JPH07333569A

JPH07333569A - 光変流器

Info

Publication number: JPH07333569A
Application number: JP6127507A
Authority: JP
Inventors: Keiko Niwa; 景子丹羽; Sakae Ikuta; 栄生田; Masao Takahashi; 正雄高橋; Kiyohisa Terai; 清寿寺井; Toru Tamagawa; 徹玉川; Hiroshi Miura; 宏三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】広範囲の電流測定を精度よく行うことのでき
る、高性能の光変流器を提供する。【構成】光変流器は、高感度の測定部Ａと広ダイナミ
ックレンジの測定部Ｂを有する。各測定部Ａ，Ｂにおい
て、光源１４から送光用ファイバ１８を介してセンサ光
学部１１に光を送り、センサ光学部１１からの光を受光
用ファイバ１９ａ，１９ｂを介して検出器１５ａ，１５
ｂで電気信号に変換し、信号処理回路１６で処理する。
測定部Ａのセンサ光学部１１は、導体２の周囲にｎ１回
巻き付けてなるセンサ３０と反射端３１ａを含む高感度
センサユニット３１を有する。測定部Ｂのセンサ光学部
１１は、導体２の周囲にｎ２（ｎ２＜ｎ１）回巻き付け
てなるセンサ３０と反射端３２ａを含む広ダイナミック
レンジ用の低感度センサユニット３２を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光のファラデー効果を
利用して電流を測定する光変流器に係り、特に、高い精
度が要求される測定に好適な構造を持つ光変流器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力系統用の電流測定装置とし
て、光を利用した電力系統用電流測定装置すなわち光変
流器が開発されている。この光変流器は、被測定電流が
流れる導体に極く近接して鉛ガラスや石英のブロックを
センサとして配置し、このセンサに直線偏光の光を通過
させて、被測定電流によって生ずるファラデー効果の旋
光角を測定するものである。

【０００３】図３は、従来の技術によるＧＩＳ用の光変
流器の一例を示している。この図３に示すように、接地
電位とされたタンク１の内部には、高電圧電流の流れる
導体２が配置されている。そして、この導体２の周囲に
は、導体２の全周を囲むようにしてブロック状のセンサ
３が配置されている。このセンサ３は、石英あるいは鉛
ガラスなどで形成されており、固定具４によって固定さ
れている。この場合、導体２が高電圧であるため、セン
サ３は絶縁筒５によってタンク１から絶縁して取り付け
られている。また、このタンク１には、光学系収納箱６
が取り付けられており、結合光学系７、送光用ファイバ
８、および２本の受光用ファイバ９ａ，９ｂが収納され
ている。このうち、結合光学系７は、レンズ、偏光子な
どから構成されており、ファイバ８，９ａ，９ｂをセン
サ３と光学的に結合している。また、送光用ファイバ８
は、図示していない光源からの測定用の光を伝送し、結
合光学系７を介して、センサ３に送るために使用され、
受光用ファイバ９ａ，９ｂは、センサ３から出射し、結
合光学系７で２方向の偏光成分に分けられた光をそれぞ
れ入射し、図示していない信号処理部に送るために使用
されている。

【０００４】以上のような構成を有する図３の光変流器
において、導体２を流れる電流を測定する場合には、次
のような動作が行われる。まず、図示していない光源を
発した光は、送光用ファイバ８を通って結合光学系７に
導かれ、この結合光学系７でほぼ平行光束の直線偏光ビ
ーム１０ａとなって空間を伝播してセンサ３に入射し、
内部で反射を繰り返す形で導体２の周囲を周回した後、
センサ３を出射する。この間センサ３内を通過する光
は、導体２を流れる電流によって誘起されるファラデー
効果により偏光面がある角度だけ回転する。この出射光
は、直線偏光ビーム１０ｂとなって空間に伝播して再び
結合光学系７に入射してここで２方向の偏光成分に分け
られた後、２つの受光用ファイバ９ａ，９ｂにそれぞれ
入射する。なお、ここで述べている結合光学系７の構成
や作用についてはすでに公知の事項であるので、説明は
省略する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧＩＳ用の
光変流器には、高精度の定常電流を測定する機能に加え
て、事故時の大電流を測定する機能が求められる。しか
しながら、以上のような従来の光変流器では、高精度と
広ダイナミックレンジを同時に得ることが難しく、定常
電流の測定と事故時の大電流測定の両方に精度よく対応
することが困難であるという欠点がある。

【０００６】本発明は、以上のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたものであり、その目的は、
広範囲の電流測定を精度よく行うことのできる、高性能
の光変流器を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光変流器は、フ
ァラデー効果を有するセンサ、測定用の光を発生してセ
ンサに送る光源、センサからの光を検出する検出器、光
源および検出器とセンサとを光学的に結合する結合光学
系を備え、前記センサを被測定電流によって形成される
磁界内に配置し、このセンサを通過する光のファラデー
効果を利用して測定する光変流器において、センサ、光
源、または結合光学系を次のように構成したことを特徴
としている。まず、請求項１記載の光変流器は、センサ
を次のように構成したことを特徴としている。すなわ
ち、センサは、異なる感度を有する光ファイバから構成
された複数のセンサユニットである。

【０００８】請求項２および３記載の光変流器は、請求
項１記載の光変流器において、複数のセンサユニットの
各々が次のように構成されたことを特徴としている。す
なわち、請求項２記載の光変流器において、複数のセン
サユニットの各々は、互いに巻回数の異なる光ファイバ
からそれぞれ構成される。また、請求項３記載の光変流
器において、複数のセンサユニットの各々は、互いに異
なるヴェルデ定数を有する光ファイバからそれぞれ構成
される。

【０００９】請求項４および５記載の光変流器は、請求
項１記載の光変流器において、光源または結合光学系が
次のように構成されたことを特徴としている。すなわ
ち、請求項４記載の光変流器において、光源は、複数の
センサユニットに個別に測定光を送る複数の光源であ
り、この複数の光源は、互いに波長の異なる測定光を発
生するように構成される。また、請求項５記載の光変流
器において、結合光学系は、複数のセンサユニットに対
して個別に設けられた複数の同一の光学系である。

【００１０】請求項６および７記載の光変流器は、請求
項１記載の光変流器において、複数のセンサユニットが
次のように構成されたことを特徴としている。すなわ
ち、請求項６記載の光変流器において、複数のセンサユ
ニットは、広ダイナミックレンジ用のサニャック干渉型
のセンサユニットを有する。請求項７記載の光変流器に
おいて、複数のセンサユニットは、高感度用の位相変調
子を含むサニャック干渉型のセンサユニットと、広ダイ
ナミックレンジ用の位相変調子を含まないサニャック干
渉型のセンサユニットを有する。

【００１１】

【作用】以上のような構成を有する本発明の光変流器の
作用は次の通りである。すなわち、請求項１記載の発明
によれば、感度の異なる複数のセンサユニットを用いる
ことによって、定常電流測定用の高感度のセンサユニッ
トと、大電流測定用の比較的低感度の広ダイナミックレ
ンジのセンサユニットとを並行して設けることができ
る。したがって、高感度のセンサユニットによって、高
精度の定常電流測定を行うと同時に、比較的低感度の広
ダイナミックレンジのセンサユニットによって、大電流
の測定を行うことができる。また、センサとしてセンサ
ユニットを用いることにより、結合光学系を含む光学系
全体を一体化して小型化することができるため、設置環
境における熱分布の影響を受け難くなり、その分だけ精
度を向上することができる。

【００１２】請求項２記載の発明によれば、巻回数を変
えることによって、センサユニットの光路長を変化させ
ることができるため、センサユニットの感度を容易に調
整することができる。また、請求項３の発明によれば、
ヴェルデ定数に基づいて材質を適宜選択することによっ
て、センサユニットの感度を容易に調整することができ
る。さらに、請求項４記載の発明によれば、複数の光源
から発生させる測定光の波長を適宜選択することによっ
て、センサユニットの感度を容易に調整することができ
る。したがって、請求項２〜４記載の発明によれば、定
常電流測定用の高感度のセンサユニットと、大電流測定
用の比較的低感度の広ダイナミックレンジのセンサユニ
ットとを容易に構成することができる。

【００１３】請求項５記載の発明によれば、複数のセン
サユニットに対して複数の同一の光学系を結合光学系と
してそれぞれ結合することによって、結合光学系および
この結合光学系に結合される検出器の構成を規格化する
ことができ、さらに、検出器からの信号の処理が簡略に
なる。したがって、光変流器全体の構成を簡略化するこ
とができる。

【００１４】請求項６記載の発明によれば、広ダイナミ
ックレンジ用のサニャック干渉型のセンサユニットを用
いることによって、オールファイバ化が容易になり、安
定した広ダイナミックレンジ用のセンサユニットが得ら
れる。また、請求項７記載の発明によれば、高感度用の
サニャック干渉型のセンサユニットの感度の焦点を被測
定電流の小電流部分に合わせ、広ダイナミックレンジ用
のサニャック干渉型のセンサユニットの感度の焦点を被
測定電流の大電流部分に合わせることにより、高精度用
と広ダイナミックレンジ用の安定したセンサユニットが
得られる。この場合、広ダイナミックレンジ用のサニャ
ック干渉型のセンサユニットについては、位相変調子を
含まない分だけ部品点数が減るため安定性を向上でき
る。

【００１５】

【実施例】

［１］第１実施例…図１［１−１］実施例の構成図１は、本発明による光変流器の第１実施例を示す図で
ある。この図１に示す光変流器は、高感度の測定部Ａと
広ダイナミックレンジの測定部Ｂとを備えている。以下
にはまず、高感度の測定部Ａの構成について説明する。
高感度の測定部Ａは、大きく分けて、センサ光学部１
１、信号処理部１２、および伝送用ファイバ部１３から
構成されている。このうち、信号処理部１２は、測定光
を発生する光源１４、センサ光学部１１からの２つの光
を検出し、その強度に応じた電気信号に変換する検出器
１５ａ，１５ｂ、検出器１５ａ，１５ｂで得られた信号
を演算処理する信号処理回路１６、および処理結果を出
力する出力端子１７を備えている。この場合、光源１４
は、レーザダイオードまたはスーパールミネセントダイ
オードによって構成されている。また、この信号処理部
１２は、センサ光学部１１から十分に（少なくとも１０
ｍ以上）離れた位置に配置されている。一方、伝送用フ
ァイバ部１３は、信号処理部１２内の光源１４からセン
サ光学部１１に光を送る送光用ファイバ１８とセンサ光
学部１１から信号処理部１２内の２つの検出器１５ａ，
１５ｂに光を送る２本の受光用ファイバ１９ａ，１９ｂ
を備えている。

【００１６】そして、高感度の測定部Ａのセンサ光学部
１１は、結合光学系２１と高感度センサユニット３１を
備えている。結合光学系２１は、４つのレンズ２２ａ〜
２２ｄ、偏光子２３、２つのビームスプリッタ２４ａ，
２４ｂ、および２つの検光子２５ａ，２５ｂから構成さ
れている。このうち、４つのレンズ２２ａ〜２２ｄは、
送光用ファイバ１８からの光を平行ビームに変換するか
または平行ビームを集光して各受光用ファイバ１９ａ，
１９ｂまたは高感度センサユニット３１に入射するため
に使用されている。偏光子２３は、光を直線偏光に変換
するために使用され、２つのビームスプリッタ２４ａ，
２４ｂは、光をその入射方向に応じて選択的に透過・反
射させるかまたは透過光と反射光に分割するために使用
されている。２つの検光子２５ａ，２５ｂは、直交する
ｘ，ｙ方向の各偏光成分を抽出するために使用されてい
る。

【００１７】この場合、この結合光学系２１は、送光用
ファイバ１８からの光を、第１のレンズ２２ａ、偏光子
２３、第１のビームスプリッタ２４ａ、および第２のレ
ンズ２２ｂを介して高感度センサユニット３１の一端に
送るようになっている。また、この高感度センサユニッ
ト３１からの反対方向の光を、第２のレンズ２２ｂを介
して第１のビームスプリッタ２４ａで反射した後、第２
のビームスプリッタ２４ｂに送って２方向の光に分割す
るようになっている。そして、一方の分割光を第１の検
光子２５ａおよび第３のレンズ２２ｃを介して一方の受
光用ファイバ１８ａに送るとともに、他方の分割光を第
２の検光子２５ｂおよび第４のレンズ２２ｄを介して他
方の受光用ファイバ１８ｂに送るようになっている。

【００１８】一方、高感度センサユニット３１は、光フ
ァイバによって構成されており、被測定電流が流れる導
体２の周囲にｎ１回巻き付けてなるセンサ３０と、この
センサ３０から引き出された伝送部３０ａとを備えてい
る。なお、センサ３０の巻回数ｎ１は、高感度センサユ
ニット３１に要求される精度に応じて適宜選択される。
また、この高感度センサユニット３１のセンサ３０の終
端部は、反射端３１ａとされており、高感度センサユニ
ット３１内を伝播してきた光を反射して再び高感度セン
サユニット３１内に戻し、反対方向に伝播させるように
なっている。

【００１９】次に、広ダイナミックレンジの測定部Ｂの
構成について説明する。この広ダイナミックレンジの測
定部Ｂは、前述した高感度の測定部Ａと同様に、センサ
光学部１１、信号処理部１２、および伝送用ファイバ部
１３から構成されており、基本的な構成は、センサ光学
部１１の低感度センサユニット３２を除いて高感度の測
定部Ａと全く同様である。すなわち、広ダイナミックレ
ンジの測定部Ｂのセンサ光学部１１において使用されて
いる低感度センサユニット３２は、光ファイバによって
構成されており、導体２の周囲にｎ２回巻き付けてなる
センサ３０と、このセンサ３０から引き出された伝送部
３０ａとを備えている。なお、センサ３０の巻回数ｎ２
は、低感度センサユニット３２に要求されるダイナミッ
クレンジに応じて適宜選択される数であり、高感度セン
サユニット３１の巻回数ｎ１より小さい数とされる。ま
た、この低感度センサユニット３２のセンサ３０の終端
部は、反射端３２ａとされている。なお、他の部分につ
いては、前述した高感度の測定部Ａと全く同様に構成さ
れている。

【００２０】［１−２］実施例の作用と効果以上のような構成を有する本実施例の作用は次の通りで
ある。なお、本実施例において、高感度の測定部Ａと広
ダイナミックレンジの測定部Ｂとは、センサユニットの
巻回数を除けば、基本的に同じ構成を有するため、以下
には、両測定部Ａ，Ｂの動作を一括的に説明する。ま
ず、信号処理部１２の光源１４から発した光は、送光用
ファイバ１８を通って、センサ光学部１１の結合光学系
２１に送られる。この送光用ファイバ１８からの光は、
第１のレンズ２２ａによって平行ビームに変換され、偏
光子２３によって直線偏光に変換された後、第１のビー
ムスプリッタ２４ａを透過して第２のレンズ２２ｂによ
って集光され、各センサユニット３１，３２の一端に入
射する。

【００２１】次に、各センサユニット３１，３２に入射
した光は、各センサユニット３１，３２内を伝播して各
反射端３１ａ，３２ａで反射した後、再び各センサユニ
ット３１，３２内に戻され、反対方向に伝播して結合光
学系２１側の入射端から出射する。この場合、各センサ
ユニット３１，３２内を往復する形で通過する光は、導
体２を流れる被測定電流によって誘起されるファラデー
効果により偏光面が回転する。

【００２２】そして、各センサユニット３１，３２から
の出射光は、結合光学系２１の第２のレンズ２２ｂで平
行ビームに変換された後、第１のビームスプリッタ２４
ａで反射し、第２のビームスプリッタ２４ｂで２方向の
光に分割される。そして、一方の分割光は、第１の検光
子２５ａによってｘ方向の偏光成分を抽出された後、、
第３のレンズ２２ｃおよび受光用ファイバ１９ａを介し
て、信号処理部１２の一方の検出器１５ａに送られる。
また、他方の分割光は、第２の検光子２５ｂによってｙ
方向の偏光成分を抽出された後、第４のレンズ２２ｄお
よび受光用ファイバ１９ｂを介して、他方の検出器１５
ｂに送られる。

【００２３】さらに、このようにして、各検出器１５
ａ，１５ｂに送られたｘ方向とｙ方向の偏光成分の光
は、これらの検出器１５ａ，１５ｂにおいてその強度に
応じた電気信号に変換される。これらの検出器１５ａ，
１５ｂで得られた各偏光成分の信号は、信号処理回路１
６に送られて演算処理され、得られた処理結果すなわち
測定結果は出力端子１７によって出力される。

【００２４】ところで、本実施例において、高感度の測
定部Ａの高感度センサユニット３１または広ダイナミッ
クレンジの測定部Ｂの低感度センサユニット３２内にお
けるファラデー旋光角は、導体２を流れる被測定電流と
センサユニット３１，３２の巻回数ｎ１，ｎ２に応じて
決定される。すなわち、本実施例のように、センサとし
て被測定電流の流れる導体２の周囲に一定の巻回数ｎで
巻回した閉ループセンサユニットを用いた場合、このセ
ンサユニット内における被測定電流Ｉによるファラデー
旋光角φは、次の式（１）によって表される。ただし、
この式（１）において、Ｖはヴェルデ定数である。

【数１】φ＝ｎＶＩ … （１）

【００２５】また、ヴェルデ定数Ｖは、次の式（２）に
よって表される。

【数２】ただし、この式（２）において、Ｃは定数、ｄは密度、
Ｎｅは平均の分子あたりの活性電子数、Ｍは平均分子
量、βは電子の準弾性結合定数、μは相対透磁率、ｎは
屈折率、λ₀は光電子の固有振動数に対応する波長、λ
は真空中における光の入射波長である。そして、これら
の式（１）、（２）から、光変流器の感度は、ファイバ
巻回数、センサ素材、および入射光源の波長に依存し、
また間接的に温度などに依存することが分かる。

【００２６】したがって、本実施例においては、センサ
として巻回数の異なるセンサユニットを用いることによ
って、電流に対する感度を変えることができ、高感度セ
ンサユニット３１を含む高感度の測定部Ａによって高精
度の定常電流測定を行うと同時に、低感度センサユニッ
ト３２を含む広ダイナミックレンジの測定部Ｂによって
大電流の測定を行うことができる。すなわち、本実施例
によれば、定常電流と大電流の測定を同時に高精度で行
うことのできる、高性能の光変流器を提供することがで
きる。

【００２７】［２］第２実施例［２−１］実施例の構成…図２図２は、本発明による光変流器の第２実施例を示す図で
ある。この図２に示す光変流器は、高感度の測定部Ａと
広ダイナミックレンジの測定部Ｂとを備えている。以下
にはまず、高感度の測定部Ａの構成について説明する。
高感度の測定部Ａにおいて、光源１４から検出器１５に
至るまでの光学系の光路は、光ファイバ４０によって一
体的に構成されている。

【００２８】すなわち、光源１４と検出器１５にそれぞ
れ接続された２本の光ファイバ４０は、第１のファイバ
カプラ４０ａによって結合されて１本の光ファイバ４０
とされている。そして、この１本の光ファイバ４０の他
端は、第２のファイバカプラ４０ｂによって高感度セン
サユニット３１と結合されている。この高感度センサユ
ニット３１は、光ファイバによって構成されており、導
体２の周囲にｎ１回巻き付けてなるセンサ３０と、この
センサ３０から引き出された第１と第２の伝送部３０
ａ，３０ｂとを備えている。なお、センサ３０の巻回数
ｎ１は、高感度センサユニット３１に要求される精度に
応じて適宜選択される。また、この高感度センサユニッ
ト３１は、第１と第２の伝送部３０ａ，３０ｂの終端部
を共に第２のファイバカプラ４０ｂに結合することによ
って、導体２の周囲を光が２方向に周回するサニャック
干渉型のセンサユニットとして構成されている。

【００２９】また、高感度センサユニット３１は、１つ
の位相変調子４１と第１と第２のλ／４波長板４２ａ，
４２ｂを備えている。このうち、位相変調子４１は、Ｌ
ｉＮｂＯ₃から構成され、ポッケルス効果を利用して光
の屈折率を変えることにより位相を変調する機能を有す
る素子であり、高感度センサユニット３１の第１の伝送
部３０ａに配置されている。また、第１と第２のλ／４
波長板４２ａ，４２ｂは、その周囲に光ファイバを巻き
付けることによって、一方向の光を他方に対してλ／４
だけ位相をずらす機能を有する素子である。そして、第
１のλ／４波長板４２ａは、高感度センサユニット３１
の第１の伝送部３０ａにおける位相変調子４１よりもセ
ンサ３０側に配置され、第２のλ／４波長板４２ｂは、
高感度センサユニット３１の第２の伝送部３０ｂに配置
されている。

【００３０】なお、第１と第２のファイバカプラ４０
ａ，４０ｂの間には、ファイバ巻線型偏光子４３が設け
られている。また、図中４４は、検出器１５からの信号
を処理する信号処理回路である。この信号処理回路４４
は、位相変調子４１を駆動制御する機能を併せて備えて
いる。

【００３１】次に、広ダイナミックレンジの測定部Ｂの
構成について説明する。この広ダイナミックレンジの測
定部Ｂにおいて、光源１４から検出器１５に至るまでの
光学系の光路は、前述した高感度の測定部Ａと同様に、
光ファイバ４０によって一体的に構成されている。すな
わち、光源１４と検出器１５にそれぞれ接続された２本
の光ファイバ４０は、第１のファイバカプラ４０ａによ
って結合されて１本の光ファイバ４０とされており、こ
の１本の光ファイバ４０の他端は、第２のファイバカプ
ラ４０ｂによって低感度センサユニット３２と結合され
ている。また、第１と第２のファイバカプラ４０ａ，４
０ｂの間には、ファイバ巻線型偏光子４３が設けられて
いる。

【００３２】そして、低感度センサユニット３２は、光
ファイバによって構成されており、導体２の周囲にｎ２
回巻き付けてなるセンサ３０と、このセンサ３０から引
き出された第１と第２の伝送部３０ａ，３０ｂとを備え
ている。なお、センサ３０の巻回数ｎ２は、低感度セン
サユニット３２に要求されるダイナミックレンジに応じ
て適宜選択される数であり、高感度センサユニット３１
の巻回数ｎ１より小さい数とされる。また、この低感度
センサユニット３２は、第１と第２の伝送部３０ａ，３
０ｂの終端部を共に第２のファイバカプラ４０ｂに結合
することによって、導体２の周囲を光が２方向に周回す
るサニャック干渉型のセンサユニットとして構成されて
いる。なお、この低感度センサユニット３２は、高感度
センサユニット３１と異なり、位相変調子４１やλ／４
波長板４２ａ，４２ｂを全く備えていない。

【００３３】［２−２］実施例の作用と効果以上のような構成を有する本実施例の作用は次の通りで
ある。まず、高感度の測定部Ａにおいて、光源１４から
発した光は、接続された光ファイバ４０に導かれ、第１
のファイバカプラ４０ａを透過し、ファイバ巻線型偏光
子４３を透過して直線偏光となる。この直線偏光は第２
のファイバカプラ４０ｂで２分割される。そして、一方
の分割光は、高感度センサユニット３１の第１の伝送部
３０ａに導かれてこの伝送部３０ａ内を伝播し、位相変
調子４１によって位相変調を受け、第１のλ／４波長板
４２ａで円偏光となった後、被測定電流の流れる導体２
の周囲に配置された巻回数ｎ１回のセンサ３０を通って
ファラデー旋光を受ける。この光は、第２の伝送部３０
ｂ内を伝播して第２のλ／４波長板４２ｂで再び直線偏
光に変換された後、第２のファイバカプラ４０ｂへ入射
する。

【００３４】また、第２のファイバカプラ４０ｂで分岐
した他方の分割光は、高感度センサユニット３１の第２
の伝送部３０ｂに導かれてこの第２の伝送部３０ｂ内を
伝播し、第２のλ／４波長板４２ｂによって円偏光とな
った後、巻回数ｎ１回のセンサ３０を通ってファラデー
旋光を受ける。この光は、第１の伝送部３０ａ内を伝播
して第１のλ／４波長板４２ａで再び直線偏光に変換さ
れ、位相変調子４１によって位相変調を受けた後、第２
のファイバカプラ４０ｂへ入射し、前述した逆回りの分
割光と再結合する。

【００３５】このようにして第２のファイバカプラ４０
ｂで再結合した光は、ファイバ巻線型偏光子４３を通っ
て、第１のファイバカプラ４０ａで分岐し、検出器１５
で検出され、電気信号に変換される。検出器１５からの
電気信号は、信号処理回路４４によって信号処理され
る。

【００３６】一方、広ダイナミックレンジの測定部Ｂに
おいて、光源１４から発した光は、接続された光ファイ
バ４０に導かれ、第１のファイバカプラ４０ａを透過
し、ファイバ巻線型偏光子４３を透過して直線偏光とな
る。この直線偏光は第２のファイバカプラ４０ｂで２分
割される。そして、一方の分割光は、低感度センサユニ
ット３２の第１の伝送部３０ａに導かれてこの伝送部３
０ａ内を伝播し、被測定電流の流れる導体２の周囲に配
置された巻回数ｎ２回のセンサ３０を通ってファラデー
旋光を受けた後、第２の伝送部３０ｂ内を伝播して第２
のファイバカプラ４０ｂへ入射する。また、第２のファ
イバカプラ４０ｂで分岐した他方の分割光は、低感度セ
ンサユニット３２の第２の伝送部３０ｂに導かれてこの
第２の伝送部３０ｂ内を伝播し、巻回数ｎ２回のセンサ
３０を通ってファラデー旋光を受けた後、第１の伝送部
３０ａ内を伝播して第２のファイバカプラ４０ｂへ入射
し、前述した逆回りの分割光と再結合する。このように
して第２のファイバカプラ４０ｂで再結合した光は、フ
ァイバ巻線型偏光子４３を通って、第１のファイバカプ
ラ４０ａで分岐し、検出器１５で検出され、電気信号に
変換される。

【００３７】以上のように、本実施例のセンサユニット
は、いわゆるサニャック干渉型のセンサユニットであ
り、導体２の回りを互いに逆方向に周回する２方向の光
のファラデー効果による位相差を干渉光の光強度によっ
て検出するものである。このようなサニャック干渉型の
センサユニットにおいては、ファイバの固有複屈折率や
局所的な温度変化などによるファイバの複屈折や伸びの
効果などの相反現象は逆方向の２つの光の間で互いに相
殺される。したがって、電流によるファラデー効果であ
る非相反現象のみを取り出すことが可能であり、高精度
で耐環境性の強いセンサを得ることができる。

【００３８】なお、このようなサニャック干渉型のセン
サユニットにおいて、ファラデー旋光角φによる光強度
Ｐは、次の式（３）によって表される。ただし、この式
（３）において、Ｐ₀は検出光量であり、φは前述した
式（１）によって求められる。

【数３】Ｐ＝Ｐ₀／２（１＋ｃｏｓ２φ）… （３）

【００３９】また、このセンサユニットに角周波数ω_m
の位相変調をかけ、検出出力を同期検波したときの、出
力の基本波成分Ｐ（ω_m）は、次の式（４）によって表
される。ただし、この式（４）において、Ｊ₁は１次の
ベッセル関数であり、ｋは位相変調度である。

【数４】

【００４０】この式（４）から、高感度センサユニット
としては、電流に対してｓｉｎ曲線の出力を利用するこ
とによって、高い精度が必要とされる小電流領域の精度
を確保できることが分かる。また、広ダイナミックレン
ジ用の低感度センサユニットとしては、位相変調を行わ
ず、さらにｃｏｓ曲線の９０度近辺を対象となる大電流
領域に合わせることによって、大電流を高精度に測定す
ることが可能となる。さらに、広ダイナミックレンジ用
の低感度センサユニットには、位相変調子を用いていな
いため、部品点数を減らすことができ、それによって安
定性を向上できる。

【００４１】したがって、本実施例においては、前述し
た第１実施例と同様に、センサとして巻回数の異なるセ
ンサユニットを用いることによって、電流に対する感度
を変えることができるため、定常電流と大電流の測定を
同時に高精度で行うことのできる、高性能の光変流器を
提供することができる。特に、本実施例においては、サ
ニャック干渉型のセンサユニットを用いてオールファイ
バ化したことにより、光学素子間の光軸ずれなどの問題
を生じることもなく、より構成が簡略で安定した感度を
有する高性能の光変流器を提供することができる。

【００４２】［３］他の実施例なお、本発明は、前記各実施例に限定されるものではな
く、例えば、前記各実施例においては、センサユニット
を構成する光ファイバの巻回数を変えることによって感
度の異なったセンサを得ているが、前述した式（２）よ
り、異なったセンサ素材を用いること、または、異なっ
た波長の光を用いることによって異なった感度を得るこ
とも可能であり、これらの変形例によって前記各実施例
と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。

【００４３】また、高精度用の高感度センサユニットと
広ダイナミックレンジ用の低感度センサユニットとの感
度の差は、定常電流領域と事故時の大電流領域に基づき
適宜設定可能であるが、例えば、低感度センサユニット
において偏光角が１度変化するのに対して高感度センサ
ユニットノ偏光角が１８０度回転するように調整するこ
となどが考えられる。また、センサユニットの具体的な
感度は被測定電流に基づき適宜設定可能であるが、例え
ば、センサユニットにおけるファラデー回転角が９０度
以上となるように設定することが考えられる。このよう
に設定した場合には、オフセットの補正ができるため、
誤差を除去して、より精度の高い測定を行うことができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
感度の異なる複数のセンサユニットを用いることによっ
て、広範囲の電流測定を精度よく行うことのできる、高
性能の光変流器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光変流器の第１実施例を示す模式
的構成図。

【図２】本発明による光変流器の第２実施例を示す模式
的構成図。

【図３】従来の光変流器の一例を示す模式的構成図。

【符号の説明】

１…タンク２…導体３…センサ４…固定具５…絶縁筒６…光学系収納箱７…結合光学系８…送光用ファイバ９ａ，９ｂ…受光用ファイバ１０ａ，１０ｂ…直線偏光ビーム１１…センサ光学部１２…信号処理部１３…伝送用ファイバ部１４…光源１５，１５ａ，１５ｂ…検出器１６…信号処理回路１７…出力端子１８…送光用ファイバ１９ａ，１９ｂ…受光用ファイバ２１…結合光学系２２ａ〜２２ｄ…レンズ２３…偏光子２４ａ，２４ｂ…ビームスプリッタ２５ａ，２５ｂ…検光子３０…センサ３０ａ，３０ｂ…伝送部３１…高感度センサユニット３１ａ，３２ａ…反射端３２…低感度センサユニット４０…光ファイバ４０ａ，４０ｂ…ファイバカプラ４１…位相変調子４２ａ，４２ｂ…λ／４波長板４３…ファイバ巻線型偏光子４４…信号処理回路Ａ…高感度の測定部Ｂ…広ダイナミックレンジの測定部

フロントページの続き (72)発明者寺井清寿神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者玉川徹神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者三浦宏神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定通電導体外周囲に巻回配置される
光ファイバからなるセンサ部、測定用の光を発生してセ
ンサ部に送る光源、センサ部からの光を検出する検出
器、光源および検出器とセンサ部とを光学的に結合する
結合光学系を備え、センサ部を通過する光のファラデー
効果を利用して被測定通電導体の通電電流を測定する光
変流器において、前記センサ部は、異なる測定感度を有する複数のセンサ
ユニットからなることを特徴とする光変流器。
【請求項２】前記複数のセンサユニットの各々は、互
いに巻回数の異なる光ファイバからそれぞれ構成された
ことを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項３】前記複数のセンサユニットの各々は、互
いに異なるヴェルデ定数を有する光ファイバからそれぞ
れ構成されたことを特徴とする請求項１記載の光変流
器。
【請求項４】前記光源は、前記複数のセンサユニット
に個別に測定光を送る複数の光源であり、この複数の光
源は、互いに波長の異なる測定光を発生するように構成
されたことを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項５】前記結合光学系は、前記複数のセンサユ
ニットに対して個別に設けられた複数の同一の光学系で
あることを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項６】前記複数のセンサユニットは、広ダイナ
ミックレンジ用のサニャック干渉型のセンサユニットを
有することを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項７】前記複数のセンサユニットは、高感度用
の位相変調子を含むサニャック干渉型のセンサユニット
と、広ダイナミックレンジ用の位相変調子を含まないサ
ニャック干渉型のセンサユニットを有することを特徴と
する請求項１記載の光変流器。