JP2013195079A - 反射型光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】三角測距の原理による計測を行う反射型光センサにおいて、受光素子に対するノイズ光の影響をコストをかけることなく容易に削減する。
【解決手段】距離設定型の反射型光センサに組み込まれる二分割受光素子１のうち、センサに対して相対的に近い場所からの反射光を受けるＮｅａｒ側の受光素子１Ｎの受光エリアが、他方のＦａｒ側の受光素子１Ｆとの境界から遠ざかるにつれて幅狭になるようにする。Ｎｅａｒ側の受光素子１Ｎには広い範囲に強い強度の反射光が入光するので、受光エリアが狭められても検出に必要な受光量を確保することができる。また、受光エリアが削減されることによって、ノイズ光の入光量を減らすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投光素子より光を投光すると共にその光に対する検出対象物からの反射光を受光素子により受光し、その受光により生成された受光量データを用いて三角測距の原理に基づく計測を行う反射型の光センサに関する

この種の光センサとして、たとえば、二分割受光素子やＰＳＤを受光素子として用いて、その受光素子から出力される一対の受光量信号の差分演算を実行し、この差分レベルをあらかじめ定めたしきい値と比較することによって、基準点に位置する物体を検出する距離設定型の光センサがある。また、あらかじめ定めた基準位置に到達した物体を検出したり、物体の変位を計測するものもある。また、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの電荷蓄積型の受光素子を用いて、受光面全域における受光量分布データを生成し、この分布中のピークの位置に基づき物体までの距離を計測するタイプのセンサもある。

図１１は、これら反射型光センサに共通する光学系の基本構成を検出の原理と共に示したものである。
同図において、符号１が受光素子であり、符号２は投光部に組み込まれる投光素子である。受光素子１は、一方向（図１１では上下方向）に長い受光面を有する。投光素子２から発せられた光は、投光用のレンズＬ２を介して外部に出射され、検出対象物ＳＢで反射した光の一部が受光用レンズＬ１を介して受光素子１に入光する。受光用レンズＬ２から検出対象物ＳＢまでの距離によって反射光の結像位置が変化するので、受光素子１は、反射光の結像位置の変化の方向に長さ方向を合わせた状態になるように、位置や姿勢が調整される。

検出対象物ＳＢが図中のＡ点に位置するとき、検出対象物ＳＢからの反射光は、受光素子１の長さ方向の中心位置（図中の受光素子１内の点線が示す位置）に結像する状態になる。検出対象物ＳＢがＡ点より前方へと移動するにつれて、反射光の結像位置は、中心位置から図中の下方に向かって移動し、検出対象物がＡ点より後方に移動するにつれて、反射光の入光位置は中心位置から図中の上方に向かって移動する。

以下、Ａ点を基準点と呼ぶ。また受光素子１の受光面において、検出対象物ＳＢがセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方角を「Ｎｅａｒ側」と呼び、検出対象物ＳＢがセンサから遠ざかる場合に反射光の結像位置が移動する方角を「Ｆａｒ側」と呼ぶ。また、二分割受光素子においては、Ｎｅａｒ側に位置する受光素子を「Ｎｅａｒ側素子」と呼び、Ｆａｒ側に位置する受光素子を「Ｆａｒ側素子」と呼ぶ。

反射型光センサの従来例として、特許文献１には、投光素子および投光レンズを含む投光部と、二分割受光素子とレンズとを同一のホルダ部に組み込んだ構成の受光部とが同じ筐体内に収容された構成のセンサが開示されている（段落００２６〜００２７，図２等を参照。）。また、この特許文献１には、前述した検出の原理と共に、各受光素子の受光量の差分信号を用いて検出対象物（ワーク）までの距離又は変位を検出することが記載されている（段落００４８〜００５１，図６〜８等を参照。）。

つぎに、以下に述べる本発明の特徴に関連する文献として、特許文献２をあげる。
この特許文献２に開示されているのは、ＰＳＤを用いた位置検出センサである。同文献には、測距には関係のない光（投光ビームの裾に広がった光に対する正反射光など）の受光により検出の精度が低下する、という問題を解決するために、受光素子（ＰＳＤ）の前面側に板状の遮光体をスライド自在に配備し、この遮光体によって結像光の移動範囲以外の受光面の全てを塞ぐことが記載されている（段落００１３，００１５，００２６〜００３１，図１，図７，図８，図１０等を参照。）

特開２００７−３３１６２号公報 特許第３６７７８６８号公報

一般に、受光素子は、強い光が入光すると、ショットノイズと呼ばれるノイズを発生する。ショットノイズは、受光回路で処理されると、ホワイトノイズとして受光量信号に重畳される。特に、三角測距を用いる反射型光センサでは、反射光の移動範囲に対応する必要から、広い受光面を持つ受光素子を使用するので、受光量信号に対するノイズ成分の影響が強くなり、検出に悪影響が生じるおそれがある。

図１２は、受光素子１に検出対象の反射光ＳＬのみが入光した場合に得られる受光量信号と、ノイズ光ＮＬが入光した状態下での受光量信号とを、上下に並べて示す（図１２（１）（２））。下段のグラフに示すように、反射光ＳＬと共に白色光によるノイズ光ＮＬが入光すると、ホワイトノイズによって受光量信号に細かい振動が生じてしまう。この振動が大きくなると、センサの検出動作に誤動作が生じるおそれがある。

図１３は、受光素子１として二分割受光素子を用いる光電センサにおける信号処理を例示すると共に、ノイズ光の影響により生じる誤動作の例を模式的に示す。なお、図１３では、Ｎｅａｒ側素子による受光量信号をＰ_Ｎとし、Ｆａｒ側素子による受光量信号をＰ_Ｆとする。

先に、左手の図１３（１）を参照して信号処理の方法を説明する。この例では、受光量の差分信号Ｐ_Ｎ−Ｐ_Ｆおよび加算信号Ｐ_Ｎ＋Ｐ_Ｆを、それぞれ値が異なる２つのしきい値と比較する。以下、値が高い方のしきい値をオンしきい値と呼び、値が低い方のしきい値をオフしきい値と呼ぶ。差分信号Ｐ_Ｎ−Ｐ_Ｆに対する比較の結果は差分制御信号として出力され、加算信号Ｐ_Ｎ＋Ｐ_Ｆに対する比較の結果は加算制御出力として出力される。

差分信号に対する信号処理では、差分信号がオンしきい値より高い場合に差分制御信号をオン状態とし、差分信号がオフしきい値より低い場合には差分制御信号をオフ状態とする。加算信号に対する信号処理でも同様に、加算信号がオンしきい値より高い場合に加算制御信号をオン状態とし、加算信号がオフしきい値より低い場合には加算制御信号をオフ状態とする。

差分制御信号および加算制御信号が共にオン状態となる間は検出対象物ＳＢが基準点より前に位置していると判定される。検出対象物ＳＢが基準点より前の位置から遠ざかる方向に移動すると、差分信号がオンしきい値より高い状態からオフしきい値より低い状態になり、それに伴い、差分制御信号はオン状態からオフ状態に変化する。さらに検出対象物ＳＢが基準点からかなり離れた位置まで移動すると、加算信号がオンしきい値より高い状態からオフしきい値より低い状態になり、それに伴い、加算制御信号がオン状態からオフ状態に変化する。
上記とは反対に、検出対象物ＳＢが遠方から基準点に近づく方向に移動すると、まず、加算制御信号がオフ状態からオン状態に変化し、次に差分制御信号がオフ状態からオン状態に変化する。

図１２（２）に示したようなノイズ成分が載った受光量信号が生成されると、差分信号や加算信号にも同様の振動が生じる。差分信号や加算信号におけるノイズ成分の振幅がオンしきい値とオフしきい値との差より大きくなると、図１３（２）に示すように、差分制御信号や加算制御信号に、オンとオフとが小刻みに切り替わる現象（チャタリング）が生じてしまう。

ホワイトノイズによる影響は、二分割受光素子に限らず、他の種類の受光素子を用いた反射型光センサでも、同様に、誤検出を引き起こすおそれがある。
また、受光素子では、ダイナミックレンジが決まっており、そのレンジの最大値を上回る光が入光すると、受光量信号が示す受光量が飽和する。したがって、非常に強いノイズ光が入光して受光量信号が飽和すると、反射光の入光位置を反映した信号を得ることができなくなり、検出エラーが生じてしまう。

このようなノイズ光の影響を避けるために、従来は、受光用レンズとして近赤外帯域の光をカットする機能を持つレンズを使用したり、近赤外帯域の光をカットする光学フィルタを使用する対策がとられている。しかし、波長を選択するタイプの光学部材は高価であるため、コストが増加してしまう。

コストをかけない方法として、検出に支障がない範囲で受光量信号の増幅のゲインを下げることにより、ノイズ成分の振幅を小さくする方法がある（図１４の（Ａ−１）（Ａ―２）を参照。）。しかしながら、ゲインを下げると、受光量信号全体の振幅も抑えられ、信号の変化のｌ度合いが緩やかになるので、応答性が悪くなる、という問題がある。

図１４（Ｂ）は、二分割受光素子を用いたセンサにおいて、受光量のゲインを下げない状態下での受光量信号（図１４（Ａ−１）の信号）による差分信号と、ゲインを下げた場合の受光量信号（図１４（Ａ−２）の信号）による差分信号を対象に、しきい値付近での変化を拡大して示したものである。この図１４（Ｂ）に示すように、ゲインを下げると、信号の変化の度合いが緩やかになるので、オンしきい値とオフしきい値との間に入るレベルの信号を得る範囲が拡大して、応差の距離が長くなり、応答性が低下する。

本発明は上記の問題に着目し、三角測距の原理による計測を行う反射型光センサにおいて、受光素子に対するノイズ光の影響をコストをかけることなく容易に削減して、検出の精度を高めることを課題とする。

本発明は、光を投光する投光素子と、一方向に長い受光面によって投光素子からの光を受けた物体からの反射光を受光する受光素子とが、受光面の長さ方向における反射光の結像位置がその反射を生じさせた物体との距離に応じて変化する関係をもって配備された反射型光センサに適用される。

第１の発明が特徴とするところは、受光素子を、投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる受光エリアにおいて光を受け付けるように構成した点にある。
以下、この特徴について、図１５を用いて説明する。

図１５は、先の図１１に示したＡ，Ｂ，Ｃの各点からの反射光によって受光素子１に形成される受光スポット（反射光の像）ＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｂ、ＳＰ_Ｃの状態を示す。
基準点であるＡ点付近に検出対象物がある場合の受光スポットＳＰ_Ａでは、その中心が受光素子の長さ方向を分ける中心線Ｌにほぼ対応するので、受光面の中心線Ｌにより二分される左右の領域における受光量は、ほぼ均等になる。

また、図中の受光スポットＳＰ_Ｂ，ＳＰ_Ｃと先の図１１のＢ点、Ｃ点の関係からわかるように、検出対象物ＳＢがセンサに近づく場合には、検出対象物ＳＢがセンサから遠ざかるよりも、受光スポットの移動の度合いが大きく、スポット径も大幅に拡大する。

上記のとおり、反射光の結像位置がＮｅａｒ側に移動するほど受光スポットの面積は大きくなる。また、入光する反射光の強度も検出対象物ＳＢがセンサに近づくほど強くなるから、中心線ＬよりもＮｅａｒ側の領域（図中の左手の領域）では、入光可能な全ての反射光を受光しなくとも、検出に必要な受光量を確保することが可能になる。一方、ノイズ光は場所を選ばずに、受光面全体に入光する可能性があるので、Ｎｅａｒ側の受光エリアを削減すれば、取り除かれた受光エリアの面積に応じた量だけノイズ光の入光量を削減することができる。

第１発明は上記の特性に着目し、強い反射光が入光するＮｅａｒ側に向かうにつれて受光エリアが幅狭になるようにしたのである。この構成によれば、センサに近い場所からの反射光を受光する面の面積が大きく縮小されるが、近距離からの反射光は広い範囲に照射されるので、幅狭の受光エリアでも受光漏れが生じる可能性は低い。また反射光量が強くなるので、遮光される光の割合が大きくなっても検出に必要な受光量を確保することができる。一方、ノイズ光の入光量は、受光エリアの削減に伴って大幅に減少するので、受光信号中のノイズ成分を大きく削減して誤動作を防ぐことが可能になる。

第１発明の実施形態として、以下のようなものが考えられる。
まず第１の実施形態では、受光素子の前方に、投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる形状の開口部を有する遮蔽部材が配備され、この遮蔽部材によって、受光面に入光可能な光の一部が遮蔽される。すなわち、受光面自体の大きさや形状ではなく、その前方の遮蔽部材と開口部とによって受光面の一部が遮光されることによって、受光エリアが縮小される。

なお、前出の特許文献２には、受光面の一部を遮光することによりノイズ光の入光を防ぐという技術思想が示されている。しかし、この特許文献２に記載された発明では、対象物からの正反射光をノイズ光とし、そのノイズ光の入光範囲を想定することができるという前提の下で、想定された範囲を遮光するだけである。これに対し、本発明は、入光範囲を特定できず、受光面全体に広く入光する可能性が高い外乱光による影響を削減することを課題として、検出に必要な光が入光する範囲の一部を遮光するものである。よって、特許文献２とは技術思想が大きく相違する。

ここで、再び図１５を参照すると、反射型センサの光学系の特性により、受光素子の受光面では、Ｆａｒ側への受光スポットの移動の度合いはＮｅａｒ側への移動の度合いより小さくなり、ある地点より以遠からは、受光スポットが殆ど動かない状態となる。図１５の例では、受光スポットＳＰ_Ｃが生じる限界の位置より外側は、反射光が入光し得ない無駄領域となる。

したがって、受光素子の受光面のＦａｒ側の端縁の近傍がこのＦａｒ側の受光スポットの限界位置となるように、受光面の長さを設定しておけば、Ｆａｒ側の無駄領域を削減すると共に、上記の遮蔽部材によってもノイズ光の入光量を削減でき、ノイズ成分を大幅に減らすことができる。
しかし、受光面の長さを調整するのが困難で、Ｆａｒ側にどうしても無駄領域ができる場合には、遮蔽部材を受光面の全体に対向させると共に、開口部を、Ｆａｒ側の領域に対しては反射光が結像する限界位置より外側を含まない範囲に設定するとよい。このようにすれば、Ｆａｒ側の無駄領域が遮蔽部材によって遮光され、無駄領域へのノイズ光の入光によってノイズ成分が増えるおそれがなくなる。

上記第１の実施形態の下位概念となる一形態では、受光素子が組み込まれるホルダ部において受光素子の前方に位置する面を遮蔽部材として機能させ、反射光を通過させて受光素子へと導くために当該面に形成された受光窓を開口部として機能させる。すなわち光学ホルダの受光窓の形状を工夫することによって、受光エリアの面積を容易に調整することが可能になる。

第１の実施形態の下位概念となる他の形態では、ホルダ部において受光素子の前方に位置する面と受光素子との間に遮蔽部材を配備する。また、受光素子の前方に位置する面には、遮蔽部材の開口部分より大きい受光窓が形成される。この実施形態によれば、反射光は、受光素子の前方の面の受光窓を通過した後に、当該前方の面と受光素子との間に配備された遮蔽部材によって一部が遮光され、これにより受光素子の受光エリアの面積が調整される。

つぎに、第２の実施形態による反射型光センサでは、受光素子の受光面が、遮光性を有する樹脂で被覆される領域と被覆されない領域とに二分されると共に、この樹脂で被覆されない領域が、投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる形状に設定される。このように、受光素子自体に加工を施すことによっても、受光エリアの面積を調整することが可能になる。

この第２の実施形態でも、Ｆａｒ側の受光スポットの限界位置がＦａｒ側の端縁の付近になるように、受光面の長さを調整するのが望ましいが、それができない場合には、Ｆａｒ側の領域のうち、反射光が結像する限界位置より外側を遮光性を有する樹脂により被覆するとよい。
このようにすれば、反射光が入光することのない無駄領域にノイズ光が入光するのを防ぐことができ、ノイズ光の入光量をより多く削減することが可能になる。

第３の実施形態では、受光素子の受光面が、投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる形状を有する。すなわち、受光素子自体の形状によって受光エリアが縮小されるようにする。

第３の実施形態においては、Ｆａｒの領域の端縁の近傍が反射光が結像する限界位置となるように、受光面の長さを設定するのが望ましい。このようにＦａｒの領域の幅を短くすれば、反射光が入光しない範囲の無駄領域を大きく削減することができ、ノイズ光の入光量をさらに削減することができる。

つぎに、第２の発明にかかる反射型光センサは、受光素子として二分割受光素子を使用し、２つの受光素子間における受光量の差分値に基づく検出信号を出力するもので、二分割受光素子のうち、センサに対して相対的に近い場所からの反射光を受けるＮｅａｒ側素子が、センサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側素子との境界から遠ざかるにつれて幅狭になる受光エリアにおいて光を受け付ける。

二分割受光素子では、Ｎｅａｒ側素子への反射光の入光範囲は大きくなり、かつ強度も強くなるから、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに入光可能な全ての反射光を受光しなくとも、検出に必要な受光量を確保することが可能になる。また、ノイズ光は場所を選ばずに各受光素子の全面に入光する可能性があるので、Ｎｅａｒ側素子の受光エリアを削減すれば、取り除かれた受光エリアの面積に応じた量だけノイズ光の入光量を削減することができる。

第２発明は上記の特性に着目して、二分割受光素子のうち、強い反射光が入光するＮｅａｒ側素子における受光エリアを、Ｆａｒ側素子との境界から遠ざかるにつれて幅狭にしたのである。この構成によれば、センサに近い位置からの反射光を受光する面の面積が大きく縮小されるが、近距離からの反射光は広い範囲に照射されるので、幅狭の受光エリアでも受光漏れが生じる可能性は低い。また反射光量が強くなるので、遮光される光の割合が大きくなっても検出に必要な受光量を確保することができる。一方、ノイズ光の入光量は、受光エリアの削減に伴って大幅に減少するので、受光信号中のノイズ成分を大きく削減して誤動作を防ぐことが可能になる。

第２発明の一実施形態にかかる反射型光センサでは、Ｎｅａｒ側素子の前方に、Ｆａｒ側素子との境界から遠ざかるにつれて幅狭になる形状の開口部を有する遮蔽部材が配備され、この遮蔽部材によって、Ｎｅａｒ側素子に入光可能な反射光の一部が遮蔽される。すなわち、Ｎｅａｒ側素子自体の受光面は変更されないが、その前方の遮蔽部材と開口部とで受光面の一部が遮光されることによって、受光エリアが縮小される。

上記の遮蔽部材は、少なくともＮｅａｒ側素子に対向する範囲に配備されるが、二分割受光素子の前面全体に対向させることもできる。この場合には、開口部は、受光素子間の境界位置を跨いでＦａｒ側素子の一部範囲にまで広がり、このＦａｒ側素子に対する開口部を介して、Ｎｅａｒ側素子に結像する反射光よりも遠方からの反射光がＦａｒ側素子に結像する状態となる。こうすれば、Ｆａｒ側素子の反射光が入光することがない無駄領域が遮蔽部材により塞がれるので、ノイズ光の入光量を大幅に削減することができる。

上記実施形態の下位概念となる一形態では、二分割受光素子が組み込まれるホルダ部において二分割受光素子の前方に位置する面を遮蔽部材として機能させ、反射光を通過させて二分割受光素子へと導くために当該面に形成された受光窓を開口部として機能させる。すなわち光学ホルダの受光窓の形状を工夫することによって、受光エリアの面積を容易に調整することが可能になる。

第１の実施形態の下位概念となる他の形態では、ホルダ部において二分割受光素子の前方に位置する面と二分割受光素子との間に遮蔽部材を配備する。また、二分割受光素子の前方に位置する面には、遮蔽部材の開口部分より大きい受光窓が形成される。この実施形態によれば、反射光は、二分割受光素子の前方の面の受光窓を通過した後に、当該前方の面と受光素子との間に配備された遮蔽部材によって一部が遮光され、これにより二分割受光素子の受光エリアの面積が調整される。

第３発明では、受光素子の種別を限定せずに、受光素子の受光面のうちのＮｅａｒ側の領域の前方に、Ｆａｒ側の領域から遠ざかるにつれて透過率が小さくなるように設計された光学フィルタを配備する。すなわち、第３発明は、Ｎｅａｒ側の領域に入光する光量を段階的に削減することによって、ノイズ光の入光量を減らす、という発想によるものである。Ｎｅａｒ側の領域では、Ｆａｒ側から離れた場所への反射光の入光が大幅に制限されるが、近距離からの反射光は強度が強いので、光学フィルタにより遮光される光の割合が高められても、検出に必要な受光量を確保することができる。
その一方で、ノイズ光の入光量が大幅に削減されるので、ノイズ光による誤動作を防ぐことができる。また、波長を選別しない光学フィルタは比較的安価であるので、コストの上昇も抑えることができる。

Ｆａｒ側への受光スポットの限界位置がＦａｒ側の端縁の付近になるように、受光面の長さが調整されている場合には、上記の光学フィルタは、少なくとも、Ｎｅａｒ側の領域の前面に対向する範囲に配備すれば良い。しかし、受光面の長さを調整できず、受光スポットの限界位置より外側の無駄領域が大きくなる場合には、光学フィルタを受光素子の受光面全体に対向させて、反射光が入光する限界位置より外側に対する範囲を非透過状態に設定するとよい。このようにすれば、Ｆａｒ側の領域内の反射光が入光することのない箇所にノイズ光が入光するのを防ぎ、受光量信号に重畳されるノイズ成分を抑えることができる。

本発明によれば、検出に支障のない範囲で、入光する反射光の径や強度が十分に大きくなるＮｅａｒ側の領域で受光する光の量を制限することによって、ノイズ光の入光量を大幅に削減することができる。
よって、ノイズ光による誤動作が生じるのを防ぐことができる。また、ノイズ成分が削減されるので、受光信号に対する増幅処理のゲインを下げる必要がなく、安定した検出処理を実施することが可能になる。

光電センサに導入される二分割受光素子と遮光部材との関係を説明する図である。 ２つの受光素子からの受光量信号の加算信号とセンサから検出対象物までの距離との関係を示すグラフである。 二分割受光素子に生じる受光スポットの位置とセンサから検出対象物までの距離との関係を示すグラフである。 遮光部材の開口部の変形例を示す図である。 図１の構成が適用された二分割受光素子が組み込まれるホルダ部の正面図および斜視図である。 図１の構成が適用された他の形態のホルダ部の正面図および側面図である。 図１の構成を応用して二分割受光素子を含むＣＳＰの構成を変更した例を示す図である。 図１の構成を応用して二分割受光素子の形状を変更した例を示す図である。 二分割受光素子に入光する光量を光学フィルタを用いて調整する例を示す図である。 シャインプルーフ条件を満たす光学系の構成と、この光学系の受光素子に形成される受光スポットの例とを示す図である。 反射型光センサの光学系の基本構成および検出の原理を示す図である。 ノイズ光の入光が受光量信号に及ぼす影響をグラフにより説明した図である。 距離設定型の光電センサにおける信号処理にノイズに起因する誤動作が生じる様子を模式的なグラフにより説明した図である。 受光量信号の増幅ゲインとノイズとの関係を模式的なグラフにより説明した図である。 図１１のＡ，Ｂ，Ｃの各点からの反射光により二分割受光素子に形成される受光スポットの例を示す図である。

図１は、距離設定型の反射型光センサに使用される二分割受光素子に対する本発明の適用例を示す。なお、以下では、二分割受光素子の全体を符号１により示し、Ｎｅａｒ側素子を符号１Ｎにより、Ｆａｒ側素子を符号１Ｆにより、それぞれ示す。また、以下の説明では、Ｎｅａｒ側素子１ＮとＦａｒ側素子１Ｆとが並ぶ方向をｘ方向とし、ｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。また、ｘ方向の幅を横幅と言い、ｙ方向の幅を縦幅と言う場合もある。

この実施例の二分割受光素子１は、投光素子２に対し、図１１に示したのと同様の関係をもって配置される。検出の原理は従来技術の欄で述べたのと同様であるので、各受光スポットを、それぞれ図１１および図１５と同じ参照符号ＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｂ，ＳＰ_Ｃにより示すことによって、説明を省略する。

この実施例の二分割受光素子１の前方には、開口部１０を有する遮蔽部材１１が配備される。開口部１０は、ｘ方向においてはＮｅａｒ側素子１Ｎの全幅に広がり、さらに各素子１Ｎ，１Ｆ間の境界を跨いでＦａｒ側素子１Ｆの一部範囲にまで広がる。開口部１０のｙ方向の範囲は、Ｆａｒ側素子１ＦおよびＮｅａｒ側素子１ＮのＦａｒ側よりの箇所に対しては、素子の縦幅全体を含む範囲に設定されるが、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対するｙ方向の開口幅は、Ｆａｒ側素子１Ｆとの境界から遠ざかるにつれてしだいに狭くなる。

図１の各受光スポットＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｂ，ＳＰ_Ｃと開口部１０との関係からわかるように、基準点（Ａ点）からの反射光および基準点より遠い位置からの反射光は、ほぼ全てが開口部１０を通過して、受光スポットＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｃとして結像する。

一方、基準点より前方の位置からの反射光の中には、遮蔽部材１１によってＮｅａｒ側素子１Ｎへの入光が阻まれる光が生じる。また、Ｎｅａｒ側の外端縁に近づくにつれて開口部１０が幅狭になるので、遮光される光の割合が大きくなる。
ただし、検出対象物がセンサに近づくにつれて反射光の入光範囲が大きくなるので、開口部１０の幅狭部分に対する反射光の通過の範囲はかなり広くなる。加えて、近距離からの反射光は強度が高いので、入光する光の割合が減少しても、十分な受光量を得ることができる。

図２は、遮蔽部材１１が配備されない従来タイプのセンサにおいて、Ｎｅａｒ側素子１Ｎによる受光量Ｐ_ＮとＦａｒ側素子１Ｆによる受光量Ｐ_Ｆとの加算信号のレベルとセンサから検出対象物までの距離との関係を、実測値に基づき模式化して表したグラフである。
検出対象物ＳＢが基準点より前方に移動してＮｅａｒ側素子１Ｎのみに反射光が入光する状態になると、加算信号のレベルは、Ｎｅａｒ側素子１Ｎによる受光量Ｐ_Ｎに一致する。検出対象物ＳＢがセンサの直近に位置して反射光を入光できない場合には、受光量Ｐ_Ｎは低下するが、反射光を受光できる程度に離れた位置にある検出対象物ＳＢからの反射光による受光量Ｐ_Ｎは、グラフ中に矢印Ｆで示すように、非常に高い値を示す。

図２のグラフに示すとおり、近距離からの反射光の強度は非常に高い。図１の例によれば、近距離であるＢ点からの反射光による受光スポットＳＰ_Ｂは、本来形成される範囲（点線で示す。）よりかなり小さくはなるが、なお、他の受光スポットＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｃよりも広い範囲に形成されるので、十分な強度の受光量を得ることができる。

つぎに、図３は、二分割受光素子１における受光スポットの中心点の位置とセンサから検出対象物までの距離との関係を表したグラフ（検出対象物ＳＢをＮｅａｒ側からＦａｒ側に向けて動かしながら受光スポットの位置を計測した結果を模式的に示したもの）である。このグラフに示すように、検出対象物ＳＢがセンサの近くにある場合には、検出対象物ＳＢの位置の変化に追随して受光スポットも大きく動く。しかし、検出対象物ＳＢがセンサから遠ざかるにつれて、受光スポットの位置の変化の度合いは緩やかになる。特に、検出対象物ＳＢが基準点より所定距離以上後方に移動すると、受光スポットは殆ど動かない状態となる。

図１に示した開口部１０のＦａｒ側の開口端縁は、図３に示した特性に基づき、受光スポットＳＰ_Ｃが形成される範囲の限界位置の付近に合わせて設定される。また、このＦａｒ側の端縁から受光スポットＳＰ_Ａが形成される箇所付近までのｙ方向の開口幅は、受光素子１Ｎ，１Ｆの縦幅よりやや広めに設定されているので、基準点および基準点より後方からの反射光のほぼ全てが開口部１０を通過して二分割受光素子１に入光する。
一方、Ｆａｒ側素子１Ｎの受光スポットＳＰ_Ｃが形成される範囲より外側は、遮蔽部材１１により遮光される。

開口部１０からは、検出対象物ＳＢからの反射光のほか太陽光や照明光などによるノイズ光も入光する可能性がある。ノイズ光は、二分割受光素子１の全範囲に入光する可能性があるが、この実施例では遮蔽部材１１によってかなりの量のノイズ光が遮光されるので、受光量信号に重畳されるノイズ成分は大幅に削減される。またＮｅａｒ側素子１Ｎに対しては、近距離からの強い反射光を受光する箇所における受光エリアが狭められ、Ｆａｒ側素子１Ｆに対しては、検出のための反射光が入光することのない範囲が遮光されるので、検出に支障が生じることなく、ノイズ光の入光量を減らすことができる。

このように受光量信号に重畳されるノイズ成分が小さくなるので、図１３（２）に示したような誤動作が生じるのを防止することができる。また、受光量の増幅のゲインを下げる必要もなくなるので、差分信号や加算信号の変化を示す傾きを急峻にすることができ、応答性の低下を防ぐこともできる。

なお、図１の例では、基準点付近からの反射光や基準点より後方からの反射光による受光スポットＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｃが形成される範囲に対しては、縦幅全体が開口部１０内に含まれるように、開口部１０の縦幅を広くしているが、検出に必要な反射光量が確保できるのであれば、図４（１）に示すように、受光スポットＳＰ_Ａ，ＳＰ_Ｃの形成範囲に対する開口部１０の縦幅を受光素子１Ｆの縦幅より短くしても構わない。また、検出に必要な強さの受光量が確保できるのであれば、基準点からの反射光による受光スポットＳＰ_Ａの形成範囲に対する開口部１０の縦幅をさらに狭くして、基準点からの反射光の一部が遮光されるようにしてもよい。

Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対する開口部１０の開口端縁は、必ずしも直線状に変化させる必要はなく、図４（２）に示すように、曲線状に変化させてもよい。また、図１や図４（１）（２）の例では、開口部１０の開口端縁を緩やかに傾斜させているが、これに限らず、開口端縁を階段状に変化させてもよい。その場合には、Ｎｅａｒ側に向かうにつれて段差が大きくなるようにしてもよい。また、各例では、上下の開口端縁が縦方向を二分する中心線に対して対称になるような形状の開口部１０を形成したが、上下の開口端縁が非対称の形状の開口部を設けてもよい。また、上下の一方の開口端縁の傾きのみを変化させることによって開口部の幅を変更してもよい。
また、開口部を１つとせずに、複数のスリット状の開口部を形成することとし、各開口部の幅やｙ方向における開口部の数をＦａｒ側からＮｅａｒ側に向かうにつれて変動させる方法により、遮光の度合いを変化させてもよい。

また、ノイズ成分を十分に削減できることが条件となるが、図４（３）に示すように、遮光される範囲をＦａｒ側素子１Ｆの反射光が入光しない範囲のみとし、反射光が入光する範囲全体に対応する開口部１０を形成してもよい。反対に、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対する開口幅を縮小し、Ｆａｒ側素子１Ｆの全体に対向する範囲が開口された開口部１０を形成してもよい。

図５は、光電センサに組み込まれるホルダ部に図１に示した構成を応用した例を示す。
この実施例のホルダ部３は、光学系を支持するための略筒型のホルダ本体３０の内部に一対の導光路３１，３２が形成された構成のもので、その後端部に、投光ユニット２０や二分割受光素子１を含むＣＳＰ（Chip Size Package）１４が搭載された基板３６が装着される。図５（１）は、ホルダ部３の前面の図であり、図５（２）は、ホルダ部の背面側の構成を示す斜視図である。

図５（１）中の右手に位置する導光路３２の後端面（ＣＳＰ１４の前方に位置する面）には投光窓２００が形成され、左手に位置する導光路３１の後端面には受光窓１００が形成される。また各導光路３１，３２の前方の開放端面には、それぞれ図１１に示したレンズＬ１，Ｌ２が嵌め込まれる。

投光ユニット２０は、導光路３２の背面側に設けられた収容部３５内に収容される状態で支持される。この状態下において、投光素子２は、投光窓２００の中央部に位置する状態となる。

ＣＳＰ１４は、二分割受光素子１を中継基板１５（インタポーザ）に搭載し、これらの前面を透明樹脂１６により封止した構成のもので、導光路３１の背面側の収容部３７に収容される状態で支持される。この支持状態において、二分割受光素子１は、受光窓１００に対向する状態になる。

この実施例では、ホルダ本体３０の導光路３１の後端面および受光窓１００が、それぞれ図１に示した遮蔽部材１１および開口部１０として機能する。すなわち、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対する受光窓１００の縦幅は、Ｆａｒ側素子１Ｆとの境界から遠ざかるに従って徐々に狭くなる。Ｆａｒ側素子１Ｆに対する受光窓１００の範囲は、受光スポットＳＰ_Ｃが形成される範囲の限界付近までに限定されるが、縦幅はＦａｒ側素子１Ｆの縦幅よりやや大きめに設定される。Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対しても、基準点からの反射光が入光する範囲の縦幅はＮｅａｒ側素子１Ｎよりやや大きく形成されている。

図５の実施例によれば、ホルダ本体３０の導光路３１の後端面と受光窓１００とによって、各受光素子１Ｎ，１Ｆの受光エリアの面積を削減して、ノイズ成分を削減することができる。また、ホルダ部３に遮蔽部１１の機能が設けられるので、部品点数が増えることがなく、コストの増加が抑えられる。

図６は、図１に示した構成を応用したホルダ部３の他の例を、正面図および側面図により示す。なお、図５と共通する構成には図５と同じ参照符号を付すことにより、細部の説明を省略する。

この例では、ホルダ本体３０の凹部３１の裏面と二分割受光素子１を含むＣＳＰ１４との間に、開口部４０を有する遮蔽プレート４が配備される。この実施例の受光窓１００は、ＣＳＰ１４をほぼ完全に露出させる大きさに形成されているが、遮蔽プレート４およびその開口部４０が図１に示す遮蔽部材１１および開口部１０として機能する。よって、図５の例と同様に、各受光素子１Ｎ，１Ｆの受光エリアが縮小されて、ノイズ成分を削減することが可能になる。

図６の構成によれば、図５の例よりも部品が１点増えることにはなるが、追加される部品（遮蔽プレート４）は簡易な構成のものであり、また既存の構成のホルダ部３を使用することができるので、コスト高になるおそれはない。なお、回路基板３６への電磁ノイズを防ぐためにシールドプレートが配備される光電センサでは、このシールドプレートを遮蔽プレート４として機能させてもよい。

図７は、図１の構成を応用した他の例を示す。
先の図５，図６に示したように、二分割受光素子１は、ＣＳＰ１４内に組み込まれた状態でホルダ部３内に配置される。図７（１）は、ＣＳＰ１４を前方から見た状態を示す。前面の樹脂１６は透明であるので、二分割受光素子１の全体を視認することができる。

図７（２）の例では、樹脂１６の一部を、遮光性を有する顔料が混入された樹脂１６ａに変更することによって、Ｎｅａｒ側素子１ＮおよびＦａｒ側素子１Ｆに対し、それぞれ図１の遮蔽部材１１によるのと同様の範囲の遮光を実現している。すなわち、図１の開口部１０に対応する範囲に透明の樹脂１６が配置され、その他の箇所に遮光性を有する樹脂１６ａが配置されることにより、Ｎｅａｒ側素子１Ｎの受光エリアはＦａｒ側素子１Ｆとの境界から遠ざかるにつれて幅狭となる。またＦａｒ側素子１Ｆの受光エリアは、Ｎｅａｒ側素子１Ｎとの境界から受光スポットＳＰ_Ｃが形成される範囲の限界位置付近までの範囲となり、それより外側の範囲は遮光される。

図７（２）の例においては、遮光性を有する樹脂１６ａが、図５の例の凹部３１や図６に示した遮蔽プレート４と同様に、各受光素子１Ｎ，１Ｆへの入光量を削減する手段として機能し、これによりノイズ成分が削減される。この構成例では、ＣＳＰ１４を製作する際の樹脂封止の工程が若干複雑にはなるが、部品点数やホルダ部３の構成を変更する必要がないので、コストの増加を防ぐことができる。

ここまでに述べた実施例では、各受光素子１Ｎ，１Ｆを部分的に遮光する方法によってそれぞれの受光エリアを削減したが、これに限らず、図８に示すように、受光素子１Ｎ，１Ｆ自体の形状を変更する方法によって受光エリアを調整することもできる。

図８（１）（２）は、それぞれＣＳＰ１４内の二分割受光素子１を示す（わかりやすくするために、内部の受光素子１Ｎ、１Ｆにパターン塗りを施している。）。いずれの例でも前面は透明樹脂１６により封止される。
図８（１）に示す二分割受光素子１は、一般的な形状（Ｎｅａｒ側素子１ＮおよびＦａｒ側素子１Ｆが同じ大きさの矩形状となる。）であるのに対し、図８（２）の例では、Ｆａｒ側素子１Ｆの横幅が、反射光が入光する範囲までの長さに縮小される。また、Ｎｅａｒ側素子１Ｎも、Ｆａｒ側素子１Ｆとの境界から遠ざかるにつれて横幅が徐々に狭くなる形状に形成される。

このように受光素子１Ｎ，１Ｆ自体の形状を変更することによっても、各受光素子の受光エリアを縮小することができる。よって、検出に必要な強度の反射光を確保できることを条件に受光エリアを縮小し、ノイズ光の入光量を削減することができる。

つぎに、二分割受光素子１の前方に様々な透過率の領域に分かれる光学フィルタを設けて各受光素子に入光する光量を調整する方法によっても、ノイズ光の光量を削減することができる。その例を図９により示す。

図９の例では、一般的な形状の二分割受光素子１の前方に、二分割受光素子１の全体を包含する大きさの光学フィルタ５が配備される。この光学フィルタ５は、先の図７の例における遮蔽プレート４と同様に、ホルダ本体３０の凹部３１の裏面と二分割受光素子１を含むＣＳＰ１４との間に配備される。

光学フィルタ５は、波長を選択するタイプのものではないが、ｘ方向における位置によって光透過率が変動する。具体的には、Ｆａｒ側の外端縁から中心部（受光素子１Ｎ，１Ｆ間の境界に対応）よりやや手前までの範囲が完全な遮光状態（透過率０％）に設定され、その隣から中心部を挟んでＮｅａｒ側の一部までを含む範囲が完全な透過状態（透過率１００％）に設定される。さらに、Ｎｅａｒ側の透過率が１００％の範囲より外側（図中の左側）は、透過率がそれぞれ異なる複数の帯領域５０に分割される。各帯領域５０の透過率は、中心部からの距離に応じて順に小さくなるが、一番外側の帯領域５０にも、０より大きい透過率が設定される。

図９の例で、透過率が１００％に設定される範囲には、基準点からの反射光および基準点より遠い地点からの反射光が入光するが、透過率が０％に設定される範囲には、ノイズ光以外の光は入光しない。よって、Ｆａｒ側素子１Ｆに対しては、先の各実施例と同様に、反射光を受光することに支障がない範囲で受光エリアが縮小されることになる。

一方、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに対しては、受光エリアが縮小されることはないが、光学フィルタ５の透過率を段階的に下げることによって、Ｎｅａｒ側素子１Ｎに入光する光の割合はＦａｒ側素子１Ｆとの境界から遠ざかるほど削減される。よって、受光エリアの幅方向がしだいに狭められるのと同様の効果を得ることができる。

よって、図９の例でも、Ｎｅａｒ側素子１Ｎで検出に必要な強さの受光量が確保される範囲で各帯領域５０の透過率を調整すれば、その調整とＦａｒ側素子１Ｆの受光エリアの縮小とによって、ノイズ光の入光量を大幅に削減して、検出動作を安定させることができる。

また、図１０（１）（２）に示すように、センサの光学系を、シャインプルーフ条件を満たす構成にした場合には、検出対象物ＳＢの位置に関わらず、受光スポットの径がほぼ同じで、しかも小さくなるので、図１や図７等に示したような受光面を遮蔽する方法を採用するのは困難になる。しかし、上記の光学フィルタ５による方法は、受光スポットの径の大きさに関係なく、導入することができる。Ｎｅａｒ側に生じる受光スポットＳＰ_Ｂは、径は小さくとも強度は強くなるので、透過率の低い光学フィルタを介しても、検出に必要な受光量を確保することができる。

上記の光学フィルタ５は、透過する波長を選択するタイプのものではないので、比較的安価に製作することができる。よって、コストを上昇させることなく、他の実施例と同程度にまでノイズ成分を削減することが可能になる。
なお、図９の例では、図６の例の遮蔽プレート４と同様に、二分割受光素子１の前方に光学フィルタ５を配置するとしたが、これに限らず、二分割受光素子１を封止する樹脂１６の表面に光学フィルタ５を貼り合わせる方法を採用してもよい。

上記に示した各実施例は、二分割受光素子に限らず、ＰＳＤや、一次元または二次元のＣＭＯＳ，ＣＣＤなど、三角測距の原理に基づく計測を行う反射型光センサに用いられる受光素子全般に適用することにより、ノイズ光の入光量を大幅に減らし、検出動作を安定させることができる。

１ 受光素子
１Ｎ Ｎｅａｒ側素子
１Ｆ Ｆａｒ側素子
２ 投光素子
３ ホルダ部
４ 遮蔽プレート
５ 光学フィルタ
１０，４０ 開口部
１１ 遮蔽部材
１６ 封止樹脂
３０ ホルダ本体
３１ 凹部
１００ 窓部

Claims (16)

1. 光を投光する投光素子と、一方向に長い受光面によって投光素子からの光を受けた物体からの反射光を受光する受光素子とが、受光面の長さ方向における前記反射光の結像位置がその反射を生じさせた物体との距離に応じて変化する関係をもって配備された反射型光センサであって、
   前記受光素子は、投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる受光エリアにおいて光を受け付けることを、特徴とする反射型光センサ。
2. 前記受光素子の前方に、前記投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に沿ってしだいに幅狭になる形状の開口部を有する遮蔽部材が配備され、この遮蔽部材によって、受光面に入光可能な反射光の一部が遮蔽される、請求項１に記載された反射型光センサ。
3. 前記遮蔽部材は、前記受光素子の受光面全体に対向すると共に、前記開口部は、センサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側の領域に対しては、反射光が結像する限界位置より外側を含まない範囲に設定される、請求項２に記載された反射型光センサ。
4. 前記受光素子が組み込まれるホルダ部において受光素子の前方に位置する面が前記遮蔽部材として機能し、前記反射光を通過させて受光素子へと導くために当該面に形成された受光窓が前記開口部として機能する、請求項２または３に記載された反射型光センサ。
5. 前記遮蔽部材は、前記受光素子が組み込まれるホルダ部において受光素子の前方に位置する面と受光素子との間に配備され、前記受光素子の前方に位置する面には、前記反射光を通過させて受光素子へと導くために、前記遮蔽部材の開口部より大きい受光窓が形成される、請求項２または３に記載された反射型光センサ。
6. 前記受光素子の受光面は、遮光性を有する樹脂で被覆される領域と被覆されない領域とに二分されると共に、この樹脂で被覆されない領域が、前記投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる形状に設定される、請求項１に記載された反射型光センサ。
7. 前記受光素子の受光面のセンサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側の領域のうち、反射光が結像する限界位置より外側が前記遮光性を有する樹脂により被覆される、請求項６に記載された反射型光センサ。
8. 前記受光素子の受光面は、前記投光素子からの光を反射させる物体がセンサに近づく場合に反射光の結像位置が移動する方向に向かうにつれて幅狭になる形状を有する、請求項１に記載された反射型光センサ。
9. 前記受光面のセンサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側の領域の端縁の近傍が反射光が結像する限界位置となるように、前記受光面の長さが設定される、請求項８に記載された反射型光センサ。
10. 光を投光する投光素子と、投光素子からの光を受けた物体からの反射光を受光する二分割受光素子とが、各受光素子の並び方向における前記反射光の結像位置がその反射を生じさせた物体との距離に応じて変化する関係をもって配備され、各受光素子間における受光量の差分値に基づく検出信号を出力する反射型光センサであって、
    前記二分割受光素子のうち、センサに対して相対的に近い場所からの反射光を受けるＮｅａｒ側の受光素子は、センサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側の受光素子との境界から遠ざかるにつれて幅狭になる受光エリアにおいて光を受け付けることを、特徴とする反射型光センサ。
11. 前記Ｎｅａｒ側の受光素子の前方に、Ｆａｒ側の受光素子との境界から遠ざかるにつれて幅狭になる形状の開口部を有する遮蔽部材が配備され、この遮蔽部材によって、Ｎｅａｒ側の受光素子に入光可能な反射光の一部が遮蔽される、請求項１０に記載された反射型光センサ。
12. 前記遮蔽部材は、前記二分割受光素子の前面全体に対向すると共に、前記開口部は、受光素子間の境界を跨いでＦａｒ側の受光素子の一部範囲にまで広がり、このＦａｒ側の受光素子に対する開口部分を介して、前記Ｎｅａｒ側の受光素子に結像する反射光よりも遠方からの反射光が前記Ｆａｒ側の受光素子に結像する、請求項１１に記載された反射型光センサ。
13. 前記二分割受光素子が組み込まれるホルダ部において二分割受光素子の前方に位置する面が前記遮蔽部材として機能し、前記反射光を通過させて二分割受光素子へと導くために当該面に形成された受光窓が前記開口部として機能する、請求項１１または１２に記載された反射型光センサ。
14. 前記遮蔽部材は、前記二分割受光素子が組み込まれるホルダ部において二分割受光素子の前方に位置する面と二分割受光素子との間に配備され、前記二分割受光素子の前方に位置する面には、前記反射光を通過させて二分割受光素子へと導くために、前記遮蔽部材の開口部より大きい受光窓が形成される、請求項１１または１２に記載された反射型光センサ。
15. 光を投光する投光素子と、一方向に長い受光面によって投光素子からの光を受けた物体からの反射光を受光する受光素子とが、受光面の長さ方向における前記反射光の結像位置がその反射を生じさせた物体との距離に応じて変化する関係をもって配備された反射型光センサであって、
    前記受光素子の受光面のうちセンサに対して相対的に近い場所からの反射光を受けるＮｅａｒ側の領域の前方に、センサに対して相対的に遠い場所からの反射光を受けるＦａｒ側の領域から遠ざかるにつれて透過率が小さくなるように設計された光学フィルタが配備される、ことを特徴とする反射型光センサ。
16. 前記光学フィルタは、前記受光素子の受光面全体に対向すると共に、前記Ｆａｒ側の領域に対向する部分のうち、反射光が結像する限界位置より外側に対する範囲が非透過状態に設定されている、請求項１５に記載された反射型光センサ。

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