JPH08220150A - 光電圧センサの電圧検出方法 - Google Patents
光電圧センサの電圧検出方法Info
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- JPH08220150A JPH08220150A JP7051833A JP5183395A JPH08220150A JP H08220150 A JPH08220150 A JP H08220150A JP 7051833 A JP7051833 A JP 7051833A JP 5183395 A JP5183395 A JP 5183395A JP H08220150 A JPH08220150 A JP H08220150A
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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
電圧センサの電圧検出方法を提供する。 【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を備え、電気光学
結晶５の複屈折を利用して光位相変調を行うことにより
電気光学結晶５に印加された電圧を検出する光電圧セン
サの電圧検出方法において、偏光子３と検光子６の偏光
角が直交および平行となる二つの出力光を電気信号に変
換したあと、自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂによりゲ
イン調整し、前記自動ゲイン調整器の出力の直流分を基
準電圧と等しくし、前記二つの出力光の電気信号を相互
に引き算することによって得られた値から電圧を求める
ものである。
電圧センサの電圧検出方法を提供する。 【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を備え、電気光学
結晶５の複屈折を利用して光位相変調を行うことにより
電気光学結晶５に印加された電圧を検出する光電圧セン
サの電圧検出方法において、偏光子３と検光子６の偏光
角が直交および平行となる二つの出力光を電気信号に変
換したあと、自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂによりゲ
イン調整し、前記自動ゲイン調整器の出力の直流分を基
準電圧と等しくし、前記二つの出力光の電気信号を相互
に引き算することによって得られた値から電圧を求める
ものである。
Description
【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
センサの電圧検出方法に関する。
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
センサの電圧検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の光電圧センサは、図８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で導かれ、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４ａ，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）。
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で導かれ、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４ａ，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（定格で誤差が±１％以下）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電
圧検出方法を提供することを目的とするものである。
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（定格で誤差が±１％以下）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電
圧検出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、検光子を備え、前記電気光学
結晶の複屈折を利用して光位相変調を行うことにより前
記電気光学結晶に印加した電圧を検出する光電圧センサ
の電圧検出方法において、前記偏光子と前記検光子の偏
光角が直交および平行となる二つの出力光を電気信号に
変換したあと、自動ゲイン調整器によりゲイン調整し、
前記自動ゲイン調整器の出力の直流分を基準電圧と等し
くし、前記二つの出力光の電気信号を相互に引き算する
ことによって得られた値から電圧を検出するものであ
る。また、前記電気光学結晶にＢｉ12ＧｅＯ20（以下Ｂ
ＧＯと呼ぶ）またはＢｉ12ＳｉＯ20（以下ＢＳＯと呼
ぶ）のいずれかを採用し、前記偏光子と前記検光子の偏
光角が直交および平行となる二つの出力光の位相差の温
度依存性が零となるように、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
を調整するものである。
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、検光子を備え、前記電気光学
結晶の複屈折を利用して光位相変調を行うことにより前
記電気光学結晶に印加した電圧を検出する光電圧センサ
の電圧検出方法において、前記偏光子と前記検光子の偏
光角が直交および平行となる二つの出力光を電気信号に
変換したあと、自動ゲイン調整器によりゲイン調整し、
前記自動ゲイン調整器の出力の直流分を基準電圧と等し
くし、前記二つの出力光の電気信号を相互に引き算する
ことによって得られた値から電圧を検出するものであ
る。また、前記電気光学結晶にＢｉ12ＧｅＯ20（以下Ｂ
ＧＯと呼ぶ）またはＢｉ12ＳｉＯ20（以下ＢＳＯと呼
ぶ）のいずれかを採用し、前記偏光子と前記検光子の偏
光角が直交および平行となる二つの出力光の位相差の温
度依存性が零となるように、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
を調整するものである。
【０００５】
【作用】光電圧センサを、偏光子と検光子が直交する方
式と、偏光子と検光子が平行となる方式に分けて考え
る。偏光子と検光子が直交する場合の透過光量PS(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。 PS(V,T)=(P0/2)[1-cos{ δ(V,T)+δ1/4(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。 PP(V,T)=(P0/2)[1+cos{ δ(V,T)+δ1/4(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。δ1/4(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)+δ1/4(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
S(V、T) および透過光量PP(V、T) を、横軸に位相差であ
るδ(V,T)+δ1/4(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)+δ1/4(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PS(V、T) は増加し、平行である場
合の透過光量PP(V、T)は減少する。
式と、偏光子と検光子が平行となる方式に分けて考え
る。偏光子と検光子が直交する場合の透過光量PS(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。 PS(V,T)=(P0/2)[1-cos{ δ(V,T)+δ1/4(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。 PP(V,T)=(P0/2)[1+cos{ δ(V,T)+δ1/4(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。δ1/4(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)+δ1/4(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
S(V、T) および透過光量PP(V、T) を、横軸に位相差であ
るδ(V,T)+δ1/4(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)+δ1/4(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PS(V、T) は増加し、平行である場
合の透過光量PP(V、T)は減少する。
【０００６】次に、式（１）、（２）で用いた位相差δ
(V,T)、δ1/4(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κc(1/℃) とすると、δ(V,T) は式（３）で表さ
れる。 δ(V,T) = δ0(V)(1+ κcT) …(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δ1/4(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κ1/4(1/℃)
とすると、δ1/4(T)は式（４）で表される。 δ1/4(T) =( π/2) (1+ κ1/4T) …(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。
(V,T)、δ1/4(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κc(1/℃) とすると、δ(V,T) は式（３）で表さ
れる。 δ(V,T) = δ0(V)(1+ κcT) …(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δ1/4(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κ1/4(1/℃)
とすると、δ1/4(T)は式（４）で表される。 δ1/4(T) =( π/2) (1+ κ1/4T) …(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PS(V、T) の温度特性および平行である場合の透過
光量PP(V、T) の温度特性について説明する。透過光量PS
(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。 PS(V、T) =(P0/2)[1+sin{δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T}] …(5) また同様に、式（３）、（４）を式（２）に代入すると
透過光量PP(V、T) は、次の式（６）によって表される。 PP(V、T) =(P0/2)[1-sin{δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T}] …(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、κ1/4 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、実使用温度範囲内では次の式（７）が
成立する。 ｜δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T｜≪１ …(7)
過光量PS(V、T) の温度特性および平行である場合の透過
光量PP(V、T) の温度特性について説明する。透過光量PS
(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。 PS(V、T) =(P0/2)[1+sin{δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T}] …(5) また同様に、式（３）、（４）を式（２）に代入すると
透過光量PP(V、T) は、次の式（６）によって表される。 PP(V、T) =(P0/2)[1-sin{δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T}] …(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、κ1/4 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、実使用温度範囲内では次の式（７）が
成立する。 ｜δ0(V)(1+ κcT) + ( π/2) κ1/4T｜≪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PS(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。 PS(V、T) ≒(P0/2)[{1+( π/2) κ1/4T}+δ0(V)(1+ κcT) ] …(8) 式（８）の右辺は、透過光量PS(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PP(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。 PP(V、T) ≒(P0/2)[{1-( π/2) κ1/4T}-δ0(V)(1+ κcT) ] …(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) κ1/4T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、κcT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。
が直交する構成では、式（５）の透過光量PS(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。 PS(V、T) ≒(P0/2)[{1+( π/2) κ1/4T}+δ0(V)(1+ κcT) ] …(8) 式（８）の右辺は、透過光量PS(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PP(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。 PP(V、T) ≒(P0/2)[{1-( π/2) κ1/4T}-δ0(V)(1+ κcT) ] …(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) κ1/4T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、κcT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す
る場合の双方の光信号を用いて温度特性の安定化を行う
方法について説明する。このため、式（８）、（９）の
センサ感度PS(V、T) 、PP(V、T) を用いて次のような信号
処理を行う。光電圧センサに印加する電圧を６０Ｈｚと
すれば、式（８）、（９）の右辺の第１項は１／４波長
板の温度変化が含まれる直流分であり、第２項は信号成
分である。それでまず、図１に示すように、PS(V、T) の
場合には、その直流分である{1+(π/2) κ1/4}と、更に
基準電圧ＥS との差が零となるようにＡＧＣ（自動ゲイ
ン調整器）を調整する。一方、PP(V、T) の場合は、その
直流分である{1-(π/2) κ1/4}と、更に基準電圧ＥS と
の差が零となるようにＡＧＣを調整する。すなわち、PS
(V、T) の場合には、そのゲインは、１／{1+(π/2) κ
1/4}に比例し、一方、PP(V、T) の場合は、１／{1-(π/
2) κ1/4}に比例するゲインとなる。このようにゲイン
を調整すると、基準電圧ＥS が等しければ、二つの信号
の間で直流分が等しくなる。次に、ＡＧＣを通過した後
で二つの信号を引き算すると次の式（１０）が得られ
る。 P(V,T)=[1/{1+(π/2) κ1/4T}]PS(V、T) -[1/{1-(π/2) κ1/4T}] PP(V、T) =(P0/2){δ0(V)(1+ κcT)}/ {1+(π/2) κ1/4T} + (P0/2){ δ0(V)(1+ κcT)}/ {1-(π/2) κ1/4T} …(10) ここで、( π/2) κ1/4T＋≪１ が成立する条件では、
式（１０）は次の式（１１）の近似式で表すことができ
る。 P(V,T)≒P0δ0(V)(1+ κcT) …(11) したがって、同時に測定した二つの信号PS(V,T) 、P
P(V,T) を図１に示した回路で処理をすれば、光電圧セ
ンサの感度の温度係数は、１／４波長板の温度特性の影
響を受けず、電気光学結晶の温度係数κc のみに影響さ
れる。
る場合の双方の光信号を用いて温度特性の安定化を行う
方法について説明する。このため、式（８）、（９）の
センサ感度PS(V、T) 、PP(V、T) を用いて次のような信号
処理を行う。光電圧センサに印加する電圧を６０Ｈｚと
すれば、式（８）、（９）の右辺の第１項は１／４波長
板の温度変化が含まれる直流分であり、第２項は信号成
分である。それでまず、図１に示すように、PS(V、T) の
場合には、その直流分である{1+(π/2) κ1/4}と、更に
基準電圧ＥS との差が零となるようにＡＧＣ（自動ゲイ
ン調整器）を調整する。一方、PP(V、T) の場合は、その
直流分である{1-(π/2) κ1/4}と、更に基準電圧ＥS と
の差が零となるようにＡＧＣを調整する。すなわち、PS
(V、T) の場合には、そのゲインは、１／{1+(π/2) κ
1/4}に比例し、一方、PP(V、T) の場合は、１／{1-(π/
2) κ1/4}に比例するゲインとなる。このようにゲイン
を調整すると、基準電圧ＥS が等しければ、二つの信号
の間で直流分が等しくなる。次に、ＡＧＣを通過した後
で二つの信号を引き算すると次の式（１０）が得られ
る。 P(V,T)=[1/{1+(π/2) κ1/4T}]PS(V、T) -[1/{1-(π/2) κ1/4T}] PP(V、T) =(P0/2){δ0(V)(1+ κcT)}/ {1+(π/2) κ1/4T} + (P0/2){ δ0(V)(1+ κcT)}/ {1-(π/2) κ1/4T} …(10) ここで、( π/2) κ1/4T＋≪１ が成立する条件では、
式（１０）は次の式（１１）の近似式で表すことができ
る。 P(V,T)≒P0δ0(V)(1+ κcT) …(11) したがって、同時に測定した二つの信号PS(V,T) 、P
P(V,T) を図１に示した回路で処理をすれば、光電圧セ
ンサの感度の温度係数は、１／４波長板の温度特性の影
響を受けず、電気光学結晶の温度係数κc のみに影響さ
れる。
【００１０】式（１１）から、この構成の光電圧センサ
の温度特性を安定化するためには、電気光学結晶の温度
係数が、κc=0 とならなければならない。ここでは、電
気光学結晶としてＢＧＯまたはＢＳＯを使用したときの
δ0(V)の温度係数κc の調整方法を述べる。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
1/2 および結晶の厚みで定まる旋光角をΦ0 （これらは
それぞれ零度℃における値である）、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δ
0(V)は次の式（１２）で表される。 δ0(V)= ( πV/V1/2)(sin Φ0 / Φ0 )cos( Φ0 +2θ) …(12) 次に、式（３）似ついて説明する。このためまず、温度
Ｔと一次の関係があるものと仮定し、それぞれの温度係
数をκa ，κb 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｜ｍV(V,T)｜
は次の式（１３）で近似される。とすれば、半波長電圧
V1/2および旋光角Φ0 は次の式（１３）で表される。 V1/2（T)= V1/2(1+ κa T), Φ0 (T)=Φ0 (1+ κb T) …(13) 式（１３）が成立する条件では、式（３）の温度係数κ
c は次の式（１４）で表される。 κc=-(κa+κb )+κbF( Φ0 , θ) …(14) 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（１５）で表される。 F(Φ0 , θ) =(Φ0/sin Φ0){cos(2Φ0+2 θ)/{cos(2Φ0+2 θ)} …(15) κa およびκb は物性値によって定まるので、κc 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
２）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/V1/2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κc の関係を、式（１４）、（１５）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κc 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。
の温度特性を安定化するためには、電気光学結晶の温度
係数が、κc=0 とならなければならない。ここでは、電
気光学結晶としてＢＧＯまたはＢＳＯを使用したときの
δ0(V)の温度係数κc の調整方法を述べる。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
1/2 および結晶の厚みで定まる旋光角をΦ0 （これらは
それぞれ零度℃における値である）、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δ
0(V)は次の式（１２）で表される。 δ0(V)= ( πV/V1/2)(sin Φ0 / Φ0 )cos( Φ0 +2θ) …(12) 次に、式（３）似ついて説明する。このためまず、温度
Ｔと一次の関係があるものと仮定し、それぞれの温度係
数をκa ，κb 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｜ｍV(V,T)｜
は次の式（１３）で近似される。とすれば、半波長電圧
V1/2および旋光角Φ0 は次の式（１３）で表される。 V1/2（T)= V1/2(1+ κa T), Φ0 (T)=Φ0 (1+ κb T) …(13) 式（１３）が成立する条件では、式（３）の温度係数κ
c は次の式（１４）で表される。 κc=-(κa+κb )+κbF( Φ0 , θ) …(14) 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（１５）で表される。 F(Φ0 , θ) =(Φ0/sin Φ0){cos(2Φ0+2 θ)/{cos(2Φ0+2 θ)} …(15) κa およびκb は物性値によって定まるので、κc 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
２）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/V1/2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κc の関係を、式（１４）、（１５）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κc 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。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。図１は本発明の実施例の信号処理回路を示すブロ
ック図、図２は光電圧センサの構成を示す構成図であ
る。図において、１ａ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PP(V,T) はコリメータレンズ２ｂで集光し、光
ファイバ１ｂを介して信号処理回路８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PS(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を介して信号処理
回路８に入力される。信号処理回路８では透過光量P
S(V,T) は光電圧変換器（Ｏ／Ｅ）８１ａに、透過光量P
P(V,T) は光電圧変換器８１ｂに入力され、電圧信号に
変換される。電圧信号に変換された透過光量PS(V,T) 、
PP(V,T) は、それぞれ自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂ
でゲイン調整される。自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂ
の出力の直流分は基準電圧ＥS と等しくなるようにして
あり、二つの透過光量PS(V,T) 、PP(V,T) の電気信号に
よって、演算器８３により式（１０）の引き算が行わ
れ、式（１１）の結果を得る。８４ａ、８４ｂはローパ
スフィルタ、８５ａ，８５ｂは加算器である。
する。図１は本発明の実施例の信号処理回路を示すブロ
ック図、図２は光電圧センサの構成を示す構成図であ
る。図において、１ａ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PP(V,T) はコリメータレンズ２ｂで集光し、光
ファイバ１ｂを介して信号処理回路８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PS(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を介して信号処理
回路８に入力される。信号処理回路８では透過光量P
S(V,T) は光電圧変換器（Ｏ／Ｅ）８１ａに、透過光量P
P(V,T) は光電圧変換器８１ｂに入力され、電圧信号に
変換される。電圧信号に変換された透過光量PS(V,T) 、
PP(V,T) は、それぞれ自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂ
でゲイン調整される。自動ゲイン調整器８２ａ，８２ｂ
の出力の直流分は基準電圧ＥS と等しくなるようにして
あり、二つの透過光量PS(V,T) 、PP(V,T) の電気信号に
よって、演算器８３により式（１０）の引き算が行わ
れ、式（１１）の結果を得る。８４ａ、８４ｂはローパ
スフィルタ、８５ａ，８５ｂは加算器である。
【００１２】式（１１）で光電圧センサの温度を安定化
させるためには、電気光学結晶の温度係数κc =0 とす
ればよい。ここで、光電圧センサのＢＧＯ結晶の温度係
数κc =0 となるカット方向（５度）と厚み（４ｍｍ）
を選び、その特性を実験で求めた。その結果を図７に示
す。なお、図７にはPS(V,T) 、PP(V,T) の各々の交流信
号の出力値も併記してある。このように、１／４波長板
の温度変化が生じ、PS(V,T) 、PP(V,T) の各々の交流成
分は温度変化するが、二つの信号を引き算したものは温
度特性を安定にすることができる。この方法は、１／４
波長板の温度係数κ1/4 の温度の影響が理論的に取り除
かれるので、センサ感度の温度特性が１／４波長板の温
度係数κ1/4 のばらつきに左右されないというメリット
がある。
させるためには、電気光学結晶の温度係数κc =0 とす
ればよい。ここで、光電圧センサのＢＧＯ結晶の温度係
数κc =0 となるカット方向（５度）と厚み（４ｍｍ）
を選び、その特性を実験で求めた。その結果を図７に示
す。なお、図７にはPS(V,T) 、PP(V,T) の各々の交流信
号の出力値も併記してある。このように、１／４波長板
の温度変化が生じ、PS(V,T) 、PP(V,T) の各々の交流成
分は温度変化するが、二つの信号を引き算したものは温
度特性を安定にすることができる。この方法は、１／４
波長板の温度係数κ1/4 の温度の影響が理論的に取り除
かれるので、センサ感度の温度特性が１／４波長板の温
度係数κ1/4 のばらつきに左右されないというメリット
がある。
【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
ット方向を最適に選ぶことによって、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
した光電圧センサの電圧検出方法を提供できる。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変更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。
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
ット方向を最適に選ぶことによって、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
した光電圧センサの電圧検出方法を提供できる。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変更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１】 本発明の実施例の信号処理回路を示すブロッ
ク図。
ク図。
【図２】 本発明の実施例を示す構成図。
【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。
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。
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。
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。
を示す説明図。
【図７】 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。
示す説明図。
【図８】 従来例の作用を示す説明図。
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、８ 信号処理回路、８１ａ，
８１ｂ 光電圧変換器、８２ａ，８２ｂ 自動ゲイン調
整器、８３ 演算器
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、８ 信号処理回路、８１ａ，
８１ｂ 光電圧変換器、８２ａ，８２ｂ 自動ゲイン調
整器、８３ 演算器
Claims (2)
- 【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、検光子を備え、前記電気光学
結晶の複屈折を利用して光位相変調を行うことにより前
記電気光学結晶に印加された電圧を検出する光電圧セン
サの電圧検出方法において、前記偏光子と前記検光子の
偏光角が直交および平行となる二つの出力光を電気信号
に変換したあと、自動ゲイン調整器によりゲイン調整
し、前記自動ゲイン調整器の出力の直流分を基準電圧と
等しくし、前記二つの出力光の電気信号を相互に引き算
することによって得られた値から電圧を求めることを特
徴とする光電圧センサの電圧検出方法。 - 【請求項２】 前記電気光学結晶にＢｉ12ＧｅＯ20また
はＢｉ12ＳｉＯ20のいずれかを採用し、前記偏光子と前
記検光子の偏光角が直交および平行となる二つの出力光
の温度による前記電気信号の差が零となるように、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
学結晶の方位を決定するカット方向とを調整する請求項
１記載の光電圧センサの電圧検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7051833A JPH08220150A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 光電圧センサの電圧検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7051833A JPH08220150A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 光電圧センサの電圧検出方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08220150A true JPH08220150A (ja) | 1996-08-30 |
Family
ID=12897871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7051833A Pending JPH08220150A (ja) | 1995-02-15 | 1995-02-15 | 光電圧センサの電圧検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08220150A (ja) |
-
1995
- 1995-02-15 JP JP7051833A patent/JPH08220150A/ja active Pending
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