(57)【要約】【課題】入射／出射する平行光の偏心方向の調心作業を要せず、構成部材間の熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を低減させ、かつ高磁場の悪影響を受けない光コリメータを提供する。【解決手段】本発明の光コリメータ２１は、円柱部２３ａの両端に曲率中心が同じ透光球面２３ｂを有するガラス製部分球面レンズ２３と、中心に端面２５ａが傾斜した光ファイバ２５を保持したガラスまたは結晶化ガラス製の毛細管２４と、部分球面レンズ２３及び毛細管２４を挿着する内孔２２ａを有するガラスまたは結晶化ガラス製の偏心スリーブ２２とを備え、平行光２７の光軸Ｚが偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂを中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂに対して０．２°以内の角度である。また、電気絶縁体からなるので１Ｔｅｓｌａ以上の高磁場中で電磁誘導の悪影響を受けない。【選択図】図１
2004302453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の偏心スリーブと、該偏心スリーブ内に円柱部が挿着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリーブ内に挿着され、中心に光ファイバを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメータであって、
前記偏心スリーブがガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする光コリメータ。
【請求項２】
部分球面レンズの透光球面から出射する平行光の光軸が、スリーブ外周面の中心軸を中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ前記スリーブ外周面の中心軸に対して０．２°以内の角度であることを特徴とする請求項１に記載の光コリメータ。
【請求項３】
一対の前記光コリメータをそれらの作動距離となる位置で、かつ、前記各偏心スリーブの外周面の中心軸が相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファイバから光を導入したとき、他方の光ファイバから入力に対して−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光コリメータ。
【請求項４】
偏心スリーブが、ドローイング法により作製されたものであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光コリメータ。
【請求項５】
毛細管が、ガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の光コリメータ。
【請求項６】
部分球面レンズ、毛細管、及び偏心スリーブの相互の熱膨張係数差が５０×１０-7／Ｋ以内であることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の光コリメータ。
【請求項７】
部分球面レンズが電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなり、１Ｔｅｓｌａ以上の高磁場中で電磁誘導による渦電流を実質的に起こさないことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光コリメータ。
【請求項８】
最大直径が２ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の光コリメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用の光ファイバを中心に保持した毛細管と球レンズを円柱状に加工した部分球面レンズとこれらを軸合わせする偏心スリーブとを使用した光コリメータに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には多くの光デバイスが使用されており、その中には複数の波長が多重化された光信号から任意波長の光信号を取り出すものや、光信号の位相を合わせるための光学結晶体を用いるもの等があり、光ファイバから出射されて広がった光信号を平行光にする、あるいは平行光を光ファイバへ集光させる多数の光コリメータが用いられる。
【０００３】
また、回転軸に取りつけてその動きを検出するロータリーエンコーダなどの光パルスを検出する方式の各種センサに、光コリメータを用いる場合がある。
【０００４】
従来の部分球面レンズ３を用いた光コリメータ１は、図９に示すように、同心構造のスリーブ２の内孔２ａに、部分球面レンズ３と、内部に光ファイバ５を保持し、その端面５ａからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面４ａを有する同心構造の毛細管４とを挿入し、光コリメータ１として正しく作動するように光学的に適切な位置関係になるように調心を行い、接着剤６で固着することにより作製している。
【０００５】
このような光学系に関する従来技術の文献として特許文献１には、部分球面レンズを用いた光コリメータの中心軸に対して入射／出射する平行光の偏心を無くすために、斜研磨光学素子により解決を図る方法が開示されている。特許文献２には、レンズから出射するビームの光軸が光ファイバの光軸と平行であるコリメータが開示されており、特許文献３には、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させ、レンズの中心とレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するような光ファイバコリメータが開示されている。さらに、特許文献４には、管状ハウジングの中心が球レンズを経て出る平行な光ビームの中心線として定義された光コネクタが開示されている。また、特許文献５には、端部を斜め研磨したファイバの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメータが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−５６４１８号公報
【特許文献２】特開平５−１５７９９２号公報
【特許文献３】特開２００２−１９６１８０号公報
【特許文献４】特開平２−１１１９０４号公報
【特許文献５】特開昭６２−２３５９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来の構造では、同心構造のスリーブ２を用いているので、図９に示すように、内部に光ファイバ５を保持し、その端面５ａからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面４ａを有する同心構造の毛細管４を用いると、光ファイバ５の端面５ａから屈折の法則に従って光コリメータ１の中心軸Ａに対して斜め方向に光が出射し、その結果、光コリメータ１から出射される平行光７には、その平行光７の光軸Ｚと光コリメータ１の中心軸Ａとの間に偏心δが発生するという問題点がある。
【０００７】
また、図１０に示すように、従来の構造の光コリメータ１と光機能素子８ａを用いて光機能部品８を組立てる場合には、平行光７が光コリメータ１の中心軸Ａに対して偏心しているため、それぞれの光コリメータ１の偏心方向を正確に一致させる必要があり、作業性が非常に悪くなるという問題点もある。
【０００８】
さらに、図１１に示すように、平行光１７が光コリメータ１１の中心軸Ａから入射／出射するように、光ファイバ１５を内部に保持し、端面１４ａに斜め研磨が施されていない同心構造の毛細管１４と同心構造のスリーブ１２を用いて解決を試みた場合、斜め研磨の効果による反射減衰量が得られなくなるので、光ファイバ１５の端面１５ａ、および部分球面レンズ１３の透光球面部１３ｂからの反射戻り光が非常に大きくなり、その表面にそれぞれ反射防止膜を施したとしても、反射戻り光を充分阻止することはできない。この反射戻り光がレーザー光源などに悪影響を及ぼすので、高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には実用上大きな問題点となる。
【０００９】
また、特許文献１の方法によっても、両端面が平行に斜め研磨された斜研磨光学素子を用いる場合（第５頁、第１図）は、平行光が光コリメータの中心軸に対して入射／出射するように精密な調心作業が必要となり、作業性が非常に悪くなる。また光路中に斜研磨光学素子を挿入するので光コリメータの挿入損失が増大し、高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には、この増大した挿入損失が問題点となる。
【００１０】
さらに、内径の中心を外径の中心からずらした金属などを切削により作製した軸外し円筒状ホルダーを用いる場合（第７頁、第９図）も、外径と内径の中心を僅かにずらせるという精密な加工を必要とする欠点もある。また、金属製の軸外し円筒状ホルダーと、光ファイバを内部に保持する毛細管、および部分球面レンズとの間には熱膨張係数差があるので、その差が大きい場合には、使用時の温度変化によって個々の構成要素の膨張量あるいは収縮量が異なるため、光学的特性に狂いが生じる恐れがある。特に、このような膨張差が生じることにより部分球面レンズに応力が集中した場合には、屈折率や分散などの光学的特性の狂いに起因するトラブルが増大し、光学系としての安定性に問題点がある。
【００１１】
このため、高温時や低温時等のように室温と大幅に異なる温度条件の下では、スリーブと毛細管および部分球面レンズとの接着部に剥離が生じて本質的な部品特性が阻害されるばかりでなく、部分球面レンズに歪が生じて透過光量が変化したり、偏波特性が変化したり、或いは安定したコリメート光が得られなくなる等の不具合を招く。その結果、この種の光通信用デバイスの使用環境が限られてしまうことになり、特に屋外での使用が大幅に制限されると共に、光デバイスに組込む際には高精度な光学的特性が要求されるため、使用可能な温度範囲が極めて狭小になり、使用時における制限が一層厳格になるという問題を有している。
【００１２】
また、特許文献２に開示されているとおり、レンズから出射するビームは入力側マウントの軸と平行ではあるが、一致することはなく、入力側マウントの軸とある距離を有する平行ビームにしかならない（第５頁、第３図）ので、マウントの軸を中心に回転させながら、光コリメータどうしの調心を行う必要がある。
【００１３】
また、特許文献３に開示されているとおり、屈折率分布型ロッドレンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させ、屈折率分布型ロッドレンズの中心と、そのレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するように構成されている（第５頁、第１図）が、屈折率分布型ロッドレンズの代わりに球レンズを用いた場合、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させているため、出射される光ビームは光ファイバの光軸と一致しない。
【００１４】
また、特許文献４に開示されているとおり、光ファイバのコア中心線と光ビームの光軸が一致していない（第６頁、第２図）ので、例えば、光検出器を用いて光ビームの光軸と機械軸を一致させた上で、管状ハウジングを機械加工する（第６頁、第３図）必要がある。また、所望の寸法を有する平らな面を有する球レンズを用いる場合（第６頁、第４図）は、組立時に、その平らな面と光ファイバから出射したビームの光軸とのなす角度を厳密に調心しなければならない。
【００１５】
また、特許文献５に開示されているとおり、端部を斜め研磨した光ファイバの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメータの場合（第４頁、第１図）は、出射する平行ビームの光軸が光ファイバの中心軸と一致しないため、光コリメータどうしの調心作業に労力を費やすこととなる。
【００１６】
さらに、従来の光コリメータ１を用いて光コリメータ１どうしの調心作業を行う場合、光コリメータ１の中心軸Ａと平行光７の光軸Ｚとの間に偏心δが発生するため、例えば、１本の精密なＶ溝上に光コリメータ１をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各スリーブ２の外周面の中心軸Ｂが相互に一致した状態に対向させただけでは、一方の光ファイバ５から光を導入した際に、他方の光ファイバ５から十分な光の応答が得られないので、光軸の自動調心装置などが使用可能となるように、光の十分な応答が得られる状態まで手動で調心作業を行う必要がある。
【００１７】
また、光コリメータを構成する各部材に金属を用いた場合、１Ｔｅｓｌａ以上、即ち１００００Ｇａｕｓｓ以上の高磁場中で用いると電磁誘導の影響を受け、金属中に強力な渦電流が流れることで、金属部品が破損する恐れがある。さらに、金属部品自体が高磁場から引力を受けることで、金属部品内部の応力で形状に歪みが発生し、光コリメータとしての光学特性を維持することが困難になる。
【００１８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光機能部品などの組立を行う際に、従来の同心構造のスリーブを用いた光コリメータのように、入射／出射する平行光の偏心方向を一致させるための調心作業を必要とせず、平行光が光コリメータの中心軸に対して入射／出射する光コリメータを提供することを目的とする。また、温度条件が多種にわたる使用時における偏心スリーブと部分球面レンズ及び毛細管との熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を可及的に低減させると共に、１Ｔｅｓｌａ以上の高磁場中でも電磁誘導の悪影響を受けない光コリメータを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る光コリメータは、円筒状の偏心スリーブと、該偏心スリーブ内に円柱部が挿着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリーブ内に挿着され、中心に光ファイバを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメータであって、前記偏心スリーブがガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする。
【００２０】
光コリメータに使用する偏心スリーブが、金属製であると周囲の温度変化に対して大きく膨張収縮を起こすので、それに伴い光路長も変化し、安定した光学性能が得られない。また、高精度の金属製の偏心スリーブを作製するには、精密円筒研削機等を使用して一本毎にマイクロメートル精度の研削加工が必要となり、供給能力及び製造コストの点で、支障がある。さらに、近年、光通信に使用される光デバイスの小型化・高密度実装化の進展に伴い、小型の光コリメータが要求されているが、シングルモード光ファイバ等を使用する光通信デバイスに用いられるような小型でかつ高精度な金属製偏心スリーブを作製すること自体がほとんど不可能に近いというのが現実である。本発明の光コリメータに使用する偏心スリーブとしては、従来よりも小型で高精度な偏心スリーブを連続的に精密成形が可能で、供給能力及び製造コストの点で有利なガラスまたは結晶化ガラスからなることが重要である。
【００２１】
具体的には、光コリメータ２１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部２３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面２３ｂを有する部分球面レンズ２３と、中心に端面２５ａが傾斜している光ファイバ２５を保持した毛細管２４と、ガラスまたは結晶化ガラスからなり、光軸に対して略垂直な部分球面レンズ２３の直径及び毛細管２４の外径よりも僅かに大きい内孔２２ａを有する円筒状の偏心スリーブ２２とを備え、部分球面レンズ２３の透光球面２３ｂから入射／出射する平行光２７の光軸Ｚが、偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂを中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂに対して０．２°以内の角度であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の光コリメータ２１は、一対の前記光コリメータ２１をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂが相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファイバ２５から光信号を導入したとき、他方の光ファイバ２５から入力に対して−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする。
【００２３】
図１に示す本発明の光コリメータ２１は、図３に示す屈折率が略均一なガラスからなる円柱部２３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面２３ｂを有する部分球面レンズ２３と、図２に示す内部に光ファイバ２５を保持している同心構造の毛細管２４を、平行光２７が光コリメータ２１の中心軸Ａに対して偏心しないように、図４に示す予め偏心させた偏心スリーブ２２の内孔２２ａへ挿入し、光コリメータ２１として正しく作動するように光学的に適切な位置となるように固定されてなるものであり、平行光２７の光軸Ｚが偏心スリーブの外周面の中心軸Ｂに対して０．０２ｍｍ以内の範囲から０．２°以内の角度で入射／出射することが可能なものである。
【００２４】
本発明の光コリメータ２１を構成する同心構造の毛細管２４は、図２に示すように、光ファイバ２５が毛細管２４の外周面の中心軸Ｙ上に固定されているので、図３に示す部分球面レンズ２３と光ファイバ２５を内部に保持した同心構造の毛細管２４を、平行光２７の光軸Ｚが光コリメータ２１の中心軸Ａに対して偏心しないように、図４に示す偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔２２ａの中心軸Ｃとを予めδ偏心させた偏心スリーブ２２の内孔２２ａに光コリメータ２１として正しく作動するように光学的に適切な位置に固定すれば、図１に示すように平行光２７が光コリメータ２１の中心軸Ａから入射／出射する光コリメータ２１が得られる。
【００２５】
また、本発明の光コリメータ２１を構成する部分球面レンズ２３は、図３に示すように、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部２３ａの両端に曲率中心が略同一の反射防止膜が施された透光球面２３ｂを有し、部分球面レンズ２３の外周面の中心軸Ｘが光軸となっている。
【００２６】
これに対して、先出の図９に示すように、光軸が外周面の中心軸Ｘにある部分球面レンズ３と、内部に光ファイバ５を保持した同心構造の毛細管４を、同心構造のスリーブ２の内孔２ａへ挿入し光コリメータ１に組立てると、平行光７は光コリメータ１の中心軸Ａから入射／出射しない。
【００２７】
本発明で使用する部分球面レンズ２３としては、屈折率が略均一な光学ガラス等からなり、真球状に加工することにより高い焦点精度を有する球レンズが作製できる材料であれば使用可能であり、光コリメータ２１の小型化、細径化のため、高い真球度を有する球レンズの周囲を研削して作製した部分球面レンズ２３が適している。部分球面レンズ２３に用いるガラスとしては、光学ガラスのＢＫ７、Ｋ３、ＴａＦ３、ＬａＦ０１、ＬａＳＦ０１５等を用いることが望ましい。
【００２８】
また、本発明で使用する平行光２７の光軸Ｚが光コリメータ２１の中心軸Ａに対して偏心しないように、偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔２２ａの中心軸Ｃとを予めδ偏心させた偏心スリーブ２２は、図４に示すように、ガラスあるいは結晶化ガラスからなり、ドローイング法により高精度に安定して効率よく安価に作製することができる。さらに、軟化状態のガラスを延伸するドローイング法により作製しているので、偏心スリーブの表面はファイヤーポリッシュされている。
【００２９】
図１に示す光コリメータ２１を構成する光学ガラスＬａＳＦ０１５製の部分球面レンズ２３の熱膨張係数を７４×１０-7／Ｋ、硼珪酸ガラス製のスリーブ２２の熱膨張係数を５１×１０-7／Ｋ、および結晶化ガラス製の毛細管２４の熱膨張係数を２７×１０-7／Ｋとすると、環境温度が６０℃変動した時、相互の熱膨張係数差に起因する光コリメータ２１の中心軸Ａに対する平行光２７の光軸Ｚの偏心量δの変化は、０．０００３ｍｍ（０．３μｍ）以下となる。また、平行光２７の出射偏角（ビーム傾き角）の変化は、０．０１°以下である。
【００３０】
一方、偏心スリーブ２２として、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１８４×１０-7／Ｋ）を用いた場合、相互の熱膨張係数差が１００×１０-7／Ｋ以上となり、これに起因する光コリメータ１１の中心軸Ａに対する平行光２７の光軸Ｚの偏心量の変化は、０．０００９ｍｍ（０．９μｍ）程度、平行光２７の出射偏角（ビーム傾き角）の変化は、０．０３°程度と、それぞれ硼珪酸ガラス製のスリーブ２２を用いた場合と比較すると３倍程度悪化する。
【００３１】
したがって、相互の熱膨張係数差が５０×１０-7／Ｋ以内の部材を用いて光コリメータを作製することが、環境温度の変化に対して安定した光学特性を有する光コリメータ２１を作製する上で重要である。
【００３２】
また、本発明の光コリメータ２１は、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる部分球面レンズ、毛細管、及び偏心スリーブにより作製され、１Ｔｅｓｌａ以上の高磁場中で電磁誘導による渦電流を実質的に起こさないことを特徴とする。
【００３３】
偏心スリーブ２２として、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４１０やフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０を１Ｔｅｓｌａ以上、即ち１００００Ｇａｕｓｓ以上の高磁場中で用いた場合、電磁誘導の影響を受け、偏心スリーブ２２中に強力な渦電流が流れ、偏心スリーブ２２が破損する恐れがある。さらに、偏心スリーブ２２自体が高磁場から引力を受けることで、応力により形状に歪みが発生し、光コリメータとしての光学特性を維持することが困難になる恐れがある。そのため、本発明の光コリメータ２１には、１Ｔｅｓｌａ以上、即ち１００００Ｇａｕｓｓ以上の高磁場中でも、渦電流などの電磁誘導の影響を受けない、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる、部分球面レンズ２３、毛細管２４、及び偏心スリーブ２２を用いることが重要である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の光コリメータは、円筒状の偏心スリーブと、該偏心スリーブ内に円柱部が挿着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリーブ内に挿着され、中心に光ファイバを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメータであって、前記偏心スリーブがガラスまたは結晶化ガラスからなるので、小さい寸法の光コリメータを作製する際に、ガラスの精密成形技術が使用可能であることから、金属製のものに比べて高精度でかつ安価な偏心スリーブが得られ、従来にない小さい寸法で高密度に実装可能な光コリメータを実現することができる。
【００３５】
具体的には、光コリメータ２１は、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部２３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面２３ｂを有する部分球面レンズ２３と、内部に光ファイバ２５を保持している同心構造の毛細管２４を、平行光２７の光軸Ｚが光コリメータ２１の中心軸Ａに対して偏心しないように、偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔２２ａの中心軸Ｃとを予めδ偏心させた偏心スリーブ２２の内孔２２ａへ挿入し、光コリメータ２１として正しく作動するように光学的に適切な位置に固定されてなるので、光機能部品８などの組立を行う際に、先記した従来の同心構造のスリーブ２を用いた光コリメータ１のように、入射／出射する平行光７の光軸Ｚの偏心方向を一致させるための調心作業を必要とせず、平行光２７の光軸Ｚが光コリメータ２１の中心軸Ａに対して入射／出射する光コリメータ２１を作製することができると共に、温度条件が多種にわたる使用時における偏心スリーブ２２と部分球面レンズ２３および毛細管２４との熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を最小限に留めた光コリメータ２１を作製することができる。そのため、高い信頼性を有する光機能部品や各種センサなどを作製することが可能となる。
【００３６】
本発明の光コリメータ２１は、一対の前記光コリメータ２１をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂが相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファイバ２５から光信号を導入したとき、他方の光ファイバ２５から入力に対して−３０ｄＢ以上の光の応答が得られるものであるので、煩わしい手動での調心作業を行う必要がなく、光軸の自動調心装置などを用いて対向配置させた光コリメータ対の光軸調心を簡単に行うことができ、光デバイスの組立を従来に無い高い効率で実現可能となる。
【００３７】
本発明の光コリメータ２１は、偏心スリーブ２２が、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、高精度の円筒度、および偏心量（軸外し量とも称す）をドローイング法で達成することができ、且つ、安定して効率よく大量に作製することが可能である。さらに、偏心スリーブ２２の表面はファイヤーポリッシュされており、表面を研磨する必要が無いので、安価に作製できる効果を有する。
【００３８】
本発明の光コリメータ２１は、毛細管２４が、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、偏心スリーブ２２と同様に、高精度の円筒度をドローイング法で達成することが可能であると同時に、表面がファイヤーポリッシュされているので、表面を研磨する必要がなく、安定して効率よく安価に作製できる効果を有する。
【００３９】
本発明の光コリメータ２１は、偏心スリーブ２２、部分球面レンズ２３及び毛細管２４の相互の熱膨張係数差が５０×１０-7／Ｋ以内であるので、偏心スリーブ２２、部分球面レンズ２３及び毛細管２４の相互の熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を最小限に留め、環境温度の変化に対して安定した性能を維持可能な光コリメータ２１を実現することができ、実用上優れた効果を奏するものである。
【００４０】
本発明の光コリメータ２１は、部分球面レンズ２３、毛細管２４、及び偏心スリーブ２２が、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなるので、１Ｔｅｓｌａ以上、即ち１００００Ｇａｕｓｓ以上の高磁場中でも電磁誘導の影響を受けないので、電磁誘導に起因する光学特性の悪化を受けない光コリメータ２１を実現することができる。
【００４１】
一般的に、光は真空中では静磁場による影響は受けないが、物質中や物質の表面で反射された光は、磁場（物質中の磁束）の影響を受けることが知られており、これらはファラデー効果や磁気カー効果と呼ばれる物質の磁気的性質が光の偏り（以下偏光） に及ぼす作用があるが、ファラデー効果は、物質に直線偏光を通すと磁場の強さと共に光の偏光面が回転する現象であり、磁気カー効果は、物質に直線偏光が入射したとき、主軸の向きが入射直線偏光の向きから傾いた楕円偏光が反射する現象で、どちらの効果も、偏光に作用するのみであり、回転軸に取りつけてその動きを検出するロータリーエンコーダなどの光パルスを検出する方式の各種センサ用途としては、光学特性上問題となることはない。
【００４２】
また、本発明の光コリメータ２１は、最大直径が２ｍｍ未満であることを特徴とし、最大直径が１．５ｍｍ未満であることが好ましい。
【００４３】
本発明で光コリメータ２１は、その偏心スリーブ２２の外径等の最大直径が２ｍｍ未満であると、光コリメータ２１を使用する光デバイスの小型化、及び光コリメータ２１の高密度な配列が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００４５】
図１は、本発明の一例を示す光コリメータ２１の説明図である。図中２２は偏心スリーブとしてガラス製の偏心チューブを、２３は部分球面レンズを、２６は接着剤を、２４は同心構造の毛細管を、２５は光ファイバをそれぞれ示している。
【００４６】
図１中の光コリメータ２１を構成する偏心スリーブ２２を予め偏心させる量δは、
ｎ1：光ファイバ２５のコア部の屈折率
ｎ2：大気中の場合は空気の屈折率
ｎ3：部分球面レンズ２３の屈折率
ｒ：部分球面レンズ２３の曲率半径
θ：光ファイバ２５の端面２５ａの斜め研磨角度
とすると、以下のように表される。
【００４７】
【数１】
2004302453.tif 000003
【００４８】
表１に部分球面レンズ２３の硝材として光学ガラスＬａＳＦ０１５を使用した光コリメータ２１の各パラメータの例を示す。
【００４９】
【表１】
2004302453.tif 000004
【００５０】
上記の各パラメータを用いて数１により偏心量δを計算すると０．１３ｍｍとなる。したがって、図１に示す構造の光コリメータ２１に用いる偏心スリーブ２２の偏心量δは、表１に示すパラメータの場合、０．１３ｍｍとすればよい。
【００５１】
本発明の光コリメータ２１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、偏心スリーブ２２の外周面の直径が１．４ｍｍで偏心スリーブ２２の内孔２２ａの直径が１．０ｍｍとなる、偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔の中心軸Ｃとの偏心量δ（軸外し量）が０．１３ｍｍの全長が５．０ｍｍのガラス製の偏心スリーブ２２と、偏心スリーブ２２の内孔２２ａに固定され屈折率が略均一な光学ガラスＬａＳＦ０１５からなり、円柱部２３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面２３ｂを有する曲率半径ｒが１．７５ｍｍの部分球面レンズ２３と、偏心スリーブ２２の内孔２２ａに部分球面レンズ２３を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤２６を備えている。部分球面レンズ２３の透光球面２３ｂには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、外周面の直径が１．０ｍｍで全長が４．３ｍｍの同心構造の毛細管２４は、内部に保持した光ファイバ２５の端面２５ａからの反射戻り光を低減するために、毛細管２４の外周面の中心軸Ｙに垂直な平面に対して８°に斜め研磨し、且つ端面２５ａに図示しない反射防止膜が形成されており、偏心スリーブ２２の内孔２２ａに同心構造の毛細管２４を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤２６を備えている。
【００５２】
本発明の光コリメータ２１は、光ファイバ２５の端面２５ａと部分球面レンズ２３の透光球面２３ｂが、光コリメータ２１として正しく作動するように光学的に適切な距離０．２５ｍｍとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤２６により固定されているものである。
【００５３】
次に、光コリメータ２１の挿入損失、反射減衰量（リターンロス）、平行光２７の出射偏角（ビーム傾き角）、及び光コリメータ２１の中心軸Ａに対する平行光２７の光軸Ｚの偏心量（光軸偏心）の例を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2004302453.tif 000005
【００５５】
これらの測定には波長１５５０ｎｍの光を用い、また、挿入損失については、光コリメータ２１を２個用いて作動距離が１７．５ｍｍとなるように対向配置した状態で測定を行う。ここで作動距離とは、光コリメータ２１を対向配置した際に、それぞれの部分球面レンズ２３の外側の透光球面２３ｂ間の空間の距離のことである。
【００５６】
表２のように、挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題は無い。
【００５７】
また、出射偏角は０．１°以下と従来品と比較すると非常に良い値となっている。さらに、光コリメータ２１の中心軸Ａに対する平行光２７の光軸Ｚの偏心量が０．０１５ｍｍ以下となっているので、例えば、図１（Ｃ）に示すように、Ｖ溝基板２８のＶ溝２８ａ上に光コリメータ２１をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂが相互に一致した状態で対向させて搭載すると、無調心の状態でも光信号の応答が得られるので、光コリメータ２１どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置などを用いて組立てる際、従来品に比べて、作業効率が著しく向上する。例えば、波長１５５０ｎｍの光を用い、光コリメータ２１を２個用いて作動距離が１７．５ｍｍとなるように１本のＶ溝上に対向配置させ、無調心の状態で挿入損失を測定した。その際の挿入損失の値は１．５ｄＢ程度であった。
【００５８】
このように、１本のＶ溝に無調心の状態で搭載するだけで、自動調心装置が作動する−３０ｄＢ以上の光信号の応答、即ち、このような光学系で種々の光学系で測定したところ、殆どのもので−１０ｄＢ以上の光信号の応答が得られ、通常に加工されたものでは入力信号に対して−５ｄＢ〜−１ｄＢの範囲の十分な光信号の応答が得られるものであった。このように簡単に十分な光信号の応答が得られるので、従来品にない性能を発揮している。
【００５９】
次に、光コリメータ２１の組立方法について説明する。
【００６０】
まず、相似形の母材を加熱・延伸成形すること等により、外周面の直径が１．０ｍｍ未満で、光ファイバ２５の直径よりも僅かに大きい内径を有する長尺の毛細管を作製する。次に、長尺の毛細管を適度な長さに切断し、図２に示すように、毛細管２４の内孔に光ファイバ２５を挿入・接着した後、毛細管２４の外周面の中心軸Ｙに垂直な平面に対して８°に研磨し、さらに光ファイバ２５の端面２５ａに図示しない反射防止膜を形成することで外周面の直径が１．０ｍｍ未満で全長が４．３ｍｍの毛細管１４の外周面の中心軸Ｙが光軸となる毛細管２４を作製する。なお、毛細管２４の外周面には、光ファイバ２５の端面２５ａへ施した８°研磨の方向を表示するマーキングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されている。
【００６１】
また、図３の破線で示すような、真球度が高く安価に入手が可能な球レンズを材料として使用し、図示しない研削機で円柱状に研削する。このようにして直径が１．０ｍｍ未満で屈折率が略均一なガラスからなる円柱部２３ａの両端に曲率中心が同一で曲率半径ｒが１．７５ｍｍの透光球面２３ｂを有し、且つ部分球面レンズ２３の外周面の中心軸Ｘが光軸となる部分球面レンズ２３を作製する。
【００６２】
次に、相似形の母材を加熱・延伸成形すること等により、図４に示すような偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔２２ａの中心軸Ｃとの偏心量δが０．１３ｍｍで、偏心スリーブ２２の外周面の直径が１．４ｍｍ、偏心スリーブ２２の内孔２２ａの直径が１．０ｍｍの透明なガラス製の偏心スリーブ２２を作製する。この偏心スリーブ２２の外周面に、偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ２２の内孔２２ａの中心軸Ｃとの偏心方向を合わせるマーキングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されていると光コリメータ２１の組立が容易になる。
【００６３】
次いで、偏心スリーブ２２の内孔２２ａに部分球面レンズ２３を挿入し、接着剤２６で固着する。接着剤２６が完全に硬化した後に、毛細管２４を挿入し、互いのマーキングを合わせて位置決めを行い、光ファイバ２５の端面２５ａと部分球面レンズ２３の透光球面２３ｂとの距離が０．２５ｍｍとなる位置に観察・測定しながら位置決めして固定し接着剤２６で固着することにより、図１のような偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂが平行光２７の光軸Ｚとなる光コリメータ２１が完成する。
【実施例２】
【００６４】
図５は、本発明の他の例を示す長作動距離を有する光コリメータ３１の説明図である。図中３２は偏心スリーブとしてガラス製のチューブを、３３は部分球面レンズを、３６は接着剤を、３４は毛細管を、３５は光ファイバをそれぞれ示している。本例は、偏心スリーブ３２としてガラス製のチューブを用いた場合であるが、相互の熱膨張係数差が５０×１０-7／Ｋ以内ならば、他の材料でもよい。
【００６５】
図５中の光コリメータ３１を構成する偏心スリーブ３２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ３２の内孔３２ａの中心軸Ｃとを予め偏心させる偏心量δは、
ｎ1：光ファイバ３５のコア部の屈折率
ｎ2：大気中の場合は空気の屈折率
ｎ3：部分球面レンズ３３の屈折率
ｒ：部分球面レンズ３３の曲率半径
θ：光ファイバ３５の端面３５ａの斜め研磨角度
とすると、先出の数１のように表される。
【００６６】
表３に部分球面レンズ３３の硝材として光学ガラスＬａＳＦ０１５を使用した長作動距離を有する光コリメータ３１の各パラメータの例を示す。
【００６７】
【表３】
2004302453.tif 000006
【００６８】
上記の各パラメータを用いて数１により偏心量δを計算すると０．２０ｍｍとなる。したがって、図５に示す構造の長作動距離を有する光コリメータ３１に用いる偏心スリーブ３２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ３２の内孔３２ａの中心軸Ｃとの偏心量は、表３に示すパラメータの場合、０．２０ｍｍとすればよい。
【００６９】
本発明の長作動距離を有する光コリメータ３１は、偏心スリーブ３２の外周面の直径が１．８ｍｍで、内孔の直径が１．２５ｍｍとなる全長が８．０ｍｍで、偏心スリーブ３２の外周面の中心軸Ｂと偏心スリーブ３２の内孔３２ａの中心軸Ｃとの偏心量δが０．２０ｍｍのガラス製チューブと、偏心スリーブ３２の内孔３２ａに固定され屈折率が略均一な光学ガラスＬａＳＦ０１５からなり、円柱部３３ａの両端に曲率中心が略同一の透光球面３３ｂを有し、偏心スリーブ３２の内孔３２ａに部分球面レンズ３３を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤３６を備えている。部分球面レンズ３３の透光球面３３ｂには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、外周面の直径が１．２５ｍｍで全長が４．３ｍｍの毛細管３４は、内部に保持した光ファイバ３５の端面３５ａからの反射戻り光を低減するために、毛細管３４の外周面の中心軸Ｙに垂直な平面に対して８°に斜め研磨し、且つ端面３５ａに図示しない反射防止膜が形成されており、偏心スリーブ３２の内孔３２ａに毛細管３４を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤３６を備えている。
【００７０】
本発明の長作動距離を有する光コリメータ３１は、光ファイバ３５の端面３５ａと部分球面レンズ３３の透光球面３３ｂが、光コリメータとして正しく作動するように光学的に適切な距離０．４０ｍｍとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤３６により固定されているものである。
【００７１】
次に、長作動距離を有する光コリメータ３１の挿入損失、反射減衰量（リターンロスとも称す）、平行光３７の出射偏角（ビーム傾き角とも称す）、及び長作動距離を有する光コリメータ３１の中心軸Ａに対する平行光３７の光軸Ｚの偏心量（光軸偏心とも称す）の例を表４に示す。
【００７２】
【表４】
2004302453.tif 000007
【００７３】
これらの測定には波長１５５０ｎｍの光を用い、また、挿入損失については、長作動距離を有する光コリメータ３１を２個用いて作動距離が１５０ｍｍとなるように対向配置した状態で測定を行う。
【００７４】
挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題は無い。
【００７５】
また、出射偏角は０．１°以下と長作動距離を有する光コリメータの従来品と比較すると非常に良い値となっている。さらに、長作動距離を有する光コリメータ３１の中心軸Ａに対する平行光３７の光軸Ｚの偏心量が０．０１５ｍｍ以下となっているので、例えば先記の図１（Ｃ）と同様に、精密なＶ溝上に長作動距離を有する光コリメータ３１を所定の作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ３２の外周面の中心軸Ｂが相互に一致した状態で対向させて搭載すると、無調心の状態でも入力に対して数ｄＢ程度の挿入損失で光信号の応答が得られるので、長作動距離を有する光コリメータ３１どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置などを用いて組立てる際、長作動距離を有する従来の光コリメータを用いたものに比べて作業効率が著しく改善する。
【００７６】
実際に、波長１５５０ｎｍの光を用い、光コリメータ３１を２個用いて作動距離が１５０ｍｍとなるようにＶ溝上に対向配置させ、無調心の状態で挿入損失を測定した。その結果、入力に対して１．５ｄＢ程度の挿入損失で光信号の応答が得られ、従来品にない性能を発揮している。
【００７７】
さらに、図５に示す本発明の光コリメータ３１は、１５０ｍｍもの長作動距離を有するにもかかわらず、部分球面レンズ３３の外周面の直径を１．２５ｍｍに細径化することで、外周面の直径が１．８ｍｍの光学特性に優れた光コリメータ３１を実現した。
【実施例３】
【００７８】
図６は、本発明の光コリメータ２１を用いたインクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０の一例を示す説明図である。ロータリーエンコーダ４０とは、回転角度や回転角速度を検出するセンサの一つで、図６に示すように回転軸に信号用スリット４１ａを持つスケール４１が直接取り付けてあり、信号用スリット４１ａを通過する光コリメータ２１の平行光２７のパルス信号で回転角を検出するセンサである。得られた回転角度を時間で微分すれば、回転角速度を検出することも可能である。
【００７９】
しかしながら、図６の構造では回転角度の検出はできるが、どちらの向きに回転しているのかを検出することができない。そこで、多くのロータリーエンコーダにおいては、光コリメータ２１を複数個用いることで、どちらの向きに回転しているのかを検出すると共に、開始点を検出する構造となっている。図７に示すとおり、最低３対（６個）の光コリメータ２１を用いることで、回転方向と開始点を検出することができる。
【００８０】
図７の受光側の光コリメータ２１から検出されるパルス信号、およびその信号処理を図８に示す。α相とβ相は互いに位相が１８０度ずれて検出されるように配置されているが、このままでは回転角度の分解能が粗いので、α相のパルス信号とβ相パルス信号に対して排他的論理和をとることで、分解能を２倍にすることができる。
【００８１】
排他的論理和とは、本件発明の光コリメータ２１を用いたインクリメンタル型ロータリーエンコーダ４０において、α相のパルス信号とβ相のパルス信号の入力が違う場合にＯＮの信号を、それ以外はＯＦＦとなる演算のことである。α相のパルス信号とβ相のパルス信号による排他的論理和の処理結果を表５に示す。
【００８２】
【表５】
2004302453.tif 000008
【００８３】
さらに、α相のパルス信号とβ相のパルス信号の排他的論理和を微分した結果と、α相のパルス信号とβ相のパルス信号の排他的論理和のＮＯＴを微分した結果の排他的論理和をとると回転角の分解能を４倍に高めることができる。
【００８４】
図７に示す本発明の光コリメータ２１を用いたインクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０において、回転軸が正回転なのか逆回転なのかを判定するには、α相のパルス信号が立ち上がる時に、β相の信号がＯＮかＯＦＦかを検出することで、正回転か逆回転かを判定することができる。
【００８５】
図７に示したようなインクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０は、産業用ロボットなどに多く使用されているが、本発明の光コリメータ２１は、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる、部分球面レンズ２３、毛細管２４、偏心スリーブ２２、及び光ファイバ２５を用いて作製されており、金属部材を全く用いていないため、１Ｔｅｓｌａ以上、即ち１００００Ｇａｕｓｓ以上の高磁場中でも電磁誘導の影響を受けることがなく、例えばＭＲＩ（磁気共鳴画像）のような超伝導磁石を用いる超高磁場においても使用することができる。
【００８６】
図７に示したスケール４１や回転軸を非金属、例えば樹脂やガラスなどを用いて作製することで、非金属材料のみで構成されたインクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０を実現することができ、高磁場にさらされる機器中においても電磁誘導の影響を受けることなく、インクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０を利用することができる。
【００８７】
図７に示したインクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０は本発明の光コリメータ２１で構成され、得られたパルス信号を電気絶縁体の光ファイバ２５により、高磁場の影響を受けない遠距離に設置されたパルス信号処理機器まで低損失で伝送することが可能である。
【００８８】
一般的に、光は真空中では静磁場による影響は受けないが、物質中や物質の表面で反射された光は、磁場（物質中の磁束）の影響を受けることが知られており、これらはファラデー効果や磁気カー効果と呼ばれる物質の磁気的性質が光の偏り（以下偏光） に及ぼす作用があるが、ファラデー効果は、物質に直線偏光を通すと磁場の強さと共に光の偏光面が回転する現象であり、磁気カー効果は、物質に直線偏光が入射したとき、主軸の向きが入射直線偏光の向きから傾いた楕円偏光が反射する現象で、どちらの効果も、偏光に作用するのみであり、回転軸に取りつけてその動きを検出するロータリーエンコーダ４０などの光パルスを検出する方式の各種センサ用途としては、光学特性上問題となることはない。
【００８９】
実施例３では光コリメータ２１を用いて説明したが、もちろん実施例２に示した長作動距離を有する光コリメータ３１を用いて、インクリメンタル型のロータリーエンコーダ４０を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の光コリメータの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図、（Ｃ）はＶ溝上に光コリメータを対向させた性能評価の説明図。
【図２】本発明の光コリメータに使用する内部に光ファイバを保持した毛細管の説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。
【図３】本発明の光コリメータに使用する部分球面レンズの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。
【図４】本発明の光コリメータに使用する偏心スリーブの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。
【図５】本発明の長作動距離を有する光コリメータの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。
【図６】光コリメータを用いたロータリーエンコーダの説明図。
【図７】光コリメータを用いた回転方向を検出可能なロータリーエンコーダの説明図。
【図８】ロータリーエンコーダのα相およびβ相の信号処理の説明図。
【図９】従来の光コリメータの説明図であって、（Ａ）は光軸に対して平行な方向の断面図、（Ｂ）は光軸に対して垂直な方向の断面図。
【図１０】従来の光コリメータを用いた光機能部品の断面図。
【図１１】光ファイバ端面に斜め研磨を施さない場合の光コリメータの断面図。
【符号の説明】
【００９１】
２１、３１    光コリメータ
２２、３２    偏心スリーブ
２２ａ、３２ａ    スリーブの内孔
２３、３３    部分球面レンズ
２３ａ、３３ａ    部分球面レンズの円柱部
２３ｂ、３３ｂ    部分球面レンズの透光球面
２４、３４    毛細管
２４ａ、３４ａ    毛細管の研磨面
２５、３５    光ファイバ
２５ａ、３５ａ    光ファイバの端面
２６、３６    接着剤
２７、３７    平行光
２８    Ｖ溝基板
２８ａ    Ｖ溝
４０    ロータリーエンコーダ
４１    スケール
４１ａ    信号用スリット
４１ｂ    開始点検出用スリット
Ａ    光コリメータの中心軸
Ｂ    スリーブの外周面の中心軸
Ｃ    スリーブの内孔の中心軸
Ｘ    部分球面レンズの外周面の中心軸
Ｙ    毛細管の外周面の中心軸
Ｚ    平行光の光軸
δ    偏心量
【図１】
2004302453.tif 000009
【図２】
2004302453.tif 000010
【図３】
2004302453.tif 000011
【図４】
2004302453.tif 000012
【図５】
2004302453.tif 000013
【図６】
2004302453.tif 000014
【図７】
2004302453.tif 000015
【図８】
2004302453.tif 000016
【図９】
2004302453.tif 000017
【図１０】
2004302453.tif 000018
【図１１】
2004302453.tif 000019