JPH02198365A - 光電圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｒ産業上の利用分野」 本発明は、印加電圧により液晶の光学的特性が変化する
ことを応用して、電圧印加の有無、電圧の変化などを検
知するための光電圧センサに関する。

ｒ従来の技術Ｊ 一般に、光を応用して電圧を検知するとき、光電圧セン
サが用いられる。

かかる光電圧センサの一例として、偏光子と、ポッケル
ス効果を宥する電気光学素子と、１７４λ板と、検光子
とが光学的に結合されたものが公知であり、その光電圧
センサの電気光学素子に電圧が印加されるようになって
いる。

上記光電圧センサの場合、偏光子には発光素子（例えば
ＬＥＤ）を有する光送信機が、検光子には受光素子ＣＰ
ＩＮ−ＰＤ）を有する光受信機が、それぞれ光ファイバ
を介して接続され、かつ、光受信機には演算器が接続さ
れる。

光電圧センサの上記電気光学素子（ポッケルス効果素子
）は、主として、Ｂｉ＋　２ｓｉ０２ｏ　（ＢＳＯ）、
Ｂ１１２ＧｅＯｐｏ　（ＢＧＯ）、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ
Ｔａ０ｚなどの結晶が用いられる。

さらに、低分子液晶（特にＴＮ型液晶）を用いて電界強
度を測定し、電圧を評価するようにした電界−電圧セン
サが、＃開閉５８−９６２５８号公報、特開昭５９−９
４０７３号公報などに開示されている。

その他、低分子液晶を用いて課電状態を表示する課電表
示器もみられ、これは、空間電極と大地との浮遊容量に
より分圧を行ない、液晶の駆動電圧以上になるよう、液
晶素子の両極端子に電圧を誘起して液晶を駆動させ、課
電表示するようにしている。

「発明が解決しようとする課題ｊ 上述した先行技術のうち、ポッケルス効果のある電気光
学素子を用いる光電圧センサは、その電気光学素子の主
体である結晶の加工精度に依存して、動作特性が定まる
。

したがって、電気光学素子の製造に際し、結晶軸に対す
る切出面の角度を高精度に選定するとか、切出面を高精
度に研磨するといった加工難度が要求されるとともに、
有機系の透明接着剤を介して上記結晶を他の光学部品と
接続した際、その接着剤の光学的特性の経時的劣化によ
り、センサ全体の特性が低下してしまう。

しかも、このような光電圧センサの感度調整では、光の
透過距離を変えることになるが、かかる調整にてセンサ
の高感度を得ようとするとき、光の透過損失により受光
強度が低下する。

その他、電圧センサの電気光学素子（結晶）が電気光学
定数の比較的大きいＬｉＮｂＯ３、Ｌ　１Ｔａｏ３から
なるときは、これら結晶における複屈折特性の温度依存
性が大きく、その屈折率の温度変化を補償するために、
光電圧センサの構成が複雑化し、さらに、高電圧を加え
ることから、超高圧に対する技術的配慮も要求される。

上述した先行技術のうち、低分子液晶を用いる電界−電
圧センサの場合は、その液晶材料の流動性が大きいこと
、酸化劣化、熱劣化を受けやすいことが問題である上、
電界、電圧を加えて光透過レベルを検知するためには、
最適かつ−様な厚さを有していること、最適な電極間隔
を保持していることが必要であるので、精密なガラスセ
ルが要求される。

それ以外にも、光の濃淡の検出のために、偏光板が必要
であるので、電界−電圧検出素子、表示素子の構造とし
ては、複雑で高価なものになる。

本発明はこのような課題に鑑み、構成が簡潔で低電圧に
おいても安定して動作する光電圧センサを安価に提供し
ようとするものである。

１課題を解決するための手段」 本発明は所期の目的を達成するため、電圧および／また
は電界に対応して光の透過率および／または反射率が変
化する液晶素子と、その液晶素子に光を入射するための
光入射系と、その液晶素子からの光強度を検出するため
の受光検出系とを備えた光電圧センサにおいて、当該液
晶素子が、マイクロカプセル化された液晶物質の分散し
た面状液晶体と、該面状液晶体を挟む透明電極とで構成
されていることを特徴とする。

「作用」 本発明に係る光電圧センサの場合、その液晶素子におけ
るマイクロカプセル小滴中の液晶分子がマイクロカプセ
ル材料の壁面に沿い、単一軸方向に並んでいるが、各小
滴の軸は無秩序に配向しているので、当該液晶素子に入
射した光は、これらの小滴により散乱される。

その結果、液晶素子の面状液晶体は不透明になり、乳白
色にみえる。

ただし、これにゲストとなる染料を含有させた場合は、
面状液晶体は灰色または黒色にみえる。

このようにしてパネル化された液晶素子は、これに電界
、電圧を印加すると、液晶分子がパネル面に配向し、光
が透過して透明にみえる。

したがって、本発明に係る光電圧センサにおいて、その
液晶素子には、従来例のごとき、低分子液晶を用いた表
示素子にみちれる偏光板が不要である。

しかも１本発明に係る光電圧センサの場合、液晶素子の
液晶に流動性がなく硬いので、その液晶素子のスペーサ
としても、たとえば、ガラスピーズのごとき簡単なもの
でよくなり、従来の低分子液晶を用いた素子のように、
精密なガラスセルにて封止する必要もない。

その他１本発明に係る光電圧センサにおいて。

液晶素子が、たとえば、ポリエステル（ＰＥＴ）フィル
ムからなる透明体に透明電極が設けられたものであると
き、その液晶素子には、曲げなどの変形が可能な柔軟性
が得られ、切断、開孔、シールなどが容易に行なえる。

ゆえに、本発明に係る光電圧センサの場合、構造が簡単
で安価な当該液晶素子に依存して、低電圧でも安定して
動作するようになる。

ｒ実　施　例Ｊ 本発明に係る光電圧センサの実施例につき、図面を参照
して説明する。

第１図において、液晶素子１１は、面状液晶体１２と、
透明体１４に張り付けられた透明電極１３とを備えてお
り、透明電極１３には、電源１５が接続されている。

本発明において、マイクロカプセル化される液晶物質は
、ネマティック相を有する液晶物質、あるいは、スメク
ティック相を有する液晶物質である。

マイクロカプセル化後の液晶の小滴は、たとえｌｆ、直
径約２〜２５鉢層φである。

マイクロカプセル化後の液晶の小滴は、これら小滴の粒
間が１〜１０ｇ麿程度となるように、たとえば、ポリビ
ニールアルコールエポキシ（以下ＰＶＡと略す）等から
なるポリマー中に分散されて厚さ１０〜５０ＪＬｍ程度
の面状液晶体１２となる。

かかる面状液晶体１２が、透明電極１３を張り合わせた
ＰＥＴフィルム、ガラスなどの透明体１４に挟まれ、こ
れらと一体化されて液晶素子１１となる。

透明電極１３については、ＰＥＴなどの透明フィルム（
透明体１４）にインジュウムをドープした酸化スズ（Ｉ
ＴＯ）を蒸着または焼き付けたもの、あるいは、ガラス
基板に同様のＩＴＯ等を蒸着または焼き付けたものが用
いられる。

上述した液晶素子１１は、ＵＳＰ３７２Ｇ８２３．４４
３５０４７．４５５Ｇ２１３９，４５７９４２３．４５
９１２３３，４５９８４４５．４８０５２８４　。

４１１１０８８１１などの米国特許明細書のほか、臀０
８５１０４２６２、特開昭５８−５０１８３１号公報、
特開昭８２−４８７８９号公報などに開示されており、
マイクロカプセル用の材料も、これらの公知文献に開示
されている。

第１図において、光導波路１Ｂ、１７としては、代表的
な光ファイバが採用される。

一方の先導波路１Ｂには、その一端にロッドレンズかか
らなるコリメータ１８が接続され、その他端にＬＩＩ、
ＬＥＤなどの発光素子２０が接続される。

発光素子２０は、光送信Ｊａ２２に備えられている。

他方の光導波路１７にも、その一端にロッドレンズから
なるコリメータ１８がｔａ続され、その他端にＰＩＮ−
ＦＤなどの受光素子２１が接続される。

受光素子２１は、光受信ａ２３に備えられている。

第１図において、液晶素子１！は、ケース２４の中央に
支持され、そのケース２４の両側には、互いに光軸を一
致させた状態にて、コリメータ１８．１３が支持されて
いる。

この場合、光導波路１Ｂ、コリメータ１８、発光素子２
０を含む光送信機２２などが、液晶素子１１に光を入射
するための光入射系を構成しており、光導波路１７．コ
リメータ１９．受光素子２１を含む光受信機２３などが
、液晶素子１１からの光の強度を検出するための受光検
出系を構成している。

第１図の実施例において、光送信ａ２２の発光素子２０
から出射された光信号は、先導波路！６、コリメータ１
８を通って液晶素子１１に入射され、当該液晶素子１１
を透過した光信号がコリメータ１３、光導波路１７を通
って光受信機２３の受光素子２１に入射される。

このとき、電源１５．透明電極１３による電圧印加（電
界印加）の有無ないし変化により、液晶素子１１の光透
過量が変化するので、受光素子２１による受光レベル（
光パワー）が変化する。

したがって、光受信機２３側において、受光素子２１の
受光レベルを検出することにより、電圧印加（電界印加
）の有無ないし変化を知ることができる。

第１図の変形例として、第２図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のご
とく、プリズム２５．２６．２７を介して液晶素子１１
、光導波路１６．１７を光学的に接続することができる
。

これら第２図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）の実施例でも、上
記とほぼ同様にして、電圧印加（電界印加）の有無ない
し変化を検出することができる。

なお、第２図（Ａ）　（Ｂ）　（Ｃ）におけるプリズム
２５．２８、２７は、光入射系、受光検出系の一部を構
成する光学部品である。

第３図は、ピックアッププルーブ型を構成した場合の実
施例である。

この場合、液晶素子１１の片面に１反射膜２８が張り付
けられている。

光導波路２９は、一端側が入射端部２９ａ、出射端５２
９ｂのごとく分岐され、その分岐点にビームスプリッタ
３０が備えられ、他端側にコリメータ３１を宥している
。

コリメータ３１は、液晶素子１１の入射面側と対向して
いる。

第３図の実施例では、発光素子２０からの光信号が、入
射端部２９ａ→ビームスプリツタ３０→光導波路２９→
コリメータ３１→液晶素子１１のごとく伝送され、液晶
素子１１の反射膜２８により反射された光信号が、液晶
素子１１→コリメ一タ３１→光導波路２９→ビームスプ
リツタ３０→出射端部２９ｂ→受光素子２１のごとく入
射される。

第３図の実施例でも、液晶素子１１への電圧印加（電界
印加）の有無、変化に基づく受光素子２１の受光レベル
変化により、これら電圧印加（電界印加）の有無、変化
を検出することができる。

なお、第３図の実施例では、反射Ｍ２８．コリメータ３
１のほか、入射端部２９ａ、出射端部２９ｂ。

ビームスプリッタ３０を有する光導波路２９が、光入射
系、受光検出系を構成している。

つぎに１本発明に係る光電圧センサのより具体的な実施
例を、その特性評価とともに説明する。

［実施例１］ マイクロカプセル化したネマティック液晶がＰＶＡ中に
分散された厚さ２０ル鳳の面状液晶体１２を、ＰＥＴフ
ィルム製透明体１４に張り付けられたＩＴＯ透明電極１
３間に挟んで、液晶素子１１を構成した。

かかる液晶素子１１につき、第４図に示す測定手段を介
して、電圧：光パワーならびに周波数の依存性をそれぞ
れ評価するとき、各部をつざのようにセットした。

第４図において、液晶素子１１は、これを光軸合わせ用
ケース（箱形）２４の中央に配置して支持した。

先導波路１８．１７としては、コア／クラッドの外径比
が１００／１４０（ｇｍφ）の多成分ガラス系からなる
長さ２ｍのものを用い、これらの一端にはロッドレンズ
からなるコリメータｔａ、　１９を接続し、これらの他
端にはＦＣコネクタを備えた。

ロッドレンズ、　ＦＣコネクタ付の上記光ファイバは、
日本板ガ５スｆ１１Ｊ（１）製品（ｏＰＣＬ−１ｏＨ−
１ｏＯ／ＦＣ）　テある。

第４図において、光導波路１６．１７の一端にあるコリ
メータ１８．１９は、これらの光軸を一致させた状態で
上記ケース２４の両側に互いに対向させて取りつけ、先
導波路１８．１７の他端は、ＦＣコネクタを介して光パ
ワーテスタ４１に接続した。

光パワーテスタ４１としては、発光素子（ＬＥＤ）　。

受光素子（ＰＩＮ−ＰＤ）を内蔵したセイコー電子■の
製品（ＳＸ−１０１）を用いた。

第４図において、液晶素子１１の透明電極１３には、パ
ワーアンプ４３を備えた周波数発振機４２を接続し、そ
の配線系に電圧計４４を備えた。

周波数発振機４２としては、ＮＦ　ＣＩＲＣＵＩ↑ＤＥ
ＳＩＧＮＢＬＯＣＫ　ＧＯ，ＬＴＤの製品（Ｅ−１２０
５０ＳＩＬＬＡＴＯＲ）を用い、パワーアンプ４３とし
ては、同社の製品（４００５ＨＩＧ）Ｉ　５ＰＥＥＤ）
を用いた。

第４図において、液晶素子１１の電圧：光パワーならび
に周波数の依存性を評価するとき、液晶素子１１への印
加電圧は、それぞれ０〜３０Ｖの交流電圧および直流電
圧とし、液晶素子１１の周波数依存性は１周波数５０Ｈ
ｚ〜９００Ｈｚの範囲で評価した。

この際、周波数発振ａ４２にて規定周波数を発振し、こ
れをパワーアンプ４３にて増幅することにより規定電圧
とした後、その電圧を電圧計４４によりチエツクしつつ
透明電極１３に印加した。

第５図は、液晶素子１１に直流電圧θ〜３０Ｖを印加し
た場合の光パワー（ｄＢ層）の変化を示し、第６図は、
液晶素子１１に交流電圧０〜３０Ｖを印加した場合の光
パワー（ｄＢ厘）の変化を示している。

つぎに、マイクロカプセル化したスメクティック液晶が
ＰＶＡ中に分散された厚さ２０ル諺の面状液晶体１２を
、ＰＥＴフィルム製透明体１４に張り付けられたＩＴＯ
透明電極１３間に挟んで、液晶素子１１を構成した。

かかる液晶素子１１の特性についても、上記と同様に測
定し、その結果を第７図に示した。

第８図は、既述の測定において、液晶素子１１への電圧
上昇〜電圧降下を４サイクルで繰り返した際の縁り返し
特性のデータを示している。

さらに、第９図は、既述の測定において、液晶素子１１
の周波数依存性に関するデータを示している。

これらの結果は、第１図〜第３図の液晶素子１１が、光
電圧センサとして電圧測定できることを実証している。

〔実施例２〕 ゲストホスト染料を添加した液晶をマイクロカプセル化
し、以下は実施例１と同様にして液晶素子１１を構成し
た。

かかる液晶素子１１についても、実施例１と同様の測定
を行ない、その結果を第１０図、第１１図に示した。

第１０図、第１１図から明らかなように、実施例２の場
合は、電圧に対する光パワーの変化が実施例１の場合よ
りも大きく、シたがって、実施例２の場合は、電圧変化
による光信号の変化が大きくとれる。

ｒ発明の効果」 以上説明した通り、本発明に係る光電圧センサの場合、
電圧および／または電界に対応して、光の透過率および
／または反射率が変化する液晶素子が、マイクロカプセ
ル化された液晶物質が分散している面状液晶体と、その
面状液晶体を挟む透明電極とで構成されているから、つ
ぎのような効果が得られる。

■　従来のボケッルス効果を有する電気光学材料液晶素
子を用いたものと比べて製造が容易であり、かつ、低電
圧で応答する光電圧センサを安価に製作することができ
る。

■　化学プラントのごとき防爆対策が要求される分野に
適しているほか、高電圧回路の電圧を高絶縁、高インピ
ーダンスにおいて安全に測定することができる。

■　ｔ８ｉ誘導ノイズの影響を受けないので、既製の光
電圧センサと同様、安定して使用することができる。

■　光電圧センサが高感度であるので、これを数ｋＶ以
下の配電線に適用した場合でも、活線、非活線の状態を
容易に測定することができる。

■　液晶素子の構成に嵩張りがなく、光電圧センサを小
型化することができるので、狭いスペースでも所要の測
定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る光電圧センサの各種実施
例を略示した説明図、第４図は本発明に係る光電圧セン
サの特性を測定する手段を示した説明図、第５図〜第１
１図は本発明に係る各種光電圧センサの特性を示した説
明図である。 １１・・・・・・液晶素子 １２・・・・・・面状液晶体 １３・・・・・・透明電極 １４・・・・・・透明体 １５・・・・・・電源 １Ｂ・・・・・・光導波路 １７・・・・・・光導波路 １８・・・・・・コリメータ １９・・・・・・コリメータ ２０・・・・・・発光素子 ２１・・・・・・受光素子 ２２・・・・・・光送信機 ２３・・・・・・光受信機 ２４・・・・・・ケース ２５・・・・・・プリズム ２６・・・・・・プリズム ２７・・・・・・プリズム ２８・・・・・・反射膜 ２９・・・・・・光導波路 ３０・・・・・・ビームスプリッタ ３１・・・φ・・コリメータ 代理人　弁理士　斎　藤　義　雄 第 関 第 悶 第 図 ＤＣ宅灰 （Ｖ） 第 図 第 図 Ｏ ａＣｔ圧〔７〕 ｄ　６０　ＨＸ 第 図 ＡＣ電圧 （Ｖ） １６０Ｈｚ 第 図 ＡＣｔ灰【７〕 ｄ　！；Ｄ　Ｈｚ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電圧および／または電界に対応して光の透過率および／
   または反射率が変化する液晶素子と、その液晶素子に光
   を入射するための光入射系と、その液晶素子からの光強
   度を検出するための受光検出系とを備えた光電圧センサ
   において、当該液晶素子が、マイクロカプセル化された
   液晶物質の分散した面状液晶体と、該面状液晶体を挟む
   透明電極とで構成されていることを特徴とする光電圧セ
   ンサ。