| 【発明の名称】 |
センサヘッドおよび光電界センサ |
| 【発明者】 |
【氏名】戸叶 祐一
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| 【要約】 |
【課題】過酷な温度条件下での稼働に一層の信頼性をもたらし、従来よりも稼働温度範囲を拡げ、環境温度に依存しないセンサヘッドの提供。
【解決手段】光変調素子４と、発熱および吸熱する機能素子であるペルチェ素子２とが一体、又は近接して設置されているセンサヘッド１。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入射した光が、印加される電圧に応じて出射する光の強度に変調される光変調素子を用いたセンサヘッドにおいて、前記光変調素子が発熱および吸熱する機能素子と一体をなし、又は近接して設置されていることを特徴とするセンサヘッド。
【請求項２】 前記機能素子は、照射光源の照射光によって起電する光電変換器に接続されていることを特徴とする請求項１記載のセンサヘッド。
【請求項３】 光源の出射光を入射し、印加される電界強度に依存して光強度に変調して出射する光変調素子を用いたセンサヘッド、電界を受信し前記センサヘッドに入力する受信アンテナ、前記センサヘッドの出射光を検出し電気信号に変換する光検出器、前記光源と前記センサヘッド、および前記センサヘッドと前記光検出器を、それぞれ光学的に接続する光ファイバからなる光電界センサにおいて、前記センサヘッドは請求項１または請求項２記載のセンサヘッドであることを特徴とする光電界センサ。
【請求項４】 前記光電変換器の照射光源は、前記センサヘッドの光源とは独立していることを特徴とする請求項３記載の光電界センサ。
【請求項５】 前記光源または前記照射光源の少なくとも一方は、半導体励起ＹＡＧレーザ光源であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光電界センサ。
【請求項６】 前記光電変換器の照射光源は、前記センサヘッドの光源と一体をなし、前記光源の出射光が分岐された一方の光が光減衰器をとおして前記光電変換器に入射されることを特徴とする請求項３記載の光電界センサ。
【請求項７】 前記センサヘッドは、電界が印加される素子および電界が印加されない素子からなり、前記光源の出射光は、前記電界が印加される素子、および前記電界が印加されない素子にそれぞれ入射され、それぞれの出射光ごとに接続された光検出器に入射されるとともに、前記電界が印加されない素子に係る前記光検出器の出力信号は、請求項４もしくは請求項５記載の照射光源の出力光強度を、または請求項６記載の光減衰器を、制御するようにフィードバックする構成を有することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の光電界センサ。
【請求項８】 前記電界が印加される素子および電界が印加されない素子は、同一基板上に形成されていることを特徴とする請求項７記載の光電界センサ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電圧信号を光強度信号に変調する光変調素子を用いたセンサヘッド、および、屋外等の温度変動がある環境、あるいは一定の温度範囲を越えた環境で用いられる光電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】ニオブ酸リチウム等の電気光学効果を示す結晶基板上に形成された干渉形光導波路素子から構成された光変調素子を用いた光変調器は、空間の電界測定や、特定放送波の受信用の光電界センサのセンサヘッドとして用いられている。
【０００３】光電界センサのアンテナからセンサヘッドに入力された電界強度信号は、光強度信号に変調される。また、光電界センサは、センサヘッドの稼働のために電源を必要としないこと、および光強度信号は光ファイバを通して、減衰が少ない状態で遠距離伝送できるとともに、伝送環境との間にはノイズの授受がないことが大きな特徴である。
【０００４】それゆえに、光導波路型の光変調素子を用いたセンサヘッドは、定点電界測定、放送波受信システム、あるいは放送波中継システム等、長期間稼働するシステムに組み込まれるのに好適である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】光電界センサ用のセンサヘッドとして用いられる光変調素子は、他の多くの電子部品と同様に、広い温度範囲で稼働することが望ましい。また、この光変調素子は、電圧が印加されない状態での出射光強度（以下、光学バイアスという）の温度依存性が小さく設計され、通常、−１０〜＋６０℃で稼働するように設計、製作されていた。
【０００６】しかしながら、屋外で長期間稼働される光電界センサ等のシステムの使用環境は、往々にして、上記の設計時の適用稼働温度範囲を越えることがある。
【０００７】従って、本発明は、過酷な温度条件下での稼働に一層の信頼性をもたらし、従来よりも稼働温度範囲を拡げ、環境温度に依存しない光電界センサ用センサヘッド、およびこのセンサヘッドを用いた光電界センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、入射した光が、印加される電圧に応じて出射する光の強度に変調される光変調素子を用いたセンサヘッドにおいて、照射光によって起電する光電変換器を電源とし、発熱および吸熱する機能素子と一体をなし、又は該機能素子が、近接して設置されているセンサヘッドである。
【０００９】本発明は、光源の出射光を入射し、印加される電界強度に依存して光強度に変調して出射するセンサヘッド、電界を受信しセンサヘッドに入力する受信アンテナ、センサヘッドの出射光を検出し電気信号に変換する光検出器、および光源とセンサヘッドを、およびセンサヘッドと光検出器をそれぞれ光学的に接続しする光ファイバからなる光電界センサにおいて、前記センサヘッドを使用した光電界センサである。
【００１０】本発明の光電界センサは、光電変換器の照射光源と光変調器の光源とは、独立していても、一体であってもよく、少なくとも一方は、半導体励起ＹＡＧレーザ光源である。
【００１１】また、本発明による光電界センサは、光電変換器の照射光源と光変調器の光源とが、一体をなし、光電変換器の照射光は、光減衰器をとおして入射される構成である。
【００１２】さらに、本発明による光電界センサでは、センサヘッドは、電界が印加される素子と電界が印加されない素子からなり、光源の出射光は、電界が印加される素子、および電界が印加されない素子に、それぞれ入射され、それぞれの出射光ごとに接続された光検出器に入射され、電界が印加されない素子に係る光検出器の出力信号は、照射光源の出力強度または光減衰器を制御するようにフィードバックされる。
【００１３】そして、本発明では、電界が印加される素子と電界が印加されない素子が、同一基板上に形成されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態ついて、図面を参照して説明する。
【００１５】図１は、本発明によるセンサヘッドの実施の形態を示す図である。図１において、センサヘッド１は、電気光学効果を示すニオブ酸リチウム結晶のＸ板からなる基板２１上に干渉型光導波路および変調電極が形成された光変調素子４及びペルチェ素子２が一体となって構成されている。このセンサヘッド１の光コネクタ１６で接続され光ファイバ６を通って光導波路に入射された光は、印加される電圧に応じて強度変調されて、光コネクタ１７から出射される。
【００１６】また、ペルチェ素子２は、これに通じる光電変換器３からの電流の向きと大きさに応じて、熱の発生、吸収がされ、光変調素子４の温度を制御することができる。尚、センサヘッド１には、半導体励起ＹＡＧレーザ光源（図示せず）の出力光を照射光として受光し、直流電流に変換する光電変換器が収納されており、ペルチェ素子２の電源となっている。
【００１７】図２に、図１に示された実施の形態のセンサヘッドの具体的な構成の断面図を示す。図２において、ペルチェ素子２は、一面で吸熱するときは、反対面で発熱するため、パッケージ９に貼り付けられるペルチェ素子２の裏面は、自由空間にさらされ、あるいは熱の供給体・吸熱体に接触していることが好ましい。
【００１８】光変調素子４は、機械的に保護されることが必要なため、通常、パッケージ９に収納される。図２では、ペルチェ素子２は、パッケージ９の外表面に固定され、稼働環境温度の変動に対応してパッケージ９内部の温度を一定の範囲に保持するように構成されている。
【００１９】また、このセンサヘッド１は、暴露される外気の流速に依存するものの、−４０〜＋８０℃の温度範囲で十分に稼働することが確認された。尚、センサヘッド１の測定対象は、通常、高周波信号であるため、光電変換器３から導線５を介してペルチェ素子２に給電される直流電流は、測定に影響しない。
【００２０】以下、ペルチェ素子による加熱・冷却によって、直接あるいは間接に温度制御される光変調素子を用いた本発明のセンサヘッドを使用した光電界センサの実施の形態について説明する。
【００２１】尚、ペルチェ素子は、照射光を受光して起電する光電変換器を必要とする。また、照射光源、温度制御の手段等については、以下の実施の形態で述べる。
【００２２】図３に、本発明による光電界センサの第１の実施の形態を示す。
【００２３】図３において、受信アンテナ１３が受信した電界情報は、センサヘッド１の変調電極に導かれ、電圧信号として位相シフト光導波路に印加される。半導体レーザを光源１１とし、センサヘッド１に入射された光は、電圧信号に応じて強度変調されて出射され、光検出器１０ａで受光される。
【００２４】他方、光電変換器３は、半導体励起ＹＡＧレーザを使用した照射光源１２の出力光を電気に変換し、ペルチェ素子２に給電する。ペルチェ素子２は、パッケージの外表面に固定され、環境温度の変動に対応してパッケージ内部の温度を一定の範囲に保持しているため、パッケージ内部の光変調素子４の光学バイアスの変動が抑制される。また、光検出器１０ａによって電界強度情報とともに検出される光学バイアスの変動は、光源１１の出力光強度にフィードバックされる。
【００２５】図４に、本発明による光電界センサの第２の実施の形態を示す。
【００２６】図４において、センサヘッド１及び光電変換器３への照射光源は、共通で、半導体励起ＹＡＧレーザを使用した光源１１が光分岐器１４で分岐され用いられている。本実施の形態は、第１の実施の形態の場合と同様に、ペルチェ素子２が、パッケージの外表面に固定され、環境温度の変動に対応してパッケージ内部の温度を一定の範囲に保持している。また、ペルチェ素子２への給電は、光電変換器３に照射光が入射される直前の光減衰器１５によって、照射光強度が調整されることで調節される構成となっている。
【００２７】図５は、本発明による光電界センサの第３の実施の形態の構成を示した図である。
【００２８】図５において、センサヘッド１の光源１１である半導体レーザの出力光は、センサヘッド１の直前の光分岐器１４で二分岐され、センサヘッド１を構成する二つの光変調素子４に入射される。受信アンテナ１３が接続された一方の光変調素子４ａは、電界強度の情報を光検出器１０ａに伝達する。受信アンテナ１３が接続されていない他の光変調素子４ｂでは、センサヘッド１の温度特性に応じて出射光強度が変化する。この光強度変化は、光検出器１０ｂで検出され、光電変換器３の照射光源１２である半導体励起ＹＡＧレーザ光源にフィードバックされて出力光強度が制御される。
【００２９】図６は、本発明による光電界センサの第４の実施の形態の構成を示した図である。
【００３０】図６において、光電変換器３の照射光源とセンサヘッドの光源１１は、共通しており、光電変換器３の照射光強度は、光電変換器３の直前に取り付けられた光減衰器１５の制御によって調整される。二つの光変調素子４に、同一または近似した温度特性をもたせるためには、これらを同一基板上に形成することがもっとも手軽に、かつ小型に実現できるところに特徴がある。
【００３１】尚、図７は、図５、図６に示される光電界センサのセンサヘッドに用いられる光変調素子４の構成を示す図である。
【００３２】図７に示されるように、光変調素子４は、基板２１上に形成された二つの光変調素子４ａ，４ｂから構成されている。一方が電界を直接検出し、他方がセンサヘッドの温度特性をモニタする機能を有する。したがって、受信アンテナは、前者の光変調素子４ａの変調電極２３に接続され、後者の光変調素子４ｂには変調電極がない。
【００３３】以上、説明したように、光変調素子の稼働温度範囲は、−４０〜＋８０℃まで広げられ、この光変調素子をセンサヘッドとして用いた光電界センサの場合も同様に、稼働温度範囲が拡大され、一層の用途拡大が期待される。
【００３４】また、センサヘッドの温度状態は、光学バイアスの変動を通じて把握し、光電変換器の照射光強度にフィードバックし、ペルチェ素子による発熱・吸熱によって、一定の範囲に保たれる。
【００３５】尚、センサヘッドまたはセンサヘッドのパッケージに固定されたペルチェ素子の電源は、その近傍まで光ファイバによって伝送した照射光を使って起電するため、遠隔伝送においても、とくに問題がない。
【００３６】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば、過酷な温度条件下での稼働に、従来よりも稼働温度範囲を拡げることによって、信頼性の増大を図った光変調素子を用いたセンサヘッド、およびこのセンサヘッドを用いた光電界センサを実現できた。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３４２５７
【氏名又は名称】株式会社トーキン
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１２月２２日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１８３５４０ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３６５８３７ |
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