(57)【要約】【課題】感度が高く且つノイズの影響を低減することが可能な電流計測装置を提供する。【解決手段】被測定電流より高周波の変調レーザ光を出力するレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を一端から入射して伝送する偏波保持ファイバと、偏波保持ファイバにより伝送された振動方向が互いに直角な２つの直線偏波をそれぞれ回転方向の異なる２つの円偏波に変換する第１のλ／４波長板と、被測定電流が流れる導体の周囲に周回配置され、前記２つの円偏波を往復伝送して、被測定電流の大きさに応じたファラデー回転を与えて第１のλ／４波長板の側へ出射する光ファイバセンサと、前記２つの円偏波が第１のλ／４波長板と偏波保持ファイバとを通過して出射される２つの直線偏波を２つの楕円偏波に変換する第２のλ／４波長板と、前記２つの楕円偏波を入射してファラデー回転に応じた比率の振幅を有する２つの直線偏波を出射する検光子と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流の周波数より高周波で変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を一端から入射して伝送する偏波保持ファイバと、
前記偏波保持ファイバにより伝送された振動方向が互いに直角な２つの直線偏波をそれぞれ回転方向の異なる２つの円偏波に変換する第１のλ／４波長板と、
前記被測定電流が流れる導体の周囲に周回配置され、前記２つの円偏波を往復伝送して、該２つの円偏波に前記被測定電流の大きさに応じたファラデー回転を与えて前記第１のλ／４波長板の側へ出射する光ファイバセンサと、
前記２つの円偏波が前記第１のλ／４波長板と前記偏波保持ファイバとを通過して前記偏波保持ファイバから出射される２つの直線偏波を、前記ファラデー回転に応じた２つの楕円偏波に変換する第２のλ／４波長板と、
前記２つの楕円偏波を入射して前記ファラデー回転に応じた比率の振幅を有する２つの直線偏波を出射する検光子と、
前記検光子から出射された２つの直線偏波の振幅に基づいて前記被測定電流を求める計測手段と、
を備えることを特徴とする電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流計測装置に関し、特に、ファラデー効果を利用した光ファイバセンサによって電流を計測する電流計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力設備の監視等を行う電流測定装置として、光ファイバをセンサに用いた電流計測装置が注目されている。
この電流計測装置では、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中を伝搬する光に偏波面の回転（ファラデー回転）が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度（ファラデー回転角）は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。
【０００３】
図３は、従来例における電流計測装置の構成を示した図である（特許文献１参照）。
同図において、電流計測装置は、光サーキュレータ１１９と、偏光分離素子１１８と、ファラデー回転子１０２と、センサファイバ１１１と、を有している。センサファイバ１１１は、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。そして、センサファイバ１１１の一端にはファラデー回転子１０２が取り付けられ、他端には金属薄膜の蒸着等によって反射部（ミラー）１１１Ａが形成されている。また、ファラデー回転子１０２と偏光分離素子１１８、偏光分離素子１１８と光サーキュレータ１１９はそれぞれ光ファイバで接続され、光サーキュレータ１１９は、光源１１２からの光がセンサファイバ１１１側へ透過する向きに接続される。
【０００４】
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源１１２から発せられた光が、送光ファイバ１７１および光サーキュレータ１１９を介して偏光分離素子１１８へ入射される。
この光は、偏光分離素子１１８によって電界の振動方向が一方向（偏光分離素子１１８の主軸方向）にそろった直線偏光に変換されて、ファラデー回転子１０２へ入力される。ファラデー回転子１０２は、永久磁石１０４と、この永久磁石１０４によって磁気飽和させられた強磁性体結晶である強磁性ガーネット１０３とからなり、強磁性ガーネット１０３を通過する光に片道２２．５度のファラデー回転を付与する。ファラデー回転子１０２を出た直線偏光は、センサファイバ１１１へ入力され、センサファイバ１１１の周回部分において、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転する。
【０００５】
センサファイバ１１１を伝搬する光は、さらに反射部１１１Ａで反射されて再び周回部分を通りファラデー回転を受け、ファラデー回転子１０２へ入力される。ファラデー回転子１０２を再び通過することでさらに２２．５度のファラデー回転が与えられる。ファラデー回転子１０２を通過した光は、再び偏光分離素子１１８へと導かれ、偏光方向の互いに直交（偏光分離素子１１８の主軸方向とそれに垂直な方光）する２つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は光サーキュレータ１１９と受光ファイバ１７２Ａを介して受光素子１１３Ａによって受光され、電気信号Ｓ１に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ１７２Ｂを介して受光素子１１３Ｂによって受光され、電気信号Ｓ２に変換される。
【特許文献１】特許第３６８５９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の電流計測装置による電流測定の感度を向上させることが望まれている。ここで、ファラデー回転角θは、ベルデ定数をＶ、磁界の強さをＨ、光路長をＬとすると、
θ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ
と表される。ベルデ定数Ｖは、センサファイバの材質によって決まる定数であり、光の波長の２乗に逆比例することが知られている。したがって、例えば従来使用されていた波長１５５０ｎｍ帯の光に代えて６３０ｎｍ帯の光を測定に使用すれば、ベルデ定数が大きくなるので電流測定の感度を向上させることが可能である。
【０００７】
しかしながら、波長を１５５０ｎｍ帯から６３０ｎｍ帯に変更する場合、次の技術的な課題がある。
１つの課題は、６３０ｎｍ帯の光源として半導体レーザを使用することである。従来の電流計測装置では、１５５０ｎｍ帯の光源として干渉性の低いＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源を用いていたが、半導体レーザは干渉性が高いため、図３のような反射を利用した光学系では戻り光によりレーザの発振が不安定となって出力変動が生じ、ノイズの原因となってしまう。
もう１つの課題は、ファラデー回転子は６３０ｎｍ帯では不透明であるため、図３のような光学系を用いることができないことである。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度が高く且つノイズの影響を低減することが可能な電流計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、被測定電流の周波数より高周波で変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を一端から入射して伝送する偏波保持ファイバと、前記偏波保持ファイバにより伝送された振動方向が互いに直角な２つの直線偏波をそれぞれ回転方向の異なる２つの円偏波に変換する第１のλ／４波長板と、前記被測定電流が流れる導体の周囲に周回配置され、前記２つの円偏波を往復伝送して、該２つの円偏波に前記被測定電流の大きさに応じたファラデー回転を与えて前記第１のλ／４波長板の側へ出射する光ファイバセンサと、前記２つの円偏波が前記第１のλ／４波長板と前記偏波保持ファイバとを通過して前記偏波保持ファイバから出射される２つの直線偏波を、前記ファラデー回転に応じた２つの楕円偏波に変換する第２のλ／４波長板と、前記２つの楕円偏波を入射して前記ファラデー回転に応じた比率の振幅を有する２つの直線偏波を出射する検光子と、前記検光子から出射された２つの直線偏波の振幅に基づいて前記被測定電流を求める計測手段と、を備えることを特徴とする電流計測装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、偏波保持ファイバと、第１のλ／４波長板と、第２のλ／４波長板と、検光子とを用いる構成を採用したことにより、従来用いていたファラデー回転子を不要にすることができ、測定に使用する光源の波長を短波長にすることが可能になる。これにより、光の波長の２乗に逆比例するベルデ定数が大きくなるので、ファラデー回転角も大きくなり、電流の測定感度を向上させることができる。また、半導体レーザを高周波で変調したので、戻り光による出力の不安定化を抑制することができ、ノイズの影響を受けにくい電流測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る電流計測装置ＣＴの構成概略図である。なお、以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。このＸＹＺ直交座標系では、後述する半導体レーザ１の出射光軸ＡＸと略平行な方向がＺ軸に設定され、出射光軸ＡＸと略直交し且つ基準平面に略平行な方向がＸ軸に設定され、Ｘ軸と略直交し且つ基準平面に略垂直な方向がＹ軸に設定されている。本実施形態では、基準平面を水平面と想定する。
【００１２】
図１に示すように、本電流計測装置ＣＴは、半導体レーザ１、偏光子２、ハーフミラー３、偏波面保持ファイバ４、第１のλ／４板５、光ファイバセンサ６、反射ミラー７、第２のλ／４板８、検光子９、第１のフォトダイオード１０、第２のフォトダイオード１１、及び信号処理回路１２から構成されている。
【００１３】
半導体レーザ１は、波長６３０ｎｍ帯のレーザ光を出射光軸ＡＸに沿って出射する。半導体レーザ１の駆動電流には高周波電流を重畳させ、出射されるレーザ光のスペクトル幅を広げることにより、戻り光に対するレーザ出力の安定化を図る。ここで、例えば測定対象の電流の周波数を１０ＭＨｚとすると、半導体レーザ１の駆動電流の周波数はそれよりも十分に高い２００〜３００ＭＨｚとすることが望ましい。一例として、図２に高周波変調した場合としない場合それぞれの半導体レーザ１の出力光のスペクトルを示す。
【００１４】
偏光子２は、半導体レーザ１の出射光軸ＡＸ上に設けられ、半導体レーザ１から入射されたレーザ光を、Ｘ軸方向に振動する直線偏波ｘとして出射する。ハーフミラー３は、出射光軸ＡＸ上において偏光子２の後段に設けられ、上記の直線偏波ｘを出射光軸ＡＸに沿って透過する一方、出射光軸ＡＸに沿って自身の後段側（偏波面保持ファイバ４の一端）から入射される直線偏波ａ’及びｂ’をＸ軸方向に反射する。
【００１５】
偏波面保持ファイバ４は、直線偏波状態を保持しつつ光を伝送することの可能な光ファイバ（いわゆるＰＭＦ；Polarization Maintaining Fiber）であり、出射光軸ＡＸ上においてハーフミラー３の後段に設けられ、一端が上記直線偏波ｘの入射側となるように配置されている。この偏波面保持ファイバ４は、その主軸（ｆａｓｔ軸及びｓｌｏｗ軸）が上記直線偏波ｘの振動方向（つまりＸ軸方向）に対して４５°傾いた状態で配置されており、入力された光をｆａｓｔ軸方向に振動する直線偏波及びｓｌｏｗ軸方向に振動する直線偏波として伝送する。
【００１６】
第１のλ／４板５は、偏波面保持ファイバ４における他端の後段に設けられると共に、その主軸が偏波面保持ファイバ４の主軸に対して４５°の傾きを有して配置され、偏波面保持ファイバ４の上記他端から出射され偏波面保持ファイバ４のｓｌｏｗ軸方向に振動する直線偏波ａを円偏波Ｒ１に変換し、偏波面保持ファイバ４の上記他端から出射され偏波面保持ファイバ４のｆａｓｔ軸方向に振動する直線偏波ｂを円偏波Ｌ１に変換する一方、自身の後段側（光ファイバセンサ６の一端）から入射される反射円偏波Ｒ１’を上記直線偏波ｂ’に変換し、反射円偏波Ｌ１’を上記直線偏波ａ’に変換する。
【００１７】
光ファイバセンサ６は、例えば鉛ガラス製の光ファイバであり、第１のλ／４板５の後段に設けられ、その一端を上記円偏波Ｒ１及び円偏波Ｌ１の入射側とし、被計測電流Ｉ１が流れる導体Ｔ１の外周に周回配置されている。反射ミラー７は、光ファイバセンサ６における他端の後段に設けられ、光ファイバセンサ６の他端から出射される円偏波Ｒ１を反射円偏波Ｒ１’として光ファイバセンサ６の他端に向けて反射し、円偏波Ｌ１を反射円偏波Ｌ１’として光ファイバセンサ６の他端に向けて反射する。
【００１８】
第２のλ／４板８は、ハーフミラー３における直線偏波ａ’及び直線偏波ｂ’の反射光軸上（Ｘ軸上）に設けられると共に、主軸がＺ軸に対して４５°の傾きを有して配置され、直線偏波ａ’を楕円偏波Ｌ２に変換し、直線偏波ｂ’を楕円偏波Ｒ２に変換する。
【００１９】
検光子９は、例えば直方体の偏光プリズムであり、ハーフミラー３の反射光軸上において第２のλ／４板８の後段に設けられると共に、第１の透過軸（主軸）と当該第１の透過軸に略直交する第２の透過軸を有し、前記第１の透過軸がＺ軸に略平行（つまり水平面に対して０°）になるように配置されている。また、この検光子９は、第１の透過軸に対応する第１の透過光を第１のフォトダイオード１０に出射し、また、第２の透過軸に対応する第２の透過光を第２のフォトダイオード１１に出射する。
【００２０】
第１のフォトダイオード１０は、上記第１の透過光を受光して当該第１の透過光の強度に応じた第１の電気信号を信号処理回路１２に出力する。第２のフォトダイオード１１は、上記第２の透過光を受光して当該第２の透過光の強度に応じた第２の電気信号を信号処理回路１２に出力する。信号処理回路１２は、上記第１及び第２の電気信号に基づいて被計測電流Ｉ１の電流値を算出する。
【００２１】
次に、このように構成された本電流計測装置ＣＴの動作について説明する。
まず、半導体レーザ１から出射されたレーザ光は、偏光子２を透過することによってＸ軸方向に振動する直線偏波ｘとなり、ハーフミラー３を介して偏波面保持ファイバ４の一端に入射される。
【００２２】
偏波面保持ファイバ４の一端に入射された直線偏波ｘは、偏波面保持ファイバ４のｓｌｏｗ軸方向に振動する直線偏波ａ及びｆａｓｔ軸方向に振動する直線偏波ｂとして偏波面保持ファイバ４の他端まで伝送され、当該他端から第１のλ／４板５に出射される。ここで、この第１のλ／４板５は、主軸が偏波面保持ファイバ４の主軸に対して４５°の傾きを有して配置されているため、上記直線偏波ａは第１のλ／４板５の入射側（偏波面保持ファイバ４側）から見て右回りの円偏波Ｒ１に変換され、直線偏波ｂは左回りの円偏波Ｌ１に変換される。
【００２３】
これら円偏波Ｒ１及び円偏波Ｌ１は、光ファイバセンサ６の一端に入射されると共に光ファイバセンサ６の他端まで伝送され、当該他端から反射ミラー７に向かって出射される。反射ミラー７に入射された円偏波Ｒ１及び円偏波Ｌ１は、反射ミラー７によって反射され、反射された円偏波Ｒ１（反射円偏波Ｒ１’とする）及び円偏波Ｌ１（反射円偏波Ｌ１’とする）は再度光ファイバセンサ６の他端に入射される。そして、光ファイバセンサ６の他端に入射された反射円偏波Ｒ１’及び反射円偏波Ｌ１’は、光ファイバセンサ６の一端から第１のλ／４板５に出射される。
【００２４】
ここで、反射円偏波Ｒ１’は、反射ミラー７側から見ると左回りの円偏波なので、第１のλ／４板５によって偏波面保持ファイバ４のｆａｓｔ軸方向に振動する直線偏波ｂ’に変換され、反射円偏波Ｌ１’は、反射ミラー７側から見ると右回りの円偏波なので、第１のλ／４板５によって偏波面保持ファイバ４のｓｌｏｗ軸方向に振動する直線偏波ａ’に変換される。ここで、直線偏波ｂ’と直線偏波ａ’との位相差は、ファラデー効果により被計測電流Ｉ１に応じた値φ（往復分）となっている。
【００２５】
これら直線偏波ａ’及び直線偏波ｂ’は、偏波面保持ファイバ４を介してハーフミラー３に出射され、ハーフミラー３よってＸ軸方向に設けられた第２のλ／４板８に向けて反射される。第２のλ／４板８を通過した直線偏波ａ’は、ハーフミラー３側から見て左回りの楕円偏波Ｌ２に変換され、また、第２のλ／４板８を通過した直線偏波ｂ’は、ハーフミラー３側から見て右回りの楕円偏波Ｒ２に変換される。
【００２６】
楕円偏波Ｌ２と楕円偏波Ｒ２との合成波は、Ｙ軸に対して４５°の傾きからφ／２だけ位相がずれた直線偏波Ｗに相当する。すなわち、直線偏波ＷのＺ軸成分とＹ軸成分との比率はファラデー効果による位相差φに依存して変化することになる。そして、検光子９の第１の透過軸はＺ軸と一致し、第２の透過軸はＹ軸と一致するので、第１の透過軸によって直線偏波ＷのＺ軸成分が第１の透過光として透過され、第２の透過軸によって直線偏波ＷのＹ軸成分が第２の透過光として透過される。
【００２７】
そして、第１の透過光（直線偏波ＷのＺ軸成分）は、第１のフォトダイオード１０によって受光され、当該第１の透過光の強度に応じた第１の電気信号が信号処理回路１２に出力される。また、第２の透過光（直線偏波ＷのＹ軸成分）は、第２のフォトダイオード１１によって受光され、当該第２の透過光の強度に応じた第２の電気信号が信号処理回路１２に出力される。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、偏光子２と、ハーフミラー３と、偏波面保持ファイバ４と、第１のλ／４板５と、第２のλ／４板８と、検光子９とを用いる構成を採用したことにより、従来用いていたファラデー回転子を不要にすることができ、測定に使用する光源の波長を短波長にすることが可能になる。これにより、光の波長の２乗に逆比例するベルデ定数が大きくなるので、ファラデー回転角も大きくなり、電流の測定感度を向上させることができる。また、半導体レーザ１を高周波で変調したので、戻り光による出力の不安定化を抑制することができ、ノイズの影響を受けにくい電流測定が可能である。
【００２９】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係る電流計測装置の構成概略図である。
【図２】半導体レーザの出力光のスペクトルを示す図である。
【図３】従来例における電流計測装置の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…半導体レーザ  ２…偏光子  ３…ハーフミラー  ４…偏波面保持ファイバ  ５…第１のλ／４板  ６…光ファイバセンサ  ７…反射ミラー  ８…第２のλ／４板  ９…検光子  １０…第１のフォトダイオード  １１…第２のフォトダイオード  １２…信号処理回路
【図１】
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【図２】
2009281829.tif 000004
【図３】
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