JPH05119134A - 光センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁界，電界等の物理量を光学的に検出する光
センサにおいて、光の減衰量の変動が速い場合にも、そ
の変動量を十分に補償して精度の高い測定を行う。 【構成】 光伝送路の両端に設けられた発光素子１ａ，
１ｂから磁界検出部３に夫々光を入射しこの磁界検出部
から出射された光の強度を反対側端の受光素子８ａ，８
ｂで検出し、各検出光の強度をＡＣ−ＤＣ弁別器９ａ，
９ｂにより夫々第１の直流成分と第１の交流成分、第２
の直流成分と第１の交流成分に分離し、第１の直流成分
と第２の直流成分に基づいて発光素子１ａと１ｂの発光
強度を制御し、演算処理手段１５で第１の交流成分と第
２の交流成分とを減算して物理量を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば磁界，電界等
の物理量を光学的に検出する光センサ、特に光の減衰量
の変動が速い場合にもその変動分を十分に補償できる光
センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光を利用して磁界や電界等の特定
の物理量を検出するものとしては、ファラデー効果、つ
まり磁界強度に応じて光の偏光面が回転する現象を利用
して磁界を検出する光センサ、又はポッケルス効果、つ
まり電界強度に応じて屈折率が変化する現象を利用して
電界を検出する光センサ等が知られている。

【０００３】図４は、例えば平成２年電気学会全国大会
「１１５３ 光ＣＴを用いた配電線地絡事故検出器」に
示されたような、従来の光センサの構成を示すブロック
図である。発光素子１から出力された光は、光ファイバ
２を経てセンサ素子すなわち磁界検出部３内に入射され
る。この磁界検出部３は、入射された光を直線偏光にす
る偏光子４、印加磁界の強度に応じて光の偏光面を回転
させるファラデー素子５、および偏光面の回転角度を光
の強度に変調する検光子６をこの順に光学的に結合した
ものである。

【０００４】磁界検出部３内の偏光子４に入射された光
は直線偏光され、ファラデー素子５を通過する間にファ
ラデー素子５に印加される磁界に比例してその偏光面が
回転し、更に検光子６を通過することによりこの偏光面
の回転角度に比例した強度変調を受ける。そして、この
強度変調された光は光ファイバ７を経て受光素子８にて
電気信号に変換される。受光素子８からの電気信号はＡ
Ｃ−ＤＣ弁別器９により直流成分と交流成分に分離さ
れ、直流成分ＤＣは発光素子１の前段の発光素子駆動回
路１０にフィードバックされ、リファレンス電圧１１と
の差に基づいて発光素子１の発光強度が制御される。一
方、交流成分ＡＣは後段のアンプ１２により増幅され、
この値に基づいて印加磁界の大きさが検出される。

【０００５】ここで、直流成分ＤＣを発光素子駆動回路
１０にフィードバックしているのは、発光素子１や光フ
ァイバ２，７における光の減衰量の変動を補正するため
である。つまり発光素子１や光ファイバ２，７において
光の減衰量が変動すると、ＡＣ−ＤＣ弁別器９より出力
される交流成分ＡＣも変動し、これが磁界の大きさを検
出する際の測定誤差となる。そしてこの光の減衰量の変
動は、直流成分ＤＣおよび交流成分ＡＣにおいて同一の
比率で受けるので、直流成分ＤＣを発光素子駆動回路１
０にフィードバックし、リファレンス電圧１１と比較す
ることにより、光の減衰量の変動を検知し、この減衰量
を補償する方向に発光素子１の発光強度を制御して前述
した測定誤差を小さくしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の光センサは上述
したように構成されているので、ＡＣ−ＤＣ弁別器９の
直流成分ＤＣを検出するための時定数をある程度大き
く、例えば数秒程度の大きさにする必要がある。従っ
て、発光素子１の光の減衰量のように、その変動が遅い
場合には十分な補正を行うことができるが、光ファイバ
２，７が機械的に振動した場合等に生じるような減衰量
の変動が速い場合には、十分な補正を行うことができな
いという問題点があった。

【０００７】この発明は、上述したような問題点を解決
するためになされたもので、光ファイバが機械的に振動
したとき等に生じるような光の減衰量の変動が速い場合
にも、その変動分を十分に補償することができる光セン
サを得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光センサ
は、光伝送路の一端に設けられこの光伝送路に光を入射
する第１の発光手段、および前記光伝送路の他端に設け
られ前述光伝送路の途中に設けられたセンサ素子からの
出射光を検出する第１の受光手段と、前記光伝送路の他
端に設けられ前記光伝送路に光を入射する第２の発光手
段、および前記光伝送路の一端に設けられ前記センサ素
子からの出射光を検出する第２の受光手段と、前記第１
の受光手段で検出された光の強度を第１の直流成分と第
１の交流成分に分離する第１の弁別手段、および前記第
２の受光手段で検出された光の強度を第２の直流成分と
第２の交流成分に分離する第２の弁別手段と、前記第１
の直流成分に基づいて前記第１の発光手段を制御する第
１の駆動回路、および前記第２の直流成分に基づいて前
記第２の発光手段を制御する第２の駆動回路と、前記第
１の交流成分と前記第２の交流成分を互いに減算して前
記物理量を検出する演算処理手段とを備えたものであ
る。

【０００９】

【作用】この発明の第１の弁別手段から得られる第１の
交流成分と第２の弁別手段から得られる第２の交流成分
は互いに位相が異なる。一方光の減衰量の変動は各交流
成分に同相として現われる。従って演算処理手段により
第１の交流成分と第２の交流成分を互いに減算すること
により、光の減衰量の変動による影響を互いに相殺して
被検出物理量を高精度に測定することができる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の一実施例を説明する。図１
はこの発明に係る光センサの一実施例の構成を示すブロ
ック図であり、各符号のうちの数字１乃至１２は夫々図
４に示したものに対応する。図において第１の発光手段
としての発光素子１ａから出射された光は、光ファイバ
２ａ、光分岐・結合器１３および光ファイバ２ｃを通過
した後、センサ素子としての時間検出部３に入射され、
この磁界検出部３内で印加磁界に比例した強度変調を受
け、その後光ファイバ７ｃ、光分岐・結合器１４および
光ファイバ７ａを通過し、第１の受光手段としての受光
素子８ａに導びかれ、ここで電気信号に変換される。

【００１１】一方、第２の発光手段としての発光素子１
ｂから出射された光は、光ファイバ７ｂ、光分岐・結合
器１４および光ファイバ７ｃを通過した後に磁界検出部
３へ入射され、この磁界検出部３内で印加磁界に比例し
た強度変調を受け、その後光ファイバ２ｃ、光分岐・結
合器１３および光ファイバ２ｂを通過し、第２の受光手
段としての受光素子８ｂに導かれ、ここで電気信号に変
換される。

【００１２】そして、受光素子８ａで光電変換された電
気信号は第１の弁別手段としてのＡＣ−ＤＣ弁別器９ａ
により第１の直流成分ＤＣａと第１の交流成分ＡＣａに
分離され、第１の直流成分ＤＣａは発光素子駆動回路１
０ａにフィードバックされ、リファレンス電圧１１ａと
の差に基づいて発光素子１ａの発光強度が制御される。
また受光素子８ｂで光電変換された電気信号は、第２の
弁別手段としてのＡＣ−ＤＣ弁別器９ｂにより第２の直
流成分ＤＣｂと第２の交流成分ＡＣｂに分離され、第２
の直流成分ＤＣｂは発光素子駆動回路１０ｂにフィード
バックされ、リファレンス電圧１１ｂとの差に基づいて
発光素子１ｂの発光強度が制御される。

【００１３】一方、第１の交流成分ＡＣａと第２の交流
成分ＡＣｂは、夫々アンプ１２ａとアンプ１２ｂにて増
幅された後、演算処理手段１５に入力され、この演算処
理手段１５内に設けられた減算回路（図示せず）により
第３の交流成分ＡＣａ−ＡＣｂが算出される。そしてこ
の第３の交流成分ＡＣａ〜ＡＣｂは演算処理手段１５内
に設けられた電気／物理量変換回路（図示せず）により
特定の物理量である磁界の強さに変換される。

【００１４】次に、磁界検出部３に交流磁界を印加した
場合の各部における出力を示すことにより、この発明の
光センサの具体的な動作を説明する。図２は光の減衰量
の速い変動が無い場合における各部の出力を示した波形
図であり、図２のＡは受光素子８ａの出力、図２のＢは
ＡＣ−ＤＣ弁別器９ａの交流成分ＡＣａ又はアンプ１２
ａの出力、図２のＣは受光素子８ｂの出力、図２のＤは
ＡＣ−ＤＣ弁別器９ｂの交流成分ＡＣｂ又はアンプ１２
ｂの出力を示している。

【００１５】ここで図２のＡとＣの出力の位相が反対に
なっているのは、発光素子１ａからの光の進行方向は磁
界の印加方向とは同一方向であるのに対して、発光素子
１ｂからの光の進行方向は磁界の印加方向と反対方向に
なっているからである。そして図２のＢに示される出力
すなわち第１の交流成分ＡＣａと、図２のＤに示される
出力すなわち第２の交流成分ＡＣｂとは演算処理手段１
５中で減算され、図２のＥに示すような出力すなわち第
３の交流成分ＡＣａ−ＡＣｂとなる。

【００１６】ここで、図２のＢに示される出力も図２の
Ｄに示される出力もそれぞれ磁界検出部３に印加される
磁界の大きさに比例しているので、図２のＥに示される
出力も磁界の大きさに比例しており、従ってこの図２の
Ｅに示される出力ＡＣａ−ＡＣｂが演算処理手段１５中
で物理量に変換されることにより印加磁界の大きさが検
出されたことになる。

【００１７】次に、光の減衰量の速い変動があった場合
の動作を説明する。図３は磁界検出部３に交流磁界が印
加され、時刻ｔ₁ において半サイクル以下の短い時間で
光の減衰量の変動が生じた場合の各部における出力を示
す波形図であり、図３のＡ〜Ｅは夫々図２のＡ〜Ｅに対
応している。図３のＡとＣに示される出力は、印加磁界
により強度変調を受けた出力の上に、時刻ｔ₁ における
光の速い減衰量が重畳されている。また図３のＡとＣに
示される出力は、図２において説明した理由によりその
位相が逆相すなわち１８０°反対になっている。しかし
ながら、光ファイバの機械的振動等による光の減衰量の
変動は、発光素子１ａおよび発光素子１ｂのいずれから
出力された光に対しても同様に光が減衰する方向に作用
するため、図３のＡとＣに示されるような波形のひずみ
となる。

【００１８】図３のＡに示される出力は、ＡＣ−ＤＣ弁
別器９ａにて図３のＢに示されるような第１の交流成分
ＡＣａとなり、図３のＣに示される出力はＡＣ−ＤＣ弁
別器９ｂにて図３のＤに示されるような第２の交流成分
ＡＣｂとなる。

【００１９】そして、図３のＢとＤに示す出力、すなわ
ち第１の交流成分ＡＣａと第２の交流成分ＡＣｂとは演
算処理手段１５中で減算されて第３の交流成分ＡＣａ−
ＡＣｂとなり、図３のＥに示すような出力となる。つま
り図３のＢ，Ｄの波形上のひずみは相殺されて時刻ｔ₁
における光の速い減衰量の変動は除去される。このよう
に図３のＥに示される出力は、光ファイバの振動等によ
る光の速い減衰量の変動に影響されないで、且つ磁界検
出部３に印加された磁界の大きさに比例した出力とな
る。

【００２０】なお、上記実施例では、光センサ素子とし
てファラデー素子を用いた磁界測定の場合について説明
したが、ポッケルス素子を用いた電界測定の場合につい
てもこの発明は同様に適用される。

【００２１】

【発明の効果】以上、詳述したように、この発明の光セ
ンサは、光伝送路の一端に設けられこの光伝送路に光を
入射する第１の発光手段、および前述光伝送路の他端に
設けられ前述光伝送路の途中に設けられたセンサ素子か
らの出射光を検出する第１の受光手段と、前記光伝送路
の他端に設けられ前記光伝送路に光を入射する第２の発
光手段、および前記光伝送路の一端に設けられ前記セン
サ素子からの出射光を検出する第２の受光手段と、前記
第１の受光手段で検出された光の強度を第１の直流成分
と第１の交流成分に分離する第１の弁別手段、および前
記第２の受光手段で検出された光の強度を第２の直流成
分と第２の交流成分に分離する第２の弁別手段と、前記
第１の直流成分に基づいて前記第１の発光手段を制御す
る第１の駆動回路、および前記第２の直流成分に基づい
て前記第２の発光手段を制御する第２の駆動回路と、前
記第１の交流成分と前記第２の交流成分を互いに減算し
て前記物理量を検出する演算処理手段とを備えているの
で、光ファイバが機械的に振動した場合等に生じる光の
速い減衰変動をも除去することができ、高精度は測定を
行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光センサの一実施例を示すブロック
図である。

【図２】光の速い減衰量の変動がない場合の光センサ各
部における出力を示す波形図である。

【図３】光の速い減衰量の変動が有る場合の光センサ各
部における出力を示す波形図である。

【図４】従来の光センサを示すブロック図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 発光素子 ２ａ，２ｂ，２ｃ，７ａ，７ｂ，７ｃ 光ファイバ ３ 磁界検出部 ８ａ，８ｂ 受光素子 ９ａ，９ｂ ＡＣ−ＤＣ弁別器 １０ａ，１０ｂ 発光素子駆動回路 １５ 演算処理手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバで構成された光伝送路の途中
   に設けられ、特定の物理量に感応するセンサ素子へ光を
   入射し、このセンサ素子から出射された光を直流成分と
   交流成分に分離し、これら両成分に基づいて前記物理量
   を検出する光センサにおいて、 前記光伝送路の一端に設けられ、前記光伝送路に光を入
   射する第１の発光手段、および前記光伝送路の他端に設
   けられ、前記センサ素子からの出射光を検出する第１の
   受光手段と、 前記光伝送路の他端に設けられ、前記光伝送路に光を入
   射する第２の発光手段、および前記光伝送路の一端に設
   けられ、前記センサ素子からの出射光を検出する第２の
   受光手段と、 前記第１の受光手段で検出された光の強度を第１の直流
   成分と第１の交流成分に分離する第１の弁別手段、およ
   び前記第２の受光手段で検出された光の強度を第２の直
   流成分と第２の交流成分に分離する第２の弁別手段と、 前記第１の直流成分に基づいて前記第１の発光手段を制
   御する第１の駆動回路、および前記第２の直流成分に基
   づいて前記第２の発光手段を制御する第２の駆動回路
   と、 前記第１の交流成分と前記第２の交流成分を互いに減算
   して前記物理量を検出する演算処理手段と、 を備えたことを特徴とする光センサ。