JP7038925B1 - Optical voltage sensor - Google Patents
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Abstract
光電圧センサ(1)は、光源(21)と、光源(21)から出射した光が入射する電気光学結晶(11)と、電気光学結晶(11)の互いに向き合う端面(11a、11b)にそれぞれ備えられた第1の電極(12a)及び第2の電極(12b)を有し、電気光学結晶(11)内における光の進行方向に対して垂直方向(Y軸方向)の電界を電気光学結晶(11)に印加する電極対(12)と、電気光学結晶(11)から出射した光を受光し、受光された光に基づく検出信号を出力する検出器(41)とを備え、電気光学結晶(11)に入射する時点における前記光の垂直方向(Y軸方向)のビームサイズ(W)が、第1の電極(12a)と第2の電極(12b)との間隔(D)以上である。The optical voltage sensor (1) is attached to the light source (21), the electro-optical crystal (11) to which the light emitted from the light source (21) is incident, and the end faces (11a, 11b) of the electro-optical crystal (11) facing each other, respectively. It has a first electrode (12a) and a second electrode (12b) provided, and applies an electric field in the direction perpendicular to the traveling direction of light (Y-axis direction) in the electro-optical crystal (11). An electro-optical crystal is provided with an electrode pair (12) applied to (11) and a detector (41) that receives light emitted from the electro-optical crystal (11) and outputs a detection signal based on the received light. The beam size (W) in the vertical direction (Y-axis direction) of the light at the time of incident on (11) is equal to or larger than the distance (D) between the first electrode (12a) and the second electrode (12b). ..
Description
本開示は、光電圧センサに関するものである。 The present disclosure relates to an optical voltage sensor.
高電圧を高い絶縁性を保ちつつ、小型かつ低コストで測定できる方式として、電気光学効果であるポッケルス効果を利用した光電圧センサが開発されている。ポッケルス効果による屈折率変化は、微少であるが、屈折率に異方性が生じる特性を利用することで、透過光の偏光状態の変化として測定することができる。例えば、偏光素子を用いて、電気光学結晶に直線偏光を入射させ、電気光学結晶からの出射光の偏光状態の変化を光の強度変化として測定することで、電気光学結晶に印加された電界、すなわち電気光学結晶の両端の電位差を求めることができる。 An optical voltage sensor using the Pockels effect, which is an electro-optic effect, has been developed as a method that can measure high voltage at low cost while maintaining high insulation. Although the change in the refractive index due to the Pockels effect is slight, it can be measured as a change in the polarization state of the transmitted light by utilizing the characteristic that anisotropy occurs in the refractive index. For example, an electric field applied to an electro-optical crystal by injecting linearly polarized light into the electro-optical crystal using a polarizing element and measuring the change in the polarization state of the emitted light from the electro-optical crystal as a change in light intensity. That is, the potential difference between both ends of the electro-optical crystal can be obtained.
ポッケルス効果を用いた光電圧センサは、交流電圧の計測用途では実用化されているが、直流電圧の計測用途では実用化されていない。これは、直流電圧の計測用途では電気光学結晶内部の空間電荷分極に起因する出力ドリフトの影響により、長時間安定して電圧を測定できないからである。電気光学結晶に直流電圧を印加すると、時間が経つにつれて電気光学結晶内の空間電荷が移動し、電気光学結晶内部の電界分布が変化する。光の進行方向と電界が印加される方向が垂直になる横型変調方式では、光が透過する部分の電界が時間とともに変化する現象(直流ドリフト)の影響を受けるため、電極間に印加された直流電圧を長時間安定して測定することができない。 An optical voltage sensor using the Pockels effect has been put into practical use in AC voltage measurement applications, but has not been put into practical use in DC voltage measurement applications. This is because, in DC voltage measurement applications, the voltage cannot be measured stably for a long time due to the influence of output drift caused by the spatial charge polarization inside the electro-optical crystal. When a DC voltage is applied to an electro-optical crystal, the space charge in the electro-optical crystal moves over time, and the electric field distribution inside the electro-optical crystal changes. In the horizontal modulation method in which the traveling direction of light and the direction in which the electric field is applied are perpendicular to each other, the electric field applied between the electrodes is affected by the phenomenon (DC drift) in which the electric field in the part through which light is transmitted changes with time (DC drift). The voltage cannot be measured stably for a long time.
直流ドリフトの影響を回避して直流電圧を測定する方法として、電気光学結晶内で光の進行方向と電界が印加される方向が同じ向きになる縦型変調方式を採用する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。縦型変調方式では、光は、電気光学結晶内の電界が強められた部分と弱められた部分の両方を通過し、電界方向に沿った積分値は一定となるため、電極間に印加された電圧を直流ドリフトの影響を受けずに長時間安定して測定することができる。 As a method of measuring the DC voltage while avoiding the influence of the DC drift, a method of adopting a vertical modulation method in which the traveling direction of light and the direction in which the electric field is applied in the electro-optical crystal are in the same direction has been proposed. (See, for example, Patent Document 1). In the vertical modulation method, light is applied between the electrodes because the light passes through both the strengthened and weakened parts of the electro-optic crystal and the integrated value along the direction of the electric field is constant. The voltage can be stably measured for a long time without being affected by the DC drift.
しかし、縦型変調方式では、電圧に対する感度が電気光学結晶の形状に依存しないため、感度を高く設定して高精度な測定を実現することが難しい。一方、横型変調方式では、直流ドリフトの影響により直流電圧を安定して測定することは困難である。 However, in the vertical modulation method, since the sensitivity to voltage does not depend on the shape of the electro-optic crystal, it is difficult to set a high sensitivity and realize highly accurate measurement. On the other hand, in the horizontal modulation method, it is difficult to stably measure the DC voltage due to the influence of the DC drift.
本開示は、上記の課題を解決するためになされたもので、直流電圧を長時間安定して高精度に測定可能な光電圧センサを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an optical voltage sensor capable of stably measuring a DC voltage for a long period of time with high accuracy.
本開示の光電圧センサは、光源と、前記光源から出射した光が入射する電気光学結晶と、前記電気光学結晶の互いに向き合う端面にそれぞれ備えられた第1の電極及び第2の電極を有し、前記電気光学結晶内における前記光の進行方向に対して垂直方向の電界を前記電気光学結晶に印加する電極対と、前記電気光学結晶から出射した前記光を受光し、受光された前記光に基づく検出信号を出力する検出器と、を備え、前記電気光学結晶に入射する時点における前記光の前記垂直方向のビームサイズが、前記第1の電極と前記第2の電極との間隔以上であり、かつ、前記電気光学結晶を透過する前記光がコリメート光であることを特徴とする。 The optical voltage sensor of the present disclosure has a light source, an electro-optical crystal to which light emitted from the light source is incident, and a first electrode and a second electrode provided on the end faces of the electro-optical crystal facing each other, respectively. An electrode pair that applies an electric field in the electro-optical crystal in a direction perpendicular to the traveling direction of the light to the electro-optical crystal, and the light emitted from the electro-optical crystal is received and received by the light. A detector that outputs a detection signal based on the light is provided, and the vertical beam size of the light at the time of incident on the electro-optical crystal is equal to or larger than the distance between the first electrode and the second electrode. Moreover, the light transmitted through the electro-optical crystal is collimated light .
本開示の光電圧センサによれば、直流電圧を長時間安定して高精度に測定することができる。 According to the optical voltage sensor of the present disclosure, the DC voltage can be stably measured for a long time with high accuracy.
以下に、実施の形態に係る光電圧センサを、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、実施の形態を適宜変更することが可能である。 Hereinafter, the optical voltage sensor according to the embodiment will be described with reference to the drawings. The following embodiments are merely examples, and the embodiments can be changed as appropriate.
図には、XYZ直交座標系の座標軸が示されている。Z軸は、光の進行方向に平行な座標軸であり、X軸及びY軸は、Z軸に直交する方向の座標軸である。また、Y軸方向は、電気光学素子内の電界方向である。なお、図において、同一又は同様の構成には、同じ符号が付されている。 The figure shows the coordinate axes of the XYZ Cartesian coordinate system. The Z-axis is a coordinate axis parallel to the traveling direction of light, and the X-axis and the Y-axis are coordinate axes in a direction orthogonal to the Z-axis. Further, the Y-axis direction is the electric field direction in the electro-optical element. In the figure, the same or similar configurations are designated by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る光電圧センサ1の構成を示す模式図である。実施の形態1に係る光電圧センサ1は、光源21と、光源21から出射した光が入射する電気光学結晶11と、電気光学結晶11の互いに向き合う端面11a及び端面11bにそれぞれ備えられた第1の電極12a及び第2の電極12bを有し、電気光学結晶11内における光の進行方向(Z軸方向)に対して垂直方向(Y軸方向)の電界を電気光学結晶11に印加する電極対12と、電気光学結晶11から出射した光を受光して検出信号を出力する検出器41とを備えている。なお、第1の電極12a及び第2の電極12bは、「第1及び第2の電極12a、12b」又は「1対の電極12a、12b」とも表記する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the
光電圧センサ1は、電気光学結晶11に入射する時点における光の垂直方向(Y軸方向)のビームサイズであるビーム幅Wが、第1及び第2の電極12a、12bの間隔D以上であるように構成されている。また、図1において、第1及び第2の電極12a、12bは、電気光学結晶11の端面11a、11bにそれぞれ密着している。
In the
また、光電圧センサ1は、ビーム整形光学系22と、偏光子31と、1/4波長板(波長板32)と、検光子33と、レンズ42と、を備えている。また、光電圧センサ1は、電気光学結晶11に電圧Vを印加する電圧印加部10を備えている。
Further, the
また、光電圧センサ1は、検出器41から出力された検出信号に基づいて、第1及び第2の電極12aと第2の電極12bとの間に印加されている電圧(例えば、直流電圧)V50を算出する信号処理部50をさらに備えている。図1では、信号処理部50は、信号処理装置51と、出力装置52とを備えている。
Further, the
光源21とビーム整形光学系22とは、電気光学結晶11に光を投光する投光部20を構成する。レンズ42と検出器41とは、受光部40を構成する。また、電気光学結晶11への入射光の偏光状態を制御する偏光子31及び1/4波長板(波長板32)と、電気光学結晶11からの出射光の偏光状態を制御する検光子33とは、偏光制御光学系30を形成する。
The
電圧印加部10は、電気光学結晶11と、電気光学結晶11の対向する端面11a、11bにそれぞれ設けられた第1及び第2の電極12a、12bとを備える。電気光学結晶11は、1次の電気光学効果であるポッケルス効果を有する光学結晶である。ポッケルス効果とは、電気光学結晶11に外部から電界が加えられた場合に、電気光学結晶11の分極状態が変化し、電気光学結晶11の屈折率が電界に比例して変化する効果である。電気光学結晶11にポッケルス効果が生じると、電気光学結晶11の屈折率に異方性が生じる。光は、一般に振動方向が互いに直交する2つの偏光成分の合成で表され、屈折率に異方性のある電気光学結晶11を透過すると、2つの偏光成分に位相差(すなわち、偏光位相差)が生じる。ポッケルス効果では、偏光位相差は電気光学結晶11に加えられている電界の強度に比例するため、偏光素子を用いて、電気光学結晶11を透過した光の偏光状態の変化を測定することによって、電気光学結晶11の互いに対向する端面11a、11bにそれぞれ設けられた第1及び第2の電極12a、12bの間の電位差を求めることができる。なお、電気光学結晶11としては、ポッケルス効果を有する光学結晶、例えば、LiNbO3、LiTaO3、ADP(NH4H2PO4)、KDP(H2PO4)、SiO2(水晶)、Bi12SiO20、Bi12GeO20、Bi4Ge3O12、ZnS、ZnTe、などの結晶を使用することができる。The
第1及び第2の電極12a、12bは、電気光学結晶11に電圧Vを印加する電極として機能し、電気光学結晶11に入射する光の進行方向と電気光学結晶11に印加される電界方向が垂直となるように、電気光学結晶11の対向する2つの端面11a、11bに密着して形成される。例えば、第1及び第2の電極12a、12bの間隔を10mmに設定した場合、電気光学結晶11には、大気中で絶縁破壊が生じない10kV程度までの電圧を印加することができる。電気光学結晶11と第1及び第2の電極12a、12bとの間に空間的な隙間がある場合、電気光学結晶11と空間的な隙間とで被測定電圧が分圧され、電圧Vを正確に測定することが難しくなる。そのため、第1及び第2の電極12a、12bは、蒸着又はスパッタにより、電気光学結晶11に密着させて形成されていることが望ましい。第1及び第2の電極12a、12bの構成材料は、導電性を有する材料であればよい。例えば、第1及び第2の電極12a、12bの構成材料としては、アルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、クロム(Cr)、又は、これらのうちのいずれか2つ以上の金属の合金などを使用することができる。
The first and
投光部20は、光源21と、ビーム整形光学系22と、を備える。光源21としては、発光ダイオード、半導体レーザ、固体レーザ、又は気体レーザなどを用いることができる。光源21から発せられる光としては、内部光電効果(すなわち、波長の短い光の照射により、絶縁体の電気抵抗が下がり、電流が流れやすくなる効果)を生じない程度に波長の長い光である、波長750nm以上の赤外光を用いることが望ましい。ビーム整形光学系22は、光源21から発せられる光をコリメートし(すなわち、光源から発散する光線を平行光線に変換し)、かつ、ビームサイズが第1及び第2の電極12a、12bの間隔以上であるビームを生成する。ここで、ビームサイズは、光の進行方向に直交するXY平面上のビームサイズ(すなわち、ビーム幅W)である。さらに、ビーム整形光学系22は、第1及び第2の電極12a、12bの間で光の強度分布が空間的に均一なビームを生成する。
The
図2(A)は、光電圧センサ1の投光部20を示す斜視図であり、図2(B)は、投光部20の機能を示す図である。ビーム整形光学系22は、例えば、図2(A)及び(B)に示すように、光源21から発せられる光をコリメートするコリメータレンズ221と、コリメートされたガウスシアンビームを強度分布が均一なトップハット型ビームに変換するビームシェイパー222を用いて構成することができる。ビームシェイパー222は、例えば、回折光学素子又は非球面レンズを用いて構成することができる。なお、ビームシェイパー222から出射した光は、マスク(第1のマスク)223を介してビームサイズ(すなわち、ビーム幅W)が第1及び第2の電極12a、12bの間隔Dと同じ又は間隔Dより少し大きいサイズになるように調整してもよい。
FIG. 2A is a perspective view showing the
図3(A)は、電気光学結晶11の上流に配置された光の一部(例えば、径方向外側の部分)を遮光する遮光部材としてのマスク223を示す斜視図であり、図3(B)は、マスク223を備えた光電圧センサ1aの構成を示す模式図である。図3(A)及び(B)の例は、ビーム整形光学系22は、第1及び第2の電極12a、12bの間隔よりも外径が十分大きいコリメータレンズ221を用いて光源21から発せられる光をコリメートし、マスク223を用いて中心付近のビームのみ取り出すことで、所望の断面形状のビームを生成している。この点を除いて、図3(A)及び(B)の例は、図1のものと同じである。
FIG. 3A is a perspective view showing a
図4(A)は、光源としてのアレイ光源211とビーム整形光学系としてのレンズアレイ224を示す斜視図であり、図4(B)は、アレイ光源211とレンズアレイ224を備えた光電圧センサ1bの構成を示す模式図である。図4(A)及び(B)に示すように、2次元配列された複数の発光素子を有するアレイ光源211と2次元配列された複数のマイクロレンズを有するレンズアレイ224とを用いて、ビーム径方向の強度分布が平坦化された所望の強度分布を持つビームを生成してもよい。この点を除いて、図4(A)及び(B)の例は、図1のものと同じである。
FIG. 4A is a perspective view showing an array
偏光制御光学系30は、偏光子31と、波長板32と、検光子33と、を備える。偏光子31は、光源21と電気光学結晶11との間に配置され、投光部20から出射される光から直線偏光を取り出す光学素子である。波長板32は、偏光子31と電気光学結晶11との間に配置され、偏光子31を通過した直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変換する光学素子である。波長板32には、一般的に直線偏光を円偏光に変換する1/4波長板が用いられる。ただし、電気光学結晶11又はその他の光学素子に自然複屈折がある場合は、波長板32として、1/4波長板以外の波長板又は偏光状態を調整可能な可変波長板を用いてもよい。検光子33は、電気光学結晶11と検出器41との間に配置され、電気光学結晶11を透過した光から直線偏光を取り出す光学素子である。検光子33は、偏光子31を透過する直線偏光と平行、又は、垂直となる方向の直線偏光を透過するように配置される。検光子33としては、光の一方向の偏光成分のみを透過する偏光子又は光を2つの直交する偏光成分に分割する偏光ビームスプリッタなどを用いることができる。
The polarization control
受光部40は、検出器41と、レンズ42と、を備える。検出器41は、光-電気変換(O/E変換)により、光強度を電気信号として検出する光検出器である。検出器41としては、例えば、光源21が発する光の波長に高い感度を有するフォトダイオードを用いることができる。レンズ42は、電気光学結晶11を透過した光を検出器41に集光する光学素子である。なお、検光子33が偏光ビームスプリッタである場合、検出器41とレンズ42は、分離された2つの直交する偏光成分の光を検出するため、2組備えてもよい。
The
図5(A)は、電気光学結晶11の下流に配置された光の一部(例えば、径方向外側の部分)を遮光する遮光部材としてのマスク(第2のマスク)43を示す斜視図であり、図5(B)は、マスク43を備えた光電圧センサ1cの構成を示す模式図である。電気光学結晶11に入射していない光が検出器41で受光されるおそれがある場合、図5(A)及び(B)に示すように、電気光学結晶11に入射した光のみが検出器41で受光されるように、レンズ42の上流にマスク43を設けてもよい。なお、その場合、マスク43は、レンズ42の上流に限らず、光源21から検出器41までの間のどの位置に挿入してもよい。
FIG. 5A is a perspective view showing a mask (second mask) 43 as a light-shielding member that shields a part of light (for example, a portion outside in the radial direction) arranged downstream of the electro-
信号処理部50は、信号処理装置51と、出力装置52と、を備える。信号処理装置51は、検出器41が出力する電気信号に基づいて、第1及び第2の電極12a、12bの間に印加された電圧Vを算出する。電気光学結晶11に入射していない光が検出器41で受光される場合、信号処理装置51は、電気光学結晶11に入射していない光の信号成分をオフセットとして除去することで、電圧Vを算出することが望ましい。
The
出力装置52は、信号処理装置51が算出した電圧Vをアナログ又はデジタル値に変換して出力する。また、出力装置52は、信号処理装置51が算出した電圧Vを、表示器を用いてアナログ又はデジタル表示してもよい。
The
図6は、実施の形態1に係る光電圧センサ1の制御系のハードウェア構成の例を示す図である。図1の信号処理部50は、処理回路100によって構成可能である。また、処理回路100は、専用の回路、コンピュータ、などにより実現可能である。図6の例では、処理回路100は、ソフトウェアとしてのプログラムを格納するメモリ102と、プログラムを実行するCPU(中央演算装置)などのプロセッサ101と、ハードディスク装置(HDD)などの補助記憶装置103と、インタフェース104と、出力回路105とを備えている。ただし、光電圧センサ1の制御系のハードウェア構成は、図6の例に限定されない。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the control system of the
以下に、実施の形態1に係る光電圧センサ1の動作を説明する。光源21からの出射光は、ビーム整形光学系22により、コリメート光かつビームサイズが第1及び第2の電極12a、12bの間隔以上である光に変換され、偏光子31に入射する。偏光子31は、入射した光から直線偏光を取り出す。波長板32は、偏光子31を介して入射した直線偏光を円偏光に変換する。電気光学結晶11は、電気光学結晶11の対向面に設けられた第1及び第2の電極12a、12bの間に印加された電圧に応じて、波長板32を介して入射した円偏光を楕円偏光に変換する。電気光学結晶11を出射した光は、検光子33に入射し、一方向の偏光状態のみ光が出力される。検光子33から出力される光の光量は、電気光学結晶11によって変換された楕円偏光の楕円率に応じて変化する。電気光学結晶11に入射する光量IINと、検光子33から出力される光量をIOUTとすると、IOUT/IINは、以下の式(1)で表される。ここで、θは、電気光学結晶11に電圧が印加されることで生じる偏光位相差である。The operation of the
また、偏光位相差θと電気光学結晶11(すなわち、第1及び第2の電極12a、12bの間)に印加される電圧Vとの間には、以下の式(2)で示す関係がある。
Further, there is a relationship represented by the following equation (2) between the polarization phase difference θ and the voltage V applied to the electro-optic crystal 11 (that is, between the first and
ここで、Lは、電気光学結晶11の光の進行方向(Z軸方向)と同じ方向の大きさ(すなわち、光路長)、Dは、電気光学結晶11に印加される電界方向(Y軸方向)と同じ方向の大きさ(すなわち、厚さ)、Aは、電気光学結晶11の電圧に対する感度を示す係数であるポッケルス係数である。
Here, L is the magnitude in the same direction as the light traveling direction (Z-axis direction) of the electro-optical crystal 11 (that is, the optical path length), and D is the electric field direction (Y-axis direction) applied to the electro-
第1及び第2の電極12a、12bの間に電圧が印加されていない状態では、IOUT/IIN=1/2となる。一方、第1及び第2の電極12a、12bの間に電圧が印加されると、前述のポッケルス効果の原理に従い、電圧に比例して偏光位相差θが生じ、IOUT/IINが変化する。特に、電圧が小さい場合には、式(1)は近似することができ、IOUT/IINは、電圧に比例して変化する。検光子33から出力された光は、レンズ42により、検出器41に集光され、光強度に応じて、電気信号に変換される。信号処理装置51は、検出器41が出力する電気信号に基づいて、式(1)と式(2)の関係を用いて、第1及び第2の電極12a、12bの間に印加された電圧Vを演算する。信号処理装置51により算出された電圧値は、出力装置52によってアナログ又はデジタル値に変換して出力される。When no voltage is applied between the first and
実施の形態1に係る光電圧センサ1は、コリメート光かつビームサイズが第1及び第2の電極12a、12bの間隔以上であり、さらに第1及び第2の電極12a、12bの間で光の強度分布が空間的に均一な光を電気光学結晶11に入射させる。以下では、上記の特性の光を電気光学結晶11に入射させることで、直流ドリフトの影響を回避することができる理由を説明する。
The
図7(A)から(C)は、電気光学結晶11に入射する光と、電気光学結晶11に直流電圧が長時間印加された場合の電気光学結晶11内の電界分布の関係を示す図である。図7(A)は、横型変調方式において電気光学結晶11に密着した第1及び第2の電極12a、12bの間の中心部分のみに光が入射した場合(比較例)を表す。図7(B)は、横型変調方式において電気光学結晶11に密着した第1及び第2の電極12a、12bの間の全体に空間的に均一な光が入射した場合(実施の形態)を表す。電気光学結晶11に直流電圧が印加された場合、空間電荷の移動により、時間が経過するにつれて、電気光学結晶11内部の電界分布が不均一になる。例えば、第1及び第2の電極12a、12bの近傍に電界が集中した場合、第1及び第2の電極12a、12bの近傍の電界E1、E5が、電気光学結晶11の中心付近の電界E2~E4よりも大きくなる。そのため、図7(A)に示すように、電気光学結晶11の中心部分のみを光が通過した場合(測定光が電界E3の影響を受ける場合)、図8に示すように、測定される電圧値は時間が経過するにつれて低下する。一方、図7(B)に示すように、電気光学結晶11の全体に空間的に均一な光が通過した場合、電気光学結晶11内部に電界の不均一が生じたとしても、測定光は第1及び第2の電極12a、12bの間の電界の積分値、すなわち、第1及び第2の電極12a、12bの間に印加された電圧に等しい位相差を受けることとなり、直流電圧を長時間安定して測定することができる。
7 (A) to 7 (C) are diagrams showing the relationship between the light incident on the electro-
また、図7(C)は、電気光学結晶11内で光の進行方向と電界が印加される方向が同じ向きになる縦型変調方式の例(比較例)を示す。縦型変調方式においても、測定光は電気光学結晶内の電界が強められた部分と弱められた部分の両方を通過し、電界方向に沿った積分値は一定となるため、電極間に印加された電圧を長時間安定して測定することができる。一方、縦型変調方式の場合、電気光学結晶11(第1及び第2の電極12a、12bの間、この場合は、透明電極)に印加される電圧Vに対する偏光位相差θは、電気光学結晶11の形状(例えば、行路長L及び厚さD)に依存しないため、電気光学結晶11の形状を変更させることで測定精度を向上させることができない。
Further, FIG. 7C shows an example (comparative example) of a vertical modulation method in which the traveling direction of light and the direction in which an electric field is applied are the same in the electro-
これに対して、実施の形態1に係る光電圧センサ1は、横型変調方式を採用することで、式(2)に示すように、電気光学結晶11の形状(例えば、行路長L及び厚さD)の変更によって、電圧Vに対する偏光位相差θを大きく設定することができる。そのため、電気光学結晶11の形状を変更させることで、直流電圧を高精度に測定することが可能である。
On the other hand, the
実施の形態2.
図9は、実施の形態2に係る光電圧センサ2の構成を示す模式図である。実施の形態2に係る光電圧センサ2は、投光部20aのビーム整形光学系としてコリメータレンズ221を備えた点、受光部40aの検出器としてアレイ検出器411を備えた点で、実施の形態1に係る光電圧センサ1と相違する。なお、実施の形態2に関する説明では、実施の形態1と同様の説明を、省略する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the
コリメータレンズ221は、光源21から発せられる光をコリメートし、かつ、ビームサイズ(すなわち、ビーム幅W)が第1及び第2の電極12a、12bの間隔D以上であるビームを生成する。コリメータレンズ221により生成されるビームは、空間的に強度分布が不均一な光となる。
The
図10は、アレイ検出器411を示す斜視図である。アレイ検出器411は、複数の光検出素子を1次元又は2次元のアレイ状に配列した光検出器である。なお、アレイ検出器411の光を検出する部分のサイズが第1及び第2の電極12a、12bの間隔D以上である場合は、レンズ42を使用してビームを集光しなくてもよい。
FIG. 10 is a perspective view showing the
図11(A)は、アレイ検出器411から出力される検出信号の強度分布を示す図であり、図11(B)は、信号処理装置51によって均一化された検出信号の強度分布を示す図である。アレイ検出器411が取得する信号は、図11(A)に示すように、ビームの照度分布に依存し、中心付近と中心から離れた端の画素で異なる輝度値となる。信号処理装置51は、各画素の輝度値を足し合わせて電圧を算出する場合、電気光学結晶11内の輝度の高い部分の電界の影響を強く受けるため、直流ドリフトの影響を回避することができない。そのため、信号処理装置51は、予め電気光学結晶11に電圧がかかっていない状態で、ビームの照度分布に依存する各画素の輝度値を取得しておき、図11(B)に示すように、各画素の輝度値の不均一性を均一に補正した上で、電気光学結晶11から出射した光の強度の変化量を測定し、電圧を算出する。
FIG. 11A is a diagram showing the intensity distribution of the detection signal output from the
実施の形態2に係る光電圧センサ2においては、特殊な光源又は特殊な光学素子を備えたビーム整形光学系22を使用することなく、汎用的なビーム整形光学系であるコリメータレンズ221とアレイ検出器411を用いることで、実施の形態1に係る光電圧センサ1と同様の効果が得られる。
In the
上記以外に関し、実施の形態2は、実施の形態1と同じである。 Other than the above, the second embodiment is the same as the first embodiment.
実施の形態3.
実施の形態1及び2に係る光電圧センサは、例えば、100kVの高電圧を直接計測しようとすると、電気絶縁の制約上、第1及び第2の電極12a、12bの間隔を100mm程度離す必要がある。しかし、ビームサイズが100mm程度のコリメート光を作成することは、ビーム整形光学系22又はコリメータレンズ221が大型化するため、現実的ではない。
In the optical voltage sensor according to the first and second embodiments, for example, when trying to directly measure a high voltage of 100 kV, it is necessary to separate the first and
そこで、実施の形態3においては、高電圧が印加される電極として、電気光学結晶11と非接触の電極を設けることで、電気光学結晶11の電界方向の大きさが10mm程度であっても、100kVを超える高電圧を直接計測可能な光電圧センサを提供する。なお、例えば、特許文献2に関連する技術が説明されている。
Therefore, in the third embodiment, by providing an electrode that is not in contact with the electro-
図12は、実施の形態3に係る光電圧センサ3の構成を示す模式図である。実施の形態3に係る光電圧センサ3は、以下の(1)~(4)の点で、実施の形態1及び2の光電圧センサと相違する。
(1)電気光学結晶11から離れて配置された検出対象の電圧が印加される高電圧導体13を備えた点。
(2)第1の電極12aと高電圧導体13との間に、電気光学結晶11及び高電圧導体13の両方から離れて配置されたバイアス電極16と、バイアス電極16にバイアス電位Vbを印加するバイアス電源53とを備えた点。
(3)信号処理部50が、検出器41から出力された検出信号に基づいてバイアス電位を決定する点。
(4)第2の電極12bに電極としての接地導体14が接続されている点。
(5)第1の電極12aの上面に結晶上面電極15が接続されている点。FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the
(1) A point provided with a high-
(2) A bias potential V b is applied to the
(3) The point where the
(4) A point where the
(5) A point where the crystal
図12に示される、電圧印加部10aの高電圧導体13は、検出対象の電圧である高電圧が印加される電圧導体である。接地導体14は、接地電位で固定される導体である。接地導体14は、電気光学結晶11の端面11bに密着する第2の電極12b上に設置される。結晶上面電極15は、電気光学結晶11の端面11aに密着する第1の電極12a上に設置される。バイアス電極16は、結晶上面電極15と非接触となるよう設置される。信号処理部50は、バイアス電極16に接続されるバイアス電源53を制御する。なお、実施の形態3に関する説明では、実施の形態1及び2と同様の説明を、省略する。
The
高電圧導体13は、送配電用にジュール損を低減すべく昇圧された充電部が想定され、電圧が高い場合は、数100kVを超える電圧が印加される。例えば、高電圧導体13は、変電所、交直変換所、周波数変換所などにおける電力機器周囲の導体である。
The
接地導体14は、高電圧導体13に対向するように設置され、その電位は接地線と地面に埋め込まれた接地極を通じて、対地電位すなわちゼロ電位に固定される。接地線及び接地極のインピーダンスは十分低いことが望ましく、例えば、日本の電気設備技術基準に規定されるA種接地(接地抵抗値:10Ω以下であること)が確保されていることが望ましい。
The
電気光学結晶11は、接地導体14と結晶上面電極15との間に設置される。電気光学結晶11と接地導体14との間及び電気光学結晶11と結晶上面電極15との間に空間的な隙間がある場合、電気光学結晶11と空間的な隙間で被測定電圧が分圧されるため、電圧測定の誤差要因となる。そのため、電気光学結晶11と結晶上面電極15及び接地導体14との接触面には、電気光学結晶11に密着させた第1及び第2の電極12a、12b(この場合は、導電膜)を設けることで、電気光学結晶11と結晶上面電極15とを電気的に接続し且つ電気光学結晶11と接地導体14とを電気的に接続することが望ましい。
The electro-
結晶上面電極15は、高電圧導体13、接地導体14、及びバイアス電極16とは非接触で設置される。バイアス電極16は、高電圧導体13と結晶上面電極15との間に設置され、接地導体14との間に設けられた絶縁性支持物により支持固定される。結晶上面電極15は、浮遊電位であり、バイアス電極16の電位に応じて誘導し、制御することができる。バイアス電源53は、バイアス電極16に接続されており、バイアス電極16の電位を可変する。結晶上面電極15及びバイアス電極16は、高電界下に設置されるため、端部はR面取りするなど、電界強調を避ける形状とすることが望ましい。
The
図13は、光電圧センサ3の電圧印加部10aの電気的等価回路を示す図である。高電圧導体13の電圧Voは、結晶上面電極15の電位をVf、バイアス電極16の電位をVbとすると、以下の式(3)で示される。FIG. 13 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the
ここで、結晶上面電極15と高電圧導体13との静電容量をC1、結晶上面電極15と接地導体14との静電容量をC2、結晶上面電極15とバイアス電極16との静電容量をC3、電気光学結晶11の電気抵抗をR、結晶上面電極15の帯電量をQとする。Here, the capacitance between the crystal
高電圧導体13の電圧Voを測定するにあたり、帯電量Qは測定誤差要因となるため、測定開始時点では結晶上面電極15を接地除電し、Qをゼロとする。また、高電圧導体13の電圧Voが直流電圧である場合、高電圧導体13の電位変動に追従して、バイアス電極16の電位Vbを制御しない限り、電気光学結晶11の内部に直流電界が印加されることになる。電気光学結晶11の電気抵抗Rは有限であり、印加電界に応じた電気伝導を生じるため、結晶上面電極15の電位Vfは、時間が経つにつれて、接地導体14と同電位となるように変化する。この減衰時定数τは、電気光学結晶11の誘電率と抵抗率の積で表される。When measuring the voltage Vo of the
これに対し、実施の形態3に係る光電圧センサ3においては、バイアス電極16の電位Vbを制御し、電気光学結晶11の内部電界をゼロに維持することで、電気光学結晶11を通じた電気伝導を抑制する。信号処理装置51は、検出器41から出力される検出信号に基づいて、電気光学結晶11に印加された電位Vfを演算し、この値がゼロ以外の値を有する場合は、バイアス電源53を用いてバイアス電極16の電位Vbを可変し、結晶上面電極15の電位Vfを変化させることで、電気光学結晶11の内部電界が常にゼロになるように、バイアス電極16の電位Vbをフィードバック制御する。なお、フィードバック制御の周期は、電気光学結晶11の電気伝導の時定数τより十分短い時間に設定する。式(3)は、結晶上面電極15の電位Vfがゼロ、かつ、帯電量Qがゼロの場合、式(4)で示される。On the other hand, in the
図14は、高電圧導体13の電圧Voとバイアス電極16の電位(すなわち、バイアス電圧)Vbとの関係を示す図である。図14に示されるように、比例関係が成立する。信号処理装置51は、バイアス電源53の制御電圧である電位Vbから、式(4)に基づいて、測定対象である高電圧導体13の電圧Voを演算し、出力装置52に出力する。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the voltage Vo of the high voltage conductor 13 and the potential (that is, the bias voltage) V b of the
実施の形態3に係る光電圧センサ3においては、高電圧導体13に電気光学結晶11が非接触のため、実施の形態1及び2と異なり、高電圧を分圧器により降圧することなく、直接測定することが可能となる。また、電気光学結晶11の内部電界は、常にゼロになるようフィードバック制御されるため、直流ドリフトの影響を回避して、直流電圧を長時間安定して測定することができる。
In the
その一方で、実施の形態3に係る光電圧センサ3を設置する高電圧設備の都合によっては、高電圧導体13と接地導体14の距離を十分離さなければならない可能性がある。また、高電圧導体13と接地導体14の距離を近づけることができる場合であっても、結晶上面電極15に、ある一定以上の高電圧が印加される場合、結晶上面電極15に帯電が生じ、測定精度悪化の原因となる。そのため、結晶上面電極15に帯電が生じないようにするためには、高電圧導体13と電気光学結晶11の間隔を帯電が生じない距離まで離す必要がある。これらの場合、電気光学結晶11に印加される電圧値が低下するため、電圧に対する感度を高く設定することができない縦型変調方式を採用する場合、測定精度を確保することが困難となる。これに対し、実施の形態3に係る光電圧センサ3では、横型変調方式を採用することで、式(2)に示すように電気光学結晶11の形状(例えば、行路長L及び厚さD)の変更によって、電圧Vに対する偏光位相差θを大きく設定することができる、つまり、感度を高く設定することができる。このため、測定精度を確保することが容易となる。
On the other hand, depending on the convenience of the high voltage equipment in which the
また、図7(A)に示すように、電気光学結晶11に部分的に光を通す比較例の横型変調方式を採用する場合、電気光学結晶11に電圧が印加されていない状態においても、レーザ光及び温度変化などの影響で空間電荷の移動が起こり、出力ドリフトが生じるため、直流電圧を高精度かつ長時間安定して測定することは困難となる。実施の形態3に係る光電圧センサ3では、図7(B)に示すように、電気光学結晶11にビームサイズが第1及び第2の電極12a、12bの間隔D以上のビーム幅Wの光を入射させることにより、出力ドリフトを回避し、高精度かつ長時間安定した電圧測定が可能となる。
Further, as shown in FIG. 7A, when the horizontal modulation method of the comparative example in which light is partially passed through the electro-
上記以外に関し、実施の形態3は、実施の形態1又は2と同じである。また、実施の形態3で説明した高電圧導体13と接地導体14を用いる構成は、実施の形態1及び2で説明したいずれの光電圧センサにも適用可能である。
Other than the above, the third embodiment is the same as the first or second embodiment. Further, the configuration using the
変形例.
以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。Modification example.
The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the contents of the present disclosure, can be combined with another known technique, and is one of the configurations as long as it does not deviate from the gist of the present disclosure. It is also possible to omit or change the part.
1、1a、1b、1c、2、3 光電圧センサ、 10、10a 電圧印加部、 11 電気光学結晶、 11a、11b 端面、 12 電極対、 12a 第1の電極、 12b 第2の電極、 13 高電圧導体、 14 接地導体、 15 結晶上面電極、 16 バイアス電極、 20、20a 投光部、 21 光源、 211 アレイ光源、 22 ビーム整形光学系、 221 コリメータレンズ、 222 ビームシェイパー、 223 マスク、 224 レンズアレイ、 30 偏光制御光学系、 31 偏光子、 32 波長板、 33 検光子、 40、40a 受光部、 41 検出器、 411 アレイ検出器、 42 レンズ、 43 マスク、 50 信号処理部、 51 信号処理装置、 52 出力装置、 53 バイアス電源。 1, 1a, 1b, 1c, 2, 3 Photovoltage sensor, 10, 10a voltage application part, 11 electro-optical crystal, 11a, 11b end face, 12 electrode pair, 12a first electrode, 12b second electrode, 13 high Voltage conductor, 14 ground conductor, 15 crystal top electrode, 16 bias electrode, 20, 20a floodlight, 21 light source, 211 array light source, 22 beam shaping optics, 221 collimator lens, 222 beam shaper, 223 mask, 224 lens array , 30 Voltage control optics, 31 Polarizer, 32 Wave plate, 33 Detector, 40, 40a Receiver, 41 Detector, 411 Array detector, 42 Lens, 43 Mask, 50 Signal processing unit, 51 Signal processing equipment, 52 output device, 53 bias power supply.
Claims (14)
前記光源から出射した光が入射する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶の互いに向き合う端面にそれぞれ備えられた第1の電極及び第2の電極を有し、前記電気光学結晶内における前記光の進行方向に対して垂直方向の電界を前記電気光学結晶に印加する電極対と、
前記電気光学結晶から出射した前記光を受光し、受光された前記光に基づく検出信号を出力する検出器と、
を備え、
前記電気光学結晶に入射する時点における前記光の前記垂直方向のビームサイズが、前記第1の電極と前記第2の電極との間隔以上であり、かつ、前記電気光学結晶を透過する前記光がコリメート光である
ことを特徴とする光電圧センサ。 Light source and
An electro-optic crystal to which the light emitted from the light source is incident, and
The electro-optic crystal has a first electrode and a second electrode provided on the end faces of the electro-optic crystal facing each other, and an electric field in a direction perpendicular to the traveling direction of the light in the electro-optic crystal is applied to the electro-optic crystal. With the electrode pair to be applied,
A detector that receives the light emitted from the electro-optical crystal and outputs a detection signal based on the received light.
Equipped with
The light having a beam size in the vertical direction of the light at the time of incident on the electro-optical crystal is equal to or larger than the distance between the first electrode and the second electrode and is transmitted through the electro-optical crystal. Is the collimated light
An optical voltage sensor characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電圧センサ。 The photovoltage sensor according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are in close contact with the end face of the electro-optical crystal.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光電圧センサ。 The optical voltage sensor according to claim 1 or 2, wherein the detector is an array detector having a plurality of photodetecting elements arranged two-dimensionally.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 The optical voltage sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a signal processing unit that calculates a voltage applied to the electrode pair based on the detection signal.
ことを特徴とする請求項4に記載の光電圧センサ。 The fourth aspect of claim 4 is characterized in that the signal processing unit calculates the voltage by excluding a signal component based on light that is not incident on the electro-optical crystal from the detection signal output from the detector. Optical voltage sensor.
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の光電圧センサ。 The optical voltage sensor according to claim 4 or 5, wherein the signal processing unit performs processing for equalizing the intensity distribution in the vertical direction of the detection signal output from the detector.
前記第1の電極と前記高電圧導体との間に、前記電気光学結晶及び前記高電圧導体から離れて配置されたバイアス電極と、
前記バイアス電極にバイアス電位を印加するバイアス電源と、
前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記バイアス電位を決定する信号処理部と、
をさらに備え、
前記信号処理部は、前記高電圧導体の電位を算出する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 A high-voltage conductor arranged away from the electro-optic crystal,
A bias electrode disposed between the first electrode and the high-voltage conductor, away from the electro-optical crystal and the high-voltage conductor.
A bias power supply that applies a bias potential to the bias electrode, and
A signal processing unit that determines the bias potential based on the detection signal output from the detector, and
Further prepare
The optical voltage sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal processing unit calculates the potential of the high voltage conductor.
前記光源から出射した光が入射する電気光学結晶と、 An electro-optic crystal to which the light emitted from the light source is incident, and
前記電気光学結晶の互いに向き合う端面にそれぞれ備えられた第1の電極及び第2の電極を有し、前記電気光学結晶内における前記光の進行方向に対して垂直方向の電界を前記電気光学結晶に印加する電極対と、 The electro-optic crystal has a first electrode and a second electrode provided on the end faces of the electro-optic crystal facing each other, and an electric field in a direction perpendicular to the traveling direction of the light in the electro-optic crystal is applied to the electro-optic crystal. With the electrode pair to be applied,
前記電気光学結晶から出射した前記光を受光し、受光された前記光に基づく検出信号を出力する検出器と、 A detector that receives the light emitted from the electro-optical crystal and outputs a detection signal based on the received light.
前記電気光学結晶から離れて配置された高電圧導体と、 A high-voltage conductor arranged away from the electro-optic crystal,
前記第1の電極と前記高電圧導体との間に、前記電気光学結晶及び前記高電圧導体から離れて配置されたバイアス電極と、 A bias electrode disposed between the first electrode and the high-voltage conductor, away from the electro-optical crystal and the high-voltage conductor.
前記バイアス電極にバイアス電位を印加するバイアス電源と、 A bias power supply that applies a bias potential to the bias electrode, and
前記検出器から出力された前記検出信号に基づいて前記バイアス電位を決定する信号処理部と、 A signal processing unit that determines the bias potential based on the detection signal output from the detector, and
を備え、 Equipped with
前記電気光学結晶に入射する時点における前記光の前記垂直方向のビームサイズが、前記第1の電極と前記第2の電極との間隔以上であり、 The vertical beam size of the light at the time of incident on the electro-optic crystal is equal to or larger than the distance between the first electrode and the second electrode.
前記信号処理部は、前記高電圧導体の電位を算出する The signal processing unit calculates the potential of the high voltage conductor.
ことを特徴とする光電圧センサ。 An optical voltage sensor characterized by that.
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の光電圧センサ。 The optical voltage sensor according to claim 7 or 8 , wherein the signal processing unit controls the bias potential so as to keep the electric field in the vertical direction applied to the electro-optical crystal to zero.
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 The invention according to any one of claims 1 to 9 , further comprising a first mask which is arranged between the light source and the electro-optical crystal and further blocks a part of the light emitted from the light source. The optical voltage sensor described.
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 Any of claims 1 to 10 , further comprising a second mask that is disposed between the electro-optical crystal and the detector and further blocks a portion of the light emitted from the electro-optical crystal. The optical voltage sensor according to item 1.
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 The optical voltage according to any one of claims 1 to 11 , further comprising a shaping optical system for making the intensity distribution of the light in the vertical direction uniform at the time of incident on the electro-optical crystal. Sensor.
前記電気光学結晶からの出射光の偏光状態を制御する検光子と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 A modulator and a wave plate that control the polarization state of the light upstream of the electro-optic crystal,
An analyzer that controls the polarization state of the emitted light from the electro-optical crystal, and
The optical voltage sensor according to any one of claims 1 to 12 , further comprising.
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の光電圧センサ。 The optical voltage sensor according to any one of claims 1 to 13 , wherein the light source is an array light source in which a plurality of light emitting elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
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