JP4991787B2 - 反射型光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、光を前方に投光して被検出対象で反射した光を受光することで被検出対象までの距離などを検出することが可能な反射型光電センサに関するものである。

従来から、建物や乗り物の自動ドアへの挟まれ防止、自動水栓機能付蛇口、危険箇所への接近検知などの人体検知センサ、カメラの自動合焦点用の測距離装置や生産ラインでの検査装置などに光を利用して被検出対象の有無、距離や位置を計測する光電センサが知られている。このような光電センサのうち、反射型光電センサは、光を収束する投光レンズを介して投光素子から被検出対象に光を投光し、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光素子で受光し光電変換している。反射型光電センサから前記被検出対象までの距離は、前記投光素子と前記受光素子との離間した距離、前記受光レンズの前記受光素子への焦点距離および前記受光素子における光の検出位置から三角測量の原理を利用して検出することができる。このような反射型光電センサは、構造が比較的簡単で安価に製造することができることから種々開発されている。

この種の反射型光電センサの例を図３で説明する。反射型光電センサ１０’は、光を収束する投光レンズ１を介して被検出対象ＤＯに光を投光する投光素子２と、被検出対象ＤＯで反射した光を集光する受光レンズ３を介して受光した光を光電変換する受光素子４と、をパッケージ６’内の基板５’の一表面５ａ’側において離間して配置させている。ここで、パッケージ６’は、投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心とを距離ＢＬ１で離間して配置し、投光素子２と受光素子４とを中心間距離ＢＬＤ１となるように幾何学的に位置決めしている。また、投光素子２は、電流を流すと発光する発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤという）を用いている。受光素子４は、受光面における入射光の位置の移動に応じて出力が変化する位置検出素子（Position Sensitive Detector:以下、ＰＳＤという）を用いている。

反射型光電センサ１０’は、投光素子２が投光レンズ１を介して収束させた光を前方に投光する。投光された光は、反射型光電センサ１０’の前方に被検出対象ＤＯがあれば、被検出対象ＤＯで反射される。反射型光電センサ１０’は、被検出対象ＤＯで反射された光を受光レンズ３で集光し受光素子４で受光し光電変換して出力信号として出力することができる。

ところで、この種の反射型光電センサ１０’は、投光レンズ１を介して被検出対象ＤＯに光を投光する投光素子２と、受光レンズ３を介して受光した光を光電変換する受光素子４と、の中心間距離により、被検出対象ＤＯに対するセンサ感度や検知範囲に影響が生じる。

図３（ａ）と図３（ｂ）に同じ構成の反射型光電センサ１０’を用いて、反射型光電センサ１０’が、より遠い距離にある被検出対象ＤＯに対してセンサ感度が低くなることを説明する。図３（ａ）は、反射型光電センサ１０’における投光レンズ１の光学中心から被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ４までの距離Ｌ１が、図３（ｂ）の反射型光電センサ１０’における投光レンズ１の光学中心から被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ２までの距離Ｌ２よりも近い距離（Ｌ1＜Ｌ２）にある。

ここで、図３（ａ）に示す如く、反射型光電センサ１０’と被検出対象ＤＯとが相対的に近づき、被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ４が位置Ｐ３に移動距離ΔＬだけ反射型光電センサ１０’側に移動したとき、移動距離ΔＬに対応する反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上での変位長は、ΔＬ１となる。

これに対し、図３（ｂ）では、反射型光電センサ１０’と被検出対象ＤＯとが相対的に近づき、被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ２が位置Ｐ１に図３（ａ）と同じ移動距離ΔＬだけ反射型光電センサ１０’に移動したとしても、被検出対象ＤＯの移動距離ΔＬに対応する反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上での変位長は、ΔＬ１よりも短いΔＬ２となる。

そのため、被検出対象ＤＯが反射型光電センサ１０’に対して同じ移動距離ΔＬだけ移動したとしても、被検出対象ＤＯが反射型光電センサ１０’から遠い距離にあればあるほど、反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上での変位長は、より小さくなる。反射型光電センサ１０’は、反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上の変位が小さい分だけ、反射型光電センサ１０’の受光素子４から出力される信号変化も小さくなり、反射型光電センサ１０’のセンサ感度が低下することになる。

たとえば、反射型光電センサ１０’における投光レンズ１の光学中心から被検出対象ＤＯの反射面までの距離がＬ１より極めて大きいＬ２の場合（Ｌ２≫Ｌ１）、被検出対象ＤＯが移動した移動距離ΔＬに対応する反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上での変位長は、ΔＬ１より極めて小さいΔＬ２となる（ΔＬ２≪ΔＬ１）。受光素子４における受光面上での変位長は、ΔＬ２≒０となる場合もあり、反射型光電センサ１０’は、反射型光電センサ１０’の受光素子４にて変位長ΔＬ２を電気信号に変換することが難しく検知できない場合もある。

次に、図３に示した反射型光電センサ１０’よりも、遠い距離における被検出対象ＤＯに対するセンサ感度を良くした反射型光電センサ１０’’を図４に示す。図４の反射型光電センサ１０’’は、図３の反射型光電センサ１０’と同様、光を収束する投光レンズ１を介して被検出対象ＤＯに光を投光する投光素子２と、被検出対象ＤＯで反射した光を集光する受光レンズ３を介して受光した光を光電変換する受光素子４と、をパッケージ６内の基板５の一表面５ａ側に離間して配置させている。

図４の反射型光電センサ１０’’は、図３の反射型光電センサ１０’と異なり、基板５とパッケージ６とを大きくし、投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心との距離ＢＬ２を、図３で示した反射型光電センサ１０’における投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心との距離ＢＬ１よりも大きくしている。同様に、図４の反射型光電センサ１０’’における投光素子２と受光素子４との中心間距離ＢＬＤ２を、図３の反射型光電センサ１０’における投光素子２と受光素子４との中心間距離ＢＬＤ１よりも大きくしている。

このような図４の反射型光電センサ１０’’は、図３の反射型光電センサ１０’と比較して、より遠い距離の被検出対象ＤＯに対するセンサ感度を良くすることができる。たとえば、図４（ａ）は、図３（ｂ）と同様に反射型光電センサ１０’’における投光レンズ１の光学中心から被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ２までを距離Ｌ２に配置させている。ここで、図４（ａ）に示すように、反射型光電センサ１０’’と被検出対象ＤＯとが相対的に近づき、被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ２が位置Ｐ１に移動距離ΔＬだけ反射型光電センサ１０’’側に移動した場合、被検出対象ＤＯの移動距離ΔＬに対応する反射型光電センサ１０’’の受光素子４における受光面上での変位長は、ΔＬ３となる。反射型光電センサ１０’’の受光素子４における受光面上での変位長ΔＬ３は、図３（ｂ）と同じ被検出対象ＤＯが移動距離ΔＬだけ移動したとしても、図３（ｂ）で示す反射型光電センサ１０’の受光素子４における受光面上での変位長ΔＬ２よりも大きい。そのため、図４の反射型光電センサ１０’’は、図３の反射型光電センサ１０’と比較して、反射型光電センサ１０’’の受光素子４から出力される信号変化がより大きくなり、反射型光電センサ１０’’のセンサ感度を向上させることができる。

ところが、図４の反射型光電センサ１０’’は、図３の反射型光電センサ１０’と比較して、反射型光電センサ１０’’のより近距離にある被検出対象ＤＯが検出不能な領域（不感帯）が大きくなる。すなわち、図４の反射型光電センサ１０’’は、被検出対象ＤＯに対する検知範囲が図３の反射型光電センサ１０’と比較して反射型光電センサ１０’’のより近距離において狭い。

次に、図４（ｂ）に図４（ａ）と同じ構成の反射型光電センサ１０’’を用いて、図４の反射型光電センサ１０’’は、反射型光電センサ１０’’のより近距離で不感帯が大きくなることを説明する。

図４（ｂ）では、反射型光電センサ１０’’と被検出対象ＤＯとが相対的に近づき、被検出対象ＤＯの反射面を位置Ｐ１から位置Ｄを越えて位置Ｐ３まで、反射型光電センサ１０’’により近い距離に移動させる。この場合、反射型光電センサ１０’’の投光素子２から投光して被検出対象ＤＯの反射面の位置Ｐ３で反射した光の反射角は、位置Ｐ２や位置Ｐ１で反射した光の反射角よりも大きくなる。被検出対象ＤＯが位置Ｄを越えて反射型光電センサ１０’’に近い場合、反射型光電センサ１０’’の受光素子４における受光面には、前記反射した光が入射されず、受光素子４の受光範囲で検出することができない。すなわち、反射型光電センサ１０’’から被検出対象ＤＯまでの距離が、位置Ｄより反射型光電センサ１０’’側にある場合には、被検出対象ＤＯが検出不能な不感帯の領域となる。この反射型光電センサ１０’’における不感帯は、遠い距離にある被検出対象ＤＯに対するセンサ感度を向上させるために、反射型光電センサ１０’’における投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心との距離ＢＬ２、および投光素子２と受光素子４との中心間距離ＢＬＤ２を大きくするほど広くなる傾向にある。

そのため、反射型光電センサ１０’’は、被検出対象ＤＯが遠い距離でのセンサ感度の向上と、近距離において被検出対象ＤＯが検出できない不感帯を小さくさせること、とはトレードオフの関係にある。

この問題を解決するために、光を収束する投光レンズを介して被検出対象に光を投光する遠距離用の第一の投光素子と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光した光を光電変換する受光素子と、を離間して配置させ、前記第一の投光素子と前記受光素子との間に、前記第一の投光素子からの投光により前記被検出対象で反射した光が前記受光素子の受光範囲外となる近距離において前記受光素子が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する近距離用の第二の投光素子を有する反射型光電センサが提案されている（特許文献１）。

図５に、参考のための反射型光電センサ２０を用いて、反射型光電センサ２０は、遠い距離にある被検出対象に対するセンサ感度の向上と、近距離において被検出対象が検出できない不感帯を小さくすること、とが両立できることを説明する。

図５の反射型光電センサ２０は、光を収束する投光レンズ１を介して被検出対象に光を投光する第一の投光素子２と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズ３を介して受光した光を光電変換する受光素子４と、をパッケージ６内の基板５の一表面５ａ側に離間して配置させている。パッケージ６内の基板５の一表面５ａ側における第一の投光素子２と受光素子４との間に、第一の投光素子２からの投光により前記被検出対象で反射した光が受光素子４の受光範囲外となる近距離において受光素子４が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子７を有している。反射型光電センサ２０は、外部からの不要な光を遮光して内部を保護するために保護カバー１１をパッケージ６の前面に設けている。また、反射型光電センサ２０の第二の投光素子７は、比較的簡単な構成で近距離にある前記被検出対象に対して光を効率よく投光するため、砲弾型のＬＥＤを用いている。さらに、受光素子４と第二の投光素子７との間、および第一の投光素子２と第二の投光素子７との間に壁９’，９’を設けている。

なお、図４と同様、反射型光電センサ２０は、パッケージ６により反射型光電センサ２０における投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心との距離をＢＬ２に、投光素子２と受光素子４との中心間距離をＢＬＤ２と幾何学的に位置決めしている。

ここで、反射型光電センサ２０は、被検出対象の反射面の位置が反射型光電センサ２０から遠い位置となる領域Ｌａ内にある場合、第一の投光素子２から投光レンズ１を介して投光した光を前記被検出対象で反射させ、反射した光を受光レンズ３を介して受光素子４によって検知する。また、反射型光電センサ２０は、前記被検出対象の反射面の位置が前記領域Ｌａよりも反射型光電センサ２０に近い領域Ｌｂ内にある場合、第二の投光素子７からの投光した光を前記被検出対象で反射させ、反射した光を受光レンズ３を介して受光素子４によって検出する。

すなわち、反射型光電センサ２０は、反射型光電センサ２０から被検出対象までの距離に応じて、投光素子を遠距離用途の第一の投光素子２と、近距離用途の第二の投光素子７とに機能分離している。これにより、反射型光電センサ２０は、遠い距離におけるセンサ感度を向上させつつ、反射型光電センサ２０の近距離における不感帯を第二の投光素子７からの投光を利用して検知する分だけ反射型センサ２０のより近距離にある領域Ｌｃまで小さくすることができる。

ところで、図６の反射型光電センサ２０’は、図５に示す反射型光電センサ２０の第一の投光素子２と受光素子４との間に配置された第二の投光素子７を、より受光素子４側へ近づけた以外は、同様に構成している。これにより、反射型光電センサ２０’は、前記被検出対象が反射型光電センサ２０’における近距離で検出不能となる不感帯を、図５の反射型光電センサ２０における領域Ｌｃと比較して領域Ｌｔまで小さくし、前記被検出対象に対する検知範囲をより広くすることができる。

すなわち、反射型光電センサ２０’は、遠い距離の前記被検出対象に対するセンサ感度を向上させるために、第一の投光素子２と受光素子４とは離れて配置することが望ましい一方、近距離において前記被検出対象が検出できない不感帯を小さくさせるために、第二の投光素子７と受光素子４とは近くに配置させることが望ましい。

特開２００３−２０４０７７号公報

しかしながら、反射型光電センサ２０’は、第二の投光素子７と受光素子４とを単に近づけると、反射型光電センサ２０’のセンサ感度が低い領域ができてしまう場合がある。

たとえば、反射型光電センサ２０’は、前記被検出対象に対して第一の投光素子２で検出する反射型光電センサ２０’から遠い距離にある領域Ｌａと、第二の投光素子７で検出する反射型光電センサ２０’により近い側にある領域Ｌｅと、の間にある領域Ｌｄでセンサ感度が低くなる恐れがある。

また、反射型光電センサ２０’の第二の投光素子７に砲弾型のＬＥＤを用いた場合、砲弾型のＬＥＤは、通常、光がレンズ機能を持った砲弾型のモールド部の先端部で収束されるため、砲弾型のＬＥＤから漏れる光が受光素子４に影響を与えることは実質的にない。そのため、第二の投光素子７に砲弾型のＬＥＤを用いた場合、反射型光電センサ２０’のパッケージ６には、パッケージ６の強度に応じて壁９’を適宜設けても設けなくとも良い。

しかしながら、反射型光電センサ２０’は、使用用途の多様化に伴い、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高いものが望まれている。この場合、反射型光電センサ２０’における第二の投光素子７と受光素子４との距離をより小さくすることも考えられる。ここで、反射型光電センサ２０’のパッケージ６に壁９’がない場合、第二の投光素子７に砲弾型のＬＥＤを用いても、第二の投光素子７からの光を受光素子４が無視することができず反射型光電センサ２０’のセンサ感度が低下する恐れもある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高い反射型光電センサを提供することにある。

請求項１の発明は、光を収束する投光レンズを介して被検出対象に光を投光する第一の投光素子と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光した光を光電変換する受光素子と、をパッケージ内の一表面側に離間して配置させ、前記一表面側における前記第一の投光素子と前記受光素子との間に、前記第一の投光素子からの投光により前記被検出対象で反射した光が前記受光素子の受光範囲外となる近距離において前記受光素子が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子を有する反射型光電センサであって、前記第二の投光素子は、レンズ機能を持った砲弾型のモールド部を有するＬＥＤであって前記受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、前記パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備え、複数個の前記第二の投光素子間には前記遮光壁を備えていないことを特徴とする。

この発明によれば、第二の投光素子が、受光素子から異なる間隔を隔てて複数個設けられることにより、反射型光電センサの近距離における被検出対象に対する不感帯を小さくすることが可能となる。さらに、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と該受光素子に最も近い前記第二の投光素子との間に備えていることで、反射型光電センサの近距離における前記被検出対象に対する不感帯をより小さくしてもセンサ感度を低下することを防止することが可能となる。

すなわち、この発明の反射型光電センサは、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度をより高くすることができる。さらに、被検出対象を検出するため、距離の長短に応じて複数個の反射型光電センサを用いる必要がなく、一台の反射型光電センサを用いて前記被検出対象に対する検知範囲を広くすることができるため、全体のコストを低減させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第一の投光素子を介して、一対の前記受光素子を配置してなることを特徴とする。

この発明によれば、第一の投光素子に対して一対の受光素子で被検出対象からの光を受光することができることから、前記被検出対象の反射面が不均一などのため、いずれか一方の前記受光素子側に傾いていたとしても、前記被検出対象で反射した光を前記受光素子のいずれかで受光することができる。そのため、この反射型光電センサは、誤検知や測定誤差を小さくし、センサ感度の安定化をはかることが可能となる。また、この発明の反射型光電センサは、前記第一の投光素子を介して前記受光素子と前記第二の投光素子が一対離間して設けられることになるから、反射型光電センサから近距離における第一の投光素子の光軸と垂直方向においてセンサ検出範囲を広くすることもできる。

請求項１の発明では、第二の投光素子が、受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備えていることで、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高い反射型光電センサを提供できるという顕著な効果を奏する。

実施形態１の反射型光電センサの概略断面図である。 実施形態２の反射型光電センサの概略断面図である。 従来の反射型光電センサにおけるセンサ感度を説明する概略説明図である。 従来の反射型光電センサにおけるセンサ感度を説明する概略説明図である。 参考用の反射型光電センサにおける検知範囲を説明する概略断面図である。 参考用の反射型光電センサにおける検知範囲を説明する概略断面図である。

（実施形態１）
本実施形態の反射型光電センサについて、図１を用いて説明する。

反射型光電センサ１０は、図１の概略断面図で示すように、光を収束する投光レンズ１を介して被検出対象（図示せず）に光を投光する第一の投光素子２と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズ３を介して受光した光を光電変換する受光素子４と、をパッケージ６内の基板５の一表面５ａ側に離間して配置させている。パッケージ６内の基板５の一表面５ａ側における第一の投光素子２と受光素子４との間には、第一の投光素子２からの投光により前記被検出対象で反射した光が受光素子４の受光範囲外となる近距離において受光素子４が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子７，８を有している。

本実施形態の反射型光電センサ１０では、第二の投光素子７，８を、受光素子４から異なる間隔を隔て２個設けられており、パッケージ６は、第二の投光素子８からの直接光が受光素子４に入射することを妨げる遮光壁９を、受光素子４と、該受光素子４に最も近い第二の投光素子８と、の間に備えている。第二の投光素子７と第一の投光素子２との間には、パッケージ６の強度を向上させるために壁９’を設けている。また、反射型光電センサ１０には、外部からの不要な光を遮光して、内部を保護するために保護カバー１１をパッケージ６の前面に設けている。なお、パッケージ６は、図４と同様に投光レンズ１の光学中心と受光レンズ３の光学中心とを距離ＢＬ２で離間して配置し、投光素子２と受光素子４とが中心間距離ＢＬＤ２となるように幾何学的に位置決め可能に構成している。

以下、本実施形態の反射型光電センサ１０に用いられる各構成について、詳述する。

本実施形態に用いられる投光レンズ１は、第一の投光素子２からの光を前記被検出対象に効率よく投光させるためのものであり、前記被検出対象が反射型光電センサ１０から、より遠い距離に位置する場合でも第一の投光素子２からの光量が低下しないよう収束可能な光学レンズを用いることが望ましい。このような投光レンズ１は、第一の投光素子２から投光される光の波長に対して透明性を有し、反射型光電センサ１０をより小型化にするためには、屈折率がより高いものを用いることが好ましい。なお、投光レンズ１は、単純な１枚の凸レンズだけに限られず、凸レンズと凹レンズを組み合わせた複数枚のレンズを用いても良い。また、球面レンズでも非球面レンズを用いても良い。

また、投光レンズ１は、第一の投光素子２からの光を効率よく前記被検出対象に投光させるために、投光レンズ１の光軸と、第一の投光素子２における光軸と、を合わせて配置させることが好ましい。

次に、本実施形態に用いられる投光素子２，７，８として、第一の投光素子２と第二の投光素子７，８との共通する点をまとめて説明する。

投光素子２，７，８は、小型化が比較的容易で制御しやすいＬＥＤや半導体レーザ（LaserDiode：以下、ＬＤという）などの半導体発光素子を好適に用いることができる。投光素子２，７，８から投光する光の波長は、反射型光電センサ１０の用途や受光素子４の受光感度に応じて種々選択することができる。そのため、投光素子２，７，８から投光する光の波長は、赤外線、可視光や紫外線を用いることもできる。反射型光電センサ１０から投光される光が利用者の目視で確認できるほうが使い勝手が良い場合、投光素子２，７，８は、青色光、緑色光、黄色光や赤色光などの可視光を投光するＬＥＤや青色光や赤色光の可視光を投光するＬＤを適宜用いればよい。反射型光電センサ１０を人体検知用センサなどに利用する場合、投光素子２，７，８は、反射型光電センサ１０から投光される光が被検出対象となる人間に投光素子２，７，８からの光で不快感を与えないよう、前記利用者が視認できない赤外線を投光するＬＥＤやＬＤを用いればよい。

また、反射型光電センサ１０の受光素子４にＳｉ材料を用いた光電変換素子を利用した場合、受光素子４の分光感度は、可視光の波長域よりも赤外線の波長域の方が高い。そのため、投光素子２，７，８は、投光する光の波長域が可視光よりも赤外線の方がより好ましい。これにより、反射型光電センサ１０は、センサ感度をより向上させることができる。

反射型光電センサ１０から、より遠い距離にある被検出対象を検出するためには、投光素子２，７，８からの光を遠い距離に渡って効率よく投光させる必要がある。そのため、反射型光電センサ１０の投光素子２，７，８は、ＬＥＤよりも出力の大きい投光を得やすいＬＤを用いるほうが好ましい。また、公共の場などで、反射型光電センサ１０を使用する場合、５年や１０年以上の長寿命において安定した特性を発揮することが求められる。ＬＤの寿命は、使用周囲温度に大きく影響され、正常と見なされたＬＤが急激に出力が低下する、或いは動作しなくなる頓死と呼ばれる投光不能もある。そのため、ＬＥＤは、ＬＤと比較して長寿命における信頼性という観点では、より好ましい。

投光素子２，７，８にＬＥＤを用いる場合は、反射型光電センサ１０から投光する光出力を向上させる目的で、透光性の樹脂でレンズ形状のモールド部で発光素子を被覆したいわゆる砲弾型のＬＥＤを用いてもよい。また、反射型光電センサ１０の投光素子２，７，８における光軸に垂直方向においてセンサ検出範囲を広くする目的で、投光素子２，７，８に拡散光が得やすいベアチップやチップタイプＬＥＤを用いることもできる。投光素子２，７，８としてＬＥＤを用いた場合は、パルス駆動が比較的容易なため、ダイナミック点灯させることでスタティック点灯した場合と比較し、瞬時値として電流値を大きくすることができる。そのため、反射型光電センサ１０は、投光素子２，７，８からの光量を比較的容易に増やしセンサ感度を向上させやすい。

投光素子２，７，８は、第一の投光素子２と第二の投光素子７，８とを同じ種類のものを用いてもよく、たとえば、投光レンズ１と第一の投光素子２のように投光レンズ１と第二の投光素子７，８で形成させてもよい。さらに、第一の投光素子２をＬＤ、第二の投光素子７，８をＬＥＤとして、必ずしも同じ種類の投光素子２，７，８を用いる必要もない。同様に、第二の投光素子７，８同士も必ずしも同じ種類の投光素子７，８を用いる必要はない。したがって、第二の投光素子７，８は両方ともＬＥＤを用いて構成したとしても、異なる種類のＬＥＤとすることもできる。たとえば、第二の投光素子７，８は、受光素子４に、より近い第二の投光素子８にチップタイプＬＥＤを用い、受光素子４から第二の投光素子８よりも離れた第二の投光素子７を砲弾型のＬＥＤとしてもよい。

投光素子２，７，８に砲弾型のＬＥＤを用いる場合、砲弾型のＬＥＤは、一対のリードにおける一方のリードの先端にｐｎ接合を備えＡｌＧａＡｓ材料などからなる発光素子が導電性ペーストを用いて導通配置させたものを用いることができる。前記発光素子は、たとえば、ｐ型ＧａＡｓ基板上にｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＧａＡｓ層を積層させている。前記発光素子は、また、ｐ型ＧａＡｓ基板に一方の電極を、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層に他方の電極を形成させている。前記発光素子は、前記電極間に電流を流すことで赤外線を投光することができる。前記発光素子の一方の電極は、搭載される前記一方のリードと導電性ペースを用いて電気的に接続させるとともに、前記発光素子の他方の電極は、金線などを介して他方のリードの先端とワイヤボンディングして電気的に接続している。また、前記一対のリードと電気的に接続された前記発光素子は、エポキシ樹脂などにより砲弾型形状のモールド部で被覆されている。このような砲弾型のＬＥＤにおける前記一対のリード間に電流を流すと、たとえば砲弾型のレンズ形状で収束された光を比較的簡単に得ることができる。

また、投光素子２，７，８から光を前記被検出対象に投光させる場合、第一の投光素子２と第二の投光素子７，８とをそれぞれ点滅駆動させてもよく、その点滅周期をそれぞれ変えてもよい。この場合、反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２および複数個の第二の投光素子７，８から同時に被検出対象に光を投光させ、受光素子４から個々の点滅周期の周波数ごとに弁別して出力値を得ることで前記被検出対象の距離値を得ることもできる。また、反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２および複数個の第二の投光素子７，８から時分割に前記被検出対象に光をそれぞれ投光させ、受光素子４から個々の投光素子２，７，８に同期して出力値を得ることで前記被検出対象の距離値を得ることもできる。

次に、本実施形態の受光レンズ３は、各投光素子２，７，８から投光された光が前記被検出対象で反射され、反射さえた光を受光素子４に効率よく集光可能なものであればよい。したがって、投光レンズ１と同様に、単純な１枚の凸レンズでもよいし、凸レンズだけに限られず、凸レンズと凹レンズを組み合わせた複数枚のレンズを用いても良い。また、球面レンズでも非球面レンズでも良い。

本実施形態に用いられる受光素子４としては、第一の投光素子２や第二の投光素子７，８から投光された光を受光して効率よく光電変換できるものが挙げられ、ＰＳＤ、受光面を複数に分割した分割型フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary MetalOxide Semiconductor）センサなどの撮像素子などを用いることができる。

ここで、受光素子４としてＰＳＤを用いた場合、ＰＳＤは、長尺のフォトダイオードのごとき構成をしており、たとえば、平板状直方体のｉ型Ｓｉ半導体基板と、該ｉ型Ｓｉ半導体基板の一表面となる裏面側に均一な抵抗層としてｎ型Ｓｉ半導体層と、前記ｉ型Ｓｉ半導体基板の前記裏面側と対向する表面側に均一な抵抗層としてｐ型Ｓｉ半導体層と、をそれぞれ形成した３層構造とすることができる。

前記ＰＳＤの受光面となる前記ｐ型Ｓｉ半導体層側の両短辺側には、一対の出力電極が設けられており、前記ｎ型Ｓｉ半導体層には、共通電極が形成している。前記ＰＳＤは、前記ｉ型Ｓｉ半導体基板に光子が入射されると、光起電力効果により前記ｐ型Ｓｉ半導体層に正の電荷が生じ、前記ｎ型Ｓｉ半導体層に負の電荷が生ずる。この電荷は、光電流として前記ｐ型Ｓｉ半導体層側の両短辺側に設けられた前記一対の出力電極から取り出すことができる。前記一対の出力電極からそれぞれ取り出された分割電流は、前記一対の出力電極からＰＳＤの受光面における入射光量の光量重心位置に応じて、前記一対の出力電極までの距離に逆比例した値となる。

すなわち、反射型光電センサ１０の受光素子４にＰＳＤを用いた場合、ＰＳＤは、該ＰＳＤの受光面における前記一対の出力電極から受光レンズ３を介して集光されたスポット光の位置（光量重心位置）までの距離に逆比例して、各出力電極に光電変換された電流が流れる。そのため、受光素子４における光の検出位置は、前記ＰＳＤの前記一対の出力電極間の距離と、該一対の出力電極からそれぞれ検出される分割電流と、前記共通電極に流れる電流と、をマイクロコンピュータなどにより四則演算するだけで、比較的簡単に計算することができる。

反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２および第二の投光素子７，８から投光し被検出対象で反射した光以外の外来光（たとえば、太陽光や蛍光灯からの光など）が受光素子４に入射されると、外来光を前記被検出対象で反射した光と誤判定する場合がある。特に、受光素子４が広い波長域に渡って受光感度が高い場合、誤判定を生じやすい。

受光素子４として前記ＰＳＤを用いた場合、前記ＰＳＤの応答速度が比較的速いことと、背景の光の変化は通常ゆっくりであることを利用して、反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２や第二の投光素子７，８を点滅させるなど光の強さを変調させることによりノイズを低減することもできる。この場合、反射型光電センサ１０は、投光素子２の投光と受光素子４の受光とを同期して検出することにより、ノイズを低減することもできる。より具体的には、第一の投光素子２や第二の投光素子７，８を一定周期で点滅駆動させ、各投光素子２，７，８とそれぞれ同期して受光素子４たる前記ＰＳＤから光電変換させた出力電流をフィルタ回路から抽出すればよい。

なお、受光素子４として前記ＰＳＤの代わりにＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使用した場合、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサでは、各画素の光量を検出することで前記被検出対象の色むらや表面状態の影響を受けずにピーク位置を検出することができる。そのため、受光素子４として前記ＰＳＤの代わりに前記ＣＣＤや前記ＣＭＯＳセンサを使用した反射型光電センサ１０は、構造が複雑になるものの、より高精度に距離換算をすることもできる。

次に、本実施形態に用いられる基板５としては、第一の投光素子２、受光素子４や第二の投光素子７，８を一表面５ａとなる同一平面側に実装し、それぞれ電気的に接続可能なものである。基板５は、パッケージ６内に収納可能に形成させている。このような基板５は、たとえば、表面に配線パターンを予め形成させたガラスエポキシ樹脂基板やセラミック基板を用いてもよい。基板５とパッケージ６とは、必ずしも別体に形成させる必要もなく、第一の投光素子２、受光素子４や第二の投光素子７，８をパッケージ６の底面側に実装させてもよい。

パッケージ６は、投光レンズ１、第一の投光素子２、第二の投光素子７，８、受光レンズ３および受光素子４を外部から保護することができるものであり、受光素子４に外部からノイズとなる光を遮光可能なものが好ましい。このような、パッケージ６は、樹脂材料、金属材料やセラミック材料を用いて種々の形状に形成することができる。

また、パッケージ６には、第一の投光素子２、第二の投光素子７，８および受光素子４を配置させるだけでなく、受光素子４からの出力を増大させるアンプ回路を内蔵させても良い。さらに、パッケージ６は、第一の投光素子２および第二の投光素子７，８の点灯を制御する制御回路や反射型光電センサ１０から被検出対象までの距離値を演算させるマイクロコンピュータを内蔵させてもよい。

次に、上述した投光素子２，７，８のうち、第二の投光素子７，８についてさらに詳述する。

複数個の第二の投光素子７，８は、必ずしも等間隔でパッケージ６内の基板５の一表面５ａ側に配置させる必要はなく、第二の投光素子７，８は、受光素子４に近づくにつれ第二の投光素子７，８の間隔が短くなるように配置してもよい。また、第二の投光素子７，８は、それぞれ同じ出力で投光するだけでなく、それぞれ光出力を変えてもよい。たとえば、被検出対象が反射型光電センサ１０に近いほど、被検出対象から反射される光は強くなるので、反射型光電センサ１０は、受光素子４に遠い第二の投光素子７よりも、受光素子４により近い第二の投光素子８ほど投光させる光量を少なくさせてもよい。なお、第二の投光素子７，８の数は、求める反射型光電センサ１０のセンサ感度などによって適宜増減すればよい。

本実施形態の反射型光電センサ１０に用いられる第二の投光素子７，８は、比較的安価且つ簡便に構成させるため、それぞれ砲弾型のＬＥＤを用いて構成している。ここで、第二の投光素子７，８にそれぞれ砲弾型のＬＥＤを用いた場合、それぞれレンズ機能を持った砲弾型のモールド部の先端で光を収束して投光することができるため、反射型光電センサ１０のセンサ感度を高くすることができる。

しかしながら、砲弾型のＬＥＤは、製造工程上、前記モールド部の形状を高精度に形成することが難しい。また、砲弾型のＬＥＤの前記モールド部と空気との屈折率差もある。そのため、砲弾型のＬＥＤにおける前記モールド部の先端付近においては、発光素子が発光し砲弾型の前記モールド部により収束されて前方に投光される光だけでなく、わずかながら周囲に散乱する光もある。

反射型光電センサ１０は、被検知対象を検知することができない不感帯を少なくするため、第二の投光素子７，８を受光素子４側に近づけた場合には、砲弾型のＬＥＤから放射される散乱光が受光素子４に直接入射する場合がある。砲弾型のＬＥＤからの散乱光は、受光素子４において不要な飽和光電流を生じさせ反射型光電センサ１０における被検出対象の検出におけるセンサ感度を低下させる恐れがある。

本実施形態においては、第二の投光素子８の投光に伴って、第二の投光素子８から直接光が受光素子４に入射しないように後述する遮光壁９を設けている。

ところで、第二の投光素子７，８から放出される光は、近距離における前記被検出対象を検出するために拡散光のほうが好ましく、第二の投光素子７，８から拡散光を得るため複数の第二の投光素子７，８間には、逆に遮光壁９を備えていないほうがより好ましい。反射型光電センサ１０は、受光素子４のセンサ感度を低下させる不要な光をさえぎるため遮光壁９をパッケージ６内の必要な箇所にだけ設けることでより小型化させることもできる。

したがって、本実施形態の反射型光電センサ１０の遮光壁９は、第二の投光素子８からの直接光が受光素子４に入射することを妨げるものであって、第二の投光素子７，８間にはなく、受光素子４と受光素子４に最も近い第二の投光素子８との間に設けられている。これにより、パッケージ６を小型化する場合やより反射型光電センサ１０における不感帯を少なくさせるために、第二の投光素子８と受光素子４とが接近させるような場合においても、反射型光電センサ１０は、被検出対象から反射した光などと誤判定することやセンサ感度が低下することが抑制される。

なお、遮光壁９は、第二の投光素子８からの光を遮光するだけでなく、第二の投光素子８側を第二の投光素子８から投光された光が前方に効率よく投光できるように傾斜していてもよい。また、遮光壁９の表面は、第二の投光素子８からの光を拡散反射できるように凹凸を形成させてもよい。このような遮光壁９の材料は、基板５やパッケージ６と同様の材料を利用してもよいし、別のものを用いてもよい。そのため、遮光壁９は、基板５と一体的に形成させてもよいし、パッケージ６と一体的に形成させてもよい。

次に、本実施形態の保護カバー１１は、外部からの不要な光を遮光して反射型光電センサ１０の内部を保護するためパッケージ６の前面に設けている。保護カバー１１が光学フィルタ機能を有し受光素子４に受光する光を波長選択することで、測定したい光以外が入射してノイズとなることを抑制することができる。保護カバー１１は、可視光をカットして赤外線のみ透過する可視光線カットフィルタ樹脂が塗布されたガラスなどを利用することができる。

次に、本実施形態の反射型光電センサ１０の動作について説明する。

反射型光電センサ１０は、受光素子４に最も近い第二の投光素子８を受光素子４と同期して点滅駆動させる。この場合、第二の投光素子８から投光された光は、反射型光電センサ１０の表面から離れた近距離の領域ＬＬ２に被検出対象があると、該被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ１０は、反射された光を受光レンズ３で集光して、受光素子４における受光面上にスポット光を結像する。これにより反射型光電センサ１０の受光素子４は、受光面上におけるスポット光の検出位置を検出する。反射型光電センサ１０と前記被検出対象との距離は、予め設定している第二の投光素子８と受光素子４との中心間距離、受光レンズ３の受光素子４への焦点距離および受光素子４で検出されたスポット光の検出位置を三角測量の原理を用いて検出することができる。

ここで、反射型光電センサ１０は、第二の投光素子８の投光と同期した受光素子４から出力電流が検出されないか、或いは所定電流の値以下の場合、前記被検出対象が第二の投光素子８によって検知することができる前記領域ＬＬ２にないと別途に設けたマイクロコンピュータなどで判断すればよい。

次に、反射型光電センサ１０は、受光素子４に次に近い第二の投光素子７を受光素子４と同期して点滅駆動させる。この場合、第二の投光素子７から投光された光は、反射型光電センサ１０の表面から前記領域ＬＬ２よりも離れた領域ＬＬ１に被検出対象があると、被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ１０は、受光素子４に最も近い第二の投光素子８と同様にして反射型光電センサ１０と前記被検出対象との距離を検出することができる。

続いて、反射型光電センサ１０は、第二の投光素子７の投光と同期した受光素子４から出力電流が検出されないか、所定電流の値以下の場合、前記被検出対象が第二の投光素子７によって検知することができる前記領域ＬＬ１にないとすればよい。

次に、反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２を受光素子４と同期して点滅駆動させる。ここで、第一の投光素子２から投光された光は、投光レンズ１を介して収束され反射型光電センサ１０の表面から遠い距離に離れた領域Ｌａに被検出対象があると、被検出対象によって光が反射される。反射型光電センサ１０は、受光素子４に最も近い第二の投光素子８と同様にして反射型光電センサ１０と前記被検出対象との距離を検出することができる。これにより、反射型光電センサ１０は、投光レンズ１と第一の投光素子２で領域Ｌａの範囲を、第二の投光素子７で領域ＬＬ１の範囲を、受光素子４により近い第二の投光素子８で領域ＬＬ２の範囲をそれぞれ検出することができる。

そのため、本実施形態の反射型光電センサ１０は、被検出対象に対する検知範囲がより広く、且つセンサ感度のより高いものとすることができる。したがって、１台の反射型光電センサ１０で、近距離、中距離と遠距離などの領域をセンサ感度よく検出することが可能となることから、距離に応じて別々の反射型光電センサを追加する必要もない。

（実施形態２）
図２に示す本実施形態の反射型光電センサ１０の基本構成は、実施形態１の反射型光電センサ１０と略同一であり、第一の投光素子２を介して、一対の受光素子４，４を配置した点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の反射型光電センサ１０は、図２に示すように、第二の投光素子７，８を第一の投光素子２を介して一対の受光素子４，４の間にそれぞれ配置している。すなわち、一つの第一の投光素子２を２個の受光素子４，４で共有している。同様に、２個の受光素子４，４を各受光素子４，４に最も近い２個の第二の投光素子８，８でそれぞれ共有している。また、２個の受光素子４，４を各受光素子４，４からそれぞれより離れた２個の第二の投光素子７，７でそれぞれ共有している。

本実施形態の反射型光電センサ１０は、反射型光電センサ１０から被検出対象までの距離を測定する場合、一対の受光素子４，４にそれぞれ最も近い２個の第二の投光素子８，８を受光素子４，４と同期して点滅駆動させる。反射型光電センサ１０は、前記被検出対象が第二の投光素子８，８によって検知することができる近距離の領域ＬＬ２にあれば、反射型光電センサ１０と前記被検出対象との距離を検出する。同様に、反射型光電センサ１０が領域ＬＬ２を検知後、反射型光電センサ１０は、一対の受光素子４，４にそれぞれ次に近い２個の第二の投光素子７，７を受光素子４，４と同期して点滅駆動させる。反射型光電センサ１０は、前記被検出対象が第二の投光素子７，７によって検知することができる前記領域ＬＬ２よりも離れた領域ＬＬ１にあれば、反射型光電センサ１０と前記被検出対象との距離を検出する。最後に、反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２を一対の受光素子４，４と同期して点滅駆動させる。ここで、第一の投光素子２から投光された光は、投光レンズ１を介して収束され反射型光電センサ１０の表面から遠い距離に離れた領域Ｌａに前記被検出対象があると、前記被検出対象によって光が反射され、同様にして反射型光電センサ１０と被検出対象との距離を検出することができる。

反射型光電センサ１０では、第一の投光素子２に対して一対の受光素子４，４で前記被検出対象からの光を受光することから、前記被検出対象の反射面が不均一でいずれか一方の受光素子４側に傾いていたとしても、前記被検出対象で反射した光を受光することができる。そのため、本実施形態の反射型光電センサ１０は、実施形態１の反射型光電センサ１０と比較して誤検知や測定誤差を小さくし、センサ感度の安定化をはかることが可能となる。また、本実施形態の反射型光電センサ１０は、第一の投光素子２を介して受光素子４，４と第二の投光素子７，７，８，８と、を離間して一対設けることにより、反射型光電センサ１０から近距離における第一の投光素子２の光軸と垂直方向においてセンサ検出範囲を広くすることもできる。

１ 投光レンズ
２ 第一の投光素子
３ 受光レンズ
４ 受光素子
６ パッケージ
７，８ 第二の投光素子
９ 遮光壁
１０ 反射型光電センサ

Claims (2)

1. 光を収束する投光レンズを介して被検出対象に光を投光する第一の投光素子と、前記被検出対象で反射した光を集光する受光レンズを介して受光した光を光電変換する受光素子と、をパッケージ内の一表面側に離間して配置させ、前記一表面側における前記第一の投光素子と前記受光素子との間に、前記第一の投光素子からの投光により前記被検出対象で反射した光が前記受光素子の受光範囲外となる近距離において前記受光素子が受光可能となる光を前記被検出対象に投光する第二の投光素子を有する反射型光電センサであって、
   前記第二の投光素子は、レンズ機能を持った砲弾型のモールド部を有するＬＥＤであって前記受光素子から異なる間隔を隔て複数個設けられてなり、前記パッケージは、前記第二の投光素子からの直接光が前記受光素子に入射することを妨げる遮光壁を、前記受光素子と、該受光素子に最も近い前記第二の投光素子と、の間に備え、複数個の前記第二の投光素子間には前記遮光壁を備えていないことを特徴とする反射型光電センサ。
2. 前記第一の投光素子を介して、一対の前記受光素子を配置してなることを特徴とする請求項１に記載の反射型光電センサ。

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