JP2006313071A

JP2006313071A - 異常検知機能付き光電界センサ

Info

Publication number: JP2006313071A
Application number: JP2005134883A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Torihata; 成典鳥畑
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-16

Abstract

【課題】電力供給機能の故障（バッテリーの供給電力枯渇含む）により検出電界が微弱なのか、あるいはもともとの信号源からの放射電界が微弱なのかを識別できる電力供給機能の故障を検出できる異常検知機能付き光電界センサを提供すること。
【解決手段】光ファイバ３による電力供給による供給電力の一部を用い、この電力により光電界センサの検出周波数範囲外である周波数の発振器を動作させ、光電界センサの検出信号にこの発振器出力を重畳させ、対向する光源／検出器側で光信号をＯ／Ｅ変換した後に、周波数フィルターで検出信号を分離し、この信号の有無を検波することで電力供給機能の正常／異常の判別を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて電界を検出する光電界センサに係り、特に、ＥＭＣ分野における電界の強度あるいは周波数を測定するのに好適な光変調器を有する異常検知機能付き光電界センサに関する。

分岐干渉型光導波路を有し、電気光学効果を利用して電界測定を行う光電界センサは、以下のような優れた特徴を持つ。
（１）センサヘッドに強い電流が流れる金属部を持たないために被測定電界を乱さない。
（２）光ファイバで検出信号を伝送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を受けない。
（３）結晶の電気光学効果を利用するので、高速応答が可能で、その検出信号をそのまま少ない損失で伝送できる。
（４）光導波路部とアンテナ部をセンサヘッドとして一体化でき、小型化できる。
このような特質ゆえに光電界センサは、ＥＭＣ分野などの電界測定や放送用あるいは通信用電波の中継装置における電波受信装置として用いられている。

図３は、従来から用いられている電気光学効果を利用した分岐干渉型光導波路を有する光変調器の構造を示す模式図である。光ファイバ３を通して入射した光は、ＬｉＮｂＯ₃結晶基板６５上の光導波路６６ａを経て、２本の分岐光導波路６３ａおよび６３ｂに分岐されて伝搬する。分岐光導波路６３ａと６３ｂに金属電極６２ａ，６２ｂにより電界を印加すると、屈折率の変化が生じる。また、金属電極６２ａ，６２ｂは、２つの分岐光導波路６３ａと６３ｂに対してアンテナから導かれた電界が逆向きに印加される形状になっている。いずれの分岐光導波路を伝播する光も光導波路６６ｂで再び合波され、２つの光路における屈折率の差から生じた位相差により合波後の光強度は変化する。このようにして変調された光は、出力側の光ファイバに結合し、出射する。

図４は、上述の光変調器を用いた光電界センサの構成を示すブロック図である。１２はアンテナで、６は光変調器で、３は光ファイバで、２５は光源で、２１はフォトダイオードで、２は光検出器である。なお、図３の金属電極６２ａ，６２ｂにアンテナ１２の出力が印加され、光ファイバ３に接続される。

しかしながら、上述の光変調器を用いた光電界センサは、検出しようとする電界強度が低い場合（例えば、ＥＭＣ分野で高速のデジタル信号を処理する電子部品から放射される隣接する電子部品に悪影響を与える電磁波の強度スペクトルレベルを測定する場合など）には、光電界センサのノイズレベルよりも信号レベルが低くなり、電界を検出できないという問題点があった。

微弱な電界を検出できるように高感度化した電界センサの技術が、特許文献１や特許文献２に開示されている。光ファイバを通して光エネルギーを供給し、この光エネルギーを光電変換素子で電気エネルギーに変換する技術を利用したものである。特許文献１は、センサで検出した微弱な電界を増幅器で増幅し、高感度化を計る技術である。特許文献２は、バッテリーで増幅器を駆動させる技術である。

特開平９−００８７３７号公報特開２００２−３４０９５３号公報

特許文献１および特許文献２で開示された装置は、センサヘッド部と光源／光検出部が光ファイバのみで接続されているので、検出信号の伝送は容易でもセンサヘッド部における装置異常（特に電力供給機能の異常）を通知する方法を備えることが困難であるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、電力供給機能の故障（バッテリーの供給電力枯渇含む）により検出電界が微弱なのか、あるいはもともとの信号源からの放射電界が微弱なのかを識別できる電力供給機能の故障を検出できる異常検知機能付き光電界センサを提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、電界をとらえるアンテナとその出力電圧を光強度に変換する光変調器と前記光変調器に光ファイバを介して一定強度の光を供給する光源と前記光変調器の出力光を伝送する光ファイバと伝送された光の強度を電圧に変換する光検出器と前記アンテナと前記光変調器を一体化したセンサヘッドの内部に前記アンテナの出力電圧を増幅するための増幅器とこの増幅器への電力供給機能を保有する異常検知機能付き光電界センサにおいて、前記電力供給機能の正常時には正常信号発生装置からの正常信号を該光ファイバの変調信号に重畳させ、異常時には前記変調信号を遮断し、前記正常信号の有無を前記光検出器側で判別させた異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第２の発明は、前記アンテナの内部の電力供給機能が電池による異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第３の発明は、前記アンテナの内部の電力供給機能が光ファイバによる光エネルギー供給と光電変換素子で構成された異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第４の発明は、前記正常信号発生装置を前記光源の前に配置し、前記光ファイバの変調信号に前記正常信号を重畳させた異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第５の発明は、前記光変調器は、電気光学結晶の表面に形成された分岐干渉型光導波路を用いて構成された異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第６の発明は、前記電気光学結晶は、ＬｉＮｂＯ₃結晶である異常検知機能付き光電界センサである。

上記目的を達成するための第７の発明は、前記分岐干渉型光導波路は、前記電気光学結晶であるｉＮｂＯ₃結晶の表面にＴｉイオンを拡散して成る異常検知機能付き光電界センサである。

本発明は、バッテリーによる電力供給（特許文献２）あるいは光ファイバによる電力供給（特許文献１）による供給電力の一部を用い、この電力により光電界センサの検出周波数範囲外である周波数の発振器を動作させ、光電界センサの検出信号にこの発振器出力を重畳させ、対向する光源／検出器側で光信号をＯ/Ｅ変換した後に、周波数フィルターで検出信号を分離し、この信号の有無を検波することで電力供給機能の正常／異常の判別を行う。

その結果、電力供給機能の故障（バッテリーの供給電力枯渇含む）により検出電界が微弱なのか、あるいはもともとの信号源からの放射電界が微弱なのかを識別できる電力供給機能の故障を検出できる異常検知機能付き光電界センサの提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る異常検知機能付き光電界センサを以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る異常検知機能付き光電界センサのブロック図（１例）を示した図である。図２は、本発明を実施するための最良の形態に係る異常検知機能付き光電界センサのブロック図（２例）を示した図である。

図１に示すように、アンプ１７を駆動するための電力は、光検出器２側の光源２４より光エネルギーの形で供給される。供給された光エネルギーは光ファイバ３で伝送された後にセンサヘッド１に到達し、センサヘッド１内の光電変換素子１１に供給される。その後、光エネルギーは、電気エネルギーに変換される。

変換された電気エネルギーは、微弱信号を増幅するアンプ１７の駆動電源として消費される。アンプ１７で増幅されたアンテナ１２で受信した信号は、光変調器６に印加する。この増幅作用により、光変調器単独で検出し得なかった微弱信号の検出が可能となる。この給電機能が正常に動作しているかどうかの判別をするために、電力監視機能１３を設ける。（例えば、光電変換素子１１の出力電圧が一定以上の場合には、正常信号発生装置１４により検出範囲以外の信号を発生させ、光信号に重畳させる。）

この電力監視機能部１３により、光電界センサで検出された電気信号とこの正常を示す信号が光ファイバ３に重畳される。この重畳された信号は、光ファイバ３を伝送後光検出器２に到達する。この光信号は、フォトダイオード２１で光-電気変換される。正常を示す信号とセンサが検出した信号を弁別できる電気的な周波数フィルター２２を設けることで、正常を示す信号とセンサ検出信号に分けられる。判別器２６を用い、「正常」を示す信号が受信されている場合に光検出器２の表示器２３を点灯させることで、操作者に「正常」を通知できる。

なお、この種のセンサは、レーザー光源２４の出力強度が大きいので、この信号が一定期間受信出来ない場合には、装置の異常によりレーザー光が光ファイバ外に放出される可能性も考えられる。そのための安全保護機能としてレーザー出力を遮断する機能を持たせることも可能である。

図２の２例が図１の１例と異なる点は、本装置が光の給電を行う替わりにセンサヘッド部１にバッテリー１５を搭載している事である。バッテリーであることからその消耗が問題となるが、従来では光検出器２側でその状態を検出できなかった。そこで、本発明ではバッテリー１５状態の監視装置１６を設置する。（例えば、バッテリーの電圧を監視し、定電圧以上の場合に正常信号発生装置１４から「正常」を示す信号を発生させ、センサ検出信号に重畳させる。その結果、光検出器２側でセンサの正常／異常を検出可能となる。動作の概要は図１の１例と同様である。

以上に示したように、本発明により、バッテリーによる電力供給あるいは光ファイバによる電力供給による供給電力の一部を用い、この電力により光電界センサの検出周波数範囲外である周波数の発振器を動作させ、本光電界センサの検出信号にこの発振器出力を重畳させ、対向する光源／検出器側で光信号をＯ/Ｅ変換した後に、電気的な周波数フィルターで検出信号を分離し、この信号の有無を検波することで電力供給機能の正常／異常の判別を行う機能を光電界センサに設置するで、電力供給機能の故障（バッテリーの供給電力枯渇含む）により検出電界が微弱なのか、あるいはもともとの信号源からの放射電界が微弱なのかを識別できる電力供給機能の故障を検出できる異常検知機能付き光電界センサの提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る異常検知機能付き光電界センサのブロック図（１例）。本発明を実施するための最良の形態に係る異常検知機能付き光電界センサのブロック図（２例）。従来から用いられている電気光学効果を利用した分岐干渉型光導波路を有する光変調器の構造を示す模式図。図３の光変調器を用いた光電界センサの構成を示すブロック図。

符号の説明

１センサヘッド部
１１光電変換素子
１２アンテナ
１３電力監視機能部
１４正常信号発生装置
１５バッテリー
１６監視装置
１７アンプ
２光検出器
２１フォトダイオード
２２電気的な周波数フィルター
２３表示器
２４，２５光源（レーザ）
２６判別器
３光ファイバ
６光変調器
６２ａ，６２ｂ金属電極
６３ａ，６３ｂ分岐光導波路
６５ＬｉＮｂＯ₃結晶基板
６６ａ，６６ｂ光導波路

Claims

電界をとらえるアンテナとその出力電圧を光強度に変換する光変調器と前記光変調器に光ファイバを介して一定強度の光を供給する光源と前記光変調器の出力光を伝送する光ファイバと伝送された光の強度を電圧に変換する光検出器と前記アンテナと前記光変調器を一体化したセンサヘッドの内部に前記アンテナの出力電圧を増幅するための増幅器とこの増幅器への電力供給機能を保有する異常検知機能付き光電界センサにおいて、前記電力供給機能の正常時には正常信号発生装置からの正常信号を該光ファイバの変調信号に重畳させ、異常時には前記変調信号を遮断し、前記正常信号の有無を前記光検出器側で判別させたことを特徴とする異常検知機能付き光電界センサ。
前記アンテナの内部の電力供給機能が電池によることを特徴とする請求項１記載の異常検知機能付き光電界センサ。
前記アンテナの内部の電力供給機能が光ファイバによる光エネルギー供給と光電変換素子で構成されたことを特徴とする請求項１記載の異常検知機能付き光電界センサ。
前記正常信号発生装置を前記光源の前に配置し、前記光ファイバの変調信号に前記正常信号を重畳させたことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の異常検知機能付き光電界センサ。
前記光変調器は、電気光学結晶の表面に形成された分岐干渉型光導波路を用いて構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項４記載の異常検知機能付き光電界センサ。
前記電気光学結晶は、ＬｉＮｂＯ₃結晶であることを特徴とする請求項５記載の異常検知機能付き光電界センサ。
前記分岐干渉型光導波路は、前記電気光学結晶であるＮｉｂＯ₃結晶の表面にＴｉイオンを拡散して成ることを特徴とする請求項６記載の異常検知機能付き光電界センサ。