(57)【要約】【課題】光ファイバから出射した光を受光素子に結合させる構成において、その受光素子の小型化を可能にする技術を提供する。【解決手段】受光装置は、半球状のボールレンズ２１４と、ＰＤ（フォトダイオード）パッケージ１７０とを備える。ボールレンズ２１４は、少なくとも受光側光ファイバ１９０から出射した光が入射する入射範囲が球面に形成され、その入射範囲に入射した光を集光し、ＰＤパッケージ１７０は、ボールレンズ２１４によって集光された光を受光する。フォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａが、受光側光ファイバ１９０の光軸Ａ（ボールレンズ２１４のレンズ光軸と重なる）におけるボールレンズ２１４の焦点位置よりもボールレンズ２１４に近くなるように、ＰＤパッケージ１７０が配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから出射された光を受ける受光装置であって、
少なくとも前記光の入射範囲が球面に形成されたレンズ面を有し、前記光ファイバから前記入射範囲に入射した前記光を集光するレンズと、
前記レンズによって集光された前記光を受ける受光面を有する受光素子とを備え、
前記レンズは、前記光ファイバのファイバ光軸が前記入射範囲の中心を通るように配置され、
前記光ファイバの開口数をＮＡ１とし、前記レンズの開口数をＮＡ２とすると、ＮＡ１およびＮＡ２は、ＮＡ2＜ＮＡ１／（１−２ＮＡ１２）との条件を満たし、
前記受光素子は、前記受光面の前記ファイバ光軸上の位置が、前記レンズの前記ファイバ光軸上の焦点位置よりも前記レンズに近くなるように配置される、受光装置。
【請求項２】
前記入射範囲である前記球面の曲率中心は、前記ファイバ光軸上に位置し、
前記球面の曲率半径は、前記曲率中心から前記焦点位置までの距離よりも短く、
前記受光素子は、前記曲率中心から前記受光面までの距離が、前記曲率半径よりも短くなるように配置される、請求項１に記載の受光装置。
【請求項３】
前記受光素子は、前記受光面の前記ファイバ光軸上の位置が、前記光ファイバの開口数に従って定まる前記ファイバ光軸に対する最大角度で前記光ファイバから出射され、かつ前記入射範囲に入射した前記光の焦点の前記ファイバ光軸方向の位置よりも前記レンズに近くなるように配置される、請求項１に記載の受光装置。
【請求項４】
前記受光面の前記ファイバ光軸上の位置は、
前記光ファイバの開口数に従って前記ファイバ光軸に対する出射角度の範囲が定まり、かつ前記入射範囲に入射する前記光を、前記レンズが集光することにより生じた前記光のスポットが、最も小さくなる位置である、請求項２または３に記載の受光装置。
【請求項５】
前記受光装置は、
前記レンズを囲むように形成されて、前記光ファイバからの前記光を反射する反射面を有するリフレクタをさらに備え、
前記ファイバ光軸に対して垂直な前記リフレクタの断面における、前記反射面の輪郭線は円であり、
前記円の直径は、前記ファイバ光軸上における前記断面の位置にかかわらず一定である、請求項１から４のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項６】
前記受光装置は、
前記レンズを囲むように形成されて、前記光ファイバからの前記光を反射する反射面を有するリフレクタをさらに備え、
前記ファイバ光軸に対して垂直な前記リフレクタの断面における、前記反射面の輪郭線は円であり、
前記円の直径は、前記ファイバ光軸上における前記断面の位置が前記光ファイバ側から前記レンズ側に変化するにつれて小さくなる、請求項１から４のいずれか１項に記載の受光装置。
【請求項７】
前記ファイバ光軸と、前記ファイバ光軸に平行な前記リフレクタの断面における、前記反射面の輪郭線とのなす角度は、０度より大きく、かつ、９０°と前記光ファイバの開口数により定まる前記光の前記ファイバ光軸に対する最大出射角との差分の１／２よりも小さい、請求項６に記載の受光装置。
【請求項８】
光ファイバと、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光装置とを備える、センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバから出射された光を受光する受光装置および、その受光装置を備えるセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを利用する分野では、光ファイバを伝播した光をフォトダイオード等の受光素子により受光する構成が採用されることが多い。たとえば特開平１１−２３１１７７号公報（特許文献１）に開示された光素子モジュールは、配線端子を有するヘッダと、ヘッダ上に配置され配線端子に電気的に接続された受光素子と、この受光素子を密閉するために受光素子を覆ってヘッダ上に固定されたキャップと、このキャップに設けられた、受光素子と光ファイバとを光学的に接続するためのボールレンズとから構成されている。この光素子モジュールにおいては、キャップのヘッダからの高さが、光素子とボールレンズと光ファイバとからなる光学系の光軸方向の位置基準としての機能を果たすように、キャップが高精度に加工されている。
【特許文献１】特開平１１−２３１１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の光素子モジュールは、部品点数の削減、あるいは構成部品の固定精度を高めることが可能になるように構成されたものである。しかしながら、上記文献には受光素子の小型化を可能にするための構成については開示されていない。
【０００４】
本発明の目的は、光ファイバから出射した光を受光素子に結合させる構成において、その受光素子の小型化を可能にする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は要約すれば、光ファイバから出射された光を受ける受光装置であって、少なくとも光の入射範囲が球面に形成されたレンズ面を有し、光ファイバから入射範囲に入射した光を集光するレンズと、レンズによって集光された光を受ける受光面を有する受光素子とを備える。レンズは、光ファイバのファイバ光軸が入射範囲の中心を通るように配置される。光ファイバの開口数をＮＡ１とし、レンズの開口数をＮＡ２とすると、ＮＡ１およびＮＡ２は、ＮＡ2＜ＮＡ１／（１−２ＮＡ１２）との条件を満たす。受光素子は、受光面のファイバ光軸上の位置が、レンズのファイバ光軸上の焦点位置よりもレンズに近くなるように配置される。
【０００６】
好ましくは、入射範囲である球面の曲率中心は、ファイバ光軸上に位置する。球面の曲率半径は、曲率中心から焦点位置までの距離よりも短い。受光素子は、曲率中心から受光面までの距離が、曲率半径よりも短くなるように配置される。
【０００７】
好ましくは、受光素子は、受光面のファイバ光軸上の位置が、光ファイバの開口数に従って定まるファイバ光軸に対する最大角度で光ファイバから出射され、かつ入射範囲に入射した光の焦点のファイバ光軸方向の位置よりもレンズに近くなるように配置される。
【０００８】
好ましくは、受光面のファイバ光軸上の位置は、光ファイバの開口数に従ってファイバ光軸に対する出射角度の範囲が定まり、かつ入射範囲に入射する光を、レンズが集光することにより生じた光のスポットが、最も小さくなる位置である。
【０００９】
好ましくは、受光装置は、レンズを囲むように形成されて、光ファイバからの光を反射する反射面を有するリフレクタをさらに備える。ファイバ光軸に対して垂直なリフレクタの断面における、反射面の輪郭線は円である。円の直径は、ファイバ光軸上における断面の位置にかかわらず一定である。
【００１０】
好ましくは、受光装置は、レンズを囲むように形成されて、光ファイバからの光を反射する反射面を有するリフレクタをさらに備える。ファイバ光軸に対して垂直なリフレクタの断面における、反射面の輪郭線は円である。円の直径は、ファイバ光軸上における断面の位置が光ファイバ側からレンズ側に変化するにつれて小さくなる。
【００１１】
より好ましくは、ファイバ光軸と、ファイバ光軸に平行なリフレクタの断面における、反射面の輪郭線とのなす角度は、０度より大きく、かつ、９０°と光ファイバの開口数により定まる光のファイバ光軸に対する最大出射角との差分の１／２よりも小さい。
【００１２】
本発明の他の局面に従うと、センサ装置であって、光ファイバと、上記のいずれかの受光装置とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光ファイバから出射した光を受光素子に結合させる構成において、その受光素子を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本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。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１５】
本実施の形態に従う受光装置は、たとえば、受光素子としてフォトダイオードチップがパッケージング化されたフォトダイオードパッケージ（以下、ＰＤパッケージと称する）を利用した光ファイバ型光電センサに用いられる。
【００１６】
図１は、本実施の形態に従う受光装置を備える光ファイバ型光電センサの一例を示す概略斜視図である。図１を参照して、光ファイバ型光電センサ１００は、本体部１０１と、ヘッド部１０２と、本体部１０１とヘッド部１０２とを光学的に接続する投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０とを備える。
【００１７】
本体部１０１は、本体ケーシング１１０と、本体ケーシング１１０に回動自在に取付けられた開閉カバー１１４と、本体ケーシング１１０の内部に収容されたフレーム１１６とを主として有しており、開閉カバー１１４の開状態において露出するフレーム１１６の上面に表示部１０３および操作部１０４を有している。本体部１０１の前面に位置する本体ケーシング１１０の前壁部分には、投光側光ファイバ１８０が挿し込まれる開口部と受光側光ファイバ１９０が挿し込まれる開口部とが設けられており、これら２つの開口部に投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０がそれぞれ挿し込まれている。
【００１８】
本体部１０１の背面からは、電源ラインや信号ライン等の芯線が一体化された電気コード１０５が引き出されている。また、本体部１０１の上面の所定位置には、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を本体部１０１へ固定する際に操作する回動レバー１３０が設けられている。本体部１０１の内部には、光源としてのＬＥＤパッケージ（図２等参照）および受光部としてのＰＤパッケージ等が収容されている。
【００１９】
投光側光ファイバ１８０は、ＬＥＤパッケージから発せられた光をヘッド部１０２に伝送する。受光側光ファイバ１９０は、ヘッド部１０２に入射した光をＰＤパッケージへと伝送する。
【００２０】
ヘッド部１０２は、投光側光ファイバ１８０によって伝送された光を検出対象物に対して投光するとともに、検出対象物に投光された光の反射光を捉え、この反射光を受光側光ファイバ１９０によって本体部１０１へと伝送する。
【００２１】
図２は、図１に示した本体部１０１の内部構成の一例を示した図である。図３は、図２に示したＰＤパッケージ１７０の周辺拡大図である。図２を参照して、本体部１０１の内部構成を説明し、図２および図３を参照して、本実施の形態に係る受光装置の構成を詳細に説明することにする。
【００２２】
図２に示すように、本体ケーシング１１０の内部にはフレーム１１６が収容されている。フレーム１１６の前面と本体ケーシング１１０の前壁部分との間には所定の大きさの空間が形成されており、当該空間に各種の構成部品が配置されている。具体的には、当該空間には、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を保持するホルダ部材１２０と、ホルダ部材１２０によって保持された投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を本体部１０１に固定する光ファイバ固定部材１４０と、ＬＥＤパッケージ１６０およびＰＤパッケージ１７０が実装された実装基板１５０とが主として配置されている。
【００２３】
ホルダ部材１２０はフレーム１１６の前面に固定されている。ホルダ部材１２０には、一対の貫通孔が形成される。一対の貫通孔の一方は、ホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２５に通じ、一対の貫通孔の他方はホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２６に通じている。
【００２４】
投光側光ファイバ１８０は、本体ケーシング１１０に設けられた開口部１１１および光ファイバ固定部材１４０に設けられた上部側中空部を経由して、ホルダ部材１２０に設けられた貫通孔に挿し込まれる。ホルダ部材１２０に形成された貫通孔の内壁１２１によって、投光側光ファイバ１８０の端部（光入射端）が保持される。同様に、受光側光ファイバ１９０は、本体ケーシング１１０に設けられた開口部１１２および光ファイバ固定部材１４０に設けられた下部側中空部を経由して、ホルダ部材１２０に設けられた貫通孔に挿し込まれる。ホルダ部材１２０に形成された貫通孔の内壁１２２によって、受光側光ファイバ１９０の端部（光出射端）が保持される。
【００２５】
ホルダ部材１２０の上方前端部分には、ヒンジ部１２３が設けられている。このヒンジ部１２３は、上述の回動レバー１３０に設けられた回動軸１３１を軸支することにより、回動レバー１３０を回動可能に支持している。また、ホルダ部材１２０の前面には、回動レバー１３０の操作にリンクして、ガイド部材（図示せず）によって案内されて上下方向にスライド移動するスライダー１３４と、スライダー１３４によって押圧されて弾性変形することにより投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を挟持して固定する光ファイバ固定部材１４０とが組み付けられている。
【００２６】
回動レバー１３０、スライダー１３４および光ファイバ固定部材１４０は、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を同時に本体部１０１に固定するための固定機構を構成する。光ファイバ固定部材１４０は、所望の弾性を有するように、たとえば樹脂部材によって形成されており、投光側光ファイバ１８０が挿通される上部側中空部を規定する上部側固定部１４１と、受光側光ファイバ１９０が挿通される下部側中空部を規定する下部側固定部１４３とを有している。
【００２７】
ユーザが回動レバー１３０を回動させた場合、スライダー１３４はガイド部材により案内されて下方にスライド移動する。スライダー１３４が下方に移動することによって、光ファイバ固定部材１４０では、上部側固定部１４１の上部および下部側固定部１４３の上部がそれぞれ下方に向けて弾性変形する。上部側固定部１４１の弾性変形により投光側光ファイバ１８０が挟持され、下部側固定部１４３の弾性変形により受光側光ファイバ１９０が挟持される。なお、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を挟持するための構成は図２に示した構成に限定されず、他の構成を採用することも可能である。
【００２８】
投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０の各々は、光が通る部分であるコアと、コアの周囲に設けられてコアよりも屈折率が小さいクラッドと、クラッドの外表面（側面）を覆う外皮とを含む。具体的には、投光側光ファイバ１８０は、コア１８１と、クラッド１８２と、外皮１８３とを含む。受光側光ファイバ１９０は、コア１９１と、クラッド１９２と、外皮１９３とを含む。
【００２９】
投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０としては、口径が大きいコアを有する光ファイバであることが好ましい。これにより、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０の各々が伝播する光の光量を多くできる。たとえばプラスチック光ファイバは、一般に、石英系光ファイバに比較してコアの径が大きい。したがって投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０としてプラスチック光ファイバを用いることができる。なお、以下の説明では投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０はプラスチック光ファイバであるとする。
【００３０】
実装基板１５０は、ホルダ部材１２０の背面に固定されている。実装基板１５０の主面には、投光部としてのＬＥＤパッケージ１６０と、受光部としてのＰＤパッケージ１７０とが実装されている。ＬＥＤパッケージ１６０およびＰＤパッケージ１７０は、ホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２５，１２６にそれぞれ収容されている。ＬＥＤパッケージ１６０の発光面は、投光側光ファイバ１８０の端面に向けられ、ＰＤパッケージ１７０の受光面は受光側光ファイバ１９０の端面に向けられている。
【００３１】
ＬＥＤパッケージ１６０の発光面と投光側光ファイバ１８０の端面との間には、リフレクタ２０２が配置される。リフレクタ２０２には円柱形状の貫通孔が形成され、その貫通孔に半球状のボールレンズ２１２が挿入される。半球の球面は投光側光ファイバ１８０の端面に向けられ、半球の平面はＬＥＤパッケージ１６０の発光面に向けられている。
【００３２】
ＬＥＤパッケージ１６０から出射した光は、ボールレンズ２１２によって集光され、リフレクタ２０２に形成された貫通孔を通って投光側光ファイバ１８０の入射端面に結合される。その貫通孔の内周面２０２ａは、ＬＥＤパッケージ１６０から出射した光の一部、および／またはボールレンズ２１２から出射した光の一部を反射して、その反射光を投光側光ファイバ１８０の端面に導く反射面として機能する。
【００３３】
たとえばリフレクタ２０２は反射率の高い金属（たとえばアルミニウム）の板によって形成される。また、貫通孔の内周面２０２ａは、鏡面反射面として形成されている。鏡面反射面とは、巨視的に見て反射の法則に従う反射面のことであり、入射光の角度と等しい角度で反射光が反射する反射面を意味する。この鏡面反射面を実現する方法は特に限定されず、たとえば上記の金属板をプレス可能によって打ち抜くことで貫通孔を形成し、この貫通孔の内周面を上記の鏡面反射面として用いる方法がある。
【００３４】
図２および図３を参照して、本実施の形態に係る受光装置は、ＰＤパッケージ１７０と、リフレクタ２０４と、ボールレンズ２１４とを含む。本実施形態では、全反射によるロスあるいはフレネル反射ロスが発生するのを避けるために、ＰＤパッケージ１７０、リフレクタ２０４およびボールレンズ２１４は互いに接着されている。
【００３５】
ＰＤパッケージ１７０は、基材１７１と、この基材１７１の主表面に実装された、受光素子としてのフォトダイオードチップ１７２と、これら基材１７１の主表面およびフォトダイオードチップ１７２を封止する透光性樹脂１７３とを含む半導体パッケージからなる。透光性樹脂１７３の素材は特に限定されず、たとえばエポキシ樹脂を用いることができる。
【００３６】
ＰＤパッケージ１７０と受光側光ファイバ１９０の端面との間に、リフレクタ２０４が配置される。リフレクタ２０４は、リフレクタ２０２と同様に、たとえば反射率の高い金属（たとえばアルミニウム）の板により形成される。
【００３７】
リフレクタ２０４は、受光側光ファイバ１９０の端面に向けられた主表面２０４ａと、ＰＤパッケージ１７０に向けられた主表面２０４ｂとを有する。リフレクタ２０４には、主表面２０４ａ，２０４ｂと略垂直方向に貫通孔２０５が形成され、貫通孔２０５に半球状のボールレンズ２１４が挿入される。ボールレンズ２１４の球面２１４ａは、受光側光ファイバ１９０の端面に向けられ、ボールレンズ２１４の平面２１４ｂは透光性樹脂１７３の表面に向けられている。
【００３８】
受光側光ファイバ１９０が有するコア１９１の端面から出射した光は、リフレクタ２０４に形成された貫通孔２０５を通り、ボールレンズ２１４の球面２１４ａに入射する。ボールレンズ２１４は、球面２１４ａに入射した光を集光する。ボールレンズ２１４により集光された光は、透光性樹脂１７３を透過してフォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａに結合される。
【００３９】
リフレクタ２０４に形成された貫通孔２０５は受光側導光路として機能する。また、その貫通孔２０５の内周面２０５ａは、受光側光ファイバ１９０から出射した光の一部および／またはボールレンズ２１４から出射した光の一部を反射して、その反射光をフォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａに導く反射面として機能する。なお、貫通孔２０５の内周面２０５ａは鏡面反射面として形成されている。
【００４０】
コア１９１の直径をＤとし、リフレクタ２０４の貫通孔２０５の直径をｄとする。コア１９１から出射した光が貫通孔２０５を通るように、貫通孔の直径ｄは、コア１９１の直径Ｄと同じか僅かに大きくすることが好ましい。また、ボールレンズ２１４は貫通孔２０５に挿入されるので、ボールレンズ２１４の直径ＤＡは貫通孔２０５の直径ｄに等しいかあるいは僅かに小さい。
【００４１】
図４は、リフレクタ２０４の平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図４および図５を参照して、貫通孔２０５は、主表面２０４ａ，２０４ｂに略垂直な方向に形成され、円柱形状を有している。なお主表面２０４ａ，２０４ｂに垂直な方向を「貫通孔２０５の貫通方向」とも呼ぶことにする。
【００４２】
図４に示すように、リフレクタ２０４を平面視した状態では、貫通孔２０５の輪郭は一重の円となる。つまり、貫通孔２０５の中心軸Ｃに垂直なリフレクタ２０４の断面像を形成した場合、その断面の中心軸Ｃ上の位置（リフレクタ２０４の断面と中心軸Ｃとの交点の、中心軸Ｃ上の位置）によらず、貫通孔２０５の直径はｄとなる。
【００４３】
図５は、貫通孔２０５の中心軸Ｃを含む面でのリフレクタ２０４の断面を表わしている。この面でのリフレクタ２０４の断面像では、貫通孔２０５の貫通方向における内周面２０５ａの輪郭と、中心軸Ｃとが平行（すなわち内周面２０５ａの輪郭と中心軸Ｃとのなす角度が０°）である。なお、貫通孔２０５の貫通方向における内周面２０５ａの輪郭と、貫通孔２０５の中心軸Ｃとのなす角度の好ましい範囲については後述する。
【００４４】
図３に戻り、本実施の形態では、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａがリフレクタ２０４の貫通孔２０５の中心軸Ｃと重なるように配置される。また、ボールレンズ２１４は、ボールレンズ２１４の球面の曲率中心に相当する点Ｐ１、および球面２１４ａの中心点に相当する点Ｐ２を、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａが通るように配置される。点Ｐ２は球面２１４ａに接し、かつ平面２１４ｂに平行な平面２１４ｃと、球面２１４ａとの接点である。受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａ、および貫通孔２０５の中心軸Ｃは、上記平面２１４ｃと直交する。なお本実施の形態では、ファイバ光軸Ａは、コア１９１の端面において、その端面の中心位置を通るコア１９１の軸線であるとする。
【００４５】
また、本実施の形態では、ボールレンズ２１４において点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ軸をボールレンズ２１４のレンズ光軸と定義する。すなわち本実施の形態では、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａとボールレンズ２１４のレンズ光軸と重なるように受光側光ファイバ１９０とボールレンズ２１４とが配置される。
【００４６】
また、フォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａの中心を通り、受光面１７２ａに垂直な直線をフォトダイオードチップ１７２の光軸と定義する。本実施の形態ではファイバ光軸Ａとフォトダイオードチップ１７２の光軸とが重なるようにフォトダイオードチップが配置される。要するに、本実施の形態では、受光側光ファイバ１９０、ボールレンズ２１４およびフォトダイオードチップ１７２の光軸が互いに一致するように、これらが配置される。
【００４７】
フォトダイオードチップの受光面１７２ａの最大の幅をＷとする。なお受光面１７２ａの平面視像は円形である必要はなくたとえば方形でもよい。また、ボールレンズ２１４のレンズ光軸（図３では受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａと等価）上におけるボールレンズ２１４の焦点を焦点Ｆとする。受光面１７２ａのファイバ光軸Ａ上の位置が、ボールレンズ２１４の焦点Ｆよりもボールレンズ２１４に近くなるように、フォトダイオードチップ１７２が配置される。本実施の形態によれば、上記のようにフォトダイオードチップ１７２の配置（言い換えるとＰＤパッケージ１７０の配置）を定めることによって、受光面１７２ａの幅Ｗをコア１９１の直径Ｄよりも小さくできる。したがってフォトダイオードチップを小型化できる。
【００４８】
本実施の形態によれば、小型のフォトダイオードチップを用いることができるので、以下の効果を得ることができる。まずフォトダイオードチップ１７２のコストを下げることができるので、光電センサのコストを下げることができる。さらに、フォトダイオードチップの受光面が小さいほど、フォトダイオードの寄生容量を小さくできるので、フォトダイオードの出力信号におけるＳ／Ｎ比を高めることができる。さらに、応答速度の向上、外来ノイズの低減が可能である。これにより、たとえば物体の有無の検出精度を高めたり検出距離を長くしたりするなど、光電センサの性能向上を図ることができる。
【００４９】
以下では、まずフォトダイオードチップの小型化を実現するための発明者による検討例を説明し、次に本実施の形態に係る受光装置の構成上の特徴について説明する。
【００５０】
（検討例）
図６は、受光側光ファイバから出射した光を受光する受光装置の最も単純と考えられる構成を示した図である。図６を参照して、ＰＤパッケージ１７０は、受光側光ファイバ１９０から出射した光を直接的に受光する。
【００５１】
一般的にプラスチック光ファイバのＮＡ（開口数）は０．５程度である。ＮＡが０．５程度であるということは、コア端面から空気中に出射される光が、光ファイバのファイバ光軸に対して±３０°の角度範囲で広がりながら進むことを意味する。したがってコア１９１の端面から出射した光は、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して±３０°の角度範囲で広がりながら空気中を進み、ＰＤパッケージ１７０の透光性樹脂１７３に入射する。
【００５２】
透光性樹脂１７３に入射した光は、透光性樹脂１７３の内部を進みフォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａに到達する。たとえば透光性樹脂１７３の屈折率を１．５とすると、透光性樹脂１７３の内部では、受光側光ファイバ１９０からの出射光は受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して±２０°の範囲内の角度で伝播して受光面１７２ａに到達する。
【００５３】
このように受光側光ファイバ１９０からの出射光は、空気中あるいは透光性樹脂１７３の内部で広がりながら進む。このため受光側光ファイバ１９０からの出射光をすべて受けようとすると、受光面１７２ａの幅Ｗはコア１９１の直径Ｄよりも大きくなければならない。上述のように、受光側光ファイバ１９０としては、コアの直径が大きい光ファイバであるほど好ましい（プラスチック光ファイバの場合、コアの直径はたとえば１ｍｍ程度である）。つまり光ファイバのコアの直径が大きい場合、図６に示した構成では、フォトダイオードチップが大型化すると考えられる。したがって図６に示した構成によれば、フォトダイオードチップのコスト増という問題や、Ｓ／Ｎ比の向上が困難になるという問題が生じると考えられる。
【００５４】
図７は、図６に示した構成による課題を解決するための受光装置の構成を示した図である。図７を参照して、フォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａは、受光側光ファイバ１９０のコア１９１の端面に密着している。この構成によれば、受光面１７２ａの幅Ｗをコア１９１の直径Ｄに等しくすることができる。しかしながら、コア１９１の端面にフォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａを密着させるためには、受光面１７２ａを透光性樹脂１７３から露出させる必要があると考えられる。この場合に起こりうる問題として、たとえば受光側光ファイバ１９０の着脱（図２参照）等によって、受光面１７２ａが損傷するという問題が考えられる。
【００５５】
図８は、単純な光学系によりフォトダイオードチップ１７２を小型化するための検討例を示した図である。図８を参照して、受光側光ファイバ１９０とＰＤパッケージ１７０との間に、１枚のレンズ２５０が配置されている。レンズ２５０は、コア１９１の端面から出射した光を集光する。この構成によれば、コアの直径Ｄ（たとえば１．０ｍｍ）よりも受光面１７２ａの幅Ｗを小さくするためには、レンズ２５０の有効開口径（すなわちレンズ２５０の表面において、光を集光可能な範囲の直径）を大きくしなければならない。これによって光学系が大きくなるという問題が生じると考えられる。また、後にも説明するように、単純な光学系（たとえば１枚の凸レンズ）では、受光側光ファイバ１９０からの出射光を集光して、コアの直径よりも幅の小さい受光面に結合させることは容易ではない。
【００５６】
図９は、受光側光ファイバ１９０からの出射光を集光するための別の検討例を説明した図である。図９を参照して、この構成は、受光側光ファイバ１９０のコア１９１の端面１９１ａを点光源の集まりと仮定するとともに、その点光源から±３０°の角度で発せられる光を複数のレンズ２５１〜２５３によって、フォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａに結合させる構成である。しかしながら図９に示した構成によれば、複数枚のレンズが必要となることによって、光学系の構成が大型化、かつ複雑化すると考えられる。
【００５７】
図１０は、受光側光ファイバ１９０からの出射光を集光するためのさらに別の検討例を説明した図である。図１０を参照して、この構成では、光ファイバ１９０のコア１９１からの出射光はリフレクタ２６１の反射面２６１ａで反射しつつ軸中心へ集光する。しかしながら、リフレクタ２６１の反射面２６１ａと透光性樹脂１７３の表面との間にギャップが存在することで、透光性樹脂１７３に入射した光は透光性樹脂１７３の内部で広がってしまう。このため、小型のフォトダイオードチップ１７２を用いた場合には、受光面１７２ａの受光量が低下する可能性が高くなる。
【００５８】
このように、複数枚のレンズの単純な組み合わせ、あるいはレンズからレンズ以外の光学系（リフレクタ等）への単なる置き換え等では、光ファイバから出射される光をそのコアの直径より小さなサイズのフォトダイオードチップに集光するのは容易ではない。これに対し、本実施の形態では、コア１９１からの出射光を集光するための光学系としてボールレンズを用いるとともに、ボールレンズにより定まる光線の軌跡を考慮した位置にフォトダイオードチップの受光面が位置するように、フォトダイオードチップ（ＰＤパッケージ）を配置する。これによって、小型かつ簡易な構成を有する光学系を用いて、光ファイバから出射される光を、そのコアの直径より小さなサイズのフォトダイオードチップに集光することを可能にする。
【００５９】
（ボールレンズの特徴）
図１１は、本実施の形態に係る受光装置に用いられるボールレンズの特徴を説明するための図である。図１１を参照して、ボールレンズ２６０は全球状に形成されたレンズである。ただし半球状に形成されたボールレンズについても、下記の特徴を有している。したがって図２および図３等に示したボールレンズ２１４についても以下の説明が成り立つ。
【００６０】
ボールレンズの第１の特徴は、視野角に応じて有効開口位置（すなわちボールレンズ２６０の表面における光の入射範囲）が変化するものの、有効開口径の大きさは変化しないという点である。なお、以下の説明では「視野角」とはボールレンズ２６０のレンズ光軸ＬＡに対する、ボールレンズ２６０のレンズ面への光の入射角度であると定義する。図１１に示すように、光ビームＢ１（平行光）が−３０°の視野角でボールレンズ２６０に入射し、光ビームＢ２（平行光）が＋３０°の視野角でボールレンズ２６０に入射したとする。この場合、光ビームＢ１に対するボールレンズ２６０の有効開口位置２６０ａと光ビームＢ２に対するボールレンズ２６０の有効開口位置２６０ｂとは異なる。しかし光ビームＢ１，Ｂ２に対するボールレンズ２６０の有効開口径の大きさはいずれもａである。
【００６１】
ボールレンズの第２の特徴は、広い視野角に対して収差を含んだ一定の集光性能を有するというものである。図１１に示すように、ボールレンズ２６０の後方に、ボールレンズ２６０の焦点面として、ボールレンズ２６０と同心の半球面２６５を配置したとする。光ビームＢ１，Ｂ２は、半球面２６５上の点ＰＢ１，ＰＢ２にそれぞれ集光される。
【００６２】
光ビームＢ１，Ｂ２をボールレンズ２６０により集光した場合、上記２つの特徴によって、光ビームＢ１，Ｂ２の各々の焦点位置（半球面２６５上）よりも手前に、光ビームＢ１，Ｂ２が重なり合い、かつ、光ビームＢ１，Ｂ２の重なり部分の幅が最小となる集光位置が存在する。この位置は、±３０°の範囲の視野角で入射した光を、ボールレンズ２６０が集光することにより生じた光のスポットが、最も小さくなる位置に相当する。この位置、すなわち最小集光位置よりもボールレンズ２６０に対して後方の位置では、スポットが広がる。たとえば、半球面２６５上でのスポットの大きさは、点ＰＢ１，ＰＢ２を結ぶ円弧の長さｂ程度になると考えられる。
【００６３】
上記の最小集光位置にフォトダイオードチップの受光面を配置することによって、±３０°の範囲の視野角で入射した光を受光するためのフォトダイオードチップのサイズ（受光面のサイズ）を最も小さくすることができる。したがって、本実施の形態では、この最小集光位置を含む範囲に受光面が位置するようにフォトダイオードチップ（ならびにＰＤパッケージ）を配置する。これによってフォトダイオードチップの小型化を実現できる。
【００６４】
（ボールレンズの最小集光位置について）
本実施の形態では、ボールレンズの最小集光位置を求めるための条件として以下に示す条件１〜３を定める。
【００６５】
（条件１）  レンズは半球状のボールレンズとする。
（条件２）  レンズの球面収差は考慮しないものとする。
【００６６】
（条件３）  レンズの有効開口径は各視野角に対して一定とする。
図１２は、本実施の形態に従うボールレンズ２１４による光の集光を説明するための図である。図１２を参照して、視野角が−３０°である光ビームＢ１は破線Ｄ１，Ｄ２で示したように集光され、視野角が＋３０°である光ビームＢ２は破線Ｄ３，Ｄ４で示したように集光される。光スポットの直径ＳＰは、実線ｋ１，ｋ２により挟まれた領域の幅として表わすことができる。ボールレンズ２１４のレンズ光軸ＬＡにおける位置が変化するにつれて、スポットの直径ＳＰも変化する。
【００６７】
図１３は、図１２に示す実線ｋ１，ｋ２を説明するための座標系を示した図である。図１３を参照して、ボールレンズ２１４のレンズ光軸（図１２に示すレンズ光軸ＬＡに相当）をＺ軸とし、平面２１４ｂ上の軸（Ｚ軸に垂直な軸）をＸ軸とする。
【００６８】
図１２に示した実線ｋ１，ｋ２は、Ｘ軸およびＺ軸によって規定されるＸ−Ｚ座標系を、点Ｐ１（Ｘ−Ｚ座標系の原点に相当する）を中心に±θ回転させた座標系により表わすことができる。なお図が煩雑になるのを避けるために、図１３では、Ｘ−Ｚ座標系を±θ回転させた座標系については、Ｚ軸を＋θ回転させて得られるＺ＋θ軸およびＺ軸を−θ回転させて得られるＺ−θ軸のみを示している。
【００６９】
Ｚ軸に対して０°の角度でボールレンズ２１４に入射した光ビームＢ0（実線で示す平行光）は、Ｚ軸上の点Ｆで焦点を結ぶ。Ｚ軸に対して＋θの角度でボールレンズ２１４に入射した光ビームＢ＋θ（１点鎖線で示す平行光）は、Ｚ＋θ軸上の点Ｖ＋で焦点を結ぶ。Ｚ軸に対して−θの角度でボールレンズ２１４に入射した光ビームＢ−θ（破線で示す平行光）は、Ｚ−θ軸上の点Ｖ−で焦点を結ぶ。
【００７０】
図１４は、図１２および１３に示した実線ｋ１，ｋ２とスポットの直径ＳＰとの関係を説明するための図である。図１４を参照して、実線ｋ１は、直線Ｌ１〜Ｌ３を含む。点Ｓは、直線Ｌ１，Ｌ２の交点である。点Ｖ＋は直線Ｌ２，Ｌ３の交点である。
【００７１】
点ＳのＺ軸座標Ｚsは最小集光位置に対応する。また、点Ｖ＋のＺ軸座標Ｚv+および点Ｖ−のＺ軸座標Ｚv+は互いに等しい。以下では、Ｚv+およびＺv-を総括的にＺvと示す場合もある（Ｚv＝Ｚv+＝Ｚv-）。また、点Ｆ（焦点）のＺ軸座標をＺFと示す。スポットの直径ＳＰは、次に示した関係に従い、Ｚ軸上におけるフォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚに応じて変化する。
【００７２】
（１）  ０≦Ｚ≦Ｚs：スポットの直径ＳＰは直線Ｌ１に従って変化する。
（２）  Ｚs≦Ｚ≦Ｚv：スポットの直径ＳＰは直線Ｌ２に従って変化する。
【００７３】
（３）  Ｚv≦Ｚ：スポットの直径ＳＰは直線Ｌ３に従って変化する。
０≦Ｚ≦Ｚsでは、スポットの直径ＳＰはフォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚが大きくなるほど（すなわちフォトダイオードチップがボールレンズ２１４から遠ざかるほど）小さくなりＺ＝Ｚsで最小となる。
【００７４】
Ｚs≦Ｚ≦Ｚvでは、スポットの直径ＳＰはフォトダイオードチップの位置座標Ｚが大きくなるほど大きくなるものの、ボールレンズ２１４の直径ＤＡより小さい。
【００７５】
Ｚv≦Ｚでは、スポットの直径ＳＰは、フォトダイオードチップの位置座標Ｚが大きくなるほど大きくなる。ただし直線Ｌ２の傾きに比べて直線Ｌ３の傾きが大きいため、Ｚv≦Ｚでは、フォトダイオードチップの位置座標Ｚが大きくなるにつれてスポットの直径ＳＰが急激に大きくなる。
【００７６】
次に、最小集光位置Ｚsが生じるための条件について説明する。まず、直線Ｌ１〜Ｌ３を表わす式を以下に示す。
【００７７】
（ａ）直線Ｌ１を表わす式
ボールレンズ２１４の有効開口径Ｄ’は以下の式（１）により表わされる。
【００７８】
【数１】
2010067892.tif 000003
【００７９】
ここでは、レンズ口径を２Ｒとしている。ボールレンズ２１４の焦点距離ｆは以下の式（２）により表わされる。
【００８０】
【数２】
2010067892.tif 000004
【００８１】
ここで、ｎはボールレンズ２１４の屈折率および、＋Ｚ領域の媒体の屈折率である。
したがって、点Ｆ（ＺF，０）のＺ座標ＺFは以下の式（３）により表わされる。
【００８２】
【数３】
2010067892.tif 000005
【００８３】
直線Ｌ１は、図１４に示した点Ｐ３（０，Ｒ）と点Ｖ−（ＺFｃｏｓθ，−ＺFｓｉｎθ）とを通る直線の一部であるから、以下の式（４）により表わされる。
【００８４】
【数４】
2010067892.tif 000006
【００８５】
（ｂ）直線Ｌ２を表わす式
点Ｐ４の座標（ＺＢ’，ＸＢ’）は直線Ｘ＝１／ｔａｎθ×Ｚ＋Ｒと、円Ｚ２＋Ｘ２＝Ｒ２との交点であるので、以下の式（５）により表わされる。
【００８６】
【数５】
2010067892.tif 000007
【００８７】
点Ｐ５はＺ軸に対して点Ｐ４と対称の位置にあるので、点Ｐ５の座標（ＺＡ’，ＸＡ’）は以下の式（６）により表わされる。
【００８８】
【数６】
2010067892.tif 000008
【００８９】
直線Ｌ２は点Ｐ５（ＺＡ’，ＸＡ’）と点Ｖ＋（ＺFｃｏｓθ，ＺFｓｉｎθ）とを通る直線であるので、以下の式（７）により表わされる。
【００９０】
【数７】
2010067892.tif 000009
【００９１】
（ｃ）直線Ｌ３を表わす式
直線Ｌ３を表わす式は、傾きが−ｒ１であり、切片が−Ｒの直線の式であるので、直線Ｌ３は以下の式(８)により表わされる。
【００９２】
【数８】
2010067892.tif 000010
【００９３】
続いて、直線Ｌ１，Ｌ２の交点Ｓの座標を求める。式（４）および式（７）より、交点Ｓの座標（Ｚs，Ｘs）は、以下の式(９)により表わされる。
【００９４】
【数９】
2010067892.tif 000011
【００９５】
最小集光位置Ｚsが生じる条件とは、直線Ｌ２の傾きｒ２が正である（実線ｋ２のうちＺ軸に対して直線Ｌ２と対称な部分の傾きが負である）という条件である。この条件は以下の式(１０)により表わされる。
【００９６】
【数１０】
2010067892.tif 000012
【００９７】
式(１０)の左辺分母が正であれば、式(１０)に示した条件は、以下の式(１１)により示される条件と等価となる。
【００９８】
【数１１】
2010067892.tif 000013
【００９９】
なお、式(１１)は０°＜θ＜９０°のときに満たされる。すなわち、０°＜θ＜９０°のときには式(１０)の左辺分母が正となる。式（３）によりＺＦ＝１／（ｎ−１）×Ｒと表わされるので、式(１１)を変形すると以下の式(１２)となる。
【０１００】
【数１２】
2010067892.tif 000014
【０１０１】
ここで屈折率ｎ＞１のとき、式(１２)の両辺に（ｎ−１）を掛けて整理すると、以下に示した式(１３)が導かれる。
【０１０２】
【数１３】
2010067892.tif 000015
【０１０３】
０°＜θ＜４５°のとき、１−２ｓｉｎ２θ＞０であるので、式(１３)に示した条件は、以下の式(１４)に示した条件と等価となる。
【０１０４】
【数１４】
2010067892.tif 000016
【０１０５】
半球ボールレンズのＮＡは（ｎ−１）であり、光ファイバのＮＡはｓｉｎθである。すなわち、式(１４)に示した条件は、光ファイバのＮＡ（開口数）をＮＡ１とし、レンズのＮＡをＮＡ２とすると、ＮＡ１およびＮＡ２は、ＮＡ2＜ＮＡ１／（１−２ＮＡ１２）という条件である。ボールレンズ２１４のＮＡおよび光ファイバのＮＡが上記の条件を満たす場合に、最小集光位置Ｚｓが存在する。
【０１０６】
本実施の形態では、フォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚが０≦Ｚ＜ＺFを満たすようにフォトダイオードチップを配置する。すなわちフォトダイオードチップは、ボールレンズ２１４のレンズ光軸（Ｚ軸に相当）におけるボールレンズ２１４の焦点位置ＺFよりもボールレンズ２１４に近い側に配置される。０≦Ｚ＜ＺFの範囲においては、スポットの直径ＳＰをボールレンズ２１４の直径ＤＡよりも小さくすることができる領域が存在する。
【０１０７】
フォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚをこの領域内に設定し、かつボールレンズ２１４の直径ＤＡを受光側光ファイバ１９０のコア１９１の直径よりも小さくすることによって、フォトダイオードチップの受光面の幅を、受光側光ファイバ１９０のコア１９１の直径より小さくできる。
【０１０８】
また本実施の形態によれば、ボールレンズによりフォトダイオードチップの受光面の幅を、受光側光ファイバ１９０のコア１９１の直径より小さくできるので、光学系の構成を簡素化できる。
【０１０９】
より好ましくは、フォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚが０≦Ｚ＜Ｚvを満たすように、フォトダイオードチップを配置する。なお、Ｚv＜ＺFである。
【０１１０】
Ｚvは、受光側光ファイバのＮＡに従って定まるボールレンズの最大視野角θ（たとえば３０°）でボールレンズ２１４に入射した光の焦点（点Ｖ＋あるいは点Ｖ−）をボールレンズ２１４の光軸（Ｚ軸に相当）に投影した点の位置に対応する。なお、本実施の形態では、受光側光ファイバのＮＡに従って定まるボールレンズの最大視野角とは、受光側光ファイバ１９０から出射した光の、ファイバ光軸Ａに対する最大角度であり、その角度は受光側光ファイバのＮＡに従って定まる。また、ボールレンズ２１４の光軸はファイバ光軸Ａと重なる。このようにフォトダイオードチップの位置を設定することにより、より確実に、スポットの直径ＳＰをボールレンズ２１４の直径ＤＡよりも小さくすることができる。ボールレンズ２１４の直径ＤＡを受光側光ファイバ１９０のコアの直径よりも小さくすることによって、フォトダイオードチップの受光面の幅を受光側光ファイバ１９０のコアの直径より小さくできる。
【０１１１】
ただし、実際の設計においては上記位置座標Ｚvを求めることが容易でないことも考えられる。そこで、０≦Ｚ＜ＤＡ／２となるようにフォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚを設定してもよい。すなわち、本実施の形態では、球面２１４ａの曲率中心である点Ｐ１からフォトダイオードチップの受光面までの距離が球面２１４ａの曲率半径（ＤＡ／２）よりも短くなるように、フォトダイオードを配置することもできる。
【０１１２】
図１４に示すように、Ｚ軸上において、点Ｐ１からＤＡ／２だけ離れた点の位置座標をＺRとする。Ｚv＝ＺFｃｏｓθであり、ボールレンズ２１４の屈折率をｎとすると、ＺF＝ＤＡ／（２（ｎ−１））となる。たとえばボールレンズの屈折率としてｎ＝１．７、プラスチックファイバのＮＡ（＝０．５）から定められるθ＝３０°とした場合、Ｚv＝ＤＡ／１．４となり、ＺS＜ＺRとなる。よって図１４に示すように０＜ＺS＜ＺR＜Ｚv＜ＺFとなる。つまり、球面２１４ａの曲率半径（ＤＡ／２）は、球面２１４ａの曲率中心（点Ｐ１）からＺ軸上の焦点位置（点Ｆ）までの距離（ＺF)よりも短い。さらに、０＜Ｚ＜ＺRとなるようにフォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚを設定することで、０＜Ｚ＜Ｚvの条件も満たすことができる。また、０＜ＺS＜ＺRであるので、０＜Ｚ＜ＺRの範囲に最小集光位置が含まれる。これにより、フォトダイオードチップの受光面の位置座標Ｚを０＜Ｚ＜Ｚvの範囲に設定した場合と同様の効果を得ることができる。
【０１１３】
さらに好ましくは、フォトダイオードチップの受光面の位置座標ＺがＺ＝Ｚsを満たすようにフォトダイオードチップを配置する。Ｚ＝Ｚsにおいて、フォトダイオードチップの受光面に形成されるスポットの直径ＳＰが最も小さくなる。したがってフォトダイオードチップのサイズを最も小さくすることができる。
【０１１４】
（リフレクタによる結合効率の向上）
本実施の形態によれば、ボールレンズを用い、かつフォトダイオードの位置を適切に定めることによって、受光側光ファイバのコアの直径よりも、フォトダイオードの受光面の幅を小さくできる。これによって、フォトダイオードのサイズ自体も小さくできる。
【０１１５】
しかし図１５に示すように、ボールレンズ２１４の直径ＤＡがコア１９１の直径Ｄと同程度あるいはそれより小さい場合、コア１９１の端面から、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して受光側光ファイバ１９０のＮＡで定まる角度（たとえば３０°）で出射した光の一部が、ボールレンズ２１４の有効径で定まるレンズ表面の範囲内に入射できないことが起こり得る。この場合には光量ロスが発生する。
【０１１６】
図２および図３に示したように、本実施の形態では、受光側光ファイバ１９０の端面とＰＤパッケージの透光性樹脂１７３との間に、ボールレンズ２１４の直径Ｄと同程度の直径ｄを有する貫通孔２０５が形成されたリフレクタ２０４を配置する。貫通孔２０５の内周面２０５ａは、受光側光ファイバのコア端面から出射した光を反射するための反射面として機能する。リフレクタ２０４を上述のように構成することによって、受光側光ファイバ１９０のコア１９１の端面から出射された光を貫通孔２０５内に閉じ込めることができる。さらに、コア１９１の端面からボールレンズ２１４の表面に直接的に入射できない光を、リフレクタ２０４の反射面（貫通孔２０５の内周面２０５ａ）により反射させてボールレンズ２１４に導くことができる。この結果、光量のロスを低減できる。
【０１１７】
図２および図３に示した構成によれば、貫通孔２０５は円柱状に形成されている。これにより、下記の効果を得ることができる。
【０１１８】
図１６は、リフレクタ２０４の貫通孔２０５を円柱状に形成することによる効果を説明する第１の図である。図１７は、リフレクタ２０４の貫通孔２０５を円柱状に形成することによる効果を説明する第２の図である。
【０１１９】
図１６および図１７を参照して、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して−３０°の角度で受光側光ファイバ１９０から出射する光を考える。この光は、リフレクタ２０４に形成された貫通孔２０５の内周面２０５ａ（反射面）によって反射される。この結果、あたかもコア１９１の下側の領域２７１から、＋３０°の視野角を有する光がボールレンズ２１４に入射した状態となる。同様に、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して＋３０°の角度で受光側光ファイバ１９０から出射する光は、貫通孔２０５の内周面２０５ａによって反射される。この結果、あたかもコア１９１の上側の領域２７２から−３０°の視野角を有する光がボールレンズ２１４に入射した状態となる。したがって図１７に示すように、ボールレンズ２１４においては、＋３０°から−３０°までの範囲の視野角を有する光に対して一定の集光性能を得ることができる。さらにボールレンズ２１４は、視野角に対して入射開口径が一定となるという特徴を有しているので、図１１に示した集光特性も得ることができる。
【０１２０】
＋３０°から−３０°までの範囲の視野角を有し、かつボールレンズ２１４に直接的に入射しない光を、リフレクタ２０４を用いてボールレンズ２１４に導くことにより、コア１９１から出射した光を効率的にフォトダイオードチップ１７２の受光面１７２ａに集光することができる。これにより、光量のロスを少なくすることが可能になる。
【０１２１】
なお、リフレクタ２０４の貫通孔２０５の形状については円柱状に限定されるものではない。以下に、本実施の形態に適用可能なリフレクタの他の例について説明する。
【０１２２】
図１８は、本実施の形態に係る受光装置に適用可能なリフレクタの別の構成例を示した図である。図１８を参照して、受光装置はリフレクタ２０４に代えてリフレクタ２８０を含む。この点で、図１８に示した構成は図３に示した構成と異なる。ただし図１８に示した受光装置の他の部分については、図３に示した構成と同様である。
【０１２３】
リフレクタ２８０は、受光側光ファイバ１９０の端面に向けられた主表面２８０ａと、ＰＤパッケージ１７０に向けられた主表面２８０ｂとを有する。リフレクタ２８０には、主表面２８０ａ，２８０ｂと略垂直方向に貫通孔２８１が形成され、貫通孔２８１にボールレンズ２１４が挿入される。また、貫通孔２８１の内周面２８１ａは、鏡面反射面として形成されている。
【０１２４】
貫通孔２８１はテーパー状に形成される。主表面２８０ａ側の貫通孔２８１の直径ｄ１は、主表面２８０ｂ側の貫通孔２８１の直径ｄ２よりも大きい。なお、図３に示した構成と同様に、ボールレンズ２１４の直径ＤＡは、主表面２８０ｂ側の貫通孔２８１の直径ｄ２と同じかあるいは僅かに小さい。
【０１２５】
図１９は、本実施の形態の受光装置に適用可能なリフレクタ２８０の平面図である。図２０は、図１９のＸＸ−ＸＸ線でのリフレクタ２８０の断面図である。
【０１２６】
図１９および図２０を参照して、貫通孔２８１は円錐台形状に形成されている。詳細に説明すると、主表面２８０ａ側の開口部２８０ｃにおける貫通孔２８１の形状は、直径ｄ１を有する円である。一方、主表面２８０ｂ側の開口部２８０ｄにおける貫通孔２８１の形状は、直径ｄ２を有する円である。また、貫通孔２８１の中心軸Ｃに垂直、かつ主表面２８０ａと主表面２８０ｂとの間に位置する面でのリフレクタ２８０の断面像においては、貫通孔２８１の形状は円である。ただし、その円の直径は、中心軸Ｃ上における断面の位置が主表面２８０ａ側から主表面２８０ｂ側（図１８に示すように受光側光ファイバ１９０側からボールレンズ２１４側）に変化するにつれて小さくなる。貫通孔２８１の貫通方向（主表面２８０ａ，２８０ｂに垂直な方向）における内周面２８１ａの輪郭は、貫通孔２８１の中心軸Ｃに平行な直線に対して、０°よりも大きい所定の角度αをなしている。
【０１２７】
図２１は、図２０に示した角度αの好ましい範囲を説明するための図である。図２１を参照して、受光側光ファイバ１９０のコア１９１から、受光側光ファイバ１９０のファイバ光軸Ａに対して角度θで光が出射される。この光は貫通孔２８１の内周面２８１ａにて反射される。
【０１２８】
コア１９１において光が出射する点を点Ｐとし、点Ｐを通りファイバ光軸Ａに平行な直線をＡ１とする。内周面２８１ａにおける光の入射位置（および反射位置）を点Ｑとし、内周面２８１ａで反射した光の光軸と直線Ａ１との交点を点Ｒとし、直線Ａ１と内周面２８１ａとの交点を点Ｓとする。また、点Ｑを通り、貫通孔２８１の貫通方向における内周面２８１ａの輪郭に垂直な直線Ａ２と直線Ａ１との交点を点Ｔとする。
【０１２９】
角度αを０°より大きくすることにより、角ＰＲＱ（辺ＰＲと辺ＱＲとによって定まる角度を示す、以下の記載も同様）も０°より大きくなる。角ＰＲＱが直角になった場合、点Ｑで反射した光におけるファイバ光軸Ａ方向の成分は０になる。この場合、点Ｑで反射した光は、破線の矢印に示す経路をたどり、コア１９１に戻ると考えられる。また、この破線の経路状にボールレンズ２１４が存在したとしても、ボールレンズ２１４によりフォトダイオードチップの受光面に集められた光の強度は小さくなる（たとえば迷光と同程度の強度になる）と考えられる。角ＰＲＱが鋭角である場合、点Ｑで反射した光は、ファイバ光軸Ａ方向の成分、すなわち点Ｐから点Ｓに向かう向きの成分を有する。この場合、点Ｑで反射した光はボールレンズ２１４により集光されて、フォトダイオードチップの受光面（図示せず）に入射する。
【０１３０】
したがって、角度αの好ましい範囲としては、０°以上かつ、角ＰＲＱが直角となるときの角度未満と考えられる。次に角ＰＲＱが直角となるときの角度αについて説明する。以下の説明においては、三角形の３つの内角の和が１８０°であるという定理、および、三角形の外角が、それと隣り合わない２つの内角の和に等しいという定理とを用いている。
【０１３１】
三角形ＱＳＴにおいては、角ＴＱＳが９０°であり、かつ角ＱＳＴがαである。したがって、角ＱＴＳは（９０−α）°となる。次に、三角形ＰＱＴについてみると、角ＱＰＴと角ＰＱＴとの和は、角ＱＴＳに等しくなる。角ＱＰＴはθであるので、角ＰＱＴは（９０−α−θ）°となる。
【０１３２】
次に、点Ｐから出射し、かつ内周面２８１ａ上の点Ｑで反射した光については反射の法則が成立するので、角ＲＱＴは角ＰＱＴと等しくなる。したがって角ＲＱＴは（９０−α−θ）°である。
【０１３３】
三角形ＰＱＲについてみると、角ＱＰＲと角ＰＱＲとの和は角ＱＲＰすなわち９０°に等しい。角ＱＰＲはθであり、角ＰＱＲは、２×（９０−α−θ）°である。したがって角ＱＲＰが９０°になる場合、角度α，θについては、θ＋２×（９０−α−θ）＝９０との関係が成立する。この式より、角度αは、（９０−θ）°／２となる。すなわち、０＜α＜（９０−θ）°／２であれば、角ＰＲＱが９０°より小さくなる。
【０１３４】
ここで、角度θは、０°以上かつ受光側光ファイバ１９０のＮＡによって定まる角度以下である。したがって、（９０−θ）°／２の最大値は、角度θが０°の場合の値、すなわち４５°である。また、（９０−θ）°／２の最小値は、角度θが受光側光ファイバ１９０のＮＡによって定まる角度の場合の値である。たとえばθ＝３０°とすると、（９０−θ）°／２の最小値は３０°となる。
【０１３５】
以上の説明を整理すると、角度αの範囲は０°＜α＜（９０−θ）°／２である。θ＝０°の場合に角度αの範囲は最も広くなり、０°＜α＜４５°となる。一方、θが受光側光ファイバ１９０のＮＡによって定まる角度である場合、角度αの範囲は最も狭くなる。たとえばθ＝３０°とすると、角度αの範囲は０°＜α＜３０°となる。
【０１３６】
なお、本実施の形態においては、レンズの曲面全体が球面であるボールレンズを示した。しかし、レンズの表面のうちの少なくとも光が入射範囲が球面状に形成されていれば、その範囲に入射した光は図１１〜図１４等に示したようにレンズによって集光される。したがって、本発明の受光装置が備えるレンズにおいては、その曲面のうちの少なくとも光の入射範囲が球面状に形成されていればよい。
【０１３７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本実施の形態に従う受光装置を備える光ファイバ型光電センサの一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した本体部１０１の内部構成の一例を示した図である。
【図３】図２に示したＰＤパッケージ１７０の周辺拡大図である。
【図４】リフレクタ２０４の平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】受光側光ファイバから出射した光を受光する受光装置の最も単純と考えられる構成を示した図である。
【図７】図６に示した構成による課題を解決するための受光装置の構成を示した図である。
【図８】単純な光学系によりフォトダイオードチップ１７２を小型化するための検討例を示した図である。
【図９】受光側光ファイバ１９０からの出射光を集光するための別の検討例を説明した図である。
【図１０】受光側光ファイバ１９０からの出射光を集光するためのさらに別の検討例を説明した図である。
【図１１】本実施の形態に係る受光装置に用いられるボールレンズの特徴を説明するための図である。
【図１２】本実施の形態に従うボールレンズ２１４による光の集光を説明するための図である。
【図１３】図１２に示す実線ｋ１，ｋ２を説明するための座標系を示した図である。
【図１４】図１２および１３に示した実線ｋ１，ｋ２とスポットの直径ＳＰとの関係を説明するための図である。
【図１５】ボールレンズの直径が光ファイバのコアの直径と同程度あるいはそれより小さい場合の課題を説明する図である。
【図１６】リフレクタ２０４の貫通孔２０５を円柱状に形成することによる効果を説明する第１の図である。
【図１７】リフレクタ２０４の貫通孔２０５を円柱状に形成することによる効果を説明する第２の図である。
【図１８】本実施の形態に係る受光装置に適用可能なリフレクタの別の構成例を示した図である。
【図１９】本実施の形態の受光装置に適用可能なリフレクタ２８０の平面図である。
【図２０】図１９のＸＸ−ＸＸ線でのリフレクタ２８０の断面図である。
【図２１】図２０に示した角度αの好ましい範囲を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１００  光ファイバ型光電センサ、１０１  本体部、１０２  ヘッド部、１０３  表示部、１０４  操作部、１０５  電気コード、１１０  本体ケーシング、１１１，１１２  開口部、１１４  開閉カバー、１１６  フレーム、１２０  ホルダ部材、１２１，１２２  内壁、１２３  ヒンジ部、１２５，１２６  空間、１３０  回動レバー、１３１  回動軸、１３４  スライダー、１４０  光ファイバ固定部材、１４１  上部側固定部、１４３  下部側固定部、１５０  実装基板、１６０  ＬＥＤパッケージ、１７０  ＰＤパッケージ、１７１  基材、１７２  フォトダイオードチップ、１７２ａ  受光面、１７３  透光性樹脂、１８０  投光側光ファイバ、１８１，１９１  コア、１８２，１９２  クラッド、１８３，１９３  外皮、１９０  受光側光ファイバ、１９１ａ  端面、２０２，２０４，２６１，２８０  リフレクタ、２０２ａ，２０５ａ，２８１ａ  内周面、２０４ａ，２０４ｂ，２８０ａ，２８０ｂ  主表面、２０５，２８１  貫通孔、２１２，２１４，２６０  ボールレンズ、２１４ａ  球面、２１４ｂ，２１４ｃ  平面、２５０，２５１〜２５３  レンズ、２６０ａ，２６０ｂ  有効開口位置、２６１ａ  反射面、２６５  半球面、２７１，２７２  領域、２８０ｃ，２８０ｄ  開口部、Ａ  ファイバ光軸、Ｂ，Ｂ0，Ｂ１，Ｂ２  光ビーム、Ｃ  中心軸、ＬＡ  レンズ光軸。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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