(57)【要約】  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。【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する樹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、前記光入射面から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。
【請求項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い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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項９】
透光性を有する樹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から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。
【請求項１０】
透光性を有する樹脂材料による成形体から成る光学素子と、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、前記光入射面から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アパーチャに対向するようにして配備されている光電センサ。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被検出物体や回帰反射板などから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２０５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から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いる（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を大きく、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の径が小さくなってしまう。このようなことから、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かっ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、Ｓ／Ｎ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。しかも、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いるので、組立工数が多くなるという問題もある。【０００８】
この発明は上記の諸問題に着目してなされたもので、樹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イ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、光電センサの組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、透光性を有する樹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いる。
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、前面の受光面から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一体化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い。
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く、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い光（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。しかも、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い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確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が、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の態様にかかる光学素子は、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っ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が、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ー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化すると、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、断面が円形に近く、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く、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ッ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、この発明にかかる第２の光学素子は、透光性を有する樹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から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、側面の光入射面から入射した光は、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】
この発明にかかる光電センサは、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や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い。
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（前記アパーチャによる空間も含む。）が確保されるようにするのが望ましい。
【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の態様にか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アパーチャ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】
この発明にかかる光電センサでは、前述した光学素子を組み込むことにより、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、パ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、製作にか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か、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】
より好ましい態様にか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、センサの製作にか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樹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化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イズの削減を実現して性能を向上することができる。また、前記の一体化によってセンサの組立工数を削減できる上、樹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、製作にか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】
【００４６】
【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】バリエーション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】バリエーション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】バリエーション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】バリエーション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】バリエーション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】バリエーション８の光学素子の外観を示す斜視図である。
【図１８】バリエーション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】バリエーション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、ポリメチルメタクリレート（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１７，１８，１９，２０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（樹脂）から粗になる媒体（空気）に向かっ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が、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化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、レンズの径を大きく、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、側方からのコリメート光を９０度方向転換する一体化された鏡体部（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やコリメートレンズ２５の下方に、レンズ２５から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い角度をもって、光学素子１に入射する可能性がある。
しかしながら、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側や受光素子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い、受光素子３に到達しないという問題がある。【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。したがって、受光面１１の曲率を大きくしすぎると、か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、後記するバリエーション１，４等のように設計を変更してもよい。【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が一体化されるので、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く、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〜１２Ｈ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、バリエーション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、前出のバリエーション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で外側に向かって屈折した後、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が、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】
＜バリエーション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】
＜バリエーション３＞
図９は、バリエーション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が一体に設けられる。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が一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が、これに限らず、バリエーション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。このように背面側から入射した光に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】
＜バリエーション４＞
図１０は、バリエーション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１１Ａ，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いる。【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，１１Ｂ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】
＜バリエーション５＞
図１２は、バリエーション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が一体に設けられる。また、前面の中央部にはコリメートレンズ１８が一体に設けられ、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１０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からの反射光が辿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】
＜バリエーション６＞
図１３は、バリエーション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が一体に設けられる。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ーダイオード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ー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が、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が、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っているので、投光面１０にトーリックレンズを設けることにより、前記円形に近くなっ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に示したバリエーション３の光学素子１Ｃについても、上記のバリエーション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】
＜バリエーション７＞
図１６は、バリエーション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が、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】
加えて、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かることができる。
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を中心からずらして配置する方が良い場合がある。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、バリエーション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】
＜バリエーション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ートレンズ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が一体に設けられる。【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により平行化され、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く、水平方向に近い方向からの光を照射することができる。よってプリズム部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に導かれ、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に設定したが、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い。
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かまわない。【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く、これらのバリエーションにかかる構成を適宜組み合わせてもよい。たとえば、バリエーション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や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い。【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とともに樹脂製のパッケージに組み込まれる。以下、この各素子が一体化されたパッケージを「投受光パッケージ」という。【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の外周面や投光部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１０５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４２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１０５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４６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樹脂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ＩＣ３０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オード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、バリエーション１，２，５，６，７の光学素子１Ａ，１Ｂ，１Ｅ，１Ｆ，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、前記バリエーション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が、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１０６が一体に設けられる。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、製作にか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の実施例にか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の開口部から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も樹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とを接着する樹脂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が一体に形成され、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５０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。投受光パッケージ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。）が設けられる。【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く、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が、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ものである。【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、スペーサ部材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の隙間に光硬化樹脂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オード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
この発明にかかる光電センサには、光学素子１の特性を利用して、レーザダイオ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ＩＣ３０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、成形加工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。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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