JP2786030B2 - 光電センサーの投光器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光電センサーの投光
器、詳しくは投光器の投光レンズに関するものである。

【０００２】

【発明の背景と従来技術】光電センサーは、無接触で人
や物体を検知できるので、各種機械の自動化、危険を伴
う機械の安全装置、コンベアラインによって搬送される
物体の検知、自動ドア等に広く使用されている。そし
て、このような光電センサーの投光器、受光器はいずれ
も箱型のケースの壁に円形の孔を穿って凸レンズを固着
し、その焦点に光電変換索子、すなわち発光ダイオード
等の発光素子、あるいはフォトトランジスタ等の受光素
子を設けてある。 そして、凸レンズから光電変換素子
に至る光の経路を妨げないように、点燈駆動回路、信号
増幅回路、動作表示燈、可変抵抗器などの部品をケース
の内壁に固着して各部品間を電気的に接続し、人力端子
と出力端子に電線コードを接続してケース外に導出し
て、蓋を閉じた構造になっている。

【０００３】図１１は、このような従来の光電センサー
を示す断面図である。図において、ＡはケーシングＢの
前面に設けた集光用の凸レンズ、５１は凸レンズＡの集
光点位置に設置された光電変換素子、２２は配線基板、
２３は配線基板２２上に配設される各種電子部品、２４
は動作表示燈である。なお、３１はケーシングＢの裏
蓋、Ｃは動作表示燈２４と配線基板２２との配線であ
る。そして、機械その他への取り付けにはブラケットな
どを使用してネジ等で固定するようになっている。

【０００４】ところで、光電センサーが広い分野で使用
されるようになるにつれ、今日では検出距離の長い光電
センサーが求められるようになってきている。例えば、
透過型の光電センサーでは検出距離２０ｍ程度、直接反
射型では３ｍ程度、ミラー偏光反射型では８ｍ程度のも
のが強く求められており、いずれもその検出距離はこれ
までの２倍以上となっている。

【０００５】このような検出距離の長大化の要望に対し
て、従来は次のような対策がなされていた。すなわち、 （Ａ）光電センサーの受光器の増幅器の増幅率を上げて
高感度にする。 （Ｂ）受光器のレンズ口径を大きくして入光量を増加さ
せる。 （Ｃ）投光器の信号光の出力を大きくする。 しかしながら、上記（Ａ）の手段を採用すると、高感度
になるにつれ外乱電磁ノイズの誘導を受け易くなり、誤
作動を生じ易くなる。また、上記（Ｂ）の場合にはレン
ズを大きくすると光電センサー自体も大型化してしまう
欠点がある。上記（Ｃ）は、信号光と外乱光の比、すな
わち、光のＳＮ比が改善されるので、一番望ましい手段
である。

【０００６】そして、投光器の光出力を大きくするため
に、従来、次のような手段が採用されている。 （ａ）光電変換効率のよい発光素子（発光ダイオード）
を選択する。 （ｂ）チップサイズの大きい発光素子（発光ダイオー
ド）を選択する。 （ｃ）発光素子（発光ダイオード）に大電流を流して発
光出力を上げる。 しかしながら、上記いずれの場合にも、コストの増大あ
るいは大型化といった問題が生じているのが現状であ
る。

【０００７】

【発明の概要】この発明は、効率の良い光学レンズによ
って、発光素子（発光ダイオード）から放射された信号
光を無駄なく集束することにより、拡散による損失を極
力防止し、所定方向へ放射させるようにして上記従来の
問題点を解決しようとするものである。すなわち、この
発明に係る光電センサーの投光器は、投光レンズと、こ
の投光レンズを収納するケーシングと、発光ダイオード
を具えた電子回路とからなり、前記投光レンズは、透明
材によってほぼ円錐台状に形成される基部と、円錐台状
の基部の広い底面側に穿設した円筒形の凹部の底に、外
方に突出するよう形成した湾曲レンズ部と、円錐台状の
基部の狭い底面側に、前記湾曲レンズ部と対向するよう
に形成した発光ダイオードを格納するための円筒形の空
間と、円錐台状の基部の側壁を外方向に向けて緩やかに
湾曲させてなる反射部と、を具えて構成する。 そして前
記円筒形の空間は、発光ダイオードからの信号光を前記
反射部方向に直進させるため、発光ダイオードの位置を
中心点として等距離をおいて形成される湾曲面を有した
環状の壁面と、湾曲レンズ部と対向する空間底面に形成
され、発光ダイオードからの放射状の信号光を内側に屈
折させて前記湾曲レンズ部に送るため、湾曲レンズ部の
方向とは逆方向に突出する曲率の極めて緩やかな凸面部
と、により構成する。 そして前記発光ダイオードは、発
光ダイオードから前記反射部へ到達した信号光の入射角
が、臨界角以上となる位置に設置する。 これにより、発
光ダイオートから空間の凸面部へ放射された信号光を、
凸面部によって内側に屈折させて湾曲レンズ部へ送り、
その信号光を湾曲レンズ部によって平行な信号光にして
放射し、凸面部よりも外側へ進行した発光ダイオードか
らの信号光は、空間の壁面から反射部へ直進させ、その
信号光を反射部によって全反射させて平行な信号光にし
て放射させ、ることで上記従来の問題点を解決しようと
するものである。

【０００８】

【作用】この発明において、発光ダイオードから出力さ
れた信号光は、いったん１８０度の範囲に拡散放射され
るが、その一部は発光ダイオードの前方に位置する空間
底面に形成された凸面部を通過して内側に屈折し、次い
で湾曲レンズ部を通過して平行光となり光電センサーの
前方方向へ進む。 また、その他の信号光は、空間の壁面
を通過して反射部方向へ直進し、この反射部によって全
反射されて平行光となり光電センサーの前方方向へ進
む。このようにして、発光ダイオードから出力された信
号光は全て光電センサーから平行光として所定方向へ放
射される。

【０００９】

【発明の実施例】図面に基ずいてこの発明の実施例を説
明する。図１および図２は、この発明の１実施例を示す
図である。図１は、この実施例に係る光電センサーＳの
一部断面図で、図において、１は投光レンズ、Ｂは半球
状のケーシングで黒色のプラスチック材で形成されてい
る。２２は表面に発光ダイオード５１、裏面に電子部品
２３、２３を搭載した回路基板でケーシングＢの底部中
央に形成された収納室Ｓ１にはめこまれている。この状
態で回路基板２２の発光ダイオード５１は、後述の空間
４の中央に位置することになる。また、６はケーシング
Ｂの開口部にはめこまれた透明蓋、７はケーシングＢ内
において投光レンス１と回路基板２２との間に挿入され
たスペーサである。

【００１０】上記投光レンズ１は、図２（ｂ）に示すよ
うにほぼ円錐台形状に形成された基部を具えていて、こ
の実施例においてこのほぼ円錐台形状の基部は透明プラ
スチック材（アクリル樹脂）によって形成されている。
３は、この円錐台状の基部１の広い底面側に設けられた
湾曲レンズ部であり、この湾曲レンズ部３は、基部１に
形成される円筒形の凹部２の底部に、図に示すように外
方に向けて突出するように形成されている。 また、４は
円錐状の基部１の狭い底面側に前記湾曲レンズ部３と対
向するように設けられた空間である。この空間４は、ほ
ぼ円筒形となっていて、その壁面４ａは、発光ダイオー
ド５１からの信号光を後述の反射部５へ直進させるた
め、発光ダイオード５１の位置を中心点として等距離を
おいて形成される湾曲面を有しており、発光ダイオード
５１を覆うように環状に形成されている。 一方、前記湾
曲レンズ部３と対向する空間４の底面には、図に示すよ
うに湾曲レンズ部３の方向とは逆方向に突出する曲率の
極めて緩やかな凸面部が設けられ ている。

【００１１】そして、円錐台形状をなす基部の側壁（母
線部）には、図に示すように外方向に向けて緩やかに湾
曲してなる反射部５が設けられている。次にこの実施例
の作用を図３および図４によって説明する。図３は、発
光ダイオード５１から出力される信号光の指向特性を示
す図である。この図によれば、光出力は０゜方向から９
０゜方向に向かうにつれ減少するものの、発光ダイオー
ド５１からの信号光は１８０゜の範囲に放射されること
が判る。したがって、このような発光ダイオード５１を
図５に示すような従来技術における凸レンズＡ（口径２
５ｍｍ、ｆ＝２０ｍｍ、）に使用した場合、このレンズ
の集束角は約６０゜となるから、このレンズが利用でき
る信号光は図３において、０゜方向より上下３０゜、す
なわち合計６０゜分のみでありその他の信号光（１２０
゜分）は利用できない。

【００１２】これに対して、この発明に係る投光器は、
発光ダイオードから出力された信号光を１８０゜分すべ
て利用すことができるので、従来の凸レンズに比べて、
断面図上で推論すると約３倍の集光能力を有することと
なる。すなわち、この発光ダイオード５１を図４に示す
ように投光レンズ１の空間４の中央にセットすれば、発
光ダイオード５１から出力された信号光Ｌは１８０゜の
範囲に放射される。そして 空間４の底面に形成された
凸面部へ放射された信号光は、この凸面部によって図に
示すように僅かに内側に屈折して湾曲レンズ部３へ進行
し、湾曲レンズ部３を通過することによって湾曲レンズ
部３の中心軸に平行な信号光となって放射される。 一
方、空間４の底面に形成された凸面部よりも外側へ進行
した信号光は、発光ダイオード５１を中心点として等距
離をおいて形成される壁面４ａを直進して反射部５に到
達し、この反射部５によって反射されて同じく湾曲レン
ズ３の中心軸に平行な信号光となりそれぞれ所定方向へ
進むことになる。

【００１３】ところで、この発明において反射部５の反
射面には鏡面メッキ等は施されていない。これは、反射
部５における信号光の反射には「全反射」の原理が利用
されているからである。すなわち、図４において、例え
ば発光ダイオード５１から放射された信号光（Ｌ１）の
反射部５のＰ点における入射角は、Ｐ点における臨界角
（光がその界面で屈折せず全反射する時の入射角、この
実施例のようにアクリル（投光レンズ）と空気との界面
における臨界角は約４３度である）より大きいため、信
号光Ｌ１は、空気層と投光レンズとの界面である反射部
５を通過せず、空気より密度の大きい投光レンズ側に入
射角と同角度で反射され、信号光Ｌ２として光電センサ
ーの前方に向かうことになる。このようにして、発光ダ
イオード５１から反射部５に到達した信号光は、すべて
「全反射」により光電センサーの前方方向におくられる
ことになる。そして、発光ダイオードから反射部へ到達
した信号光がすべて「全反射」できるよう、反射部５の
反射面は前述のように湾曲状に形成してある。

【００１４】このように、この発明に係る投光レンズは
従来技術の投光レンズに比べて、約３倍の集光能力を有
するので、この結果、同一の距離点での照度は約３倍に
なる。これを図６に基づいて詳しく説明する。まづ、発
光ダイオード５１の光出力Ｙとこの光の集光Ｖンズから
距離Ｌ離れた地点における照度Ｘとの関係は次の数１に
表される。

【００１５】

【数１】

【００１６】いま、図６（ａ）において、従来の凸レン
ズＡを使用した場合、発光ダイオード５１の光出力をｙ
とし、凸レンズＡから距離ｄ離れた地点Ｂにおける照度
をχとすると、この照度χは、前述の数１から次の数２
として表される。

【００１７】

【数２】

【００１８】一方、図６（ｂ）において、１はこの発明
に係る投光レンズ、５１は発光ダイオード、Ｄは前記図
６（ａ）におけるＢ地点と同一の照度χが得られる地点
Ｃまでの投光レンズ１からの距離を示している。投光レ
ンズ１は従来の凸レンズＡの３倍の集光能力を有するか
ら発光ダイオード５１の光出力が前記ｙのままでも、実
質的には３ｙの光出力を有するものとして考えることが
できる。そして、これらの数値を前記数１に代入して、
距離Ｄを以下のように数３〜数８で求める。

【００１９】

【数３】

【００２０】数３のχに前述の数２からχをもとめて代
入すると、

【００２１】

【数４】

【００２２】

【数５】

【００２３】

【数６】

【００２４】

【数７】

【００２５】

【数８】

【００２６】以上のように、発光ダイオードの光出力を
一定にした場合、この発明に係る投光レンズを使用すれ
ば、従来の凸レンズとくらべて約平方根３倍の距離にお
いて、同一の照度を得ることができる。ところで、この
発明に係る光電センサーの投光器は、湾曲レンズ部３と
対向する空間４の底面に、曲率の極めて緩やかな凸面部
を形成したので、湾曲レンズ部３において効率的良く信
号光を屈折させることが可能である。 すなわち、湾曲レ
ンズ部３へ送られる信号光は、凸面部において所定角度
内側に屈折されて湾曲レンズ部３に送られるので、この
信号光と湾曲レンズ部３との角度を、湾曲レンズ部３と
空気との界面における臨界角よりも十分に小さな角度に
することができる。これによって湾曲レンズ部３と空気
との界面において信号光が反射してしまう、いわゆる全
反射は全く生じることはなく、湾曲レンズ部３に到達し
た全ての信号光は平行光となって放射される。一方、図
７および図８は、上記実施例に係る投光器Ｓの壁面への
取り付け例を示す図である。図７（ａ）において、８は
ネジ９によってケーシングＢの収納室Ｓ１の後面に固定
されたスプリングワッシャーである。図７（ｂ）におい
て、１０は半球形状をなすプラスチック製のホルーダー
を示している。このホルダー１０内に投光器Ｓをはめこ
み、図８（ａ）に示すようにスプリングワッシャー８に
よりホルダー１０に弾性固定したうえ、このホルダー１
０をネジ等により壁面Ｗに固定する。

【００２７】投光器Ｓは、ホルダー１０に弾性的に取り
付けられているので、図８（ｂ）に示すように投光器Ｓ
を指先等で回動させることにより所望の投光角度を得る
ことが可能で、投光器、受光器の相互の位置合わせが容
易になる。なお、この発明に係る投光レンズは、光電セ
ンサー等の受光器にも適用可能であることは言うまでも
ない。この発明に係る投光レンズは、従来の凸レンズに
比べて口径を同一とした場合、厚みが１／２になるので
投光器はもちろん受光器に使用した場合でも、装置の大
幅な薄型化が可能になるという効果がある。

【００２８】なお上述の実施例では投光器が単独の場合
を説明したが、図９および図１０に示すように実際は使
用にあたっては投光器を複数用いることがある。図９に
示す例は投光器を６角形状に形成し、この投光器を複数
個（図では７個示す）隙間なく同一面となるよう密着さ
せている。

【００２９】また図１０は投光器を複数個一列に設置し
た例を示すもので、図１０（ａ）に示す例は上述の円形
の投光器６を支持体２５により一列に設置し、図１０
（ｂ）に示す例は両側面が平面状に形成された投光器６
を支持体２５により一列に密着させている。

【００３０】以上のように複数の投光器を設置すれば、
例えば信号機、バーコードの読み取り装置等への投光器
の使用を容易なものとすることが出来る。

【発明の効果】この発明は、以上述べた構成・作用によ
り次のような効果を得ることができる。 （ａ） 従来の凸レンズが、発光タイオードが出力する
信号光の１／３以下の光量しか集光できないのに比べ、
この発明に係る投光レンズは発光ダイオードの出力する
信号光の殆どすべてを集光することができる。 （ｂ） この発明に係る投光レンズは、プラスチック、
ガラス等で一体成形が可能であり、また反射部に鏡面メ
ッキなどの特別な加工を必要としないので、生産コスト
が低廉である。 （ｅ） この発明に係る投光器は半球形状にできるの
で、同様に半球形状のホルダーに収納容易となり、投光
方向の設定が自由になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例に係る投光器の断面図であ
る。

【図２】同上投光器における投光レンズの１実施例を示
す説明図である。

【図３】発光ダイオードからの光の各方向における光出
力を示す説明図である。

【図４】図１の実施例に係る投光レンズの作用を示す説
明図である。

【図５】従来例に係る凸レンズの作用説明図である。

【図６】従来例に係る凸レンズと本願実施例に係る投光
レンズとの投光動作の比較説明図である。

【図７】図１に示す投光器の壁面等への取り付けための
ホルダーを示す説明図である。

【図８】同上ホルダーを使用して投光器を取り付けた状
態を示す説明図である。

【図９】投光器を複数同一面状に設置した状態を示す説
明図である。

【図１０】投光器を複数個一列に設置した状態を示す説
明図出ある。

【図１１】従来の光電センサーを示す断面図である。

【符号の説明】

１ 投光レンズ ２ 凹部 ３ 湾曲レンズ部 ４ 空間 ５ 反射部 ５１ 発光ダイオード

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投光レンズと、この投光レンズを収納す
   るケーシングと、発光ダイオードを具えた電子回路とか
   らなり、前記投光レンズは、 透明材によってほぼ円錐台状に形成される基部と、 円錐台状の基部の広い底面側に穿設した円筒形の凹部の
   底に、外方に突出するよう形成した湾曲レンズ部と、 円錐台状の基部の狭い底面側に、前記湾曲レンズ部と対
   向するように形成した発光ダイオードを格納するための
   円筒形の空間と、 円錐台状の基部の側壁を外方向に向けて緩やかに湾曲さ
   せてなる反射部と、 を具えて構成し、 前記円筒形の空間は、 発光ダイオードからの信号光を前記反射部方向に直進さ
   せるため、発光ダイオードの位置を中心点として等距離
   をおいて形成される湾曲面を有した環状の壁面と、 湾曲レンズ部と対向する空間底面に形成され、発光ダイ
   オードからの放射状の信号光を内側に屈折させて前記湾
   曲レンズ部に送るため、湾曲レンズ部の方向とは逆方向
   に突出する曲率の極めて緩やかな凸面部と、 により構成し、 前記発光ダイオードは、 発光ダイオードから前記反射部へ到達した信号光の入射
   角が、臨界角以上となる位置に設置し、 発光ダイオートから空間の凸面部へ放射された信号光
   を、凸面部によって内側に屈折させて湾曲レンズ部へ送
   り、その信号光を湾曲レンズ部によって平行な信号光に
   して放射し、 凸面部よりも外側へ進行した発光ダイオードからの信号
   光は、空間の壁面から反射部へ直進させ、その信号光を
   反射部によって全反射させて平行な信号光にし て放射さ
   せ、 るようにしたことを特徴とする光電センサーの投光器。