光ファイバ電流センサ
【課題】光ファイバ電流センサにおいて、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大する。
【解決手段】センサファイバ１１と、光学バイアスがゼロに設定され、センサファイバ１１を伝搬した直線偏光が入射される第１検光子１４Ａと、光学バイアスがδに設定され、センサファイバ１１を伝搬した直線偏光が入射される第２検光子１４Ｂと、第１検光子１４Ａを通過した光を光電変換する受光素子１５−１，１５−２と、第２検光子１４Ｂを通過した光を光電変換する受光素子１５−３，１５−４と、受光素子１５−１，１５−２により得られる信号Ｐｘ，Ｐｙと受光素子１５−３，１５−４により得られる信号Ｐδｘ，Ｐδｙの大小関係に基づいてファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、ファラデー回転角を求める信号処理部１６と、を具備する。
【解決手段】センサファイバ１１と、光学バイアスがゼロに設定され、センサファイバ１１を伝搬した直線偏光が入射される第１検光子１４Ａと、光学バイアスがδに設定され、センサファイバ１１を伝搬した直線偏光が入射される第２検光子１４Ｂと、第１検光子１４Ａを通過した光を光電変換する受光素子１５−１，１５−２と、第２検光子１４Ｂを通過した光を光電変換する受光素子１５−３，１５−４と、受光素子１５−１，１５−２により得られる信号Ｐｘ，Ｐｙと受光素子１５−３，１５−４により得られる信号Ｐδｘ，Ｐδｙの大小関係に基づいてファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、ファラデー回転角を求める信号処理部１６と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ中を伝搬する光の偏波面が磁界により回転するファラデー効果を利用して電流を測定する光ファイバ電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力設備の監視等を行う電流測定装置として、光ファイバをセンサに用いた光ファイバ電流センサが注目されている。
この光ファイバ電流センサでは、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに直線偏光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中の直線偏光に偏波面の回転（ファラデー回転）が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度（ファラデー回転角）は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。これが光ファイバ電流センサの原理である。
【０００３】
ところで、ファラデー回転角の測定には、ファラデー回転を受けた直線偏光から検光子を用いて所定方向の偏光成分を切り出し、その偏光成分の強度を計測するという方法が用いられる。このとき、当該偏光成分の強度は、ファラデー回転角の変化に対して正弦関数的に変化することになる。よって、計測された偏光成分の強度からファラデー回転角を一意に求めることができるようにするため、ファラデー回転角の許容される範囲、即ち被測定電流の範囲に制限を設ける必要がある。つまり、従来は、光ファイバ電流センサで測定できる電流値には測定限界が存在していた。
【０００４】
この問題に対し、測定可能な電流値の範囲を拡大するための技術として、例えば特許文献１，特許文献２，非特許文献１等の技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２６８５８７号公報
【特許文献２】特開２００５−０７７３４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ． Ｗｉｌｌｓｈ ，ｅｔ．ａｌ、Ｐｒｏｃ． １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ、１９９９年、ｐｐ．３６６−３６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記各文献の技術は、いずれも複雑な構成が必要であるという欠点を有していた。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大することができる光ファイバ電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる信号と前記第２光電変換手段により得られる信号の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第１の仮値を算出し、前記第２光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第２の仮値を算出し、前記算出した第１の仮値と第２の仮値の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角の真値を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる信号に基づく第１値と前記第２光電変換手段により得られる信号に基づく第２値とにより定まる座標点が描くリサージュ図形上における該座標点の位置に従って、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記信号処理手段は、前記被測定電流の変化によるファラデー回転角の変化が最小となるように前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記信号処理手段は、前記リサージュ図形上において前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第１値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求め、前記リサージュ図形上において前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第２値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図２】ファラデー回転角θＦと受光強度Ｐｘ，Ｐδｘとの関係を表すグラフである。
【図３】第１の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図４】ファラデー回転角θＦと関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）），Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））との関係を表すグラフである。
【図５】第２の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図６】ファラデー回転角θＦと受光強度の変化分ＳＡ，ＳＢとの関係を表すグラフである。
【図７】ファラデー回転角θＦの変化とともに座標（ＳＡ，ＳＢ）の軌跡が描くリサージュ図形である。
【図８】第３の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図９】ファラデー回転角θＦを求めるためのルックアップテーブルである。
【図１０】本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図１２】本発明の一実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、センサファイバ１１と、偏光子１２と、偏波無依存型光分岐素子１３と、第１検光子１４Ａと、第２検光子１４Ｂと、受光素子１５−１〜１５−４と、信号処理部１６とを含んで構成されている。また、フェルールＦ０〜Ｆ４，レンズＬ０〜Ｌ２，偏波無依存型光分岐素子１３，ミラーＭ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは、ケースＣ（筐体）内に収容されている。このケースＣ内は空間光学系で構成されており、図中の点線は空間を伝搬する光を表している。
【００１６】
センサファイバ１１は、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。このセンサファイバ１１として、好適にはファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数が大きい光ファイバである、鉛ガラスファイバ（鉛を添加した光ファイバ）を用いることができる。
【００１７】
偏光子１２は、任意の偏波の光を入射して電界の振動方向（偏光方向）が当該偏光子１２の主軸方向にそろった直線偏光を出射する光学素子であり、その入射端には光源２１と接続された光ファイバ２２が接続され、出射端にはセンサファイバ１１の一端が接続されている。
【００１８】
偏波無依存型光分岐素子１３は、偏波状態を保ったまま入射光を２つに分岐して出射する光学素子（ハーフミラー）であり、センサファイバ１１の先端に設けられたフェルールＦ０から出射された光が入射され、図中右方向の光路２３と下方向の光路２４へ光を出射するように設置されている。
【００１９】
第１検光子（偏光ビームスプリッタ：ＰＢＳ）１４Ａは、入射された光を偏光方向が当該第１検光子１４Ａの主軸方向である直線偏光と、主軸に垂直な方向である直線偏光の２つに分離して出射する光学素子であり、光路２３から光を入射して主軸方向の直線偏光を一方の光路２５へ、他方の直線偏光をもう一方の光路２６へそれぞれ出射する。ここで、第１検光子１４Ａの主軸方向は、偏光子１２の主軸方向と同じ方向、即ち、被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａに入射される直線偏光の偏光方向と同じ方向に設定されている。
【００２０】
第２検光子（偏光ビームスプリッタ：ＰＢＳ）１４Ｂは、第１検光子１４Ａと同様の光学素子であり、光路２４から光を入射して主軸方向の直線偏光を一方の光路２７へ、他方の直線偏光をもう一方の光路２８へそれぞれ出射する。ここで、第２検光子１４Ｂの主軸方向は、偏光子１２の主軸方向に対して角度δだけ傾いた方向、即ち、被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａに入射される直線偏光の偏光方向に対して角度δだけ傾いた方向に設定されている。したがって、第１検光子１４Ａの主軸方向と第２検光子１４Ｂの主軸方向は、互いに角度δだけ傾いている。
【００２１】
被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａ（第２検光子１４Ｂ）に入射される直線偏光の偏光方向（ここでは上述のとおり偏光子１２の主軸方向と等しい）と第１検光子１４Ａ（第２検光子１４Ｂ）の主軸方向のなす角度は、光学バイアスと呼ばれる。つまり、第１検光子１４Ａの側の系は光学バイアスがゼロに設定され、第２検光子１４Ｂの側の系は光学バイアスがδに設定されている。
【００２２】
各受光素子１５−１〜１５−４は、入射された光をその光強度に比例した電気信号に変換する素子であり、受光素子１５−１は光路２５からの光が入射し、受光素子１５−２は光路２６からの光が入射し、受光素子１５−３は光路２７からの光が入射し、受光素子１５−４は光路２８からの光が入射するよう、それぞれ設置されている。
【００２３】
信号処理部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、以下に詳述する方法に従って被測定電流Ｉの値を計算する。
【００２４】
このように構成された光ファイバ電流センサにおいて、光源２１から発せられた光を光ファイバ２２を介して偏光子１２へ入射させ、偏光方向が偏光子１２の主軸方向を向いた直線偏光を偏光子１２からセンサファイバ１１へ入射させる。センサファイバ１１へ入射された直線偏光は、センサファイバ１１の周回部分において、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさ即ち被測定電流Ｉの値に比例したファラデー回転角θＦだけ回転した直線偏光となって、フェルールＦ０から出射される。この光は、レンズＬ０によってコリメートされ、偏波無依存型光分岐素子１３へ入射される。
【００２５】
偏波無依存型光分岐素子１３に入射された直線偏光は、偏波面を維持したまま、光路２３と光路２４へ所定の分岐比（例えば１：１）で分岐され、光路２３の光はレンズＬ１（フェルールＦ１，Ｆ２への集光用のレンズ）を介して、光路２４の光はミラーＭ及びレンズＬ２（フェルールＦ３，Ｆ４への集光用のレンズ）を介して、それぞれ第１検光子１４Ａと第２検光子１４Ｂへ入射される。
【００２６】
第１検光子１４Ａへ入射された直線偏光は、第１検光子１４Ａの主軸方向を偏光方向とする偏光成分とこれに垂直な偏光成分に分離される。前者の偏光成分は、光路２５を通りフェルールＦ１へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−１へ入射される。後者の偏光成分は、光路２６を通りフェルールＦ２へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−２へ入射される。ここで、第１検光子１４Ａの光学バイアスはゼロに設定されているので、第１検光子１４Ａへの入射光の偏光方向は、第１検光子１４Ａの主軸方向に対してファラデー回転角θＦと同じ角度だけ回転している。よって、受光素子１５−１による受光強度Ｐｘと受光素子１５−２による受光強度Ｐｙは、それぞれ、次式
Ｐｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ） ……（１）
Ｐｙ＝Ｐ０ｓｉｎ２（θＦ） ……（２）
のように表すことができる。但し、Ｐ０は被測定電流Ｉがゼロの時の受光素子１５−１による受光強度である。
【００２７】
同様に、第２検光子１４Ｂへ入射された直線偏光は、第２検光子１４Ｂの主軸方向を偏光方向とする偏光成分とこれに垂直な偏光成分に分離される。前者の偏光成分は、光路２７を通りフェルールＦ３へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−３へ入射される。後者の偏光成分は、光路２８を通りフェルールＦ４へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−４へ入射される。ここで、第２検光子１４Ｂの光学バイアスはδに設定されているので、第２検光子１４Ｂへの入射光の偏光方向は、第２検光子１４Ｂの主軸方向に対して、ファラデー回転角θＦと光学バイアスδとの差の角度だけ回転している。よって、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘと受光素子１５−４による受光強度Ｐδｙは、それぞれ、次式
Ｐδｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ−δ） ……（３）
Ｐδｙ＝Ｐ０ｓｉｎ２（θＦ−δ） ……（４）
のように表すことができる。但し、偏波無依存型光分岐素子１３の分岐比を１：１とする。
【００２８】
本発明では、このようにして得られる受光強度（各受光素子１５−１〜１５−４から出力される電気信号）Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙを用いて信号処理部１６の処理により被測定電流Ｉの値を求める。以下、信号処理部１６の処理方法の詳細を、第１〜第３の実施形態として説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図２は、ファラデー回転角θＦと受光強度Ｐｘ，Ｐδｘとの関係を表すグラフである。このグラフの横軸はセンサファイバ１１によって与えられるファラデー回転角θＦを表し、縦軸は受光素子１５−１，１５−３による受光強度Ｐｘ及びＰδｘを表している。図２に示すように、第１検光子１４Ａを通過し受光素子１５−１で受光された光の強度Ｐｘは、ファラデー回転角θＦの変化に対して周期的に変化する（式（１）参照）。このことは、受光素子１５−１により得られた受光強度Ｐｘからは、ファラデー回転角θＦを一意に決めることができないことを意味している。例えば、受光素子１５−１の受光強度がＰｘＡである場合、ファラデー回転角は、少なくとも、図中のＰｘを表す曲線（実線）上の点Ａに対応する角度θＡと点Ａ’に対応する角度θＡ’の２つの値をとり得る。但し、θＡは第１象限（０＜θＡ＜π／２）の値、θＡ’は第２象限（π／２＜θＡ’＜π）の値であるとする。
【００３０】
そこで本発明では、ファラデー回転角に対して周期的に変化する受光強度からファラデー回転角を一意に決定するために、第１検光子１４Ａの主軸方向に対して主軸方向が角度δだけ傾いて配置された第２検光子１４Ｂを設け、この第２検光子１４Ｂを通過し受光素子１５−３で受光された光の強度Ｐδｘを利用する。
【００３１】
具体的に説明する。図２に示すように、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘを表す曲線（点線）は、Ｐｘを表す曲線を横軸方向にδだけシフトさせた曲線である。したがって、もし、センサファイバ１１によるファラデー回転角がθＡであるならば、受光素子１５−３の受光強度は、曲線Ｐδｘ上の点Ｋに対応する値ＰδｘＫを示すことになる。一方、ファラデー回転角がθＡ’であるならば、受光素子１５−３の受光強度は、曲線Ｐδｘ上の点Ｌに対応する値ＰδｘＬを示すことになる。そして、図２から理解されるように、点Ｋ近傍において曲線Ｐδｘは曲線Ｐｘの上方に存在しているので、ＰδｘＫ＞ＰｘＡであり、点Ｌ近傍において曲線Ｐδｘは曲線Ｐｘの下方に存在しているので、ＰδｘＬ＜ＰｘＡである。
【００３２】
このことから、光学バイアスがδの側の受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘが、光学バイアスがゼロの側の受光素子１５−１による受光強度Ｐｘより大きいか小さいかを判定することによって、正しいファラデー回転角が第１象限内の値θＡであるか第２象限内の値θＡ’であるかを判別することができる。具体的には、受光強度Ｐδｘが受光強度Ｐｘより大きい場合には、正しいファラデー回転角は第１象限内の値θＡであることになり、受光強度Ｐδｘが受光強度Ｐｘより小さい場合には、正しいファラデー回転角は第２象限内の値θＡ’であることになる。
【００３３】
なお、図２において、例えば第１象限のうち０近傍の範囲（０＜θＦ＜δ／２）では、受光強度Ｐｘを表す曲線の方が受光強度Ｐδｘを表す曲線よりも上側にあるので、上記の大小の判定では間違った（反対の）結果が得られてしまうことになる。これを避けるためには、当該範囲では大小の判定を逆にするようにするか、又は、第２検光子１４Ｂの側の光学バイアスδの値をできるだけ小さく（但し、ＰｘとＰδｘの差が検知できる程度の大きさであることが必要）設定することで当該範囲が狭くなるようにすることが望ましい。
【００３４】
ここまでの判別方法では、ファラデー回転角θＦが第１象限と第２象限のように隣り合った象限のいずれかに存在することが既に分かっている場合（例えば被測定電流Ｉの変化する範囲が限定されている等の場合）に、そのいずれが正しいかを判別することはできるが、例えば、図２において、点Ｃ，Ｃ’，Ｃ”をＰｘの値が等しい３点であるとしたとき、第２象限の点Ｃに対応するファラデー回転角θＣと、第４象限の点Ｃ’に対応するファラデー回転角θＣ’（＝θＣ＋π）と、第４象限（マイナス側）の点Ｃ”に対応するファラデー回転角θＣ”（＝θＣ−π）とを互いに区別することはできない。何故なら、これら各点においてはＰｘとＰδｘの大小関係が同じであるからである。そこで、本発明では更に、次のような方法により、全象限の中からファラデー回転角を一意に特定する。
【００３５】
いま、図２において、ファラデー回転角が第１象限の点Ｂに対応する値θＢであることが確定しているものとする。そしてその後、被測定電流Ｉが変化してファラデー回転角も変化したとする。このとき、上述の判別方法によって、ファラデー回転角が第１象限又は第３象限に存在するか、あるいは第２象限又は第４象限に存在するかを判別する。これにより、例えばファラデー回転角が第２象限又は第４象限の点Ｃ，点Ｃ’，点Ｃ”，…のどれかであることが分かったとすると、確定済みの点Ｂとこれら各点Ｃ，Ｃ’，Ｃ”との間のファラデー回転角の差の絶対値｜θＣ−θＢ｜，｜θＣ’−θＢ｜，｜θＣ”−θＢ｜のうち、その値が最も小さいものに対応するファラデー回転角を、変化後の正しい真のファラデー回転角として決定することとする。図２の例では、第２象限のファラデー回転角θＣが変化後の正しい真のファラデー回転角に決定されることになる。
【００３６】
被測定電流Ｉが急激に変化しないという前提をおけば、このような決定方法は妥当であると言える。また、被測定電流Ｉの値がある瞬間（例えば測定開始時等）にゼロであることが既知であるとすれば、その瞬間にはファラデー回転角はθＦ＝０である（上記説明に用いた図２の点Ｂはｙ軸上にある）ことが確定していることになるから、当該瞬間から逐次、上記方法でファラデー回転角を決定していくことによって、被測定電流Ｉの変化に応じて正しい真のファラデー回転角を追跡し続けることができる。
【００３７】
次に、以上説明したファラデー回転角θＦの決定方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図３に当該処理フローを示す。
【００３８】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１と受光素子１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ及び受光強度Ｐδｘの値を取得する（ステップＳ１１）。信号処理部１６は、取得した受光強度Ｐｘの値と受光強度Ｐδｘの値を比較して、Ｐδｘ＞Ｐｘの場合はファラデー回転角θＦは第１象限又は第３象限に存在すると判定し、Ｐδｘ＜Ｐｘの場合はファラデー回転角θＦは第２象限又は第４象限に存在すると判定する（ステップＳ１２）。
【００３９】
そして、信号処理部１６は、この判定結果に従って受光強度Ｐｘから以下の値
θｔｅｍｐ＝ｃｏｓ−１｛√（Ｐｘ／Ｐ０）｝ ……（５）
（ファラデー回転角が第１象限又は第３象限の場合。但し０≦θｔｅｍｐ＜π／２）、
又は、
θｔｅｍｐ＝ｃｏｓ−１｛−√（Ｐｘ／Ｐ０）｝ ……（６）
（ファラデー回転角が第２象限又は第４象限の場合。但しπ／２≦θｔｅｍｐ＜π）
を計算し、この値θｔｅｍｐを用いてファラデー回転角の候補θｔｅｍｐ＿ｎ＝θｔｅｍｐ＋ｎπ（ｎ＝０，±１，±２，…）を計算する（ステップＳ１３）。
【００４０】
次いで、信号処理部１６は、ＲＡＭから前回のステップＳ１５で求めたファラデー回転角の確定値θｐｒｅｖを取得する（初回実行時はθｐｒｅｖ＝０とする）（ステップＳ１４）。そして、信号処理部１６は、前回の確定値θｐｒｅｖと今回の各候補θｔｅｍｐ＿ｎとの差の絶対値｜θｔｅｍｐ＿０−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿１−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿２−θｐｒｅｖ｜，…，｜θｔｅｍｐ＿−１−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿−２−θｐｒｅｖ｜，…を計算し、その中で値が最も小さいものに対応するファラデー回転角の候補を、正しい真のファラデー回転角θＦとして決定する（ステップＳ１５）。信号処理部１６は、このようにして求めたファラデー回転角θＦをＲＡＭに記憶する（ステップＳ１６）とともに、θＦ＝Ｖ・Ｉの関係式から被測定電流Ｉを計算する（ステップＳ１７）。ここで、Ｖはセンサファイバ１１のベルデ定数である。その後、信号処理部１６は、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。
【００４１】
なお、以上の説明では、受光素子１５−１と受光素子１５−３から得られる受光強度Ｐｘ及びＰδｘを用いることとしているが、受光素子１５−２と受光素子１５−４から得られる受光強度Ｐｙ及びＰδｙを用いて、同様の処理によって被測定電流Ｉを求めることもできる。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、信号処理部１６の処理方法の他の例を説明する。
受光素子１５−１による受光強度Ｐｘと受光素子１５−２による受光強度Ｐｙとから関数ｆ＝√Ｐｘ＋ｉ・√Ｐｙを定義する。但し、ｉは虚数単位である。ＰｘとＰｙの式（１），（２）より、この関数ｆは、ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき（ｍは整数）
ｆ＝√Ｐ０｛ｃｏｓ（θＦ−ｍπ）＋ｉ・ｓｉｎ（θＦ−ｍπ）｝
＝√Ｐ０・ｅｉ・（θＦ−ｍπ） ……（７）
と表すことができ、（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき
ｆ＝√Ｐ０｛ｃｏｓ（ｍπ−θＦ）＋ｉ・ｓｉｎ（ｍπ−θＦ）｝
＝√Ｐ０・ｅｉ・（ｍπ−θＦ） ……（８）
と表すことができる。よって、関数ｆのｌｏｇ（対数）をとりその虚数部を考えると、次式を得る。但し、Ｉｍ（ｘ）はｘの虚数部を表す。
Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））＝θＦ−ｍπ （ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき） ……（９Ａ）
＝ｍπ−θＦ （（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき） ……（９Ｂ）
この値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））は、実際のファラデー回転角θＦを、その値が０からπ／２までの範囲となるように変換した値に相当するものであり、真のファラデー回転角を求めるための仮値としての意味を持っている。
【００４３】
同様に、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘと受光素子１５−４による受光強度Ｐδｙとから関数ｆδ＝√Ｐδｘ＋ｉ・√Ｐδｙを定義すると、次式（ファラデー回転角の仮値）を得る。
Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＝θＦ−ｍπ−δ （ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき） ……（１０Ａ）
＝ｍπ−θＦ−δ （（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき） ……（１０Ｂ）
【００４４】
図４は、ファラデー回転角θＦと関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）），Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））との関係を表すグラフであり、第１の実施形態の図２に相当する。このグラフの横軸はセンサファイバ１１によるファラデー回転角θＦ、縦軸は受光素子１５−１〜１５−４の受光強度Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙから計算される関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））をそれぞれ表している。図４に示すように、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））は、図２の受光強度Ｐｘ，Ｐδｘと同様、ファラデー回転角θＦの変化に対して周期的に変化しており、また、両者は、一方を他方に対して横軸方向にδだけシフトさせた関係にある。
【００４５】
そこで、第１の実施形態と同様に、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））とＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））の大小関係を判定することによって、正しいファラデー回転角が第１象限又は第３象限内の値であるか、第２象限又は第４象限内の値であるかを判別することができる。具体的には、図４から理解されるように、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））が関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））より小さい場合には、正しいファラデー回転角は第１象限又は第３象限内の値であることになり、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））が関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））より大きい場合には、正しいファラデー回転角は第２象限又は第４象限内の値であることになる。
【００４６】
そして更に、第１の実施形態と同様に、前回のファラデー回転角の確定値との差の絶対値が最小となるようにファラデー回転角を決定することによって、複数の象限の中からファラデー回転角を一意に特定することができる。
【００４７】
次に、ファラデー回転角θＦの上記決定方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図５に当該処理フローを示す。
【００４８】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１〜１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙの値を取得し、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））を計算する（ステップＳ２１）。信号処理部１６は、計算した関数値を比較して、Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＜Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））の場合はファラデー回転角θＦは第１象限又は第３象限に存在すると判定し、Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＞Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））の場合はファラデー回転角θＦは第２象限又は第４象限に存在すると判定する（ステップＳ２２）。
【００４９】
そして、信号処理部１６は、この判定結果に従って以下の値
θｔｅｍｐ＝Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）） ……（１１）
（ファラデー回転角が第１象限又は第３象限の場合。但し０≦θｔｅｍｐ＜π／２）、
又は、
θｔｅｍｐ＝π−Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）） ……（１２）
（ファラデー回転角が第２象限又は第４象限の場合。但しπ／２≦θｔｅｍｐ＜π）
を計算し、この値θｔｅｍｐを用いてファラデー回転角の候補θｔｅｍｐ＿ｎ＝θｔｅｍｐ＋ｎπ（ｎ＝０，±１，±２，…）を計算する（ステップＳ２３）。
【００５０】
この後、信号処理部１６は、第１の実施形態のステップＳ１４〜ステップＳ１７と同じ処理（ステップＳ２４〜ステップＳ２７）を行うことで、被測定電流Ｉを計算する。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、信号処理部１６の処理方法の更なる他の例を説明する。
ここでは、第２検光子１４Ｂの光学バイアスをδ＝４５度に設定する。このとき、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘは上述の式（３）からＰδｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ−π／４）＝（Ｐ０／２）・（ｓｉｎ２θＦ＋１）となるので、ＳＡ＝ｓｉｎ２θＦとおく。また、第１検光子１４Ａの側の受光素子１５−１による受光強度Ｐｘは上述の式（１）からＰｘ＝（Ｐ０／２）・（ｃｏｓ２θＦ＋１）と表せるので、同様にＳＢ＝ｃｏｓ２θＦとおく。ＳＡ，ＳＢは、受光強度Ｐδｘ，Ｐｘの中央値からの変化分である。
【００５２】
図６は、ファラデー回転角θＦと受光強度の変化分ＳＡ，ＳＢとの関係を表すグラフである。グラフの横軸はセンサファイバ１１によるファラデー回転角θＦ、縦軸は受光強度Ｐｘ，Ｐδｘから上記のように計算される変化分ＳＡ及びＳＢをそれぞれ表している。この図から、ファラデー回転角θＦが例えば−π／４からπ／４までの範囲（幅でπ／２の範囲）では、ＳＡはファラデー回転角θＦと一対一に対応しているからＳＡのみを用いてファラデー回転角を求めることができるが、当該範囲を超えるとＳＡの周期性からＳＡのみではファラデー回転角θＦを一意に決めることができない。
【００５３】
しかし、受光強度の変化分ＳＡとＳＢとの組み合わせを用いれば、−π／２からπ／２までの範囲（幅でπの範囲）においてファラデー回転角θＦを一意に求めることが可能である。図７を参照して具体的に説明する。図７（Ａ）は、横軸にＳＡ、縦軸にＳＢをとったときにファラデー回転角θＦの変化とともに座標（ＳＡ，ＳＢ）の軌跡が描くリサージュ図形を示している。ＳＡ，ＳＢの定義から明らかなように、このリサージュ図形は半径１の円となる。
【００５４】
図７（Ａ）のリサージュ図形において、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、ファラデー回転角がθＦ＝０のとき、正側のＳＢ軸上にある。そしてファラデー回転角がゼロから増加していくと、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、このリサージュ図形上を右回りに移動して、ファラデー回転角がθＦ＝π／４のときにＳＡ軸（正側）を横切り、ファラデー回転角がθＦ＝π／２のときに負側のＳＢ軸上に達する。また、ファラデー回転角がゼロから減少していくと、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、このリサージュ図形上を左回りに移動して、ファラデー回転角がθＦ＝−π／４のときにＳＡ軸（負側）を横切り、ファラデー回転角がθＦ＝−π／２のときに負側のＳＢ軸上に達する。よって、−π／２≦θＦ＜π／２の範囲では、異なるファラデー回転角θＦに対応する座標点（ＳＡ，ＳＢ）は重なることがないから、ＳＡとＳＢとの組み合わせからファラデー回転角θＦを一意に特定することができる。
【００５５】
次に、図７（Ｂ）を参照して、ファラデー回転角θＦの計算方法を説明する。同図は、図７（Ａ）と同じリサージュ図形を表したものである。図７（Ｂ）において、リサージュ図形上の点Ｓと点Ｔは、それぞれファラデー回転角θＦ＝−Δθ，Δθに対応する点である。点Ｓから点Ｔまでの範囲（−Δθ≦θＦ＜Δθ）では、ＳＡの値とファラデー回転角は一対一に対応しており、また、Δθが小さければＳＢの値は殆ど変化しないので、ＳＡの値のみを用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｓｉｎ−１（ＳＡ） ……（１３）
と計算できる。点Ｗから点Ｐまでの範囲（π／２−Δθ≦θＦ＜π／２又は−π／２≦θＦ＜Δθ−π／２）においても同様である。
【００５６】
また、点Ｕと点Ｖは、それぞれファラデー回転角θＦ＝π／４−Δθ，π／４＋Δθに対応している。点Ｕから点Ｖまでの範囲（π／４−Δθ≦θＦ＜π／４＋Δθ）においては、ＳＢの値とファラデー回転角が一対一に対応しており、また、Δθが小さければＳＡの値は殆ど変化しないので、ＳＢの値のみを用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｃｏｓ−１（ＳＢ） ……（１４）
と計算できる。点Ｑから点Ｒまでの範囲（−π／４−Δθ≦θＦ＜Δθ−π／４）においても同様である。
【００５７】
また、上記以外の範囲、即ち、点Ｐから点Ｑまで、点Ｒから点Ｓまで、点Ｔから点Ｕまで、及び点Ｖから点Ｗまでの範囲においては、ＳＡとＳＢの両方の値を用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｔａｎ−１（ＳＡ／ＳＢ） ……（１５）
と計算する。
【００５８】
次に、以上説明したファラデー回転角θＦの計算方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図８に当該処理フローを示す。
【００５９】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１と受光素子１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ及び受光強度Ｐδｘの値を取得し、取得したＰｘ，Ｐδｘそれぞれの中央値からの変化分ＳＡ及びＳＢを計算する（ステップＳ３１）。信号処理部１６は、得られたＳＡ，ＳＢによって定まる座標点（ＳＡ，ＳＢ）が、図７（Ｂ）のリサージュ図形上の点Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗで区切られた各範囲のうちのどこに属するかを判定し、その判定結果に応じ上記の式（１３）〜（１５）のいずれかを用いてファラデー回転角θＦを計算する（ステップＳ３２）。そして、信号処理部１６は、このようにして求めたファラデー回転角θＦと、θＦ＝Ｖ・Ｉの関係式とから被測定電流Ｉを計算する（ステップＳ３３）。その後、信号処理部１６は、必要に応じてステップＳ３１からの処理を繰り返す。
【００６０】
上記のステップＳ３２に代えて、次のような方法でファラデー回転角θＦを求めてもよい。図９は、図７（Ｂ）のリサージュ図形に対応して定義されるルックアップテーブルを説明する図である。図９において、リサージュ図形を含む矩形領域が、Ｎ行×Ｎ列からなるＮ２個の要素領域に区分けされている（この例ではＮ＝８）。各要素領域は、第Ｉ領域から第ＶＩＩ領域までの７種類に分類されており、それぞれ以下の数式が割り当てられている。
【００６１】
第Ｉ領域： θＦ＝ＳＡ／２
第ＩＩ領域： θＦ＝−ＳＢ／２＋π／４
第ＩＩＩ領域： θＦ＝（−ＳＡ＋π）／２
第ＩＶ領域： θＦ＝（−ＳＡ−π）／２
第Ｖ領域： θＦ＝ＳＢ／２−π／４
第ＶＩ領域： θＦ＝（１／２）ｔａｎ−１（ＳＡ／ＳＢ）
第ＶＩＩ領域： θＦ＝未設定（エラー）
ここで、第Ｉ〜第Ｖ領域の数式は、上記の式（１３），（１４）を近似した式であり、第ＶＩ領域の数式は、上記の式（１５）である。なお、第ＶＩＩ領域は、リサージュ図形から大きく外れているため何らかの測定異常が疑われるので、θＦは未設定（エラー）とした。
【００６２】
このようにＮ行×Ｎ列の要素に数式を割り当てたものがルックアップテーブルである。このルックアップテーブルは信号処理部１６のＲＡＭに記憶されている。信号処理部１６は、座標点（ＳＡ，ＳＢ）が第Ｉ〜第ＶＩＩ領域のいずれに存在するかを判定して、その判定結果に応じた数式を用いてファラデー回転角θＦを計算する。
【００６３】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第３の実施形態において、第２検光子１４Ｂの光学バイアスをδ≠４５度の値に設定してもよい。この場合、リサージュ図形は円ではなく楕円となるが、ファラデー回転角θＦを計算する原理は同じである。
また、図９のルックアップテーブルは、数式の代わりにファラデー回転角θＦの値を直接記憶したものであってもよい。
また、図１の偏波無依存型光分岐素子１３（ハーフミラー）では、反射による位相変化により反射光が僅かに楕円偏光となってしまうため、反射光が通過する方の第２検光子１４Ｂの前段に複屈折板等の偏光補償手段を設けることが好ましい。
【００６４】
更に、本発明にかかる光ファイバ電流センサの光学系は、図１０〜図１２のような構成を採用することもできる。但し、いずれの構成においても信号処理部１６の信号処理方法は上述と同じである。
図１０は、図１と同様、透過型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを２系統（センサファイバ１１−１，１１−２）とし、センサファイバの前段で光分岐素子１３’（光ファイバ型カプラ）により分岐した光を、偏光子１２−１，１２−２を介してそれぞれセンサファイバ１１−１，１１−２へ入射する構成である。フェルールＦ，レンズＬ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１と同じである。
図１１は、反射型の光ファイバ電流センサであり、センサファイバ１１の先端に設けられたミラーＭ０で反射され再びセンサファイバ１１を反対向きに通過した光が、ハーフミラーＨで反射され偏波無依存型光分岐素子１３へ入射するように構成されている。レンズＬ，偏波無依存型光分岐素子１３，ミラーＭ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１と同じである。
図１２は、図１１と同様、反射型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを２系統（センサファイバ１１−１，１１−２）とし、センサファイバの前段で光分岐素子１３’（光ファイバ型カプラ）により分岐した光を各センサファイバ１１−１，１１−２へ入射する構成である。第２検光子１４Ｂの側の系には、光学バイアスをδ＝４５度とするために片道２２．５度のファラデー回転を与えるファラデー回転子Ｇが用いられる。また、光サーキュレータＲは、センサファイバからの光を受光素子側へのみ伝送するために用いられている。フェルールＦ，レンズＬ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１や図１０と同じである。
図１０及び図１２のようにセンサファイバを２系統とした構成は、ケースＣ内の空間光学系が簡素となるため、この空間光学系の組み立ての容易性、小型化、信頼性の面でセンサファイバが１系統の構成より優れている。また、ミラーやハーフミラーが不要となるため、上記したような、反射光が楕円偏光化してしまう現象を抑制できるメリットもある。
【符号の説明】
【００６５】
１１…センサファイバ １２…偏光子 １３…偏波無依存型光分岐素子 １４Ａ…第１検光子 １４Ｂ…第２検光子 １５−１〜１５−４…受光素子 １６…信号処理部 ２１…光源 １００…導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ中を伝搬する光の偏波面が磁界により回転するファラデー効果を利用して電流を測定する光ファイバ電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力設備の監視等を行う電流測定装置として、光ファイバをセンサに用いた光ファイバ電流センサが注目されている。
この光ファイバ電流センサでは、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに直線偏光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中の直線偏光に偏波面の回転（ファラデー回転）が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度（ファラデー回転角）は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。これが光ファイバ電流センサの原理である。
【０００３】
ところで、ファラデー回転角の測定には、ファラデー回転を受けた直線偏光から検光子を用いて所定方向の偏光成分を切り出し、その偏光成分の強度を計測するという方法が用いられる。このとき、当該偏光成分の強度は、ファラデー回転角の変化に対して正弦関数的に変化することになる。よって、計測された偏光成分の強度からファラデー回転角を一意に求めることができるようにするため、ファラデー回転角の許容される範囲、即ち被測定電流の範囲に制限を設ける必要がある。つまり、従来は、光ファイバ電流センサで測定できる電流値には測定限界が存在していた。
【０００４】
この問題に対し、測定可能な電流値の範囲を拡大するための技術として、例えば特許文献１，特許文献２，非特許文献１等の技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２６８５８７号公報
【特許文献２】特開２００５−０７７３４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ． Ｗｉｌｌｓｈ ，ｅｔ．ａｌ、Ｐｒｏｃ． １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ、１９９９年、ｐｐ．３６６−３６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記各文献の技術は、いずれも複雑な構成が必要であるという欠点を有していた。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大することができる光ファイバ電流センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる信号と前記第２光電変換手段により得られる信号の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第１の仮値を算出し、前記第２光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第２の仮値を算出し、前記算出した第１の仮値と第２の仮値の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角の真値を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、前記第１光電変換手段により得られる信号に基づく第１値と前記第２光電変換手段により得られる信号に基づく第２値とにより定まる座標点が描くリサージュ図形上における該座標点の位置に従って、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記信号処理手段は、前記被測定電流の変化によるファラデー回転角の変化が最小となるように前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記信号処理手段は、前記リサージュ図形上において前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第１値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求め、前記リサージュ図形上において前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第２値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成により電流値の測定可能範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図２】ファラデー回転角θＦと受光強度Ｐｘ，Ｐδｘとの関係を表すグラフである。
【図３】第１の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図４】ファラデー回転角θＦと関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）），Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））との関係を表すグラフである。
【図５】第２の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図６】ファラデー回転角θＦと受光強度の変化分ＳＡ，ＳＢとの関係を表すグラフである。
【図７】ファラデー回転角θＦの変化とともに座標（ＳＡ，ＳＢ）の軌跡が描くリサージュ図形である。
【図８】第３の実施形態による、被測定電流Ｉを計算する信号処理部の処理フローである。
【図９】ファラデー回転角θＦを求めるためのルックアップテーブルである。
【図１０】本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図１１】本発明の一実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【図１２】本発明の一実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による透過型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、センサファイバ１１と、偏光子１２と、偏波無依存型光分岐素子１３と、第１検光子１４Ａと、第２検光子１４Ｂと、受光素子１５−１〜１５−４と、信号処理部１６とを含んで構成されている。また、フェルールＦ０〜Ｆ４，レンズＬ０〜Ｌ２，偏波無依存型光分岐素子１３，ミラーＭ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは、ケースＣ（筐体）内に収容されている。このケースＣ内は空間光学系で構成されており、図中の点線は空間を伝搬する光を表している。
【００１６】
センサファイバ１１は、測定しようとしている被測定電流Ｉが流れる送電線等の導体１００の周囲を周回するようにして配置される。このセンサファイバ１１として、好適にはファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数が大きい光ファイバである、鉛ガラスファイバ（鉛を添加した光ファイバ）を用いることができる。
【００１７】
偏光子１２は、任意の偏波の光を入射して電界の振動方向（偏光方向）が当該偏光子１２の主軸方向にそろった直線偏光を出射する光学素子であり、その入射端には光源２１と接続された光ファイバ２２が接続され、出射端にはセンサファイバ１１の一端が接続されている。
【００１８】
偏波無依存型光分岐素子１３は、偏波状態を保ったまま入射光を２つに分岐して出射する光学素子（ハーフミラー）であり、センサファイバ１１の先端に設けられたフェルールＦ０から出射された光が入射され、図中右方向の光路２３と下方向の光路２４へ光を出射するように設置されている。
【００１９】
第１検光子（偏光ビームスプリッタ：ＰＢＳ）１４Ａは、入射された光を偏光方向が当該第１検光子１４Ａの主軸方向である直線偏光と、主軸に垂直な方向である直線偏光の２つに分離して出射する光学素子であり、光路２３から光を入射して主軸方向の直線偏光を一方の光路２５へ、他方の直線偏光をもう一方の光路２６へそれぞれ出射する。ここで、第１検光子１４Ａの主軸方向は、偏光子１２の主軸方向と同じ方向、即ち、被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａに入射される直線偏光の偏光方向と同じ方向に設定されている。
【００２０】
第２検光子（偏光ビームスプリッタ：ＰＢＳ）１４Ｂは、第１検光子１４Ａと同様の光学素子であり、光路２４から光を入射して主軸方向の直線偏光を一方の光路２７へ、他方の直線偏光をもう一方の光路２８へそれぞれ出射する。ここで、第２検光子１４Ｂの主軸方向は、偏光子１２の主軸方向に対して角度δだけ傾いた方向、即ち、被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａに入射される直線偏光の偏光方向に対して角度δだけ傾いた方向に設定されている。したがって、第１検光子１４Ａの主軸方向と第２検光子１４Ｂの主軸方向は、互いに角度δだけ傾いている。
【００２１】
被測定電流Ｉがゼロの場合に第１検光子１４Ａ（第２検光子１４Ｂ）に入射される直線偏光の偏光方向（ここでは上述のとおり偏光子１２の主軸方向と等しい）と第１検光子１４Ａ（第２検光子１４Ｂ）の主軸方向のなす角度は、光学バイアスと呼ばれる。つまり、第１検光子１４Ａの側の系は光学バイアスがゼロに設定され、第２検光子１４Ｂの側の系は光学バイアスがδに設定されている。
【００２２】
各受光素子１５−１〜１５−４は、入射された光をその光強度に比例した電気信号に変換する素子であり、受光素子１５−１は光路２５からの光が入射し、受光素子１５−２は光路２６からの光が入射し、受光素子１５−３は光路２７からの光が入射し、受光素子１５−４は光路２８からの光が入射するよう、それぞれ設置されている。
【００２３】
信号処理部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、以下に詳述する方法に従って被測定電流Ｉの値を計算する。
【００２４】
このように構成された光ファイバ電流センサにおいて、光源２１から発せられた光を光ファイバ２２を介して偏光子１２へ入射させ、偏光方向が偏光子１２の主軸方向を向いた直線偏光を偏光子１２からセンサファイバ１１へ入射させる。センサファイバ１１へ入射された直線偏光は、センサファイバ１１の周回部分において、導体１００を流れる被測定電流Ｉの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさ即ち被測定電流Ｉの値に比例したファラデー回転角θＦだけ回転した直線偏光となって、フェルールＦ０から出射される。この光は、レンズＬ０によってコリメートされ、偏波無依存型光分岐素子１３へ入射される。
【００２５】
偏波無依存型光分岐素子１３に入射された直線偏光は、偏波面を維持したまま、光路２３と光路２４へ所定の分岐比（例えば１：１）で分岐され、光路２３の光はレンズＬ１（フェルールＦ１，Ｆ２への集光用のレンズ）を介して、光路２４の光はミラーＭ及びレンズＬ２（フェルールＦ３，Ｆ４への集光用のレンズ）を介して、それぞれ第１検光子１４Ａと第２検光子１４Ｂへ入射される。
【００２６】
第１検光子１４Ａへ入射された直線偏光は、第１検光子１４Ａの主軸方向を偏光方向とする偏光成分とこれに垂直な偏光成分に分離される。前者の偏光成分は、光路２５を通りフェルールＦ１へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−１へ入射される。後者の偏光成分は、光路２６を通りフェルールＦ２へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−２へ入射される。ここで、第１検光子１４Ａの光学バイアスはゼロに設定されているので、第１検光子１４Ａへの入射光の偏光方向は、第１検光子１４Ａの主軸方向に対してファラデー回転角θＦと同じ角度だけ回転している。よって、受光素子１５−１による受光強度Ｐｘと受光素子１５−２による受光強度Ｐｙは、それぞれ、次式
Ｐｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ） ……（１）
Ｐｙ＝Ｐ０ｓｉｎ２（θＦ） ……（２）
のように表すことができる。但し、Ｐ０は被測定電流Ｉがゼロの時の受光素子１５−１による受光強度である。
【００２７】
同様に、第２検光子１４Ｂへ入射された直線偏光は、第２検光子１４Ｂの主軸方向を偏光方向とする偏光成分とこれに垂直な偏光成分に分離される。前者の偏光成分は、光路２７を通りフェルールＦ３へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−３へ入射される。後者の偏光成分は、光路２８を通りフェルールＦ４へと結合されて、光ファイバを介して受光素子１５−４へ入射される。ここで、第２検光子１４Ｂの光学バイアスはδに設定されているので、第２検光子１４Ｂへの入射光の偏光方向は、第２検光子１４Ｂの主軸方向に対して、ファラデー回転角θＦと光学バイアスδとの差の角度だけ回転している。よって、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘと受光素子１５−４による受光強度Ｐδｙは、それぞれ、次式
Ｐδｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ−δ） ……（３）
Ｐδｙ＝Ｐ０ｓｉｎ２（θＦ−δ） ……（４）
のように表すことができる。但し、偏波無依存型光分岐素子１３の分岐比を１：１とする。
【００２８】
本発明では、このようにして得られる受光強度（各受光素子１５−１〜１５−４から出力される電気信号）Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙを用いて信号処理部１６の処理により被測定電流Ｉの値を求める。以下、信号処理部１６の処理方法の詳細を、第１〜第３の実施形態として説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図２は、ファラデー回転角θＦと受光強度Ｐｘ，Ｐδｘとの関係を表すグラフである。このグラフの横軸はセンサファイバ１１によって与えられるファラデー回転角θＦを表し、縦軸は受光素子１５−１，１５−３による受光強度Ｐｘ及びＰδｘを表している。図２に示すように、第１検光子１４Ａを通過し受光素子１５−１で受光された光の強度Ｐｘは、ファラデー回転角θＦの変化に対して周期的に変化する（式（１）参照）。このことは、受光素子１５−１により得られた受光強度Ｐｘからは、ファラデー回転角θＦを一意に決めることができないことを意味している。例えば、受光素子１５−１の受光強度がＰｘＡである場合、ファラデー回転角は、少なくとも、図中のＰｘを表す曲線（実線）上の点Ａに対応する角度θＡと点Ａ’に対応する角度θＡ’の２つの値をとり得る。但し、θＡは第１象限（０＜θＡ＜π／２）の値、θＡ’は第２象限（π／２＜θＡ’＜π）の値であるとする。
【００３０】
そこで本発明では、ファラデー回転角に対して周期的に変化する受光強度からファラデー回転角を一意に決定するために、第１検光子１４Ａの主軸方向に対して主軸方向が角度δだけ傾いて配置された第２検光子１４Ｂを設け、この第２検光子１４Ｂを通過し受光素子１５−３で受光された光の強度Ｐδｘを利用する。
【００３１】
具体的に説明する。図２に示すように、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘを表す曲線（点線）は、Ｐｘを表す曲線を横軸方向にδだけシフトさせた曲線である。したがって、もし、センサファイバ１１によるファラデー回転角がθＡであるならば、受光素子１５−３の受光強度は、曲線Ｐδｘ上の点Ｋに対応する値ＰδｘＫを示すことになる。一方、ファラデー回転角がθＡ’であるならば、受光素子１５−３の受光強度は、曲線Ｐδｘ上の点Ｌに対応する値ＰδｘＬを示すことになる。そして、図２から理解されるように、点Ｋ近傍において曲線Ｐδｘは曲線Ｐｘの上方に存在しているので、ＰδｘＫ＞ＰｘＡであり、点Ｌ近傍において曲線Ｐδｘは曲線Ｐｘの下方に存在しているので、ＰδｘＬ＜ＰｘＡである。
【００３２】
このことから、光学バイアスがδの側の受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘが、光学バイアスがゼロの側の受光素子１５−１による受光強度Ｐｘより大きいか小さいかを判定することによって、正しいファラデー回転角が第１象限内の値θＡであるか第２象限内の値θＡ’であるかを判別することができる。具体的には、受光強度Ｐδｘが受光強度Ｐｘより大きい場合には、正しいファラデー回転角は第１象限内の値θＡであることになり、受光強度Ｐδｘが受光強度Ｐｘより小さい場合には、正しいファラデー回転角は第２象限内の値θＡ’であることになる。
【００３３】
なお、図２において、例えば第１象限のうち０近傍の範囲（０＜θＦ＜δ／２）では、受光強度Ｐｘを表す曲線の方が受光強度Ｐδｘを表す曲線よりも上側にあるので、上記の大小の判定では間違った（反対の）結果が得られてしまうことになる。これを避けるためには、当該範囲では大小の判定を逆にするようにするか、又は、第２検光子１４Ｂの側の光学バイアスδの値をできるだけ小さく（但し、ＰｘとＰδｘの差が検知できる程度の大きさであることが必要）設定することで当該範囲が狭くなるようにすることが望ましい。
【００３４】
ここまでの判別方法では、ファラデー回転角θＦが第１象限と第２象限のように隣り合った象限のいずれかに存在することが既に分かっている場合（例えば被測定電流Ｉの変化する範囲が限定されている等の場合）に、そのいずれが正しいかを判別することはできるが、例えば、図２において、点Ｃ，Ｃ’，Ｃ”をＰｘの値が等しい３点であるとしたとき、第２象限の点Ｃに対応するファラデー回転角θＣと、第４象限の点Ｃ’に対応するファラデー回転角θＣ’（＝θＣ＋π）と、第４象限（マイナス側）の点Ｃ”に対応するファラデー回転角θＣ”（＝θＣ−π）とを互いに区別することはできない。何故なら、これら各点においてはＰｘとＰδｘの大小関係が同じであるからである。そこで、本発明では更に、次のような方法により、全象限の中からファラデー回転角を一意に特定する。
【００３５】
いま、図２において、ファラデー回転角が第１象限の点Ｂに対応する値θＢであることが確定しているものとする。そしてその後、被測定電流Ｉが変化してファラデー回転角も変化したとする。このとき、上述の判別方法によって、ファラデー回転角が第１象限又は第３象限に存在するか、あるいは第２象限又は第４象限に存在するかを判別する。これにより、例えばファラデー回転角が第２象限又は第４象限の点Ｃ，点Ｃ’，点Ｃ”，…のどれかであることが分かったとすると、確定済みの点Ｂとこれら各点Ｃ，Ｃ’，Ｃ”との間のファラデー回転角の差の絶対値｜θＣ−θＢ｜，｜θＣ’−θＢ｜，｜θＣ”−θＢ｜のうち、その値が最も小さいものに対応するファラデー回転角を、変化後の正しい真のファラデー回転角として決定することとする。図２の例では、第２象限のファラデー回転角θＣが変化後の正しい真のファラデー回転角に決定されることになる。
【００３６】
被測定電流Ｉが急激に変化しないという前提をおけば、このような決定方法は妥当であると言える。また、被測定電流Ｉの値がある瞬間（例えば測定開始時等）にゼロであることが既知であるとすれば、その瞬間にはファラデー回転角はθＦ＝０である（上記説明に用いた図２の点Ｂはｙ軸上にある）ことが確定していることになるから、当該瞬間から逐次、上記方法でファラデー回転角を決定していくことによって、被測定電流Ｉの変化に応じて正しい真のファラデー回転角を追跡し続けることができる。
【００３７】
次に、以上説明したファラデー回転角θＦの決定方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図３に当該処理フローを示す。
【００３８】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１と受光素子１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ及び受光強度Ｐδｘの値を取得する（ステップＳ１１）。信号処理部１６は、取得した受光強度Ｐｘの値と受光強度Ｐδｘの値を比較して、Ｐδｘ＞Ｐｘの場合はファラデー回転角θＦは第１象限又は第３象限に存在すると判定し、Ｐδｘ＜Ｐｘの場合はファラデー回転角θＦは第２象限又は第４象限に存在すると判定する（ステップＳ１２）。
【００３９】
そして、信号処理部１６は、この判定結果に従って受光強度Ｐｘから以下の値
θｔｅｍｐ＝ｃｏｓ−１｛√（Ｐｘ／Ｐ０）｝ ……（５）
（ファラデー回転角が第１象限又は第３象限の場合。但し０≦θｔｅｍｐ＜π／２）、
又は、
θｔｅｍｐ＝ｃｏｓ−１｛−√（Ｐｘ／Ｐ０）｝ ……（６）
（ファラデー回転角が第２象限又は第４象限の場合。但しπ／２≦θｔｅｍｐ＜π）
を計算し、この値θｔｅｍｐを用いてファラデー回転角の候補θｔｅｍｐ＿ｎ＝θｔｅｍｐ＋ｎπ（ｎ＝０，±１，±２，…）を計算する（ステップＳ１３）。
【００４０】
次いで、信号処理部１６は、ＲＡＭから前回のステップＳ１５で求めたファラデー回転角の確定値θｐｒｅｖを取得する（初回実行時はθｐｒｅｖ＝０とする）（ステップＳ１４）。そして、信号処理部１６は、前回の確定値θｐｒｅｖと今回の各候補θｔｅｍｐ＿ｎとの差の絶対値｜θｔｅｍｐ＿０−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿１−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿２−θｐｒｅｖ｜，…，｜θｔｅｍｐ＿−１−θｐｒｅｖ｜，｜θｔｅｍｐ＿−２−θｐｒｅｖ｜，…を計算し、その中で値が最も小さいものに対応するファラデー回転角の候補を、正しい真のファラデー回転角θＦとして決定する（ステップＳ１５）。信号処理部１６は、このようにして求めたファラデー回転角θＦをＲＡＭに記憶する（ステップＳ１６）とともに、θＦ＝Ｖ・Ｉの関係式から被測定電流Ｉを計算する（ステップＳ１７）。ここで、Ｖはセンサファイバ１１のベルデ定数である。その後、信号処理部１６は、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。
【００４１】
なお、以上の説明では、受光素子１５−１と受光素子１５−３から得られる受光強度Ｐｘ及びＰδｘを用いることとしているが、受光素子１５−２と受光素子１５−４から得られる受光強度Ｐｙ及びＰδｙを用いて、同様の処理によって被測定電流Ｉを求めることもできる。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、信号処理部１６の処理方法の他の例を説明する。
受光素子１５−１による受光強度Ｐｘと受光素子１５−２による受光強度Ｐｙとから関数ｆ＝√Ｐｘ＋ｉ・√Ｐｙを定義する。但し、ｉは虚数単位である。ＰｘとＰｙの式（１），（２）より、この関数ｆは、ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき（ｍは整数）
ｆ＝√Ｐ０｛ｃｏｓ（θＦ−ｍπ）＋ｉ・ｓｉｎ（θＦ−ｍπ）｝
＝√Ｐ０・ｅｉ・（θＦ−ｍπ） ……（７）
と表すことができ、（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき
ｆ＝√Ｐ０｛ｃｏｓ（ｍπ−θＦ）＋ｉ・ｓｉｎ（ｍπ−θＦ）｝
＝√Ｐ０・ｅｉ・（ｍπ−θＦ） ……（８）
と表すことができる。よって、関数ｆのｌｏｇ（対数）をとりその虚数部を考えると、次式を得る。但し、Ｉｍ（ｘ）はｘの虚数部を表す。
Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））＝θＦ−ｍπ （ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき） ……（９Ａ）
＝ｍπ−θＦ （（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき） ……（９Ｂ）
この値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））は、実際のファラデー回転角θＦを、その値が０からπ／２までの範囲となるように変換した値に相当するものであり、真のファラデー回転角を求めるための仮値としての意味を持っている。
【００４３】
同様に、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘと受光素子１５−４による受光強度Ｐδｙとから関数ｆδ＝√Ｐδｘ＋ｉ・√Ｐδｙを定義すると、次式（ファラデー回転角の仮値）を得る。
Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＝θＦ−ｍπ−δ （ｍπ≦θＦ＜（ｍ＋１／２）πのとき） ……（１０Ａ）
＝ｍπ−θＦ−δ （（ｍ−１／２）π≦θＦ＜ｍπのとき） ……（１０Ｂ）
【００４４】
図４は、ファラデー回転角θＦと関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）），Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））との関係を表すグラフであり、第１の実施形態の図２に相当する。このグラフの横軸はセンサファイバ１１によるファラデー回転角θＦ、縦軸は受光素子１５−１〜１５−４の受光強度Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙから計算される関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））をそれぞれ表している。図４に示すように、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））は、図２の受光強度Ｐｘ，Ｐδｘと同様、ファラデー回転角θＦの変化に対して周期的に変化しており、また、両者は、一方を他方に対して横軸方向にδだけシフトさせた関係にある。
【００４５】
そこで、第１の実施形態と同様に、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））とＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））の大小関係を判定することによって、正しいファラデー回転角が第１象限又は第３象限内の値であるか、第２象限又は第４象限内の値であるかを判別することができる。具体的には、図４から理解されるように、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））が関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））より小さい場合には、正しいファラデー回転角は第１象限又は第３象限内の値であることになり、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））が関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））より大きい場合には、正しいファラデー回転角は第２象限又は第４象限内の値であることになる。
【００４６】
そして更に、第１の実施形態と同様に、前回のファラデー回転角の確定値との差の絶対値が最小となるようにファラデー回転角を決定することによって、複数の象限の中からファラデー回転角を一意に特定することができる。
【００４７】
次に、ファラデー回転角θＦの上記決定方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図５に当該処理フローを示す。
【００４８】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１〜１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐδｘ，Ｐδｙの値を取得し、関数値Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））及びＩｍ（ｌｏｇ（ｆδ））を計算する（ステップＳ２１）。信号処理部１６は、計算した関数値を比較して、Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＜Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））の場合はファラデー回転角θＦは第１象限又は第３象限に存在すると判定し、Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆδ））＞Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ））の場合はファラデー回転角θＦは第２象限又は第４象限に存在すると判定する（ステップＳ２２）。
【００４９】
そして、信号処理部１６は、この判定結果に従って以下の値
θｔｅｍｐ＝Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）） ……（１１）
（ファラデー回転角が第１象限又は第３象限の場合。但し０≦θｔｅｍｐ＜π／２）、
又は、
θｔｅｍｐ＝π−Ｉｍ（ｌｏｇ（ｆ）） ……（１２）
（ファラデー回転角が第２象限又は第４象限の場合。但しπ／２≦θｔｅｍｐ＜π）
を計算し、この値θｔｅｍｐを用いてファラデー回転角の候補θｔｅｍｐ＿ｎ＝θｔｅｍｐ＋ｎπ（ｎ＝０，±１，±２，…）を計算する（ステップＳ２３）。
【００５０】
この後、信号処理部１６は、第１の実施形態のステップＳ１４〜ステップＳ１７と同じ処理（ステップＳ２４〜ステップＳ２７）を行うことで、被測定電流Ｉを計算する。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、信号処理部１６の処理方法の更なる他の例を説明する。
ここでは、第２検光子１４Ｂの光学バイアスをδ＝４５度に設定する。このとき、受光素子１５−３による受光強度Ｐδｘは上述の式（３）からＰδｘ＝Ｐ０ｃｏｓ２（θＦ−π／４）＝（Ｐ０／２）・（ｓｉｎ２θＦ＋１）となるので、ＳＡ＝ｓｉｎ２θＦとおく。また、第１検光子１４Ａの側の受光素子１５−１による受光強度Ｐｘは上述の式（１）からＰｘ＝（Ｐ０／２）・（ｃｏｓ２θＦ＋１）と表せるので、同様にＳＢ＝ｃｏｓ２θＦとおく。ＳＡ，ＳＢは、受光強度Ｐδｘ，Ｐｘの中央値からの変化分である。
【００５２】
図６は、ファラデー回転角θＦと受光強度の変化分ＳＡ，ＳＢとの関係を表すグラフである。グラフの横軸はセンサファイバ１１によるファラデー回転角θＦ、縦軸は受光強度Ｐｘ，Ｐδｘから上記のように計算される変化分ＳＡ及びＳＢをそれぞれ表している。この図から、ファラデー回転角θＦが例えば−π／４からπ／４までの範囲（幅でπ／２の範囲）では、ＳＡはファラデー回転角θＦと一対一に対応しているからＳＡのみを用いてファラデー回転角を求めることができるが、当該範囲を超えるとＳＡの周期性からＳＡのみではファラデー回転角θＦを一意に決めることができない。
【００５３】
しかし、受光強度の変化分ＳＡとＳＢとの組み合わせを用いれば、−π／２からπ／２までの範囲（幅でπの範囲）においてファラデー回転角θＦを一意に求めることが可能である。図７を参照して具体的に説明する。図７（Ａ）は、横軸にＳＡ、縦軸にＳＢをとったときにファラデー回転角θＦの変化とともに座標（ＳＡ，ＳＢ）の軌跡が描くリサージュ図形を示している。ＳＡ，ＳＢの定義から明らかなように、このリサージュ図形は半径１の円となる。
【００５４】
図７（Ａ）のリサージュ図形において、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、ファラデー回転角がθＦ＝０のとき、正側のＳＢ軸上にある。そしてファラデー回転角がゼロから増加していくと、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、このリサージュ図形上を右回りに移動して、ファラデー回転角がθＦ＝π／４のときにＳＡ軸（正側）を横切り、ファラデー回転角がθＦ＝π／２のときに負側のＳＢ軸上に達する。また、ファラデー回転角がゼロから減少していくと、座標点（ＳＡ，ＳＢ）は、このリサージュ図形上を左回りに移動して、ファラデー回転角がθＦ＝−π／４のときにＳＡ軸（負側）を横切り、ファラデー回転角がθＦ＝−π／２のときに負側のＳＢ軸上に達する。よって、−π／２≦θＦ＜π／２の範囲では、異なるファラデー回転角θＦに対応する座標点（ＳＡ，ＳＢ）は重なることがないから、ＳＡとＳＢとの組み合わせからファラデー回転角θＦを一意に特定することができる。
【００５５】
次に、図７（Ｂ）を参照して、ファラデー回転角θＦの計算方法を説明する。同図は、図７（Ａ）と同じリサージュ図形を表したものである。図７（Ｂ）において、リサージュ図形上の点Ｓと点Ｔは、それぞれファラデー回転角θＦ＝−Δθ，Δθに対応する点である。点Ｓから点Ｔまでの範囲（−Δθ≦θＦ＜Δθ）では、ＳＡの値とファラデー回転角は一対一に対応しており、また、Δθが小さければＳＢの値は殆ど変化しないので、ＳＡの値のみを用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｓｉｎ−１（ＳＡ） ……（１３）
と計算できる。点Ｗから点Ｐまでの範囲（π／２−Δθ≦θＦ＜π／２又は−π／２≦θＦ＜Δθ−π／２）においても同様である。
【００５６】
また、点Ｕと点Ｖは、それぞれファラデー回転角θＦ＝π／４−Δθ，π／４＋Δθに対応している。点Ｕから点Ｖまでの範囲（π／４−Δθ≦θＦ＜π／４＋Δθ）においては、ＳＢの値とファラデー回転角が一対一に対応しており、また、Δθが小さければＳＡの値は殆ど変化しないので、ＳＢの値のみを用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｃｏｓ−１（ＳＢ） ……（１４）
と計算できる。点Ｑから点Ｒまでの範囲（−π／４−Δθ≦θＦ＜Δθ−π／４）においても同様である。
【００５７】
また、上記以外の範囲、即ち、点Ｐから点Ｑまで、点Ｒから点Ｓまで、点Ｔから点Ｕまで、及び点Ｖから点Ｗまでの範囲においては、ＳＡとＳＢの両方の値を用いて、その定義式からファラデー回転角を
θＦ＝（１／２）ｔａｎ−１（ＳＡ／ＳＢ） ……（１５）
と計算する。
【００５８】
次に、以上説明したファラデー回転角θＦの計算方法を用いて被測定電流Ｉを計算する信号処理部１６の処理フローを説明する。図８に当該処理フローを示す。
【００５９】
まず、信号処理部１６は、受光素子１５−１と受光素子１５−３からの各電気信号によって受光強度Ｐｘ及び受光強度Ｐδｘの値を取得し、取得したＰｘ，Ｐδｘそれぞれの中央値からの変化分ＳＡ及びＳＢを計算する（ステップＳ３１）。信号処理部１６は、得られたＳＡ，ＳＢによって定まる座標点（ＳＡ，ＳＢ）が、図７（Ｂ）のリサージュ図形上の点Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ，Ｖ，Ｗで区切られた各範囲のうちのどこに属するかを判定し、その判定結果に応じ上記の式（１３）〜（１５）のいずれかを用いてファラデー回転角θＦを計算する（ステップＳ３２）。そして、信号処理部１６は、このようにして求めたファラデー回転角θＦと、θＦ＝Ｖ・Ｉの関係式とから被測定電流Ｉを計算する（ステップＳ３３）。その後、信号処理部１６は、必要に応じてステップＳ３１からの処理を繰り返す。
【００６０】
上記のステップＳ３２に代えて、次のような方法でファラデー回転角θＦを求めてもよい。図９は、図７（Ｂ）のリサージュ図形に対応して定義されるルックアップテーブルを説明する図である。図９において、リサージュ図形を含む矩形領域が、Ｎ行×Ｎ列からなるＮ２個の要素領域に区分けされている（この例ではＮ＝８）。各要素領域は、第Ｉ領域から第ＶＩＩ領域までの７種類に分類されており、それぞれ以下の数式が割り当てられている。
【００６１】
第Ｉ領域： θＦ＝ＳＡ／２
第ＩＩ領域： θＦ＝−ＳＢ／２＋π／４
第ＩＩＩ領域： θＦ＝（−ＳＡ＋π）／２
第ＩＶ領域： θＦ＝（−ＳＡ−π）／２
第Ｖ領域： θＦ＝ＳＢ／２−π／４
第ＶＩ領域： θＦ＝（１／２）ｔａｎ−１（ＳＡ／ＳＢ）
第ＶＩＩ領域： θＦ＝未設定（エラー）
ここで、第Ｉ〜第Ｖ領域の数式は、上記の式（１３），（１４）を近似した式であり、第ＶＩ領域の数式は、上記の式（１５）である。なお、第ＶＩＩ領域は、リサージュ図形から大きく外れているため何らかの測定異常が疑われるので、θＦは未設定（エラー）とした。
【００６２】
このようにＮ行×Ｎ列の要素に数式を割り当てたものがルックアップテーブルである。このルックアップテーブルは信号処理部１６のＲＡＭに記憶されている。信号処理部１６は、座標点（ＳＡ，ＳＢ）が第Ｉ〜第ＶＩＩ領域のいずれに存在するかを判定して、その判定結果に応じた数式を用いてファラデー回転角θＦを計算する。
【００６３】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第３の実施形態において、第２検光子１４Ｂの光学バイアスをδ≠４５度の値に設定してもよい。この場合、リサージュ図形は円ではなく楕円となるが、ファラデー回転角θＦを計算する原理は同じである。
また、図９のルックアップテーブルは、数式の代わりにファラデー回転角θＦの値を直接記憶したものであってもよい。
また、図１の偏波無依存型光分岐素子１３（ハーフミラー）では、反射による位相変化により反射光が僅かに楕円偏光となってしまうため、反射光が通過する方の第２検光子１４Ｂの前段に複屈折板等の偏光補償手段を設けることが好ましい。
【００６４】
更に、本発明にかかる光ファイバ電流センサの光学系は、図１０〜図１２のような構成を採用することもできる。但し、いずれの構成においても信号処理部１６の信号処理方法は上述と同じである。
図１０は、図１と同様、透過型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを２系統（センサファイバ１１−１，１１−２）とし、センサファイバの前段で光分岐素子１３’（光ファイバ型カプラ）により分岐した光を、偏光子１２−１，１２−２を介してそれぞれセンサファイバ１１−１，１１−２へ入射する構成である。フェルールＦ，レンズＬ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１と同じである。
図１１は、反射型の光ファイバ電流センサであり、センサファイバ１１の先端に設けられたミラーＭ０で反射され再びセンサファイバ１１を反対向きに通過した光が、ハーフミラーＨで反射され偏波無依存型光分岐素子１３へ入射するように構成されている。レンズＬ，偏波無依存型光分岐素子１３，ミラーＭ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１と同じである。
図１２は、図１１と同様、反射型の光ファイバ電流センサであるが、センサファイバを２系統（センサファイバ１１−１，１１−２）とし、センサファイバの前段で光分岐素子１３’（光ファイバ型カプラ）により分岐した光を各センサファイバ１１−１，１１−２へ入射する構成である。第２検光子１４Ｂの側の系には、光学バイアスをδ＝４５度とするために片道２２．５度のファラデー回転を与えるファラデー回転子Ｇが用いられる。また、光サーキュレータＲは、センサファイバからの光を受光素子側へのみ伝送するために用いられている。フェルールＦ，レンズＬ，第１検光子１４Ａ，第２検光子１４Ｂは図１や図１０と同じである。
図１０及び図１２のようにセンサファイバを２系統とした構成は、ケースＣ内の空間光学系が簡素となるため、この空間光学系の組み立ての容易性、小型化、信頼性の面でセンサファイバが１系統の構成より優れている。また、ミラーやハーフミラーが不要となるため、上記したような、反射光が楕円偏光化してしまう現象を抑制できるメリットもある。
【符号の説明】
【００６５】
１１…センサファイバ １２…偏光子 １３…偏波無依存型光分岐素子 １４Ａ…第１検光子 １４Ｂ…第２検光子 １５−１〜１５−４…受光素子 １６…信号処理部 ２１…光源 １００…導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる信号と前記第２光電変換手段により得られる信号の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項２】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第１の仮値を算出し、前記第２光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第２の仮値を算出し、前記算出した第１の仮値と第２の仮値の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角の真値を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項３】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる信号に基づく第１値と前記第２光電変換手段により得られる信号に基づく第２値とにより定まる座標点が描くリサージュ図形上における該座標点の位置に従って、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項４】
前記信号処理手段は、前記被測定電流の変化によるファラデー回転角の変化が最小となるように前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項５】
前記信号処理手段は、前記リサージュ図形上において前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第１値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求め、前記リサージュ図形上において前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第２値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項６】
前記センサファイバは、前記第１検光子側の系をなす第１センサファイバと前記第２検光子側の系をなす第２センサファイバとからなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１の項に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項１】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる信号と前記第２光電変換手段により得られる信号の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項２】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した互いに直交する偏光成分の光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第１の仮値を算出し、前記第２光電変換手段により得られる２つの偏光成分に対応する信号に基づき前記ファラデー回転角の第２の仮値を算出し、前記算出した第１の仮値と第２の仮値の大小関係に基づいて前記ファラデー回転角が存在する象限を判定することによって、前記ファラデー回転角の真値を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項３】
センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、
前記センサファイバと、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が第１角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第１検光子と、
前記センサファイバに入射される直線偏光の偏波面に対して主軸が前記第１角度と異なる第２角度をなすように設置され、前記センサファイバを伝搬した直線偏光が入射される第２検光子と、
前記第１検光子を通過した光を光電変換する第１光電変換手段と、
前記第２検光子を通過した光を光電変換する第２光電変換手段と、
前記第１光電変換手段により得られる信号に基づく第１値と前記第２光電変換手段により得られる信号に基づく第２値とにより定まる座標点が描くリサージュ図形上における該座標点の位置に従って、前記ファラデー回転角を求める信号処理手段と、
を具備することを特徴とする光ファイバ電流センサ。
【請求項４】
前記信号処理手段は、前記被測定電流の変化によるファラデー回転角の変化が最小となるように前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項５】
前記信号処理手段は、前記リサージュ図形上において前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第１値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求め、前記リサージュ図形上において前記第２値とファラデー回転角が一対一に対応し且つ前記第１値とファラデー回転角が一対一に対応しない範囲では前記第２値のみに基づいて前記ファラデー回転角を求めることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ電流センサ。
【請求項６】
前記センサファイバは、前記第１検光子側の系をなす第１センサファイバと前記第２検光子側の系をなす第２センサファイバとからなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１の項に記載の光ファイバ電流センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１７６７６（Ｐ２０１１−１７６７６Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３９５３（Ｐ２００９−１６３９５３）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]