JP3179316B2

JP3179316B2 - 光センサ

Info

Publication number: JP3179316B2
Application number: JP20000795A
Authority: JP
Inventors: 英伸浜田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 2001-06-25
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: JPH08105919A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配電線の対地間電
圧あるいは線路電流等を検知する光ＰＴ（変成器）ある
いは光ＣＴ（変流器）等に利用される電圧センサあるい
は電流センサ等としての光センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の強度変調方式電圧センサとして、
例えば図８に示すように、光の入射側から光軸上に、設
定角π／２ラジアンの第一の偏光子４７、１／４波長板
４８、ポッケルス素子４９および設定角π／２ラジアン
の第二の偏光子５２を配置し、被測定電圧５１をポッケ
ルス素子４９に印加するように構成したものが知られて
いる。５０はポッケルス素子４９の電極である。

【０００３】無偏波入射光５３が第一の偏光子４７によ
り直線偏光５４となり、１／４波長板４８により円偏光
５５となる。５６はポッケルス素子４９に印加されてい
る被測定電圧５１により変化されてポッケルス素子４９
から出力される光の各種偏光状態を示す。そして、第二
の偏光子５２から出力される出力光５７の強度変化は、
被測定電圧５１により変化するポッケルス素子４９の出
力光の偏光状態５６に対応するので、第二の偏光子５２
の出力光量の変調度をモニターすることにより被測定電
圧５１を検出することができる。

【０００４】ここで、上記光量の変調度とは、光量のＡ
Ｃ成分と光量のＤＣ成分の比のことである。

【０００５】また、従来の強度変調方式電流センサとし
て、例えば図９に示すように、光の入射側から光軸上
に、設定角π／２ラジアンの第一の偏光子５８、ファラ
デー素子６０および設定角π／４ラジアンの第二の偏光
子５９を配置し、被測定電流により発生する磁界６５を
ファラデー素子６０に印加するように構成したものが知
られている。

【０００６】無偏波入射光５３が第一の偏光子５８によ
り直線偏光５４となり、ファラデー素子６０において被
測定磁界６５に応じてファラデー回転角（θ）６１変化
した直線偏光６２となる。被測定磁界６５は被測定電流
に対応する被測定物理量である。そして、第二の偏光子
５９の出力光６３の強度変化は、上記磁界６５により変
化するファラデー素子６０の出力光６２の偏光状態（直
線偏光角度変化）に対応するので、第二の偏光子５９の
出力光６３の光量の変調度をモニターすることにより被
測定電流を検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記いずれの
光センサにおいても、各光学部品の結合ロスの変化や外
部環境（例えば、ガラスのくもりや結露、振動による光
軸のずれ、光ファイバーでの揺れによる応力発生など）
による入射光の強度変化などのため、前述の出力光量に
は、上記の被測定電圧あるいは被測定電流に応じた光量
の変調以外によるゆっくりとした光量変化が加わる。す
なわち、上記光量のＡＣ成分が歪む。特に被測定電圧あ
るいは被測定電流の周波数がＤＣ近傍の場合は、被測定
電圧あるいは被測定電流によるＡＣ成分と被測定電圧あ
るいは被測定電流以外の原因によるＡＣ成分との区別が
不可能となり、正確な電圧あるいは電流測定ができな
い。これは、いずれの光センサもＡＭ変調（振幅変調）
を行って検出している点に原因がある。

【０００８】本発明は、従来の光センサがもつ上記のよ
うな課題を考慮し、ＤＣ測定から高周波測定まで外部環
境の影響を受けない光センサ（電圧センサあるいは電流
センサ）を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の光センサは、
光学部と、信号処理部とを備え、上記光学部は、光軸上
に、光の入射側に配置された第１の偏光子と、光の出射
側に配置され、第１の偏光子に対し偏光方向が実質上平
行あるいは垂直方向に設定される第２の偏光子と、第１
の偏光子と第２の偏光子との間に配置され、被測定物理
量に応じて光波に位相変調をかける第１の光波位相変調
器と、第１の偏光子と第２の偏光子との間に、第１の光
波位相変調器の位相変調方向に対し位相変調方向が実質
上平行あるいは垂直となるように配置され、被測定物理
量の周波数より高い周波数の制御変調物理量に応じて光
波に位相変調をかける第２の光波位相変調器とを有し、
上記信号処理部は、第２の偏光子からの光出力を電気信
号に変換するＯ／Ｅ変換部と、制御変調物理量の位相を
π×ｎ±π／２ラジアン（ｎ：整数）変化させる位相器
と、Ｏ／Ｅ変換部の出力と位相器の出力とを加算する加
算器と、その加算器の出力を復調する復調器とを有す
る。

【００１０】また、請求項２の光センサは、光学部と、
信号処理部とを備え、上記光学部は、光軸上に、光の入
射側に配置された第１の偏光子と、光の出射側に配置さ
れ、第１の偏光子に対し偏光方向が実質上平行あるいは
垂直方向に設定される第２の偏光子と、第１の偏光子と
第２の偏光子との間に配置され、被測定物理量を時間積
分した値に応じて光波に位相変調をかける第１の光波位
相変調器と、第１の偏光子と前記第２の偏光子との間
に、第１の光波位相変調器の位相変調方向に対し位相変
調方向が実質上平行あるいは垂直となるように配置さ
れ、被測定物理量の周波数より高い周波数の制御変調物
理量に応じて光波に位相変調をかける第２の光波位相変
調器とを有し、上記信号処理部は、第２の偏光子からの
光出力を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、制御変調
物理量の位相をπ×ｎ±π／２ラジアン（ｎ：整数）変
化させる位相器と、Ｏ／Ｅ変換部の出力と位相器の出力
とを加算する加算器と、その加算器の出力を復調する復
調器とを有する。

【００１１】また、請求項３の光センサは、上記請求項
１、又は２の光センサにおいて、第１の偏光子、第１の
光波位相変調器、第２の光波位相変調器、第２の偏光子
における相互の間のうち少なくとも一つの間に光の偏波
状態を維持する光伝送路を用いる。

【００１２】また、請求項４の光センサは、上記請求項
１から３までのいずれかの光センサにおいて、第１の光
波位相変調器及び第２の光波位相変調器のうち少なくと
も一方の光波位相変調器が、複数の光波位相変調部から
なる。

【００１３】また、請求項５の光センサは、上記請求項
１から４までのいずれかの光センサにおいて、第１の光
波位相変調器及び第２の光波位相変調器は、１つの電気
光学結晶上に電極が別々に形成されて一体化したもので
ある。

【００１４】また、請求項６の光センサは、上記請求項
１から５までのいずれかの光センサにおいて、被測定電
気線から電源を得て、制御変調物理量を得るための信号
を発振する発振器と、被測定物理量を得るために被測定
電気線の対地間電圧を分圧する分圧器とを更に備える。

【００１５】また、請求項７の光センサは、上記請求項
１から４までのいずれかの光センサにおいて、被測定電
気線から電源を得て、制御変調物理量を得るための信号
を発振する発振器と、被測定物理量を得るために被測定
電気線の被測定電流を得る補助部とを更に備える。

【００１６】また、請求項８の光センサは、被測定物理
量が被測定電気線の電圧と電流とであって、その電圧と
電流とを同時に測定できるように、請求項６の光センサ
と請求項７の光センサとを一体化したものである。

【００１７】請求項１の光センサにおいては、被測定物
理量（被測定電圧あるいは被測定電流）は、光センサの
出力光量に対してＰＭ（位相）変調を施すので、被測定
物理量の情報は光センサの出力変化の時間軸方向に反映
されることとなり、これは光センサの出力変化の強度軸
方向に反映される外部環境情報と直交関係になる結果、
被測定物理量の情報は外部環境の影響を受けず、ＤＣか
ら高周波まで被測定物理量の情報を正確に検出すること
ができる。

【００１８】請求項２の光センサにおいては、被測定物
理量は、光センサの出力光量変化に対してＦＭ変調を施
すことになるので、請求項１の場合と同様に、被測定物
理量の情報は光センサの出力変化の時間軸方向に反映さ
れ、強度軸方向に反映される外部環境情報と直交関係に
なり、外部環境の影響を受けずに、ＤＣから高周波まで
被測定物理量の情報を正確に検出することができる。

【００１９】請求項３の光センサにおいては、被測定物
理量が遠隔にあっても、また、各部品が同一光軸上に配
置できない条件下にあっても、上記と同様の効果が得ら
れる。

【００２０】請求項４の光センサのように、第１の光波
位相変調器及び第２の光波位相変調器のうち少なくとも
一方の光波位相変調器が、複数の光波位相変調部から構
成されていても上記と同様の効果が得られる。

【００２１】請求項５の光センサのように、光波位相変
調器として電気光学効果を利用する場合に、第１の光波
位相変調器及び第２の光波位相変調器の各電極を１つの
電気光学結晶上に別々に形成して一体化することによ
り、簡単な構成で上記と同様の効果が得られる。

【００２２】請求項６の光センサにおいては、被測定電
気線の対地間電圧を、外部環境の影響を受けずに、ＤＣ
から高周波まで正確に検出することができる。

【００２３】請求項７の光センサにおいては、被測定電
気線の線路電流を、外部環境の影響を受けずに、ＤＣか
ら高周波まで正確に検出することができる。

【００２４】請求項８の光センサにおいては、被測定電
気線の対地間電圧と線路電流とを、外部環境の影響を受
けずに、ＤＣから高周波まで正確に、かつ同時的に検出
することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明に係る光センサの実施の形
態例について図面を参照しながら説明する。

【００２６】〔第一実施形態〕図１に、本発明の光セン
サの第一実施形態であるＰＭ変調方式電圧センサの概要
図を示す。この電圧センサの構成は、光学部ａと信号処
理部ｂからなる。

【００２７】光学部ａは、光の入射側から光軸７上に、
設定角π／２ラジアンの第一の偏光子１、主軸の設定角
がπ／４ラジアンの第一のポッケルス素子３、主軸が第
一のポッケルス素子（検出用ポッケルス素子）３と平行
あるいは垂直である第二のポッケルス素子（変調用ポッ
ケルス素子）４、および設定角π／２の第二の偏光子２
の順に配置して構成されている。検出用ポッケルス素子
３と変調用ポッケルス素子４には、０ラジアン方向の平
行電界を発生するように、それぞれ検出電圧用電極対と
変調周期電圧用電極対を設け、検出用ポッケルス素子３
には被測定電圧（Ｖ_S＊ｓｉｎ（ω_Sｔ））５を印加
し、変調用ポッケルス素子４には被測定電圧より十分高
い周波数を有する制御変調周期電圧（Ｖ_m＊ｓｉｎ（ω
_mｔ））６を印加する。例えば、被測定物理量である被
測定電圧が商用周波の場合は、制御変調物理量である制
御変調周期電圧の角速度は、１ｋＨｚ程度の周波数とな
る。又、この制御変調周期電圧は、本実施形態では図１
に一点鎖線で示すように、後述する信号処理部ｂから供
給される。ここで、検出用ポッケルス素子３が本発明の
第１の光波位相変調器を構成し、変調用ポッケルス素子
４が本発明の第２の光波位相変調器を構成している。

【００２８】一方、信号処理部ｂは、前述の光学部ａの
光量出力を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部１７、変調
用ポッケルス素子４に印加された制御変調周期電圧６の
位相をπ／２ラジアン（一般的にはπ×ｎ±π／２ラジ
アン（ｎ：整数））変化させ、かつゲインも調整可能な
位相器１５（その出力電圧はＶ_m′＊ｓｉｎ（ω_mｔ＋
π／２））、上記Ｏ／Ｅ変換部１７の出力と位相器１５
の出力とを加算する加算器１６、およびその加算器１６
の出力変化の位相変化により被測定電圧の変化を復調す
る復調器ｃで構成されている。ここで、この復調器ｃと
しては、図１に示すように、ＦＭ復調器１８と積分器１
９を使用するのが一般的である（ただし、後述するよう
に積分器を使用しない場合もある）。また、前述の検出
用ポッケルス素子３および変調用ポッケルス素子４の一
例としてＬｉＮｂＯ₃等が挙げられる。以後、ＬｉＮｂ
Ｏ₃をＬＮと表記する。

【００２９】図２は、本第一実施形態の製品例を示す図
である。図２において、光センサは光学部ａと変調電源
内蔵信号処理部ｂとに分離されてており、それらが電線
内蔵光ファイバーケーブル２０８により接続されてい
る。

【００３０】光学部ａには、光軸上に、光ファイバー２
０６からの入射光を入射するレンズ２０３、第１の偏光
子としての偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと記
す）１、第１の光波位相変調器としての測定用のＬｉＮ
ｂＯ₃結晶３、第２の光波位相変調器としての変調用の
ＬｉＮｂＯ₃結晶４、第２の偏光子としてのＰＢＳ２、
出射光２１１を光ファイバー２０６に出射するレンズ２
０３等が配置され、それらが耐候性のあるケース２０１
に内蔵されている。被測定電圧Ｖｓは、ケース２０１外
部に露出した電極３０１を介して測定用のＬｉＮｂＯ₃
結晶３に印加され、制御変調周期電圧Ｖｍは電線２１２
を介して変調電源内蔵信号処理部ｂから変調用のＬｉＮ
ｂＯ₃結晶４に印加される。ここで２０２はフェルー
ル、２０４はレンズホルダ、２０５は割りスリーブであ
る。

【００３１】また、変調電源内蔵信号処理部ｂの構成
は、図１と基本的には同様であるが、更に、制御変調周
期電圧を発生させる変調電源部が内蔵され、測定結果を
表示する表示部２０９が設けられている。

【００３２】なお、ＬＮ等のポッケルス素子を第一実施
形態のように、光軸に平行な面に電極を形成した横型変
調方式で使用する場合、ＬＮ結晶の構成は、例えば第１
の光波位相変調器及び第２の光波位相変調器に同じ構成
の結晶を用いるとして、６通りある。また、これら６通
りのＬＮの各構成につき第一の偏光子１と第二の偏光子
２の設定方向はいろいろである。

【００３３】

【００３４】〔第二実施形態〕次に、図３に、本発明の光センサの第二実施形態である
ＰＭ変調方式電流センサの概要図を示す。この電流セン
サの構成も、光学部ａと信号処理部ｂからなる。

【００３５】光学部ａは、光の入射側から光軸７上に、
設定角π／２ラジアンの第一の偏光子１、第一のファラ
デー素子（検出用ファラデー素子）２０、第二のファラ
デー素子（変調用ファラデー素子）２１、および上記第
一の偏光子１に対し平行あるいは垂直に設定される第二
の偏光子２の順に配置して構成されている。検出用ファ
ラデー素子２０と変調用ファラデー素子２１には、光軸
方向とほぼ平行に磁界を発生するようにそれぞれ検出電
流用コイル２６と変調電流用コイル２７を設け、検出用
ファラデー素子２０には被測定物理量としての被測定電
流（Ｉ_S＊ｓｉｎ（ω_Sｔ））２２を印加し、変調用フ
ァラデー素子２１には被測定電流より十分高い周波数を
有する制御変調物理量としての制御変調周期電流（Ｉ_m
＊ｓｉｎ（ω_mｔ））２３を印加する。

【００３６】一方、信号処理部ｂは、前述の光学部ａの
光量出力を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部１７、上記
変調用ファラデー素子２１に印加された制御変調周期電
流２３を同相の電圧（Ｖ_m＊ｓｉｎ（ω_mｔ））２４に
変換する電流電圧変換器２３１、その変換された電圧
（Ｖ_m＊ｓｉｎ（ω_mｔ））２４の位相をπ／２ラジア
ン（一般的にはπ×ｎ±π／２ラジアン（ｎ：整数））
変化させ、かつゲインも調整可能な位相器１５（その出
力電圧はＶ_m′＊ｓｉｎ（ω_mｔ＋π／２））、Ｏ／Ｅ
変換部１７の出力と位相器１５の出力とを加算する加算
器１６、その加算器１６の出力変化の位相変化により被
測定電流の変化を復調する復調器ｃで構成される。ここ
で、この復調器ｃとしては、図３に示すようにＦＭ復調
器１８と積分器１９を使用するのが一般的である（ただ
し、後述するように積分器を使用しない場合もある）。
ここで、検出用ファラデー素子２０が本発明の第１の光
波位相変調器を構成し、変調用ファラデー素子２１が本
発明の第２の光波位相変調器を構成している。また、検
出用ファラデー素子２０および変調用ファラデー素子２
１の一例としてガーネット等が挙げられる。

【００３７】次に、本発明における作用を説明する。第
一実施形態の電圧センサと第二実施形態の電流センサ
は、光学部ａの光波位相変調器（ポッケルス素子とファ
ラデー素子）が異なり、光波の振る舞いが異なるだけ
で、その他の信号処理部ｂの作用は同一である。

【００３８】第一実施形態の電圧センサの光学部ａの作
用は、図１において、無偏波入射光８が第一の偏光子１
により直線偏光９となり、検出用ポッケルス素子３の通
過後はこの検出用ポッケルス素子３の位相差角θ_S（＝
Ｓ_O＊ｓｉｎ（ω_Sｔ）、ここで、Ｓ_OはＶ_Sに比例し
た値である）に対応する楕円偏光となり、変調用ポッケ
ルス素子４の通過後は、この変調用ポッケルス素子４に
よる位相差角θ_m（＝Ｍ_O＊ｓｉｎ（ω_mｔ）、ここ
で、Ｍ_OはＶ_mに比例した値である）と検出用ポッケル
ス素子３による位相差角θ_Sの和である位相差角の合計
θ_S＋θ_mに対応する楕円偏光１１となる。この楕円偏
光１１は、位相差角θ_S、θ_mが、上式から明らかなよ
うに、それぞれ最大振幅がＳ_O、Ｍ_Oで、角速度ω_S、
ω_mで振動しているので、それに対応して振動している
楕円偏光である。図中、１０は主軸方向を、１３はポッ
ケルス素子の結晶軸を示している。従って、第二の偏光
子２を通過した直線偏光１２の強度は、この図におけ
る、第１の偏光子１、検出用ポッケルス素子３、変調用
ポッケルス素子４、第２の偏光子２の全体の入出力特性
が（ｃｏｓθ＋１）÷２であるので、入射光の強度に対
して｛ｃｏｓ（θ_m＋θ _S）＋１｝÷２の強度変化を示
すことになる。

【００３９】ここで、図１１に第一実施形態における光
学部ａの入出力特性を示す。横軸に位相差角θをとり縦
軸に光出力Ｐをとると、図１１に示すように、入出力特
性はｃｏｓカーブとなる。また、本発明のように第１の
偏光子１と第２の偏光子２の偏光方向が平行な場合は、
入出力特性における頂点付近の非線形部分を動作点とし
て利用する。なお、第１の偏光子１と第２の偏光子２の
偏光方向が垂直の場合は、前記入出力特性における底点
付近の非線形部分を動作点として利用する。検出用のポ
ッケルス素子３と変調用のポッケルス素子４により変調
されて楕円偏光となった光信号Ａは、第２の偏光子２を
通過することにより、入出力特性の非線形部分の作用に
より、光信号Ａに対応した歪んだ信号波形Ｂになる。

【００４０】ここで、ノイズとしての入射光の変動は、
図の入出力特性のＰの方向にのってｃｏｓカーブの頂点
が変動する状態として現れ、出力信号波形Ｂの振幅の方
向にノイズ成分が出現することになる。すなわち、ｐを
入射光強度として、光学部ａの光出力を上式を用いてｐ
×｛ｃｏｓ（θ_m＋θ_S）＋１｝÷２で表すと、ノイズ
成分はｐの変動成分として現れる。

【００４１】ところで、被測定電圧、制御変調周期電圧
により変調され、入出力特性の非線形部分を利用して出
力された出力信号波形Ｂは、位相変調成分、周波数変調
成分、振幅変調成分等が含まれた信号となるが、最終的
に復調するときに時間軸との交点を検出する位相変調を
利用する。この時、非線形化された信号波形Ｂだけで
は、復調すべき周波数が分からず、位相変調とするた
め、後述するように、制御変調周期電圧の位相をπ／２
ずらした信号を付加することにより検出できるようにす
る。従って、上記のノイズ成分の影響を受ける方向が、
出力信号波形Ｂの位相方向とは直交した方向であるの
で、復調時の位相検出にはノイズによる影響が全く関与
しないので、被測定電圧を外部の影響を受けずに測定す
ることができる。

【００４２】一方、第二実施形態の電流センサの光学部
ａの作用は、図３において、無偏波入射光８が、第一の
偏光子１により直線偏光９となり、検出用ファラデー素
子２０の通過後はこの検出用ファラデー素子２０の回転
角θ_S（＝Ｓ_O＊ｓｉｎ（ω_Sｔ）、ここで、Ｓ_OはＩ
_Sに比例した値である）に対応して傾いた直線偏光とな
り、変調用ファラデー素子２１の通過後は、この変調用
ファラデー素子２１による回転角θ_m（＝Ｍ_O＊ｓｉｎ
（ω_mｔ）、ここで、Ｍ_OはＩ_mに比例した値である）
と検出用ファラデー素子２０による回転角θ_Sの和であ
る回転角の合計θ_S＋θ_mに対応して傾いた直線偏光と
なる。さらに、第二の偏光子２を通過した直線偏光１２
の強度は、入射光の強度に対して｛ｃｏｓ２（θ _m ＋θ
_S ）＋１｝÷２の強度変化を示す。

【００４３】ここで、ファラデー素子の場合の位相差が
生じる光波は、右回りと左回りの円偏光であるので、フ
ァラデー素子での回転角とポッケルス素子の位相差角
は、上述のように同一となり、直線偏光となった入射光
に対して、光波位相変調器であるポッケルス素子及びフ
ァラデー素子は同一の機能を与える。また、上記回転角
に関する式のω_Sとω_mは、被測定電流２２と制御変調
周期電流２３の角速度であり、第二実施形態において
も、回転角θ_S、θ_mは、Ｓ_O、Ｍ_Oを最大振幅として
角速度ω_S、ω_mで振動することになり、変調用ファラ
デー素子２１を通過した後の直線偏光の回転角θ_S＋θ
_mは振動している。また、光学部ａの入出力特性、各信
号波形に関する事項等、基本的な動作は、上記第一実施
形態の説明と同様である。

【００４４】上記のように、第一実施形態のＰＭ変調方
式電圧センサと第二実施形態のＰＭ変調方式電流センサ
の光学部ａの出力をスペクトル展開してみたところ、強
度は異なるが、図４の実線で示す同じスペクトル分布と
なった。すなわち、第一および第二実施形態の光学部ａ
の出力には、制御変調物理量の角速度ω_mの整数倍毎に
擬似的なＰＭ変調（位相変調）部が存在することが判明
した。これら疑似ＰＭ変調部のうち、角速度ω_mの擬似
ＰＭ変調部３１を利用すれば、被測定物理量の情報を復
元することができることを発明者は発見した。ただし、
破線で示す搬送波信号（スペクトルω_mの位置）が欠落
した信号であるため、この出力信号だけでは復調できな
い。

【００４５】

【００４６】

【００４７】第一および第二実施形態では、角速度ω_m
の部分の疑似ＰＭ変調部３１を利用するために付加信号
２８を加える。この付加信号２８は、第一実施形態の電
圧センサも第二実施形態の電流センサも、位相器１５の
出力（Ｖ_m′＊ｓｉｎ（ω_mｔ＋π／２））２５のこと
であり、加算器１６によりＯ／Ｅ変換部１７の出力に加
算する。その加算器１６からの出力スペクトルは、図４
において破線を加えたものとなる。

【００４８】この角速度ω_mの付加信号２８（位相器１
５の出力２５）を図５に示すキャリア（搬送波）Ａと
し、角速度ω_m−ω_Sの側波帯スペクトル−Ｊ
₁（Ｓ_O）Ｊ₁（Ｍ_O）２９を図５に示す側波帯Ｃと
し、角速度ω_m＋ω_Sの側波帯スペクトルＪ₁（Ｓ_O）
Ｊ₁（Ｍ_O）３０を図５に示す側波帯Ｂとすると、前記
搬送波Ａと前記２個の側波帯Ｂ，Ｃのベクトル図は図５
に示すようになり、ＰＭ変調信号はＡ＋Ｂ＋Ｃとなっ
て、通常のＰＭ変調（位相変調）となることが分かる。

【００４９】このＰＭ変調信号をＦＭ復調器１８と積分
器１９に通すことによって、被測定物理量（被測定電圧
あるいは被測定電流）の情報が完全に復調される。

【００５０】ここで、第一実施形態における各部の信号
波形の一例を図１２及び図１３に示す。まず、図１２に
おいて、波形１は、ポッケルス素子４に印加される周波
数１ｋＨｚの制御変調周期電圧の信号を示し、波形２
は、その制御変調信号の位相を位相器１５によりπ／２
変化させた信号を示す。波形３は、光学部ａの出力信号
（Ｏ／Ｅ変換部１７により電気信号に変換された信号）
を示し、光学部ａの入出力特性の非線形部分による歪ん
だ波形となっている。波形４は、波形２と波形３とを加
算器１６により加算した後の信号を示し、ＦＭ復調器１
８に入力される信号である。次に、図１３において、波
形１が図１２の波形４の加算器１６により加算された信
号であり、時間軸は図１２より縮めて図示している。波
形２は、波形１をコンパレーターにより処理した後の信
号であり、波形３は、そのコンパレーター出力の周波数
を電圧に変換した後の信号を示している。この周波数／
電圧変換された信号をＬＰＦ（ローパスフィルタ）に通
過させることにより被測定電圧に比例した電圧信号の波
形４が得られる。なお、コンパレータやＬＰＦは図１の
ＦＭ復調器１８に含まれている。

【００５１】上記のように通常のＰＭ変調となるがゆえ
に、被測定作用（被測定電圧あるいは被測定電流）の情
報は、光センサの出力変化の時間軸方向に反映されるこ
とになり、光センサの出力変化の強度軸方向に載る外部
環境情報とは直交関係となるため、被測定物理量の情報
は外部環境の影響を受けず、ＤＣから高周波まで被測定
物理量の情報を正確に検出することができる。

【００５２】〔第三実施形態〕次に、本発明の第三実施
形態を図６を用いて説明する。図６に示すように、第三
実施形態は、上記第一実施形態のＰＭ変調方式電圧セン
サを用いて電気線３６の対地間電圧（Ｖ）３８を測定す
るものである。

【００５３】本実施形態の構成は、コア４０とコイル３
５からなるＣＴ（変流器）を介して被測定電気線３６の
電流（Ｉ）３７から電源の供給をうける発振器３４と、
被測定電気線３６の対地間電圧３８を対地間浮遊容量４
２を利用して分圧する分圧器３２と、上記第一実施形態
の電圧センサからなり、コア４０、コイル３５、発振器
３４、分圧器３２、及び電圧センサのうち第一実施形態
の光学部３３（ａ）は、耐候性のあるケース３９内に収
納されている。一方、電圧センサの発光部６８と信号処
理部ｂは、光学部３３（ａ）を収納したケース３９から
離れたところに設置されており、それらの間の光の伝送
には光ファイバー６６，６７を用いる。又、４１はアー
スである。ここで、上記発振器３４は、制御変調周期電
圧（Ｖ_m＊ｓｉｎ（ω_mｔ））６を発生し、その電圧を
変調用ポッケルス素子４に印加する。また、分圧器３２
は、対地間電圧３８に比例する被測定電圧（Ｖ_S＊ｓｉ
ｎ（ω_Sｔ））５を分圧して検出用ポッケルス素子３に
印加する。信号処理部ｂにより復調された被測定電圧５
は分圧器３２の比例係数を掛けることにより目的の対地
間電圧（Ｖ）３８が計測される。

【００５４】このようにして、被測定電気線３６の対地
間電圧３８を、外部環境の影響を受けずに、ＤＣから高
周波まで正確に検出することができる。

【００５５】〔第四実施形態〕本発明の第四実施形態を
図７を用いて説明する。図７に示すように、第四実施形
態は、上記第二実施形態のＰＭ変調方式電流センサを用
いて電気線３６の線路電流（Ｉ）３７を測定するもので
ある。

【００５６】本実施形態の構成は、コア４０とコイル３
５からなるＣＴを介して被測定電気線３６の線路電流３
７から電源の供給をうける発振器４４と、補助コア４６
と補助コイル４３を介して被測定電気線３６の線路電流
３７に比例する磁界を検出用ファラデー素子２０に印加
するための補助部ｄと、上記第二実施形態の電流センサ
からなり、コア４０、コイル３５、発振器４４、補助部
ｄ、及び電流センサのうち第二実施形態の光学部４５
（ａ）は、耐候性のあるケース３９内に収納されてい
る。一方、電流センサの発光部６８と信号処理部ｂは、
光学部４５（ａ）を収納したケース３９から離れたとこ
ろに設置されており、それらの間の光の伝送には光ファ
イバー６６，６７を用いる。ここで、上記発振器４４
は、制御変調周期電流（Ｉ_m＊ｓｉｎ（ω_mｔ））２３
を発生し、変調用ファラデー素子２１に印加する。ま
た、上記補助部ｄは、被測定電流（Ｉ_S＊ｓｉｎ（ω_S
ｔ））２２（３７）に比例する磁界を検出用ファラデー
素子２０に印加する。信号処理部ｂにより復調された磁
界は補助部ｄの比例係数を掛けることにより目的の線路
電流（Ｉ）３７が測定される。

【００５７】これにより、被測定電気線３６に流れる線
路電流３７を、外部環境の影響を受けずに、ＤＣから高
周波まで正確に検出することができる。

【００５８】〔第五実施形態〕図１０に示すように、前
述の第三実施形態の電圧測定用の光センサと第四実施形
態の電流測定用の光センサとを一体化して電気線３６に
取り付けると、対地間電圧３８と線路電流３７を同時に
測定することができる。すなわち、耐候性のあるケース
３９内に、第１実施形態の電圧センサの光学部３３
（ａ）と、第２実施形態の電流センサの光学部４５
（ａ）と、制御変調周期電圧Ｖ_mを発生する発振器３４
と、制御変調周期電流Ｉ_mを発生する発振器４４と、分
圧器３２と、コイル３５，４３を有するコア４０とを収
納する。更に、このケース３９から離れた位置に発光部
６８’及び信号処理部ｂ’を設置して、これらの間を各
２本の光ファイバー６６，６７によりそれぞれ接続す
る。ここでは、ＣＴのコアを１つとし、このコア４０に
電源供給用のコイル３５と電流検出用のコイル４３を巻
いた構成とし、又、光学部６８’及び信号処理部ｂ’
は、２つの信号を処理できる構成としている。ここで、
発振器３４，４４は、２つの異なる信号を出力できる２
出力タイプの発振器を用いれば、１つに集約可能であ
る。また、光ファイバー６６，６７の代わりに、４芯の
光ファイバーを用いて、１本の多芯光ファイバーで接続
しても勿論よい。また、図１０に示す構成は一例であっ
て、電流測定用に専用のＣＴを用いても良いし、信号処
理部を電圧と電流とで別々に設けてもよい。本実施形態
の光センサを用いて、配電線で対地間電圧と線路電流を
同時に測定することにより、その配電線の地絡、短絡な
どの事故の検査に有効に利用できる。

【００５９】〔第六実施形態〕上記第一実施形態におけ
る検出用ポッケルス素子３と変調用ポッケルス素子４の
うち少なくともいずれか一方を、複数のポッケルス素子
を用いて構成しても、上記と同様の効果が得られる。ま
た、上記第二実施形態における検出用ファラデー素子２
０と変調用ファラデー素子２１のうち少なくともいずれ
か一方を、複数のファラデー素子を用いて構成しても、
上記と同様の効果が得られる。

【００６０】〔第七実施形態〕上記第一実施形態あるい
は第二実施形態において、Ｐ部あるいはＱ部に積分器１
０１を配置し（図１及び図３に点線で示す）、被測定電
圧（Ｖ_S＊ｓｉｎ（ω _Sｔ））５あるいは被測定電流
（Ｉ_S＊ｓｉｎ（ω_Sｔ））２２を時間積分するように
構成する。この場合は、上記各実施形態で説明したよう
な位相変調ではなく、変調された搬送波の周波数変化に
より被測定電圧や被測定電流を正確に検出することがで
きる。つまり、周波数変化（ＦＭ変調）に基づいて被測
定電圧や被測定電流の情報を光センサの出力変化の時間
軸方向に載せることになり、被測定物理量と光センサの
出力変化の強度軸方向に載る外部環境情報とは直交関係
となるため、被測定物理量の情報は外部環境の影響を受
けず、ＤＣから高周波まで被測定物理量の情報を正確に
検出することができる。

【００６１】このように、検出用ポッケルス素子３に被
測定電圧を時間積分した値に比例する電圧を印加し、あ
るいは検出用ファラデー素子２０に被測定電流を時間積
分した値に比例する電流を印加すれば、信号処理部ｂの
復調器ｃはＦＭ復調器１８のみでよく、積分器１９を省
略できる。

【００６２】〔第八実施形態〕上記第一実施形態におい
て、検出用ポッケルス素子３および被測定電圧５と、変
調用ポッケルス素子４および制御変調周期電圧６との位
置を互いに入れ換え、すなわち、光路上の順序を逆にし
た構成でも上記と同様の効果が得られる。また、上記第
二実施形態において、検出用ファラデー素子２０および
被測定電流２２と、変調用ファラデー素子２１および制
御変調周期電流２３との位置を互いに入れ換えても上記
同様の効果が得られる。

【００６３】すなわち、第一実施形態の検出用ポッケル
ス素子３と変調用ポッケルス素子４の光路上での順序、
あるいは第二実施形態の検出用ファラデー素子２０と変
調用ファラデー素子２１の光路上での順序は任意であ
る。

【００６４】〔第九実施形態〕上記第一実施形態の電圧
センサの場合、被測定電圧５が遠隔にある場合とか、第
一の偏光子１あるいは検出用ポッケルス素子３あるいは
変調用ポッケルス素子４あるいは第二の偏光子２を装置
に組み込む場合等において、同一光軸上に第一の偏光子
１、検出用ポッケルス素子３、変調用ポッケルス素子
４、第二の偏光子２を全て配置できない場合には、第一
の偏光子１、検出用ポッケルス素子３、変調用ポッケル
ス素子４、第二の偏光子２のそれぞれの間のうち、距離
が離れたり光軸が異なるところは偏波面保存ファイバー
等の偏波状態を変化させない光伝送路を用いるとよい。
上記第二実施形態の電流センサについても同様のことが
いえる（ポッケルス素子をファラデー素子に置き換えて
読めばよい）。

【００６５】このように、偏波状態を変化させない光伝
送路を用いることにより、被測定物理量が遠隔にある場
合でも、また、物理的な条件から光軸を不一致とせざる
を得ないような場合でも、上記と同様の効果が得られ
る。

【００６６】以上要するに、変調された光の搬送波の時
間軸方向変化すなわち位相変化（ＰＭ変調）あるいは周
波数変化（ＦＭ変調）により被測定電圧や被測定電流等
の物理量を測定すると、従来の強度変調方式の光センサ
で問題となっていた光伝送路を扱う上での基本的問題で
ある光学部品の結合ロスの変化や外部環境による光強度
変化の影響を受けることなく、被測定電圧あるいは被測
定電流を正確に測定することができる。また、被測定物
理量以外の外乱的な情報が位相変化あるいは周波数変化
に混入しないので、従来例に示すような強度変化でＤＣ
近傍の電圧を測定する際に問題となる被測定電圧あるい
は電流とそれ以外の外部影響との識別を考慮する必要が
なくなり、ＤＣからＡＣまで一貫した方法で電圧あるい
は電流を測定することができる。

【００６７】なお、本発明は、上記したいくつかの実施
形態を合わせ有する実施形態も含むものとする。

【００６８】また、上記実施形態では、いずれも光波位
相変調器としてバルク型の素子を用いたが、これに代え
て、例えば光導波路型の素子を用いてもよい。

【００６９】また、上記実施形態のうち、ポッケルス素
子を用いた電圧センサの場合、１つの電気光学結晶表面
上に、第１の光波位相変調器用の電極と第２の光波位相
変調器用の電極とを別々に光軸方向に並べて形成して、
第１の光波位相変調器と第２の光波位相変調器とを一体
化して構成してもよい。この場合は、構成が簡単とな
り、組立時におけるそれら２つの光波位相変調器の光軸
調整も不要となる。

【００７０】また、上記実施形態では、いずれも被測定
物理量として電圧又は電流を用いて説明したが、これに
限らず、被測定物理量が電圧又は電流に変換可能であれ
ば、例えば、音、光等、他の物理量であってもよい。

【００７１】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、外部環境の影響を受けない状態で、ＤＣから高
周波まで被測定物理量の情報を正確に検出することがで
きるという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態におけるＰＭ変調方式電
圧センサの概要図である。

【図２】上記第一実施形態におけるＰＭ変調方式電圧セ
ンサの製品例を示す図である。

【図３】本発明の第二実施形態におけるＰＭ変調方式電
流センサの概要図である。

【図４】本発明の光学部の出力スペクトルの説明図であ
る。

【図５】本発明のＰＭ変調方式を説明するベクトル図で
ある。

【図６】本発明の第三実施形態におけるＰＭ変調方式電
圧センサの概要図である。

【図７】本発明の第四実施形態におけるＰＭ変調方式電
流センサの概要図である。

【図８】従来の電圧測定に利用される強度変調方式電圧
センサの概要図である。

【図９】従来の電流測定に利用される強度変調方式電流
センサの概要図である。

【図１０】本発明の第五実施形態におけるＰＭ変調方式
電圧電流センサの概要図である。

【図１１】本発明の第一実施形態における光学部の入出
力特性を示す図である。

【図１２】本発明の第一実施形態における各部の信号波
形の一例を示す図である。

【図１３】本発明の第一実施形態における各部の信号波
形の一例を示す図である。

【符号の説明】

ａ光学部ｂ信号処理部ｃ復調器１第一の偏光子２第二の偏光子３第一のポッケルス素子（検出用）４第二のポッケルス素子（変調用）５被測定電圧６制御変調周期電圧７光軸１５位相器１６加算器１７Ｏ／Ｅ変換部１８ＦＭ復調器１９積分器２０１ケース２０２フェルール２０３レンズ２０４レンズホルダ２０５割りスリーブ２０６光ファイバー２０８電線内蔵光ファイバーケーブル２０９表示部２１１出射光２１２電線３０１電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学部と、信号処理部とを備え、前記光学部は、光軸上に、光の入射側に配置された第１
の偏光子と、光の出射側に配置され、前記第１の偏光子
に対し偏光方向が実質上平行あるいは垂直方向に設定さ
れる第２の偏光子と、前記第１の偏光子と前記第２の偏
光子との間に配置され、被測定物理量に応じて光波に位
相変調をかける第１の光波位相変調器と、前記第１の偏
光子と前記第２の偏光子との間に、前記第１の光波位相
変調器の位相変調方向に対し位相変調方向が実質上平行
あるいは垂直となるように配置され、前記被測定物理量
の周波数より高い周波数の制御変調物理量に応じて光波
に位相変調をかける第２の光波位相変調器とを有し、前記信号処理部は、前記第２の偏光子からの光出力を電
気信号に変換する光電変換部（以下、Ｏ／Ｅ変換部と記
す）と、前記制御変調物理量の位相をπ×ｎ±π／２ラ
ジアン（ｎ：整数）変化させる位相器と、前記Ｏ／Ｅ変
換部の出力と前記位相器の出力とを加算する加算器と、
その加算器の出力を復調する復調器とを有する、ことを特徴とする光センサ。
【請求項２】光学部と、信号処理部とを備え、前記光学部は、光軸上に、光の入射側に配置された第１
の偏光子と、光の出射側に配置され、前記第１の偏光子
に対し偏光方向が実質上平行あるいは垂直方向に設定さ
れる第２の偏光子と、前記第１の偏光子と前記第２の偏
光子との間に配置され、被測定物理量を時間積分した値
に応じて光波に位相変調をかける第１の光波位相変調器
と、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に、前
記第１の光波位相変調器の位相変調方向に対し位相変調
方向が実質上平行あるいは垂直となるように配置され、
前記被測定物理量の周波数より高い周波数の制御変調物
理量に応じて光波に位相変調をかける第２の光波位相変
調器とを有し、前記信号処理部は、前記第２の偏光子からの光出力を電
気信号に変換するＯ／Ｅ変換部と、前記制御変調物理量
の位相をπ×ｎ±π／２ラジアン（ｎ：整数）変化させ
る位相器と、前記Ｏ／Ｅ変換部の出力と前記位相器の出
力とを加算する加算器と、その加算器の出力を復調する
復調器とを有する、ことを特徴とする光センサ。
【請求項３】前記第１の偏光子、前記第１の光波位相
変調器、前記第２の光波位相変調器、前記第２の偏光子
における相互の間のうち少なくとも一つの間に光の偏波
状態を維持する光伝送路を用いることを特徴とする請求
項１、又は２記載の光センサ。
【請求項４】前記第１の光波位相変調器及び前記第２
の光波位相変調器のうち少なくとも一方の光波位相変調
器が、複数の光波位相変調部からなることを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の光センサ。
【請求項５】前記第１の光波位相変調器及び前記第２
の光波位相変調器は、１つの電気光学結晶上に電極が別
々に形成されて一体化したものであることを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載の光センサ。
【請求項６】被測定電気線から電源を得て、前記制御
変調物理量を得るための信号を発振する発振器と、前記
被測定物理量を得るために前記被測定電気線の対地間電
圧を分圧する分圧器とを更に備えたこと特徴とする請求
項１〜５のいずれかに記載の光センサ。
【請求項７】被測定電気線から電源を得て、前記制御
変調物理量を得るための信号を発振する発振器と、前記
被測定物理量を得るために前記被測定電気線の被測定電
流を得る補助部とを更に備えたことを特徴とする請求項
１〜４のいずれかに記載の光センサ。
【請求項８】前記被測定物理量は被測定電気線の電圧
と電流とであって、その電圧と電流とを同時に測定でき
るように、請求項６の前記光センサと請求項７の前記光
センサとを一体化したことを特徴とする光センサ。