JP3260928B2 - 電界センサー及び電圧センサー - Google Patents

電界センサー及び電圧センサー

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JP3260928B2 JP25732193A JP25732193A JP3260928B2 JP 3260928 B2 JP3260928 B2 JP 3260928B2 JP 25732193 A JP25732193 A JP 25732193A JP 25732193 A JP25732193 A JP 25732193A JP 3260928 B2 JP3260928 B2 JP 3260928B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電気光学結晶を用いて電
界測定や電圧測定を行なう電界センサー及び電圧センサ
ーに関する。
【0002】
【従来の技術】電気光学結晶のポッケルス効果を利用し
て電界や電圧の測定を行なう考えは古くからあるが、電
界に対する電気光学結晶の感度が低いために、微弱な電
界及び電圧の測定には電気光学結晶への入射光に変調を
かけて同期検波を行なうなどの複雑な手段を必要とし
(特開平4−359165号公報等参照)、この点が実
用面での問題とされている。そこで、本発明者等は、電
気光学結晶を用いた電界及び電圧に対するセンサー部分
の高感度化を図るために、光共振器型の電界・電圧セン
サーを考案した。これは、電気光学結晶の両側にミラー
を配置して光共振器の構成とすることで、従来の電界及
び電圧センサーよりも大きな強度変化及び位相変化が得
られるようにしたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、光共振器型の
電界・電圧センサーは、光共振器へ光を入射させるため
の光源に線幅の狭いものを使用しなければならないこと
に加え、光源の周波数を光共振器の共振周波数近傍で安
定動作させなければならないという問題がある。本発明
は、このような不具合を解決するために創案されたもの
であって、より簡便な光源を用いながら、従来のポッケ
ルス効果によるリターデイションを測定する電界・電圧
センサーよりも高感度な光共振器型の電界センサー及び
電圧センサーを提供することを目的にしている。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は、電界による電気光学結晶の屈折
率の変化を光を用いて検知することで、空間電界の測定
を行なう電界センサーにおいて、対向する2枚の部分透
過ミラーの間に電気光学結晶を配置して光共振器を構成
し、光源からの光を一方の前記部分透過ミラーから入射
させ、前記電気光学結晶中の2つの固有偏光に対応する
前記光共振器からの出射光を干渉させて、前記固有偏光
間の周波数差に対応するビート信号の周波数を検知する
ことで、空間電界の測定を行なうように構成したことを
特徴とする。
【0005】請求項2の発明は、対向電極で挾持された
電気光学結晶の電気光学効果による屈折率の変化を光を
用いて検知することで、前記電極間の電位差の測定を行
なう電圧センサーにおいて、対向する2枚の部分透過ミ
ラーの間に対向電極で挾持された電気光学結晶を配置し
て光共振器を構成し、光源からの光を一方の前記部分透
過ミラーから入射させ、前記電気光学結晶中の2つの固
有偏光に対応する前記光共振器からの出射光を干渉させ
て、前記固有偏光間の周波数差に対応するビート信号の
周波数を検知することで、前記対向電極間の電位差の測
定を行なうように構成したことを特徴とする。
【0006】ここで、請求項1記載の電界センサーまた
は請求項2記載の電圧センサーにおいて、前記光共振器
は、前記電気光学結晶の外部に配置された外部部分透過
ミラーと、前記電気光学結晶の片面に備えた他方の部分
透過ミラーによって構成するか、あるいは、前記電気光
学結晶の対向する2つの端面上に部分透過ミラーを備え
た構成とする(請求項3、請求項5)。
【0007】また、前記光共振器へ光を入射させるため
の前記光源には、LED(Light Emitting Diode)、ある
いは、SLD(Super Luminecence Diode)を用いた構成
にする(請求項4、請求項6)。
【0008】
【作用】本発明は、電気光学結晶を用いて高感度な電界
・電圧の測定を行なうために創案されたものである。従
来の電気光学結晶を用いた電界・電圧センサーは、電気
光学効果によって生じるリターデイション(結晶中の2
つの固有偏光間の位相差)を検知することで、電界・電
圧の測定を行なっている。ところが、この方法では電気
光学結晶の半波長電圧が非常に高いために、微小な電界
や電圧を測定するのは困難とされている。そこで、本発
明では、請求項1の電界センサーや請求項2の電圧セン
サーのように、電気光学結晶を光共振器中に挿入する構
成を用いることで、より高感度な電界・電圧センサーを
実現した。
【0009】
【実施例】以下、本発明の構成・動作及び作用について
図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明による光
共振器の原理説明図、図2は本発明の一実施例を示す電
界(電圧)センサーの概略構成図であり、この電界セン
サーは、光源、偏向子、センサー部分(光共振器)、検
光子、受光器、周波数計測器より構成されている。以
下、本発明の原理を図1、図2を参照して説明する。図
1に示すように、対向する2つの部分透過ミラー2,3
の間に電気光学結晶1(例えば、KDP,ADP,BS
O,LiNbO3 など)を挿入して光共振器を構成し、
片方の部分透過ミラー2から光を入射させる場合を考え
る。ただし、入射光には適当なスペクトル幅を持った光
を使用するものとし、また、簡単のため入射光は垂直入
射させるものとする。このとき、電気光学結晶1の2つ
の固有偏光a,bに対応するq番目の共振周波数fa
bは、 fa=qc0/2{n0(d1+d3)+na2} ・・・(1) fb=qc0/2{n0(d1+d3)+nb2} ・・・(2) と表わされる。ここで、c0 は光速度、d1,d2,d3
は各領域の厚み、n0 はd1,d3に対応する領域の屈折
率、na,nbは電気光学結晶の2つの固有偏光a,bに
対応するそれぞれの屈折率を表わしている。光共振器に
入射された光のうち、上記の共振周波数に一致した周波
数の光は光共振器を透過する。従って、電気光学結晶の
2つの固有偏光a,bに対応する透過光を、図2に示す
ように検光子を用いて干渉させ、それを受光器で受ける
ことにより、電気光学結晶中で各固有偏光が感じる屈折
率na,nbの差に応じた周波数|fa−fb|のビート信
号を得ることが可能である。
【0010】一方、光共振器中に挿入する電気光学結晶
1は、結晶の点群と方位を適当に選ぶことで結晶中の電
界強度に応じた複屈折を生じさせることができる。今、
固有偏光a,bに対する屈折率が電気光学効果によって
Δna,Δnbだけ変化したとすると、(1),(2)式の共
振周波数fa',fb'は、 fa'=qc0/2{n0(d1+d3)+(na+Δna)d2} ・・・(3) fb'=qc0/2{n0(d1+d3)+(nb+Δnb)d2} ・・・(4) となり、ビート信号の周波数は|fa−fb|から|fa'
−fb'|へと変化する。電気光学結晶中の電界と屈折率
の変化には特定の関係式が成り立っているので、このビ
ート周波数の変化を図2のように周波数計測器で検知す
ることにより、結晶中の電界を測定することが可能とな
る。
【0011】次に、図3(a),(b)は本発明の電圧
センサーに用いられる光共振器の構成例を示し、図3
(a),(b)のように、電気光学結晶1を2枚の対向
電極4,5で挾んだ場合には、電極間の電位差に応じた
ビート周波数の信号を得ることができるので、この光共
振器を図2のセンサー部分に用いれば、電圧センサーと
して使用することができる。ただし、この場合には、2
枚の電極間に形成される電界によって電気光学結晶1が
上述のような複屈折を生じるように電気光学結晶1の点
群と方位及び電極4,5の配置(縦型配置または横型配
置)を適当に選んでおく必要がある。
【0012】尚、図1〜3では、2枚の部分透過ミラー
2,3を電気光学結晶の外部に設けたが、図4に示すよ
うに、片方の部分透過ミラーを電気光学結晶の端面に形
成することで、センサーの構成が単純化され小型化が図
れると共に、電気光学結晶表面での反射による損失を片
側だけに抑えることができる。また、図5に示すよう
に、2枚の部分透過ミラーを電気光学結晶の両面に形成
することで、センサーをさらに小型化することも可能で
ある。ただし、このような構成にすると、光共振器の特
性(透過光スペクトルの幅、フィネスなど)と電気光学
結晶の電界に対する感度(電界に対する光路長の変化)
が相関を持つことになり、使用目的に合った構成が取れ
ない場合が生じる。
【0013】次に、本発明の電界・電圧センサーにおい
て、光共振器へ光を供給するための光源については、上
記2つの固有偏光に対応する光共振器の共振周波数の差
より大きなスペクトル幅を持つものが必要とされる。こ
こで、光源にレーザーを用いた場合には、レーザーの発
振スペクトル幅が狭いために、発振周波数を光共振器の
共振周波数近傍で安定動作させなければならないことに
加え、電界及び電圧に対するダイナミックレンジが狭く
なるという欠点が生じる。そこで、より実用的な光源と
しては、レーザよりスペクトル幅が広いものとしてLE
D(Light Emitting Diode)やSLD(Super Luminecenc
e Diode)が考えられる。しかし光源としてLEDを用い
た場合には、非常に安価にセンサーを構成できるという
利点はあるが、ビート信号周波数のスペクトル幅が広が
ってしまい感度の低下につながる恐れがある。これに対
して、SLDは、適度なスペクトル幅を持ち、また、輝
度も高いので、本発明の原理に適した光源である。尚、
どちらの光源を用いた場合にも、図2のように光共振器
に入射させる前段で偏光子を通過させることでコヒーレ
ンス度を上げることができる。
【0014】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の電界セ
ンサーは、対向する2枚の部分透過ミラーの間に電気光
学結晶を配置して光共振器を構成し、光源からの光を一
方の前記部分透過ミラーから入射させ、前記電気光学結
晶中の2つの固有偏光に対応する前記光共振器からの出
射光を干渉させて、前記固有偏光間の周波数差に対応す
るビート信号の周波数を検知することで、空間電界の測
定を行なうように構成したことにより、従来のリターデ
イションを検知する電界センサーより、高感度な電界セ
ンサーが構成できる。
【0015】請求項2の電圧センサーは、対向する2枚
の部分透過ミラーの間に対向電極で挾持された電気光学
結晶を配置して光共振器を構成し、光源からの光を一方
の前記部分透過ミラーから入射させ、前記電気光学結晶
中の2つの固有偏光に対応する前記光共振器からの出射
光を干渉させて、前記固有偏光間の周波数差に対応する
ビート信号の周波数を検知することで、前記対向電極間
の電位差の測定を行なうように構成したことにより、従
来のリターデイションを検知する電圧センサーより、高
感度な電圧センサーが構成できる。
【0016】請求項3の電界センサーまたは請求項5の
電圧センサーは、光共振器を、電気光学結晶の外部に配
置された外部部分透過ミラーと、電気光学結晶の片面に
備えた他方の部分透過ミラーによって構成することによ
り、光共振器の構成を単純化し、小型化を図ると共に、
電気光学結晶表面での反射による共振器内部での光の損
失を低減させることができる。また、光共振器を、電気
光学結晶の対向する2つの端面上に部分透過ミラーを備
えた構成とすることにより、上記構成よりさらに小型の
センサーが構成できると共に、共振器内部での光の損失
を抑えることができる。
【0017】請求項4の電界センサーまたは請求項6の
電圧センサーは、光共振器へ光を入射させるための光源
にLEDを用いた構成とすることにより、小型で安価な
センサーを構成することができ、また、光源にSLDを
用いた構成とした場合には、LEDを用いた場合より感
度の高いセンサーを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電界センサーの光共振器の原理説
明図である。
【図2】本発明の一実施例を示す電界(電圧)センサー
の概略構成図である。
【図3】本発明の電圧センサーに用いられる光共振器の
構成例を示す図である。
【図4】本発明の電界・電圧センサーに用いられる光共
振器の別の構成例を示す図である。
【図5】本発明の電界・電圧センサーに用いられる光共
振器のさらに別の構成例を示す図である。
【符号の説明】
1 :電気光学結晶 2,3:部分透過ミラー 4,5:電極 a,b:固有偏光

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電界による電気光学結晶の屈折率の変化を
    光を用いて検知することで、空間電界の測定を行なう電
    界センサーにおいて、対向する2枚の部分透過ミラーの
    間に電気光学結晶を配置して光共振器を構成し、光源か
    らの光を一方の前記部分透過ミラーから入射させ、前記
    電気光学結晶中の2つの固有偏光に対応する前記光共振
    器からの出射光を干渉させて、前記固有偏光間の周波数
    差に対応するビート信号の周波数を検知することで、空
    間電界の測定を行なうように構成したことを特徴とする
    電界センサー。
  2. 【請求項2】対向電極で挾持された電気光学結晶の電気
    光学効果による屈折率の変化を光を用いて検知すること
    で、前記電極間の電位差の測定を行なう電圧センサーに
    おいて、対向する2枚の部分透過ミラーの間に対向電極
    で挾持された電気光学結晶を配置して光共振器を構成
    し、光源からの光を一方の前記部分透過ミラーから入射
    させ、前記電気光学結晶中の2つの固有偏光に対応する
    前記光共振器からの出射光を干渉させて、前記固有偏光
    間の周波数差に対応するビート信号の周波数を検知する
    ことで、前記対向電極間の電位差の測定を行なうように
    構成したことを特徴とする電圧センサー。
  3. 【請求項3】前記光共振器は、前記電気光学結晶の外部
    に配置された外部部分透過ミラーと、前記電気光学結晶
    の片面に備えた他方の部分透過ミラーによって構成する
    か、あるいは、前記電気光学結晶の対向する2つの端面
    上に部分透過ミラーを備えた構成とすることを特徴とす
    る請求項1記載の電界センサー。
  4. 【請求項4】前記光共振器へ光を入射させるための前記
    光源には、LED(Light EmittingDiode)、あるいは、
    SLD(Super Luminecence Diode)を用いた構成にする
    ことを特徴とする請求項1または3記載の電界センサ
    ー。
  5. 【請求項5】前記光共振器は、前記電気光学結晶の外部
    に配置された外部部分透過ミラーと 、前記電気光学結晶
    の片面に備えた他方の部分透過ミラーによって構成する
    か、あるいは、前記電気光学結晶の対向する2つの端面
    上に部分透過ミラーを備えた構成とすることを特徴とす
    る請求項2記載の電圧センサー。
  6. 【請求項6】前記光共振器へ光を入射させるための前記
    光源には、LED(Light EmittingDiode)、あるいは、
    SLD(Super Luminecence Diode)を用いた構成にする
    ことを特徴とする請求項2または5記載の電圧センサ
    ー。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109029764A (zh) * 2018-07-25 2018-12-18 孝感锐创机械科技有限公司 一种光电混合型非接触式测温装置

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