JP2551610B2 - 光センサヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は光センサヘッドに関し、詳細には偏光子によ
り直線偏光とした光信号の偏波面を磁気光学的カー効果
により選択的に回転させることで出力信号を変化させる
光センサヘッドに関する。 （従来の技術） 一般に、メカトロニクスを応用したロボットや工作機
等では動体の位置を検出するセンサ（以下、位置センサ
という）が用いられており、位置センサはOA機器、航空
機あるいは自動生産ライン等の広い分野で利用されてい
る。 位置センサには様々な種類のものがあるが、電気的な
ノイズ信号による誤動作を回避する必要性から光信号に
よって物体の位置に応じた光信号を出力する、いわゆる
光センサヘッドが用いられる傾向にある。 このような従来の光センサヘッドとしては、例えば第
４図に示すようなものがある。 同図において、１はフォト・ロータリ・エンコーダで
あり、発光素子２からの光は回転ディスク３のスリット
４および固定ディスク５のスリット６を通過して受光素
子７に入力される。光信号は受光素子７により電気信号
に変換され、シュミット・トリガ回路８により電気信号
の波形が整形されて出力される。回転ディスク３が回転
すると発光素子２からの光は断続的に受光素子７に入力
され、これにより、回転ディスク３の回転速度に応じた
パルス信号がシュミット・トリガ回路８により出力され
る。 （発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の光センサヘッドにあ
っては、発光素子２からの光信号が空間が伝搬されて受
光素子７に入る構成となっていたため、発光素子２およ
び受光素子７の表面に結露が発生したり空気中の塵埃が
付着したりすると、光信号が減衰又は消失することがあ
り、耐環境性が悪いという問題があった。 特に、例えば短時間で上昇、下降を繰り返す航空機の
ような使用環境では、気圧および気温の変化によって光
センサヘッドに結露が発生し易いため、光センサヘッド
を用いること自体がきわめて困難であった。 そこで本発明は、光信号を空間を介することなく伝搬
およびスイッチングすることにより、結露等の発生し易
い特殊な環境下であっても光信号の減衰や消失を防止す
るようにして、耐環境性に優れた光センサヘッドを提供
することを目的とする。 （課題を解決するための手段） 本発明に係る光センサヘッドは、上記目的達成のた
め、それぞれ直線偏光の光を通過させる複数の偏光子
と、該複数の偏光子を一端面に取り付けた光導波素子の
他端面に被検出体からの磁界の変化により選択的にカー
効果を生ずる反射部材を取り付けたカー効果反射手段
と、前記光導波素子の一端面に取り付けられ、それぞれ
前記偏光子を通りカー効果反射手段により反射された光
をその偏波面の回転角に応じて選択的に通過させる複数
の検光子と、を備え、前記反射部材に前記被検出体に設
けた複数列の磁気スケールからの磁界を印加するととも
に、前記複数の偏光子に該複数列の磁気スケールに対応
する複数の光信号を入力し、前記偏光子を通過した複数
の光信号の偏波面を、該複数列の磁気スケールと前記反
射部材との相対位置に応じて選択的に回転させるように
したことを特徴とする。 （作用） 本発明では、複数の偏光子を通過した複数の直線偏光
の光信号がカー効果反射手段の光導波素子を通ってその
他端面に取り付けられた反射部材に達し、反射される。
このとき、被検出体に設けた複数列の磁気スケールから
の磁界によりカー効果反射手段の反射部材がカー効果を
生じた部分では、反射部材により反射される光信号の偏
波面が回転する。一方、反射部材がカー効果を生じてい
ない部分では、反射部材により反射される光信号の偏波
面は回転しない。したがって、カー効果反射手段から検
光子に入る光はその偏波面の回転角に応じて検光子を選
択的に通過し、被検出体と反射部材との位置関係に対応
する光信号が検光子から出力されることになり、空間を
介することなく光信号の伝搬とスイッチングを行うこと
が可能になる。また、複数列の磁気スケールから反射部
材に磁界を印加し、複数の偏光子を通過した複数ビット
分の光信号の偏波面を各列の磁気スケールと反射部材と
の位置関係に応じて選択的に回転させることから、磁気
スケールに対応するマルチチャンネルの光センサヘッド
を構成して両者の相対位置を検出することができる。し
かも、複数の偏光子と複数の検光子とを光導波素子に取
り付けることで、カー効果反射手段の光導波素子および
反射部材を簡素かつ各チャンネルで均質な素子として簡
単に製造することができ、低コストの光センサヘッドと
することができる。 （実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。 第１〜４図は本発明に係る光センサヘッドの一実施例
を示す図である。 まず、構成を説明するが最初に本発明の基本原理であ
る磁気光学的カー効果について説明する。 ある種の強磁性材料（鉄−ニッケル合金等）に偏波面
の方向が単一の光信号を照射して反射させると、入射角
に応じた角度で反射光が得られる。このとき、反射光の
偏波面は入射光と同じであるが、前記強磁性材料に磁気
を作用させると（磁界を印加すると）、反射光の偏波面
の向き、すなわち回転角が磁気の強さに応じて変化（回
転）する。これをカー効果と呼んでおり、カー効果によ
る光信号の偏波面の回転は光変調の一種と考えることが
できる。 ところで、自然界に存在する一般光線は偏波面がラン
ダムな状態にあり、これをカー効果によって回転させて
も回転角の検出は困難である。そこで、一定の方向の偏
波面を持つもののみ選択する（以下、偏光という）必要
がある。光源からの光を偏光して単一の偏波面を備えた
光信号とすることにより、カー効果による反射光の回転
角は前記強磁性材料（以下、磁気光学効果素子という）
に与えられた磁気の極性および強さに応じて来まる、し
たがって、反射光の回転角から与えられた磁気の強さを
検出することも可能であるが、所定の回転角の反射光の
みを通過させるような装置に反射光を導くことにより、
磁気変化によって光信号をON/OFFするスイッチとしての
機能を持たせることができる。 このようなスイッチとしての機能は様々な物理量、例
えば物体の位置、回転体の回転角度あるいは回転数等の
検出を物体に接触することなく光信号のON/OFF状態、す
なわち、パルス信号として取り出すことができ、応用分
野も広い。 本実施例は上記本原理に基づく光信号に対するスイッ
チとしての機能を多数備えたマルチチャンネル型の光セ
ンサヘッドであり、物体の直線方向の位置検出を行う、
いわゆるリニアエンコーダに適用したものである。 第１図において、11はリニアエンコーダであり、リニ
アエンコーダ11はアクチュエータ12によって図中矢印Ｘ
−Ｘ′の方向に直線運動を行う磁気スケール13（被検出
体）を有する。アクチュエータ12は、例えば航空機の方
向舵等の舵面角度を制御するものであり、この場合、磁
気スケール13の直線運動量は舵面角度と対応する。磁気
スケール13の表面14には第２図に示す複数の磁性片列29
a〜29g（複数列の磁気スケール：以下単に磁性片29とも
いう）が所定のパターンに配列されており、そのそれぞ
れの磁性片は磁気を帯びている。磁性片の配列は磁気ス
ケール13に非接触に対向して設けられた光センサヘッド
15の構造と密接な関係があり、これを次に述べる。な
お、16は光センサヘッド15の光信号を伝導する光ファイ
バ群である。 第２図（ａ）は磁気スケール13に対向して設けられた
光センサヘッド15の立面図であり、同図（ｂ）は正面図
である。 光センサヘッド15は同図（ｂ）に示すように、光セン
サヘッド15の入力光を導く入力光導波路21a〜21gを有
し、入力光導波路21aは同図（ａ）に示すように、光セ
ンサヘッド15の出力光を導く出力光導波路22aと対にな
って光導波路23aを構成する。ここで、７系統の光信号
に対応する各部材にはａ〜ｇの符号を付し、同一機能の
部材については重複を避けるため符号ａに関するものを
主に説明するが、符号ｂ〜ｇを付した部材についても同
様の構成である。 第２図（ａ）に戻り、複数の入力光導波路21a〜21gの
一端には、光ファイバ群16の一部をなす光ファイバ24a
〜24gが連結され、これらに対応する出力光導波路22aお
よび図示しない出力光導波路（入力光導波路21b〜21gに
対応する出力光導波路）が設けられている。出力光導波
路22aの一端には光ファイバ群16の一部をなす光ファイ
バ25aが連結されており、図示しない複数の出力光導波
路にも同様に複数の光ファイバ25aが連結されている。
また、入力光導波路21a〜21gの他端にはそれぞれ入力光
の偏波面を単一のものとする偏光子26a〜26gが設められ
ており、これら複数の偏光子26a〜26gはプリズム27の一
端面に取り付けられている。プリズム27は偏光子26a〜2
6gからの光の進行方向をそれぞれ規定する光導波素子で
あり、図示されるように複数の偏光子26a〜26gに対応す
る複数の光導波素子部分が一体になった単一の光導波素
子で構成されている。 磁気スケール13と対向するプリズム27の他端面には、
反射部材28が一体的に取り付けられている。この反射部
材28は、磁気スケール13からの磁界の変化によって磁気
光学的カー効果を生じるカー効果素子から形成されると
ともに、偏光子26a〜26gにより直線偏光とされた複数の
光信号をそれぞれ反射するようになっている。そして、
磁気スケール13の複数列の磁性片29a〜29gから磁界が印
加されたとき、反射部材28はこれらの磁界に応じて磁気
光学的カー効果を生じ、反射する複数の光信号の偏波面
をそれぞれ前記複数列の磁性片29a〜29gからの磁界に応
じて回転させることができる。すなわち、反射部材28
は、第２図（ｂ）に示すように、７系統の独立した光信
号に対して磁気光学的カー効果を発揮する単一のカー効
果素子で、プリズム27と共に一体的なカー効果反射手段
を構成している。なお、反射部材28の反射面の詳細形状
は図示しないが、平面状又は凹面状に形成されている。 プリズム27と出力光導波路22aおよび図示しない出力
光導波路との間には、検光子30aおよび図示しない複数
の検光子（入力光導波路21b〜21gおよび偏光子26b〜26g
に対応する検光子）が設けられている。これら複数の検
光子はプリズム27の一端面に偏光子26a〜26gに近接する
よう取り付けられており、それぞれ反射部材28により反
射された複数の光信号を入力するとともに、それらのう
ち所定の偏波面を持つ光信号のみを選択して通過させる
ようになっている。 また、磁気スケール13に設けられた磁性片29a〜29g
は、これら７系統の光信号が反射部材28を構成する磁気
光学効果素子に照射され反射される点に対応して設けら
れており、第２図（ａ）および第２図（ｂ）に図示する
ように各列が磁気スケール13の移動方向である矢印Ｘ−
Ｘ′方向に延在し、かつこれを直交する矢印Ｙ方向に複
数列並ぶように配列されている。 光ファイバ24a〜24gの他端部には第３図に示すように
半導体レーザ31a〜31gが設けられており、半導体レーザ
31a〜31gは入力光を発する光源である。また、光ファイ
バ25a〜25gの他端部には光電変換素子アレイ32が設けら
れており、光電変換素子アレイ32はチャンネルａ〜ｈに
対応する図示されない光電変換素子を有する。光電変換
素子アレイ32は例えば、フォトダイオードアレイやCCD
（Carge coupled Dvice）等が用いられ、光センサヘッ
ド15からの光信号を電気信号に変換（以下、単に光電変
換という）して出力する。 次に、作用を説明する。 第３図は光センサヘッド15内の光信号の伝搬系路を示
す図であり、同図中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは入力光導波
路21、磁気光学効果素子28の前後および出力光導波路22
のそれぞれの光信号の偏波面を表すものである。なお、
半導体レーザ31a〜31gに対応させてａ〜ｈの符号を付
し、各部の光信号名とする。 半導体レーザ31a〜31gにより発せられた光信号は光フ
ァイバ24a〜24gにより導かれて光センサヘッド15に入力
される。この場合入力光導波路21a〜21g内の光信号Aa〜
Agの偏波面はランダムな状態にあり、それぞれ偏光子26
a〜26gによって単一の偏波面（直線偏光）を持つ光信号
Ba〜Bgに変換される。光信号Ba〜Bgはプリズム27を通っ
て反射部材28に達し、その反射面により反射されて光信
号Ca〜Cgとなり、再びプリズム27を通って検光子30a〜3
0gに入力される。このとき、前述の磁気スケール13に配
列された磁気片29が第２図（ｂ）に示すように光信号Ba
〜Bc、BfおよびBgに対応して配列されているものとする
と、光信号Ba〜Bc、BfおよびBgのみがカー効果により偏
波面が回転（カー回転）して光信号Ca〜Cgとなる。すな
わち、検光子30a〜30gに入力される光信号は磁性片29の
配列に応じてカー回転が発生しており、カー回転が発生
している光信号Ca〜Cg、CfおよびCgのみが検光子30a〜3
0c、30fおよび30gを通過する。この場合、光信号Ddおよ
びDeはカー回転が発生していないため検光子30d、30eを
通過することができず、通過することのできた光信号Da
〜Dc、DfおよびDgが出力光導波路22、光ファイバ25を経
てフオトダイオードアレイPDに入力される。したがっ
て、フォトダイオードアレイPDの出力は受光した場合の
論理を〔１〕、受光しない場合の論理を

〔０〕に対応さ
せると、ａ〜ｇの順に〔1110011〕となる。これは、第
２図（ｂ）に示す磁性片30の配列に応じたディジタル出
力が得られることを意味しており、磁気スケール13の位
置に応じて発生する上記信号により磁気スケール13の絶
対位置を検出することが可能となる。 （効果） 以上説明したように、本発明によれば、複数の偏光子
を通過した複数の光信号を光導波素子を通してその他端
面に取り付けた反射部材に反射させるとともに、被検出
体に設けた複数列の磁気スケールからの磁界により選択
的にカー効果を生じさせ、反射部材により反射される複
数の光信号の偏波面をそれぞれ選択的に回転させて複数
の検光子を選択的に通過させるようにしているので、複
数の光信号を空間を介することなく伝搬するとともにス
イッチングすることができ、結露等を発生し易い特殊な
環境下にあっても光信号の減衰や消失を確実に防止し得
る耐環境性に優れた光センサヘッドを提供することがで
きる。しかも、複数列の磁気スケールから反射部材に磁
界を印加し、複数の偏光子を通過した複数ビット分の光
信号の偏波面を各列の磁気スケールと反射部材との位置
関係に応じて選択的に回転させるので、磁気スケールに
対応するマルチチャンネルの光センサヘッドを構成して
両者の相対位置を検出することができる。さらに、複数
の偏光子および検光子を光導波素子の一端面に取り付け
つつその光導波素子の他端面に反射部材を一体的に取り
付けるるので、カー効果反射手段の光導波素子および反
射部材を簡素かつ各チャンネルで均質な素子として簡単
に製造することができ、低コストの光センサヘッドとす
ることができる。 以上のような本発明の効果に加え、上述の実施例にお
いては、更に次のような効果が得られる。 （１） 信号が全て光によって伝達されるので、他の電
子回路等の妨害やクロストークの発生を少ないものとす
ることができる。 （２） 磁気スケール13の絶対位置をディジタル値で出
力するのでコンピュータを用いた制御装置に好適な光セ
ンサヘッド15を得ることができるとともに、EMI（電磁
干渉）やEMP（電磁衝撃）があっても直ちに復帰するこ
とができる。 （３） 電子部品が光センサヘッド15内に含まれていな
いので電源供給ラインが不要であるとともに、光センサ
ヘッド15が発熱することがない。しかも、ヘッドの構成
が簡単なので低コストで信頼性を高めることができる。 （４） 検出機構、すなわち光センサヘッド15と磁気ス
ケール13が非接触であるので、耐久性の向上を図ること
ができる。 なお、本願は、実施例として光センサヘッド15を位置
検出を行うリニアエンコーダに適用したもので説明した
が、回転の検出を行うロータリエンコーダに適用するこ
とは勿論のこと、検出以外の用途としては次のような適
用も考えられる。 すなわち、光センサヘッド15に与える磁気を発生する
光センサヘッドと同一チャンネル数を備えた磁気ヘッド
を光センサヘッド15と対向させて配置し、磁気ヘッドが
発生する磁気の極性を変えることによって光センサヘッ
ド15内を通過する光信号が変調されるので変調器として
の適用が可能である。 また、極性の変化のみならず磁気の強さを変化させる
ことにより、磁気の強さに応じてカー回転角が変化する
ので磁気ヘッドに印加する電気信号の強弱に応じた複数
でかつ各々独立した光信号を得ることができる。これ
は、マルチチャンネルの光スイッチとして利用できるこ
とを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明に係る光センサヘッドをリニアエン
コーダに適用した場合の一実施例を示す図であり、第１
図はその基本構成を示す斜視図、第２図（ａ）はその光
センサヘッドの平面構成を示す透視図、第２図（ｂ）は
その光センサヘッドの立面構成を示す透視図、第３図は
その光信号の伝搬系路を示す作用説明図、第４図は従来
の光センサヘッドを適用したロータリエンコーダの基本
構成を示す斜視図である。 13……磁気スケール（被検出体）、 15……光センサヘッド、 26a〜26g……偏光子、 27……プリズム（光導波素子、カー効果反射手段）、 28……反射部材（カー効果反射手段）、 29、29a〜29g……磁性片（複数列の磁気スケール）、 30a〜30g……検光子。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれ直線偏光の光を通過させる複数の
   偏光子と、 該複数の偏光子を一端面に取り付けた光導波素子の他端
   面に被検出体からの磁界の変化により選択的にカー効果
   を生ずる反射部材を取り付けたカー効果反射手段と、 前記光導波素子の一端面に取り付けられ、それぞれ前記
   偏光子を通りカー効果反射手段により反射された光をそ
   の偏波面の回転角に応じて選択的に通過させる複数の検
   光子と、を備え、 前記反射部材に前記被検出体に設けた複数列の磁気スケ
   ールからの磁界を印加するとともに、 前記複数の偏光子に該複数列の磁気スケールに対応する
   複数の光信号を入力し、 前記偏光子を通過した複数の光信号の偏波面を、該複数
   列の磁気スケールと前記反射部材との相対位置に応じて
   選択的に回転させるようにしたことを特徴とする光セン
   サヘッド。