WO2006016504A1

WO2006016504A1 - 光電センサ用の光学素子およびこれを用いた光電センサ

Info

Publication number: WO2006016504A1
Application number: PCT/JP2005/014102
Authority: WO
Inventors: Satoshi Hirono; Shinichiro Komine; Masayuki Kohno; Masayuki Kitanaka; Akihisa Matsuyama
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2007-02-09
Also published as: JPWO2006016504A1

Abstract

　同軸光学系のレンズ体と投光路の転換用の鏡体とが一体化された光学素子１であって、その前面は、投光面（１０）の周囲に凸状の受光面（１１）を連続形成して構成され、背面（１２）はプリズム部として機能する凹部（１３）が形成された平坦面として形成される。またプリズム部（１３）の斜面に対向する側面（１４）には、コリメートレンズ（１５）が一体に設けられる。このコリメートレンズ（１５）に対向する位置には、発光素子（２）が設けられる。発光素子（２）からの光はコリメートレンズ（１５）により平行化されてプリズム部（１３）の斜面に導かれ、さらにこの斜面で全反射して前面の投光面（１０）に達し、検出ビームとして被検出物体Ｓへと導かれる。また、受光面（１１）が受光した被検出物体Ｓからの反射光は、光学素子（１）の内部を収束しながら背面（１２）の方に導かれ、背面（１２）より後方の所定位置で集光する。この集光位置に受光素子（３）が配備される。

Description

明細書

光電センサ用の光学素子およびこれを用いた光電センサ

技術分野

[0001] この発明は、被検出物体や回帰反射板など力の反射光を受光することにより、物体の有無を検出したり、物体までの距離や物体の大きさなどを計測する反射型の光電センサに関する。特にこの発明は、投光路と受光路とが同じ軸上に設定された同軸光学系を有する光電センサに関する。

背景技術

[0002] 図 29は、同軸光学系を有する典型的な光電センサの構成を示す。この光電センサは、発光素子 201および投光レンズ 202から成る投光部 205と、受光素子 203および受光用レンズ 204から成る受光部 206と、ハーフミラー 207とを具備する。投光部 2 05と受光部 206とはそれぞれの光軸が直交するように配備され、その光軸の交わる位置に、前記ハーフミラー 207が反射面を受光部 206側に向け、かつ 45度傾けた状態で配備される。投光部 205からの光は、ハーフミラー 207を介して前方の被検出物体 Sに向けて出射される。被検出物体 Sからの反射光はハーフミラー 207で反射して受光部 206へと導かれる。

[0003] 日本国公開特許公報 2004— 28598号には、上記図 29に示した構成の光電センサのほか、投光部および受光部の関係を上記とは逆にして、投光部からの光を 90度方向転換して被検出物体に導くようにした構成の光電センサが記載されている。また、図 29の構成を改良したものとして、ミラーの中央部に投光部力もの光を通過させるための開口部が形成されたタイプの光電センサや、投光部からの光を前方に導くための投光ガイドが設けられた構成の光電センサなどが記載されている。

[0004] また、日本国公開特許公報平成 10年第 255612号には、投光部および受光部を図 29と同様に配置する場合に、発光素子および受光素子を同一の基板上に実装した例が開示されている。この例では、受光素子をその受光面を基板面と平行にして実装する一方、発光素子については、光の出射面を基板面に直交させるために、端子を 90度曲げた状態で実装して、る (同上公報の図 1参照。）。 [0005] 受光レンズの開口数は、レンズの径 φを大きぐ焦点距離 fを小さくすることによって大きくすることができる。

一方、図 29に示したような受光路を 90度転換するタイプの光電センサにおいて、被検出物体 Sからの反射光を効率良く受光するには、ハーフミラー 207が光軸上に占める長さ Lが受光用レンズ 204の径に対応した長さになるように両者の関係を調整するのが望ましい。このような構成では、受光量を増すためにレンズ 204の径を大きくすると、前記長さ Lも大きくしなければならないから、センサ本体の奥行き、厚みとも増してしまう。また、センサ本体を薄小型化するために前記長さ Lを小さくすると、レンズ 204の径が小さくなつてしまう。このようなこと力ら、センサ本体の小型化と受光量の向上を同時に実現するのは困難である。

[0006] 投光路側を 90度転換するタイプの光電センサにおいても、薄型化のために受光レンズの焦点距離を短くしても、ミラーが受光用レンズの前面に配置されている分、センサ本体を薄型化するのは難しい。また、ミラーを受光用レンズの背面に配置すると

、受光レンズにより集光された経路中にミラーが配置されることになるので、ミラーにより受光素子以外に導かれる光量が増加してしまう。また、このタイプの光電センサでは、ミラーに入りきらな力つた投光ビームが筐体の壁部や開口部などで反射して受光部に入射するなど、迷光によるノイズが発生し、 SZN比が低下するという問題もある

[0007] さらに、 2番目にあげた公報のように、発光素子と受光素子とを同一基板上に実装することも、センサの小型化を妨げる要因となる。基板に 2つの素子を並べられるだけの面積を確保しなければならないからである。し力も、この公報の構成では、発光素子と受光素子との光軸を直交させる都合上、いずれかの素子の接続端子を長くしたり、これを曲げて実装しなければならないなど、実装工程における手間が増大する。また、従来の光電センサでは、いずれもレンズ体や鏡体が独立の部品として構成されて、るので、組立工数が多くなると、う問題もある。

[0008] この発明は上記の諸問題に着目してなされたもので、榭脂材料を用いてレンズ体や鏡体が一体化された光学素子を製作し、この光学素子を用いて同軸光学系を構成することにより、光電センサを小型化するとともに、受光量の増加や迷光によるノィズの削減を実現して性能を向上することを第 1の目的とする。

[0009] また、この発明は、上記の光学素子を用いることにより、光電センサの^ a立工数を大幅に削減し、製造を容易にすることを第 2の目的とする。

発明の開示

[0010] この発明にかかる第 1の光学素子は、透光性を有する榭脂材料による成形体であつて、物体検出用の光を出射するための投光面と、前記投光面の外側に連続形成され、投光面とともに前記成形体の前面を形成する受光面と、前記成形体の背面に開口部を有する凹部として形成される直角プリズムと、前記直角プリズムの斜面に導かれる光を入射させるための光入射面とを有する。前記直角プリズムは、その斜面を前記成形体の一側面に対向させた状態に形成され、前記光入射面から入射した光を前記斜面で全反射させて投光面に導く。また、前記前面の受光面および背面の少なくとも一方はレンズ面として形成されており、このレンズ面により、前面の受光面で受光された光を前記背面よりも後方で集光させるようにしてヽる。

なお、この明細書においては、光学素子や光電センサの被検出物体に対向する側の面を「前面」というものとする。

[0011] 上記の構成によれば、光入射面に対向する位置に発光素子を設け、背面より後方の光の集光する位置に受光素子を設けることにより、同軸光学系を構成することができる。なお、光入射面は、後記する第 5および第 7の態様を除き、成形体の前記直角プリズムの斜面に対向する側面に形成することができる。また後記するように、光入射面は、レンズ面として形成するのが望ましいが、これに限らず、光入射面と発光素子との間に別体のレンズを配置するならば、光入射面を平坦面としてもよい。

[0012] 上記の光学素子による同軸光学系によれば、発光素子からの光は光入射面から光学素子に入射し、直角プリズムの斜面に導かれた後、この斜面で全反射して投光面に導かれ、被検出物体への検出ビームとして前方に出射される。一方、前記検出ビームに対する反射光は、前面の受光面力も光学素子に入射して、背面に向かって進んだ後、背面を通過して受光素子に入射する。

[0013] 前記光学素子の前面は、投光面の周囲に受光面が連続形成された面にすることができる。または後記する複眼構成の光学素子のように、一対の受光面により投光面を挟んだ構成の面とすることもできる。さらに、後記する投受光パッケージの形状に合わせて、前面の受光面の周囲に封止や遮光のための面を連続させるようにしてもよい。

[0014] 上記の光学素子は、受光用のレンズ体と投光路の転換用の鏡体とがー体ィ匕されたものと考えることができる。ここで鏡体に相当する直角プリズムは、光学素子に入射する光の幅に対応する程度の大きさにすれば良い。すなわち、投光路の転換用の鏡体が一体化されても、光学素子の厚みが増加することはな、。

一方、受光用のレンズを高開口化すると光学素子の厚みは増加するが、前面から集光点までの距離は、受光用レンズの高開口化により短くなる。よって、レンズを高開口化しても、光学素子の厚みが顕著に増加することはなぐ光学素子を薄型化することが可能となる。

[0015] また上記の光学素子では、少なくとも直角プリズムの斜面の勾配方向に対する角度のばらつきが小さ!/、光 (好ましくは勾配方向に対する角度が一定の光、すなわちコリメート光)を照射するのが望ましい。

[0016] さらに、上記の光学素子によれば、同軸光学系を構成する部品点数を削減することができる。し力も、この光学素子は、射出成形などの方法で簡単に製作することができるから、組立に要する手間やコストを削減することができる。

[0017] また、光学素子の外部で反射するなどして、前記光入射面を含む側面からプリズムの斜面に導かれないような角度で入射した光があった場合でも、その入射角が光学素子の前面や背面の全反射の臨界角より大きい場合には、この光は素子の内面を反射しながら入射側とは反対側の側面に導かれる。よって前面側の被検出物体や背面側の受光素子への迷光を削減することができ、ノイズを少なくすることができる。

[0018] 上記第 1の光学素子の好ましい態様として、以下に 7つの態様を示す。

まず第 1の態様では、前記レンズ面は前記成形体の前面の受光面および背面の、ずれか一方に形成され、他方は平坦面として形成される。

前面の受光面がレンズ面として形成された場合、このレンズ面に入射した光のうちの一部（投光面に比較的近い部分に入射した光）は下方のプリズムによって背面以外の方向に導かれ、その分、受光量が減少する可能性がある。しかし、受光面の外周近傍に入射した光でも、外部に逃さずに受光素子に導くことが可能になるから、プリズム部による受光量の損失分をカバーすることができ、物体検出に必要な受光量を ½保することができる。

[0019] 前面の受光面が平坦面として形成され、背面がレンズ面として形成された場合には、受光面の外周近傍に入射した光は外部に逃れる可能性がある力直角プリズムによって進行方向が変更される光の量を削減することができる。これをもって受光効率を高めることができるから、物体検出に必要な受光量を確保することができる。

[0020] 上記光学素子の第 2の態様では、前記レンズ面は、前記成形体の前面の受光面および背面の双方に形成される。この構成によれば、光学素子の前後の 2面がレンズ面になるので、レンズの設計自由度が高められ、集光性能を向上することが可能になる。

[0021] 上記光学素子の好ましい第 3の態様では、前記前面の受光面は投光面を挟んで位置する一対のレンズ面として形成され、各レンズ面が受光した光は、それぞれのレンズ面毎にその背後で収束するように構成される。

[0022] 上記第 3の態様に力かる光学素子は、受光面が 2分割された複眼構成の光学素子である。受光面を一面構成として投光面の周囲を取り囲むようにして形成した場合、前記したように、前面に照射された反射光のうちの一部が下方の直角プリズムによつて背面以外の方向に導かれ、受光量に損失が生じる。特に、受光面がレンズ面になる場合には、投光面を含む前面全体を対象にして曲率が設定される可能性が高い力レンズの開口数を大きくするためにレンズ曲率を大きくすると、直角プリズムの影響を受ける領域も大きくなり、受光量の損失がより大きくなる。

これに対し、上記の複眼構成の光学素子では、受光用のレンズ面毎に曲率を設定して光を個別に収束させるので、直角プリズムの影響を受けにくい状態となり、受光量の損失を少なくすることができる。

[0023] 上記光学素子の第 4の態様では、前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面にコリメートレンズが一体に形成され、前記光入射面はコリメートレンズのレンズ面により形成される。

[0024] 上記の態様によれば、光学素子に入射した光は、直ちにコリメート光に変換され、直角プリズムの斜面に対し、約 45度の角度を持つ光として照射される。よって、光学素子に入射した光の殆どが全反射の条件を満たす光となり、投光面に導かれる光量を増加させることができるので、検出ビームの強度を確保することができる。また光学素子と発光素子との間にレンズを設ける必要がなくなり、部品点数を削減することができる。

[0025] 上記光学素子の第 5の態様では、前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面および前面の投光面がそれぞれレンズ面として形成され、前記光入射面は、直角プリズムの斜面に対向する側面のレンズ面により形成される。前記光入射面は、入射した光を、前記直角プリズムの斜面の勾配方向に対して一定角度を有する光または前記勾配方向に対して収束する光に変換する。また、前記投光面は、直角プリズムの斜面で全反射して当該投光面に導かれた光を、前記直角プリズムの斜面の幅方向に沿う幅が一定の光またはこの幅方向に沿って収束する光に変換する。

なお、前記光入射面および投光面をシリンドリカルレンズまたはトーリックレンズのレンズ面として形成することができる。

[0026] この態様は、発光素子としてレーザーダイオードを使用し、かつ検出ビームのコリメ一ト性を重要視する場合に有用な構成となる。レーザーダイオードからのレーザー光の断面は、一般に、直交する 2方向における大きさが異なる楕円状になるが、この楕円形の断面のまま平行ィ匕すると、光の波の特性により径の小さな方がしだいに広がり、コリメート性が失われてしまう。

[0027] 第 5の態様の光学素子を使用する場合には、レーザー光の発散が大きい方向が直角プリズムの斜面の勾配に沿うように発光素子の設置方向を調整する必要がある。このように調整された発光素子からのレーザー光が光入射面を通過すると、この光は、前記発散が大きい方向では一定幅または収束する光となる。またこの発散が大きい方向は直角プリズムの斜面の勾配方向に対応するので、照射光の殆どが全反射の条件を満たすようになり、投光面に導かれるようになる。

[0028] 一方、直角プリズムの斜面の幅方向に対しては、前記レーザー光は発散した状態のまま照射される。この発散状態は全反射の後も続くため、この方向における光の幅はしだいに大きくなる。しかし、投光面を通過する際に、この発散する方向も一定幅または収束するように変換される。よって、投光面から、断面が円形に近ぐかつコリメート性の高い検出ビーム、もしくは集光性の良い検出ビームを出射することが可能になる。

[0029] 上記光学素子の第 6の態様では、前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面に、前記直角プリズムの斜面に平行な斜面を有する第 2の直角プリズムとしての突部が一体に形成される。また、この第 2の直角プリズムの底面 (光学素子においては、背面側に位置すると考えられる。）にコリメートレンズが一体に形成され、前記光入射面は前記コリメートレンズのレンズ面により形成される。

[0030] 上記の態様によれば、光入射面に対向する位置に発光素子を配備すると、この発光素子から入射した光は、直ちに平行化された後、第 2の直角プリズムを介して前記背面の凹部による第 1の直角プリズムに導かれ、投光面へと導かれる。この場合にも、第 1の直角プリズムの斜面の勾配方向に対し、約 45度の角度を有する光を照射できるので、照射光の殆どを全反射させて投光面に導くことが可能になる。

この態様によれば、光入射面は光学素子の側面ではなぐ背面側に設けられることになるから、発光素子も、受光素子と同様に光学素子の背面側に設けることが可能となる。

[0031] 上記の光学素子の第 7の態様でも、第 6の態様と同様の第 2の直角プリズムが設けられる。さらに、第 2の直角プリズムの底面および前記前面の投光面は、それぞれレンズ面として形成され、前記光入射面は、前記第 2の直角プリズムの底面側のレンズ面により形成される。この光入射面は、入射した光を、前記第 2の直角プリズムの斜面の勾配方向に対して一定角度を有する光または前記勾配方向に対して収束する光に変換する。また、前記投光面は、第 1の直角プリズムの斜面で全反射して当該投光面に導かれた光を、前記直角プリズムの斜面の幅方向に沿う幅が一定の光またはこの幅方向に沿って収束する光に変換する。

なお、この態様でも、光入射面および投光面を、シリンドリカルレンズまたはトーリツクレンズのレンズ面として形成することができる。

[0032] この第 7の態様では、第 6の態様と同様に、光学素子の背面側に光入射面を形成するとともに、第 5の態様と同様に、光入射面および投光面の双方をレンズ面とすることで、検出ビームのコリメート性や集光性を高めるようにしたものである。

[0033] つぎに、この発明に力かる第 2の光学素子は、透光性を有する榭脂材料による成形体であって、物体検出用の光を出射するための投光面と、投光面の外側に連続形成され、投光面とともに前記成形体の前面を形成する受光用レンズ面と、前記成形体の上面または下面側で開口するスリット孔と、前記成形体の上面に開口部を有する凹部として前記スリット孔より後方に形成される直角プリズムと、前記成形体の一側面の前記スリット孔に対向する位置に形成された光入射面と、前記成形体の下面の前記直角プリズムの斜面力の反射光が通過する位置に突出形成されるレンズ面とを具備する。前記スリット孔の前記光入射面に対向する側の面は、前記光入射面から入射した光を全反射させて前記投光面に導くことが可能な方向を向いている。また直角プリズムは、その斜面を成形体の下面に対向させた状態に形成され、前面の受光用レンズ面は、その面で受光した光を横幅方向で収束させて直角プリズムの斜面に導く。また前記直角プリズムは、前記受光レンズ面からの収束光を反射させて前記下面のレンズ面に導き、前記下面のレンズ面は、前記直角プリズムの斜面からの反射光を当該レンズ面よりも下方で集光させる。

[0034] 上記構成の光学素子でも、前面で投受光を行うが、受光した光を集光させるのは、光学素子の下面より下方となる。すなわち、側面の光入射面力も入射した光は、スリット孔の反射面で全反射して投光面に導かれる。また受光レンズ面で受光された光は、横幅方向において収束しながら直角プリズムへと導かれ、その斜面で反射した後に、下面のレンズ面を通過してその下方で集光する。

なお、光学素子の上面、下面は便宜上のものであるから、使用の際に、上面を下に向けて配置すれば、受光した光を光学素子より上方位置で集光させることができる。

[0035] 上記の構成の場合、受光レンズ面については、横幅方向に曲率を持たせる必要がある。これを利用して受光レンズ面を横長形状にすれば、受光量を確保しつつ、上下方向の厚みを薄くすることができる。よって、収容空間の上下の余裕度が小さい場合に有用であると考えられる。

[0036] 上記第 1、第 2の光学素子は、投光面からの検出ビームが被検出物体に照射されたときに、この物体からの反射光が受光面に入射することを前提として、検出ビームに対する反射光の受光量が所定のしきい値を超えたときに物体検出信号を出力するタイプの光電センサに使用することができる。また、回帰反射板と対にして用いられ、投光面からの光に対する反射光の受光量が所定のしきい値を下回ったときに物体検出信号を出力するタイプの光電センサに使用することもできる。

[0037] この発明に力かる光電センサは、上記の第 1の光学素子と投光部および受光部が組み込まれた投受光パッケージを具備する。この投受光パッケージには、前記光学素子をその投光面およびレンズ面を前方に開放した状態で支持する支持部が設けられるとともに、前記支持部により支持された光学素子の後方位置に遮蔽部が設けられる。また前記遮蔽部には、前記光学素子により収束した光を通過させるためのアバ一チヤが形成され、この遮蔽部の前面側に、前記光学素子の光入射面に対向するようにして前記投光部が配備されるとともに、背面側に、前記受光部がその受光面を前記アパーチャに対向するようにして配備される。

[0038] 前記投光部はレーザーダイオードなどの発光素子を主要構成とするもので、必要に応じて、発光素子の支持用基板ゃコリメートレンズなどを含めることができる。受光部は、フォト ICにより構成するのが望ましいが、これに限らず、フォトダイオードなどの受光素子のみで構成してもよ、。

また、光学素子と受光部との間には、受光系の焦点距離に応じた空間 (前記ァパーチヤによる空間も含む。）が確保されるようにするのが望ま、。

[0039] 前記した第 5および第 7の態様を除く光学素子を用いる場合には、前記投光部は、その光出射面を前記光学素子の側面に形成された光入射面に対向させた状態で配備される。

一方、第 5および第 7の態様に力かる光学素子を用いる場合には、投光部は、遮蔽部の前面側に、光学素子の背面側に形成された入射面に前記光出射面が対向するようにして配備される。なお、この場合、投光部が受光部と同様に光学素子の背面に位置することになるため、前記遮蔽部の前面側に、投光部を前記光学素子とァパーチヤとの間の空間から遮蔽するための壁部が設けられるのが望ましい。

[0040] この発明に力かる光電センサでは、前述した光学素子を^ aみ込むことにより、投受光パッケージを薄型化することができる。また、投光部および受光部を遮蔽部を挟んで前後に配備することにより、ノッケージの幅も小さくすることができるから、センサ全体を小型化することができる。

[0041] また、組立の際には、たとえば、投受光パッケージの本体部を裏面側を正面に向けて配置して受光部を実装し、つぎに本体部を反転させて投光部を実装し、最後に光学素子を取り付けることができる。このように組立作業も容易になり、製作に力かる効率を向上することができる。

[0042] 好ましい構成の光電センサでは、上記の投受光パッケージは、制御用基板とともに本体ケースに収容される。なお、制御用基板には、投受光部に対する駆動回路のほ力受光部からの受光量信号を処理するための回路 (増幅回路、コンパレータなど）を搭載することができる。

[0043] より好まし、態様に力かる光電センサでは、前記投受光パッケージは、前記投光部および受光部の接続用の回路が形成された三次元射出成形部品（MID)として構成される。このような構成によれば、投光部および受光部の遮蔽部への固定および電気接続を簡単に行うことができる。またパッケージ本体の形状が多少複雑でも容易に製作することができるので、センサの製作に力かる手間や時間を削減でき、コストを抑えることができる。

[0044] さらに前記投受光パッケージは、前記投光部および受光部の接続用の回路と、別体の基板に接続するためのコネクタ部とが表面に一体に形成された三次元射出成形部品として構成することができる。このような構成によれば、基板にも前記コネクタ部に係合するコネクタ部を設けることにより、この基板に対する投受光パッケージの接続を容易に行うことができる。また光学素子や投受光パッケージは榭脂成型品であるため、はんだ付けによる接続を行う場合には、熱による変形や位置ずれの可能性を考慮しなければならないが、上記の構成によれば、そのような問題を考慮せずにすむ。

[0045] この発明によれば、レンズ体や鏡体を一体ィ匕した光学素子を用いて同軸光学系を構成するので、光電センサを小型化できるとともに、受光量の増加や迷光によるノィズの削減を実現して性能を向上することができる。また、前記の一体ィ匕によってセンサの組立工数を削減できる上、榭脂を材料とした成形加工により光学素子を簡単に製作することができるので、製作に力かる手間やコストを大幅に削減することができ、量産化を実現することができる。

図面の簡単な説明

[図 1]この発明にかかる基本構成の光学素子の外観を示す斜視図である。

[図 2]図 2の光学素子の正面図である。

[図 3]図 1, 2の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 4]臨界角より大きな角度で光学素子に入射した光の進行状態を示す説明図である。

[図 5]受光不能領域を示した光学素子の説明図である。

[図 6]基本構成の光学素子の好ましい態様による同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 ₇]バリエーション 1の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 8]ノリエーシヨン 2の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 9]ノリエーシヨン 3の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 10]ノリエーシヨン 4の光学素子の外観を示す斜視図である。

[図 11]バリエーション 4の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 12]バリエーション 5の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 13]バリエーション 6の光学素子の外観を示す斜視図である。

[図 14]ノリエーシヨン 6の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 15]レーザーダイオードの出射光の特性を示す説明図である。

[図 16]ノリエーシヨン 7の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 17]ノリエーシヨン 8の光学素子の外観を示す斜視図である。

[図 18]ノリエーシヨン 8の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 19]ノリエーシヨン 8の光学素子を用いた同軸光学系の構成を示す説明図である。

[図 20]投受光パッケージの構成を示す分解斜視図である。

[図 21]投受光パッケージの構成を示す断面図である。

[図 22]投受光パッケージの他の構成を示す断面図である。

[図 23]図 21の投受光パッケージが組み込まれた光電センサの構成を示す断面図である [図 24]投受光パッケージと基板との他の接続例を示す斜視図である。

[図 25]投受光パッケージと基板との他の接続例を示す斜視図である。

[図 26]光学素子をプリント基板に実装する例を示す断面図である。

[図 27]図 26の基板に遮蔽部材の取り付ける例を示す断面図である。

[図 28]レーザーダイオードの光量の自動調整機能が組み込まれた場合の構成を示す説明図である。

[図 29]従来の代表的な同軸光学系の構成を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0047] (1)光学素子の基本構成

図 1は、この発明にかかる光電センサ用の光学素子の構成例を示す。

この実施例の光学素子 1は、ポリメチノレメタタリレート（PMMA)、ポリカーボネートなどの光学プラスチック材料による成形体であって、表面には反射防止膜が形成されている。なお、この図 1および同様の光学素子を表す以下の各図（図 17, 18, 19, 2 0を除く。）では、被検出物体に対向する光学素子 1の前面を上側に向けて示す。

[0048] 前記光学素子 1は、反射型の光電センサに使用されるもので、その前面は、平坦な円形状の投光面 10の周囲に凸状の受光面 11が連続形成された構成を有する。前記光学素子 1の背面 12は平坦面として形成され、その中央部に凹部 13が形成される。この凹部 13は、開口部を矩形とする直角三角柱であって、図 2に示すように、外側輪郭が前面の投光面 10に外接するように調整される。

[0049] 図 3は、上記の光学素子 1を用いた同軸光学系の構成例を示す。

この同軸光学系では、前記光学素子 1の前記凹部 13の斜面に対向する位置に発光素子 2 (たとえばレーザーダイオード)が配備され、背面 12の背後に受光素子 3 (たとえばフォトダイオード)が配備される。また、発光素子 2と光学素子 1との間には、コリメートレンズ 25が配備される。

[0050] 上記において、発光素子 2からの光は、コリメートレンズ 25により平行にされた後、光学素子 1の前記凹部 13の斜面に対向する側面 14から光学素子 1内に入射し、前記凹部 13に到達する。この場合、光学的に密な媒体 (榭脂)力も粗になる媒体 (空気 )に向力つてコリメート光が進行し、また両媒体の境界が 45度の傾斜角度を持つ斜面になるため、この斜面でコリメート光が全反射する。すなわち、前記凹部 13は、コリメート光を投光面へと導く直角プリズムとして機能することになる。そこで以下では、この凹部 13を「プリズム部 13」と呼ぶことにする。

[0051] 前記コリメート光は、プリズム部 13の斜面で前面側に全反射した後、投光面 10を通過し、検出ビームとして被検出物体 Sに照射される。被検出物体 Sが拡散反射性を有する物体であれば、前記照射光に対する反射光は前記受光面 11を含む光学素子 1 の前面に照射される。この実施例の受光面 11は凸状のレンズ面として形成されているので、受光面 11を通過した反射光は収束しながら背面 12に導かれる。この実施例では、前記収束光が背面 12を通過した後に所定位置で集光するように、受光面 11 の曲率や光学素子の屈折率を調整している。前記受光素子 3は、前記反射光の集光位置に合わせて配備される。

[0052] なお、上記の実施例では、投光面 10を平坦面としている力これに限定されるものではない。たとえば、被検出物体 Sが小型である場合には、投光面 10を凸面にして、収束する検出ビームを生成するのが望ましい。また、被検出物体 Sの大きさ（面積)を計測する場合には、投光面 10を凹面にして発散する検出ビームを生成するのが望ましい。

[0053] 上記の光学素子 1は、被検出物体 Sからの反射光を集光するためのレンズ体と側方からのコリメート光を 90度方向転換する鏡体とを一体ィ匕したものと考えることができる。

一般に受光系の開口数を大きくすると、レンズの径を大きぐ焦点距離を小さくできる。上記の光学素子 1の場合、前記受光面 11の曲率を変えることで開口数を大きくすることができるが、光学素子の厚みは、曲率が大きくなることに伴い厚くなる。一方、側方力ものコリメート光を 90度方向転換する一体ィ匕された鏡体部（プリズム部 13) は、前記コリメートレンズ 25のレンズ径に対応する大きさを持たせる程度で足りるから、光学素子 1の厚みを増す要因にはならない。したがって、光学素子 1の厚さは受光用レンズの開口数を大きくした分だけ厚くはなるが、光学素子 1の前面から集光点までの距離は短くなるので、受光素子 1を薄型化することが可能となる。

[0054] よって、開口数を大きくして受光量を高めても、光学素子を小型にすることができるまた、この光学素子 1は射出成形や 2P法などによって一体に成形することができるので、製作が容易であり、コストを抑えることができる。

[0055] なお、この実施例では、前記発光素子 2ゃコリメートレンズ 25の下方に、レンズ 25 力も漏れた光を吸収するための遮蔽部材 40を設けている。しかし、一部の光は吸収されずに遮蔽部材 40の表面で反射し、その反射光がプリズム部 13の斜面には導かれな、角度をもって、光学素子 1に入射する可能性がある。

し力しながら、この実施例の光学素子 1において、前面や背面での全反射の臨界角よりも大きな角度で入射した光は、図 4に示すように、内面を屈折しながら入射面とは反対の側面へと進行する。このため、被検出物体 S側ゃ受光素子 3側への迷光を抑えることができ、ノイズを大幅に削減することが可能となる。

[0056] ただし、この光学素子 1では、前面の受光面 11がレンズ面として形成されるため、投光面 10を含む前面の中央部に入射した反射光は、プリズム部 13によって進行方向が変更されてしまヽ、受光素子 3に到達しなヽとヽぅ問題がある。

[0057] 図 5は、前記光学素子 1の前面において受光素子への入射が阻まれる領域 100 ( 以下、「受光不能領域 100」という。）を模式的に示したものである。

この光学素子 1では、設計上、前面全体をレンズ面と考えて受光面 11の曲率を設定するため、受光量を高めるために受光面 11の外周側の曲率を大きくすると、投光面 10の近傍の曲率も大きくなり、その結果、受光不能領域 100も大きくなる。したがつて、受光面 11の曲率を大きくしすぎると、力えって受光効率が悪くなるという問題が生じる。

[0058] 上記の受光不能領域 100によって被検出物体 Sの検出に支障が生じる場合には、投光面 10のほか、前記受光不能領域 100を含む部分までを平坦面とし、それより外側の部分を曲面として形成するようにしてもよい。または、後記するノリエーシヨン 1, 4等のように設計を変更してもよヽ。

[0059] 図 6は、前記光学素子 1を好ましい実施形態に変更した場合の同軸光学系の構成を示す。

この実施例の光学素子 1では、前記プリズム部 13の斜面に対向する側面 14に、コリメ一トレンズ 15がー体に設けられる。このコリメートレンズ 15は、前記図 3のコリメートレンズ 25に代わるもので、そのレンズ面に対向する位置に発光素子 2が配備される。

[0060] 上記の構成によれば、光学素子 1にコリメートレンズ 15がー体ィ匕されるので、部品点数をさらに削減することができる。また、レンズの位置合わせを行う必要がなぐ同軸光学系を簡単に組み立てることが可能となる。

[0061] (2)光学素子の設計変更例

以下、この図 6の構成の光学素子 1を基本の構成と考えて、その一部が変更された 8種類の光学素子 1A〜1Hを順に説明する。なお、以下では、各光学素子 1A〜12 Hを登場の順にバリエーション 1, 2, · ' · 8とする。また、いずれのバリエーションでも、基本構成の光学素子 1と同一または対応する構成については、図中に同じ符号を付して示す。また、基本構成と差異のない構成については、説明を省略または簡易化する。

[0062] <バリエーション 1 >

図 7は、ノリエーシヨン 1の光学素子 1Aを含む同軸光学系の構成を示す。この光学素子 1Aでは、投光面 10および受光面 11は一連の平坦面として形成され

、背面 12が凸状のレンズ面として形成されている。その他の構成については、前出のノリエーシヨン 1と同様である。

[0063] 上記の構成によれば、被検出物体 Sからの反射光は、受光面 11で外側に向力つて屈折した後、光学素子 1の内部を進んで背面 12に到達する。この背面 12を通過する際に、前記反射光の進行方向は収束の方向に転換され、その結果、背面 12より後方の所定位置で集光する。

[0064] 上記の光学素子 1Aでは、受光面 11を平坦面としたので、受光面 11の外周近傍に入射した光が外部に逃げる可能性はある力前記した受光不能領域 100の面積を小さくすることができ、受光効率を高めることが可能になる。

[0065] <ノリエーシヨン 2>

図 8は、バリエーション 2の光学素子 1Bを含む同軸光学系の構成を示す。この光学素子 1Bでは、前面の受光面 11および背面 12を、ともに凸状のレンズ面として形成している。このように曲率を有するレンズ面を前後に設けることにより、レンズ設計上の自由度が向上し、集光性能が高められる。ただし、受光面 11を曲面にすると、受光不能領域 100が大きくなるので、この領域 100による受光量の損失が大きくなる場合には、受光不能領域 100に相当する部分を平坦面にするのが望ましい。

[0066] <ノリエーシヨン 3 >

図 9は、ノリエーシヨン 3の光学素子 1Cを含む同軸光学系の構成を示す。この光学素子 1Cでは、前記プリズム部 13の斜面に対向する側面 14に直角三角柱状の突部 16がー体に設けられる。この突部 16の斜面は、前記プリズム部 13の斜面に平行になるように設定される。また突部 16の背面にはコリメートレンズ 15がー体に設けられている。なお、この光学素子 1Cでは、基本構成と同様に、前面の受光面 11 をレンズ面、背面 12を平坦面として形成している力これに限らず、ノリエーシヨン 1 や 2の構成を採用することも可能である。

[0067] この光学素子 1Cでは、前記コリメートレンズ 15に対向する位置、すなわち光学素子 1の背面側に発光素子 2が配備される。これによりコリメートレンズ 15のレンズ面は、投光用の光を入射するための入射面として、前記突部 16は第 2のプリズム部として、それぞれ機能する。よって、発光素子 2からの光はコリメートレンズ 14のレンズ面に入射して平行にされた後、突部 16の斜面で全反射し、前記プリズム部 13へと導かれる。さらに、このプリズム部 13で全反射した光は、前記した各実施例と同様に投光面 10を介して被検出物体 Sへと導かれる。このように背面側力入射した光に 2回の全反射を生じさせることによって、検出ビームを生成することができる。

なお、この実施例では、発光素子 2が受光素子 3と同じ方向に配備されるので、両者の間に遮蔽部 41が設けられる。

[0068] <ノリエーシヨン 4>

図 10は、ノリエーシヨン 4の光学素子 1Dの外観を、図 11は、この光学素子 1を含む同軸光学系の構成を、それぞれ示す。

この光学素子 1Dは、前記受光不能領域 100の存在により受光効率が低下する問題を考慮して、受光面 11を複眼構成にしたものである。

[0069] 具体的には、光学素子 1Dの前面は、帯状の投光面 10の両側にそれぞれ受光面 1 1A, 11Bが連続形成された構成になる。各受光面 11A, 11Bは、いずれも所定の曲率を有する凸面に形成されており、これら受光面 11A, 11Bおよび投光面 10が並ぶ方向がプリズム部 13の斜面の長さ方向に平行になるようにして！/、る。

[0070] 一方、背面 12は、前記基本構成と同様に平坦面として形成され、プリズム部 13の大きさや形成位置も投光面 10に対向するように調整される。なお、この実施例では、図 3の例と同様に外付けのコリメートレンズ 25を使用しているが、図 5の例と同じように、側面 14にコリメートレンズ 15を一体化してもよい。

[0071] 各受光面 11A, 11Bで受光された光はそれぞれその面の後方で収束し、異なる位置に集光する。背面 12の背後には、各領域 11A, 11Bの光の集光位置毎にそれぞれ受光素子 3A, 3Bが設けられる。

[0072] 上記構成の光学素子 1Dによれば、受光面 11A, 11Bの曲率がそれぞれ個別に設定されるので、投光面 10に近い位置の曲率を大きくしても、プリズム部 13の影響を受けずに背面側に反射光を導くことが可能になり、受光効率を高めることができる。また、受光面 11が分割されない構成 (単眼構成)の光学素子 1と同じ開口数を設定する場合にも、受光面 11A, 11B毎に曲率を設定することにより、これらの受光面 11A, 1 1Bの面積の総和を単眼構成の受光面 11の面積よりも小さくすることができるから、光学素子 1をより小型にすることができる。

[0073] <ノリエーシヨン 5 >

図 12は、ノリエーシヨン 5の光学素子 1Eを含む同軸光学系の構成を示す。この光学素子 1Eの凹部 13は、これまでの実施例の凹部 13より格段に横断面が小さな四角柱の先端に三角柱を連ねた形状のもので、先端の三角柱 13aがプリズム部として機能する。プリズム部 13aの斜面に対向する側面 14には、集光レンズ 17がー体に設けられる。また、前面の中央部にはコリメートレンズ 18がー体に設けられ、そのレンズ面が投光面 10に設定される。なお、受光面 11は基本構成と同様のレンズ面であり、背面 12も基本構成と同様の平坦面として形成される。

[0074] 前記側面 14の集光レンズ 17のレンズ面は、発光素子 2からの光を受ける光入射面として機能する。前記プリズム部 13aは、前記集光レンズ 17の上部に対向する高さに位置するように、その形成位置が調整される。また、発光素子 2から集光レンズ 17の上部に入射した光の屈折方向がほぼ水平になるように、発光素子 2の光軸が集光レンズ 17側の光軸より下方に設定される。このような調整により、発光素子 2から集光レンズ 17に入射した光の殆どはプリズム部 13aの斜面に対して全反射の条件を満たすものとなり、プリズム 13aが小さくとも、前出の各実施例と変わらない量の光を投光面 1 0に導くことが可能になる。

[0075] 投光面 10に達した光は、通過の際にコリメート光に変換され、検出ビームとして被検出物体 Sに照射される。被検出物体 Sからの反射光が迪る光路は基本構成と同様である。

上記構成の光学素子 1Eによれば、プリズム部 13aが極小化されるので、前記受光不能領域 100の面積もきわめて小さくすることができる。よって受光効率を高めることが可能になる。

[0076] <ノリエーシヨン 6 >

図 13は、ノリエーシヨン 6の光学素子 1Fの外観を、図 14は、この光学素子 1Fを含む同軸光学系の構成を、それぞれ示す。

この光学素子 1Fでは、プリズム部 13の斜面に対向する側面 14および前面の投光面 10に対応する部分に、それぞれシリンドリカルレンズ 101, 102がー体に設けられる。側面のシリンドリカルレンズ 101には、発光素子 2が対向配備されるので、そのレンズ面は光入射面として機能することになる。

[0077] このバリエーション 6では、発光素子 2として、図 15に示すような特性を有するレーザ一ダイオード 21を使用する。このレーザーダイオード 21では、前面の発光層 21a から出射されたレーザー光は、直交する 2方向（X方向、 y方向とする。 )における発散の度合いが異なる光、すなわち楕円状に広がる光となる。このような光がコリメ一トレンズを通過すると、平行化された後の光の断面も楕円状となるが、光の波の性質上、径の小さな方向（X方向）で徐々に広がってゆくため、コリメート性が失われてしまう。

[0078] バリエーション 6の光学素子 1Fは、前記レーザー光の断面を円形状に補正して、その補正後のレーザー光を投光ビームとして使用するものである。

図 14において、レーザーダイオード 21は、前記 y方向を紙面上の縦方向に合わせ、 X方向を紙面に垂直な方向に合わせて、配置されている。側面 14のシリンドリカルレンズ 101は、レーザーダイオード 21から出射された光を、 y方向における発散状態が補正された光、すなわち水平方向に沿って進む光に変換する。この光は、プリズム部 13の斜面の幅方向に対しては広がる力斜面の勾配方向に対しては、約 45度の角度をもって照射される光となるため、その光の殆どが全反射の条件を満たし、投光面 10へと導かれる。反射後の光でも、前記 X方向に対応する方向での発散状態が続くため、この方向における光の幅はしだいに大きくなる力前面のシリンドリカルレンズ 102を通過することによって、その通過時点の幅が維持されたコリメート光に変換される。よって、投光面 10から円形に近い断面を有し、コリメート性の高い検出ビームを出射することが可能になる。

[0079] なお、前記シリンドリカルレンズ 102に代えてトーリックレンズを設けてもよい。投光面 10から出射される直前のレーザー光の断面は円形に近くなつているので、投光面 10にトーリックレンズを設けることにより、前記円形に近くなつたレーザ光を集光性の良い収束光に変換することができる。またシリンドリカルレンズ 101, 102をともにトーリックレンズに変更し、投光面 10から出射される直前のレーザー光の断面がより円形に近くなるように制御して、検出ビームのコリメート性や集光性を高めるようにしてもよい。

[0080] また前記図 9に示したノリエーシヨン 3の光学素子 1Cについても、上記のバリエ一シヨン 6と同様の趣旨により、コリメートレンズ 15をシリンドリカルレンズまたはトーリックレンズに変更し、投光面 10もシリンドリカルレンズまたはトーリックレンズのレンズ面として形成することができる。

[0081] <ノリエーシヨン 7>

図 16は、ノリエーシヨン 7の光学素子 1Gを含む同軸光学系の構成を示す。

この光学素子 1Gの構成は基本構成とほぼ同様である力受光面 11に多数の微小凹部 111が形成されている。これらの微小凹部 111によって、光学素子 1は回折レンズとして機能するようになるので、受光面 11の曲率を小さくすることができ、前記受光不能領域 100を小さくすることが可能になる。また個々の微小凹部 111により集光力を高めることができるので、光学素子 1の厚みを薄くすることが可能になる。

[0082] 力！]えて、この光学素子 1Gによれば、プリズム部 13や投光面 10の位置を簡単に変更するなど、設計自由度の向上をは力ることができる。プリズム部 13からの光を効率良く上方に導くには、プリズム部 13や投光面 10を中心力ずらして配置する方が良、場合がある。これまでに提示した実施例の光学素子は、いずれも金型成形により作成されるが、軸対象の面でなければ金型の製作が困難であるため、前面の投光面の位置を偏らせたような光学素子を容易に製作できないという問題がある。

[0083] これに対し、ノリエーシヨン 7では、光学素子 1Gの本体を成形した後に、フォトリソグラフィの手法を用いて前面に微小凹部 111を形成することができるので、マスクの設計変更によって投光面の形成位置を容易に変更することができる。よって、設計の事情に応じてプリズム部 13や投光面 10の位置を容易に変更することができ、設計の自由度を向上し、光学素子 1の機能を高めることができる。

[0084] くノリエーシヨン 8 >

図 17は、バリエーション 8の光学素子 1Hの構成を示す。さらに図 18は、この光学素子 1Hを含む同軸光学系を上方から見た構成を、図 19は、同じ同軸光学系を横手方向から見た構成を、それぞれ示す。

この光学素子 1Hでは、帯状の投光面 10の両側に、それぞれ横に長い受光面 112 , 113が連続形成される。受光面 112, 113は、その背後の部分とともにシリンドリカルレンズを構成する。

[0085] さらに、この光学素子 1Hには、所定厚みを有するスリット孔 131と、プリズム部として機能する三角柱状の凹部 132とが設けられる。これらは、いずれも光学素子 1Hの上面 121で開口する。発光素子 2からの光を受ける側面 14には、基本構成と同様のコリメ一トレンズ 15が設けられる。前記スリット孔 131は、その幅方向が光学素子 1Hの主軸 Lに対して約 45度傾き、かつ前記側面 14に対し、後端側が近づいた状態となる

[0086] 一方、前記凹部 132は、その斜面が前記スリット孔 131および光学素子 1Hの下面 122に向きあうように形成される。さらに前記下面 122の凹部 132の斜面に対向する位置には、集光のためのシリンドリカルレンズ 103がー体に設けられる。

[0087] 前記側面 14のコリメートレンズ 15に対向する位置には、発光素子 2が設けられ、下面 122のシリンドリカルレンズ 103に対向する位置には、受光素子 3が設けられる。発光素子 2からの光はコリメートレンズ 15により平行ィ匕され、前記スリット孔 131に到達する。このスリット孔 131のコリメートレンズ 15への対向面 133は、基本構成のプリズム部 13の斜面と同様に、コリメートレンズ 15からの光を全反射させる反射面として機能する。よって、前記コリメート光は、スリット孔 131の面 133で全反射して投光面 10へと導かれ、検出ビームとして出射される。

[0088] 一方、各受光面 112, 113が受光した光は、光学素子 1の横幅方向で収束しながら背面 12の方に向かって進行し、その経路の途中でプリズム部 132の斜面に照射される。各受光面 112, 113は、いずれも縦方向（光学素子 1Hの上下方向）が平面もしくはその曲率が小さく設定されているので、プリズム部 132の斜面の勾配方向に対し、光線間の角度差が小さぐ水平方向に近い方向力もの光を照射することができる。よつてプリズム部 132の斜面に照射される光の殆どが全反射して下方のシリンドリカルレンズ 103に導力れ、このレンズ 103により集光した光が受光素子 3に入射する。

[0089] 上記構成の光学素子 1Hでは、スリット孔 131とプリズム部 132とを配置しなければならないため、奥行きは若干長くなる。しかし、受光した光を横幅方向で収束させる必要がある点から、前面を横長形状とすることによって、受光量を確保しつつ、上下方向における厚みを抑えることができる。よって、このバリエーション 8の光学素子 1は、上下に余裕がない空間に設置する場合に適した構成と言える。

[0090] なお、上記の構成例では、スリット孔 131の開口部を上面 121に設定した力これに限らず、下面 122で開口するようにしてもよい。または、上面 121、下面 122ともに開口させた貫通孔として構成してもよヽ。

また上記の光学素子 1Hの上面 121,下面 122は便宜上のものであり、使用上の都合に応じて、上下を逆転させても力まわない。

[0091] また、光学素子のバリエーションは上記した 8種類に限定されるものではなぐこれらのノリエーシヨンにかかる構成を適宜組み合わせてもよい。たとえば、ノリエーション 4のような複眼構成の光学素子について、前面の受光面 11A, 11Bを平坦面とし、背面 12をレンズ面として形成してもよい。またバリエーション 4と 6とを組み合わせ、複眼構成の光学素子の光入射面ゃ投光面をシリンドリカルレンズまたはトーリックレンズのレンズ面として構成してもよ、。 [0092] (3)投受光パッケージの構成例

上記した基本構成やバリエーション 1〜8の光学素子 1, 1A〜1Hは、発光素子 2や受光素子 3とともに榭脂製のノ¾ /ケージに組み込まれる。以下、この各素子が一体ィ匕されたパッケージを「投受光パッケージ」と、う。

[0093] 図 20および図 21は、投受光パッケージの具体例を示す。

この投受光パッケージ 5の本体部 4は、高耐熱性の液晶ポリマーなどを材料とする三次元射出成形部品（MID)であって、内部にアパーチャ 45を有する遮蔽部 43が一体形成されたものである。遮蔽部 43の前方には前記光学素子 1および投光部 20 の収容空間 46が形成される。また、本体部 4の内周面の前端部には、光学素子 1を支持するための段部 42が形成される。また、遮蔽部 43の背面と本体部 4の後端縁との間には、受光部 30の収容空間 47が形成される。さらに、前記枠部 3の外周面ゃ投光部 20および受光部 30の実装位置には、後記する制御基板 6に接続するための回路パターン 48が形成される。

[0094] この実施例では、前記図 6に示した基本構成の光学素子 1が使用される。ただし、この実施例の光学素子 1には、前記本体部 4の形状に合わせて若干の変形が加えられている。具体的には、前記受光面 11は円形状に形成され、その周囲に板状体 10 5が連続形成される。この板状体 105の外形および大きさは、前記本体部 4の段部 4 2に対応する。また、前記コリメートレンズ 15やこれに対向する投光部 20が板状体 10 5の板面で隠れるように、受光面 11および投光面 10は板状体 105の一方（図示例では左側）に偏らせて配備される。

[0095] 前記受光部 30は、フォトダイオード 31と信号処理回路（図示せず。 )とを一体化したフォト ICである。このフォト IC30は、前記遮蔽部 43の背面側に形成された回路パターン 48にアンダーフィル材（図示せず。）を介してフリップチップ実装される。一方、投光部 20は、シリコン製の中間基板 22上にレーザーダイオード 21を搭載した構成のもので、前記遮蔽部 43の前面に形成された回路パターン 48にワイヤボンディングおよびダイボンディングされる。前記光学素子 1は、投光部 20が実装された後に、前記板状体 16の下面が前記段部 42上に支持されるようにして遮蔽部 43の前方空間 4 6内に配備される。なお、板状体 16と枠部 4との接合部分を光硬化性榭脂 49などで接着することにより、前記光学素子 1は本体部 4内に固定される。

なお、前記レーザダイオード 21の光量を自動調整する目的のために、中間基板 22 上にレーザーダイオード 21の光量検出用のフォトダイオードを設けてもよい。

[0096] 前記遮蔽部 43のアパーチャ 45は、前後の空間 46, 47を連通させるもので、光学素子 1から出て収束する光の通過領域に対応する位置に形成される。またフォト IC3 0のフォトダイオード 31の配置位置も、アパーチャ 45の出口に対応するように調整される。

[0097] この実施例の投光部 20のレーザーダイオード 21は、側面発光タイプのものである。

このレーザダイオード 21から出射された光は、光学素子 1のコリメートレンズ 15に入射して平行化された後、前記プリズム部 13の斜面で全反射し、さらに投光面 10を介して被検出物体 Sへと導かれる。被検出物体 Sからの反射光は、受光面 11を介して光学素子 1内を通過した後、その背面 12からアパーチャ 45を介して前記フォトダイォード 31へと導かれる。

[0098] なお、レンズ状の光入射面を持たない構成の光学素子 1 (図 1, 3に示したもの）や、ノリエーシヨン 1, 2, 5, 6, 7の光学素子 1A, IB, IE, IF, 1Gを用いる場合にも、図 20と同様の構成の本体部 4を用いることができる。また、バリエーション 4の光学素子 1Dを使用する場合には、前記遮蔽部 43にアパーチャを 2つ形成し、フォト IC30に 2個のフォトダイオード 31を組み込むほかは、図 20と同様の構成にすることができる。一方、前記ノリエーシヨン 8の光学素子 1Hを用いる場合には、この光学素子 1Hに応じた形状の本体部を作成するとともに、アパーチャ 45やフォト IC30が光学素子 1H の下面側に位置するように、設計を変更する必要がある。

[0099] 図 22は、前記バリエーション 3の光学素子 1Cの構成を適用した場合の投受光パッケージ 5の構成を示す。この実施例の本体部 4も、基本的には前記図 20, 21の実施例と同様に、内部に遮蔽部 43が形成された構成のものである力内周面の段部 42 は、図 20の実施例よりも後方に形成されている。また、この実施例では投光部 20を光学素子 1の背面側に配備するため、遮蔽部 43の厚みが小さく形成されるとともに、この遮蔽部 43の前面側に、投光部 20からの光を遮光するための壁部 41aが突出形成される。なお、この壁部 41aの先端は段部 42に位置合わせされる。 [0100] この実施例の光学素子 1の外周には前記段部 42に適した幅と厚みを持つ支持部 1 06がー体に設けられる。なお、この支持部 106は、前記側方の第 2のプリズム部 16を囲むように形成されるので、前面側にも三角柱状の凹部 107が形成される。

[0101] 受光部 30は、前記図 21の実施例と同様のフォト ICにより構成され、遮蔽部 43の背面側に実装される。一方、この実施例の投光部 20は、レーザーダイオード 21のみで構成され、前記遮蔽部 43と壁部 41aに囲まれた領域内に実装される。なお、この実施例のレーザーダイオード 21には、実装面に平行な面（図中の上面）を発光面とするタイプのものが使用される。

[0102] 上記図 21, 22に示した投受光パッケージ 5では、いずれも光学素子 1を薄型にすることができる。さらに、本体部 4が三次元射出成型により構成されることを利用して、投光部 20と受光部 30とを前後に配置することができるので、本体部 4の幅方向も小さくすることができ、投受光パッケージ 5を小型化することができる。また、前記したように、光学素子 1の開口数を大きくして受光効率を高め、かつ迷光によるノイズを削減することができるから、被検出物体の検出精度を大幅に高めることができる。

[0103] また、いずれの例でも、本体部 4の裏面側を正面に向けてフォト IC30を実装した後、本体部 4を反転させて投光部 20を実装し、最後に光学素子 1, 1Cを取り付ける方法によって、投受光パッケージ 5を完成させることができる。したがって組立作業はきわめて容易なものとなる。その上、前記光学素子 1、 1Cや本体部 4は一体成形により簡単に製作することができるから、製作に力かる効率を向上できるとともに、コストを削減することができ、量産化を実現することができる。

[0104] (4)光電センサの構成例

図 23は、上記図 20, 21の実施例に力かる投受光パッケージ 5が組み込まれた光電センサの構成を示す。なお、図 21の実施例を適用した光電センサについては図示しないが、この実施例とほぼ同様に構成することができる。

[0105] この実施例の光電センサは、前面開口のケース体 7に前記投受光パッケージ 5や制御基板 6などを組み込んで構成される。投受光パッケージ 5は、前記光学素子 1の前面をケース体 7の開口部力臨ませた状態で支持され、その背後に制御基板 6が設けられる。制御基板 6には、レーザーダイオード 21の駆動回路や、フォト IC30の信号処理回路からの出力を二次的に処理する回路、前記出力を外部に中継する回路などが搭載される。投受光パッケージ 5の前記回路パターン 48はこの制御基板 6上の端子（図示せず。）にはんだ接続される。なお、図中の 61, 62は、制御基板 6上の部品であり、 71は電源ラインや信号線を含むケーブルである。

[0106] ただし、上記構成の光電センサは、光学素子 1も投受光パッケージ 5の本体部 4も榭脂により成形されているため、上記のように基板 6にはんだ付けすると、その処理時の熱によって変形する可能性がある。また前記光学素子 1と本体部 4とを接着する榭脂 49が溶けて、光学素子 1が位置ずれする可能性もある。

[0107] 図 24および図 25は、上記の問題を解決するための構成例を示す。なお、これらの実施例では、基板 6上の部品 61, 62の図示を省略している。

図 24の実施例では、前記本体部 4の下端縁に雄型のコネクタ 50がー体に形成され、基板 6上にも前記コネクタ 50に対応する雌型コネクタ 60が設けられる。コネクタ 5 0の表面には、前記回路パターン 48の端子 48aが形成されている。投受光パッケ一ジ 5の本体部 4は MIDであるので、コネクタ 50も容易に形成することができる。

[0108] 図 25の実施例では、本体部 4の側面に雄型コネクタ 51が突出形成される。一方、基板 6は、幅狭で厚みが若干大きく形成され、その一側面に雌型コネクタ（図示せず。；)力待設けられる。

[0109] 上記図 24, 25の実施例によれば、投受光パッケージ 5と基板 6とをきわめて簡単に接続することが可能になる。また、本体部 4や光学素子 1に熱による影響が及ぶおそれがなぐ光電センサの性能を向上することが可能になる。

さらに図 25の実施例では、投受光パッケージ 5の側面に基板 6が取り付けられるので、基板 6上に投受光パッケージ 5が積み上げられる図 24の実施例よりも、光電センサの厚みを薄くすることができる。

[0110] 図 26は、前記光学素子 1を用いた光電センサの他の例を示す。

この実施例の光電センサは、前記した投受光パッケージ 5を使用するものではなく、光学素子 1をプリント基板 64に実装するタイプのものである。光学素子 1は前記基本構成と同様である力両側にそれぞれ所定広さの延長部 108, 109が連続形成されている。さらに、この光学素子 1は、垂直に起立可能な一対の支持壁 114, 115の間に水平に支持される。これらの支持壁 114, 115も、光学素子 1の本体と一体に成形されるちのである。

[0111] 基板 64には、 3個の貫通孔 65, 66, 67が形成される。このうち、左右の貫通孔 65 , 66は、前記支持壁 114, 115を挿入するためのものであり、中央の貫通孔 67は、光学素子 1が受光した光を通過させるアパーチャとして機能する。

さらに前記基板 64の前面側には投光部 20が、裏面側には受光部（フォト IC) 30が、それぞれ配備される。投光部 20、フォト IC30は、いずれも前記図 21, 22の例のものと同様であるが、投光部 20と基板 6との間には、スぺーサ部材 23が配備されている。また、フォト IC30と基板 6との間の間隙には、緩衝のためにアンダーフィル材 33 が注入される。

[0112] 上記の構成の光電センサを組み立てるには、まず基板 64の裏面側に、前記フォトダイオード 31を前記貫通孔 67に位置合わせした状態でフォト IC30を実装する。ついで前面の所定位置に投光部 20を実装する。この後、前記貫通孔 65, 66に支持壁 108, 109を挿入し、検出ビームのコリメート性やフォト IC30の受光量などを確認しつつ光学素子 1の位置を調整する。この調整が終了すると、前記貫通孔 65, 66の隙間に光硬化榭脂 49を注入し、光学素子 1を固定する。最後に、光学素子 1の前方を塞ぐように、支持壁 108, 109に偏光フィルタ 8を取り付ける。

[0113] 上記の光学素子 1が実装された基板 64は、光電センサの本体を構成するケース体

(図示せず。）内に収容される。光学素子 1を薄型にできるため、ケース体も薄型にすることができ、光電センサの小型化を実現することができる。

[0114] なお、図 26の構成例では、投光部 20からの光が貫通孔 67を介してフォトダイォード 31に入射する可能性がある。したがって、図 27に示すように、貫通孔 67に遮蔽部材 74を挿入するなどして、投光部 20と貫通孔 67との間の空間を遮蔽するのが望ましい。

[0115] (5)光電センサの光量制御

この発明に力かる光電センサには、光学素子 1の特性を利用して、レーザダイォードの光量を自動調整する機能 (APC制御)を付加することができる。

図 28は、この APC制御が付加された場合の光電センサの構成を示す。この実施例の光学素子 1は、前記基本構成に第 2のプリズム部 19が付加されたものである。この第 2のプリズム部 19は、前記プリズム部 13を挟んでコリメートレンズ 15に対向する側面に突出形成される。さらに、前記フォト IC30には、前記光学素子 1により集光した反射光を受光するためのフォトダイオード 31に加えて、前記第 2のプリズム部 19からの全反射光を受光するためのフォトダイオード 32が配備される。また、このフォト IC3 0には、第 2のフォトダイオード 32に対する信号処理回路（図示せず。）も設けられる。

[0116] 前記側面 14のコリメートレンズ 15を通過した光は、中央のプリズム部 13により投光面 10に導かれ、全反射するが、成形カ卩ェ時の誤差などによりプリズム部 13の斜面を完全な全反射面にできないため、プリズム部 13を構成する空間を直進する光が若干発生する。この実施例では、この中央のプリズム部 13で反射せずに直進した光を前記第 2のプリズム部 19により受け止め、フォト IC30の第 2のフォトダイオード 32へと導く。そして、フォト IC30の信号処理回路において、この第 2のフォトダイオード 32の受光量を計測し、その計測値をレーザダイオード 21の駆動回路にフィードバックすることにより、レーザダイオード 21の光量を調整する。

産業上の利用可能性

[0117] 上記した各構成の光学素子を用いた光電センサは、投光面からの検出ビームに対する被検出物体からの反射光を受光することによって、前記物体を検出したり、物体までの距離や物体の大きさを計測するように構成することができる。また回帰反射板と対にして用いることにより、投光面からの光に対する反射光が所定のしきい値を下回ったときに物体を検出するように構成することもできる。

Claims

請求の範囲

[1] 透光性を有する榭脂材料による成形体であって、

物体検出用の光を出射するための投光面と、前記投光面の外側に連続形成され、投光面とともに前記成形体の前面を形成する受光面と、前記成形体の背面に開口部を有する凹部として形成される直角プリズムと、前記直角プリズムの斜面に導かれる光を入射させるための光入射面とを有し、

前記直角プリズムは、その斜面を前記成形体の一側面に対向させた状態に形成され、前記光入射面力入射した光を前記斜面で全反射させて投光面に導き、前記前面の受光面および背面の少なくとも一方はレンズ面として形成されており、このレンズ面により、前面の受光面で受光された光を前記背面よりも後方で集光させる光電センサ用の光学素子。

[2] 前記レンズ面は前記成形体の前面の受光面および背面の!/、ずれか一方に形成され、他方は平坦面として形成される請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子

[3] 前記レンズ面は、前記成形体の前面の受光面および背面の双方に形成される請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子。

[4] 前記前面の受光面は投光面を挟んで位置する一対のレンズ面として形成され、各レンズ面が受光した光は、それぞれのレンズ面毎にその背後で収束する請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子。

[5] 前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面にはコリメートレンズが一体に形成され、前記光入射面は、前記コリメートレンズのレンズ面により形成される請求項 1 に記載された光電センサ用の光学素子。

[6] 前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面および前記前面の投光面はそれぞれレンズ面として形成され、前記光入射面は、直角プリズムの斜面に対向する側面のレンズ面により形成され、

前記光入射面は、入射した光を、前記直角プリズムの斜面の勾配方向に対して一定角度を有する光または前記勾配方向に対して収束する光に変換し、前記投光面は、前記直角プリズムの斜面で全反射して当該投光面に導かれた光を、前記直角プリズムの斜面の幅方向に沿う幅が一定の光またはこの幅方向に沿って収束する光に変換する請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子。

[7] 前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面には、前記直角プリズムの斜面に平行な斜面を有する第 2の直角プリズムとしての突部が一体に形成され、前記第 2の直角プリズムの底面にコリメートレンズが一体に形成されており、このコリメートレンズのレンズ面により前記光入射面が形成される請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子。

[8] 前記成形体の直角プリズムの斜面に対向する側面には、前記直角プリズムの斜面に平行な斜面を有する第 2の直角プリズムとしての突部が一体に形成され、前記第 2の直角プリズムの底面および前記前面の投光面は、それぞれレンズ面として形成され、前記光入射面は、前記第 2の直角プリズムの底面側のレンズ面により形成され、

前記光入射面は、入射した光を、前記第 2の直角プリズムの斜面の勾配方向に対して一定角度を有する光または前記勾配方向に対して収束する光に変換し、前記投光面は、第 1の直角プリズムの斜面で全反射して当該投光面に導かれた光を、前記直角プリズムの斜面の幅方向に沿う幅が一定の光またはこの幅方向に沿って収束する光に変換する請求項 1に記載された光電センサ用の光学素子。

[9] 透光性を有する榭脂材料による成形体であって、

物体検出用の光を出射するための投光面と、前記投光面の外側に連続形成され、投光面とともに前記成形体の前面を形成する受光用レンズ面と、前記成形体の上面または下面側で開口するスリット孔と、前記成形体の上面に開口部を有する凹部として前記スリット孔より後方に形成される直角プリズムと、前記成形体の一側面の前記スリット孔に対向する位置に形成された光入射面と、前記成形体の下面の前記直角プリズムの斜面力の反射光が通過する位置に突出形成されるレンズ面とを具備し、前記スリット孔の前記光入射面に対向する側の面は、前記光入射面から入射した光を全反射させて前記投光面に導くことが可能な方向を向いており、

前記直角プリズムは、その斜面を前記成形体の下面に対向させた状態に形成され、前面の受光用レンズ面は、その面で受光した光を横幅方向で収束させて前記直角プリズムの斜面に導き、前記直角プリズムは、前記受光レンズ面からの収束光を反射させて前記下面のレンズ面に導き、前記下面のレンズ面は、前記直角プリズムの斜面からの反射光を当該レンズ面よりも下方で集光させる光電センサ用の光学素子。

[10] 透光性を有する榭脂材料による成形体力成る光学素子と、投光部および受光部が組み込まれた投受光パッケージとを具備する光電センサであって、

前記光学素子は、物体検出用の光を外部に出射するための投光面と、前記投光面の外側に連続形成され、投光面とともに前記成形体の前面を形成する受光面と、前記成形体の背面に開口部を有する凹部として形成される直角プリズムと、前記直角プリズムの斜面に導かれる光を入射させるための光入射面とを有し、

前記直角プリズムは、その斜面を前記成形体の一側面に対向させた状態に形成され、前記光入射面力入射した光を前記斜面で全反射させて投光面に導き、前記前面の受光面および背面の少なくとも一方はレンズ面として形成されており、このレンズ面により、前面の受光面で受光された光を前記背面よりも後方で集光させており、

前記投受光パッケージには、前記光学素子をその投光面および受光面を前方に開放した状態で支持する支持部が設けられるとともに、前記支持部により支持された光学素子の後方位置に遮蔽部が設けられており、

前記遮蔽部には、前記光学素子により収束した光を通過させるためのアパーチャが形成され、この遮蔽部の前面側に、前記光学素子の光入射面に対向するようにして前記投光部が配備されるとともに、背面側に、前記受光部がその受光面を前記ァパーチヤに対向するようにして配備されて、る光電センサ。

[11] 前記投受光パッケージは、前記投光部および受光部の接続用の回路が表面に一体に形成された三次元射出成形部品である請求項 10に記載された光電センサ。

[12] 前記投受光パッケージは、前記投光部および受光部の接続用の回路と、別体の基板に接続するためのコネクタ部とが表面に一体に形成された三次元射出成形部品である請求項 10に記載された光電センサ。