(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出物体に光照射する投光部と、被検出物体からの正反射光を受光する受光部とを備えた光学式センサ装置において、
上記投光部は、一度集光した後に広がってゆき、被検出物体により正反射された光ビームの上記受光部位置における形状が該受光部のそれより大きく、かつ光強度分布が均一となるような光を出射するものであることを特徴とする光学式センサ装置。
【請求項２】
上記投光部が、発光部と、球面収差を持たせた非球面レンズとを有しており、
上記非球面レンズは、光線出射側が平らとされ、レンズ中心付近から出射した光がレンズに近い側で集光し、レンズの周辺部からの光がレンズから遠い側で集光することを特徴とする請求項１記載の光学式センサ装置。
【請求項３】
上記投光部が、発光部と、球面収差を持たせた非球面レンズとを有しており、
上記非球面レンズは、光線入射側が凹とされると共に光線出射側が凸とされ、レンズの中心付近から出射した光がレンズに遠い側で集光し、レンズの周辺部からの光がレンズに近い側で集光することを特徴とする請求項１記載の光学式センサ装置。
【請求項４】
上記投光部の発光部が、伝送損失が生じる以上の曲率半径で曲げられた部分を有するファイバであることを特徴とする請求項１記載の光学式センサ装置。
【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、該物体を検出する光学式センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光学式センサ装置としては、例えば、光電センサが知られている。このような従来の装置においては、投光ビームの広がりは小さく、光強度分布は中心軸上が大きいのが一般的である。具体的には、図１６に示すように、光電センサ１０１は、投光部１０２（この例では投光ファイバとレンズ）と受光部１０３（この例では受光ファイバとレンズ）とを有し、被検出物体１０４にビーム１０５を照射し、その拡散反射光を受光することで、被検出物体１０４の有無を判別するものであって、被検出物体１０４が拡散反射体である限り、投光したビーム１０５が全て被検出物体１０４に照射されば、被検出物体１０４の傾きの影響は受けず、安定に判別が行える。このような背景から、一般に被検出物体１０４に対する照射領域を小さくするため、ビーム１０５の広がりを小さく、また、通常、投光部１０２には光源とレンズを組合わせたものを用いるため、ビーム１０５は中心付近の強度が強いものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の装置においては、図１７（ａ）に示すように、被検出物体１０４´が鏡面や光沢を有する面である場合、その傾きにより、検出ができなくことがある。すなわち、被検出物体１０４´の表面が鏡面あるいは光沢を有する場合、被検出物体１０４´の表面の傾きやしわ等により、正反射された反射光１０６が受光部１０３に入光しない、あるいは入光しても光量が大きく変動することになるため、被検出物体によっては検出ができないという問題がある。図１７（ｂ）は、正反射光を受光する場合に、ビームが不均一であると、被検出物体の傾き角度が僅かに変わっても、受光部での受光位置が変わり、受光部に入光する量が大きく変動することを示している。
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、被検出物体によって正反射されたビーム径を受光部位置において受光部よりも大きく、かつ光強度分布を均一とすることにより、被検出物体が鏡面や光沢を有する面であっても、また、その傾きに関係なく、常に被検出物体の検出が可能な光学式センサ装置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、被検出物体に光照射する投光部と、被検出物体からの正反射光を受光する受光部とを備えた光学式センサ装置において、投光部が、一度集光した後に広がってゆき、被検出物体により正反射された光ビームの受光部位置における形状が該受光部のそれより大きく、かつ光強度分布が均一となるような光を出射するものである。
請求項２の発明は、請求項１記載の光学式センサ装置において、投光部が、発光部と、球面収差を持たせた非球面レンズとを有しており、非球面レンズは、光線出射側が平らとされ、レンズ中心付近から出射した光がレンズに近い側で集光し、レンズの周辺部からの光がレンズから遠い側で集光するものである。
請求項３の発明は、請求項１記載の光学式センサ装置において、投光部が、発光部と、球面収差を持たせた非球面レンズとを有しており、非球面レンズは、光線入射側が凹とされると共に光線出射側が凸とされ、レンズの中心付近から出射した光がレンズに遠い側で集光し、レンズの周辺部からの光がレンズに近い側で集光するものである。
請求項４の発明は、請求項１記載の光学式センサ装置において、投光部の発光部が、伝送損失が生じる以上の曲率半径で曲げられた部分を有するファイバであるものである。
【０００５】
【作用】
上記構成を有する本発明の光学式センサ装置においては、投光部から出射された光ビームの被検出物体による正反射光が、受光部位置における形状が該受光部のそれより大きく、かつ光強度分布が均一となっているので、被検出物体の表面が鏡面や光沢を有していても、また表面の傾きに関わらず、受光部での入射光量に変動が少なくなり、鏡面や光沢を有する被検出物体を安定して検出できる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説明する。
図１（ａ）（ｂ）は第１実施例による光学式センサ装置の構成図及びビーム強度分布図である。光学式センサ装置１は、被検出物体４に光照射する投光部２と、被検出物体４からの正反射光を受光し得るように設けられた受光部３とを備え、投光部２は、ＬＥＤ、ファイバ等の発光する部品、あるいはそれとレンズ、フィルタ等の光学部品を組み合わせたもので構成され（図ではファイバ７、レンズ８のみを示しており、発光部品は示していない）、この投光部２から出射される光ビーム５は、一度集光した後に広がってゆき、被検出物体４により正反射された光ビーム６の受光部３の位置における形状が受光部３のそれより十分大きく、かつ光強度分布が均一となるように設定されている（請求項１に対応）。受光部３は、フォトダイオード、ファイバ等の受光する部品、あるいはそれとレンズ、フィルタ等の光学部品を組み合わせたもので構成される（図ではファイバのみを示しており、受光部品は示していない）。
【０００７】
上記のような出射ビーム（５，６）としているため、被検出物体４の角度が変化しても、受光部３に入射する光量の変動がなくなり、被検出物体４が鏡面、光沢を有する場合であっても、その有無を安定に検出することができる。これにより、被検出物体４の位置設定が容易となり、今まで検出できなかった量産ライン上等での光沢を持つ被検出物体４を検出可能となる。また、被検出物体４の位置で集光させることにより、微小な被検出物体４の判別が可能となる。
【０００８】
図２（ａ）（ｂ）は第２実施例による光学式センサ装置の構成図及びビーム強度分布図である。この光学式センサ装置１は、上記第１実施例の構成において、投光部２による出射ビーム５（正反射ビーム６も）が一度も集光せずに広がるもの（上記と同じく請求項１に対応）である点が相違する。この構成においては、上記第１実施例と同様な効果が得られ、さらに、投光ビーム５の広がり角を任意に設定できるため、投光部２の光出射部分径を小さくすることができる。従って、センサを小型化できる。
【０００９】
図３（ａ）（ｂ）は、第３実施例による構成を示す。これらの例は、第１実施例において、投光部２が、ＬＥＤ又はファイバでなる発光部７と、集光位置に完全に集光せずに球面収差を生じる非球面レンズ８により構成されたもの（請求項２に対応）である。図３（ａ）の例の投光部２における非球面レンズ８は、出射側が平レンズとされ、レンズ８中心付近から出射した光がレンズ８に近い側で集光し、レンズ８の周辺部からの光がレンズ８から遠い側で集光する。図３（ｂ）の投光部２における非球面レンズ８は入射側の曲率半径が凹、出射側の曲率半径が凸とされており、これにより、レンズ周辺部の光線密度が非常に高くなるため、レンズ８の中心付近から出射した光がレンズ８に遠い側で集光し、レンズ８の周辺部からの光がレンズ８に近い側で集光する。いずれの例においても、均一、かつ広がった投光ビームが得られ、受光部位置に相当する距離において、ビーム周辺の光線密度を高め、単位面積当たりの光強度を一定としている。
これらの構成を採用することにより、レンズ８によって光の利用効率を上げながら均一、かつ、大きな光ビームが得られるため、受光感度が良くなる、あるいは検出距離が長くなる等の利点がある。
【００１０】
図４（ａ）は第４実施例の構成を示す。この例は、上記第３実施例において、レンズ８の光線出射側を平面としたもの（請求項３に対応）である。この構成により、レンズ出射側面の周辺部と集光位置との距離を、他のレンズ形状の場合  （図４（ｂ）に示す）よりも短くすることができるため、ビーム広がり角を大きくでき（広がり角Ａ＞広がり角Ｂ）、従って、検出特性に関し、被検出物体の傾き・角度変動に対して強く
なる。
【００１１】
図５は第５実施例の構成を示す。この例では、図１に示す構成の投光部２が、発光部７と、光線出射側の曲率半径が小さいレンズ８により構成される（請求項４に対応）。レンズ８の入射側は負の曲率でもよい。光線の分布密度を、光線の変化角度と変化させる位置の関係により、レンズ周辺、ビーム周辺部の光線密度を大きくして、ビーム強度分布を均一にする。この構成により、第３実施例と同様の効果が得られ、また、収差なしで均一ビーム強度分布を実現できるため、極めて小さなスポットを要求される被検出物体の検出に用いることができる。
【００１２】
図６（ａ）は第６実施例の構成を示す。この例では、発光部２の出射側に部分によって透過率の異なる部材９を設けて、本来、ビーム強度が不均一となる発光光源のビーム強度分布を補正し、均一ビームを得るようにしている（請求項５に対応）。通常の光源（ＬＥＤ、ファイバ）では、光強度はビーム中心が強く、ビーム周囲が弱いので、部材９としては、中心軸上の光を減衰、あるいは、一部カットするなどの遮光部材を用いればよい。図６（ｂ）は部材９の正面図、図６  （ｃ）は部材９の位置による透過率の変化特性図である。この構成により、第１実施例と同様な効果が得られる。
【００１３】
図７（ａ）は第７実施例の構成を示す。この例では、上記第６実施例の構成において、部分により透過率の異なる部材９をセンサ窓部材と兼用している。図７（ｂ）は部材９の正面図、図７（ｃ）は部材９の位置による透過率の変化特性図である。この構成により、第１実施例と同様な効果が得られる。この構成により、新たな部材の追加を必要とせず上記と同様な効果が得られる。
【００１４】
図８（ａ）は第８実施例の構成を示す。この例では、投光部の発光部として、伝送損失が生じる以上の曲率半径で曲げられた部分を有するファイバ１０を用いている（請求項６に対応）。ファイバの出射光強度分布は、図８（ｂ）に示すように、通常、図中破線のようになるが、ファイバをある曲率半径で曲げると、ファイバ内のモードがスクランブルされるため、直進出射光の成分が減少し図中実線のようになる。このファイバ曲率半径を適切な値にすることで、均一な投光ビームを実現することができる。このような構成により発光源がファイバの場合、その他の部材の追加、変更なしで、所期の投光特性を実現できる。なお、上記のファイバにレンズを組み合わせた投光部としてもよい。
【００１５】
図９（ａ）は第９実施例の構成を示す。この例では、投光部の発光部に、稠密かつ点対称に配置したバンドルファイバ１１を用いている（請求項７に対応）。この構成により、許容曲げ損失を小さくできるため、ファイバの引き回しが容易となり、また、特性が安定となる等の効果がある。バンドルファイバ１１を用いる場合、個々のファイバ配列を点対称とすることで、点対称均一発光光源とすることができる。例えば、バンドル本数が７本、１９本のときは、図９（ｂ）（ｃ）に示すような稠密かつ点対称に配列することで、単位面積当りの発光量を大きくすることができる。特に、非回転対称光源の場合には、部品の回転角度ずれによって投光ビームの均一性が崩れて本来の効果が得られなくなるが、上記のような回転対称の構成とすることでその問題は解消できる。また、部品を回転対称にすることで、加工、組立が容易となりコストダウンが図れる。また、バンドルファイバ１１とレンズを組み合わせ用いる場合は、レンズを図３、図４に示した非球面レンズとすることで、方向性のない均一投光ビームを実現できる（請求項１３に対応）。
【００１６】
図１０（ａ）は第１０実施例の構成を示す。この例は、受光部３を投光部２よりも並び方向において後方に配置し、投光部２の発光部７として、投光及び受光の並びの方向に対して偏平となるように配列されたバンドルファイバを用いたもの（請求項８，１１に対応）である。図１０（ａ）のＡ−Ａ´線方向に偏平としたバンドルファイバの配列の例を図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示している。
このようにした背景について図１１を参照して説明する。センサによる被検出物体４を検出する検出距離が範囲を持つ場合、この種のセンサでは投光中心軸と受光中心軸が同軸でないため、両方の軸を含む面内での被検出物体４の回転方向について、検出距離によって被検出物体４の許容傾き角度が異なり、全距離範囲での許容傾き角としては狭くなる。そこで、図１０（ａ）のＡ−Ａ´線方向に発光部７を長くすることで、投光ビームの受光部位置におけるＢ方向長さを広げ、被検出物体４の許容傾き角範囲を大きくする。こうすることで、上記の光軸を含む面内での被検出物体４の許容傾き範囲を、紙面に垂直な軸を中心とする回転方向の許容傾き範囲と同じにすることができる。さらに、被検出物体４の許容傾きの方向性を無くすことができるため、被検出物体４の設定精度やセンサの取付精度を要さず、使い勝手が良くなる。
【００１７】
図１２、図１３（ａ）（ｂ）は、いずれも第１１実施例の構成を示す。この例は投光部２の光源を等価的に大きくしたもの（請求項９，１０に対応）であり、図１２は、互いに等密度で間隔をあけて配列されたバンドルファイバ１１を投光部の発光部として用いた例であり、図１３（ａ）（ｂ）は光出射端に向けてロート状に断面積が広がるファイバ１０を投光部２の発光部として用いた例である。このように等価的に光源を大きくすることでビーム径を広げ、それにより、検出能力に関し、被検出物体の傾きに強くすることができる。さらに、レンズ８として図３、図４に示したような収差を持つレンズを適用することで、より均一性を大きくすることができる。
【００１８】
図１４（ａ）は第１２実施例の構成を示す。この例は、投光部２がファイバ１０の場合で、ファイバ１０の光入射側端面と発光素子１２との間に拡散板１３を置き、ファイバ１０への入射光方向を拡散するようにしたもの（請求項１２に対応）である。これによって、図１４（ｂ）に示すように、均一なファイバ出射光が得られる。拡散板１３としては、紙、マイクロレンズアレィ、グレーティング、すり硝子等を用いる。この構成により、第１実施例と同様な効果が得られる。また、受光部にもファイバを使用すれば、ファイバのみでセンサヘッドを構成できるため、大幅な小型化が可能である。
【００１９】
図１５は本実施例による光学センサ装置の適用例を示す。瓶３０や容器、箱等の製造コンベア３１上にラベル貼り装置３２が配置されており、光学センサ装置３３は瓶等にラベルが正しく貼付けられたか否かを、光沢度の違いから非接触にて検査する検査装置のセンサとして用いられ、光学センサ装置３４は台紙（セパレータ）３５上のラベル３６の位置決め検出を行うセンサとして用いられる。なお、本発明の光学式センサ装置は、上記実施例構成に限られず種々の変形が可能であり、また、被検出物体からの反射光による被検出物体の有無やマーク検出の他に、その表面の光沢をも検出できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明に係る光学式センサ装置によれば、被検出物体が鏡面や光沢を有し、あるいは、照射光に対して傾きを持っていても、受光部に入射する光量の変動が少ないので、鏡面や光沢を有する被検出物体を安定に検出することができ、また、センサや被検出物体の位置や角度設定が容易となり、さらには、微小な被検出物体でも判別することが可能となる。
また、請求項２，３の発明に係る光学式センサ装置によれば、上記請求項１の効果に加えて、レンズによる光の利用効率が上がり、受光感度が良くなる。
また、請求項４の発明に係る光学式センサ装置によれば、投光部に新たな部材の追加を要せずして上記請求項１と同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施例による光学式センサ装置の構成図、（ｂ）はビーム強度分布図である。
【図２】（ａ）は第２実施例による光学式センサ装置の構成図、（ｂ）はビーム強度分布図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は第３実施例による投光部の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は第４実施例によるレンズの構成を示す図、（ｂ）は比較のための他のレンズ形状を示す図である。
【図５】第５実施例による投光部の構成を示す図である。
【図６】（ａ）は第６実施例よる投光部の構成を示す図、（ｂ）は透過率の異なる部材の正面図、（ｃ）は同部材の位置による透過率の変化特性図である。
【図７】（ａ）は第７実施例の構成を示す図、（ｂ）は透過率の異なる部材の正面図、（ｃ）は同部材の位置による透過率の変化特性図である。
【図８】（ａ）は第８実施例の構成を示す図、（ｂ）はファイバの出射光強度分布図である。
【図９】（ａ）は第９実施例の構成を示す図、（ｂ），（ｃ）はバンドルファイバの配列構成を示す端面図である。
【図１０】（ａ）は第１０実施例の構成を示す図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）はバンドルファイバの配列構成を示す端面図である。
【図１１】センサによる被検出物体を検出する検出距離が範囲を持つ場合の作用を説明するための図である。
【図１２】第１１実施例によるバンドルファイバの端面図である。
【図１３】（ａ）は同じく第１１実施例の構成を示す図、（ｂ）はファイバの断面図である。
【図１４】（ａ）は第１２実施例の構成を示す図、（ｂ）はファイバ出射光の特性図である。
【図１５】本実施例の光学センサ装置の適用例を示す図である。
【図１６】従来の光電センサの構成図である。
【図１７】（ａ）は従来の光電センサにおいて被検出物体が鏡面や光沢を有する面である場合に検出ができなく様子を示す図、（ｂ）は正反射光を受光する場合に受光部での受光位置が変わると光強度が変動する様子を示す図である。
【符号の説明】
１  光学式センサ装置
２  投光部
３  受光部
４  被検出物体
７  発光部
８  レンズ
９  透過率の異なる部材
１０  ファイバ
１１  バンドルファイバ
１２  発光素子
１３  拡散板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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