JPS6138566A - 回転数、速度等の検出装置 - 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】 発明の背景 ［発明の技術分野１ この発明は、回転体の回転数、回転速度、角速度、角度
位置、定まった経路上を周期的に移動する物体の速度、
周期、位置、その他の物体の速度などを光信号を利用し
て検出する装置に関する。

［従来技術の説明］ 光伝送は電…気雑音の影響を受けないというすぐれた特
徴をもっているので、電磁気雑音の多い環境下でのデー
タの伝送に適している。光ファイバを用いると低損失の
光データ伝送が可能であるから、比較的長距離のデータ
伝送も行なえる。光伝送されるべきデータが何らかの測
定データ、たとえば回転数などの場合には、光の形態で
測定または検出を行ない、そのまま光ファイバを通して
測定データを光伝送Ｊることが好ましい。ここに、光セ
ンサ、光ファイバ・センサといわれるものの利用価値が
ある。光センサによる検出と光フアイバ伝送とを組合せ
ることにより、電磁気雑音の多い環境下であっても信頼
性の高い測定と長距離伝送どが可能となり、光を利用し
た遠隔計測システムができあがる。

さて、回転数、回転速度、角速度等を測定するだめの代
表的な光センサに、不透明回転板の周辺の一部に孔をあ
けておき、この孔を両側からのぞむ位置に１対の光ファ
イバを対向させたものがある。光源からの光が一方の光
ファイバから出射され、他方の光ファイバに入射する。

回転板が回転することにより孔が光ファイバの位置に至
ると光がこの孔を通過し、その他の部分が光ファイバと
対向しているときには光は遮断される。したがって、上
記他方の光ファイバには回転板の回転に応じたオン／オ
フ光信号が得ら−れる。

しかしながら、このような光センサにおいては、上記一
方の光ファイバから出射される光は広がりをもっている
のでそのほんの一部のみが上記他方の光ファイバに入射
するにすぎず、得られる光検出信号の強度が低いという
欠点がある。この欠点を解消するためには、上記一方の
光ファイバから出射される光をレンズを用いて収束させ
ることが必要となる。レンズが必要であるからその分だ
け構成が複雑となり、また厳密な光軸合せが必要となる
。その上に、振動等ににって光軸のずれが発生する可能
性が大きい。

発明の概要 ［発明の目的］ この発明は、電磁気雑音下であっても信頼性の高い測定
と低損失長距離伝送が可能であるという光利用測定の特
徴をそのまま活かし、しかも光軸合せというめんどうな
作業が不要であり、光軸ずれによる測定不能という事態
が発生することのない回転数、速度等の検出装置を提供
することを目的とＴる。

［Ｒ明の構成、作用および効果］ この発明による回転数、速度等の検出装置は、相対的に
移動する一方の物体たとえば回転体に設けられた磁束発
生部、たとえば永久磁石、他方の物体たとえば固定部材
に固定され、磁束発生部が相対的にその近傍を通過する
ことにより起電力を発生ずる素子、たとえばコイル、発
生した起電力が印加されることにより光源から導かれた
光の強度を変調する素子、および変調された光強度の変
化から移動物体の移動に関する情報たとえば回転数、速
度データなどを作成する手段を備えてＪ３す、上記光強
度変調素子が、電気光学効果をもつ基板に形成された、
等しい位相定数を有しかつ一端で互いに交差する１対の
対称側光導゛波路と、異なる位相定数を有しかつ一端で
互いに交差する１対の非対称側光導波路とがそれぞれの
交差部で互いに結合されてなリ、いずれか一方の１対の
光導波路に１対の電極が設けられていることを特徴とす
る。このような光強度変調素子は特開昭５８−２０２４
０６号公報（特願［１！１５７−８６１７８）に導波形
光ビーム・スプリッタとして開示されている。

起電力発生素子によって発生した電圧が１対の電極間に
印加されるとその直下の光導波路の屈折率が変化しそこ
を伝播する光の位相速度が変化する。したがって、１対
の先導波路を伝播する光に位相差が生じ、この位相差の
変化が光強度変調素子の出力光強度の変化として現われ
る。磁束発生部が起電力発生素子の近傍を通過するごと
に、光強度変調素子の出力光強度が変調されるので、一
定時間における光強度変調回数を計数することにより、
または２つの光強度変調間の時間間隔を計時することに
より、移動物体の回転数や速度等のデータを得ることが
できる。

光源からの光は光ファイバにより光強度変調素子に導か
れ、この素子の出力光（強度変調された光）は光ファイ
バにより情報作成手段に送られる。光ファイバと光強度
変調素子とは公知の光コネクタ等により容易に接続され
るから、従来のようにレンズを用いた光軸合わせ等は不
要であり、もちろん光軸がずれるという心配もない。

従−来の磁気応用回転数センサには、永久磁石が周辺に
固定された回転板、またはそれ自体の周辺部が着磁され
た回転板を有するものがある。

この回転数センサは、回転板の磁気に応答する！ｌ電変
換素子を用いて回転数を表わす電気的な信号を取出すも
のである。この発明による・と、このような従来の磁気
応用回転数センサの回転板をそのまま利用して光ファイ
バを用いた光測定、伝送システムに容易に改造すること
ができる。

実施例の説明 ［回転数検出装置の構成１ 第１図において、回転数を検出ずべき軸、たとえばモー
タの出力軸またはそれに連結された１１１（図示略）に
円盤（１０）がその中心において固定され、円盤（１０
）の周辺には１つの永久磁石（１１）が埋込まれている
。円盤（１０）の回転にともなって円運動する磁石（１
１）の軌跡上の任意の点において、この点に至った磁石
（鎖線（Ｉｌａ）で示す）にその近傍で対向づるように
コイル（３０）が配置され、かつ適当な固定部材により
その位置に固定されている。

磁石（１１）は円盤（１０）の周面に設けることも可能
である。この場合にも、コイル（３０）はこの磁石（１
１）から発生する磁束とできるだけ多く鎖交するような
配置で固定される。永久磁石（１１）を円盤（１０）に
設ける代わりに、円盤（１０）それ自体を強磁性体で形
成しまたは円盤（１０）の周囲に強磁性リングをはめ込
み、この強磁性体に着磁するようにしてもよい。　　−
光強度変調素子は、電気光学効果を有する結晶、たとえ
ばＬｉＮｂ０ａ結晶基板（２０）上に形成された２対の
対称側および非対称側光導波路を含んでいる。対称側光
導波路（２３）　　（２４）は等しい位相定数を有しく
すなわち光導波路（２３）と（２４）の幅が等しい）か
つ一端で互いに交差している。非対称側光導波路（２１
）　　（２２）は異なる位相定数を有しくすなわち先導
波路（２１）と（２２）の幅が異なる）一端で互いに交
差している。これらの対称側光導波路（２３）（２４）
と非対称側光導波路（２１）　　（２２）とはそれらの
交差部で互いに結合されている。対称側光導波路（２３
）　　（２４）の終端面は基板（２０）の端面上にあり
、ここに反射膜（２５）が設けられている。また対称側
光導波路（２３）　　（２４）上には１対の電ｆｆ１（
３１）が形成されている。コイル（３０）の両端はこれ
らの電極（３１）にそれぞれ接続されており、コイル（
３０）に誘起された電圧がこれらの電極（３１）間に印
加される。先導波路（２１）〜（２４）はたとえば基板
（２０）内にＴ１を熱拡散することにより形成され、反
ｒＪＪＢＰＡ（２５）および電極（３１）はＡ／を蒸着
することによりつくられる。

図示しない光源からの光が光ファイバ（４１）を通して
送られ、適当な光結合器を介して基板（２０）上の非対
称側光導波路（２１）に導かれる。

同じ非対称側の先導波路（２２）から出力される一般に
強度変調された光は同じように適当な光結合器を介して
光ファイバ（４２）に導かれる。

光ファイバ（４２）の光信号は光電変換素子（４３）に
よって電気信号に変換される。この電気信号（ａ　）は
低域通過フィルタ（４４）を経てレベル弁別回路に送ら
れ（信号（ｂ））、さらにパルスないしは方形波信号（
Ｃ）としてカウンタ（４６−）に入力する。カウンタ（
４６）からは円盤（１０）の回転数を表わす検出信号が
得られる。

人、出力用の光ファイバ（４１）　　（４２）を基板（
２０）の同じ端面に接続できるので、それぞれ異なる端
面に接続する場合に比べて小型化を図ることができる。

［コイルに発生する電圧１ 円盤（１０）が１回転すると磁石（１１）はコイル（３
０）の近傍を１回通過する。このとき、磁石（１１）か
ら発生ずる磁束はコイル（３０）と鎖交し、かつ鎖交す
る磁束数（密度）は時間とともに変化するので、電磁誘
導作用によりコイル（３０）には起電力■が発生ずる。

この起電力■は次式で与えられる。

Ｖ−−ｎｃ（ｄΦ／ｄｔ） ここでｎｃはコイルの巻回数、Φはコイルと鎖交する磁
束数である。

説明を簡単にする／ｅめに、第２図に示すように、磁石
（１１）のコイル（３０）と対向する面（以下、磁石の
面という）およびコイル（３０）がともに円形でかつ同
一径であるとする。コイルおよび磁石の面の形状が方形
その他の形状の場合、これらの大きさが異なる場合にも
、起電力等の波形が若干界なるのみで、第２図の場合と
実質的な相違はない。

第３図は、コイル（３０）に鎖交する磁束数の、その時
間変化（ｄΦ／ｄｉ）およびコイル（３０）に発生する
起電力Ｖを示している。磁石（１１）とコイル（３０）
が近接するときおよび遠ざかるときに鎖交磁束数Φが変
化し、かつその時間変化（ｄΦ／ｄ【）は正と負の値を
とる。したがって、コイル（３０）には、両者が近接す
るときおよび遠ざかるときの２回、正、負の起電力■が
発生する。

［光強度変調素子における光強度の変ＵＡ］第４図は、
先導波路（２１）に一定強度の光を導入した場合に、光
導波路（２２）から出力される光の強度とｆｆ１Ｉ！１
（３１）に印加される電圧との関係を示している。

非対称側の一方の先導波路（２１）に入力されｌζ光は
、結合部から対称側に進むときに光導波路（２３）　　
（２４）に等分され、それぞれの光導波路（２３）　　
（２４）を通過して反ＩＩ）１１１９１（２５）で反射
して再び結合部に戻る。先導波路（２−３’）　　（２
４）を往復する過程で両光導波路（２３）　　（２４）
内の光は電極（３１）によって変調され、位相変化が生
じる。そして、両光導波路（２３）　　（２４）の光の
位相差に応じて、反射１ｌ（２５）で反射して戻ってき
た光は光導波路（２１）もしくは（２２）のいずれか一
方に進むか、または両方に適当な割合で分岐する。電極
（３１）に電圧が印加されていない場合には光導波路（
２３）　　（２４）を伝播する光は同相であるから、こ
れらの光のほとんどは光導波路（２１）に戻り、先導波
路（２２）から出射される光の強度はほとんど０である
。両光導波路（２３）　　（２４）の光が１度逆相にな
ったときに、光導波路（２１）に入射した光は、そのほ
とんどが光導波路（２２）から出射する。両光導波路（
２３）　　（２４）の位相が丁度πだけずれたときの電
極（３１）への印加電圧を半波長電圧Ｖπという。

［回転数検出装置の作用］ 第５図は、光電変換素子（４３）の出力信号（ａ）、低
域通過フィルタ（４４）の出力信号（ｂ、）およびレベ
ル弁別回路（４５）の出力信号（Ｃ）を示している。こ
れらの波形は、コイル（３０）の発生電圧Ｖの絶対値が
上述の半波長電圧Ｖπに等しいかそれよりも小さい場合
にお【プるものである。

光電変換素子（４３）の出力信号（ａ　）の波形は、光
導波路（２２〉に得られる光の強度波形と同形である。

よく知られているように、素子（４３）の構成によって
は信号波形が反転する場合もある。上述したように、磁
石（１１）の発生磁束、コイル（３０）の巻回数ｎＣを
一定とずれば、コイル（３０）に発生する電圧は円ｆ１
８（１０）の回転数に依存し、回転数が大きくなれば電
圧も高くなる。磁石（１１）がコイル（３０）の近傍を
通過するときに正、負の電圧が発生ずるので、この発生
電圧■の絶対値が■π以下であれば信号（ａ　）には２
つのパルス状成分が現われる。円５１８（１０）の回転
数が大きくなると、磁石（１１）がコイル（３０）近傍
を通過する時間Ｔが短くなるとともに、コイル（３０）
に発生する電圧Ｖの絶対値が大きくなるので、１回の通
過にＪ３いて信号（ａ）に生じるパルス状成分の数が多
くなる。したがって、回転数が大きくなるほど信号（ａ
）には高次の＾調波成分がより多く含まれ低域通過フィ
ルタ（４４）は、この検出装置における回転数検知範囲
内の最も低い回転数に対応する信号（ａ　）に含まれる
２つのピークをもつ信号成分に対して１つのピークを持
つような周波数成分を通過させる程度にその通過帯域−
が定められている。したがって、回転数がいかなる値の
場合にも、信号（ｂ　）中には円盤（１０）の１回転に
対して１個のパルス状成分が現われるようになる。

信号（ｂ　’Ｊのこのパルス状成分は、レベル弁別回路
（４５）に設定されたしきい値（Ｓ）によってレベル弁
別され、波形整形される（信号（Ｃ））。

カウンタ（４６）は、信号（Ｃ）に含、まれるパルスの
間隔（パルス間隔Ｐｔ）を計時、または一定時間Ｃｔ内
におけるパルス数を計数するものである。これらの計時
結果または計数結果は円盤（１０）の回転数、回転速度
または角速度を表わしている。

［変形例］ 上記実施例では、光導波路（２２）から出力される光を
回転数検出のために利用しているが・、光導波路（２２
）から光を入射させ、光導波路（２１）から出力される
光を用いることもできる。

また、反射膜（２５）を設けずに、先導波路（２３）と
（２４）に第１図左方から同相の光を入射させるように
してもよい。

さらに、第１図に鎖１１（３５）で示すように、コイル
（３０）に並列にツェナーダイオード（３５）を接続す
ると、一方ではその整流作用によりコイル（３０）に発
生する正、負電圧のうちの一方をカットすることができ
、他方では電極（３１）に印加される電圧の絶対値を一
定値（ツェナー電圧）以下に押えることができる。ツェ
ナー電圧を上述の半波長電圧■π以下に設定すれば、信
号＜ａ　＞に現われるパルス状成分は、円盤（１０）の
１回転に対して必ず１個となり、フィルタ（４４）を省
略することができるとともに、フィルタ（４４）の通過
帯域によって検出回転数の範囲が制限されることがない
ので、回転数測定範囲を広くとることが可能となる。

整流回路やクリップ回路としてはツェナーダイオード以
外に種々のものを用いることができる。必要ならばコイ
ル（３０）に直列に抵抗を接続してもよい。

上記実施例では、円１（１０）に１個の永久磁石（１１
）が設けられているが、複数個の永久磁石を等角度間隔
で設けるようにすると、回転速度、角速度検出の精度が
高まる。また、円盤（１０）の特定の角度位置を検出す
る場合には、複数個の永久磁石を等角度間隔ではなく、
配置状態が検出信号（たとえばレベル弁別回路（４５）
の出力信号（Ｃ））に現われるような特定の配置状態と
する。また、特定の磁石の強さを他の磁石よりも強くし
ておいて、光電変換素子（４３）の出力信号（ａ）に現
われる波形の相違によって特定の角度位置を検出するよ
うにしてもよい。

基板（２０）は電界の印加によってその屈折率が変化す
る電気光学効果をもつものであればいかなるものでもよ
い。したがって、光導波路もＴｉの熱拡散以外の基板の
＠類に応じた種々の技術、材料により作製できる。また
、電極（３１）の一方をアースすることも可能である。

電極はＡ／以外に１ことえばｌｉ等の材料で実現できる
。

この発明は、回転体の回転に関する物理量のみならず、
定まった２次元または３次元経路上を周期的に往復動す
る物体の移動に関する物理量の測定にも適用できる。ま
た、相対的に移動する一方の物体に２個の永久磁石を設
けてお”けば、この２個の磁石がコイル近傍を通″過す
る時間間隔を測定することにより、この物体が周期的に
往復動じなくても、その物体の速度を測定することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転数検出装置の一例を示す溝成因、第２図は
永久磁石とコイルの大きさ、形状を示ず図、第３図は、
コイルと鎖交する磁束数、その変化およびコイルに発生
する起電力を示ずグラフ、第４図は先導波路の出力光強
度の変化を示すグラフ、第５図は第１図に示ず各回路の
出力信号波形の一例を示す波形図である。 （１０）・・・円盤、（１１）・・・永久磁石、（２０
）・・・電気光学結晶基板（光強度変調素子）、（２１
）（２２）　　（２３）　　（２４）・・・光導波路、
（３０）・・・コイル、（３１）・・・電極、（４３）
・・・光電変換素子、（４４）・・・低域通過フィルタ
、（４５）・・・レベル弁別回路、（４６）・・・カウ
ンタ。 以　　上 外４名 第８図 印１１１１逼１ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 相対的に移動する物体の一方に設けられた磁束発生部、 他方の物体に設けられ、磁束発生部が相対的にその近傍
   を通過することにより起電力を発生する素子、 発生した起電力が印加されることにより光強度を変調す
   る素子、および 変調された光強度の変化から移動物体の移動に関する情
   報を作成する手段を備え、 上記光強度変調素子が、電気光学効果をもつ基板に形成
   された、等しい位相定数を有しかつ一端で互いに交差す
   る１対の対称側光導波路と、異なる位相定数を有しかつ
   一端で互いに交差する１対の非対称側光導波路とがそれ
   ぞれの交差部で互いに結合されてなり、いずれか一方の
   １対の光導波路に１対の電極が設けられていることを特
   徴とする、 回転数、速度等の検出装置。