JP7038925B1 - 光電圧センサ - Google Patents

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。

Description

本開示は、光電圧センサに関するものである。

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。

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。

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。

特開２０１５－１１０１９号公報

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。

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。

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。

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。

実施の形態１に係る光電圧センサの構成を示す模式図である。 （Ａ）は、実施の形態１に係る光電圧センサの投光部を示す斜視図であり、（Ｂ）は、投光部の機能を示す図である。 （Ａ）は、電気光学結晶の上流に配置された遮光部材としてのマスクを示す斜視図であり、（Ｂ）は、マスクを備えた光電圧センサの構成を示す模式図である。 （Ａ）は、光源としてのアレイ光源とビーム整形光学系としてのレンズアレイを示す斜視図であり、（Ｂ）は、アレイ光源とレンズアレイを備えた光電圧センサの構成を示す模式図である。 （Ａ）は、電気光学結晶の下流に配置された遮光部材としてのマスクを示す斜視図であり、（Ｂ）は、マスクを備えた光電圧センサ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の制御系のハードウェア構成の例を示す図である。 （Ａ）から（Ｃ）は、電気光学結晶に入射する光と、直流電圧が電気光学結晶に長時間印加された場合の電気光学結晶内の電界分布との関係を示す図である。 直流ドリフトの影響による測定電圧の時間変化の例を示す図である。 実施の形態２に係る光電圧センサ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の検出器としてのアレイ検出器を示す斜視図である。 （Ａ）は、アレイ検出器から出力される検出信号の強度分布を示す図であり、（Ｂ）は、信号処理装置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。 実施の形態３に係る光電圧センサ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の電圧印加部の電気的等価回路を示す図である。 実施の形態３に係る印加電圧とバイアス電圧との関係を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＡＤＰ（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）、ＫＤＰ（Ｈ_２ＰＯ_４）、ＳｉＯ_２（水晶）、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、などの結晶を使用することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｉ_ＩＮと、検光子３３から出力される光量をＩ_ＯＵＴとすると、Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮ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。

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。

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。

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、Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮ＝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、Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮ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、Ｉ_ＯＵＴ／Ｉ_ＩＮ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

国際公開第２０２０／１５２８２０号

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Ｖ_ｂ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_ｏは、結晶上面電極１５の電位をＶ_ｆ、バイアス電極１６の電位をＶ_ｂとすると、以下の式（３）で示される。

ここで、結晶上面電極１５と高電圧導体１３との静電容量をＣ_１、結晶上面電極１５と接地導体１４との静電容量をＣ_２、結晶上面電極１５とバイアス電極１６との静電容量をＣ_３、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。

高電圧導体１３の電圧Ｖ_ｏ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Ｖ_ｏ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Ｖ_ｂ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Ｖ_ｆ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。

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Ｖ_ｂ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Ｖ_ｆ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Ｖ_ｂを可変し、結晶上面電極１５の電位Ｖ_ｆ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Ｖ_ｂ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Ｖ_ｆがゼロ、かつ、帯電量Ｑがゼロの場合、式（４）で示される。

図１４は、高電圧導体１３の電圧Ｖ_ｏとバイアス電極１６の電位（すなわち、バイアス電圧）Ｖ_ｂ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Ｖ_ｂ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Ｖ_ｏを演算し、出力装置５２に出力する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (14)

1. 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
   ことを特徴とする光電圧センサ。
2. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記電気光学結晶の前記端面にそれぞれ密着している
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電圧センサ。
3. 前記検出器は、２次元に配列された複数の光検出素子を有するアレイ検出器である
   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。
4. 前記検出信号に基づいて前記電極対に印加されている電圧を算出する信号処理部をさらに備えた
   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。
5. 前記信号処理部は、前記検出器から出力された前記検出信号から前記電気光学結晶に入射していない光に基づく信号成分を除外して前記電圧を算出する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光電圧センサ。
6. 前記信号処理部は、前記検出器から出力された前記検出信号の前記垂直方向の強度分布を均一化する処理を行う
   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。
7. 前記電気光学結晶から離れて配置された高電圧導体と、
   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。
8. 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、
   前記電気光学結晶から離れて配置された高電圧導体と、
   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、
   前記信号処理部は、前記高電圧導体の電位を算出する
   ことを特徴とする光電圧センサ。
9. 前記信号処理部は、前記電気光学結晶にかかる前記垂直方向の電界をゼロに保つように、前記バイアス電位を制御する
   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。
10. 前記光源と前記電気光学結晶との間に配置され、前記光源から出射した前記光の一部を遮る第１のマスクをさらに備えた
    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。
11. 前記電気光学結晶と前記検出器との間に配置され、前記電気光学結晶から出射した前記光の一部を遮る第２のマスクをさらに備えた
    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。
12. 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強度分布を、均一にする整形光学系をさらに備えた
    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。
13. 前記電気光学結晶の上流で前記光の偏光状態を制御する偏光子及び波長板と、
    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。
14. 前記光源は、複数の発光素子が１次元又は２次元に配列されたアレイ光源である
    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。

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