| 【発明の名称】 |
光学式電圧・電界センサー |
| 【発明者】 |
【氏名】松本 浩
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| 【要約】 |
【課題】小型、且つ、軽量な光学式電圧・電界センサーを実現する。
【解決手段】シリコン基板（１）上に、レーザーダイオード（２）と、該レーザーダイオードの出力光を伝搬する光導波路（３）と、該光導波路から出力される光をコリメート光に変換するセルホックレンズ（４）と前記コリメート光を入射する偏光子（５）と、該偏光子を通過した光を入射するλ／８板（６）と、該λ／８板を通過した光を入射する電気光学素子（７）と、該電気光学素子を通過した光を反射し前記電気光学素子に再入射させる為のミラーとを直列に配置すると共に、前記偏光子（５）の上面にフォトダイオード（９）を配置し、更に、前記電気光学素子（７）に電極を設けた構成を特徴とすることにより小型、且つ、軽量な光学式電圧・電界センサーとする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】シリコン基板上に、レーザダイオードと、該レーザダイオードの出力光を伝搬する光導波路と、該光導波路から出力される光をコリメート光に変換するセルホックレンズと、前記コリメート光を入射する偏光子と、該偏光子を通過した光を入射するλ／８板と、該λ／８板を通過した光を入射する電気光学素子と、該電気光学素子を通過した光を反射し前記電気光学素子に再入射させる為のミラーとを直列に配置すると共に、前記偏光子の上面にフォトダイオードを配置することによって、前記電気光学素子に印加した電圧又は、電界を測定することを特徴とする光学式電圧・電界センサー。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式電圧・電界センサーに関し、特に、軽量、且つ、コンパクトな光学式電圧・電界センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電力系統の大規模化、高度化に伴ってその系統の計測制御システムの重要性が増している中で発変電所に於いては制御、保護装置のオールディジタル化に伴う構内光情報伝送システムの適用により電圧・電界計測に於いても光技術の適用が増している。 電圧・電界を光学的測定する方法としては、ＺｎＴｅ、ＧａＰ、ＬｉＮｂＯ3等の光学結晶（以下、電気光学素子と称す）が印加された電界強度に比例してその屈折率が変化する所謂１次電気光学効果（以下、ポッケルス効果と称す）を利用するのが一般的である。図４中は従来の光学式電圧・電界センサーの構造の一例を示す図であって、レーザダイオード（１００）、マルチモードファイバー（１０１）、偏光子（１０２）、λ／８板（１０３）、電気光学素子（１０４）、電極（１０５）、電圧源（１０６）、ミラー（１０７）、マルチモード光ファイバ（１０８）及び、フォトダイオード（１０９）を具備しており、その構造及び、動作は以下の通りである。先ず、レーザダイオード（１００）より出射した測定光が、入射側のマルチモードファイバ（１０１）を介して偏光子（１０２）に入射しこれにより直線偏光のみが出射する。前記直線偏光はλ／８板（１０３）に入射し、これにより楕円偏光に変換された出力光が電気光学素子（１０４）に入射する。前記電気光学素子（１０４）は両端に透明電極（１０５）を設けてあり、これに被測定電圧源（１０６）からの電圧を印加すると測定光の伝搬方向と平行に電圧が印加され、ポッケルス効果により印加電圧に比例して測定光の偏光成分が変化する。前記電気光学素子（１０４）より出射した測定光は電圧による測定光の偏光成分の変化を大きくして測定感度を高める為、配置したミラー（１０７）に入射し、該ミラー（１０７）で反射された後、再び電気光学素子（１０４）に入射し、ポッケルス効果による偏光成分の変化を受ける。電気光学素子（１０４）を通過した測定光はλ／８（１０３）に入射し、偏光成分が変化し、偏光子（１０２）に入射する。該偏光子（１０２）に入射した測定光は、電気光学素子（１０４）に印加した電圧に応じて変化した偏光成分のみが、出射側マルチモードファイバ（１０８）に入射する。 該マルチモードファイバ（１０８）を伝搬した測定光は、フォトダイオード（１０９）で光電気変換され、該フォトダイオード（１０９）の出力信号レベルを測定することで電気光学素子（１０４）に印加している電圧を測定することができる。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような光学式電圧・電界センサーは光ファイバを使用することで形状が大きくなり、小型化と軽量化が困難である問題があった。更に、センサーを組み立てる際に光ファイバーの配線等が煩雑となり組立コストが増大するという欠点もあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記請求項１記載の発明は、シリコン基板上に、レーザダイオードと、該レーザダイオードの出力光を伝搬する光導波路と、該光導波路から出力される光をコリメート光に変換するセルホックレンズと、前記コリメート光を入射する偏光子と、該偏光子を通過した光を入射するλ／８板と、該λ／８板を通過した光を入射する電気光学素子と、該電気光学素子を通過した光を反射し前記電気光学素子に再入射させる為のミラーとを直列に配置すると共に、前記偏光子の上面にフォトダイオードを配置し、更に、前記電気光学素子には被測定電圧を印加する電極を具備していることを特徴としている。
【０００５】
【本発明の実施の形態例】以下に実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に基づいた光学式電圧・電界センサーの一実施例の構成を示す上面図であり、同図（ｂ）はその側面図である。前記図１に示すように光学式電圧・電界センサーはシリコン基板（１）上に、レーザダイオード（２）、光導波路（３）、セルホックレンズ（４）、偏光子（５）、λ／８板（６）、電気光学素子（７）、ミラー（９）を直列に配置すると共に、前記偏光子（５）上にフォトダイオード（９）を具備したものである。以下、構成及び、動作について詳細に説明する。前記レーザダイオード（２）より出射した測定光は、樹脂と比較し光の伝搬損失の少ないＳｉＯ2で構成した光導波路（３）に入射し、該光導波路（３）を介しセルホックレンズ（４）に供給される。尚、この出力光を平行光（以下コリメート光と称す）とする為、該セルホックレンズ（４）は光の波長λに対して０．２５λピッチのものを用いる。該セルホックレンズ（４）を出射した前記コリメート光は偏光子（５）に入射し直線偏光として出射されλ／８板（６）に入射し、これにより楕円偏光に変換され電気光学素子（７）に入射する。該電気光学素子（７）の両端には電極（１０）が設けられており、これに被測定電圧源（１１）からの電圧（電界）が印加されている為、ポッケルス効果により印加電圧に比例して測定光の偏光成分が変化する。前記電気光学素子（７）より出射した測定光はミラー（８）に入射し、更に、反射し再び電気光学素子（７）に入射させることで例え微少な電圧であっても測定光の偏光成分の変化が大きくなるようにしている。更に、偏光成分が変化した測定光が再びλ／８板に入射することにより偏光成分変化し、その後偏光子（５）に入射する。該偏光子（５）に入射した測定光は、偏光成分のみが図１（ｂ）の図中上方に９０度光路を曲げられ出射し、フォトダイオード（９）に入射する。前記フォトダイオード（９）は入射した測定光を電気信号に変換し出力する。この電気信号を測定することにより電気光学素子（７）に印加している電圧を測定することが可能となる。また、上記実施例では電気光学素子に被測定電源の電圧が光の伝搬方向と平行に印加するよう透明電極を備えたが、本発明はこれに限るものでなく図２（上面図）及び、図３（側面図）に示すように被測定電源の電圧が光の伝搬方向と垂直に印加するよう電極を備えた構造であっても上記実施例で説明した内容と同等の結果が得られることは言うまでもなく、また、この場合電極は透明電極に限る必要はない。
【０００６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成したので、本発明に基づく光学式電圧・電界センサーは光ファイバを用いない為、小型、且つ、軽量化が可能となるという著しい効果を奏する。また、一つのシリコン基板上に全ての部品を搭載して一体化したことにより、センサーを被測定物にアッセンブリする作業が極めて容易になるという効果も有する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３１０４
【氏名又は名称】東洋通信機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月２５日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１８３５２８ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３６７２８７ |
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