JP3314135B2 - 光ファイバ電流センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ中を伝
搬する直線偏光の偏波面がファラデー効果によって回転
する原理を利用した電流センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光の偏波面が磁界の作用により回転する
ファラデー効果を利用した電流の測定方法が知られてい
る。

【０００３】被測定電流が流れている導体の周囲を周回
する光路に光ファイバを用いた光ファイバ電流計測装置
は、例えば、Optics and Laser Technology,Feburary(1
980),pp.25にその原理的構成が示されている。

【０００４】これは図１１に示すようになっており、光
源７１からの光は偏光子７２を通って直線偏光に整形さ
れた後、入射端からセンシングファイバ７３に入射す
る。センシングファイバ７３中を伝搬する直線偏光は導
体７４に流れる電流の作る磁場によるファラデー効果で
偏波面が回転し、センシングファイバ７３の出射端から
出射した光は検光子７５によって２つの直交する偏光成
分に分けられ、各偏光成分の強度が受光素子７６、７７
によって計測され、さらに光信号演算装置７８によって
電流値に換算される。

【０００５】ところでこのような光ファイバ電流センサ
を被測定電流が流れている電流の外周に設置する場合に
は、外部磁界の影響を受けないように導体７４の周囲を
センシングファイバ７３で周回させることが望ましい。
また実用的な電流計測装置では光源７１からの光を偏光
子７２に導く導光ファイバ（入射ファイバ）７９、検光
子７５の光を受光素子７６、７７に導く導光ファイバ
（出射ファイバ）８０も必要で、かつこれらが偏光子７
２、検光子７５、センシングファイバ７３と光学的に接
続されたモジュールを実現する必要がある。

【０００６】そこで、本発明者らは、円環状の枠体を導
体の外周に設置し、この枠体にセンシングファイバを固
定する構造を開発し、平成７年に行われた電気学会全国
大会で発表した（吉田他：平成７年電気学会全大，２８
−３ａ）。

【０００７】図１２には、この学会で発表した光ファイ
バ電流センサのセンシングファイバと偏光子及び検光子
を固定する構造が示されている。同図において、符号８
１で示した部材がセンシングファイバであり、このセン
シングファイバ８１は導体（図示省略）の外周に設置さ
れた円環状の枠体８２の外周に周回するように配置され
ている。

【０００８】取付台８３は、枠体８２の外周側面に一体
的に固設されていて、ホルダを含む偏光子８４と光学箱
８５とが取付台８３に保持されている。偏光子８４は、
センシングファイバ８１に直線偏向光を導くものであっ
て、その出射端側がセンシングファイバ８１の入射端８
１ａに接続されているとともに、偏光子８４の入射端側
には、外部から偏光子８４に光を導く入射ファイバ８６
が配置されている。

【０００９】光学箱８５には偏光面の回転を光の強度に
変換するための検光子やプリズムなどが内蔵されている
とともに、これらの情報が含まれている光信号を外部に
抽出する出射ファイバ８７が接続されている。ところ
が、このような構成のセンシングファイバ８１の固定構
造には、以下に説明する技術的な課題が存在していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上記構成の
センシングファイバ８１の固定構造では、偏光子８４は
ホルダを含めると比較的長く枠体８２の接線方向に延び
ており、また、光学箱８５は、その厚さの中心近傍にセ
ンシングファイバ８１の出射端８１ｂ側の接続部分が設
けられているので、センシングファイバ８１の入、出射
端８１ａ、８１ｂは、枠体８２の外周から浮かして離れ
た位置まで導く必要がある。

【００１１】この場合、取付台８３の周端側の形状を枠
体８２の曲率に倣うように形成することが難しいこと
と、センシングファイバ８１の強度に限界があるので、
これを大きな力で引張りながら配置すると切断するおそ
れがあることに起因して、センシングファイバ８１が、
取付台８３と枠体８２との接続部の近傍や、光学箱８５
から取付台８３に至るまで浮いていた。

【００１２】センシングファイバ８１にこのような浮き
があると、振動などの外力が加わった際にその物理的な
形状が変化し、測定精度が低下するという問題が発生す
る。つまり、この種の光ファイバ電流センサでは、ファ
ラデー効果による偏波面の回転を検出して電流の大きさ
を測定するが、センシングファイバ８１の物理的な形状
が変化した場合にも偏波面が回転し、この回転がファラ
デー効果によるものと、センシングファイバ８１の物理
的な形状変化によるものとの区別が困難なため、誤差の
原因となる。

【００１３】また偏光子８４、検光子を内蔵されている
光学箱８５が枠体８２の外周から径方向外方に飛び出し
ているため、これらが枠体８２そのものの振動に比べ、
より一層振動しやすく、これも測定精度を低める原因と
なっていた。

【００１４】また、センシングファイバの台座を必要と
するため、部品点数が増加するとともに、枠体より迫り
出した部分が多く、センサが大型化していた。

【００１５】本発明の目的は、上述した従来技術の問題
点を解消して、センシングファイバの物理的な形状変化
を防止し、振動の影響を低減することにより、高精度の
電流測定を実現できる小形の光ファイバ電流センサを提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、測定すべ
き電流が流れる導体の周囲に巻回されたセンシングファ
イバと、センシングファイバの入射端に直線偏光を入射
する偏光子部と、センシングファイバの出射端からの出
射光を偏波成分に分離する検光子部とを備えた光ファイ
バ電流センサであって、 上記導体に対してこれと鎖交す
る高剛性の環状の枠体を設け、該枠体に上記検光子部と
上記偏光子部を取り付け、上記センシングファイバを上
記枠体に巻回して固定するとともに、このセンシングフ
ァイバの入出射端を上記検光子部及び上記偏光子部に接
続し、上記環状枠体の中心から測った上記センシングフ
ァイバの入射端と出射端の間の角度差を２πラジアンの
整数倍としたことを特徴とする光ファイバ電流センサで
ある。

【００１７】上述の発明によれば、環状枠体の中心から
測ったセンシングファイバの入射端と出射端の間の角度
差を２πラジアンの整数倍としたものである。このよう
にセンシングファイバの入出射端間の角度差を２πラジ
アンの整数倍としたので、センシングファイバの入出射
端間の相対変位が極めて小さくなり、測定誤差が極めて
小さくなる。

【００１８】また、枠体を高剛性の枠体としたので、枠
体自身の変形が起こりにくく、枠体に巻回したセンシン
グファイバの物理的形状が変化しにくい。また、センシ
ングファイバを枠体に固定したので、ファイバの振幅が
極めて小さくなり、振動によるセンサ出力への影響を低
減することができる。また、第２の発明では、枠体に設
けた切欠部に検光子部と偏光子部を埋設して枠体に固着
したので、センシングファイバの入出射端部の変位を抑
制することができる。更に、センシングファイバを枠体
外周から離れずに検光子部あるい偏光子部に接続したの
で、入出射端の接続部でも枠体からセンシングファイバ
が遊離することがない。

【００１９】第３の発明は、第１の発明ないし第２の発
明において、枠体の外周に溝を形成し、この溝に沿って
センシングファイバを巻回したものである。枠体に形成
した溝に沿ってセンシングファイバを巻回すると、枠体
への密着が容易に行える。

【００２０】第４の発明は、第１の発明ないし第３の発
明において、枠体にファイバの余長を収納固定する余長
収納部を設けたものである。余長収納部を設けた場合に
は、ファイバに過大な張力が加わるのを防止することが
できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００２２】図１に本発明の実施の形態による光ファイ
バ電流センサの全体外観図を示す。４は測定すべき電流
が流れる導体である。２は導体４と鎖交する円環状の枠
体であり、高い剛性をもつ金属、例えばステンレス、ア
ルミニウム合金などの高い剛性をもつ金属、あるいはガ
ラス繊維、セラミック繊維、炭素繊維などで強化した繊
維強化プラスチック等でできている。枠体２の外周にセ
ンシングファイバ１が固定される。１２は検光子部であ
る。なお偏光子部２１は検光子部１２と枠体２の軸方向
に重なる近傍位置に配置されているため図示されていな
い。検光子部１２、偏光子部２１はいずれも枠体２の切
欠部２２、３２に一部埋設されており、図１では検光子
部１２の上部のみが枠体２の外周から飛び出している。
１３はセンシングファイバの余長を収納する余長収納部
である。検光子部１２には２本の出射ファイバ１４ａと
１４ｂ、偏光子部２１には入射ファイバ１５が接続され
ている。

【００２３】図２は偏光子部２１の枠体２への取付構造
を示す断面図である。偏光子部２１は薄膜偏光子素子を
挟んで、センシングファイバ１と入射ファイバ１５が突
き合せ接続され、全体が細い円筒形スリーブに収納され
た密閉構造の光学ユニットである。偏光子部２１を保持
するＶ溝状をした切欠部２２は、センシングファイバ１
が枠体２外周から離れないような深さになるように寸法
が選ばれ、偏光子部２１はこれに保持されるごとく押え
板２３によって強固に固定されている。押え板２３は図
示しないボルトによって枠体２に固定されている。

【００２４】図３は検光子部１２の枠体２への取付構造
を示す断面図である。検光子部１２は内部に検光子素子
として複屈折結晶等を含む直方体の筐体構造であり、セ
ンシングファイバ１と２本の出射ファイバ１４ａ、１４
ｂが接続されている。検光子部１２は枠体２に形成され
た矩形状の切欠部３２に嵌合し、図示しないボルトによ
って枠体２に強固に固定されている。検光子部１２を嵌
合する切欠部３２の寸法は、検光子部１２に接続された
センシングファイバ１が枠体２外周から離れないように
決められている。

【００２５】検光子部１２の検光子素子で分離された偏
光成分は２本の出射ファイバ１４ａ、１４ｂによって受
けられ、それらの光強度信号は受光素子（図示せず）に
よって電気信号に変換され、光信号演算装置（図示せ
ず）によって電流値が算出される。

【００２６】図４は上述した偏光子部２１と検光子部１
２の枠体２への取付構造を枠体２の外周面方向から見た
図である。検光子部１２と偏光子部２１とはセンシング
ファイバ１が丁度一周となるように、その端部が配置さ
れている。すなわち、環状枠体２の中心から測った偏光
子部２１におけるセンシングファイバ１の入射端面と、
検光子部１２内のセンシングファイバ１の出射端面との
角度差は２πラジアンである。この角度差を丁度２πラ
ジアンとするため、偏光子部２１を収納する切欠部２２
と検光子部１２が嵌合される切欠部３２にはそれぞれ外
周方向の移動を許容するだけの長さを設け、これらの配
置を調整した後、固定する構造となっている。

【００２７】センシングファイバ１は直径約０．５ｍｍ
であり、枠体２外周に形成された幅１ｍｍ、深さ１ｍｍ
の溝５３に沿って巻回し、溝５３の間隙にはシリコーン
樹脂が充填され、センシングファイバ１が動かないよう
固定されている。偏光子部２１、検光子部１２の取付構
造により偏光子部２１、検光子部１２の近傍でもセンシ
ングファイバ１は枠体２外周から離れることなく固定さ
れる。

【００２８】また偏光子部２１と検光子部１２を図４に
示すように配置するために、センシングファイバ１を固
定する溝５３は、枠体２外周の一部に段差を設け、枠体
２を一周したとき、センシングファイバ１がその段差に
移行して枠体２外周の異なる位置に戻るように作られて
いる。なお、段差を設ける代りに溝５３を螺旋状に形成
してもよい。

【００２９】上記のようにセンシングファイバ１が丁度
一周となるように検光子部１２と偏光子部２１を配置し
た場合、センシングファイバ１の長さがわずかに枠体２
の外周長より長くなることが起こり得る。この長くなっ
た部分を固定するためにセンシングファイバ１の余長収
納部が設けられる。図５は余長収納部１３の取付状態を
示す概念図であり、センシングファイバ１を納める枠体
２に形成された溝５３に沿って台座５１が枠体２外周面
に取付けられ、台座５１に置かれたセンシングファイバ
１を上蓋５２が挟んで固定する。この固定はボルト５４
によって行う。

【００３０】しかしながら、この余長収納部１３はセン
シングファイバ１の余長が短く溝５３内部に収納できる
場合は当然ながら設ける必要はない。

【００３１】なお、上記の説明ではセンシングファイバ
１が枠体２を一周した場合について説明したが、二周以
上巻回するようにしてもよい。その場合、センシングフ
ァイバの入射端と出射端の間の角度差は２πラジアンの
巻回数倍とする。

【００３２】［発明の実施の態様］本発明の実施の態様
と作用を振動特性の解析によって説明する。

【００３３】光ファイバを伝搬する直線偏光の偏波面方
位の回転量はRoss(J.N.Ross;Optical and Quantum Elec
toronics, 16(1984)455)によって式が与えられている。
それによれば、光ファイバが空間の点ｐと点ｑを曲線ｃ
で結んでいて、点ｐから点ｑへと光が進んだ場合、偏波
面の回転量ΔＦは曲線ｃに沿ったｐからｑへの線積分

【数１】 で表される。

【００３４】ここで、τは曲線ｃの捻れ率、ｓは弧長で
ある。

【００３５】

【数２】 上記の式に従って環状の枠体に巻付けられたファイバの
偏波面の回転を試算する。枠体の外周は円形であるとす
れば、振動による微小変位がないとき、ファイバのなす
曲線は

【数３】 で表わされる。ただしパラメータｕを枠体中心からの角
度θに置き換えた。ａは枠体の半径である。

【００３６】

【数４】 a(cos θ+ δ_x ),a(sin θ+ δ_y ),a δ_Z と表わされる。振幅に相当するδ_x 、δ_y 、δ_z は無次
元の量である。

【００３７】δ_z がゼロの場合、光ファイバの曲線は平
面曲線であり、δ_x 、δ_y がどのような値であろうと
も、捩れはゼロであるので式(2) は常にゼロである。従
って捩れにはδ_z が最も大きな影響を与えるので、δ_x
＝δ_y ＝０の場合を扱う。このとき

【数５】 振動によって引き起こされる変形量はａδ_z などである
が、例えば５０Ｈｚで加速度が１０Ｇという大きな場合
でも、振幅は１ｍｍ程度であり、枠体の半径が数１０ｍ
ｍから１００ｍｍとすれば、δ_x 、δ_y 、δ_z はいずれ
も１０^-2〜１０^-3のオーダの大きさである。

【００３８】δは微小量であり２乗以上の項を省略でき
るが、δの微分は必ずしも微小量であるとは限らない。
しかしもしこれらも微小量である場合は２乗以上の項を
省略でき、以下のような簡単な式が得られる。

【００３９】 ΔF=δ_z ( θ_in)-δ_z ( θ_out )+δ_z ''( θ_in)-δ_z ''( θ_out ) (8) θ_in、θ_out は入射端と出射端の角度である。この場
合、偏波面の回転量は途中の形によらず光の入口と出口
の変位量と２次微係数の差のみで決まる。

【００４０】ｘ成分、ｙ成分にそれぞれδ_x 、δ_y とい
う微小量が加わった場合、τ（θ）の式は非常に複雑に
なるが、それらの３次までの微分が小さいという条件の
下では式(8) は同様に成立することが計算によって導か
れた。従って少なくともセンシングファイバの入射端と
出射端の相対的位置及びその２次微係数が変動しないよ
うにすることが肝要であることが判明した。

【００４１】以上の理論をもとに考察すると、枠体に与
えられた振動がファイバの物理的形状の変化を引き起こ
すプロセスには以下の３点があり、現実の電流センサで
はこれらが複合していると考えることができる。

【００４２】(1) 枠体からセンシングファイバが遊離
し、センシングファイバのみが振動することによってフ
ァイバの物理的形状が変化する。

【００４３】(2) センシングファイバが枠体に十分強固
に固定されていてもファイバの取付台が振動することに
よってセンシングファイバの物理的形状が変化する。

【００４４】(3) センシングファイバが枠体に十分強固
に固定され、且つファイバの取付台の振動が防止されて
いても、枠体自身の変形によってこれに密着したセンシ
ングファイバが枠体と同じ変形を受け、結果としてセン
シングファイバの物理的形状が変化する。

【００４５】以下上記３点について行った実験結果を説
明する。

【００４６】［実験１］枠体から遊離したセンシングフ
ァイバの振動の出力への影響を調べた。

【００４７】図６に実験方法を示す。

【００４８】振動発生機６１から剛性の棒状振動子６２
を延長し、棒状振動子６２の先端に図１２に示した電流
センサの取付台から遊離した部分のセンシングファイバ
６３を載せて、センシングファイバ６３だけを上下方向
に５０Ｈｚで振動させ、光信号演算装置６４の出力波形
をオシロスコープ６５で測定した。同時に振動センサを
棒状振動子６２に接着固定し、振幅を振動測定器６６で
モニタした。６７は光源、１４ａと１４ｂは出射ファイ
バ、１５は入射ファイバである。

【００４９】遊離した部分のセンシングファイバ６３の
長さは約３０ｍｍ、曲率半径は約６０ｍｍであり、その
ほぼ中央を棒状振動子６２とセンシングファイバ６３の
接点とした。

【００５０】光信号演算装置６４は本発明者らの発明
（特開平７−２７０５０５号公報）にしたがい、２つの
受光素子で得られた電気信号を交流分と直流分に分離
し、各々の交流分と直流分の除算信号を求め、次におの
おのの除算信号の差を最終出力として測定した。

【００５１】図７に振幅に対する出力の関係を示す。出
力は振幅に対してほぼ比例関係があった。またその大き
さは振幅０．１ｍｍでは３６０ｍＶであり、この電流セ
ンサの電流感度から換算すると約１３０Ａに相当すると
いう大きなものであった。

【００５２】以上より、センシングファイバの振動は
０．１ｍｍ程度の振幅でも問題となるレベルの大きな影
響があることがわかった。すなわち、センシングファイ
バが空中に遊離したような構造は避けるべきであり、セ
ンシングファイバを枠体に固定することが極めて重要で
あることがわかった。

【００５３】［実験２］センシングファイバの入射端と
出射端の相対変位による出力への影響を調べた。

【００５４】偏光子部をｚ方向に変位させることでセン
シングファイバの入射端のｚ座標を変え、偏波面の回転
を調べる実験を行った。

【００５５】図１２に示すとおり、偏光子８４は取付台
８３の上に乗り、取付台８３はボルト８８によって枠体
８２に固定されている。取付台８３のボルト８８を弛め
取付台８３の下に隙間ゲージを挿入するという方法で偏
光子すなわちセンシングファイバ８１の入射端のｚ軸座
標を変え、そのときの両偏波成分比の変化を調べること
により偏波面の回転角度を計算した。出射端の位置、す
なわち検光子部は固定されている。図８に横軸を入射端
の変位量、縦軸に偏波面の回転角度を示す。この割合は
ｚ軸座標に対して直線的に変化しており、０．１ｍｍ当
たりの偏波面の回転は３．３×１０^-3ラジアンにも及ん
だ。これは該電流センサにおいては１３０Ａに相当する
大きさであった。

【００５６】すなわち式(8) で、第１項だけの寄与を見
れば、偏波面の回転量はファイバの入射端のｚ軸座標に
比例するが、本実験でこの事実が確認され、ファイバの
入射端と出射端の変位を抑制することが重要であること
が分かった。本実験は静的に変位を与えるという実験で
あるが、振動の場合は振幅に対応して出力に振動が現れ
ることになる。

【００５７】本発明ではこの事実に基づき、偏光子部と
検光子部を枠体に埋設し、枠体に強固に固定しているの
で入出力部が変位しにくい。

【００５８】［実験３］センシングファイバが枠体に密
着していても、枠体自身の変形によってこれに密着した
センシングファイバの物理的形状が変化する。このとき
の出力への影響をコンピュータシミュレーションによっ
て調べた。

【００５９】

【数６】 で表わされる。しかし、その外周に密着したファイバは
極めて細いので、中心からの角度θだけで表わすことが
でき、かつその変形は小さいとしてよいので偏波面の回
転量の式として式(7) を用いることができる。このとき
枠体は円環状であるから周期的境界条件によりファイバ
の変位は基本的に三角関数で記述できる。一般には変位
は三角関数で級数展開されるが、ここでは単一モードだ
けが存在する場合について試算した。すなわちｐを自然
数としてδｚ＝εｓｉｎｐθとすれば

【数７】 と表わされる。センシングファイバの入射端と出射端に
ついては、入射端はθ_in＝０とし、出射端は２πラジア
ンの近傍で、θ_out ＝２π×ξ（ξ＝０．９７〜１．
０）の範囲において式(9) をシンプソン公式により計算
した。

【００６０】ε＝１０^-3とε＝１０^-2の場合の結果を、
図９と図１０に示す（ｐが２と３についてプロットす
る）。これらの図よりεあるいはＰが大きいほど偏波面
の回転角度が大きくなることが分かった。さらに重要な
ことには、入射端と出射端の角度差が２πラジアンでは
偏波面の回転量は１×１０^-12 ラジアン以下で、実質的
には数値計算の誤差範囲内でゼロであるが、θ_out ＝２
π×０．９９５と入射端と出射端がわずかに完全周回か
ら離れていると、センシングファイバの入射端と出射端
の相対変位が生じる。これは［実験２］で説明したもの
と同様の状況が起きているものと解釈できる。

【００６１】偏波面の回転量は振幅が大きいか、振動モ
ードが高次であるとき大きくなるが、現実の振動には様
々の振動モードが含まれ、その中にはｐの大きいものも
必然的に含まれ、これを抑制することは困難である。し
たがって、入射端と出射端の角度差を極力２πラジアン
の整数倍に近づけ、かつファイバの振幅が大きくならな
いようにすることが重要であることが判明した。

【００６２】なお δ_z ＝εｃｏｓｐθ と仮定して式(7) にしたがって計算した場合も、全く同
様の結論が得られた。

【００６３】本発明では、枠体外周からセンシングファ
イバが遊離せず枠体に固定されていることにより、ファ
イバの振幅、すなわち式(9) におけるεが極めて小さく
なり、かつセンシングファイバが正確に枠体を２πラジ
アンの整数倍だけ周回するごとく偏光子部と検光子部が
配置されていることにより、センシングファイバの入出
力端の相対変位が極めて小さくなり、上述の［実験３］
で示した原因による測定誤差が極めて小さくなる。

【００６４】以上の解析と実験によれば、本発明の態様
はこれまでに述べたものに限定されることはなく、例え
ば、偏光子部を検光子部に直接固定し、両者の相対変位
をより小さくすることも有効である。

【００６５】また、偏光子部と検光子部を枠体と一体化
する目的でそれらを枠体に溶接固定することも好ましく
用いられる。

【００６６】ファイバを枠体に密着巻回する方法として
は枠体に形成した溝に埋設するのみでなく、例えば、フ
ァイバを帯状の金属などに接着固定し、帯状金属を枠体
外周に固定するごとき方法も採用可能である。

【００６７】ここで用いられるセンシングファイバは石
英ガラスファイバ、鉛ガラスファイバ、プラスチックフ
ァイバなどファラデー効果を有するものであれば全て使
用できる。しかし石英ガラスファイバは光弾性定数が大
きく、温度変化や外部の応力で複屈折が変化しやすいの
で、特公平３−１３１７７号公報に示されているよう
に、光弾性定数の小さい鉛ガラスよりなるセンシングフ
ァイバを使用すれば、複屈折の問題が克服され、より高
い測定精度を実現するのに有利である。

【００６８】以上の通り、本発明は、変電設備、送電設
備におけるガス絶縁開閉器用電流変成器、送電系統の事
故区間検出器など、振動の加わる環境下で用いられる光
電流センサに特に有用である。

【００６９】なお、本発明は、センシングファイバの一
端から光が入射し、センシングファイバの終端で反射し
た光がセンシングファイバ中を戻り、センシングファイ
バから出射する光の偏光状態を計測する方式の、いわゆ
る反射型電流センサにも有効であることもこれまでの説
明によって明らかである。

【００７０】

【実施例】

［実施例１］本発明の電流センサの振動誤差を測定し
た。図１３に実験方法のブロック図を示す。実験は、測
定すべき電流を流さない状態で電流センサに振動を加
え、そのときの光信号演算装置の出力を測定した。

【００７１】ＥＭＩＣ（株）製、振動試験器Ｆ−３００
−ＢＭの加振装置９１に本発明の電流センサ９２を固定
し、５０Ｈｚの周波数の振動を与え、光信号演算装置９
３の出力をデータレコーダ９５とデータアナライザー９
６で計測した。また、電流センサ９２にリオン（株）
製、圧電式振動ピックアップPV-90Bのピックアップ９８
を粘着テープで固定し、その振動を加速度計９４（リオ
ン（株）製、ＶＭ−８０）で測定した。

【００７２】光源９７には波長８５０ｎｍの（株）アン
リツ製、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
を用いた。

【００７３】光信号演算装置９３は本発明者らの発明
（特開平７−２７０５０５号公報）にしたがい、２つの
受光素子で得られた電気信号を交流成分と直流成分に分
離し、おのおのの交流分と直流分の除算信号を求め、次
におのおのの除算信号の差を最終出力とする電子回路で
ある。

【００７４】図１４に５０Ｈｚで、加速度１．０Ｇの振
動を加えたときの光信号演算装置の出力波形を示す。出
力は加えた振動に追随して振動し、その振幅は約１０ｍ
Ｖであった。実際の電流計測では、測定すべき本来の交
流電流値に振動によって生じた振動出力が重畳され、測
定誤差となる。

【００７５】この電流センサの電流感度は約０．３７Ａ
／ｍＶであるので、振動による電流の測定誤差は振幅で
約３．７Ａ、実効値では約２．６Ａであった。

【００７６】この誤差は１０００Ａ以上の交流電流を計
測する変電所などの電流変成器としては十分な精度であ
る。

【００７７】［比較例１］実施例１と同様の方法で、図
１２に示した電流センサの振動誤差を測定した。図１５
に５０Ｈｚで、加速度１．０Ｇの振動を加えたときの光
信号演算装置の出力波形を示す。出力の振幅は約３００
ｍＶであり、実施例１と比べて約３０倍であった。これ
は１００Ａ以上に相当し、１０００Ａ以上の交流電流を
計測する変電所などの電流変成器としても大きすぎる誤
差といわざるを得ない。

【００７８】［実施例２］本発明の電流センサの枠体に
ハンマで打撃を加え、光信号演算装置の出力を測定し
た。振動センサは検光子部に近い枠体上に接着テープで
貼りつけ、ハンマによる打点は、枠体上、検光子部から
約１０ｃｍの位置とした。

【００７９】図１６に加速度計でモニタした加速度波形
（ａ）とその時の光信号演算装置の出力波形（ｂ）を示
す。図１６（ａ）においてハンマによる衝撃は０．０２
秒の位置から始まっている。打撃直後の加速度は最大で
１５Ｇ程度にまで及んだが、これに対応した出力は０．
１Ｖ程度であり、電流感度から計算すると４０Ａ以下で
あった。

【００８０】［比較例２］実施例２と同様の方法で、図
１２に示す電流センサの振動特性を測定した。

【００８１】図１７に加速度計でモニタした加速度波形
（ａ）と、その時の光信号演算装置の出力波形（ｂ）を
示す。打撃直後の加速度は最大で１５Ｇ程度であり、実
施例１と同程度であるが、光信号演算装置の出力波形は
大きく変動し、最大約７Ｖのピークが現れてしまった。
この原因は、衝撃によってファイバの物理的形状が大き
く変形したためと考えられる。

【００８２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、センシ
ングファイバを枠体に密着して巻回するとともに、枠体
外周から離れずに検光子あるいは偏光子に接続するよう
にして、センシングファイバが枠体から遊離しないよう
にしたので、ファイバの振動による測定誤差を低減し、
高精度の電流測定を実現できる。

【００８３】また、枠体に切欠部を形成し、この切欠部
に検光子部と偏光子部を埋設して固着するようにして、
センシングファイバの台座を不要としたので、部品点数
が減少するとともに、枠体より迫り出した部分が少なく
センサを小形化できる。

【００８４】請求項２に記載の発明のように、環状枠体
の中心から測ったセンシングファイバの入射端と出射端
の間の角度差を２πラジアンの整数倍として、センシン
グファイバを完全周回させた場合には、振動による測定
誤差を低減できることに加えて、外部磁場、外部電流の
影響も除くことができ、よりいっそうの高精度の電流測
定が可能である。

【００８５】請求項３に記載の発明によれば、枠体に溝
を形成し、この溝に沿ってセンシングファイバを枠体に
密着して巻回するようにしたので、例えば帯状の金属等
に接着固定し帯状金属等を枠体外周に固定するような場
合に比して、さらに簡単にセンシングファイバを枠体に
密着巻回することができる。

【００８６】請求項４に記載の発明のように、センシン
グファイバの余長収納部を設けた場合には、センシング
ファイバに過大な張力が加わることを防止できるため、
ファイバの切断、破損などの事故を有効に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による電流センサの全体外
観図を示す。

【図２】本実施の形態による偏光子部の枠体への取付構
造を示す断面図である。

【図３】本実施の形態による検光子部の枠体への取付構
造を示す断面図である。

【図４】本実施の形態による偏光子部と検光子部の枠体
への取付構造を枠体の外周面方向から見た図である。

【図５】本実施の形態による余長収納部の取付状態を示
す概念図である。

【図６】枠体から遊離したセンシングファイバの振動の
出力への影響を調べる実験方法を示す説明図である。

【図７】図６における光信号演算装置出力のファイバの
振幅に対する出力の関係を示す図である。

【図８】センシングファイバの入射端の変位量に対する
偏波面の回転角度を示す図である。

【図９】ε＝１０^-3のときのセンシングファイバの入射
端と出射端の角度差に対する偏波面の回転角度を示す図
である。

【図１０】ε＝１０^-2のときのセンシングファイバの入
射端と出射端の角度差に対する偏波面の回転角度を示す
図である。

【図１１】従来例の光ファイバ電流センサの原理的構成
図である。

【図１２】従来例の光ファイバ電流センサのセンシング
ファイバと偏光子及び検光子を固定する構造を示した図
であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。

【図１３】電流センサの振動誤差を測定するための実験
方法を示す説明図である。

【図１４】実施例１において５０Ｈｚで、加速度１．０
Ｇの振動を加えたときの光信号演算装置の出力波形を示
す図である。

【図１５】比較例１において５０Ｈｚで、加速度１．０
Ｇの振動を加えたときの光信号演算装置の出力波形を示
す。

【図１６】実施例２における電流センサの打撃特性を示
し、（ａ）は加速度計でモニタした加速度波形、（ｂ）
はその時の光信号演算装置の出力波形図である。

【図１７】比較例２における電流センサの打撃特性を示
し、（ａ）は加速度計でモニタした加速度波形、（ｂ）
はその時の光信号演算装置の出力波形を示す図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバセンサ ２ 枠体 ３ 余長部 ４ 導体 １２ 検光子部 １５ 入射ファイバ １６ 出射ファイバ ２１ 偏光子部 ２２ 切欠部 ２３ 切欠部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 15/24

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定すべき電流が流れる導体の周囲に巻
   回されたセンシングファイバと、センシングファイバの
   入射端に直線偏光を入射する偏光子部と、センシングフ
   ァイバの出射端からの出射光を偏波成分に分離する検光
   子部とを備えた光ファイバ電流センサであって、 上記導体に対してこれと鎖交する高剛性の環状の枠体を
   設け、該枠体に上記検光子部と上記偏光子部を取り付
   け、上記センシングファイバを上記枠体に巻回して固定
   するとともに、このセンシングファイバの入出射端を上
   記検光子部及び上記偏光子部に接続し、 上記環状枠体の中心から測った上記センシングファイバ
   の入射端と出射端の間の角度差を２πラジアンの整数倍
   としたことを特徴とする光ファイバ電流センサ。
2. 【請求項２】 上記環状の枠体に切欠部を形成し、この
   切欠部に上記検光子部と上記偏光子部を埋設して枠体に
   固着し、上記センシングファイバを上記枠体に巻回して
   固定するとともに、上記枠体外周から離れずに上記検光
   子部及び上記偏光子部に接続したことを特徴とする請求
   項１に記載の光ファイバ電流センサ。
3. 【請求項３】 上記枠体の外周に溝を形成し、この溝に
   沿ってセンシングファイバを巻回したことを特徴とする
   請求項１または２に記載の光ファイバ電流センサ。
4. 【請求項４】 上記枠体にファイバの余長を収納固定す
   る余長収納部を設けたことを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれかに記載の光ファイバ電流センサ。