JPH08255536A - 反射型光電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被検出物体の距離の変動による受光量の変動
を低減することができ、被検出物体の距離変動に影響を
受けずに、安定して被検出物体の有無や表面状態を検出
することが可能な反射型光電センサを提供する。 【構成】 投光素子２による投光光軸と受光素子５によ
る受光光軸が所定の角度で交叉しており、かつ、受光素
子５の前面に、近距離の被検出物体からの反射光を遠距
離の被検出物体からの反射光よりも多く遮光するような
開口絞り７を設けた。これにより、被検出物体４の距離
変動の影響を受けず、安定して被検出物体４の有無等を
検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体に光を照射してそ
の反射光を受光することにより、該物体の色、反射率、
表面状態等を検出する反射型光電センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の反射型光電センサとして
は、図１に示すような構成のものが知られている。反射
型光電センサ１は、ＬＥＤ等でなる発光素子２と、この
発光素子２により出射された光を集光するレンズ３と、
このレンズ３により投光された光の被検出物体４による
反射光を受光する受光手段としての受光素子５とから構
成され、受光素子５の受光量から被検出物体４の有無等
を検出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置においては、被検出物体４の距離が変動（ｘ方
向に移動）した時、受光素子５で受光する受光量が変動
する。例えば、受光量は、被検出物体４が拡散反射物体
の場合、被検出物体４から受光素子５までの距離の２乗
に反比例する。この時、被検出物体４の色の違いや光沢
度の違いを受光量の大きさで判別する反射型光電センサ
においては、距離変動の影響を受けてしまい、正確に判
別できなくなるという問題があった。換言すると、検出
距離範囲が狭い範囲に限定されてしまい、使い勝手が悪
くなるという問題があった。本発明は、上述した問題点
を解決するためになされたものであり、被検出物体まで
の距離の変化に伴い受光素子での受光スポットの大きさ
と位置が変化することを利用して、被検出物体の距離の
変動による受光量の変動を低減することができ、被検出
物体の距離変動に影響を受けずに、安定して被検出物体
の有無や表面状態を検出することが可能な反射型光電セ
ンサを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、被検出物体に光を照射する投光素
子と、この投光素子から出射された光の被検出物体によ
る反射光を受光する受光素子とを備え、被検出物体の
色、反射率、表面状態等を検出する反射型光電センサに
おいて、投光素子による投光光軸と受光素子による受光
光軸が所定の角度で交叉しており、かつ、受光素子の前
面に、近距離の被検出物体からの反射光を遠距離の被検
出物体からの反射光よりも多く遮光するような開口絞り
を設けたものである。また、請求項２の発明は、上記請
求項１に記載の構成において、開口絞りが受光素子の受
光部形状自体によって形成されているものである。ま
た、請求項３の発明は、上記請求項１に記載の構成にお
いて、被検出物体からの反射光を受光し、該光を受光素
子に導く受光ファイバーを備え、開口絞りが受光ファイ
バーの受光素子側端面形状自体によって形成されている
ものである。また、請求項４の発明は、上記請求項１乃
至請求項３のいずれかに記載の構成において、開口絞り
が被検出物体の距離の２乗に反比例して遮光量が変化す
るような形状であるものである。また、請求項５の発明
は、上記請求項１乃至請求項４のいずれかにに記載の構
成において、受光素子の受光面又は受光ファイバーの受
光面を受光光軸に対して傾けて配置したものである。

【０００５】

【作用】上記構成を有する本発明の反射型光電センサに
おいては、投光素子から発せられた光は被検出物体に照
射され、被検出物体からの反射光の一部は開口絞りで遮
光され、一部は受光素子に入射する。この開口絞りによ
り、近距離の被検出物体からの反射光は多く遮光され、
遠距離の被検出物体からの反射光はほとんど遮光されな
い。そのため、受光出力−距離特性はほぼ平坦になり、
被検出物体の距離変動の影響を受けず、安定して被検出
物体の有無等を検出することができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図２は第１実施例による反射型光電センサ
の構成図である。反射型光電センサ１は、被検出物体４
に光照射するＬＥＤ等でなる投光素子２、及び、この投
光素子２から出射された光を集光し被検出物体４に照射
するレンズ３からなる発光部と、この発光部による照射
光の被検出物体４による反射光を受光し集光する受光レ
ンズ６、及び、この集光レンズ６によるスポットを受光
するフォトダイオード等でなる受光素子５からなる受光
部により構成され、この受光素子５と受光レンズ６の間
で、受光素子５の前面に開口絞り７を設けている。この
開口絞り７は、近距離の被検出物体４からの反射光を遠
距離の被検出物体４からの反射光よりも多く遮光するよ
うな構成としている。また、投光素子２による投光光軸
と受光素子５による受光光軸とは所定の角度αで交叉し
ており、受光素子５は被検出物体４からの正反射光を受
光し得る位置に配置されている。受光素子５の受光面
は、開口絞り７よりも大きい形状を持っている。

【０００７】上記構成において、投光素子２から発せら
れた光は、投光レンズ３により集光され、被検出物体４
に照射され、被検出物体４からの反射光は、投光光軸に
対して一定の角度で交叉した受光光軸上に配置された受
光レンズ６によって集光され、その集光された光は一部
が開口絞り７で遮光され、一部は受光素子５に入射す
る。このとき、開口絞り７の位置は、受光レンズ６の焦
点距離よりも受光レンズ６に近い位置に配置する。その
ときの開口絞り７の形状と開口絞り７上の受光スポット
の形状及び位置を図３に示している。図３において、斜
線部は遮光部分であり、（ａ）は遠距離ｌl の受光スポ
ット、（ｂ）は中間距離ｌm の受光スポット、（ｃ）は
近距離ｌs の受光スポットである。

【０００８】この実施例においては、図３に示される通
り、被検出物体４の距離が近くになるに従って、受光ス
ポット（円形）は大きくなり、位置も投光素子と反対側
（図の上側が投光素子側）にずれていく。開口絞り７の
形状は、被検出物体４の距離の２乗に反比例して遮光量
が変化するような形状とされ、この例では、投光素子側
から遠ざかる方向に幅が狭まる台形状とされている。こ
のような開口絞り７を設けておくことで、近距離の被検
出物体４からの反射光は多く遮光され、遠距離の被検出
物体４からの反射光はほとんど遮光されない。

【０００９】このため、受光出力−距離特性は、図４に
示すように、開口絞りがある場合、ほぼ平坦になり、被
検出物体４の距離変動の影響を受けずに、安定して被検
出物体４の表面状態や色マークの有無を検出することが
でき、光沢センサとして好適である。なお、開口絞りが
ない場合は、図４に示されるように、距離が近くになる
に従い、２次曲線的に受光量は多くなっていく。このよ
うに本発明では、被検出物体４までの距離の変化に伴い
受光素子５での受光スポットの大きさと位置が変化する
ことを積極的に利用して、被検出物体４の距離変動によ
る受光量の変化を補正することができ、距離変動の影響
を低減できる。

【００１０】図５は、第２実施例による反射型光電セン
サの構成図である。この例では、投光素子２と受光素子
５との光軸が、一定の角度αで交叉し、被検出物体４に
よる拡散反射光のみを受光するような配置とされてい
る。この場合、同軸配置でない限り、上記と同等の作用
が得られる。この実施例は、拡散反射光のみを受光する
ので、マークセンサとして好適である。

【００１１】図６は、第３実施例による反射型光電セン
サの受光素子の構成図である。この例では、開口絞りを
設ける代わりに、受光素子５のチップ５ａ自体の受光面
５ｂの形状を工夫し、適切な位置に受光素子を配置して
いる。すなわち、受光面５ｂに、開口絞りと同等な機能
を持たすようにアルミニウムマスク５ｃを形成してい
る。このような構成によっても、上記と同等の作用が得
られる。

【００１２】図７は、第４実施例による反射型光電セン
サの構成図である。この例では、投光、受光のために投
光及び受光用ファイバ９，１０を用いている。すなわ
ち、投光素子２と投光レンズ３の間に投光用ファイバー
９を、受光側の開口絞り７と受光素子５との間に受光用
ファイバ１０を配設している。受光ファイバーの受光素
子側端面形状自体によって形成されている。なお、Ｐは
回路基板である。この構成においても、上記と同等の効
果が得られる。

【００１３】図８（ａ）（ｂ）は、第５実施例による反
射型光電センサの受光部の構成を示す。この例では、上
記図４の実施例において、開口絞り７を設けることな
く、受光ファイバー１０の端面自体を、図３に示した開
口絞りと同等の形状として、上記と同等の機能が得られ
るようにしている。図８（ａ）は受光ファイバーの端面
を熱溶融によって加工したもの、図８（ｂ）は複数本の
ファイバーを束ねたバンドルファイバーで所定の形状に
したものである。図９は、図８に示したような受光フィ
バー１０を用いた時に受光フィバー１０と受光レンズ６
とを一体化した構成を示す。このように、受光フィバー
１０と受光レンズ６とを一体化することで、センサの小
型化が図れる。

【００１４】図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、
第６実施例による反射型光電センサにおける開口絞りの
構成を示す。上述した図４の受光出力−距離特性におい
て、開口絞りがない場合の受光量は、被検出物体までの
距離の２乗におよそ反比例して減少していく。この特性
を平坦にするためには、距離の２乗に反比例した遮光量
が得られるような開口絞りを設ければよい。同図におい
て、上側が投光素子が位置する側である。

【００１５】図１１は、第７実施例による反射型光電セ
ンサの構成図である。この例では、受光素子５を受光光
軸に対して所定の角度θだけ傾けている点が、図２の実
施例と相違する。投光ビームの集光状態や被検出物体４
の光沢度（正反射光と拡散反射光の比率）によっては、
開口絞り７だけでは、受光出力−距離特性が完全に平坦
にならない場合がある。このような時に、本実施例のよ
うに、受光素子５を受光光軸に対して傾けることによ
り、受光素子５の入射角依存性を利用して、さらに、距
離特性の補正を加え、より平坦にすることができる。

【００１６】すなわち、図１２は受光素子の入射角に対
する受光効率の特性であって、入射角依存性はｃｏｓθ
の特性を持ち、図１１において被検出物体４の検出距離
範囲（ｌs ，ｌm ，ｌl ）が変動した場合に、受光素子
５への入射角θが変化し、図１２の斜線部領域での動作
となる。この領域では、入射角θの変化に対して適度に
受光効率が変化し、例えば、被検出物体４が近距離にな
ると、受光量が増大するが、逆に、受光効率が低下する
ので、受光出力を一定に保つことが可能となる。なお、
受光素子５を傾ける他に、受光ファイバーを用いたもの
では、受光ファイバーの受光端面を傾ければよい。

【００１７】図１３（ａ）（ｂ）は、第８実施例による
反射型光電センサの具体構成を示す。この反射型光電セ
ンサ１は、発光部が投光用ファイバ１１と投光レンズ１
２と偏光フィルタ１３からなり、受光手段が偏向フィル
タ１４，１５と受光用ファイバ１６，１７からなり、被
検出物体４と受光手段との間に、偏向ビームスプリッタ
（以下、ＰＢＳという）１８が配置されている。ＰＢＳ
１８は、被検出物体４からの反射光が入射され、その入
射光についてＳ偏光成分を主とする光束と、Ｐ偏光成分
を主とする光束とに分離するものである。受光用ファイ
バ１６、１７は、その端面を光軸に対して所定角度だけ
傾けている。上記各部材はベース筐体２０に保持され、
その外周囲はカバー筐体２１により覆われ、投光・受光
を行う前面側には窓ガラス２２が配置されている。投光
用ファイバ１１と受光用ファイバ１６，１７は、ファイ
バケーブル２３を介して３本のコネクタ２４（図では２
本が重なっている）に接続され、不図示の発光素子、受
光素子に結合される。なお、２５はタッピングネジであ
る。

【００１８】上記構成において、投光用ファイバ１１か
ら出射された光は、投光レンズ１２にて被検出物体４上
に集光される。この時、偏光フィルタ１３により、被検
出物体４への入射面に対して、Ｓ偏光成分の光のみ透過
されて出射される。被検出物体４からの反射光はＰＢＳ
１８により、Ｓ偏光成分は反射され、受光用ファイバ１
６へ、Ｐ偏光成分は透過され受光用ファイバ１７に入射
する。この時、被検出物体４からの反射光のうち、正反
射成分は偏光成分が保存され（Ｓ偏光のまま）、全て受
光用ファイバ１６に、また、拡散反射成分は偏光方向が
ランダムとなり、約１／２ずつ、それぞれ受光用ファイ
バ１６，１７に入射する。従って、ここで受光用ファイ
バ１６の受光量と受光用ファイバ１７の受光量の差を取
ることで、被検出物体４の正反射光量、すなわち、光沢
度を検出することができ、光沢センサとなる。

【００１９】そして、受光用ファイバ１６、１７の端面
を、図示のように光軸に対して所定角度、例えば、約２
５度傾けたことにより、検出距離が変動しても受光量変
動が少なくなる。具体的には、検出距離ｌ＝１０±３ｍ
ｍにおいて、受光用ファイバ１６、１７の端面を光軸に
対して傾けていない場合は±５０％程度の受光量変動が
あったのに対して、受光用ファイバ１６、１７の端面を
光軸に対して傾けることで±２０％程度の受光量変動に
低減される。また、上記のように受光用にファイバを用
いた場合、ファイバは指向特性が大きいことから、ファ
イバを少し傾けるだけで所望の効果が得られ、ノイズに
強く安定して被検出物体４を検出することが可能とな
る。また、ファイバの受光効率の入射角θ依存性は、図
６の実線に示した通りである。

【００２０】上記各実施例による反射型光電センサは、
例えば、光沢センサとして適用した場合、瓶や容器、箱
等の製造コンベア上において、ラベルが正しく貼付けら
れたか否かを光沢度の違いから検査する検査装置のセン
サ等として用いられる。なお、本発明の反射型光電セン
サは、上記実施例構成に限られず種々の変形が可能であ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上のように請求項１，２の発明に係る
反射型光電センサによれば、受光素子の前面に設けた開
口絞りによって、近距離の被検出物体からの反射光を遠
距離の被検出物体からの反射光よりも多く遮光するよう
にしているので、被検出物体の距離の変動による受光量
の変動を低減することができ、被検出物体の距離変動に
影響を受けずに、安定して被検出物体の有無や表面状態
を検出することができる。また、請求項２，３，５の反
射型光電センサにおいては、請求項１の効果に加えて、
開口絞りが受光素子の受光部形状自体、又は受光ファイ
バーの受光端面形状自体、又はその傾きによって形成さ
れているので、別個に部品を追加する必要がなく、簡単
な構成で済み、低コスト、小型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の反射型光電センサの構成図である。

【図２】本発明の第１実施例による反射型光電センサの
構成図である。

【図３】被検出物体の各距離における開口絞り上の受光
スポットの形状及び位置を示す図である。

【図４】受光出力−距離特性を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例による反射型光電センサの
構成図である。

【図６】本発明の第３実施例による反射型光電センサの
受光素子の構成図である。

【図７】本発明の第４実施例による反射型光電センサの
構成図である。

【図８】本発明の第５実施例による反射型光電センサの
受光部の構成図である。

【図９】図９の場合の受光ファイバーと受光レンズ部の
断面図及び正面図である。

【図１０】本発明の第６実施例による反射型光電センサ
の開口絞りの構成図である。

【図１１】本発明の第７実施例による反射型光電センサ
の構成図である。

【図１２】受光素子における受光効率の入射角依存性を
示す図である。

【図１３】（ａ）（ｂ）は、第８実施例による反射型光
電センサの具体構成を示す断面図及び正面図である。

【符号の説明】 １ 反射型光電センサ ２ 投光素子 ３ 投光レンズ ４ 被検出物体 ５ 受光素子 ６ 受光レンズ ７ 開口絞り ９ 投光ファイバ １０ 受光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山中 規正 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出物体に光を照射する投光素子と、
   この投光素子から出射された光の被検出物体による反射
   光を受光する受光素子とを備え、被検出物体の色、反射
   率、表面状態等を検出する反射型光電センサにおいて、 前記投光素子による投光光軸と前記受光素子による受光
   光軸が所定の角度で交叉しており、かつ、前記受光素子
   の前面に、近距離の被検出物体からの反射光を遠距離の
   被検出物体からの反射光よりも多く遮光するような開口
   絞りを設けたことを特徴とする反射型光電センサ。
2. 【請求項２】 前記開口絞りが、前記受光素子の受光部
   形状自体によって形成されていることを特徴とする請求
   項１に記載の反射型光電センサ。
3. 【請求項３】 前記被検出物体からの反射光を受光し、
   該光を前記受光素子に導く受光ファイバーを備え、前記
   開口絞りが、前記受光ファイバーの受光素子側端面形状
   自体によって形成されていることを特徴とする請求項１
   に記載の反射型光電センサ。
4. 【請求項４】 前記開口絞りが、被検出物体の距離の２
   乗に反比例して遮光量が変化するような形状であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
   反射型光電センサ。
5. 【請求項５】 前記受光素子の受光面又は前記受光ファ
   イバーの受光面を受光光軸に対して傾けて配置したこと
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型
   光電センサ。