(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路に沿って偏光子、電気光学結晶、波長板、検光子が順に配置されてなる光電圧・電界センサにおいて、前記電気光学結晶としてＢｉ１２ＧｅＯ２０からなる電気光学結晶を複数個設け、前記各電気光学結晶にそれぞれ同一の電圧又は電界を光の進行方向と平行に印加することを特徴とする光電圧・電界センサ。
【請求項２】
光源の波長に応じ、前記複数個の電気光学結晶の光路長の合計をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬに設定することを特徴とする請求項１に記載の光電圧・電界センサ。
【請求項３】
前記電気光学結晶の光路長をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬの１／ｎ(ｎは整数)にし、その電気光学結晶を光路に沿って順にｎ個配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電圧・電界センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＢｉ１２ＧｅＯ２０単結晶(以下、ＢＧＯと略す)の電気光学効果(Pockels効果)を応用した光電圧・電界センサに関し、特にそのセンサ感度(変調度)の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統の電圧測定には、電圧変成器が広く用いられている。しかしながら、この電圧変成器は測定すべき系統電圧が高くなるほど大型化してしまい、コストおよび設置スペースが嵩むという問題がある。特にＧＩＳと称される不活性ガスを用いたガス絶縁開閉装置では、小型化および省スペース化が強く要求され、このような電圧変成器を搭載することが困難になっている。このため、電気光学効果を有する単結晶を用いた光電圧・電界センサが用いられるようになってきている。
【０００３】
図４は特公平７−６０１６４号公報に示された従来の光電圧・電界センサの概略構成図である。図４において、１は信号処理部の発光ダイオード(図示せず)から光ファイバー(図示せず)を介して光電圧・電界センサに送られてきた光、２は偏光子、３は電気光学結晶、４は波長板、５は検光子、６は電気光学結晶３の光の通過面に蒸着した透明電極、７は交流電圧、８は偏光子２の偏光方向を示す矢印、９は検光子５の偏光方向を示す矢印、１０は電気光学効果による複屈折軸方向を示す矢印、１１は波長板４の軸方向を示す矢印、１２は光検出器である。
【０００４】
次に動作について説明する。図４において、信号処理部の発光ダイオードから出射された光１は光ファイバーを介して偏光子２に入射され、偏光子の偏光方向８の直線偏光だけが透過する。電気光学結晶３の透明電極６に交流電圧７を印加すると、波長板４を通過した光１の偏光状態が電圧の極性に応じて変化して、検光子５を通過する光１の量が変化し、その変化量を光検出器１２で検知することができる。
【０００５】
電気光学結晶３にＢＧＯを用いた場合、光検出器１２に入る光量Ｉは次式で与えられる。
【０００６】
Ｉ＝(１／２)Ｉ０(１−cosΔcosφ＋sinΔsinφ Γ／φ)      (１)
但し、
Γ＝２π／λ n０３γ４１Ｖ          (２)
φ＝｛Γ２＋(２θｌ)２｝１／２      (３)
であり、
Ｉ０：偏光子出射光量
Γ：ＢＧＯの電気光学効果による直線複屈折
φ：ＢＧＯの旋光能
ｌ：ＢＧＯの光路長
λ：光の波長
ｎ０：ＢＧＯの屈折率
γ４１：ＢＧＯの電気光学係数
Ｖ：印加交流電圧
Δ：波長板の位相差
【０００７】
である。偏光子出射光量Ｉ０の変化による誤差、及び光量Ｉの光検出器１２までの伝送損失による誤差を取り除くため、光量Ｉの直流成分ＩＤＣと交流成分ＩＡＣを検出して割り算を行うことで印加交流電圧を検出すると、
【０００８】
ＩＤＣ＝(１／２)Ｉ０(１−cosΔcosφ)      (４)
ＩＡＣ＝(１／２)Ｉ０ sinΔsinφ Γ／φ      (５)
【０００９】
となり、割算後のセンサ感度ηは、
η＝ＩＡＣ／ＩＤＣ＝sinΔ sinφ／(１−cosΔcosφ)Γ／φ      (６)
【００１０】
となる。微小交流電圧(Γ＜＜２θｌ)においては、φはほぼ一定であり、センサ感度はΓを介して電圧Ｖに比例する。また、このような光学部品の配置により形成された光電圧・電界センサではＢＧＯの旋光能による直線偏光の回転角度が４５°になるように設定すれば、ＢＧＯの屈折率や電気光学係数等の物性定数の温度変化がセンサ感度に及ぼす影響を実質的に零にすることができ、環境温度の影響を受けない安定した感度を有するセンサを得ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の光電圧・電界センサにおいては、光電圧・電界センサのダイナミックレンジを広く取る要求があるが、印加交流電圧が低い領域ではＳ／Ｎが悪く、信頼性が得られない問題があった。そこで、Ｓ／Ｎを向上させるために、センサ感度を上げることが要求されている。また、光電圧・電界センサの使用温度範囲におけるセンサ感度の誤差(温度特性)がなるべく小さいことが望ましい。
【００１２】
ダイナミックレンジが広く取れ、且つ印加交流電圧が低い領域でのＳ／Ｎを向上させるために、センサ感度を上げるとともに、使用温度範囲におけるセンサ感度の誤差(温度特性)がなるべく小さい光電圧・電界センサを得ることが最優先課題である。また、光電圧・電界センサの開発並びに製造コスト低減のため、波長板をはじめとする光学素子の仕様変更は行わないことも課題の一つである。
【００１３】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、温度特性を損なわずにセンサ感度を上げた光電圧・電界センサを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、本発明は、光路に沿って偏光子、電気光学結晶、波長板、検光子が順に配置されてなる光電圧・電界センサにおいて、前記電気光学結晶としてＢｉ１２ＧｅＯ２０からなる電気光学結晶を複数個設け、前記各電気光学結晶にそれぞれ同一の電圧又は電界を光の進行方向と平行に印加することを特徴とする光電圧・電界センサにある。
【００１５】
また、光源の波長に応じ、前記複数個の電気光学結晶の光路長の合計をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬに設定することを特徴とする。
【００１６】
また、前記電気光学結晶の光路長をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬの１／ｎ(ｎは整数)にし、その電気光学結晶を光路に沿って順にｎ個配置したことを特徴とする。
【００１７】
光電圧・電界センサの感度はＢＧＯの光路長に依存しており、光路が短いほど感度が大きくなる。しかしながら、温度特性を実質的に零にするためにはＢＧＯの光路長をＢＧＯの旋光能による直線偏光の回転角度が４５°になるように設定しなければならない。複数のＢＧＯを用いて、これら複数のＢＧＯの旋光能による直線偏光の回転角度が４５°になるように設定すれば、温度特性を実質的に零としたままで、ＢＧＯの個数に応じてセンサ感度を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下本発明を実施の形態に従って説明する。図１は本発明の実施の形態１による光電圧・電界センサの概略構成図である。本説明では光源波長として８５０ｎｍの光を用い、ＢＧＯの光路長はＢＧＯの旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬ(以下、Ｌと略す)の１／２とし、このＢＧＯを２個直列に配置した場合について述べる。
【００１９】
図１において、１は信号処理部の発光ダイオード(図示せず)から光ファイバー(図示せず)を介して光電圧・電界センサに送られてきた光、２は偏光子、３ａは光路長がＬ／２の第１の電気光学結晶、３ｂは光路長がＬ／２の第２の電気光学結晶、４は波長板、５は検光子、６は電気光学結晶３ａ及び電気光学結晶３ｂの光の通過面に蒸着した透明電極、７は第１，第２の電気光学結晶３ａ，３ｂの透明電極６に印加する交流電圧、８は偏光子２の偏光方向を示す矢印、９は検光子５の偏光方向を示す矢印、１０は電気光学効果による複屈折軸方向を示す矢印、１１は波長板４の軸方向を示す矢印、１２は光検出器である。
【００２０】
図１において、信号処理部の発光ダイオードから出射された光１は光ファイバーを介して偏光子２に入射され、偏光子２の偏光方向８の直線偏光だけが透過する。電気光学結晶３ａと電気光学結晶３ｂの透明電極６に交流電圧７を並列に印加すると、波長板４を通過した光１の偏光状態が電圧の極性に応じて変化して、検光子５を通過する光１の量が変化し、その変化量を光検出器１２で検知することができる。
【００２１】
電気光学結晶にＢＧＯを用いた場合、従来の光電圧・電界センサのセンサ感度ηは、ＢＧＯの光路長をＬにしており、この場合ＢＧＯの旋光能φは９０°(π／２)であるので、波長板の位相差Δは９０°(sinΔ＝１、cosΔ＝０)を考慮すると、(６)式から、
【００２２】
η＝２Γ／π      (７)
【００２３】
となる。一方、本実施の形態１の場合、光路長がＬ／２のＢＧＯを２個直列に配置しているので、光検出器１２に入る光量Ｉは次式で与えられる。
【００２４】
Ｉ＝(１／２)Ｉ０(１−cosΔcos２φ＋sinΔsin２φ Γ／φ)      (８)
【００２５】
このセンサ感度ηは、ＢＧＯの光路長がＬ／２なので、ＢＧＯの旋光能φは４５°(π／４)であるので、波長板の位相差Δは９０°(sinΔ＝１、cosΔ＝０)を考慮すると、(８)式から、
【００２６】
η＝sinΔ sin２φ／(１−cosΔcos２φ)Γ／φ
＝４Γ／π      (９)
【００２７】
となり、本発明の光電圧・電界センサで得られるセンサ感度は従来の光電圧・電界センサの２倍となり、センサ感度が向上する。一方、温度特性はＢＧＯの光路長で決まるが、本発明の光電圧・電界センサの場合、ＢＧＯの光路長の合計はＬであり、従来技術で述べた内容と同じ原理によりセンサの温度特性を実質的に零にできる。
【００２８】
本発明によれば、光路長がＬ／２のＢＧＯを２個直列に配置することで、温度特性を実質的に零としたまま、光路長がＬのＢＧＯを１個用いる場合と比較して、センサ感度を２倍(＝(９)式／(７)式)にできる。
【００２９】
図２に示す通り、センサ感度は光路長がＬのＢＧＯを１個用いた場合がη０に対して、光路長がＬ／２のＢＧＯを２個直列に用いた場合が２.０η０となり、２倍の値が得られた。また、図３に示す通り、光電圧・電界センサの使用温度範囲(−２０℃から＋６０℃)におけるセンサ感度の誤差(温度特性)は従来品の代表値とほぼ同じ傾向を示し、温度特性を満足することが検証された。
【００３０】
本実施の形態１では光路長がＬ／２となるＢＧＯを２個直列に用いたが、Ｌ／３となるＢＧＯを３個直列に用いれば、光検出器１２に入る光量Ｉは次式で与えられる。
【００３１】
Ｉ＝(１／２)Ｉ０(１−cosΔcos３φ＋sinΔsin３φ Γ／φ)      (１０)
【００３２】
このセンサ感度ηは、ＢＧＯの光路長がＬ／３なので、ＢＧＯの旋光能φは３０°(π／６)であるので、波長板の位相差Δは９０°(sinΔ＝１、cosΔ＝０)を考慮すると、(１０)式から、
【００３３】
η＝sinΔ sin３φ／(１−cosΔcos３φ)Γ／φ
＝６Γ／π      (１１)
【００３４】
となる。光路長がＬのＢＧＯを１個用いる場合と比較して、センサ感度を３倍(＝(１１)式／(７)式)にできる。従って、１個のＢＧＯの光路長をＬ／ｎ(ｎは整数)にした場合、そのＢＧＯをｎ個直列に配置することで、電気光学素子以外の光学素子の仕様と温度特性は変化させず、センサ感度をｎ倍にできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、光路に沿って偏光子、電気光学結晶、波長板、検光子が順に配置されてなる光電圧・電界センサにおいて、前記電気光学結晶としてＢｉ１２ＧｅＯ２０からなる電気光学結晶を複数個設け、前記各電気光学結晶にそれぞれ同一の電圧又は電界を印加することを特徴とする光電圧・電界センサとしたので、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０からなる電気光学結晶の個数に応じてセンサ感度を向上させることができる。また波長板をはじめとする光学素子の仕様変更は行わないので製造コストが上がることがない。
【００３６】
また、光源の波長に応じ、前記複数個の電気光学結晶の光路長の合計をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬに設定することを特徴としたので、温度特性を実質的に零としたままで、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０からなる電気光学結晶の個数に応じてセンサ感度を向上させることができる。
【００３７】
また、前記電気光学結晶の光路長をＢｉ１２ＧｅＯ２０の旋光能による直線偏光の回転角度が４５°となる長さＬの１／ｎ(ｎは整数)にし、その電気光学結晶を光路に沿って順にｎ個配置したことを特徴としたので、電気光学結晶以外の光学素子の仕様と温度特性は変化させず、センサ感度をｎ倍にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による光電圧・電界センサの概略構成図である。
【図２】  本発明による光電圧・電界センサのセンサ感度測定結果の説明図である。
【図３】  本発明による光電圧・電界センサの温度特性試験結果の説明図である。
【図４】  従来の光電圧・電界センサの概略構成図である。
【符号の説明】
１  光、２  偏光子、３ａ  第１の電気光学結晶、３ｂ  第２の電気光学結晶、４  波長板、５  検光子、６  透明電極、７  交流電圧、８  偏光子の偏光方向を示す矢印、９  検光子の偏光方向を示す矢印、１０  電気光学効果による複屈折軸方向を示す矢印、１１  波長板の軸方向を示す矢印、１２  光検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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