JP4836862B2 - 光電圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、変電所や発電所の電力機器及び電力系統の電圧の測定に好適する光電圧センサに関する。

電気信号の授受を基本とする電気式の電圧センサは、使用できる場所が大幅に制限されている。たとえば高電界中や高磁界中、さらには引火性のガス中で使用できるようにするには、それなりの大掛かりな絶縁対策、無誘導対策、安全対策を必要とする。
このようなことから、最近では、光信号の授受だけで電圧を測定できるようにした光電圧センサが提供されている（特許文献１参照）。この光電圧センサは、通常、光ファイバを介して導かれた光を、偏光子、印加電圧に対応して複屈折の大きさが変化する電気光学素子、検光子からなる経路を経由させた後に、光ファイバを介して受光系へ導くことにより、印加電圧に対応した出力信号を受光系から得るようにしている。
特公平２−１０３８３号公報

ところで、光電圧センサにおいて、高精度の測定を行うためには、電気光学素子に入射する円偏光の偏光状態が安定している必要があり、円偏光を形成するための光学素子である偏光子と１／４波長板との相対回転角を一定に保つことが重要である。
しかしながら、電気光学素子を主体として構成されるセンシングヘッドは高圧機器近傍に設置され、例えば屋外においては外気温の変動、また、機器が発生する振動などが加わり、その相対回転角にずれを生じることがある。特に、振動については、センシングヘッドが遮断器近傍に設置されると、１０００Ｇを超える振動が加わることもあり、この激しい環境下で偏光子と１／４波長板との相対回転角を一定に保つことは困難であった。このため、外気温や振動によって、光電圧センサの感度が変化し、誤差を生じていた。

このような相対回転角のずれは、各光学素子を接着する接着剤によるものである。
即ち、図５に示すように、従来構成の光電圧センサのセンシングヘッド１０１は、表面が極めて平滑な下板１０２上に角形の光学素子である送光コリメータ部１０３、偏光子１０４、１／４波長板１０５、電気光学素子１０６、検光子１０７、受光コリメータ部１０８を、互いの光学素子が所定の相対回転角となるように配置している。この場合、各光学素子１０３〜１０８と下板１０２との接着は、光学素子１０３〜１０８の下面のみで行われ、しかも、偏光子１０４や１／４波長板１０５等のように応力に敏感な素子を固定する必要があるため、シリコーンゴムのようなゴム弾性を有する接着剤で固定するようにしている。このため、下板１０２と偏光子１０４及び１／４波長板１０５との間の間隔が、振動や温度変化による接着剤や構成材の熱膨張によって変化し、偏光子１０４と１／４波長板１０５との相対回転角のずれを生じ、それに伴って電気光学素子１０６へ入射する円偏光の偏光状態が変化し、電圧計測の精度が悪化してしまうのである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、振動や温度変化の影響を受けることなく、精度が高く安定した計測を行うことができる光電圧センサを提供することにある。

本発明は、入射光を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光を円偏光に変換する位相差板と、前記円偏光に対して印加電圧に応じた光位相変調を行う電気光学素子と、前記電気光学素子からの入射光を検出する検光子と、前記検光子を透過した光を検出することにより前記電気光学素子に対する印加電圧を検出する受光部とを備えた光電圧センサにおいて、光透過方向に位置する両面において前記偏光子及び前記位相差板とを所定の相対回転角となるように固定する基板を備え、前記基板は、前記偏光子と前記位相差板との間が前記所定の相対回転角となる位置決め状態で接着される溝部を前記両面に有した形状に形成されているものである。

本発明によれば、偏光子からの直線偏光は位相差板により円偏光に変換された状態で電気光学素子に入射する。電気光学素子において、印加電圧に応じて円偏光に対して光位相変調が行われるので、印加電圧に応じて電気光学素子からは楕円偏光が出力される。この楕円偏光の楕円率は、電気光学素子に対する印加電圧の大きさに応じて変化するので、検光子を透過した光を受光部で検出することにより電気光学素子に対する印加電圧の大きさを測定することができる。このような構成では、偏光子と位相差板との相対回転角が極めて重要であることから、両者の相対回転角を基板により固定することにより、大きな振動が作用したり、温度が変化したりする場合であっても、偏光子と位相差板との相対回転角がずれてしまうことを確実に防止することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１ないし図３を参照して説明する。
図１は、光電圧センサの構成を示す概略図である。この図１において、光電圧センサ１は、光源駆動装置２、この光源駆動装置２により駆動される光源３、この光源３からの入射光を導入する光ファイバ４、この光ファイバ４からの入射光が透過するセンシングヘッド５、このセンシングヘッド５を透過した光を導入する光ファイバ６、この光ファイバ６からの光を受光する検出器（受光部に相当）７、この検出器７の受光状態を測定する電子回路（受光部に相当）８から構成されている。

センシングヘッド５は、光ファイバ４からの入射光を平行光束に変換する送光コリメータ部９、この送光コリメータ部９からの入射光を直線偏光に変換する偏光子１０、この偏光子１０からの直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板（位相差板に相当）１１、この１／４波長板１１からの円偏光が透過する電気光学素子（ポッケルス効果素子）１２、この電気光学素子１２を透過した光から一偏光成分のみの光を抽出する検光子１３、この検光子１３からの光を集光して受ける受光コリメータ部１４とから構成されている。

電気光学素子１２及び検光子１３は角型に形成されている一方、送光コリメータ部９及び受光コリメータ部１４は角型のホルダ１５に固定されており、それらが、表面が極めて平滑な下板１６上にシリコーンゴムにより接着固定されている。本発明の要旨に関連する偏光子１０及び１／４波長板１１の固定方法に関しては後述する。

センシングヘッド５の主体をなす電気光学素子１２は、印加電圧に比例して屈折率の大きさが変化する特性を有するBi₁₂GeO₂₀やBi₁₂SiO₂₀などの単結晶からなる。電気光学素子１２の光透過方向に位置する両面には透明電極（図示せず）が設けられており、これらの透明電極を介して被測定電圧が電気光学素子１２に印加される。このような被測定電圧の印加状態では、１／４波長板１１から入射した円偏光は、電気光学素子１２において楕円偏光に変換されると共に当該電気光学素子１２に印加された電界強度に応じて楕円偏光の楕円率が変化する。電気光学素子１２を出射した光は、検光子１３を透過する際に一偏光成分のみの光が出射される。この光は、電気光学素子１２によって楕円偏光にされた楕円率によって光量が変化するので、被測定電圧に応じた光量の光が受光コリメータ部１４で光ファイバ６に導かれ、検出器７に送られる。検出器７で光信号を電気信号に変換した後、電子回路８で被測定電圧が演算される。

また、検光子１３は、その透過面の方向が、電気光学素子１２を透過する光の偏波状態を表す楕円の主軸方向に一致するように偏光子１０の主軸の方向に対して所定角度回転して配置されている。

ところで、光電圧センサ１の安定性を確保する上では、電気光学素子１２に入射する円偏光の偏光状態を常に一定に保つことが重要である。このためには、電気光学素子１２に入射する円偏光を形成するための光学素子である偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角を一定に保つ必要があるが、この相対回転角は、振動や温度変化によって僅かながら変化する。光電圧センサ１は、本来他の電圧センサでは到達不可能な精度での測定が可能になることが期待されており、このような不安定要素を無視することはできない。

そこで、センシングヘッド５を構成する各光学素子の相対回転角にずれが生じたときの光電圧センサ１の誤差を検討した。
（１）送光コリメータ部９と偏光子１０との相対回転角は、送光コリメータ部９を出射する光がランダム偏光であるので、光電圧センサ１の誤差要因とはならない。
（２）１／４波長板１１と電気光学素子１２との相対回転角については、１／４波長板１１を出射する光が円偏光であるので、これも光電圧センサ１の誤差要因とはならない。
（３）電気光学素子１２と検光子１３との相対回転角については、電気光学素子１２に電圧が印加されていないときには、電気光学素子１２を出射する光は円偏光であり、誤差要因とはならないが、電圧が印加された状態では楕円偏光となっているため、この相対回転角の変化は光電圧センサ１の感度変化となり、誤差の要因となる、
（４）偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角のずれについては、円偏光を正しく生成できないこととなり、電圧印加時は勿論のこと、電圧が印加されていない場合においても、この相対回転角のずれに伴う光量変化を生じることとなり、光電圧センサ１として、無信号時にも誤差出力を生じ、影響が極めて大きい。

このような検討結果から、センシングヘッド５の光学系は、偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角の安定性を高めることを最重点に設計する必要があることが分る。
従って、本実施例では、偏光子１０と１／４波長板１１とを基板１７において光透過方向に位置する両面にシリコーンゴムにより接着固定し、さらにその基板１７を下板１６にシリコーンゴムにより接着固定した。このような構成では、振動或いは温度変化により下板１６と基板１７との間の位置ずれは生じやすいものの、偏光子１０と１／４波長板１１との間は近接配置の上、周囲４箇所で基板１７に接着固定されているため、偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角ずれを最小に抑えることができる。

また、本実施例では、偏光子１０として、特に板状の偏光子を使用すると共に、１／４波長板１１として、水晶製の０次波長板を使用するようにした。
図２（ａ）は基板１７の側面図、図２（ｂ）は基板１７の正面図である。この図２に示すように、基板１７において光透過方向に位置する両面には下面と平行な溝部１８が形成されており、偏光子１０及び１／４波長板１１は溝部１８の中にそれぞれ配置されている。この溝部１８は、偏光子１０と１／４波長板１１の設定角度を合わせる機能と、偏光子１０及び１／４波長板１１の回転方向への変化を拘束し、振動や温度変化の相対回転角ずれを抑える機能とを発揮する。この基板１７は、非透光性部材に光が透過可能なように光軸に沿って貫通孔１７ａを有して形成されているが、透光部材であればガラス部材であってもよいし、樹脂部材であってもよい。

図３は、基板１７の機能を説明するための図である。この図３において、偏光子１０と１／４波長板１１とは周囲４箇所でシリコーンゴムなどの接着剤１９で固定されている。図３では、基板１７の溝部１８の内壁１８ａと偏光子１０や１／４波長板１１との間に間隙を有するように表しているが、実際の基板１７では、基板１７の溝部１８、偏光子１０、１／４波長板１１の寸法精度、或いは熱膨張の影響を考慮した最小間隙寸法に設定されている。

さて、例えば周囲温度が上昇すると、接着剤１９の熱膨張によって偏光子１０や１／４波長板１１には図中に示すＦ方向に力が作用するようになる。このとき、周囲４箇所からの力のバランスが崩れると、偏光子１０や１／４波長板１１が回転方向にずれることとなる。

しかしながら、本実施の形態では、偏光子１０や１／４波長板１１は、下面のみならず、上面も溝部１８の内壁１８ａによって拘束されているため、このような力の不均一が生じるにしても、偏光子１０や１／４波長板１１が回転方向にずれてしまうことを防止できる。

このような実施例によれば、基板１７に形成した溝部１８によって偏光子１０及び１／４波長板１１の回転方向のずれを拘束するようにしたので、偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角の変化が起こりにくくなり、１／４波長板１１から出力される円偏光の偏光状態の精度を保つことができる。従って、偏光子と１／４波長板とを個別に下板に接着剤で固定する従来構成のものと違って、振動や温度変化の影響を受けることなく、精度が高く安定した計測を行うことができる。

しかも、偏光子１０及び１／４波長板１１として軽い板状のものを用いるようにしたので、振動時の基板１７との追従性が良好となり、偏光子１０や１／４波長板１１が回転方向にずれてしまうことを防止することができ、１／４波長板１１から出力される円偏光の偏光状態の精度を一層高めることができる。この場合、本来なら板状の１／４波長板１１を製作することは困難であるものの、１／４波長板１１として水晶製の０次波長板を採用するようにしたので、板状の１／４波長板１１を製作することができた。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明するに、第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点について説明する。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態で用いた下板１６を用いることなく、各光学素子間を接着で固定することによりセンシングヘッド５を構成したことに特徴を有する。

送光コリメータ部９及び受光コリメータ部１４は、第１の実施の形態と同様に、角型のホルダ１５の中に固定されている。
偏光子１０と１／４波長板１１とは、直接接着することなく、第１実施の形態と同様に、所定の相対回転角となるように基板１７の両面に接着固定されている。このように偏光子１０と１／４波長板１１と直接接着することなく基板１７に接着固定しているのは、１／４波長板１１として板状のものを採用するためには、複屈折を有する結晶でしか現状では製作することができないことから、光学ガラスで形成されている他の光学素子との間で膨張率に差を生じ、両者の熱膨張の差により１／４波長板１１に大きな応力が作用してしまうからである。このように１／４波長板１１に大きな応力が作用した場合は、１／４波長板１１の複屈折の状態が変化してしまい、高精度の測定を維持できなくなってしまう。従って、基板１７の両面に偏光子１０と１／４波長板１１とを接着固定し、この基板１７を他の光学素子と接着固定する構造を採用している。

このような実施の形態によれば、各光学素子を一体に接着固定することによりセンシングヘッド５を構成した場合であっても、偏光子１０と１／４波長板１１とを基板１７の両面の溝部１８に接着固定するようにしたので、第１の実施の形態と同様に、振動や温度変化の影響を受けることなく、偏光子１０と１／４波長板１１との相対回転角を基板１７により安定に維持することができ、高精度の測定を行うことができる。

(変形例)
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
基板１７に形成する溝部１８を下面と水平方向に形成するのに代えて、下面と直角方向に形成するようにしてもよい。

基板１７に溝部１８ではなく、偏光子１０或いは１／４波長板１１が嵌合する凹部を形成するようにしてもよい。
本実施例では、１／４波長板１１を使用したが、複屈折を意図的に１／４波長以外の値に設定した位相差板を使用することによって、温度特性を制御することも一般的に行なわれていることから、位相差板としては１／４波長板に限らず、このような１／４波長以外の位相差板も採用することができる。

光ファイバによる遠距離で測定する構成ではなく、センシングヘッド５に光源３及び検出器７を設け、センシングヘッド５と光源駆動装置２及び電子回路８との間をケーブルで接続するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態における全体構成を示す概略図 (ａ)基板の側面図、（ｂ）基板の正面図 基板に装着された光学素子への力の作用を説明するための基板の正面図 本発明の第２の実施の形態を示す図１相当図 従来例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は光電圧センサ、７は検出器（受光部）、８は電子回路（受光部）、１０は偏光子、１１は１／４波長板（位相差板）、１２は電気光学素子、１３は検光子、１７は基板、１８は溝部である。

Claims (3)

1. 入射光を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光を円偏光に変換する位相差板と、前記円偏光に対して印加電圧に応じた光位相変調を行う電気光学素子と、前記電気光学素子からの入射光を検出する検光子と、前記検光子を透過した光を検出することにより前記電気光学素子に対する印加電圧を検出する受光部とを備えた光電圧センサにおいて、
   光透過方向に位置する両面において前記偏光子及び前記位相差板とを所定の相対回転角となるように固定する基板を備え、
   前記基板は、前記偏光子と前記位相差板との間が前記所定の相対回転角となる位置決め状態で接着される溝部を前記両面に有した形状に形成されていることを特徴とする光電圧センサ。
2. 前記偏光子は、板状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光電圧センサ。
3. 前記位相差板は、自然複屈折を有する板状の結晶であることを特徴とする請求項１または２記載の光電圧センサ。

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