円偏光に対する相対的位相差を調整することができ、結果として精度良く位相差を与えることができる。
【００４１】
［ファラデー回転子の他の構成例］  
図５及び図６は、前記図２及び図４に代わる、ファラデー回転子３７の他の構成例を示す図である。  
図５は、軸方向に沿った切欠きを有して断面がＣ字状となる円筒状磁石３７Ｂをファラデー回転子として用いた例を示している。磁石に対する磁力線の染み込み時間（スキンタイム）が問題となる場合、上記切欠きを有する構成とすることで、磁力線が該切欠き部分を介して円筒状磁石の内部に効率的に染み込み、センサファイバ３５内を往復する左右両円偏波に容易に約π／４、または約−π／４の位相差を与えることができる。
。
【００４２】
図６は、センサファイバ３５を中心として、コイル状に巻回した導体による電磁石３７Ｃをファラデー回転子として用いた例を示している。ファラデー回転子となる電磁石３７Ｃに流す電流の大きさを適切に調整することで、容易にセンサファイバ３５内を往復する左右両円偏波に、約π／４、または約−π／４の位相差を与えることができる。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１０′…信号処理部、
１１…光源、
１３…光検出器、
１４…光ファイバカプラ、
１５…演算回路、
２０…シングルモード光ファイバ、
３０…センサ部、
３１…デポラライザ、
３２…ファイバ偏光子、
３３…偏波面保持ファイバ、
３４…１／４波長板、
３５…センサファイバ、
３６…ミラー、
３７，３７Ａ〜３７Ｃ…ファラデー回転子（磁石）。
【図１】
2016197023.tif 000003
【図２】
2016197023.tif 000004
【図３】
2016197023.tif 000005
【図４】
2016197023.tif 000006
【図５】
2016197023.tif 000007
【図６】
2016197023.tif 000008
【図７】
2016197023.tif 000009
【図８】
2016197023.tif 000010