JP2005164261A - 同軸反射型光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 対象物の色判定や対象物上の検出対象の検知等を正確に行うことが可能な同軸反射型光電センサを提供する。
【解決手段】 投光手段１４は、互いに異なる波長帯の光を出射する３つのＬＥＤチップ１１〜１３を隣接配置しかつ一体にパッケージして構成されているから、各ＬＥＤチップ１１〜１３からの光Ｌを１つのモニタ用受光素子２１で受光できる。３つのＬＥＤチップ１１〜１３全ての出力強度制御は、１つのモニタ用受光素子２１からの受光信号に基づいて行われる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物の色判定または対象物上の検出対象を検知する同軸反射型光電センサに関する。

この種のものとしては、例えば下記特許文献１に記載されているように、ローラによって搬送されるシート上のマーク等を検出する反射型の光電センサがある。これは、波長帯の異なる光を出射する２つの発光素子を交互に駆動して、各発光素子から出射されハーフミラーを透過した光をシート上に照射し、そこで正反射して上記ハーフミラーで反射した光を受光手段で受光するよう構成されている。そして、例えば上記２の波長帯の光に対応する、受光手段での各受光量の比率や、２つの波長帯の光のうちのいずれかの光に対応する、受光手段での受光量変化に基づきシート上のマークの検出や色判定等を行うようになっている。
特開昭６１−２６９５２０号公報

ところで、各発光素子の出力強度は、当該発光素子の劣化や使用環境変化（例えば周囲温度変化）によって変動してしまう可能性がある。
そこで、発光素子からの光を受光するモニタ用受光素子を設けて、このモニタ用受光素子での受光量に応じた受光信号に基づき発光素子の出力強度が所定値になるよう制御する定出力制御動作（或いは自動パワー制御 以下「ＡＰＣ」という）を行わせる必要がある。

しかしながら、上記特許文献１のものは、２つの発光素子が別体として互いに離間した位置に配置され、上記ハーフミラーとは別に設けたハーフミラーを使って２つの発光素子からの光の光軸を一致させるようにしている。従って、モニタ用受光素子も２つの発光素子それぞに対応して２つ設ける必要がある。
ここで、モニタ用受光素子は例えば光電変換特性等にバラツキがあるので、２つの発光素子の出力強度が同じであっても、それぞれに対応するモニタ用受光素子からの受光信号レベルは互いに異なる場合がある。従って、２つの発光素子の出力強度のＡＰＣにバラツキが生じ、正確なマーク検出等が行えなくなるおそれがあった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、対象物の色判定や対象物上の検出対象の検知等を正確に行うことが可能な同軸反射型光電センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、互いに波長帯が異なる複数の光を出射する投光手段と、前記投光手段からの光を反射光と透過光とに分離し、その反射光または透過光を対象物に向けて照射するハーフミラーと、前記対象物で反射し、前記ハーフミラーに再び戻ってきて当該ハーフミラーにより分離された反射光または透過光のうち、前記投光手段の位置する方向とは異なる方向に向かう光を受光する受光手段とを備え、前記受光手段での受光量に基づき前記対象物に関する検出動作（前記対象物の色判定または前記対象物上の検出対象の検知）を行う同軸反射型光電センサにおいて、前記投光手段は、互いに異なる波長帯の光を出射する複数のＬＥＤチップを、隣接配置しかつ一体にパッケージしてなり、前記各ＬＥＤチップからの光を受光可能で、その受光量に応じた受光信号を出力する１つのモニタ用受光素子と、前記モニタ用受光素子からの前記受光信号レベルに基づき前記各ＬＥＤチップの出力強度が所定値になるように前記各ＬＥＤチップに与える駆動電流レベルを制御する出力制御手段とを備えていることを特徴とする。

なお、本発明の同軸反射型光電センサには、次のものが含まれる。
（１）「互いに波長帯が異なる複数の光を出射する投光手段と、
前記投光手段からの光を反射光と透過光とに分離し、その反射光または透過光を対象物に向けて照射するハーフミラーと、
前記対象物で反射し、前記ハーフミラーに再び戻ってきて当該ハーフミラーにより分離された反射光または透過光のうち、前記投光手段の位置する方向とは異なる方向に向かう光を受光する受光手段とを備え、
前記受光手段での前記複数の光に対応する受光量比に基づき前記対象物の色判定または前記対象物上の検出対象を検知するもの（マークセンサ）。」
（２）「互いに波長帯が異なる複数の光を出射する投光手段と、
前記投光手段からの光を反射光と透過光とに分離し、その反射光または透過光を対象物に向けて照射するハーフミラーと、
前記対象物で反射し、前記ハーフミラーに再び戻ってきて当該ハーフミラーにより分離された反射光または透過光のうち、前記投光手段の位置する方向とは異なる方向に向かう光を受光する受光手段とを備え、
前記受光手段での前記複数の光に対応する受光量の少なくともいずれか１つの受光量変化に基づき前記対象物上の検出対象を検知するもの（カラーセンサ）。」

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記モニタ用受光素子は、前記投光手段から出射され前記ハーフミラーで分離された反射光及び透過光のうち、前記対象物に照射されない方の光を受光可能な位置に配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載のものにおいて、前記投光手段から出射され前記ハーフミラーで反射した反射光を前記対象物に照射し、その対象物で反射し前記ハーフミラーを透過した光を反射部材で反射させて、前記投光手段と横並び状に配された前記受光手段に導くよう構成されるとともに、前記モニタ用受光素子は、前記ハーフミラーを挟んで前記投光手段とは反対側に配置されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のものにおいて、前記モニタ用受光素子の前方には、前記投光手段からの当該モニタ用受光素子に向かう光だけを通過可能な受光範囲制限手段が設けられていることを特徴とする。

＜請求項１の発明＞
本構成によれば、投光手段は、互いに異なる波長帯の光を出射する複数のＬＥＤチップを隣接配置しかつ一体にパッケージして構成されているから、各ＬＥＤチップからの光を１つのモニタ用受光素子で受光することが可能となる。そして、複数のＬＥＤ全ての出力強度制御は、１つのモニタ用受光素子からの受光信号に基づいて行われる。従って、複数の発光素子それぞれに対応して複数のモニタ用受光素子を設けて各発光素子の出力強度を制御する構成に比べて、各ＬＥＤチップの出力強度を所定値に安定的に保つことができ、正確な対象物の色判定や対象物上の検出対象の検知等を行うことができる。

＜請求項２の発明＞
例えば、投光手段から出射されハーフミラーで反射した光を対象物に照射し、その対象物で反射した上記ハーフミラーを透過した光を受光手段で受光するようにして、モニタ用受光素子を投光手段に隣接した位置に配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、モニタ用受光素子には、投光手段からの光だけでなく、対象物で反射しハーフミラーで反射した光も入光するおそれがあり、このモニタ用受光素子からの受光信号に基づく出力強度制御では、投光手段の出力強度を所定値に保つことができなくなる。

そこで、本構成では、モニタ用受光素子を、投光手段から出射されハーフミラーで分離された反射光及び透過光のうち、対象物に照射されない方の光を受光可能な位置に配置する構成とした。これにより、モニタ用受光素子は、投光手段から出射された光（ハーフミラーで分離された透過光または反射光）だけを受光することになり、投光手段の出力強度を所定値に保つことが可能になる。

＜請求項３の発明＞
本構成によれば、投光手段と受光手段を横並び状に配する構成なので、ハーフミラーと受光手段との間に例えば受光レンズ等を配するなど、両者間の光路が長くなっても対象物への光の出射方向に沿った方向においてセンサ本体の小型化を図ることができる。

＜請求項４の発明＞
本構成によれば、受光範囲制限手段によって、投光手段から出射された光（ハーフミラーで分離された透過光または反射光）だけを確実に受光することが可能になり、投光手段の出力強度制御をより正確に行うことができる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図５によって説明する。
本実施形態の同軸反射型光電センサ１０は、例えばローラによって搬送されるシート３０（対象物）上のマーク３１を検出するために使用するものである。
具体的には、投光手段１４は、赤色、緑色、青色の光をそれぞれ出射する３つのＬＥＤチップ１１，１２，１３を備え、制御手段１５は、検出動作前に各ＬＥＤチップ１１〜１３を順次発光させて、シート３０の下地（マーク３１が付されていない部分）とマーク３１とに照射させ、その反射光を受ける受光手段１６での受光量変化が一番大きい光を出射したＬＥＤチップ１１〜１３を特定する。そして、制御手段１５は、検出動作時には、その特定されたＬＥＤチップのみを発光させて、受光手段１６での受光量変化に基づいて上記マーク３１を検出する。このような構成により、種々の組み合わせの色のシート３０の下地及びマーク３１に対してマーク検出を行うことが可能になる。

１．本実施形態の同軸反射型光電センサの基本構成
図１には、本実施形態の同軸反射型光電センサ１０の概略的な構成が示されている。同図に示すように、投光手段１４から出射された放射光Ｌは、例えばコリメータレンズ１７によって平行光に変換されハーフミラー１８側に照射される。

ハーフミラー１８は、受けた光の約５０％を反射し、残りの５０％を透過させるよう機能し、投光手段１４からの光Ｌは、このハーフミラー１８で、反射光Ｌ１と透過光Ｌ２（図２（Ａ）に図示）とに分離される。本実施形態では、ハーフミラー１８での反射光Ｌ１を、集光レンズ１９によって集光しシート３０上に照射するようになっている。そして、このシート３０で全反射して上記集光レンズ１９を通ってハーフミラー１８に戻ってきた光Ｍは、再びハーフミラー１８によって透過光Ｍ１と反射光Ｍ２（図２（Ｂ）に図示）に分離され、そのうち透過光Ｍ１が集光レンズ２０によって受光手段１６の受光面上に集光されるように構成されている。そして、ここでの受光量に応じた受光信号が受光回路２５を介して制御手段１５に与えられる。
なお、このように投光手段１４から出射され対象物（シート３０）に向かう光Ｌ１と、対象物での全反射して受光手段１６に至る光Ｍ１との同軸を一致させる構成（いわゆる同軸反射型）とすることで、センサ本体と対象物との距離変動による受光手段１６での受光量変化を極力抑えることができる。

２．投光手段
本実施形態では、投光手段１４は、図１に示すように、３つのＬＥＤチップ１１〜１３を、互いに隣接配置し、それらを一体にパッケージした構造をなす投光素子１４である。３つのＬＥＤチップ１１〜１３は、互いに波長帯の異なる、赤色の光、緑色の光、青色の光をそれぞれ出射する。

３．投光手段１４の出力強度制御のための構成
本実施形態では、正確なマーク３１検出を行うために、３つのＬＥＤチップ１１〜１３の出力強度が同じレベルになるようにＡＰＣにより制御する構成になっている。
具体的には、ハーフミラー１８を挟んで投光素子１４とは反対側にモニタ用受光素子２１（例えばフォトダイオード）が配置されており、各ＬＥＤチップ１１〜１３から出射された光Ｌのうちハーフミラー１８を透過した光Ｌ２を受光できるようになっている（図２（Ａ）参照）。更に、ハーフミラー１８とモニタ用受光素子２１との間には、ハーフミラー１８からの透過光Ｌ２の照射像に対応した形状に開口したスリット板２２が設けられており、これにより、例えば外乱光などを排して上記ハーフミラー１８からの透過光Ｌ２だけをモニタ用受光素子２１に入光させることができる。

モニタ用受光素子２１は、受けた光の受光量に応じた受光信号を受光回路２３を介して制御手段１５に与え、制御手段１５は、この受光信号レベルが低下した場合には、現在発光動作させているＬＥＤチップ（１１、１２または１３）への駆動電流量を増加させるよう投光回路２４を制御する一方で、受光信号レベルが高くなった場合には、現在発光動作させているＬＥＤチップへの駆動電流量を減少させるようにして、各ＬＥＤチップの出力強度を一定に保つよう動作する。

４．本実施形態の具体的構成
図３及び図４には、本実施形態の同軸反射型光電センサ１０のセンサ本体４０の具体的構成（本発明の請求項３の構成に相当）が示されている。

センサ本体４０は、全体として扁平箱形状をなし、シート３０側に向けられる一側面には、開口部に上記の集光レンズ１９が嵌められてなる投受光窓４１が形成されている。なお、センサ本体４０の後面には、外部機器と接続して信号のやり取り（例えば検出結果信号の出力など）を行うためのケーブル接続部４２が突設されている。

また、センサ本体４０の内部には、投光素子１４と受光素子１６（例えばフォトダイオード）とが光軸を同方向（同図において紙面左方向）に向けた状態で、かつ、上記投受光窓４１の形成面に対して投光素子１４が近く、受光素子１６が遠くなるように配置されている。より具体的には、投光素子１４と受光素子１６は、同一基板４３上において横並び状に配置されている。投光素子１４の前方にはハーフミラー１８が設けられ、受光素子１６の前方には全反射ミラー４４がそれぞれに対応して設けられ、集光レンズ１９とハーフミラー１８と全反射ミラー４４とは上下方向に一列状に並んで配置されている。

また、投光素子１４とハーフミラー１８との間には、例えばシリンドリカルレンズ４５とコリメータレンズ１７が並んで設けられている。具体的には、投光素子１４の前方には、シリンドリカルレンズ４５が設けられている。このシリンドリカルレンズ４５は、断面蒲鉾状をなし凸状に湾曲した面がハーフミラー１８側に向けて配置される。これにより、ハーフミラー１８側（コリメータレンズ１７）に細長状の照射像が形成される。また、シリンドリカルレンズ４５の前方には、コリメータレンズ１７が設けられており、このコリメータレンズ１７を通過した光は、照射像が線状の平行光となって、コリメータレンズ１７の前方に配されたハーフミラー１８に照射される。ハーフミラー１８は、コリメータレンズ１７から受ける光の反射光Ｌ１を投受光窓４１側に導く向きに配置されている。

このような構成によって、照射像Ｘが直線状をなす平行光が投受光窓４１を介してシール上に形成される。そして、シート３０上で正反射した光Ｍは、再び投受光窓４１を介してセンサ本体４０内部に進入し、ハーフミラー１８に入光し、このハーフミラー１８の透過光Ｍ１が、全反射ミラー４４によって受光素子１６側に方向を変えられる。全反射ミラー４４と受光素子１６との間には、集光レンズ１９が設けられており、この集光レンズ１９によって全反射ミラー４４からの光を受光素子１６の受光面上で集光させることができる。

また、モニタ用受光素子２１は、投光素子１４側から見てハーフミラー１８の背後に設けられ、投光素子１４から出射されハーフミラー１８を透過した光を受光できるようになっている。このモニタ用受光素子２１の前方には、ハーフミラー１８からの透過光の照射領域が開口したスリット板２２が設けられており、これにより、ハーフミラー１８からの透過光Ｌ２以外の外乱光がモニタ用受光素子２１に入光することを防止している。

５．本実施形態の効果
本実施形態によれば、投光手段１４は、互いに異なる波長帯の光を出射する３つのＬＥＤチップ１１〜１３を隣接配置しかつ一体にパッケージして構成されているから、各ＬＥＤチップ１１〜１３からの光Ｌを１つのモニタ用受光素子２１で受光することが可能となる。そして、３つのＬＥＤチップ１１〜１３全ての出力強度制御は、１つのモニタ用受光素子２１からの受光信号に基づいて行われる。従って、複数の発光素子それぞれに対応して複数のモニタ用受光素子を設けて各発光素子の出力強度を制御する構成に比べて、各ＬＥＤチップの出力強度を所定値に安定的に保つことができ、正確なマーク検出を行うことができる。

なお、図５に示すように、例えば互いに別体であって、異なる波長帯の光Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を出射する３つの投光素子５０〜５２からの各光を２つのハーフミラー５３，５４を使って、１つのモニタ用受光素子５５で受光させる構成も考えられる。しかしながら、このような構成では、投光素子５０，５２からの光Ｎ１，Ｎ３は、それぞれ１ずつのハーフミラー５３，５４を通過してモニタ用受光素子５５に受光されるのに対して、投光素子５１からの光Ｎ２は、２つのハーフミラー５３，５４で反射してモニタ用受光素子５５に受光されることになる。つまり、同じ出力強度であっても投光素子５０〜５２によってモニタ用受光素子５５での受光量が異なることになり、モニタ用受光素子５５からの受光信号に基づいて３つの投光素子５０〜５２の出力強度を所定レベルに保つための制御が複雑になるという問題が生じ、好ましくない。

また、モニタ用受光素子２１を投光手段１４に隣接した位置に配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、モニタ用受光素子２１には、投光手段１４からの直接光だけでなく、シート３０で反射しハーフミラー１８で反射した光Ｍ２も入光するおそれがあり（図２（Ｂ）参照）、このモニタ用受光素子２１からの受光信号に基づく出力強度制御では、投光手段の出力強度を所定値に保つことができなくなる。

そこで、本実施形態では、モニタ用受光素子２１は、ハーフミラー１８を挟んで投光手段１４とは反対側に設けたから、モニタ用受光素子２１は、投光手段１４からの直接光だけを受光することになり、そこから出力される受光信号に基づいて投光手段１４の出力強度を所定値に保つことが可能になる。

更に、図３に示すように、投光素子１４と受光素子１６を横並び状に配する構成なので、ハーフミラー１８と受光素子１６との間に受光レンズ（集光レンズ１７）等を配するなど、両者１８，１６間の光路が長くなってもシート３０への光の出射方向に沿った方向においてセンサ本体４０の小型化を図ることができる。

また、スリット板２２（受光範囲制限手段）によって、投光手段１４から出射された透過光Ｌ２だけを確実に受光することが可能になり、投光手段１４の出力強度制御をより正確に行うことができる。

＜実施形態２＞
図６は実施形態２を示す。前記実施形態との相違は、投光手段１４から出射されハーフミラー１８を透過した光Ｌ２を集光レンズ１７を介してシート３０上に照射させ、そこで正反射してハーフミラー１８で反射した光Ｍ２を受光手段１６で受光する構成になっているところにあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

図６に示すように、本実施形態では、モニタ用受光素子２１には、投光手段１４からの直接光だけでなく、シート３０で反射しハーフミラー１８を透過した光Ｍ１も受けるおそれがある。そこで、本実施形態では、投光手段１４からの直接光を透過可能な挿通孔６０が貫通形成された包囲壁６１でモニタ用受光素子２１を包囲し、上記透過光Ｍ１がモニタ用受光素子２１に入光することを防止している。

なお、図７に示すように、モニタ用受光素子２１を、投光手段１４から出射されハーフミラー１８で反射した光Ｌ２を受光できる位置に設けてもよい。勿論、実施形態１と同様に、スリット板２２を設けるのが望ましい。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、赤色、緑色、青色の光を出射する投光手段１４としたが、その他の光の組み合わせであってもよい。また、２色の光或いは４色以上の光を出射する構成であってもよい。

（２）上記実施形態では、マークの有無を検出するマークセンサに適用した例を説明したが、これに限らず、各ＬＥＤチップからの光の受光素子１６での受光量比に基づきマーク等の色判定を行うカラーセンサについても本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る同軸反射型光電センサの全体構成を示す概要図 投光手段からの光の光路、シートでの反射光の光路を示した模式図 センサ本体の具体的構成を示した断面図 図３のＸ−Ｘ破断面におけるセンサ本体の断面図 別体の３つの投光素子からの光を１つのモニタ用受光素子に集めるための構成を示した模式図 実施形態２の投光手段からの光の光路、シートでの反射光の光路を示した模式図 その変形例

符号の説明

１０…同軸反射型光電センサ
１１〜１３…ＬＥＤチップ
１４…投光手段、投光素子
１５…制御手段（出力制御手段）
１６…受光手段、受光素子
１８…ハーフミラー
２１…モニタ用受光素子
２２…スリット板（受光範囲制限手段）
３０…シート（対象物）
３１…マーク（検出対象）
４４…全反射ミラー（反射部材）
６０…挿通孔
６１…包囲壁
Ｌ… 投光手段から出射された光
Ｌ１…光Ｌの反射光
Ｌ２…光Ｌの透過光
Ｍ…シートで反射した光
Ｍ１…光Ｍの透過光
Ｍ２…光Ｍの反射光

Claims (4)

1. 互いに波長帯が異なる複数の光を出射する投光手段と、
   前記投光手段からの光を反射光と透過光とに分離し、その反射光または透過光を対象物に向けて照射するハーフミラーと、
   前記対象物で反射し、前記ハーフミラーに再び戻ってきて当該ハーフミラーにより分離された反射光または透過光のうち、前記投光手段の位置する方向とは異なる方向に向かう光を受光する受光手段とを備え、
   前記受光手段での受光量に基づき前記対象物に関する検出動作を行う同軸反射型光電センサにおいて、
   前記投光手段は、互いに異なる波長帯の光を出射する複数のＬＥＤチップを、隣接配置しかつ一体にパッケージしてなり、
   前記各ＬＥＤチップからの光を受光可能で、その受光量に応じた受光信号を出力する１つのモニタ用受光素子と、
   前記モニタ用受光素子からの前記受光信号レベルに基づき前記各ＬＥＤチップの出力強度が所定値になるように前記各ＬＥＤチップに与える駆動電流レベルを制御する出力制御手段とを備えていることを特徴とする同軸反射型光電センサ。
2. 前記モニタ用受光素子は、前記投光手段から出射され前記ハーフミラーで分離された反射光及び透過光のうち、前記対象物に照射されない方の光を受光可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の同軸反射型光電センサ。
3. 前記投光手段から出射され前記ハーフミラーで反射した反射光を前記対象物に照射し、その対象物で反射し前記ハーフミラーを透過した光を反射部材で反射させて、前記投光手段と横並び状に配された前記受光手段に導くよう構成されるとともに、
   前記モニタ用受光素子は、前記ハーフミラーを挟んで前記投光手段とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項２記載の同軸反射型光電センサ。
4. 前記モニタ用受光素子の前方には、前記投光手段からの当該モニタ用受光素子に向かう光だけを通過可能な受光範囲制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の同軸反射型光電センサ。

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