JP7656064B2

JP7656064B2 - 反射型光センサ

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Publication number: JP7656064B2
Application number: JP2023554176A
Authority: JP
Inventors: 章弘舘小路; 悦司大村
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2025-04-02
Anticipated expiration: 2041-10-21
Also published as: JPWO2023067758A1; US20240264306A1; WO2023067758A1

Description

本発明は、光を照射して被検知物で反射された光を検知することにより被検知物を検知する反射型光センサに関する。

従来から、光を照射して近接する被検知物で反射された反射光を検知することにより、被検知物を検知する反射型光センサが広く利用されている。反射型光センサは、被検知物を非接触で検知することが可能なので、例えば回転角の検知、物体端部の検知のような用途において一般的に利用されている。

反射型光センサは、例えば特許文献１のように、発光素子と受光素子と、これらの間に配設された遮光壁を有し、発光素子が照射した光が被検知物で反射し、この反射光を受光素子で受光するように構成されている。そして、受光素子の出力が反射光の有無、反射光の強度によって変動することを、被検知物の検知に利用している。

特開２００１－３０８３７２号公報

特許文献１の反射型光センサでは、発光素子が拡散光を近接する被検知物に照射する。それ故、発光素子が発した光の大部分は被検知物に照射されるが、被検知物が高い反射率を備えていても、被検知物で反射された光のうち受光素子に入射する光は僅かである。例えば、発光素子が発した光に対する受光素子に入射する光の割合を結合効率としたときに、特許文献１の反射型光センサにおける光線追跡シミュレーションの結果では、発光素子の照射角が９０°の場合に結合効率は５％程度であり、結合効率の向上が望まれている。

本発明の目的は、結合効率を向上させることができる反射型光センサを提供することである。

請求項１の発明の反射型光センサは、発光素子と受光素子を備え、前記発光素子の光が被検知物で反射された反射光を前記受光素子が検知することによって前記被検知物を検知する反射型光センサにおいて、第１凹面鏡と第２凹面鏡が底部に一体的に形成された開放箱状のケースを有し、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡は、放物線の対称軸の回りに前記放物線を回転させて形成される前記放物線の頂点を含む放物面を夫々反射面とし、前記第１凹面鏡の前記対称軸と前記第２凹面鏡の前記対称軸が、前記第１凹面鏡の第１焦点に対して前記第１凹面鏡の前記頂点と反対側で、且つ前記第２凹面鏡の第２焦点に対して前記第２凹面鏡の前記頂点と反対側で所定の交差角で交差するように、前記ケースの開放側に前記反射面を向けて形成され、前記ケースの開放側端部には、夫々前記ケースの開放側端面を含む平面に沿って対向するように延びて先端部を近接させた１対の第１リードフレーム及び１対の第２リードフレームが固定され、前記発光素子は、前記第１リードフレームの一方の先端部の前記第１凹面鏡側に、発光面が前記第１凹面鏡に臨むように且つ前記第１焦点又はその近傍位置となるように固定されて前記ケースに収容され、前記受光素子は、前記第２リードフレームの一方の先端部の前記第２凹面鏡側に、受光面が前記第２凹面鏡に臨むように且つ前記第２焦点又はその近傍位置となるように固定されて前記ケースに収容され、前記ケース内には、前記発光素子の光が透過する封止樹脂が充填されて前記発光素子と前記受光素子が覆われると共に、前記第１焦点と前記第２焦点を含む平面と平行であって前記開放側端面と一致する前記封止樹脂の表面が形成され、前記発光素子が前記第１凹面鏡に向けて照射した光を前記第１凹面鏡が反射して前記被検知物に照射し、前記被検知物で反射された前記反射光が前記第２凹面鏡に照射され、前記第２凹面鏡が前記第２焦点に向けて集光するように反射した前記反射光を前記受光素子が検知するように構成されたことを特徴としている。

上記構成によれば、反射型光センサの発光素子が、第１凹面鏡の第１焦点の位置又はこの第１焦点の近傍位置から第１凹面鏡に向けて光を照射し、第１凹面鏡で反射された光が被検知物に照射される。被検知物で反射された反射光は第２凹面鏡に照射され、第２凹面鏡によって第２焦点に向けて集光するように反射されたこの反射光が、反射型光センサの受光素子に入射する。発光素子から発せられた光は、放物面の性質によって、第１凹面鏡で反射されて平行光になるので、被検知物までの距離によらず一定の光が被検知物に照射される。そして、照射された平行光が被検知物の平坦な反射面で反射された場合、この反射光の大部分は、平行光のまま第２凹面鏡に照射され、第２凹面鏡で第２焦点に向けて反射、集光される。従って、発光素子から照射された拡散光の大部分を平行光にして被検知物に照射し、その反射光を集光して受光素子が検知することができるので、発光素子が発した光に対する受光素子に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率を向上させることができる。また、平行光を照射するので、反射型光センサからの距離によらず一定の光を照射することができ、高い結合効率が得られる被検知物と反射型光センサの間の距離の範囲を広くすることができる。

また、発光素子の光が透過する封止樹脂をケースの開放側端面まで充填することによって、ケース内に収容された発光素子と受光素子を封止樹脂で覆い、発光素子と受光素子と第１、第２凹面鏡の反射面を保護して、被検知物との衝突による反射型光センサの破損を防止することができる。

請求項２の発明の反射型光センサは、請求項１の発明において、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間に、前記発光素子の光が前記第２凹面鏡に直接入射すること、及び前記第１凹面鏡で反射された光が前記受光素子に直接入射することを防止する遮光壁を有することを特徴としている。
上記構成によれば、発光素子の光が被検知物で反射されずに受光素子に入射することを防いで、被検知物の誤検知を防止することができる。

本発明の反射型光センサによれば、結合効率を向上させることができる。

本発明の実施例に係る反射型光センサの平面図である。図１のII－II線断面図である。放物線の説明図である。反射型光センサの組み立て説明図である。実施例に係る反射型光センサにおける光線追跡シミュレーション結果の例である。実施例に係る反射型光センサにおける距離ｈと結合効率の関係を示す図である。実施例に係る反射型光センサにおける距離ｈと、第１、第２凹面鏡の角度と、結合効率の関係を等高線状に示す図である。実施例に係る反射型光センサにおける第１、第２凹面鏡の角度と、第１、第２凹面鏡の焦点距離と、結合効率の関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

図１、図２に示すように、反射型光センサ１は、直方体の上面が開放された開放箱状のケース２と、発光素子３と受光素子４を有する。尚、ケース２の開放側を反射型光センサ１の上方として説明するが、用途等に応じて様々な姿勢で反射型光センサ１を使用することができる。

ケース２の内側の底部には、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６が、これらの反射面をケース２の開放側に向けて一体的に形成されている。第１凹面鏡５は、放物線Ｐ１の対称軸Ａ１の回りにこの放物線Ｐ１を回転させて形成される放物面であって、放物線Ｐ１の頂点を含む放物面を反射面として形成されている。第２凹面鏡６は、放物線Ｐ２の対称軸Ａ２の回りにこの放物線Ｐ２を回転させて形成される放物面であって、放物線Ｐ２の頂点を含む放物面を反射面として形成されている。

図３のようにｘｙ平面上でｙ＝ｘ²／（４ａ）で表される放物線Ｐにおいて、例えばａ
＝５ｍｍとしたものが放物線Ｐ１，Ｐ２であるが、ａの値が放物線Ｐ１と放物線Ｐ２とで異なっていてもよい。尚、ｙ軸が放物線Ｐの対称軸であり、原点の位置が放物線Ｐの頂点であり、（ｘ，ｙ）＝（０，ａ）の位置が放物線Ｐの焦点である。

図１、図２のように、第１凹面鏡５を形成する放物線Ｐ１の頂点を第１頂点Ｖ１とし、焦点を第１焦点Ｆ１とする。また、第２凹面鏡６を形成する放物線Ｐ２の頂点を第２頂点Ｖ２とし、焦点を第２焦点Ｆ２とする。放物線Ｐ１の第１頂点Ｖ１と第１焦点Ｆ１を通る対称軸Ａ１と、放物線Ｐ２の第２頂点Ｖ２と第２焦点Ｆ２を通る対称軸Ａ２とが、所定の交差角２θで交差するように、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６が形成されている。このとき、ケース２の開放側端面２ｅに垂直な方向軸（対称軸Ａ１，Ａ２の交差点を通る開放側端面２ｅの法線Ｎ）に対して、対称軸Ａ１，Ａ２が夫々角度θで対称に傾いていることが好ましい。

対称軸Ａ１と対称軸Ａ２は、第１焦点Ｆ１に対して第１頂点Ｖ１と反対側で、且つ第２焦点Ｆ２に対して第２頂点Ｖ２と反対側で交差する。即ち、第１、第２頂点Ｖ１，Ｖ２と反対側に第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２よりも離隔した位置で、対称軸Ａ１と対称軸Ａ２が交差する。

ケース２は、例えば樹脂成型によって直方体の上面が開放された箱状に形成されると共に、内側底部に第１、第２凹面鏡５，６に対応する放物線Ｐ１，Ｐ２を回転させた放物面が夫々形成される。そして、少なくともこれら２つの放物面に、例えば金、チタンのような金属を含む反射膜５ａ，６ａが夫々形成されて、第１、第２凹面鏡５，６がケース２に一体的に形成されている。第１凹面鏡５と第２凹面鏡６の間の境界部分には、ケース２の内側底部から開放側に向かって延びる遮光壁７が、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６を区画するように形成されている。

ケース２の開放側端部には、１対の第１リードフレーム８ａ，８ｂ及び１対の第２リードフレーム９ａ，９ｂの位置決めのために、ケース２の開放側端面２ｅから底部側に凹入させた凹部２ａ～２ｄが形成されている。第１リードフレーム８ａ，８ｂは、外部から発光素子３に電力を供給する。凹部２ａに載置されて固定される第１リードフレーム８ａの先端部の片面には、発光素子３が固定されている。第１リードフレーム８ａは、発光素子３の光が出射される発光面が第１凹面鏡５に臨むように、且つ発光素子３が第１焦点Ｆ１の位置又はその近傍位置に配置されるように凹部２ａに固定される。このとき発光素子３は、ケース２内に収容される。尚、凹部２ａ～２ｄが形成されず、他の方法で位置決めされてもよい。

第２リードフレーム９ａ，９ｂは、受光素子４の光電力を外部に出力する。凹部２ｃに載置されて固定される第２リードフレーム９ａの先端部の片面には、受光素子４が固定されている。第２リードフレーム９ａは、光を入射させる受光素子４の受光面が第２凹面鏡６に臨むように、且つ受光素子４が第２焦点Ｆ２の位置又はその近傍位置に配置されるように凹部２ｃに固定される。このとき受光素子４は、ケース２内に収容される。

図２のように、発光素子３、受光素子４が収容されたケース２内には封止樹脂１０が充填され、発光素子３、受光素子４が封止樹脂１０に覆われている。第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂも封止樹脂１０に覆われていてもよい。封止樹脂１０は、発光素子３の光が透過する透光性を備え、例えば可視光又は赤外光が透過するエポキシ系の合成樹脂である。封止樹脂１０により、発光素子３、受光素子４、第１、第２凹面鏡５，６の反射面が保護され、発光素子３と受光素子４の揺動が規制される。尚、例えば発光素子３と受光素子４に外部から振動が伝わらない場合には、封止樹脂１０を省略することもできる。

封止樹脂１０の表面１０ａは、ケース２の開放側端面２ｅと一致するように平坦に形成されている。この封止樹脂１０の表面１０ａは、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２を含む平面に平行な第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２の近傍の平面である。そして、封止樹脂１０の表面１０ａの上方の対称軸Ａ１と対称軸Ａ２の交差点及びこの交差点近傍領域が、被検知物の検知位置になる。

第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂは、夫々例えばコバール（鉄、ニッケル、コバルトを含む合金）製の細長い部材なので、個別にケース２に取り付けることは容易ではない。そこで図４に示すように、矩形の枠１１と一体的に形成した第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂに、発光素子３と受光素子４を固定し、例えばボンディングワイヤによって電気的に接続する。そして、第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂを対応する凹部２ａ～２ｄに枠１１と共に同時に載置する。封止樹脂１０で封止後に、第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂの基端部を切断することにより、枠１１を切り離して除去する。

第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂを有する枠１１が平面的に連なるように、枠１１をテープ状又はシート状に形成することもできる。この場合、発光素子３と受光素子４の固定、電気的な接続が容易になり、例えば所定の間隔で並べられた複数のケース２に対して連続的に又は同時に取り付けることができるので、製造効率が向上する。

図５に示すように、放物線の性質により、第１焦点Ｆ１の位置又はその近傍位置の発光素子３から照射された光ｉ１の一部は、第１凹面鏡５で反射されて、光ｉ２（平行光）として被検知物ＯＢに照射可能である。遮光壁７は、発光素子３から照射される光が第２凹面鏡６に直接入射することを防ぐと共に、第１凹面鏡５で反射された光が受光素子４に直接入射することを防ぐ。尚、発光素子３は、照射角が９０°の発光ダイオードである。

検知位置に反射型光センサ１の封止樹脂１０の表面１０ａに平行な平坦な反射面を有する被検知物ＯＢがある場合には、光ｉ２が被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３（平行光）が第２凹面鏡６に照射される。このとき、表面１０ａに対して、対称軸Ａ１，Ａ２が同じ角度で対称に傾いている場合には、被検知物ＯＢの反射面と反射型光センサ１の表面１０ａとが平行になるように設置し易い。尚、表面１０ａに対して対称軸Ａ１，Ａ２が同じ角度で対称に傾いていない場合でも、表面１０ａに対して被検知物ＯＢの反射面が傾くように設置して被検知物ＯＢを検知することができる。

反射光ｉ３は、第２凹面鏡６で第２焦点Ｆ２に向けて反射され、反射光ｉ４のように集光される。そして、反射光ｉ４が第２焦点Ｆ２の位置又はその近傍位置の受光素子４に入射して、光電流が出力される。一方、被検知物ＯＢがない場合には、発光素子３の光の一部が第１凹面鏡５で反射された光ｉ２は外部に出てしまい、第２凹面鏡６に入射しないので、受光素子４に入射しない。そのため、反射型光センサ１は、発光素子３の光が被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３を第２凹面鏡６で反射させ、この反射光ｉ４を受光素子４で検知することによって被検知物ＯＢを検知することができる。

発光素子３が照射する光のうち、受光素子４に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率が高いほど反射型光センサ１の光電流の出力が大きくなる。それ故、例えば迷光の影響による被検知物ＯＢの誤検知を容易に防止でき、例えば発光素子３の光量を低下させて低消費電力化することも可能なので、高い結合効率の実現が望まれている。ここで、図５のような光線追跡シミュレーションに基づいて、反射型光センサ１の表面１０ａと被検知物ＯＢの距離ｈをパラメータにして、被検知物ＯＢが表面１０ａから離隔した場合の結合効率（Coupling Efficiency）を図６に示す。

距離ｈを大きくしていくと、ｈ＝３．７ｍｍまでは結合効率が上昇し、その後結合効率が５２％で一定になる。さらに距離ｈを大きくしていくと、結合効率が低下する。距離ｈが３．７ｍｍから５．７ｍｍの範囲内で結合効率が最大であり、距離ｈが０ｍｍから８ｍｍ程度までは１０％を超える高い結合効率が得られる。従って、反射型光センサ１と被検知物ＯＢの接触による反射型光センサ１の破損、被検知物ＯＢの破損を防止するために、ある程度の距離ｈを確保した場合でも、高い結合効率を確保することができる。また、照射する平行光の照射範囲よりも小型の被検知物ＯＢの場合には反射光が減少するが、結合効率が高いので小型の被検知物ＯＢを検知することができる。

距離ｈと、対称軸Ａ１，Ａ２の傾斜の角度（第１、第２凹面鏡５，６の傾斜の角度）θをパラメータとしたときの結合効率が、図７に等高線状に示されている。角度θが大きくなるほど、距離ｈが小さくなる方向に高い結合効率が得られる距離ｈの範囲がシフトする。ある程度角度θを大きくすると、第１凹面鏡５で反射された光の大部分が受光素子４に直接入射しないように遮光壁７で遮られ、被検知物ＯＢに照射されなくなるので、結合効率が急低下する。距離ｈが設定されている場合には、図７に基づいて結合効率が高くなる角度θで反射型光センサ１を形成することができる。角度θの反射型光センサ１に対しては、結合効率が高くなる最適な距離ｈを指定することができる。

距離ｈを５ｍｍとした場合に、第１、第２凹面鏡５，６の傾斜の角度θと焦点距離をパラメータとしたときの結合効率が、図８に曲面で示されている。結合効率は、第１、第２凹面鏡５，６の焦点距離に殆ど影響されず、どの焦点距離においても角度θが２５°のときに最大となっている。

上記反射型光センサ１の作用、効果について説明する。
反射型光センサ１は、第１凹面鏡５の第１焦点Ｆ１の位置又はこの第１焦点Ｆ１の近傍位置から発光素子３が第１凹面鏡５に向けて光ｉ１を照射し、第１凹面鏡５で反射された光ｉ２が被検知物ＯＢに照射される。そして、被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３は第２凹面鏡６に照射され、第２凹面鏡６によって第２焦点Ｆ２に向けて集光するように反射された反射光ｉ４が受光素子４に入射するように構成されている。

発光素子３から発せられた光ｉ１は、放物面の性質によって、第１凹面鏡５で反射されて平行光になるので、反射型光センサ１からの距離によらず一定の光ｉ２が照射され、被検知物ＯＢで反射される。被検知物ＯＢの平坦な反射面で反射された反射光ｉ３の大部分は、平行光のまま第２凹面鏡６に照射され、第２凹面鏡６で第２焦点Ｆ２に向けて反射、集光される。従って、発光素子３から照射された拡散光の大部分を平行光にして被検知物ＯＢに照射し、その反射光ｉ３を集光して受光素子４で検知することができるので、発光素子３が発した光に対する受光素子４に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率を向上させることができる。また、平行光を照射するので、反射型光センサ１からの距離によらず一定の光を被検知物ＯＢに照射することができ、高い結合効率が得られる被検知物ＯＢと反射型光センサ１の間の距離ｈの範囲を広くすることができる。

また、ケース２内には、発光素子３及び受光素子４が収容され、発光素子３の光が透過する封止樹脂１０が充填されている。従って、封止樹脂１０によって発光素子３と受光素子４と第１、第２凹面鏡５，６の反射面を保護して、例えば被検知物ＯＢとの衝突による反射型光センサ１の破損を防止することができる。

反射型光センサ１は、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６の間に、発光素子３の光が第２凹面鏡６に直接入射すること、及び第１凹面鏡５で反射された光が受光素子４に直接入射することを防止する遮光壁７を有する。従って、発光素子３の光が被検知物ＯＢで反射されずに受光素子４に入射することを防いで、被検知物ＯＢの誤検知を防止することができる。

図示を省略するが、第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂの代わりに、発光素子３の光に対して透明な蓋部材に発光素子３と受光素子４を固定し、これら発光素子３と受光素子４に電気的に接続する複数の配線を蓋部材に形成して、ケース２の開放側にこの蓋部材を固定してもよい。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。

１：反射型光センサ
２：ケース
２ａ～２ｄ：凹部
２ｅ：開放側端面
３：発光素子
４：受光素子
５：第１凹面鏡
６：第２凹面鏡
７：遮光壁
８ａ，８ｂ：第１リードフレーム
９ａ，９ｂ：第２リードフレーム
１０：封止樹脂
１０ａ：表面
１１：枠
Ａ１，Ａ２：対称軸
Ｆ１：第１焦点
Ｆ２：第２焦点
Ｐ１，Ｐ２：放物線
Ｖ１，Ｖ２：頂点

Claims

発光素子と受光素子を備え、前記発光素子の光が被検知物で反射された反射光を前記受光素子が検知することによって前記被検知物を検知する反射型光センサにおいて、
第１凹面鏡と第２凹面鏡が底部に一体的に形成された開放箱状のケースを有し、
前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡は、放物線の対称軸の回りに前記放物線を回転させて形成される前記放物線の頂点を含む放物面を夫々反射面とし、前記第１凹面鏡の前記対称軸と前記第２凹面鏡の前記対称軸が、前記第１凹面鏡の第１焦点に対して前記第１凹面鏡の前記頂点と反対側で、且つ前記第２凹面鏡の第２焦点に対して前記第２凹面鏡の前記頂点と反対側で所定の交差角で交差するように、前記ケースの開放側に前記反射面を向けて形成され、
前記ケースの開放側端部には、夫々前記ケースの開放側端面を含む平面に沿って対向するように延びて先端部を近接させた１対の第１リードフレーム及び１対の第２リードフレームが固定され、
前記発光素子は、前記第１リードフレームの一方の先端部の前記第１凹面鏡側に、発光面が前記第１凹面鏡に臨むように且つ前記第１焦点又はその近傍位置となるように固定されて前記ケースに収容され、
前記受光素子は、前記第２リードフレームの一方の先端部の前記第２凹面鏡側に、受光面が前記第２凹面鏡に臨むように且つ前記第２焦点又はその近傍位置となるように固定されて前記ケースに収容され、
前記ケース内には、前記発光素子の光が透過する封止樹脂が充填されて前記発光素子と前記受光素子が覆われると共に、前記第１焦点と前記第２焦点を含む平面と平行であって前記開放側端面と一致する前記封止樹脂の表面が形成され、
前記発光素子が前記第１凹面鏡に向けて照射した光を前記第１凹面鏡が反射して前記被検知物に照射し、
前記被検知物で反射された前記反射光が前記第２凹面鏡に照射され、
前記第２凹面鏡が前記第２焦点に向けて集光するように反射した前記反射光を前記受光素子が検知するように構成されたことを特徴とする反射型光センサ。
前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間に、前記発光素子の光が前記第２凹面鏡に直接入射すること、及び前記第１凹面鏡で反射された光が前記受光素子に直接入射することを防止する遮光壁を有することを特徴とする請求項１に記載の反射型光センサ。