JPH04109882A - 光ファイバー用光電変換装置 - 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］ 本発明は光電変換装置、特に光ファイバーに導入された
光エネルギーを電気的エネルギーに変換する光ファイバ
ー用光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 周知のように、光ファイバーは、コンピュータネットワ
ークを始めとする各種情報伝送システムおよびその他の
用途に幅広く用いられている。

特に、光ファイバーは、軽量、細径、絶縁性、無誘導性
、安全、防爆性などの優れた特徴を有していることから
、近年情報伝送システム以外に、計測機器への適用も進
展している。

とりわけ、安全性の重視される生体計測の分野において
は、漏れ電流のおそれがなく安全性が高いことや、電磁
的な干渉を受けないこと、および細部の計測が容易であ
ることなどの理由から、光ファイバーの応用が期待され
ている。

しかし、これらの分野において、光ファイバの実用化を
達成するためには、光ファイバーからの光エネルギーを
電気エネルギーに効率良く変換できる光ファイバー用光
電変換装置の開発か不可欠であり、特に生体計測などの
分野では、光信号を効率良く電気信号に変換可能な光電
変換装置の開発が不可欠となる。

［発明か解決しようとする課題］ 従来の光電変換装置は、光ファイバーからの光エネルギ
ーを、単に太陽電池（ソーラーセル）などを用いて電気
信号に変換するよう構成されているのみであるため、光
エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が必ずしも
十分でないという問題があった。

たとえば、従来より生体計測などの医療用分野において
、血圧、臓器温度、ｐＨ，グルコース濃度などの計測用
として、光ファイバーセンサが開発されている。しかし
、従来の光ファイバーセンサは、全て受動的変換機構に
より、対象量を光吸収、反射、散乱、蛍光、燐光等の変
化として検出している。このように、従来の光センサは
、光量への変化に特殊な物理現象を用いているため、そ
の性能には限界があり、一般のセンサと比較して性能が
劣るものが多かった。

さらに、たとえば生体計測用の計測機器では、アクチュ
エータ駆動用のエネルギーを、光ファイバーを介し光エ
ネルギーとして伝送することについての検討が行なわれ
ている。しかし、従来のように光電変換装置の変換効率
が低いと、前記アクチュエータに対し十分なエネルギー
を伝送することができないという問題もあった。

すなわち、医療用ではセンサによる計測と共に、切開手
術することがなしに人体内での物理的治療を施すアクチ
ュエータも一体化した遠隔操作システムも開発されてい
る。しかし、従来の光電変換技術では、アクチュエータ
駆動用の十分な電力を変換出力することができなかった
ため、この分野への光ファイバーへの実用化が十分では
なかった。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、光ファイバーによって供給されたエ
ネルギーを電気的エネルギーに効率良く変換することが
でき、光ファイバー技術の応用分野の拡大と技術向上を
図ることのできる光電変換装置を提供することにある。

［発明の説明］ （構成） 前記目的を達成するため、本発明の光電変換装置は、 光ファイバーと、 前記光ファイバーの出射側末端から出射された光を散乱
させるように設置された散乱ミラーと、前記散乱ミラー
からの散乱光を吸収するよう複数の光電変換素子を配置
して成る光電変換素子群と、 を含み、前記光電変換素子群の光吸収による起電力によ
って光ファイバーからの光エネルギーを電気的エネルギ
ーに変換することを特徴とする。

ここにおいて、このような構成の光電変換装置について
用いられる光源は、光電変換素子として最も汎用されて
いるシリコン単結晶の太陽電池を用いた場合、最も高い
変換効率を得ることのできる８００ｎｍ付近の波長をも
つレーザー光を使用することが好ましい。

また、前記散乱ミラーは、表面に微細な４つの鏡面をも
つマイクロピラミッドが多数形成された単結晶シリコン
基板を用いて形成することが好ましい。

また、前記散乱ミラーは、光ファイバーからの出射光が
角度をもっているため平面反射部を有するものでも良い
が、より効果的に光を分散させるため、角度をもった面
あるいは球面のような曲面の反射部を有していることが
望ましい。

この散乱ミラーは、光の分散のため光反射部にマイクロ
ピラミッドが多数形成されているが、このような散乱ミ
ラーは、単結晶シリコンの異方性エツチング技術を用い
ることによって容易に得ることができる。すなわち、（
１００）面方位のシリ・コン基板を、ある条件下の異方
性エツチング液に浸漬すると、（１１１）面で囲まれた
マイクロピラミッドが多数表面に形成される。その後、
アルミニウム等の反射膜を蒸着すれば散乱ミラー面が形
成される。

発明の原理 次に本発明の詳細な説明する。

本発明の特徴は、光ファイバーからの出射光を、そのま
ま直接光電変換素子に入力させるのではなく、散乱ミラ
ーによって一旦散乱させ、これを複数の光電変換素子に
よって吸収させるようにしたことにある。

これは、ソーラーセルなとの光電変換素子は、その光電
変換効率が光の集光度にあまり依存しないことに基づく
ものである。

すなわち、光ファイバーから出射された光をレンズなど
で集光して小面積の光電変換素子１個で変換しても、さ
ほど効率が向上しないので、むしろ光を分散させて、複
数個の光電変換素子によって光の吸収変換を行った方が
効率的であるという原理に基づくものである。

第４図においては、光の集光度に対しての変換効率の測
定値１１０か示されており、このグラフより集光度の変
化に対する変換効率などの変化はそれほど大きくないこ
とが理解される。

［作用コ 次に、上記構成を有する本発明の光電変換装置の作用を
説明する。

光ファイバーによって導入された光は、その出射口周縁
で散乱され、多少法がりながら光電変換素子群に吸収さ
れるものもあるが、大部分の光は、光ファイバーの末端
と対向して配置されている散乱ミラーによってさらに散
乱され、その後最終的に光電変換素子群によって吸収さ
れる。

ここにおいて、散乱ミラーとして、マイクロピラミッド
を多数形成した散乱ミラーを用いることにより、より平
均的に光を分散させ、光電変換素子群に吸収させること
ができる。

このように、本発明では、光ファイバーから導入された
光を、十分に分散させた後に複数の光電変換素子によっ
て吸収させるので、各光電変換素子は、はぼ均等にそれ
ぞれ散乱光を吸収すること力、（できる。吸収された光
は、光電変換素子群によって電気エネルギーに変換出力
される。

すなわち、本発明では、複数の光電変換素子によって散
乱光をほぼ均等に吸収し、電気エネルギーに変換するこ
とにより、１個の光電変換素子で光電変換する場合に比
べ、極めて効率良く光エネルギーを電気エネルギーに変
換することが可能となる。

特に、本発明によれば、光ファイバーを介して伝送され
てくる光エネルギーを、効率良く電気エネルギーに変換
し電力を得ることができるため、複数の光電変換素子を
用途によって直列または並列に接続し、例えば各種のセ
ンサ・アクチュエータで、アクチュエータの駆動用電力
として用いることができる。

すなわち、従来より生体計測などの医療用分野において
、血圧、臓器温度、ｐＨ１グルコ一ス濃度などの計＃１
用として、光ファイバーセンサが開発されている。しか
し、従来の光ファイバーセンサは、全て受動的変換機構
により、対象量を光吸収、反射、散乱、蛍光、燐光等の
変化として検出している。このように、従来の光センサ
は、光量への変化に特殊な物理現象を用いているため、
その性能には限界があり、一般のセンサと比較して性能
が劣るものが多かった。

さらに、医療用ではセンサによる計測と共に、切開手術
することがなしに人体内での物理的治療を施すアクチュ
エータも一体化した遠隔操作システムも開発されている
。しがし、従来の光電変換技術では、アクチュエータ駆
動用の十分な電力を変換出力することができながったた
め、この分野への光ファイバーへの実用化が十分ではな
がった。

これに対し、本発明の光電変換装置によれば、光ファイ
バーを介して伝送されてくる光エネルギーを十分な効率
で電気エネルギーに変換出力できるため、前記センサを
駆動するための電力や、遠隔操作システムに用いられる
各種アクチュエータへの駆動電力を容易に供給すること
ができ、この分野への光ファイバーの実用化を図ること
を可能とする。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の光電変換装置によれば、
光ファイバーによって供給された光エネルギーを電気的
エネルギーに効率良く変換することが可能となる。特に
、光を散乱させた後、複数の光電変換素子によって光の
吸収及びエネルギー変換を行うので、良好な変換効率を
得ることができる。

また、本発明において、散乱ミラーを、マイクロピラミ
ッドが多数形成された単結晶シリコン基板を用いて形成
すれば、光ファイバーによって供給された光エネルギー
をより平均的に分散し、より良好な光電変換効率を得る
ことができる。特に、このような散乱ミラーは、シリコ
ンに対する所定のエツチングによって安価かつ容易に形
成することができるため、光電変換装置を全体として低
コストで製造することが可能である。

さらに、本発明の光電変換装置を用いることにより、光
ファイバーを介して各種センサやアクチュエータを駆動
するためのエネルギーを伝送することか可能となる。と
りわけ、生体計測および治療のための小型のセンサ・ア
クチュエータと、光ファイバーとを本発明の光電変換装
置を介して接続し、アクチュエータの駆動用電力を光エ
ネルギとして供給することか可能となり、従来に比べ安
全で高精度な計測および治療を行なうことが可能となる
。

［他の発明の説明］ ［第２の発明の説明］ また、請求項（２）の装置は、請求項（１）の装置にお
いて、 前記光ファイバーの出射側末端の周囲に設置された鏡面
反射体を含み、 前記光電変換素子群は、前記散乱ミラーと、鏡面反射体
とともに散乱室を構成するよう形成され、前記散乱室に
おける前記光電変換素子群の光吸収による起電力によっ
て光ファイバーからの光エネルギーを電気的エネルギー
に変換することを特徴とする。

ここにおいて、光ファイバーの出射側末端開口部は、散
乱光が再入射しないように前記散乱室内表面積に比して
小さい方が好ましい。

また、前記光電変換素子群は、散乱室を形成する要素と
なっており、その室内の散乱光を効率良く吸収するよう
に筒状に配置されるのが好ましい。

以上の構成とすることにより、光ファイバーによって導
入された光は、その出射口周縁で散乱され、多少法がり
ながら散乱室に導入される。広がった光は、直接変換光
電変換素子群に吸収されるものもあるが、大部分の光は
、光ファイバーの末端と対向して配置されている散乱ミ
ラーによってさらに散乱され、その後散乱室内で多重反
射を繰り返し、最終的に光電変換素子群によって吸収さ
れる。

このように、本発明では、光ファイバーから導入された
光を、散乱室内で十分に分散させた後に複数の光電変換
素子によって吸収させるので、各光電変換素子は、はぼ
均等にそれぞれ散乱光を吸収することができ、より効率
的に光エネルギーを電気エネルギーに変換することが可
能となる。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図には、本発明にがかる光電変換装置の好適な実施
例が示されている。ここにおいて、同図（Ａ）は、その
全体構成を示すための概略断面図であり、同図（Ｂ）は
同図（Ａ）のＢ−Ｂ″断面図である。

実施例の光電変換装置は、光ファイバー１０と、この光
ファイバー１０の出射側末端１０ａに設けられた散乱室
２ｏとを有する。

この散乱室２０は、鏡面反射体１２と、散乱ミラー１４
と、光電変換素子として用いられる複数のソーラーセル
１８とで構成されている。

前記鏡面反射体１２は、光ファイバー１０の出力側末端
１０ａの周囲に配置されている。

前記散乱ミラー１４は、光ファイバー１０の出力側末端
１０ａと対向する位置に設置されている。

第２図はこの散乱ミラー１４を示しており、同図（Ａ）
は表面拡大写真図であり、同図（Ｂ）はその表面の部分
斜視図をそれぞれ示している。

図示のように、散乱ミラー］４の表面にはそれぞれが４
つの鏡面を持つマイクロピラミッド１６が多数密集形成
されている。このようにマイクロピラミッド１６が敷き
詰められた表面は、平均的に光を分散させることができ
るため、優れた散乱ミラーとして機能する。

このような散乱ミラー面は、シリコンの異方性エツチン
グ技術を用いることにより容易に得ることができる。す
なわち、（１００）面方位のシリコン基板を、異方性エ
ツチング液であるｌ　Ｑ　ｗ　ｔ％、９０℃の水酸化テ
トラメチルアンモニウム溶液に浸漬すると、（１１１）
面で囲まれたマイクロピラミッド１６がその表面に密集
形成される。

その後、その表面にアルミニウムなどの反射膜を蒸着す
ることによって散乱ミラー面が形成される。

また、前記シリコンソーラーセル１８は、鏡面反射体１
２と散乱ミラー１４との間に筒状に８個配置されており
、吸収した光エネルギーを電気エネルギーに変換出力す
るよう構成されている。

このように、実施例のソーラーセル１８群は、散乱室２
０内を筒状に取り囲むように配置されているため、散乱
光を効率良く吸収することができる。なお、ソーラーセ
ル１８の光電変換効率は、高温で低下するため、受光時
の発熱により効率か低下しないようにこれらの光電変換
セル１８は外部にさらされ放熱しやすく形成されている
。また、光電変換セル１８内で吸収されきらずに透過し
てしまう光を外部に逃がさないように、実施例の光電変
換セル１８の外部表面はアルミニウムなどの反射膜で覆
われている。

また、本実施例の装置では、光ファイバー１０へ光を供
給する光源として８１０ｎｍの波長をもつレーザーダイ
オードを用いている。すなわち、ごく小さい面積のソー
ラーセル１８によって必要な電力を得るためには、太陽
光の数倍から数十倍の光輝度をもった光源を使用する必
要がある。このことから、本実施例では高出力レーザー
ダイオードを光源として用いた。

また、ソーラーセル１８として最も汎用であるシリコン
単結晶の太陽電池を用いた場合、８００ｎｍ付近の波長
をもつレーザー光に対し最大効率を示す。このため、本
実施例では、単結晶シリコンソーラーセルがほぼ最大効
率を示す波長として、上記８１０ｎｍの波長を使用した
。

本実施例は以上の構成からなり、次にその作用を説明す
る。

レーザ光が光ファイバー１０に導入され、出射口１０ａ
から散乱室２０内に出射されると、その光は、散乱ミラ
ー１４によって大部分が分散され、さらに多重反射して
ソーラーセル１８に吸収される。その他の光は出射口１
０ａから直接ソーラーセル１８に吸収され、あるいは鏡
面反射体１２にて反射されソーラーセル１８に吸収され
る。

そして、各ソーラーセル１８では、光の吸収による起電
力によって電気エネルギーを得ることができる。特に、
本発明によれば、複数のソーラーセル１８によって、散
乱光をほぼ均等に吸収し、電気エネルギーに変換出力し
ているため、１個のソーラーセルで変換する場合に比べ
、極めて効率良く電気エネルギーを得ることが可能であ
る。

次に、本発明の応用例として、本発明の光電変換装置を
組み込んだ医療用の遠隔操作システムを具体的に説明す
る。

第３図には、この遠隔操作システムの一例が示され、こ
の遠隔操作システムは、人体内での計測を行なうセンサ
と、切開手術することなしに人体内の物理的治療を施す
アクチュエータとを一体化したセンサ・アクチュエータ
２８を有する。

このセンサ・アクチュエータ２８の駆動回路２６は、光
伝送用ファイバー２２と散乱室２０を介して接続される
と共に、信号伝送用ファイバー２４とＬＥＤ３０を介し
接続されている。

これにおいて、センサ・アクチュエータ２８のセンサは
、例えば生体計測などを行なうものであり、このセンサ
によって得られた計測情報は駆動回路２６に供給される
。

また、前記駆動回路２６は、半導体基板に設けられたア
ンプ、Ａ／Ｄ変換器とともに、これに接続されたＬＥＤ
３０や、センサ・アクチュエータ２８のアクチュエータ
等を駆動制御する。

本実施例は以上の構成からなり、次にその作用を説明す
る。

この遠隔操作システムでは、光伝送用ファイバー２２を
介して光エネルギーをレーサー光として供給し、このレ
ーザー光を散乱室２０で電力に変換し駆動回路２６へ向
は出力する。このときの光電変換は、前記第１図に示す
光電変換装置と同様に行なわれる。

このようにして得られた電力は駆動回路２６の駆動源と
なり、これによりセンサ・アクチュエータ２８が駆動さ
れる。そして、センサ・アクチュエータ２８のセンサに
よって生体計測が行なわれると、その計測情報は駆動回
路２６に送られ、所定のＬＥＤ３０の制御信号として出
力される。これにより、駆動回路２６はＬＥＤ３０を駆
動し、その計測情報を信号伝送用ファイバー２４を介し
し外部へ送ることができる。このとき、信号伝送用ファ
イバー２４内を伝達される光に、パルス変調や偏光を施
すことによって、センサからの情報を受光素子を介し外
部へ送ることができる。

また、逆に外部からの情報を光伝送用ファイバー２２を
介し駆動回路２６に供給することも可能であり、これに
よってセンサ・アクチュエータ２８の遠隔操作を行なう
ことも可能となる。

このように、本発明によれば、光フアイバセンサ・アク
チュエータ、駆動回路などを組み合せ、遠隔操作システ
ムを構成することかできるため、送電中の洩れ電流や電
磁干渉の生じることのない安全でかつ高機能な計測・治
療装置を得ることが可能となる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る光電変換装置
の好適な実施例の断面説明図、第２図（Ａ）及び（Ｂ）
は、前記実施例における散乱ミラーの説明図、 第３図は実施例を応用したセンサ・アクチュエータ装置
の全体構成を示す概念図、 第４図は光の集光度と変換効率等の関係を示すグラフ図
である。 １０　・・・　光ファイバー １０ａ　　・・・　出射光 １２　・・・　鏡面反射体 １４　・・・　散乱ミラー １６　・・・　マイクロピラミッド １８　・・・　ソーラーセル ２０　・・・　散乱室 ２２　・・・　光伝送用ファイバー ２４　・・・　信号伝送用ファイバー ２６　・・・　駆動回路 ２８　・・・　センサ・アクチュエータ３０　・・・　
ＬＥＤ 代理人　　弁理士　　布　施　行　夫 （他１名） 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバーと、 前記光ファイバーの出射側末端から出射された光を散乱
   させるように設置された散乱ミラーと、前記散乱ミラー
   からの散乱光を吸収するよう複数の光電変換素子を配置
   して成る光電変換素子群と、 を含み、前記光電変換素子群の光吸収による起電力によ
   って光ファイバーからの光エネルギーを電気的エネルギ
   ーに変換することを特徴とする光ファイバー用光電変換
   装置。
2. （２）請求項（１）において、 前記光ファイバーの出射側末端の周囲に設置された鏡面
   反射体を含み、 前記光電変換素子群は、前記散乱ミラーと鏡面反射体と
   ともに散乱室を構成するよう形成され、前記散乱室にお
   ける前記光電変換素子群の光吸収による起電力によって
   光ファイバーからの光エネルギーを電気的エネルギーに
   変換することを特徴とする光ファイバー用光電変換装置
   。