JP4629391B2 - 温度安定性を備えたセンサコイル及び電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバセンサ装置の分野に関する。本発明は、独立請求項の前提部分に記載のセンサヘッド及び電場または磁場センサに関する。

このタイプのセンサヘッドは、例えば特許文献１から公知である。そこには、毛管内に収容されたセンサファイバを含むセンサヘッドを有する、光ファイバの電流センサが記載されている。センサファイバは、ファイバ保護被覆を有さず、次に熱処理されている。その目的は、望ましくない複屈折による妨害的な影響をもたらす機械的応力を除くためである。このことによって、センサ測定の改良された温度安定性が実現される。毛管内に保護ガスまたはオイルが入れられるのは、湿気または化学的に攻撃的な蒸気が毛管内部に浸入するのを防ぐためである。浸入によって、ファイバ保護被覆を有しないセンサファイバは、化学的に損傷を受けるであろう。

このようなセンサヘッドは、センサヘッドが取付け難く、大きな直径の電流導体中の電流を温度変化に対し安定的に測定するためにはほとんど適切でないという欠点を有する。

従来の技術から、光学ファイバ内での有害な複屈折を抑制する以下の可能性、即ち、“Ｈｉｂｉスパンファイバ”の使用も知られている。“Ｈｉｂｉスパンファイバ”の場合、有害な直線複屈折は、凝固された円複屈折によって抑制される。この場合の欠点は、測定信号が温度で比較的強く変化すること（典型的には１００℃につき数パーセント）である。フリントガラスからなるファイバを使用することもできる。フリントガラスの弾性光学係数が非常に小さいので、外力は、僅かな直線複屈折を引き起こすのみである。しかし、フリントガラスファイバは、石英ガラスファイバと比較して、低い化学的及び機械的な耐性を有する。供給ファイバ、または石英ガラスからなる位相遅延素子との溶融結合（ファイバ・スプライス、溶融スプライス）は不可能である。更に、機械的に捩じられたファイバの使用も知られている。しかし、そのようなファイバのコイルは製造が面倒であり、コイルの長時間信頼性に疑問がある。
欧州特許出願公開第 0856737 A1 号明細書

従って、本発明の課題は、上記の欠点を有さない、明細書導入部に記載されたタイプの電場または磁場センサを提供することである。特に、良好に取付け可能なセンサヘッドを有し、温度に著しく依存しない電流または磁界測定装置を提供することが意図されている。前記センサヘッドは、例えば、大きな横断面を有する電流導体中の電流を測定するため、そのために必要であるセンサコイルの大きな直径での測定を可能にする。

この課題は、独立請求項の特徴を有するセンサヘッド及びセンサによって解決される。

本発明に係る、電場または磁場センサ用の光ファイバのセンサヘッドは、光ファイバと毛管とを備え、前記光ファイバは、磁気光学的にアクティブなセンサファイバ及び少なくとも１つの供給ファイバを有し、両者は光学的に接続されており、前記センサファイバはファイバ保護被覆を有しておらず、前記毛管内には少なくとも前記センサファイバが収容されている。

このセンサヘッドは、センサヘッドをセンサファイバの領域で曲げることが可能であること、及び前記センサファイバと前記毛管の間の摩擦力を低下させるために、毛管内に摩擦低下剤が収容されていることを特徴とする。

このことによって、センサヘッドを容易に取り付けること、それにも拘わらず、センサヘッドによってなされた測定に対する、温度及び曲げによる有害な影響を大幅に除去することが可能となる。前記 EP 0,856,737 A1 号公報から公知であるセンサヘッドの場合には、センサファイバは、その軟化温度で数時間焼鈍されている。このような熱処理によって、センサファイバは硬い状態となる。センサファイバの機械的破壊応力は減じられている。このようなセンサファイバを変形させようとすると、センサファイバが壊れるか、少なくとも、新たな、大きい、望ましくない複屈折がファイバ内に引き起こされる。そのため、熱処理の目的即ちセンサファイバからの複屈折の除去が再度無効にされる。

センサファイバにおける複屈折が望ましくないのは、特に、センサファイバが温度への依存性をまだ有している場合である。何故ならば、複屈折によって、センサファイバ内を伝播する光の、例えば円偏光の状態が保たれず、妨害されるからである。約０．２％より少ない測定誤差を保つためには、複屈折によって引き起こされた位相ずれが、重要な全温度範囲に渡って出来る限り約１０°を越えず、高々僅かな温度だけ変化するほうが良い。複屈折は、センサファイバへの外力の影響によって生じる。

しかし、特に、大きな直径のコイルの場合、センサファイバはそれに対応して大きな曲率半径を有しており、センサファイバ自体の曲率によって引き起こされる複屈折の影響は、以下の望ましくない複屈折の影響よりも大きくないことが明らかになった。後者の複屈折は、センサヘッドを曲げてコイルを形成する際に、毛管と毛管内に収容されたファイバとの間の摩擦力によって引き起こされる複屈折である。曲げによって引き起こされる前者の複屈折は、例えば、コイルの直径が１ｍ、ファイバの直径が８０μｍ及び光波長が８００ｎｍの場合、コイルの１巻きにつき約１．１°である。後者の複屈折は、一方では、非可逆性の温度依存性を示している。それ故に、センサヘッドによって得られた測定信号は、不都合にも、温度に依存している。他方、摩擦力、及び摩擦力によって引き起こされる複屈折が変化するのは、例えば搬送及び取付け用のコイルが開閉されるか、他の方法でコイルの形状が変形される場合である。その結果は、センサの測定感度、および／または、較正の望ましくない変化となる。実際にまた、温度変化の際には、ファイバと毛管の相互配置も変化することがある。このことによって、温度変化の際に、ファイバと毛管の間の相互作用力の故に、センサファイバの複屈折の他の望ましくない変化が生じる。摩擦によるこのような望ましくない複屈折は、摩擦低下剤によって大幅に回避することができる。

センサヘッドが、曲げ可能であって、且つ非常に僅かな複屈折のみを有することによって、センサヘッドを容易に取り付けることが可能になる。例えば、電流導体の中を流れる電流を測定することが意図されるときは、センサファイバを電流導体の回りに設けるために、電流導体が遮断される必要はない。センサヘッドから形成されるコイルの形状寸法も、事前設定されている必要はない。コイルの形状は、用途（電流導体の横断面の寸法形状）に応じて、例えば、円形、楕円形、卵形またはレーストラックのような長円形であってもよい。コイルの１つ、２つまたはそれより多い巻きが製造されても良い。それ故に、センサヘッドは柔軟に測定上の問題に適合可能である。

センサファイバの磁気光学的な活性は、センサファイバが、消失しないヴェルデ定数を有することを意味している。

供給ファイバは、光を導くために及びセンサヘッドを光電子モジュールに光学的に接続するために、用いられる。この光電子モジュールは、光を発生させかつ検出するために及び測定信号を評価するために、用いられる。

センサファイバがファイバ保護被覆を有さないことによって、機械的力により引き起こされる望ましくない複屈折が回避される。ファイバ保護被覆は機械的力をファイバに加え、そのような機械的力は一般的には温度変化の際に生じる。何故ならば、一般的には、ファイバ保護被覆とクラッドとの熱膨張係数が異なっているからである。このような妨害的な複屈折は、典型的には、１乃至２％及びそれより多くの測定誤差をもたらす。

毛管は、ファイバ保護被覆を有しないファイバの機械的保護を担う。

本発明の主題の好ましい実施の形態では、センサファイバは、センサファイバ材料の少なくとも軟化温度では熱処理されない。このことによって、センサファイバは特に可撓性を有する状態に留まる。このことによって、大きな直径のコイル用のセンサヘッドの製造及びセンサヘッドの取付けが著しく平易化される。

他の好ましい実施の形態では、センサファイバは、取り付けられた状態で、少なくとも０．２５ｍの、特に少なくとも０．４ｍまたは少なくとも０．５ｍの曲率半径を有する。このように大きな曲率半径及びこの曲率半径に対応するコイルの直径の場合、センサファイバの曲げによって引き起こされる複屈折は比較的小さい。更に、コイルの直径がこのように大きい場合、非常に大きな横断面を有する導体中の、例えばアルミニウム製造において生じる電流を、測定することができる。

特に好ましい実施の形態の場合、少なくとも１つの供給ファイバの一部分が毛管内に収容される。この実施の形態は、供給ファイバの一部分も毛管によって機械的に保護されるという利点を有する。更に、この実施の形態では、場合によっては少なくとも１つの毛管端部に設けられているホルダまたはそこに設けられている閉鎖手段を、典型的にはセンサファイバに対して機械的に鈍感な供給ファイバに機械的に接続することができる。そのため、ホルダによってまたはセンサファイバに設けられた閉鎖手段によって、有害な複屈折が引き起こされることがない。

好ましくは、毛管及びセンサファイバは実質的に石英ガラスからなる。このことによって、両者は同じ熱膨張係数を有する。更に、ファイバ・スプライスを石英ガラスから製造することも容易である。

他の好ましい実施の形態では、毛管は毛管被覆によって被覆される。このことによって、センサヘッドが頻繁に曲げられたとき毛管の表面に生じるマイクロクラックが防止される。このようなマイクロクラックは毛管の破損をもたらすことがある。

好ましくは、毛管がファイバ保護中空ケーブル内に収容される。ファイバ保護中空ケーブルは、ファイバ及び毛管を外の機械的な影響から保護するために用いられる。

好ましくは、摩擦低下剤は、液体、特にオイル、または粉末である。

好ましい実施の形態では、毛管の両端が閉鎖手段によって閉じられ、毛管内に摩擦低下剤として液体が収容され、温度による摩擦低下剤のボリューム変化を吸収するためにガスが収容される。このようにして、大きな温度範囲に渡って確実に閉じられた毛管が実現される。望ましい温度範囲に渡って、温度による摩擦低下剤の伸びの変化を、毛管内の圧力が事前設定可能な最小圧力を下回らないか、事前設定可能な最大圧力を上回らないように、僅かに圧縮可能なガスによって補償することができる。ガスは、例えば、毛管の一端に形成された只１つのボリューム（１つのコラム）として、あるいは、毛管の一端にそれぞれ設けられた２つのボリューム（複数のコラム）として、あるいは、毛管の軸に沿って区分されているそれより多い個別のボリュームとして設けることができる。好ましくは、特に、混合物つまりエマルジョンも、摩擦低下剤及びガスから形成される。毛管の閉鎖が一般的に利点となるのは、摩擦低下剤が流れ出るか、蒸発するおそれがある場合である。

他の好ましい実施の形態で、摩擦低下剤は、摩擦を低下させる薄膜として、ファイバに、および／または、毛管の内面にある。この場合、より少ない摩擦低下剤が必要とされる。場合により、毛管の閉鎖を省略することができる。層は例えば油膜であってもよいし、ＭｏＳ_２のような乾燥潤滑剤からなる層であってもよいし、あるいは、只１つのまたは少数の分子層からなるナノ技術の潤滑剤であってもよい。

好ましくは、毛管の両端が閉鎖手段としての接着剤によって閉じられる。これによって、センサファイバの保護のため、および／または、摩擦低下剤及び場合によっては毛管に含まれるガスの流出の防止のため、毛管の確実な閉鎖を容易に行うことができる。

毛管を閉鎖するため、毛管の両端にそれぞれ管状の延長部材を取り付けることができる。前記延長部材は、好ましくは、それぞれ第一の部分及び第二の部分を有し、第一の部分はそれぞれ毛管の端部で、毛管または場合によっては毛管被覆を外側で取り囲んでおり、第二の部分は、毛管の各端部から軸方向に突出しており、閉鎖手段は、延長部材の第二の部分に収容される。

好ましい実施の形態によれば、光ファイバは少なくとも１つの位相遅延素子を含み、この位相遅延素子は、センサファイバ及び少なくとも１つの供給ファイバに光学的に接続されており、少なくとも１つの位相遅延素子は、センサファイバと少なくとも１つの供給ファイバとの間に設けられており、少なくとも１つの供給ファイバは、偏光を維持するファイバである。

最後に挙げた好ましい実施の形態の、他の変形形態では、光ファイバは２つの位相遅延素子及び２つの供給ファイバを含み、センサファイバと２つの供給ファイバの各々との間には、それぞれ位相遅延素子が設けられる。このようなセンサヘッドは、サニャク構造での測定のために適切である。

本発明に係る電場または磁場センサは、本発明に係るセンサヘッドを有することを特徴とする。センサの利点はセンサヘッドの利点から明らかである。他の好ましい実施の形態及び利点は、従属請求項及び図面から明らかである。

以下、添付した図面に示されている好ましい実施の形態に基づいて、本発明の主題を詳述する。図面で用いられた参照符号及び参照符号の意味は、まとめられた形で、末尾の参照符号リストにリストアップされている。原則的には、全ての図面に、同一のまたは同一機能の部材には同一の参照符号が付されている。図示した実施の形態は、例えば、本発明の主題を表わしており、限定的な作用を有しない。

図１は、サニャク（Sagnac）構造の、本発明に係る電流センサ１（以下、単にセンサともいう）を略示している。センサ１は光電子モジュール１３及びセンサヘッド２からなる。両者は、２つの、好都合にも偏光を維持する供給ファイバ５によって光学的に接続されている。センサヘッド２の幾つかの詳細部分を除いて、センサ２は、好ましくは、欧州特許出願公開第 EP 1154278 号明細書に記載のように、構成されている。従って、この公開公報のすべての公開内容は、文献の援用により本明細書に組み込まれる。更に、センサは、好ましくは、欧州特許出願公開第 EP 1115000 号明細書または国際出願番号 PCT/CH02/00473（国際出願日２００２年８月２９日）を有するＰＣＴ出願に記載されているように、温度補償されている。従って、これら２つの文献の公開内容は、文献の援用により本明細書に組み込まれる。

これらの公開公報が本明細書に組み込まれたが、センサの原理的な構造及び基本的な機能を、ここで、改めて説明しよう。

光電子モジュール１３は、光源１４、好ましくは超発光ダイオードまたはレーザ閾値より下で活性化されるレーザダイオード及びデポラライザ（Depolarizer）１５を有する。光源１４によって発生されかつデポラライザ１５によって偏光を減らされた光は、ファイバカプラ１６を介して位相変調器１７へ通される。好ましくは、位相変調器１７として、閉じた制御ループ（閉ループ・ジャイロスコープ）で作動される光集積ニオブ酸塩リチウム・位相変調器が用いられる。電流によって引き起こされる位相ずれは、この場合、光電子モジュール１３において再度補償される。このことは、高い測定精度の、大きな変動範囲の、全測定範囲に渡っての非常に良好な直線性の利点を有する。位相変調器１７は同時に偏光器として作用する。

位相変調器１７は、制御線２１を介して信号プロセッサ２０に作用的に接続されており、この信号プロセッサによって、非可逆性の位相変調が達成されるように制御される。信号プロセッサ２０は、信号線１９を介して検出器１８に作用的に接続されている。その目的は、検出された光信号を評価するためである。検出器１８はファイバカプラ１６の第二のアームに光学的に接続されている。好ましくは、光電子モジュール１３の内部で、２つの供給ファイバ５のうちの少なくとも１に、ファイバ・スプライス２２またはプラグコネクタ２２が設けられる。供給ファイバ５は、センサヘッドを取り付けるために、そこで分離され、再び閉じることができる。好ましくは、プラグコネクタ２２の場合に、このプラグコネクタが光電子モジュール１３のハウジング壁部に組み込まれる。

センサヘッド２はセンサファイバ３を含む。このセンサファイバ３の両端は、それぞれ１つの位相遅延素子４によって、それぞれ１つの供給ファイバ５に光学的に接続されている。センサファイバ３は、図示の取り付けられた状態では、図示のように１つまたは２つまたはそれより多い巻きで、コイル状に、電流導体Ｌの回りに配置されている。電流導体Ｌは測定される電流を運ぶ。好ましくは、センサヘッド２によって形成される巻き数は整数である。何故ならば、そのとき、閉じた積分路が達成され、かくて、測定値（電流Ｉ）がコイル内部での電流導体Ｌの位置に依存しないからである。反射形のセンサ１（図２）の場合、位相遅延素子４及びミラー２４が相並んでいる。サニャク・センサ（図１）の場合、２つの位相遅延素子４が相並んでいる。好ましくは、センサファイバ３のクラッド及びコアは石英ガラスからなる。このことは位相遅延素子４及び供給ファイバ５にも当てはまる。好ましくは、センサファイバ３のコアの横断面は円形である。好ましくは、位相遅延素子４及び供給ファイバのコアの横断面は楕円形である。

センサファイバ３及び位相遅延素子４並びに複数の供給ファイバ５のそれぞれ一部分は、毛管６内に収容される。更に、毛管６内には、摩擦低下剤７、例えばシリコーンオイルが収容される。

作動中には、同じ回転方向の円偏光またはほぼ円の偏光を有する、逆方向の２つの光波がセンサファイバ３を通過する。光波には電流Ｉに比例する非可逆性の光学的な位相ずれΔφｓが生じる。この位相ずれは、完全に円偏光された光波の場合、Δφｓ＝２ＶＮＩである。但し、Ｖはセンサファイバ３のヴェルデ定数であり、Ｎはコイルのファイバの巻きの数である。非可逆性の（楕円偏光された）光波の場合は、前記欧州特許出願公開第 EP 1115000 号明細書及び国際出願番号 PCT/CH02/00473（国際出願日２００２年８月２９日）を有する前記ＰＣＴ出願、並びに、Ｋ・ボーナート、Ｐ・ガーブス、Ｊ・ネーリング及びＨ・ブレンドル，『Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor』 Journal of Lightwave Technology 20巻（2），267-276頁，2002年、に記載されている。これらの文献には、楕円偏光の場合のΔφｓに関する、円偏光の場合に対応する値も記されている。

円の（または楕円の）波は、光ファイバの位相遅延素子４によって、供給ファイバ５に伝播する直線偏光された波から発生される。位相遅延素子４は、センサファイバ３を離れる際に、円形の（または楕円形の）波を線形の波に変換する。好ましくは、位相ずれが、光ファイバ・ジャイロスコープとして知られている方法及び対応の光電子装置によって測定される。このためには、Ｒ・Ａ・バーグ、Ｈ・Ｃ・ルフェーヴル及びＨ・Ｊ・ショー，『An overview of fiber-optic gyroscopes』 Journal of Lightwave Technology 2巻（2），91-107頁，1984年、を参照されたい。この雑誌の全ての公開内容は、文献の援用により本明細書に組み込まれる。

センサヘッド２の更なる細部は、図３により詳細に示されている。この詳細を図３との関連で論じる。

図２は、図１に類似した、本発明に係る反射構造の電流センサを略示している。図１に関連して記述されたことが光電子モジュール１３に当てはまる。但し、０°ファイバ・スプライス２２またはプラグコネクタ２２が設けられる必要がないことを除く。何故ならば、センサヘッドは、サニャク構造とは異なり、ループを形成せず、従って、取付のためのファイバを開ける必要性がないからである。位相変調器１７の２つの出力端は、偏光を維持するファイバカプラ２５にまとめられ、２つのファイバブランチのうちの１には９０°ファイバ・スプライス２３が設けられている。９０°ファイバ・スプライス２３は、ファイバカプラ２５が位相変調器１７に接続され、ファイバの一端で速いファイバ軸が偏光方向に平行に整列されており、他端で遅いファイバ軸が偏光方向に平行に整列されているときには、不要である。偏光を維持するファイバカプラ２５の出力端は、供給ファイバ５に光学的に接続されている。供給ファイバ５は、位相遅延素子４を介してセンサファイバ３の一端に光学的に接続される。センサファイバ３の他端は銀メッキされているか、あるいは、ミラー２４を有する。毛管６は、供給ファイバ５の一部分と、位相遅延素子４とセンサファイバ３とを取り囲み、その中に摩擦低下剤７を収容している。

反対の回転方向及び同一の伝播方向を有する２つの円形のまたはほぼ円形の波が、センサヘッド２によって形成されるファイバコイルを通過する。波はセンサファイバ３の銀メッキされた端部即ちミラー２４で反射され、再度コイルを逆方向に通過する。電流Ｉによって引き起こされる全体的な光学的な位相ずれは、ここでは、完全に円偏光された光波の場合、Δφ_Ｒ＝４ＶＮＩである。２つの円形に偏向された光波は、位相遅延素子４によって、２つの互いに直角に直線偏向された光波から発生され、コイルを離れる際に、再度、互いに直角に直線偏向された光波に変換される。好ましくは、位相ずれΔφ_Ｒが、前記欧州特許出願公開第 EP 1154278 号明細書（変形されたジャイロモジュール）から公知である光電子装置によって測定される。その他の点では、図１に関連して記述されたことが当てはまる。

図３は、例えば図１に示した電流センサに用いることができる、本発明に係るサニャク構造のセンサヘッド２を略示している。図１に示すように、２つの供給ファイバ５は、それぞれ、位相遅延素子４を介してセンサファイバ３の各端部に光学的に接続されている。供給ファイバ５それぞれの一部分並びに２つの位相遅延素子４及びセンサファイバ３の全体は、毛管６内に収容されている。簡略にするために、センサヘッド２は、コイルを形成する取り付けられた状態でなく、引き伸ばされ状態で示されている。

好ましくは、供給ファイバ５は、部分的にファイバ保護被覆２６を有する。好ましくは、このファイバ保護被覆は、各々の位相遅延素子４に向いた端部で除去されている。センサファイバ３、及び好ましくは位相遅延素子４は、ファイバ保護被覆を有していない。それ故に、ファイバコアを取り囲むファイバクラッドは、ファイバ保護被覆によって保護されていない。毛管６は、ファイバ（ファイバクラッド及びファイバコア）を機械的に保護すると言う、ファイバ保護被覆の課題を実質的に担う。毛管６によって、ファイバ保護被覆によってよりも著しく良好な機械的な保護が可能である。好ましくは、毛管６は石英ガラスからなる。そのとき、毛管６が石英ガラスファイバと（特にセンサファイバ３と）同じ熱膨張係数を有するので、このことによって、温度変化の影響が最小になる。センサファイバ３は毛管６内に緩く収容されている。

摩擦低下剤７、例えばシリコーンオイルが、ファイバと毛管６の内面との間の中間空間に入れられている。摩擦低下剤７が毛管６から出るのを防止するために、毛管６の両端は閉鎖手段１０によって閉じられている。閉鎖手段１０は、予め製造されたカバーまたはより良くは接着剤１０、特に、紫外光によって硬化可能な接着剤１０であってよい。好ましくは、ファイバが閉鎖手段１０の領域でファイバ保護被覆２６を有する。

接着剤１０と、オイルで湿潤された毛管６の内壁との間の付着が良くないので、好ましくは、図示のように、管状の延長部材１１が、毛管の両端の各々の外側にそれぞれ取リ付けられる。管状の延長部材１１の第一の部分１１ａは毛管の端部を取り囲んでおり、管状の延長部材１１の第二の部分１１ｂは、毛管の端部から軸方向に、典型的には数ミリだけ突出している。接着剤１０は、管状の延長部材１１の第二の部分１１ｂに収容される。当然ながら、追加的に、接着剤１０が毛管６内にあってもよい。好ましくは、焼嵌めスリーブを管状の延長部材１１として用いることができる。好ましくは、焼嵌めスリーブ１１、即ち管状の延長部材が熱で毛管６に焼き嵌めされた後に、接着剤１０が硬化される。

シリコーンオイル７の熱膨張を吸収するため、毛管６にガス１２が収容される。ガス１２としては、例えば乾燥空気または窒素を容易に用いることができる。図３に示すように、空気１２は、毛管６の一端に形成されているエアコラムの形であっても良い。オイルコラムの長さは、好ましくは、センサヘッド２の最も低く定められた運転温度でも、センサファイバ３及び好都合にも位相遅延素子４もなお完全に覆うように、常に選択される。エアコラムの長さは、好ましくは、毛管内の圧力が事前設定可能な最大圧力を上回らないように、選択される。

具体的な数字の例を挙げる。シリコーンオイルの体積膨張係数は約１０^−３／℃である。例えば５ｍのシリコーンオイルの長さは、±５０℃の温度変化の際に、±２５ｃｍだけ変化する。エアコラム内の最大圧力を、例えば０．２ＭＰａ（２ｂａｒ）に限定することが意図される場合には、エアコラムの長さは、開始温度の際に、少なくとも５０ｃｍでなければならない。但し、開始温度の際に大気圧が支配的であることが前提とされる場合である。

好ましくは、毛管６は、その外側の機械的な保護のために毛管被覆８を有する。好ましくは、この毛管被覆がポリアミドからなる。毛管が頻繁に曲げられると、毛管の外面にある損傷（マイクロクラック）が、毛管６の破損をもたらすであろうが、そのような損傷は毛管被覆によって防止される。

毛管６及びファイバの保護のために、毛管６及び供給ファイバ５の少なくとも一部分は、ファイバ保護中空ケーブル９内に収容される。ファイバ保護中空ケーブル９は機械的に頑丈であり、センサヘッド２の残部及び場合によっては供給ファイバ５を、機械的な影響及び損傷に対して保護する。ファイバ保護中空ケーブル９が、光電子モジュール１３から及びこの光電子モジュールまで、センサヘッド２及び供給ファイバ５を被覆する。

図４は、図３に類似の、例えば図２に示したセンサ１に用いることができる、反射構造のセンサヘッド２を略示している。図４の左部分は図３の左部分と同一である。右部分は、センサファイバ３が一端で銀メッキされた端部即ちミラー２４を有することを示している。図４の右部分の閉鎖手段１０は、供給ファイバ５用の開口部を有しない。ファイバ保護中空ケーブル９は、そこに、ファイバ保護中空ケーブル終端部２７を有する。

図４には、ガス１２を、好ましくは、毛管６の各端部に設けられた２つのボリュームの形で収容することができることも示されている。原理的には、ガスを、他の形でも、例えば、毛管６の長さに渡って分配された多数の小さなボリュームの形で、毛管６に分配しても良い。ガス１２及び液状の摩擦低下剤７のエマルジョンの使用も非常に好ましい。このエマルジョンは、一方では均等な摩擦低下を保証し、他方では適切な圧縮性を有する。

液状のまたは粉末状の摩擦低下剤７を、薄膜の形で、毛管の内面に、および／または、ファイバの外面に設けることも可能である。摩擦低下剤７がオイルの場合、例えば、ファイバが毛管６内に入れられたとき、オイルは毛管６を通って流れることができる。それ故に、適切な層（油膜）が残る。摩擦低下剤７が薄膜状である場合、毛管６は一般的には閉じられている必要はない。

摩擦低下剤７がオイルの場合、定められた運転温度範囲では適切な粘性を有する種々のオイルを用いることができる。同様に、摩擦低下剤７としてのグリースの使用も可能である。異なった、好ましくは粉末状の乾燥潤滑剤７（付着防止剤７）、例えば、硫化モリブデン、グラファイト、ニ硫化タングステンを使用することもできる。この場合、乾燥潤滑剤７の粒子は、極小のボールベアリングのような作用をする。ファイバに塗布された只１つの分子層または少数の分子層からなる、新型の、ナノ技術の潤滑剤も考えられる。例えば、ペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）、炭素ナノチューブ（カーボン・ナノ・チューブ、ＣＮＴ）、ヒドロキシルを末端基とするペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ-ＯＨ）などを挙げることができる。乾燥潤滑剤７の場合、毛管６は、場合によっては、閉じられていなくても良い。一般的には、管状の延長部材１１を省略することもできる。何故ならば、多くの接着剤１０が乾燥潤滑剤７に十分に付着して、それ故に、接着剤を毛管６内に直接入れることができるからである。

図５は、１つの巻きを有する、レーストラックのような長円形のコイルを形成するセンサヘッド２を略示している。センサヘッドは、共に測定される直流Ｉを運ぶ６つのバスバーの回りに設けられている。本発明に係るセンサヘッド２は、可撓性を備えた状態で配置することができることから、コイルの全く異なった形状寸法を実現することができる。それ故に、センサヘッド２は大きな変形能力を有しており、測定上の全く異なった問題に適応することができる。

本発明に係るセンサヘッド２の取付けのために、センサヘッドは、センサヘッドが、測定されるべき電流Ｉを有する電流導体Ｌを取り囲み、あるいは、測定される磁界の領域に配置されるように、形成されている。この目的のために、センサヘッド２は、可撓性を備えた状態で、変形され、曲げられてもよい。従って、好ましくは、センサヘッド２は、少なくとも自らのガラス転移温度では熱処理されていない。ファイバ保護被覆による温度依存作用を避けるために、少なくともセンサファイバ２はファイバ保護被覆を有していない。搬送、および／または、取付中にセンサヘッド２及び特にセンサファイバ３を曲げることによって、ファイバと毛管壁部との間に相互作用力が生じる。従って、ファイバが毛管６に付着するとき、このことは、ファイバに複屈折を生じさせる。この複屈折は、ファイバ中を運ばれる光の偏光状態に影響を及ぼし、外乱を発生させる。温度変化の場合でも、このような外乱が発生することがある。

毛管を曲げる際に、毛管壁部の伸張及び圧縮の故に、機械的な力が如何にファイバに伝達されるかの例を、具体的な数字で挙げて説明する。毛管の内径は０．５３ｍｍとする。毛管６は伸ばした状態から円形に曲げられる。このとき、毛管の外壁は、１巻きにつき、π×０．５３ｍｍ＝１．６６ｍｍだけ伸ばされる。円中心に向いた毛管壁部は、同じ数値だけ圧縮される。例えば０．７ｍの円直径（コイルの直径）の場合、このようにして、相対伸張は１．６６ｍｍ／（π×７００ｍｍ）＝０．７６×１０^−３である。８０μｍの直径を有するファイバ（電流センサの使用の場合に典型的である）の場合、このことは、０．２７Ｎの軸方向の引張り応力に対応する。この力がファイバに（ファイバと毛管の間の接触面に）非対称的に作用するので、ファイバには、非対称的な応力場従ってまた望ましくない複屈折が生じる。

センサヘッド２の取付可能性は、センサヘッド２の可撓性によって改善される。何故ならば、コイルは、取付の際に始めて最終的な形を取る必要があり、巻き数及びコイルの寸法及びコイルの形状を外的な状況に適合させることが可能であり、且つ、センサヘッドの製造後に始めて定める必要があり、特に、取付けのために電流導体Ｌの分離が不要だからである。更に、センサ１の（またはセンサコイル２の）較正は取付及び搬送によって変化してはならないからである。達成される測定精度は、典型的には０℃乃至６０℃または−４０℃乃至８５℃の温度範囲に渡って、誤差が０．１％乃至０．２％である。

図６は、図４に示した反射型のコイルを有する、本発明に係る電流センサ１の、標準化された信号Ｓ_Ｎを、０℃と５０℃との間のコイル温度Ｔの関数として示している。センサコイルは約８０ｃｍの直径を有する２巻きを有する。ファラデー効果の温度依存性（従ってセンサファイバ２のヴェルデ定数の温度依存性）は、前記欧州特許出願公開第 EP 1115000 号明細書に記載されている方法に基づいて補償されている。標準化された信号Ｓ_Ｎは、±０．１％以内で、温度に依存していない。このことは、ファイバと毛管内面との間の相互作用に起因する前記妨害作用が、本発明に係る方法で、効果的に抑制されることを示している。従って、非常に温度安定的な測定が可能になる。

ファイバの典型的な直径は約８０μｍであり、毛管の典型的な内径は約３２０μｍまたは５３０μｍであり、毛管の肉厚は約５０μｍである。

毛管６内には、複数のファイバ、特に複数のセンサファイバ３を収容することができる。供給ファイバ５は完全に毛管６の外に配置されていても良い。１つまたは複数の位相遅延素子を毛管内に収容しないことも可能である。

例えば前記 EP 0,856,737 A1 号公報に記載された熱処理されたセンサファイバ３に対して、本発明に係るセンサヘッドは、センサヘッドが大きなコイルの場合でも大きな労苦無しに製造されかつ取り扱うことができるという利点を有する。１メートルまたはそれより多い直径を有するコイルの熱処理のためには、実行不可能に大きな炉が必要となるであろう。このように大きなコイルの搬送は、非常に手間がかかる。

エンジンオイルまたは作動オイルまたはグリースのような他のオイルも摩擦低下剤７として使用可能である。

当然ながら、本発明に係るセンサヘッド２は、偏光を維持する供給ファイバ５及び位相遅延素子４を有する上記複数のセンサとのみ用いられる訳ではない。好ましくは、本発明に係るセンサヘッド２を用いることができる他の可能なセンサタイプの例として、ここでは、３×３カップラーを有するサニャク・センサを挙げておこう。このサニャク・センサは、例えば、Ｊ・Ｈ・ヘイウッド等，『Application on the NIMI Technique to the 3×3 Sagnac Fibre Current Sensor-Experimental Results』 第１５回光学ファイバセンサ会議，2002年5月6-10日，米国オレゴン州ポートランド，Technical Digest，553-556頁，または、Ｋ・Ｂ・ロッチフォード等著，『Polarization dependence of response functions in 3×3 Sagnac optical current sensors』 Journal of Lightwave Technology 12, 1504-1509, 1994年、に記載されている。Ｊ・Ｈ・ヘイウッド等の刊行物には、センサファイバ３として、“ＨｉＢｉスパンファイバ”が挙げられている。しかし、このファイバは、コアの丸い横断面を有する”Ｌｏｗ Ｂｉファイバ”と代替することができる。Ｋ・Ｂ・ロッチフォード等の刊行物には、熱処理されたセンサファイバ３が挙げられている。しかし、このセンサファイバも熱処理されないファイバと代替することができる。３×３カップラーを有するサニャク・センサの場合、供給ファイバ５として、偏光を保たない（好ましくはコアの丸い横断面を有する）ファイバを用いることができる。ここで、センサヘッド２は位相遅延素子４を有する必要はない。

更に、好ましくは、本発明に係るセンサヘッド２を用いることが可能なセンサタイプの他の例として、偏光測定センサを挙げておく。このセンサは、例えば、Ａ・パップ，Ｈ・ハームズ，『Magneto-optical current transformer. 1:Principles』 Applied Optics, 19, 3729-3734, 1980年、または、Ａ・Ｊ・ロジャーズ等，『Vibration immunity for optical fibre current measurement』 第１０回光学ファイバセンサ会議，グラスゴー，1994年10月11-13日；Ｂ・カルショー、Ｊ・ジョウンズ編者、ＳＰＩＥ会報 2360, 40-44頁、1994年、に記載されている。偏光測定センサの場合、センサファイバ３の両端には、それぞれ偏光器が設けられており、これらの偏光器は、磁界が消失する際に、互いに４５°で整列されている。典型的には、センサファイバ３と２つの供給ファイバ５，５´の各々との間には、それぞれ偏光器が設けられている。好ましくは、供給ファイバがコアの丸い横断面を有する。Ａ・ラップ及びＨ・ハームズの刊行物に記載されているセンサの場合、センサファイバ３は、同時に供給ファイバでもある。

サニャク構造を備えた本発明に係る電流センサを示している。 反射構造を備えた本発明に係る電流センサを示している。 サニャク構造を備えた本発明に係るセンサヘッドを示している。 反射構造を備えた本発明に係るセンサヘッドを示している。 反射構造を備え、１巻きを有する、レーストラックのような長円形のコイル形状の本発明に係るセンサヘッドを示している。 本発明に係る温度補償された電流センサの、測定された温度依存性を示している。

符号の説明

１・・・電流センサ、２・・・センサヘッド、３・・・センサファイバ、４・・・位相遅延素子、５・・・供給ファイバ、６・・・毛管、７・・・摩擦低下剤／オイル、８・・・毛管被覆、９・・・ファイバ保護中空ケーブル、１０・・・閉鎖手段／接着剤、１１・・・管状の延長部材、１１ａ・・・管状の延長部材の第一の部分、１１ｂ・・・管状の延長部材の第二の部分、１２・・・ガス／空気、１３・・・光電子モジュール、１４・・・光源／レーザ、超発光ダイオード、１５・・・デポラライザ、１６・・・ファイバカプラ、１７・・・位相変調器、１８・・・検出器／フォトダイオード、１９・・・信号線、２０・・・信号プロセッサ、２１・・・制御線、２２・・・０°ファイバ・スプライスまたはプラグコネクタ、２３・・・９０°スプライス、２４・・・ミラー／銀メッキされた端部、２５・・・偏光を維持するファイバカプラ、２６・・・供給ケーブルのファイバ保護被覆、２７・・・ファイバ保護中空ケーブルの閉鎖手段、Ｉ・・・電流、Ｌ・・・電流導体、バスバー、Ｎ・・・センサコイルの巻きの数、ＳＮ・・・標準化された信号、Ｔ・・・温度。

Claims (12)

1. 光ファイバと毛管（６）とを備えた、電場または磁場センサ（１）用の光ファイバセンサヘッド（２）であって、
   前記光ファイバは、磁気光学的にアクティブなセンサファイバ（３）及び少なくとも１つの供給ファイバ（５）を有し、両者は光学的に接続されており、前記センサファイバ（３）はファイバ保護被覆を有しておらず、
   前記毛管内には、少なくとも前記センサファイバ（３）が配置されており、
   前記センサファイバ（３）は、センサファイバ材料の少なくとも軟化温度では熱処理されていないファイバであり、且つ、機械的に捩じられたファイバではなく、
   前記センサヘッド（２）は、前記センサファイバ（３）の領域で曲げることが可能であり、
   前記センサファイバ（３）と前記毛管（６）の間の摩擦力を低下させるために、前記毛管（６）内に摩擦低下剤（７）が収容され、この摩擦低下剤（７）は、摩擦を低下させる薄膜の形態で、ファイバの外面に、および／または、前記毛管（６）の内面に、設けられていること、
   を特徴とするセンサヘッド。
2. 前記センサファイバ（３）は、取り付けられた状態で、少なくとも０．２５ｍの曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサヘッド。
3. 前記少なくとも１つの供給ファイバ（５）の一部分が、前記毛管（６）内に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサヘッド。
4. 前記毛管（６）及び前記センサファイバ（３）は、実質的に石英ガラスからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
5. 前記毛管（６）は、毛管被覆（８）によって被覆されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
6. 前記毛管（６）は、ファイバ保護中空ケーブル（９）内に収容されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
7. 前記摩擦低下剤（７）は、液体、特にオイル、または粉末であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
8. 前記毛管（６）は、その両端で閉鎖手段（１０）としての接着剤（１０）によって閉じられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
9. 前記毛管（６）は、その両端にそれぞれ管状の延長部材（１１）を有し、
   各延長部材（１１）は、それぞれ、第一の部分（１１ａ）及び第二の部分（１１ｂ）を有し、
   第一の部分（１１ａ）は、前記毛管（６）の各端部で前記毛管（６）を、外側から取り囲んでおり、
   第二の部分（１１ｂ）は、前記毛管（６）の各端部から軸方向に突出しており、
   前記閉鎖手段（１０）は、前記延長部材（１１）の第二の部分（１１ｂ）に収容されていること、
   を特徴とする請求項８に記載のセンサヘッド。
10. 前記光ファイバは、少なくとも１つの位相遅延素子（４）を含み、
    この位相遅延素子は、前記センサファイバ（３）及び前記少なくとも１つの供給ファイバ（５）に光学的に接続されており、
    前記少なくとも１つの位相遅延素子（４）は、前記センサファイバ（３）と前記少なくとも１つの供給ファイバ（５）との間に設けられており、
    前記少なくとも１つの供給ファイバ（５）は、偏光を維持するファイバであること、
    を特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサヘッド。
11. 前記光ファイバは、２つの位相遅延素子（４，４’）及び２つの供給ファイバ（５，５’）を含み、
    位相遅延素子（４，４’）が、前記センサファイバ（３）と前記２つの供給ファイバ（５，５´）の間に、それぞれ一つ設けられていること、
    を特徴とする請求項１０に記載のセンサヘッド。
12. センサ（１）が、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサヘッド（２）を有することを特徴とする電場または磁場センサ。

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