JPS59159110A - 光学部品の接着構造 - 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】 （ア）要約 電気光学効果を有する光学部品を、基板に接着する際、
光学部品と基板の接着面積を少くする。

基板に溝を堀って、光軸と離れた小部分で光学部品と基
板とを接着する。或は光学部品に溝を切って、底面の接
触面積を減じ、狭い面積たけで、光学部品と基板とを接
着するようにする。又は、光学部品に数個の足を付けて
、これにより間接的に基板と接着する。

（イ）　技術分野 電気光学効果は、印加された直流又は交流の電界によっ
て媒質の屈折率が変化する現象をいう。

油接率変化が電界の１乗に比例するものを一次電気光学
効果又はポッケルス効果という。

油接率変化が電界の２乗に比例するものを二次電気光学
効果又はカー効果という。

電気光学効果を記述すべき電気光学係数は、３階又は４
階のテンソル量である。これは物質固有の係数であるが
、光周波数、結晶状態にも依存する。

ポッケルス効果は、反転対品性のない圧電性結晶にのみ
現われる。カー効果はすべての物質に存在する。

電気光学係数は、応力が加わると変化する。ポッケルス
効果の場合、印加電界による直接的効果の他に１、逆圧
電効果と光弾性効果を介する間接的効果も加わる。

ポッケルス効果は、ＬｉＴａＯ３、ＫＤＰ、ＧａＡｓ、
ＬｉＮｂＯ３、Ｂ１１２Ｓｉ０２ｏ（８６０と略称）な
１どに見られる。ＬｉＴａｏｉ、ＬｉＮｂｏｓは自然複
屈折を示（７、屈折率が温度によって変化する。ＢＳＯ
は自然複屈折がない。屈折率は温度によって変化しない
。

ポッケルス効果を奏する物質は、電界又は電圧の強さを
測定するセンサとして用いる事ができる。

特に電圧計とセンサとは光ファイバで接続することにす
れば、電線と電圧計とは絶縁さねでいるので、高圧であ
っても安全に電圧測定することができる。

第６図はそのような光フアイバ電圧計の略構成図である
。

センサの部分は、偏光子１、％波長板２、ＢＳＯ単結晶
３、検光子４を同一光軸上に１ｌＦｔに並べたものであ
る。電圧計本体（図示せず）とセンサと（ｒｉ、入力光
ファイバ６と出力光ファイ／く７によって接続される。

ＢＳＯ単結晶３の光軸と直交する面に電極があり、被測
定電源５の両電極は、ＢＳｏ単結晶３の電極に接続され
る。

入力光ファイバ６の光源は例えば、中心波長が０８７μ
ｍの発光ダイオードとする。発光ダイオードの尤の偏波
面はランダムである。偏光子１を通ると、これが直線偏
光になる。

ＢＳＯ単結晶３の光軸を２軸、これに直角な而Ｃ）直交
する二軸をｘ、ｙ軸とする。ｘ、ｙ、ｚは屈折重相国体
の主軸に一致するようＢＳｏ単結晶を適当な角度で騙り
出している。

ＢＳＯ単結晶に加わる電界が０のとき、Ｘ方向に偏波し
ている光波と、ｙ方向に偏波している光波の屈折率は同
じである。ＢＳＯ単結晶の２方向に電界が印加されると
、ポッケルス効果があるので、Ｘ方向に偏光する光波と
ｙ方向に偏光する光波の屈折率が異なってくる。屈折率
差は電界の強さに比例する。

屈折率差があると、光の速度が異なるから、Ｘ方向の光
波Ｅｘと前方向の光重Ｅｙとの間に位相差が現われる。

位相廠系あるＺで、直線偏光の〜、ツレ 光が楕円偏光になる。

検光子４は、偏光子１と同じもので、一定方向の偏光成
分のみを取出して出力光ファイノシ７へ伝える。

％波長板２は、Ｘ方向又はｙ方向に偏波している光波成
分の間に９０°の位相差を与えるものである。これがあ
ると、印加電圧がＯの時に、ｘ、ｙ偏光の位相差が９０
°として出力されることになる。

位相差９０°の近傍は、直線性が良く、位相変化の微係
数が大きいので、ここを測定の中心（電圧ＯＶ）にしで
ある。

このような電圧計に於て、入力光ファイバ６には一定強
度の光を与える。ＢＳｏ単結晶３に電界が印加されてい
ない時は、出力光ファイバγから一定強度の光が出射さ
れる。しかし、ＢＳＯ単結晶３に交流電界が加わると、
出力ファイバフの出力が変動する。

第７図（ａ）は入力光強度、（ｂ）は出力光強度を例示
するグラフである。縦軸は光強度、横軸は時開を示す。

ＢＳＯ結晶に電界が印加されていない時、出力光強度が
一定値ＤＣである、とする。被測定電＃５から交流電圧
がＢＳｏ結晶に印加されると、（ｂ）の実線で示す正弦
波形となる。ピークからピークの値ＡＣを、直流値ＤＣ
で除したものを変調度という。

変調度（ＡＣ／ＤＣ）は被測定電源５の電圧に比例する
から、これによって電圧を測定できる。

（り）　従来技術 このような高電圧用のセンサは公知であり、多くの提案
もなされている。例えば、浜崎ほか「光応用電界センサ
」、「電気通信学会技術研究報告」０ＱＥ８０−４．１
９８０年４月に説明されてイル。

センサと計測器本体を光ファイバのみで接続するから、
絶縁性に優れ安全である。しかし、このような電圧電界
センサは、未だ実用化されていない。提案の段階より踏
み出す事ができない。

その理由は、温度特性が悪い、という点にある。

本発明者はそう考えている。一般に、ＢＳｏを使う数％
の変動幅は小さいと言えるかも知れない。

しかし、温度変化は必ずあるのであるから、測定値には
数％の誤差が含まれる可能性がある。測定器として−１
，Ｚ　２％もの誤差があるものを使用するわけにはゆか
ない。

第８図は従来のＢＳＯ結晶の基板への接着構造を、示す
斜視図である。

直方体のＢＳＯ単結晶３は、基板８に対し、底面全域が
接着剤９によって接着されている。

基板８をアルミとして、これに偏光子、検光子、％波長
板などを接着したセンサを作り、温度特性を測定した。

第９図（はこの電圧センサの温度特性を示すグラフであ
る。

ＢＳＯ単結晶に印加した交流電圧は３５０Ｖ、光ファイ
バによって、センサへ入射させた光は、中心波長が０．
８７μｍの発光ダイオードの光である。出力光ファイバ
からの光強度はｐｉｎフォトダイオードで受光して測定
した。

横軸は温度である。縦軸は変調度変動である。

ある温度から出発することとし、この時の変調度（ＡＣ
／ＤＣ）を１００％とし、これに対する変調度の比を縦
軸に示す。

１５°Ｃから出発し、昇温させると、変調度は減少して
ｌｌ＜。８０℃で約２％減少する。逆に温度を下げると
、変調度は増大してゆく。−１０″Ｃで約０．３％初期
の値より高くなる。

これらの値は、既になされた報告の値と、大きく異なる
ものではない。このような温度変動は、測定器を構成す
る素子として使用する上に於て、致命的といえる。

しかし、この温度変動は、電気光学結晶（ＢＳＯ）に内
在的なものなのであろうが？ 、　木発、明は、この点について深く検討した。電気光
学係数の値は、物質にょ抄、温度により、光の波長にも
よる。また、結晶に加わる応力によっても異なる。

電気光学効果が顕著に現われる物質は、応力に対する感
受性も大きいはずである。

これまで、ＢＳＯの電気光学係数の温度変動といわれた
ものに、応力にょる変動が間接的に含まれているのでは
ないが？ 本発明者は、このように考えた。

従来の測定は、基板にＢＳＯ単結晶を第８図に示すよう
に全面接着してからなされていた。ＢＳＯとアルミ基板
は熱ｌ彫脹率が異なる。接着した時の温度よりも、層温
した場合、あるいは温度が下降した場合、。ＢＳｏに大
きい応力が加わる。この応力による効果が、電気光学係
数の変動をより顕著なものにしている可能性がある。

本発明者は、応力と温度の効果を分けて考えるべきだ、
と気付いた。

もつともよいのは、［３９０を固定せず、自由な熱膨張
、収縮を許すようにすることである。しかし、固定しな
いと、実際の測定はできない。

（１）　本発明の接着構造 本発明者は、そこで、熱応力の発生が最も小さくなるよ
うな接着構造を考えた。

その結果、ｍ結晶と基板とを底面全体で接着せず、一部
分のみで接着すればよい、という事に想い至つンｔ０ このためには、底面の一部のみに接着剤を塗布すればよ
いわけである。しかし、ＢＳＯ中結高結晶法が小さいの
で、接着剤が全面に拡る可能性か強い。

これを避けるためには、基板に溝を堀るか、日ＳＯ結晶
に溝を掘るか、又は、短い数本の足を介してＢＳＯ結晶
と基板とを接着するようにすれば良い。

以下、実施例を示す図面によって説明する。

第１図は本発明の光学部品の接着構造を示す斜視図であ
る。

基板８に溝１１が切っである。ＢＳＯ単結晶３は、溝１
１に捷たかるように基板８の上に置かれ接着剤９により
、底面の両端部のみが接着されている。

溝１１の直」二の部分は接着されていない。

光路１０は、溝１１と平行に、ＢＳＯ単結晶３を貫いて
いる。光路１０の部分と接着剤９で接着されている部分
は離隔しそおり、熱膨張の相異により、ＢＳＱ単結晶３
の下半分には、熱応力が発生するが、光路１０の通過す
る部分には熱応力が殆ど生じない。これが、第８図に示
す従来例の接着構造と異る点である。

このような接着構造の電圧計を製作して特性を比較した
。

第２図は電圧計のセンサ部分の分解斜視図である。光学
部品はアルミのケースの中に接着するようにした。

箱型のケース１２は、底板１３、前板１４、背板１５、
側板１６．１１を備える。

底板１３に光学部品を接着するので、溝１１を堀っであ
る。光学部品は、第６図と同じく、偏光子１、％波長板
２、ＢＳｏ単結晶３、及び検光子４である。これらを溝
１１の直上に置いて、溝１１の両側で接着する。

前板に・は、光ファイバの終端に付設したプラグを通す
ための光フアイバプラグ差込穴１８．１９が穿孔］７で
ある。

背板１５には、被測定電源からの電線端子を通すだめの
電線通し穴２０．２１が穿たれている。

ケース１２の上部開口は、これら光学部品を装入し、光
フアイバプラグ、電極を取付けた後、蓋板２２によって
閉じられる。

第３図は光学部品を装入した状ｊ島の光フアイバプラグ
を含む横断面で切った横断平面図である。

第４図ｉ−１、第３図中の皿−皿断面図である。

ケース１２の中で、溝１１の」二に、偏光子１、Ｖ４波
長板２、日ＳＯ単結晶３、検光子４が固定されている。

偏光子１、検光子４に対向するよう、入力光ファイバ用
のプラグ２３、出力光ファイバ用のプラグ２４が取付け
られている。

第４図に明らかなように、日ｓｏ咀結晶３（偏光子、％
波長板、検光子も同じ）は溝１１の上にまたかり、両側
の段部２５．２６に接着されている。

接着剤はエポキシ系接着剤を用いる。例えば、エコゲル
１２６５（エマーソンアンドカミンク社）商品名）を用
いた。

このようにして作製した電界センサの温度特性〜　・　
ゝ／′／ って、部分接着されている（第５図）のと、全面接着さ
れている（第９図）のとの虚いがあるだけである。

測定すべき対象は６０ＫＶの電圧であるが、コンデンサ
で分圧して３５０Ｖにした。ＢＳＯ単結晶に印加される
電圧は３５０ｖである。光ファイバを通して与えられる
光は、中心波長が０．８７μｍの発光ダイオード（又は
半導体レーザ）の光である。光強度はρｉｎフォトダイ
オードで検出した。

ＢＳＯ単結晶は５闘×４．７朋×７鰭の直方体で、光軸
に沿う１７みは５悶である。偏光子、検光子は５　ｍｍ
　ｘ　５　ｍｙｔ　ｘ　５　ｖｔｔｐｔの立方体である
。％波長板の厚みは３朋であった。ケースの外形は２４
朋×１５ｒ肩×１４１浦である。

第５図に於て横軸は温度（°Ｃ）、縦軸は変調度（ＡＣ
／ＤＣ）の変動を百分比（％）で示した。初期の変調度
を１００％とし、これに対する比の値を％表示しだもの
である。

温度が高くなると、変調度は下り、温度が低くなると、
変調度は上る。この傾向は変らないが、変調度変動は著
しく小さくなる。−１５℃〜８５℃に於て、変動は−０
，６１％〜＋０．４１％にすぎない。第９図に示すケー
スに比し、変動分の少ない事がよく分る。

これｉｄ、温度変化により、接着部近傍に生じた応力が
、本発明の接着構造により、光路１０の間近では緩和さ
れて、０に近く′なっているためであると本発明者は考
える。

（オ）　　効　　果 本発明は、光学部品を基板に接着する際、全面に接着せ
ず、面積の狭い部分だけを接着するようにしたので、熱
応力の発生が少い。熱応力は、部分接着領域の近傍だけ
に発生するが、光を通す光路の近傍は応力が殆ど残らな
い。

このたや、温度特性が大きく改善される。

実施例では、光学部品として、日Ｓｏ単結晶、偏光子、
％波長板、検光子を、溝付き基板に接着したものを示し
た。

果を利用して測定する。これも、磁界により、光の偏波
面が回転する事を用いるから、同様な熱応力の問題が生
ずる。

寸だ、基板と光学部品とは部分接着されていれば良いの
で、基板と光学部品のいずれに溝を掘ってもよい。また
接着剤のまわりこみを防ぐことができるならば、いずれ
にも溝を切らず、部分的に接着剤を塗付して接着するよ
うにしても差支えない。

さらに、別体の足を付加して、間接的に接着してもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る接着構造を示す斜視図。 第２図は本発明を応用した電圧センサのケースと光学部
品の分解斜視図。 第３図は電圧センサのプラグを含む平面で切った横断平
面図。 第４図は第３図中の皿−■断面図。 第５図は本発明による接着構造を採用した電圧センサの
温度特性を示すグラフ。横軸は温度（℃）、縦軸は変調
度変＠（％）を示す。印加電圧は３５０Ｖ、光の波長は
０．８７μｍである。 第６図はポッケルス効果を用いた電圧センサの光学系構
成図。 第７図は電圧センサに入力する光の強度と、電圧センサ
から出る光の強度を示すグラフ。（ａ）　Ｉｔｉ入力光
強度、（ｂ）は出力光強度を示す。横軸は時間である。 電圧がＯの時出力光強度はＤＣの一定値となる。交流電
圧がセンサに印加されると、正弦波形ＡＣとなる。 第８図は従来の光学部品の接着構造を示す斜視図。 第９図は従来の接着構造による電圧センサの温度特性を
測定した結果を示すグラフ。横軸は温度（°Ｃ）、縦軸
は変調度変動（％）を示す。測定条件は、第５図に示す
電圧センサと同一で、接着構造のみが異なる。 、１・・・−・・（７ｉｉ＊、子 ２・・・・−％波長板 ３・・・・・ＢＳＯ単結晶 ４・・・・・・−・検　光　子 ５　・・・・・・・・・・被測定電源 ６・　−・・・・入力光ファイバ ７　・・・・出力光ファイバ ８・・・・・・・・基　　　板 ９　・・・・・・接　着　剤 １０・・・・・・・光　　　路 １１・・・・・溝 １２・・・・・・・・・センサケース １３・・・・・・・・・・底　　　板 １４・・・・・・・・・前板 １５・・・・・・・・・背　　　板 １６．１７．・・・・・側　　　板 １８・１９・・・光ファイ・シブラグ差込穴２０．２１
・・・電線ｉｉｉ　Ｌ穴 ２２・・・蓋　　板 ２３・２４・・・光フアイバプラグ ２５．２Ｂ　、、、段　　　部 発　　明　　者　　　　　　川　　上　　明　　彦特許
出願人　住友電気工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学部品と基板とを部分的に接着した事を特徴と
   する光学部品の接着構造。
2. （２）基板に溝を堀り、溝の両側の段部に光学部品を接
   着した特許請求の範囲第ｆｉ１項記載の光学部品の接着
   構造。