JP2001004671A

JP2001004671A - 光ファイバセンサ

Info

Publication number: JP2001004671A
Application number: JP11177772A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Kubota; 善征久保田; Isamu Sone; 曽根　　勇; Yuji Ichinose; 祐治一ノ瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物理量を偏光状態の変化として測定する
光ファイバセンサにおいて、伝送用光ファイバが振動す
ると、光ファイバセンサ出力にノイズが発生する。【解決手段】検光子７と受光ファイバ１１ａ，１１ｂの
間に、偏光解消素子１３ａ，１３ｂを設けた。【効果】偏光解消素子で直線偏光を無偏光に変換するこ
とで、光ファイバ振動に起因して発生するノイズを低減
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物理量を光
の偏光状態として測定する光センサ素子と、この光セン
サ素子からの出射光を光ファイバで信号処理回路へ伝送
する構成の光ファイバセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバセンサは、例えば、「光ファ
イバセンサ」情報調査会、昭和60年発行で多様な構成が
報告されている。図５は光電圧センサの従来例であり、
偏光子、ポッケルス素子、１／４波長板、検光子から成
る光センサ部が、光コネクタを用いて光ファイバに接続
している。図６は、光学ガラスをファラデー素子とした
光電流センサの従来例であり、偏光子、ファラデー素
子、検光子から成る光センサ部が光ファイバに接続して
いる。図６では、ファラデー素子からの出射光が検光子
で２光に分離され、かつ、検光子と光ファイバとの間に
はレンズが用いられることを示している。図７は、特殊
光ファイバをファラデー素子とした光電流センサの従来
例である。ここでは、光源および光検出器と、光センサ
部との光伝送手段については明示されていないが、現在
では、光ファイバで伝送する構成が一般的である。

【０００３】一方、光センサ部が振動を受けると、光セ
ンサ信号処理回路の出力電圧(以下、光センサ出力)にノ
イズ成分が発生する問題があった。これは、振動によっ
て光センサ素子に応力が加わり、この結果、光センサ素
子を透過する光の偏光状態が変化することが原因であっ
た。被測定物理量以外の要因で偏光状態が変化した場合
にも光センサ出力が発生して、ノイズ成分として本来の
光センサ出力に重畳する。この結果、光ファイバセンサ
の測定精度が低下することになる。

【０００４】光センサ部の振動対策として、例えば、特
開平８−１４６０４７号のように、光センサ部をバネで
支持して、光センサ素子に加わる応力を低減する方法が
考えられる。しかし、バネなどの弾性体で光センサ部を
支持すると、振動によって光センサ部の振動振幅が大き
くなる。光センサ部の振動振幅が大きくなると、接続し
ている光ファイバの振動振幅も大きくなる。この結果、
光センサ素子の振動対策の副作用として、光ファイバの
振動によるノイズ成分が無視できなくなる問題があっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例は、光源お
よび光検出部と、光センサ部との光伝送用光ファイバの
振動によって、光センサ出力にノイズ成分が発生する問
題があった。本発明の目的は、光センサ素子を含むセン
サ部が振動して、その結果として光ファイバの振動振幅
が大きくなっても、光ファイバ振動に起因するノイズ成
分が光センサ出力に発生することを抑制することある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、検光子と光ファイバの間に偏光解消素子を設けた
光センサ部とした。偏光解消素子で、検光子を出射する
光を直線偏光から無偏光に変換し、無偏光状態の光を光
ファイバで伝送する構成とした。直線偏光の状態で光フ
ァイバを伝送すると、光ファイバが振動したときに、受
光端で測定する光量変化が比較的大きい。しかし、無偏
光の状態で伝送すると、受光端で測定する光量変化は低
減する。これは、振動によって伝搬光のモード変化（直
線偏光からの偏光状態の乱れ）が発生して、受光端で測
定する光量変化の要因となっていることを示している。
すなわち、光ファイバを伝送する前の段階で、無偏光状
態に変換しておくことで、光ファイバ振動に起因する光
センサ出力のノイズ成分を低減できる。

【０００７】また、光センサ素子から出射する光を、直
交する２成分光（Ｐ偏光とＳ偏光）に検光子で分離し
て、各偏光成分を上記の方法で無偏光に変換する。さら
に、光センサ部から光検出器への伝送用光ファイバ２本
を実質一体化して、光ファイバに振動が加わった場合の
振動応力が同じになる構成とし、また、Ｐ偏光出力とＳ
偏光出力の差動演算結果を光センサ出力とした。上記構
成とすることで、光ファイバの振動によるＰ偏光出力の
ノイズ成分と、Ｓ偏光出力のノイズ成分は同相になり、
差動演算結果を光センサ出力とすることで、光センサ振
動の影響をさらに低減できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１、図
２、図３で説明する。

【０００９】図１の実施例は、光センサ素子としてポッ
ケルス素子を用いた光電圧センサの全体構成および光セ
ンサ部内部を示す。光電圧センサは、光源１、光センサ
部１０、信号処理部１２、および送光用途の光ファイバ
（以下、送光ファイバ）２と受光用途の光ファイバ（以
下、受光ファイバ）１１ａ，１１ｂで構成される。さら
に光センサ部１０は、偏光子４、波長板５、ポッケルス
素子６、検光子である偏光ビームスプリッタ７、偏光解
消素子１３ａ，１３ｂ、反射プリズム８、レンズ３，９
ａ，９ｂで構成される。

【００１０】図１の実施例では、光源に発光ダイオード
（ＬＥＤ）を用いて、マルチモードの送光ファイバ２で
光センサ部１０に送光した。センサ部１０の内部では、
レンズ３、偏光子４を透過した光は直線偏光になり、１
／４波長板５を透過して円偏光になる。円偏光は、図示
していないリード線から印加した電圧（被測定物理量）
によって、ポッケルス素子６を透過する間に位相変調を
受けて、楕円偏光になる。楕円偏光の光は検光子７で、
お互いに偏光面が直交する直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）
に分離される。Ｐ偏光は偏光解消素子１３ａを透過する
ことで無偏光に変換され、レンズ９ａを介して受光ファ
イバ１１ａに入射される。同様に、Ｓ偏光は、反射プリ
ズム８で偏向したあと、偏光解消素子１３ｂで無偏光に
変換され、レンズ９ｂを介して受光ファイバ１１ｂに入
射される。

【００１１】図１の実施例では、光学ガラスに誘電体多
層膜を蒸着した偏光ビームスプリッタの偏光子４、合成
水晶２枚を零次モード波長特性で接合した１／４波長板
５、Ｂi4Ｇe3Ｏ12単結晶のポッケルス素子６、光学ガラ
スに誘電体多層膜を蒸着した偏光ビームスプリッタの検
光子７、ＢＫ７ガラスの直角プリズムと背面の空気相で
構成する全反射プリズム８を用いた。また、光センサ部
１０の内部の光学部品と光ファイバとの光軸調整の目的
で、レンズ３，９ａ，９ｂを用いた。実施例では、合成
水晶２枚を接合した偏光解消素子１３ａ，１３ｂを用い
た。

【００１２】図２の実施例は、光センサ素子としてファ
ラデー素子を用いた光電流センサの全体構成および光セ
ンサ部内部を示す。光電流センサは、光源１、光センサ
部１０、信号処理部１２、および送光ファイバ２と受光
ファイバ１１ａ，１１ｂで構成される。さらに光センサ
部１０は、偏光子４、波長板５、ファラデー素子１６、
検光子である偏光ビームスプリッタ７、偏光解消素子１
３ａ，１３ｂ、反射プリズム８、レンズ３，９ａ，９
ｂ，１５ａ，１５ｂで構成される。

【００１３】図２の実施例では、光源にスーパー・ルミ
ネッセンス・ダイオード（ＳＬＤ）を用いて、送光ファ
イバ２で光センサ部１０に送光した。光センサ部１０の
内部では、レンズ３、偏光子４を透過した光は直線偏光
になり、１／２波長板５を透過して偏光面が調整された
直線偏光になる。ファラデー素子１６は、図示していな
い通電導体を周回するように設置される。通電導体の電
流（被測定物理量）によって、ファラデー素子１６を透
過する直線偏光の偏光面が回転する。この回転角（ファ
ラデー回転角）は通電電流に比例している。ファラデー
回転した直線偏光の光は検光子７で、お互いに偏光面が
直交するＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光は偏光解
消素子１３ａを透過することで無偏光に変換され、レン
ズ９ａを介して受光ファイバ１１ａに入射される。同様
に、Ｓ偏光は、反射プリズム８で偏向したあと、偏光解
消素子１３ｂで無偏光に変換され、レンズ９ｂを介して
受光ファイバ１１ｂに入射される。

【００１４】図２の実施例では、金属と誘電体を交互に
積層した積層型偏光子４、合成水晶2枚を零次モード波
長特性で接合した１／２波長板５、特殊ガラスファイバ
のファラデー素子６、光学ガラスに誘電体多層膜を蒸着
した偏光ビームスプリッタの検光子７、ＢＫ７ガラスの
直角プリズムと背面の空気相で構成する全反射プリズム
８を用いた。また、光センサ部１０の内部の光学部品と
光ファイバとの光軸調整の目的で、レンズ３，９ａ，９
ｂ，１５ａ，１５ｂを用いた。実施例では、長さが１：
２の２本の複屈折光ファイバの主軸をお互いに４５度傾
けて接続したファイバ型の偏光解消素子１３ａ，１３ｂ
を用いた。

【００１５】図３の実施例は、振動が発生する設置環境
での光電圧センサの実装構造を示す。光センサ部１０
は、図１の実施例の光センサ部１０と同じものである。
振動によって光センサ部１０に加わる応力を低減する目
的で、光センサ部１０の外側に光センサ外箱１７を設け
て、緩衝材１８で光センサ部１０を６面から支持する２
重構造となっている。発生する振動の加速度と周波数を
考慮して、光センサ部１０に加わる加速度が低減するよ
うに、緩衝材の粘弾性特性を設計する。図３で、光セン
サ外箱１７と、光源１および信号処理部１２の間の送光
ファイバと受光ファイバは、ケーブル２０として敷設さ
れる。一方、光センサ外箱１７の内部では、光センサ部
１０が振動しても光ファイバに引張力が加わらないよう
に、余裕を持って各光ファイバを接続している。また、
２本の受光ファイバ１１ａ，１１ｂを束ねている。緩衝
材１８が存在することの副作用として光センサ部１０の
信号振幅が増加しても、２本の受光ファイバには同じ振
動が加わる構成になっている。

【００１６】光源１、信号処理回路１２の内部構成を図
４に示す。Ｐ偏光とＳ偏光を、それぞれ下記の順に信号
処理する。Ｏ／Ｅ変換したあと、信号処理部１２への入
射光量に比例した信号電圧として変換アンプ出力を得
る。このあと、前記信号電圧から算出した平均値を、前
記信号電圧から引き算して、前記信号電圧の変動成分を
求める。変動成分を前記平均値でさらに除算すること
で、光伝送路の光量変動に依存しないように正規化した
変動分が除算器出力に発生する。

【００１７】ポッケルス素子６に電圧（被測定物理量）
を印加すると、印加電圧に比例した出力として、しか
し、ポッケルス素子６を透過する光量には依存しない出
力として、各偏光成分出力を除算器出力から求めること
ができる。このとき、Ｐ偏光出力とＳ偏光出力は位相が
１８０度反転した電圧であるから、差動演算した光電圧
センサ出力（以下、光ＰＤ出力）では、測定感度が２倍
になる。

【００１８】一方、光センサ外箱１７に外部から振動が
加わると、緩衝材１８によって光センサ部１０へ加わる
振動（加速度）は実質無視できる程度まで低減される。
しかし、振動によって緩衝材１８が収縮することで、光
センサ外箱１７の内部にある光ファイバの振動振幅は増
加する。図３に示すように、２本の受光ファイバを束ね
て実質一体化してあるので、光ファイバ振動によって除
算器出力に発生する変動分は、Ｐ偏光出力とＳ偏光出力
は、位相が一致した電圧になる。この結果、差動演算し
た光ＰＤ出力では、振動によるノイズ成分は相殺され
る。

【００１９】以上の構成により、光電圧センサのＳＮ比
が向上して振動が発生する設置環境においても、高精度
測定が可能になる。

【００２０】図３と図４では、光電圧センサの実施例を
示した。光センサ素子を出射する光を、互いに直交する
２成分に検光子で分離して、かつ、それぞれの光ファイ
バで信号処理回路へ伝送する光ファイバセンサであれ
ば、同様な効果を発揮される。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、検光子と受光ファイバ
の間に偏光解消素子を設けることで、受光ファイバを伝
送する光を無偏光に変換することができるので、光ファ
イバ振動によって光センサ出力に発生するノイズ成分を
低減できる。

【００２２】また、光センサ素子を出射する光を、検光
子でＰ偏光とＳ偏光に分離して、かつ２本の受光ファイ
バが同じ振動を受けるように実質的に一体化して、さら
に信号処理回路で差動演算することで、光センサ出力の
ＳＮ比を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光電圧センサの全体構成図
および光センサ部を示す図である。

【図２】本発明の一実施例の光電流センサの全体構成図
および光センサ部を示す図である。

【図３】本発明の一実施例の光電流センサの全体構成図
および光センサ部を示す図である。

【図４】光電圧センサの従来例のセンサ構成図である。

【図５】光電流センサの従来例のセンサ構成図である。

【図６】光電流センサの従来例のセンサ構成図である。

【図７】光電流センサの従来例のセンサ構成図である。

【符号の説明】

１…光源、２…送光ファイバ、４…偏光子、５…波長
板、６…ポッケルス素子、７…検光子、８…反射プリズ
ム、１１ａ，１１ｂ…受光ファイバ、１３ａ，１３ｂ…
偏光解消素子、３，９ａ，９ｂ，１５ａ，１５ｂ…レン
ズ、１７…光センサ外箱、１８…緩衝材、１９…受光フ
ァイバ一体化治具、２０…光ファイバケーブル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者一ノ瀬祐治茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内Ｆターム(参考） 2G025 AA00 AB09 AB11 2H038 AA04 2H099 AA00 BA13 CA07 CA08 CA11 DA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物理量を偏光状態の変化として測
定する光センサ素子と、偏光子、波長板、検光子、偏光
解消素子を含む光センサ部において、検光子と光ファイ
バとの間に偏光解消素子を設けたことを特徴とする光フ
ァイバセンサ。
【請求項２】偏光子、波長板、ポッケルス素子、検光
子、偏光解消素子を含む光電界センサ部または光電圧セ
ンサ部において、検光子と光ファイバとの間に偏光解消
素子を設けたことを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項３】偏光子、波長板、ファラデー素子、検光
子、偏光解消素子を含む光磁界センサ部または光電流セ
ンサ部において、検光子と光ファイバとの間に偏光解消
素子を設けたことを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項４】光センサ素子を出射した光が、お互いに
直交する２成分光に検光子で分離され、かつそれぞれの
光ファイバで信号処理回路へ伝送される光ファイバセン
サにおいて、前記２本の光ファイバは、同一の振動を受
けるように一体化させ、かつ、信号処理回路で前記２成
分光の差動演算を実施することを特徴とする請求項１乃
至３のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。