JPH0140313B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はビスマスシリコンオキサイドBSO（以
下BSOという）あるいはビスマスゲルマニウム
オキサイドBGO（以下BGOという）素子を用い
た、広帯域化した光応用電圧センサに関する。 第１図は基本的な光応用電圧センサの構成を示
す図である。１は光フアイバ、２はロツドレン
ズ、３は偏光子、４は1/4波長板、５はBSO素子
あるいはBGO素子、６は検光子、７は入力電圧
源である。BSO素子及びBGO素子共に同じ説明
が適用できるので、以下にはBSO素子を用いて
説明する。光フアイバ１に入射されロツドレンズ
２、偏光子３及び1/4波長板４を通つてBSO素子
５に入射した光は、入力電圧源７から電極を介し
てBSO素子５に印加される電圧の大きさに応じ
て偏光の状態が変わる。光応用電圧センサはこの
偏光の状態を知ることにより被検出入力電圧の大
きさを検出するものである。 第２図は第１図の光応用電圧センサの変調感度
の従来の周波数特性を示す図である。従来の
BSO素子を用いた光応用電圧センサにおいては、
入力電圧の周波数を変えてゆくとある特定周波数
で圧電現象によりBSO素子に機械的共振現象が
発生する。この共振による機械的な応力が更に
BSO素子の屈折率に影響を及ぼす。このため、
従来のBSO素子を用いた光応用電圧センサの変
調感度の周波数特性は第２図に示す様に特定周波
数で非常に大きなピークａ，ｂ，ｃ等を発生する
欠点がある。従つて、高電圧のサージ現象等の高
い周波数成分まで一定の変調感度を必要とする解
折には、従来の光応用電圧センサは使用できない
欠点があつた。 本発明の目的は、共振現象の影響をなくし広帯
域化できるBSO素子を用いた光応用電圧センサ
を提供することである。 以下に図面を参照して本発明について詳細に説
明する。 第３図イはBSO素子の形状（長さｌ×幅ｗ×
厚さｂ）と方位との関係を示す図である。ｌ×ｗ
面内にｘ軸、ｙ軸を図のようにとり、ｌ×ｗ面と
垂直につまり厚さｂと平行にｚ軸をとるものとす
る。まず、圧電現象によりBSO素子に前記共振
現象が生ずる理由について発明者が行なつた解析
について説明する。BSOは点群２３に属する単
結晶であり、その電気、光学、機械的特性は例え
ば「結晶物理工学」（小川智哉著、裳華房）に詳
述されている。一般的に、BSOの圧電効果は下
記の圧電基本式（テンソル方程式）により記述さ
れる。 T_n＝C_onS_o−e_jnE_j D_i＝e_ioS_o＋ε_ijE_j …(1) ここで、T_n：応力、C_on：弾性ステイツフネ
ス、S_o：歪み、e_jn、e_io：圧電ｅ定数、E_j：印加
電圧、D_i：電束密度、ε_ij：誘電率である。第３図
イの系でBSOを使用した場合に、その圧電基本
式は次のようになる。 T₁＝C₁₁S₁＋C₁₂S₂＋C₁₂S₃ T₂＝C₁₂S₁＋C₁₁S₂＋C₁₂S₃ T₃＝C₁₂S₁＋C₁₂S₂＋C₁₁S₃ T₄＝C₄₄S₄ T₅＝C₄₄S₅ T₆＝C₄₄S₆−e₁₄E₃ D₁＝e₁₄S₄ D₂＝e₁₄S₅ D₃＝e₁₄S₆＋ε₁₁E₃ …(2) (2)式において、BSOに電圧を印加することに
より直接的な影響を受けるのはE₃を含むT₆及び
D₃である。ここで、 T₆＝T₁₂＋T₂₁ ＝（第２面に働く第１方向の応力） ＋（第１面に働く第２方向の応力） であるから、結局、電圧を印加するとBSOには
せん断応力（shear stress）が作用することにな
る。 結晶を構成する粒子のx_i方向への変位をξ_iとす
ると運動方程式は次のようになる。 ρδ²ξ_i／δt²＝δT_ij／δx_j ρ：比重 すなわち、 (2)式により T₁₂＝C₄₄S₁₂−e₁₄E₃ T₂₁＝C₄₄S₂₁−e₁₄E₃ 更に、S₁₂＝S₂₁１／２（δξ₁／δx₂＋δξ₂／δx₁） であるから、結局、(3)式は となる。(4)式の解は ξ₁＝ξ₀₁e^jwtsin（γx₂＋θ₂） ξ₂＝ξ₀₂e^jwtsin（γx₁＋θ₁） …(5) 但し、

【式】γ＝ｗ／ｖ、ξ₀₁、ξ₀₂は定数 である。これは第３図ロに実線及び点線で示すい
わゆる面すべり振動（face shear mode）であ
る。以上まとめると、第３図イの座標系でBSO
を使用した場合、結晶に発生する圧電現象はｘ軸
−ｙ軸平面において生ずる面すべり振動であり、
ｚ軸方向の厚みｂにはほとんど依存しないことが
わかつた。 面すべり振動における共振周波数_Rは近似的に
次式で与えられることが知られている。 この共振周波数は基本モード（ｍ＝ｎ＝１）に
おいては で示される。ここで、ρ：比重、C₄₄：圧電ステ
イツフネス、ｌ及びｗ：BSO素子の長さ及び幅。
BSOの場合、圧電ステイツフネスC₄₄＝0.25×
10″（Ｎ／m²）、比重ρ＝9.2×10³（Kg／m³）程度で
ある。BSO素子の大きさに対する共振周波数に
ついての発明者の行なつた実験結果と計算結果と
を表１に示す。

【表】 この表１から分かる様に、実験値は計算値の
0.85倍程度になつており比較的良く一致してい
る。また、BSO素子のｌとｗとが同じでｂのみ
が異なる(1)の７×５×２のBSO素子と(4)の７×
５×１のBSO素子では共振周波数が殆んど変化
しないことがわかる。 第４図イは本発明のBSO素子を用いた光応用
電圧センサの変調感度の周波数特性を例示する図
である。前述した発明者の解析及び実験により、
BSOの結晶をＺカツトとし光をＺ方向に通すこ
とによりかなり面すべり振動の影響を避けること
ができ、従つてかなりの高周波成分まで光応用電
圧センサの変調感度のピークをなくすことができ
ることがわかつた。高電圧応用分野では立ち上が
り時間1μsec立ち下がり時間40μsecのいわゆる標
準インパルス波形が多用されるが、本センサで標
準インパルス波形を測定するためには共振周波数
が少なくとも500KHz以上である必要がある。発
明者は500KHz以上の高共振周波数を有する光応
用電圧センサを得るために、BSOの結晶をＺカ
ツトとし光をＺ方向に通し、結晶の大きさを光が
通る方向に垂直な面内でｌ×ｗとするとき(7)式に
おいて

【式】となるよう に設定すればよいことを提案するものである。ま
た、第４図イの例えば500KHz以上の高周波数に
おける共振現象は第４図ロに示す特性のフイルタ
を使用して光の受信機部分の信号帯域を制限する
ことにより取り去ることができる。このようにし
て得られたBSO素子を第１図の光応用電圧セン
サのBSO素子５として用いることにより、セン
サの周波数特性が改善され広帯域化ができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は基本的な光応用電圧センサの構成を示
す図、第２図は第１図のセンサの変調感度の従来
の周波数特性を示す図、第３図イはBSO素子の
形状と方位との関係を示す図、ロは面すべり振動
を示す図、第４図イは本発明のBSO素子を用い
た光応用電圧センサの変調感度の周波数特性を例
示する図、ロはフイルタの特性を示す図である。 １：光フアイバ、２：ロツドレンズ、３：偏光
子、４：1/4波長板、５：BSO素子あるいはBGO
素子、６：検光子、７：入力電圧源、ａ，ｂ，
ｃ：ピーク値、ｌ×ｗ×ｂ：素子の長さ×幅×厚
さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ビスマスシリコンオキサイドBSOあるいは
   ビスマスゲルマニウムオキサイドBGO単結晶に
   印加される電圧を検出する光応用電圧センサにお
   いて、BSOあるいはBGO単結晶がＺカツトされ
   そのサイズがＺ方向に垂直な面内で長さｌ×幅ｗ
   （mm）とする時 となるようにされ、光をＺ方向に通すように
   BSOあるいはBGO素子を構成したことを特徴と
   する光応用電圧センサ。