JP2017075868A - 光電センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】投光素子からの光量をあげ、かつ、受光素子における受光スポットサイズが大きくなることを防ぐことで、より性能が向上した光電センサを提供する。【解決手段】投光素子１１の、投光レンズ１２と対向する位置に装着され、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と垂直方向の曲率の方が、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と平行方向の曲率よりも大きいレンズを備えた。【選択図】図４

Description

この発明は、三角測距の原理に従った距離設定形の光電センサであって、投光素子に集光レンズを装着して光学系を構成した光電センサに関するものである。
従来から、三角測距の原理に従った距離設定形の光電センサが知られている。
まず、一般的な距離設定形の光電センサにおいて採用する三角測距の原理、および、距離設定形の光電センサに集光レンズを装着することで、投光される光を有効利用する仕組みについて、図１を用いて説明する。
距離設定形の光電センサでは、図１（ｂ）に示すように、例えば、発光源である、投光ＬＥＤ等の投光素子１０１が発光した光を、投光レンズ１０２により検出領域に投光し、検出体２０の表面に照射する。そして、検出体２０の表面で拡散反射された光（の一部）は、受光レンズ１０３で集光され、受光素子１０４で受光される。
受光素子１０４は、例えば、多分割フォトダイオード等の受光素子であり、検出体２０の表面で拡散反射された光を、図１（ｂ）に示すように、検出体２０が比較的近距離の距離Ａにある場合、比較的遠距離の距離Ｂにある場合、それぞれにおいて、距離に応じた位置で受光する。すなわち、検出体２０までの距離により、受光素子１０４上の受光位置が変化する。
したがって、受光素子１０４上の受光位置を検出することで、検出体２０までの距離が測定できる。
一方、光電センサにおいては、従来より、発光素子または受光素子に球面の集光レンズを装着し、光学系を構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
集光レンズを貼り付けることによって、投光される光を集光して光量をあげることができるため、図１（ａ）に示す距離設定形の光電センサにおいてもこの技術を適用し、図１（ｂ）で説明した投光素子１０１に球面の集光レンズ１０５を装着して、投光素子１０１からの光を有効利用している。
図２は、集光レンズの効果について説明する図である。
図２に示すように、投光素子１０１に集光レンズ１０５を装着することで、投光される光を有効利用でき、投光パワーが大幅に向上する。
特開平４−１３９８９号公報
ここで、図３（ａ）は、例えば、図１で説明したような光電センサにおいて、投光素子１０１に球面の集光レンズ１０５を装着した場合の受光素子１０４上の受光範囲の変化を示す図である。なお、図３（ａ）においてａで示しているのが、距離Ａに検出体２０がある場合の受光素子１０４上の受光範囲であり、ｂで示しているのが、距離Ｂに検出体２０がある場合の受光素子１０４上の受光範囲である。また、図３（ａ）においてｃで示すのは、受光範囲ａと受光範囲ｂが重なっている部分である。
投光素子１０１に球面の集光レンズ１０５を装着すると、図３（ａ）に示すように、受光範囲が大きくなる。
すなわち、投光素子１０１に球面の集光レンズ１０５を装着すると、受光素子１０４上の受光分布の幅は、Ｘ方向とＹ方向で、すなわち、受光レンズ１０３を通過した光を受光する面における横方向と縦方向で、ともに大きくなる。
これに対し、図３（ｂ）は、一般的な距離設定形の光電センサにおいて、発光素子および受光素子に、図１（ａ）で示したような集光レンズ１０５を装着しない場合、すなわち図１（ｂ）の受光素子上の受光範囲の変化を示す図である。
図３（ａ）で示した受光範囲と比べると、図３（ｂ）では、受光素子上の受光範囲は、図３（ａ）よりも狭くなる（図３（ｂ）のａ’，ｂ’参照）。
しかしながら、集光レンズ１０５を装着したことでＹ方向の受光幅が大きくなると、例えば、検出体２０の位置変化が小さい場合、当該検出体２０の位置変化を正確に検知できない可能性があるという課題があった。
具体的には、検出体２０の位置が距離Ｂから距離Ａに変化した場合、図３（ａ）に示すように受光素子１０４上の受光範囲もｂからａへと変化するが、図３（ａ）のｃに示す範囲においてｂとａが重なっているため、受光素子１０４面における受光信号の変化量が小さく、検出体２０までの距離が変化したとの判断がつきにくくなってしまう。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、投光素子からの光量をあげ、かつ、受光素子における受光スポットサイズが大きくなることを防ぐことで、検出体の位置変化に対する感度をあげて、より性能が向上した光電センサを提供することを目的とする。
この発明に係る光電センサは、投光レンズを介して検出体に光を投光する投光素子と、受光レンズを介して検出体に拡散反射された光を受光する受光素子とを有し、受光素子における受光位置に基づいて検出体までの距離を測定または判定する光電センサであって、投光素子の、投光レンズと対向する位置に装着され、投光レンズの中心と受光レンズの中心とを通る直線と垂直方向の曲率の方が、投光レンズの中心と受光レンズの中心とを通る直線と平行方向の曲率よりも大きいレンズを備えたものである。
この発明によれば、投光素子からの光量をあげ、かつ、受光素子における受光スポットサイズが大きくなることを防ぐことで、より性能が向上した光電センサを提供することができる。
距離設定形の光電センサについて説明する図であって、図１（ｂ）は、一般的な距離設定形の光電センサにおいて採用する三角測距の原理について説明する図であり、図１（ａ）は、距離設定形の光電センサに集光レンズを装着した場合を説明する図である。 集光レンズの効果について説明する図である。 図１で説明したような光電センサにおいて、投光素子に球面の集光レンズを装着した場合の受光素子上の受光位置の変化を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光電センサの断面図である。 この発明の実施の形態１に係る光電センサにおいて採用される三角測距の原理について説明する図である。 一般的なバイコーニック形状のレンズについて説明する図である。 投光素子にバイコーニック形状の集光レンズを貼り付けた、この実施の形態１の光電センサの受光素子上の受光位置の変化を示す図である。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図４は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１００の断面図である。
図４に示すように、光電センサ１００は、光電センサ１００のホルダ２００の背面側に備えられたプリント基板１６に、投光素子１１および受光素子１４を装着する。
また、光電センサ１００は、光電センサ１００のホルダ２００の前面部に設けたレンズ装着部１７０に、投光レンズ１２と受光レンズ１３とを一体に成形したレンズ体１７を装着する。
実施の形態１に係る光電センサ１００は、図１を用いて説明した従来の距離設定形の光電センサ同様、三角測距の原理に従った光電センサ１００であり、当該三角測距の原理に従い、検出体２０までの距離を測定する（詳細については後述する）。
投光素子１１は、投光レンズ１２を介して検出体に光を投光する。投光素子１１は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成される。
投光レンズ１２は、投光素子１１により発光された光を検出領域に投光する。
受光レンズ１３は、検出体２０の表面で拡散反射された、光源、すなわち、投光素子１１から投光された光を集光する。
受光素子１４は、受光レンズ１３を介して、受光レンズ１３が集光した光を受光する。受光素子１４は、例えば、多分割フォトダイオードにより構成される。
なお、受光素子１４が受光した受光範囲に基づき、光電センサ１００の距離算出部（図示を省略する）が、検出体２０までの距離を算出する。
また、この実施の形態１に係る光電センサ１００では、投光素子１１の前方、すなわち、投光レンズ１２と対向する位置には、バイコーニック形状の集光レンズ１５が装着される。バイコーニック形状の集光レンズ１５は、球面の集光レンズ１０５同様、投光素子１１より投光された光を集光する。
なお、この実施の形態１では、集光レンズ１５は、投光素子１１に貼り付けることで装着されるものとするが、これに限らず、例えば、装着器具を用いて投光素子１１に装着されてもよく、投光素子１１の前方、すなわち、投光素子１１の、投光レンズ１２と対向する位置に設けられるようになっていればよい。
図５は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１００において採用される三角測距の原理について説明する図である。当該原理に従って、光電センサ１００は、検出体２０までの距離を測定する。
図５に示すように、発光源である投光素子１１が発光した光を、投光レンズ１２により検出領域に投光し、検出体２０の表面に照射する。そして、検出体２０の表面で拡散反射された光の一部は、受光レンズ１３で集光され、当該受光レンズ１３を通過して、受光素子１４で受光される。
受光素子１４は、例えば、多分割フォトダイオード等の受光素子であり、検出体２０の表面で拡散反射された光を、図５に示すように、検出体２０が比較的近距離の距離Ａにある場合、比較的遠距離の距離Ｂにある場合、それぞれにおいて、距離に応じた位置で受光する。すなわち、検出体２０までの距離により、受光位置が変化する。
したがって、受光素子１４上の受光位置を検出することで、検出体２０までの距離が測定できる。
なお、本発明に係る光電センサにおいては、上述の方法に従って検出体２０までの距離を測定したうえで、当該距離の値をユーザに提供するための装置であってもよく、また、当該距離の値が予め定められた一定の範囲に属するか否かを判定し、当該判定結果をユーザに提供するための装置であってもよい。
ここで、投光素子１１に設けられるバイコーニック形状の集光レンズ１５について詳細に説明する。
図６は、一般的なバイコーニック形状のレンズについて説明する図である。
バイコーニック形状とは、レンズの直交する方向、すなわち、レンズの凸面を上にした状態におけるＸ方向とＹ方向で、それぞれ異なる曲率を有する形状である（図６（ａ）参照）。
ここでは、図６に示すように、集光レンズ１５は、Ｘ方向の曲率の方が、Ｙ方向の曲率よりも大きく形成されている（図６（ｂ）（ｃ）参照）。
この実施の形態１では、図６に示すようなバイコーニック形状のレンズを集光レンズ１５として、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と垂直な方向がＸ方向、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と平行な方向がＹ方向となるように、投光素子１１に貼り付けて装着する。
すなわち、投光レンズ１２と対向する面において、集光レンズ１５の、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と垂直な方向の曲率の方が、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と平行な方向の曲率よりも大きくなるように、集光レンズ１５を投光素子１１に貼り付ける。
なお、ここでは、垂直とは、必ずしも垂直である必要はなく、略垂直を含む。また、ここでは、平行とは、必ずしも平行である必要でなく、略平行を含む。
図７は、投光素子１１にバイコーニック形状の集光レンズ１５を貼り付けた、この実施の形態１の光電センサ１００の受光素子１４上の受光範囲の変化を示す図である。なお、図７においてａで示しているのが、距離Ａに検出体２０がある場合の受光素子１４上の受光範囲であり、ｂで示しているのが、距離Ｂに検出体２０がある場合の受光素子１４上の受光範囲である。
集光レンズ１５をバイコーニック形状のレンズとしたことで、図７に示すように、Ｙ方向、すなわち、受光レンズ１３を通過した光を受光する面における縦方向の受光範囲幅が、Ｘ方向、すなわち、受光レンズ１３を通過した光を受光する面における横方向の受光範囲幅よりも小さくなり、例えば、検出体２０の位置が距離Ｂから距離Ａに変化した場合（図５参照）も、受光位置で重なる部分がなくなることで、図３（ａ）の場合と比較すると受光素子１４面における受光信号の変化量が大きくなる。具体的には、距離Ｂから距離Ａへの検出体２０の位置変化を的確に検知することができる。
このように、投光素子１１にバイコーニック形状の集光レンズ１５を貼り付けることにより、投光素子１１からの光量をあげ、かつ、受光素子１４における縦方向の受光幅径を横方向の受光幅径よりも小さくすることが可能となり、位置変化に対する感度をあげることができる。
なお、この実施の形態１では、集光レンズ１５をバイコーニック形状としたが、これに限らず、例えば、シリンドリカルレンズを投光素子１１に装着してもよく、投光素子１１に装着するレンズは、Ｘ方向の曲率の方が、Ｙ方向の曲率よりも大きく形成されているものであればよい。すなわち、投光レンズ１２と対向する面において、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と垂直な方向の曲率の方が、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と平行な方向の曲率よりも大きくなるものであればよい。
以上のように、実施の形態１によると、投光素子１１の、投光レンズ１２と対向する位置に装着され、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と垂直方向の曲率の方が、投光レンズ１２の中心と受光レンズ１３の中心とを通る直線と平行方向の曲率よりも大きいレンズ（集光レンズ１５）を備えるように構成したので、投光素子１１からの光量をあげ、かつ、受光素子１４における縦方向の受光幅径が大きくなることを抑制することで、より性能が向上した光電センサ１００を提供することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
１１，１０１ 投光素子
１２，１０２ 投光レンズ
１３，１０３ 受光レンズ
１４，１０４ 受光素子
１５，１０５ 集光レンズ
１７ レンズ体
２０ 検出体
１００ 光電センサ
１７０ レンズ装着部
２００ ホルダ

Claims (3)

  1. 投光レンズを介して検出体に光を投光する投光素子と、受光レンズを介して前記検出体に拡散反射された前記光を受光する受光素子とを有し、前記受光素子における受光位置に基づいて前記検出体までの距離を測定または判定する光電センサであって、
    前記投光素子の、前記投光レンズと対向する位置に装着され、前記投光レンズの中心と前記受光レンズの中心とを通る直線と垂直方向の曲率の方が、前記投光レンズの中心と前記受光レンズの中心とを通る直線と平行方向の曲率よりも大きいレンズ
    を備えた光電センサ。
  2. 前記レンズは、バイコーニックレンズである
    ことを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
  3. 前記レンズは、シリンドリカルレンズである
    ことを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
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