JPH0650997A

JPH0650997A - 光電圧センサ

Info

Publication number: JPH0650997A
Application number: JP4204979A
Authority: JP
Inventors: Hisakazu Okajima; 久和岡島; Masanobu Yamamoto; 正信山本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】偏光子、波長板、電気光学素子および検光子を
備え、波長板の複屈折温度特性の影響を受けない測定精
度の高い光電圧センサを、少ない構成部品で小型に構成
すること。【構成】波長板として直線偏光に付与する位相差の値を
正負互いに反する同一値とする一対の位相差付与部２２
ａ，２２ｂを有する波長板２２を、電気光学素子として
直線偏光に付与する位相差の値を互いに異にする一対の
位相差付与部２３ａ，２３ｂを有する電気光学素子２３
を採用し、波長板２２および電気光学素子２３を偏光素
子２１と検光子２４間に波長板２２の位相差付与部２２
ａ，２２ｂの境界面および電気光学素子２３の位相差付
与部２３ａ，２３ｂの境界面を直線偏光における光束の
中心と一致させて配置し、波長板２２の複屈折温度特性
を相殺した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電圧測定装置を構成する
電圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧測定装置は送電所、変電所の送電
線、配電線等における電圧を測定して故障区間、故障点
等を検出するために使用されるもので、センサ部として
光電圧センサが採用されている。また、電圧センサの一
形式として特開昭６１−２２３８２１号公報に示されか
つ図２に概略的に示されているように、偏光子１、１／
４波長板２、電気光学素子３、検光子４を備えたものが
知られている。当該電圧センサにおいては、光源５から
発せられて光ファイバーを介してマイクロレンズ６ａに
伝達された光が偏光子１に入射され、入射光が偏光子１
にて直線偏光に変換されて１／４波長板２に入射され、
波長板２にて互いに直交する偏光成分間にπ／２の位相
差を付与されて電気光学素子３に入射され、入射光は電
気光学素子３に印加された被測定電圧に応じた位相変調
を付与されて検光子４に入射され、検光子４にて各偏光
成分が検出され、被測定電圧に応じた光強度変化に変換
されて出力するるものである。

【０００３】なお、検光子４からの出射光はマイクロレ
ンズ６ｂを通し光ファイバーを介して受光器７ａに導入
されて受光器７ａにて光電変換され、交流・直流分配器
７ｂにて分配された信号の内直流分はＤＣアンプ８ａに
て増幅され、コンデンサを通して分離された交流分はＡ
Ｃアンプ８ｂにて増幅される。これらの直流分と交流分
とは割算器９に入力され、割算器９にて交流分／直流分
の演算がなされ、その値が信号として出力されて電圧強
度が測定される。

【０００４】ところで、当該光電圧センサにおいては、
電気光学素子３に対する印加電圧と光強度との間に線形
性をもたせるために１／４波長板２により直線偏光の互
いに直交する２つの偏光成分間にπ／２の位相差を付与
しているが、波長板２には複屈折に温度依存性があるた
め入射光に光学的バイアス点の移動が生じ、測定値が波
長板２の複屈折温度特性の影響を受けて電圧測定精度に
影響を及ぼすという問題がある。かかる問題を解消する
ため、上記した公報には波長板の複屈折温度特性（以下
これを単に波長板の温度特性という場合がある）を相殺
することにより温度特性を向上させた光電圧センサが開
示されている。

【０００５】当該光電圧センサ１０は図３に示すよう
に、入射光をその偏光面が互いに直交する第１の偏光成
分と第２の偏光成分の２つの直線偏光に分割してそれぞ
れ異なる方向へ出射する偏光子（第１の偏光子）１１を
備えるとともに、分割された一方の直線偏光の光路には
１／４波長板１２ａ、電気光学素子１３ａ、第１の検光
子１４ａおよび合波器１５を直列的に配置し、かつ分割
された他方の直線偏光の光路には光路の変更を行う全反
射ミラー１６ａ、全反射ミラー１６ａにて光路変更され
た光路には１／４波長板１２ｂ、電気光学素子１３ｂ、
第２の検光子１４ｂおよび出射光の方向を変更して一方
の光路に配置した合波器１５に入射させる全反射ミラー
１６ｂを直列的に配置して構成されている。

【０００６】かかる構成の光電圧センサ１０における互
いに分割された２つの直線偏光においては、各波長板１
２ａ，１２ｂの複屈折位相差の変化に基づく光強度変化
が互いに逆になり、電気光学素子１３ａ，１３ｂによる
位相差付与に基づく光強度変化が同一になるように構成
されている。従って、これらを合成した光は波長板の複
屈折位相差に関係なく一定となって波長板の複屈折温度
特性の影響を受けることがなく、当該光電圧センサ１０
は温度特性に優れた光電圧センサということができる。
なお、図３において、各符号５〜９は図２に示す符号に
対応するもので、光源５、各マイクロレンズ６ａ，６
ｂ、受光器７ａ、交流・直流分配器７ｂ、各アンプ８
ａ，８ｂおよび割算器９を示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、当該光電
圧センサ１０は温度特性に優れてはいるが、上記したご
とく主要構成部品が従来のこの種形式の光電圧センサに
比較して極めて多い。すなわち、図２に示す従来の光電
圧センサの主要構成部品は偏光子、波長板、電気光学素
子、検光子の４部品であるのに対して、図３に示す当該
光電圧センサ１０の主要構成部品は１個の偏光子、２個
の波長板、２個の電気光学素子、２個の検光子、２個の
全反射ミラー、１個の合波器１５等１０部品である。こ
のため、当該光電圧センサ１０は構成部品の増大に起因
して構成が複雑になるとともにセンサとしての形状が大
型化し、かつコストの増大を招くことになる。従って、
本発明の目的は、温度特性に優れた光電圧センサを少な
い構成部品で構成して構成を簡単化するとともに小型
し、かつコストの低減を図ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を直線
偏光にする偏光子と、入射光の２つの偏光成分間に所定
の光学的位相差を付与する波長板と、印加される電圧に
応じた光学的位相差を入射光の各偏光成分間に付与する
電気光学素子と、入射光の各偏光成分を合成する検光子
を備えた光電圧センサであり、前記波長板として入射光
に付与する光学的位相差の値を正負互いに反する同一値
とする一対の位相差付与部を有する波長板を採用すると
ともに、前記電気光学素子として入射光に付与する光学
的位相差の値を互いに異にする一対の位相差付与部を有
する電気光学素子を採用して、これら波長板および電気
光学素子を前記偏光子と前記検光子間に前記波長板にお
ける位相差付与部の境界面および前記電気光学素子にお
ける位相差付与部の境界面を前記偏光子から出射される
直線偏光における光束の中心と一致させて配置したこと
を特徴とするものである。

【０００９】本発明に係る光電圧センサにおいては、前
記波長板は２個の１／４波長板から構成されていてこれ
ら両１／４波長板は各屈折率楕円体の長主軸方向が互い
に９０度の角度をなして接合されている波長板を採用す
ることが好ましい。また、前記電気光学素子としては、
有効長を異にする一対の電極を有する２つ部位にて構成
されているもの、入射光の透過方向の厚みが互いに異な
る素子厚の２つの部位にて構成されているもの、位相差
を付与する機能を互いに異にする２個の素子を接合した
状態で構成されているもの等を採用することが好まし
い。これらの波長板および電気光学素子の偏光子と検光
子間での配置順序は、波長板および電気光学素子の順序
でもよく、またこれとは逆に電気光学素子および波長板
の順序でもよい。

【００１０】

【発明の作用・効果】このように構成した光電圧センサ
においては、偏光子にて直線偏光に変換された光束の中
心を基準として一方側と他方側とが互いに異なる一対の
光路を形成する。各光路における直線偏光は各波長板に
よる複屈折位相差の変化に基づく光強度変化が互いに逆
になり、かつ各電気光学素子による異なる位相差の変化
に基づく光強度変化が検光子にて検出され、受光器にて
合成された光の変調分は波長板の複屈折位相差の変化に
関係なく一定となって波長板の複屈折温度特性の影響を
受けるとがない。従って、当該光電圧センサは温度特性
に優れ、電圧測定精度の高い光電圧センサであるという
ことができる。

【００１１】また、当該光電圧センサにおいては、波長
板として各直線偏光に付与する位相差の値を正負互いに
反する同一値とする一対の位相差付与部を有する波長板
を、電気光学素子として各直線偏光に付与する位相差の
値を互いに異にする一対の位相差付与部を有する電気光
学素子をそれぞれ採用しているため、波長板の複屈折温
度特性を相殺する手段として１個の偏光子、１個の波長
板、１個の電気光学素子を採用すればよいとともに、こ
れらの部品を偏光子にて変換された直線偏光に対して特
定の関係に配置しているため、全反射ミラーが不要とな
る。従って、当該光電圧センサにおいては、構成部品が
少なくて構成を簡単化することができるとともに形状を
小型化することができ、かつコストの低減を図ることが
できる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明
するに、図１には本発明に係る光電圧センサを採用した
電圧測定装置が示されている。当該電圧測定装置は本発
明に係る光電圧センサ２０以外に従来と同様に光源５、
一対のマイクロレンズ６ａ，６ｂ、受光器７ａ、交流・
直流分配器７ｂ、ＤＣアンプ８ａ、ＡＣアンプ８ｂおよ
び割算器９を備えている。また、光電圧センサ２０は偏
光子２１、波長板２２、電気光学素子２３および検光子
２４にて構成されている。

【００１３】偏光子２１は入射光を直線偏光に変換する
光学ガラス製のもので、光源５から光ファイバー５ａを
介してマイクロレンズ６ａに伝達されて同レンズ６ａを
通して入射される光を直線偏光に変換して、同直線偏光
を波長板２２に出射する。波長板２２は２個の１／４波
長板にて構成された第１波長板部２２ａと第２波長板部
２２ｂとからなり、各１／４波長板のそれぞれの屈折率
楕円体の長主軸方向を互いに９０度の角度として互いに
接合されて一体化されているものである。これにより形
成された第１波長板部２２ａと第２波長板部２２ｂと
は、互いに異なる２つの位相差部位を構成している。す
なわち、第１波長板部２２ａは直線偏光の互いに直交す
る２つの偏光成分間に所定の光学的位相差を付与する機
能を有するもので、第２波長板部２２ｂはこれと同様に
機能する逆特性のものである。

【００１４】また、電気光学素子２３は有効長さが互い
に異なる長短の電極を有する２つの部位を有するLiNbO₃
からなる電極間素子厚ｄを有するもので、本実施例にお
いては第１部位２３ａの有効電極長さはＬに、かつ第２
部位２３ｂの有効電極長さは２Ｌに設定されていて、こ
れら両部位２３ａ，２３ｂが互いに異なる２つの位相差
付与部位を構成している。第１部位２３ａは入射光の２
つの偏光成分間に所定の光学的位相差を付与する機能を
有するもので、第２部位２３ｂは各偏光成分に第１部位
２３ａとは異なる光学的位相差を付与する機能を有する
ものである。検光子２４は偏光子２１と同様のもので、
各偏光成分を検出する。

【００１５】波長板２２および電気光学素子２３は偏光
子２１と検光子２４との間に配置されるが、波長板２２
においては第１，第２波長板部２２ａ，２２ｂの屈折率
楕円体の主軸方向が偏光子２１からの直線偏光の偏光面
と４５度の角度の関係をなし、かつ両波長板部２２ａ，
２２ｂの接合境界面が偏光子２１から出射される直線偏
光の光束の中心Ｏに一致させて配置されている。また、
電気光学素子２３においては、第１，第２部位２３ａ，
２３ｂにおける結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）に対してｚ軸が光
軸に平行で下記の数１式

【００１６】

【数１】ｘ’≡{1/(2)^1/2}×(ｘ−ｙ) ｙ’≡{1/(2)^1/2}×(ｘ＋ｙ) で定義される光学的主軸ｘ’，ｙ’が波長板２２におけ
る各波長板部２２ａ，２２ｂの屈折率楕円体の長主軸方
向に一致するように、かつ第１，第２部位２３ａ，２３
ｂの境界面が上記光束の中心Ｏに一致して配置されてい
る。従って、偏光子２１から出射された直線偏光の光束
のうち光束の中心Ｏを基準にして一方側の成分（以下こ
れを第１成分光束２５ａという）は、波長板２２の第１
波長板部２２ａに入射され、第１波長板部２２ａから出
射されて電気光学素子２３の第１部位２３ａに入射さ
れ、検光子２４へ出射される。また、偏光子２１から出
射された直線偏光の光束のうち光束の中心Ｏを基準にし
て他方側の成分（以下これを第２成分光束２５ｂとい
う）は、波長板２２の第２波長板部２２ｂに入射され、
第２波長板部２２ｂから出射されて電気光学素子２３の
第２部位２３ｂに入射され、検光子２４へ出射される。

【００１７】このように構成した光電圧センサ２０を採
用した電圧測定装置の動作について説明すると、光源５
から発せられた波長λの光は光ファイバー５ａを介して
マイクロレンズ６ａに伝達され、同レンズ６ａから平行
光として偏光子２１に入射される。入射された光は偏光
子２１にて直線偏光に変換されて直角方向へ出射され、
光束の中心Ｏを基準として対称に位置する第１成分光束
２５ａと第２成分光束２５ｂのうち、第１成分光束２５
ａは波長板２２の第１波長板部２２ａに入射され、かつ
第２成分光束２５ｂは波長板２２の第２波長板部２２ｂ
に入射される。第２成分光束２５ａは第１波長板部２２
ａにて位相差π／２が付与され、かつ第２成分光束２５
ｂは第２波長板部２２ｂにて位相差−(π／２)が付与さ
れ、これらの光束のうち第１成分光束２５ａは電気光学
素子２３の第１部位２３ａに入射され、かつ第２成分光
束２５ｂは電気光学素子２３の第２部位２３ｂに入射さ
れる。

【００１８】第１部位２３ａに入射した第１成分光束２
５ａは第１部位２３ａにてさらに、電気光学素子２３の
印加電圧に比例した位相差Гzが付与され、かつ第２部
位２３ｂに入射した第２成分光束２５ｂは第２部位２３
ｂにてさらに、電気光学素子２３の印加電圧に比例した
位相差２Гzが付与されて検光子２４を通って直角方向
に出射される。これら第１，第２成分光束２５ａ，２５
ｂは検光子２４にて検出され、マイクロレンズ６ｂにて
集光されて受光器７ａに出力される。

【００１９】当該光電圧センサ２０において、偏光子２
１に対する入射光の光強度をＩ0、電気光学素子２３の
第１，第２部位２３ａ，２３ｂからの出力光の光強度を
Ｉ1，Ｉ2、波長板２２の位相差の温度依存係数をｋ、常
温からの温度差をΔＴ、検光子２４を経てマイクロレン
ズ６ｂから出射される光の光強度をＩとすると、sinГz
がГzに近似することから下記数２式が成立する。

【００２０】

【数２】Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2 ＝{(1/2)×(1/2)×Ｉ0×(1−k・ΔT−Гz)} ＋{(1/2)×(1/2)×Ｉ0×(1＋k・ΔT＋2Гz)} ＝(1/4)×(2＋Гz) 但し、Гz=(2π/λ)×ｎ₀ ³・γ₂₂×(L/d)×・Vであって、
ｎ₀は電気光学素子の波長λの光に対する常光屈折率、
γ₂₂は電気光学素子の波長λの光に対する光学係数、Ｖ
は印加交流電圧である。

【００２１】この光強度Ｉの光は受光器７ａにて電気信
号に変換されて分配器７ｂにて分配され、分配された交
流成分と直流成分はそれぞれＤＣアンプ８ａとＡＣアン
プ８ｂで増幅され、出力された交流成分{(1/4)×Ｉ0×
Гz}と直流成分{(1/4)×Ｉ0＋2}は割算器９で演算され
て、下記数４式に示す出力Ｉｏｕｔ

【００２２】

【数４】Ｉｏｕｔ＝{(1/4)×Ｉ0×Гz}／{(1/4)×Ｉ0＋2} ＝(1/2)×Гz が得られる。この出力は温度依存項(k・ΔT)を含まず、
印加電圧Ｖに比例する。

【００２３】このように、当該光電圧センサ２０は温度
特性に優れ、電圧測定精度の高い光電圧センサである
が、波長板として直線偏光に付与する光学的位相差の値
を正負互いに反する同一値とする一対の位相差付与部を
有する波長板２２を採用し、かつ電気光学素子として各
直線偏光に付与する光学的位相差の値を互いに異にする
一対の位相差付与部を有する電気光学素子２３をそれぞ
れ採用しているため、波長板の複屈折温度特性を相殺す
る手段として１個の偏光子２１、１個の波長板２２、１
個の電気光学素子２３を採用すればよいとともに、これ
らの部品を偏光子２１にて変換された直線偏光に対して
特定の関係に配置しているため、全反射ミラーの採用を
省略することができる。従って、当該光電圧センサ２０
においては、図３に示す従来のこの種の光電圧センサに
比較して構成部品が少なくて、構成を簡素化することが
できるとともに形状を小型化することができ、かつコス
トの低減を図ることができる。

【００２４】なお、本実施例においては、波長板２２お
よび電気光学素子２３をこの順序で偏光子２１と検光子
２４間に配置した例について示したが、本発明において
は波長板２２および電気光学素子２３をこれとは逆の順
序で偏光子２１と検光子２４間に配置してもよい。ま
た、本実施例においては電気光学素子２３として、長さ
が互いに異なる電極を備えた２つの部位を備えた電気光
学素子を採用した例について示したが、本発明において
は入射光の透過方向の厚みが互いに異なる素子厚に構成
されている電気光学素子、位相差を付与する機能を互い
に異にする２個の素子を接合してなる電気光学素子等を
採用することができる。

【００２５】（実験）図１に示す光電圧センサ２０にお
いて、各偏光子２１および検光子２４として光学ガラス
製のPBSを、波長板２２として１／４波長板を互いに逆
特性に接合してなる波長板を、電気光学素子２３として
有効電極長Ｌ＝４mm、素子厚ｄ＝２mmを採用し、光波長
λ＝８５０nm、印加電圧＝１０V交流電圧、温度＝−２
０〜＋８０℃の条件の下で出力Ｉoutを測定して、温度
２５℃での同様の出力に対する変化率を算出した結果を
図４の（ａ）に示すとともに、同図の（ｂ）には図２に
示す従来の基本的な光電圧センサにおける同様の結果を
示している。これらの結果を比較すると、本実施例の光
電圧センサ２０においては温度依存性が無くて、温度特
性に優れていることが明かである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光電圧センサを採用し
た電圧測定装置の概略構成図である。

【図２】従来の一般に採用されている光電圧センサを採
用した電圧測定装置の概略構成図である。

【図３】従来の温度特性の良好な光電圧センサを採用し
た電圧測定装置の概略構成図である。

【図４】各光電圧センサにおける出力変化率と温度との
関係をそれぞれ示すグラフである。

【符号の説明】

１，１１，２１…偏光子、２，１２ａ，１２ｂ，２２…
波長板、２２ａ…第１波長板部、２２ｂ…第２波長板
部、３，１３ａ，１３ｂ，２３…電気光学素子、２３ａ
…第１部位、２３ｂ…第２部位、４，１４ａ，１４ｂ，
２４…検光子、１５…合波器、１６ａ，１６ｂ…全反射
ミラー、５…光源、６ａ，６ｂ…マイクロレンズ、７ａ
…受光器、７ｂ…分配器、８ａ，８ｂ…アンプ、９…割
算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を直線偏光にする偏光子と、入射光
の２つの偏光成分間に所定の光学的位相差を付与する波
長板と、印加される電圧に応じた光学的位相差を入射光
の各偏光成分間に付与する電気光学素子と、入射光の各
偏光成分を検出する検光子を備えた光電圧センサであ
り、前記波長板として入射光に付与する光学的位相差の
値を正負互いに反する同一値とする一対の位相差付与部
を有する波長板を採用するとともに、前記電気光学素子
として入射光に付与する光学的位相差の値を互いに異に
する一対の位相差付与部を有する電気光学素子を採用し
て、これら波長板および電気光学素子を前記偏光子と前
記検光子間に前記波長板における位相差付与部の境界面
および前記電気光学素子における位相差付与部の境界面
を前記偏光子から出射される直線偏光における光束の中
心と一致させて配置したことを特徴とする光電圧セン
サ。
【請求項２】前記波長板および電気光学素子がこの順序
で前記偏光子と検光子間に配置されていることを特徴と
する請求項１に記載の光電圧センサ。
【請求項３】前記電気光学素子および波長板がこの順序
で前記偏光子と検光子間に配置されていることをを特徴
とする請求項１に記載の光電圧センサ。
【請求項４】前記波長板は２個の１／４波長板から構成
され、これら両１／４波長板は各屈折率楕円体の長主軸
方向が互いに９０度の角度をなして接合されていること
を特徴とする請求項１、２または３に記載の光電圧セン
サ。
【請求項５】前記電気光学素子は有効長を異にする一対
の電極を有する２つ部位にて構成されていることを特徴
とする請求項１、２、３または４に記載の光電圧セン
サ。
【請求項６】前記電気光学素子は入射光の透過方向の厚
みが互いに異なる素子厚の２つの部位にて構成されてい
ることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の
光電圧センサ。
【請求項７】前記電気光学素子は光学的位相差を付与す
る機能を互いに異にする２個の素子を接合した状態で構
成されていることを特徴とする請求項１、２、３または
４に記載の光電圧センサ。