JP2002246637A - 限定反射型光電スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出可能範囲の近接側及び離間側の両方の境
界において受光量の急峻な変化特性が得られる限定反射
型の光電スイッチを提供する。 【解決手段】 発光素子１３及び投光レンズ１４を含む
投光部と受光素子１５及び受光レンズ１６を含む受光部
とを備え、投光レンズ１４の光軸２１と受光レンズ１６
の光軸２２が所定の角度で交差し、投光部から照射され
た光が所定の検出可能範囲内にある検出対象物ＷＫの表
面で反射して受光部に入射することにより検出対象物Ｗ
Ｋが検出される限定反射型の光電スイッチにおいて、受
光素子１５の受光窓１９が受光レンズ１６のレンズ面２
３に対して斜めに配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子及び投光
レンズを含む投光部と受光素子及び受光レンズを含む受
光部とを備え、投光レンズの光軸と受光レンズの光軸が
所定の角度で交差し、投光部から照射された光が所定の
検出可能範囲内にある検出対象物の表面で反射して受光
部に入射することにより検出対象物が検出される限定反
射型の光電スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】可視光線、赤外線等の光を用いて物体
（検出対象物）の存否を検出する光電スイッチには大き
く分けると透過型と反射型がある。透過型の光電スイッ
チは投光部と受光部とが互いに向き合い、投光部から出
た光がそのまま受光部に到達するか、物体に遮られて受
光部に到達しないかを検出することにより、物体の存否
を検出する。これに対して、反射型の光電スイッチは、
投光部から出た光が物体に反射されて受光部に入射する
か否かによって物体の存否を検出する。いずれのタイプ
でも、受光部（受光素子）が受光量に応じて出力する電
気信号（例えば電圧）がしきい値と比較され、比較結果
が例えば電圧の高レベル又は低レベルの２値信号として
光電スイッチから出力される。これが物体の存否の検出
結果に相当する。

【０００３】反射型の光電スイッチには種々のタイプが
含まれるが、その中に、限定反射型と呼ばれるものがあ
る。限定反射型の光電スイッチは、投光及び受光の角度
範囲が絞られ、かつ、投光の光軸と受光の光軸が所定の
角度で交差するように配置されている。このような構成
により、投光部から照射される光の角度範囲と受光部の
受光可能な光の角度範囲との重複部分においてのみ、物
体の存否を検出することができる。つまり、検出可能範
囲が限定されている。

【０００４】したがって、限定反射型の光電スイッチ
は、検出可能範囲の外にある物体、例えば背景にある物
体を検出対象物と誤って検出するおそれがないという利
点を有する。さらに、検出対象エリアが限定される分だ
け外乱光の影響（ノイズ）を受けにくい利点も有する。

【０００５】また、限定反射型の光電スイッチは、可動
物体の接近離間状態を識別する目的で使用されることも
多い。例えば、可動物体が、光電スイッチから離間して
いる状態から接近するように移動し、その検出可能範囲
に進入すると、光電スイッチの出力電圧が低レベル（非
検出レベル）から高レベル（検出レベル）に変化する。
そして、可動物体が更に光電スイッチに近づくと、その
検出可能範囲から外れて光電スイッチの出力電圧が高レ
ベルから低レベルに変化する。逆に、可動物体が光電ス
イッチに接近している状態から離間するように移動する
場合も、可動物体が光電スイッチの検出可能範囲外から
検出可能範囲内に入り、更に検出可能範囲外へ移動する
のに対応して、光電スイッチの出力電圧が低レベルから
高レベルへ、そして再び低レベルへ変化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、検出対
象物の接近離間状態を識別する目的で限定反射型の光電
スイッチを使用する場合は、検出対象物が光電スイッチ
に対して接近又は離間する際に、検出可能範囲の境界に
おいて受光部（受光素子）の受光量が急激に変化するこ
とが望ましい。さもなければ、受光量に相当する電圧と
しきい値との比較結果が反転する付近での動作が不安定
になり、検出可能範囲の境界が安定しないことになる。

【０００７】しかし、従来の限定反射型の光電スイッチ
では、検出可能範囲の近接側及び離間側の両方の境界で
受光量が急激に変化するような特性を得ることが困難で
あった。図５は、この様子を示す受光出力−距離特性の
グラフである。図５（ａ）は、近接側の境界（近いほう
の境界）で受光出力（受光量）の急峻な変化特性が得ら
れるように設定した場合に、離間側の境界（遠いほうの
境界）での受光出力の変化特性がなだらかになってしま
う様子を示している。図５（ｂ）は、離間側の境界で受
光出力の急峻な変化特性が得られるように設定した場合
に、近接側での受光出力の変化特性がなだらかになって
しまう様子を示している。

【０００８】例えば、検出対象物が光電スイッチの検出
可能範囲の離間側の境界より近いか遠いかを判別するだ
けであれば、図５（ｂ）のような受光出力−距離特性を
有する光電スイッチを用いれば足りる。しかし、その判
別に加えて検出可能範囲の近接側の境界より近いか遠い
かの判別をも行う必要がある場合には、図５（ｂ）のよ
うな受光出力−距離特性において、近接側での受光出力
の変化も急峻になるように改良する必要がある。

【０００９】本発明は、上記のような課題に鑑みてなさ
れたものであり、検出可能範囲の近接側及び離間側の両
方の境界において受光量の急峻な変化特性が得られる限
定反射型光電スイッチを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来の限定反射型の光電
スイッチにおいて、検出可能範囲の近接側又は離間側の
境界で受光量の急峻な変化特性を得ることができない原
因について調査した。その結果、検出対象物から戻って
きた光が受光レンズで受光素子の受光面に集光する際
に、受光窓（受光面又はマスク部材の開口部）の端部に
おける光ビームのスポット径が大きくなっていることが
分かった。

【００１１】すなわち、従来は構造の簡素化と調整の容
易さのために、受光素子の受光面及び受光窓が受光レン
ズのレンズ面と平行に設けられていた。しかし、検出対
象物が受光レンズの光軸に対して斜めに交わる直線に沿
って移動する場合に、その像点の軌跡は受光レンズのレ
ンズ面と平行にならない。つまり、検出対象物（物点）
が遠いときは像点がレンズに近くなり、物点が近いとき
は像点がレンズから遠くなる。このため、受光窓の一方
の端部を像点に合わせると、他方の端部では像点からず
れ、光ビームのスポット径が大きくなる。この結果、光
ビームのスポットが受光センサの受光面から外れて行く
とき、及び、外から受光面に入って来るときに、徐々に
受光量が変化することになり、受光量の急峻な変化特性
を得ることができなくなることがわかった。

【００１２】そこで、本発明の限定反射型光電スイッチ
は、受光素子の受光窓が受光レンズのレンズ面に対して
平行ではなく、傾けて設けられていることを特徴とす
る。

【００１３】例えば、詳しくは図３を用いて後述するよ
うに、投光部と受光部との間隔をｙ０とし、受光レンズ
の焦点距離をｆとし、検出対象物が受光レンズの光軸に
対して角度αを成す直線上を移動すると仮定したとき
に、受光レンズの光軸と受光素子の受光窓との成す角度
βが次の式で表される関係となるようにする。

【００１４】ｔａｎβ＝ｙ０／ｆ−ｔａｎα

【００１５】上記のように、受光素子の受光窓を受光レ
ンズのレンズ面に対して斜めに配置したことにより、検
出対象物が光電スイッチに対して接近・離間する場合
に、その像点が受光窓に沿って移動し、受光窓の両側の
端部で受光ビームスポット径が小さくなる。その結果、
受光ビームスポットが受光窓から外れる際、又は外から
受光窓に入る際に、受光素子の受光量が急激に変化する
ので、検出可能範囲の近接側及び離間側の両方の境界に
おいて受光量の急峻な変化特性が得られる。

【００１６】なお、受光窓とは、受光素子の受光面、も
しくは、その前面に設けられたマスク部材の開口部を意
味する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施形態に係る限定反射
型光電スイッチの要部断面と投光路及び受光路を示す図
である。この限定反射型光電スイッチ（以下、単に光電
スイッチという）１はケース１１内にホルダ部材１２を
備え、ホルダ部材１２に発光素子１３、投光レンズ１
４、受光素子１５及び受光レンズ１６が固定されてい
る。発光素子１３及び投光レンズ１４を含む部分を投光
部といい、受光素子１５及び受光レンズ１６を含む部分
を受光部ということもある。また、図１の受光部の拡大
図を図２に示す。

【００１９】ケース１１の投光レンズ１４の前方部分に
は、投光窓と呼ばれることがある透明窓１７が設けられ
ている。受光レンズ１６の前方部分にも透明窓１８が設
けられている。この窓を受光窓と呼ぶこともあるが、本
明細書で「受光窓」という場合は、透明窓１８ではな
く、受光素子１５の前方に設けられたマスク部分の開口
部１９をいう。あるいは、マスク部分が無い場合は受光
素子の受光面の受光可能領域をいう。詳しくは後述す
る。

【００２０】発光素子１３から出た光は、投光レンズ１
４を通って、光路（光軸）２１に沿って投光される。光
軸２１上に検出対象物があると、その表面で反射した光
の一部は、光電スイッチ１に戻り、受光レンズ１６で集
光され、受光素子１５によって受光される。

【００２１】受光素子１５は、例えばフォトダイオード
で構成され、所定の広さの受光面を有する。受光面全体
で受けた受光量に相当する電圧が受光素子１５から検出
信号として出力される。受光素子１５の直ぐ前方には、
ホルダ部材１２の一部によって開口部１９が設けられて
いる。本実施形態では、この開口部１９が受光窓に相当
する。

【００２２】図１から分かるように、投光レンズ１４の
光軸２１と受光レンズ１６の光軸２２とは、所定の角度
（α）で交差している。また受光素子１５及び受光窓１
９は略平行に配置されているが、これらと受光レンズ１
６のレンズ面２３とは平行でなく、斜めになるように配
置されている。この理由については後述する。

【００２３】図１において、検出対象物ＷＫが投光レン
ズ１４の光軸２１上を移動するように、光電スイッチ１
に対して接近・離間する場合を考える。このとき、図１
及び図２に示すように、検出対象物ＷＫで反射して光電
スイッチ１に戻り受光レンズ１６によって集光される光
の像点（最小スポット径になる点）は、図１の略上下方
向に移動する。そして、受光窓１９で制限された領域を
通る光のみが受光素子１５に到達する。つまり、図１及
び２では受光窓１９から上下に外れた光は受光素子１５
に受光されない。

【００２４】図１において、検出対象物ＷＫが実線で示
すように検出可能範囲の最も遠方側（離間側）に位置す
るときに、検出対象物ＷＫで反射して光電スイッチ１に
戻る光は、受光窓１９の上側の端部を通過して受光素子
１５に到達する。逆に、検出対象物ＷＫが破線で示すよ
うに検出可能範囲の最も近い側（近接側）に位置すると
きに、検出対象物ＷＫで反射して光電スイッチ１に戻る
光は、受光窓１９の下側の端部を通過して受光素子１５
に到達する。したがって、図１に示すように、検出対象
物ＷＫが投光レンズ１４の光軸２１上を移動する場合
は、位置Ｐｃから位置Ｐｆまでの範囲が検出可能範囲Ｒ
ｄということになる。

【００２５】図１及び図２から分かるように、投光レン
ズ１４の光軸２１上における検出可能範囲の近接側境界
において、受光素子１５の受光量の急峻な変化特性を得
るためには、受光窓１９の下側の端部付近における集光
された光ビームのスポット径が最小になればよい。すな
わち、像点が受光窓１９の下側の端部付近に来ればよ
い。同様に、検出可能範囲の離間側境界において、受光
素子１５の受光量の急峻な変化特性を得るためには、受
光窓１９の上側の端部付近における集光された光ビーム
のスポット径が最小になればよい。すなわち、像点が受
光窓１９の上側の端部付近に来ればよい。受光窓１９の
上側及び下側の端部付近に像点が来るようにするため
に、本実施形態では、受光レンズ１６に対して受光窓１
９を平行ではなく斜めになるように配置している

【００２６】図３は、受光レンズ１６に対して受光窓１
９を斜めに配置する際に、その適切な角度を計算するた
めの光学幾何解析図である。図３において、図１及び図
２における受光レンズ１６の光軸２２をＸ軸にとり、レ
ンズ面２３をＹ軸にとっている。また、光電スイッチ１
の投光部と受光部との間隔をｙ０とする。正確には、受
光レンズ１６のレンズ面２３（Ｙ軸）と投光レンズ１４
の光軸２１との交点のＹ座標がｙ０である。また、図１
にも示したように、投光レンズ１４の光軸２１は、受光
レンズ１６の光軸２２（Ｘ軸）に対して角度αだけ傾い
ているとする。

【００２７】図３を用いて、検出対象物ＷＫが投光レン
ズ１４の光軸２１上（ｘ，ｙ）を移動する場合に、受光
レンズ１６の後方（左側）に形成される像点（ｘ’，
ｙ’）の軌跡がどのようになるかを以下に解析する。

【００２８】まず、図３において、投光レンズ１４の光
軸２１上の座標（ｘ，ｙ）は次の式（１）で表される。 ｙ＝ｙ０−（ｔａｎα）ｘ …… （１）

【００２９】また、レンズの焦点距離をｆとすると、レ
ンズの式より次の式が成立する。１／ｘ−１／ｘ’＝１
／ｆ したがって、 ｘ＝ｆｘ’／（ｘ’＋ｆ） …… （２）

【００３０】また、光軸２１上の座標（ｘ，ｙ）と像点
（ｘ’，ｙ’）との相似関係から次の式が成立する。 ｙ’／ｘ’＝ｙ／ｘ したがって、ｙ＝ｘｙ’／ｘ’

【００３１】これに式（２）を代入すると、 ｙ＝ｆｙ’／（ｘ’＋ｆ） …… （３）

【００３２】式（１）に式（２）及び式（３）を代入す
ると、 ｆｙ’／（ｘ’＋ｆ）＝ｙ０−（ｔａｎα）ｆｘ’／
（ｘ’＋ｆ）

【００３３】この式を変形して次の式が得られる。 ｙ’＝ｙ０＋（ｙ０／ｆ−ｔａｎα）ｘ’

【００３４】これが像点（ｘ’，ｙ’）の軌跡を示す式
であり、Ｙ軸上の点（０，ｙ０）を通り、傾きが（ｙ０
／ｆ−ｔａｎα）で表される直線になることがわかる。
したがって、Ｘ軸（受光レンズ１６の光軸２２）と像点
（ｘ’，ｙ’）の軌跡との成す角度をβとすると、ｔａ
ｎβ＝ｙ０／ｆ−ｔａｎαとなる。この式で与えられる
角度βとなるように、受光レンズ１６に対して受光窓１
９を斜めに配置すればよい。つまり、受光レンズ１６の
レンズ面２３と受光窓１９との成す角度を（９０−β）
ｄｅｇとすればよい。

【００３５】図４は、上記のようにして、受光レンズ１
６に対して受光窓１９を斜めに配置した本実施形態の限
定反射型光電スイッチ１を用いたときの受光出力−距離
特性を示すグラフである。図５（ａ）及び（ｂ）に示し
た従来の受光出力−距離特性と比較すると、図４の特性
では検出可能範囲の近接側及び離間側の両方の境界で受
光量が急峻に変化していることがわかる。

【００３６】以上、実施形態を用いて本発明を説明した
が、本発明は上記の実施形態に限らず、種々の形態で実
施することができる。

【００３７】例えば、上記の実施形態では受光素子１５
の直ぐ前方にマスク開口部１９が設けられており、これ
を受光窓としたが、このようなマスク開口部が無い実施
形態も可能である。この場合は、受光素子の受光面の受
光可能領域そのものが受光窓となる。したがって、受光
素子の受光面を受光レンズのレンズ面に対して所定の傾
きを持つように配置し、検出対象物の接近離間に応じて
像点が受光面上を移動するように構成すればよい。

【００３８】また、図３の光学幾何解析が二次元平面で
行われていることからも分かるように、本発明は、レン
ズ１６が図３においてＺ軸方向（紙面に垂直方向）に長
手のシリンドリカルレンズである構成にも適用可能であ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の限定反
射型光電スイッチによれば、受光素子の受光窓（受光面
又はマスク部材の開口部）を受光レンズのレンズ面に対
して斜めに配置したことにより、検出対象物が光電スイ
ッチの受光レンズの光軸に対して斜めに接近離間する場
合に、検出可能範囲の近接側及び離間側の両方の境界で
受光量の急峻な変化特性を得ることができ、もって安定
した検出精度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る限定反射型光電スイッ
チの要部断面と投光路及び受光路を示す図である。

【図２】図１の受光部の拡大図である。

【図３】受光レンズに対して受光窓を斜めに配置する際
に、その適切な角度を計算するための光学幾何解析図で
ある。

【図４】本発明の本実施形態に係る限定反射型光電スイ
ッチを用いたときの受光出力−距離特性を示すグラフで
ある。

【図５】従来の限定反射型光電スイッチを用いたときの
受光出力−距離特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 光電スイッチ １３ 発光素子 １４ 投光レンズ １５ 受光素子 １６ 受光レンズ １９ 受光窓 ２１ 投光レンズの光軸 ２２ 受光レンズの光軸 ２３ レンズ面 ＷＫ 検出対象物

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子及び投光レンズを含む投光部と受
   光素子及び受光レンズを含む受光部とを備え、前記投光
   レンズの光軸と前記受光レンズの光軸が所定の角度で交
   差し、前記投光部から照射された光が所定の検出可能範
   囲内にある検出対象物の表面で反射して前記受光部に入
   射することにより前記検出対象物が検出される限定反射
   型の光電スイッチであって、 前記投光レンズの光軸上を物点が移動するときに前記受
   光素子の受光窓を移動する受光スポットの軌跡の両端に
   おいて、前記物点に対応する像点が来るように前記受光
   素子の受光窓が配置されていることを特徴とする限定反
   射型光電スイッチ。
2. 【請求項２】発光素子及び投光レンズを含む投光部と受
   光素子及び受光レンズを含む受光部とを備え、前記投光
   レンズの光軸と前記受光レンズの光軸が所定の角度で交
   差し、前記投光部から照射された光が所定の検出可能範
   囲内にある検出対象物の表面で反射して前記受光部に入
   射することにより前記検出対象物が検出される限定反射
   型の光電スイッチであって、 前記受光素子の受光窓が前記受光レンズのレンズ面に対
   して斜めに配置されていることを特徴とする限定反射型
   光電スイッチ。
3. 【請求項３】前記投光レンズの光軸と前記受光レンズの
   レンズ面との交点と、前記受光レンズの中心との間隔を
   ｙ０とし、前記受光レンズの焦点距離をｆとし、検出対
   象物が前記受光レンズの光軸に対して角度αを成す直線
   上を移動すると仮定したときに、前記受光レンズの光軸
   と前記受光素子の受光窓との成す角度βが次の式で表さ
   れることを特徴とする請求項２記載の限定反射型光電ス
   イッチ。 ｔａｎβ＝ｙ０／ｆ−ｔａｎα