JPH07111759B2

JPH07111759B2 - 光エネルギー駆動型検出装置

Info

Publication number: JPH07111759B2
Application number: JP2170144A
Authority: JP
Inventors: 葉子内田; 行雄佐井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH0460800A

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10mW
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で、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ファイバは、光伝送損失が10dB/k
m前後の大きく、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が
負うことになり、その寿命を確保することが困難なこと
である。

そこで最近では、上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）の割合が、伝送距離
その他の要因で変動しても、検出部で受け取る光パワー
が必要最小限の値となるように発光制御を行い、過剰な
発光をなくそうとする試みが行なわれている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、半導体レーザの寿命はチップによるバラ
ツキが大きく、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が
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、検出部で受け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、検出部で受け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
とができ、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］（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、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、検出部で受取る光パワーが必要最小限の
値となるように発光制御が行われる。また、半導体レー
ザの順電流を検出し、この順電流履歴から半導体レーザ
の余命を算出し、この余命が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。

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
するための光ファイバ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17、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及び光
電流増幅回路14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21、トランス22、
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が一定になるよ
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〜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
が行われる。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では、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、光エネルギー検出部であ
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、センサ出力がシングル
パルスの周波数信号とされ、光パワーが低下してくる
と、センサ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、変換回路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31
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
ｂ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図のタイミングチャート
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で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11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）に示す様に上昇していく。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が過剰な発
光を行うことによる寿命の短命化を防ぐことができる。

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がある。一般
に、レーザの寿命は、動作電流が初期値I₀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、動作電流がI₁になったときの時間T₁が寿
命であり、それまでの曲線はほぼ直線近似ができる。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T_Nの時点（Ａ点）で、Ａ点までの動作電流の履歴
曲線を延長し、動作電流がI₁になるときの時間Ｔがレー
ザの寿命であると予測することができる。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が確実な方法である。

そこで、予測され寿命Ｔが、ある定められた期間T_M（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ができる。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ができる。

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で変動しても、検
出部Ｂで受け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
バラツキにもかかわらず、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Ｄ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Ｄ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58、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
等のアナログ信号として出力するものである。また、ピ
ークホールド部59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、電気制御部61で
は、比較部60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による制御に応じて半導体レー
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の駆動電力として光ファ
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、トラジスタ48、発光
ダイオード49、分圧用の抵抗50,51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レベルに増幅
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、発光ダイオード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Ｄ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度以上であり、光エ
ネルギー伝送用光ファイバ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
えば、NA0.3〜0.5の多成分ガラスファイバ、NA0.4前後
のポリマクラッドファイバ等が、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、光エネルギ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ァイバ
42以下であれば問題はない。

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、第６図に
おいて、受信部Ｄ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が安定化さ
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では圧力・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ONし、太陽
電池43の出力電圧で直線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Ｄに伝送
される。

一方、受信部Ｄでは、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が、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で
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が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Ppea
kは、トランジスタ48がONになった場合、太陽電池43の
出力電圧をV₀、抵抗50の抵抗値をR₁₀、発光ダイオード4
9の順電圧をV_fとすると、 Ppeak∝（V₀−V_f）/R₁₀ で与えられる。従って、光パルス信号のピーク値Ppeak
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
パワーとは、第７図に示す様に単調増加の関係にあり、
結局、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Ｄにおける基
準電圧Vrを設定すればよいことになる。

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、半導体レ
ーザが過剰な発光を行うことによる短命化を防ぐことが
できる。

なお、チップのバラツキの激しい半導体レーザを、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レーザ
の寿命を算出し、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。

上述した様に、本実施例においては、検出部Ｅ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Ｅで受け取る光パワーが必要最小限の値で、
且つ、所定の期間はレーザのチップのバラツキにもかか
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。

［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
エネルギー量の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が、伝送距離その他の
要因で変動しても、検出部で受け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……光電流増幅回路、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ァイバ、43……
太陽電池、44……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、51……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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。