JPH0933572A - 計測器用プローブ及び電圧計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の計測プローブで問題であったアースの
影響や信号のまわりこみ、さらにはプローブの容量等の
影響を除き、従来のオシロスコープの測定プローブと同
様の手軽さをもって、高周波から低周波領域にわたって
十分な信頼性をもつ計測を可能とする。 【解決手段】 被測定電圧を光変調器４の電極４５に印
加し、この被測定電圧に依存して光変調器４で変化した
光の強度を光検出器８で電気信号に変換した上で、非対
称計測器１２を用いて計測するようにし、電極４５を光
進行方向において分割され且つ互いに容量結合された複
数の分割電極４５ａ〜４５ｄで構成したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気回路内等にお
ける電圧を計測するためのプローブに属する。

【０００２】

【従来の技術】電気回路内部等における電圧波形計測に
は、従来計測対象間にオシロスコープの測定用プローブ
が用いられてきた。このプローブによって検出端の信号
を直接オシロスコープに導いて電圧波形を計測するもの
で、広く利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】オシロスコープ等、従
来の電気式プローブから同軸ケーブルによって接続され
被測定点を計測器のアースと信号ラインに区別して測定
する非対称計測器では、計測器とグランドレベルが異な
る電気回路や、グランドされていない２点間の電圧波形
等を観測するとき、アースの影響や信号のまわりこみ、
さらにはプローブの容量等が影響し、正確な計測が困難
であるばかりでなく、不要な情報が計測されることがあ
り、測定対象が高周波の場合には顕著で、これまでこう
した問題が解決されないままとなっていた。

【０００４】本発明は、かかる切望されていた課題を解
決し、高周波はもとより３相交流等の低周波多相信号に
対しても十分な信頼性を有する測定を可能ならしめる計
測器用プローブ、及び電圧計測方法を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明は、被測定電圧を光変調器の電極
に印加し、前記電圧に依存して変化した光の強度を電気
信号に変換した上で、非対称計測器を用いて計測する電
圧計測方法である。さらに本発明では被測定点への電気
的影響をできるだけ小さくするため光変調器の電極を分
割することを特徴とする。

【０００６】また本発明の計測プローブは、基板上に形
成した光導波路と該光導波路の上部または近傍に光進行
方向において分割され、かつ、互いに容量結合されてい
る複数の電極とから構成される光変調器と、前記電極に
一端が接続され他端に検出端子をそなえた導体と、前記
光変調器に接続された入力および出力光ファイバと、前
記入力光ファイバに接続された光源、および前記出力光
ファイバに接続し、電気出力を非対称計測器に接続する
ための同軸コネクタを持つ光検出器から構成し、前記検
出端子を被測定点である電気回路内の任意の２点に接触
または保持する機能を有することを特徴としている。

【０００７】また、本発明の計測用プローブは、基板上
の一つの端面から光が入射し、前記基板上の他の端面か
ら反射してさきに入射した前記端面から前記入射光が出
射するように形成された光導波路と該光導波路の上部ま
たは近傍に光進行方向において分割され、かつ、互いに
容量結合されている複数の電極とから構成される光変調
器と、前記電極に一端が接続され他端に検出端子をそな
えた導体と、非対称計測器に接続するための同軸コネク
タを持つ光検出器および光源をそれぞれ付設した光方向
性分離器と、該光方向性分離器と前記光変調器を接続す
る入力および出力伝達機能をもつ光ファイバから構成
し、前記検出端子を被測定点である電気回路内の任意の
２点に接触または保持する機能を有することを特徴とし
ている。

【０００８】

【作用】本発明の計測器用プローブ及び電圧計測方法で
は、被測定電圧を光変調器の電極に印加し、この被測定
電圧に依存して変化した光の強度を電気信号に変換した
上で、非対称計測器を用いて計測するように成ってい
る。被測定点は計測器と電気的に完全に分離されるの
で、前述のようなアースや電気的なまわりこみの影響が
すべて回避される。更に本発明の計測器用プローブで
は、被測定点への電気的影響をできるだけ小さくするた
めに光変調器の電極を分割している。電極を分割するこ
とにより検出端子間の電気容量は非常に小さくすること
ができ、被測定点の電圧をより正確に計測可能となる。
例えば電極の分割数をＮとすれば、電気容量は１／Ｎ²
となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を実施形態によっ
て詳細に説明する。

【００１０】［実施形態１］図１は、本発明による電圧
波形を計測するための計測器用プローブの一実施形態を
示す図である。また、図２は図１に示す計測器用プロー
ブの光変調器の拡大図である。図１に示すように、この
計測器用プローブは、それぞれ検出端子１ａ，２ａを備
えた一対の導体１，２と、導体１，２に接続され、容器
３内に収容された光変調器４、光源５、光変調器４の一
端と光源５を接続する入力光ファイバ６、光源５に接続
された電源７、光検出器８、光変調器４の他端と光検出
器８を接続する出力光ファイバ９、光検出器８に接続さ
れた同軸コネクタ１０を有する同軸ケーブル１１、及び
オシロスコープ１２を備えている。尚、本実施形態の計
測器用プローブは、検出端子１ａ，２ａを被測定点であ
る電気回路内の任意の２点に接触又は保持する機能を有
している。

【００１１】図２に示すように光変調器４は、電気光学
効果を示すニオブ酸リチウム結晶を基板４０とし、その
表面に入射光導波路４１、及び入射光導波路４１より分
岐された２つの位相シフト光導波路４２，４３、その位
相シフト光導波路４２，４３が合流する出射光導波路４
４がそれぞれ形成され、マッハツェンダ光干渉計を形成
している。その表面に位相シフト光導波路４２，４３を
覆うように電極４５が形成されている。電極４５は、光
導波路に沿って４分割された分割電極より成り、それぞ
れの分割電極４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは容量結
合されている。分割電極４５ａは導体１に接続され、分
割電極４５ｄは導体２に接続されている。尚、本実施例
に用いたニオブ酸リチウム結晶基板４０はＺ軸方向に垂
直に切りだしたＺ板であり、Ｚ軸方向の電界を印加する
ため光導波路の上にバッファ層（図では省略）を介して
電極４５が設置されている。

【００１２】図１及び図２を参照して本実施例の動作を
説明する。

【００１３】光源５は半導体レーザであり、この光源５
から出射され入力光ファイバ６によって光変調器４の入
射光導波路４１に導かれた光は、二つの位相シフト光導
波路４２，４３よって分岐し、電極４５の下を通り、出
射光導波路４４で合流する。検出端子１ａ，２ａから導
かれた被測定電圧は電極４５を介して二つの位相シフト
光導波路４２，４３に電界を発生し、局部的に屈折率の
変化をもたらす。このためこれら二つの位相シフト光導
波路４２，４３を通る光に位相差が生じ、これらが合流
する出射光導波路４４では互いに干渉し、印加される電
圧に依存して強度変化をもつ光となる。光強度の変化
は、従って、出力光ファイバ９を介して光検出器８によ
って電気信号に変換され、同軸ケーブル１１によりオシ
ロスコープ１２等の非対称計測器に伝送され、計測処理
される。本実施形態においては、電極４５は光進行方向
に３分割されているので導体１，２よりみた電気容量は
分割しない場合に比べて１／９となり被測定回路に及ぼ
す影響は非常に小さくできる。例えば、通常の光変調器
の電極の電気容量は１０ｐＦ〜２０ｐＦ程度であるの
で、本実施例では容易に２ｐＦ以下にでき、高速の電圧
波形でも正確に計測することができる。

【００１４】この構成による計測器用プローブと非対称
計測器であるオシロスコープを用い、すなわち図１の計
測系の構成によって、高周波回路内の電圧波形の計測を
行い、従来の電気式プローブを使った場合に頻発した種
々の問題は全くなく、十分な信頼をもつ結果を得た。

【００１５】次に、図１及び図２に示す計測器用プロー
ブを用いた電圧計測方法について説明する。この電圧計
測方法では、先ず、被測定電圧を導体１，２を介して、
光変調器４の電極４５に印加し、次に、この被測定電圧
に依存して光変調器４で変化した光の強度を、光検出器
８で電気信号に変換し、この電気信号をオシロスコープ
１２を用いて計測するように成っている。

【００１６】［実施形態２］図３に本発明の第２の実施
形態を示す。本実施形態は、いわゆる反射型の光変調器
を用いた計測器用プローブである。図３に用いた光変調
器３１を図４に拡大して示す。

【００１７】図３において、計測器用プローブは、それ
ぞれ検出端子１ａ，２ａを備えた一対の導体１，２と、
導体１，２に接続され、容器３内に収容された光変調器
１４、光源５、光源５に接続された電源７、光検出器
８、光源５及び光検出器８に光学的に接続された光サー
キュレータ１５、光サーキュレータ１５と光変調器１４
を光学的に接続する偏波保持光ファイバ１６、オシロス
コープ１２、及び光検出器８に接続された同軸コネクタ
１０を有する同軸ケーブル１１を備えている。本実施形
態に使用する光変調器１４は実施形態１のものと構成を
異にするがその機能、原理は基本的に同じである。

【００１８】図４において、電気光学効果の性質を有す
るニオブ酸リチウム結晶からなる基板１４０上に入出射
光導波路１４１と、この入出射光導波路１４１から二つ
に分岐した位相シフト光導波路１４２，１４３が形成さ
れ、その端面には全反射膜１４４が付設されている。全
反射膜１４４の存在によって光導波路による反射型のマ
ッハツェンダ光干渉系が形成されている。本実施形態の
基板１４０はｘ軸方向に切りだしたｘ板であるので、ｚ
軸方向の電界を印加するために光導波路を挟んで電極１
４５が形成されている。電極１４５は４分割された分割
電極１４５ａ，１４５ｂ，１４５ｃ，１４５ｄから成
り、分割電極１４５ａ，１４５ｄがそれぞれ導体１，２
に接続されている。光変調器１４への入力光及び反射に
よる出力光は一本の偏波保持ファイバ１６によって伝送
される。これにともない、光源５からの入力光と、光変
調器１４から光検出器８に導く出力光とは、光方向分離
器として光サーキュレータ１５を用いて互いに分離され
る。光源５からの光は光サーキュレータ１５及び偏波保
持ファイバ１６を通じて、容器３内に格納された光変調
器１４に入射する。二つの位相シフト光導波路１４２，
１４３に分岐した光は、電極１４５の近傍を通り、つい
で全反射膜１４４によって反射し、同一光路を通って戻
る。

【００１９】検出端子１ａ，２ａから導かれた被測定電
圧は電極１４５を介して二つの位相シフト光導波路１４
２，１４３に電界を発生し、局部的な屈折率の変化をも
たらす。このためこれらの位相シフト光導波路１４２，
１４３を通る光には、往復の過程で位相差が生じ、これ
らが合流する光導波路１４１では互いに干渉し、印加さ
れる電圧に依存して強度変化をもつ光となる。光強度の
変化は、偏波保持ファイバ１６によって光サーキュレー
タ１５を経由して、光検出器８によって電気信号に変換
され、同軸ケーブル１１によりオシロスコープ１２等の
非対称計測器に伝送され、計測処理される。

【００２０】本実施形態は実施形態１に比べて、入出射
光ファイバが一本でよいので取扱いが容易であり、且つ
より小型化が可能であり、製作コストも低減されるとい
う特徴がある。

【００２１】本実施形態において光サーキュレータ１５
の代わりに光方向性結合器を用いても同様な効果が得ら
れる。

【００２２】

【実施例】実施形態１において用いる光変調器の大きさ
は、略、長さ５０ｍｍ，幅３ｍｍ，厚さ０．５ｍｍにす
ると良く、稼動部分がなく、電源を必要としなく、いわ
ゆるメンテナンスフリーである。これにより、図１に示
すように、光変調器４を有機高分子材料の樹脂からなる
細い筒状の容器３に収容したままで計測に供することが
できる。

【００２３】実施形態２において用いる光変調器の大き
さは、長さ１０〜２５ｍｍ，幅１〜３ｍｍ，厚さ０．５
ｍｍ程度にすると良い。これにより、図３に示すよう
に、光変調器１４を有機高分子材料の樹脂からなる細い
筒状の容器３に格納したままで使うことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の計測器用
プローブ及び電圧計測方法は、従来の計測プローブで問
題であったアースの影響や信号のまわりこみ、さらには
プローブの容量等の影響を除き、従来のオシロスコープ
の測定プローブと同様の手軽さをもって、高周波から低
周波領域にわたって十分な信頼性をもつ計測を可能とす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１による計測用プローブの構成略図で
ある。

【図２】図１に示す計測器用プローブの光変調器の構成
略図である。

【図３】実施形態２による計測用プローブの構成略図で
ある。

【図４】図３に示す計測器用プローブの光変調器の構成
略図である。

【符号の説明】

１ 導体 ２ 導体 ３ 容器 ４ 光変調器 ５ 光源 ６ 入力光ファイバ ７ 電源 ８ 光検出器 ９ 出力光ファイバ ４０ 基板 ４１ 入射光導波路 ４２ 位相シフト光導波路 ４３ 位相シフト光導波路 ４４ 出射光導波路 ４５ 電極 ４５ａ 分割電極 ４５ｂ 分割電極 ４５ｃ 分割電極 ４５ｄ 分割電極 １４ 光変調器 １５ 光サーキュレータ １６ 偏波保持光ファイバ １４０ 基板 １４１ 入出射光導波路 １４２ 位相シフト光導波路 １４３ 位相シフト光導波路 １４４ 全反射膜 １４５ 電極 １４５ａ 分割電極 １４５ｂ 分割電極 １４５ｃ 分割電極 １４５ｄ 分割電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源に一端を接続された入力
   光ファイバと、電気光学効果を示す基板、該基板に形成
   され一端を前記入力光ファイバの他端に接続された光導
   波路、及び該光導波路に隣接させて設置され、該光導波
   路内の光進行方向に沿って連なるように分割され且つ互
   いに容量結合されている複数の分割電極から成る電極を
   有する光変調器と、一端を前記光導波路の他端に接続さ
   れた出力光ファイバと、それぞれ一端を前記分割電極の
   一つに接続され、他端に検出端子を備えた一対の導体
   と、前記出力光ファイバの他端に接続され、前記光変調
   器で生じた出射光の光強度の変化を電気信号に変換する
   と共に該電気信号を非対象計測器へ出力するための接続
   部を有する光検出器とを具備したことを特徴する計測器
   用プローブ。
2. 【請求項２】 光源と、該光源に接続された光方向性分
   離器と、該光方向性分離器に一端を接続された偏波保持
   ファイバと、電気光学効果を示す基板、該基板に形成さ
   れ、前記偏波保持ファイバを通じて光が前記基板の一端
   面から入射し、前記基板の他端面において反射し、前記
   一端面から前記偏波保持ファイバへ出射するように構成
   された光導波路、及び該光導波路に隣接させて設置さ
   れ、該光導波路内の光進行方向に沿って連なるように分
   割され、且つ互いに容量結合されている複数の分割電極
   から成る電極を有する光変調器と、それぞれ一端を前記
   分割電極の一つに接続され、他端に検出端子を備えた一
   対の導体と、前記光方向性分離器に接続され、該光方向
   性分離器で入射光と出射光を分離することにより得られ
   る前記光変調器で生じた出射光の光強度の変化を電気信
   号に変換すると共に該電気信号を非対象計測器へ出力す
   るための接続部を有する光検出器とを具備したことを特
   徴する計測器用プローブ。
3. 【請求項３】 前記光変調器を非金属材料からなる容器
   に収容したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載
   の計測器用プローブ。
4. 【請求項４】 被測定電圧を光変調器の電極に印加し、
   前記被測定電圧に依存して変化した光の強度を電気信号
   に変換した上で、非対称計測器を用いて計測することを
   特徴とする電圧計測方法。