JP7843514B2 - 電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流測定装置に関する。

光ファイバのファラデー効果を利用した電流測定装置としては、例えば特許文献１が挙げられる。

特許文献１の電流測定装置では、通電導体の周囲に光ファイバが設けられる。この光ファイバに、半導体レーザ光源からのレーザ光が、直線偏光に変換されて伝搬される。この直線偏光の偏光面は、通電導体に流れる電流により偏光角が変化する。次に、光ファイバからの出射光がｐ波とｓ波に分離され、２個のフォトダイオードで電圧信号に変換される。更に、演算処理部の分離手段で交流成分と直流成分に分離され、２個の除算手段で交流成分と直流成分の第１成分比と第２成分比が各々求められ、その差が演算手段で算出される。最後に演算手段の出力から、通電導体に流れる電流の値が測定される。

また電流測定装置は、電源（電力）の制御や供給を行う、パワー半導体の評価や検査にも使用される。

特許第３３４２７６８号公報

しかし特許文献１記載の電流測定装置の様に、信号処理部に除算手段を用いると、除算手段の帯域制限により、高周波（数Ｍ（Ｈｚ）～数百Ｍ（Ｈｚ））の電流測定が困難となる。

また、パワー半導体の性能向上に伴い、より高いスイッチング周波数で動作するデバイスの電流測定が求められる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電流測定装置に除算手段を用いない事で、高周波の電流測定の実現、及びより高いスイッチング周波数で動作するデバイスの電流測定が可能な、電流測定装置の提供を目的とする。

前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明の電流測定装置は少なくとも、センサ用光ファイバと、光源と、２つの光可変減衰器と、２つの光電変換素子を備える信号処理回路を含み、センサ用光ファイバは、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置され、光源から出射された光信号をセンサ用光ファイバ内に伝搬させて、センサ用光ファイバ内を伝搬する光信号に生じるファラデー効果により光信号の偏光面が回転されて、導体に流れる被測定電流が測定され、更に、信号処理回路は少なくとも２つの光電変換素子と電流－電圧変換回路を備え、２つの光電変換素子は直列に接続され、光信号が光可変減衰器に入射され、次に２つの光電変換素子に入射されて、第１の光電流及び第２の光電流に変換され、各々の光可変減衰器に第１の光電流又は第２の光電流がフィードバックされて、２つの光電変換素子に入射される光量が調整され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が互いに等しくなると共に、第１の光電流及び第２の光電流の差分が電流－電圧変換回路に入力され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が相殺されると共に、AC成分が差分として出力されて、導体に流れる被測定電流が電気信号に変換されて測定される事を特徴とする。

即ち本発明の電流測定装置は、除算手段を備えない構成としている。

本発明の電流測定装置に依れば、２つの光電変換素子の光電流に於けるDC成分を同一とし、且つ２つの光電変換素子に於ける第１の光電流及び第２の光電流の差分を電流－電圧変換回路に入力するので、信号処理回路に於いて除算器が不要となる。更に、同相ノイズ（２つの光電変換素子に同時に入る光源ノイズ）の除去と、電流測定装置からの出力を同時に達成可能となる。

更に、DC成分を相殺すると共にAC成分のみを電流－電圧変換回路に入力する事で、電流－電圧変換回路に於ける増幅率を上げる事が可能となる。従って電流－電圧変換回路の増幅率向上に伴い、増幅器の個数を削減して、信号処理回路の部品点数削減による製造費用削減も可能となる。

更に除算器を使用しない事で、除算器の帯域制限が無くなり、電流測定の帯域は電流－電圧変換回路の性能に依存する事となる。これにより高周波帯域（数Ｍ（Ｈｚ）～数百Ｍ（Ｈｚ））の電流測定が可能となる。

更に、より高いスイッチング周波数で動作するデバイスの電流測定が可能となる。

本発明の実施形態に係る電流測定装置の構成を示す説明図である。 図１の信号処理回路の構成と各素子の接続状態を詳細に示す説明図である。 本発明の実施例に係る出力結果の波形図である。

本実施の形態の第一の特徴は、電流測定装置が少なくとも、センサ用光ファイバと、光源と、２つの光可変減衰器と、２つの光電変換素子を備える信号処理回路を含み、センサ用光ファイバは、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置され、光源から出射された光信号をセンサ用光ファイバ内に伝搬させて、センサ用光ファイバ内を伝搬する光信号に生じるファラデー効果により光信号の偏光面が回転されて、導体に流れる被測定電流が測定され、更に、信号処理回路は少なくとも２つの光電変換素子と電流－電圧変換回路を備え、２つの光電変換素子は直列に接続され、光信号が光可変減衰器に入射され、次に２つの光電変換素子に入射されて、第１の光電流及び第２の光電流に変換され、各々の光可変減衰器に第１の光電流又は第２の光電流がフィードバックされて、２つの光電変換素子に入射される光量が調整され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が互いに等しくなると共に、第１の光電流及び第２の光電流の差分が電流－電圧変換回路に入力され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が相殺されると共に、AC成分が差分として出力されて、導体に流れる被測定電流が電気信号に変換されて測定される電流測定装置と云う事である。

本実施形態の電流測定装置では、除算手段を備えない構成としている。

この構成に依れば、２つの光電変換素子の光電流に於けるDC成分を同一とし、且つ２つの光電変換素子に於ける各光電流の差分を電流－電圧変換回路に入力するので、信号処理回路に於いて除算器が不要となる。更に、同相ノイズ（２つの光電変換素子に同時に入る光源ノイズ）の除去と、電流測定装置からの出力を同時に達成可能となる。

更に、DC成分を相殺すると共にAC成分のみを電流－電圧変換回路に入力する事で、電流－電圧変換回路に於ける増幅率を上げる事が可能となる。従って電流－電圧変換回路の増幅率向上に伴い、増幅器の個数を削減して、信号処理回路の部品点数削減による製造費用削減も可能となる。

更に除算器を使用しない事で、除算器の帯域制限が無くなり、電流測定の帯域は電流－電圧変換回路の性能に依存する事となる。これにより高周波帯域（数Ｍ（Ｈｚ）～数百Ｍ（Ｈｚ））の電流測定が可能となる。

また第二の特徴は、電流－電圧変換回路が１つである電流測定装置と云う事である。

この構成に依れば、電流－電圧変換回路が１個に抑えられるので、電流－電圧変換回路に於ける個体差の影響が無くなる。

以下、図１と図２を参照して、本発明の実施形態に係る電流測定装置を説明する。図１に示す電流測定装置１は少なくとも、センサ用光ファイバ２と、ファラデー回転子３と、偏光分離器４と、光源５と、２つの光可変減衰器（6a、6b）と、信号処理回路８の各構成要素を含んで構成される。更に電流測定装置１は、各構成要素間に光信号を伝搬する光ファイバ（11a～11c、14a、14b）と、所定の光ファイバに光信号を伝搬させる光サーキュレータ13を含む。

信号処理回路８は、光電変換素子（7a、7b）を備える。図１より、信号処理回路８から順に、光可変減衰器（6a、6b）、偏光分離器４、ファラデー回転子３、及びセンサ用光ファイバ２が配置される。

光源５は、半導体レーザ（LD：Laser Diode）、発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）、スーパールミネッセントダイオード（SLD：Super Luminescent Diode）、ASE光源等で構成され、所定の波長λの光信号を出射し、光ファイバを介して光サーキュレータ13に伝搬させる。

光サーキュレータ13は偏光依存又は無依存型のどちらでも良く、光源５から出射された光信号を光ファイバ11cに入射させる。光サーキュレータ13は、図示しない複屈折素子及び45度の回転角を有するファラデー回転子、波長板等で構成すれば良い。なお光サーキュレータ13に換えて、光ファイバカプラを用いても良い。

光ファイバ11cに入射された光信号は、光コネクタ12aを経て光ファイバ14aを伝搬し、偏光分離器４に入射される。偏光分離器４は光透過型の一軸単結晶の複屈折素子から成り、ルチル（TiO₂）、方解石（CaCO₃）、水晶（SiO₂）、イットリウム・バナデート（YVO₄）、アルファバリウム・ボーデート（αBaB₂O₄）、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）等から選択出来る。この様な材料から選択された複屈折素子は、所定の厚みで、対向する光入出射用光学面が平行となる平板に加工されて、偏光分離器４を構成している。平行な光学面の一方がファラデー回転子３と対向し、もう一方の光学面が光ファイバ（14a及び14b）に対向する。

このような偏光分離器４に光ファイバ14aから光信号が入射されると、複屈折素子の図示しない結晶軸に直交した常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分に分離されて異常構成のみ複屈折素子の厚みに応じた所定の分離幅にシフトされ、逸脱されてファラデー回転子には入射しない。常光線の直線偏光のみファラデー回転子３へと伝搬される。

ファラデー回転子３は、外周に永久磁石が設けられた、光透過型の非相反偏光面回転素子であり、ビスマス置換型ガーネット単結晶、TBIG、GBIG等で形成され、使用波長帯域で所望の回転角（例えば22.5度）を有する。なお図１では、永久磁石の図示を省略している。ファラデー回転子３は、センサ用光ファイバ２の入出射端である第一端部2a側に設けられる。

ファラデー回転子３の外形は、所定の厚みで且つ対向する光入出射用光学面が平行となる平板に加工されている。偏光分離器４で分離された常光線の偏光成分が、ファラデー回転子３を透過すると、偏光方向はファラデー回転角（例えば22.5度）だけ回転される。ファラデー回転子３を透過した常光線の直線偏光は、第一端部2aからセンサ用光ファイバ２へと入射される。

センサ用光ファイバ２は、被測定電流が流れている導体９の外周に、所望の巻回数だけ周回設置される。更にセンサ用光ファイバ２には、ファラデー回転子３から伝搬された直線偏光を入射する為の第一端部2aと、入射された直線偏光を反射する第二端部を備える。その第二端部には、反射部品としてミラー10が設けられる。なお第二端部には、ミラー10の他にも任意の反射部品を採用する事が可能であり、例えば、金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、クロム（Cr）、アルミ（Al）等、光に対して低吸収率で高反射率の金属や、誘電体多層膜による反射膜を設けても良い。

導体９を流れる被測定電流の大きさに応じて、センサ用光ファイバ２内を伝搬する光信号（直線偏光）にファラデー効果が生じ、そのファラデー効果によりセンサ用光ファイバ２内を伝搬する光信号の偏光面が回転される。更にミラー10で反射され、往復伝搬光路に亘って偏光面がファラデー回転され、第一端部2aからファラデー回転子３に再度入射される。

ミラー10の反射によりセンサ用光ファイバ２内を往復で伝搬する際に、センサ用光ファイバ２のファラデー効果により、被測定電流の大きさに応じて直線偏光がα度だけ回転する。

センサ用光ファイバ２を構成する光ファイバの種類は特に限定されないが、鉛ガラスファイバや石英ガラスファイバの様に、直線偏光を伝搬可能なシングルモード光ファイバ（SMF：Single Mode Fiber）が最適である。特に鉛ガラスファイバは、光弾性係数が小さく、且つファラデー効果の大きさを決めるヴェルデ定数が比較的大きいという特性を有する為、好ましい。

第一端部2aからファラデー回転子３に再度入射された直線偏光は、ファラデー回転子３を透過時に、ファラデー回転子３によるファラデー回転角だけ更に回転される。従って、最初にファラデー回転子３の透過時に常光線で透過した直線偏光は、ファラデー回転子３を往復で透過する事で合計45度（ファラデー回転角が22.5度の場合）偏光面が回転される。次に直線偏光は偏光分離器４に再度入射される。

導体９に被測定電流が流れていない場合は、ファラデー回転子３を往復で透過した直線偏光に生じるファラデー回転角は合計45度である。一方、導体９に測定電流が流れている場合に、ファラデー回転子３を往復で透過した直線偏光に生じるファラデー回転角は、合計（45＋α）度である。

偏光分離器４に再度入射された直線偏光は、複屈折素子の図示しない結晶軸に直交した常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分に分離され、結晶軸に平行な異常光線の直線偏光のみがシフトされ、２つの直線偏光が光ファイバ14a又は14bにそれぞれ入射される。

導体９に測定電流が流れている場合に、ファラデー回転子３を往復で透過した直線偏光に生じるファラデー回転角は、合計（45＋α）度なので、常光線と異常光線の間で分離する際に強度比に偏りが生じる。

光源５から出射された光信号が、センサ用光ファイバ２の第二端部のミラー10で反射される事で、偏光分離器４、ファラデー回転子３、及びセンサ用光ファイバ２を往復する往復光路が設定される。

光ファイバ14a又は14bにそれぞれ入射した直線偏光は、光コネクタ12a又は12bを介して、更に光ファイバ11c又は11b内を伝搬して行く。光ファイバ11c内を伝搬する光信号は、光サーキュレータ13により光ファイバ11cから光ファイバ11aへと伝搬される。

なお光ファイバ（11a、11b、11c、14a、14b）、及び光源５と光サーキュレータ13間に設置される光ファイバとしては、SMF又は偏光面保持ファイバ（いわゆるPMF：Polarization Maintaining Fiber）を使用すれば良い。

光ファイバ11a又は11b内を伝搬する光信号は、それぞれ光可変減衰器6a又は6bに入射される。光可変減衰器6a又は6bは電気信号で駆動する光可変減衰器であり、光ファイバ11a又は11bにそれぞれ光学的に接続されている。

更に光可変減衰器6a又は6bの出力光が、信号処理回路８に備えられる２つの光電変換素子7a又は7bに入射される。２つの光電変換素子7a又は7bは、入射された光信号をそれぞれ第１の光電流及び第２の光電流に変換する。

光可変減衰器6a又は6bから入射される光信号の大きさに応じて、２つの光電変換素子7a又は7bは、第１の光電流及び第２の光電流に光信号を変換する。その第１の光電流及び第２の光電流が、光可変減衰器6a又は6bにそれぞれフィードバックされて、２つの光電変換素子7a又は7bに入射される光信号の光量が調整される。

フィードバック信号が入力されない状態では、光可変減衰器6a又は6bは入力された光信号をそのまま、光電変換素子7a又は7bに入射させる。光電変換素子7a又は7bに入射される光信号の光量が足りない場合、光可変減衰器6a又は6bの減衰は０（零）となり、光電変換素子7a又は7bから出力される光電流のDC成分は設定した値に満たない。

信号処理回路８は図１又は図２に示す様に、２つの光電変換素子7a又は7b、増幅器（15a、15b、17）、及び電流－電圧変換回路16を備えて構成される。信号処理回路８の構成と各素子の接続状態の詳細を図２に示す。図２に示す様に、２つの光電変換素子7a及び7bは直列に接続される。更に、光電変換素子7a又は7bの各出力側に、各抵抗18a又は18bを介してそれぞれ増幅器15a又は15bが接続される。また光電変換素子7a及び7bの出力側に、電流－電圧変換回路16と増幅器17が直列に接続される。

従って、本発明に係る電流測定装置１に備えられる信号処理回路８は、除算器を用いない構成である。

２つの光電変換素子7a又は7bに入射された光信号は、第１電気信号（光電流）及び第２の電気信号（光電流）にそれぞれ変換される。詳述すると、２つの光電変換素子7a又は7bに光信号が入射されると、入射された光信号の大きさに応じてDC（Direct Current）成分にAC（Alternating Current）成分が重畳された光電流が、光電変換素子7a又は7bからそれぞれ出力される。

信号処理回路８では、各光電変換素子7a又は7bにそれぞれ接続された抵抗18a又は18bの両端に、各光電流に比例した電圧を発生し、その電圧を増幅器15a又は15bでそれぞれ増幅し出力する。

増幅器15a又は15bの出力は図示しない基準電圧と比較され、増幅器15a又は15bの出力が基準電圧と同じ電圧を出力するように、各々の光可変減衰器6a又は6bを図示しない駆動回路で制御し光減衰量を調整する。その結果、各光電変換素子7a又は7bの光電流のDC成分が一定になるように制御される。各光電変換素子7a又は7bのDC成分を一定にする事により、光源５の光パワー変動や、偏光分離器４以後の各光路の光損失の違いを補償する。

また光電変換素子7a及び7bの中間点を電流－電圧変換回路16に接続し、第１の光電流及び第２の光電流の差分を電流－電圧変換回路16に入力する。電流－電圧変換回路16では、第１の光電流及び第２の光電流の差分を電圧信号に変換する。更にその電圧信号をバッファである増幅器17に出力して、導体９に流れる被測定電流に応じた電圧信号が得られる。

前述の様に、各光電流を光可変減衰器6a又は6bにフィードバックする事で、次に光可変減衰器6a又は6bに光信号が入射される際に、光可変減衰器6a又は6bによって光電変換素子7a又は7bに入射される光信号の光量が調整される。各光電流のフィードバック信号による光可変減衰器6a又は6bの減衰量は、増幅器15a又は15bから出力される第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が互いに等しく、一定となる様に制御される。

DC成分が一定となる事で、電流－電圧変換回路16に入力される前記差分に於いて、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分は相殺される。一方のAC成分は逆相となる。逆相で差分を取ると共に、光電変換素子7aの出力が－側、光電変換素子7bの出力が＋側なので、電流測定装置１の出力値としてはAC成分が差分として出力される。

以上、本発明に係る電流測定装置１に依れば、各光電変換素子7a又は7bの光電流に於けるDC成分を同一とし、且つ第１の光電流及び第２の光電流の差分を電流－電圧変換回路16に入力するので、信号処理回路８に於いて除算器が不要となる。更に、同相ノイズ（２つの光電変換素子7a及び7bに同時に入る光源ノイズ）の除去と、電流測定装置１からの出力を同時に達成可能となる。

更に、DC成分を相殺すると共にAC成分の差分のみを電流－電圧変換回路16に入力する事で、電流－電圧変換回路16に於ける増幅率を上げる事が可能となる。従って電流－電圧変換回路16の増幅率向上に伴い、増幅器の個数を削減して、信号処理回路８の部品点数削減による製造費用削減も可能となる。本実施形態では、電流－電圧変換回路16に接続する増幅器を、バッファ回路を構成する増幅器17の１個に削減している。

更に除算器を使用しない事で、除算器の帯域制限が無くなり、電流測定の帯域は電流－電圧変換回路16の性能に依存する事となる。これにより高周波帯域（数Ｍ（Ｈｚ）～数百Ｍ（Ｈｚ））の電流測定が可能となる。

更に、より高いスイッチング周波数で動作するデバイスの電流測定が可能となる。

また、電流－電圧変換回路16が１個に抑えられるので、電流－電圧変換回路に於ける個体差の影響が無くなる。

以下に本発明に係る実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。

本実施例に係る電流測定装置１の構成は、図１及び図２に示す通りである。従って、前記実施形態と重複する構成部品には同一の引用番号を使用し、重複する説明は省略又は簡略化して説明する。

本実施例に係る電流測定装置１の光源５は、ASE光源又はSLD（何れも発振波長1550ｎｍ）とする。光電変換素子（7a、7b）はInGaAsフォトダイオードとする。

センサ用光ファイバ２のヴェルデ定数を3.75×10^-6｛rad／（Ａ・turn）｝、導体９外周へのセンサ用光ファイバ２の巻回数を10（turn）、被測定電流を１（Ａ）とする。

従って、センサ用光ファイバ２に於けるファラデー回転角は、ミラー10による往復光路なので２倍を定数として用いると、２×ヴェルデ定数｛rad／（Ａ・turn）｝×巻回数（turn）×被測定電流（Ａ）＝2×3.75×10^-6×10×1＝7.5×10^-5（rad）となる。

また各フォトダイオードに入力する光信号のパワーを0.526ｍ（Ｗ）、フォトダイオードの応答性を0.95（Ａ／Ｗ）、フォトダイオードのDC電流を0.5ｍ（Ａ）、フォトダイオードのモニター出力のトランスインピーダンスを10ｋ（Ｖ／Ａ）とする。

従って、２つのフォトダイオードの光電流に於けるDC成分は、光信号のパワー（Ｗ）×フォトダイオードの応答性（Ａ／Ｗ）×トランスインピーダンス（Ｖ／Ａ）となり、0.526ｍ（Ｗ）×0.95（Ａ／Ｗ）×10ｋ（Ｖ／Ａ）≒5（Ｖ）で一定となる。

一方、各フォトダイオードの光電流に於けるAC成分は、入力する光信号のパワー（Ｗ）×フォトダイオードの応答性（Ａ／Ｗ）×sin｛2×センサ用光ファイバ２に於けるファラデー回転角（rad）｝＝0.526ｍ×0.95×sin（2×7.5×10^-5）＝0.074μ（Ａ）となる。

以上から電流－電圧変換回路16から出力されるAC成分（Ｖ）は、2×0.074μ（Ａ）×｛電流－電圧変換回路のトランスインピーダンス30ｋ（Ｖ／Ａ）｝＝4.44ｍ（Ｖ）と計算される。

実測では１（Ａ）に対し4.6ｍ（Ｖ）の出力が得られた。図３にオシロスコープで測定した、本実施例の出力結果の波形を示す。Ch1、Ch2がそれぞれモニター電圧信号、Ch3が電流測定装置の信号、Ch4が電流プローブで測定した電流値（基準）である。

また本実施例に係る電流測定装置は、前記実施形態の電流測定装置１と同様の効果を有する事も確認される。

１ 電流測定装置
２ センサ用光ファイバ
2a センサ用光ファイバの第一端部
３ ファラデー回転子
４ 偏光分離器
５ 光源
6a、6b 光可変減衰器
7a、7b 光電変換素子
８ 信号処理回路
９ 導体
10 ミラー
11a、11b、11c、14a、14b 光ファイバ
12a、12b 光コネクタ
13 光サーキュレータ
15a、15b、17 増幅器
16 電流－電圧変換回路
18a、18b 抵抗

Claims (2)

1. 電流測定装置は少なくとも、センサ用光ファイバと、光源と、２つの光可変減衰器と、２つの光電変換素子を備える信号処理回路を含み、
   センサ用光ファイバは、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置され、
   光源から出射された光信号をセンサ用光ファイバ内に伝搬させて、センサ用光ファイバ内を伝搬する光信号に生じるファラデー効果により光信号の偏光面が回転されて、導体に流れる被測定電流が測定され、
   更に、信号処理回路は少なくとも２つの光電変換素子と複数の増幅器と電流－電圧変換回路を備え、
   ２つの光電変換素子は直列に接続され、
   光信号が光可変減衰器に入射され、次に２つの光電変換素子に入射されて、第１の光電流及び第２の光電流に変換され、
   各々の光可変減衰器に第１の光電流又は第２の光電流がフィードバックされて、２つの光電変換素子に入射される光量が調整され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が互いに等しくなると共に、
   第１の光電流及び第２の光電流の差分が電流－電圧変換回路に入力され、第１の光電流及び第２の光電流のDC成分が相殺されると共に、AC成分が差分として出力されて、導体に流れる被測定電流が電気信号に変換されて測定され、
   光電変換素子の各出力側に、各抵抗を介して２つの増幅器が接続され、且つ光電変換素子の出力側に、電流－電圧変換回路と第３の増幅器が直列に接続される電流測定装置。
2. 前記電流－電圧変換回路が１つである請求項１に記載の電流測定装置。