JP2002195880A - 投光ユニット及び光電センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光手段からの放射光の光量を減衰させずに
反射させて所定方向の幅が拡大されると共に光強度が均
一な平行光を出射する投光ユニット及び光電センサを提
供する。 【解決手段】 光電センサは、コリメートレンズ６及び
反射部材７を備えた投光ユニット、受光ユニット及び遮
光状態検出手段で構成されている。この光電センサにお
いて、反射部材７は、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、複数の分割反射部７ａ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構成され
る。これにより、投光ユニットから出射される第２の平
行光は、光量を減衰させることなく垂直方向に拡大され
ると共に光強度分布が均一になる。

Description

【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７−１１３
６８８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１
０８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１
０８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均一になるように構成されてい
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。

【００１３】請求項２記載の投光ユニットでは、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、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３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２と同様な効果が得られる。

【００１５】請求項４記載の光電センサは、請求項１乃
至３の何れかに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。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１
２ａ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１
５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２
５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、ＬＥ
Ｄ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、本発明の
投光ユニットは、複数の分割反射部の設置間隔が第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。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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均一になるように構成さ
   れていることを特徴とする投光ユニット。
2. 【請求項２】 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
   ことを特徴とする請求項１記載の投光ユニット。
3. 【請求項３】 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
   を特徴とする請求項１記載の投光ユニット。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかに記載の投光ユ
   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。