JP3595861B2 - 光電検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光電検出装置、特に、光を投受光して検出対象物を検出する光電検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体やマーク等の検出対象物を非接触で検出するために光電スイッチ等の光電検出装置が用いられている。一般に、光電検出装置は、投光素子としてのＬＥＤと、投光素子から出射された光を検出するためのフォトダイオード等の受光素子とを備えている。この種の光電検出装置において、投光側の光路及び受光側の光路に光ファイバを用いたものが知られている（実開昭５７−１２３５９８号公報等）。この光電検出装置では、ＬＥＤから出た光は、光ファイバを介して検出対象物に投光される。また検出対象物からの反射光または投光ファイバからの照射光は、別の光ファイバを経由して受光素子に受光される。
【０００３】
このように光ファイバを用いると、検出対象物が小さい場合や、検出対象物が狭隘な場所にある場合でも検出対象物を検出することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、発光素子として用いられるＬＥＤは、チップ上の発光面積が大きいために点光源とはならず、たとえレンズを用いて集光してもこの発光面積以下にはならない。このため、径が極小のファイバを用いた場合には効率よく入光させることができない。微小な検出対象物を精度よく検出するためには、対象物に対応した微細なスポットを形成する必要があるが、前述したように発光素子がＬＥＤの場合には極小径のファイバに効率よく入光することができないため、ファイバからの光出力が小さく、精度のよい検出はできない。
【０００５】
また、ファイバからの光出力を大きくするために光ファイバの径を大きくすると、ファイバの光出射端において集光レンズを配置したとしても、このファイバの径以下のスポット光、あるいは精度の高い平行光を形成することができなくなる。したがって、この場合も精度のよい微小物体の検出は不可能である。
さらに、ＬＥＤを用いた場合にはレンズを用いても集光や精度のよい平行光化ができないため、光が広がり、センサ同士の相互干渉、周囲の鏡面体等の影響による誤入光等が起こり易く、長距離での検出ができない。
【０００６】
本発明の目的は、微小な検出対象物を検出可能にするとともに長距離での検出を可能にすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電検出装置は、レーザ光源と投光ファイバと受光ファイバと受光素子とを備えている。投光ファイバは、レーザ光源から照射されたレーザ光を投光するためのものである。受光ファイバは、投光ファイバから投光されたレーザ光を受光するものである。受光ファイバは投光ファイバよりも径が大なるように構成される。受光素子は、受光ファイバで受光したレーザ光を光電変換するものである。
また、投光ファイバがガラスファイバで構成され、受光ファイバがプラスチックファイバで構成される。
さらにまた、投光ファイバは、その光出射端側に、スポット光または平行光を作成するための投光レンズを備える。
さらにまた、受光レンズを受光ファイバの光入射端側に備え、受光レンズは投光レンズと同じ特性を有するレンズで構成される。
さらにまた、受光レンズを受光ファイバの光入射端側に備え、受光レンズは投光ファイバからのレーザ光の投光光路を覆うような受光視野を形成するように構成され、かつ、投光レンズと受光レンズとを一体化するための投受光部を備える。
さらにまた、レーザ光源が点光源で構成され、投光ファイバはその光出射端が点光源に近似できる大きさに構成される。
【０００８】
【作用】
本発明に係る光電検出装置では、レーザ光源からのレーザ光は投光ファイバを経由して検出対象物に投光される。そして検出対象物からの反射光または投光ファイバからのレーザ光は受光ファイバにて受光される。受光されたレーザ光は、受光素子に与えられ、電気信号に変換される。
【０００９】
ここでは、光源としてレーザ光源を用いているので、投光側の光ファイバとして径の極小なものを使用でき、このことから投光ファイバからの出射光を小スポットあるいは極小径の平行光にしぼることができ、相互干渉や誤入光等が生じにくくなる。このため微小物体の精度のよい検出が可能になるとともに長距離での検出が可能になる。
【００１０】
【実施例】
本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例による光電検出装置１であり、いわゆる反射型の光電スイッチを構成するものである。
実施例において、光電検出装置１は、箱体形状のアンプ本体２を備えており、このアンプ本体２には、投光用の光ファイバ３と受光用の光ファイバ４とが接続されている。投光用の光ファイバ３は径の小さいガラスファイバを芯線としている。スポット光や平行光を精度のよく遠距離まで到達させるためには、点光源と極小径のファイバが必要であり、素材にガラスを用いれば、プラスチックでは製造できない極小径のファイバを製造することができ、また、光透過率の面からしてもガラスの方がプラスチックよりも優れている。受光用の光ファイバ４は投光用の光ファイバ３の芯線よりも径の大なるプラスチックファイバを芯線としている。２本の光ファイバ３，４は、アンプ本体２との接続部分を除く部分がカバー５によりまとめて被覆されている。
【００１１】
カバー５の先端に位置する投受光部６には、光ファイバ３，４の先端面に配される投光レンズ７と受光レンズ８とが取付けられている。投光レンズ７は検出物体９にレーザ光を収束するためのものであり、受光レンズ８は、検出物体９から反射した光を集めるためのものである。
アンプ本体２は、図２に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）１０を備えている。半導体レーザ１０にはＬＤ駆動回路１１が接続されている。ＬＤ駆動回路１１は、半導体レーザ１０を駆動し、レーザ光を所定周期で出射させるためのものである。なおここで出射されるレーザ光は可視光である。
【００１２】
またアンプ本体２はフォトダイオード（ＰＤ）１２を備えている。フォトダイオード１２は、検出物体９から反射し受光用の光ファイバ４を通過したレーザ光を電気信号に変換するものである。フォトダイオード１２には交流前置増幅器１３が接続されている。交流前置増幅器１３は、フォトダイオード１２の検出信号を増幅するものである。交流前置増幅回路１３には感度調節回路１４が接続されている。感度調節回路１４は、フォトダイオード１２の受光感度を調節するためのものである。
【００１３】
感度調節回路１４には、主増幅回路１５が接続されている。主増幅回路１５は、感度調節されたフォトダイオード１２の出力を増幅するものである。主増幅回路１５には同期検波回路１６が接続されている。同期検波回路１６にはＬＤ駆動回路１１の出力も与えられ、半導体レーザ１０の駆動タイミングに同期して増幅された検出信号を検波する。同期検波回路１６には積分回路１７が接続されている。積分回路１７では、同期検波された検出信号を積分処理する。積分回路１７には整形回路１８が接続されている。整形回路１８は、適当なヒステリシス特製を積分出力に与えシャープな特性と安定した動作とを得るためのものである。波形整形された出力は装置から外部装置（図示せず）に出力される。
【００１４】
次に上述の実施例の動作について説明する。
アンプ本体２に電源が投入されると、ＬＤ駆動回路１１から駆動信号が半導体レーザ１０に与えられる。半導体レーザ１０は、駆動信号に基づき、可視光のレーザ光を光ファイバ３を経由して投光レンズ７から出射する。
検出物体９で反射したレーザ光は受光レンズ８で集められ、光ファイバ４を経由してフォトダイオード１２で受光される。フォトダイオード１２では、受光したレーザ光に応じた電流を検出信号として出力する。出力された検出信号は、交流前置増幅回路１３で増幅され、感度調節回路１４で感度調節がなされる。続いて主増幅回路１５で増幅され、同期検波回路１６でＬＤ駆動に同期して検波される。同期検波された検出信号は、積分回路１７で積分処理され、さらに整形回路１８で整形される。
【００１５】
前記実施例によれば、次の効果が期待できる。
（ａ）レーザ光を光源として用いているので、投光側の光ファイバ３の径が小さい場合にも、レーザ光を効率よくファイバに入光させることができ、このことから投光用の光ファイバ３の光出射端は点光源に近似することができ、微小物体の検出を精度よく行うことができる。
（ｂ）レーザ光を用いているので、微小スポット光または微細径の平行光を放射でき、センサ同士の相互干渉がなく、長距離での検出ができる。
（ｃ）ＬＥＤに比べて駆動周期を高速にできるので、検出時の応答が速くなる。
（ｄ）受光側の光ファイバ４を投光側の光ファイバよりも径の大きなものを用いれば、受光量が増加し、検出能力が向上する。
【００１６】
次に、本発明に関するファイバとレンズについての実施例を図示した図３乃至図１０に基づいて説明する。
光電検出装置において、光ファイバを用いると、検出対象物が小さい場合や、検出対象物が狭隘な場所にある場合でも検出対象物を検出することが可能になることは前述したとうりである。
しかしながら、光ファイバを用いたのみでは、図３に示すように光が広がるため検出対象物までの距離が長くなると検出対象物からの反射光が少なくなり、小物体の検出が難しくなってくる。
【００１７】
そこで、図４のように、投光ファイバの光出射端側に、スポット光または平行光を作成するための投光レンズを配設すると光は広がらずに遠くへ達することができ、光出射端側から遠距離にある小さな物体を検出することが可能となる。
【００１８】
このとき、受光側のレンズと受光ファイバは検出対象物から反射した光を受光ファイバへ効率よく導くことができる形状の受光レンズを用いる必要がある。
【００１９】
ここで、反射光を受光ファイバへ導くことができる形状とは、受光ファイバの入光面付近が焦点となるようにしたレンズであり、受光視野が真正面乃至投光光線の光路を覆うように形成したレンズをいう。
【００２０】
また、図６のように、受光ファイバを投光ファイバより径の大きいファイバを用いた場合は、受光レンズは投光レンズと同じ特性を有するレンズを用いたとしても視野が広くなるので受光ファイバと受光レンズを適当な位置関係に調整すれば、受光ファイバへ検出対象物から反射した光を効率よく導くことができるようになる。
【００２１】
この場合の適当な位置関係とは、受光ファイバと受光レンズの中心軸をずらし受光レンズを投光側へ移動させてゆき、受光視野が真正面乃至投光光線の光路を覆うように調整した状態をいう。
【００２２】
上述のように、受光レンズの形状や受光ファイバの径を大きくせずとも、受光レンズと受光ファイバとの位置関係を調整することによって、つまり、図７のように、受光ファイバの視野が広がるように、受光レンズと受光ファイバとの距離を調整し、また、受光レンズの中心を投光レンズに近づけることにより、同様の効果が得られる。
【００２３】
なお、これらの位置関係の調整は検出対象物までの距離が、どの範囲を対象とした機種かによって適宜設定すればよい。
【００２４】
前記実施例では投受光部６を一体化した反射型光電スイッチを示したが、投光部と受光部とを別々に設けていわゆる透過型光電スイッチとしてもよい。この場合には可視光を用いているので細い光ビームを用いても光軸調整が容易であるとともに極小スポット光または極小径の平行光を照射できるので投受光部が離隔していても正確な検出が可能となる。
【００２５】
しかし、投光部から出射された光線の中心軸と受光レンズと受光ファイバの中心軸とを寸分の狂いもなく調整することができないため多少の光量は受光ファイバに入光せず外部に漏れ、また、振動等があると効率のよい受光はできない。
【００２６】
ここで、多少の軸のずれや振動があっても効率よく受光するために、図８のように、受光レンズを受光ファイバの入光部付近で焦点を結ぶような位置関係に配置することや、図９のように、受光レンズを受光ファイバの入光部付近で焦点を結ぶような受光レンズの形状にすることにより、受光視野を広げればよい。
【００２７】
あるいは、図１０のように、受光ファイバを投光ファイバより径の大きいファイバを用いれば、受光レンズは投光レンズと同じ特性を有するレンズを用いたとしても視野が広くなるので、投光側ファイバと投光側レンズの距離的な位置関係と同じ位置関係のままでも受光視野は広くなるので、効率のよい受光が可能となる。
【００２８】
前記実施例では、投受光部に投光レンズ及び受光レンズを配置したが、受光レンズは必ずしも必要ではない。この場合には、受光部の形状をさらに小さくすることができ、さらに狭隘な場所にある微小な検出物体も検出可能になる。
【００２９】
図２に示す回路構成も一例であり、同期検波したパルス信号を所定個数カウントしたときに出力する出力回路を設ける等、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る光電検出装置では、点光源としてのレーザ光源を用い、この光源からの光を径の細いファイバを介して投光した場合にも効率のよい光伝達が可能で、しかも光ファイバ先端が点光源に近似できるため、微小スポット光または微細径の平行光を照射することが可能である。このことから極微細な対象物の検出が精度よく行えるとともに長距離での検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による光電検出装置の斜視図。
【図２】図１のアンプ本体の構成を示すブロック図。
【図３】ファイバのみの場合の投光光路と受光視野を示す図。
【図４】投光ファイバとレンズの組み合わせにより平行光線を作成したことを示す図。
【図５】反射型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【図６】反射型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【図７】反射型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【図８】透過型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【図９】透過型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【図１０】透過型光電検出装置の受光ファイバと受光レンズの関係を示す図。
【符号の説明】
１ 光電検出装置
３ 光ファイバ
４ 光ファイバ
１０ 半導体レーザ
１２ フォトダイオード
２１ 投光ファイバ
２２ 受光ファイバ
２３ 投光光路
２４ 受光視野

Claims (6)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源から照射されたレーザ光を投光するための投光ファイバと、前記投光ファイバから投光されたレーザ光を受光する受光ファイバと、前記受光ファイバで受光したレーザ光を光電変換する受光素子とを備え、前記受光ファイバは前記投光ファイバよりも径が大なるように構成されたことを特徴とする、光電検出装置。
2. 前記投光ファイバがガラスファイバで構成され、前記受光ファイバがプラスチックファイバで構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光電検出装置。
3. 前記投光ファイバが、その光出射端側に、スポット光または平行光を作成するための投光レンズを備えたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光電検出装置。
4. 請求項３に記載の光電検出装置であって、さらに、受光レンズを前記受光ファイバの光入射端側に備え、前記受光レンズは前記投光レンズと同じ特性を有するレンズで構成されたことを特徴とする、光電検出装置。
5. 請求項３に記載の光電検出装置であって、さらに、受光レンズを前記受光ファイバの光入射端側に備え、前記受光レンズは前記投光ファイバからのレーザ光の投光光路を覆うような受光視野を形成するように構成され、かつ、前記投光レンズと前記受光レンズとを一体化するための投受光部を備えたことを特徴とする、光電検出装置。
6. 前記レーザ光源が点光源で構成され、前記投光ファイバはその光出射端が前記点光源に近似できる大きさに構成されたことを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光電検出装置。

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