JPH01173827A

JPH01173827A - 光センサヘッド

Info

Publication number: JPH01173827A
Application number: JP33533387A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Toyama; 潔外山
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1989-07-10
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JP2551610B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、詳細には光信号の偏波
面を磁気光学効果により回転させて所定の物理量に応じ
た偏波面を有する光信号を出力する光センサヘッドに関
する。（従来の技術） −Ｃ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問題点）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を伝搬して受光素
子７に入光す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場合や空間中の塵
埃によって光信号が減衰して劣化あるいは消失するおそ
れがあり、耐環境性が悪いという問題点があった。特に、光センサヘッドの適用分野は広いため、例えば航
空機のように短時間で上昇、下降を繰り返す場合、気圧
および気温の変化によって結露が発生しやすい。（発明の目的）そこで本発明は、光信号の伝搬を空間を介さずに行うと
ともに、導波路端面に磁気の変化に応じて光信号の偏波
面を回転させて反射する反射手段を設け、所定の物理量
に応じた磁気を反射手段に与えて光信号の偏波面を回転
させ、該物理量を光信号の回転角から検出することによ
り、結露等の発生しやすい特殊な環境下であっても光信
号の減衰や劣化を防止して、耐環境性を高めた光センサ
ヘッドを提供することを目的としている。（問題点を解決するための手段）本発明による光センサヘッドは上記目的達成のため、光
源からの偏光を導く入光用導波路と、該入光用導波路か
らの光をカー効果により反射するカー効果反射手段と、
カー効果反射手段からの光を導く出光用導波路と、を備
えている。（作用）本発明では、光信号の伝搬が空間を介さずに行われると
ともに、各導波路の端面に設けられたカー効果反射手段
により光信号が反射すると、所定の物理量に対応する磁
気の変化に応じて光信号の偏波面が回転する。したがっ
て、反射した光信号の偏波面を検出することにより所定
の物理量が検出されて結露等の発生しやすい特殊な環境
下であっても光信号の減衰や劣化のない光センサを得る
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
磁気光学効果（以下、カー効果という）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
面を持つもののみを選択する（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決まる。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（ことにより、
磁気変化によって光信号を０Ｎ１０ＦＦ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（光信号の０Ｎ１０ＦＦ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。本実施例は上記基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、ｌｌ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
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には図示は略されているが多数
の磁性片が格子状に規則的に配列され、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ゾサヘッド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アイバ群である。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〜２１
ｇ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２
２ａと対になって先導波路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３−％−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）に関するものを説明し、他は省略する。同図（ａ）に戻り、入力光導波路２１ａの一端には光フ
アイバ群１６の一部を成す光ファイバ２４ａが連結され
、出刃先導波路２２ａの一端には光フアイバ群１６の一
部を成す光ファイバ２５ａが連結される。入力光導波路２１ａの他端には入力光の偏波面を単一の
ものとする偏光子２６ａおよび光の進行方向を規定する
プリズム２７が連なり、プリズム２７の磁気スケール１
３と対向する面には磁気光学効果素子（カー効果反射手
段）２８が設けられる。磁気光学効果素子２８は前記基
本原理によるカー効果を発揮するものであり、入射光の
偏波面を磁気スケール１３に配列された磁性片２９の磁
気に応じて回転し、反射する。なお、磁気光学効果素子
２８の入射光を反射する面の図示は略されているが、平
面状又は凹面状に形成される。プリズム２７と出力導波
路２２ａの間には一定の偏波面を持つ光信号のみを選択
して通過させる検光子３０ａが介挿され、反射光はプリ
ズム２７を経て検光子３０ａに入光する。前記入力導波路２１ａ、光ファイバ２４ａおよび偏光子
２６ａは入光用導波路を構成し、出力導波路２２ａ１光
フアイバ２５ａおよび検光子３０ａは出光用導波路を構
成する。また、入光用導波路、出光用導波路および磁気
光学効果素子２８は光スイッチング素子を構成する。こ
の場合、磁気光学効果素子２８は同図（ｂ）に示すよう
に７系統の独立した光信号に対してカー効果を発揮する
ものであり、磁気スケール１３に設けられた磁性片２９
は７系統の光信号が磁気光学効果素子２８に照射されて
反射する点に対応して設けられる。すなわち、磁性片２
９は矢印Ｙ方向に直線配列されるとともに、磁気スケー
ル１３の運動方向く同図（ａ）中矢印ｘ−ｘ　’方向）
に並列配置される。但し、同図（ｂ）に示すように部分
的に磁性片２９を欠落させて設けているが、これは所定
の光信号すなわち、エンコードデータを得るためであり
、これについては後述する。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　ｚ　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、フォトダイードアレイやＣＣＤ　（Ｃａｒｇｅ　ｃ
ｏｕｐｌｅｄ　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の前後および出刃先導波
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、各部の光信号基とする。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。この場合大刃先導波路２１ａ〜２
１ｇ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２６ａ〜２６ｇによって単一の偏
波面（直線偏光）を持つ光信号ＢＢ−，Ｂｇに変換され
る。光信号ＢａｘＢｇはプリズム２７を通って磁気光学
効果素子２８に照射され、磁気光学効果素子２８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〜３０ｇ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−Ｂ　ＣＳＢ　ｆ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〜ＣｇＳＣｆお
よびＣｇのみが検光子３０ａ　〜３０ｃ。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３０
ｄ、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Ｄ　ａ−Ｄ　ｃ　−、Ｄ　ｆおよびＤｇが出
力導波路２２、光ファイバ２５を経てフォトダイオード
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〔ｌ〕、受
光しない場合の論理を

〔０〕に対応させると、３〜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。（発明の効果）以上の実施例から明らかなように、光信号の伝搬を空間
を介在せずに行うとともに、各光導波路端面に磁気の有
無に応じて光信号のオン−オフを行うことができるので
、結露等の発生しやすい特殊な環境下であっても光信号
の減衰や劣化を防止することができ、耐環境性を高めた
光センサヘッドを得ることができる。また、以上の効果に加えて次のような効果もある。（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　（電磁衝繋）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
を光センサヘンド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ィ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。１５・・・・・・光センサヘッド、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源からの偏光を導く入光用導波路と、該入光用
導波路からの光をカー効果により反射するカー効果反射
手段と、カー効果反射手段からの光を導く出光用導波路
と、を備えたことを特徴とする光センサヘッド。
（２）入光用導波路と出光用導波路とを一組とするとと
もに、各導波路の共通側端面に対向してカー効果反射手
段を配置してなる光スイッチング素子を、複数組配設し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光セン
サヘッド。