JP6925216B2 - 光電センサ - Google Patents

Description

この発明は、検出体による反射光を受光する光電センサに関する。

三角測距の原理で検出体１０までの距離に基づいて物体の有無を判定する光電センサ（以下、距離設定形光電センサ）では、例えば図８に示すように、検出体１０による反射光の受光素子２２上での受光位置（受光分布の重心位置）に基づいて、検出体１０までの距離を判定している（例えば特許文献１参照）。なお、検出体１０による反射光は拡散反射光のみを有するものとする。距離設定形光電センサでは、設定距離をＢ（距離ｂの位置）としたとき、検出体１０までの距離が、距離ｂよりも距離設定形光電センサに近い距離ａのときには検出体１０が有ると判定し、距離ｂよりも距離設定形光電センサから遠い距離ｃのときには検出体１０が無いと判定する。なお図８に示す距離設定形光電センサにおいて、符号１１は発光素子、符号１２は投光レンズ、符号２１は受光レンズを示している。

一方、図９に示すように、検出体１０が距離設定形光電センサに非常に近い距離ａ’に位置する場合には、当該検出体１０による反射光が受光素子２２から外れてしまい、距離設定形光電センサは検出体１０が無いと判定する。この距離ａ’を含む、検出体１０が距離設定形光電センサに近すぎるために検出体１０が無いと判定してしまう距離領域を、近距離デッド領域と呼ぶ。
図１０に近距離デッド領域Ａ及び検出範囲Ｄの関係の一例を示す。

特開２０１７−７５８６８号公報

近距離デッド領域は、光学構造的に存在する。一方、距離設定形光電センサにより投光される光には、メイン光の他に、素子ホルダ等により反射された迷光が含まれる。そして、検出体１０による反射光のメイン光が受光素子２２のＮ側受光面端部に入射する距離ａ’’付近では、迷光の強度が強く、その影響が無視できなくなる。すなわち、迷光がノイズとなり、距離設定形光電センサのＳ／Ｎ比が悪化する。その結果、近距離デッド領域が大きくなる場合があるという課題がある。

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、迷光による近距離デッド領域の拡大を抑制できる光電センサを提供することを目的としている。

この発明に係る光電センサは、光を発光する発光素子と、光を受光する受光素子と、発光素子を収容した投光収容部及び受光素子を収容した受光収容部を有する素子ホルダとを備え、投光収容部は、内面に設けられ、発光素子により発光されて入射された光を、当該発光素子の位置と受光素子の位置とを含む仮想平面から外れた方向に拡散させる拡散部と、内面に設けられ、発光素子により発光された光の投光方向に沿って広がった階段状に構成された段差部とを有することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、迷光による近距離デッド領域の拡大を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係る距離設定形光電センサの構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における受光素子上での受光位置と検出体までの距離との関係の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における判定部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における素子ホルダの構成例を示す正面図である。 この発明の実施の形態１における投光収容部の構成例を示す側断面図である。 図６Ａ、図６Ｂは、この発明の実施の形態１に係る距離設定形光電センサの効果を示す図であり、図６Ａは従来の距離設定形光電センサを用いた場合での距離３０ｍｍに位置する白紙に対する投光スポットの一例を示す図であり、図６Ｂは実施の形態１に係る距離設定形光電センサを用いた場合での距離３０ｍｍに位置する白紙に対する投光スポットの一例を示す図である。 図７Ａ、図７Ｂは、この発明の実施の形態１に係る距離設定形光電センサの効果を示す図であり、図７Ａは従来の距離設定形光電センサにおける近距離デッド領域及び検出範囲の関係を示す図であり、図７Ｂは実施の形態１に係る距離設定形光電センサにおける近距離デッド領域及び検出範囲の関係を示す図である。 従来の距離設定形光電センサの動作を説明する図である。 従来の距離設定形光電センサにおいて、検出体が近距離デッド領域に位置する場合を示す図である。 従来の距離設定形光電センサにおける近距離デッド領域及び検出範囲の関係の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る距離設定形光電センサの構成例を示す図である。
距離設定形光電センサは、三角測距の原理を利用し、検出領域における検出体１０の有無を判定する。距離設定形光電センサは、図１に示すように、投光部１、受光部２、判定部３及び素子ホルダ４（図４参照）を備えている。投光部１は発光素子１１及び投光レンズ１２を有し、受光部２は受光レンズ２１及び受光素子２２を有している。なお図１では、受光素子２２として２分割フォトダイオードを用いた場合を示している。

発光素子１１は、光を発光する。
投光レンズ１２は、発光素子１１により発光された光を外部に投光する。この投光レンズ１２は、検出領域に対向配置され、発光素子１１により発光された光を検出領域に投光する。

受光レンズ２１は、光を集光する。この受光レンズ２１は、検出領域に対向配置され、検出領域からの光を集光する。
受光素子２２は、受光レンズ２１により集光された光を受光する。受光素子２２は、Ｎ側受光面（Ｎｅａｒ側）及びＦ側受光面（Ｆａｒ側）を有する。Ｎ側受光面は、検出体１０が設定距離よりも近い領域（近距離領域）に位置する場合に当該検出体１０による拡散反射光を受光可能である。また、Ｆ側受光面は、検出体１０が設定距離よりも遠い領域（遠距離領域）に位置する場合に当該検出体１０による拡散反射光を受光可能である。

受光素子２２上での受光位置と距離設定形光電センサから検出体１０までの距離との関係を図２に示す。
図２に示すように、検出体１０までの距離が距離ｂ（設定距離Ｂ）の場合には、当該検出体１０による反射光がＮ側受光面（ＰＤ＿Ｎｅａｒ）とＦ側受光面（ＰＤ＿Ｆａｒ）との境界近傍に受光される。また、検出体１０までの距離が、距離ｂよりも距離設定形光電センサに近い距離ａ（近距離領域上）の場合には、当該検出体１０による反射光がＮ側受光面に受光される。また、検出体１０までの距離が、距離ｂよりも距離設定形光電センサから遠い距離ｃ（遠距離領域上）の場合には、当該検出体１０による反射光がＦ側受光面に受光される。

判定部３は、受光部２による受光結果に基づいて、検出領域における検出体１０の有無を判定する。この判定部３は、図３に示すように、位置判定部３１を有している。なお、判定部３は、システムＬＳＩ等の処理回路や、メモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ等により実現される。

位置判定部３１は、受光部２（受光素子２２）により受光された光の受光位置を判定する。この際、位置判定部３１は、Ｎ側受光面に受光された光を示す信号Ｉ＿ＮｅａｒからＦ側受光面に受光された光を示す信号Ｉ＿Ｆａｒを差分した差分値がしきい値Ａ１より大きいかを判定する（Ｉ＿Ｎｅａｒ−Ｉ＿Ｆａｒ＞Ａ１）。しきい値Ａ１は、位置判定用のしきい値であり、回路ノイズにより距離設定形光電センサがチャタリングしないレベルに設定される。そして、位置判定部３１は、上記差分値がしきい値Ａ１より大きいと判定した場合には、受光位置がＮ側受光面であると判定する。

判定部３は、位置判定部３１による判定結果から検出体１０の有無を判定する。ここで、判定部３は、位置判定部３１により受光位置がＮ側受光面であると判定された場合には、検出体１０が有ると判定する。また、判定部３は、位置判定部３１により受光位置がＮ側受光面であると判定されない場合には、検出体１０が無いと判定する。

素子ホルダ４は、図４に示すように、投光部１（発光素子１１及び投光レンズ１２）を収容した投光収容部４１及び受光部２（受光レンズ２１及び受光素子２２）を収容した受光収容部４２を有する。図４では、距離設定形光電センサのうちの素子ホルダ４の構成のみを図示している。また図５では、距離設定形光電センサのうちの投光収容部４１の構成のみを図示している。

投光収容部４１は、一面が開口された筐体構造に構成されている。図４，５に示すように、投光収容部４１の内部奥には、発光素子１１が取付けられる素子取付け部４１１が設けられている。また、投光収容部４１の開口端には、投光レンズ１２が取付けられるレンズ取付け部４１２が設けられている。また、投光収容部４１の内面（上面、底面及び左右面）には、段差部４１３が設けられている。段差部４１３は、素子取付け部４１１側からレンズ取付け部４１２側に沿って広がった階段状に構成されている。
また、投光収容部４１の内面には、拡散部４１４が設けられている。拡散部４１４は、発光素子１１により発光されて入射された光を、発光素子１１の位置と受光素子２２の位置とを含む仮想平面５から外れた方向に拡散させる。なお図４では、素子ホルダ４の正面図を示しているため、仮想平面５が線状となっているが、この仮想平面５は紙面垂直方向に広がっている。この拡散部４１４は、投光収容部４１における上記仮想平面５上に位置する内面（上面又底面）のうちの、少なくとも、受光素子２２から離れた面（底面）に設けられている。図４，５に示す拡散部４１４は、投光収容部４１の上面及び底面に設けられている。また、図４，５に示す拡散部４１４は、山形形状に構成され、複数設けられている。また、図４，５に示す拡散部４１４は、頂角が６０度に設計された場合を示しているが、これに限らず、頂角は任意の角度に設計可能である。

受光収容部４２は、一面が開口された筐体構造に構成されている。図４に示すように、受光収容部４２の内部奥には、受光素子２２が取付けられる素子取付け部４２１が設けられている。また、受光収容部４２の開口端には、受光レンズ２１が取付けられるレンズ取付け部４２２が設けられている。また、受光収容部４２の内面（上面、底面及び左右面）には、段差部４２３が設けられている。段差部４２３は、素子取付け部４２１側からレンズ取付け部４２２側に沿って広がった階段状に構成されている。

次に、実施の形態１に係る距離設定形光電センサの効果について説明する。
距離設定形光電センサで発生する迷光の主な要因は素子ホルダ４等による反射である。そして、その反射光が受光素子２２のＦ側受光面に入射されることで、距離設定形光電センサのＳ／Ｎ比が悪化し、近距離デッド領域が大きくなる。素子ホルダ４による反射のうち、近距離デッド性能に特に影響するのは投光収容部４１の底面による反射である。
そこで、実施の形態１に係る距離設定形光電センサでは、素子ホルダ４（の特に投光収容部４１の底面）により反射された光（迷光）を、近距離デッド性能に影響のない方向へ散らす効果を有する機構（拡散部４１４）を素子ホルダ４に設けている。これにより、近距離デッド性能に対する迷光による影響を低減でき、近距離デッド性能を改善できる。また図４，５に示す素子ホルダ４では、段差部４１３を設けており、この段差部４１３によっても迷光による影響の低減を図っている。

具体例として、従来の距離設定形光電センサ（図４に示す素子ホルダ４から拡散部４１４を取除いた距離設定形光電センサ）を用いた場合での、距離設定形光電センサから３０ｍｍ離れた位置に配置された白紙への投光スポットを図６Ａに示す。図６Ａにおいて、色の濃い部分が、白紙へ投光された光の強度の強い部分を示している。
図６Ａに示すように、従来の距離設定形光電センサを用いた場合には、素子ホルダ４により反射された迷光が、白紙中央のメイン光の上部に投光されている（符号６０１）。この場合、受光素子２２のＦ側受光面に入射される光が増え、近距離デッド性能が悪化する。

一方、実施の形態１に係る距離設定形光電センサ（図４に示す素子ホルダ４を有する距離設定形光電センサ）を用いた場合での、距離設定形光電センサから３０ｍｍ離れた位置に配置された白紙への投光スポットを図６Ｂに示す。図６Ｂにおいて、色の濃い部分が、白紙へ投光された光の強度の強い部分を示している。
図６Ｂに示すように、図６Ａに対し、実施の形態１に係る距離設定形光電センサでは、素子ホルダ４により反射された迷光が、白紙中央のメイン光の上部において、左右斜め方向に拡散されて投光されている（符号６０２）。受光素子２２である２分割フォトダイオードは、通常、縦寸法より横寸法の方が短い形状であるため、横方向の視野が狭くなる。この結果、受光素子２２では、これら斜め方向に拡散された反射光の影響は受け難い。この場合、受光素子２２のＦ側受光面に入射される迷光が軽減され、距離設定形光電センサのＳ／Ｎ比が改善され、近距離デッド性能が改善される。なお図６Ｂでは、図６Ａと同様に、白紙中央のメイン光の左右にも迷光が投光されている。しかしながら、メイン光の左右に投光された迷光は受光視野から外れるため、自身（距離設定形光電センサ）の近距離デッド性能に影響を与えるものではない。

また、従来の距離設定形光電センサ（図４に示す素子ホルダ４から拡散部４１４を取除いた距離設定形光電センサ）における近距離デッド領域Ａ及び検出範囲Ｄを図７Ａに示し、実施の形態１に係る距離設定形光電センサ（図４に示す素子ホルダ４を有する距離設定形光電センサ）における近距離デッド領域Ａ’及び検出範囲Ｄ’を図７Ｂに示す。なお図７Ａは図１０と同一である。
この図７に示すように、実施の形態１に係る距離設定形光電センサでは、従来の距離設定形光電センサに対し、近距離デッド領域が短くなり、検出範囲が長くなる。

なお上記では、拡散部４１４が山形形状に構成された場合を示した。しかしながら、これに限らず、拡散部４１４は、発光素子１１により発光されて入射された光を、当該発光素子１１の位置と受光素子２２の位置とを含む仮想平面５から外れた方向に拡散させることが可能な形状であればよい。例えば、拡散部４１４として、丸みを帯びた山形形状に構成してもよい。

また上記では、図４に示すように、拡散部４１４を投光収容部４１の上面及び底面のうちの幅方向全面に渡って複数形成した場合を示した。しかしながら、これに限らず、拡散部４１４を単数としてもよいし、拡散部４１４を幅方向における一部分にのみ形成してもよい。例えば、拡散部４１４を投光収容部４１の上面及び底面のうちの幅方向における中央部分（上記仮想平面５付近）にのみ複数形成してもよい。

また上記では、図４，５に示すように、拡散部４１４を投光収容部４１の上面及び底面に設けた場合を示した。しかしながら、これに限らず、拡散部４１４を投光収容部４１の左右面にも設けてもよい。これにより、例えば、距離設定形光電センサが複数近接配置される場合に、隣り合う距離設定形光電センサとの迷光による干渉を抑制できると考えられる。

また上記では、受光素子２２として２分割フォトダイオードを用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、受光素子２２として、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）又は多分割フォトダイオード等の位置検出素子を用いてもよい。

また上記では、光電センサとして、距離設定形光電センサを用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、検出体１０による反射光を受光する光電センサであればよい。光電センサとして、反射形光電センサを用いてもよく、上記と同様の効果を得ることができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、光を発光する発光素子１１と、光を受光する受光素子２２と、発光素子１１を収容した投光収容部４１及び受光素子２２を収容した受光収容部４２を有する素子ホルダ４とを備え、投光収容部４１は、内面に設けられ、発光素子１１により発光されて入射された光を、当該発光素子１１の位置と受光素子２２の位置とを含む仮想平面５から外れた方向に拡散させる拡散部４１４を有するので、迷光による近距離デッド領域の拡大を抑制できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 投光部
２ 受光部
３ 判定部
４ 素子ホルダ
５ 仮想平面
１０ 検出体
１１ 発光素子
１２ 投光レンズ
２１ 受光レンズ
２２ 受光素子
３１ 位置判定部
４１ 投光収容部
４２ 受光収容部
４１１ 素子取付け部
４１２ レンズ取付け部
４１３ 段差部
４１４ 拡散部
４２１ 素子取付け部
４２２ レンズ取付け部
４２３ 段差部

Claims (3)

1. 光を発光する発光素子と、
   光を受光する受光素子と、
   前記発光素子を収容した投光収容部及び前記受光素子を収容した受光収容部を有する素子ホルダとを備え、
   前記投光収容部は、
   内面に設けられ、前記発光素子により発光されて入射された光を、当該発光素子の位置と前記受光素子の位置とを含む仮想平面から外れた方向に拡散させる拡散部と、
   内面に設けられ、前記発光素子により発光された光の投光方向に沿って広がった階段状に構成された段差部とを有する
   ことを特徴とする光電センサ。
2. 前記投光収容部は、一面が開口した筐体構造であり、
   前記拡散部は、前記投光収容部における前記仮想平面上に位置する内面のうちの、少なくとも、前記受光素子から離れた面に設けられた
   ことを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
3. 前記拡散部は、山形形状に構成された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光電センサ。

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