JP2015078946A - 距離測定型光電センサ及びその投光スポット制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる距離測定型光電センサを提供する。
【解決手段】検出光Ｌ１を生成する発光素子１１と、発光素子１１の光軸上に配置され、検出光Ｌ１を検出領域に向けて投光するための投光レンズ１３と、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長を調整する光路長調整機構と、検出領域において検出対象部から反射された検出光Ｌ１を受光し、受光信号を生成する受光素子２２と、受光信号に基づいて、検出光Ｌ１の伝搬時間から検出対象物までの距離を測定する距離演算部１０４により構成される。光路長調整機構により、距離の測定に用いる検出光Ｌ１のスポット径の大きさが選択自在である。
【選択図】図２

Description

本発明は、距離測定型の光電センサ及びその投光スポット制御方法に係り、さらに詳しくは、検出光を投光してその反射光を受光する光電センサの改良に関する。

距離測定型の光電センサは、検出光を検出領域に向けて投光し、検出領域においてワークから反射された検出光を受光し、ワークまでの距離を求めて、ワークの有無を示す判定信号を生成する。また、距離測定型の光電センサは、距離の測定値を表示部に表示し、或いは、判定信号や距離の測定値を示すアナログ信号を外部機器へ出力する。例えば、ワークまでの距離は、イメージセンサを用いて１次元の受光量分布を検出することにより、三角測量の原理を利用して求められる。或いは、投光から受光に至るまでの検出光の伝搬時間を計測するＴＯＦ（Time Of Flight）法を利用して、ワークまでの距離が求められる。上記判定信号は、ワークまでの距離を閾値と比較した比較結果に基づいて生成される。

一般に、距離測定型の光電センサは、測定範囲が規定されており、その測定範囲内で所望の性能を満たすよう、投光ビームの形状が設計されている。例えば、ワークまでの距離が変わっても投光スポットのスポット径が概ね一定となるように設計され、或いは、測定範囲の中央付近で最小のビーム径（スポット径）となるように設計されている。特に、三角測量の原理を利用する光電センサは、イメージセンサの長手方向に関してスポット径の小さい投光スポットが望まれている。

しかしながら、ワーク表面の状態によっては、ビーム径（スポット径）を小さくすることが必ずしも良い結果とならない場合があり、三角測量の原理を利用する光電センサでは、対応することができない。

また、ワーク表面の状態を見ただけでは、予めどの程度のビーム径（スポット径）が良いのかを判断することは困難である。例えば、手前にある障害物の穴越しに小さなワークを検出したい場合は、どのような投光ビームが最適であるのかを事前に把握することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる距離測定型光電センサを提供することを目的とする。特に、検出領域における検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる距離測定型光電センサを提供することを目的とする。

また、本発明は、上述した様な距離測定型光電センサにおける投光スポットの制御方法を提供することを目的とする。

第１の本発明による距離測定型光電センサは、検出光を生成する発光素子と、上記発光素子の光軸上に配置され、上記検出光を検出領域に向けて投光するための投光レンズと、上記発光素子から上記投光レンズに至る上記検出光の光路長を調整する光路長調整機構と、上記検出領域において検出対象部から反射された上記検出光を受光し、受光信号を生成する受光素子と、上記受光信号に基づいて、上記検出光の伝搬時間から上記検出対象物までの距離を測定する距離演算部とを備え、上記光路長調整機構により、距離の測定に用いる上記検出光のスポット径の大きさが選択自在であるように構成される。

この距離測定型光電センサでは、発光素子から投光レンズに至る検出光の光路長を調整することにより、投光レンズの出射側から見た場合における発光素子の見かけの位置が光軸方向に移動するので、検出領域における検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる。

第２の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、上記光路長調整機構が、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を上記発光素子及び上記投光レンズ間に選択的に配置することにより、上記光路長の調整を行うように構成される。

この様な構成によれば、発光素子又は投光レンズを物理的に移動させる可動機構が不要であるので、発光素子及び投光レンズ間で光軸のずれを生じ難くすることができる。また、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を検出光が通過する場合、光路長変換素子の位置や向きに僅かなずれが生じても、光路長への影響は小さい。このため、振動などの機械的負荷や周囲の温度変化の影響を受け難く、検出光のスポット径の大きさを正確に制御することができる。

また、発光素子及び投光レンズ間に光路長変換素子を選択的に配置することにより、光路長の調整を行うので、距離測定型光電センサの投光軸方向のサイズが大型化するのを抑制することができる。さらに、光路長変換素子を頑強な構造によって保持する必要がないので、装置の大型化や製造コストの増大を抑制することができる。

第３の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、上記光路長調整機構が、距離の測定に用いる上記検出光のスポット径の大きさを段階的に切り替えるように構成される。この様な構成によれば、スポット径を連続的に切り替える場合に比べ、スポット径を調整する際の再現性を良くすることができる。

第４の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、上記距離を予め定められた閾値と比較し、その比較結果に基づいて、判定信号を生成する判定信号生成部を備えて構成される。この距離測定型光電センサでは、検出対象物の有無に応じた判定信号を外部機器へ出力することができる。

第５の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、上記入射面及び上記出射面の距離が互いに異なる２以上の上記光路長変換素子を備え、上記光路長調整機構が、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを選択的に配置するように構成される。

光路長変換素子の入射面から出射面に至る光路長は、入射面及び出射面間の距離に比例する。上記距離測定型光電センサでは、入射面及び出射面の距離が互いに異なる２以上の光路長変換素子の中からいずれか一つを発光素子の光軸上に選択的に配置するので、発光素子から投光レンズに至る光路長を予め定められた範囲内で調整することができる。

第６の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、屈折率が互いに異なる透明性部材からなる２以上の上記光路長変換素子を備え、上記光路長調整機構が、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを選択的に配置するように構成される。

光路長変換素子の入射面から出射面に至る光路長は、透明性部材の屈折率に比例する。上記距離測定型光電センサでは、屈折率が互いに異なる２以上の光路長変換素子の中からいずれか一つを発光素子の光軸上に選択的に配置するので、発光素子から投光レンズに至る光路長を予め定められた範囲内で調整することができる。

第７の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、回転軸を中心とする周方向の異なる位置に２以上の上記光路長変換素子を保持する変換素子ホルダを備え、上記光路長調整機構が、上記回転軸を中心とする上記変換素子ホルダの回転角度を選択することにより、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを配置するように構成される。この様な構成によれば、回転軸を中心として変換素子ホルダを回転させることにより、発光素子から投光レンズに至る光路長を予め定められた範囲内で調整することができる。

第８の本発明による距離測定型光電センサは、上記構成に加え、上記変換素子ホルダが、上記発光素子の光軸と略平行な回転軸を有するように構成される。この様な構成によれば、発光素子の光軸と略平行な回転軸を中心として変換素子ホルダを回転させるので、距離測定型光電センサの投光軸方向のサイズが大型化するのを抑制することができる。

第９の本発明による距離測定型光電センサの投光スポット制御方法は、検出光を検出領域に向けて投光し、上記検出領域において検出対象物から反射された上記検出光を受光する距離測定型光電センサの投光スポット制御方法であって、上記検出光を生成する発光素子から投光レンズに至る上記検出光の光路上に、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を選択的に配置することにより、上記光路の長さを調整することを特徴としている。

本発明によれば、検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる距離測定型光電センサを提供することができる。特に、本発明による距離測定型光電センサでは、検出領域における検出光のスポット径の大きさを自在に変更することができる。

また、本発明によれば、上述した様な距離測定型光電センサにおける投光スポットの制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１による距離測定型光電センサ１の一構成例を示した外観図である。 図１の距離測定型光電センサ１の機能構成の一例を示したブロック図である。 図２の変換素子ホルダ１２の構成例を示した図であり、変換素子ホルダ１２を投光レンズ１３側から見た場合が示されている。 発光素子１１を光軸方向に移動させて検出光Ｌ１のスポット径を変更する光電センサＨＲの動作を比較例として示した図である。 図２の距離測定型光電センサ１の動作の一例を示した図であり、光路長変換素子１２ａを選択的に配置して検出光Ｌ１のスポット径を変更する場合が示されている。 図１の距離測定型光電センサ１を分解して示した斜視図である。 図６の光路長調整機構３０の構成例を示した斜視図である。 光路長調整機構３０と光学ベース５０を示した図である。 図８の光学ベース５０の構成例を示した断面図であり、光学ベース５０をＡ１−Ａ１切断線により切断した場合の切断面が示されている。 図２の距離測定型光電センサ１の動作の一例を示した図であり、検出光Ｌ１の光路長を調整することにより、スポット径の分布が変化する様子が示されている。 図１の距離測定型光電センサ１の構成例を示した図であり、本体ケース４０の投受光面が示されている。 図１１の距離測定型光電センサ１の構成例を示した断面図であり、本体ケース４０をＡ２−Ａ２切断線により切断した場合の切断面が示されている。 本発明の実施の形態２による距離測定型光電センサ１の一構成例を示した斜視図である。 図２の距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、光路長変換素子１２ａの存在しない領域を選択可能な変換素子ホルダ１２が示されている。 距離測定型光電センサ１のその他の構成例を示した斜視図であり、光軸ＫＪと交差する方向へ直線的に移動させる変換素子ホルダ１２が示されている。 距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、回転角度に応じて入射面及び出射面の距離が段階的に変化する光路長変換素子１２ａが示されている。 距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、回転角度に応じて入射面及び出射面の距離が連続的に変化する光路長変換素子１２ａが示されている。 距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、２つのくさび形状の光学部材１２ｄからなる光路長変換素子１２ａが示されている。

実施の形態１．
＜距離測定型光電センサ１＞
図１は、本発明の実施の形態１による距離測定型光電センサ１の一構成例を示した外観図であり、図中の（ａ）には、距離測定型光電センサ１を斜め前方から見た場合が示され、（ｂ）には、距離測定型光電センサ１を斜め後方から見た場合が示されている。この距離測定型光電センサ１は、検出光Ｌ１を検出対象物に照射して検出対象物からの反射光Ｌ２を受光し、検出対象物の有無を示す判定信号を生成する検出スイッチである。例えば、距離測定型光電センサ１は、受光結果から検出対象物までの距離を求めて判定信号を生成する測距方式の光電センサである。また、検出光Ｌ１には、可視光線が用いられる。

距離測定型光電センサ１は、検出光Ｌ１を検出対象物に向けて投光するための投光窓１０と、検出対象物による反射光Ｌ２を受光するための受光窓２０と、表示灯２、セットキー３、セレクトキー４，５及び画面表示部６と、トリマ操作部３１とを備えて構成されている。投光窓１０及び受光窓２０は、筐体前面に配設され、表示灯２、セットキー３、セレクトキー４，５及び画面表示部６は、筐体上面に配設されている。

表示灯２は、検出対象物の有無、受光状態等を発光色、点灯状態によって示す表示装置である。セットキー３、セレクトキー４及び５は、各種入力、画面切替のための操作キーであり、押下型の接点式スイッチからなる。画面表示部６は、距離の測定値、判定閾値等を画面表示するための表示装置である。

この距離測定型光電センサ１では、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を用いて、発光素子から投光レンズに至る検出光Ｌ１の光路長を調整することにより、検出光Ｌ１を検出対象物に照射した際に検出対象物上に形成される投光スポットのスポット径の大きさを自在に変更することができる。トリマ操作部３１は、上記光路長を調整するための操作子であり、筐体背面に配設されている。

図２は、図１の距離測定型光電センサ１の機能構成の一例を示したブロック図である。この距離測定型光電センサ１は、画面表示部６、発光素子１１、変換素子ホルダ１２、投光レンズ１３、受光レンズ２１、受光素子２２、投光タイミング制御部１０１、発光素子駆動回路１０２、受光回路１０３、距離演算部１０４、操作部１０５、表示制御部１０６、判定閾値記憶部１０７及び判定信号生成部１０８により構成される。図中には、ＴＯＦ法を利用して検出対象物までの距離を求める距離測定型光電センサ１の機能構成が示されている。

発光素子１１は、検出光Ｌ１を生成する光源装置である。例えば、発光素子１１には、赤色レーザー光を生成するＬＤ（レーザーダイオード）が用いられる。投光レンズ１３は、発光素子１１の光軸上に配置され、検出光Ｌ１を所定の検出領域に向けて投光するための１又は２以上の光学レンズからなり、発光素子１１からの検出光Ｌ１を集光し、或いは、拡散させる。

変換素子ホルダ１２は、入射面ＮＭ及び出射面ＳＭの距離が互いに異なる２以上の光路長変換素子１２ａを保持する保持手段であり、発光素子１１及び投光レンズ１３間に配置されている。光路長変換素子１２ａは、互いに平行な入射面ＮＭ及び出射面ＳＭを有し、入射面ＮＭから出射面ＳＭに至る光路の長さを光路長変換素子１２ａがない場合よりも長くする光学素子である。

この変換素子ホルダ１２は、発光素子１１の光軸と略平行な回転軸１２ｂを有し、回転軸１２ｂを中心として回転させることができる。また、変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、発光素子１１の光軸上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つが配置され、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長が調整される。

受光レンズ２１は、検出対象物からの反射光Ｌ２を集光し、受光素子２２上に結像する１又は２以上の光学レンズからなる。受光素子２２は、検出対象物からの反射光Ｌ２を受光し、反射光Ｌ２の光量に応じた受光信号を生成する光電変換素子であり、受光レンズ２１の光軸上に配置されている。反射光Ｌ２は、検出領域において検出対象物により反射された検出光Ｌ１である。例えば、受光素子２２は、ＰＤ（フォトダイオード）からなり、受光強度に応じて電流値が変化する受光信号を生成する。

投光タイミング制御部１０１は、投光タイミングを制御するためのタイミング信号を生成し、発光素子駆動回路１０２及び距離演算部１０４へ出力する。発光素子駆動回路１０２は、タイミング信号に基づいて、発光素子１１を点灯させる。

受光回路１０３は、受光素子２２からの受光信号を差動増幅するとともに、コンパレータを用いて二値化し、距離演算部１０４へ出力する。距離演算部１０４は、二値化された受光信号をサンプリングして受光波形を取得し、その受光波形に基づいて、検出対象物までの距離を測定する。具体的には、投光パルスに対応する受光パルスの立ち上がりを検知して、検出光Ｌ１が投光窓１０から出射され、その反射光Ｌ２が受光窓２０で受光されるまでの伝搬時間と、光の速さとに基づいて、投光窓１０から検出対象物までの距離が求められる。

判定信号生成部１０８は、距離演算部１０４によって求められた距離の測定値に基づいて、検出対象物の有無を示す判定信号を生成する。判定信号は、距離の測定値を判定閾値と比較した比較結果に基づいて生成される。判定閾値記憶部１０７には、予め定められた判定閾値が保持される。表示制御部１０６は、操作部１０５からの入力信号に基づいて画面表示部６を制御し、距離の測定値、判定閾値を表示する。なお、距離測定型光電センサ１は、判定信号を生成する判定信号生成部１０８に代えて、距離の測定値を示すアナログ信号を生成するアナログ信号生成部を備える構成であっても良い。或いは、距離測定型光電センサ１は、判定信号を生成する判定信号生成部１０８に加えて、距離の測定値を示すアナログ信号を生成するアナログ信号生成部を備える構成であっても良い。判定信号やアナログ信号は、外部機器へ出力される。

＜変換素子ホルダ１２＞
図３は、図２の変換素子ホルダ１２の構成例を示した図であり、変換素子ホルダ１２を投光レンズ１３側から見た場合が示されている。この変換素子ホルダ１２は、回転軸１２ｂを中心とする周方向の異なる位置に複数の光路長変換素子１２ａを保持するホルダであり、螺旋階段状に厚さを変化させた形状からなる。

また、変換素子ホルダ１２の入射面ＮＭは、発光素子１１の光軸と略垂直であり、平坦面からなる。各光路長変換素子１２ａは、回転軸１２ｂを中心とする扇形形状の領域内に配置され、扇形領域の厚さを段階的に変化させることにより、光路長変換素子１２ａ間で入射面ＮＭ及び出射面ＳＭの距離を異ならせている。この例では、８つの光路長変換素子１２ａが一定間隔で配置され、発光素子１１から投光レンズ１３に至る光路長を８段階で調整することができる。

図４は、発光素子１１を光軸方向に移動させて発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離を変化させることにより、検出光Ｌ１のスポット径の大きさを変更する光電センサＨＲの動作を比較例として示した図である。図中の（ａ）には、焦点位置ＦＰが投光レンズ１３から近い位置に形成される場合が示され、（ｂ）には、焦点位置ＦＰが投光レンズ１３から遠い位置に形成される場合が示されている。

発光素子１１から出射され、投光レンズ１３によって集光された検出光Ｌ１は、焦点位置ＦＰにおいて、ビーム径が最小となり、ワークＷ上に投光スポットを形成する（図４の（ａ））。ワークＷは、検出対象物である。図４の（ａ）の状態から発光素子１１を投光レンズ１３に近づけて、発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離を短縮すれば、検出光Ｌ１の焦点位置ＦＰは投光レンズ１３から遠い位置に移動し、ワークＷ上の投光スポットは小さくなる（図４の（ｂ））。発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離は、連続的に変化させることができる。

この様な光電センサＨＲによれば、発光素子１１又は投光レンズ１３を光軸方向に移動させて、発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離を変化させることにより、投光スポットのサイズ、検出光Ｌ１の焦点位置ＦＰを制御することができる。しかしながら、光電センサＨＲでは、発光素子１１又は投光レンズ１３を物理的に移動させる可動機構を必要とすることから、可動機構のがたつきによって発光素子１１及び投光レンズ１３間で距離ずれや光軸のずれが生じ易い。

図５は、図２の距離測定型光電センサ１の動作の一例を示した図であり、発光素子１１の光軸ＫＪ上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つを選択的に配置することにより、検出光Ｌ１のスポット径の大きさを変更する場合が示されている。図中の（ａ）には、厚さの薄い光路長変換素子１２ａを光軸ＫＪ上に配置した場合が示され、（ｂ）には、厚さの厚い光路長変換素子１２ａを光軸ＫＪ上に配置した場合が示されている。

光電センサＨＲの場合、発光素子１１から出射された検出光Ｌ１は、投光レンズ１３に近づくに従って、ビーム径が一定の傾きで増加している。これに対し、距離測定型光電センサ１では、発光素子１１から出射された検出光Ｌ１は、光路長変換素子１２ａを透過して投光レンズ１３に入射する。光路長変換素子１２ａの透光領域は、検出光Ｌ１の光路をカバーする形状及びサイズからなる。

一般に、入射面ＮＭから出射面ＳＭに至る光路長は、光路長変換素子１２ａを構成する透明性部材の屈折率ｎと、入射面ＮＭ及び出射面ＳＭ間の距離（物理的距離）、すなわち、透明性部材の厚さＤとの積によって表される光学的距離からなる。屈折率ｎは１よりも大きいことから、光路長変換素子１２ａを光軸ＫＪ上に配置することにより、光路長変換素子１２ａが存在しない場合に比べ、発光素子１１から投光レンズ１３に至る光路長を長くすることができる。つまり、発光素子１１の見かけの発光位置を投光レンズ１３側へ近づけることができる。

或いは、厚さＤの厚い光路長変換素子１２ａを光軸ＫＪ上に配置することにより、厚さＤの薄い光路長変換素子１２ａを配置する場合に比べ、発光素子１１から投光レンズ１３に至る光路長を長くすることができる。

光軸ＫＪを中心としてビーム径が拡がる拡散光が透明性部材からなる平行板を通過すると、平行板の前後でビームの広がり角は同一であるものの、平行板内でビームの広がり角がやや小さくなる。このため、投光レンズ１３の出射側から見た場合の光源の仮想的な位置ＶＰ、すなわち、発光素子１１の見かけの位置は、発光素子１１の実際の位置よりも投光レンズ１３に近い位置に形成される。光源の仮想的な位置ＶＰは、透明性部材の厚さＤが増すほど、投光レンズ１３に近い位置に形成される。

距離測定型光電センサ１では、上述した仕組みを利用することにより、発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離を変化させることなく、投光レンズ１３を透過した検出光Ｌ１の拡がりを制御することができる。特に、光軸ＫＪ上に厚さＤの異なる光路長変換素子１２ａのいずれか一つを選択的に配置することにより、投光スポットのスポット径を段階的に調整することができる。

また、光路長変換素子１２ａの位置が変化し、或いは、光路長変換素子１２ａが光軸ＫＪに対して傾いたとしても、投光スポットのサイズや検出光Ｌ１の焦点位置に与える影響は小さい。このため、光路長変換素子１２ａの位置決め精度は、発光素子１２や投光レンズ１３に比べて、相対的に低くて良い。

図６は、図１の距離測定型光電センサ１を分解して示した斜視図である。この図では、検出光Ｌ１の投光軸に平行な方向を前後方向とするとともにｚ方向と呼び、投光軸に垂直な平面内において、左右方向をｘ方向、上下方向をｙ方向とそれぞれ呼んでいる。

距離測定型光電センサ１は、発光素子１１、投光レンズ１３、投光レンズカバー１４、鏡筒１５、受光レンズ２１、受光素子２２、受光レンズカバー２３、光路長調整機構３０、トリマ操作部３１、本体ケース４０、表示灯カバー４１、キートップ４２、画面カバー４３、光学ベース５０、メイン基板５１、本体カバー５２、表示基板６０、スイッチ接点部６１、表示素子６２，６３、投光基板７０及び受光基板８０により構成される。

＜光学ベース５０＞
光学ベース５０は、光学部材を保持するための土台部材であり、強度を確保するための形状を有する構造体からなる。光学ベース５０には、光路長調整機構３０、発光素子１１、投光レンズ１３、鏡筒１５、受光レンズ２１、受光素子２２、メイン基板５１、投光基板７０及び受光基板８０が取り付けられる。この光学ベース５０は、高強度の樹脂材料、例えば、ガラス繊維によって強化した樹脂材料からなる。

光路長調整機構３０は、変換素子ホルダ１２を含む組立体からなり、発光素子１１及び投光レンズ１３間に光路長変換素子１２ａを選択的に配置することにより、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長を調整する光路長調整手段である。この光路長調整機構３０は、回転軸１２ｂを中心として変換素子ホルダ１２を回転可能に支持し、本体ケース４０を介してトリマ操作部３１が取り付けられる。トリマ操作部３１は、変換素子ホルダ１２を回転させて光路長を調整するための操作子からなる。

鏡筒１５は、発光素子１１からの検出光Ｌ１が距離測定型光電センサ１の内部で受光素子２２に回り込むのを防止する光学部材である。投光レンズカバー１４は、投光レンズ１３を保護するための光学部材であり、透明材料、例えば、アクリル樹脂材料からなる。投光レンズ１３は、光学ガラスからなる。

受光レンズカバー２３は、受光レンズ２１を保護するための光学部材であり、透明材料、例えば、投光レンズカバー１４と同様のアクリル樹脂材料からなる。受光レンズ２１は、透明材料、例えば、透明樹脂材料からなる。

投光基板７０は、発光素子１１が前面に配設された配線基板である。受光基板８０は、受光素子２２が形成された配線基板である。メイン基板５１は、投受光制御などの主要な制御を行う制御回路が配設された回路基板である。

鏡筒１５、投光レンズ１３及び受光レンズ２１は、光学ベース５０のフロント部に取り付けられ、光路長調整機構３０、投光基板７０及び受光基板８０は、光学ベース５０のリア部に取り付けられ、メイン基板５１は、光学ベース５０の左サイド部に取り付けられる。

＜本体ケース４０＞
本体ケース４０は、光学ベース５０、表示基板６０及び表示素子６３を収容するための内部空間を有し、投光レンズカバー１４、受光レンズカバー２３、表示灯カバー４１、画面カバー４３及び本体カバー５２が取り付けられる直方体形状の筐体部材である。この本体ケース４０は、高強度、高剛性の金属材料、例えば、亜鉛合金からなり、前面が投受光面である。

表示素子６３は、配線基板上に形成された矩形形状の表示画面を有し、距離の測定値や判定閾値を表示する表示装置である。例えば、表示素子６３には、発光層が有機化合物からなるＯＬＥＤ（Organic Light-Emitting Diode：有機発光ダイオード）が用いられる。スイッチ接点部６１は、キートップ４２による押圧力によって導通する面実装タイプの電気接点からなる。表示素子６２は、検出対象物の有無や受光状態を表示するための表示装置である。表示基板６０は、３つのスイッチ接点部６１と表示素子６２とが配設された配線基板であり、フレキシブル基板からなる。

光学ベース５０は、本体ケース４０内に収容され、本体ケース４０にねじ止めされる。表示基板６０及び表示素子６３は、表示画面が本体ケース４０の上面に設けられた画面用開口を介して露出し、また、表示素子６２が表示灯用開口を介して露出するように、本体ケース４０内に収容される。

投光レンズカバー１４及び受光レンズカバー２３は、本体ケース４０の前面の開口をそれぞれ覆うように、本体ケース４０に取り付けられる。表示灯カバー４１は、表示灯用開口を覆うように、本体ケース４０に取り付けられる。画面カバー４３は、画面用開口を覆うように、本体ケース４０に取り付けられる。本体カバー５２は、本体ケース４０の左側面の開口を塞ぐためのカバー部材であり、本体ケース４０にねじ止めされる。

＜光路長調整機構３０＞
図７は、図６の光路長調整機構３０の構成例を示した斜視図である。図中の（ａ）には、光路長調整機構３０を斜め前方から見た場合が示され、（ｂ）には、光路長調整機構３０を斜め後方から見た場合が示されている。

この光路長調整機構３０は、変換素子ホルダ１２、トリマ操作部３１、ベース部材３２、回転軸支持部材３３、連結部材３４、封止部材３５及び抜け止め部材３６により構成される。また、光路長調整機構３０は、回転軸１２ｂを中心とする変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、発光素子１１の光軸ＫＪ上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つを配置する。

ｚ方向の回転軸１２ｂを有する変換素子ホルダ１２と、回転軸１２ｂを中心とする周方向の位置を互いに異ならせて配置された複数の光路長変換素子１２ａとは、透明材料、例えば、透明樹脂材料を用いて、一体的に形成される。この変換素子ホルダ１２は、投光レンズ側の端面に螺旋階段状の段差が形成された円柱体からなる。また、光路長変換素子１２ａの入射面ＮＭ及び出射面ＳＭには、反射を抑えるための反射抑制膜が形成される。

回転軸支持部材３３は、変換素子ホルダ１２を軸支するためのアーム部３３ａと、連結部材３４と係合する係合部３３ｂと、連結部材３４をｚ方向に押圧保持するためのアーム部３３ｃとを有し、ベース部材３２に固定されている。

アーム部３３ａは、ｘ方向に延びる形状からなる。変換素子ホルダ１２は、このアーム部３３ａとベース部材３２とにより、回転軸１２ｂを中心として回転可能に支持されている。トリマ操作部３１及び連結部材３４は、回転軸１２ｂと同軸に配置される。

連結部材３４は、トリマ操作部３１と変換素子ホルダ１２とを連結し、トリマ操作部３１からの回転力を変換素子ホルダ１２に伝達する軸部材である。この連結部材３４は、周方向に凹凸が形成された周面を有するフランジ部と、回転軸１２ｂの方向、すなわち、ｚ方向に延びる軸部とからなり、この軸部がベース部材３２を介して変換素子ホルダ１２に結合されている。係合部３３ｂが上記フランジ部と係合することにより、回転軸１２ｂを中心とする変換素子ホルダ１２の回転角度が段階的に選択される。

トリマ操作部３１は、ねじ回し等の工具を係合させる台座頭と、ｚ方向に延びる軸部とからなる。上記軸部は、その先端部が連結部材３４に連結され、アーム部３３ｃにより回転可能に支持されている。トリマ操作部３１及び連結部材３４の連結は、所定の軸継手機構、例えば、キーとキー溝とを嵌め合うことによって動力を伝達させるジョイント機構により行われる。

ねじ回し等の工具を用いてトリマ操作部３１を所定の回転角度だけ回転させることにより、投光スポットのスポット径を変更することができる。例えば、トリマ操作部３１を左に回すことにより、スポット径を大きくすることができ、右に回すことにより、スポット径を小さくすることができる。スポット径の大きさは段階的に切り替えられるので、スポット径を連続的に切り替える場合に比べ、スポット径を調整する際の再現性を良くすることができ、使用者による誤差を生じ難くすることができる。

封止部材３５は、トリマ操作部３１用のパッキンであり、トリマ操作部３１の軸部が挿通されるリング状の弾性部材、例えば、フッ素ゴム部材からなる。抜け止め部材３６は、トリマ操作部３１が本体ケース４０から抜け落ちるのを防止するための係止部材であり、トリマ操作部３１の軸部に係合されている。

図８は、光路長調整機構３０と光学ベース５０を示した図である。図中の（ａ）には、光学ベース５０を斜め後方から見た斜視図が示され、（ｂ）には、光学ベース５０を上方から見た場合が示されている。また、図９は、図８の光学ベース５０の構成例を示した断面図であり、光学ベース５０をＡ１−Ａ１切断線により切断した場合の切断面が示されている。

発光素子１１及び投光レンズ１３は、光軸を一致させて光学ベース５０に固定されている。発光素子１１及び投光レンズ１３が光学ベース５０に固定されるので、光軸のずれやぶれが生じ難い。

光路長調整機構３０は、変換素子ホルダ１２の光路長変換素子１２ａが検出光Ｌ１の光路上に配置された状態で、光学ベース５０に固定されている。トリマ操作部３１は、台座頭３１ａ及び軸部３１ｂからなり、台座頭３１ａが本体ケース４０から露出する状態で、軸部３１ｂが連結部材３４に連結される。

図１０は、図２の距離測定型光電センサ１の動作の一例を示した図であり、検出光Ｌ１の光路長を調整することにより、スポット径の分布が変化する様子が示されている。図中には、横軸を距離測定型光電センサ１からの距離とし、縦軸を投光スポットのスポット径として、光路長変換素子１２ａの厚さが互いに異なる４つのスポット径分布ＴＳ１〜ＴＳ４が示されている。

スポット径分布ＴＳ１〜ＴＳ４は、距離測定型光電センサ１から投光軸方向に離間した各位置における検出光Ｌ１のビーム径を表している。スポット径分布ＴＳ１及びＴＳ２は、検出光Ｌ１が集束光からなる場合の分布曲線であり、スポット径は、距離測定型光電センサ１から遠ざかるに従って、値Ｓ_１から単調に減少し、焦点位置ＦＰ_１，ＦＰ_２においてそれぞれ最小になっている。

スポット径分布ＴＳ３は、検出光Ｌ１が平行光からなる場合の分布曲線であり、スポット径は、距離測定型光電センサ１からの距離にかかわらず、一定値Ｓ_１からなる。スポット径分布ＴＳ４は、検出光Ｌ１が拡散光からなる場合の分布曲線であり、スポット径は、距離測定型光電センサ１から遠ざかるに従って、値Ｓ_１から単調に増加している。この様に検出光Ｌ１の光路長を調整することにより、所定距離におけるスポット径を拡げ、或いは、絞り、また、焦点位置ＦＰを投光軸方向に移動させることができる。

図１１は、図１の距離測定型光電センサ１の構成例を示した図であり、本体ケース４０の投受光面が示されている。また、図１２は、図１１の距離測定型光電センサ１の構成例を示した断面図であり、本体ケース４０をＡ２−Ａ２切断線により切断した場合の切断面が示されている。本体ケース４０の投受光面は、本体ケース４０の前面に形成された投光用開口を覆う投光レンズカバー１４と、本体ケース４０の前面に形成された受光用開口を覆う受光レンズカバー２３により構成される。投光レンズカバー１４からなる投光エリアは、周囲の大部分が受光エリアに隣接している。

投光レンズカバー１４及び受光レンズカバー２３は、投光用開口及び受光用開口をそれぞれ封止している。本体ケース４０には、検出光Ｌ１の光路が形成される投光空間と、反射光Ｌ２の光路が形成される受光空間とに内部空間を分離する隔壁４０ａが形成され、隔壁４０ａの一端４０ｂは、外部空間に露出している。

一端４０ｂは、投光レンズカバー１４及び受光レンズカバー２３よりも突出している。この様な一端４０ｂを隔壁４０ａに設けることにより、投光レンズカバー１４の表面や、投光レンズカバー１４に付着した異物によって反射した検出光Ｌ１の一部が受光空間に入射し、外乱光となるのを防止することができる。

本実施の形態によれば、発光素子１１と投光レンズ１３との実際の距離を変えることなく、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長を調整することにより、投光レンズ１３の出射側から見た場合における発光素子１１の見かけの位置が光軸方向に移動するので、検出領域における検出光Ｌ１のスポット径の大きさを自在に変更することができる。

また、発光素子１１又は投光レンズ１３を物理的に移動させる可動機構が不要であるので、発光素子１１及び投光レンズ１３間で光軸のずれを生じ難くすることができる。また、互いに平行な入射面ＮＭ及び出射面ＳＭを有する光路長変換素子１２ａを検出光Ｌ１が通過する場合、光路長変換素子１２ａの位置や向きに僅かなずれが生じても、光路長への影響は小さい。このため、振動などの機械的負荷や周囲の温度変化の影響を受け難く、スポット径の大きさを正確に制御することができる。

また、発光素子１１及び投光レンズ１３間に光路長変換素子１２ａを選択的に配置することにより、光路長の調整を行うので、距離測定型光電センサ１の投光軸方向のサイズが大型化するのを抑制することができる。さらに、光路長変換素子１２ａを頑強な構造によって保持する必要がないので、装置の大型化や製造コストの増大を抑制することができる。

また、発光素子１１及び投光レンズ１３は、光学ベース５０に固定されるので、これらの光学部材の取付構造を小型化及び簡素化することができる。さらに、光路長変換素子１２ａは、検出光Ｌ１の光路を十分にカバーすることができる形状及びサイズの透光領域を有している。このため、連結部材３４と回転軸支持部材３３の係合部３３ｂとにより構成されるストッパー機構の遊び、トリマ操作部３１から伝わる振動の影響により、光路長変換素子１２ａの位置や向きにずれが生じた場合であっても、投光スポットのサイズが変化することはなく、周囲環境の影響を受け難い。

実施の形態２．
実施の形態１では、変換素子ホルダが入射面ＮＭ及び出射面ＳＭの距離の異なる複数の光路長変換素子１２ａを備える場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、変換素子ホルダ１２が屈折率ｎの異なる２以上の光路長変換素子１２ａを備える場合について説明する。

図１３は、本発明の実施の形態２による距離測定型光電センサ１の一構成例を示した斜視図であり、屈折率ｎが互いに異なる２以上の光路長変換素子１２ａを備えた変換素子ホルダ１２が示されている。図中には、６つの光路長変換素子１２ａを備え、６段階で光路長の調整が可能な変換素子ホルダ１２が示されている。

各光路長変換素子１２ａは、発光素子１１の光軸ＫＪに垂直な入射面及び出射面を有し、屈折率ｎが互いに異なる透明性部材からなる。各光路長変換素子１２ａにおける入射面及び出射面間の距離は同一である。変換素子ホルダ１２は、光軸ＫＪと平行な回転軸１２ｂを有し、回転軸１２ｂを中心とする周方向の異なる位置に光路長変換素子１２ａを保持している。

例えば、添加物の含有量を調整することにより、屈折率ｎの異なる透明性部材を得ることができる。回転軸１２ｂを中心とする変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、検出光Ｌ１の光路上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つを配置することができる。

なお、実施の形態１では、変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、８つの光路長変換素子１２ａの中からいずれか一つが検出光Ｌ１の光路上に配置される場合の例について説明したが、本発明は変換素子ホルダ１２の構成をこれに限定するものではない。例えば、１つの光路長変換素子１２ａを検出光Ｌ１の光路上に配置するか否かが選択可能であり、光路長変換素子１２ａを検出光Ｌ１の光路上に配置するか否かにより、光路長の調整を行うような構成であっても良い。或いは、光路長変換素子１２ａの存在しない切り欠き領域を変換素子ホルダ１２に形成し、この切り欠き領域が検出光Ｌ１の光路上に配置可能な構成であっても良い。

図１４は、図２の距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、光路長変換素子１２ａの存在しない切り欠き領域１２ｃを選択可能な変換素子ホルダ１２が示されている。この変換素子ホルダ１２は、図３の変換素子ホルダ１２と比較すれば、回転軸１２ｂを中心とする扇形形状の領域の一つが切り欠き領域１２ｃとなっている。

変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、７つの光路長変換素子１２ａと切り欠き領域１２ｃとの中からいずれか一つを検出光Ｌ１の光路上に配置することができ、８段階で光路長を調整することができる。

また、実施の形態１では、回転軸１２ｂを中心とする変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、検出光Ｌ１の光路上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つが配置される場合の例について説明したが、本発明は、光路長調整機構３０の構成をこれに限定するものではない。例えば、変換素子ホルダ１２は、同一方向に向けた状態で直線上に配置された２以上の光路長変換素子１２ａを保持する。この変換素子ホルダ１２を発光素子１１の光軸ＫＪと交差する方向へ直線的に移動させることにより、検出光Ｌ１の光路上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つを配置するような構成であっても良い。

図１５は、距離測定型光電センサ１のその他の構成例を示した斜視図であり、発光素子１１の光軸ＫＪと交差する方向へ直線的に移動させる変換素子ホルダ１２が示されている。図中には、厚さが異なる４つの光路長変換素子１２ａを備え、４段階で光路長の調整が可能な変換素子ホルダ１２が示されている。この変換素子ホルダ１２は、投光レンズ側の面に直線階段状の段差が形成された板状体からなる。

各光路長変換素子１２ａは、矩形形状の透光領域を有している。また、光路長変換素子１２ａ及び変換素子ホルダ１２は、透明材料を用いて一体的に形成されている。この変換素子ホルダ１２を光軸ＫＪに垂直なスライド方向へ移動させ、スライド方向の位置を選択することにより、検出光Ｌ１の光路上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つを配置することができる。また、光路長変換素子１２ａの存在しない領域も選択可能とすることにより、５段階で光路長を調整することができる。

また、実施の形態１では、光軸ＫＪと平行な回転軸１２ｂを中心とする変換素子ホルダ１２の回転角度を選択することにより、検出光Ｌ１の光路上に光路長変換素子１２ａのいずれか一つが配置される場合の例について説明したが、本発明は光路長変換素子１２ａの構成をこれに限定するものではない。例えば、光路長変換素子１２ａは、回転角度に応じて入射面及び出射面の距離が変化するような構成であっても良い。

図１６は、距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、図中の（ａ）〜（ｃ）には、回転角度に応じて入射面及び出射面の距離が段階的に変化する光路長変換素子１２ａが示されている。この図には、５段階で光路長の調整が可能な光路長変換素子１２ａが示されている。この光路長変換素子１２ａは、発光素子１１の光軸ＫＪと垂直な回転軸１２ｂを有し、板面に垂直な回転軸１２ｂを中心とする周面上に階段状の段差が形成された平行板からなる。

光路長変換素子１２ａでは、回転軸１２ｂを中心とする回転角度に応じて、入射面及び出射面間の距離が段階的に変化する。この例では、回転止め用のストッパー部ＫＳが光路長変換素子１２ａに設けられている。ストッパー部ＫＳは、回転軸１２ｂを中心とする光路長変換素子１２ａの回転角度を選択するための係合部であり、突出形状又は凹み形状からなる。この様なストッパー部ＫＳにより、光路長変換素子１２ａの回転角度が選択され、光路長を調整することができる。

図１７は、距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、図中の（ａ）〜（ｃ）には、回転角度に応じて入射面及び出射面の距離が連続的に変化する光路長変換素子１２ａが示されている。この光路長変換素子１２ａは、発光素子１１の光軸ＫＪと垂直な回転軸１２ｂを有し、板面に垂直な回転軸１２ｂを中心とする径方向のサイズが単調に増加する形状の平行板からなる。

光路長変換素子１２ａでは、回転軸１２ｂを中心とする回転角度に応じて、入射面及び出射面間の距離が連続的に変化する。この様な構成であっても、周囲環境の影響を受け難くしつつ、検出光Ｌ１のスポット径の大きさを自在に変更することができる。

図１８は、距離測定型光電センサ１の他の構成例を示した図であり、傾斜面を対向させて配置した２つのくさび形状の光学部材１２ｄからなる光路長変換素子１２ａが示されている。一方の光学部材１２ｄは、発光素子１１側に配置され、光軸ＫＪと直交する入射面ＮＭと、光軸ＫＪに対して傾斜した傾斜面とを有する透明性部材からなる。他方の光学部材１２ｄは、投光レンズ１３側に配置され、光軸ＫＪと直交する出射面ＳＭと、光軸ＫＪに対して傾斜した傾斜面とを有する透明性部材からなる。

例えば、投光レンズ側の光学部材１２ｄは、光学ベース５０に固定され、発光素子側の光学部材１２ｄは、傾斜方向に移動可能に保持される。発光素子側の光学部材１２ｄを傾斜方向へ移動させることにより、入射面ＮＭ及び出射面ＳＭ間の距離が連続的に変化することから、光路長の調整をシームレスに行うことができる。

なお、実施の形態１及び２では、光路長変換素子１２ａを発光素子１１及び投光レンズ１３間に選択的に配置することにより、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長が調整される場合の例について説明したが、本発明は、距離の測定に用いる検出光Ｌ１のスポット径の大きさを調整するための光路長調整方法をこれに限定するものではない。例えば、発光素子１１又は投光レンズ１３を光軸方向に移動させて、発光素子１１及び投光レンズ１３間の距離を変更することにより、発光素子１１から投光レンズ１３に至る検出光Ｌ１の光路長を調整するような構成であっても良い。

１ 距離測定型光電センサ
１０ 投光窓
１１ 発光素子
１２ 変換素子ホルダ
１２ａ 光路長変換素子
１２ｂ 回転軸
１２ｃ 切り欠き領域
１３ 投光レンズ
２０ 受光窓
２２ 受光素子
３０ 光路長調整機構
３１ トリマ操作部
３２ ベース部材
３３ 回転軸支持部材
３４ 連結部材
４０ 本体ケース
５０ 光学ベース
１０１ 投光タイミング制御部
１０２ 発光素子駆動回路
１０３ 受光回路
１０４ 距離演算部
１０７ 判定閾値記憶部
１０８ 判定信号生成部
ＦＰ 焦点位置
ＫＪ 光軸
Ｌ１ 検出光
Ｗ ワーク

Claims (9)

1. 検出光を生成する発光素子と、
   上記発光素子の光軸上に配置され、上記検出光を検出領域に向けて投光するための投光レンズと、
   上記発光素子から上記投光レンズに至る上記検出光の光路長を調整する光路長調整機構と、
   上記検出領域において検出対象部から反射された上記検出光を受光し、受光信号を生成する受光素子と、
   上記受光信号に基づいて、上記検出光の伝搬時間から上記検出対象物までの距離を測定する距離演算部とを備え、
   上記光路長調整機構により、距離の測定に用いる上記検出光のスポット径の大きさが選択自在であることを特徴とする距離測定型光電センサ。
2. 上記光路長調整機構は、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を上記発光素子及び上記投光レンズ間に選択的に配置することにより、上記光路長の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載の距離測定型光電センサ。
3. 上記光路長調整機構は、距離の測定に用いる上記検出光のスポット径の大きさを段階的に切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定型光電センサ。
4. 上記距離を予め定められた閾値と比較し、その比較結果に基づいて、判定信号を生成する判定信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の距離測定型光電センサ。
5. 上記入射面及び上記出射面の距離が互いに異なる２以上の上記光路長変換素子を備え、
   上記光路長調整機構は、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを選択的に配置することを特徴とする請求項２に記載の距離測定型光電センサ。
6. 屈折率が互いに異なる透明性部材からなる２以上の上記光路長変換素子を備え、
   上記光路長調整機構は、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを選択的に配置することを特徴とする請求項２に記載の距離測定型光電センサ。
7. 回転軸を中心とする周方向の異なる位置に２以上の上記光路長変換素子を保持する変換素子ホルダを備え、
   上記光路長調整機構は、上記回転軸を中心とする上記変換素子ホルダの回転角度を選択することにより、上記発光素子の光軸上に上記光路長変換素子のいずれか一つを配置することを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定型光電センサ。
8. 上記変換素子ホルダは、上記発光素子の光軸と略平行な回転軸を有することを特徴とする請求項７に記載の距離測定型光電センサ。
9. 検出光を検出領域に向けて投光し、上記検出領域において検出対象物から反射された上記検出光を受光する距離測定型光電センサの投光スポット制御方法であって、
   上記検出光を生成する発光素子から投光レンズに至る上記検出光の光路上に、互いに平行な入射面及び出射面を有する光路長変換素子を選択的に配置することにより、上記光路の長さを調整することを特徴とする距離測定型光電センサの投光スポット制御方法。

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