JP2008232739A - 光ファイバ電流センサ及びその光学バイアス設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光子や検光子の主軸方位を回転させたり、１／２波長板を用いたりすることなく、光学バイアスの設定を可能とし、さらに、磁気シールドを施すことなく、出力誤差を少なく抑制した光ファイバ電流センサを提供する。
【解決手段】本発明の光ファイバ電流センサ１０は、偏光子１２を通過した光をセンサ素子ファイバ１１に入射させ、該センサ素子ファイバを通過した光を検光子１３に入射させて、前記検光子を通過した光の強度を検出し、変調度を求め、該変調度の変化量から該センサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価する光ファイバ電流センサであって、前記センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部１１ａを移動させる第一手段１５を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力設備の監視等に使用する光ファイバ電流センサ及びその光学バイアス設定方法に係り、より詳細には、ファラデー効果を利用して送電線等の電路に流れる電流を検出する光ファイバ電流センサ及びその光学バイアス設定方法に関する。

近年、電力設備の監視等を行う電流計測装置として、光ファイバを素子に用いた光ファイバ電流センサが注目されている。
この光ファイバ電流センサは、光ファイバを通過する光のファラデー効果を検出することにより、磁界の発生源である電流の測定を行うセンサである。ファラデー効果とは、磁界と同じ方向に直線偏光が透明媒質中を通る時、磁界の強さに比例して光の偏波面が回転する現象である。また、磁界の強さは測定を行う電流の大きさに比例する。そのため、磁界の強さに比例する偏波面の回転角度を測定することによって、電流の大きさを求めることができる。

この光ファイバ電流センサは基本的に、被測定電流が流れる送電線等の導体の外周に設置するセンサ素子ファイバと、その一端（入光）側に備えられた偏光子、及び他端（出光）側に備えられた検光子を有している。
そして、このような光ファイバ電流センサでの動作は、次の通りである。
光源を発した光は、送光ファイバによって偏光子に送られ、波の振動方向がそろった直線偏波光に変えられる。前記偏光子を通過した直線偏波光は、センサ素子ファイバの一端に入射し、電流が流れる導体の周囲に発生する磁界によって、前記センサ素子ファイバの中でファラデー回転を生じる。前記センサ素子ファイバを通過することでファラデー回転を生じた直線偏波光は、検光子に入射し、ファラデー回転に比例した光の強度の変化に変換される。さらに、前記検光子を通過した光は、受光ファイバで電子回路部に送られて信号処理を施される。電子回路部では、受光素子により受光強度に比例した電気信号に光を変換するとともに変調度を求める。そして、変調度の変化量からセンサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを求める。

このような光ファイバ電流センサでは、測定精度を高める等のために、ファラデー回転角と変調度の変化の関係が直線性を保つように設定する必要がある。そのため、前記関係が直線になるようにするために、ファラデー回転角がゼロ（被測定電流＝０）時に、検光子に入射する直線偏波光の偏波方位が前記検光子の主軸方位に対して４５度前後（最適値４５度）になるように光学バイアスを設定し、測定用の光に位相変調を施す必要がある。これを４５度の光学バイアス設定と称する。

そこで、光学バイアスを設定するための光学系調整方法の一つとして、偏光子の主軸方位を回転させる手段が提案されている。
この手段は、送光ファイバと、薄型の偏光子（吸収型）と、センサ素子ファイバとを一体化させた円筒形の偏光子ユニットを用い、該偏光子ユニットを回転させて検光子に入射する光の偏波方位を調整し、光学バイアスを設定した後に、前記偏光子ユニットを固定するものである（たとえば、特許文献１を参照）。
なお、この手段により、検光子の主軸方位を回転させて検光子への入射光に対する検光子の主軸方位を調整し、光学バイアスを設定する方法も考えられる。

しかしながら、上記特許文献１に記載の手段は、センサ素子ファイバに「撚り（twist）」を与えることになり、センサ素子ファイバに常に応力を発生させていることとなってしまい、力学的に好ましくない。また、直径の細い偏光子部の円筒を回転させて精密な角度調整を行うことは、熟練した技能が必要となり容易に行えない。

また、光学バイアスを設定するための光学系調整の他の方法として、偏光子と検光子の間に１／２波長板を挿入し、前記１／２波長板１０５の主軸方位を回転させる手段が知られている。このような１／２波長板を用いた光ファイバ電流センサの構成は、たとえば、図１４及び図１５に示すことができる。

図１４及び図１５に示すように、光ファイバ電流センサ１００は、センサ素子ファイバ１０１と、その一端側に取り付けられた偏光子１０２と、同他端側に取り付けられた１／２波長板１０５、検光子１０３及びプリズム１０４とを有している。前記偏光子１０２には、光源１１２からの光Ｌを伝播する送光ファイバ１０６が接続され、一方、前記検光子１０３には、当該検光子１０３を通過した光を伝播する受光ファイバ１０７が接続されている。また、前記受光ファイバ１０７には、受光素子１１１が接続されている。さらに、センサ素子ファイバ１０１は、被測定電流が流れる送電線等の導体１０９の外周に設置される一部１０１ａが、導体１０９から所定の距離だけ外側に離れて、周回するように配された枠体１０８に載置されている。また、その上にリング状の押え蓋１１４を設けることにより、センサ素子ファイバ１０１のうち周回をなす一部１０１ａは、その全域にわたって、押え蓋１１４と枠体１０８に挟まれた状態で、枠体１０８に対して固定されている。

そして、このような光ファイバ電流センサ１００は、偏光子１０２、センサ素子ファイバ１０１、検光子１０３、１／２波長板１０５を、基本的に共通平面基盤の上に配列し、前記１／２波長板１０５の主軸方位を回転させて、検光子に入射する光の偏波方位を調整し、光学バイアスを設定する。この際、各素子の方位は次の通りである。偏光子０度、検光子０度、センサ素子ファイバの曲線のねじれによる偏波回転０度、１／２波長板２２．５度（偏波の回転角４５度）。

ところが、上記１／２波長板を用いる構成の光ファイバ電流センサでは、１／２波長板の存在に起因して、以下のような問題があった。１／２波長板の偏波特性の不完全により、正確に所望の回転角が得られないことから光ファイバ電流センサの測定精度が低下してしまう。また、１／２波長板を回転させた場合に、光の光軸が変動し、受光ファイバへの結合効率が低下してしまう。さらに、１／２波長板と回転機構がコストの上昇と構造の大型化につながる虞がある。

また、上記光ファイバ電流センサでは、被測定電流以外の電流、及び被測定電流の位置の出力への影響を小さくするために、ファイバコイルの開放部（閉じていない部分）に磁性体を取り付けて磁気シールドを施す必要があった（たとえば、非特許文献１参照）。

また、光ファイバ電流センサの偏波特性として、光ファイバ電流センサを組み立てる際、普及している石英を材料に用いたファイバをセンサ素子として使用し、そこに何らかの応力が加わると、光がファイバの内部で光弾性効果によるモード複屈折の影響を受け、入射した光の直線偏波状態が維持されなくなり、特性が変化してしまう。さらに、温度変化や周囲から伝わる振動もファイバ内部の応力の原因となり、直線偏波の保持に悪い影響を及ぼしてしまう。
特許第３４１５９７２号公報 黒澤潔、吉田知、坂本和夫、増田勲、山下俊晴、「鉛ガラスから製造した光ファイバのファラデー効果を利用した電流センサ」、電気学会論文誌Ｂ，１１６巻１号，Ｎｏ．１０，ｐｐ．９３−１０３，１９９６

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、１／２波長板による不具合が生じた場合でも、また、１／２波長板を省略しても、光学バイアスの設定を可能とし、さらに、１／２波長板を省略したことで、光学ユニットのコンパクト化が図られ、それにより、センサファイバの始端と終端を密着させることができ、センサコイルの開放部がほとんど無い状態にすることで磁気シールドを施すことなく、出力誤差を少なく抑制した光ファイバ電流センサを提供することを第一の目的とする。

また、本発明は、センサ素子ファイバに撚り（twist） を与えることなく、光学バイアスの微調整を容易に行うことのできる光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法を提供することを第二の目的とする。

本発明の請求項１に係る光ファイバ電流センサは、偏光子を通過した光をセンサ素子ファイバに入射させ、該センサ素子ファイバを通過した光を検光子に入射させて、前記検光子を通過した光の強度を検出し、変調度を求め、該変調度の変化量から該センサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価する光ファイバ電流センサであって、前記センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させる第一手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る光ファイバ電流センサは、請求項１に係る光ファイバ電流センサにおいて、前記平面において、前記センサ素子ファイバを直線に伸ばした状態で、前記偏光子の主軸方向と前記検光子の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを固定する第二手段を備えたことを特徴とする。但し、本手段のみでの調整では、工業製品による誤差及びセンサファイバの形状変化による誤差により、光学バイアス設定を正確に４５度とすることは難しく、別の手段により微調整が必要な場合がある。

また、本発明の請求項３に係る光ファイバ電流センサは、請求項１又は２に係る光ファイバ電流センサにおいて、前記センサ素子ファイバが、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る光ファイバ電流センサは、請求項１乃至３のいずれか１項に係る光ファイバ電流センサにおいて、前記センサ素子ファイバは、鉛ガラスファイバであることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法は、偏光子を通過した光をセンサ素子ファイバに入射させ、該センサ素子ファイバを通過した光を検光子に入射させて、前記検光子を通過した光の強度を検出し、変調度を求め、該変調度の変化量から該センサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価する光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法であって、前記光ファイバ電流センサとして、前記センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させる第一手段と、前記平面において、前記センサ素子ファイバを直線に伸ばした状態で、前記偏光子の主軸方向と前記検光子の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを固定する第二手段と、前記センサ素子ファイバが、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段と、を備えたものを用い、前記第二手段と前記第三手段を用いて、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを１つの平面に配置する手順Ａ、前記偏光子を通過した光を前記センサ素子ファイバに入射させ、前記第一手段を用いて、前記センサ素子ファイバの少なくとも一部を前記平面から外れる方向へ移動させることにより、前記センサ素子ファイバを通過する光の偏波方位を回転させ、前記検光子に入射する光の偏波方位を調整する手順Ｂ、を少なくとも有することを特徴とする。

本発明の請求項１に係る光ファイバ電流センサは、センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させる第一手段を備えている。
ゆえに、前記第一手段によって、全体が１つの平面に配置されたセンサ素子ファイバの形を変えるように、前記センサ素子ファイバの少なくとも一部を移動させることができるので、前記センサ素子ファイバの所望の箇所に、所定の大きさを有するねじれ（torsion）を正確に制御して付与することが可能となる。これにより、ねじれ（torsion） が生じた前記センサ素子ファイバの中を通過する直線偏波光の偏波方位を回転させ、前記センサ素子ファイバの一部の移動による曲線の形を変えることによって、検光子に入射する光の偏波方位を微調整し、４５度の光学バイアス設定を最適な状態（最適値４５度の状態）を実現することができる。そして、最適な４５度の光学バイアス設定の状態でファラデー回転角の大きさを求めることができるため、自ずと測定精度がよくなるのである。
したがって、本発明によれば、従来は必須であった、偏光子や検光子の主軸方位を回転させたり、１／２波長板を用いなくても光学バイアスの設定を可能とし、さらに、磁気シールドを施すことなく、出力誤差を少なく抑制した光ファイバ電流センサが得られる。

本発明の請求項５に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法は、光ファイバ電流センサとして、以下の第一手段、第二手段、及び前記第三手段を備えたものを用いる。第一手段は、センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させるものである。また、第二手段は、前記平面において、前記センサ素子ファイバを直線に伸ばした状態で、前記偏光子の主軸方向と前記検光子の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを固定するものである。また、第三手段は、前記センサ素子ファイバが、その周方向に対して撚られるのを防止するものである。
そして、本発明の請求項５に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法は、前記第二手段と前記第三手段を用いて、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールが１つの平面に配置された状態とする（手順Ａ）。次いで、前記偏光子を通過した光を前記センサ素子ファイバに入射させ、前記第一手段を用いて、前記センサ素子ファイバの少なくとも一部を前記平面から外れる方向へ移動させることにより、前記センサ素子ファイバを通過する光の偏波方位を回転させ、前記検光子に入射する光の偏波方位を最適値となるように調整する（手順Ｂ）。

ゆえに、本発明によれば、まず手順Ａにおいて、第二手段により、あらかじめ偏光子と検光子の間に４５度に近い角度差がつけられているので、特段調整をしなくても４５度前後の光学バイアスが得られる。また、その際、第三手段により、センサ素子ファイバに大きい「撚り（twist） 」の応力が発生することがないものとすることができる。次いで、手順Ｂにおいて、偏光子を通過した光をセンサ素子ファイバに入射させ、第一手段によって、センサ素子ファイバの少なくとも一部を前記平面から外れる方向へ移動させることにより、偏光子と検光子の方位差の微調整を行い、光学バイアスを最適値に設定することができる。しかも、センサ素子ファイバは平面に固定されているので、外部からの振動等の影響によってセンサ素子ファイバが変形し、偏波が回転することの影響を除くことができる。
したがって、本発明は、センサ素子ファイバに撚り（twist） を与えることなく、光学バイアスの微調整を容易に行うことが可能な光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法をもたらす。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明に係る光ファイバ電流センサの構成の二つの例を模式的に示す平面図であり、図２は、これらの光ファイバ電流センサの動作を説明する概略図である。
本実施形態における光ファイバ電流センサ１０（１０Ａ，１０Ｂ）は、図１及び図２に示すとおり、被測定電流が流れる送電線等の導体１９の外周に設置するセンサ素子ファイバ１１と、その一端（入光）側に取り付けられた偏光子１２と、同他端（出光）側に取り付けられた検光子１３及びプリズム１４と、を少なくとも備えている。また、偏光子１２には、光源２２からの光Ｌを伝播する送光ファイバ１６が接続され、一方、検光子１３には、検光子１３を通過した光を伝播する受光ファイバ１７が接続されている。さらに、受光ファイバ１７には、受光素子２１を介して信号処理部２０Ａ（２０）が接続されている。

このような光ファイバ電流センサ１０は、偏光子１２を通過した光をセンサ素子ファイバ１１に入射させ、このセンサ素子ファイバ１１を通過した光を直交する２つの偏波成分に分離する検光子１３に入射させて、検光子１３を通過した２つの光の強度を検出し、両者の値から変調度を求め、この変調度の変化量からセンサ素子ファイバ１１に印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価するものである。

そして、本実施形態における光ファイバ電流センサ１０は、センサ素子ファイバ１１全体を１つの平面に配置し、かつ、このセンサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａが前記平面から外れる方向へ、この一部１１ａを移動させる第一手段１５を備えていることを特徴とする。
ここで、平面から外れる方向とは、その操作を行う前に、センサ素子ファイバ１１全体を配置した１つの平面から外れる（離れる）方向であれば、如何なる方向であっても構わない。ただし、センサ素子ファイバに対して、撚り（twist） を発生させることなく、ねじれ（torsion） を与えることが肝要である。ゆえに、平面から外れる方向としては、センサ素子ファイバ１１全体を配置した１つの平面から、略垂直をなす方向（上下方向）が特に好ましい。

つまり、本発明は、第一手段１５によってセンサ素子ファイバ１１の曲線に、ねじれ（torsion） を与え、センサ素子ファイバ１１を通過する光の偏波方位を回転させて、検光子１３に入射する光の偏波方位を調整する。
曲線のねじれ（torsion） との関係としては、センサ素子ファイバ１１を通過する光の偏波の方位は、センサ素子ファイバ１１の曲線のねじれ（torsion） に依存して回転する。回転角は、ねじれ率のファイバのなす曲線にそった線積分値に一致する。したがって、透過型光ファイバ電流センサを組み立てる際には、センサ素子ファイバ１１を変形しない枠体１８に固定する必要がある。

また、センサ素子ファイバ１１を、枠体１８に取り付ける際、前記センサ素子ファイバ１１の曲線の形を僅かに調整できるようにしておく。
このようにすると、第一手段１５によって曲線の形を変えながら光学バイアスの微調整を行うことができる。

本発明に係る光ファイバ電流センサ１０は、前記第一手段１５を備える位置によって、次の説明する第一構造例と第二構造例の２つに大きく分けることができる。
第一構造例の光ファイバ電流センサ１０Ａは、図１（ａ）に示すように、導体１９の外周を周回するように設置されたセンサ素子ファイバ１１の途中の部分に第一手段１５を備えて、このセンサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａを移動させるものである。
これに対して、第二構造例の光ファイバ電流センサ１０Ｂは、図１（ｂ）に示すように、導体１９の外周を周回するように設置されたセンサ素子ファイバの周回する始点部分及び終点部分に前記第一手段１５を備えて、該センサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａを移動させるものである。

第一手段１５は、第一構造例とした光ファイバ電流センサ１０Ａに適用した場合、例えば、図３及び図４に示すような構造とすることができる。図３及び図４において、（ａ）は一部の断面を同時に示す斜視図、（ｂ）はセンサ素子ファイバの進行方向から見た断面図、（ｃ）はセンサ素子ファイバの側面方向から見た断面図である。
まず、図３に示した第一手段１５Ａは、台座部１５ａと、この台座部１５ａの高さ調節を可能とする固定ネジ１５ｂと、この台座部１５ａを上方へ押し上げる円筒バネ１５ｃと、から構成されている。
台座部１５ａは、例えば、センサ素子ファイバ１１の周回部を固定する枠体１８の一部（該センサ素子ファイバ１１が載っている部分）を、上方にスライドできるように箱抜き加工することにより形成され、上方から下方に向かって固定ネジ１５ｂを挿通するネジ孔を有する。また、枠体１８の一部を箱抜き加工することにより形成された凹部１８ａの底部には、固定ネジ１５ｂと螺合するネジ溝が形成されている。

そして、凹部１８ａの中に円筒バネ１５ｃを配置し、その上から台座部１５ａを配置し、さらに台座部１５ａのネジ孔に固定ネジ１５ｂを挿通し、円筒バネ１５ｃを介して凹部１８ａのネジ溝と螺合させる。
その後、固定ネジ１５ｂを、台座部１５ａ内に押し込んだり、台座部１５ａ内から引っ込めたりして、ネジ溝と螺合程度を調節することにより、台座部１５ａの高さ調節がなされ、台座部１５ａは、円筒バネ１５ｃの上方への付勢力によって凹部１８ａ内に沈まずにその高さを維持することができるようになっている。
これにより、前記センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与え、光学バイアスを設定することができる。

また、図４に示した第一手段１５Ｂは、台座部１５ｄと、この台座部１５ｄの高さ維持を可能とする固定ネジ１５ｅと、から構成されている。
台座部１５ｄは、例えば、センサ素子ファイバ１１を固定する枠体１８の一部（センサ素子ファイバ１１が載っている部分）を、上方にスライドできるように箱抜き加工することにより形成できる。また、枠体１８の側面には、固定ネジ１５ｅと螺合し、固定ネジ１５ｅの先端部が台座部１５ｄの側面まで達することが可能となるネジ溝が形成されている。
そして、枠体１８の一部を箱抜き加工することにより形成された凹部１８ａの中に前記台座部１５ｄを配置し、手動で台座部１５ｄを上方に持ち上げて高さを調節し、さらに、枠体１８の側面に形成されたネジ溝に固定ネジ１５ｅを挿通し、螺合させる。
その後、固定ネジ１５ｅの先端部で台座部１５ｄを側方より圧接するように固定し、台座部１５ｄが、凹部１８ａ内に沈まないようにその高さを所望の位置に維持する。
これにより、センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与え、光学バイアスを設定することができる。

上述した第一構造例において、光ファイバ電流センサ１０Ａに備えられた第一手段１５（１５Ａ，１５Ｂ）によって、センサ素子ファイバ１１の曲線の形を変える具体的な方法としては、例えば、図５及び図６に示すように、センサ素子ファイバ１１の途中部分（一部１１ａ）を持ち上げる手法が挙げられる。図５は、第一手段１５によってセンサ素子ファイバ１１の一部１１ａを平面から外れる方向へ移動させる前の状態を示す図であり、図５（ａ）は、図１（ａ）に示すＸ方向から見た状態、図５（ｂ）は、図１（ａ）に示すＹ方向から見た状態、をそれぞれ示す概略図である。また、図６は、第一手段１５によってセンサ素子ファイバ１１の一部１１ａを平面から外れる方向へ移動させた後の状態を示す図であり、図６（ａ）は、図１（ａ）に示すＸ方向から見た状態、図６（ｂ）は、図１（ａ）に示すＹ方向から見た状態、をそれぞれ示す概略図である。
このように、センサ素子ファイバ１１の一部１１ａを、第一手段１５（１５Ａ，１５Ｂ）によって下方から押し上げるようにすることで、センサ素子ファイバ１１を上方に向かって撓ませ、その一部１１ａの曲線の形を変えることができる。これは、センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与えることを意味する。

なお、図５及び図６には、導体１９の外周を周回するように設置されたセンサ素子ファイバ１１の途中の一カ所の部分に第一手段１５を適用し、このセンサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａを移動させる場合を例示したが、このような第一手段１５を周回全体にわたって設置して、センサ素子ファイバ１１の周回全体を同様に移動させてもよい。たとえば、第一手段１５の設置は一カ所に限らず複数箇所に設けて、個々の第一手段１５を操作することにより複数箇所で、センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与えるように構成しても構わない。その際、複数の第一手段１５は、センサ素子ファイバ１１の周回全体にわたって分散配置するが、その配置例としては均等に配置する方法の他に、局所的に配置する方法等が挙げられる。

また、第一手段１５は、第二構造例の光ファイバ電流センサ１０Ｂに適用した場合、例えば、図７及び図８に示すような構造とすることができる。図７及び図８において、（ａ）は一部の断面を同時に示す斜視図、（ｂ）はセンサ素子ファイバの進行方向から見た断面図、（ｃ）はセンサ素子ファイバの側面方向から見た断面図である。
図７に示した第一手段１５Ｃは、台座部１５ｆと、この台座部１５ｆの高さ調節を可能とする台座固定ネジ１５ｇと、この台座部１５ｆを上方へ押し上げる円筒バネ１５ｉと、センサ素子ファイバ１１（１１ａ）及び円筒体２５で構成されたセンサファイバユニット２を保持するユニット固定ネジ１５ｈと、から構成されている。
台座部１５ｆは、センサファイバユニット２を両側から保持する複数（図では３つ）の固定板から構成され、この固定板は上下スライド及び傾きが得られるように形成されている。また、台座部１５ｆには、上方から下方に向かって、台座固定ネジ１５ｇを挿通するネジ孔が形成されている。さらに、センサ素子ファイバ１１を固定する枠体１８の一部（センサ素子ファイバ１１が載っている部分）を、上方にスライドできるように箱抜き加工することにより凹部１８ａを形成し、この凹部１８ａの底部には、台座固定ネジ１５ｇと螺合するネジ溝が形成されている。

そして、凹部１８ａの中に円筒バネ１５ｉを配置し、その上から台座部１５ｆを配置し、さらに台座部１５ｆのネジ孔に台座固定ネジ１５ｇを挿通し、円筒バネ１５ｉを介して凹部１８ａのネジ溝と螺合させる。
その後、台座固定ネジ１５ｇを、台座部１５ｆ内に押し込んだり、台座部１５ｆ内より引っ込めたりして、ネジ溝と螺合程度を調節することにより、台座部１５ｆの高さ調節がなされ、台座部１５ｆは、円筒バネ１５ｉの上方への付勢力によって凹部１８ａ内に沈まずにその高さを維持することができるようになっている。
さらに、高さ調節後、台座部１５ｆの側面に形成されたネジ孔に台座固定ネジ１５ｇを挿通して螺合させ、台座固定ネジ１５ｇの先端部でセンサファイバユニット２を側方より圧接するように固定する。
これにより、センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与え、光学バイアスを設定することができる。

図８に示した第一手段１５Ｄは、台座部１５ｊと、この台座部１５ｊの高さ調節を可能とする台座固定ネジ１５ｋと、この台座部１５ｊを上方へ押し上げる円筒バネ１５ｍと、センサ素子ファイバ１１（１１ａ）及び円筒体２５で構成されたセンサファイバユニット２を個々に保持する複数（図では２つ）のユニット固定ネジ１５ｌと、から構成されている。
台座部１５ｊは、センサファイバユニット２を両側から保持する複数（図では３つ）の固定板から構成され、この固定板は上下スライド及び傾きが得られるように形成されている。また、台座部１５ｊには、上方から下方に向かって、台座固定ネジ１５ｋを挿通するネジ孔が形成されている。さらに、センサ素子ファイバ１１を固定する枠体１８の一部（センサ素子ファイバ１１が載っている部分）を、上方にスライドできるように箱抜き加工することにより凹部１８ａを形成し、この凹部１８ａの底部には、台座固定ネジ１５ｋと螺合するネジ溝が形成されている。

そして、凹部１８ａの中に円筒バネ１５ｍを配置し、その上から台座部１５ｊを配置し、さらに台座部１５ｊのネジ孔に台座固定ネジ１５ｋを挿通し、円筒バネ１５ｍを介して凹部１８ａのネジ溝と螺合させる。
その後、台座固定ネジ１５ｋを、台座部１５ｊ内に押し込んだり、台座部１５ｊ内より引っ込めたりして、ネジ溝と螺合程度を調節することにより、台座部１５ｊの高さ調節がなされ、台座部１５ｊは、円筒バネ１５ｍの上方への付勢力によって凹部１８ａ内に沈まずにその高さを維持することができるようになっている。
この台座部１５ｊの高さ調節は、センサファイバユニット２を保持する固定板ごとに行なうことができる。さらに、高さ調節後、台座部１５ｊの側面に形成されたネジ孔に台座固定ネジ１５ｌを挿通して螺合させ、台座固定ネジ１５ｌの先端部でセンサファイバユニット２を側方より圧接するように固定する。
これにより、センサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与え、光学バイアスを設定することができる。

そして、上述した第二構造例の光ファイバ電流センサ１０Ｂに備えられた第一手段１５（１５Ｃ，１５Ｄ）によって、センサ素子ファイバ１１の曲線の形を変える具体的な方法としては、例えば、図９及び図１０に示すように、センサ素子ファイバ１１の周回する始点部分及び終点部分（一部１１ａ）を持ち上げる構成が挙げられる。図９は、第一手段１５によってセンサ素子ファイバ１１の一部１１ａを平面から外れる方向へ移動させる前の状態を、図１（ｂ）に示すＺ方向から見た状態を示す概略図である。また、図１０は、第一手段１５によってセンサ素子ファイバ１１の一部１１ａを平面から外れる方向へ移動させた後の状態を、図１（ｂ）に示すＺ方向から見た状態示す概略図である。
このように、センサ素子ファイバ１１の一部１１ａを、第一手段１５（１５Ｃ，１５Ｄ）によって挟んで持ち上げるようにすることで、前記センサ素子ファイバ１１を上方に向かって撓ませ、その一部１１ａの曲線の形を変えることができる。

また、第一手段１５によるセンサ素子ファイバ１１の曲線の形を変える他の方法としては、巻回されたセンサ素子ファイバ１１が螺旋状となるように、一方の端部を最適な位置に持ち上げたりしても良い。

上述した各種の方法によりセンサ素子ファイバ１１にねじれ（torsion） を与え、光学バイアスを設定した際に、第一手段１５による光学バイアスの微調整によってセンサ素子ファイバに対して「撚り（twist） 」に起因した応力が発生することはない。また、光の偏波の回転角をセンサ素子ファイバの曲線の変形により変化させることは、偏光子を回転させて検光子への入射光に対する検光子の主軸方位の調整を行う場合よりも偏波の回転が敏感でないため、微調整が容易である。この点については、たとえば、平面状に１回巻いたセンサ素子ファイバを螺旋状に変形することを考える。この場合、センサ素子ファイバを螺旋にしたことによる偏波の回転角は、およそ次式で表される。

ここで、φ：偏波の回転角、ａ：センサ素子ファイバの螺旋の半径、ｘ：螺旋のピッチ、である。
たとえば、螺旋の半径ａを３６０ｍｍとすると、螺旋のピッチｘの１ｍｍの変化が偏波の回転角φの１度に相当する。

次に、本発明の光ファイバ電流センサ１０（１０Ａ，１０Ｂ）を構成するそれぞれの部材について説明する。
センサ素子ファイバ１１は、全ての通過光に対して、単一モードとなる単一モード型の光ファイバであって、例えば、光弾性定数がごく小さい鉛ガラスファイバが好適に用いられる。センサ素子ファイバ１１は、被測定電流が流れる導体１９の外周に、１回ないしは複数回周回するように設置される。そして、センサ素子ファイバ１１の入射端に近接して、偏光子１２が配置される。
このようにセンサ素子ファイバ１１として鉛ガラスファイバを用いることで、光弾性の影響を考慮する必要がなく、光ファイバ電流センサの組み立てが容易となる。

偏光子１２は、センサ素子ファイバ１１に直線偏波光を導くものであって、その出射端側がファイバ素子センサ１１の入射端に接続されているとともに、偏光子１２の入射端側には、外部から偏光子１２に光を導く送光ファイバ１６が配置されている。偏光子１２としては、例えば、積層型の偏光子が使用される。この偏光子１２の前方には、送光ファイバ１６を介して光源２２が配置されている。

検光子１３は、センサ素子ファイバから出力された直線偏波光の偏波面のファラデー回転角を検出するために、被測定電流の磁界の影響を受けた直線偏波光を、直交する２つの偏光成分（常光と異常光）に分離するものである。したがって、一方の偏光成分（常光）は直進して第一の受光ファイバ１７ａより信号Ｔとして出力され、他方の偏光成分（異常光）はプリズム１４へ送られる。この検光子１３としては、例えば、偏光分離型の検光子が使用される。

プリズム１４は、検光子１３により送られた偏光成分（異常光）の光路を調節するものであり、第二の受光ファイバ１７ｂより信号Ｒとして出力される。

送光ファイバ１６は、単一モードとなる偏波面保持型の光ファイバから構成され、偏光子１２に接続されている。送光ファイバ１６とセンサ素子ファイバ１１との接続は、両者の結合を長期に亘り安定に維持するため、積層型の偏光子による突き合わせ接続方式が有効である。

枠体１８は、導体１９の外周を周回可能なように設計され、センサ素子ファイバ１１を固定する。枠体１８としては、例えば、ステンレス、アルミニウム合金などの高い剛性をもつ金属、あるいはガラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維などで強化した繊維強化プラスチック等の材料を用いることができる。また、枠体１８の上面には、センサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａを平面から外れる方向へ移動させる第一手段１５が備えられている。
この枠体１８により、周囲から伝わる振動や温度変動によってセンサ素子ファイバの曲線が変形を防止し、偏波の回転の影響による測定誤差を抑制することができる。

導体１９は、被測定交流電流が流れる送電線等である。

信号処理部２０は、Ｔ側の受光素子２１の出力を、帯域通過フィルタと低域通過フィルタの２種類のフィルタに通し、帯域通過フィルタから信号の交流（ＡＣ）成分、低域通過フィルタから直流（ＤＣ）成分を得る。さらに、割り算器で両者の比（ＡＣ／ＤＣ）を求め、交流成分を直流成分で規格化した信号を得る。一方、Ｒ側については、Ｔ側と同じ処理を行った後、符号を反転させ。その後、和算器により両信号の和を求め、最終出力を得る。

受光素子２１は、受光ファイバ１７ａ，１７ｂを介して送られる信号光を受光する受光部を有した集積回路であり、受光した光信号をその強度に応じた電気信号に変換して出力する機能を有する。受光素子２１としては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）などが挙げられる。変換された電気信号は、信号処理部２０へ送られる。

光源２２は、ファラデー効果を作用させるための光Ｌを発生させる。光源２２は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）やスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）などで実現されるが、ＳＬＤを光源に用いると、光の干渉と光源の発振の不安定による雑音を除去できるので望ましい。光源２２からでた光Ｌは、送光ファイバ１６を伝播し、偏光子１２により直線偏光に変換され、センサ素子ファイバ１１の中を伝播する。伝播した光は、検光子１３により直交する２つの偏光成分に分離され、受光ファイバ１７を介して、信号処理部２０に入力される。

また、本実施形態では、平面において、センサ素子ファイバ１１を直線に伸ばした状態で、偏光子１２の主軸方向と検光子１３の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、偏光子１２、検光子１３、及びセンサ素子ファイバ１１からなるセンサファイバモジュール１を固定する第二手段２３を備えると望ましい。

以下では、本発明に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法について説明する。まず、手順Ａとして、偏光子１２と検光子１３間の約４５度方位差の設定を行う。この設定は、たとえば、図１１に示すように行なうことができる。
まず、本発明に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法を手順Ａとして、以下の操作を行う。
（Ａ１）送光ファイバ１６と偏光子１２とセンサ素子ファイバ１１ａとが一体となった偏光子部１２Ａ、センサ素子ファイバ１１（１１ｂ）、センサ素子ファイバ１１ｃと検光子１３と受光ファイバ１７とが一体となった検光子部１３Ａ、の３つの要素からなるセンサファイバモジュール１を作製する。
（Ａ２）その際に、センサ素子ファイバ１１を直線に伸ばした状態で、偏光子１２の主軸方向と前記検光子１３の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差が生じるように設定する。
（Ａ３）次いで、センサファイバモジュール１を、第二手段２３によって枠体に取り付けることにより、偏光子、検光子、及びセンサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールが１つの平面に配置された状態とする。
以上の操作を、本発明では手順Ａと呼ぶ。この手順Ａにより、あらかじめ偏光子と検光子の間に４５度に近い角度差がつけられているので、特段の調整をしなくても４５度前後の最適に近い状態の光学バイアスが得られる。

さらに、本実施形態では、偏光子１２と検光子１３間の４５度前後方位差の設定の際、センサ素子ファイバ１１が、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段２４を備えると望ましい。

センサ素子ファイバ１１が、その周方向に対して撚られるのを防止する方法としては、例えば、図１２に示すように行なうことができる。
図１２では、第三手段２４を、上面にＶ字溝を有する台座部２４ａと、この台座部２４ａの上面に被覆される押え蓋部２４ｂとで構成している。したがって、センサ素子ファイバ１１の周方向に対する撚りを防止するためには、台座部２４ａのＶ字溝内にセンサ素子ファイバ１１を配置し、その上から押え蓋部２４ｂを被せて該センサ素子ファイバ１１を枠体１８に固定する。
このように、第三手段２４によって偏光子と検光子の方位差の微調整を行う手法を採るならば、センサ素子ファイバ１１に対して大きな「撚り（twist） 」に起因した応力が発生することはない。

次に、本発明に係る光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法の手順Ｂについて説明する。
この手順Ｂでは、前述の手順Ａにより準備した光ファイバ電流センサ１０を用いる。すなわち、光ファイバ電流センサ１０として、センサ素子ファイバ１１全体を１つの平面に配置し、かつ、このセンサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａが前記平面から外れる方向へこの一部１１ａを移動させる第一手段１５と、前記平面において、センサ素子ファイバ１１を直線に伸ばした状態で、偏光子１２の主軸方向と検光子１３の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、偏光子１２、検光子１３、及びセンサ素子ファイバ１１からなるセンサファイバモジュール１を固定する第二手段２３と、センサ素子ファイバ１１が、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段２４と、を備えたものを用いる。

（Ｂ１）まず、第二手段２３と第三手段２４を用いて、センサファイバモジュール１を１つの平面に配置した後、偏光子１２を通過した光をセンサ素子ファイバ１１に入射させる。
（Ｂ２）次に、第一手段１５を用いて、例えば、偏光子部１２Ａと検光子部１３Ａを平行にしたまま、センサ素子ファイバ１１の途中部分を持ち上げたり、偏光子部１２Ａと検光子部１３Ａとを並べておき、一方または両方を最適な位置に持ち上げたりして、センサ素子ファイバ１１の少なくとも一部１１ａを前記平面から外れる方向へ移動させる。これにより、センサ素子ファイバ１１を通過する光の偏波方位を回転させ、検光子１３に入射する光の偏波方位を最適値（４５度）となるように調整するのである。

上記の手順Ｂにより、最適な光学バイアス設定がなされた状態で測定を行うことが可能となるため、測定精度が高まるのである。

上述した実施形態においては、透過型の光ファイバ電流センサであって、かつ、２信号方式（出力を２信号Ｒ、Ｔとする構成）について特に説明したが、本発明はこれに限らず、図１３に示すような１信号方式の光ファイバ電流センサ３０にも適用できる。１信号方式とする構成（図１３）では、信号処理部２０Ｂ（２０）における演算方式のみ２信号方式と相違するものを採用すればよく、それ以外は２信号方式（図２）と同等でよい。
かかる構成によれば、２信号方式に比較して出力側のシンプル化が図れる。ゆえに、光ファイバ電流センサ全体の小型化が容易であるとともに、メンテナンス性や制御性にも優れた透過型の光ファイバ電流センサを構築できる。

以上のように、本発明に係る光ファイバ電流センサによれば、センサ素子ファイバに撚り（twist） を与えたり、１／２波長板を省略したとしても、光学バイアスの設定を可能とすることができる。また、外部磁気によて生じる測定誤差についても出力誤差が少なくなるように光バイアス設定を微調整することが可能となるため、磁気シールドを施すことなく、出力誤差を少なく抑制することができる。このように偏波特性を安定的に確保し、外部からの振動等の影響に強い電流センサを、簡素な構造で実現することができる。

本発明は、電気機器や電力設備等の電力の測定に適用できる。

本発明の光ファイバ電流センサの一例を示す平面図である。 本発明の光ファイバ電流センサの構成を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第一手段の一例を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第一手段の他の一例を示す図である。 図３及び図４に示す第一手段の動作前の状態を示す図である。 図３及び図４に示す第一手段の動作後の状態を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第一手段の他の一例を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第一手段の他の一例を示す図である。 図７及び図８に示す第一手段の動作前の状態を示す図である。 図７及び図８に示す第一手段の動作後の状態を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第二手段の一例を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサにおける第三手段の一例を示す図である。 本発明の光ファイバ電流センサの他の一例を示す平面図である。 従来の光ファイバ電流センサの一例を示す平面図である。 従来の光ファイバ電流センサの構成を示す図である。

符号の説明

１ センサファイバモジュール、１０ 光ファイバ電流センサ（２信号方式）、１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ），３１ センサ素子ファイバ、１２ 偏光子、１２Ａ 偏光子部、１３ 検光子、１３Ａ 検光子部、１４ プリズム、１５ 第一手段、１６ 送光ファイバ、１７ 受光ファイバ、１８ 枠体、１９ 導体、２０（２０Ａ、２０Ｂ） 信号処理部、２１ 受光素子、２２ 光源、２３ 第二手段、２４ 第三手段、３０ 光ファイバ電流センサ（１信号方式）、３２ 光学部、３３ 反射ミラー。

Claims (5)

1. 偏光子を通過した光をセンサ素子ファイバに入射させ、該センサ素子ファイバを通過した光を検光子に入射させて、前記検光子を通過した光の強度を検出し、変調度を求め、該変調度の変化量から該センサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価する光ファイバ電流センサであって、
   前記センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させる第一手段を備えたことを特徴とする光ファイバ電流センサ。
2. 前記平面において、前記センサ素子ファイバを直線に伸ばした状態で、前記偏光子の主軸方向と前記検光子の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを固定する第二手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ電流センサ。
3. 前記センサ素子ファイバが、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ電流センサ。
4. 前記センサ素子ファイバは、鉛ガラスファイバであ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電流センサ。
5. 偏光子を通過した光をセンサ素子ファイバに入射させ、該センサ素子ファイバを通過した光を検光子に入射させて、前記検光子を通過した光の強度を検出し、変調度を求め、該変調度の変化量から該センサ素子ファイバに印加された磁界が誘起するファラデー回転角の大きさを評価する光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法であって、
   前記光ファイバ電流センサとして、
   前記センサ素子ファイバ全体を１つの平面に配置し、かつ、該センサ素子ファイバの少なくとも一部が前記平面から外れる方向へ該一部を移動させる第一手段と、
   前記平面において、前記センサ素子ファイバを直線に伸ばした状態で、前記偏光子の主軸方向と前記検光子の主軸方向にあらかじめ４５度前後の角度差を設けるように、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを固定する第二手段と、
   前記センサ素子ファイバが、その周方向に対して撚られるのを防止する第三手段と、
   を備えたものを用い、
   前記第二手段と前記第三手段を用いて、前記偏光子、前記検光子、及び前記センサ素子ファイバからなるセンサファイバモジュールを１つの平面に配置する手順Ａ、
   前記偏光子を通過した光を前記センサ素子ファイバに入射させ、前記第一手段を用いて、前記センサ素子ファイバの少なくとも一部を前記平面から外れる方向へ移動させることにより、前記センサ素子ファイバを通過する光の偏波方位を回転させ、前記検光子に入射する光の偏波方位を調整する手順Ｂ、
   を少なくとも有することを特徴とする光ファイバ電流センサの光学バイアス設定方法。

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