JPH03502003A - 光学的速度検出装置 - 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】 光学的スイッチおよび速度検出器 （技術分野） 本発明は光通信及び磁気検出を用いた位置検出構成に関する。本発明は例えば回 転シャフトあるいはスイッチレバーの回転速度の検出に特に有用である。

（背景技術） 本発明は物体、殊に回転体の速度を検出する装置、特に遠隔の表示装置ないしは 制御装置へ光フアイバ伝導体を介し伝達可能で速度の関数として表される光パル ス信号を発生する装置に関する。

機械の動作の検出あるいは制御には電子装置を採用することが多くなってきてい る。ある場合には電子装置を用いてガスタービンエンジンが電子的に制御される 。またこのような制御装置を用いて自動車の車輪の回転状態を監視し制動力を制 御して横滑り（５ｋｉｄｓ）を防止している。

且つまたこのような制御装置を用い、オペレータの同期発電機への手動入力によ る命令に応動してその出力を制御している。

乗用車の例えばＢ級あるいは６級ブレーキシステムのような横滑り防止システム に速度検出器が使用される場合、車輪の低速度を正確に検出する必要がある。こ のとき横滑り防止システムば低速での牽引損失を検出するため車輪の小さな動き をも検出する必要がある。

エンシンラミ予約に制御する場合、センサとコントローラと電子制御装置との間 に配線される電気導線の長さを出来るだけ短くし、ＥＭｌ、、ＥＭＰ、カミナリ 若しくは電気的ノイズによる影響を軽減することが望まれる。自動車の場合、光 ファイバによる接続構成を用いると、同期発電機、点火システム等の各種ノイズ 発生源による影響が大幅に避けられる。

このシステムに採用される変換器は速度変換器、即ちタービンエンジン、自動車 の車輪等の機械の速度に比例した信号を発生する装置である。これまで、この種 の速度信号を発生する変換器と遠隔の電子制御装置あるいは表示装置との配線に は電気導線が使用され、この変換器では電子制御装置へ送る際に好適な電子パル ス信号を発生する高価な回路が内装されていた。従って、光ファイバを介し伝達 される速度信号を発生ししかも外部電源を必要とする事なく堅牢に動作され比較 的低廉な速度変換器を提供することが望まれていた。

しかして本発明の目的は改良された速度変換器を提供することにある。本発明の 他の目的は物体の速度に比例する光パルス信号を発生する変換器を提供すること にある。本発明の別の目的はシャフトの回転速度を監視し更に別個のスイッチ位 置に比例する信号を発生する検出システムを提供することにある。

（発明の要約） 受動光フアイバ速度検出システムは光ファラデー回転現象を利用している。光フ ァラデー回転現象とは、端的に言えば材料内の磁界と材料の先鋒路長の関数とし て直線偏光ベクトルが材料により回転される性質である。速度検出システムには 光ファイバを介しセンサへ伝達するための励起用の発光ダイオードのような光源 が必要である。速度データは磁気結合を介した励起信号に含まれ、この磁気結合 は、回転シャフト上に装着される強磁性材料または磁性材料が通過するに応じフ ァラデー回転材料を介し磁束を変えることにより光の強さを変調することになる 。変調された信号は捕捉され、戻りファイバを介して電子制御の光インターフア ースへ伝達される。

受動光フアイバ速度検出システムの利点は、励起光源が低廉で、電力が少なくて 済み信頼性が高く、通常のコア多モードファイバを使用できること、固体素子構 造で、磁気結合を利用しているため光路の汚染が避けられること、直流から２０ ＫＨｚに応動できること、システムの校正が不要であること、並びに光ファイバ による故障検出がセンサに素子を追加する事なくシステムに追加できること等に ある。

この種の速度検出システムは異なる２種の構成が提供される。いずれの構成もフ ァラデー回転材料を利用している。この材料は磁界を受けると、光子の電界ベク トルとファラデー回転材料の磁気的に整合された原子の電界ベクトルとの間の結 合により入射光の直線偏光ベクトルが回転される。一方、ファラデー回転材料内 の磁束が変化されると、ファラデー回転材料の原子整合度が変化され、正味の結 合効率が変化されて、光ビームの偏光の正味の回転も変化される。ファラデー回 転材料の第２の特徴は材料による回転が光の波長に左右されることにある。更に 詳述するに、一方のファラデー回転材料により第１の波長の光の偏光軸が回転さ れるが、他方のファラデー回転材料によっては第２の波長の光の偏光ベクトルが 回転されない。これらの検出システムの大きな差は磁界の差である。以下に回転 部材の磁界を有する第１図のシステムとセンサヘッド部内に閉じ込められた磁界 を有する第２図のシステムについて説明する。

第１図のシステムの場合、光が光ファイバから入射されグレーデッドインデック スレンズ（ＧＲＩＮ）により平行にされる。

平行にされた光は次に第１の直線偏光子へ送られ偏光される。

偏光された光はファラデー回転材料内に送られ、ここで偏光ベクトルがファラデ ー回転材料内に存在する磁界の関数として回転される。センサが磁石の近傍に配 置された場合、材料内の磁界が増加されるのでファラデー回転材料により直線偏 光ベクトルの回転度が増加する。一方磁石が遠避けられると、ファラデー回転材 料内の磁界も減少されるので、直線偏光ベクトルの回転度も減少する。次に光は 第２の直線偏光子を通過し、磁石の存在する位置（オン位置）から磁石の存在し ない（オフ位置）へ移動されると光の強さが最大限に変化せしめられる。最終的 に光は第２のグレーデッドインデックスレンズで収集され、戻りファイバ内に収 束される。

第２図のシステムにおいては、２個のグレーデッドインデックスレンズと、２個 の直線偏光プレートと、２個のプリズム反射体と、ファラデー回転材料と、２個 の磁石が小車のハウジング内に配設されている。光は一方の光ファイバがらセン サ内に入射され、グレーデッドインデックスレンズ内に送られて光が平行にされ 、第１のプリズムの反射面で反射される。平行にされた光は次にファラデー回転 材料内を通過せしめられ、ここで偏光ベクトルがファラデー回転材料内の磁界の 関数として回転される。磁石を含むセンサに強磁性体のギア歯が接近する場合、 磁石からの多くの磁束がファラデー回転材料から離れ、ギア歯を経ることになり 、ファラデー回転材料内の磁界が減少するので偏光ベクトルの回転度が減少する 。−力強磁性体のギア歯が遠去かるとき、ファラデー回転材料内の磁界が増加し 偏光回転度が再び増加する。次に光は第２の直線偏光子を通過しギア歯の存在す る位置（オン位置）からファラデー回転部材に対しギア歯の存在しない（オフ位 置）へ移動すると光の強さが最大限に変化される。最終的に光は第２のプリズム の直角面で反射され、第２のグレーデッドインデックスレンズによって平行にさ れ、戻りファイバ内において収束される。また入力グレーデッドインデックスレ ンズの中心から外れて入力光ファイバを配設することにより２個の別個の独立し た光路が形成され、デュアルセンサ構成が得られる。

本発明によれば、ファラデー回転を基礎とする速度検出センサにより速度が光学 的に検出される。センサは光源からの偏光を受けるファラデー回転材料に基づい ている。光は光ファイバを介して付与されグレーデッドインデックスレンズによ り平行にされる。次に平行にされた光は固定の直線偏光子に入射される。

次に偏光はファラデー回転材料内に入射され、ここで材料結晶の偏光軸の回転現 象により光が減衰する。ファラデー回転材料を通過した光は次に材料の端部の反 射面で反射され、再び固定結晶材料内に戻され通過又は減衰される。この偏光結 晶及びファラデー回転体を通過した後両方向に残る光は再び光フアイバ内に収集 され、検出システムにより検査される。

ファラデー回転結晶は結晶端部に磁石を備えた機構により励起される。ここで磁 石が結晶に対しＳ極側からＮ極側に移動されると、結晶の偏光軸は変化する。ま たファラデー回転結晶の一部はヒステリシス作用を有するので、磁界を除去して も偏光回転は変化されず、反対の磁界で変化され、従って瞬間的なラッチスイッ チをなすことは理解されよう。

ファラデー回転材料は狭い帯域の光でファラデー回転現象を示す。従ってセンサ スインチから信号伝達のパリティチェックを得る際に帯域外の光も与えることが 出来る。

（図面の簡単な説明） 第１図は代表的な従来のセンサの説明図、第２図は光信号路を与えるプリズムを 備えた第１図のセンサの説明図、第３図は本発明の好ましい実施例による磁気光 学スイッチの簡略構成図、第４図は第１図の実施例のスイッチ位置を説明するた めの偏光構成図である。

（発明を実施するための最良の形態） 第３図を参照するに、回転速度検出スイッチ１１１により、好適な光源０３から 放出されると共にセンサ１１５により受容される光が制御される。更に詳述する に、光源１１３からの光は後述する光フアイバ伝導体】１７を経て伝達される。

光フアイバ伝導体１１７を採用することにより、信号伝達容量が増大し干渉が軽 減される等の利点がある。この場合、光フアイバ伝導体ＩＪ７を使用することに より、更に回転速度検出スイッチ１１１を単一の伝導体で作動させ得る利点もあ る。

回転速度検出スイッチ１１１は光源１１３からの光を受け、再び伝達するかある いは逆方向に戻しセンサ１１５へ送るか選択するよう機能する。光は方向性を有 するので、同一の光フアイバ伝導体を用い回転速度検出スイッチ１１１の機能に 応じて光信号を与えたり戻したりできる。方向性結合器１２１を介し回転速度検 出スイッチ１１１から伝達される光がセンサ１１５へ送られる。このとき光源１ １３からの光が回転速度検出スイッチ１１１を経てセンサ１１５に達する。

回転速度検出スイッチ１１１には光源１１３から光フアイバ伝導体１１７を経て 入力される光を平行にするグレーデッドインデックスレンズ（ＧＲＩＮ）　１３ １が包有される。ここで平行にされた光は次に偏光を通過させる直線偏光子１３ ２により偏光されファラデー回転結晶材１３３へ送られる。ファラデー回転材料 １３３は例えば磁化ホイール１３５からの磁界が存在すると直線偏光ベクトルを 回転する性質を有する。この現象は一部上述したようにファラデー回転と呼ばれ る。図示の実施例の場合、ファラデー回転はＮ極磁界の下で生じ、一方ソース磁 界は回転しない。このときファラデー回転は約４５度である。ファラデー回転結 晶材１３３を通過して伝達された光は反射面１３４で反射されて再びファラデー 回転結晶材１３３へ伝達される。この反射光は更に磁界により回転されるので、 結局９０度回転されることになる。反射光は更に直線偏光子１３２へ伝達される 。この反射光は固定の直線偏光子１３２の方向に回転されないときは、顕著に減 衰される。従ってファラデー回転により、センサ】１５に達する光は大幅に減衰 する。

第４Ａ図を参照するに、光源１】３からグレーデッドインデックスレンズ】３１ へ伝達された光は参照番号１４１で示すように多側光（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｏ ｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を受ける。直線偏光子１３２では参照番号１４２で示す ように固定偏光（ｆｉｘｅｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を受ける。ファラデ ー回転結晶材１３３がＮ極磁界を受けると、参照番号１４５で示されるように反 射面１３４に達した光が回転される。次にこの回転光は再びファラデー回転結晶 材１３３へ戻され、参照番号１４４で示されるように更に回転され直線偏光子１ ３２で減衰されるので、結果として戻される光は減衰され４　ることになる。− 力筒４Ｂ図に示されるように、ファラデー回転結晶材１３３がＮ極磁界を受けな い場合、ファラデー回転結晶材１３３を通過する光は参照番号１４７．１４８で 示されるように回転されないので、直線偏光子１３２を経て戻される光は光源１ １３からの方向と反対の方向（参照番号１４９）に偏光される。

従って、光はセンサ１１５へ戻されるが、参照番号１５０で示されるように偏光 のみによって減衰される。

ファラデー回転結晶材１３３は狭い帯域内でのみ回転させるので、少なくとも２ 通りの方法でインテグリテイチェック（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｃｈｅｃｋ）が可 能である。回転速度検出スイッチ１１１による減衰は完全ではないので、光フア イバ伝導体１１７は最小レベルの光で導通できる。光源１１３からはまた、十分 に広いスペクトル光を放出して帯域の外側の光を固定レベルで反射させることも できる。従って、第２の検出器１５２を用いてパリティチェックやインテグリテ イチェックを行うことができる。好ましいスペクトルの外側の光も発光ダイオー ド（１、ＤＥ）１５４のような第２の光源により与えることができる。

本発明は−の実施例に沿って上述したが、本発明はこの実施例のみに限定されな いことは理解されよう。また必然的に、当業者は本発明の特許請求の範囲に含ま れる各種設計変更あるいは追加物、等個物を容易にとり得ることも理解されよう 。

（従来ｇｐす ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　４Ｂ 宝酪煽査報告 国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光を受ける装置と、光源から受けた光を偏光する第１の装置と 、偏光を受けファラデー回転材へ送り磁界の存在下で回転するファラデー回転材 装置と、ファラデー回転材を通過させた光を減衰させる装置とを備え、減衰によ りスイッチング信号が与えられ、減衰量がファラデー回転材装置による回転の関 数であることを特徴とする光学的速度検出装置。
2. （２）更に、偏光装置に与える光を平行にする装置を備えることを特徴とする特 許請求の範囲第１項記載の光学的速度検出装置。
3. （３）更にグレーデッドインデックスレンズ（ＧＲＩＮ）を包有した光を平行に する装置を備えることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学的速度検出 装置。
4. （４）更に異なる帯域の光を検出する装置と、光を識別し回転速度検出スイッチ を含むシステムのバリテイチェック連続性を与える装置とを有する光検出器を備 えることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光学的速度検出装置。
5. （５）更に、光の特定帯域のみを回転させるファラデー回転結晶材を備え、光源 には回転を受けた光と回転を受けなかった光の帯域を遠隔のセンサに伝達する装 置が包有されてなることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の光学的速度検 出装置。
6. （６）ハウジングと、交流磁界を発生する装置と、ハウジング内に設けられ、第 １の方向の光を入力しコアの磁界の乱れに応じて光信号を伝達する磁気変換装置 と、光源からの光を入力する装置と、光源から入力した光を偏光する装置と、偏 光を入力し磁界の存在下で回転するファラデー回転装置と、ファラデー回転装置 を通過した光を反射し再び第２の時間ファラデー回転装置を通過させ磁界に従っ て更に回転させる装置と、ファラデー回転装置から反射された光をファラデー回 転装置で受けた回転に従って減衰しスイッチング機能を与える偏光装置とを備え ることを特徴とする電気光学回転検出装置。
7. （７）更に、偏光装置に与える光を平行にする装置を備えることを特徴とする特 許請求の範囲第６項記載の光学的速度検出装置。
8. （８）更にグレーデッドインデックスレンズ（ＧＲＩＮ）を包有し光を平行にす る装置を備えることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の光学的速度検出装 置。
9. （９）好適な帯域内の光の直線偏光ベクトルを回転するファラデー回転材装置と 、好適な帯域と不適当な帯域の光を伝達する装置を包有した光源と、好適な帯域 と不適当な帯域の光を検出する装置と好適な帯域と不適当な帯域の光を識別し回 転速度検出スイッチを含むシステムのバリテイチエック連続性を与える装置とを 有する光検出器とを備えることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の電気光 学回転検出装置。