電気光学効果を用いた電界センサとその応用 横河技報 Vol.60 No.1 (2017) 電気光学効果を用いた電界センサとその応用 Development of an Electric Field Sensor Using the Electro-optic Effect 勝山 純 *1 松本 憲典 *1 Jun Katsuyama Yoshinori Matsumoto 杉野 弘幸 *1 田中 宏明 *1 Hiroyuki Sugino Hiroaki Tanaka 一般的に電界強度の測定には,金属を用いたアンテナが使用されている。しかし,微小な電界発生源から発生 する微弱な電界を測定すると,アンテナ自身が被測定電界を乱し,正確な測定を行うことができない。そこで, 電気光学効果を持つ光学結晶をアンテナエレメントに使用した,低 ていじょうらん 擾乱で低域の周波数特性に優れた電界センサ と,そのセンサを用いた非接触電圧測定技術を開発したので紹介する。従来の電気光学効果を使用したセンサで は,低域が数 MHz 程度までしか感度を持つことができなかったが,開発した電界センサでは,光学結晶中の光 伝導効果の抑制により帯域を約 20 Hz まで伸ばすことができた。その結果,太陽電池の非接触電圧測定へ応用範 囲を広げることが可能になった。本論文ではその測定結果を示し,その他の応用例として電子機器の EMC 測定 や非接触でのプリント板の信号波形観測についても報告する。 Metal antennas are generally used for measuring electric field strength. However, it is difficult to precisely measure the electric field of a source with extremely low voltage because the antenna itself disturbs the electric field. To solve this problem, we have developed an electric field sensor with low disturbance and excellent frequency characteristics by using an electro-optic crystal for an antenna, and non-contact voltage measurement technology that uses this sensor. In contrast to conventional electro-optic sensors with the sensitivity of several megahertz in the low- frequency range, the new sensor extends the measuring band to about 20 Hz by suppressing the electric conduction effect in the optical crystal. This paper shows the results of non-contact voltage measurement of photovoltaic cells, and also reports the EMC measurement of electronic equipment and the non-contact observation of signal wave patterns of circuit boards as application examples. 1. はじめに 再生可能エネルギーの導入は , 持続可能社会の実現に おいて重要な役割を担う。再生可能エネルギーのひとつ である太陽光発電に用いる太陽電池の中でも,近年,軽 薄でフレキシブルな有機薄膜太陽電池(OPV: Organic Photovoltaic)の開発が進んでいる(図1)。OPVはRoll to roll(R2R)方式の印刷プロセスでの生産が可能で,安 価に大量生産できると見込まれているが,実際には安定 生産ができていない。そこで,ユーザへのヒアリングを 重ねることにより,次の課題が明らかになった。 ● セルごとに発電効率がばらつく ● 全体の電圧の測定はできるがセルごとの電圧測定がで きない これらの課題を解決し,安定した生産環境を提供す ることを目的に,非接触で電圧測定ができるセンサを 我々は開発した。開発したセンサでは,電気光学(EO: Electro-Optic)効果を用いた電界測定技術と電圧換算技 術を,OPV の発生電圧測定に適用することを試みた。EO 効果を用いた電界センシングは,一般的な金属アンテナ を使用した電界計測に比べて低 ていじょうらん 擾乱で指向性に優れ,測 定時の接地が不要な高いポテンシャルを持った計測技術 である。 図 1 有機薄膜太陽電池(伊藤電子工業株式会社提供) 17 17 *1 マーケティング本部 イノベーションセンター 研究開発部
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電気光学効果を用いた電界センサとその応用
横河技報 Vol.60 No.1 (2017)
電気光学効果を用いた電界センサとその応用Development of an Electric Field Sensor Using the Electro-optic Effect
勝山 純 *1 松本 憲典 *1
Jun Katsuyama Yoshinori Matsumoto杉野 弘幸 *1 田中 宏明 *1
Metal antennas are generally used for measuring electric field strength. However, it is difficult to precisely measure the electric field of a source with extremely low voltage because the antenna itself disturbs the electric field. To solve this problem, we have developed an electric field sensor with low disturbance and excellent frequency characteristics by using an electro-optic crystal for an antenna, and non-contact voltage measurement technology that uses this sensor. In contrast to conventional electro-optic sensors with the sensitivity of several megahertz in the low- frequency range, the new sensor extends the measuring band to about 20 Hz by suppressing the electric conduction effect in the optical crystal. This paper shows the results of non-contact voltage measurement of photovoltaic cells, and also reports the EMC measurement of electronic equipment and the non-contact observation of signal wave patterns of circuit boards as application examples.
1. はじめに
再生可能エネルギーの導入は , 持続可能社会の実現において重要な役割を担う。再生可能エネルギーのひとつである太陽光発電に用いる太陽電池の中でも,近年,軽薄でフレキシブルな有機薄膜太陽電池(OPV: Organic Photovoltaic)の開発が進んでいる(図 1)。OPV は Roll to roll(R2R)方式の印刷プロセスでの生産が可能で,安価に大量生産できると見込まれているが,実際には安定生産ができていない。そこで,ユーザへのヒアリングを重ねることにより,次の課題が明らかになった。
光学結晶に入射した光は,光学的異方性により,正常光と異常光に分かれて伝搬する。光学結晶中での光の伝搬方向に直行する x 軸 y 軸方向の偏波間位相差q は,(1) 式で表される (1)。また,入射した光は印加された電界によって位相差が生じ,結晶透過前後の光強度比はこの位相差によって決定され,(2) 式で表される。
ここでl は光波長,nx と ny は x 軸と y 軸方向のそれぞれの屈折率,r41 はポッケルス定数,L は光学結晶の作用長,V は光学結晶の表面間電位差,Vπ は半波長電圧を示す。Vπ の値が小さいほど伝搬する光の変調効率が高くなり,EO センサの感度が高くなる。上記の原理により,被測定対象から発生する電界強度を偏光変化に変換し,光強度変化として検出することで電界計測を実現する。
参考文献(1) M. Shinagawa, A. Sasaki, et al., “Compact Electro-Optic Sensor Module
for Intra-Body Communication Using Optical Pickup Technology,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 52, No. 09LA03, 2013, pp. 1-8
(2) A. Sasaki, A. Furuya, et al., “Study of semiconductor electro-optic modulators for sensing extremely-low-frequency electrical signals,” Sensors and Actuators A, Vol. 151, Issue 1, 2009, pp. 1-8
(3) J. Katsuyama, K. Matsumoto, et al., “Failure Diagnosis of Organic Photovoltaic Using Electro-Optic Probe,” Optical Review, Vol. 21, Issue 5, 2014, pp. 621-627
(4) R. Saito, Y. Yabe, et al., “Electric field measurement of organic photovoltaic cell model using electrooptic probe,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 55, No. 09SD04, 2016, pp. 1-7