JP2004071366A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】長距離タイプの光電センサにおいて、投光ビームに関する様々な面からの設定自由度を向上させること。
【解決手段】検出対象領域に向けて検出媒体光を投光する投光部と、前記検出対象領域からの反射光又は透過光を受光する受光部とを一体に又は別体に有し、前記投光部には、検出媒体光を生成する光源と、該光源からの検出媒体光を平行化若しくは集光して、前記検出対象領域にビームスポット若しくは集光点を形成するための投光レンズとが含まれており、さらに前記投光部には、投光部から検出対象領域に向けて投光される検出媒体光の光軸偏角を微調整可能な偏角調整手段が含まれている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、投受光を媒介として対象物の検出を行う光電センサに係り、特に、投光部から発せられる検出媒体光（投光ビーム）に関する光学的な設定自由度を向上させた光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開２００１−２６４４５３号公報等には、工場の生産ライン等で物体の有無を検出するための長距離タイプの光電センサが開示されている。この種の光電センサは、一般に、センサヘッドユニットとアンプユニットとを有するアンプ分離型として構成される。センサヘッドユニットには、例えばセンサ前方７０±１５ｍｍ離れた位置でのスポット径５０μｍを実現した極小スポット反射型、例えばセンサ前方１ｍ離れた位置までスポット径約１．５ｍｍを実現し、これを反射鏡を介してセンサヘッドへ戻すようにした直線光回帰型、例えばセンサ前方３００ｍｍ離れた位置でエリア幅約７０ｍｍとなる断面ライン状のビームを実現した長距離エリア反射型等々のように、検出仕様の異なる様々なタイプの製品がラインアップされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の長距離タイプの光電センサにおいて、正確な物体検出を行うためには、検出媒体光である投光ビームをその時々の検出対象に合わせた最適な状態に設定しなければならない。しかし、この投光ビームの設定に関しては、従前より様々な問題点が指摘されている。
【０００４】
その第１は、投光ビームに関する光軸偏角の問題である。実際の製品において、投光ビームの偏角は、精度の良いもので±２度、悪いものになると±５度程度は存在するのが通例である。ここで、投光ビームの光軸が２度ずれると、３００ｍｍ前方では１０ｍｍの光軸ずれとして現れる。光軸偏角が存在する原因は、主として、投光レンズと投光素子（光源）との間における偏心であり、これをなくすためには、センサヘッドの各構成部品に対する要求精度を著しく高める必要があり、コストの面からは実現が困難である。したがって、センサの据付に際して、センサヘッドケースと支持部材との間の位置決め精度を如何に向上させたとしても、センサヘッドそれ自体が投光ビームに関して光軸偏角を有する以上、投光ビームの光軸を正しい方向へ向けることは困難である。そのため、実際の取付現場では、センサヘッドケースと支持部材との間に角度及び位置調整機構を介在させることが必要となり、コストアップと共に据付作業が面倒であると言った問題点が指摘されている。殊に、この種の長距離タイプの光電センサにおける据付時の光軸調整範囲は微妙であるため、自在に角度変更が可能でしかも角度調整された状態で確実に固定できる角度調整機構を実現することはなかなか困難であり、せっかく角度調整が完了したにも拘わらず、固定の際のネジ止め時に締め付け応力で再度光軸ズレが生じてしまうと言った不都合が生じがちであった。
【０００５】
その第２は、センサヘッドケース内の構成部品については、殆ど変わりがないにも拘わらず、投光ビームの形状仕様（収束光線、拡散光線、スリット光等）が異なれば、それに合わせてその都度別のセンサ製品を購入せねばならず、その分だけユーザに負担をかけると共に、メーカ側にも、センサ製品種別が増すことは製造コスト並びに製品管理の面からもコストアップが招来されると言う問題である。
【０００６】
この発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、この種の長距離タイプの光電センサにおいて、投光ビームに関する様々な面からの設定自由度を向上させることにある。
【０００７】
この発明のより具体的な１つの目的は、センサヘッドケースは固定したままであっても、投光ビームの光軸偏角を微調整できるようにした光電センサを提供することにある。
【０００８】
この発明のより具体的な他の１つの目的は、センサヘッドケースそれ自体は共通に維持しつつも、投光ビームの形状を自在に設定可能とした光電センサを提供することにある。
【０００９】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照されることにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の光電センサは、検出対象領域に向けて検出媒体光を投光する投光部と、前記検出対象領域からの反射光又は透過光を受光する受光部とを一体に又は別体に有する。ここで、『一体に』とあるのは、反射型光電センサを意図したものであり、『別体に』とあるのは、透過型光電センサを意図したものである。
【００１１】
前記投光部には、検出媒体光を生成する光源と、該光源からの検出媒体光を平行化若しくは集光して前記検出対象領域にビームスポット若しくは集光点を形成するための投光レンズとが含まれている。ここで、集光点形成のためには、『光源』としてレーザ光源を採用するのが好ましいが、これに限定されるものではない。『平行化』には、完全な平行光を形成する場合だけではなく、検出対象領域で広がり過ぎることなくビームスポットが形成可能な程度の発散光を形成する場合（ほぼ平行化）も含まれる。
【００１２】
さらに、前記投光部には、投光部から検出対象領域に向けて投光される検出媒体光の光軸偏角を微調整可能な偏角調整手段が含まれている。
【００１３】
このような構成によれば、投光レンズと投光素子（光源）との間における偏心などを原因として、投光ビームの光軸偏角が存在したとしても、検出媒体光（投光ビーム）の光軸偏角を微調整可能な偏角調整手段が含まれているため、この偏角調整手段を使用して光軸偏角を微調整することにより、製品自体の有する光軸偏角を修正することができる。加えて、本発明によれば、現場において据付完了後にあっても、投光ビームの光軸偏角を微調整可能であるから、しっかりと光軸合わせを行って据え付けたつもりであっても、据付時のねじ止め応力によって光軸ずれが発生したような場合にも、この偏角調整手段を用いて、再度据付けをやり直すことなく、光軸合わせを行うことができる。従って、本発明によれば、従前のように、センサヘッドと支持部材との間に角度調整機構を別途顧客側で用意することなく、据付作業を簡単に行うことができ、ユーザ側で特別な取付治具や角度調整機構が不要となるため、コストダウンにも寄与することとなる。
【００１４】
本発明の光電センサにおける前記偏角調整手段としては、平面な検出媒体光入射面と出射面とを有し、前記検出媒体光に対する配置状態変化に基づき検出媒体光の入射角を変化させるガラス等の透過性媒質を採用することができる。
【００１５】
好ましくは、本発明の光電センサにおける前記偏角調整手段としては、前記光源と前記投光レンズとの間の光路中（非平行光束となる）に介在され、かつ該光路と直交する軸の回りに回転可能に支持された平行平面ガラスが採用される。ここで、『平行平面ガラス』とは、均一な一定の厚さを有し、かつ両面が互いに平行なガラス板のことである。
【００１６】
このような構成によれば、平行平面ガラスは光源と投光レンズとの間の光路と直交する軸の回りに回転可能に支持されているので、平行平面ガラスが回転すると、平行平面ガラスに対する入射角が変化する結果、スネルの法則に従って、入射点並びに出射点において光路が折れ曲がり、出射側から見た場合には、光源の位置が光軸と直交する方向へと僅かに移動することとなる。その結果、検出対象領域における集光点も、上述した仮想的な光源の移動に従って、僅かにずれることとなり、投光ビームの光軸偏角の微調整が行われることとなる。このとき、平行平面ガラスの回転に伴う仮想的な光源の移動量は極めて僅かであるから、平行平面ガラスの回転に対する光軸偏角の調整量は極めて緩慢なものとなり、微調整を高精度で行うことができる。尚、平行平面ガラスの厚みを薄くすれば、その調整量はより緩慢なものとなるため、この厚み調整によって、用途に合わせた適切なものとすることもできる。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記光源と前記投光レンズとが光学ベースに一体的に固定され、かつ前記平行平面ガラスがガラスホルダを介して光学ベースに回転可能に支持され、さらに前記ガラスホルダには回転操作用のボリューム操作子が設けられている。
【００１８】
このような構成によれば、ボリューム操作子を回転させる操作を通じて、直接的に平行平面ガラスを回転させることができ、これに伴い光源から投光レンズへ至る光路を適宜折り曲げつつ仮想的に光源の位置をずらすことによって、目的とする光軸偏角の微調整をなすことができる。加えて、光源、投光レンズ、並びにガラスホルダを共通の光学ベースに搭載することによって、光学的な位置合わせが容易であると共に、光学部品を一体化することによって様々な製作上の利点も得られることとなる。このとき、ガラスホルダをゴム等の緩衝材を介して光学ベースに回転可能に支持すれば、衝撃や振動に対して、平行平面ガラスがぶれて、検出対象領域における集光点が変動する虞れを回避することができる。
【００１９】
上述した本発明の光電センサにおいては、前記投光レンズから出射される光線の集光点距離調整を行うための光芒調整手段をさらに有するようにしてもよい。
【００２０】
例えば、上述の平行平面ガラスを利用した光軸偏角の微調整によれば、光軸偏角の変動と共に光路長の変動も生じて、集光点の位置すなわち集光位置がずれたり、ビームスポットの大きさが変化する虞れがある。このような場合にあっても、光芒調整手段を備えていれば、光軸偏角調整後に、光芒調整手段により集光点の距離調整を行えば、検出対象物にぴったりとピントを合わせた状態若しくは所望のビームスポットの大きさで光軸偏角の微調整を行うことが可能となり、使い勝手を向上することができる。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態にあっては、前記光芒調整手段が、前記投光レンズをその光軸に沿って進退自在に支持するボールねじ機構を含んでおり、かつ該ボールねじの端部には回転操作用のボリューム操作子が設けられる。
【００２２】
このような構成によれば、ボリューム操作子を回転操作することによって、ボールねじ機構を作動させ、投光レンズをその光軸に沿って微細に進退させることにより、高精度な光芒微調整を行うことが可能となる。
【００２３】
次に、本発明の光電センサは、前面に投光用窓を有するセンサヘッドケースと、前記センサヘッドケースの前面に着脱自在に装着可能でかつ前記投光用窓と整合する位置には光芒変更レンズがレンズホルダを介して保持されたオプションユニットとを有する。
【００２４】
さらに、前記センサヘッドケース内には、検出媒体光を生成する光源と、該光源からの検出媒体光を集光して前記投光用窓から出射する投光レンズと、前記投光用窓から出射される光線の集光点距離調整を行うための光芒調整手段が含まれている。
【００２５】
このような構成によれば、光源から発せられた検出媒体光は、センサヘッドケース内の投光レンズと、オプションユニットに保持された光芒変更レンズとの２つのレンズの影響を経て最終的に投光ビームとして外部へ出射されるため、光芒調整手段を用いて集光点距離調整を行えば、オプションユニット側の光芒変更レンズの特性に従って、投光ビームの形状を変更することができる。従って、共通のセンサヘッドケースに対し、光芒変更レンズの特性の異なる複数種のオプションユニットを用意し、それらの１つを選択してセンサヘッドケースに装着するようにすれば、センサヘッドケースは共通であっても、様々な形状を有する投光ビームを容易に実現することができる。これにより、メーカ側においては、投光ビーム形状の違いに合わせてその都度異なるセンサヘッドユニットを用意する必要がなくなって、工数低減並びに部品管理の容易化を図ることができる一方、ユーザ側においてもセンサヘッドケースは共通にして必要なオプションユニットを購入すれば済むから、所望の計測システムを低コストに実現することが可能となる。
【００２６】
このとき、光芒変更レンズとして全周均等拡散型の光芒変更レンズを使用すれば、センサヘッドケースそれ自体から出射される投光ビームは集光型であっても、最終的にオプションユニットから出射される投光ビームについてはビーム断面が円形な拡散型とすることができる。ここで、『拡散型』とは、ビームの断面形状が前方にいくに従い拡大する傾向を有する投光ビームのことである。
【００２７】
また、光芒変更レンズとして平面拡散型の光芒変更レンズを採用すれば、スリット光ないしはラインビームに相当する投光ビームを実現することができる。
【００２８】
さらに、前記光芒変更レンズを保持するレンズホルダを、光軸の回りに回転可能とすれば、光芒変更レンズとして異方性光芒偏光レンズが使用された場合、レンズホルダの回転に伴い、その異方性特性を光軸回りに回転調整することが可能となる。殊に、異方性光芒変更レンズとして平面拡散型のレンズを使用すれば、例えば垂直面を基準面とするラインビームと水平面を基準面とするラインビームとを選択的に実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の好適ないくつかの実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。尚、以下の実施の形態は本発明の一例に過ぎないことは言うまでもないことであり、本発明の要旨は特許請求の範囲の記載に基づいて規定されるものである。
【００３０】
本発明が適用されたセンサヘッド部の電気的並びに光学的構成を示す模式図が図１に示されている。この光電センサは図示しないが、センサヘッドユニットとアンプユニットとからなるいわゆるアンプ分離型の拡散反射型光電センサとして構成されている。そのうち、図１に示されているのは、センサヘッドユニット内の主要構成要素である。すなわち、同図において、センサヘッド１は、投光部２と受光部３とを一体的に有している。投光部１内には、投光回路２１と、レーザ光源２２と、平行平面ガラス２３と、投光レンズ２４とが含まれている。
【００３１】
投光回路２１は、図示しないアンプ部から供給される信号に従って、レーザ光源２２を適当に駆動することにより、レーザ光源２２よりレーザ光を出射させる作用を実現するものである。尚、この投光回路２１の機能には、オートパワーコントロールなどのレーザパワー制御も含まれている。レーザ光としては、例えば可視光レーザ、赤外線レーザなどを採用することができる。
【００３２】
レーザ光源２２は半導体レーザ素子を含んでおり、投光回路２１からの信号に従って、検出媒体光であるレーザ光を生成して出力する。
【００３３】
投光レンズ２４は、レーザ光源２２から出射された後、後述する平面ガラス板２３を透過して到来するレーザ光を集光し、これを投光ビーム５として検出対象領域へ向けて投光する機能を有する。図示の投光レンズ２４は、光軸方向に可動、すなわち光軸に沿って進退自在に支持されており、この投光レンズ２４を光軸に沿って移動させることにより、投光レンズから出射される光線の集光点距離調整（光芒調整）を実現することができる。
【００３４】
尚、図において符号４が付されているのは、投光レンズ２４の前方適当な距離離れた検出対象領域に置かれた検出物である。先ほど説明した投光レンズ２４を用いた光芒調整を適切に行うと、検出物４の表面には投光ビームにより微細径の集光点Ｐが形成される。
【００３５】
次に、本発明の要部である平面ガラス板（平行平面ガラス）２３について説明する。平面ガラス板２３は、適当な均一な厚さを有し、且つ両面（レーザ光の入射面および出射面）が互いに平行なガラス板である。この平面ガラス板２３は、レーザ光源２２と投光レンズ２４とを結ぶ光軸と直交する軸ｒの回りに回転可能に支持されている。後に詳細に説明するように、この平面ガラス板２３を適当な角度回転させることによって、投光ビーム５の光軸偏角を微調整することができるようになされている。
【００３６】
次に、受光部３の構成について説明する。受光部３には、受光レンズ３１と、受光素子３２と、受光回路３３とが含まれている。検出物４の表面に形成される集光点Ｐから生ずる拡散反射光の一部５′は、受光レンズ３１に入射される。受光レンズ３１は集光作用を有し、その結果、拡散反射光５′は受光素子３２の受光面上に集光される。
【００３７】
受光素子３２は、例えばフォトトランジスタやフォトダイオードなどで構成され、受光光量に比例したレベルを有する電気信号を生成する。こうして受光素子３２で生成された電気信号は、受光回路３３へと送られる。
【００３８】
受光回路３３は、受光素子３２から得られた電気信号を増幅すると共に、これを図示しないアンプ部へと送出する。
【００３９】
このように、図１に示されるセンサヘッド１は、検出物４が置かれる検出対象領域に向けて検出媒体光である投光ビーム５を投光する投光部２と、検出対象領域の検出物４からの拡散反射光の一部５′を受光する受光部３とを一体に有する。そして、投光部２には、投光部２から検出対象領域に置かれた検出物４に向けて投光される検出媒体光である投光ビームの光軸偏角を微調整可能な偏角調整手段が含まれている。この例では、偏角調整手段は、レーザ光源２２と投光レンズ２４との間の光路に介在され、かつ該光路と直交する軸ｒの回りに回転可能に支持された平行平面ガラスである平面ガラス板２３で構成される。
【００４０】
さらに、投光部２には、投光レンズ２４から出射される光線である投光ビーム５の集光点距離調整を行うための光芒調整手段が含まれている。この例では光芒調整手段は、光軸に沿って進退自在に支持された投光レンズ２４で構成されている。
【００４１】
次に、回転自在な平面ガラス板を使用した偏角調整可能な光学系の作用説明図（その１）が図２に、また同作用説明図（その２）が図３にそれぞれ示されている。尚、それらの図には、レーザ光源２２、平面ガラス板２３、投光レンズ２４を含む光学系を、平面ガラス板２３の回転軸ｒの方向から眺めた状態が示されている。ここで、平面ガラス板２３の回転軸ｒの方向をＹ方向、同回転軸ｒ並びに光軸のいずれとも直交する方向をＸ方向と定義している。また、平面ガラス板２３の回転角度をθと定義し、平面ガラス板２３と投光レンズ２４とが平行な状態をθ＝０°、平面ガラス板が時計回りに回転した状態をθの＋方向、反時計回りに回転した状態をθの−方向と定義している。
【００４２】
図２には、偏角調整前の光学系（θ＝０°）と偏角調整後の光学系（θ＝＋４５°）とが比較して示されている。すなわち、同図（ａ）に示されるように、偏角調整前の光学系（θ＝０°）にあっては、レーザ光源２２から発せられるレーザ光は、入射角０°をもって平面ガラス板２３に入射されるため、レーザ光源２２から発せられるレーザ光は、平面ガラス板２３の入射面並びに出射面のいずれにおいても折れ曲がることなく直進する。その結果、レーザ光源２２から発せられるレーザ光は、平面ガラス板２３が存在しないときと同様に直進し、投光レンズ２４に達するため、投光ビーム５の形状は投光レンズ２４の規定の特性に従って集光されたものとなり、検出対象領域に置かれた検出物４の表面には、微細径の集光点Ｐ０が生ずる。
【００４３】
同図（ｂ）に示されるように、偏角調整後の光学系にあっては、レーザ光源２２から発せられたレーザ光は、平面ガラス板２３がθ＝４５°回転した状態にあるため、−４５°の入射角をもって平面ガラス板２３に入射される。そのため、平面ガラス板２３の入射面並びに出射面のいずれにおいても光軸は折り曲げられ、図中実線に示されるように、投光レンズ２４から見ると、レーザ光源２２がＸ方向の−側へと僅かに移動したのと同じ状態が出現する。その結果、同図中実線に示されるように、検出物４の僅かに手前において、Ｘ方向の＋側へずれた位置に集光点Ｐ１が生ずることとなって、いわゆる光軸偏角の微調整が実現される。
【００４４】
尚、偏角調整後の光学系においては、平面ガラス板２３による屈折作用によって、レーザ光源２２から検出物４に至る光路長が若干延長されて、集光点Ｐ１が検出物４よりもその分手前に移動し、検出物４上の実際の投光ビームのスポット径は増大する。しかし、この程度のスポット径の増大は実際の検出には殆ど支障が無い。尤も、検出物４が極めて微細な場合には若干問題となるが、その場合には後述する光芒調整によって解決することができる。
【００４５】
図３には、偏角調整前の光学系（θ＝０°）と偏角調整後の光学系（θ＝−４５°）とが比較して示されている。この場合には、平面ガラス板２３が反時計回りに回転してθ＝−４５°となるため、レーザ光源２２から出射されたレーザ光は、平面ガラス板２３に対して＋４５°の角度で入射することとなり、入射面並びに出射面において光軸が折れ曲がることによって、投光レンズ２４から見ると、レーザ光源２２がＸ方向の＋側へ僅かに移動したのと同じ状態が出現する。その結果、図中実線に示されるように、検出物４よりも僅かに手前であって、かつＸ方向の−側へ僅かにずれた位置に集光点Ｐ２が生じ、これにより光軸の偏角調整機能が実現される。
【００４６】
尚、このときも、新たな集光点Ｐ２は検出物４よりも僅かに手前に生じ、その結果検出物４の表面上における実際のスポット径は増大するが、前述と同様にして検出には殆ど支障が無いし、支障がある場合には、後述する光芒調整機能を用いて集光点Ｐ２の位置を光軸方向へずらし、問題を解決することができる。
【００４７】
次に、断面楔型をした非平行平面ガラス２５を使用した偏角調整可能な光学系の作用説明図が図４に示されている。尚、同図において、図２並びに図３と同一構成部品については同符号を付して説明は省略する。
【００４８】
この例にあっては、レーザ光源２２と投光レンズ２４との間に断面楔型をした非平行平面ガラス板２５が介在されている。このガラス板２５は、Ｘ方向すなわち投光レンズ２４と平行な方向へと往復移動可能に支持されている。
【００４９】
同図（ａ）に示される偏角調整前の光学系においては、非平行平面ガラス２５はＸ方向における基準位置に固定され、この状態においては、レーザ光源２２から発せられたレーザ光は、所定の入射角（０ではない）をもって非平行平面ガラス２５に入射するため、入射面並びに出射面のいずれにおいても光軸は折り曲げられ、投光レンズ２４に対してレーザ光は垂直に入射される。その結果、投光レンズ２４から出射される投光ビーム５の光軸は、投光レンズ２４の光軸と一致し、検出対象領域に置かれた検出物４の表面には、集光点Ｐ０が生ずる。
【００５０】
同図（ｂ）に示される偏角調整後の光学系にあっては、同図中実線に示されるように、非平行平面ガラス２５はＸ方向の−側へと所定距離移動した状態に位置決めされる。このとき、非平行平面ガラス２５の入射面並びに出射面における入射角並びに出射角は変わらないが、非平行平面ガラス２５内の光路長が板厚の増加した分だけ増加することにより、投光レンズ２４から見たレーザ光源２２の位置は、Ｘ方向の＋側へと僅かにずれることとなる。その結果、同図中実線で示されるように、検出対象領域に置かれた対象物４の手前であってＸ方向の−側へ僅かにずれた位置に集光点Ｐ１が生じ、いわゆる光軸偏角調整機能が実現される。この場合にあっても、検出物４の表面に生ずる実際のスポット径は僅かに増大するが、実際の検出には殆ど支障が無い程度である。尤も、スポット径の増大が問題となるような微細検出物の場合には、後述する光芒調整機能によって集光点Ｐ１の位置を光軸方向へとずらすことにより、この問題を解消することができる。
【００５１】
次に、レーザ光源２２のそれ自体の移動による偏角調整可能な光学系の作用説明図（その４）が図５に示されている。尚、同図において、図２〜図４と同一構成部分については同符号を付して説明は省略する。
【００５２】
この例にあっては、レーザ光源２２それ自体がＸ方向へと直線移動可能に支持されており、適当な可動機構によって、外部からの操作力によりレーザ光源２２それ自体がＸ方向へと微細に移動可能に支持されている。
【００５３】
このような構成によれば、図中実線に示されるように、レーザ光源２２それ自体をＸ方向へと微細に移動させれば、その移動した分だけ、集光点Ｐ１の位置をレーザ光源２２の移動方向とは反対の方向へとずらすことができ、検出物４近傍のＸ方向の＋方向へと僅かに移動した位置に集光点Ｐ１を生じさせることができる。尚、検出物４上の実際のスポット径が増大することの問題は前述と同様に後述する光芒調整機能を用いて修正することが可能である。
【００５４】
以上説明した３種類の偏角調整機構は、操作量と調整量との関係を適当に緩慢に設計することによって、容易に実用に供することができるが、中でも図２並びに図３に示された平行平面ガラスを使用した偏角調整機構にあっては、その原理上操作量と調整量との関係を高倍率に設定することができ、結果として操作性の良好な緩慢なる微調整機構を実現することができる。
【００５５】
すなわち、平面ガラス板回転機構の微調整効果を光源位置で同等の微調整効果を得る場合と比較して示す説明図が図６に示されている。
【００５６】
同図（ａ）に示されるように、平面ガラス板２３の板厚を０．５５ｍｍとした場合、０°〜約２°の範囲の光軸偏角（γ）を実現する場合、平面ガラス板２３の回転角（θ）は０〜４５°となり、極めて高倍率の緩慢な操作性を獲得することができる。
【００５７】
これに対して、同じ集光点移動量（例えば０．１３ｍｍとする）をレーザ光源２２のＸ方向への移動で実現しようとした場合、レーザ光源２２それ自体もＸ方向へ−０．１３ｍｍと極めて微細な量だけ動かさねばならず、操作量と調整量との関係は極めて敏感なものとなって、よほど高倍率な緩衝機構を別途設計しない限り、オペレータの指先の操作等では到底実現は難しくなる。
【００５８】
次に、先ほどより何度も述べた偏角調整並びに光芒調整可能な光学系の作用説明図が図７に示されている。この例にあっては、集光レンズ２４それ自体を光軸方向（Ｚ方向）へと移動可能とすることによって、偏角調整により光軸方向へと移動された集光点Ｐ１の位置を、検出物４の表面上へと修正することを可能としている。
【００５９】
すなわち、先に図２〜図４で説明したように、偏角調整によってレーザ光源２２から検出物４に至る光路長が増加すると、新たな集光点Ｐ１又はＰ２は検出物４の僅かに手前に移動し、その結果検出物４上の実際のスポット径は増大する（ピンぼけ状態となる）。しかし、図７に示されるように、集光レンズ２４を光軸に沿って移動させれば、その分だけ光路長は修正されて、新たな集光点Ｐ１の位置を検出物４の表面へと移動させ、検出物４の表面に極めて微細なスポットを正常に形成することが可能となる。従って、米粒や糸のような極めて微細な検出対象物であっても、本発明の偏角調整並びに光芒調整を利用することによって、投光ビームを正確に照射して、検出物の有無による反射光量の変化を明確なものとし、検出精度を高めることができるのである。
【００６０】
以上本発明を模式図に従って概念的に説明したが、言うまでもないが、本発明の光電センサは適当なサイズ及び形状を有するセンサヘッドユニットとして実現することができる。このようにして実現されたセンサヘッドユニットの具体的な構造の一例が図８〜図１３に示されている。
【００６１】
センサヘッドの斜め後方より見た斜視図が図８に、同斜め前方より見た斜視図が図９にそれぞれ示されている。それらの図から明らかなように、センサヘッドユニット１ａのケースは、上面板１０１と、下面板１０２と、左側面板１０３と、右側面板１０４と、後面板１０５とを有する比較的幅の薄い直方体状の箱体で構成されている。また、センサヘッドユニット１ａの前面側には、投受光窓１０６が設けられ、この投受光窓１０６にはレーザ光（例えば赤外線）は透過するものの、可視光を遮断する性質を有するプラスチック製の窓板が嵌め込まれている。尚、それらの図において符号１１１は後述するオプションユニットを装着するための係合溝である。
【００６２】
センサヘッドユニット１ａのケースの上面板１０１には円孔１０８が設けられ、この円孔１０８内には光軸調整ボリューム１０７が配置されている。また、同ケースの後面板１０５にも円孔１０９が形成され、この円孔１０９内には光芒調整ボリューム１１０が配置されている。光軸調整ボリューム１０７並びに光芒調整ボリューム１１０は、いずれも円筒型の回転式操作子であり、その先端面にはマイナスドライバの先端が嵌合するマイナス溝１０７ａ，１１０ａがそれぞれ形成されている。
【００６３】
光電センサを構成する様々な光学部品ブロックが搭載された光学ベースを斜め上方から見た斜視図が図１０に示されている。同図に示されるように、光学ベース１１２上には、投光部２と受光部３とを主体とした様々な光学部品が搭載されている。
【００６４】
投光部２は、光源ブロック２２０と、光軸調整ブロック２３０と、投光レンズブロック２４０とを含んでいる。また、受光部３は、受光レンズブロック３１０と、光電変換ブロック３２０とを含んでいる。
【００６５】
投光部を構成する光学部品ブロックを取り出して示す分解斜視図が図１１に示されている。同図に示されるように、投光部２を構成する光源ブロック２２０は、レーザ素子２２１とこれを支持する投光基板２２２とを含んでいる。また、投光部を構成する光軸調整ブロック２３０は、図１２に示されるように、平行平面ガラスを構成するガラス板２３１と、このガラス板２３１が圧入保持されるガラスホルダ２３２と、このガラスホルダ２３２の回転摺動面を構成するゴム製Ｏリング２３３と、ガラスホルダ２３２から一体的に突出された光軸調整ボリューム１０７とを含んでいる。先に説明したように、光軸調整ボリューム１０７は円筒状回転操作子で構成され、その先端面にはマイナスドライバが挿入されるマイナス溝１０７ａが形成されている。投光レンズブロック２４０は、図１３に示されるように、投光レンズ２４１と、投光レンズ２４１を保持するレンズホルダ２４２と、レンズホルダ２４２の側方へと一体的に突出するガイドブロック２４３とを備えている。ガイドブロック２４３には、後述するねじ棒がねじ込まれるねじ孔２４４が形成されている。
【００６６】
図１０に戻って、光源ブロック２２０は光学ベース１１２に一体的に固定されている。一方、投光レンズブロック２４０は、光源ブロック２２０と対向した状態において、その距離を可変自在に構成されている。すなわち、図１１に示されるように、投光レンズブロック２４０を構成するガイドブロック２４３には、ボールねじ機構を構成するねじ棒であるシャフト１１３が挿通されており、一方シャフト１１３の反対側端部には、シャフト抑え金具１１４を介して光芒調整ボリューム１１０が設けられている。シャフト抑え金具１１４は、図１０に示されるように、光学ベース１１２に立設されたシャフト支持部材１１５に上から圧入されてしっかりと保持される。そのため、光芒調整ボリューム１１０をマイナスのドライバ等で回転させると、ガイドブロック２４３とシャフト１１３との螺合進退作用を介し、投光レンズブロック２４０は光軸に沿って進退することとなる。その結果、先に説明した光芒調整作用が実現される。尚、図１０において、受光部３については本発明の要部ではないのであまり詳しく説明しないが、符号３２１は受光素子を搭載した受光素子基板である。
【００６７】
以上の構成よりなる構造を有するセンサヘッドユニット１ａによれば、例えば図８の外観図において、光軸調整ボリューム１０７をマイナスドライバの先端で回転させることによって、図２並びに図３で説明した光軸調整作用を実現することができ、他方、光芒調整ボリューム１１０にマイナスドライバを差し込んでこれを回転させることにより、先に図７を参照して説明したように、光芒調整作業を実現することができる。従って、センサヘッドユニット１ａを、その取付孔１００ａ，１００ｂを利用して現場で支持部材に取り付けた後にあっても、光軸調整ボリューム１０７並びに光芒調整ボリューム１１０を適宜操作することによって、投光ビームの光軸偏角並びに集光点距離を自在に微調整して、比較的遠方の微細な検出対象物に対しても、正確な位置合わせを行い、精度乃至感度の良い検出動作を行わせることができる。
【００６８】
次に、以上述べた光芒調整機能付き光電センサユニットに対して、新たに開発されたオプションユニットを装着することで光電センサユニットの機能を拡張するようにした工夫について説明する。
【００６９】
図１４に示されるように、この発明の光電センサは、センサヘッドケース１０とオプションユニット１１とを有している。センサヘッドケース１０はプラスチック製で比較的幅の狭い直方体状に形成され、その前面側には投光用窓１０ａと受光用窓１０ｂとが設けられている。また、センサヘッドケース１０の先端部の上部上面及び下面にはそれぞれオプションユニット１１装着のための係合溝１１１が形成されている。
【００７０】
一方、オプションユニット１１は、前面板１１ｆと、その上下に設けられた上部支持片１１ａ，下部支持片１１ｂとを有する断面コの字状のプラスチック製部材であり、その前面板１１ｆには円筒状レンズホルダ１２と、四角形状の受光用窓１１ｅとが設けられている。そして、レンズホルダ１２には本発明の要部である光芒変更レンズ１３が嵌め込まれる。また、上部支持片１１ａ並びに下部支持片１１ｂの先端部の内面側には、図１５（ａ）に示されるように、ケース１０側の係合溝１１１に係合する係合爪１１ｃ，１１ｄが形成されている。
【００７１】
従って、オプションユニット１１をケース１０の前面に押しつければ、上部支持片１１ａ，下部支持片１１ｂが拡開しつつ撓んで、その先端の係合爪１１ｃ，１１ｄが、ケース１０側の係合溝１１１に嵌合することによって、オプションユニット１１はケース１０にしっかりと装着される。
【００７２】
また、この装着状態においては、ケース１０側の投光用窓１０ａの前面には、オプションユニット１０側の光芒変更レンズ１３が配置されると共に、両者の中心は互いにぴったりと整合するため、ケース１０に内蔵されたレーザ光源から発するレーザ光は、図１８（ｂ）に示されるように、ケース１０内部の投光レンズ２４と、オプションユニット１１に保持された光芒レンズ１３との双方でビーム整形された後、検出対象領域へと特定のビーム形状をもって照射される。
【００７３】
このとき検出対象領域へ向けて照射される投光ビームの形状は、光芒変更レンズ１３の特性によって左右される。ここで光芒変更レンズ１３としては、様々な特性のレンズを採用することができる。図１５（ｂ）に符号１３ａとして示されているのは全周均等拡散型の片凹レンズである。この片凹レンズ１３ａは一方の面が平面であり、他方の面が球面ないし凹面とされている。そのため平面側から入射された光は、球面側において拡散されて出射される。
【００７４】
図１８（ｂ）に示されるように、センサヘッドケース１０内には、ボールねじ機構を用いて光軸方向へ進退自在とされた投光レンズ２４が内蔵されており、この投光レンズ２４とレーザ光源２２との距離は、光芒調整ボリューム１１０の回転操作によって、自在に変更可能となされている。尚、具体的なボールねじ機構並びに光芒調整ボリュームの構成については、先に図１１などを参照して説明した通りである。
【００７５】
いま仮に、センサヘッドユニット１ａの特性が、図１６（ａ）並びに図１６（ｂ）の通りであると仮定する。すなわち、光芒調整機能の作用によって、投光ビーム５の集光点５ａまでの距離は、５０〜３００ｍｍの範囲で調整が可能であり、また集光点５ａのスポット径は８００μｍ程度とされている。さらに、光芒調整ボリュームの操作量とスポット径との関係は、図１６（ｂ）に示されるように、ボリューム位置［１］においては８ｍｍ、ボリューム位置［２］においては８００μｍ、ボリューム位置［３］においては３ｍｍとなるように、３点を結ぶ直線状に変化するものと想定する。
【００７６】
以上の構成よりなる光電センサユニット１ａ並びに図１５（ｂ）に示される全周均等拡散レンズ１３ａが嵌め込まれたオプションユニット１１を使用すると、図１７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、図１８（ｂ）の各投光レンズ２４の位置がａ，ｂ，ｃのように移動すると、レンズ１３ａから出射される投光ビーム５のスポット径は所定の範囲内において大、中、小と変化する。
【００７７】
従って、この例によれば、センサヘッドユニット１ａ単体としては、投光ビーム５の特性は収束型ビームとなるのに対し、これにオプションユニット１１を装着することによって、図１７に示されるように、オプションユニット１１から出射される投光ビーム５の形状を円形拡散型に変更することが可能となる。つまり、図１８におけるビーム径Ｗ１を光芒調整ボリューム１１０の回転操作によって、所定範囲で大小変化させつつ、適切な円形ビームスポットを検出物４上に形成して、最適な計測環境を実現できるのである。
【００７８】
オプションユニット１１のレンズホルダ１２に装着されるべき光芒変更レンズ１３としては、上述した全周均等拡散型のものに限らず、円周上の０°及び１８０°の位置のみに平面的に展開する平面拡散型のものとすることもできる。このような平面拡散型の光芒変更レンズを使用した例が図１９に示されている。
【００７９】
同図に示されるように、この例にあっては、共通のセンサヘッドケース１０に対して、２種類のオプションユニット１１−１，１１−２が用意されている。一方のオプションユニット１１−１のレンズホルダ１２には、水平方向へ光を拡散する平面拡散型の光芒変更レンズが嵌め込まれており、他方のオプションユニット１１−２には垂直方向へと光を拡散する平面拡散型の光芒変更レンズ１３ｃが嵌め込まれている。ここで、平面拡散型の光芒変更レンズとは、図２０（ｂ）に示されるように、正面が細長長方形、側面が正方形ないし長方形、平面が一方が凹面で他方が平面となるような断面形状を有する。
【００８０】
図２１（ａ）並びに（ｂ）に示されるように、これら平面拡散型の光芒変更レンズ１３ｂ，１３ｃは、例えばレンズホルダ１２内に圧入嵌合して固定される。図において、符号１４はオプションユニットにレンズ１３ｂ，１３ｃと整合して開けられた窓である。
【００８１】
図１９に示される２種類のオプションユニット１１−１，１１−２によれば、それらのいずれか一方を選択して、センサヘッドケース１０に装着することによって、図２３（ａ），（ｂ）に示されるように、投光ビーム５の形状は垂直方向又は水平方向に拡散したいわゆるラインビーム状とすることができ、センサヘッドケース１０内の光芒変更機能と相俟って、垂直方向のビーム幅Ｗ２又は水平方向のビーム幅Ｗ３を有するラインビーム状の投光ビーム５を実現すると共に、それらビームの幅を光芒調整ボリューム１１０の操作によって、任意に変更することができる。
【００８２】
すなわち、図２４に示されるように、オプションユニット１１−２を採用することによって、垂直方向に拡散した幅Ｗ２のラインビームを得ることができ、またオプションユニット１１−１を採用することで、水平方向に拡散した幅Ｗ３を有するラインビームを実現できるのである。
【００８３】
ここで、図２２（ａ）並びに（ｂ）に示されるように、レンズホルダの部分を、オプションユニット側から突出する内筒１２ｂと、その外周に嵌り込む外筒部１２ａで構成し、この外筒部１２ａの中心凹部に平面拡散型の光芒変更レンズ１３ｂ又は１３ｃを圧入嵌合する構造を採用すれば、内筒１２ｂに対して外筒１２ａを光軸の回りに回転させることにより、平面拡散型光芒レンズにおける拡散方向を任意の角度方向に変更することができ、このような構造を採用すれば、共通のオプションユニット１１を採用しつつも、図２４に示される水平方向拡散特性と垂直方向拡散特性を自在に変更して実現することができる。
【００８４】
このようにして構成されたオプションユニットにおけるスリット光の幅調整の作用説明図が図２５に示されている。同図（ａ）に示されるように、スリット光の寸法Ｘ，Ｙを定義すると、同図（ｂ）に示されるように、光芒調整ボリュームの操作に伴う投光レンズの位置に応じて、Ｘ方向並びにＹ方向のビーム幅を自在に変更することもできる。従って、平面拡散型レンズの特性を適宜に設計することによって、光芒調整機能による投光レンズの進退調整と相俟って、所望のビーム形状を有する投光ビームを実現することができる。
【００８５】
図２６には、このようにして実現されたラインビーム状の投光ビーム５を用いたセンサの具体的応用例が示されている。この例にあっては、例えば全面に図柄が描かれた袋体の連続生産プロセスにおいて、連続袋体６の中でバーコード６ａ部分のみにライン状投光ビーム５を照射することによって、周囲の図柄部分の影響を受けることなく、バーコードの正確な読み取りを可能とすることができる。尚、このように、ラインビーム状の検出光を採用する場合には、受光部の受光素子としてＣＣＤ等が適宜使用される。
【００８６】
一方、図２７の例にあっては、ラインビーム状投光ビーム５の幅をさらに拡大することによって、投光ビーム５の照射領域をコンベア７の搬送幅まで拡大し、これによりコンベア７から落下する小型部品８を１台のセンサで有効に検出できるものである。
【００８７】
このように、本発明のセンサヘッドケースとオプションユニットとを組み合わせてなる光電センサによれば、投光ビーム５の形状を任意に変更することによって、産業界における様々な応用例が期待されるものである。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、この種の長距離タイプの光電センサにおいて、投光ビームに関する様々な面からの設定自由度を向上させることができる。
【００８９】
特に、この発明によれば、センサヘッドケースは固定したままであっても、投光ビームの光軸偏角を微調整させることができ、またセンサヘッドケースそれ自体は共通に維持しつつも、投光ビームの形状を自在に設定変更することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサヘッド部の電気的並びに光学的構成を示す模式図である。
【図２】偏角調整可能な光学系の作用説明図（その１）である。
【図３】偏角調整可能な光学系の作用説明図（その２）である。
【図４】偏角調整可能な光学系の作用説明図（その３）である。
【図５】偏角調整可能な光学系の作用説明図（その４）である。
【図６】平面ガラス板回転機構の微調整効果を光源位置で同等の微調整効果を得る場合と比較して示す説明図である。
【図７】偏角調整並びに光芒調整可能な光学系の作用説明図である。
【図８】センサヘッドの斜め後方より見た斜視図である。
【図９】センサヘッドの斜め前方より見た斜視図である。
【図１０】様々な光学部品ブロックが搭載された光学ベースを斜め上方より見た斜視図である。
【図１１】投光部を構成する光学部品ブロックを取り出して示す分解斜視図である。
【図１２】光軸調整ブロックの斜視図である。
【図１３】投光レンズブロックの斜視図である。
【図１４】スポット径調整可能なセンサヘッドの分解斜視図である。
【図１５】スポット径調整可能なオプションユニットの説明図である。
【図１６】センサヘッド単体の構成及び作用説明図である。
【図１７】スポット径調整動作の説明図である。
【図１８】スポット径調整可能なセンサヘッドの説明図である。
【図１９】スリット光の幅調整可能なセンサヘッドの分解斜視図である。
【図２０】スリット光の幅調整可能なオプションユニットの説明図である。
【図２１】オプションユニットのレンズ保持構造の説明図である。
【図２２】オプションユニットのレンズ保持構造の説明図である。
【図２３】スリット光照射型のセンサヘッドの説明図である。
【図２４】スリット光照射型センサヘッドの模式的斜視図である。
【図２５】スリット光の幅調整作用の説明図である。
【図２６】スリット光照射型センサの応用例（その１）である。
【図２７】スリット光照射型センサの応用例（その２）である。
【符号の説明】
１　センサヘッド
１ａ　センサヘッドユニット
２　投光部
３　受光部
４　検出物
５　投光ビーム
５′　拡散反射光
６　袋体を構成する連続用紙
６ａ　バーコード部分
７　コンベア
８　小型部品
１０　センサヘッドケース
１０ａ　投光用窓
１０ｂ　受光用窓
１１　オプションユニット
１１−１，１１−２　オプションユニット
１１ａ　上部支持片
１１ｂ　下部支持片
１１ｃ，１１ｄ　係合爪
１１ｅ　受光用窓
１１ｆ　前面板
１２　レンズホルダ
１２ａ　レンズホルダを構成する外筒
１２ｂ　レンズホルダを構成する内筒
１３　光芒変更レンズ
１３ａ　円周均等拡散型の光芒変更レンズ（片凹型レンズ）
１３ｂ，１３ｅ　平面拡散型の光芒変更レンズ
２１　投光回路
２２　レーザ光源
２３　平面ガラス板
２４　投光レンズ
２５　非平行平面ガラス
３１　受光レンズ
３２　受光素子
３３　受光回路
１００ａ，１００ｂ　ケース取付孔
１０１　上面板
１０２　下面板
１０３　左側面板
１０４　右側面板
１０５　後面板
１０６　投受光窓
１０７　光軸調整ボリューム
１０７ａ　マイナス溝
１０８　円孔
１０９　円孔
１１０　光芒調整ボリューム
１１０ａ　マイナス溝
１１１　係合溝
１１２　光学ベース
１１３　シャフト
１１４　シャフト押さえ金具
２２０　光源ブロック
２２１　レーザ素子
２２２　投光基板
２３０　光軸調整ブロック
２３１　ガラス板
２３２　ガラスホルダ
２３３　Ｏリング
２４０　投光レンズブロック
２４１　投光レンズ
２４２　レンズホルダ
２４３　ガイドブロック
２４４　ねじ孔
Ｐ　集光点
Ｐ０　偏角調整前の集光点
Ｐ１，Ｐ２　偏角調整後の集光点

Claims (9)

1. 検出対象領域に向けて検出媒体光を投光する投光部と、前記検出対象領域からの反射光又は透過光を受光する受光部とを一体に又は別体に有し、
   前記投光部には、検出媒体光を生成する光源と、該光源からの検出媒体光を平行化若しくは集光して、前記検出対象領域にビームスポット若しくは集光点を形成するための投光レンズとが含まれており、さらに
   前記投光部には、投光部から検出対象領域に向けて投光される検出媒体光の光軸偏角を微調整可能な偏角調整手段が含まれている、ことを特徴とする光電センサ。
2. 前記偏角調整手段は、平面な検出媒体光入射面と出射面とを有し、前記検出媒体光に対する配置状態変化に基づき検出媒体光の入射角を変化させる透過性媒質である、ことを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
3. 前記偏角調整手段が、前記光源と前記投光レンズとの間の光路中に介在され、かつ該光路と直交する軸の回りに回転可能に支持された平行平面ガラスである、ことを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
4. 前記光源と前記投光レンズとが光学ベースに一体的に固定され、かつ前記平行平面ガラスがガラスホルダを介して光学ベースに回転可能に支持され、さらに前記ガラスホルダには回転操作用のボリューム操作子が設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の光電センサ。
5. 前記投光レンズから出射される光線の集光点距離調整を行うための光芒調整手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光電センサ。
6. 前面に投光用窓を有するセンサヘッドケースと、前記センサヘッドケースの前面に着脱自在に装着可能でかつ前記投光用窓と整合する位置には光芒変更レンズがレンズホルダを介して保持されたオプションユニットとを有し、さらに
   前記センサヘッドケース内には、検出媒体光を生成する光源と、該光源からの検出媒体光を集光して前記投光用窓から出射する投光レンズと、前記投光用窓から出射される光線の集光点距離調整を行うための光芒調整手段が含まれている、ことを特徴とする光電センサ。
7. 前記光芒変更レンズが、全周均等拡散型の光芒変更レンズである、ことを特徴とする請求項６に記載の光電センサ。
8. 前記光芒変更レンズが、平面拡散型の光芒変更レンズである、ことを特徴とする請求項６に記載の光電センサ。
9. 前記光芒変更レンズを保持するレンズホルダが、光軸の回りに回転可能とされている、ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光電センサ。

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