JP6774174B2 - 光電スイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、光電スイッチに係り、さらに詳しくは、検出領域からの反射光を受光して色情報を取得し、ワーク判定を行う光電スイッチの改良に関する。
光電スイッチは、光を用いてワークを検出する検出装置であり、検出光を投光し、ワークによる反射光や透過光等を受光してワーク判定を行い、ワーク判定の結果に基づいて検出信号を生成する。光電スイッチには、ワークを含む検出領域からの反射光又は透過光の受光量によりワーク判定を行う受光量方式の光電スイッチと、ワークまでの距離を計測してワーク判定を行う距離計測方式の光電スイッチと、ワーク表面の色を判別してワーク判定を行う色判別方式の光電スイッチとがある。
受光量方式の光電スイッチは、ワーク表面の反射率又は色の違い、ワークまでの距離の違い、ワーク表面の傾き（チルト角）の違い等により受光量が変動することを利用してワーク判別を行うものであり、多くの用途に適用することができる汎用的な光電スイッチである。一方、距離計測方式の光電スイッチは、ワークの形状による特徴をワークまでの距離として計測してワーク判定を行うものであり、ワーク表面の反射率及び色の変動、ワーク表面の傾き（チルト角）の変動の影響を受け難い。また、色判別方式の光電スイッチは、ワーク表面の色によりワーク判定を行うものであり、ワーク表面の反射率の変動、ワークまでの距離の変動、ワーク表面の傾き（チルト角）の変動の影響を受け難い。
色判別方式の従来の光電スイッチは、赤色、緑色及び青色の検出光をそれぞれ生成する３つの発光素子と、反射光を受光して受光信号を生成する１つの受光素子と、検出光を投光位置まで導く光ファイバーケーブルとを備える（例えば、特許文献１及び２）。３つの発光素子は、リードフレームと一体化形成したカップ内に発光ダイオードが実装され、その周囲を砲弾型にエポキシ樹脂などで成形した構造を有する。また、光電スイッチは、さらに、各発光素子からの光を同軸に合わせる為の波長選択式のダイクロイックミラーと、同軸に合わされた光を光ファイバーケーブルに集光するための集光レンズとを備える。この光電スイッチでは、各発光素子を時分割で順に点灯させて得られる３色の受光量レベルに基づいて、ワークの色が判別される。また、発光素子から出射された検出光を光ファイバーケーブルに通すことにより、光量ムラを低減させた投光スポットが得られる。
特開２００５−１３４３６３号公報 特開平１１−３３０９４０号公報
上述した従来の光電スイッチでは、検出光の光量ムラ（色ムラ）を低減させるために光ファイバーケーブルを用いる必要があることから、ヘッド部分を小型にすることはできたとしても、検出装置全体の小型化が困難であった。検出光の光量ムラが大きい場合、投光スポットよりも小さいワークの色判別精度が低下する。また、上述した光電スイッチの光学系は、砲弾型の発光素子が３個、波長選択式のダイクロイックミラーが２個、集光レンズが１個必要であるため、光学系が大きくなり、検出装置全体の小型化が困難であった。また、上述した光電スイッチの光学系は、発光素子が３個に分散されている点で放熱性に有利ではあるものの、砲弾型の発光素子であることから、高い投光強度を得るために駆動電流を増加させれば放熱性の問題が顕在化する虞があり、高い投光強度と小型化の両立が困難であった。さらに、上述した光電スイッチは、３つの発光素子について発光強度比を一定とするために、各発光素子の発光強度をモニタＰＤで検出し、発光素子ごとに一定の発光強度となるように投光強度が制御されており、検出のダイナミックレンジが狭いという問題もあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、検出光の光量ムラ及び色ムラを抑制しつつ、装置全体を小型化することができる光電スイッチを提供することを目的とする。また、高い投光強度を確保しつつ小型化が可能な光電スイッチを提供することを目的とする。さらに、検出のダイナミックレンジを広くすることができる光電スイッチを提供することを目的とする。
本発明の第１の態様による光電スイッチは、回路基板に面実装され、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオードと、上記発光ダイオードの発光面よりも小さい開口を有し、上記開口を上記発光面に対向させて配置されるスリットと、上記開口を通過した上記検出光を検出領域に集光させる投光レンズと、上記検出領域からの反射光を２以上の特定波長に対応して選択的に受光し、上記特定波長ごとの受光量にそれぞれ対応する２以上の受光信号を生成する受光素子と、上記検出領域からの反射光を上記受光素子の受光面に集光させる受光レンズと、上記受光信号に基づいて、上記発光ダイオードの投光量を制御する投光量制御手段と、上記特定波長にそれぞれ対応する２以上の上記受光信号に基づいて、色情報を取得する色情報取得手段と、取得された上記色情報を基準色の色情報と比較して両色情報の一致度を算出する一致度算出手段と、上記一致度を予め定められた判定閾値と比較してワーク判定を行い、上記ワーク判定の結果に基づいて、検出信号を生成する検出信号生成手段とを備える。
この光電スイッチは、色判別方式の光電スイッチであり、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオードを投光用光源として用いることにより、検出光の光量ムラ及び色ムラを低減させている。このため、検出光の光量ムラ及び色ムラを抑制しつつ、装置全体を小型化することができる。また、回路基板に面実装された発光ダイオードは、砲弾型の発光素子に比べて放熱性が良いことから、高い投光強度を確保しつつ装置の小型化が可能である。さらに、高い投光強度を確保し、検出領域からの反射光を受光して得られる受光信号に基づいて発光ダイオードの投光量を制御するため、検出のダイナミックレンジを広げることができる。
本発明の第２の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、上記回路基板の背面に対向させて配置される金属製の放熱板と、熱伝導性樹脂からなり、上記回路基板の背面及び上記放熱板の前面に接触する平板状のスペーサとを備え、上記スペーサが、上記回路基板に交差する方向から見て上記発光ダイオードの発光面と重複させて配置されるように構成される。
この様な構成によれば、発光ダイオードにおいて生じた熱がスペーサを介して回路基板から放熱板に伝わり、回路基板と放熱板との間の空間や、放熱板の背面の空間を利用して放熱されるため、放熱性を向上させることができる。特に、スペーサが発光ダイオードの発光面と重複させて配置されるため、発光ダイオードにおいて発生した熱が放熱板へ効果的に伝導される。
本発明の第３の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、熱伝導性材料からなり、上記発光ダイオード、上記スリット、上記投光レンズ、上記受光素子及び上記受光レンズを収容する筐体と、熱伝導性樹脂からなるブロック状の熱伝導部材とを備え、上記熱伝導部材が、上記筐体の側壁と上記放熱板の屈曲部との間に配置されるように構成される。この様な構成によれば、発光ダイオードにおいて発生した熱が、スペーサを介して回路基板から放熱板に伝わり、熱伝導部材を介して筐体に伝導するため、放熱性をさらに向上させることができる。
本発明の第４の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、熱伝導性及び絶縁性を有し、上記側壁に沿って配置されるシート状のシールド部材を備える。この様な構成によれば、回路基板や放熱板から筐体への熱伝導を妨げることなく、筐体の内部空間を電気的又は磁気的に遮蔽することができる。例えば、静電気が筐体に付加された場合に、筐体の内部空間では、放電による発光ダイオードなどの回路素子の破損を防止することができる。
本発明の第５の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、上記筐体の背面に設けられた表示パネルに上記一致度を表示する表示手段を備える。この様な構成によれば、ワーク判定に係る一致度を容易に確認することができる。
本発明の第６の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、上記筐体の背面に設けられた操作キーに対する押下操作に基づいて、上記判定閾値を指定する判定閾値指定手段を備え、上記表示手段が、上記判定閾値を上記表示パネルに表示するように構成される。この様な構成によれば、ワーク判定に係る判定閾値を任意に指定し、或いは、予め定められた判定閾値を変更することができる。
本発明の第７の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、調整ねじを操作することにより、上記検出光による投光スポットの距離又はサイズを調整する投光スポット調整手段を備える。この様な構成によれば、投光スポットまでの距離又は投光スポットのサイズを任意に指定し、或いは、変更することができる。
本発明の第８の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、上記投光スポット調整手段が、上記調整ねじの回転軸方向に対して傾斜した長孔を有し、当該調整ねじの回転に連動して上記回転軸方向に移動するカム板と、上記長孔内に配置されるスライダ部を有し、上記カム板の移動に連動して上記投光レンズの光軸方向に移動するカムスライダとにより構成され、上記カムスライダが、上記スライダ部が上記長孔の内壁面に沿って移動することにより、上記投光レンズを光軸方向に移動させるように構成される。この様な構成によれば、調整ねじを操作することにより、投光レンズが光軸方向に移動し、発光ダイオード及び投光レンズ間の距離が変化するため、投光スポットまでの光軸方向の距離又は投光スポットのサイズを調整することができる。
本発明の第９の態様による光電スイッチは、上記構成に加え、上記投光レンズ及び上記受光レンズのうち少なくとも一方が、色収差補正レンズであり、分散率が互いに異なる２以上の光学レンズにより構成される。この様な構成によれば、検出光の色収差が補正されるため、検出領域に形成される投光スポットの輪郭を明瞭化することができる。
本発明によれば、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオードを投光用光源として用いることにより、検出光の光量ムラ及び色ムラを抑制しつつ、装置全体を小型化することができる光電スイッチを提供することができる。また、回路基板に面実装された発光ダイオードを投光用光源として用いることにより、高い投光強度を確保しつつ装置の小型化が可能な光電スイッチを提供することができる。さらに、高い投光強度を確保しつつ、検出領域からの反射光を受光して得られる受光信号に基づいて発光ダイオードの投光量を制御することにより、検出のダイナミックレンジが広い光電スイッチを提供することができる。
本発明の実施の形態による光電スイッチ１の一構成例を示した平面図である。 図１の光電スイッチ１をＡ−Ａ切断線により切断した場合の切断面を示した断面図である。 図１の光電スイッチ１を展開して示した斜視図である。 図３の光学モジュール１２を展開して示した斜視図である。 投光用の光学部品を模式的に示した説明図である。 投光レンズモジュール２０を展開して示した斜視図である。 投光スポット調整装置５０の構成例を示した平面図である。 筐体１０の上面及び背面を示した平面図である。 図１の光電スイッチ１内の機能構成の一例を示したブロック図である。 図９の主制御部１００の構成例を示したブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本明細書では、便宜上、投光レンズの光軸（主軸）の方向を前後方向として説明するが、本発明による光電スイッチの使用時における姿勢を限定するものではない。
＜光電スイッチ１＞
図１は、本発明の実施の形態による光電スイッチ１の一構成例を示した平面図であり、色判別方式の光電スイッチ１が示されている。図中の（ａ）には、筐体１０の前面が示され、（ｂ）には、筐体１０の右側面が示されている。図２は、図１の光電スイッチ１をＡ−Ａ切断線により切断した場合の切断面を示した断面図である。図中には、矢印の方向から切断面を見た場合が示されている。図３は、図１の光電スイッチ１を展開して示した斜視図である。図４は、図３の光学モジュール１２を展開して示した斜視図である。
光電スイッチ１は、検出光を投光し、検出領域からの反射光を受光してワーク判定を行い、ワーク判定の結果に基づいて検出信号を出力する検出装置である。ワーク判定は、ワーク表面の色を判別して行われ、所望のワークであるか否かを示す検出信号が出力される。
この光電スイッチ１は、投受光窓カバー２、ワーク判定インジケータ３、配線ケーブル４、操作キー５，６、筐体１０、絶縁フィルム１１、光学モジュール１２、メイン基板１３及びシールドシート１４により構成される。
筐体１０は、回路素子及び光学部品を収容するためのケーシングであり、筐体本体１０ａ及び本体カバー１５により構成される。筐体本体１０ａは、右側面が開口した箱体である。本体カバー１５は、筐体本体１０ａの開口を塞ぐための封止用蓋板であり、筐体本体１０ａに取り付けられる。筐体本体１０ａ及び本体カバー１５は、熱伝導性材料により形成される。熱伝導性材料は、熱伝導性を有する材料であり、放熱性に優れる。
例えば、筐体本体１０ａ及び本体カバー１５は、樹脂などに比べて熱伝導率が高い金属を熱伝導性材料として用いて形成される。この光電スイッチ１では、亜鉛ダイカスト製の筐体１０が用いられている。なお、筐体１０は、フィラーを添加することによって熱伝導率及び強度を向上させた樹脂を熱伝導性材料として用いて形成されるものであっても良い。
検出光は、筐体１０の前面から出射し、検出領域からの反射光が当該前面に入射する。投受光窓カバー２は、筐体本体１０ａの前面に形成された投受光用の開口を塞ぐ保護用の透明板であり、筐体本体１０ａに取り付けられている。
筐体１０の上面には、ワーク判定インジケータ３及び操作キー６が配設されている。ワーク判定インジケータ３は、ワーク判定の結果に応じて点灯する表示灯であり、筐体上面の前端に配置されている。操作キー６は、ワーク判定用の基準色を指定する際に使用する押下式の入力ボタンである。
筐体１０の背面には、操作キー５と、配線ケーブル４の引出部とが配設されている。操作キー５は、ワーク判定用の閾値を指定する際に使用する押下式の入力ボタンであり、アップキー５ａ及びダウンキー５ｂにより構成される。アップキー５ａを操作することにより、数値をインクリメントすることができ、ダウンキー５ｂを操作することにより、数値をデクリメントすることができる。
配線ケーブル４は、筐体１０内の回路素子に電力を供給するための電源ケーブルと、制御用信号や検出信号を伝送するための信号ケーブルとにより構成される。配線ケーブル４の引出部は、筐体背面の下端に配置されている。この引出部は、筐体１０の背面、底面（下面）及び左側面の３面による角部（コーナー）に配置されている。
絶縁フィルム１１は、電気絶縁性を有し、筐体本体１０ａの側壁に沿って配置されるシート状のシールド部材である。この絶縁フィルム１１は、回路素子を筐体１０から電気的に絶縁する樹脂製のフィルムであり、左側の側壁に密着させて配置される。
絶縁フィルム１１は、熱伝導性が高い方が好ましいが、厚みが０．５ｍｍ程度を下回れば、熱伝導性を特に考慮しなくても熱抵抗は低く、より好ましくは厚みが０．１ｍｍ程度であれば、絶縁フィルム１１を介して筐体１０へ放熱することができる。なお、絶縁フィルム１１に代えて熱伝導性及び絶縁性が高い絶縁物を介在させ、放熱性と電気絶縁性の両立をさせることもできる。
＜光学モジュール１２＞
光学モジュール１２は、受光基板１６、スリット１７、光学ベースフレーム１８、コイルばね１９、投光レンズモジュール２０、受光レンズ３０、発光ダイオード４０、投光基板４１、放熱板４２、スペーサ４３及び熱伝導部材４４により構成される。光学ベースフレーム１８は、光学部品及び回路基板を支持する支持部材である。
発光ダイオード４０は、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光素子である。この発光ダイオード４０は、白色光を検出光として生成する矩形状の半導体チップからなり、投光基板４１に面実装される。投光基板４１は、発光ダイオード４０などの投光用の回路素子が設けられた回路基板である。この投光基板４１は、発光ダイオード４０を前方に向けた状態で光学ベースフレーム１８に固定される。
放熱板４２は、発光ダイオード４０などの回路素子において発生した熱を放熱させるためのヒートシンク部材であり、金属製プレートにより形成される。例えば、アルミニウム製の放熱板４２が用いられる。この放熱板４２は、素子対向部４２１、基板取付部４２２，４２３及び側壁対向部４２４により構成され、投光基板４１の背面に対向させて配置される。なお、放熱板４２は、熱伝導性の高い部材であれば金属製プレートに限られず、例えば、熱伝導性樹脂により形成されても良い。
素子対向部４２１は、投光基板４１に平行であり、投光基板４１に交差する方向から見て発光ダイオード４０の発光面と重複する位置に形成される。基板取付部４２２及び４２３は、いずれも素子対向部４２１よりも前方に位置し、それぞれ屈曲部を介して素子対向部４２１に連結されている。放熱板４２は、基板取付部４２２及び４２３を投光基板４１に取り付けることにより、投光基板４１に固定される。投光基板４１には、放熱板４２の基板取付部４２２及び４２３に形成された取付穴４２５に対応する位置に貫通孔４１１が形成されており、放熱板４２は、投光基板４１との間にスペーサ４３を挟み込み、かつ、投光基板４１を挟み込んで光学ベースフレーム１８に取り付けられることにより、投光基板４１及び光学ベースフレーム１８に固定される。側壁対向部４２４は、筐体本体１０ａの左側壁に平行な屈曲部であり、素子対向部４２１に連結されている。
スペーサ４３は、電気絶縁性の熱伝導性樹脂からなり、投光基板４１の背面と放熱板４２の前面とに接触する平板状の熱伝導部材である。このスペーサ４３は、素子対向部４２１と投光基板４１との間において、投光基板４１に交差する方向から見て発光ダイオード４０の発光面と重複させて配置される。
スペーサ４３は、好ましくは、ゴム、エラストマ、ゲル状体等の凹凸面や曲面への密着追従性が高い部材で形成され、投光基板４１の背面と放熱板４２の前面とに密着し、高い放熱性を実現する。例えば、スペーサ４３は、電気絶縁性及び熱伝導性のシリコーンやアクリル樹脂のゴム、エラストマ、又は、ゲル状体からなる。
熱伝導部材４４は、熱伝導性樹脂からなるブロック状の部材であり、筐体本体１０ａの側壁と放熱板４２の側壁対向部４２４との間に配置される。この熱伝導部材４４は、上下方向に延びる平板からなる。例えば、スペーサ４３及び熱伝導部材４４は、シリコーンゴムにより形成される。放熱板４２が金属製である場合、熱伝導部材４４は、電気絶縁性を有することが好ましい。なお、絶縁フィルム１１を設けない場合、熱伝導部材４４は、電気絶縁性を有することが好ましい。
熱伝導部材４４は、好ましくは、ゴム、エラストマ、ゲル状体等の凹凸面や曲面への密着追従性が高い部材で形成され、筐体本体１０ａの側壁に配置される絶縁フィルム１１と放熱板４２の側壁対向部４２４とに密着し、高い放熱性を実現する。例えば、熱伝導部材４４は、電気絶縁性及び熱伝導性のシリコーンやアクリル樹脂のゴム、エラストマ、又は、ゲル状体からなる。なお、絶縁フィルム１１を設けない場合、熱伝導部材４４は、筐体本体１０ａの側壁と放熱板４２の側壁対向部４２４とに密着する。
スリット１７は、発光ダイオード４０の発光面よりも小さい開口を有し、開口を発光面に対向させて配置される光学素子である。このスリット１７は、１つの貫通孔が形成された金属製のプレートからなり、プレート表面が黒色処理され、或いは、プレート表面に黒色の塗膜が形成されている。好ましくは、スリット１７は、プレート表面が艶消しの黒色処理され、又は、プレート表面に艶消しの黒色の塗膜が形成されている。このスリット１７では、貫通孔によって開口が構成される。例えば、スリット１７は、ステンレススチールにより形成される。スリット１７の開口は、円形又は矩形である。スリット１７は、光学ベースフレーム１８に固定される。
投光レンズモジュール２０は、投光レンズ２１を含む光学ユニットであり、光学ベースフレーム１８に対し、光軸方向に移動可能に取り付けられる。投光レンズ２１は、スリット１７の開口を通過した検出光を検出領域に結像させる光学素子である。
受光基板１６は、受光素子などの受光用の回路素子が設けられた回路基板である。この受光基板１６は、受光素子の受光面を前方に向けた状態で光学ベースフレーム１８に固定される。受光レンズ３０は、検出領域からの反射光を受光面に結像させる光学素子である。受光用の光学部品及び回路素子は、投光レンズモジュール２０よりも下側に配置される。
コイルばね１９は、がたつきを防止するために、筐体本体１０ａに対し、光学ベースフレーム１８又は後述する投光スポット調整装置を下方に付勢する付勢部材である。このコイルばね１９は、筐体本体１０ａの上壁と光学モジュール１２との間に配置される。
前述した絶縁フィルム１１は、筐体本体１０ａと光学モジュール１２との間に配置される。熱伝導部材４４は、絶縁フィルム１１と放熱板４２の側壁対向部４２４とに接触させて配置される。
メイン基板１３は、演算回路などの回路素子が設けられた回路基板である。このメイン基板１３は、回路形成面を本体カバー１５側に向けた状態で光学ベースフレーム１８に取り付けられる。メイン基板１３は、一方の面のみが回路形成面であっても良く、両面が回路形成面であっても良い。シールドシート１４は、静電的、磁気的又は電磁的なシールド性能を有するシート状のシールド部材である。このシールドシート１４は、筐体１０内の回路素子を静電的、磁気的又は電磁的に絶縁するシートであり、メイン基板１３と本体カバー１５との間に配置される。シールドシート１４は、電気絶縁性を有する樹脂性のフィルムで覆われていても良い。
図５は、投光用の光学部品を模式的に示した説明図であり、発光ダイオード４０、スリット１７及び投光レンズ２１が示されている。この発光ダイオード４０は、補色の関係にある２つの色の光を混ぜることによって白色光を生成する白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。
例えば、発光ダイオード４０は、青色光を放射する半導体素子層４０１と、蛍光体を有する蛍光体層４０２とを積層した積層体により構成される。蛍光体層４０２は、透光性の樹脂又はガラスにより蛍光体が固定されており、蛍光体は、半導体素子層４０１の放射光によって励起され、青色光よりも波長が長い光、例えば、黄色光を発する。
投光レンズ２１は、色収差を抑える色収差補正レンズであり、分散率が互いに異なる２以上の光学レンズにより構成される。例えば、投光レンズ２１は、アクロマートレンズであり、高分散レンズ２１１及び低分散レンズ２１２の２つの光学レンズにより構成される。
高分散レンズ２１１は、分散率が高い凹レンズである。低分散レンズ２１２は、分散率が低い凸レンズである。高分散レンズ２１１は、低分散レンズ２１２よりも発光ダイオード４０側に配置される。なお、投光レンズ２１には、３つの光学レンズからなるアポクロマートレンズを使用しても良い。
スリット１７は、発光ダイオード４０と投光レンズ２１との間に配置される。例えば、スリット１７は、発光ダイオード４０の近傍であって、投光レンズ２１の焦点付近に配置される。具体的には、発光ダイオード４０から０．１ｍｍ程度の距離にスリット１７が配置される。発光ダイオード４０の発光面のサイズは、１ｍｍ程度であるのに対し、スリット１７の開口の直径は、０．２７ｍｍである。スリット１７の厚さは、０．１ｍｍ程度である。
発光ダイオード４０の発光面から出射される検出光のうち、周縁部の光は、スリット１７によって遮断される。スリット１７の開口を通過した検出光は、投光レンズ２１によって屈折作用を受け、検出領域７に投光スポット８として結像する。投光側のスリット１７は、光量を絞るのではなく、スリット部の像を投光スポット８として結像させることにより、光量ムラ及び色ムラの無いクッキリしたスポットにしている。
また、投光レンズ２１にアクロマートレンズを採用することにより、色収差が低減する。このため、輪郭が明瞭な投光スポット８が得られる。発光ダイオード４０及び投光レンズ２１間の距離を可変式にすることにより、投光レンズ２１から検出領域７までの距離は、３０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内で変化させることができる。
なお、スリット１７の開口は、発光ダイオード４０から放射された検出光の一部を透過させるものであれば良い。例えば、貫通孔に代えて、透明なガラス板に形成された透光窓であっても良い。
＜投光レンズモジュール２０＞
図６は、投光レンズモジュール２０を展開して示した斜視図である。この投光レンズモジュール２０は、投光レンズ２１、レンズホルダ２２、レンズ押え２３及びＯリング２４により構成される。レンズホルダ２２は、投光レンズ２１を保持する円筒状の保持部材であり、投光レンズ２１の一部を収容する。
このレンズホルダ２２は、後述する投光スポット調整装置のカムスライダとして機能し、カム板と係合させるためのスライダ部２２１が設けられている。スライダ部２２１は、外周面から突出する円柱状の突出部である。
レンズ押え２３は、投光レンズ２１の一部を外囲する円環状のリング部２３１と、リング部２３１から投光レンズ２１の光軸方向に延びる４つの爪部２３２とにより構成される。投光レンズ２１は、投光レンズ２１が収容されたレンズホルダ２２にレンズ押え２３を装着することにより、レンズホルダ２２に固定される。
Ｏリング２４は、円環状のシール部材であり、レンズホルダ２２及び投光レンズ２１に配置される。レンズホルダ２２の外周面上に配置されるＯリング２４は、レンズホルダ２２を光学ベースフレーム１８に対してセンタリングするとともに、レンズホルダ２２が光軸方向に移動する際の摩擦抵抗を増大させる。また、投光レンズ２１の外周面上に配置されるＯリング２４は、投光レンズ２１をレンズ押え２３に対してセンタリングする。
＜投光スポット調整装置５０＞
図７は、投光スポット調整装置５０の構成例を示した平面図であり、図中の（ａ）には、投光レンズモジュール２０を背面側に引き込んだ場合が示され、（ｂ）には、投光レンズモジュール２０を前面側に押し出した場合が示されている。
投光レンズモジュール２０は、光学ベースフレーム１８により、投光レンズ２１の光軸方向、すなわち、前後方向に移動可能に保持され、上下方向及び左右方向への移動が制限される。具体的に説明すれば、投光レンズモジュール２０のレンズホルダ２２に配置されたＯリング２４が光学ベースフレーム１８に接触することにより、投光レンズモジュール２０の上下方向及び左右方向への移動が制限されるとともに、光軸方向の摩擦抵抗が増大するため、衝撃耐性を向上させることができる。
投光スポット調整装置５０は、後述する調整ねじと、調整ねじの回転に連動して上下方向に移動するカム板５１と、カムスライダとして機能するレンズホルダ２２とにより構成され、調整ねじを操作することにより、検出光による投光スポット８の距離又はサイズを調整する。投光スポット８は、検出領域７に形成されるスリット像であり、投光スポット８までの光軸方向の距離又は投光スポット８のサイズ（スポット径）を調整することができる。調整ねじは、上下方向の回転軸を中心として回転する。
カム板５１は、上下方向に対して傾斜した長孔５２を有する金属製のプレートからなる。光学ベースフレーム１８には、２つのカム板５１が投光レンズモジュール２０を挟んで左右に配置される。
レンズホルダ２２のスライダ部２２１は、カム板５１の長孔５２内に配置される。レンズホルダ２２は、カム板５１の移動に連動して前後方向に移動する。つまり、投光レンズモジュール２０は、調整ねじを反時計回りに回してカム板５１を押し下げることにより、背面側に引き込まれる。このとき、投光スポット８は、どこにも結像せず発散するため、投光スポット８の直径は最大となる。
一方、投光レンズモジュール２０は、調整ねじを時計回りに回してカム板５１を引き上げることにより、前面側に押し出される。このとき、投光スポット８の結像位置は、最近傍となり、結像位置における投光スポット８の直径も最小になる。例えば、投光スポット８の直径は、結像位置が遠いほど大きくなる。投光スポット８の結像位置が１００ｍｍでは、結像位置における投光スポット８の直径ΦがΦ＝３．５ｍｍとなり、投光スポット８の結像位置が５００ｍｍでは、結像位置における投光スポット８の直径ΦがΦ＝１８ｍｍとなる。なお、投光スポット８の結像位置以外の位置における投光スポット８の直径は、結像位置における投光スポット８の直径よりも大きくなる。つまり、調整ねじにより投光スポット８の直径を任意に調整することもできる。
図８は、筐体１０の上面及び背面を示した平面図であり、図中の（ａ）には、上面に設けられたワーク判定インジケータ３、操作キー６及び調整ねじ９が示され、（ｂ）には、背面に設けられた操作キー５及び表示パネル６０が示されている。
調整ねじ９は、投光スポット調整装置５０を構成する操作子であり、投光スポット８の結像位置又はスポット径の調整に使用される。上下方向の回転軸を中心として調整ねじ９を時計回り又は反時計回りに回転させることにより、カム板５１が上下方向に移動し、投光レンズモジュール２０が前後方向に移動する。この様に調整ねじ９を操作することにより、光電スイッチ１を設置した後であっても、投光スポット８の距離及びスポット径を変更することができる。
表示パネル６０は、ワーク判定用の閾値や一致度が表示される表示装置である。例えば、表示パネル６０は、７セグメント表示器である。なお、表示パネル６０には、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）などのアクティブマトリクス駆動方式の表示装置を用いても良い。
図９は、図１の光電スイッチ１内の機能構成の一例を示したブロック図である。この光電スイッチ１は、主制御部１００、投光駆動部１０１、カラーフィルタ１０２、受光素子１０３、アンプ部１０４、メモリ１０５、電源部１０６、入出力部１０７、表示部１０８及び操作部１０９により構成される。
主制御部１００は、投受光を制御し、受光信号に基づいてワーク判定を行う。投光駆動部１０１は、主制御部１００の指示に基づいて、発光ダイオード４０を駆動する。例えば、主制御部１００は、投光駆動部１０１に指示する投光量を制御する。投光量は、受光素子１０３からの受光量に基づいて、受光量が一定の範囲内に収まるように制御される。
反射率の高いワークの場合、受光量が相対的に大きくなるため、主制御部１００は、受光量に基づいて投光駆動部１０１に相対的に小さい投光量を指示する。一方、反射率の低いワークの場合、受光量が相対的に小さくなるため、主制御部１００は、受光量に基づいて投光駆動部１０１に相対的に大きい投光量を指示する。また、投光駆動部１０１は、主制御部１００の投光量指示と投光タイミング指示とに基づいて、発光ダイオード４０をパルス駆動する。発光ダイオード４０がパルス駆動される場合、発光ダイオード４０のパルス発光量を図示しないモニタＰＤで測定し、測定されるパルス発光量が所定の目標値と一致するように投光駆動部１０１が制御されても良い。この場合、主制御部１００は、目標値を調整することで発光ダイオード４０の発光量を調整することができる。
受光素子１０３は、検出領域７からの反射光を２以上の特定波長に対応して選択的に受光し、特定波長ごとの受光量にそれぞれ対応する２以上の受光信号を生成する。この受光素子１０３は、２以上のＰＤ（Photo Diode：フォトダイオード）３１が受光基板１６上に２次元的に配列された多分割ＰＤユニットである。例えば、ＰＤ３１は、１２×２４のマトリクス状に配列される。
カラーフィルタ１０２は、２次元位置に応じて特定波長の色成分の光を選択的に透過させる光学素子であり、受光素子１０３の受光面上に配置される。このカラーフィルタ１０２では、赤色光、緑色光又は青色光のいずれかをそれぞれ選択的に透過させるＲフィルタ領域、Ｇフィルタ領域及びＢフィルタ領域がマトリクス状に配置される。Ｒフィルタ領域、Ｇフィルタ領域及びＢフィルタ領域は、いずれも微小な矩形領域からなり、ＰＤ３１に対応づけて形成される。
例えば、上下方向及び左右方向のいずれの方向についても、Ｂフィルタ領域、Ｇフィルタ領域及びＲフィルタ領域がこの順序で繰り返し配置される。また、Ｒフィルタ領域、Ｇフィルタ領域及びＢフィルタ領域のいずれについても、同数のフィルタ領域が形成される。この様なカラーフィルタ１０２を用いることにより、受光素子１０３の各ＰＤ３１は、赤色光、緑色光又は青色光を選択的に受光することができる。
一般に、ワークまでの距離が変化すれば、受光素子１０３の受光面に形成される投光スポット８の像の位置やサイズが変化する。このため、色成分の分割数が少ない場合は、ワークまでの距離の変動により、ＲＧＢの信号比率が変化し、ワーク表面の色を正しく判別することが難しい。これに対し、上述した多分割ＰＤユニットを受光素子１０３として採用することにより、ＲＧＢの信号比率の変化が抑制されるため、距離変動の影響を受け難くすることができる。
一方、色成分の分割数が多くなれば、距離変動による信号比率の変化は小さくなるが、ＰＤ３１間に形成される仕切り部の割合が相対的に多くなるため、受光ロスが増大してしまう。また、ＰＤ３１への配線が増えることから、寄生容量が増大し、増幅回路におけるＳ／Ｎ比が劣化してしまう。これらのことを考慮して、１つのフィルタ領域のサイズは、フィルタが正方形の場合、一辺の長さは５０μｍ〜２００μｍであることが好ましい。フィルタは、正方形に限られず、長方形、他の四角形や六角形であっても良い。この場合、フィルタの面積は２５００平方μｍ〜４００００平方μｍが好ましい。
また、受光素子１０３の受光面に形成される投光スポット８の像は、そのサイズが大きい程、ワークまでの距離が変化した場合のＲＧＢの信号比率の変化が少ない。このため、受光素子１０３は、受光レンズ３０による投光スポット８の結像位置に対し、前方又は後方のいずれかにデフォーカスした位置に配置するのが望ましい。
一方、投光スポット８の像が受光素子１０３の受光面からはみ出した状態では、受光量が少なくなり、反射率が低いワークを検出することができなくなってしまう。これらのことを考慮して、投光スポット８の像が５０個以上のフィルタ領域を含むように、受光レンズ３０及び受光素子１０３間の距離が調整される。
アンプ部１０４は、各ＰＤ３１から入力される受光信号を増幅して主制御部１００へ出力する増幅器ユニットである。このアンプ部１０４は、ゲインを切り替えることができる。受光信号は、特定波長の色成分ごとに増幅して主制御部１００へ出力される。アンプ部１０４のゲインは、主制御部１００による発光ダイオード４０の発光量の調整と同様に、受光素子１０３からの受光量を表す受光信号に基づいて、受光量が一定の範囲内に収まるように主制御部１００により制御される。主制御部１００は、受光信号に基づいてアンプ部１０４のゲインと発光ダイオード４０の発光量の両方を制御するようにしても良い。
メモリ１０５には、ワーク判定用の閾値、基準色の色情報などが保持される。電源部１０６は、配線ケーブル４を介してコントローラなどの外部機器に接続され、主制御部１００の制御に基づいて、主制御部１００や投光駆動部１０１に直流電源を供給する。入出力部１０７は、配線ケーブル４を介してコントローラなどの外部機器に接続され、制御用信号を受信して主制御部１００へ出力し、主制御部１００から入力された検出信号を外部機器へ送信する。
表示部１０８は、主制御部１００の制御に基づいて、ワーク判定用の閾値や一致度を表示パネル６０に表示する。操作部１０９は、操作キー５及び６の押下操作に基づいて、操作信号を生成し、主制御部１００へ出力する。
＜主制御部１００＞
図１０は、図９の主制御部１００の構成例を示したブロック図である。この主制御部１００は、投光量制御部１１０、色情報取得部１１１、基準色指定部１１２、基準色記憶部１１３、一致度算出部１１４、閾値指定部１１５、閾値記憶部１１６及び検出信号生成部１１７により構成される。
投光量制御部１１０は、アンプ部１０４から入力される受光信号に基づいて、投光駆動部１０１を制御し、発光ダイオード４０の投光量を調整する。例えば、反射光の受光量が一定レベルを上回った場合に、投光量を下げる一方、受光量が当該一定レベルを下回った場合に、投光量を上げて元の状態に戻す制御が行われる。
この投光量制御部１１０では、アンプ部１０４から入力される受光信号に基づいて、アンプ部１０４を制御し、ゲインが切り替えられる。例えば、反射光の受光量が一定レベルを上回った場合に、アンプ部１０４のゲインを下げる一方、反射光の受光量が当該一定レベルを下回った場合に、アンプ部１０４のゲインを上げて元の状態に戻す制御が行われる。これらの投光量制御は、ＲＧＢのいずれかの受光量に基づいて行われる。或いは、ＲＧＢの各受光量を組み合わせて得られるパラメータに基づいて行われる。
色情報取得部１１１は、特定波長にそれぞれ対応する２以上の受光信号に基づいて、色情報を取得し、一致度算出部１１４及び基準色指定部１１２へ出力する。取得される色情報は、３色の受光量レベルに基づいて定められる。例えば、赤色光の受光量レベルをＲ１、緑色光の受光量レベルをＧ１、青色光の受光量レベルをＢ１とし、受光量の和をＭｋ＝Ｒｋ＋Ｇｋ＋Ｂｋとすれば、３色の受光量レベルの比率ｒｋ＝Ｒｋ／Ｍｋ，ｇｋ＝Ｇｋ／Ｍｋ，ｂｋ＝Ｂｋ／Ｍｋを用いた組（ｒ１，ｇ１，ｂ１）により色が表される。
基準色指定部１１２は、操作キー６に対する押下操作に基づいて、色情報取得部１１１により取得された色情報（ｒ０，ｇ０，ｂ０）を基準色の色情報に指定する。基準色記憶部１１３には、基準色指定部１１２によって登録された基準色の色情報（ｒ０，ｇ０，ｂ０）が保持される。
一致度算出部１１４は、色情報取得部１１１により取得された色情報（ｒ１，ｇ１，ｂ１）を基準色記憶部１１３に登録された基準色の色情報（ｒ０，ｇ０，ｂ０）と比較し、その比較結果に基づいて、両色情報の一致度Ｃを算出し、検出信号生成部１１７へ出力する。一致度Ｃは、色の一致の度合いを示す１次元のパラメータであり、基準色の受光量に対する現在の受光量の相対値からなる。この一致度Ｃにより、比較対象の色がワーク判定の基準として登録された色にどれだけ類似しているのかが定量的に評価される。
例えば、一致度Ｃは、０以上９９９以下の範囲の整数を用いて表される。ワークの色が基準色と完全に一致していれば、一致度Ｃは９９９である。表示部１０８は、一致度算出部１１４により算出された一致度Ｃを表示パネル６０に表示する。なお、色情報として、各色の受光量レベルの比率であるｒｋ，ｇｋ，ｂｋの組（ｒｋ，ｇｋ，ｂｋ）を例示したが、本発明では、色情報の構成をこれに限らない。例えば、赤色光の受光量レベル、緑色光の受光量レベル、青色光の受光量レベルの組（Ｒｋ，Ｇｋ，Ｂｋ）を色情報としても良い。また、ＲＧＢ表色系に限られず、Ｌａｂ等の表色系に基づく各色成分の値からなる組を色情報としても良い。
閾値指定部１１５は、操作キー５に対する押下操作に基づいて、ワーク判定用の閾値を判定閾値として指定する。表示部１０８は、閾値指定部１１５により指定された判定閾値を表示パネル６０に表示する。閾値記憶部１１６には、閾値指定部１１５によって登録された判定閾値が保持される。
検出信号生成部１１７は、一致度算出部１１４により算出された一致度Ｃを判定閾値と比較してワーク判定を行い、そのワーク判定の結果に基づいて、検出信号を生成し、入出力部１０７へ出力する。
本実施の形態によれば、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオード４０を投光用光源として用いることにより、検出光の光量ムラ及び色ムラが低減するため、検出光の光量ムラ及び色ムラを抑制しつつ、装置全体を小型化することができる。また、投光基板４１に面実装された発光ダイオード４０は、砲弾型の発光素子に比べて放熱性が良いことから、高い投光強度を確保しつつ装置の小型化が可能である。さらに、高い投光強度を確保し、検出領域７からの反射光を受光して得られる受光信号に基づいて発光ダイオード４０の投光量を制御するため、検出のダイナミックレンジを広げることができる。
また、色収差補正レンズを投光レンズ２１として用いることにより、検出光の色収差が補正されるため、検出領域７に形成される投光スポット８の輪郭を明瞭化することができる。
なお、本実施の形態では、投光レンズ２１にアクロマートレンズを用いる場合の例について説明したが、本発明は、光学モジュール１２の構成をこれに限定するものではない。例えば、光学モジュール１２は、受光レンズ３０にアクロマートレンズなどの色収差補正レンズを用いるような構成であっても良い。或いは、光学モジュール１２には、投光レンズ２１及び受光レンズ３０の両方に色収差補正レンズを用いても良い。
また、本実施の形態では、反射光の色成分を平面上で分離する水平色分離方式の受光素子１０３を用いる場合の例について説明したが、本発明は、受光素子１０３の構成をこれに限定するものではない。例えば、受光素子１０３は、回路基板にシリコンを積層した積層体により構成され、シリコンの光学特性が色によって異なることを利用してシリコン層の深さ方向に色成分を分離する垂直色分離方式の半導体素子であっても良い。この垂直色分離方式の受光素子では、光の波長と深さとの関係に応じて光電変換されるため、水平色分離方式の受光素子に比べ、受光量のロスが少ない。
１ 光電スイッチ
２ 投受光窓カバー
３ ワーク判定インジケータ
４ 配線ケーブル
５，６ 操作キー
７ 検出領域
８ 投光スポット
９ 調整ねじ
１０ 筐体
１０ａ 筐体本体
１１ 絶縁フィルム
１２ 光学モジュール
１３ メイン基板
１４ シールドシート
１５ 本体カバー
１６ 受光基板
１７ スリット
１８ 光学ベースフレーム
１９ コイルばね
２０ 投光レンズモジュール
２１ 投光レンズ
２２ レンズホルダ
２２１ スライダ部
２３ レンズ押え
３０ 受光レンズ
３１ ＰＤ（フォトダイオード）
４０ 発光ダイオード
４１ 投光基板
４２ 放熱板
４３ スペーサ
４４ 熱伝導部材
５０ 投光スポット調整装置
５１ カム板
５２ 長孔
６０ 表示パネル
１００ 主制御部
１０１ 投光駆動部
１０２ カラーフィルタ
１０３ 受光素子
１０４ アンプ部
１０５ メモリ
１０６ 電源部
１０７ 入出力部
１０８ 表示部
１０９ 操作部
１１０ 投光量制御部
１１１ 色情報取得部
１１２ 基準色指定部
１１３ 基準色記憶部
１１４ 一致度算出部
１１５ 閾値指定部
１１６ 閾値記憶部
１１７ 検出信号生成部

Claims (9)

  1. 回路基板に面実装され、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオードと、
    上記発光ダイオードの発光面よりも小さい開口を有し、上記開口を上記発光面に対向させて配置されるスリットと、
    上記開口を通過した上記検出光を検出領域に集光させる投光レンズと、
    上記検出領域からの反射光を２以上の特定波長に対応して選択的に受光し、上記特定波長ごとの受光量にそれぞれ対応する２以上の受光信号を生成する受光素子と、
    上記検出領域からの反射光を上記受光素子の受光面に集光させる受光レンズと、
    熱伝導性材料からなり、上記発光ダイオード、上記スリット、上記投光レンズ、上記受光素子及び上記受光レンズを収容する筐体と、
    上記発光ダイオードにおいて発生した熱を上記筐体に伝導するための熱伝導部材と、
    上記受光信号に基づいて、上記発光ダイオードの投光量を制御する投光量制御手段と、
    上記特定波長にそれぞれ対応する２以上の上記受光信号に基づいて、色情報を取得する色情報取得手段と、
    取得された上記色情報を基準色の色情報と比較して両色情報の一致度を算出する一致度算出手段と、
    上記一致度を予め定められた判定閾値と比較してワーク判定を行い、上記ワーク判定の結果に基づいて、検出信号を生成する検出信号生成手段とを備え、
    上記熱伝導部材は、上記回路基板の上記発光ダイオードが面実装される面の裏面に接触し、上記発光ダイオードで発生した熱を、上記回路基板の上記裏面から上記筐体へと伝導することを特徴とする光電スイッチ。
  2. 上記熱伝導部材は、上記回路基板の上記裏面に対向させて配置される金属製又は熱伝導性樹脂製の放熱板と、
    上記回路基板の上記裏面及び上記放熱板の上記回路基板と対向する面に接触する平板状のスペーサとを含み、
    上記スペーサは、上記回路基板に交差する方向から見て上記発光ダイオードの発光面と重複させて配置されることを特徴とする請求項１に記載の光電スイッチ。
  3. 上記熱伝導部材は、さらに、熱伝導性樹脂からなるブロック状の部材を含み、
    上記ブロック状の熱伝導部材は、上記筐体の側壁と上記放熱板の屈曲部との間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の光電スイッチ。
  4. 熱伝導性及び絶縁性を有し、上記側壁に沿って配置されるシート状のシールド部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光電スイッチ。
  5. 上記筐体の背面に設けられた表示パネルに上記一致度を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の光電スイッチ。
  6. 上記筐体の背面に設けられた操作キーに対する押下操作に基づいて、上記判定閾値を指定する判定閾値指定手段を備え、
    上記表示手段は、上記判定閾値を上記表示パネルに表示することを特徴とする請求項５に記載の光電スイッチ。
  7. 調整ねじを操作することにより、上記検出光による投光スポットの距離又はサイズを調整する投光スポット調整手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光電スイッチ。
  8. 回路基板に面実装され、色相が異なる２以上の色成分を含む検出光を生成する発光ダイオードと、
    上記発光ダイオードの発光面よりも小さい開口を有し、上記開口を上記発光面に対向させて配置されるスリットと、
    上記開口を通過した上記検出光を検出領域に集光させる投光レンズと、
    調整ねじを操作することにより、上記検出光による投光スポットの距離又はサイズを調整する投光スポット調整手段と、
    上記検出領域からの反射光を２以上の特定波長に対応して選択的に受光し、上記特定波長ごとの受光量にそれぞれ対応する２以上の受光信号を生成する受光素子と、
    上記検出領域からの反射光を上記受光素子の受光面に集光させる受光レンズと、
    上記受光信号に基づいて、上記発光ダイオードの投光量を制御する投光量制御手段と、
    上記特定波長にそれぞれ対応する２以上の上記受光信号に基づいて、色情報を取得する色情報取得手段と、
    取得された上記色情報を基準色の色情報と比較して両色情報の一致度を算出する一致度算出手段と、
    上記一致度を予め定められた判定閾値と比較してワーク判定を行い、上記ワーク判定の結果に基づいて、検出信号を生成する検出信号生成手段とを備え、
    上記投光スポット調整手段は、
    上記調整ねじの回転軸方向に対して傾斜した長孔を有し、当該調整ねじの回転に連動して上記回転軸方向に移動するカム板と、
    上記長孔内に配置されるスライダ部を有し、上記カム板の移動に連動して上記投光レンズの光軸方向に移動するカムスライダとにより構成され、
    上記カムスライダは、上記スライダ部が上記長孔の内壁面に沿って移動することにより、上記投光レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする光電スイッチ。
  9. 上記投光レンズ及び上記受光レンズのうち少なくとも一方は、色収差補正レンズであり、分散率が互いに異なる２以上の光学レンズにより構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光電スイッチ。
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