JP4277851B2 - 電流の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファラデー効果を利用した電流の測定装置に関し、特に、光ファイバセンサを用いる電流の測定装置において、光をセンサの一端側から入射して、他端側で反射させる反射型の電流測定装置の改良技術に関するものである。

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装置が知られており、このような電流の測定装置では、電磁雑音の影響を受けないなどの利点があ
り、例えば、ガス絶縁式の開閉装置内での電流の測定に利用されている。

この種の電流の測定装置のうち、光ファイバセンサを被測定電流が流れている導体の外周に周回させる方式のものがあり、その一例が、例えば、特開平７−２４８３３８号公報、１９９７年発行の技術論文ＩＥＥＥ(PE-494-PWRD-0-01-1977)に開示されている。

この公報や技術論文に開示されている電流の測定装置では、被測定電流が流れている導体を取り巻くように配置された光ファイバセンサの入射端から入射させた直線偏波光を、反対側の端面で反射させることで、直線偏波光を光ファイバセンサ内で往復させて、再び入射端から出射させる構成になっている。

このような反射型の光ファイバセンサを用いる電流の測定装置では、以下の特長が得られる。

（１）曲線の変形に対する偏波の安定性光ファイバセンサに複屈折がない場合、光ファイバセンサの入射端から再出射する光の偏波状態が、光ファイバセンサの曲線変形に依存しなくなる。

（２）ねじれ応力複屈折の変化に対する偏波の安定性ねじれを加えて、光ファィバセンサに円複屈折を付加し、偏波の安定を図った構成においては、円複屈折の大きさに温度依存性があっても、光ファイバセンサの入射端から再出射する光の偏波状態は、温度に依存しなくなる。

（３）ファラデー回転角の拡大光を往復させることにより、ファラデー回転角が２倍に成り、変調度を向上させることができる。

このような特長を有することから、光ファイバセンサへの様々の外乱に対して、安定した特性を持たせることができ、また、変調度の向上により、感度を向上させることができる。

ここでいうところの外乱は、光ファイバセンサの曲線を変形させる力の付加や、光ファイバセンサ材料に応力や歪みを発生させる力の付加である。

しかしながら、本発明者らの検討によると、上記公報などに開示されている反射型光ファイバセンサを用いる電流の測定装置には、以下に説明する技術的な課題があった。

すなわち、上述した公報などに開示されている反射型光ファイバセンサを用いる電流の測定装置では、光ファイバセンサ中に発生したファラデー回転角の読取り装置として、光ファイバセンサの入射端の直前に、半透明鏡で構成したビームスプリッタを設置している。

ところが、ビームスプリッタは、良く知られているように、光の透過と反射とを利用して光を分波するものであって、最適に設計したとしても、原理上、受光素子に入射できる光量が、偏光子を通過した光量の２５％以下になる。

受光素子の入射光量が少なくなると、電流検出のＳＮ比が悪化し、応答速度を速くすることができない、光源に負担がかかり、光源の寿命が短くなる、受光用の電子回路に高級な処理が必要になるなどの問題を惹起する。

また、ビームスプリッタの偏波特性の最適設計（反射率と透過率の最適化，Ｐ偏波とＳ偏波の反射・透過率比の最適化，Ｐ偏波とＳ偏波の反射時の位相の跳びの抑制）が複雑になるとともに、ビームスプリッタに反射膜や反射防止膜を形成するため、製作工程が非常に複雑になる。

さらに、ビームスプリッタは、他の光学部品と正確に光軸を合わせる必要があるので、その取付け部分に精密な構造を必要とするといった問題があった。特に、前述した技術論文に提案されている方法では、ビームスプリッタやハーフミラーでの不安定な透過や反射を４回も繰返すため、このような問題が非常に顕著になる。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、受光素子の入射光量を増加させることができるとともに、構成が簡単になる電流の測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサを周回設置し、前記光ファイバセンサの一端側から入射させた直線偏波光を、前記光ファイバセンサの他端側で反射させた際に、前記被測定電流の磁界で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する電流の測定装置において、前記光ファイバセンサの入射端または反射端のいずれか一方に設置され、前記直線偏波光の偏波面を所定角度だけ回転させる光透過型の磁気飽和性を持つ強磁性ファラデー素子と、前記光ファイバセンサの入射端または前記強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、前記光ファイバセンサからの出射光を分波して受光素子に導く光透過型の偏光分離素子とを備えている。

この構成によれば、光の反射を利用しないでファラデー回転角を読取るので、受光素子側に送出する光量を増加させることができる。

前記強磁性ファラデー素子は、前記直線偏波光に光学的バイアスを印加することができる。

前記強磁性ファラデー素子に、磁気飽和する磁界を印加することができる。

前記光ファイバセンサには、鉛ガラス光ファイバを用いることができる。

前記強磁性ファラデー素子の磁界の印加に永久磁石を用いることができる。前記被測定電流が交流であって、前記偏光分離素子で偏光分離した２つの光を光電変換し、得られた２つの電気信号の変調信号の和を出力とすることができる。

本発明にかかる電流の測定装置によれば、簡単な構成により、受光素子の入射光量を増加させることができるので、電流検出のＳＮ比が悪化や、光源の短命化、さらには、受光用の電子回路の高級化といった問題を回避することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる電流の測定装置の第１実施の形態を示している。

同図に示した電流の測定装置は、被測定電流Ｉ０が流れている導体１０の外周に周回設置された光ファィバセンサ１２を有していて、この光ファイバセンサ１２の一端側から入射させた直線偏波光を、光ファイバセンサ１２の他端側で反射させた際に、被測定電流Ｉ０の磁界で回転する直線偏波光のファラデー回転角を測定することを基本原理としている反射型の電流測定装置である。

光ファイバセンサ１２は、例えば、鉛ガラスファィバで構成された光ファィバ１２ａと、この光ファィバ１２ａの他端側（反射端）に設けられた反射ミラー１２ｂとから構成されている。

光ファイバ１２ａの一端側（入射端）側の光軸上には、第１強磁性ファラデー素子１４が設けられるとともに、この第１強磁性ファラデー素子１４の入射端側には、第１方解石（一軸複屈折光学部品）１６が設けられている。

第１強磁性ファラデー素子１４は、直線偏波光の偏波面を所定角度（２２．５°）回転させる光透過型のものであって、ＹＩＧブロック１４ａと、このブロック１４ａの外周に設置された永久磁石１４ｂとから構成されている。

永久磁石１４ｂの磁界は、磁気飽和させるようになっていて、磁気飽和させた磁界がＹＩＧブロック１４ａに印加されている。

第１方解石１６は、光軸上に入射した直線偏波光をそのまま透過させるとともに、光軸からズレた入射光を複屈折させて出射させるものであり、方解石１６の入射端側には、プリズム１８と、偏波面保持ファィバ２０の一端開口とが配置されている。

プリズム１８の出射端側には、マルチモード光ファイバ２２の一端開口が近接配置されていて、このマルチモード光ファイバ２２の他端開口は、光電変換素子２４の近傍に配置されており、プリズム１８からの出射光が光電変換素子２４に入射するようになっている。

偏波面保持ファイバ２０の他端開口は、第２強磁性ファラデー素子２６の光軸上に配置されている。

第２強磁性ファラデー素子２６は、第１強磁性ファラデー素子１４と同様に、直線偏波光の偏波面を所定角度（４５°）回転させる光透過型のものであって、ＹＩＧブロック２６ａと、このブロック２６ａの外周に設置された永久磁石２６ｂとから構成されている。

第２強磁性ファラデー素子２６の入射端側には、第２方解石２８が設置されている。この第２方解石２８は、第１方解石１６と同じ光学的機能を備えている。第２方解石２８の入射端側には、プリズム３０と、偏波面保持ファィバ３２の一端開口とが配置されている。

プリズム３０の出射端側には、マルチモード光ファイバ３４の一端開口が近接配置されていて、このマルチモード光ファイバ３４の他端開口は、光電変換素子３６の近傍に配置されていて、プリズム３０からの出射光が光電変換素子３６に入射するようになっている。

偏波面保持ファイバ３２の他端開口は、光源３８に接続されている。光源３８から出射される光は、図示省略の偏光子などを透過させることにより、直線偏光の偏波光がファイバ３２に入射する。

なお、図１に符号４０で示した部品は、光電変換素子２４，３６から送出される電気信号を受けて、例えば、変調度の和を求める演算処理を行う電子回路であり、例えば、１９９６年発行の技術論文（電気学会論文誌Ｂ，１１６巻１号，頁９３〜１０３）に詳述されている。

以上のように構成された電流の測定装置では、光源３８から送出された直線偏波光ＬＩＮは、偏波面保持ファイバ３２により、その偏波状態を維持した状態で、第２方解石２８の光軸上に入射し、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第２方解石２８から出射した直線偏波光ＬＩＮが、第２強磁性ファラデー素子２６に入射する。

第２強磁性ファラデー素子２６に入射した直線偏波光ＬＩＮは、これを透過する際に偏波面が４５°回転させられて、偏波面保持ファィバ２０に入射し、この偏波状態を維持して、第１方解石１６の光軸上に入射され、複屈折を起こすことなくこれを透過して、第１方解石１６から出射した直線偏波光ＬＩＮが、第１強磁性ファラデー素子１４に入射する。

第１強磁性ファラデー素子１４に入射した直線偏波光ＬＩＮは、これを透過する際に偏波面がさらに２２．５°回転させられて、光ファイバセンサ１２に入射し、導体１０の外周を廻って、反射ミラー１２ｂで反射した反射光ＬＯＵＴが、再び第１強磁性ファラデー素子１４に入射される。

反射光ＬＯＵＴは、第１強磁性ファラデー素子１４を通過する際に、偏波面が２２．５°回転させられて第１方解石１６に入射する。この結果、方解石１６に入射する反射光ＬＯＵＴは、被測定電流Ｉ０によるファラデー回転角を除くと、これから出射した直線偏波光ＬＩＮの偏波面が合計４５°回転した状態で入射することになる。

このため、反射光ＬＯＵＴは、第１方解石１６を通過する際に、複屈折を起こし、強度が１／２ずつの反射光ＬＯＵＴ１と同反射光ＬＯＵＴ２とに分波させられて出射する。

分波された一方の反射光ＬＯＵＴ１は、プリズム１８およびマルチモード光ファイバ２２を介して、光電変換素子２４に入射し、素子２４で電気信号に変換された出力信号が電子回路４０に入力する。

分波された他方の反射光ＬＯＵＴ２は、偏波面保持ファイバ２０を介して、第２強磁性ファラデー素子２６に入射し、素子２６で再び４５°偏波面が回転させられた状態で第２方解石２８に入射する。

この結果、第２方解石２８に入射する反射光ＬＯＵＴ２は、被測定電流Ｉ０によるファラデー回転角を除くと、これから出射した直線偏波光ＬＩＮの偏波面が合計９０°回転した状態で入射することになる。

このため、反射光ＬＯＵＴ２は、第２方解石２８を通過する際に、複屈折を起こし、その全部がプリズム３０側に向かう。プリズム３０を通過した反射光ＬＯＵＴ２は、マルチモード光ファイバ３４を介して、光電変換素子３６に入射し、素子３６で電気信号に変換された出力信号が電子回路４０に入力される。

その後、光電変換素子２４，３６からの出力信号を受けた電子回路４０で所定の信号処理を行うことにより被測定電流Ｉ０が求められる。

さて、以上のように構成された電流の測定装置によれば、光の反射を利用しないで、光透過型の強磁性ファラデー素子１４，２６と方解石１６，２８との組合せにより、ファラデー回転角を読取るので、受光素子２４，３６側に送出する光量を増加させることができ、原理的には、光源３８の偏光子を透過した直線偏波光ＬＩＮのほぼ１００％の光量を入射させることになる。

また、本実施の形態の第１強磁性ファラデー素子１４は、直線偏波光ＬＩＮに光学的バイアスを印加する機能をも有している。

つまり、直線偏波光ＬＩＮに光学的バイアスを印加する際に、磁界の印加に永久磁石を用いる場合、光ファィバセンサ１２を導体１０に対して、完全に周回させるためには、強磁性ファラデー素子１４のような、ファイバ１２ａよりも大きいベルデ定数を持つファラデー素子を組合せないと、アンペアの周回積分の法則から、光学的バイアスが得られないとの知得に基づいて、このように構成した。

さらに、本実施の形態の場合には、第１および第２強磁性ファラデー素子１４，２６に、素子が磁気飽和する強さの磁界を永久磁石１４ｂ，２６ｂにより印加しているので、外部から永久磁石１４ｂ，２６ｂに磁界が加わっても動作点が変化しない。

また、強磁性ファラデー素子１４，２６のファラデー回転能に温度依存性があっても、２つの信号の変調度の和をシステムの出力とする信号処理を行うことにより、その影響を小さくすることができる。

なお、上記実施の形態では、光ファイバセンサ１２の入射端側に、第１強磁性ファラデー素子１４を配置した場合を例示したが、本発明の実施は、これに限定されることはなく、光ファイバセンサ１２の反射端側に設置しても同様の作用効果が得られる。

また、上記実施の形態で示した方解石１６，２８は、例えば、偏光ビームスプリッタなどの光反射型の光学部品であってもよい。この場合の実施の形態を図２に示している。

図２に示した実施の形態では、図１の実施の形態の方解石１６，２８とプリズム１８，３０との組合せを偏光ビームスプリッタ１７，２９に置き換えている。この構成では、光電変換素子３６に入射する光量を、先行技術論文に開示されている方法よりも大きくすることができる。

また、上記実施の形態で示した偏波面保持ファィバ２０は、第１強磁性ファラデー素子１４部の周囲環境の影響を無視すれば、これを省略することができ、この場合の実施の形態を図３，４に示している。

図３に示した実施の形態が、図１で偏波面保持ファィバ２０を省略した場合であり、図４に示した実施の形態が、図２で偏波面保持ファィバ２０を省略した場合であって、いずれの場合にも、構成部品の点数を少なくすることができる。

本発明にかかる電流の測定装置の第１実施の形態を示す部品配置図である。 本発明にかかる電流の測定装置の第２実施の形態を示す部品配置図である。 本発明にかかる電流の測定装置の第３実施の形態を示す部品配置図である。 本発明にかかる電流の測定装置の第４実施の形態を示す部品配置図である。

符号の説明

１０ 導体
１２ 光ファイバセンサ
１２ａ 光ファイバ
１２ｂ 反射ミラー
１４ 第１強００磁性ファラデー素子
１４ａ ＹＩＧブロック
１４ｂ 永久磁石
１６ 方解石
２６ 第２強磁性ファラデー素子
２８ 第２方解石

Claims (5)

1. 被測定電流が流れている導体の外周に光ファイバセンサを周回設置し、前記光ファイバセンサの一端側から入射させた直線偏波光を、前記光ファイバセンサの他端側で反射させた際に、前記被測定電流の磁界で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する直流電流または交流電流の測定装置において、
   前記光ファイバセンサの反射端に設置され、磁気飽和させる磁界が印加され、前記直線偏波光の偏波面を回転させる光透過型の第１強磁性ファラデー素子と、
   前記光ファイバセンサの入射端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサからの出射光を分波して受光素子に導く光透過型の第１複屈折光学部品と、
   前記第１複屈折光学部品の前端側に設置され、磁気飽和させる磁界が印加され、光源から送出された直線偏波光の偏波面を回転させる光透過型の第２強磁性ファラデー素子と、
   前記第２強磁性ファラデー素子の前端側に設置され、光源から送出された直線偏波光を透過させるとともに、前記光ファイバセンサから出射した後に、前記第１複屈折光学部品を透過した直線偏波光を受光素子に導く光透過型の第２複屈折光学部品と、
   前記複屈折光学部品で分離した２つの光を光電変換し、得られた２つの電気信号の変調信号の和を出力とする電子回路とを有したことを特徴とする電流の測定装置。
2. 前記第１複屈折光学部品と前記第２強磁性ファラデー素子との光の入出射は直接的に行われるか、または前記第１複屈折光学部品の前端側と前記第２強磁性ファラデー素子との間に設置された偏波面保持ファイバによって行われることを特徴とする請求項１記載の電流の測定装置。
3. 前記第１複屈折光学部品、前記第２複屈折光学部品に代えて、光反射型の光学部品とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流の測定装置。
4. 前記光ファイバセンサに鉛ガラス光ファイバを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の電流の測定装置。
5. 前記第１強磁性ファラデー素子、前記第２強磁性ファラデー素子に、これらの素子が磁気飽和する強さの磁界を永久磁石により印加することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の電流の測定装置。

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