JP3300184B2 - 光ファイバ型計測装置及び計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバのファラデー
効果を利用した電流あるいは磁場を計測する光ファイバ
型計測装置及び計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバのファラデー効果を利用した
電流計測装置としては、たとえばR.I.Laming and D.N.P
ayne; Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, No.
12 (1989)2084 に記載されているものが知られている。
図１２は従来の光ファイバ型電流計測装置の基本構成を
示す図である。通電導体１には電流Ｉが流れている。通
電導体１にはファラデー効果を有する光ファイバ４が巻
付けられている。半導体レーザー光源２から出射された
光は偏光子３で直線偏光に変換されて、光ファイバ４に
送られる。このような光学系により光ファイバ４に送出
された光の偏光面の回転角度の変化により電流を測定す
ることができる。得られた光の電気的処理は以下のとお
り行われている。光ファイバ４から出射された光は検光
子（偏光ビームスプリッタ）５によってｓ波とｐ波に分
離される。検光子５から出射し直進するｐ波はフォトダ
イオード８ａにより光電変換され、他方ｓ波は検光子５
によって直交するように進行しフォトダイオード８ｂに
よって光電変換される。つぎに各フォトダイオードによ
って光電変換された電圧信号Ｉ₁ ，Ｉ₂ は演算処理部５
０に入力され、下記の式のとおり処理される。

【０００３】

【数１】（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ） この式の結果に基づいて光ファイバに発生した光の偏光
角の変化量θを算出し、最終的に電流値を得ることがで
きる。

【０００４】すなわち、通電導体１に電流が流れていな
い状態、すなわちファラデー回転角がゼロの場合の偏光
面の方向（以後これを「基準偏光方位」と呼ぶ）を検光
子５の軸に対して４５度の方向となるように設定し、フ
ァラデー回転角をθと書くと、

【０００５】

【数２】ｓｉｎ２θ＝（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ） という関係が有り、これよりθが計算される。またθ
は、電流をＩ、光ファイバのベルデ定数をＶ、光ファイ
バの通電導体に対する周回数をＮとすれば、

【０００６】

【数３】θ＝ＶＮＩ という関係があり、

【０００７】

【数４】Ｉ＝θ／ＶＮ これより電流Ｉが求まる。θが小さいときはｓｉｎ２θ
＝２θと近似できる。

【０００８】図１３は上記の演算を行なう演算処理部の
回路図である。演算処理部５０はフォトダイオード８
ａ，８ｂから得られた電圧信号を増幅するアンプ５１
ａ，５１ｂと、アンプ５１ａ，５１ｂから得られた電圧
信号の差を得る演算素子５２と、アンプ５１ａ，５１ｂ
から得られた電圧信号の和を得る演算素子５３と、演算
素子５２の出力と演算素子５３の出力の比をとる演算素
子５４とからなる。

【０００９】アンプ５１ａ，５１ｂからそれぞれ出力Ｉ
₁ ，Ｉ₂ が得られる。演算素子５２からは出力（Ｉ₁ −
Ｉ₂ ）、また演算素子５３からは出力（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）が
得られ、演算素子５４によりそれらの比（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）
／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）が出力される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
電流計測装置の光ファイバとしては一般的に石英ガラス
ファイバまたは鉛ガラスファイバが使われている。

【００１１】石英ファイバは光弾性定数が大きくファイ
バの残留応力による複屈折あるいは温度変化などに基づ
く応力誘起複屈折が大きく電流計測の誤差を生じやす
い。そのような複屈折による偏波特性の不安定性を低減
するためにファイバに大きな捩りを与える方法も提案さ
れている。これは光弾性定数の大きいことを利用して捩
れ応力によって偏波面方位の安定性を維持しようという
試みであるが、元来光弾性定数が大きいためファイバの
変形、外部からの応力などによって容易にランダムな複
屈折が発生し、温度変化や振動が加わるなどの環境の変
化に対する安定性が不十分であった。

【００１２】一方、鉛ガラスファイバは光弾性定数が極
めて小さいので応力誘起複屈折による誤差が少なく、環
境変化による応力の影響を受けにくいという利点があ
る。しかし、逆に鉛ガラスファイバでは光弾性定数が極
めて小さいためファイバに捩れを与えるという手段では
基準偏光方位を安定化することができない。また、一度
基準偏光方位を設定しても、通電導体を巻回するファイ
バの幾何学的形状が外部温度の変化や、長期間使用の影
響で変化することにより、初めに設定した方向から変化
することが多々発生する。したがって、図１２の光ファ
イバ４に鉛ガラスファイバを使い、その出力を演算処理
部５０で処理すると、基準偏光方位がファイバの変形や
振動により変動することにより測定値がばらつき、結果
として測定誤差を発生するので、鉛ガラスファイバの長
所が充分に発揮されないという問題点があった。

【００１３】また、図１３に示す演算処理部５０では２
つのフォトダイオード８ａ、８ｂの特性のアンバランス
あるいはアンプ５１ａ、５１ｂの増幅度のアンバランス
によりＩ₁ 、Ｉ₂ が変化するため測定誤差を生ずるとい
う問題点もある。

【００１４】さらに、図示されていないが、検光子５と
フォトダイオード８ａ，８ｂ間に使用される光ファイバ
の伝送損失のアンバランスも誤差を生ずる。本発明はこ
のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は光
電変換素子等の特性のアンバランスによる誤差及び出射
する光の基準偏光方位の変動に基づく誤差を除去し、高
精度の電流あるいは磁場の計測が可能な光ファイバ型計
測装置を提供することである。

【００１５】さらに、本発明の他の目的は、光電変換素
子等の特性のアンバランスによる誤差及び基準偏光方位
の変動に基づく誤差を除去し、高精度の電流あるいは磁
場の計測が可能な光ファイバ型計測方法を提供すること
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、光ファイバから出射された光のファラデ
ー効果による偏光面の変化から電流あるいは磁場の計測
を行う光ファイバ型計測装置において、通電導体あるい
は磁場の周囲に設けられ、光を導光させる鉛ガラス製の
光ファイバと、前記光ファイバの出射光を互いに異なっ
た偏光面を有する第１偏光及び第２偏光に分離する偏光
分離手段と、前記第１偏光及び前記第２偏光を各々第１
偏光電気信号及び第２偏光電気信号に変換する光電気変
換手段と、前記第１偏光電気信号及び前記第２偏光電気
信号を各々第１交流成分、第１直流成分及び第２交流成
分、第２直流成分に分離する分離手段と、前記第１交流
成分と前記第１直流成分との第１成分比、前記第２交流
成分と前記第２直流成分との第２成分比を各々求める除
算手段と、前記第１成分比と前記第２成分比との積を求
める乗算手段と、を有することを特徴とする光ファイバ
型計測装置が、提供される。

【００１７】

【作用】光ファイバに光が導光され、その出射光は電流
あるいは磁場によって偏光面が変化する。その出射光を
偏光分離手段によって、互いに異なった偏光面を有する
第１偏光及び第２偏光に分離し、光電変換手段によって
第１偏光電気信号及び第２偏光電気信号に変換する。そ
して、分離手段によって第１偏光電気信号及び第２偏光
電気信号は第１交流成分、第１直流成分及び第２交流成
分及び第２直流成分に分離される。さらに、除算手段に
より、第１成分比及び第２成分比を求める。

【００１８】それぞれの交流成分と直流成分の成分比を
求めることにより、それぞれの光電変換手段の特性のア
ンバランスによる誤差が除去される。第１偏光及び第２
偏光の伝送路のアンバランスによる誤差も除去される。

【００１９】また、乗算手段で第１成分比と第２成分比
の積を求める。これによって、基準偏光方位の変化によ
る誤差が除去される。そして、光電変換手段の特性のア
ンバランスによる誤差、第１偏光及び第２偏光の伝送路
の特性のアンバランスによる誤差、基準偏光方位の変化
による誤差のない電流あるいは磁場の計測ができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の原理図である。本発明は光学系
と演算処理部からなり、光学系は通電導体１に２回巻い
た鉛ガラスからなる光ファイバ４と、この光ファイバ４
に測定光を供給する半導体レーザー光源２と、半導体レ
ーザー光源２から出射された光を直線偏光にする偏光子
３と、光ファイバ４から出射された光を互いに直交した
偏光面を有する偏光、すなわちｓ成分とｐ成分とに分け
る検光子（偏光ビームスプリッタ）５、検光子５から出
射された測定光を導光する石英ガラスファイバ６，７、
石英ガラスファイバ６，７に導光された光を電圧信号に
変換するフォトダイオード８ａ，８ｂからなる。

【００２１】光ファイバ４は鉛ガラスを素材とするコ
ア、クラッド、オーバークラッドよりなる３層構造光フ
ァイバであり、その組成は以下のとおりである。コアガ
ラス組成（いずれも重量％） ＳｉＯ₂ ：２７．１０％ ＰｂＯ ：７１．１０％ Ｎａ₂ Ｏ： ０．２０％ Ｋ₂ Ｏ ： １．３０％ クラッドガラス組成 ＳｉＯ₂ ：２７．２５％ ＰｂＯ ：７０．９５％ Ｎａ₂ Ｏ： ０．２０％ Ｋ₂ Ｏ ： １．３０％ ここでＳｉＯ₂ とＰｂＯは鉛ガラスの主成分であり、Ｎ
ａ₂ ＯとＫ₂ Ｏはガラス化を促進し、結晶化を抑制する
ことにより、ガラス状態を安定に保つ成分である。 オーバークラッドガラス組成 ＳｉＯ₂ ：２７．２３％ ＰｂＯ ：７０．４２％ Ｎａ₂ Ｏ ： １．３１％ Ｃｒ₂ Ｏ₃ ： ０．０５％ Ｃｕ₂ Ｏ ： １．０１％ ここで、ＳｉＯ₂ とＰｂＯは鉛ガラスの主成分であり、
Ｎａ₂ Ｏはガラス化を促進する成分、Ｃｒ₂ Ｏ₃ とＣｕ
₂ Ｏは光ファイバのクラッドモードを吸収するための吸
収剤である。

【００２２】また、おのおのの直径と屈折率は次の通り
である。 ファイバの比屈折率差は０．１７％、開口数は０．１
１、規格化周波数は２．３５であり、波長８５０ｎｍの
光に対してシングルモード条件を満たしている。ベルデ
定数は波長８５０ｎｍで約０．０４ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍ
であった。

【００２３】以上の構成により半導体レーザー光源２か
ら出射した測定光は偏光子３によって直線偏光に変換さ
れた後光ファイバ４に入射する。光ファイバ４に入射し
た光は通電導体１を取り巻いている部分を通過する電流
の大きさに応じてファラデー効果によって偏光面が回転
し、光ファイバ４から出射される。出射され測定光は検
光子５に入射し、この検光子５によってｓ波とｐ波に分
離される。ｐ波は石英ガラスファイバ６によってフォト
ダイオード８ａに導光され、ｓ波は石英ガラスファイバ
７によってフォトダイオード８ｂに導光される。

【００２４】演算処理部１０は、偏光電気信号を交流及
び直流に分離する分離手段１１ａ，１１ｂ、各々の交流
成分と直流成分の成分比を求める除算手段１２ａ，１２
ｂ、成分比の積を求める乗算手段１３、乗算手段１３の
出力の平方根を求める演算手段１４からなる。

【００２５】フォトダイオード８ａ，８ｂから出力され
た第１偏光電気信号及び第２偏光電気信号は分離手段１
１ａ，１１ｂによって交流成分と直流成分に分離され、
第１交流成分、第１直流成分及び第２交流成分及び第２
直流成分になる。さらに、除算手段１２ａ，１２ｂによ
り、第１交流成分と第１直流成分の比である第１成分比
及び第２交流成分と第２直流成分の比である第２成分比
を求める。そして、乗算手段１３で第１成分比と第２成
分比の積を求める。演算手段１４ではこの積の平方根を
求める。

【００２６】次に、演算処理部１０の動作について定量
的に説明する。図２は基準偏光方位を説明する図であ
る。図に示すように、基準偏光方位Ｅｒは検光子の軸に
対して４５度の角度をなすように設定される。しかし、
これが４５度から角度δだけずれてＥｒａとなると、測
定電流によって引き起こされるファラデー回転角をθと
すれば、フォトダイオード８ａ，８ｂの電圧信号Ｉ₁ ，
Ｉ₂ は

【００２７】

【数５】Ｉ₁ ＝Ａ＊（１＋ｓｉｎ（２θ＋２δ）） Ｉ₂ ＝Ｂ＊（１−ｓｉｎ（２θ＋２δ）） となる。ここでＡ、Ｂはおのおのの偏光成分に対するフ
ォトダイオード８ａ，８ｂの増幅度である。従来の方式
で、Ａ＝Ｂの場合は

【００２８】

【数６】Ｓ≡（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）＝ｓｉｎ
（２θ＋２δ） でありファラデー回転角はδだけずれ誤差を生じる。δ
はファイバ巻回形状の変形やファイバの振動によって変
化し、結果として測定値には、長期間使用した場合のド
リフトによる誤差や、振動によるランダムな誤差が含ま
れてしまう。またＡとＢが異なる場合も誤差を生じる。

【００２９】交流電流を測定する場合、θは交流電流に
したがい時間によって変化するのでθ（ｔ）と記す。こ
のとき、流した電流をｊ（ｔ）＝ｊ₀ ｓｉｎωｔとする
と、これに対応したファラデー回転角は、

【００３０】

【数７】θ（ｔ）＝θ₀ ｓｉｎωｔ であり、ファラデー回転角はωで振動する。ここでＶは
ベルデ定数、Ｎは光ファイバの周回数で、

【００３１】

【数８】θ₀ ＝ＶＮｊ₀ である。

【００３２】図１に戻りフォトダイオード８ａ，８ｂの
電圧信号をＩ₁ ，Ｉ₂ とすると、

【００３３】

【数９】 Ｉ₁ （ｔ）＝Ａ＊（１＋ｓｉｎ（２θ（ｔ）＋２δ）） Ｉ₂ （ｔ）＝Ｂ＊（１−ｓｉｎ（２θ（ｔ）＋２δ）） と表されるが、θ（ｔ）が小さい場合は、

【００３４】

【数１０】 ｓｉｎ（２θ（ｔ）＋２δ） ＝ｓｉｎ２θ（ｔ）・ｃｏｓ２δ＋ｃｏｓ２θ（ｔ）・ｓｉｎ２δ ＝ｓｉｎ２δ＋２θ（ｔ）・ｃｏｓ２δ であるので、

【００３５】

【数１１】Ｉ₁ （ｔ）＝Ａ＊（１＋ｓｉｎ２δ＋２θ
（ｔ）・ｃｏｓ２δ） Ｉ₂ （ｔ）＝Ｂ＊（１−ｓｉｎ２δ−２θ（ｔ）・ｃｏ
ｓ２δ） と近似できる。

【００３６】次に分離手段１１ａ，１１ｂで、Ｉ
₁ （ｔ），Ｉ₂ （ｔ）それぞれを交流成分（２θ
（ｔ），−２θ（ｔ））と直流成分（１＋ｓｉｎ２δ，
１−ｓｉｎ２δ）に分離する。そして、除算手段１２
ａ，１２ｂでそれぞれの交流成分と直流成分の成分比を
求める。それらの成分比を順にＭ₁ （ｔ），Ｍ₂ （ｔ）
と書くと、

【００３７】

【数１２】 Ｍ₁ （ｔ）＝Ａ＊［２θ（ｔ）ｃｏｓ２δ］／Ａ₀ ＊（１＋ｓｉｎ２δ） ＝２θ（ｔ）・［ｃｏｓ２δ／（１＋ｓｉｎ２δ）］ Ｍ₂ （ｔ）＝Ｂ＊［−２θ（ｔ）ｃｏｓ２δ］／Ｂ₀ ＊（１＋ｓｉｎ２δ） ＝−２θ（ｔ）［ｃｏｓ２δ／（１−ｓｉｎ２δ）］ となる。この式から明らかなように増幅度Ａ，Ｂは消去
され、それによる測定誤差はなくなる。

【００３８】そして乗算手段１３でＭ₁ （ｔ），Ｍ
₂ （ｔ）の積を求めると、

【００３９】

【数１３】Ｍ₁ （ｔ）Ｍ₂ （ｔ）＝−［２θ（ｔ）］² となり、Ｍ₁ （ｔ）とＭ₂ （ｔ）の積をとることにより
基準偏光方位のずれδを相殺することができる。さら
に、演算手段１４で乗算手段１３の出力の平方根を求め
ると２θ（ｔ）が得られ、

【００４０】

【数１４】 θ（ｔ）＝θ₀ ｓｉｎωｔ＝ＶＮｊ₀ ｓｉｎωｔ であるので、

【００４１】

【数１５】ｊ（ｔ）＝ｊ・ｓｉｎωｔ＝θ（ｔ）／ＶＮ から電流ｊ（ｔ）を求めることができる。

【００４２】次に、演算処理部１０の具体例について述
べる。図３は第１の演算処理部の回路図である。演算処
理部２０は、フォトダイオード８ａ，８ｂから得られた
電圧信号を増幅するアンプ２１ａ、２１ｂと、アンプ２
１ａ，２１ｂから得られた電圧信号を交流成分と直流成
分とに分離するハイパスフィルタ２２ａ，２２ｂ及びロ
ーパスフィルタ２３ａ，２３ｂと、交流成分と直流成分
の比をとる除算器２４ａ，２４ｂと、除算器２４ａ，２
４ｂの出力の積をとる乗算器２５とからなる。

【００４３】次に、この演算処理部２０の動作を説明す
る。フォトダイオード８ａ，８ｂからの出力はアンプ２
１ａ，２１ｂによって電圧信号Ｉ₁ （ｔ），Ｉ₂ （ｔ）
に増幅される。この信号波形は

【００４４】

【数１６】Ｉ₁ （ｔ）＝Ａ＊（１＋ｓｉｎ２δ＋２θ
（ｔ）・ｃｏｓ２δ） Ｉ₂ （ｔ）＝Ｂ＊（１−ｓｉｎ２δ−２θ（ｔ）・ｃｏ
ｓ２δ） である。ここで、Ａはフォトダイオード８ａの光電変換
効率、アンプ２１ａの増幅度によって決まる定数であ
る。また、Ｂはフォトダイオード８ｂの光電変換効率、
アンプ２１ｂの増幅度によって決まる定数である。

【００４５】ハイパスフィルタ２２ａ，２２ｂの出力は
おのおのＡ＊２θ（ｔ）＊ｃｏｓ２δと−Ｂ＊２θ
（ｔ）＊ｃｏｓ２δである。ローパスフィルタ２３ａ，
２３ｂの出力はおのおのＡ＊（１＋ｓｉｎ２δ）、Ｂ＊
（１−ｓｉｎ２δ）である。除算器２４ａ，２４ｂによ
って交流成分を直流成分で除算し、その出力はおのお
の、

【００４６】

【数１７】Ｍ₁ （ｔ）＝２θ（ｔ）＊ｃｏｓ２δ／（１
＋ｓｉｎ２δ） Ｍ₂ （ｔ）＝−２θ（ｔ）＊ｃｏｓ２δ／（１−ｓｉｎ
２δ） となる。すなわち、フォトダイオード８ａ，８ｂ及びア
ンプ２１ａ，２１ｂによって決まる定数Ａ，Ｂは除去さ
れる。いいかえれば、フォトダイオード８ａ，８ｂ及び
アンプ２１ａ，２１ｂの特性のアンバランスの影響はな
くなる。そして、演算器２５によりＭ₁ （ｔ）とＭ
₂ （ｔ）の積が得られ、これは−［２θ（ｔ）］² に等
しい。

【００４７】

【数１８】 ［２θ（ｔ）］² ＝−Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ） すなわち、基準偏光方位のずれδは消去される。

【００４８】上記の説明では、石英ガラスファイバ６，
７の特性アンバランスの影響については述べていない
が、フォトダイオード８ａ，８ｂ及びアンプ２１ａ，２
１ｂの特性のアンバランスと同様に除去される。

【００４９】Ｍ₁ （ｔ）とＭ₂ （ｔ）の積から電流を測
定する方法を具体的に説明する。Ｍ₁ （ｔ）とＭ
₂ （ｔ）は交流信号であり、正負の値をとる。そしてＭ
₁ （ｔ）とＭ₂ （ｔ）は互いに逆符号、すなわちＭ
₁ （ｔ）が正のときはＭ₂ （ｔ）は負であり、Ｍ
₁ （ｔ）が負のときはＭ₂ （ｔ）は正である。したがっ
て、それらの積Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）は常に負であ
り、

【００５０】

【数１９】 −Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）＝［２θ（ｔ）］² は常に正となる。

【００５１】図４にＭ₁ （ｔ）とＭ₂ （ｔ）と−Ｍ
₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）の信号波形を示した。さて、交流
電流を計測するのに、大別して２つの場合がある。第１
は電流を実効値として計測する場合であり、交流電流は
２乗平均の平方根（root mean square）として正の量で
表現される。

【００５２】第２は交流電流の電流波形そのものを計測
する場合であり、これはたとえば適当な電流／電圧変換
手段を介してオシロスコープで電圧波形を観察するよう
な場合である。

【００５３】第１の実効値を求める場合、−Ｍ₁ （ｔ）
×Ｍ₂ （ｔ）はそのままθ（ｔ）の２乗に比例するの
で、これをたとえば通常の交流電圧計で測定すれば２θ
（ｔ）の２乗平均が得られる。次にこれから演算増幅器
あるいはデジタル計算によって平方根θ_rms を求める
と、

【００５４】

【数２０】θ_rms ＝ＶＮＩ_rms により電流の実効値Ｉ_rms が得られる。

【００５５】次に第２の電流波形を計測する場合を説明
する。交流電流の場合θ（ｔ）は、

【００５６】

【数２１】 θ（ｔ）＝θ₀ ｓｉｎωｔ （ω＝２πｆ） であり、角周波数ωで振動する。したがって、

【００５７】

【数２２】 −(1/4) Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）＝［θ（ｔ）］² ＝θ₀ ² ・［ｓｉｎωｔ］² ＝θ₀ ² ・［（１−ｃｏｓ２ωｔ）／２］ である。ところが、上式からθ（ｔ）に相当する信号波
形を得るのに、−(1/4)Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）の平方
根を、例えば通常の演算増幅器などによって求めても、
θ（ｔ）とは一致しない。その理由は本来のθ（ｔ）は
周波数ｆで正と負が入れ替わるのに対し、［θ（ｔ）］
_rms は常に正の値しかとらないためである。ただし、
［θ（ｔ）］_rms はθ（ｔ）の実効値（２乗平均の平方
根）である。図５にファラデー回転角θ（ｔ）、その２
乗値［θ（ｔ）］² 、実効値［θ（ｔ）］_rms の信号波
形を示す。

【００５８】図５より明らかなとおり、［θ（ｔ）］
_rms では本来のθ（ｔ）の負の位相の部分が信号のゼロ
レベルに対して対称に反転された形で現われてしまう。
したがって、θ（ｔ）の波形を求めるには(1/2) ・［−
Ｍ₁ （ｔ）×Ｍ₂ （ｔ）］^(1/2) の出力波形をθ（ｔ）
と同符号となるような回路を付加する必要がある。

【００５９】図６は出力波形をθ（ｔ）と同符号にする
ための回路を追加した第２の演算処理部の回路図であ
る。すなわち、図６の第２の演算処理部３０は、図３の
第１の演算処理部２０に、演算器２７、平方根演算器２
６、乗算器２８を追加している。 演算器２７は入力が
正のとき＋ｖ（ボルト）、入力が負のとき−ｖ（ボル
ト）を出力する。図６に示した演算処理部３０の動作は
以下のとおりである。

【００６０】除算器２４ａ，２４ｂの出力はそれぞれθ
（ｔ），−θ（ｔ）に比例する。なお、除算器２４ｂの
出力は除算器２４ａの出力と同位相となるように反転さ
れ、θ（ｔ）として出力されるものとする（内部に位相
反転回路を追加する）。

【００６１】乗算器２５ではこれらの積が演算され、
［θ（ｔ）］² に比例した出力が得られる。乗算器２５
の出力はａ［θ（ｔ）］² である。ａは比例係数で乗算
器２５の特性に依存する。

【００６２】平方根演算器２６では乗算器２５の出力の
平方根が得られ、その出力はｂ｜θ（ｔ）｜である。ｂ
は比例係数であり、平方根演算器２６の特性に依存す
る。演算器２７は除算器２４ａの出力の符号により以下
の値を出力する。

【００６３】＋ｖ （θ（ｔ）≧０） −ｖ （θ（ｔ）＜０） 乗算器２８では演算器２７と平方根演算器２６の出力の
積が得られる。したがって、乗算器２８の出力は、 ｃ｜θ（ｔ）｜ （θ（ｔ）≧０） −ｃ｜θ（ｔ）｜ （θ（ｔ）＜０） となる。ただし、ｃは比例係数であり、乗算器２８の特
性に依存する。すなわち、乗算器２８の出力はｃθ
（ｔ）となりθ（ｔ）そのものに比例する。

【００６４】なお、以上の動作をデジタル信号処理によ
って行うことも可能である。例えば、除算器２４ａ，２
４ｂの出力を測定すべき交流電流の周波数よりも速いサ
ンプリングレートでサンプリングし、その後乗算器２
５、平方根演算器２６、演算器２７、乗算器２８の機能
をデジタル信号処理する。

【００６５】さらに、図６の演算処理部３０を全体とし
てデジタル信号処理構成とすることも可能である。この
場合、アンプ２１ａ，２１ｂの次にＡ／Ｄ変換器を設け
て信号をデジタル化し、デジタル信号処理を行う。

【００６６】さらに、第３の演算処理部について述べ
る。図７は第３の演算処理部４０の回路図である。演算
処理部４０では、図３の演算処理部２０と同一の要素に
は同一の符号を付してあり、その説明は省略する。

【００６７】演算処理部４０は、図３の演算処理部２０
から乗算器２５を除き、整流器３１ａ，３１ｂ，３２
ａ，３２ｂ、乗算器３３ａ，３３ｂ、平方根演算器３４
ａ，３４ｂ、減算器３５を追加した構成になっている。

【００６８】したがって、除算器２４ａ，２４ｂの出力
は図３の除算器２４ａ，２４ｂの出力と同じであり、そ
れぞれの交流分と直流分の成分比（Ｍ₁ （ｔ），Ｍ
₂ （ｔ））である。

【００６９】それぞれの成分比はおのおの２つに分けら
れ、整流器３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂを経て乗算
器３３ａ，３３ｂに入力される。除算器２４ａの出力で
整流器３１ａを通るものと、除算器２４ｂの出力の整流
器３１ｂを通る信号は、正の成分であり、乗算器３３ａ
に入力される。

【００７０】一方、除算器２４ａの出力で整流器３２ａ
を通るものと、除算器２４ｂの出力で整流器３２ｂを通
る信号は負の成分であり、乗算器３３ｂに入力される。
乗算器３３ａ，３３ｂはそれぞれ整流器３１ａ，３１ｂ
の出力の積、整流器３２ａ，３２ｂの出力の積を出力す
る。平方根演算器３４ａ，３４ｂは平方根を演算し、そ
れぞれ乗算器３３ａ，３３ｂの出力をその平方根に変換
する。そして、減算器３５で平方根演算器３４ａ，３４
ｂの差をとり、先に述べたファラデー回転角に比例する
出力が得られる。

【００７１】図８に第３の演算処理部の各要素の出力波
形を示す。除算器２４ａ，２４ｂの出力は正負に交番す
る電圧信号である。なおここで除算器２４ｂの出力は除
算器２４ａの出力と同位相となるよう反転させる（内部
に反転回路を設ける）。

【００７２】整流器３１ａ，３１ｂの出力は除算器２４
ａ，２４ｂの信号のうち負の部分が除かれたものであ
る。同様に整流器３２ａ，３２ｂの出力は除算器２４
ａ，２４ｂの信号のうち正の部分が除かれたものであ
る。この結果、乗算器３３ａの出力は除算器２４ａの出
力の正の位相の部分だけが乗算されたもの、また乗算器
３３ｂの出力は除算器２４ａの出力の負の位相の部分だ
けが乗算されたものとなる。

【００７３】これに対応して平方根演算器３４ａ，３４
ｂの出力はそれぞれ正の位相の部分が２θ（ｔ）、負の
位相の部分が−２θ（ｔ）に等しいものになる。そし
て、減算器３５で平方根演算器３４ａの出力から平方根
演算器３４ｂの出力を差し引くことにより全位相範囲で
４θ（ｔ）に等しい出力が得られる。

【００７４】次に実験例について説明する。本発明の演
算処理部の効果を確認する実験を以下のようにして行っ
た。まず、基準偏光方位の変動をシミュレートすること
を目的として図１の検光子５に回転しうる半波長板６０
を付加した。図９にその構造を示す。検光子と鉛ガラス
からなる光ファイバ４との間に、半波長板６０を挿入し
た。半波長板６０は回転式ホルダ（図示せず）に固定さ
れており、光ファイバ４からの出射光の光線を軸として
回転することができる。

【００７５】光ファイバ４から出射した光は半波長板６
０を透過して検光子５に入射する。検光子５では２つの
偏波成分が分けられ、おのおのの偏波成分が石英ガラス
ファイバ６，７に入射する。このとき、半波長板６０を
回転し、向きを変えることにより、光ファイバ４から出
射した光はその偏光面の方位が変化する。すなわち、半
波長板６０の向きを変えることにより検光子に入る偏光
方位が変わり、基準偏光方位の変化をシミュレートでき
る。

【００７６】図１０はファラデー回転角実測値の基準偏
光方位依存性を示す図である。すなわち、半波長板６０
を回転し基準偏光方位を４５°方向から角度δだけ変化
させたときのファラデー回転角を示したものである。

【００７７】このとき通電導体１には実効値２００アン
ペア、周波数５０Ｈｚの交流電流を流した。ファラデー
回転角も実効値で示してある。Ｓ２は図６の演算処理部
３０を用いて計測したファラデー回転角である。また、
Ｓ１は従来の演算処理部５０を用いて計測したファラデ
ー回転角である。すなわち、（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁＋
Ｉ₂ ）という演算によって求められたファラデー回転角
の測定値を示す。

【００７８】なお、図中に本来の真値を破線で示した。
まず、従来の測定値Ｓ１を見ると、δが０度を中心とし
て±５度程度までの範囲で真値に対する誤差が少ない
が、±５度を越えるδに対しては大きく真値から外れて
くる。すなわち、従来法では何らかの原因で基準偏光方
位が変動した場合、誤差が増大する。

【００７９】一方、本発明による測定値Ｓ２は０度を中
心として±２０度程度の広い範囲にわたって真値からの
誤差が極めて小さいことが分かる。すなわち、温度変
化、機械的振動、光学部品の機械的変形を経時変化など
の原因により基準偏光方位が変動した場合にも測定誤差
の少ない高精度な測定が可能であることが分かる。

【００８０】図１０において｜δ｜が大きくなるに従っ
て測定値Ｓ１がわずかに真値より低く出ている。この理
由を詳細に検討した結果、以下の理由が判明した。図６
あるいは図７のフォトダイオード８ａに入る光量は１＋
ｓｉｎ２δに比例し、δが負で大きくなると減少し、δ
＝−４５°ではゼロになる。この結果、図６あるいは図
７の除算器２４ａに入る直流電圧が小さくなるが、直流
電圧は除算における分母であるので、分母がゼロに近づ
くに従って除算器２４ａの誤差が増大する。フォトダイ
オード８ｂについては光量は１−ｓｉｎ２δに比例する
のでδが正で大きくなるときに、除算器２４ｂに入る直
流電圧が低下することになり上述と同様になる。以上の
結果｜δ｜が大きくなるとＳ１の誤差がわずかではある
が増大する。

【００８１】すなわち、このような誤差を低減した、よ
り高精度な測定は、除算器２４ａ，２４ｂに入る直流電
圧が一定の範囲内に入るような増幅率制御回路を演算処
理部に付加することにより達成できる。

【００８２】図１１は上記の増幅率制御回路を付加した
第４の演算処理部の回路図である。図１１に示す演算処
理部４０ａでは、図７の演算処理部４０に対して、増幅
率制御回路として基準電圧設定器４１、比較回路４２
ａ，４２ｂ、利得可変器４３ａ，４３ｂを付加してい
る。

【００８３】フォトダイオード８ａとフォトダイオード
８ｂの経路の回路構成は同じであるので、フォトダイオ
ード８ａの経路の動作について説明する。フォトダイオ
ード８ａの光電流はアンプ２１ａによって増幅され、直
流成分はローパスフィルタ２３ａによって分離され除算
器２４ａに入力される。このとき除算器２４ａに入力さ
れる直流電圧は比較回路４２ａによって基準電圧Ｖ_ref
と比較され、その差にもとづいて利得可変器４３ａを通
してアンプ２１ａの増幅率を制御する。

【００８４】光強度が低下し、除算器２４ａに入る直流
電圧が低下するとアンプ２１ａの増幅率が大きくなり除
算器２４ａに入る直流電圧の大きさは常に一定範囲内に
制御される。

【００８５】フォトダイオード８ｂの経路の動作も全く
同様である。このような利得制御の結果アンプ２１ａと
アンプ２１ｂの増幅率は互いに異なっていてもさしつか
えない。これは除算器２４ａ，２４ｂから得られる交流
分と直流分の比はアンプ２１ａ，２１ｂの増幅率に無関
係であるからである。これに対して、従来の演算方法 （Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ） では、図１３のアンプ５１ａとアンプ５１ｂの増幅率を
互いに異なったものとすることはできず、ここで述べた
ような増幅率制御回路を付加することは逆に大きな測定
誤差を生じさせることになる。上記の実施例で使用した
鉛ガラスファイバは反磁性ガラスであり、ベルデ定数の
温度依存性が極めて小さいので、ファラデー回転角の温
度による変化も本来極めて小さいものである。本発明に
よって、鉛ガラスファイバのこの優れた特長を生かし、
温度に依存しない高精度な測定が実現できる。

【００８６】なお、上記の実施例に使用したファイバの
成分について、さらに実験をした結果、ＳｉＯ₂ の重量
％が５％から３５％、ＰｂＯの重量％が８５％から６５
％の範囲である鉛ガラスから成る光ファイバで良好な結
果が得られた。すなわち、この範囲の組成で小さな光弾
性定数が実現された。

【００８７】また、より小さな光弾性定数を実現するた
めには、ＳｉＯ₂ の重量％が１５％から３０％、ＰｂＯ
の重量％が８０％から７０％の範囲であるものがより好
ましい。

【００８８】なお、上記の実施例では光源として半導体
レーザー光源を使用したが、半導体レーザーに限定され
るものではなく、他の固体レーザー、気体レーザー、ス
ーパールミネッセントダイオード、発光ダイオードなど
光ファイバに光を入射できるものであればよい。光学系
において、基準偏光方位を検光子の軸に対して４５度方
向に調整する機構として、検光子あるいは偏光子を光フ
ァイバに対して回転する機構、あるいは半波長板などの
偏光面回転機構を備えてもよい。

【００８９】また、上記の実施例では、交流電流の計測
装置として説明したが、交流磁場の測定にも適用でき
る。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では光ファ
イバの出力を２つの偏光に分離し、それらをさらに直流
分及び交流分に分離し、交流分と直流分の比をとり、そ
の比を演算するように構成したので、光電変換素子の特
性等のアンバランスによる誤差、基準偏光方位の変化に
よる誤差を除去でき、電流あるいは磁場を正確に測定で
きる。

【００９１】また、光弾性係数の小さい鉛ガラスによっ
て、より基準偏光方位等の変化を低減でき、より正確に
電流あるいは磁場が測定できる。さらに、本発明によれ
ば交流的に振動する直線偏光を高精度で測定することが
できる。したがって、本発明は光ファイバ型計測装置に
限らず、バルクの結晶あるいはガラスブロックのファラ
デー効果を利用した電流あるいは磁場測定装置にも適用
できる。

【００９２】また、電流や磁場の計測に限定されること
なく、交流的に振動する直線偏光の偏波方位を正確に測
定する目的に広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】基準偏光方位を説明する図である。

【図３】第１の演算処理部の回路図である。

【図４】第１成分比と第２成分比およびそれらの積の信
号波形を示す図である。

【図５】ファラデー回転角とその２乗値、および実効値
の信号波形を示す図である。

【図６】第２の演算処理部の回路図である。

【図７】第３の演算処理部の回路図である。

【図８】第３の演算処理部で得られる信号波形を示す図
である。

【図９】半波長板を組み込んだ検光子部の構造を示す図
である。

【図１０】ファラデー回転角実測値の基準偏光方位依存
性を示す図である。

【図１１】増幅率制御回路を追加した第４の演算処理部
の回路図である。

【図１２】従来の光ファイバ型電流計測装置の基本構成
を示す図である。

【図１３】従来の演算処理部の回路図である。

【符号の説明】

１ 通電導体 ２ 半導体レーザー光源 ３ 偏光子 ４ 光ファイバ ５ 検光子 ８ａ，８ｂ フォトダイオード １０ 演算処理部 １１ａ，１１ｂ 分離手段 １２ａ，１２ｂ 除算手段 １３ 乗算手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 俊晴 東京都新宿区中落合２丁目７番５号 ホ ーヤ株式会社内 (72)発明者 黒澤 潔 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社 電力技術研究所内 (72)発明者 吉田 知 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社 電力技術研究所内 (56)参考文献 特開 平５−113471（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 15/24 G01R 33/032 G01R 19/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバから出射された光のファラデ
   ー効果による偏光面の変化から電流あるいは磁場の計測
   を行う光ファイバ型計測装置において、 通電導体あるいは磁場の周囲に設けられ、光を導光させ
   る鉛ガラス製の光ファイバと、 前記光ファイバの出射光を互いに異なった偏光面を有す
   る第１偏光及び第２偏光に分離する偏光分離手段と、 前記第１偏光及び前記第２偏光を各々第１偏光電気信号
   及び第２偏光電気信号に変換する光電気変換手段と、 前記第１偏光電気信号及び前記第２偏光電気信号を各々
   第１交流成分、第１直流成分及び第２交流成分、第２直
   流成分に分離する分離手段と、 前記第１交流成分と前記第１直流成分との第１成分比、
   前記第２交流成分と前記第２直流成分との第２成分比を
   各々求める除算手段と、 前記第１成分比と前記第２成分比との積を求める乗算手
   段と、 を有することを特徴とする光ファイバ型計測装置。
2. 【請求項２】 前記乗算手段の出力の平方根を求める演
   算手段を設けることにより前記電流あるいは前記磁場の
   時間的に変化する値を求めるように構成したことを特徴
   とする請求項１記載の光ファイバ型計測装置。
3. 【請求項３】 前記第１偏光電気信号及び前記第２偏光
   電気信号を増幅する増幅器を設け、前記第１直流成分及
   び前記第２直流成分が一定になるように、前記増幅器の
   増幅率を制御する増幅率制御手段を設けたことを特徴と
   する請求項１記載の光ファイバ型計測装置。
4. 【請求項４】 前記光ファイバはＳｉＯ₂ とＰｂＯを含
   み、前記ＳｉＯ₂ の重量％が５〜３５％、前記ＰｂＯの
   重量％が８５〜６５％である鉛ガラスであることを特徴
   とする請求項１記載の光ファイバ型計測装置。
5. 【請求項５】 光ファイバから出射された光のファラデ
   ー効果による偏光面の変化から電流あるいは磁場の計測
   を行う光ファイバ型計測方法において、 光を導光させる鉛ガラス製の光ファイバを通電導体ある
   いは磁場の周囲に設け、 前記光ファイバの出射光を互いに異なった偏光面を有す
   る第１偏光及び第２偏光に分離し、 前記第１偏光及び前記第２偏光を各々第１偏光電気信号
   及び第２偏光電気信号に変換し、 前記第１偏光電気信号及び前記第２偏光電気信号を各々
   第１交流成分、第１直流成分及び第２交流成分、第２直
   流成分に分離し、 前記第１交流成分と前記第１直流成分との第１成分比、
   前記第２交流成分と前記第２直流成分との第２成分比を
   各々求め、 前記第１成分比と前記第２成分比との積を求め、 電流あるいは磁場を計測することを特徴とする光ファイ
   バ型計測方法。