(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光手段から放射され、放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくなる放射光をコリメートレンズにて平行化し、この平行化により形成された第１の平行光を反射部材にて反射させることにより前記第１の平行光よりも所定方向の幅を拡大させた第２の平行光を出射する投光ユニットにおいて、
前記反射部材は、前記第１の平行光を分割して反射させる複数の分割反射部を段階的に並べることにより構成され、
前記各分割反射部の配置間隔は、前記第１の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるように設定されていることを特徴とする投光ユニット。
【請求項２】
発光手段から放射され、放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくなる放射光をコリメートレンズにて平行化し、この平行化により形成された第１の平行光を反射部材にて反射させることにより前記第１の平行光よりも所定方向の幅を拡大させた第２の平行光を出射する投光ユニットにおいて、
前記反射部材は、前記第１の平行光を分割して反射させる複数の分割反射部を段階的に並べることにより構成され、
前記各分割反射部の面積は、前記第１の平行光の光軸から離れるに従って大きくなるように設定されていることを特徴とする投光ユニット。
【請求項３】
請求項１または２記載の投光ユニットと、
この投光ユニットから出射される前記第２の平行光を集光レンズにて集光し、この集光光を受光手段にて受光する受光ユニットと、
前記受光手段が受光する前記第２の平行光の領域を矩形スリット状に規制するスリット手段と、
前記受光ユニットにより受光される受光量に基づいて、前記投光ユニット及び前記受光ユニット間に形成される測定用光路の遮光状態を検出する遮光状態検出手段とを具備することを特徴とする光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平行光を送受する測定用光路上に位置する被検出物体による遮光状態を検出することにより、被検出物体の位置や寸法等を測定するのに好適する投光ユニット及び光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、平行光を送受する測定用光路上に被検出物体が置かれた場合の遮光状態を検出することに基づいて、この被検出物体の位置や寸法等を測定する光電センサがある。例えば図５は、特開平７−１１３６８８号公報に開示された光電センサを物体の高さ寸法を測定するための光電センサ１００に適用した場合の構成を示すものであり、特に、反射部材を用いて平行光を所定方向に拡大するように構成されている。
【０００３】
図５において、投光ユニット１０１は、図示しないＬＥＤ光源から出射されるＬＥＤ光を伝搬する光ファイバ１０２が挿入装着され、内部にコリメートレンズ１０３と反射部材１０４とが透明樹脂により一体成型された光学部材１０５が装着されて構成されている。この光学部材１０５の反射部材１０４は、図６（ａ）に示すように、入射する第１の平行光（後述）の進行方向に対して反射角度が９０°に設定された複数の同形状の分割反射部１０６が等間隔で段階的に配置されて構成されている。そして、光ファイバ１０２端面から出射されるＬＥＤ光が光学部材１０５のコリメートレンズ１０３にて平行化されて第１の平行光として出射され、この第１の平行光が反射部材１０４にて反射され、第１の平行光よりも所定方向に拡大した第２の平行光として開口部１０１ａから出射されるようになっている。
【０００４】
図５に戻って、受光ユニット１０７には、矩形状に開口されたスリット１０８、集光レンズ１０９及びフォトダイオード１１０が設けられており、前記第２の平行光のうちスリット１０８を通過したものが集光レンズ１０９により集光された状態で、フォトダイオード１１０にて受光され、このフォトダイオード１１０から受光量の大きさに応じて光電変換された電気信号が出力される。
【０００５】
図示しない信号処理部は、マイクロコンピュータを主体とした電気回路で構成されており、受光量と被検出物体の高さ寸法との相対関係が予めデータ化されて記録されている。そして、前記電気信号に基づいてフォトダイオード１１０での受光量が検出され、この受光量と前記データとを比較することに基づいて被検出物体の高さ寸法の測定が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光ファイバ１０２端面から出射されるＬＥＤ光の光強度分布は、図７に示すように、光軸付近ほど大きく、放射角が広がるに従って小さくなるような不均一なものである。そのため、コリメートレンズ１０３にて平行化された第１の平行光の光強度分布も、図６（ｂ）に示すように、その光軸から離れるに従って小さくなるような不均一なものとなる。
【０００７】
この場合、反射部材１０４の各分割反射部１０６にて反射される第２の平行光は、第１の平行光に比べて所定方向には拡大されるが、反射部材１０４近傍での光強度分布は、図６（ｃ）に示すように、光強度の極大部が等間隔で並び、更に光軸から離れるに従って極大部の光強度が小さくなるような不均一なものとなる。そして、この第２の平行光は投光ユニット１０１の開口部１０１ａから出射されるまでに第１の平行光の僅少な広がりや散乱等の影響を受けて光強度分布が滑らかになるものの、開口部１０１ａ近傍での光強度分布は、第１の平行光と同様にして、図６（ｄ）に示すように、光軸から離れるに従って小さくなるような不均一なままである。
【０００８】
このような光電センサ１００では、第２の平行光の光軸に垂直な面における単位面積当たりの光量が不均一なために、被検出物体の高さ方向の変化率と被検出物体により遮光されてスリット１０８を通過しなくなる光量の割合（遮光率）とが比例関係にならず、フォトダイオード１１０での受光量と遮光率とが比例関係でなくなり、高さ寸法の測定精度が低下してしまうという問題が発生していた。
【０００９】
また、特開平７−１４６１１５号公報に開示された光電センサでは、図示はしないが、第２の平行光のうちの光強度分布が略均一となる光軸付近の光のみを測定光路上に出射するような構成にしている。これを前記光電センサ１００に適用した場合には、スリット１０８を通過する第２の平行光の光軸から離れた位置での光強度分布の減少率がなだらかになり、光軸に垂直な面における単位面積当たりの光量が略均一になるので、被検出物体の高さ方向の変化率と遮光率とを略比例関係にすることができ、従って、フォトダイオード１１０での受光量と遮光率とが略比例関係になり、高さ寸法の測定精度を向上させることができるように思われる。
【００１０】
しかしながら、この場合にも、スリット１０８を通過する第２の平行光の光強度差は小さくなるが、光軸から離れるに従って小さくなるという関係は解消されていないので、被検出物体の高さ方向の変化率と遮光率とが完全に比例関係にはならないという問題があった。しかも、第１の平行光の端部の光は測定に使用されないため、測定に使用される第２の平行光の光量は発光手段から出射される放射光を減衰させたものとなり、そのためフォトダイオード１１０での受光量が低減し、ＳＮ比を低下させてしまうという問題も発生していた。
【００１１】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、従ってその目的は、発光手段から出射される放射光の光量を減衰させることなく反射させて、所定方向の幅を拡大すると共に光強度分布が均一な平行光を出射することができる投光ユニット、及び、この投光ユニットを備えた光電センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の投光ユニットは、光軸上に位置する発光手段から放射され、放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくなる放射光をコリメートレンズにて平行化し、この平行化により形成された第１の平行光を反射部材にて反射させることにより前記第１の平行光よりも所定方向の幅を拡大させた第２の平行光を出射する投光ユニットにおいて、前記反射部材は、前記第１の平行光を分割して反射させる複数の分割反射部を段階的に並べることにより構成され、前記各分割反射部の配置間隔は、前記第１の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、第１の平行光の光量を減衰させることなく大きな強度を維持した状態で光強度分布が均一な第２の平行光を出射することができるので、第２の平行光における所定方向の遮光寸法と第２の平行光の減少光量とを比例関係にすることができる。
しかも、複数の分割反射部の配置間隔及び反射角度を任意に変えることにより、第２の平行光の光強度分布を均一に維持したまま、第２の平行光の幅の拡大率及び出射方向を任意に設定することができる。
【００１４】
請求項２記載の光電センサでは、前記反射部材は、前記第１の平行光を分割して反射させる複数の分割反射部を段階的に並べることにより構成され、前記各分割反射部の面積は、前記第１の平行光の光軸から離れるに従って大きくなるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によっても、複数の分割反射部の面積及び反射角度を任意に変えることにより、請求項１と同様な効果が得られる。
【００１５】
請求項３記載の光電センサは、請求項１または２記載の投光ユニットと、この投光ユニットから出射される前記第２の平行光を集光レンズにて集光し、この集光光を受光手段にて受光する受光ユニットと、前記受光手段が受光する前記第２の平行光の領域を矩形スリット状に規制するスリット手段と、前記受光ユニットにより受光される受光量に基づいて、前記投光ユニット及び前記受光ユニット間に形成される測定用光路の遮光状態を検出する遮光状態検出手段とを具備することを特徴とする。
このような構成によれば、投光ユニットから光強度分布が均一な第２の平行光が出射されるので、測定用光路の遮光率と受光手段での受光量とを比例関係にすることができ、遮光状態の測定精度を向上させることができる。しかも、この第２の平行光の光強度は十分大きいので、ＳＮ比を向上させることができる。また、この第２の平行光の幅は第１の平行光に比べて拡大されているので、測定範囲を大きくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［一実施の形態］
以下、本発明の光電センサを被検出物体の高さ寸法を測定する光電センサに適用した一実施例について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１７】
図２は、光電センサ１の構成を示すものである。この図２において、高さの異なる被検出物体を流すためのライン２側部には、次のようにして光電センサ１が設置されている。
【００１８】
まず、ライン２の一方の側部には箱状のケース３が設置されており、このケース３の上面部３ａには円形状の開口部４が設けられ、この開口部４には、光ファイバ５の端面がケース内部に位置するようにして光ファイバ５が挿入装着されている。この光ファイバ５は、図示しないＬＥＤ光源から出射されるＬＥＤ光を伝搬するためのものであり、これらＬＥＤ光源と光ファイバとで発光手段が構成されている。
【００１９】
また、ケース３内には、コリメートレンズ６と反射部材７とが透明樹脂により一体成型された光学部材８（後述）が配設されている。この光学部材８は、コリメートレンズ６の中心部が光ファイバ５端面から出射される放射光たるＬＥＤ光の光軸に位置するように位置決めされている。そして、反射部材７は、図１（ａ）に示すように、入射する第１の平行光（後述）の進行方向に対して反射角が９０°に設定された複数の同ピッチの分割反射部７ａが段階的に配置されて構成されている。尚、このピッチとは、分割反射部７ａが第１の平行光を反射させる部分の長さのことである。また、これら分割反射部７ａの第１の平行光と平行な方向に対して垂直な配置間隔は、出射口９から出射される第２の平行光（後述）の光量がその光軸に垂直な面の単位面積当たりにおいて均一になるように、第１の平行光の光強度分布に応じて、第１の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるように設定されている。また、コリメートレンズ６及びの出射口９の表面には、反射防止膜が施されている。
【００２０】
図２に戻って、ケース３のライン２側に対向する正面部３ｃには開口部１０が設けられている。そして、光ファイバ５端面から出射されるＬＥＤ光は、コリメートレンズ６にて平行化されて第１の平行光として出射され、この第１の平行光が反射部材７にて反射され、開口部１０からライン２側に向かって、第１の平行光よりも垂直方向に幅が拡大された第２の平行光として出射されるようになっている。このようにして、これら発光手段及び光学部材８で投光ユニット１１が構成されている。
【００２１】
次に、ライン２の投光ユニット１１に対向するもう一方の側部には矩形状のケース１２が設置されており、このケース１２のライン２に対向する正面部１２ａには、長手方向が垂直方向を指向し、第２の平行光の光軸に中心部が位置するようにして矩形状に開口されたスリット手段たるスリット１３が形成されている。
【００２２】
更に、前記光軸の延長上には、夫々中心部が位置するようにして、ケース１２内部に表面に反射防止膜が施された集光レンズ１４が配置され、更にこの集光レンズ１４の焦点位置には受光手段たるフォトダイオード１５が装着されている。
【００２３】
そして、フォトダイオード１５では、スリット１３を通過した第２の平行光が全て集光され、この集光光の光強度分布に応じて光電変換された電気信号が出力されるようになっている。このようにして、これらスリット１３、集光レンズ１４及びフォトダイオード１５で受光ユニット１６が構成されている。
【００２４】
遮光状態検出手段たる遮光状態検出回路は、図示はしないが、マイクロコンピュータを主体とした電気回路で構成されており、フォトダイオード１５から受信する電気信号に基づいて、被検出物体の高さ寸法の測定が行われる。そして、測定された被検出物体の高さに関する情報は、図示しないライン管理装置に送信され、被検出物体の区分等の制御に使用される。以上のようにして、投光ユニット１１、受光ユニット１６及び遮光状態検出回路で光電センサ１が構成されている。
【００２５】
＜光学部材８の作用説明＞
次に、光学部材８の作用について説明する。
光ファイバ５端面から出射されるＬＥＤ光の光強度分布は、図７に示したように、光軸ほど大きく、放射角が大きくなるに従って小さくなるような不均一なものであり、そのため、コリメートレンズ６にて平行化される第１の平行光の光強度分布も、図１（ｂ）に示すように、その光軸から離れるに従って小さくなるような不均一なものとなる。
【００２６】
ところで、反射部材７の各分割反射部７ａの配置間隔は、前述したように、出射口９から出射される第２の平行光の光量がその光軸に垂直な面の単位面積当たりにおいて均一になるように、第１の平行光の光強度分布に応じて、第２の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるように設定されている。そのため、反射部材７近傍での第２の平行光の光強度分布は、図１（ｃ）に示すように、光強度の極大部が光軸から離れるに従って小さくなるものの、極大部の間隔が密になるようなものとなる。
【００２７】
そして、この第２の平行光は、投光ユニット１１の開口部１０から出射されるまでに第１の平行光の僅少な広がりや散乱等の影響を受けて均一化され、開口部１０近傍での光強度分布は、図１（ｄ）に示すように、光軸から周縁に至るまで均一なものとなる。即ち、投光ユニット１１から出射される第２の平行光は、その光軸に垂直な面の単位面積当たりの光量が均一になる。
【００２８】
＜光電センサ１の作用説明＞
次に、光電センサ１の作用について説明する。
投光ユニット１１の開口部１０から出射される第２の平行光は、ライン２上に測定用光路を形成しながら受光ユニット１６のスリット１３に向かって照射される。そして、スリット１３と同幅の第２の平行光のみがスリット１３を通過し、集光レンズ１４にて集光され、この集光光がフォトダイオード１５にて受光される。続いて、フォトダイオード１５では、集光光の光強度に応じて光電変換された電気信号が、遮光状態検出回路に出力される。
【００２９】
遮光状態検出回路では、受信した電気信号に基づいて、フォトダイオード１５での受光量の検出が行われる。この場合、第２の平行光の光強度分布がその光軸に垂直な面において均一であるために、フォトダイオード１５での受光量は、測定光路中を被検出物体が通過する際にその被検出物体の高さに応じて遮光される光量の割合（遮光率）に比例する。そして、遮光されない状態（スリット１３に第２の平行光が１００％入射される状態）で検出される受光量の受光率を１００％とし、被検出物体により遮光される場合に検出される受光率を求めることにより、被検出物体の高さ寸法の測定が行われる。
【００３０】
このように本実施例では、複数の分割反射部７ａを段階的に配置する際に、出射口９から出射される第２の平行光の光量がその光軸に垂直な面の単位面積当たりにおいて均一になるように、第１の平行光の光強度分布に応じて、その配置間隔が第２の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるようにして反射部材７を構成するようにしたので、第２の平行光における垂直方向の遮光寸法と第２の平行光の減少光量とを比例関係にすることができる。
【００３１】
これにより、測定用光路の遮光率とフォトダイオード１５での受光量とを比例関係にすることができ、被検出物体の高さ寸法の測定精度を向上させることができる。しかも、この第２の平行光の光強度は十分大きいので、ＳＮ比を向上させることができる。また、この第２の平行光の径は第１の平行光に比べて拡大されているので、測定範囲を大きくすることができる。
【００３２】
尚、本実施例では、分割反射部７ａの反射角度を９０°に設定したが、これに限定されるものではなく、反射角度を任意に設定することにより、第２の平行光の出射方向を任意に設定してもよい。更に、第１の平行光に対する第２の平行光における所定方向の幅の拡大率を変える場合には、各分割反射部７ａのピッチを変えればよい。
【００３３】
［他の実施の形態］
さて、光学部材は、本実施例で示したものに限定されるものではなく、次のような変形も可能である。
【００３４】
図３は、本実施例の光学部材８と同様にして、コリメートレンズ２０と反射部材２１とが一体成型された光学部材２２の構成を示すものである。但し、この光学部材２２の反射部材２１は、本実施例のような各分割反射部７ａ間が第１の平行光の光軸に対して平行な面で形成されているのとは異なり、前記光軸に対して各分割反射部２１ａの一部が重なるようにして鋸刃のように段階的に配置されて構成されている。そして、このような構成によっても、本実施例と同様の効果が得られる。
【００３５】
また、図４は、コリメートレンズ２３と反射部材２４とが個別に設けられて形成された光学部材２５の構成を示すものである。この光学部材の分割反射部２４ａは、本実施例と同様にして段階的に構成されており、その表面には金属蒸着が施されている。そして、このような構成によっても、本実施例と同様の効果が得られる。また、発光手段に応じてコリメートレンズ２３の例えば径を変える必要が生じた場合には、コリメートレンズ２３と反射部材２４とが個別に設けられているので、コリメートレンズ２３だけ変えればよく、反射部材２４は同じ物が使用でき、光学部材２５の製造過程における経済性を向上させることができる。
【００３６】
更に、図示はしないが、反射部材は、分割反射部の配置間隔を本実施例のように第１の平行光の光軸から離れるに従って小さくする代わりに、分割反射部の面積（第１の平行光を反射する部分の面積）を第１の平行光の光軸から離れるに従って大きくするように構成してもよく（請求項２記載の発明）、これら分割反射部の配置間隔及び面積の両方の調整を兼ねるように構成してもよい。そして、このような構成によっても、本実施例と同様の効果が得られる。
【００３７】
尚、本発明は、上記し、且つ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
本発明の実施例では、各分割反射部の大きさを同一としたが、これに限定されるものではなく、第１の平行光の光強度分布に応じて大きさを変えてもよい。
【００３８】
本発明の実施例では、発光手段として光ファイバ端面からＬＥＤ光を出射するＬＥＤ光源に適用したが、これに限定されるものではなく、ＬＥＤ光源からＬＥＤ光を直接出射する構成としてもよい。また、ＬＥＤ光源の代わりに、例えばレーザ光源や一般的な電球等を適用してもよく、要は、放射角が大きくなるに従って光強度分布が小さくなる放射光を出射するものであればよい。
【００３９】
本発明の実施例では、受光手段をフォトダイオードに適用したが、これに限定されるものではなく、例えば１次元受光素子や２次元受光素子に適用してもよい。この場合、これらの受光素子自身がスリット手段の機能を備えているので、スリットを省略することができる。また、例えば集光レンズによる集光光を光ファイバで一端受け、この光ファイバにより伝搬された光を受光素子で受光するようにして受光手段を構成してもよい。更に、本実施例では、光電センサとして高さ寸法を測定するものに適用したが、前記のように受光手段を選択することによって、被検出物体を測長したり、被検出物体の２次元的な形状認識を測定するものに適用してもよい。
【００４０】
本発明の実施例では、受光ユニットへ第２の平行光が入射する位置にスリットを設けたが、これに限定されるものではなく、発光手段と受光手段との間に形成される光路上であればどの位置に設けてもよい。また、スリットは必要に応じて設ければよく、要は、フォトダイオードにて受光される第２の平行光の領域が矩形スリット状に規制されるように光電センサの光学系が設定されていればよい。
【００４１】
本発明の実施例では、第２の平行光の径を垂直方向に拡大するようにしたが、これに限定されるものではなく、反射部材の分割反射部を２次元的に配置させることにより、垂直方向及び水平方向に２次元的に拡大するようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の投光ユニットは、複数の分割反射部の配置間隔が第１の平行光の光軸から離れるに従って小さくなるようにして反射部材を構成し、また、請求項２の投光ユニットは、複数の分割反射部の面積が第１の平行光の光軸から離れるに従って大きくなるように構成したので、発光手段から出射される放射光の光量を減衰させることなく大きな光強度を維持した状態で、第２の平行光における垂直方向の遮光寸法と第２の平行光の減少光量とを比例関係にすることができる。そして、この投光ユニット、受光ユニット及び遮光状態検出手段で光電センサを構成することにより、遮光率と受光手段での受光量とを比例関係にすることができ、遮光状態の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す光学部材の光学的構成図
【図２】光電センサの構成図
【図３】本発明の他の実施の形態を示す図１相当図
【図４】図１相当図
【図５】従来例を示す図２相当図
【図６】図１相当図
【図７】光ファイバ端面から出射されるＬＥＤ光の光強度分布図
【符号の説明】
図面中、１は光電センサ、５は光ファイバ（発光手段）、６，２０，２３はコリメートレンズ、７，２１，２４は反射部材、７ａ，２１ａ，２４ａは分割反射部、８，２２，２５は光学部材、１１は投光ユニット、１３はスリット（スリット手段）、１４は集光レンズ、１５はフォトダイオード（受光手段）、１６は受光ユニットを示す。
【図１】
0003593030.tif 000002
【図２】
0003593030.tif 000003
【図３】
0003593030.tif 000004
【図４】
0003593030.tif 000005
【図５】
0003593030.tif 000006
【図６】
0003593030.tif 000007
【図７】
0003593030.tif 000008