JP2004037093A - 光学センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の軸ずれに拘わることなく、光源からの光を一定の検出感度で検出することのできる簡易な構成の光学センサ装置を提供する。
【解決手段】所定の受光領域を備えた光学センサ２と、この光学センサに光を導く集光レンズ１とを備えたものであって、特に前記集光レンズの光軸上で、且つ前記集光レンズの焦点位置から外れた位置に前記光学センサの受光領域を配置し、光源３の軸ずれに拘わることなく光学センサの受光感度をほぼ一定に保つことを特徴とする。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源に対する軸ずれに起因する感度のバラツキを低減した光学センサ装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
光学センサの一種である紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）は、紫外線を受けて放電を生起する一対の平面状の放電電極を紫外線透過性のガラスからなる円筒管内に封入し、上記各放電電極のリード端子をガラス管の一端部から導出したもので、例えばガスバーナの燃焼状態をモニタする火炎検出器として用いられる。ちなみに上記ＵＶチューブは、リード端子を介して前記一対の放電電極間に所定の高電圧が印加されて駆動され、該放電電極間に紫外線を受けたときに上記放電電極間に放電を生起する。
【０００３】
尚、典型的には特公昭４４−１０３９号公報に紫外線検出用放電管の構成が示され、また特公昭４７−７８７８号公報にその検出回路が開示される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところでＵＶチューブ等の光学センサを用いて光（紫外線）を検出する場合、より高感度な計測を行なうために、集光レンズを用いて光源から発せられた光を集光し、光学センサへ照射する光量を増加させることが行われる。図６は、固有の焦点距離ｆを有する集光レンズの一般的な光学系モデルを示している。この光学系モデルに示されるように、物体から集光レンズの物体側主平面までの距離をＳ１とし、集光レンズの像側主平面から結像位置までの距離をＳ２とすると、これらの比［Ｓ２：Ｓ１］は共役比と称される。
【０００５】
この共役比がある有限値をとるとき、即ち、物体が集光レンズの近くにあるときには、集光レンズの像側主平面に対して像側焦点位置（焦点距離ｆ）よりも遠い位置に像が結ばれる。また共役比が小さくなるにつれて、即ち、物体が集光レンズから離れるにつれて、結像位置は像側焦点に近づく。そして共役比が［０］のとき、即ち、物体が集光レンズに対して実質的に無限遠にあるとき、像側焦点位置にひとつの点となって結像する。
【０００６】
通常は、集光レンズの結像位置に受光面が位置するように光学センサが配置される。例えば火炎検出装置の場合、被検出物体の火炎から或る程度離れた位置に集光レンズが設置されるので、その共役比は比較的小さく（一般的には１：５以下）、火炎の結像位置は像側焦点の近傍となり、光学センサの受光面も像側焦点近傍に配置される。しかし以下では説明の簡潔化のために、共役比が［０］の場合について例示する。
【０００７】
光学センサ２による光の検出感度を光学的に高めるには、図１（ａ）に示すように集光レンズ１の焦点位置に光学センサ２の受光面２ａを配置し、受光面２ａ上にスポット的に光を照射すれば良い。しかしながら光学センサ２の前面に上述した集光レンズ１を備えた光学センサ装置を用いる場合、検出対象とする光源３が必ずしもその光軸上に位置付けられるとは限らない。例えば光源３と光学センサ装置との距離が離れている場合、光学センサ装置の取り付け（据え付け）精度に起因して、光源３が光学センサ装置の光軸からずれることがある。また光源３がガスバーナにおける火炎のような場合、火炎のゆらぎに伴って火炎（光源３）自体が光学センサ装置の光軸からずれることがある。
【０００８】
すると図１（ｂ）に示すように集光レンズ１によって集光される火炎（光源３）の結像位置が光学センサ２の中心からずれ、特に光学センサ２の受光面（受光領域）２ａが狭い場合には、光学センサ２の受光面（受光領域）２ａから外れた位置に結像する虞もある。このような光学センサ２の受光面（受光領域）２ａ上における結像位置のずれが生じると、上記光学センサ２の受光面（受光領域）２ａでの受光感度がその全域に亘って一様でないことと相俟って、その検出感度が変化すると言う不具合がある。
【０００９】
特に上述のＵＶチューブは、紫外線の照射によって金属製の放電電極から電子が放出される光電効果を利用するものであるため、放電電極の表面の極めて微細な構造が、その受光感度に影響を与える。また放電電極が所定の面積を有する面状に形成されている場合、電極全体を完全に均一な表面状態に仕上げることは工業的に難しいので、電極面を局所的に見たときの各局所領域間の受光感度のばらつきを許容せざるを得ない。電極面のどの領域がどのような感度を示すかを予め特定して製造することもできない。更には火炎が光軸に一致するように光学センサ装置が正しく設置されている場合でも、消耗品であるＵＶチューブを交換したときに、たまたま電極面の低感度の領域が集光スポットの位置に合致してしまい感度が低下してしまうこともあり得る。
【００１０】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、光源と光軸とのずれや光学センサの受光面の感度分布に拘わることなく、光源からの光を一定の検出感度で検出することのできる簡易な構成の光学センサ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る光学センサ装置は、所定の面状の受光領域を備えた光学センサと、この光学センサに光を導く集光レンズとを具備した光学センサ装置であって、前記集光レンズの光軸上で、且つ前記集光レンズの像側主平面と結像位置との間に前記光学センサの受光領域を配置したことを特徴とする。特に共役比の小さい用途においては、前記集光レンズの光軸上で、且つ前記集光レンズの像側主平面と像側焦点位置（焦点距離ｆ）との間に前記光学センサの受光領域を配置したことを特徴とする。
【００１２】
即ち、本発明は、光学センサの受光領域を集光レンズの焦点位置を避けた位置に配置することで、上記集光レンズを介して集光される光源からの光が、いわゆる「ピンぼけ」の状態のまま前記光学センサの受光領域の全域に亘って入射するようにし、光源の位置がその光軸からずれたり、光学センサの交換によって受光面の感度分布が変化したりする場合であっても、これによって前記光学センサの受光領域での全受光量に殆ど変化が生じないようにし、その検出感度を一定に保つようにしたことを特徴としている。
【００１３】
好ましくは前記集光レンズの焦点距離以下の場所であって、かつ該集光レンズにより集光された光束の断面の大きさが光学センサの受光領域とほぼ同程度となる位置に光学センサの受光領域を配置すれば、集光レンズによって集光した光量を光学センサに無駄なく受光させることができる。
ちなみに前記光学センサは、紫外線を受けて放電を生起する一対の放電電極を受光部として筒状のガラス管内に封入し、上記各放電電極のリード端子を上記ガラス管の一端から導出した紫外線検出用放電管からなると共に上記ガラス管の少なくとも一部は紫外線を透過可能な材質のガラスからなるものであり、かつ前記集光レンズは紫外線を透過可能な材質からなり、上記放電電極の電極面上の位置によってその受光感度が大きく異なるような場合、上述した構成を採用することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る光学センサ装置について説明する。
図２は本発明に係る光学センサ装置の概略構成を示す図であって、１は集光レンズ、２は所定の受光領域２ａを備えた光学センサである。この集光レンズ１の光学系は上述した図６に示した通りである。この光学センサ装置が特徴とするところは、共役比を［０］としたばあい、図２（ａ）に示すように集光レンズ１の光軸上であって、前記集光レンズ１の焦点距離ｆよりも手前側の位置に、特に集光レンズ１によって集光される光源３の像（光束の断面）が、いわゆるピンぼけ状態であり、その像の大きさが光学センサ２の受光面２ａの大きさと略等しい位置に、該光学センサ２の受光面２ａを光軸に対して垂直に配置したことを特徴としている。
【００１５】
このような集光レンズ１と光学センサ２との光学的な配置関係によれば、光源３が集光レンズ１の光軸上にあるときには、上記光源３のピンぼけ状の像が光学センサ２の受光面２ａの全域においてほぼ一様に受光される。また仮に前記光源３が図２（ｂ）に示すように集光レンズ１の光軸から若干ずれた場合においても、前記光源３のピンぼけ状の像の殆どが光学センサ２の受光面２ａのほぼ全域において受光されることになる。
【００１６】
即ち、光学センサ２の受光面２ａが集光レンズ１の焦点位置からずれた位置に設けられているので、その位置における光源の像は、いわゆるピントがずれて或る程度の拡がりを持ち、そのプロファイルがブロードなぼんやりとした大きな像となる。そしてその像の全てが、光学センサ２の受光面２ａのほぼ全域において一様に受光されることになる。従って光学センサ２においては、光源３の位置がその光軸から多少ずれても、プロファイルがブロードな像の位置がその軸心から若干離れるだけであり、この状態においてもその像の殆どがその受光面２ａにて受光される。この結果、光学センサ２の受光面２ａの局所的な感度分布は、受光面積全体として積分され平均化されて出力されるので、光学センサ２の受光感度が殆ど変化することがない。また、光学センサ２の製品寿命が尽きて新品に交換したときにも、同様の作用効果が得られる。
【００１７】
ちなみに共役比が［０］のとき、集光レンズ１の焦点位置に結像する光源３の像は、シャープなプロファイルを持つ集光された小さな像となる。従って光源３がその軸心からずれるだけで、光学センサ２の受光面２ａ上における結像位置が変化する。従って上述したように集光レンズ１と光学センサ２との光学的な位置関係を、その焦点位置を避けて設定するだけで、光学センサ２の受光感度を最大限に設定することに代えて光源３の軸ずれ等に起因する受光感度の変動を抑え、その受光感度をほぼ一様に保つことが可能となる。
【００１８】
尚、ここまで共役比が［０］の場合を例示して説明してきたが、共役比が或る程度の大きさをもつ場合、即ち、被検出体である光源３の位置が集光レンズ１に比較的近い場合も同様である。但し、集光レンズ１に対してその焦点距離ｆよりも遠くに結像するので、この結像位置と集光レンズ１の像側主平面との間の光軸上に光学センサ２の受光面２ａを光軸に垂直に設置すれば良い。
【００１９】
また実際の製品の設計においては、集光レンズ１の球面収差や色収差の影響を考慮する必要がある。即ち、レンズ寸法の一番端を通過する光が進む光路がひとつの判断基準になる。光源の種類と想定される光源の位置（範囲）により条件は各々異なるが、製品として必要な視野角を前述の条件から導き出し、そのとき製品に使用するレンズサイズの端の光路を確認し、その位置よりややレンズ寄りの位置にセンサを設置することになる。ややレンズ寄りの位置に設置するのは、広がった光に対する余裕度の確保のためであると共に、火炎検出用途における色収差（光の波長による焦点のズレ）への対応のためである。
【００２０】
即ち、燃料の成分の違いによって火炎が発する光の波長の分布が異なるため、各種の燃料に対応して安定した火炎検出を行なうには、集光レンズ１の色収差の影響を受けない程度に、光学センサ２の受光面２ａの面積よりも光束断面を大きく設定しておくことが必要である。ただし、光束断面を過剰に大きくすると、集光レンズ１の集光力を無駄にすることになるので、バランスが肝心である。
【００２１】
更に集光レンズ１としては１枚の両凸レンズ、１枚の片凸レンズ、あるいは複数のレンズを組み合わせたもの等を用いることができる。一般的には共役比が小さい場合の集光には、１枚の片凸レンズの凸側を物体方向に向けて球面収差が小さい状態で使用することが多いが、本発明においては、１枚の片凸レンズの凸側を結像方向に向けて（あるいは１枚の両凸レンズを採用して）球面収差が大きい状態に設置し、むしろ球面収差による像のボケを積極的に利用するようにしても良い。
【００２２】
かくして上述した如く構成される光学センサ装置によれば、光源３を視野する光学センサ装置の姿勢に多少のずれが生じても、或いは光源３自体に揺らぎがあるような場合でも、光源３からの光を常に一様な検出感度にて受光し、その受光量（光強度）を正確に検出することが可能となる。特に光学センサ装置が光源３から離れた位置に設けられるような場合であっても、その光軸のずれに拘わることなく精度の高い検出を行うことが可能となる。
【００２３】
ここで上述した光学センサ装置の具体例として、紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）を火炎検出用の光学センサとして用いた火炎検出装置について簡単に説明する。
この火炎検出装置は、図３にその分解構造を示すように、ガスバーナ等の覗き窓（図示せず）に装着されるフランジユニット２０と、このフランジユニット２０に取り付けられるセンサホルダ３０、このセンサホルダ３０の下部に組み込まれるシャッタユニット４０とを備える。そしてＵＶチューブを内蔵した火炎センサ１０を、上記センサホルダ３０に装着して用いるように構成される。尚、図中５０は、上述したセンサホルダ３０やシャッタユニット４０のカバーである。
【００２４】
ここで前記火炎検出ユニット１０は、図４にその概略的な構造を分解して示すように光学センサとしての紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）１１をその保持体（チューブホルダ）１２に組み付けて保持し、この保持体１２と共に細長い筒状のケーシング１３の内部に収納した構造を有する。
ちなみにＵＶチューブ１１は、受光部をなす一対の放電電極（図示せず）を円筒状の石英ガラス管１１ａに封入し、その後端部から前記各放電電極のリード端子１１ｂをそれぞれ導出した構造をなす。封入管の材質に石英ガラスを使用するのは紫外線の透過性能を考慮してのことである。そしてリード端子１１ｂを介して前記一対の放電電極間に所定の高電圧が印加された状態において、該放電電極間に紫外線が照射されたとき、上記放電電極間に放電を生起するものとなっている。
【００２５】
このようなＵＶチューブ１１を収納する前記ケーシング１３は、その先端部に受光窓１３ａを設けた遮光性の部材からなり、先端部に向けて僅かに小径化した円錐台状の筒体からなる。そしてその内部に収納されるＵＶチューブ１１を外力から保護すると共に、前記受光窓１３ａ以外からの光（紫外線）の入射を阻止する役割を担う。そしてこのケーシング１３の後端部を閉塞する前記保持体１２の後側面（ケーシング１３の後端部）には、前記ＵＶチューブ１２の一対の放電電極に接続された外部接続用端子１４が設けられている。
【００２６】
この外部接続用端子１４は、電気抵抗体１５やリード線を介して前記ＵＶチューブ１１のリード端子１１ｂにそれぞれ接続される。そして保持体１２に保持されて外部接続用端子１４に接続されたＵＶチューブ１１は、その先端部にキャップ状のパッキング体１６を装着して前記ケーシング１３の内部に嵌め込まれてパッケージ化されている。このキャップ状のパッキング体１６は、シリコーンゴム等からなり、ＵＶチューブ１１の外周面とケーシング３の内周面との間を気密にシールする役割を担う。またこのパッキング体１６の先端部には前記ＵＶチューブ１１の先端を受光窓として開口する開口部１６ａが設けられている。
【００２７】
前述したユニットホルダ３０は、このような火炎検出ユニット１０をその上面に着脱自在に装着するもので、概略的には前記フランジユニット２０への取付面側に前記火炎検出ユニット１０の先端部が嵌め込んで、その装着位置を規制する先端保持部（受け部）３１を備える。そして先端保持部（受け部）３１にその先端部を嵌め込んだ火炎検出ユニット１０の後端部を、前記外部接続用端子１４の装着位置を規制して保持することで、該火炎検出ユニット１０の装着姿勢を前記フランジユニット２０に組み込まれた集光レンズ２１の光軸に合わせて保持するものとなっている。この集光レンズ２１は紫外線を透過可能な材質、例えば石英ガラス製の片凸レンズであり、比較的小さい共役比での使用を前提として設計されている。紫外線を透過可能な材質としては、紫外線透過アクリルやホウ酸アルミニウム・ウィスカなどもある。この際、前記ユニットホルダ３０は、特にフランジユニット２０に組み込まれた集光レンズ２１の焦点位置よりも前側に前記ＵＶチューブ１１の放電電極を位置付けるように、火炎検出ユニット１０の装着位置を規制している。従ってフランジユニット２０に取り付けられたユニットホルダ３０の上面に火炎検出ユニット１０を装着するだけで、集光レンズ２１とＵＶチューブ１１との光学的位置関係が高精度に規定されるようになっている。
【００２８】
一方、前記フランジユニット２０は、例えばガスバーナの火炎の覗き窓に装着される固定リング２２を前記集光レンズ２１と同軸に備えている。そして上記固定リング２２をパイプ状の覗き窓の端部に装着するだけで、この火炎検出装置を上記ガスバーナの火炎を検出可能に取り付け、これによって上記覗き窓に対して前記集光レンズ２１および火炎検出ユニット１０（ＶＵチューブ１１）を同軸に位置付けるものとなっている。
【００２９】
しかしながら火炎検出装置における集光レンズ２１と火炎検出ユニット１０（ＶＵチューブ１１）との光学的位置関係が如何に高精度に設定されているといえども、前述した覗き窓自体に軸ずれが存在すると、この覗き窓を介して視野される火炎の位置が上述した集光レンズ２１の軸心に合致するとは限らない。つまり火炎の検出対象となる装置（機器）に設けられた覗き窓と火炎との位置関係によって、火炎検出装置の視野領域が変化することになる。
【００３０】
この点、この火炎検出装置においては、前述したように集光レンズ２１の焦点距離に対してＵＶチューブ１１の受光部（放電電極）の位置がその手前側に設定し、覗き窓を通して得られる火炎の像を集光レンズ２１を介して上記受光部の後方に結ぶようにし、上記ＵＶチューブ１１の受光部（放電電極）には焦点ずれしたいわゆるピンぼけの像が入射するようにしているので、集光レンズ２１の軸心に対して火炎がずれている場合であっても、その火炎をほぼ一定の検出感度の元で安定に検出することができる。従って覗き窓の位置精度に拘わることなく、安定に火炎検出を行うことができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００３１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは光学センサとしてＵＶチューブ１１を用いた場合を例に説明したが、他の光学センサを用いる場合にも同様に適用することができる。また集光レンズ２１の焦点距離は、その仕様に応じて設定すればよいものであり、レンズ取り付け位置と光学センサの取り付け位置とに応じてその焦点距離を設定しても良い。またここでは集光レンズ２１の焦点位置の手前側に光学センサの受光面を配置したが、光学センサ装置としての軸方向の長さに余裕がある場合には、集光レンズ２１の焦点位置の奥側に光学センサの受光面を配置することも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被検出物体の軸ずれや光学センサの受光面の感度分布に起因して生じる検出性能のばらつきを抑制することが可能な光学センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光学センサ装置の一般的な構成とその問題点を説明する為の図。
【図２】本発明の一実施形態に係る光学センサ装置の概略的な構成とその作用を説明する為の図。
【図３】本発明を適用して構成される火炎検出装置の概略構成を示す分解図。
【図４】図３に示す火炎検出装置において光学センサとして用いられる火炎検出ユニットの概略構成を示す図。
【図５】図３に示す火炎検出装置の全体的な組み立て構造を示す図。
【図６】集光レンズの光学系モデルを示す図。
【符号の説明】
１　集光レンズ
２　光学センサ
３　光源
１０　火炎検出ユニット
１１　紫外線検出用放電管（ＵＶチューブ）
２０　フランジユニット
２１　集光レンズ
３０　ホルダユニット
４０　シャッタユニット
５０　カバー

Claims (2)

1. 所定の面状の受光領域を備えた光学センサと、この光学センサに光を導く集光レンズとを具備した光学センサ装置であって、
   前記集光レンズの光軸上で、且つ前記集光レンズの像側主平面と結像位置との間に前記光学センサの受光領域を配置したことを特徴とする光学センサ装置。
2. 前記光学センサは、紫外線を受けて放電を生起する一対の放電電極を受光部として筒状のガラス管内に封入し、上記各放電電極のリード端子を上記ガラス管の一端から導出した紫外線検出用放電管からなり、
   前記ガラス管の少なくとも一部は紫外線を透過可能な材質のガラスで構成され、且つ前記集光レンズは紫外線を透過可能な材質からなるものである請求項１に記載の光学センサ装置。

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