(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を所定の検出領域に投射し、前記検出領域からの光を受光して、受光量に基づいて前記検出領域の物体を検出し、検出結果を出力する光電スイッチであって、
光を発生する発光素子と、
前記発光素子により発生された光を受ける投光レンズとを備え、
前記投光レンズは、
前記発光素子により発生された光を集束させる凸状の第１のレンズ面と、
前記第１のレンズ面により集束された光を前記第１のレンズ面の光軸を含む一面と平行な面内で前記光軸に対して外方に屈折させる略部分円筒形の凹面状の第２のレンズ面とを有し、
前記投光レンズは、前記一面と平行な面に沿って前記光軸に対して外方に広がる帯状の光を前記検出領域に投射するように設けられ、
前記第２のレンズ面は、前記帯状の光の光線密度が中心部から両端部に向かうにしたがって密になるように形成されたことを特徴とする光電スイッチ。
【請求項２】
前記投光レンズは、前記第１のレンズ面を有する凸レンズおよび前記第２のレンズ面を有する凹面シリンドリカルレンズにより構成されることを特徴とする請求項１記載の光電スイッチ。
【請求項３】
前記投光レンズは、前記第１のレンズ面および前記第２のレンズ面を有する一体型レンズであることを特徴とする請求項１記載の光電スイッチ。
【請求項４】
前記光電スイッチは、前記発光素子および前記投光レンズを保持する保持部材をさらに備え、
前記保持部材は、一方端および他方端を有するとともに前記一方端側に前記発光素子が装着される発光素子装着部を有しかつ前記他方端側に前記投光レンズが収納されるレンズ収納部を有し、前記レンズ収納部は、前記投光レンズの前記第１のレンズ両側の一部が当接可能な当接面を有し、
前記発光素子装着部と前記レンズ収納部との間に前記発光素子により発生された光を前記投光レンズの前記第１のレンズ面に導く光通過領域が形成され、前記投光レンズと前記レンズ収納部の前記当接面との間に挿入される孔部を有する１または複数の間隔保持部材が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電スイッチ。
【請求項５】
前記保持部材の前記レンズ収納部は、前記投光レンズの外周部を取り囲む外周面を有し、前記投光レンズは外周部に係合部を有し、前記保持部材の前記外周面に、光の投射方向に平行に延びかつ前記投光レンズの前記係合部に係合する被係合部が設けられたことを特徴とする請求項４記載の光電スイッチ。
【請求項６】
前記投光レンズの前記係合部は突起部であり、前記保持部材の前記被係合部は前記光の投射方向に平行に延びる切欠き部であることを特徴とする請求項５記載の光電スイッチ。
【請求項７】
前記発光素子は、レーザーダイオードであり、
前記凸レンズは、前記レーザーダイオードからの光を平行光にするように配置され、
前記凹面シリンドリカルレンズは、前記平行光を全体的に均一な光糧分布を有する光に変換するように形成されることを特徴とする請求項２記載の光電スイッチ。
【請求項８】
前記検出領域からの光を受光する受光部と、前記受光部による受光量を表示する表示部とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電スイッチ。
【請求項９】
前記検出領域からの光を受光する受光部を含む受光光学系と、
前記投光レンズを含む投光光学系とをさらに備え、
前記受光光学系と前記投光光学系とが同軸光学系であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電スイッチ。
【請求項１０】
前記投光レンズを含み、前記一面と平行な面に沿って幅広な投光面を有する投光部と、
前記投光部の下方に設けられ、前記投光面よりも大きな受光面を有し前記検出領域からの光を受光する受光部とを備え、
前記投光部は前記発光素子と前記投光レンズとを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帯状の光を投射する光電スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工場の生産ライン等で物体の有無を検出するために光電スイッチが用いられている。光電スイッチは、投光部から所定の検出領域に光を投射し、物体からの帰還光を受光部で受光することにより、物体の有無を判定するものである。
【０００３】
所定幅の帯状の検出領域において物体の有無を検出する場合には、光電スイッチの投光部から帯状の光を投射する必要がある。
【０００４】
図２３は帯状の光を投射する従来の投光部の第１の例を示す斜視図である。図２３の投光部２０１は、レーザダイオード２０および凸面シリンドリカルレンズ３０により構成される。凸面シリンドリカルレンズ３０は、一方向に延びる円筒状の凸面３１，３２を有する。
【０００５】
図２４は図２１の凸面シリンドリカルレンズ３０の特性を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【０００６】
図２４（ａ），（ｂ）に示すように、図２３のレーザダイオード２０の発光点Ｐから出射された光は、広がりつつ凸面シリンドリカルレンズ３０に入射する。
凸面シリンドリカルレンズ３０は、入射光を一方向（以下、幅方向と呼ぶ）には広がったままの状態で出射し、上記一方向と垂直な他方向（以下、厚み方向と呼ぶ）には集束させてほぼ平行光として出射する。それにより、図２３の投光部２０１からは帯状の光６０が投射される。
【０００７】
図２５は帯状の光を投射する従来の投光部の第２の例を示す斜視図である。図２５の投光部２０２は、レーザダイオード２０、コリメートレンズ４０、およびスリット５１を有する遮光部材５０により構成される。
【０００８】
レーザダイオード２０から出射された光は、広がりつつコリメートレンズ４０に入射する。コリメートレンズ４０は、入射光を集束させてほぼ平行光として出射する。コリメートレンズ４０から出射された光は、遮光部材５０のスリット５１を通過することにより厚み方向の投光範囲が制限される。それにより、投光部２０２から帯状の光が投射される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２３の投光部２０１または図２５の投光部２０２を用いれば、帯状の光を投射することができるので、所定幅の帯状の検出領域における物体の有無を検出することができる。
【００１０】
しかしながら、レーザダイオード２０からの出射光の光量分布はガウス分布となり、光量が中心部で最大となり、周辺部に近づくにつれて小さくなる。そのため、図２３および図２５の投光部２０１，２０２から出射される帯状の光の光量は、中心部で最大となり、両端部に近づくにつれて低くなり、幅方向において不均一となる。それにより、帯状の検出領域において中心部での検出感度と両端部での検出感度とが異なり、検出領域の全範囲で一定の検出結果を得ることが困難となる。
【００１１】
また、図２３の投光部２０１においては、凸面シリンドリカルレンズ３０に入射した光は幅方向には広がったままの状態で出射されるため、投光距離が長くなるにしたがって光量密度が小さくなる。それにより、受光部での受光量が小さく、検出感度が低くなる。
【００１２】
一方、図２５の投光部２０２においては、コリメートレンズ４０から平行光が出射されるので、幅方向の光量密度は大きくなる。しかしながら、コリメートレンズ４０から出射された平行光のうち大部分が遮光部材５０により反射され、一部の光のみが遮光部材５０のスリット５１を通過するので、レーザダイオード２０から出射された光を効率的に利用することができない。
【００１３】
図２５の投光部２０２において、レーザダイオード２０とコリメートレンズ４０との間の距離を短くすると、レーザダイオード２０から出射される光を効率的にコリメートレンズ４０に入射させることができる。
【００１４】
しかしながら、レーザダイオード２０は、内蔵するチップの位置ずれによる発光点のばらつきを有する場合がある。レーザダイオード２０の発光点が基準位置から光軸方向にずれていると、コリメートレンズ４０から出射される光の集束点がずれることになる。レーザダイオード２０とコリメートレンズ４０との間の距離が短いほど、レーザダイオード２０の発光点のばらつきによるコリメートレンズ４０からの出射光の集束点のばらつきが大きくなる。それにより、コリメートレンズ４０からの出射光の厚み方向の厚さのばらつきが大きくなる。コリメートレンズ４０からの出射光の厚みが大きい場合には、検出領域に形成される光スポットの厚みが大きくなるため、狭い検出領域での検出が困難になる。
【００１５】
逆に、レーザダイオード２０とコリメートレンズ４０との間の距離を大きくすると、レーザダイオード２０の発光点のばらつきによるコリメートレンズ４０からの出射光の集束点のばらつきは小さくなる。しかしながら、コリメートレンズ４０に入射する光量が低下し、レーザダイオード２０での発光量に比べて受光部での受光量が低くなる。この場合にも、検出精度が低下する。また、レーザダイオード２０とコリメートレンズ４０との間の距離を大きくすることにより光電スイッチの小型化が妨げられる。
【００１６】
図２３の投光部２０１においても、図２５の投光部２０２と同様に、レーザダイオード２０の発光点のばらつきによる問題が生じる。
【００１７】
光電スイッチを高精度化するためには、帯状の光の光量分布を均一化することが必要となる。また、光電スイッチをさらに高精度化しつつ小型化するためには、発光素子とレンズとの間の距離を小さくしかつ発光素子における発光点のばらつきを吸収することが必要となる。
【００１８】
本発明の目的は、発光素子により発生された光を効率的に利用しかつ均一な光量分布を有する帯状の光を投射することができる光電スイッチを提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、発光素子により発生された光を効率的に利用しかつ発光素子における発光点のばらつきを吸収しつつ均一な光量分布を有する帯状の光を投射することができるとともに小型化が可能な光電スイッチを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
（１）第１の発明
第１の発明に係る光電スイッチは、光を所定の検出領域に投射し、検出領域からの光を受光して、受光量に基づいて検出領域の物体を検出し、検出結果を出力する光電スイッチであって、光を発生する発光素子と、発光素子により発生された光を受ける投光レンズとを備え、投光レンズは、発光素子により発生された光を集束させる凸状の第１のレンズ面と、第１のレンズ面により集束された光を第１のレンズ面の光軸を含む一面と平行な面内で光軸に対して外方に屈折させる略部分円筒形の凹面状の第２のレンズ面とを有し、投光レンズは、一面と平行な面に沿って光軸に対して外方に広がる帯状の光を検出領域に投射するように設けられ、第２のレンズ面は、帯状の光の光線密度が中心部から両端部に向かうにしたがって密になるように形成されたものである。
【００２１】
本発明に係る光電スイッチにおいては、発光素子により発生された光は広がりつつ投光レンズの凸状の第１のレンズ面に入射する。第１のレンズ面に入射した光は、第１のレンズ面で集束されて部分円筒形の凹面状の第２のレンズ面に入射する。第２のレンズ面に入射した光は、第１のレンズ面の光軸を含む一面と平行な面内で光軸に対して外方に屈折されつつ上記一面と垂直な面内ではそのまま出射される。それにより、投光レンズから上記一面と平行な面に沿って光軸に対して外方に広がる帯状の光が投射される。
【００２２】
この場合、第２のレンズ面に入射する光線のうち第２のレンズ面の中心から遠い光線の入射角が中心に近い光線の入射角に比べて大きくなる。そのため、第２のレンズ面の中心から遠い光線の出射角は中心に近い光線の出射角に比べて大きくなる。第２のレンズ面から出射される帯状の光の光線密度が中心から両端部に向かうにしたがって密になるように第２のレンズ面が形成される。それにより、発光素子により発生される光の光量が中心付近で高く中心から離れるにしたがって低下する分布を有する場合に、第２のレンズ面から出射される光の光量分布を均一にすることができる。その結果、均一な光量分布を有する帯状の光を投射することができる。
【００２３】
また、発光素子により発生された光が第１のレンズ面により集束されて第２のレンズ面に入射されるので、発光素子により発生された光を効率的に利用することができる。
【００２４】
（２）第２の発明
第２の発明に係る光電スイッチは、第１の発明に係る光電スイッチの構成において、投光レンズは、第１のレンズ面を有する凸レンズおよび第２のレンズ面を有する凹面シリンドリカルレンズにより構成されるものである。
【００２５】
この場合、投光レンズが凸レンズおよび凹面シリンドリカルレンズにより構成されるので、凸レンズおよび凹面シリンドリカルレンズをそれぞれ独立に位置調整することができる。
【００２６】
（３）第３の発明
第３の発明に係る光電スイッチは、第１の発明に係る光電スイッチの構成において、投光レンズは、第１のレンズ面および第２のレンズ面を有する一体型レンズであるものである。
【００２７】
この場合、投光レンズが一体型レンズにより構成されるので、小型化が可能となる。
【００２８】
（４）第４の発明
第４の発明に係る光電スイッチは、第１〜第３のいずれかの発明に係る光電スイッチの構成において、発光素子および投光レンズを保持する保持部材をさらに備え、保持部材は、一方端および他方端を有するとともに一方端側に発光素子が装着される発光素子装着部を有しかつ他方端側に投光レンズが収納されるレンズ収納部を有し、レンズ収納部は、投光レンズの第１のレンズ両側の一部が当接可能な当接面を有し、発光素子装着部とレンズ収納部との間に発光素子により発生された光を投光レンズの第１のレンズ面に導く光通過領域が形成され、投光レンズとレンズ収納部の当接面との間に挿入される孔部を有する１または複数の間隔保持部材が設けられたものである。
【００２９】
この場合、保持部材の一端部側の発光素子装着部に発光素子が装着され、保持部材の他端部側のレンズ収納部に投光レンズが収納される。発光素子装着部に装着された発光素子により発生された光は、発光素子装着部とレンズ収納部との間の光通過領域を通してレンズ収納部に収納された投光レンズに導かれる。投光レンズとレンズ収納部の当接面との間には、孔部を有する１または複数の間隔保持部材が挿入される。この間隔保持部材の数により発光素子と投光レンズの第１のレンズ面との間の距離を容易かつ高精度に調整することができる。
【００３０】
したがって、発光素子の発光点にばらつきがある場合でも、間隔保持部材の数を調整することにより、発光素子の発光点と投光レンズの第１のレンズ面との間の距離を一定にすることができ、発光素子における発光点のばらつきを吸収することができる。それにより、発光素子と投光レンズの第１のレンズ面との間の距離を短くすることができるので、発光素子により発生された光を投光レンズでより効率的に利用することができる。また、投光レンズの第１のレンズ面に発光素子を近づけることができるので、小型化が可能となる。
【００３１】
（５）第５の発明
第５の発明に係る光電スイッチは、第４の発明に係る光電スイッチの構成において、保持部材のレンズ収納部は、投光レンズの外周部を取り囲む外周面を有し、投光レンズは外周部に係合部を有し、保持部材の外周面に、光の投射方向に平行に延びかつ投光レンズの係合部に係合する被係合部が設けられたものである。
【００３２】
この場合、投光レンズの外周部の係合部が保持部材のレンズ収納部の被係合部に係合し、投光レンズが光の出射方向に平行な方向に案内される。それにより、発光素子および投光レンズの光軸を光の出射方向に保ちつつ第１のレンズ面と発光素子との間の距離を高精度かつ容易に調整することができる。
【００３３】
（６）第６の発明
第６の発明に係る光電スイッチは、第５の発明に係る光電スイッチの構成において、投光レンズの係合部は突起部であり、保持部材の被係合部は光の投射方向に平行に延びる切欠き部であるものである。
【００３４】
この場合、投光レンズの突起部が保持部材の切欠き部に嵌合し、投光レンズが光の投射方向に平行な方向に案内される。それにより、発光素子および投光レンズの光軸を光の出射方向に保ちつつ第１のレンズ面と発光素子との間の距離を高精度かつ容易に調整することができる。
（７）第７の発明
第７の発明に係る光電スイッチは、第２の発明に係る光電スイッチの構成において、発光素子は、レーザーダイオードであり、凸レンズは、レーザーダイオードからの光を平行光にするように配置され、凹面シリンドリカルレンズは、平行光を全体的に均一な光糧分布を有する光に変換するように形成されたものである。
（８）第８の発明
第８の発明に係る光電スイッチは、第１〜第７のいずれかの発明に係る光電スイッチの構成において、検出領域からの光を受光する受光部と、受光部による受光量を表示する表示部とをさらに備えたものである。
（９）第９の発明
第９の発明に係る光電スイッチは、第１〜第７のいずれかの発明に係る光電スイッチの構成において、検出領域からの光を受光する受光部を含む受光光学系と、投光レンズを含む投光光学系とをさらに備え、受光光学系と投光光学系とが同軸光学系であるものである。
（１０）第１０の発明
第１０の発明に係る光電スイッチは、第１〜第７のいずれかの発明に係る光電スイッチの構成において、投光レンズを含み、一面と平行な面に沿って幅広な投光面を有する投光部と、投光部の下方に設けられ、投光面よりも大きな受光面を有し検出領域からの光を受光する受光部とを備え、投光部は発光素子と投光レンズとを有するものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る光電スイッチについて説明する。
【００３６】
図１は本発明の一実施の形態による光電スイッチの外観斜視図である。
図１の光電スイッチ１の前面側に投光部２および受光部３が内蔵されている。投光部２は、後述するように帯状の光を所定の検出領域に投射し、受光部３は検出領域の物体からの反射光を受光する。この光電スイッチ１は、受光部３での受光量等により検出領域における物体の有無を検出し、検出結果を出力する。
【００３７】
光電スイッチ１の投光部２から投射される帯状の光は、一方向（以下、幅方向と呼ぶ）において広がりを有し、一方向と垂直な他方向（以下、厚み方向と呼ぶ）において一定の厚みを有する。
【００３８】
光電スイッチ１の上面には表示部４が設けられている。表示部４には、ＬＥＤ（発光ダイオード）等が設けられ、受光部３による受光量等を表示する。
【００３９】
図２は図１の光電スイッチ１に内蔵される投光部２の一部切欠き部斜視図、図３は図２の投光部２の分解斜視図である。図４は図２の投光部２を構成するレーザダイオード、コリメートレンズおよび凹面シリンドリカルレンズの斜視図、図５は図２の投光部２の横断面図である。図６（ａ）は図３のケーシングのＡ線断面図、図６（ｂ）は図３のケーシングのＢ線断面図である。
【００４０】
図２および図３に示されるように、投光部２は、ケーシング２１、レーザダイオード２２、調整用スペーサ２３、コリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６により構成される。
【００４１】
ケーシング２１は直方体形状を有し、前面側（光の出射側）および背面側（前面側と反対側）にそれぞれ開口部を有する。また、ケーシング２１の側面の内側には、光の出射方向に平行に延びる凹溝２１１，２１２がそれぞれ形成されている。さらに、ケーシング２１の上面の中央部および下面の中央部に光の出射方向に平行に延びる矩形状の切欠き部２１３，２１４がそれぞれ形成され、上面の前面側および下面の前面側に光の出射方向に平行に延びかつ切欠き部２１３，２１４よりも幅広の矩形状の切欠き部２１５，２１６がそれぞれ形成されている。
【００４２】
レーザダイオード２２は光を出射する出射面２２１を有する。レーザダイオード２２はチップを内蔵し、このチップが発光点となる。調整用スペーサ２３は略十字形状に形成され、中央部に孔部を有する。調整用スペーサ２３の上部２３１および下部２３２はケーシング２１の切欠き部２１３，２１４にそれぞれ嵌合するように形成されている。
【００４３】
コリメートレンズ２５はレンズホルダ２４に収納されている。レンズホルダ２４およびコリメートレンズ２５は一体的に形成されている。レンズホルダ２４の上部および下部には突起部２４１，２４２がそれぞれ設けられている。レンズホルダ２４の突起部２４１，２４２は、ケーシング２１の切欠き部２１３，２１４にそれぞれ嵌合するように形成されている。コリメートレンズ２５は凸面２５１，２５２を有する（図５参照）。
【００４４】
凹面シリンドリカルレンズ２６の両側部には突起部２６１，２６２がそれぞれ設けられ、上部および下部には突起部２６３，２６４がそれぞれ設けられている。凹面シリンドリカルレンズ２６の突起部２６３，２６４はケーシング２１の凹溝２１１，２１２にそれぞれ嵌合するように形成され、突起部２６３，２６４はケーシング２１の切欠き部２１５，２１６にそれぞれ嵌合するように形成されている。凹面シリンドリカルレンズ２６は、断面双曲線状に湾曲する凹面２６５および平面２６６を有する（図５参照）。
【００４５】
図４に示すように、レーザダイオード２２の出射面２２１側にコリメートレンズ２５が配置され、コリメートレンズ２５の前方に凹面シリンドリカルレンズ２６が配置される。本例では、凹面シリンドリカルレンズ２６は、凹面２６５が前面側を向き、平面２６６が背面側を向くように配置される。
【００４６】
また、図５および図６に示すように、ケーシング２１内の中央部には仕切り部２１９が設けられ、仕切り部２１９の中央部に孔部２２０が設けられている。ケーシング２１内で仕切り部２１９に対して背面側が発光素子装着部となり、前面側がレンズ収納部となる。
【００４７】
図５に示すように、レーザダイオード２２は、出射面２２１を前面側に向けた状態でケーシング２１の背面側の発光素子装着部に装着される。一方、ケーシング２１の前面側のレンズ収納部に調整用スペーサ２３、コリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６が順に収納される。
【００４８】
このとき、図３に示すように、調整用スペーサ２３の上部２３１および下部２３２がケーシング２１の切欠き部２１３，２１４にそれぞれ嵌合し、レンズホルダ２４の突起部２４１，２４２がケーシング２１の切欠き部２１３，２１４にそれぞれ嵌合する。また、凹面シリンドリカルレンズ２６の突起部２６１，２６２がケーシング２１の凹溝２１１，２１２にそれぞれ嵌合するとともに、突起部２６３，２６４がケーシング２１の切欠き部２１５，２１６にそれぞれ嵌合する。
【００４９】
調整用スペーサ２３の枚数は、投射される帯状の光の厚み方向の集束点が所定の位置に設定されまたは投射される帯状の光が厚み方向において平行光となって光電スイッチ１が所定の検出精度を保つことができるように調整する。調整用スペーサ２３を使用しない場合も生じる。
【００５０】
本実施の形態では、レーザダイオード２２が発光素子に相当し、コリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６が投光レンズを構成し、ケーシング２１が保持部材に相当する。また、コリメートレンズ２５の凸面２５１，２５２が第１のレンズ面に相当し、凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５が第２のレンズ面に相当する。さらに、仕切り部２１９が当接面に相当し、孔部２２０が光通過領域に相当し、調整用スペーサ２３が間隔保持部材に相当する。また、レンズホルダ２４の突起部２４１，２４２が係合部または突起部に相当し、ケーシング２１の切欠き部２１３，２１４が被係合部または切欠き部に相当する。
【００５１】
図７はコリメートレンズ２５の特性を説明するための平面図、図８（ａ），（ｂ）は投光部２のコリメートレンズおよび凹面シリンドリカルレンズの特性を説明するためのそれぞれ平面図および側面図である。
【００５２】
図７に示すように、発光点Ｐにより発生された光は、広がりつつコリメートレンズ２５に入射する。コリメートレンズ２５は、入射光を集束させて平行光として出射する。コリメートレンズ２５から出射される平行光は、凹面シリンドリカルレンズ２６の平面２６６に入射し、図８（ａ）に示すように凹面２６５で幅方向において外側に広げられて出射され、図８（ｂ）に示すように厚み方向には平行光のまま出射される。それにより、投光部２から帯状の光が投射される。
【００５３】
図９は凹面シリンドリカルレンズ２６の特性を説明するための説明図、図１０は凹面シリンドリカルレンズ２６における入射光線および出射光線を示す平面図である。
【００５４】
図９において、凹面２６５の中心点を原点とし、凹面２６５の原点での接線方向をＸ軸とし、原点での法線方向をＺ軸とする。
【００５５】
図９に示すように、凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５の断面は、次式で表される双曲線の一方の曲線に沿うように湾曲している。
【００５６】
Ｚ＝（Ｘ2 ／Ｒ）／｛１＋√（１−Ｋ・Ｘ2 ／Ｒ2 ）  …（１）
上式（１）においてＲおよびＫは任意の係数であり、Ｋ＜０である。上式（１）の曲線の漸近線ＳＬ１の傾きは√（−Ｋ）、漸近線ＳＬ２の傾きは−√（−Ｋ）で表される。この凹面２６５は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な方向において同一形状を有する。
【００５７】
凹面２６５に入射する平行な光線Ｌ１，Ｌ２は凹面２６５でＺ軸から離れる方向に屈折する。凹面２６５の中心から遠い光線Ｌ２の凹面２６５に対する入射角は中心に近い光線Ｌ１の入射角に比べて大きくなる。そのため、凹面２６５の中心から遠い光線Ｌ２の出射角βは中心に近い光線Ｌ１の出射角αに比べて大きくなる。この場合、係数Ｋの値を一定としかつ係数Ｒの値を小さくすることにより（−Ｒ／Ｋ）の値を小さくすると、中心付近での光線の密度がより疎になり、端部での光線密度がより密になる。それにより、図１０に示すように、凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５から出射される光線の密度は、凹面２６５の中心から矢印ｘで示すように外側に向かうにしたがって密になる。
【００５８】
したがって、ガウス分布のように中心付近の光量が高く中心から離れるに従って光量が低下する光量分布を有する平行光は、上式（１）の係数ＲおよびＫの値を適当に選択することにより、凹面シリンドリカルレンズ２６を用いて全体的に均一な光量分布を有する光に変換することができる。
【００５９】
この凹面シリンドリカルレンズ２６による光の広がりの程度は、漸近線ＳＬ１，ＳＬ２の傾きと凹面シリンドリカルレンズ２６の屈折率により定まる。ここで、凹面シリンドリカルレンズ２６の屈折率をｎ１とし、空気中の屈折率をｎ２とする。Ｋ＝−１３、Ｒ＝４、ｎ１＝１．５、ｎ２＝１とすると、光の広がり角は中心から片側で８°全体で１６°程度となる。
【００６０】
なお、係数ＫおよびＲの値は一例であって、レーザダイオード２２内の発光点の位置のばらつきおよびレーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離により異なる。
【００６１】
例えば、レーザダイオード２２内の発光点の位置のばらつきにより、凹面シリンドリカルレンズ２６の位置でレーザダイオード２２の出射光の光量分布が図１１（ａ），（ｂ）に示すように異なる場合、同じ範囲Ａの光がコリメートレンズ２５を通って凹面シリンドリカルレンズ２６に入射しても凹面シリンドリカルレンズ２６からの出射光の光量分布は異なる。図１１（ａ）に示す光量分布の光を入射させたときに出射光の光量分布が図１１（ｃ）に示すように均一になるように凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５の形状を設計した場合、同じ凹面シリンドリカルレンズ２６に図１１（ｂ）に示す光量分布の光をコリメートレンズ２５を通って入射させると、図１１（ｄ）に示すように、出射光の光量分布が均一にならない。
【００６２】
また、図１２に示すように、コリメートレンズ２５の両面を適当に設計してコリメートレンズ２５をレーザダイオード２２の前方の位置Ｐ１に配置した場合および位置Ｐ２に配置した場合では、凹面シリンドリカルレンズ２６に入射する光の光量分布が異なる。コリメートレンズ２５を位置Ｐ１に配置した場合には、ほぼ全範囲の光が入射するが、コリメートレンズ２５を位置Ｐ２に配置した場合には、中心付近の光のみが入射する。例えば、コリメートレンズ２５を位置Ｐ１に配置したときに出射光の光量分布が図１１（ｃ）に示すように均一になるように凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５の形状を設計した場合、位置Ｐ２にコリメートレンズ２５を配置して同じ凹面シリンドリカルレンズ２６に光を入射させると、図１１（ｄ）に示すように、出射光の光量分布が均一にならない。
【００６３】
このように、レーザダイオード２２内の発光点の位置のばらつきおよびレーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離によって出射光の光量分布を均一にするための係数ＫおよびＲの値が変わる。
【００６４】
したがって、本実施の形態では、レーザダイオード２２内の発光点の位置のばらつきおよびレーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離に応じて凹面シリンドリカルレンズ２６の出射光の光線密度が中心付近で粗になり両端部で密になることによって光量分布が均一になるように係数ＫおよびＲの値を設定する。このように設計された凹面２６５を有する凹面シリンドリカルレンズ２６に対してコリメートレンズ２５から出射された平行光を入射させることにより均一な光量分布を有する出射光を得ることができる。
【００６５】
なお、凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５および平面２６６の向きを逆にした場合でも上記と同様の原理で平行光を全体的に均一な光量分布を有する光に変換することができる。
【００６６】
また、入射光が平行光でなく遠方に集束する光の場合でも、凹面２６５の形状を適当に決定することにより、同様に均一な光量分布を有する出射光を得ることができる。
【００６７】
図１３は図１の光電スイッチ１に用いられる投光部の他の例を示す斜視図である。図１３の投光部２ａが図２〜図５の投光部２と異なるのは、凹面シリンドリカルレンズ２６の向きが異なる点である。図１３に示すように、凹面シリンドリカルレンズ２６は、平面２６６が前面側を向き、凹面２６５が背面側を向くように配置される。
【００６８】
図１４（ａ），（ｂ）は図１３の投光部２ａの特性を説明するためのそれぞれ平面図および側面図である。発光点Ｐから出射された光は、広がりつつコリメートレンズ２５に入射する。コリメートレンズ２５は、入射光を集束させて平行光として出射する。コリメートレンズ２５から出射された平行光は、凹面シリンドリカルレンズ２６６の凹面２６５に入射し、図１４（ａ）に示すように幅方向において外側に広げられて平面２６６から出射され、図１４（ｂ）に示すように厚み方向にはそのまま平行光として出射される。それにより、投光部２ａから帯状の光が投射される。
【００６９】
図１５は図１の光電スイッチ１に用いられる投光部のさらに他の例を示す斜視図である。図１５の投光部２ｂにおいては、コリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６の代わりにコリメートレンズと凹面シリンドリカルレンズとが一体化された一体型レンズ２５Ａが用いられる。一体型レンズ２５Ａは、入射光を略平行光にする凸面２５ａおよび凹面シリンドリカルレンズ２６の凹面２６５と同じ形状の凹面２５ｂを有する。投光部２ｂの他の部分の構成は、図２〜図５の投光部２の構成と同様である。
【００７０】
図１６は図１３の投光部２ｂの特性を説明するための平面図である。発光点Ｐから出射された光は、広がりつつ一体型レンズ２５Ａの凸面２５ａに入射する。一体型レンズ２５Ａの凸面２５ａは、入射光を集束させて平行光とする。平行光は、凹面２５ｂで幅方向において外側に広げられて出射され、厚み方向にはそのまま平行光として出射される。それにより、投光部２ｂから帯状の光が投射される。
【００７１】
図１７はレーザダイオードからの出射光の光量分布を示す図である。図１７の横軸はレーザダイオードの発光点から光軸に垂直な方向の位置を示し、縦軸は光量を示す。レーザダイオードからの出射光は、中心で光量が最も高く周辺部に近づくにつれて光量が低下するガウス分布を有する。
【００７２】
図１８は図２〜図５の投光部２の出射光の光量分布を従来の投光部２０１，２０２の出射光の光量分布と比較して示す図である。図１８の横軸は出射光の中心軸に垂直な方向の位置を示し、縦軸は光量を示す。
【００７３】
図１８に示すように、本実施の形態の投光部２によれば、中心から両端部にかけて光量が均一でかつ高くなる光量分布が得られる。これに対して、従来の投光部２０２によれば、光量が中心で高く両端部に近づくにつれて低下する光量分布が得られ、不均一な光量分布となってる。また、従来の投光部２０１によれば、中心から両端部に近づくにつれて光量がやや低下する光量分布が得られ、全体的にやや均一な光量分布となっているが、光量が全体的に低くなってる。このように、本実施の形態の光電スイッチ１の投光部２によれば、光量が均一でかつ高い光量分布が得られる。
【００７４】
上記のように、本実施の形態の光電スイッチ１の投光部２によれば、コリメートレンズ２５から出射される平行光が凹面シリンドリカルレンズ２６により幅方向において外側に広げられて出射されるとともに厚み方向にはそのまま平行光として出射される。それにより、検出領域に均一な光量分布を有する帯状の光を投射することができる。したがって、検出領域の全範囲にわたって検出感度が等しくなり、光電スイッチ１の検出精度が向上する。
【００７５】
また、レーザダイオード２２により発生された光がコリメートレンズ２５により集束されて凹面シリンドリカルレンズ２６に入射されるので、レーザダイオード２２により発生された光を効率的に利用することができる。
【００７６】
さらに、コリメートレンズ２５の突起部２４１，２４２がケーシング２１の切欠き部２１３，２１４に嵌合することにより、コリメートレンズ２５が光の出射方向に平行に案内される。また、凹面シリンドリカルレンズ２６の突起部２６１，２６２がケーシング２１の凹溝２１１，２１２に嵌合しかつ突起部２６３，２６４がケーシング２１の切欠き部２１５，２１６に嵌合することにより、凹面シリンドリカルレンズ２６が光の出射方向に平行に案内される。したがって、レーザダイオード２２、コリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６の光軸を保ちつつレーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離を調整することができる。
【００７７】
この場合、ケーシング２１の仕切り部２１９とコリメートレンズ２５のレンズホルダ２４との間に任意の数の調整用スペーサ２３を挿入することができるので、調整用スペーサ２３の数を調整することによりレーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離を高精度かつ容易に調整することができる。
【００７８】
したがって、レーザダイオード２２の発光点にばらつきがある場合でも、レーザダイオード２２の発光点のばらつきを容易に吸収することができる。それにより、投光部２から投射される帯状の光の厚み方向の集束点を所定の位置に設定することができ、または帯状の光を厚み方向に平行光とすることができる。
【００７９】
また、レーザダイオード２２とコリメートレンズ２５との間の距離を短くすることができるので、レーザダイオード２２により発生された光をコリメートレンズ２５および凹面シリンドリカルレンズ２６でより効率的に利用することができ、光電スイッチ１の検出精度をさらに向上させることができる。
【００８０】
また、コリメートレンズ２５にレーザダイオード２２を近づけることができるので、投光部２の小型化が可能になり、それにより光電スイッチ１の小型化が可能となる。
【００８１】
なお、コリメートレンズ２５から出射される光は平行光となっているので、コリメートレンズ２５と凹面シリンドリカルレンズ２６との間の距離を高精度に調整することなく所望の帯状の光を得ることができる。
【００８２】
図１９は図１の光電スイッチ１に投光範囲制限部材を装着した状態を示す斜視図である。また、図２０（ａ）は図１７の投光範囲制限部材の斜視図、図２０（ｂ）は図１９の投光範囲制限部材の一部切欠き部斜視図である。さらに、図２１は投光範囲制限部材による投光範囲の制限を示す模式的横断面図である。
【００８３】
図１９〜図２１に示すように、投光範囲制限部材６は、光電スイッチ１の投光部２の前方に位置する投光用開口部６１および受光部３の前方に位置する受光用開口部６２を有する。この投光範囲制限部材６は、上端に設けられた係止部６３および下端に設けられた係止部６４により光電スイッチ１の上面および下面に設けられた被係止部にそれぞれ係止される。
【００８４】
図２１に示すように、投光範囲制限部材６の投光用開口部６１の両側の縁部は背面側に傾斜した傾斜面６１１，６１２を有する。それにより、凹面シリンドリカルレンズ２６から出射された帯状の光のうち投光範囲制限部材６の傾斜面６１１，６１２に当たった光が外方に反射され、凹面シリンドリカルレンズ２６、コリメートレンズ２５およびレーザダイオード２２に戻らない。その結果、投光部２から出射される帯状の光が戻り光の影響を受けることが防止される。
【００８５】
図２２は本実施の形態の光電スイッチ１の使用例を示す斜視図である。
図２２において、複数の光電スイッチ１の側面どうしが互いに接合される。それにより、複数の光電スイッチ１の投光部２から出射される帯状の光５が相互に連結され、大きな幅を有する帯状の光が形成される。この場合、長い検出領域に光を投射することができる。
【００８６】
本発明が適用される光電スイッチは、光を投射するものであれば、上記の光電スイッチに特に限定されず、反射型または透過型、アンプ内蔵型、アンプ分離型、投光光学系と受光光学系とを分離した分離光学系またはビームスプリッタ等を用いた同軸光学系等のいずれの光電スイッチにも適用することができ、また、物体までの距離等を測定するための光電センサおよび光変位系、色の濃淡等を識別するカラー判別センサ等の他の光電スイッチにも同様に適用することができ、同様の効果を得ることができる。また、上記実施の形態では、発光素子としてレーザダイオードを用いたが、ＬＥＤ等の他の発光素子を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による光電スイッチの外観斜視図である。
【図２】図１の光電スイッチに内蔵される投光部の一部切欠き部斜視図である。
【図３】図２の投光部の分解斜視図である。
【図４】図２の投光部を構成するレーザダイオード、コリメートレンズおよび凹面シリンドリカルレンズを示す斜視図である。
【図５】図２の投光部の横断面図である。
【図６】図３のケーシングのＡ線断面図およびＢ線断面図である。
【図７】図２の投光部のコリメートレンズの特性を説明するための平面図である。
【図８】図２の投光部のコリメートレンズおよび凹面シリンドリカルレンズの特性を説明するための平面図および側面図である。
【図９】凹面シリンドリカルレンズの特性を説明するための説明図である。
【図１０】凹面シリンドリカルレンズにおける入射光線および出射光線を示す平面図である。
【図１１】凹面シリンドリカルレンズへの入射光の光量分布と出射光の光量分布との関係を説明するための図である。
【図１２】レーザダイオードと凹面シリンドリカルレンズとの間の距離による出射光の光量分布の変化を説明するための図である。
【図１３】図１の光電スイッチに用いられる投光部の他の例を示す斜視図である。
【図１４】図１３の投光部の特性を説明するための平面図および側面図である。
【図１５】図１の光電スイッチに用いられる投光部の他の例を示す斜視図である。
【図１６】図１５の投光部の特性を説明するための平面図である。
【図１７】レーザダイオードの出射光の光量分布を示す図である。
【図１８】図２〜図５の投光部の光量分布を図２３および図２５の投光部と比較して示す図である。
【図１９】図１の投光スイッチに投光範囲制限部材を装着した状態を示す斜視図である。
【図２０】図１９の投光範囲制限部材の斜視図および一部切欠き部斜視図である。
【図２１】投光範囲制限部材による投光範囲の制限を示す模式的横断面図である。
【図２２】図１の光電スイッチの使用例を示す斜視図である。
【図２３】帯状の光を投射する従来の投光部の第１の例を示す斜視図である。
【図２４】図２３の投光部の特性を説明するための平面図および側面図である。
【図２５】帯状の光を投射する従来の投光部の第２の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  光電スイッチ
２，２ａ，２ｂ  投光部
３  受光部
６  投光範囲制限部材
２１  ケーシング
２２  レーザダイオード
２３  調整用スペーサ
２４  レンズホルダ
２５  コリメートレンズ
２６  凹面シリンドリカルレンズ
２５Ａ  一体型レンズ
２５ａ，２５１，２５２  凸面
２５ｂ，２６５  凹面
２１１，２１２  凹溝
２１３，２１４，２１５，２１６  切欠き部
２１９  仕切り部
２２０  孔部
２２１  出射面
２４１，２４２，２６１，２６２，２６３，２６４  突起部
２６６  平面
６１１，６１２  傾斜面
【図１】
0004812153.tif 000002
【図２】
0004812153.tif 000003
【図３】
0004812153.tif 000004
【図４】
0004812153.tif 000005
【図５】
0004812153.tif 000006
【図６】
0004812153.tif 000007
【図７】
0004812153.tif 000008
【図８】
0004812153.tif 000009
【図９】
0004812153.tif 000010
【図１０】
0004812153.tif 000011
【図１１】
0004812153.tif 000012
【図１２】
0004812153.tif 000013
【図１３】
0004812153.tif 000014
【図１４】
0004812153.tif 000015
【図１５】
0004812153.tif 000016
【図１６】
0004812153.tif 000017
【図１７】
0004812153.tif 000018
【図１８】
0004812153.tif 000019
【図１９】
0004812153.tif 000020
【図２０】
0004812153.tif 000021
【図２１】
0004812153.tif 000022
【図２２】
0004812153.tif 000023
【図２３】
0004812153.tif 000024
【図２４】
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【図２５】
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