JP2002246636A - 同軸回帰反射型光電スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子から出力される光を効率良く投光に
利用すると共にコスト低減に対応しやすく、かつ、誤検
出が生じ難い同軸回帰反射型光電スイッチを提供する。 【解決手段】 発光素子２１及び受光素子２５を内蔵し
た投受光器１１と回帰反射板とを所定距離だけ隔てて対
向するように配置し、投受光器１１の発光素子２１から
出た光が偏光ビームスプリッタ２３で直線偏光にされて
投光され、回帰反射板で反射したのち投受光器１１に戻
り偏光ビームスプリッタ２３を経て受光素子２５に受光
されるように構成された同軸回帰反射型の光電スイッチ
において、発光素子２１と偏光ビームスプリッタ２３と
の間に投光用レンズ２２を配置し、偏光ビームスプリッ
タ２３と受光素子２５との間に受光用レンズ２４を配置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子及び受光
素子を内蔵した投受光器と回帰反射板とを所定距離だけ
隔てて対向するように配置し、発光素子から出た光が偏
光ビームスプリッタで直線偏光にされて投光され、回帰
反射板で反射したのち投受光器に戻り偏光ビームスプリ
ッタを経て受光素子に受光されるように構成された同軸
回帰反射型の光電スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】可視光線、赤外線等の光を用いて物体
（検出対象物）の存否を検出する光電スイッチには大き
く分けると透過型と反射型がある。透過型の光電スイッ
チは投光部と受光部とが互いに向き合い、投光部から出
た光がそのまま受光部に到達するか、物体に遮られて受
光部に到達しないかを検出することにより、物体の存否
を検出する。これに対して、反射型の光電スイッチは、
投光部から出た光が物体に反射されて受光部に入射する
か否かによって物体の存否を検出する。

【０００３】反射型の光電スイッチには種々のタイプが
含まれるが、その中に、回帰反射型と呼ばれるものがあ
り、この検出原理は通常の反射型の検出原理と少々異な
る。回帰反射型の光電スイッチは、発光素子（投光部）
及び受光素子（受光部）を内蔵した投受光器と回帰反射
板からなり、投受光器と回帰反射板とを所定距離だけ隔
てて対向するように配置する。

【０００４】そして、投受光器の発光素子から出た光が
回帰反射板で反射して投受光器に戻り受光素子によって
受光されるか、あるいは光路上の物体に遮られて受光素
子に受光されないかを検出することにより、物体の存否
を検出する。なお、回帰反射板は、リフレクタとも呼ば
れ、入射光と平行な逆方向に反射光を返す機能を有す
る。例えば、互いに垂直な３つの反射面からなる細かい
立体反射面を平面上に並べた構造によって、そのような
機能を実現することができる。

【０００５】上記のような回帰反射型の光電スイッチと
して、投受光器と回帰反射板との間の投光路及び受光路
の光軸が略一致しているものがある。この場合、投受光
器に内蔵されたハーフミラーやビームスプリッタを用い
て投光路及び受光路が分離される。このタイプの回帰反
射型光電スイッチを特に同軸回帰反射型光電スイッチと
いう。なお、単に回帰反射型光電スイッチという場合
は、投光の光学系と受光の光学系とが完全に分離されて
いるタイプも含まれ、その中には、投光器と受光器が分
離しているタイプも含まれる。

【０００６】図６は、従来の同軸回帰反射型光電スイッ
チの投受光器に内蔵された発光素子及び受光素子を含む
投受光の光学系を示す図である。図６において、発光素
子５１から出た光は第１偏光フィルタ５２及びハーフミ
ラー５３を通り、レンズ５４で略平行光にされた後、回
帰反射板に向けて投光される。この際、第１偏光フィル
タ５２の働きにより、投受光器から投光される光は例え
ば垂直方向の偏光面を有する直線偏光となる。

【０００７】また、回帰反射板で反射して投受光器へ戻
った光は、レンズ５４で集光され、ハーフミラー５３で
反射し、第２偏光フィルタ５５を通って受光素子５６に
受光される。この際、例えば水平方向の偏光面を有する
光成分のみが第２偏光フィルタ５５を通過して受光素子
５６に到達する。この場合、投光側の第１偏光フィルタ
５２と受光側の第２偏光フィルタ５５は通過させる光の
偏光面が互いに９０度異なる。

【０００８】このように、偏光フィルタ５２及び５５を
用いて投光側の偏光面と受光素子に達する光の偏光面と
を異ならせているのは、鏡面の物体で反射した光が受光
素子で受光されることを防ぎ、鏡面の物体で反射した光
と回帰反射板で反射した光とを区別することにより誤検
出を防ぐためである。つまり、鏡面で反射して戻った光
は、入射光と同じ偏光面を有するので、投光の偏光面と
異なる受光側の偏光面の光成分をほとんど含んでいな
い。このため、受光素子の受光量は著しく低下する。こ
れに対して、回帰反射板で反射した光は、偏光面が乱れ
て受光側の偏光面の光成分も多く含んでいるので、受光
素子は相当量の光を受光することになる。

【０００９】上述のように、回帰反射型の光電スイッチ
は、回帰反射板を用いることにより、通常の反射型光電
スイッチと逆に、検出対象物が光路上に存在しない場合
は受光素子の受光量がしきい値以上になり、検出対象物
が光路上に存在する場合は受光量がしきい値以下にな
る。また、投光された光が回帰反射板によって比較的少
ない減衰量で受光素子に戻るので、投受光器と回帰反射
板との距離（したがって投受光器と検出対象物との距
離）が比較的大きくても検出対象物の存否を正しく検出
できる利点を有する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来の同
軸回帰反射型光電スイッチの投受光器には、以下のよう
な２つの課題がある。

【００１１】第１に、発光素子５１から出力される光の
うち、投光に用いられない光が多く、その分だけ効率が
低下する。すなわち、図６に示すように、発光素子５１
とレンズ５４との間に第１偏光フィルタ５２やハーフミ
ラー５３が介在するので、発光素子５１とレンズ５４と
の距離が大きくなる。その結果、発光素子５１から例え
ば二点鎖線で示すように広がる光の中には、レンズ５４
に入射せずに発散してしまう光が含まれる。

【００１２】第２に、レンズ５４の材質に制限があり、
コスト低減の支障となる。すなわち、高価なガラスレン
ズに代えて安価なプラスチックレンズを使用した場合、
プラスチックレンズは透過する光の偏光面を乱しやすい
欠点を有するので、前述のように、鏡面の物体で反射し
た光が受光素子で受光されることを防ぐ機能が損なわれ
やすい。つまり、鏡面で反射して戻った光は入射光と同
じ偏光面を有し、第２偏光フィルタ５５を通過すること
ができないが、レンズ５４で偏光面が乱されると、第２
偏光フィルタ５５を通過し得る偏光面の光成分が生じる
ので、受光素子５６に多少の光が受光される。この結
果、鏡面の物体が光路上に存在するにもかかわらず、回
帰反射板で反射して投受光器へ戻った光と区別できず
に、物体が存在しないと誤検出することになる。

【００１３】本発明は、上記のような課題を解決し、発
光素子から出力される光を効率良く投光に利用すると共
にコスト低減に対応しやすく、かつ、誤検出が生じ難い
同軸回帰反射型光電スイッチを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による同軸回帰反
射型光電スイッチは、発光素子及び受光素子を内蔵した
投受光器と回帰反射板からなり、投受光器と回帰反射板
とを所定距離だけ隔てて対向するように配置し、投受光
器の発光素子から出た光が偏光ビームスプリッタで直線
偏光にされて投光され、回帰反射板で反射したのち投受
光器に戻り偏光ビームスプリッタを経て受光素子に受光
されるように構成された同軸回帰反射型の光電スイッチ
であって、発光素子と偏光ビームスプリッタとの間に投
光用レンズが配置され、偏光ビームスプリッタと受光素
子との間に受光用レンズが配置されていることを特徴と
する。

【００１５】このような構造によれば、発光素子と投光
用レンズとの距離を小さくすることができるので、発光
素子から所定の角度で広がる光のほとんどを投光用レン
ズで平行光線にすることが可能になる。つまり、発光素
子から出力される光を有効に投光のために利用すること
ができる。また、投受光器に戻ってきた光は、偏光ビー
ムスプリッタに入射した後に受光用レンズを通って受光
素子に集光されるので、受光用レンズに安価なプラスチ
ックレンズを使用しても、鏡面の物体で反射した光が受
光素子で受光されることを防ぐ機能が損なわれることは
ない。つまり、プラスチック製の受光用レンズで偏光面
が乱されるとしても、すでに偏光ビームスプリッタで所
定の偏光面の光のみが分離された後のことであるから、
上記の機能が損なわれることはない。

【００１６】好ましくは、偏光ビームスプリッタは所定
の波長帯域の所定の偏光面の光のみを反射し、他の光を
通過させる光学特性を有し、その波長帯域が発光素子か
ら出力される光の波長を含む帯域に設定されていること
を特徴とする。

【００１７】偏光ビームスプリッタの光学特性（透過率
対波長特性）を上記のように設定することにより、上記
帯域外の光（ノイズ光、外光）が誤って受光素子に達す
ることが防がれるので、誤検出を防ぐ機能が高められ
る。

【００１８】また、偏光ビームスプリッタの光が出射す
ると共に入射する入出射面が光電スイッチの筐体表面に
沿うように配置され、筐体表面に設けられた投受光用の
開口部に入出射面が露出している構造も好ましい。つま
り、光電スイッチの筐体表面の一部を構成する透明の投
受光窓部材を省略し、偏光ビームスプリッタの入出射面
をそのまま投受光窓として使用する構造である。こうす
ることにより、構造が簡素になると共に、投受光器に戻
ってきた光の偏光面が投受光窓部材によって乱されるこ
とを回避できる。従来技術の課題で説明した現象と同様
に、投受光器に戻ってきた光の偏光面が偏光ビームスプ
リッタに入射する前に乱されると、鏡面の物体で反射し
た光を受光し、誤検出となるおそれがある。

【００１９】また、投光用レンズと偏光ビームスプリッ
タとの間及び偏光ビームスプリッタと受光用レンズとの
間の少なくとも一方に偏光フィルタが配置されている構
造も好ましい。偏光ビームスプリッタの上記のような光
学特性の精度はコストによって大きく異なる。投光と受
光とを精度良く分離するためには高価な偏光ビームスプ
リッタが必要となり、コスト低減の支障となる。そこ
で、従来技術で説明したような偏光フィルタを併用する
ことにより、光学特性の精度は粗いが安価な偏光ビーム
スプリッタを用い、全体としてコストを下げることが可
能になる。なお、偏光フィルタは、偏光ビームスプリッ
タから離して設けてもよいが、偏光ビームスプリッタの
面に貼り付けて使用することも可能である。また、投光
側と受光側の両方に偏光フィルタを１つずつ設けること
が好ましいが、いずれか一方のみに偏光フィルタを設け
た場合も一定の効果が得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００２１】図１は、本発明の実施形態に係る同軸回帰
反射型光電スイッチの構成例を示す斜視図である。光電
スイッチ１は、投受光器１１と回帰反射板１２からな
る。回帰反射板１２の反射面１２ａは、互いに垂直な３
つの反射面からなる細かい立体反射面を平面上に並べた
構造を備え、入射光と平行な逆方向に反射光を返す機能
を有する。投受光器１１の上面パネル部１１ａには、表
示器が備えられており、現在の受光量を表示することが
できる。表示器としては、受光量を数値表示する７セグ
メント表示器、バーグラフで受光量を表示するバーグラ
フ表示器、赤青二色のＬＥＤを用いてしきい値との比較
結果を表示するもの等がある。また、上面パネル部１１
ａにしきい値設定用の押釦スイッチが備えらた投受光器
１１もある。

【００２２】図２は、投受光器１１に内蔵された発光素
子及び受光素子を含む投受光の光学系を示す図である。
図１及び図２から分かるように、投受光器１１から投光
される光と、回帰反射板１２の反射面１２ａで反射して
投受光器１１へ戻ってくる光は略同一の光路（光軸）を
通る。そして、投受光器１１に内蔵された偏光ビームス
プリッタ２３によって投光路と受光路が分離される。

【００２３】図３は、偏光ビームスプリッタ２３の光学
特性である透過率対波長特性を例示するグラフである。
図３のグラフにおいて、実線で示すＳ偏光と破線で示す
Ｐ偏光とは偏光面が互いに９０度異なる直線偏光であ
る。偏光ビームスプリッタ２３は所定の波長帯域（λ１
〜λ２）のＳ偏光のみを反射し、他の光を透過する光学
特性を有する。つまり、所定の波長帯域（λ１〜λ２）
以外の光と所定の波長帯域（λ１〜λ２）のＰ偏光は透
過させる。光源である発光素子２１が出力する光の中心
波長λ０が上記波長帯域（λ１〜λ２）の略中央に位置
するように、λ０，λ１及びλ２が選定されている。

【００２４】図２において、発光素子（例えば半導体レ
ーザ）２１から出力された光は、投光用レンズ２２を通
って略平行光線となり、偏光ビームスプリッタ２３を通
って投受光器１１から回帰反射板１２に向けて投光され
る。この際、図３に示した偏光ビームスプリッタ２３の
光学特性により、投受光器１１から投光される光はＰ偏
光となる。つまり、図１に示すように、矢印Ｌ１で示す
垂直方向の偏光面を有する光が投受光器１１から回帰反
射板１２に向けて投光される。

【００２５】この光は、回帰反射板１２の反射面１２ａ
で反射される際に偏光面が乱れる。その結果、回帰反射
板１２から投受光器１１に向かう光は、矢印Ｌ２で示す
ように、水平方向の偏光面の成分をも含む光となる。こ
の光が投受光器１１に戻り、偏光ビームスプリッタ２３
に入射すると、偏光ビームスプリッタ２３は水平方向の
偏光面を有する光に相当するＳ偏光のみを反射する（図
３参照）。反射されたＳ偏光成分の光は受光用レンズ２
４を通って受光素子（例えばフォトダイオード）２５に
集光される。

【００２６】このようにして、投光の偏光面（垂直方
向）と異なる水平方向の光のみが受光素子２５に達する
ので、従来技術の説明で述べたように、鏡面の物体で反
射した光が受光素子２５に受光されないようにして、回
帰反射板１２で反射して戻る光と区別することができ
る。

【００２７】受光素子２５は、受光量に相当する電気信
号を出力し、この電気信号は投受光器１１に内蔵された
信号処理回路又は投受光器１１に接続されたアンプ部の
信号処理回路で増幅され、しきい値と比較される。例え
ば、光路上に物体が存在しない場合は十分な受光量が得
られて比較結果が「１」になり、物体が存在する場合は
受光量が少なく比較結果が「０」になる。このようにし
て、物体（検出対象物）の存否を判別することができ
る。

【００２８】図２に示すように、本実施形態の投受光器
１１では、発光素子２１の直ぐ後に投光用レンズ２２が
位置するので、発光素子２１と投光用レンズ２２との距
離を小さくすることができ、発光素子２１から広がるよ
うに発する光を効率良く平行光線として投光に利用する
ことができる。また、投受光器１１に戻ってきた光は、
偏光ビームスプリッタ２３に入射した後に受光用レンズ
２４を通って受光素子２５に集光されるので、受光用レ
ンズ２４に安価なプラスチックレンズを使用しても、上
記の鏡面の物体で反射した光が受光素子で受光されるこ
とを防ぐ機能が損なわれることはない。

【００２９】つまり、プラスチック製の受光用レンズ２
４で偏光面が乱されるとしても、すでに偏光ビームスプ
リッタ２３でＳ偏光のみが分離された後のことであるか
ら、上記の機能が損なわれることはない。もちろん、投
光用レンズ２２にも安価なプラスチックレンズを使用す
ることができ、精度を維持してコストを下げる観点から
は、投光レンズにプラスチックレンズを使用することの
効果が大きい。

【００３０】図４は、本発明の別の実施形態における投
受光器１１’の投受光の光学系を示す図である。この実
施形態の投受光器１１’では、安価な偏光ビームスプリ
ッタ２３’を用い、さらに光学特性の精度を向上すべ
く、偏光フィルタ３１及び３２を追加して光学系を構成
している。投光用レンズ２２と偏光ビームスプリッタ２
３’との間に配置された第１の偏光フィルタ３１は、Ｐ
偏光成分のみを通過するフィルタであり、偏光ビームス
プリッタ２３’と受光用レンズ２４との間に配置された
第２の偏光フィルタ３２はＳ偏光成分のみを通過するフ
ィルタである。

【００３１】図３に示した偏光ビームスプリッタの光学
特性の精度は、偏光ビームスプリッタのコストによって
大きく異なる。図３に例示した理想特性に近い特性は高
価な偏光ビームスプリッタ２３の場合であり、安価な偏
光ビームスプリッタ２３’を用いた場合は、Ｓ偏光成分
の透過率が波長に対してもっとなだらかに変化すると共
に波長帯域（λ１〜λ２）におけるＰ偏光成分の透過率
とＳ偏光成分の透過率との差が小さくなるため、投光と
受光とを精度良く分離することが難しい。そこで、上述
のように、偏光ビームスプリッタ２３’の投光側及び受
光側に偏光フィルタ３１及び３２を配置すれば、安価で
精度の粗い光学特性の偏光ビームスプリッタ２３’を用
いて投光と受光とを精度良く分離することができる。こ
の結果、装置全体のコストを下げることが可能になる。

【００３２】偏光フィルタ３１及び３２は、偏光ビーム
スプリッタ２３’から離して設けてもよいが、偏光ビー
ムスプリッタ２３’の面に貼り付けて使用すれば、組立
時の部品点数が減り、取り扱いも便利になる。また、第
１の偏光フィルタ３１及び第２の偏光フィルタ３２の両
方を使用するのではなく、いずれか一方のみを使用して
もよい。

【００３３】図５は、投受光器１１に内蔵された発光素
子及び受光素子を含む投受光の光学系と投受光器１１の
ケース（筐体）との概略関係を示す断面図である。
（ａ）は第１例であり、（ｂ）は第２例である。

【００３４】図５（ａ）の第１例では、ケース４１の一
部に透明の投受光窓部材４２が嵌め込まれ、その内側に
偏光ビームスプリッタ２３の光が出射すると共に入射す
る入出射面２３ａが配置されている。これに対して、図
５（ｂ）に示す第２例では、偏光ビームスプリッタ２３
の入出射面２３ａがケース４１’の表面に沿うように配
置され、ケース４１’の表面に設けられた投受光窓用の
開口部に入出射面２３ａが露出している。

【００３５】図５（ａ）の構造は一般的な構造であり、
小型の偏光ビームスプリッタ２３を使用することができ
る。しかし、投受光窓部材４２にプラスチックを用いた
場合は、投受光器１１に戻ってきた光の偏光面が投受光
窓部材４２によって乱されるおそれがある。投受光器１
１に戻ってきた光の偏光面が偏光ビームスプリッタ２３
に入射する前に乱されると、鏡面の物体で反射した光を
受光し、誤検出となるおそれがある。これを防ぐには、
ガラス又はそれに近い光学特性の透明プラスチックで投
受光窓部材４２を作る必要がある。

【００３６】図５（ｂ）の構造は、比較的大きい偏光ビ
ームスプリッタ２３を使用する必要があるが、投受光窓
部材４２が不要になる利点を有する。その結果、部品点
数が減り組立工数が少なくなる。さらに、上述のように
投受光器１１に戻ってきた光の偏光面が投受光窓部材４
２によって乱される結果生じる問題が無くなる。

【００３７】以上、本発明の実施形態について、適宜変
形例を含めながら説明したが、本発明は上記の実施形態
及び変形例に限らず、種々の形態で実施することができ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の同軸回
帰反射型光電スイッチは、偏光ビームスプリッタと投光
用レンズ及び受光用レンズを用いて、これらを適切に配
置したことにより、発光素子から出力される光を投光に
効率良く利用することができると共に、鏡面の物体に関
する誤検出を防ぎながらコスト低減に対応しやすい利点
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る同軸回帰反射型光電ス
イッチの構成例を示す斜視図である。

【図２】投受光器に内蔵された発光素子及び受光素子を
含む投受光の光学系を示す図である。

【図３】偏光ビームスプリッタの光学特性である透過率
対波長特性を例示するグラフである。

【図４】本発明の別の実施形態における投受光器の投受
光の光学系を示す図である。

【図５】投受光器に内蔵された発光素子及び受光素子を
含む投受光の光学系と投受光器のケースとの概略関係を
示す断面図である。

【図６】従来の同軸回帰反射型光電スイッチの投受光器
に内蔵された発光素子及び受光素子を含む投受光の光学
系を示す図である。

【符号の説明】

１ 光電スイッチ １１ 投受光器 １２ 回帰反射板 １２ａ 回帰反射板の反射面 ２１ 発光素子 ２２ 投光用レンズ ２３，２３’ 偏光ビームスプリッタ ２３ａ 偏光ビームスプリッタの入出射面 ２４ 受光用レンズ ２５ 受光素子 ３１，３２ 偏光フィルタ ４１，４１’ 投受光器のケース（筐体）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子及び受光素子を内蔵した投受光器
   と回帰反射板からなり、前記投受光器と前記回帰反射板
   とを所定距離だけ隔てて対向するように配置し、前記投
   受光器の発光素子から出た光が偏光ビームスプリッタで
   直線偏光にされて投光され、回帰反射板で反射したのち
   前記投受光器に戻り前記偏光ビームスプリッタを経て前
   記受光素子に受光されるように構成された同軸回帰反射
   型の光電スイッチであって、 前記発光素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に投光
   用レンズが配置され、前記偏光ビームスプリッタと前記
   受光素子との間に受光用レンズが配置されていることを
   特徴とする同軸回帰反射型光電スイッチ。
2. 【請求項２】前記偏光ビームスプリッタは所定の波長帯
   域の所定の偏光面の光を主に反射し、他の光を通過させ
   る光学特性を有し、前記波長帯域が前記発光素子から出
   力される光の波長を含む帯域に設定されていることを特
   徴とする請求項１記載の同軸回帰反射型光電スイッチ。
3. 【請求項３】前記偏光ビームスプリッタの光が出射する
   と共に入射する入出射面が光電スイッチの筐体表面に沿
   うように配置され、前記筐体表面に設けられた投受光用
   の開口部に前記入出射面が露出していることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の同軸回帰反射型光電スイッチ。
4. 【請求項４】前記投光用レンズと前記偏光ビームスプリ
   ッタとの間及び前記偏光ビームスプリッタと前記受光用
   レンズとの間の少なくとも一方に偏光フィルタが配置さ
   れていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の同
   軸回帰反射型光電スイッチ。