JPH0721512B2

JPH0721512B2 - 光センサ用光部品

Info

Publication number: JPH0721512B2
Application number: JP62075530A
Authority: JP
Inventors: 周平豊田; 素一郎松沢; 正寛市瀬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1987-03-27
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPS63241366A; US5083221A; EP0285348A1

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、光センサ用光部品、特に光を用いた電圧セン
サである光センサに関するものであり、更に詳しくは、
高電圧測定に適する電気光学効果を利用した光方式電圧
検出装置に関するものである。

（背景技術）従来から、電気光学効果を利用した光部品は、リチウム
・ナイオベート（LiNbO₃）、Bi₁₂SiO₂₀単結晶等のポッ
ケルス素子を電気光学素子として用い、それに一対の電
圧印加電極を設けて、それら電極に電圧を印加すること
により、かかる電気光学素子内に電界を発生せしめる一
方、光ファイバー等により導かれた光を偏光子によって
直線偏光せしめた後、上記電気光学素子内で電界に応じ
て、位相変調を受けさせた後、検光子によって、その位
相変化が光強度変化に変えられ、そして出射された光を
フォトダイオード等で検出するようになっている。

しかしながら、このような電気光学効果を利用した光部
品は、上記のように電気光学素子内に生じる電界を利用
するものであるところから、電圧印加電極によって発生
した電界以外の電界、即ち外部の電界に対しても電気光
学効果を生じ、これによって検出光量が変化してしまう
といった問題を内在していたのである。

具体的には、例えばこのような光部品を電圧センサとし
て、配電線路，変電線路，送電線路などの電力用線路の
電圧測定に用いる場合、これらの線路は通常三相線路で
構成されているところから、被測定線路に他相線路より
発生した電界が外部電界として重畳し、誤差要因となる
問題があった。

（解決課題）ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景として為さ
れたものであって、その目的とするところは、外部電界
の影響により特性の変化しない高電圧測定に用いる光セ
ンサ用光部品を提供することにある。

（解決手段）すなわち、本発明は、かかる目的を達成するために、印
加電圧に応じて透過光を変調する電気光学素子を含み、
該素子に所定の電圧が加わるように設けた一対の電圧印
加電極を電圧印加端子にそれぞれ接続してなる高電圧測
定に用いる光センサ用光部品において、少なくとも該電
気光学素子部分を外部電界から遮蔽する導電体を設ける
と共に、該導電体を、前記電気光学素子の電圧印加電極
に接続された電圧印加端子の一方に接続せしめたことを
特徴とする高電圧測定に用いる光センサ用光部品を、そ
の要旨とするものである。

このように、本発明にあっては、前記導電体は、電気光
学素子の一対の電圧印加電極にそれぞれ接続された電圧
印加端子の一方に接続され、これによって該導電体の電
位が安定化せしめられ得て、外部電界が、より効果的に
遮蔽されることとなるのである。

なお、本発明にあっては、前記導電体は、電気光学素子
を少なくとも収容する、密閉されたハウジングの実質的
に全面に亘って形成された導電層、例えば導電性塗料の
塗布によって形成される塗膜等にて構成されたり、電気
光学素子を少なくとも収容する、金属導体からなるケー
ス自体にて構成されることとなる。

（実施例）以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に
具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのよ
うな実施例の記載によって、何等の制約をも受けるもの
でないことは、言うまでもないところである。

また、本発明には、以下の実施例の他にも、本発明の趣
旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて
種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであって、
それらが、何れも本発明の範疇に属するものであること
が、理解されるべきである。

先ず、第１図及び第２図には、それぞれ、反射型と透過
型の光電圧センサにおけるセンサ本体部分の構成が示さ
れている。それらの図において、１は、光伝送路として
の光ファイバーであって、図示されていない光源（光送
信器）からの光をセンサ本体部分に導くようになってい
る。そして、この光ファイバー１を通じて導かれた光
は、その先端部に設けられたロッドレンズ２を通じて偏
光子３に入射せしめられ、ここで直線偏光とされた後、
電気光学結晶からなる電気光学素子４に導かれるのであ
る。

ところで、かかる電気光学素子４は、例えばLiNbO₃（リ
チウム・ナイオベート）、LiTaO₃（リチウム・タンタレ
ート）、Bi₁₂SiO₂₀、Bi₁₂GeO₂₀等の単結晶からなるポッ
ケルス素子にて構成され、印加電圧に応じて透過光を位
相変調して、楕円偏光とするものであって、そのような
電圧の印加のために、第１図に示される例にあっては、
電気光学素子４の光路方向に一致した対向面に、一対の
電極５、５が設けられ、それら電極５、５間に、電圧印
加端子たるリード線６、６を通じて測定されるべき電圧
が印加せしめられるようになっており、また第２図に示
される例にあっては、かかる電気光学素子４の光路方向
に直角な相対向する面にそれぞれ電極５、５が設けら
れ、それら電極間に測定電圧が印加せしめられるように
なっているのである。

そして、第１図に示された反射型の光電圧センサにあっ
ては、かかる電気光学素子４を通過して楕円偏光となっ
た光は、波長板（λ/4板）７を通過した後、ミラー８に
て反射され、再び波長板７、電気光学素子７を通って、
検光子を兼ねる偏光子３を通過し、その楕円率に応じて
光量が変化せしめられ、そしてロッドレンズ２から光フ
ァイバー１を通じて取り出され、更に図示しない、該光
ファイバー１の途中に設けられた分岐器より取り出され
て、光受信器に導かれ、その光量を測定することによっ
て、それに対応する被測定電圧（電気光学素子４に設け
た一対の電極５、５に印加される電圧）が測定されるの
である。

同様に、第２図に示される透過型の光電圧センサにあっ
ては、電気光学素子４を通過して楕円偏光となった光
は、波長板７及び検光子９を通過して、その楕円率に応
じて光量が変化せしめられた後、受光用のロッドレンズ
10及び光ファイバー11を通じて取り出され、図示しない
光受信器にて、その光量が測定されることによって、被
測定電圧が求められるのである。

本発明は、このような第１図、第２図に示される如き、
光部品を構成する電気光学素子４に関して、その電気光
学効果（結晶に電界をかけることにより、その結晶の光
学特性が変化する現象）が外部電界により悪影響を受け
ないように、例えば第３図乃至第５図に示される如く、
少なくとも、かかる電気光学素子４部分を導電体にて取
り囲み、外部電界から遮蔽するようにしたのである。

因みに、第３図に示される本発明に従う一実施例にあっ
ては、第１図に示される反射型の光電圧センサにおける
センサ本体部分12（ロッドレンズ２、検光子兼偏光子
３、電気光学素子４、波長板７及びミラー８を含む）
が、銅板等の導電性の金属板からなる、導電体としての
金属製ケース13内に密閉された状態で収容されており、
またこの金属製ケース13が、外部電圧を、センサ本体部
分を構成する電気光学素子４の電極５に導くリード線
（電圧印加端子）６に接続線16を介して電気的に接続さ
れている。

また、第４図に示される例においては、第１図に示され
る如き、反射型の光電圧センサのセンサ本体部分を収容
する、密閉されたハウジング14の表面が、実質的に全面
に亘って形成された導電層（導電体）15にて覆われ、外
部電界から電気的に遮蔽されるようになっている。

なお、この導電層15は、ハウジング14の表面に、金属粉
末や炭素粉末等の導電性物質を公知の方法にて所定厚さ
に付着せしめたり、金属箔等の導電板を張り付けたり、
或いはメッキを施したりすること等によって形成される
が、一般に、前記導電性物質を混入せしめた導電性塗料
の塗布によって、導電性の塗膜を形成することにより、
目的とする導電層15が有利に形成されることとなるので
ある。

そして、このような導電層15は、また、ハウジング14内
に収容される電気光学素子４に対して電圧を印加せしめ
るためのリード線６、即ち電圧印加端子に対して接続線
16を介して電気的に接続されているのである。

さらに、第５図に示される例にあっては、第２図に示さ
れる如き透過型の光電圧センサに対して本発明が適用さ
れたものであって、そこにおいては、上記第４図の例と
同様に、光電圧センサにおけるセンサ本体部分（ロッド
レンズ２、偏光子３、電気光学素子４、波長板７、検光
子９及び受光側ロッドレンズ10を含む）を収容する、密
閉されたハウジング14の全表面に亘って、導電体として
の導電層15が設けられており、またこの導電層15は、前
例と同様に、リード線６の一つに接続線16を介して電気
的に接続されているのである。

なお、これらの実施例では、何れも、光電圧センサにお
けるセンサ本体部分（12）の全ての構成要素が、導電性
のケース13や導電層15を設けたハウジング14内に収容さ
れ、外部電界から遮蔽された構造となっているが、本発
明では、かかるセンサ本体部分（12）を構成する電気光
学素子４部分が、少なくとも、そのような導電体にて囲
まれて、外部電界から遮蔽された構造であれば、如何な
る構造であっても良いのである。

そして、このように、光部品の少なくとも電気光学素子
４部分を導電体によって外部電界から遮蔽することによ
って、かかる電気光学素子４における電気光学効果は、
電圧印加電極５、５によって発生せしめられる電界のみ
によって生じることとなり、以てそのような電気光学効
果に基づいて、正確な測定電圧或いは信号電圧を検出し
得ることとなったのである。

こうした電圧センサによって、配電線路，変電線路，送
電線路などの高圧な電力線路の電圧を測定する場合に
は、第６図に示すように、高圧線路に加わる例えば数千
ボルト（ｖ）の電圧をコンデンサ（あるいは対地浮遊容
量）などを利用して分圧し、線路側のコンデンサに数十
ボルト（ｖ）から数百ボルト（ｖ）の比較的低い電圧が
加わるようにし、この電圧を光センサで測定する方法を
とる。

しかしながら、従来の光電圧センサにおいては、他相線
路の電界による誤差を生じる問題があり、その解決のた
め、光電圧センサに導電体による遮蔽手段を設けること
が考えられた。更に効果を高めるため、第７図の如く、
通常の電気回路に用いられるように、遮蔽用導電体を接
地することも考えられるが、かかる高電圧の測定におい
ては、容易に理解されるように、接地線により遮蔽用導
電体と電圧印加端子との間に、数千ボルト（ｖ）の電圧
が直接加わることになり、ショート事故の原因になる。

一方、第８図に示した本発明の如く、遮蔽用導電体と電
圧印加端子とを接続した電圧センサを使用すれば、ショ
ート事故の要因無く且つ誤差の少ない測定が可能となる
のである。

上例の如く、それぞれの導電体（13、15）が電圧印加端
子（６）の一端に接続せしめられることにより、そのよ
うな導電体（13、15）を接地する場合に惹起される問題
を何ら顧慮することなく、外部電界の遮蔽効果をより効
果的に奏せしめ得るのである。即ち、導電体（13、15）
を接地した場合にあっては、そのような光電圧センサが
高圧線路の電圧測定に用いられたとき、耐圧が持たず、
その接地線に電流が流れて、ショート事故が発生するこ
ととなるが、本発明に従って電圧印加端子に接続されて
いる場合にあっては、そのような問題は惹起されること
がないのである。

ところで、上記した本発明の効果は、例示の装置を用い
て行なった以下の試験の結果からも、明らかなところで
ある。

試験例１電気光学素子（４）として、Ｚ軸が光路方向と一致し、
且つかかる光路と平行になる4mm×5mm面に電極（５）を
設けた、2mm×4mm×5mmの大きさのLiNbO₃単結晶を用い
て、第１図に示される反射型の光電圧センサを作製し
た。なお、この光電圧センサのセンサ本体部分から取り
出される透過光は、図示しないフォトダイオードで受光
し、そしてそのフォトダイオード出力を電圧に直した
後、直流成分と交流成分とに分け、更に交流成分を直流
成分で除算した後、検出器出力とするような演算回路を
用い、伝送損失等の影響がなくなるようにした。また、
このセンサに50V、60Hzの交流信号を印加したときの検
出器出力は、500mVであった。

この状態において、電極（５）面及び光路に対し垂直な
方向に、外部から静電界を加えたとき、検出器出力は、
下記第１表のようになった。

一方、かかるセンサを、第４図に示されるように、外部
電界から遮蔽した。即ち、そのようなセンサのセンサ本
体部分（12）を100μ厚の銅板からなるケース（13）内
に密封し、また電圧印加端子（６）の一方を、該ケース
を構成する銅板に接続して、センサに50V、60Hzの交流
信号を印加した上、上記の如き各種の静電界を加えたと
ころ、第１表の如く、測定誤差の範囲で、検出器の出力
変化は何等認められなかった。また、遮蔽用導電体のみ
の場合の検出器出力は第１表の如くであり、外部電界の
影響を減少させることは出来たものの、完全に無くすこ
とはできなかった。

このように、電圧端子の一方を遮蔽用の導電ケースに接
続したものは、遮蔽用導電ケースを用いない場合に比
し、測定誤差を10分の１程度に小さくし、高精度な電圧
センサとすることが可能となった。

また、上記の如き銅板による遮蔽に代えて、第５図に示
される如く、センサパッケージ（ハウジング14）に銀混
入導電性エポキシ樹脂を所定厚さに塗布して、導電層
（15）を形成した状態下において、センサに50V、60Hz
の交流信号を印加せしめ、更に上記と同様にして、各種
の静電界を作用せしめたところ、検出器の出力変化は何
等認められなかった。

試験例２電気光学素子（４）として、4mm×7mm×5mmの大きさを
有し、光路と垂直な7mm×5mmの面に透明電極（５、５）
を設けたBi₁₂SiO₂₀結晶を用い、第２図に示される光電
圧センサを作製した。また、検出回路は、試験例１と同
じ構成のものを用いた。そして、この電圧センサに100
V、60Hzの交流信号を印加したところ、検出器出力は1.5
0Vであった。

かかる状態において、電極（５）面に垂直で、光路に平
行に外部から静電界を加えたところ、検出器出力は、下
記第２表のようになった。

一方、かかる光電圧センサを、第６図に示される如く、
外部電界から遮蔽した。なお、ここでは、導電層（15）
の形成されたハウジング（14）に代えて、100μ厚の銅
板からなる密閉可能なケース（13）を用い、その中にセ
ンサ本体部分を収容すると共に、そのようなケースと電
圧印加端子（６）の一端とを電気的に接続せしめた。

そして、そのような状態下において、上記と同様にして
各種の静電界を加えたところ、かかる静電界による検出
器出力の変化を認めることが出来なかった。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明は、高電圧測定
に用いる光センサ用光部品を構成する少なくとも電気光
学素子部分を、所定の導電体にて外部電界から遮蔽する
と共に、かかる導電体を、電気光学素子に対する電圧印
加端子の一端に接続せしめるようにしたものであって、
これにより、導電体の電位を一定と為し、以て周囲の環
境により導電体の電位が変動せしめられないようにし
て、かかる電位の変動に基づくところの電気光学素子へ
の影響を回避することにより、静電気等の外部電界に影
響されることなく、測定電圧或いは信号電圧を高精度に
測定することが可能となったものであり、そこに、本発
明の大きな工業的意義が存するのである。

この光電圧センサにより、配電線路，変電線路，送電線
路などの高圧な電力線路の電圧を精度良く測定できるた
め、三相線路の各々の線路電圧を測定し、それらの線路
情報から、事故点検出などの電力系統制御システムなど
への適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、光電圧センサのセンサ
本体部分を示す構成図であり、また第３図乃至第５図
は、それぞれ、本発明に従う光電圧センサの異なる構成
の例を示す説明図であり、更に第６図、第７図及び第８
図は、それぞれ、光電圧センサを高電圧線路の測定に適
用する例を示す構成図である。 1:光ファイバー、2:ロッドレンズ 3:偏光子、4:電気光学素子 5:電圧印加電極、6:リード線 7:波長板、8:ミラー 9:検光子 10:受光側ロッドレンズ 11:受光側光ファイバー 12:センサ本体部分、13:金属製ケース 14:ハウジング、15:導電層 16:接続線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−293168（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−168077（ＪＰ，Ｕ) 実開昭60−5195（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−82285（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−82286（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加電圧に応じて透過光を変調する電気光
学素子を含み、該素子に所定の電圧が加わるように設け
た一対の電圧印加電極を電圧印加端子にそれぞれ接続し
てなる、高電圧測定に用いる光センサ用光部品におい
て、少なくとも該電気光学素子部分を外部電界から遮蔽
する導電体を設けると共に、該導電体を、前記電気光学
素子の電圧印加電極に接続された電圧印加端子の一方に
電気的に接続せしめたことを特徴とする高電圧測定に用
いる光センサ用光部品。
【請求項２】前記電圧印加電極が電気光学素子上に形成
された特許請求の範囲第１項に記載の光センサ用光部
品。
【請求項３】前記導電体が、前記電気光学素子を少なく
とも収容する、密閉されたハウジングに形成された導電
層にて構成される特許請求の範囲第１項に記載の光セン
サ用光部品。
【請求項４】前記導電層が、導電性塗料の塗布によって
形成された塗膜である特許請求の範囲第３項記載の光セ
ンサ用光部品。
【請求項５】前記導電体が、前記電気光学素子を少なく
とも収容する、金属導体からなるケースにて構成される
特許請求の範囲第１項に記載の光センサ用光部品。