(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の調整位置にある光学的構成要素（１２、１６）を少なくとも１つ備える光電センサ（１０）の製造方法において、
最初に前記光学的構成要素（１２、１６）が位置決め装置（２４ａ〜ｂ）により所定の調整位置に持ってこられて該位置決め装置（２４ａ〜ｂ）により該所定の調整位置で保持され、続いて３次元印刷工程において、前記光学的構成要素（１２、１６）を前記所定の調整位置で固定する光学系担持体（２８）が該光学的構成要素（１２、１６）の周囲に作製されること、及び
３次元印刷の材料が前記光学的構成要素（１２、１６）を前記所定の調整位置で固定すると、前記位置決め装置（２４ａ〜ｂ）が前記光学的構成要素（１２、１６）を解放すること
を特徴とする方法。
【請求項２】
前記位置決め装置（２４ａ〜ｂ）が、前記光学的構成要素（１２、１６）を所定の調整位置にセットするために位置調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位置決め装置（１２、１６）が専用の駆動手段で位置調節されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記位置決め装置（２４ａ〜ｂ）がロボットにより操作されること又はロボットの一部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記光学系担持体（２８）が前記３次元印刷工程においてケーシングの一部として又はケーシングと共に作製されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記位置決め装置（２４ａ〜ｂ）を用いた所定の調整位置への搬送及び前記３次元印刷工程がセンサの製造ラインにおいて共通の製造ステップとして行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記光学的構成要素が、発光器（１２）、受光器（２０）、発光光学系（１６）又は受光光学系（１６）の少なくとも一部分であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記光学的構成要素（１２、１６）が前記位置決め装置（２４ａ〜ｂ）における保持のため及び／又は前記３次元印刷工程において作製される前記光学系担持体（２８）のための接続領域（３２）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１又は１０のプレアンブルに記載の光電センサの製造方法及び光電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電センサを円滑に機能させるには、その都度の品質要求が満されるように高い信頼性で確実に調整を行わなければならない。通常、光学部品は、該部品を所望の位置及び方向に調整すべく特別に仕様を定めて製造された専用の光学系担持体に収められる。この光学系担持体は、例えば、個々の部品を収容するための高精度の嵌合面を有している。光学部品と同様、光学系担持体も相応に高い精度で製造しなければならない。そうでなければ手動又は自動の調整及び固定プロセスが必要となるが、特別に製造されるセンサに合わせた調整及び固定にはコストがかかる。別の解決策として、設計に自由度を設け、センサの位置調節機能を利用して、最後の取り付けや工場側での校正プロセスにおいて調整を行う。これもまた、位置調節機能を有する設計に一層のコストがかかるだけでなく、その実施のための駆動手段又は人的コストが必要となる。以上のように、これら従来の方法はいずれも調整上の要求によって製造コストが著しく高くなる。
【０００３】
３次元印刷技術は任意の仕様に従った部品を柔軟な製造する上でますます有力になりつつある。しかし、それは光電センサにはまだ利用できない。まだしばらくは、高価な光学部品どころか光学系担持体についてさえ、その要求精度を十分に小さな公差で満たすには至らないであろう。仮にそうなっても、上述の調整はまだ保証されない。なぜなら、後で調整作業を伴う組み立てが必要だからである。つまり、光学的な高精度部品とその取り付け具を相互に且つセンサの他の構成要素と結合させた状態で印刷するという問題提起は、現在利用できる３次元印刷技術にとって何よりもまず完全に過大な要求である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の課題は、センサの光学的構成要素に対する調整上の要求に配慮しつつ、センサの製造を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は請求項１又は１０に記載の光電センサの製造方法及び光電センサにより解決される。本方法により、要求通りに調整された光学的構成要素を有する光電センサが製造される。当該光学的構成要素とは、センサの光路に寄与する光学的構成要素である。大抵の場合、そのような要素は複数あるが、本発明では簡単のためしばしば光学的構成要素が１つだけの場合に基づいて説明を行う。これは本発明を制限することを意味しない。なぜなら、その原理は一般化できるからである。光学的構成要素の幾つかについては無調整又は非常に粗い調整だけで間に合うため調整を行わない、という場合も考えられる。同様に、光学的構成要素の幾つかについては本発明によってではなく冒頭に幾つか挙げたような別の考え方で調整を行うことも可能である。一般に、ケーシングに対する乃至は他の１又は複数の光学的構成要素に対する調整には位置及び向きの６つの自由度を考慮することができるが、１つの特定の光学的構成要素にとって重要な自由度は１つしかない又は重要な自由度は複数あるが全てではない、という場合がほとんどである。
【０００６】
本発明の出発点となる基本的な考え方は、最初に光学的構成要素を位置決め装置により空間内で自由に位置決めするということにある。つまり、従来技術とは異なり、光学的構成要素を所定の取り付け具の中にぴったり配置するものではないため、何ら制約なくそれを調整することができる。これが達成されたら、この調整済みの光学的構成要素を固定する光学系担持体を該光学的構成要素の周囲に３次元印刷で作製する。この固定は永続的なものであり、センサ内でそのまま保たれる。３次元印刷の完了後は光学系担持体と光学的構成要素が一体の部品となる。光学系担持体は、３次元印刷の後でそのまま双方が互いに正しく調整された状態となるように、光学的構成要素の周囲に印刷される。両者は例えば互いに結合されるか、あるいは一体の部品となる。つまり、光学系担持体の作製工程が、光学的構成要素を光学系担持体に填め込む手順を同時に含んでいる。３次元印刷で実行できる範囲内で、光学系担持体に複数のノッチ位置等による調節機能を持たせることもできる。そうすれば、製造が終わって調整済みの状態となった光学的構成要素を後で変化させることも可能である。
【０００７】
本発明には、非常に簡単に且つ低コストで光電センサを製造できるという利点がある。光学的モジュール及び全センサが直ちに動作可能な状態で製造される。特別な、大抵の場合非常に高価な器具（射出成形具等）を用いて、仕様の決まった光学系担持体を製造する必要はない。位置決め装置を固定すれば光学的構成要素用のインターフェイス上で正確な調整が成されるため、３次元印刷の公差は問題とならない。そのとき、光学的構成要素とは反対側で光学系担持体がある程度器具の遊びを示すかどうかは機能上重要ではない。他のセンサ部品から独立して光学的構成要素を空間内で自由に位置決めすることから、正確且つセンサの役割に合わせた調整を行う上で事実上任意の自由度が利用可能である。本発明に係る方法は、開発から製造への移行を従来よりも明らかに迅速且つ容易に行うことを可能とし、また見本の作製や小ロット生産あるいは個別のセンサに非常に適している。
【０００８】
位置決め装置は、光学的構成要素を所定の調整位置にセットするために位置調節されることが好ましい。原理的には、位置決め装置を予め固定的に設定することや、位置決め装置内における光学的構成要素の把持の仕方を変えることにより調節を達成することも考えられる。しかし、位置決め装置自身が調整に必要な自由度を提供するほうがより簡単である。
【０００９】
位置決め装置は専用の駆動手段で位置調節されることが好ましい。つまりこれは、手動でずらす必要がなく、例えば制御装置又はソフトウエアにより所望の場所へ移動可能及び／又は所望の方向へ旋回可能な、能動型の位置決め装置である。
【００１０】
位置決め装置はロボットにより操作されること又はロボットの一部であることが好ましい。ロボット又はロボットアームを用いれば自動プロセスが可能となる。例えば、自動プロセスにおいて、光学的構成要素をストック容器から取り出して調整済みの６次元位置へ持ってくることができるが、その際、前述の通り、全ての自由度が重要ではないのが普通である。この位置決めの間、センサ機能を有効にし、該センサ機能が仕様を満たすまでロボットがその機能を手掛かりとして光学的構成要素の位置を変える、というようにすることもできる。
【００１１】
位置決め装置は３次元印刷の後又はその間に外されることが好ましい。例えば、３次元印刷の材料が光学的構成要素を調整位置で固定したらすぐにロボットがそれを解放する。加えて、３次元印刷工程の材料及びやり方によっては硬化のための待ち時間が必要なこともある。位置決め装置が外された後、最後に光学系担持体を把持領域の向こう側まで仕上げるために別の３次元印刷ステップを設けることも考えられる。
【００１２】
光学系担持体は３次元印刷工程においてケーシングの一部として又はケーシングと共に作製されることが好ましい。つまり、光学系担持体だけでなくケーシングも同時に印刷するのである。そのために、調整対象の光学的構成要素の他、センサの別の部品又は全ての部品も位置決め装置により又は他の方法で３次元印刷の領域内に保持することができる。
【００１３】
位置決め装置を用いた所定の調整位置への搬送及び３次元印刷工程はセンサの製造ラインにおいて共通の製造ステップとして行われることが好ましい。つまり、光学系担持体が予め製造されるのではなく、むしろその製造を担う３次元プリンタが製造ラインに統合され、３次元印刷により光学系担持体と光学的構成要素を調整済みの状態で結合する作業が最終加工の単なる部分ステップとして行われるのである。これは明らかにより高速且つ効果的である。３次元プリンタを備える位置決め装置は事実上、極めて多様なセンサに対応した万能ステーションとなる。なぜなら、３次元印刷の開始時点で光学系担持体が確定していればよいからである。
【００１４】
光学的構成要素は、発光器、受光器、発光光学系又は受光光学系の少なくとも一部分であることが好ましい。これが光学的構成要素の最も重要な例であり、より具体的にはレンズ、鏡、回折光学素子、絞り及び様々なフィルタ（偏光フィルタ、色フィルタ等）が挙げられる。
【００１５】
光学的構成要素は位置決め装置における保持のため及び／又は３次元印刷工程において作製される光学系担持体のための接続領域を備えていることが好ましい。このようにすれば、光学系担持体の３次元印刷の際に光学的構成要素の取り扱い乃至は安定的な結合が容易になる。光学的構成要素は接続領域と共に直接仕様を定めて製造すること、例えばレンズの射出成形時に接続領域を持つ拡張されたレンズとして製造することができる。また、３次元印刷を２ステップに分割して、まず光学的構成要素上に接続領域を印刷し、その次に光学系担持体を印刷することも考えられる。これもまた同じ３次元プリンタで実行できる。原理的には、光学的構成要素を接続領域と一緒に３次元印刷で製造することも考えられるが、そのためには、３次元印刷で高価な光学部品のための十分な精度を達成するという、冒頭で既に挙げた困難を克服する必要がある。
【００１６】
本発明に係るセンサは、光学的構成要素の所定の調整が、３次元印刷工程において該光学的構成要素の周囲に印刷される光学系担持体により達成されることを特徴としている。そのために、特に本発明に係る製造方法の各実施形態を利用することができる。
【００１７】
本発明に係る又は本発明に従って製造されたセンサは、例えば光遮断機、光検知器（特に距離測定型光検知器）、レーザスキャナ、コードリーダ又は１次元から３次元のカメラといった産業用センサであることが好ましい。これらの種類のセンサは、例えば作業領域又はロボットセルの監視のために、プロセスの防護若しくは支援のために、又はベルトコンベアの傍に、固定的に据え付けられて用いられることが多い。
【００１８】
以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】模範的な光電センサの概略図。
【図２】互いに調整された状態で取り付け具により固定すべき２つの光学的構成要素の図であって、両者を位置決めする第１の部分ステップを示す図。
【図３】図２と同様の図であって、調整を確定した状態で３次元印刷により光学的構成要素の周囲に光学系担持体を作製する第２の部分ステップを示す図。
【図４】光学的構成要素の模範例として選ばれたレンズであって、３次元印刷を容易にする接続領域を備えるレンズの正面図（ａ）及び断面図（ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は光電センサ１０の概略図である。同センサにおいて、発光器１２が光信号を送出する。光信号は分割鏡１４を通り抜けた後、レンズ１６により物体１８へと導かれる。拡散反射又は直反射の後、光信号の一部が戻ってきてレンズ１６により収束され、分割鏡１４により受光器２０へ向けて方向転換される。評価ユニット２２が発光器１２及び受光器２０と接続されている。このように、発光器１２を用いて所望の光信号を生成し、それに応じて受光器２０により生成される受光信号を評価することで、例えば物体１８の存在を確認する。
【００２１】
こうして光検知器として構成されたセンサ１０については他にも数多くの構造形式が知られている。例として、分割鏡１４によるオートコリメーションを行わないもの、複数の発光器１２又は受光器２０があるもの、発光及び受光光学系１６が分かれているもの、単純なレンズの代わりに対物レンズを備えるもの、屈折式ではなく反射式又は回折式で作動するもの、追加のフィルタ又は絞りが設けられているもの、あるいは、光伝播時間法又は三角法による距離測定等の様々な評価が行われるものが挙げられる。光検知器とは異なる光電センサとしては、光遮断機、レーザスキャナ、コードリーダ、又は単純なライン走査カメラから３次元カメラまでの各種カメラが挙げられるが、これらに限るものではない。
【００２２】
本発明は特定のセンサの種類や特定の構造形式に限定されない。それより重要なのは、センサを正しく機能させるために該センサ又は他の光学的構成要素に対して調整された位置及び／又は向きになければならないような光学的構成要素が少なくとも１つある、ということだけである。このような光学的構成要素となり得るのは、図１に示した実施例では発光器１０、分割鏡１４、レンズ１６及び／又は発光器２０である。
【００２３】
図２及び３は、光学的構成要素を３次元印刷で作製された光学系担持体と所望の調整位置で固定するという本発明に該当する製造ステップを示している。全ての光学的構成要素をこの方法で調整しなければならないわけではない。幾つかの光学的構成要素を別の方法で調整することも考えられるし、更に別の光学的構成要素については調整が全く不要又は非常に粗い調整で済むこともあり得る。
【００２４】
図２は当該ステップのうち第１の製造ステップを示している。このステップでは２つの光学的構成要素、即ち発光器１２とレンズ１６が対向して位置決めされる。これらの光学的構成要素は単なる模範例と理解すべきであって、レンズ１６に対して受光器２０を、２つ以上の任意の光学的構成要素同士を、又はこれから作製する光学系担持体に対して単一の光学的構成要素を調整して位置決めすることも同様に可能である。
【００２５】
第１の製造ステップでは、所望の相互作用が生じるように、互いに調整すべき光学的構成要素１２、１６が位置決め装置２４ａ〜ｂによって空間内で自由に位置決めされる。図示した例では一方の光学的構成要素１２が位置決め装置の固定部２４ａにより保持され、他方の光学的構成要素１６だけが動かされる。光学的構成要素１２、１６の相対位置だけが重要である場合はこれで十分であり、位置決め装置２４ａ〜ｂも簡単なもので済む。別の実施形態として、両方の光学的構成要素１６を動かすために固定部２４ａを取り替えてもよい。
【００２６】
光学的構成要素１６を動かすために、位置決め装置の可動部２４ｂは例えばロボットアームから成るが、他の電気的に位置調節可能な運動や機械的な運動も考えられる。可動部２４ｂが平行移動及び回転の６つの全自由度において運動の自由を持つことが軸システム２６により表されている。実際にはこれらの自由度の一部だけ（例えば、距離調節のために光学的構成要素１２、１６間の軸上での平行移動の自由度だけ）が必要ということも多い。その場合、位置決め装置の可動部２４ｂは相応に簡素なもので足りる。
【００２７】
いつ運動が終わるか、つまりいつ光学的構成要素１２、１６が要求された位置にあるかについては様々な判定基準があり得る。位置決め装置２４ａ〜ｂの測量値が非常に高精度であるため予め決めた固定位置への移動だけで十分である、という場合も考えられる。しかし大抵の場合、やはり何らかの形のフィードバックが入る。これは、カメラ又は操作者による予定位置との比較により行うことができる。特に正確な調整結果を得るには、調整すべき光路を動作状態にし、所望の結果が出るかどうか検査する必要がある。図２の例では、そのために発光器１２を点灯し、レンズ１６の背後の光スポットを制御すればよい。
【００２８】
模範例として説明したいずれかの方法又は他の方法で光学的構成要素１２、１６が位置決め装置２４ａ〜ｂによって所望の調整状態になったところで第１の製造ステップは終了する。
【００２９】
図３はそれに続く第２の製造ステップを示している。位置決め装置２４ａ〜ｂは先に到達した位置で固定されており、光学的構成要素１２、１６を所望の調整状態で保持している。そして、図を見やすくするために省略された３次元プリンタによる３次元印刷工程において、光学系担持体２８が光学的構成要素１２、１６の周囲に形成され、該担持体が光学的構成要素１２、１６を先に達成された調整状態で固定する。図３中の縞模様は基層３０（例えば作業台）の上で３次元印刷工程により層が形成されることを示しているが、これによって特別な３次元印刷工程が決まるものではない。
【００３０】
光学的構成要素１２、１６が十分に固定され次第、それらを位置決め装置２４ａ〜ｂから解放することができる。把持接触箇所のせいで３次元印刷ができなくなったらその後でようやく３次元印刷を終了する、ということも考えられる。また、光学系担持体２８の材料が冷却又は硬化するように、３次元印刷の間又はその後に待ち時間を設けてもよい。
【００３１】
３次元印刷は光学系担持体２８に限られるものではなく、光学系担持体２８を有するより大きなモジュールやケーシング全体を印刷することもできる。また、当然のことながら、模範例として示した２つの光学的構成要素１２、１６よりも多数又は少数の構成要素を調整位置に保持することもできる。他方、３次元印刷の公差で十分に調整できるような部品のための収容部だけを印刷し、その部品を後から填め込むことも可能である。また、例えば電動モータを結束したり、拡張カード全体又は他のセンサ構成要素を固定したりする等、非光学的構成要素も３次元印刷で包むことができる。
【００３２】
図４は３次元印刷用の支援手段として考え得るものを示している。そのうち、図４（ａ）は光学的構成要素の例であるレンズ１６の正面図、図４（ｂ）はその断面図であるが、当然ながらこの例は置き換え可能である。この実施形態ではレンズ１６が「耳部」又は接続領域３２を備えている。接続領域３２は位置決め装置２４ａ〜ｂがレンズ１６を把持して３次元印刷の間安定的に所望の調整状態で固定することを容易にする。更に、該領域により、レンズ１６と印刷される光学系担持体２８との結束をより良好にすることができる。接続領域３２は、例えば射出成形時にレンズ１６と一体成形してもよいし、レンズ１６と接続領域３２を組み立ててもよい。その際、特別に高い精度は必要ない。なぜなら、重要なのはレンズ１６と接続領域３２の相互の調整ではなく、最初に位置決め装置２４ａ〜ｂによって自由に位置決めできるレンズ１６の調整を効果的に行うことだからである。
【００３３】
位置決め装置２４ａ〜ｂ（例えばロボット）は、３次元プリンタと共同して、様々な調整済みの光学的モジュールを直ちに動作可能な状態で作製する一種の万能ステーションとなる。特に有利なのは、位置決めと３次元印刷を用いる本発明の製造プロセスは製造ラインの中で直接実行できるということである。光学系担持体２８を予め製造しておく従来の方法に比べて製造が大幅に高速化される。加えて、非常に簡単且つ低コストであらゆる所望の調整が確実に行われる。更に、極めて多様なセンサのバリエーション又はセンサの種類に対してさえ製造ラインが非常に柔軟に対応できる。これにより、小ロット及び極小ロット生産あるいは個別仕様のセンサでさえ効率的に製造可能である。また、本方法は試作品の製作にも適しており、開発過程及び開発から大量生産への移行が明らかに速くなる。
【図１】
0006602801.tif 000002
【図２】
0006602801.tif 000003
【図３】
0006602801.tif 000004
【図４】
0006602801.tif 000005