JP2005195578A - 寸法が非常に小さい運動する個々の物体を検出及び／又は特性描写する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用する光導波路の本数に拘わらず、光学系を通過する物体の確実な検出及び／又は特性描写が実現される、寸法が非常に小さい運動する個々の物体を検出及び／又は特性描写する装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、寸法が非常に小さい運動する個々の物体を検出及び／又は特性描写する装置に関するものであり、少なくとも一つの発光器及び受光器を有し、検出されるべき物体が光路を横切って通過する光遮断センサと、入力部が上記発光器と接続されており、出力部から放出される光線が上記光遮断センサの光路を形成する第１の本数の光導波路と、入力部が上記光導波路から放出される光線を受信し、出力部が受光器と接続されており、入力部が上記光導波路の出力部とリング状に共通の平面に配置されている第２の本数の光導波路と、上記受光器と結合されて、上記光路を通過する物体によって引き起こされる上記光遮断センサの受信された光強度の変化を検出する評価電子装置と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、寸法が非常に小さい運動する個々の物体、特に、サブミリメートル（ミリメートル未満）領域の寸法の物体を検出及び／又は特性描写する装置に関する。

運動する物体を検出するために光遮断センサがしばしば用いられる。ビーム形成をする追加の光学系を備えていない市販の光遮断センサは、非常に小さい個々の物体を高い再現率及び短い物体間距離により検出するには大きすぎる測定容積を有している、即ち、直径が大きすぎる光路を有している。このような問題を排除することができるビーム形成光学系には、非常に小さい物体に対して広い取付スペースが必要である。広さが制約された取付スペースしか利用できない場合、このような種類の光遮断センサは使用することができない。

物体が通過したときに既存の評価電子装置は信号の変化を評価し、そのようにして物体を認識する。しかしながら、特に物体が非常に小さい場合、受光器において記録される信号が干渉信号に比較して非常に小さいために、環境要因、電気的な干渉、立上り過渡振動等が誤検出につながる。このような種類の評価回路による計数結果は、例えば直径が２００μｍ以下の液滴を計数するためには、信頼性が十分に高くない。

未公開のドイツ特許出願第１０３３８１０８．２号（特許文献１）より、少なくとも一つの発光器及び受光器を備えている光遮断センサが既知であり、この場合、検出されるべき物体は光遮断センサの光路を通過して動く。この光遮断センサは、入力部が発光器と接続されると共に、出力部が相並んで一列に配置された、光導波路（ＬＷＬ）の第１のバンドルを含んでおり、出力部から放出される光線が光遮断センサの光路を形成する。相並んで一列に配置され、入力部が光導波路の第１のバンドルから放出される光線を受信し、出力部が受光器と接続された、光導波路の第２のバンドルが設けられている。さらに、発光器及び受光器と結合され、光路を通過する物体によって引き起こされる光遮断センサの受信された光強度を検出する評価電子装置が設けられている。

同一種類の光導波路をこのように線形に配置した場合、検出されるべき物体の影面積Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}は、光路の、即ち、総ての光導波路の総面積のうちの僅かな一部分しかカバーしない。この総面積Ａ_{Ｇｅｓ＿ＬＷＬ}は、受信用光導波路の本数ｎと、各々の光導波路の面積Ａ_ＬＷＬとを掛け合せたものに相当する。

従って、受光器における信号の変化は、物体の影面積と総面積との商に比例する。

ΔＳｉｇｎａｌ＝Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／Ａ_{Ｇｅｓ＿ＬＷＬ}
＝Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／（ｎ・Ａ_ＬＷＬ）
＝（１／ｎ）・（Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／Ａ_ＬＷＬ）
ここで、ｎ＝１，２，．．．（受信用光導波路の本数）である。

この式より、物体によって引き起こされる信号の変化は、使用する光導波路の本数が多いほど劣化することが分かる。
ドイツ特許出願第１０３３８１０８．２号

本発明の課題は、使用する光導波路の本数に拘わらず、光学系を通過する物体の確実な検出及び／又は特性描写が実現される、寸法が非常に小さい運動する個々の物体を検出及び／又は特性描写する装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の構成要件によって解決される。
本発明の有利な実施の形態は従属請求項に記載されている。

小さい物体を検出するために、光導波路の非常に小さい機械的な寸法と、光学的な受光特性とがいずれも活用される。光導波の機械的な寸法は、検出されるべき物体の寸法の桁（オーダー）の範囲内にある。従って、物体を認識するためにビーム形成をする追加の光学部材を省略することができる。さらに、光導波路の受光特性、特に光導波路において典型的な限定される受光角が、取付状態のとき、光伝送に基づいて外部光源によって引き起こされる光学的な干渉信号の入力を、光導波路内部の全反射によって防止する。本発明によれば、送信用光導波路の出力部と受信用光導波路の入力部とがリング状に共通の平面に配置される。

本発明の有利な実施の形態においては、送信用光導波路の各々の出力部が受信用光導波路の各々一つの入力部と対向するように、光導波路がリング状に配置される。このとき、特に、送信用光導波路と受信用光導波路とがリングの円周に沿って交互に配置されることが意図される。

それにより、光導波路によって囲まれる面積と光導波路の直径とにより定義される検出容積が得られる。

この検出容積は、厚さが光導波路の直径によって規定され、特に検出されるべき物体の寸法の桁（オーダー）の範囲内にある円板の形態を有しており、この円板の、物体の運動方向に延びる断面積は、物体の運動方向に対して横向きに延びる断面積よりもはるかに小さい。薄い円板状の検出容積によって、高速の連続する小さい物体に対する非常に良好な検出感度が得られる。

検出感度をさらに向上させるために、本発明によれば、発光器から放射される光の波長が少なくとも検出されるべき物体の吸収波長に相当していることが意図され得る。このことは、特に、例えば液滴のように日光の下ではほぼ透明な物体を検出する場合に好ましい。多くの液体は、光の赤外線領域で特徴的な吸収挙動を示す。

評価電子装置は、受光器と接続された少なくとも一つの増幅器と、マイクロプロセッサ制御部とを備えている。マイクロプロセッサ制御部は、例えば、増幅器の可変な増幅係数、オフセットの減算、閾値スイッチの調整可能な切換閾値、発光器の可変な光強度等を利用した上で、評価電子装置を個々の構成要素の動作範囲に応じて最適に適合調節することを可能にする。環境要因、構成要素の経年劣化、光遮断センサの汚れ等に関して、電子装置の適合化を自動的に行うことができる。

前述した検出装置は、光遮断センサを横切って運動する物体の信頼性の高い認識及び／又は特性描写を非常に小さい取付スペースで可能にし、干渉に対してはほぼ感度を有していない。

次に、図面を参照しながら本発明の用途に関連する実施の形態について詳細に説明する。図面及びその説明から、本発明のその他の構成要件、利点、利用可能性が明らかとなる。

本発明の考えられる一つの用途は、液滴、特に直径がサブミリメートル領域にある液滴の計数である。このように小さい液滴は、いわゆるマイクロディスペンサにより生成される。マイクロディスペンサは、直径が１００μｍ以下の液滴をノズルから吐出する。多くの用途において、マイクロディスペンサから吐出される個々の液滴を計数する必要がある。さらに、液滴を特性描写することが必要になる場合もある、即ち、液滴のおよそのサイズや飛行軌道を検出することが必要になる場合もある。

図１に見ることができるように、本装置は、ドライバ２によって制御される、例えば発光ダイオードやレーザダイオード等の発光器１を備えている。光は、入力部が発光器１と接続されている第１の本数の光導波路３（ＬＷＬ）、本例では３本の光導波路に供給される。光導波路のバンドルの入力断面は、使用する発光器の断面に応じて適合化されており、例えば円形である。個々の光導波路３の出力部は、円周に沿ってリング状に配置されている。出力部から放出される光線が光遮断センサの光路を規定する。

各々の送信用光導波路３に受信用光導波路４が割り当てられている。受信用光導波路の入力部は、送信用光導波路３の出力部に対向するように配置されており、送信用光導波路３から放出される光線を受信する。即ち、光導波路３及び４は、それぞれの光導波路の端部が相互に対向してリングの中心点の方を向くように、送信用と受信用とが対になってリングをなすように配置されている。このとき、光導波路は、それぞれの送信ファイバが受信ファイバの隣に位置するように、リングの円周に沿って配置される。光導波路の直径との関連で光導波路によって取り囲まれる領域が、検出容積１３を形成する。

光導波路４の出力部は、光信号を検出して電気信号に変換する受光器５と接続されている。受光器５としては、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタを用いることができる。上述した評価電子装置６−１０が発光器１及び受光器５と結合されており、光路を横切って通過する物体によって引き起こされる光遮断センサの光強度の変化を検出する。そのために、受光器５から出力される電気信号が第１の増幅器６により増幅される。その増幅された信号から、加算器７により、信号電圧の直流電圧成分にほぼ相当する値の電圧がアナログ式に減算される。次いで、その信号が第２の増幅器８により再度増幅される。加算器７によって直流電圧成分が除去されているので、受光器５における信号の変化を増幅器８の全領域に亘って評価することが可能である。次いで、閾値スイッチ９により切換閾値が検出され、マイクロプロセッサ制御部１０により具現化されたカウンタ回路へ出力信号が送信される。

図２は、検出容積１３を中心とする領域の拡大図を示している。光導波路３は、３本の送信用光導波路Ｓ１，Ｓ２及びＳ３を形成している。送信用の各々に、光導波路４により形成される受信用光導波路Ｅ１，Ｅ２及びＥ３が対向している。前述したような光導波路３，４のリング状の配置が形成されている。

図３に見られるように、検出容積１３を横切って物体１１が通過すると、受信用光導波路Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の各々において物体１１の影像が結像される。この物体１１は、検出容積を方向１２に通過しており、即ち、光導波路３，４により構成される平面に対して実質的に鉛直方向に通過している。

この影像は、ｎ本（図３では３本）の受信用光導波路の各々により同時に結像されるので、物体が通過するときの信号変化は次式により算出される。
ΔＳｉｇｎａｌ＝Ａ_{Ｇｅｓ＿Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／Ａ_{Ｇｅｓ＿ＬＷＬ}
＝ｎ・Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／ｎ・Ａ_ＬＷＬ
＝Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}／Ａ_ＬＷＬ
ここで、
Ａ_{Ｇｅｓ＿Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}：総ての物体の影の総面積
Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}：一つの物体の影の面積
Ａ_{Ｇｅｓ＿ＬＷＬ}：受信用光導波路の総面積
Ａ_ＬＷＬ：１本の光導波路の断面積
ｎ＝１，２，．．．：受信用光導波路の本数
である。

受信用光導波路４に影ができることによって受光部５において発生する信号の変化は、受信用光導波路４の本数ｎには依存しておらず、一つの物体１１の影の面積Ａ_{Ｏｂｊｅｋｔｓｃｈａｔｔｅｎ}と１本の光導波路の有効断面積Ａ_ＬＷＬとの比率にのみ依存していることが分かる。

図４は、７本の送信用光導波路及び７本の受信用光導波路の合計１４本の光導波路の本発明による配置を示している。本発明の構成のための送信用光導波路及び受信用光導波路の総数Ｎは任意ではなく、次式に従っている。
Ｎ＝２＋４ｉ
ここで、ｉ＝０，１，２，３，．．．である。

光導波路の出力部、例えば本例では送信用光導波路Ｓ１の出力部における相対放射出力（空間放射角）は、放射角εに依存して決まることが知られている。空間放射角は極図式で表すことができる。放射角εが増加するにつれて相対放射出力は減少することが分かる。このことは、送信用光導波路Ｓ１に対応する受信用光導波路Ｅ１は最大の相対放射出力を受信するが、他の受信用光導波路、特にＥ２，Ｅ７，Ｅ３及びＥ６も、Ｓ１から放射される放射出力の一部を同じく受信することを意味している。

従って、検出容積１３のちょうど中心を通過する物体は、検出容積１３のそれ以外の部位を通過する物体とは異なる信号変化を受光器５に引き起こす。例えば物体１１ａは、検出容積のちょうど中心を通過する。このことは、相互に対応し合う各組の光導波路、例えばＳ１−Ｅ１やＳ２−Ｅ２等、総ての組において最大の影を生じさせる。

別の物体１１ｂは、検出容積１３の中央から半径ｒだけ外れた部位を通過する。この物体１１ｂは、Ｓ３，Ｅ３及びＳ６，Ｅ６という各組の光導波路でのみ最大の影を生じさせ、他の受信用光導波路では相応に小さい影を生じさせる。このように、物体がどの程度の半径ｒだけ中心から外れて検出容積１３を通過するかに応じて、受光器５において特定の特徴的な信号変化が発生する。従って、その信号変化は、物体が検出容積１３を通過する際の半径ｒを表す目安となる。このような情報は、検出される総ての物体１１ａ，１１ｂが一定の同じ大きさを有しているという条件の下でのみ有効である。このように、物体の大まかな位置決めを検出容積１３の内部において行うことができる。

個々の組の光導波路において信号変化を別々に評価すると、検出容積内部の物体の正確な通過位置を求めることさえできる。

３本の送信用光導波路及び３本の受信用光導波路の合計６本の光導波路（ＬＷＬ）の本発明によるリング状の配置を示す平面図である。 検出容積１３を中心とする領域の拡大図である。 受信用光導波路と物体による影とを示す拡大図である。 ７本の送信用光導波路及び７本の受信用光導波路の合計１４本の光導波路（ＬＷＬ）の本発明によるリング状の配置を示す平面図である。

符号の説明

１ 発光器
２ ドライバ
３ 光導波路（送信用Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）
４ 光導波路（受信用Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３）
５ 受光器
６ 増幅器
７ 加算器
８ 増幅器
９ 閾値スイッチ
１０ マイクロプロセッサ制御部
１１ 物体
１２ 方向
１３ 検出容積

Claims (8)

1. 寸法が非常に小さい運動する個々の物体を検出及び／又は特性描写する装置において、
   少なくとも一つの発光器（１）及び受光器（５）を有し、検出されるべき物体（１１）が光路を横切って通過する光遮断センサと、
   入力部が前記発光器（１）と接続されており、出力部から放出される光線が前記光遮断センサの光路を形成する第１の本数の光導波路（３）と、
   入力部が前記光導波路（３）から放出される光線を受信し、出力部が受光器（５）と接続されており、入力部が前記光導波路（３）の出力部とリング状に共通の平面に配置されている第２の本数の光導波路（４）と、
   前記受光器（５）と結合されて、前記光路を通過する物体（１１）によって引き起こされる前記光遮断センサの受信された光強度の変化を検出する評価電子装置（６−１０）と、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記光導波路（３）の各々の出力部が前記光導波路（４）の一つの入力部と対向するように、前記光導波路（３）及び（４）がリング状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記光導波路（３）及び（４）は、リングの円周に沿って交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記光導波路（３；４）により取り囲まれる領域は、前記光導波路の直径とともに検出容積（１３）を規定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記配置は、ｉ＝０，１，２，３，．．．とすると、合計で本数Ｎ＝２＋４ｉの光導波路を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 物体（１１）の運動方向（１２）に延びている検出容積の断面積は、物体の運動方向に対して横向きに延びている断面積よりもはるかに小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記発光器（１）から放射される光の波長は、物体（１１）の少なくとも一つの吸収波長に相当していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記評価電子装置は、前記受光器（５）と接続された少なくとも一つの増幅器（６）と、前記増幅器（６）と接続されたマイクロプロセッサ制御部（１０）と、を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。

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