JPH10170555A - 光応用測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接着剤に起因する光学系の位置ずれや脱落の
可能性がない光応用測定装置を提供する。 【解決手段】 円筒ユニット２３に対して、同時に１つ
のリーマで通し加工した丸い軸穴を形成する。ＧＲＩＮ
レンズ２４は、円筒ユニット２３の送信ファイバ２側及
びセンシングファイバ５側におけるそれぞれの軸穴に、
これと精密にはめ合う径で形成し、挿入固定する。送信
ファイバ２及びセンシングファイバ５の端部のフェルー
ル１９を、それぞれの軸穴と精密にはめ合う径で形成
し、挿入固定する。送信ファイバ２側からセンシングフ
ァイバ５側にかけて、光軸は正確に一致している。偏光
子４が、円筒ユニット２３における送信ファイバ２側と
センシングファイバ５側との中間に形成された収容部２
３ａに収容固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気光学素子のポ
ッケルス効果またはファラデー効果を利用して、電界、
電圧、磁界、電流等を測定する光応用測定装置に係り、
特に、高い精度が要求される用途に適した光応用測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の伝搬物質に磁界を加えると光の偏光
面が光の伝搬とともに回転する現象をファラデー効果と
いい、ある種の結晶に電界を加えると屈折率が電界強度
に比例して変化する現象をポッケルス効果という。光応
用測定装置は、このように電界、磁界の変化が光学部品
の偏光特性の変化となって現れるポッケルス効果又はフ
ァラデー効果を利用して、電界、電圧、磁界、電流を測
定するものであり、現在、各種の装置が開発されてい
る。

【０００３】このような光応用測定装置として、従来か
ら提案されているものの一例を、図８、図９を参照して
以下に説明する。なお、この従来技術は、光ファイバを
センサとして用いて電流を測定する光応用電流測定装置
である。

【０００４】（１）光応用電流測定装置の構成 全体構成 まず、光応用電流測定装置の全体構成を説明する。すな
わち、この光応用電流測定装置は、大別して、センサ光
学部１６、信号処理部１４及び伝送用ファイバ部１５に
よって構成されている。信号処理部１４は、測定光を発
生する光源１、センサ光学部１１からの２つの光を検出
してその強度に応じた電気信号に変換する検出器１１
ａ，１１ｂ、検出器１１ａ，１１ｂで得られた信号を演
算処理する信号処理回路１２、および処理結果を出力す
る出力端子１３を備えている。

【０００５】このうち、光源１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、信号処理部１４は、センサ光学部１６か
ら十分に（少なくとも１０ｍ以上）離れた位置に配置さ
れている。

【０００６】伝送用ファイバ部１５は、信号処理部１４
内の光源１からセンサ光学部１６まで光を送る送信ファ
イバ２と、センサ光学部１６から信号処理部１４内の２
つの検出器１１ａ、１１ｂまで光を送る２本の受信ファ
イバ１０ａ、１０ｂとを備えている。

【０００７】センサ光学部１６は、結合光学系１８とセ
ンシングファイバ部１７とを備えている。そして、結合
光学系１８は、４つのレンズ３ａ〜３ｄ、偏光子４、２
つのビームスプリッタ８ａ，８ｂ、および２つの検光子
９ａ，９ｂから構成されている。このうち、４つのレン
ズ３ａ〜３ｄは、送信ファイバ２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信ファ
イバ１０ａ、１０ｂまたはセンシングファイバ部１７に
入射するために使用される。偏光子４は、光を水平方向
に関して４５度方向の直線偏光に変換するために使用さ
れる。２つのビームスプリッタ３ａ，３ｂは、光をその
入射方向に応じて透過光と反射光とに分割するために使
用される。２つの検光子９ａ，９ｂは、各々水平方向お
よび垂直方向の直線偏光の光を透過させることにより、
直交するｘ、ｙ方向の各偏光成分を抽出するために使用
される。

【０００８】このような結合光学系１８は、送信ファイ
バ２からの光を、第１のレンズ３ａ、偏光子４、第１の
ビームスプリッタ８ａ、および第２のレンズ３ｂを介し
てセンシングファイバ部１７の一端に送る構成となって
いる。また、結合光学系１８は、センシングファイバ部
１７からの反射方向の光を、第２のレンズ３ｂを介して
第１のビームスプリッタ８ａで反射した後、第２のビー
ムスプリッタ８ｂによって２方向の光に分割するように
なっている。そして、結合光学系１８は、この一方の分
割光を、第１の検光子９ａおよび第３のレンズ３ｃを介
して一方の受信ファイバ１０ａに送り、他方の分割光
を、第２の検光子９ｂおよび第４のレンズ３ｄを介して
受信ファイバ１０ｂに送るものである。

【０００９】さらに、センシングファイバ部１７は、結
合光学系１８に接続された光ファイバからなるセンシン
グファイバ５と、その終端部に設けられた反射鏡７とを
備えている。このうち、センシングファイバ５は、被測
定電流が流れる導体６の周囲に１以上のほぼ整数倍の巻
き数ｎで巻き付けられている。また、反射鏡７は、セン
シングファイバ５内を伝播してきた光を反射して再びセ
ンシングファイバ５内に戻し、反対方向に伝播させるよ
うになっている。このように、センシングファイバ５の
終端部に反射鏡７を設けることにより、センシングファ
イバ５の始端部は、入射端と出射端を兼ねた出入端とな
っている。

【００１０】なお、このような光ファイバからなるセン
シングファイバ５は、導体６の周辺に設けられた図示し
ない取り付け部に穏やかに固定されており、外力の影響
を受けにくい構造となっている。また、センシングファ
イバ５を構成する光ファイバとしては、典型的には、信
頼性の高い石英ファイバが使用されるが、他の種類の光
ファイバを使用することも可能である。

【００１１】センサー光学部の構成 以上のような全体構成を有する光応用測定装置における
センサー光学部の具体的な配置構成例を、図９を参照し
て以下に説明する。なお、図９は、送信ファイバ２から
センシングファイバ部１７のセンシングファイバ５に至
るまでの結合光学系１８の断面図である。すなわち、送
信ファイバ２から受信ファイバ１０ａ，１０ｂに至るま
での光学系を構成する複数の光学部品は、光ファイバ部
分を除いて、光学系取付基板２２上に配置されている。

【００１２】送信ファイバ２の端部には接合部補強用の
フェルール１９が取り付けられ、レンズ３とともに角形
の取付具２０ａに固定されている。この取付具２０ａ
は、通常、金属やセラミックスで製作され、接着剤２１
によって光学系取付基板２２上に接着されている。この
取付具２０ａから一直線上に、偏光子４、ビームスプリ
ッター８、取付具２０ｂが配置され、接着剤２１によっ
て光学系取付基板２２に接着されている。この取付具２
０ｂには、光軸方向に穴が形成されている。そして、セ
ンシングファイバ５の端部に取り付けられたフェルール
１９の外径は、取付具２０ｂの穴の径より小さく作られ
ている。このフェルール１９が、当該穴に挿入され、ｘ
−ｙ−ｚとあおり２方向の５軸が調整された後、接着剤
２１によって固定されている。

【００１３】（２）光応用電流測定装置の電流測定作用 以上のような構成を有する光応用電流測定装置の電流測
定作用は、以下の通りである。すなわち、まず、信号処
理部１４の光源１から発した光が、送信ファイバ２を通
ってセンサ光学部１６の結合光学系１８に送られる。こ
の結合光学系１８において、送信ファイバ２からの光
は、第１のレンズ３ａによって平行ビームに変換され偏
光子４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８ａを透過して第２のレンズ３ｂによって集
光され、センシングファイバ部１７に送られ、センシン
グファイバ５の出入端に入射する。

【００１４】このセンシングファイバ部１７において、
結合光学系１８からセンシングファイバ５に入射した光
は、センシングファイバ５内を伝播してその反射鏡７で
反射された後、再びセンシングファイバ５内に戻され、
反対方向に伝播して、センシングファイバ５の出入端か
ら出射する。この場合、センシングファイバ５内を往復
する形で通過する光の偏光面は、導体６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回転す
る。

【００１５】そして、センシングファイバ部１７からの
出射光は、結合光学系１８に入射し、その第２のレンズ
３ｂによって平行ビームに変換された後、第１のビーム
スプリッタ８ａで反射され、第２のビームスプリッタ８
ｂで２方向の光に分割される。このうち、一方の分割光
は、第１の検光子９ａによってｘ方向の偏光成分が抽出
された後、第３のレンズ３ｃおよび受信ファイバ１０ａ
を介して、信号処理部１４の一方の検出器１１ａに送ら
れる。また、他方の分割光は、第２の検光子９ｂによっ
てｙ方向の偏光成分が抽出された後、第４のレンズ３ｄ
および受信ファイバ１０ｂを介して、他方の検出器１１
ｂに送られる。

【００１６】このようにして、ｘ方向とｙ方向の偏光成
分の光が各検出器１１ａ，１１ｂに送られた後、これら
の検出器１１ａ，１１ｂで各偏向成分を表す各電気信号
が得られる。これらの各電気信号は、信号処理回路１２
に送られて演算処理される。そして、信号処理回路１２
で得られた処理結果すなわち測定結果は、出力端子１７
から出力される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の光応用測定装置には、次のような問題点が
ある。

【００１８】接着剤に起因する光学部品の位置ずれや
脱落の可能性 光ファイバとそれに光を入射する集光光学系との間の
位置ずれによる光量変化 温度や振動などの影響による精度低下 これらの問題点〜の具体的な内容について、以下に
説明する。

【００１９】［接着剤に起因する光学部品の位置ずれ
や脱落の可能性］について 図９に示したように、上記の光応用電流測定装置におけ
る光学系部品は、光学系取付基板２２に対して直接に、
若しくは取付金具２０ａ，２０ｂ等の固定部材を介し
て、接着剤２１によって固定されている。しかし、接着
剤２１は、一般的に、金属やガラスと比べて膨脹率が１
０倍以上大きいため、周囲温度が大幅に変化した場合に
はこれに従って大きく収縮する。すると、このような接
着剤２１によって固定されている光学部品同士の位置に
ずれが生じることとなる。また、光学系に温度変化や振
動が繰り返し加わった場合には、大きな収縮と外部機械
力との相乗的な影響によって接着剤２１が劣化する。従
って、長期間経過後には光学部品の脱落の可能性もあ
り、耐久性の点で問題となる。

【００２０】［光ファイバとそれに光を入射する集光
光学系との間の位置ずれによる光量変化］について 光ファイバのコア径は極めて小径であるため、光ファイ
バとそれに光を入射する集光光学系との間には極めて精
度の高いアラインメントが要求される。しかしながら、
振動や温度変化が生じた場合や、上記のような接着剤の
収縮が生じた場合には、光ファイバと集光光学系との間
のアラインメントが崩れる可能性がある。すると、光フ
ァイバに入射する光量が大きく変化して、測定精度の低
下につながる。

【００２１】特に、センシングファイバ５は、偏光情報
を伝播する役割を担う必要があるため、シングルモード
光ファイバが使用される。しかし、このようなシングル
モード光ファイバのコア径は２〜１０μｍ程度と極めて
小径であるため、振動や温度変化、接着剤の収縮などに
よってアライメントが崩れ易く、センシングファイバ５
に光を入射することが困難となる場合が生じる可能性が
ある。

【００２２】また、結合光学系１８のうち、検光子９
ａ，９ｂまでの部分で光量変化が発生した場合でも、あ
る程度の光量変化分については電子回路で補正可能であ
る。しかし、検光子９ａ，９ｂ以降で発生した光量変化
分については、必ずしもｘ、ｙ成分共に同位相とならな
いため、電子回路で補正することが困難となり、誤差の
原因となる。

【００２３】この場合、受信ファイバ１０ａ，１０ｂを
構成する光ファイバには、マルチモード光ファイバを使
用することができるため、前述したシングルモード光フ
ァイバを使用したセンシングファイバ５に比べて、比較
的容易に光を入射することができる。しかし、前述した
ように、検光子９ａ，９ｂ以降で発生した光量変化分の
補正は困難であるため、受信ファイバ１０ａ，１０ｂの
入射時に光量変化が多少でも発生していた場合には、こ
の光量変化分がそのまま誤差の原因となってしまう。

【００２４】［温度や振動などの影響による精度低
下］について 上記のような構成の光応用測定装置においては、外乱の
ない安定な状態では、高精度の計測が可能である。しか
し、実際には、温度変化・振動等の環境変化により、光
応用計測器を構成する各光学部品は位置ずれを生じるこ
ととなる。この位置ずれは光の結合光量の変化として現
れ、光応用測定装置の精度を低下させる大きな要因とな
っている。

【００２５】例えば、後述する図３（ａ）に示すよう
に、装置が振動を受けると、振動の振幅が接着剤２１を
伝わって、平板に接着された各種の光学部品Ｓに伝わる
が、慣性によって光学部品Ｓは留まろうとするので、光
学部品の上部と下部で振動の振幅や位相に上下で差が生
じ、あおり方向に光学部品が動くこととなる。

【００２６】なお、以上のような問題点〜は、図
８、図９に示した光応用電流測定装置に限らず、光ファ
イバを含む光学系を使用して各種の物理量を測定する光
応用測定装置一般に同様に存在している。

【００２７】本発明は、上記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、その主たる目
的は、接着剤に起因する光学系の位置ずれや脱落の可能
性がない光応用測定装置を提供することである。

【００２８】本発明の第２の目的は、光ファイバとそれ
に光を入射する集光光学系との間の位置ずれとそれによ
る光量変化を防ぐことのできる光応用測定装置を提供す
ることである。

【００２９】本発明の第３の目的は、温度や振動の影響
による精度低下を防止できる光応用測定装置を提供する
ことである。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、光源と、前記光源からの光を所定の偏
光にする偏光子と、前記光源からの光を前記偏光子まで
伝送する送信ファイバと、電界又は磁界の変化を偏光状
態の変化に変換する電界センサ又は磁界センサと、前記
電界センサ又は前記磁界センサにより生じた偏光状態の
変化を光強度の変化に変換する検光子と、光強度の変化
を電気信号に変換する検出器と、前記検光子の出射光を
前記検出器まで伝送する受信ファイバと、得られた電気
信号に基づいて、電界・電圧又は磁界・電流を算出する
信号処理ユニットとを有する光応用測定装置において、
以下のような技術的特徴を有することを特徴とする。

【００３１】請求項１記載の発明は、光軸に対応した円
筒状の軸穴が形成されたファイバユニットを備え、前記
送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射端の
少なくとも一方が、前記軸穴の径に対応した円筒形状で
あるとともに、前記軸穴に挿入支持されていることを特
徴とする。

【００３２】以上のような請求項１記載の発明では、あ
らかじめ光軸に対応して形成された軸穴に送信ファイバ
の出射端又は前記受信ファイバの入射端を挿入すること
により、軸穴の中心に送信・受信ファイバ端面を精密に
固定できるため、送信・受信ファイバの光軸合わせの手
間を省くことができ、光学系の位置あわせの上で一番の
問題となる光ファイバの光軸調整が簡素化される。

【００３３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
応用測定装置において、前記電界センサ又は前記磁界セ
ンサが、光ファイバにより構成されたセンシングファイ
バであり、前記センシングファイバの出射端及び入射端
の少なくとも一方が、前記ファイバユニットの軸穴の径
に対応した円筒形状であるとともに、前記軸穴に挿入支
持されていることを特徴とする。

【００３４】以上のような請求項２記載の発明では、あ
らかじめ光軸に対応して形成された軸穴にセンシングフ
ァイバの出射端又は入射端を挿入することにより、軸穴
の中心にセンシングファイバ端面を精密に固定できるた
め、センシングファイバの光軸合わせの手間を省くこと
ができる。

【００３５】請求項３記載の発明は、請求項１記載の光
応用測定装置において、前記電界センサ又は前記磁界セ
ンサが、光ファイバにより構成されたセンシングファイ
バであり、前記ファイバユニットの両端には、前記軸穴
が同軸に形成され、前記送信ファイバの出射端及び前記
受信ファイバの入射端の少なくとも一方が、前記軸穴の
一端の径に対応した円筒形状であるとともに、当該軸穴
に挿入支持され、前記センシングファイバの入射端及び
出射端の少なくとも一方が、前記軸穴の他端の径に対応
した円筒形状であるとともに、当該軸穴に挿入支持され
ていることを特徴とする。

【００３６】以上のような請求項３記載の発明では、例
えば、ファイバユニットの両端の軸穴に送信ファイバの
出射端とセンシングファイバの入射端を挿入することに
より、送信ファイバの出射端とセンシングファイバの入
射端を完全同軸構造とすることができるため、対称性が
よく、熱膨脹時や振動時等に送信ファイバやセンシング
ファイバがあおられることがない。

【００３７】請求項４記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の光応用測定装置において、前記ファ
イバユニットにおける前記送信ファイバの出射端及び前
記受信ファイバの入射端の少なくとも一方に対応する軸
穴内に、レンズが挿入され、前記レンズがＧＲＩＮレン
ズであることを特徴とする。

【００３８】以上のような請求項４記載の発明では、フ
ァイバユニット内の軸穴にＧＲＩＮレンズを挿入するこ
とにより、送信ファイバ又は受信ファイバとともに精密
に固定できるので、光軸合わせを簡素化できる。そし
て、ＧＲＩＮレンズは、レンズの外径中心とレンズ光軸
との間の位置ずれが小さいので、軸穴の中心にレンズの
光軸を設定でき、ファイバとの光軸合わせを容易に行う
ことができる。

【００３９】請求項５記載の発明は、請求項４記載の光
応用測定装置において、前記送信ファイバの出射端及び
前記受信ファイバの入射端の少なくとも一方に、前記フ
ァイバユニットの軸穴に対応する径のフェルールが取り
付けられ、前記ＧＲＩＮレンズの径が、前記フェルール
の径に等しいことを特徴とする。

【００４０】以上のような請求項５記載の発明では、Ｇ
ＲＩＮレンズの径を光ファイバの端部のフェルール径と
揃えることによって、１回のリーマ加工でＧＲＩＮレン
ズ、フェルールの位置あわせのための軸穴加工を行うこ
とができ、ＧＲＩＮレンズと光ファイバの光軸合わせの
精度を容易に向上させることができる。

【００４１】請求項６記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の光応用測定装置において、円筒状の
レンズホルダ内に、その外径中心と光軸が等しくなるよ
うにレンズが保持され、前記ファイバユニットにおける
前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
端の少なくとも一方に対応する軸穴内に、前記レンズホ
ルダが挿入されていることを特徴とする。

【００４２】以上のような請求項６記載の発明では、レ
ンズ単体をレンズホルダに対して位置合わせする場合
に、光応用測定装置の他の部材が周囲に存在しない状態
で行うことができるので、位置調整機構やホルダ中心と
レンズ中心をモニターする機構が容易に配置できる。こ
のため、レンズを光応用測定装置に組み込んだ後で位置
合わせをする場合には、特別のレンズ調整機構が必要と
なっていたが、このような機構が不要となる。そして、
外径中心とレンズ光軸との間に位置ずれのあるレンズを
用いる場合であっても、レンズホルダの外径中心とレン
ズ中心の位置合わせ後、このレンズホルダをファイバユ
ニットの軸穴に挿入すれば、レンズと光ファイバの光軸
精度が保証される。

【００４３】請求項７記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の光応用測定装置において、前記送信
ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射端の少な
くとも一方とレンズとが、光軸が等しくなるように互い
に固定され、前記送信ファイバの出射端及び前記受信フ
ァイバの入射端の少なくとも一方が、前記レンズととも
に前記ファイバユニットの軸穴に挿入されていることを
特徴とする。

【００４４】以上のような請求項７記載の発明では、あ
らかじめ送信ファイバの出射端又は受信ファイバの入射
端とレンズとの光軸合わせがなされた後に、ファイバユ
ニットの軸穴に挿入されるので、レンズの外径中心とレ
ンズの光軸との間に位置ずれがある場合であっても、レ
ンズと光ファイバの光軸精度が保証される。

【００４５】請求項８記載の発明は、請求項４〜７のい
ずれか１項に記載の光応用測定装置において、前記レン
ズ端面に焦点位置がくるように、レンズ加工が施され、
前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
端の少なくとも一方の端面と前記レンズとが接触してい
ることを特徴とする。

【００４６】以上のような請求項８記載の発明では、あ
らかじめレンズ端面に焦点位置がくるようにレンズ加工
が施されているので、送信ファイバの出射端又は受信フ
ァイバの入射端の端面とレンズとを接触して設けること
ができ、レンズと光ファイバ端面間の光軸方向の位置調
整が不要になるばかりでなく、光軸方向への振動や温度
変化による位置ずれを極めて小さくすることができる。

【００４７】請求項９記載の発明は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の光応用測定装置において、前記ファ
イバユニットにおける前記送信ファイバの出射端及び前
記受信ファイバの入射端の少なくとも一方に対応する位
置に、レンズを内蔵した円筒状のレンズホルダが設けら
れ、前記レンズホルダ内に、前記レンズの焦点位置と前
記出射端又は前記入射端に対応する前記レンズホルダの
端面との距離を、一定間隔に保持するストッパが形成さ
れていることを特徴とする。

【００４８】以上のような請求項９記載の発明では、レ
ンズを保持するためのレンズホルダ内に、レンズの焦点
位置を定位置に保持するストッパを形成することによっ
て、加工精度の悪いレンズを用いた場合でも、レンズと
光ファイバ端部との正確な位置合わせが容易にでき、光
軸方向の安定性が向上する。

【００４９】請求項１０記載の発明は、請求項９記載の
光応用測定装置において、前記レンズの焦点位置と前記
レンズホルダの端面との実際の距離と最適距離との誤差
の精度が、±０．２ｍｍ以下となるように、前記ストッ
パが形成されていることを特徴とする。

【００５０】以上のような請求項１０記載の発明では、
入射出来る光量において、レンズの焦点位置がレンズホ
ルダの基準面に対し±０．２ｍｍ以下の精度となってい
るので、光ファイバへの結合効率は５０％以上を実現す
ることができる。従って、ストッパの加工精度として容
易に実現できる±０．２ｍｍの誤差で、ファイバへの結
合効率が保証され、光量安定性を維持することができ
る。

【００５１】請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０
のいずれか１項に記載の光応用測定装置において、前記
偏光子及び前記検光子の少なくとも一つが、筒状の素子
ホルダ内に保持されていることを特徴とする。

【００５２】以上のような請求項１１記載の発明では、
偏光子及び検光子が、筒状の素子ホルダ内に保持されて
いるので、偏光子及び検光子の周囲から一様に振動が加
わり、光学部品間の相対的な位置ずれが生じない。

【００５３】

【発明の実施の形態】本発明の光応用測定装置の実施の
形態を、図面を参照して以下に説明する。なお、以下の
実施の形態は、図８、図９に示した従来技術と同様に、
光応用電流測定装置として構成されたものであるが、そ
のセンサ光学部に構造上の特徴を有するものである。従
って、図８、図９に示した従来技術と同様の部材は同一
の符号を付し、説明は省略する。

【００５４】（１）第１の実施の形態 請求項１〜５及び請求項８記載の発明に対応する一つの
実施の形態を第１の実施の形態として、図１を参照して
以下に説明する。

【００５５】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。なお、図１はセンサー光学部の具体的な構成例で
ある。すなわち、円筒ユニット２３の軸穴に、送信ファ
イバ２、ＧＲＩＮレンズ（屈折率分布レンズ）２４、セ
ンシングファイバ５が挿入されている。この円筒ユニッ
ト２３は、円柱状部材の軸を、送信ファイバ２側からセ
ンシングファイバ５側にかけて同時に１つのリーマで通
し加工することにより、内径寸法公差の小さい丸い軸穴
を形成したものである。

【００５６】ＧＲＩＮレンズ２４は、円筒ユニット２３
の送信ファイバ２側及びセンシングファイバ５側におけ
るそれぞれの軸穴に、これと精密にはめ合う径で形成さ
れ、挿入固定されている。このＧＲＩＮレンズ２４は、
その端面にレンズの焦点位置がくるように研磨されてい
る。そして、送信ファイバ２及びセンシングファイバ５
の端部のフェルール１９は、それぞれの軸穴と精密には
め合う径で形成され、ＧＲＩＮレンズ２４に突き当たる
まで挿入され、固定されている。

【００５７】なお、軸穴は、同時に１つのリーマで通し
加工することによって形成されているので、挿入された
ＧＲＩＮレンズ２４は正確に一直線上に配置される。ま
た、ＧＲＩＮレンズ２４と両ファイバ２，５の間は、ｘ
−ｙ−ｚ及びあおり２方向を含めた５軸全てが正確に位
置合わせされ、更に、送信ファイバ２側、センシングフ
ァイバ５側の光軸が正確に一致することになる。

【００５８】さらに、偏光子４は、円筒ユニット２３に
おける送信ファイバ２側とセンシングファイバ５側との
中間に形成された収容部２３ａに収容固定されている。
従って、偏光子４は、送信ファイバ２とセンシングファ
イバ５との間の光の伝搬経路に介在することになる。

【００５９】（作用）以上のような構成を有する本実施
の形態の作用は以下の通りである。すなわち、送信ファ
イバ２から出射された光は、ＧＲＩＮレンズ２４によっ
て平行光とされ、偏光子４によって直線偏光にされる。
更に、この光はＧＲＩＮレンズ２４によってセンシング
ファイバ５の端面に集光され、直線偏光がセンシングフ
ァイバ５に入射される。

【００６０】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、精密に加工された円筒
ユニット２３の軸穴に挿入することによって、送信ファ
イバ２、ＧＲＩＮレンズ２４及びセンシングファイバ５
が正確に位置合わせされるので、位置合わせの手間が省
けるとともに、接着剤に起因する位置ずれや脱落の可能
性、位置ずれによる光量変化、温度や振動の影響による
精度低下等が発生せず、長期に亘って安定性を維持でき
る。

【００６１】なお、検光子等の位置合わせ構造は、特に
設けられていないが、検光子等の位置ずれは測定精度に
ほとんど影響を与えないので、本実施の形態の構成で十
分安定な光学系を提供することが可能となる。

【００６２】また、ＧＲＩＮレンズ２４は、レンズの外
径中心とレンズ光軸との間の位置ずれが小さいので、軸
穴の中心にレンズの光軸を設定でき、ファイバとの光軸
合わせを容易に行うことができる。そして、ＧＲＩＮレ
ンズ２４の径とフェルール１９の径とは、１回のリーマ
加工で行われる軸穴に合わせているので、ＧＲＩＮレン
ズ２４と送信ファイバ２及びセンシングファイバ５との
光軸合わせの精度を容易に向上させることができる。

【００６３】さらに、ＧＲＩＮレンズ２４はその端面に
焦点位置がくるようにレンズ加工が施されているので、
送信ファイバ２の出射端又はセンシングファイバ５の入
射端の端面とレンズとが接触するように設けることがで
き、レンズと光ファイバ端面間の光軸方向の位置調整が
不要になるばかりでなく、光軸方向への振動や温度変化
による位置ずれを極めて小さくすることができる。

【００６４】（２）第２の実施の形態 請求項１１記載の発明に対応する一つの実施の形態を第
２の実施の形態として、図２、図３を参照して以下に説
明する。

【００６５】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、円筒ユニット２３ｂ，２３ｃは、送信
ファイバ２側及びセンシングファイバ５側に２つ分割し
て形成されている。それぞれの円筒ユニット２３ｂ，２
３ｃに形成された軸穴内には、ＧＲＩＮレンズ２４が挿
入され、更に、送信ファイバ２及びセンシングファイバ
５の端部のフェルール１９が挿入されている。円筒ユニ
ット２３ｂ，２３ｃの軸穴は、筒状の偏光子ホルダ２５
にはめ合わせた状態で、第１の実施の形態と同様に、Ｇ
ＲＩＮレンズ２４、送信ファイバ２及びセンシングファ
イバ５の光軸が正確に一致するように形成されている。
そして、偏光子ホルダ２５は、その内部に偏光子４が挿
入され、その両端から円筒ユニット２３ｂ，２３ｃによ
ってはめ合わせ挟持可能に形成されている。

【００６６】（作用）以上のような本実施の形態の作用
は以下の通りである。すなわち、図３（ａ）に示すよう
に、平板に対して接着剤２１によって接着された光学部
品Ｓは、振動を受けるとあおり方向に動くこととなる。
しかし、本実施の形態のように、円筒ユニット２３ｂ，
２３ｃ及び円筒状の偏光子ホルダ２５を用いた場合に
は、図３（ｂ）に示すように、光学部品の周囲から一様
に振動が加わる。従って、光学部品はホルダの動きに合
わせて振動することとなり、光学部品間の相対的な位置
ずれは生じない。

【００６７】（効果）以上のような本実施の形態の効果
は以下の通りである。すなわち、円筒ユニット２３ｂ，
２３ｃ及び偏光子ホルダ２５に挿入することによって、
送信ファイバ２、センシングファイバ５、ＧＲＩＮレン
ズ２４の間の精密な位置合わせが可能となるとともに、
偏光子ホルダ２５も含めて円筒構造となり、振動や温度
変化時にも光学部品間の相対的な位置ずれが生じないの
で、光量安定性が向上する。

【００６８】（３）第３の実施の形態 請求項６記載の発明に対応する一つの実施の形態を第３
の実施の形態として、図４を参照して以下に説明する。

【００６９】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、円筒状金属製のレンズホルダ２６内に
レンズ３が取り付けられている。このレンズホルダ２６
は、円筒状金属製のレンズホルダ２７内に取り付けられ
るが、その際、ｘ−ｙ面上で位置合わせを行い、レンズ
ホルダ２７の外形中心がレンズ３の光軸と等しくなるよ
うに調整する。調整終了後、レンズホルダ２６とレンズ
ホルダ２７とを溶接し、隙間に接着剤２１を注入する。

【００７０】このように、レンズホルダ２７の外形中心
とレンズ３の光軸が精密に位置調整されたレンズのユニ
ットが、第１の実施の形態及び第２の実施の形態におけ
る円筒ユニット２３，２３ｂ，２３ｃの軸穴に、挿入さ
れ固定されている。

【００７１】（作用・効果）以上のような構成を有する
本実施の形態の作用・効果は以下の通りである。すなわ
ち、ＧＲＩＮレンズ２４を用いなくとも、レンズホルダ
２７の外形中心とレンズ３の光軸とが精密に一致してい
るので、複屈折が小さく安定な光学部を実現でき、高精
度を要求される場合に適した装置となる。

【００７２】また、レンズ３を測定装置に組み込んだ後
で位置合わせをする場合には、特別のレンズ調整機構が
必要となるが、あらかじめレンズ３単体をレンズホルダ
２６，２７に対して位置合わせする場合には、周囲に測
定装置の他の部材がない状態で行うことができるので、
位置調整機構・ホルダ中心とレンズ中心をモニターする
機構が容易に配置でき、特別の機構が不要となる。

【００７３】（４）第４の実施の形態 請求項７、請求項９及び請求項１０記載の発明に対応す
る一つの実施の形態を第４の実施の形態として、図５、
図６を参照して以下に説明する。なお、請求項に記載の
ストッパは、段差２６ａ，２８ａとする。

【００７４】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。すなわち、レンズ３が円筒形状のレンズホルダ２
６内に取り付けられている。一方、端部にフェルール１
９が取り付けられたファイバ２９は、円筒形状のフェル
ールホルダ２８内に挿入されている。このレンズホルダ
２６とフェルールホルダ２８との間は、ｘ−ｙ方向の位
置合わせがなされ、レンズホルダ２６及びフェルールホ
ルダ２８の円筒の中軸に平行な光軸が得られるように調
整されている。このように位置合わせされたレンズホル
ダ２６とフェルールホルダ２８とは、レーザ溶接等によ
って互いに固定されている。さらに、以上のようなレン
ズホルダ２６又はフェルールホルダ２８の外周部分が、
第１の実施の形態及び第２の実施の形態における円筒ユ
ニット２３，２３ｂ，２３ｃの軸穴に対して挿入されて
いる。

【００７５】ここで、レンズホルダ２６の内周には、段
差２６ａが設けられ、この段差に合わせてレンズ３が固
定されている。また、フェルールホルダ２８の内周に
も、フェルール１９の光軸方向への位置あわせのための
段差２８ａが設けられている。機械加工時におけるこれ
らの段差２６ａ，２８ａの形成位置の精度が、光軸方向
（ｚ軸方向）におけるレンズ３の焦点位置を決定するこ
とになり、結合光量を支配する。

【００７６】このような機械加工時に必要となる加工精
度を、図６を参照して以下に説明する。なお、図６は、
ＨｅＮｅレーザをレンズで集光させたときのｚ軸方向の
位置ずれに対するファイバ２９への入射光量の変化の一
例である。すなわち、計算上は光軸方向（ｚ軸方向）に
許容される位置ずれは、ファイバ２９のＮＡとコア径と
によって決まる。例えば、波長１．３［μｍ］用のシン
グルモードファイバは、通常はＮＡが０．１、コア径が
１０μｍであり、１００［μｍ］程度の位置ずれで結合
光量が半減する。但し、実際には、ファイバ２９のＮＡ
に正確に合わせて光を入射することは難しく、この値は
若干前後する。また、ビーム発散角が大きくなると、結
合効率は低下するが、許容される位置ずれは大きくな
る。図６では、±０．２ｍｍで入射光量は半分となって
いて、この程度が許容しうる誤差の範囲といえる。

【００７７】（作用・効果）以上のような構成を有する
本実施の形態の作用・効果は以下の通りである。すなわ
ち、段差２６ａ，２６ｂに対して許容される誤差の範囲
といえる±０．２ｍｍ程度の誤差は、機械加工の精度と
しては容易に実現できる。このため、レンズ３をレンズ
ホルダ２６内の段差２６ａに合わせて固定し、フェルー
ル１９をフェルールホルダ２８内の段差２８ａに合わせ
て固定することにより、特別にｚ軸方向の位置合わせを
することなく、レンズ３及びファイバ２９を正確に固定
することができるので、構造が複雑とならず、安定性が
向上する。

【００７８】また、円筒ユニット２３，２３ｂ，２３ｃ
の軸穴に対してはめ合わされる際には、レンズホルダ２
６又はフェルールホルダ２８の外周中心と光軸との間に
ずれが生じる可能性があるが、レンズホルダ２６とフェ
ルールホルダ２８との間は、互いに平行が保たれるよう
に調整されているので、結合損失にはほとんど影響しな
い。

【００７９】（５）第５の実施の形態 請求項１〜３記載の発明に対応する他の実施の形態を、
第５の実施の形態として、図７を参照して以下に説明す
る。なお、図１及び図２に示した実施の形態と同様の構
成部分については説明を省略する。

【００８０】（構成）まず、本実施の形態の構成を説明
する。なお、本実施の形態は、センサー光学部１６を、
図１、図２のような円筒形状のユニットではなく、直方
体形状の金物３０としたものである。すなわち、偏光子
４、ビームスプリッター８、検光子９は、金物３０内に
接着剤によって固定されている。この金物３０は金属の
直方体ブロックをくり抜いたものであり、その側面に光
ファイバとレンズを挿入するための穴３１，３２，３３
が形成されている。このうち、送信ファイバ２とはめ合
わせるための穴３１とセンシングファイバ５をはめ合わ
せるための穴３２とは、金物３０内に光学部品を実装す
る前に、一方よりキリ・リ−マにて通し加工をすること
により、正確に同軸となるように形成されている。

【００８１】このように形成された穴３１，３２に、図
１に示したように、穴３１，３２に対応した径を有する
レンズ、送信ファイバ２及びセンシングファイバ５のフ
ェルール１９が挿入され、正確に位置決めされている。
また、同様に、他の穴３３にも、穴３３の径に対応した
レンズ及び受信ファイバ１０ａ，１０ｂ端のフェルール
が挿入されている。

【００８２】（作用・効果）以上のような構成を有する
本実施の形態の作用・効果は以下の通りである。すなわ
ち、金物３０に対して振動が加わった場合、偏光子４及
びビームスプリッター８等があおり方向に位置ずれを起
こす可能性があるが、この場合には送信ファイバ２から
センシングファイバ５へ至る光のセンターリングに若干
のずれを生じるだけであり、ポインティングは変化しな
い。このため、センシングファイバ５への結合光量が変
化する心配はない。従って、第１及び第２の実施の形態
と同様に、光量変化の少ない安定なセンサー光学部を実
現することができる。

【００８３】（６）他の実施の形態 本発明は以上のような実施の形態に限定されるものでは
なく、部材の形状、大きさ、配置、数等は適宜変更可能
である。例えば、上記のようなレンズと光ファイバとの
位置合わせのための構造は、送信ファイバ２とセンシン
グファイバ５との間だけではなく、受信ファイバ１０
ａ，１０ｂとレンズ３若しくは受信ファイバ１０ａ，１
０ｂとセンシングファイバ５との間にも用いることがで
きる。

【００８４】さらに、上記第２の実施の形態で示した偏
光子ホルダ２５は、検光子９に対して用いてもよく、他
の光学系の部材に適用してもよい。また、上記第３及び
第４の実施の形態におけるレンズの支持構造は、他の光
学機器にも適用可能である。なお、上記実施の形態は、
光応用電流測定装置に適用した例であるが、他の光応用
測定装置、例えば、電界、磁界、電圧等の測定装置にも
適用可能である。

【００８５】

【発明の効果】以上のような本発明によれば、接着剤に
起因する光学系の位置ずれや脱落の可能性がない光応用
測定装置を提供することができる。

【００８６】また、本発明によれば、光ファイバとそれ
に光を入射する集光光学系との間の位置ずれとそれによ
る光量変化を防ぐことが可能な光応用測定装置を提供す
ることができる。

【００８７】さらに、本発明によれば、温度や振動の影
響による精度低下を防止でき、高安定で、高精度の計測
が長期間に亘って可能となる光応用測定装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の光応用測定装置に
おける結合光学系を示す側面断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の光応用測定装置に
おける結合光学系を示す側面断面図である。

【図３】振動を受けた光学系部材に働く力を示す原理図
であり、（ａ）は従来例の場合、（ｂ）は第２の実施の
形態の場合である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の光応用測定装置に
おけるレンズ支持構造を示す側面断面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態の光応用測定装置に
おけるレンズ及びフェルールの支持構造を示す側面断面
図である。

【図６】光応用計測装置の光学系に必要な位置精度に関
するグラフを示す図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態の光応用測定装置に
おける結合光学系を示す斜視透視図である。

【図８】一般的なの光応用測定装置の全体構成を示す接
続関係図である。

【図９】従来の光応用測定装置における結合光学系を示
す側面断面図である。

【符号の説明】

Ｓ…光学部品 １…光源 ２…送信ファイバ ３，３ａ〜３ｄ…レンズ ４…偏光子 ５…センシングファイバ ６…電流 ７…反射鏡 ８，８ａ，８ｂ…ビームスプリッタ ９，９ａ，９ｂ…検光子 １０ａ，１０ｂ…受信ファイバ １１ａ，１１ｂ…検出器 １２…信号処理回路 １３…出力端子 １４…信号処理部 １５…伝送用ファイバ部 １６…センサ光学部 １７…センシングファイバ部 １８…結合光学系 １９…フェルール ２０ａ，２０ｂ…取付具 ２１…接着剤 ２２…光学系取付基板 ２３，２３ｂ，２３ｃ…円筒ユニット ２３ａ…収容部 ２４…ＧＲＩＮレンズ ２５…偏光子ホルダ ２６ａ、２７ｂ…レンズホルダ ２８…フェルールホルダ ２９…ファイバ ３０…金物 ３１，３２，３３…穴

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、前記光源からの光を所定の偏光
   にする偏光子と、前記光源からの光を前記偏光子まで伝
   送する送信ファイバと、電界又は磁界の変化を偏光状態
   の変化に変換する電界センサ又は磁界センサと、前記電
   界センサ又は前記磁界センサにより生じた偏光状態の変
   化を光強度の変化に変換する検光子と、光強度の変化を
   電気信号に変換する検出器と、前記検光子の出射光を前
   記検出器まで伝送する受信ファイバと、得られた電気信
   号に基づいて、電界・電圧又は磁界・電流を算出する信
   号処理ユニットとを有する光応用測定装置において、 光軸に対応した円筒状の軸穴が形成されたファイバユニ
   ットを備え、 前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
   端の少なくとも一方が、前記軸穴の径に対応した円筒形
   状であるとともに、前記軸穴に挿入支持されていること
   を特徴とする光応用測定装置。
2. 【請求項２】 前記電界センサ又は前記磁界センサが、
   光ファイバにより構成されたセンシングファイバであ
   り、 前記センシングファイバの出射端及び入射端の少なくと
   も一方が、前記ファイバユニットの軸穴の径に対応した
   円筒形状であるとともに、前記軸穴に挿入支持されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の光応用測定装置。
3. 【請求項３】 前記電界センサ又は前記磁界センサが、
   光ファイバにより構成されたセンシングファイバであ
   り、 前記ファイバユニットの両端には、前記軸穴が同軸に形
   成され、 前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
   端の少なくとも一方が、前記軸穴の一端の径に対応した
   円筒形状であるとともに、当該軸穴に挿入支持され、 前記センシングファイバの入射端及び出射端の少なくと
   も一方が、前記軸穴の他端の径に対応した円筒形状であ
   るとともに、当該軸穴に挿入支持されていることを特徴
   とする請求項１記載の光応用測定装置。
4. 【請求項４】 前記ファイバユニットにおける前記送信
   ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射端の少な
   くとも一方に対応する軸穴内に、レンズが挿入され、 前記レンズがＧＲＩＮレンズであることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項に記載の光応用測定装置。
5. 【請求項５】 前記送信ファイバの出射端及び前記受信
   ファイバの入射端の少なくとも一方に、前記ファイバユ
   ニットの軸穴に対応する径のフェルールが取り付けら
   れ、 前記ＧＲＩＮレンズの径が、前記フェルールの径に等し
   いことを特徴とする請求項４記載の光応用測定装置。
6. 【請求項６】 円筒状のレンズホルダ内に、その外径中
   心と光軸が等しくなるようにレンズが保持され、 前記ファイバユニットにおける前記送信ファイバの出射
   端及び前記受信ファイバの入射端の少なくとも一方に対
   応する軸穴内に、前記レンズホルダが挿入されているこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光
   応用測定装置。
7. 【請求項７】 前記送信ファイバの出射端及び前記受信
   ファイバの入射端の少なくとも一方とレンズとが、光軸
   が等しくなるように互いに固定され、 前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
   端の少なくとも一方が、前記レンズとともに前記ファイ
   バユニットの軸穴に挿入されていることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項に記載の光応用測定装置。
8. 【請求項８】 前記レンズ端面に焦点位置がくるよう
   に、レンズ加工が施され、 前記送信ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射
   端の少なくとも一方の端面と前記レンズとが接触してい
   ることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載
   の光応用測定装置。
9. 【請求項９】 前記ファイバユニットにおける前記送信
   ファイバの出射端及び前記受信ファイバの入射端の少な
   くとも一方に対応する位置に、レンズを内蔵した円筒状
   のレンズホルダが設けられ、 前記レンズホルダ内に、前記レンズの焦点位置と前記出
   射端又は前記入射端に対応する前記レンズホルダの端面
   との距離を、一定間隔に保持するストッパが形成されて
   いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載の光応用測定装置。
10. 【請求項１０】 前記レンズの焦点位置と前記レンズホ
    ルダの端面との実際の距離と最適距離との誤差の精度
    が、±０．２ｍｍ以下となるように、前記ストッパが形
    成されていることを特徴とする請求項９記載の光応用測
    定装置。
11. 【請求項１１】 前記偏光子及び前記検光子の少なくと
    も一つが、筒状の素子ホルダ内に保持されていることを
    特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光応
    用測定装置。