JP2003505670A - 最小構成に低減した光ファイバ電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 感知コイルあるいは感知領域部、光源、その光源の前側の出力側と光ファイバ感知コイル／感知領域部との間に配置された光路部とを含む、最小構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（ＦＯＣＳ）が提供されている。直線偏光された光ビームを感知コイル／領域部を通して伝播する円偏光された光ビームに変換するために少なくとも１個の四分の一波長板が光路部と感知コイル／領域部との間に配設されている。感知領域部を通して伝播する円偏光された光ビームは、磁界あるいは感知コイルの近傍の導体を流れる電流によって発生する位相差シフトを受ける。光検出器が、光源の後ろ側の出力側に配置され、光源を通して伝送される戻り光の強度に応答して出力信号を生成する。戻り光の強度は、センサ／領域部における磁界の尺度である。ワイヤを通して流れる電流によって磁界が発生しうる。感知コイルはワイヤの周りに巻くことができる。環境条件の変化によって生じる影響を最小にする電子装置が説明されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［関連特許出願の相互参照］ 本特許出願は、米国特許出願番号第０９／４５９，４３８号の継続出願であり
、現在は権利放棄され、１９９６年４月１５日に出願された米国仮出願第６０／
０１４，８８４号の特典を請求している、１９９９年１２月１３日に出願された
米国特許出願第０９／４５９，４３８の一部継続出願である。本特許出願はまた
、１９９９年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６０／１４３，８４７号
の特典を請求している。

【０００２】 ［発明の分野］ 本発明は光ファイバ・センサに関する。特に、本発明は、光ファイバ電流セン
サ及びそれらの信号処理電子装置に関する。

【０００３】 ［発明の背景］ 干渉光ファイバ・センサ（ＦＯＳ）は、角度回転（干渉光ファイバ・ジャイロ
スコープ、ＦＯＧ）及び磁界（干渉あるいは偏光光ファイバ電流センサ、ＦＯＣ
Ｓ）を正確に測定する確立された技術である。ＦＯＣＳは直接電流を検出せず、
むしろ電流によって発生する磁界の作用を検出することが理解される。ＦＯＳは
光学的で、運動部分の無いソリッド・ステート構造であるので、それは例えば車
両のナビゲーションや電流の遠隔検出のような長寿命で、高度に信頼性の必要な
用途に対して使用することができる。

【０００４】 ＦＯＳの背後にある基本的な動作原理は、回転センサ（ＦＯＧ）に対してはサ
ニャック効果であり、電流センサ（ＦＯＣＳ）に対してはファラディ効果である
。ＦＯＧ回転測定においては、ループ干渉計を横断している２個の反対方向に伝
播する光波が、ループがその軸心の周りで回転するとき位相の差異を取得する。
コイル平面を通過するワイヤを流れる電流をＦＯＣＳ測定する場合、電流に関連
した磁界によって位相差が発生する。光波の光路の構成に応じて、ＦＯＳは干渉
あるいは偏光位相変調を組み込みうる。回転あるいは電流によって誘発される位
相差を正確に測定するには環境によって変動しうる寄生位相差を抑制することを
要する。この理由から、光学的な相反則の原理を使用して共通の経路に沿って干
渉計あるいは偏光計を通過する反対方向に伝播する波の部分を選択する。以下の
説明において、「干渉計」とは干渉装置あるいは偏光装置の双方を指すことを意
味する。環境によって当該システムに誘発される変動は双方の波の位相を均等に
変化させるので、位相遅延の差は何ら発生せず、センサは環境的には安定してい
る。

【０００５】 従来の干渉光ファイバ・ジャイロスコープ（ＦＯＧ）においては、適当な光源
から放射される光は、第１の３ｄＢ結合器を通過し、そこで光の半分は消散され
、半分が偏光子を通して干渉計へ送られる。第２の３ｄＢ結合器が、光をコイル
を横行する２個の実質的に均等な強度の反対方向に伝播するビームに分割する。
次いで、２個の光ビームは、第２の結合器で再び組み合わされ、そこでそれらは
干渉する。次いで、このように組み合わされた光ビームは、反対方向で２回目の
偏光子の通過を果たし、光の半分は第１の結合器によって検出器まで導かれる。
第１の結合器は、光学的に往復運動する（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｒｅｃｉｐｒｏ
ｃａｌ）サニャック干渉計の一部ではない。その唯一の目的は、戻り光のあるも
のを光検出器中へ導き、光源からの光エネルギの検出器への直接的な結合を最小
とすることである。３ｄＢの光学的分割比が、結合器が検出器に入射する光学的
パワーを最大するように選択される。このことが、この結合器を２回通過するた
め固有の６ｄＢのシステム損失をもたらす。

【０００６】 従来の干渉光ファイバ電流センサ（ＦＯＣＳ）においては、光ビームはまた、
光検出器を分離している第１の方向性結合器を通過し、次いで直線偏光された光
を発生させる偏光子を通過する。次いで、直線偏光された光ビームは、第２の方
向性結合器によって２本のビームに分割され、一方のビームは、非複屈折ファイ
バのループを備える検出コイルの一端に導かれる。２本の光ビームの他方は、位
相変調器を介して検出コイルの他端中へ導かれる。直線偏光された光ビームの各
々は、検出コイルへ入る前にそれぞれの四分の一波長板を通過し、そこから円偏
光された光として出るが、これは検出コイルへ入る光である。検出コイルの２個
のファイバ端から出て行く光は、四分の一波長板を再び通過して、直線偏光され
た戻り光を発生させる。戻り光は、第２の方向性結合器によって再び組み合わさ
れ、この再び組み合わされた光の強度は、光検出器によって検出される。

【０００７】 別のタイプの従来のＦＯＣＳは、第２の方向性結合器を排除して設計を簡素化
している反射電流検出コイルに基いている。対角方向に直線偏光された光ビーム
は、四分の一波長板を通過し、そこから検出コイルへ入る前に反対方向に回転し
ている円偏光された光として出てくる。ファイバの端で反射すると、２個の光波
の回転方向が反転し、光は検出領域を通って戻り、その後光は直線偏光された光
に変換して戻される。再び組み合わされた光の強度は、光検出器によって検出さ
れる。もしも複屈折変調器が位相変調器の代わりに使用されるとすれば、光が変
調器へ入る前に４５度のスプライスを挿入する必要がある。

【０００８】 位相変調器は例えば圧電変換器（ＰＺＴ）でよい。位相差を変調するその他の
方法、例えばニオブ酸リチウムのような電気―光学材料を使用しうる。もしも変
調のために集積光学的組立体（ＩＯＣ）が使用されるとすれば、検出コイルに接
続された方向性結合器の代わりにＹ字形接続パワー・スプリッタを含めればよい
。この位相変調は二つの目的に役立つ。一方の目的は、干渉計をより敏感な動作
点に動的にバイアスし、また回転方向の検出を可能とすることである。他方の目
的は、電気信号処理の精度を上げるために直流（ＤＣ）から交流（ＡＣ）へ検出
した信号を動かすことである。開ループ信号処理構成における正弦位相変調によ
り、干渉計の出力信号は、正弦及び余弦波形の無限級数であり、その波形の最大
振幅は位相変調振幅に関連するベッセル関数である。ベッセル関数の最大振幅は
、測定された量の正弦（奇数の高調波）及び余弦（偶数の高調波）に比例してい
る。基本信号は、それに続く偶数及び奇数の高調波信号を有する、印加された変
調周波数に位置している。回転速度及び／又は磁界を検出するため且つ同時に安
定した線形出力スケール・ファクタを維持しながら基本信号と最も低い３次の高
調波信号振幅との比を使用する多くの信号処理方法が提案されてきた。しかしな
がら、アナログ及び／又はデジタル電子ハードウエアでのこれらの方法の実行は
複雑で、且つ高価につく。従って、センサの高調波信号の相対振幅におけるエラ
ーによって影響されないはるかに単純な信号処理設計が所望される。

【０００９】 測定された小さい電流あるいは磁界の値に対するサニャック及びファラディ効
果の固有の線形性によって、スケール・ファクタの線形性（すなわち、測定され
た電流あるいは磁界対印加された電流あるいは磁界）が維持される。環境変化（
すなわち、温度、振動等）の間、及びセンサの寿命に亘ってのより高いレート（
ｒａｔｅ）あるいはより高い電流時では、従来の信号処理技術を使用して線形性
を維持することができる。

【００１０】 従って、光学要素の数がより少なくて、製造がより容易且つより安価で製造し
うる光ファイバ電流センサを提供することが望ましい。また、環境変化の間一定
のスケール・ファクタを維持するために電流センサの出力信号を処理するための
電子システムを提供することが望ましい。

【００１１】 ［発明の概要］ 本発明は磁界、特に電流によって誘発される磁界を測定するために低減した最
小構成（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（ＦＯＣＳ）システムを指向する。本発
明の一局面によると、ＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムは、ファイバ感知コイルと、前
側の出力側及び後ろ側の出力側を有し且つ関連の光源強度で光を放射する光源と
、偏光子を含んでもよく、前側出力側と後ろ側出力側との間に配設され且つ光源
から光を受取る光結合器であって、実質的に均等な強度の２本の直線偏光された
光ビームを形成する光結合器と、ファイバ感知コイルの第１の端部の近傍に配設
され、２本の直線偏光された光ビームの中の第１のビームを受取り且つ第１の直
線偏光された光ビームを第１の方向に感知コイルを介して伝播する第１の円偏光
された光に変換する第１の四分の一波長板と、ファイバ検出コイルの第２の端部
の近傍に配設され、２本の直線偏光された光ビームを受取り且つ第２の直線偏光
された光ビームを第１の方向とは反対の第２の方向に感知コイルを介して伝播す
る第２の円偏光された光に変換する第２の四分の一波長板とを含み、前記第１と
第２の円偏光された光は、感知コイルを通過し、磁界あるいは感知コイルの近傍
で導体を流れる電流によって発生する位相差シフトを受け、前記ファイバ感知コ
イルは第１と第２の四分の一波長板に位相シフトされ円偏光された戻り光を供給
し、前記第１と第２の四分の一波長板は、位相シフトされ円偏光された戻り光を
直線偏光された戻り光に変換して戻し、前記光結合器が、直線偏光された戻り光
を組み合わせ且つ干渉させて組み合わされた光ビームを生成し、更に、光源の後
ろ側出力側に動作的に結合された光検出器であって光源を通して伝送された組み
合わされた光ビームに応答して検出し且つ出力信号を与える光検出器を含む。

【００１２】 本発明の別の局面によると、最小構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流セ
ンサ（ＦＯＣＳ）システムは、光ファイバを有する光ファイバ感知領域部と、前
側出力側及び後ろ側出力側を有し且つ関連の光源強度の光を放射する光源と、光
路部に沿って光源から２本の直線偏光された光ビームを伝送するために光ファイ
バ感知領域部と光源の前側出力側を動作的に接続する光路部とを含む。２本の直
線偏光された光ビームを感知領域部を通して伝播する２本の対向する円偏光され
た光ビームに変換するために少なくとも１個の四分の一波長板が光路部と感知領
域部との間に配設されており、感知領域部を通して伝播する２本の対向する円偏
光された光ビームは、磁界あるいは感知コイルの近傍の導体を流れる電流によっ
て発生する位相差シフトを受ける。ファイバの感知領域部は、そのファイバ感知
領域部の端部分に配置された反射器を含み、該反射器は、円偏光された光ビーム
を反射し、且つ位相シフトされ円偏光された戻り光を少なくとも１個の四分の一
波長板に供給し、該波長板は、位相シフトされた円偏光された戻り光を干渉する
直線偏光された戻り光ビームに変換する。光源の後ろ側出力側に動作的に結合さ
れた光検出器が、光源を通して伝送され干渉された戻り光ビームを検出し、且つ
光源を通して伝送され干渉された戻り光ビームに応答して出力信号を与える。

【００１３】 ＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの実施形態は以下の特徴の一つ以上を含みうる。Ｒ
ＭＣ・ＦＯＣＳは、前側出力側とセンサ・コイルとの間に配設された偏光子を含
み、該偏光子は、光源から放射された光と戻り光ビームとを偏光する。反射性Ｒ
ＭＣ・ＦＯＣＳにおいて、４５度のツイストを偏光子とセンサ・コイルとの間に
挿入しうる。光学的位相あるいは複屈折変調器をセンサ・コイルに結合しうる。
変調振幅を制御する発振器は変調器に結合してよい。出力信号を受取る電気増幅
器は、検出器に結合し、そして直流ブロック、整流器、積分比較器及び光源駆動
手段が、増幅器に結合され、関連の光源の強度を制御する。出力信号を処理し、
磁界あるいは電流と相関した出力の値を与えるために電気信号処理手段も増幅器
に結合してもよい。

【００１４】 ［ある例示された実施形態の詳細説明］ 本発明は各種の修正や代替形態が可能であるが、特定の実施形態を例として図
面に示し、本明細書で詳細に説明する。しかしながら、これは本発明を開示した
特定の形態に限定する意図ではなく、むしろ以下定義する本発明の精神と範囲と
に入る全ての修正、均等物、代案を網羅する意図である。

【００１５】 本発明は、「最小構成に低減した」（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（ＦＯＣ
Ｓ）を指向する。従来のＦＯＣＳとは異なり、第１の結合器が省かれ、干渉計の
出力が光源の後ろ側の出力側に位置決めされた検出器によって読み取られる。先
ず図１を参照すれば、光源１ａは前側出力面１ｂから光を放射し、該光は偏光子
２によって偏光される。レーザ・ダイオード（ＬＤ）、超発光ダイオード（ＳＬ
Ｄ）、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいは超放射ファイバ増幅器を含む数種
のタイプの光源を使用しうる。偏光子２は、例えば、ファイバ偏光子、ニオブ酸
リチウム偏光子、あるいはポリマ導波偏光子でよい。結合器３は、光を２本の実
質的に均等な強度の反対方向に伝播するビームに分割する。感知コイル両端にお
ける光路に四分の一波長板１４、１６が挿入される。四分の一波長板１４、１６
は偏光子２によって形成された直線偏光された光を感知コイル４で反対方向に伝
播する円偏光された光に変換する。磁界が、反対方向に伝播している円偏光され
た光ビームの位相シフト（ファラディ回転）を導入し、そこにおいて位相シフト
の方向は、磁界の方向に対する円偏光された光ビームの伝播方向によって決まる
。四分の一波長板１４、１６は、感知コイルを通過したそれぞれの戻った円偏光
された光ビームを直線偏光された光ビームに変換し戻し、この光ビームは、次い
で光結合器３において再び組み合わされる。結合器は、光ファイバあるいは集積
光学要素から形成された方向性結合器でよい。

【００１６】 次いで、再び組み合わされた光ビームは、光源１ａを通過し、検出器５によっ
て光源１ａの後ろ側の出力側１ｃにおいて受取られる。検出器５は、光学的入力
を出力電圧に変換する、例えばトランスインピーダンス増幅器である、増幅器６
に結合された光検出器でよい。検出器５の出力は、例えば１００万の電圧利得を
与える適当な増幅器６を通過する。増幅器の出力は復調器７に印加される。復調
器７は、発振器８から信号を受取る位相感知検出器（ＰＳＤ）でよい。ＦＯＣＳ
に対して、復調器７の出力は、感知コイル４を通る磁束の関数であり、そして正
弦曲線であり、磁界あるいは電流を緩和するに低いように一次関数によって近似
化しうる。もしも復調器７へ入る２個の信号の位相と周波数とが同じであるとす
れば、出力は最大であり、もしもそれらが異なるとすれば、出力は低減する。発
振器８と位相変調器９とは以下詳細に説明するように、位相変調の干渉深さを維
持する。代替的に、例えばニオブ酸リチウムあるいは別の電気―光学材料から構
成したもののようにその他の位相変調器を使用してもよい。光源の強度を調整す
る光源制御装置／駆動装置１０は、以下詳細に説明するように、例えばフィルタ
、整流器、積分比較器のような追加の要素を含み得る。

【００１７】 さて、本発明によるＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの別の実施形態を示す図２を参
照すれば、光源１ａは前側出力面１ｂから光を放射し、この光は偏光子２によっ
て偏光される。複屈折変調器９が偏光された光の偏光方向を変調する。偏光子２
と複屈折変調器９との間に４５度スライス１１が挿入され、対角線方向に直線偏
光された光を与える。感知コイル４′の一端と位相変調器９との間に配設された
単一の四分の一波長板１２が、変調され直線偏光された光を感知領域を通して伝
播する２本の対向し円偏光された光ビームに変換する。第１の実施形態とは相違
して、光は感知コイル４′の一端のみに導入される。感知コイル４′の他端は、
偏光方向を逆転しながら円偏光された光を感知コイル４′に反射して戻す反射器
１３を有する。反射性の感知コイルの形状は、機械的な振動や感知コイルの回転
に対して感度が小さいという別の利点を有している。

【００１８】 感知コイルのスケール・ファクタは、この最大電流範囲がセンサの出力の伝達
関数の基本的に線形領域内に十分入るように設計しうる。代替的に、当該技術分
野で既知の電子直線化技術も使用しうる。感知コイルのファイバ・コイル長さは
、測定すべき電流範囲によって決まり、１メートルから１，０００メートル、好
ましくは１メートルから２０メートルの間としうる。コイルは、導体がコイルの
開口を通過しうるように巻かれる。第１の方向性結合器と感知コイルと、λ／４
波長板との間のそれぞれの分離は、第１の方向性結合器と感知コイルあるいはλ
／４波長板との間で偏光維持ファイバを採用するために２０メートルから１、０
００メートルの間でよい。このようなタイプの構造により、電流は、基本信号（
Ｆ１）の振幅から直接決定することができる。基本信号の位相及び周波数は既知
であるので、振幅を決定する効果的な方法は同期復調することである。

【００１９】 さて、図３を参照すると、検出器によって検出される広帯域信号電流は、検出
された光電流を電圧に変換するトランスインピーダンス前置増幅器２６と、電圧
信号利得を与える増幅器２７とを通される。増幅された電圧信号は次いで、低域
通過フィルタ（ＬＰＦ）に供給され、該フィルタのコーナ周波数は、同期復調器
２９において同期復調される前には基本周波数（Ｆ１）にある。低域通過フィル
タ２８は、電圧信号からの全ての高調波を減衰させ、基本周波数（Ｆ１）のみを
残している。同期復調器２９の他方の入力側は、以下説明するように、安定した
振幅及び自己共振周波数を変調器９に与えるためにコルピッツ発振器とＡＧＳ増
幅器を使用しうる自己共振発振器及びＡＧＣ増幅器から電圧信号を受取る。しか
しながら、当該技術分野において既知のように、回路８は、一定の振幅を与える
水晶発振器、デジタル・シンセサイザ、固定周波数信号を与える水晶発振器でよ
く、あるいは変調器に固定振幅の自己共振信号を与えるコルピッツ発振器（のみ
）でよい。

【００２０】 回路８の出力は、位相シフタと、そのコーナ周波数が基本周波数（Ｆ１）と等
しいか、それより高い低域通過フィルタ３２とを通される。復調器２９の出力は
、その入力信号の位相及び周波数が等しいとき最大であり、磁界あるいは電流の
関数である基本周波数（Ｆ１）におけるセンサの出力信号の大きさに比例する。
この出力は、磁界あるいは電流と比例するＤＣ信号を発生させる別の低域通過フ
ィルタ３０を通せばよい。最終的に、ＤＣ信号は、所望のセンサのスケール・フ
ァクタをセットするためにＤＣ増幅器３１において増幅される。復調によって広
い動的な磁界及び／又は電流範囲に亘って線形な出力を発生させる。磁界測定の
分解能は、トランスインピーダンス前置増幅器２６の雑音指数と測定の帯域とに
よって決まる。

【００２１】 当該技術分野の専門家は、前述したＤＣ磁界の代わりに、例えばＡＣパワー・
ラインを流れるＡＣ電流によって発生するＡＣ磁界を測定する電流センサの出力
がＡＣパワー・ラインの基本周波数並びにその高調波を含む対応するＡＣ信号を
発生させることを認識する。

【００２２】 環境変化の間、一定のスケール・ファクタを維持することは、２個のセンサの
動作点が正確に維持されることを必要とする。先ず増幅器６の出力側におけるセ
ンサの信号の大きさが一定でなければならない。このことを達成するために、本
発明の一局面は、コイル長さの短いセンサに対しては、２次高調波信号（Ｆ２）
の振幅は全体のレート（ｒａｔｅ）／磁界の範囲に亘って相対的に一定であると
いう事実を利用している。このように、広帯域センサ信号は、高域通過フィルタ
３５によって２次高調波周波数（Ｆ２）において高域通過フィルタリング（ＨＰ
Ｆ）され、整流器３６で整流され、積分比較器３７によって積分され、基準と比
較され、光源駆動装置１０によって光源２１に印加される。その結果得られたＤ
Ｃ信号は、光源の電流を増減することによって光源１ａの光学的パワー出力を、
及び従って放射された光学的パワーを制御するために使用される。高域通過フィ
ルタ３５は、高磁界あるいは電流における光源制御回路の精度に対する基準信号
（Ｆ１）の影響を低減するために必要としうる。当該技術分野で既知のように、
高域通過フィルタ３５は、ＤＣブロックあるいは帯域通過フィルタと置き換え、
そして整流器３６は、全波整流器あるいは半波整流器とすればよい。

【００２３】 維持すべき第２のセンサ動作点は、ＰＺＴ位相変調器９において制御される位
相変調の干渉深さである。位相変調の深さは、ＰＺＴ位相変調器９に印加される
正弦波駆動電圧の振幅によって設定される。しかしながら、単に固定した周波数
及び振幅を有する正弦波駆動を維持しても位相変調の固定深さを保証することは
ない。時間の経過により、且つ温度の変化によって、ＰＺＴ変調器９の共振周波
数（Ｆｒ）はドリフトしうる。また、ＰＺＴ変調器９の機械的から光学的への位
相シフトの変換スケール・ファクタ（Ｑ_m）も変化しうる。前述のように、本発
明は、自己共振発振器及び調整可能な利得制御（ＡＧＣ）増幅器回路８の出力を
位相シフタ及び低域通過フィルタ３２に印加することによって位相変調器９を発
振回路の能動部分として使用する。変調器９は能動的なフィードバック回路の一
部であるので、共振変調器の周波数のいずれの動きも追跡される。Ｑｍ及びＦｒ
の変化も駆動振幅に影響する変調器の動的インピーダンスを変える。当該技術分
野で既知のその他の自己共振発振器も使用しうるものの、自己共振発振器とＡＧ
Ｃ増幅回路８とが環境の変化を通しての安定した正弦波の駆動振幅を維持するた
めに使用される。

【００２４】 このように、磁界あるいは電流を決定するために基本センサ信号振幅が同期復
調される場合、簡素化した信号処理電子装置を備えたＦＯＣＳシステムが提供さ
れる。光源の強度を制御するために２次高調波センサ信号（Ｆ２）が使用される
。これらの信号の比を取る必要はない。位相変調の深さは、位相変調器を能動的
な電気回路の一部とする自己共振発振器による方法を使用することによって維持
される。

【００２５】 このような構成は、必須でない光学要素やスライスを当該システムから排除し
、低コストのＦＯＣＳシステムの構成を可能とする。簡素化した信号処理電子装
置による方法と共にＲＭＣ・ＦＯＣＳを使用することによって、電流を測定する
ために使用しうる非常に魅力的な費用効果型の磁界センサを提供する。ＦＯＣＳ
信号処理システムは、単純で、低コストで製造可能であり、感知コイルに影響を
与える外部からの量的なもの（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）を正
確に決定し、環境条件の変化の間一定のスケール・ファクタを維持する。

【００２６】 さて、図４を参照すれば、図３を参照して前述したものと同じ信号処理電子装
置が図２の反射式の光ファイバ電流センサと共に使用することが可能である。簡
素化した信号処理電子装置による方法を備えたＲＭＣ・ＦＯＣＳを使用すること
によって、機械的な振動やコイルの回転にむしろ影響を受けない極めて魅力的な
費用効果型の磁界と電流センサを提供する。

【００２７】 本発明が、図示され且つ詳細に説明した好適実施形態に関連して開示されたが
、当該技術分野の専門家には各種の修正や改良が直ちに明らかとなる。したがっ
て、本発明の精神と範囲とは特許請求の範囲のみによって限定されるべきである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの第１の実施形態の概略線図である。

【図２】 本発明によるＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの第２の実施形態の概略線図である。

【図３】 図１に示すＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの第１の実施形態の電子制御回路の詳細
線図である。

【図４】 図２に示すＲＭＣ・ＦＯＣＳシステムの第２の実施形態の電子制御回路の詳細
線図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベネット，シドニー・エム アメリカ合衆国イリノイ州60610，シカゴ， ノース・ディアボーン・パークウェイ 1301，ユニット 706 (72)発明者 ダイオット，リチャード・ビー アメリカ合衆国イリノイ州60463，オー ク・ローン，サウス・ミニック・アベニュ ー 9832 Ｆターム(参考） 2G025 AA00 AB09 AB10 AC06

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 最小の構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（Ｆ
   ＯＣＳ）システムにおいて、 ファイバ感知コイルと、 前側出力側及び後ろ側出力側を有し、関連の光源の強度で光を放射する光源と
   、 前記前側出力側と前記コイルとの間に配設され、前記光源から光を受取る光結
   合器であって、実質的に同等の強度の２本の直線偏光された光ビームを形成する
   光結合器と、 前記ファイバ感知コイルの第１の端の近傍に配設され、前記２本の直線偏光さ
   れた光ビームの第１のものを受取り、第１の直線偏光された光ビームを第１の方
   向に前記感知コイルを通して伝播する第１の円偏光された光に変換する第１の四
   分の一波長板と、 前記ファイバ感知コイルの第２の端の近傍に配設され、２本の直線偏光された
   光ビームの中の第２のものを受取り、第２の直線偏光された光ビームを第１の方
   向とは反対の第２の方向に前記感知コイルを通して伝播する第２の円偏光された
   光に変換する第２の四分の一波長板であって、前記第１と第２の円偏光された光
   は前記感知コイルを通過し、磁界あるいは前記感知コイルの近傍の導体を流れる
   電流によって生じる位相差シフトを受ける、第２の四分の一波長板とを備え、 前記ファイバ感知コイルが、位相シフトされ円偏光された戻り光を前記第１と
   第２の四分の一波長板に供給し、前記第１と第２の四分の一波長板が、位相シフ
   トされ円偏光された戻り光を直線偏光された戻り光に変換し、前記光結合器が、
   直線偏光された光を組み合わせ且つ干渉させて、組み合わされた光ビームを生成
   し、 更に、前記光源の後ろ側の出力側に動作的に結合された光検出器であって、前
   記光源を通して伝送された組み合わされた光ビームに応答して検出し且つ出力信
   号を与える光検出器を備える 最小構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（ＦＯＣＳ）。
2. 【請求項２】 前記コイルに結合され、変調深さを有する光変調器と、 前記変調器に結合され、位相変調の振幅を制御する発振器と、 前記検出器に結合され、出力信号を受取る電気増幅器と、 前記増幅器に結合され、関連の光源の強度を制御する光源駆動手段と、 前記増幅器に結合され、増幅された出力信号を処理し且つ磁界あるいは電流に
   対応する出力の値を与える電気信号処理手段と を更に含む請求項１に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
3. 【請求項３】 前側出力側と光結合器との間に結合され、前記光源から放射
   される光と戻り光ビームとを偏光させる偏光子を更に含む請求項１に記載のＲＭ
   Ｃ・ＦＯＣＳシステム。
4. 【請求項４】 前記光源が、半導体光源及び稀土類元素をドーピングされた
   ファイバ光源を含む群から選択される請求項１に記載のＲＭＳ・ＦＯＣＳシステ
   ム。
5. 【請求項５】 前記光源駆動手段が直流ブロック、整流器及び積分比較器を
   含む請求項２に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
6. 【請求項６】 前記直流ブロックが高域通過フィルタを備える請求項５に記
   載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
7. 【請求項７】 前記整流器が半波整流器である請求項５に記載のＲＭＣ・Ｆ
   ＯＣＳシステム。
8. 【請求項８】 前記発振器が、固定した振幅と固定した周波数の周期的波形
   を供給する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項２に記載のＲＭＣ・
   ＦＯＣＳシステム。
9. 【請求項９】 前記発振器が、固定した振幅と自己共振周波数波形とを供給
   する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項２に記載のＲＭＣ・ＦＯＣ
   Ｓシステム。
10. 【請求項１０】 前記発振器が、調整可能な利得制御された自己共振周波数
    波形を供給する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項２に記載のＲＭ
    Ｃ・ＦＯＣＳシステム。
11. 【請求項１１】 前記整流器が全波整流器である請求項５に記載のＲＭＣ・
    ＦＯＣＳシステム。
12. 【請求項１２】 前記直流ブロックが帯域通過フィルタを備える請求項５に
    記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
13. 【請求項１３】 最小構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（Ｆ
    ＯＣＳ）システムにおいて、 光ファイバを備える光ファイバ感知領域部と、 前側出力側及び後ろ側の出力側を有し、関連の光源の強度で光を放射する光源
    と、 光路部に沿って前記光源からの２本の直線偏光された光ビームを伝送するため
    に前記光源の前側出力側を前記光ファイバ感知領域部に動作的に接続する光路部
    と、 前記光路部と前記感知領域部との間に配設され、２本の直線偏光された光ビー
    ムを前記感知領域部を通して伝播する２本の対向する円偏光された光ビームに変
    換する少なくとも１個の四分の一波長板とを備え、 前記感知領域を通して伝播する２本の対向する円偏光された光ビームが、磁界
    あるいは前記感知コイルの近傍の導体を流れる電流によって生じる位相差シフト
    を受け、 前記ファイバ感知領域部が、位相シフトされ円偏光された戻り光を少なくとも
    １個の四分の一波形板に供給し、前記の少なくとも１個の四分の一波形板が、位
    相シフトされ円偏光された戻り光を干渉性の直線偏光された戻り光ビームに変換
    し、 更に、前記光源の後ろ側の出力側に動作的に結合された光検出器であって、前
    記光源を通して伝送される干渉性の戻り光ビームに応答して検出し且つ出力信号
    を与える光検出器を備える 最小構成に低減した（ＲＭＣ）光ファイバ電流センサ（ＦＯＣＳ）システム。
14. 【請求項１４】 変調深さを与え、前記光ファイバ感知領域部に結合されて
    いる光変調器と、 前記変調器に結合され、位相変調振幅を制御する発振器と、 前記検出器に結合され、出力信号を受取る電気増幅器と、 前記増幅器に結合され、関連の光源の強度を制御する光源駆動手段と、 前記増幅器に結合され、前記出力信号を処理し且つ磁界あるいは電流に相関さ
    れた出力の値を与える電気信号処理手段と を更に含む請求項１３に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
15. 【請求項１５】 前記前側の出力側と前記光ファイバ感知領域部との間に結
    合された偏光子であって、前記光源から放射された光と戻り光ビームとを偏光す
    る偏光子を更に含む請求項１３に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
16. 【請求項１６】 前記光源が、半導体光源及び稀土類元素をドーピングされ
    たファイバ光源を含む群から選択される請求項１３に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシ
    ステム。
17. 【請求項１７】 前記発振器が、固定した振幅と固定した周波数の周期的波
    形を供給する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項１４に記載のＲＭ
    Ｃ・ＦＯＣＳシステム。
18. 【請求項１８】 前記発振器が、固定された振幅と自己共振周波数波形を供
    給する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項１４に記載のＲＭＣ・Ｆ
    ＯＣＳシステム。
19. 【請求項１９】 前記発振器が、調整可能な利得制御された自己共振周波数
    波形を供給する圧電式変換器の位相変調器駆動装置である請求項１４に記載のＲ
    ＭＣ・ＦＯＣＳシステム。
20. 【請求項２０】 前記光源駆動手段が、直流ブロック、整流器及び積分比較
    器を含む請求項１４に記載のＲＭＣ・ＦＯＣＳシステム。