JP4218882B2 - 光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、小型化を図るに好適な簡易な構造の光電センサに関する。

距離設定型の反射形光電センサは、投光面と受光面とを揃えて並べて設けられた投光器と受光器とを備え、投光器から投光した光の投光領域と受光器による受光視野領域とが交差するようにその光学系を設定して構成される。そして投光領域と受光視野領域との公差領域に物体（検出対象物）が存在するとき、該物体により反射された光を受光器により検出することで物体検出を行うものとなっている。つまり投光領域と受光視野領域との公差領域だけを物体の検出対象領域とすることで、その背景の状況に拘わることなく上記検出対象領域に存在する物体を確実に検出するように構成されている。

また最近では、受光器の受光面の一部を遮光板にて覆うことでその受光視野領域（受光視野角度）を制限し、これによって上記投光領域と受光視野領域との公差領域を狭くして物体検出範囲を制限することも提唱されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平５−２６７２５号公報

ところでこの種の反射形光電センサにおいて、光電センサからその検出領域までの距離を使用者において自由に設定できるように構成するには、例えば投光レンズと投光素子とがなす投光軸、或いは受光レンズと受光素子がなす受光軸を任意の角度に設定し得るように、その光学系部品を雲台のような機構に組み込むことが必要である。しかしこのような機構を用いると、その全体構成が複雑化する上、光学的精度を維持するための工夫が必要となり、その大型化の原因となる。

また工場において、予め検出領域までの距離を異ならせた複数種の光電センサ、例えば短距離用、中距離用、遠距離用の光電センサをそれぞれ生産することがある。しかしながらこのような検出距離を異ならせた複数種の光電センサを生産する場合、例えばその検出距離に応じて投受光レンズと投受光素子との距離を異ならせる必要があるので、これらの投受光レンズおよび投受光素子を組み込む為の、例えば合成樹脂製（プラスチック製）の筐体についても複数種類準備しておくことが必要となる。この為には樹脂成型用の金型代が嵩むので、光電センサの製造コストが高くなる要因となる。

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、検出領域（距離）の設定に対する柔軟性を有し、小型化を図るに好適な簡易な構造の限定反射形の光電センサを提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る光電センサは、投光素子の投光領域に受光面を向けた受光素子にて、上記投光領域に存在する物体による反射光を受光する反射形のものであって、
前記受光素子の受光面に対向させて配置されて該受光素子の受光視野領域を、主として前記投光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記受光素子が対向する面とは反対側の面に対向して配置されて前記受光素子の受光視野領域を前記投光素子との並び方向に制限する遮光体とを具備し、
前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴としている。

このような構成の光電センサによれば、受光素子による受光視野領域がシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズを介して扇形状に絞り込まれているので、投光素子から物体に向けて投光する光の強度を十分に高くしながら物体による反射光を無駄なく高感度に検出することが可能となる。しかもシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前面に設けた遮光体により受光素子による扇形の受光視野領域を制限するだけなので、その検出仕様に合わせて扇形の受光視野領域の幅（拡がり角度）を容易に設定することができ、投光領域との公差領域を変えることで。その検出距離を使用者の要求に合わせて容易に設定することが可能となる。

また本発明に係る光電センサは、前記投光素子の投光面に対向させて配置されて該投光素子による投光領域を、主として前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記投光素子が対向する面とは反対側の面に対向して配置されて前記投光素子の投光領域を前記受光素子との並び方向に制限する遮光体とを具備し、
前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記投光領域と前記受光視野領域との交差領域を前記受光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴としている。尚、ここでは投光素子から射出される光の拡がりの範囲についても視野と言う呼称に含めることとする。

このような構成の光電センサによれば、投光素子による投光領域がシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズを介して扇形状に絞り込まれているので、投光素子から物体側に向けて投光する光の強度を無駄なく十分に高くすることができる。しかもシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前面に設けた遮光体により投光素子による扇形の投光領域を制限するだけなので、その検出仕様に合わせて扇形の投光領域の幅（拡がり角度）を容易に設定することができ、受光領域との公差領域を変えることでその検出距離を使用者の要求に合わせて容易に設定することが可能となる。

更に本発明に係る光電センサは、前記投光素子の投光面および前記受光素子の受光面に対向させて配置され、該投光素子および受光素子の並び方向と直交する方向における前記投光素子の投光領域および前記受光素子の受光視野領域をそれぞれ絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記投光素子および受光素子がそれぞれ対向する面とは反対側の面に対向して配置されて、少なくとも前記投光素子の投光領域および前記受光素子の受光視野領域の一方を前記投光素子と前記受光素子の並び方向に制限する遮光体とを具備し、
前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記投光領域と前記受光視野領域との交差領域を前記投光素子または前記受光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴としている。

このような構成の光電センサによれば、投光素子による投光領域および受光素子による受光領域をシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズを介してそれぞれ同一面上で扇形状に絞り込むことができる。この結果、その構成の簡素化を図りながら、投光素子から物体側に向けて投光する光の強度を無駄なく十分に高くすることができ、また物体による反射光を無駄なく高感度に検出することが可能となる。しかもシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前面に設けた遮光体により投光素子による扇形の投光領域または受光素子による線形の受光視野領域の少なくとも一方を制限するだけでその受光領域との公差領域を変えることができ、その検出距離を使用者の要求に合わせて容易に設定することが可能となる。

尚、前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズを、投光素子から射出される光または受光素子にて受光される光の透光窓を有する筐体の内部に組み込むようにし、また前記遮光体については上記透光窓に貼付可能な遮光性を有する柔軟なシート状の基体からなり、予め準備された遮光幅を異にする複数種の遮光体の中から、前記投光領域に存在する物体の前記筐体からの距離範囲に応じて選択して前記透光窓に装着することが好ましい。このような構成とすれば、シート状の基体からなる遮光体を透孔窓に貼付するだけで、その検出距離を可変設定することが可能となるので、その遣い勝手を格段に高めることが可能となる。

本発明に係る光電センサは、シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズを用いて投光素子または受光素子の投受光領域を集光すると共に、その投受光領域の幅をシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの近傍に設けた遮光体にて制限する構成を有するので、その検出感度を十分に確保しながら検出仕様に合わせた検出対象領域を容易に設定することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る限定反射形の光電センサについて説明する。
図１は第１の実施形態に係る光電センサの要部概略構成図であり、１は投光器をなす発光素子、２は受光器をなす受光素子である。発光素子１は発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等からなり、また受光素子２はフォトダイオード（ＰＤ）やＣＣＤ等の光センサからなる。これらの投光素子（受光素子）は、その受光面（投光面）に臨む角度に応じた受光感度（発光強度）の分布を持つもので、その分布は、一般的には正面（投受光面と垂直な方向）において受光感度（発光強度）が最も大きく、正面からの角度が大きくなるにつれてその受光感度（発光強度）が小さくなる傾向を有する。そして所望とする受光感度（発光強度）が得られる範囲が、投光素子（受光素子）の視野として定義される。ここでは受光素子の受光面に垂直な方向を、受光素子の光軸と呼ぶ。

尚、投光器および受光器は、上述した発光素子１から、或いは受光素子２に対して光を導く光ファイバのようなものであっても良い。これらの発光素子１および受光素子２（投光器および受光器）は、基本的にはその投受光面を揃えて並べて設けられ、所定の物体検出方向に対して光を投光すると共に、その光の物体による反射光を受光するように配置される。

このような発光素子１の投光面の前面に設けられた凸レンズからなる投光レンズ３は、上記発光素子１から射出される所定の拡がり角を有する光を収束し、断面円形の光ビームＢとして投光する役割を担っている。また受光素子２の受光面の前面に設けられた円柱状または半円柱状のシリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）４は、レンズ作用を呈することのない断面内に前述した発光素子１の光軸を含むように、そのレンズ面を受光素子２の受光面と平行になるように設定されている。そしてシリンドリカルレンズ４は、前述した光ビームＢをその面内に含む扁平な扇形状の受光視野領域Ｒを設定している。

即ち、シリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）４は、特定の方向に対してだけレンズ効果を有するもので、図２(ａ)に示すように円柱体または半円柱体の軸を含む断面内においてはその入射光を該入射光と平行に透過出力するだけであり、集光効果を有しない。そして図２(ｂ)に示すように上記軸方向と直角な断面内において集光効果を呈してその入射光を絞り込んで射出する機能を有する。尚、図２(ａ)(ｂ)において、破線はシリンドリカルレンズ４がないときの投光素子１（受光素子２）の本来の視野を示しており、実線はシリンドリカルレンズ４をおいた場合の視野を示している。

また上述したシリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）４の前面には、受光視野領域の拡がり角方向にその一部を覆う遮光マスク（遮光体）５が設けられている。この遮光マスク５は、受光素子２が実際に受光可能な受光視野領域Ｒを、前記シリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）４の軸方向に制限する役割を担っている。そしてこのようにして遮光マスク５により制限された受光素子２の受光視野領域Ｓと前述した光ビームＢの投光領域との公差領域Ｘが、物体の検出対象領域Ｌとして定められている。換言すれば発光素子１から投光レンズ３を介して投光された光ビームＢが照射される領域であって、且つ、シリンドリカルレンズ４を介して設定されると共に、遮光マスク５により制限された受光素子２の受光視野領域Ｓに含まれる領域（公差領域Ｘ）だけが、その物体検出領域として設定されている。

かくしてこのように構成された限定反射形の光電センサによれば、収束されて強度が高められた光ビームＢが投光される光路上（投光領域内）の、受光素子２による扇形の受光視野領域Ｓに含まれる領域（公差領域Ｘ）に物体が存在するときにだけ、その物体による反射光が受光素子２により検出されることになる。しかも受光素子２は、シリンドリカルレンズ４および遮光マスク５を介して上述した扇形の受光視野領域Ｓからの反射光だけを受光するように設定されており、その周囲からの光が紛れ込むことがないように設定されているので、上記受光素子領域Ｓからの反射光を高感度に、しかもＳ／Ｎ良く検出することが可能となる。

また上述した構成であれば遮光マスク５がシリンドリカルレンズ４の前面、つまり受光器２に対向する面とは反対側の面に設けられるので、該シリンドリカルレンズ４と受光素子２との距離を十分に近接させることができる。しかも遮光マスク５としては、例えばシリンドリカルレンズ４の前面に貼り付けられる遮光性を有する薄膜やシール等として形成することができるので、その全体形状の薄型化を、更にはその小型化を容易に図ることが可能となる。

また上述した遮光マスク５については、シリンドリカルレンズ４の前面に設けるだけで良いので、例えば遮光マスク５を除いた反射形光電センサを汎用品として製作しておき、その後、検出距離Ｌが異なる各種の検出仕様に合わせて、予め準備された遮光幅の異なる遮光マスク５を選択的に取り付けることができる。従って遮光マスク５を後付けにすることで、検出距離Ｌが異なる複数種の限定反射形の光電センサを容易に実現することが可能となる。尚、遮光性の薄膜基体からなる遮光マスク５の取付については、接着剤を用いてシリンドリカルレンズ４の前面に貼付したり、或いは両面粘着テープを用いて貼り付けるようにすれば十分である。ちなみにシリンドリカルレンズ４の前面に遮光マスク５を設けた場合、シリンドリカルレンズ４と受光素子２との間に遮光マスク５を設ける場合に比較して、遮光マスク５の位置ずれ（紙面において左右方向のずれ）に対する視野間の変化は比較的少ない。従って遮光マスク５の貼付作業における位置精度を厳密に管理する必要がなく、生産効率を高くすることができると言う効果を得ることが可能となる。

次に本発明の第２の実施形態に係る限定反射形の光電センサについて、図３を参照して説明する。
この第２の実施形態に係る反射形光電センサは、その投受光面を揃えて並べて配置された発光素子１および受光素子２の前面に、１本のシリンドリカルレンズ（ロッドレンズ）６を設け、このシリンドリカルレンズ６を介して発光素子１から射出される光を、該シリンドリカルレンズ６の軸方向に扁平な扇形状に投光されるパターンにすると共に、受光素子２の受光視野領域Ｒを扁平な扇形状のパターンにしたことを特徴としている。特に１本のシリンドリカルレンズ６を共通に介することで、その扇形の投光領域Ｐと扇形の受光視野領域Ｒとを同一面内に形成するようにしたことを特徴としている。

尚、１本のシリンドリカルレンズ６に代えて、発光素子１および受光素子２の前面に投光用および受光用のシリンドリカルレンズを、その軸心を一致させてそれぞれ設けることも勿論可能である。この場合、これらのシリンドリカルレンズとして同じ仕様のものを用いても良いことは言うまでもない。また上述した１本のシリンドリカルレンズ６を用いる場合であっても、発光素子１および受光素子２の前面に位置付けられる部位が異なるので、発光素子１および受光素子２の前面にそれぞれ位置付けられる部位（レンズ領域）を投光用および受光用のシリンドリカルレンズと見なすこともできる。

そして上記シリンドリカルレンズ６の前面に、扇形の投光領域Ｐおよび扇形の受光視野領域Ｒをそれぞれ制限する遮光マスク７ａ,７ｂを設け、これによって外部に向けて投光される光の扇形の投光領域Ｔを設定すると共に、また受光素子２における扇形の受光視野領域Ｓを設定する。特にこの遮光マスク７ａ,７ｂについては、例えば投光領域Ｔが受光視野領域Ｒ側に向けて絞り込まれるように、また受光視野領域Ｓが投光領域Ｐ側に向けて絞り込まれるように設けられる。具体的には上記遮光マスク７ａ,７ｂについては、１枚の遮光マスクの中央部分を所定幅に亘って開口したものとし、この開口部が発光素子１と受光素子２とを配列した境界部に対峙するようにしてシリンドリカルレンズ６の前面に設けるようにすれば良い。

このような構成の反射形光電センサによれば、シリンドリカルレンズ６により偏平化され、遮光マスク７ａ,７ｂにより制限された扇形の投光領域Ｔと扇形の受光視野領域Ｓとが交差する領域（公差領域Ｘ）に物体が存在するときにだけ、その物体による反射光が受光素子２により受光されることになる。従って発光素子１から射出された光の偏平化によりその強度を高め、また偏平化された領域からの反射光だけを高感度に、しかもＳ／Ｎ良く検出することができるので、先の実施形態と同様な効果が奏せられる。特にこのような構成であれば、発光素子１および受光素子２の前面に１本のシリンドリカルレンズ６を設けるだけで良いので、その構成の簡素化を図ると共に、組み立て（製作・調整）の容易化も図ることができる。

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。例えば遮光マスク５（７ａ,７ｂ）については、図４に示すように発光素子１や受光素子２等を内蔵して組み立てられる反射形光電センサの筐体８の、光を送受光するべく設けられたセンシング窓（透孔窓）９にその外側面、或いは内側面から貼り付けるようにしても良い。この際、遮光マスク５（７ａ,７ｂ）をその一面に接着剤を塗布した、いわゆるシール体として形成しておけばその取付の容易化を図ることができ、種々の検出仕様に容易に対処することが可能となる。また遮光マスク５（７ａ,７ｂ）を、センシング窓９に沿ってスライド自在に設けておくことも可能である。

またシリンドリカルレンズ６にセンシング窓９としての機能を兼務させることも可能である。即ち、半円形の断面を有するシリンドリカルレンズの平面部分を筐体８の外側に向けて装着するようにすれば良い。また上述した実施形態においては、いずれもシリンドリカルレンズ４の外側に遮光マスク５を設けたが、これに限らずシリンドリカルレンズ５と投光素子１（受光素子２）との間に遮光マスク５を設けても良い。但し、この場合には、遮光マスク５の位置の変化に対する視野角の変化が大きいので、遮光マスク５の設置に際しては、高い位置精度が要求されることになる。

また図５に示すようにシリンドリカルレンズ４に代えて、トロイダルレンズ４ａを用いることも可能である。このトロイダルレンズ４ａは、前述したシリンドリカルレンズ４を図２(ａ)に示した面内において湾曲させたものであり、この面内において凹レンズのようなように作用する。このようなトロイダルレンズ４ａを用いれば、投光素子１から投光される光の領域を該投光素子１に並べて設けた受光素子２側に変位させ、また受光素子２の受光領域を透孔素子１側に変位させることができるので、投光領域と受光領域との公差領域を光電センサから十分に近接した位置に設定することが可能となり、極短距離用の光電センサを容易に実現することが可能となる。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可能である。

本発明の第１の実施形態に係る反射形光電センサの要部概略構成図。 シリンドリカルレンズの作用を説明する為の図で、(ａ)はレンズ効果を有さない断面、(ｂ)はレンズ効果を有する断面をそれぞれ示す。 本発明の第２の実施形態に係る反射形光電センサの要部概略構成図。 遮光マスクの取り付け例を示す図。 トロイダルレンズを用いた本発明の別の実施形態を示す図。

符号の説明

１ 発光素子（投光器）
２ 受光素子（受光器）
３ 投光レンズ
４,６ シリンドリカルレンズ
４ａ トロイダルレンズ
５,７ａ,７ｂ 遮光マスク
８ 反射形光電センサの筐体
９ センシング窓（筐体の透孔窓）

Claims (4)

1. 投光素子の投光領域に受光面を向けた受光素子にて、上記投光領域に存在する物体による反射光を受光する反射形の光電センサであって、
   前記受光素子の受光面に対向させて配置されて該受光素子の受光視野領域を、主として前記投光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、
   このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記受光素子が対向する面とは反対側の面に対向して配置されて前記受光素子の受光視野領域を前記投光素子との並び方向に制限する遮光体とを具備し、
   前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴とする光電センサ。
2. 投光素子による投光領域に受光面を向けた受光素子にて、上記投光領域に存在する物体による反射光を受光する反射形の光電センサであって、
   前記投光素子の投光面に対向させて配置されて該投光素子による投光領域を、主として前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、
   このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記投光素子が対向する面とは反対側の面に対向して配置されて前記投光素子の投光領域を前記受光素子との並び方向に制限する遮光体とを具備し、
   前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記投光領域と前記受光視野領域との交差領域を前記受光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴とする光電センサ。
3. 投光素子の投光面と受光素子の受光面とを揃えて並べて設け、上記投光素子による投光領域に存在する物体による反射光を前記受光素子にて受光する反射形の光電センサであって、
   前記投光素子の投光面および前記受光素子の受光面に対向させて配置され、該投光素子および受光素子の並び方向と直交する方向における前記投光素子の投光領域および前記受光素子の受光視野領域をそれぞれ絞り込むシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズと、
   このシリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズの前記投光素子および受光素子がそれぞれ対向する面とは反対側の面に対向して配置されて、少なくとも前記投光素子の投光領域および前記受光素子の受光視野領域の一方を前記投光素子と前記受光素子の並び方向に制限する遮光体とを具備し、
   前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズにて前記受光視野領域と前記投光領域との交差領域を前記投光素子と前記受光素子との並び方向と直交する方向に絞り込むと共に、前記遮光体にて前記投光領域と前記受光視野領域との交差領域を前記投光素子または前記受光素子からの距離方向の所定の範囲内に規定したことを特徴とする光電センサ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光電センサにおいて、
   前記シリンドリカルレンズまたはトロイダルレンズは、前記投光素子から射出される光または前記受光素子にて受光される光の透光窓を有する筐体の内部に組み込まれるものであって、
   前記遮光体は、前記透光窓に貼付可能な遮光性を有する柔軟な基体からなり、予め準備された遮光幅を異にする複数種の遮光体の中から、前記投光領域に存在する物体の前記筐体からの距離に応じて選択されて前記透光窓に装着されることを特徴とする光電センサ。

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