CN105026937A - 电流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够将输出的比例误差的变动幅度准确限制在±0.5％的范围内，并且也能够实现组装简单化的电流测量装置。至少包括光入射出射部、传感器用光纤、法拉第转子、第一1/4波片及第二1/4波片、偏振光束分离器、光源以及具备光电转换元件的信号处理电路来构成电流测量装置。传感器用光纤具有双折射，同时具备入射旋转方向不同的两条圆偏振光的一端和反射所入射的圆偏振光的另一端。并且，补偿两个1/4波片之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差，同时将法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角设定为22.5°+α°，将被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.5％的范围内。并且，将两个1/4波片光学面上的晶轴方向设定为垂直，或设定为同一方向。

Description

电流测量装置
技术领域
本发明涉及一种利用法拉第效应的电流测量装置，涉及光由传感器用光纤的一端侧入射，在另一端侧反射的反射型电流测量装置。
背景技术
已知一种电流测量装置，其通过利用光纤的法拉第效应，具有小型、柔性、耐电磁噪音、长距离信号传输、耐电压等各种优点。作为这种电流测量装置的一个例子，专利文献1公开了一种利用光的偏振面因磁场作用而旋转的法拉第效应的、反射型的电流测量装置。
该电流测量装置是作为传感器用光纤使用铅玻璃光纤的同时，在传感器用光纤的另一端配置反射镜的反射型电流测量装置。基本结构为将传感器用光纤围绕设置在被测电流流过的导体的外周，用于检测被测电流，在将从传感器用光纤的一端侧入射的直线偏振光，由反射镜进行往复的期间，测量因被测电流的磁场而旋转的直线偏振光的法拉第转角。并且，具备由YIG(yttrium iron garnet，钇铁石榴石)等强磁性体晶体构成的法拉第转子。
然而，用于电流测量装置的法拉第转子的法拉第转角具有取决于周围温度的特性(温度特性)，并且传感器用光纤也存在因费尔德常数及法拉第转角的温度依赖所导致的比例误差的温度特性。因此，不仅需要补偿法拉第转子，还需要补偿(降低)传感器用光纤的温度特性。作为完全补偿该法拉第转子和传感器用光纤双方的温度特性的电流测量装置，本发明人发明了将比例误差的变动幅度抑制在±0.5％或±0.2％以内的电流测量装置(参照专利文献2)。
专利文献2中记载的电流测量装置，至少包括传感器用光纤、偏振光束分离器、法拉第转子、光源及具备光电转换元件的信号处理电路来构成电流测量装置，并将传感器用光纤围绕设置在被测电流流过的导体的外周。并且关于法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角，在温度23℃时设定为22.5°+α°，使法拉第转角从22.5°仅变化α°，由此将从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围内设定在±0.5％或±0.2％的范围内。
通过减少法拉第转子的比例误差的变动幅度，将从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度抑制在±0.5％或±0.2％的范围内。因此，可以通过法拉第转子进行测量值中的比例误差的温度特性的补偿，在提高电流测量装置可靠性的同时，将比例误差的变动幅度抑制在±0.5％或±0.2％以内，从而实现可以适用于保护继电器的电流测量装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2006/022178号公报(第4-7页，图18)
专利文献2：日本专利公开2010-271292号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，本发明人研究专利文献2的电流测量装置得出，实际将电流测量装置的比例误差的变动幅度降低至±0.5％以内的结果，传感器用光纤固有的双折射作为相对大的补偿对象出现。
传感器用光纤即使在直线状态下也具有双折射，并且围绕设置在导体的外周。因此，传感器用光纤形成为从直线状态被变形的结构。通过伴随该弯曲的变形，传感器用光纤产生应力，通过该应力，传感器用光纤上产生更大的双折射。其结果是，本发明人发现，越是想降低比例误差，越是在从传感器用光纤进行输出时输出具有两种不能控制的相位的传输模式，电流测量装置的输出表现出明显的波动和衰减。
本发明人实际测量专利文献2中公开的电流测量装置的比例误差的变动幅度的结果，引起传感器用光纤的双折射的比例误差的变动幅度如图31所示，在由电流测定装置输出的被测电流的测量值中，在约-1.0％～约1.2％的范围(在-20℃以上且80℃以下的温度范围内，为约-0.7％～约1.2％的范围)出现。因此，发现如上所述仅减少法拉第转子的比例误差的变动幅度，难以将被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度抑制在±0.5％范围内。
本发明是鉴于所述问题而完成的，其技术问题在于提供一种能够将输出的比例误差的变动幅度准确限制在±0.5％的范围内，并且能够使组装简单化的电流测量装置。
(二)技术方案
所述的技术问题，通过以下的本发明实现。即，
(1)本发明的电流测量装置的特征在于，至少包括光入射出射部，传感器用光纤、法拉第转子、第一1/4波片及第二1/4波片、偏振光束分离器、光源以及具备光电转换元件的信号处理电路，
光入射出射部排列构成为两条波导，
从光入射出射部依次配置偏振光束分离器、第一1/4波片、第二1/4波片、法拉第转子、传感器用光纤，
并且，传感器用光纤具有双折射，同时围绕设置在被测电流流过的导体的外周，具备用于入射旋转方向不同的两条圆偏振光的一端和对入射的圆偏振光进行反射的另一端，
第二1/4波片设置在传感器用光纤的一端的同时，
法拉第转子配置在传感器用光纤的一端侧与第二1/4波片之间，
通过由另一端反射从光源出射的光，设定有往返于偏振光束分离器、第一1/4波片、第二1/4波片、法拉第转子以及传感器用光纤的往复光路，
在第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路上传输两条直线偏振光的同时，补偿第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差，
并且，法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角在温度23℃时设定为22.5°+α°，从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.5％的范围内，
将第一1/4波片及第二1/4波片各自在光学面上的晶轴方向设定为垂直，或设定为同一方向。
传输两条直线偏振光，作为第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路也可以由保偏光纤(PMF)构成，或者，由在光学面上的晶轴方向聚集的同时，异常光线的偏移方向反向配置的两个双折射元件构成。
(2)本发明的电流测量装置的一个实施方式的特征在于，将第一1/4波片在光学面上的晶轴方向，设定为与偏振光束分离器的光学面上的晶轴方向垂直，或者设定为同一方向。
(3)本发明的电流测量装置的其他实施方式的特征在于，将偏振光束分离器在光学面上的晶轴方向、第一1/4波片在光学面上的晶轴方向、第二1/4波片在光学面上的晶轴方向设定为同一方向。
(4)本发明的电流测量装置的一个实施方式，优选变动幅度设定在±0.5％范围内的温度范围为100℃。
(5)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选100℃的温度范围为-20℃以上且80℃以下。
(6)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选法拉第转子具有随着温度的变化，磁饱和时的法拉第转角变化为二次曲线状的法拉第转角的温度特性。
(7)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选法拉第转子由两个以上的法拉第元件构成。
(8)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选两个以上法拉第元件的法拉第转角各不相同。
(9)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.2％的范围内。
(10)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选将变动幅度设定在±0.2％的范围内的温度范围为100℃。
(11)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选100℃的温度范围为-20℃以上且80℃以下。
(12)本发明的电流测量装置的其他实施方式，优选传感器用光纤为铅玻璃光纤。
(三)有益效果
根据项1所述的发明(即，所述(1)的发明)，在温度23℃时仅使法拉第转子的转角从22.5°变化α°，减少电流测量装置的比例误差的变动幅度，并且在补偿由传感器用光纤固有的双折射而产生的比例误差的同时，也补偿第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差。因此，除法拉第转子的转角的相位差以外相位差，除了因传感器用光纤内部的法拉第效应所引起的相位差以外全部被补偿，不会在电流测量装置的输出中出现。因此，补偿由传感器用光纤的双折射引起的比例误差的变动幅度(约-1.0％～约1.2％)的同时，也补偿第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差，因此能够将电流测量装置的输出中的比例误差的变动幅度准确限制在±0.5％的范围内。
并且，由于除法拉第转子的转角的相位差以外的相位差，除了相位差以外全部被补偿，因此在电流测量装置的光纤内对光进行传输时，即使施加外部干扰而导致相位变化，电流测量装置的输出也不受影响。因此，也可以使电流测量装置的输出特性稳定化。
并且，将第一1/4波片及第二1/4波片各自在光学面上的晶轴方向设定为垂直，或者设定为同一方向。因此，在使用圆偏振光构成电流测量装置时，即使只增加两个1/4波片程度的结构元件，也不需要在各自的晶轴方向上进行细微的角度调整操作。因此，能够同时实现将比例误差的变动幅度抑制在±0.5％范围内这样的高性能，以及结构元件的组装的操作容易化。
并且，由于与传感器用光纤的种类无关，均能够广泛地实现本发明的电流测量装置，因此也能够提高电流测量装置的成品率。
并且，根据项2所述的发明(即，所述(2)的发明)，在项1所述的发明所具有的效果的基础上，对第一1/4波片设置偏振光束分离器时，不需要在各自的晶轴方向上进行细微的角度调整操作。因此，能够容易地进行偏振光束分离器与第一1/4波片之间的组装操作。
并且，根据项3所述的发明(即，所述(3)的发明)，在项1所述的发明所具有的效果的基础上，不需要进行偏振光束分离器与两个1/4波片之间的晶轴角度调整操作和设置操作。因此，能够进一步容易地进行偏振光束分离器与两个1/4波片之间的组装操作。
并且，根据项4、5或10、11所述的发明(即，所述(4)、(5)或(10)、(11)的发明)，通过在100℃(-20℃以上且80℃以下)的温度范围内，实现±0.5％或±0.2％的比例误差变动幅度，能够构成补偿-10℃以上且40℃以下的常温区间的具备实用性的电流测量装置。
并且，根据项6或9所述的发明(即，所述(6)或(9)的发明)，通过具备具有随着温度上升磁饱和时的法拉第转角二次曲线状变化的法拉第转角的温度特性的法拉第转子，能够将从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.5％或±0.2％的范围内。因此，能够以在±0.5％范围内的用途，以及在要求±0.2％范围内的比例误差的温度特性的用途(例如，用于计量电费的电表)使用电流测量装置。
并且，根据项7所述的发明(即，所述(7)的发明)，能够稳定地获得具有所希望的转角的法拉第转子。
并且，根据项8所述的发明(即，所述(8)的发明)，由于能够构成为使各法拉第元件的法拉第转角各不相同，因此能够将各法拉第元件的温度特性设定为所希望的特性。
并且，根据项12所述的发明(即，所述(12)的发明)，即使将铅玻璃光纤用于传感器用光纤，也能够将从信号处理电路输出的被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
附图说明
图1为表示本发明的一个实施方式的电流测量装置的结构的说明图。
图2为表示图1的电流测量装置中的光学系统(回转器除外)的结构的说明图。
图3为表示图2的电流测量装置的从光入射出射部到保偏光纤的各个结构元件的配置及去路上的光的偏振光状态的立体图。
图4为表示图2的电流测量装置的从保偏光纤到传感器用光纤的各个结构元件的配置及去路上的光的偏振光状态的立体图。
图5为表示图2中保偏光纤的偏振光保存轴方向及向该保偏光纤的入射光的偏振光状态的、保偏光纤端面的说明图。
图6为表示图2中第二1/4波片的晶轴方向及向第二1/4波片的传输光的偏振光状态的说明图。
图7为表示在图2的电流测量装置中，从第一光纤出射到由传感器用光纤的另一端反射的传输光的偏振光状态的说明图。
图8为表示在图2的电流测量装置的从保偏光纤到传感器用光纤的各结构元件的配置以及去路上的光的偏振光状态的立体图。
图9为表示在图2的电流测量装置的从光入射出射部到保偏光纤的各结构元件的配置以及去路上的光的偏振光状态的立体图。
图10为表示在图2的电流测量装置中，直到由传感器用光纤的另一端反射，入射至第一以及第二光纤的传输光的偏振光状态的说明图。
图11为示意表示具备在圆偏振光往复透射时，在温度23℃时具有45°的法拉第转角的法拉第转子的电流测量装置的-20℃以上且80℃以下的温度范围内的比例误差的温度特性的图表。
图12为表示温度23℃时使法拉第转角从22.5°仅变化α°，往复透射时的法拉第转角温度依赖性的图表。
图13为表示具备法拉第转角从22.5°仅变化α°，比例误差的温度特性曲线向高温侧偏移的法拉第转子的电流测量装置的、在-20℃以上且80℃以下的温度范围内的比例误差的温度特性的图表。
图14为在本发明的一个实施方式的电流测量装置中，从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比例误差的温度特性图表的一个例子。
图15为示意表示用于传感器用光纤的铅玻璃光纤的比例误差的温度特性的图表。
图16为表示图2的其他方式的结构的说明图。
图17为示意表示第一法拉第元件的法拉第转角的温度特性的图表。
图18为示意表示第二法拉第元件的法拉第转角的温度特性的图表。
图19为表示组合图17和图18的法拉第转角的温度特性的法拉第转角的温度特性的图表。
图20为由图19的法拉第转角温度依赖性得到的被测电流的测量值中的、电流测量装置的比例误差的温度特性图表的一个例子。
图21为表示第一光纤以及第二光纤各端面形状的变更例的局部示意图。
图22为表示图2中第一1/4波片与第二1/4波片之间的往复光路的其他方式，以及光的光路的立体图。
图23为表示本发明的一种实施方式的电流测量装置的变更例的立体图。
图24为本发明的电流测量装置的实施例1中的比例误差的温度特性的图表。
图25为表示本发明的电流测量装置的实施例2中的法拉第元件27a的法拉第转角的温度特性的一个例子的图表。
图26为表示本发明的电流测量装置的实施例2中的法拉第元件27b的法拉第转角的温度特性的一个例子的图表。
图27为表示本发明的电流测量装置的实施例2中的法拉第元件27a及27b的合计法拉第转角的温度特性的一个例子的图表。
图28为本发明的电流测量装置的实施例2中的比例误差的温度特性的图表。
图29为表示本发明的电流测量装置的实施例3中的法拉第转子的法拉第转角的温度特性的图表。
图30为本发明的电流测量装置的实施例3中的比例误差的温度特性图表。
图31为表示专利文献2中公开的电流测量装置的比例误差的变动幅度的、比例误差的温度特性图表。
具体实施方式
下面，参照各附图对本发明的一个实施方式的电流测量装置进行详细说明。图1所示的电流测量装置1至少包括光入射出射部、传感器用光纤2、法拉第转子3、第一1/4波片4及第二1/4波片5、偏振光束分离器6、光源7以及具备光电转换元件13a、13b的信号处理电路8。并且，从光源7出射的光，由传感器用光纤2的另一端反射，由此设定往返于偏振光束分离器6、第一1/4波片4、第二1/4波片5、法拉第转子3以及传感器用光纤2的往复光路。
另外，在以下的说明中，设定图1所示的XYZ直角坐标系，参照该XYZ直角坐标系，并且对各结构元件的位置关系进行说明。将从偏振光束分离器6向传感器用光纤2传输的光的传输方向设定为Z轴，将与该Z轴垂直的面内的水平方向设定为X轴，将其垂直方向设定为Y轴，图1～图23所示的XYZ直角坐标系在各附图中相互对应。
电流测量装置1大体分为，由如图1所示的光源7、信号处理电路8及光学系统9构成，光学系统9由图2所示的各结构元件及回转器10构成。光入射出射部由两条波导即第一光纤11及第二光纤12排列配置构成。此外，图2～图4所示的各结构元件，从光入射出射部依次配置偏振光束分离器6、第一1/4波片4、第二1/4波片5、法拉第转子3、传感器用光纤2。
偏振光束分离器6上入射具有与X轴方向平行的偏振光方向的一条直线偏振光L1。该直线偏振光L1，如图2～图3所示由第一光纤11，向偏振光束分离器6入射。
第一光纤11由保偏光纤构成，是能够保持直线偏振光状态并且传输光的光纤(所谓PMF；Polarization Maintaining Fiber)，将其一端侧的端面11a配置在偏振光束分离器6的附近。或者，也可以配置成偏振光束分离器6与端面11a抵接。其结果，第一光纤11具有使直线偏振光L1入射至偏振光束分离器6的同时，将由偏振光束分离器6出射的寻常光线LO传输至光电转换元件13a的功能。该保偏光纤配置成其主轴与直线偏振光L1的偏振光方向(X轴方向)一致。
第二光纤12由单模光纤或多模光纤，或者保偏光纤等构成，将一端侧的端面12a配置在偏振光束分离器6的附近。或者，也可以配置为端面12a与偏振光束分离器6抵接。其结果，第二光纤12具有将从偏振光束分离器6出射的异常光线LE传输至光电转换元件13b的功能。
本实施方式的情况下，第一光纤11及第二光纤12将一端的端面11a、12a彼此配置在同一平面上，并且隔开规定间隔通过双芯结构的套管14来保持。所述规定间隔根据平行平板状的偏振光束分离器6的厚度和偏振光束分离器6的材料物性来设定。通过使所述规定间隔与偏振光束分离器6的分离间隔一致，能够使寻常光线LO和异常光线LE入射至各光纤11、12的各个纤芯。另外，将第一光纤11及第二光纤12保持规定间隔的机构无需限定为套管14，例如，也可以是具备平行的两条V形槽的阵列基板，通过将光纤11、12配置在V形槽内，能够实现双方的定位。
偏振光束分离器6为光透射型光学元件，设置在第一光纤11的端面11a侧的附近侧。偏振光束分离器6由双折射元件构成，具备作为偏振光分离元件的如下功能：当直线偏振光与晶轴垂直入射时使直线偏振光直接透射，当直线偏振光沿晶轴入射时使直线偏振光平行偏移移动出射。这种在除垂直的两面以外的偏振光面入射的直线偏振光，光强度被分离成各个矢量成分，寻常光线直接透射，异常光线平行移动出射。因此，偏振光束分离器6具有如下功能：在将从传感器用光纤2侧传输来的直线偏振光分离成相互垂直的寻常光线LO和异常光线LE的同时，使从后述的光源7出射的直线偏振光L1透射。
偏振光束分离器6的材料能够从金红石、YVO4、铌酸锂、方解石中选择。选自这种材料的双折射元件，以规定厚度，加工为使相对的光入射出射用光学面平行的平板，做成偏振光束分离器6。以平行的光学面中的一侧，与第一光纤11的端面11a及第二光纤12的端面12a相对，另一侧光学面与透镜15以及第一1/4波片相对的方式设置。此外，光学面上的晶轴X61方向设定为与Y轴方向平行。在这种偏振光束分离器6中，若直线偏振光从一侧光学面入射，则分离成寻常光线LO和异常光线LE，在从另一侧平面出射时，将这些寻常光线LO和异常光线LE分隔成规定的分离间隔并平行出射。
第一1/4波片4与偏振光束分离器6面相对配置，以光学面上的晶轴X41的方向成为X轴方向的方式配置。对其材料使用水晶或氟化镁等结晶材料，以波长λ的直线偏振光的相位偏移π/2的厚度，加工成相对的光入射出射用光学面成为平行的平板。
在该第一1/4波片4与后述的第二1/4波片5之间的往复光路上，传输两条直线偏振光。在本实施方式中，将保偏光纤17用作该往复光路。保偏光纤17为能够保持直线偏振光状态并且传输光的光纤(PMF)，其裸线内部如图5的端面图所示，由高折射率的纤芯17a、在该纤芯17a周边形成为同心圆形的较低折射率的包层17c以及设置在包层17c内的两个应力赋予部17b构成。
应力赋予部17b在包层17c内以纤芯17a为中心对称配置，其截面为圆形。此外，其折射率比包层17c更低。对应力赋予部17b使用热膨胀系数比包层17c大的材料，尤其使用B2O3-SiO2玻璃。通过两个应力赋予部17b对纤芯17a由两边施加内部应力(图5的情况为相对于X轴45°的方向，即向S轴方向施加)，由于该内部应力纤芯17a内部的应力分布在S轴方向和与该方向垂直的方向(相对于Y轴45°方向，即F轴方向)上呈非对称，表现出双折射特性。
通过该双折射特性，以与X轴平行的偏振光方向入射的直线偏振光L1，光强度分离成各自的轴成分(图5中S轴和F轴)，作为两条直线偏振光LF和LS在保偏光纤17内部进行传输，并被出射。将该应力方向S轴和其垂直方向F轴称为保偏光纤的主轴(偏振光保存轴)。通过应力分布的非对称性，对S轴与F轴的传输系数赋予差值来防止偏振光模式间的结合。由于双折射特性，在S轴和F轴上光的群速度不同。若模式折射率小则在该方向上行进的光的群速度变大，因此将F轴方向称为高速轴(Fast axis)，由同样理由，将具有高模式折射率的S轴方向称为低速轴(Slow axis)。
在保偏光纤17一端侧的端面与透镜15相对配置的同时，另一端侧的端面与第二1/4波片5面相对配置。各端面成为与保偏光纤17的光轴垂直的垂直面。
在该保偏光纤17一端侧的端面与第一1/4波片4之间配置透镜15。透镜15在本实施方式的情况下由单一的透镜构成，焦点设定在保偏光纤17端面的纤芯的大致中心上。
另外，第一光纤11及第二光纤12的各端面11a、12a也可以如图21所示变更为倾斜地实施研磨加工。通过这样倾斜地形成端面11a、12a，可使端面11a、12a的位置与透镜15中的每条寻常光线LO、异常光线LE的焦距一致，能够提高第一光纤11及第二光纤12的耦合效率。
第二1/4波片5用作将保偏光纤17传输过来的两条直线偏振光LF、LS的偏振光面转换为圆偏振光LC1、LC2的光学元件。对其材料使用水晶或氟化镁等结晶材料，以波长λ的各直线偏振光LF、LS的相位偏移π/2的厚度，加工成相对的光入射出射用光学面形成为平行的平板。
第二1/4波片5配置成与保偏光纤17面相对，同时配置在传感器用光纤2的一端侧。并且，光学面上的晶轴X51的方向从保偏光纤17入射的两条直线偏振光LF、LS的偏振光方向呈±45°角的方式设定为X轴方向。
因此，第一1/4波片4及第二1/4波片5各自光学面上的晶轴X41和X51的晶轴方向，设定为相同方向的X轴方向。并且，由于偏振光束分离器6的光学面上的晶轴X61方向，如上所述设定为Y轴方向，因此设定为晶轴X61方向与晶轴X41方向相互垂直。
法拉第转子3为外周设有永磁体3a的光透射型光学元件，由铋置换型石榴石单晶体形成，配置在作为传感器用光纤2的入射端的一端2a侧的附近与第二1/4波片5之间。此外，外形以规定厚度加工成相对的光入射出射用光学面形成为平行的平板，对入射的两条圆偏振光LC1、LC2中的一方，仅赋予由磁饱和引起的法拉第转角程度的往复部分总和的相位差。另外，图4以及图8中省略永磁体3a的图示。
在本发明中，将两条圆偏振光LC1、LC2透射时的、磁饱和时的法拉第转角设定为在温度23℃时从22.5°少许变化。另外，将法拉第转角的温度定义为23℃的根据是因为本申请人在常温下测量法拉第转角时设定为能够最简单地测量的温度。因此，圆偏振光LC1或LC2透射1次法拉第转子3时的法拉第转角为22.5°+少许变化部分α°。因此，透射第二1/4波片5后并且透射法拉第转子3前的圆偏振光之间的相位差和从传感器用光纤2出射后并且透射法拉第转子3后的圆偏振光之间的相位差，在不受被测电流I影响的情况下，成为所述法拉第转角的2倍，合计为45°+2α°。另外，法拉第转角的旋转方向为相对于Z轴方向，即使向右旋转或向左旋转均可以任意设定，图3作为一个例子图示了向左旋转的情况。
图11示出示意表示比例误差的温度特性的图表，该比例误差是当圆偏振光往复透射时，在温度23℃下，从具有45°的法拉第转角的电流测量装置的信号处理电路输出的被测电流的测量值中，在-20℃以上且80℃以下的温度范围内的比例误差。将温度范围定义为-20℃以上且80℃以下的100℃的根据是基于本申请人的客户的要求。
如图11所示，电流测量装置的比例误差随着温度的上升呈非线性增大。在这种比例误差的温度特性中，通过设定为将温度23℃时的法拉第转角从22.5°仅变化少许转角α°，从而如图12所示，通过往复转角变为如前所述的45°+2α°。由此，如图13所示电流测量装置的比例误差的温度特性曲线向高温侧偏移。其结果，比较图11和图13之后可知，能够减少比例误差的变动幅度。转角α°在使比例误差的温度特性曲线偏移时能够在比例误差的变动幅度减少的范围内任意设定。通过这样使法拉第转角从22.5°仅变化α°，从而减少电流测量装置的比例误差的变动幅度。
在该法拉第转子3与第二1/4波片5之间配置透镜16。透镜16在本实施方式的情况下由单一透镜构成，设定成焦点在保偏光纤17端面的纤芯17a的大致中心上及传感器用光纤2的一端2a的纤芯的大致中心上。传感器用光纤2的一端2a也形成为与该光纤2的光轴相垂直的垂直面。
传感器用光纤2围绕设置在被测电流I流过的导体18的外周。构成传感器用光纤2的纤维种类没有特别限定，但是设为具有双折射的纤维。由于即使在纤维中铅玻璃光纤也具有光弹性系数小，并且决定法拉第效应大小的费尔德常数较大的特性，因此优选作为传感器用光纤2。
此外传感器用光纤2具备用于入射从法拉第转子3出射的旋转方向不同的两条圆偏振光LC1、LC2的一端2a，及反射所入射的圆偏振光LC1、LC2的另一端。在该另一端上作为反射材料设置有反射镜19。另外，在另一端上能够采用除反射镜19以外的任意的反射材料，例如，也可以设置由金、银、铜、铬、铝等对光有低吸收率且高反射率的金属或由介电薄膜构成的反射膜。
并且，图1中10为回转器，7为光源，13a和13b为光电转换元件的一种的光电二极管(PD：Photo Diode)，21a和21b为放大器(A)，22a和22b为带通滤波器(BPF：Band-Pass Filter)，23a和23b为低通滤波器(LPF：Low-Pass Filter)，24a和24b为用于获取电信号的交流成分和直流成分之比的除法器，25为极性反转器，26为运算器。
光电二极管13a对寻常光线LO受光并根据该LO的光强度输出第一电信号。另一侧的光电二极管13b对寻常光线LE受光并根据该LE的光强度输出第二电信号。信号处理电路8基于第一电信号及第二电信号计算被测电流的电流值I。
光源7由半导体激光器(LD：Laser Diode)、发光二极管(LED：Light Emitting Diode)、超辐射发光二极管(SLD：Super LuminescentDiode)、ASE光源(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射光源)等构成，出射使规定波长λ的光。
回转器10可以是偏振光依赖/无依赖型中任意一种，使从光源7出射的光直线偏振光化，将一条直线偏振光L1入射至第一光纤11。该回转器10只要由双折射元件及45°法拉第转子构成即可，或者也可以使用偏振光分离棱镜或光纤耦合器来代替回转器10。
参照各附图说明如上构成的电流测量装置1的动作。另外，图7及图10的(a)～(h)，对应图2中附图标记(a)～(h)所表示的各光路截面上的偏振光状态。并且，图7或图10中显示有以1-4表示X轴方向，以a～d表示Y轴方向的矩阵，例如图7(a)所示的直线偏振光L1的传输位置，观察矩阵发现在X轴方向上2与3之间，Y轴方向上a与b之间，因此本实施方式中，将这种传输位置表示为(2-3，a-b)。
首先，由光源7出射的波长λ的激光通过回转器10，转换为表示与X轴方向平行的偏振光方向的一条直线偏振光L1，然后入射至第一光纤11(参照图2、图3)。
由于第一光纤11为保偏光纤，直线偏振光L1保持其偏振光方向直接传输到第一光纤11的一端侧的端面11a，从端面11a在偏振光束分离器6的(2-3，a-b)上的传输位置出射(参照图7(a))。
如上所述，偏振光束分离器6在光学面上的晶轴X61方向，设定为与Y轴方向平行，因此与直线偏振光L1的偏振光方向垂直。因此，直线偏振光L1作为在偏振光束分离器6内部不引起双折射的寻常光线透射，保持入射至偏振光束分离器6时的偏振光状态直接入射至第一1/4波片4。
如上所述，由于第一1/4波片4在光学面上的晶轴X41方向设定为与X轴方向平行，因此与直线偏振光L1的偏振光方向一致。因此，直线偏振光L1保持入射至第一1/4波片4的内部时的偏振光状态直接透射，通过透镜15入射至保偏光纤17的端面上。
如上所述，作为保偏光纤17的偏振光保存轴的S轴和F轴，分别配置成相对于X轴45°的方向及相对于Y轴45°的方向。因此，若与X轴平行的直线偏振光L1入射到保偏光纤17上，则根据保偏光纤17的双折射特性，光强度在S轴和F轴上分离成分别平行的矢量成分，转换为两条直线偏振光LF和LS并在纤芯17a内部传输(参照图3及图5)。直线偏振光LF和LS传输至一端侧的端面，从端面向第二1/4波片5出射。
在保偏光纤17内部传输时，在两条直线偏振光LF与LS间，产生由高速轴(Fast axis)与低速轴(Slow axis)间的群速度的不同而造成的相位差ΔV。因此，从保偏光纤17出射时，LF相对于LS有ΔV部分的相位差。
如上所述，第二1/4波片5在光学面上的晶轴X51方向被设定为X轴方向。因此，配置为相对于由保偏光纤17入射的两条直线偏振光LF和LS的偏振光方向呈45°角(参照图6及图7(b))。由于所述F轴与晶轴X51呈-45°倾斜，如图7(c)所示直线偏振光LF转换为从第二1/4波片5的入射侧(Z轴方向)观察向左旋转的第一圆偏振光LC1。另一方面，由于所述S轴和晶轴X51呈45°倾斜，因此如图7(d)所示直线偏振光LS转换为从第二1/4波片5的入射侧(Z轴方向)观察向右旋转的第二圆偏振光LC2。
在被赋予相位差ΔV并领先的所述圆偏振光LC1，从第二1/4波片5出射后透射透镜16，接着透射法拉第转子3时，被赋予22.5°+α°的相位差。如上所述，由于法拉第转子3的旋转方向设定为从Z轴方向观察向左旋转，因此从Z轴方向观察左旋转的圆偏振光LC1被赋予相位差，以相对于LC2向22.5°+α°行进。在透射法拉第转子3后，两条圆偏振光LC1和LC2入射至传感器用光纤2的一端2a。
入射至传感器用光纤2内的两条圆偏振光LC1和LC2，在其内部传输到达另一端并通过反射镜19反射，再次返回到一端2a(参照图2)。在由这种反射引起的圆偏振光LC1及LC2的往复传输期间，圆偏振光LC1及LC2受到通过被测电流I所产生的磁场的影响。并且通过法拉第效应对应被测电流I大小的相位差在两条圆偏振光LC1及LC2之间产生。为内圆偏振光LC1及LC2在传感器用光纤2往复传输时，通过法拉第效应对应被测电流I大小而产生的圆偏振光LC1及LC2之间的相位差。
并且，由于传感器用光纤2具有的双折射，在两条圆偏振光LC1以及LC2之间，从一端2a到另一端的传输期间产生相位差，由该相位差也产生比例误差。然而，两条圆偏振光LC1及LC2，通过反射镜19的反射在一端2a至另一端之间往复传输。因此，从一端2a到另一端的去路上的传输期间所产生的相位差，通过从另一端返回到一端2a的回路上的传输期间所产生的相位差来补偿。如上所述，补偿伴随传感器用光纤2固有的双折射的比例误差。
通过反射镜19反射的前后，第一圆偏振光LC1及第二圆偏振光LC2各自的旋转方向不变，通过反射传输方向变为反方向。因此，在从传输方向观察时各自的旋转方向成为反向旋转。
被反射的两条圆偏振光LC1及LC2，再次在传感器用光纤2中传输，这次由传感器用光纤2的一端2a向法拉第转子3出射(参照图2以及图8)。
圆偏振光LC1及LC2这次从传感器用光纤2侧(-Z轴方向)入射至法拉第转子3。此外，各圆偏振光LC1、LC2传输方向上的旋转方向，通过反射镜19的反射在去路和回路上成为相反方向。因此，在两条圆偏振光LC1及LC2再次透射法拉第转子3时，再次相对于圆偏振光LC1赋予22.5°+α°的相位差。如上所述，在从传感器用光纤2出射并透射法拉第转子3后的两条圆偏振光LC1及LC2的相位差，相对于在去路上透射法拉第转子3之前的两条圆偏振光LC1及LC2之间，只进行
在透射法拉第转子3后，两条圆偏振光LC1及LC2透射透镜16，再次入射至第二1/4波片5(参照图8及图10(e)、(f))。由于圆偏振光LC1从传输方向即-Z轴方向观察为向右旋转的圆偏振光，因此通过第二1/4波片5转化为呈所述S轴方向的偏振光方向的直线偏振光LS’。另一方面，由于圆偏振光LC2为从-Z轴方向观察为向左旋转的圆偏振光，因此通过第二1/4波片5转化为呈所述F轴方向的偏振光方向的直线偏振光LF’(参照图8及图10(g))。
这两条直线偏振光LF’、LS’，通过透镜16入射至保偏光纤17端面，在保偏光纤17内传输至另一端(参照图9)。直线偏振光LF’的偏振光方向与保偏光纤17的F轴(高速轴)平行入射，另一侧的直线偏振光LS’的偏振光方向与保偏光纤17的S轴(低速轴)平行入射。因此，保偏光纤17内两条直线偏振光LF’、LS’不会进一步分离，保持彼此的偏振光方向不变传输至第一1/4波片4侧。
如上所述在去路(Z轴方向)上的两条直线偏振光LF与LS之间，赋予了因保偏光纤17的群速度不同而造成的相位差ΔV。但是，在回路(-Z轴方向)，LS成为F轴成分的直线偏振光LF’，LF成为S轴方向的直线偏振光LS’。因此，在回路中LF’变得相对于LS’具有ΔV的相位差。即，由于在去路上具有相位差ΔV的直线偏振光LF，在回路上具有-ΔV的相位差，因此两条直线偏振光在保偏光纤17内往复，由此保偏光纤17内的相位差得到补偿。如上所述，作为第一1/4波片4与第二1/4波片5之间的往复光路的保偏光纤17中的两条直线偏振光的相位差得到补偿。因此在回路上，在保偏光纤17中出射的时刻，两条直线偏振光LF’、LS’间的相位差变成
传输至保偏光纤17的一端侧的端面的两条直线偏振光LF’及LS’，由该端面经由透镜15出射至第一1/4波片4，通过透射第一1/4波片4而合成为一条光。由于两条直线偏振光LF’及LS’间的相位差为因此作为合成后的光，形成有长轴相对于Y轴倾斜的椭圆偏振光。该椭圆偏振光的长轴成分与短轴成分的比，取决于所述相位差而变化。这种椭圆偏振光入射至偏振光束分离器6。
入射至偏振光束分离器6的合成光，分离成相互垂直的寻常光线LO和异常光线LE(参照图2、图9及图10中的(h))。寻常光线LO和异常光线LE的光强度，取决于所述相位差来变化。为了确保图9以及图10中的(h)的可视性，放大进行图示。由于晶轴X61方向设定为Y轴方向，因此与寻常光线LO的偏振光方向垂直。因此，寻常光线LO在偏振光束分离器6内部不会发生双折射，如图10中的(h)所示直接在(2-3、a-b)的传输位置透射，入射至第一光纤11。另一方面，由于异常光线LE相对于晶轴X61的方向平行，因此如图10(h)所示在偏振光束分离器6内部，偏移移动至(2-3，c-d)的传输位置，并入射至第二光纤12。
入射至第一光纤11的寻常光线LO的直线偏振光，被引导至回转器10，进一步对光电转换元件13a进行受光。另一方面，入射至第二光纤12的异常光线LE的直线偏振光，对光电转换元件13b进行受光。
通过光电转换元件13a、13b将两条直线偏振光转换为第一电信号及第二电信号，将这些电信号输入信号处理电路8中，对两个电信号各自的调制度(交流成分/直流成分)的平均进行运算，通过最终转换为电量来求出被测电流I的电流值。图14示出在电流测量装置1中，从信号处理电路8输出的被测电流I的测量值中的比例误差的温度特性图表的一个例子。
在本发明中，如图14所示将从信号处理电路8输出的、被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.5％的范围内。另外，设为在100℃(-20℃以上且80℃以下)的温度范围内实现所述±0.5％。将所述温度范围设定为-20℃以上且80℃以下的100℃的理由是，考虑到覆盖-10℃以上且40℃以下的常温区间的实用性。在本发明中，这种将比例误差的变动幅度设定在±0.5％内是通过如前所述调整法拉第转子3的转角，以及补偿由传感器用光纤2固有的双折射造成的比例误差及补偿第一1/4波片4与第二1/4波片5之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差来实现。
如上所述根据本发明，在温度23℃时使法拉第转子3的转角从22.5°仅变化α°来减少电流测量装置1的比例误差的变动幅度，并且补偿伴随着传感器用光纤2固有的双折射的比例误差，同时也补偿第一1/4波片4与第二1/4波片5之间往复光路上的两条直线偏振光的相位差。因此，除法拉第转子3的转角的相位差以外的相位差，在除了因传感器用光纤2内部的法拉第效应而造成的相位差以外全部被补偿，不会在电流测量装置1的输出中出现。因此，由于在补偿由传感器用光纤的双折射引起的比例误差的变动幅度(约-1.0％～约1.2％)的同时，在第一1/4波片4与第二1/4波片5之间的往复光路的两条直线偏振光的相位差也被补偿，因此能够将电流测量装置1的输出中的比例误差的变动幅度准确限制在±0.5％的范围内。
并且，由于除法拉第转子3的转角的相位差以外的相位差，在除相位差以外全部被补偿，即使在对保偏光纤17或传感器用光纤2施加振动或温度的变动等外部干扰，并且在光传输时相位变化，电流测量装置1的输出也不会受到影响。因此，也能够使电流测量装置1输出特性稳定。
并且，通过将电流测量装置1输出中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围中抑制在±0.5％的范围内，由此通过在提高电流测量装置可靠性的同时，将比例误差的变动幅度抑制在±0.5％以内，从而能够实现可以适用于保护继电器用途的电流测量装置。
并且，将两个1/4波片4及5各自在光学面上的晶轴方向X41及X51设定为同一方向。因此，在使用圆偏振光构成电流测量装置1时，即使只增加两个1/4波片4及5的部分的结构元件，也不需要对彼此的1/4波片的晶轴角度进行调整操作或设置操作。因此，根据本发明的电流测量装置1，能够同时实现将比例误差的变动幅度抑制在±0.5％的范围内的高性能，以及结构元件的组装操作的简易化。
另外，在本实施方式的电流测量装置1中，需要将偏振光束分离器6的晶轴X61方向设置为相对于第一1/4波片4的晶轴X41方向垂直。然而，由于与例如赋予45°角来设置的情况相比，也不需要进行细微角度的调整操作，因此能够容易地进行偏振光束分离器6与第一1/4波片4之间的组装操作。
另外，所述电流测量装置1如图16所示，能够将法拉第转子3变更为例如由法拉第转角不同的两个法拉第元件27a、27b所构成的电流测量装置28。在电流测量装置28中，设定为使圆偏振光LC1和LC2在往复透射两个法拉第元件27a、27b时的、磁饱和时的合计法拉第转角从45°有少许变化。即，只要将圆偏振光LC1及LC2分别透射两个法拉第元件27a和27b一次时的法拉第转角的合计设为22.5°+少许变化部分α°即可。另外，法拉第元件的数量并不限于两个，也可以由三个以上构成法拉第转子3。
图17、图18是示意表示各自法拉第元件27a、27b的法拉第转角的温度特性的图表。并且，组合各法拉第元件的各自的法拉第转角的温度特性时的法拉第转角的温度特性示于图19。如图17所示，第一法拉第元件27a的转角具有二次曲线状的温度依赖性。此外，可知第二法拉第元件27b的转角如图18所示，在-20℃以上且80℃以下的温度范围内与温度的上升呈反比均匀减少。因此，若将该第一法拉第元件27a与第二法拉第元件27b的法拉第转角的温度特性组合，则显示出如图19所示的相对于温度的上升呈二次曲线状减少的法拉第转角的温度特性。因此，通过将被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围中抑制在±0.2％的范围内，由此能够将电流测量装置用于要求±0.2％范围内的比例误差的温度特性的用途(例如，要求严格计量的用于计量电费的电表)。
如所述图15所示，用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤的比例误差的温度特性，与温度的上升呈比例均匀增加。因此，将该高温域中的法拉第转角减少部分设置于法拉第元件27a和27b上，并且进行传感器用光纤2的双折射的补偿以及两个1/4波片4及5之间的往复光路上的两条直线偏振光的相位差的补偿，由此在加上用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤的比例误差的温度特性时，根据所述高温域中的法拉第转角减少部分来补偿铅玻璃光纤的比例误差变化部分。因此，如图20所示，能够将从信号处理电路8输出的被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围中抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
若比较电流测量装置1和电流测量装置28的结构，由于电流测量装置1能够将法拉第转子3做成一片，因此该电流测量装置的结构能够简化，同时从信号处理电路8输出的被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度也变得容易调节。基于上述理由，电流测量装置1是最优选的实施方式。
然而，由于法拉第转子3的石榴石的组分，在不能稳定地制作具有所希望的转角的石榴石单晶体的情况下，法拉第转子3只要由两个以上法拉第元件构成即可。并且，在由两个以上法拉第元件构成法拉第转子3的情况下，通过构成为各法拉第元件的法拉第转角各不相同，能够将各法拉第元件的温度特性设定为所希望的特性。
通过将被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围中抑制在±0.2％的范围内，由此能够将电流测量装置用于要求±0.2％范围内的比例误差的温度特性的用途(例如，要求严格计量的用于计量电费的电表)。
用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤，具有如所述图15所示的比例误差的温度特性。因此，在使法拉第转子3的转角从22.5°仅变化α°并减少电流测量装置1的比例误差的变动幅度时，再加上铅玻璃光纤的比例误差的温度特性的基础上，以从信号处理电路8输出的被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度，在-20℃以上且80℃以下的温度范围中抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内的方式调节α°角，。因此，即使使用铅玻璃光纤作为传感器用光纤2，也能够将从信号处理电路8输出的被测电流I的测量值中的比例误差的变动幅度抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
另外，本发明能够基于其技术思想进行各种变更，例如也可以使用石英玻璃纤维作为传感器用光纤2。因此，由于与不限定传感器用光纤的种类无关，均能够广泛地实现本发明的电流测量装置，因此也能够提高电流测量装置的成品率。此外，第一光纤11也可以变更为单模光纤。
此外，作为传输两条直线偏振光的第一1/4波片4和第二1/4波片5之间的往复光路并不限定为保偏光纤17，也可以由例如图22所示的两个双折射元件20a、20b构成，其从Z轴方向观察时光学面上的晶轴X20a与X20b的方向聚集，同时异常光线的偏移移动方向配置为相反方向。另外，在图22中省略透镜15。
也可以将第一1/4波片4及第二1/4波片5各自在光学面上的晶轴X41和X51的方向，设定为相互垂直。在图3～图4的实施方式中，晶轴X41和X51的方向均设定为X轴方向，但也可以例如仅将晶轴X41方向变更为与Y轴方向平行。或者相反地，也可以将晶轴X41设定为X轴方向，仅将晶轴X51方向变更为与Y轴方向平行。
即使在将晶轴X41和X51的方向设定为相互垂直的情况下，与例如彼此赋予45°角来设置的情况相比，也不需要在彼此的晶轴X41与X51的方向上进行细微角度的调整操作。因此，能够容易地进行两个1/4波片4及5之间的组装。
在将晶轴X41和X51的方向设定为相互垂直或平行时，要注意使晶轴X41方向与直线偏振光L1的偏振光方向垂直或平行，同时要注意晶轴X51方向与两条直线偏振光LF及LS的相互的偏振光方向形成±45°角。
此外，如图23所示，也可以将偏振光束分离器6在光学面上的晶轴X61方向与第一1/4波片4的光学面上的晶轴X41方向变更为同一方向。在如图23所示的构成例中，将晶轴X61方向设定为X轴方向。在这种情况下，由于在第一光纤11中传输过来的直线偏振光L1作为异常光线入射到偏振光束分离器6中，因此只要仅以偏振光束分离器6中偏移的部分，预先变更第一光纤11端面11a的位置即可。同时只要在图3中的第一光纤11的端面11a的位置上，以所述端面12a靠近的方式也变更第二光纤12的位置即可。
这样，通过将偏振光束分离器6在光学面上的晶轴X61方向与第一1/4波片4的光学面上的晶轴X41方向设定为同一方向，由此不需要对偏振光束分离器6与第一1/4波片4之间的晶轴角度进行调整操作或设置操作。因此，能够使偏振光束分离器6与第一1/4波片4之间的组装操作更加容易化。
并且，通过将偏振光束分离器6在光学面上的晶轴X61方向与两个1/4波片4及5的光学面上的晶轴X41及X51方向，设定为同一方向，由此不需要对偏振光束分离器6与两个1/4波片4及5之间的晶轴角度进行调整操作或设置操作。因此，能够使偏振光束分离器6与两个1/4波片4及5之间的组装操作更加容易化。
实施例
下面对本发明的实施例进行说明，但是本发明并不仅限定于以下的实施例。另外，在各实施例1～实施例3中，在将铅玻璃纤维用于传感器用光纤2的同时，由保偏光纤(PMF)构成第一1/4波片4和第二1/4波片5间的往复光路。并且，将两个1/4波片4及5的光学面上的晶轴X41及X51的方向相互设定为X轴方向的同时，将偏振光束分离器6的晶轴X61方向设定为Y轴方向。
(实施例1)
作为图2的法拉第转子3，表示用于光隔离器的、使用具有如图14所示的法拉第转角的温度特性的磁性石榴石的例子。使用了在温度23℃时的将法拉第转角设定为22.5°+1.0°的法拉第转子。即，设定α＝1.0°，将圆偏振光LC1和LC2往复透射时的、磁饱和时合计的法拉第转角设定为47.0°。将从具备这种法拉第转子3的电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值中的温度-比例误差特性示于表1及图24。另外，表1中的法拉第转角是指圆偏振光LC1和LC2在往复透射时的、磁饱和时的合计的法拉第转角。此外，表1中的比例误差是指从电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值中的比例误差。下面，在实施例2至实施例3中也同样设置。
表1
由表1及图24可知，法拉第转子为一个，在设定α＝1.0°的情况下，能够将以23℃为基准的比例误差抑制在-0.01～0.42％。即，比例误差的变动幅度在-20℃以上且80℃以下的温度范围中成为0.43％的范围内。
(实施例2)
将往复中的磁性石榴石的转角的温度依赖性用以下的二次式(数学式1)表示，计算出了相系数a及系数b的比例误差变动幅度的最小值。另外，系数c以比例误差变动幅度取最小值的方式设定。将比例误差变动幅度和系数a及系数b的关系示于表2。此外，如表2所示将比例误差变动幅度为最小值时的、在温度23℃时的法拉第转角调整部分α°和系数a及系数b的关系示于表3。
数学式1
θF＝a·T2+b·T+c 另外T：温度[℃]
表2
表3
表2及表3成为以系数a及系数b的0为中心呈点对称的关系。由表2可知，比例误差变动幅度为最小的是系数a、系数b分别为-0.0001及-0.02的情况，以及系数a、系数b分别为0.0001及0.02的情况，此时的转角调整部分α°的附图标记根据表3前者为正，后者为负。由于通常的磁性石榴石形成有上面为凸状的曲线且转角随着温度的上升而减少的法拉第转角的温度特性，所以系数a及系数b的附图标记为负。从上述事项可知，为了降低比例误差变动幅度，只要将磁性石榴石的温度-转角特性的系数a设为接近-0.0001的值及系数b设为接近-0.02的值即可。在该情况下，转角调整部分α°为1.66°左右。
为了实现降低比例误差变动幅度的系数a、b，示出基于图16所示的两个法拉第元件27a、27b的实施例。作为图16的法拉第元件27a，使用了具有二次曲线状的温度依赖性的磁性石榴石，作为法拉第元件27b，使用了如图26所示的磁性石榴石。温度23℃时的法拉第转角45°的法拉第元件27a、27b的温度依赖性分别示于图25及图26。
将法拉第元件27a、27b各自的厚度最优化的结果，得到了在往复时具有以下数学式2所示的温度依赖性的法拉第元件。得到在温度23℃时的磁饱和时法拉第元件27a的转角8.34°、法拉第元件27b的转角15.73°，合计法拉第转角24.07°，且α＝1.57°。圆偏振光LC1和LC2在往复透射时的、在温度23℃时的磁饱和时合计的法拉第转角为48.14°。将往复时的合计法拉第转角的温度依赖性示于图27。
数学式2
θF＝-2.02·10-4·T2-0.0200·T+48.71 另外T：温度[℃]
将从电流测量装置28的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值中的温度-比例误差特性示于表4及图28。
表4
根据表4及图28，由两个法拉第元件27a、27b构成，设定α＝1.57°的情况下，能够将以温度23℃为基准的比例误差抑制在-0.04～0.01％。即，比例误差的变动幅度在-20℃以上且80℃以下的温度范围，成为0.05％的范围内。
实施例3
基于表2的研究结果进行了为了通过一个法拉第转子降低比例误差的磁性石榴石的开发。其结果是得到了具有以下数学式3所示的温度依赖性的磁性石榴石。在温度23℃时的法拉第转角为24.22°，即设定α＝1.72°。将得到的磁性石榴石的温度依赖性示于图29。
数学式3
θF＝-1.64.·10-4·T2-0.0185·T+48.95 另外T：温度[℃]
圆偏振光LC1和LC2往复透射时的、磁饱和时的合计法拉第转角为48.44°。将从具备这种法拉第转子3的电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值中的温度-比例误差特性示于表5及图30。
表5
由表5及图30可知，比例误差范围为-0.05～0.01％，比例误差的变动幅度在-20℃以上且80℃以下的温度范围中形成为0.06％的范围内。与实施例2比较，能够通过一个法拉第转子实现相同的性能。
附图标记说明
1、28    电流测量装置
2        传感器用光纤
2a       传感器用光纤的一端
3        法拉第转子
3a       永磁体
4        第一1/4波片
X41      第一1/4波片的光学面上的晶轴
5        第二1/4波片
X51      第二1/4波片光的学面上的晶轴
6        偏振光束分离器
X61      偏振光束分离器的光学面上的晶轴
7        光源
8        信号处理电路
9        光学系统
10       回转器
11       第一光纤
11a      第一光纤一端侧的端面
12       第二光纤
12a      第二光纤一端侧的端面
13a、13b 光电转换元件
14       套管
15、16   透镜
17       保偏光纤
17a      纤芯
17b      应力赋予部
17c      包层
18       导体
19       反射镜
20a，20b   双折射元件
X20a、X20b 双折射元件光学面上的晶轴
21a、21b   放大器
22a、22b   带通滤波器
23a、23b   低通滤波器
24a、24b   除法器
25         极性反转器
26         运算器
27a、27b    法拉第元件
L1          由光源出射的直线偏振光
LF、LF’    保偏光纤的F轴方向的直线偏振光
LS、LS’    保偏光纤的S轴方向的直线偏振光
LC1、LC2    圆偏振光
LO          寻常光线
LE          异常光线
I           被测电流

Claims (12)

1.一种电流测量装置，其特征在于，至少包括光入射出射部，传感器用光纤、法拉第转子、第一1/4波片及第二1/4波片，偏振光束分离器、光源以及具备光电转换元件的信号处理电路；
所述光入射出射部排列构成两条波导；
从所述光入射出射部依次配置所述偏振光束分离器、所述第一1/4波片、所述第二1/4波片、所述法拉第转子以及所述传感器用光纤；
并且，所述传感器用光纤具有双折射，同时围绕设置在被测电流流过的导体的外周，具备用于入射旋转方向不同的两条圆偏振光的一端和对所入射的圆偏振光进行反射的另一端；
所述第二1/4波片设置在所述传感器用光纤的一端的同时，
所述法拉第转子配置在所述传感器用光纤的一端侧与所述第二1/4波片之间；
通过从所述光源出射的光由所述另一端反射，设定有往返于所述偏振光束分离器、所述第一1/4波片、所述第二1/4波片、所述法拉第转子以及所述传感器用光纤的往复光路；
通过所述第一1/4波片与所述第二1/4波片之间的所述往复光路传输两条直线偏振光的同时，补偿在所述第一1/4波片与所述第二1/4波片之间的所述往复光路上的两条所述直线偏振光的相位差；
并且，所述法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角在温度23℃时设定为22.5°+α°，从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.5％的范围内；
将所述第一1/4波片及所述第二1/4波片各自在光学面上的晶轴方向设定为垂直，或设定为同一方向。
2.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，将所述第一1/4波片在光学面上的所述晶轴方向，设定为与所述偏振光束分离器在光学面上的晶轴方向垂直，或者设定为同一方向。
3.根据权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，将所述偏振光束分离器在光学面上的晶轴方向、所述第一1/4波片在光学面上的所述晶轴方向以及所述第二1/4波片在光学面上的所述晶轴方向设定为同一方向。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，将所述变动幅度设定在±0.5％范围内的温度范围为100℃。
5.根据权利要求4所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上且80℃以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子具有随着温度变化，磁饱和时法拉第转角变化为二次曲线状的法拉第转角的温度特性。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子由两个以上的法拉第元件构成。
8.根据权利要求7所述的电流测量装置，其特征在于，所述两个以上法拉第元件的法拉第转角各不相同。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值中的比例误差的变动幅度设定在±0.2％的范围内。
10.根据权利要求9所述的电流测量装置，其特征在于，将所述变动幅度设定在±0.2％的范围内的温度范围为100℃。
11.根据权利要求10所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上且80℃以下。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述传感器用光纤为铅玻璃光纤。
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