JP4906626B2

JP4906626B2 - 光電センサ

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Publication number: JP4906626B2
Application number: JP2007199535A
Authority: JP
Inventors: 竜秋元
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP2009037784A

Description

この発明は、ポラライズドリフレクタ形等のリフレクタ形光電センサに関するものである。

従来のリフレクタ形の光電センサは、投光素子と受光素子を収納したセンサ本体と、リフレクタ（リフレックスリフレクタ；回帰反射板）とを対向配置し、投光素子から投光レンズを介してリフレクタへ平行光を照射してリフレクタの反射光を受光素子が受光する。このセンサ本体とリフレクタの間を検出体が通過して光を遮ると、受光素子で受光される光量に変化が生じ、この光量変化に基づいて検出体が検出される。なお、リフレックスリフレクタは、入射した光を入射方向に反射する特性を持つ反射板である。

また、光電センサには、リフレクタ形と同様の構成を有するが、リフレクタ形とは異なって反射板を用いず、検出体の表面で拡散反射された光によって検出体を検出する拡散反射形と呼ばれる光電センサがある。この拡散反射形の光電センサでは、検出体の色や表面状態によって反射率が異なると、検出体が同じ位置にあっても受光素子における受光量に差が生じ、反射率の違いにより検出体の位置検出に誤差が発生する。

このような拡散反射形の光電センサに特有な不具合を解消するものとして、特許文献１では、投光素子からの光を投光レンズにより集光し、この集光点近傍に検出体があるときの反射光が、受光素子の受光面を含む平面上にあって、受光面の外であるが受光面縁端部近傍に結像するように受光レンズ及び受光素子の受光面を配置している。これにより、検出体が集光点に位置した際に受光素子の受光量が急激に変化することから、この集光点の位置を最大検出範囲とすることにより、検出体の色による反射率の変化があっても検出誤差の発生を抑制することができる。

特開平６−２２９８２３号公報

従来のリフレクタ形の光電センサでは、投光素子からの光を平行光として投光していたたので、検出体が白紙のような拡散反射物体である場合、該検出体がセンサ本体とリフレクタとの間のセンサ本体に近い側（投光レンズ及び受光レンズに近い側）を移動すると、該検出体に投光された光のスポット周縁部からの拡散反射光が受光されてしまい、検出誤差が発生するという課題があった。ここでは拡散反射光の成分の中に鏡面反射光も含まれるものとし、拡散反射物体の表面には鏡面反射の作用を有する部分も含まれるものとする（一部に金属光沢がある等の場合も想定する）。

図４は、従来のリフレクタ形光電センサの構成を示す図であり、説明の簡単のためにリフレクタの記載を省略している。図４（ａ）に示すように、従来のリフレクタ形光電センサは、投光素子１００から出射される光を投光レンズ１０２で平行光に変換して不図示のリフレクタへ投光する。リフレクタに向かう平行光の光軸上の位置ａ〜ｄのうち、例えば投光レンズ１０２に近い位置ａ〜ｃに白紙のような拡散反射物体１０４ａ〜１０４ｃをそれぞれ配置すると、拡散反射物体１０４ａ〜１０４ｃに照射された平行光のスポット周縁部から拡散反射光が発生する。この拡散反射光のうち、投光部からの平行光の光軸に対する角度がθａ、θｂ、θｃとなる成分が、受光レンズ１０３で受光素子１０１の受光面に集光される。

投光素子１００及び投光レンズ１０２からなる投光部と受光素子１０１及び受光レンズ１０３からなる受光部との光軸間が距離Ａだけ離れて配置されている場合、受光レンズ１０３に入力された拡散反射光のうち、拡散反射物体１０４ｂ，１０４ｃからの拡散反射光が受光素子１０１に照射され、その受光面上にスポットｂ１，ｃ１を形成する。

ここで、拡散反射光は、拡散反射物体１０４ａ〜１０４ｃの投光レンズ１０２との距離（センサ本体との距離）に応じた強度で受光される。図４（ｂ）に示す例では、拡散反射物体１０４ａ〜１０４ｃが投光レンズ１０２に近くなるにつれて拡散反射光のスポットａ１〜ｃ１の径が大きくなるように記載している。

一般的に、ポラライズドリフレクタ形光電センサでは、リフレクタで反射した所定の偏光の反射光を受光素子１０１が受光できるように、投光素子１００からリフレクタへ照射する光の光路上に偏光板が配置され、この偏光板と直交する偏光面を有した偏光板がリフレクタから受光素子１０１までの反射光の光路上に配置される。これにより、拡散反射物体からの拡散反射光は、前述の偏光板によってその大部分が減光され、受光素子１０１で受光可能な強度にならない。

しかしながら、拡散反射物体が、投光レンズ１０２に近い位置、即ちセンサ本体近くを通過する場合、偏光板を通過した拡散反射光の一部が依然として受光素子１０１で受光可能な強度を有する場合がある。この場合、拡散反射物体からの拡散反射光が誤受光されることになり、例えば検出体である拡散反射物体の位置が誤計測される可能性がある。

図５は、図４中の光電センサより投光部と受光部との光軸間を離したリフレクタ形光電センサの構成を示す図である。図５（ａ）に示すように、図４中の距離Ａよりも大きい距離Ｂだけ投光部と受光部の光軸間を離して配置すると、図４に示した角度θａ、θｂ、θｃより大きい、投光部からの平行光の光軸に対する角度がθａ’、θｂ’、θｃ’となる拡散反射光成分が受光レンズ１０３に入力して、図５（ｂ）に示すように受光素子１０１の受光面からはずれた位置に集光する。また、受光素子１０２に受光されたとしても、投光部と受光部との光軸間を離した分だけ拡散反射光の強度が落ちていることから誤受光されにくい。

このように、投光部と受光部の光軸間の距離を大きくとると、センサ本体に近い側を移動する拡散反射物体からの拡散反射光による誤計測を抑制することが可能であるが、センサ本体の大型化につながる。また、投光部と受光部の光軸間の距離を大きくとりつつ、センサ本体の寸法を維持するには、投光レンズか受光レンズを小さくすることが考えられるが、レンズ面積が小さくなると総光量が低下し、センサ感度が落ちる。

なお、特許文献１に開示される拡散反射形の光電センサでは、拡散反射光を積極的に受光する構成であるため、上述したようなリフレクタ形光電センサに特有の課題を解決することはできない。

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、センサ寸法を大型化することなく、拡散反射光の影響を低減できるリフレクタ形の光電センサを得ることを目的とする。

この発明に係る光電センサは、投光ビームを照射する投光素子と、前記投光ビームを集光する投光レンズとを含む投光部と、前記投光部からの投光ビームを反射するリフレクタと、前記リフレクタからの反射光を受光する受光部とを備えた光電センサにおいて、前記投光部は、前記投光素子と、前記投光レンズと、前記受光部とが、互いに重ならない方向から見たときにビームがくびれて最も細くなる部分を有する投光ビームを前記リフレクタへ照射するものである。

この発明によれば、投光部が、ビームがくびれて最も細くなる部分を有する投光ビームをリフレクタへ照射するので、検出体である拡散反射物体からの拡散反射光が、投光ビームを平行光とする場合と比較して受光素子の受光面からずれた位置に集光され、センサ寸法を変更することなく、拡散反射光の影響を低減することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるリフレクタ形光電センサの構成を示す図であり、説明の簡単のためリフレクタの記載を省略している。図１において、投光素子１と投光レンズ３は、投光素子１の発光を制御する不図示の投光素子駆動回路を含めて投光部を構成する。投光素子１としては、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いる。また、受光素子２と受光レンズ４は、受光素子２により受光された光を増幅する不図示の増幅回路を含めて受光部を構成する。この投光部と受光部の光軸間の距離は、図４と同じ距離Ａである。

また、投光部と受光部は１つの筐体に収納されてセンサ本体を構成し、このセンサ本体に対向する位置にリフレクタ（リフレックスリフレクタ；回帰反射板）を配置し、投光素子１から投光レンズ３を介してリフレクタへ光を照射して、受光レンズ４を介してリフレクタからの反射光を受光素子２が受光する。つまり、受光部において、受光レンズ４は、投光レンズ３に隣接してリフレクタでの反射光の光路上に配置されており、受光素子２は、この受光レンズ４を通過した反射光が集光される位置に配置される。

この構成において、センサ本体とリフレクタとの間に検出体がない状態では、投光部からリフレクタに光が照射され、このリフレクタでの反射光を一定光量で受光部が受光している。なお、実施の形態１による光電センサは、投光素子１からリフレクタへ照射する光の光路上とリフレクタから受光素子２までの反射光の光路上とにそれぞれ互いに直交した偏光面を有した偏光板（不図示）を配置したポラライズドリフレクタ形の光電センサであるものとする。この構成では、リフレクタで反射した楕円偏光の反射光のうち、偏光板の偏光面に応じた偏光成分の光が受光素子２に受光される。

センサ本体とリフレクタとの間を検出体が通過すると、受光素子２に受光されるべきリフレクタの反射光が遮られて受光素子１で受光される反射光の光量が減少し、この光量変化に基づいて検出体が検出される。なお、上述した特許文献１では、投光部から照射された光の光路を遮った検出体で発生する拡散反射光をプローブ光としており、この拡散反射光が受光部で受光されたか否かによって検出体の有無が判断される。

実施の形態１による光電センサでは、投光素子１を投光レンズ３から遠くなるように、その焦点位置からずらして配置することで、投光素子１から照射された光（投光ビーム）をその光軸上の位置ｃに集光し、ビームウェスト（ビームがくびれて最も細くなる部分）を形成している。つまり、投光レンズ３の外径をＲ、投光レンズ３における投光ビームの径をＲ１、投光レンズ３を通過した投光ビームの最小径をｒとし、投光素子１の発光面と投光レンズとの距離をｄ１とした場合、ビーム径ｒよりもＲ１が大きくなるｄ１の値で投光素子１と投光レンズ３を配置する。ここで、ビーム径とは、光軸に対して直交する面で測定されたピーク値の１／ｅ²（１３．５％）レベルのビーム強度の幅で定義されるのが一般的である。そこで、本発明に用いられる全ての投光素子で発する光においても、この定義を適用する。

検出体である拡散反射物体５ａ〜５ｃが光軸上の位置ａ〜ｃをそれぞれ通過すると、投光部からの光を遮って拡散反射物体５ａ〜５ｃに照射される光のスポット周縁部からの拡散反射光が発生する。このとき、位置ａ、位置ｂ、位置ｃと投光素子１から遠くなるにつれて拡散反射物体５ａ〜５ｃに照射される照射光のスポットが小さくなる。このため、そのスポット周縁部で発生する拡散反射光のうち、投光部からの照射光の光軸に対する角度が図４に示した角度θａ、θｂ、θｃより大きい角度θ_A、θ_B、θ_Cの拡散反射光成分が受光レンズ４に入力し、図１（ｂ）に示すように受光素子２の受光面からはずれた位置に集光してスポットａ２〜ｃ２を形成する。

なお、図１（ｂ）に示す例では、拡散反射物体５ａ〜５ｃが受光部に近くなるにつれて拡散反射光が高い強度で受光されることを示すため、位置ａ〜ｃの順でスポットａ２〜ｃ２径が小さくなるように記載している。

このように、実施の形態１による光電センサでは、投光レンズ３によって投光素子１から照射される投光ビームにビームウェスト（光軸上の位置ｃ）を形成して結像させることで、受光部の受光視野角を必要最小限にしている。これにより、センサ本体近くを拡散反射物体が移動しても、従来の光電センサの寸法を維持しつつ、拡散反射物体からの拡散反射光による影響を低減することができる。これに加え、実施の形態１による光電センサはポラライズドリフレクタ形としていることから、受光素子２へ向かう拡散反射光が偏光板により減光され、上述の投光ビームにビームウェストを形成した効果と合わせて、拡散反射光の誤受光を十分に防ぐことができる。

また、投光素子１として使用するＬＥＤでは、ＬＥＤチップに設けた電源供給用のボンディングパッドに起因して、照射光のスポットの中心部に暗部が形成される。従来のようにＬＥＤを投光レンズの焦点位置に配置して平行光にする場合、上述のようなビーム断面中央に暗部を有する投光ビームがリフレクタで反射され、この反射光が受光部に受光される。このため、検出体の位置やその態様によっては、暗部の影響から検出感度が落ちる可能性がある。

これに対し、実施の形態１による光電センサでは、位置ｃにビームウェストを形成するため、投光素子１の投光面を投光レンズ３の焦点位置から光軸に沿って所定位置だけずらして配置するので、投光レンズ３を介して照射される光がリフレクタにピンぼけして結像される。これにより、リフレクタへの照射光のビーム断面中央の暗部がなくなり、この暗部に起因した不具合を解消することができる。

図２は、実施の形態１による光電センサにおける投光素子と投光レンズの位置関係に応じた照射光のビーム断面形状を示す図であり、図２上段に実施の形態１による光電センサの投光部からリフレクタ６までの構成を示している。また、図２に示す例では、投光レンズ３の位置を固定し、投光素子１であるＬＥＤを投光レンズ３の焦点位置ｆから光軸に沿って移動させて投光素子１と投光レンズ３との距離ｄ１を徐々に大きくした場合（投光素子１が投光レンズ３から遠くなるように移動させた場合）の測定結果である。

また、図２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は、投光レンズ３から集光位置ｃまでの距離ｄ２を２００ｍｍとした場合における集光位置ｃでの照射光のビーム断面形状を示しており、図２（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は、投光レンズ３とリフレクタ６の位置ｅまでの距離ｄ３を５ｍとした場合におけるリフレクタ６での照射光のビーム断面形状を示している。

距離ｄ１が５．８ｍｍであると、投光レンズ３からの照射光は、投光レンズ３の集光位置ｃにビームウェストが形成され、ＬＥＤの暗部以外の発光領域からの光によって図２（ａ）に示すようなスポットが得られる。このとき、位置ｅのリフレクタ６に照射される光は、図２（ｂ）に示すように中央部に暗部のあるスポットとなる。

この位置から距離ｄ１を５．９ｍｍとして投光素子１を投光レンズ３から遠くすると、図２（ｃ）に示すように投光レンズ３の集光位置ｃにおけるスポットが図２（ａ）の場合よりぼやけ、位置ｅのリフレクタ６に照射される光は、図２（ｄ）に示すように、未だに中央部に暗部のあるスポットとなる。

距離ｄ１を６．０ｍｍとして投光レンズ３から投光素子１をさらに遠い位置に配置すると、図２（ｅ）に示すように、投光レンズ３の集光位置ｃにおけるスポットが、図２（ｃ）の場合よりもさらにぼやけるが、位置ｅのリフレクタ６にも、図２（ｆ）に示すようにピンぼけしたスポットとなり暗部がなくなる。

このように、実施の形態１では、位置ｃにビームウェストを形成するにあたり、例えば距離ｄ１を６．０ｍｍとして投光素子１を投光レンズ３の焦点位置ｆから遠い位置に配置する。これにより、投光レンズ３を介して照射された光がリフレクタ６にピンぼけして結像され、ＬＥＤに特有なビーム暗部の影響を低減することができる。

なお、距離ｄ１が６．０ｍｍ〜６．３ｍｍの範囲では、距離ｄ１が５．８ｍｍの場合よりもリフレクタ６のサイズによっては光強度は落ちるが、センサ動作上許容される範囲の光強度が維持される。この範囲を越えてさらに投光素子１の発光面を投光レンズ３から引き離すと、スポットが拡がってリフレクタ６のサイズによっては光強度が落ちてセンサ動作上許容される範囲を維持できなくなる。

また、拡散反射物体からの拡散反射光の誤受光を防ぐため、受光素子２と受光レンズ４との間に遮蔽板を配置してもよい。図３は、図１中の光電センサに拡散反射光を遮蔽するための遮蔽板を設けた場合を示す図であり、図１と同様に説明の簡単のためリフレクタの記載を省略している。図３の例では、拡散反射光を遮蔽するための遮蔽板７として半月状の板状部材を用いる。

実施の形態１による光電センサでは、投光部から照射された投光ビームにビームウェストを持たせることにより、拡散反射物体５ａ〜５ｃで生じた拡散反射光が受光素子２の受光面から一定の方向にはずれて集光される。そこで、図３（ａ）に示すように、受光素子２と受光レンズ４との間に遮蔽板７を配置し、受光レンズ４を通過して受光素子２の周縁部方向に向かう拡散反射光を遮蔽する。これにより、拡散反射光の誤受光をさらに低減することができる。また、遮蔽板７を半月状とすることで、スポット径が拡がった拡散反射光を好適に遮蔽できる。

以上のように、この実施の形態１によれば、投光部が、ビームウェスト（ビームがくびれて最も細くなる部分）を有する投光ビームをリフレクタ６へ照射するので、投光ビームを平行光にする場合と比較して、拡散反射物体５ａ〜５ｃからの拡散反射光が受光部の受光面からずれた位置に集光される。これにより、センサ寸法を変更（大型化）することなく、拡散反射光の影響を低減することができる。

なお、上記実施の形態１では、センサ本体の投光部に投光素子１及び投光レンズ３を設け、センサ本体の受光部に受光素子２及び受光レンズ４を設けて、投光部において投光素子１からの光をそのまま投光レンズ３を介してリフレクタへ照射し、受光部において受光レンズ４を通過したリフレクタでの反射光をそのまま受光素子２で受光する構成例を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

例えば、光電センサをセンサ本体とセンサヘッドとで構成し、このセンサヘッドに投光レンズ３及び受光レンズ４を収納して、センサ本体の投光素子１で発した光を投光レンズ３まで導く光ファイバ（投光ファイバ）と、センサヘッドの受光レンズ４で集光されたリフレクタからの反射光をセンサ本体の受光素子２まで導く光ファイバ（受光ファイバ）とでセンサ本体とセンサヘッドとを接続する。このように構成することで、投光素子１を投光ファイバ端面、受光素子２を受光ファイバ端面と置き換えることができる。つまり、例えば投光ビームにビームウェストを持たせるために光学系を調整する際、投光素子１の代わりに投光ファイバの先端面と投光レンズ３の位置関係を調整し、また拡散反射光を遮蔽するための遮蔽板を、受光素子２の代わりに受光ファイバの先端面の位置を考慮して配置する。

また、上記実施の形態１は、光電センサがポラライズドリフレクタ形である場合について説明したが、本発明はポラライズドリフレクタ形に限定されるものではなく、他の構成のリフレクタ形光電センサに適用してもよい。

この発明の実施の形態１によるリフレクタ形光電センサの構成を示す図である。実施の形態１による光電センサにおける投光素子と投光レンズの位置関係に応じた照射光のビーム断面形状を示す図である。図１中の光電センサに拡散反射光を遮蔽するための遮蔽板を設けた場合を示す図である。従来のリフレクタ形光電センサの構成を示す図である。図４中の光電センサより投光部と受光部との光軸間を離したリフレクタ形光電センサの構成を示す図である。

符号の説明

１投光素子
２受光素子
３投光レンズ
４受光レンズ
５ａ〜５ｃ拡散反射物体
６リフレクタ
７遮蔽板
１００投光素子
１０１受光素子
１０２投光レンズ
１０３受光レンズ
１０４ａ〜１０４ｃ拡散反射物体

Claims

投光ビームを照射する投光素子と、前記投光ビームを集光する投光レンズとを含む投光部と、前記投光部からの投光ビームを反射するリフレクタと、前記リフレクタからの反射光を受光する受光部とを備えた光電センサにおいて、
前記投光部は、前記投光素子と、前記投光レンズと、前記受光部とが、互いに重ならない方向から見たときにビームがくびれて最も細くなる部分を有する投光ビームを前記リフレクタへ照射することを特徴とする光電センサ。