JPH0211868B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、電気光学結晶を用いた光による電
圧・電界測定器に関するものである。 電気光学結晶を用いた光による電圧・電界測定
器は、基本的には電気光学結晶に印加される電圧
を測定するものであるため、電気光学結晶の両面
に電極をとりつけて被測定電圧の端子に直接とり
つけた場合には電圧の測定器となり、電極をとり
除いて電界中に配置した場合は電界測定器として
動作する。以下の説明では、電圧の測定器として
話を進めることとする。 電気光学結晶を用いた光による電圧測定器の構
成例として第１図ａに示すものが挙げられる。こ
の第１図ａに示す電圧測定器は光源１からの光の
進行方向に沿い偏光子２、1/4波長板３、電気光
学結晶４、検光子５を配列してなり、被測定電圧
は、被測定電圧源７から電気光学結晶４の対向面
に、それぞれ取りつけられた一対の透明電極６間
に供給される。このうち偏光子２は光源１からの
光を直線偏光とするものであり、1/4波長板３は、
この直線偏光を円偏光とするものであり、電気光
学結晶４は円偏光を楕円偏光に位相変調するもの
である。即ち、電気光学結晶４の屈折率が被測定
電圧が零ボルトでn_x，n_y（Ｘ方向の直線偏光、Ｙ
方向の直線偏光に対する屈折率）であるとする
と、Ｖボルトの印加電圧に対しては屈折率がn_x−
KV，n_y＋KV（Ｋ：定数）に変化する。1/4波長
板３で円偏光となつた光は、電気光学結晶を通過
する際、該結晶のＸ，Ｙ方向の各偏光に対する屈
折率が異なるため、換言すれば、円偏光のＸ方向
とＹ方向の各ベクトル成分光の進行速度が異なる
ため、円偏光は位相変調をうけて楕円偏光にな
る。従来の装置では検光子５の偏波面は光学結晶
の光学軸に対して45゜傾斜した状態に配置されて
おり、楕円偏光を強度変調する。45゜傾斜させる
理由は、こうすると、第１図ｂについて後に説明
するように、感度は最高となり、直線性も良くな
るからである。 さて、偏光子２に入射する光パワーをPinと
し、測定部での損失をl′とすると検光子５の出力
光の光パワーPoutと被測定電圧Vinの関係は1/4
波長板３が無い場合(1)式のようになる。 Pout＝l′・Pin・sin²（π／２ Vin／Vπ） …(1) ここにVπは半波長電圧と呼ばれる値であつて、
電気光学結晶の種類及びその光学軸の方位角によ
つて定まる。(1)式の直線性の良い領域を使用する
ためには、1/4波長板３を偏光子２と電気光学結
晶４との間、または電気光学結晶４と検光子５と
の間に光バイアスとして挿入すればよい。こうす
ることによつて、第１図ｂに示すように直線性の
良いλ/4の点付近を選ぶことができる。1/4波長
板３を挿入した場合のPoutは次式で与えられる。 Pout＝l′・Pin・sin²（π／２・Vin／Vπ＋π／４） ＝１／２l′・Pin・〔１＋sin（πVin／Vπ）〕 πVin／Vπ＜＜１の領域では(2)式となる。 Pout≒１／２l′・Pin・〔１＋πVin／Vπ〕 …(2) 検光子よりの出力光信号をPINフオトダイオー
ドなどの素子を用いて電気信号に変換することに
より、被測定電圧Vinを知ることができる。 第１図ｃは、電気光学結晶４に被測定電圧を供
給する公知の別の構成例を示している。後述する
ように、この構成によつても、第１図ａの構成例
と同一の目的を達成することができる。 上述した原理による電圧測定はすでに公知であ
るが、公知のものにおいては、電気光学結晶４と
しては、KDP，ADP，LiNbO₃，LiTaO₃などが
使用されていた。これらの結晶を用いた場合に共
通した欠点は、測定器の温度特性が良くないこ
と、すなわち温度によつて感度が変動することで
ある。これらの結晶は、その屈折率n_x，n_yに若干
の差異があり、この屈折率n_x，n_yがそれぞれ異な
る温度特性を持つこと、換言すれば、例えばn_x＝
n₀−KV，n_y＝n₀＋KVの如く結晶が自然複屈折
性を有し、その各主軸方向の複屈折率がそれぞれ
異なる温度特性を持つことが温度特性不良の原因
である。 この温度変化に対する特性の不安定さを補償す
るために、第２図に示すように、２個の結晶Ａと
Ｂとを光学軸を90゜回転させてつなぎ合わせた、
いわゆる温度補償型のものが提案されている。結
晶ＡとＢとの各長さl₁とl₂とが完全に等しくなる
ように精密加工し、両者の光学軸を互に正しく
90゜回転させて接続すれば、Poutを示す理論式中
の常光線の屈折率n₀と異常光線の屈折率n_eとの差
を含む項が消去されるので、理論的には温度特性
をある程度改善することができる筈である。 しかしながら、現実問題としては、２つの結晶
を正確に等しい長さに精密加工し、対応する光学
軸が互に90゜をなすように回転させて接続するこ
とは非常に因難であり、温度補償型はかなり高価
なものとなる。 第３図は、LiNbO₃を使用した温度補償型電
圧・電圧測定器の温度特性の一例を示したもので
ある。同図中縦軸は、一定値の電圧（Vin）を被
測定電圧として供給した時の変調度（ｍ）を温度
の関数として図示したものである。温度特性が改
善されたとはいえ、なお相当に不安定であること
がわかる。 なお、変調度（ｍ）は次式で定義される。 ｍ＝（入力電圧ゼロのときのPout）−（Vinに対
するPout）／（入力電圧ゼロのときのPout） 上式に(2)を代入すると、 ｍ＝πVin／Vπ となる。 本願出願人は、先に、ビスマスシリコンオキサ
イド（Bi₁₂SiO₂₀、以下BSOと略称する）もしく
はビスマスゲルマニウムオキサイド
（Bi₁₂GeO₂₀、以下BGOと略称する）を電気光学
結晶として使用した電圧・電界測定器を発明し、
すでに出願している（特願昭55−2274号、特開昭
56−100364号公報）。BSO，BGOの特徴は、何れ
もが旋光性を有するという点にあるが、これらの
材料を使用した電圧・電界測定器の温度安定性
は、第４図に示すとおり、−15℃〜60℃の範囲で
±２％以内ときわめて良好である。そして、この
ように温度安定性が高いということは、温度が広
範囲にわたつて変動する傾向のある、各種の電気
系統の電圧・電界測定器として非常に有利である
ことを意味する。 本発明は、このように良好な温度安定性を有す
るBSOもしくはBGOを用いた電圧電界測定器の
温度安定性を、さらに改善することによつて、電
力系統の変電所等の恒久設備における電圧、電界
の測定や、特に著しい温度変化に対して高い安定
性（たとえば20℃±40℃で±１％以下）を必要と
する場合に有用な光による電圧・電界測定器を提
供することを目的とするものである。 本発明は、光の偏光を応用した電圧・電界の測
定器に係り、特に電気光学結晶として温度特性の
良好なビスマスシリコンオキサイド（Bi₁₂SiO₂₀）
又はビスマスゲルマニウムオキサイド
（Bi₁₂GeO₂₀）のような旋光性を有する材料を利
用し、電気光学結晶と検光子との寸法並びに角度
に特定の関係を付与することにより、さらに電
圧・電界測定器の温度特性を改善したものであ
る。 本発明は、従来の電気光学材料（LiNbO₃，
LiTaO₃，KDP，ADP等）においては見られず、
BSO，BGOにおいて新に発見された以下に説明
する現象を基礎とするものである。 第４図は、２mm厚のBSOを用いた従来の電圧、
電界測定器の温度安定性の一例である。一般に温
度上昇とともに感度は低下する傾向を示してい
る。この実験結果は第１図において検光子の方位
角を45゜に設定した場合であるが、発明者らは
BSO，BGOともに旋光能を有することより、検
光子角を変化させて温度安定性の実験測定を行つ
た。実験測定において用いた光源は波長870nmの
発光ダイオード光（以下の実験においても同様）
であり、BSO，BGOの形状は10×10×２mm³で透
明電極としてIn₂O₃を用い、AC200Vを印加して
BSO，BGOの温度を変化させた。 第５図はBSOを用いて検光子角を10゜〜60゜の範
囲で変化させ、角検子角における温度変化（20℃
〜80℃）による変調度の変動率の実験結果と、後
に述べる解析結果を示すものである。同図におい
て横軸は検光子角であり縦軸は20℃の時の変調度
を100％として80℃に温度上昇させた時の変調度
の変化分を％で表示したものである。この実験結
果によれば、ｌ＝２mm厚のBSOを用いた時従来
の設定角＝45゜の時は60℃の温度変化（20℃→
80℃）で1.7％も変調度が変動することが判る。
さらに＝20゜付近でほぼ温度係数が測定誤差内
で零であるとみなすことができる。但し、この時
の変調感度は、最高の変調感度が得られるために
従来より常用されている検光子角＝45゜の時の
約1/3に低下した。 さらにを小さくすると変調度の温度変動は急
激に増大するようになる。 このような効果は今まで用いられてきた電気光
学材料（LiNbO₃，LiTaO₃，KDP，ADP）には
全くみられなかつた新たに発見された現象であ
り、本発明者らはこの実験結果を旋光能と半波長
電圧の温度依存性に起因するものと推論して理論
解析を行つたところ、実験結果を非常によく説明
できることを発見した。 以下にその説明を行う。 BSO，BGOのように旋光能を有する材料にお
いては偏波面を変換するマトリツクス（Ｍ）は、 で表わされることが導びかれる。 また入射円偏光は

【式】 …(5) で、検光子は （Ａ）＝（cos Ｏ，sin Ｏ） …(6) でそれぞれ表わされる。 但し ε₀：真空の誘電率 γ₄₁：電気光学定数 θ：旋光能 E_z：BSO中のＺ方向の電界 ε：BSOの誘電率（ε₀n_p ²） n₀：BSOの屈折率 μ：BSOの透磁率 ω：光の角周波数 λ₀：光の波長 である。 検光子を出たあとの検光子方位と平行な電界成
分をΕ ‖、これと直角な成分Ｅ⊥とすると （Ｅ ‖ Ｅ ⊥）＝(A)×（Ｍ）×（Ｉ） …(8) でΕ ‖が求められ、光強度Ｔとしては Ｔ＝｜Ε ‖｜²＝１／２（１−cosχsinφsin2 ＋sin2χsin2φ／２cos2） …(9) が得られる。 ここで半波長電圧Vπ＝λ₀／2n₀ ⁸γ₄₁を用いると
(9)式において cosχ＝（πV／Vπ）／φ …(10) sin2χ＝２・（2θl）（πＶ／Vπ）／φ² …(11) φ＝〔（πＶ／Vπ）²＋（2θl）²〕^1/2…(12) で与えられる。 (9)式においてφ＝45゜とすると Ｔ＝１／２（１−πV／Vπ sinφ／φ）…(13) となり通常の光変調を示す式にsinφ／φが係数とし て付加された簡単な形になる。 任意のについては Ｔ＝１／２（１−πV／Vπ sinφ／φsin2＋２ ・（2θl）（πＶ／Vπ）sin²φ／２／φ²cos2）…
(14) となる。 従つて、検出される変調度ｍは、 ｍ＝πV／Vπ sinφ／φsin2−２（2θl） （πＶ／Vπ）sin²φ／２／φ²cos …(15) で表わされる。 上記の理論の正しさを実験的に確かめる一つの
手段として、式(15)において第１項と第２項の付
号が逆であるため特別のに対してはVπとθが
温度依存性を示しても変調度は変化しないところ
があるか否かを実験的に確認してみることが考え
られる。 そこで、まず旋光能の温度依存性の測定値（−
３×10^-3度／１℃／１mm）と＝45゜での変調度
変動率（60℃幅の変化で−1.7％）より(13)式から
Vπの温度変化を逆算してVπの変動率を＋2.1
％／60℃と決定し、次に上記の結果と室温での値
より20℃でVπ＝6800V，θ＝10.5゜／mm80℃でVπ
＝6942.8V，θ＝10.32゜／mmBSOの厚みｌ＝２mm、
印加電圧＝AC200Vとして(15)式より、検光子角
に対する変調度（ｍ）の変動率を求めた。それ
を第５図に示す。 第５図において、実験値と理論計算から求めた
値とは非常によく一致し、を適当な値（ここで
は19゜）に設定することにより変調度の温度
依存性を完全に打ち消しうることが明らかになつ
た。 さらに印加電圧を変化させて（10V〜600V）
も、温度依存性は19゜で±0.1％の変動に収ま
ることが判明した。 このようにして前述の理論の妥当性が確認され
た。 次に、上述の理論において、最適の効果を確
認するべく、実際に偏光子、1/4波長板、BSO
（厚さ２mm）検光子をこの順に並べ、検光子を
＝19゜に設定して精密な測定を行つたところ、測
定の許容誤差（±0.2％）内において０〜600Vの
印加電圧で温度変動が零となることが確認され
た。第６図は結晶厚みｌ＝２mmの時の従来の＝
45゜の場合と今回の＝19゜の場合の実験結果を示
すものであり、最適なの効果が明らかに出てい
る。 さらに結晶厚さが変わると最適の検光子角が変
わることが予想されるので、BSOの厚みを変化
させて最適検光子角度とその許容誤差（20℃±60
℃の温度変化に対する変調度の変動率が１％以下
となる検光子角度の上限と下限）を測定した。そ
の結果、第７図に示すように、最適角はほぼ旋光
能（θ）×結晶長（ｌ）付近に存在することが発
見された。20℃における旋光能の値θ＝10.5゜mm
を用いての上下限を示す実験式を求めると次式
が得られた。 （0.90θl−4.5）゜（1.03θl＋２）゜
…(16) すなわち、検光子角がこの範囲の精度で設定
されておけば、変調度の温度依存性は20℃±60℃
の温度変化で±１％以内の変動に収まる。 さらに、検光子角を次式で与えられる最適角
に設定すれば、 ＝（0.95θl−1.5）゜ …(17) で±0.2％以内の変動に収まることが明らかにな
つた。なお、この結果は、式(15)によつて非常に
よく説明されることを確認した。 特に結晶厚みをｌ＝4.66mmとしたときは(15)式
より得られる最適角は変調感度が最高となる検光
子角＝45゜と一致するので、この条件下では変
調感度の低下を伴なうことなく温度安定性を満足
させることができる。実験において＝45゜でｌ
＝4.5mm、4.66mm、4.8mmの３種について測定した
結果、±0.2％以内の温度安定性が得られた。この
条件は、旋光能θ10.5゜／mmである800nm，
900nmの光源を用いたときに成り立つものであ
る。第８図はｌ＝4.66mmでの実験例であり、非常
に温度安定性の良い特性を示している。 先に述べたように、従来の光による電圧・電界
測定装置では旋光能の無い電気光学結晶を使用
し、感度および直線性において最良の結果を得る
ために、検光子の偏波面を電気光学結晶の光学軸
に対して45゜傾斜させるのが通例であつた。 本願出願人は、先に旋光能の有る電気光学結晶
を使用する電圧・電界測定器を発明して特許出願
したが、旋光能の有る電気光学結晶を使用した場
合にも、感度および直線性において最良の結果を
得るためにはやはり検光子の偏波面と電気光学結
晶の光学軸のなす角を45゜傾斜させなければな
らないのであつて、45゜に旋光角を加えて、＝
45゜＋θl、だけ傾斜させるべきであると考えるの
は誤つた類推であることに注意すべきである。 本発明は、先ず感度を犠性にしても温度変化に
対して安定な電圧・電界測定器を得たいと考えて
実験を重ねた結果、旋光能のある電気光学結晶を
使用し、≒θlとすることによつて、その目的を
達成しうることを発見し、それを利用したのであ
る。 さらに、式≒θlにおいて、≒45゜になるよ
うに、電気光学結晶の旋光能θと光の進行方向の
長さｌとを選択することは可能であるから、感度
および直線性を犠性にすることなく温度特性を安
定化することもできることはいうまでもない。 なお、BGOの旋光能は、実験誤差の範囲内で
BSOのそれと同一であることも確認した。した
がつて、BSOとBGOを全く同一の条件で使用す
れば、同一の結果が得られることは明らかであ
る。 本明細書では、BSOとBGOを電気光学結晶と
して使用した場合について特に詳細に説明した
が、旋光能と電気光学効果とを併せ持つ、BSO
とBGO以外の電気光学結晶を使用しても、それ
ぞれの結晶の旋光能に応じて、同様の条件を与え
ることにより、温度安定性の良い電圧・電界測定
器を得られることはいうまでもない。 以上は光の進行方向を向いて左回りの旋光能を
有する場合についての実験及び解析結果である
が、右回りの旋光能（式(15)でθを−θにおきか
える）を有するBSO，BGOについても検討した
結果、検光子角の回転方向を旋光能と同一の方向
にすれば前記左回り旋光能の場合と同じ結果が得
られることを確認した。 次にこれまでは波長800nm〜900nmで０〜
600Vの電圧を印加した場合を中心に説明して来
たが、前述のことがらは何らこのような特定の光
の波長や印加電圧に限定されるものではない。た
とえばBSO，BGOの旋光能は第９図に示すよう
に光の波長が長くなると減小し、半波長電圧は増
加するため、使用する光の波長帯域に応じ、と
ｌとを与えれば最も温度安定性の良い結果が得ら
れる。また印加電圧についても直線性を問題とせ
ずに高電圧（1000〜4000V）を印加するような場
合にも、適当な条件を選択すれば温度安定性の良
い結果が得られる。 このような一般的な場合においてさえも、各条
件での旋光能と半波長電圧の温度依存性を測定し
たうえで、必要な温度領域において、とｌとを
適当に選べば、温度安定性の良い結果が得られ
る。 以上に説明した実施例は、光の進行方向と電
圧・電界の方向とが平行の場合（縦型）であつた
が、電圧・電界の方向が光の進行方向に対して直
角の場合（横型）にも同様の説明が当はまる。 第１図ｃにおいて、光の進行方向（＜110＞方
向）と直角の（＜１10＞方向）に電圧Ｖを印加す
ると、BSOの電界Εは、 Ε＝Ｖ／ｄ となる。結晶長はｌであるから、電圧の効果はＶ
×ｌ／ｄとなり、第１図ａに示した実施例の場合
に較べてｌ／ｄ倍だけ感度が向上する。 従つて、式(15)において、ＶをVl／ｄで置き換
えると次式が得られる。 ｍ＝πVl／V〓ｄ sinφ／φsin2−２（2θl） （πVl／V〓ｄ）sinφ／２／φ²cos …(18) なお、φの値は、式(12)において、ＶをVl／ｄ
で置き換えた次式によつて与えられる。 φ＝〔（πVl／V〓ｄ）²＋（2θl）²〕^1/2 …(19) 第１図ｃの実施例（横型）において、ｌ＝4.66
mm、ｄ＝1.5mmとし、＝45゜に設定して実験した
ところ第１図ａの実施例（縦型）の約３倍の感度
が得られること、および温度安定性は、20℃±60
℃の範囲の温度変動に対して±0.2％以内である
ことが確認された。 以上に詳述したように、本発明によれば、旋光
能を有する電気光学結晶による偏波面の回転方向
と同一の方向に同一角度だけ検光子を回転させる
ことにより半波長電圧及び旋光能の温度依存性に
起因する出力光強度の温度変動を小さくすること
が出来、温度変動に対して極めて安定した光によ
る電圧・電界測定器を提供することが出来る。 そしてこのことによつて、前記した電力系統の
恒久設備や温度変化の激しい環境での電圧・電界
の測定・監視用として、本発明の測定器は、非常
に有効なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは縦型の光による電圧・電界測定器の
基本構成図、第１図ｂは1/4波長板の作用を説明
のための波形図、第１図ｃは横型の同上測定器の
基本構成図、第２図は温度補償型の電気光学結晶
を示す構成図、第３図はLiNbO₃を使用した温度
補償型電圧・電界測定器の一定入力電圧に対する
変調度が温度によつて変化する状態を示す温度特
性線図、第４図はBi₁ ²SiO² ₀を利用した特開昭56
−100364号公報記載の電圧測定器の温度安定性の
例を示す図、第５図は検光子の＜011＞方向（Ｘ
軸方向）に対する方位角と変調度の温度による
安定性との関係を示す図、第６図は従来例と本発
明の実施例の変調度の温度変化による変動率を比
較するグラフである。第７図は結晶長ｌと温度安
定性の良好な検光子角との関係についての実験結
果を示す図である。第８図は結晶長ｌ＝4.66mm、
検光子角＝45゜のときの変調度の変動率を示す為
の図である。第９図は光波長とBSO，BGOの旋
光能との関係を示す図である。 図面中、１は入射光光源、２は偏光子、３は1/
４波長板、４は電気光学結晶、５は検光子、６は
透明電極、７は電源、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光の進行方向に沿い、偏光子、電気光学結晶
   および検光子を順次配列し、偏光子と電気光学結
   晶、または電気光学結晶と検光子の間に波長板を
   挿入してなり： 前記電気光学結晶が旋光性を有する材料であ
   り； 前記検光子の方位が、前記電気光学結晶の光学
   軸を基準として、次式 ≒θl 但し、 θ：使用環境の温度変動幅の中点付近における
   電気光学結晶の前記光に対する旋光能、 ｌ：光の進行方向に測つた電気光学結晶の厚
   さ、 で与えられる角度゜に実質的に等しい角度だけ回
   転させられていること； を特徴とする電気光学結晶に印加された電圧また
   は該電気光学結晶の置かれた電界の強度を、前記
   検光子で検波された出力光の光強度によつて測定
   する電圧・電界測定器。 ２ 前記電気光学結晶がビスマスシリコンオキサ
   イド（Bi₁₂SiO₂₀）又はビスマスゲルマニウムオ
   キサイド（Bi₁₂GeO₂₀）であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の電圧・電界測定器。 ３ 前記の光の波長が800〜900nmであり、前記
   検光子の方位が次式 （0.90θl−4.5）゜（1.03θl＋２）゜ を満たすようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光による電圧・電界測定器。 ４ 前記の光の波長が800〜900nmであり、前記
   検光子の方位角が実質的に次式 ＝（0.95θl−1.5）゜ を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の光による電圧・電界測定器。 ５ 光の進行方向に沿い、偏光子、電気光学結晶
   および検光子を順次配列し、偏光子と電気光学結
   晶、または電気光学結晶と検光子の間に波長板を
   挿入してなり： 前記電気光学結晶が旋光性を有する材料であ
   り； 前記検光子の方位が、前記電気光学結晶の光学
   軸を基準として45゜回転させられており； 前記電気光学結晶の光の進行方向に沿つた長さ
   ｌが、次式、 ｌ≒45゜／θ 但し、 θ：使用環境の温度変動幅の中点付近における
   電気光学結晶の前記光に対する旋光能、 で与えられること； を特徴とする電気光学結晶に印加された電圧また
   は電気光学結晶の置かれた電界の強度を、前記検
   光子で検波された出力光の光強度によつて測定す
   る電圧・電界測定器。 ６ 前記電気光学結晶がビスマスシリコンオキサ
   イド（Bi₁₂SiO₂₀）又はビスマスゲルマニウムオ
   キサイド（Bi₁₂GeO₂₀）であることを特徴とする
   特許請求の範囲第５項記載の電圧・電界測定装
   置。 ７ 前記の光の波長が800〜900nmであり、前記
   電気光学結晶の厚みｌが4.5〜4.8mmであり、検光
   子の方位が略45゜であることを特徴とする特許
   請求の範囲第６項記載の光による電圧・電界測定
   器。