(57)【要約】【課題】外形を大きくしないで光路長を長くすることができる反射型センサを提供する。【解決手段】投光素子２２と受光素子２３が、ケーシング２４内で背中合わせに配置される。投光素子２２の光出射方向には反射面２７が配置され、投光素子２２から出射した光は反射面２７によって投光素子側へ向けて折り返すように反射される。また、反射面２７で反射された光は、照射面３１に向けて斜めに照射される。照射面３１で正反射された光は、反射面２８に入射し、反射面２８で２３側へ向けて折り返すように反射される。反射面２８で反射された光は、受光素子２３により受光される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射面に斜め方向から光を照射するための投光素子と、
前記照射面で正反射した光を受光するための受光素子と、
前記投光素子及び前記照射面間の光路と前記照射面及び前記受光素子間の光路のうち少なくとも一方の光路を折り曲げる１又は２以上の反射面と、
を備えたことを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】
前記反射面は、
前記投光素子の光出射方向に配置され、前記投光素子から出射した光を前記投光素子側へ向けて折り返すように反射させることによって前記光を照射面に斜め方向から照射させる第１の反射面と、
前記照射面で正反射した光を前記受光素子に向けて折り返すように反射させる第２の反射面と、
からなることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項３】
前記投光素子と前記受光素子が背中合わせに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項４】
前記投光素子の中心軸が前記照射面と平行となるように前記投光素子が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項５】
前記受光素子の中心軸が前記照射面と平行となるように前記受光素子が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項６】
前記投光素子の中心軸が前記照射面に対して傾くように前記投光素子が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項７】
前記受光素子の中心軸が前記照射面に対して傾くように前記受光素子が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項８】
前記投光素子、前記受光素子、前記第１の反射面及び前記第２の反射面をケーシング内に納め、前記ケーシングの前記照射面と対向する面に、前記第１の反射面で反射した光を通過させるための第１の窓を開口し、前記第１の窓の、前記照射面の光照射位置に近い側の縁部を傾斜させたことを特徴とする、請求項２に記載の反射型センサ。
【請求項９】
前記投光素子、前記受光素子、前記第１の反射面及び前記第２の反射面をケーシング内に納め、前記ケーシングの前記照射面と対向する面に、前記第２の反射面に入射する光を通過させるための第２の窓を開口し、前記第２の窓の、前記照射面の光照射位置に近い側の縁部を傾斜させたことを特徴とする、請求項２に記載の反射型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反射型センサに関する。たとえば、対象物の表面の光沢、荒さ、色などを検出するための反射型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、従来の反射型センサ１１の断面図である。反射型センサ１１は、投光素子１２と受光素子１３をケーシング１４内に納めて投光素子１２及び受光素子１３を斜めに配置している。投光素子１２からは照射面１５（対象物の表面）に斜めに光が照射され、照射面１５で反射された正反射光が受光素子１３で受光される。
【０００３】
このような反射型センサ１１では、投光素子１２から照射面１５の光照射位置まで（或いは、投光素子１２から受光素子１３まで）の光路長が長くなるほど、反射型センサ１１と照射面１５との距離が変動したときの出力変動が小さくなる。この理由を図２により説明する。
【０００４】
図２は、図１に示した構造の反射型センサ１１において、反射側（受光素子側）を照射面１５に関して対称に折り返した状態を表している。ここで、Ｐは投光素子１２の光出射点、Ｑは照射面１５における光照射位置の中心、Ｒは受光素子１３の受光面の中心である。また、直線ＰＱは投光素子１２の中心軸、直線ＱＲは受光素子１３の中心軸であって、Ｐ、Ｑ及びＲは一直線上に並んでいる。
【０００５】
照射面１５と垂直な方向に測った光出射点Ｐから照射面１５までの距離（以下、検知距離という。）をＴとすれば、照射面１５と垂直な方向に測った光出射点Ｐから受光面の中心Ｒまでの距離は２Ｔとなる（受光素子１３は投光素子１２と同じ高さに配置されているとする）。よって、投光素子１２の中心軸ＰＱが照射面１５と平行な平面となす角度（照射角）をθとすれば、光出射点Ｐと受光面の中心Ｒとの間の光路長は、
２Ｔ／sinθ
となる。投光素子１２から出射した光は光路長の二乗に比例して広がるので、受光素子１３の受光面（中心軸ＰＲに垂直な平面）における光の広がり（面積Ａ）は、
Ａ＝ｋ・（２Ｔ／sinθ）２
となる（ｋは比例定数）。受光素子１３の受光面（又は受光窓）の面積をＳとすれば、受光素子１３は投光素子１２から出射した光のうち
Ｓ／Ａ＝Ｓ／〔ｋ・（２Ｔsinθ）２〕
＝Ｓ・sin２θ／（４ｋＴ２）      …（数式１）
の比率の光を検知することになる。
【０００６】
いま、図２に２点鎖線で示すように検知距離ＴがΔＴ（ΔＴは正又は負の実数）だけ変動したとすると、投光素子１２の光出射点Ｐから受光素子１３の受光面の中心Ｒまでの光路長は、
２（Ｔ＋ΔＴ）／sinθ
となる。したがって、受光素子１３の受光面（中心軸ＰＲに垂直な平面）における光の広がり（面積Ａ´）は、
Ａ´＝ｋ・〔２（Ｔ＋ΔＴ）／sinθ〕２
に変化する。よって、受光素子１３は投光素子１２から出射した光のうち
Ｓ／Ａ´＝Ｓ／｛ｋ・〔２（Ｔ＋ΔＴ）sinθ〕２｝〕
＝Ｓsin２θ／（４ｋＴ２）      …（数式２）
の比率の光を検知することになる。
【０００７】
反射型センサ１１の感度は、光の広がりに対する受光素子１３の受光面の面積Ｓの比に比例すると考えられる。したがって、検知距離がΔＴだけ変動したときの、反射型センサ１１の感度の変動率は、ΔＴがＴに比べて十分に小さいとすると、上記数式１、２を用いて次の数式３のようになる。
｜〔（Ｓ／Ａ´）−（Ｓ／Ａ）〕／（Ｓ／Ａ）｜
＝｜〔Ｔ２−（Ｔ＋ΔＴ）２〕／（Ｔ＋ΔＴ）２｜
≒２｜ΔＴ｜／Ｔ        …（数式３）
よって、反射型センサ１１は、検知距離Ｔが大きくなると感度が低下する一方、上記数式１からは感度の変動率が小さくなることが分かる。これは、反射型センサ１１が、投光素子１２と受光素子１３との間の光路長が長いほど検知距離の変動の影響を受けにくくなり、反射型センサ１１の出力変動が小さくなるいことを意味する。
【０００８】
上記のように検知距離のバラツキに対する反射型センサ１１の出力変動を小さくするためには、投光素子１２と受光素子１３の間の光路長を長くすればよい。しかし、従来の反射型センサ１１では、投光素子１２と受光素子１３の間の光路長を長くすると、図１（Ｂ）に示すように、光路長を長くした分だけ反射型センサ１１の外形が大きくなる。反対に、図１（Ａ）のように反射型センサ１１の外形を小さくしようとすると、光路長が短くなるので、反射型センサ１１と照射面１５の間の検知距離が変動したときの出力変動が大きくなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４３１２２０８号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、外形を大きくしないで光路長を長くすることのできる反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る反射型センサは、照射面に斜め方向から光を照射するための投光素子と、前記照射面で正反射した光を受光するための受光素子と、前記投光素子及び前記照射面間の光路と前記照射面及び前記受光素子間の光路のうち少なくとも一方の光路を折り曲げる１又は２以上の反射面とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る反射型センサにあっては、投光素子から出射した光を反射面で折り曲げて照射面に斜め照射させ、あるいは照射面で正反射した光を反射面で折り曲げて受光素子で受光させているので、投光素子と受光素子の間の光路長を長くすることができ、検知距離が変動したときの出力変動を小さくすることができる。しかも、投光素子と受光素子の間の光路が折り曲げられているので、反射型センサを小型化することができる。
【００１３】
本発明に係る反射型センサにおいては、投光素子及び受光素子は種々の配置が可能であり、前記投光素子と前記受光素子を背中合わせに配置してもよい。また、前記投光素子の中心軸が前記照射面と平行となるように前記投光素子を配置してもよく、前記受光素子の中心軸が前記照射面と平行となるように前記受光素子を配置してもよい。ここで、投光素子の中心軸とは、投光素子の外形的な対称軸ではなく、投光素子から出射する光の主軸と平行な軸である。同様に、受光素子の中心軸とは、受光素子に入射する光の主軸と平行な軸である。
【００１４】
また、前記投光素子の中心軸が前記照射面に対して傾くように前記投光素子を配置したり、前記受光素子の中心軸が前記照射面に対して傾くように前記受光素子を配置したりすれば、反射型センサをより小型化することができる。
【００１５】
本発明の反射型センサのある実施態様では、前記反射面は、前記投光素子の光出射方向に配置され、前記投光素子から出射した光を前記投光素子側へ向けて折り返すように反射させることによって前記光を照射面に斜め方向から照射させる第１の反射面と、前記照射面で正反射した光を前記受光素子に向けて折り返すように反射させる第２の反射面とからなる。この実施態様では、投光側の光路と受光側の光路の双方を長くすることができ、検知距離が変動したときの出力変動をより小さくすることができる。
【００１６】
また、上記実施態様においては、前記投光素子、前記受光素子、前記第１の反射面及び前記第２の反射面をケーシング内に納め、前記ケーシングの前記照射面と対向する面に、前記第１の反射面で正反射した光を通過させるための第１の窓を開口し、前記第１の窓の、前記照射面の光照射位置に近い側の縁部を傾斜させたことを特徴とする。かかる実施態様によれば、第１の反射面で正反射されて照射面に向かう光に第１の窓の縁部によるケラレが生じにくくなる。
【００１７】
また、上記実施態様においては、前記投光素子、前記受光素子、前記第１の反射面及び前記第２の反射面をケーシング内に納め、前記ケーシングの前記照射面と対向する面に、前記第２の反射面に入射する光を通過させるための第２の窓を開口し、前記第２の窓の、前記照射面の光照射位置に近い側の縁部を傾斜させたことを特徴とする。かかる実施態様によれば、照射面で正反射されて第２の反射面に向かう光に第２の窓の縁部によるケラレが生じにくくなる。
【００１８】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（Ａ）は、光路長の比較的短い従来の反射型センサを示す概略断面図である。図１（Ｂ）は、光路長の比較的長い従来の反射型センサを示す概略断面図ある。
【図２】図２は、従来の反射型センサにおける光路長と出力変動との関係を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による反射型センサを示す概略断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、実施形態１の反射型センサにおいて起こりうる問題点を説明する図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の問題点を解決した本発明の実施形態２による反射型センサを示す概略断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、実施形態２の反射型センサにおいて起こりうる問題点を説明する図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の問題点を解決した本発明の実施形態３による反射型センサを示す概略断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態４による反射型センサを示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態４の変形例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
【００２１】
（実施形態１）
以下、図３を参照して本発明の実施形態１を説明する。本発明の実施形態１による反射型センサ２１は、対象物の表面の光沢、荒さ、色などを検出するためのセンサであるが、このような用途に限るものではない。
【００２２】
反射型センサ２１においては、投光素子２２と受光素子２３は、背中合わせにしてケーシング２４内の中央部に配置されている。投光素子２２と受光素子２３はいずれも、中心軸が反射型センサ２１の正面と平行となるように配置されている。ケーシング２４には、投光素子２２の光出射側に対向して略５角形状の空洞２５が設けられている。同様に、ケーシング２４には、受光素子２３の光入射側に対向して略五角形状の空洞２６が設けられている。なお、本明細書においては、光が投受光される面（後述の窓２５ｂ、２６ｂが開口している面）を反射型センサ１１の正面という。反射型センサ２１は、センシング動作時には、その正面を照射面３１と平行とし、反射型センサ２１の正面と照射面３１との間に所定の検知距離Ｔをあけて配置される。
【００２３】
空洞２５の投光素子２２と対向する面は開口２５ａとなっており、反射型センサ２１の正面においては空洞２５の窓２５ｂ（第１の窓）が開口している。また、投光素子２２から出射して開口２５ａから空洞２５内に入った光が照射する面には、ミラーなどによって反射面２７（第１の反射面）が形成されている。しかして、投光素子２２から反射型センサ２１の正面と平行な方向に出射した光（以下、光の方向をいう場合には、主光線についていう。）は、開口２５ａを通って空洞２５内に入り、反射面２７で正反射（鏡面反射）されて空洞２５から外部へ出射する。ここで、反射面２７は、反射面２７で反射した光が反射型センサ２１の正面に対して所定の照射角θ（θは、２０〜３０°くらいの角度）で出射する角度に設置されている。したがって、反射面２７で反射した後、反射型センサ２１の正面から出射した光は、照射角θで照射面３１に照射される。なお、投光素子２２から出射する光束の広がりは、５〜１０°程度である。
【００２４】
受光素子側の空洞２６も投光素子側の空洞２５と同様である。すなわち、空洞２６の受光素子２３と対向する面は開口２６ａとなっており、反射型センサ２１の正面においては空洞２６の窓２６ｂ（第２の窓）が開口している。また、投光素子２２の光入射側において投光素子２２と対向する位置には、ミラーなどによって反射面２８（第２の反射面）が形成されている。しかして、照射面３１で正反射された光は、θの角度で窓２６ｂから空洞２６内に入り、反射面２８に入射する。反射面２８に入射した光は、反射面２８で正反射（鏡面反射）された後、反射型センサ２１の正面と平行に進み、開口２６ａを通って受光素子２３により受光される。
【００２５】
このケーシング２４は、製造や組立が容易なように左右対称な形状となっている。また、空洞２５、２６の壁面が光と干渉しにくいよう、空洞２５、２６の背面は反射型センサ２１の正面と平行な面となっており、空洞２５、２６内の正面側の傾斜面は照射角θと等しい角度で傾斜している。
【００２６】
このような構造の反射型センサ２１にあっては、投光素子２２から出射して照射面３１に照射する光の光路は、投光側の空洞２５内で折り曲げられている。また、照射面３１で正反射してから受光素子２３に受光される光の光路も、受光側の空洞２６内で折り曲げられている。よって、この反射型センサ２１によれば、投光素子２２と受光素子２３の間の光路長を長くすることができ、検知距離Ｔが変動した時の反射型センサ２１の出力変動を小さくでき、反射型センサ２１による測定を安定させることができる。しかも、投光素子２２から受光素子２３にわたる光路が２箇所で折り返されているので、光路長が長くても反射型センサ２１の外形を小さくすることができる。
【００２７】
なお、特許文献１には、ケーシング内で光路を折り曲げた照明ユニットが開示されている。しかし、この照明ユニットでは、上記反射型センサ２１の反射面２７に相当する部材は光を拡散反射しており、また特許文献１の照明ユニットは照明用の投光素子を有するのみで、受光素子を備えないものである。よって、特許文献１の照明装置は本願発明の反射型センサとは構成が異なるものであり、光路長を長くすることによってセンサの出力変動を小さくできるという本願発明の効果は奏し得ないものである。
【００２８】
（実施形態２）
実施形態１の反射型センサ２１では、たとえば照射角θが小さい場合には、図４（Ａ）に示すように、空洞２５から出射する光が窓２５ｂの縁部で遮られてケラレを生じたり、空洞２６に入ろうとする光が窓２６ｂの縁部で遮られてケラレを生じたりすることがある。
【００２９】
図４（Ｂ）に示すセンサは、本発明の実施形態２による反射型センサ４１の概略断面図である。この反射型センサ４１は、図４（Ａ）のようなケラレを防止するため、空洞２５の窓２５ｂの縁部のうち、中心側の縁部を照射角θとほぼ等しい角度で傾斜した傾斜面２９としている。同様に、空洞２６の窓２６ｂの縁部のうち、中心側の縁部を照射角θとほぼ等しい角度で傾斜した傾斜面３０としている。この反射型センサ４１によれば、窓２５ｂ、２６ｂの縁に傾斜面２９、３０を設けることで光を遮りにくくしているので、反射型センサ４１にケラレが生じにくくなり、反射型センサ４１の感度が低下しにくくなる。
【００３０】
図４（Ａ）のようなケラレを防止するための別な方法としては、中心側で窓２５ｂ、２６ｂの縁部を切り欠いて窓２５ｂ、２６ｂの開口面積を広くすることも考えられる。しかし、窓２５ｂ、２６ｂを広くする方法では、窓２５ｂ、２６ｂから反射型センサ内に外乱光が入り易くなり、反射型センサの信頼性が低下する。これに対し、窓２５ｂ、２６ｂの縁部に傾斜面２９、３０を設ける方法によれば、窓２５ｂ、２６ｂの開口面積が大きくならないので、外乱光が入りにくくなる。
【００３１】
（実施形態３）
また、照射角θがさらに小さくなった場合には、窓２５ｂ、２６ｂの縁部に傾斜面２９、３０を設けてケラレが起こりにくいようにしても、図５（Ａ）のように反射型センサが長くなり、反射型センサの外形が大きくなる。
【００３２】
このような場合には、図５（Ｂ）に示す反射型センサ４２のように、投光方向の前方が正面側へ傾くように投光素子２２を傾け、また受光素子２３に入射する光の入射方向が背面側へ傾くように受光素子２３を傾けるとよい。このように、投光素子２２や受光素子２３の中心軸を照射面３１（反射型センサ４２の正面）に対して傾ければ、投光素子２２や受光素子２３の中心軸が反射型センサの正面と平行となっている場合（図５（Ｂ）に破線で示す。）に比べ、反射型センサ４２の長さを短くして反射型センサ４２をより小型化することができる。
【００３３】
（実施形態４）
図６は本発明の実施形態４による反射型センサ４３を示す概略断面図である。この実施形態では、投光素子２２側でのみ反射面２７によって投光側の光路を折り返してあり、受光素子２３側では、照射面３１で正反射した光を受光素子２３に直接入射させている。
【００３４】
これとは反対に図７のようにしてもよい。図７の変形例では、投光素子２２側では、照射面３１に向けて真っ直ぐに投光素子２２から光を出射させており、受光素子２３側でのみ反射面２８によって受光側の光路を折り返している。
【００３５】
（その他）
なお、上記各実施形態では、１枚の反射面で投光側及び／又は受光側の光路を折り曲げていたが、複数枚の反射面で投光側及び／又は受光側の光路をさらに折り曲げてもよい。たとえば、光路をジグザグに折り曲げてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
２１、４１−４４      反射型センサ
２２      投光素子
２３      受光素子
２４      ケーシング
２５、２６      空洞
２５ａ、２６ａ      開口
２５ｂ      窓（第１の窓）
２６ｂ      窓（第２の窓）
２７      反射面（第１の反射面）
、２８      反射面（第２の反射面）
２９、３０      傾斜面
３１      照射面
θ      照射角
【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】
2014103278.tif 000008
【図７】
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