JP2000121674A

JP2000121674A - 光電圧センサ

Info

Publication number: JP2000121674A
Application number: JP10289237A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kumegawa; 宏久米川
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光電圧センサの温度特性を、センサ構造から
ではなく、電気光学結晶の選別によって改善する。【解決手段】光の進行方向に沿って偏光子４、λ／４
板５、電気光学結晶であるポッケルス素子６および検光
子７が順次配置された光電圧センサ１において、測定誤
差の許容値をβとし、前記電気光学結晶への印加電圧が
零であるときの該電気光学結晶の屈折率をｎ₀とすると
き、屈折率ばらつきが、β・ｎ₀／６以下の該電気光学
結晶を選別使用することによって、測定誤差を許容値β
以内として、高い精度で電圧測定を行うことができる。
たとえばｎ₀＝２．５４のＢＧＯ結晶の場合、屈折率の
ばらつきが０．４％以内の部材を選別することによっ
て、１Ｔ級の測定精度を確保することができる。

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
どの電気光学結晶を使用して、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
の電気光学結晶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。登場当初の光電圧センサは、たとえ
ば１０％程度の誤差があり、実用には供し難いものであ
ったが、典型的な従来技術であるたとえば特開昭５６−
１００３６４号公報では、たとえば−１５〜＋６０℃
で、±２％程度の比誤差に抑えられ、さらに１００万Ｖ
の特別高圧の出現などと相まって、実用化が始まろうと
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、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再現性良く得ることが困難で
ある。このため、たとえば特開昭５８−１０９８５９号
公報や、本件発明者が先に提案した特開平１０−１３２
８６５号では、センサ構造を工夫して、前記の精度を達
成している。

【０００５】一方で、本件発明者は、電気光学結晶への
光の入射位置が変化すると感度が変化することから、従
来は一定と考えられていた屈折率にばらつきがあり、ま
た結晶内の歪みが原因と思われる本来存在しないはずの
複屈折の存在などから、これまで全く注目されていなか
った電気光学結晶の結晶自体に着目し、種々の考察およ
び実験から、該結晶を選別することによって、一層の精
度向上が可能であることを発見した。

【０００６】本発明の目的は、より一層の精度向上を図
ることができる光電圧センサを提供することである。

【０００７】

【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、偏光子、波長板、電気光学結晶、及び検
光子を備え、前記電気光学結晶が印加電圧に応じて通過
光の相互に直交する成分間に位相変調を行い、その位相
差から被測定電圧を測定するようにした光電圧センサに
おいて、測定誤差の許容値をβとし、前記電気光学結晶
への印加電圧が零であるときの該電気光学結晶の屈折率
をｎ₀とするとき、該電気光学結晶に、その屈折率ばら
つきが、β・ｎ₀／６以下の部材を選別使用することを
特徴とする。

【０００８】前記電気光学結晶中では、光は相互に直交
する２つの結晶軸方向ｘ，ｙに偏波して進み、各偏波面
の伝搬速度ｖｘ，ｖｙは、結晶への印加電圧（電界Ｅ）
によって変化し、各偏波面からの出射光の位相差φは、
φ∝Ｅであり、上記のように構成される光電圧センサで
は、広く知られているように、下式によって電圧測定が
可能となっている。

【０００９】Ｉ＝Ｉ₀（１−ｓｉｎφ） …（１）ただし、Ｉ₀は光電圧センサへの入射光強度であり、Ｉ
は出射光強度である。

【００１０】一方で、前記伝搬速度ｖｘ，ｖｙは、各偏
波面の偏波方向に対応した屈折率ｎｘ，ｎｙに依存し、
下式によって表すことができる。

【００１１】ｖｘ＝ｃ／ｎｘ …（２）ｖｙ＝ｃ／ｎｙ …（３）ただし、ｃは真空中の光速である。

【００１２】この電気光学結晶に電圧（電界Ｅ）が印加
されると、その電圧に比例して、前記屈折率ｎｘ，ｎｙ
間に差が発生し、その差は下式で表すことができる。

【００１３】ｎｘ−ｎｙ＝ｎ₀ ³・γｐ・Ｅ〔ｒａｄ〕 …（４） γｐは、結晶の種類によって決定される係数である。

【００１４】したがって、偏波面間に屈折率差がある
と、前記式２および式３から、伝搬速度ｖｘ，ｖｙ間に
差が生じ、印加電圧に対応した前記位相差φの他に、誤
差として位相差Γが発生し、その位相差Γは、下式で表
すようにΓ∝ｎ₀の関係を有する。

【００１５】

【数１】

【００１６】ωは光の角周波数であり、ｌは結晶長であ
る。

【００１７】ここで、温度変化による各光学部品の膨張
係数の違いや、光学部品とそれを筐体に固定する接着剤
との膨張係数の違いによって発生する応力などによっ
て、電気光学結晶への光の入射位置が、屈折率ｎ₀の位
置からｎ₀’の位置に変化すると、上記式５は、

【００１８】

【数２】

【００１９】となる。

【００２０】したがって、前記Γ∝ｎ₀の関係から、こ
の場合、式７で示すように、Γ’／Γ倍のセンサ出力誤
差となる。

【００２１】

【数３】

【００２２】そこで、上記のように測定誤差の許容値を
βとすると、±β／２が許容範囲であり、前記出力誤差
は、

【００２３】

【数４】

【００２４】で表すことができ、さらにｎ₀≫αである
ので、屈折率ｎ₀のばらつきαを、式９から式１０で示
すように求めることができる。

【００２５】

【数５】

【００２６】

【数６】

【００２７】このようにして、上記式１０で示すよう
に、電気光学結晶に、その屈折率ｎ₀のばらつきがα以
内の部材を選択することによって、測定誤差を許容値β
以内として、高い精度で電圧測定を行うことができる。
たとえばＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀結晶の場合、ｎ₀＝２．５４で
あり、βを前記１Ｔ級の１％とするとき、前記式１０か
らα＝±０．００４２４となり、屈折率のばらつきαが
０．４％以内の部材を選別することによって、前記１Ｔ
級の測定精度を確保することができる。

【００２８】また、請求項２の発明に係る光電圧センサ
は、前記電気光学結晶に、屈折率の変化が０．３〔％〕
以下の部材を選別使用することを特徴とする。

【００２９】上記の構成によっても、前記１Ｔ級の測定
精度を確保することができる。

【００３０】さらにまた、請求項３の発明に係る光電圧
センサは、前記電気光学結晶に、前記屈折率の変化が複
屈折のみに依存している場合には、該複屈折率の変化が
０．７〔％〕以下の部材を選別使用することを特徴とす
る。

【００３１】上記の構成によれば、屈折率の変化が複屈
折のみに依存している場合には、複屈折率の変化を０．
７〔％〕以下とすると、屈折率の変化が前記０．３
〔％〕以下となり、前記１Ｔ級の測定精度を確保するこ
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および図２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１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１の全体の構造を示すケーシング２の上蓋を取
外した平面図である。この光電圧センサ１では、電気光
学結晶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１は、ケ
ーシング２内に、光の入射側から順に配されたコリメー
タ３、偏光子４、λ／４板５（波長板）、ポッケルス素
子６、検光子７、及びコリメータ８とを備えている。
尚、偏光子４及び検光子７は偏光ビームスプリッタにて
構成することができる。この図１および図２の構成で
は、偏光子４及び検光子７では、その反射光が利用され
ているけれども、コリメータ３，８を、λ／４板５およ
びポッケルス素子６と同一の光軸上に配置して、透過光
を利用するようにしてもよい。

【００３５】前記コリメータ３には、図示しない光源か
らの光をケーシング２内へ導く光ファイバ９が接続され
ている。前記光ファイバ９から導入された入射光は、コ
リメータ３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４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５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５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６へ入射する。

【００３６】前記ポッケルス素子６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６の一対の透明電極は、リード線１１，１
２を介してケーシング２の外壁面に設けられた一対の電
極１３，１４にそれぞれ接続されており、該電極１３，
１４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６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６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６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７に入射する。この検光子７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６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また
は短軸方向の成分）を出力する。そして、検光子７の出
力光は、コリメータ８から光ファイバ１０を介して、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６には、前記ＢＧＯや
ＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）等が使用される。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。

【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、該ポッケルス素子６は、
その結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚが前記各ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とそれ
ぞれ平行に配置される。ポッケルス素子６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。

【００４０】前記λ／４板５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４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、これによって偏光子４を通過した直線
偏光が、λ／４板５の光学軸（ｃ軸）に対して４５°の
角度で入射し、円偏光となって、ポッケルス素子６にｚ
（Ｚ）軸と平行に入射する。また、該ポッケルス素子６
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。

【００４１】上述のように構成される光電圧センサ１に
おいて、本発明では、ポッケルス素子６として、その屈
折率をｎ₀とし、測定誤差の許容値をβとするとき、そ
のばらつきαを前記式１０で示す値以内に選ぶ。したが
って前述のように、β＝１〔％〕とすると、α＝±０．
００４２４以内の値に選ぶ。

【００４２】これによって、光学部品４，５，６，７
と、それを筐体２に固定する接着剤との膨張係数の違い
によって発生する応力などによって、ポッケルス素子６
への光の入射位置が屈折率ｎ₀の位置からｎ₀'の位置に
変化しても、ポッケルス素子６の結晶の選別が行われて
いると、前記１Ｔ級の測定精度を確保することができ、
たとえば特開平１０−１３２８６５号などと組合わせ
て、より一層の測定精度の向上を図ることができる。

【００４３】一方、上述の説明は、ｎｘ＝ｎｙ＝ｎ₀、
すなわち複屈折が無い状態を想定している。しかしなが
ら、実際には、印加電圧（電界Ｅｚ）が０であっても、
ｎｘ≠ｎｙ≠ｎ₀となる複屈折が発生しており、さらな
る測定精度向上のために、以下に複屈折について検討す
る。屈折率楕円体の式は、広く知られているとおり、下
式で表すことができる。

【００４４】

【数７】

【００４５】ただし、Ｂij（ｉ＝１，２，３、ｊ＝１，
２，３）は、次式で示される。

【００４６】

【数８】

【００４７】Ｅｘ，Ｅｙ，Ｅｚは、ｘ，ｙ，ｚの各軸方
向の電界の強さである。

【００４８】上記式１２におけるγkh（ｋ＝１，２，…
６、ｈ＝１，２，３）は、電気光学結晶のポッケルス係
数のマトリクス表示であり、たとえば前記Ｂｉ₁₂ＧｅＯ
₂₀（以下、ＢＧＯと略称する）結晶の場合、下式のマト
リクスを有する。

【００４９】

【数９】

【００５０】したがって、上記のように、光電圧センサ
で、最も一般的な構成である結晶のｚ軸方向に光を伝搬
させ、かつ該ｚ軸方向に電圧（＝電界）を印加すると、
前記式１２においてＥｘ＝Ｅｙ＝０であるので、該式１
２と前記式１３とから、Ｂ₁₁＝１／ｎｘ² …（１４）Ｂ₂₂＝１／ｎｙ² …（１５）Ｂ₃₃＝１／ｎｚ² …（１６）Ｂ₁₂＝Γ₄₁Ｅ_Z …（１７）となり、これを前記式１１に代入すると、

【００５１】

【数１０】

【００５２】が得られる。

【００５３】図１で示すように、電気光学結晶中では、
光は、結晶軸（Ｘ，Ｙ）方向の座標軸ｘ，ｙから４５°
回転した偏波面を進む。このため、前記式１８におい
て、ｘ軸およびｙ軸を、ｘ’軸およびｙ’軸へと、それ
ぞれｚ軸周りに４５°回転させて、ｚ＝０である光の進
行方向と垂直な入射面での断面を考えると、

【００５４】

【数１１】

【００５５】となる。

【００５６】複屈折率が１０^-2以下と考え、

【００５７】

【数１２】

【００５８】と近似すると、前記式１９は、

【００５９】

【数１３】

【００６０】から、

【００６１】

【数１４】

【００６２】とおくことができる。

【００６３】ここで、

【００６４】

【数１５】

【００６５】の近似を行うと、前記式１９は、

【００６６】

【数１６】

【００６７】となる。

【００６８】前記式２２を、

【００６９】

【数１７】

【００７０】のように変形し、前記式２４に代入する
と、

【００７１】

【数１８】

【００７２】が得られる。

【００７３】ここで、ｎｘ＝ｎｙ＝ｎ₀として上記式２
６に代入すると、

【００７４】

【数１９】

【００７５】となり、これが複屈折が存在しない場合の
式となる。

【００７６】上記式２６において、

【００７７】

【数２０】

【００７８】とおくと、ｘ’，ｙ’方向の屈折率ｎ
ｘ’，ｎｙ’は、

【００７９】

【数２１】

【００８０】

【数２２】

【００８１】となる。

【００８２】したがって、上記式２９および式３０か
ら、印加電圧（電界Ｅｚ）が０であれば、ｘ’軸方向の
屈折率ｎｘ’とｙ軸方向の屈折率ｎｙ’とは相互に等し
くなるけれども、前記式２９，３０の右辺第２項である
電界によって変化する項は、相互に逆極性で変化する。
したがって、前記式５のとおり、下式で求められる位相
差Γから、前記式１によって、印加電圧（電界）レベル
を、該光電圧センサ１の出力光レベルとして測定可能な
ことが理解される。

【００８３】

【数２３】

【００８４】しかしながら、上記式３１において、複屈
折の温度係数の違い、外部からの応力による結晶の応力
歪み、および複屈折率のばらつきによる結晶中での光路
変化などによって複屈折率が変化すると、前記位相差Γ
も変化してしまう。光電圧センサとして、前記１Ｔ級の
精度を確保するために、感度変化を１〔％〕以下にする
ためには、変化前の位相差をΓとし、変化後の位相差を
Γ’とするとき、

【００８５】

【数２４】

【００８６】を満足する位相差Γ’を見つければよい。

【００８７】簡単のために、初期、すなわち入射時点で
の複屈折を０とすると、前記１〔％〕以下の感度変化と
するためには、前記式２８〜式３１から、

【００８８】

【数２５】

【００８９】が得られ、さらに、

【００９０】

【数２６】

【００９１】

【数２７】

【００９２】を求めることができる。

【００９３】したがって、複屈折によって、屈折率ｎ
ｘ，ｎｙに０．７〔％〕の差が生じると、感度が１
〔％〕変化することになる。

【００９４】一方、上記の複屈折だけでは、屈折率ｎｘ
とｎｙとの比が一定であり、屈折率ｎ₀’が異なる場合
や、複屈折が存在しない条件（Ｅｚ＝０）での屈折率ｎ
₀’の変化の説明が困難であり、また複屈折率の異なる
各電気光学結晶に対して、光の入射位置を変化させる
と、それぞれ出射光強度は２〔％〕程度変化するという
実験結果から、上記複屈折率の変化に加えて、屈折率ｎ
₀’の変化を考慮する必要がある。

【００９５】この屈折率ｎ₀’の変化による感度変化を
１〔％〕以内に抑えるためには、変化前の屈折率を
ｎ₀’とし、変化後の屈折率をｎ₀'' とするとき、ｎ₀''³／ｎ₀’³＝１−０．０１ …（３６）から、ｎ₀''＝０．９９^1/3ｎ₀’＝０．９９６７ｎ₀’ …（３７）とすればよい。またこれを、屈折率ｎ₀’の３乗の比
（感度の変化）をεとして、ｎ₀''＝ε^1/3ｎ₀’ …（３８）と表すことができる。

【００９６】したがって、感度変化を１〔％〕以下に抑
えるためには、上記式３７から、屈折率の変化を０．３
〔％〕以下とし、その屈折率の変化が複屈折のみに依存
している場合には、前記式３５から、複屈折率を０．７
〔％〕以下とすればよい。

【００９７】尚、上記の実施の形態では、電気光学結晶
として、等方性の点群Ｔ（国際記号２３）に属するＢｉ
₁₂ＧｅＯ₂₀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Ｄ₃（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。

【００９８】また、上記の実施の形態では、電気光学結
晶の気泡について何ら考慮されていないけれども、本件
発明者の実験結果では、経験的に、５〔ｍｍ〕角の結晶
中に、５０〔μｍ〕以下の気泡が５〔個〕以下の箇所を
切出すことが望ましく、そのように切出された結晶を用
いて、屈折率および複屈折率の変化が前記の値となるも
のを選別すればよい。

【００９９】さらにまた、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。

【０１００】

【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、偏光子、波長板、電気光学結晶、及び検
光子を備え、前記電気光学結晶が印加電圧に応じて通過
光の相互に直交する成分間に位相変調を行い、その位相
差から被測定電圧を測定するようにした光電圧センサに
おいて、測定誤差の許容値をβとし、前記電気光学結晶
への印加電圧が零であるときの該電気光学結晶の屈折率
をｎ₀とするとき、該電気光学結晶に、その屈折率ばら
つきが、β・ｎ₀／６以下の部材を選別使用する。

【０１０１】それゆえ、温度変化による各光学部品の膨
張係数の違いや、光学部品とそれを筐体に固定する接着
剤との膨張係数の違いによって発生する応力などによっ
て、電気光学結晶への光の入射位置が、屈折率ｎ₀の位
置からｎ₀’の位置に変化しても、屈折率のばらつきが
β・ｎ₀／６以下に抑えられているので、測定誤差を許
容値β以内として、高い精度で電圧測定を行うことがで
きる。

【０１０２】また、請求項２の発明に係る光電圧センサ
は、以上のように、前記電気光学結晶に、屈折率の変化
が０．３〔％〕以下の部材を選別使用する。

【０１０３】それゆえ、これによってもまた、前記１Ｔ
級の測定精度を確保することができる。

【０１０４】さらにまた、請求項３の発明に係る光電圧
センサは、以上のように、前記電気光学結晶に、前記屈
折率の変化が複屈折のみに依存している場合には、該複
屈折率の変化が０．７〔％〕以下の部材を選別使用す
る。

【０１０５】それゆえ、屈折率の変化が前記０．３
〔％〕以下となり、前記１Ｔ級の測定精度を確保するこ
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。

【符号の説明】

１光電圧センサ２筐体３，８コリメータ４偏光子５ λ／４板（波長板）６ポッケルス素子（電気光学結晶）７検光子９，１０光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光子、波長板、電気光学結晶、及び検光
子を備え、前記電気光学結晶が印加電圧に応じて通過光
の相互に直交する成分間に位相変調を行い、その位相差
から被測定電圧を測定するようにした光電圧センサにお
いて、測定誤差の許容値をβとし、前記電気光学結晶への印加
電圧が零であるときの該電気光学結晶の屈折率をｎ₀と
するとき、該電気光学結晶に、その屈折率のばらつき
が、β・ｎ₀／６以下の部材を選別使用することを特徴
とする光電圧センサ。
【請求項２】前記電気光学結晶に、屈折率の変化が０．
３〔％〕以下の部材を選別使用することを特徴とする請
求項１記載の光電圧センサ。
【請求項３】前記電気光学結晶に、前記屈折率の変化が
複屈折のみに依存している場合には、該複屈折率の変化
が０．７〔％〕以下の部材を選別使用することを特徴と
する請求項２記載の光電圧センサ。