JP2017015576A - サニャック干渉型光電流センサ及びその信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度のサニャック干渉型光電流センサの出力を制御し、電力系統の系統制御に悪影響を及ぼさず確実に保護すること。【解決手段】電流Ｉを測定する、センサ部分118で誘起される光学的位相差が後記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサのセンサ部分119で誘起される位相差よりも大きい第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、電流Ｉを測定する、センサ部分119で誘起される光学的位相差が電流Ｉに対して−90°〜90°の範囲内に収まるように構成された第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、第２のサニャック干渉型光電流センサの出力を用いて、第１のサニャック干渉型光電流センサの出力の大きさを制御する比較出力回路115とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、位相変調法を光検波手段として用いたオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサ及びその信号処理方法に関する。

位相変調法を光検波手段として用いたオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサついては、様々なタイプの構成のものが提案されている。一般的な構成としては、「ファイバ型ファラデー電流センサ」（例えば非特許文献１）や、「光電式電流センサーのセンサーヘッドの製造方法」（例えば、特許文献１）などがある。

G. Frosio and R. Dandliker, "Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Appl. Opt. 33, p6111-6122 (Sep 1994)

特表２００５−５１７９６１号公報

上記非特許文献１に記載された技術、及び上記特許文献１に記載された技術の双方において、オープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサで評価される測定電流の大きさは、センサファイバにおいて、測定電流の磁界の大きさに比例して生じる位相差φ_Fから算出する。位相変調法を用いて、前記位相差φ_Fを求める信号処理演算を行なうが、その信号処理の過程でｔａｎ(ｋφ_F)となるため、逆正接の信号処理を施し、正味の位相差φ_Fを求めている。

ここで、ｋは整数であり、上記非特許文献の場合は「４」、上記特許文献の場合は「２」となる。測定電流の値が十分に小さく、位相差φ_Fが十分に小さな場合には、ｔａｎ(ｋφ_F)の極性が反転することがないため、適切な逆正接の信号処理を施すことで、測定電流の大きさに比例した位相差φ_Fを演算することができ、結果として測定電流の大きさを算出できる。

しかしながら、測定電流の値が極端に大きな場合、例えば、ｋφ_Fが９０°を超えて大きくなるような電流が流れた場合や、−９０°を超えて小さくなるような電流が流れた場合には、ｔａｎ(ｋφ_F)の極性が反転してしまい、適切な逆正接の信号処理を施しても、ｔａｎ(ｋφ_F)の極性が反転しているために出力も極性が反転したものとなる。

一般に、上記の問題を避けるため、測定電流として大電流が流れる場合は、ｋφ_Fが９０°を超えて大きくならないか、もしくは、ｋφ_Fが−９０°を超えて小さくならないように、光電流センサのセンサファイバの巻数を適切に調整している。

しかしながら、測定対象が電力系統であるような場合、計測や制御に用いる電流は数１０００［Ａ］オーダーであり、且つ、高い精度での測定が要求される。そのため、高い精度での測定を実現するべく、光電流センサのセンサファイバを多数巻きした高感度なものが使用される。

そのような電力系統に事故が生じた場合には、１００［ｋＡ］程度の大電流が流れることがあり、その際にはｋφ_Fが９０°を超えて大きくなるか、あるいはｋφ_Fが−９０°を超えて小さくなる。したがって、計測や制御を用途に設置されたオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力は、極性が反転してしまうことになり、電力系統の系統制御や保護の観点で大きな不具合を生じる。

本発明は前記の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、高感度のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を制御し、電力系統の系統制御に悪影響を及ぼすことなく、確実に保護することが可能な光電流センサ及びその信号処理方法を提供することにある。

実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサは、光源と、前記光源から出た光を２分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段の一方の分岐端を、第１の偏光子、前記第１の偏光子と方位角が略４５°となる第１の光位相変調器、第１の遅延光学光路、第１の送光ファイバ、第１の１／４波長板、測定電流に対して周回設置された第１のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第１のセンサファイバの端部で前記第１のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第１のミラーを配置してなる第１のセンサ部と、前記光分岐手段の他方の分岐端を、第２の偏光子、前記第２の偏光子と方位角が略４５°となる第２の光位相変調器、第２の遅延光学光路、第２の送光ファイバ、第２の１／４波長板、前記測定電流に対して周回設置された第２のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第２のセンサファイバの端部で前記第２のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第２のミラーを配置してなる第２のセンサ部と、前記第１の光位相変調器を第１の変調周波数で駆動する第１の光位相変調器駆動回路と、前記第２の光位相変調器を第２の変調周波数で駆動する第２の光位相変調器駆動回路と、前記第１及び第２のセンサファイバからの反射光を前記第１及び第２の１／４波長板、前記第１及び第２の送光ファイバ、前記第１及び第２の遅延光学光路、前記第１及び第２の光位相変調器、及び、前記第１及び第２の偏光子を介して上記光分岐手段で結合して取得する光検出器と、前記光検出器からの信号を前記第１の変調周波数で同期検波する第１の同期検波回路と、前記第１の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第１の電流演算回路と、前記光検出器からの信号を前記第２の変調周波数で同期検波する第２の同期検波回路と、前記第２の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第２の電流演算回路と、前記第２の電流演算回路の出力の大きさによって前記第１の電流演算回路の出力の大きさを制御する比較出力回路とを備え、前記第１のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数を、前記第２のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数よりも多く設定し、前記第２のセンサファイバの往復光路で測定電流により生じる光の位相差の絶対値が９０°を超えないように周回巻数を設定し、前記第１の変調周波数と前記第２の変調周波数とを異なる周波数とすることを特徴とする。

実施形態に係る他のサニャック干渉型光電流センサは、測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が後記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサのセンサ部分で誘起される位相差よりも大きい第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、前記測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が前記測定対象の電流に対して−９０°〜９０°の範囲内に収まるように構成された第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、前記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を用いて、前記第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力の大きさを制御する比較出力器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、高感度のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を制御し、電力系統の系統制御に悪影響を及ぼすことなく、確実に保護することが可能となる。

実施形態に係るオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの基本構成を示すブロック図。 同実施形態に係るリオ型デポラライザの構成を示す図。 第１の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサの構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係る１次乃至４次の振幅をベッセル関数により示す図。 第３の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサの回路構成を示すブロック図。

以下、実施形態に係るオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサについて、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１によりオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサ単体の基本構成について説明する。なお、以下の実施形態において、単に光電流センサと述べるものはすべてオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサを指すものとする。また、動作の説明中、光の挙動の説明に当たっては、ジョーンズ行列を利用して説明するものとする。

同図において、光源駆動回路１により光源２が発光駆動される。この光源２は、例えば干渉性の小さなＬＥＤ（発光ダイオード）やＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）等が使用されるもので、光源２の出射位置には光ファイバが結合されている。

この際の光ファイバは、シングルモードファイバでも、偏波面保持ファイバでも良く、偏波保持特性を良好に保ちたい場合には、偏波面保持ファイバを使用する。
光源から出た光は一般にランダム光であると考えることができるため、その電界成分を

と置く。ここで上記（１）式中の係数「１／√(２)」は、Ｅinの絶対値「｜Ｅin｜」が「１」となるように規格化するべく設けたものであり、位相φr(ｔ)は、Ｅinのｘ成分には無関係に変化する位相差を表すものであり、この位相φr(ｔ)によってランダム光を表現している。

光源から出た光Ｅinは、その後に光分岐手段であるファイバカプラ３で分岐され、その一方が、光学的フィルタ４としての偏光子へ導入される。なお、ファイバカプラ３はシングルモードファイバカプラでも偏波面保持ファイバカプラでも良く、特に偏波保持特性を良好に保ちたい場合には偏波面保持ファイバカプラを使用する。

前述した通り、光源２からの光はランダム光であるとしたが、実際の光源２では、光の偏光状態が偏っている場合も想定される。その場合には、ファイバカプラ３と偏向子の間にデポラライザを挿入し、そのデポラライザと偏向子とで光学的フィルタ４を構成することで、偏光子からの出力を安定化させることができる。

光学的フィルタ４を構成する偏光子には、偏波面保持ファイバで構成されたものを用いることを想定しており、デポラライザとしては偏波面保持ファイバ同士の光学軸を４５°回転させて接続したリオ型デポラライザを想定している。

図２は、このリオ型デポラライザの構成例を示すものであり、図２（Ａ）は一対の偏波面保持ファイバ４ａ，４ｂを示し、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）にそれらの当接面の光学軸構成を示す。図中、コアＣＲを挟んで軸方向に沿った一対の応力付与部分ＳＴをクラッドＣＬ中に配したパンダ型ファイバを例にとって示している。

図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すように偏波面保持ファイバ４ａ，４ｂ同士の光学軸ｘ，ｙとｘ′，ｙ′を４５°回転させて接続している。この際に接続する偏波面保持ファイバ４ａ，４ｂの軸長を、１：２または２：１の比とすることで、デポラライザとしての特性が安定する（詳細は、Journal of Lightwave Technology Vol.LT1 No.1 Mar 1983 P71-74 参照）。

なお、光分岐手段である前記ファイバカプラ３として、偏波面保持ファイバカプラを使用する場合には、その偏波面保持ファイバカプラのリード部分（偏波面保持ファイバ）と、光を伝播させることを目的に設けられた偏波面保持ファイバ（以下、偏光子のリード部分と表記）との光学軸を４５°回転させて接続することにより、デポラライザを兼ねた構成とすることができ、別途デポラライザを構成する素子を挿入する必要がない。そのため、ファイバ同士の光接続点も少なくなり、光接続損失と光伝送損失とを下げながら、光の伝播偏光特性をより安定化させ、且つ経済的な構成とすることができる。

加えて、その際に該当する偏波面保持ファイバカプラのリード部分（偏波面保持ファイバ）の長さと、偏光子のリード部分（偏波面保持ファイバ）の長さの比を前述したように１：２または２：１とすることで、デポラライザとしての安定性を向上させることができる。

また、光分岐手段である前記ファイバカプラ３として、シングルモードファイバカプラを使用する場合には、シングルモードファイバカプラのリード部分（シングルモードファイバ）と偏光子の間に偏波面保持ファイバを挿入し、偏波面保持ファイバの光学軸と偏光子のリード部分（偏波面保持ファイバ）の光学軸を４５°回転させて接続することで、前述のリオ型のデポラライザを構成することができ、別途デポラライザ素子を構成する素子を挿入する必要がない。そのため、ファイバ同士の光接続点も少なくなり、光接続損失と光伝送損失とを下げながら、光の伝播偏光特性をより安定化させ、且つ経済的な構成とすることができる。

加えて、該当する前記シングルモードファイバカプラに接続される偏波面保持ファイバの長さと偏光子のリード部分（偏波面保持ファイバ）の長さの比を１：２または２：１とすることで、デポラライザとしての安定性を向上させることができる。

前記偏光子の機能は、入射光のｘ、ｙ成分の一方を通過させる素子と考えることができるが、説明に当たっては入射光のｘ成分のみ通過させると考えて、偏光子のジョーンズ行列Ｌpを次式のように置く。

なお、偏光子には、偏波面保持ファイバを利用したファイバ形偏光子や、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形ファイバ偏光子などを使用し、偏光子の光学軸は、偏光子を構成する偏波面保持ファイバの光学軸で規定されているものを利用する。すなわち、偏光子は偏光子を構成する偏波面保持ファイバの２つの光学軸の一方のみの光を伝播させる素子ということになる。本説明では、前述したように偏光子はｘ成分のみ通過させるとして考える。

次に、前記光学的フィルタ４を構成する偏光子を出た光（直線偏光）は、位相変調子５へ導かれる。ここで位相変調子５は、ピエゾ管（ＰＺＴ）に偏波面保持ファイバを巻き付けて構成されるＰＺＴ形位相変調子や、ポッケルス素子を利用したポッケルス素子形位相変調子等が使用される。

ポッケルス素子形位相変調子の場合もポッケルス素子の光の導入、導出には偏波面保持ファイバが使用され、位相変調子内では偏波面保持ファイバの２つの光学軸のどちらか一方を伝播する光に相対的な位相変調を印加する構成とする。よって、位相変調子を構成する偏波面保持ファイバの光学軸によって、位相変調の方向を規定していることになる。

また、偏波面保持ファイバの２つの光学軸のそれぞれを伝播する光は、位相変調に関係なく位相変調子内を伝播するものを使用する。本説明では、位相変調子もｘ成分のみ相対的位相変調を印加させるとして考える。

なお、光学的フィルタ４である偏光子を構成する偏波面保持ファイバと、位相変調子５を構成する偏波面保持ファイバの光学軸も、４５°回転させた状態で接続される。偏波面保持ファイバを４５°回転させた状態とすることで、位相変調子５を構成する偏波面保持ファイバの２つの光学軸にそれぞれ独立な直線偏光を伝播させていることと等価になり、偏光子のリード部分（偏波面保持ファイバ）と位相変調子のリード部分（偏波面保持ファイバ）で前述のリオ型のデポラライザを構成することになる。

光学的フィルタ４である偏光子を構成し、位相変調子５側へ接続される偏波面保持ファイバ（偏光子のリード部分）と、位相変調子５を構成し、光学的フィルタ４側へ接続される偏波面保持ファイバ（位相変調子のリード部分）を４５°回転させて接続する際、前記それぞれの偏波面保持ファイバの長さの比を１：２または２：１としてデポラライザを構成することで、位相変調子５内を伝播するｘ、ｙ成分間の群遅延時間差を、可干渉時間（コヒーレント時間）以上にすることができる。そのため、位相変調子５内を伝播するｘ、ｙ成分の独立性がより高くなり、光学特性が安定する。

なお、光学的フィルタ４にリオ型のデポラライザを用いる場合、光学的フィルタ４に用いたデポラライザの全長と偏光子−位相変調子間で構成されるデポラライザの全長の比が１：２ｎまたは２ｎ：１（ここでｎは自然数）とすることで、各デポラライザで残存する偏光成分の干渉が抑制されるため、結果として光学的な位相ドリフトを抑制することができ、光電流センサとしての零点ドリフトを抑制できる。

前述した通り、光学的フィルタ４の偏光子を通過した光（直線偏光）は、光学軸を４５°ずらした状態で位相変調子５へ入射される。
光学軸を４５°ずらして（回転させて）位相変調子５に入射される状態は、換言すると入射方位角を−４５°回転させることに相当するもので、これをジョーンズ行列で表記すると、

となる。
なお、位相変調子５では、位相変調子５内を伝播する光のｘ成分に対して、相対的に位相差φだけ位相変調を与えることとする。ここで時刻ｔ＝τ₁に位相変調を受けるとすると、位相差φは、次式で表される。すなわち、

ここでδは、位相変調深度であり、ωmは位相変調角周波数である。
よって、位相変調子５内の挙動をジョーンズ行列で表記すると、

となる。
位相変調子５を通過し、位相変調子５のリード部分の偏波面保持ファイバの２つの光学軸それぞれに拘束され伝播する２つの直線偏光は、余長コイル６を介して信号処理ユニットＵ１から導出されて、偏波面保持ファイバで構成された送光ファイバ７に導かれる。

送光ファイバ７を通過した２つの直線偏光は、センサヘッド部Ｕ２の１／４波長板に導かれる。送光ファイバと１／４波長板は、それぞれの光学軸が４５°回転して接続されるため（入射方位角で−４５°回転させることに相当）、この関係をジョーンズ行列で表すと前記式（３）のＬ_45°となる。

センサヘッド部Ｕ２内で送光ファイバ７と光学的に接続された１／４波長板８が、通過する光のｘ成分に対して１／４波長分の位相差（３６０°／４＝９０°）を生じさせるものとすると、この１／４波長板８での光の挙動をジョーンズ行列により表記すると次式のようになる。

送光ファイバ７を伝播した２つの直線偏光は、１／４波長板８を通過した後、２つの逆回りの円偏光になって、ファラデー素子であるセンサファイバ９へ導入される。このセンサファイバ９は、測定対象の電流１１中心にして周回配置される。センサファイバ９では、ファラデー効果によって回転巻数に相当する位相差（ファラデー位相差）が生じる。なお、ファラデー効果によって生じるファラデー位相差θfは、次式で表される。

ここで、ｎは被測定電流を周回するファイバの巻数、Ｖはセンサファイバのベルデ定数、Ｉは被測定電流の大きさである。

上記式（７）では、センサファイバ９が電流１１を中心として周回配置した場合について説明したが、センサファイバ９を中心にして電流１１が流れる電線が周回配置される場合には、ｎがセンサファイバ９を取り囲む電流１１が流れる電線の巻数となる。

よって、センサファイバ９で生じるファラデー位相差をジョーンズ行列で表記すると次式のようになる。

センサファイバ９を通過した２つの円偏光は、センサファイバ９の端部に設けられた鏡１０で反射されるため、光のｙ成分が反転するとして、鏡１０の効果をジョーンズ行列で表記すると次式のようになる。

鏡１０で反射された２つの円偏光は、再びセンサファイバ９でファラデー効果を受けるが、鏡１０に入射する方向に進む光と鏡１０で反射した方向に進む光とでは、与えられる磁界の向きが反対となるため、センサファイバ９内を伝播する光の挙動はジョーンズ行列で次式のように表される。

センサファイバ９を通過した２つの円偏光は、１／４波長板８において再び光のｘ成分のみ１／４波長分の位相差（３６０°／４＝９０°）を生じさせる。そのため、１／４波長板８での光の挙動は、ジョーンズ行列で表記すると前記式（６）で示したＬ_QWPとなる。

１／４波長板８と送光ファイバ７は光学軸を４５°だけ回転させて接続されており、これは入射方位角で−４５°回転させることに相当するので、この効果をジョーンズ行列で表記すると、前記式（３）で示したＬ_45°で表せる。

このとき、センサファイバ９を伝播する２つの逆回りの円偏光は、１／４波長板８を通過し、偏波面保持ファイバで構成される送光ファイバ７に２つの直線偏光として入射する。

この際、送光ファイバ７の２つの光学軸のうち、ｘ軸で伝播して１／４波長板８に入射した直線偏光は、センサファイバ９を経由して１／４波長板８から送光ファイバ７へ再入射する際に、送光ファイバ７の２つの光学軸のうちのｙ軸で伝搬する。

同様に、送光ファイバ７の２つの光学軸のうち、ｙ軸で伝播して１／４波長板８に入射した直線偏光は、センサファイバ９を経由して１／４波長板８から送光ファイバ７へ再入射する際に、送光ファイバ７の２つの光学軸のうちのｘ軸で伝搬する。

その後、光は再び送光ファイバ７を伝播し、余長コイル６を介して位相変調子５に入射する。位相変調子５では、伝播する光のｘ成分に相対的に位相差φ′だけ位相変調を与える。ここで時刻ｔ＝τ₂に位相変調を受けるとすると、位相差φ′は、次式で表すことができる。

よって、位相変調子内の挙動をジョーンズ行列で表記すると、

となる。
位相変調子５を通過した光は光学的フィルタ４の偏光子へ入射するが、位相変調子５と偏光子の光学軸が４５°回転させて接続されており、入射方位角で−４５°回転させることに相当するため、この効果をジョーンズ行列で表記すると前記式（３）で示したＬ_45°で表せる。

したがって、位相変調子５と光学的フィルタ４の偏光子の光学軸が４５°回転させて接続された点を通過した後、光学的フィルタ４内を伝播していた２つの直線偏光が合波されて干渉する。

光学的フィルタ４を構成する偏光子では、入射光のｘ成分のみ通過させるため、偏光子のジョーンズ行列Ｌpは前記式（２）で表すことができる。

偏光子を通過した光は、再度ファイバカプラ３を通過して２つの光に分岐され、その一方が検出器１２で検出される。検出器１２に入射する光の電界成分をＥoutとすると、ＥinとＥoutの関係は次式で表記される。

なお、検出器１２では光の光量を測定する。検出光量をＰoutとすると、光量は電界の２乗に比例するため、

と定義できる。
なお、検出器１２は、フォトダイオードや光電子増倍管などのような光／電気交換素子（Ｏ／Ｅ変換素子）を用いて光を検出する。

検出器１２で検出した光量Ｐoutは、同期検波回路１３において位相変調子駆動回路１４から与えられる位相変調角周波数ωmにより同期検波される。したがって、位相変調角周波数ωmの高調波で、検出された光量Ｐoutを展開すると、

となる。ここでＰ_0ω，Ｐ_１ω，Ｐ_２ω，Ｐ_３ω，Ｐ_４ω，Ｐ_５ω，Ｐ_６ωは、光量Ｐoutを変調角周波数ωmで同期検波した際の０次、１次、２次、３次、４次、５次、６次の高調波の振幅を表し、それぞれ、

となる。
なお、Ｊn(ｎ＝１，２，３，４，５，６)はｎ次のベッセル関数であり、Ｒ＝２δsinωmαと置いた。
計算に当たっては、ｔ₀＝ｔ−(τ_１＋τ_２)/２，α＝(τ_２−τ_１)/２と置き、以下の関係を利用した。

前記αは、ファラデー素子であるセンサファイバ９を伝播する２つの円偏光が位相変調子５で位相変調を受ける時間の時間差で規定される光学光路長Ｌoptを用いて、次式で表すことができる。

なお、図１のサニャック干渉型光電流センサの場合、位相変調子の印加点から鏡までの光伝播長さをＬ、ファイバの屈折率をｎ_sとすると、Ｌopt＝２・ｎ_s・Ｌとなる。
ここで、ｃは光速度である。よって、αは光学光路長を決定すると一義的に決まるシステムパラメータである。

光電流センサでは、光源光量のふらつきや、光電流センサの光学系での光伝送損失の変化により、検出器１２で検出される受光量の変化が測定精度に影響しないように、検出器１２で検出される受光量で規格化する手段を用いる。

例えば、前記式（１７）、式（１８）で示した同期検波後の１次高調波を２次高調波で除算したものを電流評価用除算値と定義し、これを測定電流として評価するための信号として用いることで、受光量変化の影響を除去できる。

以上が、オープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサ単体の基本動作原理であり、以下に具体的な本実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサの構成を示すものである。同図で、光源駆動回路（Ｄｖ．）１１４により駆動される光源１０２から出た光は、ファイバカプラ１０３で２分岐されて、２系統の光電流センサにより同一測定対象である電流Ｉを測定する。

すなわち、ファイバカプラ１０３で２分岐された一方の光が、偏光子１０４ａ、光位相変調器１０５ａ、遅延ファイバコイル１０６ａを介して信号処理器１１６外の送光ファイバ１０７ａにより、センサヘッド１１７を構成する第１のセンサ部１１８内に導かれる。

第１のセンサ部１１８内では、送光ファイバ１０７ａが１／４波長板１０８ａと接続され、さらに１／４波長板１０８ａがファラデー素子であるセンサファイバ１０９ａと接続される。このセンサファイバ１０９ａは、測定対象の電流Ｉを中心にして巻数ｎ１で周回配置される。センサファイバ１０９ａの端部には鏡１１０ａが配置され、伝播してきた光を反射する。

また前記ファイバカプラ１０３で２分岐された他方の光は、偏光子１０４ｂ、光位相変調器１０５ｂ、遅延ファイバコイル１０６ｂを介して信号処理器１１６外の送光ファイバ１０７ｂにより、前記センサヘッド１１７を構成する第２のセンサ部１１９内に導かれる。

第２のセンサ部１１９内では、送光ファイバ１０７ｂが１／４波長板１０８ｂと接続され、さらに１／４波長板１０８ｂがファラデー素子であるセンサファイバ１０９ｂと接続される。このセンサファイバ１０９ｂは、前記測定対象の電流Ｉを中心にして巻数ｎ２で周回配置される。センサファイバ１０９ｂの端部には鏡１１０ｂが配置され、伝播してきた光を反射する。

前記第１のセンサ部１１８のセンサファイバ１０９ａの電流Ｉに対する巻き数ｎ１と、第２のセンサ部１１９のセンサファイバ１０９ｂの電流Ｉに対する巻き数ｎ２は、異なった巻数が設定されるものであり、且つ、センサファイバ１０９ｂで生じる光学的位相差が−９０°〜９０°の範囲を超えないように、センサファイバ１０９ｂの巻数ｎ２が所定の巻数となっている。

加えて、センサファイバ１０９ａの巻数ｎ１は、センサファイバ１０９ｂの巻数ｎ２よりも大きく（ｎ１＞ｎ２）、したがって第１のセンサ部１１８は、第２のセンサ部１１９よりも高感度な設定とする。

第１のセンサ部１１８と第２のセンサ部１１９からの戻り光は、ファイバカプラ１０３で再び結合され、光検出器１０２に入射される。光検出器１０２は、前記図１で説明したようにフォトダイオードなどで構成され、その受光光量信号を電気信号に変換して同期検波回路１１１ａ，１１１ｂに出力する。

前記光位相変調器１０５ａ，１０５ｂはそれぞれ、光位相変調器駆動回路（Ｄｖ．）１１２ａ，１１２ｂにより独立に駆動されており、光位相変調器１０５ａ，１０５ｂを駆動する変調周波数は互いに異なっている。

これら光位相変調器１０５ａ，１０５ｂを駆動する変調周波数がまた、光位相変調器駆動回路１１２ａ，１１２ｂから同期検波回路１１１ａ，１１１ｂへも供されている。同期検波回路１１１ａ，１１１ｂでは、光位相変調器駆動回路１１２ａ，１１２ｂからの変調周波数、及びその２次、３次、４次の高調波の周波数で光検出器１０２からの光量を示す信号を同期検波する。

なお、前記光位相変調器駆動回路１１２ａ，１１２ｂで発生する変調周波数とその２次乃至４次の高調波の周波数は、それぞれ異なると共に、互いに近接しないように設定されているものとする。

以上のような条件で同期検波をすることにより、互いの周波数が重なりあうことなく、また近接もしていないため、第１のセンサ部１１８と第２のセンサ部１１９のそれぞれで生じる光学的位相差をそれぞれ独立に評価できる。

電流演算回路１１３ａ，１１３ｂでは、同期検波回路１１１ａ，１１１ｂで検波した出力を用いて測定電流Ｉに比例した信号を生成する。電流演算回路１１３ａの生成した信号が比較出力回路１１５に送出される一方で、電流演算回路１１３ｂの生成した信号は前記比較出力回路１１３ｂに送出されるとともに、保護出力として信号処理器１１６外に出力される。

比較出力回路１１５は、前記電流演算回路１１３ａ，１１３ｂの両出力を計測出力としてそのまま出力すると共に、それらの大小比較を行ない、比較結果に応じて前記光位相変調器駆動回路１１２ａ，１１２ｂで発生する変調周波数を制御する。

例えば、前記式（１７）式を式（１８）で除算するような演算「Ｐ_１ω／Ｐ_２ω」を行ない、ｔａｎ４θ_f1やｔａｎ４θ_f２に比例した信号を生成し、それに逆正接の演算処理を施すことで、測定電流に比例した出力を得ることができる。

ここで、θ_f1，θ_f２は、それぞれ、第１のセンサ部１１８、第２のセンサ部１１９で生じたファラデー位相差を表す。

なお、受光量が一定で安定している場合は、前記式（１７）に従い、ｓｉｎ４θ_f1やｓｉｎ４θ_f２に比例した信号に逆正弦演算を施すことで、測定電流Ｉに比例した出力を得ても良い。

以上のような光電流センサの構成において、電流演算回路１１３ｂから出力される信号が電流の大きさにより極性反転しないように設定されているが、電流演算回路１１３ａから出力される信号は電流の大きさにより極性反転し、あるいは実際の測定電流の大きさとは比例しない出力となり得る。

そこで、電流演算回路１１３ｂの出力に対する閾値を設け、その閾値から電流演算回路１１３ｂの出力が逸脱した場合には、電流演算回路１１３ａの出力が電流演算回路１１３ｂの出力の極性と同じ方向で一定出力となるように制御する比較出力回路１１５を設けている。

電力系統で計測用や制御用に用いられる電流センサは、測定電流Ｉが大きな場合は、出力信号として飽和した状態で出力することが許容される。したがって、前記したような構成とその信号処理方法とにより、第１のセンサ部１１８によって検知される電流を高精度化することができ、且つ、大電流が流れた場合でも、一定値で飽和した出力とすることができるため、電力系統の計測制御に安定して適用することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサについて説明する。
なお、本実施形態に係る構成は、前記図３に示したサニャック干渉型光電流センサの構成と基本的に同様であるものとして、同一部分には同一符号を用い、その図示と説明とを省略する。

以下、説明を簡略化するため、同期検波回路１１１ａ周辺の動作について以下に説明する。また、前記式（１）から式（２２）の内容を参照し、添字として１または２を付けることで、第１のセンサ部１１８に属するものか、第２のセンサ部１１９に属するものかを区別する。例えば、θ_ｆ１，Ｐ_２ω１は、第１のセンサ部１１８に属していることを意味するものとする。

同期検波回路１１１ａが同期検波する２次高調波の振幅と４次高調波の振幅とが同じ大きさになる、すなわち｜Ｐ_２ω１｜＝｜Ｐ_４ω１｜となるように比較出力回路１１５、光位相変調器駆動回路１１２ａを用いたフィードバック制御が実行され、３次高調波の振幅Ｐ_３ω１を測定電流Ｉに対応した出力として用いる。

なお、前記フィードバック制御を行なう回路は光位相変調器駆動回路１１２ａ内に組み込むものとし、同期検波回路１１１ａと光位相変調器駆動回路１１２ａ間の信号のやりとりで、位相変調深度δを調整して、前述したように｜Ｐ_２ω１｜＝｜Ｐ_４ω１｜となるように制御する。

図４は、１次乃至４次の振幅をベッセル関数により示す図である。
ここで、｜Ｐ_２ω１｜＝｜Ｐ_４ω１｜となるようにフィードバック制御するのは、前記図４に示すように、２次、３次、４次のベッセル関数において２次と４次のベッセル関数Ｊ_２(Ｒ)，Ｊ_４(Ｒ)の値が同じ時、３次のベッセル関数Ｊ_３(Ｒ)が極大となるためである。すなわち、｜Ｐ_２ω１｜＝｜Ｐ_４ω１｜の時、｜Ｐ_３ω１｜が極大となり、ノイズの影響を受けにくい安定した出力を得ることができる。

また、光位相変調器１０５ａの変調効率が変化しても、２次高調波Ｐ_２ω１と４次高調波Ｐ_４ω１の振幅が同じ大きさになるように、光位相変調器駆動回路１１２ａが位相変調深度を制御することで、実際に光位相変調器１０５ａで実施される位相変調を一定にすることができる。

同期検波回路１１１ｂについても同期検波回路１１１ａと同様に考えることができ、全体として、３次の高調波成分Ｐ_３ω１，Ｐ_３ω２が、それぞれ同期検波回路１１１ａ，１１１ｂで極大となるように制御する。

光位相変調器１０５ａ，１０５ｂが、経年劣化等の要因によって、光位相変調器駆動回路１１２ａ，１１２ｂからの信号の大きさに対する光位相変調器１０５ａ，１０５ｂの変調深度が変化する場合でも、３次の高調波成分Ｐ_３ω１，Ｐ_３ω２を安定的に出力でき、結果として光電流センサの測定精度を向上しながら、且つ安定した状態で維持できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサについて説明する。
なお、本実施形態に係る構成は、前記図３に示したサニャック干渉型光電流センサの構成と基本的に同様であるものとして、同一部分には同一符号を用い、その説明を省略する。

図５は、第３の実施形態に係るサニャック干渉型光電流センサの構成を示すものである。同光電流センサは、同一の電流Ｉを測定する２つの独立した光電流センサ１２３ａ，１２３ｂで構成される。ここで第１の光電流センサ１２３ａ及び第２の光電流センサ１２３ｂは、単体では前記非特許文献１や特許文献１に記載されたものと基本的には同様の一般的な光電流センサである。

第２の光電流センサ１２３ｂのセンサ部１２２ｂで誘起される光学的位相差が測定電流に対して−９０°〜９０°の範囲内に収まるように、前記センサ部１２２ｂが構成されており、大電流でも第２の光電流センサ１２３ｂの出力の極性が反転しないように設定されている。

一方の第１の光電流センサ１２３ａは、同一の測定電流Ｉに対して、第２の光電流センサ１２３ｂのセンサ部１２２ｂで誘起される位相差よりも、センサ部１２２ａで誘起される位相差が大きくなるようにセンサファイバの巻数が多くなるように構成されている。そのため、当該第１の光電流センサ１２３ａのセンサ部１２２ａの方が第２の光電流センサ１２３ｂのセンサ部１２２ｂより高感度であり、第１の光電流センサ１２３ａではより高精度な電流測定が実現できる。

ただし、第１の光電流センサ１２３ａは、高感度であるが故に、測定電流Ｉが大電流の場合には、極性の反転が生じ得る。そのため、第２の光電流センサ１２３ｂの出力の大きさによって、第１の光電流センサ１２３ａの出力の大きさを制御するべく、比較出力回路１１５を用いている。

この比較出力回路１１５では、第２の光電流センサ１２３ｂの出力によって、第１の光電流センサ１２３ａが出力する信号の極性が反転すると思われる条件であると判断した場合、第２の光電流センサ１２３ｂの出力の極性に合わせて、第１の光電流センサ１２３ａの出力が一定の大きさとなるように、信号処理器１２０ａの位相変調に関する制御を行なう。

これにより、第１の光電流センサ１２３ａの出力の極性を反転させることなく、電力系統の制御を容易にすると共に、高精度で動作する第１の光電流センサ１２３ａを確実に保護して安定した電流検出動作が維持できる。

以上、前記第１乃至第３の実施形態にて説明した如く、高感度のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を制御して、電力系統の系統制御に悪影響を及ぼすことなく、確実に保護することが可能となる。

なお、前記オープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサ単体の構成に関しては、前記図１を用いて説明したものに限らない。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…光源駆動回路、
２…光源、
３…ファイバカプラ、
４…光学フィルタ、
５…位相変調子、
６…余長コイル、
７…送光ファイバ、
８…１／４波長板、
９…センサファイバ、
１０…鏡、
１１…電流、
１２…検出器、
１３…同期検波回路、
１４…位相変調子駆動回路、
１５…演算回路、
１０１…光源、
１０２…光検出器、
１０３…ファイバカプラ、
１０４ａ，１０４ｂ…ファイバ偏光子、
１０５ａ，１０５ｂ…光位相変調器、
１０６ａ，１０６ｂ…遅延ファイバコイル、
１０７ａ，１０７ｂ…送光ファイバ、
１０８ａ，１０８ｂ…１／４波長板、
１０９ａ，１０９ｂ…センサファイバ、
１１０ａ，１１０ｂ…ミラー、
１１１ａ，１１１ｂ…同期検波回路、
１１２ａ，１１２ｂ…光位相変調器駆動回路、
１１３ａ，１１３ｂ…電流演算回路、
１１４…光源駆動回路、
１１５…比較出力回路、
１１６…信号処理器、
１１７…センサヘッド、
１１８…第１のセンサ部、
１１９…第２のセンサ部、
１２０ａ，１２０ｂ…信号処理器、
１２１ａ，１２１ｂ…送光ファイバ、
１２２ａ，１２２ｂ…センサ部、
１２３ａ…第１の光電流センサ、
１２３ｂ…第２の光電流センサ、
Ｕ１…信号処理ユニット、
Ｕ２…センサヘッド部。

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源から出た光を２分岐する光分岐手段と、
   前記光分岐手段の一方の分岐端を、第１の偏光子、前記第１の偏光子と方位角が略４５°となる第１の光位相変調器、第１の遅延光学光路、第１の送光ファイバ、第１の１／４波長板、測定電流に対して周回設置された第１のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第１のセンサファイバの端部で前記第１のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第１のミラーを配置してなる第１のセンサ部と、
   前記光分岐手段の他方の分岐端を、第２の偏光子、前記第２の偏光子と方位角が略４５°となる第２の光位相変調器、第２の遅延光学光路、第２の送光ファイバ、第２の１／４波長板、前記測定電流に対して周回設置された第２のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第２のセンサファイバの端部で前記第２のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第２のミラーを配置してなる第２のセンサ部と、
   前記第１の光位相変調器を第１の変調周波数で駆動する第１の光位相変調器駆動回路と、
   前記第２の光位相変調器を第２の変調周波数で駆動する第２の光位相変調器駆動回路と、
   前記第１及び第２のセンサファイバからの反射光を前記第１及び第２の１／４波長板、前記第１及び第２の送光ファイバ、前記第１及び第２の遅延光学光路、前記第１及び第２の光位相変調器、及び、前記第１及び第２の偏光子を介して上記光分岐手段で結合して取得する光検出器と、
   前記光検出器からの信号を前記第１の変調周波数で同期検波する第１の同期検波回路と、
   前記第１の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第１の電流演算回路と、
   前記光検出器からの信号を前記第２の変調周波数で同期検波する第２の同期検波回路と、
   前記第２の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第２の電流演算回路と、
   前記第２の電流演算回路の出力の大きさによって前記第１の電流演算回路の出力の大きさを制御する比較出力回路と
   を備え、
   前記第１のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数を、前記第２のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数よりも多く設定し、
   前記第２のセンサファイバの往復光路で測定電流により生じる光の位相差の絶対値が９０°を超えないように周回巻数を設定し、
   前記第１の変調周波数と前記第２の変調周波数とを異なる周波数とする
   ことを特徴とするサニャック干渉型光電流センサ。
2. 前記第１の同期検波回路は、第１の変調周波数、及び前記第１の変調周波数の２次乃至４次の高調波で同期検波し、
   前記第２の同期検波回路は、第２の変調周波数、及び前記第２の変調周波数の２次乃至４次の高調波で同期検波し、
   前記第１の変調周波数の２次高調波で同期検波した第１の２次同期検波出力の振幅と、前記第１の変調周波数の４次高調波で同期検波した第１の４次同期検波出力の振幅とが同じ大きさとなるように前記第１の光位相変調器の変調深度を調整する第１の光位相変調器駆動回路と、
   前記第１の変調周波数の３次高調波で同期検波された第１の３次同期検波出力を前記第１の２次同期検波出力の振幅または前記第１の４次同期検波出力の振幅で除算し、その商出力を用いて測定電流値を演算する第１の電流演算回路と、
   前記第２の変調周波数の２次高調波で同期検波した第２の２次同期検波出力の振幅と、前記第２の変調周波数の４次高調波で同期検波した第２の４次同期検波出力の振幅とが同じ大きさとなるように前記第２の光位相変調器の変調深度を調整する第２の光位相変調器駆動回路と
   をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１記載のサニャック干渉型光電流センサ。
3. 前記第１の変調周波数、及びその２次乃至４次の高調波の周波数と、前記第２の変調周波数、及びその２次乃至４次の高調波の周波数とが、同じ次数及び異なる次数のいずれでも同じ、もしくは近接した周波数とならないように、前記第１の変調周波数と第２の変調周波数とを選択することを特徴とする請求項２記載のサニャック干渉型光電流センサ。
4. 測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が後記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサのセンサ部分で誘起される位相差よりも大きい第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、
   前記測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が前記測定対象の電流に対して−９０°〜９０°の範囲内に収まるように構成された第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、
   前記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を用いて、前記第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力の大きさを制御する比較出力器と
   を備えることを特徴とするサニャック干渉型光電流センサ。
5. 光源と、前記光源から出た光を２分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段の一方の分岐端を、第１の偏光子、前記第１の偏光子と方位角が略４５°となる第１の光位相変調器、第１の遅延光学光路、第１の送光ファイバ、第１の１／４波長板、測定電流に対して周回設置された第１のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第１のセンサファイバの端部で前記第１のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第１のミラーを配置してなる第１のセンサ部と、前記光分岐手段の他方の分岐端を、第２の偏光子、前記第２の偏光子と方位角が略４５°となる第２の光位相変調器、第２の遅延光学光路、第２の送光ファイバ、第２の１／４波長板、前記測定電流に対して周回設置された第２のセンサファイバと順次光学的に接続し、前記第２のセンサファイバの端部で前記第２のセンサファイバを通過してきた光を反射して再びセンサファイバ内に逆方向に伝播させる第２のミラーを配置してなる第２のセンサ部と、前記第１の光位相変調器を第１の変調周波数で駆動する第１の光位相変調器駆動回路と、前記第２の光位相変調器を第２の変調周波数で駆動する第２の光位相変調器駆動回路と、前記第１及び第２のセンサファイバからの反射光を前記第１及び第２の１／４波長板、前記第１及び第２の送光ファイバ、前記第１及び第２の遅延光学光路、前記第１及び第２の光位相変調器、及び、前記第１及び第２の偏光子を介して上記光分岐手段で結合して取得する光検出器と、前記光検出器からの信号を前記第１の変調周波数で同期検波する第１の同期検波回路と、前記第１の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第１の電流演算回路と、前記光検出器からの信号を前記第２の変調周波数で同期検波する第２の同期検波回路と、前記第２の同期検波回路の出力から測定電流値を演算する第２の電流演算回路と、前記第２の電流演算回路の出力の大きさによって前記第１の電流演算回路の出力の大きさを制御する比較出力回路とを備えるサニャック干渉型光電流センサの信号処理方法であって、
   前記第１のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数を、前記第２のセンサファイバの測定電流に対する周回巻数よりも多く設定し、
   前記第２のセンサファイバの往復光路で測定電流により生じる光の位相差の絶対値が９０°を超えないように周回巻数を設定し、
   前記第１の変調周波数と前記第２の変調周波数とを異なる周波数に設定する
   ことを特徴とするサニャック干渉型光電流センサの信号処理方法。
6. 測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が後記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサのセンサ部分で誘起される位相差よりも大きい第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサと、前記測定対象の電流を測定する、センサ部分で誘起される光学的位相差が前記測定対象の電流に対して−９０°〜９０°の範囲内に収まるように構成された第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサとを備えるサニャック干渉型光電流センサの信号処理方法であって、
   前記第２のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力を用いて、前記第１のオープン・ループ型のサニャック干渉型光電流センサの出力の大きさを制御することを特徴とするサニャック干渉型光電流センサの信号処理方法。