JP5336029B2 - 回帰反射型光電スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、回帰反射型光電スイッチに係り、更に詳しくは、発光素子から照射されるレーザ光を略平行光に変換する投光レンズの形状の改良に関する。

発光素子から照射された光の反射光を受光素子で受光し、その受光量に基づいて対象物を検出する反射型光電スイッチの一例として、回帰反射型光電スイッチが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。回帰反射型光電スイッチは、多角錐形状や球面形状といった立体形状の突部が多数配列されることにより立体反射面が形成された回帰反射板に向けてレーザ光を照射し、回帰反射板からの反射光を受光素子で受光する。図８は、回帰反射板の立体反射面１００におけるレーザ光の反射態様の一例を示す模式図である。

発光素子から回帰反射板に向かうレーザ光の経路中には、いわゆるＰ偏光のみを通過させる投光偏光板が配置されており、発光素子からの照射光のうちＰ偏光のみが、投光偏光板を通過して回帰反射板に向かう。図８（ａ）に示す例では、回帰反射板には、断面三角形状の複数の突部（いわゆるサイト）が多数配列されることにより立体反射面１００が形成されている。立体反射面１００の各サイトは、互いに９０°の角度で交わる複数の平坦面を構成しており、回帰反射板に入射するレーザ光Ｂは、立体反射面１００で反射することにより進行方向がほぼ１８０°変換される。回帰反射板は、入射するＰ偏光の偏光面の角度を９０°変換することにより、いわゆるＳ偏光として反射させる機能を有している。回帰反射板から受光素子に向かう経路中には、Ｓ偏光のみを通過させる受光偏光板が配置されており、回帰反射板からのＳ偏光は、この受光偏光板を通過して受光素子で受光される。ここでは、発光素子からの照射光がＰ偏光、回帰反射板からの反射光がＳ偏光の場合について説明するが、これは一例であって、発光素子からの照射光がＳ偏光、回帰反射板からの反射光がＰ偏光であってもよい。Ｐ偏光及びＳ偏光は、入射面に対する方向で定義されるものである。

回帰反射板との間に対象物がなければ、発光素子から回帰反射板に向かうＰ偏光が回帰反射板で反射してＳ偏光となり、そのＳ偏光が受光素子で受光されることにより、受光素子において比較的多くの受光量が得られる。一方、回帰反射板との間に対象物が存在する場合には、受光素子において反射光がほとんど受光されない。すなわち、鏡面の対象物が回帰反射板との間に存在する場合には、発光素子からのＰ偏光が鏡面で反射する際にＳ偏光とはならず、Ｐ偏光のまま反射されるので、反射したＰ偏光は受光偏光板を通過することができず、受光素子に到達しない。また、非鏡面の対象物が回路反射板との間に存在する場合には、発光素子からのＰ偏光が対象物で十分に反射されないため、反射光が受光素子に到達しない。拡散反射のため偏光はランダムになるが、平行光として返ってこないため、回帰反射板からの反射光に対して十分に小さくなる。
特開２００２−２４６６３６号公報 特開平１０−２５５６１１号公報

回帰反射板の立体反射面１００におけるレーザ光の反射角度には精度ばらつきがある。すなわち、図８（ｂ）に示す例では、立体反射面１００の角度ばらつきにより、立体反射面１００に入射するレーザ光Ｂの進行方向が１８０°の角度で精度よく変換されていない。また、図８（ｃ）に示す例では、立体反射面１００が形成される基材１０１や、立体反射面１００に貼付される保護シート１０２に生じるうねりにより、立体反射面１００の角度ばらつきが生じている。回帰反射板に入射するレーザ光は、立体反射面で反射した後、所定の拡がり角で拡がりながら戻っていくが、図８（ｂ），（ｃ）に示すようなレーザ光の反射角度の精度ばらつきなどに起因して、部分的にレーザ光の拡がり角に誤差が生じる場合がある。したがって、スイッチ本体における反射光の受光面（反射光がスイッチ本体に入射する面）を広くした方が、回帰反射板の立体反射面においてより多くのサイトで反射した光がスイッチ本体に入射するので、受光量を閾値と比較する際の誤差が小さく、より高精度で対象物を検出することができる。しかし、スイッチ本体における反射光の受光面を広くすると、本体の外形がその分大きくなってしまうので、本体の小型化が図れないという問題がある。

また、回帰反射板の取付位置の環境によっては、回帰反射板が振動し、回帰反射板におけるスポット位置が変動してしまうことが、対象物を良好に検出できないことの主要因と考えられる。また、このような場合、回帰反射板上のスポット位置における反射光の拡がり角に大きな誤差が生じ、各サイトからの反射光の拡がり角及び拡がり方向が大きく変化するため、各サイトからの光量がばらつき、受光量の変動が大きくなって、対象物を良好に検出できないという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、高精度で対象物を検出することができる小型の回帰反射型光電スイッチを提供することを目的とする。

本発明による回帰反射型光電スイッチは、照射光の回帰反射板による反射光を受光し、その受光量を所定の閾値と比較して対象物を検出する回帰反射型光電スイッチにおいて、レーザ光を照射する発光素子と、平坦面と略円形状の凹湾曲面が形成され、上記発光素子から照射された上記レーザ光が該凹湾曲面に入射される入射面、及び、該凹湾曲面よりも面積の大きい凸湾曲面が形成され、上記レーザ光を該凸湾曲面から出射させる投光面を有し、上記レーザ光を略平行光に変換して上記回帰反射板に照射される上記照射光を生成するための投光レンズと、上記照射光の上記回帰反射板による反射光を受光する受光素子と、上記発光素子、上記受光素子、及び上記投光レンズが配置されたケーシング内で、上記
発光素子及び上記投光レンズと同一直線状に配置され、上記投光レンズにて生成された上記照射光を上記回帰反射板に向けて通過させるとともに、上記照射光の上記回帰反射板による反射光を上記受光素子に向けて反射させるビームスプリッタと、上記投光レンズの上記ビームスプリッタと反対側に設けられ、上記凹湾曲面の形状に応じた略円形状を有し、上記発光素子から照射されたレーザ光のうち上記凹湾曲面に入射されるレーザ光を通過させるとともに、上記発光素子から照射されたレーザ光の上記平坦面への入射を抑制して、上記受光素子の受光量を所定の閾値と比較して上記対象物を検出する際に該レーザ光の上記平坦面への入射により生じるノイズを抑制するためのスリットと、を備えている。

この様な構成によれば、発光素子から投光レンズに入射するレーザ光の光軸に対する拡がり角を、入射面に形成された凹湾曲面で拡大した後、投光面に形成された凸湾曲面で縮小して、レーザ光を略平行光に変換することができる。レーザ光は、光軸に近いほど強度分布がより均一となり、光軸から離れるほど強度分布がより不均一となる特性がある。従って、光軸に近いレーザ光のみを凹湾曲面に入射させ、その拡がり角を拡大させることにより、凸湾曲面から強度分布がより均一な略平行光を出射させることができる。このように、強度分布を均一に保ったまま小型化が可能となる。また、発光素子から投光レンズに向かうレーザ光がスリットを通過することにより、投光レンズの凹湾曲面にのみレーザ光を照射することができる。これにより、投光レンズの入射面における凹湾曲面以外にレーザ光が入射することにより生じる検出時のノイズを抑制することができるので、より高精度で対象物を検出することができる。

また、レーザ光の強度分布をより均一にすることで、照射範囲を大きくすることなく、できるだけ多くのサイトに均一な強度でレーザ光を入射させることができる。これにより、サイトのばらつきに起因する拡がり角及び拡がり方向のばらつきがあっても、全体的に受光量の変動を小さくすることができる。

投光レンズから出射される光の強度分布が均一であれば、反射光の受光量を閾値と比較する際の誤差を小さくすることができるので、スイッチ本体における反射光の受光面が小さくても高精度で対象物を検出することができる。また、回帰反射板が振動しているような場合でも、受光素子における受光量の変動量が少なく、対象物を良好に検出することができる。従って、受光面を小さくすることによりスイッチ本体を小型化しても、高精度で対象物を検出することができる。

また、本発明による回帰反射型光電スイッチにおいて、前記投光レンズの入射面に形成された凹湾曲面の直径は、前記投光レンズの投光面に形成された該凸湾曲面の直径の略３分の１から略４分の１となるように形成されている。

また、本発明による回帰反射型光電スイッチにおいて、上記ビームスプリッタは、所定の直線偏光のみを上記回帰反射板に向けて通過させるとともに、上記回帰反射板により偏光面が変更された反射光のみを上記受光素子に向けて反射させる。
この様な構成によれば、例えば、ビームスプリッタに入射するレーザ光のうちＰ偏光のみを回帰反射板に向けて通過させ、回帰反射板において入射するＰ偏光の偏光面の角度を９０°変換することによりＳ偏光として、そのＳ偏光をビームスプリッタで反射させて受光素子により受光するような回帰反射型光電スイッチにおいて、小型化及び高精度化を図ることができる。

本発明によれば、投光レンズに入射するレーザ光の光軸に対する拡がり角を凹湾曲面で拡大した後、凸湾曲面で縮小して略平行光に変換することができる。光軸に近いレーザ光のみを凹湾曲面に入射させ、その拡がり角を拡大させることにより、凸湾曲面から強度分布がより均一な略平行光を出射させることができるので、反射光の受光量を閾値と比較する際の誤差を小さくすることができ、スイッチ本体における反射光の受光面が小さくても高精度で対象物を検出することができる。また、回帰反射板が振動しているような場合でも、受光素子における受光量の変動量が少なく、対象物を良好に検出することができる。

また、本発明によれば、ビームスプリッタが配置されることにより発光素子及び投光レンズの間にあまり大きな距離を確保することができないような構成であっても、投光レンズに入射するレーザ光の拡がり角を凹湾曲面で拡大することにより、凸湾曲面において十分な照射範囲を有する略平行光を得ることができ、高精度で対象物を検出することができる。

また、本発明によれば、発光素子から投光レンズに向かうレーザ光がスリットを通過することにより、投光レンズの凹湾曲面にのみレーザ光を照射し、投光レンズの入射面における凹湾曲面以外にレーザ光が入射することにより生じる検出時のノイズを抑制することができるので、より高精度で対象物を検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態による回帰反射型光電スイッチの一構成例を示す概念図である。図１に示すように、この回帰反射型光電スイッチは、発光素子からレーザ光Ｂを照射し、その反射光を受光素子で受光するスイッチ本体１と、スイッチ本体１から照射されたレーザ光Ｂを反射させるための回帰反射板２と、スイッチ本体１にケーブル３を介して接続され、スイッチ本体１の動作を制御するためのコントローラ４とを備えている。

この回帰反射型光電スイッチは、工場などに設置され、例えば図１に示すように、ベルトコンベア５上を搬送される対象物６を検出するために用いられる。スイッチ本体１及び回帰反射板２は、対象物６の搬送経路を挟んで配置され、スイッチ本体１から回帰反射板２に向けて、搬送経路に交差するようにレーザ光Ｂが照射される。この光電スイッチによる検出時には、スイッチ本体１に取り付けられた表示灯１１が点灯することにより、検出中である旨が報知される。

スイッチ本体１と回帰反射板２との間に対象物６がないときには、スイッチ本体１から照射されたレーザ光Ｂが、対象物６に遮られることなく回帰反射板２に到達し、回帰反射板２で反射したレーザ光Ｂが、スイッチ本体１の側面に形成された受光面７からスイッチ本体１内に入射する。本実施の形態では、スイッチ本体１の側面に形成された略矩形の開口８に嵌め込まれたアクリル板などの透明板９により受光面７が構成されており、スイッチ本体１から照射されるレーザ光Ｂも、この透明板９を通過して回帰反射板２へ向かうようになっている。本実施の形態の回帰反射型光電スイッチは、照射したレーザ光Ｂが回帰反射板２で反射することにより、その進行方向がほぼ１８０°変換されて同軸上で回帰する、いわゆる同軸回帰反射型光電スイッチである。

回帰反射板２は略矩形状に形成されており、その外周が保持板１０により保持され、この保持板１０を介して所定の取付位置に取り付けられる。この回帰反射板２は、スイッチ本体１に対向して配置される側の面に、多角錐形状（例えば、四角錐状又は六角錐状）や球面形状といった立体形状の突部が多数配列されることにより立体反射面が形成された周知の構成を有している。スイッチ本体１から照射されるレーザ光Ｂは、いわゆるＰ偏光（直線偏光）であって、そのＰ偏光が回帰反射板２で反射される際に偏光面の角度が９０°変換されることにより、いわゆるＳ偏光（直線偏光）となる。以下では、スイッチ本体１からの照射光がＰ偏光、回帰反射板２からの反射光がＳ偏光の場合について説明するが、これは一例であって、スイッチ本体１からの照射光がＳ偏光、回帰反射板２からの反射光がＰ偏光であってもよい。

スイッチ本体１内の受光素子は、受光面７から入射した反射光がＳ偏光の場合にのみ、その反射光を受光する。従って、スイッチ本体１と回帰反射板２との間に対象物６がなければ、回帰反射板からの反射光（Ｓ偏光）が受光素子で受光されることにより、受光素子において比較的多くの受光量が得られる。一方、図１に破線で示すように、スイッチ本体１と回帰反射板２との間に対象物６が存在する場合には、受光素子において反射光がほとんど受光されない。すなわち、鏡面の対象物が回帰反射板２との間に存在する場合には、スイッチ本体１から照射されたＰ偏光が鏡面で反射する際にＳ偏光とはならず、Ｐ偏光のまま反射されるので、反射したＰ偏光は受光素子によりほとんど受光されない。また、非鏡面の対象物が回路反射板２との間に存在する場合には、スイッチ本体１から照射されたＰ偏光が対象物で十分に反射されないため、反射光が受光素子によりほとんど受光されない。この様に、回帰反射型光電スイッチによれば、鏡面の対象物及び非鏡面の対象物のいずれであっても、受光素子における受光量の低下に基づいて良好に対象物を検出することができる。

図２は、図１のスイッチ本体１の分解斜視図である。以下では、説明の便宜のために、図２における上側を上方向、下側を下方向、左側を左方向、右側を右方向として説明することとする。

このスイッチ本体１は、略中空直方体形状に形成されたケーシング２０により外形が区画される。ケーシング２０は、第１ケーシング２１と第２ケーシング２２とが接着剤などを用いて互いに結合されることにより形成される。第１ケーシング２１は、その上面、左面及び右手前側角部にそれぞれ開口部２３，２４，２５が形成された平面視略矩形の箱状部材である。第２ケーシング２２は、第１ケーシング２１の上面の開口部２３に対応する平面視略矩形状の板状部材であって、その左側辺及び右手前側角部には、第１ケーシング２１の開口部２４，２５にそれぞれ対応する突出部２６，２７が、下方に向かって突出形成されている。従って、第１ケーシング２１の上面の開口部２３を覆うように上方から第２ケーシング２２を取り付けることにより、ケーブル３をスイッチ本体１に接続するコネクタ２８を取り付けるためのコネクタ取付口２９、表示灯１１を取り付けるための表示灯取付口３５及び透明板９が嵌め込まれる開口８を除いて、ケーシング２０を閉じることができる。

第２ケーシング２２の突出部２６，２７には、それぞれ上下方向に貫通する挿通孔３０，３１が形成されている。これらの挿通孔３０，３１にボルトなどの固定具を挿入して所定の取付位置に取り付けることにより、スイッチ本体１を固定することができる。第２ケーシング２２に挿通孔３０，３１を形成することにより、第１ケーシング２１の突出部２６，２７に対応する位置に開口部２４，２５を形成することができる。したがって、組立て時に、開口部２４を利用して発光素子の焦点調整を行うことができるので、組立て時の作業性が向上する。

第１ケーシング２１内には、発光素子４１や受光素子４２を含むレーザ光の照射及び受光のための光学系４０、発光素子４１の制御回路が実装された発光回路基板６０、受光素子４２の制御回路が実装された受光回路基板７０、受光回路基板７０に接続され、受光素子４２を保持する保持基板８０などの部品が配置される。光学系４０には、発光素子４１及び受光素子４２の他、投光レンズ４３、投光スリット板４４、投光偏光板４５、ビームスプリッタ４６、透明板９、受光偏光板４７、受光レンズ４８及び受光スリット板４９が含まれる。これらの部品を第１ケーシング２１に対して上方から組み付けることにより、組立て時の作業性が向上する。

第１ケーシング２１の内底面は、光学系４０の各部品及び受光回路基板７０を取り付けるための取付面３２を構成している。取付面３２には、上方に向かって突出する複数のリブが形成されており、これらの複数のリブにより、光学系４０の各部品及び受光回路基板７０を嵌め込んで取り付けるための取付位置が形成されている。光学系４０の各部品のうち発光素子４１以外の部品及び受光回路基板７０は、上方から開口部２３を介して第１ケーシング２１内に挿入され、取付面３２上に取り付けられる。一方、発光素子４１は、開口部２４から右側に向かって第１ケーシング２１内に挿入され、取付面３２上に取り付けられる。

発光素子４１、投光レンズ４３、投光スリット板４４、投光偏光板４５、ビームスプリッタ４６及び透明板９（以下、これらを総称して「投光光学系」と呼ぶ。）は、第１ケーシング２１の後内側面に沿って、発光素子４１からのレーザ光の照射方向（右方向）に向かって、この順序で配置される。ここで、後内側面は、第１ケーシング２１の後方外周壁内面を構成しており、投光光学系はそれぞれ外周壁である後内側面に沿って形成されるリブに取り付けられる。受光偏光板４７、受光レンズ４８、受光スリット板４９及び受光素子４２（以下、これらを総称して「受光光学系」と呼ぶ。）は、第１ケーシング２１の右内側面に沿って、ビームスプリッタ４６に対して手前側に向かって、この順序で配置される。ここで、右内側面は、第１ケーシング２１の右方外周壁内面を構成しており、受光光学系はそれぞれ外周壁である右内側面に沿って形成されるリブに取り付けられる。

これにより、光学系４０の各部品は、第１ケーシング２１内において、第１ケーシング２１の後内側面及び右内側面に沿って略Ｌ字状に配置される。言い換えれば、第１ケーシング２１には、後方側面と、この面と交わる辺を有する右方側面が形成され、これら側面に隣接する略Ｌ字状のスペースに、上記光学系４０を集約配置している。これにより、光学系４０以外の回路等の配置領域を、分割配置させることなく単一のスペースとして最大限確保している。また、その交点とは対向する位置にケーブル３を取り付けるためのコネクタ２８を配置することにより、回路及びコネクタ間が短縮化されるので、効率的な配線が可能になる。さらに、表示灯１１を左方側面と後方側面とが交わる位置に配置することにより、光電スイッチが工場施設等に設置された後であっても、作業者が後方や上方、左右方向から検出状態を確認できるため、視認性が向上する。

また、上記のような配置により、ビームスプリッタ４６に対して、投光及び受光のいずれにおいても平行光のみを入射させることができる。これにより、全ての光線を後述する偏光膜５３に対してほぼ４５°の入射角で入射させることができ、Ｐ偏光及びＳ偏光の分光効率が向上する。偏光膜５３に対する入射角が４５°からずれると、Ｐ偏光及びＳ偏光の分光効率が低下し、本来ならビームスプリッタ４６及び受光偏光板４７を通過しないはずの鏡面での正反射光（偏光が変化しない反射光）が受光素子４２に到達してしまう場合がある。したがって、全ての光線を偏光膜５３に対してほぼ４５°の入射角で入射させることにより、偏光膜５３における光の通過及び反射を良好に行うことができる。

また、発光素子４１とビームスプリッタ４６の間に投光レンズ４３を配置し、受光素子４２とビームスプリッタ４６との間に受光レンズ４８を配置することにより、レンズ４３，４８を通過する際の複屈折による偏光の乱れを防止することができ、これにより、Ｐ偏光及びＳ偏光の分光効率が向上する。例えば、１つのレンズを共通で用いて、このレンズに対して、レンズ、ビームスプリッタ、発光素子の順序で投光光学系を配置し、レンズ、ビームスプリッタ、受光素子の順序で受光光学系を配置した場合には、レンズにおいて複屈折が生じると、鏡面での反射光がレンズを通ることによって偏光が乱される場合がある。この場合、レンズを通ることにより偏光が乱された反射光がビームスプリッタに入射し、本来なら偏光膜で反射しないはずの光が反射し、受光素子に到達してしまう。本実施の形態によれば、レンズ４３，４８を通過する際の複屈折による偏光の乱れを防止することができるので、鏡面での反射光が受光素子に到達するのを防止できる。

受光回路基板７０は、取付面３２上における光学系４０が配置されている領域以外の領域、すなわち左手前側の領域に、取付面３２に対面するように配置される。保持基板８０は、受光回路基板７０の右側辺に沿って上方に直立するように取り付けられ、受光回路基板７０に対して半田付けにより電気的に接続される。この保持基板８０は、長さの異なる受光素子４２の端子を受光回路基板７０に接続するために、それらの端子を水平方向に引き出す（配線する）役割を果たしている。

発光回路基板６０は、第１ケーシング２１内における上側に、上方から見て光学系４０の一部にオーバーラップするように配置される。より具体的には、発光回路基板６０は、光学系４０の各部品のうち透明板９、受光スリット板４９及び受光素子４２以外の部品、並びに受光回路基板７０にオーバーラップするように配置される。このように、発光回路基板６０は、少なくとも受光回路基板７０と投影面上同じ領域と、第１ケーシング２１内の発光回路基板６０の高さ位置において干渉するものが存在しない領域とに配置されることが望ましい。言うまでもないが、受光素子４２等が、発光回路基板６０に干渉しない高さであったならば、他の条件も含めた最適化領域で光学系４０とオーバーラップさせることができる。これにより、発光回路基板６０と受光回路基板７０とが、第１ケーシング２１内において、互いに一定間隔を空けて２段配置される。コネクタ２８は、発光回路基板６０及び受光回路基板７０に対して、それぞれ半田付けにより電気的に接続される。

本実施の形態では、光学系４０の各部品が、取付面３２上に取り付けられることにより、第１ケーシング２１内における下側半分程度の空間に配置される。従って、透明板９により構成される受光面７は、第１ケーシング２１の右側面における下側半分程度の領域に配置されることとなり、図１に示すように、回帰反射板２側からスイッチ本体１を見たときに、受光面７がケーシング２０の厚み方向（第１ケーシング２１と第２ケーシング２２が並ぶ方向）の一方側に偏った状態となる。このように一方側に偏らせることにより、発光回路基板６０が光学系４０にオーバーラップできる高さ方向の余裕度を持たせている。

図３は、図２の光学系４０の構成を示す斜視図であって、光学系４０の一構成部品である受光素子４２を省略して示している。また、図４は、発光素子４１から照射されたレーザ光が受光素子４２で受光されるまでの概略的な光路図である。

発光素子４１は、レーザダイオードにより構成され、右方向に向かってレーザ光を照射する。投光レンズ４３は、発光素子４１から入射されたレーザ光を、略平行光に変換して出射する。投光レンズ４３から出射されたレーザ光の一部は、投光スリット板４４に形成された略円形のスリット５０を通って投光偏光板４５に導かれる。このようにレーザ光がスリット５０を通過することにより、レーザ光の照射範囲を略円形のスポット状に限定することができる。

ビームスプリッタ４６は、ほぼ同一の略三角柱形状を有する２つのプリズム５１，５２を互いに当接させて結合することにより、一辺の長さが３．５ｍｍ程度の略立方体形状に形成されている。投光偏光板４５は、一方のプリズム５１の左側面に当接し、投光スリット板４４との間に挟み込まれている。また、受光偏光板４７は、他方のプリズム５２の前側面に当接している。２つのプリズム５１，５２の当接面には、レーザ光の照射方向に対して４５°傾斜した面内に延びるように偏光膜５３が挟み込まれている。

投光偏光板４５は、入射されるレーザ光のうちＰ偏光のみを通過させる。従って、投光スリット板４４のスリット５０を通過したレーザ光のうちＰ偏光のみが、投光偏光板４５を通過し、ビームスプリッタ４６に入射する。ビームスプリッタ４６の偏光膜５３は、発光素子４１側（左側）から入射するレーザ光のうちＰ偏光のみを通過させる。このように、それぞれＰ偏光のみを通過させる投光偏光板４５及び偏光膜５３をレーザ光が通過することにより、レーザ光からより高精度でＰ偏光のみを抽出することができる。

ビームスプリッタ４６の偏光膜５３を通過したレーザ光（Ｐ偏光）は、ビームスプリッタ４６の右側面から出射され、透明板９を通過する。これにより、スイッチ本体１から回帰反射板２に向けてレーザ光が照射され、スイッチ本体１と回帰反射板２との間に対象物６がなければ、照射されたレーザ光が対象物６に遮られることなく回帰反射板２で反射する。レーザ光は、回帰反射板２で反射する際、上述した通り、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。

回帰反射板からの反射光（Ｓ偏光）は、受光面７からスイッチ本体１に入射する。受光面７は、一辺の長さが３．５ｍｍ程度の略正方形状に形成されている。発光素子４１の照射点Ｐ１から受光面７までの距離は、１０ｍｍ程度である。受光面７からスイッチ本体１に入射した反射光は、透明板９を通って、ビームスプリッタ４６に至る。ビームスプリッタ４６の偏光膜５３は、回帰反射板２側（右側）から入射するレーザ光のうちＳ偏光のみを反射させる。従って、ビームスプリッタ４６の右側面に入射したレーザ光は、偏光膜５３で反射することにより、進行方向が９０°変換されて受光偏光板４７側に向かう。受光偏光板４７は、入射されるレーザ光のうちＳ偏光のみを通過させる。このように、Ｓ偏光のみを反射させる偏光膜５３でレーザ光を反射させ、Ｓ偏光のみを通過させる受光偏光板４７を通過させることにより、レーザ光からより高精度でＳ偏光のみを抽出することができる。

受光偏光板４７を通過したレーザ光（Ｓ偏光）は、受光レンズ４８の入射面５４に入射する。受光レンズ４８の入射面５４には、球面状の凸湾曲面が形成されており、この凸湾曲面を通過することによりレーザ光が集光される。受光レンズ４８を通過することにより集光されたレーザ光の一部は、受光スリット板４９に形成された略矩形のスリット５５を通って、フォトダイオードにより構成される受光素子４２で受光される。このようにレーザ光がスリット５５を通過することにより、太陽光や蛍光灯からの光などの外乱光が入り込むのを阻止することができる。

受光素子４２で受光されたレーザ光の受光量のデータは、ケーブル３を介してコントローラ４に送信される。コントローラ４は、ＣＰＵ（図示せず）を備えており、このＣＰＵが、受信した受光量のデータを所定の閾値と比較することにより、スイッチ本体１と回帰反射板２の間における対象物６の有無を検出する。すなわち、ＣＰＵは、受光量が所定の閾値以上であれば対象物６がないと判定し、受光量が所定の閾値未満であれば対象物６があると判定する。

スイッチ本体１の寸法は、光学系４０の各部品の寸法や配置構成、並びに、発光回路基板６０、受光回路基板７０及び保持基板８０などの他の部品の寸法や配置構成などに依存する。本実施の形態のスイッチ本体１は、これらの寸法及び配置構成などを工夫することにより、図１に示すように、発光素子４１からの照射方向に沿った長さＬ１が２３ｍｍ程度、受光素子４２への受光方向に沿った長さＬ２が１８ｍｍ程度、これらの方向Ｌ１，Ｌ２に直交する方向（厚み方向）の長さＬ３が８．５ｍｍ程度に設定され、従来品と比較して非常に小型化されている。

図５は、図３の投光レンズ４３の斜視図であって、（ａ）は、発光素子４１と反対側からの斜視図、（ｂ）は、発光素子４１側からの斜視図を示している。この投光レンズ４３は、発光素子４１側からの平面視において略矩形状に形成された本体部９０と、この本体部９０の発光素子４１側の面から発光素子４１側に向かって突出する略円柱状の第１突部９１と、この第１突部９１の発光素子４１側の面から発光素子４１側に向かって同一軸線上に突出し、第１突部９１よりも小径の略円柱状からなる第２突部９２とが、透明な樹脂又はガラスで一体成形されることにより構成されている。第２突部９２により形成される段差部には、後述する入射面９３の凹湾曲面９５以外に光が入射するのを阻止するためのスリットを組み付けることができる。

第２突部９２の発光素子４１側の面は、発光素子４１から照射されたレーザ光が入射される入射面９３を構成している。また、本体部９０の発光素子４１と反対側の面は、レーザ光を略平行光に変換して出射させる投光面９４を構成している。入射面９３と投光面９４の距離は、２．７ｍｍ程度である。入射面９３には、発光素子４１とは反対側に窪んだ球面状の凹湾曲面９５が形成されている。一方、投光面９４には、発光素子４１とは反対側に張り出した球面状の凸湾曲面９６が形成されている。

凹湾曲面９５は、発光素子４１側からの平面視において直径が０．７８ｍｍ程度の略円形状であり、曲率半径が０．５３ｍｍ程度である。一方、凸湾曲面９６は、発光素子４１と反対側からの平面視において直径が２．６ｍｍ程度の略円形状であり、曲率半径が１．９６ｍｍ程度である。この様に、平面視において、凹湾曲面９５の面積は凸湾曲面９６の面積よりも小さくなるように形成されている。凹湾曲面９５の直径は、凸湾曲面９６の直径の３分の１から４分の１程度であることが好ましい。これは、レンズ成形上、上記直径範囲でなければ、他の測定器との関係で面精度を測定することができないためである。また、黒いシルク印刷による凹湾曲面９５以外の遮光をするために、位置ずれ誤差を考慮すると、上記直径範囲の凹湾曲面９５にするのが妥当である。凹湾曲面９５及び凸湾曲面９６は、それぞれの中心軸線がレーザ光の照射方向に沿って同一直線状に位置するように配置されている。

図６は、投光レンズ４３，１４３を通過する際のレーザ光の様子を示す光路図であって、（ａ）は、本実施の形態の投光レンズ４３による場合、（ｂ）は、従来例の投光レンズ１４３による場合を示している。図６に示すように、発光素子４１から照射されるレーザ光は、その光軸Ａに対して所定の角度（拡がり角）で拡がりながら投光レンズ４３，１４３に入射する。

図６（ａ）において、発光素子４１から照射されたレーザ光は、入射面９３の凹湾曲面９５に入射する。レーザ光の拡がり角は、凹湾曲面９５から投光レンズ４３内に入射する際に拡大され、その拡大された拡がり角で投光レンズ４３内を通過する。投光面９４の凸湾曲面９６の形状（直径）は、入射面９３の凹湾曲面９５全体にレーザ光が入射した場合に、凹湾曲面９５で拡がり角が拡大されたレーザ光が投光面９４に到達する範囲に対応するように設定されている。従って、入射面９３から投光面９４に到達したレーザ光は、ほぼ全てが凸湾曲面９６を通って出射される。投光レンズ４３から出射されるレーザ光は、凸湾曲面９６を通過する際に拡がり角が縮小され、略平行光となる。発光素子４１の照射点Ｐ１から凹湾曲面９５の底点Ｐ２までの距離Ｌ４は、３ｍｍ程度である。また、発光素子４１の照射点Ｐ１から凸湾曲面９６の頂点Ｐ３までの距離Ｌ５は、６ｍｍ程度である。

図６（ｂ）に示す従来例の投光レンズ１４３は、発光素子４１側の入射面１９３が平坦面で形成され、発光素子４１と反対側の投光面１９４に凸湾曲面１９５が形成された形状を有している。入射面１９３と投光面１９４の距離は、１．３ｍｍ程度である。また、凸湾曲面１９５は、発光素子４１側と反対側からの平面視において直径が２．６ｍｍ程度の略円形状であり、曲率半径が３．５ｍｍ程度である。発光素子４１の照射点Ｐ１から凸湾曲面１９５の頂点Ｐ４までの距離は、図６（ａ）の投光レンズ４３における発光素子４１の照射点Ｐ１から凸湾曲面９６の頂点Ｐ３までの距離Ｌ５と同じ６ｍｍ程度である。ただし、従来例の投光レンズとしては、上記のように入射面１９３が平坦面で形成され、投光面１９４に凸湾曲面１９５が形成された形状のもの以外に、入射面に凸湾曲面が形成され、投光面が平坦面で形成された形状のものも知られている。

図６（ｂ）において、発光素子４１から照射されたレーザ光は、平坦面からなる入射面１９３に入射し、その拡がり角がほとんど変換されることなく投光レンズ１４３内を通過する。そして、投光面１９４の凸湾曲面１９５に到達したレーザ光は、凸湾曲面１９５を通過する際に拡がり角が縮小され、略平行光となる。図６（ａ）及び（ｂ）に示す各投光レンズ４３，１４３は、それぞれ異なる形状を有しているが、各投光面９４，１９４から出射される略平行光の照射範囲は、ほぼ同じである。

図７は、図６の各投光レンズ４３，１４３を通過する際のレーザ光の強度分布を模式的に示した図であって、（ａ）は、本実施の形態の投光レンズ４３による場合、（ｂ）は、従来例の投光レンズ１４３による場合を示している。

まず、図７（ｂ）に示す従来例の投光レンズ１４３について説明する。この投光レンズ１４３では、入射面１９３が平坦面で形成されているので、上述した通り、入射面１９３に入射したレーザ光は拡がり角がほとんど変換されることなく投光面１９４に到達する。レーザ光は、光軸Ａに近いほど強度分布がより均一となり、光軸Ａから離れるほど強度分布がより不均一となる特性がある。この投光レンズ１４３のように拡がり角が変換されなければ、レーザ光は発光素子４１から照射された際の強度分布の比率を維持したまま投光面１９４に到達する。従って、投光面１９４に到達したレーザ光の強度分布は、図７（ｂ）に示すように、光軸Ａに近い範囲はある程度均一であるが、光軸Ａから少し離れると急激に強度が低下するような強度分布を呈する。発光素子４１と投光レンズ１４３との距離を広げれば、投光面１９４に到達するレーザ光の強度分布をもっと均一にすることができるが、光学系４０の小型化による制約から、上述の距離Ｌ５を一定の小さい値とした場合には、図７（ｂ）に示すような不均一な強度分布となる。

一方、図７（ａ）に示す本実施の形態の投光レンズ４３においては、発光素子４１から照射されるレーザ光のうち、光軸Ａに近い範囲Ｓのレーザ光のみが入射面９３の凹湾曲面９５に入射する。この範囲Ｓのレーザ光は、それ以外の範囲（光軸Ａから離れた範囲）のレーザ光と比べてより均一な強度分布を呈している。このように、より均一な強度分布を有する範囲Ｓのレーザ光のみを凹湾曲面９５で拡大すると、投光面９４に到達したレーザ光の強度分布は、図７（ａ）に示すように、光軸Ａに対して均一な範囲Ｓが拡大した強度分布となる。

上記の比較結果から明らかなように、本実施の形態によれば、光軸Ａに近いレーザ光のみを凹湾曲面９５に入射させ、その拡がり角を拡大させることにより、凸湾曲面９６から強度分布がより均一な略平行光を出射させることができる。投光レンズ４３から出射される光の強度分布が均一であれば、反射光の受光量を閾値と比較する際の誤差を小さくすることができるので、スイッチ本体１における反射光の受光面７が小さくても高精度で対象物６を検出することができる。また、回帰反射板２が振動しているような場合でも、受光素子４２における受光量の変動量が少なく、対象物６を良好に検出することができる。従って、受光面７を小さくすることによりスイッチ本体１を小型化しても、高精度で対象物６を検出することができる。

また、本実施の形態のように、発光素子４１及び投光レンズ４３と同一直線状にビームスプリッタ４６が配置された構成の場合、スイッチ本体１を小型化するためには、発光素子４１及び投光レンズ４３の間にあまり大きな距離を確保することができないが、発光素子４１から投光レンズ４３に入射するレーザ光の拡がり角を凹湾曲面９５で拡大することにより、凸湾曲面９６において十分な照射範囲を有する略平行光を得ることができる。また、凹湾曲面９５を利用することで、照射範囲内の強度分布を均一にすることができるので、発光素子４１及び投光レンズ４３の距離を離した場合と同様の効果を得ることができる。従って、ビームスプリッタ４６を備えた構成であっても、照射範囲及び照射範囲内での強度分布を保ったまま小型化できるとともに、発光素子４１と投光レンズ４３の距離の拡大に伴う光軸ずれを低減できるので、高精度で対象物６を検出することができる小型の回帰反射型光電スイッチを提供することができる。

本実施の形態では、図２に示すように、発光素子４１と投光レンズ４３の間に配置されているリブ３３に、発光素子４１から投光レンズ４３に向かうレーザ光が通過するスリット３４が形成されている。このスリット３４は、投光レンズ４３の凹湾曲面９５の形状に応じた形状を有している。すなわち、発光素子４１から投光レンズ４３に向かうレーザ光がスリット３４を通過することにより、投光レンズ４３の凹湾曲面９５にのみレーザ光を照射することができるように、スリット３４の形状が設定されている。これにより、投光レンズ４３の入射面９３における凹湾曲面９５以外にレーザ光が入射することにより生じる検出時のノイズを抑制することができるので、より高精度で対象物６を検出することができる。このように、上述したような凹湾曲面９５を利用した投光レンズ４３を採用することにより、光学系４０の小型化も可能となる。また、その光学系４０の小型化によって、上述した回路基板等の配置による小型化を妨げることがないので、総合的な光電スイッチの小型化が可能となる。

本発明は、以上の実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

本発明の実施の形態による回帰反射型光電スイッチの一構成例を示す概念図である。 図１のスイッチ本体の分解斜視図である。 図２の光学系の構成を示す斜視図であって、光学系の一構成部品である受光素子を省略して示している。 発光素子から照射されたレーザ光が受光素子で受光されるまでの概略的な光路図である。 図３の投光レンズの斜視図であって、（ａ）は、発光素子と反対側からの斜視図、（ｂ）は、発光素子側からの斜視図を示している。 投光レンズを通過する際のレーザ光の様子を示す光路図であって、（ａ）は、本実施の形態の投光レンズによる場合、（ｂ）は、従来例の投光レンズによる場合を示している。 図６の各投光レンズを通過する際のレーザ光の強度分布を模式的に示した図であって、（ａ）は、本実施の形態の投光レンズによる場合、（ｂ）は、従来例の投光レンズによる場合を示している。 回帰反射板の立体反射面におけるレーザ光の反射態様の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ スイッチ本体
２ 回帰反射板
６ 対象物
７ 受光面
２０ ケーシング
２１ 第１ケーシング
２２ 第２ケーシング
３２ 取付面
３３ リブ
３４ スリット
４０ 光学系
４１ 発光素子
４２ 受光素子
４３ 投光レンズ
４６ ビームスプリッタ
９３ 入射面
９４ 投光面
９５ 凹湾曲面
９６ 凸湾曲面

Claims (3)

1. 照射光の回帰反射板による反射光を受光し、その受光量を所定の閾値と比較して対象物を検出する回帰反射型光電スイッチにおいて、
   レーザ光を照射する発光素子と、
   平坦面と略円形状の凹湾曲面が形成され、上記発光素子から照射された上記レーザ光が該凹湾曲面に入射される入射面、及び、該凹湾曲面よりも面積の大きい凸湾曲面が形成され、上記レーザ光を該凸湾曲面から出射させる投光面を有し、上記レーザ光を略平行光に変換して上記回帰反射板に照射される上記照射光を生成するための投光レンズと、
   上記照射光の上記回帰反射板による反射光を受光する受光素子と、
   上記発光素子、上記受光素子、及び上記投光レンズが配置されたケーシング内で、上記
   発光素子及び上記投光レンズと同一直線状に配置され、上記投光レンズにて生成された上記照射光を上記回帰反射板に向けて通過させるとともに、上記照射光の上記回帰反射板による反射光を上記受光素子に向けて反射させるビームスプリッタと、
   上記投光レンズの上記ビームスプリッタと反対側に設けられ、上記凹湾曲面の形状に応じた略円形状を有し、上記発光素子から照射されたレーザ光のうち上記凹湾曲面に入射されるレーザ光を通過させるとともに、上記発光素子から照射されたレーザ光の上記平坦面への入射を抑制して、上記受光素子の受光量を所定の閾値と比較して上記対象物を検出する際に該レーザ光の上記平坦面への入射により生じるノイズを抑制するためのスリットと、
   を備えていることを特徴とする回帰反射型光電スイッチ。
2. 前記投光レンズの入射面に形成された凹湾曲面の直径は、前記投光レンズの投光面に形成された該凸湾曲面の直径の略３分の１から略４分の１となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回帰反射型光電スイッチ。
3. 上記ビームスプリッタは、所定の直線偏光のみを上記回帰反射板に向けて通過させるとともに、上記回帰反射板により偏光面が変更された反射光のみを上記受光素子に向けて反射させることを特徴とする請求項１に記載の回帰反射型光電スイッチ。

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