JP2011081243A - 光ファイバの気密貫通型コネクタ及びこれを用いた光電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバの気密貫通部における接着固定時に残留する応力を最小にすることにある。
【解決手段】光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、光ファイバ１２の貫通部に対応する部位に金属メッキを施し、そのメッキ層１６で被膜された光ファイバを展性のあるインジウム接着層１７により固定部材に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタ及びこれを用いた光電流センサに関する。

最近、例えば変電所や発電所の電力機器や電力系統の電圧を測定する測定装置として、磁界によって偏光が回転するファラデー効果を利用した光ファイバ電流センサが採用されている（例えば、特許文献１）。

この光ファイバ電流センサは、絶縁物である光ファイバで構成できることから、安全で小型のセンサが実現でき、また低雑音でダイナミックレンジが広く、周波数特性も良好であることから、高精度のセンサとして期待されている。

ところで、光ファイバー電流センサにおいて、外部の被測定体と測定機器との間を光ファイバケーブルで接続するには、光ファイバケーブルを図示しない筐体に取付けられる本体フランジを気密に貫通させて被測定体と筐体内の光源及び受光器等を含む測定機器との間を接続する光ファイバの気密貫通型コネクタが用いられている。

図３は従来のかかる光ファイバの気密貫通型コネクタの構成を示す断面図である。

図３において、１はコアの外周上にクラッドを有する光ファイバ２の外周にナイロン被覆層等の１次被覆層３及びその上に塩化ビニル等の外部被覆層４を具えた光ファイバコードである。

このような光ファイバコード１において、本体フランジ７の貫通部に対応する部位の１次被覆層３及び外部被覆層４を除去して光ファイバ２を露出させ、この露出部分の光ファイバ２の外周囲部が覆われるように、例えばステンレスパイプ等の金属パイプ５を挿通させて設けられている。この場合、金属パイプ５の両端面が外部被覆層４の切断面に接し、且つ金属パイプ５の開口部より１次被覆層３の除去端部が挿入されている。

また、金属パイプ５と光ファイバ２との間に存する空間にはエポキシ樹脂６が充填され、このエポキシ樹脂６により光ファイバ２は金属パイプ５の内周面に接着固定されている。

さらに、金属パイプ５と光ファイバコード１の外部被覆層４の端部は、エポキシ樹脂１０により接着固定され、また金属パイプ５と本体フランジ７に有する貫通穴の周縁部とを溶接等により固着されている。なお、図では、本体フランジ７に２本の金属パイプ５を固着する場合を示している。

上記本体フランジ７には、図示しない筐体に取付けるための複数の取付ボルト穴８及び筐体との間の気密を保持するためのパッキング溝９が設けられている。

次にこのような構成の光ファイバの気密貫通型コネクタを組立てる手順について述べる。

（ａ）予め、本体フランジ７に設けられた必要個数の貫通穴にそれぞれ金属パイプ５を挿通させて溶接等により固着しておく。

（ｂ）次に、光ファイバコード１を所要長（例えば数ｍ）に切断し、相当箇所の外部被覆層４に切込みを入れ、一方の外部被覆層４を抜き去り、さらに金属パイプ５内に収納する長さの１次被覆層３を除去し、光ファイバ２を露出する。

（ｃ）上記の露出した光ファイバ２を金属パイプ５内に挿入し、金属パイプ５と光ファイバ２との間に存する空間にエポキシ樹脂６を充填して、光ファイバ２を接着固定する。

（ｄ）前記抜き去った外部被覆層４を再び挿入して図３に示すような形状となし、しかる後、金属パイプ５と外部被覆層４の端部をエポキシ樹脂１０で接着固定する。

このようにして組立てられた光ファイバの貫通型気密コネクタは、金属パイプ内の気密は金属パイプ内に充填するエポキシ樹脂で保持され、外部被覆層と金属パイプの気密はこれらの外側に施すエポキシ樹脂で、また本体フランジと筐体との気密はパッキング溝内に挿入するＯリングによって保持される。

特開２００７−０４０８８４号公報

しかし、このような構成の光ファイバの貫通型気密コネクタにおいては、光ファイバとこの光ファイバが挿入された金属パイプとの間に存する空間にエポキシ樹脂を充填して光ファイバを金属パイプに接着固定しているため、光ファイバの接着固定時に作用する応力により偏光特性に乱れが生じ、この貫通型気密コネクタを光電流センサとして用いた場合には、測定精度が低下するという問題があった。

また、金属パイプとしてステンレスパイプ５を用いているため、図４に示すように光ファイバやステンレスパイプの先端に外力Ｆが加わるとステンレスパイプ５が変形し、偏光特性が悪くなることがあり、最悪の場合には、外力が除去された後でも偏光特性の悪化が元に戻らなくなるという問題があった。

そこで、かかる貫通型気密コネクタに対して、光ファイバに加わる応力を低減する方策としては次のようなことが考えられる。

（１） エポキシ樹脂層６を薄くして、接着固定時に生じる応力を低減する。

（２） ステンレスパイプをインバーに変え、熱膨張率差による応力を低減する。

実際に上記（１），（２）の試作を実施してみたところ、エポキシ樹脂層を薄くすると、逆に偏光特性は悪くなる、また、ステンレスパイプをインバーに変えても、有意な変化は見られない、との結果が得られた。

すなわち、エポキシ樹脂層を薄くすることによって、接着そのものによる応力は低減しているものと考えられるが、実際には例えばステンレスパイプの表面状態やエポキシ樹脂に混入する異物などの影響が無視できず、これらの熱膨張差で生じた応力が樹脂層を薄くしたことによって、逆に顕著に現れたものと考えられる。このため、単純に層を薄くする又は熱膨張率を下げると言った方法では、光ファイバに加わる応力を低減することはできない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、光ファイバの気密貫通部における接着固定時に残留する応力を最小にすることができる貫通型気密コネクタ及びこれを用いた高精度の光電流センサを提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により貫通型気密コネクタ及びこれを用いて光電流センサを構成する。

（１）光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、前記光ファイバの貫通部に対応する部位に金属被膜を施し、この金属被膜された光ファイバを展性のある金属を含有した材料により固定する。

（２）光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、前記光ファイバの貫通部に対応する部位を石英部材からなるパイプ内を挿通させ、このパイプと光ファイバとの間に接着層を形成して固定する。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光ファイバの気密貫通型コネクタを用いて光電流センサを構成する。

本発明によれば、光ファイバの気密貫通部における接着固定時に残留する応力を最小にすることができる貫通型気密コネクタ及びこれを用いた高精度の光電流センサを提供できる。

本発明による気密貫通型コネクタの実施形態を示す断面図。 本発明による気密貫通型コネクタを用いた光電流センサの一例を示す構成図。 従来の気密貫通型コネクタを示す断面図。 光ファイバやステンレスパイプの先端に外力が加わったときのステンレスパイプの変形様態を示す図。

以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明による気密貫通型コネクタの実施形態を示す断面図である。

図１において、１１は光ファイバ１２の外周に被覆層１３が設けられた光ファイバコードで、この光ファイバコード１１のフランジ１５の貫通部に対応する部位に次のような気密貫通型コネクタを構成するものである。

まず、光ファイバコード１１からフランジ１５の貫通部に対応する部位の被覆層１３を除去して光ファイバ１２を露出させ、この露出部分にニッケルなどの金属メッキを施してメッキ層１６を形成する。

次に図示しない筐体に取付けられるフランジ１５に有する貫通穴に固定部材として表面にニッケルなどの金属メッキが施された石英パイプ１４を所定の位置まで挿通させ、その状態で石英パイプ１４をフランジの貫通穴の周縁部に接着又は半田付けなどにより固定する。

このような石英パイプ１４内に光ファイバ１２の露出部分を挿入し、この光ファイバ１２の露出部分と石英パイプ１５との間に存する間隙に展性のある金属材料としてインジウムを溶融して流し込み、冷却することによってインジウム接着層１７を形成する。この場合、光ファイバ１２にニッケルなどの金属メッキを施してあるので、インジウムとの接着性を確保できる。

ここで、インジウムは、展性の他に金属であることからエポキシ樹脂のような硬化収縮がなく、単純な熱膨張だけである。また、インジウムは展性のある金属の中でも、特に融点が低く（純インジウムで１５６℃）、加工温度との差による材料収縮による応力を小さくでき、かつヤング率も錫の１／４と個体金属の中では最も低い部類に属し、理想的である。

したがって、光ファイバ１２の貫通部に応力が加わってもインジウム接着層１３が塑性変形を起こし、応力を緩和することができる。

上記ではインジウムを用いる場合について述べたが、インジウム合金を用いても、上述同様の作用効果を得ることができる。

一方、フランジ１５の貫通穴に固定された石英パイプ１４は、応力が加わったときの変形が小さく、また塑性変形も生じにくい。また、塑性変形が起こるほどの力が加わった場合には破壊されるので、時間の経過とともに塑性変形が徐々に生じて知らない内に偏光特性が悪化した気密貫通部を使い続けると言った心配もない。

なお、上述した光ファイバの気密貫通型コネクタの組立て手順については、従来とほぼ同様なので、ここではその説明を省略する。

このように本実施形態では、フランジ１５を挿通させて固定された石英パイプ１４内に被覆層１３を除去して露出させてニッケルなどの金属メッキ層１６を施した光ファイバ１２を挿通させ、この光ファイバ１２と石英パイプ１４との間に存する間隙に展性のある金属材料としてインジウム又はインジウム合金を溶融して流し込んで、インジウム又はインジウム合金接着層１７を形成するようにしたものである。

したがって、光ファイバ１２の固定に展性のある金属の中でも、特に融点が低く、また、ヤング率も小さいインジウムを用いているため、光ファイバ１２の接着固定時に残留する応力を最小にすることができる。

また、光ファイバ１２の固定部材として石英パイプ１４を用いているので、光ファイバ１２の熱膨張係数を合わせることで応力を低減する効果に加えて変形しない、力を加え過ぎると変形する前に破断するという特徴を有するので、固定部材の変形による応力を回避することができる。

図２は本発明による光ファイバの気密貫通型コネクタを用いた光電流センサの実施形態を示す構成図である。

この光電流センサは、図２に示すように光を取り込むカプラ６２と、このカプラ６２で取り込んだ直線偏光を取り出す偏光子６３と、偏光軸が互いに直交する２つの直線偏光を生成する４５°接続部６４と、位相変調器６６と、ダミーファイバ（遅延用光ファイバ）６７と、これら直線偏光から右回り円偏光と左回り円偏光とを生成するλ／４素子６８と、これら円偏光を導体６９等の電流路の周りに周回させて伝播させるセンシングファイバ７０と、これら円偏光を反射させて上記センシングファイバ７０を逆戻り伝播させるミラー７１と、λ／４素子６８、ダミーファイバ６７、位相変調器６６、デポラライザ６５、４５°接続部６４、偏光子６３、カプラ６２を逆戻りして偏光軸が等しく重ね合わされた直線変更を受光する受光器７２とを備えている。

ここで、光源６１、受光器７２、光源６１からの光を取り込むカプラ６２、偏光子６３、４５°接続部６４、デポラライザ６５、位相変調器６６及び遅延用光ファイバ６７が図示しない筐体内に測定機器として設けられ、また筐体の外部には被測定体となる導体６９を中心にその周りに円を描くように配設されたセンシングファイバ７６、ミラー７１及びλ／４素子６８が設けられる。

このような構成の光電流センサにおいて、前述した本発明による光ファイバの気密貫通型コネクタ１００を図示しない筐体に取付けられる本体フランジを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンシングファイバ７０と光源及び受光器等を含む測定機器内の遅延用光ファイバ６７との間を接続するようにしたものである。

なお、光電流センサの原理については既に知られている技術なので、ここではその説明を省略する。

したがって、本発明による光ファイバの気密貫通型コネクタ１００を光電流センサに用いることにより、光ファイバに応力を加えない気密貫通部を実現することが可能となり、貫通部での偏光特性の悪化を防ぐことができ、高精度の電流測定を実現できる。

１１…光ファイバコード、１２…光ファイバ、１３…被覆層、１４…石英パイプ、１５…フランジ、１６…メッキ層、１７…インジウム接着層、１００…気密貫通型コネクタ

Claims (5)

1. 光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、
   前記光ファイバの貫通部に対応する部位に金属被膜を施し、この金属被膜された光ファイバを展性のある金属を含有した材料により固定したことを特徴とする光ファイバの気密貫通型コネクタ。
2. 請求項１記載の光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、
   前記金属被膜された光ファイバの固定に用いる材料として、インジウム又はインジウム合金を用いたことを特徴とする光ファイバの気密貫通型コネクタ。
3. 光源及び受光器を含む測定機器の内部から外部に光ファイバを気密に貫通させて被測定体に流れる電流を測定するセンサファイバに接続する光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、
   前記光ファイバの貫通部に対応する部位を石英部材からなるパイプ内を挿通させ、このパイプと光ファイバとの間に接着層を形成して固定したことを特徴とする光ファイバの気密貫通型コネクタ。
4. 請求項３記載の光ファイバの気密貫通型コネクタにおいて、
   前記パイプと光ファイバとの間に形成される接着層は、インジウム又はインジウム合金接着層である光ファイバの気密貫通型コネクタ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光ファイバの気密貫通型コネクタを用いたことを特徴とする光電流センサ。

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