JP4357731B2 - 反射型光電センサの検出ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、限定された距離の中で検出体を検出する反射型光電センサの検出ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の光電センサは、例えば検出体が奥行き方向に並ぶ場合に、特定の距離にあるものだけを検出できるという利点がある。薄い透明ガラスなどの検出体を光の反射光の有無によって検出する場合、検出体からの反射光は、様々な角度に反射する拡散光はほとんど発生せず、入射角に等しい角度で反射する正反射光がわずかに生じるのみであるので、光を検出体に照射したときに、拡散反射光ではなく、正反射光を検出するような構造が必要となる。
【0003】
従来例の具体的な構造は、図11に示す通りである。すなわち、投光部1からの光が投光レンズ2により検出体方向に照射され、その反射光が受光レンズ3によって受光部4に収束される。ここで、投光レンズ2の光軸C0は投光部1の中心P0に一致しており、受光レンズ3の光軸B0は受光部4の中心D0に一致している。なお、この例では、投光レンズ2及び受光レンズ3は一体に成型されている。
ここで、投光部1からの光が照射される範囲を投光領域Pとし、ある領域において光が光電センサ方向に照射された場合に、受光レンズ4によって受光部4に収束可能である領域を受光領域Dと呼ぶと、投光領域Pと受光領域Dとの重なり部分が検出体を検出できる領域となる。例えば図11に示すように、その検出領域の外に存在する検出体Yからの正反射光は受光部4には入射しないからである。
【0004】
ところで、この種の光電センサは、例えば特開2000−230984号公報を引用した図12に示されるように、ケース5内に多段に収容したガラス基板6の検出に利用されることがある。その場合、ロボットアームの先端に取り付けた検出ユニット7の両側に光電センサの検出ヘッド8がそれぞれ配置され、ガラス基板6の下方に検出ユニット7が進入してガラス基板6からの反射光を拾うことによりその有無を判断するのである。このような透明な検出体の検出に限定反射型の光電センサを使用すると、検出ヘッド8から照射された光がガラス基板6を透過して上段のガラス基板6によって反射しても、その光を拾うことがないから、誤検出を防止できるという利点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、限定反射型の光電センサにおいては、光電センサに対する角度が変化する可能性があるものを検出する場合には、極めて困難な課題があった。すなわち、ガラス基板6が大型化し、薄型化すると、図13に示すように、中央部が垂れ下がるように撓むことを避けることができない。すると、検出ヘッド8に対向するガラス基板6の対向角度が同図に示すように角度θだけ増える。ガラス基板6が例えばθだけ傾くと、反射光は2θ傾くことになり、本来の検出領域にガラス基板6が存在しても反射光が受光部4に入射しなくなり、ガラス基板6が存在しても、これを検出できなくなってしまう。受光領域Dを大きくすることには限界があるから、検出体の許容傾きθを大きくすることは容易ではない。しかも、同じくθだけ傾いても、光電スイッチと検出体との距離が遠いほど、光電スイッチ部分でのずれ量が大きくなるから、検出距離を長くしてなおかつ検出体の許容傾きθを大きくすることは極めて困難であった。
【0006】
ちなみに、上述した特開2000−230984号公報では、かかる事情に鑑みて予め左右の検出ヘッド8の検出軸をそれぞれ内側に傾けてガラス基板6の傾きに対処しようとしている。しかし、これでは左右の検出ヘッド8がそれぞれ専用構造となるから、汎用性を欠くことになる。また、検出軸を傾けることなく、検出ヘッド8自体を検出ユニット7に対して傾けて取り付けるようにすると、同公報に記述されているように検出ユニット7の厚さ寸法が大きくなるという不具合を生ずる。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、限定反射型でありながら、検出体の傾きに対する許容範囲が広い反射型光電センサの検出ヘッドを提供するところにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明に係る反射型光電センサの検出ヘッドは、投光部からの光を投光レンズを通して検出体に照射し、その検出体からの正反射光を受光レンズによって受光部に導くようにした反射型光電センサの検出ヘッドにおいて、投光レンズの光軸と受光レンズの光軸とを互いに交差するように設定し、投光部の光軸中心を投光レンズの光軸よりも受光レンズの光軸側にずらして配置したところに特徴を有する。
【0009】
また、請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、さらに投光レンズ及び受光レンズはそれらの各光軸に対して左右非対称となる形状とし、投光レンズは受光レンズの光軸側に大きく、受光レンズは前記投光レンズ側に小さくなるように構成したところに特徴を有する。
【0010】
さらに、請求項3の発明は、前記投光部及び前記受光部の少なくとも一方を、投光レンズの光軸と受光レンズの光軸とで構成される平面と略平行になるように複数の光ファイバー素線を横長に並べて配置して構成したところに特徴を有する。
【0011】
請求項4の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項の発明において、投光部からの光を投光レンズを通して検出体に照射し、その検出体からの正反射光を受光レンズによって受光部に導くようにした反射型光電センサの検出ヘッドにおいて、投光レンズを通った光を検出体に向けて反射させると共に、検出体からの光を受光レンズに向けて反射する反射面を投光レンズと受光レンズと共に一体的に形成し、その反射面は各レンズ内における光路を含む平面に対し、ほぼ垂直をなす平面に沿って反射させるように設定したところに特徴を有する。
【0012】
【発明の作用及び効果】
<請求項1の発明>
【0013】
従来構成のものと本発明のものを比較して説明する。
図1は従来構成のものと本発明のものの光路の様子を示したものである。従来例を示す図1(A)において、投光部1の光軸中心をp0とし、投光部1の端部をp1,p2とすると、p1,p2から発せられた光は、投光レンズ2の光軸中心C0から両側の端部c1〜c2までの領域を通り、検出体6が傾き0の状態(e)において検出体6で反射してそれぞれf3,f4となる。f3とf4は角度f5をなすから、f5>2θを満足しなければ、検出体6の傾き+θ〜−θを許容することができない。また、この時f3,f4のいずれか一方が受光部4に達していて、検出体6を−θ(−e)へ傾けたときf3は(−)側に移動し, 検出体6を+θ(+e)へ傾けたときf4は(+)側に移動し、f3からf4間の光の少なくとも一部は、常に受光部4に達するようにしなければならない。
【0014】
f5>2θを満足させるためには、次の3つの構成が考えられる。
1. 投光レンズ2の焦点距離を小さくする。
2. p1〜p2の大きさを大きくする。
3. 投光部1を投光レンズ2の光軸からずらす。
しかしながら、1. の構成は紙面垂直方向にも光が広がって、検出精度が悪くなってしまう欠点がある。
また、2. の構成はp2が外側に大きくなるとその光f4が、より外側を通るようになり、受光レンズ3の形成が困難となったり、外形が大きくなってしまう欠点が有る。
【0015】
これに対して、請求項1の発明である3. の構成は、p1,p2を内側へずらすので収差が大きくなり、f1〜f2の成す角が大きくなるとともにf3〜f4はともに内側(投光レンズの方向)に入り、受光レンズの形成が容易になり、小型化も可能になる利点がある上に、正反射検出体の距離や傾きに対して広い範囲で検出可能となる。
【0016】
<請求項2の発明>
なお、上記請求項1の構成を採用することにより、正反射する検出体6の傾きに対して広い範囲で許容できるが、必要以上に遠くの背景物体を検出してしまうことがある。そこで、請求項2の構成のように、投光領域と受光領域の重なりを調整することが望ましい。具体的には、内側にずらした本発明の投光部位置p1,p2から発せられ、投光レンズ2の外側(c2)を通って検出すべき最も遠点部の検出体6で正反射した光f3,f4が受光レンズ3の外側(b1)、内側(b2)を通るように投光レンズ2の外側(c2),受光レンズ3の大きさ(b1,b2)を設定する。
換言すれば投光部1のp1から発せられた光f1と、p2から発せられた光f2が検出体6で正反射した光f4とで囲まれた領域が含まれるように、この範囲を略検出領域(投光領域と受光領域の重なり部分)とするように調整するものである。これには、投光レンズの光軸と前記受光レンズの光軸とを互いに交差するように設定すると共に、投光部を投光レンズの光軸より受光レンズの光軸側にずらして配設し、投光レンズ及び受光レンズはそれらの各光軸に対して左右非対称となる形状とし、その投光レンズは受光レンズの光軸側に大きく、受光レンズは投光レンズ側に小さくなるように構成すればよい。
【0017】
これにより、このようにして、正反射検出体の距離や傾きに対して広い範囲で検出可能でありながら、必要以上に遠くの背景物体を誤検出することが無く(検出エリアを遠くすること無く)、小型の検出ヘッドを提供することが出来る。
【0018】
<請求項3の発明>
単に広い面積を確保するため大きな直径の円筒形状や正方形の受光部あるいは投光部を用いると、投光レンズの光軸と受光レンズの光軸とで構成される平面に対して平行方向にも直角方向にも検出エリアが拡大し、検出位置が検出体と光電センサとの距離によって変化することがある。
そこで、請求項3の発明のように、複数の光ファイバー素線を横長に並べて配置することで投光部を構成すると、光ファイバー素線が並ぶ方向に検出領域が拡大され、それと直交する方向の検出領域を狭くすることができる。
【0019】
<請求項4の発明>
請求項4の構成では、投受光レンズと反射体とが一体成形されているから、射出成形などで量産が可能であり、組立てに際して位置決めも容易であり、コストを低く生産することが出来る。また部品点数が少ないため、光路における空気とレンズ体との界面を少なく出来るので、界面における表面反射を少なくすることができ、S/Nを高くすることが出来る利点を有する
【0020】
【発明の実施の形態】
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態を図2ないし図5によって説明する。
図中、11は光電センサのケースであって扁平な箱形をなし、前面(図中右側)に横長の投受光窓12が形成されている。このケース11内には前記投受光窓12に対応してレンズ体13が収容され、その後方に光ファイバーの先端としての投光部14と、受光素子からなる受光部15が設けられている。
【0021】
レンズ体13には、投光部14及び受光部15に対応する投光レンズ13A及び受光レンズ13Bが一体に形成され、両レンズ13A,13Bの光軸C0,B0は投受光窓12を挿通して前方で交差するように設定されている。投光レンズ13Aからは紙面と垂直方向においてほぼ平行なビームが検出体に照射されるようになっており、その検出体で反射した正反射光が受光レンズ13Bを通って受光部15に集光される。
【0022】
投光部14の光軸中心P0は、投光レンズ13Aの光軸C0よりも受光レンズ13Bの光軸B0側にずらして配設されており、投光レンズ13A及び受光レンズ13Bの外形は、各光軸C0,B0に対して左右非対称形であって投光レンズ13Aは受光レンズ13Bの光軸B0側に大きくなるように構成され、受光レンズ13Bは投光レンズ13A側に小さくなるように構成されている。
【0023】
この実施形態の設計手順を図3及び図4を参照しながら説明すると、次のようになる。まず、検出可能とすべき検出体の遠点側位置において、検出体のプラス側最大傾き+θmax(投光側を基準にして、受光側に検出体が近づく傾き)のときあらかじめ定められた紙面に平行な投光部14の大きさにおいて、投光部14の外側(p2,受光部から遠い方)から、投光レンズ13Aの外側(c2)に向けて発せられた光が、検出体で正反射した後(f3)、受光レンズ13Bを通って受光部15に達する位置において、受光部15の内側の位置が決定される。また、検出体のマイナス側最大傾き−θmax(投光側を基準にして、受光側から検出体が遠のく傾き)のとき投光部14の内側(p1)から、投光レンズ13Aの外側(c2)に向けて発せられた光が、検出体で正反射した後(f4)、受光レンズ13Bを通って受光部15に達する位置において、受光レンズ13Bの外側最大位置および受光部15の外側の位置が決定される。そして、f3とf4の成す角度はθの2倍より大きくなるように投光部14は受光レンズ13B側に偏らせ、f4が受光レンズ13Bの外側を形成できる位置になるように投光レンズ13Aの外側(c2)を決める。
【0024】
また、検出可能とすべき検出体の近点側位置において、検出体のプラス側最大傾き+θmax(投光側を基準にして、受光側に検出体が近づく傾き)のとき投光部14の外側から、投光レンズ13Aの内側に向けて発せられた光が、検出体で正反射した後、受光レンズ13Bを通って受光部15に達する位置において、受光部15の内側の位置が決定され、これにより投光レンズ13Aの内側最大位置p1および受光レンズ13Bの内側最大位置も決定される。
【0025】
また検出体のマイナス側最大傾き−θmax(投光側を基準にして、受光側から検出体が遠のく傾き)のとき投光部14の内側p1から、投光レンズ13Aの内側に向けて発せられた光が、検出体で正反射した後、受光レンズ13Bを通って受光部15に達する位置において、受光部15の外側の位置が決定されるように構成して、あらかじめ設定した投光部14の大きさ、受光部15の大きさ、検出すべき最大距離およびそのときの検出体の最大傾きを元に、投光レンズ13A及び受光レンズ13Bの大きさと位置の関係を定めた。
【0026】
この構成により、所定の距離以上の検出体を検出しない様にレンズ外形や受光部の位置を容易に制限することが可能で、所定の範囲内では左右どちらの傾きに対しても検出することが可能となる。なお、レンズ外形を制限することを投受光レンズ13A、13Bの大きさ自体により直接行なっても良いし、レンズ13A、13Bと検出体の間、あるいは投光部14とレンズ13A、13Bの間に光路を制限する窓や遮蔽物を設けても良い。本実施形態では、レンズ13A、13Bの光路を制限するためにレンズ体13を保持するケース11と、投受光窓12の両方を用いている。
【0027】
このように本実施形態によれば、検出可能とすべき検出体6の遠点側位置において、検出すべき検出体6の最大傾きのときの投光部14の大きさと受光部15の大きさから、投光レンズ13Aの最大外側位置p2および受光部15の最大外側位置を決定したので、それ以内の距離はすべて検出可能で、それ以遠の位置では光路が受光レンズ13Bから外れたり、受光部15から外れて検出しないという効果を得ることが出来る。また、検出可能とすべき検出体6の近点側位置において、検出すべき検出体6の最大傾きのとき投光部14の大きさと受光部15の大きさから、投光レンズ13Aの最大内側位置p1および受光部15の最大内側位置を決定したので、それ以遠の距離は先に設定した遠点側位置まで検出可能とすることが出来、いずれも光線追跡により容易に設定することが出来るという効果を有する。
【0028】
しかも、検出体6の傾きが正負どちらでも検出できるので、例えば特開2000-230984号に記載のものように光電センサを右左専用にする必要が無く、製造コストを安くすることが出来るという利点を有する。
【0029】
<第2実施形態>
図6及び図7は本発明の第2実施形態を示す。前記実施形態との相違は、受光部15の構造にあり、その他の点は前記第1実施形態と同様である。従って、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
受光部15へ連なる光ファイバ15Aは、例えば直径0.25mmのファイバー素線を9本束ねて一本のファイバーケーブルとしたものであり、その先端をほぐしてファイバー素線を横に並べることで縦0.25mm横2.25mmの受光部15を構成している。投光レンズ13Aの光軸と受光レンズ13Bの光軸とで構成される平面に対してのみ検出領域が広くなり、これと直交する側では検出位置を距離が変化しても一定に保つことが出来る。
【0030】
<第3実施形態>
図9及び図10は本発明の第3実施形態を示す。前記各実施形態との相違はレンズ体13の構造にあり、その他の点は前記第1実施形態と同様であり、従って、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
レンズ体13の前面には、投光レンズ13A及び受光レンズ13Bに連なってプリズム部13Cが一体成形されている。このプリズム部13Cはレンズ体13の前下側に45度の角度の反射面13Dを形成しており、その反射面13Dが投受光の各レンズ13A、13B内における光路を含む平面に対し、ほぼ垂直をなす平面に沿って光を反射させるようになっている。従って、ケース11の上面にはそのプリズム部13Cに沿るスリット11Aを形成してある。
【0031】
この実施形態によれば、レンズ体13に反射面13Dを一体に形成したので、射出成形などで量産が可能であり、組立てに際して位置決めも容易であり、コストを低く生産することが出来る。また部品点数が少ないため、光路における空気とレンズ体13との界面を少なく出来るので、界面における表面反射を少なくすることができ、S/Nを高くすることが出来る利点を有する。従来の特開2000-230984号や、特開平11-232972号公報に記載の構造では、反射体を別に設けており、光路における界面が8面あるが、本実施形態では4面となり、従来の構成よりも4面少なくなる。一般に、一面あたり約4%の表面反射が生じるので、本発明は従来よりも13%も表面反射を少なくでき、S/Nを改善することができる。
しかも、反射面13Dの裏側のケース11の内面を反射面13Dと平行に傾けた形状としたので、反射面13Dを通りぬけた光がケース11の内面で反射して受光部15に達することを回避することが出来、その面からも、S/N比を高くすることが出来るという利点を有する。
【0032】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【0033】
上記各実施形態では、投光レンズ13A及び受光レンズ13Bを一体成型したが、これに限らず、両レンズをそれぞれ別部品として構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の検出ヘッドの光路の様子を従来例と対比して示す平面図
【図2】本発明の第1実施形態を示す横断面図
【図3】同じく縦断面図
【図4】同じく検出ヘッドと検出体との関係を示す概略的横断面図
【図5】設計過程の光路の様子を示す概略的横断面図
【図6】本発明の第2実施形態を示す横断面図
【図7】第2実施形態の受光部を示す拡大縦断面図
【図8】同じく受光部を示す正面図
【図9】本発明の第3実施形態を示す横断面図
【図10】同じく縦断面図
【図11】従来の構造を示す横断面図
【図12】光電センサの使用形態を示す斜視図
【図13】従来の問題点を示す正面図
【符号の説明】
11……ケース
13……レンズ体
13A……投光レンズ
13B……受光レンズ
13C……プリズム部
13D……反射面
14……投光部
15……受光部
C0……投光レンズの光軸
B0……受光レンズの光軸
D0……受光部の中心
P0……投光部の中心
Claims (4)
- 投光部からの光を投光レンズを通して検出体に照射し、その検出体からの正反射光を受光レンズによって受光部に導くようにした反射型光電センサの検出ヘッドにおいて、
前記投光レンズの光軸と前記受光レンズの光軸とを互いに交差するように設定し、前記投光部の光軸中心を前記投光レンズの光軸よりも前記受光レンズの光軸側にずらして配置したことを特徴とする反射型光電センサの検出ヘッド。 - 前記投光レンズ及び受光レンズはそれらの各光軸に対して左右非対称となる形状であって、前記投光レンズは前記受光レンズの光軸側に大きく、前記受光レンズは前記投光レンズ側に小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項1記載の反射型光電センサの検出ヘッド。
- 前記投光部及び前記受光部の少なくとも一方は、前記投光レンズの光軸と前記受光レンズの光軸とで構成される平面と略平行になるように複数の光ファイバー素線を横長に並べて配置して構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の反射型光電センサの検出ヘッド。
- 投光部からの光を投光レンズを通して検出体に照射し、その検出体からの正反射光を受光レンズによって受光部に導くようにした反射型光電センサの検出ヘッドにおいて、前記投光レンズを通った光を前記検出体に向けて反射させると共に、前記検出体からの光を前記受光レンズに向けて反射する反射面を前記投光レンズと前記受光レンズと共に一体的に形成し、前記反射面は前記各レンズ内における光路を含む平面に対し、ほぼ垂直をなす平面に沿って反射させるように設定してなる請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の反射型光電センサの検出ヘッド。
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