JP2553715B2

JP2553715B2 - 電圧検出装置

Info

Publication number: JP2553715B2
Application number: JP1270941A
Authority: JP
Inventors: 宏典高橋; 紳一郎青島; 裕土屋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPH03131772A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は、被測定電気信号の電圧変化に対応して屈
折率が変化する電気光学材料を用いた電圧検出装置に関
する。

【従来の技術】

従来、電気光学効果を有する電気光学材料、例えばLi
TaO₃結晶を用いて、集積回路等における被測定物の所定
部分の電圧を非接触で測定する電圧検出装置が知られて
いる。このような電圧検出装置は、例えば第10図に示される
ように、電気光学材料２、偏光子３及び検光子４を含む
光変調器１に、被測定電気信号発生装置５からの電気信
号を電気チョッパー６を介して、電気光学材料２に印加
し、この状態で、レーザダイオード７からのレーザパル
ス光を照射し、光変調器１を通過した光を光検出器８に
より検出して、これを同期増幅器９により増幅し、信号
処理装置10により電気信号波形を形成するものである。ここで、被測定電気信号発生装置５からの電気信号
は、トリガ信号発生装置11からのトリガ信号に基づいて
発生される。又、トリガ信号発生装置11からは、パルス
光源駆動装置12にもトリガ信号が出力され、パルス光源
駆動装置12はレーザダイオード７をパルス点燈させると
共に、その点燈タイミングをもコントロールするように
されている。又、前記電気チョッパー６からは、前記同期増幅器９
に対して参照信号が出力され、更に、前記点燈タイミン
グ制御装置12からは、掃引信号が信号処理装置10に出力
されるようになっている。従って、レーザダイオード７からの出射光は、偏光子
３により、ある偏波面だけの成分とされ、更に電気光学
材料２に入射して、被測定電気信号によって、その偏波
面が変調されることになる。偏波面が変調された電気光
学材料２からの出射光は、検光子４を通ることにより、
ある偏波面成分のみが取り出され、このとき、偏波面の
変調が光強度の変調に変換される。検光子４からの出射光は、前記光検出器８により光電
変換され、例えばロックインアンプからなる同期増幅器
９によって、高感度、低雑音に増幅される。この場合、被検出信号は、前記同期増幅器９の増幅周
波数に合せて変調される必要があり、このため従来は、
前述の如く、被測定電気信号発生装置５と光変調器１の
間に電気チョッパー６等を介在させて、被測定電気信号
をオン／オフさせている。電気チョッパー６のオンの時
は、電気光学材料２に電圧が印加されるのでレーザパル
ス光はここで変調され、又オフのときは電圧が印加され
ないのでレーザパルス光は変調されない。ここで、前記レーザダイオード７は短パルス動作して
いるので、上記装置の場合、第11図（Ａ）に示される被
測定電気信号波形は、第11図（Ｂ）、（Ｃ）に示される
ように短パルス光で、例えばａ点、ｂ点、ｃ点のように
サンプリング計測されることになる。従って、サンプリ
ング点を順次移動させていけば、被測定電気信号波形全
体を得ることができる。このため従来は、前記パルス光
源駆動装置12において、第12図に示される掃引信号を用
いて順次サンプリング点を移動させている。一方、このサンプリング点の移動に同期した掃引信号
が、信号処理装置10に入力され、該信号処理装置10は、
同期増幅器９の出力信号と前記掃引信号とから、被測定
電気信号の全体の波形を形成することができる。従って、例えば前記トリガ信号発生装置11が100MHzで
動作しているときには、掃引信号により、点燈タイミン
グを10nsecの間隔で移動させれば、全波形を把握できる
ことになる。この際の移動は、低速でよく、例えば第12
図に示されるように、１秒間かけて点燈タイミングを10
nsec遅らせるようにしてもよい。第13図（Ａ）〜（Ｄ）に、３つのサンプリング点ａ、
ｂ、ｃにおける被測定電気信号、偏光子への入射光、検
光子からの出射光、光検出器からの出力をそれぞれ比較
して示す。出射光の強度は、各サンプリング点での電圧に対応し
て、電気チョッパー６がオンのときのみ該13図（Ｃ）に
示されるように増大される。従って第13図（Ｄ）に示さ
れるように、光検出器８からの出力もこれに応じて変化
し、同期増幅器９の出力は、第14図に示されるようにな
る。

【発明が解決しようとする課題】前記従来の電圧検出装置では、同期信号に合せて電気
チョッパー６を動作させて、光検出器８の出力を変調さ
せているが、この方法では、被測定電気信号発生器５と
光変調器１との間に電気チョッパー６という素子が入る
ことになり、構成が複雑になるという問題点がある。又、電気チョッパー６を介して、被測定電気信号を電
気光学材料２に印加しているので、該被測定電気信号の
波形が歪み、測定が正確でないという問題点がある。特
に、広帯域に亘って特性の良い電気チョッパーを得るこ
とは困難であるので、波形歪みによる問題点が顕著とな
る。この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、電気チョッパー等を用いることなく、従って被
測定電気信号に何ら歪み等を与えることなく、高感度且
つ低雑音の増幅を行うことができ、且つ構成が簡単であ
る電圧検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

この発明は、被測定電気信号の電圧変化に対応して屈
折率が変化する電気光学材料を用いて接触あるいは非接
触で測定する電圧検出装置において、パルス光を発生す
るパルス光源と、前記電気光学材料と偏光子と検光子と
からなる光変調器と、光変調器への光入射手段と、光変
調器からの光出射手段と、光出射手段から出射されたパ
ルス光を受光して電気信号に変換する光検出器と、この
光検出器の出力信号を増幅する同期増幅器と、前記パル
ス光源を、前記被測定電気信号と同期してパルス点燈さ
せると共に、その点燈タイミングを、前記同期増幅器と
同期して変調させるパルス光源駆動装置と、を設けるこ
とにより上記目的を達成するものである。又、前記パルス光源駆動装置が、前記パルス光源を、
前記被測定電気信号の繰返し周波数と同一、整数倍、又
は、整数分の１の繰返し周波数で点燈すると共に、点燈
タイミングを、基準となる第１のタイミング及びこの第
１のタイミングに対して、タイミングをずらした第２の
タイミングにとり、且つ、前記同期増幅器の同期周波数
で、前記第１及び第２の点燈タイミングを交互にスイッ
チングするようにして上記目的を達成するものである。又、前記パルス光源駆動装置を、前記第２の点燈タイ
ミングを、基準となる第１の点燈タイミングに対して、
順次ずらしていくようにして上記目的を達成するもので
ある。又、前記パルス光源駆動装置を、前記第１と第２の点
燈タイミングの間隔が一定のまま両者のタイミングが前
記被測定電気信号に対して順次変更されるように構成す
ることにより上記目的を達成するものである。又、前記パルス光源駆動装置を、第１のタイミングと
第２のタイミングの一方又は両方のタイミング変化量が
単位時間当り一定となるように構成して上記目的を達成
するものである。更に又、前記パルス光源駆動装置を、前記第１と第２
のタイミングの間隔が、前記パルス信号のパルス幅程度
となるようにして前記同期増幅器の出力信号を用いて被
測定電気信号の微分波形を得ることにより上記目的を達
成するものである。又、前記信号処理装置を、前記同期増幅器の出力を順
次加算あるいは積分する加算回路あるいは積分回路を備
えるようにして上記目的を達成するものである。又、前記パルス光源を、レーザダイオードとすること
により上記目的を達成するものである。更に又、前記パルス光源駆動装置を、入力電圧に比例
して、パルス光源点燈のタイミングを変化させることが
できるタイミング制御装置を備えるようにして上記目的
を達成するものである。

【作用】

この発明においては、パルス光源駆動装置が従来の電
気チョッパーの機能を兼ねていて、パルス変調された掃
引信号を用いて、パルス光源の点燈タイミングを制御す
ることにより、被測定電気信号にチョッパーをかけたと
同様の作用をさせ、これによって、電気チョッパー等の
チョッパー手段を用いることなく、従来と同様の電圧波
形を得ることができる。従って、電気チョッパーによる被測定電気信号波形の
歪みがないので、より正確な測定を行うことができる。

【実施例】

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１図は、本発明に係る電圧検出装置の第１実施例を
示している。この実施例に係る電圧検出装置20は、偏光子22、電気
光学材料24及び検光子26を含み、電気光学材料24に、被
測定電気信号発生装置28からの電気信号が印加される光
変調器30と、この光変調器30にレーザパルス光を照射す
るパルス光源であるレーザダイオード32と，光変調器30
からの出射パルス光を受光して電気信号に変換する光検
出器34と、この光検出器34の出力信号を増幅する同期増
幅器36と、前記被測定電気信号発生装置28に対してトリ
ガ信号を出力するトリガ信号発生装置38と、このトリガ
信号発生装置38からのトリガ信号に基づいて、前記レー
ザダイオード32を、前記被測定電気信号と同期してパル
ス点燈させると共に、その点燈タイミングを前記同期増
幅器36と同期してパルス変調させるパルス光源駆動装置
42とを備えてなるものである。前記パルス光源駆動装置42は、レーザダイオード32の
点燈タイミングを前記同期増幅器36に同期させるため、
該同期増幅器36に対して同期信号を出力するようにされ
ている。又、前記同期増幅器36の出力信号は、信号処理装置44
に出力され、この信号処理装置44は、パルス光源駆動装
置42からの掃引信号に基づいて、前記同期増幅器36の出
力信号を処理し、被測定電気信号の波形を再生できるよ
うにされている。前記パルス光源駆動装置42は、前記パルス光源である
レーザダイオード32を、前記被測定電気信号の繰返し周
波数と同一、整数倍、又は整数分の１の繰返し周波数で
点燈するようにされている。前記パルス光源駆動装置42は、例えば100MHzで動作し
ているときには、トリガ信号の周期t₁＝10nsecであり、
そのとき、パルス光源駆動装置42における点燈タイミン
グの掃引信号は、第３図に示されるように、t₂＝0.1mse
c周期でパルス変調され１秒間で点燈タイミングのずれ
が０から10nsecまで変化するようにして、全波形を測定
するようにする。即ち、前記第10図に示される従来の電圧検出装置にお
いては、第12図に示されるように、パルス光源駆動装置
42における掃引信号は、鋸波状の信号であったが、本発
明の場合は、この鋸波をパルス変調したものである。このように、パルス変調された鋸波状の掃引信号によ
って、レーザダイオード32の点燈タイミングが制御され
ると、そのときのレーザダイオード32から出射されるレ
ーザパルス光は、第２図（Ｂ）及び（Ｃ）のようにな
る。該レーザパルス光の点燈周期t₂のうち、前半の第１の
タイミングでは、点燈タイミングは一定であり、これに
対して後半の第２のタイミングでは、第３図におけるパ
ルス波形の高さ分だけサンプリング点が、基準点からず
れていく。サンプリング点ａでは、第２図（Ａ）に示されるよう
に、被測定電気信号の出力は零であるので、第４図
（Ｃ）に示されるように、検光子26からの出射光の強度
に変化がない。又、レーザパルス光の周期t₂のうち第１のタイミング
では、サンプリング点がａとなり、レーザパルス光は変
調されない。しかし、周期t₂の後半の第２のタイミングでは、各々
のサンプリング点の位置に応じて、例えばｂ、ｃ点での
被測定電圧信号により、該第４図（Ｃ）のｂ及びｃに示
されるようになる。即ち、第４図（Ａ）に示されるように、光変調器30に
おける電気光学材料24に印加される被測定電気信号発生
装置28からの電気信号はチョップされないが、パルス光
源駆動装置42における掃引信号が、周期t₂の前半の第１
のタイミングにおいてオフ、後半の第２のタイミングに
おいてオンされるので、検光子出射光は、結果的に第４
図（Ｃ）のｂ、ｃに示されるように、周期t₂の後半で、
被測定電気信号の強度に対応して変調した出力として得
られることになる。従って、検光子26からの出射光を受光してこれを光電
変換する光検出器34の出力は、第４図（Ｄ）に示される
ようになり、これを、同期増幅器36によって増幅し、信
号処理装置44によって、第５図に示されるような電気信
号波形を得ることができる。ここで、被測定電気信号発生装置28からの電気信号自
体がチョップされることなく、掃引信号のパルス変調に
よってチョップと同様の効果を受けているので、被測定
電気信号が歪むことがなく、正確な測定を行うことがで
きる。なお、前記パルス光源駆動装置42によるパルス光点燈
タイミングは、第２のタイミングの変化量が単位時間当
り一定になるものとする。上記実施例は、被測定電気信号発生装置28が、トリガ
信号発生装置38からのトリガ信号に同期するようにされ
ているが、第６図に示される第２実施例のように、トリ
ガ信号発生装置38が被測定電気信号発生装置28に同期す
るように構成してもよい。又、前記パルス光源駆動装置42は、第７図に示される
第３実施例のように、同期パルス発生装置46、参照信号
発生装置48及びタイミング変調回路50から構成すように
してもよい。前記タイミング変調回路50は、同期パルス発生装置46
からのパルス信号に対して、参照信号発生装置48からの
参照信号に基づき、入力電圧によってタイミングを変更
できるようにしたものである。ここで、前記参照信号発生装置48からは、前記同期増
幅器36に対して参照信号が出力される。前記参照信号発生装置48とタイミング変調回路50の具
体的な構成は、例えば第８図に示されるように、入力電
圧によって回転速度を調整できる高速回転型ロータリー
スイッチ52と、その回転接触子52Aに対する４個の固定
接触子53A〜53Dのうち、53A及び53Cに接続される短いケ
ーブル54と、固定接触子53B及び53Dに接続される長いケ
ーブル（遅延線）56とを含んで構成されている。この実施例の場合、回転接触子52Aが固定接触子53Aま
たは53Cに接触しているときは、タイミング変調がな
く、即ち、前記第１実施例における第１のタイミングを
形成し、又、固定接触子53Bまたは53Dに接触していると
きは、遅延線である長いケーブル54の作用により、第２
のタイミングを形成するものである。なお上記実施例は、パルス光源駆動装置42により、掃
引信号を出力しない第１のタイミング及びこれに対して
任意に時間をずらして掃引信号を出力する第２のタイミ
グをとるようにしているが、本発明はこれに限定される
ものでなく、例えば、被測定電気信号の全波形が必要が
ないような場合は、第１のタイミングに対して第２のタ
イミングが変化しないようにしてもよい。又、第１のタイミングのときと、第２のタイミングの
ときの、掃引信号の出力値の差が一定となるようにして
もよい。即ち、第９図に示されるように、パルス変調された掃
引信号において第１のタイミング及び第２のタイミング
をタイミング間隔を一定にしたまま共に順次変更するよ
うにしてもよく、この場合は、第１と第２のタイミング
におけるサンプリング点の電位差を順次計測できる。この場合は、更に、第１と第２のタイミング差を光パ
ルス幅程度と短くすると、同期増幅器36の出力信号から
被測定電気信号の微分波形を得られるので信号処理装置
44に積分回路を追加することによって被測定電気信号波
形を容易に得ることができる。又、第15図のように階段状にタイミングを変化させ
て、1/t₀の周波数の信号成分を狭帯域増幅するようにし
てもよい。

【発明の効果】

本発明は上記のように構成したので、電気チョッパ等
により被測定電気信号をチョッピングすることなく、パ
ルス光源の掃引信号の処理によって実質的にチョッピン
グと同一の効果を得ることができ、従って、被測定電気
信号のチョッピングによる波形歪みを防止して、正確な
測定を行うことができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧検出装置の第１実施例を示す
ブロック図、第２図は同実施例装置における被測定電気
信号波形と、レーザパルス光の状態を示す線図、第３図
はレーザパルス発光源に加えられる掃引信号の状態を示
す線図、第４図は各サンプリング点における被測定電気
信号、偏光子入射光、検光子出射光及び光検出器出力を
比較して示す線図、第５図は信号処理装置によって得ら
れた被測定電気信号波形を示す線図、第６図は本発明の
第２実施例を示すブロック図、第７図は本発明の第３実
施例の要部を示すブロック図、第８図は同第３実施例に
おけるタイミング変調回路及び参照信号発生装置の具体
例を示す回路図、第９図はパルス光源駆動装置から出力
される掃引信号の波形を示す線図、第10図は従来の電圧
検出装置を示すブロック図、第11図は同従来の電圧検出
装置における被測定電気信号とレーザパルス光の状態を
示す線図、第12図は同従来のパルス光源駆動装置におけ
る掃引信号を示す線図、第13図は同従来の電圧検出装置
における被測定電気信号、偏光子入射光、検光子出射光
及び光検出器出力を各サンプリング点で示す線図、第14
図は同従来の電圧検出装置における信号処理装置によっ
て得られた被測定電気信号波形を示す線図、第15図はタ
イミングの変形例を示す線図である。 20……電圧検出装置、22……偏光子、24……電気光学材
料、26……検光子、28……被測定電気信号発生装置、30
……光変調器、32……レーザダイオード、34……光検出
器、36……同期増幅器、38……トリガ信号発生装置、42
……パルス光源駆動装置、44……信号処理装置、46……
同期パルス発生装置、48……参照信号発生装置、50……
タイミング変調回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定電気信号の電圧変化に対応して屈折
率が変化する電気光学材料を用いて接触あるいは非接触
で測定する電圧検出装置において、パルス光を発生する
パルス光源と、前記電気光学材料と偏光子と検光子とか
らなる光変調器と、光変調器への光入射手段と、この光
変調器からの光出射手段と、光出射手段から出射された
パルス光を受光して電気信号に変換する光検出器と、こ
の光検出器の出力信号を増幅する同期増幅器と、前記パ
ルス光源を、前記被測定電気信号と同期してパルス点燈
させると共に、その点燈タイミングを、前記同期増幅器
と同期して変調させるパルス光源駆動装置と、を設けて
なる電圧検出装置。
【請求項２】請求項１において、前記パルス光源駆動装
置は、前記パルス光源を、前記被測定電気信号の繰返し
周波数と同一、整数倍、又は、整数分の１の繰返し周波
数で点燈すると共に、点燈タイミングを、基準となる第
１のタイミング及びこの第１のタイミングに対してタイ
ミングをずらした第２のタイミングにとり、且つ、前記
同期増幅器の同期周波数で、前記第１及び第２の点燈タ
イミングを交互にスイッチングすることを特徴とする電
圧検出装置。
【請求項３】請求項２において、前記パルス光源駆動装
置は、前記第２の点燈タイミングを、基準となる第１の
点燈タイミングに対して、順次ずらしていくようにされ
たことを特徴とする電圧検出装置。
【請求項４】請求項２において、前記パルス光源駆動装
置は、前記第１と第２の点燈タイミングの間隔が一定の
まま両者のタイミングが前記被測定電気信号に対して順
次変更されるように構成されたことを特徴とする電圧検
出装置。
【請求項５】請求項２、３又は４において、前記パルス
光源駆動装置は、第１のタイミングと第２のタイミング
の一方又は両方のタイミング変化量が単位時間当り一定
となるように構成されたことを特徴とする電圧検出装
置。
【請求項６】請求項４において、前記パルス光源駆動装
置を、前記第１と第２のタイミングの間隔が、前記パル
ス信号のパルス幅程度となるようにすることにより前記
同期増幅器の出力信号を用いて被測定電気信号の微分波
形を得るようにしたことを特徴とする電圧検出装置。
【請求項７】請求項６において、前記信号処理装置は、
前記同期増幅器の出力を順次加算あるいは積分する加算
回路あるいは積分回路を備えたことを特徴とする電圧検
出装置。
【請求項８】請求項１乃至７のうちのいずれかにおい
て、前記パルス光源は、レーザダイオードであることを
特徴とする電圧検出装置。
【請求項９】請求項１乃至８のうちのいずれかにおい
て、前記パルス光源駆動装置は、入力電圧に比例して、
パルス光源点燈のタイミングを変化させることができる
タイミング制御装置を備えてなることを特徴とした電圧
検出装置。