JP4147130B2 - 広範囲検出用光電スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通過又は落下位置の定まらない物体を検出する広範囲検出用光電スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に通過位置の定まった物体を光学的に検出する場合には、その定まった通過位置を挟んで１個の投光素子と、１個の受光素子を対置すればよいが、このような単光軸の光電スイッチでは、物体の通過位置が光軸をそれると検出できなくなる。
【０００３】
そこで、物体の広い通過範囲をカバーできる広範囲検出用の光電スイッチとして、所定の検出距離を隔てて複数の投光素子と、複数の受光素子とを対向配置し、互いに対向した投光素子と受光素子とを同期的に光結合した状態となるように順次作動させる方式が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２４８６７号公報（発明の実施の形態[0020]-[0022] 段、図１、２及び５参照）
【０００５】
ところで、この順次同期方式では、光結合した一の光軸と、同じく光結合した隣接光軸との間にあって、いずれの光軸をもさえぎらない物体は、検出されないまま通過することになり不都合であるため、できるだけ隣接光軸間を狭くするように投光素子と受光素子の数を増やして密に配置する努力が為されている。しかし、このような素子数の増加には無理があり、特に、受光部を構成するレンズ，整流回路、増幅回路、出力回路などの部品数が多くなり、コスト高になるという大きな欠点がある。
【０００６】
このような実情に鑑み、出願人は投光部側の各素子は順次発光させるが、受光部側は常時待機状態とした広範囲検出用の光電スイッチを提案した（例えば、特許文献２参照）。この方式によれば、各受光素子は対向する投光素子以外の（斜めにずれた）複数の投光素子から自身に向かってくる光にも感応するため、全体として不感帯が少なくなる。
【０００７】
【特許文献２】
特開平３‐２５９１号公報（特許請求の範囲、及び図１−３参照）。
【０００８】
図１は、このような多素子配列型光電スイッチの概略構成であって、複数（この場合５個）の投光素子１ａ〜１ｅの配列は、発振・分周及びカウンタ機能を備えたタイミング制御回路２に従って作動する駆動回路Ｄ１〜Ｄ５により順次駆動され、いずれも、受光素子３ａ〜３ｅのすべてに到達する各角度範囲θ１〜θ５以上の広がりを持って発光する。この場合、常時待機状態にある受光素子３の配列からは、例えば、遅延ＡＧＣによって、各投光素子１の発光タイミング中に受光した受光素子数（全受光量）を判断し、全数受光でなければ出力をカットして物品検知信号とし、全数であれば一定レベルの物品不存在信号を発生する。なお、各受光素子に遮光状態で真出力を出す「ダークオン」スイッチング回路を接続し、この真出力を物品検知信号とする方式も用いられる。
【０００９】
従って、被検物体が各受光素子のいずれか活性化された受光軸をさえぎる位置Ｏ１、Ｏ２、及びＯ３等を通過すれば、投光素子１ａ発光時の受光素子３ａ、１ｂ発光時の受光素子３ａ、及び１ｄ発光時の受光素子３ｅが受光せず、全数受光でなくなるため、遅延ＡＧＣの出力カット（物品検知）となる。しかし、光軸間隔に比して物品の大きさが小さく、通過位置が定まらない場合には、例えば投光素子１ｄ、１ｅ間の至近位置Ｆ１、投光素子１ｅー受光素子３ｅ間の内側に逸れた位置Ｆ２、及び受光素子３ｄ、３ｅ間の至近位置Ｆ３、検知範囲の中心部の横脇の位置Ｆ４，受光素子３ｄに比較的近い光軸間位置Ｆ５等の種々の光軸間位置を通過すれば、どの受光素子も遮光されないため、検出領域に物体が存在するにも拘わらず物品不存在信号を発生することになり, 誤検出となる。
【００１０】
上記のような誤検出を無くするには検出領域内の不感領域を無くさなければならず、単純には投光ー受光同期方式において試みられたと同様に、投光素子及び受光素子の数を増やし、それらの配列を密にすることが考えられるが、その数は膨大となり、放熱手段等も必要とすることが予想されるため、経済性が極めて悪くなる。また、如何に素子数のみを単に増やしたとしても、投光部及び受光部を共に素子でもって構成する以上、不感領域を完全に無くすることは技術的に不可能であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記のような不都合を解消し、極少の受光素子を用いて、しかも受光帯域に連続性をもたせることにより、順次駆動される複数の投光素子の配列に対応して所定範囲内における物体の通過状態を実質上漏れなく検出しうる広範囲検出用光電スイッチを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は，ａ）同一面内において整列配置された複数の投光素子と、これらの投光素子を順次発光させるための投光信号発生及び分配回路とからなる投光側部と、
ｂ）一側面が、前記整列配置された複数の投光素子から発せられた光を受光し得るように設置された円柱状の導光性ロッドを主体とする受光部材であって、ロッド横断面において前記一側面と反対側の所定円弧範囲にわたる弦に対応した光反射面を形成し、更にその導光性ロッドの少なくとも一端に受光素子を付設してなる前記受光部材と、前記少なくとも一端における受光素子を作動させるための受光素子作動及び信号処理回路とからなる受光側部と、を備えてなる広範囲検出用光電スイッチを構成したものである。
【００１３】
上記の構成における導光性ロッドとしては、一般的な光ファイバーと同様、前記弦側面に前記光反射面を有する円柱状の透明コアと、その透明コアの外周を保護する透明クラッドとからなる構造を採用することができる。そしてこのクラッドの存在により、後述する透明コアへの内部反射を確実に形成することが可能となる。
【００１４】
上記のコア／クラッド構造からなる導光性ロッドにおいては、本発明に従って図２Ａ及びＢに示すような側面入射及び反射光学系が形成される。導光性ロッド４は、一般に、クラッド５の屈折率をコア６の屈折率よりも小さくしてあるため、一側面（図２の上側）から入射した光は、段階的に屈折してコア６における反対側（図２の下側）の光反射層７の内表面に達する。この内表面とは、図２Ａにおいて、光反射層７の円弧両端にわたる弦面に形成された「光反射面８」のことに他ならない。
【００１５】
図２Ｂから明らかなとおり、導光性ロッド４の一側面から入射したいずれかの投光素子１（ａ〜ｅ）からの光が、その導光性ロッド４のコア６を横断して光反射層８に達し、乱反射されると、いずれかのロッド端に向かって斜めに進む反射成分を生じ、その反射成分のうち、前記一側面に対してクラッド５の屈折率における臨界角θより大きい角度で入射するものが、クラッド５からコア６体内に再反射される。この再反射光は再び光反射面８に達し、この面から前記斜めに進む反射成分を確実に生じるが故に、前述したコア６体内での斜め折り返し過程を繰り返し、いずれかのロッド端に入射する。
【００１６】
このロッド端への入射角は十分小さいため、ロッド端にあてがわれるべき受光素子の光導入媒質が、クラッド５より小さい屈折率であって、前記θより小さい臨界角を有する場合でも、コア６体内に反射することなく、その光導入媒質内へ透過し、受光素子への入射を可能にする。
【００１７】
本発明においては、基本的に２個の受光素子を前記導光性ロッドの両端に、個々に配置することにより、前記のとおりロッド両端に達した光をそれぞれ検知し、その合計出力をもって検査フィールドの透過光量とし処理するが、一個の受光素子のみを導光性ロッドのいずれか一端に配置し、同ロッドの他端には光反射鏡面を付設することにより、この端面に達した光を同ロッド内に反射し、究極的に前記一個の受光素子に、重ねて受光させるようにしてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図３〜図６を参照して実施の形態について説明する。まず図３に示すとおり、本発明の広範囲検出用光電スイッチは、測定対象物及びその通過範囲の大きさに応じたフレーム構造として製作される。光電スイッチフレーム９は、制御及び演算等のための中央演算処理回路を収納したベースサイド１０、ＬＥＤ等の投光素子配列を収納した投光サイド１１、投光素子配列中の各素子から順次投射された光を側面で受光する導光性ロッドを挿入した溝を有する受光サイド１２、及びベースサイド１０の対向辺として投光サイド１１と受光サイド１２の先端を架橋連結する連結サイド１３とから構成される。表面蓋１４は連結サイド１３を除く三サイド１０，１１，１２を覆う三辺フレーム状の板体からなっている。
【００１９】
受光サイド１２の、投光サイド１１に対向した内面には導光性ロッドを挿入した溝のための透明な蓋１５が面一に固定される。表面蓋１４において、受光サイド１２の連結サイド１３側角部は切り欠かれ、装置が電気的に活性化された動作状態、及び物体検知（相当部分の遮光検知）又は非検知（実質的なロッド全長にわたる受光）等を示すＬＥＤを覆う動作表示窓１６が嵌めこまれている。動作表示窓１６は表面蓋１４と同一面上の側面だけでなく、受光サイド１２と連結サイド１３の外側面及び底面と同一面上の各側面を有する袋状に形成されている。
【００２０】
表面蓋１４において、動作表示窓１６を有する角部以外の角部には蓋取り付け穴１７が形成され、ビス等の適当な締結手段が嵌めこまれる。投光サイド１１のベースサイド１０側の外側面部には電気回路のコネクタ端子１８が設置され、信号ライン及び電源ラインを含む電気ケーブル１９のコネクタ２０が接続されるようになっている。
【００２１】
図４は、図３に示した光電スイッチフレーム９の後側面図（Ａ），左側面図（Ｂ）、表面蓋１４を装着した状態の平面図（Ｃ）及び右側面図（Ｄ）を一括表示したものである。後側面図（Ａ）に示すとおり、連結サイド１３はフレーム本体とは独立した単体であり、三辺フレームの開口端部に嵌合させた後、図の右側における段落部において、ビス２１によりフレーム本体に固定される。
【００２２】
図４Ｂにおいて、フレームの受光サイド１２におけるベースサイド１０寄りの位置には、設定スイッチ蓋２２が脱着可能に設置され、オペレータが同サイド１２内の設定スイッチ板２３（図５）にアクセスできるようになっている。図４Ｃ、Ｄ、に示す各部はすでに図３に関して説明した通りであり、符号を参照することにより容易に理解できるであろう。
【００２３】
図５は、表面蓋１４を除去した状態の光電スイッチフレーム９の左側面図（Ａ），平面図（Ｂ）、及び右側面図（Ｃ）を一括表示したものである。左側面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）において、動作表示窓１６内には動作表示及び物体検知／非検知等のためのＬＥＤが必要な個数だけ (この場合、三個）装備されたことを示している。ベースサイド１０内には、後述する種々の電気回路を組み込んだＩＣチップを含むプリント基板ｐ１〜ｐ７が装備され、投光サイド１１内には、複数個、この場合は５個の投光用ＬＥＤ１ａ〜１ｅが装備される。
【００２４】
この実施例において、受光サイド１２内における導光性ロッド４には、その両端に受光素子たるフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２が付設される。前述した通り、連結サイド１３はフレーム９本体とは独立した単体であり、三辺フレームの開口端部に嵌合させた状態において、ビス２１とナット２４とによりフレーム９本体に固定される。フレーム９から取り外した単体の状態は図５Ｂの上部において枠型矢印を付して示した通りである。
【００２５】
図６は単純に構成されたフレーム９内に装備される種々の電気回路を示すものである。投光サイド１１側の回路は、ＬＥＤからなる投光素子１ａ〜１ｅを順次発光させるために個々に設けられた投光信号発生回路２５ａ〜２５ｅ及び投光信号分配回路２６と、その分配回路２６に素子順次点灯タイミングを送る発振回路２７とからなり、これらの回路２５ａ〜２５ｅ、２６及び２７は装置全体を制御する中央演算ユニット２８の指令を受けて作動する。
【００２６】
受光サイド１２側の回路は、投光素子１ａ〜１ｅの配列に向かって受光側面が対向した導光性ロッド４の両端におけるフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２を作動させるとともに、その信号電流を処理するものであり、この受光素子作動及び信号処理回路にはパルス増幅器２９、その増幅出力を通すフィルタ３０、そのフィルタ信号を受けて基準値と比較するコンパレータ３１、及びその基準値を設定する電子ボリュームコントローラ３２とを含み、これらは中央演算ユニット２８の指令を受けて作動する。
【００２７】
以上の構成において、投光素子１ａ〜１ｅの各々が、図のごとく角度θ０の広がりを持って（立体的に）拡散・発光している場合、この光はθ０の範囲内では隙間がなく拡散して導光性ロッド４に向かう。しかし，この単純実施形態におけるように、フレーム９における投光サイド１１の投光窓（図６では三辺フレームの内側縁）１１ａ’がこれら投光素子１ａ〜１ｅの前端をかろうじて覆う程度の出張りしかない場合、フレーム９内側の検出空間において、これら投光素子に近い位置の素子隣接間隔には、どの素子の広がり角度θ０内にもカバーされない領域、すなわち不感帯域Ａが形成される。従って被検物体がこれらの不感帯域Ａを通過するとき、投光素子ＬＥＤから導光性ロッド４に向かう光はなんら阻止されないため、検知ミス（物体が存在しないと誤認すること）が生じる。
【００２８】
そこで、好ましい実施形態におけるフレーム９の投光サイド１１は、図７及び図８に示すように投光素子１ａ〜１ｅを投光窓１１ａよりも十分奥まった配置とし、三辺フレームの囲み空間（物体検出用の空間）内に不感帯域Ａが存在しないようにする。従って、図７から明らかなとおり、各投光素子からの光は投光サイド１１の投光窓１１ａから、窓横断方向に切れ目がない出射状態で受光サイド１２に向かい、図８に示すように投光素子１ａ〜１ｅの配列から導光性ロッド４に向かう一面を完全にカバーする検出領域Ｂを形成する。
【００２９】
このような図７及び図８の実施形態において、被検物体がフレーム９の内側空間（検出領域）Ｂを通過しない場合には、投光素子から、導光性ロッド４に到達した相当量の光が、ロッド両端におけるフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２（他端に反射鏡を配置した場合には、一端のみに配置されたフォトダイオード: 以下１個又は２個のフォトダイオードを「ＰＤ」と総称する）に受光され、物体非通過を表す。
【００３０】
一方、いずれか少なくとも１個の投光用ＬＥＤ、例えば、ＬＥＤ１ａの投光タイミングにおいて、導光性ロッド４の受光側面のいずれか相当の部分がさえぎられて、その導光性ロッド４への光到達量が少なくなると、フォトダイオードＰＤからの受光出力が実質的なレベルに達せず、その時刻において当該遮光部分に対応する物体が通過したことを示す。このようなフォトダイオードＰＤの実質的な受光出力を決定するスレッショルド値は、前述した設定スイッチの操作で、中央演算ユニット２８を介して電子ボリュームコントローラ３２を調整することにより設定される。
【００３１】
この物体検知／非検知の動作は、実施例の電気回路において、投光素子１ａ〜１ｅの１サイクルの順次投光の投光量を中央演算ユニット２８で積分及び平均化し、全体光量に対して１サイクル中の受光量がどの程度減少したとき物体検知出力を発生させるかという基準レベルを設定しておくことにより行われる。従って、進入（落下）した物体による遮光があったときは、１サイクル中の受光量がこの基準レベルを下回るため、物体検知出力が発生する。それらの物体検知出力は、必要に応じて、出力回路３３により外部回路に送出されるとともに、表示灯列２４により、各サイクル又は適当な時間帯において少なくとも物体検知／非検知のいずれかを表す発光色の点滅が行われる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたとおり、本発明は受光光学系を一本の導光性ロッド、及びそのロッド両端又は一端のみに設けた受光素子からなるものとして出力ラインを一回路に削減し、従って、増幅回路等を一素子分だけ配置した構成により、順次駆動される複数の投光素子の配列に対応して所定範囲内における物体の通過状態を検出しうる広範囲検出用光電スイッチを提供するものである。
【００３３】
この光電スイッチは、複数の投光素子の配列に対応して複数の受光素子を設けていた従来型構造に比して、不感領域がなくなるとともに、著しい経費の節減に寄与し、併せて部品故障等の確率の低下を図ることが出きるという、多大な効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多光軸光電スイッチの部分構成を示す略図である。
【図２】本発明による導光性ロッドにおいて形成される側面入射及び反射光学系を示すための、横断面図（Ａ）及び側断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の実施形態の外観を示す斜視図である。
【図４】図３に示した光電スイッチフレームの後側面図（Ａ），左側面図（Ｂ）、表面蓋１４を装着した状態の平面図（Ｃ）及び右側面図（Ｄ）を一括表示したものである。
【図５】表面蓋を除去した状態の光電スイッチフレームの左側面図（Ａ），平面図（Ｂ）、及び右側面図（Ｃ）を一括表示したものである。
【図６】本発明の単純実施形態におけるフレーム内に装備される種々の電気回路を示すものである。
【図７】図６と同様の電気回路を装備した本発明の好ましい実施形態におけるフレーム構造を示すものである。
【図８】図７と同様のフレーム構造において実現される好ましい検出領域を示すものである。
【符号の説明】
１、１ａ〜１ｅ 投光素子
９ 光電スイッチフレーム
１０ ベースサイド
１１ 投光サイド
１２ 受光サイド
１３ 連結サイド
１４ 表面蓋
１５ 透明な蓋
１６ 動作表示窓
１７ 蓋取り付け穴
１８ コネクタ端子
１９ ケーブル
２０ コネクタ
２１ ビス
２２ 設定スイッチ蓋
２３ 設定スイッチ板
２４ ナット
２５ａ〜２５ｅ 投光信号発生回路
２６ 投光信号分配回路
２７ 発振回路
２８ 中央演算ユニット
２９ パルス増幅器
３０ フィルタ
３１ コンパレータ
３２ 電子ボリュームコントローラ
３３ 出力回路

Claims (4)

1. ａ）同一面内において整列配置された複数の投光素子と、これらの投光素子を所定周期ごとに順次発光させるための投光信号発生及び分配回路とからなる投光側部と、
   ｂ）一側面が、前記整列配置された複数の投光素子から発せられた光を直接受光し得るように設置された円柱状の導光性ロッドを主体とする受光部材であって、ロッド横断面において前記一側面と反対側の所定円弧範囲にわたる弦に対応した光反射面を形成し、更にその導光性ロッドの少なくとも一端に受光素子を付設してなる前記受光部材と、前記少なくとも一端における受光素子を作動させるための受光素子作動回路と、前記受光素子によって生成された受光信号を処理する受光信号処理回路とからなる受光側部と、を備え、
   ｃ）前記受光信号処理回路は、検出領域内に進入物が無い場合に前記受光素子が前記所定周期の１周期において受光すべき全受光量を受光量基準値として記憶しており、前記所定周期ごとに、前記受光素子がその周期において受光した全受光量と前記受光量基準値とを比較し、その受光した全受光量が前記受光量基準値よりも低い場合に物体検知信号を出力するようになっている、
   ことを特徴とする広範囲検出用光電スイッチ。
2. 前記導光性ロッドが、前記弦側面に前記光反射面を有する円柱状の透明コアと、その透明コアの外周を保護する透明クラッドとからなることを特徴とする請求項１に記載の光電スイッチ。
3. 前記受光素子を前記導光性ロッドの両端に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電スイッチ。
4. 前記受光素子を前記導光性ロッドの一端にのみ配置し、同ロッドの他端には光反射鏡面を付設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電スイッチ。

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