特許 6450908 電流測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6450908

(24)【登録日】2018年12月21日

(45)【発行日】2019年1月16日

(54)【発明の名称】電流測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/24 20060101AFI20190107BHJP

【ＦＩ】

   G01R15/24 E

【請求項の数】9

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2015-504163(P2015-504163)

(86)(22)【出願日】2014年2月27日

(86)【国際出願番号】JP2014001080

(87)【国際公開番号】WO2014136411

(87)【国際公開日】20140912

【審査請求日】2017年1月26日

(31)【優先権主張番号】特願2013-62868(P2013-62868)

(32)【優先日】2013年3月7日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000240477

【氏名又は名称】アダマンド並木精密宝石株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077573

【弁理士】

【氏名又は名称】細井 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100126413

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 太亮

(72)【発明者】

【氏名】今野 良博

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 勝

【審査官】 青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２０４８７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２７１２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０２３３３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１６１９６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００３−５０５６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２９７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４０８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０９０４４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第６１２２４１５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １５／２４

Ｇ０１Ｒ ２９／０８

Ｇ０１Ｒ ２９／１２

Ｇ０１Ｒ ３３／０３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流測定装置は少なくとも、光入出射部と、センサ用光ファイバと、ファラデー回転子と、第１の１／４波長板及び第２の１／４波長板と、偏光分離器と、光源と、光電変換素子を備える信号処理回路を含み、
前記光入出射部は２本の導波路が配列されて構成されており、
前記光入出射部から順に、前記偏光分離器、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板、前記ファラデー回転子、前記センサ用光ファイバが配置され、
更に前記センサ用光ファイバは複屈折を有すると共に、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置され、回転方向の異なる２つの円偏光を入射するための一端と、入射した前記円偏光を反射する他端を備え、
前記第２の１／４波長板は、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第２の１／４波長板との間に配置され、
前記光源から出射された光が前記他端で反射されることで、前記偏光分離器、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板前記ファラデー回転子、及び前記センサ用光ファイバを往復する往復光路が設定され、
前記第１の１／４波長板と前記第２の１／４波長板間の前記往復光路は、２つの直線偏光が伝播されると共に、２つの前記直線偏光の位相差が補償されるように構成されており、
更に、前記ファラデー回転子は、ファラデー素子の厚さを最適化することにより磁気飽和時のファラデー回転角が、温度２３℃において２２．５°＋α°に設定され、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、１００℃の温度範囲において±０．５％の範囲内に設定され、
前記第１の１／４波長板及び前記第２の１／４波長板のそれぞれの光学面上における結晶軸方向が、直交するように設定されるか又は同一方向に設定され、
前記偏光分離器の光学面上における結晶軸方向と、前記第１の１／４波長板の光学面上における前記結晶軸方向が、直交するように設定されるか又は同一方向に設定されることを特徴とする電流測定装置。

【請求項2】

前記偏光分離器の光学面上における結晶軸方向と、前記第１の１／４波長板の光学面上における前記結晶軸方向と、前記第２の１／４波長板の光学面上における前記結晶軸方向とが、同一方向に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電流測定装置。

【請求項3】

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又は２に記載の電流測定装置。

【請求項4】

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の温度特性を有す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。

【請求項5】

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４の何れかに記載の電流測定装置。

【請求項6】

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５に記載の電流測定装置。

【請求項7】

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、１００℃の温度範囲において±０．２％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の電流測定装置。

【請求項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。

【請求項9】

前記センサ用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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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に関するものである。

【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。

【0003】

この電流測定装置は、センサ用光ファイバ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の他端にミラーを配置した反射型の電流測定装置である。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、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の一端側から入射した直線偏光を、ミラーで往復する間に、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、ＹＩＧなどの強磁性体結晶からなるファラデー回転子を備える。

【0004】

しかしながら、電流測定装置に用いるファラデー回転子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）を有し、更にセンサ用光ファイバ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の温度特性が存在する。従って、ファラデー回転子の補償だけでなく、センサ用光ファイバの温度特性の補償（低減）が必要であった。このファラデー回転子とセンサ用光ファイバの両方の温度特性を完全に補償する電流測定装置として、本発明者は比誤差の変動幅を±０．５％又は±０．２％以内に抑えた電流測定装置を発明した（特許文献２参照）。

【0005】

特許文献２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、偏光分離器と、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んで電流測定装置を構成し、センサ用光ファイバを被測定電流が流れている導体の外周に周回設置している。更に、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°に設定してファラデー回転角を２２．５°からα°だけ変化させることで、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、−２０℃以上８０℃以下の温度範囲に亘って±０．５％又は±０．２％の範囲内に設定している。

【0006】

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％又は±０．２％の範囲内に抑えている。従って、測定値における比誤差の温度特性補償を、ファラデー回転子で行うことが可能となり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％又は±０．２％以内に抑えることで、保護継電器への適用が可能な電流測定装置を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】ＷＯ２００６／０２２１７８号公報（第４−７頁、図１８）

【特許文献2】特開２０１０−２７１２９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、本発明者が実際に電流測定装置の比誤差の変動幅を±０．５％以内まで低減した結果、相対的にセンサ用光ファイバ固有の複屈折が大きな補償対象として現れることを、本発明者は特許文献２の電流測定装置を検討して導き出した。

【0009】

センサ用光ファイバは直線状態でも複屈折を有しており、更に導体の外周に周回設置される。従って、センサ用光ファイバが直線状態から変形される構成となる。この曲げに伴う変形によりセンサ用光ファイバに応力が発生し、その応力によりセンサ用光ファイバには更に大きな複屈折が発生する。その結果、比誤差の低減化を図るほど、センサ用光ファイバからの出力時に制御不可能な位相を持つ２つの伝搬モードが出力されることとなり、電流測定装置の出力に変動や減衰が顕著に表れることを本発明者は見出した。

【0010】

本発明者が実際に特許文献２で開示されている電流測定装置の比誤差の変動幅を測定したところ、センサ用光ファイバの複屈折に起因する比誤差の変動幅は図３１に示すように、電流測定装置から出力される被測定電流の測定値において、約−１．０％〜約１．２％の範囲で現れた（−２０℃以上８０℃以下の温度範囲では、約−０．７％〜約１．２％の範囲）。従って、前記のようにファラデー回転子の比誤差の変動幅を減少させるだけでは、被測定電流の測定値における比誤差の変動幅を±０．５％の範囲内に抑えることは困難であることを見出した。

【0011】

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、出力における比誤差の変動幅を±０．５％の範囲内に確実に収めることが可能であり、且つ、組み立ての容易化も可能な電流測定装置の提供を課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記課題は、以下の本発明により達成される。即ち、
（１）電流測定装置は少なくとも、光入出射部と、センサ用光ファイバと、ファラデー回転子と、第１の１／４波長板及び第２の１／４波長板と、偏光分離器と、光源と、光電変換素子を備える信号処理回路を含み、
前記光入出射部は２本の導波路が配列されて構成されており、
前記光入出射部から順に、前記偏光分離器、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板、前記ファラデー回転子、前記センサ用光ファイバが配置され、
更に前記センサ用光ファイバは複屈折を有すると共に、被測定電流が流れている導体の外周に周回設置され、回転方向の異なる２つの円偏光を入射するための一端と、入射した前記円偏光を反射する他端を備え、
前記第２の１／４波長板は、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第２の１／４波長板との間に配置され、
前記光源から出射された光が前記他端で反射されることで、前記偏光分離器、前記第１の１／４波長板、前記第２の１／４波長板前記ファラデー回転子、及び前記センサ用光ファイバを往復する往復光路が設定され、
前記第１の１／４波長板と前記第２の１／４波長板間の前記往復光路は、２つの直線偏光が伝播されると共に、２つの前記直線偏光の位相差が補償されるように構成されており、
更に、前記ファラデー回転子は、ファラデー素子の厚さを最適化することにより磁気飽和時のファラデー回転角が、温度２３℃において２２．５°＋α°に設定され、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、１００℃の温度範囲において±０．５％の範囲内に設定され、
前記第１の１／４波長板及び前記第２の１／４波長板のそれぞれの光学面上における結晶軸方向が、直交するように設定されるか又は同一方向に設定され、
前記偏光分離器の光学面上における結晶軸方向と、前記第１の１／４波長板の光学面上における前記結晶軸方向が、直交するように設定されるか又は同一方向に設定されることを特徴とする。

【0013】

２つの直線偏光を伝搬する、第１の１／４波長板と第２の１／４波長板間の往復光路としては偏光面保持ファイバ（ＰＭＦ）で構成するか、或いは、光学面上の結晶軸方向が揃っていると共に異常光線のシフト方向が逆方向に配置された２つの複屈折素子で構成しても良い。

【0014】

（２）本発明の電流測定装置は、偏光分離器の光学面上における結晶軸方向と、第１の１／４波長板の光学面上における結晶軸方向が直交するように設定されるか又は同一方向に設定されることを特徴とする。

【0015】

（３）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、偏光分離器の光学面上における結晶軸方向と、第１の１／４波長板の光学面上における結晶軸方向と、第２の１／４波長板の光学面上における結晶軸方向とが、同一方向に設定されることを特徴とする。

【0016】

（４）本発明の電流測定装置は、変動幅が±０．５％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることが好ましい。

【0017】

（５）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることが好ましい。

【0018】

（６）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、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の温度特性を有することが好ましい。

【0019】

（７）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、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が好ましい。

【0020】

（８）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、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が好ましい。

【0021】

（９）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、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が、±０．２％の範囲内に設定されることが好ましい。

【0022】

（１０）本発明の電流測定装置は、変動幅が±０．２％の範囲内に設定される温度範囲が１００℃であることが好ましい。

【0023】

（１１）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、１００℃の温度範囲が、−２０℃以上８０℃以下であることが好ましい。

【0024】

（１２）本発明の電流測定装置の他の実施形態は、センサ用光ファイバが鉛ガラスファイバであることが好ましい。

【発明の効果】

【0025】

請求項１記載の発明（即ち、前記（１）の発明）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°だけ変化させて電流測定装置の比誤差の変動幅を減少させることに加え、センサ用光ファイバ固有の複屈折に伴う比誤差を補償すると共に、第１の１／４波長板と第２の１／４波長板の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差も補償している。従って、ファラデー回転子の回転角の位相差以外の位相差は、センサ用光ファイバ内部のファラデー効果による位相差φを除いて全て補償され、電流測定装置の出力に現れなくなる。よって、センサ用光ファイバの複屈折に起因する比誤差の変動幅（約−１．０％〜約１．２％）が補償されると共に、第１の１／４波長板と第２の１／４波長板の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差も補償されるため、電流測定装置の出力における比誤差の変動幅を±０．５％の範囲内に確実に収めることが可能となる。

【0026】

更に、ファラデー回転子の回転角の位相差以外の位相差が、位相差φを除いて全て補償されるので、電流測定装置の光ファイバ内を光が伝搬する時に外乱が加わって位相が変化しても、電流測定装置の出力は影響を受けない。従って、電流測定装置の出力特性を安定化させることも可能となる。

【0027】

更に、第１及び第２の１／４波長板のそれぞれの光学面上における結晶軸方向を直交するように設定又は同一方向に設定している。従って、円偏光を使用した電流測定装置を構成する際に、２つの１／４波長板の分だけ構成素子が増加しても、互いの結晶軸方向の細かな角度調整作業が不要となる。よって、比誤差変動幅の±０．５％範囲内への抑制という高機能の実現と、構成素子の組み立て作業の容易化を同時に実現することが可能となる。

【0028】

更に、センサ用光ファイバの種類を問わず広く本発明の電流測定装置を実現することが出来るので、電流測定装置の歩留まり向上も可能となる。

【0029】

更に、請求項２記載の発明（即ち、前記（２）の発明）に依れば、請求項１記載の発明が有する効果に加えて、第１の１／４波長板に対して偏光分離器を設置する際に、互いの結晶軸方向の細かな角度調整作業が不要となる。従って、偏光分離器と第１の１／４波長板との間の組み立て作業を容易に行うことが可能となる。

【0030】

更に、請求項３記載の発明（即ち、前記（３）の発明）に依れば、請求項１記載の発明が有する効果に加えて、偏光分離器と２つの１／４波長板との間の結晶軸角度の調整作業や設置作業を行う必要が無くなる。従って、偏光分離器と２つの１／４波長板との間の組み立て作業をより一層容易化することが出来る。

【0031】

更に、請求項４、５又は１０、１１記載の発明（即ち、前記（４）、（５）又は（１０）、（１１）の発明）に依れば、±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。

【0032】

更に、請求項６又は９記載の発明（即ち、前記（６）又は（９）の発明）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の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％範囲内の比誤差の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。

【0033】

更に、請求項７記載の発明（即ち、前記（７）の発明）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。

【0034】

更に、請求項８記載の発明（即ち、前記（８）の発明）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。

【0035】

更に、請求項１２記載の発明（即ち、前記（１２）の発明）に依れば、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。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の一実施形態に係る電流測定装置の構成を示す説明図である。

【図2】図１の電流測定装置における、光学系（サーキュレータ除く）の構成を示す説明図である。

【図3】図２の電流測定装置の、光入出射部から偏光面保持ファイバまでの各構成素子の配置と、往路での光の偏光状態を示す斜視図である。

【図4】図２の電流測定装置の、偏光面保持ファイバからセンサ用光ファイバまでの各構成素子の配置と、往路での光の偏光状態を示す斜視図である。

【図5】図２における偏光面保持ファイバの偏光保存軸方向と、その偏光面保持ファイバへの入射光の偏光状態を示す、偏光面保持ファイバ端面の説明図である。

【図6】図２における第２の１／４波長板の結晶軸方向と、第２の１／４波長板への伝搬光の偏光状態を示す説明図である。

【図7】図２の電流測定装置において、第１光ファイバから出射して、センサ用光ファイバの他端で反射されるまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図である。

【図8】図２の電流測定装置の、偏光面保持ファイバからセンサ用光ファイバまでの各構成素子の配置と、復路での光の偏光状態を示す斜視図である。

【図9】図２の電流測定装置の、光入出射部から偏光面保持ファイバまでの各構成素子の配置と、復路での光の偏光状態を示す斜視図である。

【図10】図２の電流測定装置において、センサ用光ファイバの他端で反射されて、第１及び第２光ファイバに入射するまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図である。

【図11】円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の温度特性を模式的に示すグラフである。

【図12】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である。

【図13】ファラデー回転角を２２．５°からα°だけ変化させ、比誤差の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の温度特性を模式的に示すグラフである。

【図14】本発明の一実施形態に係る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の温度特性グラフの一例である。

【図15】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の温度特性を模式的に示すグラフである。

【図16】図２の別形態の構成を示す説明図である。

【図17】第１ファラデー素子のファラデー回転角の温度特性を模式的に示すグラフである。

【図18】第２ファラデー素子のファラデー回転角の温度特性を模式的に示すグラフである。

【図19】図１７と図１８のファラデー回転角の温度特性を組み合わせたファラデー回転角の温度特性を示すグラフである。

【図20】図１９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の温度特性グラフの一例である。

【図21】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である。

【図22】図２中の、第１の１／４波長板と第２の１／４波長板間の往復光路の別形態と、光の光路を示す斜視図である。

【図23】本発明の一実施形態に係る電流測定装置の、変更例を示す斜視図である。

【図24】本発明の電流測定装置の実施例１における比誤差の温度特性グラフ。

【図25】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２７ａのファラデー回転角の温度特性の一例を示すグラフ。

【図26】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２７ｂのファラデー回転角の温度特性の一例を示すグラフ。

【図27】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２７ａおよび２７ｂの合計のファラデー回転角の温度特性の一例を示すグラフ。

【図28】本発明の電流測定装置の実施例２における比誤差の温度特性グラフ。

【図29】本発明の電流測定装置の実施例３におけるファラデー回転子のファラデー回転角の温度特性を示すグラフ。

【図30】本発明の電流測定装置の実施例３における比誤差の温度特性グラフ。

【図31】特許文献２で開示されている電流測定装置の比誤差の変動幅を示す、比誤差の温度特性グラフ。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、各図を参照して本発明の一実施形態に係る電流測定装置を詳細に説明する。図１に示す電流測定装置１は少なくとも、光入出射部と、センサ用光ファイバ２と、ファラデー回転子３と、第１の１／４波長板４及び第２の１／４波長板５と、偏光分離器６、光源７、及び光電変換素子１３ａ、１３ｂを備える信号処理回路８を含んで構成される。更に、光源７から出射された光が、センサ用光ファイバ２の他端で反射されることで、偏光分離器６、第１の１／４波長板４、第２の１／４波長板５、ファラデー回転子３、及びセンサ用光ファイバ２を往復する往復光路が設定される。

【0038】

なお、以下の説明においては、図１中に示されるＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各構成素子の位置関係について説明する。偏光分離器６からセンサ用光ファイバ２へと伝搬する光の伝搬方向をＺ軸、そのＺ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とそれぞれ設定しており、図１〜図２３に示すＸＹＺ直交座標系は、各図で相互に対応しているものとする。

【0039】

電流測定装置１は大きく分けると、図１に示すように光源７と信号処理回路８及び光学系９とから構成されており、光学系９は図２に示す各構成素子およびサーキュレータ１０とから構成されている。光入出射部は２本の導波路である第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２が配列されて構成されている。また、図２〜図４に示す各構成素子は、光入出射部から順に、偏光分離器６、第１の１／４波長板４、第２の１／４波長板５、ファラデー回転子３、センサ用光ファイバ２が配置される。

【0040】

偏光分離器６には、Ｘ軸方向に平行な偏光方向を有する１つの直線偏光Ｌ１が入射される。その直線偏光Ｌ１は、図２〜図３に示すように第１光ファイバ１１から、偏光分離器６に入射される。

【0041】

第１光ファイバ１１は偏光面保持ファイバで構成され、直線偏光状態を保持しつつ光を伝送することの可能な光ファイバ（いわゆるＰＭＦ；Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ）であり、一端側の端面１１ａが偏光分離器６の近傍に配置される。或いは端面１１ａと偏光分離器６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１１は直線偏光Ｌ１を偏光分離器６に入射させると共に、偏光分離器６から出射される常光線ＬＯを、光電変換素子１３ａに伝搬する機能を有する。この偏光面保持ファイバは、その主軸が直線偏光Ｌ１の偏光方向（Ｘ軸方向）に一致するように配置される。

【0042】

第２光ファイバ１２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、又は偏光面保持ファイバなどで構成され、一端側の端面１２ａが偏光分離器６の近傍に配置される。或いは、端面１２ａと偏光分離器６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１２は、偏光分離器６から出射される異常光線ＬＥを光電変換素子１３ｂに伝搬する機能を有する。

【0043】

本実施形態の場合、第１及び第２光ファイバ１１、１２は、一端側の端面１１ａ、１２ａ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１４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器６の厚みと、偏光分離器６の材料の物性に応じて設定される。前記所定間隔を、偏光分離器６の分離間隔と一致させることで、常光線ＬＯと異常光線ＬＥを各光ファイバ１１、１２の各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１１、１２を所定間隔に保持する手段はフェルール１４に限る必要は無く、例えば、平行な２本のＶ溝を備えたアレイ基板であっても良く、光ファイバ１１、１２をＶ溝内に配置することで、双方の位置決めが可能となる。

【0044】

偏光分離器６は光透過型の光学素子であり、第１光ファイバ１１の端面１１ａ側の近傍側に設置される。偏光分離器６は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にシフト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、偏光分離器６は、センサ用光ファイバ２側から伝搬される直線偏光を、相互に直交する常光線ＬＯと異常光線ＬＥに分離すると共に、後述する光源７から出射される直線偏光Ｌ１を透過させる機能を有する。

【0045】

偏光分離器６の材料は、ルチル、ＹＶＯ_４、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器６とされる。平行な光学面の一方が、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２の端面１１ａ及び１２ａと対向し、他方の光学面がレンズ１５及び第１の１／４波長板４と対向するように設置される。また、光学面上における結晶軸Ｘ６１方向は、Ｙ軸方向に平行に設定される。このような偏光分離器６では、直線偏光が一方の光学面から入射すると、常光線ＬＯと異常光線ＬＥ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ＬＯと異常光線ＬＥを所定の分離間隔に隔てて平行に出射する。

【0046】

第１の１／４波長板４は、偏光分離器６と面対向に配置され、光学面上における結晶軸Ｘ４１の方向が、Ｘ軸方向となるように配置される。その材料には水晶やフッ化マグネシウム等の結晶材料が使用され、波長λの直線偏光の位相がπ／２ずれるような厚みで、且つ、対向する光入出射用の光学面が平行となる平板に加工されている。

【0047】

その第１の１／４波長板４と後述する第２の１／４波長板５の間の往復光路では、２つの直線偏光が伝搬される。本実施形態では、その往復光路として偏光面保持ファイバ１７を用いる。偏光面保持ファイバ１７は、直線偏光状態を保持しつつ光を伝送することの可能な光ファイバ（ＰＭＦ）であり、その素線内部は図５の端面図で示すように、高屈折率であるコア１７ａと、このコア１７ａの周囲に同心円状に形成された比較的低屈折率のクラッド１７ｃと、クラッド１７ｃ内に設けられた２つの応力付与部１７ｂとから構成されている。

【0048】

応力付与部１７ｂは、クラッド１７ｃ内でコア１７ａを中心に対称配置されており、その断面は円形である。また、その屈折率はクラッド１７ｃよりも更に低い。応力付与部１７ｂには、クラッド１７ｃよりも熱膨張係数の大きい材料が用いられており、特にＢ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラスが利用される。２つの応力付与部１７ｂによってコア１７ａには両サイドから内部応力が加えられ（図５の場合はＸ軸に対して４５°の方向、即ちＳ軸方向に加えられる）、その内部応力によってコア１７ａ内部の応力分布がＳ軸方向と、その方向に直交な方向（Ｙ軸に対して４５°の方向、すなわちＦ軸方向）で非対称となり、複屈折特性が現れる。

【0049】

この複屈折特性により、Ｘ軸に平行な偏光方向で入射する直線偏光Ｌ１は、それぞれの軸成分（図５中のＳ軸とＦ軸）に光強度が分離され、２つの直線偏光ＬＦとＬＳとして偏光面保持ファイバ１７内部を伝搬して行き、出射される。この応力方向Ｓ軸とその直交方向Ｆ軸を偏光面保持ファイバの主軸（偏光保存軸）と云う。応力分布の非対称性によって、Ｓ軸とＦ軸との伝搬定数に差が付けられて偏光モード間の結合が防止される。複屈折特性により、Ｓ軸とＦ軸では光の群速度が異なる。モード屈折率が小さいとその方向に進行する光の群速度が大きくなるので、Ｆ軸方向を高速軸（Ｆａｓｔ ａｘｉｓ）と呼び、同様の理由から大きなモード屈折率を持つＳ軸方向を低速軸（Ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）と呼ぶ。

【0050】

偏光面保持ファイバ１７の一端側の端面はレンズ１５に対向して配置されると共に、他端側の端面は第２の１／４波長板５に面対向に配置される。各端面は、偏光面保持ファイバ１７の光軸と直交する直立面になっている。

【0051】

その偏光面保持ファイバ１７の一端側の端面と、第１の１／４波長板４との間にレンズ１５が配置される。レンズ１５は本実施形態の場合には単一のレンズで構成され、焦点が偏光面保持ファイバ１７端面のコアの略中心上に設定されている。

【0052】

なお、第１及び第２光ファイバ１１、１２の各端面１１ａ、１２ａは図２１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１１ａ、１２ａを斜めに形成することにより、端面１１ａ、１２ａの位置を、レンズ１５における常光線ＬＯ、異常光線ＬＥごとの焦点距離に合致させ、第１光ファイバ１１及び第２光ファイバ１２の結合効率を向上させることが可能となる。

【0053】

第２の１／４波長板５は、偏光面保持ファイバ１７を伝搬して来る２つの直線偏光ＬＦ、ＬＳの偏光面を円偏光ＬＣ１、ＬＣ２に変換する光学素子として用いられる。その材料には水晶やフッ化マグネシウム等の結晶材料が使用され、波長λの各直線偏光ＬＦ、ＬＳの位相がπ／２ずれるような厚みで、且つ、対向する光入出射用の光学面が平行となる平板に加工されている。

【0054】

第２の１／４波長板５は、偏光面保持ファイバ１７と面対向に配置されると共に、センサ用光ファイバ２の一端側に配置されるように設けられる。更に、光学面上における結晶軸Ｘ５１の方向が、偏光面保持ファイバ１７から入射される２つの直線偏光ＬＦ、ＬＳの偏光方向に対して±４５°の角度を呈するようにＸ軸方向に設定される。

【0055】

従って、第１の１／４波長板４及び第２の１／４波長板５のそれぞれの光学面上における結晶軸Ｘ４１とＸ５１の結晶軸方向は、同一方向であるＸ軸方向に設定される。更に、偏光分離器６の光学面上における結晶軸Ｘ６１方向は、前記の通りＹ軸方向に設定されている為、結晶軸Ｘ６１方向と結晶軸Ｘ４１方向とは互いに直交するように設定される。

【0056】

ファラデー回転子３は、外周に永久磁石３ａ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２ａ側の近傍と第２の１／４波長板５との間に配置される。また外形は、所定の厚みで且つ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おり、入射する２つの円偏光ＬＣ１、ＬＣ２の一方に、磁気飽和によるファラデー回転角分だけ往復分の総和の位相差を与える。なお、図４及び図８では永久磁石３ａの図示を省略している。

【0057】

本発明では、２つの円偏光ＬＣ１、ＬＣ２が透過する際の、磁気飽和時におけるファラデー回転角を、温度２３℃において２２．５°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、円偏光ＬＣ１又はＬＣ２がファラデー回転子３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。よって、第２の１／４波長板５を透過後で且つファラデー回転子３を透過する前の円偏光間の位相差と、センサ用光ファイバ２から出射後で且つファラデー回転子３を透過後の円偏光間の位相差は、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倍となり、合計で４５°＋２α°となる。なお、ファラデー回転角の回転方向はＺ軸方向に対して、右回り又は左回りのどちらでも任意に設定可能であるが、図３では一例として左回りの場合を図示している。

【0058】

図１１に、円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の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。

【0059】

図１１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。このような比誤差の温度特性において、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１２に示すように往復で回転角は前記の通り４５°＋２α°となる。これにより図１３に示すように電流測定装置の比誤差の温度特性の曲線は高温側へとシフトする。この結果、図１１と図１３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、比誤差の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。

【0060】

そのファラデー回転子３と第２の１／４波長板５との間には、レンズ１６が配置される。レンズ１６は本実施形態の場合には単一のレンズで構成され、焦点が偏光面保持ファイバ１７端面のコア１７ａの略中心上と、センサ用光ファイバ２の一端２ａのコアの略中心上に設定される。センサ用光ファイバ２の一端２ａも、その光ファイバ２の光軸と直交する直立面になっている。

【0061】

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１８の外周に周回設置される。センサ用光ファイバ２を構成するファイバの種類は特に限定されないが、複屈折を有するファイバとする。ファイバの中でも鉛ガラスファイバは光弾性係数が小さく、且つファラデー効果の大きさを決めるヴェルデ定数が比較的大きいという特性を有するため、センサ用光ファイバ２に好ましい。

【0062】

またセンサ用光ファイバ２は、ファラデー回転子３から出射された回転方向の異なる２つの円偏光ＬＣ１、ＬＣ２を入射するための一端２ａと、入射した円偏光ＬＣ１、ＬＣ２を反射する他端を備える。その他端には反射部材としてミラー１９が設けられる。なお他端には、ミラー１９の他にも任意の反射部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、誘電体膜による反射膜を設けても良い。

【0063】

更に、図１より１０はサーキュレータ、７は光源、１３ａと１３ｂは光電変換素子の一種であるフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、２１ａと２１ｂはアンプ（Ａ）、２２ａと２２ｂはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）、２３ａと２３ｂはローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）、２４ａと２４ｂ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、２５は極性反転器、２６は演算器である。

【0064】

フォトダイオード１３ａは、常光線ＬＯを受光して当該ＬＯの光強度に応じた第１の電気信号を出力する。一方のフォトダイオード１３ｂは、異常光線ＬＥを受光して当該ＬＥの光強度に応じた第２の電気信号を出力する。信号処理回路８は、第１及び第２の電気信号に基づいて被計測電流Ｉの電流値を算出する。

【0065】

光源７は、半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）、ＡＳＥ光源などで構成され、所定の波長λの光を出射させる。

【0066】

サーキュレータ１０は偏光依存／無依存型のどちらでも良く、光源７から出射された光を直線偏光化し、１つの直線偏光Ｌ１を第１光ファイバ１１に入射する。そのサーキュレータ１０は複屈折素子及び４５°ファラデー回転子で構成すれば良く、またサーキュレータ１０に換えて偏光分離プリズムや光ファイバカプラを用いても良い。

【0067】

以上のように構成された電流測定装置１の動作を、各図を参照して説明する。なお、図７及び図１０の（ａ）〜（ｈ）は、図２中の符号（ａ）〜（ｈ）で示す各光路断面での偏光状態に対応している。更に、図７又は図１０ではＸ軸方向を１〜４、Ｙ軸方向をａ〜ｄのマトリクスで表し、例えば図７（ａ）に示すような直線偏光Ｌ１の伝搬位置は、マトリクスで見るとＸ軸方向で２と３の間、Ｙ軸方向でａとｂの間なので、本実施形態ではこのような伝搬位置を（２−３、ａ−ｂ）と表す。

【0068】

まず、光源７から出射された波長λのレーザ光はサーキュレータ１０によって、Ｘ軸方向に平行な偏光方向を示す１つの直線偏光Ｌ１に変換され、次に第１光ファイバ１１に入射される（図２、図３参照）。

【0069】

第１光ファイバ１１は偏光面保持ファイバなので、直線偏光Ｌ１はその偏光方向を保持されたまま第１光ファイバ１１の一端側の端面１１ａまで伝搬され、端面１１ａから偏光分離器６に（２−３、ａ−ｂ）の伝搬位置で出射される（図７（ａ）参照）。

【0070】

前記の通り、偏光分離器６の光学面上における結晶軸Ｘ６１方向は、Ｙ軸方向に平行に設定されるため、直線偏光Ｌ１の偏光方向と直交する。従って、直線偏光Ｌ１は偏光分離器６内部で複屈折を起こすこと無く常光線として透過し、偏光分離器６に入射した時の偏光状態のまま第１の１／４波長板４に入射する。

【0071】

前記の通り、第１の１／４波長板４の光学面上における結晶軸Ｘ４１の方向は、Ｘ軸方向に平行に設定されるため、直線偏光Ｌ１の偏光方向と一致する。従って直線偏光Ｌ１は第１の１／４波長板４の内部を、入射した時の偏光状態のまま透過して、レンズ１５によって偏光面保持ファイバ１７の端面に入射される。

【0072】

前記の通り、偏光面保持ファイバ１７の偏光保存軸であるＳ軸とＦ軸は、Ｘ軸に対して４５°の方向と、Ｙ軸に対して４５°の方向に配置されている。従って、Ｘ軸に平行な直線偏光Ｌ１が偏光面保持ファイバ１７に入射すると、偏光面保持ファイバ１７の複屈折特性によりＳ軸とＦ軸にそれぞれ平行なベクトル成分に光強度が分離され、２つの直線偏光ＬＦとＬＳに変換されてコア１７ａ内部を伝搬する（図３、及び図５参照）。直線偏光ＬＦとＬＳは、一端側の端面まで伝送され、端面から第２の１／４波長板５に出射される。

【0073】

偏光面保持ファイバ１７内部を伝搬する時に２つの直線偏光ＬＦとＬＳ間には、高速軸（Ｆａｓｔ ａｘｉｓ）と低速軸（Ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）間の群速度の相違による位相差ΔＶが発生する。従って、偏光面保持ファイバ１７から出射した時に、ＬＦはＬＳに対してΔＶ分の位相差を有する。

【0074】

前記の通り、第２の１／４波長板５の光学面上における結晶軸Ｘ５１の方向は、Ｘ軸方向に設定されている。従って、偏光面保持ファイバ１７から入射される２つの直線偏光ＬＦとＬＳの偏光方向に対して±４５°の角度を呈するように配置される（図６、及び図７（ｂ）参照）。前記Ｆ軸と結晶軸Ｘ５１とは−４５°の傾きとなるので、図７（ｃ）に示すように直線偏光ＬＦは第２の１／４波長板５の入射側（Ｚ軸方向）から見て左回りの第１の円偏光ＬＣ１に変換される。一方、前記Ｓ軸と結晶軸Ｘ５１とは＋４５°の傾きとなるので、図７（ｄ）に示すように直線偏光ＬＳは第２の１／４波長板５の入射側（Ｚ軸方向）から見て右回りの第２の円偏光ＬＣ２に変換される。

【0075】

位相差ΔＶが付与されて先行する円偏光ＬＣ１は、第２の１／４波長板５から出射された後にレンズ１６を透過し、次にファラデー回転子３を透過する際に、２２．５°＋α°の位相差が付与される。前記の通り、ファラデー回転子３の回転方向はＺ軸方向に見て左回りに設定されているので、Ｚ軸方向に見て左回りの円偏光ＬＣ１が、ＬＣ２に対して２２．５°＋α°進むように位相差が付与される。ファラデー回転子３を透過後、２つの円偏光ＬＣ１とＬＣ２はセンサ用光ファイバ２の一端２ａに入射される。

【0076】

センサ用光ファイバ２内に入射した２つの円偏光ＬＣ１とＬＣ２は、その内部を伝搬して他端側に到達しミラー１９で反射して、再び一端２ａに戻る（図２参照）。このような反射による円偏光ＬＣ１及びＬＣ２の往復伝搬の間に、円偏光ＬＣ１及びＬＣ２は被測定電流Ｉによって発生した磁界の影響を受ける。そしてファラデー効果により被測定電流Ｉの大きさに応じた位相差φが、２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２間に発生する。φは、センサ用光ファイバ２内を円偏光ＬＣ１及びＬＣ２が往復したときに、ファラデー効果により被測定電流Ｉに応じて発生する円偏光ＬＣ１及びＬＣ２間の位相差である。

【0077】

更に、センサ用光ファイバ２が有する複屈折により、２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２間には、一端２ａから他端までの伝搬の間に位相差が発生し、この位相差による比誤差も発生する。しかしながら、２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２は、ミラー１９での反射により一端２ａから他端の間を往復伝搬する。従って、一端２ａから他端までの往路における伝搬の間に発生した位相差は、他端から一端２ａまでの復路における伝搬の間に発生する位相差によって補償される。以上により、センサ用光ファイバ２固有の複屈折に伴う比誤差が補償される。

【0078】

ミラー１９による反射の前後で、第１の円偏光ＬＣ１及び第２の円偏光ＬＣ２のそれぞれの回転方向は変わらないが、反射により伝搬方向は逆方向となる。従って、伝搬方向から見た時にはそれぞれの回転方向は逆回転となる。

【0079】

反射された２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２は、再びセンサ用光ファイバ２を伝搬し、今度はセンサ用光ファイバ２の一端２ａからファラデー回転子３へと出射される（図２及び図８参照）。

【0080】

円偏光ＬＣ１とＬＣ２は、今度はセンサ用光ファイバ２側（−Ｚ軸方向）からファラデー回転子３に入射される。また、各円偏光ＬＣ１、ＬＣ２の伝搬方向における回転方向は、ミラー１９での反射により往路と復路で逆方向となっている。従って、２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２が再度ファラデー回転子３を透過する際に、再び円偏光ＬＣ１に対して２２．５°＋α°の位相差が付与される。以上により、センサ用光ファイバ２から出射してファラデー回転子３を透過した後の２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２の間の位相差は、往路においてファラデー回転子３を透過する前の２つの円偏光ＬＣ１及びＬＣ２間に対し、（４５°＋２α°＋φ＋ΔＶ）だけ進むこととなる。

【0081】

ファラデー回転子３を透過後、２つの円偏光ＬＣ１とＬＣ２は、レンズ１６を透過して再度、第２の１／４波長板５に入射される（図８、及び図１０（ｅ）、（ｆ）参照）。円偏光ＬＣ１は伝搬方向である−Ｚ軸方向から見ると右回りの円偏光なので、第２の１／４波長板５によって前記Ｓ軸方向の偏光方向を呈する直線偏光ＬＳ’に変換される。一方、円偏光ＬＣ２は−Ｚ軸方向から見ると左回りの円偏光なので、第２の１／４波長板５によって前記Ｆ軸方向の偏光方向を呈する直線偏光ＬＦ’に変換される（図８、及び図１０（ｇ）参照）。

【0082】

これら２つの直線偏光ＬＦ’、ＬＳ’は、レンズ１６によって偏光面保持ファイバ１７端面に入射され、偏光面保持ファイバ１７内を他端側まで伝搬される（図９参照）。直線偏光ＬＦ’の偏光方向は、偏光面保持ファイバ１７のＦ軸（高速軸）に平行に入射され、もう一方の直線偏光ＬＳ’の偏光方向は、偏光面保持ファイバ１７のＳ軸（低速軸）に平行に入射される。従って、偏光面保持ファイバ１７内で２つの直線偏光ＬＦ’、ＬＳ’は更に分離されることなく、互いの偏光方向を保ったまま第１の１／４波長板４側に伝搬されて行く。

【0083】

前記の通り往路（Ｚ軸方向）での２つの直線偏光ＬＦとＬＳの間には、偏光面保持ファイバ１７の群速度の相違による位相差ΔＶが付与されていた。しかし復路（−Ｚ軸方向）では、ＬＳがＦ軸成分の直線偏光ＬＦ’となり、ＬＦがＳ軸方向の直線偏光ＬＳ’となる。従って、復路ではＬＦ’がＬＳ’ に対してΔＶ分の位相差を有することになる。即ち、往路で位相差ΔＶを有する直線偏光ＬＦは、復路では位相差−ΔＶを有することになるので、偏光面保持ファイバ１７内を２つの直線偏光が往復することにより、偏光面保持ファイバ１７内の位相差は補償される。以上により、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路である偏光面保持ファイバ１７における２つの直線偏光の位相差が補償されることとなる。従って復路において、偏光面保持ファイバ１７を出射した時点での２つの直線偏光ＬＦ’、ＬＳ’間の位相差は、（４５°＋２α°＋φ）となる。

【0084】

偏光面保持ファイバ１７の一端側の端面まで伝搬された２つの直線偏光ＬＦ’及びＬＳ’は、その端面からレンズ１５を介して第１の１／４波長板４に出射され、第１の１／４波長板４を透過することで１つの光に合成される。２つの直線偏光ＬＦ’及びＬＳ’間の位相差は（４５°＋２α°＋φ）であるため、合成された光としては、長軸がＹ軸に対して傾いた楕円偏光が形成される。この楕円偏光の長軸成分と短軸成分との比率は、前記位相差φに依存して変化する。このような楕円偏光が偏光分離器６に入射される。

【0085】

偏光分離器６に入射された合成光は、相互に直交する常光線ＬＯと異常光線ＬＥに分離される（図２、図９、及び図１０（ｈ）参照）。常光線ＬＯと異常光線ＬＥの光強度は、前記位相差φに依存して変化する。図９及び図１０（ｈ）では見易さの確保のため、大きめに図示している。結晶軸Ｘ６１方向はＹ軸方向に設定されているため、常光線ＬＯの偏光方向と直交する。従って、常光線ＬＯは偏光分離器６内部で複屈折を起こすこと無く、図１０（ｈ）に示すように（２−３、ａ−ｂ）の伝搬位置のまま透過して第１光ファイバ１１に入射される。一方、異常光線ＬＥは、結晶軸Ｘ６１の方向に対して平行となるため、図１０（ｈ）に示すように偏光分離器６内部で（２−３、ｃ−ｄ）の伝搬位置にシフト移動され、第２光ファイバ１２に入射される。

【0086】

第１光ファイバ１１に入射された常光線ＬＯの直線偏光は、サーキュレータ１０に導かれ、更に光電変換素子１３ａに受光される。一方、第２光ファイバ１２に入射された異常光線ＬＥの直線偏光は、光電変換素子１３ｂに受光される。

【0087】

光電変換素子１３ａ、１３ｂにより２つの直線偏光は、第１及び第２の電気信号に変換され、それら電気信号は信号処理回路８に入力され、２つの電気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、最終的に電気量に変換されることで被測定電流Ｉの電流値が算出される。図１４に、電流測定装置１において信号処理回路８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温度特性グラフの一例を示す。

【0088】

本発明では、図１４に示すように信号処理回路８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、前述したようにファラデー回転子３の回転角の調整と、センサ用光ファイバ２固有の複屈折に伴う比誤差の補償、及び、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差の補償、により実現するものである。

【0089】

以上のように本発明に依れば、温度２３℃においてファラデー回転子３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ことに加え、センサ用光ファイバ２固有の複屈折に伴う比誤差を補償すると共に、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差も補償している。従って、ファラデー回転子３の回転角の位相差以外の位相差は、センサ用光ファイバ２内部のファラデー効果による位相差φを除いて全て補償され、電流測定装置１の出力に現れなくなる。よって、センサ用光ファイバの複屈折に起因する比誤差の変動幅（約−１．０％〜約１．２％）が補償されると共に、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差も補償されるため、電流測定装置１の出力における比誤差の変動幅を±０．５％の範囲内に確実に収めることが可能となる。

【0090】

更に、ファラデー回転子３の回転角の位相差以外の位相差が、位相差φを除いて全て補償されるので、偏光面保持ファイバ１７やセンサ用光ファイバ２に振動や温度の変動などの外乱が加わって、光の伝搬時に位相が変化しても、電流測定装置１の出力は影響を受けない。従って、電流測定装置１の出力特性を安定化させることも可能となる。

【0091】

更に電流測定装置１の出力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％の範囲内に抑えることにより、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。

【0092】

更に、２つの１／４波長板４及び５のそれぞれの光学面上における結晶軸Ｘ４１及びＸ５１方向を同一方向に設定している。従って、円偏光を使用した電流測定装置１を構成する際に、２つの１／４波長板４及び５の分だけ構成素子が増加しても、互いの１／４波長板の結晶軸角度の調整作業や設置作業を行う必要が無くなる。よって本発明の電流測定装置１に依れば、比誤差変動幅の±０．５％範囲内への抑制という高機能の実現と、構成素子の組み立て作業の容易化を同時に実現することが可能となる。

【0093】

なお、本実施形態の電流測定装置１では、偏光分離器６の結晶軸Ｘ６１方向を、第１の１／４波長板４の結晶軸Ｘ４１方向に対して直交に設置する必要がある。しかしながら、例えば４５°の角度を付けて設置する場合に比べて細かな角度調整作業が必要となるわけでは無いので、偏光分離器６と第１の１／４波長板４との間の組み立て作業を容易に行うことが出来る。

【0094】

なお前記電流測定装置１は、ファラデー回転子３を図１６に示すように、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２７ａ、２７ｂで構成した電流測定装置２８に変更可能である。電流測定装置２８では、円偏光ＬＣ１とＬＣ２が往復で２つのファラデー素子２７ａ、２７ｂ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。即ち円偏光ＬＣ１及びＬＣ２が、２つのファラデー素子２７ａ、２７ｂ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つ以上でファラデー回転子３を構成することも可能である。

【0095】

図１７、図１８はそれぞれのファラデー素子２７ａ、２７ｂのファラデー回転角の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の温度特性を組み合わせたときのファラデー回転角の温度特性を図１９に示す。図１７に示すように第１ファラデー素子２７ａの回転角は２次曲線状の温度依存性を持つ。また、第２ファラデー素子２７ｂの回転角は図１８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２７ａと第２ファラデー素子２７ｂのファラデー回転角の温度特性を組み合わせると、図１９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の温度特性を示す。従って、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±０．２％の範囲内に抑えることにより、±０．２％範囲内の比誤差の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。

【0096】

前記図１５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の温度特性は、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２７ａと２７ｂに設けることに加えて、センサ用光ファイバ２の複屈折の補償と、２つの１／４波長板４及び５の間の往復光路における２つの直線偏光の位相差の補償を行うことにより、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の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。よって、図２０に示すように、信号処理回路８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。

【0097】

電流測定装置１と電流測定装置２８の構成を比較すると、電流測定装置１の方がファラデー回転子３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８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。

【0098】

しかしながらファラデー回転子３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、ファラデー回転子３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ファラデー回転子３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。

【0099】

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±０．２％の範囲内に抑えることにより、±０．２％範囲内の比誤差の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。

【0100】

センサ用光ファイバ２に用いる鉛ガラスファイバは、図１５に示すような比誤差の温度特性を有する。従って、ファラデー回転子３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の温度特性を加えた上で、信号処理回路８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％（又は±０．２％）の範囲内に収まるように、α°の角度を調節する。従って、センサ用光ファイバ２に鉛ガラスファイバを使用しても、信号処理回路８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％（又は±０．２％）の範囲内に抑えることが可能となる。

【0101】

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。従って、センサ用光ファイバの種類を問わず広く本発明の電流測定装置を実現することが出来るので、電流測定装置の歩留まり向上も可能となる。また、第１光ファイバ１１をシングルモード光ファイバに変更しても良い。

【0102】

また、２つの直線偏光を伝搬する、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路としては偏光面保持ファイバ１７に限定されず、例えば図２２に示すような、Ｚ軸方向から見たときに光学面上の結晶軸Ｘ２０ａとＸ２０ｂの方向が揃っていると共に、異常光線のシフト移動の方向が逆方向に配置された、２つの複屈折素子２０ａ、２０ｂで構成しても良い。なお、図２２においてレンズ１５は省略している。

【0103】

第１の１／４波長板４及び第２の１／４波長板５のそれぞれの光学面上における結晶軸Ｘ４１とＸ５１の方向は、互いに直交するように設定しても良い。図３〜図４の実施形態では、結晶軸Ｘ４１及びＸ５１は共にＸ軸方向に設定しているが、例えば結晶軸Ｘ４１の方向のみをＹ軸方向に平行に変更しても良い。或いは逆に結晶軸Ｘ４１をＸ軸方向に設定し、結晶軸Ｘ５１の方向のみをＹ軸方向に平行に変更しても良い。

【0104】

結晶軸Ｘ４１とＸ５１の方向を互いに直交に設置する場合であっても、例えば互いに４５°の角度を付けて設置する場合に比べて、互いの結晶軸Ｘ４１とＸ５１方向の細かな角度調整作業が必要となるわけでは無い。従って、２つの１／４波長板４及び５の間の組み立て作業を容易に行うことが出来る。

【0105】

結晶軸Ｘ４１とＸ５１の方向を互いに直交または平行に設定するときは、結晶軸Ｘ４１方向が直線偏光Ｌ１の偏光方向と直交または平行となるように注意すると共に、結晶軸Ｘ５１方向は２つの直線偏光ＬＦ及びＬＳの互いの偏光方向と±４５°の角度を形成するように注意する。

【0106】

また図２３に示すように、偏光分離器６の光学面上における結晶軸Ｘ６１方向と、第１の１／４波長板４の光学面上における結晶軸Ｘ４１方向を同一方向に変更しても良い。図２３に示す構成例では、結晶軸Ｘ６１方向をＸ軸方向に設定している。この場合、第１光ファイバ１１を伝搬してくる直線偏光Ｌ１が異常光線として偏光分離器６に入射されるため、偏光分離器６内部でのシフト移動分だけ、予め第１光ファイバ１１の端面１１ａの位置を変更しておけば良い。併せて図３中の第１光ファイバ１１の端面１１ａの位置に、前記端面１２ａが来るように第２光ファイバ１２の位置も変更しておけば良い。

【0107】

このように、偏光分離器６の光学面上における結晶軸Ｘ６１方向と、第１の１／４波長板４の光学面上における結晶軸Ｘ４１方向を同一方向に設定することにより、偏光分離器６と第１の１／４波長板４との間の結晶軸角度の調整作業や設置作業を行う必要が無くなる。従って、偏光分離器６と第１の１／４波長板４との間の組み立て作業をより一層容易化することが出来る。

【0108】

更に、偏光分離器６の光学面上における結晶軸Ｘ６１方向と、２つの１／４波長板４及び５の光学面上における結晶軸Ｘ４１及びＸ５１方向を同一方向に設定することにより、偏光分離器６と２つの１／４波長板４及び５との間の、結晶軸角度の調整作業や設置作業を行う必要が無くなる。従って、偏光分離器６と２つの１／４波長板４及び５との間の組み立て作業を、より一層容易化することが出来る。

【実施例】

【0109】

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。なお、各実施例１〜実施例３においては、センサ用光ファイバ２に鉛ガラスファイバを用いると共に、第１の１／４波長板４と第２の１／４波長板５の間の往復光路を偏光面保持ファイバ（ＰＭＦ）で構成する。更に、２つの１／４波長板４及び５の結晶軸Ｘ４１とＸ５１の方向は互いにＸ軸方向に設定すると共に、変更分離器６の結晶軸Ｘ６１方向はＹ軸方向に設定するものとする。

【0110】

（実施例１）
図２のファラデー回転子３として、光アイソレータに用いられる、図１４に示すようなファラデー回転角の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、円偏光ＬＣ１とＬＣ２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。このようなファラデー回転子３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２４に示す。なお表１におけるファラデー回転角とは、円偏光ＬＣ１とＬＣ２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る。また、表１における比誤差とは、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。

【0111】

【表1】

【0112】

表１及び図２４より、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。

【0113】

（実施例２）
往復での磁性ガーネットの回転角の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に設定した。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。

【0114】

（数１）
θＦ＝ａ・Ｔ２＋ｂ・Ｔ＋ｃ なおＴ：温度［℃］

【0115】

【表2】

【0116】

【表3】

【0117】

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の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。

【0118】

比誤差変動幅を低減する係数ａ、ｂを実現するため、図１６に示す２つのファラデー素子２７ａ、２７ｂによる実施例を示す。図１６のファラデー素子２７ａ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２７ｂとして図２６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２７ａ、２７ｂの温度依存性をそれぞれ図２５および図２６に示す。

【0119】

ファラデー素子２７ａ、２７ｂ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２７ａの回転角８．３４°、ファラデー素子２７ｂ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。円偏光ＬＣ１とＬＣ２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２７に示す。

【0120】

（数２）
θＦ＝−２．０２・１０−４・Ｔ２−０．０２００・Ｔ＋４８．７１ なおＴ：温度［℃］

【0121】

電流測定装置２８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２８に示す。

【0122】

【表4】

【0123】

表４及び図２８より、２つのファラデー素子２７ａ、２７ｂ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。

【0124】

（実施例３）
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２９に示す。

【0125】

（数３）
θＦ＝−１．６４・１０−４・Ｔ２−０．０１８５・Ｔ＋４８．９５ なおＴ：温度［℃］

【0126】

円偏光ＬＣ１とＬＣ２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。このようなファラデー回転子３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３０に示す。

【0127】

【表5】

【0128】

表５及び図３０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。

【符号の説明】

【0129】

１、２８ 電流測定装置
２ センサ用光ファイバ
２ａ センサ用光ファイバの一端
３ ファラデー回転子
３ａ 永久磁石
４ 第１の１／４波長板
Ｘ４１ 第１の１／４波長板の光学面上における結晶軸
５ 第２の１／４波長板
Ｘ５１ 第２の１／４波長板の光学面上における結晶軸
６ 偏光分離器
Ｘ６１ 偏光分離器の光学面上における結晶軸
７ 光源
８ 信号処理回路
９ 光学系
１０ サーキュレータ
１１ 第１光ファイバ
１１ａ 第１光ファイバの一端側の端面
１２ 第２光ファイバ
１２ａ 第２光ファイバの一端側の端面
１３ａ、１３ｂ 光電変換素子
１４ フェルール
１５、１６ レンズ
１７ 偏光面保持ファイバ
１７ａ コア
１７ｂ 応力付与部
１７ｃ クラッド
１８ 導体
１９ ミラー
２０ａ、２０ｂ 複屈折素子
Ｘ２０ａ、Ｘ２０ｂ 各複屈折素子の光学面上における結晶軸
２１ａ、２１ｂ アンプ
２２ａ、２２ｂ バンドパスフィルタ
２３ａ、２３ｂ ローパスフィルタ
２４ａ、２４ｂ 除算器
２５ 極性反転器
２６ 演算器
２７ａ、２７ｂ ファラデー素子
Ｌ１ 光源から出射される直線偏光
ＬＦ、ＬＦ’ 偏光面保持ファイバのＦ軸方向の直線偏光
ＬＳ、ＬＳ’ 偏光面保持ファイバのＳ軸方向の直線偏光
ＬＣ１、ＬＣ２ 円偏光
ＬＯ 常光線
ＬＥ 異常光線
Ｉ 被測定電流

【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13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】