JP6338378B2 - 光ファイバヘッド、光学センサ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバヘッド及び光学センサに関する。

従来から、投光ヘッドと受光ヘッドとを備え、投光ヘッドから出射された光を受光ヘッドで受光することで、測定対象物の有無を検出する光学センサが知られている。投光ヘッドは、例えばレンズ等の光学部材を有し、その光学部材の光軸に沿った光を検出領域に向けて出射する。しかし、投光ヘッドでは、構造上、光軸に沿った光だけでなく、光軸から側方に広がった光、いわゆる外輪光が出射されてしまうことがある。そうすると、例えば外輪光が受光ヘッドに受光され、測定対象物の有無を誤検出してしまうおそれがある。そのため、従来から、光ファイバの端部に、絞りが設けられた非球面レンズを配置することで外輪光を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平７−２０３５１号公報

しかし、上記した従来の構成でも、光ファイバなどの投光部材から出射された光が、非球面レンズ内で拡散し、受光ヘッドに受光されてしまうため、外輪光を十分に低減することができない。

本明細書では、投光ヘッドから外輪光が出射されることを抑制することが可能な技術を開示する。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、光を出力する投光部と、前記投光部の出力方向において当該投光部の前方に配置され、複数の反射面および段差部を有する光学部材と、を備え、前記複数の反射面は、前記出力方向に沿って同軸上に配列され、前記各反射面は、前記投光部から離れるほど開口径が増大する環状形状をなし、前に位置する反射面の後端は、後ろに位置する反射面の前端よりも開口径が小さく、前記段差部を介して当該後ろに位置する反射面の前端に結合されている。

この投光ヘッドは、投光部の出力方向において当該投光部の前方に配置され、複数の反射面および段差部を有する光学部材を備える。当該光学部材は、複数の反射面が、出力方向に沿って同軸上に配列され、各反射面が、投光部から離れるほど開口径が増大する環状形状をなしている。そして、前に位置する反射面の後端は、後ろに位置する反射面の前端よりも開口径が小さく、段差部を介して当該後ろに位置する反射面の前端に結合されている。そのため、段差部は、投光部から離れるほど開口径が縮小する環状形状を有することとなる。これにより、投光部から出力方向から側方に広がって出射され、段差部で反射された光が出力方向に沿って進むことが抑制され、外輪光を低減することができる。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、前記前に位置する反射面は、前記後ろに位置する反射面に比べて、前記出力方向に対する傾斜角度が小さくてもよい。この投光ヘッドは、出力方向の前に位置する反射面は、後ろに位置する反射面に比べて、出力方向に対する傾斜角度が小さいので、各反射部で反射された光を光軸に沿った光とすることができる。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、前記光学部材は、前記複数の反射面および段差部の前方に配置され、前記投光部から出力された光を前記出力方向と直交する方向に集光する集光部を有してもよい。この投光ヘッドは、光学部材が集光部を有するので、投光部から出力された光を集光することで、外輪光を低減することができる。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、前記光学部材は、前記複数の反射面および段差部の後方に配置され、前記投光部の前端部を保持する保持部が設けられていてもよい。この投光ヘッドは、光学部材に投光部を保持する保持部が設けられているので、導光部と投光部材の相対位置が変化することが抑制され、相対位置の変化により外輪光が発生することを抑制することができる。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、前記光学部材は、前記投光部から出力された光を前記出力方向に導く導光部材であって、前記複数の反射面は、前記導光部材の前記出力方向と直交する方向における側面であってもよい。この投光ヘッドは、光学部材が導光部材からなり、複数の反射面が当該導光部材の側面であるので、複数の反射面および段差部を有する光学部材を形成しやすい。

本明細書によって開示される投光ヘッドは、前記投光部と前記光学部材を保持し、遮光性を有する遮光ケースを備えてもよい。この投光ヘッドは、遮光性を有する遮光ケールを備えるので、投光部以外から光学部材に迷光が入り込み、当該迷光により外輪光が発生することを抑制することができる。

本明細書では、上記の投光ヘッドを用いた光学センサも開示する。本明細書によって開示される光学センサは、上記の投光ヘッドと、前記投光ヘッドから出射された光を受光する受光ヘッドと、前記受光ヘッドで受光された光に基づいて測定対象物の有無を判断する制御部と、を備える。この光学センサでは、投光ヘッドから出射される光の外輪光が低減されていることから、精度よく測定対象物の有無を検出することができる。

本明細書によって開示される光学センサは、前記受光ヘッドは、少なくとも前記出力方向と直交する方向において前記投光ヘッドからずれた位置に配置され、前記投光ヘッドから出射されて測定対象物で反射された光を受光してもよい。この光学センサによれば、反射型の光学センサにおいて、精度よく測定対象物の有無を検出することができる。

本明細書によって開示される光学センサは、前記投光ヘッドの光を出射する出射面と、前記受光ヘッドの光を受光する受光面とを覆う透光性のカバーを備えてもよい。この投光ヘッドは、カバーを有するので、例えばゴミや薬品等が出射面や受光面に付着し、光学センサが使用できなくなることを抑制することができる。また、この投光ヘッドでは、投光ヘッドから出射される光の外輪光が低減されていることから、出射面から出射された外輪光がカバーで反射されて受光面に到達し、光学センサが測定対象物を誤判断することを抑制することができる。

本明細書によって開示される発明によれば、投光ヘッドから外輪光が出射されることを抑制することができる。

光ファイバセンサのブロック図 光ファイバヘッドの断面図 光ファイバヘッドの正面図 導光部材の斜視図 光ファイバヘッドの断面図 光ファイバヘッドの断面図 従来技術の光ファイバ端末ユニット 投光ヘッドの光学部材の正面図 投光ヘッドの光学部材の背面図 投光ヘッドの光学部材の平面図 投光ヘッドの光学部材の右側面図

＜実施形態＞
一実施形態を図１ないし図１１によって説明する。

１．光ファイバセンサの構造
図１は、光ファイバセンサ１０の構成を示すブロック図である。光ファイバセンサ１０は、センサ本体部２０と、センサ本体部２０に対して光ファイバ３１、３２を介して接続される反射型の光ファイバヘッド３０とを備える。

センサ本体部２０は、概ね箱型をしたケーシング２０Ａを備える。ケーシング２０Ａの内部には、発光部２１、投光回路２２、受光部２３、受光回路２４、制御回路２７が設けられている。発光部２１は例えば、ＬＥＤやレーザダイオード等の発光素子から構成され、投光用の光ファイバ３１を通じて光ファイバヘッド３０の出射面３３から所定の検出領域に光ＬＡを照射する機能を果たす。投光回路２２は、制御回路２７からの指令に応答して、発光部２１を駆動する駆動回路である。光ファイバ３１および発光部２１は、投光部の一例である。

受光部２３は例えば、フォトトランジスタなどの光電素子から構成され、検出領域からの反射光ＬＢを光ファイバヘッド３０の受光面３４および受光用の光ファイバ３２を通じて受光する機能を果たす。受光回路２４は、受光部２３の受光量の応じたレベルの受光信号を出力する機能を果たす。制御回路２７は、受光回路２４から出力される受光信号のレベルを所定の閾値と比較することで、検出領域における物体の位置や有無を判断する機能を果たす。制御回路２７は、制御部の一例である。

光ファイバヘッド３０は、概ね円柱状をした金属性あるいは樹脂性の本体ケース６０の内部に、投光用の光ファイバ３１、受光用の光ファイバ３２、導光部材４０、遮光ケース５０、前面カバー６１、を備える。光ファイバヘッド３０の前面には、検出領域に光ＬＡを出射する出射面３３、及び、検出領域からの反射光ＬＢを受光する受光面３４が形成されている。光ファイバヘッド３０は、投光ヘッド及び受光ヘッドの一例であり、導光部材４０は、光学部材の一例である。

図２は、光ファイバヘッド３０の断面図である。投光用の光ファイバ３１と受光用の光ファイバ３２は、同一の線径を有し、左右方向に並んで配置されている。導光部材４０は例えば、透光性を有する樹脂から構成され、投光用の光ファイバ３１の前方に取り付けられて投光用の光ファイバ３１から出力された光ＬＡを出射面３３に導く機能を果たす。また、導光部材４０は、受光用の光ファイバ３２の前方に取り付けられて受光面３４で受光された検出領域からの反射光ＬＢを受光用の光ファイバ３２に導く機能を果たす。導光部材４０の後面側には、光ファイバ３１、３２を挿入するための挿入穴４１が設けられている。導光部材４０は、光学部材の一例であり、挿入穴４１は、保持部の一例である。

遮光ケース５０は例えば、遮光性を有する樹脂から構成され、透光性を有する導光部材４０を外部から遮光するとともに、相互に遮光する機能を果たす。遮光ケース５０の後面側には、光ファイバ３１、３２を挿入するための挿入穴５１が設けられている。また、遮光ケース５０の前面側には、導光部材４０を挿入するための挿入穴５２が設けられている。遮光ケース５０は、挿入穴５１、５２に光ファイバ３１、３２および導光部材４０が挿入されることで、光ファイバ３１、３２および導光部材４０を保持する。

前面カバー６１は例えば、透光性を有する樹脂から構成され、出射面３３及び受光面３４が形成された光ファイバヘッド３０の前面を覆い、導光部材４０へのゴミや薬液の付着を防止する機能を果たす。前面カバー６１は、カバーの一例である。

図３は、光ファイバヘッド３０の前面図である。光ファイバヘッド３０を製造する際に、まず、遮光ケース５０の挿入穴５２に導光部材４０が圧入される。挿入穴５２の周囲には、先端が挿入穴５２に突出した突出部５３が設けられている。導光部材４０は、挿入穴５２に圧入され、突出部５３に当接することで、上下方向および左右方向に位置決めされる。

次に、遮光ケース５０の挿入穴５２及び導光部材４０の挿入穴４１に光ファイバ３１、３２が圧入される。挿入穴５１は挿入穴５２と連通しており、光ファイバ３１、３２の前端部が遮光ケース５０の挿入穴５２を介して導光部材４０の挿入穴４１に圧入接着されることで、光ファイバ３１、３２が導光部材４０に対して移動不能に保持される。投光用の光ファイバ３１が挿入された挿入穴５１と連通する挿入穴５２の前面端が出射面３３に相当する。また、受光用の光ファイバ３２が挿入された挿入穴５１と連通する挿入穴５２の前面端が受光面３４に相当する。

２．導光部材の構造
図４は、導光部材４０の斜視図である。導光部材４０は概ね円柱状をしており、その軸方向４９（つまり、前後方向）に光を導く。つまり、軸方向４９は、光軸４９の方向ともいうことができる、導光部材４０は、光軸４９の後面側から前面側に向けて、本体部４２、第１段差部４３、第１反射部４４、第２段差部４５、第２反射部４６、集光部４７がこの順に、かつ、同軸上に配置されている。

本体部４２は、内部に挿入穴４１が設けられているとともに、外表面に光軸４９に直交する方向を示すための切欠き４８が設けられている。集光部４７は、前面側に向かって凸状に形成される。集光部４７は、投光用の光ファイバ３１から出力された光を、軸方向と直交する方向に集光する。

第１反射部４４および第２反射部４６はそれぞれ、本体部４２から離れるに従って開口径φが増大する、いわゆるテーパ形状に構成されている。そのため、図５にＬ１、Ｌ２で示すように、投光用の光ファイバ３１から導光部材４０に出力され、光軸４９から側方（つまり、左右方向、上下方向）に広がった光は、第１反射部４４のおよび第２反射部４６の側面である反射面４４Ａ、４６Ａで反射されることで、光軸４９に沿った光となる。

その一方、第１反射部４４と第２反射部４６とでは、テーパ形状の光軸４９に対する傾斜角度が異なる。本実施形態では、図５にθ１、θ２で示すように、前面側に配置された第２反射部４６の傾斜角度θ２が、後面側に配置された第１反射部４４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように構成されている。第２反射部４６は、第１反射部４４よりも前面側に配置され、第１反射部４４よりも投光用の光ファイバ３１から離れて配置されるので、第２反射部４６で反射される光Ｌ２の光軸４９に対する傾きα２が、第１反射部４４で反射される光Ｌ１の光軸４９に対する傾きα１に比べて小さい。そのため、第２反射部４６の傾斜角度θ２を、第１反射部４４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように設定することで、各反射部４４、４６で反射された光Ｌ１、Ｌ２を光軸４９に沿った光となる。

更に、図５にφ１Ｆ、φ２Ｂで示すように、前面側に配置された第２反射部４６の後端側の開口径φ２Ｂは、後面側に配置された第１反射部４４の前端側の開口径φ１Ｆに比べて小さい。そのため、第１反射部４４と第２反射部４６の間に配置され、これらの反射部を結合する第２段差部４５は、本体部４２から離れるに従って開口径φが減少する、いわゆる逆テーパ形状に構成される。このため、図６にＬ３で示すように、投光用の光ファイバ３１から導光部材４０に出力され、光軸４９から側方に広がった光のうち、第２段差部４５で反射された光は、光軸４９に沿った光とならず、出射面３３から出射されることが抑制される。

同様に、図５にφ１Ｂ、φＨで示すように、第１反射部４４の後端側の開口径φ１Ｂは、本体部４２の開口径φＨに比べて小さい。そのため、本体部４２と第１反射部４４の間に配置され、これらの部を結合する第１段差部４３は、逆テーパ形状に構成される。このため、図６にＬ４で示すように、投光用の光ファイバ３１から導光部材４０に出力され、光軸４９から側方に広がった光のうち、第１段差部４３で反射された光は、光軸４９に沿った光とならず、出射面３３から出射されることが抑制される。

図７に、従来技術の光ファイバ端末ユニットを示す。従来技術の光ファイバ端末ユニットでは、投光用の光ファイバの前面側に絞り７１を設け、更に、非球面レンズ７０が配置されている。この構造では、絞り７１を通過した後に図６にＬ３、Ｌ４で示すように拡散する光を遮光することができず。非球面レンズ７０の前面側から出射されてしまい、外輪光を有効に抑制することができない。

本実施形態では、絞り７１の有無に関わらず、図６に示すように、Ｌ３、Ｌ４で示す光が出射面３３から出射されるのが抑制されるので、外輪光を抑制することができる。

図８から図１１には、意匠に係る物品である投光ヘッドの光学部材が示されている。本物品４０は、検出領域に向けて光を出射する投光ヘッドの光学部材である。図１等に示すように、この本物品４０は、投光ヘッドとして機能する光ファイバヘッド３０内において、光ファイバ３１や発光部２１等の投光部の前方に配置され、投光部から出力された光ＬＡを、透過させて検出領域に向けて出射させるものです。また、本物品４０は、全体として円筒状をなし、例えばアクリルやガラス等の光透過性材料で形成された部材である。本物品４０の光軸４９周りの外周には、当該光軸４９に沿って同軸上に配列され、本物品４０内を透過した光を内面反射させる複数の反射面４４Ａ、４６Ａが形成されている。各反射面４４Ａ、４６Ａは、光軸４９の方向前方に向かうほど開口径φが増大する環状形状をなし、前に位置する反射面４６Ａの後端は、後ろに位置する反射面４４Ａの前端よりも開口径φが小さく、第２段差部４５を介して当該後ろに位置する反射面４４Ａの前端に結合されている。なお、図８から図１１において、実線で表した部分が、部分意匠として意匠登録を受けようとする部分である。

３．効果説明
上述した本実施形態の導光部材４０では、前面側に配置された第２反射部４６の後端側の開口径φ２Ｂは、後面側に配置された第１反射部４４の前端側の開口径φ１Ｆに比べて小さい。そのため、第１反射部４４と第２反射部４６とを結合する第２段差部４５は、逆テーパ形状に構成され、第２段差部４５で反射された光が出射面３３から出射されることが抑制されることで、外輪光を低減することができる。

上述した本実施形態の導光部材４０では、前面側に配置された第２反射部４６の傾斜角度θ２が、後面側に配置された第１反射部４４の前端側の傾斜角度θ１よりも小さい。そのため、投光用の光ファイバ３１から出力される光を、光軸４９に対する傾きに応じて反射させ、反射された光を光軸４９に沿った光とすることができる。

上述した本実施形態の導光部材４０では、集光部４７を有するので、投光部から出力された光を光軸４９に直交する方向に集光することができ、外輪光を低減することができる。

上述した本実施形態の導光部材４０では、投光用の光ファイバ３１が挿入される挿入穴４１が設けられているので、投光用の光ファイバ３１と導光部材４０の相対位置が変化することが抑制され、相対位置の変化により外輪光が発生することを抑制することができる。

上述した本実施形態の導光部材４０では、反射部４４、４６の反射面４４Ａ、４６Ａが導光部材４０の側面により構成されているので、複数の反射面４４Ａ、４６Ａを有する光学部材を容易に形成することができる。

上述した本実施形態の光ファイバヘッド３０では、導光部材４０は遮光性を有する遮光ケース５０に圧入されて保持されるので、外部から導光部材４０に迷光が入り込み、当該迷光により外輪光が発生することを抑制することができる。

上述した本実施形態の光ファイバセンサ１０では、光ファイバヘッド３０の前面を覆う前面カバー６１を有する。前面カバー６１が設けられると、出射面３３から出射された外輪光が前面カバーで反射されて受光面３４に到達し、検出領域における物体の位置や有無を誤検出してしまうことが起こり得る。上述したように、本実施形態の光ファイバヘッド３０では、外輪光が低減され、外輪光の発生が抑制されていることから、外輪光が受光面３４に到達したとしても、その光量が抑制されており、検出領域における物体の位置や有無を誤検出してしまうことが抑制される。

＜他の実施形態＞
本明細書によって開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。

（１）本実施形態では、光ファイバヘッド３０の前面に前面カバー６１が設けられている例を用いて説明を行ったが、前面カバー６１は必ずしも設けられていなくてもよい。

（２）本実施形態では、反射型の光ファイバヘッド３０の例を用いて説明を行ったが、投光ヘッドと受光ヘッドが別々に設けられ、お互いに対向して配置された透過型の光ファイバヘッドに適用されてもよい。

（３）本実施形態では、複数の反射面４４Ａ、４６Ａ及び複数の段差部４３、４５を有する光学部材を、導光部材４０によって構成される例を用いて説明を行ったが、これに限らない。例えば、遮光ケース５０に反射率の高い光学部材が貼り付けられて反射面４４Ａ、４６Ａを構成し、反射率の低い光学部材が貼り付けられて段差部４３、４５を形成してもよい。

（４）本実施形態では、導光部材４０に挿入穴４１及び集光部４７が設けられている例を用いて説明を行ったが、これらの少なくとも一方が設けられていなくてもよい。

（５）本実施形態では、発光部２１から出力された光を投光用の光ファイバ３１を介して導光部材４０に出力する例を用いて説明を行ったが、これに限られない。例えば、発光部２１が導光部材４０の挿入穴４１に挿入されて、導光部材４０に光を出力してもよい。

（６）本実施形態では、反射部４４、４６において、テーパ形状の光軸４９に対する傾きが直線である例を用いて説明を行ったが、本発明はこれに限らず、放物線などの曲線状であってもよい。

１０：光ファイバセンサ、２０：センサ本体部、２１：発光部、２２：投光回路、２３：受光部、２４：受光回路、２７：制御回路、３０：光ファイバヘッド、３１、３２：光ファイバ、３３：出射面、３４：受光面、４０：導光部材、４１：挿入穴、４２：本体部、４３：第１段差部、４４：第１反射部、４４Ａ、４６Ａ：反射面、４５：第２段差部、４６：第２反射部、４７：集光部、４８：切欠き、４９：光軸、５０：遮光ケース、５３：突出部、６０：本体ケース、６１：前面カバー

Claims (7)

1. 光を出力する投光部と、
   前記投光部から出力され検出領域からの反射光を受光する受光部と、
   前記投光部の出力方向において当該投光部の前方及び前記受光部の受光方向において当該受光部の前方にそれぞれ配置され、複数の反射面および段差部を有する光学部材と、を備え、
   前記複数の反射面は、前記出力方向に沿って同軸上に配列され、
   前記各反射面は、前記投光部から離れるほど開口径が増大する環状形状をなし、
   前に位置する反射面の後端は、後ろに位置する反射面の前端よりも開口径が小さく、前記段差部を介して当該後ろに位置する反射面の前端に結合されており、
   前記前に位置する反射面は、前記後に位置する反射面に比べて、前記出力方向に対する傾斜角度が小さいと共に、
   前記光学部材は、前記複数の反射面および段差部の前方に配置され、前記投光部から出力された光を前記出力方向と直交する方向に集光する集光部を有する、光ファイバヘッド。
2. 請求項１に記載の光ファイバヘッドであって、
   前記光学部材は、前記複数の反射面および段差部の後方に配置され、前記投光部の前端部を保持する保持部が設けられている、光ファイバヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載の光ファイバヘッドであって、
   前記光学部材は、前記投光部から出力された光を前記出力方向に導く導光部材であって、
   前記複数の反射面は、前記導光部材の前記出力方向と直交する方向における側面である、光ファイバヘッド。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光ファイバヘッドであって、
   前記投光部と前記光学部材を保持し、遮光性を有する遮光ケースを備える、光ファイバヘッド。
5. 測定対象物の有無を検出する光学センサであって、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光ファイバヘッドと、
   前記受光部で受光された光に基づいて測定対象物の有無を判断する制御部と、
   を備える光学センサ。
6. 請求項５記載の光学センサであって、
   前記受光部は、少なくとも前記出力方向と直交する方向において前記投光部からずれた位置に配置され、前記投光部から出射されて測定対象物で反射された光を受光する、光学センサ。
7. 請求項６記載の光学センサであって、
   前記投光部の光を出射する出射面と、前記受光部の光を受光する受光面とを覆う透光性のカバーを備える、光学センサ。

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