JP5131386B2 - 多光軸光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ複数の光学モジュールが組み込まれた投光器および受光器を、投光面と受光面とを対向させた状態にして配置することにより、複数の光軸による２次元の検知エリアが形成される多光軸光電センサに関する。

出願人は、先般、投光素子や受光素子の１つ１つを独立の光学モジュールに収容し、この光学モジュールの数や間隔をセンサが設置される環境や目的に応じて変更できるようにした多光軸光電センサを開発した（特許文献１を参照）。

図９は、特許文献１に開示されている光学モジュール２００の構成を、分解斜視図（１）および一部を破断した斜視図（２）により示す。
この光学モジュール２００は、導光路２０６を有する樹脂製のホルダ２０３に光学素子（投光素子または受光素子）を含む光ＩＣチップ２０５、シールド部材２０４、トラップ２０２、レンズ部材２０１を一体に設けたものである。トラップ２０２およびレンズ部材２０１は導光路２０６の上端位置に固定され、光ＩＣチップ２０５はシールド部材２０４を挟んでホルダ２０３の底部に装着される。
なお、レンズ部材２０１には、位置決め用の突片２０１ａが設けられ、シールド部材２０４の中央部には、導光路２０６に連通する孔部２０４ａが形成されている。

光ＩＣチップ２０５の両端縁からは、それぞれ先端が二股に別れた圧接式のリードピン２０５ａが４本ずつ突き出ている。図９（１）（２）には、いずれも一方の端縁のリードピン２０５ａしか示していないが、これらのリードピン２０５ａと図示されていない他端縁のリードピン２０５ａとは、チップ２０５の長さ方向に沿って互い違いに位置する。

図１０は、上記の光学モジュール２００を用いた多光軸光学ユニットの外観を示す。
この多光軸光学ユニットは、両端縁に複数の壁部２５０ａが列設された支持フレーム２５０と、複数の固定用ホルダ２３０と、固定用ホルダ２３０と同数の光学モジュール２００と、８本の信号線を一体化したフラットケーブル２２０とにより構成される。組立に際しては、各固定用ホルダ２３０を、それぞれ支持フレーム２５０の幅方向で対向する壁部２５０ａ，２５０ａの間に嵌め込んで固定し、その上にフラットケーブル２２０を各信号線の並び方向を支持フレーム２５０の幅方向に合わせて配備し、さらに各固定用ホルダ２３０に光学モジュール２００を嵌め込む。光学モジュール２００は、固定用ホルダ２３０の両端の起立部２３０ａ，２３０ａと、これらを支持している壁部２５０ａ，２５０ａとにより保持される。

また、光学モジュール２００を嵌め込む際の押圧力によって、光ＩＣチップ２０５から突き出た各リードピン２０５ａがそれぞれフラットケーブル２２０に差し込まれ、各信号線がリードピン２０５ａの中央のスリットに挟み込まれた状態になる。これにより、各リードピン２０５ａは各信号線に一対一の関係をもって接続される。

上記の組立構造によれば、支持フレーム２５０の長さや光学モジュール２３０を配置する間隔を変更することによって、多光軸光学ユニットの光軸数や光軸間の間隔を容易に変更することができる。

支持フレーム２５０は金属製であって、各光学モジュール２００やフラットケーブル２２０を保持するほか、外部からの電磁ノイズを防御するためのシールド部材として機能する。しかし、光学モジュール２００が間隔をあけて配置されているので、各光学モジュール２００の間でフラットケーブル２２０の上面が露出した状態になり、この露出部分に外部からの電磁波の影響が及ぶおそれがある。このため、多光軸光学ユニットには、上方から別のシールド部材２６０が被せられて、フラットケーブル２２０の上面を電磁ノイズから防御するようにしている。

このシールド部材２６０の光学モジュール２００に対応する箇所には、光の通過孔２６０ｄが形成されるとともに、両端に光学モジュール２００のホルダ２０３への係止片２６０ｃが設けられる。光学モジュール２００に対応しない箇所の両端には、それぞれ斜め下に傾斜する遮蔽部２６０ｂが連設される。

特許第３８６５０７４号公報

上記の構成の多光軸光学ユニットでは、上部のシールド部材２６０の遮蔽部２６０ｂの下端部と支持フレーム２５０の壁部２５０ａの上端部とをはんだ付けにより接合することによって、上下一対のシールド部材２５０，２６０を物理的および電気的に接続するようにしている。しかし、このような構成では、センサが長尺になるほど、組立に要する労力が増し、作業時間も長くなる。また、はんだ付けの精度が悪いと、シールド部材２６０が十分な強度で固定されず、シールド機能も低下するおそれがある。

さらに、上部のシールド部材２６０では、開口部２６０ｄや遮蔽部２６０ｂの形成位置を多光軸光学ユニットの構造に対応させる必要があるため、光学モジュール２００の配置間隔が複数とおりに設定される場合には、それぞれに応じた構成のシールド部材２６０を用意しなければならない。

多光軸光学ユニットの上部全体を被覆する方法に代えて、フラットケーブルが露出する箇所にのみシールド部材を取り付ける方法も提案されている（特許文献１の図２２を参照。）。しかし、この方法でも、上方のシールド部材を支持フレーム２５０にはんだ付けしたり、光学モジュール２５０の配置間隔に応じた幅のシールド部材を使用する必要があるから、上述した問題を解決することはできない。

本発明は上記の問題に着目し、上部からシールド部材を被せる必要をなくし、簡単な方法で十分なシールド機能を確保できるようにすることを課題とする。

本発明は、前面に光を通過させるための窓部が形成された枠体を筐体とする投光器および受光器の各筐体内に、光学素子およびその処理回路を含む複数個の光学モジュールが投光面または受光面を前記窓部に対向させた状態で長手方向に沿って配備された構成の多光軸光電センサに適用される。各筐体の内部には、板状の基部の側縁に複数の可撓性を有する壁部が列設されたシールド部材と、それぞれ絶縁性を有し、基部を挟んで対向する壁部の間に嵌め込まれる複数の固定用ホルダと、各固定用ホルダにそれぞれ支持される複数の光学モジュールと、シールド部材の基部の上面において各固定用ホルダと各光学モジュールとの間に挟まれて保持され、かつ各光学モジュールに電気接続された帯状の導電部材とを有する多光軸光電センサが設けられる。また、固定用ホルダおよび光学モジュールが配置された位置の壁部は固定用ホルダと協働して前記光学モジュールを固定支持する一方、前記固定用ホルダおよび光学モジュールが配置されていない位置の壁部は内向きに曲げられて帯状の導電部材を遮蔽する。

上記構成によれば、各光学モジュールは、シールド部材の適所に配置された固定用ホルダとこのホルダと協働する関係にある壁部とにより支持されるとともに、光学モジュールの列と固定用ホルダの列との間に挟まれた帯状の導電部材（フラットケーブル、フレキシブル基板など）に導通した状態になる。固定用ホルダおよび光学モジュールが設けられていない箇所は、内向きに曲げられた壁部により遮蔽される。

このように壁部を曲げて帯状の導電部材に近づけることによって、帯状の導電部材の露出した上面に電磁ノイズが作用するのを防ぐことができるから、別のシールド部材を上から被せる必要がなくなる。よって、部品点数を減らすことができ、シールド部材の接合のための作業も不要になる。また、光学モジュール間の間隔が変更された場合にも、帯状の導電部材が露出する箇所の壁部を内向きに曲げることにより容易に対応することができる。

上記の光学部材の好ましい態様では、壁部は、前記基部の両側縁にそれぞれ等しい高さをもって列設され、基部を挟んで対向する２つの壁部を内向きに曲げたとき、これらの壁部により帯状の導電部材の全幅が遮蔽されるように構成される。このような構成によれば、光学モジュールが配置される位置では、当該光学モジュールを両側で安定して保持することができ、帯状の導電部材が露出する箇所に対して十分なシールド機能を発揮することができる。

本発明によれば、複雑な作業を行う必要がなく、多光軸光学ユニットに対するシールド機能を確保することができ、部品点数も減らすことができる。よって、コストを削減でき、多光軸光学ユニットを短時間で完成させることができる。また、光軸数や光軸間の間隔が種々異なるセンサを製作する場合にも、容易に対応することが可能になる。

多光軸光電センサの外観を示す斜視図である。 投光器および受光器に収容される多光軸光学ユニットの構成を示す斜視図である。 多光軸光学ユニットの正面図である。 多光軸光学ユニットの側面図である。 多光軸光学ユニットの上面図である。 光学モジュールの構成を示す斜視図である。 支持フレームの構成を示す斜視図および上面図である。 固定用ホルダの構成を示す斜視図である。 従来の多光軸光学ユニットに使用された光学モジュールの構成を示す分解斜視図および一部を切り欠いた斜視図である。 従来の多光軸光学ユニットの構成を示す斜視図である。

図１は、本発明が適用された多光軸光電センサの外観を示す。
この多光軸光電センサの投光器１および受光器２は、それぞれ長手形状の筐体１００の内部に複数の光学素子（投光器１では発光素子１０、受光器２では受光素子２０である。）や制御基板（図示せず。）が収容された構成のものである。各筐体１００の下端部からは、各種の信号線をまとめたコード１０１が引き出されている。コード１０１には、さらに延長用の第２のコード１０２が接続される。

各筐体１００の前面には、光を通過させるための窓部１０３が形成されている。発光素子１０および受光素子２０は、それぞれの投光面や受光面を窓部１０３に対向させた状態にして、筐体１００の長手方向に沿って整列するように配置される。投光器１と受光器２とは、各発光素子１０と各受光素子２０とが一対一の関係で対向する状態になるように、所定の間隔を隔てて対向配備される。これにより、発光素子１０と受光素子２０との組み合わせ毎にこれらの光軸の位置や方向が合わせられた状態になる。

図２、図３，図４，図５は、上記の投光器１および受光器２の筐体１００内に配備される多光軸光学ユニットの構成を、それぞれ前面（投光面または受光面）を上にした斜視図、正面図、側面図、上面図により示す。なお、図２，図４，図５では、先頭の２光軸に対応する構成に限定して示しているが、後続の光軸にも各図に示すものと同様の構成が適用される。

この実施例では、特許文献１と同様に、１つ１つの光学素子（投光器１では投光素子１０、受光器２では受光素子２０）を独立の光学モジュール３に収容し、複数の光学モジュール３を支持フレーム４の長さ方向に沿って所望の位置に固定配置する。各光学モジュール３の固定には、それぞれ固定用ホルダ５が用いられる。また、光学モジュール３の列と固定用ホルダ５の列との間にはフラットケーブル６が挟み込まれ、フラットケーブル６の各信号線６１〜６８に光学モジュール３を導通させた状態となっている。

図６は、光学モジュール３の構成を示す。この光学モジュール３は、図９に示した従来例とは形状が若干異なるが、実質的な構成や機能は同一である。図中、３１は、導光路を有するホルダであり、３２は導光路の上部に配備されたレンズ部材３２である。また、ホルダ３１の底部には、シールド部材３７や、複数のリードピン３６を有する光ＩＣチップ３５が装着されている。

ホルダ３１は、樹脂による成形品であって、レンズ部材３２を取り囲む部分が幅広に形成される。この幅広部の角部（計４箇所）には、それぞれ先端に爪部３４を有する棒状の係止片３３が長さ方向を下に向けて一体に設けられる。さらに、これらの係止片３３よりやや内側に、それぞれ爪部を持たない第２の棒状の係止片３８が、同様に、長さ方向を下に向けて一体に設けられる。

図７は、支持フレーム４の構成を示す。この実施例の支持フレーム４は、長手形状で板状の基部４２の両端縁にそれぞれ複数の壁部４１Ａ，４１Ｂが一体に列設された形状のもので、可撓性を有する金属（たとえばリン青銅やアルミニウム）を材料とする成型加工により形成される。なお、成型工程では、相当の長さのフレームが形成され、これから筐体１００の長さに合わせて切り出されたものが支持フレーム４となる。
また、支持フレーム４は、図示しないシールド線に電気接続される。これにより支持フレーム４には、光学モジュール３やフラットケーブル６を保持する機能のほか、シールド部材としての機能が設定される。

支持フレーム４の壁部４１Ａ，４１Ｂは、基部４２を挟んで対向配備される。各壁部４１Ａ，４１Ｂとも、横幅が１個の光学モジュール３に対応する長さで、高さは基部４２の横幅のほぼ半分になる。各壁部４１Ａ，４１Ｂは、下部の壁幅が広く形成され、壁幅が変化している箇所の両端縁にそれぞれ段部４４が形成されている。また、壁部４１Ａ，４１Ｂの内面には、段部より少し上の位置に、幅方向に沿う溝４８が設けられている。

支持フレーム４の一方の側縁に設けられた各壁部４１Ａと基部４２との連絡位置には、それぞれ一対の孔４５，４５が形成されている。支持フレーム４の他方の側縁に設けられた各壁部４１Ｂと基部４２との連絡位置には、それぞれ幅広の孔４７が１つ形成されている。また、いずれの壁部４１Ａ，４１Ｂにも、溝４８の上に一対の孔４６，４６が形成されている。
また、基部４１の両側縁には、それぞれ各壁部間の隙間に連なる切り欠き孔４９が形成されている。

上記の支持フレーム４の各壁部４１Ａ，４１Ｂは、溝４８の位置で内向きに曲げることができる。また、基部４２を挟んで対向する壁部４１Ａ，４１Ｂをそれぞれ曲げることにより、基部４２の全幅をこれらの壁部４１Ａ，４１Ｂで覆うことができる。

図８（１）（２）は、固定用ホルダ５の構成を示す。この固定用ホルダ５は、表面に３つの波板５９ａ，５９ｂ，５９ｃが形成された基部５２の両側縁に一対の起立部５０Ａ，５０Ｂが連設されたもので、以下に示す各構成を、樹脂により一体成形することにより構成される。なお、図中の５０２は、成形後に治具から引き抜かれる際に生じた穴である。

各起立部５０Ａ，５０Ｂは、Ｕ字状の主部５８の両側にそれぞれ柱状体５１を連設した構成のものである。各起立部５０Ａ，５０Ｂの主部５８の上端位置には、それぞれ切り欠き溝５８ａを挟んで一対の係止片５６が突設されている。また、起立部５０Ａの主部５８の下端縁からは一対の係止片５５，５５が突出し、起立部５０Ｂの主部５８の下端縁からは幅広の係止片５７が１つ突出する。これらの係止片５５，５７は、それぞれ基部５２の下面の下方に曲げられており、屈曲した部分と基部５２の下面との間には、支持フレーム４の基部４２の厚みに応じた間隙が設定される。

各柱状体５１は、主部５８より高く形成され、また上部が肉厚に形成されたことにより外壁面に段差が形成されている。この段差は主部５８の係止片５６とほぼ同じ高さに設定される。また、各柱状体５１の全長は光学モジュール３の係止片３８の長さに対応づけられ、各柱状体５１の肉厚部５４の長さは、光学モジュール３の係止片３３の爪部３４を除く長さに対応づけられている。

基部５２の上面には、４つのＬ字状の突部５３が設けられる。各突部５３の長い方の突片は、それぞれ各起立部５０Ａ，５０Ｂの柱状体５１の壁面に平行であって、光学モジュール３の係止片３８の厚みに対応する間隔を隔てて対向する。

各波板５９ａ，５９ｂ，５９ｃには、それぞれフラットケーブル６に対応する数（８個）の溝が設けられている。また、中央の長い波板５９ａには、フラットケーブル６を位置決めするための突片５０１が設けられている。

以下、図２〜８に基づき、多光軸光学ユニットの組立構造について説明する。
固定用ホルダ５は、支持フレーム４の基部４２を挟んで対向する壁部４１Ａ，４１Ｂに対し、固定用ホルダ５の起立部５０Ａの側の係止片５５，５５が壁部４１Ａの孔４５，４５に係合し、固定用ホルダ５の起立部５０Ｂの側の係止片５７が壁部４１Ｂの孔４７に係合し、起立部５０Ａ，５０Ｂの主部５８の各係止片５６が壁部４１Ａ，４１Ｂの孔４６内に入り込んだ状態になることにより、壁部４１Ａ，４１Ｂ間に保持される。また、各係止片５５，５５，５７の先端部分と基部５２の下面との間に支持フレーム４の基部４２が挟まれた状態になるので、固定用ホルダ５の抜けが規制される。また、このとき、各起立部５０Ａ，５０Ｂの柱状体５１の肉厚部５４は、それぞれ対応する壁部４１Ａ，４１Ｂの段部４４の上方に位置する状態となる。

フラットケーブル６は、平行に配列された８本の信号線６１〜６８が樹脂に埋設された構成のものである。このフラットケーブル６には、固定用ホルダ５の基部５２の突片５０１に対応する信号線が埋設されるラインに、一定の間隔で孔（図示せず。）が形成される。この孔を突片５０１に嵌め込むことにより、フラットケーブル６は、各信号線が各波板５９ａ，５９ｂ，５９ｃの対応する溝に位置合わせされた状態で固定される。

なお、フラットケーブル６の孔は、光軸間での電気接続を遮断する必要がある信号線の位置に設けられる。また、このフラットケーブル６は、支持フレーム４の前端縁で下方に曲げられて、コネクタ６０に接続される。

上記のようにフラットケーブル６を支持する状態になった固定用ホルダ５に対し、各起立部５０Ａ，５０Ｂの両端の柱状体５１がそれぞれ光学モジュール３のホルダ３１の係止片３３，３８の間の隙間に入るように光学モジュール３を位置合わせして、光学モジュール３に押圧力をかけることにより、光学モジュール３が固定保持される。具体的には、壁部４１Ａ，４１Ｂの各段部４４の上方位置で、それぞれ光学モジュール３のホルダ３１の係止片３３が柱状体５１の肉厚部５４に係合するとともに、固定用ホルダ５の基部５２に設けられた突部５３と柱状体５１との間の隙間に係止片３８が入り込む状態になる。このとき、係止片３３の爪部３４は肉厚部５４の下面と咬み合い、各壁部４１Ａ，４１Ｂの両端の段部４４，４４の上に位置づけられた各係止片３３，３３の間に壁部４１Ａまたは４１Ｂが挟まれた状態になって、ホルダ３１の抜けが規制される。

光学モジュール３が押圧されたとき、ホルダ３１の底部に装着されている光ＩＣチップ３５のリードピン３６がフラットケーブル６の被覆を破って内部に挿入され、各リードピンと信号線６１〜６８とが一対一の関係で導通した状態になる。

この実施例では、支持フレーム４の長さ方向に沿って、壁部１つ分の間隔をおいて固定用ホルダ５および光学モジュール３を配置している。固定用ホルダ５および光学モジュール３が配置されない位置にある壁部４１Ａ，４１Ｂは、図４，５に示すように、溝４８の位置で内向きに曲げられる。これにより、光学モジュール３の間のフラットケーブル６が露出した箇所は、隣の光学モジュール３に近い箇所を除き、全幅にわたって遮蔽された状態になる。また、壁部４１Ａ，４１Ｂを曲げてフラットケーブル６の上面に近づけたことによって、フラットケーブル６に対するシールドの強度が高められるので、壁部４１Ａ，４１Ｂにより遮蔽された箇所は勿論のこと、その近傍の壁部４１Ａ，４１Ｂに覆われていない箇所への電磁ノイズも防御することが可能になる。

上記の構成によれば、フラットケーブル６の下面および上面を、単独のシールド部材（支持フレーム４）により保護することができる。また、光軸モジュール３が配置されない位置にある壁部４１Ａ，４１Ｂを内向きに曲げるだけでケーブル６の露出部分を遮蔽することができるから、光学モジュール３の配置間隔が変更された場合にも、構成部品を変更する必要がなく、容易に対応することができる。したがって、長尺のセンサを製作する場合でも、シールドを設定するための作業に手間がかからず、シールド用の部品点数も１つにできるから、コストや労力を大幅に削減することができる。

また、上記の実施例では、各光学モジュール３を、長さ方向に沿って壁部１つ分の間隔をあけて配置したが、これに限らず、複数個分の壁部に相当する間隔をあけて各光学モジュール３を配置してもよい。また、各光学モジュール３の間の間隔は等間隔に限らず、センサの使用環境によっては、光学モジュール３が密に配置される部分と、光学モジュール３が疎に配置される部分とがあってもよい。
いずれの配置をとる場合でも、上記の実施例と同様に、固定用ホルダ５および光学モジュール３が配置されていない壁部４１Ａ，４１Ｂを内向きに曲げることでフラットケーブル６の上面が露出している箇所への電磁ノイズを防御することができるから、多光軸光学ユニットの構成の変更に容易に対応することができる。

また、上記の支持フレーム４の構成によれば、各光学モジュール３を間隔をあけずに配置すること、すなわち、長さ方向において隣り合う壁部に対してそれぞれ光学モジュール３を配置することも可能である。この配置においても、支持フレーム４の全ての壁部４１Ａ，４１Ｂに光学モジュール３が配置される場合を除き、固定用ホルダ５および光学モジュール３が配置されていない壁部４１Ａ，４１Ｂを内向きに曲げることによって、フラットケーブル６の上面が露出している箇所を電磁ノイズから守ることができる。

さらに、上記の実施例では、支持フレーム４の両端縁の壁部４１Ａ，４１Ｂの高さを等しくして、双方の壁部４１Ａ，４１Ｂを曲げることによりフラットケーブル６を遮蔽しているが、これに限らず、一方の側の壁部を他方よりも高くして、高い方の壁部のみを曲げてフラットケーブル６を遮蔽するようにしてもよい。

また、上記の実施例では、各光学モジュール３を圧接式のリードピンを介してフラットケーブル６に接続するようにしたが、フラットケーブル６に代えて、各信号線が配線されたフレキシブル基板を使用することも可能である。この場合、光学モジュール３を信号線に接続するのに、リードピン３６に代えて光ＩＣチップ３５の底面に複数のバンプ電極を設け、各バンプ電極を信号線にはんだ付けするようにしてもよい。

また、上記の実施例では、一光軸分の光学モジュール３を間隔をあけて配置したが、これに限らず、複数の光学素子を収容した構成の光学モジュールを列設する場合にも、上記実施例と同様の構成を適用することにより、１つのシールド部材で各光学モジュールの間の配線を電磁ノイズから防御することが可能になる。また、この場合に、支持フレームの各壁部の幅を、光学モジュールの両側にそれぞれ複数の壁部が配置される大きさにして、各光学モジュールを１つ以上の壁部を隔てて配置することができる。

１ 投光器
２ 受光器
３ 光学モジュール
４ 支持フレーム
５ 固定用ホルダ
６ フラットケーブル
１０ 発光素子
２０ 受光素子
３１ ホルダ
３３，３８ 係止片
４１Ａ，４１Ｂ 壁部
４２ 基部
４５，４６，４７ 孔
５０Ａ，５０Ｂ 起立部
５１ 柱状体
５２ 基部
５３ 突部
５４ 肉厚部
５５，５６，５７ 係止片

Claims (2)

1. 前面に光を通過させるための窓部が形成された枠体を筐体とする投光器および受光器の各筐体内に、光学素子およびその処理回路を含む複数個の光学モジュールが投光面または受光面を前記窓部に対向させた状態で長手方向に沿って配備される多光軸光電センサであって、
   前記筐体の内部には、板状の基部の側縁に複数の可撓性を有する壁部が列設されたシールド部材と、それぞれ絶縁性を有し、前記基部を挟んで対向する壁部の間に嵌め込まれる複数の固定用ホルダと、各固定用ホルダにそれぞれ支持される複数の光学モジュールと、シールド部材の基部の上面において各固定用ホルダと各光学モジュールとの間に挟まれて保持され、かつ各光学モジュールに電気接続された帯状の導電部材とを有する多光軸光学ユニットが設けられ、
   前記固定用ホルダおよび光学モジュールが配置された位置の壁部は固定用ホルダと協働して前記光学モジュールを保持する一方、前記固定用ホルダおよび光学モジュールが配置されていない位置の壁部は内向きに曲げられて前記帯状の導電部材を遮蔽するようにした多光軸光電センサ。
2. 前記壁部は、前記基部の両側縁にそれぞれ等しい高さをもって列設され、前記基部を挟んで対向する２つの壁部を内向きに曲げたとき、これらの壁部により前記帯状の導電部材の全幅が遮蔽されるようにした、請求項１に記載された多光軸光電センサ。

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