JP2008097569A - データ伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送速度の向上、及び高耐電圧化を図るとともに、小型化可能なデータ伝送装置１００を提供する。
【解決手段】測定データ取得部２０とデータ処理部３０間のデータ伝送を、面発光型レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）を利用して、ＴＯＳＡ４１及びＲＯＳＡ４２を用いることで高速伝送が可能となり、また光ファイバ４４を用いることで測定データ取得部２０とデータ処理部３０との距離を任意に設定することが可能となるため高耐電圧化を図ることができる。さらには、小型化、低消費電力化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定器における入力部とデータ処理部間のデータ伝送技術に係り、特に電圧波形（高電圧や微小電圧の電圧波形）の測定に好適な測定器の絶縁技術に関する。

数百[Ｖ]を超える高電圧の電圧波形や、１[ｍＶ]に満たない微小電圧の電圧波形の測定に使用される測定器では、測定データを取得する測定データ取得部（入力部）と取得された測定データのデータ処理を行うデータ処理部との間の電気的な絶縁が重要である。
例えば、高電圧波形の測定では、絶縁する事によりデータ処理部側の保護、ユーザの安全性を確保できる。また、微小電圧波形の測定では、非常に高い測定精度が要求されるため、絶縁する事によりコモンモード電圧のノイズの影響を軽減できる。

また、上記絶縁の重要性は、電圧測定の場合に限らず電流・抵抗・圧力・温度等の測定の場合も同様である。測定器の保護及び測定精度の向上の観点から、これらの信号を絶縁しつつ伝送することが望まれる。

図５に従来のデジタルデータ伝送装置１０の一例を示す。図５に示すように、同一の基板１上に測定データ取得部２とデータ処理部３が実装されている。測定データ取得部２とデータ処理部３はデータ絶縁伝送部６、７、８を介して接続され、測定データはデータ絶縁伝送部６、７、８によって電気的に絶縁された状態でデータ処理部３に伝送される。

測定データ取得部２は、プローブ等を介して取得された測定アナログデータ（Ａｉｎ）をデジタルデータ（Ｄｉｎ）に変換するＡ／Ｄ変換器４を備えている。Ａ／Ｄ変換器４から出力されるパラレルデータは、複数のデータ線５ごとにデータ絶縁伝送部６、７、８へ送られる。

データ処理部３はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）９等により構成されている。ＦＰＧＡ９は、データ絶縁伝送部６、７、８を介して送られてきたデータについて、所定の演算処理を施し、処理結果の表示等を指示する。

従来一般に、データ絶縁伝送部６、７、８としては、フォトカプラ、高速アイソレ−タ、絶縁トランス等が用いられている。これらをデータ絶縁伝送部６、７、８として使用した場合、データ伝送速度は最高でも１００Ｍｂｐｓ程度が限界である。

一方、高耐電圧の測定を行う場合において、データ絶縁伝送部６、７、８は高耐電圧であることが好ましい。高耐電圧化を図るには、測定データ取得部２とデータ処理部３との間を絶縁するために要する距離（以下「絶縁距離」）を十分に取ることで、所望の耐電圧を得ることができる。

フォトカプラや高速アイソレ−タでは、素子又はパッケージの大きさ等はある程度規格化されおり、耐電圧の向上を図ることには限界がある。そこで、絶縁トランスを用い、発振回路を備えることで、従来のフォトカプラや高速アイソレ−タによる絶縁伝送構造では困難であった直流の入力端子対接地印加電圧を明確に規定することができる回路構成が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００５−１８５５０号公報

しかし、データ絶縁伝送部６、７、８に絶縁トランスを用いた場合であっても、フォトカプラや高速アイソレ−タと同様、伝送速度には限界がある。また、測定器の大型化につながってしまうといった新たな問題が生じてしまう。

本発明は、伝送速度の向上を図るとともに、高耐電圧化かつ小型化可能なデータ伝送装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、
測定対象から測定データを取得する測定データ取得部と、
前記測定データ取得部により取得された測定データのデータ処理を行うデータ処理部と、
前記測定データ取得部とデータ処理部との間に介在され、前記測定データを電気的に絶縁した状態で前記データ処理部に伝送するデータ伝送部と、
を備え、
前記データ伝送部は、
前記測定データを光信号に変換する面発光型レーザダイオードと、
前記面発光型レーザダイオードからの光信号を受信する受信用光デバイスと、
前記面発光型レーザダイオードと前記受信用光デバイスとの間に設置され前記光信号を伝送する光導波路型の光信号伝送路と、
を備えたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記測定データ取得部は、
前記測定データをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータをシリアルデータに変換して前記面発光型レーザダイオードに出力するパラレル／シリアル変換器と、
を備えたことを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、
前記光導波路型の光信号伝送路は、
光信号を伝送する光ファイバと、
この光ファイバを保持するフェルールと、
であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、
前記データ伝送部は、前記測定データ取得部及び前記測定データ処理部間の双方向に前記光信号を伝送可能とすることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、
前記測定データ取得部、データ処理部及びデータ伝送部は同一の基板上に設けられていることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、
前記測定データ取得部と前記面発光型レーザダイオードとが設けられる第１の基板と、前記データ処理部と前記受信用光デバイスとが設けられる第２の基板とは、分離されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、
発光素子に面発光型レーザダイオード（以下「ＶＣＳＥＬ」;Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を適用することで高速伝送が可能となる。また、光導波路型の光信号伝送路を使用するので、絶縁距離を任意に設定することが可能となる。これにより、振幅
が非常に大きな又は微小な信号（例えば、電圧、電流、抵抗、圧力、温度等）の測定に際し、高耐電圧化及びノイズの軽減を図ることができる。さらに、高速伝送が可能なＶＣＳＥＬを使用するので、従来のように複数のデータ絶縁伝送部を並列に設ける必要が無く、低消費電力化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、
シリアル伝送とすることによる配線の簡素化、製品の小型化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、
光導波路型の光信号伝送路に、光信号を伝送する光ファイバと、この光ファイバを保持するフェルールとを使用することで、製造工程における低コスト化や加工による小型化を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項の効果に加えて、
データ取得部２とデータ処理部３との間で、絶縁したい信号を双方向に光伝送することができる。これにより、Ａ／Ｄ変換器２１の変換開始タイミングを制御する信号（コンバージョン信号）を伝送する際、従来のように伝送の高速化を図るためにデータ絶縁伝送部を複数設ける必要がなく、高速にＡ／Ｄ変換器２１へ伝送することができる。コンバージョン信号を高速に伝送することができるためクロックを大きい値としてもジッタ（周波数変動）が大きくなることはなく、測定データを高速かつ高精度に処理することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項の効果に加えて、
同一の基板上に測定データ取得部２、データ処理部３及びデータ絶縁伝送部６、７、８を実装することで、省スペースに一定の構成要素を実装し、かつ電気的な絶縁を図ることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項の効果に加えて、
基板１を、測定データ取得部２とデータ処理部３とを分離可能とすることで、同一の基板１上に配置されている場合と比較して、より完全な絶縁及び耐電圧を図ることができ、かつ基板構成の自由度が増すことで多様な設計ができるようになる。

以下、本発明によるデータ伝送装置について最適な実施形態の構成及び動作について図面を用いて詳細に説明する。なお、説明の便宜上、従来技術において説明した構成要素に対応する要素については同様の参照符号を使用することとし、説明は主として従来技術との相違点を中心に行うこととする。

＜第１実施形態＞
図１に、本発明に係るデータ伝送装置１００の一例を示す。データ伝送装置１００は、大略して測定データ取得部２０、データ処理部３０、データ伝送部４０とを備え、これらは同一の基板１上に配置されている。

測定データ取得部２０は、Ａ／Ｄ変換器２１、Ｐ／Ｓ変換器２２及び、レーザドライバ２３を備える。Ａ／Ｄ変換器２１は、測定対象から入力されたアナログデータ（Ａｉｎ）をデジタルデータ（Ｄｉｎ）へ変換する。なお、測定対象から入力される信号としては、電圧波形や電流波形の他に抵抗、圧力、温度波形等の信号波形であってもよい。Ａ／Ｄ変換器２１により変換されたＤｉｎはＰ／Ｓ変換器２２によりシリアルデジタルデータ（高速伝送対応の「信号Ｓ」）へと変換される。レーザドライバ２３は、Ｐ／Ｓ変換器２２から出力された信号Ｓを光信号へと対応付けるためのＴＯＳＡ（Transmitter Optical Sub-Assembly；送信用光デバイス）４１駆動用のドライバである（ＴＯＳＡ４１については後述する）。

なお、上述のＰ／Ｓ変換器では、パラレル信号を低電圧差動のシリアル信号に変換して伝送する、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）や、ＣＭＬ（Current Mode Logic）方式を採用した変換を行っている。ＬＶＤＳやＣＭＬによる伝送方式では、一本の信号線だけでデータを伝送するシングルエンド伝送に比べ、高速かつ少ない信号線での伝送が可能となる。

データ伝送部４０は、レーザドライバ２３を介して入力された電気信号により発光するＶＣＳＥＬを備えたＴＯＳＡ４１と、ＴＯＳＡ４１から出力された光信号が絶縁伝送される光導波路型の光信号伝送路４２と、光信号伝送路４２を介して伝送された光信号を受信するＲＯＳＡ（Receiver Optical Sub-Assembly；受信用光デバイス）４３とを備える。

ＴＯＳＡ４１及びＲＯＳＡ４３は、ギガビットイーサネット(登録商標)やファイバチャネル規格に準拠した光トランシーバであり、送信部のＴＯＳＡ４１にはＶＣＳＥＬを、受信部のＲＯＳＡ４３にはフォトダイオードを用いる。ＶＣＳＥＬは、基板から垂直に光を放出する性質を有しており、基板の水平方向に光が放出する通常の端面型レーザー（半導体レーザー）と比べ、低消費電力化や量産可能等、コスト面において優れている。

光信号伝送路４２は、測定データ取得部２０とデータ処理部３０とが電気的な絶縁状態を保持しつつ、光を全反射して伝送することができる素材であるものが適用される。例えば、平面型の光導波路、３次元型の光導波路の光ファイバ等が該当する。本実施例では、被覆等を除去してコア・クラッドにした光ファイバをフェルールで保持して使用することとしたが、これに限らず、上述したデータ伝送可能な絶縁素材であれば全て適用可能である。

ここで、図２、図３を参照して本実施例で使用する絶縁伝送部材である光ファイバ及びフェルールについて説明する。

図２に、本発明のデータ伝送装置１００におけるデータ伝送部４０の概略図を示す。本発明に係る光信号伝送路４２では、測定データ取得部２０とデータ処理部３０との間の距離がＬ＝２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の極近距離伝送であることから、特にマルチモード光ファイバを用いることにより、高速データ伝送が可能であり、かつ曲げ等の影響による損失も少なくすることができる。なお、マルチモード光ファイバには、一般的に広く使用されている高速伝送可能なグレーデッド・インデックス（ＧＩ）型を使用することができる。

図３（a）に、本発明の光信号伝送路４２の外形図を、（ｂ）に光信号伝送路４２の断面図を示す。光信号伝送路４２は、光ファイバ４４と、それを覆うフェルール４５とで構成されている。ここで用いられるフェルールは、長さ（Ｌ）は図２の説明において前述した通りで、直径（φ）は１．２５ｍｍとし、ＬＣコネクタ対応のものを使用する。また、材質としてはジルコニアやセラミック、或いはプラスチック等の絶縁素材のものであれば適用可能である。現行のＴＯＳＡ４１、ＲＯＳＡ４３に対して容易に着脱可能なものを使用することにより、生産工程において、又取り扱い等においての簡易化を図ることができる。

図１に戻り、データ処理部３０は、アンプ部３１とＦＰＧＡ９とを備える。アンプ部３１は、ＲＯＳＡ４３から受信した電気信号が極微小の場合に、その電圧レベルを上げることで高速伝送を可能とするギガヘルツ通信用のリミッティングアンプである。

ＦＰＧＡ９は、アンプ部３１を介して高速伝送された信号Ｓを受信する。ＦＰＧＡ９は、測定データ取得部２０に入力されたデータについての演算処理や測定結果の表示等、各種処理を行う。

以上のように、本実施形態によれば、ＶＣＳＥＬ内蔵のＴＯＳＡ４１、ＲＯＳＡ４３、及び両者を接続するフェルール４５を用いた光信号伝送路４２により、絶縁伝送の高速化を図ることができる。また、ＶＣＳＥＬを用いることによる低消費電力化、シリアル伝送による装置の小型化、さらには、フェルールの長さを任意に変更することで高耐電圧化を図ることができる。また、光ファイバをフェルールで保持する事により、光ファイバのみを使用する場合の弊害（加工の困難性から装置の大型化に繋がる、曲げの影響による損失が発生する等）を除去することができる。

以上、本実施形態におけるデータ伝送装置１００について説明してきたが、上記の実施形態における記載内容は、本発明に係るデータ伝送装置１００の一例であり、本発明の要旨を逸脱することがない範囲であればこれに限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、図１において、分離可能位置Ｐにより測定データ取得部２０とデータ処理部３０とを分離して同一の基板１上に配置しない構成とすることとしてもよく、これにより、絶縁機能の確実性を向上させ、基板配置の自由度が増すことにより多様な設計を図ることができる。

また、図２、図３において、光ファイバ４４全体を１個のフェルール４５内に収めて保持する構成を示したが、光ファイバ４４の中間部分（分離可能位置Ｐ付近）はフェルールで保持せずに、両端部分のみをそれぞれ個別のフェルールで保持することとしてもよい。これにより、製造工程や加工の便宜を図ることができる。

＜第２実施形態＞
更に他の実施形態として、図４にデータ伝送部４０を２組用いた場合におけるデータ伝送装置１００の一例を示す。データ伝送装置１００は、大略して測定データ取得部２０、データ処理部３０、２組のデータ伝送部４０とを備え、これらは同一の基板１上に配置されている。なお、測定データ取得部２０、データ処理部３０及びデータ伝送部４０の主な構成は、上記＜第１実施形態＞と同様であるためここでの記載は省略するものとし、相違点となるＦＰＧＡ９とＡ／Ｄ変換器２１間における構成について以下に説明する。

ＦＰＧＡ９は、Ａ／Ｄ変換器２１を適正に動作させるための信号をレーザドライバ２３へ出力する。ここで、ＦＰＧＡ９からＡ／Ｄ変換器２１へ向けて出力される信号とは、主としてクロック（ＣＬＫ）信号及びコンバージョン（ＣＮＶ）信号である。ＣＬＫ信号は各部に必要なクロックを供給するための信号であり、ＣＮＶ信号はＡ／Ｄ変換器２１にＡ／Ｄ変換を開始させるための変換開始信号である。
ＣＮＶ信号がＡ／Ｄ変換器２１へ入力されると、これをきっかけにして測定データがＣＬＫ信号に同期してＡ／Ｄ変換器２１からＦＰＧＡ９へ向けて伝送されることとなる。

ＦＰＧＡ９から出力されたＣＬＫ信号及びＣＮＶ信号は、レーザドライバ２３を介してデータ伝送部４０へ入力される。データ伝送部４０の備えるＴＯＳＡ４１及びＲＯＳＡ４３の光通信技術によって、ＣＬＫ信号及びＣＮＶ信号はデータ処理部３０とデータ取得部２０の間を絶縁伝送される。その後、ＣＬＫ信号及びＣＮＶ信号は、アンプ部３１を介してＡ／Ｄ変換器２１へ入力される。なお、Ａ／Ｄ変換器２１が差動入力に対応していない場合には、図示しない差動／シングル変換器をＡ／Ｄ変換器２１の手前に配置することとしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、ＣＬＫ信号及びＣＮＶ信号の伝送にデータ伝送部４０を用いることで、高速伝送を維持するために複数のデータ絶縁伝送部（フォトカプラ等）を配置する必要なくデータ伝送の高速化を図るとともに、１本の光信号伝送路４２によって絶縁伝送することができるため、装置の小型化や回路設計の便宜を図ることができる。また、サンプリング周波数の大きいＡ／Ｄ変換器２１を採用して処理速度の向上を図ろうとした場合、ＣＮＶ信号を光伝送により高速化できることからＣＬＫ信号に対してＣＮＶ信号の遅れが生じず、ジッタを抑えることができ高精度の処理を行うことができる。 なお、本実施形態ではデータ伝送部４０を２組用いた実施例について説明してきたがこれに限らず、データ伝送部４０を複数用いたデータ伝送装置１００としてもよい。

本発明に係るデータ伝送装置１００の第１実施形態のブロック図のである。 データ伝送装置１００におけるデータ伝送部４０の概略図である。 光信号伝送路４２の外形図（ａ）と断面図（ｂ）である。 本発明に係るデータ伝送装置１００の第２実施形態のブロック図である。 従来のデジタルデータ伝送装置１０の概略図である。

符号の説明

１ 基板
２ 測定データ取得部
３ データ処理部
４ Ａ／Ｄ変換器
５ データ線
６〜８ データ絶縁伝送部
９ ＦＰＧＡ
１０ デジタルデータ伝送装置
２０ 測定データ取得部
２１ Ａ／Ｄ変換器
２２ Ｐ／Ｓ変換器
２３ レーザドライバ
３０ データ処理部
３１ アンプ部
４０ データ伝送部
４１ ＴＯＳＡ
４２ 光信号伝送路
４３ ＲＯＳＡ
４４ 光ファイバー
４５ フェルール
Ｓ 高速伝送対応信号
Ｐ 分離可能位置
１００ データ伝送装置

Claims (6)

1. 測定対象から測定データを取得する測定データ取得部と、
   前記測定データ取得部により取得された測定データのデータ処理を行うデータ処理部と、
   前記測定データ取得部とデータ処理部との間に介在され、前記測定データを電気的に絶縁した状態で前記データ処理部に伝送するデータ伝送部と、
   を備え、
   前記データ伝送部は、
   前記測定データを光信号に変換する面発光型レーザダイオードと、
   前記面発光型レーザダイオードからの光信号を受信する受信用光デバイスと、
   前記面発光型レーザダイオードと前記受信用光デバイスとの間に設置され前記光信号を伝送する光導波路型の光信号伝送路と、
   を備えたことを特徴とするデータ伝送装置。
2. 前記測定データ取得部は、
   前記測定データをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータをシリアルデータに変換して前記面発光型レーザダイオードに出力するパラレル／シリアル変換器と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のデータ伝送装置。
3. 前記光導波路型の光信号伝送路は、
   光信号を伝送する光ファイバと、
   この光ファイバを保持するフェルールと、
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載のデータ伝送装置。
4. 前記データ伝送部は、前記測定データ取得部及び前記測定データ処理部間の双方向に前記光信号を伝送可能とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のデータ伝送装置。
5. 前記測定データ取得部、データ処理部及びデータ伝送部は同一の基板上に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデータ伝送装置。
6. 前記基板は、前記測定データ取得部とデータ処理部との境界位置において分離可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデータ伝送装置。

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