JP2005517961A - 光電式電流センサーのセンサーヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

光学式電流または磁場センサーは、第一の位相差部品（１３）、第二の位相差部品およびセンサーファイバー（１５）を有するセンサーヘッドを持つ。二つの位相差部品（１３）は、センサー部品（１５）の相対する端部に光学的に接続されており、位相差部品（１３）の少なくとも一つの位相差角ρは、９０°から角度ε（ε≠０°）だけずれている。直線偏光された光波（３）が第一の位相差部品（１３）に入力結合され、その際直線偏光された光波（３）の偏光軸（ｙ'）は、第一の位相差部品（１３）の主軸（ｙ）と、４５°から角度Δα（Δα≠０°）だけずれた角度を成す。角度Δαは、少なくとも角度εに依存して選択される。角度Δαの選択により、角度ε≠０°のために現れる、直接的な測定信号と測定する電流または磁場間における非線形性の相殺が可能となる。

Description

この発明は、光学式電流または磁場センサー技術の分野に関する。この発明は、請求項１の上位概念にもとづくセンサーヘッドの製造方法、請求項１２の上位概念にもとづく光学式電流または磁場センサーおよびその製造方法、ならびに請求項１３の上位概念にもとづく電流または磁場の測定方法に関する。

このような光学式電流センサーは、特許文献１により周知である。それは、電流導体を取り巻く、コイル形状に巻かれた、磁気光学作用を持つセンサーファイバーを有する。このセンサーファイバーは、少なくとも一端が、位相差部品を介して、別の光ファイバー、所謂供給ファイバー（Zuleitungsfaser ）または戻りファイバー（Rueckleitungsfaser）と接続されており、この別の光ファイバーを介して、光が、このセンサーファイバーに入力結合またはこのセンサーファイバーから出力分離することができる。この供給または戻りファイバーは、有利には楕円形のコア断面を持つ。その中を、直線偏光された光波が伝搬する。位相差部品としては、複屈折を起こすファイバーセグメントが使われ、それは、センサーファイバーと供給ファイバーの間に配置される。このファイバーセグメントは、二つの光学軸、ファスト（短）軸（fast [short] axis ）とスロウ（長）軸（slow [long] axis）を有する。これらの軸は、供給または戻りファイバーの二つの主軸に対して４５°の方向を向いている。通常、その長さは、９０°の奇数倍の位相差角に対応して、１／４位相差部品として機能するように選択される。そうすることによって、それが、前記の供給または戻りファイバーの直線偏光された光波を、センサーファイバーに伝搬する円偏光された光波に変換する。前記の主軸間の角度および位相差部品の位相差角に関して、限界的な角度が、特許文献１に記載されている。

センサーファイバーは、サニャック干渉計として、またはその一端が鏡面加工されている場合には、反射干渉計として機能する。両方の場合、センサーファイバー内では二つの円偏光された光波が伝搬する。その際、これらの波は、サニャック干渉計の場合には逆方向に、反射干渉計の場合には同じ方向に進行する。サニャック干渉計では、二つの波は、同じ偏光内容を持ち、その際それらは、左旋か右旋のどちらかに円偏光される。反射干渉計では、二つの波は、反対の偏光内容を持つ。

導体に、電流Ｉが流れる場合、電流Ｉは、これら二つの逆方向または同方向に進む光波間に位相偏位の差分を生じさせる磁場を発生する。この効果は、磁気光学効果またはファラデー効果と呼ばれる。この場合、センサーファイバー内の円偏光された光波に関して、発生する位相偏位は、電流に比例し、サニャック構成では、

ΔΦ_S ＝２φ_F

であり、反射構成では、

ΔΦ_R ＝４φ_F

であり、その際所謂ファラデー位相偏位φ_F は、

φ_F ＝ＶＮＩ

で定義され、そして、ここでは、Ｖをセンサーファイバーのヴェルデ定数、Ｎをコイルにおけるファイバーの巻き数、Ｉを電流の大きさと見なしている。

特許文献１では、なるほど機械的な応力（mechanischen Spannung ）は無いが、その結果得られた測定信号が、温度依存性を持つ、ストレス誘起型（stress-induziert）の線形複屈折による影響を受けないセンサーファイバーを記載している。しかし、このセンサーファイバーのヴェルデ定数Ｖは、同じく温度依存性を持ち、それ自身は、理想的な応力の無いファイバーコイルの場合に検出可能である。

特許文献２では、光ファイバーの電流センサーが記載されており、それは、ヴェルデ定数Ｖの温度依存性を部品の温度依存性によって相殺する位相差部品を利用することによって、ヴェルデ定数Ｖの温度依存性の影響を排除している。このことは、その位相差部品が、理想的な位相差部品の位相差角から角度ε（ε≠０°）だけずれた位相差角を持つことによって達成される。１／４位相差部品の場合、その位相差角は、９０°ではなく、９０°＋εとなり、典型的には９５°〜１０５°までの位相差角に対応する。ヴェルデ定数Ｖの温度依存性の正負の符号に応じて、負の角度εもあり得る。

そのような位相差部品は、有利には楕円形のコア断面を持つ複屈折を起こすファイバーセグメントとして構成され、その際位相差角は、ファイバーセグメントの長さを適切に選択することによって、簡単に調整することができる。そのような角度ε（ε≠０°）を持つ位相差部品には、供給ファイバーを介して直線偏光された光波が供給され、その際供給ファイバーの主軸は、位相差部品の主軸と４５°の角度を成す、すなわち僅かに楕円偏光された光波が、このセンサーファイバー内を伝搬する。

このヴェルデ定数Ｖの温度依存性を相殺する方法の場合、それによって測定する電流とΔΦ_S またはΔΦ_R にほぼ比例する測定信号間の線形的な関係に狂いが生じるということが問題である。すなわち、円偏光された光波に対して成り立つ線形的な関係ΔΦ_S ＝２ＶＮＩとΔΦ_R ＝４ＶＮＩが、楕円の光波に対しては、もはや成り立たない。そのような測定する電流と測定信号間の関係の非線形性は、典型的には０．１％から１％までの大きさを持ち、測定の不正確さを引き起こす、あるいは高い測定精度が必要な場合に測定の評価を難しくする。費用のかかる信号処理を用いて、そのような非線形性を相殺することができる。
欧州特許公開第０８５６７３７号明細書 欧州特許公開第１１１５０００号明細書

この発明の課題は、初めに述べた種類の改良型の電流または磁場センサーおよびそれに対応する測定方法を実現することである。このセンサーは、上述した欠点を排除するものである。特に、このセンサーは、高い測定精度を持つ、および／または測定の評価を簡単化し、費用のかかる信号処理を不要とするものである。

この課題は、請求項１の特徴を持つ光学式電流または磁場センサー用センサーヘッドの製造方法と、請求項１１にもとづく光学式電流または磁場センサーの製造方法と、請求項１２にもとづく光学式電流または磁場センサーと、請求項１３の特徴を持つ電流または磁場の測定方法によって解決される。

この光学式電流または磁場センサーは、一つのセンサー部品と二つの位相差部品、ならびに二つの光導波部品を有する。このセンサーヘッドの構成部品は、光路に沿って第一の光導波部品、第一の位相差部品、センサー部品、第二の位相差部品、第二の光導波部品の順序で配置され、互いに光学的に接続されている。少なくとも一つの位相差部品の位相差角ρ，ρ' は、９０°の奇数倍から角度ε（ε≠０°、−９０°＜ε＜９０°）だけずれている。この発明にもとづき、少なくとも一つの光導波部品の主軸は、それに隣接する位相差部品の主軸とは、４５°±Δα（Δα≠０°、０°＜ε＜４５°）の角度を成し、この角度は、少なくとも角度εに依存して選択される。ε≠０°によって起こる、直接的な測定信号と測定する電流または磁場間の非線形性は、角度Δαをεに依存して適切に選択することによって、少なくともほぼ相殺することができる。こうすることによって、直接的な測定信号と測定する電流または磁場の間に、少なくともほぼ線形的な関係ができる。これは、費用のかかる信号処理を用いることなく、簡単な測定の評価を可能とするとともに、優れた測定精度を実現するという利点を持つ。

この発明にもとづく光学式電流または磁場センサーのセンサーヘッドの製造方法においては、センサーヘッドの前述した構成部品は、前述した方法で配置されるとともに、その寸法が規定される。特に、前述した角度Δαは、少なくとも角度εに依存して選択される。

この発明にもとづく光学式電流または磁場センサーは、一つのセンサーヘッドを有し、このセンサーヘッドは、この発明にもとづく方法により製造される。サニャック構造で構成される、そのようなセンサーは、面倒な調整の無い商業的に入手可能な検出器を利用することができるので、安価に製造可能である。

この発明の別の実施構成においては、二つの位相差部品は、９０°の奇数倍からずれた位相差角を持つ。そのことによって、センサーヘッドの寸法を柔軟に定めることができる。

この発明の別の実施構成においては、角度Δαは、前述した非線形性が、Δα＝０°の場合と比べて、少なくとも半分の大きさ、すなわち１／３に低減されるように、εに依存して選択される。

この発明の有利な実施構成においては、二つの位相差部品の位相差角ρ，ρ' が、９０°の奇数倍から０°ではないずれε，ε' を持ち、かつ二つの位相差部品は、合計してセンサー部品のヴェルデ定数Ｖの温度依存性を少なくともほぼ相殺する温度依存性を有する。すなわち、二つの位相差部品は、合計して直接的な測定信号の温度依存性に対して、センサー部品のヴェルデ定数Ｖの温度依存性を少なくともほぼ相殺するように作用する。それゆえ、二つの位相差部品の組み合わせにより生じる温度依存性は、前述のように選択される。この方法により、センサーは、直接的な測定信号と測定する電流または磁場間において少なくともほぼ線形的な関係だけでなく、より良好な温度安定性をも有することとなる。

この発明の対象の別の有利な実施構成においては、さらに、位相差角ρ，ρ' が、等しい（ρ＝ρ' 、ε＝ε' ）。そして、位相差部品の相対的な調整位置は、これらの位相差部品とそれぞれ光学的に接続された光導波部品に対して同じ形で選択される、すなわち二つの位相差部品に関して、これらの位相差部品の少なくとも一つの主軸が、その光導波部品の少なくとも一つの主軸と同じ角度Δα＝Δα' を成す。このセンサーヘッドの対称的な構造によって、製造の容易さが改善されるとともに、干渉効果に対する大きな耐性が実現される。

さらに、光導波部品として偏光面保存ファイバーを用いて、直線偏光された光波の位相差部品への入力結合を行うのが有利である。そうすることによって、直線偏光された光波の発生を、位相差部品とセンサー部品から空間的に大きく離れた所で起こすことができる一方、それにもかかわらず直線偏光された光波の入力結合を、常に同じ角度で行える。

この発明の対象の別の有利な実施構成においては、二つの位相差部品の中の少なくとも一つ、有利には二つの位相差部品は、楕円形のコアを持つ一片のファイバーとして構成され、そのファイバーは、９０°＋ε（または９０°＋ε' ）の位相差角を持つ。このような位相差部品は、簡単かつ安価に製造することができる。

センサー部品は、電流導体をコイル形状に取り囲むことができ、そのことによりセンサーの測定精度と感度を向上することができるように、センサー部品を選択するのが有利である。

さらに、センサー部品として、ほとんど機械的な応力の無い、磁気光学作用を有するガラスファイバーを用いるのが有利である。そうすることによって、センサーの温度依存性が低減される。

別の有利な実施構成は、請求項から明らかとなるものである。

以下において、有利な実施例と図面をもとに、この発明の対象をさらに詳しく説明する。

図面で使われている符号とその意味は、まとめて符号の説明に一覧として挙げている。図面においては、基本的に、同じ部分には、同じ符号を付与している。ここに述べた実施例は、この発明の対象に対する例示であり、何ら制限的な意味を持つものではない。

図１は、光学式電流または磁場センサーに対する、この発明にもとづくセンサーヘッド１の部分を模式的に示している。楕円形のコア断面を持つ偏光面保存光ファイバーとして構成された第一の光導波部品１１は、第一の位相差部品１３の第一の端部１３１と光学的に接続されている、すなわち光波は、光導波部品１１から第一の位相差部品１３の第一の端部１３１に、ならびにその逆に入力結合することができる。第一の位相差部品１３としては、楕円形のコア断面を持つ一片のファイバーが用いられ、その長さは、その位相差角ρ＝９０°＋ε（角度ε≠０°）となるように選択される。この出願の集合体である、初めに述べた特許文献２により、角度εを巧みに選択することは、光学的な電流センサーの温度安定性の改善に結びつけることができることが周知である。第一の位相差部品１３の第二の端部１３２は、センサー部品１５と光学的に接続されており、そのセンサー部品は、有利には円形のコア断面を持つ磁気光学作用を有するファイバーである。

図１の上部にある三つのグラフでは、前述した三つのファイバーセグメント１１，１３，１５を伝搬する光波３，４_x ，４_y ，６、ならびに有利なコア断面と主軸ｘ，ｘ' ，ｙ，ｙ' が、模式的に描かれている。光波は、太い矢印で描かれており、それは、光波の電界ベクトルを象徴するものである。第一の光導波部品１１内を、第一の直線偏光された光波３が伝搬し、この場合、この光波は、第一の光導波部品１１のスロウ（長）軸である主軸ｙ' と一致する偏光軸ｙ' を有する。この第一の光導波部品１１の主軸ｙ' は、第一の位相差部品１３の主軸ｙと４５°＋Δαの角度を成し、その際Δα≠０°であり、角度εに依存して選択される角度である。第一の直線偏光された光波３が第一の位相差部品１３に入射した場合、この光波は、第二の直線偏光された光波４となり、この第二の光波は、第一の位相差部品１３の二つの主軸ｘ，ｙに沿った偏光軸を持つ、第二の直線偏光された光波４_x と第二の直線偏光された光波４_y を有する。

図１の下部にある二つのグラフは、第一の位相差部品１３での第二の直線偏光された光波４を模式的に描いている。第一の位相差部品１３の第一の端部１３１では、第一の位相差部品１３のスロウ軸ｙに沿って偏光された第二の直線偏光された光波４_y は、第一の位相差部品１３のファスト軸ｘに沿って偏光された第二の直線偏光された光波４_x と同相である。伝搬方向ｚに沿って第一の位相差部品１３を通り抜けた後の、第一の位相差部品１３の第二の端部１３２では、光波４_x と光波４_y 間に、位相差ρ＝９０°＋εが累積している。

第一の位相差部品１３の第二の端部１３２で、第二の直線偏光された光波４をセンサー部品１５に入力結合することによって、そこでは、次にセンサー部品１５に伝搬する楕円偏光された光波６が発生する。

図２は、この発明にもとづくサニャック構成の電流または磁場センサーを表している。ここでは、基本的な構造およびセンサーの機能方法については、詳細に取り上げない。初めに引用した従来技術に対応する情報を引用することができる。この電流または磁場センサーは、センサーヘッド１の外に、送信・評価ユニット２も有する。図示した例では、このユニットは、光源２０、ファイバーカップラー２１、ファイバー偏波器２２、第二のファイバーカップラー２４、および位相変調器２５、ならびに検出器２６、信号処理装置２７、および測定値出力を有する。この送信・評価ユニット２は、光の生成と検出、ならびに測定データの評価と出力用に用いられる。

図３では、図２に示した電流または磁場センサーの動作時におけるセンサーヘッド１に伝搬する光波の伝搬方向が描かれている。符号の上の白地の矢印は、伝搬方向を示している。図２では、分かり易さの理由から、少数の光波と伝搬方向だけが描かれている。以下の説明においては、図２と３を参照する。

送信・評価ユニット２は、第一の光導波部品１１と第二の光導波部品１２、または相応の延長部か接続部を介して、センサーヘッド１と接続されている。センサーヘッドは、第一の位相差部品１３の外に、第二の位相差部品１４も有し、この部品は、第一の位相差部品１３と同様に、第一の端部１４１で第二の光導波部品１２と光学的に接続され、第二の端部１４２でセンサー部品１５の第二の端部１４２と光学的に接続されている。このセンサー部品１５は、電流導体Ｓをコイル状に取り巻く、磁気光学作用を持つファイバーとして構成されている。光導波部品１１と１２は、楕円のコア断面を持つ偏光面保存ファイバーとして構成させている。

送信・評価ユニット２内では、直線偏光された光が生成され、次にこの第一の直線偏光された光波３または３' が、そこから二つの光導波部品１１と１２に出て行く。図２の真中にあるグラフは、この光波３，３' を黒地の矢印の記号で表している。白地の矢印は、この光波３，３' の伝搬方向を示している。

第一の光導波部品１１の第一の直線偏波された光波３は、図１に関連して記述したとおり、（第一の）位相差部品１３を用いて、楕円偏光された光波６に変換されて、次にセンサー部品１５に伝搬する。その際、この第一の光導波部品１１の主軸は、第一の位相差部品１３の主軸と前記の角度４５°＋Δαを成し、この第一の位相差部品１３の位相差角ρは、前記のとおりρ＝９０°＋εである。

電流Ｉが電流導体Ｓを通って流れると、楕円偏光された光波６は、ファラデー効果によって磁気光学的に誘導される位相偏位を受ける。この楕円偏光された光波６は、センサーファイバーを通過した後で、第二の位相差部品１４の第二の端部１４２に入力結合され、そこで直線偏光された光波５_x と５_y を持つ、第三の直線偏光された光波５に変換される。これらの第三の直線偏光された光波５は、第二の光導波部品１２で、第四の直線偏光された光波５ａを励起し、次にこれらの励起された光波は、第二の光導波部品１２を介して送信・評価ユニット２に供給される。そこで、これらの光波は、検出される。これらの第三の光波５ａは、それらの偏光軸が第一の直線偏波された光波３の偏光軸に対して垂直の方向を向いており、ファイバー偏波器２２で遮断することができ、その結果これらの光波は、検出されない。

第二の光導波部品１２での第一の直線偏光された光波３' の挙動も、同様である。これから発生する光波は、省略符号の付いた符号で示されている。第一の直線偏光された光波３' は、第二の位相差部品１４により、その次にセンサー部品１５に伝搬して行く楕円偏光された光波６' に変換されるが、この光波は、詳しく言うと楕円偏光された光波６と反対の伝搬方向を持つ。その際第二の光導波部品１２の主軸は、第二の位相差部品１４の主軸と角度４５°＋Δα' を成し、ここで角度Δα' は、０°≦Δα' ＜４５°である。この第二の位相差部品１４は、９０°から角度ε' だけずれた位相差角ρ' （すなわち、ρ' ＝９０°＋ε' ）を持つ。典型的には、ε' ≠０°である。

電流導体Ｓに流れる電流Ｉにより発生する磁場は、ファラデー効果によって、この楕円偏光された光波６' に対して磁気光学的に誘導される位相偏位を引き起こす。この楕円偏光された光波６' は、センサー部品１５を通り抜けた後、第一の位相差部品１３の第二の端部１３２に入力結合する。第三の直線偏光された光波５_x ' と５_y ' を持つ、第三の直線偏光された光波５' が生成され、これらの第三の直線偏光された光波５_x ' と５_y ' の間には９０°＋εの位相差が起こっている。その後、第一の位相差部品１３の第一の端部１３１で、第四の直線偏光された光波５ａ' が発生して、その光波は、次に第一の光導波部品１１を介して送信・評価ユニット２に供給される。そこで、この光波が検出されて、磁気光学的に誘導された位相偏位が決定される。第三の光波５ａ' は、その偏光軸が第一の直線偏波された光波３' の偏光軸に対して垂直の方向を向いており、ファイバー偏波器２２で遮断することができ、その結果この光波は、検出されない。この楕円偏光された光波６、またはセンサー部品１５で逆方向に伝搬する楕円偏光された光波６' の磁気光学的に誘導された位相偏位は、電流Ｉを決定するための直接的な測定信号として用いることができる。この「直接的な」と称する測定信号は、この測定信号から、少なくともほぼ電流Ｉに比例した信号を生成するために、信号の処理を行わなかったということを意味するものである。

磁気光学的に誘導された位相偏位を容易に決定するためには、有利にはサニャック構成のセンサーにおいて、逆方向に楕円偏光された別の光波６' に対する基準信号として楕円偏光された光波６の信号を利用する。そして、直接的な測定信号として、二つの楕円偏光された光波６と６' の位相偏位の差分ΔΦ_S が使われる。この直接的な測定信号は、楕円偏光された光波６と６' のそれぞれが個々に受ける、磁気光学的に誘導された位相偏位の正確に２倍の大きさである。特許文献１により周知の場合（ε＝０°、ε' ＝０°、Δα＝０°、Δα' ＝０°）、この直接的な測定信号は、ファラデー位相偏位φ_F の２倍であり（２φ_F ＝２ＶＮＩ）、それゆえ電流Ｉに比例する。

前述の特許文献２のとおり、ε≠０°かつε' ≠０°であるが、Δα＝０°かつΔα' ＝０°の場合、この直接的な測定信号と電流Ｉ間の関係は、もはや線形ではない。この楕円偏光された光波６，６’の伝搬をジョーンズ行列を用いて記述して、送信・評価ユニット２の検出器２６で互いに干渉させた、これらの二つの光波の複素振幅から、これらの位相偏差の差分ΔΦ_S が導き出される、すなわちこの直接的な測定信号ΔΦ_S に対して、以下の式となる。

この場合、χは、二つの位相差部品１３と１４のファスト軸間の角度である。χ＝０°とε＝ε' である特定の場合には、小さなファラデー位相偏位φ_F に対して、この式は、近似的にΔΦ_S ＝２φ_F ／cos εとなり、これは、小さい角度εに対してΔΦ_S ＝２φ_F （１＋ε² ／２）と近似することができる。χ＝９０°とε＝ε' である特定の場合には、小さなφ_F に対して、この式は、近似的にΔΦ_S ＝２φ_F cos εとなり、これは、小さい角度εに対してΔΦ_S ＝２φ_F （１−ε² ／２）と近似することができる。

ε＝ε' ＝１３°とχ＝０°に対して、直接的な測定信号ΔΦ_S と測定する電流Ｉ間における比率の線形性の相対的な偏差は、２φ_F ＝４０°の場合に約−０．２１％、２φ_F ＝９０°の場合に約−０．９２％となる。Δα＝０°かつΔα' ＝０°と見なされる限りは、すなわち光導波部品１１と１２の主軸は、位相差部品１３または１４の主軸と、それぞれ正確に４５°の角度を成す。

この発明にもとづく場合に対応して、ε≠０°であり、さらにΔα≠０°および／またはΔα' ≠０°と選択した場合、直接的な測定信号ΔΦ_S と電流Ｉに比例するファラデー位相偏位φ_F 間の関係は、以下のとおりとなる。

この場合、
Ａ₁ ＝１＋cos εcos ε'cos(2Δα)cos(2Δα')
Ａ₂ ＝sin(2 Δα)sin(2Δα')−sin εsin ε'cos(2Δα)cos(2Δα')
Ａ₃ ＝sin εcos(2 Δα)sin(2Δα')＋sin ε'cos(2Δα')sin(2 Δα)
すなわち、ΔαとΔα' を選択することによって、図６にも明らかに示されているとおり、直接的な測定信号ΔΦ_S と測定する電流Ｉ間における非線形性に影響を与えることができ、その結果この非線形性が軽減される。角度εとε' に依存して、角度ΔαとΔα' を巧く選択することにより、ε≠０°および／またはε' ≠０°であることから生じる、この非線形性を少なくともほぼ相殺することができる。こうすることで、直接的な測定信号ΔΦ_S と電流Ｉ間において、少なくともほぼ線形的な関係が存在する。一般的に、この非線形性を、Δα＝Δα' ＝０°の場合に対して、少なくとも半分の大きさ、すなわち１／３に低減することができる。この非線形性を数学的な意味で完全に相殺することは、角度ε，ε' と角度Δα，Δα' に対する機能的な関係の相違のために、不可能である。しかし、この非線形性は、これが実際に意味を持たなくなるほどまでに低減および相殺することができる。

前記の方程式は、この方程式が角度ΔαとΔα' の符号に関して対称的に作用するので、これらの角度の符号が重要でないと見なすことができる。角度ΔαとΔα' の値だけが、意味を持つ。少なくともほぼ相殺するための角度を計算する例を、位相差部品１３，１４のファスト軸が互いに平行な方向を向いた、すなわちχ＝０°であるセンサー構成に対して、以下に挙げる。

図４は、前記の方程式にもとづき算出した、直接的な測定信号ΔΦ_S とファラデー位相差角の２倍２φ_F 間における関係を、χ＝０°，Δα＝Δα' ＝０°と相異なる角度ε＝ε' に対して示している。この場合、ΔΦ_S は、２φ_F で正規化している。

この非線形性は、角度εが大きくなるに従って増加することが、明らかに分かる。この非線形性の大きさは、千分の一から百分の一の範囲にある。ε＝１３°に対して、相対的な非線形性は、２φ_F ＝４０°で−０．２１％、２φ_F ＝９０°で−０．９２％である。この非線形性は、以下に従って算出される。

または

すなわち、２φ_F ＝４０°または２φ_F ＝９０°の場合のΔΦ_S ／（２φ_F ）から、２φ_F ＝０°の場合のΔΦ_S ／（２φ_F ）を引いた差分を、２φ_F ＝０°の場合のΔΦ_S ／（２φ_F ）で正規化している。

図５は、χ＝０°に関して前記の方程式にもとづき算出した、直接的な測定信号ΔΦ_S とファラデー位相差角の２倍２φ_F 間における関係を、ε＝ε' ＝０°の場合において相異なる角度Δα＝Δα' に対して示している。この場合、ΔΦ_S は、２φ_F で正規化している。この非線形性は、角度Δαが大きくなるに従って増加することが、明らかに分かる。この非線形性の大きさは、千分の一の範囲にある。図５における曲線の曲がりが、図４における曲線の曲がりと反対であることに気づく。これは、角度Δα，Δα' を巧みに選択することによって、ε≠０°および／またはε' ≠０°により生じる非線形性を、この発明にもとづき前記のとおり相殺する可能性を示すものである。

図６は、前記の方程式にもとづき算出した、直接的な測定信号ΔΦ_S とファラデー位相差角の２倍２φ_F 間における関係を、ε＝ε' ＝１３°でχ＝０°の場合において相異なる角度Δα＝Δα' に対して示している。この場合、ΔΦ_S は、２φ_F で正規化している。ε≠０°により生じる非線形性が、５．８５°の角度Δαに対して、少なくともほぼ相殺されていることが、明らかに分かる。このようにして、この発明にもとづく角度Δαが、グラフで見つけ出すことができる。

しかし、εに依存したΔαの算定を優先させるべきである。所与の位相差角ρ＝ρ' 、すなわち所与の角度ε＝ε' の場合、この発明にもとづく角度Δα＝Δα' は、前述の方程式を用いて以下のとおり算出することができる。

実際には、関数ΔΦ_S （ε＝ε' ，Δα＝Δα' ，φ_F ）／２φ_F は、特に２φ_F が０°と９０°間の場合には、２φ_F には依存しない。これに対して選択される角度Δα＝Δα' は、以下の式から得られる。

この方程式は、数値解析で解くことができる。それに代わって、χ＝０°で、小さい角度εに対しては、以下の漸近式でも得られる。

この場合、高次元の項は、省略される。そうすると、Δα＝Δα' に対する近似解として、以下のとおりとなる。

この式を用いて、ε＝１３°に対して、Δα＝±５．８５°（図６とも比較）を見い出す。この場合、関係ΔΦ_S ／２φ_F は、２φ_F ＝０°と２φ_F ＝９０°の間で、０．０２％以下しか変化しない。すなわち、それは、ほぼ５０分の１しか変化せず、そのためΔα＝Δα' ＝０°の場合における前述の０．９２％よりも１．５倍以上小さい。さらに一層の線形化を望む場合には、この方法を反復することにより、変数２φ_F の予め設定した範囲の値、例えば２φ_F ＝０°と２φ_F ＝９０°の間において、この変化を最小化することができる。ここでは、ε＝１３°に対して、最適角度として、Δα＝±５．９°を得る。χ≠０°におけるセンサーの場合の措置も、全く同様である。位相差部品１３，１４のファスト軸が、互いに直角の方向を向く場合、すなわちχ＝９０°の場合は、特に興味深い。χ＝９０°に対して、その他のパラメータに変化がない場合、非線形性を最適に相殺するには、Δα＝Δα' ＝±６．８°となる。

図２に関連して述べた実施例の外に、多数の別の変化形態が可能である。光導波部品１１，１２は、例えば、所謂パンダファイバー、ボウタイファイバー、あるいは追加の内部の楕円形のクラッディング（ファイバークラッディング）を持つファイバーのような、別の種類の偏光面保存光ファイバーとして構成することもできる。これに代わって、第一の直線偏光された光波３，３' を、直に、あるいはレンズまたは光学系を用いて、位相差部品１３，１４に入射させることも考えられる。この場合、光導波部品１１，１２は、空気または真空、あるいはレンズまたは光学系である。光導波部品１１，１２の主軸としては、常に第一の直線偏光された光波３，３' の偏光ベクトルによって与えられる軸と見なしている。

位相差部品１３，１４と、光導波部品１１，１２またはセンサー部品１５間の光学的な接続は、例えば、所謂スプライサを用いた溶着によって、その接続を行うように、直接的な接続とすることができる。さもなければ、それは、中間媒体、例えば、ゲル、接着剤、またはファイバー片、あるいは光学系を介した接続である。さもなければ、光波の入力結合は、真空を介して、またはガスを介して行われる。

位相差部品１３，１４は、例えば楕円形のコアを通して幾何学的に誘導する複屈折、あるいは、例えばボウタイまたはパンダファイバーや、内部の楕円形のクラッディングを持つファイバーのような、ストレス誘起型（stress-induced）の複屈折を持つ光ファイバー片とすることができる。これらは、円形のコアを持つ通常の単一モードファイバーのリングとして構成することもできる。この場合、位相遅延は、ファイバーの曲がりによって起こる複屈折によって生じる。さらに、１／４位相板も考えられる。位相差角ρ，ρ' は、９０°の任意の奇数倍から角度ε，ε' だけずれることができる。これらの角度ε，ε' は、有利にはこれらの角度が、ちょうどセンサー部品１５のヴェルデ定数の温度依存性を、位相差部品１３，１４の温度依存性によって相殺する大きさを持つものであると規定される。このことは、角度ε，ε' を正にも負にもすることができる。

角度εとε' は、異なる大きさとすることができる。さらに、一般的には、所与の角度χに対して、ε≠０°および／またはε' ≠０°により生じる非線形性を少なくともほぼ相殺するようにする、多数の異なる対の角度Δα，Δα' がある。それにもかかわらず、Δαの選択は、なおもεに依存するが、そのうえΔαは、さらにε' とΔα' 、ならびにχに依存する。ΔαとΔα' は、少なくとも角度εとε' に依存して選択されると言うこともできる。角度χは、さらに影響を与える変数として加わる。

センサー部品１５は、前述のコイル形状のように、有利には複数の巻線で、電流導体Ｓを取り巻くことができる。しかし、一巻きの何分の一でも可能であり、その他に曲がりの有る、または曲がりの無いセンサー部品１５を用いることもできる。有利には、センサー部品１５は、特許文献１に記載されているとおり、機械的な応力の無い光ファイバーから構成される。特許文献２に記載されているとおり、温度依存性を相殺する位相差部品１３，１４と一緒に、そのような応力の無いセンサーファイバー１５を用いるのが、特に有利である。そのような、この発明にもとづく電流または磁場センサーは、実質的に温度依存性を持たず、測定する電流Ｉと直接的な測定信号ΔΦ_S 間において線形的な関係を有する。

センサー部品１５としては、磁気光学的な効果を有するファイバーの外に、例えばイットリウム・鉄・ガーネットＹ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂のような、固体ガラスまたは磁気光学クリスタルを用いることも可能である。特に、磁場の局所的な測定のために、電流または磁場センサーを利用する場合には、これらの変化形態が有利である。このセンサー部品１５は、有利には、楕円偏光された光波６，６' が、磁場により最大の磁気光学的に誘導された位相偏位を受けるように、磁場が大きい位置において、測定する磁場と作用して結合しなければならない。さらに、センサーヘッド１に複数のセンサー部品１５を用いることも可能である。

角度ε，ε' とΔα，Δα' に対して、条件０°＜ε，ε' ＜９０°と０°＜Δα，Δα' ＜４５°が適用され、その際場合によっては、Δα' ＝０°および／またはε' ＝０°とすることもできる。前述したとおり、Δαの符号は、意味を持たないので、Δαを正に限定することができる。上記の温度補償に対して、ε，ε' を選択する場合、現在入手可能なファイバー材料にもとづき、ε＝ε' で、χ＝０°またはχ＝９０°において、ε，ε' の値としては、約２０°までとなる。そのため、有利には約３０°より小さい角度εが用いられる。そのようなεに対して、角度Δαは、約１０°までとなる。前述のとおり、Δα≠Δα' の場合、この発明にもとづきΔα，Δα' の相異なる対を選択することが可能であり、その結果ε＝３０°の場合、この発明にもとづき、角度Δαを１０°より大きくすることも可能である。

送信・評価ユニット２としては、干渉法ならびに偏光測定法で検出する変化形態が可能である。従来技術においては、直接的な測定信号の評価のための様々な手段が周知である。図２の例では、別の楕円偏光された光波６' に対する基準信号として、それぞれ楕円偏光された光波６が利用され、その際これらの両方の光波が、電流Ｉまたは磁場の影響下に曝される。しかし、互いに異なる楕円偏光された光波６と６' を用いることなく、磁気光学的に誘導された位相偏位を測定することも可能である。例えば、送信・評価ユニット２内で、磁気光学的に誘導された位相偏位を受けていない、直線偏光された光波を生成することができ、この光波と比較して、楕円偏光された光波６または６' の磁気光学的に誘導された位相偏位を決定することができる。

光源２０は、典型的には、スーパールミネッセンスダイオード、マルチモード・レーザーダイオード、レーザー閾値以下で動作するレーザーダイオード、あるいは、有利には約８００ｎｍ、１３００ｎｍまたは１５５０ｎｍの波長を持つ発光ダイオードのような、低コヒーレンスの半導体光源が用いられる。しかし、例えば紫外線、可視光線または赤外線領域における、大きく異なる波長を用いることができる。

したがって、この発明にもとづくセンサーヘッドを製造する際には、前記の非線形性が明らかに低減されるか、あるいはそれどころか少なくともほぼ相殺されるように、少なくとも角度ε（またはε' ）に依存して、角度Δα，Δα' を選択する。このことは、例えば前述の方法の中の一つによって実現することができる。それゆえ、この発明にもとづき選択された、規定の角度Δαについても言うことができる。このことは、有利には、出来る限り小さい、すなわち約０°である、偶然に起こる、例えば誤差を伴い易い角度Δαとは明確に区別されるものである。この発明の実施においては、例えば製造誤差により、最適な角度Δαから僅かにずれた角度が実現されるかどうかは重要ではない。前記の非線形性が低減され、および／または相応の結果が達成されるという条件の元に、規定の角度Δαが選択されるということが重要である。

この発明にもとづくセンサーヘッドの部分の模式図 この発明にもとづくサニャック構成の電流または磁場センサーの模式図 この発明にもとづく電流または磁場センサーの動作中における、センサーヘッド内を伝搬する光波の伝搬方向の模式図 位相差部品の高速軸が互いに平行に向き（ｘ＝０°）、Δα＝Δα' ＝０°の場合における、（２φ_F で正規化された）位相偏位の差分ΔΦ_S とファラデー位相偏位φ_F の２倍（２φ_F ＝２ＶＮＩ）との間の関係を、異なる角度εに対して計算したグラフ 位相差部品の高速軸が互いに平行に向き（ｘ＝０°）、ε＝０°の場合における、（２φ_F で正規化された）位相偏位の差分ΔΦ_S とファラデー位相偏位φ_F の２倍（２φ_F ＝２ＶＮＩ）との間の関係を、異なる角度Δα＝Δα' に対して計算したグラフ 位相差部品の高速軸が互いに平行に向き（ｘ＝０°）、ε＝１３°の場合における、（２φ_F で正規化された）位相偏位の差分ΔΦ_S とファラデー位相偏位φ_F の２倍（２φ_F ＝２ＶＮＩ）との間の関係を、異なる角度Δα＝Δα' に対して計算したグラフ

符号の説明

１ センサーヘッド
１１ 第一の光導波部品
１２ 第二の光導波部品
１３ 第一の位相差部品
１３１ 第一の位相差部品の第一の端部
１３２ 第一の位相差部品の第二の端部
１４ 第二の位相差部品
１４１ 第二の位相差部品の第一の端部
１４２ 第二の位相差部品の第二の端部
１５ センサー部品
２ 送信・評価ユニット
２０ 光源
２１ ファイバーカップラー
２２ ファイバー偏波器
２４ 第二のファイバーカップラー
２５ 位相変調器
２６ 検出器
２７ 信号処理装置
２８ 測定値出力
３，３' 第一の直線偏光された光波
４，４_x ，４_y ，４' ，４_x ' ，４_y ' 第二の直線偏光された光波
５，５' 第三の直線偏光された光波
５ａ，５ａ' 第四の直線偏光された光波
６，６ 楕円偏光された光波
Ｉ 電流、電流の大きさ
Ｎ 巻線数
Ｓ 電流導体
Ｖ ヴェルデ定数
Δα （第一の）位相差部品への入力結合角の４５°からのずれの角度
Δα' （第二の）位相差部品への入力結合角の４５°からのずれの角度
ΔΦ_S サニャック構成における位相偏位の差分、サニャック構成における直接的な測 定信号
ε （第一の）位相差部品の位相差角ρの９０°の奇数倍からのずれの角度
ε' （第二の）位相差部品の位相差角ρの９０°の奇数倍からのずれの角度
φ_F ファラデー位相偏位、φ_F ＝ＶＮＩ
ρ （第一の）位相差部品の位相差角
ρ' （第二の）位相差部品の位相差角
χ 角度

Claims (13)

1. 第一の光導波部品（１１）、第二の光導波部品（１２）、第一の位相差部品（１３）、第二の位相差部品（１４）およびセンサー部品（１５）を有する光学式電流または磁場センサー用のセンサーヘッド（１）の製造方法であって、
   その際、これらの二つの光導波部品（１１，１２）の各々が、それぞれ少なくとも一つの主軸（ｘ' ，ｙ' ）を持ち、
   その際、これらの二つの位相差部品（１３，１４）の各々が、それぞれ少なくとも一つの主軸（ｘ，ｙ）を持ち、
   その際、この第一の位相差部品（１３）の第一の端部（１３１）が、この第一の光導波部品（１１）と光学的に接続されるとともに、この第一の位相差部品（１３）の第二の端部（１３２）が、このセンサー部品（１５）の第一の端部と光学的に接続されており、
   その際、この第二の位相差部品（１４）の第一の端部（１４１）が、この第二の光導波部品（１２）と光学的に接続されるとともに、この第二の位相差部品（１４）の第二の端部（１４２）が、このセンサー部品（１５）の第二の端部と光学的に接続されており、
   その際、これらの二つの位相差部品（１３，１４）の少なくとも一つは、その位相差角ρ，ρ' が、９０°の奇数倍から、角度ε（ε≠０°、かつ−９０°＜ε＜９０°）だけずれているような寸法を持つ製造方法において、
   この第一の光導波部品（１１）は、この第一の位相差部品（１３）に対して相対的に、この第一の光導波部品（１１）の少なくとも一つの主軸（ｘ' ，ｙ' ）が、この第一の位相差部品（１３）の少なくとも一つの主軸（ｘ，ｙ）と、４５°から角度Δα（０°＜Δα＜４５°）だけずれた角度を成すように配置されており、この角度Δαが、少なくとも角度εに依存して、この光学式電流または磁場センサーを用いて電流または磁場を測定した際に現れる、直接的な測定信号（ΔΦ_S ）と測定する電流または磁場間の比率の非線形性が、少なくともほぼ相殺されるように選択されることを特徴とする製造方法。
2. 前記の二つの位相差部品（１３，１４）は、それらの位相差角ρ，ρ' が、９０°の奇数倍から、角度ε，ε' （ε≠０°、かつ−９０°＜ε＜９０°、ならびにε' ≠０°、かつ−９０°＜ε' ＜９０°）だけずれているような寸法を持つことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記の角度Δαは、少なくとも角度εに依存して、この光学式電流または磁場センサーを用いて電流または磁場を測定した際に現れる、直接的な測定信号（ΔΦ_S ）と測定する電流または磁場間の比率の非線形性が、Δα＝０°の場合に対して、少なくとも半分の大きさに低減されるように選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 合計して、前記のセンサー部品（１５）のヴェルデ定数の温度依存性を少なくともほぼ相殺する温度依存性を持つ位相差部品（１３，１４）を用いることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
5. 前記の二つの位相差部品（１３，１４）は、それらの位相差角ρ，ρ' が等しくなるような寸法を持ち、かつ、前記の第二の光導波部品（１２）は、この第二の位相差部品（１４）に対して相対的に、この第二の光導波部品（１２）の少なくとも一つの主軸（ｘ' ，ｙ' ）が、この第二の位相差部品（１４）の少なくとも一つの主軸（ｘ，ｙ）と、４５°から角度Δα' （０°＜Δα' ＜４５°）だけずれた角度を成すように配置されており、かつこれらの角度Δα，Δα' は、大きさが等しくなるように選択されることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
6. 光導波部品（１１，１２）として、偏光面保存ファイバーを用いること、ならびにこれらのファイバーを位相差部品（１３，１４）と接続することを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
7. 前記の二つの位相差部品（１３，１４）の少なくとも一つとして、楕円形のコアを持つファイバー片を用い、このファイバー片は、その位相差角ρ，ρ' が、９０°から前記の角度εだけずれているような寸法を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
8. 電流導体（Ｓ）をコイル状に取り囲むように配置されたセンサー部品（１５）を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
9. 前記のセンサー部品（１５）として、ほとんど機械的な応力の無い、円形のコア断面を持ち、磁気光学作用を有するファイバーを用いることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記の角度εの値が３０°より小さく選択され、かつ角度Δαが１０°より小さく選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
11. 送信・評価ユニット（２）とセンサーヘッド（１）を持つ、光学式電流または磁場センサーの製造方法において、
    請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法にもとづき製造されたセンサーヘッド（１）を用いることを特徴とする製造方法。
12. 光学式電流または磁場センサーにおいて、
    このセンサーが、請求項１１に記載の方法にもとづき製造されることを特徴とするセンサー。
13. 電流または磁場の測定方法であって、
    その際、送信・評価ユニット（２）において、第一の直線偏光された光波（３）が生成されて、この光波が、第一の位相差部品（１３）の第一の端部（１３１）に入力結合され、
    その際、この第一の直線偏光された光波（３）によって、第一の位相差部品（１３）において、第二の直線偏光された光波（４；４_x ，４_y ）が励起されて、これらの第二の光波は、この第一の位相差部品（１３）を通り抜け、そのことによって互いに角度ρの位相偏位を受け、
    その際、これらの第二の直線偏光された光波（４；４_x ，４_y ）が、第一の端部を第一の位相差部品（１３）の第二の端部（１３２）と接続されたセンサー部品（１５）において、楕円偏光された光波（６）を励起し、この励起された光波は、電流（Ｉ）または磁場によって磁気光学的に誘導される位相偏位を受け、
    その際、これらの楕円偏光された光波（６）は、その後に第二の端部（１４２）をセンサー部品（１５）の第二の端部と接続された第二の位相差部品（１４）に入力結合され、
    その際、これらの楕円偏光された光波（６）によって、第二の位相差部品（１４）において、第三の直線偏光された光波（５；５_x ，５_y ）が励起され、これらの第三の光波は、第二の位相差部品（１４）を通り抜け、そのことによって互いに角度ρ' の位相偏位を受け、
    その際、これらの第三の直線偏光された光波（５；５_x ，５_y ）は、第二の位相差部品（１４）の第一の端部（１４１）から出力分離されて、第四の直線偏光された光波（５ａ）を励起し、この第四の直線偏光された光波（５ａ）は、送信・評価ユニット（２）に導かれており、
    その際、この送信・評価ユニット（２）において、第四の直線偏光された光波（５ａ）が検出されて、それから磁気光学的に誘導された位相偏位に比例する直接的な測定信号（ΔΦ_S ）が得られ、そして、
    その際、これらの角度ρ，ρ' の少なくとも一つは、９０°の奇数倍から、角度ε（ε≠０°、かつ−９０°＜ε＜９０°）だけずれている測定方法において、
    この第一の直線偏光された光波（３）の偏光軸（ｘ' ，ｙ' ）が、この第二の直線偏光された光波（４）の偏光軸（ｘ，ｙ）と、および／またはこの第三の直線偏光された光波（５）の偏光軸（ｘ，ｙ）が、この第四の直線偏光された光波（５ａ）の偏光軸（ｘ' ，ｙ' ）と、４５°から角度Δα（０°＜Δα＜４５°）だけずれた角度を成すこと、ならびに
    この角度Δαが、少なくとも角度εに依存して、直接的な測定信号（ΔΦ_S ）と測定する電流（Ｉ）または磁場間の比率の非線形性が、少なくともほぼ相殺されるように選択されることを特徴とする測定方法。

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