JP2002148117A - 光学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の発光素子を集中配置することにより光
源部分における厚さの増大を抑え、小型化を図ることが
可能な光学センサを提供する。 【解決手段】 光学センサ１は、それぞれ異なるスペク
トルの光を発する複数の発光素子が集中配置された光源
４と、多数の光ファイバが束ねられ、一端に入射部３ｃ
を、他端に入射部よりも小径の出射部３ｄを有し、入射
部３ｃが光源４と光学的に結合されるライトガイド３
と、ライトガイド３の出射部３ｄと光学的に結合される
単心の光ファイバ５とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の発光素子の
組み合わせにより構成される光源を備えた光学センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】カラーセンサ等の複数の発光素子を備え
た光学センサにおいては、それぞれの発光素子から出射
された光の照射位置が異なると、例えば、検査対象物体
が微小な物体である場合等は、一部の光は検査対象物体
に照射され、一部の光は背景に照射されるという状況に
なり、安定した検出ができない恐れがある。そのため、
複数の光源が同一の位置となるように、各光源を単一光
源化する必要がある。

【０００３】この場合、各光源を限りなく小さくし、高
密度に実装するようにすれば単一光源（点光源）とな
る。しかし、現状では、十分な光量を有し、かつ、複数
組み合わせても実用上単一光源と見なせる大きさの発光
素子は存在しないため、光源を限りなく小さくすること
による単一光源化（点光源化）には限界がある。このた
め、複数の発光素子を分散配置し、集光部材を介して光
ファイバへ導くことで単一光源化する光学センサが知ら
れている（例えば、特開平８−４３２０７号公報参
照）。この光学センサによれば、一部の光は検査対象物
体に照射され、一部の光は背景に照射されるという状況
にはなり得ず、安定した検出をすることが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記光学セン
サは、発光素子として単色の発光ダイオードを用い、複
数の発光素子から出射される光を拡散させずに投光用の
光ファイバへ導くための手段として、前記集光部材にそ
れぞれの発光素子に対応するレンズを形成している。こ
のため、上記光学センサは、各発光素子をレンズごとに
分散配置しなければならず、特に発光素子を３つ以上用
いる場合には、各発光素子や前記レンズを投光用の光フ
ァイバの光軸廻りに配置しなければならず、光軸に直交
する方向での光源部分における厚さが増大してしまうと
いう問題があった。

【０００５】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、複数の発光素子を集中配置することにより光源部分
における厚さの増大を抑え、小型化を図ることが可能な
光学センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の第１の発明に係る光学センサにおいては、それ
ぞれ異なるスペクトルの光を発する複数の発光素子が集
中配置された光源と、多数の光ファイバが束ねられ、一
端に入射部を、他端に前記入射部よりも小径の出射部を
有し、前記入射部が前記光源と光学的に結合されるライ
トガイドと、前記ライトガイドの出射部と光学的に結合
される単心の光ファイバとを備えた構成としたのであ
る。

【０００７】また、上記目的を達成するため本発明の第
２の発明に係る光学センサにおいては、それぞれ異なる
スペクトルの光を発する複数の発光素子が集中配置され
た光源と、一端に入射部を、他端に前記入射部よりも小
径の出射部を有すると共に、前記入射部と出射部との間
に光学的に連続した空間を形成し、前記入射部が前記光
源と光学的に結合されるライトガイドとを備えた構成と
したのである。

【０００８】

【作用】複数の発光素子から出射された光は、ライトガ
イドに案内されて単心の光ファイバを介してあるいは単
心の光ファイバを介することなく光学センサから出射さ
れ、検査対象物体へ照射される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学センサに係る
一実施形態を図１乃至図７に基づいて詳細に説明する。
先ず、第１の発明に係る光学センサの実施形態として、
図１に示す光学センサ１について説明する。

【００１０】光学センサ１は、図示のように、ケース
２、ライトガイド３、光源４、投光ファイバ５、受光フ
ァイバ６及び受光素子７を備えている。ケース２は、本
体２ａ、前カバー２ｂ、光源ホルダ２ｃ、ファイバホル
ダ２ｄを有し、両ファイバ４，６が延出する側の上部に
はファイバロックレバー２ｅが、下部には図示しないレ
ールへ固定するための固定爪２ｆと可動爪２ｇが、それ
ぞれ設けられている。

【００１１】ライトガイド３は、図２に示すように、コ
ア３ａとクラッド３ｂとを有する多数の光ファイバを束
ねたファイバ光学部材で、例えば、長さ１５ｍｍ、入射
部３ｃの直径が３ｍｍ、中間部から次第に縮径されて出
射部３ｄが入射部３ｃよりも小径の直径１ｍｍに成形さ
れている。ライトガイド３は、多数の光ファイバを断面
円形となるように束ね、これを熱及び薬品処理を用いて
延伸することで製造される。ライトガイド３は、入射部
３ｃと出射部３ｄを除く外周にガラス等からなる黒色の
被覆３ｅが施され、入射部３ｃで光源４と光学的に結合
される。ライトガイド３は、図１に示すように、一方に
投光ファイバ５を他方に光源４を配置して光源ホルダ２
ｃに保持されている。

【００１２】光源４は、図３（ａ），（ｂ）に示すよう
に、小型化を目的として白色エポキシ樹脂からなるパッ
ケージ４ａの凹部４ｂに、それぞれ異なる赤，緑，青か
らなるスペクトルの光を出射する微細な発光素子である
ＬＥＤチップ４ｃ〜４ｅが集中配置されている。光源４
は、例えば、１辺３ｍｍの正方形で厚さが1.２ｍｍ程度
の大きさである。ＬＥＤチップ４ｃ〜４ｅは、図示のよ
うに共通電極４ｆとの間がボンディングワイヤ４ｇによ
って接続され、凹部４ｂに充填される透明エポキシ樹脂
等の透明な充填材４ｈによって保護されている。光源４
は、図１に示すように、光源ホルダ２ｃに取り付けられ
る素子基板８と各ＬＥＤチップ４ｃ〜４ｅが接続されて
いる。素子基板８は、ケース２内に設けた本体基板２ｈ
に取り付けられ、本体基板２ｈは、ケーブルホルダ２ｊ
を介してケース２内に導入される電源・信号ケーブル
（図示せず）と接続される。ここで、ＬＥＤチップ４ｃ
〜４ｅは、例えば、図示しない検査対象物体からの光情
報を増加させる目的で所定の時間差の下に点灯したり、
３色同時に点灯させる等、検査の目的や対象に応じ、種
々の態様に点灯して用いられる。

【００１３】投光ファイバ５は、単心の光ファイバで、
図１に示すように、一端がライトガイド３の出射部３ｄ
と光学的に結合されてファイバホルダ２ｄに保持され、
前カバー２ｂから延出している。投光ファイバ５は、ラ
イトガイド３を介して入射する各ＬＥＤチップ４ｃ〜４
ｅから出射された光を、他端から図示しない検査対象物
体に照射する。

【００１４】ここで、ライトガイド３は、多数の光ファ
イバを束ねたファイバ光学部材であるため、各ＬＥＤチ
ップ４ｃ〜４ｅから出射されるそれぞれ異なるスペクト
ルの光は多数のコア３ａ内をそれぞれ混じり合うことな
く伝送される。つまり、ライトガイド３は、出射部３ｄ
側の端部に各ＬＥＤチップ４ｃ〜４ｅの像が映ることに
なる。しかし、それぞれ異なるスペクトルの光は投光フ
ァイバ５内で混合されるので、検査対象物体に照射され
る各光の照射位置と照射角度は同一となり、センシング
対する問題はない。但し、投光ファイバ５があまりに短
いと、異なるスペクトルの光の完全な混合が達成されな
いので、例えば、１０ｃｍ以上の余裕を持った長さに設
定しておくことが望ましい。

【００１５】ここで、「混合」という言葉を用いたが、
これは各色の光の光軸が重なり合うことを意味するもの
である。よって、各ＬＥＤチップ４ｃ〜４ｅが同時発光
する場合に限らず、それぞれ異なるタイミングで発光す
る場合にも適用可能である。受光ファイバ６は、図１に
示すように、一端が受光素子７と光学的に結合されてフ
ァイバホルダ２ｄに保持され、前カバー２ｂから延出し
ている。受光ファイバ６は、投光ファイバ５の他端から
出射され、前記検査対象物体から反射してくる反射光を
受光素子７へ伝送する。本実施形態では、受光ファイバ
６も投光ファイバ５と同じく単芯ファイバとするが、多
芯ファイバでもよいことは言うまでもない。

【００１６】受光素子７は、受光ファイバ６を伝送され
てくる前記検査対象物体からの反射光を受光するもの
で、フォトダイオード等が使用される。受光素子７は、
図１に示すように、光源ホルダ２ｃの下部に取り付けら
れる素子基板９を介して本体基板２ｈと接続され、図示
しない制御手段と電気的に接続される。以上のように構
成される光学センサ１は、例えば、各ＬＥＤチップ４ｃ
〜４ｅを順次発光させると、出射されたそれぞれ異なる
スペクトルの光は入射部３ｃからライトガイド３に入射
し、多数のコア３ａ内を出射部３ｄへと各スペクトルご
とに伝送される。そして、各スペクトルの光は、出射部
３ｄにおいて投光ファイバ５に入射し、所望の検査対象
物体に照射される。

【００１７】このようにして検査対象物体に照射された
各スペクトルの光は、検査対象物体表面の色彩やコント
ラスト，微細な凹凸状態等の物理的特性に応じて反射す
る。反射した光は、受光ファイバ６を介して受光素子７
に伝達され、ここで電気的出力に変換されて前記制御手
段へと出力される。そして、例えば、工業用の物体検出
スイッチならば、前記制御手段は、予め記憶した閾値と
受光素子７からの電気的出力との比較判定を行い、物体
の有無を示す信号を信号ケーブルを通じて外部へ出力す
る。

【００１８】このように、光学センサ１は、ＬＥＤチッ
プ４ｃ〜４ｅをパッケージ４ａの凹部４ｂに集中配置
し、出射される異なるスペクトルの光をライトガイド３
を介して投光ファイバ５に入射させることに特徴があ
る。このため、光学センサ１は、分散配置するときに発
生する無駄なスペースが存在せず、前記した特開平８−
４３２０７号公報に開示された光学センサに比べ、小型
化を図ることができる。特に、３つ以上の素子を光源で
用いる場合、従来の光学センサでは光源部分が３次元方
向に拡がることにより、ケースの厚みが増して無駄なス
ペースがさらに増えてしまう。しかし、本実施形態によ
れば、光源部分の３次元方向への拡がりを抑えることが
でき、ケースの厚みが増すことなく無駄なスペースが発
生しないので、素子数が同じもの同士を比較すれば小型
化の効果は一層大きい。

【００１９】次に、第２の発明に係る光学センサの第１
の実施形態を図４乃至図６に基づいて説明する。ここ
で、第２の実施形態に係る光学センサは、光源及びライ
トガイドが異なるだけで、他の構成要素は第１の実施形
態に係る光学センサ１と略同じである。従って、以下の
説明及び図４乃至図６においては、同一の構成要素に同
一の符号を用いることで重複した説明を省略する。

【００２０】光学センサ１０は、図４に示すように、ケ
ース２、ライトガイド１１、光源１２、投光ファイバ
５、受光ファイバ６及び受光素子７を備えている。ライ
トガイド１１は、アクリル樹脂，ポリカーボネート等の
透明な合成樹脂から、図５に示すように、一端の入射部
１１ａの直径が約３ｍｍ、他端の出射部１１ｂの直径が
１ｍｍ、長さ４ｍｍ、図示した母線の傾斜角θが１５°
の円錐台形状に成形されている。ライトガイド１１は、
入射部１１ａ及び出射部１１ｂを除く外周にアルミニウ
ム等の金属を蒸着して反射膜１１ｃが形成されている。

【００２１】光源１２は、図５及び図６に示すように、
ＬＥＤパッケージ１２ａの凹部１２ｂにそれぞれ異なる
スペクトルの光を出射する微細な発光素子である４つの
ＬＥＤチップ１２ｃ〜１２ｆが集中配置されている。光
源１２は、光源４と同様に構成され、凹部１２ｂに充填
されるエポキシ樹脂等の透明な充填材によってＬＥＤチ
ップ１２ｃ〜１２ｆが保護されている。このとき、凹部
１２ｂは、表面に白色膜を形成しておく。この白色膜
は、図５に示すように、各ＬＥＤチップ１２ｃ〜１２ｆ
から出射された光が反射膜１１ｃによって戻ってきて
も、再度この膜で受光ファイバ６側へ反射されるように
考慮したものである。また、光源１２は、素子基板８を
介して電源・信号ケーブル（図示せず）と接続された本
体基板２ｈと接続されている。

【００２２】従って、光学センサ１０においては、光学
センサ１と同様に、各ＬＥＤチップ１２ｃ〜１２ｆから
出射した光は、入射部１１ａからライトガイド１１に入
射され、反射膜１１ｃで反射されながら出射部１１ｂへ
と伝送され、出射部１１ｂにおいて投光ファイバ５に入
射されて所望の検査対象物体に照射される。そして、検
査対象物体で反射した光は、受光ファイバ６を介して受
光素子７に伝送され、ここで電気的出力に変換されて前
記制御手段へと出力される。

【００２３】このとき、ライトガイド１１がなければ投
光ファイバ５の外部へと出射される図５に示す特定の光
線Ｌaは、投光ファイバ５と光源１２との間にライトガ
イド１１を配置したことにより、投光ファイバ５へと入
射する。但し、図中の光線Ｌbは、投光ファイバ５の臨
界角（約３０°）を超えて入射するので、ジャケット５
ａに吸収されて、投光ファイバ５内を伝送されることは
ない。

【００２４】また、ライトガイド１１は、外周に反射膜
１１ｃが形成されている。このため、４つのＬＥＤチッ
プ１２ｃ〜１２ｆのうちの複数を同時に発光させたとき
に出射される異なる複数のスペクトルの光は、入射部１
１ａからライトガイド１１に入射し、反射膜１１ｃで反
射されて進む間に混合されて出射部１１ｂへと伝送され
る。以上より、投光ファイバ５は、光学センサ１の場合
と異なり、単心の光ファイバである必要はなく、小径の
光ファイバを多数束ねたものであっても使用することが
できる。

【００２５】更に、光学センサ１０は、光学センサ１と
同様に、分散配置するときに発生する無駄なスペースが
存在せず、前記した特開平８−４３２０７号公報に開示
された光学センサに比べ、小型化を図ることができる。
特に、３つ以上の素子を光源で用いる場合、従来の光学
センサでは光源部分が３次元方向に拡がることにより、
ケースの厚みが増して無駄なスペースがさらに増えてし
まう。しかし、本実施形態によれば、光源部分の３次元
方向への拡がりを抑えることができ、ケースの厚みが増
すことなく無駄なスペースが発生しないので、素子数が
同じもの同士を比較すれば小型化の効果は一層大きい。

【００２６】次いで、第２の発明に係る光学センサの第
２の実施形態を図７に基づいて説明する。光学センサ３
０は、図７に示すように、ケース３１、ライトガイド３
２、光源３３、レンズユニット３４及び受光素子３５を
備えている。ケース３１は、本体３１ａ、透明な前カバ
ー３１ｂ及び光源ホルダ３１ｃを有している。光源ホル
ダ３１ｃは、本体３１ａの略中央に配置され、図示のよ
うに、ライトガイド３２、光源３３及び受光素子３５を
保持している。

【００２７】ライトガイド３２は、ライトガイド１１と
同じものが使用され、入射部３２ａ、出射部３２ｂ及び
反射膜３２ｃを有している。光源３３は、光源４と同一
のものが使用され、回路基板３６を介してケース３１の
後部から導入される電源・信号ケーブル３７と接続され
ている。レンズユニット３４は、光源ホルダ３１ｃの前
部にねじ止めされ、光源３３から出射される異なるスペ
クトルの光を検査対象物体Ｏdに投光する投光レンズ３
４ａと、検査対象物体Ｏdから反射してくる反射光を受
光素子３５に受光させる受光レンズ３４ｂを保持してい
る。

【００２８】受光素子３５は、図７に示すように、検査
対象物体Ｏdからの反射光を受光するもので、例えば、
フォトダイオード等が使用される。受光素子３５は、光
源ホルダ３１ｃの下部に取り付けられ、回路基板３６と
電気的に接続される。以上のように構成される光学セン
サ３０は、レンズ３４ａ，３４ｂを使用しているので、
光学センサ１，１０に比べて比較的遠くに位置する検査
対象物体Ｏdに関する表面の色彩やコントラスト，微細
な凹凸状態等の物理的特性に関する赤，緑，青のスペク
トルの光あるいはこれらを混合した光に基づく種々の光
情報に基づく種々のセンシングを行うことができる。

【００２９】しかも、光学センサ３０は、光学センサ１
と同様に、分散配置するときに発生する無駄なスペース
が存在せず、前記した特開平８−４３２０７号公報に開
示された光学センサに比べ、小型化を図ることができ
る。特に、３つ以上の素子を光源で用いる場合、従来の
光学センサでは光源部分が３次元方向に拡がることによ
り、ケースの厚みが増して無駄なスペースがさらに増え
てしまう。しかし、本実施形態によれば、光源部分の３
次元方向への拡がりを抑えることができ、ケースの厚み
が増すことなく無駄なスペースが発生しないので、素子
数が同じもの同士を比較すれば小型化の効果は一層大き
い。

【００３０】特に、投光レンズ３４ａと受光レンズ３４
ｂとを有するが、ライトガイド３２と光源３３とを有し
ない特開平１０−１２２９６６号公報に開示された光セ
ンサと比べると、光学センサ３０は、光源部分に各素子
に対応した複数の光学部材（ダイクロイックミラー）を
用いていないので、光源部分を光軸に沿って小さくする
ことで、センサ自体を小型化することができる。

【００３１】

【発明の効果】請求項１，２の発明によれば、複数の発
光素子を集中配置することにより光源部分における厚さ
の増大を抑え、小型化を図ることが可能な光学センサを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明に係る光学センサの断面正
面図（ａ）と、図１(ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図
（ｂ）である。

【図２】図１の光学センサで用いるライトガイドを拡大
して示す断面正面図である。

【図３】図１の光学センサで用いる光源の平面図（ａ）
と、部分的に断面とした正面図（ｂ）である。

【図４】本発明の第２の発明に係る光学センサの第１の
実施形態を示す断面正面図である。

【図５】図４の光学センサで用いる光源、ライトガイド
及び投光ファイバを拡大して摸式的に示す正面図であ
る。

【図６】図４の光学センサで用いる光源の平面図であ
る。

【図７】本発明の第２の発明に係る光学センサの第２の
実施形態を示す断面正面図である。

【符号の説明】

１ 光学センサ ２ ケース ３ ライトガイド ３ｃ 入射部 ３ｄ 出射部 ４ 光源 ４ｃ〜４ｅ ＬＥＤチップ（光学素子） ５ 投光ファイバ ６ 受光ファイバ ７ 受光素子 ８，９ 素子基板 １０ 光学センサ １１ ライトガイド １１ａ 入射部 １１ｂ 出射部 １２ 光源 １２ｃ〜１２ｆ ＬＥＤチップ（光学素子） ３０ 光学センサ ３１ ケース ３２ ライトガイド ３２ａ 入射部 ３２ｂ 出射部 ３３ 光源 ３４ レンズユニット ３５ 受光素子 ３６ 回路基板 ３７ 電源ケーブル

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/42 Ｇ０２Ｂ 6/42 ５Ｆ０４１ Ｈ０１Ｌ 31/0232 Ｈ０１Ｌ 31/12 Ｇ ５Ｆ０８８ 31/12 33/00 Ｍ ５Ｆ０８９ 33/00 Ｆ２１Ｖ 8/00 Ｌ // Ｆ２１Ｖ 8/00 Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｃ Ｆターム(参考） 2G020 AA04 AA08 DA05 DA22 DA32 DA42 2G051 AB07 BA08 BB17 BC01 CA03 CB01 2G059 AA05 BB10 EE02 GG02 GG03 HH02 JJ17 KK01 2H037 AA04 BA02 BA11 CA07 DA03 DA04 2H046 AA02 AA32 AB08 AC04 AD11 5F041 AA47 DA46 DC83 EE01 FF16 5F088 BA15 BB06 JA14 5F089 BA02 BC17 BC29 CA20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ異なるスペクトルの光を発する
   複数の発光素子が集中配置された光源と、 多数の光ファイバが束ねられ、一端に入射部を、他端に
   前記入射部よりも小径の出射部を有し、前記入射部が前
   記光源と光学的に結合されるライトガイドと、 前記ライトガイドの出射部と光学的に結合される単心の
   光ファイバとを備えたことを特徴とする光学センサ。
2. 【請求項２】 それぞれ異なるスペクトルの光を発する
   複数の発光素子が集中配置された光源と、 一端に入射部を、他端に前記入射部よりも小径の出射部
   を有すると共に、前記入射部と出射部との間に光学的に
   連続した空間を形成し、前記入射部が前記光源と光学的
   に結合されるライトガイドとを備えたことを特徴とする
   光学センサ。