WO2006022178A1

WO2006022178A1 - 光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法および光電流センサ装置

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Publication number: WO2006022178A1
Application number: PCT/JP2005/015004
Authority: WO
Inventors: Kiyoshi Kurosawa; Kazuomi Shirakawa
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2007-02-25
Also published as: US7589515B2; JP4816456B2; EP1804066A4; CN100543478C; CN101023365A; US20070273358A1; JPWO2006022178A1; EP1804066A1

Abstract

【課題】センサファイバのベルデ定数の温度依存に起因するセンサの温度依存を、低コストに低減できるようにする。【解決手段】従来の反射型光センサファイバでは、センサの温度依存を低減するために、信号処理回路および受信光学系を二重化し、変調信号の平均化処理をするなどして対処しているが、この発明では変調信号の温度依存性を無くすために、交流成分と直流成分の比で表わされる変調度（Ｓout）が一定、または或る範囲内となるように、強磁性ファラデー回転子１３を選ぶことにより実現し、特に構成を簡略化し低コスト化を図る。

Description

明細書

光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法および光電流センサ装置

技術分野

[0001] この発明は光電流センサ、特にファラデー効果等の磁気光学効果を利用して交流電流を測定する、光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法およびこの方法で用、る光電流センサ装置に関する。

背景技術

[0002] 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センサ (光ファイバ電流センサ）の実現が期待される。そのため、光ファイバ電流センサの研究開発が、多くの機関で長年にわたって進められてきた。その中で、典型的な開発事例として、センサファイバに鉛ガラスファイバを用いるとともに、センサファイバの一端にミラーを配置することを特徴とする方式、すなわち特許文献 1に開示されるような反射型鉛ガラスファィバ光電流センサがある。

[0003] 図 18に特許文献 1に開示された装置の構成を示す。

同図において、 1は光源、 11はサーキユレータ、 12は方解石などの偏光分離素子、 13は永久磁石（13a)と YIGなどの強磁性体結晶（13b)力もなる強磁性ファラデー回転子、 14はミラー、 15は測定対象となる電流が流れる導体、 16はセンサファイノ、 2 1A, 21Bは受光素子（PD)、 22A, 22Bはアンプ (A)、 23A, 23Bはバンドパスフィルタ（BPF)、 24A, 24Bはローパスフィルタ（LPF)、 25A, 25Bは電気信号の交流成分と直流成分との比をもとめるための除算器、 26は極性反転器、 27は乗算器である。なお、 10は光学系、 20は信号処理回路であり、サーキユレータ 11は、ハーフミラ一または光ファイバ力ブラに置き換えることができる。センサファイバ 16として、ここでは鉛ガラスファイバを用いて、るが、石英ガラスファイバを用いることもできる。

[0004] 図 18の偏光分離素子周辺の偏波状態を図示すると、図 19のようになる。ここに、 X 方向は紙面と垂直な方向を、また、 y方向は紙面と平行な方向を示すものとする。 [0005] 図 19に示すように、光源 1から導かれ、偏光分離素子 12に入射する光のうち、 X方向に振動する成分 E (-) (ドットを付してベクトル量であることを示す)が偏光分離素

1

子 12を通過後、センサファイバ 16に入射する。次に、ミラー 14で反射し、再びセンサファイバ 16,強磁性ファラデー回転子 13を通過し、偏光分離素子 12に戻る光の偏波を E ( とする。

2

[0006] 強磁性ファラデー回転子（13)およびセンサファイバ（16)を通過する際に偏波が回転することから、成分 E ( には図 20に示すように X方向成分と y方向成分の両方が

2

生じ、この 2つに分離される偏光成分 E , Eは、次式のように表わされることが分かる

A B

E =E cos(20 +2Θ ) cos ω t

A G i l

E =E sin (2 θ +2Θ ) cos ω t

B G i 1

に、

E ：もどり光 E ( の振幅 (VZm)

2

ω：光波の角周波数 (radZsec)

1

Θ

G：強磁性ファラデー回転子を 1回通過する光が受けるファラデー回転角（rad)、従つて往復する場合は 20 となる。

G

Θ ：センサファイバを光が 1回通過する際に受けるファラデー効果による偏波の回転角（ファラデー回転角）（md)、従って往復する場合は 2 Θとなる。

[0007] ここで、光の強度は、偏波の振動の瞬時値の 2乗の時間平均値に比例することから、偏波 Eと Eの強度 Iと Iは次式のようになる。なお、記号等に（一）を付して平均値

A B A B

を示す。

I =k {E (20 +2Θ )cos²o> t} (—）

A I M G i 1

= (l/4)kE ²{l + cos4(0 + Θ )}

1 G i

同様に、

I =k {E ²sin²(20 +2 Θ )cos²o> t} (— )

B 1 G i 1

= (l/4)kE ²{l-cos4(0 + Θ )}

1 G i

に、

{*} (一）：時間平均 I ：偏光分離素子通過 A成分の強度 (WZm²)

A

I：偏光分離素子通過 B成分の強度 (WZm²)

B

k：係数

1

上記 I , Iで示されるそれぞれの光は、図 18のサーキユレータ（11)と偏光分離素

A B

子（12)とにより受光素子 PDおよび PDに導かれ、受光素子からは受信した光の強

A B

度 I , Iに比例する電流または電圧力信号として出力される。これらの電気信号は

A B

アンプ 22A， 22Bを通過した後、図 18に示す電気信号 P， Pとなる。これらは次式

A B

のように表わされる。

P =A-cos² (2 0 + 2 Θ )

A G i

=A[l + cos{4 ( 0 + θ ) }] (la)

G i

P =B[l -cos{4 ( 0 + Θ ) }] (lb)

B G i

ここに、 A, Bはともに平均受光量に比例する係数であり、光源の出力や光源力受光素（21)に至るまでの光路における光の減衰の変動などとともに変化する。 θ , Θ

G i は上述の通りの偏波面の回転角（ファラデー回転角）である。

[0008] また、被測定電流が交流であることから、

Θ =Vi (2a)

i=I cos co t (2b)

o

Θ = VI cos co t (2c)

i 0

となる。ここに、

V：センサファイバのベルデ定数 (radZA)

i:被測定電流 (A)

I：被測定電流の振幅 (A)

0

ω：被測定電流の角周波数 (radZsec)

である。

[0009] いま、センサファイバのベルデ定数 Vおよびファラデー回転角 0 が温度に依存す

G

ることを考慮する。

[0010] すなわち、

V= (l + a T)V (3)

s

とする。ここに、

V：基準温度におけるセンサファイバのベルデ定数 (radZA)

s

a：センサファイバのベルデ定数の温度依存係数（1Z°C) (例えば、鉛ガラスフアイバの aは 0.01%ZK程度、石英ガラスファイバの _αは 0.0069%ZK程度である） Τ：センサ周囲温度と基準温度との差 (°C)

F：基準温度における強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能 (radZm) s

d:強磁性ファラデー回転子の厚さ (m)

β：強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存係数（1Z°C)

[0011] また、センサの入出力特性の直線性を確保するため、光学的バイアスを次式のようにして得る。

Fd= π/8 (5a)

s

なお、

Θ =Fd (5b)

Gs s

である。ここ〖こ、

Θ

Gs：基準温度において強磁性ファラデー回転子を通過する光が受けるファラデー回転角（rad)

[0012] 先の（1)式に（2), (3), (4), (5)式を代入すると、構成部品の温度依存を考慮した電気信号 P , P

A Bの式が得られる。

P =A[l + cos{4(l+ j8T)Fd+(l+ aT)VI cosc t}]

A s s 0

=A[l + cos{ Z2 + 4j8FdT+4(l+ aT)VI cos cot}] (6a)

s s 0

P =B[1— cos{ Z2 + 4j8FdT+4(l+o;T)VI cosc t} (6b)

B s s 0

ここで、実際に成り立つ条件として、次のように仮定する。

I 4 j8 F dT 《 π /

s I 2 (7a)

I 4(l+aT)VI I《π/2 (7b)

s 0

(7a), (7b)式を (6)式に代入すると、次式のようになる。

P =B{(l+4j8FdT)+4(l+aT)VIcoscot} (8b)

B s s 0

(8a), (8b)式の第 1項は信号の直流成分 (DC成分)である。また、第 2項は交流成分である。これらは温度とともに変動する。従って、図 18の変調信号 S , Sは、電気

A B

信号 P , P の直流成分と交流成分との比であり変調度を示す。これらの信号は、 BP

A B

F, LPFにより電気信号の交流成分と直流成分を分離していること、および Sについ

A

ては、極性を反転していること、および（7a)式の条件を考慮すると、次式のように表わすことができる。

S =(— 1)[P ] Z[P ]

A A AC A DC

=—IX {—4(1+ o;T)VI coso>t}Z(l— 4j8FdT)

s 0 s

= (1+ αΤ) ·4νΐ coso>tZ(l—4j8FdT) (9a)

s 0 s

S B =[P B] AC Z[P B] DC

= (1+ aT)'4VIcoso)tZ(l+4j8FdT) (9b)

s 0 s

さらに、図 18における最終出力 S は、（9)式より

out

S =(S +S )/2

out A B

= (lZ2){lZ(l—4j8FdT)+lZ(l+4j8FdT)}

s s

X4(l+ aT)VI coscot

s 0

= (1+ aT) -4VI cos_Wt/{(l-4j8FdT) · (l+4j8FdT)}

s 0 s s

= (1+ aT) -4VI cos_Wt/{l-(4j8FdT)²} (10)

s 0 s

上記（7a)式の条件を考慮し、（10)式の分母の 2次の項を消略すると、 S は概略 out 次式で表わされる。

S =(l+aT)-4VIcos_Wt (11)

out s 0

このような図 18に示す電流測定装置に示す被測定電流 iを測定する電流測定装置には、次の禾 lj点がある。

1)平均受光量変動の影響を受けな、。

(9a), (9b)式から分かる通り、変調信号 S , Sを求めることにより、光源のふらつき

A B

等力発生する測定誤差である（6a), (6b)式の係数 A, Bが消去される。

2)光弾性の影響を受けない

式では示されていないが、鉛ガラスファイバをセンサファイバに用いることにより、センサファイバの応力に起因する出力変動を受けな、。

3)センサファイバのなす曲線の変形の影響を受けない

式では示されていないが、反射型とすることにより、ファイバ出射光の偏波が曲線形に依存しない。

4)光学的バイアスの温度変動を抑制できる。

[0014] (9)〜（11)式から分る通り， 2つの変調信号の S , Sの平均を求めることにより、強

A B

磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存性力 Sもたらす出力 S への影 out 響を/ J、さくすることができる。

[0015] 上記 1)〜3)を別の言葉で表現すれば、次の通りとなる。

1)光源の発光量および光学系の接続効率の変動に対して安定である。

2)および 3)センサファイバを固定するための枠が不要となり、センサ全体が小型でフレキシブルになる。また被測定電流が流れる導体を開放せずにセンサを取り付けることがでさる。

[0016] なお、図 18に示す電流測定装置の利点等については、例えば文献 1および特許文献 1に詳記されている。

文献 1 :黒澤，廣木，白川「小型'フレキシブルな光ファイバ電流センサ」

第 30回光波センシング技術研究会講演論文集， P. 133- 140, No. LST30— 1

9, 2002年 12月

特許文献 1 :特開平 10— 319051号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0017] 上記の 1) , 2)および 3)の特長を実現できる反射型鉛ガラスファイバセンサにおいては、センサ入出力の直線性を確保するために必要となる光学的バイアスの手段として、永久磁石で磁気飽和させた強磁性ファラデー回転子を用いることが、小型化などの理由力実用的に優れている。し力しながら、市販されている強磁性ファラデー回転子には、温度特性がある。従って強磁性ファラデー回転子を用いる場合には、この素子の温度特性の補償 (低減)が必要となる。

[0018] 図 18に示す従来方式では、この温度特性の補償を目的として（6)〜（11)式に示したような信号処理を行なっている。そして、これら（6)〜（11)式に示す通り、この処理によって、温度特性の補償を行なうことが可能となる。し力しながら、そのために構成が複雑になっていることは否めない。すなわち、従来技術の第 1の課題として、課題 1：強磁性ファラデー回転子の温度特性に起因する光学的バイアスの温度変動を抑制するため、信号処理回路および受信光学系が 2重になっており、構成が複雑である。

[0019] また、（11)式力分力る通り、変調度の平均処理を行っても、センサファイバのべルデ定数の温度依存に起因する、センサ出力の温度依存を補償できな、。

[0020] 図 21 (a)は図 18の場合の変調信号 S , Sの誤差率と温度との関係を示し、同（b)

A B

はセンサファイバの温度特性を示す。すなわち、図 21 (a)のように変調信号 S , Sの

A B

平均処理をしても、図 21 (b)に示すような課題 2、つまり、

課題 2：センサファイバのベルデ定数の温度依存に起因する、センサ出力の温度依存を補償することができない。なお、温度依存ひは鉛ガラスファイバの場合は、文献 2 および図 21 (b)からも 0. 01%Z°C ( = l%ZlOO°C)程度であることが分力つている

[0021] 文献 2 : K.Kurosawa, Optical Current Transducers Using Flint ulass Fiber as the

Faraday Sensor Element" Optical Review Vol.4, No. ΙΑ,ρρ.38-44, 1997

また、センサファイバのベルデ定数の温度依存に起因するセンサ出力の温度依存は、変調度の平均処理をする代わりに、強磁性ファラデー回転子の温度特性を零にした場合でも同様である。

[0022] したがって、この発明の課題は、上記課題 1と課題 2を同時に解決することにある。

課題を解決するための手段

[0023] このような課題を解決するため、請求の範囲第 1項の発明では、被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサにお、て、

偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子として、前記光の強度変調信号を電気信号に変換したときに、交流成分と直流成分との比で示される変調度が温度変化に対して一定となるものを選ぶことにより、前記光電流センサのベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする。

[0024] 請求の範囲第 2項の発明では、被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサにぉ、て、

偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子として、ファラデ一回転角が、前記光の強度変調信号を電気信号に変換したときに、この電気信号の交流成分の温度による変化率と前記電気信号の直流成分の温度による変化率とが同じ力もしくは小さくなるものを選ぶことにより、前記光電流センサのベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする。

[0025] 請求の範囲第 3項の発明では、光源を発した光力も偏光子を用いて直線偏光を生成し、この直線偏光を透明媒質からなるセンサ素子に通過させ、被測定交流電流が誘起する磁界を前記センサ素子に印加したときに、センサ素子を通過する光に対して生じるファラデー効果を検光子によって強度変調を受けた光 (強度変調光)の信号として取り出し、この強度変調光を電気信号に変換し、この電気信号の交流成分と直流成分との比で示される変調度をセンサの出力として得る光電流センサにおいて、前記偏光子力センサ素子を経由して検光子に至るまでの光路に、磁気的に飽和させた強磁性ファラデー回転子を挿入し、この強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値として、前記変調度が温度変化に対して一定となるものを選ぶことにより、前記センサ素子のベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする。

[0026] 上記請求の範囲第 3項の発明にお、ては、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値として、前記変調度の温度依存の絶対値が、センサ素子のベルデ定数の温度依存による値の絶対値よりも小さくなるものを選ぶことにより、前記センサ素子のベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存性誤差の絶対値を低減することができる（請求の範囲第 4項の発明）。これら請求の範囲第 3項または第 4項の発明にお、ては、前記光源を発して前記偏光子を通過した光は、前記強磁性ファラデー回転子およびセンサ素子を通過させた後に鏡で反射させて検光子として兼用する前記偏光子に戻し、その反射光が検光子として兼用する偏光子を通過することによって強度変調を受けた光の信号として取り出すように構成することができる（請求の範囲第 5項の発明）。

[0027] 請求の範囲第 3項または第 4項の発明においては、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (I)式の関係を満たすことができる（請求の範囲第 6項の発明)。

ただし、 aはセンサファイバのベルデ定数の温度依存係数、 βは強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存係数、 Fは基準温度における強磁性ファラデ一回転子のファラデー回転能、 dは強磁性ファラデー回転子の厚さをそれぞれ示す。

[0028] 請求の範囲第 3項ないし第 5項のいずれか 1つの発明においては、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (II)式の関係を満たすことができる（請求の範囲第 7項の発明）。

- a≤ ±4 j8 F d≤ a；…（II)

[0029] また、請求項 1ないし 7のいずれか 1つの発明においては、前記強磁性ファラデー回転子によるファラデー回転角とその温度依存の値を、ファラデー回転能とその温度依存特性が異なる複数のファラデー回転子を組み合わせ、各回転子の厚さを変えて調整することができる（請求の範囲第 8項の発明）。

[0030] 請求の範囲第 9項の発明では、被測定交流電流が誘起するファラデー効果を光の強度変調信号として取り出しこの光の強度変調信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段と、前記交流成分の温度による変化率と前記直流成分の温度による変化率とが同じかもしくは小さくなるように調整する調整手段と、を有することを特徴とする。

[0031] 請求の範囲第 10項の発明では、被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサ装置であって、偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子と、前記検光子からの光信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段とを有し、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (I)式の関係を満たすことを特徴とする。

[0032] 請求の範囲第 11項の発明では、被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサ装置であって、

検光子を兼用した偏光子と、一端に鏡を取り付けたセンサ素子と、前記偏光子とセンサ素子の間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子と、前記検光子からの光信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段とを有し、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (II)式の関係を満たすことを特徴とする。

- a≤ ±4 j8 F d≤ a；…（II)

[0033] 請求の範囲第 10項または第 11項の発明においては、前記強磁性ファラデー回転子によるファラデー回転角とその温度依存の値を、ファラデー回転能とその温度依存特性が異なる複数のファラデー回転子を組み合わせ、各回転子の厚さを変えて調整することができる（請求の範囲第 12項の発明）。

発明の効果

[0034] 反射型光ファイバ電流センサの場合は、次の（1) , (2)項の効果が得られ、また、透過型光ファイバ電流センサの場合は、 (2)項の効果が得られる。 ( 1)従来の構成において，光学的バイアスの温度依存に起因する出力の温度変動を抑制するために用いている変調度の平均処理が不要になり、光学系 ·電子回路ともに構成を簡素にできる。

(2)センサファイバのベルデ定数の温度依存に起因する、出力の温度依存を補償できる。

図面の簡単な説明

圆 1]この発明の第 1の実施の形態を示す構成図

[図 2]この発明の原理その 1の説明図

[図 3]この発明の原理その 2の説明図

圆 4]2枚の強磁性ファラデー回転子の組み合わせ方法を説明する説明図圆 5]この発明第 2の実施の形態を示す構成図

圆 6]第 I方式の場合のパラメータと選択すべき信号との関係説明図

圆 7]第 I方式が有効となるパラメータの範囲説明図

[図 8]透過型センサの構成を示す構成図

圆 9]偏光分離素子に入射する光の偏光方位説明図

圆 10]第 II方式の場合のパラメータと選択すべき信号との関係説明図

圆 11]第 II方式が有効となるパラメータの範囲説明図

圆 12]反射型で光学バイアスが正と負の場合の S , S式の比較説明図

A B

圆 13]第 III方式の場合のパラメータと選択すべき信号との関係説明図

圆 14]第 III方式が有効となるパラメータの範囲説明図

[図 15]透過型で光学バイアスが正と負の場合の S , S式の比較説明図

A B

圆 16]第 IV方式の場合のパラメータと選択すべき信号との関係説明図

圆 17]第 IV方式が有効となるパラメータの範囲説明図

圆 18]従来例を示す構成図

[図 19]図 18に示す偏光分離素子付近の偏波状態説明図

[図 20]図 19の光信号成分説明図

[図 21]図 18の場合の変調度の誤差率と温度との関係およびセンサファイバの温度特性説明図符号の説明

[0036] 1…光源、 10…光学系、 11· ··サーキユレータ、 12· ··偏光分離素子、 13…強磁性ファラデー回転子、 13a…永久磁石、 13b…強磁性体結晶、 14· ··ミラー、 15· ··導体、 16· ··センサファイバ (鉛ガラスファイバ）、 17· ··偏光子、 18· ··検光子、 20· ··信号処理回路、 21A, 21Β· ··受光素子、 22A, 22Β· ··アンプ、 23A, 23Β· ··帯域通過フィルタ、 24A, 24Β· ··低域通過フィルタ、 25A, 25Β· ··除算器、 26· ··極性反転器、 27 器。

発明を実施するための最良の形態

[0037] この発明の実施の形態を説明する前に、この発明の原理についてまず説明する。

[0038] 図 2を参照する。

[0039] 温度が、或る温度力低くなつたと仮定する。そうすると、ベルデ定数 Vが小さくなるつまり、同じ測定対象電流 iに対して偏波面回転角（ファラデー回転角）が小さくなるので、測定対象電流 iと出力信号 Pとの関係は図 2 (a)における Iから IIに変化する。すると、出力される電気信号 Pは図 2 (b) IIIから IVに変化する。つまり、同じ測定対象電流 iに対して出力される電気信号 Pの振幅が小さくなる。

[0040] 最終的に測定値は、電気信号 Pは光源の影響を除去するため、直流成分 [P] 、

DC

交流成分 [P] の比 (変調度)の信号 sで評価する。ここで、交流成分 [P] の変動

AC AC

する割合 k (= [P ] Z[P ] )

I AC II AC に伴って、直流成分 [P] の

DC 値も k倍に変動すれば、変調信号 sは見かけ上、温度による変動が生じないということになる。また、直流成分 [P] の変動する割合 jが、 0よりも大きい値であって交流成分 [P] の変動する割合

DC AC

k倍よりも小さい値に変動させれば、なにも対策を講じない (j = 0)ときよりも温度に依存する誤差は低減できるということになる。

[0041] 以上では、温度が低くなる場合について説明したが、温度が或る温度よりも高く変化する場合について以下に説明する。

[0042] この場合は、ベルデ定数 Vは大きくなるから、同じ測定対象電流 iに対して偏波面回転角（ファラデー回転角）が大きくなる。すると電気信号 Pは、同じ測定対象電流 iに対して出力される電気信号 Pの振幅が大きくなる。 [0043] ここで、交流成分 [P] の変動する割合 kに伴って、直流成分 [P] の値も k倍に変

AC DC

動すれば、最終的に用いる変調信号 sは見かけ上、温度による変動が生じないということになる。また、直流成分 [P] の変動する割合 jを、 0よりも大きい値であって交流

DC

成分 [P] の変動する割合 k倍よりも小さい値に変動させれば、なにも対策を講じな

AC

い (j = 0)ときよりも温度に依存する誤差は低減できると!、うことになる。

[0044] すなわち、温度が高く変化する場合も、低く変化する場合も、温度依存性から生じる電気信号 Pの交流成分 [P] の変動する割合 kと、直流成分 [P] の変動する割合

AC DC

jを同じ力 vj、さくすれば、装置全体としての温度に依存して発生する温度誤差を低減できるのである。これが、この発明の基本概念である。

[0045] ここで、ベルデ定数とその温度依存特性は、測定器の構成が分かれば自ずと得られる。また、直流成分 [P] の

DC 変動する割合 jを変化させる方法は、直流成分 [P] の

DC

値を温度に合わせて j倍する演算器を組み込んで実現してもよ、。予め測定器の構成要素 (センサファイバやファラデー回転子など)全体力 sもたらす温度依存特性が分かるので、外部温度を温度センサで測定しながら予め用意したデータによる値を乗算器によって直流成分 [P]

DCに乗じれば実現可能である（図省略)。

[0046] その他、光学的バイアスを変動させることによつても、温度に依存する誤差を低減させることは実現可能である。センサファイバのベルデ定数とその温度依存特性は、測定器の構成が分かれば自ずと得ることができる。光学的ノィァスを大きくすると、電気信号 Pは IIから Vへ変化する。つまり、直流成分 [P] は図 2 (c)の [P ] 力も [P ]

DC II DC V DC

へ変化することになる。この変動する割合 J' ( [P ]

II DC Z[P ] )

V DCが交流成分 [P] の

AC

変動する割合 k倍よりも小さければ、測定装置全体としての温度に依存して発生する誤差を低減できることになる。

[0047] ここで、光学的バイアスの変動は、強磁性ファラデー回転子を構成する強磁性体結晶（13b)の厚さ、材質などによって調整することができる。

[0048] 乗算器による実現方法に比べて、強磁性ファラデー回転子によって直流成分 [P]

D

Cの値を乗算する方法は、別個の演算装置や温度センサを必要とすることのな、点、個々の構成素子のもつ物理的特性によって自ずと温度によって発生する測定誤差を低減できる点に優位'性がある。 [0049] さらに、具体的に光学的バイアスを変動させることによってこの発明を実現させる場合の、この発明の原理について説明する。

[0050] 先の（9a)式にお、て、分母と分子の温度 T力かかって、る項の値を等しくすることができれば、 S の温度依存を無くすことができると考えられる。すなわち、

=-4β¥ d (12)

s

である。このことを説明するのが図 3で、 [P ] と [P ] の比を等しくすることを概念

A AC A DC

的に説明している。

[0051] ただし、（9a)式が成り立つのは、（5)式が条件であるので、ここに再記する。

F d= π/8 (5a)

s

(5a)式を（12)式に代入すると、

=~ π β/2

つまり、強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存係数 j8は、 β =-2α/π (13)

なお、 j8を調整する方法としては、次の文献 3に記載の方法が知られている。文献 3:川上，白石，大橋「光ファイバと光ファイバ型デバイス」 P275— 283, 1996. 7,初版，培風館

(9a)式に（12)式と（5a)式を代入すると次式が得られる。

S =4VI coscot (14)

A s 0

以上より、次のことが言える。

[0052] (13)式が成り立つ強磁性ファラデー回転子を用いれば、回転子の厚さ dを調節することにより（5a)式で表される光学的バイアスの設定と、（12)式で表される強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存 j8と、センサファイバのベルデ定数の温度依存 OCの両方の補償が実現する。

[0053] この条件を設定すると、次の 2つが可能となる。

(1)従来例のような、強磁性ファラデー回転子の温度依存に起因する光学的バイァス変動の補償を目的とした変調度の平均化処理が不要となる。

(2)また、センサファイバのベルデ定数の温度依存に起因する出力の温度依存を無くすることがでさる。

[0054] 従って、以上のような考え方を適用することにより、上記の課題 1および 2で述べた 2 つの課題を解決することができる。このことは、図 18よりも簡素な構成でより高精度を達成できることを意味する。

[0055] 以上では、変調信号 Sの温度依存を除去する条件について述べたが、同様の考

A

え方により、変調信号 sについても適用することが可能である。

B

[0056] この場合の条件は、 Sの場合とは異なり、次の通りになる。

A

[0057] (9b)式の温度特性が無くなる条件は、次式の通りである。

より、

また、（5a)式も同様に必要である。

F d= π /8 (5a)

s

(5a)式を（15)式に代入すると、

( 16)式と（13)式を比較すると，の符号が逆になつて!/、ることが分る。

[0058] (5a)式では

F d= π /8 (5a)

s

であり、 F > 0であった。（d> 0だから）

s

一方、 F < 0となる強磁性ファラデー回転子を用いた場合には、

S

F d π Ζ8 ( 17)

s

とすることにより、（6)式以降の式の符号を考慮して変形すれば、上記と同様に検討することができる。

[0059] 若干長くなつた力以上がこの発明の原理である。また、以上では、分母，分子を温度に依らず等しくなるようにした力その代わりに両者の比を一定値となるようにしても良い。

[0060] 図 1は以上のような原理に基づぐこの発明の実施の形態を示す構成図である。

[0061] 同図からも明らかなように、光源サーキユレータ 11、強磁性ファラデー回転子 13 、ミラー 14およびセンサファイバ 16等からなる光学系の偏光分離素子を偏光子 17に変更し、信号処理回路を受光素子 21、アンプ 22、 BPF23、 LPF24、除算器 25および極性反転器 26からなる 1系統の構成にして簡素化した点が特徴で、その他の機能 ,作用等は図 18の場合と同様である。従って、その詳細は省略する。

[0062] 次に、 2枚の強磁性ファラデー回転子を組み合わせる方法について、説明する。

[0063] ファラデー回転能の温度依存の符号が異なる 2枚の強磁性フラデー回転子を組み合わせ、ファラデー回転角の温度依存をゼロに近い値とした、光ファイバ通信の光アイソレータ用ファラデー回転子としては、例えば、文献 4で商品化されているものがある。

文献 4 :

Zero temperature Dependence Faraday Rotator (R- type series)

Technical manual No.G04— 03,MitsuDishi Gas Chemical Company Inc.

Info-Advanced Materials Division, Photocrystal Inc., Tokyo Plant

また、先の文献 3の P. 275にも同様の技術が紹介されている。

[0064] このように、 2枚の強磁性ファラデー回転子を組み合わせることにより、ファラデー回転角の温度依存を調整することができる。

[0065] 以下にこの知識を活用し、強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能の温度依存と、センサファイバのベルデ定数の温度依存の両方を低減 (補償)する方法につき

、図 4を参照して説明する。

[0066] まず、同図に示す各記号の意味は、次の通りである。

F ：回転子 1の基準温度におけるファラデー回転能 (radZm)

IS

F ：回転子 2の基準温度におけるファラデー回転能 (radZm)

2S

d：回転子 1の厚さ（m)

1

d：回転子 2の厚さ（m)

2

β ：回転子 1のファラデー回転能の温度係数（1Z°C)

1

β ：回転子 2のファラデー回転能の温度係数（1Z°C)

2

さて、図 4の 2つの回転子 1, 2を 1回通過する光のファラデー回転角は、次式のように表わされる。 θ = (1+ j8 T)F d + (1+ j8 T)F d (18)

G 1 IS 1 2 2S 2

また、先の（5a)式から、基準温度におけるトータルのファラデー回転角は π Ζ8となるので、（18)式より次式が得られる。

F d +F d = π/8 (19)

IS 1 2S 2

また、（9a)式を参照するとセンサの出力の温度特性がゼロになる条件として、次式が得られる。

(19), (20)式から、 d , dが求められれば、 α (センサファイバの温度係数）、 F お

1 2 1S よび F (2つの回転子のファラデー回転能）， β および |8 (2つの回転子のファラデ

2S 1 2

一回転能の温度係数）が与えられた時に、センサ出力の温度依存をゼロにする条件が求まることになる。

なお、この場合、先の（9a)式は、次式のように変更される。

S = (1+ aT) -4VI cos_Wt/{l-4( j8 F d + β F d)T}

A s 0 1 IS 1 2 2S 2

(21)

次のように d , dを求める。

1 2

(19)より、

F d = π/8-F d (19，）

2S 2 IS 1

(19')を (20)に代入

α =~4{ β F d + β (π/8-F d)}

1 IS 1 2 IS 1

=- β · π/2-4(β - β )F d

2 1 2 IS 1

よって、

また、 (19)より

F d = π/8-F d (19，，）

IS 1 2S 2

(19，，）を (20)に代入

α =~4{ β (π/8-F d) + β F d }

1 2S 2 2 "

=— π β /2 + 4(β - β )F d よって、

ά = (α + π β /2)/(-4) (β - β )F (23)

2 1 2 1 2S

(22)式，（23)式において，

d ≥0 (24a)

1

d ≥0 (24b)

2

とならなければならない。従って、次の条件を満す必要がある。

β ≠ β (25a)

2 1

F ≠0 (25b)

2S

F ≠0 (25c)

IS

[0068] 次に、 3枚以上組み合わせる場合について、説明する。

[0069] 強磁性ファラデー回転子の枚数は 2枚に限らず、 3枚以上でも本方式は実現可能である。例えば、 3枚の場合（19), (20)式に対応する式は、次のようになる。

F d +F d +F d = π/8 (26)

この場合の条件は（26), (27)の 2式であり、未知数は d , d , dの 3つである。従つ

1 2 3

て条件を満す解の組 (d , d , d )は複数組存在する。

1 2 3

[0070] 以上のような反射型の考え方を、透過型のものに適用した例を図 5に示す。

[0071] ここでは、偏光子 17と検光子 18との間に強磁性ファラデー回転子 13を挿入し、ミラ一を無くした他は図 1と同様なので、詳細は省略する。

[0072] この場合の光学的バイアスは、偏光子 17に対する検光子 18の方位差と、強磁性ファラデー回転子 13による偏波の回転で得るようにしている。すなわち、

Θ +F d= π/4 (28)

A S

に

Θ =検光子方位 (rad)

A

F =強磁性ファラデー回転子のファラデー回転能 (radZm)

S

d=強磁性ファラデー回転子厚さ (m)

なお、（28)式においては、強磁性ファラデー回転子を 1枚使用する場合を想定しているが、上記と同様の考慮から、複数枚の回転子を組み合わせることもできる。 [0073] (28)式で表される光学的バイアスを設定した場合、（9a)式と同様な考え方により、出力 S は次式で表される。

out

S = (1+ αΤ) 2VI cos_Wt/(l-2j8F dT) (29)

out s 0 S

この（29)式が温度特性をもたなくなる条件は、先の（12)式と同様に次式の通りである。

(30)式より、

(31)式を（28)に代入すると、 Θ が求まる。

A

θ = π/4+ /2β (32)

A

[0074] (31), (32)式の条件の場合、出力 S は次式のようになる。

out

S =2VI coscot (33)

out s 0

以上では、強磁性ファラデー回転子 (ガーネット）として、光の強度変調信号を電気信号に変換したときに、交流成分と直流成分との比で示される変調度が温度変化に対して一定となるものを選ぶようにした力温度変化に対して一定の範囲となるものを選ぶこともでき、以下、その場合について詳細に説明する。

[0075] いま、上述の図 18において Sまたは Sの温度依存がゼロになる条件を考える。な

A B

お、各記号等の意味は段落 0008, 0010に示すとおりである。

[0076] この場合は、先の（9a) , (9b)式、すなわち、

S = (l+ aT) '4VI coscotZ(l—4i8F dT) (9a)

A s 0 s

S = (l+ aT) '4VI coscotZ(l+4j8FdT) (9b)

B 0

において、 I aT I <1, I 4 j8 F dT 略化すると、次のようになる。

s I《 1として簡

S = (1+ αΤ) -4VI cos_Wt/(l-4j8F dT)

A s 0 s

^ (1+ aT) (l+4j8FdT) ,4V I cos cot

s s 0

= (1+ aT+4j8F dT+4a j8 F dT²) '4V I cos cot

s s s 0

= (1+ aT+4j8F dT) -4V I cos cot

s s 0

={1+ (ひ +4j8Fd)T}'4VI cosc t (34a)

s s 0

[0077] 同様に、 Sも次式のように表わされる。 S ={l+(a—4j8Fd)T}'4VI coscot (34b)

B 0

(9a), (9b)式または（34a)式より、

Sの温度依存がゼロとなる条件は、

A

α =~4β¥ά (35a)

s

Sの温度依存がゼロとなる条件は、

B

=4β¥ά (35b)

s

である。

[0078] 一般に、基準温度における光学的バイアスは正に設定することから、先の（5a)式より、

Fd= π/8

s

である（光学的バイアスが負の場合にっ、ては、後述する）。

[0079] (35a), (35b)式を見ると、 a, j8の正，負符号の 1組について、

a)図 18における変調信号 S の温度依存をゼロに調整できる力できないか？

A

b)図 18における変調信号 Sの温度依存をゼロに調整できる力、できないか？

B

について、異なる結果が得られることが分かる。

[0080] α, βの正,負符号の 1組について、 S , Sの両方の温度依存をゼロに調整するこ

A B

とはできない。なぜなら、（35a)または（35b)のいずれかが成立し、 (34a), (34b)のいずれか一方の中括弧 { * }内の第 2項がゼロとなる場合、他方の中括弧 { * }内の第 2項は 2 αとなるからである。つまり、 Sまたは Sの一方の温度依存をゼロに調整

A B

すると、他方はセンサ素子の 2倍のベルデ定数の温度依存の 2倍となる。

[0081] すなわち、

S又は S =4VI coscot (36a)

A B s 0

のとき、

S又は S =(l + 2aT) '4VI coscot (36b)

A B s 0

となる。

[0082] さらに上記の条件で変調度の平均処理を行なったとすると、その場合の最終出力 S outは、

S =lZ2{(36a)式右辺 +(36b)式右辺） = (l+aT)'4VIcoscot (36c)

s 0

となる。つまり、全く温度特性を持たないガーネットを使い、 β =0としても aの影響は残ること〖こなる。

[0083] 以上のことから、 a, j8の符号に応じて、 Sの温度依存をゼロにできる力又は S

A B

=の温度依存をゼロにできるかについて、図 6のように分類されることが分かる。

[0084] ガーネットのファラデー回転能の温度係数がゼロである場合、すなわち j8 =0を（3 4a), (34b)式に代入すると、

S =(l+aT)'4VIcoscot (37a)

A s 0

S =(l+aT)'4VIcoscot (37b)

B s 0

また、これらの信号を用いて変調度の平均処理を行なったとすると、その出力 S は out

S =(S +S )Z2=(l+aT)'4VIcoscot (37c)

out A B s 0

となり、ガーネットの温度依存がゼロ、 β =0の場合 S , S , S ともに、その温度依存

A B out

係数は、センサ素子のベルデ定数の温度係数 αに等しくなることが分かる。

[0085] したがって、上述の反射型で光学的バイアスが正である第 I方式が有効となるパラメータの範囲は、システム出力 S又は Sの温度依存係数が— | |力も + | α | の

A B

範囲になる値となる。すなわち、 (34a), (34b)式より、次式のどちらかを満たす範囲となる。

(34a)式より、

(0≤) | a+4|8Fd | ≤ | α | (Sの温度依存が | a |未満）（38a)

s A

(0≤) | a-4|8Fd | ≤ | α | (Sの温度依存が | α |未満）（38b)

s B

[0086] 以下に、（38a), (38b)式を満たすパラメータの具体的な値を求める。

(1)0≤ αの場合

(38a)式から a, j8, Fの関係を求める。

s

(l-a)Sについて有効な範囲

A

(l— a—l)ひ +4j8Fdが正の場合

(38a)式は、

0≤ a +4j8Fd≤ | a | となり、

となる。

(l— a— 2) a+4i3Fdが負の場合

0≤ a+4i3Fd≤ I a |

となり、

-2 I a I≤4)3Fd≤- | a |

- I a I /2d≤ ]3F≤- I a | /4d (39b)

(l-b)Sについて有効な範囲

(38b)式から 0≤ I a-4j8Fd | ≤ | a |であり、

(1-b-l) a— jSFdが正の場合

0≤4i3Fd≤ a/4d (39c)

(l—b— 2) a—4j8Fdが負の場合

であり、

a /4d≤ i3F≤ a /2d (39d)

(2) _a≤0の場合

(2-a)S について有効な範囲

(2 -a-1) a +4j8F dが正の場合

0≤ I a +4]3Fd I≤ I α I

ここで、 a =— I a Iであるので、

I a I /4d≤ /3F≤ I a | /2d (39e) (2—a— 2) a+ jSFdが負の場合

a=— I α Iより、

(2-b)Sについて有効な範囲

(2—b— l) a— jSFdが正の場合

a=— I a Iより、

- I a I /2d≤4j8Fd≤- I a | /4d (39g)

(2— b— 2) a— 4j8Fdが負の場合

a=— I a Iより、

[0087] 以上、（38a), (38b), (39a)〜（39h)式をまとめると、図 7のようになる。

[0088] 以上では、反射型の場合 (第 I方式)を説明した。次に、透過型の場合について説明する。

[0089] 透過型の全体構成は、図 8のようになる。なお、図 8の符号 1は光源、 12は偏光分離素子、 13はファラデー回転子 (ガーネット）、 16はファイバセンサ、 17は入射偏光子、 PDは受光素子、 BPFは帯域通過フィルタ、 LPFは低域通過フィルタをそれぞれ示す。

[0090] いま、ファラデー回転子 (ガーネット）による偏波面の回転角（ファラデー回転角）を Θ (rad)、偏光分離素子主軸の入射偏光子主軸に対する傾き角を Θ (rad)、セン

G B

サファイバの中で生じるファラデー回転角を 6i(rad)とすると、偏光分離素子に入射する光の偏光方位は図 9のようになる。また、偏光分離素子の出力 P , Pは以下のよ

A B

うに表わされる。

P =A'cos²( Θ + Θ + 0i)=A{l + cos2(0 + θ + Θ i) }

A B G B G

ただし、 A=A'Z2 (40a)

P =B'sin²( Θ + Θ + 0i)=B{l-cos2(0 + θ + Θ i) }

Β Β G Β G

ただし、 Β = Β'Ζ2 (40b)

ここで、被測定電流を i、ベルデ定数を Vとすると、

0i=Vi=VIcoscot (41)

0

先の（3), (4)式を再掲すると、

V=(l+ aT)Vs (3)

また、光学的バイアス 2(θ +Fd) = wZ2より

B s

となる。

(40a) , (40b)に（3), (4), (41), (42)式を代入する。

P =A[l + cos2{ Θ +Fd+ j8FdT+(l+ aT)VI coscot}]

A B s s s 0

=A[l + cos{ Z2 + 2j8FdT+(l+ aT) 2VI coscot}]

s s 0

coscot}] (43a)

P =B[l + sin{2j8FdT+(l+ Q;T)'2VI coscot}] (43b)

B s s 0

sin[*]の I [*] Iを、 I [*] I《πΖ2とすると、

P =A{(l-2j8FdT)-(l+aT)-2VIcos_Wt} (44a)

A s s 0

P =B{ (1 + 2 j8FdT) + (l+aT)-2V I coscot} (44b)

B s s 0

[P ] =—A(l+ aT) *2VI coscot (45b)

A AC s 0

[P ] =—B(l+ aT) *2VI coscot (45d) [0092] (45)式より、

= (1+ αΤ) ·2νΐ coso>tZ(l— 2j8FdT) (46a)

s 0 s

S B =[P B] AC Z[P B] DC

= (1+ aT) -2VI coso)tZ(l + 2j8FdT) (46b)

s 0 s

[0093] 反射型の場合と同様に I αΤ I 《1, I 2 j8 F dT I 《1として、 (46a) , (46b)式を s

さらに変形する。

S =(1+ αΤ) -2VI cos_Wt/(l-2j8FdT)

A s 0 s

（1+ aT) (l— 2j8FdT) '2VI coscot

s s 0

^{l+(a +2j8Fd)T}-2VsI cos_Wt (47a)

s 0

S =(1+ aT) -2VI cos_Wt/(l + 2j8FdT)

B s 0 s

（1+ aT) (l— 2j8FdT) '2VI coscot

s s 0

^{l+(a -2j8Fd)T}-2VI cos_Wt (47b)

s s 0

(47a)より、 Sの温度依存がゼロになる条件は、

A

α =~2β¥ά (48a)

s

であり、（47b)より、 Sの温度依存がゼロになる条件は、

B

=2β¥ά (48b)

s

となる。

[0094] 次に、各パラメータの正負符号と S , Sの温度依存の関係について考える。

A B

[0095] まず、光学的バイアスが +πΖ2の場合、すなわち、 Θ +Fd二 πΖ4の場合を考

B s

える（ 0 +F d=— π 場合にっ、ては、別に検討する）。

B Ζ4の

(48a)，（48b)の両式を見ると、 a, F, j8の 3つのパラメータの正負符号の袓について、図 8における変調信号 Sの温度依存をゼロに調節できる力、またはできないか

A

？および変調信号 Sの温度依存をゼロに調節できる力、またはできないか？が異な

B

ることが分力ゝる。

[0096] なお、 α , F , j8の正負符号の 1組について、 S , Sの両方の温度依存をゼロにす s A B

ることはできない。なぜなら、 (47a) , (47b)の両式において、一方の式の {*}内第 2 項がゼロとなる場合、他方の式の { * }内第 2項は 2 aとなる力らである。つまり、 S又は sの一方の温度依存をゼロに調節すると、他方はセンサ素子のベルデ定数の温

B

度依存の 2倍となることが分かる。すなわち、

S又は S =2VIcoscot (49a)

A B s 0

のとき、

S又は S =(l + 2aT)'2VIcoscot (49b)

B A s 0

となる。

[0097] さらに、上記の条件で変調度の平均処理をすると、最終出力 S は、

out

S ={(49&)式右辺+(491))式右辺}72

out

= (l + 2aT)，2VIcoscot (49c)

s 0

となる。つまり、 β =0としても aの影響は残ることになる。各パラメータ α , F , j8の正負符号と選択すべき信号との関係を示すと、図 10のようになる。

[0098] ここで、透過型で光学的バイアスが正である第 II方式が有効となるパラメータの範囲について考察する。

[0099] ガーネットのファラデー回転能の温度係数がゼロである場合、すなわち β =0を先の（47a), (47b)式に代入すると、

S =(l+aT)，2VIcoscot (50a)

A s 0

S =(l+aT)，2VIcoscot (50b)

B s 0

となり、これら 2つの信号を用いて変調度の平均処理をしたとすると、その出力 S は out

S =(S +S )/2

out A B

= (1+ αΤ) ·2νΐ cosc t (50c)

s 0

となる。上記（50a), (50b), (50c)式より、ガーネットの温度依存がゼロ、つまり β = 0の場合、 S , S , S ともにその温度依存係数は、センサ素子のベルデ定数の温度

A B out

依存係数 αに等しくなることが分力る。

[0100] したがって、透過型が有効となる範囲は、システム出力 Sまたは Sの温度依存係数

A B

がー I α Iから I α Iの範囲に入る場合、すなわち（47a), (47b)式より、次のどちらかを満たす範囲となる。

(47a)式より

(0《） I α + jSFd I 《 I a I (51a)

s (47b)式より

(0<) I a-jSFd a

s I < I I (51b)

さらに、反射型にはない (42)式の関係、 Fd= 7cZ4 Θ がある。

s B

[0101] 以下に、（51a), (51b)を満たす具体的なパラメータ値を求める。

[0102] (l)0≤ o;の場合

(51a)式から a, j8, Fの関係を求める。

s

(l-a)S について有効な範囲

A

(l— a—l) a+2i3Fdが正の場合

(51a)式は、

となり、

- a≤2]3Fd≤ I α I - α

となる。

(1 a— 2) a+SjSFdが負の場合

となり、

- I a I /d≤ j8F

s≤- I a | /2d (52b)

(l-b)Sについて有効な範囲

B

(51b)式から 0≤ I ~2β¥ά

s I≤ I |であり、

(l—b l) a—SjSFdが正の場合

0≤ i3Fd≤

s I a I /2d (52c)

(1 b— 2) a— 2j8Fdが負の場合

I であり、

I a I /2ά≤ βΈ≤ \ a \ /d (52

(2)ひ≤0の場合

(2-a)S について有効な範囲

(2-a-l) a+SjSFdが正の場合

ここで、 o;=— I α Iであるので、 0≤— I a I +2i3Fd≤ I a |

I a I /2ά≤ βΈ≤ \ a \ /d (52

(2— a— 2) a +2 i3Fdが負の場合

0≤-(α+2βΈά)≤ I a | a =— I a Iより、

- I a I≤-2i3Fd≤0

(2— b)Sについて有効な範囲

(2-b-l) a— 2 Fdが正の場合

a =— I a Iより、

0≤— I a I -2(SFd≤ I a |

(2— b— 2) a— 23 Fdが負の場合 ≤-(a-2i3Fd)≤ I a |

a=— I a Iより、

≤ I a I +2j8Fd≤ I a |

[0103] 以上、（51a), (51b), (52a)〜（52h)式をまとめると、図 11のようになる。

[0104] これまでは、光学的バイアスを正、すなわち、先の（5a)式のように、

Fd=+ π/8

s

として説明してきたが、これを負に設定することも可能で、この場合は、

Fd=- π/8 (53)

s

となる。先の（6), (8)式に（5a)式に代えて（53)式を代入すると、先の（9a), (9b) 式は、それぞれ次の（54a), (54b)のようになる。

S =-(1+ aT) -4VI cos_Wt/(l-4j8FdT) (54b)

B 0

(9a)式と（54a)および（9b)と（54b)式をそれぞれ比較すると、次の（54a)は（9b)式に負号を付したもの、また、（54b)は（9a)式に負号を付したものとなる。これらの関係を図 12に示す。

[0106] 以上のように、光学的バイアスを正力も負に変えると次のことが言える。

1.光学的バイアスを正力負に変えると、 S , Sの被測定電流に対する極性が逆に

A B

なる。

2.先の図 6は図 13に変わる（Aと Bを取り替えればよい）。

3.先の図 7は図 14に変わる（Aと Bを取り替えればよ、）。

[0107] 各パラメータ α , F , |8の正負符号と選択すべき信号との関係を示すと、図 14のよ s

うになる。

[0108] ここで、光学的バイアスが負で反射型である第 III方式が有効となるパラメータの範囲について考察する。

[0109] (54a) , (54b)式を（34a) , (34b)式の場合と同様に、変形する。

S =-(1+ aT) -4VI cos_Wt/(l+4j8FdT)

A s 0 s

= -(1+ αΤ) (l-4j8FdT) '4VI cosc t

s s 0

^— {l+(a—4j8Fd)T}'4VIcos )t (55a)

s s 0

Sも同様にして、次式のようになる。 S =-{l+ (a +4j8Fd)T}-4VI cos_Wt (55b)

B 0

[0110] 上記（55a), (55b)より、第 III方式が有効となるパラメータの範囲を定める条件式は、次の 2式のどちらかを満たす範囲となる。

(55a)式から、

(0≤) I (a -4_J8Fd) I≤ I a I (Sの温度依存係数が | o |未満）

s A

(56a)

(55b)式から、

(0≤) I (a +4_J8Fd) I≤ I a I (Sの温度依存係数が | o |未満）

s B

(56b)

(56a), (56b)式を（38a), (38b)式と比較すると、それぞれ添え字 Aと Bが互いに異なっている点のみであることが分かる。したがって、（56a), (56b)式を満たすパラメータ値の具体的な数式は、図 7を参照して図 14のようになる。

[0111] 次に、透過型で光学的バイアスが負の場合 (第 IV方式）について考える。この場合は、

θ +Υά=- π/Α (57)

B s

であり、この式を用いると（46a), (46b)式は次のようになる。

S =- (1+ aT) -2VI cos_Wt/(l + 2j8F dT) (58a)

A s 0 s

S =- (1+ aT) -2VI cos_Wt/(l-2j8FdT) (58b)

B 0

I 2j8FdT I <1, I aT | 《1として、 (58a), (58b)を変形すると、次の（59a) , s

(59b)式のようになる。

S =— (1+ αΤ) (1— 2j8F dT) '2VI coscot

A s s 0

{l+ (a— 2j8Fd)T}'2VI coscot (59a)

s s 0

S =- (1+ aT) -2VI cos_Wt/(l-2j8FdT)

B s 0 s

^-{l+ (a +2j8Fd)T}-2VI cos_Wt (59b)

s s 0

(59a)式から、 Sの温度依存がゼロとなる条件は、

A

α =2β¥ ά

s

(59b)式から、 Sの温度依存がゼロとなる条件は、

B

α =~2β¥ ά となり、 (47a) , (47b)式と（58a), (58b)式を対比して示すと図 15のようになる。

[0112] 図 15より、光学的バイアスを正力も負に変更すると、構成は図 8と同じとして、 (58a )式は (47b)式に負号を付したもの、（58b)式は (47a)式に負号を付したものとなる。このことから、次のことが言免る。

1)光学的バイアスを正力負に変えると、 S , Sの被測定電流に対する極性が逆に

A B

なる。

2)先の図 10は図 16に変わる。

3)先の図 11は図 17に変わる。

[0113] 各パラメータ α , F , |8の正負符号と選択すべき信号との関係を示すと、図 17のよ s

うになる。

[0114] 上述の光学的バイアスが負で透過型である第 IV方式が有効となるパラメータの範囲を定める条件式は、次の 2式のどちらかを満たす範囲となる。

(59a)式から、

(0≤) I (a-2_J8Fd) I≤ I a I (Sの温度依存係数が | o |未満) (60a)

s A

(59b)式から、

(0≤) I +2|8Fd)

s I≤ I a I (Sの温度依存係数が

B I α I未満（60b)

(60a) , (60b)式を (a), (b)式と比較すると、それぞれ添え字 Aと Bが互いに異なつている点のみであることが分かる。したがって、（60a), (60b)式を満たすパラメ一タ値の具体的な数式は、図 11を参照して図 17のようになる。

[0115] 次は、光学的バイアスがシフトしている場合の説明である。反射型と透過型に分かれるがまず反射型 (第 V方式)から説明する。

[0116] 光学的バイアスは正で、 F dに誤差 δがあるものとする。

s

ά=π/8+ δ (61)ただし、

s I δ I《π/2とする。

[0117] この場合、先の（6a), (6b)式は、それぞれ（62a), (62b)のように表わされる。

P =A[1 + COS{ Z2+4S +4j8FdT+4(l+ aT)VI coscot}]

A s s 0

(62a)

P =B[1— COS{ Z2+4S +4j8FdT+4(l+ aT)VI coscot}]

B s s 0

(62b) (62a)式は次式のように変形でき、

P =A[l-sin{(46 +4 j8 F dT)—4(1+ αΤ) V I cos cot}]

A s s 0

=Α[{1-(4δ +4j8FdT)}— 4(1+ αΤ) 'VI cos cot]

s s 0

(63a)

[0118] 同様に（62b)は次式のように変形できる。

P =Β[{1+(4δ +4j8FdT)}+4(l+ αΤ) ·νΐ coscot]

Β s s 0

(63b)

(63a), (63b)式より、 S , Sは次式となる。

A B

S = (l+aT)'4VIcoscotZ(l— 4δ— 4j8FdT) (64a)

これらを、さらに簡略化すると、

S =(1+4δ +4j8FdT) (1+ αΤ) -4VI cos_Wt

A s s 0

となり、 2次の項を省略すると、次式となる。

S ={1+4δ +(a+4j8Fd)T}'4VIcoscot (65a)

A s s 0

同様に、 Sは（65b)式のようになる。

B

S ={1-4δ + ( a - 4 j8 F d) T} · 4V I cos ω t (65b)

B s s 0

[0119] (65a), (65b)式を先の（34a) , (34b)式と比較すると、光学的バイアスシフトがある場合の出力 S , Sへの影響を、次のようにまとめることができる。

A B

a)感度が変わる。

Sの感度が +4 δ , Sの感度が— 4 δ変化する。

A B

b)最適解の式は変わらな！/、。

[0120] (65a)式の温度依存を表わす項 +4 j8Fd)Tは（34a)のそれと等しぐまた（65 s

b)式の温度依存を表わす項（ α— 418 F d) Tは（34b)式と等 U、。

s

[0121] したがって、 S , Sの温度依存がゼロとなる条件式も（35a) , (35b)式に等しい。よ

A B

つて、 a, j8の符号に応じて Sの温度依存をゼロにできる力、または Sの温度依存を

A B

ゼロにできるかについての説明図は図 6と同じである。

c)上述の第 V方式が有効となるパラメータの範囲を示す式も変わらな、。

[0122] 条件式は（38a), (38b)式と同じで、説明図も図 7と同じである。 [0123] なお、光学的バイアスがシフトして、る場合に、変調度の平均処理を施して得られる出力信号 Soutは、（65a), (65b)式から次のようになる。

Sout= (S +S )/2={(65a) + (65b)}/2

A B

= (l+ aT) '4VI coscot (66)

s 0

この（66)式より、変調度の平均処理の効果は次の通りである。

•ガーネットの温度依存の影響を除去できる。

•光学的バイアスシフトの影響を除去できる。

[0124] 一方、変調度の平均処理は、次の点では有効とは言えな！/、。

•センサ素子のベルデ定数の温度依存の影響は除去できな!/、 ( (66)式の a Tの項参照)。

[0125] 次、で、透過型 (第 VI方式）につ、て説明する。

[0126] 光学的バイアスは正で、 F dに誤差 δがあるものとする。

s

θ +¥ά= π/Α+ δ (67)ただし、 I δ I 《π/2とする。

Β s

[0127] この場合、先の（43a), (43b)式は、それぞれ次の（68a) , (68b)のように表わされる。

P =Α[1 + οο8{π/2 + 2δ +2j8FdT+2(l+ aT)VI cos cot}]

A s s 0

=A[l-sin{(26 +2j8F dT) -2(1+ aT)VI coscot}]

s s 0

(68a)

P =B[1— COS{ Z2+4S +4j8FdT+2(l+ aT)VI coscot}]

B s s 0

= B[{l + sin(26 +2 j8 F dT) } + 2(1+ aT)VI coscot]

0

(68b)

[0128] (68a)式は次式のように変形でき、

P =Α[{1-(2δ +2j8FdT)}-2(l+ aT)VI cos_Wt] (69a)

A 0

同様に（68b)は次式のように変形できる。

P =Β[{1+(2δ +2j8FdT)} + 2(l+ aT)VI coscot] (69b)

B s s 0

(69a), (69b)式より、 S , Sは次式となる。

A B

S = (l+ aT) '2VI coscotZ(l— 2δ— 2j8FdT) (70a)

A s 0 s

S =(l+ aT)，2VI coscotZ(l + 2S +2j8FdT) (70b) これらを、さらに簡略化すると、

S =(1+4δ +4j8FdT) (1+ αΤ) -4VI cos_Wt

A s s 0

となり、 2次の項を省略すると、次式となる。

S ={1 + 2δ +(a+2j8Fd)T}'2VIcoscot (71a)

A s s 0

同様に、 Sは（71b)式のようになる。

B

S ={1-2δ +(a—2j8Fd)T}'2VIcoso)t (71b)

B s s 0

[0129] (71a), (71b)式を先の（47a) , (47b)式と比較すると、光学的バイアスシフトがある場合の出力 S , Sへの影響を、次のようにまとめることができる。

A B

a)感度が変わる。

Sの感度が + 2 δ , Sの感度が— 2 δ変化する。

A B

b)最適解の式は変わらな！/、。

[0130] (71a)式の温度依存を表わす項 +2 j8Fd)Tは（47a)のそれと等しぐまた（71 s

b)式の温度依存を表わす項（ α— 218 F d) Tは（47b)式と等 U、。

s

[0131] したがって、 S , Sの温度依存がゼロとなる条件式も（48a) , (48b)式に等しい。よ

A B

ゼロにできるかについての説明図は図 10と同じである。

[0132] 条件式は（50a), (50b)式と同じで、説明図も図 11と同じである。ただし、先の (42 )式は、 Fd=wZ4— 0 — δと変形される。

s Β

[0133] なお、光学的バイアスがシフトして、る場合に、変調度の平均処理を施して得られる出力信号 Soutは、（71a), (71b)式から次のようになる。

Sout= (S +S )/2={(71a) + (71b)}/2

A B

= (l+aT)，2VIcoscot (72)

s 0

この（72)式より、変調度の平均処理の効果は次の通りである。

•ガーネットの温度依存の影響を除去できる。

•光学的バイアスシフトの影響を除去できる。

[0134] 一方、変調度の平均処理は、次の点では有効とは言えな！/、。

•センサ素子のベルデ定数の温度依存の影響は除去できな!/、（（72)式の α Τの項参照)。

[0135] 前節では、光学的バイアスが正で、光学的バイアスがシフトして、る場合につ！、て特性を調べた。その結果、光学的バイアスがシフトしてもその方式の特性を示す数式等が変わりはないことが分力つた。

[0136] 光学的ノィァスが負で、光学的ノィァスがシフトしている場合についても上記と同様に考えられるので、この条件での特性についての説明は省略することとする。

Claims

請求の範囲

[1] 被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサにおいて、

偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子として、前記光の強度変調信号を電気信号に変換したときに、交流成分と直流成分との比で示される変調度が温度変化に対して一定となるものを選ぶことにより、前記光電流センサのベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[2] 被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサにおいて、

偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子として、ファラデ一回転角が、前記光の強度変調信号を電気信号に変換したときに、この電気信号の交流成分の温度による変化率と前記電気信号の直流成分の温度による変化率とが同じ力もしくは小さくなるものを選ぶことにより、前記光電流センサのベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[3] 光源を発した光から偏光子を用いて直線偏光を生成し、この直線偏光を透明媒質からなるセンサ素子に通過させ、被測定交流電流が誘起する磁界を前記センサ素子に印加したときに、センサ素子を通過する光に対して生じるファラデー効果を検光子によって強度変調を受けた光 (強度変調光)の信号として取り出し、この強度変調光を電気信号に変換し、この電気信号の交流成分と直流成分との比で示される変調度をセンサの出力として得る光電流センサにお、て、

前記偏光子力センサ素子を経由して検光子に至るまでの光路に、磁気的に飽和させた強磁性ファラデー回転子を挿入し、この強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値として、前記変調度が温度変化に対して一定となるものを選ぶことにより、前記センサ素子のベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存を低減することを特徴とする光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[4] 前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値として、前記変調度の温度依存の絶対値が、センサ素子のベルデ定数の温度依存による値の絶対値よりも小さくなるものを選ぶことにより、前記センサ素子のベルデ定数の温度依存性に起因するセンサ出力の温度依存性誤差の絶対値を低減することを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[5] 前記光源を発して前記偏光子を通過した光は、前記強磁性ファラデー回転子およびセンサ素子を通過させた後に鏡で反射させて検光子として兼用する前記偏光子に戻し、その反射光が検光子として兼用する偏光子を通過することによって強度変調を受けた光の信号として取り出すように構成することを特徴とする請求の範囲第 3項または第 4項に記載の光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[6] 前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (I) 式の関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第 3項または第 4項に記載の光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[7] 前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (II )式の関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第 3項ないし第 5項のいずれか 1つに記載の光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

- a≤ ±4 j8 F d≤ a；…（II)

[8] 前記強磁性ファラデー回転子によるファラデー回転角とその温度依存の値を、ファラデー回転能とその温度依存特性が異なる複数のファラデー回転子を組み合わせ、各回転子の厚さを変えて調整することを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 7項のいずれか 1つに記載の光電流センサにおける温度依存性誤差の低減方法。

[9] 被測定交流電流が誘起するファラデー効果を光の強度変調信号として取り出しこの光の強度変調信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段と、前記交流成分の温度による変化率と前記直流成分の温度による変化率とが同じ力もしくは小さくなるように調整する調整手段と、を有することを特徴とする光電流センサ装置。

[10] 被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサ装置であって、

偏光子と検光子との間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子と、前記検光子からの光信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段とを有し、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (I)式の関係を満たすことを特徴とする光電流センサ装置。

[11] 被測定交流電流が誘起するファラデー効果を、光の強度変調信号として取り出す光電流センサ装置であって、

検光子を兼用した偏光子と、一端に鏡を取り付けたセンサ素子と、前記偏光子とセンサ素子の間の光路に挿入される強磁性ファラデー回転子と、前記検光子からの光信号を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号の交流成分と直流成分を抽出しその比で示される変調度を演算する演算手段とを有し、前記強磁性ファラデー回転子で生じるファラデー回転角の温度依存値は、下記 (II)式の関係を満たすことを特徴とする光電流センサ装置。

- a≤ ±4 j8 F d≤ a；…（II) 前記強磁性ファラデー回転子によるファラデー回転角とその温度依存の値を、ファラデー回転能とその温度依存特性が異なる複数のファラデー回転子を組み合わせ、各回転子の厚さを変えて調整することを特徴とする請求の範囲第 10項または第 11 項に記載の光電流センサ装置。