JP5858629B2

JP5858629B2 - 光電圧測定装置

Info

Publication number: JP5858629B2
Application number: JP2011053285A
Authority: JP
Inventors: 高橋　正雄; 正雄高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: JP2012189447A; CN102680763A; CN102680763B

Description

本発明の実施例は、変電所や発電所の電力機器及び電力系統の電圧を測定する光電圧測定装置に関する。

一般に、光電圧測定装置において、高精度の測定を行うためには、検出器に至る光量が安定していることが必要である。しかるに、多くのバルクの光学部品を必要とする従来の光電圧測定装置においては、振動や温度変化によって受光コリメーターのカップリング部分で容易に結合光量が変化し、光電圧測定装置に有意な誤差を与えるといった問題点があった。

特表２００２−５３６６９７号公報

高橋紹大ら「単一光導波路型ポッケルス電界センサ」電学論Ｖｏｌ．１１４−Ｂ、Ｎｏ１（１９９４）

上記のような問題を解決するために、センサをＬｉＮｂＯ₃等の導波路によって構成する試みが行われている（非特許文献１）。しかし、ＬｉＮｂＯ₃は温度特性が大きく、温度による感度変化が大きいと共に、圧電性・焦電性が大きい材料であるので、振動や温度変化によって電圧が誘起され、やはり誤差を生じてしまう。このため、比較的精度要求の厳しくない電界センサ用として一部実用に供されているが、例えば１％以下の精度を要求される電力用等の電圧センサとしては精度が不十分で、現状では適用できる技術レベルにない。

このため、ＢＧＯやＢＳＯといった比較的温度特性が良く、圧電性・焦電性が小さな結晶を用いて、より小型で部品点数を減らすことで、光量安定性を向上させた光電圧測定装置の開発が望まれている。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、光量安定性を向上させた光電圧測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、実施例１の光電圧測定装置は、少なくとも光源と、この光源の光を所定の偏光状態にするための偏光光学系と、印加される電圧に応じた光位相変調を行う電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過した透過光のある軸の光強度を検出する検光子と、前記検光子を透過した透過光を検出して前記印加電圧を検出する受光部を備えた反射型の光電圧測定装置において、前記偏光光学系の少なくとも一部にファイバー型の位相差板を使用し、前記ファイバー型の位相差板が偏波面保存ファイバーと融着接続され、この位相差板と、前記位相差板と前記偏波面保存ファイバーの接続部分と、を所定の固定用部材に設けた円筒穴内に収納し、前記偏波面保存ファイバーと、前記固定用部材の円筒穴との間が接着固定され、前記位相差板と、前記固定用部材の円筒穴との間は接着固定されていないことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する実施例１の光電圧測定装置によれば、光学系を大幅に単純化し、且つ、固定用部材でファイバー型の位相差板を固定することによって、ファイバー型の位相差板の使用が可能となるため、バルク部品の使用を極小とし、光量安定性を向上させた光電圧測定装置を提供することができる。

実施例１の光電圧測定装置の構成を示す図であって、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）はコリメーターの光ファイバー端面部分の側面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＡ−Ａ´断面図。実施例１の光電圧測定装置の他の構成を示す図であって、（Ａ）はコリメーターの光ファイバー端面部分の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´断面図。実施例２の光電圧測定装置の全体構成を示す図。

以下、本発明に係る光電圧測定装置の実施例について、図面を参照して説明する。

（１−１）実施例１の構成
本実施例の光電圧測定装置においては、図１（Ａ）に示すように、光源駆動装置１によって駆動される光源２を出射した光は、ＳＭカップラー１２を透過し、シングルモードファイバー１３によって測定点近傍まで導かれるように構成されている。また、この光は、シングルモードファイバー１３の先端に設置された、偏波保持ファイバーからなるファイバー型の偏光子１４で直線偏光とされ、さらにファイバー型の１／８波長板（請求項にいうファイバー型の位相差板）１５で楕円偏光とされるように構成されている。

このファイバー型の１／８波長板１５を出射した光は、コリメーター１６でコリメートされ、ＢＧＯ（Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀）等の単結晶を用いた電気光学素子（ポッケルス効果素子）７を透過し、電気光学素子に施された反射膜１７で反射され、再び電気光学素子７を透過し、コリメーター１６でファイバー型の１／８波長板１５に結合されるように構成されている。

また、前記１／８波長板１５を出射した光は、再びファイバー型の偏光子１４を透過する時に一偏光成分のみの光が出射される。この光は前記電気光学素子７によって楕円偏光にされた楕円率によって光量が変化することとなり、被測定電圧に応じた光量の光が出力される。こうして電圧によって強度変調を受けた光は再びシングルモードファイバー１３でＳＭカップラー１２まで送り戻され、ＳＭカップラー１２で光源２に向かう光と検出器１０に向かう光に分岐される。このうち、検出器に向かった光は、検出器１０で電気信号に変換され、電子回路１１によって、この電気信号の変調率を元に被測定対象の電圧が演算される。

なお、１／８波長板１５を出射する光の偏光状態は、電気光学素子７に電圧が印加されていない状態においては、往復で１／８波長＋１／８波長＝１／４波長の位相差を受けることになるので、ちょうど円偏光となる。一方、電気光学素子７に電圧が印加された状態においては、電気光学素子７でさらに位相差が加わり、印加した電圧に応じた楕円偏光が出射されることとなる。電気光学素子７で加わる位相差は片道の場合の２倍であり、反射型とすることによって光電圧測定装置の感度は約２倍となる。

また、図１（Ｂ）（Ｃ）は、コリメーター１６の光ファイバー端面部分を示したものである。すなわち、本実施例においては、前記ファイバー型偏光子１４のリード部分と接着された１／８波長板１５は、例えば円筒形状をした固定用部材１８内に収納されている。前記固定用部材１８には、１／８波長板１５に用いたファイバーの径よりも僅かに大きな径を有する円筒穴１８ａが設けられ、この円筒穴１８ａ内に、前記ファイバー型偏光子１４のリード部分と１／８波長板１５の接着部分が収納されている。

そして、前記ファイバー型偏光子１４のリード部分と前記円筒穴１８ａの内壁との間に所定の接着剤を注入することによって接着層１９を形成し、これによりファイバー型偏光子１４のリード部分を前記円筒穴１８ａに固定することができるように構成されている。なお、前記接着剤は、１／８波長板１５にかからないようにファイバー型偏光子１４のリード部分のみに供給されている。

（１−２）実施例１の作用
上記のような構成を有する本実施例は以下のように作用する。すなわち、本実施例におけるファイバー型の位相差板としては、例えば特許文献１にその構成が示されているように、結晶の変わりに、複屈折性を有する光ファイバーが用いられる。しかしながら、このような複屈折性を有するファイバーは固定が困難であるため、電流センサでは既に適用が試みられているものの、電圧センサに適用された例はない。

つまり、光ファイバー電流センサにおいては、センサとは融着接続され、位相差板の位置が少々ずれようとも、それが誤差に影響を与えることはない。しかし、バルクの電気光学素子を用いたセンサにおいては、コリメーター部分のファイバー端面の位置はミクロン精度で固定されていなければ、コリメーターの結合効率が変化し誤差を生じるか、または、全く結合せずにセンサが成り立たなくなる。このため、ファイバーの先端をミクロン精度で固定する必要があるが、先端部分を固定してしまうと、固定による複屈折を生じ、新たな誤差が生じてしまうという問題点があった。

これに対して、本実施例においては、図１（Ｃ）に示すような構成とすることにより、固定によって生じる複屈折を抑制することができる。すなわち、本実施例においては、前記固定用部材１８に設けた円筒穴１８ａ内に、前記ファイバー型偏光子１４のリード部分と１／８波長板１５の接着部分を収納し、前記ファイバー型偏光子１４のリード部分と前記円筒穴１８ａの内壁との間に所定の接着剤を注入することによって、ファイバー型偏光子１４のリード部分を前記円筒穴１８ａに固定することができる。

また、固定用部材１８の円筒穴１８ａ内において、前記１／８波長板１５に接着剤がかからないようにすることによって、１／８波長板１５には接着による応力が加わることなく、高い温度安定性を維持することができる。一方、ファイバー型偏光子１４のリード部分には接着の応力が加わることとなるが、ファイバー型偏光子１４のリード部分は偏波保持ファイバーで構成されているため、接着による応力が加わっても偏波を維持できるだけで高い複屈折が印加されており、応力が誤差と結びつくことはない。

また、位置精度については、円筒穴１８ａ、ファイバー外形とも精度１μｍ程度の物が容易に入手可能であり、これを用いればミクロン精度の位置決めが可能となる。さらに、応力によるファイバー偏光子の僅かな特性変化や、熱膨張による位置変化を抑制したい場合には、ガラスやセラミックスのように熱膨張の小さな材料で固定用部材を構成すればよいことは言うまでもない。

（１−３）実施例１の効果
このように、本実施例によれば、光学系を大幅に単純化し、かつ、固定用部材でファイバー型の位相差板を固定することによって、ファイバー型の位相差板の使用が可能になるため、バルク部品の使用を低減することができる。また、振動時の光学素子の角度ずれを抑制することによって光量損失の変化を抑えることができるため、受光器の受光光量を安定化することが可能となる。この結果、振動の影響を受けることなく、常に高精度の測定が可能な光電圧測定装置を提供することができる。

（１−４）実施例１の変形例
図２（Ａ）（Ｂ）は上記実施例１の変形例を示したものであり、接着層１９が１／８波長板１５にまで及ぶことを防ぐために、固定用部材１８の側面からキリ穴２０があけられており、ファイバー偏光子１４と１／８波長板１５の融着部分近傍に空隙２０ａが形成されている。接着剤は、毛細管現象によって、固定用部材１８に形成された円筒穴１８ａとファイバーとの隙間を埋めるように広がろうとする性質を持っているが、この空隙２０ａを設けることによって、接着剤はこれより奥には広がらず、１／８波長板１５部分に接着剤が回り込むことを防ぐことができるので、より高い温度安定性を維持することができる。なお、前記空隙２０ａの形状・大きさは特に限定されず、ファイバー偏光子１４と１／８波長板１５の融着部分近傍に球形の空間を形成しても良い。

（２−１）実施例２の構成
図３は、本発明に係る光電圧測定装置の実施例２の構成を示したものであるが、本実施例は、特に、電気光学素子の設置される電圧の測定点と、光源や電子回路が設置される場所が離れていて、光ファイバーでの長距離伝送が必要になった場合に適した構成を示したものである。

すなわち、本実施例においては、実施例１と同様に、ファイバー型の１／８波長板１５を用いると共に、偏波分離カップラー２１を用いることにより、光の楕円の長軸・短軸の光を分離することができるように構成すると共に、直交する２偏波の光を１対の光ファイバー１３，１３で伝送するように構成されている。

なお、図示していないが、本実施例のファイバー型の１／８波長板１５も、実施例１と同様に、例えば円筒形状をした固定用部材に形成された円筒穴内に収納されている。また、シングルモードファイバーとして、２芯ペアとなったものを用いれば、２本のファイバーが同一の振動条件にさらされることになり、さらに望ましい。

（２−２）実施例２の作用
従来から、シングルモード光ファイバーは長距離伝送が可能であるという利点がある反面、振動によって損失の変化が生じ、透過光量の変動が生じ、誤差となることが知られている。ファイバーでの伝送距離が長くなると振動の影響も大きくなり、この誤差は無視できなくなる。この誤差を防ぐためには、電気光学素子７から１／８波長板１５に帰ってきた光の楕円の長軸・短軸両方の光量をシングルモードファイバーで伝送すると良いことが知られている。本実施例は、この両軸の光は一方の光量が増加すると他方は減少することを利用したものである。すなわち、検出器で逆相に加わった信号は被測定点の電圧変化によるものであるが、正相に加わった光量変化は振動によるものとして、振動の影響を明確に区別することが可能となるため、長距離伝送においても高精度な測定が可能となる。

このように両軸の光を用いて伝送ファイバーの振動の影響を除去することは公知の技術であるが、従来のバルク素子を用いた光電圧測定装置においては、両軸の光を分離するためにＰＢＳ（ＰｏｌａｒｉｚｉｎｇＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）と呼ばれるバルク素子を用いているために、ＰＢＳとファイバーとの結合光学系が２つとなり、この部分に振動が加わった場合に両軸に別々の光量変動が生じる。つまり、折角振動に強い構成にしたつもりが、検出部は逆に振動に弱くなってしまうといった問題点があった。これに対して、本実施例の光電圧測定装置においては、結合光学系は１つになり、両軸同一の光量変動となるので、振動の影響を除去して高精度の電圧測定が可能となる。

（２−３）実施例２の効果
上述したように、従来のバルク部品で構成された方式だと、直交する２偏波の結合効率の差が誤差となったが、ファイバー型の位相差板１５及び偏波分離カップラー２１を用いることにより、電気光学素子とファイバーとのカップリングが１つになるため、この問題を回避することができ、高精度の電圧測定が可能となる。

このように、本実施例によれば、電気光学素子の設置される電圧の測定点と、光源や電子回路が設置される場所が離れていて、光ファイバーでの長距離伝送が必要になった場合であっても、振動時の光学素子の角度ずれを抑制することによって光量損失の変化を抑えることができるため、受光器の受光光量を安定化することが可能となるだけでなく、結合光学系が１つになり、両軸同一の光量変動となるので、振動の影響を除去して高精度の電圧測定が可能となる。

なお、本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…光源駆動装置
２…光源
７…電気光学素子
１０…検出器
１１…電子回路
１２…ＳＭカップラー
１３…シングルモードファイバー
１４…ファイバー型の偏光子
１５…ファイバー型の１／８波長板
１６…コリメーター
１７…反射膜
１８…固定用部材
１９…接着層
２０…キリ穴
２１…偏波分離カップラー

Claims

少なくとも光源と、この光源の光を所定の偏光状態にするための偏光光学系と、印加される電圧に応じた光位相変調を行う電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過した透過光のある軸の光強度を検出する検光子と、前記検光子を透過した透過光を検出して前記印加電圧を検出する受光部を備えた反射型の光電圧測定装置において、
前記偏光光学系の少なくとも一部にファイバー型の位相差板を使用し、
前記ファイバー型の位相差板が偏波面保存ファイバーと融着接続され、
この位相差板と、前記位相差板と前記偏波面保存ファイバーの接続部分と、を所定の固定用部材に設けた円筒穴内に収納し、
前記偏波面保存ファイバーと、前記固定用部材の円筒穴との間が接着固定され、
前記位相差板と、前記固定用部材の円筒穴との間は接着固定されていないことを特徴とする光電圧測定装置。
少なくとも光源と、この光源の光を所定の偏光状態にするための偏光光学系と、印加される電圧に応じた光位相変調を行う電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した光を反射する反射鏡と、前記反射鏡を反射し、前記電気光学素子を透過した透過光のある軸の光強度を検出する検光子と、前記検光子を透過した透過光を検出して前記印加電圧を検出する受光部を備えた反射型の光電圧測定装置において、
前記偏光光学系の少なくとも一部にファイバー型の位相差板を使用し、
前記検光子としてファイバー型の偏波分離カップラーを使用し、前記偏波分離カップラーを前記ファイバー型の位相差板の前記光源側に配置し、前記偏波分離カップラーによって直交する２軸の偏光の光に分離し、一対のシングルモードファイバーで信号の伝送を行い、このうち１本を前記光源から前記電気光学素子へ光を送るファイバーと共用し、前記光源からの光と前記受光部への光を分離するファイバー型のカップラーを有し、
前記ファイバー型の位相差板が前記偏波分離カップラーの一端と融着接続され、
この位相差板と、前記位相差板と前記偏波分離カップラーの接続部分と、を所定の固定用部材に設けた円筒穴内に収納し、
前記偏波分離カップラーの一端と、前記固定用部材の円筒穴との間が接着固定され、
前記位相差板と、前記固定用部材の円筒穴との間は接着固定されていないことを特徴とする光電圧測定装置。
前記固定用部材に設けられた円筒穴の、前記位相差板と偏波面保存ファイバーの融着点近傍に空隙が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電圧測定装置。