JP4093676B2 - 光変流器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通過光の偏光面が磁界の強さに比例して回転する性質を備え持つファラデ効果型光センサファイバ（以下単に「センサファイバ」という）を用いて導体に流れる電流を計測する光変流器に関し、特に、光信号の感度調整と調整後のファイバの組立てが容易な光変流器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
センサファイバを用いた光変流器による電流計測技術は、鉄心に巻線が巻かれた従来型の変流器と比べて鉄心の飽和現象がないことや絶縁し易いことなどから小型化が可能となり、また、光変流器によって電気所をトータル的に光制御できる可能性が高まるなどの利点があるため、近時注目を集めているところである。
【０００３】
図４は、従来の光変流器の構成を示す斜視図である。磁性を持たない巻枠１の外周にセンサファイバ２が巻回され、センサファイバ２の入力端２Ａに偏光子３を介して入力用の光ファイバ４が接続され、センサファイバ２の出力端２Ｂに１／２波長板５及び検光子６を介して出力用の光ファイバ７が接続されている。巻枠３の内部に電流が計測される被計測導体（図示せず）が貫通している。
【０００４】
図５は、図４の各素子の接続関係のみに注目して略示したもので、図４に対してレンズ８が追加的に描かれている。図４及び図５において、センサファイバ２は、通過する光の偏光面が磁界の強さに比例して回転する性質を備える鉛ガラス（酸化鉛を多量に含む石英ガラス）や通常の石英ガラスで構成された光ファイバである。ファラデ効果とは、磁界中に置かれた鉛ガラスなどを光が通過する際に、その光の偏光面が回転角度θ＝Ｖ・Ｈ・Ｌだけ回転する現象である。ここで、Ｖはヴェルデ定数、Ｈは光の進行方向の磁界、Ｌが光の行路長である。例えば鉛ガラスでは、酸化鉛を含まない一般の石英ガラスに比べてヴェルデ定数Ｖが約６倍も大きく、磁界Ｈに対する光の偏光面の回転角度θが大きい。但し、入力用の光ファイバ４および出力用の光ファイバ７は、酸化鉛を含まない信号伝送用の石英ガラス製の光ファイバあるいはプラスチックス製の光ファイバである。被計測導体に電流Ｉが流れると、その周囲にその電流Ｉに比例して増減する磁界Ｈが形成される。その状態で入力用の光ファイバ４に入射光Ｐ１を注入すると、偏光子３によってその入射光Ｐ１が一方向に直線偏光された光Ｐとなりセンサファイバ２の入力端２Ａに入る。光Ｐは、センサファイバ２を通過するときに磁界Ｈによってその偏光面が回転角度θだけ回転する。回転角度θだけ傾いた光Ｐは、センサファイバ２の出力端２Ｂに達して１／２波長板５を介して検光子６に注入される。検光子６は、光Ｐのうち通過可能な偏波面方向の光の成分だけを透過させる。この透過成分はレンズ８でもって集光された後、透過光Ｐ２として出力用の光ファイバ７に出射される。被計測導体に電流が流れていないときの透過光Ｐ２の光量に対して、被計測導体の電流が流れたときの透過光Ｐ２の光量の変化分が回転角度θに比例するので、透過光Ｐ２の光量の変化分を求めることによって電流Ｉを知ることができる。透過光Ｐ２の光量の変化分は、図示されていない変換装置によって電気信号に変換されて出力される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の装置には、次に述べるようないくつかの課題が存していた。すなわち、一つには、出力光信号の偏波面方向を制御することが困難であったので、１／２波長板を介して偏波面を任意の位置に調整することにより、通過方向が規定されているブロック状の検光子に光を通し、偏波面を一番感度の良い位置に調整して二つの各偏波成分信号を取り出していた。ところが、この方法では偏波面の回転位置調整用の１／２波長板や、センサファイバから出射された光信号を平行光とするためのレンズならびに光信号を受光用の出力ファイバへ集光するためのレンズなどが必要となり、構成が複雑となって装置価格が高価となる欠点がある。
【０００６】
また、出力端において三つのレンズを使用して平行光へ変換した後に集光する構成となっているため、長期間にわたって光軸を安定に維持することが難しく、したがって安定な光信号を保証することが困難で、長期信頼性の点でさらなる改善策が望まれていた。
【０００７】
さらに、仮に光軸の安定維持が可能な組立てメカニズムを採用した場合でも、光軸合わせのために工数時間がかかり、トータルコストの点で問題があった。
【０００８】
この発明は、センサファイバ組立て時の光出射部の光軸調整を不要にし光軸合わせのための工数時間を大幅に低減させることのできる光変流器を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によれば、通過する光の偏光面が磁界の強さに比例して回転する性質を備え持つファラデ効果型光センサファイバを被計測導体が貫通する巻枠の外周に周回させるとともに前記センサファイバの入力端から出力端へ光を通過させ、当該センサファイバを通過する光の偏光面の回転角度に比例する信号を出力させ、この信号から被計測導体に流れている電流を計測する光変流器において、前記センサファイバの出力側とこの出力を外部に導出するための出力ファイバとの間にフィルム状の検光子を介在させたり、前記センサファイバと前記センサファイバの入力側に位置する入力ファイバとの間にフィルム状の偏光子を介在させる。
【００１０】
かかる構成において、組立て時間の短縮のためにセンサファイバと出力ファイバとを検光子を介してスリーブ接続させることは目的に適っている。
【００１１】
上記した構成において、光信号の感度調整ならびに引き続く組立ては、巻き回された前記センサファイバの位置を、入力端または出力端に対して上下方向に変化させることによって、センサファイバの入力端と出力端の相対位置を変化させることによって良好に行われる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、入力ファイバと出力ファイバとが集まる入出力部を拡大して略示的に示したものである。センサファイバ１０には入力側に入力ファイバ１１、出力側に出力ファイバ１２が結合されるが、入力ファイバ１１はフィルム状偏光子１３を介してセンサファイバ１０と光結合される。また、出力ファイバ１２はフィルム状検光子１４を介してセンサファイバ１０と光結合される。このフィルム状偏光子１３（検光子１４も同じ）としては、たとえば出願人の一員たる東京電力（株）と住友セメント（株）との共同開発で商品化され住友セメント（株）が製造販売する商品名「ラミポール」で知られる偏光子を利用することができる。この偏光子は誘電体膜と金属膜とを交互に積層したもので、入射偏光成分の内、積層方向に対して垂直な成分のみを透過させ、平行成分は内部で吸収するという機能を持っており、その原理説明は特公昭６１−１６９６１号公報に詳しい。この偏光子の面に直角に各ファイバを接着するわけであるが、光結合を簡便に行うためには各ファイバをスリーブによるいわゆるスリーブ接続によって結合するのが良い。
【００１４】
このスリーブ接続の構成を図１によって説明する。入力ファイバ１１とセンサファイバ１０との結合部では、入力ファイバ１１およびセンサファイバ１０の端部の外周に円筒状のファイバ側スリーブ１５Ａおよび１５Ｂがそれぞれ接着その他の手段により固定装着され、このファイバ側スリーブ１５Ａおよび１５Ｂは別の円筒状の結合用スリーブ１５Ｃ内にその両側から嵌挿されて支持される接続構造となっている。また、出力ファイバ１２とセンサファイバ１０との結合部でも、入力ファイバ１１とセンサファイバ１０との結合部と同様の接続構造となっている。なお、ファイバ側スリーブ１５Ａおよび１５Ｂおよび結合用スリーブ１５Ｃの材料としてはステンレスあるいはジルコニア等の金属が適当である。
【００１５】
また、入力ファイバ１１とセンサファイバ１０との結合部では、フィルム状偏光子１３の一方の面が入力ファイバ１１およびセンサファイバ１０のいずれかの側の端面の接着固定されるとともに、フィルム状偏光子１３の他方の面にはその端面が傷つかないようにマッチングオイルが塗布された状態で対向するファイバ側の面と接している。なお、このマッチングオイルがフィルム状偏光子が配される空隙部全体に充填される構成であってもよい。またこのマッチングオイルは全く使わないで、この空隙部が空気で占められる構成でもよい。なお、フィルム状検光子１４の場合も、ファイバ端面との接着およびマッチングオイルの塗布等の構成は上記のフィルム状偏光子１３と同様である。
【００１６】
また、後述の図３で示すように、入力ファイバ１１または出力ファイバ１２を回転させることによって信号感度調整を行う場合には、入力ファイバ１１または出力ファイバ１２のうち、回転させる方のファイバに対応するフィルム状偏光子１３またはフィルム状検光子１４については、入力ファイバ１１または出力ファイバ１２の側の端面に接着しておき、信号感度調整時に、入力ファイバ１１または出力ファイバ１２の回転により、フィルム状偏光子１３またはフィルム状検光子１４がこれに対向するセンサファイバ１０に対して回転するような構成とする。なお、上記のようなファイバの回転による信号感度調整を行う場合には、入力ファイバ１１または出力ファイバ１２のうち、回転させる方のファイバの端部のみファイバ側スリーブ１５Ａと結合用スリーブ１５Ｃとの間を固定しないで、ファイバ側スリーブ１５Ａが結合用スリーブ１５Ｃに対して回転自在の状態としておくとともに、その他の各ファイバの端部のファイバ側スリーブ１５Ａ，１５Ｂは結合用スリーブ１５Ｃと接着、ねじ止めその他の手段により固定しておき、ファイバの回転による信号感度調整後に、回転調整された方のファイバの端部のファイバ側スリーブ１５Ａと結合用スリーブ１５Ｃとを接着、ねじ止めその他の手段により固定するようにするとよい。なお、後述の図２で示すように、センサファイバ１０の位置を上下させることによって信号感度調整を行う場合には、フィルム状偏光子１３およびフィルム状検光子１４はそれぞれどちら側のファイバに接着されていてもよく、また、信号感度調整の前段階でそれぞれの結合用スリーブ１５Ｃにファイバ側スリーブ１５Ａ，１５Ｂの両方が固定される構成とする。
【００１７】
図２及び図３はこの発明による信号感度の調整手段の異なる実施例を示すもので、図２の矢印１６で示すように巻き回されたセンサファイバの位置を上下させたり、あるいは図３の矢印１７で示すように入力ファイバまたは出力ファイバを回転させることによって、信号感度調整と組立てが容易に可能となる。光ファイバを回転させると偏波面が変化することは知られているが、出射偏波の方位がセンサファイバの巻枠への巻きつけ形状に依存することも解明されている（平成６年電気学会全国大会における黒澤潔他の発表になる「鉛ガラスを材料に用いたファラデーセンサファイバの偏波特性」参照）。
【００１８】
【発明の効果】
この発明によれば、従来の厚いブロック状の偏（検）光子の代わりに、フィルム状の偏（検）光子を用いたため、レンズを使用せずに入出力部の構成が可能となり、構成部品の減少に伴ない光軸ずれ発生の可能性も減少し、さらに組立て時に光軸調整が不要もしくは最小限で済ますことができるため、工数削減に伴う大幅なコストダウンが図れるなど、実用に供した場合に得られる効果は多大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例にかかる光変流器の入出力部の接続図
【図２】この発明の実施例に基づく信号感度調整手段の一例の略示構成図
【図３】この発明の実施例に基づく信号感度調整手段の他の一例の略示構成図
【図４】従来の光変流器の構成図
【図５】従来の光変流器の接続状態を示す略示構成図
【符号の説明】
１：巻枠、２，１０：センサファイバ、２Ａ：入力端、２Ｂ：出力端、３：偏光子、４，１１：入力ファイバ
５：１／２波長板、６：検光子、７，１２：出力ファイバ、８：レンズ、１３：フィルム状偏光子、
１４：フィルム状検光子、１５Ａ，１５Ｂ：ファイバ側スリーブ、１５Ｃ：結合用スリーブ

Claims (2)

1. 通過する光の偏光面が磁界の強さに比例して回転する性質を備え持つファラデ効果型光センサファイバを被計測導体が貫通する巻枠の外周に周回させるとともに前記センサファイバの入力端から出力端へ光を通過させ、当該センサファイバを通過する光の偏光面の回転角度に比例する信号を出力させ、この信号から被計測導体に流れている電流を計測する光変流器において、前記センサファイバの出力側とこの出力を外部に導出するための出力ファイバとの間にフィルム状の検光子を介在させ、巻き回された前記センサファイバの位置を、入力端または出力端に対して上下に変化させることにより出力光信号の偏波面を変化させて、光信号の感度調整を行なうことを特徴とする光変流器。
2. 通過する光の偏光面が磁界の強さに比例して回転する性質を備え持つファラデ効果型光センサファイバを被計測導体が貫通する巻枠の外周に周回させるとともに前記センサファイバの入力端から出力端へ光を通過させ、当該センサファイバを通過する光の偏光面の回転角度に比例する信号を出力させ、この信号から被計測導体に流れている電流を計測する光変流器において、前記センサファイバと前記センサファイバの入力側に位置する入力ファイバとの間にフィルム状の偏光子を介在させ、巻き回された前記センサファイバの位置を、入力端または出力端に対して上下に変化させることにより出力光信号の偏波面を変化させて、光信号の感度調整を行なうことを特徴とする光変流器。

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