专利名称：光学电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在利用光来测定电压的光学电压测定装置中所利用的光学电压传感 器(optical voltage sensor)0
背景技术：
在变电所或发电所等的电力设备或电气系统的周围，会产生很大的磁场。因此，有 时由于在这样的变电所或发电所等处，受到周围的磁场所产生的影响，所以不能利用电信 号来正确地测定电压或电流。与此相对，以往，有使用不受磁场的影响的光信号来测定电压 或电流的技术(例如，参照专利文献1)。使用图1，对用光来测定电压的装置(光学电压测定装置)简单地进行说明。在 图1所示的光学电压测定装置2中，通过光源驱动装置11的控制将从光源12发光的光经 由光纤13a导光到送光准直器(collimator) 14。送光准直器14使从光纤13a入射的光 作为平行光送光到偏振器15。偏振器15对从送光准直器14入射的光进行直线偏振，相 位差板16对由偏振器15直线偏振后的光进行圆偏振以形成成为基准的光。对电光元件 (electro-optical element) 17，施加作为测定对象的电压，电光元件17基于由施加电压 17a产生的电光效应，对从相位差板16入射的光进行偏振。检偏器(analyzer) 18光接收 由电光元件17偏振后的光，受光准直器19使从检偏器18入射的光作为平行光导光到光纤 13b。检测器21将经由光纤13b检测的光信号转换为电信号。然后，电压测定部22根据由 检测器21转换后的电信号来对测定对象的电压进行运算。在此，为了在光学电压测定装置2中进行高精度的测定，需要使偏振器15、相位差 板16、电光元件17以及检偏器18所输出的光的偏振状态稳定。但是，各元件15 18通过 振动而产生光弹性效应，该光弹性效应成为打乱偏振状态的原因。另一方面，在作为光学电 压测定装置2的电压测定的对象的电力设备等为高压设备时，有时在设置有光学电压测定 装置2的环境中会产生大的振动。例如，虽然高压设备具备在异常产生时截断电流的断路 器，但是因该断路器的通/断而产生的振动会超过1000G。在设置于产生这样大的振动的条 件下的光学电压测定装置2中，难以使偏振状态稳定。以往，如图1所示，公知有通过隔着弹性体在基板25上配置各元件14 19，从而 使弹性体吸收振动而防止元件14 19的振动的防振对策。使用图2 图4，对于电光元件17的粘合方法和因振动而产生的问题进行说明。 在此，虽然使用电光元件17的情况进行说明，但是其他元件14 16、18、19也与电光元件 17同样地粘合于基板25上，会产生同样的问题。电光元件17如图2 (a)所示利用弹性体的粘合剂23粘合于基板25上。在未从外 部对基板25给予振动的状态下，如图2(a)所示，电光元件17是相对于基板25平行的状态。 另一方面，在对基板25给予振动时，如图2(b)所示，通过对电光元件17起作用的惯性力， 电光元件17相对于基板25会产生倾斜。在未被给予振动的状态时，如图3 (a)所示，电光元件17成为相对于光轴L垂直的状态。在电光元件17成为相对于光轴L垂直的状态时，由于出射光能够通过配备于规定位置的受光准直器19的开口 19a，所以受光准直器19能够检测光。另一方面，由于当从外部给予振动时，会在电光元件17产生倾斜，所以如图3(b) 所示，会在电光元件17产生角度偏移。即，通过在入射光的光轴Ll和出射光的光轴L2产 生δ的角度偏移，从而出射光不能通过开口 19a，会产生受光准直器19无法检测光的问题。 这样，在光未被受光准直器19检测出的情况中，就不清楚是因作为测定对象的电压使光偏 振而无法检测出光、还是因振动在电光元件17等元件产生角度偏移而无法检测出光，变得 无法进行正确的电压测定。这样，因振动而产生的电光元件17的倾斜有粘合剂23的厚度越变厚该倾斜就越 变大的问题。因此，会引起作为防振对策而加以利用的弹性体的粘合剂23反而会使电光元 件17产生角度偏移的问题。图4(a)与图3(a)同样地表示未被给予振动的状态。根据该状态，在通过从外部 给予的振动而如图4(b)所示使电光元件17进行平移运动的情况下，电光元件17能够相对 于光轴L保持垂直的状态。因此，在如图4(b)所示电光元件17因振动而进行平移运动的 情况中，通过电光元件17的光，通过配备于规定位置的开口而由后级的元件进行检测，能 够在光学电压测定装置2中进行正确的电压测定。如上所述，在光学电压测定装置2中，具有如下特征，即，虽然在对各元件14 19 给予振动而使光轴偏移产生时会妨碍正确的电压测定，但在各元件14 19进行平移运动 时会难以受到振动的影响。然而，在利用粘合剂23将各元件14 19粘合于平面状的基板25上的方法中，难 以预测因来自外部的振动而使各元件14 19向哪个方向移动，无法对移动方向进行控制。 因此，例如，在防振对策时在基板25上粘合元件14 19时，只能将粘合剂23的厚度抑制 到不因振动而使元件14 19产生倾斜的最低限度的厚度，有不能实现充分的防振对策的 问题。专利文献1 日本特开2003-14790号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种即使是在产生大振动的条件下也能够进行精度高 且稳定的电压测定的光学电压测定装置中所利用的光学电压传感器。涉及本发明特征的光学电压传感器具备偏振光学系统，与从光源入射的光的光 轴垂直，并且，将所述光轴配置为中心轴，使入射的所述光偏振到预定的基准状态；电光元 件，与所述光轴垂直，并且，将所述光轴配置为中心轴，当被施加测定对象的电压时，根据被 施加的所述电压，使由所述偏振光学系统偏振后的光发生偏振；检偏器，与所述光轴垂直， 并且，将所述光轴配置为中心轴，当入射由所述电光元件偏振后的光时，将其输出到检测
器ο发明效果根据本发明，即使是在产生大振动的条件下也能够进行精度高且稳定的电压测定。
图1是表示一般的光学电压计测装置的构成的功能框图。图2是表示一般的电光元件的固定例的图。 图3是表示入射到被给予了振动的电光元件的入射光的一个例子的图。图4是表示入射到被给予了振动的电光元件的入射光的其他例子的图。图5是说明本发明的光学电压传感器和具备该光学电压传感器的光学电压计测 装置的构成的图。图6是表示电光元件的固定的一个例子的图。图7是说明固定电光元件的框为长方体的情况的一个例子的图。图8是说明固定电光元件的框为圆筒形的情况的一个例子的图。图9是对于由振动引起的光轴的偏移进行说明的图。图10是说明变形例的光学电压计测装置的构成的图。附图标记说明2a，2b…光学电压测定装置1…光学电压传感器1L···光源驱动装置12…光源13a, 13b …光纤14…送光准直器15…偏振器(偏振光学系统)16…相位差板(偏振光学系统)17…电光元件I8…检偏器19…受光准直器19a...开口20a 20c…框21…检测器22…电压测定部23…粘合剂
具体实施例方式下面，使用附图对本发明的优选实施方式的光学电压传感器进行说明。如图5所示，本发明的优选实施方式的光学电压传感器1具备作为使入射的光发 生偏振的偏振光学系统的偏振器15和相位差板16、根据施加电压17a对由偏振器15和相 位差板16偏振后的光的相位进行调制的电光元件17、以及对透过电光元件17的光进行检 测的检偏器18。此外，光学电压传感器1具备两端开放的圆筒形的框20a 20c。在此，偏 振器15是对从送光准直器14入射的光进行直线偏振的元件。此外，相位差板16是对由偏 振器15直线偏振后的光进行圆偏振以形成成为基准的光的元件。在图5所示的例子中，光学电压传感器1嵌入于光学电压测定装置2a中。该光学电压测定装置2a具备光源驱动装置11、由光源驱动装置11驱动的光源12、将从光源12 发光的光导光到送光准直器14的光纤13a、使入射的光成为平行光并将其送光到光学电压 传感器1的偏振器15的送光准直器14、光接收透过光学电压传感器1的检偏器18并通过 开口 19a的光且使其成为平行光的受光准直器19、将从受光准直器19入射的光导光到检测 器21的光纤13b、对从光纤13b入射的光进行检测并将其转换为电信号的检测器21、以及 根据由检测器21转换后的电信号来测定施加于电光元件17的电压的电压测定部22。
偏振器15是对入射光进行直线偏振的元件，相位差板16是对由偏振器15直线偏 振后的光进行圆偏振的1/4波长板。该偏振器15和相位差板16使从光源12发光并经由 送光准直器14输入的光偏振为预定的基准状态。偏振器15和相位差板16分别为长方体 元件，利用吸收从外部给予的振动的弹性体的粘合剂而固定于框20a的内部空间。此时，偏 振器15和相位差板16与入射的光的光轴L垂直，并且将光轴L配置为中心轴。电光元件17是使用了 BGO(Bil2GeO2O)等的单晶体的电光元件(普克耳斯效应元 件)。该电光元件17通过电光效应，根据被施加的测定对象的电压，对从相位差板16入射 的光的相位进行调制。即，该电光元件17由于以与被施加的电压强度相对应的椭圆率被进 行椭圆偏振，使光量发生变化，所以，输出与被测定电压相对应的光量的光。电光元件17与偏振器15和相位差板16同样，是长方体，利用吸收从外部给予的 振动的弹性体的粘合剂而固定于框20b的内部空间。此外，电光元件17也与入射的光的光 轴L垂直，并且将光轴L配置为中心轴。可以对电光元件17设置电极，施加测定对象的电 压，使入射的光发生偏振，也可以通过在电光元件17的周围产生的电场，使入射的光发生 偏振。检偏器18是对由电光元件17根据被测定电压使光量变化的光进行检测的元件。 检偏器18也与其他元件15 17同样，是长方体，利用吸收从外部给予的振动的弹性体的 粘合剂而固定于框20c的内部空间。此外，检偏器18也与入射的光的光轴L垂直，并且将 光轴L配置为中心轴。在图5所示的例子中，送光准直器14和受光准直器19均为圆筒形，该送光准直器 14、受光准直器19和各框20a 20c的直径相同。此外，虽然在图5所示的例子中，送光准 直器14、框20a 20c和受光准直器19在各自独立的状态下进行配置，但是送光准直器14、 各框20a 20c和受光准直器19是以各自的中心轴为基准，固定为一个筒型的。另外，光学电压测定装置2a的电压测定部22能够通过将检测器21所检测的光的 光量与由光源12发光的光的光量进行比较，从而求出电光元件17中的根据被测定电压的 光量的损失，测定施加于电光元件17的电压。S卩，电压测定部22能够将从光源12发光的 光量、以及由偏振器15和相位差板16偏振后的光的状态作为基准，根据检测器21所检测 的光量，求出施加于电光元件17的电压。接下来，使用图6对利用粘合剂23将电光元件17粘合于框20b的方法进行说明。 图6是将粘合了电光元件17的框20b沿电光元件17的中心轴切断的横剖视图。在使用图 2进行如上描述的元件的粘合方法中，是粘合于平面形的基板25上。与此相对，在本发明的 光学电压传感器1中，是将各个元件15 18粘合于使用图5进行如上描述那样的圆筒形 的框20a 20c中所形成的内部空间中。此时，在各元件15 18与框20a 20c之间填 充吸收振动的弹性体的粘合剂23，使各元件15 18的中心轴与各框20a 20c的中心轴一致。在光学电压传感器1中各元件15 18所粘合的框20a 20c的形状，即使是圆筒形以外的形状，也能够防止振动，但是在是圆筒形的情况下，防振效果最高。对于该理由， 将使用图7和图8进行说明。图7是假设使框20b为长方体的筒型的情况的一个例子，图7 (a)表示粘合电光元 件17之前的状态，图7(b)表示在内部粘合了电光元件17之后的状态。如图7(a)所示，在框20b的内侧，形成有配置电光元件17的空间，在该框20b的 内部配置有电光元件17，通过粘合剂23进行粘合。在图7(b)所示的例子中，电光元件17 固定于固定框24，该固定框24与框20b粘合，但是将电光元件17直接粘合于框20b，也是 同样的。在此，电光元件17的中心轴与框20b的中心轴是一致的，在下面将该中心轴记作 中心轴C。如果像这样利用弹性体的粘合剂23对框20b与电光元件17 (在图7的例子中，为 固定框24)之间进行填充，则周围的粘合剂23会吸收从外部给予的振动，能够防止电光元 件17的倾斜，能够防止角度偏移。特别是，在以中心轴C为基准引对角线至框20b时，如图 7 (b)所示的框20b那样，在距中心轴C的框20b上的各点都成为线对称时，从外部给予的振 动被粘合剂23均勻地吸收，难以引起使电光元件17产生倾斜的旋转运动，能够提高利用图 3(b)如上所述那样的角度偏移的防止效果。但是，在粘合电光元件17和框20b时，即使在电光元件17与框20b之间均勻地填 充粘合剂23，也例如会产生气泡的混入或固化状态的不均勻。因此，将电光元件17粘合于 框20b的粘合剂23的硬度在各位置处不均勻。当像这样地粘合剂23的硬度变得不均勻时， 例如如图7(b)所示，通过软的部分23a和硬的部分23b来构成。此外，在框20b的形状为 长方体时，如图7(b)所示，其剖面为四角形。在像这样框20b的剖面为四角形时，框20b的 各边的中点距离中心轴C近，框20b的各顶点距离中心轴C最远，从框20b的各边上的点到 中心轴C的距离不同。如上所述，当在粘合剂23中分布存在软的部分23a和硬的部分23b、而且从中心 轴C到框20b上的各点的距离不同的情况下，从外部给予的振动不会被粘合剂23均勻地吸 收。因此，使用了多角形的框20b的情况下容易引起电光元件17等部件的旋转运动，容易 产生角度偏移。另一方面，在使从中心轴C到框20b上的各点的距离相等的情况下，即使在粘合剂 23中分布有软的部分23a和硬的部分23b，约束旋转运动的力也在轴的两侧大致均等地分 布。因此，能够防止电光元件17等部件的旋转运动、即角度偏移的产生。因此，如图5所示， 在光学电压传感器1中，最优选利用圆筒形的框20a 20c。具体地说，利用如图8(a)所示的圆筒形的框20b。在该框20b的内侧，如图8(b) 所示，粘合对电光元件17进行固定的固定框24。通过这样利用圆筒形的框20b从而能够使 从中心轴C到框20b上的各点的距离相等。另外，中心轴C配置成与光轴L相一致。只要能够将电光元件17形成为圆柱形，就能够不使用固定框24而利用粘合剂23 将电光元件17直接粘合于框20b。但是，实际的电光元件17多是容易制造成长方体。此 夕卜，电光元件17等部件实际上也有时仅以长方体进行制品提供。因此，如上所述，在将长方 体的电光元件17固定于圆筒形的固定框24之后，利用粘合剂23将该固定框24粘合于框20b。另外，对于将电光元件17粘合于固定框24的方法，只要电光元件17能够不动地固定于固定框24，其方法就为何均可。只要偏振器15、相位差板16和检偏器18均同样地为圆柱形，就可不使用固定框而 利用粘合剂23直接粘合于框20a、20c。另一方面，在不能获得圆柱形的元件15、16、18的情 况中，将长方体的元件15、16、18分别固定于圆筒形的固定框并粘合于框20a、20c。接下来，使用图9，对图8所示的利用粘合剂23固定于框20b的电光元件17与振 动的方向的关系进行说明。在图9中，省略图8所示的固定框24进行说明。电光元件17在 利用粘合剂23粘合于框20b时，光轴L与电光元件17和框20b的中心轴C均一致，并且， 是相对于该中心轴C呈线对称的构造。在没有振动的情况中，如图9(a)所示，光轴L相对于电光元件17垂直，与电光元 件17的中心轴C相一致。在如图9(a)所示进行粘合的状态下，在光轴方向的振动加入的情况下，如图9(b) 所示，电光元件17不会发生倾斜而是相对于光轴L在水平方向上进行移动。因此，即使在 光轴方向加入了振动，电光元件17也只是进行平移运动，因此光轴L相对于电光元件17垂 直，与电光元件17的中心轴C相一致。另一方面，在与光轴L正交的方向加入了振动情况中，如图9 (C)所示，有时在电光 元件17中会产生倾斜。在这种情况下，光相对于电光元件17倾斜地入射，入射光的光轴Ll 与出射光的光轴L2不一致，此外，光轴L1、L2与电光元件17的中心轴C不一致。因此，在设置具备光学电压传感器1的光学电压测定装置时，需要相对于这样的 预先把握的成为振动源的位置，进行配置，以便从与光轴方向相同的方向对各元件14 19 进行作用。接着，对粘合各元件15 18的情况的粘合剂23的理想的厚度进行说明。在光学 电压传感器1中，在使用弹性体的粘合剂23的情况下，有使用图2(b)如上所述地电光元件 17发生振动而使角度偏移增大的问题，因此，弹性体的厚度抑制到必要最低限度。但是，如 使用图7和8如上所述的那样，在本发明的光学电压传感器1中，使光轴L与中心轴C 一致， 在做成将电光元件17粘合于相对于该中心轴C呈线对称的框20b内的构造的情况下，使作 为弹性体的粘合剂23的厚度变厚更能抑制角度偏移。在具备光学电压传感器1的光学电压测定装置的测定对象的电力设备中，有时设 置有用于瞬时截断事故时的高压大电流的断路器。该断路器由于不能当高速动作时截断电 流，所以断路器所产生的振动大，有时最大还会到达1000G。因此，在电力设备的电压测定中 使用的光学电压传感器1即使在1000G的振动条件下也需要能正确地进行测定。为了抑制 该1000G的振动所需的粘合剂23的厚度，如通过式1所求出的那样，最低需要0. 5mm的厚 度。即，需要粘合剂23的厚度为0. 5mm以上，是根据由振动引起的振幅为0. 5mm左右而决 定的。在式(1)中，设D为振动的位移，设G为振动加速度[G]，设F为振动频率[Hz]。D = G. 500/F2…(1)作为振动频率，为IkHz左右，因此，加入1000G的振动时的振动振幅变为0. 5mm。 为了吸收该振动，在通常的橡胶等粘合剂23中需要振幅以上的厚度，因此，优选使粘合剂 23的厚度为0. 5mm以上。当该粘合剂23的厚度薄时，因失去弹性而无法吸收振动，此外，当失去弹性的定时在中心轴的左右离散时，就成为了角度偏移的原因。因此，为了防止角度偏移，也需要充 分确保粘合剂23的厚度。如上所述，本发明的光学电压传感器1利用弹性体的粘合剂23将各元件15 18 粘合于形成在框20a 20c的内侧的空间中。因此，在上述的光学电压传感器1中，粘合剂 23吸收从外部给予的振动，能够防止振动的影响。另外，在上述的说明中，将各元件15 18配置于各个框20a 20c内，然后，将该多个框20a 20c固定于一个筒型，但是即使以 在一个筒形状的框中配置全部元件15 18的方式构成也能获得相同的效果。此外，在上述的光学电压传感器1中，通过使框20a 20c的形状成为相对于中心 轴呈线对称的筒型、特别是圆筒形，从而能够提高防振效果。进而，在上述的光学电压传感器1中，通过使成为弹性体的粘合剂23的厚度为 0. 5mm以上，从而即使在被给予1000G的振动的情况下，也能够吸收该振动。(变形例)对于利用光学电压传感器1的光学电压测定装置的变形例，使用图10进行说明。
如图10所示，变形例的光学电压测定装置2b与图5的光学电压测定装置2b不同， 不具有光纤13a、13b、送光准直器14和受光准直器19。因此，在光学电压测定装置2b中， 将由光源12发光的光直接导入偏振器15，此外，将由检偏器18检测的光直接导入检测器 21，但对于其他方面均是相同的，故省略说明。上述的光学电压测定装置2b没有使光通过光纤，因此，能够不考虑光纤中的光损 失地进行电压测定。此外，光学电压测定装置2b不具备光纤、送光准直器和受光准直器，因 此，能够构成为小型。因此，光学电压测定装置2b在能将光源12和检测器21配置于其他 元件14 19附近的情况下是有效的。这样，光学 电压传感器1除了利用图5进行如上所述的光学电压测定装置2a之 夕卜，还能够在利用光对电压进行测定的各种装置或系统中加以利用。
权利要求
1.一种光学电压传感器，其特征在于，具备偏振光学系统，与从光源入射的光的光轴垂直，并且，将所述光轴配置为中心轴，使入 射的所述光偏振到预定的基准状态；电光元件，与所述光轴垂直，并且，将所述光轴配置为中心轴，当被施加测定对象的电 压时，根据被施加的所述电压，使由所述偏振光学系统偏振后的光发生偏振；以及检偏器，与所述光轴垂直，并且，将所述光轴配置为中心轴，当入射由所述电光元件偏 振后的光时，将其输出到检测器。
2.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于，具备在内侧形成有空间的筒型的、以一直线为中心呈线对称的框， 所述偏振光学系统、所述电光元件和所述检偏器以各自的所述中心轴与所述直线一致 的方式经由弹性体固定于所述框的内侧的空间。
3.根据权利要求2所述的光学电压传感器，其特征在于，所述框为圆筒形。
4.根据权利要求2所述的光学电压传感器，其特征在于，所述弹性体的厚度为0.5mm以上。
5.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于，以使所述光轴的方向与从外 部给予的振动的方向一致的方式，具备所述偏振光学系统、所述电光元件和所述检偏器。
全文摘要
本发明提供的光学电压传感器具备偏振光学系统(15、16)，与从光源(12)入射的光的光轴垂直，并且，将光轴(12)配置为中心轴，使入射的光偏振到预定的基准状态；电光元件(17)，与光轴垂直，并且，将光轴配置为中心轴，当被施加测定对象的电压时，根据被施加的所述电压，使由偏振光学系统(15、16)偏振后的光发生偏振；以及检偏器(18)，与光轴垂直，并且，将光轴配置为中心轴，检测由电光元件(17)偏振后的光，对将入射的光信号转换为电信号的检测器(21)照射光。
文档编号G01R15/24GK102037366SQ20098011855
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月28日
发明者佐藤纯一, 宫部崇, 桑原豪, 梅村时博, 高桥正雄 申请人:东芝产业机器制造株式会社, 株式会社东芝