JPH07209398A - ファラデー効果型光ファイバセンサおよび変流器 - Google Patents

ファラデー効果型光ファイバセンサおよび変流器

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JPH07209398A
JPH07209398A JP6005602A JP560294A JPH07209398A JP H07209398 A JPH07209398 A JP H07209398A JP 6005602 A JP6005602 A JP 6005602A JP 560294 A JP560294 A JP 560294A JP H07209398 A JPH07209398 A JP H07209398A
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宏 久米川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複屈折による悪影響を抑制し、また温度によ
る複屈折(旋光性)の変化を抑えて、高精度な磁界セン
サまたは電流センサを得ることのできるファラデー効果
型光ファイバセンサおよびそれを用いた変流器を提供す
る。 【構成】 一定長を有する単一モードの光ファイバに右
旋捩じり区間および左旋捩じり区間を設け、距離当たり
の捩じり回数をほぼ等しくするとともに、右旋捩じり区
間の累積捩じり回数と左旋捩じり区間の累積捩じり回数
をほぼ等しくしてチューブ9内に保持させ、そのチュー
ブ9をボビン8に巻回する。 【効果】 光ファイバの偏波面保存性が高まり、且つ温
度による旋光能が打ち消される。また、単純な構造で高
精度な電流測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバ自体のフ
ァラデー効果を利用したファラデー効果型光ファイバセ
ンサおよびそれを用いた変流器に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファラデー素子を用いた従来の電流セ
ンサの構成を図5に示す。図5において1は被測定電流
が流れる電流路、20はこの電流路1に近接配置した電
流センサである。この電流センサ20はコリメータ5,
5、偏検光子2,2、λ/2板3および光ファラデー素
子4からなる。この光センサ20には2本の伝送用光フ
ァイバ6,6を接続する。コリメータ5,5はそれぞれ
光ファイバ6から入射する光および光ファイバ6へ出射
させる光をそれぞれ平行光にする。偏検光子2,2はラ
ンダム光から直線偏光を取り出す。λ/2板3は直線偏
光を45度回転させ、光ファラデー素子4は電流路1に
流れる被測定電流に比例する磁界を受けて、光の偏波面
を回転させる。偏検光子2,2は光ファラデー素子4に
対する磁界が0の時、電流センサ11の入力光に対する
出力光の光量変化が最も小さくなる偏光方向に配置して
いる。これにより、電流路1に流れる電流に比例した光
量変化を得て、被測定電流を測定する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
光ファラデー素子を用いた電流センサにおいては、被測
定電流が流れる電流路と光ファラデー素子間の距離Lと
電流路の発生する磁界の強さHは、H=NI/L(A/
m)の関係があるため、距離Lが変わると、センサの出
力が変化するため、電流路と電流センサとの位置関係を
精度よく定めなければならず、電流センサの取り付け位
置に制約があった。また、電流センサ自身は、入射側光
ファイバからの光を出射側光ファイバに高精度に戻さな
ければならず、偏検光子、光ファラデー素子およびλ/
2板等の光学部品を高精度に位置決め固定しなければな
らず、製作が困難であった。
【0004】一方、光ファイバを構成するSiO2 や多
成分ガラスのファラデー効果を利用して、光ファイバの
入射光と出射光間に生じる偏波面の回転を光量変化等に
変換し検出することによって、磁界または電流を検出す
るファラデー効果型光ファイバセンサが知られている。
このようなセンサは、光ファイバの巻回数を多くするこ
とによって感度を増加させることができ、センサ部と光
伝送路が一体化できるという利点がある。ところが、こ
のような光ファイバセンサは、一般に光ファイバ製造時
の内部歪みや曲げ変形等によって複屈折が生じるため、
偏波面保存性が悪い。たとえば通常の単一モード光ファ
イバは100°/mの直線複屈折を有し、この複屈折に
よる偏波方向の変化はファラデー効果とは独立に生じ、
磁界(電流)感度を上げるためにコイル状に巻回した場
合に、コイル状に巻回することにより生じる複屈折によ
る旋光性がファラデー効果を打ち消すように働くことも
あり、実際には巻回数に比例した感度向上は得られな
い。また、スピンドルファイバと称される低複屈折の光
ファイバでも数°/mの直線複屈折を有し、この低複屈
折性の光ファイバでセンサを構成する場合、前記複屈折
による旋光性は温度により変化するため、温度によって
計測誤差が生じ、特別な温度補償を行わなければならな
い。
【0005】この発明の目的は、複屈折による悪影響を
抑制し高精度な磁界センサまたは電流センサを得ること
のできるファラデー効果型光ファイバセンサおよびそれ
を用いた変流器を提供することにある。
【0006】この発明の他の目的は、温度による複屈折
(旋光性)の変化を抑えて、特別な温度補償を不要とし
たファラデー効果型光ファイバセンサおよびそれを用い
た変流器を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
るファラデー効果型光ファイバセンサは、光ファイバの
一端から偏光光を入射させ、他端から出射する光の偏波
面の回転を検出するファラデー効果型光ファイバセンサ
において、一定長を有する単一モードの光ファイバに右
旋捩じり区間および左旋捩じり区間を設け、距離当たり
の捩じり回数をほぼ等しくするとともに、右旋捩じり区
間の累積捩じり回数と左旋捩じり区間の累積捩じり回数
を略等しくしたことを特徴とする。
【0008】請求項2に係るファラデー効果型光ファイ
バセンサは、請求項1記載の捩じった状態の光ファイバ
がチューブ内に収納したことを特徴とする。
【0009】請求項3に係る変流器は、請求項2記載の
捩じった状態の光ファイバを収納したチューブをボビン
に巻回するとともに、そのボビンに被測定電流の流れる
電流路を挿通させたことを特徴とする。
【0010】
【作用】請求項1に係るファラデー効果型光ファイバセ
ンサは一定長を有する単一モードの光ファイバの一端か
ら入射する光の偏波面に対する他端から出射する光の偏
波面の回転を検出することによって光ファイバに与えら
れる磁界または磁界を発生する電流の測定に用いられる
が、前記光ファイバには右旋捩じり区間および左旋捩じ
り区間が設けられ、距離当たりの捩じり回数がほぼ等し
く右旋捩じり区間の累積捩じり回数と左旋捩じり区間の
累積捩じり回数が略等しく構成されている。たとえば、
中央が固定されて、その軸方向の前後で回数が等しく且
つ方向が逆の捩じりが与えられている。このように単一
モードの光ファイバに捩じりを与えることによって、複
屈折に規則性が与えられ、偏波面保存性が高まる。ま
た、光ファイバの温度により生じる複屈折(旋光性)は
相反性があるが、この発明では距離当たりの捩じり回数
が略等しく、且つ光ファイバの右旋捩じり区間と左旋捩
じり区間のそれぞれの累積捩じり回数がほぼ等しいた
め、光ファイバの入射端と出射端間では温度により生じ
る複屈折(旋光性)が打ち消され、温度変化が偏波面の
回転検出結果に影響を与えない。
【0011】請求項2に係るファラデー効果型光ファイ
バセンサでは、捩じった状態の光ファイバがチューブ内
に収納されているため、捩じりによる光ファイバの広が
りが抑制され、チューブ内において光ファイバの捩じり
状態が安定に保持される。
【0012】ここで、前記チューブの内径をRg、捩じ
りをτとして、両者の関係を参考として(1) 式に示す。
【0013】 Rg2 −(0.68Rg/√τ)+(1/τ2 )≧0 …(1) 上式においてτは単位長さ(1m)当たりの捩じり回数
であり、たとえばτ=50の時、チューブの内径Rgは
Rg<0.27である。チューブの内径は保護被覆の外
径より大きくなければならないため、たとえば保護被覆
の外径が220μmの光ファイバーを用いて、捩じり回
数τをτ<50とすれば、チューブの内径は0.5mm
以上が適当となり、またボビン等に巻回する際の作業性
およびチューブに与える影響を考えて13mm以下が適
当な値となる。
【0014】請求項3に係る変流器では、前記チューブ
がボビンに巻回されて、そのボビンに被測定電流の流れ
る電流路が挿通されている。このように捩じった状態の
光ファイバが収納されたチューブがボビンに巻回されて
いるため、被測定電流の流れる電流路の熱および振動等
を直接受けず、また光ファイバの変位による複屈折が抑
えられ、安定した状態で電流測定を行うことができる。
【0015】ここで、ボビンの径をRh、保護被覆の施
された光ファイバの外形をRp、複屈折をβとして、こ
れらの関係を参考として(2) 式に示す。
【0016】 β=(0.85/λ)(Rp/Rh)2 〔rad/m〕 …(2) 上式においてλは入射光の光の波長である。
【0017】また、光ファイバを捩じることにより生じ
る複屈折と誤差εとの関係を参考として(3) 式に示す。
【0018】 ε2 ≒{(0.85/λ)(Rp/Rh)2 2 /(gτ)2 …(3) 上式においてgは光ファイバの材料により定まる値であ
る。
【0019】変流器に要求される精度として、ε2 <1
-4の精度とする場合、λ=780nm、Rp=220
μmとすれば、τ=50の時Rh≧10cmが目安とな
る。
【0020】しかし、このボビンの径は他の装置(例え
ば増幅器等)との組み合わせにより、10cmより小さ
くすることは可能である。
【0021】
【実施例】この発明の実施例であるファラデー効果型光
ファイバセンサおよびそれを用いた変流器の構成を図1
〜図4を基に説明する。
【0022】図1は捩じりを与える前の展開状態の光フ
ァイバを示す。図1おいて11は長さ10mの単一モー
ド光ファイバであり、その中央に固定具10を取り付
け、両端にコネクタ7,7を設けている。その後、両端
のコネクタ7,7を固定したまま固定具10を光ファイ
バの軸回りに回転させることにより、図における固定具
の左側と右側とで、光ファイバ11に与える捩じり方向
を逆の関係にするとともに、その捩じり回数を等しくす
る。ここでは捩じり回数τをτ≦50(回/m)とす
る。
【0023】図2は、図1に示した光ファイバ11をチ
ューブ内に挿入した状態を示す断面図である。図2にお
いて光ファイバ11は、たとえば直径5μmのコア12
と直径125μmのクラッドおよび直径220μmの保
護被覆14からなる。また、同図において9はチューブ
であり、その内径は0.5mm以上13mm以下であ
る。
【0024】図3はチューブ9内に光ファイバ11を挿
入するとともに、捩じりを与えた様子を示す部分斜視図
である。このようにチューブ9内に捩じりを与えた光フ
ァイバ11を保持させたことにより、光ファイバ11の
広がりを抑えるとともに、その捩じり状態を安定に保つ
ことができる。
【0025】図4は図3に示した、光ファイバを保持す
るチューブをボビンに巻回してなる変流器の構成を示す
斜視図である。図4において8はボビンであり、図に示
すようにチューブ9をボビン8に所定回数巻回するとと
もに、ボビン8に、被測定電流の流れる電流路1を挿通
させている。このような構成で、コネクタ7,7に対
し、偏波面の回転量を検出する装置を接続し、その偏波
面の回転量から電流測定を行うことができる。具体的に
はLD(レーザダイオード)またはLED(発光ダイオ
ード)の光を偏光子を通して一方のコネクタ7へ入射さ
せ、他方のコネクタ7から出射する光を検光子を通して
光検出器で受光するようにする。その際、LDまたはL
EDを強度変調させて、光検出器の出力から直流成分に
対する交流成分の比を求めることによって、光ファイバ
等による光損失等の変動による光強度変化の影響を打ち
消すようにする。
【0026】なお、ボビン8に対しチューブ9を多層巻
きして、ボビン8に対する巻き幅を狭くすることも可能
である。また、ボビン8にチューブ9を巻回した状態
で、全体を樹脂モールドし、ボビン全体を緩衝材で保持
して、耐振性を持たせてもよい。
【0027】
【発明の効果】この発明の請求項1に係るファラデー効
果型光ファイバセンサによれば、偏波面保存性が高く、
しかも温度依存性を極めて小さくすることができ、高精
度な磁界または電流センサとして用いることができる。
【0028】請求項2に係るファラデー効果型光ファイ
バセンサによれば、光ファイバの捩じり状態を安定に保
持したまま、ボビン等に容易に巻回することが可能とな
る。
【0029】請求項3に係る変流器では、構造が単純で
あるため製作が容易となり、しかも被測定電流の流れる
電流路に対し周回するため、取り付け位置に制約を受け
ず、また他相誘導を受けない、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例に係るファラデー効果型光フ
ァイバセンサの捩じりを与える前の光ファイバの構成を
示す図である。
【図2】チューブ内に挿入した光ファイバの構造を示す
断面図である。
【図3】チューブ内に捩じりを与えた光ファイバを保持
した状態を示す部分斜視図である。
【図4】この発明の実施例に係る変流器の構成を示す斜
視図である。
【図5】従来の電流センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
1−電流路 2−偏検光子 3−λ/2板 4−光ファラデー素子 5−コリメータ 6−伝送用光ファイバ 7−コネクタ 8−ボビン 9−チューブ 10−固定部 11−単一モード光ファイバ 12−コア 13−クラッド 14−保護被覆

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光ファイバの一端から偏光光を入射させ、
    他端から出射する光の偏波面の回転を検出するファラデ
    ー効果型光ファイバセンサにおいて、 一定長を有する単一モードの光ファイバに右旋捩じり区
    間および左旋捩じり区間を設け、距離当たりの捩じり回
    数をほぼ等しくするとともに、右旋捩じり区間の累積捩
    じり回数と左旋捩じり区間の累積捩じり回数を略等しく
    したことを特徴とするファラデー効果型光ファイバセン
    サ。
  2. 【請求項2】前記捩じった状態の光ファイバがチューブ
    内に収納されてなる請求項1記載のファラデー効果型光
    ファイバセンサ。
  3. 【請求項3】請求項2記載のチューブをボビンに巻回す
    るとともに、そのボビンに被測定電流の流れる電流路を
    挿通させたことを特徴とする変流器。
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