(57)【要約】【課題】投光レンズおよび受光レンズの入射面や射出面での光量損失を減少させ、その検出性能の向上を図った光電センサを提供する。【解決手段】投光レンズまたは受光レンズに入射する光の該レンズの入射面に対する入射角を、前記レンズの入射面における全ての位置において、その強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば６０°）以下に設定する。また投光レンズまたは受光レンズから射出する光の該レンズの射出面に対する入射角を、前記レンズの射出面における全ての位置において強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば３０°）以下に設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子から発せられた光を平行光線束として検出領域に投光する投光レンズと、前記検出領域から到来した光を集光して受光素子に導く受光レンズとを具備した光電センサであって、
前記投光レンズまたは受光レンズに入射する光の該レンズの入射面に対する入射角を、前記レンズの入射面における全ての位置において、その強度反射率が所定値以下となる角度以下に設定したことを特徴とする光電センサ。
【請求項２】
前記強度反射率が所定値以下となる入射角度は、６０°である請求項１に記載の光電センサ。
【請求項３】
発光素子から発せられた光を平行光線束として検出領域に投光する投光レンズと、前記検出領域から到来した光を集光して受光素子に導く受光レンズとを具備した光電センサであって、
前記投光レンズまたは受光レンズから射出する光の該レンズの射出面に対する入射角を、前記レンズの射出面における全ての位置において強度反射率が所定値以下となる角度以下に設定したことを特徴とする光電センサ。
【請求項４】
前記強度反射率が所定値以下となる入射角度は、３０°である請求項１に記載の光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から発せられた光を投光レンズを介して検出領域に投光し、該検出領域から到来した光を受光レンズを介して受光素子に導いてその受光量を検出する光電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の有無を検出する光電センサの１つとして、検出領域に光を照射（投光）する投光器と、前記検出領域にて反射した光を受光する受光器とを備えた反射形の光電センサが知られている（例えば特許文献１を参照）。この種の反射形の光電センサは、例えば図１(ａ)(ｂ)に示すように発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１の発光面に対峙させて設けられて前記発光素子１から発せられた光を平行光線束に集光して検出領域に投光する投光レンズ２と、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子３の受光面に対峙させて設けられて前記検出領域から到来する光を集光して前記受光素子３の受光面に導く受光レンズ４とを、その光軸方向を揃えて並べて設けられる。
【０００３】
尚、図１(ａ)(ｂ)は、投光レンズ２および受光レンズ４として、いわゆる片凸レンズを用いたものであって、(ａ)はその平面側を検出領域に向けて配置した例を、また(ｂ)はその凸面側を検出領域に向けて配置した例をそれぞれ示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５-５５３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところでこの種の光電センサに求められる検出性能の１つに、その検出距離を大きくしたいと言う要求がある。そこで光電センサの検出距離を延ばすべく、従来では、専ら投光レンズ２および受光レンズ４の有効径を大きくしたり、レンズの有効径を十分に活用することでその集光作用を高める等の工夫が行われている。しかしながら従来一般的には、発光素子１から発せられた光を平行光束にして検出領域に投光し、また検出領域から到来する光を如何にして受光素子３の受光面に導くかの観点に立脚してその光学設計が行われているに過ぎず、投光レンズ２および受光レンズ４における入射面や射出面での光量損失については殆ど考慮されていないとも言える。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、特に投光レンズや受光レンズとして双曲面レンズのような、いわゆる非球面レンズが多く用いられるようになったことを考慮し、これらのレンズでの光量損失、特にその入射面や射出面での光量損失を減少させることで、その検出性能の向上を図った光電センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するべく本発明に係る光電センサは、発光素子から発せられた光を平行光線束として検出領域に投光する投光レンズと、前記検出領域から到来した光を集光して受光素子に導く受光レンズとを具備したものであって、特に前記投光レンズまたは受光レンズに入射する光の該レンズの入射面に対する入射角を、前記レンズの入射面における全ての位置において、その強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば６０°）以下に設定したことを特徴としている。
【０００８】
また本発明に係る光電センサは、前記投光レンズまたは受光レンズから射出する光の該レンズの射出面に対する入射角を、前記レンズの射出面における全ての位置において強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば３０°）以下に設定したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る光電センサにおいては、投光レンズまたは受光レンズに入射する光の該レンズの入射面に対する入射角が、その入射面の全ての位置において、例えば６０°以下となるようにその光学系が設定されるので、前記レンズの入射面における光の反射が抑えられるので、レンズを透過する光量を増やすことでその検出性能を高めることができる。
また前記投光レンズまたは受光レンズから射出する光の該レンズの射出面に対する入射角が、その射出面における全ての位置において、例えば３０°以下となるようにその光学系が設定されるので、レンズを透過する光量を増やすことでその検出性能を高めることができる。
【００１０】
換言すればレンズにおける光の無駄な反射を極力抑えることで検出領域への投光量を増やし、また受光素子での受光量を増やすことができるので、その検出性能を容易に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】反射形光電センサの基本構成を示す図。
【図２】本発明に係る光電センサにおける投光レンズおよび／または受光レンズでの光の入射角θ１,θ２の分布特性を示す図。
【図３】レンズに入射する光のレンズ面（界面）に対する入射角θ１を示す図。
【図４】レンズに入射する光のレンズ面（界面）に対する入射角θ１と、その入射面における反射率との関係を示す図。
【図５】レンズから射出する光のレンズ面（界面）に対する入射角θ２を示す図。
【図６】レンズから射出する光のレンズ面（界面）に対する入射角θ２と、その入射面における反射率との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明に係る光電センサは、基本的には図１(ａ)(ｂ)に示したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１と、この発光素子１の発光面に対峙させて設けられて前記発光素子１から発せられた光を平行光線束に集光して検出領域に投光する投光レンズ２とにより構成された投光部５を備える。更に本発明に係る光電センサは、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子３と、この受光素子３の受光面に対峙させて設けられて前記検出領域から到来する光を集光して前記受光素子３の受光面に導く受光レンズ４とにより構成された受光部６を備える。これらの投光部５および受光部６は、その光軸方向を揃えて箱形の筐体内に並べて設けられる。
【００１３】
ここで本発明の実施形態に係る光電センサが特徴とするところは、特に発光素子１から発せられた光を集光し、平行光線束として検出領域に投光する投光レンズ２の入射面（発光素子１に対峙する側のレンズ面）２ａと前記発光素子１との光学的関係を、図２に実線で示すように前記発光素子１から前記投光レンズ２に入射する光の該投光レンズ２の上記入射面２ａに対する入射角θ１を、前記投光レンズ２の入射面（レンズ界面）２ａにおける全ての位置において、その強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば６０°）以下に設定した点にある。
【００１４】
またこの実施形態に係る光電センサが特徴とするところは、更に検出領域から到来する光を集光して前記受光素子３に受光面に導く受光レンズ４の射出面（受光素子３に対峙する側のレンズ面）４ｂとの光学的関係を、図２に破線で示すように前記受光レンズ４から射出する光の該受光レンズ４の射出面４ｂに対する入射角、つまり受光レンズ４の内側から該受光レンズ４の射出面４ｂに到達する光の入射角θ２を、前記受光レンズ３の射出面（レンズ界面）４ｂにおける全ての位置において強度反射率が所定値（例えば１０％）以下となる角度（例えば３０°）以下に設定した点にある。
【００１５】
ところでレンズにおける光の屈折作用は良く知られる通りであり、例えば空気の屈折率を[ｎ１]、レンズの屈折率を[ｎ２]としたとき、レンズに対して入射角θ１で入射した光は屈折角θａでレンズの内部を進行する。このときの屈折率ｎ１,ｎ２と入射角θ１および屈折角θａとの関係は、［ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθａ］となることは屈折の法則として周知である。そしてレンズ内を進行した光がレンズから射出する際には、同様に屈折作用を受けて射出角θｂに進行する射出光となる。但し、上記入射角θ１，屈折角θａおよび射出角θｂは、レンズ面（空気とレンズとの界面）における法線とのなす角度としてそれぞれ定義される。
【００１６】
このような光学的性質を有するレンズ（屈折率ｎ２≒１.５１６）に対して、図３に示すように空気（屈折率ｎ１＝１.０）中から入射角θ１にて入射する光の強度反射率はその入射角θ１に依存し、図４に示すように変化する。尚、図４においてＳは垂直偏光成分、Ｐは水平偏光成分を示し、Ａはその平均（トータル）成分を示している。この図４に示されるようにレンズの表面（界面）においては略４％程度の表面反射があり、入射角θ１が６０°程度まではその反射率が略１０％以下に維持される。しかし入射角θ１が略６０°を越えるとがその反射率が次第に高くなり、略８０°を越えると反射率が急激に増加する。このことからレンズに対する光の入射角θ１を略６０°以下に抑えれば、その入射光の殆どを効率的にレンズ内に導くことができ、反射による無駄を抑制し得る。
【００１７】
本発明は、このようなレンズの光学的性質を積極的に利用することで、換言すればレンズにおける光の入射角θ１と強度反射率とに着目し、発光素子１と投光レンズ２との光学的関係を前述したように設定したことを特徴としている。特に投光レンズ２の入射面２ａの全てにおいて上記の光学的条件が満たされるように設定することで、発光素子１が発した光を効率的に集光し、これを検出領域に向けて照射するように、その光学系を構成したことを特徴としている。尚、この種の光電センサに用いられる投光レンズ２は、通常、アクリルやポリカーボネイト等の合成樹脂材や、一般的にＢＫ７と称されるガラス素材を用いて形成される。そしてこれらの各素材の反射率ｎ２は略１.５１６程度であるので、前述した如く入射角θ１を設定すれば実用上殆ど問題がなく、その表面反射を低く抑えて検出領域に投光する光の強度を十分に高めることができる。
【００１８】
一方、前述した光学的性質を有するレンズ（屈折率ｎ２≒１.５１６）から空気中に射出される光のレンズ射出面２ｂ,４ｂにおける強度反射率も、その入射角θ２に依存する。尚、この場合の入射角θ２は、図５に示すようにレンズ内を進行する光の前記レンズ射出面４ｂに対する入射角として定義される。そしてこの光には、前述した屈折の法則に従って屈折して空気（屈折率ｎ１＝１.０）中に射出される。そして図６に示すようにレンズ射出面４ｂにおける光の強度反射率はその入射角θ２に依存し、入射角θ２が略４０°を越えるとその射出角が９０°以上となって全反射する。この全反射を呈する入射角θ２が、いわゆる臨界角である。
【００１９】
尚、図６においてもＳは垂直偏光成分、Ｐは水平偏光成分を示し、Ａはその平均（トータル）成分を示している。またこの図６に示されるようにレンズの射出界面２ｂ,４ｂにおいても略４％程度の表面反射があり、入射角θ２が略３０°以下の範囲において、その強度反射率が略１０％以下に抑えられる。そして入射角θ２が略３０°を越える当たりから強度反射率が急激に増加する。
【００２０】
本発明は、このようなレンズの光学的性質についても積極的に利用することで、換言すればレンズから射出する光の入射角θ２と強度反射率とに着目し、受光素子３と受光レンズ４との光学的関係を前述したように設定したことを特徴としている。特に受光レンズ４の射出面４ｂの全てにおいて上記の光学的条件が満たされるように設定することで、検出領域から到達した光を効率的に集光し、これを受光素子３の受光面に向けて導くように、その光学系を構成したことを特徴としている。尚、上述した入射角θ２については、レンズの屈折の法則に基づき、受光レンズ４からの光の射出角θｂから逆算すれば十分である。
【００２１】
かくして上述した如く発光素子１に対する投光レンズ２の光学的関係、および受光素子３に対する受光レンズ４の光学的関係をそれぞれ設定した光電センサによれば、投光レンズ２および受光レンズ４における光の無駄な反射を効果的に抑えることができるので、発光素子１から発せられた光を効率的に検出領域に照射し、また検出領域から到来する光を効率的に受光素子３に導くことができる。この結果、光電センサが投受光する光の強度を十分高くし、その検出距離を長く設定することが可能となる。
【００２２】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば投光レンズ２および受光レンズ４として用いられるレンズの形態は様々であり、図１(ａ)(ｂ)に示した、いわゆる片凸レンズであるとは限らない。従って前述した光学的な設定は、使用するレンズの形態に合わせて行えば良いことは言うまでもない。また必ずしもレンズ面の向き（レンズ光軸に対する角度）がそのレンズ中心から離れるに従って大きくなるレンズを用いるとは限らないので、レンズ面の各部において前述した入射角θ１,θ２が前述した条件を満たすか否かを検証すべきことは勿論のことである。また受光素子１の発光面、および受光素子３の受光面が或る面積を有する場合には、その面の全てに対して前述した条件を検証すれば良いことも勿論のことである。つまり発光素子１、受光素子３およびレンズ２,４の各光学的中心だけに着目することなく、その光学的設定を行えば良い。
【００２３】
また前述した説明においては発光素子１と投光レンズ２との関係および受光素子３と受光レンズ４との光学的関係について述べたが、投光レンズ２と検出領域との関係および受光レンズ４と検出領域との関係についても同様に本発明を適用することができる。この場合には、投光レンズ２から射出される光が平行光束となる条件において、つまり投光レンズからの射出角θｂに応じて、その射出面２ｂへの入射角θ２が前述した条件を満たすように設定し、また検出領域から略平行光束として受光レンズ４に到達する光の入射角θ１が前述した条件を満たすように、その光学的条件を設定すれば良い。更には本発明は反射型の光電センサに限らず、一般的に知られる透過型やリフレクタ型の光電センサにも適用可能であることは言うまでも無い。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可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  発光素子
２  投光レンズ
３  受光素子
４  受光レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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