JPH0618567A - 光ファイバ電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光ファイバの巻数を増加させることなく、検出
感度を増大させる。 【構成】被検出電流が流れる導体１１に単一モード光フ
ァイバ１２を巻き付け、光ファイバ１２の一端に反射膜
１２ａを設ける。光ファイバ１２の他端と偏光子１５及
び検光子１６との間をビームスプリッタ１７を介して結
合する。発光源１３から出た光を偏光子１５に入射させ
て直線偏光とし、この直線偏光をビームスプリッタ１７
を通して光ファイバ１２に与える。光ファイバ１２内に
入射した直線偏光は、光ファイバ内を片道だけ通過する
場合の２倍の角度回転する。光ファイバ１２内を往復し
てきた光をビームスプリッタ１７を通して検光子１６に
与え、検光子１６により得た強度変調光を光検出器２０
により検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバのファラデ
ー効果を利用した光ファイバ電流センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバのファラデー効果を利用した
光ファイバ電流センサとして、図７に示したものが知ら
れている。同図において、１は被検出電流が流れる導
体、２は導体１にコイル状に巻回された単一モード（シ
ングルモード）光ファイバで、光ファイバ２の一端及び
他端はそれぞれセルフォックレンズ３Ａ及び３Ｂを介し
て偏光子４及び検光子５に結合されている。６は半導体
レーザからなる発光源で、発光源６は多重モード（マル
チモード）光ファイバ７Ａと光アイソレータ８と多重モ
ード光ファイバ７Ｂとセルフォックレンズ３Ｃとを通し
て偏光子４に結合されている。検光子５はセルフォック
レンズ３Ｄと多重モード光ファイバ７Ｃとを通して起電
圧光ダイオード等の光／電気信号変換素子からなる光検
出器９に結合されている。検光子５はその偏光方向が偏
光子４に対して４５度の角度をなすように設けられてい
る。

【０００３】光アイソレータ８は反射光が発光源６の半
導体レーザに戻ってノイズの発生の原因となるのを防止
するために設けられている。またセルフォックレンズ３
Ａ〜３Ｄは、光の結合率を高めるために設けられてい
る。

【０００４】上記の光ファイバ電流センサにおいて、発
光源６が発生した光は光アイソレータ８を経て偏光子４
に入射する。偏光子４は与えられた光を直線偏光として
単一モード光ファイバ２に入射させる。光ファイバ２内
に入射した直線偏光は、導体１を流れる電流により発生
する磁界による光ファイバ２のファラデー効果により、
その偏光面が磁界の強さに応じた角度だけ回転させられ
る。一般にファラデー素子に磁界Ｈを印加した場合に生
じる偏光面の回転角θは、磁界中に配置されたファラデ
ー素子の長さをＬ、ベルデ定数をＶD とすると、θ＝Ｖ
D ・Ｈ・Ｌで与えられる。被検出電流が流れる導体に巻
回された光ファイバ２のファラデー効果は、該光ファイ
バ２の巻数に比例する。

【０００５】従って単一モード光ファイバ２から出射し
た直線偏光は電流の強さに応じて偏光面が所定の角度回
転させられている。光ファイバ２を通過した光は検光子
５により電流の大きさに応じて強度変調された光として
取り出され、この光が光検出器９により検出される。光
検出器９の出力が復調されて、被検出電流に応じた電気
信号が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の光ファイバ電流
センサにおいては、ファラデー効果が単一モード光ファ
イバ２の巻数に比例するが、光ファイバのヴェルデ定数
（比例定数）が小さいという問題がある。そのため、電
流センサとして十分な感度を確保するためには、光ファ
イバの巻数を多くしなければならないという問題があっ
た。

【０００７】また上記の光ファイバ電流センサを、ガス
絶縁開閉装置等の電気機器に適用する場合には、例えば
偏光子４及び検光子５とセルフォックレンズ３Ａ〜３Ｄ
と単一モード光ファイバ２とからなるセンサの主要部を
電気機器の容器内に配置することになるが、この場合、
電気機器の容器内で２本の多重モード光ファイバ７Ｂ及
び７Ｃを引き回すことが必要になる。電気機器の容器内
に配置された光ファイバは、該容器内の電界分布を乱す
原因になるおそれがあるため、電気機器の絶縁設計に支
障を来さないようにするためには、電気機器の容器内に
配置する光ファイバの数をできるだけ少なくすることが
必要であり、できれば容器内で１本の光ファイバを引き
回すだけで済むようにするのが好ましい。

【０００８】本発明の目的は、光ファイバの巻数を増加
させることなく高い感度を得ることができるようにした
光ファイバ電流センサを提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、電気機器の容器内で
１本の多重モード光ファイバを引き回すだけで、検出出
力を取り出すことができるようにした光ファイバ電流セ
ンサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明の光ファ
イバ電流センサは、被検出電流が通電される導体にコイ
ル状に巻回された単一モード光ファイバと、単一モード
光ファイバの一端に設けられた反射膜と、発光源から与
えられる光を直線偏光とする偏光子と、検光子と、光フ
ァイバの他端と偏光子と検光子とに結合されて偏光子か
ら得られる直線偏光を光ファイバに与え、光ファイバの
一端の反射膜で反射した光を検光子に与えるビームスプ
リッタと、検光子を通過した光を検出する光検出器とに
より構成される。

【００１１】本願第２の発明の光ファイバ電流センサ
は、被検出電流が通電される導体と、導体にコイル状に
巻回された単一モード光ファイバと、単一モード光ファ
イバの一端に設けられた反射膜と、単一モード光ファイ
バーの他端にファラデー回転子を介して結合された偏光
子と、光検出器と、発光源と偏光子と光検出器とに結合
されて発光源から与えられた光を偏光子とファラデー回
転子とを通して光ファイバーに与え、光ファイバの一端
の反射膜で反射してファラデー回転子及び偏光子を通過
した光を前記光検出器に与えるビームスプリッタとによ
り構成される。

【００１２】

【作用】上記第１の発明のように構成すると、発光源か
らの光は偏光子で直線偏光され、単一モード光ファイバ
に入射される。この光ファイバに入射された直線偏光
は、該光ファイバの一端に設けられた反射膜に向って伝
搬する際に、導体に流れる電流によって発生する磁界に
よる単一モード光ファイバのファラデー効果により、そ
の偏光面が磁界（電流）の強さに応じた角度だけ回転さ
せられる。この直線偏光は光ファイバの一端に設けられ
た反射膜によって反射し、逆方向に伝搬されるが、この
逆方向への伝搬の際にもファラデー効果によりその偏光
面が回転させられる。従って、偏光子から出た直線偏光
は、従来のように光ファイバ内の光路を片道だけ伝搬す
る場合の２倍の角度だけその偏光面が回転することにな
る。電流の大きさに応じて偏光面の回転が生じた光は、
ビームスプリッタにより検光子に導かれ、該検光子から
強度変調された光が取り出される。この光は光検出器に
より検出されて電気信号に変換されるので、該光検出器
の出力を復調することにより、被検出電流に応じた電気
信号を得ることができる。

【００１３】このように、本発明においては、偏光子か
ら得られた直線偏光を、単一モード光ファイバ内で往復
させることにより、該光ファイバ内の光路を片道だけ伝
搬させる場合の２倍の角度だけ偏光面を回転させるた
め、単一モード光ファイバの巻数を従来と同一とした場
合、電流の検出感度を従来の２倍に向上させることがで
きる。

【００１４】また、本願第２の発明のように構成した場
合には、発光源から得られる光がビームスプリッタを通
して偏光子に入射される。該偏光子により得られた直線
偏光は、ファラデー回転子により一定の角度αだけ回転
させられて単一モード光ファイバに入射し、該光ファイ
バ内を往復する。単一モード光ファイバ内を往復して該
光ファイバから出射した光は再びファラデー回転子に入
射するため、該ファラデー回転子により再び回転させら
れる。ファラデー効果は非相反的な効果であるため、一
度ファラデー回転子を通過した光を再び逆方向から該フ
ァラデー回転しに入射させた場合、偏光面の回転角は積
算されて２αとなる。

【００１５】このように、偏光子から出た直線偏光は、
ファラデー回転子を２度通過することにより、その偏光
面が２αだけ回転することになるため、αを適当に設定
しておくことにより、光ファイバー側から戻ってくる光
に対して偏光子を検光子として作用させることができ、
被検出電流により強度変調された光を該検光子を通して
取り出すことができる。この強度変調された光は、ビー
ムスプリッタを介して光検出器により与えられ、該検出
器により復調されて被検出電流の大きさが検出される。

【００１６】尚通常は、ファラデー回転子による回転角
αを２２．５度に設定して、発光源からビームスプリッ
タを通して偏光板に入射することにより直線偏光とされ
た光が往復で４５度回転して戻ってくるようにしておけ
ばよい。

【００１７】第２の発明のように構成すると偏光子を検
光子としても用いることができるため、構成を簡単にす
ることができ、偏光子と検光子との間の光学的な位置関
係の調整が不要になる。即ち、第１の発明のように偏光
子と検光子とを別個に設ける場合には、偏光子の偏光方
向を検光子の偏光方向に対して４５度傾けるように調整
する必要があるが、第２の発明によれば、このような調
整が不要になる。

【００１８】また第２の発明のように構成すると、単一
モード光ファイバとファラデー回転子と偏光子とを含む
センサの主要部とビームスプリッタとの間が１本の光フ
ァイバで接続されるため、ガス絶縁開閉装置等の電気機
器に適用する場合に、ビームスプリッタを電気機器の容
器外に配置することにより、電気機器の容器内で引き回
す光ファイバを１本だけとすることができ、電気機器の
絶縁設計を容易にすることができる。

【００１９】

【実施例】図１は本願第１の発明の一実施例を示したも
ので、同実施例において１１は被検出電流が流れる導
体、１２は導体１１にコイル状に巻回された単一モード
光ファイバ、１３は発光源、１４は光アイソレータ、１
５は偏光子、１６は検光子、１７はポート１７ａ〜１７
ｃを有するビームスプリッタ、１８Ａ〜１８Ｅは多重モ
ード光ファイバである。

【００２０】単一モード光ファイバ１２の一端には反射
膜１２ａが設けられ、該光ファイバ１２の他端はビーム
スプリッタ１７のポート１７ａに結合されている。発光
源１３は多重モード光ファイバ１８Ａと、アイソレータ
１４と、多重モード光ファイバ１８Ｂと、セルフォック
レンズ１９Ａとを通して偏光子１５に結合され、偏光子
１５はセルフォックレンズ１９Ｂと光ファイバ１８Ｃと
を通してビームスプリッタ１７のポート１７ｂに結合さ
れている。ビームスプリッタのポート１７ｃは光ファイ
バ１８Ｄとセルフォックレンズ１９Ｃとを介して検光子
１６に結合され、検光子１６はセルフォックレンズ１９
Ｄと光ファイバ１８Ｅとを通して光検出器２０に結合さ
れている。検光子１６はその偏光方向が偏光子１５に対
して４５度の角度をなすように設けられている。

【００２１】上記の実施例において、発光源１３が発生
した光は光ファイバ１８Ａと、光アイソレータ１４と、
光ファイバ１８Ｂとを通して偏光子１５に入射されて直
線偏光とされる。この直線偏光は光ファイバ１８Ｃとビ
ームスプリッタ１７とを通して単一モード光ファイバ１
２に入射される。光ファイバ１２に入射した直線偏光
は、該光ファイバ１２内を反射膜１２ａに向って伝搬す
る過程で、光ファイバ１２のファラデー効果により、図
２に示すように、偏光面が磁界（被検出電流）の大きさ
に相応した角度θだけ回転する。この直線偏光は光ファ
イバの一端に設けられた反射膜によって反射し、逆方向
に伝搬されるが、この逆方向への伝搬の際にもファラデ
ー効果を受けてその偏光面がθだけ回転させられる。従
って、偏光子１５から出た直線偏光は、光ファイバ内の
光路を片道だけ伝搬する場合の２倍の角度２θだけその
偏光面が回転する。電流の大きさに応じて偏光面の回転
が生じた光は、ビームスプリッタ１７により検光子１６
に導かれ、検光子１６から強度変調された光が取り出さ
れる。この光は光検出器２０により検出されて電気信号
に変換される。光検出器２０の出力を復調することによ
り、被検出電流に応じた電気信号を得ることができる。

【００２２】図１の実施例では、ビームスプリッタ１７
と偏光子１５との間を光ファイバ１８Ｃとセルフォック
レンズ１９Ｂとにより結合し、ビームスプリッタ１７と
検光子１６との間を光ファイバ１８Ｄとセルフォックレ
ンズ１９Ｃとを介して結合しているが、これらの間の結
合の仕方は任意である。例えば図３に示すように、偏光
子１５及び検光子１６をビームスプリッタ１７に直接結
合するようにしてもよい。この場合偏光子１５と検光子
１６とビームスプリッタ１７とセルフォックレンズ１９
Ａ及び１９Ｄと単一モード光ファイバ１２とによりセン
サの主要部が構成され、該主要部が電気機器内に配置さ
れる。図３において３０は例えばガス絶縁開閉装置の容
器の壁部で、該容器の壁部３０の左側（矢印で示された
側）が容器内のガス空間である。多重モード光ファイバ
１８Ｂ及び１８Ｅは壁部３０に取付けられた気密保持用
のアダプタ３１及び３２を通して容器内に導入される。

【００２３】また上記の実施例では、偏光子１５と発光
源１３との間をアイソレータ１４とセルフォックレンズ
１９Ａと光ファイバ１８Ａ，１８Ｂとを介して結合して
いるが、これらの間の結合の仕方も任意であり、場合に
よってはアイソレータを省略したりセルフォックレンズ
を省略したりすることができる。

【００２４】図４は本願第２の発明の実施例を示したも
ので、この実施例では発光源１３が光ファイバ１８Ａと
光アイソレータ１４と光ファイバ１８Ｂとを通してビー
ムスプリッタ１７のポート１７ｂに結合され、ビームス
プリッタ１７のポート１７ａは光ファイバ１８Ｃとセル
フォックレンズ１９Ａとを通して偏光子１５に結合され
ている。偏光子１５には鉛ガラスやＹＩＧ等の磁気光学
材料からなるファラデー回転子２１が結合され、該ファ
ラデー回転子はセルフォックレンズ１９Ｂを通して単一
モード光ファイバ１２の他端に結合されている。ファラ
デー回転子２１には磁石２２により飽和磁界が与えられ
ている。本実施例では、ファラデー回転子による偏光面
の回転角αが２２．５度に等しくなるようにファラデー
回転子２１の厚さが設定されている。ビームスプリッタ
１７のポート１７ｃは光ファイバ１８Ｄを介して光検出
器２０に結合されている。なお本実施例において、光フ
ァイバ１８Ａ〜１８Ｄは全て多重モード光ファイバであ
る。

【００２５】図４の実施例の動作説明図を図５に示し
た。なお図５においては、偏光子１５及びファラデー回
転子２１が上下に並べて２つ図示されているが、これら
は実際には同一のものである。図４の実施例において
は、発光源１３から得られる光がビームスプリッタ１７
を通して偏光子１５に入射され、該偏光子により直線偏
光が得られる。この直線偏光は、図５の上部に示された
ようにファラデー回転子２１に入射するため、ファラデ
ー回転子２１により更に２２．５度だけ回転させられて
単一モード光ファイバ１２に入射し、該光ファイバ内を
往復する。ファラデー回転子２１を通過した光は、単一
モード光ファイバ１２のファラデー効果により、その偏
光面が角度２θだけ回転させられる。単一モード光ファ
イバ１２内を往復して該光ファイバの他端から出射した
光は、図５の下部に示されているように再びファラデー
回転子２１に入射して、該回転子によりその偏光面が２
２．５度だけ回転させられる。ファラデー素子は非相反
性を有するため、一度ファラデー回転子２１を通過した
直線偏光を再び逆方向から同じファラデー回転子２１に
入射させた場合、偏光面の回転角は積算されて２２．５
×２＝４５度となる。

【００２６】このように、偏光子から出た直線偏光は、
ファラデー回転子を２度通過することにより、その偏光
面が４５度回転することになるため、光ファイバー側か
ら戻ってくる光に対しては偏光子１５を検光子として作
用させることができ、該検光子を通して、被検出電流に
より強度変調された光を取り出すことができる。この強
度変調された光は、ビームスプリッタ１７を通して光検
出器２０により与えられ、該検出器により検出される。

【００２７】図４の実施例の光ファイバ電流センサをガ
ス絶縁開閉装置等の電気機器に適用する場合には、図６
に示すように、偏光子１５とファラデー回転子２１及び
磁石２２とセルフォックレンズ１９Ａ，１９Ｂと単一モ
ード光ファイバ１２とからなるセンサの主部を電気機器
の容器内のガス空間に配置し、容器の壁部３０に取り付
けた気密保持用のアダプタ３３を貫通させた多重モード
光ファイバ１８Ｃによりセルフォックレンズ１９Ａとビ
ームスプリッタ１７との間を接続する。このようにする
と、電気機器の容器内では１本の光ファイバ１８Ｃを引
き回すだけで済むため、電気機器の絶縁設計を容易にす
ることができる。

【００２８】図４の実施例においては、ビームスプリッ
タ１７と発光源１３との間をアイソレータ１４と光ファ
イバ１８Ａ及び１８Ｂとを介して結合し、ビームスプリ
ッタ１７と偏光子１５との間を光ファイバ１８Ｃとセル
フォックレンズ１９Ａとを介して結合しているが、これ
らの結合の仕方は任意であり、場合によっては、アイソ
レータを省略したり、セルフォックレンズ１９Ａを省略
したりすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、偏光子
から得られた直線偏光を、単一モード光ファイバ内で往
復させることにより、該光ファイバ内の光路を片道だけ
伝搬させる場合の２倍の角度だけ偏光面を回転させるた
め、単一モード光ファイバの巻数を従来と同一とした場
合、電流の検出感度を従来の２倍に向上させることがで
きる利点がある。

【００３０】特に第２の発明によれば、偏光子と単一モ
ード光ファイバとの間にファラデー回転子を配置したこ
とにより、偏光子を検光子としても用いることができる
ため、構成を簡単にすることができ、偏光子と検光子と
の間の光学的な位置関係の調整が不要になるという利点
がある。

【００３１】また第２の発明によれば、単一モード光フ
ァイバとファラデー回転子と偏光子とを含むセンサの主
要部とビームスプリッタとの間が１本の光ファイバで接
続されるため、ガス絶縁開閉装置等の電気機器に適用す
る場合に、ビームスプリッタを電気機器の容器外に配置
することにより、電気機器の容器内で引き回す光ファイ
バを１本だけとすることができ、電気機器の絶縁設計を
容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を概略的に示した構成図
である。

【図２】図１の実施例の動作説明図である。

【図３】本発明の他の実施例の構成を概略的に示した構
成図である。

【図４】本発明の更に他の実施例の構成を概略的に示し
た構成図である。

【図５】図４の実施例の動作説明図である。

【図６】図４の実施例の光電流センサを電気機器に取り
付けた状態を概略的に示した説明図である。

【図７】従来の光ファイバ電流センサの構成を概略的に
示した構成図である。

【符号の説明】

１１ 導体 １２ 単一モード光ファイバ １２ａ 反射膜 １３ 発光源 １５ 偏光子 １６ 検光子 １７ ビームスプリッタ １８Ａ〜１８Ｅ 多重モード光ファイバ １９Ａ〜１９Ｄ セルフォックレンズ ２０ 光検出器 ２１ ファラデー回転子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検出電流が通電される導体にコイル状に
   巻回された単一モード光ファイバと、 前記単一モード光ファイバの一端に設けられた反射膜
   と、 発光源から与えられる光を直線偏光とする偏光子と、 検光子と、 前記光ファイバの他端と前記偏光子と検光子とに結合さ
   れて前記偏光子から得られる直線偏光を前記光ファイバ
   に与え、前記光ファイバの一端の反射膜で反射した光を
   前記検光子に与えるビームスプリッタと、 前記検光子を通過した光を検出する光検出器とを備えた
   光ファイバ電流センサ。
2. 【請求項２】被検出電流が通電される導体と、前記導体
   にコイル状に巻回された単一モード光ファイバと、 前記単一モード光ファイバの一端に設けられた反射膜
   と、 前記単一モード光ファイバーの他端にファラデー回転子
   を介して結合された偏光子と、 光検出器と、 発光源と前記偏光子と光検出器とに結合されて前記発光
   源から与えられた光を前記偏光子とファラデー回転子と
   を通して前記光ファイバーに与え、前記光ファイバの一
   端の反射膜で反射して前記ファラデー回転子及び偏光子
   を通過した光を前記光検出器に与えるビームスプリッタ
   とを備えた光ファイバ電流センサ。