JP7111244B2

JP7111244B2 - 光電センサ及びその製造方法

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Publication number: JP7111244B2
Application number: JP2021502400A
Authority: JP
Inventors: 潤平中村; 浩貴中島; 和斉駒井; 貴弘及川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: WO2020175676A1; EP3933872B1; EP3933872A4; JPWO2020175676A1; US11920951B2; CN113272928A; US20220082380A1; KR20210095179A; EP3933872A1

Description

本発明は、光電センサ及びその製造方法に関する。

光電センサは、例えば工場の生産ラインや設備等に取り付けられ、ワークの検出有無に利用されることがある。

上記光電センサは、一般的に、光を出射する投光部と、光を受ける受光部と、がケース（以下、筐体と称する）の内部に収容されている。また、筐体の内部には、投光部を構成する投光素子、受光部を構成する受光素子に加え、信号処理部を構成する電子部品等が搭載された基板が収容されている。筐体は、投光部から発せられる検出光及び受光部が受ける戻り光を通すための光学的開口を有し、当該開口に、光学部品としてのカバー又はカバー一体型のレンズが配設されることがある。当該カバーレンズは、検出光が通過する投光レンズ及び反射光が通過する受光レンズ又はそれらレンズの保護として機能する。このようなカバーレンズを、投光素子又は受光素子の前面側に配置した例が下記特許文献１に記載されている。

特開２００７－３０５６７３号公報

工場の生産ラインや設備等に光電センサが取り付けられた場合には、投光素子又は受光素子の前面側に配置したカバーレンズが、例えば洗浄水、加工油や粉塵等により汚れ、その結果、カバーレンズを透過する光量が低下して光電センサによる検出性能が低下してしまうおそれがある。

上記特許文献１には、カバーレンズの表面に、熱又は光架橋性の樹脂組成物をコーティングすることが記載されているが、前述した洗浄水、加工油や粉塵等による汚れ対策としては十分な機能を有さないという問題がある。このような問題を解決するために、例えば、カバーレンズに防汚コートを施すという考え方がある。しかしながら、レーザー溶着によりカバーレンズと筐体の界面を高温にして溶かし、溶着するといった接合方法を施す時、当該防汚コートを構成する材料の融点が高いため、防汚コート材が十分に溶けず、筐体に接合することが困難になるという問題がある。また、接着剤を用いて、カバーレンズと筐体の界面を接合するといった接合工法を施す時、防汚コートが表面に露出された状態で接合を行うと、基材のみの場合と比べ、防汚コート材を構成する材料が一般的にフッ素系化合物を含むため、接着剤によるカバーレンズと筐体の接合性を低下させてしまうという問題がある。加工油や粉塵等により汚れる環境下で光電センサを使用する場合には、カバーレンズの汚れを防ぎつつ、カバーレンズを筐体に接合できることが望ましい。

そこで、本発明は、汚れを十分に防ぎながら、筐体に強固に接合できるカバーレンズを備えた光電センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光電センサは、光を出す投光部及び光を受ける受光部の少なくとも一方を筐体内に収容する光電センサであって、筐体は、投光部からの光及び受光部への光の少なくとも一方を通過させる開口を有し、開口を覆うと共に光を透過させるカバーレンズが配設され、カバーレンズは、開口を画成する筐体の縁部に接合されており、カバーレンズの外面には、防汚コートが施されている一方、カバーレンズの内面における縁部に接する部分には防汚コートが施されていない。

この態様によれば、カバーレンズの外面には防汚コートが施されているので、例えば洗浄水、加工油や粉塵等により汚れる環境下で光電センサを使用する場合であっても、汚れを十分に防ぐことができる。また、カバーレンズの内面のうち、開口を画成する筐体の縁部に接する部分には、防汚コートが施されていないので、当該部分と、筐体の縁部とを、例えばレーザー溶着等により強固に接合することができる。その結果、汚れを十分に防ぎながら、筐体に強固に接合できるカバーレンズを備えた光電センサを提供することができる。

上記態様において、防汚コートを構成する材料はコート基材とコーティング剤が化学的に架橋された、一層構造の構成となっていてもよい。

上記態様において、カバーレンズの内面における縁部に接する部分と筐体とは、レーザー溶着により接合されていてもよい。また、カバーレンズの内面における縁部に接する部分と筐体とは、接着剤により接合されていてもよい。

上記態様によれば、カバーレンズの内面と縁部とは、防汚コートを介さずにレーザー溶着又は接着剤により接合することができる。防汚コートを構成する材料が一般的にフッ素系化合物のため、接着剤での接合の際には機械的に基材に比べると接合強度が弱くなってしまうことを防ぐことができる。

上記態様において、カバーレンズの内面に、マークが印字されていてもよい。また、マークは、カバーレンズが表裏逆に筐体に配設されている場合に、カバーレンズにおける投光部を覆う位置に設けられていてもよい。

この態様によれば、カバーレンズの内面に印字されたマークは、カバーレンズが表裏逆に筐体に配設されている場合に、カバーレンズにおける投光部を覆う位置に設けられているので、カバーレンズが表裏逆に筐体に配設されていることを容易に判別することができる。

本発明によれば、汚れを十分に防ぎながら、筐体に強固に接合できるカバーレンズを備えた光電センサを提供することができる。

図１は、実施形態に係る光電センサを一方向から見た斜視図である。図２は、図１に示す光電センサを前方側から見た正面図である。図３Ａは、図２のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図３Ｂは、図２のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。図４は、カバーレンズが表裏逆に開口にはめ込まれた状態を説明するための図である。図５は、受光素子の分光感度特性の一例を示す図である。図６は、受光素子の分光感度特性の他の例を示す図である。図７Ａは、一層のコーティング構成を示す説明図である。図７Ｂは、二層のコーティング構成を示す説明図である。図８は、カバーレンズを内側からはめ込む変形例を示す断面図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。説明の便宜上、前後、左右及び上下に関しては、図１に示すものを基準にしている。各図において、同一の符号を付したものは、同一の又は同様の構成を有する。

図１に示すように、光電センサ１０は、筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、投光部１４及び受光部１６が収容されている。筐体１２は、投光部１４から発せられる検出光及び受光部１６が受ける戻り光を通すための開口１２１を有し、この開口１２１にカバーレンズ５０が配設されている。また、筐体１２の外面には、例えば、ティーチボタン１８及びインジケータ２２が設けられている。以下では、筐体１２内に投光部１４及び受光部１６を収容した例を前提として説明するが、図示の例に限定されずに、本実施形態では、筐体１２内に投光部１４及び受光部１６の少なくとも一方を収容していればよい。すなわち、投光部１４及び受光部１６それぞれを別個の筐体に収容した形態も本実施形態のセンサに含まれる。

投光部１４は、被検出物に対して光を投射するものであり、発光素子及び投光レンズを有している。発光素子は、例えばレーザダイオードであり、その光軸Ｘは前後方向に平行になっている。受光部１６は、被検出物に対して投射された光の反射光を受けるものであり、受光素子及び受光レンズを有している。受光素子は、例えば、２分割フォトダイオード又は位置検出素子である。被検出物までの距離を求める測距の検出原理としては、例えば、ＴＯＦ（Time of Flight）や三角測距の原理を用いることができる。例えば、上記構成において三角測距の原理を用いた場合、発光素子から出射された光が投光レンズを通って被検出物に投射され、被検出物によって反射した光が受光レンズを通って受光素子上で結像する。受光素子は、この結像位置に応じた２つの受光信号を出力し、アンプを介して制御回路へと送信する。アンプ及び制御回路は光電センサ１０に内蔵されており、制御回路において、受信した２つの受光信号から演算した位置信号値がしきい値と比較され、被検出物までの距離が求められる。

ティーチボタン１８は、センサ本体の設定を変更する設定部として機能するものであり、例えば、外部からの入力操作を受けてしきい値を設定する機能を有する。ここで、しきい値とは、光電センサ１０において被検出物の検出の有無又は被検出物までの距離を判断するための基準値をいい、感度を調整するための感度パラメータの一つである。感度パラメータとしては、このしきい値のほかに、投光部１４から出る光のパワー、すなわち投光強度や、受光部１６で受ける光の量の増幅率、すなわちゲインなどが挙げられる。例えば、反射率が低い透明な被検出物の場合には、高い投光強度に設定される。ユーザがティーチボタン１８を押すと、少なくともしきい値を含む感度パラメータを設定するティーチング処理が行われ、少なくともしきい値を含む感度パラメータが自動的にある程度の値に自動設定される。ティーチング処理としては、例えば１点ティーチング処理及び２点ティーチング処理があり、その内容については、本出願人による過去の特許文献（例えば特開２００８－２９８６１４号公報）などに詳述されているため、ここでは説明を省略する。

インジケータ２２は、光電センサ１０の電源状況や検出状況に応じて点灯するものである。例えば、インジケータ２２は、電源がＯＮされているときに点灯する電源灯と、被検出物を検出したときに点灯する動作表示灯と、を有している。電源灯及び動作表示灯は、それぞれ、例えばＬＥＤからなり、互いに異なる表示色で点灯する。

筐体１２は、例えば樹脂又は金属により形成され、略直方体形状を有している。筐体１２は、直方体を構成する六面に関して、前面３１、背面３２、頂面３３、底面３４、側面３５及び側面３６を有している。前面３１及び背面３２は、筐体１２の内部を挟んで対向している。同様に、頂面３３及び底面３４は筐体１２の内部を挟んで互いに対向し、また、側面３５及び側面３６は筐体１２の内部を挟んで互いに対向している。前面３１及び背面３２は、上下方向が左右方向よりも長く形成されている。同様に、頂面３３及び底面３４は前後方向が左右方向よりも長く、また、側面３５及び３６は上下方向が前後方向よりも長く形成されている。頂面３３は、前面３１に隣接し、前面３１及び背面３２に直交する方向に延在している。頂面３３には、前面３１側から順番に、インジケータ２２及びティーチボタン１８が設けられている。

筐体１２の底面３４にはケーブル４０が接続されている。ケーブル４０は、例えば、光電センサ１０による検出結果を示す検出信号を光電センサ１０の外部に送信するために使用される。

なお、筐体１２内には、光電センサとして通常設けられる構成（例えば、投光素子、受光素子、投光素子を駆動する図示しない投光回路、受光素子の受光信号を電気処理する図示しない受光回路が搭載された基板等）が収容されている。前述のケーブル４０は、その内部にケーブル芯線（不図示）を有し、当該ケーブル芯線が筐体１２内部を通り、筐体１２内に配置された上記基板に接続されている。なお、筐体１２に関する上記の「略直方体形状」とは、内角が全て９０度となる直方体ということではなく、少なくとも、そのような直方体の一つの角を面取りしたことを含むものをいう。

筐体１２には、図１に示すように、投受光用の開口１２１を塞ぐように光学部品としてのカバーレンズ５０（透明アクリルカバーレンズ）が配設されている。言い換えれば、光電センサ１０は、筐体１２の前面にカバーレンズ５０がはめ込まれた窓が設けられている。カバーレンズ５０は、開口１２１を覆うと共に光を透過させる機能を有する。カバーレンズ５０は、開口１２１を画成する筐体１２の縁部１２１ａ（図２参照）に接合されている。

カバーレンズ５０の構成について更に説明する。図２は、図１に示す光電センサ１０を前方側から見た正面図である。図３Ａは、図２のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図３Ｂは、図２のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。

本実施形態では、カバーレンズ５０の外面５１（前方側の面）には、防汚コート６１が施されている。防汚コート６１は、例えば、フッ素系化合物を含有する材料が用いられる。防汚コート６１に用いられる材料は、この例に限定されず、例えば、シリコン系化合物、シリカ系化合物、又は酸化チタン系化合物のうちの少なくとも１つを含む材料が用いられる。また、これら防汚コーティング材料は基材と化学的に架橋されており、一層構造（一層のコーティング構成）となっている。当該一層のコーティング構成及び二層のコーティング構成について以下で説明する。

図７Ａは、カバーレンズ５０の表面に形成したコーティング剤を一層のコーティング構成とした例であり、図７Ｂは、カバーレンズ５０の表面に形成したコーティング剤を二層のコーティング構成とした例である。

カバーレンズ５０にコーティング剤を形成する場合、通常のコーティング剤は、図７Ｂに示すように、二層のコーティング構成（コーティング剤６１０及びコート基材６２０）となるが、この場合に干渉現象を生じ特性の不安定性、生産バラツキを生じるという問題がある。この二層のコーティング構成の場合に生じる問題について、図５及び図６を参照しながら説明する。

図５は、カバーレンズ５０から受光素子までの受光経路に一層コーティングを施した光学的薄膜層が存在する時の分光感度特性（グラフＧ１）を表している。図６は、カバーレンズ５０から受光素子までの経路にニ層のコーティング（１９４５ｎｍ厚のＳｉＯ₂コーティング（屈折率１．４６）と、８００ｎｍ厚のＳｉ₃Ｎ₄コーティング（屈折率２．０５）との隣接した二層のコーティング構成）とした場合の、光電センサ１０の受光部１６（受光素子）の分光感度特性（グラフＧ２）を表している。図５及び図６の横軸は光の波長を示し、縦軸は分光感度を示す。図５に示すように、可視光域を透過し紫外光、赤外光の領域はほぼカットされていることが分かる。図６の二層コーティング構成としたときの分光感度特性に示すように、二層コーティングによる干渉により分光感度特性にうねりを生じ、小さな波長の変化に対して大きな受光感度の増減が生じることが分かる。光電センサでは光源として単波長の赤（約６６０ｎｍ）や赤外（約９５０ｎｍ）のＬＥＤやＬＤを用いることがおおく、図６のようなうねりを生じた分光感度特性では光電センサ個体間の製造バラツキや温度変化により大きな感度変動を生じるという問題がある。防汚コートを二層コーティング構成とした場合も同様の干渉現象を生じ特性の不安定性、生産バラツキを生じるという問題がある。

上記問題を解決するため、本実施形態では、二層のコーティング剤（図７Ｂに示すコート基材６２０とコーティング剤６１０）が化学的に架橋されて、一層のコーティング剤６１（図７Ａ）で防汚コートが構成されている。一層のコーティング剤６１で防汚コートが構成されることにより、図５及び図６を参照しながら説明したように、カバーレンズ５０の分光感度特性が二層のコーティング剤の時と比べ、波長変動時のバラツキを低減し、変動の傾きが安定的になる。その結果、光源やコーティング剤の温度特性による変動時にも安定した光学特性をえることができる。

ところで、カバーレンズ５０の内面５２の全面に防汚コート６１が塗布されている場合、当該防汚コート６１を構成する材料の融点が高いため、カバーレンズ５０をレーザー溶着により筐体１２に接合することが困難である。また防汚コート６１が筐体接合面に露出された状態で接合を行うと、基材のみの場合（防汚コート無しの場合）と比べ、接着剤によるカバーレンズ５０と筐体１２の接合性が悪化する。

そこで、本実施形態では、カバーレンズ５０の内面５２（後方側の面）のうち、少なくとも、開口１２１を画成する筐体１２の縁部１２１ａに接する接合部（以下、カバーレンズ５０の裏面周縁部５２ａとも称する）には、防汚コート６１が施されていない。これにより、カバーレンズ５０を筐体１２に接合する際に、カバーレンズ５０の裏面周縁部５２ａと、筐体１２の縁部１２１ａとを、レーザー溶着又は接着剤により接合することができる。

なお、本実施形態では、少なくとも裏面周縁部５２ａに防汚コート６１が施されていなければよく、カバーレンズ５０の内面５２のうち裏面周縁部５２ａを除いた部分には、防汚コート６１が施されていてもよく、施されていなくてもよい。言い換えれば、カバーレンズ５０を筐体１２に接合する際に、カバーレンズ５０のうち筐体１２に接する部分を除いた部分には、防汚コート６１が施されていてもよく、施されていなくてもよい。

カバーレンズ基材（カバーレンズ本体）については、その材料は特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂又はガラスのうちの少なくとも１つを含む材料が用いられる。

カバーレンズ５０は次の工程により製造される。この工程によれば防汚コーティングを基材の片側の面に、効率よく製造することができる。
（１）カーテンコートのような工法により、基材表面にコーティング剤を塗布する。
（２）乾燥及びUV照射工程によって、コーティング剤を硬化させる。このときUV照射により、コーティング剤の表面にフッ素層が析出し、防汚コート６１の層を形成する。
（３）シルクスクリーン印刷等の工法により、裏面にマーク７０を印刷する。
（４）フライス加工等の工法により、個々のカバーレンズ５０を切り出す。

さらに続けて次の工程により筐体１２とカバーレンズ５０を組み立てて、光電センサ１０が製造される。
（１）製造されたカバーレンズ５０を筐体１２の開口１２１を覆う位置に配設する。このときカバーレンズ５０の裏面周縁部５２ａと、筐体１２の縁部１２１ａとが、接する状態となる。
（２）カバーレンズ５０の裏面周縁部５２ａと、筐体１２の縁部１２１ａとを、レーザー溶着で加工するか又は接着剤を塗布、硬化させてカバーレンズ５０を筐体１２に接合する。

カバーレンズ５０の内面５２には、マーク７０が印字されている。マーク７０は、カバーレンズ５０が表裏逆に筐体１２にはめ込まれている場合には、図４に示すように、カバーレンズ５０における投光部１４を覆う位置に設けられている。このようにカバーレンズ５０にマーク７０が印字されることにより、カバーレンズ５０を筐体１２の開口１２１にはめ込む場合（すなわち、カバーレンズ５０の内面５２の縁を、筐体１２における開口１２１の周縁に接合する場合）に、カバーレンズ５０が表裏逆であるか否かを判別することができ、誤ってカバーレンズ５０を表裏逆に筐体１２に配設することを防ぐことがで
きる。

なお、カバーレンズ５０の内面５２に印字されるマーク７０は、例えば、図４に示すカバーレンズ５０の中央軸ＡＸ（カバーレンズ５０の左右方向中央を通り上下方向に延びる軸）を跨がない位置に設けられていることが好適である。しかしながら、このような位置に限定されず、前述したように、カバーレンズ５０が表裏逆に筐体１２にはめ込まれている場合に、マーク７０が投光部１４を覆う位置であれば、前述の中央軸ＡＸを跨ぐ位置に設けてもよく、その位置は特に限定されない。また、本実施形態におけるマーク７０は、カバーレンズ５０が表裏逆に筐体１２にはめ込まれていることを判別する機能を有していれば、内面５２に印字することに限定されず、様々な態様を採用することが可能である。

（実施形態の変形例）
以上で説明した実施形態ではカバーレンズ５０を筐体１２の外側から内側に向かって嵌め込むものであったが、図８に示すように筐体１２の内側から外側に向かってカバーレンズ５０を嵌め込むものであってもよい。この場合はカバーレンズ１２の外面５１に防汚コート６１が塗布されていない領域５１ａを形成し、当該領域５１ａにおいてカバーレンズ５０と筐体１２とをレーザー溶着や接着剤により接合すればよい。

防汚コート６１が塗布された領域５１ｂは、開口１２１と同じか僅かに大きく形成されている。カバーレンズ５０は、筐体１２の開口１２１よりも大きく形成されているため、防汚コート６１が塗布されていない領域５１ａは、防汚コート６１が塗布された領域５１ｂを囲繞するように形成されている。領域５１ａは、前述した裏面周縁部５２ａと同様に、筐体１２の縁部１２１ａに接する接合部の他の一例である。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

（附記）
１．光を出す投光部１４及び光を受ける受光部１６の少なくとも一方を筐体１２内に収容する光電センサ１０であって、
筐体１２は、投光部１４からの光及び受光部１６への光の少なくとも一方を通過させる開口１２１を有し、
開口１２１を覆うと共に光を透過させるカバーレンズ５０が配設され、
カバーレンズ５０は、開口１２１を画成する筐体１２の縁部１２１ａに接合されており、
カバーレンズ５０の外面５１には、防汚コート６１が施されている一方、カバーレンズ５０の内面５２における縁部１２１ａに接する部分には防汚コート６１が施されていない、光電センサ１０。

１０…光電センサ、１２…筐体、１４…投光部、１６…受光部、５０…カバーレンズ、６１…防汚コート、７０…マーク、１２１…開口、１２１ａ…縁部。

Claims

光を出す投光部及び光を受ける受光部の少なくとも一方を筐体内に収容する光電センサであって、
前記筐体は、前記投光部からの光及び前記受光部への光の少なくとも一方を通過させる開口を有し、
前記開口を覆うと共に前記光を透過させるカバーレンズが配設され、
前記カバーレンズは、前記開口を画成する前記筐体の縁部に接合されており、
前記カバーレンズの外面には、防汚コートが施されている一方、前記カバーレンズの内面における前記縁部に接する部分には前記防汚コートが施されていない、光電センサ。
前記防汚コートを構成する材料はコート基材と防汚コート材料が化学的に架橋された、一層構造の構成となっている、
請求項１に記載の光電センサ。
前記カバーレンズの内面における前記縁部に接する部分と前記筐体とは、レーザー溶着により接合されている、
請求項１又は２に記載の光電センサ。
前記カバーレンズの内面における前記縁部に接する部分と前記筐体とは、接着剤により接合されている、
請求項１又は２に記載の光電センサ。
前記カバーレンズの内面または外面のいずれか一方に、前記カバーレンズが表裏逆に前記筐体に配設されたことを示すマークが印字されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光電センサ。
前記マークは、前記カバーレンズが表裏逆に前記筐体に配設されている場合に、前記カバーレンズにおける前記投光部を覆う位置に設けられている、
請求項５に記載の光電センサ。
前記防汚コートを構成する材料は、フッ素系化合物、シリコン系化合物、シリカ系化合物及び酸化チタン系化合物からなる群から選択される一種以上の化合物である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光電センサ。
光を出す投光部及び光を受ける受光部の少なくとも一方を筐体内に収容する光電センサであって、
前記筐体は、前記投光部からの光及び前記受光部への光の少なくとも一方を通過させる開口を有し、
前記開口を覆うと共に前記光を透過させるカバーレンズが配設され、
前記カバーレンズは、前記開口を画成する前記筐体の縁部に接合されており、
前記カバーレンズの外面の一部は防汚コートが施されている一方、他の一部は前記縁部に接していると共に前記防汚コートが施されていない、光電センサ。
筐体内に収容された投光部から発射された光及び受光部が受ける外部からの光の少なくとも一方を通過させるよう前記筐体に設けられた開口をカバーレンズで覆った光電センサの製造方法であり、
前記カバーレンズの外面及び内面に防汚コートを施すステップと、
前記カバーレンズの一部分に防汚コートが施されていない領域を生成するステップと、
前記カバーレンズが前記開口を覆うように配設するステップと、
前記カバーレンズの防汚コートが施されていない前記領域において、前記カバーレンズと前記筐体とを接合するステップと、を含む光電センサの製造方法。