JPH0460800A

JPH0460800A - 光エネルギー駆動型検出装置

Info

Publication number: JPH0460800A
Application number: JP2170144A
Authority: JP
Inventors: Yoko Uchida; 内田　葉子; Yukio Sai; 行雄佐井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-02-26
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH07111759B2

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、光エネルギーによって検出部を駆動し、測定
信号を光伝送する検出装置に係り、特に、光源として用
いられるレーザの寿命のバラツキに関係なく、一定期間
駆動することができるように改良を施した光エネルギー
駆動型検出装置に関するものである。

（従来の技術）上記の様な光エネルギー駆動型検出装置においては、光
源として半導体レーザが用いられるのが一般的であり、
この光エネルギーを光ファイバによって検出部まで伝送
する方法がとられている。

しかし、この方法には以下に述べる様な問題がある。即
ち、第１の問題点は、半導体レーザの発光パワーは１０
ｍＷ前後であり、実際に検出部に到達できる光エネルギ
ーは発光パワーの１／１０〜１／３て、電気的に安定に
取り出せる出力はさらにその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、第２の問題点は、エ
ネルギー伝送に使える高ＮＡ、大口径光ファ、イバ、例
えば多成分光ファイバやポリマクラッド光−７７・イバ
は、光伝送損失が１θｄ　Ｂ　／　ｋ　ｍ前後と大きく
、２００〜３００ｍ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か負うこ
とになり、その寿命を確保するこ吉か困難なことである
。

そこで最近では、」−記の様な伝送距離の長短に関わら
ず、半導体レーザを余分に発光させているという問題を
解決させるために、（半導体レーザの発光パワー）に対
する（検出部に到達する光パワー）の割合か、伝送距離
その他の要因で変動しても、検出部で受は取る先パワー
が必要最小限の値となるように発光制御を行い、過剰な
発光をなくそうとする試みが行なわれている。

（発明か解決しようとする課題）しかしなから、半導体レーザの寿命はチ・ツブによるパ
ーラツキか大きく、個々の半導体レーザの寿命を最大限
に利用したとしても、半導体レーザの交換時期が装置に
よって異なるため、そのメンテナンスや信頼性の上で問
題かあった。また、上記の様に、半導体レーザの発光量
を制御することによって、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な、光エネルギー駆動型検出
装置の開発が切望されていた。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、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、半導体レーザの発光制御を行うこ
とかでき、また、レーザの寿命によるバラツキに関係な
く、一定期間の駆動が可能な、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。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）本発明は、受信部に設けられた半導体レーザからの光を
検出部に伝送し、この尤エネルギーによって検出回路を
駆動させ、二の検出回路によって得られた測定信号を前
記受信部に伝送し１、さらに外部装置へ送出するように
構成した光エネルギー駆動型検出装置において、前記検
出部に、受信部より伝送された光エネルギー量を検出す
る光エネルギー量検出手段及びその情報を受信部へ伝送
する信号伝送手段を設け、一方、前記受信部に、前記情
報に基づいて、半導体レーザの発光量をホ制御する発光
量制御手段と、半導体レーザの余命を算出し、この余命
に応じて検出装置を間欠駆動させ、また、その間欠駆動
の間隔を制御する間欠駆動制御手段とを設けたことを特
徴とするものである。

（作用）本発明の光エネルギー駆動型検出装置においては、検出
部で受光する光エネルギーの量についての情報を受信部
へ伝送し、その情報により半導体レーザからの発光量を
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、検出部で受取る先パワーか必要最小限の
値となる。ように発光制御か行われる。また、半導体レ
ーザの順電流を検出し、この順＠ｔＦ、履歴から半導体
レーザの余命をＷ、ｌＬ、この余命か定められた装置の
駆動期間よりも短い場合は、半導体レーザが装置の駆動
期間までは駆動するような間隔での間欠駆動に切替える
制御が行われ、半導体レーザの寿命に関係なく、一定期
間は装置の駆動を行うことができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第７図に基づいて具
体的に説明する。

（ＩＤ第１実施例第１図に示した様に、本実施例の光エネルギー駆動型検
出装置は、受信部Ａ、検出部Ｂ及び両者を光学的に結合
するだめの光ファイバＣとから構成されている。まず、
受信部Ａは、フォトダイオード１５、このフォトダイオ
ード１５の出力としての電気信号を２つの信号成分ａ、
ｂに分離する分離復調回路１６、前記電気信号成分を適
切な信号に変換する発光量制御手段である信号処理部１
７、間欠駆動制御手段であるレーザ制御駆動回路１２、
半導体レーザ１１、レーザの自動光量制御用フォトダイ
オード１３及び充電流増幅回路］４とから構成されてい
る。

一方、検出部Ｂは、フォトダイオード２］、トランス２
２、整流回路２３、検出部で受光される光エネルギー量
検出手段である電圧比較器２４、温度・圧力などの物理
量を検出するセンサ２５、その検出信号を変換処理する
変換処理部２６、前記電圧比較器２４の出力信号と変換
処理部２６の出力信号とを重畳する変調回路２７及びこ
の変調回路２７の出力によって駆動される光源２８とか
ら構成されている。また、光ファイバＣは、光エネルギ
ー伝送用光ファイバ３０と、信号伝送用光ファイバ３１
とからなっている。

この様な構成を有する本実施例の光エネルギー駆動型検
出装置は、以下に述べる様に作用する。

即ち、受信部Ａに配設された半導体レーザ１１は、自動
光量制御のためのフォトダイオード１３の出力と、発光
量制御手段である信号処理部１７からの出力との加算さ
れた値か一定になるように、その順方向電流が制御され
る構成となっている。従って、信号処理部１７の出力を
変化させることにより、半導体レーザ１１の発光量を変
化させることができる。また、半導体レーザ１１は数キ
ロル数十キロＨｚのパルス信号で変調されており、増幅
回路１４ではピークホールド回路によるピーク値制御、
または積分回路による平均値制御か行われる。この様に
して周波数変調された半導体レーザ１１からの光信号は
、光エネルギー伝送用光ファイバ３０を介して、検出部
Ｂに設けられたフォトダイオード２１に伝送される。

一方、検出部Ｂては、伝送されてくる光パワーがパルス
により変調されているために、光エネルギー検出手段で
あるフォトダイオード２１による光／電気変換信号出力
は交流となり、トランス２２によってその出力を昇圧さ
せて変換処理部２６の駆動に用いている。ここで、入力
光パワーが不足しているときには、昇圧された電圧が基
準電圧より小さくなり、変調回路２７において、電圧比
較器２４の出力が変換処理部２６の出力に重畳される。

逆に、入力光パワーが過剰な場合は、得られる電圧は基
準電圧以上となり、電圧比較器２４の出力は変換処理部
２６の出力に重畳されない。

この変調回路２７における信号の重畳方式としては、セ
ンサ２５の信号を変換処理部２６により電圧−周波数変
換して周波数信号とし、電圧比較器２４の出力がある場
合には、この周波数信号の各パルスをシングルパルスか
らダブルパルスにする方式がある。この方式によれば、
得られる光パワーが十分大きい場合には、センサ出ツノ
がシングルパルスの周波数信号とされ、光パワーか低下
してくると、セン、す出力がダブルパルスの周波数信号
とされることになる。なお、変調回路２７の出力信号は
、光源２８により光パルス信号に変換され、信号伝送用
光ファイバ３１を介して、受信部Ａに伝送される。

さらに、受信部Ａにおいては、信号伝送用光ファイバ３
１を介して伝送された光信号が分離復調回路１６に入力
され、ここで電圧比較器２４の出力信号ａがセンサ出力
信号すから分離され、その信号の有無が信号処理部１７
で判定され、制御駆動回路１２への出力の増減を行う。

この全体の制御の流れを、第２図のタイミンクチャート
に示した。まず、第２図（Ｂ）に示す様に、電圧比較器
２４からの出力があり、これがセンサ出力信号に重畳さ
れて検出部Ｂから受信部Ａに送られると、前記信号処理
部１７て光パワーが低いと判定される。すると、信号処
理部１７は半導体レーザ１１の順電流を、第２図（Ｃ）
に示す様に徐々に増加させていき、この半導体レーザ１
１に対する順電流の増加にともなって、整流回路２３の
出力電圧も第２図（Ａ）に示す様に上昇しといく。しか
しながら、整流出力が電圧比較器２４のヒステリシスの
上限に達すると、電圧比較器２４の出力がなくなり、セ
ンサ出力に重畳されなくなるので、信号処理部１７が半
導体レーザ１１の順方向電流を減少させていく。その結
果、光パワーが低下していき、再び電圧比較器２４が出
力を出すようになると、半導体レーザ１１のパワー上昇
を行う。

この様にして半導体レーザ１１の発光量の制御を行い、
センサ２５の物理量検出に必要な最小限度の光パワーを
伝送するようにすることにより、半導体レーザ１１か過
剰な発光を行うことによる寿命の短命化を防くことがで
きる。

ところで、検出部Ｂへの入射パワーをほぼ一定の必要最
小限の値に保つことは、半導体レーザ１１の発光量をほ
ぼ一定に保つことである。ところが、半導体レーザの劣
化が進むにつれて、直流の電流−光出力特性曲線は、第
３図に示した曲線１から曲線２、曲線３、曲線４に順次
変化するので、一定の発光量を保つためには、劣化の進
行に対応して、動作電流を増加させる必要かある。一般
に、レーザの寿命は、動作電流か初期値■。の何倍にな
る時間として定義され、しきい電流が５０ｍＡ以下の半
導体レーザでは、１．５倍前後でよく定義される。また
、定光出力動作における、通電時間と動作電流の関係は
、第４図に示す通りで、動作電流か■１になったときの
時間Ｔ、が寿命であり、それまでの曲線はほぼ直線近似
かできる。従って、制御駆動回路１２において、第５図
に示す様に、通電時間ＴＮの時点（Ａ点）で、Ａ点まで
の動作電流の履歴曲線を延長し、動作電流か■１になる
古きの時間Ｔがレーザの寿命であると予測することかで
きる。ところで、半導体レーザはチップのバラツキが大
きく、チップによって寿命は大きく異なり、初めから寿
命を予測することは大変危険なことであり、個々の通電
時間−動作電流曲線から寿命を算出するのか確実な方法
である。

そこで、予測された寿命Ｔが、ある定められた期間Ｔ９
．（例えば、レーザの交換期間）よりも短いとき（Ｔ　
Ｎ　＜　Ｔ　＜　Ｔ　Ｍ　）には、制御駆動回路１２が
、半導体レーザ１１の駆動を間欠駆動に切替えるように
構成されている。なお、この間欠駆動の間隔は、第５図
のＡ点とＢ点を結ぶ直線の傾きから計算することかでき
る。この様に、半導体レーザを間欠駆動に切替えること
で、検出装置として使用したいとする所定の期間中の駆
動を保証することかできる。

上述した様に、本実施例では、検出部Ｂに到達する光パ
ワーの割合が、伝送距離その他の要因て変動しても、検
出部Ｂで受は取る光パワーを必要最小限の値にすること
ができ、且つ、ある定められた期間はレーザのチップの
バラツキにもかがわらず、検出装置の駆動を保証できる
、極めて信頼性の高い装置とすることができる。

■第２実施例本実施例の光エネルギー駆動型検出装置も、第６図に示
す様に、受信部Ｄ、検出部Ｅ、受信部りと検出部Ｅとを
光学的に結合するための光ファイバＦとから構成されて
いる。

まず、受信部りは、フォトダイオード５４、抵抗５５、
光／電気変換部５６、パルス整形部５７、信号変換部５
８、ピークホールド部５９、比較部６０、発光量制御手
段である電流制御部６１、間欠駆動制御手段であるレー
ザ駆動部６２及び半導体レーザ４１とから成っている。

前記フォトダイオード５４と光／電気変換部５６は、検
出部Ｅがら信号伝送用光ファイバ５３を介して伝送され
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。また、パルス整形部５７は、光／電気変換
部５６からの電気信号をパルス整形するものである。さ
らに、信号変換部５８は、パルス整形部５７からの信号
を測定データに逆変換し、電圧、電流等のアナロク信号
として出力するものである。また、ピークホールド部５
９は、光／電気変換部５６からの電気信号のピーク値を
ピークホールドするものである。さらに、比較部６０は
、ピークホールド部５９によるピーク値と基準電圧Ｖｒ
とを比較するものである。また、電流制御部６１ては、
比較部６０て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６２の駆動電流
を制御するとともに、その駆動電流の履歴を覚えておき
、その履歴から半導体レーザ４１の余命を計算し、その
余命がある定められた期間より短いときには、レーザ駆
動部６２を間欠駆動に切替えるものである。さらに、レ
ーザ駆動部６２は、電流制御部６１による制御に応して
半導体レーザ４１を駆動するものであり、半導体レーザ
４１は、レーザ光を発光し、その光を検出部Ｅの駆動電
力として先ファイバ４２に供給するものである。

一方、検出部Ｅは、太陽電池４３、電源安定化部４４、
センサ４５、増幅部４６、データ変換部４７、トランジ
スタ４８、発光ダイオード４９、分圧用の抵抗５０．５
１及びコンデンサ５２とから成っている。前記太陽電池
４３は、半導体レーザ４１から光エネルギー伝送用光フ
ァイバ４２を介して供給される光を受光し、光のエネル
ギーを電気エネルギーに変換するものである。また、電
源安定化部４４は、太陽電池４３からの電力の電圧を安
定化して、センサ４５、増幅部４６、データ変換部４７
より成る検出回路を駆動するものである。さらに、セン
サ４５は、圧力・温度等の測定信号を検出し、電気信号
に変換して出力するものである。また、増幅部４６は、
センサ４５からの電気信号を一定しヘルに増幅するもの
である。

さらに、データ変換部４７は、増幅部４６からの信号を
周波数変換、デジタル変換等を行い、パルス信号として
トランジスタ４８に出力するものである。また、発光タ
イオード４９は、太陽電池４３からの出力電圧で直接駆
動され、トランジスタ４８のＯＮ時に流れる電流により
、前記測定信号に応じた光パルス信号を信号伝送用光フ
ァイバ５３に与えるものである。

さらに、光ファイバＦは、光エネルギー伝送用光ファイ
バ４２と、信号伝送用光ファイバ５３とから成っている
。光エネルギー伝送用光ファイバ４２は、半導体レーザ
４１からの光を検出部Ｅ側に伝送するものである。一方
、信号伝送用光ファイバ５３は、発光ダイオード４９か
らの光パルス信号を受信部り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４１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、光エネルギー伝送用光ファイノ・４２との高
結合率を容易に得るためには、高ＮＡの光ファイバを用
いるのが望ましい。例えは、ＮＡＯ３３〜０．５の多成
分ガラスファイバ、ＮＡ　Ｏ。

４前後のポリマクラソドファイノ１等が、伝送距離数百
ｍ以内の装置の場合に適切である。また、信号伝送用光
ファイバ５３は、光エネルキー伝送用光ファイバ４２の
様に特性上の要求はなく、その損失が光エネルギー伝送
用光フアイバ４２以下であれば問題はない。

即ち、第６図において、受信部りの半導体レーザ４１か
らの光は、光エネルギー伝送用光ファイバ４２を通して
、検出部Ｅにその駆動電力として供給される。一方、検
出部Ｅでは、半導体レーザ４１から光エネルギー伝送用
光ファイバ４２を介して供給される光が太陽電池４３で
受光され、光エネルギーが電気的エネルギーに変換され
る。そして、電源安定化部４４では、太陽電池４３で変
換された電力の電圧か安定化され、センサ４５、増幅部
４６、データ変換部４７より成る検出回路に供給されて
これらが駆動される。すると、センサ４５ては圧力・温
度等の測定信号が検出されて電気信号に変換され、増幅
部４６で一定レベルに増幅された後、データ変換部４７
で周波数変換、デジタル変換等が行われ、パルス信号と
してトランジスタ４８に与えられる。これにより、検出
部Ｅの最終段ではトランジスタ４８がＯＮＬ、太陽電池
４３の出力電圧で直接駆動される発光ダイオード４９に
電流が流れることにより、測定信号に応じた光パルス信
号が、信号伝送用光ファイバ５３を通して受信部りに伝
送される。

一方、受信部りては、検出部Ｅから信号伝送用光ファイ
バ５３を介して伝送される光パルス信号か、フォトダイ
オード５４及び光／電気変換部５６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５６からの電
気信号は、パルス整形部５７でパルス整形が行われ、さ
らに、信号変換部５８でデータ逆変換が行われて、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５６からの電気信号のピーク値は
、ピークホールド部５９でホールドされ、そのホールド
値は比較部６０て基準電圧Ｖｒ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Ｖｒと等し
くなるように、電流制御部６１でレーザ駆動部６２の電
流を制御して、半導体レーザ４１の発光量が制御される
ことにより、検出部Ｅからの光パルス信号のピーク値か
ある一定レベルに保持される。即ち、検出部Ｅからの光
パルス信号のピーク値Ｐ　ｐｅａｋは、トランジスタ４
８がＯＮになった場合、太陽電池４３の出力電圧をＶｌ
ｌ、抵抗５０の抵抗値をＲ１，１、発光ダイオード４９
の順電几を■、とすると、Ｐｐｅａｋｏｃ（Ｖｔｑ　−Ｖｌ　）、／Ｒ１゜て与え
られる。従−つで、光パルス信Ｙｊのピーク値）’ｐｅ
ａｋを一定に保持することは、太陽電池４３の出力電圧
を一定に保つことであり、また、太陽電池４３の出力電
圧と入射パワーとＣコ、第７図に示す様に卯調増加の関
係にあり、結）ｉｊ’ｌ、太陽電池４３の出力電圧を一
定にすることにより、太陽電池４３への入射パワーが一
定に保持されることになる。以上により、予め検出部Ｅ
として必要な入射パワーを測定しておき、それに対応し
た出力電圧を第７図の特性から決定し、その値となるよ
うに受信部りにおける基準電圧Ｖｒを設定すれはよいこ
とになる。

以上述べた様にし、て半導体レーザの発光量を、センサ
駆動に必要最小限な量に保つことができるので、半導体
１．・−サか過剰な発光を行うことによる短命化を防ぐ
ことかできる。７なお、チップのバラツキの激しい半導体し一ザを、所定
の期間駆動させるには、第１実施例と同様に、電流制御
部６１において通電時間−動作電流曲線から半導体し・
−ザの寿命を算出し７、予測された寿命がある定められ
た期間よりも短いときには、レーザ駆動部６２を間欠駆
動に切替える方法をとればよい２上述しまた様に一本実施例においては、検■部Ｅに到達
する光パワーの割合か、伝送１離その他の要因で変動り
、ても、検出部Ｅで受は取る光パワーが必要最小限の値
で、且つ、所定の期間は１ノーザのチップの／きラツキ
にもかかｔ〕らず、検出装置の駆動を保証できる、極め
て信頼性の高い装置とすることができる。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、検出部で受光する光
エネルギーの量についての情報を受信部へ伝送し、その
情報により半導体レーザ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か、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い、さらに、半導
体レーザのバラツキにもかかわらず、所定の期間は検出
装置の駆動を保証できる、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ができる。

【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第
１実施例を示すブロック図、第２図（Ａ）〜（Ｃ）は第
１実施例における制御の流れを示すタイミングチャート
、第３図は半導体レーザの劣化と電流−光出力特性曲線
との関係を示す図、第４図及び第５図は定光出力動作に
おける通電時間と動作電流の関係を示す図、第６図は本
発明の第２実施例を示すブロック図、第７図はその作用
を説明するための図である。Ａ・・・受信部、Ｂ・・・検出部、Ｃ・・・光ファイバ
、Ｄ・・・受信部、Ｅ・・・検出部、Ｆ・・・光ファイ
バ　１１・・半導体レーザ、１２・・・制御駆動回路、
１３・・・フォトダイオード、１４・・充電流増幅回路
、１５・・・フォトダイオード、１６・・・分離復調回
路、１７・・・信号処理部、２１・・・フォトダイオー
ド、２２・・・トランス、２３・・整流回路、２４・・
・電圧比較器、２５・・・センサ、２６・・・変換処理
部、２７・・・変調回路、２８・・・光源、３０・・・
光エネルギー伝送用光ファイバ、３１・・・信号伝送用
光ファイバ、４１・・・半導体レーザ、４２・・・光エ
ネルギー伝送用光フ７−イ／＜４３・・・太陽電池、４
４・・・電源安定化部、４５・・・センサ、４６・・・
増幅部、４７・・・データ変換部、４８・・・トランジ
スタ、４９・・・発光ダイオード、５０・・・抵抗、５
１・・・抵抗、５２・・・コンデンサ、５３・・・信号
伝送用光ファイバ、５４・・・フォトダイオード、５５
・・・抵抗、５６・・・光／電気変換部、５７・・・パ
ルス整形部、５８・・・信号変換部、５９・・・ピーク
ホールド部、６０・・・比較部、６１・・・電流制御部
、６２・・・レーザ駆動部。重力イン１電シ＾Ｌ第図１Ａ電時間第第図

Claims

【特許請求の範囲】受信部に設けられた半導体レーザからの光を検出部に伝
送し、この光エネルギーによって検出回路を駆動させ、
この検出回路によって得られた測定信号を前記受信部に
伝送し、さらに外部装置へ送出するように構成した光エ
ネルギー駆動型検出装置において、前記検出部には、受信部より伝送された光エネルギー量
を検出する光エネルギー量検出手段及びその情報を受信
部へ伝送する信号伝送手段が設けられ、一方、前記受信部には、前記情報に基づいて、半導体レ
ーザの発光量を制御する発光量制御手段と、半導体レー
ザの余命を算出し、この余命に応じて検出装置を間欠駆
動させ、また、その間欠駆動の間隔を制御する間欠駆動
制御手段とが設けられていることを特徴とする光エネル
ギー駆動型検出装置。