JP5058928B2 - 光電センサ - Google Patents

Description

本発明は光電センサに関する発明である。

一組の光電センサは投光光学系及び受光光学系と判定部とを備える。投光光学系は光を発する発光素子とこの光を光芒として投光する投光口とを有する。受光光学系は視野内の光を受光する受光口とこの受光量に関する信号を出力する受光素子とを有する。投光光学系の発光素子・投光口がひとつのケースに設けられ、受光光学系の受光口・受光素子および判定部が他のひとつのケースに収められている。あるいは、投光光学系の発光素子・受光光学系の受光素子・判定部がひとつのケースに収められ、投光光学系の投光口が他のケースに設けられ、受光光学系の受光口がさらに他のケースに設けられる。投光光学系の発光素子と投光口との間および受光光学系の受光口と受光素子との間は、それぞれ光ファイバで連結される。

一組の光電センサが透過形光電センサとして用いられる場合には、投光口からの投光が受光口に直接的に受光され、投光口と受光口との間に一つの光路が形成されるように配置される。回帰反射形光電センサとして用いられる場合には、投光口からの投光が回帰反射体を介して受光口に受光され、往路と復路とがほぼ重なり合って実質的に一つの光路が形成されるように配置される。このように、一組の光電センサは投光口と受光口との間に実質的に一つの光路のみを有する。判定部は受光素子の受光量に関する信号から光路の状態を判定する。特許文献１の図１４には、透過形光電センサの適用事例として、光路中のガラスウェハ（検出物体）の有無を検出する装置が開示されている。光路中のガラスウェハは投光口からの投光の一部を吸収して受光口の受光量を減少させ、これによって判定部はガラスウェハの存在を検出する。
特開平９−３２９６７０号公報

上記の事例では、検出物体の二状態（有、無）のみを判定するので、一つの光路が形成できれば十分である。しかし、他の適用事例では、検出物体の三状態（第１位置に有、第２位置に有、どちらにも無）を検出するために二つの光路を形成する必要があり、二組の光電センサが必要とされている。

本発明の目的は、一組の光電センサで二つの光路を形成するための制約を少なくすることである。背景技術から本発明に至るまでの間、発明者は、投光口から投光された光芒を、この光芒に対して斜めに置いた鏡面で正反射させて受光口に導く形態の光電センサを新たに考案した。この形態の光電センサでは、往路と復路との重なりは鏡面付近の小さな領域で生じるのみとなり、一組の光電センサで実質的に二つの光路を形成することが可能である。しかし、鏡面に対して光芒の入射角の大きさと反射角の大きさとが等しくなるため、投光口・受光口・鏡面の設置位置が自ずと制約を受ける。

発明者は、投光口から投光された光芒を拡散反射体によって拡散反射させれば受光口から拡散反射体を見通せる位置のどこにでも受光口を配置できるという着想を得た。本発明は、この着想に基づいてなされたものである。なお、ここで拡散反射（または乱反射）とは、正反射および回帰反射を除く反射の形態を言う。

第１の発明は、次の（１）〜（６）の構成を備え、第１または第２の光路における検出対象物１の有無を検出する光電センサである。
（１）発光素子３と、この発光素子３からの光を光芒４として外部へ投光する投光口５と、を有する投光光学系２。
（２）視野７を有しこの視野７の範囲で外部から到来する光を受光する受光口８と、受光した光を受光量に関する信号に変換して出力する受光素子９と、を有する受光光学系６。
（３）投光口５および受光口８から離れた位置に設置され、投光口５から投光された光芒４を拡散反射する拡散反射体１０。
（１）投光口５と拡散反射体１０との間に形成される第１の光路１１。
（２）拡散反射体１０と受光口８との間に形成される第２の光路１２。
（３）受光量に関する信号を予め定められた閾値と比較して、その結果を出力する判定部１３。

第２の発明は、第１の発明において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサである。
（１）投光口５の光芒４の中心軸１５と拡散反射体１０の法線１６とが成す第１の角度１４。
（２）受光口８の視野７の中心軸１８と拡散反射体１０の法線１６とが成す第２の角度１７。
（３）第１の角度１４と第２の角度１７とは互いに異なる角度に設定される。

第３の発明は、第２の発明において、次の（１）の構成を備える光電センサである。
（１）第１の角度１４及び第２の角度１７のいずれか一方が実質的に０である。

第４の発明は、第１の発明において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサである。
（１）投光口５の光芒４の中心軸１５と拡散反射体１０の中心軸３０とが成す第１の変位Ｌ１。
（２）受光口８の視野７の中心軸１８と拡散反射体１０の中心軸３０とが成す第２の変位Ｌ２。
（３）第１の変位Ｌ１と第２の変位Ｌ２とは互いに異なる寸法に設定される。

第５の発明は、第４の発明において、次の（１）の構成を備える光電センサである。
（１）第１の変位Ｌ１および第２の変位Ｌ２のいずれか一方が実質的に０である。

第６の発明は、第１乃至５の発明のいずれか一項において、次の（１）の構成を備える光電センサである。
（１）第１の光路１１における検出対象物１の有無と第２の光路１２における検出対象物１の有無とを、同一の値で判定するように判定部に設定される第１の閾値。

第７の発明は、第１乃至６の発明のいずれか一項において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサである。
（１）第１の光路における検出対象物の有無を判定するように判定部に設定される第１の閾値。
（２）第２の光路における検出対象物の有無を判定するように判定部に設定される第２の閾値。
（３）受光量に関する信号を第１および２の閾値と比較して、「第１の光路に検出対象物あり」、「第２の光路に検出対象物あり」、「いずれの光路にも検出対象物なし」のいずれかの状態に相当する判定結果を出力する判定部１３。

なお、課題を解決する手段の欄の、各発明の構成要素に付記した符号は、図面と照らして発明の理解を容易にするためのものであり、これによって発明の技術的範囲が限定的に解釈されるべきではない。

本発明の光電センサの、第１の実施の形態の構成を図１に示す。本発明の実施に用いられる典型的な光電センサは、投光口５と受光口８とをそれぞれ異なる位置に設置可能な形態であることが望ましい。例えば、一般に市販されている光ファイバ形光電センサを用いることができる。光ファイバ形光電センサは、発光素子３（例えばＬＥＤ）、受光素子９（例えばフォトダイオード）、発光素子駆動部２０（例えば電子回路）、判定部１３（例えばマイクロコンピュータ）、設定部２１（例えばスイッチ）等をケース２２に収納した本体と、光を伝達する投光ファイバ２３および受光ファイバ２４とを備える。

投光光学系２において、投光ファイバ２３の一端は本体の発光素子３の近傍に固定され、他端は本体から離れた位置に設置される。投光ファイバ２３の他端の端面がそのまま投光口５を構成している。あるいは、投光ファイバ２３の他端にコリメータレンズ（図示せず）が配置されて投光口５を構成している。このコリメータレンズは投光角調節手段であって、投光ファイバ２３の端面から広がりをもって投光される（例えば頂角３０度の円錐形の）光芒４を屈折させて平行光に近付けるように作用するものである。受光光学系６において、受光ファイバ２４の一端は本体の受光素子９の近傍に固定され、他端は本体から離れた位置に設置される。受光ファイバ２４の他端の端面がそのまま受光口８を構成している。あるいは、受光ファイバ２４の他端にコリメータレンズ（図示せず）が配置されて受光口８を構成している。コリメータレンズは視野調節手段であって、受光の視野角を狭めるよう作用するものである。投光ファイバ２３・受光ファイバ２４の各他端および各コリメータレンズはそれぞれ投光用ケース２５・受光用ケース２６に収められており、これらのケース２５，２６は他の部材への取り付け手段（例えば図示しないネジ孔）を有している。設定部２１は、判定用の閾値を判定部１３に設定するためのスイッチや数値表示器からなる。使用者がスイッチを操作して閾値を任意の値に設定可能である。あるいは、オートチューニング機能を備えており、最大受光量と最少受光量との中間の値に、または最大受光量（１００％）に対する一定の割合（例えば８０％など）に、閾値を自動的に設定する。光ファイバ形光電センサの構造および動作については周知であるから、これ以上詳述しない。

拡散反射体１０は、その表面で拡散反射を生じるものである。この拡散反射は三次元的に生じる現象であり、ある程度の指向性を示すものであってもよく、等方的に生じるものであってもよい。例えば透明樹脂に金属粉や白色顔料を分散させた平面状のシートを用いることができる。拡散反射体１０は空間に自立していれば十分だが、多くの場合は壁面２７に固定される。拡散反射体１０の反射率は壁面２７の反射率よりも高いことが望ましい。そのために、壁面２７を艶消しの黒色に着色すると良い。

この実施の形態の特徴は、投光口５・受光口８と拡散反射体１０との光学的な位置関係にある。検出対象物１の形状（塊状、板状など）および性状（透明、不透明など）は特に限定されない。投光口５・受光口８と拡散反射体１０との間には、検出対象物１が移動可能な空間が設けられている。投光口５は所定の出射角を持つ光芒４を出射する。この出射角は用途に応じて最適な角度に予め調節されるものであり、一般的には光量を確保するために平行光に近い光芒４となるよう設定される。この光芒４の中心軸１５（光軸）は拡散反射体１０に向けて、拡散反射体１０の法線１６に対して第１の角度１４を持つように配置される。便宜的に、中心軸１５と法線１６とが一致する角度を０度とし、一方向を＋（プラス）の角度とし、反対の方向を−（マイナス）の角度とする。この実施の形態においては光芒４によって拡散反射体１０の全面が照射されるので、投光口５と拡散反射体１０全面との間に第１の光路１１が形成される。受光口８は所定の視野角７で入射する入射光を受光する。この視野角７は用途に応じて最適な角度に予め調節されるものであり、一般的には外乱光を避けるために、拡散反射体１０の、投光の光芒４によって照射された範囲がちょうど含まれる程度に設定される。この受光の視野７の中心軸１８（光軸）は拡散反射体１０に向けて、拡散反射体１０の法線１６に対して第２の角度１７を持つように配置される。便宜的に、中心軸１８と法線１６とが一致する角度を０度とし、一方向を＋（プラス）の角度とし、反対の方向を−（マイナス）の角度とする。この実施の形態においては投光の光芒４によって拡散反射体１０の全面が照射されているのに合わせて、視野７は拡散反射体１０の全面よりもやや広く設定されており、受光口８と拡散反射体１０全面との間に第２の光路１２が形成される。投光の光芒４は拡散反射板１０の表面で拡散反射されるので、第１の角度１４及び第２の角度１７をいずれも±９０度未満（０度も含む）の任意の角度に設定しても第１の光路１１及び第２の光路１２を形成可能である。すなわち、第１の角度１４及び第２の角度１７は互いに異なる角度に設定可能である。（ここで拡散反射板ではなくて正反射板を用いた場合には、発明の開示の欄に述べた通り、入射角と出射角とを同一角度に設定しなければならない。）特に、第１の角度１４および第２の角度１７のいずれか一方をほぼ０度に設定すると、全体の構成を小型にすることができる。

空間に検出対象物１がない状態で、受光光学系６は拡散反射体１０から最大の光量を受光している。検出対象物１が第１の光路１１および第２の光路１２のいずれかを完全に塞いだ状態で、その受光量は最少になる。判定部１３は、受光光学系６から得た受光量に関する信号と予め設定された一つの閾値とを比較して、光路１１，１２の状態を判定し、判定結果を出力する。この出力は電気的または光学的な二値信号である。判定部１３は、検出対象物１によって遮られた光路が第１の光路１１か第２の光路１２かを判定することはできないが、検出対象物１が光路１１，１２に進入する順番が予め決まっている用途であれば不都合は生じない。

なお、上述の例とは異なり、投光の光芒４が拡散反射体１０の一部を照射する（拡散反射体１０上に投光スポットが形成される）ように第１の光路１１を設定することも可能であり、受光の視野７が拡散反射体１０の一部のみを含むように第２の光路１２を設定することも可能である。また、第１の光路１１を形成する投光の光芒４の範囲を狭くかつ第２の光路１２を形成する受光の視野７の範囲を広く設定することも、第１の光路１１を形成する投光の光芒４の範囲を広くかつ第２の光路１２を形成する受光の視野７の範囲を狭く設定することも可能である。すなわち、用途に応じて最適の設定がなされるべきである。

本発明の光電センサの、第２の実施の形態の構成を図２に、その作用を図３に、それぞれ示す。この実施の形態の基本的な構成は実施の形態１と同様であるので、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を記すと共に、投光ファイバ２３・受光ファイバ２４・ケース２２等は記載を省略し、その差異のみを以下に説明する。この第２の実施の形態においては、検出対象物１は常に同じ動線（図２中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）を移動する。この検出対象物１が第１の光路１１および第２の光路１２に無い状態Ａ，Ｅでの受光光学系６の受光量を１００％とする。この検出対象物１が第１の光路１１の範囲に完全に入っている状態Ｂで第１の光路１１の５０％を遮光（受光量５０％）し、第２の光路１２の範囲に完全に入っている状態Ｄで第２の光路１２の７０％を遮光（受光量３０％）するように、第１の光路１１および第２の光路１２の範囲が予め設定されている。また、判定部１３には、受光量６０％に対応する第１の閾値と受光量４０％に対応する第２の閾値とが、予め設定されている。これにより、判定部１３は、受光素子９から得た受光量に関する信号が第１の閾値と第２の閾値との間にあれば検出対象物１が第１の光路１１中に位置していると判定し、受光信号が第２の閾値よりも小さければ第２の光路１２中に位置していると判定して、その判定結果を出力する。判定結果は、例えば、検出対象物１を移動させる装置（図示せず）に入力されて、検出対象物１の位置の制御に用いられる。

なお、検出対象物１が第１の光路１１から第２の光路１２の中へ移動している途中で、一時的に受光量が６０％と４０％との間になるので、判定部１３は検出対象物１が第１の光路１１にあるものと誤判定するおそれがある。このような誤判定を防ぐために、受光量の安定の度合いを考慮して判定のタイミングを決める。例えば、受光量の一定時間の変化量（あるいは微分値）を常に観察し、変化量が予め定めた値よりも小さくなったときに受光量が安定したものとして、検出対象物１の位置の判定を行うようにすれば良い。その結果、判定部１３の判定出力は、図３の期間Ａで「いずれの光路にも検出対象物なし」、期間Ｂで「第１の光路に検出対象物あり」、期間Ｃで「いずれの光路にも検出対象物なし」、期間Ｄで「第２の光路に検出対象物あり」、期間Ｅで「いずれの光路にも検出対象物なし」となる。

本発明の光電センサの、第３の実施の形態の構成を図４に示す。この第３の実施の形態の基本的な構成は第１の実施の形態と同様であるので、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を記すと共に、投光ファイバ２３・受光ファイバ２４・ケース２２等は記載を省略し、その差異のみを以下に説明する。この第３の実施の形態においては、拡散反射体１０の中心軸３０をなす法線に対して、投光の光芒４の中心軸１５および受光の視野７の中心軸１８が平行に配置されている。拡散反射体１０の中心軸３０に対する投光の光芒４の中心軸１５との距離Ｌ１は、拡散反射体１０の少なくとも一部が投光の光芒４に照射される範囲に入るように設定される。拡散反射体１０の中心軸３０に対する受光の視野７の中心軸１８との距離Ｌ２は、拡散反射体１０の投光の光芒４に照射されている部分の少なくとも一部が視野７の範囲に入るように設定される。この実施の形態においては投光の光芒４によって拡散反射体１０の全面が照射されるので、投光口５と拡散反射体１０全面との間に第１の光路１１が形成されている。この実施の形態においては投光の光芒４によって拡散反射体１０の全面が照射されているのに合わせて、視野７は拡散反射体１０の全面をちょうど含む程度に設定されており、受光口８と拡散反射体１０全面との間に第２の光路１２が形成されている。なお、この実施の形態においては、光芒４の中心軸１５と拡散反射体１０の中心軸と視野７の中心軸１８とが互いに平行に設置されているが、中心軸１５，１８はそれぞれ紙面垂直面内に仰角をもって設置されてもよい。距離Ｌ１、Ｌ２は、どちらかが０であってもよい。また、図４において距離Ｌ１とＬ２とが中心軸３０を挟んで反対側に位置するように投光用ケース２５および受光用ケース２６が配置されているが、距離Ｌ１とＬ２とが中心軸３０に対して同じ側に位置するように投光用ケース２５および受光用ケース２６が配置されてもよい。

なお、上述の実施の形態１乃至３には、具体的な構成として光ファイバ形光電センサを用いた例を示したが、背景技術に示したように、投光光学系の発光素子３・投光口５・発光素子駆動部２０がひとつのケースに設けられ、受光光学系の受光口８・受光素子９および判定部１３が他のひとつのケースに収められた形態の光電センサによって本発明を実施することも、当然ながら可能である。投光口５及び受光口８の形状は問わず、円形・矩形・多角形あるいはこれらを部分的に組み合わせた形状であっても構わない。

拡散反射体としては、壁面２７の所定の領域に塗布した白色塗料や、もし適しているならば壁面２７自体を、拡散反射体１０として用いることもできる。コーナーキューブ・リフレクタやキャッツアイ・リフレクタ等の回帰反射体は完全な光学特性を備えていれば回帰反射のみを生じるものである。しかし、市販されている回帰反射体は光学特性が不完全で、その反射光には拡散反射の成分を含むので、本発明の拡散反射体として使用することができる（実際に実施の形態１~３の通りに設置してみて使用できれば、その回帰反射体は本発明の実施に十分な割合の拡散反射を生じているものと判断できる）。

図１，２，４においては、投光口５と拡散反射体１０と受光口８とが実質的に同一平面上に配置されているが、これに限定されない。すなわち、拡散反射体１０による拡散反射は三次元的に生じる現象なので、投光口５と拡散反射体１０と受光口８とが紙面垂直方向の互いに異なる位置に配置されても、本発明の光電センサとして実施することが可能である。

投光口５と受光口８と検出対象物１の位置関係によっては、投光が検出対象物１の表面で拡散反射されて受光口８に受光されてしまい、誤検出を生じることがあるかもしれない。このような場合には、検出対象物１と受光口８との間に仕切り板を設けて検出対象物１の表面からの反射光を遮断することで誤検出を避けることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、実施の形態に示した各構成要素を公知公用の構成要素に置き換えて本発明を実施することが可能である。

本発明の、第１の実施の形態を示す構成図である。 本発明の、第２の実施の形態を示す構成図である。 本発明の、第２の実施の形態を示すグラフである。 本発明の、第３の実施の形態を示す構成図である。

符号の説明

１ 検出対象物
２ 投光光学系
３ 発光素子
４ 光芒
５ 投光口
６ 受光光学系
７ 視野
８ 受光口
９ 受光素子
１０ 拡散反射体
１０ａ 拡散反射面
１１ 第１の光路
１２ 第２の光路
１３ 判定部
１４ 第１の角度
１５ 中心軸
１６ 法線
１７ 第２の角度
１８ 中心軸
２０ 発光素子駆動部
２１ 設定部
２２ ケース
２３ 投光ファイバ
２４ 受光ファイバ
２５ 投光用ケース
２６ 受光用ケース
２７ 壁面
３０ 中心軸（法線）
Ｌ１ 第１の変位
Ｌ２ 第２の変位

Claims (7)

1. 次の（１）〜（６）の構成を備え、第１または第２の光路における検出対象物の有無を検出する光電センサ。
   （１）発光素子と、この発光素子からの光を光芒として外部へ投光する投光口と、を有する投光光学系。
   （２）視野を有しこの視野の範囲で外部から到来する光を受光する受光口と、受光した光を受光量に関する信号に変換して出力する受光素子と、を有する受光光学系。
   （３）投光口および受光口から離れた位置に設置され、投光口から投光された光芒を拡散反射する拡散反射体。
   （４）投光口と拡散反射体との間に形成される第１の光路。
   （５）拡散反射体と受光口との間に形成される第２の光路。
   （６）受光量に関する信号を予め定められた閾値と比較して、その結果を出力する判定部。
2. 請求項１において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサ。
   （１）投光口の光芒の中心軸と拡散反射体の法線とが成す第１の角度。
   （２）受光口の視野の中心軸と拡散反射体の法線とが成す第２の角度。
   （３）第１の角度と第２の角度とは互いに異なる角度に設定される。
3. 請求項２において、次の（１）の構成を備える光電センサ。
   （１）第１の角度及び第２の角度のいずれか一方が実質的に０である。
4. 請求項１において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサ。
   （１）投光口の光芒の中心軸と拡散反射体の中心軸とが成す第１の変位。
   （２）受光口の視野の中心軸と拡散反射体の中心軸とが成す第２の変位。
   （３）第１の変位と第２の変位とは互いに異なる寸法に設定される。
5. 請求項４において、次の（１）の構成を備える光電センサ。
   （１）第１の変位および第２の変位のいずれか一方が実質的に０である。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、次の（１）の構成を備える光電センサ。
   （１）第１の光路における検出対象物の有無と第２の光路における検出対象物の有無とを、同一の値で判定するように判定部に設定される第１の閾値。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、次の（１）〜（３）の構成を備える光電センサ。
   （１）第１の光路における検出対象物の有無を判定するように判定部に設定される第１の閾値。
   （２）第２の光路における検出対象物の有無を判定するように判定部に設定される第２の閾値。
   （３）受光量に関する信号を第１および２の閾値と比較して、「第１の光路に検出対象物あり」、「第２の光路に検出対象物あり」、「いずれの光路にも検出対象物なし」のいずれかの状態に相当する判定結果を出力する判定部。