APDahlen Applications Engineer
要約
光カーテンの内部動作について、赤外線発光素子、電源装置、マイクロコントローラなどの回路基板の詳細に重点を置いて検討します。本稿には、図1に示すようなBanner Engineering EZ-Screen LP カーテンの内部構造を、作業台上で撮影した高解像度写真が含まれています。
私たちは発見の喜びに満ちて、この産業用安全装置を分解しました。
おおよその読了時間：4分
図1： 筆者の作業台に置かれたBannerのEZスクリーンLP光カーテンのペア
警告
光カーテンやその他の産業用安全装置を分解または改造しないでください。そのような行為は機器の完全性を損ない、故障や重大な怪我の原因となります。
本記事は教育目的のみに作成されたものです。内部の構成要素を視覚化することで、読者が技術をより深く理解されることを願って、本資料を作成しました。
堅牢な外装シェル
光カーテンの外装部品を図2に示します。これらの部品を組み合わせることで、電子機器の保護等級IP65（防塵および防水）を実現します。
写真では以下のものが示されています。
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上段：アルミニウム製ハウジング
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中段左から右へ：
- 取付クランプ
- トップカバー
- ボトムカバー
- 基板実装LEDの光を伝送するライトパイプ
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下段：細長い赤色の赤外線透過窓
光カーテンは驚くほど分解が難しいことを付け加えておきます。接着剤とIP65の耐環境シーラントは、アセンブリをしっかりと保持するように設計されています。
図2： 光カーテンの外装シェル部品
赤外線（IR）エミッタ
図3は赤外線（IR）エミッタの画像です。実際に見えているのは、各エミッタの上に配置されたレンズです。このレンズにより、ビームは広がりの少ない一連の平行ビームとして出射します。この画像は、コスト削減のための組み立て方法も示唆しています。Nは個々のIRモジュールの長さで、光カーテンは長さNの単位で構成されているようです。これは業界では一般的な設計ですが、Bannerの製品では確認されていません
画像には、センサ間の距離を示すために10mmに設定されたノギスが写っています。この均一な距離と密接なビーム間隔は、産業安全における重要な要素です。このカーテンはDigiKeyのフィンガー保護カテゴリに該当します。これにより、作業者が機械の保護対象エリアに近づくと、迅速な検出（安全シャットダウン）が可能になります。フィンガー保護型光カーテンとハンド保護型光カーテンの違いとその影響について詳しくは、こちらの記事をご覧ください。Bannerの資料によると、これらの規定はANSI B11.19およびISO 13855に準拠しています。
図3： 10mm間隔の赤外線エミッタの画像
電源と入力保護
一般論として、産業用コンポーネントは、一般的なエレクトロニクスアセンブリと比較して高い水準で設計されています。これは、光カーテンが機械を保護するために設計された安全装置であることを考えれば、明らかです。図4に示すような光カーテンの電源部を考えれば、これ以上のものはないでしょう。
- 過渡電圧を抑制するための双方向TVS
- 茶色がホット（電圧側、24V DC）であることを忘れてしまう瞬間のための極性保護
- ヒューズによる保護
- マイクロコントローラ用の低電圧スイッチング電源
さらに、外部ケーブル用のコネクタも確認できます。図5に、対応するカードエッジコネクタを示します。
このBannerのリムーバブルディスコネクト（RD）はプロジェクトに合わせてさまざまなケーブル長を利用できるため、便利な設計機能です。たとえば、DigiKeyでは、M12コネクタ付きの短いケーブルからフライングリードの100フィート（30.48m）のケーブルまで、さまざまなケーブルを提供しています。Bannerの EZ-SCREEN LP（薄型）安全光カーテンの取扱説明書を必ず参照してください。
図4： 光カーテンの電源と入力保護回路
図5： M12につながるカードエッジ保護付きの光カーテンケーブル
マイクロコントローラ の連携
白状しますが、私は物を分解するのが大好きなんです。
ただ、ドライバーを手に取る前に、どのマイクロコントローラが使われているかは必ず予測します。この光カーテンは期待通り PIC16F886 を搭載していました。初めて PIC16 マイクロコントローラを（アセンブラで）プログラミングした時のことを思い出して、思わず笑みがこぼれました。
光カーテン（エミッタ側）に関しては、正確な機能は不明です。しかし、マイクロコントローラが次のような機能を提供していると考えるのが妥当でしょう。
- オンボードLEDによるステータスレポート
- 電源の健全性監視
- 光カーテンの堅牢性を向上させるため、IRビームをシーケンス制御することも可能
対応するレシーバ（おそらくもう1つの PIC16 を搭載）は、カーテンの健全性を判断し、OSSD信号やその他の信号を適切に制御する役割を担います。
図6： 光カーテンには制御用に PIC16 が組み込まれています。
おわりに
最初の警告（産業用安全装置を分解したり、改造したりしないでください！）を思い出してください。同時に、あらゆる機会をとらえて、修理不能な機器を安全に検査し、その組み立て方法を確認してください。例えば、図4に示すような電源部をリバースエンジニアリングしてみましょう。双方向TVSダイオード、極性ダイオード、ヒューズ、およびI/O信号の関係を理解することで、エレクトロニクスを学んでください。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。
Dahlen氏は、ミネソタ州北部の故郷に戻り、コンデンサ探しから始まった数十年にわたる旅を終えました。 彼の物語はこちらからお読みください。