JP4426130B2 - 透過型光電センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投光部から出射され、受光部に至る光の光路内に存在する検出物体の遮光状態により変化する受光量に基づいて動作する透過型光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の透過型光電センサの一例としては、図７（Ａ）に示すように、互いに対向して配置される投光部１及び受光部５を備えたものがある。このうち投光部１は、投光素子２と、その投光素子２からの光を平行光に変える投光レンズ３と、その平行光を通すための矩形スリット状に開口した投光窓４とを備える。一方、受光部５は、前記投光部１の投光窓４と対向し、その投光窓４からの平行光を通すための同じく矩形スリット状に開口した受光窓６と、受光窓６からの光を収束する受光レンズ７と、受光素子８とを備える。ここで、同（Ａ）図に示すように、投光部１から出射され、受光部５の受光素子８で受光され得る平行光の光路Ｒ（同図（Ａ）において、点線囲み部分）途中に、検出物体Ｗａが存在すると、その平行光の一部が遮られ、その分だけ受光素子８での受光量が減少する。この受光素子８での受光量は、光路Ｒ内における検出物体Ｗａの投光窓４の長軸方向（同図（Ａ）において、紙面の上下方向）の幅（以下、「遮光寸法」という）に比例して変化する。従って、この受光量を測定することで、検出物体Ｗａの寸法等を測定することが可能になる。なお、このような透過型光電センサの一例が、特開平8-240412号に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、検出物体が表面反射率の高い材質で形成されている場合には、正確な寸法測定が行えないという問題が生じ得る。以下、この理由について説明する。例えば、図７（Ｂ）に示すように、光路Ｒ内に、表面反射率の高い検出物体Ｗｂが存在し、その検出物体Ｗｂの投光部１側表面が投光部１からの平行光の進行方向と略直角をなしているとする。すると、投光部１から出射された光のうち、検出物体Ｗｂによって遮光された光は、その検出物体Ｗｂ表面で反射して、再び略同一光路上に戻され、投光レンズ３で収束され投光素子２の発光中心部に至ることになる。なお、このように検出物体Ｗｂで反射された光を以下の説明では「回帰光」と呼び、同図（Ｂ）では太矢印線で示してある。
【０００４】
ここで、投光素子１の発光中心部には、図８に示すように、発光ダイオードチップ（以下、「ＬＥＤチップ９」という）が備えられている。ＬＥＤチップ９は、図９（Ｂ）に示すように、一般に複数の半導体材料（例えば、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ等）を積層してなる半導体層９Ａを備えて、その積層方向の両端面には、例えばアルミニウムや金等からなる一対の表面電極層９Ｂ及び裏面電極層９Ｃが設けられている。両電極層９Ｂ，９Ｃ間に電流を流して発生した半導体層９Ａ内の光は、表面電極層９Ｂ側に形成された発光孔９Ｄ（同図（Ａ）参照）を通過して外部に放出され、もって、投光素子１は、光束の中心軸がＬＥＤチップ９の表面電極層９Ｂに垂直な例えば放射光を発することになる。
【０００５】
この際、従来のものでは、投光素子１は、その投光の光束中心軸が受光素子８の受光の光束中心軸と略一致するように配されていた。従って、図７（Ｂ）に示すように、前記回帰光は、投光素子１のＬＥＤチップ９の表面電極層９Ｂ表面又は露出した半導体層９Ａ表面で正反射して、光路Ｒ内の別のルートを通って受光素子８に入射し、その分だけ受光量が加算されてしまうのである。これが、表面反射率の高い検出物体の寸法測定が正確に行えない理由である。もちろん、検出物体Ｗｂで反射した光の全部が受光素子８に入射するわけではないから、単に光路Ｒ内の検出物体Ｗｂの有無のみを検出する場合であればそれほど問題は生じないと考えられる。しかしながら、上述したように受光量と遮光寸法との比例関係に基づいて検出物体Ｗｂの寸法を測定する場合には、このような受光量の誤差によって、その比例関係が成り立たなくなるから無視できない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、表面反射率の高い検出物体であってもその遮光状態により変化する受光量を正確に測定することが可能な透過型光電センサを提供するところにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る透過型光電センサは、投光素子を備えて、投光素子からの光を平行光として所定の投光可能領域から出射する投光部と、投光部の投光可能領域から出射された平行光を受光する受光部とを対向して配置し、平行光の光路内に存在する検出物体の遮光状態により変化する受光部での受光量に基づいて動作する透過型光電センサにおいて、投光素子は、投光可能領域を照射しつつ、前記投光素子と前記投光可能領域の中心とを結ぶ線に対し、投光素子から発せられる光の中心の角度が、当該光の中心が投光可能領域を通過できる限界角度よりも大きくなるように配置されているところに特徴を有する。
【０００８】
【発明の作用及び効果】
例えば投光部からの平行光の光路内に表面反射率が高い物体が存在すると、従来のものと同様に、やはり投光部の投光可能領域から出射された光のうち検出物体によって遮光される光が検出物体表面で反射して、略同一光路を戻って投光素子側に回帰され得る。ここで、本発明の構成によれば、投光素子は、投光可能領域を照射しつつ、前記投光素子と前記投光可能領域の中心とを結ぶ線に対し、投光素子から発せられる光の中心の角度が、当該光の中心が投光可能領域を通過できる限界角度よりも大きくなるように配置されている。従って、回帰された光は、投光素子で正反射しても、その反射光は投光可能領域外に至ることになり、受光部に入射することはない。すなわち、常に検出物体によって遮光されなかった光のみが受光部にて受光されることになり、もって検出物体の遮光寸法に応じた受光量を誤差なく測定することが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１ないし図５によって説明する。
本実施形態に係る透過型光電センサ１０は、矩形スリット状に開口した投光窓１２から平行光を出射する投光部１１と、やはり矩形スリット状に開口した受光窓２２が形成された受光部２１とを対向して配置し、投光部１１の投光窓１２から出射され受光部２１の受光窓２２に入射する光の光路を検出可能領域Ｒ１（図１において破線で囲んだ部分）とし、その検出可能領域Ｒ１内に存在する検出物体の遮光状態により変化する受光部２１での受光量に基づいて、例えば検出物体の寸法等を測定するものである。
【００１０】
このうち投光部１１は、投光ケース１３内に、発光ダイオードチップ（以下、「ＬＥＤチップ９」という）が設けられた従来と同じ構造（図８，９参照）の投光素子１４と、その投光素子１４の前方に投光レンズ１５とが備えられている。投光レンズ１５は、例えば全体として肉厚の半円板形状の凹凸レンズであって、その凸部分を次述する投光窓１２側に向けて配置されており、放射状に広がる投光素子１４からの光の一部を対向する受光部２１側に向う平行光に変える。また、投光ケース１３のうち投光レンズ１５の前方の壁面には、スリット状に開口されると共に、例えばガラス等の透光部材１２ａで封鎖された投光窓１２が形成されている。従って、投光レンズ１５からの光のうち投光窓１２内の光の透過可能領域（本発明の「投光可能領域」に相当する）より外側の光は投光ケース１３壁面に遮られることになる。よって、投光部１１は、この透過可能領域から断面が投光窓１２サイズの光束の平行光を受光部２１側に照射することになる。
【００１１】
一方、受光部２１は、受光ケース２３内に、例えばフォトダイオード等の受光素子２４と、前記投光部１１からの平行光を収束する受光レンズ２５とが備えられている。また、受光ケース２３のうち受光レンズ２５の前方の壁面には、やはりスリット状に開口されると共に、例えばガラス等の透光部材２２ａで封鎖された受光窓２２が形成されている。これら投光部１１及び受光部２１は、それぞれの投光窓１２と受光窓２２とが互いのスリット形の長軸方向（以下、スリット長軸方向」という）を一致させつつ対向するように配置される。
【００１２】
なお、本実施形態では、受光窓２２のスリット長軸方向の幅Ｌ２は、投光窓１２のスリット長軸方向の幅Ｌ１に比べて狭くしてある。従って、検出可能領域Ｒ１（図１において、斜線部分）も受光窓２２のスリット長軸方向の幅Ｌ１と同じになる。このような構成にしたのは、検出可能領域Ｒ１内の光強度分布を均一化させるためである。即ち、投光素子１４からの光は、投光レンズ１５を介することで略均一な光強度分布の光束として投光窓１２から出射されるが、それでもやはりスリット長軸方向の両端部分の光強度は不均一である。従って、投光窓１２の幅Ｌ１よりも受光窓２２の幅Ｌ２を狭くして、光強度の不均一な両端部分を除去することで、検出可能領域Ｒ１内の光強度分布の均一化を図ることができる。
【００１３】
さらに、本実施形態では、図２に示すように、投光窓１２の透光部材１２ａは、投光素子１４からの光を反射して、被検出物体からの回帰光と同じように再び投光素子１４のＬＥＤチップ９側に戻されることがないように傾けて配置されている。傾けて配置した分だけ投光窓１２からの出射光の光路もずれた位置になる。これに対して受光窓２２の透光部材２２ａは，投光窓１２の透光部材１２ａの傾け方向と対向する方向に傾けて配置されており、このずれを補正するようにしてある。これにより、両透光部材１２ａ，２２ａ間での反射光の影響も排除することが可能になる。
【００１４】
さて、本実施形態の透過型光電センサ１０では、投光素子１４は、図３に示すように、投光窓１２及び受光窓２２の対向線（図において、一点破線で示した方向）上に位置し、かつ、それが発する光の光束中心（以下、「光軸」という）が前記対向線と角度θをなすように、スリット短軸方向に傾けて配置されている。この角度θは、図４の拡大図に示すように、投光素子１４のＬＥＤチップ９の発光の中心光が投光窓１２を通過できる限界角度βよりやや大きめの角度（例えば３度の角度）に設定してある。なお、投光素子１４の斜め前方には、投光素子１４の投光状態を検知するモニター用のフォトダイオード１６が設置されている。
【００１５】
次に本実施形態の透過型光電センサ１０の動作について図４及び図５を参照して説明する。なお、検出物体において反射した光を「回帰光」と呼び、図４で太矢印線で示し、図５では投光素子１４からの光を省略して回帰光だけが示されている。
検出可能領域Ｒ１内に検出物体Ｗが存在すると、これにより投光部１１からの平行光の一部が遮られ、その分だけ受光素子２４での受光量が減少する。この受光素子２４での受光量は、検出可能範囲Ｒ１内における検出物体Ｗの投光窓１２の長軸方向の幅（以下、「遮光寸法」という）に比例して変化する。従って、この受光量を測定することで、検出物体Ｗの寸法等を測定することが可能になる。
【００１６】
さて、本実施形態の透過型光電センサ１０においても、図５に示すように、検出物体Ｗが表面反射率の高い材質で形成されている場合、投光部１１から出射された平行光の一部が、その平行光の進行方向に対して略直角をなす検出物体Ｗの表面で反射して投光部１１側に戻され、投光レンズ１５にて収束されて投光素子１４のＬＥＤチップ９の表面電極層又は露出した半導体層表面に至ることになる。ところが、図４に示すように、投光素子１４は対向線に対して前記限界角度βよりも大きい角度θだけ傾けて配置されているから、ＬＥＤチップ９の表面電極層等で正反射した光は、投光窓１２を通過することなくその周囲の投光ケース１３の壁面によって遮られることになる。従って、回帰光が受光部２１側にて受光されることはない。
【００１７】
＜他の実施形態＞
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、投光素子を投光窓１２のスリット短軸方向に傾けて、本発明でいう「投光可能領域を照射しつつ、投光素子１４から発せられる光の光束中心を通過する中心光が投光可能領域外に至るように投光素子１４を配置する」ことを実現したが、これに限られず、投光窓１２のスリット長軸方向に傾けて配置した構成であってもよい。
【００１８】
（２）更に、上記実施形態では、投光素子１４を、投光部１１及び受光部２１の対向線上で角度θだけ傾けて配置した。しかし、参考例として、図６に示すように、投光素子１４の光軸（二点破線）方向を投光部１１及び受光部２１の対向線（一点破線）の方向と一致させたまま対向線上から外し、光軸を通過する中心光が投光レンズを介して投光窓１２外に至るようにした構成が挙げられる。
【００１９】
（３）上記実施形態ではＬＥＤチップを備えた投光素子１４を光源とする透過型光電センサ１０を例に上げて説明したが、半導体レーザを光源とする透過型光電センサであっても本発明を適用することで同様の効果を得ることが可能である。
【００２０】
（４）上記実施形態では、投光可能領域としてスリット形の投光窓１２としたが、必ずしもスリット形でなくてもよく種々の目的に応じた形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る透過型光電センサの平断面図
【図２】 投光部及び受光部の透光部材の配置説明のための拡大図
【図３】 透過型光電センサの側断面図
【図４】 投光部内の拡大図
【図５】 検出物体による遮光状態を示した断面図
【図６】 参考例に係る透過型光電センサの投光部内の拡大図
【図７】 従来の透過型光電センサの平断面図
【図８】 その投光素子の正面図及び側断面図
【図９】 ＬＥＤチップの正面図及び側断面図
【符号の説明】
１０…透過型光電センサ
１１…投光部
１２…投光窓
１４…投光素子
２１…受光部
Ｗ…検出物体

Claims (1)

1. 投光素子を備えて、前記投光素子からの光を平行光として所定の投光可能領域から出射する投光部と、
   前記投光部の前記投光可能領域から出射された平行光を受光する受光部とを対向して配置し、
   前記平行光の光路内に存在する検出物体の遮光状態により変化する前記受光部での受光量に基づいて動作する透過型光電センサにおいて、
   前記投光素子は、前記投光可能領域を照射しつつ、前記投光素子と前記投光可能領域の中心とを結ぶ線に対し、前記投光素子から発せられる光の中心の角度が、当該光の中心が前記投光可能領域を通過できる限界角度よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする透過型光電センサ。

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