JP7645687B2 - 光学センサ - Google Patents

Description

本発明は物体を検知する光学センサに関する。

一般に、フォトインタラプタと呼ばれる、物体を検知する光学センサがある。フォトインタラプタは発光素子と受光素子とを有し、発光素子から受光素子に向かう光が物体により遮光されることで、物体が検知される。リード部品である発光素子と受光素子は、対向するように配置され、それぞれのリードが基板に半田付けされる。特許文献１によれば、表面実装部品である発光素子と受光素子とを用いたフォトインタラプタが提案されている。発光素子から出力された光は基板の法線方向に進む。この光は発光素子の上方に設けられミラーによって反射され、基板と平行に進む。さらに、この光は別のミラーによって反射されて、基板の法線方向に進み、受光素子に入射する。

特開平１１－２７４５５０号公報

特許文献１では発光素子と受光素子とが筐体に収容されている。二つのミラー間を結ぶ光路が通過するよう筐体には二つの開口が設けられている。このように、従来のフォトインタラプタは、二枚のミラーを内蔵する筐体が必要であった。そこで、発明者は、フォトインタラプタの構造を簡素化するために、筐体と二枚のミラーをライトガイドに置換することを考えた。この場合、発光素子から出力された光のうちの一部が基板と平行に進み、迷光となって受光素子に入射してしまうことで、物体の検知精度が低下することがわかった。そこで、本発明は、光学センサにおける迷光の影響を低下させて物体の検知精度を向上することを目的とする。

本発明は、たとえば、
基板と、
前記基板に実装された発光素子であって、当該基板の法線方向に光軸を有する半導体発光部と、当該半導体発光部を覆う透光性を有する第一保護部材とを有する発光素子と、
前記基板に実装された受光素子であって、当該基板の法線方向に光軸を有する半導体受光部と、当該半導体受光部を覆う透光性を有する第二保護部材とを有する受光素子と、を有し、
前記第一保護部材の短手方向の辺、前記第一保護部材の長手方向の辺、前記第二保護部材の短手方向の辺、および前記第二保護部材の長手方向の辺はそれぞれ前記基板の表面と平行であり、
前記第一保護部材の短手方向の辺は、前記第二保護部材の短手方向の辺と対向していることを特徴とする光学センサを提供する。

本発明によれば、光学センサにおける迷光の影響が低下するため、物体の検知精度が向上する。

光学センサの基本構造を説明する図 光学センサの等価回路を説明する図 光学センサの出力特性を示す図 発光素子と受光素子の基本構造を説明する図 発光素子の水平方向における光の広がりを説明する図 光学センサの迷光対策を説明する図 光学センサの迷光対策を説明する図 光学センサの迷光対策を説明する図 光学センサの迷光対策を説明する図

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

●光学センサの構造
図１が示すように光学センサ１００は、空間ギャップ１１０を通過する物体を検知するフォトインタラプタ型の物体検知装置である。基板１０４は第一面１１１と第二面１１２を有している。第一面１１１は、発光素子１０１と受光素子１０３とがリフロー炉において実装される部品実装面である。そのため、発光素子１０１と受光素子１０３は表面実装部品である。ただし、発光素子１０１と受光素子１０３とのうちの少なくとも一つがリードを有するリードタイプの電子部品であっても本発明は適用可能である。図１において第二面１１２は電子部品が実装されていないが、第二面１１２も部品実装面として利用されてもよい。

ライトガイド１０５は、透光性を有する素材（例：アクリル樹脂）で作られた導光部材である。ライトガイド１０５の底部には、発光素子１０１を収容空間（例：溝、穴）と、受光素子１０３を収容する収容空間（例：溝、穴）とを有する。ライトガイド１０５は、発光素子１０１と受光素子１０３とが基板１０４に対して実装された後に、発光素子１０１と受光素子１０３とを覆うように基板１０４の第一面１１１に接着剤などを用いて固定される。

発光素子１０１は、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。受光素子１０３は、たとえば、フォトトランジスタ（Ｐｔｒ）である。発光素子１０１の光軸は基板１０４の法線方向と平行である。ここで、発光素子１０１の光軸とは、発光素子１０１から出力される光の分布において最も強度が高い方向をいう。図１において法線方向はｚ方向であり、高さ方向とよばれてもよい。図１において、基板１０４の第一面１１１および第二面１１２と平行な方向はｘ方向と定義されている。受光素子１０３の光軸もｚ方向と平行である。ここで、受光素子１０３の光軸とは、受光素子１０３に入射する光の方向のうち最も感度が高い方向をいう。

発光素子１０１から出力された光はｚ方向に進んでライトガイド１０５に入射し、ライトガイド１０５の内面１０６で反射する。つまり、内面１０６で光路は９０度変換（回転）されている。その後、光は、ライトガイド１０５から出射して空間ギャップ１１０をｘ方向に進行し、再びライトガイド１０５に入射する。ライトガイド１０５に入射した光はライトガイド１０５の内面１０７で反射する。これにより光路が再び９０度変換（回転）され、光路はｚ方向と平行になる。その後、光は－ｚ方向に進行して受光素子１０３に入射する。

空間ギャップ１１０に検知対象物が存在する場合、検知対象物によって光が遮られる。その結果、受光素子１０３に入射する光の量が減少する。これにより、光学センサ１００は検知対象物を検知できる。

ところで、発光素子１０１から出力された光の一部（迷光）は、ｘ方向に進行して、受光素子１０３に入射してしまう。これは、ライトガイド１０５を単一の部材として成型する場合には避けて通れない課題である。ライトガイド１０５は、発光素子１０１側の第一導光部と、受光素子１０３側の第二導光部と、これらを結合する第三の導光行部とを有している。この第三の導光部が迷光の原因となっている。迷光は、空間ギャップ１１０に検知対象物が存在するときにも、受光素子１０３に入射する。したがって、以下で説明される迷光対策がなく、かつ、迷光が多い場合、検知対象物が空間ギャップ１１０に存在しているにもかかわらず、光学センサ１００は、検知対象物が無いと誤検知してしまう。

●電気回路
図２は、光学センサ１００の等価的な電気回路を示している。発光素子１０１のアノードは電流制限抵抗Ｒ１を介してＤＣ電源に接続されている。発光素子１０１のカソードは接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。受光素子１０３のコレクタはプルアップ抵抗Ｒ２を介してＤＣ電源に接続されている。受光素子１０３のエミッタは接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

電圧出力端子２０１は受光素子１０３のコレクタに接続されている。電圧出力端子２０１には、受光素子１０３のコレクタとＧＮＤとの間の電圧が現れる。受光素子１０３に十分な光量の光が入射している場合、電圧出力端子２０１はＬｏｗレベル（物体なし）となる。受光素子１０３に光が入射していない場合、電圧出力端子２０１はＨｉｇｈレベル（物体あり）となる。

●実験データ
図３は光学センサ１００の実験データを示す。横軸は、発光素子１０１に流れる電流を示す。縦軸は電圧出力端子２０１に生じる電圧を示す。発光素子１０１の発光光量は発光素子１０１に流れる電流に比例する。なお、実験データを取得する際に、ＤＣ電源からの入力電圧は３．３Ｖであった。発光素子１０１の定格電流は５０ｍＡであった。

電圧出力端子２０１はロジックＩＣ（集積回路）に接続されている。ロジックＩＣは、電圧出力端子２０１から印加される電圧とリファレンス電圧とを比較してＨｉｇｈまたはＬｏｗを判別する。たとえば、３．３Ｖの動作電圧で動作するロジックＩＣは、電圧出力端子２０１から２．６Ｖ以上の電圧が印加されると、Ｈｉｇｈレベルと判定する。電圧出力端子２０１から０．６Ｖ以下の電圧が印加されると、ロジックＩＣは、Ｌｏｗレベルと判定する。電圧出力端子２０１の電圧が０．６Ｖを超え、かつ、２．６Ｖ未満である場合、ロジックＩＣはＨｉｇｈとＬｏｗとを正しく判定できない。

発光素子１０１の発光光量は、周囲温度、累積点灯時間、発光素子１０１の発光効率、および、光軸に依存して異なる。受光素子１０３の受光感度特性は、周囲温度、感度、および受光素子１０３のクリアモールドの内面反射率のばらつきに依存して異なる。実験では、これらの影響を確認するため、発光素子１０１に流れる電流が徐々に変えられている。

図３において、実線３０１は、空間ギャップ１１０に検知対象物が無く、かつ、光学センサ１００に迷光対策が施されている場合の電圧出力端子２０１の電圧を示している。破線３０２は、空間ギャップ１１０に検知対象物が有り、かつ、迷光の影響ある場合の電圧出力端子２０１の電圧を示している。点線３０３は、空間ギャップ１１０に検知対象物が存在し、かつ、迷光対策が施されている場合の電圧出力端子２０１の電圧を示している。

実線３０１が示すように、発光素子１０１に流れる電流に依存せずに、電圧出力端子２０１は十分に低い。そのため、検知対象物が存在しないことは判別可能である。破線３０２が示すように、発光素子１０１に流れる電流に依存して、電圧出力端子２０１の電圧が変化するため、検知対象物の有無を判別することは困難である。点線３０３が示すように、発光素子１０１に流れる電流に依存せずに、電圧出力端子２０１の電圧が高いため、検知対象物が存在することは判別可能である。

このように、迷光の影響がある場合、検知対象物の判定精度が低下する。一方、迷光対策を施すことで、光学センサ１００は検知対象物の有無を正確に判別できるようになる。

●迷光対策
本実施例では迷光対策として、発光素子１０１と受光素子１０３との配置が工夫される。発光素子１０１の半導体発光部を保護する透光性保護部材の長手方向の辺と、受光素子１０３の半導体受光部を保護する透光性保護部材の長手方向の辺とが非対向となるように、発光素子１０１と受光素子１０３とが配置される。

図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）は発光素子１０１および受光素子１０３の構造を示している。発光素子１０１と受光素子１０３の基本構造は同じである。そのため、図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）を用いて、発光素子１０１と受光素子１０３の構造が説明される。

図４（Ａ）は発光素子１０１および受光素子１０３の斜視図である。図４（Ｂ）は平面図である。図４（Ｃ）は正面図（側面図）である。半導体チップ４０１は、発光素子１０１の半導体発光部または受光素子１０３の半導体受光部である。半導体チップ４０１は、基板４０２上に実装されている。封止樹脂４０３は、半導体チップ４０１を覆うことで半導体チップ４０１を保護する透光性保護部材である。封止樹脂４０３は、透光性を有する素材（例：エポキシ樹脂）により構成される。発光素子１０１および受光素子１０３の寸法は、一般的なチップ抵抗およびチップコンデンサと凡そ同じ寸法とされてもよい。

図４（Ｂ）が示すように、封止樹脂４０３の形状は、短手方向の辺である短辺（長さＬ１）と、長手方向の辺である長辺（長さＬ２）とを有する概ね長方形である。光の指向性を高めるために封止樹脂４０３の一部が半球面の凸形状にされる場合がある。そのような場合であっても、封止樹脂４０３の土台部分の形状は長方形である。

●光の分布
図５は発光素子１０１の半導体チップ４０１から出射した光が水平方向（ｘ－ｙ平面と平行な方向）に広がる様子を示している。封止樹脂４０３と空気の界面で光が屈折する。そのため、封止樹脂４０３を出射した光は、点線の矢印で示す通り、水平面内で拡散する。帯５０２は、長手方向の界面、即ち封止樹脂４０３の長さＬ２の長辺から出射した光の分布を示す。帯５０１は、短手方向の界面、即ち封止樹脂４０３の長さＬ１の短辺から出射した光の分布を示す。長辺から出射した光の量は、短辺から出射した光の量よりも多い。また、長辺から出射した光は広範囲に分布する。

受光素子１０３の半導体チップ４０１に入射する光の方向は、図５に示された点線の矢印が示す方向と逆向きになる。封止樹脂４０３の長辺から入射する光の量は、封止樹脂４０３の短辺から入射する光の量よりも多い。よって、長辺側の感度は短辺側の感度よりも高い。

光学センサ１００において、発光素子１０１から水平方向に出射し、受光素子１０３に水平方向から入射する光は迷光である。そのため、図６に示される迷光対策が施される。図６ないし図９では、発光素子１０１の構成要素を示す参照番号の末尾には文字ａが付与されている。受光素子１０３の構成要素を示す参照番号の末尾には文字ｂが付与されている。

図６が示すように、発光素子１０１の封止樹脂４０３ａの短辺６０１と、受光素子１０３の封止樹脂４０３ｂの短辺６０３とが対向するように、発光素子１０１と受光素子１０３が基板１０４上に実装される。これにより、発光素子１０１の封止樹脂４０３ａの長辺６１１と、受光素子１０３の封止樹脂４０３ｂの長辺６１３とが対向する場合と比較して、本実施例は、迷光の影響を受けにくくなる。

図７が示すように、発光素子１０１の封止樹脂４０３ａの短辺６０１と、受光素子１０３の封止樹脂４０３ｂの長辺６１３とが対向するように、発光素子１０１と受光素子１０３が基板１０４上に実装されてもよい。図８が示すように、発光素子１０１の封止樹脂４０３ａの長辺６１１と、受光素子１０３の封止樹脂４０３ｂの短辺６０３とが対向するように、発光素子１０１と受光素子１０３が基板１０４上に実装されてもよい。

このように、発光素子１０１の封止樹脂４０３ａの長辺６１１と、受光素子１０３の封止樹脂４０３ｂの長辺６１３とが非対向となるように、発光素子１０１と受光素子１０３が基板１０４上に実装される。これにより、迷光の影響が軽減され、物体の検知精度が向上する。

●遮光部材
図６ないし図８で、発光素子１０１と受光素子１０３との間に、遮光部材が配置されてもよい。この場合、遮光部材の長手方向の長さＬ３は、発光素子１０１または受光素子１０３の短辺の長さＬ１以上であってもよい。これにより、迷光の影響がさらに軽減される。遮光部材の長手方向の長さＬ３は、発光素子１０１または受光素子１０３の長辺の長さＬ２以下であってもよい。これにより、遮光部材が小型化される。

図９は、表面実装部品であるチップタイプの遮光部材９０１の配置を示している。遮光部材９０１は、基板１０４上において、発光素子１０１と受光素子１０３との間に設けられている。遮光部材９０１は、たとえば、チップ抵抗など、リフロー炉において自動半田付け機によって実装可能な電子部品であってもよい。このような電子部品は、基板１０４に実装された回路の一部を形成していてもよいし、回路の一部を形成しない専用の遮光部材であってもよい。発光素子１０１、受光素子１０３、および、遮光部材９０１を自動半田付け機で実装することで、低コストで遮光部材９０１を任意の場所に配置することが可能となる。

図９において、遮光部材９０１の長辺の長さＬ３は、発光素子１０１および受光素子１０３の短辺の長さＬ１よりも長い。なお、遮光部材９０１のｚ方向の高さは、遮光効果が得られるような十分な高さであればよい。

ところで、発光素子１０１の長辺と受光素子１０３との長辺を対向させる場合（長辺同士の対向配置）も、遮光部材９０１を配置することで、迷光の影響が低減されるであろう。しかし、図９に示されるような短辺同士の対向配置の場合、遮光部材９０１の長辺の長さＬ３はＬ１以上でかつＬ２未満であればよい。この場合、遮光部材９０１の小型化が達成されよう。これは、光学センサ１００の小型化をもたらすであろう。

＜実施例から導き出される技術思想＞
［観点１］
図１、図６ないし図９などが示すように、発光素子１０１は、基板１０４に実装された発光素子である。発光素子１０１は、当該基板の法線方向（ｚ方向）に光軸を有する半導体発光部（例：半導体チップ４０１ａ）と、当該半導体発光部を覆う透光性を有する第一保護部材（例：封止樹脂４０３ａ）とを有する。受光素子１０３は、基板１０４に実装された受光素子である。受光素子１０３は、当該基板の法線方向に光軸を有する半導体受光部（例：半導体チップ４０１ｂ）と、当該半導体受光部を覆う透光性を有する第二保護部材（例：封止樹脂４０３ｂ）とを有する。第一保護部材の短手方向の辺（短辺６０１）が、第二保護部材の短手方向の辺（短辺６０３）、または、第二保護部材の長手方向の辺（長辺６１３）と対向している。ここでは、第一保護部材の短手方向の辺と、第二保護部材の短手方向の辺は、基板１０４と平行であってもよい。または、第一保護部材の長手方向の辺（長辺６１１）が、第二保護部材の短手方向の辺（短辺６０３）と対向している。第一保護部材の長手方向の辺と第二保護部材の短手方向の辺とが板１０４と平行であってもよい。これにより、光学センサ１００における迷光の影響が低下するため、物体の検知精度が向上する。なお、これらの辺の関係は、図６ないし図９が示すように、光学センサ１００の平面視における関係である。

［観点２］
ライトガイド１０５は、発光素子１０１と受光素子１０３とを覆うように配置された導光部材の一例である。図１が示すように、導光部材は、半導体発光部から出力され、基板１０４の法線方向に進む光の方向を変えることで、当該光に物体検知空間（例：空間ギャップ１１０）を通過させる。さらに、導光部材は、当該物体検知空間を通過してきた当該光の方向を変えて当該光を半導体受光部に入射させるように構成されている。

［観点３］
図６が示すように、第一保護部材の短手方向の辺（短辺６０１）が、第二保護部材の短手方向の辺（短辺６０３）と対向していてもよい。

［観点４］
図７が示すように、第一保護部材の短手方向の辺（短辺６０１）が、第二保護部材の長手方向の辺（長辺６１３）と対向していてもよい。

［観点５］
図８が示すように、第一保護部材の長手方向の辺（長辺６１１）が、第二保護部材の短手方向の辺（短辺６０３）と対向していてもよい。

［観点６］
発光素子１０１と受光素子１０３との両方が表面実装部品であってもよい。発光素子１０１はリードタイプの電子部品であってもよい。受光素子１０３はリードタイプの電子部品であってもよい。

［観点７～１２］
図９が示すように、基板上において発光素子１０１と受光素子１０３との間に、遮光部材９０１が実装されてもよい。これにより、迷光の影響がさらに低減されるであろう。遮光部材９０１は、発光素子１０１および受光素子１０３
とともにリフロー炉で実装される表面実装部品であってもよい。これにより、製造コストが低減されるであろう。遮光部材９０１の辺であって、第一保護部材の辺と対向する辺の長さＬ３は、第一保護部材の辺の長さ（例：Ｌ１）よりも長くてもよい。ここで、遮光部材９０１の辺は基板１０４と平行であってもよい。遮光部材の辺であって、第二保護部材の辺と対向する辺の長さＬ３は、第二保護部材の辺の長さ（例：Ｌ１）よりも長くてもよい。遮光部材９０１の辺であって、第一保護部材の辺と対向する辺の長さＬ３は、発光素子１０１の長手方向の長さＬ２よりも短くてもよい。遮光部材９０１の辺であって、第二保護部材の辺と対向する辺の長さＬ３は、受光素子１０３の長手方向の長さＬ２よりも短くてもよい。これにより、光学センサ１００の小型化が図られてもよい。

［観点１３、１４］
遮光部材９０１は、発光素子１０１に電気的に接続される電流制限抵抗Ｒ１であってもよい。遮光部材９０１は、受光素子１０３電気的に接続されるプルアップ抵抗Ｒ２であってもよい。

［観点１５、１６］
半導体発光部は発光ダイオードであってもよい。半導体受光部はフォトトランジスタであってもよい。

［観点１７、１８］
第一保護部材の長手方向の辺（長辺６１１）と、第二保護部材の長手方向の辺（長辺６１３）とが非対向となっていればよい。つまり、第一保護部材を形成する四つの側面のうち最も大きな側面と、第二保護部材を形成する四つの側面のうち最も大きな側面とが非対向となっていればよい。第二保護部材の長手方向の辺は基板１０４と平行であってもよい。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００：光学センサ、１０１：発光素子、１０３：受光素子、１０４：基板

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板に実装された発光素子であって、当該基板の法線方向に光軸を有する半導体発光部と、当該半導体発光部を覆う透光性を有する第一保護部材とを有する発光素子と、
   前記基板に実装された受光素子であって、当該基板の法線方向に光軸を有する半導体受光部と、当該半導体受光部を覆う透光性を有する第二保護部材とを有する受光素子と、を有し、
   前記第一保護部材の短手方向の辺、前記第一保護部材の長手方向の辺、前記第二保護部材の短手方向の辺、および前記第二保護部材の長手方向の辺はそれぞれ前記基板の表面と平行であり、
   前記第一保護部材の短手方向の辺は、前記第二保護部材の短手方向の辺と対向していることを特徴とする光学センサ。
2. 前記発光素子と前記受光素子とを覆うように配置された導光部材をさらに有し、
   前記導光部材は、前記半導体発光部から出力され、前記基板の法線方向に進む光の方向を変えることで、当該光に物体検知空間を通過させ、当該物体検知空間を通過してきた当該光の方向を変えて当該光を前記半導体受光部に入射させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記発光素子と前記受光素子との両方が表面実装部品であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学センサ。
4. 前記基板上において前記発光素子と前記受光素子との間に実装される遮光部材をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の光学センサ。
5. 前記遮光部材は、前記発光素子および前記受光素子とともにリフロー炉で実装される表面実装部品であることを特徴とする請求項４に記載の光学センサ。
6. 前記遮光部材の辺であって、前記第一保護部材の辺と対向する辺の長さは、前記第一保護部材の辺の長さよりも長いことを特徴とする請求項４または５に記載の光学センサ。
7. 前記遮光部材の辺であって、前記第一保護部材の辺と対向する辺の長さは、前記発光素子の長手方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項４または５に記載の光学センサ。
8. 前記遮光部材の辺であって、前記第二保護部材の辺と対向する辺の長さは、前記第二保護部材の辺の長さよりも長いことを特徴とする請求項４または５に記載の光学センサ。
9. 前記遮光部材の辺であって、前記第二保護部材の辺と対向する辺の長さは、前記受光素子の長手方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項４または５に記載の光学センサ。
10. 前記遮光部材は、前記発光素子に接続される電流制限抵抗であることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか一項に記載の光学センサ。
11. 前記遮光部材は、前記受光素子に接続されるプルアップ抵抗であることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか一項に記載の光学センサ。
12. 前記半導体発光部は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の光学センサ。
13. 前記半導体受光部はフォトトランジスタであることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の光学センサ。
14. 前記遮光部材の辺であって、前記第一保護部材の辺と対向する辺は、前記基板の表面と平行であることを特徴とする請求項６または７に記載の光学センサ。
15. 前記遮光部材の辺であって、前記第二保護部材の辺と対向する辺は、前記基板の表面と平行であることを特徴とする請求項８または９に記載の光学センサ。