JP2855893B2

JP2855893B2 - 光スイッチおよび光学式センサ

Info

Publication number: JP2855893B2
Application number: JP18669391A
Authority: JP
Inventors: 良弘飛山; 秀幸田中; 裕治郎八木; 安一佐野; 三男西尾; 一穂糸賀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH04338914A

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１
ａ，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１
ａ，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１７，１
８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１７，１
８に受光された光信号は光電変換されて、出力端子２
３，２４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
１７，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ＮＯＴ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
１９，２０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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐野安一神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者西尾三男神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者糸賀一穂神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 26/08 H01H 35/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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
【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
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。