JPS5896255A - 電界センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的な電界センサーとしては、従来よりポッケルス効
果による電気光学結晶の電界印加に対する屈折率変化の
異方性を用いたものが知られている。しかしこれは動５
作特性が加工槽［Ｋ大きく依存し、製造時における結晶
軸に対する切出面の角度の高精度の選定および研！！！
ｌ！−行わねばならない等の欠点がある。１九、検出感
度の調整は光の透過距離ｔ−変えることにより行うため
、高感＆？狙りたものでは透過損失により検出光強度が
低下し、光ファイバ等のように小開口、拡散性の光ガイ
ドを使用する時に光ガイドと電気光学結晶との結合が困
難になる欠点がある。さらに、電気光学定数が比較的大
きいＬｉＴａ０１　　、ＬｉＮ１０ｇ等を用いるときで
社それらの複屈折特性の温度依存性が非常に大きく、屈
折率ＯＳ度変化管補償するため構造が複雑化する欠点が
ある。以上のよう力欠点があるため、電気光学結晶管用
いた電界センサは低感度にとどマリ、製造コストの高い
ものとなっている。

本発明は現在、卓上電子計算機のディスプレイ用等に広
く使用されているものと同程度の品質ＯＷ晶パネルを用
いてセンサーを構成し、高感度の電界センサーを安価に
供給することを目的とする。これら液晶パネルでは従来
性われてい友結晶の研磨等精度ｔ１！する作業を必要と
しないＯ 現在量も一般的でおるＴＮ形液晶パネル（偏光板を設は
九ものを指す）を例にとって実験するＫｔＩｉ晶セルで
電極間隔１０声ｍのものに２ｖの直流電圧全印加すると
９０−の光透過率の変化が得られる。これに反し、電気
光学結晶の一つであるＡＤＰ　を用いたポッケルスセル
（半波長電圧Ｖｆ＝１０４Ｖ、厚さ１■）に同じ強度の
電界管加えた時の透過率変化は０．１％である。これよ
り、液晶パネルを用いた電界センサは電気光学結晶によ
るセンナに比べはゐかに高感度であることがわかる、こ
の高感度は使用光源強度の変動及び検出後の電気釣針１
１１に対する要求を大幅に緩和する。上記に加えて液晶
パネルでは偏光板ｔ−接着した状態でありてもパネルの
厚さｔＩＷ程度にすることができ、入射光、透過光の光
ファイバによる結合が容易となる。

本発明のセンサの場合は、液晶パネルの厚さ方向の構造
だけで動作特性が決まる九め、ビーム断面積の小さな入
射光管用いて、センサ一部分を極めて小形化できる。さ
らに後述するように液晶パネルの一方の外面に設けられ
た反射鏡を使りて入射光と反射光″Ｉｋ液晶パネルの片
面のみから送受するときは外形が非常にコンパクトなプ
ローブ状となる。それは周囲電界の乱を少くできること
を意味する。

第１図に本センサの構造の一例金示す。ｗ、１図ａは第
１図すのセンサ一部分１０の拡大断面図である。ここで
は、液晶パネルの一方の外面にガラス等で作られ九レン
ズ状透明体６に誘電体多層膜または金属蒸着管筒した反
射膜７ｔ−持つ反射鏡ｔＷ！着しである。このし／ズ状
透明体６と反射膜７により作られる凹面鏡は入出射州党
ファイバ１１．１２の結合管目的としている。

凹ｍｏ形状は、例えば光ファイバー１１，１２の端面と
反射膜中央部までの距離ｒ’６半径とする球ｌとする。

入射光はファイバ１１より入射して拡散しながら液晶２
を透過するが凹面鏡は光管集束して出射光ファイバ１２
の端面に反射すｌ！は光が液晶パネルを厚さ方向で直進
すればよくレンズ、ミラーを用いる別種の党略の構成も
可能である。液晶パネルは通常の卓上電子計算機のディ
スプレイ用パネルと同様の構造を持つＴＮｙ＃液晶パネ
ルであり、２枚のガラス板１、ガラス板間に刺入された
液晶セル２、とガラス板０外面に接着された互いの偏光
方向を直交する偏光板５により構成される。液晶の材質
はＴＮ効果を示すｔのであれば何であってもよく、材質
によるパネル動作Ｏ閾値電圧の違いｔ−洞用して本セン
ナの感ｆｔ−調整することが可能である。第１図すで光
源ＬＥＤ、検出器ＦＤを含む電気的部分は長尺の光ファ
イバ１１．１２によシセンサ部１０と結ばれている。こ
の構成は被ｌ１ｌＪ定電界の乱れを抑え、または強電界
から電気的装置と観ＩＩＩ者を保護し、遠隔−短管可能
にし、光ガイド部分の空間占有率の減少に効果がある。

光ファイバ１１．１２と液晶パネルは第１図８に示すよ
うに、ファイバ補強＃９を用いて被覆接着し、一体化し
ている。補強材は不透明な絶縁材料（例えば黒色館林を
含むエポキシ樹脂等）で作り、ファイバ結合部およびパ
ネルの連光を゛行う。必要なときは、更に上記光源検出
ｌ！ＰＤ、ＬＥＤ等の周囲を塗装、を九は樹脂モールド
等によｐ補強、遮光を強化してもよい。

第２図はＴＮ形液晶パネルＯ印加電圧−透過率特性の例
である。一般的な１１１０Ｊｔｎのセルの幅を時つ’Ｉ
’Ｎｉｌ晶パネルでは閾値電圧ｖｔｈ”＝ＩＪ（Ｖ）、
飽和電圧ｖｓａｔ−２Ｖ程度であるため、これでａ２０
００Ｖ／ｍｔでの電界強度が測定可能である。

光源は単色光である必ｌｌ！はなく、液晶のねじれのピ
ッチに比べ十分小さい波長を有効成分とするものであり
、且出力強度の安定しているものであれば何でも良く、
例えばこの図のようにＬＨＤが使用できる。ただし、反
射膜７に誘電体多層膜を使用する場合は反射膜の分光特
性に光源のスペクシラムを合わせる必要がある。

ポッケルス効果を用いた光学的電界センサは光源が単色
光でなければならずレーザーまたは狭帯竣な波長フィル
ターの使用が必要であるといった欠点があるのに対し、
本センサーではＬＢＤ１白熱ランプ等各種の光源が使用
できるという大きな特ｑＩｋ管もつ。

なお、ＴＮ形液晶パネルの印加電界に対する透過光強度
の時間的応答は、ＤＣ，ステップ状パルス電圧で立上り
、立下）時間とも数百Ｈａｔ〜数十票減でＴｏす、交流
電界印加時の分子配向は電界の絶対値の平均に比例する
。

従って交流の時の透過率は直流１１におけるものと数Ｋ
Ｈｚまで同等である。透過率の変化を電界の変化に追随
させたいときゃ検出後の増幅を容易にするためＫは光源
を適尚な周波数（例えば１０ＫＨｚ）で強度変調して目
的を達成する。

検出器は上記の光源の変調周波数に追従できるか、を走
は光源強度一定の場合はステップ状電界印加に対する液
晶パネルの応答に追随できる亀のであれは棗い。

光源と検出器は互に大きく離れた位置に置かれても良い
が、第１図は光源と検出器が近接して置れ九場合で、し
かも光源出方の一部を取や出して検出部に導き検出光と
直接比較を行うものを示している。

ｔた、第２図に見られるように、印加電圧−透過率特性
は一定の閾値を持つため既述のＴＮ形液晶の材料の選針
τ蘭値調整を行うことで、センサー自体にレベル検出の
機能を持たせることができ、用途によっては検出後の電
気回路によるレベル検出を省略して一定値以上の電界の
存在管直ちに有効に検知できる。導電体の周囲の電界を
検出して、その導電体の電位を非接触で一定するような
場合は、（上記液晶材料による感ｆｌｌｌＩＩ整の他Ｋ
）センサーと被測定導体の相対位置ｔ−変えて感度およ
び閾値レベルを調整することができる。

以上により、本センサーが従来のポッケルス効果による
光学的電界セフｆに比べ、製造が容易でＴｏり、小形、
かつ高感であり、さらに闇値特性管持つことより、電界
および電圧の測定のみでなく、一定値以上の電界強度の
有無の検出でｉｔ特に有効であり液晶パネルの片面のみ
から光の入出射を行う九め外形がコンパクトとかりセン
サーの設置が容易となることを示した。

本センサの応用としては、電力分野での強電界０１ｊＪ
足および電圧の非接触測定を高絶縁、高インピーダンス
で安全にＩＩＩ定するといった従来の光学的電界センサ
ーとまったく同様に使える。

高感度であるため、数ＫＶ以下の配電線の活線か非油Ｉ
ｌを遠方から容易にＩＩＩ定できることが挙げられる。

小形であるため、検出部を移動しながら空間電界のＩｌ
ｌ定を行うことや、狭い場所へ挿入してＩＩＪ定するこ
と等にも有効に使用できる工業上有益な発明ということ
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ｂ）は本発明の電界センサーの実施例の構成を
示す図。 第１図（１）はその検出部の拡大断ＷＩ図。 ＩＩ！２図はＴＮ形液晶パネルの印加電圧−透過率特性
の図。 第３図（１）は本発明の実施例の検出状況の図。 第３図（ｂ）はその検出特性のグラフ。 １、　ガラス板 ２、液晶 ３、　封着剤 ４、　スペーサー ５、　偏光板 ６、　　レンズ状透明体 ７、　反射膜 ８、　　補強板 ９．　　補強材（ＩＩ！ｉ装またはモールド）１０、　
　センサ一部 １１、　　入射光ファイバー １２、　　　出射光７アイパー Ｐ、Ｄ、　　フォトダイオード ＬＥＤ、　　発光ダイオード １４、　　比較器 Ｄ　　　分配器 ＯＵＴ　、　　　出　　力 ■ｔｂ、関値電正 値電圧ｔ、　　飽和電圧 ８ｉＰＤ、　　シリコンフォトダイオードｄ、　　鋼線
と液晶パネルの間隔 特許出願人　　東洋？信機株式会社 手続補正書（大成・） １、事件の表示 昭和り年　　　ｎ針　願第　１９夕ｏｉｆ号２、ンｏｐ
の名称 亀１しサー ３、補正をする者 事件との関係　　　出願人 郵便番号　２５３−０１　　　　電話　０４６７−７４
−１１３１　（代表）５、補正により増加する発明の数
　０ ６、補正の対象 明細あの、！！７Ｉ＆７め勘ψを跣Ｖβ−探。 ７、補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　電界強度に対応して光の透過率または反射率
   量変化する素子を用いた光学的電界センサにおいて、検
   出素子としてＴＮ形液晶パネルを用い、腋箪晶パネルの
   液晶をはさむ２つの偏光板のうちの一方の外面に反射鏡
   を設け、他方Ｏ偏光板の外面から元鍵の党を元ファイバ
   等のライトガイドで導き、該液晶を透過し該反射鏡で反
   射されて再度該液晶を透過した光を該他方の偏光板の外
   面がら骸ライトガイドまた社他のライトガイドで受けて
   光検出器に導き、咳光源の光強度と諌光検出器の検出光
   強度の比較によシ該液晶パネルの透過率を求めることＫ
   より、液晶パネル設置位置の電界強度ｔ−１１１定する
   こと１に４１ｇｌ１．とする電界センサーＯ （り　諌光榔の光が一定強度そある第１項記載の電界セ
   ンサー。 （３）＃光源の光が、検出後の電気的増幅にそなえて、
   強度変調されている第１項記載の電界センサー。