JPH0520590A - 多重化光フアイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来、防爆，高圧等の環境下で複数ｎの光スイ
ッチにより操作信号を検出する光ファイバセンサは各光
スイッチとの間で光を送受信するため２ｎ本の長い光フ
ァイバを必要としたのを削減する。 【構成】各光スイッチ６−１〜６−ｎへ光を送信する光
ファイバ４の数はｎ本とするが、各光スイッチからの光
を受信する光ファイバ５は１本とする。このため各光ス
イッチ６−１〜６−ｎへは夫々異なる周波数ｆ１〜ｆｎ
の光パルスを送信し、受信例では受光素子１０で受信
し、増巾器１１で増巾しコンパレータ１９で２値化した
光信号１９ａからＡＮＤゲート１２−１〜１２−ｎとｆ
１〜ｆｎの各周波数の検出器１３−１〜１３−ｎを用い
各周波数パルス成分を分離する。この他、同一周波数の
光パルスを時分割で各光スイッチ６−１〜６−ｎへ送信
し、受信側でこの時分割成分を分離する方法も取り得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は防爆，高圧等の環境下で
光ファイバを用いて信号センシングを行い、この検出結
果を他の装置に伝える装置としての光ファイバセンサで
あって、特に光ファイバの本数を減らすために検出光を
多重化してなる多重化光ファイバセンサに関する。なお
以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を
示す。

【０００２】

【従来の技術】図６はこの種の光ファイバセンサの構成
例を示す。同図において１（１−１〜１−ｎ）は同一周
波数のパルス信号を発生する発振器、３（３−１〜３−
ｎ）は夫々発振器１−１〜１−ｎに対応する発光素子
（ＬＥＤとも略記する）、２は発振器１の出力を増巾し
てＬＥＤ３に加えるドライバ、６（６−１〜６−ｎ）は
例えば操作力によって作動する遮光板６ｂによって光路
６ａを開閉（光を通過／しゃ断）する光スイッチ、１０
は受光素子（ＰＤとも略記する）、４はＬＥＤ３の光を
光スイッチ６に送る往路の光ファイバ、５は光スイッチ
６からの光をＰＤ１０に送る復路の光ファイバ、１１は
ＰＤ１０の検出信号を増巾する増巾器、１３（１３−１
〜１３−ｎ）は増巾器１１の出力を受けて周波数パルス
を検出する周波数検出器である。なおここで発振器１，
ドライバ２，ＬＥＤ３，ＰＤ１０，増巾器１１，周波数
検出器１３は一団となってトランシーバ１４を構成して
いる。

【０００３】図６においては光スイッチ６が動作するこ
とで光スイッチ６内の光路６ａを通る光を遮光板が通過
またはしゃ断し、周波数検出器１３の検出を可能または
不可能とすることにより、トランシーバ１４は光スイッ
チ６の動作を検出信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎ）として図外の装
置へ出力する。光スイッチ６は電気エネルギを持たない
ため、本システムは防爆，高圧等の環境に適している。
光をパルス信号で光スイッチ６に供給している理由は次
のとおりである。光を連続光にて光スイッチ６に供給す
ると、光ファイバ４，５としてＡＰＦ（オールプラスチ
ックファイバ）を使用した時、ファイバ長が０〜１００
ｍ変化すると光のパワーが１００倍異なるため、連続光
を受光した受光素子が流す電流も１００倍異なる。従っ
て光の有無を単にある基準値と比較して判別したとする
と、ノイズの影響を受けやすくなる。そこで光を光スイ
ッチ６へパルス列で供給し、光スイッチ６からの光の応
答信号をパルス列の周波数として検出してノイズに対す
る光スイッチの検出信頼性を向上させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６のような従来の光
ファイバセンサでは１個の光スイッチ６に対し光ファイ
バを往路の４と復路の５との２本を必要とするので、光
ファイバの配線本数が増えてしまい現場の配線スペース
が増大する問題がある。またファイバの配線本数が増え
るとファイバの結線作業を困難にする問題も出てくる。
そこで本発明はのこような問題を解消できる多重化光フ
ァイバセンサを提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の多重化光ファイバセンサは、入力光を
操作入力に応じて通過またはしゃ断する複数の光スイッ
チ（６−１〜６−ｎなど）と、前記光スイッチに夫々対
応して設けられ、個別の周波数（ｆ１〜ｆｎ）の光パル
スを出力する手段（発振器１−１〜１−ｎ，ドライバ
２，ＬＥＤ３−１〜３−ｎなど）と、この光パルス出力
手段の出力した光パルスを夫々対応する前記光スイッチ
へ送り入力する個別の（計ｎ本の）光ファイバ（４な
ど）と、前記の各光スイッチの通過光を共通の１本の光
ファイバ（５など）に入力させる手段（結合器７など）
と、前記共通の光ファイバの送出光から前記個別の周波
数に対応するパルス成分を分離する手段（ＰＤ１０，増
巾器１１，コンパレータ１９，発振器１−１〜１−ｎ，
ＡＮＤゲート１２−１〜１２−ｎ，周波数検出器１３−
１〜１３−ｎなど）とを備えたものとし、また

【０００６】請求項２の多重化光ファイバセンサは、入
力光を操作入力に応じて通過またはしゃ断する複数の光
スイッチ（６−１〜６−ｎなど）と、前記光スイッチに
夫々対応して設けられ、（発振器１などの発振に基づ
く）同一の周波数の光パルスを個別の時分割のタイミン
グでサイクリックに出力する手段（サイクリックカウン
タ１５，デコーダ１６，ドライバ２Ａ−１〜２Ａ−ｎ，
ＬＥＤ３−１〜３−ｎなど）と、この光パルス出力手段
の出力した光パルスを夫々対応する前記光スイッチへ送
り入力する個別の（計ｎ本の）光ファイバ（４など）
と、前記の各光スイッチの通過光を共通の１本の光ファ
イバ（５など）に入力させる手段（結合器７など）と、
前記共通の光ファイバの送出光から前記個別の時分割の
タイミングに対応するパルス成分を分離する手段（ＰＤ
１０，増巾器１１，周波数検出器１３，遅延回路１７，
サイクリックカウンタ１５，デコーダ１６，Ｄフリップ
フロップ１８−１〜１８−ｎなど）とを備えたものとす
る。

【０００７】

【作用】トランシーバから複数（ｎ）の光スイッチ６−
１〜６−ｎへ光を送信する光ファイバ４は従来通りｎ本
とするが、復路の光ファイバ５は１本とする。このため
光ファイバ４を介し各光スイッチ６−１〜６−ｎへは夫
々異なる周波数ｆ１〜ｆｎの光パルスを送るか（請求項
１）、同一周波数で夫々異なる時分割のタイミングの光
パルスを送り（請求項２）、光スイッチ側では結合器７
を介して各光スイッチ６−１〜６−ｎの通過光を括めて
復路の１本の光ファイバ５に入力する。そしてこの光フ
ァイバ５の受信側（トランシーバ）では、この受信信号
から異なる周波数成分又は異なる時分割成分のパルスを
夫々分離検出して検出出力とする。

【０００８】

【実施例】以下図１ないし図５に基づいて本発明の実施
例を説明する。図１は請求項１に関わる発明の実施例と
しての多重化光ファイバセンサの構成図で、図６に対応
するものである。図１において１（１−１〜１−ｎ）は
夫々異なる周波数ｆ１〜ｆｎのパルスを発振する発振器
で、この発振器１−１〜１−ｎから光スイッチ６−１〜
６−ｎに至るまでの光の往路の構成は図６と同様であ
る。しかし図１では復路の光ファイバ５が１本になって
おり、これに伴い各光スイッチ６−１〜６−ｎの通過光
を共通の光ファイバ５に入力するために、ミラー８とハ
ーフミラー９とからなる結合器７が用いらていれる。ま
た共通の光ファイバ５の受信側において、１９は増巾器
１１からの受光出力をしきい値ｒｅｆと比較して２値化
するコンパレータ、１２（１２−１〜１２−ｎ）は夫々
各発振器１−１〜１−ｎの出力とコンバレータ１９の出
力１９ａとのＡＮＤ条件を求めるＡＮＤゲート、１３
（１３−１〜１３−ｎ）は夫々ＡＮＤゲート１２−１〜
１２−ｎの出力を受信し、周波数ｆ１〜ｆｎを検出し、
検出出力Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎ）として出力する周波数検出器
である。そして発振器１−１〜１−ｎ，ドライバ２，Ｌ
ＥＤ３−１〜３−ｎ，ＰＤ１０，増巾器１１，コンパレ
ータ１９，ＡＮＤゲート１２−１〜１２−ｎ，周波数検
出器１３−１〜１３−ｎが新たなトランシーバ１４Ａを
構成している。

【０００９】図１では複数の発振器１−１〜１−ｎとド
ライバ２とを用いて各ＬＥＤ３−１〜３−ｎをそれぞれ
周波数ｆ１〜ｆｎでパルス点灯している。但しｆ１〜ｆ
ｎの周波数はお互いが２，４，８，１６倍───になら
ないよう選定する。今説明を簡単にするため光スイッチ
の数ｎ＝３として各ＬＥＤ３−１〜３−３とホトダイオ
ード（ＰＤ）１０とアンプ１１による検出信号，および
検出器１３−１〜１３−３に与えられる信号のタイミン
グを図２に示す。各ＬＥＤ３−１〜３−３の光信号は例
えば図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）の信号であり、それ
ぞれ光スイッチ６−１〜６−３へ与えられている。仮に
光スイッチには操作力が加えられてなく、光スイッチ６
−１〜６−３が全て光信号を透過しているとする。各光
スイッチ６−１〜６−３を通過した複数の光信号は、例
えばミラー８，ハーフミラー９で構成される光の結合器
７により集光され、光ファイバ５でトランシーバ１４Ａ
へ返送される。復路の光ファイバ５でトランシーバ１４
Ａに入力された光信号はホトダイオード（ＰＤ）１０で
検出され、増巾器１１にて増巾され、コンパレータ１９
により２値化されて図２（ｄ）の信号１９ａを得る。２
値化された信号１９ａは図１のＡＮＤゲート１２−１〜
１２−ｎに入力され、例えば周波数ｆ１を検出する場合
では発振器１−１の出力周波数ｆ１と２値化信号１９ａ
の論理積をとると図２（ｅ）の信号を得る。同様に発振
器出力周波数ｆ２，ｆ３と２値化信号１９ａとの論理積
をとることでそれぞれ図２の（ｆ），（ｇ）の信号を得
る。この図２（ｅ），（ｆ），（ｇ）の信号をそれぞれ
ｆ１，ｆ２，ｆ３の周波数検出器１３−１〜１３−３に
入力し、各信号の周波数を検出して出力Ｓ１，Ｓ２，Ｓ
３として例えば‘Ｈ’を出力すれば、光スイッチ６−
１，６−２，６−３に操作力が加えられていないことが
トランシーバ１４Ａ側で判断できる。

【００１０】また例えば光スイッチ６−１，６−２，６
−３の内、光スイッチ６−２だけに操作力が働いたとき
のタイミングを図３に示す。図３の（ａ），（ｂ），
（ｃ）は夫々図２と同様にＬＥＤ３−１〜３−３のパル
ス点灯を示している。ここで上記と異なるのは光スイッ
チ６−２は操作力が働いているので光信号をしゃ断して
おり、周波数ｆ２の成分は結合器７の出力には含まれな
い。従ってトランシーバ１４Ａの周波数ｆ２を検出する
検出器１３−２には周波数ｆ２が検出できないので、例
えば出力信号Ｓ２として‘Ｌ’を出力するようにすれ
ば、光スイッチ６−２のみに操作力が働いていることが
判断できる。

【００１１】図４は請求項２に関わる発明の実施例とし
ての多重化光ファイバセンサの構成を示す。この図４で
は周波数ｆを発振する共通の発振器１から複数の光スイ
ッチ６−１〜６−ｎに時分割で光のパルス信号を供給
し、光を与えている光スイッチ６の光の通過／しゃ断の
判断を周波数ｆを検出する共通の周波数検出器１３で検
出し、光を供給している光スイッチ６−１〜６−ｎに対
応するＤフリップフロップ１８−１〜１８−ｎに光スイ
ッチの通過／しゃ断を記憶させる。なお図４において２
Ａ（２Ａ−１〜２Ａ−ｎ）は夫々光スイッチ６−１〜６
−ｎに光を送るＬＥＤ３−１〜３−ｎに対応して設けら
れた発振パルス供給用のドライバで、夫々イネーブル信
号としてのデコーダ出力（デコード信号）ＤＣ（ＤＣ１
〜ＤＣｎ）によって有効化される。１５はサイクリック
カウンタ、１６はこのカウンタ１５の出力をデコードす
るデコーダでこのデコーダの出力ＤＣ１〜ＤＣｎは夫々
前記のようにイネーブル信号としてドライバ２Ａ−１〜
２Ａ−ｎに与えられるほか、夫々Ｄフリップフロップ１
８（１８−１〜１８−ｎ）にクロックパルスとしても与
えられる。またｆ周波数検出器１３の検出出力１３ａは
遅延回路１７を介して信号１７ａとなり、Ｄフリップフ
ロップ１８−１〜１８−ｎにデータ信号として与えられ
る。そしてＤフリップフロップ１８−１〜１８−ｎの出
力が夫々検出出力Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎ）となる。

【００１２】図４では発振器１，ドライバ２Ａ−１〜２
Ａ−ｎ，ＬＥＤ３−１〜３−ｎ，ＰＤ１０，増巾器１
１，ｆ周波数検出器１３，サイクリックカウンタ１５，
デコーダ１６，遅延回路１７，Ｄフリップフロップ１８
−１〜１８−ｎが新たなトランシーバ１４Ｂを構成して
いる。図１ではトランシーバ１４Ａは複数の周波数ｆ１
〜ｆｎを利用して複数の光スイッチ６−１〜６−ｎの動
作のそれぞれを検出しているのに対し、図４ではトラン
シーバ１４Ｂは発振器１からの１つの周波数ｆをサイク
リックカウンタ１５，デコーダ１６，ドライバ２Ａ−１
〜２Ａ−ｎを介し複数の光スイッチ６−１〜６−ｎに時
分割に与えて、ｆ周波数検出器１３からのその応答信号
により、各光スイッチ６−１〜６−ｎの状態を１個ずつ
サイクリックにＤフリップフロップ１８−１〜１８−ｎ
に記憶している。図１と図４では方式は異なるが、復路
の光ファイバ５の共通化により、光ファイバの本数を減
少させて、複数の光スイッチを検出する機能は全く同じ
であり、トランシーバ１４Ａ，１４Ｂに対する光ファイ
バ４，５、光スイッチ６、結合器７の接続構成も同じで
ある。

【００１３】図５は光スイッチの数ｎ＝３とした場合の
図４の動作を示すタイムチャートである。サイクリック
カウンタ１５とデコーダ１６によりサイクリックに図５
の（ａ），（ｂ），（ｃ）のようなデコーダ出力として
のデコード信号ＤＣ１〜ＤＣ３を作る。一方このデコー
ド信号ＤＣ１〜ＤＣ３は前述のように夫々ドライバ２Ａ
−１〜２Ａ−３に対するイネーブル信号となっているの
で、ＬＥＤ３−１〜３−３は図５の（ｄ），（ｅ），
（ｆ）のように夫々このイネーブル信号ＤＣ１〜ＤＣ３
が‘Ｈ’の時のみ発振器１の周波数ｆの信号でパルス点
灯する。このとき例えば光スイッチ６−１に操作力が加
えられてなく、光を通過しているとすると、その光信号
は結合器７を通して復路の光ファイバ５に出力され、そ
の結果ホトダイオード（ＰＤ）１０に電流を流し、デコ
ーダ出力ＤＣ１に対応するタイミングで周波数ｆのパル
ス信号が周波数検出器１３に与えられる。

【００１４】周波数検出器１３は周波数ｆのパルス信号
を例えば１０発までカウントして、始めて‘Ｈ’を出力
するとする。１０発パルスをカウントしているのは耐ノ
イズ性を向上させるためである。周波数検出器１３の出
力信号１３ａの‘Ｈ’は遅延回路１７を通し、遅延回路
出力１７ａとなり、デコード信号ＤＣ１の立下がりでＤ
フリップフロップ１８−１にラッチされる。図５に示す
ように遅延時間Δｔの信号遅延を行う遅延回路１７を挿
入しているのは、デコード信号ＤＣ１の立下がり時の周
波数検出器の出力信号１３ａの消失を遅延回路出力１７
ａのように暫く遅らせ、ラッチを安定に行わせるためで
ある。尚、デコード信号ＤＣの幅Ｔと遅延時間Δｔと発
振周波数ｆとの関係は１／ｆ≪Δｔ≪Ｔとする。

【００１５】次にデコーダ１６がデコーダ出力ＤＣ２を
出力してＬＥＤ３−２がパルス点灯し、光スイッチ６−
２にパルス光を供給したとき、光スイッチ６−２に操作
力が働いていて光をしゃ断する状態にあるとすると、ト
ランシーバ１４Ｂ側のホトダイオード（ＰＤ）１０には
光信号は与えられず、従って周波数検出器１３は周波数
ｆのパルス信号が入力されないので、図５に示すように
信号１３ａとして‘Ｌ’を出力する。従ってＬＥＤ３−
１の動作時と同様に、デコーダ出力ＤＣ２の立下りで周
波数検出器１３の出力１３ａ，従ってその遅延回路出力
１７ａの‘Ｌ’をＤフリップフロップ１８−２にラッチ
する。以上のようにして光スイッチに操作力が働いてい
ないときと操作力が働いているときの状態がトランシー
バ１４Ｂ側で検出される。

【００１６】

【発明の効果】請求項１に関わる発明によれば、入力光
を操作入力に応じて通過またはしゃ断する複数の光スイ
ッチ６−１〜６−ｎと、前記光スイッチ６−１〜６−ｎ
に夫々対応して設けられ、個別の周波数ｆ１〜ｆｎの光
パルスを出力する手段（発振器１−１〜１−ｎ，ドライ
バ２，ＬＥＤ３−１〜３−ｎなど）と、この光パルス出
力手段の出力した光パルスを夫々対応する前記光スイッ
チ（６−１〜６−ｎ）へ送り入力する個別の計ｎ本の光
ファイバ４と、前記の各光スイッチ６−１〜６−ｎの通
過光を共通の１本の光ファイバ５に入力させる結合器７
と、前記共通の光ファイバ５の送出光から前記個別の周
波数ｆ１〜ｆｎに対応するパルス成分を分離する手段
（ＰＤ１０，増巾器１１，コンパレータ１９，発振器１
−１〜１−ｎ，ＡＮＤゲート１２−１〜１２−ｎ，周波
数検出器１３−１〜１３−ｎなど）とを備えたものと
し、また

【００１７】請求項２に関わる発明によれば、入力光を
操作入力に応じて通過またはしゃ断する複数の光スイッ
チ６−１〜６−ｎと、前記光スイッチ６−１〜６−ｎに
夫々対応して設けられ、発振器１の発振に基づく同一の
周波数ｆの光パルスを個別の時分割のタイミングでサイ
クリックに出力する手段（サイクリックカウンタ１５，
デコーダ１６，ドライバ２Ａ−１〜２Ａ−ｎ，ＬＥＤ３
−１〜３−ｎなど）と、この光パルス出力手段の出力し
た光パルスを夫々対応する前記光スイッチ６−１〜６−
ｎへ送り入力する個別のｎ本の光ファイバ４と、前記の
各光スイッチ６−１〜６−ｎの通過光を共通の１本の光
ファイバ５に入力させる結合器７と、前記共通の光ファ
イバ５の送出光から前記個別の時分割のタイミングに対
応するパルス成分を分離する手段（ＰＤ１０，増巾器１
１，周波数検出器１３，遅延回路１７，サイクリックカ
ウンタ１５，デコーダ１６，Ｄフリップフロップ１８−
１〜１８−ｎなど）とを備えたものとしたので、

【００１８】光スイッチ６がｎ個のときトランシーバと
光スイッチの間の光ファイバの本数をｎ＋１本で済ませ
ることができる。一方、本発明の方式では光スイッチ６
と結合器７との間を結合するファイバが増加することに
なるが、現実の位置検出，異常検出では光スイッチのよ
うな検出器は１カ所に複数集中して置かれることが多
く、光スイッチと結合器との間の光ファイバ長はトラン
シーバと光スイッチの間の光ファイバ長に比べて非常に
短いと言える。従って光ファイバの総長および配線スペ
ースのほとんどを占めるのはトランシーバと光スイッチ
の間の光ファイバであり、従来方式の２×ｎ本のファイ
バを用いた方式に比較してファイバの省線化が実現でき
る。また光スイッチからトランシーバへの戻りの光信号
用のファイバが１本であるので、光ファイバの誤配線が
低減できると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に関わる発明の実施例としての要部構
成を示す図

【図２】図１の光スイッチ非操作時の動作説明用のタイ
ムチャート

【図３】図１の光スイッチ操作時の動作説明用のタイム
チャート

【図４】請求項２に関わる発明の実施例としての要部構
成を示す図

【図５】図４の動作説明用のタイムチャート

【図６】図１，図４に対応する従来の構成図

【符号の説明】

１（１−１〜１−ｎ） 発振器 １−１ ｆ１発振器 １−２ ｆ２発振器 １−ｎ ｆｎ発振器 ２ ドライバ ２Ａ（２Ａ−１〜２Ａ−ｎ） ドライバ ３（３−１〜３−ｎ） 発光素子（ＬＥＤ） ４ 光ファイバ（往路） ５ 光ファイバ（復路） ６（６−１〜６−ｎ） 光スイッチ ７ 結合器 ８ ミラー ９ ハーフミラー １０ 受光素子（ＰＤ） １１ 増幅器 １２（１２−１〜１２−ｎ） ＡＮＤゲート １３（１３−１〜１３−ｎ） 周波数検出器 １３−１ ｆ１周波数検出器 １３−２ ｆ２周波数検出器 １３−ｎ ｆｎ周波数検出器 １４Ａ トランシーバ １４Ｂ トランシーバ １５ サイクリックカウンタ １６ デコーダ １７ 遅延回路 １８（１８−１〜１８−ｎ） Ｄフリップフロップ １９ コンパレータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力光を操作入力に応じて通過またはしゃ
   断する複数の光スイッチと、 前記光スイッチに夫々対応して設けられ、個別の周波数
   の光パルスを出力する手段と、 この光パルス出力手段の出力した光パルスを夫々対応す
   る前記光スイッチへ送り入力する個別の光ファイバと、 前記の各光スイッチの通過光を共通の１本の光ファイバ
   に入力させる手段と、 前記共通の光ファイバの送出光から前記個別の周波数に
   対応するパルス成分を分離する手段とを備えたことを特
   徴とする多重化光ファイバセンサ。
2. 【請求項２】入力光を操作入力に応じて通過またはしゃ
   断する複数の光スイッチと、 前記光スイッチに夫々対応して設けられ、同一の周波数
   の光パルスを個別の時分割のタイミングでサイクリック
   に出力する手段と、 この光パルス出力手段の出力した光パルスを夫々対応す
   る前記光スイッチへ送り入力する個別の光ファイバと、 前記の各光スイッチの通過光を共通の１本の光ファイバ
   に入力させる手段と、 前記共通の光ファイバの送出光から前記個別の時分割の
   タイミングに対応するパルス成分を分離する手段とを備
   えたことを特徴とする多重化光ファイバセンサ。