JPS62159059A - 液晶電界センサ - 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】 ３、発明のａ′＃綱な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界中における液晶分子の配向効果を利用した
電界センサに関するものである。

〔従来の技術〕

被測定電界の強度や分布等を乱すことなく、光学的に非
接触に電界の測定を行うセンサとして、カー効果やポッ
ケルス効果等の電気光学効果を利用したものが知られて
いる。特に、顕著な電気光学効果を有する材料であるビ
スマスシリコンオキサイド（ＢＳＯと略されている）の
単結晶を用いた光応用電界センサは、センサ部と測定器
とを光ファイバにより連絡することにより、高電圧下で
の種々の測定ができるという特徴を有している。

すなわち、光フアイバ間に偏光子、１／４　ｉ１１区板
、ＢＳＯ結品、検光子、より成るセンサを挿入し、光フ
ァイバにより導波された光が偏光子により直線偏光に変
えられ、１／４　ａ長板により円偏光に変換される。こ
の円偏光が電界強度に応じてＢＳＯ結晶に生じた電気光
学効果により楕円偏光に変換され、検光子により再び直
線偏光に変換されて光ファイバを通じて光検出器で受光
されるものであり、電界強度に応じて［ｌＳＯセンサの
透過光強度が変化する効果を利用するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のＢＳＯ等の光学結晶を利用する電界センサにおい
て用いられる結晶は一般に高価であり、また結晶の整形
加工、研摩等を行う必要がある。

さらに、これらのセンサの測定感度や測定範囲等の一層
の改善が望まれている。本発明は外部電界により極めて
容易にその分子配向状態、すなわち光学的諸特性を変化
させることのできる液晶を利用して、電界に高い感度を
有し、また測定範囲の広い安価な電界センサを構成する
手段を案出して本発明を完成したものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、２枚の透明
な絶縁性のガラス板またはプラスチック板の間に液晶分
子を配向させた液晶層を挟み込んだ液晶セルを構成し、
外部電界による液晶分子の配向の変化にもとづく液晶セ
ルの光学的特性の変化を検出して電界の強度を検出する
ような構成としている。

〔作用〕

それぞれ透明電極をつけた２枚のガラス基板間に液晶分
子を一方向に配向させた液晶層を挿入して透明電極間に
電圧を加えると、液晶分子の配向状態が変化することに
より液晶セルの光学的諸特性の変化が得られる。この液
晶セルを偏光子と検光子との間に挟んで光を入射すると
、液晶セルに加える電圧によって透過光または反射光強
度を変化させることができる。この液晶における電気光
学効果は広く表示素子に応用されている。

ところで、２枚の絶縁性の基板の間に一方向に液晶分子
を配向させた液晶を挟み込んだ液晶セルを電界の中に挿
入すると、前述したように透明電極に外部から電圧を加
えるような方法をとらなくても、液晶分子に対する電界
の配向効果により液晶分子の配向状態を変化させること
ができる。このような液晶セルを偏光子と検光子の間に
挟んで光を入射すると、液晶分子の配向変化にもとづく
光学的特性たとえば複屈折特性等の変化により透過光強
度の変化が得られる。それぞれ発光素子と受光素子とを
接続した光ファイバの間にこの液晶センサを挿入するこ
とにより、電界に感度を有する電界センサを構成するこ
とができる。

さらに、液晶分子の配向方向と電界の方向との間の相対
的な感度の関係を利用することにより、電界の方向を検
出することもできる。

〔実施例〕

偏光方向が互いに平行になるようにした２枚の偏光板の
間に、液晶分子が透明なガラス板またはプラスチック板
より成る一方の絶縁性基板上では一方向に平行に配向し
ているが、他方の絶縁性基板に向って徐々にその分子の
配向方向が９０度ねじれた構造となっているツィステッ
ドネマティック（ＴＮ）液晶を挿入した液晶セルを構成
する。ＴＮ液晶としては誘電異方性が正のネマティック
液晶が使用できる。また、一方の基板における液晶分子
の配向方向と偏光板の偏光方向とは一致するような配置
とする。

この液晶セルおよび偏光板を第１図に示すように入力光
および出力光を導く光ファイバの間に挿入し、入力光フ
ァイバの他端にはレーザまたは発光ダイオードなどの発
光素子を接続し、出力光ファイバの他端には光検出用の
充電変換素子を接続する。光ファイバと液晶センサ部と
の間には収束性ロッドレンズ等を配置して光の利用効率
を向上させることもできる。第２図のように、２個の反
射ｔａｌｌ（直角プリズム等）を用いて出力光を入力光
と同じ方向に導くこともできる。反射鏡の代りに２　Ｉ
ＩＩの偏光ビームスプリッタを用いることも可能である
。この場合には偏光子と検光子を省（ことができる。第
３図は反射形の電磁界センサとして用いる場合について
示したものであり、センサ部の構造を非常に小さくする
ことができる。

また、第３図に示す素子を被測定部に貼り付けて、レー
ザ光を照射することによる遠隔測定を行うことも可能で
ある。電界センサとしての液晶セルを構成する絶縁性基
板の内面に透明導電膜を付けた構造のもの等も使用する
ことができる。

なお、液晶分子の配向方向が９０度ねじれたＴＮ液晶の
代わりに液晶分子の配向方向が１８０度あるいは２７０
度等のように９０度以外のねじれ角をもつ液晶セルや、
液晶分子が基板に垂直に配向しているホメオトロビ７ク
セルや基板に平行に配向しているホモジニアスセル、ま
たはこれらの配向の組み合わせとなっているハイブリッ
ドセルによる電界制御複屈折効果を利用すことも可能で
あり、ネマティック液晶の他にコレステリック液晶やス
メクティック液晶、強誘電性液晶などを利用することも
可能である。また、液晶中に２色性の色素を溶解したゲ
スト・ホスト液晶を用いることもできる。液晶セルの抵
抗が十分に高くない場合にはイオン等の流れが生じるた
めに静電界の測定を行うことができないが、電界中でセ
ンサ部を回転または振動させることで静電界の測定を行
うことが可能である。

具体的には、平行配向処理を行ったガラス基板と誘電異
方性が正のネマティック液晶であるＥ７および厚みが１
０ミクロンから５００ミクロン程度のスペーサを用いて
作成したＴＮ液晶セルにより、電界強度が１００Ｖ／ｃ
ｍから１００００　Ｖ／ｃＷ１以上もの広い強度範囲に
連続的に感度を有すセンサや、またしきい特性にもとづ
くスイッチ素子等を構成することができる。この液晶電
界センサは同様に磁界にも感度を有しており、磁界セン
サとして使用することも可能である。

〔発明の効果〕

以上、本発明による液晶フナ界センサは高価な結晶素子
を用いる従来のセンサに比べて極めて安価であり、整形
加工や研摩等の必要がなく、簡単な構成で実用に供する
ことができる。また、この電界センサは非接触で光学的
に測定ができることの他に、被測定電界を乱すことが少
ないという特徴がある。さらに、液晶は外部電界によっ
て容易にその分子配向伏態すなわち光学的諸特性を変化
させることができるので、高感度のセンサを構成するこ
とが可能である。また、液晶セルの基板に対する液晶分
子の種々の配向法により、電界の強度と透過光強度の間
の関係が様々なものを得ることができる。すなわち、線
型に近い特性のものを用いると電界の計測に利用でき、
またしきい特性を有する場合にはスイッチ素子として利
用することができる。さらに、液晶分子の配向方向に由
来する指向感度特性を利用して、電界の方向を検出する
こともできる０以上のように、本発明における液晶を利
用した電界センサは結晶等を利用する従来のものに比べ
て感度や測定範囲、経済性などの面において卓越した特
性を有する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例等を説明するためのもので、第１
図は本発明による透過形の液晶電界センサの構成を示し
たものである。第２図は２個の反射鏡を用いて入力光フ
ァイバと出力光ファイバを同一の方向に取り出すことが
できるようにしたもので、第３図は反射形の液晶電界セ
ンサの構成を示したものである。 ｌ・・液晶セル　　２・・偏光子 ３・・検光子　　　４・・人力用光ファイバ５・・収束
性ロッドレンズ ６・・出力用光ファイバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）２枚の透明な絶縁性基板であるガラス板またはプ
   ラスチック板の間に液晶分子を配向させた液晶層を挟み
   込んだ構造の液晶セルにおいて、外部電界による液晶分
   子の配向の変化にもとずく液晶セルの光学的特性の変化
   により電界を検出する液晶電界センサ。
2. （２）ガラス板またはプラスチック板に透明導電膜を付
   けた構造の液晶セルによる特許請求の範囲第１項記載の
   液晶電界センサ。
3. （３）光ファイバにより光学的特性の変化を検出する特
   許請求の範囲第１項および第２項記載の液晶電界センサ
   。
4. （４）レーザ光により光学的特性の変化を遠隔測定する
   特許請求の範囲第１項および第２項記載の液晶電界セン
   サ。