JP2005031024A - ファイバセンサヘッドおよびファイバ式光電センサ - Google Patents

Abstract

【目的】投光領域または受光領域の個体間のばらつきを容易に押えることが可能なファイバセンサヘッドおよびそのファイバセンサヘッドを用いたファイバ式光電センサを提供することを目的とする。
【解決手段】ファイバセンサヘッドおよびそれを用いたファイバ式光電センサにおいて、レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、前記レンズの凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面の表面積よりも小さい表面積を有し、かつ光を透過させるための透過面が形成され、前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバの先端にレンズを備えるファイバセンサヘッドおよびそのファイバセンサヘッドを用いたファイバ式光電センサに関するものである。

従来より、光ファイバケーブルを有するファイバセンサヘッドと、当該ファイバセンサヘッドを介して検出領域に光を投光し、その透過光または反射光を受光するセンサ本体と、で構成されるファイバ式光電センサが用いられている。これらのファイバ式光電センサは、受光した光量分布により、物体の有無、物体の寸法、物体間の間隔、物体の位置、物体の形状を検出するものであり、特に、投光領域または受光領域を所望の形状にするために、レンズを光ファイバケーブルの先端に配置したものが用いられている。

図９は、従来のファイバ式光電センサの一例を示す断面図である。図９には、レンズ４０の端面４１に遮光膜４２が形成され、その遮光膜４２に径が光ファイバ４３の端面４４よりも小さな開口絞り４５を有するファイバ式光電センサの開示がある（特許文献１参照。）。一般に、開口絞りを有する遮光部材がレンズと光源との間に設けられる場合、開口絞りを通る光のみがレンズを介して検出領域に投光される。このファイバ式光電センサにおいては、遮光膜４２とともに開口絞り４５がレンズ４０に直接的に形成されているので、光ファイバ４３とレンズ４０との相対位置関係にずれが生じてもレンズ４０と開口絞り４５を通る光との相対関係は変わる事はない。これにより、投光領域または受光領域が変化することを防止している。また、このファイバ式光電センサは、開口絞り４５の径が光ファイバ４３のコア径よりも小さく形成されているので、光ファイバ４３とレンズ４０との相対位置関係にずれが生じても開口絞り全体に光ファイバからの光が入射される。これにより、投光領域または受光領域の一部または全体が欠失したり、投光領域または受光領域の光量が著しく低下することを防止している。

特開平６−１６０６６８号公報（第５頁、図１０）

図１０に示すファイバ式光電センサでは、スパッタ法や金属蒸着法等によって金属粒子を蒸着したり、塗料等を印刷することにより遮光膜４２をレンズ４０に形成している。この方法であれば、収納しているケース４６によるレンズ４０と光ファイバ４３との位置決め精度があまりよくない場合や、光ファイバコアの偏芯している場合など、光ファイバ４３とレンズ４０との相対位置関係がばらついても、投光領域または受光領域の個体間のばらつきは押えることができる。

しかしながら、レンズ４０に開口絞り４５を有する遮光膜４２を設けるためは、開口絞り４５を形成するためのマスキング処理を施す必要があり、このマスキング処理の位置決め精度が低いと、それが投光領域または受光領域の個体間のばらつき原因となる。一般に、マスキング処理は、既に形成されたレンズ４０に対して行われるため、レンズ４０の外形等を基準にして位置決めが成される。この位置決めにより生じるばらつきは、レンズ４０と光ファイバ４３とを収納しているケース４６間で生じるばらつきと本質的に同一であり、単に遮光膜４２をレンズ４０に形成したとしても、その形成時にばらつきが生じてしまう。図１１にレンズ４０に対して遮光膜４２の位置がばらついて形成された場合のファイバ式光電センサを示す。このように、遮光膜４２の位置ばらつきにより投光領域または受光領域が変化するので、従来のマスキング処理方法では実質的に個体間のばらつきを押えることができないことになる。このことは、レンズ４０を小型化するほど顕著になる。また、マスキング処理を施さず直接的に遮光膜４２を形成したり、あるいは遮光膜４２を形成してから遮光膜４２に開口を設ける方法を行ったとしても、マスキング処理を施す場合と同様の位置決め精度を要求されることになる。

本発明の目的は、投光領域または受光領域の個体間のばらつきを容易に押えることが可能なファイバセンサヘッドおよびそのファイバセンサヘッドを用いたファイバ式光電センサを提供することを目的とする。

第１の発明に係るファイバセンサヘッドは、光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドにおいて、前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面の表面積よりも小さい表面積を有し、かつ光を透過させるための透過面が形成され、前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられるものである。

第２の発明に係るファイバセンサヘッドは、光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドにおいて、前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面から出射される光に内包される位置に配置され、かつ当該光を透過させるための微分不連続な境界で囲まれる透過面が形成され、前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられるものである。

第３の発明に係るファイバセンサヘッドは、第１または第２の発明に係るファイバセンサヘッドの構成において、前記レンズの凸部に形成された透過面と前記光ファイバの端面とが接し、前記レンズは、前記光ファイバの軸方向に沿って前記光ファイバの端面上に投影した前記レンズの透過面の像が前記光ファイバの端面に内包するように配置されるものである。

第４の発明に係るファイバセンサヘッドは、第１から第３のいずれかの発明に係るファイバセンサヘッドの構成において、前記レンズの凸部に形成された透過面と前記光ファイバの端面とが各々平面に形成され、かつ当接しており、前記レンズは、前記透過面が前記光ファイバの端面上に包含されるように配置されるものである。

第５の発明に係るファイバセンサヘッドは、第１から第４のいずれかの発明に係るファイバセンサヘッドの構成において、前記レンズはさらに、光を屈折するためのレンズ面と、前記透過面とレンズ面との光路上にあり、光路を変更するために当該光を反射する反射面とを備えるものである。

第６の発明に係るファイバセンサヘッドは、第５の発明に係るファイバセンサヘッドの構成において、前記ケースは、略角柱形状で、一端面に設けられる前記光ファイバを挿入するための第１開口部と、他端面に設けられた第２開口部と、当該第２開口部から隣り合う面に延設された前記レンズ面と略同一の形状した第３開口部とを有し、前記レンズのレンズ面が前記ケースの第３開口部に配置されるものである。

第７の発明に係るファイバ式光電センサは、光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドと、接続した前記ファイバセンサヘッドを介して検出領域へ投受光するための前記光源および受光素子を有するセンサ本体とを備えるファイバ式光電センサにおいて、前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面の表面積よりも小さい表面積を有し、かつ光を透過させるための透過面が形成され、前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられる。

本発明のファイバセンサヘッドおよびファイバ式光電センサにおいては、レンズの形状により透過面と遮光部との境界を形成しているので、レンズと透過面および遮光部の相対位置関係についての個体間のばらつきを容易に無くすことができる。その結果、透過面の個体間のばらつきを押えられるので、投光領域または受光領域のばらつきが押えられるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのファイバセンサヘッドおよびファイバ式光電センサを例示するものであって、本発明はファイバセンサヘッドおよびファイバ式光電センサを以下のものに特定するものではない。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るファイバセンサヘッド２の構成を示す図であり、図２は図１に示すファイバセンサヘッド２の断面図である。このファイバセンサヘッド２は、投受光どちらの用途でも使用できるが、投光用として使用される例について説明する。光ファイバ２０は遮光性の被覆２３で覆われており、光ファイバ２０の一端側は、光ファイバ２０の位置決め精度を向上させる目的で、被覆２３の代わりに金属からなる断面略円環状を有するスリーブ２４により覆われている。ケース３０は、金属からなり、略直方体の形状を有する。ケース３０は光ファイバ２０のスリーブ２４を含む一端側をレンズ１０と共に収納している。ケース３０は、その両端に光ファイバ２０またはレンズ１０を挿入するために、各々の端に対応する第１開口部３１と第２開口部３２とを有し、さらに外部と投受光するための第２開口部３２と一体的に設けられる第３開口部３３を有する。

レンズ１０は、透明体樹脂、例えばアクリルやポリカーボネート等からなり、断面が略円形の柱形状を有する。図２に示すように、レンズ１０は、レンズ１０の軸が光ファイバの軸と略同一になるように配置され、かつレンズ１０の一端面が光ファイバ２０のスリーブ２４側の端面２２と対向するように配置される。レンズ１０は、光ファイバ２０の端面２２からの光をレンズ内部に導入するための略円形の透過面１３と、レンズ内部の光を屈折させて外部に投光するためのレンズ面１５と、前記透過面１３と前記レンズ面１５との間の光路上に設けられる反射面１７とを有する。

レンズ１０には、透過面１３を上面とするレンズ１０と同心軸の略円柱形状の凸部１２が一体的に形成されている。透過面１３は、光ファイバ２０の端面２２の面積よりも小さい面積を有し、光ファイバ２０の端面２２に内包するように当接するので、光ファイバ２０とレンズ１０との相対位置関係が多少ばらついたとしても、レンズ１０からの投光領域あるいは受光領域はばらつくことはない。なお、端面２２と透過面１３は、より多くの光をレンズ１０に導入するために当接させているが、多くの光を必要としない場合には当接させなくても良い。その場合、レンズ１０は、端面２２から出射される光路内に透過面１３が内包するように配置されていることが好ましく、透過面１３を軸に沿って端面２２上に投影した像が、端面２２に内包されるように配置されていることがより好ましい。

レンズ１０は、光ファイバ２０の端面２２と対向する対向面１１を有し、対向面１１は透過面１３を含む。透過面１３を除く対向面１１には、光ファイバ２０の端面２２からレンズ内部に導入する光を遮光するため遮光部１４が設けられている。従って、凸部１２の外周面にも遮光部１４が設けられている。遮光部１４は、図２のように金属粒子の蒸着や塗料等を塗布して遮光層を形成したものでも良いし、遮光性材料を充填して形成しても良い。

略円柱形状である凸部１２の先端面における外周円が、透過面１３と遮光部１４との境界となっている。したがって、境界がレンズ１０上に角を有する形状により構成されているので、より詳しくは、透過面１３と遮光部１４との境界は、微分不連続な形状により構成されているので、例えばマスキング処理等を施して遮光部１４を形成する場合や直接的に遮光部１４を形成する場合に、境界が明確でありかつ境界がレンズ１０に一体的に形成されていることから、個体間のばらつきを容易になくすことができる。

なお、凸部１２の形状は、図６に示すように円錐台であっても良いし、透過面１３は平面であってもあるいは図７に示すようにレンズ効果をもたせるために曲面であっても良い。要するに、凸部１２には、透過面１３が微分不連続な形状で囲まれるように形成されていて、その凸部１２がレンズ１０と一体的に形成されていれば良い。

また、光ファイバ２０の端面２２と透過面１３との面積の大小関係については、以下に述べる。光ファイバ２０とレンズ１０との相対位置関係がばらついても問題がないようにするためには、端面２２からの出射光が作る投光領域内に透過面１３が包含されていれば良い。したがって、当該出射光の光軸に対して垂直な断面における表面積について、端面２２と透過面１３とを比較し、つまり、端面２２における当該光軸の垂直断面積と透過面１３における前記光軸の垂直断面積とを比較し、端面２２よりも透過面１３が小さければ良いということになる。

端面２２と透過面１３が共に平面形状で当接している場合には、透過面１３と端面２２との表面積を直接比較して、透過面１３のほうがよりも小さく、かつ透過面１３が端面２２に内包していれば良い。また、端面２２と透過面１３とが離間している場合には、出射光の広がりを考慮して端面２２と透過面１３との前記各断面における表面積が、それに応じた関係になることは言うまでもない。

レンズ１０は、透過面１３から入射された光を導光するための略円柱形状である胴部１６を有している。胴部１６の外周面での反射光は迷光となって想定外の検出結果を招く恐れがあるので、胴部１６の外周面には光減衰処理が施されている。光減衰処理は、外周面に光吸収性の塗料を塗布する処理でも良いし、外周面の表面に溝やシボを設ける光拡散処理でも良いし、その組み合わせの処理でも良い。なお、光吸収性の塗料は遮光部１４と同一のものとしても良い。

レンズ１０の反射面１７は、光路を略９０°曲げるために、レンズ１０の軸方向に対して略４５°傾いて形成されている。反射面１７には金属粒子が蒸着されて鏡面を構成している。レンズ１０のレンズ面１５は、約３°程度の開口角を有する光線を照射するための曲面を形成している。レンズ１０のレンズ面１５は、ケース３０の第３開口部３３と同程度の形状を有し、レンズ１０はレンズ面１５が第３開口部３３から臨むように配置される。なお、反射面１７は金属粒子で鏡面を構成するに限定されず、例えば屈折率の違いによる全反射を利用するように構成しても良い。

図２、図３に示すように、ケース３０に対し、レンズ１０を位置決めするために、レンズ１０は、レンズ１０の軸に対して垂直で胴部１６の外周面から外向きに延びる鍔部１８を有し、さらに、レンズ面１５の両側面には、互いに平行で胴部１６の直径と略同一の距離離間する平面がそれぞれ設けられている。図２、図４に示すように、ケース３０の第２開口部３２からレンズ１０が臨んでいる。レンズ１０は、充填体３４によりケース３０に固定される。このようにレンズ１０に対し、レンズ１０をケース３０に位置決めするための位置決め手段を設け、レンズ１０に反射面１７を一体的に設けることで、容易に光軸調整が不要になる。

また、レンズ面１５の両側面とケース３０との間に微小な隙間を設け、レンズ１０の軸回転方向に光軸調整可能としても良い。この場合、図４に示すようなケース３０の第２開口部３２から臨むレンズ１０の天面１９を光軸調整手段として設けても良い。また、従来の側方照射型のファイバセンサユニットは反射体をレンズとは別体で設けていたので、反射体に調整手段と固定手段が必要となり、ケース先端部からの側方照射は実質的に不可能であったが、本発明であれば、レンズ１０に位置決め手段と反射手段が一体的に形成されているので、ケース３０先端部に固定手段を設ける空間が確保できるため、光線をケース３０の先端部から側方出入射することが可能となる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係るファイバ式光電センサのファイバセンサヘッドの内部構造を示す断面図である。図１のファイバセンサヘッド２を有するファイバ式光電センサが側方照射型であったのに対して図５のファイバ式光電センサ１ａは前方照射型である。相違点はレンズ面近傍のみで、その他の部分は同一であり、図８のファイバ式光電センサ１と同一の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

図５に示すレンズ１０ａは、略円柱形状であり、透過面１３と対向する面にレンズ面１５ａを有する。ケース３０ａは、第１開口部３１と対向する位置に、レンズ面１５ａを臨み、レンズ面１５ａから投受光するための光を通過するための第２開口部３２ａを有する。レンズ１０ａは、レンズ面１５ａを設ける代わりに胴部１６の屈折率分布により光を屈折させるようにしても良い。この実施の形態では、軸方向に投光する場合にも、投光領域が個体間でばらつくことを無くすことができる。

図８は本発明の第１の実施の形態に係るファイバセンサヘッド２を有する透過型のファイバ式光電センサを示す斜視図である。このファイバ式光電センサ１は、投光ファイバセンサヘッド２ａと受光ファイバセンサヘッド２ｂとが共に同一の構成を有し、投光と受光のファイバセンサヘッド２は互いに対向配置されている。図８に示すファイバ式光電センサ１は、図示しないラックに互いに離間して積まれた複数枚のウエハーを検出対象としている。

投光および受光のファイバセンサヘッド２の開口角が広い場合、つまり投光領域及び受光領域が広い場合には、光路を遮るウエハーの隣のウエハーで光が反射し、光の回り込みが生じる。特に、ウエハーはその表面が鏡面であることが多いため、光の回り込みが生じると、検出すべきウエハーが光路を遮光しているにもかかわらず受光量の多い状態が保たれ、ウエハーを検出することができない。投光および受光のファイバセンサヘッド２の開口角を狭めるためにレンズを用いるが、開口角を狭めるにつれ光ファイバ２０とレンズ１０との位置ばらつきによる投光領域ならびに受光領域の位置ばらつきが大きくなる。

上記課題は、本発明のファイバセンサヘッド２を用いることで、解決される。なぜなら、ファイバセンサヘッド１を構成するレンズ１０、透過面１３および遮光部１４が一体的に形成されており、かつ透過面１３がレンズ１０の表面形状により他と明確な境界で区分けされているので、遮光部１４のレンズ１０に対するばらつきがなくなるからである。

なお、本発明のファイバ式光電センサのファイバセンサヘッドは、投光ファイバセンサヘッドおよび受光ファイバセンサヘッドのいずれにも適用が可能であり、両方同時に適用することも可能である。また、本発明は、検出領域からの透過光を受光する透過型のファイバ式光電センサに限らず、検出領域からの反射光を受光する反射型のファイバ式光電センサに適用できることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係るファイバ式光電センサのファイバセンサヘッドの構成を示す図 図１に対応した第１の実施の形態に係るファイバ式光電センサのファイバセンサヘッドの内部構造を示す断面図 図１に対応した第１の実施の形態に係るレンズ１０の一実施例を示す斜視図 図４に対応したレンズ１０を示す別角度からの斜視図 本発明の第２の実施の形態に係るファイバ式光電センサのファイバセンサヘッドの内部構造を示す断面図 本発明の実施の形態に係るレンズ１０の凸部１２の一変形例を示す側面図および断面図 本発明の実施の形態に係るレンズ１０の凸部１２の他の変形例を示す側面図および断面図 本発明の第１の実施の形態に係るファイバ式光電センサを示す斜視図 従来のファイバ式光電センサの一例を示す断面図 従来のファイバ式光電センサの例を示す断面図 従来のファイバ式光電センサの他の例を示す断面図

符号の説明

１ ファイバ式光電センサ
２ ファイバ式センサヘッド
３ センサ本体
１０ レンズ
１１ 対向面
１２ 凸部
１３ 透過面
１４ 遮光部
１５ レンズ面
１６ 胴部
２０ 光ファイバ
２２ 端面
２４ スリーブ
３０ ケース
３４ 充填体

Claims (7)

1. 光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドにおいて、
   前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、
   前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面の表面積よりも小さい表面積を有し、かつ光を透過させるための透過面が形成され、
   前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられることを特徴とするファイバセンサヘッド。
2. 光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドにおいて、
   前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、
   前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面から出射される光に内包される位置に配置され、かつ当該光を透過させるための微分不連続な境界で囲まれる透過面が形成され、
   前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられることを特徴とするファイバセンサヘッド。
3. 前記レンズの凸部に形成された透過面と前記光ファイバの端面とが接し、
   前記レンズは、前記光ファイバの軸方向に沿って前記光ファイバの端面上に投影した前記レンズの透過面の像が前記光ファイバの端面に内包するように配置されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のファイバセンサヘッド。
4. 前記レンズの凸部に形成された透過面と前記光ファイバの端面とが各々平面に形成され、かつ当接しており、
   前記レンズは、前記透過面が前記光ファイバの端面上に包含されるように配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のファイバセンサヘッド。
5. 前記レンズはさらに、
   光を屈折するためのレンズ面と、
   前記透過面とレンズ面との光路上にあり、光路を変更するために当該光を反射する反射面と
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のファイバセンサヘッド。
6. 前記ケースは、
   略角柱形状で、一端面に設けられる前記光ファイバを挿入するための第１開口部と、他端面に設けられた第２開口部と、当該第２開口部から隣り合う面に延設された前記レンズ面と略同一の形状をした第３開口部とを有し、
   前記レンズのレンズ面が前記ケースの第３開口部に配置されることを特徴とする請求項５に記載のファイバセンサヘッド。
7. 光ファイバと、断面が略円形または略多角形の柱形状で前記光ファイバと対向する位置に配置されるレンズと、前記光ファイバと前記レンズとを収納するケースとを備えるファイバセンサヘッドと、
   接続した前記ファイバセンサヘッドを介して検出領域へ投受光するための前記光源および受光素子を有するセンサ本体とを備えるファイバ式光電センサにおいて、
   前記レンズは、前記光ファイバ側に突出した凸部が一体的に形成された対向面を有し、
   前記凸部には、前記対向面に対向する前記光ファイバの端面の表面積よりも小さい表面積を有し、かつ光を透過させるための透過面が形成され、
   前記透過面を除く前記対向面には、前記光ファイバと前記レンズとの間を通る光を遮光するための遮光部が設けられることを特徴とするファイバ式光電センサ。
   

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