JP2000105256A - 光電圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電圧センサの温度特性および変調感度を改
善すると共に、製作を容易にする。 【解決手段】 光の進行方向に沿って偏光子２、λ／４
板３、旋光性を有するポッケルス素子４、及び検光子５
が順次配置された光電圧センサ１０において、前記ポッ
ケルス素子４（電気光学効果素子）における光の進行方
向（Ｚ軸方向）と直交する結晶軸Ｘを、検光子５の偏光
方向ｘに対して、該結晶の旋光性によって偏光面が回転
する方向とは逆方向に、旋光角の略半分の角度までの範
囲で傾ける。これによって、複屈折が殆どなく温度特性
が良好ではあるけれど、旋光性を有するポッケルス素子
４を用いて、該ポッケルス素子４を台座１１によって検
光子５と相対的に傾けるとで変調感度を改善し、さらに
ポッケルス素子４側を傾けることで、コリメータ１ｃ等
の調整の煩雑な部品の調整をなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポッケルス素子な
どの電気光学素子を使用して、電圧を測定するための光
電圧センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力系統の電圧測定には、電圧変成器が
広く用いられている。しかしながら、この電圧変成器
は、測定すべき系統電圧が高くなるほど大型化してしま
い、コストおよびスペースが嵩むという問題がある。特
にＧＩＳと称される不活性ガスを用いたガス絶縁開閉装
置では、小型化および省スペース化が強く要求され、こ
のような電圧変成器を搭載することが困難になってい
る。

【０００３】このため、従来から、ポッケルス素子など
の電気光学素子を用いた光電圧センサが用いられるよう
になってきている。図７に、典型的な従来技術の光電圧
センサ５０の構成を示す。

【０００４】この光電圧センサ５０は、光ファイバを介
して導入された入射光を平行光にするコリメータ５１
と、ランダムな前記平行光を直線偏光にする偏光子５２
と、前記直線偏光を円偏光にするλ／４板５３と、印加
電圧に応じて位相変調を行って前記円偏光を楕円偏光に
するポッケルス素子５４と、ポッケルス素子５４からの
楕円偏光における所定の偏光方向の成分のみを抽出する
検光子５５と、コリメータ５６とを備えて構成されてい
る。前記コリメータ５６を通過した出力光は、光ファイ
バを介して図示しない受光素子へ入力され、光／電気変
換された後に信号処理回路で処理される。

【０００５】前記ポッケルス素子５４の表面部には図示
しない透明電極が設けられており、測定対象の電圧が光
の進行方向に印加される。例えば、前記ポッケルス素子
５４には、電力系統の充電導体と、該充電導体と並行に
配設された浮遊導体とによって形成される浮遊容量と、
前記浮遊導体と接地電位との間に設けたコンデンサとに
よって、前記充電導体の電圧が分圧されて印加される。
尚、前記ポッケルス素子５４の表面部に電極を設けるこ
となく当該素子を電界中に配置すれば、光の進行方向の
電界の強度を測定することが可能であり、光電界センサ
となる（尚、ここでは光電圧センサとして説明を続け
る）。

【０００６】前記光電圧センサ５０において、その変調
感度を高めるためには、前記の光学部材５２〜５５の位
置関係が重要となる。この位置関係を説明するために、
図７に示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標
系を考え、ポッケルス素子５４として使用される電気光
学結晶の各結晶軸を、前記ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に一致させ
て（１軸性結晶の場合、その光学軸をｚ軸に一致させ
て）配した場合について説明する。尚、ｚ軸方向を光の
進行方向とする。

【０００７】一般的には、同図に示すように、λ／４板
５３のｃ軸（光学軸）がｘ軸に対して４５°だけ傾けら
れると共に、偏光子５２の偏光方向は前記ｃ軸に対して
４５°傾いたｘ軸上に配される。そして、検光子５５の
偏光方向は、同図のように偏光子５２の偏光方向と平行
に配される（いわゆる平行偏光子）か、又は検光子５５
の偏光方向が偏光子５２の偏光方向と直交するように配
される（いわゆる直交偏光子）。

【０００８】また、図８に示すように、光学バイアスと
してのλ／４板５３をポッケルス素子５４の下流側に配
置（すなわち、ポッケルス素子５４と検光子５５との間
にλ／４板５３を挿入）することもできるが、この場合
も、偏光子５２及び検光子５５の偏光方向はｘ軸と平行
に設けられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
る光電圧センサ５０において、前記ポッケルス素子５４
には、従来では、たとえば特開昭５６−１００３６４号
公報で示されるように、ＫＤＰ、ＡＤＰ、ＬｉＮｂＯ₃
またはＬｉＴａＯ₃ などが使用されていた。しかしなが
ら、これらの結晶には、同公報に記載されているとお
り、ｘ方向の屈折率ｎｘとｙ方向の屈折率ｎｙとが相互
に異なるという問題がある。

【００１０】このため他の従来技術では、同公報で示さ
れるように、前記ポッケルス素子５４として、立方晶系
に属し、自然複屈折が殆どないＢＧＯ（Ｂｉ₁₂Ｇｅ
Ｏ₂₀）や、ＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）が用いられてい
る。

【００１１】しかしながら、このような従来技術でも、
特に精度のよいＢＧＯ結晶を用いても、これらの結晶は
旋光性を有しているので、その温度係数によって、電力
設備機器の設置される環境を想定して、たとえば−１５
〜＋６０℃で、±２％程度の比誤差が含まれてしまうと
いう問題がある。

【００１２】したがって、従来の巻線形電圧変成器の確
度階級１Ｔ級と同等の±１％以内の比誤差の精度を得る
ために、さらに他の従来技術では、特開平８−２２０１
４９号公報で示されるように、旋光角に比例する結晶の
厚みと、さらに結晶の切出し角とを選択することによっ
て、前記の精度を達成している。

【００１３】さらにまた他の従来技術では、特開昭５８
−１０９８５９号公報で示されるように、検光子５５を
光軸周りに４５°回転することによって、前記の精度を
達成している。

【００１４】しかしながら、特開平８−２２０１４９号
公報で示す従来技術では、結晶の厚みが定められてしま
うことになり、同公報では４ｍｍ程度に選ばれている。
したがって、絶縁耐圧の問題があり、５０万Ｖや１００
万Ｖなどの特別高圧系には使用することができないとい
う問題がある。

【００１５】また、前記特開昭５８−１０９８５９号公
報で示す従来技術では、本件発明者の検討によれば、温
度特性は前述の許容値内に収まっているものの、変調感
度が低いという問題があり、そこで本件発明者は、先に
特開平１０−１３２８６５号を提案した。その特開平１
０−１３２８６５号では、検光子５５の回転角を、ポッ
ケルス素子５４の旋光量の約半分、すなわち前記特開昭
５８−１０９８５９号の約半分としている。

【００１６】前記特開平１０−１３２８６５号は、旋光
能の温度特性を改善し、かつ高い変調感度を得ることが
できる理論的に非常に優れた電圧センサである。しかし
ながら、図７で示すように、ポッケルス素子５４の光軸
（ｚ軸）と直角方向にコリメータ５７を配置するように
した場合では、検光子５５をその特性に応じて回転させ
ると、それに追従してコリメータ５７の取付け位置を変
更する必要があり、製作が困難であるという問題があ
る。

【００１７】すなわち、前記コリメータ５６は、検光子
５５の透過光を検出するために光軸上に配置されるの
で、光軸のずれが生じなければ、前記回転による影響は
発生しない。これに対して、前記コリメータ５７は、前
記検光子５５の反射光を検出する場合や、または前記コ
リメータ５６と併用されて、入射光量変化の影響をなく
すように構成される場合に設けられるものであり、偏光
子５２及び検光子５５が筐体上に固定されて光軸が決定
された時点で、ポッケルス素子５４及びλ／４板５３の
取付けに先立って、戻り光量が最大となるように取付け
角度が調整されて、前記コリメータ５１，５６と共に取
付けられる。したがって、前述のような取付け位置の変
更は極めて困難である。

【００１８】本発明の目的は、良好な温度特性は勿論の
こと、高い変調感度を有し、製作の容易な光電圧センサ
を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
電圧センサは、光の進行方向に沿って偏光子、波長板、
旋光性を有する電気光学結晶、及び検光子が順次配置さ
れた光電圧センサにおいて、前記電気光学結晶における
光の進行方向と直交する結晶軸を、前記検光子の偏光方
向に対して、該電気光学結晶の旋光性によって偏光面が
回転する方向と逆方向に、かつ旋光角の略半分までの角
度だけ傾けて配置することを特徴とする。

【００２０】上記のように、光学バイアスとして機能す
る波長板を偏光子と電気光学結晶との間に配置した場
合、電気光学結晶の出力光が検光子に直接入射すること
になる。このような構成では、電気光学結晶の光の出射
面における偏光の固有軸（すなわち、屈折率楕円体の主
軸）がどの角度に存在するのかを考える必要がある。

【００２１】尚、電気光学結晶中を光が通過する際には
直交する２方向に振動する直線偏光に分解されるが、こ
の光の分解方向と一致するのが前記の偏光の固有軸であ
り、この軸は屈折率楕円体における光の進行方向と直交
する２つの主軸に相当する。

【００２２】旋光性を有する電気光学結晶では、旋光性
の殆どない電気光学結晶と比較して、旋光性によって偏
光面が回転する方向と同一方向に旋光角の略半分の角度
だけ、光の出射面における偏光の固有軸が回転している
と考えられる（詳細は実施の形態の欄で説明）。

【００２３】ここで、電気光学結晶の光の出射面におけ
る偏光の固有軸と平行となるように、検光子の偏光方向
を配置すれば、感度は最低（殆ど０）となるが、この偏
光の固有軸より４５°±９０°×ｎ（ｎは整数）の角度
だけ光の進行方向を中心として回転させた位置に配置す
れば、変調感度は大きくなる。

【００２４】したがって、電気光学結晶の各結晶軸をＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸（各軸は互いに直交）とし、Ｚ軸方向に
光を入射する場合を考えると、旋光性の殆どない電気光
学結晶を使用した場合、検光子の偏光方向を電気光学結
晶の結晶軸（Ｘ軸又はＹ軸）と一致させたときに変調感
度が最大となることから、旋光性を有する電気光学結晶
を使用した場合、上記のように電気光学結晶における光
の進行方向と直交する結晶軸（Ｘ軸又はＹ軸）を、検光
子に対して、該結晶の旋光性によって偏光面が回転する
方向と逆方向に、かつ旋光角の略半分までの角度だけ傾
ければ、変調感度は最大となる。

【００２５】こうして、自然複屈折のない旋光性を有す
る電気光学結晶を使用しても、旋光能の温度特性を補償
し、かつ高い変調感度を得ることができるとともに、そ
のような変調感度を高めるための検光子に対する電気光
学結晶の相対変移を電気光学結晶を回転させることによ
って行うので、前記偏光子および検光子ならびにλ／４
板を固定し、さらに偏光子および検光子に対向してコリ
メータを取付け、光経路を確定した後に、電気光学結晶
をその旋光能に対応した台座に搭載するなどして前記光
経路中に挿入し、検光子と相対的に光軸周りに回転させ
て固定するだけでよい。したがって、光学部品の回転に
よるコリメータの取付け位置の変更などの煩雑な作業を
行う必要がなくなり、極めて容易に製作することができ
る。

【００２６】また、請求項２の発明に係る光電圧センサ
は、光の進行方向に沿って偏光子、旋光性を有する電気
光学結晶、波長板、及び検光子が順次配置された光電圧
センサにおいて、前記電気光学結晶における光の進行方
向と直交する結晶軸を、前記偏光子の偏光方向に対し
て、該電気光学結晶の旋光性によって偏光面が回転する
方向と同一方向に、かつ旋光角の略半分までの角度だけ
傾けて配置することを特徴とする。

【００２７】上記のように、光学バイアスとして機能す
る波長板を電気光学結晶と検光子との間に配置した場
合、偏光子を通過した直線偏光が電気光学結晶に直接入
射することになる。このような構成では、電気光学結晶
の光の入射面における偏光の固有軸がどの角度に存在す
るのかを考える必要がある。

【００２８】旋光性を有する電気光学結晶では、旋光性
の殆どない電気光学結晶と比較して、旋光性によって偏
光面が回転する方向と逆方向に旋光角の略半分の角度だ
け、光の入射面における偏光の固有軸が回転していると
考えられる（詳細は実施の形態の欄で説明）。

【００２９】ここで、電気光学結晶の光の入射面におけ
る偏光の固有軸と平行となるように、偏光子の偏光方向
を配置すれば、感度は最低（殆ど０）となるが、この偏
光の固有軸より４５°±９０°×ｎ（ｎは整数）の角度
だけ光の進行方向を中心として回転させた位置に配置す
れば、変調感度は最大となる。

【００３０】したがって、電気光学結晶の各結晶軸をＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、Ｚ軸方向に光を入射する場合を考
えると、旋光性の殆どない電気光学結晶を使用した場
合、偏光子の偏光方向を電気光学結晶の結晶軸（Ｘ軸又
はＹ軸）と一致させたときに変調感度が最大となること
から、旋光性を有する電気光学結晶を使用した場合、上
記のように電気光学結晶における光の進行方向と直交す
る結晶軸（Ｘ軸又はＹ軸）を、偏光子に対して、該結晶
の旋光性によって偏光面が回転する方向と同一方向に、
かつ旋光角の略半分までの角度だけ傾ければ、変調感度
は大きくなる。

【００３１】こうして、自然複屈折のない旋光性を有す
る電気光学結晶を使用しても、旋光能の温度特性を補償
し、かつ高い変調感度を得ることができるとともに、そ
のような変調感度を高めるための偏光子に対する電気光
学結晶の相対変移を電気光学結晶を回転させることによ
って行うので、前記偏光子および検光子ならびにλ／４
板を固定し、さらに偏光子および検光子に対向してコリ
メータを取付け、光経路を確定した後に、電気光学結晶
をその旋光能に対応した台座に搭載するなどして前記光
経路中に挿入し、偏光子と相対的に光軸周りに回転させ
て固定するだけでよい。したがって、光学部品の回転に
よるコリメータの取付け位置の変更などの煩雑な作業を
行う必要がなくなり、極めて容易に製作することができ
る。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１〜図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００３３】図１は本発明の実施の一形態の光電圧セン
サ１０の要部の構造を示す斜視図であり、図２はその光
電圧センサ１０の全体の構造を示すケーシング７の上蓋
を取外した平面図である。この光電圧センサ１０では、
電気光学効果素子としてポッケルス素子を用いた光電圧
センサを例に挙げて説明する。

【００３４】図２に示すように、光電圧センサ１０は、
ケーシング７内に、光の入射側から順に配されたコリメ
ータ１ａ、偏光子２、λ／４板３（波長板）、ポッケル
ス素子４、検光子５、及びコリメータ１ｂと、前記検光
子５に対してコリメータ１ｂ、すなわち光軸と直交方向
に配置されるコリメータ１ｃとを備えている。尚、偏光
子２及び検光子５は偏光ビームスプリッタにて構成する
ことができ、検光子５では、その透過光及び反射光がそ
れぞれコリメータ１ｂ，１ｃで検出され、偏光子２で
は、この図２の構成では透過光が利用されているけれど
も、コリメータ１ａをコリメータ１ｃと同様に光軸と直
交方向に配置して、反射光を利用するようにしてもよ
い。

【００３５】前記コリメータ１ａには、図示しない光源
からの光をケーシング７内へ導く光ファイバ８ａが接続
されている。前記光ファイバ８ａから導入された入射光
は、コリメータ１ａを通過することによって平行光とな
る。この平行光の偏光方向はランダムであるが、図１に
示すように、偏光子２によって直線偏光（図１では垂直
方向の直線偏光）となる。この直線偏光がλ／４板３の
光学軸（ｃ軸）に対して４５°の角度で入射することに
よって、λ／４板３を通過した光は円偏光となる。そし
て、この円偏光はポッケルス素子４へ入射する。

【００３６】前記ポッケルス素子４は、電気光学結晶の
光の入射面と出射面とに、光の透過を妨げないような一
対の透明電極（図示せず）を付けたものである。このポ
ッケルス素子４の一対の透明電極は、リード線９・９を
介してケーシング７の外壁面に設けられた一対の電極９
ａ・９ａに接続されており、該電極９ａ・９ａに検出対
象の電圧を印加することによって、ポッケルス素子４に
は光の進行方向に電界がかけられる。そして、ポッケル
ス素子４は、印加された電圧に応じて位相変調を行い
（結晶内を伝搬する振動面が互いに直交する直線偏光
に、印加電圧に応じた位相差を生じさせ）、円偏光を楕
円偏光にする。

【００３７】前記ポッケルス素子４で位相変調され、印
加電圧に応じた楕円率（長軸と短軸との比率）の楕円偏
光は、検光子５に入射する。この検光子５は、相互に直
交する２つの偏光成分をそれぞれ抽出し、楕円偏光の楕
円率に応じた（すなわちポッケルス素子４への印加電圧
に応じた）光強度の直線偏光（前記長軸方向の成分と短
軸方向の成分）を出力する。そして、検光子５の出力光
は、コリメータ１ｂ，１ｃから光ファイバ８ｂ，８ｃを
介して、それぞれ図示しない受光素子へ入力される。

【００３８】前記ポッケルス素子４には、前記ＢＧＯや
ＢＳＯ等の複屈折が殆どなく、代わりに自然旋光性を有
する結晶を使用している。ここでは、一例としてＢＧＯ
結晶を用いて説明する。ＢＧＯ結晶は、結晶点群Ｔ（国
際記号２３）の結晶であり、等軸晶系に属する。ポッケ
ルス素子４を成すＢＧＯ結晶は、その結晶表面が各結晶
軸Ｘ＝＜１００＞、Ｙ＝＜０１０＞、Ｚ＝＜００１＞と
平行になるように軸出されている。このポッケルス素子
４は、台座１１に搭載されて、前記ケーシング７の底部
に固着される。

【００３９】図１に示すように、直交座標系のｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸がそれぞれ設定され、前記ポッケルス素子４
は、その結晶軸Ｚが光軸であるｚ軸と平行であり、かつ
台座１１によって該ｚ（Ｚ）軸回りに角度αだけ傾斜し
ている。そして、前記ＢＧＯ結晶の表面には、ｚ（Ｚ）
軸と平行な方向からの光が入射すると共に、該ＢＧＯ結
晶には、光の進行方向に、測定対象の印加電圧に応じた
電界Ｅ（０，０，Ｅ_z ）がかけられる。

【００４０】ＢＧＯ結晶の光の進行方向（ｚ（Ｚ）軸方
向）の厚さをｂ（ｍｍ）、結晶の旋光能をθ（°／ｍ
ｍ）とすると、該ＢＧＯ結晶を通過する光の振動面は、
θ×ｂで与えられる角度φ（°）だけ回転する。以下、
前記のφを旋光角と称する。旋光能θは、個々の結晶に
特有の値であり、前記Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀結晶の場合、入射
光の波長が８００ｎｍ〜９００ｎｍのときにはθ≒１
０．５°／ｍｍである。この場合、ＢＧＯ結晶のｚ軸方
向の厚さｂを、例えば約３ｍｍにすれば旋光角φ≒３０
°となり、また約５．７ｍｍにすれば旋光角φ≒６０°
となる。

【００４１】尚、ＢＧＯ結晶の場合は、光の進行方向の
上流側から下流に向かって見た場合に、右方向（時計の
回転方向）に光の振動面が回転する。以降、回転方向を
示す場合、光の進行方向の上流側から下流に向かって見
た場合の方向を示すものとする。また、右方向（時計ま
わり）の回転を正（＋）、左方向（反時計まわり）の回
転を負（−）として記載する。

【００４２】本実施の形態においては、前記のような旋
光性を有する結晶をポッケルス素子４として使用した場
合に、台座１１によって、該ポッケルス素子４の前記ｚ
軸と直交する結晶軸Ｘを、結晶の旋光性によって偏光面
が回転する方向と逆方向に、かつ旋光角φの約半分の角
度（≒φ／２）までの範囲で傾ける。一例を示すと、前
記のような厚さｂ≒３ｍｍのＢＧＯ結晶の場合は、旋光
角φ≒＋３０°なので、ｘ軸に対してポッケルス素子４
を、左に約１５°以内の範囲で傾ければよい。また、厚
さｂ≒５．７ｍｍのＢＧＯ結晶の場合は、旋光角φ≒＋
６０°なので、ｘ軸に対してポッケルス素子４を、左に
約３０°以内の範囲で傾ければよい。このように、ポッ
ケルス素子４の旋光角に応じて、該ポッケルス素子４と
検光子５との相対位置関係を定めることにより、後述の
ように変調感度を最大にすることができる。

【００４３】前記λ／４板３は、そのｃ軸（光学軸）及
びａ軸が該波長板結晶表面に平行であり、ｃ軸が前記ｘ
軸に対して４５°傾けられて配されている。また、偏光
子２は、その偏光方向が前記ｘ軸方向と平行になるよう
に配されており、これによって前述のように、偏光子２
を通過した直線偏光が、λ／４板３の光学軸（ｃ軸）に
対して４５°の角度で入射する。ここで、ポッケルス素
子４を左に傾けることによって変調感度が増大する。す
なわち、変調感度を増大するためには、該ポッケルス素
子４と検光子５との相対位置関係が重要なのである。こ
のことを確かめるため、以下に示す実験を行った。

【００４４】図２に示すように、コリメータ１ａ、偏光
子２、λ／４板３、ポッケルス素子４、検光子５及びコ
リメータ１ｂ，１ｃを並べ、コリメータ１ａに光ファイ
バ８ａを介して、図示しない安定化光源から約８５０ｎ
ｍの波長の光を出力する。ポッケルス素子４としては厚
さｂ≒５ｍｍのＢＧＯ結晶を使用し、このポッケルス素
子４の光の進行方向に、安定した５０Ｖの交流電圧を印
加する。そして、検光子５から出力される垂直光（Ｐ）
及び水平光（Ｓ光）を、コリメータ１ｂ，１ｃ及び光フ
ァイバ８ｂ，８ｃをそれぞれ介して光電変換素子に導
き、光／電気変換（Ｏ／Ｅ変換）を施した後、その交流
成分（ＡＣ値）及び直流成分（ＤＣ値）をフィルタリン
グして測定する。また、ＡＣ／ＤＣ値を求め、光量変化
を補償して、変調感度のみを抽出している。

【００４５】偏光子２及び検光子５の偏光方向は、何れ
もｘ軸に対して０°（いわゆる平行偏光子の構成）とし
ている。λ／４板３のｃ軸とポッケルス素子４の結晶軸
（Ｘ軸）との関係は、図１に示す通りλ／４板３のｃ軸
をｘ軸に対して４５°に傾けたまま一定とし、ポッケル
ス素子４の結晶軸Ｘを、ｘ軸とのなす角度が、０°、＋
５°、−５°となるように、台座１１を交換して、ポッ
ケルス素子４と検光子５との相対位置を変化させる（ｚ
（Ｚ）軸を中心としてポッケルス素子４を回転させ
る）。この実験結果をそれぞれ表１〜表３に示し、また
その実験結果から得られた計算値を表４及び図３〜図５
に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】

【表３】

【００４９】

【表４】

【００５０】図３〜図５から明らかなように、変調成分
（ＡＣ値）のレベル自体は、ポッケルス素子４の結晶軸
Ｘを傾けた方が、傾けない場合に比べて減少している。
しかしながら、該ポッケルス素子４の旋光性によって偏
光面が回転する右方向（＋方向）とは逆の左方向（−方
向）に傾けた方が、前記右方向に傾けた場合に比べて、
前記変調成分の減少が小さく、かつ傾けない場合と比べ
ても、垂直光（Ｐ光）と水平光（Ｓ光）との比誤差の差
分値が大きく改善されていることが理解される。

【００５１】ところで、前記特開平１０−１３２８６５
号には、偏光子２の偏光方向を、ｘ軸に対して０°
（尚、０°±９０°×ｎ（ｎは整数）でも同じ）に配し
た場合、λ／４板３にはそのｃ軸（光学軸）に対して４
５°の角度で直線偏光が入射されるので、λ／４板３の
出力が円偏光となり、この場合に偏光子２を他の位置
（角度）に配するよりも変調感度が良くなることが示さ
れている。

【００５２】また、偏光子２の偏光方向を、ｘ軸に対し
て±４５°（尚、４５°±９０°×ｎでも同じ）に配し
た場合、λ／４板３にはそのｃ軸（光学軸）と平行又は
垂直に直線偏光が入射されるので、λ／４板３を通過す
る光が異常光線と常光線とに分解されることがなく（す
なわち位相差を生じることがなく）、λ／４板３の出力
は直線偏光のままであり、この場合にはＡＣ値も殆ど０
となることが示されている。

【００５３】さらにまた、偏光子２の偏光方向を、ｘ軸
に対して０°及び±４５°以外の角度で傾けた場合、λ
／４板３の出力はその角度に応じた楕円率の楕円偏光と
なり（その角度が０°に近いほど楕円率は小さくな
る）、λ／４板３が正確に９０°の位相差を生じさせる
ものであれば、λ／４板３から出力される楕円偏光の長
軸・短軸はλ／４板３のｃ軸と平行又は直交し、当該楕
円偏光の楕円率が大きくなると共にＡＣ値が小さくなる
ことが示されている。

【００５４】したがって、偏光子２とλ／４板３との関
係では、偏光子２の偏光方向をλ／４板３のｃ軸（光学
軸）に対して４５°傾け、λ／４板３の出力が円偏光と
なるようにすることが、変調感度向上のためには望まし
い。

【００５５】以上のように、ポッケルス素子４に自然複
屈折のない旋光性を有する電気光学効果素子を使用して
も、旋光能の温度特性を補償し、かつ高い変調感度を得
ることができるとともに、そのような変調感度を高める
ための検光子５に対する該ポッケルス素子４の相対変移
を、該ポッケルス素子４を回転させることによって行
う。

【００５６】したがって、検光子５の回転によるコリメ
ータ１ｃの取付け位置の変更などの煩雑な作業を行う必
要はなく、前記偏光子２および検光子５ならびにλ／４
板３を固定し、さらに偏光子２および検光子５に対向し
てコリメータ１ａ；１ｂ，１ｃを取付け、光経路を確定
した後に、ポッケルス素子４をその旋光能に対応した台
座１１に搭載して前記光経路中に挿入して固定するだけ
の簡単な作業で、極めて容易に製作することができる。

【００５７】本発明の実施の他の形態について、図６に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００５８】図６は本発明の実施の他の形態の光電圧セ
ンサ２０の要部の構造を示す斜視図である。この光電圧
センサ２０では、光学バイアスとして機能するλ／４板
３を、旋光性を有するポッケルス素子４の下流側に配置
している。すなわち、本実施の形態に係る光電圧センサ
２０は、図６に示すように、光の入射側から、コリメー
タ１ａ、偏光子２、ポッケルス素子４、λ／４板３、検
光子５、コリメータ１ｂ，１ｃを順に配置した構成であ
る。

【００５９】ポッケルス素子４は、台座１１によって、
ポッケルス素子４の旋光性によって偏光面が回転する方
向と同一方向に、旋光角φの約半分の角度（≒φ／２）
までの範囲で傾けられている。このように構成すること
によって、ポッケルス素子４に対するλ／４板３や検光
子５の位置が変化しても（換言すれば、検光子５の偏光
方向及びλ／４板３のｃ軸と前記ｘ軸とのなす角度が変
わっても）、変調感度が増大する。すなわち、λ／４板
３をポッケルス素子４の下流側に配置した場合、変調感
度を増大するためには、該ポッケルス素子４と偏光子２
との位置関係が重要となるのである。このようにして、
変調感度を改善することができる。

【００６０】尚、図６に示すように、検光子５の直前に
ポッケルス素子４ではなくλ／４板３がある場合は、λ
／４板３と検光子５との位置関係でもセンサの感度が変
化する。例えば、同図に示すように、前記λ／４板３の
ｃ軸（光学軸）及びａ軸が前記ｘ軸に対して４５°だけ
傾けられている場合、検光子５の偏光方向をｃ軸又はａ
軸と一致させるとセンサの感度が最小となる。これは、
λ／４板３に入射した光はｃ軸方向及びａ軸方向に振動
する直線偏光に分解されて出力されることから容易に理
解できる。一方、検光子５の偏光方向をｃ軸又はａ軸に
対して４５°だけ傾ける（すなわち、検光子５を前記ｘ
軸又はｙ軸と一致させる）とセンサの感度が最大にな
る。このため、本実施の形態では、検光子５をｘ軸と平
行に配している。

【００６１】尚、前記の実施の形態では、旋光性を有す
る電気光学結晶として、等方性の点群Ｔ（国際記号２
３）に属するＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀結晶やＢｉ₁₂ＳｉＯ₂₀結晶
を例示したがこれに限定されるものではない。例えば、
１軸性結晶である点群Ｃ₃ （国際記号３）や点群Ｄ
₃ （国際記号３２）に属する三方晶系の結晶等、旋光性
を有する他の電気光学結晶を使用することもできる。

【００６２】ポッケルス素子４として１軸性結晶を使用
する場合は、その光学軸を光の進行方向と平行に配置す
ればよい。詳しくは、１軸性の電気光学結晶の光の進行
方向の中間点における電圧未印加時の屈折率楕円体の３
つの主軸、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（Ｚ軸は光学軸）を、図１
又は図６の直交座標軸ｘ、ｙ、ｚと一致させればよい。

【００６３】また、前記の実施の形態では、光電圧セン
サについて説明したが、ポッケルス素子４の表面部に電
極を設けることなく当該素子を電界中に配置すれば、光
の進行方向の電界を測定することが可能であり、前記と
同様の構成で高感度の光電界センサを構成することもで
きる。

【００６４】

【発明の効果】請求項１の発明に係る光電圧センサは、
以上のように、光の進行方向に沿って偏光子、波長板、
旋光性を有する電気光学結晶、及び検光子が順次配置さ
れた構成において、前記電気光学結晶における光の進行
方向と直交する結晶軸を、前記検光子の偏光方向に対し
て、該結晶の旋光性によって偏光面が回転する方向と逆
方向に、旋光角の略半分までの角度で傾ける。

【００６５】それゆえ、自然複屈折のない旋光性を有す
る電気光学結晶を使用しても、旋光能の温度特性を補償
し、かつ高い変調感度を得ることができるとともに、そ
のような変調感度を高めるための検光子に対する電気光
学結晶の相対変移を電気光学結晶を回転させることによ
って行うので、コリメータの取付け位置の変更などの煩
雑な作業を行う必要がなくなり、極めて容易に製作する
ことができる。

【００６６】請求項２の発明に係る光電圧センサは、以
上のように、光の進行方向に沿って偏光子、旋光性を有
する電気光学結晶、波長板、及び検光子が順次配置され
た構成において、前記電気光学結晶における光の進行方
向と直交する結晶軸を、前記偏光子の偏光方向に対し
て、該結晶の旋光性によって偏光面が回転する方向と同
一方向に、旋光角の略半分までの角度だけ傾ける。

【００６７】それゆえ、自然複屈折のない旋光性を有す
る電気光学結晶を使用しても、旋光能の温度特性を補償
し、かつ高い変調感度を得ることができるとともに、そ
のような変調感度を高めるための偏光子に対する電気光
学結晶の相対変移を電気光学結晶を回転させることによ
って行うので、コリメータの取付け位置の変更などの煩
雑な作業を行う必要がなくなり、極めて容易に製作する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の光電圧センサの要部の
構成を示す斜視図である。

【図２】図１で示す光電圧センサの概略平面図である。

【図３】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図４】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図５】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図６】本発明の実施の他の形態の光電圧センサの要部
の構成を示す斜視図である。

【図７】従来の光電圧センサの要部の構成を示す斜視図
である。

【図８】他の従来の光電圧センサの要部の構成を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ コリメータ ２ 偏光子 ３ λ／４板（波長板） ４ ポッケルス素子（電気光学効果素子） ５ 検光子 ８ａ，８ｂ，８ｃ 光ファイバ １０ 光電圧センサ ２０ 光電圧センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光の進行方向に沿って偏光子、波長板、旋
   光性を有する電気光学結晶、及び検光子が順次配置され
   た光電圧センサにおいて、 前記電気光学結晶における光の進行方向と直交する結晶
   軸を、前記検光子の偏光方向に対して、該電気光学結晶
   の旋光性によって偏光面が回転する方向と逆方向に、か
   つ旋光角の略半分までの角度だけ傾けて配置することを
   特徴とする光電圧センサ。
2. 【請求項２】光の進行方向に沿って偏光子、旋光性を有
   する電気光学結晶、波長板、及び検光子が順次配置され
   た光電圧センサにおいて、 前記電気光学結晶における光の進行方向と直交する結晶
   軸を、前記偏光子の偏光方向に対して、該電気光学結晶
   の旋光性によって偏光面が回転する方向と同一方向に、
   かつ旋光角の略半分までの角度だけ傾けて配置すること
   を特徴とする光電圧センサ。