DE3874493T2

DE3874493T2 - Optischer positionssensor, den faraday-effekt benutzend.

Info

Publication number: DE3874493T2
Application number: DE8888310870T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi C O Teijin Seik Toyama
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-11-18
Also published as: EP0319172B1; US4931635A; EP0319172A3; EP0319172A2; DE3874493D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen Positionssensor und im besonderen auf einen optischen Positionssensor, bei welchem ein Element mit Faraday-Wirkung verwendet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei Luftfahrzeugen u.dgl. wird die Steuerflache von Rudern, Höhenrichtwerken u.dgl. durch Steuersignale gesteuert, die durch einen Piloten gesteuert werden.
Solche Steuersignale wurden herkömmlich durch einen mechanischen Verbindungsmechanismus an die Steuerfläche des Luftfahrzeuges u.dgl. übertragen, jedoch ist unlangst ein Fly-by-Leitverfahren verwendet worden, bei welchem die Steuersignale durch elektrische Signale ersetzt sind.
Die Fig. 1 zeigt schematisch das Arbeitsprinzip eines Stellantriebes zum Steuern der Steuerflache-n eines Luftfahrzeuges u.dgl., bei welchem das Fly-by-Leitverfahren angewendet wird. Ein Steuersignal von einem Piloten A bewegt ein elektrisches Hydraulik-Servosteuerventil 3 über einen FCC (Flugkontrollcomputer) durch ein Anschlußteil 2 und steuert die Steuerflächen des Luftfahrzeuges u.dgl. durch einen Stellantrieb 4. Die Bewegung der Steuerflächen wird durch den Kolben eines Positionsdetektormechanismus 5 erfaßt, und das Ausmaß der Bewegung wird in ein elektrisches Signal durch einen Differential-Wandler 6 umgewandelt und über das Anschlußteil 2 zurück an den FCC geleitet.
Ein Steuersystem, welches elektrische Signale wie vorbeschrieben anwendet, hat jedoch die Neigung, die Stabilität der Betätigung als Folge von elektrischen Geräuschen zu beschädigen. Ein solches Steuersystem ist daher durch ein Steuersystem ersetzt worden, welches optische Signale verwendet, die nicht dem Einfluß von elektrischen Geräuschen ausgesetzt sind. In diesem Fall wird ein optischer Sensor bei dem Auffinden der Position eines Stellantriebes zum Steuern der Steuerflächen eines Luftfahrzeuges u.dgl. nötig.
Optische Rotationsverkoder, optische Linearverkoder u.dgl., welche eine VerkoderPlatte und Teile zum Ausstrahlen und zum Empfangen von Licht haben, können bei dem vorerwähnten optischen Sensor verwendet werden. Die Fig. 2 zeigt schematisch das Prinzip eines Stellantriebes zum Steuern der Steuerflächen eines Luftfahrzeuges u.dgl., bei welchem ein optischer Linearverkoder verwendet wird. Ein Signalerzeuger, der Referenzimpulssignale erzeugt, ist durch die Bezugsziffer 7 bezeichnet und übermittelt aufeinanderfolgend Zeitverzögerungsimpulssignale an jede der Übertragungsleitungen, die allgemein durch die Bezugsziffer 8 bezeichnet sind.
Diese Impulssignale werden durch einen E/O (elektrooptischen)-Wandler 9 an eine Lichtstrahl-Elementenanordnung 10 angeliefert, welche Lichtstrahldioden u.dgl. entsprechend der einzelnen Übertragungsleitungen 8 aufweist. Die Lichter der Lichtstrahlelemente, welche die Lichtstrahl-Elementenanordnung 10 ausbilden, werden durch Fasern 11 geleitet und bilden eine digitale optische Signalanordnung der Lichtprojektionsseite einer Faserkopfplatte 12 aus. Eine Verkoderplatte, die mit Gray-Kodierungen ausgebildet ist, ist durch die Bezugsziffer 13 angedeutet und ist dazu eingerichtet, zwischen der Faserkopfplatte 12 der Lichtprojektionsseite und einer Faserkopfplatte 14 der Lichtempfangsseite in zueinander entgegengesetzten Richtungen bewegt zu werden, wie es durch den Pfeil in Fig. 2 angedeutet ist. Mit der Faserkopfplatte 14 der Lichtempfangsseite sind optische Fasern verbunden, die allgemein durch die Bezugsziffer 15 bezeichnet sind, und das Ausmaß der Bewegung oder die Position der Verkoderplatte 13 wird durch einen optischen Kuppler 16 an einen O/E (optoelektrischen)-Wandler 17 übermittelt, während durch einen Demodulator 18 ein Signal an einen FCC (Flugkontrollcomputer) geliefert wird. Die Bewegung einer Steuerfläche durch einen Stellantrieb 19 wird nämlich durch die Verkoderplatte 13 zurück an den FCC angeliefert. Das Steuersignal von dem Piloten A und das Positionssignal der Steuerfläche werden daher an den FCC angeliefert, und die Steuerfläche wird ständig genau gesteuert.
Bei der vorerwähnten Steuersignal-Übermittlungseinrichtung, die einen optischen Sensor verwendet, ist es erforderlich, daß ein Licht zwischen den Lichtprojektions- und -empfangsteilen des optischen Sensors ausreichend übermittelt wird.
Bei einem Luftfahrzeug wird bspw. die Temperatur und der Druck um das Luftfahrzeug herum rasch erniedrigt, wenn das Luftfahrzeug von dem Boden zurück in den Himmel hoch fliegt. Aus diesem Grund kann sich Tau bei den Lichtprojektionsund -empfangsteilen oder bei der Verkoderplatte bilden, und wenn solcher Tau auftritt, werden die optischen Signale zwischen den Lichtprojektions- und -empfangsteilen nicht befriedigend übermittelt, sodaß eine gegenteilige Wirkung auftritt, wie bspw. eine Verschlechterung oder ein Verschwinden der optischen Signale. Ein Auftreten von Staub verursacht dieselbe gegenteilige Wirkung.
Die Fig. 3 zeigt einen anderen herkömmlichen optischen Positionssensor. In Fig. 3 bezeichnet die Bezugsziffer 21 einen optischen Rotationsverkoder, und das von einem Lichtstrahlelement 22 ausgestrahlte Licht wird an ein Lichtempfangselement 27 über Schlitze 24 angeliefert, die in einer sich drehenden Scheibe 23 ausgebildet sind, sowie durch einen Schlitz 26, der in einer stationären Scheibe 25 ausgebildet ist. Ein optisches Signal wird durch das Lichtempfangselement 27 in ein elektrisches Signal umgewandelt, und die Wellenform des optischen Signals wird durch einen Schmitt-Trigger-Kreis 28 geformt und ausgegeben. Während sich die drehbare Scheibe 23 dreht,wird das von dem Lichtstrahlelement 22 ausgestrahlte Licht intermittierend an das Lichtempfangselement 27 angeliefert. Als Ergebnis wird ein zu der Drehzahl der sich drehenden Scheibe 23 proportionales Impulssignal durch den Schmitt-Trigger-Kreis 28 abgegeben.
Weil der vorerwähnte herkömmliche optische Positionssensor derart ausgebildet ist, daß das optische Signal von dem Lichtstrahlelement 22 durch Luft hindurchgeht und an das Lichtempfangselement 27 übermittelt wird, ergibt sich jedoch die Neigung, daß das optische Signal gedämpft und als Folge des Taus, der an den Oberflächen des Lichtstrahlelements 22 und des Lichtempfangselements 27 auftritt, sowie auch als Folge des Staubs in der Luft verschlechtert wird. Wenn bspw. der Druck und die Temperatur während einer kurzen Periode rasch geändert werden, wie es bei einem Luftfahrzeug der Fall ist, dann tritt Tau als Folge des raschen Wechsels des Drucks und der Temperatur auf.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten optischen Positionssensor bereitzustellen, welcher die vorerwähnten Nachteile überwindet und welcher selbst unter einem Zustand befriedigend benutzt werden kann, bei welchem sich die Temperatur und der Druck rasch ändern, und welcher mit hoher Genauigkeit anspricht und strukturell kompakt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Positionssensor zur Verwendung bei einem Luftfahrzeug bereitgestellt, bestehend aus: einer Lichtstrahleinrichtung zum Ausstrahlen von Licht; einer ersten optischen Wellenleiteinrichtung, die an ihrem einen Ende mit der Lichtstrahleinrichtung verbunden und für ein Leiten des Lichts geeignet ist, welches von der Lichtstrahleinrichtung ausgestrahlt wird; einer Polarisationseinrichtung, die an ihrem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der ersten optischen Wellenleiteinrichtung verbunden und für eine Umwandlung des Lichts in ein Licht geeignet ist, das eine einheitliche Polarisationsebene aufweist; einem Element mit Faraday-Wirkung, das an seinem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der Polarisationseinrichtung verbunden ist und eine Reflexionseinrichtung an seinem anderen Ende aufweist; einer beweglichen Magnetskala, die zu der Reflexionseinrichtung gegenüberliegend angeordnet ist und eine Vielzahl von daran befestigten magnetisierten Segmenten aufweist, wobei die einheitliche Polarisationsebene in Übereinstimmung mit der Anordnung der magnetisierten Segmente optisch gedreht wird; einer Polarisations- Detektoreinrichtung, die mit ihrem einen Ende direkt mit dem einen Ende des Elements mit Faraday-Wirkung verbunden und für eine Durchleitung von Licht geeignet ist, bei welchem die Polarisationsebene nicht optisch gedreht wird; einer zweiten optischen Wellenleiteinrichtung, die an ihrem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der Polarisations- Detektoreinrichtung verbunden und für ein Leiten des Lichts von der Polarisations-Detektoreinrichtung geeignet ist; und einer opto-elektrischen Umwandlungseinrichtung, die mit dem anderen Ende der zweiten optischen Wellenleiteinrichtung verbunden und für eine Umwandlung des durch die zweite optische Wellenleiteinrichtung geleiteten Lichts in ein elektrisches Signal geeignet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Nachteile eines bekannten optischen Positionssensors und die Merkmale und Vorteile eines optischen Positionssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches das Arbeitsprinzip eines bekannten Stellgliedes zum Steuern der Steuerflächen eines Luftfahrzeuges zeigt, bei welchem ein Fly-by-Leitverfahren verwendet wird;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches das Prinzip eines herkömmlichen Stellantriebes zum Steuern der Steuerflächen eines Luftfahrzeuges zeigt, bei welchem ein herkömmlicher optischer Linearverkoder verwendet wird;
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht, welche einen Rotationsverkoder zeigt, bei welchem ein herkömmlicher optischer Positionssensor verwendet wird;
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht, welche das Arbeitsprinzip eines optischen Schaltelements zeigt, bei welchem ein Element mit Faraday-Wirkung verwendet wird;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, welche eine optische Schaltelementanordnung zeigt, die eine Vielzahl optischer Schaltelemente aufweist, von welchen jedes ein Element mit Faraday-Wirkung hat;
Fig. 6 ist eine Perspektivansicht, die das Arbeitsprinzip eines optischen Positionssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7A ist ein Schaubild, welches die Wellenformen von Zeitverzögerungs-Impulssignalen zeigt, die durch den Signalerzeuger der Fig. 6 erzeugt werden;
Fig. 7B ist eine Darstellung, welche die Wellenformen zeigt, nach dem die Impulssignale der Fig: 7A durch die in Fig. 7A gezeigten Elemente mit einer Faraday-Wirkung hindurchgeleitet sind;
Fig. 7C ist eine Darstellung, welche die gekoppelte Wellenform zeigt, nachdem die in Fig. 7B gezeigten Signale durch einen optischen Koppler gekoppelt wurden;
Fig. 8 ist eine Seitenansicht, welche eine erste Ausführungsform eines optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine Seitenansicht, die eine Verkoderplatte zeigt, welche mit dem optischen Positionssensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, welches einen optischen Positionssensor zeigt, bei welchem der optische Positionssensorkopf in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 11A ist eine Darstellung, welche die Eingangsimpulssignale des in Fig. 10 gezeigten optischen Positionssensors zeigt;
Fig. 11B ist eine Darstellung, welche die Ausgangsimpulssignale des in Fig. 10 gezeigten optischen Positionssensors zeigt;
Fig. 12 ist eine Seitenansicht, welche eine zweite Ausführungsform des optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 ist eine Seitenansicht, welche eine dritte Ausführungsform des optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 ist eine schematische Perspektivansicht, welche einen optischen Positionssensor zeigt, der in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 15 ist eine Draufsicht von oben auf den in Fig. 14 gezeigten optischen Sensorkopf;
Fig. 16 ist eine Seitendraufsicht auf den in Fig. 15 gezeigten optischen Positionssensorkopf;
Fig. 17 ist eine schematische Ansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale innerhalb des optischen Positionssensorkopfes darstellt;
Fig. 18 ist eine schematische Perspektivansicht, welche einen in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildeten optischen Positionssensor zeigt;
Fig. 19 ist eine obere Draufsicht des in Fig. 18 gezeigten optischen positionssensorkopfes;
Fig. 20 ist eine Seitendraufsicht auf den optischen Positionssensorkopf, dargestellt in der Richtung A der Fig. 19;
Fig. 21 ist eine schematische Ansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale innerhalb des optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform darstellt;
Fig. 22 ist eine schematische Perspektivansicht, welche einen optischen Positionssensor zeigt, der in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 23 ist eine obere Draufsicht des in Fig. 22 gezeigten optischen Positionssensorkopfes;
Fig. 24 ist eine Seitendraufsicht des optischen Positionssensorkopfes, dargestellt in der Richtung A der Fig. 23;
Fig. 25 ist eine Seitendraufsicht des optischen Positionssensorkopfes, dargestellt in der Richtung B der Fig. 23;
Fig. 26 ist eine Schemaansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale innerhalb des optischen Positionssensorkopfes darstellt, der in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform ausgebildet ist;
Fig. 27 ist eine Darstellung, welche die Taktsigale zeigt, die von dem Taktgeberkreis der Fig. 26 erzeugt werden;
Fig. 28 ist eine Darstellung, welche das Ausgangssignal des linearen Verkoders in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform zeigt, wenn die Taktsignale Tb, Tc und Tf der Fig. 23 geliefert werden;
Fig. 29 ist eine Schemaansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 30 ist eine schematische Perspektivansicht, welche einen optischen Positionssensor zeigt, der in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 31 ist eine obere Draufsicht des in Fig. 30 gezeigten optischen Positionssensorkopfes;
Fig. 32 ist eine Seitendraufsicht des optischen Positionssensorkopfes, dargestellt in der Richtung A der Fig. 30;
Fig. 33 ist eine Schemaansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale innerhalb des optischen Positionssensorkopfes der Fig. 30 darstellt;
Fig. 34 ist eine Schemaansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 35 ist eine Schemaansicht, welche die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme nunmehr in größerem Detail auf die Zeichnungen und zuerst auf die Fig. 4 ist in dieser das Arbeitsprinzip eines optischen Schaltelements gezeigt, bei welchem ein Element mit Faraday-Wirkung verwendet wird. Eine Zufallspolarisation 29, die durch eine optische Faser 30 geleitet wird, geht durch einen Polarisator 31 hindurch und wird als eine lineare Polarisation 29a entnommen. Wenn diese lineare Polarisation 29a durch ein Element 32 mit Faraday-Wirkung (Element mit magnetooptischer Wirkung) hindurchgeht, wird die Polarisationsebene in der Gegenwart des Magnetfeldes als Folge der Faraday-Wirkung optisch gedreht. Diese optisch gedrehte Polarisation 29a' geht durch einen Analysator 33 und wird wieder als eine lineare Polarisation 29a" entnommen. Der Polarisationswinkel der linearen Polarisation 29a" hängt von der Intensität des Magnetfeldes ab. Bei Anwendung dieses Prinzips kann ein EIN-AUS-Lichtsignal in der Anwesenheit des Magnetfeldes entnommen werden. Durch Bewegung einer Magnetskala (Verkoderplatte), die Magnete (nicht dargestellt) hat, auf das Element 32 mit Faraday- Wirkung zu und davon weg wird spezieller die optische Bahn des Elements 32 mit Faraday-Wirkung ohne Kontakt geöffnet und geschlossen, und ein Positions-Detektorsignal (der Magnetskala) kann entnommen werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 ist dort ein Satz einer optischen Schaltelementanordnung 35 gezeigt, die eine Vielzahl optischer Schaltelemente 36a, 36b, 36c, 36d und 36e aufweist, die auf einem Substrat 37 parallel zueinander angeordnet sind und von welchen jedes einen Polarisator 38, ein Elemente 39 mit Faraday-Wirkung und einen Analysator 40 umfaßt. Die Bezugsziffern 41 und 42 weisen auf optische Fasern für optische Wellenleiter hin.
Die optische Schaltelementanordnung 35 der vorliegenden Erfindung, welche die vorerwähnte Struktur hat, kann ein Positionssignal im Zusammenwirken mit einer Magnetskala erhalten, die sich in einer entgegengesetzten und parallelen Beziehung zu der Anordnung bewegt. Bei der in den Fig. 7A, 7B und 7C gezeigten Signal-Wellenform werden Zeitverzögerungsimpulssignale, die in Fig. 7A gezeigt sind, durch einen Signalerzeuger 43 an eine Lichtstrahlelementanordnung 44 übermittelt, die Laserdioden u.dgl. umfaßt. Diese Signale werden durch optische Wellenleiter 41a, 41b, 41c, 41d und 41e an die optischen Schaltelemente 36a, 36b, 36c, 36d und 36e der optischen Schaltelementanordnung 35 übermittelt, wobei jedes der Signale eine Anzahl von Bits entsprechend der Anzahl der optischen Schaltelemente hat. Wenn eine Magnetskala (Verkoderplatte) 45, welche Magnete 45s, 45s und 45s gemäß der Darstellung in Fig. 6 hat, zu der optischen Schaltelementeanordnung 35 bewegt wird, dann werden nur die optischen Schaltelemente 36a, 36c und 36e, welche zu den Magneten 45s, 45s und 45s in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet sind, Lichter hindurchlassen als Folge der Faraday-Wirkung, sodaß die in Fig. 7b gezeigten Signale herausgenommen werden. Diese Signale werden durch einen optischen Koppler 46 gekoppelt und werden zu einem in Fig. 7C gezeigten optischen Signal. Das gekoppelte Signal wird in ein elektrisches Signal durch einen O/E (optoelektrischen)-Wandler 47 umgewandelt und wird zu einem Positionsdetektorsignal oder einem Steuersignal.
Unter Hinweis auf die Fig. 8 ist dort eine erste Ausführungsform eines optischen Sensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei welchem das vorerwähnte Prinzip der in den Fig. 4 bis 7 gezeigten Faraday- Wirkung angewendet ist. In Fig. 8 bezeichnen die Bezugsziffern 37, 50 und 46 ein Sensorsubstrat, einen optischen Multiplexer und einen optischen Demultiplexer. Durch die Verwendung optischer Filer in den optischen Wellenleitern 41 kann auch ein optischer Verteiler als ein Ersatz für den optischen Multiplexer 50 verwendet werden. Die Bezugsziffern 51 und 52 bezeichnen optische Fasern, die mit dem optischen Multiplexer 50 und mit dem optischen Koppler 46 verbunden sind. Eine durch die Bezugsziffer 35 allgemein bezeichnete optische Schaltelementanordnung umfaßt eine Vielzahl optischer Schaltelemente 36a, 36b, 36c, 36d und 36e, von welchen jedes ein Element 39 mit Faraday-Wirkung hat. Jedes optische Schaltelement 36 ist über die entsprechenden optischen Wellenleiter 41 und 42 mit dem optischen Multiplexer 50 und dem optischen Koppler 46 verbunden. Das optische Schaltelement 36 umfaßt eine Linse 53, einen Polarisator 38, ein Element 39 mit Faraday-Wirkung, eine Linse 54, einen Analysator 40 und eine Linse 55. Die vorerwähnten optischen Elemente sind zwischen dem optischen Multiplexer 50 und dem optischen Koppler 46 angeordnet und in dem Sensorsubstrat 37 vorgesehen und bilden einen Satz eines optischen Positionssensors.
Die Fig. 9 zeigt schematisch eine Verkoderplatte 45, die in Kombination mit dem optischen Sensorkopf der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Auf der Verkoderplatte 45 ist eine Vielzahl von Magneten S1, S2 ... und Sn in Übereinstimmung mit der Anzahl von Bits der optischen Schaltelemente 36 der optischen Schaltelementanordnung 35 angeordnet.
Die Fig. 10 zeigt einen optischen positionssensor, bei welchem ein optischer Positionssensorkopf in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Teile des optischen Positionssensors, die funktionell im wesentlichen identisch mit den in den Fig. 5 bis 9 gezeigten Teilen sind, sind durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. Ein Signalerzeuger 43 übermittelt aufeinanderfolgend Zeitverzögerungsimpulssignale (bspw. zehn Bits) gemäß der Darstellung in Fig. 11A an jede der Übermittlungsleitungen 61. Diese Impulssignale werden durch einen E/O (elektrooptischen)-Wandler 62 an eine Lichtstrahlelementanordnung 63 geliefert, welche Lichtstrahldioden oder verschiedene Halbleiterlaser einer unterschiedlichen Wellenlänge u.dgl. entsprechend der betreffenden Übermittlungsleitungen 61 umfassen. Die Lichter der Lichtstrahlelemente der Lichtstrahlelementanordnung 63 werden durch optische Fasern 64 durch einen optischen Koppler 65 zu einer einheitlichen optischen Faser 51 geleitet. Das zu der optischen Faser 51 geleitete Licht wird an Schaltelemente 36 einer optischen Schaltelementanordnung 35 durch einen optischen Multiplexer 50 verteilt, der auf einem Sensorsubstrat 37 angeordnet ist. Die verteilten Lichter werden zu einem optischen Multiplexer 66 durch einen optischen Koppler 46 und eine optische Faser 52 geleitet. Das zu dem optischen Multiplexer 66 geleitete Licht wird durch optische Fasern 67 zu einer Lichtempfangselementanordnung 68 übermittelt. Wenn die durch den optischen Multiplexer 50 verteilten Lichter durch die entsprechenden optischen Schaltelemente 36 der optischen Schaltelementanordnung 35 hindurchgehen, dann lassen nur die optischen Schaltelemente 36, welche zu den Magneten einer Verkoderplatte 45 in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet sind, Lichter hindurchgehen als Folge der Faraday-Wirkung. Das durch die Lichtempfangelementanordnung 68 erfaßte Positionssignal der Verkoderplatte 45 wird daher durch einen O/E (optoelektrischen)-Wandler 47 zu einem intermittierenden Zeitfolgeimpuls, wie in Fig. 11B gezeigt, und wird einem Demodulator 69 eingegeben. Dieses Signal ist zur Eingabe als ein binäres Positionsdetektorsignal an einen Computer (bspw. den in Fig. 1 gezeigten FCC u.dgl.) durch einen Demodulator 69 bestimmt.
Die Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Teile, welche im wesentlichen identisch mit demjenigen der ersten Ausführungsform der Fig. 8 sind, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und es unterbleibt daher nachfolgend auch die Beschreibung. Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet7 daß ein Eingangssignal von einer einheitlichen optischen Faser 51 an jedes der optischen Schaltelemente 36 einer optischen Schaltelementanordnung 35 durch einen optischen Multiplexer 50 (oder optischen Verteiler) übermittelt und durch optische Faseranschlußteile 42a an eine entsprechend CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung)-Anordnung oder an eine Photodiode (nicht dargestellt) angeliefert wird.
Die Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Positionssensorkopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Teile, welche im wesentlich identisch mit denjenigen der ersten Ausführungsform der Fig. 8 sind, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um die detaillierte Beschreibung zu vermeiden. Diese dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Eingangssignalen unabhängig an die entsprechenden optischen Schaltelemente 36 einer optischen Schaltelementanordnung 35 übermittelt werden und von einer einheitlichen optischen Faser 52 durch optischen Wellenleiter 42 und einen optischen Koppler 46 herausgenommen werden.
Die Form oder Anzahl der vorerwähnten optischen Multiplexer (oder optischen Verteiler) 50, der optischen Demultiplexer 46 und der optischen Faseranschlußteile 41a oder 42a kann in Übereinstimmung mit der Verschiedenheit des Signalverarbeitungssystems (bspw. einem optischen Wellenlänge-Multiplexing und Zeitteilung-Multiplexing) oder der Verschiedenheit der äußeren Anschlußteile (bspw. einer Form u.dgl. der optischen Faseranschlußteile) geändert werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 17 ist dort eine vierte Ausführungsform eines optischen Positionssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In Fig. 14 hat ein Linearverkoder 81 eine Magnetskala 83, die fur eine lineare Bewegung in den in Fig. 14 gezeigten Richtungen X-X' durch einen Stellantrieb 82 angetrieben wird. Der Stellantrieb 82 ist für eine Steuerung eines Winkels von Steuerflächen von Rudern u.dgl. eines Luftfahrzeuges eingerichtet, und die lineare Bewegung der Magnetskala 83 entspricht dem Winkel der Steuerflächen. Ein optischer Positionssensorkopf 85 ist zu der Magnetskala 83 in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet. Auf der zu dem optischen Positionssensorkopf 85 gegenüberliegenden Oberfläche 84 der Magnetskala 83 ist eine Vielzahl von magnetisierten Segmenten (nicht dargestellt) gleichförmig angeordnet. Die Anordnung der magnetisierten Segmente ist eng zu der Struktur des optischen Positionssensorkopfes 85 bezogen, der zu der Magnetskala 83 in einer gegenüberliegenden und berührungsfreien Beziehung angeordnet ist, was nachfolgend näher beschrieben wird. Die Bezugsziffer 86 bezeichnet eine Gruppe optischer Fasern zur Eingabe von optischen Eingangssignalen an den optischen Positionssensorkopf 85, während die Bezugsziffer 86' eine Gruppe optischer Fasern für den Ausgang von optischen Ausgangssignalen des optischen Positionssensorkopfes 85 bezeichnet.
Die Fig. 15 ist eine obere Draufsicht des optischen Positionssensorkopfes 85 der zu der Magnetskala 83 in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet ist, während die Fig. 16 eine seitliche Draufsicht des in Fig. 15 gezeigten optischen Positionssensorkopfes 85 ist. In Fig. 16 umfaßt der optische Positionssensorkopf 85 sieben optische Eingangswellenleiter 91a bis 91g, welche zum Leiten von sieben Eingangslichtern zu dem optischen Positionssensorkopf 85 hin eingerichtet sind. Es sollte hier angemerkt werden, daß die Teile, welche den optischen Signalen der sieben Systeme entsprechen, mit den Buchstaben , , , , , und bezeichnet sind, und daß nur die Teile, welche mit dem Buchstaben a bezeichnet sind, nachfolgend beschrieben werden, um die Beschreibung der Teile , , , , und , die jeweils die gleiche Funktion haben, zu vermeiden. Die sieben Systeme werden Kanäle genannt, die jeweils mit den Buchstaben CHa, CHb, CHc, CHd, CHe, CHf und CHg bezeichnet sind.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, ist der optische Eingangswellenleiter 91a an seinem einen Ende mit einer optischen Faser 94a verbunden, die einen Teil der optischen Fasergruppe 86 bildet, und an seinem anderen Ende mit einem Polarisator (Polarisationseinrichtung) 96a, der für eine Umwandlung eines Eingangslichts in ein Licht eingerichtet ist, welches eine einheitliche Polarisationsebene hat. Der Polarisator 96a ist mit einem Element 97 mit Faraday-Wirkung verbunden, welches eine Reflektiereinrichtung (Reflektiereinrichtung mit Faraday-Wirkung) 98 hat, die an der der Magnetskala 83 gegenüberliegenden Endfläche des Elements 97 mit Faraday- Wirkung befestigt ist. Wie in Fig. 15 gezeigt ist, bricht das Element 97 mit Faraday-Wirkung das durch den Polarisator 96a geleitete Licht und richtet das Licht auf die Reflektiereinrichtung 98 aus, während die Reflektiereinrichtung 98 das Licht reflektiert, damit das Licht wieder durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurchgeht. Die optische Bahnlänge innerhalb des Elements 97 mit Faraday-Wirkung wird im Vergleich zu dem Fall verdoppelt, daß ein Licht nicht reflektiert wird. In Übereinstimmung mit der vorstehend beschriebenen Faraday-Wirkung ist das Element 97 mit Faraday-Wirkung dazu eingerichtet, die Polarisationsebene des Lichts optisch zu drehen, welches hindurchgeleitet wird, und zwar in Übereinstimmung mit dem Magnetismus der magnetisierten Segmente 99a bis 99g, die auf der Magnetskala 83 angeordnet sind. Das durch die Reflektiereinrichtung 98 reflektierte optische Signal geht wieder durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurch und wird zu einem Analysator (Polarisationsdetektoreinrichtung) 100a geleitet, der zur Auswahl und zur Hindurchleitung nur eines optischen Signals eingerichtet ist, welches eine vorbestimmte Polarisationsebene hat. In dem Fall, wo eine Polarisationsebene durch die Faraday-Wirkung optisch gedreht wird, schaltet also der Analysator 100a das Licht aus oder unterbricht es, und in dem Fall, wo keine Drehung der Polarisationsebene stattfindet, läßt der Analysator 100a das Licht durch. Mit dem Analysator 100a ist ein optischer Ausgangswellenleiter 92a verbunden, der das optische Signal zu einer optischen Faser 95a leitet, welches durch den Analysator 100a hindurchgegangen ist. Die optische Faser 95a bildet einen Teil der vorerwähnten Gruppe der optischen Fasern 86', welche sieben optische Fasern 95a bis 95g umfaßt.
Die vorerwähnte optische Faser 94a für Eingangs lichter und der optische Eingangswellenleiter 91a als ein Ganzes bilden einen ersten optischen Wellenleiter 93a, während der optische Ausgangswellenleiter 92a und die optische Faser 95a für Ausgangs lichter als ein Ganzes einen zweiten optischen Wellenleiter 93a' bilden. Die ersten und zweiten optischen Wellenleiter 93a und 93a' bilden eine erste optische Wellenleiteinrichtung und eine zweite optische Wellenleiteinrichtung.
Das Element 97 mit Faraday-Wirkung schafft eine Faraday- Wirkung in Bezug auf sieben unabhängige optische Signale, wie in Fig. 16 gezeigt, und die magnetisierten Segmente 99 (nur 99a bis 99c, 99f und 99g sind gezeigt) der Magnetskala 83 sind in Übereinstimmung mit den sieben unabhängigen optischen Signalen vorgesehen, welche durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurchgehen. Die magnetisierten Segmente 99a bis 99g sind spezieller in einer Richtung angeordnet, die in Fig. 16 durch den Pfeil Y gezeigt ist, und in einer parallelen Beziehung zu den Richtungen X-X' (Fig. 14), in welchen die Magnetskala 83 bewegt wird. Einige der magnetisierten Segmente 99a bis 99g sind jedoch nicht vorgesehen, um ein vorbestimmtes optisches Signal, nämlich ein Kodiersignal, zu erhalten, wie in Fig. 16 gezeigt, und dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.
In einem Endbereich der optischen Fasern 94 (94a bis 94g) für die Eingabe von sieben optischen Signale an den optischen Positionssensorkopf 85 sind sieben Halbleiterlaser (Lichtquelle) 101a bis 101g vorgesehen, von welchen jeder zur Ausstrahlung eines Eingangslichts dient, wie in Fig. 17 gezeigt ist. Die optischen Halbleiterlaser 101a bis 101g bilden eine Lichtstrahleinrichtung zum Ausstrahlen eines Lichts aus. In einem Endbereich der optischen Fasern 95 (95a bis 95g) ist auch eine optoelektrische Wandlerelementanordnung (optoelektrische Wandlereinrichtung) 102 vorgesehen, welche optoelektrische Wandlerelemente (nicht dargestellt) hat, die den Kanälen CHa bis CHg entsprechen. Die optoelektrische Wandlerelementanordnung 102 hat bspw. eine Photodiodenanordnung CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) od.dgl. und ist für eine Umwandlung des optischen Signals, welches von dem optischen Positionssensorkopf 85 ausgegeben wird, in ein elektrisches Signal eingerichtet (nachfolgend bezogen als "optoelektrische Umwandlung")
Die Arbeitsweise des Linearverkoders 81, der wie vorerwähnt ausgebildet und angeordnet ist, wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Die Fig. 17 zeigt Übermittlungsbahnen von optischen Signalen innerhalb des optischen Positionssensorkopfes 85. In Fig. 17 bedeuten die Pfeile A und B die Polarisationsebene des optischen Signals unmittelbar vor und nach dem Polarisator 96, die Pfeile C und D bedeuten die Polarisationsebene des optischen Signals unmittelbar vor und nach der Reflektiereinrichtung 98, und der Pfeil E bedeutet die Polarisationsebene des optischen Signals unmittelbar nach dem Analysator 100. Es ist anzumerken, daß die Signalnamen der Teile, welchen den Kanälen CHa bis CHg entsprechen, mit den Buchstaben bis bezeichnet sind.
Die von den Halbleiterlasern 101a bis 101 g ausgestrahlten optischen Signale werden durch die entsprechenden optischen Fasern 94a bis 94g geleitet und an den optischen Positionssensorkopf 85 eingegeben. An diesem Punkt ist die Polarisationsebene jedes der optischen Signale Aa bis Ag in den optischen Wellenleitern 91a bis 91g zufällig, wie in Fig. 17 gezeigt, und die optischen Signale Aa bis Ag werden in optische Signale Ba bis Bg umgewandelt, von welchen jedes eine einheitliche Polarisationsebene (lineare Polarisation) durch die Polarisatoren 96a bis 96g hat. Die optischen Signale Ba bis Bg gehen durch das Element 97 mit Faraday- Wirkung hindurch, werden zu optischen Signalen Ca bis Cg und werden durch die Reflektiereinrichtung 98 reflektiert. Die reflektierten optischen Signale Ca bis Cg gehen wiederholt durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurch und werden zu optischen Signalen Da bis Dg, welche an die Analysatoren 100a bis 100g eingegeben werden. Wenn dies stattfindet und wenn, wie in Fig. 16 gezeigt, die magnetisierten Segmente 99a bis 99c, 99f und 99g an der Magnetskala 83 in Übereinstimmung mit den Kanälen CHa bis CHc, CHf und CHg angeordnet sind, dann werden nur die optischen Signale Ba bis Bc, Bf und Bg durch die vorerwähnte Faraday-Wirkung (Faraday-Drehung) optisch gedreht und werden zu optischen Signalen Ca bis Cg. Weil weiterhin die optischen Signale Ca bis Cg durch die Reflektiereinrichtung 98 reflektiert werden und wiederholt durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurchgehen, wird der Winkel der Polarisationsebene der optischen Signale Da bis Dc, Df und Dg größer. Wenn daher die optischen Signale Dd und De, bei welchen die Faraday-Drehung nicht stattgefunden hat, und die optischen Signale Da bis Dc, Df und Dg, bei welchen die Faraday- Drehung stattgefunden hat, an die entsprechenden Analysatoren 100a bis 100g eingegeben werden, dann wird die Polarisation jedes der optischen Signale Da bis Dg durch die Analysatoren 100a bis 100g als sicher erfaßt. Die an die Analysatoren 100a bis 100g eingegebenen optischen Signale sind in Übereinstimmung mit der Anordnung der magnetisierten Segmente 99a bis 99c, 99f und 99g optisch gedreht worden, und nur die optischen Signale Cd und Ce, bei welchen die Faraday-Drehung nicht stattgefunden hat, können durch die Analysatoren 100d und 100e hindurchgehen. In diesem Fall können die optischen Signale Da bis Dc, Df und Dg nicht durch die Analysatoren 100a bis 100c, 100f und 100g hindurchgehen, da sie optisch gedreht sind, und die optischen Signale Dd und De, welche durch die Analysatoren hindurchgingen, werden durch die optischen Wellenleiter 92d und 92e und durch die optischen Fasern 95d und 95e an die optoelektrische Wandlerelementanordnung 102 eingegeben. Wenn daher eine Logik [0] ist, sofern ein optisches Signal in der optoelektrischen Wandlerelementanordnung 102 empfangen wird, und [1] ist, sofern ein optisches Signal nicht empfangen wird, dann wird der Ausgang der Anordnung 102 in der Reihenfolge der Kanäle CHa bis CHg [1 1 1 0 0 1 1]. Dies bedeutet, daß ein digitaler Ausgang in Übereinstimmung mit der Anordnung des magnetisierten Segments 99 erhalten wird. Die absolute Position der Magnetskale 83 kann daher durch den digitalen Ausgang erfaßt werden, der in Übereinstimmung mit der Position der Magnetskala 83 stattfindet.
Weil die Übermittlungsbahn des optischen Signals nicht durch Luft hin durchgeht und in der Anwesenheit eines Magnetfeldes geöffnet und geschlossen werden kann, wird daher der Tau, sollte solcher Tau an der Oberfläche des optischen Positionssensorkopfes 85 in Erscheinung treten, keine Wirkung auf die Übermittlungsbahn des optischen Signals haben. Das optische Signal kann daher wirksam daran gehindert werden, gedämpft oder verschlechtert zu werden, selbst unter Umständen, bei welchen Tau u.dgl. in Erscheinung treten kann.
Zusätzlich zu der vorerwähnten Wirkung sind auch noch die folgenden Wirkungen:
(I) Weil die Signale durch optische Signale übermittelt werden, ergeben sie keine Interferenz mit elektronischen Schaltungen u.dgl., und es findet auch nur sehr selten eine Kreuzkopplung statt.
(II) Da die absolute Position der Magnetskala 83 als ein Digitalwert ausgegeben wird, kann der optische Positionssensorkopf 85 erhalten werden, der zur Verwendung in einem Steuersystem geeignet ist, welches einen Digitalwert benutzt.
(III) Da elektronische Teile innerhalb des optischen Positionssensorkopfes 85 nicht eingeschlossen sind, werden Stromversorgungsleitungen nicht benötigt, und es könnte auch eine Wiederherstellung rasch durchgeführt werden, selbst wenn eine EMI (elektromagnetische Interferenz) oder ein EMP (elektromagnetischer Impuls) auftreten würde. Weil weiterhin der Kopf 85 strukturell einfach ist, können die Herstellungskosten reduziert und die Zuverlässigkeit vergrößert werden.
(IV) Weil die Detektoreinrichtung, also der optische Positionssensorkopf 85, in einer berührungsfreien Beziehung zu der Magnetskala 83 angeordnet ist, wird die Dauerhaftigkeit vergrößert.
(V) Weil die Reflektoreinrichtung 98 in der Stirnfläche des optischen Positionssensorkopfes 85 gegenüberliegend zu der Magnetskala 83 vorgesehen ist, kann die optische Bahnlänge innerhalb des Elements 97 mit Faraday- Wirkung verdoppelt werden, und die Sensibilität des optischen Positionssensorkopfes 85 kann stark vergrößert werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 18 bis 21 ist dort eine fünfte Ausführungsform eines optischen Postionssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Teile, welche im wesentlichen identisch mit denjenigen der in den Fig. 14 bis 17 gezeigten vierten Ausführungsform sind, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um die detaillierte Beschreibung zu vermeiden. Die fünfte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer einheitlichen Lichtquelle ausgestrahltes Licht in eine Vielzahl paralleler Eingangs lichter verteilt wird.
In Fig. 18 hat ein Linearverkoder 111 eine Magnetskala 83, die für eine Linearbewegung in den in Fig. 18 gezeigten Richtungen X-X' durch einen Stellantrieb 82 angetrieben wird. Ein optischer Positionssensorkopf 112 ist in einer zu der Magnetskala 83 gegenüberliegenden Beziehung angeordnet. An der Oberfläche 84 der Magnetskala 83 gegenüberliegend zu dem optischen Positionssensorkopf 112 ist eine Vielzahl magnetisierter Segmente (nicht gezeigt) angeordnet. Der optische Positionssensorkopf 112 hat eine einheitliche optische Faser 113 zum Leiten eines Eingangslichts.
Die Fig. 19 ist eine obere Draufsicht des optischen Positonssensorkopfs 112, der zu der Magnetskala 83 in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet ist, während die Fig. 20 eine seitliche Draufsicht des in Fig. 19 gezeigten optischen Positionssensorkopfs 112 ist. In Fig. 20 weist der optische Positionssensorkopf 112 die Verteilereinrichtung (optischer Verteiler) 114 auf, welche mit der einheitlichen optischen Faser 113 verbunden ist, wobei der optische Verteiler 114 für eine Verteilung des durch die einheitliche optische Faser 113 geleiteten Eingangslichts in sieben Lichter eingerichtet ist. Die einheitliche optische Faser 113 und die optische Verteilereinrichtung 114 als ein Ganzes bilden eine erste optische Wellenleiteinrichtung 93. Wie vorstehend erwähnt sind die Teile, welche den verteilten sieben Eingangslichtern entsprechen, mit den Buchstaben , , , , , und bezeichnet und nur das mit dem Buchstaben a bezeichnete Teil wird nachfolgend beschrieben, um die Beschreibung der Teile , , , , und , die jeweils die gleiche Funktion haben, zu vermeiden.
Der optische Positionssensorkopf 112 weist weiterhin die Polarisationseinrichtung 96 auf, die an ihrem einen Ende mit dem optischen Verteiler 114 und an ihrem anderen Ende mit einem Element 97 mit Faraday-Wirkung verbunden ist. Die Polarisationseinrichtung 96 umfaßt sieben Polarisatoren 96a, 96b, 96c, 96d, 96e, 96f und 96g. Das Element 97 mit Faraday-Wirkung hat eine Reflektiereinrichtung 98 (Reflektiereinrichtung mit Faraday-Wirkung), welche an einer zu der Magnetskale 83 gegenüberliegenden Endfläche des Elements 97 mit Faraday-Wirkung angeordnet ist. Ein durch die Reflektiereinrichtung 98 reflektiertes optisches Signal wird zu einem Analysator 100a (Polarisationsdetektoreinrichtung) geleitet, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Mit den Analysator 100a ist ein optischer Wellenleiter 92a verbunden, der das optische Signal zu einer optischen Faser 95a leitet, welches durch den Analysator 100a hindurchgegangen ist. Die optische Faser 95a bildet einen Teil einer Gruppe optischer Fasern 96' für die Ausgabe des Ausgangssignals des optischen Positionssensorkopfs 112, und die optischen Fasern 86' umfassen sieben optische Fasern 95a bis 95g. Die optische Faser 95a und der optische Wellenleiter 92a als ein Ganzes ergeben die optische Wellenleiteinrichtung 93'.
In einem Endbereich der optischen Faser 113 für die Eingabe eines optischen Signals an den optischen Positionssensorkopf 112 ist ein einheitlicher Halbleiterlaser 115 (Lichtstrahleinrichtung) vorgesehen, welcher zum Ausstrahlen eines optischen Eingangssignals dient, wie es in Fig. 21 gezeigt ist. Das von dem Halbleiterlaser 115 ausgestrahlte Licht wird durch die optische Faser 113 als ein Eingangslicht geleitet und in optische Signale Aa bis Ag durch den optischen Verteiler 114 verteilt. Wie bei der vierten Ausführungsform erwähnt wurde, werden die optischen Signale Aa bis Ag durch die Polarisatoren 96, das Element 97 mit Faraday-Wirkung, die Reflektiereinrichtung 98, den Analysator 100 (Polarisationsdetektoreinrichtung), den optischen Leiter 92 und durch die optischen Fasern 95 zu einer optoelektrischen Wandlerelementanordnung 102 (Überführungseinrichtung) geleitet. Wie bei der vierten Ausführungsform der Fig. 14 wird ein digitales Ausgangssignal durch die optoelektrische Wandlerelementanordnung 102 (Überführungseinrichtung) in Übereinstimmung mit der Anordnung des magnetisierten Elements an der Magnetskala 83 erhalten.
Weil somit die Übermittlungsbahn des optischen Signals nicht durch Luft hindurchgeht, wird die gleiche Wirkung wie bei der vierten Ausführungsform erhalten. Durch ein Vorsehen des optischen Verteilers kann zusätzlich die optische Faser 113 für das Leiten eines Eingangslichts zu dem optischen Positionssensorkopf 112 hin als eine einheitliche optische Faser ausgebildet werden, und es kann auch der Halbleiterlaser 115, welcher der optischen Faser 113 entspricht, als ein einheitliches System hergestellt werden. Diese Auführungsform ist insbesondere dort geeignet, wo die Entfernung der optischen Faser 113 länger wird, wie es bei einem Luftfahrzeug u.dgl. der Fall ist, und es können damit die Kosten beträchtlich reduziert werden im Vergleich zu dem Fall, wo eine Vielzahl von Halbleiterlasern in Übereinstimmung mit einer Vielzahl von Eingangslichtern vorgesehen ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 22 bis 28 ist dort ein optischer Positionssensor gezeigt, der in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Die Teile, die im wesentlichen identisch mit der in den Fig. 14 bis 17 gezeigten vierten Ausführungsform sind, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um die detaillierte Beschreibung zu vermeiden. Die sechste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von parallelen Time-Sharing-Eingangslichtern eingegeben und ein einheitliches optisches Signal ausgegeben werden.
In der Fig. 22 bezeichnen die Bezugsziffern 131 und 132 einen Linearverkoder und einen optischen Positionssensorkopf. Mit dem optischen Positionssensorkopf 132 ist eine Gruppe optischer Fasern 86 für das Leiten eines Eingangslichts und eine einheitliche optische Faser 134 für das Leiten eines Ausgangslichts verbunden. Die Fig. 23 ist eine obere Draufsicht, welche den optischen Positionssensorkopf 132 zeigt, die Fig. 24 ist eine seitliche Draufsicht des optischen Positionssensorkopfs 132, dargestellt in der Richtung A der Fig. 23, und die Fig. 25 ist eine seitliche Draufsicht des optischen Positionssenosorkopfs 132, dargestellt in der Richtung B der Fig. 23. In Fig. 23 wird ein Eingangslicht über eine optische Faser 94a eingegeben, die einen Teil der Gruppe optischer Fasern 86 bildet und durch einen optischen Wellenleiter 91a an einen Polarisator 96a (Polarisationseinrichtung). Das durch den Polarisator 96a polarisierte Licht wird zu einem Element 97 mit Faraday-Wirkung geleitet, durch welches das Licht in Übereinstimmung mit dem Magnetismus eines magnetisierten Segments 99a optisch gedreht wird. Das optisch gedrehte Licht wird durch eine Reflektiereinrichtung 98 (Reflektiereinrichtung mit Faraday-Wirkung) reflektiert. Wie in Fig. 24 gezeigt ist, werden hier durch parallele Eingangs lichter zu dem Element 97 mit Faraday- Wirkung geleitet und wie in Fig. 25 gezeigt ist werden die Lichter, welche den Kanälen CHa bis CHg entsprechen, durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung und einen Analysator 100a zu einer optischen Mischeinrichtung 137 (optischer Demultiplexer) hin geleitet. Der Demultiplexer 137 ist dazu eingerichtet, die Lichter entsprechend der Kanäle CHa bis CHg zu mischen und zu vereinigen, und das vereinigte einheitliche Licht wird durch die zweite optische Faser 134 geleitet. Die vorerwähnte optische Fasergruppe 86 und der optische Wellenleiter 91 als ein Ganzes bilden eine erste optische Wellenleiteinrichtung. Die optische Faser 134 und der Demultiplexer 137 als ein Ganzes bilden eine zweite optische Wellenleiteinrichtung.
Obwohl in einem Endbereich der optischen Fasergruppe 86 Halbleiterlaser (Lichtquelle) 115a, 115b, 115c, 115d, 115e, 115f und 115g vorgesehen sind, sind die Halbleiterlaser 115a und 115g entsprechend den Kanälen CHa und CHg weggelassen, Wie es in Fig. 26 gezeigt ist. Jeder der Halbleiterlaser 115b bis 115f ist dazu eingerichtet, ein Licht in Abhängigkeit von Taktsignalen Tb bis Tf auszustrahlen, die von einer Taktgebereinrichtung 138 erzeugt werden. Wie in Fig. 27 gezeigt ist, sind die Taktsignale Tb bis Tf Impulssignale, die im Takt verschieden sind. Die optischen Signale, die durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurchgehen, sind daher in Übereinstimmung mit den Taktsignalen Tb bis Tf verschieden. Wenn die Faraday-Drehungen stattfinden, wie es in Fig. 26 mit dem Pfeil C gezeigt ist, dann werden die optischen Signale Dd und De, welche durch den Analysator 100 hindurchgegangen sind, durch den optischen Demultiplexer 137 zusammengefaßt und ergeben ein zusammengefaßtes optisches Signal LM, wie in Fig. 28 gezeigt, welches durch die zweite optische Faser 137 geleitet wird. Das zusammengefaßte optische Signal LM wird durch ein optoelektrisches Wandlerelement 139 in ein elektrisches Signal, also ein Reihensignal, umgewandelt und wird weiter einem Demodulator 140 eingegeben und in parallele Daten umgewandelt, welche den gleichen Takt haben, also in kodierte Daten.
Das vorerwähnte optoelektrische Wandlerelement 139 und der Demodulator 140 als ein Ganzes bilden die Wandlereinrichtung.
Weil somit die Übermittlungsbahn des optischen Signals nicht durch Luft hin durchgeht, wird die gleiche Wirkung wie bei der vierten Ausführungsform erhalten. Zusätzlich ist die sechste Ausführungsform darin vorteilhaft, daß das optische Signal, welches zu dem magnetischen Wechsel des Elements 97 mit Faraday-Wirkung Proportional ist, also der Ausgang des Verkoders 131, als ein einheitliches optisches Signal LM geleitet werden kann, indem dafür der optische Demultiplexer 137 vorgesehen wird.
Die Fig. 29 zeigt schematisch die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der optische Positionssensorkopf dieser Ausführungsform ist nicht gezeigt, da er im wesentlichen identisch ausgebildet ist mit dem optischen Positionssensorkopf 132 der in Fig. 22 gezeigten sechsten Ausführungsform, jedoch ist diese Auführungsform in der Art und Weise gekennzeichnet, in welcher ein Eingangslicht an den optischen Positionssensorkopf weitergegeben wird. In Fig. 29 sind die Teile, die im wesentlichen gleich wie diejenigen der in Fig. 26 gezeigten sechsten Ausführungsform sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um die detaillierte Beschreibung zu vermeiden. Das von einem Halbleiterlaser 115 ausgestrahlte Licht wird durch einen optischen Schalter 141 (Sharingeinrichtung) geleitet, der dazu eingerichtet ist, optische Time-Sharing-Signale an betreffende optische Kanäle CHb bis CHf in Übereinstimmung mit den Takten auszugeben, wie es in Fig. 27 gezeigt ist. Wie im Falle der sechsten Ausführungsform werden Time- Sharing-Lichter an den optischen Positionssensorkopf 132 eingegeben, jedoch werden bei dieser Ausführungsform die gleichen Eingangs lichter wie bei der sechsten Ausführungsform durch das Vorsehen des optischen Schalters 141 (Sharingeinrichtung) anstelle der Halbleiterlaser 115a bis 115g der sechsten Ausführungsform erhalten, welche in Übereinstimmung mit den vorbestimmten Taktsignalen Ta bis Tg der Fig. 27 Lichter ausstrahlen. Die siebte Ausführungsform kann daher die Herstellungskosten verringern, weil der Halbleiterlaser 115 einen einheitlichen Halbleiterlaser umfaßt.
Bei der siebten Ausführungsform bildet der einheitliche Halbleiterlaser 115 eine optische Strahleinrichtung. Die optische Sharingeinrichtung 141, eine Vielzahl erster optischer Fasern 86 und Vielzahl erster Wellenleiter 91 als ein Ganzes bilden eine erste optische Wellenleiteinrichtung. Eine optische Mischeinrichtung 137 und eine optische Faser 134 als ein Ganzes bilden eine zweite optische Wellenleiteinrichtung.
Die Fig. 30 bis 33 zeigen einen optischen Positionssensor, der in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Die Teile, welche im wesentlichen gleich ausgebildet sind wie diejenigen der vierten Ausführungsform, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, um die detaillierte Beschreibung zu vermeiden.
In Fig. 30 bezeichnen die Bezugsziffern 151 und 152 einen Linearverkoder und einen optischen Positionssensorkopf. Die Eingangs- und Ausgangs lichter des optischen Positionssensorkopfs 152 werden durch eine einheitliche optische Faser 153 und eine einheitliche optische Faser 154 geleitet. Jede der optischen Fasern 153 und 154 ist dazu eingerichtet, gleichzeitig eine Vielzahl von Lichtern zu übermitteln, die sich in der Wellenlänge voneinander unterscheiden. Dies wird nachfolgend als "Wellenlänge-Multiplexing" bezeichnet.
In Fig. 31 werden die Eingangs lichter, welche jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge haben, durch die optische Faser 153 geleitet und durch einen ersten optischen Multiplexer 155 (erste Multiplexing-Einrichtung) gemultiplext. Die gemultiplexten Lichter werden durch Polarisatoren 96a, 96b, 96c, 96d, 96e, 96f und 96g linear polarisiert. Die zu der optischen Faser 153 zu führenden Eingangs lichter werden, wie in Fig. 33 gezeigt, durch einen ersten optischen Demultiplexer 156 (erste Mischeinrichtung) geführt, der dazu eingerichtet ist, die von den Halbleiterlasern 157b bis 157f ausgestrahlten Lichter zu vereinigen und als ein einheitliches zusammengefaßtes Licht zu übermitteln.
Der vorerwähnte erste optische- Demultiplexer 156, die optische Faser 153 und der erste optische Multiplexer 155 als ein Ganzes bilden eine erste optische Wellenleiteinrichtung.
Die Halbleiterlaser 157b bis 157f sind dazu eingerichtet, Time-Sharing-Lichter in Übereinstimmung mit einem Taktsignal von einem Taktgeberkreis 138 (Taktgebereinrichtung) auszustrahlen, und die ausgestrahlten Lichter sind in der Wellenlänge verschieden. Die Takte der Lichter, die durch das Element 97 mit Faraday-Wirkung hindurchgehen, werden daher verschieden, und ein optisches Reihensignal, das durch einen zweiten optischen Demultiplexer 158 (zweite Mischeinrichtung) zusammengefaßt wird, wird durch eine optische Faser 154 zu einem zweiten optischen Multiplexer 159 (zweite Multiplexing-Einrichtung) geleitet.
Die Halbleiterlaser und die Taktgebereinrichtung 138 bilden eine Lichtstrahleinrichtung. Der zweite optische Demultiplexer 158, die optische Faser 154 und der zweite optische Multiplexer 159 bilden eine zweite optische Wellenleiteinrichtung.
Die zu dem zweiten optischen Multiplexer 159 geleiteten Lichter werden zu verschiedenen Lichtern mit unterschiedlichen Wellenlängen gebrochen, welche den Halbleiterlasern 157b bis 157f entsprechen, und die gebrochenen unterschiedlichen Lichter werden einer optoelektrischen Wandlerelementanordnung 160 eingegeben, welche den Kanälen CHb bis CHf entspricht. Die optoelektrische Wandlerelementanordnung 160 umfaßt optoelektrische Wandlerelemente, die jeweils eine genügende Sensibilität in Bezug auf die Wellenlänge eines zu empfangenden Lichts haben, und selbst wenn die Wellenlänge verschieden ist, würde der Ausgangspegel der optoelektrischen Umwandlung konstant beibehalten werden. Die von der optoelektrischen Wandlerelementanordnung 160 ausgegebenen elektrischen Signale sind im Takt verschieden voneinander und sind durch einen Demodulator 140 in parallele Daten mit demselben Takt umgewandelt, also in kodierte Daten.
Bei der achten Ausführungsform wird daher dieselbe Wirkung wie bei der vierten Ausführungsform durch das Time-Sharing eines Eingangslichts und durch ein "Wellenlänge-Multiplexing" erhalten (also durch ein gleichzeitiges Übermitteln einer Vielzahl von Lichtern, die sich in der Wellenlänge voneinander unterscheiden) . Aus diesem Grund ist die achte Ausführungsform darin vorteilhaft, daß jede der optischen Fasern 153 und 154 als eine einheitliche optische Faser hergestellt werden kann.
Die Fig. 34 zeigt schematisch die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen identisch mit der in Fig. 33 gezeigten achten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß ein Eingangslicht kein Time-Sharing hat. Diese Ausführungsform benötigt daher nicht den Zeitgeberkreis 138 und den in Fig. 33 gezeigten Demodulator 140. Zusätzlich zu der Wirkung der achten Ausführungsform ist diese Ausführungsform strukturell einfach und kann die Herstellungskosten reduzieren.
Die Fig. 35 zeigt schematisch die Übermittlungsbahnen der optischen Signale in Übereinstimmung mit einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahleinrichtung einen einheitlichen Halbleiterlaser 161 aufweist, und daß eine Vielzahl von Lichtern, die sich in der Wellenlänge voneinander unterscheiden, gleichzeitig übermittelt wird. Der Halbleiterlaser 161 ist dazu eingerichtet, eine Vielzahl unterschiedlicher Lichter auszustrahlen, die sich in der Wellenlänge voneinander unterscheiden. Das von dem Halbleiterlaser 161 ausgestrahlte Licht wird durch eine optische Faser 153 zu einem Multiplexer 155 geleitet und durch den Multiplexer 155 zu Lichtern gebrochen, von welchen jedes eine vorbestimmte Wellenlänge hat. Bei dieser Auführungsform wird daher durch das Vorsehen des Halbleiterlasers 161 dieselbe Wirkung wie bei der neunten Ausführungsform erhalten. Aus diesem Grund ist diese Ausführungsform strukturell einfacher und kann die Herstellungskosten weiter verringern.
Während der optische Positionssensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bei einem Linearverkoder angewendet worden ist, der eine Positions eines Körpers erfaßt, sollte angemerkt werden, daß er auch auf einen Rotationsverkoder angewendet werden kann, der eine Drehung eines sich drehenden Körpers erfaßt. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung auf einen Demodulator anwendbar, da ein optisches Signal, das durch einen optischen Positionssensorkopf hindurchgeht, durch die Anordnung eines Magnetkopfes demoduliert wird, der einem Element 97 mit Faraday-Wirkung einen Magnetismus verleiht und Kanäle hat, die zahlenmäßig mit denjenigen eines optischen Positionssensorkopfes entsprechen, und zwar in einer zu dem optischen Positionssensorkopf gegenüberliegenden Beziehung und durch den Wechsel einer Polarität des Magnetismus, der durch den Magnetkopf erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung ist darüberhinaus auf einen optischen Schalter der Vielfachschalterausbildung anwendbar, da eine Vielzahl von unterschiedlichen optischen Signalen erhalten werden kann im Verhältnis zu elektrischen Signalen, welche dem Magnetkopf aufgedrückt sind und zwar durch einen Wechsel der magnetischen Intensität, sodaß ein Winkel der Faraday-Drehung im Verhältnis zu der magnetischen Intensität geändert wird. Obwohl bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen die optische Wellenlänge innerhalb des Elements mit Faraday-Wirkung verdoppelt wird durch ein einmaliges Reflektieren eines Lichts durch die Verwendung der Reflektiereinrichtung 98, kann darüberhinaus die optische Bahnlänge stark vergrößert werden, wenn das Licht innerhalb des Elements 97 mit Faraday-Wirkung durch die Verwendung einer Vielzahl von Reflektiereinrichtungen mehrfach reflektiert wird, und es kann darüberhinaus ein optischer Sensor erhalten werden, der eine hohe Sensibilität hat.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ableitbar, daß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein optischer Positionssensor bereitgestellt wird, der zum Steuern eines Lichts fähig ist, welches von einer Lichtquelle ausgestrahlt wird, ohne daß ein Durchgang durch Luft stattfindet, indem die vorerwähnte "Faraday-Wirkung" benutzt wird, und bei welchem die Dämpfung und die Verschlechterung des Lichts selbst unter solchen besonderen Umständen verhindert werden kann, wo Tau o.dgl. auftreten kann.
Während bestimmte Ausführungsformen zur Veranschaulichung und im Detail für den Zweck einer Darstellung der Erfindung gezeigt worden sind, ist es für den Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet augenscheinlich, daß verschiedene Abänderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne daß von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Optischer Positionssensor zur Verwendung bei einem Luftfahrzeug, mit:

einer Lichtstrahleinrichtung zum Ausstrahlen von Licht;

einer ersten optischen Wellenleiteinrichtung, die an ihrem einen Ende mit der Lichtstrahleinrichtung verbunden und für ein Leiten des von der Lichtstrahleinrichtung ausgestrahlten Lichts geeignet ist;

einer Polarisationseinrichtung (96) , die an ihrem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der ersten optischen Wellenleiteinrichtung verbunden und für eine Umwandlung des Lichts in ein Licht geeignet ist, das eine einheitliche Polarisationsebene aufweist;

einem Element (97) mit Faraday-Wirkung, das an seinem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der Polarisationseinrichtung (96) verbunden ist und eine Reflexionseinrichtung (98) an seinem anderen Ende aufweist;

einer beweglichen Magnetskala (83) , die zu der Reflexionseinrichtung (98) gegenüberliegend angeordnet ist und eine Vielzahl von daran befestigten magnetisierten Segmenten (99a bis 99g) aufweist, wobei die einheitliche Polarisationsebene in bbereinstimmung mit der, Anordnung dieser magnetisierten Segmente (99a bis 99g) optisch gedreht wird;

einer Polarisations-Detektoreinrichtung (100), die mit ihrem einen Ende direkt mit dem einen Ende des Elements (97) mit Faraday-Wirkung verbunden und für eine Durchleitung von Licht geeignet ist, bei welchem die Polarisationsebene nicht optisch gedreht wird;

einer zweiten optischen Wellenleiteinrichtung, die an ihrem einen Ende direkt mit dem anderen Ende der Polarisations-Detektoreinrichtung (100) verbunden und für ein Leiten des Lichts von der Polarisations-Detektoreinrichtung. (100) geeignet ist; und

einer opto-elektrischen Umwandlungseinrichtung, die mit dem anderen Ende der zweiten optischen Wellenleiteinrichtung verbunden und für eine Umwandlung des durch die zweite optische Wellenleiteinrichtung geleiteten Lichts in ein elektrisches Signal geeignet ist.

2. Optischer Positionssensor nach Anspruch 1, bei welchem die erste optische Wellenleiteinrichtung eine Vielzahl von optischen Fasern umfaßt und die Polarisationseinrichtung eine Vielzahl von Polarisatoren entsprechend der Anzahl der Vielzahl von optischen Fasern umfaßt, die alle direkt mit dieser Vielzahl von optischen Fasern verbunden sind, und bei welchem die Polarisations-Detektoreinrichtung eine Vielzahl von Analysatoren umfaßt und die zweite optische Wellenleiteinrichtung eine Vielzahl von optischen Fasern entsprechend der Anzahl der Vielzahl von Analysatoren umfaßt, die alle direkt mit dieser Vielzahl von Analysatoren verbunden sind.

3. Optischer Positionssensor nach Anspruch 1, bei welchem die erste optische Wellenleiteinrichtung, die Polarisationseinrichtung, das Element mit Faraday-Wirkung, die Polarisations-Detektoreinrichtung und die zweite optische Wellenleiteinrichtung eine Einrichtung umfassen, um einen Fortpflanzungspfad fuhr ein optisches Signal zu definieren, welches nicht durch den Luftraum hindurchgeht.