JPH02168397A - 光エネルギー駆動型検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は受信部に設けられた光源からの光をパワー伝送
用の光ファイバーを介して検出部に伝送し、この検出部
で光のエネルギーを太陽電池にて電気的エネルギーに変
換して検出回路を駆動させ、さらにこの検出回路から得
られる被測定信号である電気信号を光パルス信号に変換
しくｉ号伝送用の光ファイバーを介して受信部に伝送し
、この受信部で光パルス信号を再び電気信号に変換して
披ｎ１定信号を外部装置へ与える光エネルギー駆動型の
検出装置に関する。

（従来の技術） 従来から、光のエネルギーで装置を駆動しようとする考
えがある。この考えは、信号伝送を光で行なおうという
ことを、センサ、アクチュエータ等、システムの端部す
なわち検出端、操作端で行なおうとする場合に、これら
がシステム内に存在する数が多く、物理的に分散せざる
を得ない事情から、信号電源共通駆動を行なっているー
ため、光伝送化の場合の電源供給の一つの解決策として
提案されたものである。信号電源共通駆動の代表的な例
は、４〜２０ｍＡ電流ループである。また、この電源供
給のもう一つの解決法は電池駆動である。

ところで、−口に光のエネルギーで検出回路を駆動する
と言っても、これは容易なことではなく、次のような問
題がある。すなわち、その一つの問題は、コスト的に見
合う光源である半導体レーザ（ＬＤ）の発光パワーは１
０ｍＷ前後であり、実際に検出部に到達できる光エネル
ギーが１／１０〜１／３で、電気的に安定に取出せる出
力がさらに１／１０前後であり、数百μＷ以下の電力で
光伝送も含んだ検出回路を駆動しなければならないこと
である。また、もう一つの問題は、エネルギー伝送に使
える高ＮＡ、大口径光ファイバー、例えば多成分光ファ
イバーやポリマークラツド光ファイバーは光伝送損失が
１０　ｄ　Ｂ　／　ｋｍ前後と大きく、２００〜３００
ｍの伝送距離で大きく損失変動があり、発光パワーの大
きなマージンを半導体レーザが負うことになり、その寿
命を十分に確保することが困難なことである。

従来における半導体レーザの発光パワー制御（ＡＰＣ）
は、レーザチップの後方に設置されたＰＩＮフォトダイ
オードのモニタ出力に応じて電流制御が行なわれている
だけであるので、上述した光伝送損失のマージンを含ん
で発光パワーレベルを適当な値に設定する必要がある。

従って、装置を実際に使用した場合には、その伝送距離
における必要最小パワーで発光しているのではなく、過
剰に発光を行なっていることになる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来では、伝送距離等にかかわらず、光源
から余分に発光させているという問題があった。

本発明の目的は、検出部に到達する光パワーの割合が伝
送距離、その他の要因で変動しても、検出部で受は取る
光パワーが必要最小限の値となるように発光制御を行な
い、過剰な発光をなくすることが可能な信頼性の高い光
エネルギー駆動型検出装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、受信部に設け
られた光源からの光をパワー伝送用の光ファイバーを介
して検出部に伝送し、この検出部で光のエネルギーを太
陽電池にて電気的エネルギーに変換して検出回路を駆動
させ、さらにこの検出回路から得られる被測定信号であ
る電気信号を光パルス信号に変換し信号伝送用の光ファ
イバーを介して受信部に伝送し、この受信部で光パルス
信号を再び電気信号に変換して被１１ＤＩ定信号を外部
装置へ与えるようにした先エネルギー駆動型の検出装置
において、光パルスのピークパワーを。

検出部で受光する光のエネルギーに応じて変化させる構
成とし、さらに光パルスのピークパワーをホールドする
ピークホールド手段と、このピークホールド手段による
ホールド値が基準値となるように光源からの発光量を制
御する発光量制御手段とを受信部に備えている。

（作用） 従って、本発明の光エネルギー駆動型検出装置において
は、被測定信号を光パルス信号として伝送する場合の光
パワーが？検出部で得られる電力に依存するようにして
おき、さらに受信部で光パルスのピーク値をホールドし
て、その値が基準値となるように光源からの発光量を制
御することにより、検出部に到達する光パワーの割合が
変動しても、検出部で受は取る光パワーが必要最小限の
値となるように発光制御が行なわれ、過剰な発光をなく
することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は、本発明による光エネルギー駆動型検出装置の
構成例を示すブロック図である。本光エネルギー駆動型
検出装置は第１図に示すように、受信部１と、検出部２
と、受信部１と検出部２とを光学的に結合するための光
ファイバー３とから構成している。

ここで、受信部１は、半導体レーザ１１と、フォトダイ
オード１２と、光／電気（０／Ｅ）変換部１３と、パル
ス整形部１４と、信号変換部１５と、ピークホールド部
１６と、比較部１７と、周波数変調部（パルス幅一定）
またはパルス幅変調部１８と、レーザ駆動部１９と、抵
抗Ｒとからなっている。半導体レーザ１１は、レーザ光
を発光しその光を検出部２の駆動電力として光ファイバ
ー３１に供給するものである。フォトダイオード１２お
よび光／電気変換部１３は、検出部２から光ファイバー
３２を介して伝送される後述する光パルス信号を受信し
、電気信号に変換して出力するものである。パルス整形
部１４は、光／電気変換部１３からの電気信号をパルス
整形するものである。信号変換部１５は、パルス整形部
１４からの信号を測定データに逆変換し、電圧、電流等
のアナログ信号として出力するものである。ピークホー
ルド部１６は、光／電気変換部１３からの電気信号のピ
ーク値をホールドするものである。比較部１７は、ピー
クホールド部１６によるピーク値と基準電圧Ｖ「とを比
較するものである。周波数変調部またはパルス幅変調部
１８は、比較部１７での比較結果に基づいてピーク値が
基準電圧Ｖｒと等しくなるように、レーザ駆動部１９を
周波数変調またはパルス幅変調駆動で制御す〜るもので
ある。レーザ駆動部１９は、周波数変調部またはパルス
幅変調部１８による制御に応じて、半導体レーザ１１の
レーザ光発光を駆動するものである。

また、検出部２は、太陽電池２１と、電源安定化部２２
と、センサ２３と、増幅部２４と、データ変換部２５と
、発光ダイオード（ＬＥＤ）２６と、トランジスタ２７
と、分圧用の抵抗Ｒ１゜Ｒ２と、コンデンサＣとからな
っている。太陽電池２１は、半導体レーザ１１から光フ
ァイバー３１を介して供給される光を受光し、光のエネ
ルギーを電気的エネルギー（電力）に変換するものであ
る。電源安定化部２２は、太陽電池２１からの電力の電
圧を安定化して、センサ２３．増幅部２４、データ変換
部２５よりなる検出回路を駆動するものである。センサ
２３は、被測定量例えば圧力、温度等の披ｎ１定信号を
検出し、電気信号に変換して出力するものである。増幅
部２４は、センサ２３からの電気信号を一定レベルに増
幅するものである。データ変換部２５は、増幅部２４か
らの信号を周波数変換、デジタル変換等を行ない、パル
ス信号としてトランジスタ２７に出力するものである。

発光ダイオード２６は、太陽電池２１からの出力電圧で
直接駆動され、トランジスタ２７のオン時に流れる電流
により被測定信号に応じた光パルス信号を光ファイバー
３２に与えるものである。

さらに、光ファイバー３は、パワー伝送用の光ファイバ
ー３１と、信号伝送用の光ファイバー３２とからなって
いる。光ファイバー３１は、半導体レーザ１１からの光
を検出部２側に伝送するものである。光ファイバー３２
は、発光ダイオード２６からの光パルス信号を受信部１
側に伝送するものである。ここで、光源である半導体レ
ーザ１１からの発振光は、接合に垂直な方向の広がり角
は回折のため大きく３０度以上あり、光ファイバー３１
との高結合率を容品に得るためには、高ＮＡの光ファイ
バーを用いるのが好ましい。例えば、ＮＡｏ、３〜０．
５の多成分ガラスファイバＮＡ０．４前後のポリマーフ
ラッドファイバー等が、伝送距離が数百ｍ以内の装置の
場合に適切である。また、光ファイバー３２は、パワー
伝送用のように特に特性上の要求はなく、損失がパワー
伝送用以下であれば問題はない。

次に、かかる構成の光エネルギー駆動型検出装置の作用
について説明する。

第１図において、受信部１の半導体レーザ１１からの光
は、光ファイバー３１を通して検出部２にその駆動電力
として供給される。一方、検出部２では、半導体レーザ
１１から光ファイバー３１を通して供給される光が太陽
電池２１で受光され、光のエネルギーが電気的エネルギ
ー（電力）に変換される。そして、電源安定化部２２で
は、太陽電池２１で変換された電力の電圧が安定化され
、センサ２３．増幅部２４．データ変換部２５よりなる
検出回路に供給されてこれが駆動される。すると、セン
サ２３では圧力、温度等の被測定信号が検出されて電気
信号に変換され、増幅部２４で一定レベルに増幅された
後、データ変換部２５で周波数変換、デジタル変換等が
行なわれ、パルス信号としてトランジスタ２７に与えら
れる。これにより、検出部２の最終段ではトランジスタ
２７がオンし、太陽電池２１の出力電圧で直接駆動され
る発光ダイオード２６に電流が流れることにより、被測
定信号に応じた光パルス信号が光ファイバー３２を通し
て受信部１に伝送される。

一方、受信部１では、検出部２から光ファイバー３２を
介して伝送される光パルス信号が、フォトダイオード１
２および光／ｒ１気変換部１３で受信されて電気信号に
変換される。そして、光／電気変換部１３からの電気信
号はパルス整形部１４でパルス整形が行なわれ、さらに
信号変換部１５でデータ逆弯換が行なわれて、電圧、電
流等のアナログ信号として外部装置に出力される。また
、光／電気変換部１３からの電気信号のピーク値はピー
クホールド部１６でホールドされ、そのホールド値は比
較部１７で基準電圧Ｖ「と比較される。

そして、この比較信号を基にホールド値が基準電圧Ｖ「
と等しくなるように、周波数変調部またはパルス幅変調
部１８でレーザ駆動部１９が周波数変調またはパルス幅
変調駆動されて、半導体レーザ１１の発光量が制御され
ることにより、検出部２からの光パルス信号のピーク値
がある一定レベルに保持される。すなわち、検出部２か
らの光パルス信号のピーク値Ｐ　ｐｅａｋは、トランジ
スタ２７がオンになった場合、太陽電池２１の出力電圧
Ｖｏと抵抗Ｒ１，発光ダイオード２６の順電圧をＶＦと
すすると、 Ｐｐｃａｋｃｃ　（ＶＯ−ＶＦ　）　／Ｒ１で与えられ
る。従って、先パルス信号のピーク値Ｐ　ｐｅａｋを一
定に保持することは、太陽電池２１の出力電圧を一定に
保つことであり、また太陽電池２１の出力電圧と入射パ
ワーとの関係は第２図に示すように単調増加の関係があ
り、結局太陽電池２１の出力電圧を一定にすることによ
り、太陽電池２１への入射パワーが一定に保持されてい
ることになる。以上により、予め検出部２として必要な
入射パワーをｉｌｌ定しておき、それに対応した出力電
圧を第２図の特性から決定し、その値となるように受信
部１における基準電圧Ｖｒを設定すればよい。また、半
導体レーザ１１の発光量の制御としては、発光時の電流
値を一定に保ったままでよい周波数変調またはパルス幅
変調としている。

すなわち、半導体レーザは駆動電流に対し、しきい値を
持った非線形な発光特性を有しているため、電流制御は
本発明の目的に合わない。この点、周波数変調、パルス
幅変調であれば、半導体レーザの光量をリニアに調整す
ることができる。但し、周波数変調の場合には、出力パ
ルス幅は隣合うパルスと重ならない範囲で一定幅とする
。

上述したように、本実施例の光エネルギー駆動型検出装
置では、受信部１に設けられた光源である半導体レーザ
１１からの光をパワー伝送用の光ファイバー３１を介し
て検出部２に伝送し、検出部２で光のエネルギーを太陽
電池２１にて電気的エネルギーに変換して、センサ２３
．増幅部２４゜データ変換部２５からなる検出回路を駆
動させ、さらにこの検出回路から得られる被測定信号で
ある電気信号を発光ダイオード２６．トランジスタ２７
で光パルス信号に変換し、信号伝送用の光ファイバー３
２を介して受信部１に伝送し、受信部１でフォトダイオ
ード１２．光／電気変換部１３により光パルス信号を再
び電気信号に変換して被Δｐ１定信号を外部装置へ与え
るようにした光エネルギー駆動型の検出装置において、
被測定信号を光パルス信号として伝送する場合の光パワ
ーが、検出部２の太陽電池２１で得られる電力に依存す
るようにしておき、さらに受信部１で先パルス信号のピ
ーク値をホールドして、その値が基準電圧Ｖｒとなるよ
うに半導体レーザ１１からの発光量を周波数変調または
パルス幅変調制御により制御するようにしたので、検出
部２に到達する光パワーの割合が伝送距離、その他の要
因で変動しても、検出部２で受は取る光パワーが必要最
小限の値となるように発光制御を行なうことができ、も
って従来のように過剰な発光をな（することが可能とな
り、極めて信頼性の高い装置とすることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても同様に実施できるものである。

（ａ）上記実施例において、検出部２における発光ダイ
オード２６の駆動は、太陽電池２１の入射パワーに依存
する構成であればよく、例えば第３図に示すようなパル
スで制御される定電流駆動であってもよい。この場合に
は、出力電圧ｖｏに比例した電流値となり、発光ダイオ
ード２６の発光パワーは電流に比例しているため、上記
実施例よりも広い可変範囲を得ることができる。なお、
図中Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７は抵抗、４０はトラ
ンジスタをそれぞれ示すものである。

（ｂ）上記実施例では、パワー伝送用の光ファイバー３
１と信号伝送用の光ファイバー３２とをそれぞれ別個に
設けたが、これに限らず例えば光結合器を用いて、パワ
ー伝送用と信号伝送用の光ファイバー３２を共用化する
ようにしてもよい。

第４図（ａ）は、方向性結合器４１．４２を用いて共用
化したものであり、双方向の伝送が可能となっている。

また、第４図（ｂ）は、合波分波器４３．４４を用いて
、光パワー供給光の波長（例えば７８０ηｍ）と光ｆＪ
号伝送用の波長（例えば１．３μｍ）を異なった値の光
を、分離を完全に行なったものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、被δ１ｊ定信号を
光パルス信号として伝送する場合の光パワーが、検出部
で得られる電力に依存するようにしておき、さらに受信
部で先パルスのピーク値をホールドして、その値が基準
値となるように光源からの発光量を制御するようにした
ので、検出部に到達する先パワーの割合が伝送距離、そ
の他の要因で変動しても、検出部で受は取る光パワーが
必要最小限の値となるように発光制御を行ない、過剰な
発光をなくすることが可能な極めて信頼性の高い光エネ
ルギー駆動型検出装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光エネルギー駆動型検出装置の一
実施例を示すブロック図、第２図は同実施例における作
用を説明するための特性図、第３図および第４図は本発
明の他の実施例をそれぞれ示す図である。 １・・・受信部、２・・・検出部、３，３１．３２・・
・光ファイバー　１１・・・半導体レーザ、１２・・・
フォトダイオード、１３・・・光／電気変換部、１４・
・・パルス整形部、１５・・・信号変換部、１６・・・
ピークホールド部、１７・・・比較部、１８・・・周波
数変調部またはパルス幅変調部、１９・・・レーザ駆動
部、２１・・・太陽電池、２２・・・電源安定化部、２
３・・・センサ、２４・・・増幅部、２５・・・データ
変換部、２６・・・発光ダイオード、２７．４０・・・
トランジスタ、Ｒ１−Ｒ７・・・抵抗、Ｃ・・・コンデ
ンサ。 出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦 王］ａ＄’巴 図 γ１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）受信部に設けられた光源からの光をパワー伝送用
   の光ファイバーを介して検出部に伝送し、この検出部で
   光のエネルギーを太陽電池にて電気的エネルギーに変換
   して検出回路を駆動させ、さらにこの検出回路から得ら
   れる被測定信号である電気信号を光パルス信号に変換し
   信号伝送用の光ファイバーを介して前記受信部に伝送し
   、この受信部で光パルス信号を再び電気信号に変換して
   被測定信号を外部装置へ与えるようにした光エネルギー
   駆動型の検出装置において、 前記光パルスのピークパワーを、前記検出部で受光する
   光のエネルギーに応じて変化させる構成とし、 前記光パルスのピークパワーをホールドするピークホー
   ルド手段と、このピークホールド手段によるホールド値
   が基準値となるように、前記光源からの発光量を制御す
   る発光量制御手段とを、前記受信部に備えて成ることを
   特徴とする光エネルギー駆動型検出装置。
2. （２）前記光源として半導体レーザを用い、さらにその
   発光量制御をパルス幅一定の周波数変調またはパルス幅
   変調駆動で制御するようにしたことを特徴とする請求項
   （１）項記載の光エネルギー駆動型検出装置。
3. （３）前記光パルスのピークパワーを、太陽電池の出力
   電圧に依存させるようにしたことを特徴とする請求項（
   １）項記載の光エネルギー駆動型検出装置。
4. （４）前記光パルスのピークパワーを、太陽電池の出力
   電圧を分圧してその分圧した電圧に比例した定電流回路
   を構成して制御するようにしたことを特徴とする請求項
   （３）項記載の光エネルギー駆動型検出装置。