JPH10115644A

JPH10115644A - 光集積化電圧センサ

Info

Publication number: JPH10115644A
Application number: JP8289304A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Tadashi Ichikawa; 正市川; Satoru Kato; 覚加藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-05-06
Also published as: US5969341A

Abstract

(57)【要約】【課題】小型でかつ安定な特性を有し、さらに高電圧
入力による絶縁破壊からセンサ部を保護する機能を有す
る電圧センサを提供する。【解決手段】光ファイバ２８から入射される測定光
を、前記光集積回路３２内の分岐合波部１９において第
１，第２変調用導波路１５ａ，１５ｂに分岐させ、変調
用電極３４ａ，３４ｂにおいて、それぞれ正負が逆にな
るように電圧が印加されることにより、第１，第２変調
導波路１５ａ，１５ｂ内を伝搬する各々の位相変化の符
号を逆とし、両者の間に位相差を生じさせる。そして、
測定光は、反射面４０で反射され、前記第１および第２
変調導波路１５ａ，１５ｂ内を逆方向に伝搬し、光強度
変調部を再度通過し、位相変調を受けることにより、前
記第１および第２変調導波路１５ａ，１５ｂ内を逆方向
に進む測定光の位相差を、反射面４０により反射される
直前の測定光の位相差のほぼ２倍とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的に電圧の大
きさを測定する光集積化電圧センサに関するものであ
る。

【０００２】

【背景技術】今日のような高度情報化時代において電磁
波は、放送や通信のための情報伝達媒体としてますます
その重要度を増し、その強度、周波数は共に、より高ま
る傾向にある。

【０００３】一方その電磁波によって引き起こされる電
子機器の機能障害の問題も増えている。特に人命の維持
に不可欠な医療機器や、大量の情報を高速に処理するＯ
Ａ機器、自動車エレクトロニクスの分野では、それらの
機能障害が甚大な被害を引き起こすおそれもある。この
ことから、電磁波障害対策は極めて重要な課題となって
いる。

【０００４】各種電子機器の電磁波障害耐性の評価をし
ようとする場合、あるいは電磁波障害を受けた結果、機
能障害を起こした時その対策を施そうとする場合には、
その状況を再現した電磁界環境下に電子機器を配置し、
電子機器内部の電気回路から出力される電圧信号波形を
測定し、異常信号の発生源を特定する必要がある。そこ
で、このような電圧信号波形を観察する手段としては、
オシロスコープがよく知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、電気回路内の測定部位からオシロスコープ入力端子
まで出力信号を伝送するのに、金属導体のケーブルを使
用するため、電磁界によりこの金属ケーブルに雑音が誘
起され、正確な測定ができないという問題点があった。

【０００６】このような問題点を解決するため、従来、
電圧検出部にＬｉＮｂＯ₃等の電気光学結晶を基板とし
た光集積回路を使用した、電圧センサの開発も行われて
いる。

【０００７】図２に、このような電圧センサの一例を示
す。

【０００８】この装置は、導波型の分岐干渉型光変調器
として機能する光集積回路３２で構成されるセンサ部２
１と、光源１０および光検出器１２を含み、それぞれ測
定光入力用光ファイバ１１および測定光出力光ファイバ
１３が光学的に接続されている。光集積回路３２は光フ
ァイバ１１を介して入射される測定光を伝搬する導波路
１７を有し、この導波路１７は分岐部２３において第１
および第２の変調用導波路１５ａ，１５ｂに分岐され、
合波部２５において再度合流されるよう形成されてい
る。そして、前記第１および第２変調用導波路１５ａ，
１５ｂ上には変調用電極３４ａ，３４ｂが構成されてい
る。そして、ここから引き出された金属細線２７ａ，２
７ｂを電気回路内電圧測定部位としての被電圧測定部１
８に接触させると、変調用電極３４ａ，３４ｂをそれぞ
れ介して、正負が逆の電圧信号として前記第１および第
２変調用導波路１５ａ，１５ｂに印加される。

【０００９】以上のように構成されたセンサ部２１に向
け、光源１０から光ファイバ１１を介し測定光を入力す
ると、この測定光は光集積回路３２内の導波路１７を介
し光変調部内に伝搬されることになる。

【００１０】そして、変調用電極３４ａ，３４ｂを介し
て、前記第１および第２変調用導波路１５ａ，１５ｂに
印加される電圧信号は、正負が逆の電圧信号となるた
め、両導波路１５ａ，１５ｂ内を通過する光波に位相差
が生じる。このことによって、この両導波路１５ａ，１
５ｂを通過する光波を、合波部２５で合波干渉させ、位
相差の度合いが光の強弱に変調されて、光ファイバ１３
を介し光検出器１２に入力されることになる。このと
き、光集積回路３２においてはサイズを小さく形成する
ことができるので、半波長電圧と称される、光量が最大
から最小に変化するのに要する電圧は、たかだか数Ｖに
過ぎない。このため、小さな電圧が印加された場合でも
大きな光量変化が得られるので、その測定感度は非常に
高いものとなる。従って、前記光検出器１２を用いて光
集積回路３２から出力される変調された測定光の強弱を
測定し、これを信号処理部２０に入力することにより、
この信号処理部２０は、変調された測定光の強弱から位
相差の度合い、ひいては電圧の大きさを演算することが
できるようになる。

【００１１】このような従来装置においては、前記セン
サ部２１、光ファイバ１１，１３等が主として誘電体に
て構成されている。このため、電磁界の影響をほとんど
受けることなく、正確に、しかも高感度に電圧測定を行
うことができる。

【００１２】しかし、この従来装置では、上述したよう
に、光集積回路３２に測定光の入力用と出力用の２本の
光ファイバ１１，１３を接続しているため、センサ部２
１を実用上十分な程度まで小型化することができず、狭
い場所での測定が困難であるという問題があった。

【００１３】すなわち、このような装置に用いられるセ
ンサ部は、片持ち構造にすることが望ましく、このため
図２に示す２本の光ファイバ１１，１７のうち一方を折
曲げて、センサ部を接続する必要がある。しかし、光フ
ァイバは、屈曲性に富むとはいえ、その最小折曲げ半径
は数ｃｍのオーダーである。よって、片持ち構造のセン
サを形成する場合には、実用上要求される２０〜３０ｍ
ｍ以下に小型化することが難しいという問題点があっ
た。

【００１４】また、光ファイバと導波路との接続は、最
も精密な調整を必要とする部位であり、温度、振動等の
影響による機械的なずれのために、特性の変化が発生し
やすい。このため、従来のように、２本の光ファイバを
必要とするものでは、接続を２カ所行わなければなら
ず、その作業は、極めてやっかいなものとなり、これ
が、安定して動作する装置を、安価に作製する上での妨
げとなっていた。

【００１５】さらに、従来装置では、変調用電極に印加
される電圧が、光集積回路基板および変調用電極が有す
る絶縁破壊電圧値を、不用意にも上回ってしまった場合
には、光集積回路基板および変調用電極が、絶縁破壊に
よって破損し、使用不能になるという問題点があった。

【００１６】本発明は、上述したような問題点を解決
し、小型でかつ安定な特性を有し、さらに高電圧入力に
よる絶縁破壊からセンサ部を保護する機能を有するセン
サ手段を備えた電圧センサを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本第１の発明の光集積化
電圧センサは、測定光を出力する測定光発生手段と、前
記測定光を測定電圧部位に導く光ファイバと、前記測定
電圧部位に設置され、前記光ファイバから測定光が入射
され、この入射測定光の強度を測定電圧に応じて変調
し、再度前記光ファイバに向け出力するセンサ手段と、
前記測定光発生手段と前記光ファイバとの間に設けら
れ、前記測定光発生手段からの測定光を通過させ、前記
センサ手段によって変調された測定光を所定の方向に分
岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された測定
光の強度に基づき、前記測定電圧を演算する信号処理手
段と、とを含み、前記センサ手段は、一端を測定光入射
部とし、他端を測定光反射部とする導波路が形成された
光集積回路を含み、前記光集積回路は、前記測定電圧に
応じて、前記導波路内を伝搬する測定光の強度を変調し
て出力する光強度変調部を含んで形成されるものである
ことを特徴とする。

【００１８】したがって、第１の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記光ファイバを折り曲げることなくセ
ンサ手段を片持ち構造とし、しかも測定光は前記光強度
変調部を往復２回通過し約２倍の光強度変調を受けるた
め、前記センサ手段を大幅に小型化し、狭い場所での高
感度の電圧測定を行なうことを可能とする。

【００１９】第２の発明の光集積化電圧センサは、上述
した第１の発明の特徴点に加え、前記導波路は、分岐合
波部で分岐された第１の変調用導波路および第２の変調
用導波路を含み、前記測定光反射部は、前記第１変調用
導波路および第２変調用導波路の他端にそれぞれ形成さ
れ、前記光強度変調部は、前記第１変調用導波路および
第２変調用導波路に対し、正負が逆の電圧としてそれぞ
れ印加する一対の電極を備え、前記各変調用導波路内を
伝搬する測定光の位相を変化させた後、前記分岐合波部
で合波干渉させることにより、測定電圧に応じてその強
度が変調された測定光を出力することを特徴とする。

【００２０】したがって、第２の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記センサ手段と前記導波路と前記光フ
ァイバとの接続が１カ所で済むため、長時間にわたり安
定した測定が可能となる。すなわち、前記光ファイバと
前記導波路との接続はもっとも精密な調整を必要とする
部分であり、しかも長期的には機械的ずれのため特性変
化を引き起こしやすいものであるが、このことにより、
光ファイバを入出力用の２本用いることなく１本の光フ
ァイバで測定光の入出力を行なうことができる。このた
め、前記光ファイバと前記導波路との接続部位が１カ所
になり、この面から長期間にわたり安定した高精度な測
定を行なう光集積化電圧センサを安価に製作できる。

【００２１】第３の発明の光集積化電圧センサは、上述
した第２の発明の特徴点に加え、前記光強度変調部は、
電圧信号を分圧するための分圧回路を備え、その分圧比
に応じた電圧が、前記電極に印加されるものであること
を特徴とする。

【００２２】したがって、第３の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記一対の電極には、前記分圧回路によ
り分圧された電圧しか印加されないことから絶縁破壊を
起こすことがなくなり、不用意に高い電圧が前記センサ
手段に印加されてしまった場合でも、破損しにくい光集
積化電圧センサを提供できる。

【００２３】第４の発明の光集積化電圧センサは、上述
した第３の発明の特徴点に加え、前記分圧回路は、前記
電極間に設けられた第１の抵抗と、該第１の抵抗と直列
に接続された第２の抵抗と、前記第１の抵抗の両端に前
記光集積回路の構成から得られる第１のキャパシタが並
列接続されることによって構成されることを特徴とす
る。

【００２４】したがって、第４の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記分圧回路を簡単に構成することがで
きる。

【００２５】第５の発明の光集積化電圧センサによれ
ば、第４の発明の特徴点に加え、前記分圧回路は、前記
第２の抵抗と並列に接続されたキャパシタを備えたもの
であることを特徴とする。

【００２６】したがって、第５の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、高周波の電圧が前記光集積化電圧センサ
に印加された場合でも、前記第２のキャパシタにて周波
数を補償することができ、前記高周波の電圧を前記第１
および第２の抵抗にて分圧した後に、前記電極に印加さ
れるので、周波数の影響を低減して、良好な分圧出力を
得ることができる。

【００２７】第６の発明の光集積化電圧センサによれ
ば、第４または第５の発明の特徴点に加え、前記第１の
キャパシタの容量値と第１の抵抗の抵抗値との積は、前
記第２のキャパシタの容量値と第２の抵抗の抵抗値との
積と略同等であることを特徴とする。

【００２８】したがって、第６の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記光集積化電圧センサにおいて前記分
圧回路を使用しても、広範囲の周波数にて電圧を測定す
ることができる。

【００２９】第７の発明の光集積化電圧センサは、上述
した第１乃至第６の発明のいずれかの特徴点に加え、前
記光集積化電圧センサは、前記光集積回路の他端面側に
電圧測定用の端子部を設け、前記端子部を測定対象物に
接続することを特徴とする。

【００３０】したがって、第７の発明の光集積化電圧セ
ンサによれば、前記光集積化電圧センサが小型であリ、
片持ち構造であるために、前記光集積回路の他端面側の
空き空間を利用して前記電圧測定用端子を設けることが
できる。これにより、さらに使い勝手の良い光集積化電
圧センサを得ることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を、図
面に基づき詳細に説明する。

【００３２】図１には、本発明にかかる光集積化電圧セ
ンサの概略図が示される。以下に、この光集積化電圧セ
ンサの構成について説明する。

【００３３】本実施の形態の光集積化電圧センサは、セ
ンサ部２１と測定光発生部２２、信号処理部２０を含む
ものである。

【００３４】前記測定光発生部２２とセンサ部２１と
は、ビームスプリッタ２４、レンズ２６および光ファイ
バ２８等から構成される光学系を介して光学的に接続さ
れている。

【００３５】前記測定光発生部２２は、測定光を出力す
るものであって、具体的には、図示しないが、光源と、
その出力光を平行光化し、ビームスプリッタ２４へ向け
出力する光学系とから構成されている。

【００３６】前記光源は、例えばレーザ、発光ダイオー
ド、スーパールミネッセントダイオード等、任意のもの
が使用可能であるが、本実施の形態では、光ファイバと
の整合性から、レーザを用いている。

【００３７】さらに前記レーザは、ＨｅＮｅレーザ、Ｙ
ＡＧレーザ、半導体レーザ等、任意のものを使用するこ
とが可能であるが、本実施の形態では、小型である点か
ら、半導体レーザを用いている。

【００３８】前記ビームスプリッタ２４は、前記測定光
発生部２２より出力される測定光を、透過方向と、それ
と直角方向とに光強度を二分するように形成されてい
る。つまり、本実施の形態では、測定光発生部２２より
出力される測定光を、図１のビームスプリッタ２４を透
過する方向αと、それと直角方向とに光強度を二分し、
その内のビームスプリッタ２４を透過する測定光のみを
光ファイバ２８に向け出力する。また、センサ部２１か
ら光ファイバ２８を介して戻ってくる測定光において
は、図１のセンサ部２１からビームスプリッタ２４を透
過する方向βと、それと直角方向とに光強度を二分し、
その内の直角方向に分岐した測定光のみを信号処理回路
２０へ向け出力するように構成されている。

【００３９】このようにしてこのビームスプリッタ２４
を通過した測定光は、レンズ２６により絞られ、光ファ
イバ２８に入射される。このような光ファイバ２８とし
ては、必要に応じて種々のものが使用可能であるが、本
実施の形態では、偏波面保存光ファイバが用いられてい
る。そして、この光ファイバ２８に入射された測定光
は、センサ部２１に向け伝搬される。

【００４０】このセンサ部２１は、光ファイバ２８から
測定光が入射されると、この測定光を電圧の大きさに応
じて変調し、変調された測定光を再度光ファイバ２８へ
向け出力させるものである。具体的には、このセンサ部
２１は、測定光の強度を外部電圧により変化させる光強
度変調部が設けられた光集積回路３２と、外部電圧を分
圧して変調用電極３４ａ，３４ｂに印加するための分圧
回路３５とを含む。この分圧回路３５は、分圧抵抗３
６，３８とを含む。

【００４１】前記光集積回路３２は、その内部に光ファ
イバ２８を介して伝搬されてくる測定光が入射される導
波路１７が形成されており、この導波路１７は、分岐合
波部１９において第１変調用導波路１５ａおよび第２変
調用導波路１５ｂに分岐するように構成されている。

【００４２】光集積回路化された導波型の光強度変調部
の方式としては、例えば分岐干渉計型、方向性結合器
型、交差型等種々の形態のものがあり、必要に応じて任
意のものを使用できる。本実施の形態では、分岐干渉計
型をいくぶん変形した方式のものを用いているものであ
る。

【００４３】前記分圧回路３５には、変調用電極３４
ａ，３４ｂから引き出された金属細線２７ａ，２７ｂを
被電圧測定部１８の電圧Ｅinが印加される。

【００４４】前記分圧回路３５は、この被電圧測定部１
８の電圧Ｅinを分圧回路を構成する抵抗値の比で決めら
れる分圧比に応じて分圧し、その分圧された電圧Ｅout
を変調用電極３４ａ，３４ｂに印加するよう構成されて
いる。このような分圧回路を構成するための抵抗として
は、被覆抵抗、チップ抵抗、抵抗材を蒸着した薄膜抵抗
等、必要に応じて各種のものを採用可能であるが、本実
施の形態では、センサ部２１を小さく構成するため、チ
ップ抵抗が使用されている。また、この分圧回路の分圧
比は、任意の抵抗値の抵抗を使用することにより、自由
に設定することができる。ここでは、分圧抵抗として抵
抗３６は１メガオームに、抵抗３８は９メガオームに設
定される。

【００４５】図３には、本実施の形態の分圧回路３５の
等価回路が示される。たとえば、この分圧回路３５は、
図１に示すように、変調用電極３４ａ，３４ｂ間に分圧
抵抗３６が形成され、この分圧抵抗３６と直列に分圧抵
抗３８が接続されている。このとき、前記変調用電極３
４ａ，３４ｂ間には、前記分圧抵抗３６と並列に、光変
調器自身が形成するキャパシタ３７が接続される。つま
り、前記変調用電極３４ａ，３４ｂ間の材質、すなわ
ち、前記光集積回路３２の材料としては、ＬｉＮｂ
０₃，ＬｉＴａＯ₃等の強誘電体、ＧａＡｌＡｓ，Ｓｉ等
の半導体、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄等の非晶質等の材料が使
用可能であって、本実施の形態では、たとえば、電気光
学効果の大きいＬｉＮｂ０₃が使用されているものであ
る。このために、前記変調用電極３４ａ，３４ｂ間に
は、自ずとキャパシタ３７が構成されることになる。本
実施の形態においては、このキャパシタ３７の容量値
は、２．５ＰＦとなる。また、この分圧回路において
は、変調用電極３４ａ，３４ｂ間の抵抗３６の抵抗値は
１メガオームであり、これと並列に前記２．５ＰＦを有
するキャパシタ３７が接続されることになる。

【００４６】この回路においては、周波数に対し電圧が
減衰するものであり、前記分圧抵抗３６と前記キャパシ
タ３７からなる回路は、分圧抵抗３６とキャパシタ３７
とから決まる周波数をカットオフ周波数とするローパス
フィルタとして機能することになる。つまり、上述した
分圧回路３５を本発明の光集積化電圧センサに使用する
ことは可能であるが、カットオフ周波数を超える高周波
数の電圧が本発明の光集積化電圧センサに印加された場
合には、その電圧は減衰してしまい正確な電圧測定がで
きなくなる。

【００４７】これに対し、本実施の形態においては、図
３の等価回路に示すように、高周波電圧下の測定対象物
の電圧測定をより正確に行うため、分圧回路３５中にキ
ャパシタ３７を補償する補償用コンデンサ３９が前記抵
抗３８と並列に付加されている。このとき、使用する補
償用コンデンサ３９としては、チップコンデンサ、ある
いは本実施の形態において使用している変調用電極３４
ａの一部分にわずかに間隙ｄを設けた微少キャパシタを
用いている。この場合、前記間隔ｄを設けて、一部空間
を有する変調用電極３４ａを形成した後に、前記電極の
幅をカットすることにより、所望の補償用コンデンサの
容量を設定することができる。これにより、何らかの原
因で高周波の高電圧が、本発明の光集積化電圧センサに
印加された場合でも、前記分圧回路は、この入力電圧を
確実に分圧し、光集積化電圧センサ自体の破壊を防止
し、しかもこの入力電圧を減衰させることなく確実に分
圧することができる。

【００４８】この補償用コンデンサ３９の容量値の設定
方法について以下に示す。この時、前記補償用コンデン
サ３９の容量値をＣp、これと並列に接続された抵抗の
抵抗値をＲｐ、キャパシタの容量値をＣ0、これと並列
に接続された抵抗の抵抗値をＲ0、高周波電源による入
力電圧をＥin，出力電圧をＥoutとして説明する。

【００４９】この分圧回路において、入力電圧Ｅinは、
式１のようになる。

【００５０】

【数１】ここで、ＲpＣp＝Ｒ0Ｃ0となるようにＣpを調整する
と、式２のようになる。

【００５１】

【数２】この式からも分かるように、前記入力電圧Ｅinは、周波
数依存を受けなくなる。

【００５２】本実施の形態の分圧回路においては、Ｒ0
＝１メガオーム，Ｃ0＝２．５ＰＦであり、Ｒpが９メガ
オームとして構成されているため、Ｃpは略０．２７８
ＰＦとなる。

【００５３】このように、本実施の形態の分圧回路は、
入力電圧Ｅinの周波数が増大しても、これに影響を受け
ることなく動作するものであることが分かる。すなわ
ち、この分圧回路は、高周波の高電圧が印加された場合
にも有効であり、特に、自動車エレクトロニクス分野等
の高周波電圧を使用した装置の測定に用いられる光集積
化電圧センサにおいて効果を奏する。

【００５４】そして、この分圧回路から出力される電圧
信号Ｅoutは、前記変調用電極３４ａ，３４ｂを介し
て、変調部内の第１変調用導波路１５ａおよび第２変調
用導波路１５ｂに、正負が逆の電圧となるように印加さ
れる。つまり、たとえば、前記光集積回路において変調
部内の第１変調用導波路１５ａにプラスの電位，第２変
調用導波路１５ｂに、マイナスの電位を印加し、それぞ
れの前記導波路の屈折率を変化させる。

【００５５】ところで、前記第１変調用導波路１５ａお
よび第２変調用導波路１５ｂを伝搬した測定光を反射
し、前記第１および第２変調用導波路１５ａ，１５ｂ内
を逆向きに伝搬させる反射面４０が構成される。これに
より、前記第１および第２変調用導波路１５ａ，１５ｂ
内を伝搬する測定光は、再度光強度変調部内を通過し位
相変調を受け、その位相差は反射面４０で反射される前
のほぼ２倍になる。また、前記反射面４０は、光集積回
路３２の研磨端面に、例えばＡｌ、Ａｕ等の金属また
は、誘電体等の薄膜を蒸着、スパッタリング等の手法で
堆積させて製造することができる。

【００５６】そして前記第１および第２変調用導波路１
５ａ，１５ｂ内を反射伝搬されてくる測定光は、分岐合
波部１９で合波干渉され、位相差の度合が光の強弱に変
換される。このようにして電圧の大きさに応じて光の強
度が変調された測定光は、導波路１７の入射端から再度
光ファイバ２８へ向け出力される。また、前記導波路１
７は、その周囲の材料に比べその屈折率を高くすること
により光波をその内部に閉じこめて導波するよう構成さ
れている。

【００５７】そして、光ファイバ２８内を伝搬する変調
された測定光は、次にレンズ２６を介し、ビームスプリ
ッタ２４に入射される。

【００５８】このようにビームスプリッタ２４に入射さ
れた測定光は、再びビームスプリッタ２４を透過する方
向と、それと直角の方向に分岐され、その内の直角方向
に分岐された測定光は、信号処理部２０へ入力される。
前記信号処理部２０は、このようにして入力される測定
光の強度に基づき、被電圧測定部１８の電圧を演算する
ように構成されている。本実施の形態においては、この
信号処理回路２０は、入力される測定光を電気信号に変
換する光検出器１２と、変換された電気信号を増幅する
増幅器１４から構成されている。そして光検出器１２か
ら出力される電圧信号は増幅器１４に入力され、電圧信
号の強度が増幅される。

【００５９】そして、その増幅結果は、コネクタ３０に
出力させることも、表示器に直接表示させることも可能
であるが、本実施の形態では、電圧計、オシロスコー
プ、スペクトラムアナライザ等の一般的な電圧測定器で
測定できるように、コネクタ３０に出力するよう構成さ
れている。

【００６０】また、前記コネクタ３０は、例えば、ＢＮ
Ｃコネクタ、ＳＭＣコネクタ等が使用可能であるが、本
実施の形態では、ＢＮＣコネクタが用いられている。

【００６１】次に、本発明の光集積化電圧センサの動作
について説明する。

【００６２】測定光発生部２２から測定光が出力される
と、この測定光はビームスプリッタ２４で２分され、そ
の内の透過した測定光のみが、レンズ２６を介し偏波面
保存光ファイバ２８に入射される。

【００６３】このようにして光ファイバ２８に入射した
測定光は、その内部をセンサ部２１に向け伝搬してい
き、測定光がセンサ部２１に到達すると、入射端から導
波路１７内に入射される。そして、入射された測定光は
導波路１７内を伝搬していき、光強度変調部に達し分岐
合波部１９で分岐され、第１および第２変調導波路内１
５ａ，１５ｂにて伝搬される。また、たとえば、このと
きの分岐比は５０：５０に設定される。

【００６４】この測定光が前記第１および第２変調導波
路１５ａ，１５ｂ内を伝搬する途中で、測定光は変調用
電極３４ａ，３４ｂに印加された電圧Ｅoutの大きさ、
すなわち被電圧測定部１８の電圧Ｅinが、光強度変調部
の変調用電極３４ａ，３４ｂ上に設置された分圧回路に
よって分圧され、変調用電極３４ａ，３４ｂに印加され
た電圧Ｅinの大きさに応じた位相変調を受ける。

【００６５】このとき、前記変調用電極３４ａ，３４ｂ
において、前記第１および第２変調導波路１５ａ，１５
ｂにそれぞれ正負が逆になるように電圧が印加される。
このため、前記第１変調導波路１５ａ内を伝搬する測定
光と、第２変調導波路１５ｂ内を伝搬する位相変化の符
号が逆となり、両者の間に位相差が生じる。

【００６６】このように位相変調されながら前記第１お
よび第２変調導波路１５ａ，１５ｂ内を伝搬する測定光
は、その他端面に形成された反射面４０で反射され、前
記第１および第２変調導波路１５ａ，１５ｂ内を逆方向
に伝搬する。そして、この測定光は光強度変調部を再度
通過し、位相変調を受ける。このため、これら第１およ
び第２変調導波路１５ａ，１５ｂ内を逆方向に進む測定
光の位相差は、反射面４０により反射される直前の測定
光の位相差のほぼ２倍となる。

【００６７】これにより、本発明のセンサ部２１は、非
反射型のセンサに比べ、同じ大きさでは約２倍の測定感
度が得られ、また同じ測定感度を得ようとする場合に
は、その大きさをほぼ１／２に小型化できる。

【００６８】そして、このようにして第１および第２変
調導波路内１５ａ，１５ｂを逆方向に伝搬されてくる測
定光は、分岐合波部１９にて合波干渉され、これにより
位相差の度合いが光の強弱に変換されることになる。

【００６９】すなわち、被電圧測定部１８の電圧が０の
とき位相差は０となり、このとき最大光量となる。ま
た、ある値の電圧の発生があり、位相差が１８０゜とな
るときは０または最小光量となる。

【００７０】また、より微弱な電圧を測定する場合に
は、第１および第２変調導波路１５ａ，１５ｂの長さに
差を付けること、または屈折率に差を付けることのうち
の少なくとも一方を行うことで、電圧が０のときの位相
差を９０°にあらかじめ設定しておくことも可能で、こ
れにより、微弱な電圧でも、その出力光の強度は大きな
ものを得ることができる。

【００７１】従って、このような変調光の光量の強弱を
測定することにより、位相差の度合い、ひいては電圧を
測定することができる。

【００７２】このようにして、変調部から出力される変
調された測定光は、導波路１７の入射端から、光ファイ
バ２８に入射され、レンズ２６を通過した後、ビームス
プリッタ２４に入射される。そして、このビームスプリ
ッタ２４で測定光は２分され、その内のに分岐された光
のみが光検出器１２に入射される。

【００７３】この光検出器１２は、このようにして入力
される変調された測定光を電気信号に変換し、増幅器１
４へ向け出力する。

【００７４】この増幅器１４は、このようにして入力さ
れる電気信号の強度を増幅させ、その増幅結果は、ＢＮ
Ｃコネクタ３０に出力される。

【００７５】以上説明したように、本発明の電圧センサ
によれば、センサ部２１を基本的に非金属物質で構成す
ることができる。従って、本発明のセンサ部を用いるこ
とにより、従来不可能であった高電磁界中での電圧の測
定が可能となる。

【００７６】さらに、本発明によれば、光集積回路３２
に導かれた測定光が、光強度変調部内を２度通過するこ
とにより２倍の位相変調を受けるため、その電圧検出感
度もほぼ２倍となる。従って、センサ部２１を非反射型
の光集積化電圧センサとして形成したものに比べ、同一
の検出感度ならばその大きさをほぼ１／２まで小型化す
ることができる。

【００７７】さらに、本発明によれば、光集積回路３２
に対する測定光の入出力を１本の光ファイバ２８で行う
ことができる。このため、従来のように入出力用に２本
用意した光ファイバ２８のいずれか一方を折り曲げるこ
とがなく、片持ち式のセンサ部を容易に構成することが
できる。従って、従来のように、光ファイバの折り曲げ
半径の制約を受けずにセンサ部２１を小型化することが
でき、必要ならその直径を１ｍｍ以下とし、従来品に比
べ１／10以下に小型化することが可能となる。従って、
本発明のセンサ部を用いることにより、従来不可能であ
った狭い場所での電圧の測定も可能となる。

【００７８】さらに、本発明においては、光集積回路３
２の導波路１７に対し、１本の光ファイバ２８を接続す
ればよい。すなわち、光ファイバ２８と導波路の接続は
最も精密な調整を必要とする部位であり、また長期的に
は機械的なずれのため、特性変化を受けやすい。しか
し、本発明は、このような接続部位が従来品の半分にな
るため、長期間安定してしかも高精度で動作するセンサ
部を安価に製作できることが可能となる。

【００７９】さらに、本発明の光集積化電圧センサで
は、光集積回路３２の変調用電極３４ａ，３４ｂに印加
される電圧が、分圧回路で分圧された後印加されるた
め、高い電圧が印加されてもセンサ部２１が破壊される
ことがない。従って、不用意な光集積化電圧センサの取
り扱いに対しても、壊れにくく、丈夫なセンサ部２１を
提供できる。すなわち、被電圧測定部１８の電圧が、セ
ンサ部２１が有する絶縁破壊電圧を大きく越えるような
電圧である場合でも、変調用電極３４ａ，３４ｂには、
分圧回路により分圧された電圧しか印加されないことか
ら絶縁破壊を起こすことがないものである。特に、本実
施の形態においては、補償用コンデンサ３９が設けられ
ているため、カットオフ周波数を超えるような高い周波
数の電圧がセンサ部２１に印加されてしまった場合で
も、その電圧が減衰することなく確実に分圧できるの
で、測定電圧の周波数に影響されず、しかも破損しにく
い光集積化電圧センサを提供できる。

【００８０】このように、本発明によれば、従来技術の
問題点、すなわち電磁界中での測定の困難性や、狭い場
所での測定の困難性等という問題を解決し、小型で高感
度なセンサ部を用い、電磁界の影響をほとんど受けるこ
となく、電圧の測定を高周波数帯域にわたり行うことが
可能となる。

【００８１】ところで、本発明の光集積化電圧センサに
よれば、図１に示すように、光集積回路３２の片側３２
ａにのみ光ファイバー２８を接続すれば良い、所謂片持
ち梁の構造が採用されている。従って、光集積回路３２
における反射面４０が設けられた側の端面３２ｂには、
基本的に何も設けられないことになる。

【００８２】そこで、本実施の形態の光集積化電圧セン
サは、この空間を積極的に利用し、図４に示されるよう
に、反射面４０が設けられた側の端面３２ａに電圧測定
用の端子が設けられる。そして、この電圧測定用端子を
測定対象物と接続することにより、本発明の光集積化電
圧センサにより電圧を測定することができる。

【００８３】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、前記電圧
測定用端子を、ワニ口クリップ，オシロスコープ用プロ
ーブ，コンタクトプローブの各々の形態として形成した
場合についてそれぞれ示す。

【００８４】たとえば、図４（ｃ）に示される本発明の
光集積化電圧センサは、図１にも示されるように光集積
回路３２の端面３２ａ側に配線２７ａ，２７ｂを介して
コンタクトプローブ５０が、ケース５８に一体的に取り
付けられることにより構成されている。このコンタクト
プローブ５０は、測定対象物、たとえば、トランジスタ
のピンに接触させ、このピンに発生する電圧を測定する
ためのものである。ここで、このコンタクトプローブ５
０は、同軸型であって、その中心を信号ライン部，周囲
をＧＮＤライン部として構成しているものである。さら
に、このコンタクトプローブ５０は、変調用電極３４
ａ，３４ｂに直接、通電タイプの接着剤で接続させるこ
とにより構成することもできる。

【００８５】この時、前記コンタクトプローブ５０と光
集積回路３２との間隔は極めて短くすることができるた
め、仮にトランジスタが強い電磁界中に設置されている
場合でも、この電磁界に影響されることなく、前記測定
対象物の端子に発生する電圧を正確に測定することがで
きる。

【００８６】たとえば、前記測定対象物が、自動車のエ
ンジンルーム等に設けられている場合を想定すると、一
般に、この測定対象物の端子における電圧を他の電圧測
定装置、たとえば、オシロスコープ等で測定しようとし
ても、ノイズとしての電磁界が強過ぎ、その電圧を正確
に測定することは困難である。ところが、図４に示され
るような本発明の光集積化電圧センサでは、端子電圧を
正確に測定することができる。すなわち、たとえば、図
４（ｃ）に示される本発明の光集積化電圧センサによれ
ば、最も測定用端子と光集積回路との距離が短いため、
数百ＭＨｚ程度までの周波数域で使用することが可能で
ある。このため、図４（ｃ）に示される光集積化電圧セ
ンサにおいては、ほとんどの電磁界的環境において、周
波数に依存せず、測定物の電圧を測ることができる。

【００８７】さらに、このタイプの光集積化電圧センサ
は、片持ち構造にて小型にて形成されている。従って、
測定対象物の電圧を測定するときに、図４（ｃ）に示す
ように、光集積化電圧センサの先端面に一体的にコンタ
クトプローブ５０を取り付けることにより、測定対象物
の端子とコンタクトプローブ５０とを物理的に接触させ
るだけで簡単かつ効率的に測定を行なうことができる。

【００８８】また、このようなコンタクトプローブに代
えて、図４（ａ）に示すような測定リード、あるいは、
図４（ｂ）に示すような同軸リードを設けることも可能
である。たとえば、図４（ａ）に示すような測定リー
ド、たとえば、ワニ口クリップ５４ａ，５４ｂをコネク
タ３０を介して接続した場合には、数ＭＨｚ程度までの
周波数下での電圧測定に使用でき、図４（ｂ）に示すよ
うな同軸リード、たとえば、オシロスコープ用プローブ
５５ａ，５５ｂをコネクタ３０を介して接続した場合に
は、数十ＭＨｚまでの周波数下での電圧測定に適用する
ことができる。

【００８９】次に、本実施の形態の光集積化電圧センサ
を用いた測定対象物の電圧測定実験について説明する。
この実験は、図５に示されるような装置を使用して行わ
れた。ここで、図５には、図４に示される光集積化電圧
センサによる測定装置について示す。図５の（ｂ）は図
５（ａ）における測定対象物１８と、光集積化電圧セン
サの測定端子との拡大図を示すものであリ、光集積化電
圧センサとしては図４（ｃ）に示すタイプのものを使用
した例を示す。以下にこの装置について説明する。

【００９０】この装置においては、前記ＥＭＩ評価電波
暗室内にアンテナ４６を配置し、１００〜２００Ｖ／
ｍ，１〜１０００ＭＨｚの妨害電磁界を発生させた環境
で、測定対象物としてのトランジスタ４７のピンにおけ
る電圧をオシロスコープ４８で測定するものである。こ
の場合、電子機器４５において構成されたトランジスタ
４７のピンにおける電圧を測定するために、本発明の光
集積化電圧センサ５１を使用して、コンタクトプローブ
５０を前記トランジスタ４７のピンに接続する。このこ
とにより、測定電圧を変調用電極３４ａ，３４ｂに印加
し、測定光を変調できる。そして、変調された測定光
は、測定光入出力回路４３に入力され、ここでの信号処
理結果が出力波形としてオシロスコープ４８に表示され
る。

【００９１】ここで、本実験例においては、本発明の光
集積化電圧センサ５１として、光ファイバ２８を１００
ｃｍ，コンタクトプローブ５０を３ｃｍにて構成し、電
磁界を１００Ｖ／ｍとして、測定対象物としてのトラン
ジスタ４７のピンにおける電圧をオシロスコープ４８で
測定したものである。また、さらに、通常のオシロスコ
ープの測定方法にて、本発明の光集積化電圧センサの実
験と同様の条件下でこれに対する比較実験を行なった。

【００９２】これらの測定結果を図６のグラフに示す。
この図において、縦軸を出力電圧（ｄＢ）、横軸を周波
数（ＭＨｚ）とし、上述したように電磁界を１００Ｖ／
ｍにて持続的に発生させた場合について、上述した従来
のオシロスコープによる測定方法と、図４（ｃ）に示す
光集積化電圧センサとをそれぞれ使用してそれぞれトラ
ンジスタ４７のピンにおける電圧を測定したものとして
説明する。ここで、本実験においては、測定電圧、すな
わち、トランジスタ４７のピンにおける電圧は、０であ
った。このとき、図６によれば、光集積化電圧センサ５
１を適用した場合には、コンタクトプローブ５０によ
り、電磁界の強度により若干の変動があるものの、前記
トランジスタ４７のピンにおける測定電圧はどのような
電磁界強度においてもほぼ０に近いものであった。これ
に対し、従来装置による比較実験結果によれば、前記ト
ランジスタ４７のピンにおける測定電圧は、どのような
電磁界強度においても４０ｄＢを越えるものとなり、出
力電圧にノイズが乗ってしまったので、前記ピンにおけ
る電圧を正確に測定できることができなかった。つま
り、本実験においては、図６に示されるように、本発明
の光集積化電圧センサ５１によれば、従来のオシロスコ
ープによる測定方法と比べ、出力ノイズを１／１００〜
１／１０００に減少することができた。このように、本
実験結果によれば、本発明の光集積化電圧センサは、周
波数に依存されずに動作させることができるだけでな
く、出力電圧にノイズがのることがないものであるとい
うことが確認できた。

【００９３】以上説明したように、電圧測定用の端子
を、本実施の形態の光集積化電圧センサに適用すること
によって、高電磁界中に設置された測定対象物の端子電
圧を正確に測定することが可能となる。

【００９４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の光集積化電圧センサを示す図で
ある。

【図２】従来の光集積化電圧センサを示す図である。

【図３】本実施の形態の光集積化電圧センサにおける分
圧回路の回路構成を示す図である。

【図４】本実施の形態の電圧測定用の端子を設けた本実
施の形態の光集積化電圧センサのバリエーションを示す
図である。

【図５】コンタクトプローブを測定用端子とした本実施
の形態の光集積化電圧センサの測定実験装置を示す図で
ある。

【図６】本実施の形態の光集積化電圧センサを使用して
測定実験を行なった場合と、従来の光集積化電圧センサ
を使用した場合との比較実験結果を示す図である。

【符号の説明】

１０光源１１測定光入力光ファイバ１２光検出器１３測定光出力光ファイバ１５ａ第１変調用導波路１５ｂ第２変調用導波路１７導波部１８被電圧測定部１９分岐合波部２０信号処理回路２１センサ部２２測定光発生部２３分岐部２４ビームスプリッタ２５合波部２６レンズ２８光ファイバ３２光集積回路３４ａ，３４ｂ変調用電極３５分圧回路３６分圧回路用抵抗３７キャパシタ３８分圧回路用抵抗抵抗３９補償用コンデンサ４０反射面４３測定光入出力回路５０コンタクトプローブ５１光集積化電圧センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定光を出力する測定光発生手段と、前記測定光を測定電圧部位に導く光ファイバと、前記測定電圧部位に設置され、前記光ファイバから測定
光が入射され、この入射測定光の強度を測定電圧に応じ
て変調し、再度前記光ファイバに向け出力するセンサ手
段と、前記測定光発生手段と前記光ファイバとの間に設けら
れ、前記測定光発生手段からの測定光を通過させ、前記
センサ手段によって変調された測定光を所定の方向に分
岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された測定光の強度に基づき、
前記測定電圧を演算する信号処理手段と、とを含み、前記センサ手段は、一端を測定光入射部とし、他端を測定光反射部とする導
波路が形成された光集積回路を含み、前記光集積回路は、前記測定電圧に応じて、前記導波路
内を伝搬する測定光の強度を変調して出力する光強度変
調部を含んで形成されるものであることを特徴とする光
集積化電圧センサ。