JPH10197570A - 光ファイバ電流計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ４５度光学的バイアスを加えずに簡便な構造
で高精度な電流計測ができるようにする。 【解決手段】 光源１から発せられた光は、ファイバカ
ップラ２によって２光路に分離され、一方の光は検光子
部１０に導かれ、他方の光は受光素子７に導かれる。検
光子部１０に入射した光は線偏光に整形される。その直
線偏光がセンシングファイバ３中を往復しファラデー回
転を受ける。センシングファイバ３からの出射光は、検
光子部１０で、０度と９０度と方向の偏光成分に分けら
れ、９０度方向の偏光成分は、受光ファイバ６に入射す
る。２つの受光素子７，８から検出された電気信号は演
算機構２０に送られる。演算機構２０において、２つの
受光素子で測定された光強度の比に基づいた演算が行わ
れ、導体４の中を流れる電流が計算される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ中を伝搬
する直線偏光の偏波面がファラデー効果によって回転す
る原理を利用した光ファイバ電流計測装置に関し、特に
変電設備、送電設備などの高電圧設備における電流計測
に特に好適に用いられる光ファイバ電流計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電流の測定方法として、光ファイバを伝
搬する光の偏波面が磁界の作用により回転するというフ
ァラデー効果を利用した方法が知られている。ファラデ
ー効果を有する光ファイバを用いることにより電流計測
器の大幅な小型化や軽量化が図れる。

【０００３】そのような光ファイバ電流計測装置の構成
としては、大きく分けて以下の２種類の方式がある。第
１の方式は、光ファイバの一端から直線偏光を入射し、
光ファイバの他端から出射する光の偏波面の回転角度を
測定する方式である。これは、透過型と呼ばれている。

【０００４】第２の方式は、光ファイバの一端から直線
偏光を入射し、その光を光ファイバの他端で反射させ、
戻ってきた光の偏波面の回転角度を測定する方式であ
る。これは、反射型と呼ばれている。

【０００５】反射型の光ファイバ電流計測装置の例とし
て、特開昭４９−９０９７３号公報に示されたものがあ
る。この例に示された光ファイバ電流計測装置では、光
ファイバの一端から光を入射し、他端に設けた膜によっ
て光を反射する。反射された光が同じ経路を戻り再び光
ファイバから出射されると、その光の光路をビームスプ
リッタによって曲げ、これを検光子によって検出する。
そして、検出された光のファラデー回転角を測定する。

【０００６】一般に光ファイバによる電流測定において
は、光ファイバの複屈折や光ファイバの変形による偏波
面方位の変化が測定誤差の原因となる。しかし、これら
は相反的現象であるので、光を光ファイバ内で往復させ
れば、入射光と出射光とで相殺される。これに対してフ
ァラデー効果は非相反的であるので光を光ファイバ内で
往復させることによりファラデー回転角は往路あるいは
復路だけの場合の２倍となる。したがって、反射型では
測定感度と測定精度が改善されるという長所がある。

【０００７】光ファイバによる電流計測方法には、セン
シングファイバからの出射光を分離する検光子の２つの
軸を−４５度と＋４５度とに設定し、おのおのの軸方向
の成分の光強度Ｉ_-45 、Ｉ₊₄₅ を測定する方法がある。
このとき光強度は、

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】 となる。ここで、Ｐは入力強度の半分の光強度、Ｆはフ
ァラデー回転角である。ここで

【００１０】

【数３】 で定義されるＳという量を求めれば、

【００１１】

【数４】 となる。なお、Ｆには

【００１２】

【数５】 という関係がある。ここで、Ｖはベルデ定数、Ｉは電流
値、Ｎは導体の周りの光ファイバの巻回数である。従っ
て、上記の式により電流値Ｉが求められる。この方式に
よれば、Ｓは入射光の強度に依存しないため光源の光強
度変動に影響を受けず、高精度な測定が可能である。

【００１３】すなわち、ファイバに入射する光強度の変
動の影響を除くためには、検光子の軸を入射偏波面に対
して４５度に傾けること（以後「４５度光学的バイア
ス」と呼ぶ）、及び検光子の軸方向の２つの偏光成分を
検出し、式（３）に基づく演算処理を行う必要があっ
た。

【００１４】これらの要請は、透過型、反射型の双方に
共通する要請であるが、反射型ではセンシングファイバ
への入射光とセンシングファイバからの出射光が同一光
路に重なることから、入射光と出射光とを分離するとと
もに両者の間に４５度光学的バイアスを加えなければな
らない。

【００１５】上記の必要から、例えば「Electronic Cur
rent Sensors Employing Spun Highly Birefringent Op
tical Fibers, Journal of Lightwave Technology, Vo
l.7No.12, 2084(1989) 」(Richard I. Laming and Davi
d N. Payne)では、入射光を４５度方向調整した偏光子
を通して４５度方向の偏波面を持つ直線偏光をセンシン
グファイバに入射し、ファイバからの出射光の光路をビ
ームスプリッタで曲げ、０度、９０度方向の軸を持つ検
光子で２つの偏光成分を検出している。そして、検出し
た偏光成分に基づき、式（３）に従って信号処理を行い
電流値に換算している。

【００１６】すなわち反射型の構成ではセンシングファ
イバの入射端は戻ってきた光の出射端でもある。そこ
で、入射光と出射光とを分離する必要があり、上記の例
ではビームスプリッタを用いて分離している。

【００１７】ところが、ビームスプリッタは直線偏光の
Ｐ波とＳ波との反射率が異なるため、ビームスプリッタ
で直線偏光が反射する際に、反射光の偏波面が回転す
る。その結果、正確なファラデー回転角を測定すること
ができなくなる。つまり、ビームスプリッタで入射光と
出射光とを分離することは、測定精度を低下させる原因
となる。

【００１８】そこで、特開平６−３３７２７５号公報に
開示された方式では、ビームスプリッタによって分けら
れた出射光の光路に位相補償器を追加している。図１４
は位相補償器を用いた光ファイバ電流計測装置を示す図
である。この例では、位相補償器として透過補償板が用
いられている。送光ファイバ８１から出射した光は、コ
リメータレンズ８２と偏光子８３を通り直線偏光とな
る。その直線偏光がビームスプリッタ８４、コリメータ
レンズ８５を通りセンシングファイバ８６に入射する。
その直線偏光は反射ミラー８７で反射し、センシングフ
ァイバ８６から出射する。この際、直線偏光には、導体
８８を流れる電流によるファラデー回転角が加えられて
いる。センシングファイバ８６から出射された反射光
は、ビームスプリッタ８４で反射し偏波面が回転する。
その偏波面の回転が透過補償板８９を通過する際にもと
にもどされ、検光子９０で２つの偏光成分に分離され
る。分離された２つの偏光成分は、それぞれコリメータ
レンズ９１，９２を通り、受光ファイバ９３，９４に入
射する。これにより、２つの偏光成分が検出される。

【００１９】ここで用いられている透過補償板は、透過
する光の角度に応じてＰ波とＳ波との透過率が変化す
る。従って、ビームスプリッタによって分けられた出射
光に対する透過補償板の角度を調整することにより、ビ
ームスプリッタで回転した偏波面をもとに戻すことがで
きる。

【００２０】また、特開平７−２４８３３８号公報に
は、ビームスプリッタを用いずにファイバカップラによ
って出射光を分離する方式が開示されている。図１５は
ファイバカップラによって出射光を分離する光ファイバ
電流計測装置を示す図である。この例では、光源１０１
から出射した光は偏光子１０２で直線偏光となる。その
直線偏光は、ファイバカップラ１０３を通り、さらに薄
膜型偏光子ユニット１０４内の偏光子１０４ａを通った
後、センシングファイバ１０６に入射する。その直線偏
光は反射ミラー１０７で反射し、センシングファイバ１
０６から出射する。この際、直線偏光は、導体１０８を
流れる電流によるファラデー回転角が加えられている。
また、センシングファイバ１０６の入口に設けられた永
久磁石１０５により、直線偏光には４５度光学的バイア
スが印加されている。センシングファイバ１０６から出
射された反射光は、ファイバカップラ１０３により一部
が受光素子１０９へ送られる。そして、受光素子１０９
でその光量が電気信号に変えられる。

【００２１】この方式によれば、ビームスプリッタを用
いていないため、センシングファイバからの出射光を分
離する際の偏光面の回転を考慮する必要がない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平６−３
３７２７５号公報に開示された方式は、Ｐ波とＳ波との
反射率が異なることによる問題は低減されるが、位相補
償器は温度依存性が高いため、広範囲の温度領域での高
精度の測定は困難である。そのうえ、偏光子、ビームス
プリッタ、検光子、位相補償器を必要とするため、光学
系が複雑で大型になる。

【００２３】一方、特開平７−２４８３３８号公報に開
示された方式は、偏光成分の片方の成分しか検出できな
いため、光源の光強度の影響を受けることが避けられず
高精度の測定が困難である。

【００２４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、４５度光学的バイアスを加えずに簡便な構造
で高精度な電流計測が可能な光ファイバ電流計測装置を
提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、導体の周囲に巻かれた光ファイバの入出
射端から光を入射し、前記光ファイバの終端で反射して
戻ってきた反射光のファラデー回転角に基づいて、前記
導体を流れる電流を測定する光ファイバ電流計測装置に
おいて、光源に接続されており、光源の光強度を一定の
比率で２光路に分離し、分離された一方の光を前記光フ
ァイバ側へ送るとともに、分離された他方の光を第１の
受光素子へ送る光学部品と、前記光学部品と前記光ファ
イバとの間に設けられ、前記光学部品から前記光ファイ
バへ向かう光を直線偏光に整形し前記光ファイバへ送る
とともに、前記光ファイバから送られてきた前記反射光
を２つの偏光成分に分離し、前記２つの偏光成分のうち
前記光ファイバに送られた直線偏光と直交する偏波成分
の光を、第２の受光素子とへ送る検光子と、前記第１の
受光素子と前記第２の受光素子とによって測定された光
強度の比に基づいて、前記導体を流れる電流値を算出す
る演算機構と、を有することを特徴とする光ファイバ電
流計測装置が提供される。

【００２６】このような光ファイバ電流計測装置によれ
ば、光源が発した光の一部は光学部品によって分けられ
第１の受光素子に送られる。光源が発した光の残りは検
光子に入射する。その光は、検光子によって直線偏光に
整形され、光ファイバに入射する。光ファイバに入射さ
れた直線偏光は、光ファイバの終端で反射し、ファラデ
ー回転角が加えられた反射光となり検光子へ逆方向から
入射する。その反射光は検光子によって、２つの偏光成
分に分離され、光ファイバに送られた直線偏光と直交す
る偏波成分の光が第２の受光素子へ送られる。そして、
演算機構により、第１の受光素子と第２の受光素子とに
よって測定された光強度の比に基づいて、導体を流れる
電流値が算出される。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係る光ファイバ電流計測装置の概略構成を示す図であ
る。この光ファイバ電流計測装置は、レーザ光を発生さ
せる光源１、光源１と検光子部１０との間の光の伝搬経
路となるファイバカップラ２、内蔵された検光子により
反射光の分離等を行う検光子部１０、ファラデー効果を
有するセンシングファイバ３、センシングファイバ３の
終端で光を反射する反射ミラー５、ファイバカップラ２
で分離された光を電気信号に変換する受光素子７、検光
子部１０から取り出された反射光の偏光成分を電気信号
に変換する受光素子８、及び受光素子７，８の出力から
ファラデー回転角を計算する演算機構２０で構成されて
いる。

【００２８】光源１、検光子部１０、及び受光素子７
は、それぞれがファイバカップラ２の入出射用のポート
であるファイバ２ａ，２ｂ，２ｃに接続されている。フ
ァイバカップラ２は、ファイバ２ａから入射された光を
一定の比率で分離して、それぞれの光をファイバ２ｂと
ファイバ２ｃへ送る。ファイバカップラはその分岐比が
入射光の偏波状態に極力依存しないものが好ましい。受
光素子８は、受光ファイバ６によって検光子部１０に接
続されている。

【００２９】センシングファイバ３は、一端（入出射
端）が検光子部１０に接続されており、他端（終端）に
は反射ミラー５が設けられている。このセンシングファ
イバ３は、測定すべき電流が流れる導体４を周回するよ
うに曲げられており、導体４内の電流により発生する磁
場の影響を受け、内部を通過する光にファラデー回転を
加える。

【００３０】図２は検光子部の構成を示す図である。検
光子部１０のハウジング１２にはファイバ２ｂとセンシ
ングファイバ３とが一直線上に向かい合って固定されて
いる。ファイバ２ｂとセンシングファイバ３との間に
は、検光子としての機能を有するグランレーザプリズム
１１が配置されている。また、グランレーザプリズム１
１で反射された光の進む方向に、受光ファイバ６が固定
されている。

【００３１】なお、上記のファイバカップラ２、センシ
ングファイバ３、及び受光ファイバ６は、いずれもその
端部に微小レンズを組み込んだファイバコリメータであ
る。以上のような構成の光ファイバ電流計測装置によれ
ば、光源１から発せられた光は、ファイバカップラ２に
よって２光路に分離され、一方の光は検光子部１０に導
かれ、他方の光は受光素子７に導かれる。受光素子７に
入射した光は、電気信号に変換される。

【００３２】検光子部１０に入射した光はグランレーザ
プリズム１１を通ることにより直線偏光に整形される。
この直線偏光の方位をここでは０度方向と定義する。そ
の直線偏光がセンシングファイバ３に入射される。セン
シングファイバ３中を伝搬する直線偏光の偏波面は、導
体４中を流れる電流の作る磁場によりファラデー回転を
受ける。センシングファイバ３の終端に達した光は、反
射ミラー５によって反射され、同じ光路を逆方向に伝搬
する。ファラデー効果は非相反性であるため、復路にお
いても往路と同じ方向のファラデー回転を受ける。従っ
て、ファラデー回転角は、センシングファイバ３を往復
することにより片道の場合の２倍となる。

【００３３】センシングファイバ３からの出射光は、グ
ランレーザプリズム１１を通ることにより、０度と９０
度と方向の偏光成分（Ｐ波、Ｓ波）に分けられる。９０
度方向の偏光成分は、グランレーザプリズム１１でほぼ
直角方向に反射し、受光ファイバ６に入射する。受光フ
ァイバ６に入射した光は、受光素子８で電気信号に変換
される。

【００３４】２つの受光素子７，８から検出された電気
信号は演算機構２０に送られる。演算機構２０では電気
信号に対して所定の計算式に従った演算が行われ、導体
４の中を流れる電流が計算される。

【００３５】以下、演算機構２０が演算すべき計算式の
導出方法を説明する。ファラデー効果を有する光ファイ
バに０度方向の直線偏光を入射したときに、ファラデー
回転を受けて光ファイバから出射される光の０度と９０
度方向の成分（それぞれＩ₀，Ｉ₉₀）は、

【００３６】

【数６】

【００３７】

【数７】 で表される。ここでＰは光ファイバから出射される光の
半分の光強度であり、検光子から光ファイバへの入射光
量を２Ｐ₀ ，光ファイバを往復する光の損失光量を２Ｌ
とすれば

【００３８】

【数８】 である。ＬはＰ₀ に比例するのでＬ＝αＰ₀ と書くこと
ができ、

【００３９】

【数９】 と表される。αはファイバの固有損失と長さで決まる定
数である。したがって

【００４０】

【数１０】 Ｉ₉₀＝２Ｐ₀ （１−α）（１−ｃｏｓ（２Ｆ）） ・・・・・（１０） となる。ファイバカップラ２におけるファイバ２ｂとフ
ァイバ２ｃの分岐比を１−β：βとすれば光源からの全
光強度Ｔに対して

【００４１】

【数１１】 であるからＩ₉₀は、

【００４２】

【数１２】 となる。

【００４３】一方、受光素子８に入る光量をＩ_ref と書
くと、これはβＴに等しいので

【００４４】

【数１３】 である。そこで、式（１２）、式（１３）よりＩ₉₀とＩ
_ref の比をとると

【００４５】

【数１４】 Ｉ₉₀／Ｉ_ref ＝（１−β）Ｔ（１−α）（１−ｃｏｓ（２Ｆ））／βＴ ＝（（１−β）（１−α）／β）（１−ｃｏｓ（２Ｆ）） ・・・・・（１４） となる。α、βはいずれも一定であるからこれらをまと
めて

【００４６】

【数１５】 とおけば

【００４７】

【数１６】 と表される。当然ながらｋは電流計測装置固有の定数と
なる。すなわち受光素子８と受光素子７との比をとれ
ば、式（１６）よりファラデー回転角が決まる。この式
（１６）には光強度が含まれないため光源の光強度の影
響を受けずにファラデー回転角が決定される。ファラデ
ー回転角Ｆが求まれば、式（５）から電流値Ｉが算出で
きる。つまり、導体４内部に流れる電流の量が測定され
る。

【００４８】なお、式（５）におけるベルデ定数Ｖと光
ファイバの巻回数Ｎとは、電流の測定前に予め与えられ
ている定数であるため、ファラデー回転角Ｆを定数倍す
れば電流値Ｉとなる。したがって、以下の説明において
「ファラデー回転角Ｆが算出された」と記した場合、そ
れは電流値Ｉが算出されたのと同じ意味であるものとす
る。

【００４９】式（１６）よりファラデー回転角を求める
実際の演算としては中央演算素子（ＣＰＵ）あるいはデ
ィジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などを用いたデ
ィジタル演算を用いることができる。

【００５０】またファラデー回転角が小さい場合は

【００５１】

【数１７】 と近似できるので、

【００５２】

【数１８】 からＦがより容易に求まる。このような演算は、コンピ
ュータあるいはディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳ
Ｐ）などを用いたディジタル回路、あるいは半導体素子
の非線形特性を利用したアナログ回路などによって実現
できる。

【００５３】以下に、式（１６）によりファラデー回転
角Ｆを計算する演算機構２０に、ＤＳＰを用いたディジ
タル演算処理の例を示す。図３は、ディジタル演算処理
による演算機構の第１の例を示す図である。このディジ
タル演算処理を行う演算機構２０では、２つの受光素子
７，８から検出された電気信号（ｉ₉₀，ｉ_ref ）は、そ
の電気信号を増幅するためのアンプ２１，２２に入力さ
れる。アンプ２１，２２の出力は、アナログ・ディジタ
ル変換器（ＡＤＣ）２３，２４に入力される。アナログ
・ディジタル変換器（ＡＤＣ）２３，２４からのディジ
タル信号は、ディジタル演算処理を行うＤＳＰ２５に入
力される。ＤＳＰ２５には、演算処理プログラムと定数
１／ｋの値とを納めたメモリ（ＲＯＭ）２６が接続され
ている。ＤＳＰ２５の出力は、ディジタル演算出力とし
て外部に出力されるとともに、ディジタル・アナログ変
換器（ＤＡＣ）２７に入力される。ディジタル・アナロ
グ変換器（ＤＡＣ）２７から出力されるアナログ信号
は、アナログ演算出力として外部に出力される。

【００５４】ここで、ＤＳＰ２５は、具体的には以下の
ような演算処理を行う。図４は、ＤＳＰが実行する演算
処理プログラムを示す流れ図である。 〔Ｓ１〕ＲＯＭ２６より１／ｋの値を取得し、その値を
χに代入する。 〔Ｓ２〕ｉ₉₀側のＡＤＣ２３の出力値を取得し、Ｙにそ
の値を読み込む。 〔Ｓ３〕ｉ_ref 側のＡＤＣ２４の出力値を取得し、Ｚに
その値を読み込む。 〔Ｓ４〕Ｚ＝０か否かを判断する。Ｚ＝０であればステ
ップＳ２に進み、Ｚ＝０でなければステップＳ５に進
む。 〔Ｓ５〕次の式、

【００５５】

【数１９】 に、χ、Ｙ、Ｚの値を代入し、Ｆを求める。〔Ｓ６〕デ
ィジタル・アナログ変換器２７にＦの値を出力する。

【００５６】次に、この演算機構２０の動作を説明す
る。光量Ｉ₉₀とＩ_ref に対応する２つの受光素子７，８
から検出された電気信号ｉ₉₀とｉ_ref は、後段のＡＤＣ
２３，２４の量子化誤差の割合を小さくでき、かつ入力
の最大値を越さない範囲の増幅度を持つアンプ２１，２
２によって、この範囲の信号へ増幅される。増幅された
それぞれのアナログ信号は、ＡＤＣ２３，２４によって
ディジタルの信号へ変換される。各ディジタルの信号
は、回路起動時にＲＯＭ２６よりＤＳＰ２５に読み込ま
れた図４に示す流れ図に従った演算処理プログラムを実
行しているＤＳＰ２５に入力される。この図４に示す流
れ図に従った演算処理プログラムによって演算処理され
たディジタル信号は、ディジタル・アナログ変換器２７
によりアナログ信号のファラデー回転角Ｆとして出力さ
れる。また、そのままディジタル信号のファラデー回転
角Ｆとしても出力することができる。

【００５７】次に、式（１６）によりファラデー回転角
Ｆを計算する演算機構に、ＤＳＰを用いたディジタル演
算処理の第２の構成例について説明する。図５は、ディ
ジタル演算処理による演算機構の第２の例を示す図であ
る。この演算機構の構成例は基本的に図３に示したもの
と同じであるため、同一構成部分には同一符号を付し、
相違点のみを説明する。

【００５８】このディジタル演算処理を行う演算機構２
０ａは、第１の構成例の演算機構２０にマルチプレクサ
２３ａを追加し、アンプ２１，２２の出力がマルチプレ
クサ２３ａに供給されている。このマルチプレクサ２３
ａは、ＤＳＰ２５ａから供給される同期信号に基づい
て、出力の切り替えを行う。また、第１の構成例のＡＤ
Ｃ２３，２４は、１個のアナログ・ディジタル変換器
（ＡＤＣ）２４ａに置き換えられている。さらに、ＤＳ
Ｐ２５ａは、マルチプレクサ２３ａへ供給すべき同期信
号を発生させている。この同期信号は、アンプ２１，２
２からのアナログ信号を選択するため、ファラデー回転
による信号より少なくとも３倍以上の速度の信号であ
る。

【００５９】この第２の例では、ＤＳＰ２５ａの動作
も、第１の例と異なる。図６は、第２の例におけるＤＳ
Ｐ２５ａが実行する演算処理プログラムの流れ図であ
る。 〔Ｓ１１〕ＲＯＭ２６より１／ｋの値を取得し、その値
をχに代入する。 〔Ｓ１２〕同期信号Ｓ＝１を出力する。 〔Ｓ１３〕ＡＤＣ２４ａの出力値を取得し、Ｙにその値
を読み込む。 〔Ｓ１４〕同期信号Ｓ＝０を出力する。 〔Ｓ１５〕ＡＤＣ２４ａの出力値を取得し、Ｚにその値
を読み込む。 〔Ｓ１６〕Ｚ＝０か否かを判断する。Ｚ＝０であればス
テップＳ１２に進み、Ｚ＝０でなければステップＳ１７
に進む。 〔Ｓ１７〕式（１９）に、χ、Ｙ、Ｚの値を代入し、Ｆ
を求める。 〔Ｓ１８〕ディジタル・アナログ変換器２７にＦの値を
出力する。

【００６０】この演算機構２０ａの動作としては、ＤＳ
Ｐ２５ａの発生するファラデー回転による信号より少な
くとも３倍以上速い同期信号は、マルチプレクサ２３ａ
に入力される。すると、マルチプレクサ２３ａからは、
同期信号が「１」であればアンプ２１からのアナログ信
号が出力され、同期信号が「０」であればアンプ２２か
らのアナログ信号が出力される。そのアナログ信号はＡ
ＤＣ２４ａによりディジタル信号へ変換され、ＤＳＰ２
５ａに入力される。これにより、ＤＳＰ２５ａは、同期
信号によって選択した信号を得ることができる。そし
て、ＤＳＰ２５ａが図６に示した演算処理プログラムに
よって演算処理することで、第１の構成例と等価な出力
をすることができる。

【００６１】上記の２つの演算機構は、それぞれ次のよ
うな特色を持っている。第１の例に示した演算機構２０
は、２つの入力信号のそれぞれに対応してアナログ・デ
ィジタル変換器が設けられているため、高速処理を行う
ことができる。即ち、非常に短い時間間隔で電流の測定
を行う必要がある場合に有効である。一方、第２の例に
示した演算機構２０ａは、アナログ・ディジタル変換器
が１つですむため、単純な構造となっている。したがっ
て、生産性を向上させたい場合に有効である。なお、第
２の例では、マルチプレクサ２３ａが追加されている
が、マルチプレクサ２３ａの構造はスイッチングを行う
だけであり、アナログ・ディジタル変換機に比べて単純
な内部構造である。従って、マルチプレクサ２３ａが追
加されても、装置全体が複雑化することはない。

【００６２】ところで、上記の演算機構の例では、式
（１６）によりファラデー回転角Ｆを計算しているが、
式（１８）によりファラデー回転角Ｆを計算することも
できる。そのためには、図３若しくは図５と同じ回路構
成で、ＲＯＭ２６内のディジタル演算処理プルグラムの
内容を書き換え、図４のステップＳ５若しくは図６のス
テップＳ１７の式（１９）を、

【００６３】

【数２０】 に置き換える。これにより、式（１８）によるファラデ
ー回転角Ｆの計算を行うことができ、計算速度を上げる
ことができる。

【００６４】なお、上記の例では、ＤＳＰにより演算処
理を行っているが、ＤＳＰをコンピュータに置き換えて
も良い。さらに式（２０）による演算処理は、アナログ
回路で実現することもできる。

【００６５】図７は、ファラデー回転角をアナログで計
算する演算機構の例を示す回路図である。このアナログ
演算処理を行う演算機構２０ｂでは、２つの受光素子
７，８から検出された電気信号は、その電気信号を増幅
するアンプ２１ｂ、２２ｂに入力される。アンプ２１ｂ
の出力は除算演算器２４ｂに入力される。アンプ２２ｂ
の出力は、信号を２倍増幅するアンプ２３ｂに入力され
る。アンプ２３ｂの出力は、除算演算器２４ｂに入力さ
れる。除算演算器２４ｂの出力は平方根演算器２５ｂに
入力される。平方根演算器２５ｂの出力は、乗算演算器
２６ｂに入力される。基準電源２７ｂは、１／ｋの値に
相当する基準電圧源を乗算演算器２６ｂに供給してい
る。そして、乗算演算器２６ｂの出力が、アナログ演算
出力として外部に出力される。

【００６６】この演算機構２０の動作としては、アンプ
２１ｂ，２２ｂによって増幅された電気信号ｉ₉₀とｉ
_ref のうち、ｉ_ref のみアンプ２３ｂにより２倍増幅さ
れる。各信号は除算演算器２４ｂに入力され、ｉ₉₀／２
ｉ_ref の演算がなされる。さらに演算処理された信号
は、平方根演算器２５ｂにより平方根演算処理がされた
後、乗算演算器２６ｂに入力される。

【００６７】一方、あらかじめ測定した電流計測装置固
有の定数１／ｋの値を、基準電圧源を用いた分圧値によ
り発生させ、その電圧が乗算演算器２６ｂに入力されて
いる。したがって、平方根演算器２５ｂから乗算演算器
２６ｂに入力された信号は、１／ｋの値と乗算される。
乗算された信号がファラデー回転角Ｆとなり、アナログ
演算出力として出力される。

【００６８】以上のようにして、４５度光学的バイアス
を加えずに測定精度の高い電流計測が実現される。即
ち、４５度光学的バイアスを加えるための機構が不要で
あれば装置全体の構成を単純化でき、温度変化等さまざ
まな外的要因の影響をうける可能性が減る。

【００６９】また、本発明の光ファイバ電流計測装置で
は、検光子部１０において、センシングファイバ３から
出力された光をファイバ２ｂに戻す必要がないととも
に、受光ファイバ６は太くても良いため、検光子部１０
に要求される精度は緩やかであり、製造が容易となる。

【００７０】ところで、上記の例ではグランレーザプリ
ズムを検光子として使用しているが、本発明の検光子と
して使用できる為の条件は次の通りである。第１の条件
は、第１のポートから光を入射したときに、入射された
光を検光子の結晶軸に従って２つの偏光成分に分離し、
一方の偏光成分を第２のポートから出射することであ
る。

【００７１】第２の条件は、第２のポートに逆方向の光
が入射すると、入射された光を検光子の結晶軸に従って
２つの偏光成分に分離し、第１のポートから光を入射し
たときに第２のポートから出射する偏光成分に対して直
交する方向の偏光成分が第３のポートに出射することで
ある。

【００７２】すなわち第１のポートから第２のポートに
光を入射するときは偏光子として機能し、逆に第２のポ
ートから出射する光に対しては偏光子と直交する方向の
偏光成分を第３のポートに出射する検光子として機能す
る。

【００７３】従って、以上の条件を満たす光学素子であ
れば本発明の光ファイバ電流計測装置の検光子として使
用することができる。グランレーザプリズム以外には、
例えば、石英結晶、方解石等の複屈折結晶、偏光ビーム
スプリッタ等がある。また、検光子として、光路シフト
プリズムあるいは反射ミラーを組み合わせ、片方の偏光
成分を所望の方向に導くこともできる。以下に、これら
の検光子を用いた検光子部の構成例を説明する。

【００７４】図８はグランレーザプリズムと反射ミラー
とを組み合わせた検光子部の構成例を示す図である。検
光子部３０のハウジング３３には、ファイバカップラ２
のファイバ２ｂとセンシングファイバ３とが一直線上に
向かい合って固定されている。ファイバ２ｂとセンシン
グファイバ３との間には、検光子としての機能を有する
グランレーザプリズム３１が配置されている。また、グ
ランレーザプリズム３１で反射された光の進む方向に、
全反射ミラー３２が配置されている。さらに、全反射ミ
ラー３２で反射された光が進むべき方向に受光ファイバ
６が固定されている。この例では、受光ファイバ６は、
ファイバ２ｂとほぼ平行となる位置に設けられている。

【００７５】これにより、センシングファイバ３から検
光子部３０内へ出射された光は、一方の偏光成分がグラ
ンレーザプリズム３１で反射すると、その偏光成分は全
反射ミラー３２で反射し、再度方向が変えられる。従っ
て、所望の位置に受光ファイバ６を固定することが可能
となり、光ファイバ電流計測装置の設計の自由度が増
す。

【００７６】図９はグランレーザプリズムと光路シフト
プリズムとを組み合わせた検光子部の構成例を示す図で
ある。検光子部４０のハウジング４３には、ファイバカ
ップラ２のファイバ２ｂとセンシングファイバ３とが一
直線上に向かい合って固定されている。ファイバ２ｂと
センシングファイバ３との間には、検光子としての機能
を有するグランレーザプリズム４１が配置されている。
また、グランレーザプリズム４１で反射された光の進む
方向に、光路シフトプリズム４２が配置されている。さ
らに、光路シフトプリズム４２で反射された光が進むべ
き方向に受光ファイバ６が固定されている。この例で
は、受光ファイバ６は、ファイバ２ｂとほぼ平行となる
位置に設けられている。

【００７７】これにより、センシングファイバ３から検
光子部４０内へ出射された光は、一方の偏光成分がグラ
ンレーザプリズム４１で反射すると、その偏光成分は光
路シフトプリズム４２で反射し、再度方向が変えられ
る。従って、所望の位置に受光ファイバ６を固定するこ
とが可能となり、図８に示した例と同様に光ファイバ電
流計測装置の設計の自由度が増す。

【００７８】図１０は検光子に複屈折結晶を用いた検光
子部の構成例を示す図である。検光子部５０のハウジン
グ５２には、ファイバカップラ２のファイバ２ｂとセン
シングファイバ３とが一直線上に向かい合って固定され
ている。ファイバ２ｂとセンシングファイバ３との間に
は、検光子としての機能を有する複屈折結晶５１が配置
されている。また、複屈折結晶５１で屈折された光の進
む方向に受光ファイバ６が固定されている。複屈折結晶
５１としては、石英や方解石等の結晶を用いることがで
きる。

【００７９】これにより、ファイバ２ｂから検光子部５
０内へ出射された光は複屈折結晶５１で方向が変えら
れ、検光子部５０の外部には出射されない。センシング
ファイバ３から検光子部５０内へ出射された光は、セン
シングファイバ３への入射光と直交する偏光成分が複屈
折結晶５１で屈折して受光ファイバ６に入射する。

【００８０】図１１は複屈折結晶と光路シフトプリズム
とを組み合わせた検光子部の構成例を示す図である。検
光子部６０のハウジング６３には、ファイバカップラ２
のファイバ２ｂとセンシングファイバ３とが一直線上に
向かい合って固定されている。ファイバ２ｂとセンシン
グファイバ３との間には、検光子としての機能を有する
複屈折結晶６１が配置されている。また、複屈折結晶６
１で屈折された光の進む方向に、光路シフトプリズム６
２が配置されている。さらに、光路シフトプリズム６２
で反射された光が進むべき方向に受光ファイバ６が固定
されている。複屈折結晶６１としては、石英や方解石等
の結晶を用いることができる。

【００８１】これにより、ファイバ２ｂから検光子部６
０内へ出射された光は２つの偏光成分に分離し、一方の
成分は直進してセンシングファイバ３に導かれる。逆に
センシングファイバ３から検光子部６０内へ出射された
光は、センシングファイバ３への入射光と直交する偏光
成分が複屈折結晶６１で屈折して光路シフトプリズム６
２に入射し、光路シフトプリズム６２で屈折して受光フ
ァイバ６に入射する。

【００８２】なお、上記の例では、検光子部と受光素子
とは受光ファイバを介して光学的に接続されているが、
受光素子を検光子部に直接取り付けることもできる。図
１２は受光素子を有する検光子部の例を示す図である。
検光子部７０のハウジング７３には、ファイバカップラ
２のファイバ２ｂとセンシングファイバ３とが一直線上
に向かい合って固定されている。ファイバ２ｂとセンシ
ングファイバ３との間には、検光子としての機能を有す
るグランレーザプリズム７１が配置されている。また、
グランレーザプリズム７１で反射された光の進む方向
に、受光素子７２が固定されている。

【００８３】これにより、センシングファイバ３から検
光子部７０内へ出射した光は、一方の偏光成分がグラン
レーザプリズム３１でほぼ直角方向に反射し、直接受光
素子７２に入射する。受光素子７２は、入射した光を電
気信号に変換し、その電気信号を演算機構に送る。この
ような検光子部７０であれば、個別に受光素子を設けず
にすみ、光ファイバ電流計測装置の構造が簡易化され
る。

【００８４】なお、検光子に偏光ビームスプリッタを用
いた場合の構成は、図８，図９，図１２におけるグラン
レーザプリズムを偏光ビームスプリッタに置き換えるだ
けであり、他の構成は上記の例と同じである。

【００８５】また、上記の第１の実施の形態では、ファ
イバカップラ２によって光源１からの光の一部を受光素
子７へ導いているが、ファイバカップラ２を他のものに
置き換えることもできる。以下に、ファイバカップラ以
外のものを用いた光ファイバ電流計測装置の構成例を示
す。

【００８６】図１３は本発明の第２の実施の形態に係る
光ファイバ電流計側装置の概略構成を示す図である。こ
の演算機構の構成例は基本的に図１に示したものと同じ
であるため、同一構成部分には同一符号を付し、相違点
のみを説明する。この図は光源の光強度を一定の比率で
２光路に分離し、分離された一方の光をセンシングファ
イバ３側へ送るとともに、分離された他方の光を第１の
受光素子７へ送る光学部品としてハーフミラーを用いた
例である。図中、光源１と検光子部１０との間には、ハ
ーフミラー９が設けられている。

【００８７】このような構成の光ファイバ電流計測装置
において、光源１から発せられた光は光路２ａを通りハ
ーフミラー９に入射する。ハーフミラー９において、光
が光路２ｂと光路２ｃとに一定の比率で分けられる。光
路２ｃに送られた光強度は受光素子７で電気信号に変換
される。光路２ｂに送られた光は、直線偏向にされ導体
４を流れる電流によりファラデー回転角が加えられた
後、所定の方向の偏波成分のみが受光素子８で電気信号
に変換される。そして、第１の実施の形態の場合と同様
に、演算機構２０においてファラデー回転角Ｆが算出さ
れる。

【００８８】また、ハーフミラーの替わりにビームスプ
リッタも使用できる。この場合、偏波無依存型ビームス
プリッタが好適である。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、光源が
発した光の一部を光学部品によって第１の受光素子に送
り、光源が発した光の残りの光を、検光子によって直線
偏光に整形し、ファラデー回転角が加えられた反射光の
所定の偏波成分の光を第２の受光素子へ送り、第１の受
光素子と第２の受光素子とによって測定された光強度の
比に基づいて、導体を流れる電流値が算出するようにし
たため、光源の光強度の変動を相殺することが可能とな
るとともに、検光子から光ファイバへ送られる直線偏光
の偏波面を回転させる必要も無い。その結果、温度変化
に影響されずかつ入射される光の強度に依存せずに電流
測定が可能となり、測定精度の高い電流計測が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバ電
流計測装置の概略構成を示す図である。

【図２】検光子部の構成を示す図である。

【図３】ディジタル演算処理による演算機構の第１の例
を示す図である。

【図４】ＤＳＰが実行する演算処理プログラムを示す流
れ図である。

【図５】ディジタル演算処理による演算機構の第２の例
を示す図である。

【図６】、第２の例におけるＤＳＰが実行する演算処理
プログラムの流れ図である。

【図７】ファラデー回転角をアナログで計算する演算機
構の例を示す回路図である。

【図８】グランレーザプリズムと反射ミラーとを組み合
わせた検光子部の構成例を示す図である。

【図９】グランレーザプリズムと光路シフトプリズムと
を組み合わせた検光子部の構成例を示す図である。

【図１０】検光子に複屈折結晶を用いた検光子部の構成
例を示す図である。

【図１１】複屈折結晶と光路シフトプリズムとを組み合
わせた検光子部の構成例を示す図である。

【図１２】受光素子を有する検光子部の例を示す図であ
る。

【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバ
電流計側装置の概略構成を示す図である。

【図１４】位相補償器を用いた光ファイバ電流計測装置
を示す図である。

【図１５】ファイバカップラによって出射光を分離する
光ファイバ電流計測装置を示す図である。

【符号の説明】 １ 光源 ２ ファイバカップラ ３ センシングファイバ ４ 導線 ５ 反射ミラー ６ 受光ファイバ ７，８ 受光素子 １０ 検光子部 ２０ 演算機構

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体の周囲に巻かれた光ファイバの入出
   射端から光を入射し、前記光ファイバの終端で反射して
   戻ってきた反射光のファラデー回転角に基づいて、前記
   導体を流れる電流を測定する光ファイバ電流計測装置に
   おいて、 光源に接続されており、前記光源の光強度を一定の比率
   で２光路に分離し、分離された一方の光を前記光ファイ
   バ側へ送るとともに、分離された他方の光を第１の受光
   素子へ送る光学部品と、 前記光学部品と前記光ファイバとの間に設けられ、前記
   光学部品から前記光ファイバへ向かう光を直線偏光に整
   形して前記光ファイバへ送るとともに、前記光ファイバ
   から送られてきた前記反射光を２つの偏光成分に分離
   し、前記２つの偏光成分のうち前記光ファイバに送られ
   た直線偏光と直交する偏波成分の光を、第２の受光素子
   とへ送る検光子と、 前記第１の受光素子と前記第２の受光素子とによって測
   定された光強度の比に基づいて、前記導体を流れる電流
   値を算出する演算機構と、 を有することを特徴とする光ファイバ電流計測装置。
2. 【請求項２】 前記光学部品は、前記光源の光の一部を
   前記第１の受光素子へ伝送するファイバカップラである
   ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ電流計測装
   置。
3. 【請求項３】 前記検光子は、グランレーザプリズムで
   あることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ電流計
   測装置。
4. 【請求項４】 前記検光子は、複屈折結晶であることを
   特徴とする請求項１記載の光ファイバ電流計測装置。
5. 【請求項５】 前記検光子は、偏光ビームスプリッタで
   あることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ電流計
   測装置。
6. 【請求項６】 前記演算機構は、前記第１の受光素子と
   前記第２の受光素子とによって測定された光強度の比と
   ファラデー回転角Ｆとの関係が、光強度の比∝１−ｃｏ
   ｓ（２Ｆ）になることに基づいて、前記導体を流れる電
   流値を算出することを特徴とする請求項１記載の光ファ
   イバ電流計測装置。
7. 【請求項７】 前記演算機構は、ディジタルシグナルプ
   ロセッサを用いたディジタル回路であることを特徴とす
   る請求項１記載の光ファイバ電流測定装置。