JPH08220149A - 光電圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ感度の安定した温度特性が得られる光
電圧センサを提供する。 【構成】 光路に沿って順に配置した偏光子３、１／４
波長板４、電気光学結晶５、検光子６からなる光電圧セ
ンサにおいて、電気光学結晶５がＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀または
Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀のいずれか一方からなり、電気光学結晶
５の厚みによって決まる旋光角と電気光学結晶５のカッ
ト方向とを調整することによって、電気光学結晶５の温
度係数κ_c と１／４波長板４の温度係数κ_1/4 との関係
を、κ_c ＝｜（π／２）κ_1/4 ｜ としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁界環境の過酷な電
力分野等における電圧を高精度で測定するための光電圧
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光電圧センサは、図９に
示すように構成されている。発光ダイオードなどの発光
素子からなる光源（図示せず）から放出される光は、光
ファイバ１によって導かれ、コリメータレンズ２ａで平
行光となり、偏光子３で光を反射または透過した後直線
偏光３ａとなる。この直線偏光３ａは、１／４波長板４
を透過する際に、図示する互いに直交する直線偏光４
ａ，４ｂが９０度の位相差を生じて円偏光となる。この
円偏光が電気光学素子５を通過すると、その結晶の表裏
に設けられた透明電極を介して電界が印加されることに
より生じる複屈折を利用して、光位相変調を行う。その
後、この光を検光子６を通過させることによりアナログ
変調を行い、コリメータレンズ２ｂで集光し、光ファイ
バ１ｂを介して検出器（図示せず）に入力し、アナログ
変調の度合いに応じた電圧を検出している（例えば、特
公平２−１０３８３号）。

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術で
は、光電圧センサの温度変化に対する出力特性の変化が
大きく、このことが電圧を高精度測定する上で大きな障
害となっていた。例えば、従来の巻線形ＰＴ（Ｐｏｔｅ
ｎｔｉａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）の確度階級１Ｐ
級と同等の使い方をするためには、定格電圧の７０％か
ら１１０％の電圧範囲で比誤差を１．０％以下にする必
要がある。しかしながら、現状の光電圧センサでこの温
度範囲内に収めることは、構成部品である１／４波長
板、電気光学結晶などの温度特性を考慮すると難しい問
題があった。本発明は、センサ感度の安定した温度特性
が得られる光電圧センサの温度特性安定化方法を提供す
ることを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、光路に沿って順に配置した偏光子、１／
４波長板、電気光学結晶、検光子からなる光電圧センサ
において、前記電気光学結晶がＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀（以下Ｂ
ＧＯと呼ぶ）またはＢｉ₁₂ＳｉＯ₂₀（以下ＢＳＯと呼
ぶ）のいずれか一方からなり、前記電気光学結晶の厚み
によって決まる旋光角と前記電気光学結晶のカット方向
とを調整することにより、前記電気光学結晶の温度係数
κ_c と前記１／４波長板の温度係数κ_1/4 との関係を、
κ_c ＝｜（π／２）κ_1/4 ｜ としたものである。ま
た、前記偏光子と前記検光子とを直交させて配置したと
き、前記温度係数κ_c の符号が正になるものである。ま
た、前記偏光子と前記検光子とを平行に配置したとき、
前記温度係数κ_c の符号が負になるものである。

【０００５】

【作用】光電圧センサは、図２に示すように、偏光子３
と検光子６が直交する方式と、偏光子と検光子が平行と
なる方式があるが、直交する方式と平行する方式の二つ
に分けて考える。偏光子と検光子が直交する場合の透過
光量P_v(V、T) は、電圧Ｖおよび温度Ｔの関数として次の
式（１）で表される。 P_V(V,T)=(P₀/2)[1-cos{ δ(V,T)+δ_1/4(T)}] …(1) また、偏光子と検光子が平行である場合の透過光量P
_P(V、T) は、同様に電圧Ｖおよび温度Ｔの関数として次
の数式（１）で表される。 P_P(V,T)=(P₀/2)[1+cos{ δ(V,T)+δ_1/4(T)}] …(2) ここで、δ(V,T) は温度Ｔ（℃）、印加電圧Ｖの条件で
の電気光学結晶中で生じる位相差（リターデーション）
である。δ_1/4(T)は温度Ｔ（℃）での１／４波長板の位
相差である。また、Ｐ₀ はδ(V,T)+δ_1/4(T)=0またはπ
における透過光量である。図３は、縦軸に透過光量P
_v(V、T) および透過光量P_P(V、T) を、横軸に位相差であ
るδ(V,T)+δ_1/4(T)をおいて式（１）および式（２）の
関係をまとめたものである。図３に示すように、δ(V,
T)+δ_1/4(T)が増加するにつれて、偏光子と検光子が直
交する場合の透過光量P_v(V、T) は増加し、平行である場
合の透過光量P_P(V、T)は減少する。

【０００６】次に、式（１）、（２）で用いた位相差δ
(V,T)、δ_1/4(T)の温度特性およびその大きさについて説
明する。電気光学結晶の位相差δ(V,T) の温度特性は温
度Ｔと一次式の関係で表されるものと仮定し、その温度
係数をκ_c(1/℃) とすると、δ(V,T) は式（３）で表さ
れる。 δ(V,T) = δ₀(V)(1+ κ_cT) …(3) ここで、δ₀(V)は温度零( ℃) における電気光学結晶の
位相差で、印加する電圧Ｖの関数である。また、１／４
波長板の位相差δ_1/4(T)の温度特性は、温度Ｔの一次式
で表されるものと仮定し、その温度係数をκ_1/4(1/℃)
とすると、δ_1/4(T)は式（４）で表される。 δ_1/4(T) =( π/2) (1+ κ_1/4T) …(4) この場合、１／４波長板は温度零( ℃) のときの位相差
がπ／２（１／４波長に相当）となるように設定されて
いるものとする。

【０００７】次に、偏光子と検光子が直交する場合の透
過光量P_v(V、T) の温度特性および平行である場合の透過
光量P_P(V、T) の温度特性について説明する。透過光量P_v
(V、T) は式（３）と式（４）を式（１）に代入すること
により、次の式（５）で表される。 P_v(V、T) =(P₀/2)[1+sin{δ₀(V)(1+ κ_cT) + ( π/2) κ_1/4T}] …(5) また同様に、式（３）、（４）を式（２）に代入すると
透過光量P_P(V、T) は、次の式（６）によって表される。 P_P(V、T) =(P₀/2)[1-sin{δ₀(V)(1+ κ_cT) + ( π/2) κ_1/4T}] …(6) ここで、電気光学結晶で生じる位相差δ₀(V)の値は、通
常１０^-2( rad)のオーダで使用され、また、κ_1/4 は水
晶を使用した１／４波長板では１０^-4(1/ ℃)のオーダ
である。よって次の式（７）が成立する。 ｜δ₀(V)(1+ κ_cT) + ( π/2) κ_1/4T｜≪１ …(7)

【０００８】式（７）が成立する条件で偏光子と検光子
が直交する構成では、式（５）の透過光量P_v(V、T) は、
温度Ｔの関数として次の式（８）の近似式で表すことが
できる。 P_v(V、T) ≒(P₀/2)[{1+( π/2) κ_1/4T}+δ₀(V)(1+ κ_cT) ] …(8) 式（８）の右辺は、透過光量P_v(V、T) の温度特性が印加
電圧Ｖに無関係の第１項と、印加電圧Ｖの関数である第
２項に分けて考えることができることを示している。同
様に、偏光子と検光子が平行の構成での透過光量P_P(V、
T) は、式（６）から温度Ｔの関数として次の式（９）
の近似式で表すことができる。 P_P(V、T) ≒(P₀/2)[{1-( π/2) κ_1/4T}-δ₀(V)(1+ κ_cT) ] …(9) 式（８）、（９）の第１項は、印加電圧Ｖに無関係な項
で、１／４波長板の温度の影響を表す項である。偏光子
と検光子が直交する場合と平行である場合では、この項
の( π/2) κ_1/4Tの符号が逆になるので、１／４波長板
の温度変化の影響が二つの構成で逆になっている。一
方、式（８）、（９）の右辺の第２項は、印加電圧Ｖの
影響を表す項で、電気光学結晶としてポッケルス効果を
有するＢＧＯ，ＢＳＯを利用すると、δ₀(V)が印加電圧
Ｖの一次に比例して増減する。これら二つの式を比較す
ると、係数の符号が逆になっているので、透過光量は印
加電圧に対し、位相が１８０度異なることがわかる。位
相が逆転するにもかかわらず、κ_cTの符号が等しいの
で、電気光学結晶の温度の影響は、これら二つの構成で
等しいことがわかる。

【０００９】次に、偏光子と検光子が直交および平行の
二つの構成で、光センサの変調度を求め、その結果から
変調度の温度特性を導出する。この場合の変調度は、そ
れぞれ式（８）、（９）の右辺の第２項を第１項で割る
ことによって求められる。すなわち、検光子と偏光子が
直交する構成での変調度ｍ_V(V,T)は温度Ｔの関数として
次の式（１０）で求められる。 ｍ_V(V,T)={δ₀(V)(1+ κ_cT)}/{1 + ( π/2) κ_1/4T} …(10) また、同様に検光子と偏光子が平行な場合の変調度ｍ
_P(V,T)は温度Ｔの関数として次の式（１１）で求められ
る。 ｍ_V(V,T)={- δ₀(V)(1+ κ_cT)}/{1 - ( π/2) κ_1/4T} …(11) ここで、これら変調度ｍ_V(V,T)、ｍ_V(V,T)を絶対値で表
し、センサ感度と呼ぶことにする。

【００１０】次に、物理的な意味をより明確にするため
に、式（１０）、（１１）を次のように変形する。すな
わち、１／４波長板の温度変化( π/2) κ_1/4Tが小さ
く、次の式（１２）の条件がそれぞれ成立するものとす
る。 ｜( π/2) κ_1/4T｜≪１，｜κ_cT｜≪１ …(12) 式（１２）が成立する条件では、偏光子と検光子が直交
する構成でのセンサ感度｜ｍ_V(V,T)｜は次の式（１３）
で近似される。 ｜ｍ_V(V,T)｜≒δ₀(V){(1+( κ_c- (π/2) κ_1/4)T}| …(13) 一方、同様に式（１２）が成立する条件では、偏光子と
検光子が平行の時のセンサ感度｜ｍ_P(V,T)｜は次の式
（１４）で近似される。 ｜ｍ_P(V,T)｜≒δ₀(V){(1+( κ_c+ (π/2) κ_1/4)T}| …(14) 光センサ感度｜ｍ｜として通常用いられるのは、｜δ
₀(V)｜である。したがって、式（１３）、（１４）から
明らかであるように、ここで求めたセンサ感度は通常の
電圧の関数項δ₀(V)に｛｝ の温度の項が加わったこと
になる。また、式（１３）と式（１４）を比較すると、
二つの構成で１／４波長板の温度特性の影響が逆になる
ことがわかる。

【００１１】次に、二つの構成でセンサ感度の温度変化
を零にするためには、式（１３）と式（１４）の温度の
項である｛｝の中が零になればよい。よって、偏光子と
検光子が直交する場合には、次の式（１５）が成立すれ
ばよい。 κ_c=( π/2) κ_1/4 …(15) 一方、偏光子と検光子が平行の場合にセンサ感度の温度
変化を零とするためには、次の式（１６）が成立すれば
よい。 κ_c=-(π/2) κ_1/4 …(16) 式（１５）は、偏光子と検光子が直交する場合のセンサ
感度の温度特性を安定化させる条件となり、式（１６）
は偏光子と検光子が平行な場合のセンサ感度の温度特性
を安定化させる条件となる。

【００１２】式（１５）、（１６）を成立させるために
は、電気光学結晶の温度係数κ_c または１／４波長板の
温度係数κ_1/4 のいずれかを調整する必要がある。ここ
では、電気光学結晶としてＢＧＯまたはＢＳＯを使用し
た時のδ₀(V)の温度係数κ_c の調整法を説明する。この
ため、まず、式（３）に対応する位相差δ₀(V)について
説明する。電気光学結晶に印加する電圧をＶ、半波長電
圧をＶ_h および電気光学結晶の厚みで決まる旋光角をΦ
₀ （これらはそれぞれ零度（℃）における値である）、
更に結晶の方位に関するカット方向をθとすると、結晶
中で生じる位相差δ₀(V)は、次の式（１７）で表され
る。 δ₀(V)=(πV/V_h)(sin Φ₀ / Φ₀ )cos( Φ₀ +2θ) …(17) 次に、式（３）の温度係数κ_c について説明する。この
ためまず、半波長電圧Ｖ_h および旋光角Φ₀ が温度Ｔと
一時の関係にあるものと仮定し、それぞれの温度係数が
κ_a ，κ_b とすれば、半波長電圧Ｖ_h および旋光角Φ₀
は次の式（１８）で表される。 V_h(T)=V_h0(1+κ_aT ), Φ₀ (T)=Φ₀ (1+ κ_b T) …(18) 式（１８）が成立する条件で、式（３）の温度係数κ_c
は次の式（１９）で表される。 κ_c =-( κ_a + κ_b)+ κ_bF( Φ₀ , θ) …(19) ここで、F(Φ₀ , θ) は旋光角Φ₀ と結晶方位θによっ
て定まる関数で、次の式（２０）で表される。 F(Φ₀ , θ) =(Φ₀ /sinΦ₀ ){cos(2 Φ₀ +2θ)/cos(Φ₀ +2θ)} …(20) κ_a およびκ_b は物性値によって定まるので、κ_c を制
御するためには、F(Φ₀ , θ) の値を変えて設計すれば
よい。図４に厚み（旋光角）をパラメータに、結晶の方
位であるカット方向θと｜δ(V) | の関係を、式（１
７）を用いて計算した結果を示した。ただし、縦軸は｜
δ(V) | の代わりにπV/V_hで規格化した規格化センサ感
度｜ｍ｜_n を用いている。また、旋光角Φ₀ と結晶の厚
みｄは比例する。また、図５にカット方向θとセンサ感
度の温度係数κ_c の関係を、式（１９）、（２０）を用
いて計算した結果を示した。このように、カット方向θ
と旋光角Φ₀ に比例する結晶の厚みｄによって｜δ(V)
| およびκ_c を調整できることがわかる。なお、カット
方向の定義を図６に示す。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。 ［実施例１］図１は本発明の実施例を示す構成図であ
る。図において、１は発光ダイオードなどの発光素子か
らなる光源（図示せず）から放出される光を導く光ファ
イバ、２ａは光ファイバ１からの光を平行光とするコリ
メータレンズ、３は偏光ビームスプリッタからなる偏光
子で、光を反射させて直線偏光３ａとする。４は１／４
波長板で、直線偏光３ａが１／４波長板４を透過する際
に、互いに直交する直線偏光４ａ，４ｂとなり、９０度
の位相差を生じて円偏光となる。５は電気光学素子で、
この円偏光が電気光学素子５を通過すると、その結晶の
表裏に設けられた透明電極を介して電界が印加されるこ
とにより生じる複屈折を利用して、光位相変調を行う。
６は偏光ビームスプリッタからなる偏光子で、偏光子３
と検光子６が直交する条件は、偏光子３には反射光（Ｓ
偏光）を用い、検光子６には透過光（Ｐ偏光）を用いる
構成とした。この場合、光電圧センサの取扱を容易にす
るために、検光子６で反射される偏光子３と平行な透過
光量P_P(V,T) はコリメータレンズ２ｂで集光し、光ファ
イバ１ｂを介して検出器（図示せず）に入力される。検
光子６を通過した偏光子３と直交する透過光量P_S(V,T)
はミラー７によって９０度光路が曲げられ、コリメータ
レンズ２ｃで集光し、光ファイバ１ｃを介して検出器
（図示せず）に入力される。

【００１４】このように構成した光電圧センサを図７の
ブロック図に示す測定系で温度特性を測定した。この構
成で、光電圧センサ部と光源部とを光ファイバによって
接続し、別々の恒温槽に入れ、これらを独立に温度コン
トロールする構成とした。さらに、光源部と電圧センサ
部間の光ファイバの途中にビームスプリッタ（ＢＳ）を
挿入し、スペクトルアナライザにより波長の測定を行っ
た。ここで、光電圧センサの感度の温度特性の測定に際
しては、光電圧センサに６０Ｈｚ、１００ボルト一定電
圧（電圧安定度０．１％）を印加する条件に統一した。
なお、光電圧センサの温度特性は、応力および熱歪みに
大きく影響を受けるので、これらの影響を受けないよう
に特に配慮した。次に、測定データの処理方法を示す。
偏光子３と検光子６が直交する構成での光電圧センサの
感度の温度特性％ｍ（Ｔ）を次の式（２１）で定義す
る。すなわち、式（１３）に該当するものとして式（２
１）によって％ｍ_V （Ｔ）を計算によって求める。 %m_V(T)={|m_V(100,T)|-|m_V(100,20)|}/|m_V(100),20)| ×100(%) …(21) 偏光子と検光子が平行する構成での%m_P(T)も式（２１）
と同様の方法で求める。ただし、式（２１）で|m_V(100,
T)| の代わりに|m_P(100,T)| を用い、さらに、|m_V(100,
20)|の代わりに|m_P(100,20)|の実測値をそれぞれ使用す
る。

【００１５】式（１３）、（１４）の妥当性を次のよう
にして確認した。図８（ａ）にＢＧＯ結晶の厚みが２ｍ
ｍおよびθ＝−４５度でカットした時の温度特性を示
す。この例では光源部の温度を一定にすることにより、
発光波長λを一定の条件に設定して測定した。なお、図
（ａ）には同一結晶で、しかも同時に測定した時の%m
_V(T)および%m_P(T)の特性を合わせて示した。このよう
に、%m_V(T)は温度が上昇すると大きくなり、%m_P(T)は温
度が上昇すると小さくなる。さらに、これら二つのセン
サ感度の温度特性は、温度とほぼ直線的な関係があり、
式（１３）、（１４）のように温度の一次式で近似でき
ることがわかる。一方、これらの二つのセンサ感度の温
度係数が図８（ａ）に示した%m_V(T)、%m_P(T)の勾配から
求められる。これら、%m_V(T)、%m_P(T)の勾配から求めら
れた温度係数は、式（１３）、（１４）の温度項に該当
する。したがって 次の式（２２）が成立する。 κ_c-( π/2) κ_1/4=-4.0×10^-4，κ_c+( π/2) κ_1/4=-8.5×10^-4 …(22) 式（２２）から、実際に用いた１／４波長板のκ_1/4 と
電気光学結晶ＢＧＯの温度係数κ_c を求めることができ
る。この結果、κ_1/4 、κ_c は次の式（２３）に示すよ
うな値となる。 ( π/2) κ_1/4=2.25×10⁴(1/℃) ，κ_c=-6.5×10^-4(1/ ℃) …(23) このように、%m_V(T)および%m_P(T)から、センサ感度の温
度特性が温度の一次式で表されるときの光電圧センサの
構成部品である１／４波長板の温度係数κ_1/4と電気光
学結晶ＢＧＯの温度係数κ_c を求めることができる。

【００１６】［実施例２］ここでは、式（１９）のF(Φ
₀ , θ) の値を調整することによって、電気光学結晶の
温度係数κ_c の値を調整した例を示す。光電圧センサの
温度係数を零とするためには、偏光子と検光子が直交す
る条件で、式（１５）が、また平行の条件で式（１６）
が成立しなければならない。よってここでは、電気光学
結晶の温度係数を調整することにより、１／４波長板の
温度係数に合わせ、温度特性の安定化を図った例を述べ
る。まず、図１に示す偏光子と検光子が直交する構成
で、光電圧センサの温度特性を安定化させるために、電
気光学結晶にＢＧＯ結晶を用い、その厚みを４ｍｍ、カ
ット方向をθ＝−２０度とし、温度係数κ_c を次の式
（２４）に示す値に調整した。 κ_c=-2.25 ×10^-4(1/ ℃) …(24) 図８（ｂ）に偏光子と検光子が直交する構成で測定した
%m_V(T)の測定結果を示す。直交する構成において、この
ように光電圧センサの温度変化をほぼ零にすることがで
きた。この条件で同時に測定を行った検光子と偏光子が
平行の構成についての%m_P(T)の例についても図８（ｂ）
に合わせて示してある。この場合の温度勾配は、理論通
り負の大きさになっており、しかもその温度係数である
その%m_P(T)の勾配は２κ_c となっている。

【００１７】［実施例３］次に、偏光子と検光子が平行
の構成で、センサ感度の温度特性を安定化させた例につ
いて述べる。この場合、電気光学結晶としてＢＧＯを同
様に用いた。ただしその厚みを４ｍｍ、カット方向θ＝
０度とし、電気光学結晶の温度係数を次の式（２５）の
ように調整した。 κ_c=2.25×10⁴(1/℃) …(24) 図８（ｃ）に偏光子と検光子が平行の場合の温度特性%m
_P(T)を示す。このように、電気光学結晶の温度係数を式
（２５）の値に選ぶことによって、今度は平行の構成で
の光電圧センサの温度変化を小さく抑えることができ
た。一方、この条件で同時に測定した偏光子と検光子が
直交する構成での%m_V(T)は、温度特性は正となり、しか
もその値は式（８）から明かのように、２κ_c に近い値
が得られることがこの実施例により確認できた。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
電圧センサの電気光学結晶の厚みと結晶方位に関するカ
ット方向を最適に調整することによって、その温度特性
を１／４波長板の温度特性と一致させるようにして、光
電圧センサの温度変化を小さく抑えるので、温度特性の
安定した光電圧センサを提供できる。また、光電圧セン
サの温度特性の安定化のためには、電気光学結晶の設計
条件のみを調整することによって達成が可能であるの
で、新しく部品を追加することなく行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例を示す構成図。

【図２】 本発明の実施例の作用を示す説明図。

【図３】 本発明の実施例の透過光量と位相差の関係を
示す説明図。

【図４】 本発明の実施例のカット方向とセンサ感度の
関係を示す説明図。

【図５】 本発明の実施例のカット方向と電気光学結晶
の温度係数との関係を示す説明図。

【図６】 本発明の実施例の電気光学結晶のカット方向
を示す説明図。

【図７】 本発明の実施例の測定装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図８】 本発明の実施例の光電圧センサの温度特性を
示す説明図。

【図９】 従来例の作用を示す説明図である。

【符号の説明】 １ 光ファイバ、２ａ，２ｂ，２ｃ コリメータレン
ズ、３偏光子、４ １／４波長板、５ 電気光学結晶、
６ 検光子、７ ミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路に沿って順に配置した偏光子、１／
   ４波長板、電気光学結晶、検光子からなる光電圧センサ
   において、前記電気光学結晶がＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀またはＢ
   ｉ₁₂ＳｉＯ₂₀のいずれか一方からなり、前記電気光学結
   晶の厚みによって決まる旋光角と前記電気光学結晶のカ
   ット方向とを調整することにより、前記電気光学結晶の
   温度係数κ_c と前記１／４波長板の温度係数κ_1/4 との
   関係を、κ_c ＝｜（π／２）κ_1/4 ｜ としたことを特
   徴とする光電圧センサ。
2. 【請求項２】 前記偏光子と前記検光子とを直交させて
   配置したとき、前記温度係数κ_c の符号が正になる請求
   項１記載の光電圧センサ。
3. 【請求項３】 前記偏光子と前記検光子とを平行に配置
   したとき、前記温度係数κ_c の符号が負になる請求項１
   記載の光電圧センサ。