JP4495774B1

JP4495774B1 - 光データ伝送装置

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Publication number: JP4495774B1
Application number: JP2009156775A
Authority: JP
Inventors: 洋治前嶋; 政典日野
Original assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Current assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: JP2011015124A; US20110002694A1; US8335430B2

Abstract

【課題】位置決め等の煩雑な組立て作業を軽減でき、移動体との間で近距離から遠距離まで安定した高速の光通信が可能となる光データ伝送装置を提供する。
【解決手段】
相対移動自在な第一通信部１０１と第二通信部１０２の夫々に、単一モードで発光するレーザ１２０からの光信号を導くマルチモード光ファイバ１１１、マルチモード光ファイバから出力される光信号を平行光に成形する光学レンズ１１２、光学レンズから出力される光信号を偏光する偏光素子１１３を備えた光信号送信部と、入射光を偏光する偏光素子１１５、偏光素子で偏光された光信号を集光する光学レンズ１１６、光学レンズから出力される光信号を受光する受光部１１８を備えた光信号受信部を備え、第一通信部１０１の投光側と第二通信部１０２の受光側の偏光素子は光信号を第一方向に偏光し、第一通信部の受光側と第二通信部の投光側の偏光素子は光信号を第一方向と交差する第二方向に偏光する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光データ伝送装置に関し、特にシステム制御装置に接続された全二重方式の通信線に、サーボモータを制御する複数のサーボ制御部がマルチドロップ方式で接続され、サーボ制御部がシステム制御装置からの制御指令を通信線を介して受信してサーボモータを制御し、その制御状態をシステム制御装置に通信線を介して送信するサーボ通信システムに好適な光データ伝送装置に関する。

無線データ通信分野では、第一通信部から出力した送信信号と、相手側である第二通信部から出力された受信信号の干渉を回避するために、送信信号と受信信号の周波数や変復調方式を異ならせることにより、安定した全二重通信を実現している。

一般的にデジタル変調方式では、ＦＳＫ（frequency shift keying）方式が採用されることが多い。ＦＳＫ方式は、信号の振幅には情報が付加されないため、送信回路から常に最大電力で信号を出力することができ、受信側回路ではＡＧＣ回路等が不要で、リミッタ回路や飽和増幅回路で増幅することが多い。

ＦＳＫ方式は、振幅成分が不要なため、強い信号を受信した場合、同一周波数の弱い信号がマスキングされるという特性がある。一般的には弱い受信信号は混信信号である可能性が高いため、微弱信号の排除能力（コチャンネル特性）が高いＦＳＫ方式は、信頼性の高い方式としてよく採用される。

この他に、位相変調を利用したＰＳＫ方式や振幅変調を利用したＡＳＫ方式等がある。これらの変調方式は全て、基準キャリアといわれる周波数をベースバンド信号に基づいて位相・周波数・振幅で偏移させる方式で、キャリア周波数ｆｃをもつ。

高速のデータを通信するためには、データ周波数ｆｓに比べて十分に高い周波数のキャリア周波数ｆｃが必要となるため、高周波で広帯域な特性が必要となる。

一般的なＦＳＫ方式を採用する場合、数十ｋｂｐｓ程度の比較的伝送速度が低い通信では、ＦＭラジオ用の復調ＩＣや周辺部品が安価に市販されているため、安価で容易に通信装置を製作することができる。

しかし、それ以上の通信速度では、個別部品を用いて複雑な回路を構成する必要があり、調整の増加等コストが上昇し、実使用上１０Ｍｂｐｓ以下での使用が限界である。

光信号送信部と光信号受信部を備えた光データ伝送装置を構築する場合にも、互いの光の干渉を防止する必要がある。

そのため、特許文献１には、制御装置から移動体へ通信するＡチャンネルに所定方向に直線偏光された赤外線を使用し、移動体から制御装置へ通信するＢチャンネルに所定方向と異なる方向に直線偏光された赤外線を使用した移動体ゲーム装置が提案されている。

特許文献２には、発光装置と受光装置を空間を隔てて対向させて１組とし、２組以上の発光装置と受光装置を対向位置を逆にして並べ、各組の発光装置と受光装置との間で送受光可能とした双方向型光空間伝送装置において、一方の組の発光装置のレーザと他方の組の発光装置のレーザとを、両レーザから発振されるレーザ光の偏光方向が相対的にほぼ直交するように配置固定している双方向型光空間伝送装置が提案されている。

同様に、特許文献３にも、赤外線で構成された第１光信号および赤外線で構成された第２光信号を送信する赤外線光信号送信装置であって、第１偏光方向に偏光した第１光信号を送信する第１光信号送信部と、第１偏光方向と交差する第２偏光方向に偏光した第２光信号を送信する第２光信号送信部とを備えた赤外線光信号送信装置が提案されている。

特開平１１−７０２７号公報特開平０８−３３５９１１号公報特開２００８−１１８５４２号公報

しかし、発光部の光源として比較的安価なＬＥＤを採用する場合には、偏光素子を設置する向きにより、光源から出力される光信号の偏光面を容易に調整することができるが、レーザダイオードのようなコヒーレントな光を放出するものではなく、光学レンズにより集光しても指向性が弱く、ぼやけた光芒となり、パワーも拡散するため、通信距離が限られるという問題、スイッチング速度の観点で１０Ｍｂｐｓを超えるような高速通信に使用できないという問題がある。

一方、発光部の光源として比較的安価な単一モードで発光する半導体レーザを採用する場合には、コヒーレントな光が放出されるので、レンズを用いて平行な光を遠方まで送ることや、非常に小さな点に光を集光させたりすることが可能となり、高速通信にも対応可能となる。一般的な赤色レーザダイオードは、接合面に平行な偏光特性をもつＴＥモードか、接合面に垂直な偏光特性をもつＴＭモードの偏光特性をもった単一モードで発光する。

しかし、発光側と受光側に配置する偏光素子の偏光方向に、レーザダイオードから出力される光の偏光方向を合わせるために、偏光素子に対するレーザダイオードの実装方向を調整しなければならず、プリント基板の設計や偏光素子を含めた光信号送信部の機構の設計に考慮が必要となり、組立て途中での煩雑な調整が必要になるという問題がある。

また、第一通信部と第二通信部が相対移動する場合には、混信の影響と同時に、振動等により光軸がずれる虞もあるため、ある一定の指向角特性（エリア特性）が要求される。第一通信部と第二通信部の何れか一方が有軌道台車に搭載される場合、指向角が小さいと、軌道（レール）の段差や反り等の機械軸の精度が要求されるが、コスト、作業性、経年変化等の様々な制約下で、このような精度を満たすのは不可能である。

特に、レーザダイオードは、ビームの縦方向と横方向で発光点位置が異なって見える非点隔差があり、光学レンズで平行光に集光しても、光芒が著しい楕円形となるため、十分な指向角特性を確保できないという問題がある。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、位置決め等の煩雑な組立て作業を軽減でき、移動体との間で近距離から遠距離まで安定した高速の光通信が可能となる光データ伝送装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による光データ伝送装置の第一の特徴構成は、第一通信部と第二通信部が相対移動自在に配置され、それぞれに光信号送信部と光信号受信部を備えて全二重通信する光データ伝送装置であって、第一通信部に、単一モードで発光するレーザダイオードを備えた発光部と、発光部から出力される単一モードの光信号を導き、マルチモードの光信号に変化させて出力するマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバから出力される光信号を平行光に成形する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を第一方向に偏光して出射する第一偏光素子とを備えた第一光信号送信部、及び、入射した光信号を第一方向と異なる第二方向に偏光する第二偏光素子と、第二偏光素子で偏光された光信号を集光する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を受光する受光部を備えた第一光信号受信部を備え、第二通信部に、単一モードで発光するレーザダイオードを備えた発光部と、発光部から出力される単一モードの光信号を導き、マルチモードの光信号に変化させて出力するマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバから出力される光信号を平行光に成形する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を第一方向と異なる第二方向に偏光して出射する第二偏光素子とを備えた第二光信号送信部、及び、入射した光信号を第一方向に偏光する第一偏光素子と、第一偏光素子で偏光された光信号を集光する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を受光する受光部を備えた第二光信号受信部を備えて構成される点にある。

上述の構成によれば、単一モードで発光するレーザダイオードを備えた発光部から出力される光信号が、マルチモード光ファイバに導かれることにより、光ファイバ内で単一モードからマルチモードに変化して光学レンズに出射される。従って、偏光素子による偏光方向に沿うように、単一モードで発光するレーザダイオードの実装方向を調整する必要が無くなり、プリント基板の設計や偏光素子を含めた光信号送信部の機構の設計が複雑化せず、組立て途中での煩雑な調整も不要となる。

そして、第一偏光素子は、光学レンズから出力される光信号を第一方向に偏光して出射し、第二偏光素子は、入射した光信号を第一方向と異なる第二方向に偏光するように構成されており、光信号の偏光方向が異なるので、混信を回避することができるようになる。

さらに、レーザダイオードから楕円形状に広がるビームが放射されても、光ファイバを通過することにより、光ファイバ出力端から出力される光信号の光芒が、光ファイバのコアの形状と同様の円形に成形されるため、非点隔差を解消できる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、第一特徴構成に加えて、第一光信号送信部及び第二光信号送信部に備えたマルチモード光ファイバの出力端部が、それぞれの光学レンズの焦点位置に光軸上で光学レンズに対向するように配置されている点にある。

上述の構成によれば、マルチモード光ファイバのコアの中心部から出力される光線束が光学レンズを通過すると断面円形のほぼ平行な光線束に形成され、コアの周辺部から出力される光線束が光学レンズを通過すると光学レンズの収差により光学レンズから遠ざかる程に拡径する光線束に形成され、全体として、光学レンズから遠ざかる程に拡径する断面円形の光芒が得られる。

第一通信部と第二通信部が相対移動する場合には、何れかの通信部が搭載された走行体の振動や、走行体を誘導する軌道（レール）の段差や反り等により、光軸がずれる虞があるが、光学レンズから遠ざかる程に拡径する断面円形の光芒により、距離が長くなるほど光芒の広がりが均等に大きくなるため、安定した光データ伝送が実現できる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、第一または第二特徴構成に加えて、第一光信号受信部及び第二光信号受信部に備えたマルチモード光ファイバの入力端部が、それぞれの光学レンズの焦点位置に光軸上で光学レンズに対向するように配置されている点にある。

上述の構成によれば、光学レンズにより焦点位置に集光された光線束を損失無くマルチモード光ファイバに導くことができる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、第一光信号受信部または第二光信号受信部は、受光部で光電変換した電気信号を後段に出力する信号伝達回路と、光信号の強度を検知する受信レベル検知回路を備え、信号伝達回路は、受信レベル検知回路により光信号の強度が所定の基準レベルより低いと判断されると、当該電気信号の後段への伝達を中止する点にある。

光信号の強度が所定の基準レベルより低い場合には、受信部で受信された光信号の信頼性が低下し、誤受信が発生している虞がある。そのような場合に、信号伝達回路により、当該電気信号の後段への伝達が中止されるので、誤った光信号の受信による誤動作の発生を未然に回避することができる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、第四の特徴構成に加えて、受信レベル検知回路は、光信号の強度が所定の基準レベルより高いときに、発光強度モニタ用の発光素子を点灯するように構成され、当該発光素子が第一通信部または第二通信部の位置決め用のモニタとなるように、装置のケーシングの前面側から目視可能な位置に設置されている点にある。

上述の構成によれば、第一通信部または第二通信部の何れか一方の設置作業時に、他方の通信部の発光素子が点灯するか否かを目視確認しながら位置調整を行うことができるようになる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、システム制御装置に接続された全二重方式の通信線に、サーボモータを制御する複数のサーボ制御部がマルチドロップ方式で接続され、サーボ制御部がシステム制御装置からの制御指令を通信線を介して受信してサーボモータを制御し、その制御状態をシステム制御装置に通信線を介して送信するサーボ通信システムに対して、通信線とサーボ制御部との間に第一通信部と第二通信部が介装されている点にある。

上述の構成によれば、システム制御部とサーボ制御部、またはサーボ制御部同士が相対移動するようなサーボ通信システムであっても、第一通信部と第二通信部を介して通信線を接続することにより、安定したデータの送受信が可能になる。

以上説明した通り、本発明によれば、位置決め等の煩雑な組立て作業を軽減でき、移動体との間で近距離から遠距離まで安定した高速の光通信が可能となる光データ伝送装置を提供することができるようになった。

本発明による光データ伝送装置により制御指令が伝送される一般物流倉庫の説明図光データ伝送装置を備えたスタッカークレーンの説明図システム制御装置とサーボ制御部間の通信の説明図第一通信部と第二通信部間の光データ伝送の説明図第一光信号送信部の説明図偏光素子による光信号の偏光の説明図通信部の外観の説明図（ａ）は通信部の平面図、（ｂ）は通信部の背面図、（ｃ）は通信部の側面図、（ｄ）は通信部の正面図（ａ）は通信部の内部を説明する平面図、（ｂ）は通信部の内部を説明する側面図通信部の構成を説明する平面図通信部の主要回路ブロックの説明図別実施形態による第一通信部と第二通信部の説明図

以下、本発明による光データ伝送装置を、一般物流倉庫内に設置されたスタッカークレーンの制御に適用した例について説明する。

図１に示すように、物流倉庫１０は、一対の載置棚１１と、一対の載置棚１１の間に敷設されたレール１２と、レール１２に沿って移動するスタッカークレーン２０と、レール１２の両側に設置された一対の荷載置台１４と、レール１２の一端側に配置され、スタッカークレーン２０に入出庫指令を指示するシステム制御装置１３を備えている。

各載置棚１１には多数の収容部１５が上下方向及び左右方向に複数並設され、それぞれの収容部１５には搬送対象物１６が載置されている。

以下、スタッカークレーン２０の走行方向の一方を、システム制御装置１３等を配設した基端側とし、他方を、他端側として説明する。尚、レール１２の基端側の端部を、スタッカークレーン２０の走行移動の基準位置と設定している。

図２に示すように、スタッカークレーン２０は、レール１２に沿って走行する走行台車２１と、この走行台車２１に立設された一対の昇降マスト２２と、一対の昇降マスト２２を上端部で連接する上部フレーム２３を備え、上部フレーム２３には水平回転する複数のガイドローラ２４が取り付けてあり、それらガイドローラ２４がガイドレール１８に挟接転動して転倒防止を図っている。

さらに、一対の昇降マスト２２には昇降自在に案内支持された昇降台２５が備えられ、昇降台２５には物品を移載可能なフォーク装置４０が備えられ、走行台車２１の水平移動、昇降台２５の昇降移動、及び、フォーク装置４０の作動により、荷載置台１４に載置されている搬送対象物１６を収容部１５に移載させ、また、収容部１５に収納されている搬送対象物１６を荷載置台１４に移載させるように構成されている。

昇降台２５は、昇降用チェーン２６により吊持されて昇降するように構成され、昇降用チェーン２６は、上部フレーム２３に取り付けた従動スプロケット２７ａ，２７ｂを経て一方の昇降マスト２２に設けた案内スプロケット２８を介して巻取ドラム２９に巻き掛けられている。

巻取ドラム２９は、サーボ制御部３０ｂ（図３参照）により制御される昇降用のサーボモータ３０ａを正逆に回転駆動させて昇降用チェーン２６の巻き取り、繰り出しを行い、昇降台２５を昇降させるように構成されている。

フォーク装置４０は、走行台車２１の走行方向と直角水平方向にスライドし、搬送対象物１６を載置自在なフォーク４１と、フォーク４１を昇降台２５上に引退させた引退位置と、収容部１５側へ延出させた延出位置にスライドさせるフォーク用のサーボモータ４２ａと、サーボモータ４２ａを制御するサーボ制御部４２ｂ（図３参照）を備えている。

収容部１５に収容された搬送対象物１６を搬出する際は、まず、昇降台２５を指定された収容部１５の前まで移動させる。次にフォーク４１を昇降台２５内の引退位置から搬送対象物１６が載置された収容部１５側の延出位置にスライドさせ、その状態で昇降台２５を少し上昇させ、フォーク４１を再度引退位置までスライドさせる。この動作により搬送対象物１６は昇降台２５上に載置される。

搬送対象物１６を収容部１５に収容する際は、まず、昇降台２５を指定された収容部１５の前まで移動させる。次に搬送対象物１６を載置したフォーク４１を昇降台２５内の引退位置から収容部１５側の延出位置にスライドさせ、その状態で昇降台２５を少し下降させ、フォーク４１を再度引退位置までスライドさせる。この動作により搬送対象物１６は収容部１５に収容される。

走行台車２１は、レール１２上を走行自在な車輪３１を複数備え、それらの車輪３１うちの、他端側の車輪３１ｂが、サーボ制御部３２ｂ（図３参照）により制御される走行用のサーボモータ３２ａで駆動される駆動輪として、基端側の車輪３１ａが遊転自在な従動輪として構成されている。

図３に示すように、システム制御装置１３に接続された全二重方式の通信線１３ａには、走行用のサーボモータ３２ａを制御するサーボ制御部３２ｂと、昇降用のサーボモータ３０ａを制御するサーボ制御部３０ｂと、フォーク用のサーボモータ４２ａを制御するサーボ制御部４２ｂがマルチドロップ方式で接続されている。

つまり、通信線１３ａを介してシステム制御装置１３からの制御指令を受信した各サーボ制御部３２ｂ，３０ｂ，４２ｂが、走行用のサーボモータ３２ａ、昇降用のサーボモータ３０ａ、フォーク用のサーボモータ４２ａをそれぞれ制御し、その制御状態をシステム制御装置１３に通信線１３ａを介して送信するサーボ通信システムが構成されている。

システム制御装置１３からの制御指令に基づいて、サーボ制御部３２ｂによりサーボモータ３２ａが駆動され、サーボモータ３２ａの回転数や回転角度情報がサーボ制御部３２ｂを介してシステム制御装置１３にフィードバックされることにより、システム制御装置１３により走行台車２１の水平方向での走行位置が制御される。

また、システム制御装置１３からの制御指令に基づいて、サーボ制御部３０ｂによりサーボモータ３０ａが駆動され、サーボモータ３０ａの回転数や回転角度情報等が、サーボ制御部３０ｂを介してシステム制御装置１３にフィードバックされることにより、システム制御装置１３により昇降台２５の上下方向での昇降位置が制御される。

さらに、システム制御装置１３からの制御指令に基づいて、サーボ制御部４２ｂによりサーボモータ４２ａが駆動され、サーボモータ４２ａの回転数や回転角度情報が、サーボ制御部４２ｂを介してシステム制御装置１３にフィードバックされることにより、システム制御装置１３によりフォーク４１の水平方向のスライド位置が制御される。

通信線１３ａは、銅線ケーブルや光ファイバケーブル等が使用されたイーサネット（登録商標）等のＬＡＮで構成され、通信線１３ａとサーボ制御部３２ａ及びサーボ制御部３０ａとの間に、本発明による光データ伝送装置１００が介装され、さらに、サーボ制御部４２ｂとの間に、本発明による光データ伝送装置２００が介装され、通信線１３ａを介して送受信されるデータが二つの光データ伝送装置１００，２００で中継されている。尚、本実施形態では、光ケーブルを用いたＬＡＮが使用されている。

光データ伝送装置１００は、システム制御装置１３とシステム制御装置１３に対して相対移動する走行台車２１との間に設けられ、システム制御装置１３側に設置された第一通信部１０１と、第一通信部１０１と対向して走行台車２１に設置された第二通信部１０２で構成されている。

光データ伝送装置２００は、走行台車２１と走行台車２１に対して相対移動する昇降台２５との間に設けられ、走行台車２１側に設置された第一通信部２０１と、第一通信部２０１と対向して昇降台２５側に設置された第二通信部２０２で構成されている。

つまり、光データ伝送装置１００（２００）は、第一通信部１０１（２０１）と第二通信部１０２（２０２）が相対移動自在に配置され、それぞれに光信号送信部と光信号受信部を備えて全二重通信するように構成されている。以下、光データ伝送装置１００について説明するが、光データ伝送装置２００も同様に構成されている。

図４に示すように、光データ伝送装置１００は、第一通信部１０１と第二通信部１０２で構成され、第一通信部１０１に第一光信号送信部１１４ａ及び第一光信号受信部１１９ａを備え、第二通信部１０２に第二光信号送信部１１４ｂ及び第二光信号受信部１１９ｂを備えている。

第一光信号送信部１１４ａは、通信線１３ａを介して受信した信号を、空間を伝送する光信号に変換して第二光信号受信部１１９ｂに出力するブロックで、単一モードで発光する赤色レーザダイオード１２０を備えた発光部と、発光部から出力される光信号を導くマルチモード光ファイバ１１１と、マルチモード光ファイバ１１１から出力される光信号を平行光に成形する光学レンズ１１２と、光学レンズ１１２から出力される光信号を第一方向Ｌａ、例えば垂直方向に偏光して出射する第一偏光素子１１３を備えている。

第一光信号受信部１１９ａは、第二光信号送信部１１４ｂから出力された光信号を受信して、その信号形態を変換して上流側の通信線１３ａに出力するブロックで、入射した光信号を第一方向と交差する第二方向Ｌｂ、例えば水平方向に偏光する第二偏光素子１１５と、第二偏光素子１１５で偏光された光信号を集光する光学レンズ１１６と、光学レンズ１１６から出力される光信号を導くマルチモード光ファイバ１１７と、マルチモード光ファイバ１１７から出力される光信号を受光する受光部であるアバランシェフォトダイオード１１８を備えている。

第二光信号送信部１１４ｂは、下流側の通信線１３ａ及びサーボ制御部３０ｂ，３２ａから受信した信号を、空間を伝送する光信号に変換して第一光信号受信部１１９ａに出力するブロックで、単一モードで発光する赤色レーザダイオード１２０を備えた発光部と、発光部から出力される光信号を導くマルチモード光ファイバ１１１と、マルチモード光ファイバ１１１から出力される光信号を平行光に成形する光学レンズ１１２と、光学レンズ１１２から出力される光信号を第一方向と交差する第二方向、例えば水平方向に偏光して出射する第二偏光素子１１５を備えている。

第二光信号受信部１１９ｂは、第一光信号送信部１１４ａから出力された光信号を受信して、その信号形態を変換してサーボ制御部３０ｂ，３２ａ及び下流側の通信線１３ａに出力するブロックで、入射した光信号を第一方向に偏光する第一偏光素子１１３と、第一偏光素子１１３で偏光された光信号を集光する光学レンズ１１６と、光学レンズ１１６から出力される光信号を導くマルチモード光ファイバ１１７と、マルチモード光ファイバ１１７から出力される光信号を受光する受光部であるアバランシェフォトダイオード１１８を備えている。

尚、光学レンズ１１２，１１６は、点光源から放射された光線束を平行な光線束に集光し、平行な光線束を一点に集光するコリメートレンズであり、符号１３０は、通信線１３ａと発光部または受信部との間のインタフェース回路である。

従って、第一通信部１０１では、第一光信号送信部１１４ａから出力された光信号の偏光方向と、第一光信号受信部１１９ａに入射する光信号の偏光方向が交差するため、第一光信号送信部１１４ａから出力された光信号の反射等によるノイズ信号が第一光信号受信部１１９ａで誤って受信されることが無く、第二通信部１０２では、第二光信号送信部１１４ｂから出力された光信号の偏光方向と、第二光信号受信部１１９ｂに入射する光信号の偏光方向が交差するため、第二光信号送信部１１４ｂから出力された光信号の反射等によるノイズ信号が第二光信号受信部１１９ｂで誤って受信されることが無い。

第一偏光素子１１３と第二偏光素子１１５として、ランダムな偏光光を一方向に偏光させる偏光子を用いることができ、それぞれの偏光方向が交差するように、好ましくは直交するように第一偏光素子１１３と第二偏光素子１１５を配置すればよい。

また、第一偏光素子１１３と第二偏光素子１１５として、ランダムな偏光光を右円偏光及び左円偏光させる素子を用い、発光側と受光側で偏光方向が異なるように第一偏光素子１１３と第二偏光素子１１５を配置してもよい。

一般的な赤色レーザダイオードは、接合面（光導波路内）に平行な偏光特性をもつＴＥモードか、接合面に垂直な偏光特性をもつＴＭモードの偏光特性をもった単一モードで発光する。またレーザダイオードの出射ビームは、接合面で光が広がっている方向には狭い放射角度で出射され、狭く閉じ込められている方向には広い放射角度で出射される特性があるため、光学レンズで平行光に集光しても、ビームの縦方向と横方向で発光点位置が異なって見える非点隔差が生じ、また、光芒が著しい楕円形となる。

しかし、図５に示すように、赤色レーザダイオード１２０から単一モードで出力された光信号は、マルチモード光ファイバ１１１のコア１１１ａを通過するうちに、コア１１１ａとクラッド１１１ｂの境界面で反射を繰り返しながら伝播する過程で、コア１１１ａ及びクラッド１１１ｂの屈折率のばらつきや分散特性等の影響によって偏光特性が乱れマルチモード化される。このような光ファイバは樹脂製の光ファイバとして安価に入手可能である。

その結果、偏光素子１１３，１１５による偏光方向に沿うように、単一モードで発光するレーザダイオード１２０の実装方向を調整する必要が無くなり、プリント基板の設計や偏光素子を含めた光信号送信部の機構の設計が複雑化せず、組立て途中での煩雑な調整も不要となる。

さらに、赤色レーザダイオード１２０から楕円形状に広がるビームが放射されても、マルチモード光ファイバ１１１を通過することにより、マルチモード光ファイバ１１１の出力端から出力される光信号の光芒が、マルチモード光ファイバ１１１のコア１１１ａの形状と同様の円形に成形されるため非点隔差を解消でき、光学レンズ１１２を通過した光線束の光芒の断面がほぼ円形となる。

マルチモード光ファイバ１１１の出力端部１１１ｃが、光学レンズ１１２の焦点位置に光軸上で光学レンズ１１２に対向するように配置されている。出力端部１１１ｃから出力される光線束はファイバ固有の開口数ＮＡ（＝屈折率ｎ×ｓｉｎθ）で拡散放射され、光学レンズ１１２に到達する。尚、空気中での屈折率ｎ＝１であり、θは出力端部１１１ｃから出力される光線束の放射角を表す。

出力端部１１１ｃでコア１１１ａの中心部から出力された光線束は、光学レンズ１１２から平行光として出力され、コア１１１ａの周辺部から出力される光線束が光学レンズ１１２を通過すると光学レンズ１１２の収差により光学レンズ１１２から遠ざかる程に拡径する光線束に形成され、全体として、光学レンズから遠ざかる程に拡径する断面円形の光芒が得られる。

コア１１１ａは半径ｄの円形状であるため、指向角（θ×ｄ）の広がりをもった円形状の光芒となるのである。例えば、コア１１１ａの直径２ｄ＝φ０．９８、開口数ＮＡ＝０．５、焦点距離ｆ＝４０ｍｍとすると、出力端部１１１ｃから出力される光信号の放射角θは、θ＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ/ｎ）＝１５°となり、光学レンズ３１２に到達した光信号の光芒の直径Ｄは、Ｄ＝２ｓｉｎθ×ｆ＝２０．８ｍｍとなる。さらに、指向角（θ×ｄ）は、θ×ｄ＝０．６８６°と求まり、光学レンズ３１２から出力される光芒は、直径Ｄ＝２０．８°から周囲にθ×ｄ＝０．６８６°の角度で拡散されることになる。

光学レンズ１１２により指向角（θ×ｄ）の広がりを持たない平行光に形成された光線束、或いは、光学レンズ１１２により赤色レーザダイオード１２０から出射された楕円形状に広がるビームが平行光に集光された断面楕円形状の光線束が、第一光信号送信部１１４ａから出力されると、走行台車２１の移動に伴なって振動等により光軸がずれた場合に、光軸のずれの程度またはずれ方向によっては、第二光信号受信部１１９ｂで適正に受光されない虞が高くなるが、光学レンズ１１２により指向角（θ×ｄ）の広がりを持ち、断面円形の光芒を有する光線束であれば、多少の光軸のずれが生じても、第二光信号受信部１１９ｂで適正に受光されるように広い許容範囲を確保することができるようになる。

尚、指向角（θ×ｄ）は、マルチモード光ファイバ１１１のコア径φ、開口数ＮＡ、光学レンズ１１２の焦点距離ｆ等に基づいて適宜設定される値である。

尚、赤色レーザダイオード１２０とマルチモード光ファイバ１１１の一端は、隙間を空けずに密着させて配置することで、赤色レーザダイオード１２０からの出射光が効率よくマルチモード光ファイバ１１１に出力される。

図４に戻り、第一光信号受信部１１９ａ及び第二光信号受信部１１９ｂに備えたマルチモード光ファイバ１１７の入力端部も、光量の損失を低減させるため、それぞれの光学レンズ１１６の焦点位置に光軸上で光学レンズ１１６に対向するように配置されている。

光学レンズ１１６で集光された光線束が直接受光部に入力されるように受光部を配置することも可能であるが、マルチモード光ファイバ１１７を経由することにより、各素子の配置等の設計の自由度が確保できるようになる。

図６に示すように、偏光素子１１３が、光信号成分のうち、垂直方向に偏光する直線偏光成分だけを透過し、それ以外の成分を透過しないように構成されている場合、偏光フィルタ１１３により、マルチモード光ファイバ１１１を通過して光学レンズ１１２により平行光線束に集光された光信号のうち、垂直方向成分Ｌ１以外の方向成分の光信号Ｌ２の通過が阻止され、垂直方向成分Ｌ１のみをもった直線偏光が通過される。つまり、単一モードで発光するレーザダイオード１２０の実装方向を調整する必要が無いのである。

図７に示すように、第一通信部１０１と、第一通信部１０１と対向して走行台車２１に設置される第二通信部１０２は、ともに、上部ケーシング３０１ａと下部ケーシング３０１ｂで構成されるケーシング３０１と、ケーシング３０１の一側面に備えられた端部カバー部材３０２を備え、端部カバー部材３０２には光信号を投光する投光窓３０３と、光信号を受光する受光窓３０４が形成されている。以下、第一通信部１０１について説明するが、第二通信部１０２も同様の構成である。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、端部カバー部材３０２が備えられた面と対向する反対側の側面には、通信線１３ａを接続する通信コネクタ３０５（本実施形態では光ファイバ１３ａを接続する光カップラ）、電力線を接続する電源コネクタ３０６が備えられ、上面には通信部の作動状況を表示する表示窓３０７が備えられている。

上部ケーシング３０１ａは下部ケーシング３０１ｂに対して着脱可能に構成され、図９に示すように、下部ケーシング３０１ｂには、インタフェース回路１３０が実装された回路基板４００が複数のネジ３０８によって着脱可能に設置されている。

図１０に示すように、下部ケーシング３０１ｂには、発光部（赤色レーザダイオード）１１０と、マルチモード光ファイバ１１１と、光学レンズ１１２と、第一偏光素子１１３を備えた第一光信号送信部１１４ａ、及び、第二偏光素子１１５と、光学レンズ１１６と、マルチモード光ファイバ１１７と、受光部（アバランシェフォトダイオード）１１８を備えた第一光信号受信部１１９ａと、電源コネクタ３０６が配置された電源基板３０９が備えられている。

発光部１１０と光学レンズ１１２との間、光学レンズ１１６と受光部１１８との間のそれぞれに、可撓性のマルチモード光ファイバ１１１，１１７を介在させているため、ケーシング３０１内で電源基板３０９と回路基板４００、各部材の配置の自由度が高く、簡素な構造で小型化を図ることも可能となる。

上述したインタフェース回路１３０もそれぞれ共通であり、以下では、第一通信部１０１のインタフェース回路１３０について説明する。

図１１に示すように、インタフェース回路１３０は、通信線１３ａを介して受信した信号を、空間を伝送する光信号に変換して第二光信号受信部１１９ｂに出力する回路ブロック１４０と、第二光信号送信部１１４ｂから出力された光信号を受信して、その信号形態を変換して上流側の通信線１３ａに出力する回路ブロック１５０を備えている。

回路ブロック１４０は、通信線１３ａを介して入力される光信号、つまり光パルス列を電気パルス信号に変換する信号変換レシーバ１３１ａと、信号変換レシーバ１３１ａから出力された電気パルス信号に基づいて発光素子である赤色レーザダイオード１２０を駆動する発光素子駆動回路１３２を備えている。

回路ブロック１５０は、受光素子であるアバランシェフォトダイオード１１８に電源電圧を印加する高圧発生回路１３３と、パルス状の光信号を受光したアバランシェフォトダイオード１１８の電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１３４と、トランスインピーダンスアンプ１３４の出力を増幅するリミッタアンプ１３５を備えている。

リミッタアンプ１３５で増幅されたパルス信号は、波形成形回路１３８により基の周波数、デューティ比のパルス信号に波形整形され、信号変換ドライバ１３１ｂに入力され、光パルス信号に変換されて通信線１３ａに出力される。

さらに、リミッタアンプ１３５で増幅されたパルス信号は、レベル検出回路１３６に入力されて信号レベルが検知され、その信号レベルがＣＰＵ１３７に入力される。

ＣＰＵ１３７は、表示窓３０７及び端部カバー部材３０２から目視可能な第二表示窓３０７ａ（図８参照）に設置された表示用のＬＥＤをモニタ用に表示する。表示窓３０７には二つのＬＥＤが目視可能に配置され、第二表示窓３０７ａには一つのＬＥＤが目視可能に配置されている。

表示窓に３０７に配置された一方のＬＥＤにより電源状態が表示される。電源が投入されると点灯し、遮断されると消灯する。他方のＬＥＤは第二表示窓３０７ａのＬＥＤとともに、信号レベルに対応して点灯する。第一閾値未満の信号レベルであれば双方とも消灯し、信号レベルが第一閾値以上で第一閾値より高い第二閾値未満のときに第二表示窓３０７ａのＬＥＤが点灯し、第二閾値以上のときに双方が点灯する。

つまり、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）１３４と、リミッタアンプ１３５と、波形成形回路１３８と、信号変換ドライバ１３１ｂにより、受光部で光電変換した電気信号を後段に出力する信号伝達回路が構成され、レベル検出回路１３６とＣＰＵ１３７により光信号の強度を検知する受信レベル検知回路が構成されている。

受信レベル検知回路は、光信号の強度が所定の基準レベルより高いときに、発光強度モニタ用の発光素子を点灯するように構成され、当該発光素子が第一通信部または第二通信部の位置決め用のモニタとなるように、装置のケーシングの前面側から目視可能な位置、つまり、第二表示窓３０７ａに設置されている。

例えば、予め準備された位置決め用の治具等を用いて、第一通信部１０１をシステム制御装置に取り付けて、信号線１３ａから信号を出力するように設定し、次に、走行台車２１に第二通信部１０２を取り付けるときに、第二通信部１０２から第一通信部１０１に光信号が出力されるように設定し、第一通信部１０１の第二表示窓３０７ａを目視して、第二表示窓３０７ａのＬＥＤが点灯するような姿勢で位置決めして第二通信部１０２を固定することにより、光軸合わせを容易に行うことができるようになる。

光データ伝送装置を取り付けて、実際にスタッカークレーンを稼働させた状態で、ＣＰＵ１３７は、レベル検出回路１３６の出力が第一閾値より低いと判断すると、波形成形回路１３８の動作を停止させて、電気信号の後段への伝達を中止するように制御する。

光信号の強度が第一閾値より低い場合には、受信部で受信された光信号の信頼性が低下し、誤受信が発生している虞がある。そのような場合に、信号伝達回路により、当該電気信号の後段への伝達が中止されるので、誤った光信号の受信による誤動作の発生を未然に回避することができるのである。尚、第一閾値の値は特に限定されるものではなく、実験等により適宜所定の基準レベルとして設定すればよい。

図１２に示すように、それぞれの端部カバー部材３０２の投光窓３０３と受光窓３０４の前方に、それぞれの光信号が伝播する光軸を、ケーシング３０１の上方向４５度へと反射させる反射部材３３０、３３１を設置してもよい。このようにすることで、高さ方向がケーシング３０１の厚み分で済むため、設置スペースを広くとる必要がなくなる。特に、走行台車２１側に設置される第一通信部２０１、第一通信部２０１と対向して昇降台２５側に設置される第二通信部２０２にこのような構成を採用することが好ましい。

以下、光データ伝送装置の別実施形態について説明する。

上述した実施形態では、赤色レーザダイオード１２０を用いた例を説明したが、発行部を構成する光源は、単一モードで発光するレーザダイオードであれば、その波長を赤色に限定するものではなく、例えば、赤外領域の波長で発光するレーザダイオードを用いることも可能である。

上述した実施形態では、システム制御装置に接続された全二重方式の通信線に、サーボモータを制御する複数のサーボ制御部がマルチドロップ方式で接続され、サーボ制御部がシステム制御装置からの制御指令を通信線を介して受信してサーボモータを制御し、その制御状態をシステム制御装置に通信線を介して送信するサーボ通信システムに対して、通信線とサーボ制御部との間に第一通信部と第二通信部が介装されている光データ伝送装置について説明したが、本発明による光データ伝送装置が適用される通信システムは、サーボ通信システムに限るものではなく、相対移動する移動体間で全二重方式で通信する必要があるシステムであれば適用可能である。例えば、半導体製造設備で、半導体ウェハ等の運搬システム等にも適用可能である。

上述した実施形態は、何れも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１０：物流倉庫
１１：載置棚
１２：レール
１３：システム制御装置
１３ａ：通信線
１４：荷載置台
１５：収容部
１６：搬送対象物
１８：ガイドレール
２０：スタッカークレーン
２１：走行台車
２５：昇降台
３０ａ：サーボモータ
３０ｂ：サーボ制御部
３１，３１ａ，３１ｂ：車輪
３２ａ：サーボモータ
３２ｂ：サーボ制御部
４０：フォーク装置
４１：フォーク
４２ａ：サーボモータ
４２ｂ：サーボ制御部
１００：光データ伝送装置
１０１：第一通信部
１０２：第二通信部
１１１，１１７：マルチモード光ファイバ
１１１ａ：コア
１１１ｂ：クラッド
１１１ｃ：出力端部
１１２，１１６：光学レンズ
１１３：第一偏光素子
１１５：第二偏光素子
１１４ａ：第一光信号送信部
１１４ｂ：第二光信号送信部
１１９ａ：第一光信号受光部
１１９ｂ：第二光信号受光部
１２０：赤色レーザダイオード
１３０：インタフェース回路
３０３：投光窓
３０４：受光窓
３０５：通信コネクタ
３０６：電源コネクタ
３０７：表示窓
３０８：ネジ
３０９：電源基板
３３０，３３１：反射部材
４００：回路基板

Claims

第一通信部と第二通信部が相対移動自在に配置され、それぞれに光信号送信部と光信号受信部を備えて全二重通信する光データ伝送装置であって、
第一通信部に、
単一モードで発光するレーザダイオードを備えた発光部と、発光部から出力される単一モードの光信号を導き、マルチモードの光信号に変化させて出力するマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバから出力される光信号を平行光に成形する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を第一方向に偏光して出射する第一偏光素子とを備えた第一光信号送信部、及び、入射した光信号を第一方向と異なる第二方向に偏光する第二偏光素子と、第二偏光素子で偏光された光信号を集光する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を受光する受光部を備えた第一光信号受信部を備え、
第二通信部に、
単一モードで発光するレーザダイオードを備えた発光部と、発光部から出力される単一モードの光信号を導き、マルチモードの光信号に変化させて出力するマルチモード光ファイバと、マルチモード光ファイバから出力される光信号を平行光に成形する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を第一方向と異なる第二方向に偏光して出射する第二偏光素子とを備えた第二光信号送信部、及び、入射した光信号を第一方向に偏光する第一偏光素子と、第一偏光素子で偏光された光信号を集光する光学レンズと、光学レンズから出力される光信号を受光する受光部を備えた第二光信号受信部を備え、
て構成される光データ伝送装置。
第一光信号送信部及び第二光信号送信部に備えたマルチモード光ファイバの出力端部が、それぞれの光学レンズの焦点位置に光軸上で光学レンズに対向するように配置されている請求項１記載の光データ伝送装置。
第一光信号受信部及び第二光信号受信部に備えたマルチモード光ファイバの入力端部が、それぞれの光学レンズの焦点位置に光軸上で光学レンズに対向するように配置されている請求項１または２記載の光データ伝送装置。
第一光信号受信部または第二光信号受信部は、受光部で光電変換した電気信号を後段に出力する信号伝達回路と、光信号の強度を検知する受信レベル検知回路を備え、信号伝達回路は、受信レベル検知回路により光信号の強度が所定の基準レベルより低いと判断されると、当該電気信号の後段への伝達を中止する請求項１から３の何れかに記載の光データ伝送装置。
受信レベル検知回路は、光信号の強度が所定の基準レベルより高いときに、発光強度モニタ用の発光素子を点灯するように構成され、当該発光素子が第一通信部または第二通信部の位置決め用のモニタとなるように、装置のケーシングの前面側から目視可能な位置に設置されている請求項４記載の光データ伝送装置。
システム制御装置に接続された全二重方式の通信線に、サーボモータを制御する複数のサーボ制御部がマルチドロップ方式で接続され、サーボ制御部がシステム制御装置からの制御指令を通信線を介して受信してサーボモータを制御し、その制御状態をシステム制御装置に通信線を介して送信するサーボ通信システムに対して、通信線とサーボ制御部との間に第一通信部と第二通信部が介装されている請求項１から５の何れかに記載の光データ伝送装置。