JPH02245667A - 磁気光学スイッチ手段を付勢するよう磁界切換えを行う速度センサ - Google Patents

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】 １豆座上１ 本発明は速度センサに関し、特に、磁気光学スイッチを
含んだ速度センサに関する。

１肌ゑ１遣 航空機分野を含め、種々の用途に用いられる速度センサ
は、常習的に電磁気的な可変の磁気抵抗技術を用いてい
る。かかるシステムは広く用いられて既知であるが、磁
気抵抗変化により引き起こされる時間的に変化するフラ
ックスもしくは磁束によって電圧が誘導される巻線が必
要なため、大型のものとなる。上述の電磁的な可変磁気
抵抗機構のものよりも実質的に小型で安価な速度センサ
が必要とされるところである０本出願人は、回転部材上
の強磁性の歯が磁気光学スイッチを付勢するという磁気
光学変換（ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ）技術と可変磁気
抵抗の磁路との結合により速度を測定する方法を発見し
た。希土類の高エネルギ永久磁石と共に磁気光学スイッ
チを用いれば、小型で非常に効率的な速度センサがもた
らされる。

ジェネラル・エレクトリック・カンパニ（本発明の譲受
人）に譲渡された、「モノリシック・ファラデー光学ス
イッチ」という名称の最近提出された出願には、スイッ
チ機能素子のすべて、すなわち偏光子、検光子、ファラ
デー旋光器層、光反射表面を単一の基板上に配置したモ
ノリシック・ファラデー磁気光学スイッチが記載されて
いる。入射光ファイバからの放射エネルギは、基板の一
表面に沈積された偏光子素子を介しかつ基板に沈積され
たファラデー回転層もしくは旋光層を介して他表面上の
反射素子に伝達される。放射は、第１の表面上の偏光子
に近接して位置付けられた検光子に反射し戻される。該
表面に対して直角である磁界を受けたとき、ファラデー
層は、入射放射の１光面を回転もしくは旋光する。この
ように磁界が存在するか存在しないかにより光学的切換
え機能が制御される。

この種のモノリシック磁気光学スイッチ素子は、回転部
材の強磁性の歯が磁石のそばを通過したときに付勢され
る。２つの磁気戻り路が磁石と関連している。磁界は、
回転部材上の強磁性の歯の通過によりこれら戻り路の間
で選択的に切り携えられる。磁気光学スイッチ手段が磁
気戻り路の一方と関連しており、これによりその磁気戻
り路への磁界の切換えがスイッチを付勢する。

従って、本発明の主目的は、ファラデー磁気光学変換（
トランスデユーシング）装置を用いた速度センサを提供
することである。

本発明のもう１つの目的は、磁気光学スイッチ手段を用
いた、小型で軽量の速度センサを作成することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、磁界戻り路が磁気光
学スイッチ手段を付勢するように切り換えられる速度セ
ンサを提供することである。

本発明の他の目的及び長所は、説明につれ明瞭となるで
あろう。

の　　　　　を 本発明の種々の目的及び長所は、回転部材上の強磁性の
歯と磁束交換関係になるよう装着された、高エネルギの
希土類の永久磁石を含んだ速度センサで実現される。一
対の直交して配向された磁束戻り路が磁石と関連してい
る０強磁性の歯が無い場合には、磁界は、磁束戻り路の
１つを通過する。

歯が磁石を通過するとき磁界が歯を通過し、第１の戻り
路と直交した他方の戻り路に切り換えられる。なお、他
方の戻り路は、それと関連した磁気光学スイッチ手段を
有している。他方の戻り路への切換えはスイッチを付勢
し、回転部材上の強磁性の歯が速度センサを通過するご
とに、スイッチを通して放射エネルギが通過するのを許
容して出力信号を発生する。

免１些旧亙ＩＩ 第１図は、回転部材の速度を測定するために高エネルギ
磁石と相互作用する磁気光学スイッチを含む、本発明に
よる速度センナを例示的に示すものである。回転部材は
強磁性の歯もしくは突出部を含み、該強磁性の歯もしく
は突出部は、磁石を通過するとき、一対の直交して配向
された磁束戻り路間で磁束を切り換える。磁気光学スイ
ッチ手段は、各回転中出力信号を発生するよう、歯が磁
石を通過するとき磁界を受ける戻り路と関連している。

総括的に符号１０で示されている速度センサは、好まし
くはサマリウム・コバルトの、高エネルギ希土類磁石１
１を含んでおり、これは、例えば、エポキシ接着剤によ
り磁気戻り路１２に取り付けられた非磁性ステンレスの
シリンダ内に支持された焼結されたサマリウム・コバル
ト（ｓａｍａｒｉｕ鋤ｃｏｂａｌｔ）の形態であって良
い、この種の希土類磁石は、磁石の事故的な磁気「ノッ
クダウン」もしくは「打撃」（“ｋｎｏｃｋ−ｄｏｗｎ
”）を除去する非常に高い保磁力、並びに１５００〜２
０００ガウス程度の高い残留磁界を特徴としている。磁
石１１の両側には、第１及び第２の磁気戻り路手段１３
−１４及び１５−１６が位置付けられている。個々の戻
り路は互いに直角であり、磁石１１とは平行である。

磁界路の直交した配向は、戻り路間で磁束を切り換える
のに有用である。戻り路１５−１６は、該戻り路と関連
した磁気光学スイッチ１７を有しており、これにより、
回転部材１９から突出する強磁性の歯１８が磁石１１を
通過するとき磁界の戻り路１５−１６への切換えがスイ
ッチ１７を付勢する。

第２図の詳細な図示と関連して以後詳細に説明するよう
に、磁気光学スイッチ１７はモノリシック構成のもので
あり、それにおいて、磁気光学スイッチの機能素子のす
べては、単一の基板上に配置される。すなわち、偏光子
、検光子、ファラデー旋光器、及び反射体素子は、単一
の基板上に沈積され、それにより、極端に小さい効率的
な磁気光学スイッチが生産される。光ファイバの対２０
及び２１が、磁気光学スイッチ１７の偏光子及び検光子
と接触している。全配列は、図示しない非磁性のハウジ
ング内部に位置付けられ得、光ファイバは、既知の構成
の光コネクタを通してハウジング内にもならされる。磁
気光学スイッチの各々は、その感度軸に沿った磁界に応
答し、該磁界は、当該スイッチ内のファラデー旋光器層
を通るとき、入射放射の極性の面すなわち僅光面を回転
もしくは旋光させる。従って、磁界が磁気戻り路１５−
１６に切り換えられるとき、スイッチ１７は付勢され、
それ故、対内の入力ファイバからの放射エネルギは、ス
イッチを通して出力ファイバに通され、次に、遠隔の検
出器及び信号処理回路に伝送され、このように回転部材
上の鉄の歯がセンサのそばを通過するごとに、出力信号
が生成される。

鉄の歯１８は回転部材１９の幅よりも狭く、かつ各回転
中、磁石及び束戻り路素子１５及び１６の直下を通過す
るように、回転部材の中心に位置付けられる。歯１８は
延ばされており、戻り路素子１５及び１６間の間隔より
も長い、他方では、戻り路素子１３及び１４間の間隔は
歯１８の幅よりも大きい、従って、歯がセンサの下を通
過するとき、歯の縁及び磁界戻り部材１３及び１４間に
はエア・ギャップがある。しかしながら、直交する磁束
戻り路素子１５及び１６は、歯全体に渡って位置付けら
れるので、磁束戻り部材の面と歯の表面との間には小さ
いエア・ギャップがあるだけであり、これにより、（点
線２２で示すように）磁界は、歯を通して戻り路素子１
５及び１６に通され、磁気光学スイッチ部材を付勢する
。歯が無い場合には、戻り路素子１３及び１４と磁石１
１との間の距離は、戻り路素子１５及び１６と磁石１１
との間の距離よりも小さい、従って、歯が無い場合には
、磁石と磁界戻り路１５及び１６との間のエア・ギャッ
プは、磁石と素子１３及び１４との間のエア・ギャップ
よりも大きく、これにより、磁束は、磁束戻り路素子１
３及び１４を介して磁石に戻る。しかしながら、上で指
摘したように、歯が有る場合には、磁石と部材１３及び
１４との間の戻り路のエア・ギャップ及び磁気抵抗は、
磁束戻り素子１５及び１６間の戻り路の磁気抵抗よりも
はるかに大きく、それにより、磁束路は一方の戻り路か
ら他方の戻り路に切り換えられて磁気光学スイッチを付
勢する。第１図の速度センサは、２つの速度センサ１７
が磁束戻り路１５−１６の各脚に位置付けられた冗長的
なシステムを示している。しかしながら、本発明は、冗
長的な磁気光学スイッチに制限されるものではなく、な
ぜならば、単一の磁気光学スイッチを用いても本発明は
容易に実施され得るからである。

第２図は、第１図の速度センサに用いられるモノリシッ
ク磁気光学スイッチ１７の構成を示す。

第２図に示されるモノリシック磁気光学スイッチは、本
発明者の名前で出願された上述の出願シリアル番号第１
１７，１７４号をベースとしたものである。

第２図のモノリシック磁気光学スイッチは、光学的に不
感応もしくは不活性の基板２５を含んでおり、該基板は
、ガドリニウム、ガリウム、ざくろ石（もしくはガーネ
ット）の単一の結晶基板であるのが好ましい。しかしな
がら、他の合成された結晶ガーネット基板が同等の効果
を有して用いられ得る。ここで、用語「光学的に不感応
もしくは不活性」は、基板が偏光されたエネルギに対し
て透明であり偏光面には影響を与えないという意味で用
いられている。基板２５の両側にはファラデー旋光器層
２６及び２７が位置付けられている。旋光器層は、該旋
光器層が基板と同じ結晶配向を有するように液相エピタ
キシにより基板上に成長された、ビスマスでドープされ
たガドリニウム、鉄、ガーネットであるのが好ましい。

層２６及び２７は、磁界と平行な方向に部層を通る放射
エネルギの偏光面が、物質のヴエルデ定数（°単位厚さ
）、並びに層の厚さに依存した量だけ回転もしくは旋光
される、という意味においてファラデー旋光器である。

ビスマスでドープされたガドリニウム鉄ガーネットのヴ
エルデ定数は非常に高い、８５０ナノメータの波長で２
０３ガウスの磁界強度における１ミクロン当たり１度（
１°）の角度回転を有する物質が商業的に入手可能であ
る。従って、入射面で偏光される放射の９０°の回転も
しくは旋光が約９０ミクロンの旋光器厚さでもって達成
され得る。

光もしくは放射の非磁性反射層２８（例えば銀もしくは
アルミニウム）が、ファラデー旋光器層２７を覆って沈
積される。旋光器層２６を覆う基板の前面上には、総括
的に２９で示される偏光子／検光子の対が沈積される。

該偏光子／検光子の対は、平行に並べた配列で（ｉｎ　
ａ　ｗｉｄｅ−ｂｙ−ｓｉｄｅｃｏｎｆ　ｉｇｕｒａｔ
ｉｏｎ）取り付けられた一対の交差された偏光子及び検
光子素子から成る。従って、偏光子／検光子の対２９は
、垂直方向の偏光子として示された偏光子３０を含み、
これにより、偏光されない入射エネルギの内の、垂直面
に偏光された成分だけが偏光子を通過する。偏光子に近
接して位置付けられた検光子素子３１は、水平方向に偏
光された成分の通過だけを許容するよう配向される。

偏光子及び検光子素子３０及び３１は、いくつかの既知
の技術のいずれか１つによって、旋光器層２６を覆って
沈積される。

ファラデー磁気光学スイッチは放射エネルギのビームに
より照射され、ここに、用工吾「放射エネルギ」は、可
視表ベクトルの内側及び外側の双方の電磁エネルギを含
むよう広い意味で用いられている。偏光子３０を照射す
る、図示しない遠隔の発生源からの放射エネルギは、入
力光ファイバ３２から来る。入力ファイバ３２は、矢印
３３で示された放射でもって偏光子素子３０を照射する
ように位置付けられている。入力ファイバ３２並びに検
光子３１に近接して位置付けられた出力ファイバ３４は
双方とも、光軸並びに適用される磁界３６の軸の双方を
表わす垂直もしくは直角軸から、角度ａだけ変位されて
いる。

入力及び出力ファイバ３２及び３４は、偏光子３０及び
検光子３１に対して直接に位置付けられ、接着剤により
、もしくは偏光子／検光子素子に対して位置付けられた
フェルールに光ファイバ端を保持させることにより、偏
光子３０及び検光子３１に取り付けられる。入力及び出
力光ファイバは代表的には、通例の反射及びクラツデイ
ング層で取り巻かれた１００ミクロン（１００ｍ）のコ
ア直径の光ファイバである。

偏光子３０から出る垂直面に偏光されたエネルギはファ
ラデー旋光器層２６、基板２５、及びファラデー層２７
を通過する０層２７を通った後、光は、反射層２８から
旋光器層及び基板を通して検光子３１に反射し戻される
。矢印３７によって示されるように９０°だけ回転され
た平面偏光された放射が、検光子３１を経て出力ファイ
バ３４に通り、遠隔に配置された検出器及び信号処理用
電子機器に伝達され、磁界の存在により表わされる状態
指示である出力パルスを生成する。鉄の歯が通過して、
センサ内の直角に配向された磁束戻り路間で磁界が切換
えられると、出力パルスを発生し、ここに、該出力パル
スのパルス繰り返し周波数は回転部材の速度の測定値で
ある。

偏光の面の回転が９０°以下ならば、入射放射の一部分
だけが水平方向に偏光され、入射エネルギの一部分だけ
が検光子３１を通る。何等磁界が無い場合には、回転角
度０°もしくはＯｏに非常に近く、それ故、反射された
垂直方向に偏光された放射のすべては検光子３１により
阻止される。

磁界が存在する場合には、入射放射は回転され、それ故
、検光子３１の背面を照射する放射のいくつかが、今、
水平方向に偏光され、（回転の程度に依存して）すべて
もしくは相当の部分が検光子３１を通過し、そして出力
光ファイバ３４により受信される。

基板表面上に沈積されたビスマスでドープされたガドリ
ニウム鉄ガーネットのファラデー旋光器層を有するガド
リニウム、ガリウム、ガーネットの光学的に不感応もし
くは不活性の結晶基板は商業的に入手可能である０例え
ば、かかる基板は、ニュージャージ州　０７９５０、モ
ーリス・プレインス、２００　イー・ハノーバー・アビ
二二一にある、リントン・インダストリのエアートロン
部門から、商標称号ＬＬＣ１２０の下に入手可能である
。　ＬＬＣ１２０の基板／旋光器はほぼ０．５ｍｍの厚
さであり、各表面にビスマスでドープされたガドリニウ
ム鉄ガーネットの２１．７ミクロンの層を有している。

ＬＬＣ１２０の偏光旋光器は、８５０ナノメータの波長
の放射エネルギにより照射されたときに検査され、２０
３ガウスの磁界強度において、１ミクロンにつき１°の
回転が生じた。２１．７ミクロンの層を４回通過する際
、すなわち最初に層２６及び２７を通過し次にこれらの
層を介して検光子に反射し戻される際、垂直に偏光され
た入射エネルギは、８７°だけ回転され、これにより入
射エネルギのすべては実質的に検光子３１を通過する。

明らかに、ファラデー旋光器層の厚さを調整することに
より、いずれのオフセット角度に対しても、偏・光され
た光の９０°の回転もしくは９０°に非常に近接した回
転が容易に達成され得る。従って、ファラデーの磁気光
学スイッチの機能素子のすべてが単一の基板上に装着さ
れた、１ｍｍよりも非常に小さい厚さのモノリシック光
学スイッチが可能となる。このことは、磁束戻り路の１
つにスイッチを装着することを容易に達成可能とし、さ
らに、非常に小型でかつ非常に軽量の速度センナをもた
らす、これらすべてのことは、空間及び重量が一般に大
いに珍重される場合である航空機の使用においては重要
な考慮事項である。

今、明白となったように、回転部材が、各回転中、直交
する磁気戻り路間で、センサと関連した磁界を切り換え
るという、小型１．軽量の速度センサの構成が示されて
きた。磁気戻り路の１つは該戻り路と関連した磁気光学
スイッチを有しており、ここに磁気光学スイッチは放射
エネルギの通過を許容するよう各回転中付勢され、該放
射エネルギは次に遠隔で検出されて回転部材の速度の指
示を与える。

好適な実施料と関連して本発明を説明してきたけれども
、本発明の本当の精神並びに範囲を逸脱することなく、
用いられる計器に多くの変更が為され得るので、本発明
を上記実施例に決して制限す４−ものではない。

【図面の簡単な説明】

第１ｒＭは、回転部材に近接して装着された速度センサ
を示す斜視図であり、磁石、磁気光学スイッチ、及び直
角の磁界戻り路を示す。第２図は、切換え機能を生成す
るために用いられるモノリシック・ファラデー磁気光学
スイッチを示す斜視図である０図において、１０は速度
センサ、１１は高エネルギ希土類永久磁石、１２は磁気
戻り路、１３．１４は第１の磁気戻り路、１５．１６は
第２の磁気戻り路、１７は磁気光学スイッチ、１８は強
磁性の歯、１９は回転部材、２０．２１は光フアイバ対
、２５は基板、２６．２７はファラデー旋光器層、２８
は非磁性反射層、３０は偏光子素子、３１は検光子素子
、３２は入力ファイバ、３４は出力ファイバ、である。 Ｆｉｇ、　、？

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転部材の速度を測定するための速度センサにお
   いて、 少なくとも１つの鉄の突出部を有した回転部材に近接し
   て位置付けられた磁束源と、 該磁束源と関連して、直交して配置された第１及び第２
   の磁束戻り路と、 該第１及び第２の磁束戻り路の一方と磁束交換関係に位
   置付けられた磁気光学スイッチ手段であって、前記回転
   部材に応答して前記スイッチを通る放射エネルギの通過
   を制御するよう該スイッチと関連した入力及び出力ファ
   イバを有し、ここに、当該磁気光学スイッチ手段が放射
   エネルギの通過を阻止するよう、前記一方の磁束戻り路
   の磁気抵抗が前記第１及び第２の磁束戻り路の他方の磁
   気抵抗よりも大きくされた、前記磁気光学スイッチ手段
   と、 回転部材上の鉄の突出部が通過したとき前記一方の磁束
   戻り路の磁気抵抗を減じることによって前記第１及び第
   ２の磁束戻り路間で磁束を切り換え、これにより、該鉄
   の突出部が通過するごとに放射エネルギの通過を許容す
   るように前記磁気光学スイッチ手段を付勢する手段と、 を備えた速度センサ。
2. （２）前記直交して配置された磁束戻り路の各々は、前
   記磁束源のいずれの側面にも平行に配置された一対の磁
   束戻り部材を含む特許請求の範囲第１項記載の速度セン
   サ。
3. （３）前記磁束源と前記磁気光学スイッチ手段を含む磁
   束戻り部材との間の距離は、前記磁束源と他方の磁束戻
   り部材との間の距離よりも大きい特許請求の範囲第２項
   記載の速度センサ。
4. （４）前記鉄の突出部は、前記磁束源及び前記磁気光学
   スイッチ手段と関連した磁束戻り部材の下を通過し、磁
   束が前記突出部を通過するので前記磁束源及び該磁束戻
   り部材の間の磁路の磁気抵抗を減じる、特許請求の範囲
   第３項記載の速度センサ。
5. （５）前記磁気光学スイッチ手段は、基板の一表面上に
   沈積されたファラデー旋光手段、同じく前記基板の該一
   表面上に並べて配置された偏光子及び検光子素子、並び
   に前記基板の他表面上に放射エネルギ反射手段を有した
   少なくとも１つのデバイスを含み、これにより、感度軸
   に沿って磁界が存在すると、放射エネルギの偏光面の回
   転を生じ、直交する磁束戻り路間で磁束が切り換えられ
   たときに入力ファイバからの通過を許容する、特許請求
   の範囲第１項記載の速度センサ。