JP3617549B2

JP3617549B2 - 反射型光電センサ

Info

Publication number: JP3617549B2
Application number: JP8491295A
Authority: JP
Inventors: 新中村; 速美細川; 徹也宇野; 規正山中
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JPH08255536A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、物体に光を照射してその反射光を受光することにより、該物体の色、反射率、表面状態等を検出する反射型光電センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の反射型光電センサとしては、図１に示すような構成のものが知られている。反射型光電センサ１は、ＬＥＤ等でなる発光素子２と、この発光素子２により出射された光を集光するレンズ３と、このレンズ３により投光された光の被検出物体４による反射光を受光する受光手段としての受光素子５とから構成され、受光素子５の受光量から被検出物体４の有無等を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような装置においては、被検出物体４の距離が変動（ｘ方向に移動）した時、受光素子５で受光する受光量が変動する。例えば、受光量は、被検出物体４が拡散反射物体の場合、被検出物体４から受光素子５までの距離の２乗に反比例する。この時、被検出物体４の色の違いや光沢度の違いを受光量の大きさで判別する反射型光電センサにおいては、距離変動の影響を受けてしまい、正確に判別できなくなるという問題があった。換言すると、検出距離範囲が狭い範囲に限定されてしまい、使い勝手が悪くなるという問題があった。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、被検出物体までの距離の変化に伴い受光素子での受光スポットの大きさと位置が変化することを利用して、被検出物体の距離の変動による受光量の変動を低減することができ、被検出物体の距離変動に影響を受けずに、安定して被検出物体の有無や表面状態を検出することが可能な反射型光電センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、被検出物体に光を照射する投光素子と、この投光素子から出射された光の被検出物体による反射光を受光し、集光する受光レンズと、この受光レンズにより集光された光を受光する受光素子とを備え、被検出物体の色、反射率、表面状態等を検出する反射型光電センサにおいて、前記投光素子による投光光軸と前記受光素子による受光光軸が所定の角度で交叉しており、かつ、前記受光素子の前面に、近距離の被検出物体からの反射光を遠距離の被検出物体からの反射光よりも多く遮光するように、投光素子と受光素子の並び方向において投光素子とは反対側をより多く遮光する開口絞りを設けたものである。
また、請求項２の発明は、上記請求項１記載の構成において、前記開口絞りの開口は、被検出物体の距離に対応する開口上の位置における受光量が被検出物体の距離の２乗に比例して変化するように、投光素子側から遠ざかる方向に幅が狭まる台形形状とされたものである。
【０００５】
【作用】
上記構成を有する本発明の反射型光電センサにおいては、投光素子から発せられた光は被検出物体に照射され、被検出物体からの反射光の一部は開口絞りで遮光され、一部は受光素子に入射する。この開口絞りにより、近距離の被検出物体からの反射光は多く遮光され、遠距離の被検出物体からの反射光はほとんど遮光されない。そのため、受光出力−距離特性はほぼ平坦になり、被検出物体の距離変動の影響を受けず、安定して被検出物体の有無等を検出することができる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は第１実施例による反射型光電センサの構成図である。反射型光電センサ１は、被検出物体４に光照射するＬＥＤ等でなる投光素子２、及び、この投光素子２から出射された光を集光し被検出物体４に照射するレンズ３からなる発光部と、この発光部による照射光の被検出物体４による反射光を受光し集光する受光レンズ６、及び、この集光レンズ６によるスポットを受光するフォトダイオード等でなる受光素子５からなる受光部により構成され、この受光素子５と受光レンズ６の間で、受光素子５の前面に開口絞り７を設けている。この開口絞り７は、近距離の被検出物体４からの反射光を遠距離の被検出物体４からの反射光よりも多く遮光するような構成としている。また、投光素子２による投光光軸と受光素子５による受光光軸とは所定の角度αで交叉しており、受光素子５は被検出物体４からの正反射光を受光し得る位置に配置されている。受光素子５の受光面は、開口絞り７よりも大きい形状を持っている。
【０００７】
上記構成において、投光素子２から発せられた光は、投光レンズ３により集光され、被検出物体４に照射され、被検出物体４からの反射光は、投光光軸に対して一定の角度で交叉した受光光軸上に配置された受光レンズ６によって集光され、その集光された光は一部が開口絞り７で遮光され、一部は受光素子５に入射する。このとき、開口絞り７の位置は、受光レンズ６の焦点距離よりも受光レンズ６に近い位置に配置する。そのときの開口絞り７の形状と開口絞り７上の受光スポットの形状及び位置を図３に示している。図３において、斜線部は遮光部分であり、（ａ）は遠距離ｌｌの受光スポット、（ｂ）は中間距離ｌｍの受光スポット、（ｃ）は近距離ｌｓの受光スポットである。
【０００８】
この実施例においては、図３に示される通り、被検出物体４の距離が近くになるに従って、受光スポット（円形）は大きくなり、位置も投光素子と反対側（図の上側が投光素子側）にずれていく。開口絞り７の形状は、被検出物体４の距離の２乗に比例して受光量が変化するような形状とされ、この例では、投光素子側から遠ざかる方向に幅が狭まる台形状とされている。このような開口絞り７を設けておくことで、近距離の被検出物体４からの反射光は多く遮光され、遠距離の被検出物体４からの反射光はほとんど遮光されない。
【０００９】
このため、受光出力−距離特性は、図４に示すように、開口絞りがある場合、ほぼ平坦になり、被検出物体４の距離変動の影響を受けずに、安定して被検出物体４の表面状態や色マークの有無を検出することができ、光沢センサとして好適である。なお、開口絞りがない場合は、図４に示されるように、距離が近くになるに従い、２次曲線的に受光量は多くなっていく。このように本発明では、被検出物体４までの距離の変化に伴い受光素子５での受光スポットの大きさと位置が変化することを積極的に利用して、被検出物体４の距離変動による受光量の変化を補正することができ、距離変動の影響を低減できる。
【００１０】
図５は、第２実施例による反射型光電センサの構成図である。この例では、投光素子２と受光素子５との光軸が、一定の角度αで交叉し、被検出物体４による拡散反射光のみを受光するような配置とされている。この場合、同軸配置でない限り、上記と同等の作用が得られる。この実施例は、拡散反射光のみを受光するので、マークセンサとして好適である。
【００１１】
図６は、第３実施例による反射型光電センサの受光素子の構成図である。この例では、開口絞りを設ける代わりに、受光素子５のチップ５ａ自体の受光面５ｂの形状を工夫し、適切な位置に受光素子を配置している。すなわち、受光面５ｂに、開口絞りと同等な機能を持たすようにアルミニウムマスク５ｃを形成している。このような構成によっても、上記と同等の作用が得られる。
【００１２】
図７は、第４実施例による反射型光電センサの構成図である。この例では、投光、受光のために投光及び受光用ファイバ９，１０を用いている。すなわち、投光素子２と投光レンズ３の間に投光用ファイバー９を、受光側の開口絞り７と受光素子５との間に受光用ファイバ１０を配設している。なお、Ｐは回路基板である。この構成においても、上記と同等の効果が得られる。
【００１３】
図８（ａ）（ｂ）は、第５実施例による反射型光電センサの受光部の構成を示す。この例では、上記図７の実施例において、開口絞り７を設けることなく、受光ファイバー１０の端面自体を、図３に示した開口絞りと同等の形状として、上記と同等の機能が得られるようにしている。図８（ａ）は受光ファイバーの端面を熱溶融によって加工したもの、図８（ｂ）は複数本のファイバーを束ねたバンドルファイバーで所定の形状にしたものである。図９は、図８に示したような受光フィバー１０を用いた時に受光フィバー１０と受光レンズ６とを一体化した構成を示す。このように、受光フィバー１０と受光レンズ６とを一体化することで、センサの小型化が図れる。
【００１４】
図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、第６実施例による反射型光電センサにおける開口絞りの構成を示す。上述した図４の受光出力−距離特性において、開口絞りがない場合の受光量は、被検出物体までの距離が遠くになるに伴い、被検出物体までの距離の２乗におよそ反比例して減少していく。この特性を平坦にするためには、距離が近くになるに伴い、距離の２乗に反比例した遮光量が得られるような、投光素子とは反対側をより多く遮光する曲線形状の開口縁を持つ開口絞りを設ければよい。同図において、上側が投光素子が位置する側である。
【００１５】
図１１は、第７実施例による反射型光電センサの構成図である。この例では、受光素子５を受光光軸に対して所定の角度θだけ傾けている点が、図２の実施例と相違する。投光ビームの集光状態や被検出物体４の光沢度（正反射光と拡散反射光の比率）によっては、開口絞り７だけでは、受光出力−距離特性が完全に平坦にならない場合がある。このような時に、本実施例のように、受光素子５を受光光軸に対して傾けることにより、受光素子５の入射角依存性を利用して、さらに、距離特性の補正を加え、より平坦にすることができる。
【００１６】
すなわち、図１２は受光素子の入射角に対する受光効率の特性であって、入射角依存性はｃｏｓθの特性を持ち、図１１において被検出物体４の検出距離範囲（ｌｓ，ｌｍ，ｌｌ）が変動した場合に、受光素子５への入射角θが変化し、図１２の斜線部領域での動作となる。この領域では、入射角θの変化に対して適度に受光効率が変化し、例えば、被検出物体４が近距離になると、受光量が増大するが、逆に、受光効率が低下するので、受光出力を一定に保つことが可能となる。なお、受光素子５を傾ける他に、受光ファイバーを用いたものでは、受光ファイバーの受光端面を傾ければよい。
【００１７】
図１３（ａ）（ｂ）は、第８実施例による反射型光電センサの具体構成を示す。この反射型光電センサ１は、発光部が投光用ファイバ１１と投光レンズ１２と偏光フィルタ１３からなり、受光手段が偏向フィルタ１４，１５と受光用ファイバ１６，１７からなり、被検出物体４と受光手段との間に、偏向ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）１８が配置されている。ＰＢＳ１８は、被検出物体４からの反射光が入射され、その入射光についてＳ偏光成分を主とする光束と、Ｐ偏光成分を主とする光束とに分離するものである。受光用ファイバ１６、１７は、その端面を光軸に対して所定角度だけ傾けている。
上記各部材はベース筐体２０に保持され、その外周囲はカバー筐体２１により覆われ、投光・受光を行う前面側には窓ガラス２２が配置されている。投光用ファイバ１１と受光用ファイバ１６，１７は、ファイバケーブル２３を介して３本のコネクタ２４（図では２本が重なっている）に接続され、不図示の発光素子、受光素子に結合される。なお、２５はタッピングネジである。
【００１８】
上記構成において、投光用ファイバ１１から出射された光は、投光レンズ１２にて被検出物体４上に集光される。この時、偏光フィルタ１３により、被検出物体４への入射面に対して、Ｓ偏光成分の光のみ透過されて出射される。被検出物体４からの反射光はＰＢＳ１８により、Ｓ偏光成分は反射され、受光用ファイバ１６へ、Ｐ偏光成分は透過され受光用ファイバ１７に入射する。この時、被検出物体４からの反射光のうち、正反射成分は偏光成分が保存され（Ｓ偏光のまま）、全て受光用ファイバ１６に、また、拡散反射成分は偏光方向がランダムとなり、約１／２ずつ、それぞれ受光用ファイバ１６，１７に入射する。従って、ここで受光用ファイバ１６の受光量と受光用ファイバ１７の受光量の差を取ることで、被検出物体４の正反射光量、すなわち、光沢度を検出することができ、光沢センサとなる。
【００１９】
そして、受光用ファイバ１６、１７の端面を、図示のように光軸に対して所定角度、例えば、約２５度傾けたことにより、検出距離が変動しても受光量変動が少なくなる。具体的には、検出距離ｌ＝１０±３ｍｍにおいて、受光用ファイバ１６、１７の端面を光軸に対して傾けていない場合は±５０％程度の受光量変動があったのに対して、受光用ファイバ１６、１７の端面を光軸に対して傾けることで±２０％程度の受光量変動に低減される。また、上記のように受光用にファイバを用いた場合、ファイバは指向特性が大きいことから、ファイバを少し傾けるだけで所望の効果が得られ、ノイズに強く安定して被検出物体４を検出することが可能となる。また、ファイバの受光効率の入射角θ依存性は、図１２の実線に示した通りである。
【００２０】
上記各実施例による反射型光電センサは、例えば、光沢センサとして適用した場合、瓶や容器、箱等の製造コンベア上において、ラベルが正しく貼付けられたか否かを光沢度の違いから検査する検査装置のセンサ等として用いられる。なお、本発明の反射型光電センサは、上記実施例構成に限られず種々の変形が可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように請求項１，２の発明に係る反射型光電センサによれば、受光素子の前面に設けた開口絞りによって、近距離の被検出物体からの反射光を遠距離の被検出物体からの反射光よりも多く遮光するようにしているので、被検出物体の距離の変動による受光量の変動を低減することができ、被検出物体の距離変動に影響を受けずに、安定して被検出物体の有無や表面状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型光電センサの構成図である。
【図２】本発明の第１実施例による反射型光電センサの構成図である。
【図３】被検出物体の各距離における開口絞り上の受光スポットの形状及び位置を示す図である。
【図４】受光出力−距離特性を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例による反射型光電センサの構成図である。
【図６】本発明の第３実施例による反射型光電センサの受光素子の構成図である。
【図７】本発明の第４実施例による反射型光電センサの構成図である。
【図８】本発明の第５実施例による反射型光電センサの受光部の構成図である。
【図９】図８の場合の受光ファイバーと受光レンズ部の断面図及び正面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による反射型光電センサの開口絞りの構成図である。
【図１１】本発明の第７実施例による反射型光電センサの構成図である。
【図１２】受光素子における受光効率の入射角依存性を示す図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、第８実施例による反射型光電センサの具体構成を示す断面図及び正面図である。
【符号の説明】
１反射型光電センサ
２投光素子
３投光レンズ
４被検出物体
５受光素子
６受光レンズ
７開口絞り
９投光ファイバ
１０受光ファイバ

Claims

被検出物体に光を照射する投光素子と、この投光素子から出射された光の被検出物体による反射光を受光し、集光する受光レンズと、この受光レンズにより集光された光を受光する受光素子とを備え、被検出物体の色、反射率、表面状態等を検出する反射型光電センサにおいて、
前記投光素子による投光光軸と前記受光素子による受光光軸が所定の角度で交叉しており、かつ、前記受光素子の前面に、近距離の被検出物体からの反射光を遠距離の被検出物体からの反射光よりも多く遮光するように、投光素子と受光素子の並び方向において投光素子とは反対側をより多く遮光する開口絞りを設けたことを特徴とする反射型光電センサ。
前記開口絞りの開口は、被検出物体の距離に対応する開口上の位置における受光量が被検出物体の距離の２乗に比例して変化するように、投光素子側から遠ざかる方向に幅が狭まる台形形状とされた請求項１に記載の反射型光電センサ。