JP2005345348A

JP2005345348A - 光電流センサ

Info

Publication number: JP2005345348A
Application number: JP2004167089A
Authority: JP
Inventors: Hideo Negishi; 英雄根岸; Hitoshi Hayashiya; 均林屋; Masato Ando; 政人安藤; Takeshi Endo; 猛遠藤; Tatsuya Kumagai; 達也熊谷; Wataru Onuki; 渉大貫
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】運動する環境下での計測に適した光電流センサを提供する。
【解決手段】検出対象の電流路１の周りに巻かれて左右両周りに光を伝搬するセンシングファイバループ２を備えたサニャック干渉型の光電流センサにおいて、前記センシングファイバループ２の巻き軸と平行な軸３の周りに前記センシングファイバループ２とは逆回りに巻かれた角速度相殺用ファイバループ４を前記センシングファイバループ２に接続することにより、回転等の運動による位相差を排除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サニャック干渉型の光電流センサに係り、運動する環境下での計測に適した光電流センサに関する。

光を伝搬するファイバループ（ファイバコイルとも呼ばれる）に磁界を印加すると、その中を伝搬する左回りの円偏光と右回りの円偏光が感じる屈折率に差が生じる。その結果、ファイバループを周回する左右両周り光間に位相差が生じる。この位相差を検出することにより、前記磁界を発生させている電流を検出することができる。また、検出対象の電流路の周りに巻かれたファイバループ（以下、センシングファイバループという）の他に遅延用光ファイバループ（ダミーコイル、長さ調整用ファイバコイルとも呼ばれる）を付加することが知られている。即ち、センシングファイバループに伝搬させる光に変調を与えることで、受光後の位相差電流を精度よく検出することができるが、この変調強度を補うために、光路長を長くする遅延用光ファイバループが用いられる。

この原理を用いたサニャック干渉型の光電流センサが以下の特許文献及び非特許文献に記載されている。この種の光電流センサの基本構成、原理についての詳細は、これら文献に記載されているとおりである。

サニャック干渉型の光電流センサは、検出対象の電流路である電線に検出用の電線をコイル状に巻き回した電流変成器に比べて、小型化、軽量化が図れるという利点がある。

これら背景技術の光電流センサでは、センシングファイバループは検出対象の電流路の周りに一方向のみに巻かれている。また、遅延用ファイバループも一方向のみに巻かれている。ただし、特許文献２では、２つの遅延用光ファイバループを設けて、これらの遅延用ファイバループの巻き方向を互いに反対向きにすることで、それぞれの遅延用ファイバループに生じるサニャック効果を相殺している。

特表２０００−５１５９７９号公報特開２００２−０２２７７６号公報サニャック干渉型光電流変成器（ＣＴ）によるプラズマ電流計測、一ノ瀬祐治、阿部充志、プラズマ・核融合学会誌第７６巻第６号、２０００年６月光ファイバおよび電磁力型定常電流／磁気センサの開発、阿部充志ら、原子力研究会資料ＮＥ−０２−４、電気学会、２００２年９月１１日

背景技術の各文献は、光電流センサを構成しているセンシングファイバループや遅延用ファイバループがサニャック干渉計としての機能と同時にループ面の角速度に応じて左右両周り光間に位相差を生じる光ファイバジャイロとしての機能を同時に備えていることを考慮していない。このため、この種の光電流センサを列車などの移動体に搭載して回転等の運動をする環境下で電流を計測すると、検出対象の電流とは無関係な回転に起因する位相差成分が混入してしまい、正しく電流を計測することができない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、運動する環境下での計測に適した光電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、検出対象の電流路の周りに巻かれて左右両周りに光を伝搬するセンシングファイバループを備えたサニャック干渉型の光電流センサにおいて、前記センシングファイバループの巻き軸と平行な軸の周りに前記センシングファイバループとは逆回りに巻かれた角速度相殺用ファイバループを前記センシングファイバループに接続したものである。

前記センシングファイバループにおける光ファイバジャイロとしてのスケールファクタと前記角速度相殺用ファイバループにおける光ファイバジャイロとしてのスケールファクタとを互いに等しくさせてもよい。

前記センシングファイバループのループ長及びループ径と前記角速度相殺用ファイバループのループ長及びループ径とを互いに等しくさせてもよい。

前記センシングファイバループに、左右両周りに伝搬する光に遅延を与える２つの遅延用光ファイバループを接続し、これら遅延用ファイバループを巻き軸が互いに平行になるよう配置すると共に、これら遅延用ファイバループの巻き方向を互いに反対向きとし、かつこれら遅延用ファイバループにおけるそれぞれの光ファイバジャイロとしてのスケールファクタを互いに等しくさせてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）回転等の運動による位相差を排除できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光電流センサは、検出対象の電流路１の周りに巻かれて左右両周りに光を伝搬するセンシングファイバループ２と、このセンシングファイバループ２の巻き軸１（簡単のため電流路と巻き軸が一致しているものとしている）に対してほぼ平行な軸３の周りにセンシングファイバループ２とは逆回りに巻かれた角速度相殺用ファイバループ４とを備える。角速度相殺用ファイバループ４は、ループ面内に電流路１を含まないように配置されている。

センシングファイバループ２にはスパンファイバ（ねじりファイバ）又は通信用のシングルモードファイバを使用するとよい。また、角速度相殺用ファイバループ４には、光の偏光特性を安定に保つために、偏波面保存ファイバを使用するとよい。

図示しない光源及び受光器からの伝送用光ファイバに光カプラ５が接続され、この光カプラ５から図示しない偏光子、位相変調器６、遅延用ファイバループ７、１／４波長素子８、センシングファイバループ２、１／４波長素子８、角速度相殺用ファイバループ４、光カプラ５の順に接続されている。角速度相殺用ファイバループ４を除く構成や動作原理については、前述した各文献にも記載のある公知の事柄であるから詳しい説明はしない。

図１においてセンシングファイバループ２が右巻きであったとすると、角速度相殺用ファイバループ４は左巻きにする。センシングファイバループ２のループ長（構成している光ファイバの長さ）をｌ１、ループ半径をｒ１とし、角速度相殺用ファイバループ４のループ長をｌ２、ループ半径をｒ２としたとき、
ｌ１＝ｌ２
かつ
ｒ１＝ｒ２
となっている。つまり、両ファイバループ２，４はループ長もループ径も互いに等しい。

ここで、一般に知られている光ファイバジャイロのスケールファクタＡは、
Ａ＝４πｒｌ／（λＣ）
ｒはループ半径
ｌはループ長
λは光の波長
Ｃは光速
である。

光ファイバジャイロにおいて、回転角速度ωに対する左右周り光の位相差Δθは、
Δθ＝Ａ・ω
である。

両ファイバループ２，４はループ長もループ径も互いに等しいので、光ファイバジャイロとして動作するときのスケールファクタＡも互いに等しい。ただし、巻き方向が互いに逆であるため、同じ方向の回転運動に対して生じる位相差の符号が逆となる。よって、図１の光電流センサ全体が回転をしたとき、それぞれのファイバループ２，４に生じる左右周り光の位相差Δθは、大きさが等しく符号が逆になり、相殺される。

このように、回転に起因する光の位相差Δθが解消されているため、検出対象の電流を正しく計測することができる。

なお、両ファイバループ２，４のスケールファクタＡを互いに等しくする解として、
ｒ１・ｌ１＝ｒ２・ｌ２
もある。よって、両ファイバループ２，４のループ長とループ径の積を互いに等しくしても本発明は実施できる。

次に、他の実施形態を説明する。

図２に示されるように、この光電流センサは、図１で説明したと同様の光カプラ５、図示しない偏光子、位相変調器６、２つの１／４波長素子８，８、センシングファイバループ２、角速度相殺用ファイバループ４を備え、さらに、２つの遅延用ファイバループ９，１０を備える。

これら遅延用ファイバループ９，１０は、巻き軸が互いに平行になるよう配置されていると共に、巻き方向が互いに反対向きである。これら遅延用ファイバループ９，１０は、それぞれの光ファイバジャイロとしてのスケールファクタを互いに等しくしてある。

図２の光電流センサ全体が回転をしたとき、センシングファイバループ２及び角速度相殺用ファイバループ４のみならず、遅延用ファイバループ９，１０にも左右周り光の位相差Δθが生じるが、それぞれの遅延用ファイバループ９，１０の位相差Δθは、前述した理由により大きさが等しく符号が逆になり、相殺される。

次に、遅延用ファイバループ９，１０の具体的な巻き方を説明する。

図３に示されるように、外径と軸方向長さの等しい２つのボビンを用いる。一方のボビン１１には左巻きに光ファイバを巻いて遅延用ファイバループ９を形成し、その光ファイバを延ばした先で、もう一方のボビン１２には右巻きに光ファイバを巻いて遅延用ファイバループ１０を形成する。これらの遅延用ファイバループ９，１０をそれぞれのボビン端面が同一面に並ぶよう並列に配置するか又はそれぞれのボビン端面同士が重なるよう直列に配置する。勿論、並列や直列でなくとも、巻き軸が互いに平行になるよう配置すればよい。

本発明は、列車などの移動体に光電流センサを搭載して回転等の運動をする環境下で電流を計測する場合に特に有効である。移動体に限らず、固定の発電・送電・変電設備において使用されている背景技術の光電流センサに代えて本発明の光電流センサを使用してもよいことは勿論である。

本発明の一実施形態を示す光電流センサの要部構成図である。本発明の一実施形態を示す光電流センサの要部構成図である。本発明に用いる遅延用ファイバループの外観図である。

符号の説明

１検出対象の電流路（センシングファイバループの巻き軸）
２センシングファイバループ
３角速度相殺用ファイバループの巻き軸
４角速度相殺用ファイバループ
９，１０遅延用ファイバループ

Claims

検出対象の電流路の周りに巻かれて左右両周りに光を伝搬するセンシングファイバループを備えたサニャック干渉型の光電流センサにおいて、前記センシングファイバループの巻き軸と平行な軸の周りに前記センシングファイバループとは逆回りに巻かれた角速度相殺用ファイバループを前記センシングファイバループに接続したことを特徴とする光電流センサ。
前記センシングファイバループにおける光ファイバジャイロとしてのスケールファクタと前記角速度相殺用ファイバループにおける光ファイバジャイロとしてのスケールファクタとを互いに等しくさせたことを特徴とする請求項１記載の光電流センサ。
前記センシングファイバループのループ長及びループ径と前記角速度相殺用ファイバループのループ長及びループ径とを互いに等しくさせたことを特徴とする請求項１又は２記載の光電流センサ。
前記センシングファイバループに、左右両周りに伝搬する光に遅延を与える２つの遅延用光ファイバループを接続し、これら遅延用ファイバループを巻き軸が互いに平行になるよう配置すると共に、これら遅延用ファイバループの巻き方向を互いに反対向きとし、かつこれら遅延用ファイバループにおけるそれぞれの光ファイバジャイロとしてのスケールファクタを互いに等しくさせたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光電流センサ。