JP2001235421A

JP2001235421A - 光電スイッチ

Info

Publication number: JP2001235421A
Application number: JP2000398223A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishihara; 一寛西原; Kimiyasu Kurita; 公康栗田; Toshihiro Fujita; 俊弘藤田; Takeshi Takao; 健鷹尾; Katsuhiro Shoji; 克博庄司
Original assignee: Idec Izumi Corp
Current assignee: Idec Izumi Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ＯＨ基を含む物質、ＣＨ₂基またはＣＨ₃
基を含む物質を対象物として、その検出を精度よく行う
とともに、入手が容易な要素で構成され、かつ小型に構
成可能であって汎用性も高い光電スイッチを提供するこ
と。【解決手段】半導体発光素子１２として波長１．４μ
ｍの光を発生する素子、たとえばＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ
_1-yの組成を有する半導体素子を使用する。この波長の
光はＯＨ基を含む物質固有の光吸収帯に対応しており、
検出対象物ＱがＯＨ基を含む物質（例：水を主成分とす
る物質）である場合には、その有無によって光吸収結果
が異なり、半導体受光素子１５における光電変換出力が
変化する。これに応じてスイッチング動作がなされる。
有機液体を検出対象物とする場合には、半導体発光素子
１２として波長１．６〜１．７μｍ帯の光を発生する素
子を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は工場の自動化ライ
ンなどにおいて使用される光電スイッチに関するもの
で、特に、検出光に対する遮光性や反射性に乏しい物質
（より具体的には、ＯＨ基、ＣＨ₂基、ＣＨ₃基を含む物
質）を検出対象物としてそれによる光吸収を利用した光
電スイッチに関する。

【０００２】

【発明の背景】工場の自動化ラインにおいては工程管理
などのために種々のセンサが使用されるが、光電センサ
にスイッチング機能を持たせた光電スイッチは非接触で
対象物の検出を行うことができるという利点があるた
め、種々の用途に使用されている。

【０００３】ところで、従来の光電スイッチのうちの反
射型のものでは、投光器からの光を検出位置に向けて投
光するとともに検出位置からの反射光の有無を受光器で
検出することによって、その検出位置に検出対象物が存
在するか否かを認識するようになっている。また、透過
型のものでは投光器と受光器とを対向配置し、その間の
空間に検出対象物がある場合にはそれによる遮光によっ
て受光器に光が届かなくなることを利用しており、いわ
ゆるフォトインタラプタとして構成されている。そし
て、これらいずれの場合でも受光器の受光状態に応じて
所要のスイッチの開閉を行い、それによって光電スイッ
チとしての機能を果たしている。

【０００４】ところが、このような従来の光電スイッチ
は対象物の光反射性または遮光性を条件としているた
め、このような光学的性質に乏しい検出対象物、特に透
明または半透明の液体や固体（以下、「透明性を有する
物質」）についてはその検出が困難である。すなわち、
このような透明性を有する物質の場合には投光器からの
光はほとんど反射も遮光もされないため、従来の光電ス
イッチでは検出対象物の存否によって受光器の受光出力
はほとんど変化しない。また、若干の反射や遮光を無理
に検出しようとすれば受光器の受光出力を弁別するため
の閾値レベルをゼロレベルの近傍に設定せざるをを得な
いが、そのようにするとノイズなどの微小の外乱だけで
ＯＮ／ＯＦＦのスイッチングが起こることになり、これ
が誤報の原因となってしまう。

【０００５】一方、周知のように、どのような物質もす
べての波長に対して完全に透明であるということはな
く、光の波長に依存した光吸収率を持っている。これに
対応して、白色光源からの光をフィルタに通すことによ
り特定の波長を取り出し、それを対象物に投光するとと
もに、対象物を通った光の吸収度に応じて対象物の有無
検出などを行うという技術が提案されている。

【０００６】しかしながら、この場合にはフィルタとし
て容易に入手できる透過波長帯と、検出すべき対象物の
光吸収波長帯とが一致するとは限らない。このため、実
際には検出感度が必要なレベルにまで達しないという場
合も多い。

【０００７】また、白色光源として使用される白熱電球
はそのサイズが大きいため、これを対象物に投射させる
ための光学系も大きくなる。したがって、これらの構成
要素を収容しなければならない投光器はそのサイズが大
きくなってしまう。

【０００８】このような事情があるために、白色光源と
フィルタとを使用した光吸収利用型の光電検出器はその
用途が限られており、光電スイッチのように小型で汎用
的に使用される機器に採用することは困難である。

【０００９】さらに、このような技術では着目する波長
のみの光を透過する完全なフィルタを入手することは困
難であって、その波長以外の光もかなりフィルタを透過
してしまうのが実状である。したがって、対象物の吸収
特性に応じた特定の波長の光だけを投光することが困難
であり、実際には多数の波長が混合した検出になってい
る場合が多い。このため、着目する波長以外についての
吸収の影響が避けられず、対象物の検出が不正確になる
場合もある。

【００１０】

【発明の目的】この発明はこのような事情に鑑みてなさ
れたものであり、透明性を有する物質として代表的なも
の、すなわち、ＯＨ基を含む物質、ＣＨ₂基やＣＨ₃
基を含む物質を対象物として、その検出を精度よく行う
とともに、入手が容易な要素で構成され、かつ小型に構
成可能であって汎用性も高い光電スイッチを提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１の発明では、ＯＨ基を含む物質を検出する
とともに、その検出の結果に応じてスイッチング動作を
行う光電スイッチを提供しており、そこでは、投光のた
めの光源として、１．４０μｍ〜１．５０μｍの範囲か
ら選択された波長の光を発生する半導体レーザを使用
し、レンズを介して前記半導体レーザから前記検出位置
に投光を行い、この光に対する検出対象物の光吸収を利
用してスイッチング動作を行う。

【００１２】また、請求項２の発明では、ＣＨ₂基やＣ
Ｈ₃基を含む物質の検出の結果に応じてスイッチング動
作を行う光電スイッチであって、投光のための光源とし
て、１．６０μｍ〜１．８０μｍの範囲から選択された
波長の光を発生する半導体レーザを使用し、レンズを介
して前記半導体レーザから前記検出位置に投光を行い、
この光に対する検出対象物の光吸収を利用してスイッチ
ング動作を行う。

【００１３】この発明においては、透明性を有する物質
として最も利用頻度が高い物質、すなわち、ＯＨ基を含む物質（代表例：水や糖類などを含む物
質）ＣＨ₂基やＣＨ₃基を含む物質（代表例：樹脂類を含む
物質）を想定し、それらに固有の光吸収波長帯を具体的に特定
するとともに、その波長帯に対応した光を発生する半導
体レーザを利用することを基本原理とする。

【００１４】すなわち、この発明の発明者は、それらの
固有の光吸収波長帯は光通信工学などにおいて既に多用
されている半導体レーザの波長帯と一致していることを
実測に基づいて確認し、そのような半導体レーザを光電
スイッチにおける光源として採用することにより、上記
の課題をすべて解決できることを見出した。

【００１５】ここにおいて、半導体レーザではフィルタ
を使用する必要がなく、また素子サイズも小さいだけで
なく、大きな光学系も必要としない。このため、光電ス
イッチの小型化が可能であって汎用性が高い。

【００１６】また、上記のようにそのような半導体レー
ザは既に開発されて光通信などで多用されているため、
構成要素の入手も容易である。

【００１７】さらに、半導体レーザの発光波長の幅は十
分に狭いため、所要の波長以外の波長が混入することが
少なく、対象物の検出の精度も高い。

【００１８】

【発明の原理】この発明の実施形態の具体的構成を説明
する前に、半導体レーザにおいて実現される波長帯につ
いて説明するとともに、この発明における波長帯の採用
理由を説明しておく。

【００１９】＜１．本発明と各種物質の光吸収特性との
関係＞記述したように、本発明のうち請求項１の光電ス
イッチは、ＯＨ基の固有の吸収スペクトルを利用するこ
とを原理としており、この吸収波長帯に応じた発光波長
として１．４μｍ帯（１．４０〜１．５０μｍ）を採用
する。

【００２０】また、請求項２の光電スイッチは、ＣＨ₂
基および／またはＣＨ₃基の固有の吸収スペクトルを利
用することを原理としている。

【００２１】図１〜図８はこのような波長帯の選択の根
拠となる実測結果を示している。これらのグラフの縦軸
は光透過率（０％〜１００％）であり、横軸は波長（単
位μｍ）である。したがって、グラフの谷が吸収ピーク
に相当する。なお、上限が１００％を若干越えている部
分があるがこれは誤差によるものである。また、この図
１〜図８の下欄において（＊）印が付された物質がＣＨ
₂基やＣＨ₃基を含む物質であり、それ以外はＯＨ基を含
む物質である。

【００２２】まず、図１においてＯＨ基を含む水（Ｈ₂
０＝Ｈ＋ＯＨ）の測定結果に着目する。この結果からわ
かるように、水は１．４５μｍ付近と１．９５μｍ付近
とに光吸収ピークを有する。原理的にはこれらのいずれ
の波長帯を使用しても光吸収を利用した光電スイッチを
得ることはできるが、実際には半導体レーザとして産業
上で入手できる波長帯はある程度限られており、この発
明では１．４μｍ帯（１．４０〜１．５０μｍ）を採用
する。図１ではこの波長帯が「Ａ」として付記されてい
る。なお、このような選択の前提となる半導体レーザの
例については後述する。

【００２３】一方、図１においてＣＨ₂基やＣＨ₃基を含
む有機液体としての炭化水素およびエチルアルコール
（エタノール）においては、１．７２μｍ付近などに吸
収ピークを有する。そこで、水と同じく産業上で入手で
きる半導体レーザの波長帯を考慮して、この発明では
１．６〜１．７μｍ帯（１．６０〜１．８０μｍ）を採
用する。図１ではこの波長帯が「Ｂ」として付記されて
いる。

【００２４】図２〜図６は他の種々の物質について同様
の実測を行った結果を示している（一部、図１に含まれ
る結果と重複している）。これらのグラフの内容は図か
ら明らかであるためここでは逐一説明はしないが、主成
分としてＯＨ基を含む物質については１．４μｍ帯Ａの
付近に、また、ＣＨ₂基やＣＨ₃基を含む有機液体では
１．６〜１．７μｍ帯Ｂの付近にそれぞれ吸収ピークを
有することがこれらのグラフから理解できる。

【００２５】すなわち、１．４μｍ帯ＡはＯＨ基を含む
各種液体において共通の吸収帯のひとつであり、また
１．６〜１．７μｍ帯ＢはＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む
種々の有機液体において共通の吸収帯のひとつである。

【００２６】また、これら図１〜図６は液体についての
実験結果であるが、この発明は固体についても適用でき
る。図７はＯＨ基を含む固体の例としてのスクロース
（＝セルロースないしは蔗糖）の実験結果であり、やは
り１．４μｍ帯Ａの付近に吸収ピークを持っている。さ
らに、図８はＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む固体の例とし
ての透明プラスチック（具体的にはアクリル樹脂）の実
験結果であり、１．６〜１．７μｍ帯Ｂの付近に吸収ピ
ークを持っている。

【００２７】したがって、液体であるか固体であるかを
問わず、これらの波長帯における光吸収を利用すること
によって、これらの物質の検出に有効な光電スイッチを
得ることができるのであり、この発明はこのような事実
に基づいている。

【００２８】＜２．検出対象物ごとの吸収波長と波長選
択＞次に、上記のような吸収スペクトルの実測結果から
判定された吸収ピークのうち、特に１．４μｍ帯（１．
４０〜１．５０μｍ）および１．６〜１．７μｍ帯
（１．６０〜１．８０μｍ）がこの発明で採用された根
拠を説明する。なお、以下の説明で現れる波長値および
波長帯については図９に図示されており、この図９をも
参照されたい。

【００２９】＜３．発光波長帯による半導体レーザの分
類と利用の経緯＞周知のように半導体レーザは種々の波
長帯のものが開発されており、それら波長は応用別に目
的を持って開発されている。一般的には短波長帯と長波
長帯とに区分される。

【００３０】このうち短波長帯は、主としていわゆる光
情報処理たとえばＣＤを代表とする光ディスク、レーザ
プリンタあるいは光電スイッチを含んだセンサーなどの
ために開発されている。その代表的なものとしては、Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＡｓ系化合物半導体を用いたレーザがあり、
この組成における組成比ｘを調整することで、例えば波
長０．８４μｍ及び０．７８μｍ帯などが実現可能であ
る。

【００３１】また、特に短波長化が要求される光ディス
ク等では（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ系のレーザが開発
され、０．６７μｍ帯及び０．６３μｍ帯が実現されて
いる。また、さらなる短波長化のためにＺｎＳｅやＺｎ
Ｓなどのバンドギャップエネルギーの大きいII-VI族化
合物半導体を用いたレーザも研究開発されている。

【００３２】一方、長波長帯半導体レーザは、光ファイ
バ通信システムへの応用を主眼として開発されており、
主としてＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-y系の化合物半導体を用
いて作成されている。光通信などで使用される波長はた
とえば１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯である。この波長
帯が選択された理由は光ファイバの素材であるガラスの
吸収が小さいため光信号を長距離を伝搬損失を少なく伝
送できるというニーズを充足するためである。また、光
ファイバ増幅器において、光ファイバ内に希土類元素の
エルビウム（Ｅｒ）をドープしたファイバに励起光とし
て波長１．４８７μｍ帯あるいは０．９８μｍ帯の半導
体レーザを用いることにより３０ｄＢ以上の光信号に対
する利得が実現できる手法が開発され、それにより新た
な波長帯である０．９８μｍや１．４８μｍ帯のレーザ
が開発されている。

【００３３】以上の短波長帯および長波長帯のうち、こ
の発明において重要となるのは長波長帯である（図９参
照）。

【００３４】＜４．発光波長帯に対応する組成および製
造＞ところで、以上説明したような半導体レーザの材料
である化合物半導体は複数の種類の原子の混晶により成
立する。これについては例えば、“Heterostructure La
sers” H. C. Casey, Jr. & M. B. Panish, Academic P
ress, 1978 がこの分野において広く知られた参考文献
である。この文献によれば直接遷移型化合物半導体の価
電子帯と充満帯間との間のエネルギーギャップＥｇ（単
位ｅＶ）と発光波長λ（単位μｍ）の関係は、Ｅｇ（ｅＶ）＝１．２３９８／λ（μｍ）で与えられる。

【００３５】特にＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yの混晶半導体
においては、そのエネルギーギャップのとりうる範囲は
組成比ｘ，ｙを０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１の範囲内で変化
させることにより、０．７３≦Ｅｇ≦１．２５（ｅＶ）
の範囲で制御可能である。従ってＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ
_1-yの発光可能な波長λの範囲は０．９９≦λ≦１．７
０（μｍ）である。

【００３６】＜５．本発明における半導体レーザ例＞こ
のように、半導体レーザとして産業上で現在入手可能な
波長帯が制限されるが、請求項１の発明で採用される
１．４μｍ帯Ａ（図９参照）は、典型的には上記のよう
にＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yの半導体混晶で構成された半
導体レーザによって実現可能である。

【００３７】また、請求項２の発明で採用される１．６
〜１．７μｍ帯Ｂのうち１．６０〜１．７０μｍの波長
については、典型的にはＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yによっ
て実現できる。ＡｌＧａＩｎＳｂ系またはＩｎＰＡｓＳ
ｂ系の半導体混晶で構成された半導体素子により、１．
６０〜１．８０μｍの波長が実現可能である。

【００３８】一方、半導体混晶における超格子の効果を
利用してこの発明に使用する半導体レーザを実現するこ
とも可能である。半導体混晶の製造においては結晶成長
法が重要なファクタであるが、この発明の実現のために
使用する半導体レーザのための半導体混晶の結晶成長法
としては、伝統的な液相成長（Liquid Phase Epitaxy）
法のほか、より薄膜形成が可能な気相成長法、たとえば
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Depositio
n）法や、分子線エピタキシー法すなわちＭＢＥ（Molec
ular Beam Epitaxy）法などが利用可能である。このよ
うな手法を用いると、通常のバルク半導体により発光可
能なエネルギーギャップの範囲を拡大して制御すること
が可能であり、波長の制御性においても高度に自由度を
持たせることも可能である。

【００３９】

【実施形態】以下、上記のような原理に従って構成され
たこの発明の実施形態について説明する。

【００４０】＜１．第１実施形態の構成＞図１０はこの
発明の第１実施形態である反射型の光電スイッチ１の外
観図であり、図１１はその内部構成を示すブロック図で
ある。この光電スイッチ１は、内蔵する半導体レーザ
（以下「半導体発光素子」とも呼ぶ）の発光波長に応じ
て、ＯＨ基を含む物質（具体的には水を主成分とする液
体）の検出用光電スイッチ、または、ＣＨ₂基または
ＣＨ₃基を含む物質（具体的にはこれらの基を含む有機
液体）検出用光電スイッチとして使用される。

【００４１】図１０に示すように、光電スイッチ１は直
方体のケーシング２の内部に図１１の要素群１０を内蔵
している。この要素群１０は、投光系、受光系、および
スイッチング系に大別され、このうち投光系では発光制
御回路１１で発生した励起電力を半導体発光素子１２に
与えている。この半導体発光素子１２（すなわち半導体
光源）としては、ＯＨ基を含む物質の検出用光電スイ
ッチの場合は１．４μｍ帯（１．４０〜１．５０μ
ｍ）、ＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む物質の検出用光電
スイッチの場合は１．６〜１．７μｍ帯（１．６０〜
１．８０μｍ）の中から選択した波長を発光する半導体
レーザ、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＳｂ
系またはＩｎＰＡｓＳｂ系の半導体レーザが使用され
る。これらの範囲で好ましい波長の例は、それぞれ１．
４５μｍおよび１．６６〜１．７３μｍである。

【００４２】図１１の半導体発光素子１２で発生した光
Ｌ１はレンズ１３を介して図１０の透明ウインドウ３ａ
から所定の検出位置Ｐ（図１１）に向けて出射する。こ
のレンズ１３は光Ｌ１の拡散を防いでほぼ平行光とする
ための光平行化レンズであり、好ましくは非球面の凸レ
ンズである。この検出位置Ｐが設定される面Ｒは、半導
体発光素子１２で発生した光を実質的に吸収しない光反
射性材料で形成されている。したがって、検出位置Ｐに
検出対象物Ｑ（水を主成分とする液体または有機液体）
が存在しないときには光Ｌ１が面Ｒに至ってこの面Ｒで
ほぼその全量が反射し、それが反射光Ｌ２となって光電
スイッチ１に戻る。また、検出位置Ｐに検出対象物Ｑが
存在する場合には光Ｌ１の大部分が検出対象物Ｑで吸収
され、反射光Ｌ２は実質的にゼロまたは相対的に低い光
量となる。

【００４３】光電スイッチ１の受光系は、半導体受光素
子１５と受光制御回路１６とを備えている。図１０の透
明ウインドウ３ｂから図１１のレンズ１４を介して入射
した光Ｌ２はこの半導体受光素子１４で検出される。こ
のレンズ１３は光Ｌ２を制御するためのレンズであり、
たとえば光Ｌ２をほぼ平行光とするための凸レンズ（好
ましくは非球面の凸レンズ）である。またこのレンズ１
３は、光Ｌ２の制御の他の態様として、光Ｌ２を絞り、
または拡散させるようなレンズであってもよい。また、
半導体受光素子１５はたとえばフォトダイオードで構成
されており、受光された光を光電変換する。そして、そ
の光電変換出力は受光制御回路１６において所定の電圧
または電流に変換される。具体的には、反射光Ｌ２のレ
ベルに応じて半導体受光素子１５から出力された信号を
この受光制御回路１６が所定の閾値で弁別し、「受光状
態」，「非受光状態」を示す２値信号へと変換する。ま
た、この受光制御回路１６には利得調整つまみ１６ａが
付随しており、この利得調整つまみ１６ａの操作に応答
して上記閾値が調整されることにより、検出感度の調整
が可能である。

【００４４】さらに、光電スイッチ１のスイッチング系
はスイッチング回路１７を備えており、このスイッチン
グ回路１７には検出パイロットランプ１８ｂが接続され
ている。このスイッチング回路１７は、光検出結果に応
じて光電スイッチ１の外部の機器（たとえば工程管理用
コントローラ）にＯＮ／ＯＦＦのスイッチング出力Ｓou
tを与えるようになっている。さらに、スイッチング回
路１７にはスイッチ方向切換つまみ１７ａが付随してお
り、このスイッチ方向切換つまみ１７ａを操作すること
により、検出パイロットランプ１８ｂの点灯とスイッチ
ング出力Ｓoutの「ＯＮ」とを受光時に行うか、それと
も非受光時に行うかを切り換えることができる。図１０
に示すように、ケーシング２の上面には、各調整つまみ
１６ａ，１７ａが配置されるとともに、検出パイロット
ランプ１８ｂは電源パイロットランプ１８ａと並列的に
透明のパイロットランプフード１８の中に収容されてい
る。

【００４５】なお、検出パイロットランプ１８ｂと電源
パイロットランプ１８ａとは、それらの発光色が異なっ
ており、これによっていずれが点灯しているかを容易に
識別することができる。また、この光電スイッチ１の電
源電力線およびスイッチング出力Ｓoutの取出し線は、
図１０のケーブル４を介して外部機器に接続されてい
る。

【００４６】このような構成の光電スイッチにおいて
は、検出対象物Ｑ（ＯＨ基を含む物質や、ＣＨ₂基また
はＣＨ₃基を含む物質）が存在するか否かによって光吸
収量が異なる。このため、半導体発光素子１２からの光
のうち半導体受光素子１５に到達する量に応じた信号レ
ベルを閾値で弁別することにより、スイッチング出力Ｓ
outを自動的に切り換えるとともに、検出パイロットラ
ンプ１８ｂの点灯／消灯がなされる。半導体レーザは発
光波長がシャープであるために余分な波長の光が混入す
ることが少なく、検出精度が高い。また、白色光源を使
用する場合のようなフィルタなどを必要とせず、またレ
ンズ１３，１４も小さなものでよいために全体として小
型であり、汎用性も高い。

【００４７】＜２．第２実施形態＞図１２はこの発明の
第２実施形態である透過型の光電スイッチ１００の外観
図であり、図１３はその内部構成を示すブロック図であ
る。このうち図１３は、光電スイッチ１００を水を主成
分とする液体または有機液体のレベル検出用として使用
された態様を例示している。

【００４８】図１２に示すように、この光電スイッチ１
００は投光部２００と受光部３００との組合せからな
り、図１３に示すようにこれらは互いに対向した位置に
設置されて使用される。その間の空間には半導体発光素
子２１２の発光波長において光吸収が少ない材料、たと
えばガラスなどで形成された容器５０に検出対象物Ｑが
貯留している。

【００４９】投光部２００は、図１２の直方体のケーシ
ング２０２の内部に、図１３の発光制御回路２１１およ
び半導体発光素子２１２を備えている。この半導体発光
素子２１２の具体的構成例およびその発光特性は第１の
実施形態と同様であって、ＯＨ基を含む物質の検出用
光電スイッチの場合は１．４μｍ帯（１．４０〜１．５
０μｍ）、ＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む物質の検出用
光電スイッチの場合は１．６〜１．７μｍ帯（１．６０
〜１．８０μｍ）の中から選択した波長を発光する半導
体レーザが使用される。

【００５０】半導体発光素子２１２で発生した光Ｌ１は
レンズ２１３を介して図１２の透明ウインドウ２０３か
ら容器５０の所定の設定高さＨ0に向けて出射する。こ
のレンズ２１３は光Ｌ１を制御するためのレンズであ
り、たとえば光Ｌ１をほぼ平行光とするための凸レンズ
（好ましくは非球面の凸レンズ）である。またこのレン
ズ２１３は、光Ｌ１の制御の他の態様として、光Ｌ１を
絞り、または拡散させるようなレンズであってもよい。
検出対象物Ｑのレベルがこの設定高さＨ0未満の高さＬo
wにあるときには、光Ｌ１のほぼ全量が透過光Ｌ３とし
て受光部３００に至る。また、検出対象物Ｑのレベルが
設定高さＨ0以上の高さＨighにあるときに光Ｌ１のほぼ
全量または多くの部分が検出対象物Ｑによって吸収さ
れ、透過光Ｌ３は実質的にゼロまたは相対的に低い光量
となる。

【００５１】受光部３００は図１２のケーシング３０２
の中に半導体受光素子３１５と受光制御回路３１６とを
備えており、このうち半導体受光素子１５はたとえばフ
ォトダイオードで構成されている。図１２の透明ウイン
ドウ３０３を介して図１３のレンズ３１４を介して入射
した光Ｌ３はこの半導体受光素子３１５で検出され、そ
の受光出力は受光制御回路３１６において所定の電圧ま
たは電流に変換される。その原理は第１実施形態におけ
る受光制御回路１６と同様である。また、この受光制御
回路３１６には利得調整つまみ３１６ａが第１実施形態
と同様に付随しており、これによって検出感度の調整が
可能である。

【００５２】受光部３００はさらにスイッチング回路３
１７を備えており、このスイッチング回路３１７には、
第１実施形態と同様の検出パイロットランプ３１８ｂお
よびスイッチ方向切換つまみ３１７ａが付随している。

【００５３】なお、投光部２００および受光部３００に
おける電源パイロットランプ２１８ａ，３１８ａのう
ち、受光部３００における電源パイロットランプ３１８
ａは検出パイロットランプ３１８ｂと並列的に、図１２
の透明のパイロットランプフード３１８の中に収容され
ていることも第１実施形態と同じである。投光部２００
および受光部３００は、図１２のケーブル２０４，３０
４を介してそれぞれ外部機器に接続されている。

【００５４】この第２実施形態における基本的検出原理
は第１実施形態と同様であるため、ここではその繰返し
説明は省略するが、たとえば図１３の容器５０と検出対
象物Ｑとの関係が透明ボトルに収容された飲料水や有機
液体であり、その自動充填の制御にこの光電スイッチ１
００を使用した場合には、液面が設定高さＨ0に達して
いるかどうかを正確に検出して、充填の停止などの制御
を行うことができる。

【００５５】ところで、検出対象物Ｑがある程度の色を
持っている場合には従来の透過型光電スイッチ、すなわ
ち検出対象物Ｑにおける遮光を利用した光電スイッチで
もある程度の検出は可能である。しかしながら、ボトル
への液体の自動充填においては液面上に泡沫が多く発生
し、その泡沫がボトルの外部まで溢れるようなことも多
い。すると、この泡沫の表面が検出光の遮光や反射をす
るために誤検出が生じる。

【００５６】これに対して、この実施形態の場合には光
吸収を原理としており、光吸収量は光がその液体を通過
する長さに応じて増加する。泡沫の場合にはその内部は
空気となっているため、たとえ多数の泡沫があっても光
の吸収は少なく、泡沫を液面と誤検出することはない。
このため、光の吸収による検出は本来の液面のレベルの
みを反映しており、検出が高精度となる。

【００５７】＜３．変形例＞液体のレベル検出のために
この発明の光電スイッチを利用する場合には、第２実施
形態の透過型光電スイッチ１００を複数組準備し、それ
らを異なる高さに設置することもできる。これにより、
液面のレベルを複数の高さでモニタ可能である。たとえ
ば、ボトルへの液体充填の場合には充填誤差を見込んで
最大レベルと最小レベルとにそれぞれ光電スイッチ１０
０を配置しておけば、最大レベルと最小レベルとの間に
液面があるもののみを合格品として識別することができ
る。

【００５８】また、この発明で使用される半導体レーザ
はその発光波長が１．４〜１．５μｍまたは１．６〜
１．８μｍであるために測定光を直接に目視することは
できないが、可視光を発する照明用光源を別に設け、測
定光の集光位置と同位置に照明用光源からの可視スポッ
トを形成させることによって、測定光を擬似的に可視化
することもできる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、ＯＨ基を含む物質、ＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含
む物質のそれぞれについて、それらに固有の吸収波長帯
に応じた波長の光を発生する半導体レーザを利用し、そ
の光平行化レンズを介して半導体レーザから検出位置に
投光している。

【００６０】そして、それらの半導体レーザは光通信工
学などにおいて既に多用されているものであり、入手も
容易である。半導体レーザ自身が小型であるとともに、
フィルタや大きな光学系を使用する必要もなく、小型化
が可能であるとともに汎用性の高い光電スイッチとなっ
ている。

【００６１】さらに半導体レーザの発光波長の波長帯幅
は十分に狭いため、所要の波長以外の波長の影響も少な
く、対象物の検出の精度も高い。

【００６２】また、レンズの使用によって半導体レーザ
からのビームを制御した状態で検出位置に投光できるこ
とにより、種々の検出態様に対応可能であり、その検出
態様に応じて検出精度を高けることができる。

【００６３】このため、工場の自動化ラインなどにおい
ての有効性が特に高い光電スイッチとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図２】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図３】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図４】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図５】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図６】種々の液体についての光透過スペクトルの実測
結果を示すグラフである。

【図７】ＯＨ基を含む固体であるスクロースについての
光透過スペクトルの実測結果を示すグラフである。

【図８】ＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む固体であるアクリ
ル樹脂についての光透過スペクトルの実測結果を示すグ
ラフである。

【図９】この発明において採用される波長帯の説明図で
ある。

【図１０】この発明の第１実施形態である反射型光電ス
イッチの外観図である。

【図１１】第１実施形態の光電スイッチの内部構成と使
用態様例を示す図である。

【図１２】この発明の第２実施形態である透過型光電ス
イッチの外観図である。

【図１３】第２実施形態の光電スイッチの内部構成と使
用態様例を示す図である。

【符号の説明】

１反射型光電スイッチ１２，２１２半導体発光素子１３、２１３レンズ１５，３１５半導体受光素子１００透過型光電スイッチ２００投光部３００受光部Ｑ検出対象物Ａ１．４μｍ波長帯Ｂ１．６〜１．７μｍ波長帯

フロントページの続き (72)発明者藤田俊弘大阪市淀川区西宮原１丁目７番31号和泉電気株式会社内 (72)発明者鷹尾健大阪市淀川区西宮原１丁目７番31号和泉電気株式会社内 (72)発明者庄司克博大阪市淀川区西宮原１丁目７番31号和泉電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の検出位置に向けて投光を行うとと
もに、前記検出位置を経由した光を受光することによっ
て、ＯＨ基を含む物質が前記検出位置に存在するか否か
を検出し、当該検出の結果に応じてスイッチング動作を
行う光電スイッチであって、前記投光のための光源として、１．４０μｍ〜１．５０
μｍの範囲から選択された波長の光を発生する半導体レ
ーザが使用され、レンズを介して前記半導体レーザから前記検出位置に投
光を行い、前記物質による光の吸収が前記受光のレベルを低下させ
ることによって前記スイッチング動作が行なわれること
を特徴とする光電スイッチ。
【請求項２】所定の検出位置に向けて投光を行うとと
もに、前記検出位置を経由した光を受光することによっ
て、ＣＨ₂基またはＣＨ₃基を含む物質が前記検出位置に
存在するか否かを検出し、当該検出の結果に応じてスイ
ッチング動作を行う光電スイッチであって、前記投光のための光源として、１．６０μｍ〜１．８０
μｍの範囲から選択された波長の光を発生する半導体レ
ーザが使用され、レンズを介して前記半導体レーザから前記検出位置に投
光を行い、前記物質による光の吸収が前記受光のレベルを低下させ
ることによって前記スイッチング動作が行なわれること
を特徴とする光電スイッチ。