JP3650974B2 - 光学式センサ装置 - Google Patents

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、該物体を検出する光学式センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光学式センサ装置としては、図１に示すような構成のものが知られている。光学式センサ装置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光学式センサ装置においては、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違いによる受光量の変動を低減することにより、被検出物体の距離変動やばらつきに対しても安定して被検出物体を検出することができる光学式センサ装置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、被検出物体に光照射する発光素子と、この発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する受光手段とを備え、検出距離範囲内にある被検出物体を検出する光学式センサ装置において、被検出物体に対して前記発光素子からの光を集光して照射させ、被検出物体からの正反射光をレンズを介することなく前記受光手段により受光し、検出距離範囲内で、被検出物体の距離が短い時には入射角が大きく、被検出物体の距離が長い時は入射角が小さくなるように、前記受光手段の受光面が、被検出物体からの反射光のうち受光手段に至る光束の光軸に対して傾いて設定されているものである。
また、請求項２の発明は、上記請求項１に記載の構成において、前記受光手段が、光ファイバと、前記光ファイバに入射され、伝送された光を受光する受光素子とを含み、被検出物体からの正反射光を前記光ファイバの一方の端面で受光し、前記光ファイバの他方の端面と前記受光素子との間にギャップを設けたものである。
【０００５】
【作用】
上記構成を有する請求項１の光学式センサ装置においては、発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手段により受光する。受光手段の受光面が反射光の光束の光軸に対して傾いており、被検出物体の距離により光束の受光面への入射角が異なる。受光手段での受光効率は入射角に依存することから、被検出物体の距離変動による受光量の変化は補正され、被検出物体の距離変動による影響は低減される。
また、請求項２の光学式センサ装置においては、受光手段に光ファイバを用いて入射角が大きい光の受光効率を低減でき、上記と同等の作用が得られる。
【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実施例による光学式センサ装置の構成図である。光学式センサ装置１は、被検出物体４に光照射するＬＥＤ等でなる発光素子２、及び、この発光素子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するフォトダイオード等でなる受光素子５（受光手段）とから構成され、この受光素子５の受光面（この例では、フォトダイオードのチップ面）を、被検出物体４からの反射光のうち受光素子５にいたる光束の光軸に対して傾け、光束の受光面への入射角θが被検出物体４の距離により異なるようにしている。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。
【０００７】
上記のように、受光素子５の受光面を傾けたことにより、被検出物体４の距離変化に伴い、受光素子５への光の入射角θが変化する。すなわち、被検出物体４が検出距離範囲（ある設定検出距離ｌm を中心としてその前後）内で変動した場合、被検出物体４の距離が短くなると（距離ｌs ）、受光素子５での受光量、及び入射角θは大きくなる。逆に、被検出物体４の距離が長くなると（距離ｌl ）、受光素子５での受光量、及び入射角θは小さくなる。受光素子５での受光効率は、入射角θに依存し、一般的に、図３に示すような特性を有し、入射角θが大きくなると受光効率は減少する。従って、図３の斜線で示す領域を利用することで、被検出物体４の距離変動による受光量の変化は補正され、距離変動の影響を低減できる。かくして、被検出物体４の距離変動、距離バラツキに対しても、被検出物体４を安定に検出することができる。
【０００８】
図４は、第２実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。この例では、受光手段の一部を受光用ファイバ６により構成し、受光用ファイバ６の入射側端面を斜めに研磨している。受光用ファイバ６の出射側端には受光素子 （図示なし）が配置されている。発光部等は図示していないが、上記第１実施例と同等の構成を備えている。このような構成とすることにより、上記実施例のように受光素子５の受光面を傾けたのと同等の作用が得られ、被検出物体４の距離変動の影響を低減することができる。
【０００９】
図５は、第３実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。この例では、受光用ファイバ６に入射した光を受光する受光素子７と該ファイバ６の端面との間に、ギャップを２ｍｍ程度設けている。この構成により、入射角の大きい光の受光効率が小さくなる。すなわち、ファイバ受光効率の入射角依存性は、図６に示す通り、本実施例のようなギャップがない場合には実線の特性であるが、本実施例のようなギャップがある場合には、破線の特性となり、高入射角 （入射角が大）での光の受光効率が低減する。被検出物体４の検出距離範囲では、上記入射角依存性の曲線の傾きが余りに大きくない、つまり傾きが緩やかな方が、検出距離範囲が広くなることから、望ましく、本実施例ではこれに適うことになり、被検出物体４の距離変動の影響を低減し、安定した検出が行える。本実施例の構成を、後述する実施例６の具体例に採用したところ、検出距離ｌ＝１０±３ｍｍにおいて、±１０％程度に受光量変動が低減される。
【００１０】
図７は、第４実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。この例では、受光手段に用いた受光用ファイバ６を所定の半径以下で巻いている。ファイバは指向特性が大きいことから、このような構成を用いることにより、高入射角での光の受光効率が低減し、上記第３実施例と同等の効果が得られる。
【００１２】
図９（ａ）（ｂ）は、第６実施例による光学式センサ装置の具体構成を示す。この光学式センサ装置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。
【００１３】
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。
【００１４】
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６の実線に示した通りである。
【００１５】
図１０は、第６実施例による光学式センサ装置の構成図である。この例は、本装置を光沢センサとして適用した場合を示す。瓶３０や容器、箱等の製造コンベア３１上にラベル貼り装置３２が配置されており、光学センサ装置３３は瓶等に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として用いられ、光学センサ装置３４は台紙（セパレータ）３５上のラベル３６の位置決め検出を行うセンサとして用いられる。
【００１６】
図１１は、第７実施例による光学式センサ装置の構成図である。この例は、本装置をカラーマークセンサとして適用した場合を示す。光学センサ装置４０は、包装用レジスタマーク４１が長尺用紙４２上に正しく付されているか否かをマーク自体、又は色の違いにより検査するものである。
なお、本発明の光学式センサ装置は、上記実施例構成に限られず種々の変形が可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明に係る光学式センサ装置によれば、受光面が被検出物体からの反射光の光軸に対して傾いており、受光面への入射角が被検出物体の距離により異なり、その受光効率は入射角に依存するので、被検出物体までの距離の違い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やばらつきに対しても安定した検出が可能となる。
また、請求項２の光学式センサ装置においては、請求項１の効果に加えて、受光手段に指向特性の高い光ファイバを用いているので、光ファイバの角度を少し傾けるだけで、入射角が大きい光の受光効率を低減でき、被検出物体の距離変動による受光量変動が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の光学式センサ装置の構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例による光学式センサ装置の構成図である。
【図３】 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４】 本発明の第２実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。
【図５】 本発明の第３実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。
【図６】 ファイバの受光効率の入射角依存性を示す図である。
【図７】 本発明の第４実施例による光学式センサ装置の受光手段の構成図である。
【図９】 （ａ）（ｂ）は、第６実施例による光学式センサ装置の具体構成を示す断面図
及び正面図である。
【図１０】 本発明の第６実施例による光学式センサ装置の構成図である。
【図１１】 本発明の第７実施例による光学式センサ装置の構成図である。

Claims (2)

1. 被検出物体に光照射する発光素子と、この発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する受光手段とを備え、検出距離範囲内にある被検出物体を検出する光学式センサ装置において、
   被検出物体に対して前記発光素子からの光を集光して照射させ、
   被検出物体からの正反射光をレンズを介することなく前記受光手段により受光し、
   検出距離範囲内で、被検出物体の距離が短い時には入射角が大きく、被検出物体の距離が長い時は入射角が小さくなるように、前記受光手段の受光面が、被検出物体からの反射光のうち受光手段に至る光束の光軸に対して傾いて設定されていることを特徴とする光学式センサ装置。
2. 前記受光手段が、光ファイバと、前記光ファイバに入射され、伝送された光を受光する受光素子とを含み、被検出物体からの正反射光を前記光ファイバの一方の端面で受光し、
   前記光ファイバの他方の端面と前記受光素子との間にギャップを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学式センサ装置。

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