JP2014025835A

JP2014025835A - 光電流センサ

Info

Publication number: JP2014025835A
Application number: JP2012166808A
Authority: JP
Inventors: Masao Takahashi; 正雄高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現するサニャック干渉型電流センサを提供する。
【解決手段】光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部１と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部３と、出射光調整部１とセンサ部３とを接続する伝送ファイバ２と、検波を行って電流を算出する検出部４とを有する光電流センサにおいて、伝送ファイバ２には、円複屈折性が付与された光ファイバが用いられ、当該伝送ファイバにより出射光調整部１に設けられた１／４波長板１５と前記センサ部３の光ファイバとが接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、位相変調法を光検波手段として用いたサニャック干渉型の光電流センサに関する。

光ファイバのファラデー効果を利用して電流を測定するサニャック干渉型光電流センサとしては、様々なタイプが提案されている。これらの光電流センサは、光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部と、前記出射光調整部と前記センサ部とを接続する伝送ファイバと、検波を行って電流を算出する検出部とを有する。

このような光電流センサは、出射光調整部の位相変調器と、センサ部の１／４波長板が伝送ファイバにより結ばれたものであり、出射光調整部で調整された光は、伝送ファイバを伝って、センサ部の１／４波長板へと導入される。

ここで、センサ部のセンサファイバは測定対象である電流路に配置される。ただし、電流が流れる機器が高電圧である場合は、絶縁や機器配置上の制限のため、出射光調整部とセンサ部は１０ｍ〜１ｋｍ程度離れて配置されることになる。また、出射光調整部とセンサ部を近傍に設置できる場合であっても、位相変調深度を十分に得るためには１００ｍ程度の光路長が必要となる。伝送ファイバは、このように離れて配置された出射光調整部とセンサ部との間を結ぶものである。

保立和夫他「鉛ガラスファイバを用いた干渉方式光ファイバ電流センサ」光波センシング技術研究会講演会論文集LST-21-13(1998) D. M.Shupe, "Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer",Appl. Opt, vol. 19, no. 5, pp. 654 - 655, March (1980) Ian G.Clarke "Temperature-stable spun elliptical-core optical-fiber current transducer" OPTICS LETTER, Vol.18, No.2(1993) Nikolay I.Starostin et. al. "Interferometric fiber-optic electric current sensor forindustrial application", Measurement Technology and Intelligent Instrument IX(2010).

ところで、上記のような伝送ファイバには、人や車などが伝送ファイバの上部を通過するときの力や、付近の機器の振動が加わる。これらの外部環境の変化は、伝送ファイバの複屈折に影響を与えるため、測定データにドリフトが生じる。この現象は、光電流センサの精度を制限する要因となっていた。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現する光電流センサを提供することにある。

上記のような目的を達成するための実施形態の光電流センサは、光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部と、前記出射光調整部と前記センサ部とを接続する伝送ファイバと、検波を行って電流を算出する検出部とを有する光電流センサにおいて、前記伝送ファイバには、円複屈折性が付与された光ファイバが用いられ、当該伝送ファイバにより前記出射光調整部に設けられた１／４波長板と前記センサ部の光ファイバとが接続されていることを特徴とする。

第１の実施形態の光電流センサの一例を示す構成図である。第１の実施形態の楕円コアファイバの一例を示す断面図である。第１の実施形態の円複屈折性が付与された光ファイバの一例を示す断面図である。他の実施形態の空孔構造ファイバの一例を示す断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
［１．構成］
［１．１全体構成］
本実施形態の全体構成を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態である光電流センサの構成図である。本実施形態は、図１に示す通り、光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部１と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部３と、出射光調整部１とセンサ部３とを接続する伝送ファイバ２と、検波を行って電流を算出する検出部４とを有する。

［（１）出射光調整部１］
出射光調整部１は、光源１１、光分岐器１２、偏光子１３、位相変調器１４、および１
／４波長板１５を有する。

光源１１は、電流の測定に用いる光を出射するものである。この光源１１としては、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）などを用いることができる。光源１１は、光分岐器１２に接続される。

光分岐器１２は，入射光を２路に分岐して、その分岐路の一方に繋がれている偏光子１３に導入するものである。また光分岐器１２は，後述するセンサ部３から戻ってきた光を２路に分岐して一方を検出部４１に導入するものでもある。

偏光子１３は、導入された光を特定方向に偏波した光に変換することで、導出側の光を直線偏光とするものである。この偏光子１３としては、偏波面保存ファイバを利用したファイバ型偏光子や、結晶素子と偏波面保持ファイバを組み合わせて構成されたバルク素子型ファイバ偏光子などを使用することができる。偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバは、光軸を４５°傾けて偏光子１３に融着接続されている。

偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバは、２つの直交する偏波成分の偏光状態を保持するものである。偏波面保存ファイバとしては、ＰＡＮＤＡファイバやＢｏｗ−Ｔｉｅファイバなどを用いることができる。

位相変調器１４は、その内部を伝播する光の成分に対して所定の位相差分だけ位相変調を与えるものである。この位相変調器１４としては、ピエゾ管（ＰＺＴ）に偏波面保存ファイバを巻きつけて構成されるＰＺＴ型位相変調子やポッケルス素子を利用したポッケルス素子型位相変調子等を使用することができる。位相変調器１４は、後述する位相変調駆動回路４０により制御される。また、位相変調器１４の導出側の偏波面保存ファイバには、１／４波長板１５が接続される。

位相変調器１４の導出側の偏波面保存ファイバが接続される１／４波長板１５は、入射する光に対して、１／４波長分の位相差を生じさせるものである。１／４波長板１５の導出側には、後述する伝送ファイバ２が接続される。従来の光電流センサでは、１／４波長板はセンサ部３に配置されるものであるが、本実施形態の光電流センサでは、１／４波長板１５を出射光調整部に配置したことを特徴的な事項の一つとしている。

［（２）伝送ファイバ２］
１／４波長板１５の導出側の偏波面保存ファイバに接続される伝送ファイバ２は、２つの直交する偏波成分の偏光状態を保持するものである。ただし、本実施形態では、伝送ファイバ２には円複屈折性が付与された光ファイバが用いられている。

従来、光電流センサにおいて、円複屈折性が付与された光ファイバが用いられてきたのは後述するセンサ部３のセンサファイバ３０のみであった。なぜなら、位相変調器１４には直線偏光を導入する必要があり、また円偏光を保持したままの光伝送は難しいため円偏光が伝播する距離を短い方が好ましく、伝送ファイバ２では直線偏光を伝播し、センサファイバ３０への導入直前に円偏光に変換することが重要であったからである。

一方、外部環境の変化による振動等が光ファイバの直線的な動きや位置の変化を与えることを考慮すれば、その影響は光ファイバの直線複屈折に多く与えられる。つまり、振動等が光ファイバが捻れる方向に力を与えることは少なく、従って円複屈折に変化が生じる可能性も少ない。

従って、振動等の影響を鑑みれば、円複屈折性が付与された光ファイバが伝送ファイバ２に適用されることが理想的である。そこで、本実施形態では、円複屈折性が付与された光ファイバを伝送ファイバ２として採用し、出射光調整部１に１／４波長板１５を配置した。

左右の円偏光を光ファイバで伝播させる場合には、直線複屈折に対して十分な円複屈折性を有するファイバを用いることで、直線複屈折の影響をうけない光伝播が可能になる。一方、円偏光の伝播の際に、円複屈折に変化が生じれば、直線複屈折と同様に測定データにドリフトが生じることとなるが、上述のように、振動等が円複屈折に与える影響は小さい。

このような円複屈折性は、光ファイバ自体に捻りを加えることで付与することができる。また、光ファイバの母材を回転させながら光ファイバを線引きして捻りを加えて円複屈折性を付与することで、直線複屈折の影響を十分に小さくできるほどに円複屈折を高めることができる。

このとき使用する光ファイバには、直線複屈折を有さないファイバや、直線複屈折を有するＰＡＮＤＡファイバやＢｏｗ−ｔｉｅファイバなどを用いることもできるが、高複屈折ファイバである楕円コアファイバを用いることが好ましい。これらの光ファイバに十分な捻りを加えることで、伝播モードを円偏波とすることが可能となる。

図２は、本実施形態の伝送ファイバ２の一例である楕円コアファイバの断面図である。楕円コアファイバは、所定の屈折率を有する楕円形状のコア１０１と、その外周を被覆するクラッド１０２により構成されている。本実施形態では伝送ファイバ２として、図３（非特許文献３）に示すような、母材から光ファイバを線引きする時点で捻りを加えて円複屈折性を付与した楕円コアファイバを用いることができる。

［（３）センサ部３］
図１に示すように、センサ部３は、センサファイバ３０、および鏡３１によって構成される。伝送ファイバ２は、センサ部３のセンサファイバ３０が接続される。センサファイバ３０は、ファラデー位相差を生じさせるものである。このセンサファイバ３０は、測定する電流を取り囲むように周回配置される。センサファイバ３０の端部には、センサファイバ３０からの光を反射させる鏡３１が設けられている。

［（４）検出部４］
検出部４は、位相変調駆動回路４０、検出器４１、および同期検波回路４２を有する。位相変調器駆動回路４０は位相変調信号を発生させて、出射光調整部１の位相変調器１４を制御する。

検出器４１は、センサ部３において反射され、光分岐器１２により分岐された一方の光量を検出する。この検出器４１としては、フォトダイオードや光電子倍増管のような光／電気交換素子（Ｏ／Ｅ変換素子）を用いることができる。

同期検波回路４２は、検出器４１により検出された光量を、位相変調角周波数で同期検波するものである。この同期検波回路４２としては、ロックインアンプを用いることができる。

［１．２作用］
本発明の実施形態における光電流センサについて、図１を参照しながら、実際の光の流れに沿って作用を説明する。

まず、出射光調整部１の光源駆動回路（図示せず）により、光源１１の駆動を制御して光を出射させる。光源１１の出射光は、光分岐手段である光分岐器１２に導入される。出射光は、光分岐器１２によって、２つの光に分岐され、その一方の光が偏光子１３に導入される。なお、もう一方の光は電流センサ外部へと導出される。

偏光子１３に導入される前の光は複数方向に偏波した光を含むものであるが、偏光子１３を通過した後は、特定方向に偏波した光、すなわち直線偏光となる。この直線偏光は、偏光子１３に対して光軸を４５°傾けて融着接続されている偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバに導入される。

偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバの光軸が４５°傾いているため、直線偏光は２つの直交する軸、すなわちｘ軸とｙ軸に対してそれぞれ４５°傾いた状態で、偏波面保存ファイバに導入される。この偏波面保存ファイバに導入された直線偏光は、その一部がｘ軸成分の直線偏光となり、残りの一部がｙ軸成分の直線偏光となる。すると、この２つの軸成分の直線偏光は、偏波面保存ファイバのそれぞれの光軸に拘束されて伝播することとなる。

偏光子１３の導出側の偏波面保存ファイバを伝播したｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、位相変調器１４に導入される。ここでは説明の単純化のために、位相変調駆動回路４０により制御される位相変調器１４は、ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光のどちらか一方の光に一定の角周波数で一定の振幅の位相変調を与えることとする。例えば、位相変調器１４がｘ軸の直線偏光にのみ位相変調を印加する場合を想定する。

位相変調器１４では、位相変調器１４を伝播するｘ軸の直線偏光に対して、位相差θだけ位相変調を与えると、ｘ軸の直線偏光は時刻ｔに位相変調を受ける。従って、位相変調器１４を通過した後のｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光には、位相差が生ずることとなる。また、位相変調器１４は、同期検波回路４２に使用した位相変調角周波数を出力する。

位相変調器１４を通過したｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、１／４波長板１５に導入される。１／４波長板１５は、導入された２つの直線偏光に１／４波長分の位相差を生じさせて、２つの逆周りの円偏光である右円偏光および左円偏光に変換する。この右円偏光および左円偏光は、伝送ファイバ２に導入される。

右円偏光および左円偏光の２つの円偏光は円複屈折性が異なるため、伝送ファイバ２において左右それぞれの円偏光が保存されたまま伝播し、ファラデー素子であるセンサファイバ３０に導入される。

センサファイバ３０において、右円偏光および左円偏光は、進行方向が同一であっても、磁界からのファラデー効果を逆向きに受ける。これにより、右円偏光および左円偏光にファラデー位相差が生じることとなる。そして、センサファイバ３０の端部に設けられた鏡３１によって、右円偏光および左円偏光は、反射されてセンサファイバ３０を逆戻りする。

鏡３１によって折り返された右円偏光および左円偏光は、再びセンサファイバ３０においてファラデー効果を受けるため、右円偏光および左円偏光が受けるファラデー効果による位相差は、２倍になる。このセンサファイバ３０を通過した右円偏光および左円偏光は、伝送ファイバ２を伝って、１／４波長板１５に導入される。右円偏光および左円偏光は、１／４波長板１５において１／４波長分の位相差を与えられ、再び２つの軸成分の直線偏光となる。

このとき、伝送ファイバ２導入前にｘ軸成分の直線偏光として伝播してきた光は、ｙ軸成分の直線偏光に変換される。また、伝送ファイバ２導入前にｙ軸成分の直線偏光として伝播してきた光は、ｘ軸成分の直線偏光となる。すなわち、行きはｘ軸成分であった直線偏光は、帰りはｙ軸成分として伝播し、行きはｙ軸成分であった直線偏光は、帰りはｘ軸成分として伝播することとなる。従って、２つの直線偏光は、行きと帰りを合わせると同じ光路を進むため、光路差による位相差は生じない。

このｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、位相変調器１４に導入される。ここでは、例えば、位相変調器１４がｘ軸の直線偏光にのみ位相変調を印加する。位相変調器１４では、位相変調器１４を伝播するｘ軸の直線偏光に対して、位相差θ’だけ位相変調を与えるとｘ軸の直線偏光は時刻ｔ’に位相変調を受ける。従って、位相変調器１４を通過した後のｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光には、位相差が生ずることとなる。また、位相変調器１４は、同期検波回路４２に使用した位相変調角周波数を出力する。

位相変調器１４から導出されたｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、偏波面保存ファイバを伝って偏光子１３に導入される。このとき偏波面保存ファイバは、偏光子１３に対して４５°傾けて接続されているため、偏光子１３と偏波面保存ファイバの光軸が４５°傾けて接続された点を通過した後、ｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は、合波されて干渉する。

偏光子１３を通過した光は、再度光分岐器１２に導入されて分岐され、その一方が検出器４１に導入さて検出される。そして、検出器４１により検出された光量を、同期検波回路４２において、位相変調器駆動回路４０から入力された位相変調角周波数で同期検波する。このように位相変調器１４で位相変調を加え、同期検波回路４２で復調することにより、電流の正負が判別できない、ゼロ点のドリフトなどの問題を回避し、図示しない演算回路によって電流を算出する。

［１．３効果］
以上のような本実施形態の効果は以下の通りである。
（１）サニャック干渉型の光電流センサでは、外部環境の変化によって複屈折が変化すると、伝送ファイバを伝播するｘ軸およびｙ軸の２つの直線偏光は異なる時間に振動等の影響を受けることになり、測定データにドリフトが生じていた。

従来のように直線偏光で光を伝播すると、光ファイバの直線複屈折の変化の影響を強く受ける。一方、円偏光で光を伝播する場合は、光ファイバの円複屈折の変化の影響を受けこととなる。外部環境による振動等は、直線複屈折に影響を与える力が多く、円複屈折に影響を与える力、すなわち捻れ方向の力は極めて少ない。

そこで、本実施形態では伝送ファイバ２として、円複屈折性が付与された光ファイバを用い、左右の円偏光を伝播させることで、従来の直線偏光を伝播する伝送ファイバ２において顕著に現れていた直線複屈折の影響を生じさせずに光を伝播することが可能となるため、外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現することができる。

（２）また、円複屈折は光ファイバ自体を捻ることで付与できるが、母材から線引きする時点で捻りを加えればさらに円複屈折性を高めることができ、直線複屈折の影響をより少なくすることができるため、外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現することができる。

（３）さらに、円複屈折性を付与する光ファイバとして、振動時においても直線複屈折の変化が少ない楕円コアファイバを用いれば、強い円複屈折を加えた場合でも残ってしまう直線複屈折の僅かな影響をさらに低減させることができるため、外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現することができる。

［他の実施形態］
（１）伝送ファイバ２としては、他にも図４に示すような空孔構造ファイバを用いることができる。空孔構造ファイバは、光路２０１の周りが複数の空孔２０２で囲まれた構造となっている。なお、この複数の空孔２０２の数、大きさ、形状、および配列は適宜選択可能である。空孔構造ファイバは、高い直線複屈折性を有しており、また曲げ損失が少なく、大きな偏波保持性を持たせることが可能である。

このような空隙構造ファイバに捻りを加えることで、より強い円複屈折を与えることができる。従って、空隙構造ファイバを伝送ファイバ２として用いることで、円偏光の偏波面の保持性を向上させつつも、振動時の直線複屈折の変化をさらに低減させることができるため、外部からの力や振動が加わった場合であっても、出力が安定した高精度な測定を実現することができる。

（２）本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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同様に、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ものである。

１…出射光調整部
２、５…伝送ファイバ
３…センサ部
４…検出部
１１…光源
１２…光分岐器
１３…偏光子
１４…位相変調器
１５…１／４波長板
３０…センサファイバ
３１…鏡
４０…位相変調器駆動回路
４１…検出器
４２…同期検波回路

Claims

光源の出射光の偏波面を調整し、その光の位相調整を行う出射光調整部と、電流の磁界により光ファイバを進行する左右の円偏光に位相差が生じるセンサ部と、前記出射光調整部と前記センサ部とを接続する伝送ファイバと、検波を行って電流を算出する検出部とを有する光電流センサにおいて、
前記伝送ファイバには、円複屈折性が付与された光ファイバが用いられ、当該伝送ファイバにより前記出射光調整部に設けられた１／４波長板と前記センサ部の光ファイバとが接続されていることを特徴とする光電流センサ。
前記円複屈折性が付与された光ファイバは、捻りが加えられた光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光電流センサ。
前記光ファイバに加えられた捻りが、光ファイバの母材から線引きする時点で加えられたことを特徴とする請求項２記載の光電流センサ。
前記伝送ファイバが、楕円コアファイバであることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の光電流センサ。
前記伝送ファイバが、空孔構造ファイバであることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の光電流センサ。