JP2019074584A - 光ファイバセンサヘッド及び光ファイバセンサヘッドの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温環境下で使用する光ファイバセンサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれの発生を抑制する光ファイバセンサヘッドを提供する。【解決手段】光ファイバ4から出力される光をレンズ13及びプリズム16を介して窓部15から出力するセンサヘッドを備えた光ファイバセンサヘッドにおいて、センサヘッドは、金属で形成された筒状のホルダ5と、ホルダ5と同材質の金属で形成され、ホルダ5を支持した状態で設置面に設置される筒状のスリーブ6を備え、ホルダ5には、窓部15及びレンズ13と、耐熱接着剤22でホルダ内に接着固定されるプリズム16を備え、スリーブ6には、光をレンズ13に向かって出力する光ファイバ4と、ホルダ5に相対回動可能に嵌合されるとともに、ホルダ5を回動させてプリズム16の光軸ずれを補正した状態で該ホルダ5を耐熱接着剤21で接着固定する嵌合軸10を備えた。【選択図】図2

Description

本発明は、光ファイバを用いたサイドビュータイプのセンサヘッドに関し、特に、光芒を細くした狭光芒タイプの光ファイバセンサヘッドに関するものである。
狭光芒タイプの光ファイバセンサヘッドは、光を出射する投光側ヘッドと、投光側ヘッドから出射された光を受光する受光側ヘッドとで構成される。そして、このようなセンサヘッドが搬送ロボットのハンド部等に設置され、投光側ヘッドから出射された光を受光側ヘッドで受光することより、搬送物の有無を検出するようになっている。
サイドビュータイプの投光側ヘッドでは、センサヘッドの先端部にプリズムが取着され、センサアンプから光ファイバを介して出射される光がプリズムで直角に反射され、出射窓から受光側ヘッドに向かって出射される。
また、受光側ヘッドも同様な構成であり、投光側ヘッドから出射された光が入射窓から取り込まれ、プリズムで反射されてセンサヘッド内に露出される光ファイバを介してセンサアンプで受信される。
プリズムは、あらかじめ設定された光軸を確保した状態で、センサヘッドのケースに接着剤で固定されている。
このような光ファイバセンサヘッドとして、特許文献1が知られている。
特開2001−13328号公報
近年、上記のような狭光芒タイプの光ファイバセンサヘッドを、例えば200℃を超えるような高温環境下で使用する需要が増加している。このような高温環境下で使用するために、プリズムを固定する接着剤は使用時に溶けないような高耐熱仕様とする必要があり、この結果、プリズムの接着工程では、使用時の高温環境温度を超える超高温で接着剤を溶かして、プリズムをセンサヘッドのケースに接着する必要がある。
しかし、プリズムは作業性及びコストメリットにより耐熱合成樹脂で形成されているのに対し、センサヘッドのケースは金属で形成されているため、超高温下ではプリズムとケースの熱膨張率の差により、プリズムとケースとの間に位置ずれが生じるとともに、接着剤も膨張収縮により変形するため、位置ずれが生じる。すなわち、プリズムがケースに対し回動してしまい、プリズムの光軸がずれてしまう。
この結果、投光側ヘッドでは、プリズムからの出射光の光軸がずれ、受光側ヘッドでは受光した光を光ファイバに取り込み難くなるため、搬送物を正常に検出することができなくなる。
特許文献1には高温環境下で使用する光ファイバセンサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれを調整する構成は開示されていない。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は高温環境下で使用する光ファイバセンサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれの発生を抑制することにある。
上記課題を解決する光ファイバセンサヘッドは、光ファイバから出力される光をレンズ及びプリズムを介して窓部から出力するセンサヘッドを備えた光ファイバセンサヘッドにおいて、前記センサヘッドは、金属で形成された筒状のホルダと、前記ホルダと同材質の金属で形成され、前記ホルダを支持した状態で設置面に設置される筒状のスリーブを備え、前記ホルダには、前記窓部及び前記レンズと、耐熱接着剤で前記ホルダ内に接着固定される前記プリズムとを備え、前記スリーブには、光を前記レンズに向かって出力する前記光ファイバと、前記ホルダに相対回動可能に嵌合されるとともに、前記ホルダを回動させて前記プリズムの光軸ずれを補正した状態で該ホルダを耐熱接着剤で接着固定する嵌合軸とを備えたことを特徴とする。
この構成により、投光側のセンサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれを補正した状態で、ホルダがスリーブに接着固定される。ホルダとスリーブは同じ金属同士なので、熱膨張率の差はなく、変形、位置ずれは生じない。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記ホルダの外面に、一対の平行面を備えることが好ましい。
この構成により、ホルダの回動操作が容易となる。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記ホルダ及び前記スリーブを断面多角形となる筒状とし、前記ホルダに前記嵌合軸を嵌挿可能とした断面円形の挿通孔を形成することが好ましい。
この構成により、ホルダをスリーブに対し容易に回動操作可能となる。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記スリーブを、断面正方形状とすることが好ましい。
この構成により、スリーブのいずれの側面でも設置面に取付可能となる。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記ホルダの外径を前記スリーブの外径より小さくすることが好ましい。
この構成により、ホルダを回動しても、スリーブの設置に支障が生じ難い。ホルダを回動させても、設置面にあたって回動が妨げられることもない。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記ホルダの外形は、該ホルダをスリーブに対し回動させたとき、該ホルダの外形の角部が前記スリーブの外形の延長線上からはみ出る角度がある大きさとすることが好ましい。
この構成により、ホルダの外形の角部がスリーブの外形の延長線上からはみ出ると、スリーブの接地面への取付に支障が生じるので、ホルダの回動角度が過大であることを認識可能である。ホルダが設置面にあたって過大な角度の回動が防止される。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記ホルダ及び前記スリーブの外形の角部に面取りを備えることが好ましい。
この構成により、ホルダの回動操作を安全に行うことが可能となる。設置後にホルダに触れても安全である。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記窓部の面積は、前記プリズムの反射面を前記窓部上に投影した面積より広くすることが好ましい。
この構成により、プリズムで反射される光が窓の周縁でけられ難い。
また、上記の光ファイバセンサヘッドでは、前記プリズムには、前記ホルダの前記挿通孔に嵌挿可能とされ、先端部に前記反射面を備えた丸軸部と、前記丸軸部の基端部に形成され、前記丸軸部とホルダの中心線が一致する状態で前記ホルダの端面に当接する鍔部を備えることが好ましい。
この構成により、顎部をホルダの端面に当接させると、丸軸部とホルダの中心線のずれが生じ難い。
上記課題を解決する光ファイバセンサヘッドは、窓部に入射する光をプリズム及びレンズを介して光ファイバに出力するセンサヘッドを備えた光ファイバセンサヘッドにおいて、前記センサヘッドは、金属で形成された筒状のホルダと、前記ホルダと同材質の金属で形成され、前記ホルダを支持した状態で設置面に設置される筒状のスリーブを備え、前記ホルダには、前記窓部及び前記レンズと、耐熱接着剤で前記ホルダ内に接着固定される前記プリズムとを備え、前記スリーブには、前記レンズから出力される光を受光する前記光ファイバと、前記ホルダに相対回動可能に嵌合されるとともに、前記ホルダを回動させて前記プリズムの光軸ずれを補正した状態で該ホルダを耐熱接着剤で接着固定する嵌合軸とを備えることを特徴とする。
この構成により、受光側のセンサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれを補正した状態で、ホルダがスリーブに接着固定される。
上記課題を解決する光ファイバセンサヘッドの製造方法では、合成樹脂で形成され、光ファイバから出力される光を反射して窓部から出射し、あるいは窓部に入射する光を反射して前記光ファイバに出力するプリズムが取着される筒状のホルダと、端面が前記プリズムに向かって露出される前記光ファイバを内蔵した筒状のスリーブをそれぞれ金属で形成し、前記プリズムに耐熱接着剤を塗布し、前記プリズムを前記ホルダに嵌合して前記耐熱接着剤が溶ける高温に加熱して前記プリズムをホルダに接着固定し、前記スリーブに耐熱接着剤を塗布し、前記スリーブに前記ホルダを嵌合して回動することにより加熱による前記プリズムの光軸ずれを補正し、前記ホルダ及び前記スリーブを前記耐熱接着剤が溶ける高温に加熱して前記ホルダを前記スリーブに接着固定することを特徴とする。
この方法により、投光側あるいは受光側センサヘッドにおいて、プリズムの光軸ずれを補正した状態で、ホルダがスリーブに接着固定される。
本発明の光ファイバセンサヘッドによれば、高温環境下で使用する光ファイバセンサヘッドでのプリズムの光軸ずれの発生を抑制することができる。
光ファイバセンサヘッドを示す斜視図。 光ファイバセンサヘッドを示す断面図。 プリズムとホルダを示す分解斜視図。 図2のA−A線断面図。
以下、光ファイバセンサヘッドの一実施形態を図面に従って説明する。
図1及び図2に示す光ファイバセンサヘッドは、投光側のセンサヘッドであり、同一構成の受光側ヘッド(図示しない)と対をなすように設置される。
センサヘッド1の基端部には、例えばPEEK(ポリエーテルエーテルケトンに炭素繊維を埋め込んで一体化した樹脂)樹脂等の耐熱合成樹脂で形成されたチューブ2の先端部が嵌挿されている。
チューブ2は、センサアンプ(図示しない)近傍まで延設され、樹脂プラグ3を介してセンサアンプに接続される。そして、チューブ2及び樹脂プラグ3内には、光ファイバ4が挿通され、センサアンプから出力された光が光ファイバ4を介してセンサヘッド1に供給される。
センサヘッド1は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されたホルダ5に、同じくステンレス鋼で形成されたスリーブ6が嵌合されている。ホルダ5は、中心部に断面円形の挿通孔7が形成された四角筒状に形成されるとともに、外面の角部には、面取り8が形成されている。
スリーブ6は、中心部に断面円形の挿通孔9が形成された四角筒状に形成されるとともに、先端部にはホルダ5の挿通孔7に嵌挿可能とした円筒状の嵌合軸10が形成されている。また、挿通孔7に嵌合軸10が嵌挿されたホルダ5は、嵌合軸10を回動支点としてスリーブ6に対し回動可能である。スリーブ6の外面の角部には、面取り6aが形成されている。
スリーブ6の挿通孔9には、チューブ2の先端部が嵌合され、挿通孔9内においてチューブ2の先端から嵌合軸10の先端まで光ファイバ4が挿通されている。そして、光ファイバ4の先端が嵌合軸10の先端に露出されている。
ホルダ5の先端部近傍において、挿通孔7には縮径部12が形成され、その縮径部12のホルダ5基端側にはレンズ13が嵌着されている。また、レンズ13と嵌合軸10との間には、挿通孔7の内周面に摺接するインナースリーブ14が嵌挿されている。
レンズ13を挿通孔7内に取付けるには、レンズ13をホルダ5の基端側から挿通孔7内に挿入し、インナースリーブ14で挿通孔7内に押し込みながら、嵌合軸10を挿通孔7内に押し込むと、レンズ13が縮径部12に当接する位置まで押し込まれる。
嵌合軸10は、ホルダ5の挿通孔7に嵌合されるとともに、接着剤21で接着固定されている。この接着剤21は、このセンサヘッド1が使用される高温環境下でも溶けることのない高耐熱仕様の接着剤が使用される。
ホルダ5の縮径部12より先端側において、ホルダ5の一方側面には挿通孔7に連通する窓部15が開口されている。挿通孔7のホルダ5先端側の開口部には、プリズム16が嵌着されている。
図3に示すように、プリズム16は耐熱合成樹脂で形成されるとともに、丸軸部17の先端側が中心線に対し45度の角度で斜めに切除されて反射面18が形成されている。反射面18を上方に向けた状態において、丸軸部17の左右方向外周面には、丸軸部17の軸方向に延びる突条19が形成されている。丸軸部17の外径は、ホルダ5の挿通孔7の内径より僅かに小さい径で形成されている。
丸軸部17の基端には、挿通孔7に挿通不能とした大きさの直方体状の鍔部20が一体に形成されている。
そして、反射面18が窓部15に対向するように、鍔部20がホルダ5の先端に当接するまで丸軸部17を挿通孔7に嵌挿すると、図2に示すように、反射面18が窓部15に対向する位置でプリズム16がホルダ5の先端に嵌着され、かつ接着剤22で接着されている。この接着剤22は、このセンサヘッド1が使用される高温環境下でも溶けることのない高耐熱仕様の接着剤が使用される。
この時、突条19が挿通孔9の内周面に圧接されて、プリズム16とホルダ5との相対回動が規制される。そして、鍔部20の外周面とホルダ5の外周面とが同一面あるいは平行面となるように嵌合すれば、光ファイバ4からホルダ5の中心線に沿って出力される光Rは、レンズ13で集光された後、プリズム16で反射されて、窓部15の中心からホルダ5の中心線に対し直交する方向に出射されるようになっている。
また、窓部15の面積は、プリズム16の反射面18を窓部15上に投影した面積より大きい面積が確保され、反射面18で反射された光が窓部15の周縁でけられないようになっている。
図4に示すように、ホルダ5の外径はスリーブ6の外径より小さく形成されている。そして、ホルダ5とスリーブ6の外形線を平行とした状態から、ホルダ5をスリーブ6に対しほぼ45度相対回動したとき、ホルダ5の角部の面取り8部分がスリーブ6の外形の延長線上から僅かにはみ出るように形成されている。言い換えれば、ホルダ5をスリーブ6に対し30度程度まで相対回動させても、ホルダ5の角部の面取り8部分は、スリーブ6の外形の延長線上からはみ出ることがないように形成されている。
次に、上記のように構成された光ファイバセンサヘッドの作用を説明する。
光ファイバセンサヘッドを組み立てるには、まずホルダ5の先端にプリズム16を取着する。ホルダ5にプリズム16を取着するには、プリズム16の丸軸部17に接着剤22を塗布した状態で、丸軸部17を挿通孔7に嵌挿する。この時、鍔部20の外面とホルダ5の外面とが平行あるいは面一となるように嵌挿すると、プリズム16の反射面18が窓部15に対し所定の角度に設定される。
次いで、ホルダ5及びプリズムを加熱して接着剤22を一旦溶かした後、冷却すると、接着剤22が硬化して、プリズム16がホルダ5に固定される。
接着剤22は、この光ファイバセンサヘッドが使用される高温環境下では溶けない耐熱性の高い接着剤であるため、ホルダ5及びプリズム16の加熱温度は、使用時の温度を超える高温度である。
すると、合成樹脂のプリズム16と金属のホルダ5との熱膨張率の差により、ホルダ5及びプリズム16の加熱時に、プリズム16が挿通孔9内で回動して、位置ずれが発生している可能性がある。
次いで、レンズ13及びインナースリーブ14をあらかじめ挿入したホルダ5に対し、あらかじめチューブ2を嵌挿したスリーブ6の嵌合軸10に接着剤21を塗布し、ホルダの基端側から嵌挿する。
そして、センサアンプから光を出力し、光ファイバ4、レンズ13及びプリズム16を介して窓部15から所定の光軸で光が出力されるように、ホルダ5をスリーブ6に対し相対回動して調整する。
光軸の調整後に、ホルダ5及びスリーブを加熱して、接着剤21を一旦溶かした後冷却すると、接着剤21が硬化して、ホルダ5がスリーブ6に固定される。
この時、ホルダ5とスリーブ6は、同一材質の金属であって熱膨張率が等しいため、使用時の温度を超える高温度で加熱しても、ホルダ5とスリーブ6の間で位置ずれは生じない。
受光側のセンサヘッドでは、窓部15から入射する光が、プリズム16、レンズ13、光ファイバ4を介してセンサアンプで正常に受信できるように、ホルダ5をスリーブ6に対し回動させて、プリズム16の光軸を調整すればよい。
上記のような光ファイバセンサヘッドでは、次に示す効果を得ることができる。
(1)プリズム16をホルダ5に高温度で加熱して接着するときにプリズム16に光軸ずれが発生しても、その光軸ずれをホルダ5とスリーブ6との接着工程でホルダ5をスリーブ6に対し回動させることにより補正することができる。従って、高温下で使用される光ファイバセンサヘッドにおいて、投光側のセンサヘッドにおける光の出力精度或いは受光側のセンサヘッドにおける光の検出精度を向上させることができる。
(2)ホルダ5とスリーブ6は、熱膨張率が等しい同一の金属材で形成されるので、ホルダ5とスリーブ6を加熱する接着工程で、ホルダ5とスリーブ6との位置ずれが発生することはない。
(3)スリーブ6に設けた嵌合軸10をホルダ5の挿通孔7に相対回動可能に嵌挿したので、スリーブ6に対しホルダ5を回動させることにより、プリズム16の光軸ずれを補正することができる。
(4)ホルダ5を四角筒状として、その外形形状に対向する平面を備えたことにより、光軸ずれの補正時に、ホルダ5を把持してスリーブ6に対し容易に回動させることができる。
(5)ホルダ5とスリーブ6を四角筒状としたので、光軸ずれの補正後のホルダ5の回動角を目視で確認しやすい。従って、スリーブ6に対するホルダ5の回動角を目視することにより、光軸ずれが適正か否かの確認を容易に行うことができる。
(6)スリーブ6を断面略正方形状としたので、スリーブ6の外面のいずれをも取付基準面として取付位置に設置可能である。従って、光ファイバセンサヘッドの設置位置及び設置方向の自由度が向上する。
(7)四角筒状のホルダ5の外径を、同じく四角筒状のスリーブ6の外径より小さくしたので、光軸ずれの補正時にスリーブ6に対するホルダ5の回動角が小さければ、ホルダ5の外形がスリーブの外形の延長線上からはみ出ることはない。従って、スリーブ6の設置面上への設置に支障を来すことはない。
(8)光軸ずれの補正時に、スリーブ6に対するホルダ5の回動角度が45度近傍まで大きくなると、ホルダ5の外形がスリーブの外形の延長線上からはみ出て、スリーブ6の設置面上への設置に支障を来す。従って、この場合には、ホルダ5の回動角が課題であると認識可能である。
(9)四角筒状のホルダ5及びスリーブ6の角部に面取り6a,8が施されているので、作業者が角部を把持しても安全である。
(10)窓部15の面積を、プリズム16の反射面18の窓部15への投影面積より広くしたので、プリズム16の接着時にプリズム16に位置ずれが発生しても、特に投光側のセンサヘッドにおいて、プリズム16で反射される光の窓部15の周縁でのけられが生じ難い。
(11)プリズム16を、その鍔部20がホルダ5の端面に当接するまで嵌挿することにより、プリズム16の丸軸部17とホルダ5の中心線との間の傾きの発生を抑制することができる。従って、プリズム16をホルダ5に取着する際に、プリズム16での光軸ずれの発生を抑制することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ホルダ5及びスリーブ6の外形形状は、四角形以外の多角形としてもよい。
1…センサヘッド、4…光ファイバ、5…ホルダ、6…スリーブ、6a,8…面取り、7,9…挿通孔、10…嵌合軸、13…レンズ、15…窓部、16…プリズム、17…丸軸部、18…反射面、20…鍔部、21,22…耐熱接着剤。

Claims (11)

  1. 光ファイバから出力される光をレンズ及びプリズムを介して窓部から出力するセンサヘッドを備えた光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記センサヘッドは、
    金属で形成された筒状のホルダと、
    前記ホルダと同材質の金属で形成され、かつ設置面に設置するための基準面が形成され、前記ホルダを支持した状態で前記設置面に設置される筒状のスリーブを備え、
    前記ホルダには、
    前記窓部及び前記レンズと、
    耐熱接着剤で前記ホルダ内に接着固定される前記プリズムと
    を備え、
    前記スリーブには、
    光を前記レンズに向かって出力する前記光ファイバと、
    前記ホルダに相対回動可能に嵌合されるとともに、前記ホルダを回動させて前記プリズムの光軸ずれを補正した状態で該ホルダを耐熱接着剤で接着固定する嵌合軸と
    を備えたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  2. 請求項1に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記ホルダの外面に、一対の平行面を備えたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  3. 請求項1又は2に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記ホルダ及び前記スリーブを断面多角形となる筒状とし、前記ホルダに前記嵌合軸を嵌挿可能とした断面円形の挿通孔を形成したことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  4. 請求項3に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記スリーブを、断面正方形状としたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  5. 請求項3又は4に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記ホルダの外形を前記スリーブの外形より小さくしたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  6. 請求項5に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記ホルダの外形は、該ホルダをスリーブに対し回動させたとき、該ホルダの外形の角部が前記スリーブの外形の延長線上からはみ出る角度がある大きさとしたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  7. 請求項3乃至6のいずれか1項に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記ホルダ及び前記スリーブの外形の角部に面取りを備えたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  8. 請求項3乃至7のいずれか1項に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記窓部の面積は、前記プリズムの反射面を前記窓部上に投影した面積より広くしたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  9. 請求項8に記載の光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記プリズムには、
    前記ホルダの前記挿通孔に嵌挿可能とされ、先端部に前記反射面を備えた丸軸部と、
    前記丸軸部の基端部に形成され、前記丸軸部とホルダの中心線が一致する状態で前記ホルダの端面に当接する鍔部と
    を備えたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  10. 窓部に入射する光をプリズム及びレンズを介して光ファイバに出力するセンサヘッドを備えた光ファイバセンサヘッドにおいて、
    前記センサヘッドは、
    金属で形成された筒状のホルダと、
    前記ホルダと同材質の金属で形成され、かつ設置面に設置するための基準面が形成され、前記ホルダを支持した状態で前記設置面に設置される筒状のスリーブを備え、
    前記ホルダには、
    前記窓部及び前記レンズと、
    耐熱接着剤で前記ホルダ内に接着固定される前記プリズムと
    を備え、
    前記スリーブには、
    前記レンズから出力される光を受光する前記光ファイバと、
    前記ホルダに相対回動可能に嵌合されるとともに、前記ホルダを回動させて前記プリズムの光軸ずれを補正した状態で該ホルダを耐熱接着剤で接着固定する嵌合軸と
    を備えたことを特徴とする光ファイバセンサヘッド。
  11. 合成樹脂で形成され、光ファイバから出力される光を反射して窓部から出射し、あるいは窓部に入射する光を反射して前記光ファイバに出力するプリズムが取着される筒状のホルダと、端面が前記プリズムに向かって露出される前記光ファイバを内蔵した筒状のスリーブをそれぞれ金属で形成し、前記プリズムに耐熱接着剤を塗布し、前記プリズムを前記ホルダに嵌合して前記耐熱接着剤が溶ける高温に加熱して前記プリズムをホルダに接着固定し、前記スリーブに耐熱接着剤を塗布し、前記スリーブに前記ホルダを嵌合して回動することにより加熱による前記プリズムの光軸ずれを補正し、前記ホルダ及び前記スリーブを前記耐熱接着剤が溶ける高温に加熱して前記ホルダを前記スリーブに接着固定することを特徴とする光ファイバセンサヘッドの製造方法。
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