（2）可動節点における非接触情報伝送技術の研究
電子部 佐 藤 哲 哉
1 員 的
可動部を持つ機構内（回転する構造物の内部等） からの情報を正確に外界に伝送する手段としては、 現在、機械的接触によるスリップリング法及び回転 軸の振れ角が小さい場合には、発信、受信間を変調 光信号で伝送する光信号法が一般的である。前者は、 機械的接触によるため、耐久性、ノイズ、伝送周波 数等に問題がある。
しかし、構造。機構的にはシンプルである。一方、 後者は、前記問題点に閲し前者より優れているが、 発信、受信の関係が基本的に直接関係において成り 立っているため、回転軸の振れ角が大きくなる場合 には、受信部の視野から外れることとなり、手段と して自ずと限界がある。
これら問題点を改善し、可動部での情報伝送を更 に柔軟に実現する技術について理論的側面により、 研究する。
2 原 茸里 原理を、図1に示す。
半径Rの高精度に研磨、蒸着された球面反射ミラ ー、R／2の位置に平行に置かれたハーフミラー及 び球面反射ミラーの曲率中心（回転中心軸）上のレ 山ザ発光部、球面反射ミラーの切り欠き部に配置さ れた受光部により構成される。可動部は、点0を中 心としてβ の角度で回転、もしくは、振れる。
点0から出た光線は、ハーフミラー（㌍）により 反射㍉透過し、球面反射ミラ山（S）に至る。幾何 光学の関係より球面反射ミラ」への光線の入射角 は、S点の接線に対し90度である。このため、その まま同じ光路に反射する。途中、更にハーフミラ山
（H）により、反射孝透過し、その内反射された光 線が受光部の1点㌘に至る。この関係は、ハふフミ
ラー厚が充分に薄く、発光部、球面反射ミラー等が 理想的な場合は、光路上庸【≦600の全範囲におい て成り立つ。
0レーザ発光部
図1 原理図
3 検討課題
原理的には、各構成光学部品が理想的性能を持つ ならば、受光部Pにおいて、精度よく可動部からの 信号を復元することができるが実際には、各光学部 品の特性及び装置試作上の制約、製作精度等からく る光学的誤差について、検討する必要がある。光学 的誤差要因として以下のことが考えられる。
4 検 討
（1）受光点Pの幾何光学的変位（共心系） 。レーザ発光部と球面反射ミラーの曲率中心 が一致する場合
（2）振れ角鋸こよる受光点Pでの光強度変位 上記（1）については、ハーフミラーがあることによ り、受光点㌘の位置が振れ角β により変位すること を意味する。これに対しては、受光点Pでの受光面 積を確保することで対処可能であるが、（2）について は、光学部品の設計に留意し、光強度変動を最小に 抑える必要がある。
以下、これらの課題に対する検討を行い、本原理 の有効性、並びに、性能上の限界を明らかにする。
（1）受光点Pの幾何光学的変位（共心系） （ヨハーフミラーによる光学的変位
価的に△s l だけ球面反射ミラー側に射出位置を変位 し（①で検討）その光線は、球面反射ミラー及びハ ーフミラーで反射される。これら光路により最終的 に、受光部での理想点からの（幾何光学的）総合変 位置が算出される。
これら関係を図4に示す。Dは、ハーフミラーの 厚さdと球面反射ミラー半径r 及び振れ角β との 関係において、光線を全て受光するに必要な受光部 での有効径を示すものである。
して、式（1）で表される△s l だけ球面反射ミラー側へ ずれる。（通常、nl ＜n2）図2にこれらの関係図を示 す。
co5（β）
いd （1）
△ぶ1ニ 〈1M
v／㍍
このことは、光軸上の点Pから振れ角β′ で射出する ことと等価である。この時のβ ′ は、平行平板の両側 の媒質が同じ屈折率ならば、屈折の法則によりβ′ ＝ βとなる。この値は点0から平行平板までの距離に は依存しない。
図3にハーフミラー厚比（d／r ）による△s l 移動比を （r で正規化）示す。
②受光部での変位
曲率中心0にあるレーザ発光郡より振れ角β で 射出された光線は、厚さdのハーフミラーにより等
図4 総合変位量
座標軸を図4のX，yとすると、Dは次式で求めら れる。
朋 ，i
β 】2。5わ字1
上）＝ね
（彗⊥ニ。S招））〉。（s口“ 一γ ）（2）
図5にハーフミラー比（d／㌻）に対する総合変位 量比（D／㌻）を示す。
O P
図2 ハ州フミラーによる光学的変位
○ 一u■ ←一一−−〃′
−′一一■ ′
ノ′ ・
u′−−−
■ ′−−−一〆−一′ 2％
4
／
3
ノ 5転・′／
1
5
5
5
2
5
﹁〇
4
3
1
・上
2
ハーフミラ
1
による総合変位比％
ハーフミラー
による移動比％
10 20 30 40 50 60
振れ角（β）
図3 〃け∵フミラ州比による移動比
10 20 30 40 50 60
振れ角（β）
団5 ハーフミラー比による総合変位
同図より、当然のことながら、dは薄くなれば受光
部面積は小さくてすむ。dの値は、構造的に強度保持
のため、ある程度の厚さは必要である。受光部で使
用される素子は、これら計算値を基準として選定さ
れる。
一方、厳密には、球面反射ミラーの球面収差の影 響も考えられるが、球面反射ミラーの曲率中心を基
準として構成されているため、この影響は無視でき
る程度に小さい。
（2）振れ角β による受光ノ占Pでの光強度変位 ①ハーフミラー端面（レーザ発光部側）反射によ
る光強度変位屈折率nをもつ媒質は、光入射に対し
てフレネルの公式による反射、透過特性をもつ。図 6にハーフミラー構造を示す。レーザ発光都側端面
では 、振れ角β に依存する。偏光形態による反射、 透過特性があり光強度変位の原因となる。
一般には、この端何に反射をできる限り抑制する
減反射コーティングが施される。ここでは、・層の
減反射コーティング薄膜（M
gF2）を形成した場合
のその膜厚についての影響を検討する。
P，S偏光に対する各表面での反射係数は、フレ
ネルの式により、与えられる。
また、コーティング而での反射光線に相当するコ
ーティング層の両面で生じる反射率は、反射波間の
干渉と位相差により、求められる。
レーザの偏光は、直線偏光であり、かつ、1）偏光 である。一般に、半導体レーザの偏光消光比は400：
1程度である。このⅠ）偏光以外の成分をS偏光とし 一層の減反射コーティングの反射特性を計算する。
ここでn（入）＝1．38（M
gF2）、入二0．83／J m
、nニ
コーティング厚とする。
図7に振れ角β に対する各hの反射特性を示す。 ②ハーフミラー端面（球面反射ミラー側）反射に
0
川 20 30 40 50 60
振れ角（β）
図7 コーティング厚による反射特性
よる光強度変位
ハーフミラー端而（球面反射ミラー側）反射によ るレーザ光線は、ハーフミラーーの端画で屈折され、
媒質n中を透過後、ハーフミラーコーティング層で
反射、屈折され、屈折された光線は、球面反射ミラ 」で反射され、再び、ハーフミラーコーティング層 で反射透過され、その内反射された光線が受光部へ
至る光路をとる。光路図を図8に示す。受光部には
相対的に振れ角βによる透過率Tl 及び反射率R2 の積で表される光強度が入射する、Tl 、R2の角度依 存性が本装置性能を左右する。レーザ光線ハーフミ ラーコーティング層への入射角は、振れ角β に対
0
ガラス（BK7） n3
し、式（3）で示される。また、球面反射ミラーーで反射 されたレーザ光線のハゝ−フミラ＼−コーティング層へ の入射角は、式（4）で示される。
側ハーフミラー表l 計反射特性及びハーフミラ」コ、・一
ティング層の透過、反射特性を考慮した受光部での
総合光強度比関係図を示す。（ここでは、球面反射ミ
ラーの反射損失等は考慮していない。）
0，＝s i nl （s i n（0）／nl ）
（3）5 結 果
（1）幾何光学的変位
使用する球面反射ミラーの曲率半径r 及びハーフ
ミラー厚径dと幾何光学的変位Dとの関係は、図5
に示す様な関係がある。ハーフミラー厚比は、小さ
い方が変位も小さい。
（2）振れ角β による受光部Pでの光強度変位 振れ角β による受光点での光強度変位は、図 10∼11に示すように、大きな相違はみられないが、 ハ」フミラ」・一厚比を大、減反射コーティング厚径を
小のとき、光強度変位が小となる傾向を持つ。
（3）上記条件に糾うパラメータを適当に選定する
ことで、計算上、振れ角30度以下で99％以上の伝送 精度が得られる。
β −一二針一かsi nj （△ 51＝ノ／／／γ 。Sわ7（β ）） （4）
図9にハーフミラー比に対するAl 蒸着半透過膜
の透過、反射特性を示す。
以F二の（手及び②の関係から総合的な受光部での相 対光強度比が求められる。図10ヘノ11にレーザ発光郡
一〇
〇
こ
J
O
﹁〇
〇
︻〇
ハ
U
5
︼〇
5
4
4
3
3
2
2
1
⊥
A
1
蒸着半透過膜による透過。
反射率％
0 10 20 30 40 5n 60
6 今後の課題
。球面反射ミラーの曲率中心上のレ」ザ発光部 の位置変位に対する影響及び振れ角0近傍での対 応
。減反射コーティング、半透過膜に対す る光学
性能評価
これら結果に基づき、システムの構成に適したパ
ラメ」夕の選定を行うことができる。
振れ角（β）
図9 半透過膜による透過、反射特性
0
5
0
5
0
5
0
9
9
8
8
7
1
受光部での相対光強度％
8
6
4
2
q
︶
9
9
9
9
9
9
9
受光部での相対光強度％
0 10 20 30 40 50 60
振れ角（β）
（拡大）
0 10 20 30 40 50 60
振れ角（β）
（全体）
図10 受光部での総合光強度比（ハーフミラー比＝1％）
ハーフミラー比＝5％
0 10 20 30 4
受光部での相対光強度％
受光部での相対光強度％
10 20 30 40 50 60
振れ角（β） 振れ角（汐）
