JP2013217845A - 光電流検出装置および光電流検出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバーの複屈折を低減し電流検出精度をより高精度化する光電流センサおよび光電流センサの製造方法を提供する。
【解決手段】光電流センサは、光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する光電流センサであり、筒状部材６４、支持部材としての光ファイバー６５、固着部材としての接着剤６６を備える。筒状部材６４は光ファイバー６３の外径よりも内径が大きい筒状部を有し、筒状部に光ファイバー６３を収容する。支持部材の光ファイバー６５は筒状部材の長手方向に沿って配置され、光ファイバー６３と熱膨張係数が同等かまたは少なくとも筒状部材６４よりも熱膨張係数が小さい。固着部材の接着剤６６は支持部材の光ファイバー６５と筒状部材６４とを固着する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、光電流検出装置および光電流検出装置の製造方法に関する。

光電流検出装置としての光電流センサの１つに、例えばサニヤック干渉計型電流センサがある。このサニヤック干渉計型電流センサは、円偏光を電流検出コイルに一方の端部および他方の端部の双方から入射、伝播させ、位相差の生じた両光を干渉させてその光強度変化から印加された磁界を発生させた電流を測定する。

このとき、光ファイバーに複屈折が有ると、円偏光が崩れてしまい、正しく電流を測定できなくなるため、光ファイバーの複屈折を防ぎ、円偏光を正しく伝播させることが重要である。

これまでは、光ファイバーのセンサ部分の技術改良により複屈折を低減し、１％精度程度の光電流検出精度を実現できている。

特開平１０−１０３７８号公報

しかしながら、近年、光電流センサには０．２％精度または０．１％精度といった、より高精度化が求められており、複屈折の低減には未だ不十分である。

本発明が解決しようとする課題は、光ファイバーの複屈折を低減し電流検出精度をより高精度化することができる光電流検出装置および光電流検出装置の製造方法を提供することにある。

実施形態の光電流検出装置は、光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する光電流センサであり、筒状部材、支持部材、固着部材を備える。前記筒状部材は前記光ファイバーの外径よりも内径が大きい筒状部を有し、前記筒状部に前記光ファイバーを収容する。前記支持部材は前記筒状部材の長手方向に沿って配置され、前記光ファイバーと熱膨張係数が同等以上でかつ前記筒状部材よりも熱膨張係数が小さい。前記固着部材は前記支持部材と前記筒状部材とを固着する。

実施形態の光電流センサの回路構成を示す図である。 第１実施形態の電流検出コイルの構成を示す断面図である。 第２実施形態の電流検出コイルの構成を示す断面図である。 第３実施形態の電流検出コイルの構成を示す断面図である。 第４実施形態の電流検出コイルの構成を示す断面図である。 第５実施形態の電流検出コイルの構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）図１は実施形態の光電流センサの構成を示す図である。

図１に示すように、この実施形態の光電流センサは、光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する装置であり、第１の光分岐器２、第１の偏光フィルタ３、第２の光分岐器４、位相変調器５、電流検出コイル６、受光器７、同期検波器８、発振回路９、第１の１／４波長板１６、第２の１／４波長板１７などを有する。

第１の光分岐器２、第１の偏光フィルタ３および第２の光分岐器４は、光源１ から出射された光を電流検出コイル６内に左回り光および右回り光として送り込む。

位相変調器５は、左回り光および右回り光を位相変調し、対応する１／４波長板１６（または１７）を通じて電流検出コイル６に入射する。位相変調器５は、例えば左回り光を位相変調し、第１の１／４波長板１６を通じて電流検出コイル６に入射する。位相変調器５は、例えば第１の１／４波長板１６を通過した右回り光を位相変調し、第２の光分岐器４、第１の偏光フィルタ３、第１の光分岐器２を通過して受光器７に受光させる。

電流検出コイル６は、検出対象の電流Ｉが流れるケーブルの周囲に回巻するように配置される。電流検出コイル６はファラデー効果による位相差を検出する。電流検出コイル６では、第１の１／４波長板１６、第２の１／４波長板１７から入射された光がそれぞれの方向に周回して伝搬し、順次、第２の光分岐器４、第１の偏光フィルタ３、第１の光分岐器２を通過して受光器７へ到達し受光される。

受光器７は、第１の光分岐器２を通過した光を受光する。受光器７は受光した光を光電変換して電気信号に変換する。発振回路９は、参照信号を発振する。同期検波器８は、発振回路９から供給される信号を参照信号として、電流検出コイル６に印加される磁界に比例する位相差の検波出力を得る。

ここで、図２を参照して電流検出コイル６の第１実施形態を説明する。
図２に示すように、第１実施形態の電流検出コイル６は、光が実際に伝搬する部分であるコア６１の周囲に、コア６１よりも僅かに屈折率の小さいクラッド６２の層を形成した、センサである導光用の光ファイバー６３と、例えばシリコーンゴム等で形成したゴム弾性を有する円筒状の筒状部材６４と、この筒状部材６４の長手方向に沿って配置された補強のための支持部材（補強用部材）としての光ファイバー６５と、この光ファイバー６５と筒状部材６４とを固着する固着部材としての接着剤６６とを備える。

センサである光ファイバー６３はそのコアまたはクラッドが例えば石英またはガラスを素材とするものである。接着剤６６は光ファイバー６５と筒状部材６４とを部分的または対向する部位全体で接着する。筒状部材６４は、石英またはガラスに対してヤング率が十分小さな素材で形成されていると、支持部材に筒状部材６４の形状が拘束されるため好ましい。この例では、補強用の支持部材は、光ファイバー６３と同じ（同等な）熱膨張特性を有する光ファイバー６５を用いている。

補強用の支持部材は、光ファイバー６５の他、光ファイバー６３と熱膨張特性が同等のもの、つまり熱膨張係数が同等のものが適用可能である。

筒状部材６４は光ファイバー６３の外径よりも内径が大きい筒状部を有し、この筒状部に光ファイバー６３を収容している。光ファイバー６３は筒状部材６４の内部（筒状の部分）に筒状部材６４の内壁面からすき間を空けて収容されており、外部の影響を受けないよう保護（保持）されている。

つまり、筒状部材６４は、光ファイバー６３の外径と比べて内径が大きくその内部には空間（すき間）が設けられており中空構造とされている。このような中空構造とすることは、振動などの衝撃が加わった際に、その衝撃を外郭の筒状部材６４で吸収し内部の光ファイバー６３を保護することができる。

例えば光ファイバー６３の回りがシリコーンゴム等で満たされているような状態であれば、衝撃により、光ファイバー６３を圧縮する力（圧力）が加わるが、この実施形態のような中空構造の場合、衝撃で光ファイバー６３に圧力が加わることはない。

この実施形態の光電流センサの機能を説明する。
この実施形態では、筒状部材６４にシリコーンゴムなどのゴム弾性を持った素材を使用している。このようにゴム弾性を持った素材は、一般に、熱膨張係数が光ファイバー６３のそれよりも格段に大きく、温度変化による伸縮によって、光ファイバー６３に伸縮方向の力を加えることになる。

これを防ぐには、筒の内径を、温度による伸縮以上に大きくすることが考えられるが、この場合、光ファイバー６３を保持する本来の機能が果たせなくなる。またこの場合、筒の中で光ファイバー６３に蛇行しながら保持されるようになり、光ファイバー６３の曲げによる複屈折が生じることとなる。さらにこれでは光ファイバー６３の形状が安定しないことから、複屈折もまた安定しなくなるという問題を生じる。

光ファイバー６３に伸縮方向の力を加えないためのもう一つの方策は、筒状部材６４の熱膨張を光ファイバー６３のそれと揃えることであるが、ゴム弾性と光ファイバー６３並の低膨張率の２つの特性を併せ持った材料がないことから筒状部材６４自体での対策はできない。

そこで、この実施形態では、ゴム弾性を持った筒状部材６４の伸縮を、光ファイバー６３のそれと揃えるための機構を新たに設けることで、光ファイバー６３に圧縮力が加わらないようにする機能を実現している。

すなわち、この第１実施形態では、筒状部材６４の側に、補強用の光ファイバー６５を配置し、筒状部材６４と光ファイバー６５の間を接着剤６６で固着（結合）する。

この場合、筒状部材６４の全長（長手方向）に亘って接着剤６６を塗布して光ファイバー６５と筒状部材６４を結合することが理想的ではあるが、筒状部材６４に曲がりが発生しない程度に接着剤６６を点在させて塗布し、筒状部材６４と光ファイバー６５を固着（結合）しても実用上は差し支えない。

このようにこの第１実施形態によれば、光ファイバー６３を収容した筒状部材６４の長手方向に沿って補強用の光ファイバー６５を配置し、光ファイバー６５と筒状部材６４を接着剤６６で固着（結合）し、温度変化による伸縮が筒状部材６４に生じなくすることで、筒状部材６４内部の光ファイバー６３に圧力が加わらなくなり、光ファイバー６３の複屈折を低減することができる。この結果、電流検出精度をより高精度化することができる。

次に、図３を参照して第２実施形態を説明する。
上記第１実施形態では、補強用の支持部材として、センサである光ファイバー６３と同じ光ファイバー６５を使用したが、補強用の支持部材は光ファイバー６３と必ずしも同一である必要はない。

つまり、補強用の支持部材としては、例えば光ファイバー６３と同じかそれに近い値（光ファイバー６３以上）の熱膨張係数でかつ筒状部材６４よりも熱膨張係数が小さいものであればよい。

そこで、第２実施形態では、図３に示すように、補強用の支持部材として、大口径のマルチモードファイバー７０を用いる。

すなわち、この第２実施形態の電流検出コイル６は、光が実際に伝搬する部分であるコア６１の周囲に、コア６１よりも僅かに屈折率の小さいクラッド６２の層を形成した、センサである導光用の光ファイバー６３と、例えばシリコーンゴム等で形成したゴム弾性を有する筒状部材６４と、この筒状部材６４の長手方向に沿って配置された補強のための支持部材（補強部材）としてのマルチモードファイバー７０と、このマルチモードファイバー７０と筒状部材６４とを固着する固着部材としての接着剤６６とを備える。

センサである光ファイバー６３が、例えば石英を素材とするファイバー（石英ファイバー）等の場合、シングルモードファイバーの外径は、例えば１２５μｍ等の標準的な石英外径であるのに対し、マルチモードファイバー７０はその外径が例えば２５０μｍ〜４００μｍといったように大口径のものが製作可能である。

このような大口径のマルチモードファイバー７０を支持部材として用いることで、ファイバーが折れ曲がり難くなり、コイル状に成型した場合に、全長に渡ってほぼ同じ曲率半径で、綺麗な円形形状を形作ることができる。

大口径のマルチモードファイバー７０は、ファイバーが折れ曲がり難いことから、ファイバーの曲げ半径が小さくならず、この大口径のマルチモードファイバー７０で補強された筒状部材６４の中に収納された光ファイバー６３は、曲げ半径の小さな部分がない綺麗な円形形状に保たれることから、複屈折を最小に保つことができる。

このようにこの第２実施形態によれば、補強用の支持部材としてのマルチモードファイバー７０を用いることで、筒状部材６４をさらに補強でき、複屈折を最小に保つことができる。

次に、図４を参照して第３実施形態を説明する。
上記第１実施形態では、筒状部材６４の収縮を拘束するための補強用の支持部材として、一本の光ファイバー６５を用いたが、この部材は必ずしも１本である必要はなく、例えば図４に示すように、筒状部材６４の周囲に複数の光ファイバー６５を配置し筒状部材６４に接着剤６６で固着（結合）してもよい。この例では、筒状部材６４の周囲に４本の光ファイバー６５をほぼ９０°の間隔を隔てて配置し、筒状部材６４に接着剤６６で接着している。

この第３実施形態によれば、第１実施形態よりもさらに強力に筒状部材６４の温度変化による伸縮を生じ難くすることができ、光ファイバー６３の複屈折を低減することができる。この結果、電流検出精度をより高精度化することができる。

次に、図５を参照して第４実施形態を説明する。
上記第１実施形態では、センサである光ファイバー６３を中空の筒状部材６４に収容した例を示したが、この第４実施形態では、これらを一体化した例を説明する。

すなわち、この第４実施形態の電流検出コイル６は、光が実際に伝搬する部分であるコア７１の周囲に、コア７１よりも僅かに屈折率の小さいクラッド７２の層を形成した、センサである導光用の光ファイバー７３と、この光ファイバー７３の上に形成された１次コーティング７４と、この１次コーティング７４の上に形成された２次コーティング７５と、この２次コーティング７５の上部に、すき間を隔てて形成された３次コーティング７７とを有するセンサファイバーと、このセンサファイバーの長手方向に沿って配置された補強のための支持部材（補強部材）としての光ファイバー６５と、この光ファイバー６５と筒状部材６４とを固着する固着部材としての接着剤６６とを備える。

センサファイバーを形成する際に、１次コーティングを行った光ファイバー７３に捻りを加え、その周囲に捻りを固定するための２次コーティング７５を形成する。

この第４実施形態では、２次コーティング７５と３次コーティング７７との間には、すき間７６が設けられているので、光ファイバー７３側は３次コーティング７７を形成する際の熱膨張の影響を受けることがなく、このため、２次コーティング７５よりも固い３次コーティング７７を形成することができる。

したがって、１次コーティング７４のヤング率を低くして、光ファイバー７３に加わる応力を最小にすることができると共に、光ファイバー７３側に熱膨張の影響を与える２次コーティング７５は、捻りを固定するのに必要な程度の固さとし、外力からの保護はさらに固い３次コーティング７７で行うことにより、波長分散や複屈折の発生の防止と損傷の防止をより確実にすることができる。

この第４実施形態によれば、光ファイバー７３に多重にコーティングした一体型のセンサファイバーを設け、このセンサファイバーに対して、第１実施形態と同様に光ファイバー６５を接着剤で固着（結合）することで、３次コーティング７７の温度変化による伸縮が光ファイバー６５によって拘束される一方、温度変化による膨張は光ファイバー６５と同じになるので、さらに複屈折は安定し、電流の測定を高精度に行うことができるようになる。

また、２次コーティング７５と３次コーティング７７との間に設けたすき間７６が、第１実施形態の場合と同様に、振動などの外力が加わったときの緩衝層として機能することで、外力がそのまま光ファイバー７３に伝わることがなく、低複屈折を維持することができる。

次に、図６を参照して第５実施形態を説明する。
この第５実施形態は、第１実施形態のように、補強用の光ファイバー６５及び接着剤６６で筒状部材６４を拘束（固定または固着ともいう）するのではなく、これの代わりに、石英のキャピラリー８０の表面及び裏面にシリコーンコーティング８１を形成した筒状部材とし、この筒状部材のシリコーンコーティング８１の内側の空間に、外径が小さい光ファイバー６３を収納して電流検出コイル６を構成している。すなわちこの例も筒状部材の中が中空構造とされている。

例えばセンサである光ファイバー６３と石英のキャピラリー８０との間がシリコーン等で満たされているものの場合、振動などの外力が、収縮力となって光ファイバー６３に伝わってしまうが、この第５実施形態の場合、筒状部材８２の内側に空間が設けられていることで、低複屈折を維持することができる。

この中空構造は、石英のキャピラリー８０に予めシリコーンコーティングを施した後、その筒内に光ファイバー６３を通すことによって容易に実現することができる。コーティングはシリコーンゴムに限定されるものではなく、例えばポリイミドなどの樹脂など、石英に対して十分にヤング率の小さい材料であれば、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

上記実施形態では、固着部材として接着剤６６を用いたが、接着剤６６に限らず、例えば粘着テープなどを筒状部材６４の周囲に巻き付けて固定（固着）してもよい。つまり粘着テープで光ファイバー６５と筒状部材６４とを一体的に包んで固着する。

１…光源、２…光分岐器、３…第１の偏光フィルタ、４…第２の光分岐器、５…位相変調器、６…電流検出コイル、７…受光器、８…同期検波器、９…発振回路、１６…第１の１／４波長板、１７…第２の１／４波長板、６１，７１…コア、６２，７２…クラッド、６３，７３…光ファイバー、６４…筒状部材、６５…光ファイバー、６６…接着剤、７０…マルチモードファイバー、７４…１次コーティング、７５…２次コーティング、７６…すき間、７７…３次コーティング、８０…石英キャピラリー、８１…シリコーンコーティング。

Claims (8)

1. 光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する光電流センサにおいて、
   前記光ファイバーの外径よりも内径が大きい筒状部を有し、前記筒状部に前記光ファイバーを収容する筒状部材と、
   前記筒状部材の長手方向に沿って配置され、前記光ファイバーと熱膨張係数が同等かまたは少なくとも前記筒状部材よりも熱膨張係数が小さい支持部材と、
   前記支持部材と前記筒状部材とを固着する固着部材と
   を具備する光電流センサ。
2. 前記支持部材は、前記光ファイバーと同等な熱膨張特性を有する素材で形成されている請求項１記載の光電流センサ。
3. 前記支持部材は、前記光ファイバーであることを特徴とする請求項１または２いずれか記載の光電流センサ。
4. 前記支持部材は、前記光ファイバーよりもヤング率の小さな素材で形成されている請求項１乃至３いずれか１記載の光電流センサ。
5. 前記固着部材は、前記支持部材と前記筒状部材とを、部分的または対向する部位全体で接着する接着剤である請求項１乃至４いずれか１記載の光電流センサ。
6. 前記固着部材は、前記支持部材と前記筒状部材とを包んで固着する粘着テープである請求項１乃至４いずれか１記載の光電流センサ。
7. 光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する光電流センサにおいて、
   前記光ファイバーの外径よりも内径が大きい筒状部を有し、前記筒状部に前記光ファイバーを収容する筒状部材とからなり、
   前記筒状部材の内面および外面は、前記筒状部材よりもヤング率の小さい材料でコーティングされた光電流センサであって、
   前記筒状部材は石英であって、前記コーティング材料はシリコーンである光電流センサ。
8. 光ファイバーのファラデー効果を用いて電流を測定する光電流センサの製造方法において、
   前記光ファイバーの外径よりも内径が大きい筒状部材に前記光ファイバーを収容し、
   前記光ファイバーと熱膨張係数が同等かまたは少なくとも前記筒状部材よりも熱膨張係数が小さい支持部材を前記筒状部材の長手方向に沿って配置し、
   前記筒状部材と前記支持部材とを固着部材で固着する
   光電流センサの製造方法。

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