JPH01141315A

JPH01141315A - 変位検出装置

Info

Publication number: JPH01141315A
Application number: JP62299556A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Mihashi; 三橋　慶喜; Satoshi Ishihara; 石原　聰; Hidemi Tsuchida; 英実土田; Junichi Yoshida; 純一吉田; Kenichi Nishide; 西出　健一; Toshio Kondo; 近藤　俊雄
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Tokyo Koku Keiki KK
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tokyo Koku Keiki KK
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1989-06-02

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、半導体レーザの出力を結合光学系を介して離
隔地の対象に投射し、その反射光を半導体レーザに再結
合させて、対象の移動等を検出する変位検出装置に関す
る。

（従来の技術）遠隔位置にある変位を検出する装置としては、各種電気
的な検出器と電気的な信号伝達手段を利用する確立され
た技術がある。

例えば、容量形変位検出器では、被測定ギャップの電極
間容量変化を検出し、電気信号の強度に変換して検出し
ている。

変位検出器から電気信号を遠隔伝送するには、検出器側
に伝送用増幅回路を設け、電源を外部より供給する必要
がある。

また、光学式エンコーダのように変位の検出に光を用い
るものがあるが、その発光素子と受光素子が共に検出器
内にあるために、遠隔信号伝送は専ら電気的な手段によ
っている。

（発明が解決しようとする問題点）このような電線を利用し、電気信号による遠隔伝送技術
を用いた遠隔変位検出器においては、以下のような固有
の問題がある。

■　防爆性を要求される環境においては、防爆対策とし
て完全シール等の手段を付加しなければならない。

■　長距離の遠隔検出では、電線による電力損失が生じ
、信号の送出では微少信号に対して電磁干渉雑音が加わ
る問題がある。

また、落雷による電磁干渉にも弱い。

■　電線は光ファイバと比較して、重量と耐熱性が劣っ
ている。

これ等の電気的遠隔検出器の問題点を解決するために、
光ファイバを伝送路に用いる検出器が種々提案されてい
るが、現状においては、伝送路ファイバへの外乱による
影響、使用する光学素子の種類や数の多さ等の問題があ
る。

半導体レーザを用いた信号検出の例として、その自己結
合効果を利用したスクープ（ＳＣＯＯＰ　）と名付けら
れた方式がある（応用物理　第５１巻。

第４号（１９８２）　　４５０〜４５３頁）このスクー
プ方式においては、半導体レーザと近接した位置にある
光ディスクの記録読出しを半導体レーザの自己結合効果
を利用して行なうものである。

この時、半導体レーザは光デイスク面から数１０ｍｍに
近接した位置に固定されるので、遠隔検出は困難であり
、検出対象も光デイスク記録ピットの有無に限定される
。

本発明の目的は、結合光学系を介して対象にレーザ光を
照射しその結合光学系で反射光をもとの半導体レーザに
結合させることにより、半導体レーザの自己結合効果に
よる動作特性の変化から対象の変位を検出する変位検出
装置を提供することにある。

、　　（問題点を解決するための手段）前記目的を達成
するために本発明による変位検出装置は、半導体レーザ
と、反射率の差によって形成される表面パターンをもつ
変位部分と、前記半導体レーザの出射光を前記変位部分
の表面に集光しその集光点からの反射光を前記半導体レ
ーザに再入射させる結合光学系と、前記変位部の入射方
向と直角方向の変位による戻り光量の変化による前記半
導体レーザの動作特性の変化を検出する特性変化検出手
段から構成されている。

本発明によれば、被検出部である変位部と半導体レーザ
間を光ファイバで接続し、−本の光ファイバにより送光
および受光路を共通化し、検出部変位をオン−オフの光
量変化に変換することにより外乱等による影響を低下さ
せ、かつ、発光素子である半導体レーザの戻り光による
自己結合効果による特性の変化を検出することにより変
位を検出する変位検出装置を提供できる。

変位信号を光量信号に変換するための機能部品の１つで
ある変位部を形成するスリット板は、その反射面が検出
光のビーム径が最小となる位置に固定され、切欠き支点
を有する変位機構により変位側には低剛性、他の直交２
軸に関しては高剛性が実現できる。

半導体レーザの出射光は、光ファイバ中を伝播し、スリ
ット板の反射膜の有無を戻り光の有無とし、再び同一の
光ファイバを伝播して、半導体レーザに戻ってくる。こ
の戻り光が半導体レーザ発光端から内部へ入ることで、
半導体レーザは自己結合効果を生じ、発光強度は一般に
増加する。

この時、自己結合効果に影響を与えるのは、出射光偏波
面と偏波面成分が一致している戻り光であり、特に位相
による影響が無視でき、戻り光の強度に依存する構成が
できる。

半導体レーザとスリット板部の間を結合する光ファイバ
は偏波面保持機能を持たせることにより数Ｋｍの長さま
で延長可能である。

検出すべき変位は切欠き支点部を支点とする結合機構に
よりテコの原理で拡大または縮小変位し、結合機構可動
部と一体化したスリット板が入射光と垂直な定められた
平面内で変位する。

（実施例）以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は、本発明による変位検出装置の第１の実施例を
示す略図である。

半導体レーザ１はそのチップの前方光と反対方向の後方
光を発生するように設けられている。

そして、その前方光は光ファイバ３と集光素子４から構
成される結合光学系方向へ導かれる。後方光は受光素子
２に入射させられ、検出される。

光ファイバ３に入射させられ、その中を伝播し他端より
出射したレーザ光は集光素子４により集光される。

集光ビーム径が最小となる位置に変位部の表面を配置す
る。

変位部はエンコーダ機能を有する反射形スリット板５で
形成されており、スリット板５は検出すべき変位入力に
より図中上下方向に変位するが、スリット板５の反射面
は常に同一面内にあるように支持されている。

スリット板５の反射面はスリット状の反射面と透過面が
交互に設けられている。

レーザ光の集光点に反射面が対応させられているときは
、反射レーザ光は往路と同一光路を戻り半導体レーザｌ
の発光点に戻る。

レーザ光の集光点が透過面の場合は、伝播光はスリット
板５の後方へ透過し前述のような戻り光は存在しない。

前記半導体レーザ１の注入電流に対する戻り先のある場
合とない場合の発光強度特性を第２図に示す。

今、レーザ発光しているある注入電流ｉｓにおいて戻り
光が有の場合と、無の場合では発光強度がΔＬだけ変化
することを示している。

第１図に示す半導体レーザ１の光ファイバ３へ向かう方
向の出射端面に反射防止膜を付加して、戻り光の反射を
防止し、発光強度変化ΔＬをより大きくするようにしで
ある。

第１図に示した実施例において、戻り光が存在する場合
は発光強度は大きくなるので、これを受光素子２で検出
することにより集光点に反射面が存在するか否かを判別
することができる。

半導体レーザｌより出射してスリット５の反射面で反射
し、再び半導体レーザｌに戻ってくる光路の間に、スリ
ット板５の反射面以外の反射面が存在すると伝送光の損
失が発生する。

その結果集光点に反射面がなくても戻り光が発生し、反
射面があるときは反射光が減少させられることになる。

そして反射面がないときの発光強度が、そのスリット板
５の反射面以外の反射面により増加し、反射面があると
きの発光強度は理想的な場合（他の反射がないとき）よ
りも小さくなる。

そのため第２図のΔＬが減少させられることになる。

そのためこの実施例では、光路中の有害な反射を極力低
下させるために、各光学素子の端面には反射防止膜を付
加する等の反射防止対策を施しである。

また、第２図の戻り光の有無による発光強度変化は、出
射光偏波面と偏波面成分が一致している戻り光により生
ずる。そこで、第１図において、半導体レーザ１の出射
光が戻り光として半導体レーザ１に戻ってくるまで、そ
の偏波面を保持するように、光路中の偏波面を乱す要素
を除去する。

光ファイバ３は偏波面を保持する機能を有するものを用
いる。

第３図は、本発明による変位検出装置の第２の実施例の
要部構成を示す略図である。なお、この図において第１
の実施例と共通の構成要素である集光素子４とスリット
板５を省略しである。

この実施例は半導体レーザ１の特性変化検出手段を、第
１図の受光素子２に変えて前記半導体レーザ１の端子間
抵抗変化を電気的に検出する手段としたものである。

半導体レーザ１と駆動電源の接続点から検出出力信号を
得る場合の構成例である。

電源７から半導体レーザｌにレーザ発光するだけの電流
を供給している。

半導体レーザ１の出射光は結合光学系を構成する光ファ
イバ３に入射させられる。

第１図に関連して説明したと同様な構成により戻り光が
再び半導体レーザ１に戻ってくる。

電源７と半導体レーザｌの接続点において、半導体レー
ザ１の端子間電圧を検出し、増幅器６により増幅し検出
信号として取り出す。

第４図は、戻り光があり、半導体レーザに自己結合が発
生した場合の注入電流ｉに対する半導体レーザダイオー
ドｌの端子間電圧の変化（ΔＶ）を示すグラフである。

このグラフは戻り光による自己結合効果により半導体レ
ーザの端子間電圧は注入電流ｉがしきい値（ｉ　ｔｈ）
近辺にあるときに、Δ■に大きな変化が見られることを
示している。

したがって、この実施例では半導体レーザ１をこのしき
い値組流（ｉ　ｔｈ）近辺で駆動する。

増幅器６でこの変化（ΔＶ）を検出し戻り光の存否によ
り変位の存在を確認できる。

第５図は、アブソリュートエンコーダ機能を有する変位
部の変位を絶対位置として検出する変位検出装置の実施
例を示すブロック図である。

この装置では、変位を光信号に変えるための変位部はア
ブソリュートエンコーダ機能を有している。

アブソリュートエンコーダスリット板１２のある位置に
おけるスリット列は反射面の有無の符号として、その位
置に対応している。

この実施例において、アブソリュートエンコーダスリッ
ト板１２はｎバイトのスリット列から形成されている。

そして、この各バイト対応に半導体レーザ、結合光学系
、前記半導体レーザの特性変化検出手段が用意されてい
る。

電源７から動作電流が供給されている半導体レーザ１−
１〜ｌ−ｎに対して、それぞれの半導体レーザの特性変
化検出手段である受光素子２−１〜２−ｎが設けられて
いる。

各半導体レーザ１−１〜１−ｎに対して、ファイバ結合
用光学素子９−１〜９−ｎ、それに光ファイバ３−１〜
３−ｎが対応させられ、各光ファイバ３−１〜３−ｎの
端末は集光素子１Ｏ−１−１０−ｎで構成される集光素
子アレー１０によりそれぞれのバイトに対応させられて
いる。

第６図は、前記実施例で用いられるアブソリュートエン
コーダスリット形式の変位部と、これを支持する変位伝
達機構と、集光素子アレーの関係位置を示す斜視図であ
る。

集光素子アレー１０の各素子で集光された各ビームはそ
の最小ビーム径位置で、アブソリュートエンコーダスリ
ット板１２に投射される。

アブソリュートエンコーダスリット［１２は、変位伝達
機構１３に支持されている。

アブソリュートエンコーダスリット板１２は４ケ所の切
欠き支点１３ｈをもつ変位伝達機構１３に組込まれてい
る。

変位伝達機構１３の下辺部を固定部として固定し、その
上辺が可動部となり、矢印で示す変位入力を上辺に加え
ると変位伝達機構１３に支持されているアブソリュート
エンコーダスリット板１２は平行に移動させられる。

切欠き支点部１３ｈは薄く、一種の連結点として自由に
曲がるために、変位入力軸方向には移動が自由であるが
、その直交軸方向には高い剛性を有し、振動等の外力に
よっても変位しない。

そのために、集光素子アレー１０により集光されたビー
ム径最小位置に常にアブソリュートエンコーダスリット
板１２を保持できる。

第７図はアブソリュートエンコーダスリット板と変位伝
達機構の他の実施例を示す平面図であって、同図（Ａ）
に示すものは変位入力の拡大、同図（Ｂ）に示すものは
変位入力の縮小に用いられる。

各図において、アブソリュートエンコーダスリット板１
２は変位伝達機構１３に支持されており、１３ｈは切欠
き支点部を示す。

第７図（Ａ）に示すものは変位入力を１２　／　ｌ　。

に拡大し、同図（Ｂ）に示すものは変位入力を１２　／
　ｌ　１に縮小する。

第８図は変位入力の例を示す平面図である。

アブソリュートエンコーダスリット板１２と変位伝達機
構１３は第７図（Ａ）に示したものと略同じである。

空１１１４の変位が拡大されてアブソリュートエンコー
ダスリット板１２に伝達される。

第９図は、本発明による変位検出装置のさらに他の実施
例を示すブロック図である。

この実施例は第５図に示した実施例と同様に、変位を絶
対位置として検出する実施例である。

半導体レーザｌを一つ用い前記実施例とは異なる結合光
′学系を用いている。

結合光学系は、ファイバ結合用光学素子９．−本の光フ
ァイバ３、分波（合波）器１１．遅延素子群１８、集光
アレー１０から構成されている。

半導体レーザ１からの光は一本の光ファイバ３に光ファ
イバ結合用光学素子９により入射させられる。

前記光ファイバ３の出力は前記アブソリエートエンコー
ダスリット板１２のバイト数に対応して分波する分波（
合波）器１１により分波される。

この分波器１１のそれぞれの出力を異なる時間遅延させ
る遅延素子群１８を介して集光アレー１０の対応する集
光素子に接続され、それぞれから変位部であるアブソリ
ュートエンコーダスリット板１２の対応する部分を照射
する。

この変位部として、さきに第６図、第７図、第８図を参
照して説明した総てのアブソリュートエンコーダスリッ
ト板１２を利用することができる。

前記スリット板１２はｎバイトのスリット列があり、反
射面の有無の符号として、その位置に対応している。

反射面で反射された光は前述とは逆の径路をたどり、半
導体レーザ１に戻り光として結合させられる。

遅延素子群１８を構成する遅延線１８−１．１８−２〜
１８−ｎの遅延時間がこの順で短いとすると、アブソリ
ュートエンコーダスリット板１２からの反射光は、＃１
，６２〜＃ｎの順に戻されて結合させられる。

第１０図はこの実施例の動作を説明するための波形図で
ある。

半導体レーザ１は第１０図（Ａ）に示されているように
一定の注入電流で動作させられる。

今同図（Ｃ）に示されているように、アブソリュートエ
ンコーダスリット板１２の表面の反射パターンが、（＃
１．＃２．＃３・・・・・ｎ）の順に（１，１，０・・
・０、■）であったとする。

なお１は反射面であり、Ｏは透過を意味する。

受光素子３は第１０図（Ｂ）に示す経時的な発光パター
ンを示す。

この発光パターンにより、変位を絶対位置とじて検出す
ることができる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明による変位検出装置は、半
導体レーザと、反射率の差によって形成される表面パタ
ーンをもつ変位部と、前記半導体レーザの出射光を光フ
ァイバで伝送して前記変位部の表面に集光しその集光点
からの反射光を前記半導体レーザに再入射させる結合光
学系と、前記変位部の入射方向と直角方向の変位による
戻り光量の変化による前記半導体レーザの動作特性の変
化を検出する特性変化検出手段から構成されている。

この構成によれば、従来の各種電気的な検出器と電気的
な信号伝送手段よりなる遠隔変位検出装置と比較して、
簡単な構成により、（１）防爆性、（２）長距離伝送（
３）耐雑音特性等の問題を解決した装置を提供できる。

したがって、本発明による装置は、工業計測分野や航空
機搭載の機器に広く応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による変位検出装置の実施例を示す略
図である。第２図は、半導体レーザの注入光に対応する発光強度を
示したグラフである。第３図は、本発明による変位検出装置の他の実施例の主
要部を示す略図である。第４図は、前記第３図に示した変位検出装置の動作を説
明するためのグラフである。第５図は、本発明による変位検出装置のさらに他の実施
例を示すブロック図である。第６図は、前記第５図の変位検出装置の集光アレーとア
ブソリュートエンコーダの関係を示す斜視図である。第７図は、アブソリュートエンコーダの倍率可変機構の
例を示す平面図である。第８図は、変位入力の例を示す略図である。第９図は、本発明による変位検出装置のさらに他の実施
例を示すブロック図である。第１０図は、第９図に示した実施例の動作を説明するた
めの波形図である。ｌ・・・半導体レーザ２・・・受光素子３・・・光ファイバ４・・・集光素子５・・・変位部（スリット板）６・・・増幅器７・・・電源９・・・ファイバ結合用光学素子１０・・・集光アレー１１・・・分波（合波）器１２・・・変位部（アブソリュートエンコーダスリット
板）１３・・・変位伝達機構　　１３ｈ・・・切欠き支点１
４・・・圧力−変位変換部（空量）１６・・・分波・合波器１８・・・遅延素子群

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体レーザと、反射率の差によって形成される
表面パターンをもつ変位部分と、前記半導体レーザの出
射光を光ファイバで伝送して前記変位部分の表面に集光
しその集光点からの反射光を前記半導体レーザに再入射
させる結合光学系と、前記変位部の入射方向と直角方向
の変位による戻り光量の変化による前記半導体レーザの
動作特性の変化を検出する特性変化検出手段から構成し
た変位検出装置。
（２）前記変位部はエンコーダ機能を有する反射形スリ
ット板である特許請求の範囲第１項記載の変位検出装置
。
（３）前記半導体レーザはそのチップが前記結合光学系
方向への前方光と反対方向の後方光を発生するように設
けられ、前記特性変化検出手段は、前記後方光を検出す
ることにより発光特性の変化を検出する受光素子である
特許請求の範囲第１項記載の変位検出装置。
（４）前記特性変化検出手段は、前記半導体レーザの端
子間抵抗変化を電気的に検出する手段である特許請求の
範囲第１項記載の変位検出装置。
（５）前記結合光学系は、伝播光の偏波面を保持する機
能を有する光ファイバを用い、半導体レーザからの出射
光偏波面が光ファイバ中の往復光路で共に保持されるよ
うにした特許請求の範囲第１項記載の変位検出装置。
（６）前記結合光学系の集光素子や光ファイバにより形
成される光路中の光学素子端子面は、反射防止膜または
反射防止形状とされている特許請求の範囲第１項記載の
変位検出装置。
（７）前記半導体レーザは、半導体レーザチップの出射
端面のうち、光ファイバへ向かう方向の端面に反射防止
膜を付加することにより半導体レーザ特性変化を強めた
ものである特許請求の範囲第１項記載の変位検出装置。
（８）前記変位部は反射率の差によって形成される表面
パターンをもちアブソリュートエンコーダ機能を有し、
前記半導体レーザは前記変位部の各バイトに対応する数
だけ配置され、前記光結合光学系は前記各半導体レーザ
と前記変位部分の対応する部分をそれぞれ光学的に結合
させ前記各半導体レーザの出射光を光ファイバで伝送し
て前記変位部分の対応表面に集光しその集光点からの反
射光を前記各半導体レーザに再入射させ、前記特性変化
検出手段は、前記変位部の入射方向と直角方向の変位に
よる戻り光量の変化による前記各半導体レーザの動作特
性の変化を検出するものである特許請求の範囲第１項記
載の変位検出装置。
（９）前記変位部は反射率の差によって形成される表面
パターンをもちアブソリュートエンコーダ機能を有し、
前記結合光学系は前記半導体レーザからの光が入射され
る光ファイバ、前記光ファイバの出力を前記アブソリュ
ートエンコーダのバイト数に対応して分波する分波器、
前記分波器のそれぞれの出力を異なる時間遅延させる遅
延素子群、前記遅延素子群の出力を前記変位部の表面に
集束して照射しその表面からの反射光を受け入れ、前記
特性変化検出手段は、前記変位部の入射方向と直角方向
の変位による戻り光量の変化による前記半導体レーザの
動作特性の経時的な特性の変化を検出する特性変化検出
手段である特許請求の範囲第１項記載の変位検出装置。
（１０）前記アブソリュートエンコーダ機能を有する変
位部は、一辺が固定される変位伝達機構に複数の円弧切
り欠き支点を介して一体に形成され、変位入力を拡大ま
たは縮小して移動させられる特許請求の範囲第８または
９項記載の変位検出装置。
（１１）前記変位入力は圧力変位変換部により圧力を変
位として変位伝達機構に入力されるものである特許請求
の範囲第８または９項記載の変位検出装置。