JP5756966B2 - 電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファラデー効果を利用した電流測定装置に関し、光をセンサ用光ファイバの一端側から入射して、他端側で反射させる反射型の電流測定装置の改良に関するものである。

光ファイバのファラデー効果を利用することにより、小型、フレキシブル、耐電磁雑音、長距離信号伝送、耐電圧など、様々な利点をもつ電流測定装置が知られている。このような電流測定装置の一例として、光の偏光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、反射型の電流測定装置が特許文献１に開示されている。

図２１に、特許文献１の図１８に示される電流測定装置１００を示す。この電流測定装置１００は、センサ用光ファイバ１０１に鉛ガラスファイバを用いると共に、センサ用光ファイバ１０１の他端にミラー１０２を配置した反射型の電流測定装置１００である。センサ用光ファイバ１０１は被測定電流が流れている導体１０３の外周に、被測定電流の検出用に周回設置され、センサ用光ファイバ１０１の一端側から入射した直線偏光を、ミラー１０２で往復する間に、被測定電流の磁界で回転する直線偏光のファラデー回転角を測定することを基本構成としている。

更に、１０４は光源、１０５はサーキュレータ、１０６は方解石などの偏光分離部、１０７は永久磁石（１０７ａ）とＹＩＧなどの強磁性体結晶（１０７ｂ）からなるファラデー回転子、１０８ａと１０８ｂはフォトダイオード（ＰＤ）、１０９ａと１０９ｂはアンプ（Ａ）、１１０ａと１１０ｂはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、１１１ａと１１１ｂはローパスフィルタ（ＬＰＦ）、１１２ａと１１２ｂは電気信号の交流成分と直流成分との比を求めるための除算器、１１３は極性反転器、１１４は乗算器である。なお、１１５は光学系、１１６は信号処理回路である。

光源１０４から出射され、偏光分離部１０６で常光線と異常光線とに分離された直線偏光のうち、常光線に相当する直線偏光が強磁性体結晶１０７ｂを通過後、センサ用光ファイバ１０１に入射する。更に、ミラー１０２で反射し、再びセンサ用光ファイバ１０１、強磁性体結晶１０７ｂを通過し、偏光分離部１０６に入射する。

前記直線偏光が強磁性体結晶１０７ｂ及びセンサ用光ファイバ１０１を通過する際に前記直線偏光の偏光面は回転するため、前記直線偏光は偏光分離部１０６によって垂直な２つの方向の偏光成分に分離される。分離されたそれぞれの偏光成分の光は、図２１のサーキュレータ１０５と偏光分離部１０６とにより、それぞれ受光素子１０８ａ及び１０８ｂに導かれる。

フォトダイオード１０８ａ、１０８ｂからは受光した光の強度に比例する電流又は電圧が、電気信号として出力される。これらの電気信号はアンプ１０９ａ、１０９ｂを通過した後、ＢＰＦ１１０ａ、１１０ｂ、ＬＰＦ１１１ａ、１１１ｂにより交流成分と直流成分に分離され、除算器１１２ａ、１１２ｂによって交流成分と直流成分との比が求められた後、除算器１１２ａからの出力信号に関しては、極性反転器１１３により極性が反転される。更に、極性反転器１１３及び除算器１１２ｂから出力される信号Ｓａ及びＳｂの平均が乗算器１１４によって求められ、この平均が電流測定装置１００の被測定電流に対する測定値Ｓｏｕｔとして出力される。

センサ用光ファイバ１０１側に設けられるファラデー回転子１０７としては、磁気飽和時に２２．５°のファラデー回転角を有するファラデー回転子が使用される。（例えば、特許文献２参照）

ＷＯ２００６／０２２１７８号公報（第４−７頁、図１８） ＷＯ２００３／０７５０１８号公報（第８頁、図１）

しかしながら、電流測定装置に用いるファラデー回転子１０７のファラデー回転角は周囲の温度に依存する特性（温度特性）を有する。従って、従来のファラデー回転子１０７では、ファラデー回転子１０７の温度特性を低減するために図２１に示すように信号処理回路１１６及び光電変換素子（フォトダイオード１０８ａ、１０８ｂ）を二重化し、２つの変調信号Ｓａ、Ｓｂの平均を求めることにより、強磁性ファラデー回転子１０７のファラデー回転能の温度依存性がもたらす出力Ｓｏｕｔへの影響を小さくしていた。

しかしながら、センサ用光ファイバ１０１にもヴェルデ定数及びファラデー回転角の温度依存による比誤差−温度特性が存在するため、ファラデー回転子１０７の補償だけでなくセンサ用光ファイバ１０１の温度特性の補償（低減）も必要である。ファラデー回転子１０７及びセンサ用光ファイバ１０１の補償は共に前記信号処理回路１１６により行われていたものの完全ではなく、また、このような補償は電流測定装置１００の信頼性向上の面から、光学系１１５での補償が望まれている。

図２２（ａ）は図２１の場合の変調信号Ｓａ、Ｓｂの誤差率と温度との関係を示し、同（ｂ）はセンサ用光ファイバ１０１の温度特性を示している。すなわち、図２２（ａ）のように変調信号Ｓａ、Ｓｂの平均処理を行っても、図２２（ｂ）に示すような課題、つまりセンサ用光ファイバ１０１が鉛ガラスファイバの場合、センサ用光ファイバ１０１のヴェルデ定数の温度依存に起因する、センサ出力の温度特性を完全に補償することができないという課題が残存していた。

従って、ファラデー回転子１０７とセンサ用光ファイバ１０１の両方の温度特性を完全に補償する電流測定装置１００が望まれていた。特に信号処理回路１１６から出力される、被測定電流１０３の測定値（Ｓｏｕｔ）における比誤差の変動幅を±０．５％以内に抑えることが、保護継電器用途への適用から要求されていた。

本発明の電流測定装置は上記課題に基づいて為されたものであり、その目的はセンサ用光ファイバとファラデー回転子の比誤差−温度特性の補償を電流測定装置の光学系で行うことが可能な電流測定装置を提供することである。

更に、電流測定装置の出力における比誤差の変動幅を、±０．５％の範囲内に収めることを目的とする。

本発明の請求項１に記載の電流測定装置は、少なくともセンサ用光ファイバと、偏光分離部と、ファラデー回転子と、光源と、光電変換素子を備える信号処理回路を含み、
前記センサ用光ファイバは被測定電流が流れている導体の外周に周回設置されると共に、直線偏光を入射するための一端と、入射した前記直線偏光を反射する他端とを備え、
前記偏光分離部は、前記センサ用光ファイバの一端側に設けられると共に、
前記ファラデー回転子は、前記センサ用光ファイバの一端側と前記偏光分離部との間に配置され、
更に、
前記ファラデー回転子の磁気飽和時のファラデー回転角を温度２３℃において２２．５°＋α°に設定することで、前記信号処理回路から出力される前記被測定電流の測定値における比誤差と温度特性との曲線が高温側へとシフトし、前記比誤差の変動幅が±０．５％の範囲内に設定され、前記変動幅が±０．５％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることを特徴とする電流測定装置である。

更に、本発明の請求項２に記載の電流測定装置は、前記１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項３に記載の電流測定装置は、前記ファラデー回転子が、温度の変化に伴って磁気飽和時のファラデー回転角が２次曲線状に変化するファラデー回転角−温度特性を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項４に記載の電流測定装置は、前記ファラデー回転子が、２つ以上のファラデー素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項５に記載の電流測定装置は、前記２つ以上のファラデー素子のファラデー回転角がそれぞれ異なることを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項６に記載の電流測定装置は、前記信号処理回路から出力される前記被測定電流の測定値における比誤差の変動幅が、±０．２％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項７に記載の電流測定装置は、前記変動幅が±０．２％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることを特徴とする請求項６に記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項８に記載の電流測定装置は、前記１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置である。

更に、本発明の請求項９に記載の電流測定装置は、前記センサ用光ファイバが鉛ガラスファイバであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の電流測定装置である。

本発明の請求項１に係る電流測定装置に依れば、温度２３℃においてファラデー回転子の回転角を２２．５°からα°だけ変化させてファラデー回転子の比誤差の変動幅を減少させることで、信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を、±０．５％の範囲内に抑えている。従って、測定値における比誤差−温度特性補償を、ファラデー回転子という光学系で行うことが可能となるので、電流測定装置の信頼性が向上すると共に、比誤差の変動幅を±０．５％以内に抑えることで、保護継電器用途への適用が可能な電流測定装置を実現することが出来る。

更に、請求項２又は７、８に係る電流測定装置では、±０．５％又は±０．２％の比誤差変動幅を、１００℃（−２０℃以上８０℃以下）の温度範囲に亘って実現することにより、−１０℃以上４０℃以下の常温域をカバーする実用性を備えた電流測定装置を構成することが可能となる。

又、請求項３又は６に係る電流測定装置に依れば、温度の上昇に伴って磁気飽和時のファラデー回転角が２次曲線状に変化するファラデー回転角−温度特性を有するファラデー回転子を備えることにより、信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を、±０．５％又は±０．２％の範囲内に設定することが可能となる。従って±０．５％範囲内の用途に加えて、±０．２％範囲内の比誤差−温度特性が要求される用途（例えば電気料金を計量するための電力量計）に電流測定装置を使用することが可能となる。

又、請求項４に係る電流測定装置に依れば、所望の回転角を有するファラデー回転子を安定して得ることが出来る。更に、請求項５に係る電流測定装置に依れば、各ファラデー素子のファラデー回転角をそれぞれ異なるように構成することが可能となるので、各ファラデー素子の温度特性を所望の特性に設定することが出来る。

更に、請求項９に係る電流測定装置では、センサ用光ファイバに鉛ガラスファイバを用いるため、電流測定装置の比誤差の変動幅を減少させる際に、鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性を加えた上でファラデー回転子の回転角α°を調節する。このように電流測定装置を構成することにより、センサ用光ファイバに鉛ガラスファイバを使用しても、信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を±０．５％（又は±０．２％）の範囲内に抑えることが可能となる。

本発明にかかる電流測定装置の最良の形態を示す構成図。 直線偏光が往復で透過する際に、温度２３℃において４５°のファラデー回転角を有するファラデー回転子を備えた電流測定装置の−２０℃以上８０℃以下の温度範囲における比誤差−温度特性を模式的に示すグラフ。 温度２３℃におけるファラデー回転角を２２．５°からα°だけ変化させ、往復で透過する際のファラデー回転角温度依存性を模式的に示すグラフ。 ファラデー回転角を２２．５°からα°だけ変化させ、比誤差−温度特性の曲線を高温度側へとシフトさせたファラデー回転子を備える電流測定装置の、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲における比誤差−温度特性を模式的に示すグラフ。 図１の電流測定装置において、光源から反射膜に至るまでの光の偏光状態を示す説明図。 図１の電流測定装置において、反射膜で反射され第１及び第２光電変換素子に至るまでの光の偏光状態を示す説明図。 図１の電流測定装置において、信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差−温度特性グラフの一例。 センサ用光ファイバに用いる鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性を模式的に示すグラフ。 本発明にかかる電流測定装置の別形態を示す構成図。 第１ファラデー素子のファラデー回転角−温度特性を模式的に示すグラフ。 第２ファラデー素子のファラデー回転角−温度特性を模式的に示すグラフ。 図９と図１０のファラデー回転角−温度特性を組み合わせた比誤差−温度特性を示すグラフ。 図１２のファラデー回転角温度依存性から得られる被測定電流の測定値における、電流測定装置の比誤差−温度特性グラフの一例。 本発明の電流測定装置の実施例１における比誤差−温度特性グラフ。 本発明の電流測定装置の実施例２におけるファラデー素子１９ａのファラデー回転角−温度特性の一例を示すグラフ。 本発明の電流測定装置の実施例２におけるファラデー素子１９ｂのファラデー回転角−温度特性の一例を示すグラフ。 本発明の電流測定装置の実施例２におけるファラデー素子１９ａおよび１９ｂの合計のファラデー回転角−温度特性の一例を示すグラフ。 本発明の電流測定装置の実施例２における比誤差−温度特性グラフ。 本発明の電流測定装置の実施例３における第１ファラデー回転子に用いるファラデー回転子のファラデー回転角−温度特性を示すグラフ。 本発明の電流測定装置の実施例３における比誤差−温度特性グラフ。 従来の電流測定装置を示す構成図。 図２１の電流測定装置の変調度の誤差率と温度との関係及びセンサ用光ファイバの比誤差−温度特性グラフ。 第１光ファイバ及び第２光ファイバの各端面形状の変更例を示す部分模式図。

以下、本発明の最良の実施形態について、図１乃至図８を参照して説明する。図１は、本発明にかかる電流測定装置１の最良の形態を示す構成図である。同図に示した電流測定装置１は、センサ用光ファイバ２と、偏光分離器８と、ファラデー回転子７と、光源１３、及び後述する図示しない信号処理回路とを含んで構成される。

センサ用光ファイバ２は、被測定電流Ｉが流れている導体５の外周に周回設置される。センサ用光ファイバ２は鉛ガラスファイバで構成され、内部に直線偏光ＬＯと、センサ用光ファイバ２の他端で反射された直線偏光ＬＲを伝搬する。センサ用光ファイバ２の他端には反射材として反射膜６が設けられる。なお、前記他端には反射膜６の他にも任意の反射材を採用することが可能であり、例えば、金、銀、銅、クロム、アルミなど、光に対して低吸収率で高反射率の金属や、誘電体多層膜によるミラーを設けても良い。

光回路部３は、常光線と異常光線の何れか一方の直線偏光をセンサ用光ファイバ２に入射し、更に、センサ用光ファイバ２から出射された直線偏光の偏光面のファラデー回転角を検出するために、センサ用光ファイバ２から出射された直線偏光を常光線と異常光線とに分離する回路である。その光回路部３は、ファラデー回転子７（以下、「第１ファラデー回転子７」と記載）、偏光分離部としての複屈折素子８（以下、「偏光分離部８」と記載）、第１光ファイバ９、第２光ファイバ１０、及びレンズ１１を備える。

第１ファラデー回転子７は、外周に永久磁石７ａが設けられた光透過型の光学素子であり、ビスマス置換型ガーネット単結晶で形成され、センサ用光ファイバ２の入射端である一端側２ａの近傍に設けられ、入射する直線偏光ＬＯと、反射した直線偏光ＬＲの偏光面を磁気飽和によるファラデー回転角分だけ回転させる。従って、第１ファラデー回転子７を透過する前の直線偏光ＬＯの偏光面と、第１ファラデー回転子７を透過した後の直線偏光ＬＲの偏光面は、被測定電流Ｉの影響を受けない場合、前記ファラデー回転角の２倍回転し、合計で４５°回転する。このように、直線偏光の偏光面を４５°回転する目的は、偏光分離部８において、直線偏光ＬＲを常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２に分離して、常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２によって直線偏光ＬＯ又はＬＲのファラデー回転角を求め、ファラデー回転角から被測定電流Ｉの値を算出するためである。

本発明では、直線偏光ＬＯとＬＲが往復で透過する際の、磁気飽和時における合計のファラデー回転角を、温度２３℃において４５°から若干変化するように設定する。なおファラデー回転角の温度を２３℃に定義した根拠は、常温においてファラデー回転角を計測するに当たって最も簡単に計測できる温度として本出願人が設定したためである。従って、直線偏光ＬＯ又はＬＲが第１ファラデー回転子７を１回透過する際のファラデー回転角は、２２．５°＋若干の変化分α°となる。図２に、直線偏光が往復で透過する際に温度２３℃において４５°のファラデー回転角を有する電流測定装置の信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における−２０℃以上８０℃以下の温度範囲における比誤差−温度特性を模式的に示したグラフを表す。温度範囲を−２０℃以上８０℃以下の１００℃に定義した根拠は、本出願人の客先からの要求による。

図２に示すように、電流測定装置の比誤差は温度が上昇するにつれて非線形に増大する。このような比誤差−温度特性において、温度２３℃におけるファラデー回転角を２２．５°から若干の回転角α°だけ変化するように設定することにより、図３に示すように往復で回転角は４５°＋２α°となる。これにより図４に示すように電流測定装置の比誤差−温度特性の曲線は高温側へとシフトする。この結果、図２と図４を比較して分かるように、比誤差の変動幅を減少させることが可能となる。回転角α°は、比誤差−温度特性の曲線をシフトさせたときに、比誤差の変動幅が減少する範囲内で任意に設定可能である。このようにファラデー回転角を２２．５°からα°だけ変化させることにより、電流測定装置の比誤差の変動幅を減少させることを本発明は基本概念としている。

偏光分離部８は光透過型の光学素子であり、センサ用光ファイバ２の入射端である一端側２ａの近傍の、第１ファラデー回転子７の光電変換部４側に設置されている。従って、ファラデー回転子７は、センサ用光ファイバ２の一端側２ａと偏光分離部８との間に配置されることになる。偏光分離部８は、前記の通り複屈折素子から構成されており、直線偏光が結晶軸と直交に入射したときには直線偏光をそのまま透過し、直線偏光が結晶軸に沿って入射したときには直線偏光を平行移動させて出射させる、偏光分離素子としての機能を備える。このような直交する二面以外の偏光面で入射した直線偏光は、それぞれのベクトル成分に光強度が分離され、常光線はそのまま透過され、異常光線は平行移動して出射される。従って、偏光分離部８は、センサ用光ファイバ２からの直線偏光ＬＲを、相互に直交する常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２とに分離すると共に、後述する光源１３から出射される直線偏光ＬＯを透過させる機能を有する。

偏光分離部８の材料は、ルチル、ＹＶＯ４、ニオブ酸リチウム、方解石から選択することができる。このような材料から選択された複屈折素子は、所定の厚みで、対向する光入出射用光学面が平行となる平板に加工されて偏光分離部８とされ、平行な光学面の一方が、第１光ファイバ９及び第２光ファイバ１０の端面９ａ及び１０ａと対向し、他方の光学面がレンズ１１と対向するように設置される。このような偏光分離部８では、直線偏光ＬＲが一方の光学面から入射すると、常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２とに分離し、他方の平面から出射する際に、これらの常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２を所定の分離間隔を隔てて平行に出射する。

第１光ファイバ９は偏波面保存ファイバで構成され、一端側の端面９ａが偏光分離部８の近傍に配置される。或いは端面９ａと偏光分離部８が当接するように配置しても良い。その結果、第１光ファイバ９は、直線偏光ＬＯを偏光分離部８に入射させると共に、偏光分離部８から出射される常光線Ｌ１を光電変換部４側に伝搬する機能を有する。

第２光ファイバ１０は、シングルモード光ファイバやマルチモード光ファイバ、又は偏波面保持ファイバなどで構成され、一端側の端面１０ａが偏光分離部８の近傍に配置される。或いは、端面１０ａと偏光分離部８が当接するように配置しても良い。その結果、第２光ファイバ１０は、偏光分離部８から出射される異常光線Ｌ２を光電変換部４側に伝搬する機能を有する。

本実施形態の場合、第１及び第２光ファイバ９、１０は、一端側の端面９ａ、１０ａどうしが同一平面上に配置され、更に所定間隔を隔てて二芯構造のフェルール１２により保持される。前記所定間隔は、平行平板状の偏光分離部８の厚みと、選択された材料の物性に応じて設定される。前記所定間隔を、偏光分離部８の分離間隔と一致させることで、常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２を各光ファイバ９、１０のコアに入射させることができる。なお、第１及び第２光ファイバ９、１０を所定間隔に保持する手段はフェルール１２に限る必要は無く、例えば、平行な２本のＶ字溝を備え、光ファイバ９、１０をＶ溝内に配置することで、双方の位置決めが可能なアレイ基板であっても良い。

レンズ１１は本実施形態の場合には単一のレンズで構成され、第１ファラデー回転子７と偏光分離部８との間に設置され、各結像点が、センサ用光ファイバ２の一端２ａと、第１光ファイバ９の端面９ａの各コアに設定される。本実施形態の場合、センサ用光ファイバ２の一端２ａと第１光ファイバ９の一端面９ａは、それぞれの光軸と直交する直立面になっていて、レンズ１１の結像点は各ファイバのコアの略中心上に設定される。

なお、端面９ａ、１０ａは図２３に示すように斜めに研磨加工を施すように変更しても良い。このように端面９ａ、１０ａを斜めに形成することにより、端面９ａ、１０ａの位置を、レンズ１１における常光線Ｌ１、異常光線Ｌ２ごとの焦点距離に合致させ、第１光ファイバ９及び第２光ファイバ１０の結合効率を向上させることが可能となる。

一方、光電変換部４には、光源１３と、レンズ１４と、偏光分離プリズム１５と、２個の第１、第２光電変換素子１６、１７と、第２ファラデー回転子１８とを備えている。光源１３は、半導体レーザー（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、ＡＳＥ光源などで構成され、所定波長λの光を出射させる。レンズ１４は光源１３の前方に設置され、光源１３から出射される光を結合させて偏光分離プリズム１５に入射させる。偏光分離プリズム１５は、光源１３から出射された光を直線偏光化させ光ファイバ９へ結合すると共に、第１光ファイバ９からの出射光である常光線Ｌ１を、第１光電変換素子１６へと反射させる。第１及び第２光電変換素子１６、１７は、フォトダイオード（ＰＤ）などで構成され、光を受光して電気信号に変換する。

第２ファラデー回転子１８は、外周に永久磁石１８ａが設けられた光透過型の光学素子であり、ビスマス置換型ガーネット単結晶で形成され、偏光分離プリズム１５の前方に設置されて入射する直線偏光を４５°回転させる。このように、直線偏光を４５°回転させる第２ファラデー回転子１８を設けたのは、順方向の直線偏光ＬＯの偏光面に対し、戻ってくる逆方向の直線偏光Ｌ１の偏光面を９０°回転させることで、直線偏光Ｌ１を偏光分離プリズム１５で全て反射させて第１光電変換素子１６に入射させるためである。

第２ファラデー回転子１８の前方には、第１光ファイバ９の他端９ｂが近接配置されている。また、第２光電変換素子１７には、第２光ファイバ１０からの出射光が入射される。

以上のように構成された電流測定装置１の動作を、図１、図５、及び図６を参照して説明する。図５は光源１３から反射膜６に至るまでの光の偏光状態を示す説明図であり、図６は反射膜６で反射され第１及び第２光電変換素子１６、１７に至るまでの光の偏光状態を示す説明図である。光源１３から出射された光（図５（ａ）参照）は、レンズ１４と偏光分離プリズム１５を透過して直線偏光化され、直線偏光ＬＯ（図５（ｂ）参照）が第２ファラデー回転子１８に入射され、偏光面が４５°回転された直線偏光ＬＯ（図５（ｃ）参照）として第１光ファイバ９に入射される。

第１光ファイバ９は偏波面保存ファイバなので、直線偏光ＬＯは偏光面が保存された状態で第１光ファイバ９内を伝搬して、偏光分離部８に入射される。偏光分離素子８の光学面上における結晶軸の方向は、第１光ファイバ９から出射された直線偏光ＬＯの偏光面に対して直交するように設定される。従って、偏光分離部８に入射した直線偏光ＬＯは、偏光分離部８内部で複屈折を起こすことなく常光線として透過して、偏光分離部８に入射した時の偏光状態のまま偏光分離部８から出射される。

偏光分離部８から出射された直線偏光ＬＯの偏光面は、レンズ１１を透過後に第１ファラデー回転子７を透過する際に、２２．５°＋α°回転される（図５（ｄ）参照）。そして、上述したようにレンズ１１の作用によって、センサ用光ファイバ２の一端２ａに入射される。

センサ用光ファイバ２内に入射した直線偏光ＬＯは、その内部を伝搬して他端側に到達し反射膜６で反射して、再び一端２ａに戻る。このような反射による直線偏光ＬＯ及びＬＲの往復伝搬の間に、直線偏光ＬＯ及びＬＲは被測定電流Ｉによって発生した磁界の影響を受け、その偏光面がファラデー効果により被測定電流Ｉの大きさに応じた角度θ°だけ回転する。θ°は、センサ用光ファイバ２内を直線偏光ＬＯ及びＬＲが往復したときに、被測定電流Ｉによる磁界強度に依存して発生するファラデー回転角である。

一端２ａから出射された直線偏光ＬＲ（図６（ａ）参照）の偏光面は、再度、第１ファラデー回転子７を透過する際に、更に２２．５°＋α°回転され（図６（ｂ）参照）、レンズ１１を透過して偏光分離部８に入射される。従って、第１ファラデー回転子７を透過した後の直線偏光ＬＲの偏光面は、第１ファラデー回転子７を透過する前の直線偏光ＬＯの偏光面に対し、（４５°＋２α°＋θ°）の角度だけ回転していることとなる。

前記の通り、偏光分離部８に入射した直線偏光ＬＲの偏光面は、第１ファラデー回転子７を透過する前の直線偏光ＬＯの偏光面に対して（４５°＋２α°＋θ°）ずれている。このため、直線偏光ＬＲは偏光分離部８において相互に直交する偏光面の常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２とに分離される（図６（ｃ）参照）。常光線Ｌ１は偏光分離部８の前記結晶軸と光軸を含む面と直交する面に沿って出射され、異常光線Ｌ２は結晶軸と光軸を含む面内で振動する偏光面で出射される（図６（ｄ）参照）。被測定電流Ｉによる直線偏光ＬＯ及びＬＲの偏光面の回転が発生していると、分離の際に常光線Ｌ１と異常光線Ｌ２の光量が変化するので、前記偏光面の回転が光強度の変化として光電変換素子１６、１７で検出される。

偏光分離部８から出射された常光線Ｌ１は、端面９ａから第１光ファイバ９に入射され、光電変換部４及び信号処理回路に導かれ、更に第２ファラデー回転子１８で４５°偏光面が回転され（図６（ｅ）参照。なお図の見やすさを確保するため、図６（ｅ）では常光線Ｌ１を拡大図示する。）、偏光分離プリズム１５に入射される。ここで偏光分離プリズム１５に入射する常光線Ｌ１の偏光面は、光源１３から出射され偏光分離プリズム１５を透過した直線偏光ＬＯの偏光面に対して直交しているため（図５（ｂ）及び図６（ｅ）参照）、常光線Ｌ１は偏光分離プリズム１５で反射され、第１光電変換素子１６に受光される。

一方、異常光線Ｌ２は、端面１０ａから第２光ファイバ１０に入射され、光電変換部４及び信号処理回路に導かれて第２光電変換素子１７に受光される。

光電変換素子１６、１７により電気信号に変換された電気信号は、例えば、図２１に示されているような信号処理回路１１６（但し、フォトダイオード１０８ａを光電変換素子１６に、フォトダイオード１０８ｂを光電変換素子１７にそれぞれ置き換えることとする）に入力して、第１光電変換素子１６、第２光電変換素子１７で検出された２つの電流信号のそれぞれの変調度（交流成分／直流成分）の平均が演算され、最終的に直線偏光ＬＲが電気量に変換されることで被測定電流Ｉの大きさを求めることができる。図７に、電流測定装置１において信号処理回路から出力される被測定電流Ｉの測定値における比誤差−温度特性グラフの一例を示す。

本発明では、図７に示すように信号処理回路から出力される、被測定電流Ｉの測定値における比誤差の変動幅を、±０．５％の範囲内に設定するものとする。また前記±０．５％を、１００℃（−２０℃以上８０℃以下）の温度範囲に亘って実現するものとする。前記温度範囲を−２０℃以上８０℃以下の１００℃に設定する理由は、−１０℃以上４０℃以下の常温域をカバーする実用性を考慮したものである。本発明では、このような比誤差の変動幅の±０．５％内の設定を、前述したように第１ファラデー回転子７の回転角を調整することで行うものとする。

センサ用光ファイバ２に用いる鉛ガラスファイバは、図８に示すような比誤差−温度特性を有する。従って、第１ファラデー回転子７の回転角を２２．５°からα°だけ変化させて電流測定装置１の比誤差の変動幅を減少させる際は、鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性を加えた上で、前記信号処理回路から出力される被測定電流Ｉの測定値における比誤差の変動幅が−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．５％の範囲内に収まるように、α°の角度を調節すれば良い。

なお、図１に示した電流測定装置１は図９に示すように、第１ファラデー回転子７を、例えばファラデー回転角が異なる２つのファラデー素子１９ａ、１９ｂで構成した電流測定装置２０に変更可能である。電流測定装置２０では、直線偏光ＬＯとＬＲが往復で２つのファラデー素子１９ａ、１９ｂを透過する際の、磁気飽和時における合計のファラデー回転角を、４５°から若干変化するように設定する。即ち直線偏光ＬＯ又はＬＲが、２つのファラデー素子１９ａと１９ｂをそれぞれ１回透過したときのファラデー回転角の合計を、２２．５°＋若干の変化分α°とするように変更すれば良い。なおファラデー素子の数は２つに限定されず、３つ以上で第１ファラデー回転子７を構成することも可能である。

図１０、図１１はそれぞれのファラデー素子１９ａ、１９ｂのファラデー回転角−温度特性を模式的に示したグラフである。更に、各ファラデー素子のそれぞれのファラデー回転角−温度特性を組み合わせたときのファラデー回転角−温度特性を図１２に示す。図１０に示すように第１ファラデー素子１９ａの回転角は２次曲線状の温度依存性をもつ。また、第２ファラデー素子１９ｂの回転角は図１１に示すように、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って温度の上昇に反比例して一様に減少していることが分かる。従って、この第１ファラデー素子１９ａと第２ファラデー素子１９ｂのファラデー回転角−温度特性を組み合わせると、図１２に示すような温度の上昇に対して２次曲線状に減少するファラデー回転角−温度特性を示す。

前記図８に示すように、センサ用光ファイバ２に用いる鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性は、温度の上昇に比例して一様に増加する。従って、この高温域でのファラデー回転角減少分をファラデー素子１９ａと１９ｂに設けることで、センサ用光ファイバ２に使用される鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性を加えたときに、前記高温域でのファラデー回転角減少分によって鉛ガラスファイバの比誤差変化分が補償されるため、図１３にしめすように、信号処理回路から出力される被測定電流Ｉの測定値における比誤差の変動幅を−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．５％（又は±０．２％）の範囲内に抑えることが可能となる。

電流測定装置１と電流測定装置２０の構成を比較すると、電流測定装置１の方が第１ファラデー回転子７を１枚とすることができるので、その分電流測定装置の構成を簡素化できると共に、信号処理回路から出力される被測定電流Ｉの測定値における比誤差の変動幅も調節しやすくなる。以上の理由により、電流測定装置１が最も好ましい実施形態である。しかしながら、第１ファラデー回転子７のガーネットの組成により、所望の回転角を有するガーネット単結晶が安定して作成することが出来ない場合は、第１ファラデー回転子７を２つ以上のファラデー素子で構成すれば良い。更に、２つ以上のファラデー素子で第１ファラデー回転子７を構成する場合は、各ファラデー素子のファラデー回転角がそれぞれ異なるように構成することにより、各ファラデー素子の温度特性を所望の特性に設定することが出来る。

以下に、第１ファラデー回転子７、又はファラデー素子１９ａ、１９ｂの温度依存特性に対して最適な回転角を設定し、比誤差変動を抑えた実施例１から３を示す。

図１の第１ファラデー回転子７として、光アイソレータに用いられる、図１１に示すようなファラデー回転角−温度特性を有する磁性ガーネットを使用した例を示す。温度２３℃におけるファラデー回転角を２２．５°＋１．０°に設定したファラデー回転子を使用した。即ち、α＝１．０°と設定し、直線偏光ＬＯとＬＲが往復で透過する際の、磁気飽和時における合計のファラデー回転角を４７．０°と設定した。このような第１ファラデー回転子７を備えた電流測定装置１の信号処理回路から出力される、被測定電流Ｉの測定値における温度−比誤差特性を表１及び図１４に示す。なお、表１における「ファラデー回転角」とは直線偏光ＬＯとＬＲが往復で透過する際の磁気飽和時における合計のファラデー回転角であり、「比誤差」とは電流測定装置１の信号処理回路から出力される、被測定電流Ｉの測定値における比誤差である。以下、実施例２乃至実施例３でも同様とする。

表１及び図１４より、第１ファラデー回転子が１つで、α＝１．０°と設定した場合、２３℃を基準とした比誤差を−０．０１〜０．４２％に収めることが可能であることが分かる。即ち、比誤差の変動幅は、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って０．４３％の範囲内となる。

往復での磁性ガーネットの回転角−温度依存性を以下の２次式（数１）で表し、係数ａ及び係数ｂに対する比誤差変動幅の最小値を計算した。なお係数ｃは比誤差変動幅が最小値をとるよう設定した。比誤差変動幅と係数ａおよびｂの関係を表２に示す。また、表２のように比誤差変動幅が最小値となる場合の温度２３℃におけるファラデー回転角調整分α°と係数ａ及び係数ｂとの関係を表３に示す。

表２および表３は係数ａおよび係数ｂの０を中心に点対称の関係となっている。表２より比誤差変動幅が最小となるのは係数ａ、係数ｂがそれぞれ−０．０００１および−０．０２の場合と、係数ａ、係数ｂがそれぞれ０．０００１および０．０２の場合があり、そのときの回転角調整分α°の符号は表３から前者でプラスとなり、後者でマイナスとなる。一般的な磁性ガーネットは上に凸型状の曲線かつ温度の上昇に伴って回転角が減少するファラデー回転角−温度特性となることから、係数ａ及び係数ｂの符号はマイナスとなる。以上のことから比誤差変動幅を低減するためには、磁性ガーネットの温度−回転角特性の係数ａが−０．０００１および係数ｂが−０．０２に近い値にすれば良いことがわかる。この場合、回転角調整分α°は１．６６°程度となる。

比誤差変動幅を低減する係数ａ、ｂを実現するため、図９に示す２つのファラデー素子１９ａ、１９ｂによる実施例を示す。図９のファラデー素子１９ａとして、２次曲線状の温度依存性を持つ磁性ガーネットを使用し、ファラデー素子１９ｂとして図１６に示すような磁性ガーネットを使用した。温度２３℃におけるファラデー回転角４５°のファラデー素子１９ａ、１９ｂの温度依存性をそれぞれ図１５および図１６に示す。

ファラデー素子１９ａ、１９ｂのそれぞれの厚さを最適化した結果、往復時に以下の数２で示される温度依存性をもつファラデー素子が得られた。温度２３℃における磁気飽和時のファラデー素子１９ａの回転角８．３４°、ファラデー素子１９ｂの回転角１５．７３°、合計ファラデー回転角２４．０７°が得られ、α＝１．５７°となる。直線偏光ＬＯとＬＲが往復で透過する際の、温度２３℃における磁気飽和時の合計のファラデー回転角は４８．１４°となる。往復時の合計ファラデー回転角の温度依存性を図１７に示す。

電流測定装置２０の信号処理回路から出力される、被測定電流Ｉの測定値における温度−比誤差特性を表４及び図１８に示す。

表４及び図１８より、２つのファラデー素子１９ａ、１９ｂで構成し、α＝１．５７°と設定した場合、温度２３℃を基準とした比誤差を−０．０４〜０．０１％に収めることが可能となった。即ち、比誤差の変動幅は、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って０．０５％の範囲内となる。

表２の検討結果をもとに１つのファラデー回転子で比誤差を低減すべく、磁性ガーネットの開発を行った。その結果以下の数３で示される温度依存性をもつ磁性ガーネットが得られた。温度２３℃におけるファラデー回転角は２４．２２°、即ちα＝１．７２°と設定した。得られた磁性ガーネットの温度依存性を図１９に示す。

直線偏光ＬＯとＬＲが往復で透過する際の、磁気飽和時における合計のファラデー回転角は４８．４４°となる。このような第１ファラデー回転子７を備えた電流測定装置１の信号処理回路から出力される、被測定電流Ｉの測定値における温度−比誤差特性を表５及び図２０に示す。

表５及び図２０より、比誤差範囲が−０．０５〜０．０１％となり、比誤差の変動幅は、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って０．０６％の範囲内となる。実施例２と比較して１つのファラデー回転子で同等の性能を実現できた。

以上のように本発明に係る電流測定装置に依れば、温度２３℃においてファラデー回転子の回転角を２２．５°からα°だけ変化させることで、電流測定装置の信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．５％の範囲内に抑えている。従って、測定値における比誤差−温度特性補償を、ファラデー回転子という光学系で行うことが可能となるので、電流測定装置の信頼性が向上すると共に、比誤差の変動幅を±０．５％以内に抑えることで、保護継電器用途への適用が可能な電流測定装置を実現することが出来る。

更に、前記被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．２％の範囲内に抑えることにより、±０．２％範囲内の比誤差−温度特性が要求される用途（例えば厳密な計量が要求される電気料金計量用の電力量計）に電流測定装置を使用することが可能となる。

更に、センサ用光ファイバに鉛ガラスファイバを用いる場合は、鉛ガラスファイバの比誤差−温度特性を加えた上でファラデー回転子の回転角α°を調節する。このように電流測定装置を構成することにより、センサ用光ファイバに鉛ガラスファイバを使用しても、信号処理回路から出力される被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．５％（又は±０．２％）の範囲内に抑えることが可能となる。

なお、本発明はその技術的思想により種々変更可能であり、例えばセンサ用光ファイバ２を石英ガラスファイバとしても良い。また、第１光ファイバ９をシングルモード光ファイバに変更しても良いし、偏光分離プリズム１５を偏波依存／無依存光サーキュレータに変更しても良い。

１、２０ 電流測定装置
２ センサ用光ファイバ
３ 光回路部
４ 光電変換部
５ 導体
６ 反射膜
７ 第１ファラデー回転子
７ａ、１８ａ 永久磁石
８ 偏光分離器
９ 第１光ファイバ
９ａ 第１光ファイバの端面
９ｂ 第１光ファイバ９の他端
１０ 第２光ファイバ
１０ａ 第２光ファイバの端面
１１、１４ レンズ
１２ フェルール
１３ 光源
１５ 偏光分離プリズム
１６ 第１光電変換素子
１７ 第２光電変換素子
１８ 第２ファラデー回転子
１９ａ、１９ｂ ファラデー素子
ＬＯ、ＬＲ 直線偏光
Ｌ１ 常光線
Ｌ２ 異常光線
Ｉ 被測定電流

Claims (9)

1. 電流測定装置は少なくとも、センサ用光ファイバと、偏光分離部と、ファラデー回転子と、光源と、光電変換素子を備える信号処理回路を含み、
   前記センサ用光ファイバは被測定電流が流れている導体の外周に周回設置されると共に、直線偏光を入射するための一端と、入射した前記直線偏光を反射する他端とを備え、
   前記偏光分離部は、前記センサ用光ファイバの一端側に設けられると共に、
   前記ファラデー回転子は、前記センサ用光ファイバの一端側と前記偏光分離部との間に配置され、
   更に、
   前記ファラデー回転子の磁気飽和時のファラデー回転角を温度２３℃において２２．５°＋α°に設定することで、前記信号処理回路から出力される前記被測定電流の測定値における比誤差と温度特性との曲線が高温側へとシフトし、前記比誤差の変動幅が±０．５％の範囲内に設定され、前記変動幅が±０．５％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることを特徴とする電流測定装置。
2. 前記１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記ファラデー回転子が、温度の変化に伴って磁気飽和時のファラデー回転角が２次曲線状に変化するファラデー回転角−温度特性を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電流測定装置。
4. 前記ファラデー回転子が、２つ以上のファラデー素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電流測定装置。
5. 前記２つ以上のファラデー素子のファラデー回転角がそれぞれ異なることを特徴とする請求項４に記載の電流測定装置。
6. 前記信号処理回路から出力される前記被測定電流の測定値における比誤差の変動幅が、±０．２％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の電流測定装置。
7. 前記変動幅が±０．２％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることを特徴とする請求項６に記載の電流測定装置。
8. 前記１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることを特徴とする請求項７に記載の電流測定装置。
9. 前記センサ用光ファイバが鉛ガラスファイバであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の電流測定装置。

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