JP5128232B2 - 反射型光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、照射光の強度を高めてその検出距離を延ばすことのできる安価で簡易な構成の反射型光電センサに関する。

反射型光電センサは、検出対象領域（センシングエリア）に向けて光を照射する投光部と、この投光部から照射した光の反射光を受光する受光部とを備えて構成される。そして前記検出対象領域における物体の有無の検出は、前記受光部にて反射光が受光されるか否かを判定することによって行われる。ちなみに反射型光電センサにおける投光部は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子から発せられた光を集光して照射する投光レンズを備えて構成される。また前記反射型光電センサにおける受光部は、反射体により反射された光を受光レンズを用いて集光してフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子に導くように構成される。そして反射型光電センサは上記投光部と受光部とを同一方向に向け、横並びに設けて一体化した構造を有する（例えば特許文献１,２を参照）。

ところで反射型光電センサにおいては、一般的に発光素子における発光面の面積と受光素子における受光領域の面積とが異なることもあって、投光部および受光部の各光学系として互いに異なる光学特性が要求される。具体的には前記投光部の光学系には、発光素子から発せられた光を効率的に集光し、ビーム状に絞り込んで照射する光学特性が要求される。これに対して受光部の光学系には、反射光に拡がりが生じた場合であってもその必要な反射光成分を確実に集光し、受光素子における受光領域の全体に亘って均一に導く光学特性が要求される。更に受光部には、迷光の影響を受けることなく上記反射光を確実に検出し得ることが要求される。

このような要求を満たすべく従来一般的には、例えば投光レンズと受光レンズの形状、特にその厚みを異ならせたり、或いは特許文献１に示されるように光電センサの前面に並べて設けられる投光レンズおよび受光レンズに対する発光素子および受光素子の取り付け位置を、その光軸方向に異ならせるようにしている。また従来においては、特許文献１,２にそれぞれ示されるように投光レンズおよび受光レンズとして、専ら、片凸レンズを用い、その平面側を光電センサの外側に向けて配置することで光電センサの表面（前面）に凹凸ができることを避け、これによって光電センサの投受光面をなす前面側の清掃の容易化を図っている。
実用新案登録第２５６６８７８号公報 特公平６−９３５２１号公報

しかしながら上述した従来構造の反射型光電センサにおいては、例えば形状（厚み）の異なる２種類のレンズを用いたり、或いは光電センサの前面に並べて設けられる投光レンズおよび受光レンズに対する発光素子および受光素子の取り付け位置を、各レンズの焦点距離に合わせてその光軸方向にずらすようにしている。この場合、発光素子および受光素子を同一基板上に並べて配置することができないので、その構造が複雑化して製造コストが掛かることが否めない。しかも片凸レンズの平面側を外側に向けて配置しているので、その集光効率が悪いと言う問題があった。

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、照射光の強度を高めてその検出距離を延ばすことのできる安価で簡易な構成の反射型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反射型光電センサは、発光素子から発せられた光を集光して照射する投光レンズを備えた投光部と、この投光部から照射されて反射体により反射された光を集光して受光素子に導く受光レンズを備えた受光部とを並べて設けたものであって、
特に前記発光素子および受光素子を同一方向に向けて同一基板上に並べて設けると共に、これらの発光素子および受光素子にそれぞれ対向配置される前記投光レンズおよび受光レンズとして同一形状のレンズを用い、これらの投光レンズおよび受光レンズを前記発光素子および受光素子からの距離を互いに異ならせて設けたことを特徴としている。

好ましくは同一形状の前記投光レンズおよび受光レンズは非球面片凸レンズであって、その凸面を前記発光素子および受光素子とは反対側（外側）に向けて設ける。ちなみに前記非球面片凸レンズは、楕円の短軸をレンズ中心とした断面形状を有する楕円面レンズからなる。また前記受光素子としては、前記発光素子の発光面よりも大きい受光面を備えたものが好適である。尚、前記投光レンズおよび受光レンズについては、前記発光素子および受光素子を並べて設けたセンサ本体に光ファイバを介して接続されるセンサヘッドに設けられ、上記光ファイバを介して前記発光素子および受光素子にそれぞれ光学的に対向配置されるものであっても良い。

上記構成の反射型光電センサによれば、投光レンズおよび受光レンズとして同一形状のレンズを用いるので、レンズの製作に要する経費を軽減し、以てその製造コストを軽減することができる。また発光素子および受光素子を同一基板上に同一方向に向けて並べて設けるだけなので、反射型光電センサの筐体（ケーシング）に対する前記発光素子および受光素子の組み付けが容易であり、その組み付け構造自体の簡素化を図ることができる。従ってこの点でも反射型光電センサの製造コストの低減を図ることができる。そしてこれらの発光素子および受光素子に対して、前記投光レンズおよび受光レンズを異なる位置に設けるだけなので、投光系および受光系に所要とする光学特性を容易に持たせることが可能となり、反射型光電センサとして必要な性能を容易に確保することが可能となる。

特に投光レンズおよび受光レンズとして片凸レンズを用いる場合であっても、その凸面を前記発光素子および受光素子とは反対側（外側）に向けて設けるので、換言すれば片凸レンズの平面を前記発光素子および受光素子側に向けて配置するので、レンズの外周部におけるケラレを防いで発光素子からの光を効率的に集光し、また反射光を効率的に受光素子に導くことが可能となる。そして発光素子からの光の集光効率を高めた分、投光部から照射される光の強度（明るさ）を高めることができるので、光電センサとしての検出距離を伸ばすことができる等の効果が奏せられる。

尚、反射型光電センサの前面（投受光面）には一般的には透明板からなる保護カバーが設けられるので、投光レンズおよび受光レンズの配置位置の異なりによる凹凸、また片凸レンズの凸面を外側に向けたことによる凹凸は殆ど問題となることはなく、その前面（投受光面）の清掃を容易に行い得る。従って投光レンズおよび受光レンズの配置位置を異ならせたことによって、反射型光電センサの筐体（ケーシング）構造が複雑化する虞も殆どなく、従って反射型光電センサの構成の簡素化とその製作コストの低減を容易に図り得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、本発明の一実施形態に係る反射型光電センサについて、その要部概略構成を模式的に示す図１を参照して説明する。
この反射型光電センサは、リフレクタを備えた検出対象物（反射体）に向けて平行光線束を照射し、上記リフレクタによる反射光を受光する回帰反射型の光電センサとして好適なものであって、基本的には検出対象領域に向けて光を照射する投光部１０と、この投光部１０から照射され、図示しない反射体により反射された光を受光する受光部２０とを並べて、箱形のケーシング（筐体）３０に一体に組み込んだ構造をなす。

ちなみに上記投光部１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子１１と、この発光素子１１から発せられた光を集光して照射する投光レンズ１２とを備えて構成される。また前記受光部２０は、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子２１と、反射体（検出対象物；リフレクタ）により反射された光を集光して上記受光素子２１に導く受光レンズ２２とを備えて構成される。そして前記ケーシング３０は、例えば筒型のケース本体３１と、このケース本体３１の内部にその軸方向に沿って設けた隔壁体３２とを備え、隔壁体３２にてケース本体３１の内部空間を２分して、その一方を前記投光部１０の組み込み領域、他方を前記受光部２０の組み込み領域として並べて形成した構造を有する。

このような構造のケーシング３０（ケース本体３１）の開口された一端には、その開口部を閉塞してプリント基板３３が装着される。このプリント基板３３上に、前述した発光素子１１および受光素子２１が、その発光面（発光領域）および受光面（受光領域）の向きを一方向を揃えて横並びに搭載される。従って前記発光素子１１および受光素子２１は、これらを搭載したプリント基板３３を前記ケーシング３０（ケース本体３１）の一端部に装着することで該ケーシング３０の内部空間を通して、その反対側の開口端から外部空間を光学的に指向する。

また前記プリント基板３３の装着部とは反対側である前記ケーシング３０（ケース本体３１）の他端側には、前述した投光レンズ１２および受光レンズ２２がそれぞれ装着されるようになっている。ちなみにこれらの各レンズ１２,２２は、互いに同一形状の凸レンズ、具体的には一方のレンズ面を所定の曲率半径ｒ１の凸面とし、他方を上記曲率半径ｒ１に比較して十分に大きい曲率半径ｒ２（≫ｒ１）を有するレンズ面とした片凸レンズからなる。尚、ここでは上記曲率半径の小さいレンズ面を片凸レンズにおける凸面（凸面側）と称し、また曲率半径が大きいが故に上記凸明に比較して略平面と看做し得るレンズ面を前記片凸レンズにおける平面（平面側）と称して説明する。

好ましくは上記各レンズ１２,２２は、一方のレンズ面を楕円の短軸をレンズ中心とした断面形状をなす楕円面とし、他方のレンズ面を平面とした非球面片凸レンズからなる。特にこれらの投光レンズ１２および受光レンズ２２は、その凸面を外側に向けて、且つ前記発光素子１１および受光素子２１からの距離を互いに異ならせて前記ケーシング３０にそれぞれ組み付けられている。

より具体的には前述した非球面片凸レンズからなる投光レンズ１２は、その平面側を前記発光素子１１に対峙させて設けられる。特にこの投光レンズ１２は、前記発光素子１１から所定の拡がり角を以て発せられる光の全てを効率的に受け、これを集光して所定幅の光線束として絞り込み得る位置、つまり発光素子１１の発光面からさほど離れることのない位置に設けられる。

これに対して前記投光レンズ１２と同じ形状の非球面片凸レンズからなる受光レンズ２２は、その平面側を前記受光素子２１に対峙させて設けられる。特にこの受光レンズ２２は、前記投光部１０から照射されて図示しない反射体により反射された光（反射光）を、前記発光素子１１の発光面よりも大きい受光面を有する受光素子２１に効率的に導くように、つまり受光素子２１がその受光面の全てにおいて前記反射光を高効率に受光し得るように、前記受光素子２１から或る程度の距離を隔てて設けられる。

即ち、投光レンズ１１および受光レンズ２１は、前述したようにプリント基板３３に搭載されて同一平面位置に並べて設けた前記発光素子１１および受光素子２１に対して、その光学面（発光面および受光面）からの距離を光軸方向に異ならせて設けられており、いわゆるレンズ面位置を異ならせて前記ケーシング３０にそれぞれ組み付けられている。
尚、前述した投光レンズ１２の取り付け位置については、例えば発光素子１１の発光領域を点光源と看做し得る場合には、該投光レンズ１２の焦点距離ｆだけ前記発光素子１１から離れた位置に設けることを意味し、これによって発光素子１１から発せられた光を略平行光束に絞り込んで照射する光学系を構築することを指す。また前述した受光レンズ２２の取り付け位置については、一般的に受光素子２１の受光面（受光領域）が或る大きさ（面積）を有するので、例えば該受光レンズ２２の焦点距離ｆよりも長い距離（ｆ＋α）だけ、前記受光素子２１から離れた位置に設けることを意味する。そして受光レンズ２２を介して集光される反射光に、いわゆるボケを与えることでその光断面積を拡げ、前記受光素子２１の受光面の全域に前記反射光を均一に導くことができ、またその光軸方向から若干ずれた向きから到来する光についても前記受光面に確実に導くことのできる光学系を構築することを指す。

かくして上述した如く構成された反射型光電センサによれば、投光レンズ２１および受光レンズ２２として同一形状の非球面片凸レンズを用いているので、レンズの製作に要する経費を軽減し、以てその製造コストを軽減することができる。特にその凸面が楕円面をなす非球面片凸レンズを採用しているので、レンズ周辺部での集光特性を十分に高くすることができる。従ってレンズ１２,２２の全領域を有効に活用して発光素子１１からの光を効率良く絞り込んで照射し、また反射光を効率的に集光して受光素子２１に導くことができる。

しかも前述したようにレンズ面を非球面化した分、投光レンズ２１および受光レンズ２２に要求されるレンズ性能を確保しながら、一般的な球面レンズに比較して該レンズの厚みを薄くすることができる。そしてレンズの厚みを薄くした分、レンズ内部での内面反射を抑えることができるので、特に受光素子２１に対する迷光による悪影響を大幅に軽減し、受光部の検出感度を高めることが可能となる。

また発光素子１１および受光素子２１を１枚のプリント基板３３上に同一方向に向けて並べて設けるだけなのでその取り付けが容易であり、発光素子１１および受光素子２１の駆動回路を前記プリン基板３３上に実装する場合であっても、これらの駆動回路を含むプリント回路基板装置自体の構成の簡素化を図ることができる。更にはケーシング３０に対する前記プリント基板３３の取り付けも容易なので、ケーシング３０に対する発光素子１１および受光素子２１の組み付けを容易化し、その組み付け構造自体の簡素化を図ることができる。従ってこの点でも反射型光電センサの製造コストの低減を図ることができる。

更には上述した如くケーシング３０にその取り付け位置を揃えて組み付けられる発光素子１１および受光素子２１に対して、前記投光レンズ１２および受光レンズ２２をその光軸方向の互いに異なる位置に設けているので、換言すれば発光素子１１および受光素子２１に対するレンズ面位置を異ならせているので、その投光系および受光系に所要とする光学特性を容易に持たせることが可能である。従って反射型光電センサとしての所要性能を容易に確保することが可能となる。

特に投光レンズ１２および受光レンズ２２として前述した片凸レンズを用いる場合、その凸面を前記発光素子１１および受光素子２１とは反対側（外側）に向けて設けるので、換言すれば片凸レンズの平面を前記発光素子１１および受光素子１２側に向けて配置するので、レンズの外周部におけるケラレを防いで発光素子１１からの光を効率的に集光し、また反射光を効率的に受光素子２１に導くことが可能となる。

即ち、図２(ａ)(ｂ)に片凸レンズの光学的性質を模式的に示すように、片凸レンズの凸面側と平面側とでは、そのレンズの厚みｄに起因して開口数ＮＡが異なる。ちなみに片凸レンズの凸面側での開口数ＮＡ１は、片凸レンズの半径をｒ、その厚みをｄ、焦点距離をＬとしたとき、図２(ａ)に示すように
ＮＡ１＝sinθ1 ，θ1 ＝tan^−１［ｒ／(Ｌ＋ｄ)］
として表される。また前記片凸レンズの平面側での開口数ＮＡ２は、図２(ｂ)に示すように
ＮＡ２＝sinθ2 ，θ2 ＝tan^−１［ｒ／Ｌ］
として表される。

従って片凸レンズの厚みｄの分だけ、その平面側での開口数ＮＡ２の方が大きい。また片凸レンズを介して集光される光の明るさ（強度）は上記開口数ＮＡの２乗に比例するので、光源である発光素子１１に向けて片凸レンズの平面側を対峙させた方が、該片凸レンズを介して集光される光の明るさ（強度）が大きくなる。また発光素子１１に向けて片凸レンズの凸面側を対峙させた場合、図２(ａ)に示すようにそのレンズの周辺領域においては、光源である発光素子１１から発せられた光のレンズ面に対する入射角が浅くなり、臨界角を超えた場合にはレンズ表面での反射が生じて、いわゆるケラレが生じる。従ってケラレを生じることなく、発光素子１１からの光を効率的に集光して検出対象領域に照射する上で、前述したように片凸レンズの平面側を発光素子１１に対峙させることが非常に有利である。そして発光素子１１からの光の集光効率を高めた分、投光部１０から照射される光の強度（明るさ）を高め、これによって光電センサとしての検出距離を伸ばすことができる等の効果が奏せられる。

尚、反射型光電センサの前面（投受光面）には一般的には図１に示すように透明板からなる保護カバー３４が設けられるので、前述した投光レンズ１２および受光レンズ２２の配置位置（レンズ面位置）の異なりによる該光電センサの前面（投受光面）凹凸、また片凸レンズの凸面を外側に向けたことによる凹凸は殆ど問題となることはない。特に投光レンズ１２および受光レンズ２２の前面を覆って保護カバー３４が設けられるので、反射型光電センサの使用に伴う汚れについては、一般的には上記保護カバー３４の表面を清掃すれば十分である。

また投光レンズ１２および受光レンズ２２の配置位置を異ならせても、これに起因して反射型光電センサの筐体（ケーシング）構造が複雑化する虞も殆どない。即ち、ケーシング３１に対する投光レンズ１２および受光レンズ２２の装着位置を変更するだけで良く、同一形状のレンズを用いるので同じ取り付け構造（寸法）を採用することができ、従って筐体構造の簡素化を図ることができる。従って投光レンズ１２および受光レンズ２２として同じ形状のレンズを用いることと相俟って、反射型光電センサの全体構成の簡素化とその製作コストの低減を容易に図り得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

ところで上記の実施形態おいては、センサ本体の投光部に投光素子１および投光レンズ３を設けると共に、上記センサ本体の受光部に受光素子２および受光レンズ４を設けている。そして投光部においては投光素子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、受光部においては受光レンズ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で受光するものとなっているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。

即ち、光電センサをセンサ本体とセンサヘッドとにより構成し、上記センサヘッドに投光レンズ１２および受光レンズ２２を収納すると共に、前記センサ本体に発光素子１１および受光素子２１を設け、前記センサ本体とセンサヘッドとを投光用および受光用の光ファイバ（図示せず）を用いて接続したものにも同様に適用することができる。このような構成の光電センサは、ファイバ型光センサと称せられるものであり、投光用光ファイバを介して前記発光素子１１が発した光を投光レンズ１２まで導くと共に、受光用光ファイバを介して前記受光レンズ２２で集光されたリフレクタからの反射光を受光素子２１まで導くものとなっている。

従ってこのような構成の場合、投光レンズ１２に対峙する投光用光ファイバの端面を発光素子１１の発光面として、また受光レンズ２２に対峙する受光用光ファイバの端面を受光素子２１の受光面として看做すことができるので、このような場合にも本発明を同様に適用することができる。特にこのようなファイバ型光センサにおいては、その設置現場において光ファイバを所要とする長さの位置で切断して用いることが多い。この為、一般的に投光用および受光用の光ファイバの端面位置をその光学特性に合わせて調整することは困難であり、専らその長さを揃えて同一長さ位置で切断される。故に、これらの投光用および受光用の光ファイバの端面位置を、等価的に発光素子１１の発光面として、また受光素子２１の受光面としてそれぞれ看做すことができるので、前述した光学系のセンサヘッドを構成すれば先の実施形態と同様な効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。ここでは片凸レンズを用いる場合を例について示したが、その他のレンズを用いる場合にも同様に適用することができる。また投光レンズ１２および受光レンズ２２の発光素子１１および受光素子２１に対する離間距離については、発光素子１１および受光素子２１の仕様、特にその光学面の大きさとレンズの光学特性とに応じて設定すれば良いことは言うまでもない。更には投光レンズ１２および受光レンズ２２の各焦点位置の後方に発光素子１１および受光素子２１を配置する場合にも本発明を同様に適用することができる。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できる。

本発明の一実施形態に係る反射型光電センサの要部概略構成を模式的に示す図。 片凸レンズの光学特性を説明するための模式図。

符号の説明

１０ 投光器
１１ 発光素子
１２ 投光レンズ
２０ 受光部
２１ 受光素子
２２ 受光レンズ
３０ ケーシング
３１ ケース本体
３２ 隔壁体
３３ プリント基板
３３ ケース本体
３４ 保護カバー

Claims (4)

1. 発光素子から発せられた光を集光して照射する投光レンズを備えた投光部と、この投光部から照射されて反射体により反射された光を集光して受光素子に導く受光レンズを備えた受光部とを並べて設けた反射型光電センサであって、
   前記発光素子および前記受光素子を同一方向に向けて同一基板上に並べて設けると共に、前記発光素子および前記受光素子にそれぞれ対向配置される前記投光レンズおよび前記受光レンズとして、一方のレンズ面を楕円の短軸をレンズ中心とした断面形状をなす楕円面とし、他方のレンズ面を平面とした同一形状の非球面片凸レンズを用い、前記投光レンズおよび前記受光レンズを、その凸面を前記発光素子および前記受光素子とは反対側に向けて、前記発光素子および前記受光素子からの距離を互いに異ならせて設けたことを特徴とする反射型光電センサ。
2. 前記受光素子は、前記発光素子の発光面よりも大きい面積の受光面を備えたものである請求項１に記載の反射型光電センサ。
3. 前記投光レンズおよび前記受光レンズは、前記発光素子および前記受光素子を並べて設けたセンサ本体に光ファイバを介して接続されるセンサヘッドに設けられて前記発光素子および前記受光素子にそれぞれ対向配置されるものである請求項１に記載の反射型光電センサ。
4. 前記非球面片凸レンズは、半径をｒ、厚みをｄ、焦点距離をＬとしたときに、その凸面側での開口数ＮＡ１、その平面側での開口数ＮＡ２が以下の式で表される請求項１〜３のいずれかに記載の反射型光電センサ。
   ＮＡ１＝sinθ１，θ１＝tan ^-1 ［ｒ／(Ｌ＋ｄ)］
   ＮＡ２＝sinθ２，θ２＝tan ^-1 ［ｒ／Ｌ］

Images