(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサからの戻り光を受ける受光素子の出力増幅回路に、温度補償回路を備えた減算増幅回路を設け、この減算増幅回路中の増幅器の＋側入力端子に、抵抗温度係数の異なる複数の感温抵抗素子を選択可能に配置した温度補償回路と、この感温抵抗素子の誤差補正用可変抵抗とを接続したことを特徴とする高精度型光電気変換器。
【請求項２】
温度補償回路を複数回路設けた請求項１に記載の高精度型光電気変換器。
【請求項３】
温度補償回路が、切り替えスイッチに並列接続された複数の感温抵抗素子を、複数回路直列に接続したものである請求項１に記載の高精度型光電気変換器。
【請求項４】
光センサの光源であるＬＥＤを基板上の外部に露出していない場所に実装、基板パネルの光アダプタとの間を光ファイバで接続することにより、ＬＥＤを外気温の急激な温度変化から保護した請求項１に記載の高精度型光電気変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧や電流を検出する光センサのために用いられる高精度型光電気変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にファラデイ型、ポッケルス型光センサに適用する割り算方式の光電気変換器における測定誤差は、定格周波数、定格変調度において以下のように分類される。
定格時の測定誤差＝光入力パワー変化時の割算器誤差＋増幅回路抵抗素子等の温度係数誤差＋ＬＥＤ波長の温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差
【０００３】
このうち光入力パワー変化時の割算器誤差は、光センサからの戻り光による受光素子（フォトダイオード）の出力電流を電圧変換後に割り算回路でＤＣ成分として扱う場合の直線性誤差である。この誤差は光センサ、光伝送路のＤＣ成分温度係数（約±２ｄＢ以下）から考えて−０．１％程度であり、あまり大きな問題とはならない。また光伝送路の温度係数を改善することにより、更に低減することができる。
【０００４】
増幅回路抵抗素子等の温度係数誤差は、受光素子の出力増幅回路に設けられた増幅器に接続される抵抗が、温度係数を持つことにより発生する。この誤差は、±１００ｐｐｍ／℃の標準的な固定抵抗を使用した場合、変換器の動作温度範囲（−１０〜＋５０℃）から考えて±０．４％程度であるが、±５ｐｐｍ／℃の温度特性を持つ固定抵抗に変更すればほとんど無視することができる。
【０００５】
ＬＥＤ波長温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差は、光源であるＬＥＤ（発光ダイオード）の発光部バンドギャップ間寸法に温度依存性があり、温度上昇により波長が長波長側にドリフトする特性を持つことに起因する誤差である。この波長ドリフトはＦ社製ＬＥＤの場合、約０．２６５ｎｍ／℃である。一方、ファラデイ素子等のセンサはその感度（ベルデ定数）が光中心波長に依存することが判明しており、ＢＳＯ単結晶で−０．４％／ｎｍ、鉛ガラスで−０．２５８％／ｎｍ程度の波長依存性を持つ。これはセンサの温度が安定していても、ＬＥＤの温度が−１０〜＋５０℃に変化することにより、ＢＳＯで±３．１８％、鉛ガラスで±２．０５％の誤差と計算される。上記の３つの誤差の中でＬＥＤ波長の温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差が一番大きくかつ改善が困難である。そこでこの誤差を改善するために、下記のような提案がなされている。
【０００６】
▲１▼ＬＥＤの温度調整器の内装・・この方法はペルチェ素子等を用いてＬＥＤを常に設定温度にコントロールする方法である。しかしペルチェ素子が高価であり、装置が大型化するうえ、その駆動に多くの電流を要するという問題がある。
【０００７】
▲２▼ＬＥＤの温度監視・・この方法はＬＥＤの温度をセンサで監視し、その温度情報から予めプログラムされた補正式により光センサからの出力電圧を補正する方法である。しかし余分のメモリが必要となるうえ、ＬＥＤの波長温度係数は個々のＬＥＤやセンサ素子毎にバラツクため、平均的な波長依存特性で補正式を作成してもバラツキ誤差が残存する。
【０００８】
▲３▼ＬＥＤのフィードバック制御・・センサで検出された温度が基準値から外れた場合に、誤差を抑制する方向にＬＥＤ発光部を制御し、ＬＥＤ波長の温度ドリフトを抑制する方法である。しかし平均的な波長依存特性で補正式を作成しても個々のＬＥＤや光センサ毎のバラツキ誤差が残存する。
【０００９】
▲４▼ＬＥＤ順方向電圧計測による温度補償・・ＬＥＤの順方向電圧と発光波長の相関性を利用し、予め記憶させておいた演算式により最終出力を温度補償する方法である。しかし順方向電圧と発光波長の関係が固定化されているため、平均的な波長依存補正式を作成しても個々のＬＥＤや光センサ毎のバラツキ誤差が残存する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、装置を大型化させることなくＬＥＤ波長の温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差を改善することができ、しかも個々のＬＥＤや光センサ毎のバラツキ誤差をもキャンセルできる高精度型光電気変換器を提供するためになされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手回路】
上記の課題を解決するためになされた本発明は、光センサからの戻り光を受ける受光素子の出力増幅回路に、温度補償回路を備えた減算増幅回路を設け、この減算増幅回路中の増幅器の＋側入力端子に、抵抗温度係数の異なる複数の感温抵抗素子を選択可能に配置した温度補償回路と、この感温抵抗素子の誤差補正用可変抵抗とを接続したことを特徴とするものである。なお、上記の温度補償回路を複数回路設けることができ、また温度補償回路が、切り替えスイッチに並列接続された複数の感温抵抗素子を複数回路直列に接続したものであることが好ましい。更に、光センサの光源であるＬＥＤを基板上の外部に露出していない場所に実装し、基板パネルの光アダプタとの間を光ファイバで接続することにより、ＬＥＤを外気温の急激な温度変化から保護した構造とすることが好ましい。
【００１２】
本発明の高精度型光電気変換器は、−の温度係数を持つセンサ感度変化誤差を、＋の温度係数を持つ感温抵抗素子を接続させた減算増幅回路で増幅することにより、ＬＥＤ波長の温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差を改善することができる。しかも個々のＬＥＤや光センサ毎の特性のバラツキ誤差は、温度係数の異なる複数の感温抵抗素子の何れかを選択することによって吸収させることができるので、ＬＥＤ毎のバラツキ誤差をもキャンセルできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を示す。
図１は光電気変換器の全体を示すブロック図であり、１はＬＥＤ（発光ダイオード）、２はその駆動装置、３はファラデイ素子やポッケルス素子よりなる光センサ、４はこの光センサ３からの戻り光を受ける受光素子（フォトダイオード）、５は受光素子４の出力増幅回路である。前記したように、主としてＬＥＤ波長温度ドリフトにより、受光素子４の出力は図３(A) のように右下がりの変化を示す。しかも各ＬＥＤ１や光センサ毎の特性のバラツキにより、受光素子４の出力にはバラツキがある。
【００１４】
そこで本発明では、図２のように受光素子４の出力増幅回路５に、温度補償回路を備えた減算増幅回路８を設ける。この実施形態では、減算増幅回路８は２回路直列に設けられており、さらに３回路目にゲイン調整回路７が設けられている。
【００１５】
各減算増幅回路８中の増幅器２３のアンプ−側入力端子には、固定抵抗Ｒ01、Ｒ11が接続されている。またその＋側入力端子には、温度補償回路Ｒ04、Ｒ14が接続されるとともに、これらの温度補償回路Ｒ04、Ｒ14の誤差補正用可変抵抗Ｒ03、Ｒ13と固定抵抗Ｒ02、Ｒ12とが接続されている。また３回路目のゲイン調整回路７にも、図示の通りの抵抗がそれぞれ接続されている。各回路の基本動作式は、下記のように示される。
１回路目：Ｖout ＝Ｒ04／（Ｒ02＋Ｒ03＋Ｒ04）×Ｖin
２回路目：Ｖout ＝Ｒ14／（Ｒ12＋Ｒ13＋Ｒ14）×Ｖin
３回路目：Ｖout ＝（Ｒ14（Ｒ21＋Ｒ23）／（Ｒ21（Ｒ22＋Ｒ24）））×Ｖin
これらの温度補償回路Ｒ04、Ｒ14は図３(B)(C)のように温度の上昇に連れて抵抗がリニアに増加するので、Ｖout ／Ｖinを温度により可変とすることが可能である。
【００１６】
しかし前記したように、各ＬＥＤ１には温度係数のバラツキがあるため、平均値に基づいて温度補償回路Ｒ04、Ｒ14を選択しても、図３(A) に示したバラツキを補償することはできない。そこで本発明では図４に示すように、温度補償回路Ｒ04、Ｒ14を、抵抗温度係数の異なる複数の感温抵抗素子９を選択可能に配置したものとするとともに、その絶対値誤差を誤差補正用可変抵抗Ｒ03、Ｒ13により補償するようにした。
【００１７】
市販の感温抵抗素子９は、抵抗温度係数が４０〜４７００ｐｐｍ／℃で各種取り揃えられているので、±０．４％の範囲のバラツキが補償できるように複数個を並列に接続し、切り替えスイッチ１０により選択できるようにしておく。この実施形態では複数の感温抵抗素子９を２回路直列に接続したが、これはより多くの組み合わせを作るためであり、１回路とすることもできる。なお固定抵抗１１も並列に接続しておく。
【００１８】
使用の際には、先ず切り替えスイッチ１０を固定抵抗１１に切り替え、温度係数を測定する。次にその誤差の絶対値より感温抵抗素子９の抵抗温度係数（ｐｐｍ／℃）を選定し、切り替えスイッチ１０を切り替える。感温抵抗素子９の絶対抵抗値補償として計算上のずれが発生するので、誤差補正用可変抵抗Ｒ03、Ｒ13により増幅度を調整する。これにより個々のＬＥＤ１の温度係数のバラツキを補償し、−１０〜＋５０℃において±０．３％以下に抑えることができる。
【００１９】
なお、以上のような対策を講じても、ＬＥＤ１とその温度補償回路との温度が不一致であると別の誤差が発生する。そこで図５に示すように、ＬＥＤ１を基板パネル２０上の外部に露出していない場所に実装し、基板２０外のアダプタ２１との間を光ファイバ２２で接続することが好ましい。従来は接続を容易にするためにＬＥＤ１は基板パネル２０から露出していたため、外気温の変動の影響を受けやすく、しかも基板パネル２０内との温度差は顕著であった。これに対して図５のようにＬＥＤ１を基板パネル２０内に実装して温度補償回路の近傍に設置すれば、外気温の変動の影響を受け難くなり、感温抵抗素子９とＬＥＤ部を同一材料でモールド等すれば温度時定数も温度補償回路と近似のものが容易に製作可能である。しかも外部への光出力は、アダプタ２１から容易に取り出すことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の高精度型光電気変換器は、受光素子の出力増幅回路の減算増幅回路に、抵抗温度係数の異なる複数の感温抵抗素子を選択可能に配置した温度補償回路と、この温度補償回路の誤差補正用可変抵抗とを接続したことにより、ＬＥＤ波長の温度ドリフトによるセンサ感度変化誤差を抑制することができ、しかも個々のＬＥＤ毎のバラツキ誤差をもキャンセルすることができる。この結果、−１０〜＋５０℃の温度範囲内において誤差を±０．３％以下の低いレベルに抑えることが可能となる。またＬＥＤの冷却手段等を必要としないので、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光電気変換器の全体を示すブロック図である。
【図２】出力増幅回路の回路図である。
【図３】光センサ出力及び各増幅回路の温度係数を示すグラフである。
【図４】温度補償回路の構成を示す回路図である。
【図５】好ましいＬＥＤの配置例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ＬＥＤ（発光ダイオード）、２  ＬＥＤの駆動装置、３  光センサ、４  受光素子（フォトダイオード）、５  出力増幅回路、７  ゲイン調整回路、８  減算増幅回路、９  感温抵抗素子、１０  切り替えスイッチ、１１  固定抵抗、２０  基板、２１  アダプタ、２２  光ファイバ、２３  増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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