JPH04338914A - 光スイッチおよび光学式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投光用光ファイバと受
光用光ファイバとの間の光伝達路をアクチュエータ操作
により機械式に開閉して光信号をオン，　オフ制御する
光スイッチ、および光スイッチと光電変換器を組合わせ
た光学式センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、頭記の光スイッチとして、二つの
コーナー反射面と中央の空隙部を有する凹字形の導光プ
リズムと、先端部に偏向反射面を形成した遮光シャッタ
と、該遮光シャッタを導光プリズムの空隙部に　　出入
操作するアクチュエータとをスイッチ本体に組み込み、
アクチュエータの動作に対応して導光プリズムの入光部
，二つの出光部にそれぞれ接続した投光用光ファイバと
第１および第２の受光用光ファイバとの相互間で光信号
の伝達を切換え制御するするようにした光スイッチが、
特願平１−３１４６５４として本発明と同じ出願人より
既に提案されている。

【０００３】ここで、前記提案になる光スイッチの構成
，動作を図４にて説明する。図において、１は導光プリ
ズム、２はアクチュエータ、３はアクチュエータ２の復
帰ばね、４は遮光シャッタ、５は投光用光ファイバ、６
は第１の受光用光ファイバ、７は第２の受光用光ファイ
バであり、これら部品を図示されてないスイッチケース
内に組み込んで光スイッチが構成されている。ここで、
導光プリズム１は全体の形状がほぼ凹字形をなし、その
左右両コーナーには球面ないし楕円面状の反射面１ａ，
１ｂが、また左右のコーナー反射面の中間には遮光シャ
ッタ４が上方から出入する空隙部１ｃが形成されおり、
かつプリズムの基部側には前記のコーナー反射面１ａ，
１ｂ，空隙部１ｃとそれぞれ対応した位置に入光部，第
１，第２の出光部を形成してここに投光用光光ファイバ
５，第１の受光用光ファイバ６，第２の受光用光ファイ
バ７が接続されている。また、遮光シャッタ４はその先
端部を斜め４５゜にカットして、ここに平面鏡としてな
る偏向反射面８が形成されている。

【０００４】かかる構成の光スイッチは次記のように動
作する。まず、図４（ａ）は遮光シャッタ４が導光プリ
ズム１の空隙部１ｃから上方へ後退している状態を示し
ており、投光用光ファイバ５から出射した光信号の光線
束９は導光プリズム１に入光し、左側のコーナー反射面
１ａで反射した後に空隙部１ｃを通過し、さらに右側の
コーナー反射面１ｂで再び反射して第１の受光用光ファ
イバ６に入射するような経路を辿って伝達される。一方
、アクチュエータ２の押し込み操作により、遮光シャッ
タ４が図４（ｂ）〜（ｄ）で表すように導光プリズム１
の空隙部１ｃに進入すると、図４（ａ）の状態で空隙部
１ｃを通過していた光線束９がシャッタ４により遮光さ
れるので、第１の受光用光ファイバ６への光信号の伝達
が絶たれるとともに、光線束９は遮光シャッタ４の偏向
反射面８に反射して略直角方向に向きを変え、その下方
に接続した第２の受光用光ファイバ７に入射するように
なる。これにより光信号の伝達経路が切換わり、第１の
受光用光ファイバ６の信号回路がオフ、第２の受光用光
ファイバ７の信号回路がオンとなる。

【０００５】一方、光スイッチの応用機器として、前記
した光スイッチに光ファイバを介して接続した光電変換
器を組合わせ、光スイッチに組み込んだアクチュエータ
の動作状態を光信号として検出し、その光信号を光電変
換器より電気信号に変換して出力するようにした光学式
センサが知られている。かかる光学式センサは、アクチ
ュエータ動作を光信号として検出できるので、防爆，電
気絶縁性などの面から電気的な有接点スイッチが採用で
きな使用環境に設備した各種機器の遠隔検出センサとし
て各種分野で多用されている。

【０００６】図８はかかる光学式センサの従来構成を示
すものであり、図において、１３は図４に示した光スイ
ッチ、１４は光電変換器であり、両者の間が１本の投光
用光ファイバ５と２本の受光用光ファイバ６，７を介し
て相互接続されている。また、光電変換器１４は、投光
用光ファイバ５に向けて光を出射する発光素子１５と、
該発光素子１５の駆動回路１６と、受光用光ファイバ６
，７と個々に対応する第１，第２の受光素子１７，１８
と、受光素子１７，１８の受光回路１９，２０と、受光
回路１９，２０に接続した出力回路２１，２２を有し、
受光用光ファイバ６，７を通じて受光素子１７，１８に
受光された光信号は光電変換されて、出力端子２３，２
４より検出信号として外部に出力される。

【０００７】上記の構成で、光スイッチ１３のアクチュ
エータ２が図示位置に待機していれば、図４で説明した
光スイッチの動作から判るように、発光素子１５より出
射した光は投光用光ファイバ５，導光プリズム１，第１
の受光用光ファイバ６を経由して第１の受光素子１７に
導かれ、該受光素子で電気信号に変換された後に受光回
路１９を経て出力回路２１をオンさせる。この場合に第
２の受光素子１８は非受光であり、受光回路２０は無信
号状態である。一方、アクチュエータ２が図示位置から
押し込まれた状態になれば、シャッタ４が導光プリズム
１の空隙部に進入するので、発光素子１５から出射した
光は第２の受光用光ファイバ７を経由して第２の受光素
子１８に導かれるで、出力回路２１がオフ，出力回路２
２がオンに切り替わる。したがって出力端子２３，２４
からの出力信号を監視することにより、光スイッチ１３
に組み込んだアクチュエータ２の動作状態を検出するこ
とができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した光
スイッチ，および光学式センサには次のような問題点が
ある。まず、光スイッチについて、図４で述べたように
光スイッチに組み込んだ遮光シャッタ４の偏向反射面８
が平面鏡であると動作面で次記のような不具合が生じる
。すなわち、投光用光ファイバ５の端面から出射した光
線束９は或る広がり角度をもって拡散し、導光プリズム
１のコーナー反射面１ａに反射して空隙部１ｃの中央地
点Ａに一旦集束した後に、再び反対側のコーナー反射面
１ｂに向けて拡散するように進む。一方、アクチュエー
タ２に連動する遮光シャッタ４の偏向反射面８は、アク
チュエータ２の動作ストロークの範囲に対応した面域を
持っている。このために、遮光シャッタ４が導光プリズ
ム１の空隙部１ｃへ進入する過程で、そのストローク位
置によって偏向反射面８に対する光線束９の反射位置が
偏向反射面の面域に沿って変化するようになり、これが
原因で第２の受光用光ファイバ７への入光量が変わる。

【０００９】この様子を図４（ｂ），　（ｃ），　（ｄ
）　で説明すると、まず（ｂ）図で示すように遮光シャ
ッタ４の先端が空隙部１ｃに僅かに進入したストローク
位置では、光線束９が集束点Ａよりも右側に進んだこと
ろで偏向反射面８に反射する。この反射位置では光線束
９が多少の広がりをもっているので、偏向反射面８で反
射偏向した光線束９はさらに広い範囲に散乱し、このた
めに光線束の一部が第２の受光用光ファイバ７に入射せ
ずに漏れ光線９ａとして系外に漏出してしまう。この結
果として、投光用光ファイバ５から出射した光量と受光
用光ファイバ７に入光する光量との比で表す光結合効率
が低下し、光スイッチとしての動作特性に悪影響を及ぼ
す。次に、（ｃ）図のストローク位置では、遮光シャッ
タ４の偏向反射面８が光線束９の集束点Ａと一致してい
るので、この状態では反射偏向した光線束９の散乱の度
合が少なく、光線の全光束が受光用光ファイバ７に入光
する。また、（ｄ）図のように遮光シャッタ４が空隙部
１ｃに深く進入したストローク位置では、光線束９が集
束点Ａよりも左側で広がりをもったまま偏向反射面８に
反射するため、（ｂ）図で述べたと同様に偏向反射面８
で反射偏向した光線束９が散乱し、光線束の一部が漏れ
光線９ｂとなって系外に漏出する。つまり、偏向反射面
８が平面鏡であると、（ｃ）図のストローク位置以外の
遮光シャッタ４のストローク位置では、投光用光ファイ
バ５から出射した光線束９を第２の受光用光ファイバ７
に効率よく導光させことができない。

【００１０】一方、光スイッチに光電変換器を組み合わ
せた光学式センサについては、光電変換器１４に組み込
んだ発光素子１５，受光素子１７，１８は経時変化して
長期使用の間に特性が劣化し、また受光回路なども故障
することがある。さらに光スイッチ１３と光電変換器１
４との間に配線した光ファイバ５，６，７は、偶発的に
外部から引張り力が加わると接続位置がずれて光結合部
の損失が増大したり、相手機器から抜けたりする光機器
特有の問題がある。しかも、光学式センサの使用状態で
センサの系内に前記のような異常状態が生じるとセンサ
が正常に機能せず、このために被検出機器の動作状態が
誤認されるなどして重大にトラブルに進展するおそれが
ある。かかる点、図８に示した従来の光学式センサには
、系内に前記のような異常が発生してもこれを直ちに検
知，確認できる機能がなく、保全管理の面からもその解
決策が強く望まれている。

【００１１】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、第１の目的は先記した光スイッチを対象に、ア
クチュエータ操作による遮光シャッタのストローク位置
に殆ど関係なく、遮光シャッタの偏向反射面で反射した
光線束を効率よく集光して第２の受光用光ファイバに導
光できるようにした動作特性の優れた光スイッチを提供
することにあり、また第２の目的は前記光スイッチ主要
部としてこれに光電変換器を組合わせてなる光学式セン
サを対象に、センサの系内に異常が生じた場合にはこれ
を直ちに自己診断して検知できるような異常診断機能を
持たせた光学式センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の光スイッチにおいては、遮光シャッ
タの先端部に形成した偏向反射面を凹面鏡となして構成
するものとする。ここで、前記構成における遮光シャッ
タの偏向反射面は、単一の凹面鏡，あるいは複数の凹面
鏡を組合わせて形成することができ、かつその凹面鏡の
鏡面は、導光プリズムの形状との対応で球面，あるいは
非球面のいずれかを選んで形成することができる。

【００１３】また、前記構成における遮光シャッタの偏
向反射面の鏡面は、メッキ，ないしはアルミニウム蒸着
などの金属蒸着のいずれかの方法により形成することが
でき、さらにこのようにして形成した鏡面は酸化アルミ
ニウム，透明樹脂など保護膜で覆うようにするのが好ま
しい。

【００１４】一方、第２の目的を達成するために、本発
明の光学式センサにおいては、光電変換器が、二つの受
光部より出力する信号を入力としてセンサの異常有無を
判定する自己診断回路を備えるものとする。また、前記
の自己診断回路は、二つの受光部からの出力信号がとも
に「無し」，または「有り」の条件で異常信号を出力す
る論理回路で構成することができる。

【００１５】

【作用】まず、光スイッチに関して、　　上記構成のよ
うに遮光シャッタの偏向反射面を球面ないし非球面状の
凹面鏡とし、かつその凹面鏡の曲率，向きなどを導光プ
リズムの形状に対応させて適正に決めることにより、該
偏向反射面に対する光線束の反射位置が、遮光シャッタ
のストローク位置に対応して導光プリズムの空隙中央の
集束点から前後に多少ずれて光線束が広がりをもってい
る場合でも、凹面鏡の偏向反射面で反射偏向した光線は
広範囲に散乱せず、導光プリズムのコーナー反射面での
反射と同様に、逆に集束するような光路を辿って第２の
受光用光ファイバに全光束が入光するようになる。また
、この場合に偏向反射面を複数の凹面鏡を組合わせるこ
とにより、遮光シャッタのストローク位置に殆ど関係な
く偏向反射面で反射偏向した光線をほぼ同一条件で受光
用光ファイバへ向けて導光させることができ、より一層
効果的である。

【００１６】なお、遮光シャッタは一般に樹脂成形品と
して作られたものであり、メッキ，金属蒸着法などを採
用することで偏向反射面を平滑な鏡面として形成するこ
とができる。また、鏡面の表面を覆った透光性の保護膜
は、メッキ，金属蒸着などで形成された前記鏡面の腐食
を防いで耐環境性の向上に寄与する。

【００１７】一方、光学式センサについては、センサが
正常に機能している限りは、光スイッチに組み込まれた
アクチュエータの動作状態に応じて第１，第２の受光部
のいずれか一方のみに光が受光されて受光信号を出力す
る。したがって、各受光部から自己診断回路（論理回路
）へ入力される二つの入力は“１”，“０”か、もしく
は“０”，“１”となるので、自己診断回路はセンサ機
能が正常と判断して異常信号は出力されない。これに対
して、発光，受光素子の劣化，受光回路の故障，あるい
は光ファイバの劣化，脱落などの異常事態が生じると、
アクチュエータの動作状態の如何にかかわらず第１，第
２の受光部からの出力信号はともに「無し」の状態にな
る。これにより自己診断回路は二つの入力がともに“０
”となるので異常発生と判断して異常信号を出力する。 また、受光回路などの故障が原因で、二つの受光部から
の出力信号がともに「有り」の状態になった場合は、自
己診断回路は二つの入力がともに“１”となるのて、前
記と同様に異常発生と判断して異常信号を出力する。こ
れにより、センサの系内に異常が発生した場合には診断
回路を通じて直ちに異常を検知，確認できる。

【００１８】

【実施例】以下本発明による光スイッチ，光学式センサ
の実施例を図面に基づいて説明する。なお、実施例の各
図において、図４，図８に対応する同一部材には同じ符
号が付してある。光スイッチの実施例：まず、図１，図
２はそれぞれ光スイッチについての本発明の実施例を示
すものであり、図１の実施例においては、遮光シャッタ
４の先端に形成した偏向反射面１０が球面状を呈する単
一の凹面鏡として形成されている。一方、図２の実施例
では、偏向反射面１１が３段に分割して並ぶ小さな凹面
鏡を組合わせて形成されている。また、これらの偏向反
射面は、樹脂成形品として作られた遮光シャッタ４に対
してメッキ法，あるいはアルミニウム蒸着などの金属蒸
着法により鏡面に仕上げて形成される。さらに、前記方
法で形成された鏡面を腐食などから保護するために、そ
の表面を例えば酸化アルミニウム，透明樹脂などの透光
性保護膜１２で覆うのがよい。

【００１９】次に前記構成による光スイッチの動作を、
図２の実施例を基に図３により説明する。なお、図３（
ａ）〜（ｄ）は、それぞれ先述した図４（ａ）〜（ｄ）
に対応した遮光シャッタ４の各ストローク位置における
光線の伝達経路を描いたものである。まず、図３（ａ）
は遮光シャッタ４が導光プリズム１の空隙部１ｃから後
退した状態を示し、投光用光ファイバ５から出射した光
線束９は導光プリズム１の空隙部１ｃを通過して第１の
受光用光ファイバ５に伝達されている。一方、アクチュ
エータ２の操作で遮光シャッタ４が導光プリズム１の空
隙部１ｃに進入した図３（ｂ）〜（ｄ）の各ストローク
位置では、いずれのストローク位置でも光線束９は小区
画の分割凹面鏡で形成された偏向反射面１１に対してほ
ぼ同じ条件で反射偏向し、図示のように第２の受光用光
ファイバ７へ効率よく導光されることになる。これによ
り、遮光シャッタ４のストローク位置に殆ど関係なく、
投光用光ファイバ５と第２の受光用光ファイバ７との間
で常に安定した光結合効率が得られる。

【００２０】光学式センサの実施例：図５は本発明によ
る光学式センサの構成図であり、先の実施例で述べた光
スイッチ１３と組合わせて構成した光電変換器１４には
、図８と比べて新たに自己診断回路２５が追加装備され
ている。ここで、自己診断回路２５は第１の受光素子１
７，受光回路１９を通じて出力される信号Ａと、第２の
受光素子１８，受光回路２０を通じて出力される信号Ｂ
との二つの信号を入力として、各入力信号Ａ，Ｂがとも
に「有り」，またはともに「無し」の条件で異常信号出
力端子２６より異常信号を出力する論理回路として構成
されている。なお、自己診断回路２５は、例えば図６で
示すようにＡＮＤ回路とＮＯＲ回路とＯＲ回路を図示の
ように組み合わせた回路、あるいは図７で示すように排
他的論理和回路（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ　ＯＲ回路）とＮ
ＯＴ回路を組合わせて構成することができる。

【００２１】上記した自己診断回路２５の真理値表，並
びにセンサの異常診断動作を表で表すと次記の表１のご
とくである。

【００２２】

【表１】

【００２３】すなわち、センサが正常に機能している限
りは、光スイッチ１３に組み込まれたアクチュエータ２
の動作状態に応じて第１，第２の受光素子１７，１８の
いずれか一方のみに光が受光されて受光信号を出力する
。したがって、各受光回路１９，２０から自己診断回路
２５へ入力される入力Ａ，Ｂは“１”，“０”か、もし
くは“０”，“１”となるので、診断回路２５はセンサ
機能が正常と判断して出力Ｘは“０”、つまり異常信号
は出力されない。これに対して、発光素子１５，受光素
子１７，１８の劣化，受光回路１９，２０の故障，ある
いは光ファイバ５，６，７の劣化，接続抜けなどの異常
事態が生じると、アクチュエータ２の動作状態の如何に
かかわらず、第１，第２の受光回路１９，２０からの出
力信号はともに「無し」の状態になる。これにより診断
回路２５に対する入力Ａ，Ｂがともに“０”となるので
出力Ｘが“１”、つまり診断回路は異常発生と判断して
出力端子２６へ異常信号を出力する。また、受光回路１
９，２０などの故障が原因で各受光回路１９，２０から
の出力信号がともに「有り」の状態になった場合は、診
断回路２５への入力Ａ，Ｂがともに“１”となるのて、
前記と同様に異常発生と判断して異常信号を出力する。 これにより、センサの系内に異常が発生した場合には診
断回路を通じて直ちに異常を検知，確認できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の光スイッチは、以上説明したよ
うに構成されているので、アクチュエータ操作による遮
光シャッタのストローク位置に殆ど関係なく、遮光シャ
ッタの偏向反射面で反射した光線束を効率よく集光して
第２の受光用光ファイバに導光することができ、これに
より偏向反射面が平面鏡であるものと比べて投光用光フ
ァイバと第２の受光用光ファイバとの間で光結合効率が
向上し、光スイッチの動作特性の安定化が図れる。

【００２５】また、前記の光スイッチを主要部として光
電変換器と組合わせて構成した本発明の光学式センサに
おいては、光電変換器に自己診断回路を新たに追加装備
したので、使用中にセンサの系内で発光，受光素子の劣
化，光ファイバの劣化，接続部の抜け，受光回路の故障
などが原因でセンサ機能が喪失した異常した場合には、
この異常事態の発生を光電変換器の診断回路で自己診断
して直ちに検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光スイッチの実施例の構成図

【図
２】図１と異なる光スイッチの実施例の構成図

【図３】
図２の実施例を例にした光スイッチの動作説明図であり
、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ遮光シャッタの異なるスト
ローク位置に対応した光伝達経路を表す図

【図４】従来
における光スイッチの構成，動作の説明図であり、（ａ
）〜（ｄ）はそれぞれ遮光シャッタの異なるストローク
位置に対応した光伝達経路を表す図

【図５】本発明によ
る光学式センサの実施例の回路図

【図６】図５における
診断回路の内部回路図

【図７】図６と異なる診断回路の
内部回路図

【図８】従来における光学式センサの回路図

【符号の説明】

１　　　　導光プリズム １ａ　　コーナー反射面 １ｂ　　コーナー反射面 １ｃ　　空隙部 ２　　　　アクチュエータ ４　　　　遮光シャッタ ５　　　　投光用光ファイバ ６　　　　第１の受光用光ファイバ ７　　　　第２の受光用光ファイバ ９　　　　光線束 １０　　　　単一の凹面鏡で形成された偏向反射面１１
　　　　複数の凹面鏡を組合わせて形成された偏向反射
面 １２　　　　保護膜 １３　　　　光スイッチ １４　　　　光電変換器 ２５　　　　自己診断回路

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投光用光ファイバと受光用光ファイバとの
   間の光伝達路をアクチュエータ操作により機械式に開閉
   して光信号をオン，　オフ制御する光スイッチであり、
   二つのコーナー反射面と中央の空隙部を有する凹字形の
   導光プリズムと、先端部に偏向反射面を形成した遮光シ
   ャッタと、該遮光シャッタを導光プリズムの空隙部に出
   入操作するアクチュエータとを具備し、アクチュエータ
   の動作に対応して導光プリズムの入光部，二つの出光部
   接続した投光用光ファイバと第１および第２の受光用光
   ファイバとの相互間で光信号を切換え制御するものにお
   いて、前記遮光シャッタの偏向反射面を凹面鏡となした
   ことを特徴とする光スイッチ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光スイッチにおいて、遮
   光シャッタの偏向反射面が単一の凹面鏡で形成されてい
   ることを特徴とする光スイッチ。
3. 【請求項３】請求項１に記載の光スイッチにおいて、遮
   光シャッタの偏向反射面が複数の凹面鏡を組合わせて形
   成されていることを特徴とする光スイッチ。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載の光スイッチにお
   いて、凹面鏡の鏡面が球面であることを特徴とする光ス
   イッチ
5. 【請求項５】請求項２または３に記載の光スイッチにお
   いて、凹面鏡の鏡面が非球面であることを特徴とする光
   スイッチ
6. 【請求項６】請求項１に記載の光スイッチにおいて、遮
   光シャッタの偏向反射面の鏡面がメッキないし金属蒸着
   のいずれかの方法で形成されたものであることを特徴と
   する光スイッチ。
7. 【請求項７】請求項６に記載の光スイッチにおいて、金
   属蒸着がアルミニウム蒸着であることを特徴とする光ス
   イッチ。
8. 【請求項８】請求項６に記載の光スイッチにおいて、メ
   ッキないし金属蒸着法により形成された鏡面が透光性の
   保護膜で覆われていることを特徴とする光スイッチ。
9. 【請求項９】請求項８に記載の光スイッチにおいて、保
   護膜が酸化アルミニウムないし透明樹脂のいずれかであ
   ることを特徴とする光スイッチ。
10. 【請求項１０】二つのコーナー反射面と中央の空隙部を
    有する凹字形の導光プリズム、先端部に偏向反射面を形
    成した遮光シャッタ、該遮光シャッタを導光プリズムの
    空隙部に出入操作するアクチュエータからなり、前記導
    光プリズムには一つの入光部と二つの出光部を備えた光
    スイッチと、一つの投光部と二つの受光部を備えた光電
    変換器と、前記光スイッチの入光部，出光部と光電変換
    器投光部，受光部との間に配線した投光用光ファイバ，
    受光用光ファイバとを組合わせ、前記アクチュエータの
    動作状態を光電変換器にて検出する光学式センサにおい
    て、光電変換器が、二つの受光部より出力する信号を入
    力としてセンサの異常有無を判定する自己診断回路を備
    えたことを特徴とする光学式センサ。
11. 【請求項１１】請求項１０記載の光学式センサにおいて
    、自己診断回路が、二つの受光部からの出力信号がとも
    に「無し」，または「有り」の条件で異常信号を出力す
    る論理回路で構成されていることを特徴とする光学式セ
    ンサ。