WO2022259534A1

WO2022259534A1 - 光給電コンバータ

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Publication number: WO2022259534A1
Application number: PCT/JP2021/022357
Authority: WO
Inventors: 卓郎山中; 悦司大村
Original assignee: 株式会社京都セミコンダクター
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-12-15
Also published as: TW202249296A; JP7017829B1; JPWO2022259534A1

Abstract

【課題】光入力の増加による光電変換効率の低下を抑制することができる光給電コンバータ（１）を提供すること。【解決手段】光ファイバケーブル（ＯＣ）を介して入射する光（Ｌ）を電力に変換する複数の受光素子（８）を有する光給電コンバータ（１）において、円錐の側面又は正多角錐の複数の側面を反射面とする錐体反射鏡（１０）を有し、複数の受光素子（８）が、錐体反射鏡（１０）の頂点と底面の中心を通る中心線（Ｃ）を中心にして環状に配設され、光ファイバケーブル（ＯＣ）から中心線（Ｃ）の方向に入射する光が、錐体反射鏡（１０）によって中心線（Ｃ）から離隔する方向に放射状に反射されて複数の受光素子（８）に入射するように構成した。

Description

光給電コンバータ

　本発明は、光ファイバケーブルを介して入力する光を変換して電力を供給する光給電コンバータに関する。

　給電設備がない遠隔地、給電による微弱な電磁界がノイズとなる環境、防爆を必要とする環境、電気的相互影響がある超高電圧設備内等、特殊な環境では電源ケーブルを介して電子機器類を作動させる電力を供給できない場合がある。そのため、電子機器類の傍まで光ファイバケーブルを介して光を送り、この光を光電変換して電力を供給する光給電コンバータが利用されている。

　このような光給電コンバータには、一層大きな電力を出力できるようにすることが要求されている。例えば特許文献１のように、分割された受光部を直列に接続して出力電圧を高くする光給電コンバータが知られている。また、例えば特許文献２のように、波長が異なる光を光電変換する複数のフォトダイオードが積層された又は並べられた構造が知られている。

米国特許出願公開第２０１１／０１０８０８１号明細書特開２０１０－１１４２３５号公報

　しかし、特許文献１の光給電コンバータは、分割された受光部の各受光面積が小さくなるので、光電流が減少する。光電流の減少を補うために光入力を増加させると、受光部の発熱量が増加して高温になり、光給電コンバータの出力特性（光電変換効率）が低下する。例えば図９の一般的な光給電コンバータの出力特性の例に示すように、曲線Ａ１で示す室温での出力特性が、室温よりも高温では曲線Ａ２のようにシフトする。これにより最大動作点Ｐｍａｘ（最大発電電力）が原点に近づく方向にシフトし、出力電力が低下することになるので、光入力を増加させると光給電コンバータの出力が却って低下する場合がある。

　また、特許文献２では、波長が異なる光を受光するが、光ファイバケーブルを介して光給電コンバータに入射する光の光源は、一般的には単色光を発するレーザ光源であり、異なる波長の光を入射させるためには光源が複雑になり好ましくない。

　本発明の目的は、光入力の増加による光電変換効率の低下を抑制することができる光給電コンバータを提供することである。

　請求項１の発明の光給電コンバータは、光ファイバケーブルを介して入射する光を電力に変換する複数の受光素子を有する光給電コンバータにおいて、円錐の側面又は正多角錐の複数の側面を反射面とする錐体反射鏡を有し、前記複数の受光素子が、前記錐体反射鏡の頂点と底面の中心を通る中心線を中心にして環状に配設され、前記光ファイバケーブルから前記中心線の方向に入射する光が、前記錐体反射鏡によって前記中心線から離隔する方向に放射状に反射されて前記複数の受光素子に入射するように構成したことを特徴としている。

　上記構成によれば、光ファイバケーブルから入射する光が錐体反射鏡によって反射されて放射状に広がり、複数の受光素子に入射する。錐体反射鏡によって入射光が複数の受光素子に分配されるので、１つの受光素子に入射する光が少なくなり、発熱が抑制される。それ故、高温になる程光電変換効率が低下する受光素子の温度上昇が抑制される。従って、光入力を増加させた場合に、受光素子の温度上昇が抑制され、光電変換効率の低下を抑制することができるので、光給電コンバータの出力を向上させることができる。

　請求項２の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記複数の受光素子を環状に配設するための帯状のフレキシブル基板を有し、前記複数の受光素子が前記フレキシブル基板の片面に前記フレキシブル基板の長手方向に１列に並べられて搭載され、前記複数の受光素子を内側にして長手方向両端が近接するように筒状に曲げられた前記フレキシブル基板が、前記錐体反射鏡と同心状に配設されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、片面に複数の受光素子が１列に並べられて搭載された帯状のフレキシブル基板が、筒状に曲げられた状態で錐体反射鏡と同心状に配設される。従って、錐体反射鏡を囲むように複数の受光素子を容易に配設できる。また、フレキシブル基板を介して複数の受光素子の放熱を促進させて、これら受光素子の温度上昇を抑制することができる。

　請求項３の発明の光給電コンバータは、請求項２の発明において、前記錐体反射鏡を備えた基台と、前記錐体反射鏡に対して同心状となるように前記基台に取り付けられた筒状の金属ホルダを有し、前記フレキシブル基板が、前記金属ホルダ内に収容されて前記金属ホルダの内壁に接触していることを特徴としている。
　上記構成によれば、筒状に曲げられたフレキシブル基板の外周が金属ホルダの内壁に接触している。従って、複数の受光素子の熱がフレキシブル基板を介して金属ホルダに伝わるので、複数の受光素子の放熱を促進させて、これら受光素子の温度上昇を抑制することができる。

　請求項４の発明の光給電コンバータは、請求項１～３の何れか１項の発明において、前記複数の受光素子が、直列、並列又は直並列に接続されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、複数の受光素子が直列、並列又は直並列に接続されているので、要求される電圧に対応させた光給電コンバータを提供することができる。

　本発明の光給電コンバータによれば、光入力の増加による光電変換効率の低下を抑制することができる。

本発明の実施例に係る光給電コンバータを光の入射側から見た図である。図１のII－II線断面図である。直列接続のフレキシブル基板の説明図である。図３のフレキシブル基板を有する光給電コンバータの出力特性を示す図である。直並列接続の例を示すフレキシブル基板の説明図である。並列接続のフレキシブル基板の説明図である。筒状に曲げられたフレキシブル基板の説明図である。図２の光給電コンバータの変形例を示す断面図である。光給電コンバータの熱による出力特性の低下を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

　図１、図２に示すように、光ファイバケーブルＯＣを介して入射する光を電力に変換して出力する光給電コンバータ１は、光の導入部２と、変換された電力を出力するための１対の出力端子３ａ，３ｂを有する。１対の出力端子３ａ，３ｂは、円盤状の基台４に装備されている。この基台４には、円筒状の金属ホルダ５が基台４と同心状に取り付けられている。円筒状の金属ホルダ５の一端が基台４に固定され、金属ホルダ５の他端側部分に導入部２が形成されている。尚、金属ホルダ５の外形は、角筒状に形成することもできる。

　金属ホルダ５は、複数の光線Ｌで示すように、導入部２を広がりながら進行する入射光を平行光にするために、コリメートレンズ６を有する。金属ホルダ５とコリメートレンズ６と基台４によって囲まれた領域には、フレキシブル基板７に搭載された複数（例えば１０個）の受光素子８と、円錐の側面に金属膜９を形成して反射面とした錐体反射鏡１０が収容されている。

　錐体反射鏡１０は、円錐の頂点と底面の中心を通る中心線Ｃが基台４の中心を通るように、基台４に同心状に配置されて基台４に固定されているが、基台４と一体に形成されていてもよい。入射光は、この中心線Ｃの方向に入射され、コリメートレンズ６を通過して錐体反射鏡１０に到達し、錐体反射鏡１０の反射面で中心線Ｃから離隔する方向に反射され、放射状に広がる。錐体反射鏡１０の中心線Ｃと反射面の成す角度が４５°の場合には、中心線Ｃと直交する方向に反射される。尚、中心線Ｃと反射面の成す角度は適宜設定することができ、この角度に応じて複数の受光素子８に入射可能なように錐体反射鏡１０に対する複数の受光素子８の配設位置を設定する。

　錐体反射鏡１０は、正多角錐の複数の側面を夫々反射面として形成することもできる。この場合には、複数の反射面に対応するように複数の受光素子８が配設される。正多角錐の錐体反射鏡１０は、環状に配設された複数の受光素子８に向けて周方向への広がりを抑制して入射光を反射することができるので、例えば受光素子８の数量が少ないため受光素子８間の隙間が大きい場合に有利である。一方、円錐の錐体反射鏡１０は、複数の受光素子８の位置調整が、中心線Ｃの方向だけになるので、光給電コンバータ１の組み立てが容易である。

　フレキシブル基板７は、筒状に曲げられて錐体反射鏡１０と同心状に配設され、錐体反射鏡１０を囲んでいる。そして、錐体反射鏡１０で反射された光が、フレキシブル基板７に搭載された複数の受光素子８に入射するように、光給電コンバータ１が構成されている。

　図３に示すように、複数（ここでは１０個）の受光素子８は、帯状のフレキシブル基板７の片面に、フレキシブル基板７の長手方向に１列に並べられて搭載されている。このフレキシブル基板７の片側の長辺部分には、複数の受光素子８に対応する複数のタブ１１（１１ａ～１１ｊ）が形成されている。複数のタブ１１のうちの２つ、例えばタブ１１ｃとタブ１１ｈは、矩形状に形成されて出力端子３ａ，３ｂに接続される接続部１２ａ，１２ｂを有する。他のタブ１１ａ，１１ｂ，１１ｄ～１１ｇ，１１ｉ，１１ｊは、先端側程細くなる三角形状の部分を有する。尚、接続部１２ａ，１２ｂは、フレキシブル基板７を筒状にしたときに、対向位置となる１対のタブに設けられる。

　受光素子８は、例えばＩｎＧａＡｓ層を光吸収層としてＩｎＰ基板上に形成されたフォトダイオードであり、赤外光領域の光を光電変換により電力に変換する。フレキシブル基板７には、破線Ｗ１で示すように２つの接続部１２ａ，１２ｂの間で複数の受光素子８を直列に接続するために、不図示の配線が形成されている。

　１０個の受光素子８が直列接続された場合の光給電コンバータ１の出力特性を図４に示す。例えば受光感度が１Ａ／Ｗの受光素子８に１００ｍＷの光が入射した場合に、この受光素子８の出力特性が曲線Ｂ１で表されている。直列接続された複数（１０個）の受光素子８が夫々１００ｍＷの光を受ける場合には、曲線Ｂ２で示すように、曲線Ｂ１に対して受光素子８の数量相当（１０倍）に出力電圧を増加させて電力を供給することができる。

　例えば図５のように、フレキシブル基板７には、破線Ｗ２で示すように複数の受光素子８が直列に接続された直列グループ（例えば５個の受光素子８が直列接続されて構成された２つの直列グループ）を並列に接続するために、直並列の配線を形成することができる。このように直平列接続された複数（１０個）の受光素子８が夫々１００ｍＷの光を受ける場合には、図４の１００ｍＷの光を受ける１つの受光素子８の出力特性（曲線Ｂ１）に対して、出力電圧が５倍且つ出力電流が２倍の電力を供給することが可能である。

　また、例えば図６のように、フレキシブル基板７には、破線Ｗ３で示すように複数の受光素子８を並列に接続するために、並列の配線を形成することができる。このように平列接続された複数（１０個）の受光素子８が夫々１００ｍＷの光を受ける場合には、図４の１００ｍＷの光を受ける１つの受光素子８の出力特性（曲線Ｂ１）と比べて、出力電流を１０倍にして、電力を供給することが可能である。

　帯状のフレキシブル基板７は、図７のように、搭載された複数の受光素子８が内側になるように筒状に曲げられる。フレキシブル基板７は赤外光領域に複数の吸収線を有する場合が多く、入射光を減衰させ、波長によってはフレキシブル基板７を透過しない場合がある。そのため、複数の受光素子８が錐体反射鏡１０に臨むように配設され、錐体反射鏡１０で反射された入射光がフレキシブル基板７を透過せずに受光素子８に入射するようしている。

　フレキシブル基板７は、その長手方向両端を近接させて筒状に曲げられている。このとき、受光素子８の搭載部分は曲げることが困難なので、各受光素子８の間部分が曲げられて、断面が正多角形の角筒状に形成されている。１０個の受光素子８を搭載したフレキシブル基板７の場合には、このフレキシブル基板７が正１０角形の角筒状に形成される。

　筒状に曲げられたフレキシブル基板７の複数のタブ１１ａ～１１ｊは、図２のように先端が内側に向くように夫々折り曲げられ、筒状のフレキシブル基板７が錐体反射鏡１０と同心状となるように、例えば接着剤によって基台４に固定される。これにより、複数の受光素子８が錐体反射鏡１０と同心の環状に配設される。

　基台４に装備された１対の出力端子３ａ，３ｂは、フレキシブル基板７の対応する接続部１２ａ，１２ｂに挿通された状態で、例えば導電性ペースト１３によって接続部１２ａ，１２ｂに電気的に接続される。そして、基台４に固定された筒状のフレキシブル基板７を、コリメートレンズ６を装備した金属ホルダ５に挿入し、例えば接着剤によって金属ホルダ５が基台４に取り付けられる。金属ホルダ５の内壁は、筒状のフレキシブル基板７の外周と接触させることができるように、中心線Ｃの方向から見て筒状のフレキシブル基板７の外周と同じ大きさの正多角形（正１０角形）に形成されている。

　上記構成の光給電コンバータ１に光ファイバケーブルＯＣから入射する光は、導入部２を広がりながら進行してコリメートレンズ６で平行光にされ、錐体反射鏡１０で反射されて複数の受光素子８に入射する。複数の受光素子８に入射した光は光電変換され、１対の出力端子３ａ，３ｂを介して外部に電力が出力される。

　このとき、出力電力を増加させるために光入力を増加させると、各受光素子８の受光量が多くなるので発熱が増加する。受光素子８の温度が高くなる程、図９の曲線Ａ１から曲線Ａ２のように光給電コンバータ１の出力特性が低下して最大動作点Ｐｍａｘ（最大供給電力）が低下する。しかし、錐体反射鏡１０によって入射光を複数の受光素子８に均等に分配しているので、各受光素子８の発熱の増加が抑制され、出力特性（光電変換効率）の低下が抑制される。

　複数の受光素子８の熱は、フレキシブル基板７を介して基台４に伝わり、複数の受光素子８の放熱が促進される。また、筒状のフレキシブル基板７の７の外周が金属ホルダ５の内壁に接触しているので、複数の受光素子８の熱がフレキシブル基板７を介して熱伝導性及び放熱性に優れる金属ホルダ５に伝わり、複数の受光素子８の放熱が促進される。

　光ファイバケーブルＯＣを介して例えば１Ｗの光を光給電コンバータ１に入射させると、入射光は、錐体反射鏡１０によって均等に分配されて１０個の受光素子８に入射する。従って、各受光素子８への入力が小さくなって１００ｍＷの光が入射することになるので、１つの受光素子８で１Ｗの光を受ける場合よりも１つの受光素子８当たりの出力は小さくなる。しかし、入力が小さいので各受光素子８の発熱が少なくなると共に放熱も促進されるので、温度上昇が小さくなり、出力特性（光電変換効率）の低下が抑制される。それ故、複数の受光素子８を接続して形成された光給電コンバータ１は、光入力を増加させた場合でも、温度上昇を抑制して出力特性の低下を防ぐことができる。

　光給電コンバータ１のコリメートレンズ６の代わりに、入射光に対して透明な保護板１６を異物の進入防止のために装備させた光給電コンバータ１Ａの構成が、図８に示されている。この光給電コンバータ１Ａでは、複数の光線Ｌで示すように、導入部２から入射光が広がりながら錐体反射鏡１０に到達し、錐体反射鏡１０で反射された光も広がりながら複数の受光素子８に入射する。コリメートレンズ６が有る場合よりも各受光素子８を大きくすることにより、又はコリメートレンズ６がある場合よりも各受光素子８を錐体反射鏡１０に近づけて配設することにより、入射光を無駄なく各受光素子８に入射させることが可能である。

　上記光給電コンバータ１，１Ａの作用、効果について説明する。
　光給電コンバータ１，１Ａは、錐体反射鏡１０の頂点と底面の中心を通る中心線Ｃを中心にして環状に配設された複数の受光素子８を有する。この光給電コンバータ１，１Ａに対して光ファイバケーブルＯＣから中心線Ｃの方向に入射する光が、錐体反射鏡１０によって中心線Ｃから離隔する方向に放射状に反射されて複数の受光素子８に入射する。錐体反射鏡１０によって入射光が複数の受光素子８に分配されるので、１つの受光素子８に入射する光が少なくなり、各受光素子８の発熱が抑制される。それ故、高温になる程出力特性（光電変換効率）が低下する受光素子８の温度上昇が抑制される。従って、光入力を増加させた場合でも、受光素子８の温度上昇が抑制され、出力特性（光電変換効率）の低下を抑制することができるので、光給電コンバータ１，１Ａの出力を向上させることができる。

　片面に複数の受光素子８が１列に並べられて搭載された帯状のフレキシブル基板７が、筒状に曲げられた状態で錐体反射鏡１０と同心状に配設されている。従って、錐体反射鏡１０を囲むように複数の受光素子８を容易に配設でき、フレキシブル基板７を介して複数の受光素子８の放熱を促進させて温度上昇を抑制することができる。

　筒状に曲げられたフレキシブル基板７の外周は、金属ホルダ５の内壁に接触している。従って、複数の受光素子８の熱がフレキシブル基板７を介して金属ホルダ５に伝わるので、複数の受光素子８の放熱を促進させて温度上昇を抑制することができる。

　複数の受光素子８が直列、並列又は直並列に接続されているので、要求される電圧に対応させた光給電コンバータ１を提供することができる。

　その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。

１　　：光給電コンバータ
２　　：導入部
３ａ，３ｂ：出力端子
４　　：基台
５　　：金属ホルダ
６　　：コリメートレンズ
７　　：フレキシブル基板
８　　：受光素子
９　　：金属膜
１０　：錐体反射鏡
１１，１１ａ～１１ｊ：タブ
１２ａ，１２ｂ：接続部
１３　：導電性ペースト
１６　：保護板
Ｃ　　：中心線
ＯＣ　：光ファイバケーブル

Claims

　光ファイバケーブルを介して入射する光を電力に変換する複数の受光素子を有する光給電コンバータにおいて、
　円錐の側面又は正多角錐の複数の側面を反射面とする錐体反射鏡を有し、
　前記複数の受光素子が、前記錐体反射鏡の頂点と底面の中心を通る中心線を中心にして環状に配設され、
　前記光ファイバケーブルから前記中心線の方向に入射する光が、前記錐体反射鏡によって前記中心線から離隔する方向に放射状に反射されて前記複数の受光素子に入射するように構成したことを特徴とする光給電コンバータ。
　前記複数の受光素子を環状に配設するための帯状のフレキシブル基板を有し、
　前記複数の受光素子が前記フレキシブル基板の片面に前記フレキシブル基板の長手方向に１列に並べられて搭載され、
　前記複数の受光素子を内側にして長手方向両端が近接するように筒状に曲げられた前記フレキシブル基板が、前記錐体反射鏡と同心状に配設されたことを特徴とする請求項１に記載の光給電コンバータ。
　前記錐体反射鏡を備えた基台と、前記錐体反射鏡に対して同心状となるように前記基台に取り付けられた筒状の金属ホルダを有し、
　前記フレキシブル基板が、前記金属ホルダ内に収容されて前記金属ホルダの内壁に接触していることを特徴とする請求項２に記載の光給電コンバータ。
　前記複数の受光素子が、直列、並列又は直並列に接続されたことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光給電コンバータ。