JPH0283456A - 光変流器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はファラデー効果を利用した光変流器に関する。

（従来の技術） 従来ガス絶縁開閉装！ｉ！（以下ＧＩＳ）における大電
流測定装置としては鉄心に二次巻線を巻き、−次巻線で
あるＧＩＳ導体に貫通させるいわゆる貫通形変流器が使
用されていた。しかるに本構成であるとＧＩＳが高電圧
化した場合、ＧＩＳ導体と貫通形変流器の間に相当才力
の絶縁距離が必要となり、貫通形変流塁は大形化し、こ
れにともないＧＩＳ全体も大きくなる欠点があった。ま
た。

ＧＩＳ導体に事故電流等の過電流が流れた場合。

ぼ通路変流器が磁気飽和し波形歪を生じることも問題で
あった。

そこで近年ファラデー効果を利用し光学的に電流を測定
する方法が注目されている。このような光変流器は小型
で絶縁性に優れ、過電流も忠実に測定でき、耐誘導性に
も優れる。

第５図は特願昭５９−２７３９０１で提案の位相検出方
式光質流電の構成図である。！！Ｓ５図において、２８
゜２ｂ、２ｃは単一モード直線偏光半導体レーザよりな
る３相発光源で、第６図に示すように０＠の直線偏光工
。、６０１の直線偏光Ｉ、、、　１２０”の直線偏光■
ｔｓｓを発し、これらの直線偏光がファラデーローテー
タ３および検光子４を通り、検光子４の主軸方向成分（
本例の場合はＸ軸を主軸とする）だけがフォトダイオー
ド５に合成されて入射する。

今ファラデーローテータ３に前記工。、工。。、１１．
。。

を入射し、磁界Ｈを加えるとファラデー効果により出射
側の直線偏光は磁界の強さに比例し、第６図に示すよう
にθだけ回転した直線偏光工。、■、。。

１１□。どなる。

したがって、発光源２ａ、　２ｂ、　２ｃの光強度を各
々Ｉ、、Ｉ、。ｔ　Ｌ。とし、検光子４の各出射波の光
強度を工。ｔ　Ｉｓ。、■０．とすれば次のω式が成立
する。

フォトダイオード５はこれら光Ｉｓ　ｖ　Ｌｏ　ｔ　Ｉ
ｔｚａを合成し、その合成光に比例した電気信号に変換
する。したがってフォトダイオード５の合成入射光強度
Ｉｓは■式となる。

１、＝Ｉ、　＋１．、　＋１１．。

・・・　■ 一方、工。？　Ｉ、。、工、３゜は第７図に示すように
工。

はωｔ＝０〜πの範囲で光強度Ａの発光をし、ωｔ＝π
−２πの範囲で光強度をＯにするときを繰り返す、Ｉ６
゜、工□２゜については、各々工。より１２０＠２４０
’位相遅れで０Ｎ−ＯＦＦする。この０Ｎ−ＯＦＦのタ
イミングは駆動回路１で制御することになる。

したがって、第７図に示した矩形波は、０式の如くフー
リエ級数展開される。

■式に■式を代入すると。

となり、上記に）式に比例した電気信号がフォトダイオ
ード４の出力として得られる。

この出力からフィルタ６により周波数ωの成分のみ抽出
すると、そのフィルタ６の出方は３！−Ｊｉｎπ （ωｔ−２０）に比例した信号となる。したがって磁界
Ｈが変化してθが変化すると、２θで位相変調された波
形となる６位相検出器７はその位相ｅｘ波形と駆動回路
１の基準位相を比校してθに比例した出力信号を得る。

したがって本方−式の如く位相ｅ調力式であると大重流
が流れファラデー回転角Ｏが大きくなっても、ｆｔ線性
よく測定できることが長所であった。

（発明が解決しようとす、る課題） しかるに第５図の構成では次の間頑点があった。

すなわち３本の直線偏光波の光軸が各々別売路のため振
動等により光軸ずれが生じ、例えばファラデーローテー
タ３で特定の直線偏光波の−・部が欠けると、３光の光
強度がアンバランスとなり、出力誤差を生ずることとな
る。

本発明の目的は振動に対し十分安定に高精度で電流を測
定できる光変流器を提供するにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は６０°ずっ偏波面が異なる３本の直線偏光波を
発生する光源と、この光源を一定の周期で励起する駆動
回路と、各々の直線偏光波が通るファラデーローテータ
および検光子と、この検光子を通過した光を電気信号に
変換するフォトダイオードとこのフォトダイオードの出
力信号より得られる位相変調波の位相を検出する位相検
出器よりなる光変流器において、光源より発せられた３
本の直線偏光波の光軸を２ケの無偏光ビームスプリッタ
を使い一本化したのち、ファラデーローテータに入射す
るようにしたものである。

（作　　用） 本発明によれば３ケの光源より発せられた３本の直線偏
光波は無偏光ビームスプリッタにより一本化されるので
、振動等により光軸がずれ、光ビームのうち一部が欠け
たとしても、３本の光強度比は変動せず、従って安定に
電流を測定できる。

（実　施　例） 本発明の一実施例を第１図において説明する。

第１図において第５図と同一部分に同一符号を付してい
る。第１図において、８ａ、　８ｂ、　８ｃは単一モー
ド直線偏光半導体レーザまたはＬＥＤと偏光子の組み合
せよりなる光源で、第６図に示す如く６０°ずつ偏波面
が異なる直線偏光波であり、１０゜１１は第１．第２の
無偏光ビームスプリッタであり、以上により発光部１２
を形成する。光源８ａより発せられた第１の直線偏光波
は光路Ｏａをたどり第１の無偏光ビームスプリッタｌＯ
に入射したのち透過しその後光路９ｂをたどり第２の無
偏光ビームスプリッタ１１に入射したのち第２の無偏光
ビームスプリッタの反射面１１ａで直角に反射され光路
Ｏｃに至る。

光＠８ｂより発せられた第２の直線偏光波は光路９ｄを
たどり第１の無偏光ビームスプリッタ１０に入射したの
ち第１の無偏光ビームスプリッタの反射面１０ａで直角
に反射されその後は第１の直線偏光波と同一の光路９ｂ
、　Ｄａをたどるよう調整する。

光源８ｃより発せられた第３の直線偏光波は光路９ｅを
たどり第２の無偏光ビームスプリッタ１１に入射したの
ち透過しその後は第１．第２の直線偏光波と同一の光路
９ｃをたどるようＩｌｌ整する。

以上により第２の無偏光ビームスプリッタ１１よす出射
される３本の直線偏光波は一本化され、この−本化され
た直線偏光波が、ファラデーローテータ３および検光子
４を通り検光子４の主軸成分だけがフォトダイオード５
に合成されて入射する。

以下第５図に示した従来例と同じで、位相検出方式によ
り電流を測定できることになる。なお第１図中の破線は
３本の直線偏光波が空間あるいは光学部品中をたどる光
路を示している。

以上の構成によれば３ケの光源より発せられた３本の直
線偏光波は２ケの無偏光ビームスプリッタにより一本化
されるので、振動等により光軸がずれ、光ビームのうち
一部が欠けたとしても、３光の光強度比は変動しない。

すなわち−本化された光ビームの一部が欠けたというこ
とは、第７図のＩｌｌ　ｊ　ｌ１ｌｌｌ　ｌ　Ｌｓｏの
光強度が八からＡ、、（Ａ、　＜　Ａ　）に変化したと
いうことであり、従って（へ）式中の八がＡ、に変るこ
とになる。しかしながら本光変流器は電流を位相差で検
出する方式のため、光強度が一率に低下しても問題とは
ならない。

以Ｅのように本発明によれば３本の直線偏光波が一本化
されるため、振動等により光軸ずれが発生し、光ビーム
の一部が欠けたとしても、光変流器の出力に変動はなく
従って安定に高精度で電流を測定できることになる。

第２図から第４図は３本の直線偏光波を２ケの無偏光ビ
ームスプリッタを使って一本化する他の実施例を示す発
光部の構成図であり、第１図の相違点は次のとうりであ
る。

第２図は２ケの無偏光ビームスプリッタｔｏ、　ｉｔの
各々の反射面１０ａ、　ｌｌａが直角となるよう配置し
たものである。

第３図は２ケの無偏光ビームスプリッタ１０．１１の各
々の反射面１０ａ、　ｌｌａが平行となるよう配置し、
かつ第３の光ｇ８ｃより出射された第３の直線偏光波が
第２の無偏光ビームスプリッタ１１の反射面１１ａで直
角に反射された成分が作る光路をファラデーローテータ
３に至る光１１Ｏｃに選んだものである。

第４図は２ケの！！偏光ビームスプリッタ１０．１１の
各々の反射面１０１３．　Ｉｌａが、直角となるよう配
置し、かつ第３の光源８ｃより出射された第３の直線偏
光波が第２の無偏光ビームスプリッタ１１の反射面１１
８で直角に反射された成分が作る光路をファラデーロー
テータ３に至る光路９Ｃに選んだものである。

第２図、！ｔＳ３図、第４図いずれの構成でも３本の直
線偏光波を２ケの無偏光ビームスプリッタを使って一本
化でき、従って振Ｗ＋等により光軸ずれが発生し、光ビ
ームの一部が欠けたとしても、光変流器の出力に変動は
なく軸って安定に高精度で電流を測定できる。

以−Ｈの構成で振動等による光軸ずれに影響されない光
変流器を実現できるが、更に２ケの無偏光ビームスプリ
ッタの透過率と反射率の比を以下とするとより高精度な
光変流器を得ることができる。

すなわち第１図、第２図に示した発光部の形態の場合第
１の無偏光ビームスプリッタｌＯの透過率と反射率の比
を１対１とし、第２の無偏光ビームスプリッタ１１の透
過率と反射率の比を１対２とすることである。また第３
図、１４４図に示した発光部の形態の場合第１の無偏光
ビームスプリッタ１０の透過率と反射率の比を１対１と
し、第２の無偏光ビームスプリッタ１１の透過率と反射
率の比を２対１とすることである。以下に作用を説明す
る。

まず第１図、第２図に示した光源と無偏光ビームスプリ
ッタの配置の場合について説明する。

令弟１の無偏光ビームスプリッタ１０の透過率を１２％
、反射率をＲ，＝　１００−７１％、第２の無偏光ビー
ムスプリッタ１１の透過率をＴ２％１反射率をＲ２＝１
００−　Ｔ、％とし、８ａ、　８ｂ、　８ｃはそれぞれ
同一光量かつ最大光量すなわちＰｍａＸの光量をはなっ
ているものとする。

従って８ａ、　８ｂ、　８ｃより発せられた各々の直線
偏光波の光路９ｃ上での光量Ｐａｙ　Ｐｂｐ　ｐｃは次
式となる。

Ｐ、＝Ｐ、ａｘＸＴ１Ｘ（１００−Ｔ、）ＸＩＯ−’　
　　　　　・・・　　■Ｐｂ＝＝Ｐ、ａｘＸ（１００−
Ｔ１）Ｘ（１００−Ｔ、）ＸＩＯ−’　　・−・　　■
ｐ、＝ｐｌＩｌａｘｘｒ、）ｘｘｏ−”　　　　　　　
　　　　　　”’　　（７）ところで光路９ｃ上では各
直線偏光波の光量が第７図に示すごとく同一光量Ａとす
る必要がある。

従って０式が成立する。

Ｐ、＝ｐｂ＝Ｐ、＝　Ａ ・・・　（へ） ０式から０式を使いＴ、、Ｔ、を求めるとＴ、＝５０％
。

スプリッタ１０のＷ過半と反射率の比をＴ、：Ｒ，＝１
：１に、第２の無偏光ビームスプリッタ１１の透過率と
反射率の比をＴａ：Ｒ１＝１：２にすれば、３ケの光源
を各々最大光量で使うことができ、従ってファラデーロ
ーテータ３に入射する光路９ｃ）、０３本の直線偏光波
の合成波の光量が最大となる。

次に第３図、第４図に示した光源と、Ｖ偏光ビームスプ
リッタの配置の場合について説明する。８ａ。

８ｂ、　８ｃより発せられた各々のｉｆｆ、線傷光波の
光路９ｃ上での光ＪｔＰａ＊　Ｐｂｎ　ｐｅは次式とな
る。

Ｐａ＝Ｐ、ａｘＸＴ、ＸＴ、Ｘｌ０−’　　　　　　　
　　　　・　　ｅｉ））Ｐｂ＝Ｐｓａｘ　Ｘ　（１００
−Ｔ、）　ＸＴ、　Ｘ　１０−’　　　　　　　”・（
１０）Ｐ、＝Ｐ□、　Ｘ　（１００−Ｔ□）ＸＩＯ−”
　　　　　　　　　・・・（１１）（へ）式から（１１
）式を使いＴ１．Ｔ、を求めると、Ｔ、＝ビームスプリ
ッタ１０の透過率と反射率の比をＴ、：Ｒ，＝１：１に
、第２の無偏光ビームスプリッタ１１の透過率と反射率
の比をＴ、：Ｒ，＝２：１にすれば、３ケの光源を各々
最大光量で使え、光路９ｃ上の３本の直線偏光波の合成
波の光量が最大となる。

ファラデーローテータ３に入射する合成波の光量が最大
であるということは、ファラデーローデータ３検光子４
を通過しフォトダイオード５で受光する光量も最大にな
ることであり、よってフォトダイオードの出力信号も大
きくなりＳ／Ｎが良くなることになる。従ってより安定
に高精度で電流を測定できる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば振動等により光軸ずれが生
じても安定で高精度に電流を測定できる。

さらに２ケの無偏光ビームスプリッタの透過率。

反射率を選ぶことによりＳ／Ｎが良くなりより高精度に
測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光変流器の一実旅例紮示すブロッ
ク構成図、第２図、ｆＲ３図、第４図は本発明の光源と
無偏光ビームスプリッタよりなる発光部を示す構成図、
第５図は従来の光変流器の一例を示すブロック構成図、
第６図はファラデー効果により偏光角が回転することを
説明するベクトル図、第７図は光源の光強度のタイミン
グ図である。 ■・・・駆７１ｊｒ回路　　　　　２ａ、２ｂ、２ｃ・
・・光源３・・・ファラデーローテータ ４・・・検光子　　　　　　５・・・フォトダイオード
７・・・位相検出器　　　　８ａ　、　８ｂ　、　８ｃ
・・・光源９ａ　、　９ｂ　、　９ｃ　、　９ｄ　、　
Ｄａ−光路１０・・・第１の無偏光ビームスプリッタ１
０ａ・・・第１の無偏光ビームスプリッタの反射面１１
・・・第２の無偏光ビームスプリッタ１１ａ・・・第２
の無偏光ビームスプリッタの反射面１２・・・発光部 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　第子丸　健

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ６０゜ずつ偏波面が異なる３本の直線偏光波を出射する
   光源と光源よりの３本の直線偏光波を合成する２ケの無
   偏光ビームスプリッタよりなる発光部と、前記光源を励
   起する駆動回路と、各々の直線偏光波が通るファラデー
   ローテータおよび検光子と、この検光子を通過した直線
   偏光波の入射を受けて電気出力信号を発する光電変換器
   と、この光電変換器の出力より得られる位相変調波の位
   相を検出する位相検出器とを供えた光変流器において、
   前記発光部は第１の光源より出射された直線偏光波が第
   １の無偏光ビームスプリッタに入射したのち透過しその
   後第２の無偏光ビームスプリッタに入射し、第２の無偏
   光ビームスプリッタ中で直角に反射され第２の無偏光ビ
   ームスプリッタから出射したのちファラデーローテータ
   に至り、第２の光源より出射された直線偏光波が第１の
   無偏光ビームスプリッタの第１の直線偏光波が入射した
   面とは異なる面より入射し第１の無偏光ビームスプリッ
   タ中で直角に反射し第１の無偏光ビームスプリッタから
   出射したのちは第１の直線偏光波と同一光軸となってフ
   ァラデーローテータに至り、第３の光源より出射された
   直線偏光波が第２の無偏光ビームスプリッタの第１、第
   ２の直線偏光波が入射した面とは異なる面より入射した
   のち透過し第２の無偏光ビームスプリッタから出射した
   のちは第１、第２の直線偏光波と同一光軸となってファ
   ラデーローテータに至るよう構成したことを特徴とする
   光変流器。