(57)【要約】【課題】発光素子と投光側光ファイバの光結合効率を向上させるとともに、発光素子及び集光レンズを高精度に位置決めしなくても投光側光ファイバに均一な光を入射させることが可能な光ファイバ型光電センサの本体ユニット及び光ファイバ型光電センサを提供する。【解決手段】ＬＥＤチップ１７から出射した光を集光レンズ１６で集光して投光側光ファイバ３に入射させると共に、集光レンズ１６に入射しなかった集光レンズの周囲に出射された光を、集光レンズの周囲に設けられた反射面１８で反射させ、反射した光を屈折面１９で屈折させて投光側光ファイバ３に入射させる。【選択図】図８
2010232275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出領域に向けて投光される光を導光する投光側光ファイバと前記検出領域からの光を受光して導光する受光側光ファイバとを装着する装着部と、該装着部に装着された前記投光側光ファイバに光を投光する投光部と、前記受光側光ファイバに入射した光を受光する受光部とを備え、前記受光部が受光した受光量に基づいて前記検出領域の検出対象物を検出する光ファイバ型光電センサの本体ユニットであって、
前記投光部は、
光を発光する発光素子と、
前記発光素子から発光された光を前記装着部に装着された前記投光側光ファイバの一端面に集光させるように前記発光素子と前記装着部の間に設けられた集光レンズと、
前記集光レンズの周囲に前記集光レンズの光軸に対し略同心円状に設けられ、前記発光素子から前記集光レンズの周囲に出射された光を、前記集光レンズの光軸に接近する方向に反射させる反射面と、
前記集光レンズと前記反射面との間に前記集光レンズの光軸に対し略同心円状に設けられ、前記反射面で反射した光を前記集光レンズの光軸に接近する方向から当該光軸に沿う方向に屈折し、前記装着部に装着された前記投光側光ファイバの一端面に入射させる屈折面と、
を備えることを特徴とする光ファイバ型光電センサの本体ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の光ファイバ型光電センサの本体ユニットであって、
前記投光部は、
前記発光素子としての発光ダイオードチップと、
当該発光ダイオードチップを封止する透光性樹脂層とを備え、
前記集光レンズ、前記反射面及び前記屈折面は前記透光性樹脂層を成形することにより一体的に形成されていることを特徴とする光ファイバ型光電センサの本体ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の光ファイバ型光電センサの本体ユニットであって、
前記透光性樹脂層の前記投光側光ファイバの一端面と対向する面に、前記集光レンズの光軸に対し略同心円状の溝部が設けられ、
前記反射面が前記溝部の内周面であることを特徴とする光ファイバ型光電センサの本体ユニット。
【請求項４】
検出領域に向けて投光される光を導光する投光側光ファイバと、
検出領域からの光を受光して導光する受光側光ファイバと、
前記投光側光ファイバと前記受光側光ファイバを装着するための装着部と、該装着部に装着された前記投光側光ファイバに光を投光する投光部及び前記受光側光ファイバにて受光した光を受光する受光部とを備え、該受光部が受光した受光量に基づいて前記検出領域の検出対象物を検出する本体ユニットとからなる光ファイバ型光電センサであって、
前記投光部は、
光を発光する発光素子と、
前記発光素子と前記装着部に装着された前記投光側光ファイバの一端面との間に設けられ、前記発光素子から発光された光を前記装着部に装着された前記投光側光ファイバの一端面に集光させる集光レンズと、
前記集光レンズの周囲に前記集光レンズの光軸に対し略同心円状に設けられ、前記発光素子から前記集光レンズの周囲に出射された光を、前記集光レンズの光軸に接近する方向に反射させる反射面と、
前記集光レンズと前記反射面との間に前記集光レンズの光軸に対し略同心円状に設けられ、前記反射面で反射した光を前記集光レンズの光軸に接近する方向から当該光軸に沿う方向に屈折し、前記投光側光ファイバ内部における反射条件を満たす入射角で前記装着部に装着された前記投光側光ファイバの一端面に入射させる屈折面と、
を備えることを特徴とする光ファイバ型光電センサ。
【請求項５】
前記投光側光ファイバは、前記検出領域に光を投光する端面に投光レンズを備えた多芯光ファイバであることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ型光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物に向けて光を投光し、その反射光または透過光を受光することによって検出対象物の有無、色等の情報を検出する光電センサに関し、特に検出対象物に向けて光ファイバを介して光を投光する光ファイバ型光電センサの本体ユニット及び光ファイバ型光電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体の有無、物体の寸法、物体間の間隔、物体の位置、物体の形状、色等を検出するために、光ファイバケーブルが接続されたファイバセンサヘッドと、当該ファイバセンサヘッドを介して検出領域に光を投光し、その透過光または反射光を受光する本体ユニットとから構成される光ファイバ型光電センサが用いられている。本体ユニット内部には光ファイバへ光を出射するための投光部と、光ファイバからの光を受光する受光部が備えられている。
【０００３】
投光部としてはＬＥＤ（light emitting diode）が一般的に用いられる。ＬＥＤはリード線に接続された基材の表面に実装されたＬＥＤチップと、ＬＥＤチップを覆うように形成された透光性の樹脂封止層により構成されている。ＬＥＤの樹脂封止層に投光側光ファイバを突き当てて、ＬＥＤチップから出射した光が投光側光ファイバ内部に導光される。
【０００４】
ところで、光ファイバ型光電センサの検出能力を示すパラメータとして発光素子の投光側光ファイバに対する光結合効率がある。ここで言う光結合効率とは、発光素子が発光した全発光量に対して検出対象領域に実際に照射される光の割合を示すパラメータである。光結合効率が小さいと検出に寄与する投光量が小さいため高い検出能力は得られない。高い検出能力を得るためには、発光素子に大きな電流を流し発光量を増やす必要がある。しかし、この場合、発光素子のスペックの制限や、消費エネルギーの増大、発光素子の短寿命化が問題となる。
【０００５】
上述した光結合効率を高めるためには、図９に示すように発光素子であるＬＥＤチップ４１を投光側光ファイバ３の入射端面近傍に配置することが考えられる。このように配置することでＬＥＤチップ１７から発した光の大部分を光ファイバに入射させることができる。しかし、ＬＥＤチップ１７の光軸に対してある一定以上の入射角度を持って発した光Ｐ２は、光ファイバに入射した後に光ファイバの外部に放射されてしまう。これは光Ｐ２の光ファイバへの入射角αが光ファイバ内部における反射条件を満たしていないため、内部で反射せずに外部に放出されてしまうためである。したがって、単に発光素子を投光側光ファイバ３端面の近傍に配置しても、発光素子から光ファイバに入射する光量は増えるものの、その分、光ファイバにおける光損失が大きくなるため、結果として光結合効率を高めることはできない。
【０００６】
また、図１０に示すようにＬＥＤチップ４１の前方に集光レンズ４２を設ける構成も考えられる（例えば特許文献１、２参照）。このような構成によれば、集光レンズ４２の作用によりＬＥＤチップ４１から放射状に放射された光を効率的に投光側光ファイバ３の端面に入射させることが可能である。しかし、一般にＬＥＤチップ４１は発光面から放射状に光を発光するものであるため、ＬＥＤチップ４１から放射された光のうち集光レンズ４２に入射しない角度に出射された光Ｐ２は集光レンズ４２の集光作用を受けず、結果、光ファイバに入射しない。そこで、光Ｐ２を光ファイバに入射させるために、ＬＥＤチップ４１を集光レンズ４２に近づけて配置すると、光ファイバへの入射角αが大きくなってしまい、やはり光ファイバにおける光損失が大きくなってしまう。入射角αが大きくならないように、反射面４３を大きく傾斜させると、投光側光ファイバ３の突き当て面が確保できなくなり、細い径の光ファイバに対応できなくなる。
【特許文献１】特開昭５９−１８０５１５号公報
【特許文献２】特開平９−３０７１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記問題を解決するために、図１１に示すように、集光レンズ４２に入射しない方向に出射された光を反射する反射面４０を設け、ＬＥＤチップ４１から出射された光を漏れなく光ファイバに入射させる構成が考えられる。しかし、このような構成でも反射面４０により反射した光Ｐ２は光ファイバに比較的大きな入射角αを持って入射することになるため、この入射角αが光ファイバの反射条件を満たさない場合、光Ｃはやはり光ファイバの外部に放射されてしまう。したがって、このような構成を採用してもＬＥＤチップ４１から出射した光を十分に光ファイバに結合させることはできない。
【０００８】
また上記問題とは別に、一般に光ファイバ型光電センサでは投光側光ファイバ３の入射端面に均一に光が入射しないと、投光側の他端面から出射される光の光軸にずれが生じてしまうという問題がある。図１２はＬＥＤチップの中心軸が集光レンズ４２の光軸から僅かに左にずれた場合の光線の流れを示した図である。この場合、光ファイバに入射する光の分布は集光レンズ４２の光軸に対して右側領域に集中してしまうため、入射光量分布が不均一となる。投光側光ファイバ３に均一に光を入射させるためには、ＬＥＤチップ４１と集光レンズ４２の光軸を正確に位置決めし、且つ投光側光ファイバ３の中心軸をこの光軸に正確に一致するように装着する必要がある。しかし、一般にこれらを正確に位置決めするのは容易ではないため、これが製造の困難化及び製造コストの増大の原因となっていた。
【０００９】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、発光素子と投光側光ファイバの光結合効率を向上させるとともに、発光素子及び集光レンズを高精度に位置決めしなくても投光側光ファイバに均一な光を入射させることが可能な光ファイバ型光電センサの本体ユニット及び光ファイバ型光電センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光ファイバ型光電センサは、検出領域に向けて投光される光を導光する投光側光ファイバと、検出領域からの光を受光して導光する受光側光ファイバと、投光側光ファイバ及び受光側光ファイバと接続される本体ユニットとからなる。光ファイバとしては、プラスチック、ガラス等の各種材質のものが使用できる。ここで、本体ユニットは、投光側光ファイバ及び受光側光ファイバを装着するための一体型若しくは分離型の装着部と、装着部に装着された投光側光ファイバに光を投光する投光部及び受光側光ファイバにて受光した光を受光する受光部とを備え、受光部が受光した受光量に基づいて検出領域の検出対象物を検出する。投光部は、光を発光する発光素子（例えば、面発光ＬＥＤ、全発光ＬＥＤ、ＬＤ等）と、発光素子と装着部に装着された投光側光ファイバの一端面との間に設けられ、発光素子から発光された光を装着部に装着された投光側光ファイバの一端面に集光させる集光レンズと、集光レンズの周囲に前記集光レンズの光軸に対し略同心円状に設けられ、発光素子から集光レンズの周囲に出射された光を、集光レンズの光軸に接近する方向に反射させる反射面と、集光レンズと反射面との間に集光レンズの光軸に対し同心円状若しくは略同心円状に設けられ、反射面で反射した光を集光レンズの光軸に接近する方向（例えば、発光素子と集光レンズとを結ぶ光軸に対して垂直方向の成分が多い方向）から光軸に沿う方向（例えば、発光素子と集光レンズとを結ぶ光軸に対して水平方向の成分が多い方向）に屈折し、装着部に装着された投光側光ファイバの一端面に入射させる屈折面とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、まず発光素子から出射された光のうち、光軸から近い所定方向に出射された光は集光レンズに入射する。集光レンズに入射した光は投光側光ファイバに集光され、光ファイバ内を伝送する。また、発光素子から出射された光の内、光軸から離間し、集光レンズの周囲に出射した光は、集光レンズの周囲に設けられた反射面により光軸に接近する方向に反射し、次いで反射された光は集光レンズと反射面の間に設けられた屈折面により光軸に沿う方向に屈折される。屈折面により屈折された光は比較的小さい入射角αを持って投光側光ファイバに入射するため、光ファイバの反射条件を満たした状態で内部を伝送し、光ファイバの外部に放射されることが無い。本発明の構成によれば集光レンズに入射した光に加えて集光レンズに入射しなかった光も反射面で反射させた上で屈折面で屈折し、全反射条件を満たす比較的小さい入射角αを持って投光側光ファイバに入射させることができるため、発光素子が発光する光を極めて効率良く投光側光ファイバに結合させることができる。
【００１２】
更に本発明の構成によれば、発光素子の中心軸と集光レンズの光軸にずれが生じても、投光側光ファイバの入射面に入射する光量の均一性が維持される。例えば、発光素子の光軸が集光レンズの光軸に対して僅かに左にずれた場合、集光レンズに入射した光は投光側光ファイバの右側に集光する。しかし、発光素子の光軸が集光レンズの光軸に対して左にずれているため、集光レンズの周囲に設けられた反射面により反射し、次いで屈折面により屈折されて投光側光ファイバに入射する光量は左側に集光する。すなわち、集光レンズにより集光した光量と、集光レンズを介さず反射面と屈折面を介して入射する光量が互いに補間関係となるため、発光素子と集光レンズの光軸に多少のずれが生じても極端に光結合効率が低下しない。このような構成により、製造段階で発光素子と集光レンズの光軸調整を高精度に行う必要が無くなり、製造の容易化と製造コストの削減が可能となる。
【００１３】
また、光ファイバ型光電センサの本体ユニットの投光部は、発光ダイオードチップを封止する透光性樹脂層とを備え、集光レンズ、反射面及び屈折面は前記透光性樹脂層を成形することにより一体的に形成してもよい。
【００１４】
これにより、発光ダイオードチップを封止する透光性樹脂層を成形することにより集光レンズ、反射面及び屈折面が形成されるため、少ない部品点数で容易に製造が可能となる。
【００１５】
また、光ファイバ型光電センサの本体ユニットは、透光性樹脂層の投光側光ファイバの一端面と対面する面に、集光レンズの光軸に対し略同心円状の溝部が設けられ、反射面が前記溝部の集光レンズと近接する内周面としても良い。
【００１６】
これにより、透光性樹脂層の投光側光ファイバと対面する面に溝部を設けることで容易に反射面が形成でき、反射面を形成するために反射板等の別部材が不要となる。また、透光性樹脂層の投光側光ファイバと対面する面に、投光側光ファイバとの突き当て面を確保できる。
【００１７】
また、投光側光ファイバは、検出領域に光を投光する端面に投光レンズを備え、複数のファイバを束ねた多芯光ファイバであっても良い。
【００１８】
これにより、多芯光ファイバは単芯の光ファイバに比べ折り曲げに強いため、光ファイバケーブルの引き回しが便利になる。また、光ファイバへの入射光量が均一なので、多芯光ファイバを用い、投光レンズを介して検出領域に光を出射しても出射端面で光軸のずれが生じない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバへの光結合効率を高めるとともに、ＬＥＤチップに位置ずれが生じても光ファイバに均一に光を入射することが可能な光ファイバ型光電センサを簡易な構成で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。以下に示す実施の形態においては、投光部として面発光ダイオードチップ（以下、ＬＥＤチップ１７）が樹脂モールドされた発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）と受光素子としてフォトダイオード（以下、ＰＤ）を利用した透過型の光ファイバ型光電センサを例として説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態における光ファイバ型光電センサの全体を示す概略斜視図である。本実施の形態における光ファイバ型光電センサは、本体である本体ユニット１と、本体ユニット１に挿入され、検出領域に投光する光を導光する投光側光ファイバ３と、検出領域からの光を受光する受光側光ファイバ５とを備える。各々の光ファイバの先端部には夫々、光を投光する投光ヘッド２、光を受光する受光ヘッド４が取り付けられている。本体である本体ユニット１は、幅狭の比較的細長いボックス状のケーシングを有し、前壁には投光側光ファイバ３と受光側光ファイバ５を装着するための開口が設けられている。
【００２２】
投光ヘッド２は、投光側光ファイバ３によって導光された光を検出対象領域に向けて投光する。受光ヘッド４は検出領域からの光を捉え、受光側光ファイバ５を介して本体ユニット１に伝送する。本体ユニット１は受光側光ファイバ５を介して受光した受光量に基づいて、検出領域における検出対象物の有無を検出する。
【００２３】
図２は、本体ユニット１の全体概要を示すブロック図である。本体ユニット１は、投光部としてのＬＥＤ１０と、ＬＥＤ１０を駆動するための投光回路２１を備える。また、受光部としてのＰＤ２０（フォトダイオード）と、ＰＤ２０を駆動するための受光回路２２と、この受光回路２２からの出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２８と、表示部２４や操作部２５を制御するゲートアレイやＣＰＵからなる制御部２３と、この制御部２３からの信号を外部に送出する出力回路２６とを備えている。制御部２３は投光回路２１を制御してＬＥＤ１０を駆動し、投光側光ファイバ３を介して検出領域に光を投光する。検出領域からの光は受光側光ファイバ５に入射し、ＰＤ２０が受光する。ＰＤ２０が受光した光は受光回路２２を介して、Ａ／Ｄ変換器２８でＡ／Ｄ変換され、制御部２３に入力される。制御部２３は入力された受光量に基づいて、検出領域における物体の有無を判定し、出力回路２６に出力する。
【００２４】
続いて、本発明の主要部であるＬＥＤ１０の構成ならびに機能について詳細に説明する。図３は、投光部であるＬＥＤ１０の外観斜視図であり、図４は、ＬＥＤ１０の断面図である。ＬＥＤ１０は金属からなるアノードリード１４ｂ、同じく金属からなるカソードリード１４ａ、発光素子である面発光ＬＥＤチップ１７、ＬＥＤチップ１７を搭載する基材３１、これらをモールドする透光性樹脂１５からなる。透光性樹脂１５は例えば難燃性に優れるエポキシ樹脂からなる。透光性樹脂１５には、本体ユニット１内部で安定して保持されるために水平部１３が設けられている。また、図示していないがアノードリード１４ｂからＬＥＤチップ１７にはボンディングワイヤが接続されている。なお、本実施の形態では発光素子を面発光ＬＥＤチップとしたが、全面発光型のＬＥＤやその他のＬＥＤを用いてもよいことは云うまでもなく、その場合はＬＥＤチップの周囲に反射面を設けて前方への光発光効率を高める構成を採用してもよい。
【００２５】
投光側光ファイバ３の端面に対向する面であるＬＥＤ１０の上面には、光を発光する部位である発光部１１と、該発光部１１の周囲に環状に設けられた溝部１２が形成されている。発光部１１はＬＥＤチップ１７が出射する光を外部に放射する部位であり、投光側光ファイバ３に光を導光する部位である。溝部１２は発光部１１の周囲に環状に溝が形成されたものであり、この溝部の機能については後述する。
【００２６】
基材３１に配置されたＬＥＤチップ１７の光の出射方向前方には、ＬＥＤチップ１７の中心軸と光軸がほぼ一致するように集光レンズ１６が形成されている。集光レンズ１６はＬＥＤチップ１７から出射された光を集光し、投光側光ファイバ３の端面に集光する。集光レンズ１６の周囲には、集光レンズ１６の光軸に対して略同心円状に反射面１８が形成され、集光レンズ１６と反射面１８の間には同じく略同心円状に屈折面１９が形成されている。これら集光レンズ１６、反射面１８、屈折面１９はいずれもＬＥＤチップ１７を封止する透光性樹脂１５の一部分であり、透光性樹脂１５を成形することにより形成されている。
【００２７】
図５はＬＥＤチップ１７から発した光線の流れを模式的に示した図である。ＬＥＤチップ１７の発光面は実際にはある一定の面積を有しているが、分かり易くするために、ここではＬＥＤチップ１７上のある一点から出射した光線の流れだけを模式的に示している。
【００２８】
図５に示すようにＬＥＤチップ１７から発した光線は放射状に広がりを見せる。集光レンズの光軸に近い方向に出射された光線Ｐ１は、集光レンズ１６に入射し、次いで集光レンズ１６の集光作用を受けて投光側光ファイバ３に入射する。光線Ｐ１は集光レンズ１６の集光作用により、各光線が比較的小さな入射角で投光側光ファイバ３に入射する。したがって、集光レンズ１６の集光作用を受けて投光側光ファイバ３に入射した光は光ファイバの反射条件を満たさず、投光側光ファイバ３の外部に放射されてしまう虞がない。
【００２９】
一方、ＬＥＤチップ１７の中心軸から離間した方向に出射した光線Ｐ２は集光レンズ１６に入射せず、集光レンズ１６の集光作用を受けない。上述したように、集光レンズ１６の周囲には環状に溝部１２が形成されている。詳細については後述するが、一般にエポキシ樹脂等の透光性樹脂１５の屈折率は空気よりも大きく、所定以上の入射角で入射した光領域Ｐ２に対して透光性樹脂１５と空気中である溝部１２の界面は全反射面１８として機能する。したがって、集光レンズ１６に入射しない光線Ｐ２は、この反射面１８に入射し、反射されて光軸に接近する方向に進路をとる。
【００３０】
集光レンズ１６と反射面１８の間には、反射面１８が反射した光を集光レンズ１６の光軸に向かう方向から光軸に沿う方向に屈折する屈折面１９が、集光レンズ１６の光軸に対して略同心円状に形成されている。この屈折面は透光性樹脂１５と空気中である発光部１１の界面である。反射面１８により反射した光は、屈折面１９により投光側光ファイバ３に向かう方向に屈折されてから投光側光ファイバ３に入射する。
【００３１】
図６は集光レンズ１６に入射しない光の光路を詳細に説明するための図である。透光性樹脂１５の屈折率をＮ、反射面１８が集光レンズ１６の光軸と平行とし、反射面１８へのＬＥＤチップ１７からの光の入射角度を∠Bとすると、ＬＥＤチップ１７から出射した光が全反射する条件は、
N*SinB≧Sin90°  ・・（１）
であり、屈折率N=1.53とすると、
SinB≧0.65  ・・（２）
B≧40.7 ・・（３）
となる。したがって、反射面１８への入射角がこの条件を満たすように、ＬＥＤチップ１７及び反射面１８の相対位置を決定する。
【００３２】
続いて、屈折面１９と集光レンズ１６の光軸と平行な方向との角度を∠Ａとすると、反射面１８で反射した光が屈折面１９で反射をおこさず、光ファイバへ入射角度∠Ｃで入射するように、各角度の関係を式にすると、
N*Sin(B-A)=Sin(90-A-C)  ・・（４）
上記の数値を使い、この式を解くと、
A=Arctan((1.16+CosC)/(1-SinC))  ・・（５）
となる。光ファイバ内で全反射させながら伝送させ、且つ屈折面１９にて屈折させた光を投光側光ファイバ３の周辺部分に集中させずに入射させるためには光ファイバへの入射角が３０度程度であることが好ましい。よって、∠Ｃに３０度を入れて上記の∠Ａを求めると約１１．４度となる。すなわち、角度∠Ａが約１１．４度となるように屈折面１９を設けることで、投光側光ファイバ３に３０度の入射角で光を入射させることができる。これらの値と、集光レンズ１６の焦点位置、装着しようとする光ファイバの最外形とその位置に合わせてＬＥＤチップ１７の配置位置を決定する。
【００３３】
このように、本実施の形態ではＬＥＤチップ１７から出射した光のうち集光レンズ１６に入射しなかった光を、適切な位置及び角度で設けられた反射面１８により集光レンズ１６の光軸に接近する方向に反射する。ところが、反射面１８により反射した光をそのまま投光側光ファイバ３に入射させても、光ファイバ内を伝送せずに外部に放射されてしまう。そこで、反射面１８により反射した光を適切な位置及び角度で設けられた屈折面１９を介して投光側光ファイバ３に入射させることで、投光側光ファイバ３から外部に放射されない比較的小さな入射角で光を入射させることができる。このような構成により、本実施の形態ではＬＥＤチップ１７から出射した光のうち、集光レンズ１６に入射した光とその周囲の反射面１８に入射した光の大部分を投光側ファイバ３に結合させることができるため、飛躍的に投光側光ファイバ３への光結合効率を高めることができる。特にＬＥＤチップ１７として前方への光発光効率の高い面発光ＬＥＤを用いれば、発光量の大部分を投光側光ファイバ３に結合させることができる。
【００３４】
なお、ここでは反射面１８が集光レンズ１６の光軸とほぼ平行に形成され、透光性樹脂１５の屈折率が１．５３であると仮定した場合の一例を示したが、反射面１８の角度や位置、採用する樹脂の屈折率、採用する光ファイバの反射条件等によって、各々の相対位置関係は複雑に変化する。また、上記例ではＬＥＤチップ１７のある一点から出射され、角度∠Ｂで反射面１８に入射した場合の例を示したが、実際のＬＥＤチップ１７の発光面はある所定の面積を有しており、反射面１８には様々な入射角で光が入射する。したがって、ＬＥＤチップ１７と集光レンズ１６の距離関係、反射面１８や屈折面１９の位置や角度等の詳細な設計項目の決定は、光ファイバへの光結合効率及び後述する光量分布の均一化の効果を計測しながら実験的に決定される。
【００３５】
また、本実施の形態では、反射面１８がＬＥＤ１０上面に対して垂直な例を示したが、必ずしも垂直である必要はなく、ＬＥＤチップ１７からの光を一部反射できる角度であれば傾斜していてもよい。実際には反射面１８は光ファイバに近づけば近づくほど光軸から離れる方向に傾斜する傾斜面の方が、反射光の光ファイバへの入射角が小さくなり好ましい。しかし、これは製造上困難であるため、本実施の形態では反射面１８を垂直に形成している。また、本実施の形態では反射面１８や屈折面１９を平面で構成したが、必ずしも平面である必要はなく、曲面であってもよい。
【００３６】
また、本実施の形態では反射面１８をＬＥＤ１０上面に環状に設けられた溝部１２の内周面により形成している。上述したように、透光性樹脂１５と空気の界面は反射条件を満たす入射角で入射した光に対して反射面として機能するので、溝部１２の内周面を反射面１８とすることができる。このような構成により、反射面１８を形成するために別途反射板等を用意する必要がない。また、ＬＥＤ１０の上面における溝部１２の周囲部分は投光側光ファイバ３の突き当て面３３となる。
【００３７】
投光側光ファイバ３の突き当て面３３を確保するという意味で、本実施の形態は、例えば図７に示すＬ字状の切欠部３２により反射面１８を形成する構成よりも好ましい。ただし、図７に示す構成でも切欠部３２に反射体３４を配置することで、確実に光を反射させるとともに上記突き当て面３３を確保することが可能である。この場合、透光性樹脂を直接加工する場合とは異なり、反射体３４に図７に示す傾斜面３５を形成することができる。傾斜面３５は反射面１８で反射せずに透光性樹脂１５から外部に放出されてしまった光を反射し、光ファイバに小さな入射角で入射させることができる。また、反射面１８は透光性樹脂の外周面に反射性のコーティングを施すことで形成することも可能である。
【００３８】
ところで、光ファイバ型光電センサでは投光側光ファイバ３に均一に光が入射しないと、検出領域に投光される他端側での照射光に輝度ムラが生じてしまうという問題がある。この輝度ムラを防ぐためには、集光レンズ１６ならびにＬＥＤチップ１７の配置位置は互いの軸が一致するように、高精度に位置決めされる必要がある。近年は光ファイバの高密度化に伴う細径化が進んでおり、光ファイバ型光電センサとしてのサイズの制限がある中で、これらの位置決めはセンサとしての検出能力を大きく左右する。したがって、このことが製造の困難化ならびに製造コストの増大を招いていた。
【００３９】
特に、投光側光ファイバ３が複数のファイバを束ねた多芯の光ファイバである場合には、光ファイバへの入射光量の輝度ムラはより重大な問題となる。光ファイバが単芯の光ファイバである場合、入射光量分布が不均一でも、光ファイバ内の伝送過程で光がミキシングされ、出射端全体からはある程度均一な光が照射される。しかし、多芯の光ファイバでは各々のファイバに入射した光が各々のファイバ内を伝送するため、不均一に入射した入射光量分布はそのまま出射端における不均一な出射光量分布となり、投光レンズを介して検出領域に照射される光に光軸ずれが生じてしまう。一方、単芯の光ファイバに対して、多芯の光ファイバは複数のファイバを束ねた構成であるため、ケーブル曲げに強く、折れにくい。そのため、ケーブルの引き回しができない狭領域に投受光ヘッドを設置しなければならない使用環境等では特に好んで使用される。
【００４０】
図８は本実施の形態において、ＬＥＤチップ１７の中心軸が集光レンズ１６の光軸に対して水平方向（図では左）にずれている場合の光線の流れを示す図である。ＬＥＤチップ１７の光軸が集光レンズ１６の光軸に対して僅かに左にずれた場合、図８に示すように集光レンズ１６に入射した光は投光側光ファイバ３の右側領域に集中してしまう。逆に言えば、投光側光ファイバ３の左側領域に光が入射しなくなる。しかし、ＬＥＤチップ１７の中心軸が集光レンズ１６の光軸に対して左にずれているため、集光レンズ１６に入射せずに反射面１８により反射し、次いで屈折面１９により屈折されて投光側光ファイバ３に入射する光量は投光側光ファイバ３の左側領域に集中する。すなわち、集光レンズ１６を介して投光側光ファイバ３に入射する光と、集光レンズ１６を介さず反射面１８と屈折面１９を介して入射する光が互いに補間関係（一方が粗のとき他方が密）となるため、発光素子と集光レンズ１６の光軸に多少のずれが生じても極端に結合効率が低下しない。
【００４１】
なお、集光レンズ１６をＬＥＤチップ１７に更に接近させて配置した場合、集光レンズ１６の出射面から投光側光ファイバ３の入射面までの距離が広がるため、全体としての光量は低下する。しかし、ＬＥＤチップ１７と集光レンズ１６に光軸ずれが生じた場合に、上述したように屈折面１９を介して入射する光はＬＥＤチップ１７が位置ずれした方向に多く集光する一方で、集光レンズ１６を介して入射する光は、集光レンズ１６の出射面から投光側光ファイバ３の入射面までの距離が長くなる分、ＬＥＤチップ１７の位置ずれ方向とは逆方向により多く集光する。すなわち、集光レンズ１６とＬＥＤチップ１７を接近させて配置することで、全体としての光量が低下する一方、屈折面１９を介して照射される光と、集光レンズ１６を介して照射される光の相互の補間関係が強くなり、投光側光ファイバ３に入射する光量分布をより均一化させることができる。したがって、投光側光ファイバ３への入射光量及び光量の均一性のバランスを考慮して、集光レンズ１６及びＬＥＤチップ１７の相対位置関係は定められる。
【００４２】
以上、本発明を透過型のファイバ型光電センサを例に説明したが、投光ヘッドと受光ヘッドが一体である反射型のファイバ型光電センサに対しても適用可能であることは言うまでもない。本発明はここに説明した実施例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応じて種々の変形及び変更を実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態のファイバ型光電センサの全体構成を示す外観斜視図
【図２】本実施の形態のファイバ型光電センサの内部構成を示すブロック図
【図３】本実施の形態のＬＥＤの外観を示す外観斜視図
【図４】本実施の形態のＬＥＤの内部構造を示す断面図
【図５】本実施の形態のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【図６】本実施の形態のＬＥＤの光線の流れを説明するための拡大模式図
【図７】本実施の形態の別の実施形態におけるＬＥＤの模式図
【図８】本実施の形態のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【図９】従来のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【図１０】従来のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【図１１】比較例のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【図１２】比較例のＬＥＤの光線の流れを説明するための模式図
【符号の説明】
【００４４】
１  本体ユニット
２  投光ヘッド
３  投光側光ファイバ
４  受光ヘッド
５  受光側光ファイバ
１０  ＬＥＤ
１１  発光部
１２  溝部
１３  水平部
１４ａ  カソードリード
１４ｂ  アノードリード
１５  透光性樹脂
１６  集光レンズ
１７  ＬＥＤチップ
１８  反射面
１９  屈折面
２０  ＰＤ
２１  投光回路
２２  受光回路
２３  制御部
２４  表示部
２５  操作部
２６  出力回路
２７  装着部
２８  Ａ／Ｄ変換器
３１  基材
３２  切欠部
３３  突き当て面
３４  反射体
３５  傾斜面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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