JPH0843448A - 光方式電磁物理量測定装置のドリフト補償方法とこれを用いた光方式電磁物理量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２波長方式の各光の光路および受光器が１つ
で、直流電流でもこれの電磁物理量を正確に測定するこ
とができる簡単かつ安価なものとする。 【構成】 異なった波長λ１、λ２と、異なった周波数
ｆ１、ｆ２での変調光強度とを持った信号光Ｌ１、参照
光Ｌ２の双方を１つの光ファイバ１２０を介しセンサ部
１０２に導き、センサ部１０２ではこれの偏光子１２
２、磁気／電流光学効果部材１２３、検光子１２４の各
波長依存特性によって信号光Ｌ１に所定の光強度の変調
が行われ、参照光Ｌ２はこれを行われず同一経路で透過
させ、これらを１つの光ファイバ１２５を介し１つの受
光器１３０に導き、受光器１３０で周波数ｆ１、ｆ２の
違いにより分離して取り出し比を取る信号光Ｌ１、参照
光Ｌ２に対応する各電気信号に含む光路１２０、１２５
上および受光器１３０に関する測定値のドリフト補償を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光方式電磁物理量測定装
置のドリフト補償方法とこれを用いた光方式電磁物理量
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光エレクトロニクス技術の進歩に
伴い、光を用いて電流／磁界、および電圧／電界を測定
することが盛んに研究されている。光方式電磁物理量測
定装置、具体的には光ファイバセンサを用いた電流、電
圧測定装置には以下のようなメリットがある。センサ部
と信号処理部は絶縁性の高い光ファイバで信号が伝達さ
れるので、高圧の電流・電圧の測定が十分な絶縁を保っ
た状態で可能となる。光信号は、雷や各種の電磁誘導ノ
イズの影響を受けない。さらに光ファイバ等の光学部品
は耐蝕性に優れている。

【０００３】これらの特徴を活かして、交流用の光方式
の電磁物理量測定装置は各所で実用されつつある。例え
ば、交流用の電流・電圧測定装置では、センサ部からの
信号の交流成分の大きさと直流成分の大きさとの比を求
めることにより、光ファイバの揺れ等による光強度変動
やセンサ材料・光コネクタ部の光ロス変動等の測定誤差
の原因を取り除いて、ドリフト補償することができる
（例えば、渡辺：電気計算 ｐｐ４５−５２ ２月号
（１９９１年））。しかし、直流用の電流・電圧測定装
置においては、前記交流の場合のようなドリフト補償の
ための比較対象がなく、光ファイバの揺れ等による光強
度変動やセンサ材料・光コネクタ部の光ロス変動と信号
出力の変化を区別することは困難である。

【０００４】この問題を解決するための方式として、２
光出力方式や２波長方式がある（大越他共編・共著：
「光ファイバセンサ」（１９８６年）１３３頁 オーム
社）。

【０００５】２光出力方式では１個の光源からセンサ部
に入射した光が、偏光子およびセンサ材料を透過した
後、検光子に入射する。検光子からは一つの偏光出力と
それに垂直な偏光をそれぞれ別々の光ファイバで取出し
信号処理する。この場合、Ｐ偏光およびＳ偏光のそれぞ
れの偏光成分の強度は、Ｐ₀ ：被測定電流（または電
圧）がゼロの場合の受光パワー、ｍ：センサの変調度を
利用して、 Ｐ_S ＝Ｐ₀ ・（１＋ｍ） Ｐ_p ＝Ｐ₀ ・（１−ｍ） と表すことができる。従って、信号処理部において、 ｍ＝（Ｐ_S −Ｐ_p ）／（Ｐ_p ＋Ｐ_S ） の演算をすることにより、Ｐ₀ に依存しない、したがっ
てセンサ部での被測定電流による光強度の変調度に比例
した出力を得るもので、被測定電流（または電圧）が直
流であっても、これの電流（電圧）を測定することがで
きる。

【０００６】また、２波長方式では２つの光源からそれ
ぞれ異なった波長λ１、λ２の各光を出射し、一旦双方
を合波して共通の光ファイバによって取り扱うが、セン
サ部の手前で波長λ１の光と波長λ２の光とを波長の違
いによって分岐させ、波長λ１の光は第１の光ファイバ
経路によってセンサ部に導いて被測定電流（または電
圧）による光強度の変調わ行われて後、第１の受光器に
入光させる一方、波長λ２の光は第２の光ファイバ経路
によってセンサ部を経ないで、したがって被測定電流
（電圧）による光強度の変調が行われずに第２の受光器
に入光させ、第１の受光器からの電気出力を第２の受光
器からの電気出力により除算することにより被測定電流
（電圧）による光強度の変調度に比例した出力を得るも
ので、被測定電流（電圧）が直流であっても、これの電
流（電圧）を測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、２光出力方式
では、Ｐ偏光の光Ｐ_S とＳ偏光の光Ｐ_p とが、それぞれ
別の光ファイバによって異なった受光器に到達するた
め、光ファイバの揺れ、検光子での分岐比の温度変化、
受光器の温度特性のバラツキ等による光強度の攪乱が、
Ｐ偏光とＳ偏光とで異なる。

【０００８】このＰ偏光の攪乱成分をＦ₁ 、Ｓ偏光の攪
乱成分をＦ₂ とすると、上記Ｐ偏光とＳ偏光との各偏光
成分の強度は、 Ｐ_S ＝Ｐ₀ ・Ｆ₁ ・（１＋ｍ） Ｐ_p ＝Ｐ₀ ・Ｆ₂ ・（１−ｍ） となるが、Ｆ１≠Ｆ２でありこれを消去できない。この
ため、２光出力方式では直流電流（または電圧）につい
ての電流（電圧）の正確な測定は困難である。

【０００９】また、２波長方式では２つの光源と、２個
の受光器と、２系統の光ファイバ経路を必要とするので
構成が複雑で高価につく。また２波長の光が別々の光フ
ァイバ経路を透過し、別々の受光器に導かれるため、光
ファイバの揺れ、受光器の温度特性のバラツキ等による
光強度の攪乱は２つの波長の光に対して異なる。従っ
て、２波長の光に対する各センサ出力の比を求めても、
前記光強度の攪乱の違いを消去できない。このため直流
の電流・電圧の正確な測定はやはり困難である。

【００１０】本発明は、このような問題を解消すること
を課題とし、センサ部の波長依存特性により、２波長方
式の各光の光路および受光器を１つにして、直流電流
（または電圧）でもこれの電流／磁界および電圧／電界
と云った電磁物理量を正確に測定することができる簡単
かつ安価な光方式電磁物理量測定装置のドリフト補償方
法とこれを利用した光方式電磁物理量測定装置を提供す
ることを主たる目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光方式電磁物理
量測定装置のドリフト補償方法は、上記のような目的を
達成するために、異なった波長λ１、λ２を持ち、異な
った周波数ｆ１、ｆ２で変調された信号光および参照光
を用い、これら信号光および参照光の双方を１本の入射
側光ファイバを介して偏光子および検光子とこれらの間
の磁気／電気光学効果部材を持ったセンサ部に導き、セ
ンサ部ではこれら偏光子、検光子、および磁気／電気光
学効果部材の特性によって信号光にのみ所定の光強度の
変調が行われ、また参照光にはこれが行われずに、それ
ぞれを同一経路で透過させた後、これら信号光および参
照光を１本の出射側光ファイバを介して１つの受光器に
導くことにより、受光器で前記周波数ｆ１、ｆ２の違い
により分離して取り出し双方の比を取り信号光および参
照光に対応する各電気信号に含まれるセンサ部、光ファ
イバ、および受光器に関するドリフト成分を補償するこ
とを主たる特徴とする。

【００１２】本発明の光方式電磁物理量測定装置は、上
記のような目的を達成するために、光入射側に配置され
た偏光子と光出射側に配置された検光子と、これらの間
に配置された磁気／電気光学効果部材とを持ったセンサ
部と、異なる波長λ１、λ２を持ち異なる周波数ｆ１、
ｆ２で変調された光を出す２つの光源と、これら光源か
らの波長λ１、λ２の光を前記センサ部に導く１本の入
力側光ファイバと、前記センサ部から出射される光を受
光器に導く１本の出力側光ファイバと、この受光器から
の信号を演算する信号処理部とを備え、偏光子はλ１の
光を直線偏光とするとともにλ２の光はこれの偏光状態
に関わりなく透過させる波長依存特性を持ち、磁気／電
気光学効果部材は被測定物理量である電流、磁界、電
圧、電界の変化に応じて透過光の偏光状態を変化させ、
検光子はλ１の光はこの偏光面に一致した偏光成分が透
過し、λ２の光はこれの偏光状態に関わりなく透過する
波長依存特性を持ち、波長λ１、λ２の光を同一経路で
透過させて前記１本の出力側光ファイバに入射させるよ
うにしたことを主たる特徴とする。

【００１３】このような光方式電磁物理量測定装置にお
いて、偏光子は波長λ１の光の片方の偏光のみ９０度光
路を折り曲げて直線偏光とし、波長λ２の光については
これの偏光方向にかかわりなく９０度光路を折り曲げる
波長依存特性を持ち、磁気／電気光学効果部材は被測定
物理量の変化に応じて偏光状態を変化させ、検光子は波
長λ１の光の自身の偏光面と一致した偏光成分のみが透
過するようにし、波長λ２の光については偏光方向にか
かわりなく透過する波長依存特性を持っているのが好適
である。

【００１４】あるいは、偏光子は波長λ１の片方の偏光
のみを透過するとともに、λ２の光はこれの偏光状態に
関わりなく透過させる波長依存特性をもち、磁気／電気
光学効果部材は被測定物理量の変化に応じて透過光の偏
光状態を変化させ、検光子は波長λ１の光の自身の偏光
面と一致した偏光成分のみ９０度光路を折曲げ、波長λ
２の光については偏光方向にかかわりなく９０度折り曲
げる波長依存特性を持っているものとするのも好適であ
る。

【００１５】また、２つの光源の発光中心波長λ１、λ
２が７５０〜９８０ｎｍであり、受光器がＳｉ受光器で
あるのが好適である。

【００１６】また、２つの光源の周波数変調波形が矩形
波、三角波または鋸波であり、これらの繰り返し周波数
がｆ１、ｆ２であるのが好適である。

【００１７】また、変調周波数の比ｆ１／ｆ２およびｆ
２／ｆ１が非整数であるのが好適である。

【００１８】また、２つの光源からの光の交流成分の強
度比が常に一定になるようにフィードバック制御する制
御手段を備えたものであるのが好適である。

【００１９】さらに、受光器からの出力をＡ／Ｄ変換し
て半導体メモリ上に納められた処理方法により、演算手
段を用いてデジタル処理されるようにするのも好適であ
る。

【００２０】

【作用】本発明の光方式電磁物理量（具体的には電流、
磁界、電圧、電界）測定装置のドリフト補償方法の主た
る特徴の上記構成では、異なった波長λ１、λ２を持
ち、異なった周波数ｆ１、ｆ２で変調された信号光およ
び参照光が用いられ、これら信号光および参照光の双方
が１本の入力側光ファイバを介して偏光子および検光子
とこれらの間の電磁／電流光学効果部材を持ったセンサ
部に導かれるが、センサ部の偏光子、および検光子に設
定した波長依存特性によって、センサ部では被測定物理
量の変化に応じて信号光にのみ所定の光強度の変調が行
われ、参照光にはこれが行われずに、同一経路で透過さ
せる。これらの信号光および参照光は１本の出射側光フ
ァイバを介して１つの受光器に導き、この１つの受光器
で受光され電気信号に変換される。信号光および参照光
に対応する電気信号をこれらの周波数ｆ１、ｆ２の違い
により分離して取り出して比を演算することができ、し
かもこれら比を取る各電気信号に含まれるセンサ部、光
ファイバ、および受光器に関するドリフト成分は、信号
光および参照光双方の光路および受光器が同一であるこ
とにより互いに等しく、前記比の演算によって消去され
る。従って、直流電流（電圧）の電磁物理量を正確に測
定することができる。

【００２１】本発明の光方式電磁物理量測定装置の主た
る特徴の上記構成では、２つの光源から出射する異なっ
た周波数ｆ１、ｆ２で変調された異なった波長λ１、λ
２の光のそれぞれが、一本の入射側光ファイバによりセ
ンサ部に入射される。このとき、このセンサ部の偏光子
がλ１の光を直線偏光とするとともにλ２の光はこれの
偏光状態に関わりなく透過させる波長依存特性を持ち、
磁気／電気光学効果部材は被測定物理量（具体的には電
流、磁界、電圧、電界）の変化に応じて透過光の偏光状
態をを変化させ、検光子はλ１の光はこの偏光面に一致
した偏光成分が透過し、λ２の光はこれの偏光状態に関
わりなく透過する波長依存特性を持っている。このこと
により、波長λ１の光についてはセンサ部での被測定物
理量に対応した所定の光強度変調が行われ、波長λ２の
光についてはこれを行われず、これら波長λ１、λ２の
各光を同一経路で透過させて１本の出力側光ファイバに
入射させ、波長λ１、λ２の各光を１つの受光器に導く
ことができる。これら波長λ１、λ２の各光はそれぞれ
異なった周波数ｆ１、ｆ２で変調されていて、これらを
受光する前記１つの受光器の出力から、それぞれの光に
対応する電気出力を、それぞれの周波数ｆ１、ｆ２に対
応する電気出力として分離し取り出すことができるの
で、センサ部で被測定物理量により所定の光強度変調さ
れた波長λ１の光に対応する電気出力と、センサ部で前
記所定の光強度変調がなされない波長λ２の光に対応す
る電気出力との比を演算手段により演算することによ
り、前記被測定電流による所定の光強度変調度に対応し
た電気出力を得て、被測定物理量が直流でもこれを測定
することができる。波長λ１、λ２の各光は同一の光路
を通り１つの受光器で受光されるようにしたことによ
り、各光に対応する電気出力に含まれる光路および受光
器に起因した光の攪乱成分は共に等しく、前記比の演算
によって相殺されるので、被測定電流が直流の場合でも
前記測定を正確に達成することができる。また、光路お
よび受光器が１つでよく構造が簡単で安価なものとな
る。

【００２２】なお、被測定物理量の周波数がｆ１、ｆ２
に比べて小さい場合は、交流信号の測定も可能である。
このとき、ｆ１、ｆ２を分離するバンドパスフィルタの
バンド幅は、この交流信号の周波数よりも大きく、かつ
ｆ１、ｆ２よりも大きくすればよい。

【００２３】偏光子が波長λ１の光の片方の偏光のみ９
０度光路を折り曲げて直線偏光とし、波長λ２の光につ
いてはこれの偏光方向にかかわりなく９０度光路を折り
曲げる波長依存特性を持ち、磁気／電気光学効果部材は
被測定物理量の変化に応じて透過光の偏光状態を変化さ
せ、検光子が波長λ１の光の自身の偏光面と一致した偏
光成分のみが透過するようにし、波長λ２の光について
は偏光方向にかかわりなく９０度光路を折り曲げる波長
依存特性を持っている構成では、偏光子１つで波長λ
１、λ２の光を磁気／電気光学効果部材に導入すること
ができるので、光学部品の削減とこれによる光軸ずれの
低減とを図ることができ、低コストと高精度化とが実現
する。

【００２４】これに代わって、偏光子が波長λ１の片方
の偏光のみを透過するとともに、λ２の光はこれの偏光
状態に関わりなく透過させる波長依存特性をもち、磁気
／電気光学効果部材が被測定物理量の変化に応じて透過
光の偏光状態を変化させ、検光子が波長λ１の光の自身
の偏光面と一致した偏光成分のみ９０度光路を折曲げ、
波長λ２の光については偏光方向にかかわりなく９０度
折り曲げる波長依存特性を持っている構成としたもので
も、同様の作用を発揮することができる。

【００２５】２つの光源の発光中心波長λ１、λ２が７
５０〜９８０ｎｍであり、受光器がＳｉ受光器である構
成では、比較的安価なＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤ
を光源として必要な波長λ１、λ２の各光を得ることが
できるし、これら波長域の各光をＳｉ受光器によって高
感度に受光することができる。

【００２６】２つの光源の周波数変調波形が矩形波、三
角波または鋸波であり、これらの繰り返し周波数がｆ
１、ｆ２である構成では、受光レベルのダイナミックレ
ンジを大きくとることができる。

【００２７】変調周波数の比ｆ１／ｆ２およびｆ２／ｆ
１が非整数である構成では、１つの受光器の出力を周波
数の違いによって各光に対応して分離することが高周波
の影響による混乱なく正確に達成することができる。

【００２８】２つの光源の光の交流成分の強度比が常に
一定になるようにフィードバック制御する制御手段を備
えた構成では、各光源からの光の光強度の比を一定に保
ち、これが変動して前記測定精度が低下するのを防止す
ることができるし、このための２つの光源からの光のモ
ニタも１つの受光器での受光によって行い、受光器の感
度のバラツキや経時変化の影響なしに、前記光強度の比
を正確に一定に保つことができる。

【００２９】受光器からの出力をＡ／Ｄ変換して半導体
メモリ上に納められた処理方法により、演算手段を用い
てデジタル信号処理する構成では、アナログ信号を扱う
回路部が少なくなり、回路の安定化を図ることができ
る。

【００３０】

【実施例】本発明の光方式電磁物理量測定装置につき、
以下幾つかの実施例を示しながら具体的に説明する。

【００３１】図２に偏光面の定義を示す。光ファイバを
透過した光は偏光面がランダムな光である。この光が偏
光子を透過すると偏光子のメッシュ状ハッチングを施し
た反射面２１に平行な偏光方向を持つＳ偏光の光は直角
に反射され、Ｓ偏光とは直角な偏光方向を持つＰ偏光の
光は透過する。

【００３２】図３に本発明の実施例で用いる偏光子の波
長依存特性の一例を示す。波長λ１（例えば８３０ｎ
ｍ）の光ではＰ偏光の光のみ透過し、Ｓ偏光の光は入射
光に対して直角方向に光軸を折り曲げられる。

【００３３】一方、波長λ２（例えば９４０ｎｍ）の光
に対してはＰ偏光の光、およびＳ偏光の光の双方ともに
偏光子を透過する。

【００３４】この偏光子は、偏光ビームスプリッタと呼
ばれる型の偏光子であり、この波長依存特性は偏光子に
用いる誘電体多層膜の設計によって自由に変更し、設定
することができる。

【００３５】図１、図４、図５に本発明の第１の実施例
を示している。ここでは被測定物理量が電流（磁界）の
場合について示す。

【００３６】本実施例の光方式電磁物理量測定装置は、
図１を参照して、異なった波長λ１、λ２を持ち、異な
った周波数ｆ１、ｆ２で変調された信号光Ｌ１および参
照光Ｌ２を用いる。これら信号光Ｌ１および参照光Ｌ２
の双方を１つの入射側光ファイバ１２０を介して偏光子
１２２および検光子１２４とこれらの間の磁気光学効果
部材１２３を持ったセンサ部１０２に導く。センサ部１
０２ではこれの偏光子１２２、検光子１２４、および磁
気光学効果部材１２３の波長依存特性によって信号光Ｌ
１にのみ被測定電流による所定の光強度の変調が行わ
れ、また参照光Ｌ２はこれが行われない。これらＬ１、
Ｌ２の光はそれぞれ同一経路で透過させて、１つの光フ
ァイバ１２５を介して１つの受光器１３０に導かれ、受
光器１３０で前記周波数ｆ１、ｆ２の違いにより分離し
て取り出し比を取る信号光Ｌ１および参照光Ｌ２に対応
する各電気信号に含む光路１２０、１２５上および受光
器１３０に関するドリフト成分を等しくし、光方式電磁
物理量測定装置の出力のドリフト補償を行うドリフト補
償方法を採用している。

【００３７】これにより、異なった波長λ１、λ２を持
ち、異なった周波数ｆ１、ｆ２で変調された信号光Ｌ１
および参照光Ｌ２の双方が１つの光ファイバ１２０を介
してセンサ部１０２に導かれるが、センサ部１０２の偏
光子１２２、電磁／電流光学効果部材１２３および検光
子１２４に設定した波長依存特性によって、信号光Ｌ１
にのみ被測定電流による所定の光強度変調が行われ、ま
た参照光Ｌ２はこれが行われずに同一経路で透過させ
る。これら光Ｌ１、Ｌ２を１本の出射側光ファイバ１２
５を介して１つの受光器１３０に導き、この１つの受光
器１３０で受光されたときの電気信号から、信号光Ｌ１
および参照光Ｌ２に対応する電気信号をこれらの周波数
ｆ１、ｆ２の違いにより分離して取り出して比を演算す
ることができる。このとき各電気信号に含まれる光路上
および受光器に関するドリフト成分は、信号光Ｌ１およ
び参照光Ｌ２双方の光路および受光器が同一であること
により互いに等しく、前記比の演算によって消去される
ので、光方式電磁物理量測定装置の出力のドリフト補償
を十分に行い、直流電流の電磁物理量を正確に測定する
ことができる。

【００３８】具体的には、図１に示すようにｆ１基準信
号発生器１１０およびｆ２基準信号発生器１１１からの
信号をもとに各ＬＥＤ駆動回路１１２、１１３を働かせ
て、波長λ１の信号光Ｌ１を発光する光源としてのＬＥ
Ｄ１１４、および波長λ２の参照光Ｌ２を発光する光源
としてのＬＥＤ１１５を駆動する。したがって、波長λ
１の信号光Ｌ１は周波数ｆ１で、波長λ２の参照光Ｌ２
は周波数ｆ２で変調される。

【００３９】これら波長λ１、λ２の各光Ｌ１、Ｌ２は
ダイクロイックミラー１１６で合波され、光ファイバ１
２０によってセンサ部１０２に導かれる。

【００４０】センサ部１０２に導かれた光Ｌ１、Ｌ２は
全反射ミラー１２１によって直角に曲げられた後、偏光
子１２２を透過する。

【００４１】このとき偏光子１２２を透過した光Ｌ１、
Ｌ２の光強度は、 Ｐ１＝Ｐ₁₀ｓｉｎ（１＋ｍ₁ ｓｉｎω₁ ｔ） Ｐ２＝Ｐ₂₀ｓｉｎ（１＋ｍ₂ ｓｉｎω₂ ｔ） ω₁ ＝２πｆ１ ω₂ ＝２πｆ２ Ｐ₁₀：波長λ１のＬＥＤの平均パワー Ｐ₂₀：波長λ２のＬＥＤの平均パワー ｍ₁ ：波長λ１のＬＥＤ光源の変調度 ｍ₂ ：波長λ２のＬＥＤ光源の変調度 と表すことができる。この光強度の時間変化の模式図を
図４（ａ）、（ｂ）に示す。

【００４２】ここでは、周波数がｆ１＜ｆ２の場合につ
いて示すが、ｆ１＞ｆ２としてもよい。またｆ１とｆ２
とは十分離れており、ｆ１とｆ２の比は高調波の影響を
うけないように非整数とするのがよい。

【００４３】波長λ１、λ２の光Ｌ１、Ｌ２が例えば磁
気光学効果部材１２３および検光子１２４を透過した後
の光強度は、 Ｐ_1S＝Ｎ₁ Ｐ₁₀（１＋ｍ₁ ｓｉｎω₁ ｔ）（１＋ｓｉｎ
Θｓ） Ｐ_2S＝Ｎ₂ Ｐ₂₀（１＋ｍ₂ ｓｉｎω₂ ｔ） Ｎ₁ ：波長λ１の光Ｌ１に対する光ファイバ振動による
光強度変動、結晶・コネクタ等の光ロス変動等 Ｎ₂ ：波長λ２の光Ｌ２に対する光ファイバ振動による
光強度変動、結晶・コネクタ等の光ロス変動等 Θ_S ：波長λ１の光の磁気光学結晶１２３による偏光面
の回転角（ファラデー回転角） と表すことができる。

【００４４】ここで、偏光子１２２、磁気光学効果部材
１２３、検光子１２４の各波長依存特性を、偏光子１２
２についてはλ１の光Ｌ１を直線偏光とするとともにλ
２の光Ｌ２はこれの偏光状態に関わりなく透過させる波
長依存特性を持ち、磁気光学効果部材１２３である磁気
光学結晶については透過光の偏光面を被測定電流（磁
界）に応じて変化させ、検光子１２４についてはλ１の
光Ｌ１はこの偏光面に一致した偏光成分が透過し、λ２
の光Ｌ２はこれの偏光状態に関わりなく透過する波長依
存特性を持ち、波長λ１、λ２の光Ｌ１、Ｌ２を同一経
路で透過させて前記１本の出力側光ファイバ１２５に全
反射ミラー１２６での全反射後に入射させるようにして
いる。Ｎ₁ 、Ｎ₂ は検光子１２４を透過した後の、光フ
ァイバ振動による光強度変動、結晶・コネクタ等の光ロ
ス変動等も含んで表すものとする。

【００４５】受光器１３０からの出力信号は、増幅器１
３１を介してｆ１、ｆ２の各バンドパスフィルタ１３
２、１３３に入力される。図４（ｅ）、（ｆ）にバンド
パスフィルタ１３２、１３３を透過した後の電気信号強
度の時間変化の様子を示す。

【００４６】バンドパスフィルタ１３２、１３３は直流
成分が透過せず、ｆ１の周波数成分を持った信号および
ｆ２の周波数成分を持った信号が透過する。このとき、
バンドパスフィルタ１３２、１３３のバンド幅は、ＤＣ
電流の変化時間に対応できる周波数であり、ｆ１、ｆ２
よりも小さくとればよい。このことにより、１個の受光
器１３０を用いて信号光と参照光による信号を分離して
取り出すことができる。

【００４７】ｆ１およびｆ２のバンドパスフィルタ透過
後の電気信号は、全波整流回路１３４、１３５を透過す
ることにより以下の式で表されるような片方の極性の電
気信号に変換される。

【００４８】Ｐ_1S＝Ｎ₁ Ｐ₁₀ｍ₁ ｜ｓｉｎω₁ ｔ｜（１
＋ｓｉｎΘｓ） Ｐ_2S＝Ｎ₂ Ｐ₂₀ｍ₂ ｜ｓｉｎω₂ ｔ｜ 図５（ａ）、（ｂ）に全波整流経路１３４、１３５を透
過した後の電気信号強度の時間変化の様子を示す。

【００４９】次に、得られた信号を平滑回路１３６、１
３７を通すことにより実効値に比例した以下の出力 Ｐ_1S＝Ｎ₁ Ｐ₁₀ｍ₁ （２／π）（１＋ｓｉｎΘｓ） Ｐ_2S＝Ｎ₂ Ｐ₂₀ｍ₂ （２／π） を得ることができる。この様子を図５（ｃ）、（ｄ）に
示す。

【００５０】最後に引き算器と割り算器１３８とを用い
て

【００５１】

【数１】

【００５２】の演算を行う。

【００５３】ここで波長λ１およびλ２の光は、同一光
路を通るので、それぞれの波長の光強度攪乱Ｎ₁ とＮ₂
は等しい。さらに２個のＬＥＤ出力の交流成分が等しい
とき、つまりＰ₁₀ｍ₁ ＝Ｐ₂₀ｍ₂ であるとき、最終出力
は

【００５４】

【数２】

【００５５】となる。

【００５６】Θｓの値が小さい範囲ではｓｉｎΘｓはΘ
ｓとして近似することができるので、被測定電流による
磁気光学効果（ファファデー回転角）に比例した、つま
りセンサ部１０２の近くに配置された電線に流れる電流
（またはその電流による磁界）に比例した出力を得るこ
とができる。

【００５７】以上の信号処理回路１０１を用い、波長８
３０ｎｍのＬＥＤ（ＡｌＧａＡｓ系）１１６の変調周波
数ｆ１＝８０ｋＨｚと、波長９４０ｎｍのＬＥＤ（Ｇａ
Ａｓ系）１１５の変調周波数ｆ２＝２７０ｋＨｚを光源
として用いた。さらに磁気光学効果部材１２３に結晶と
してのエピタキシャル成長で作成したガーネット膜結晶
（ＢｉＧｄＹ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂（厚み４０μｍ）を用い
た。その結果、２０〜４００Ａの直流電流範囲で、誤差
±２％の測定精度で電流値を測定することができた。ま
た、センサ部１０２単体の温度特性は−２０〜８０℃の
温度範囲で誤差±１．５％であった。さらに被測定直流
電流２００Ａの条件で回路部の温度を０〜６０℃まで変
化させたとき測定値の誤差は±２％以下であった。

【００５８】以上のような第１の実施例のセンサ部１０
２の構成を変更するのみで、電圧（電界）測定も可能で
ある。これを本発明の第２の実施例として実現したもの
につき説明すると、偏光子１２２と電気光学効果部材１
２３の間に波長λ１用の１／４波長板を追加し、電気光
学効果部材１２３として磁気光学結晶の代わりに電気光
学結晶、例えばＬｉＮｂＯ₃ を配置し、検光子１２４の
偏光面は偏光子１２２の偏光面と一致させたセンサ部１
０２を用いる。他の光学部品および信号処理部１０１は
第１の実施例のものと同様のものを用いることにより、
直流電圧（電界）測定することが可能となる。具体的に
は、ＬｉＮｂＯ₃ 結晶（大きさ５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍ
ｍ）を用いて直流電圧３３０〜６６００Ｖの電圧を測定
誤差±３％の精度で測定することができた。さらに被測
定電圧３３００Ｖのとき、回路部の温度を０〜６０℃ま
で変化させたとき測定値の誤差は±２％以下であった。
図６は本発明の第３の実施例を示している。センサ部
の構造は第１の実施例と同様であるので、図示および説
明は省略する。本実施例ではｆ１基準信号発生器６１０
およびｆ２基準信号発生器６１１からの信号をもとに各
ＬＥＤ駆動回路６１２、６１３を働かせて、波長λ１の
信号光Ｌ１を発光する光源としてのＬＥＤ６１４、およ
び波長λ２の参照光Ｌ２を発光する光源としてのＬＥＤ
６１５を駆動する。これら波長λ１、λ２の各光Ｌ１、
Ｌ２はダイクロイックミラー６１６で合波され、光ファ
イバ１２０によってセンサ部に導かれる。

【００５９】センサ部からの波長８３０ｎｍの信号光Ｌ
１と、波長９４０ｎｍの参照光Ｌ２とを受光器６３０で
電気信号に変換し、これを増幅器６３１で増幅した後Ａ
Ｄ変換器６５１でデジタル信号に変換する。さらに半導
体メモリ６５３に予め記録された処理規則に従って、Ｃ
ＰＵやＤＳＰ等の演算装置６５２により実施例１と同様
の信号処理を施し、その結果を出力するものである。

【００６０】本方式の信号処理部６０１の回路構成によ
ると、増幅器６３１の後は全てデジタル信号処理になる
ので、アナログ回路よりも安定性に優れるという特徴が
ある。

【００６１】本方式の光方式電流測定装置により、２０
〜４００Ａの被測定直流電流範囲で、誤差±１．５％の
測定精度で電流値を測定することができ。さらに被測定
直流電流２００Ａの条件で回路部の温度を０〜６０℃ま
で変化させたとき測定値の誤差は±１％以下であった。

【００６２】図７は本発明の第４の実施例を示してい
る。センサ部の構造は第１の実施例の場合と同様である
ので、図示および説明は省略する。本実施例では波長８
３０ｎｍの測定光用ＬＥＤ７１４と、波長９４０ｎｍの
参照光用ＬＥＤ７１５とからの各光Ｌ１、Ｌ２を、受光
器７１７でモニタし、各ＬＥＤ７１４、７１５の発光強
度の交流成分が常に一定となるようにフィードバック制
御を行う。モニタ用の受光器７１７に光が安定して到達
するように、第１の実施例等で用いていたダイクロイッ
クミラーからハーフミラー７１６に変更して用いた。こ
の結果、それぞれのＬＥＤ７１４、７１５の特性の違い
や経時変化の違いによる、信号光Ｌ１と参照光Ｌ２との
アンバランスがなくなり、高い精度の直流計測が可能と
なる。本構成の光方式電磁物理量測定装置により、誤差
±１．３％の測定精度で電流値を測定することができ
た。さらに被測定直流電２００Ａの条件で回路部の温度
差を０〜６０℃まで変化させたとき測定値の誤差は±
０．５％以下であった。

【００６３】なお本実施例の信号処理部７０１におい
て、ＬＥＤ７１７でのモニタ信号は増幅器７６０を介し
てｆ１、ｆ２の各バンドパスフィルタ７１８、７１９に
導き、信号光Ｌ１、参照光Ｌ２に対応する出力成分ごと
に分離し、ｆ１、ｆ２基準周波数発生器７１０、７１１
からの対応する信号とともに、ＬＥＤ駆動回路７１２、
７１３に入力するようにしてある。またセンサ部を透過
した信号光Ｌ１、参照光Ｌ２を受光する受光器７３１か
らの出力の処理は第３の実施例の場合と同様であり、こ
れのための増幅器７３１、ＡＤ変換器７５１、演算装置
７５２、半導体メモリ７５３を有している。

【００６４】図８、図９は本発明の第５の実施例を示し
ている。図８はセンサ部８０２の構成を示し、図９はセ
ンサ部８０２に用いられている偏光子８２２の波長特性
を示す。本発明に用いられている偏光子８２２の特徴は
通常の偏光子の波長特性と異なる。

【００６５】つまり偏光子８２２は、入力側光ファイバ
８２０により波長λ１の信号光Ｌ１、波長λ２の参照光
Ｌ２を入射されるが、波長λ１の光に対してはＰ偏光の
光のみ透過し、Ｓ偏光の光は反射して９０度光路を折り
曲げる。波長λ２の光に対してはＰ偏光の光、Ｓ偏光の
光ともに反射して９０度光路を折曲げる作用を有する。
このような特性を有する偏光子８２２はＳｉＯ₂ 、Ｍｇ
Ｆ₂ 、ＴｉＯ₂ 等の誘電体薄膜を３０層〜６０層程度に
積層することにより作成することができる。

【００６６】また検光子８２４は第１の実施例の検光子
と同様のものを用いた。磁気光学結晶８２３としては第
１の実施例と同様のガーネット結晶（ＢｉＧｄＹ）₃ Ｆ
ｅ₅Ｏ₁₂を用い、全反射ミラー８２６での全反射を介し
出射側光ファイバ８２５に導き、１つの受光器に導くよ
うにしてある。本発明のセンサ部は第１の実施例の構成
より、入射側の全反射ミラーを省略することができる。
信号処理部は第１の実施例と同様である。

【００６７】以上のセンサ部８０２を用いることにより
２０〜４００Ａの被測定直流電流範囲で、誤差±２％の
測定精度で電流値を測定することができた。

【００６８】また、センサ部単体の温度特性は−２０〜
８０℃の温度範囲で誤差±１％であり、第１の実施例の
センサ部より良好な結果を示した。ここで用いたガーネ
ット結晶（ＢｉＧｄＹ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂の温度特性が、−
２０〜８０℃の温度範囲で±０．５％であることを考慮
すると、前記センサ部８０２の温度特性が良くなった原
因としては、センサ部８０２での部品点数が減ったこと
により光軸ずれ等による誤差がなくなったためであると
考えられる。さらに、光入射部の光折曲げ用ミラーをな
くすことで、第１の実施例と比較してセンサ部８０２を
約３０％小型化することができた。

【００６９】ここでは、センサ部８０２の光入力側と光
出力側を入れ替えて偏光子８２２を検光子として利用
し、検光子８４を偏光子として利用しても全く同様にセ
ンサ部として機能する。

【００７０】なお、上記実施例では磁気光学結晶として
ガーネット結晶（ＢｉＧｄＹ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂を、また電
気光学結晶としてはＬｉＮｂＯ₃ を用いたが、他の磁気
光学結晶（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、ＺｎＳｅ等）や、電気光学
結晶（Ｂｉ₄ Ｓｉ₃ Ｏ₁₂、Ｂｉ₄ Ｇｅ₃ Ｃ₁₂、ＬｉＴａ
Ｏ₃ 等）を用いることもできる。

【００７１】さらに、各光源の波長としては８３０ｎｍ
と９４０ｎｍのＬＥＤを用いたが、他の波長のもの、望
むべきはＧａＡｓ系ＬＥＤで発光可能な７５０〜９８０
ｎｍの波長を用いてもよい。また、各光源の変調波形と
しては、ここではＳＩＮ波形を用いたが、受光レベルの
ダイナミックレンジを大きくとれる矩形波、三角波、鋸
波等を用いてもよい。

【００７２】また上記実施例では、直流の電流（電圧）
測定の結果について示したが、ＬＥＤの変調周波数ｆ
１、ｆ２よりも低い周波数の交流電流（電圧）測定にも
使用可能である。

【００７３】

【発明の効果】本発明の光ファイバセンサのドリフト補
償方法、およびこれを利用した電磁物理量測定装置によ
れば、信号光と参照光との波長および周波数の違いと、
センサ部が有する偏光子、磁気／電流光学効果部材、お
よび検光子の各波長依存特性とによって、同一の経路
と、同一の受光器とを用い、所定の光強度変調した信号
光とこれを行わない参照光とに関する受光器での電気出
力を分離して取り出しこれらの比を取れるようにすると
ともに、信号光および参照光の各電気信号に含む光路上
および受光器に関するドリフト成分が、信号光および参
照光双方の光路および受光器が同一で互いに等しいこと
により、前記比の演算によって消去し、磁気／電流光学
効果による光強度の所定の変調を直流電流にて行う場合
でも光方式電磁物理量測定装置の出力のドリフト補償を
十分に行えるようにするので、直流の電磁物理量を正確
に測定することができる。また、光路およひ受光器が１
つでよいことによって構造が簡単で小型かつ安価なもの
となり、その工業的価値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例としての光方式直流電流
測定装置を示す全体構成図である。

【図２】Ｓ偏光とＰ偏光との偏光方向の説明図である。

【図３】図１の装置で用いた偏光ビームスプリッタの波
長依存特性を示す図である。

【図４】図１の装置の信号処理の様子を示す図である。

【図５】図１の装置で信号処理の様子を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施例を示す光方式直流電圧測
定装置の一部を示す構成図である。

【図７】本発明の第４の実施例を示す光方式直流電流測
定装置の一部を示す構成図である。

【図８】本発明の第５の実施例のセンサ部の構成を示す
図である。

【図９】図８の装置での偏光子の波長依存特性を示した
図である。

【符号の説明】

１２３、８２３ 磁気光学結晶 １２１、１２６、８２６ 全反射ミラー １２２、８２２ 偏光子 １２４、８２４ 検光子 １１６、６１６ ダイクロイックミラー １２０、１２５、８２０、８２５ 光ファイバ １１４、６１４、７１４ 波長λ１のＬＥＤ １１５、６１５、７１５ 波長λ２のＬＥＤ １３０、６３０、７３０、７１７ 受光器 ７１６ ハーフミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚 訓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なった波長λ１、λ２を持ち、異なっ
   た周波数ｆ１、ｆ２で変調された信号光および参照光を
   用い、これら信号光および参照光の双方を１本の入射側
   光ファイバを介して偏光子および検光子とこれらの間の
   磁気／電気光学効果部材を持ったセンサ部に導き、セン
   サ部ではこれら偏光子、検光子、および磁気／電気光学
   効果部材の特性によって信号光にのみ所定の光強度の変
   調が行われ、また参照光にはこれが行われず、それぞれ
   を同一経路で透過させた後、これら信号光および参照光
   を１本の出射側光ファイバを介して１つの受光器に導く
   ことにより、受光器で前記周波数ｆ１、ｆ２の違いによ
   り分離して取り出し双方の比を取り信号光および参照光
   に対応する各電気信号に含まれるセンサ部、光ファイ
   バ、および受光器に関するドリフト補償を行うことを特
   徴とする光方式電磁物理量測定装置のドリフト補償方
   法。
2. 【請求項２】 光入射側に配置された偏光子と光出射側
   に配置された検光子と、これらの間に配置された磁気／
   電気光学効果部材とを持ったセンサ部と、異なる波長λ
   １、λ２を持ち異なる周波数ｆ１、ｆ２で変調された光
   を出す２つの光源と、これら光源からの波長λ１、λ２
   の光を前記センサ部に導く１本の入力側光ファイバと、
   前記センサ部から出射される光を受光器に導く１本の出
   力側光ファイバと、この受光器からの信号を演算する信
   号処理部とを備え、 偏光子はλ１の光を直線偏光とするとともにλ２の光は
   これの偏光状態に関わりなく透過させる波長依存特性を
   持ち、磁気／電気光学効果部材は被測定物理量である電
   流、磁界、電圧、電界の変化に応じて透過光の偏光状態
   を変化させ、検光子はλ１の光はこの偏光面に一致した
   偏光成分が透過し、λ２の光はこれの偏光状態に関わり
   なく透過する波長依存特性を持ち、波長λ１、λ２の光
   を同一経路で透過させて前記１本の出力側光ファイバに
   入射させるようにしたことを特徴とする光方式電磁物理
   量測定装置。
3. 【請求項３】 偏光子は波長λ１の光の片方の偏光のみ
   ９０度光路を折り曲げて直線偏光とし、波長λ２の光に
   ついてはこれの偏光方向に関わりなく９０度光路を折り
   曲げる波長依存特性を持ち、磁気／電気光学効果部材は
   被測定物理量に応じて透過光の偏光状態を変化させ、検
   光子は波長λ１の光の自身の偏光面と一致した偏光成分
   のみが透過するようにし、波長λ２の光については偏光
   方向にかかわりなく透過する波長依存特性を持っている
   請求項２に記載の光方式電磁物理量測定装置。
4. 【請求項４】 偏光子は波長λ１の片方の偏光のみを透
   過するとともに、λ２の光はこれの偏光状態に関わりな
   く透過させる波長依存特性をもち、磁気／電気光学効果
   部材は被測定物理量の変化に応じて透過光の偏光状態を
   変化させ、検光子は波長λ１の光の自身の偏光面と一致
   した偏光成分のみ９０度光路を折曲げ、波長λ２の光に
   ついては偏光方向にかかわりなく９０度光路を折り曲げ
   る波長依存特性を持っている請求項２に記載の光方式電
   磁物理量測定装置。
5. 【請求項５】 ２つの光源の発光中心波長λ１、λ２が
   ７５０〜９８０ｎｍであり、受光器がＳｉ受光器である
   請求項２〜４のいずれかに記載の光方式電磁物理量測定
   装置。
6. 【請求項６】 ２つの光源の周波数変調波形が矩形波、
   三角波または鋸波であり、これらの繰り返し周波数がｆ
   １、ｆ２である請求項２〜５のいずれかに記載の光方式
   電磁物理量測定装置。
7. 【請求項７】 変調周波数の比ｆ１／ｆ２およびｆ２／
   ｆ１が非整数である請求項２〜６のいずれかに記載の光
   方式電磁物理量測定装置。
8. 【請求項８】 ２つの光源からの光の交流成分の強度比
   が常に一定になるようにフィードバック制御する制御手
   段を備えた請求項２〜７のいずれかに記載の光方式電磁
   物理量測定装置。
9. 【請求項９】 受光器からの出力をＡ／Ｄ変換して半導
   体メモリ上に納められた処理方法により、演算手段を用
   いてデジタル処理される請求項２〜８のいずれかに記載
   の光方式電磁物理量測定装置。