JP2580443B2

JP2580443B2 - 光電圧センサ

Info

Publication number: JP2580443B2
Application number: JP4204983A
Authority: JP
Inventors: 豊森; 久和岡島
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH0650999A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電圧測定装置を構成する
光電圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧測定装置は送電所、変電所の送電
線、配電線等における電圧を測定して故障区間、故障点
等を検出するために使用されるもので、センサ部が光電
圧センサにて構成されている。また、光電圧センサの一
形式として特開昭６１−２２３８２１号公報に示されか
つ図２に概略的に示されているように、偏光子１、１／
４波長板２、電気光学素子３、検光子４を備えたものが
知られている。当該光電圧センサにおいては、光源５か
ら発せられて光ファイバーを介してマイクロレンズ６ａ
に伝達された光が偏光子１に入射され、入射光が偏光子
１にて直線偏光に変換されて１／４波長板２に入射さ
れ、波長板２にて互いに直交する偏光成分間にπ／２の
位相差を付与されて電気光学素子３に入射され、入射光
は電気光学素子３に印加された被測定電圧に応じた位相
変調を付与されて検光子４に入射され、検光子４にて各
偏光成分が検出され被測定電圧に応じた光強度変化に変
換されて出力するものである。

【０００３】なお、検光子４からの出射光はマイクロレ
ンズ６ｂを通し光ファイバーを介して受光器７ａに導入
され、光電変換されて交流・直流分配器７ｂにて分配さ
れた信号の内直流分はＤＣアンプ８ａにて増幅されると
ともに、交流分はＡＣアンプ８ｂにて増幅される。これ
らの直流分と交流分とは割算器９に入力され、割算器９
にて交流分／直流分の演算がなされ、その値が信号とし
出力されて電圧強度を得ることができる。

【０００４】ところで、当該光電圧センサにおいては、
電気光学素子３に対する印加電圧と光強度との間に線形
性をもたせるために１／４波長板２により直線偏光の互
いに直交する２つの偏光成分間にπ／２の位相差を付与
しているが、波長板２には複屈折に温度依存性があるた
め入射光に光学的バイアス点の移動が生じ、測定値が波
長板２の複屈折温度特性の影響を受けて電圧測定精度に
影響を及ぼすという問題がある。かかる問題を解消する
ため、上記した公報には波長板の複屈折温度特性（以下
これを単に波長板の温度特性という場合がある）を相殺
することにより温度特性を向上させた光電圧センサが開
示されている。

【０００５】当該光電圧センサ１０は図３に示すよう
に、入射光をその偏光面が互いに直交する第１の偏光成
分と第２の偏光成分の２つの直線偏光に分割してそれぞ
れ異なる方向へ出射する偏光子１１を備えるとともに、
分割された一方の直線偏光の光路には１／４波長板１２
ａ、電気光学素子１３ａ、第１の検光子１４ａおよび合
波器１５を直列的に配置し、かつ分割された他方の直線
偏光の光路には光路の変更を行う全反射ミラー１６ａ、
全反射ミラー１６ａにて光路変更された光路には１／４
波長板１２ｂ、電気光学素子１３ｂ、第２の検光子１４
ｂおよび出射光の方向を変更して一方の光路に配置した
合波器１５に入射させる全反射ミラー１６ｂを直列的に
配置して構成されている。

【０００６】かかる構成の光電圧センサ１０における互
いに分割された２つの直線偏光においては、各波長板１
２ａ，１２ｂの複屈折位相差付与に基づく光強度変化が
互いに逆になり、電気光学素子１３ａ，１３ｂによる位
相差の変化に基づく光強度変化が同一になるように構成
されている。従って、これらを合成した光は波長板の複
屈折位相差に関係なく一定となって波長板の複屈折温度
特性の影響を受けることがなく、当該光電圧センサ１０
は温度特性に優れた光電圧センサということができる。
なお、図３において、各符号５〜９は図２に示す符号に
対応するもので、光源５、マイクロレンズ６ａ，６ｂ、
受光器７ａ、分配器７ｂ、各アンプ８ａ，８ｂおよび割
算器９を示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、当該光電
圧センサは温度特性に優れてはいるが、上記したごとく
主要構成部品が従来のこの種形式の光電圧センサに比較
して極めて多い。すなわち、図２に示す従来の光電圧セ
ンサの主要構成部品は偏光子、波長板、電気光学素子、
検光子の４部品であるのに対して、図３に示す当該光電
圧センサ１０の主要構成部品は１個の偏光子、２個の波
長板、２個の電気光学素子、２個の検光子、２個の全反
射ミラー、１個の合波器１５等１０部品である。このた
め、当該光電圧センサ１０は構成部品の増大に起因して
構成が複雑になるとともにセンサとしての形状が大型化
し、かつコストの増大を招くことになる。従って、本発
明の目的は、温度特性に優れた光電圧センサを少ない構
成部品で構成して構成を簡単化するとともに小型化し、
かつコストの低減を図ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を直線
偏光にする偏光子と、入射光の２つの偏光成分間に所定
の光学的位相差を付与する波長板と、印加される電圧に
応じた光学的位相差を入射光の各偏光成分間に付与する
電気光学素子と、入射光の各偏光成分を検出する検光子
を備えた光電圧センサであり、前記偏光子および前記電
気光学素子としてそれぞれ２つの偏光子および電気光学
素子を採用するとともに、前記波長板として入射光に付
与する光学的位相差の値を正負互いに反する同一値とす
る２つの波長板を採用して、第１の偏光子および第２の
偏光子間に第１の波長板および第１の電気光学素子を直
列的に配置し、かつ前記第２の偏光子と前記検光子間に
第２の波長板および第２の電気光学素子を直列的に配置
したことを特徴とするものである。

【０００９】当該光電圧センサにおいては、前記両電気
光学素子に対する印加電圧の極性を互いに逆特性にする
ことが好ましい。

【００１０】

【発明の作用・効果】このように構成した光電圧センサ
においては、検光子から出射される光強度は第１の偏光
子と第２の偏光子間で変調された光強度と第２の偏光子
と検光子間で変調された光強度との積に比例する。ま
た、第１の波長板と第２の波長板とは付与する位相差の
値を正負互いに反する同一値とするものであるから、各
波長板の複屈折温度特性の影響が極めて小さくて無視す
ることができ、従って当該光電圧センサは温度特性に優
れ、電圧測定精度を向上させることができる。また、当
該光電圧センサにおいては、構成部品が２つの偏光子、
２つの波長板、２つの電気光学素子および１つの検光子
であって、これら各構成部品を直列的に配置しているた
め、構成部品が少なくて構成を簡単化することができる
とともに形状を小型化することができ、かつコストの低
減を図ることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
るに、図１には本発明に係る光電圧センサを採用した電
圧測定装置が示されている。当該電圧測定装置は本発明
に係る光電圧センサ２０以外に従来と同様に光源５、一
対のマイクロレンズ６ａ，６ｂ、受光器７ａ、分配器７
ｂ、ＤＣアンプ８ａ、ＡＣアンプ８ｂおよび割算器９を
備えている。また、光電圧センサ２０は２つの第１，第
２偏光子２１ａ，２１ｂ、２つの第１，第２波長板２２
ａ，２２ｂ、２つの第１，第２電気光学素子２３ａ，２
３ｂおよび１つの検光子２４にて構成されている。これ
ら各構成部品においては、第１偏光子２１ａ、第１波長
板２２ａ、第１電気光学素子２３ａ、第２偏光子２１
ｂ、第２波長板２２ｂ、第２電気光学素子２３ｂ、検光
子２４の順序で直列的に配置されている。

【００１２】第１偏光子２１ａおよび第２偏光子２１ｂ
は、入射光を直線偏光に変換する光学ガラス製のもので
ある。第１波長板２２ａおよび第２波長板２２ｂは直線
偏光の互いに直交する２つの偏光成分間に所定の光学的
位相差を付与するもので、両波長板２２ａ，２２ｂは１
／４波長板であってそれぞれの屈折率楕円体の長主軸方
向が互いに９０度の角度をなし、かつ第１偏光子２１ａ
からの直線偏光の偏光面とは４５度の角度をなす関係に
配置されている。従って、第１波長板２２ａは入射光に
位相差π／２を付与し、また第２波長板２２ｂは入射光
に位相差−(π／２)を付与する。

【００１３】第１電気光学素子２３ａおよび第２電気光
学素子２３ｂはLiNbO₃からなるもので、各電気光学素子
２３ａ，２３ｂにおいては結晶軸（ｘ，ｙ，ｚ）に対し
てｚ軸が光軸に平行で下記の数１式

【００１４】

【数１】ｘ’≡{1/(2)^1/2}×(ｘ−ｙ) ｙ’≡{1/(2)^1/2}×(ｘ＋ｙ) で定義される光学的主軸ｘ’，ｙ’が各波長板２２ａ，
２２ｂの屈折率楕円体の長主軸方向に一致するようにそ
れぞれ配置されている。また、両電気光学素子２３ａ，
２３ｂは、印加される電圧の極性が互いに逆特性（印加
電圧に比例した位相差Гz，−Гz）になるように接続さ
れている。検光子２４は第２電気光学素子２３ｂからの
入射光の各偏光成分を検出して受光器７ａに出射する機
能を有するものである。

【００１５】このように構成した光電圧センサ２０を採
用した電圧測定装置の動作について説明すると、光源５
から発せられた波長λの光は光ファイバー５ａを介して
マイクロレンズ６ａに伝達され、同レンズ６ａにて平行
光として第１偏光子２１ａに入射される。入射された光
は第１偏光子２１ａにて直線偏光に変換され、直角方向
へ出射されて第１波長板２２ａに入射され、第１波長板
２２ａにて位相差π／２が付与されて第１電気光学素子
２３ａに入射される。入射光は第１電気光学素子２３ａ
の印加電圧に比例した位相差Гzが付与され、第２偏光
子２１ｂに入射される。第２偏光子２１ｂからの出射光
は続いて第２波長板２２ｂ、第２電気光学素子２３ｂお
よび検光子２４に入射され、検光子２４にて検出されて
マイクロレンズ６ｂにて集光されて受光器７ａに出力さ
れる。この間、第２波長板２２ｂへの入射光には位相差
−（π／２）が付与されるとともに、第２電気光学素子
２３ｂへの入射光には位相差−Гzが付与される。

【００１６】当該光電圧センサ２０において、第１偏光
子２１ａに対する入射光の光強度をＩ0、第１偏光子２
１ａと第２偏光子２１ｂ間で変調された光強度をＩ1，
第２偏光子２１ｂと検光子２４間で変調された光強度を
Ｉ2、第１波長板２２ａおよび第２波長板２２ｂにおけ
る位相差の温度依存係数をｋ、常温からの温度差をΔ
Ｔ、検光子２４からの出射光の光強度をＩとすると、下
記数２式が成り立つ。

【００１７】

【数２】Ｉ＝Ｉ1×Ｉ2 ＝(1/2)×Ｉ0×{1＋sin(k・ΔT＋Гz)}×{1−sin(k・ΔT−Гz)} ＝(1/2)×Ｉ0{1＋sin(k・ΔT)・cosГz)＋sinГz・cos(k ・ΔT)} ×{1−sin(k・ΔT)・cos(−Гz)−sin(−Гz)・cos(k・ΔT)} 但し、Гz=(2π/λ)・ｎ₀ ³・γ₂₂・(L/d)・Vであって、ｎ₀
は波長λの光に対する常光屈折率、γ₂₂は電気光学素子
の波長λの光に対する光学係数、Lは電気光学素子の電
極長、dは電極間素子厚、Ｖは印加交流電圧である。

【００１８】上記数２式においてΔＴ、Ｖが小さい場合
には(k・ΔT)、Гzは十分に小さく、かつ(k・ΔT・Гz)も
十分に小さいため、cosГz，cos(−Гz)，cos(k ・Δ
T)，cos(k ・ΔT・Гz)を１に近似させることができると
ともに、sinГzをГzに近似させることができ、上記数
２式を下記数３式

【００１９】

【数３】Ｉ＝(1/2)×Ｉ0×{1＋sin(k・ΔT)+sin(Гz)}×{1−sin(k・ΔT)＋sin(Гz)} ＝(1/2)×Ｉ0×〔1＋2sin(Гz)＋{(1−cos²(Гz)}−{1−cos²(k・ΔT)}〕＝(1/2)×Ｉ0×(1＋2sinГz) ＝(1/2)×Ｉ0×(1+2Гz) とすることができる。

【００２０】この光強度Ｉの光は受光器７ａで電気信号
に変換されて分配器７ｂにて分配され、分配された交流
成分と直流成分はそれぞれＤＣアンプ８ａとＡＣアンプ
８ｂで増幅され、出力された交流成分｛（１／２）×Ｉ
０×２Γｚ｝と直流成分｛（１／２）×Ｉ０｝は割算器
９で演算されて、下記数４式に示す出力Ｉｏｕｔが得ら
れる。

【００２１】

【数４】Ｉｏｕｔ＝｛（１／２）×Ｉ０×２Γｚ｝／｛（１／２）×Ｉ０｝この出力は温度依存項（ｋ・ΔＴ）を含まず、印加電圧
に比例する。

【００２２】従って、当該光電圧センサ２０は温度特性
に優れ、電圧測定精度の高い光電圧センサであるが、波
長板として入射光に付与する光学的位相差の値を正負互
いに反する同一値とする第１，第２波長板２２ａ，２２
ｂを採用するとともに、電気光学素子として印加電圧の
極性を互いに逆特性とした第１，第２電気光学素子２３
ａ，２３ｂを採用して、第１偏光子２１ａ、第１波長板
２２ａ、第１電気光学素子２３ａ、第２偏光子２１ｂ、
第２波長板２２ｂ、第２電気光学素子２３ｂおよび検光
子２４をこの順序にて直列的に配置する構成のため、全
反射ミラーの採用を省略することができる。従って、当
該光電圧センサ２０においては、図３に示す従来のこの
種の光電圧センサに比較して構成部品が少なくて、構成
を簡素化することができるとともに形状を小型化するこ
とができ、かつコストの低減を図ることができる。

【００２３】なお、上記実施例においては光電圧センサ
の全ての構成部品を直列的に配列した例について示した
が、本発明においては第２偏光子２１ｂからの出射光を
入射方向とは直角方向に変更するとともに、出射方向に
第２波長板２２ｂ、第２電気光学素子２３ｂおよび検光
子２４を直列的に配列するように構成することもでき
る。

【００２４】（実験）図１に示す光電圧センサ２０にお
いて、各偏光子２１ａ，２１ｂおよび検光子２４として
光学ガラス製のPBSを、各波長板２２ａ，２２ｂとして
１／４波長板を、各電気光学素子２３ａ，２３ｂとして
有効電極長Ｌ＝４mm、素子厚ｄ＝２mmを採用し、光波長
λ＝８５０nm、印加電圧＝１０V交流電圧、温度＝−２
０〜＋８０℃の条件の下で出力Ｉoutを測定して、出力
温度２５℃での同様の出力に対する変化率を算出した結
果を図４の（ａ）に示すとともに、同図の（ｂ）には図
２に示す従来の基本的な光電圧センサであって本実施例
における第２偏光子２１ｂ〜第２電気光学素子２３ｂを
省略してある光電圧センサにおける同様の結果を示し、
かつ同図の（ｃ）には本実施例における第１偏光子２１
ａ〜第１電気光学素子２３ａを省略してある光電圧セン
サにおける同様の結果をそれぞれ示している。これらの
結果を比較すると、本実施例の光電圧センサ２０におい
ては温度依存性が無くて、温度特性に優れていることが
明かとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光電圧センサを採用し
た電圧測定装置の概略構成図である。

【図２】従来の一般に採用されている光電圧センサを採
用した電圧測定装置の概略構成図である。

【図３】従来の温度特性の良好な光電圧センサを採用し
た電圧測定装置の概略構成図である。

【図４】各光電圧センサにおける出力変化率と温度との
関係をそれぞれ示すグラフである。

【符号の説明】

１，１１，２１ａ，２１ｂ…偏光子、２，１２ａ，１２
ｂ，２２ａ，２２ｂ…波長板、３，１３ａ，１３ｂ，２
３ａ，２３ｂ…電気光学素子、４，１４ａ，１４ｂ，２
４…検光子、１５…合波器、１６ａ，１６ｂ…全反射ミ
ラー、５…光源、６ａ，６ｂ…マイクロレンズ、７，７
ａ…受光器、８ａ，８ｂ…アンプ、９…割算器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を直線偏光にする偏光子と、入射光
の２つの偏光成分間に所定の光学的位相差を付与する波
長板と、印加される電圧に応じた光学的位相差を入射光
の各偏光成分間に付与する電気光学素子と、入射光の各
偏光成分を検出する検光子を備えた光電圧センサであ
り、前記偏光子および前記電気光学素子としてそれぞれ
２つの偏光子および電気光学素子を採用するとともに、
前記波長板として入射光に付与する光学的位相差の値を
正負互いに反する同一値とする２つの波長板を採用し
て、第１の偏光子と第２の偏光子間に第１の波長板およ
び第１の電気光学素子を直列的に配置し、かつ前記第２
の偏光子と前記検光子間に第２の波長板および第２の電
気光学素子を直列的に配置したことを特徴とする光電圧
センサ。
【請求項２】前記両電気光学素子に対する印加電圧の極
性を互いに逆特性としたことを特徴とする請求項１に記
載の光電圧センサ。