JP2010256182A - Reflection type photoelectric sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を前方に投光して被検出対象で反射した光を受光することで被検出対象までの距離などを検出することが可能な反射型光電センサに関するものである。 The present invention relates to a reflective photoelectric sensor capable of detecting a distance to a detection target by projecting light forward and receiving light reflected by the detection target.
従来から、建物や乗り物の自動ドアへの挟まれ防止、自動水栓機能付蛇口、危険箇所への接近検知などの人体検知センサ、カメラの自動合焦点用の測距離装置や生産ラインでの検査装置などに光を利用して被検出対象の有無、距離や位置を計測する光電センサが知られている。このような光電センサのうち、反射型光電センサは、光を収束する投光レンズを介して投光素子から被検出対象に光を投光し、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光素子で受光し光電変換している。反射型光電センサから前記被検出対象までの距離は、前記投光素子と前記受光素子との離間した距離、前記受光レンズの前記受光素子への焦点距離および前記受光素子における光の検出位置から三角測量の原理を利用して検出することができる。このような反射型光電センサは、構造が比較的簡単で安価に製造することができることから種々開発されている。
Conventionally, buildings and vehicles are prevented from being caught in automatic doors, faucets with automatic faucet function, human body detection sensors such as detection of approach to dangerous places, distance measuring devices for automatic focusing of cameras and inspections on
この種の反射型光電センサの例を図3で説明する。反射型光電センサ10’は、光を収束する投光レンズ1を介して被検出対象DOに光を投光する投光素子2と、被検出対象DOで反射した光を集光する受光レンズ3を介して受光した光を光電変換する受光素子4と、をパッケージ6’内の基板5’の一表面5a’側において離間して配置させている。ここで、パッケージ6’は、投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心とを距離BL1で離間して配置し、投光素子2と受光素子4とを中心間距離BLD1となるように幾何学的に位置決めしている。また、投光素子2は、電流を流すと発光する発光ダイオード(Light Emitting Diode:以下、LEDという)を用いている。受光素子4は、受光面における入射光の位置の移動に応じて出力が変化する位置検出素子(Position Sensitive Detector:以下、PSDという)を用いている。
An example of this type of reflective photoelectric sensor will be described with reference to FIG. The reflective
反射型光電センサ10’は、投光素子2が投光レンズ1を介して収束させた光を前方に投光する。投光された光は、反射型光電センサ10’の前方に被検出対象DOがあれば、被検出対象DOで反射される。反射型光電センサ10’は、被検出対象DOで反射された光を受光レンズ3で集光し受光素子4で受光し光電変換して出力信号として出力することができる。
The reflective
ところで、この種の反射型光電センサ10’は、投光レンズ1を介して被検出対象DOに光を投光する投光素子2と、受光レンズ3を介して受光した光を光電変換する受光素子4と、の中心間距離により、被検出対象DOに対するセンサ感度や検知範囲に影響が生じる。
By the way, this type of reflective
図3(a)と図3(b)に同じ構成の反射型光電センサ10’を用いて、反射型光電センサ10’が、より遠い距離にある被検出対象DOに対してセンサ感度が低くなることを説明する。図3(a)は、反射型光電センサ10’における投光レンズ1の光学中心から被検出対象DOの反射面の位置P4までの距離L1が、図3(b)の反射型光電センサ10’における投光レンズ1の光学中心から被検出対象DOの反射面の位置P2までの距離L2よりも近い距離(L1<L2)にある。
Using the reflection type
ここで、図3(a)に示す如く、反射型光電センサ10’と被検出対象DOとが相対的に近づき、被検出対象DOの反射面の位置P4が位置P3に移動距離ΔLだけ反射型光電センサ10’側に移動したとき、移動距離ΔLに対応する反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上での変位長は、ΔL1となる。
Here, as shown in FIG. 3A, the reflective
これに対し、図3(b)では、反射型光電センサ10’と被検出対象DOとが相対的に近づき、被検出対象DOの反射面の位置P2が位置P1に図3(a)と同じ移動距離ΔLだけ反射型光電センサ10’に移動したとしても、被検出対象DOの移動距離ΔLに対応する反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上での変位長は、ΔL1よりも短いΔL2となる。
On the other hand, in FIG. 3B, the reflective
そのため、被検出対象DOが反射型光電センサ10’に対して同じ移動距離ΔLだけ移動したとしても、被検出対象DOが反射型光電センサ10’から遠い距離にあればあるほど、反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上での変位長は、より小さくなる。反射型光電センサ10’は、反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上の変位が小さい分だけ、反射型光電センサ10’の受光素子4から出力される信号変化も小さくなり、反射型光電センサ10’のセンサ感度が低下することになる。
Therefore, even if the detection target DO moves by the same movement distance ΔL with respect to the reflective
たとえば、反射型光電センサ10’における投光レンズ1の光学中心から被検出対象DOの反射面までの距離がL1より極めて大きいL2の場合(L2≫L1)、被検出対象DOが移動した移動距離ΔLに対応する反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上での変位長は、ΔL1より極めて小さいΔL2となる(ΔL2≪ΔL1)。受光素子4における受光面上での変位長は、ΔL2≒0となる場合もあり、反射型光電センサ10’は、反射型光電センサ10’の受光素子4にて変位長ΔL2を電気信号に変換することが難しく検知できない場合もある。
For example, when the distance from the optical center of the
次に、図3に示した反射型光電センサ10’よりも、遠い距離における被検出対象DOに対するセンサ感度を良くした反射型光電センサ10’’を図4に示す。図4の反射型光電センサ10’’は、図3の反射型光電センサ10’と同様、光を収束する投光レンズ1を介して被検出対象DOに光を投光する投光素子2と、被検出対象DOで反射した光を集光する受光レンズ3を介して受光した光を光電変換する受光素子4と、をパッケージ6内の基板5の一表面5a側に離間して配置させている。
Next, FIG. 4 shows a reflection type
図4の反射型光電センサ10’’は、図3の反射型光電センサ10’と異なり、基板5とパッケージ6とを大きくし、投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心との距離BL2を、図3で示した反射型光電センサ10’における投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心との距離BL1よりも大きくしている。同様に、図4の反射型光電センサ10’’における投光素子2と受光素子4との中心間距離BLD2を、図3の反射型光電センサ10’における投光素子2と受光素子4との中心間距離BLD1よりも大きくしている。
4 differs from the reflective
このような図4の反射型光電センサ10’’は、図3の反射型光電センサ10’と比較して、より遠い距離の被検出対象DOに対するセンサ感度を良くすることができる。たとえば、図4(a)は、図3(b)と同様に反射型光電センサ10’’における投光レンズ1の光学中心から被検出対象DOの反射面の位置P2までを距離L2に配置させている。ここで、図4(a)に示すように、反射型光電センサ10’’と被検出対象DOとが相対的に近づき、被検出対象DOの反射面の位置P2が位置P1に移動距離ΔLだけ反射型光電センサ10’’側に移動した場合、被検出対象DOの移動距離ΔLに対応する反射型光電センサ10’’の受光素子4における受光面上での変位長は、ΔL3となる。反射型光電センサ10’’の受光素子4における受光面上での変位長ΔL3は、図3(b)と同じ被検出対象DOが移動距離ΔLだけ移動したとしても、図3(b)で示す反射型光電センサ10’の受光素子4における受光面上での変位長ΔL2よりも大きい。そのため、図4の反射型光電センサ10’’は、図3の反射型光電センサ10’と比較して、反射型光電センサ10’’の受光素子4から出力される信号変化がより大きくなり、反射型光電センサ10’’のセンサ感度を向上させることができる。
Such a reflective
ところが、図4の反射型光電センサ10’’は、図3の反射型光電センサ10’と比較して、反射型光電センサ10’’のより近距離にある被検出対象DOが検出不能な領域(不感帯)が大きくなる。すなわち、図4の反射型光電センサ10’’は、被検出対象DOに対する検知範囲が図3の反射型光電センサ10’と比較して反射型光電センサ10’’のより近距離において狭い。
However, the reflective
次に、図4(b)に図4(a)と同じ構成の反射型光電センサ10’’を用いて、図4の反射型光電センサ10’’は、反射型光電センサ10’’のより近距離で不感帯が大きくなることを説明する。
Next, the reflective
図4(b)では、反射型光電センサ10’’と被検出対象DOとが相対的に近づき、被検出対象DOの反射面を位置P1から位置Dを越えて位置P3まで、反射型光電センサ10’’により近い距離に移動させる。この場合、反射型光電センサ10’’の投光素子2から投光して被検出対象DOの反射面の位置P3で反射した光の反射角は、位置P2や位置P1で反射した光の反射角よりも大きくなる。被検出対象DOが位置Dを越えて反射型光電センサ10’’に近い場合、反射型光電センサ10’’の受光素子4における受光面には、前記反射した光が入射されず、受光素子4の受光範囲で検出することができない。すなわち、反射型光電センサ10’’から被検出対象DOまでの距離が、位置Dより反射型光電センサ10’’側にある場合には、被検出対象DOが検出不能な不感帯の領域となる。この反射型光電センサ10’’における不感帯は、遠い距離にある被検出対象DOに対するセンサ感度を向上させるために、反射型光電センサ10’’における投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心との距離BL2、および投光素子2と受光素子4との中心間距離BLD2を大きくするほど広くなる傾向にある。
In FIG. 4B, the reflection type
そのため、反射型光電センサ10’’は、被検出対象DOが遠い距離でのセンサ感度の向上と、近距離において被検出対象DOが検出できない不感帯を小さくさせること、とはトレードオフの関係にある。 Therefore, the reflective photoelectric sensor 10 '' has a trade-off relationship between improvement of sensor sensitivity at a distance where the detection target DO is far away and reduction of a dead zone where the detection target DO cannot be detected at a short distance. .
この問題を解決するために、光を収束する投光レンズを介して被検出対象に光を投光する遠距離用の第一の投光素子と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光した光を光電変換する受光素子と、を離間して配置させ、前記第一の投光素子と前記受光素子との間に、前記第一の投光素子からの投光により前記被検出対象で反射した光が前記受光素子の受光範囲外となる近距離において前記受光素子が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する近距離用の第二の投光素子を有する反射型光電センサが提案されている(特許文献1)。 In order to solve this problem, a long-distance first light projecting element that projects light onto a detection target via a light projection lens that converges the light, and condensing the light reflected by the detection target A light receiving element that photoelectrically converts light received through the light receiving lens, and is disposed between the first light projecting element and the light receiving element so as to project light from the first light projecting element. Second short-distance light projection for projecting light that can be received by the light receiving element to the detected object at a short distance where light reflected by the detected object is outside the light receiving range of the light receiving element. A reflective photoelectric sensor having an element has been proposed (Patent Document 1).
図5に、参考のための反射型光電センサ20を用いて、反射型光電センサ20は、遠い距離にある被検出対象に対するセンサ感度の向上と、近距離において被検出対象が検出できない不感帯を小さくすること、とが両立できることを説明する。
In FIG. 5, the reflective
図5の反射型光電センサ20は、光を収束する投光レンズ1を介して被検出対象に光を投光する第一の投光素子2と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズ3を介して受光した光を光電変換する受光素子4と、をパッケージ6内の基板5の一表面5a側に離間して配置させている。パッケージ6内の基板5の一表面5a側における第一の投光素子2と受光素子4との間に、第一の投光素子2からの投光により前記被検出対象で反射した光が受光素子4の受光範囲外となる近距離において受光素子4が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子7を有している。反射型光電センサ20は、外部からの不要な光を遮光して内部を保護するために保護カバー11をパッケージ6の前面に設けている。また、反射型光電センサ20の第二の投光素子7は、比較的簡単な構成で近距離にある前記被検出対象に対して光を効率よく投光するため、砲弾型のLEDを用いている。さらに、受光素子4と第二の投光素子7との間、および第一の投光素子2と第二の投光素子7との間に壁9’,9’を設けている。
The reflective
なお、図4と同様、反射型光電センサ20は、パッケージ6により反射型光電センサ20における投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心との距離をBL2に、投光素子2と受光素子4との中心間距離をBLD2と幾何学的に位置決めしている。
As in FIG. 4, the reflective
ここで、反射型光電センサ20は、被検出対象の反射面の位置が反射型光電センサ20から遠い位置となる領域La内にある場合、第一の投光素子2から投光レンズ1を介して投光した光を前記被検出対象で反射させ、反射した光を受光レンズ3を介して受光素子4によって検知する。また、反射型光電センサ20は、前記被検出対象の反射面の位置が前記領域Laよりも反射型光電センサ20に近い領域Lb内にある場合、第二の投光素子7からの投光した光を前記被検出対象で反射させ、反射した光を受光レンズ3を介して受光素子4によって検出する。
Here, when the position of the reflection surface of the target to be detected is within the region La that is far from the reflection type
すなわち、反射型光電センサ20は、反射型光電センサ20から被検出対象までの距離に応じて、投光素子を遠距離用途の第一の投光素子2と、近距離用途の第二の投光素子7とに機能分離している。これにより、反射型光電センサ20は、遠い距離におけるセンサ感度を向上させつつ、反射型光電センサ20の近距離における不感帯を第二の投光素子7からの投光を利用して検知する分だけ反射型センサ20のより近距離にある領域Lcまで小さくすることができる。
That is, the reflection type
ところで、図6の反射型光電センサ20’は、図5に示す反射型光電センサ20の第一の投光素子2と受光素子4との間に配置された第二の投光素子7を、より受光素子4側へ近づけた以外は、同様に構成している。これにより、反射型光電センサ20’は、前記被検出対象が反射型光電センサ20’における近距離で検出不能となる不感帯を、図5の反射型光電センサ20における領域Lcと比較して領域Ltまで小さくし、前記被検出対象に対する検知範囲をより広くすることができる。
Incidentally, the reflective
すなわち、反射型光電センサ20’は、遠い距離の前記被検出対象に対するセンサ感度を向上させるために、第一の投光素子2と受光素子4とは離れて配置することが望ましい一方、近距離において前記被検出対象が検出できない不感帯を小さくさせるために、第二の投光素子7と受光素子4とは近くに配置させることが望ましい。
That is, in the reflective
しかしながら、反射型光電センサ20’は、第二の投光素子7と受光素子4とを単に近づけると、反射型光電センサ20’のセンサ感度が低い領域ができてしまう場合がある。
However, in the reflective
たとえば、反射型光電センサ20’は、前記被検出対象に対して第一の投光素子2で検出する反射型光電センサ20’から遠い距離にある領域Laと、第二の投光素子7で検出する反射型光電センサ20’により近い側にある領域Leと、の間にある領域Ldでセンサ感度が低くなる恐れがある。
For example, the reflective
また、反射型光電センサ20’の第二の投光素子7に砲弾型のLEDを用いた場合、砲弾型のLEDは、通常、光がレンズ機能を持った砲弾型のモールド部の先端部で収束されるため、砲弾型のLEDから漏れる光が受光素子4に影響を与えることは実質的にない。そのため、第二の投光素子7に砲弾型のLEDを用いた場合、反射型光電センサ20’のパッケージ6には、パッケージ6の強度に応じて壁9’を適宜設けても設けなくとも良い。
Further, when a bullet-type LED is used for the second
しかしながら、反射型光電センサ20’は、使用用途の多様化に伴い、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高いものが望まれている。この場合、反射型光電センサ20’における第二の投光素子7と受光素子4との距離をより小さくすることも考えられる。ここで、反射型光電センサ20’のパッケージ6に壁9’がない場合、第二の投光素子7に砲弾型のLEDを用いても、第二の投光素子7からの光を受光素子4が無視することができず反射型光電センサ20’のセンサ感度が低下する恐れもある。
However, the reflection type
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高い反射型光電センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide a reflective photoelectric sensor having a wider detection range for a detection target and higher sensor sensitivity.
請求項1の発明は、光を収束する投光レンズを介して被検出対象に光を投光する第一の投光素子と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光した光を光電変換する受光素子と、をパッケージ内の一表面側に離間して配置させ、前記一表面側における前記第一の投光素子と前記受光素子との間に、前記第一の投光素子からの投光により前記被検出対象で反射した光が前記受光素子の受光範囲外となる近距離において前記受光素子が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子を有する反射型光電センサであって、前記第二の投光素子は、前記受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、前記パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備えていることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, a first light projecting element that projects light onto a detection target via a light projection lens that converges the light, and a light receiving lens that collects light reflected by the detection target. A light receiving element that photoelectrically converts the received light, and disposed on one surface side in the package, and the first light projecting element and the light receiving element on the one surface side are disposed between the first light projecting element and the light receiving element. The second light projecting the light that can be received by the light receiving element at a short distance where the light reflected by the detected object by the light projecting from the light projecting element is outside the light receiving range of the light receiving element. A plurality of the second light projecting elements provided at different distances from the light receiving element, and the package is formed from the second light projecting element. A light shielding wall that prevents direct light from entering the light receiving element, Serial receiving element, characterized in that it comprises between the closest said second light projecting element to the light receiving element.
この発明によれば、第二の投光素子が、受光素子から異なる間隔を隔てて複数個設けられることにより、反射型光電センサの近距離における被検出対象に対する不感帯を小さくすることが可能となる。さらに、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と該受光素子に最も近い前記第二の投光素子との間に備えていることで、反射型光電センサの近距離における前記被検出対象に対する不感帯をより小さくしてもセンサ感度を低下することを防止することが可能となる。 According to the present invention, by providing a plurality of second light projecting elements at different intervals from the light receiving element, it becomes possible to reduce the dead zone for the detection target at a short distance of the reflective photoelectric sensor. . Further, a light shielding wall that prevents direct light from the second light projecting element from entering the light receiving element is provided between the light receiving element and the second light projecting element closest to the light receiving element. Thus, even if the dead zone for the detection target at a short distance of the reflective photoelectric sensor is further reduced, it is possible to prevent the sensor sensitivity from being lowered.
すなわち、この発明の反射型光電センサは、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度をより高くすることができる。さらに、被検出対象を検出するため、距離の長短に応じて複数個の反射型光電センサを用いる必要がなく、一台の反射型光電センサを用いて前記被検出対象に対する検知範囲を広くすることができるため、全体のコストを低減させることができる。 That is, the reflective photoelectric sensor of the present invention has a wider detection range for the detection target and can further increase the sensor sensitivity. Furthermore, in order to detect the detection target, it is not necessary to use a plurality of reflection type photoelectric sensors according to the length of the distance, and the detection range for the detection target is widened using a single reflection type photoelectric sensor. Therefore, the overall cost can be reduced.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第一の投光素子を介して、一対の前記受光素子を配置してなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、第一の投光素子に対して一対の受光素子で被検出対象からの光を受光することができることから、前記被検出対象の反射面が不均一などのためでいずれか一方の前記受光素子側に傾いていたとしても、前記被検出対象で反射した光を前記受光素子のいずれかで受光することができる。そのため、この反射型光電センサは、誤検知や測定誤差を小さくし、センサ感度の安定化をはかることが可能となる。また、この発明の反射型光電センサは、前記第一の投光素子を介して前記受光素子と前記第二の投光素子が一対離間して設けられることになるから、反射型光電センサから近距離における第一の投光素子の光軸と垂直方向においてセンサ検出範囲を広くすることもできる。 According to this invention, since the light from the detection target can be received by the pair of light receiving elements with respect to the first light projecting element, the reflection surface of the detection target is not uniform. Even if one of the light receiving elements is inclined, the light reflected by the detection target can be received by any one of the light receiving elements. Therefore, this reflective photoelectric sensor can reduce detection errors and measurement errors, and can stabilize sensor sensitivity. In the reflective photoelectric sensor of the present invention, the light receiving element and the second light projecting element are provided apart from each other via the first light projecting element. The sensor detection range can be widened in the direction perpendicular to the optical axis of the first light projecting element at the distance.
請求項1の発明では、第二の投光素子が、受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備えていることで、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高い反射型光電センサを提供できるという顕著な効果を奏する。 According to the first aspect of the present invention, a plurality of second light projecting elements are provided at different intervals from the light receiving element, and the package receives direct light from the second light projecting element on the light receiving element. By providing a light shielding wall between the light receiving element and the second light projecting element closest to the light receiving element, the detection range for the detection target is wider and the sensor sensitivity is improved. There is a remarkable effect that a higher reflective photoelectric sensor can be provided.
(実施形態1)
本実施形態の反射型光電センサについて、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
The reflective photoelectric sensor of this embodiment will be described with reference to FIG.
反射型光電センサ10は、図1の概略断面図で示すように、光を収束する投光レンズ1を介して被検出対象(図示せず)に光を投光する第一の投光素子2と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズ3を介して受光した光を光電変換する受光素子4と、をパッケージ6内の基板5の一表面5a側に離間して配置させている。パッケージ6内の基板5の一表面5a側における第一の投光素子2と受光素子4との間には、第一の投光素子2からの投光により前記被検出対象で反射した光が受光素子4の受光範囲外となる近距離において受光素子4が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子7,8を有している。
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, the reflective
本実施形態の反射型光電センサ10では、第二の投光素子7,8を、受光素子4から異なる間隔を隔て2個設けられており、パッケージ6は、第二の投光素子8からの直接光が受光素子4に入射することを妨げる遮光壁9を、受光素子4と、該受光素子4に最も近い第二の投光素子8と、の間に備えている。第二の投光素子7と第一の投光素子2との間には、パッケージ6の強度を向上させるために壁9’を設けている。また、反射型光電センサ10には、外部からの不要な光を遮光して、内部を保護するために保護カバー11をパッケージ6の前面に設けている。なお、パッケージ6は、図4と同様に投光レンズ1の光学中心と受光レンズ3の光学中心とを距離BL2で離間して配置し、投光素子2と受光素子4とが中心間距離BLD2となるように幾何学的に位置決め可能に構成している。
In the reflective
以下、本実施形態の反射型光電センサ10に用いられる各構成について、詳述する。
Hereinafter, each configuration used in the reflective
本実施形態に用いられる投光レンズ1は、第一の投光素子2からの光を前記被検出対象に効率よく投光させるためのものであり、前記被検出対象が反射型光電センサ10から、より遠い距離に位置する場合でも第一の投光素子2からの光量が低下しないよう収束可能な光学レンズを用いることが望ましい。このような投光レンズ1は、第一の投光素子2から投光される光の波長に対して透明性を有し、反射型光電センサ10をより小型化にするためには、屈折率がより高いものを用いることが好ましい。なお、投光レンズ1は、単純な1枚の凸レンズだけに限られず、凸レンズと凹レンズを組み合わせた複数枚のレンズを用いても良い。また、球面レンズでも非球面レンズを用いても良い。
The
また、投光レンズ1は、第一の投光素子2からの光を効率よく前記被検出対象に投光させるために、投光レンズ1の光軸と、第一の投光素子2における光軸と、を合わせて配置させることが好ましい。
The
次に、本実施形態に用いられる投光素子2,7,8として、第一の投光素子2と第二の投光素子7,8との共通する点をまとめて説明する。
Next, common points of the first
投光素子2,7,8は、小型化が比較的容易で制御しやすいLEDや半導体レーザ(LaserDiode:以下、LDという)などの半導体発光素子を好適に用いることができる。投光素子2,7,8から投光する光の波長は、反射型光電センサ10の用途や受光素子4の受光感度に応じて種々選択することができる。そのため、投光素子2,7,8から投光する光の波長は、赤外線、可視光や紫外線を用いることもできる。反射型光電センサ10から投光される光が利用者の目視で確認できるほうが使い勝手が良い場合、投光素子2,7,8は、青色光、緑色光、黄色光や赤色光などの可視光を投光するLEDや青色光や赤色光の可視光を投光するLDを適宜用いればよい。反射型光電センサ10を人体検知用センサなどに利用する場合、投光素子2,7,8は、反射型光電センサ10から投光される光が被検出対象となる人間に投光素子2,7,8からの光で不快感を与えないよう、前記利用者が視認できない赤外線を投光するLEDやLDを用いればよい。
As the
また、反射型光電センサ10の受光素子4にSi材料を用いた光電変換素子を利用した場合、受光素子4の分光感度は、可視光の波長域よりも赤外線の波長域の方が高い。そのため、投光素子2,7,8は、投光する光の波長域が可視光よりも赤外線の方がより好ましい。これにより、反射型光電センサ10は、センサ感度をより向上させることができる。
When a photoelectric conversion element using Si material is used for the
反射型光電センサ10から、より遠い距離にある被検出対象を検出するためには、投光素子2,7,8からの光を遠い距離に渡って効率よく投光させる必要がある。そのため、反射型光電センサ10の投光素子2,7,8は、LEDよりも出力の大きい投光を得やすいLDを用いるほうが好ましい。また、公共の場などで、反射型光電センサ10を使用する場合、5年や10年以上の長寿命において安定した特性を発揮することが求められる。LDの寿命は、使用周囲温度に大きく影響され、正常と見なされたLDが急激に出力が低下する、或いは動作しなくなる頓死と呼ばれる投光不能もある。そのため、LEDは、LDと比較して長寿命における信頼性という観点では、より好ましい。
In order to detect a detection target at a far distance from the reflective
投光素子2,7,8にLEDを用いる場合は、反射型光電センサ10から投光する光出力を向上させる目的で、透光性の樹脂でレンズ形状のモールド部で発光素子を被覆したいわゆる砲弾型のLEDを用いてもよい。また、反射型光電センサ10の投光素子2,7,8における光軸に垂直方向においてセンサ検出範囲を広くする目的で、投光素子2,7,8に拡散光が得やすいベアチップやチップタイプLEDを用いることもできる。投光素子2,7,8としてLEDを用いた場合は、パルス駆動が比較的容易なため、ダイナミック点灯させることでスタティック点灯した場合と比較し、瞬時値として電流値を大きくすることができる。そのため、反射型光電センサ10は、投光素子2,7,8からの光量を比較的容易に増やしセンサ感度を向上させやすい。
When LEDs are used for the
投光素子2,7,8は、第一の投光素子2と第二の投光素子7,8とを同じ種類のものを用いてもよく、たとえば、投光レンズ1と第一の投光素子2のように投光レンズ1と第二の投光素子7,8で形成させてもよい。さらに、第一の投光素子2をLD、第二の投光素子7,8をLEDとして、必ずしも同じ種類の投光素子2,7,8を用いる必要もない。同様に、第二の投光素子7,8同士も必ずしも同じ種類の投光素子7,8を用いる必要はない。したがって、第二の投光素子7,8は両方ともLEDを用いて構成したとしても、異なる種類のLEDとすることもできる。たとえば、第二の投光素子7,8は、受光素子4に、より近い第二の投光素子8にチップタイプLEDを用い、受光素子4から第二の投光素子8よりも離れた第二の投光素子7を砲弾型のLEDとしてもよい。
As the
投光素子2,7,8に砲弾型のLEDを用いる場合、砲弾型のLEDは、一対のリードにおける一方のリードの先端にpn接合を備えAlGaAs材料などからなる発光素子が導電性ペーストを用いて導通配置させたものを用いることができる。前記発光素子は、たとえば、p型GaAs基板上にp型GaAs層とn型AlGaAs層を積層させている。前記発光素子は、また、p型GaAs基板に一方の電極を、n型AlGaAs層に他方の電極を形成させている。前記発光素子は、前記電極間に電流を流すことで赤外線を投光することができる。前記発光素子の一方の電極は、搭載される前記一方のリードと導電性ペースを用いて電気的に接続させるとともに、前記発光素子の他方の電極は、金線などを介して他方のリードの先端とワイヤボンディングして電気的に接続している。また、前記一対のリードと電気的に接続された前記発光素子は、エポキシ樹脂などにより砲弾型形状のモールド部で被覆されている。このような砲弾型のLEDにおける前記一対のリード間に電流を流すと、たとえば砲弾型のレンズ形状で収束された光を比較的簡単に得ることができる。
When a bullet-type LED is used for the
また、投光素子2,7,8から光を前記被検出対象に投光させる場合、第一の投光素子2と第二の投光素子7,8とをそれぞれ点滅駆動させてもよく、その点滅周期をそれぞれ変えてもよい。この場合、反射型光電センサ10は、第一の投光素子2および複数個の第二の投光素子7,8から同時に被検出対象に光を投光させ、受光素子4から個々の点滅周期の周波数ごとに弁別して出力値を得ることで前記被検出対象の距離値を得ることもできる。また、反射型光電センサ10は、第一の投光素子2および複数個の第二の投光素子7,8から時分割に前記被検出対象に光をそれぞれ投光させ、受光素子4から個々の投光素子2,7,8に同期して出力値を得ることで前記被検出対象の距離値を得ることもできる。
In addition, when projecting light from the
次に、本実施形態の受光レンズ3は、各投光素子2,7,8から投光された光が前記被検出対象で反射され、反射さえた光を受光素子4に効率よく集光可能なものであればよい。したがって、投光レンズ1と同様に、単純な1枚の凸レンズでもよいし、凸レンズだけに限られず、凸レンズと凹レンズを組み合わせた複数枚のレンズを用いても良い。また、球面レンズでも非球面レンズでも良い。
Next, the
本実施形態に用いられる受光素子4としては、第一の投光素子2や第二の投光素子7,8から投光された光を受光して効率よく光電変換できるものが挙げられ、PSD、受光面を複数に分割した分割型フォトダイオード、CCD(Charge Coupled Devices)やCMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)センサなどの撮像素子などを用いることができる。
Examples of the
ここで、受光素子4としてPSDを用いた場合、PSDは、長尺のフォトダイオードのごとき構成をしており、たとえば、平板状直方体のi型Si半導体基板と、該i型Si半導体基板の一表面となる裏面側に均一な抵抗層としてn型Si半導体層と、前記i型Si半導体基板の前記裏面側と対向する表面側に均一な抵抗層としてp型Si半導体層と、をそれぞれ形成した3層構造とすることができる。
Here, when a PSD is used as the
前記PSDの受光面となる前記p型Si半導体層側の両短辺側には、一対の出力電極が設けられており、前記n型Si半導体層には、共通電極が形成している。前記PSDは、前記i型Si半導体基板に光子が入射されると、光起電力効果により前記p型Si半導体層に正の電荷が生じ、前記n型Si半導体層に負の電荷が生ずる。この電荷は、光電流として前記p型Si半導体層側の両短辺側に設けられた前記一対の出力電極から取り出すことができる。前記一対の出力電極からそれぞれ取り出された分割電流は、前記一対の出力電極からPSDの受光面における入射光量の光量重心位置に応じて、前記一対の出力電極までの距離に逆比例した値となる。 A pair of output electrodes is provided on both short sides of the p-type Si semiconductor layer, which is the light receiving surface of the PSD, and a common electrode is formed on the n-type Si semiconductor layer. In the PSD, when a photon is incident on the i-type Si semiconductor substrate, a positive charge is generated in the p-type Si semiconductor layer due to a photovoltaic effect, and a negative charge is generated in the n-type Si semiconductor layer. This charge can be taken out from the pair of output electrodes provided on both short sides on the p-type Si semiconductor layer side as a photocurrent. The divided currents extracted from the pair of output electrodes are values inversely proportional to the distance from the pair of output electrodes to the pair of output electrodes according to the center of gravity position of the incident light amount on the light receiving surface of the PSD. .
すなわち、反射型光電センサ10の受光素子4にPSDを用いた場合、PSDは、該PSDの受光面における前記一対の出力電極から受光レンズ3を介して集光されたスポット光の位置(光量重心位置)までの距離に逆比例して、各出力電極に光電変換された電流が流れる。そのため、受光素子4における光の検出位置は、前記PSDの前記一対の出力電極間の距離と、該一対の出力電極からそれぞれ検出される分割電流と、前記共通電極に流れる電流と、をマイクロコンピュータなどにより四則演算するだけで、比較的簡単に計算することができる。
That is, when PSD is used for the
反射型光電センサ10は、第一の投光素子2および第二の投光素子7,8から投光し被検出対象で反射した光以外の外来光(たとえば、太陽光や蛍光灯からの光など)が受光素子4に入射されると、外来光を前記被検出対象で反射した光と誤判定する場合がある。特に、受光素子4が広い波長域に渡って受光感度が高い場合、誤判定を生じやすい。
The reflective
受光素子4として前記PSDを用いた場合、前記PSDの応答速度が比較的速いことと、背景の光の変化は通常ゆっくりであることを利用して、反射型光電センサ10は、第一の投光素子2や第二の投光素子7,8を点滅させるなど光の強さを変調させることによりノイズを低減することもできる。この場合、反射型光電センサ10は、投光素子2の投光と受光素子4の受光とを同期して検出することにより、ノイズを低減することもできる。より具体的には、第一の投光素子2や第二の投光素子7,8を一定周期で点滅駆動させ、各投光素子2,7,8とそれぞれ同期して受光素子4たる前記PSDから光電変換させた出力電流をフィルタ回路から抽出すればよい。
When the PSD is used as the
なお、受光素子4として前記PSDの代わりにCCDやCMOSセンサを使用した場合、CCDやCMOSセンサでは、各画素の光量を検出することで前記被検出対象の色むらや表面状態の影響を受けずにピーク位置を検出することができる。そのため、受光素子4として前記PSDの代わりに前記CCDや前記CMOSセンサを使用した反射型光電センサ10は、構造が複雑になるものの、より高精度に距離換算をすることもできる。
When a CCD or CMOS sensor is used as the
次に、本実施形態に用いられる基板5としては、第一の投光素子2、受光素子4や第二の投光素子7,8を一表面5aとなる同一平面側に実装し、それぞれ電気的に接続可能なものである。基板5は、パッケージ6内に収納可能に形成させている。このような基板5は、たとえば、表面に配線パターンを予め形成させたガラスエポキシ樹脂基板やセラミック基板を用いてもよい。基板5とパッケージ6とは、必ずしも別体に形成させる必要もなく、第一の投光素子2、受光素子4や第二の投光素子7,8をパッケージ6の底面側に実装させてもよい。
Next, as the
パッケージ6は、投光レンズ1、第一の投光素子2、第二の投光素子7,8、受光レンズ3および受光素子4を外部から保護することができるものであり、受光素子4に外部からノイズとなる光を遮光可能なものが好ましい。このような、パッケージ6は、樹脂材料、金属材料やセラミック材料を用いて種々の形状に形成することができる。
The
また、パッケージ6には、第一の投光素子2、第二の投光素子7,8および受光素子4を配置させるだけでなく、受光素子4からの出力を増大させるアンプ回路を内蔵させても良い。さらに、パッケージ6は、第一の投光素子2および第二の投光素子7,8の点灯を制御する制御回路や反射型光電センサ10から被検出対象までの距離値を演算させるマイクロコンピュータを内蔵させてもよい。
The
次に、上述した投光素子2,7,8のうち、第二の投光素子7,8についてさらに詳述する。
Next, the second
複数個の第二の投光素子7,8は、必ずしも等間隔でパッケージ6内の基板5の一表面5a側に配置させる必要はなく、第二の投光素子7,8は、受光素子4に近づくにつれ第二の投光素子7,8の間隔が短くなるように配置してもよい。また、第二の投光素子7,8は、それぞれ同じ出力で投光するだけでなく、それぞれ光出力を変えてもよい。たとえば、被検出対象が反射型光電センサ10に近いほど、被検出対象から反射される光は強くなるので、反射型光電センサ10は、受光素子4に遠い第二の投光素子7よりも、受光素子4により近い第二の投光素子8ほど投光させる光量を少なくさせてもよい。なお、第二の投光素子7,8の数は、求める反射型光電センサ10のセンサ感度などによって適宜増減すればよい。
The plurality of second
本実施形態の反射型光電センサ10に用いられる第二の投光素子7,8は、比較的安価且つ簡便に構成させるため、それぞれ砲弾型のLEDを用いて構成している。ここで、第二の投光素子7,8にそれぞれ砲弾型のLEDを用いた場合、それぞれレンズ機能を持った砲弾型のモールド部の先端で光を収束して投光することができるため、反射型光電センサ10のセンサ感度を高くすることができる。
The second
しかしながら、砲弾型のLEDは、製造工程上、前記モールド部の形状を高精度に形成することが難しい。また、砲弾型のLEDの前記モールド部と空気との屈折率差もある。そのため、砲弾型のLEDにおける前記モールド部の先端付近においては、発光素子が発光し砲弾型の前記モールド部により収束されて前方に投光される光だけでなく、わずかながら周囲に散乱する光もある。 However, it is difficult for the bullet-type LED to form the shape of the mold portion with high accuracy in the manufacturing process. There is also a difference in refractive index between the mold part of the bullet-type LED and air. Therefore, in the vicinity of the tip of the mold part in the bullet type LED, not only the light emitted from the light emitting element and converged by the bullet type mold part and projected forward, but also slightly scattered light to the surroundings is there.
反射型光電センサ10は、被検知対象を検知することができない不感帯を少なくするため、第二の投光素子7,8を受光素子4側に近づけた場合には、砲弾型のLEDから放射される散乱光が受光素子4に直接入射する場合がある。砲弾型のLEDからの散乱光は、受光素子4において不要な飽和光電流を生じさせ反射型光電センサ10における被検出対象の検出におけるセンサ感度を低下させる恐れがある。
The reflective
本実施形態においては、第二の投光素子8の投光に伴って、第二の投光素子8から直接光が受光素子4に入射しないように後述する遮光壁9を設けている。
In the present embodiment, a
ところで、第二の投光素子7,8から放出される光は、近距離における前記被検出対象を検出するために拡散光のほうが好ましく、第二の投光素子7,8から拡散光を得るため複数の第二の投光素子7,8間には、逆に遮光壁9を備えていないほうがより好ましい。反射型光電センサ10は、受光素子4のセンサ感度を低下させる不要な光をさえぎるため遮光壁9をパッケージ6内の必要な箇所にだけ設けることでより小型化させることもできる。
By the way, the light emitted from the second
したがって、本実施形態の反射型光電センサ10の遮光壁9は、第二の投光素子8からの直接光が受光素子4に入射することを妨げるものであって、第二の投光素子7,8間にはなく、受光素子4と受光素子4に最も近い第二の投光素子8との間に設けられている。これにより、パッケージ6を小型化する場合やより反射型光電センサ10における不感帯を少なくさせるために、第二の投光素子8と受光素子4とが接近させるような場合においても、反射型光電センサ10は、被検出対象から反射した光などと誤判定することやセンサ感度が低下することが抑制される。
Accordingly, the
なお、遮光壁9は、第二の投光素子8からの光を遮光するだけでなく、第二の投光素子8側を第二の投光素子8から投光された光が前方に効率よく投光できるように傾斜していてもよい。また、遮光壁9の表面は、第二の投光素子8からの光を拡散反射できるように凹凸を形成させてもよい。このような遮光壁9の材料は、基板5やパッケージ6と同様の材料を利用してもよいし、別のものを用いてもよい。そのため、遮光壁9は、基板5と一体的に形成させてもよいし、パッケージ6と一体的に形成させてもよい。
The
次に、本実施形態の保護カバー11は、外部からの不要な光を遮光して反射型光電センサ10の内部を保護するためパッケージ6の前面に設けている。保護カバー11が光学フィルタ機能を有し受光素子4に受光する光を波長選択することで、測定したい光以外が入射してノイズとなることを抑制することができる。保護カバー11は、可視光をカットして赤外線のみ透過する可視光線カットフィルタ樹脂が塗布されたガラスなどを利用することができる。
Next, the
次に、本実施形態の反射型光電センサ10の動作について説明する。
Next, the operation of the reflective
反射型光電センサ10は、受光素子4に最も近い第二の投光素子8を受光素子4と同期して点滅駆動させる。この場合、第二の投光素子8から投光された光は、反射型光電センサ10の表面から離れた近距離の領域LL2に被検出対象があると、該被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ10は、反射された光を受光レンズ3で集光して、受光素子4における受光面上にスポット光を結像する。これにより反射型光電センサ10の受光素子4は、受光面上におけるスポット光の検出位置を検出する。反射型光電センサ10と前記被検出対象との距離は、予め設定している第二の投光素子8と受光素子4との中心間距離、受光レンズ3の受光素子4への焦点距離および受光素子4で検出されたスポット光の検出位置を三角測量の原理を用いて検出することができる。
The reflective
ここで、反射型光電センサ10は、第二の投光素子8の投光と同期した受光素子4から出力電流が検出されないか、或いは所定電流の値以下の場合、前記被検出対象が第二の投光素子8によって検知することができる前記領域LL2にないと別途に設けたマイクロコンピュータなどで判断すればよい。
Here, when the output photoelectric current is not detected from the
次に、反射型光電センサ10は、受光素子4に次に近い第二の投光素子7を受光素子4と同期して点滅駆動させる。この場合、第二の投光素子7から投光された光は、反射型光電センサ10の表面から前記領域LL2よりも離れた領域LL1に被検出対象があると、被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ10は、受光素子4に最も近い第二の投光素子8と同様にして反射型光電センサ10と前記被検出対象との距離を検出することができる。
Next, the reflective
続いて、反射型光電センサ10は、第二の投光素子7の投光と同期した受光素子4から出力電流が検出されないか、所定電流の値以下の場合、前記被検出対象が第二の投光素子7によって検知することができる前記領域LL1にないとすればよい。
Subsequently, when the output photoelectric current is not detected from the
次に、反射型光電センサ10は、第一の投光素子2を受光素子4と同期して点滅駆動させる。ここで、第一の投光素子2から投光された光は、投光レンズ1を介して収束され反射型光電センサ10の表面から遠い距離に離れた領域Laに被検出対象があると、被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ10は、受光素子4に最も近い第二の投光素子8と同様にして反射型光電センサ10と前記被検出対象との距離を検出することができる。これにより、反射型光電センサ10は、投光レンズ1と第一の投光素子2で領域Laの範囲を、第二の投光素子7で領域LL1の範囲を、受光素子4により近い第二の投光素子8で領域LL2の範囲をそれぞれ検出することができる。
Next, the reflective
そのため、本実施形態の反射型光電センサ10は、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高いものとすることができる。したがって、1台の反射型光電センサ10で、近距離、中距離と遠距離などの領域をセンサ感度よく検出することが可能となることから、距離に応じて別々の反射型光電センサを追加する必要もない。
Therefore, the reflective
(実施形態2)
図2に示す本実施形態の反射型光電センサ10の基本構成は、実施形態1の反射型光電センサ10と略同一であり、第一の投光素子2を介して、一対の受光素子4,4を配置した点が異なる。なお、実施形態1と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the reflective
本実施形態の反射型光電センサ10は、図2に示すように、第二の投光素子7,8を第一の投光素子2を介して一対の受光素子4,4の間にそれぞれ配置している。すなわち、一つの第一の投光素子2を2個の受光素子4,4で共有している。同様に、2個の受光素子4,4を各受光素子4,4に最も近い2個の第二の投光素子8,8でそれぞれ共有している。また、2個の受光素子4,4を各受光素子4,4からそれぞれより離れた2個の第二の投光素子7,7でそれぞれ共有している。
In the reflective
本実施形態の反射型光電センサ10は、反射型光電センサ10から被検出対象までの距離を測定する場合、一対の受光素子4,4にそれぞれ最も近い2個の第二の投光素子8,8を受光素子4,4と同期して点滅駆動させる。反射型光電センサ10は、前記被検出対象が第二の投光素子8,8によって検知することができる近距離の領域LL2にあれば、反射型光電センサ10と前記被検出対象との距離を検出する。同様に、反射型光電センサ10が領域LL2を検知後、反射型光電センサ10は、一対の受光素子4,4にそれぞれ次に近い2個の第二の投光素子7,7を受光素子4,4と同期して点滅駆動させる。反射型光電センサ10は、前記被検出対象が第二の投光素子7,7によって検知することができる前記領域LL2よりも離れた領域LL1にあれば、反射型光電センサ10と前記被検出対象との距離を検出する。最後に、反射型光電センサ10は、第一の投光素子2を一対の受光素子4,4と同期して点滅駆動させる。ここで、第一の投光素子2から投光された光は、投光レンズ1を介して収束され反射型光電センサ10の表面から遠い距離に離れた領域Laに前記被検出対象があると、前記被検出対象によって光が反射され、同様にして反射型光電センサ10と被検出対象との距離を検出することができる。
The reflective
反射型光電センサ10では、第一の投光素子2に対して一対の受光素子4,4で前記被検出対象からの光を受光することから、前記被検出対象の反射面が不均一でいずれか一方の受光素子4側に傾いていたとしても、前記被検出対象で反射した光を受光することができる。そのため、本実施形態の反射型光電センサ10は、実施形態1の反射型光電センサ10と比較して誤検知や測定誤差を小さくし、センサ感度の安定化をはかることが可能となる。また、本実施形態の反射型光電センサ10は、第一の投光素子2を介して受光素子4,4と第二の投光素子7,7,8,8と、を離間して一対設けることにより、反射型光電センサ10から近距離における第一の投光素子2の光軸と垂直方向においてセンサ検出範囲を広くすることもできる。
In the reflective
1 投光レンズ
2 第一の投光素子
3 受光レンズ
4 受光素子
6 パッケージ
7,8 第二の投光素子
9 遮光壁
10 反射型光電センサ
1
Claims (2)
前記第二の投光素子は、前記受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、前記パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備えていることを特徴とする反射型光電センサ。 Photoelectric conversion of light received through a first light projecting element that projects light onto a detection target via a light projection lens that converges the light and a light receiving lens that collects light reflected by the detection target A light receiving element that is spaced apart from one surface side in the package, and the light projecting element from the first light projecting element is disposed between the first light projecting element and the light receiving element on the one surface side. A reflection having a second light projecting element for projecting light that can be received by the light receiving element at a short distance where the light reflected by the target to be detected is outside the light receiving range of the light receiving element. Type photoelectric sensor,
A plurality of the second light projecting elements are provided at different intervals from the light receiving element, and the package is a light shield that prevents direct light from the second light projecting element from entering the light receiving element. A reflection type photoelectric sensor comprising a wall between the light receiving element and the second light projecting element closest to the light receiving element.
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