CN101571601B - 光电传感器 - Google Patents

Abstract

提供能提高检测精度的同轴回归反射型光电传感器。传感头(2)具有：发光二极管(13)，发出检测光(A1)；透镜(20)，将检测光变换为平行光(A2)，将该平行光作为朝向外部的检测光(A3)投射至外部；半透半反镜(16)，用于分离检测光的光路和来自回归反射板的返回光的光路；光电二极管(14)，接收来自半透半反镜(16)的返回光。透镜包括：凸面(31)，将信号光(A1)变换为平行光(A2)；平面(32)，从与平行光垂直或与连接发光二极管芯片(17)和凸面的中心部的轴(X1)垂直的方向倾斜。外部信号光(A2)在平面处的反射光(C1)通过与返回光不同的路径，所以能避免入射至光电二极管芯片(22)中。

Description

光电传感器

技术领域

本发明涉及一种光电传感器，尤其涉及一种同轴回归反射型光电传感器。 

背景技术

作为用于检测有无物体的光电传感器，公知有利用光反射的反射型光电传感器。在反射型光电传感器之中，存在被称为回归反射型光电传感器的光电传感器。 

回归反射型光电传感器通常具有投受光器，该投受光器内置有发光元件以及受光元件。在使用该传感器时，与投受光器相向地配置回归反射板，该回归反射板用于反射从投受光器发出的光以使其返回投受光器。在从发光元件发出的光的光路上不存在物体的情况下，该光被回归反射板反射而入射至受光元件。另一方面，在光路上存在物体的情况下，发光元件发出的光被该物体遮挡，所以不会入射至受光元件。即，由于受光元件的受光量根据在光路上是否存在物体而异，因此回归反射型传感器基于受光量的不同来检测有无物体。 

回归反射型的光电传感器包括异轴式回归反射型光电传感器和同轴式回归反射型光电传感器。在异轴式回归反射型光电传感器的情况下，投光路径和受光路径在物理学上得以分离。另一方面，在同轴式回归反射型光电传感器的情况下，投光路径和受光路径大致一致，通过光学元件(偏振光束分光器、半透半反镜等)来分离这些光路。 

异轴式回归反射型光电传感器例如被公开在JP特开平10-255611号公报(专利文献1)中。根据该文献，光电传感器具有投光透镜以及受光透镜。投光透镜仅设置在透过该投光透镜的光线被反射镜(reflector)反射后能够入射至受光透镜的区域。此外，受光透镜仅设置在从投光部出射的光线被反射镜反射后能够入射至受光透镜的区域。 

另一方面，同轴式回归反射型光电传感器例如被公开在JP特开平 10-255612号公报(专利文献2)中。根据JP特开平10-255612号公报，为了提高从回归反射板反射的光的利用效率，并且防止因透明物体的折射导致的错误动作，在投光元件上设置用于限定投光范围的狭缝。投光光束从透镜的中心部分到达回归反射板。由此，能够降低被回归反射板反射的光中的受光元件没有接收的光的比例，因此能够改善光的利用效率。 

专利文献1：JP特开平10-255611号公报 

专利文献2：JP特开平10-255612号公报 

在同轴回归反射型光电传感器的情况下，投光路径和受光路径没有在物理学上得以分离。因此，可能会发生从投光元件发出的光的一部分变为杂散光入射至受光元件的情况。由于杂散光影响传感器的性能，所以需要防止杂散光。但是，在JP特开平10-255611号公报以及JP特开平10-255612号公报中，没有具体地示出这样的杂散光的问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高检测性能的同轴回归反射型光电传感器。 

本发明的光电传感器，具有：投光部，其用于发出检测光；透镜，其将来自投光部的检测光变换为平行光，并将平行光作为朝向外部的检测光出射至外部；光路分离部，其设置在投光部和透镜之间的检测光的光路上，用于分离检测光的光路和返回光的光路，所述返回光是朝向外部的检测光在外部被反射而返回来的光；受光部，其接收来自光路分离部的返回光。透镜包括：曲面，其是检测光的入射面以及返回光的出射面，以将检测光变换为平行光的方式被形成；平面，其是检测光的出射面以及返回光的入射面，形成在与曲面相反的一侧，并且，该平面的法线方向与平行光的光线方向成特定角度。特定角度设定成能够使由平面反射的检测光到达不被受光部接收的位置的角度。光电传感器还具有框体，其至少在一个面上具有平面状的外表面，用于容纳投光部、光路分离部和受光部。外表面具有用于安装透镜的开口部，投光部以及透镜被设置为从透镜出射时的朝向外部的检测光的光线方向与外表面相垂直。 

根据本发明，在同轴回归反射型光电传感器中，能够减少在容纳有投光元件和受光元件的框体的内部的杂散光入射至受光元件，从而能够提高光电传感器的检测性能。 

附图说明

图1是本发明的实施方式的光电传感器的整体结构图。 

图2是回归反射板5的主视图。 

图3是从图1所示的传感头2的投受光部分侧观察传感头2时的外观立体图。 

图4是图3所示的传感头2的框图。 

图5是说明透镜的平面与轴X1垂直时的课题的图。 

图6是表示用于防止传感头内的杂散光的第一研讨例的图。 

图7是表示用于抑制传感头内的杂散光的第二研讨例的图。 

图8是表示在本实施方式的传感头2的内部产生的平行光A2的反射光成分的光路的图。 

图9是表示本实施方式的变形例的传感头52的结构的图。 

图10是说明杂散光对光电传感器的检测性能的影响的图。 

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。另外，在图中对相同或相当部分标注同一附图标记，不重复对其说明。 

图1是本发明的实施方式的光电传感器的整体结构图。参照图1，光电传感器1具有传感头2、放大单元(amplifier unit)3、电缆(cable)4和回归反射板5。 

传感头2发出平行光即检测光A。回归反射板5与传感头2相向地配置，从传感头2出射的检测光A被回归反射板5反射变为返回光B。另外，检测光A例如是可见光，但只要是能够被回归反射板5回归反射的光即可，不特别限定其波长区域。 

图2是回归反射板5的主视图。参照图2，在回归反射板5上配置有多个角隅棱镜(comer cube)。 

返回图1，检测光A被回归反射板5的3个面反射，最终成为返回光B。 返回光B是与检测光A相同的轴向的光，该返回光B沿着与检测光A的路径平行的路径，在与检测光A前进的方向相反的方向上前进。 

传感头2接收返回光B，产生强度与返回光B的受光量相对应的电信号。传感头2经由将电源线和信号线等一体化了电缆4，连接到放大单元3，以将该产生的电信号经由电缆4输出至放大单元3。 

放大单元3经由电缆4向传感头2供给驱动电压。传感头2接受该驱动电压，从而发出检测光A，并且产生表示返回光B的受光量的电信号。而且，放大单元3经由电缆4接收来自传感头2的信号。放大单元3基于该信号检测有无物体，或者输出表示传感头2的受光量的信号。根据图1所示的结构，传感头2和放大单元3相互分离，但这些也可以一体化。 

光电传感器1基于传感头2的受光量检测有无物体。在测定对象物体6没有位于检测光A的光路上的区域7中时，从传感头2发出的检测光A被回归反射板5反射变为返回光B，然后入射至传感头2。另一方面，在测定对象物体6位于区域7中时，来自传感头2的检测光A被测定对象物体6遮挡，从而传感头2所接收的返回光B的光量减少。由于传感头2的受光量因测定对象物体6是否位于区域7而不同，因此能够根据该受光量检测有无物体。放大单元3从传感头2接收表示受光量的电信号，例如，通过将该受光量与规定的阈值进行比较，检测区域7中有无测定对象物体6。 

光电传感器1是同轴回归反射型光电传感器，通过光学元件在传感头2的内部分离投光路径和受光路径。另一方面，作为回归反射型光电传感器，也存在投光路径和受光路径在物理学上得以分离的异轴式回归反射型光电传感器。在异轴式回归反射型光电传感器的情况下，会引起如下问题，即，若其传感头与回归反射板之间的间隔变短，则仅被回归反射板反射的光中的一部分入射至受光元件。另一方面，同轴回归反射型光电传感器能够避免出现这样的问题，从而能够避免受光量降低。因此，与异轴式回归反射型光电传感器相比，同轴回归反射型光电传感器能够提高检测性能。 

图3是从图1所示的传感头2的投受光部分侧观察传感头2时的外观立体图。参照图3，传感头2具有外壳10、窗部11和保护盖12。外壳10用于容纳投光部、受光部等，并且为了使从该投光部发出的检测光A以及受光部所接收的返回光B通过，具有开口部。 

窗部11由透光性构件(例如透明的树脂)形成。虽未图示，但在外壳10的内部设置有显示灯，所述显示灯以点亮状态以及熄灭状态来表示有无供给电源及/或有无测定对象物体。为了使用户能够掌握该显示灯的点亮状态以及熄灭状态，设置了窗部11。 

保护盖12安装在外壳10上，覆盖外壳10的开口部。保护盖12具有透镜20，该透镜20设置在与外壳10的开口部对应的位置上。透镜20在传感头2的内部侧具有凸面。此外，透镜20在传感头2的外部侧具有平面。检测光A从该平面出射，返回光B入射至该平面。 

图4是图3所示的传感头2的框图。参照图4，传感头2具有外壳10、发光二极管13、光电二极管14、固定件(holder)15、半透半反镜16和透镜20。 

发光二极管13是投光部，包括用于发出检测光A1的发光二极管芯片(light-emitting diode chip)17。来自发光二极管13的检测光A1一边在固定件15的内部扩散一边前进，然后透过半透半反镜16入射至透镜20。另外，为了便于理解，在图4中示出检测光A1从透光性树脂层26的表面扩散，但图4所示的检测光A1的扩散包括检测光A1从发光二极管芯片17的发光面一边扩散一边前进的情况。在下面说明的图中也相同。 

固定件15用于使检测光A1以及返回光B通过。在固定件15上形成有孔，所述孔作为检测光A1以及返回光B所通过的内部光路，形成在从发光二极管13至透镜20的方向上。进一步，固定件15具有内部光路18，所述内部光路18与该孔相连，并且返回光B所通过的孔形成在所述内部光路18的内部。 

透镜20安装在开口部30上，该开口部30形成在外壳10上。透镜20具有朝向半透半反镜16的凸面31以及形成在与凸面31相反一侧的平面32。检测光A1通过空气和透镜20的界面即凸面31，变换为平行光A2。平行光A2在透镜20的内部前进，作为朝向外部的检测光A3从平面32出射至外壳10的外部。从透镜20出射的朝向外部的检测光A3被回归反射板5(参照图1)反射而变为返回光B。 

返回光B沿着朝向外部的检测光A3的路径，在与朝向外部的检测光A3的前进方向相反的方向上前进，然后从平面32入射至透镜20。通过透镜20 的返回光B从凸面31出射。从凸面31出射的返回光B被半透半反镜16反射，如图中的虚线所示的那样，通过形成在固定件15中的内部光路18，然后入射至光电二极管14。 

半透半反镜16设置在发光二极管13和透镜20之间的检测光A1的光路上。半透半反镜16是光路分离部，分离检测光A1、平行光A2以及朝向外部的检测光A3的光路(投光路径)与返回光B的光路(受光路径)。 

光电二极管14接收被透镜20汇聚的返回光B。光电二极管14包括：基材21；光电二极管芯片22，其安装在该基材21的主表面上；透光性树脂层23，其封固基材21的主表面以及光电二极管芯片22，并且具有朝向半透半反镜16的受光面24。 

从透镜20出射且被半透半反镜16反射的返回光B汇聚在透光性树脂层23的受光面24。来自内部光路18的出射端的光入射至光电二极管芯片22的受光区域。受光范围25是在受光面24上的内部光路18的出射端的直径以下的范围。 

外壳10相当于传感头2的轮廓。在外壳10中容纳有发光二极管13、光电二极管14和半透半反镜16，并且外壳10具有外表面35，在该外表面35上设置有开口部30。 

轴X1是平行光A2的光轴，所述平行光A2是通过发光二极管13以及透镜20的凸面31的中心部而形成的平行光。 

在本实施方式中，透镜20的平面32相对于轴X1从垂直方向倾斜。如图4所示，若轴X1的延长线与平面32形成的角度为θ1，则角度θ1为与90°不同的角度。 

另外，将与外表面35垂直的方向称为“传感器的机械轴方向”。在本实施方式中，轴X1与传感器的机械轴方向的轴一致。 

在平面32与轴X1垂直的情况下，光电二极管14所接收的杂散光的光量多。在本实施方式中，使平面32相对于轴X1倾斜。由此能够防止杂散光入射至光电二极管14。另外，平行光A2与轴X1平行，因此使平面32相对于轴X1倾斜，就是使平面32相对于平行光A2倾斜。 

图5是用于说明透镜的平面与轴X1垂直时的课题的图。参照图5，透镜20A具有朝向半透半反镜16的凸面31A以及形成在与凸面31A相反一侧 的平面32A。另外，图5所示的其他部分的结构与图4所对应的部分的结构相同。来自发光二极管13的检测光A1通过透镜20A的凸面31A变为平行光A2。平行光A2的光轴与轴X1重合。 

来自发光二极管13的检测光A1透过半透半反镜，然后通过空气与透镜20A的界面即凸面31A而被折射，从而变换为平行光A2。平行光A2在透镜20A的内部前进，然后到达平面32A。在平行光A2到达平面32A时，其一部分被平面32A反射而成为反射光C1。 

在透镜20A的内部，平行光A2在相对于平面32A垂直的方向上前进，被平面32A反射至与平行光A2的入射方向相反的方向。因该反射而产生的反射光C1沿平行光A2的光路在与平行光A2前进方向相反的方向上前进。即，反射光C1是与朝向外部的检测光A3相同的轴向的光。因此，反射光C1沿着与返回光B相同的光路。从透镜20A出射的反射光C1被半透半反镜16反射，并且汇聚在受光面24的受光范围25内，然后入射至光电二极管芯片22。即，反射光C1变为入射至光电二极管芯片22的杂散光。 

在图5所示的结构中，在透镜20A的平面32上产生的平行光A2的反射成分(反射光C1)几乎全部入射至光电二极管14，因此光电二极管芯片22所接收的杂散光的光量变大。为解决该问题，需要考虑该反射光的光路，以使因平行光在透镜的平面上的反射而产生的反射光不入射至光电二极管。下面说明用于解决这样的课题的本实施方式的研讨例。 

图6是表示用于防止传感头内的杂散光的第一研讨例的图。参照图6以及图4，传感头2A具有透镜20B来代替透镜20，在这一点上与传感头2不同。另外，传感头2A的其他部分的结构与传感头2相同。 

透镜20B是双凸透镜，具有朝向半透半反镜16的凸面31B以及形成在其相反侧的凸面32B。另外，凸面32B从外壳10(外表面35)向外壳10的外侧突出。 

根据图6所示的结构，在与朝向半透半反镜16的凸面31B相反一侧形成有曲面。在平行光A2在该曲面(凸面32B)被反射时，平行光A2被反射成与平行光A2的入射方向相同的方向的可能性变小，因此反射光C1沿着平行光A2的光路入射至光电二极管14的可能性变小。因此能够减少入射至光电二极管14的杂散光。 

但是，凸面32B从外壳10(外表面35)突出，因此，在使用传感头2A时，有可能损伤凸面32B。由于凸面32B的损伤，例如从透镜20B出射的朝向外部的检测光A3发生散射或衰减。此时，由于返回光的光量减少，使传感器的检测性能降低。因此，为了不损伤凸面32B，考虑变更图6所示的结构。 

图7是表示用于抑制传感头内的杂散光的第二研讨例的图。参照图7以及图6，传感头2B还具有设置在开口部30上的透镜保护盖20C，这一点与传感头2A不同。另外，传感头2B的其他部分与传感头2A所对应的部分的结构相同。 

透镜保护盖20C具有相对于轴X1(连接发光二极管芯片17的发光面内的点与凸面31B的中心部内的点的轴)垂直的平面33，所述轴X1是根据发光二极管13和凸面31B的中心部而确定的。通过设置透镜保护盖20C，避免透镜20B的凸面32B露出至外壳10的外部。但是，检测光A1透过透镜20B成为平行光A2，该平行光A2的一部分被平面33反射而产生反射光C1。反射光C1沿平行光A2的光路在与平行光A2的前进方向相反的方向上前进，然后汇聚在受光面24的受光范围25内。因此，通过图7所示的结构，产生与图5的结构所导致的问题相同的问题，即产生光电二极管芯片22所接收的杂散光的光量变大的问题。 

图8是表示在本实施方式的传感头2的内部产生的平行光A2的反射光成分的光路的图。参照图8，入射至透镜20的检测光A1通过凸面31变换为平行光A2，然后到达平面32。到达平面32的平行光A2的一部分被反射而成为反射光C1。平面32相对于轴X1倾斜，但平行光A2与轴X1平行，从而平面32相对于平行光A2倾斜。因此，反射光C1在与平行光A2的前进方向的相反的方向不同的方向上前进，然后被半透半反镜16反射到达内部光路18的内壁。即，反射光C1不到达受光范围25内。 

另一方面，平行光A2被透镜20和空气的界面即平面32折射，然后从透镜20出射，成为在相对于轴X1形成规定的角度θ2的方向上前进的朝向外部的检测光A3。如图4所示，朝外部的检测光A3被回归反射板反射而产生的返回光B，沿着与平行光A2的光路相同的光路。即，返回光B在到达透镜20的平面32时被折射，然后在透镜20的内部前进。从透镜20出射的 返回光B到达半透半反镜16。被半透半反镜16反射的返回光B汇聚在光电二极管14的受光面24的受光范围25内。 

这样，返回光B入射至受光范围25内，但反射光C1不入射至受光范围25内。因此，根据本实施方式的结构，能够抑制杂散光入射至光电二极管14。 

关于角度θ2没有特别的限定，例如，可以根据传感头2的设置条件或使用条件等适当地决定。作为用于设定该角度θ2的方法，考虑到调整检测光A1在透镜20的凸面31上的入射范围的方法和调整平面32相对于轴X1的倾斜度(角度θ1)的方法等。可以仅使用上述方法中任意一种方法，或者也可以组合使用多个方法。 

优选地，决定轴X1的方向，使得朝向外部的检测光A3的光轴与外表面35垂直，更优选使其与通过开口部30的中心的轴一致。通过这样预先决定轴X1的方向，能够例如在制造传感头2时，容易地调整朝向外部的检测光A3的出射方向。 

图9是表示本实施方式的变形例的传感头52的结构的图。参照图9，轴X1与传感器的机械轴成比0°大的规定的角度θ。由此从透镜20发出的朝向外部的检测光A3的光轴与传感器的机械轴一致。根据该结构，不仅能够防止杂散光入射至光电二极管，而且能够提高用户的操作性。另外，与图4以及图8所示的结构相同，轴X1的延长线与平面32形成的角度θ1是与90°不同的角度。 

用户的操作性是指例如将朝向外部的检测光A3的光轴朝向回归反射板5的调整。由于朝向外部的检测光A3的光轴方向与传感器的机械轴方向一致，所以若调整外壳10的朝向，使得回归反射板5位于传感器的机械轴方向，则回归反射板5位于朝向外部的检测光A3的光轴方向。用户能够容易地调整从传感头2出射的朝向外部的检测光A3的光轴的方向，因此能够提高用户的操作性。 

若参照图4以及图8总体说明本实施方式的传感头2，则传感头2具有：发光二极管13，其发出检测光A1；透镜20，其将检测光A1变换为平行光A2，然后将该平行光A2作为朝向外部的检测光A3投射至外部；半透半反镜16，其用于分离检测光A1的光路和来自回归反射板5的返回光B的光路； 光电二极管14，其接收来自半透半反镜16的返回光B。透镜20包括：凸面31，其是检测光A1的入射面以及返回光B的出射面，将检测光A1变换为平行光A2；平面32，其作为平行光A2的出射面以及返回光B的入射面形成在与凸面31相反一侧，并且，相对于平行光A2，或者连接发光二极管13所包括的发光二极管芯片17与凸面31的主点(即，透镜曲面的顶点部分)的轴X1，从垂直方向倾斜。另外，根据本实施方式，由于平行光A2与轴X1平行，所以虽然说明了“相对于平行光A2或轴X1从垂直方向倾斜”，但“相对于平行光A2从垂直方向倾斜”和“相对于轴X1从垂直方向倾斜”实质上内容是相同的。 

平面32是平面32的法线方向与平行光A2的光线方向成特定角度的平面。特定角度采用被平面32反射的检测光A1即反射光C1可到达不被光电二极管14接收的位置的角度。传感头2还具有外壳10，所述外壳10用于容纳发光二极管13、半透半反镜16和光电二极管14，并且，所述外壳10的至少1个面包括平面状的外表面。在外壳10的外表面上具有用于安装透镜20的开口部30。 

进一步参照图9，根据本发明的一个实施方式，设置有发光二极管13以及透镜20，以使从透镜20出射时的朝向外部的检测光A3的光线方向与外壳10的外表面垂直。 

平行光A2在平面32上的反射光C1通过与返回光B不同的光路，汇聚在光电二极管14的受光面24的受光范围25的外侧，从而能够避免入射至光电二极管芯片22。由此，能够防止作为杂散光的反射光C1入射至光电二极管，从而能够提高光电传感器的检测性能。 

图10是用于说明杂散光对光电传感器的检测性能的影响的图。参照图10，在本实施方式的光电传感器1中，若光电二极管14所接收的返回光的光量小于阈值，则检测出测定对象物体6的存在。并将光电二极管14所接收的杂散光的2倍的受光量，设为用于检测测定对象物体6的存在的阈值。另外，图10所示的阈值仅是一个例子，并不仅限于此。 

进而，将传感器的裕度设为光电二极管的总受光量(作为检测信号成分的返回光的受光量以及杂散光成分的受光量之和)与阈值的比值。裕度为x(x为任意数值)是指，直到光电二极管的总受光量降低至1/x，都能够检测 出物体的有无。 

对于发光二极管等的发光元件而言，随着动作时间变长，发光元件的发光量减少。由于发光量减少，和透镜面以及透镜保护盖的污垢等的传感器设置后的环境上的变化，光电二极管所接收的检测信号成分(返回光)的光量减少。在这种情况下，若裕度高，则能够确保检测动作的长期稳定性。因此能够防止因发光量的降低或传感器设置后的环境变化而降低检测性能的情况。此外，裕度越高检测距离越长。即，裕度越大传感器的检测性能越好。 

例如，在光电二极管的杂散光成分的受光量为2的情况下，表示阈值的受光量为4。若检测信号成分的受光量为10，则光电传感器的裕度为3(＝12/4)。另一方面，若光电二极管的杂散光成分的受光量从2降低为1，则表示阈值的受光量为2。若检测信号成分的受光量为10，则传感器的裕度为5.5(＝11/2)。通过降低杂散光成分，即使信号成分大小相同也能够提高传感器的裕度。即，能够提高传感器的检测性能。 

本次公开的实施方式在所有方面应该视为例示，而不可视为限定。本发明的范围并不是由如上所说明的实施方式来给出，而是由上述的技术方案来给出，包括与该技术方案等同意义以及该范围内的全部变更。 

Claims (1)

1.一种光电传感器，其特征在于，具有：

投光部，其用于发出检测光，

透镜，其将来自所述投光部的所述检测光变换为平行光，并将所述平行光作为朝向外部的检测光出射至外部，

光路分离部，其设置在所述投光部和所述透镜之间的所述检测光的光路上，用于分离所述检测光的光路和返回光的光路，所述返回光是所述朝向外部的检测光在外部被反射而返回来的光，

受光部，其接收来自所述光路分离部的所述返回光；其中

所述透镜包括：

曲面，其是所述检测光的入射面以及所述返回光的出射面，用于使所述检测光变换为所述平行光，

平面，其是所述检测光的出射面以及所述返回光的入射面，形成在与所述曲面相反的一侧，并且，该平面的法线方向与所述平行光的光线方向成特定角度，而且，

所述特定角度采用能够使由所述平面反射的所述检测光到达不被所述受光部接收的位置的角度；

该光电传感器还具有框体，该框体具有平面状的外表面，用于容纳所述投光部、所述光路分离部和所述受光部，而且，

所述外表面具有用于安装所述透镜的开口部，

所述投光部以及所述透镜被设置为从所述透镜出射时的所述朝向外部的检测光的光线方向与所述外表面相垂直。

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