JPH0377467B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 利用分野 この発明は、ポツケルス効果を利用した光式電
圧または電界センサを用いて高周波の電圧または
電界を監視するための電圧または電界の光式検出
装置、又はフアラデイー効果を利用した光式磁界
センサを用いて高周波の磁界を監視するための磁
界の光式検出装置に関する。

(ロ) 従来技術 一般に、ポツケルス効果を利用した光式電圧セ
ンサまたは電界センサは第４図のように構成され
ている。即ち、第４図において、光式電圧センサ
１は偏光子２、1/4波長板３、ポツケルス素子４
及び検光子５を入射光側から順次配列して構成さ
れ、レーザなどの光源６からの光が入射される。
光式電圧センサ１への入射光は偏光子２によつて
直線偏波とされ、1/4波長板３を通過することに
より1/4波長の光路差が与えられる。ポツケルス
素子４は、その屈折率変化が印加電圧の１乗に比
例する、ポツケルス効果を有し、1/4波長板３を
経て入射した光は速度が変えられて位相変調され
る。ポツケルス素子４からの出射光は検光子５を
通して光強度変化に変えられて、光受信回路７へ
と出力される。

光式電圧センサ１への入射光Pinを直流光とす
ると、光式電圧センサ１からの出射光Poutは交
流信号が重畳された波形となる。即ち、 Pout＝Pin・ｋ（１＋sinπＶ／Vπ） (1) によつて示される。(1)式において、ｋは減衰係
数、Vπは半波長電圧と称されるポツケルス素子
個有の定数、Ｖはポツケルス素子の両面間に印加
される電圧を示し、Ｖ＝Ｅ・ｄ（Ｅはポツケルス
素子内の電界、ｄはポツケルス素子の厚さ）で表
される。

本電圧センサはこれを空間に置くことによつて
電界センサとして使用できる。

同様に、フアラデイー効果を利用した光式磁界
センサは第５図のように構成されている。第５図
において、光式磁界センサ８は偏光子９、フアラ
デイー素子１０及び検光子１１を入射側から順次
一直線状に配列して構成され、レーザーなどの光
源１２から光が入射される。光式磁界センサ８へ
の入射光は偏光子９によつて直線偏波にされてフ
アラデイー素子１０へ入射する。フアラデイー素
子１０は、直線偏光が磁界方向に伝搬されると磁
界の強さに比例して偏光面が回転するフアラデイ
ー効果を有し、その出射光は検光子１１を通過す
ることにより光強度変化に変えられ、光受信回路
１３へ出力される。

光式磁界センサ８への入射光Pinを直流光とす
ると、光式磁界センサ８からの出射光Poutは交
流信号が重畳された波形となる。即ち、 Pout＝Pin・k′（１＋sin2Ve Hl） (2) によつて示される。(2)式において、k′は減衰係数
であり、Veはヴエルデ定数と称されるフアラデ
イー素子固有の定数、Ｈは印加電界の強さ、ｌは
フアラデイー素子の長さである。

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 前述の光式電圧センサ１又は光式磁界センサ８
を高周波の設備、例えば誘導加熱装置、超音波洗
浄器、中波・短波・超短波の放送設備における高
周波電圧や電界又は高周波磁界の出力状況のモニ
タとして使用する場合がある。この場合、高周波
数の電圧や電界又は磁界を検出する光式検出装置
には高周波数の光受信回路を備える必要がある。
即ち、光受信回路内には搬送波を含む高周波を検
出するための増幅回路を必要としていた。例え
ば、中波の電圧や電界又は磁界の波形を監視する
場合、たとえ中波の信号が20KHzの帯域であつて
もその搬送波である500KHz〜1600KHzの高周波
の検出、例えば（1600±20）ＫHzの信号検出を必
要としていた。

この発明の目的は、高周波数の搬送波に乗せら
れた電圧や電界を低周波数の光受信回路によつて
も検出できる電圧や電界の光式検出装置を提供す
ることである。

この発明の別の目的は、高周波数の搬送波に乗
せられた磁界を低周波数の光受信回路によつても
検出できる磁界の光式検出装置を提供することで
ある。

(ニ) 問題点を解決するための手段 この発明の電界の光式検出装置は、ポツケルス
効果を利用する光式電圧センサまたは電界センサ
と、直流光成分に単一の周波数cの交流を重畳さ
せた光強度の入射光を前記光式電圧センサまたは
電界センサへ与えるための変調手段と、前記電圧
センサまたは光式電界センサからの出射光を光電
変換し、前記重畳された交流分の周波数cと前記
印加電圧または電界の周波数mとの差の周波数
m−cを検出する受光・検出回路とを備えてい
る。

また、この発明の磁界の光式検出装置は、フア
ラデイー効果を利用する光式磁界センサと、直流
光成分に単一の周波数cの交流成分を重畳させた
光強度の入射光を前記光式磁界センサへ与えるた
めの変調手段と、前記光式磁界センサからの出射
光を光電変換し、前記重畳された交流分の周波数
cと前記印加磁界の周波数mとの差の周波数m
−cを検出する光受信回路とを備えている。

(ホ) 作用 この発明の電圧または電界の光式検出装置にお
いて、光式電圧センサまたは電界センサからの出
射光は印加電圧または電界の周波数mと交流分
の周波数cとの差の周波数（m−c）の成分を
含み、該差の周波数成分の振幅が印加電界の強さ
に比例している。そこで、差の周波数（m−c）
が光受信回路により検出される。

同様に、この発明の磁界の光式検出装置におい
て、振幅が印加磁界の強さに比例している差の周
波数（m−c）が光受信回路により検出される。

(ヘ) 実施例 第１図はこの発明による電圧または電界の光式
検出装置の概略構成図を示している。第１図にお
いて、符号２１は変調器であり、この変調器２１
は光源を含み、この光源に直流電圧が印加される
と共に単一の周波数cの交流電圧も印加される結
果、直流光成分に単一の周波数cの交流成分が重
畳された強度の光が光式電圧センサまたは電界セ
ンサ１へ出光される。なお、変調器は自由に構成
でき、例えば光源と光式電界センサ１との間に光
式電圧センサまたは電界センサ１と全く同様の構
成を変調器として配置し、この変調器のポツケル
ス素子に周波数cの電圧を印加することによつて
も前記重畳された光強度の出力を得ることができ
る。光式電圧センサまたは電界センサ１に入射し
た光は、光式電圧センサまたは電界センサ１のポ
ツケルス素子４に印加された電圧によつて変調さ
れて、光受信回路２２へ出光される。

ここで、前記光式電圧センサまたは電界センサ
１の入射光及び出射光について詳しく考察する。
光式電圧センサまたは電界センサ１への入射光、
即ち変調器２１からの出射光は、横軸に時間、縦
軸に光強度をとつて第２図に示すように図示され
る。入射光Pinを数式によつて示すと、 Pin＝Pc（１＋ｍ sin ωct） (3) となる。ここに直流光成分の光強度、ｍは重畳さ
れた交流光成分の変調度、ωc＝2πcである。ポ
ツケルス素子４への印加電圧または電界を周波数
mの交流と仮定し、(1)式において Ｖ＝Vo sin ωmt (4) とする。Ｖが十分小さい場合は(1)式は次式で近似
される。

Pout＝Pin・ｋ（１＋π／VπVo sin ωmt） (5) (3)式、(5)式より Pout＝Pc（１＋ｍ sin ωct）・（１＋π／VπVo sin ωmt）＝Pc｛１＋ｍ sin ωct＋π／VπVo sin ωmt＋ｍ sinωct・π／VπVo sin ωmt｝
＝ Pc［１＋ｍ sin ωct＋π／VπVo sin ωmt＋ ｍ・Vo／Vππ１／２｛−cos（ωm＋ωc）ｔ＋cos （ωm−ωc）ｔ｝］ (6) となる。したがつて、重畳された周波数cと印加
電圧または電界の周波数mとの和及び差の周波
数成分が光式電圧センサまたは電界センサ１の出
射光Pout中に生じることになる。そして、和及
び差の周波数成分の振幅、即ち、 PcmVo／Vππ・１／２は印加電圧または電界の振幅 に比例している。

第３図は、横軸に角速度を縦軸に振幅をとり、
(6)式に示す光式電圧センサまたは電界センサ１か
らの出射光の各周波数成分を図示したものであ
る。第３図から容易に推測されるように、光式電
圧センサまたは電界センサ１に印加された電圧ま
たは電界を検出するには重畳された周波数cと電
圧または電界の周波数mとの差の周波数（−
c）、即ち差の角速度（ωm−ωc）の成分を検出
すれば良い。したがつて、従来の電圧または電界
検出において測定されていた印加電圧または電界
の周波数m（角速度ωm）よりも大幅に低い周波
数において印加電圧または電界の検出を行うこと
ができる。

本方式は、第５図に示す光式電圧センサに限ら
ず、文献(1)に示すようなポツケルス効果を利用し
た導波路形の電圧センサにも適用可能である。す
なわち導波路形の電圧センサも、印加電圧によつ
て透過光が強度変調を受けることから入射光に強
度変調を受けた光を用いることによつて同様の出
力を得ることができる。

文献(1) 大野 豊；昭和60年電気学会全国大会 S.14−５ 電力分野における光応用計測 第１図において、前述の(6)式に示すような出射
光が光式電圧センサまたは電界センサ１から出光
されて光受信回路２２に与えられる。光受信回路
２２は受光素子２３、フイルタ２４、結合コンデ
ンサ２５及び増幅器２６を順次直列に接続して構
成されている。光受信回路に入射した光は受光素
子２３により光電変換されてフイルタ２４に与え
られ、ここで前記差の周波数（m−c）の成分
のみが取り出され、この後、結合コンデンサ２５
に与えられて直流光に対応する成分が除去され
る。そして、増幅器２６により差の周波数成分が
増幅される結果、前述したように印加電圧または
電界の検出が行なわれる。

この発明の磁界の光式検出装置の構成は第１図
において光式電圧センサまたは電界センサ１の換
りに前記光式磁界センサ８を使用するほか、第１
図と構成は同一であるので説明を省略する。光式
磁界センサ８には光源２１から(3)式に示すような
入射光Pinが入る。光式磁界センサ８のフアラデ
イー素子１０への印加磁界を周波数mの交流と
仮定し、 Ｈ＝Ho sin ωmt (7) とすると、Ｈが十分小さい場合は(2)式より Pout＝Pin・k′（１＋2Vel・Ho sin ωmt） (8) と近似される。(3)、(8)式より Pout＝Pc［１＋ｍ sin ωct＋2Vel Ho sin ωmt ＋ｍ・2Vel・Ho・１／２｛−cos（ωm＋ωc） ｔ＋cos（ωm−ωc）ｔ｝］ (9) を得る。したがつて、重畳された周波数cと印加
電界の差の周波数（c−m）成分の振幅・即ち
Pom・Vel・Hoは印加磁界の振幅に比例してい
る。そこで、前述の電圧または電界の検出の場合
と同様にして、光式磁界センサ８からの出射光の
うち、周波数（c−m）の成分を光受信回路２
２により検出することにより印加磁界が検出され
る。

(ヘ) 効果 この発明の電圧または電界の光式検出装置又は
磁界の光式検出装置によれば、低周波数を検出す
る光受信回路を備えることで、従来、この光受信
回路では検出が不可能であつた高周波範囲の電圧
や電界又は磁界の検出を行うことができる。即
ち、従来の光受信回路は周波数7MHzの検出が上
限であつた。一方、超短波では100〜200MHzの搬
送波を検出する必要があるが、必要とする信号は
100〜200MHzの搬送波に乗つている7MHzの側帯
波の情報である。そこで直接100〜200MHzの搬送
波を検出せずに、本発明の如く入射光に強度変調
をかけることにより、従来の7MHz程度の受信回
路で充分に検出でき、この意味で光検出の周波数
範囲を大幅に拡張できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電圧または電界の光式検出
装置の一実施例を示す図、第２図は光式電圧セン
サや電界センサ又は光式磁界センサへの入射光の
時間に対する光強度を示す図、第３図は光式電圧
センサまたは電界センサからの出射光の周波数成
分を示す図、第４図は光式電圧センサまたは電界
センサの構成図、第５図は光式磁界センサの構成
図である。 １…光式電圧センサまたは電界センサ、４…ポ
ツケルス素子、６…光源、８…光式磁界センサ、
１０…フアラデイー素子、２１…光源、２２…光
受信回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ポツケルス効果により入射光を印加電圧また
   は電界に対応した光強度で出射する光式電圧セン
   サまたは電界センサと、 直流光成分に単一の周波数cの交流光成分を重
   畳させた光強度の入射光を前記光式電圧センサま
   たは電界センサへ与えるための変調手段と、 前記光式電圧センサまたは電界センサからの出
   射光を光電変換し、前記重畳された交流分の周波
   数cと前記電圧または印加電界の周波数mとの
   差の周波数m−cを検出することにより前記印
   加電圧または電界を検出する、光受信回路と、を
   備えてなる電圧または電界の光式検出装置。 ２ フアラデイー効果により入射光を印加磁界に
   対応した光強度で出射する光式磁界センサと、 直流光成分に単一の周波数cの交流成分を重畳
   させた光強度の入射光を前記光式磁界センサへ与
   えるための変調手段と、 前記光式磁界センサからの出射光を光電変換
   し、前記重畳された交流分の周波数cと前記印加
   磁界の周波数mとの差の周波数m−cを検出す
   ることにより前記印加磁界を検出する、光受信回
   路とを備えてなる磁界の光式検出装置。