JP2021131266A

JP2021131266A - 計測装置

Info

Publication number: JP2021131266A
Application number: JP2020025627A
Authority: JP
Inventors: 正雄高橋; Masao Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-09-09

Abstract

【課題】高い精度での電流計測を可能とする小型の計測装置を提供することである。【解決手段】実施形態の計測装置は、光源と、第一光ファイバと、第一強磁性部材と、偏光子と、ファラデー素子と、検光子と、第二光ファイバと、第二強磁性部材と、検出器と、を備えている。第一光ファイバは、一端が前記光源に連結され、前記光源の光を他端から出射する。第一強磁性部材は、前記第一光ファイバの前記他端側を覆う。偏光子は、前記第一光ファイバから出射した光を直線偏光に変換する。ファラデー素子は、前記直線偏光を、磁界の強さに応じて旋光させる。検光子は、前記直線偏光を、旋光角度に応じた強度の計測光に変換する。第二光ファイバは、一端が前記検光子と対向し、前記計測光を他端から出射する。第二強磁性部材は、前記第二光ファイバの前記一端側を覆う。検出器は、前記第二光ファイバの前記他端から前記計測光を検出する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、計測装置に関する。

パワーエレクトロニクス機器の進展から、電流を簡便に計測できる装置のニーズが高まっている。従来の計測装置としては、抵抗による電圧降下、変流器による電流変換、ホール効果、ファラデー効果等を利用した様々な電流測定を行うものが考案され、実用化されている。

ファラデー効果を利用した電流測定法は、磁界によって光の偏光特性を変化させるものであり、特に着目されている。しかしながら、この測定法に用いる計測装置では、高電圧の測定において測定部と非測定部とを絶縁させる構成、電流路の周りに光ファイバを巻きつける構成等が必要とされており、その分の構造の大規模化、複雑化が避けられない。これらの対策として、偏光特性に優れた材料をファラデー素子として用い、小型化した光電流センサが提案されているが、十分な感度が得られておらず、こうした光電流センサを高い精度での計測に用いることは、難しいと考えられる。

特開平６−３４２０４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い精度での電流計測を可能とする小型の計測装置を提供することである。

実施形態の計測装置は、光源と、第一光ファイバと、第一強磁性部材と、偏光子と、ファラデー素子と、検光子と、第二光ファイバと、第二強磁性部材と、検出器と、を持つ。第一光ファイバは、一端が前記光源に連結され、前記光源の光を他端から出射する。第一強磁性部材は、前記第一光ファイバの前記他端側の外壁面を覆う。偏光子は、前記第一光ファイバの前記他端と対向し、出射した前記光源の光を直線偏光に変換する。ファラデー素子は、変換された前記直線偏光を、周囲の磁界の強さに応じて旋光させる。検光子は、旋光させられた前記直線偏光を、旋光角度に応じた強度の計測光に変換する。第二光ファイバは、一端が前記検光子と対向し、前記変換された計測光を他端から出射する。第二強磁性部材は、前記第二光ファイバの前記一端側の外壁面を覆う。検出器は、前記第二光ファイバの前記他端と対向し、前記変換された光を検出する。

本発明の第一実施形態に係る計測装置の構成を模式的に示す図。（ａ）、（ｂ）図１の計測装置において一部の断面を拡大した図。図１の計測装置を動作させた際に、ファラデー素子近傍に発生する磁界分布を示す図。本発明の第二実施形態に係る計測装置を動作させた際に、ファラデー素子近傍に発生する磁界分布を示す図。

以下、実施形態の計測装置を、図面を参照して説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る、計測装置１０の構成を模式的に示す図である。計測装置１０は、ファラデー効果を利用して、導体１２を流れる電流の大きさ、または導体１２を流れる電流によって生じる磁界（以下では光磁界と呼ぶことがある）の大きさを計測するものである。計測装置１０は、主に、光源１４と、第一光ファイバ１６と、第一強磁性部材３０と、偏光子１８と、ファラデー素子２０と、検光子２２と、第二光ファイバ２４と、第二強磁性部材２４と、検出器２６と、を備えている。

導体１２は、導電性の材料を含み、計測対象の電流、または、計測対象の光磁界を生じさせる電流を流す配線部材である。導体１２は、ファラデー素子２０の近傍において、光が通過する方向と交差する方向、好ましくは直交する方向に延在するように配置される。

光源１４は、計測対象の計測に用いる光Ｌ_１（以下、計測光と呼ぶことがある）を、第一光ファイバ１６へ出射する発光装置であり、例えば、レーザー発生装置またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）等が挙げられる。

第一光ファイバ１６は、その一端１６ａが光源１４に連結され、光源１４の光Ｌ_１を導き、他端１６ｂから出射する送光ファイバである。

偏光子１８は、入射光に含まれる複数方向の振動成分のうち、特定の一方向の振動成分の光のみを通過させることにより、入射光を直線偏光して出射する偏光フィルター等の光学素子である。偏光子１８は、第一光ファイバの他端１６ｂと対向し、第一光ファイバ１６を介して出射した光源１４の光Ｌ_１を、直線偏光Ｌ_２に変換してファラデー素子２０へ出射する。偏光子１８の材料としては、特に限定されることはないが、例えばガラス等を用いることができる。

ファラデー素子２０は、入射した光の偏光特性を変えるファラデー効果を奏する磁気光学素子であり、例えばガーネット、鉄、ニッケル等の強磁性材料によって構成される。特にガーネットは、光の透過率が高いため、磁気光学素子の材料として優れており、また、ベルデ定数が高いため、小型のセンサを実現する上で好ましい。ファラデー素子２０は、入射した直線偏光Ｌ_２（の振動方向）を、計測対象に基づいて周囲に発生する磁界の強さに応じた角度（旋光角）で旋光させ、旋光した直線偏光Ｌ_３を検光子２２に出射する。

検光子２２は、ファラデー素子２０が旋光した直線偏光Ｌ_３を、旋光角に応じた強度の計測光Ｌ_４に変換して、第二光ファイバ２４へ出射する光学素子である。ここでの検光子２２は、計測光Ｌ_４に含まれる複数方向の振動成分のうち、特定の一方向の振動成分の光のみを通過させる偏光フィルター等の光学素子である。検光子２２が透過させる振動成分の振動方向については、特に限定されることはなく、例えば偏光子１８が透過させる振動成分の振動方向に対し、垂直であってもよいし、平行であってもよいが、４５°傾いていれば好ましい。検光子２２を透過する振動成分の振動方向が４５°傾いている場合には、ファラデー素子２０における旋光角によらず、最も強度の大きい計測光を出射することができる。検光子２２の材料としては、特に限定されることはないが、例えばガラス等を用いることができる。

第二光ファイバ２４は、その一端２４ａが検光子２２と対向し、検光子２２で変換された計測光Ｌ_４を導き、他端２４ｂ側から出射する受光ファイバである。

検出器２６は、第二光ファイバ２４から出射された計測光Ｌ_４を検出し、計測光Ｌ_４の強度に応じた電気信号を、信号処理器２８等に出力する。検出器２６としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等、光を電気信号に変換する素子を用いることができる。

信号処理器２８は、検出器２６から出力された電気信号を取得し、当該電気信号に基づいて計測対象の情報を検出し、出力する。例えば、検出器２６から出力される電気信号の強度に基づいて、計測対象である導体を流れる電流の大きさ、または電流によって生じる光磁界の大きさ等の情報を、検出することができる。

第一強磁性部材３０は、第一光ファイバの他端１６ｂ側の外壁面を、第一光ファイバ１６の延在方向に沿って覆う部材であり、例えばニッケル、フェライト、パーマロイ等の強磁性材料によって構成されている。換言すると、第一強磁性部材３０は、第一光ファイバ１６の他端側の一部分を挿入する貫通孔を有する部材である。第一強磁性部材３０は、少なくとも第一光ファイバの他端１６ｂの周囲を切れ目なく覆っていればよい。第一強磁性部材３０の形状について限定されることはないが、第一光ファイバ１６に沿って延在する中心軸Ｃを有する、筒状（円筒状、矩形筒状等）であれば好ましく、軸対称な円筒状であればより好ましく、さらに太さ（内径）が一様であれば最も好ましい。ここでの「沿って延在し」は、略平行であり（例えば角度が数度未満であり）、且つ短手方向の距離が所定距離（例えば０．００５ｍｍ以内）であることをいう。

周囲に発生する光磁界を第一光ファイバ１６の近傍に密集させる観点から、第一強磁性部材３０は、第一光ファイバ１６に近接して配置されていることが好ましく、第一光ファイバ１６に接触していることが好ましい。つまり、第一強磁性部材３０の内壁面と第一光ファイバ１６の外壁面との隙間は、狭いほど好ましく、両者が接触していればより好ましい。第一強磁性部材３０は、例えば第一光ファイバ１６の外壁面に対し、ニッケル、フェライト、パーマロイ等の強磁性部材をメッキ加工することによって形成することができる。特にニッケルは、円筒形状を形成しやすく、また錆びにくいことから、加工性、耐久性に優れており、第二強磁性部材３１として適している。

第二強磁性部材３１は、第二光ファイバの一端２４ａ側の外壁面を、第二光ファイバ２４の延在方向に沿って覆う部材であり、例えばニッケル、フェライト、パーマロイ等の強磁性材料によって構成されている。換言すると、第二強磁性部材３１は、第二光ファイバ２４の他端側の一部分を挿入する貫通孔を有する部材である。第二強磁性部材３１は、少なくとも第二光ファイバの一端２４ａの周囲を切れ目なく覆っていればよい。第二強磁性部材３１の形状について限定されることはないが、第二光ファイバ２４に沿って延在する中心軸Ｃを有する、筒状（円筒状、矩形筒状等）であれば好ましく、軸対称な円筒状であればより好ましく、さらに太さ（内径）が一様であれば最も好ましい。ここでの「沿って延在し」は、略平行であり（例えば角度が数度未満であり）、且つ短手方向の距離が所定距離（例えば０．００５ｍｍ以内）であることをいう。

周囲に発生する光磁界を第二光ファイバ２４の近傍に密集させる観点から、第二強磁性部材３１は、第二光ファイバ２４に近接して配置されていることが好ましく、第二光ファイバ２４に接触していることが好ましい。つまり、第二強磁性部材３１の内壁面と第二光ファイバ２４の外壁面との隙間は、狭いほど好ましく、両者が接触していればより好ましい。第二強磁性部材３１は、例えば第二光ファイバ１６の外壁面に対し、ニッケル、フェライト、パーマロイ等の強磁性部材をメッキ加工することによって形成することができる。特にニッケルは、円筒形状を形成しやすく、また錆びにくいことから、加工性、耐久性に優れており、第二強磁性部材３１として適している。

図２は、図１の計測装置１０において、第一強磁性部材３０の端部３０ｂ近傍の領域Ｒ_１、および第二強磁性部材３１の端部３１ａ近傍の領域Ｒ_２を拡大した断面図である。第一強磁性部材３０は、ファラデー素子との対向面３０ａと反対側の端部３０ｂに、ファラデー素子２０から遠ざかるにつれて内径が大きくなる第一内径変動部３０ｃを有していてもよい。同様に、第二強磁性部材３１は、ファラデー素子との対向面３１ｂと反対側の端部３１ａに、ファラデー素子２０から遠ざかるにつれて内径が大きくなる第二内径変動部３１ｃを有していてもよい。第一強磁性部材３０が第一内径変動部３０ｃを有する場合、端部３０ｂにおいて第一光ファイバ１６が曲がりやすくなる。また、第二強磁性部材３１が第二内径変動部３１ｃを有する場合、端部３１ａにおいて第二光ファイバ２４が曲がりやすくなる。そのため、自由な配置が可能になるとともに、計測装置１０を小型化しやすくなる。

図１では、第一光ファイバ１６、偏光子１８、ファラデー素子２０、検光子２２、第二光ファイバ２４が、互いに離間して配置されている場合について例示しているが、これらは互いに接触して配置されていてもよいし、計測対象の情報に影響を与えない部材を、間に挟んで配置されていてもよい。

図３は、計測対象となる導体１２の近傍に計測装置１０を配置し、計測装置１０を動作させた際に、ファラデー素子２０近傍に発生する磁界Ｈの分布を示す図である。第一強磁性部材３０、偏光子１８、ファラデー素子２０、検光子２２、第二強磁性部材３１は、導体１２の計測部分の延在方向と交差する方向、好ましくは直交する方向に並んで配置されるものとする。

導体１２に電流が流れると、導体１２を中心軸とする同心円状の磁界Ｈが発生するが、磁界Ｈを形成する磁束（磁力線）は、磁気抵抗が低いところがあれば、そこに引き寄せられるようにして分布する性質を有する。そのため、電流が流れている導体１２の近傍に、図３に示すように計測装置１０を配置すると、磁束は、磁気抵抗が相対的に低い第一強磁性部材３０側、第二強磁性部材３１側に近づくように曲がる。曲がった磁束の一部は、第一強磁性部材３０、第二強磁性部材３１を貫くとともに、それらの間に挟まれたファラデー素子２０も貫くため、ファラデー素子２０を貫く磁束を増加させることができる。

なお、偏光子１８、検光子２０としては、強磁性部材を用いてもよく、その場合にも、ファラデー素子２０近傍の磁気抵抗が低くなり、磁束を密集させることができるため、ファラデー素子２０を貫く磁束をさらに増加させることができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電流方向と交差する方向において、ファラデー素子２０の近傍に第一強磁性部材３０、第二強磁性部材３１を備えることにより、ファラデー素子２０を貫く磁束を増加させることができる。これにより、ファラデー素子２０を伝搬する光が大きく旋光するため、磁界に対する感度を向上させることができ、導体１２を流れる電流の大きさ、または導体１２を流れる電流によって生じる磁界の大きさを、高い精度で計測することができる。周囲の磁界に対する感度が、光ファイバの周囲に巻き付ける強磁性部材のみで高められるため、感度向上のための大規模な設備が不要となり、計測装置１０の小型化を実現することができる。

＜第二実施形態＞
図４は、本発明の第二実施形態に係る、計測装置の構成を模式的に示す図である。第二実施形態では、ファラデー素子２０における第一強磁性部材３０と対向する面２０ａの外径Ｄ_１が、第一強磁性部材３０におけるファラデー素子２０に対向する面３０ａの外径Ｄ_２より小さい。また、第二実施形態では、ファラデー素子２０における第二強磁性部材３１と対向する面２０ｂの外径Ｄ_３が、第二強磁性部材３１におけるファラデー素子２０に対向する面３１ｂの外径Ｄ_４より小さい。その他の構成は、第一実施形態の計測装置１０と同様であり、計測装置１０と対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

本実施形態の計測装置では、第一実施形態と同様の動作状態において、第一強磁性部材３０、第二強磁性部材３１の内部に引き寄せた磁束を、さらに狭くなっているファラデー素子２０の内部に密集させることができる。これにより、ファラデー素子２０内の磁束密度が大きくなるため、磁界に対する感度をさらに向上させることができ、導体１２を流れる電流の大きさ、または導体１２を流れる電流によって生じる磁界の大きさを、高い精度で計測することができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、光源（１４）と、一端（１６ａ）が前記光源に連結され、前記光源の光を他端（１６ｂ）から出射する第一光ファイバ（１６）と、前記第一光ファイバの前記他端側の外壁面を覆う第一強磁性部材（３０）と、前記第一光ファイバの前記他端と対向し、出射した前記光源の光を直線偏光に変換する偏光子（１８）と、変換された前記直線偏光を、周囲の磁界の強さに応じて旋光させるファラデー素子（２０）と、旋光させられた前記直線偏光を、旋光角度に応じた強度の光に変換する検光子（２２）と、一端（２４ａ）が前記検光子と対向し、前記検光子で変換された光を他端（２４ｂ）から出射する第二光ファイバ２４と、前記第二光ファイバの前記一端側の外壁面を覆う第二強磁性部材３１と、前記第二光ファイバの前記他端と対向し、前記変換された光を検出する検出器（２６）と、を持つことにより、高い精度での電流計測を可能とする小型の計測装置（１０）を提供することができる。

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。

１０…計測装置、１２…導体、１４…光源、１６…第一光ファイバ、１８…偏光子、
２０…ファラデー素子、２２…検光子、２４…第二光ファイバ、２６…検出器、
２８…信号処理器、３０…第一強磁性部材、３１…第二強磁性部材

Claims

光源と、
一端が前記光源に連結され、前記光源の光を他端から出射する第一光ファイバと、
前記第一光ファイバの前記他端側の外壁面を覆う第一強磁性部材と、
前記第一光ファイバの前記他端と対向し、出射した前記光源の光を直線偏光に変換する偏光子と、
変換された前記直線偏光を、周囲の磁界の強さに応じて旋光させるファラデー素子と、
旋光させられた前記直線偏光を、旋光角度に応じた強度の光に変換する検光子と、
一端が前記検光子と対向し、前記検光子で変換された光を他端から出射する第二光ファイバと、
前記第二光ファイバの前記一端側の外壁面を覆う第二強磁性部材と、
前記第二光ファイバの前記他端と対向し、前記変換された光を検出する検出器と、
を備える計測装置。
前記第一強磁性部材および前記第二強磁性部材は筒状であり、
前記第一強磁性部材の中心軸は前記第一光ファイバに沿って延在し、
前記第二強磁性部材の中心軸は前記第二光ファイバに沿って延在する、
請求項１に記載の計測装置。
前記第一強磁性部材の内壁面が、前記第一光ファイバの外壁面に接触し、
前記第二強磁性部材の内壁面が、前記第二光ファイバの外壁面に接触する、
請求項１または２のいずれかに記載の計測装置。
前記ファラデー素子における前記第一強磁性部材と対向する面の外径は、前記第一強磁性部材における前記ファラデー素子に対向する面の外径より小さく、
前記ファラデー素子における前記第二強磁性部材と対向する面の外径は、前記第二強磁性部材における前記ファラデー素子に対向する面の外径より小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の計測装置。
前記第一強磁性部材が、前記ファラデー素子との対向面と反対側の端部に、前記ファラデー素子から遠ざかるにつれて内径が大きくなる第一内径変動部を有し、
前記第二強磁性部材が、前記ファラデー素子との対向面と反対側の端部に、前記ファラデー素子から遠ざかるにつれて内径が大きくなる第二内径変動部を有する、
請求項２〜４のいずれか一項に記載の計測装置。