光学式センサ装置

【課題】光学式センサ装置において一定の検知範囲からの反射光のレベル変動を防止すること。
【解決手段】受光素子１４の前面に検知範囲のうち近い位置にあるときにはその一部を遮光し、遠ざかるにつれて遮光量を減少させる遮光部材１６を設ける。こうすれば受光素子１４に入射される光のレベル変動を小さくすることができる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は検知対象に光を照射し、その反射光によって物体を検出する反射型の光学式センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の反射型の光学式センサ装置１は、図１２に示すように投光素子２より集束レンズ３によって物体検出範囲に照射し、所定の位置にある物体からの反射光を受光素子４によって受光する。そして受光回路５によって受光レベルを判別して物体の有無を検出するようにしている。この場合には検出すべき物体の光学式センサ装置からの距離は所定範囲内に限定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかるに対象となる物体とセンサ装置との距離が変動する場合には、受光素子で受光される受光量が変動する。例えば対象物体が拡散反射型物体の場合には、対象物体から受光素子までの距離の二乗に反比例して受光量が変動する。従って所定の閾値で物体の有無を判別する場合には、検出範囲が所定の狭い領域に限定され、この範囲内を外れた場合には正確に物体の有無を判別することが難しくなるという欠点があった。又対象物体の色彩や光沢度の相違を受光量の大きさで判別する光学式センサ装置においても、距離変動の影響を受ける。従って検出範囲が所定の狭い領域に限定され、この範囲内を外れた場合には正確に判別できなくなるという欠点があった。
【０００４】本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、距離変動の影響を少なくして物体の有無や表面状態を検出できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明は、光を物体検出範囲に照射する投光部と、前記投光部より照射される所定の検出範囲にある対象物体からの反射光を受光する受光部と、前記受光部の受光面の前面に配置され、物体検出範囲において対象物体に近いときに遮光する光量が大きく、対象物体が遠ざかるに従い遮光する光量が小さくなるように配置された遮光部材と、を具備することを特徴とするものである。
【０００６】本願の請求項２の発明は、Ｓ偏光又はＰ偏光のいずれか一方の光を物体検出範囲に照射する投光部と、前記投光部から照射される所定の物体検出範囲にある対象物体からの反射光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタより分離されたＳ偏光成分及びＰ偏光成分の受光レベルを夫々検出する受光部と、前記受光部の受光面の前面に配置され、物体検出範囲において対象物体に近いときに遮光する光量が大きく、対象物体が遠ざかるに従い遮光する光量が小さくなるように配置された遮光部材と、前記２つの偏光成分の受光レベルの差に基づいて光沢度を検出し、光沢度の相違により物体を判別することを特徴とするものである。
【０００７】このような特徴を有する本願の請求項１，２の発明によれば、受光部の前面に遮光部材が設けられ、遮光部材により検出範囲の近いときに遮光する光量を大きくし、遠ざかるに従い遮光する光量を小さくするようにしている。反射光自体は距離の二乗に反比例して減少するため、遮光部材を配置することによって検出距離の範囲内での反射光の光量変化が小さくなる。そのため物体の有無や光沢度を正確に判別することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す図である。本図に示すように発光ダイオード等の投光素子１１は投光回路１２により駆動され、集束レンズ１３によって物体の検出範囲に入射される。そして物体検出領域として距離Ｌ_S〜Ｌ_Lの検出範囲を有し、この範囲内からの反射光を受光素子１４によって受光するものとする。受光素子１４の出力は受光回路１５によって電気信号に変換され、所定のレベルを越える受光信号があれば物体を検知信号が出力される。さてこの実施の形態では、受光素子１４の受光面の前方の投光素子１２側に遮光部材１６を設ける。遮光部材１６は対象物体に近いときに遮光する光量が大きく、物体検出範囲において対象物体が遠ざかるに従い遮光する光量が小さくなるように配置しておく。図２R>２は受光素子１４側から見た正面図であり、投光素子側に遮光部材１６が設けられ、その一部が隠れている状態を示している。ここでは遮光部材１６は検出範囲の最近位置Ｌ_S側より入射する反射光がある場合に、その一部を遮光するように配置される。又その検出範囲の中心位置Ｌ_Mから検出範囲の最遠位置Ｌ_Lまでの間は光を遮光しないように配置しておく。このように遮光部材１６を配置しておくことにより物体検出範囲における光量の変動が低減できることとなる。
【０００９】例えば投光素子１１の投光軸ＴＬと光学式センサ装置の前面との角度、及び検出範囲の中心位置Ｌ_Mからの反射光の光軸ＲＬと光学式センサ装置の前面との角度を夫々２０°とする。そしてＬ_S＝７mm、Ｌ_M＝１０mm、Ｌ_L＝１３mm、投光レンズの径を８mmφとすると、受光量は遮光部材１６がない場合には、図３の曲線Ａに示すように距離Ｌ_S〜Ｌ_Lの範囲でＬ_Mの受光量に対して−４０〜＋８０％まで変動する。ここで検出範囲の中心位置Ｌ_Mの受光量を１００％としている。そして遮光部材１６を受光素子１４の前面から７mmの位置に設け、その端部を受光軸ＲＬより１mm離して配置した場合には、図３の曲線Ｂに示すように−３０〜＋２０％の変動範囲となる。この場合にも遮光部材１６を配置した状態で検出範囲の中心位置Ｌ_Mの受光量を１００％としている。受光量のレベルは遮光部材１６を配置しない場合の光量よりも低くなる。このように遮光部材１６を設けることによって受光レベルの変動幅を小さくすることができる。従って所定の閾値で物体の有無を判別する場合にも、物体の検出範囲ではほぼ誤動作なくその有無を判別することができるという効果が得られる。
【００１０】次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は第１の実施の形態による遮光部材に代えて、受光軸に対して垂直に鎧戸２０を設けたものである。鎧戸２０は平行に多数のフィンをその面に対して一定の角度で配置したものである。又図４（ｂ）はこの鎧戸２０を示す正面図であり、図示のように多数のフィンによってスリット状に透過する部分が形成されている。このフィンの角度を選択することによって図５に示すように種々の特性の透過率を得ることができる。図５において横軸は鎧戸２０より鎧戸の面より垂直に入射する角度を０としてこれに対し左右に入射角が傾いたときの透過率を示している。ここでは受光素子１４の面に垂直な法線に対し、時計方向の角度を正として示している。この例では曲線Ｃに示すように、入射角が１８°で最も透過率が高いように鎧戸の面に対して１８°傾けたフィンを有する鎧戸２０を用いる。こうすれば検出距離範囲の最遠位置Ｌ_Lの際は入射角は１８°であるため、ほぼ遮光されることがない。そして受光素子１４への入射角が＋１８°〜−１８°に変化するにつれて透過率が徐々に低下する。前述のように受光量の大きさは距離の二乗に反比例するため、透過率の変化によって、前述した第１の実施の形態と同様に、距離に対する受光量の変動量を小さくすることができる。
【００１１】次に本発明の第３の実施の形態について図６R>６を用いて説明する。この実施の形態では受光素子の受光位置を反射光を集光する受光レンズの光軸よりずらせるように配置したものである。即ちこの光学式センサ装置の前面には受光レンズ２１を配置し、その背後に受光素子２２を設ける。受光素子２２は図示のように対象物体が検出範囲の最も近い位置Ｌ_Sより近い位置にあれば受光素子２２には入光せず、検出範囲のＬ_S〜Ｌ_Lの範囲内であれば距離がＬ_SよりＬ_Lに遠ざかるにつれて反射光の受光素子２２に入射する比率を大きくするように配置する。こうすれば反射光量自体は検出距離の二乗に反比例するため、距離Ｌ_S〜Ｌ_Lの検出範囲での受光レベルの変化を少なくすることができる。
【００１２】次に本発明の第４の実施の形態について図７R>７を用いて説明する。この実施の形態では図１に示す第１の実施の形態と同様に遮光部材を受光素子１４の前面に設けたものである。本実施の形態による遮光部材３１は図７（ｂ）に示すように、検出範囲内で物体までの距離が変化する場合に反射光のビームスポットの移動方向を中心としてＶ字形に形成された遮光部材である。検出範囲の最遠位置Ｌ_Lに物体があれば図７（ｂ）に示すようにビームスポットＳ_Lの径が最も小さくなるため遮光されず、検出範囲の最も近い位置Ｌ_Sに物体があればビームスポットＳ_Sの径が大きくなってその大部分が遮光され、一部分のみが受光素子に入射するように構成される。検出範囲の中心Ｌ_Mに物体があればビームスポットＳ_Mの径はその中間となり、その一部分のみが遮光される。こうすれば前述したように反射光の光量自体は距離の二乗に反比例するため、第１の実施の形態と同様に、遮光部材のない場合に比べて受光量の変動を小さくすることができる。
【００１３】図８は第５の実施の形態による光学式センサ装置の縦断面図、図９はそのブロック図である。この実施の形態による光学式センサ装置は、ヘッド部５１と信号処理部５２及びこれらを接続する光ファイバケーブル５３によって構成される。ヘッド部５１は検出物体に光を投光する投光部とその反射光を受光する受光部とを備えている。信号処理部５２は投光部への光を発光する発光素子と、受光部より受光された光を電気信号に変換し受光レベルによって検出物体の有無やその光沢等の表面状態を判定する信号処理回路、表示部を含んで構成されている。
【００１４】ヘッド部５１は図８に示すように、一面に開口を有するベース部材６１と、その開口部を被うカバー部材６２によってヘッド部５１の筐体が構成される。信号処理部５２内に設けられた後述する発光ダイオード等の投光素子の光は光ファイバケーブル５３内の投光用光ファイバ６３を介してヘッド部５１に導かれる。ヘッド部５１内にはこの投光用光ファイバ６３の出射方向にコリメートレンズ６４，拡散板６５が設けられ、これと一定間隔を隔てて投光レンズ６６及び偏光フィルタ６７が設けられる。投光レンズ６６はＰ偏光又はＳ偏光のいずれかの偏光成分の光を物体検出範囲に照射するものである。そして受光側にはこの照射された光の反射光を受光する位置に偏光ビームスプリッタ６８が配置される。又その反射光の一部を遮光する遮光部材６９が設けられる。偏光ビームスプリッタ６８は受光した光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離するビームスプリッタであり、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分は夫々受光部に入射される。夫々の受光部には偏光フィルタ７０，７１及び受光レンズ７２，７３が設けられており、偏光ビームスプリッタ６８で分離されたＰ偏光及びＳ偏光の反射光成分を夫々受光用光ファイバ７４，７５によって受光するものである。
【００１５】図９はこの実施の形態による光学式センサ装置の全体構成を示すブロック図である。本図においてこの光学式センサ装置５０はヘッド部５１と信号処理部５２とから成り立っている。信号処理部５２は所定周期毎に投光素子８１を駆動する投光回路８２と、受光素子８３，８４に接続されたＳ側受光回路８５及びＰ側受光回路８６を有している。受光回路８５，８６は夫々Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の光を受光する受光回路であって、その出力はマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）８７に与えられる。マイクロコンピュータ８７には発振回路８８，電源８９，モード切換スイッチ９０，感度設定ボタン９１が接続され、メモリとしてＥＥＰＲＯＭ９２，出力回路９３が接続されている。マイクロコンピュータ８７は所定のタイミングで投光素子８１を周期的に駆動し、受光信号によって閾値を設定して物体の表面状態の変化を検出するものである。出力回路９３は物体を検知して検出出力を出すと共に、物体検知の安定／非安定状態を検出して安定／非安定出力を出すものである。
【００１６】この光学式センサ装置において入射光をいずれか一方の偏光成分、例えばＳ偏光成分を有する光とすると、光沢度が小さい物体では偏光方向が保存された正反射光も得られるが、それ以外にＳ偏光成分とＰ偏光成分とが夫々等しい拡散反射光のレベルが高くなる。一方光沢度が大きければ、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とのレベルが等しい拡散反射光の全体の光量が低くなり、偏光方向を保存するＳ偏光の正反射光のレベルが相対的に高くなる。従ってＳ偏光成分とＰ偏光成分との差から光沢度を検出することができる。この実施の形態においても遮光部材６９が設けられているため、検出範囲の近距離例側に近づくにつれて遮光される割合が多くなる。そのため反射光全体のレベル変動を小さくすることができる。
【００１７】図１０は台紙上に設けられたラベルを瓶や箱等に張り付ける処理を示す概略図である。この実施の形態では前述した第５の実施の形態の光学式センサ装置をラベルの位置決め検出用として使用しており、台紙とラベルとを光沢度によって識別し、ラベルの位置を確認することができる。そしてラベルを瓶に張り付けた後は瓶とラベルとの光沢差を検出することによって所定位置への張り付け処理を確認するようにしている。そして台紙や瓶に対する光学センサからの位置が変動する場合にも、反射光の光量変化を少なくすることができ、ラベルの有無を確実に識別することができる。
【００１８】図１１は第５の実施の形態による光学式センサ装置を利用したカラーマークの検出状態を示す図である。この場合もシート上のカラーマークの有無を光学式センサ装置で判別する際に、シートと光学式センサ装置との間隙が変化する場合にも正確にその有無を判別することができる。
【００１９】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本願の請求項１，２の発明によれば、反射光のレベルや光沢度等を検出する光学式センサ装置において、一定の検出領域を設けたときにその範囲内では物体の位置にかかわらず受光レベルの変動を小さくすることができる。従って安定して物体の有無や光沢度を検出することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による受光素子と遮光部材１６の関係を示す図である。
【図３】この実施の形態による検出距離に対する受光量の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す図である。
【図５】この実施の形態による受光素子への入射角度と透過率を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す図である。
【図７】（ａ）は本発明の第４の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す図、（ｂ）は受光素子と遮光部材を示す正面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態による光学式センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この実施の形態による光学式センサ装置をラベルセンサに適用した使用例を示す斜視図である。
【図１１】この実施の形態による光学式センサ装置をカラーマークセンサとして用いた使用例を示す斜視図である。
【図１２】従来の光学式センサ装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１１投光素子
１２投光回路
１３，６６投光レンズ
１４，２２受光素子
１５受光回路
１６，３１，６９遮光部材
２０鎧戸
２１，７２，７３受光レンズ
５１ヘッド部
５２信号処理部
６７，７０，７１偏光ビームスプリッタ

【特許請求の範囲】
【請求項１】光を物体検出範囲に照射する投光部と、前記投光部より照射される所定の検出範囲にある対象物体からの反射光を受光する受光部と、前記受光部の受光面の前面に配置され、物体検出範囲において対象物体に近いときに遮光する光量が大きく、対象物体が遠ざかるに従い遮光する光量が小さくなるように配置された遮光部材と、を具備することを特徴とする光学式センサ装置。
【請求項２】Ｓ偏光又はＰ偏光のいずれか一方の光を物体検出範囲に照射する投光部と、前記投光部から照射される所定の物体検出範囲にある対象物体からの反射光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタより分離されたＳ偏光成分及びＰ偏光成分の受光レベルを夫々検出する受光部と、前記受光部の受光面の前面に配置され、物体検出範囲において対象物体に近いときに遮光する光量が大きく、対象物体が遠ざかるに従い遮光する光量が小さくなるように配置された遮光部材と、前記２つの偏光成分の受光レベルの差に基づいて光沢度を検出し、光沢度の相違により物体を判別することを特徴とする光学式センサ装置。

【図１】