KR100243779B1

KR100243779B1 - 전계센서

Info

Publication number: KR100243779B1
Application number: KR1019950700891A
Authority: KR
Inventors: 곤도미찌카즈
Original assignee: 마쯔무라 토미히로; 도낀 가부시끼가이샤
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 2000-02-01
Also published as: CA2144080C; EP0664460B1; KR950703154A; CN1111916A; CN1052070C; DE69427219T2; CA2144080A1; EP0664460A4; EP0664460A1; WO1995002194A1; DE69427219D1; US5781003A

Abstract

인가된 전계의 강도에 의존하여, 투과하는 광파의 강도가 변화하는 구성의 센서헤드(100)와, 광원(1)으로 부터의 광파를 센서헤드(100)로 인도하여 입사시키는 광파이버(8)와, 센서헤드(100)를 투과한 광파를 광전변환기(10)로 인도하여 입사시키는 광파이버(9)와, 광전변환기(10)로 부터의 전기신호를 계측하여 표시하는 계측기(11)를 가지는 전계센서를 이용하여, 센서헤드(100)를 전자노이즈 또는 누설파 발생원에 접촉시키지 않고 그 근방에 설치함으로써 전자노이즈 또는 전자 누설파를 광강도변화로서 검출한다.

Description

[발명의 명칭]

전계센서

[기술분야]

본 발명은, 전자노이즈 또는 전자누설파의 검출이나 고전압장치가 발생시키고 있는 전계의 검출에 이용되는 전계센서에 관한 것이다.

[배경기술]

전자공학분야중에서도, 특히 컴퓨터기기나 디지털 기기의 발전은 전자누설파나 전자노이즈의 범람을 초래하였고, 이것은 사회적인 문제가 되었다. 따라서, 전자노이즈의 억제와 더불어 고도의 검출·측정기술이 요망되고 있다.

또, 고압가속기나 고압플라즈마 발생장치의 진공장치내의 전계를 검출하는 방법이 없이 소형센서의 출현이 기대되어 왔다. 또한, 전자렌지 내부의 전계분포에 대해서도, 이것을 직접 측정할 방법이 없어, 수분을 포함한 물질이 마이크로파를 흡수하여 온도가 상승하는 현상으로부터 간접적으로 측정하는 방법에 의존해왔다. 예컨대, 전력설비에 있어서, 송전선을 포함한 시설의 보수 및 상태 감시에는 전계검출이 필수적이다.

종래에는 전자노이즈 또는 전자누설파의 검출방법으로서, 측정대상물 표면에 전기광학결정(EO 결정)을 근접시켜 그 전계를 전기광학효과에 의해 광강도로 변환시켜 검출하는 방법이 알려져 있다. 이 전기광학효과를 이용한 표면전계 검출방법은, 회로소자의 미소한 표면의 전압이나 노이즈 파형을 접촉에 의하지 않고 측정하는 것을 특징으로 한다.

제1도에 전기광학효과를 이용한 표면전계 검출방법을 도시하였다. 반도체 레이저(50)로부터의 출사광(51)을 렌즈(52)를 통해 평행광으로 만든후, 편광 프리즘(53) 및 반파장판(54)을 통과시키고 거울(55)에서 반사시켜 렌즈(56)에 의해 (측정대상물인) 피측정회로(58) 가까이에 놓여진 전기광학결정(57)에 입사시킨다. 상기 결정에 피측정회로(58)로부터 인가된 전계에 의해 입사광의 편광상태가 변화하는데, 그 변화된 분량이 편광프리즘(53)에서 분리되고 광검출기(59)에 의해 검출되어 표시기(60)에 표시된다.

통상적으로, 상기 광학시스템은 기계적인 불안전성을 제거하기 위해 현미경에 조합되는데, 측정가능한 피측정회로(58)는 웨이퍼나 칩 등의 편평한 기판상의 회로이다. 이 방법에서는, 편광프리즘 등으로 구성되는 광학시스템이 대형이고, 광빔을 공간전파시켜 피측정회로(58)까지 인도하는 조작이 필요하므로, 전자 부품이나 기기를 탑재한 장치의 내부와 같이 협소한 장소에서의 측정은 곤란하다.

제2도는, 종래의 전계검출에 사용하던 광전압센서의 구성을 도식적으로 도시한 것이다. BGO(비스무트·게르마늄·옥사이드 : Bi₁₂GeO₂₀) 결정 등의 전기광학결정에 전계를 인가할 때, 굴절율은 인가한 전계의 강도에 비례하여 변화한다. 이러한 성질(포켈스 효과 : Pockels effect)이 전계검출에 응용된다. 즉, 고전압 도체의 전압을 분압하여 BGO 결정(21)의 전극(25)에 인가하고, 편광자(22)를 통과한 광의 편광상태가 이 결정(21)의 내부에서 변환된다. 편광상태가 변환된 광은, 파장판(24)을 통해 검광자(23)에 입사되고, 검광자(23)에 의해 강도가 변조된 투과광은 광전변환기(도시생략)에 의해 전기신호로 변환되어 검출된다. 이러한 방식은, 멀리 떨어진 곳의 송신시설에 부설하여, 광파이버를 구사함으로써 지락(地絡), 단락, 단선 및 벼락이 떨어지는 등의 사고를 검출하는 상태감시에 이용되어 왔다.

그러나, 이와 같은 포켈스 효과를 응용한 전계검출에는, 다음과 같은 결점이 있다. 즉, 전기광학결정에 전계를 인가하는 전압은, 분압되어 있다고는 하지만 실용적으로는 500 볼트 이상의 높은 전압이 필요하기 때문에, 안전확보면에서 특별한 조치를 요한다.

따라서, 본 발명의 목적은 소형의 전계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 협소한 장소에서의 전계나 노이즈의 검출을 가능하게 한 전계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 측정시스템 자체가 노이즈를 발생시키거나, 센서 이외의 구성체가 다른 노이즈를 포착하지 않는 전계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 측정시스템의 존재가 피측정시스템에 영향을 미치지 않는 전계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 회로소자 표면의 전계를 접촉에 의하지 않고 측정할 수 있는 전계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 특별한 목적은, 고전압장치를 접촉하지 않고도 상기 고전압 장치가 발생시키는 전계의 검출을 가능하게 하고, 보다 안전하고 설치가 용이한 전계센서를 제공하는데 있다.

[발명의 개시]

본 발명의 제 1 실시예에 의하며, 인가된 전계의 강도에 따라, 투과하는 광파의 강도가 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 이 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전변환기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정 대상물에 비접촉상태로 설치하고, 상기 측정대상물에 의해 인가된 전계를 광강도 변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 전계센서를 얻을 수가 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 광도파로의 일단면에 입사된 입사광이 상기 광도파로의 타단면에서 반사되어 상기 일단면으로부터 출사광으로서 출사하는 구조를 가지며, 상기 출사광의 강도가 인가전계의 강도에 의존하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 광파이버와 ; 입력광파를 전기신호로 변환시키는 광전변환기와 ; 상기 광원으로부터의 광파를 광파이버로 인도하여 센서헤드에 입사광으로서 부여함과 동시에, 상기 광파이버를 통해 받은 센서헤드로부터의 출사광을 광전변환기에 입력광파로서 부여하는 서큘레이터를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하고, 상기 측정대상물에 의해 인가된 전계를 광강도변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 전계센서를 얻을 수가 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 종래의 전자노이즈 또는 전자누출파의 검출방법을 실시하기 위한 장치의 블록도.

제2도는 종래의 광전압센서를 도식적으로 도시한 도면.

제3도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 전계센서의 블록도.

제4도는 제1도에 도시한 전계센서의 센서헤드를 확대하여 도시하고, 입력광 및 출력광의 변화를 함께 도시한 도면.

제5도는 제1도에 도시한 전계센서를 가솔린엔진을 탑재한 자동차가 방사하는 노이즈의 측정에 적용시킨 예를 도시한 도면.

제6도는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 전계센서의 블록도.

제7도는 제3도에 도시한 전계센서의 센서헤드 대신에 이용할 수 있는 센서헤드를 도시한 것으로서, 입력광 및 출력광의 변화를 함께 도시한 도면.

제8도는 제7도에 도시한 센서헤드 대신에 이용할 수 있는 센서헤드를 도시한 것으로서, 입력광 및 출력광의 변화를 함께 도시한 도면.

제9도는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 전계센서의 블록도.

제10도는 제4도에 도시한 센서헤드의 특성을 나타낸 도면.

제11도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 센서헤드를 도시한 도면.

제12도는 제11도에 도시한 센서헤드의 특성을 도시한 도면.

제13도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 다른 센서헤드를 도시한 도면.

제14도는 제13도에 도시한 센서헤드의 특성을 도시한 도면.

제15도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 또다른 센서헤드를 도시한 도면.

제16도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 또다른 센서헤드를 도시한 도면.

제17도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 또다른 센서헤드를 도시한 도면.

제18도는 제4도에 도시한 센서헤드 대신에 이용되는 또다른 센서헤드를 도시한 도면.

[발명을 실시하기 위한 형태]

이하에서는, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세히 설명한다.

제 3도 및 제 4도를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 전계센서는 센서헤드(100)를 가진다. 센서헤드(100)에서는 전기광학결정인 니오브 산리튬 결정기판(2)에 광도파로가 구축된다. 이 광도파로의 근방에는 전극(3)이 형성되어 있다. 전극(3)은 센서헤드(100)와 일체로 된 안테나(4)에 접속되어 있다. 반도체 레이저(1)로부터의 레이저광은 광파이버(8)에 의해 센서헤드(100)의 입사광도파로(5)로 유입된다. 센서헤드(100)의 출력은 광파이버(9)를 통해 광전변환기(10)로 전송된다. 센서헤드(100)의 출력은 광전변환기(10)에서 전기신호로 변환된다. 이 전기신호는 와이어케이블(12)을 통해 계측기(11)에 부여된다. 계측기(11)는 전기신호에 응답하여 노이즈의 계측 및 표시를 행한다.

더욱 상세히 설명하면, 센서헤드(100)는 입사광도파로(5)로부터 일단 2개의 위상시프트 광도파로(6)로 분기된 다음, 다시 결합한 광도파로와 이들 위상시프트 광도파로(6)의 근방에 설치한 전극(3)에 접속된 안테나(4)로 구성된다. 안테나(4)에 포착된 노이즈는 위상시프트 광도파로(6)에 전계를 발생시키고, 국부적으로 굴절률의 변화를 초래하기 때문에, 2개의 위상시프트 광도파로(6)간에 전파되는 광파에 위상차를 발생시키고, 출사광도파로(7)의 출력단에서 광강도의 변화로서 검출된다. 이와 같이 위상시프트 광도파로(6)는 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절율이 변화한다.

센서헤드(100)의 전계검출감도는 안테나(4)의 길이가 짧을수록 저하되나, 안테나 길이가 14㎜일 때의 최소 감도는 1mV/m이며, 10V/m 이상의 전계도 측정이 가능하였다. 또, 안테나의 길이를 짧게 한 경우는, 감도는 저하되나 높은 전계의 측정이 가능해진다.

제 5도를 참조하면, 제 1도의 전계센서를 가솔린엔진을 탑재한 자동차가 방사하는 노이즈의 측정이 적용한 예가 도시되어 있다. 반도체 레이저(1)로 이루어진 레이저 광원에 접속된 광파이버(8)의 앞단에 센서헤드(100)가 접속되고, 센서헤드(100)로부터의 출사광은 광파이버(9)에 의해 광전변환기(광검출기)(10)에 접속되고, 계측기(측정기)(11)에 의해 검출된 노이즈파형이 표시된다. 엔진룸내 및 마이크로 컴퓨터가 탑재된 제어유니트내에서의 노이즈레벨을 각각 측정하여, 그 전자파 노이즈의 파형을 충실하게 검출할 수 있음을 확인하였다.

또, 전기광학결정인 탄탈산리튬 결정기판에 공도파로를 구축한 센서헤드를 함께 사용한 결과, 전계강도의 검출감도는 니오브산리튬 결정기판상에 구성한 센서헤드의 경우와 동등하였다.

제 6도를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 전계센서는 센서헤드(100')를 가진다. 본 실시예에서는 센서헤드(100')가 반사형이고, 위상시프트 광도파로(6)의 단면에는 전반사막(35)이 구비되어 있다. 입사광 및 반사광에 의한 출력은 1개의 편파유지 광파이버(30)에 의해 전송되고, 분기반사형 광도파로(60') 근방에 형성된 전극(3)이 안테나의 역할을 겸하였다. 서큘레이터(31)는, 반도체 레이저(1)로 이루어진 레이저광원으로부터의 광을 광파이버(30)로 인도하여, 센서헤드(100')에 입사광으로서 부여함과 동시에, 광파이버(33)를 통해 받은 센서헤드(100')로부터의 출사광을 광전변환기(10)에 부여한다. 이와 같이 서큘레이터(31)는 광방향 분리기로서 작용한다. 또한, 서큘레이터(31) 대신에 광방향성 결합기가 광방향 분리기로서 이용되어도 좋다. (25)는 렌즈이다. 본 실시예에서 설명한 센서헤드(100')의 사이즈는 3×25×0.2㎜였다.

상기와 같이 구성된 전계센서를, 회로기판을 실제로 장치하여 가동하고 잇는 장치내의 노이즈측정에 적용하였다. 전기회로가 구성된 다수의 프린트기판 사이에 센서헤드(100')를 삽입하고, 기판 사이의 좁은 공간의 전계 및 노이즈를 측정하여 그 유용성을 확인하였다.

제 6도에 도시한 장치의 구성을 토대로 하여 프린트기판상에 구성된 전기회로의 신호선과 어스간에 인가되는 누설전계의 신호파형을, 본 발명의 센서헤드(100')에 의해 접촉에 의하지 않고 검출하였다. 본 센서헤드(100')에서는 측정주파수가 DC로부터 수 ㎓ 정도까지 평탄한 감도특성을 가지므로, 그 대역내의 신호파형을 충실히 재현할 수가 있다. 또, 통상적인 프린트기판상의 신호선 또는 전기부품과 어스선간의 거리는 수 ㎜이하이므로 프린트 기판 표면의 미소한 영역의 전계강도는 0.1V/m~10kV/m가 되어, 안테나를 전극으로 겸한 실제로 효과를 가지는 안테나의 길이가 짧은 프루브라 하더라도 충분히 검출이 가능하다. 제 4도에 도시한 센서헤드(100)를 이용한 경우도 마찬가지로, 프린트기판상에 구성된 전기회로의 신호선과 어스간에 인가되는 누설전계의 신호파형을 접촉에 의하지 않고 검출할 수가 있다.

제 7도를 참조하면, 제 3도에 도시한 전계센서의 센서헤드(100) 대신에 이용할 수 있는 센서헤드(200)를 도시하고 있다. 추가적으로, 이 센서헤드(200)를 고전압이 인가되고 있는 고전압장치의 근방이나 혹은 내부에 비접촉상태로 설치함으로써, 고전압장치가 발생시키고 있는 전계를 광강도의 변화로서 검출할 때의 센서헤드(200)의 입력광 및 출력광의 변화가 함께 표시되어 있다. 이 센서헤드(200)는, 전기광학결정인 니오브산리튬 결정기판(2)에 구축된 분기간섭형 광도파로(60)를 가진다. 이 분기간섭형 광도파로(60)는, 광파이버(8)로부터 입사된 광을 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)에서 분기한 다음, 다시 결합시켜 광파이버(9)로 출사하는 것이다. 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)상에는 각각 전극(3)이 형성되어 있다. 혹은, 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)의 근방에 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)를 따라 각각 전극(3)이 형성 되어도 좋다. 고전압장치(도시 생략)가 발생시킨 전계는, 상기 고전압장치의 근방 또는 내부에 비접촉상태로 설치한 센서헤드(200)의 전극(3)에 인가되어, 국부적으로 굴절률의 변화가 생기는데, 그 결과 2개의 위상시프트 광도파로(6)를 따라 전파되는 광 사이에 위상차가 발생하여 분기간섭형 광도파로(60)의 출력단에 광강도의 변화로서 검출된다.

또, 전기광학결정인 탄탈산리튬 결정기판에 제 7도와 같은 분기간섭형 광도파로(6)를 구축한 센서헤드를 사용하여 동일하게 구성한 경우도, 제 7도에서와 같은 효과가 얻어졌다.

제 8도는, 제 7도의 센서헤드(200) 대신에 이용되는 다른 센서헤드(200')를 도시하고 있다. 이 센서헤드(200')는 강유전체 결정인 니오브산리튬 결정기판(2)상에 제 7도와 동일한 분기간섭형 광도파로(60)가 구축되어 있다. 단, 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)중 한쪽이 형성되어 있는 부분(40)만 결정의 분극방향이 다른 부분에 대해 180°반전되어 있다. 이때, 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)중 한쪽이 형성되어 있는 부분의 적어도 일부의 분극방향이 기판(2)의 다른 부분의 분극방향에 대해 실질적으로 반대방향이면 된다. 또한, 본 센서헤드(200')에서는, 제 7도에서의 전극(3)이 불필요하다. 본 센서헤드(200')에 전계가 인가되면 국부적으로 굴절률이 변화되는데, 그 결과 2개의 위상시프트 광도파로(6)를 따라 전파되는 광 사이에 위상차가 생겨, 분기간섭형 광도파로(60)의 출력단에서 광강도의 변화로서 검출된다.

또, 강유전체 결정인 탄탈산리튬 결정기판상에 제 8도와 동일한 센서 헤드를 구성하더라도, 제 8도의 경우와 동일한 효과가 얻어진다.

제 9도를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 의한 전계센서는, 제 6도의 전계센서에 있어서의 센서헤드(100') 대신에 다른 센서헤드(300)를 사용한 점을 제외하면 제 6도의 전계센서와 동일하다. 상기 센서헤드(300)는 반사형으로서, 강유전체 결정인 니오브산리튬 결정기판(2)상에 제6도와 동일한 분기반사형 광도파로(60')가 구축된다. 단, 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)중 한쪽이 형성되어 있는 부분(40)만 결정의 분극방향이 다른 부분에 대해 180°반전되어 있다. 이때, 2개의 위상시프트 광도파로(즉, 분기광도파로)(6)중 한쪽이 형성되어 있는 부분의 적어도 일부의 분극방향이 기판(2)의 다른 부분의 분극방향에 대해 실질적으로 반대방향이면 된다. 본 센서헤드(300)에서는, 제 6도의 전극(3)이 불필요하다. 본 센서헤드(300)에 전계가 인가되면, 국부적으로 굴절률이 변화되는데, 그 결과 2개의 위상시프트 광도파로(6)를 따라 전파되는 광 사이에 위상차가 생겨, 분기간섭형 광도파로(60')의 출력단에서 광강도의 변화로서 검출된다.

또한, 강유전체 결정인 탄탈산리튬 결정기판상에 제 9도와 동일한 센서 헤드를 구성하여도, 제 9도의 경우와 동일한 효과가 얻어진다.

여기서, 제 4도에 도시한 센서헤드(100)의 광출력 특성에 대하여 설명한다. 이 센서헤드(100)는 C축에 수직으로 잘라낸 니오브산리튬 결정의 기판(2)과, 이 기판(2)상에 티탄을 확산시켜 입사광도파로(5) 및 이 입사광도파로(5)로부터 분기된 위상시프트 광도파로(6)와, 이들 위상시프트 광도파로(6)가 합류하여 결합된 출사광도파로(7)를 가지고 있다. 입사광도파로(5)의 입사단에는 광파이버(8)가 결합되고, 출사광도파로(7)의 출사단에는 광파이버(9)가 접속되어 있다.

또, 위상시프트 광도파로(6)상에는 1쌍의 전극(3)이 설치되고, 이들 전극(3)은 로드안테나(4)에 접속되어 있다. 광파이버(8)로부터의 입사광은 입사광도파로(5)에 입사된 후, 위상시프트 광도파로(6)로 에너지가 분할된다. 전계가 인가된 경우, 로드 안테나(4)에 의해 전극(3)에 전압이 유도되어 위상 시프트 광도파로(6)에는 깊이방향으로 서로 반대방향인 전계성분이 발생된다. 그 결과, 전기광학효과에 의해 굴절율이 변화되어 양쪽 위상시프트 광도파로(6)를 따라 전파되는 광파간에는 인가전계의 크기에 따른 위상차가 생기는데, 이들이 합류되어 출사광도파로(7)에 결합될 경우, 간섭에 의해 광강도가 변화한다. 즉, 인가전계강도에 따라 광파이버(9)로 출사하는 출사광의 강도가 변화하게 되고, 강도의 변화를 측정함으로써 인가전계의 강도를 측정할 수가 있다.

전계센서헤드(100)의 광출력 특성의 일례를 제 10도의 곡선 A로 나타낸다. 전계가 인가되지 않을 때의 광출력치(바이어스점)는 피크와 골의 중간점이 가장 바람직하다. 2개의 위상시프트 광도파로를 이상적으로 대칭되게 제작하였을 때에는 이들의 위상은 같고, 따라서 광동작점은 광출력 특성 곡선의 피크에 위치하며, 전계센서로서는 동작하지 않는다. 통상적으로, 전계센서헤드의 바이어스점은, 제작시에 발생하는 2개의 위상시프트 광도파로의 비대칭성에 의한 광파의 위상차로 결정된다. 이것은 제작오차나 제작과정 조건에 의존한다.

이하에서 설명하는 센서헤드는, 바이어스점이 항상 피크와 골의 중간점이 되고, 제작오차나 제작프로세스조건의 영향을 거의 받지 않으며, 항상 감도를 일정하게 한 것이다.

제 11도를 참조하면, 센서헤드는 기판(2)과, 기판(2)상에 형성되어 광파이버(8)에 접속된 입사광도파로(5)와, 기판(2)상에 형성되어 입사광도파로(5)로부터 분기된 적어도 2개 이상의 분기광도파로(6)와, 이들 분기광도파로(6)의 분기부 근방에 설치된 적어도 1쌍의 분극(3)을 가지며, 분기광도파로(6)의 적어도 하나의 출사단에 광파이버(9)가 접속되어 있다.

분기광도파로(6)는 니오브산리튬 결정으로 이루어진 기판(X판)(2)상에 Y자형으로 대칭되게 분기하여 형성되어 있다. 광의 흡수를 막기 위한 완충층으로서 이산화규소(SiO₂) 막으로 분기광도파로(6)의 표면전체를 코팅한 다음, 분기광도파로(6)의 분기부 근방에 1쌍의 전극(3)이 형성되어 있다. 이들 전극(3)은 기판(2)의 외부의 로드안테나(4)에 접속되어 있다.

상기 센서헤드에 전계가 인가됨으로써, 분기광도파로(6)의 분기부 부근에 위치한 2개의 분기광도파로(6)의 한쪽에서는 굴절률이 증가하고, 다른 쪽에서는 감소하게 된다. 그 결과, 센서헤드의 출력특성은 제 12도의 곡선 B 및 C로 나타낸 바와 같이 된다. 즉, 인가하는 전계강도의 변화에 대응하여, 한쪽 광파이버(9)로 출사되는 광의 강도는 한결같이 증가하고, 다른 쪽 광파이버로 출사되는 광의 강도는 그와 대칭되게 감소하며, 인가전계강도가 '0'일때, 모든 출사광의 강도는 그 최대치의 ½이 된다.

또한, 본 실시예에 있어서, 광파이버(9)는 한쪽만으로 족하고, 전계강도가 높은 경우에는 로드안테나(4)가 불필요하며, 기판(2) 표면에 형성한 전극(4) 자체에 의해 전계를 검출할 수가 있다.

제 13도를 참조하면, 센서헤드는 제 11도와 동일한 참조번호로 표시한 동일부분을 구비하고 있다. 이 센서헤드는 기판(2)상에 형성되어 입사광도파로(5)로부터 분기됨과 동시에 일정한 길이에 걸쳐 서로 근접하게 배치된 2개의 분기 광도파로(6)와, 이들 분기광도파로(6)의 근방에 설치된 1쌍의 전극(3)을 가진다.

상기 센서헤드에 전계가 인가됨으로써, 2개의 분기광도파로(6)의 한쪽에서는 굴절률이 증가하고, 다른 쪽에서는 감소하게 된다. 그 결과, 분기된 입사광은 전계 강도의 변화에 대응하여 위상이 달라지므로 광도파로 상호간에 광파의 이행이 이루어져, 제 14도의 곡선 D 및 E로 나타낸 바와 같이 상호 대칭된 특성의 출력이 된다. 인가전계강도가 '0'인 경우는, 2개의 광파이버(9)의 출력광의 강도는 동일하며, 최대치의 ½이 된다.

또한, 광파이버(9)는 필요에 따라 하나만으로도 족하고, 전계강도가 낮은 경우에는 로드안테나(4)를 전극(3)에 접속시킴으로써 보충할 수가 있다.

제 15도를 참조하면, 센서헤드는 제 11도와 동일한 참조번호로 표시된 동일부분을 구비하고 있다. 이 센서헤드는 분기광도파로(6)의 분기부의 적어도 일부의 근방에 설치되어 전계를 차폐하는 전계차폐부재(90)를 가지고 있다. 전계차폐부재(90)는 도전물질 또는 전파흡수물질 등으로 구성된다.

분기광도파로(6)상에 배치된 전계차폐부재(90)에 의해 전계가 차폐되고, 다른 한쪽의 광도파로(6)에서는 인가전계에 의존하여 굴절률이 변화하는데, 그 결과 전계센서의 출력특성은 제 11도의 센서헤드의 경우에서처럼, 제 12도에 도시한 바와 같이 된다. 전계가 인가되지 않을 때에는, 2개의 광파이버(9)의 출사광강도는 동일하며, 그 값은 최대의 ½이 된다. 상기 센서헤드는 구조가 간단하고, 고전계에서도 방전에 의해 전계차폐부재(90)가 파괴되지 않는다는 이점이 있다.

제 16도를 참조하면, 센서헤드는 제 15도와 동일한 참조번호로 나타낸 동일부분을 구비하고 있다. 이 센서헤드는 분기광도파로(6)의 일부의 근방에 설치되어 전계를 차폐하는 전계차폐부재(90)를 가지고 있다.

상기 센서헤드에서는, 전계차폐부재(90)가 존재하는 범위에서는 전계가 차폐되고, 다른 한쪽의 분기광도파로(6)에서는 인가전계에 의존하여 굴절률이 변화한다. 그 결과, 인가하는 전계강도의 변화에 대응하여 분기광도파로(6) 상호간에 광파가 이행되어, 2개의 광도파로로부터 출사되는 광강도는 제 13도에 도시한 센서헤드의 경우와 동일하고, 제 14도에 도시한 특성과 동일한 특성이 얻어진다. 전계가 인가되지 않을 때에는, 2개의 출력파이버의 광강도가 동일하며, 그 값은 최대치의 ½이 된다. 이 전계센서도 제 15도의 예와 같이 구조가 간단하고, 고전계에서도 방전에 의해 전계차폐부재(90)가 파괴되지 않는다는 이점이 있다.

제 17도를 참조하면, 센서헤드는 제 11도와 동일한 참조번호로 표시한 동일부분을 구비하고 있다. 이 센서헤드는 기판(2)이 강유전체 결정으로 이루어지고, 분기광도파로(6)의 분기부에 분극방향이 주위와는 다른 분극반전부분(95)을 가지고 있다.

상기 센서헤드에 있어서, 분극반전부분(95)을 가지는 한쪽 분기광도파로(6)는 다른 쪽 분기광도파로(6)와 전계가 인가될 때의 굴절률 변화의 부호가 반대가 된다. 그 결과, 센서헤드의 출력특성은 제 12도에 도시한 바와 같이 된다. 즉, 인가하는 전계강도의 변화에 대응하여, 한쪽 광파이버(9)에 출사되는 광강도는 한결같이 증가하고, 다른 쪽 출사광파이버(9)에 출사되는 광강도는 이와 대칭되게 감소하며, 인가전계강도가 '0'일 때는, 모든 광출력은 그 최대치의 ½이 된다. 상기 센서헤드는 비금속으로 구성되므로, 센서 헤드 자체가 전계를 혼란시키는 일이 없고, 또 고내압이라는 이점이 있다.

제 18도를 참조하면, 센서헤드는 제 17도와 동일한 참조번호로 표시한 동일부분을 구비하고 있다. 이 센서헤드는 기판(2)이 강유전체 결정으로 이루어지고, 분기광도파로(6)의 일부에 분극방향이 주위와는 다른 분극반전부분(95)을 가지고 있다.

상기 센서헤드에 있어서, 분극반전부분(95)을 가지는 한쪽 분기광도파로(6)는 다른 쪽 분기광도파로(6)에 대해 전계가 인가될 때 굴절률 변화의 부호가 반대가 된다. 그 결과, 센서헤드의 출력특성은 제 14도에 도시한 바와 같이 된다. 즉, 인가하는 전계강도의 변화에 대응하여 한쪽 광파이버(9)에 출사되는 광강도는 한결같이 증가하고, 다른 쪽 출사광파이버(9)에 출사되는 광강도는 이와 대칭되게 감소하며, 인가전계강도가 '0'일 때는, 광출력은 모두 최대치의 ½이 된다. 상기 센서헤드(1)는 제 17도의 센서헤드와 마찬가지로 모두 비금속으로 구성되므로, 센서헤드 자체가 전계를 혼란시키는 일이 없고, 또 고내압이라는 이점이 있다.

[발명의 효과]

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소형이며 협소한 장소에서의 전계나 노이즈의 검출이 가능한 전계센서를 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 측정시스템의 존재가 피측정 시스템에 영향을 미치지 않는 전계센서를 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 회로소자 표면의 전계를 접촉에 의하지 않고 측정할 수 있는 전계센서를 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 고전압장치를 접촉하지 않고도 이 고전압장치가 발생시키는 전계의 검출이 가능하며, 보다 안전하고 설치가 용이한 전계센서를 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 반드시 바이어스점을 피크와 골의 중간점에 가지므로, 제작오차나 제작과정 조건의 영향을 거의 받지 않고, 항상 감도가 일정한 전계센서를 얻을 수가 있다.

Claims

투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 배열되어, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 및 제 2 분기광도파로를 가지며, 상기 제 1 광파이버로부터 입사된 상기 광파를 상기 제 1 및 제 2 분기광도파로에서 분기한 다음, 다시 결합시켜 상기 제 2 광파이버에 출사하는 분기간섭형 광도파로와 ; 상기 분기간섭형 광도파로의 상기 제 1 및 제 2 분기광도파로상이나 또는 그 근방에 각각 설치된 제 1 및 제 2 전극을 가지며, 상기 분기간섭형 광도파로의 출사광의 광도가 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
제1항에 있어서, 상기 센서헤드는 상기 제 1 및 제 2 전극만을 금속부분으로 하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 배열되어, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 및 제 2 분기광도파로를 가지고, 상기 제 1 광파이버로부터 입사된 상기 광파를 상기 제 1 및 제 2 분기광도파로에서 분기한 다음, 다시 결합시켜 상기 제 2 광파이버에 출사하는 분기간섭형 광도파로를 가지며, 상기 기판으로서 강유전체 결정을 이용하고, 상기 제 1 및 제 2 분기광도파로중 한쪽이 형성되어 있는 부분의 적어도 일부의 분극방향이 상기 기판의 다른 부분의 분극방향에 대해 반대방향인 것을 특징으로 하는 전계 센서.
투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 제 1 광파이버에 접속된 입사광도파로와, 상기 기판상에 형성되어 상기 입사광도파로로부터 분기되어, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 적어도 2개의 분기광도파로와 ; 상기 분기광도파로의 분기부 근방에 설치된 적어도 1쌍의 전극을 가지며, 상기 분기광도파로의 적어도 하나의 출사단에 상기 제 2 광파이버가 접속되는 것을 특징으로 하는 전계센서.
투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 제 1 광파이버에 접속된 입사광도파로와 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 입사광도파로로부터 분기됨과 동시에 일정한 길이에 걸쳐 서로 근접하게 배치되어, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 적어도 2개의 분기광도파로와 ; 상기 분기광도파로의 근방에 설치된 적어도 1쌍의 전극을 가지며, 상기 분기광도파로의 적어도 하나의 출사단에 상기 제 2 광파이버가 접속되는 것을 특징으로 하는 전계센서.
투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 제 1 광파이버에 접속된 입사광도파로와 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 입사광도파로로부터 분기되고, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 적어도 2개의 분기광도파로와 ; 상기 분기광도파로 또는 분기부의 적어도 일부의 근방에 설치된 전계를 차폐하는 전계차폐부재를 가지며, 상기 분기광도파로의 적어도 하나의 출사단에 상기 제 2 광파이버가 접속되는 것을 특징으로 하는 전계센서.
투과하는 광파의 강도가 인가된 전계의 강도에 의존하여 변화하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 상기 광원으로부터의 광파를 상기 센서헤드로 인도하는 제 1 광파이버와 ; 입력광파를 전기 신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 센서헤드를 투과한 광파를 상기 광전 변화기에 입력광파로서 인도하는 제 2 광파이버를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광감도변화로서 검출하는 전계센서에 있어서, 상기 센서헤드는 : 강유전체 결정으로 이루어진 기판과 ; 상기 기판상에 형성되어 상기 제 1 광파이버에 접속된 입사광도파로와 ; 상기 기판상에 형성되어 입사광도파로로부터 분기되고, 상기 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 적어도 2개의 분기광도파로와 ; 상기 분기광도파로의 적어도 일부에 분극방향이 주위와는 다른 분극 반전부분을 가지며, 상기 분기광도파로의 적어도 하나의 출사단에 상기 제 2 광파이버가 접속되는 것을 특징으로 하는 전계센서.
광도파로의 일단면에 입사된 입사광이 상기 광도파로의 타단면에서 반사되어 상기 일단면으로부터 출사광으로서 출사하는 구조를 가지며, 상기 출사광의 강도가 인가전계의 강도에 의존하도록 구성된 센서헤드와 ; 광파를 발생시키는 광원과 ; 광파이버와 ; 입력광파를 전기신호로 변환하는 광전변환기와 ; 상기 광원으로부터의 상기 광파를 상기 광파이버로 인도하여, 상기 센서헤드에 입사광으로서 부여함과 동시에, 상기 광파이버를 통해 받은 상기 센서헤드로부터의 상기 출사광을 상기 광전변환기에 입력광파로서 부여하는 서큘레이터를 가지며, 상기 센서헤드를 측정대상물에 비접촉상태로 설치하여, 상기 측정대상물에 의해 인가된 상기 전계를 광강도변화로서 검출하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
제8항에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 기판상에 배열되어, 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 및 제 2 분기광도파로를 가지며, 상기 광파이버로부터 상기 일단면에 입사된 상기 입사광을 제 1 및 제 2 분기광도파로에서 분기한 다음, 상기 타단면에서 각각 반사시켜 상기 일단면으로부터의 출사광으로서 출사하는 분기반사형 광도파로와 ; 상기 분기반사형 광도파로의 상기 제 1 및 제 2 분기광도파로의 상부 또는 근방에 각각 설치된 제 1 및 제 2 전극을 가지며, 상기 분기반사형 광도파로의 출사광의 강도가 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가된 상기 전계의 강도에 의존하여 변화하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
제9항에 있어서, 상기 센서헤드는 상기 제 1 및 제 2 전극만을 금속부분으로 하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
제8항에 있어서, 상기 센서헤드는 : 기판과 ; 상기 기판상에 배열되어, 인가되는 전계의 강도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 및 제 2 분기광도파로를 가지며, 상기 광파이버로부터 상기 일단면에 입사된 상기 입사광을 제 1 및 제 2 분기광도파로에서 분기한 다음, 상기 타단면에서 각각 반사시켜 상기 일단면으로부터 출사광으로서 출사하는 광도파로를 가지며, 상기 기판으로서 강유전체 결정을 이용하고, 상기 제 1 및 제 2 분기 광도파로의 한쪽이 형성되어 있는 부분의 적어도 일부의 분극방향이 상기 기판의 다른 부분의 분극방향에 대해 반대방향인 것을 특징으로 하는 전계센서.