フォトニクス技術本部
佐々木 勝
1. はじめに
電力設備における電流計測は、産業や社会の基盤となる設備の制御や監視を行う上で、常に必要となる基本的な技術である。通常これらの電流計測には、鉄心と導体巻線で構成された電磁誘導を原理とする変流器が用いられているが、小型化や絶縁などいくつかの制約が認識されており、制約のない電流計測技術が求められる。
新しい原理の電流センサとして、ファラデー効果を利用したセンサ技術が1960年代に提案され[1]、研究が進められた。当初はガラスブロックなどバルク型のファラデー素子が用いられたが、その後1980年代に光通信技術が進展すると、光ファイバをファラデー素子に用いた研究が行われるようになった[2]。国内外の機関で継続的に行われた研究開発の成果により光ファイバ電流センサの実用化が進んでいる。当社は複数企業の協働によるセンサ技術の開発に参加し[3]、光通信デバイスの技術をもとにセンサヘッドの開発を担当した。
本稿では光ファイバ電流センサの技術解説を行う。はじめにセンサの基本原理、センサの方式、計測の対象を整理する。次に当社で開発したデバイスを例に取り上げ、その構成、動作、特性を述べ、あわせて特長と要素技術を紹介する。次に、国内外における適用の現状について、当社の方式を含めて述べる。最後に今後の技術課題を述べる。
2. 光ファイバ電流センサの基本原理
光ファイバ電流センサの検出原理であるファラデー効果と、それを利用して電流を計測する原理を説明する。
2.1 ファラデー効果
磁界中に置かれた透明媒体に光を通過させると偏波面が回転する。この効果はファラデー効果と呼ばれ、センサの基本原理である[図1]。偏波面の回転角（ファラデー回転角）θ F [rad]は、次式で表される。
ここに、H：磁界の強さ（光の進行方向成分）[A/m]
L：ファラデー素子の長さ [m]
V：ベルデ定数 [rad/A]（媒体の種類と光の波長に依存）
式(1)から、ファラデー回転角は透明媒体に印加された磁界の強さに比例する。従って、この媒体をセンサ素子として用い、何らかの方法によってファラデー回転角を知れば、磁界の発生源である電流の大きさを知ることができる。
2.2 センサ素子の種類
- バルク形素子（非磁性体）
上記 図1 ではバルク型素子をセンサ素子としている。具体例にはガラスブロックがあり、研究初期に多くの事例がある[1]。 - バルク形素子（強磁性体）
光アイソレータに利用されているガーネット系結晶はベルデ定数が大きいため高感度なセンサを構成できる。一方、下記について考慮が必要となる。- 強磁性結晶は多磁区構造を有し、磁壁によって透過光は回折する
- 光の伝搬方向と垂直な方向に磁界を印加して単磁区化して利用する場合、磁気複屈折の考慮が必要
- 導波路形素子
導波路形素子として光ファイバ形が実用化されており、本稿の対象である。シングルモードの光ファイバに磁界を印加すると、ファイバ中を伝搬する偏光が、磁界の印加に応じて回転するため、光ファイバをファラデー素子として用いることができる。
2.3 光ファイバ電流センサの方式
ファラデー回転角を電気信号に変換し、最終的に被測定電流に比例する電気信号出力を得る具体的な方法として、強度変調方式と干渉方式について述べる。
2.3.1 強度変調方式
図2の光学系の構成で、偏光子に対して45°傾けた検光子（偏光プリズム）を配置する。磁界によってファラデー回転が生じると検光子を透過した光強度（Px, Py）が変化するため、受光素子によりファラデー回転に応じた電気信号に変換できる。
この方式では比較的簡素な構成でデバイスを組み立てることができる一方、直流電流については高精度な計測が困難である。
2.3.2 干渉方式
干渉方式は、光ファイバジャイロに用いられているループ型干渉計を応用している[4]。構成について多く提案されているが、図3に一例を示しその動作を説明する。
光源を発した光は、光カプラを通過し偏光子で直線偏光となる。光が入射する伝送ファイバは偏波保持形で、偏光子に対して軸を45°傾けており、Slow軸、Fast軸の二つの偏光モードに分かれて伝搬する。この二つの偏光モードは1/4波長板でそれぞれ円偏光に変換されてセンサファイバを伝搬する。センサファイバ端のミラーで折り返す際、偏光モードが交換される（右円偏光→左円偏光、左円→右円）。センサファイバを往復する間に、光は電流が作る磁界によるファラデー効果を受け、二つの偏光モードの間に電流に比例する位相差が生じる。戻ってきた光は再び1/4波長板を透過して入射時と直交する直線偏光に変換され、伝送ファイバ往路をSlow軸で伝搬した成分は復路をFast軸で伝搬し、往路Fast軸成分は復路Slow軸を伝搬する。二つの偏光モードはファイバ端で干渉したのち偏光子に入射して偏光変化に応じた光強度に変換され、光カプラに通過したのち受光素子（フォトダイオード）により電気信号に変換される。
出力の直線性及び安定性を確保するため、位相変調器と組み合わせた信号処理が行われる。受光器の出力を，中心角周波数ω mの帯域フィルタ及び2ω mの帯域フィルタに通し、両者のレベルの比を求める方法（位相敏感検波）などが用いられる。
干渉方式では、光路に位相変調器を挿入することで、受光強度の変化とファラデー効果による位相の変化を区別し補償している。
次回に続く－
参考文献
- S. Saito, et al: IEEE J. Quantum Electronics, Vol.QE-3 No.11 p.589, 1967
- 例えば、A. Rapp and H. Harms: Applied Optics, Vol.19 No.22 p.3729, 1980
- 黒澤, 山口, 佐々木 :レーザー研究, Vol.45 No.1, p.10, 2017
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- K. Bohnert and P. Guggenbach: ABB Review Vol.1, 2005, p.7, 2005
- M. Wiestner, et al: Aluminium 2005-1-2
- 電気学会技術報告 No.1475, 2020.3, ISSN 0919-9195
- OITDA規格：光ファイバ電流センサ, OITDA FS 01, 2017
- IEC規格：Electric Current Measurement-Polarimetric Method, IEC61757-4-3, 2019
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- A. Saitoh, et al: Jpn. J. Appl. Phys. 57, 2018
- K. Hayashi et al: Optical Materials, Volume 96, October 2019
【著者紹介】
佐々木 勝（ささき まさる）
Orbray株式会社 フォトニクス技術本部 デバイス開発部 部長
■略歴
1993年 八戸工業高等専門学校 機械工学科卒業
1997年 長岡技術科学大学 機械システム工学専攻修了
1997年 並木精密宝石（株）入社
2008年 アダマンド工業（株）転籍
2018年 アダマンド並木精密宝石（株）商号変更
2023年 Orbray（株）商号変更