JP6932608B2

JP6932608B2 - 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

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Publication number: JP6932608B2
Application number: JP2017199195A
Authority: JP
Inventors: 聡内山
Original assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Current assignee: Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: JP2019074584A

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。