JPS62272159A - 光電圧センサ - 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、発明の詳細な説明 〔概要〕 第１の複屈折性結晶板で分離された常光線と異常光線を
電気光学素子を透過させた後、第２の複屈折性結晶板を
透過させることで、再度常光線と異常光線に分離し、そ
のうちの両端の２つの非合成ビーム同士を合成して利用
することで、電圧測定の信頼性を向上させる。

〔産業上の利用分野〕

電力を安定供給するには、常時電圧を検出し監視する必
要があるが、従来の機械的または電気的な電圧センサに
対し電気光学素子を利用する光電圧センサが注目されて
いる。これは、無誘導性、高絶縁性などの優れた特性を
有するためである。

すなわち光による電圧の測定は、従来の方法に比べて安
全性が高く、かつ被測定物に対する影響が小さいという
利点がある。本発明は、このような長所を有する電気光
学的な電圧測定装置に関する。

〔従来の技術〕

第４図は本発明の出願人が特願昭６０−１８１０６４号
として提案した光電圧センサの構成を示す。図中ｌ、２
．３．４．５が偏光系を構成する偏光素子、Ｆｌ、Ｐ２
がそれぞれ入力用および出力用の光ファイバー、Ｒがシ
リンドリカル・レンズである。また直交座標軸ｘ、ｙ、
ｚは、ｚ軸を光の進行方向、ｙ軸およびｙ軸をそれぞれ
ｚ軸に直角な水平方向および鉛直方向とし、これは第５
図以下でも同様とする。

第５図は偏光系の構成を示し、第６図から第９図はそれ
を構成する各偏光素子の構成を示す。偏光素子１および
５は、−軸異方性結晶であるルチル（Ｔｉ（ｈ）の単結
晶板を、結晶軸Ｃ（破線矢印）が第６図（ａ）の状態と
なるように平板状に切り出したものであり、したがって
以下では素子ｌ、５をそれぞれ「第１ルチル平板」　「
第２ルチル平板」と称する。このようなルチル平板は、
光が第６図（ｂｌに示す如く入射した場合、入射光を複
屈折させて常光と異常光に分離する機能を有することは
周知である。本発明は、このようなルチル平板を用いて
偏光子および検光子を構成するものである。

偏光子２は１／４波長板であり、第１ルチル平板１とＡ
波長板２とは、それらの結晶軸Ｃが第７図に示す関係と
なるように、つまり第４図または第５図のｘ−ｙ平面内
で見て４５°の角度をなすように組合わされる。これに
より第１ルチル平板１への入射光は、それの偏光分離機
能によって直線偏光となり、更に冥波長板２を透過して
円偏光となる。

したがって以下では、第１ルチル平板１とＡ波長板２を
一緒にして「偏光子」と称する。

第８図は検光子として機能する２波長板４と第２ルチル
平板５とを示す斜視図で、以下では両者を一緒にして「
検光子ＡＮＪと称する。

この図において、偏光素子を構成する２波長板４が、そ
の結晶軸Ｃと水平方向とのなす角θ。は、最大感度が得
られる角度である。

次に偏光素子３は、印加電圧の値によって透過率の異な
る電気光学素子であり、酸化ケイ素ビスマスＢｉ＋ｚＳ
ｉ（ｈ。（ＢＳＯ）または酸化ゲルマニウムビスマスＢ
　ｉ　＋　ｚＧｅＯ□。（ＢＧＯ）の単結晶を、結晶軸
Ｃが第９図に示す方向となるように切り出した平板状の
ものである。したがって以下では、素子３を「ＢＳ０素
子」と称する。ＢＳＯ素子３の表裏両面には、第４図の
ように被測定電圧印加用の電極６．６が設けられている
。

以上の偏光素子１．２．３．４．５は、第４図、第５図
および第１０図に示すように光進行方向２に沿って順に
並べられる。第１０図に示すように、ＢＳＯ素子３は、
結晶軸Ｃが水平方向Ｘに対し４５゜となるように配置さ
れ、そして偏光素子（第１ルチル板）ｌは、結晶軸Ｃが
水平方向Ｘに平行となるように、またＡ波長板２の結晶
軸Ｃは、水平方向Ｘに対し？”４５°となるように配置
されている。

一方、検光子へＮ（Ｖｚ波長板４、第２ルチル板５）は
、光電圧センサの最大感度が得られるような最適方位に
設定される。ここで「検光子ＡＮの方位」とは、検光子
ＡＮを構成している２波長板４の検光子軸Ｃの方向であ
り、第１０図にはそれが偏光素子１の結晶軸の方向つま
り水平方向Ｘとなす角をθで示しである。

さて、第４図、第５図および第１０図を参照するに、入
力用光ファイバーＦｌからの出射光は、シリンドリカル
・レンズＲ（以下単に「レンズ」と略す）で平行ビーム
となり、偏光素子１で常光線Ｂ１と異常光線Ｂ２に偏光
分離され、そしてＡ波長板２で直線偏光から円偏光に変
換され、レンズＲによってＢＳＯ素子３の端面に集光さ
れる。この円偏光は、ＢＳＯ素子３の電気光学効果およ
び旋光性によって楕円偏光Ｂｊｏ　％　Ｂ２ｏに変えら
れ、レンズＲで平行ビームとなって検光子ＡＮを通過し
た後、更にレンズＲで光ファイバーＦ２に集光される。

この光ファイバーＦ２からの出力光の強度により、電圧
値が得られる。

上記構成において、第１の複屈折性結晶板１は、その複
屈折性によって入射光を常光線と異常光線の２つの偏光
成分に偏光分離して直線偏光を得る偏光子として機能す
る。これらの直線偏光は、次のＡ波長板２によって、互
いに直交する円偏光Ｂ１、Ｂ２に変えられて、電気光学
素子３に入射され、電気光学素子３の有する旋光性と電
気光学効果（複屈折性）によって、電気光学素子３に印
加される電圧（電界）に応じた楕円偏光Ｂｌｏ　、、　
Ｂ２ｏに変えられる。一方２波長板４は、第２複屈折性
結晶板５のＣ軸を光学的に回転するもので、２波長板４
と第２の複屈折性結晶板５とで検光子として機能し、こ
の検光子により、電圧に対する透過光量の変化が最大と
なる方位の直線偏光を取り出し、第２の複屈折性結晶板
５により合成される。その結果、検光子からの出射光の
強度によって、電気光学素子３への印加電圧を計測する
ことができる。

すなわち電気光学素子３は、第１１図のように、印加電
圧によって透過率が異なるため、検光子からの出射光の
強度によって、印加電圧の値がわかる。

このように電気光学素子を使用する構成によれば、電気
光学的に印加電圧を測定できる。また偏光子および検光
子に複屈折性結晶板を用いたことにより、偏光プリズム
を用いた従来の場合に比べて光透過損失が少なく、した
がって高感度を実現できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで第２の複屈折性結晶板５からの出射光を導く光
ファイバーＦ２が損傷する等の異常が発生した場合は、
正確な測定が不可能となる。また光ファイバーＦ２の修
理中などに、測定不能となる場合ある。不測の事故に対
する安全性を確保するためにも、予備の光フアイバーケ
ーブルを準備しておくことが望まれる。

本発明の技術的課題は、従来の光電圧センサにおけるこ
のような問題を解消し、検出用の光ファイバーＦ２の系
はかに、更に予備の検出手段を設置可能とすることにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明による光電圧センサの基本原理を説明す
る図である。第１の複屈折性結晶板１、Ａ波長板２、電
気光学素子３、各波長板４および第２の複屈折性結晶板
５の順に光進行方向に配置され、これらをビームが透過
する構成になっている。本発明では、このような光電圧
センサにおいて、第２の複屈折性結晶板５から出射する
３つのビームＢ１１　、Ｂｃｌ　、Ｂ２２のうち、両端
の２つの非合成ビーム８１１と８２２を合成する光学系
を配置して、合成光Ｂｃ２を出射することで、２つの出
力ビームＢｃ１、ＢＯ２が得られるような構成となって
いる。この図においては、両端の２つのビームを合成す
る光学系として、片方のビームを反射するミラー７と、
該ミラー７からの反射光と他方のビームとを合成するビ
ームスプリッタ８が例示されているが、これに限定され
るものではない。

〔作用〕

電気光学素子３を透過した常光線Ｂｌｏと異常光線Ｂ２
ｏは、第２の複屈折性結晶板５によって、更に常光線と
異常光線とに分離され、計４本のビーム８１１．８１２
．８２１　、Ｂ２２が発生する。ところが常光線Ｂｌｏ
から２分した異常光線Ｂ１２　、異常光線Ｂ２ｏから２
分した常光線Ｂ２１とは、第２の複屈折性結晶板５で合
成され、これが本来の検出ビームＢｃｌ　となって、光
ファイバーＦ２でガイドされ、検出される。

ところで、常光線Ｂｌｏから２分した常光線Ｂ１１と、
異常光線Ｂ２ｏから２分した異常光線Ｂ２２とは、第２
の複屈折性結晶板５で合成されず、かつ従来はこれらの
ビームは有効に活用されていない。ビームＢｌｏ　５Ｂ
２ｏの同じ直線偏光成分の光量の電圧変化に対する変化
の割合の符号は逆になる。また同じビームでも、常光線
と異常光線でも、符号は逆になる。したがって常光線Ｂ
ｌｏの常光成分８１１と異常光線Ｂ２ｏの異常光線Ｂ２
２、また常光線Ｂｌ。

の異常光成分Ｂ１２と異常光線Ｂ２ｏの常光成分Ｂ２１
との符号は同じとなるので、これらを合成すれば電圧の
変化に対する光量変化を大きくできる。このうち後者は
、第４図で説明したとおり、第２の複屈折性結晶板５で
合成されるが、前者はミラー７と偏光ビームスプリンタ
８などの光学系で合成される。すなわち本発明では、こ
のように従来活用されていなかったビームを、光学系７
．８で１本に合成し、別の光ファイバーＦ３でガイドし
検出することで、予備の検出手段としている。光学系７
．８がそれぞれミラーとビームスプリフタであるとする
と、ミラー７で異常光線Ｂ２２を９０°変化させて偏光
ビームスプリッタ８に入射することで、常光線Ｂ１１と
合成される。そのため、正規の検出用光ファイバーＦ２
に異常が発生したりした場合は、予備の光ファイバーＦ
３を利用することで、測定を中断することなく行なうこ
とができる。

〔実施例〕

次に本発明による光電圧センサが実際上どのように具体
化されるかを実施例で説明する。第１図においては、レ
ンズ系が省略されているが、透過するビームの断面形状
などに応じて、適当なレンズが使用されることは、第４
図にも示すとおりである。

電気光学素子３としては、第２図（ａｌ　（ｂｌのよう
な構成も可能である。第４図の電気光学素子３は、電極
６．６がビームの進行方向と平行になっている横型構成
である。これに対し、第２図（ａ）の電気光学素子は、
電極６．６がビームの透過方向と垂直になっており、縦
型構成となっている。このような縦型も可能であり、こ
の場合、両面の電極６．６としては、透明電極が使用さ
れる。

以上の電気光学素子は、ＢＳＯの単結晶から構成されて
いるのに対し、第２図（ｂｌの電気光学素子は、ＢＳＯ
（またはＢＧＯ）の薄膜９とその両面に形成された例え
ばルチルのクラッド層１０、ｌＯとから成る積層構造に
なっている。この積層型の電気光学素子も、縦型にもで
きることはいうまでもない。

また第１図におけるミラー７とビームスプリ７り８を入
れ換えて、第３図のように、異常光線Ｂ２０から分離さ
れた異常光線Ｂ２２側で、２ビームを合成することも可
能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、２出力の内１出力をモニ
ターとして利用可能なため、センサが動作しているかを
簡単に確認できる。また、出力ファイバＦ２、Ｆ３の内
１本が破損しても、他の出力ファイバを用いて電圧測定
を続行できるため、異常事態に対しても充分対応でき、
信頼性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光電圧センサの基本原理を説明す
る図、第２図は電気光学素子の他の実施例を示す図、第
３図は光電圧センサにおける２ビ一ム合成手段の他の実
施例を示す図、第４図は従来の光電圧センサの構成を示
す図、第５図は偏光系の構成を示す図、第６図はルチル
板の形状および偏光分離機能を示す図、第７図は第１ル
チル板とＡ波長板の組み合わせを示す図、第８図は２波
長板と第２ルチル板の組み合わせを示す図、第９図はＢ
ＳＯ素子の形状を示す図、第１０図は各偏光素子の方位
を示す斜視図、第１１図は電気光学素子の透過率−印加
電圧特性を示す図である。 図において、１は第１の複屈折性結晶板（第１のルチル
板）、２はＡ波長板、３は電気光学素子（ＢＳＯ素子）
、４は２波長板、５は第２の複屈折性結晶板（第２のル
チル板）、７はミラー、８は偏光ビームスプリッタ、Ｂ
１、Ｂｌｏ　、　８１１　、Ｂ２１は常光線、Ｂ２、Ｂ
２ｏ　、　Ｂ１２．８２２は異常光線をそれぞれ示す。 ネを遺（の、ンＮｑ圧、センサのイＹ１］第５ｔｆＡ （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　（し）ｌし＋
ル、１１の升シ看ｑムメ肩訴に命（艷１（言り第６図 第７図 第８図 ＢＳＯ壺今ｅＳ状゛ 第９図 第１１図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、第１の複屈折性結晶板（１）、１／４波長板（
   ２）、電気光学素子（３）、１／２波長板（４）および
   第２の複屈折性結晶板（５）の順に光進行方向に配置し
   てビームを透過させる光電圧センサにおいて、 第２の複屈折性結晶板（５）から出射する３つのビーム
   （Ｂ１１）、（Ｂｃ１）、（Ｂ２２）のうち、両端の２
   つの非合成ビーム（Ｂ１１）と（Ｂ２２）を合成する光
   学系を配置して、合成光（Ｂｃ２）を出射することで、
   ２つの出力ビームが得られるように構成したことを特徴
   とする光電圧センサ。
2. （２）、前記の第１および第２の複屈折性結晶板がいず
   れもルチル（ＴｉＯ＿２）の単結晶板であることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の光電圧センサ。