JPH07248338A

JPH07248338A - 電流の測定方法および電流測定装置

Info

Publication number: JPH07248338A
Application number: JP6038556A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kurosawa; 潔黒澤; Satoru Yoshida; 知吉田; Kazuo Sakamoto; 和夫坂本
Original assignee: Hoya Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Hoya Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】外力に対して変動しない電流測定装置の提
供。【構成】装置は、光源１と、光学系部品２と、被測定
電流の外周を周回する光路を形成する特定された組成比
率の鉛ガラス光ファイバ３ーとから概略構成されてい
る。部品２は、第１，第２偏光子１３，５と、第１，第
２集光レンズ６，８，ビームスプリッタ７および検光子
９と、第３および第４集光レンズ１０，１１とを有し、
偏光子１３，５は、単一モード光ファイバ１２の両端側
に固着されている。集光レンズ８の近傍には、鉛ガラス
光ファイバ３の一端側が近接配置され、この鉛ガラス光
ファイバ３は、被測定電流Ｉ_acが流れる導体１４の外周
を少なくとも１回周回するように配置され、周回端側に
は反射手段１５が設けられている。第３，第４集光レン
ズ１０，１１側には、光ファイバ１６，１７を介して光
電変換素子１８，１９が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電流の測定方法およ
び電流測定装置に関し、特に、光ファイバを用いる電流
の測定方法および電流測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光の偏波面が磁界の作用により回転する
ファラデー効果を利用した電流の測定方法が知られてお
り、このような測定原理に基づく電流の測定方法におい
て、周回積分型の光変流器が、例えば、ガス絶縁開閉装
置内における電流の測定に利用されている。

【０００３】この種のファラデー効果を利用する周回積
分型の光変流器は、電磁雑音の影響がなく、電気的な絶
縁が容易に行えるなどの利点があり、通常、被測定電流
が流れる導体の外周に周回状に光路を形成する。そし
て、この光路内に直線偏波光を通過させた際に、被測定
電流の磁気作用で回転する直線偏波光のファラデー回転
角を測定して電流の大きさを求める。

【０００４】ところで、このような構成の光変流器で
は、従来、光路の構成材料として、例えば、ブロック状
の鉛ガラスを用い、このガラスで中心に導体を挿通する
略正方形状の中空部を設けた枠状に形成していた。しか
し、このようなガラスブロックを用いた光路では、重量
が重くなり、小型化にも限界があった。そこで、この種
の光変流器の光路として、光ファイバを用い、大幅な小
型化を達成することが研究されており、例えば、石英系
光ファイバを用いた光変流器の実験研究が報告されてい
る。ところが、このような石英系の光ファイバを用いた
場合には、ファイバが変形（物理的な変形以外に熱的な
変形も含む）ないしは振動した場合や、荷重が印加され
た場合などに、光ファイバからの出射光の偏波面が光弾
性効果の影響により変動し、測定値に誤差が発生すると
いう問題があった。

【０００５】このような問題を解決するために、全く異
なった２つの技術的思想に基づく解決手法が研究されて
いる。その第１の手法は、光弾性効果を積極的に利用し
ようとする技術的発想であり、光弾性効果による影響が
直線複屈折と円複屈折とに分類されることから、強い円
複屈折を起こさせて、光路中を伝播した直線偏波光を周
回端で反射させて、円複屈折の影響を相殺させるように
するものであって、その具体的な構成は、例えば、特開
昭６２−１６１０５９号公報に提案されている。

【０００６】しかし、このような技術的発想に基づく解
決手段では、強い円複屈折を起こさせるためには、光フ
ァイバに非常に細かいピッチで多数の強い捩じりを加
え、この状態で導体の周りを周回させる必要がある上
に、この捩じりおよび周回状態を長期間維持しなければ
ならないので、実用化する際に解決すべき問題が非常に
多い。

【０００７】一方、第２の手法は、第１の手法と全く逆
の技術的思想であり、光弾性効果の影響を可能な限り小
さくしようとする技術的発想に基づくものであって、例
えば、特公平３−１３１７７号公報にその一例が開示さ
れている。この公報に提案されている解決手段は、鉛ガ
ラス光ファイバのコアとクラッドの組成比率を特定の範
囲に設定することにより、光弾性定数が非常に小さく、
実質上零と考えられる程度にするものである。

【０００８】この公告公報に開示されている鉛ガラス光
ファイバを用いると、上記公開公報に提案されている解
決手段のような実用化上の問題がなく、光弾性効果の影
響が実質上無視できるので、高精度の電流測定が簡単に
実現できるものと考えられる。しかしながら、本発明者
らの知得によると、この公告公報に開示されている鉛ガ
ラス光ファイバを用いた電流の測定方法および電流測定
装置においても、以下に説明する技術的課題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明者ら
は、公告公報に開示されている構成の光ファイバを用い
て周回積分型の光変流器を試作し、実際に電流を測定し
た。この測定実験において、本発明者らは、光路を形成
する鉛ガラス光ファイバの光弾性効果の影響が、実質上
零と考えられるので、光ファイバに外力を加えてみた。
ところが、光ファイバに外力を加えると、測定値が大き
く変動することが判明した。

【００１０】本発明者らの検討によると、この測定値の
変動は、光ファイバの光弾性効果の影響によるものでは
なく、光ファイバの曲線の捩れに起因することが判っ
た。つまり、光ファイバに直線偏波光を入射したとき
に、ファイバの周回端から出射する光の偏波の方位は、
ファイバのなす曲線の形に依存し、曲線の捩れの総量と
等しい角度の回転が発生し、光ファイバに外力が加わっ
たときに、光ファイバの曲線の形が変化し、これに伴っ
て偏波の方位が変化し、その結果、測定値に変動が発生
するものと考えられる。

【００１１】本発明は、このような知得に基づいてなさ
れたものであって、その第一の目的は、外力によって測
定値が変動しない電流の測定方法および電流測定装置を
提供することにある。また、第二の目的は、交流および
直流の測定が、外力に対して安定した状態で行なえる電
流の測定方法および電流測定装置を提供することにあ
る。

【００１２】さらに、第三の目的は、より一層の小型化
が達成できる電流測定装置を提供することにある。ま
た、第四の目的は、比較的脆い光ファイバを有効に保護
することができる電流測定装置を提供することにある。
またさらに、第五の目的は、測定レンジの拡大が可能に
なる電流測定装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にかかる電流の測定方法における第一の発明
は、被測定電流が流れている導体の外周を周回するよう
に光路を形成し、前記光路内に直線偏波光を通過させた
際に、前記被測定電流の磁界作用で回転する前記直線偏
波光のファラデー回転角を測定する電流の測定方法にお
いて、前記光路は、光弾性定数が１．０×１０^-9〜−
１．０×１０^-9ｃｍ²／ｋｇの値を示すガラスからなる
光ファイバーで構成されるとともに、この光ファイバの
曲線の捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を相殺す
るために、前記光ファイバで構成した光路の周回端で前
記直線偏波光を反射させることを特徴とする。

【００１４】また、第二の発明は、被測定電流が流れて
いる導体の外周を周回するように光路を形成し、前記光
路内に直線偏波光を通過させた際に、前記被測定電流の
磁界作用で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角
を測定する電流の測定方法において、前記光路は、Ｐ
ｂＯとＳｉＯ₂とを主成分とした鉛ガラスからなる光フ
ァイバで構成されるとともに、この光ファイバの曲線の
捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を相殺するため
に、前記光ファイバで構成した光路の周回端で前記直線
偏波光を反射させることを特徴とする。

【００１５】上記電流の測定方法では、被測定電流が交
流であって、前記光ファイバで構成した光路を伝播する
前記直線偏波光に所定の光学的バイアスを加えることが
できる。また、上記電流の測定方法では、被測定電流が
直流であって、前記光ファイバで構成した光路を伝播す
る前記直線偏波光に所定の偏波面変調を加えることがで
きる。

【００１６】一方、本発明にかかる電流測定装置の第一
発明は、所定波長の光を発射する光源と、この光源から
の発射光を直線偏波光に変改して出力させる偏光手段
と、前記直線偏波光が入射され、被測定電流が流れてい
る導体の外周を周回するように光路とを備え、前記光路
内に直線偏波光を通過させた際に、前記被測定電流の磁
界作用で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を
測定する電流測定装置において、前記光路は、光弾性
定数が１．０×１０^-9〜−１．０×１０^-9ｃｍ²／ｋｇ
の値を示すガラスからなる光ファイバで構成され、前記
光ファイバで構成した光路の周回端に、前記光ファイバ
の曲線の捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を相殺
する反射手段を設けたことを特徴とする。

【００１７】また、第二発明は、所定波長の光を発射す
る光源と、この光源からの発射光を直線偏波光に変改し
て出力させる偏光手段と、前記直線偏波光が入射され、
被測定電流が流れている導体の外周を周回するように光
路とを備え、前記光路内に直線偏波光を通過させた際
に、前記被測定電流の磁界作用で回転する前記直線偏波
光のファラデー回転角を測定する電流測定装置におい
て、前記光路は、ＰｂＯとＳｉＯ₂とを主成分とした
鉛ガラスからなる光ファイバで構成され、前記光ファイ
バで構成した光路の周回端に、前記光ファイバの曲線の
捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を相殺する反射
手段を設けたことを特徴とする。

【００１８】前記電流測定装置では、被測定電流が交流
であって、前記光ファイバで構成した光路を伝播する前
記直線偏波光に所定の光学的バイアスを加えるバイアス
手段を設けることができる。また、前記電流測定装置で
は、被測定電流が直流であって、前記光ファイバで構成
した光路を伝播する前記直線偏波光に所定の偏波面変調
を加える変調器を設けることができる。

【００１９】さらに、前記反射手段は、前記光ファイバ
の周回端に一体的に設けられた金属蒸着膜または誘電体
多層膜から選択することができる。また、前記光ファイ
バは、その外周を包囲する保護チューブに緩く挿入する
ことができる。さらにまた、前記光ファイバは、前記フ
ァラデー回転角が４５°以下になるようにその光路長を
分割することができる。

【００２０】

【作用】上記構成の電流の測定方法および電流測定装置
によれば、被測定電流が流れている導体の外周を周回す
るように形成された特定比率の光ファイバ内に入射した
直線偏波光は、光ファイバの周回端側で反射して、再び
光ファイバ内を伝播した後に出射する。

【００２１】このとき、光ファイバの曲線の捩れに起因
する偏波の方位回転は、入射後に周回端側に向かう場合
と、周回端側から出射する場合では、その大きさが同じ
で方向が互いに異なった方向になる。従って、光ファイ
バ内を伝播して出射した光には、光ファイバの曲線の捩
れに起因する偏波の方位回転が相殺されて全く含まれな
い。

【００２２】この作用を図２０〜図２７に基づいて詳細
に説明する。図２０は、曲がった光ファイバ中の偏波と
座標との関係を示した模式図であり、弧長ｓの点におけ
る偏波を、曲線の主法線ベクトルｎ（ｓ）方向の成分Ｅ
ｎ（ｓ）と、それに直行する縦法線ベクトルｂ（ｓ）方
向の成分Ｅｂ（ｓ）に別けて考える。２つの偏波成分
は、空間座標に対して、振動方向を一定に保ちながら、
接線ベクトルｔ（ｓ）の方向へ進む。

【００２３】ここで、光ファイバに曲線論で定義される
「捩れ」がある場合、フレネ・セレーの公式（３）を参
照すると、微小長Δｓ進んだｓ＋Δｓの点では、主・縦
法線ベクトルが、捩れ率τ（ｓ）とΔｓの積に等しい角
度だけ偏波に対して回転する。これは、偏波が法線ベク
トルに対して回転するとも見なせる。従って、光ファイ
バに入射した偏波は、楕円率を一定に保ったまま回転し
て出射することになり、このときの回転角θは、光ファ
イバの全長に渡って捩れ率τを積分した値となり、以下
の式で表される。

【００２４】θ＝∫τ（ｓ）ｄｓ光ファイバの曲線が変わると、上記式の値が変わり、回
転角が変わる。また、曲がっていても捩れがない場合に
は、偏波は回転しない。さらに、上記式は、積分の方向
を逆にすると符号が反転する。このため、入射端から再
び出射する光を反射させて往復させれば、捩れの影響は
相殺される。

【００２５】以上の作用を確認するため、本発明者ら
は、以下に説明する３つの実験を試みた。図２１は、こ
の実験で使用した装置の基本構成を示している。（１）光ファイバを曲げた場合の偏波特性図２１に示した構成で、鉛ガラス光ファイバの下に、図
２２に示すように状態で、直径の異なるパイプを挿入し
て、ファイバの曲線を異ならせて、入射直線偏波の方位
に対する出射偏波の方位と消光比とを測定した。この測
定結果を図２３に示している。

【００２６】同図から明らかなように、出射光の消光
比は、常に３４ｄＢ以上の値を示し、直線偏波状態が保
たれていることがわかる。光ファイバの形が一定の場
合、入射偏波と出射偏波の方位の変化は、ほぼ等しいこ
とがわかる。光ファイバの形を変えると、入射偏波の
方位が一定であっても、出射偏波の方位が変わる。，
から光ファイバの固有複屈折と変形により誘起される
複屈折が小さいことがわかる。（２）光ファイバの捩れと偏波との関係図２４に示すように、光ファイバを円筒体に巻き付け、
水平に対して３０°の方位を持つ直線偏波を入射し、角
度θ３に対する出射光の方位と消光比とを測定した。図
２５に得られた測定結果を示している。同図より、角度
θ３とともに出射偏波の方位が回転することがわかる。

【００２７】この実験の場合、上記式の計算値は、２π
ｓｉｎθ３となり、図２５に破線でその値を示してい
る。実験結果が計算値に非常に近いことが分かる。（３）光ファイバの捩れと偏波との関係図２４において、光ファイバの巻始めと巻終わりの点に
おける法線ベクトルは等しいため、入・出射点の偏波の
方位差が上記式の値となる。しかし、一般には、入・出
射点における法線ベクトルの方位は等しくない。従っ
て、偏波の方位差は、２つの法線ベクトルの方位差と上
記式の値の和から決まる。

【００２８】このことを確認するため、図２６に示すよ
うに、光ファイバを厚紙に沿わせて配置し、定盤にに垂
直の直線偏波を入射し、厚紙の定盤に対する角度φを変
えながら、出射光と消光比とを測定した。図２７に得ら
れた測定結果を示している。この実験の場合、入射点に
おける主法線ベクトルは垂直である。一方、出射点にお
ける主法線ベクトルは、φ＋９０°傾いている。また、
厚紙上の曲がりの部分に、−９０°の捩れによる偏波の
回転がある。従って、法線ベクトルの方位角差と捩れに
よる偏波の回転角の和は、角度φに等しくなる。図２７
示した結果は、このことと良く整合している。

【００２９】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１から図３は、本発明に
かかる電流の測定方法および電流測定装置の第１実施例
を示している。同図に示す方法および装置は、本発明を
交流電流の測定に適用した場合であって、電流測定装置
は、光源１と、光学系部品２と、被測定電流の外周を周
回する光路を形成する鉛ガラス光ファイバ３ーとから概
略構成されている。

【００３０】光学系部品２は、その主要構成部品がケー
ス４内に収納されている。ケース４には、入射系と出射
系の光学部品が配置されていて、入射系光学部品は、第
２偏光子５と、この偏光子５の後方の同一光軸上に配置
された第１集光レンズ６，ビームスプリッタ７および第
２集光レンズ８とから構成されている。出射系光学部品
は、ビームスプリッタ７のＳ偏波の方位に対して、一致
するように配置された検光子９と、この検光子９の近傍
に配置された一対の第３および第４集光レンズ１０，１
１とから構成されている。

【００３１】第２偏光子５は、この実施例では、単一モ
ード光ファイバ１２の一端に固着され、この単一モード
光ファイバ１２の他端側には、第１偏光子１３が固着さ
れていて、この第１偏光子１３は、光源１に近接配置さ
れている。なお、単一モード光ファイバ１２は、その主
軸を第１および第２偏光子１３，５の主軸と一致させる
とともに、第１および第２偏光子１３，５は、その方位
をビームスプリッタ７のＳ偏波の方位に対して約４５°
の方向に設定する。

【００３２】第２集光レンズ８の近傍には、鉛ガラス光
ファイバ３の一端側が近接配置され、この鉛ガラス光フ
ァイバ３は、被測定電流Ｉ_acが流れる導体１４の外周を
少なくとも１回周回するように配置され、その周回端側
には反射手段１５が設けられている。一方、第３および
第４集光レンズ１０，１１の近傍には、それぞれマルチ
モード光ファイバ１６，１７の一端が配置され、各マル
チモード光ファイバ１６，１７の他端側に、光電変換素
子１８，１９が接続されている。

【００３３】光源１は、例えば、半導体レーザやＬＥＤ
などのように所定波長の光を発するものも使用できる
が、時間的コヒーレンスが低く、戻り光に影響されず、
空間的コヒーレンスが高いため、単一モード光ファイバ
１２に光を入射することができるスーパールミネッセン
トダイオードが望ましい。また、第１および第２偏光子
１３，５は、光ファイバの端面に直接接着固定すること
ができ、小型化を促進するためにも積層型のもの、例え
ば、商品名ラミポール（住友セメント株式会社製）が好
ましい。

【００３４】ケース４は、外力や温度変化に対して変形
しにくいものが望ましく、また、ビームスプリッタ７
は、偏波の位相の飛びを防止する観点から蒸着膜がない
ものが望ましい。反射手段１５は、反射膜を形成したミ
ラーなどを用いることもできるが、金属蒸着膜や誘電体
多層膜を鉛ガラス光ファイバ３の周回端面に直接形成す
ることが、光ファイバ３の周回端側が太くならず、小型
化の上では望ましい。

【００３５】鉛ガラス光ファイバ３は、コアおよびクラ
ッドを有し、このコアおよびクラッドの組成比率が、重
量％でＳｉＯ₂ ５〜２８％Ｂ₂Ｏ₂ ０〜１０％Ａｌ₂Ｏ₃ ０〜５％但し、ＳｉＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃ １６〜２８％Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ０．３〜２．５％ＰｂＯ６９．５〜８３．７％の範囲内に含まれているものが望ましい。

【００３６】光ファイバ３の組成比率を上記範囲に限定
するのは以下の理由に基づく。すなわち、ＳｉＯ₂は、
ガラス形成剤であって、５％以上必要であるが、これが
２８％以上になると、ガラスの主形成剤であるＰｂＯの
含有量が低下して、ベルデ定数を所要値まで大きくでき
ない。Ｂ₂Ｏ₂は、特に、ＰｂＯの含有量が多い場合に
ガラスを安定化させるものであるが、１０％以上になる
と、分散が低下し、ベルデ定数が小さくなる。Ａｌ₂Ｏ
₃は、ベルデ定数を大きくするために加えるものである
が、５％以上になると、失透傾向が強くなる。以上の３
成分の和が１６％以上ないと、不安定になり失透し易く
なるが、２８％以上になるとＰｂＯの含有量が多くでき
ない。

【００３７】Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏは、安定化のために０．
３％以上必要であるが、２．５％以上になると、化学的
耐久性が低下する。ＰｂＯは、ベルデ定数を大きくし、
光弾性定数を小さくするために６９．５％以上必要とす
るが、８３．７％以上になると失透傾向が増す。このよ
うな組成のガラスを光ファイバ３とする際には、ロッド
インチューブ法でまずプリフォームを形成し、このプリ
フォームを線引きして作製することができる。電流測定
用の光ファイバ３としては、直線偏波光を伝播させるた
め、伝播モードは、シングルモードとする必要がある
が、このためには、例えば、規格化周波数を２．４以下
にすればよい。

【００３８】このような組成比率に含まれている鉛ガラ
ス光ファイバ３の具体的な物性値の一例を以下の表に示
している。なお、この実施例を含む以下の実施例では、光弾性定数
が０．４５ ×１０^-9ｃｍ²／ｋｇのものを使用した
が、これ以外に光弾性対数が０．８×１０^-9ｃｍ²／ｋ
ｇのものと同−０．８×１０^-9ｃｍ²／ｋｇのものとに
ついて同等の評価をしたところ、測定値の安定性は、光
弾性定数が０．４５ ×１０^-9ｃｍ²／ｋｇのものに比
較して僅かながら低下するものの、石英ガラスファイバ
に比べて遙に安定していることが確認できた。また、光
弾性定数が０．２ ×１０^-9ｃｍ²／ｋｇのものについ
て評価したところ、このものでは、光弾性定数が０．４
５ ×１０^-9ｃｍ²／ｋｇのものよりも測定値の安定性
が一層向上することも確認できた。

【００３９】図２は、鉛ガラス光ファイバ３の保護構造
の一例を示している。同図に示した保護構造は、ケース
４に穿設された貫通孔２０に嵌着固定した両端が開口し
た金属スリーブ２１と、ケース４の外側に突出した金属
スリーブ２１の一端に固着した漏斗状金属スリーブ２２
と、光ファイバ３が緩く挿通される保護チューブ２３
と、漏斗状金属スリーブ２２と保護チューブ２３との間
に溶着される熱収縮チューブ２４とから構成されてい
る。

【００４０】保護チューブ２３は、例えば、シリコン樹
脂から形成され、鉛ガラス光ファイバ３は、例えばファ
イバ３を円周状に変形させる際などに、このチューブ２
３内において滑るようにして移動する。このような保護
構造に鉛ガラス光ファイバ３をセットする際には、ま
ず、光ファイバ３を保護チューブ２３内に挿通し、その
一端側に漏斗状金属スリーブ２２と熱収縮チューブ２４
とを挿通しておく。

【００４１】そして、この状態で光ファイバ３の一端
を、ケース４の貫通孔２０内に嵌着固定されている金属
スリーブ２１内に挿通し、漏斗状金属スリーブ２２を金
属スリーブ２１の端部に嵌合して、溶接などにより固定
する。次に、熱収縮チューブ２４を所定の位置に移動し
た後、加熱して溶着する。しかる後に、光ファイバ３の
一端に、その端面が露出するようにしてフェルール２５
を固着し、金属スリーブ２０内に接着剤を充填して固定
する。

【００４２】このような保護構造により鉛ガラス光ファ
イバ３をケース４に固定すると、比較的脆いファイバを
効果的に保護することができる。次に、上記構成の電流
測定装置による交流電流の測定方法について説明する。
導体１４には、所定周波数の被測定電流Ｉ_acが流れてい
るものとすると、光源１から発射された光は、単一モー
ド光ファイバ１２内を伝播し、第２偏光子５により消光
比の高い直線偏波光に変換されて、ビームスプリッタ７
を介して鉛ガラス光ファイバ３内に導入される。

【００４３】鉛ガラス光ファイバ３内に導入された直線
偏波光は、その後周回端側に向けて伝播し、周回端側に
設けられている反射手段１５で反射した後、今度は、周
回端側から入射端側に向けて伝播し、これらの過程にお
いて、被測定電流Ｉ_acの作る磁界の作用を受けて、その
偏波面が被測定電流Ｉ_acの大きさに比例して回転する。

【００４４】なお、このときの回転角度は、ファラデー
効果に基づくものであって、これをファラデー回転角θ
Ｉ_acで表す。以上のようにして、偏波面が回転させられ
た反射光は、その後ビームスプリッタ７で取り出され、
検光子９によりファラデー回転角θＩ_acが光の強度に変
換されて、マルチモード光ファイバ１６，１７を介して
光電変換素子１８，１９に導かれ電気信号Ｉ_1,Ｉ₂に変
換される。

【００４５】図３は、このような電流の測定方法で行な
われる電流Ｉ_ac,Ｉ_1,Ｉ₂とファラデー回転角θＩ_acと
の関係を示した図であって、被測定電流Ｉ_acが変化する
と、光電変換素子１８，１９の出力電流Ｉ_1,Ｉ₂がこ
れに比例して変化するので、出力電流Ｉ_1,Ｉ₂を求め
ることにより被測定電流Ｉ_acの値が判る。さて、以上の
ような電流測定装置および電流の測定方法によれば、被
測定電流Ｉ_acが流れている導体１５の外周に周回され、
直線偏波光の光路となる鉛ガラス光ファイバ３は、光弾
性定数が非常に小さいので、光弾性効果の影響が非常に
少なくなっているとともに、次のような顕著な効果が得
られる。

【００４６】すなわち、被測定電流Ｉ_acが流れている導
体１５の外周を周回するように形成された特定比率の鉛
ガラス光ファイバ３内に入射した直線偏波光は、光ファ
イバ３の周回端側で反射して、再び光ファイバ３内を伝
播した後に出射する。このとき、光ファイバ３の曲線の
捩れに起因する偏波の方位回転は、入射後に周回端側に
向かう場合と、周回端側から出射する場合では、その大
きさが同じで方向が互いに異なった方向になる。従っ
て、光ファイバ３内を伝播して出射した光には、捩れに
起因する偏波の方位回転が相殺されて全く含まれない。
このため、本実施例の装置および測定方法では、外部か
ら外力や振動を加えても測定値の変動が全く発生しな
い。

【００４７】また、本実施例の電流測定装置および電流
の測定方法によれば、永久磁石などの特別な手段を用い
ることなく光学的バイアスを加えることができ、光学系
が簡単になるとともに、鉛ガラス光ファイバ３から出射
した光の２つの偏波成分をそれぞれ電気信号として取り
出すことができ、その後の演算処理が容易に行なえる。

【００４８】図４から図６は、本発明の第２実施例を示
している。同図に示す装置および方法は、上記第１実施
例と同様に本発明を交流電流の測定に適用した場合であ
り、上記実施例と同一若しくは相当する部分には同一符
号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特
徴点についてのみ説明する。図４に示す電流測定装置
は、光源１と、第１および第２偏光子１３，５と、これ
らの偏光子１３，５がそれぞれ両端側に配置された単一
モード光ファイバ１２と、周回端側に反射手段１５が設
けられた鉛ガラス光ファイバ３とを有している。鉛ガラ
ス光ファイバ３は、被測定電流Ｉ_acが流れる導体１５の
外周を少なくとも１回周回している。

【００４９】単一モード光ファイバ１２の途中には、鉛
ガラス光ファイバ３中を伝播して反射手段１５で反射し
た後の光を抽出する光カプラ２６が設けられ、この光カ
プラ２６には、分岐光ファイバ２７が設けられ、この分
岐光ファイバ２７の端部側には、光電変換素子１８が設
けられている。単一モード光ファイバ１２と鉛ガラス光
ファイバ３は、金属スリーブ２８ａ内において第１偏光
子５を介在させて、端部が対向するように接続されてい
る。図５は、この接続構造の詳細を示している。同図に
示す接続構造は、両端が開口した金属スリーブ２８ａ内
に、端部側にそれぞれフェルール２５を固着した単一モ
ード光ファイバ１２と鉛ガラス光ファイバ３とが同一光
軸上に挿入されている。

【００５０】一対のフェルール２５間には、第１偏光子
５が両側に間隔整合材２９を介在させてほぼその中心に
設置され、これらの間は、可視光の透過が可能な硬化型
接着剤３０が充填されているとともに、各フェルール２
５と金属スリーブ２８ａとの間は、エポキシ系の接着剤
３１で固定されている。鉛ガラス光ファイバ３の保護構
造は、図２に示した漏斗状金属スリーブ２２の固設位置
が、金属スリーブ２８ａに変わったこと以外は、同様な
構造になっている。

【００５１】一方、鉛ガラス光ファイバ３の途中には、
このファイバ３中を伝播する直線偏波光に所定の光学的
バイアスを加えるマグネット３２が、ファイバ３を挿通
するようにして設けられている。なお、この実施例で
は、光カプラ２６は、第１実施例の一対の集光レンズ
６，８とビームスプリッタ７とで構成した光学系に置換
することができる。

【００５２】このように構成された電流測定装置による
電流の測定方法は、上記第１実施例と同様な方法で行な
われるが、本実施例の場合には、光学的バイアスを加え
るマグネット３２が設けられているため、図６に示した
特性図において、ファラデー回転角がこのバイアスに相
当する分θ_Mgだけ変移し、この変移した点が動作点とな
る。

【００５３】以上のように構成された電流測定装置およ
び測定方法においては、上記第１実施例と同等の作用効
果に加えて以下に説明する作用効果が奏される。すなわ
ち、第１実施例の場合には、光を空間で伝播させる箇所
があり、これらの部分で光強度の低下があるが、本実施
例の場合には、金属スリーブ２８ａ内で光ファイバ３，
１２を密閉接続し、しかも、反射光の取り出しに光カプ
ラ２６を用いているので、接続部分に空間がなく、接続
効率が安定かつ高効率になる。

【００５４】図７および図８は、本発明の第３実施例を
示している。同図に示す装置および方法は、上記第１実
施例と同様に本発明を交流電流の測定に適用した場合で
あり、上記実施例と同一若しくは相当する部分には同一
符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその
特徴点についてのみ説明する。図７に示した電流測定装
置では、光源１と単一モード光ファイバ１２との間に配
置された光学系と、単一モード光ファイバ１２と鉛ガラ
ス光フィバー３との接続構造とに上記第１，２実施例と
の相違がある。光源１と単一モード光ファイバ１２との
間に配置された光学系は、光源１と同一光軸上に配置さ
れた第１集光レンズ６，第１偏光子５，ビームスプリッ
タ７，第２集光レンズ８で入射系を構成し、検光子９で
出射系を構成し、光電変換素子１８，１９には、検光子
９から直接光が入射するように構成されている。

【００５５】なお、単一モード光ファイバ１２は、ビー
ムスプリッタ７のＳ偏波の方位と一致させるとともに、
第１偏光子５は、その方位をビームスプリッタ７のＳ偏
波の方位に対して約４５°の方向に設定する。また、検
光子９の方位は、ビームスプリッタ７のＳ偏波の方位に
対して、一致するように配置する。一方、光ファイバ同
士の接続構造は、図５に示した構造から第１偏光子５を
除いて、単一モード光ファイバ１２と鉛ガラス光ファイ
バ３の端面同士を単に、金属スリーブ２８ｂ内で突き合
わせ接続した構成が採用されている。このように構成さ
れた装置においても上記第１および第２実施例と同様な
方法で交流電流が測定され、これらの実施例と同等の作
用効果が得られる。

【００５６】また、本実施例では、光ファイバ同士の接
続構造が第２実施例の場合よりも簡単になるとともに、
鉛ガラス光ファイバ３から出射した光の２つの偏波成分
をそれぞれ電気信号として取り出すことができ、その後
の演算処理が容易に行なえる。図９および図１０は、本
発明の第４実施例を示している。同図に示す装置および
方法は、本発明を直流電流の測定に適用した場合であ
り、上記実施例と同一若しくは相当する部分には同一符
号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特
徴点についてのみ説明する。

【００５７】図９に示した電流測定装置では、図１に示
した交流電流の測定装置に対して、出射系の第４集光レ
ンズ１４とマルチモード光ファイバ１７と光電変換素子
１９とを除去し、鉛ガラス光ファイバ３の一端側に偏波
面変調器３３を設けている。この偏波面変調器３３は、
鉛ガラス光ファイバ３中を伝播する直線偏波光に所定の
変調を加えるものであって、高周波電流ｉ_mが供給され
る。なお、この実施例では、第１偏光子１３と単一モー
ド光ファイバ１２および第２偏光子５との主軸はそれぞ
れ一致させるとともに、第２偏光子５の主軸は、ビーム
スプリッタ７に対して、Ｐ偏波成分の方位に一致させ
る。

【００５８】以上のように構成された装置で直流電流を
測定する際には、導体１５に被測定電流Ｉ_dcが供給され
る。そして、光源１から発した光を第１偏光子１３，単
一モード光ファイバ１２，第２偏光子５を経由して直線
偏波光に変え、この直線偏波光を集光レンズ７，８とビ
ームスプリッタ７を介して、鉛ガラス光ファイバ３に導
入する。

【００５９】直線偏波光は、鉛ガラス光ファイバ３中を
往復伝播する過程で、被測定電流Ｉ _dcと変調用高周波電
流ｉ_mの両者によるファラデー回転を受ける。このとき
のファラデー回転をθＩ_dcおよびθｉ_mとする。そし
て、反射手段１５から反射して戻ってきた光を、ビーム
スプリッタ７で受けて、検光子９に入射し、ビームスプ
リッタ７のＳ偏波の方位に等しい成分を信号として取り
出す。

【００６０】得られた信号から変調用高周波電流ｉ_mの
周波数に等しい周波数成分と、その２倍周波数成分を取
り出し、両者の比から被測定電流Ｉ_dcの大きさを求め
る。図１０は、このような過程における電流とファラデ
ー回転角との関係を示す特性図である。さて、以上のよ
うな電流の測定装置および測定方法によれば、直流電流
が上記実施例で示した交流電流と同様な作用効果を奏し
ながら測定できるとともに、後述する例のように永久磁
石などを用いなくても、クロスニコルの偏光解析条件が
容易に得られ、信号のＳ／Ｎ比を図る上で有利となる。

【００６１】なお、この実施例では、ビームスプリッタ
７としては、単なる誘電体（ガラス板など）を用いるよ
りも偏光ビームスプリッタを用いる方が信号レベルを高
くすることができる。図１１および図１２は、本発明の
第５実施例を示している。同図に示す装置および方法
は、本発明を直流電流の測定に適用した場合であり、上
記実施例と同一若しくは相当する部分には同一符号を付
してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点に
ついてのみ説明する。

【００６２】図１１に示した電流測定装置は、図４に示
した交流電流の測定装置に対して、マグネット３３に変
えて上記第４実施例で示した偏波面変調器３３を設け、
これ以外の構成は第２実施例と同様になっている。この
ように構成した電流測定装置においても上記第４実施例
と同様に直流暖流の測定が可能になるとともに、本実施
例の場合には、金属スリーブ２８ａ内で光ファイバ３，
１２を密閉接続し、しかも、反射光の取り出しに光カプ
ラ２６を用いているので、接続部分に空間がなく、接続
効率が安定かつ高効率になる。

【００６３】図１３および図１４は、本発明の第６実施
例を示している。同図に示す装置および方法は、本発明
を直流電流の測定に適用した場合であり、上記実施例と
同一若しくは相当する部分には同一符号を付してその説
明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ
説明する。図１３に示した電流測定装置は、図７に示し
た交流電流の測定装置に対して、マグネット３３に変え
て上記第４実施例で示した偏波面変調器３３を設け、こ
れ以外の構成は第３実施例と実質上同一になっている。

【００６４】このように構成された装置においても上記
第４および第５実施例と同様な方法で直流電流が測定さ
れ、これらの実施例と同等の作用効果が得られる。ま
た、本実施例では、光ファイバ同士の接続構造が第５実
施例の場合よりも簡単になり、より一層の小型化が達成
される。図１５は、本発明の第７実施例を示している。
同図に示す実施例では、上記各実施例で示した鉛ガラス
光ファイバ３を、被測定電流が流れる導体１４を中心に
周回させる点は各実施例と同じであるが、導体１４を中
心として対向する部分で２分割し、分割された鉛ガラス
光ファイバ３ａ，３ｂの周回端にそれぞれ反射手段１５
を設けている。
また、各鉛ガラス光ファイバ３ａ，３ｂ
の入力側には、それぞれ光学ユニット３４が設けられて
おり、この光学ユニット３４は、導体１４に流れる電流
が交流電流の場合には、上記第１〜第３実施例のいずれ
の構成でもよく、また、導体１４に流れる電流が直流電
流の場合には、上記第４〜第６実施例のいずれか１つを
選択することができる。

【００６５】このように構成された本実施例の場合に
は、光学ユニット３４に採用した各実施例のそれぞれの
作用効果が得られるとともに、以下に示す顕著な効果も
得られる。すなわち、上記実施例で説明した本発明にか
かる電流測定装置および電流の測定方法では、被測定電
流が流れている導体１４の外周に鉛ガラス光ファイバ３
で構成した光路を周回させ、この光路の周回端側に反射
手段１５を設け、光路中を伝播させる直線偏波光を光路
中で往復させている。

【００６６】このように直線偏波光を往復させると、光
は、被測定電流で偏波面が２度ファラデー回転を受ける
ことになり、このファラデー回転が積算される。ところ
が、良く知られているように、ファラデー回転を利用す
る電流の測定では、その回転角に上限（４５°）があっ
て、ファラデー回転が積算される構成では、電流の測定
において測定レンジに規制が生じる恐れがある。

【００６７】そこで、本実施例では、それぞれの鉛ガラ
ス光ファイバ３ａ，３ｂで直線偏波光が受けるファラデ
ー回転積算が上限を超えないように、光路を分割してい
る。このため、本実施例の構成によれば、測定レンジの
拡大が可能になる。なお、本実施例の場合には、鉛ガラ
ス光ファイバの分割数は、２に限られることはなく、被
測定電流の大きさなどとの関係から積算されるファラデ
ー回転が上限値以下になるようにすれば任意の分割数が
採用できる。

【００６８】図１６は、上記構成の電流の測定方法およ
び電流測定装置の作用効果を確認するために行なった実
験装置を示している。この実験装置では、ＳＬＤ光源
（波長８４０ｎｍのスーパスミネッセントダイオード）
から出射した光を、定盤に対して４５°に合わせた偏光
子を通過させて直線偏光とし、ハーフミラーを通して、
平面上に設置された鉛ガラス光ファイバに入射した。

【００６９】入射された光は、光ファイバ内を通過し、
周回端に取り付けられたミラー（誘電体多層膜）によっ
て反射してファイバ内を往復する。入射端から再び出射
してきた光をハーフミラーで取り出し、Ｓ偏波を検光子
によって検出する。この実験では、偏波をコイル（０．
８Ａ，約１５００ｔｕｒｎ，７ＫＨｚ）の磁界で変調
し、鉛ガラス光ファイバの下にまくらを挿入して、ファ
イバを変形させ、受光光量のＡＣ成分とＤＣ成分とを測
定し、両者の比から求めた変調度と鉛ガラスファイバの
変形との関係を求めた。

【００７０】比較のために、図１７に示すような反射さ
せない状態での実験も行なった。図１６に示した実験で
は、受信光に反射戻り光の成分が含まれているので、こ
の成分を除去して変調度を求めた。図１８に受信信号波
形と鉛ガラス光ファイバの変形との関係を示し、図１９
に受信信号の変調度と鉛ガラス光ファイバの変形との関
係を示している。

【００７１】図１８を見ると明らかなように、光を通過
させる場合には、ファイバの変形に対してＰｘ，Ｐｙの
いずれもが変化しているが、光を往復させた場合には、
ファイバが変形しても受信信号の波形に変化はない。ま
た、図１９の変調度をみても、光を通過させる場合に
は、Ｐｘが４２．７〜１．１％で変化し、Ｐｙが０．２
〜６．３％で変化している。

【００７２】これに対して、光を往復させた場合には、
変調度が８．４％のままで変化しなかった。これらの結
果から、光を鉛ガラス光ファイバ中で往復させると、出
射光の偏光方位がファイバの捩れに依存せず安定するこ
とが確認された。なお、上記実施例において光ファイバ
は、鉛ガラスファイバを使用したが、そのガラス種は鉛
ガラスに限定されず、他のガラスであっても光弾性定数
が１．０×１０^-9〜−１．０×１０^-9ｃｍ²／ｋｇの範
囲内にあれば同等の効果が得られる。

【００７３】

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる電流の測定方法および電流測定装置によ
れば、外力によって測定値が変動しないという優れた効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電流測定装置の第１実施例を示
す説明図である。

【図２】図１の要部拡大断面図である。

【図３】第１実施例の電流とファラデー回転角との関係
を示す特性図である。

【図４】本発明にかかる電流測定装置の第２実施例を示
す説明図である。

【図５】図４の要部拡大断面図である。

【図６】第２実施例の電流とファラデー回転角との関係
を示す特性図である。

【図７】本発明にかかる電流測定装置の第３実施例を示
す説明図である。

【図８】第３実施例の電流とファラデー回転角との関係
を示す特性図である。

【図９】本発明にかかる電流測定装置の第４実施例を示
す説明図である。

【図１０】第４実施例の電流とファラデー回転角との関
係を示す特性図である。

【図１１】本発明にかかる電流測定装置の第５実施例を
示す説明図である。

【図１２】第５実施例の電流とファラデー回転角との関
係を示す特性図である。

【図１３】本発明にかかる電流測定装置の第６実施例を
示す説明図である。

【図１４】第６実施例の電流とファラデー回転角との関
係を示す特性図である。

【図１５】本発明にかかる電流測定装置の第７実施例を
示す説明図である。

【図１６】本発明にかかる電流の測定方法および装置の
作用効果を確認するために行なった実験装置の説明図で
ある。

【図１７】本発明にかかる電流の測定方法および装置の
作用効果を確認するために行なった比較実験装置の説明
図である。

【図１８】図１７，１８の実験装置で得られた受信信号
波形とファイバの変形との関係を示す図である。

【図１９】図１７，１８の実験装置で得られた受信信号
の変調度とファイバの変形との関係を示す図である。

【図２０】本発明の曲がった光ファイバ中の偏波と座標
との関係を示す説明図である。

【図２１】本発明の作用を確認するために行なった実験
の基本構成の説明図である。

【図２２】鉛ガラス光ファイバに曲げ変形を与える手段
の説明図である。

【図２３】図２２で示した手段により曲げを与えた場合
の偏波特性を示すグラフである。

【図２４】鉛ガラス光ファイバに捩れを与える手段の説
明図である。

【図２５】図２４で示した手段により捩れを与えた場合
の偏波特性を示すグラフである。

【図２６】鉛ガラス光ファイバに別の捩れを与える手段
の説明図である。

【図２７】図２６で示した手段により捩れを与えた場合
の偏波特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１光源２光学系部品３，３ａ，３ｂ鉛ガラス光ファイバ（光路）４ケース５第２偏光子７ビームスプリッタ１２単一モード光ファイバ１３第１偏光子１４導体１８，１９光電変換素子２３保護チューブ２６光カプラ２８金属スリーブ３２マグネット（バイアス手段）３３偏波面変調器３４光学ユニット

フロントページの続き (72)発明者坂本和夫東京都昭島市武蔵野３丁目３番１号ホーヤ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定電流が流れている導体の外周を周
回するように光路を形成し、前記光路内に直線偏波光を
通過させた際に、前記被測定電流の磁界作用で回転する
前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する電流の測
定方法において、前記光路は、光弾性定数が１．０×１０^-9〜−１．０×
１０^-9ｃｍ²／ｋｇの値を示すガラスからなる光ファイ
バで構成されるとともに、この光ファイバの曲線の捩れ
に等しい角度で回転する偏波面回転を相殺するために、
前記光ファイバで構成した光路の周回端で前記直線偏波
光を反射させることを特徴とする電流の測定方法。
【請求項２】被測定電流が流れている導体の外周を周
回するように光路を形成し、前記光路内に直線偏波光を
通過させた際に、前記被測定電流の磁界作用で回転する
前記直線偏波光のファラデー回転角を測定する電流の測
定方法において、前記光路は、ＰｂＯとＳｉＯ₂とを主成分とした鉛ガラ
スからなる光ファイバで構成されるとともに、この光フ
ァイバの曲線の捩れに等しい角度で回転する偏波面回転
を相殺するために、前記光ファイバで構成した光路の周
回端で前記直線偏波光を反射させることを特徴とする電
流の測定方法。
【請求項３】前記被測定電流が交流であって、前記光
ファイバで構成した光路を伝播する前記直線偏波光に所
定の光学的バイアスを加えることを特徴とする請求項１
または２記載の電流の測定方法。
【請求項４】前記被測定電流が直流であって、前記光
ファイバで構成した光路を伝播する前記直線偏波光に所
定の偏波面変調を加えることを特徴とする請求項１また
は２記載の電流の測定方法。
【請求項５】所定波長の光を発射する光源と、この光
源からの発射光を直線偏波光に変改して出力させる偏光
手段と、前記直線偏波光が入射され、被測定電流が流れ
ている導体の外周を周回するように光路とを備え、前記
光路内に直線偏波光を通過させた際に、前記被測定電流
の磁界作用で回転する前記直線偏波光のファラデー回転
角を測定する電流測定装置において、前記光路は、光弾性定数が１．０×１０^-9〜−１．０×
１０^-9ｃｍ²／ｋｇの値を示すガラスからなる光ファイ
バーで構成され、前記光ファイバで構成した光路の周回端に、前記光ファ
イバの曲線の捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を
相殺する反射手段を設けたことを特徴とする電流測定装
置。
【請求項６】所定波長の光を発射する光源と、この光
源からの発射光を直線偏波光に変改して出力させる偏光
手段と、前記直線偏波光が入射され、被測定電流が流れ
ている導体の外周を周回するように光路とを備え、前記
光路内に直線偏波光を通過させた際に、前記被測定電流
の磁界作用で回転する前記直線偏波光のファラデー回転
角を測定する電流測定装置において、前記光路は、ＰｂＯとＳｉＯ₂とを主成分とした鉛ガラ
スからなる光ファイバで構成され、前記光ファイバで構成した光路の周回端に、前記光ファ
イバの曲線の捩れに等しい角度で回転する偏波面回転を
相殺する反射手段を設けたことを特徴とする電流測定装
置。
【請求項７】前記被測定電流が交流であって、前記光
ファイバで構成した光路を伝播する前記直線偏波光に所
定の光学的バイアスを加えるバイアス手段を設けたこと
を特徴とする請求項５または６記載の電流測定装置。
【請求項８】前記被測定電流が直流であって、前記光
ファイバで構成した光路を伝播する前記直線偏波光に所
定の偏波面変調を加える変調器を設けたことを特徴とす
る請求項５または６記載の電流測定装置。
【請求項９】前記反射手段は、前記光ファイバの周回
端に一体的に設けられた金属蒸着膜または誘電体多層膜
からなることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項
記載の電流測定装置。
【請求項１０】前記光ファイバは、その外周を包囲す
る保護チューブに緩く挿入されていることを特徴とする
請求項５〜９のいずれか１項記載の電流測定装置。
【請求項１１】前記光ファイバは、前記ファラデー回
転角が４５°以下になるように、その光路長が分割され
ていることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１項
記載の電流測定装置。