JPH0272310A - サイリスタの光点弧装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光信号により直接点弧するサイリスタの光点
弧装置に係り、特に光源と光ファイバの光結合に好適な
構成に関する。

〔従来の技術〕

近年、直流送電、周波数変換などに用いられる高電圧、
大電流のサイリスタバルブに、光で直接点弧ができるサ
イリスタ（以下光サイリスタと略す）が採用されるよう
になってきた。光サイリスタバルブは、電気信号で点弧
するサイリスタバルブに比べ、ゲート信号を光ファイバ
で送るため電気絶縁が容易である。光信号なので主回路
からの電磁誘導を受けない、などのほかに、ゲート回路
の部品点数が大幅に少なくなり、サイリスタバルブの信
頼性向上が計れるなど有利な点が多い。

この光サイリスタを点弧するための光ゲート回路の従来
例を第３図及び第４図に示す。第３図はすでに実用化さ
れている光ゲート回路の例で、光サイリスタ１に対し、
光源２を複数個用いて、その間を光ファイバ３を介して
光信号を伝達する。

光源２を複数個にするのはある光源が故障して出力光７
が出なくなっても、残りの光源で光サイリスタ１への入
力光８を確保するためである。すなわち、光源の数は図
に示すように最低２個は必要である。光ファイバ３は、
光を伝達するコアが単芯のものが、最も光源との光結合
効率が良い。しかし、現在用いられている光サイリスタ
で例えば素子定格が電圧４ＫＶ、電流Ｌ５００Ａクラス
だと光サイリスタの光フアイバ人口径が２〜３ＩＩＩＩ
！程度である。このため光ファイバ３の光出力側３３の
径もほぼ同じ径とするので、第３図の如く光ファイバ３
の光入力側を２分岐にすると入力側３１゜３２の径は１
．４〜２．１ｍとなる。この太さの単芯ファイバ径とす
ると、曲げに弱く、折れ易いため、ファイバ径が細い（
数十μｍ〜数百μｍ）素線３１ａを何本か束ねバンドル
ファイバ構造としている。３１ｂはファイバ端末の金具
である。光源２としては発光ダイオード、あるいはレー
ザダイオードが用いられることが多い。発光ダイオード
は、価格、信頼性などの点から比較的多く用いられるが
、発光ダイオードの光放射角は大きく、光ファイバとの
光結合効率が悪いので、発光出力の増大化や、光ファイ
バとの結合方法（例えば発光部間りに反射板を取りつけ
ることや、先取出口のレンズ化に工夫が必要となる。こ
れに対し、レーザダイオードは、光放射角が小さく、光
結合効率は良いが、現状ではパルス通電時間が短い（１
μｓ以下）ため、光サイリスタの点弧に必要な時間幅（
数十μｓ）を得ることが困難であった。

しかし、最近、発光ダイオードに比べ、発光出力、パル
ス通電時間幅が同等あるいはそれ以上のレーザダイオー
ドが研究・開発されてきた。このレーザダイオードを用
いると光結合効率が良いので同じ光出力の発光ダイオー
ドに比べ、光サイリスタ１への出力光８の光量が増える
。しかし、第３図の光ゲート回路だと、光源の光出力が
どんなに大きくなっても２個以下にすることはできない
。このため、大出力光源に適した第４図に示す光ゲート
回路が例えば特開昭５５−１２５０７６号に述べられて
いる。ここでは、光サイリスタ１が３個に対し、光ｇ２
が３個、すなわち光サイリスタ１個当り光源１個の場合
を例として示す、バンドルファイバ２０のファイバ素線
を複数本に分け、その素線束２０１〜２０３を各光サイ
リスタ１に分配する。

他のファイバ素線も同様に分けると、各光サイリスタ１
には光源２全てから光が送れらる。もし、光ｒＡ２のう
ち１個が故障すると光出力は−に低下するが、前述の第
３図の方法に比べ、その光出力低下率は小さい、さらに
、光源２の光出力が充分大きく、かつ、光サイリスタの
点弧に必要な出力光８が確保できるとすれば、光源２の
数は２個でも光サイリスタ１の数はいくらでも増すこと
が可能である。すなわち、第４図の方法は、光ファイバ
との光結合効率が良く、大出力のレーザダイオードに適
した光ゲート回路である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、レーザダイオードとバンドルファイバとの光結
合については次のような不具合がある。

第５図は従来のレーザダイオードの発光パターンを模式
的に示したものである。２ａはレーザダイオードである
。ダイオード２ａ内の活性層９の一部分が発光領域５に
なっており、ここからレーザ光７を出す。レーザ光７の
放射角は活性層９に対し、垂直方向と水平方向とでは異
なる。すなわち、相対光強度が半分になる放射角をみる
と、水平方向波がり角θｌは垂直方向波がり角θ上に比
べて小さく、レーザ光７の発光パターンは図示の如く楕
円形となる。第６図は、レーザ光７がバンドルファイバ
の光入力側２１に入射するところを示したものである。

ファイバ素線２１ａは、素線束２０１〜２０３に分岐し
て光サイリスタ１へそれぞれ分けられる。２１ｂは、こ
れらファイバ素線２１ａを保護する金具である。素１２
１ａの配列は、ファイバ端末の素線占積率を良くするた
め密集させ、はぼ円になるようにする。このファイバに
レーザ光７を入射し、長径をバンドルファイバ外径に合
せると光が入射しない素線がでてくる。

また、レーザ光の短径をバンドルファイバ外径に合せる
とファイバ素線全てに光が入射するが、入射面績が大き
くなるため面積当りの光量が少なくなってしまう。この
ようにレーザダイオードとバンドルファイバを光結合す
る場合、レーザ光の発光パターンが楕円形なので、前述
のように光量が少なくなる。あるいはファイバ素線に光
が入射しないことがおこり、レーザ光を有効にファイバ
素線へ取り込めない。このため、光サイリスタへの入力
光８の光量にアンバランスが生じ、光サイリスタの不点
弧、あるいは光量の差により点弧時間のばらつきが大き
くなるなどの不具合が発生する。

本発明は、上記問題点を解消し、レーザダイオードの出
力光を有効にバンドルファイバへ伝達することが可能な
サイリスタの光点弧装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、レーザダイオードとバンドルファイバの間
に、バンドルファイバ素線集合体の外径とほぼ等しい径
の単芯の光ファイバを介在させることにより達成される
。

〔作用〕

レーザ光は単芯の光ファイバに入射すると、そのファイ
バ内で反射を繰り返し光がミキシングされる。そのため
単芯ファイバ出口では、はぼ均等化した光が出るので、
入射したレーザ光は有効にバンドルファイバ各素線へ伝
達することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例である。図において、単芯の
ファイバ６をレーザダイオード２ａとバンドルファイバ
２１の間に入れる。ファイバ６は光を伝達する部分の単
芯のコア６ａと、光を反射するクラッド６ｂから成る。

コア６ａの径は、ファイバ素線２１ａの集合体径とほぼ
等しくした方が、レーザ光７を有効にバンドルファイバ
へ伝達できる。ファイバ６の屈折率分布は、階段形また
は集束形のどちらでもよく、主材料も１石英系、多成分
系、プラスチック系などが考えられる。

第２図に階段形屈折率分布のファイバを例にとった本実
施例の動作を示す。図は第１図の断面を示したもので、
レーザ光７のうち７０は中心Ｏを通る光、７１は短径の
角度に相当する光、７２は長径の角度に相当する光であ
る。光の伝搬する様子は対称なのでここでは一部分のみ
示す、光７０は中心Ｏを通ってバンドルファイバへ入射
するが光７１．７２はクラッド６ｂで反射しながらコア
６ａ内を進む。レーザダイオード２ａの端面から、短径
の光７１が中心０を交差する点までの距離をΩとし、こ
の面Ｃにおける光の出射について述べる。面Ｃでは光７
０より角度の大きい光は反射せずにコア６ａ上側の端Ａ
の方向に向って出射する。

端Ａに到達すると、こんどは反射しながら下側の端Ｂの
方向に向って出射し、光７１は、この場合では丁度中心
０で出射することになる。さらに光７２までは光は端Ｂ
に向って出射する。すなわち光７０〜７２の経路はＯ→
Ａ→０→Ｂとなり端ＡからＢまでの間を一回半往復する
。下方に出射する光は同様に、０→Ｂ→０→Ａとなる。

他のどんな断面をとっても同様である。このように単芯
ファイバ６を介在させることにより光の出射分布が均等
化される。この例では光７２が丁度端Ｂまで到達すると
いう仮定で光の分布が対称となったが、光７２の角度が
もう少し小さいと端Ｂまで行かずに光の分布が多少アン
バランスになる。距離Ｑを変え出射面が距離Ｑの半分の
Ｃ′面では光の分布のアンバランスが大きくなり、逆に
距離を２Ｑとじ面りの場合には光が端ＡとＢを何回も往
復するので光分布のアンバランスは小さくなる。結局、
レーザダイオード２ａ端面から単芯ファイバ６の光出射
面までの距離は、光を有効に利用するためには最低でも
レーザ光７の出射光の短径の角度の光が単芯ファイバ６
のクラッド６ｂを最初に反射するところまで必要である
。

以上のように本実施例によればレーザダイオードのよう
に発光パターンが楕円形のような非対称形でも、単芯の
光ファイバを用いることにより、有効にバンドルファイ
バへ光を入射することができる。

〔発明の効果〕

本発明によればレーザダイオードからの出力光を有効に
利用するので、レーザダイオードの先出力や、必要個数
を低減できる効果があり経済的な光点弧装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は同実施例
の動作図、第３図、第４図は従来の光ゲート回路図、第
５図は従来のレーザダイオードの発光パターンを示す図
、第６図は従来のレーザダイオードとバンドルファイバ
の光結合を示す図である。 １・・・光サイリスタ、２・・・光源、２ａ・・レーザ
ダイオード、３・・・バンドルファイバ、６・・・単芯
ファイバ、６ａ・・・コア、６ｂ・・クラッド、７・・
・レーザ光、２１・・・バンドルファイバ入力側、２１
ａ・・・バンドルファイバ素線、２１ｂ・・・金具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザダイオードからの光をバンドルファイバへ伝
   達するものにおいて、該レーザダイオードと該バンドル
   ファイバの間に単芯のコアを有する光ファイバを介在さ
   せることを特徴とするサイリスタの光点弧装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、該レーザダイオー
   ドの光出力端から、該単芯光ファイバの光出射面までの
   距離は、レーザ光の短径に相当する角度の光が最初に該
   単芯光ファイバで反射する距離以上とすることを特徴と
   するサイリスタの光点弧装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、該単芯光ファイバ
   のコア径は、該バンドルファイバ光入力側のファイバ素
   線集合体の外径とほぼ等しくすることを特徴とするサイ
   リスタの光点弧装置。