JP2003282937A

JP2003282937A - 光電センサ装置

Info

Publication number: JP2003282937A
Application number: JP2002224785A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ogawa; 裕司小川
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2003-10-03
Also published as: US20030136895A1; US6891142B2

Abstract

(57)【要約】【課題】寿命劣化の小さい４元素ＬＥＤの特徴を生か
しながら、駆動回路の小型化、ひいては装置全体の小型
化及びコスト低減が可能な光電センサ装置を提供する。【解決手段】検出領域に対して光を投光する投光部
３，２２と、検出領域からの光を受光する受光部４，２
４と、受光部４，２４から出力される受光量に相当する
電気信号を増幅し処理する信号処理部２５，２６とを備
えた光電センサ装置において、投光部３，２２を構成す
る発光素子２２として４元素高輝度タイプのＬＥＤを使
用し、ＬＥＤ２２の周囲温度の変化に対する発光量の変
動を抑えるための自動制御回路が駆動回路２３に備えら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検出領域に対して
光を投光する投光部と、検出領域からの光を受光する受
光部と、該受光部から出力される受光量に相当する電気
信号を増幅し処理する信号処理部とを備えた光電センサ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような光電センサ装置の一種とし
て、検出領域に検出対象物が在るか否かを検出するもの
（光電スイッチともいう）がある。いわゆる反射型の光
電センサ装置では、投光部から検出領域に向けて投光さ
れた光が検出対象で反射して受光部に入射することから
検出対象物の存否が検出される。また、いわゆる透過型
の光電センサ装置では、投光部から検出領域に向けて投
光された光が検出対象物によって遮られることによって
受光部に入射しなくなることから検出対象物の存否が検
出される。これらの光電センサ装置（光電スイッチ）の
他に、検出領域にある検出対象物の形状や色、変位等を
光によって検出する装置も含めて光電センサ装置という
ことがある。

【０００３】上記のような光電センサ装置の投光部を構
成する発光素子（光源）には、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）を用いることが多い。そして、従来はＡｌＧａＡｓ
（アルミニウム、ガリウム、ヒ素）からなる半導体のＰ
Ｎ接合を有するＬＥＤが使用されていた。以下の説明に
おいて、このＬＥＤを３元素タイプのＬＥＤ（又は、単
に３元素ＬＥＤ）という。

【０００４】３元素ＬＥＤは、高輝度が得られる特徴を
有する反面、寿命劣化が大きい欠点を有する。特に、湿
度の高い環境下での使用において、Ａｌの酸化に起因す
る劣化が大きく、長時間使用すると発光量（輝度）の低
下が顕著に見られる。したがって、所定の寿命を保証す
るためには、輝度の低下を駆動回路によって補う必要が
ある。

【０００５】つまり、ＬＥＤの輝度は、所定の領域内で
は駆動電流を増やすほど高くなるので、寿命劣化によっ
て輝度が低下すれば駆動電流を増やすことによって輝度
の低下を補償し、一定の輝度を維持するように制御する
ことができる。モニター受光素子を用いてＬＥＤの輝度
を検出し、輝度が一定になるようにＬＥＤの駆動電流を
制御する回路をＡＰＣ（自動出力制御）回路という。

【０００６】投光部を構成する発光素子としてＡｌＧａ
ＩｎＰ（アルミニウム、ガリウム、インジウム、リン）
からなる半導体のＰＮ接合を有するＬＥＤを使用した光
電センサ装置も実用化されている。以下の説明におい
て、このＬＥＤを４元素タイプのＬＥＤ（又は、単に４
元素ＬＥＤ）という。

【０００７】４元素ＬＥＤは、Ａｌの比率を小さくでき
ることから、Ａｌの酸化に起因する寿命劣化が小さく、
長時間使用しても輝度がほとんど低下しない特徴があ
る。むしろ、使用時間が長くなるほど輝度がわずかに上
昇する測定結果が得られている。したがって、４元素Ｌ
ＥＤを使用した光電センサ装置では、上記のようなＡＰ
Ｃ回路を省略しても実使用上問題がないことがわかって
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、４元素
ＬＥＤは、３元素ＬＥＤに比べて輝度が低い欠点を有し
ている。このため、同等の輝度（発光量）を得るために
は駆動電流を大きくする必要がある。例えば、３元素Ｌ
ＥＤに２００ｍＡの駆動電流を流したときに得られる輝
度と同程度の輝度を４元素ＬＥＤで得るには、５００〜
６００ｍＡ程度の駆動電流を流す必要がある。

【０００９】より大きい駆動電流をＬＥＤに流すために
は、駆動回路の電流容量を高める必要があり、これは駆
動回路のコスト上昇につながる。また、駆動回路やＬＥ
Ｄの発熱が大きくなるので、放熱のための構造（及びス
ペース）が必要になり、このことは装置全体の小型化に
とって障害となり得る。

【００１０】また、光ファイバを用いた光電センサ装置
において、ＬＥＤの発熱が光ファイバの基端部に及ぼす
悪影響を回避するために、ＬＥＤと光ファイバの基端部
とを離して、集光用レンズを間に設けるといった構造が
必要になる。このような構造も装置全体の小型化及びコ
スト低減にとって障害となり得る。

【００１１】本発明は、上記のような従来の課題に鑑
み、寿命劣化の小さい４元素ＬＥＤの特徴を生かしなが
ら、駆動回路の小型化、ひいては装置全体の小型化及び
コスト低減が可能な光電センサ装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＡｌＧａ
ＩｎＰからなる半導体のＰＮ接合を用いた４元素ＬＥＤ
であり、かつ、ＧａＡｓのサブストレートを光透過性又
は光反射率の高い層で置き換えた高輝度タイプのＬＥＤ
（例えば米国特許５００８７１８号参照）があることを
知り、このＬＥＤを光電センサ装置に使用するための検
討を行った。

【００１３】このＬＥＤは、従来の３元素ＬＥＤとほぼ
同じ駆動電流で同等の輝度を得ることができる。しか
し、３元素ＬＥＤに比べて、周囲温度に対する輝度の変
動が大きいことがわかった。そこで、従来の３元素ＬＥ
Ｄを用いた光電センサ装置に備えられていたＡＰＣ回路
と同様の自動制御回路を設けることにより、周囲温度に
対する輝度の変動を抑えて使用上問題の無い性能が得ら
れることを見出した。

【００１４】すなわち、本発明の光電センサ装置は、検
出領域に対して光を投光する投光部と、検出領域からの
光を受光する受光部と、該受光部から出力される受光量
に相当する電気信号を増幅し処理する信号処理部とを備
えた光電センサ装置であって、投光部を構成する発光素
子として４元素高輝度タイプのＬＥＤを使用し、該ＬＥ
Ｄの周囲温度の変化に対する発光量の変動を抑えるため
の自動制御回路を設けたことを特徴とする。好ましい実
施形態において、上記４元素高輝度タイプのＬＥＤは、
ＡｌＧａＩｎＰからなる半導体のＰＮ接合を有し、Ｇａ
ＡｓのサブストレートをＧａＰのサブストレートに置き
換えたものである。このような４元素高輝度タイプのＬ
ＥＤは、光吸収性のＧａＡｓのサブストレートを光透過
性のＧａＰのサブストレートに置き換えたことにより、
上面のみならず下面からも光を取り出せるので高輝度が
得られる。別の好ましい実施形態において、上記４元素
高輝度タイプのＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰからなる半導
体のＰＮ接合を有し、光透過性のサファイア基板で置き
換えたものである。このような４元素高輝度タイプのＬ
ＥＤは、光吸収性のＧａＡｓのサブストレートを光透過
性のサファイア基板で置き換えたことにより、上面のみ
ならず下面からも光を取り出せるので高輝度が得られ
る。更に別の好ましい実施形態において、上記４元素高
輝度タイプのＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰからなる半導体
のＰＮ接合を有し、ＧａＡｓのサブストレートを光反射
率の高い金属薄膜を含む層で置き換えたものである。こ
のような４元素高輝度タイプのＬＥＤは、下面に向かう
光が金属薄膜で反射して上面に向かうので、上面から高
輝度の光が得られる

【００１５】上記のような光電センサ装置は、寿命劣化
が少ない４元素ＬＥＤを光源（発光素子）として用いな
がら、従来の３元素ＬＥＤと同等の駆動電流で済むの
で、駆動回路の小型化、ひいては装置全体の小型化及び
コスト低減が可能になる。また、周囲温度の変化に対す
る発光量（輝度）の変動を抑えるための自動制御回路の
回路構成は従来のＡＰＣ回路と同じものを使用すること
ができる。

【００１６】つまり、自動制御回路は、発光素子からの
光をモニター受光素子で受光し、モニター受光素子から
得られた受光量に相当する電気信号に基づいて発光素子
の駆動電流を制御するように構成されたＡＰＣ回路であ
る。

【００１７】しかも、３元素ＬＥＤの寿命劣化に伴う輝
度低下の幅に比べて４元素ＬＥＤの周囲温度の変化に対
する発光量の変動（低下）の幅は小さいので、駆動電流
の余裕を小さく設計することが可能になる。

【００１８】また、自動制御回路は、発光素子の駆動回
路に挿入された抵抗から帰還される電圧信号に基づいて
発光素子の駆動電流を制御するように構成されたＡＣＣ
回路をさらに備え、ＡＰＣ回路の作動を停止したときに
ＡＣＣ回路を作動させることが好ましい。ＡＰＣ回路が
輝度のフィードバック制御によって輝度を一定に維持す
るように働くのに対して、ＡＣＣ回路は駆動電流のフィ
ードバック制御によって駆動電流を一定に維持するよう
に働く。したがって、周囲温度が変化したときに、ＡＰ
Ｃ回路が作動している場合はＬＥＤの輝度が略一定に維
持され、ＡＰＣ回路が作動していない場合は、ＡＣＣ回
路によって少なくとも駆動電流は一定に維持される。

【００１９】また、本発明の光電センサ装置は、信号処
理部から出力される受光量に相当する数値を表示するデ
ィジタル表示器を備えていることが好ましい。このよう
な表示を備えている場合は、周囲温度の変化に伴ってＬ
ＥＤの輝度が変化すると、その変化が受光量の変化とし
て現れ、ディジタル表示器に表示される数値が変化する
ので、上記のような発光量（輝度）の変動を抑えるため
の自動制御回路の必要性が高くなる。このようなディジ
タル表示器が備えられていない場合は、受光量の絶対値
が多少変化しても、対象物の検出性能に影響が無い範囲
内での変化は問題ない。

【００２０】また、本発明の光電センサ装置は、投光部
に投光側光ファイバの基端部が接続され、受光部に受光
側光ファイバの基端部が接続される光ファイバ型の光電
センサ装置であって、投光部を構成する発光素子から発
した光が投光側光ファイバの基端面に直接入射するよう
に構成されていることを特徴とする。前述のように、Ｌ
ＥＤの駆動電流が大きい場合はＬＥＤの発熱が光ファイ
バの基端部に及ぼす悪影響を回避するために、ＬＥＤと
光ファイバの基端部とを離して、集光用レンズを間に設
けるといった構造が必要になる。しかし、本発明の構成
ではＬＥＤの駆動電流が小さいので、ＬＥＤと光ファイ
バの基端部とを近づけ、集光用レンズを省略することが
可能になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２２】図１は本発明の実施形態に係る光電センサ
装置（以下、単に光電センサという）の外観を示す斜視
図である。この光電センサ１は、光ファイバ型の光電セ
ンサの例であり、薄型直方体形状のケース１０の前面側
に投光側光ファイバ及び受光側光ファイバの接続部（挿
入口）１１及び１２が設けられている。背面側には、電
源供給や検出信号出力等のためのケーブル接続部（図示
せず）が設けられている。このような光電センサ１の本
体部は、センサアンプ１とも呼ばれる。

【００２３】下面の窪み部１３は、ＤＩＮレール（機器
取付用規格レール）にセンサアンプ１を取り付けるため
の取付部である。通常は複数のセンサアンプ１を重ねる
ように並べてＤＩＮレールに取り付ける。そして隣接す
るセンサアンプ同士は、一方の側面に設けられた雄コネ
クタ１４と他方の側面に設けられた雌コネクタ（図示せ
ず）とによって機械的及び電気的に連結される。

【００２４】センサアンプ１の上面には、８桁（４桁×
２）の７セグメントＬＥＤを用いた表示器１５と、検出
出力のオン状態及びオフ状態を点灯又は消灯で２値表示
するための出力インジケータ（発光ダイオード）１６が
設けられている。また、検出判定のためのしきい値の設
定、動作モードや表示モードの切り替え等に使用される
押釦スイッチ１７〜２０が設けられている。押釦スイッ
チ１８は、スイングタイプのアップダウン押釦スイッチ
である。

【００２５】図２は、本発明の実施形態に係る光電セン
サの回路構成を示すブロック図である。この例では、投
光ヘッド３ａが取り付けられた投光側光ファイバ３と受
光ヘッド４ａが取り付けられた受光側光ファイバ４がセ
ンサアンプ１（の光ファイバ接続部１１及び１２）に接
続され、透過型の光電センサを構成している。センサア
ンプ１には投光側光ファイバ３の基端側に接続される発
光素子（発光ダイオード）２２と、受光側光ファイバ４
の基端側に接続される受光素子（フォトダイオード）２
４が内蔵されている。発光素子２２及び投光側光ファイ
バ３が投光部を構成し、受光側光ファイバ４及び受光素
子２４が受光部を構成している。

【００２６】発光素子２２から出た光は投光側光ファイ
バ３を伝播し、その先端（投光ヘッド３ａ）から破線で
示すように（約６０度の角度で広がるように）投光さ
れ、対向する位置に設けられた受光ヘッド４ａから受光
側光ファイバ４に入射し、受光側光ファイバ４を伝播し
て受光素子２４に至る。投光ヘッド３ａから受光ヘッド
４ａに至る光路ＬＢを検出対象物ＷＫが遮ったときに受
光素子２４の受光量が低下することから、検出対象物Ｗ
Ｋの有無を検出することができる。

【００２７】反射型の光電センサを構成する場合は、投
光ヘッド３ａから投光された光が検出対象物ＷＫで反射
して受光ヘッド４ａから受光側光ファイバ４に入射する
ように、投光ヘッド３ａ及び受光ヘッド４ａの位置及び
方向がセットされる。あるいは、投光ヘッド３ａ及び受
光ヘッド４ａを一体化したヘッド部が使用される。な
お、光電センサには種々のタイプがある。例えばアンプ
分離型と呼称されるものでは、ヘッド部に発光素子及び
受光素子が内蔵され、ヘッド部とセンサアンプとの間は
光ファイバではなく電気ケーブルによって接続される。

【００２８】図２において、センサアンプ１には、発光
素子２２の駆動回路２３及びそれを制御する処理部（マ
イクロプロセッサ）２８が内蔵されている。駆動回路２
３には、発光素子２２の輝度及び駆動電流をフィードバ
ック制御するＡＰＣ回路及びＡＣＣ回路からなる自動制
御回路が含まれている。この回路の詳細については後述
する。

【００２９】また、受光素子２４から出力された受光量
に相当する電気信号を増幅する増幅回路２５と、増幅回
路２５の出力電圧をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換
器２６がセンサアンプ１に内蔵され、Ａ／Ｄ変換器２６
から得られるディジタル値は処理部２８に入力される。
処理部２８は、入力されたディジタル値を後述するしき
い値と比較して、その結果を検出対象物ＷＫの有無を示
す二値信号として出力回路２７から外部機器へ出力す
る。したがって、増幅回路２５及びＡ／Ｄ変換器２６
（及び処理部２８）が、受光量に相当する電気信号を増
幅し処理する信号処理部に相当する。なお、本実施形態
の光電センサでは１２ビットのＡ／Ｄ変換器２６が使用
され、０〜４０９５（１０進数）のディジタル値を出力
する。

【００３０】また、前述の表示器１５及び出力インジケ
ータ１６に対応する表示回路３０、押釦スイッチ１７〜
２０に対応する押釦スイッチ回路３１、連結用コネクタ
（雄コネクタ１４及び雌コネクタ）に対応する連結回路
３２もセンサアンプ１に内蔵され、処理部２８はこれら
の制御も司る。なお、図２において、処理部２８の入出
力信号のうち受光量及び検出値に関係するデータの流れ
を実線の矢印で示し、それ以外の制御信号を破線の矢印
で示している。

【００３１】図３は、図１に示した光電センサの上面図
である。センサアンプ１に備えられた表示器１５は、８
桁の７セグメント表示器であり、４桁からなる第１表示
部１５ａと、同じく４桁からなる第２表示部１５ｂが並
ぶように構成されている。例えば、検出動作中は、第１
表示部１５ａ（下位４桁）で検出値を１０進数表示し、
第２表示部１５ｂ（上位４桁）でしきい値（設定値）を
１０進数示するような使用形態が可能である。あるい
は、図４に示すように、第１表示部１５ａで検出値又は
しきい値を１０進数表示し、第２表示部１５ｂの各桁の
一部セグメントを用いて検出値又はしきい値をバーグラ
フ表示するといった使用形態が可能である。

【００３２】また、本実施形態の光電センサは、検出値
及びしきい値を最大桁数４桁で１０進数表示する通常モ
ードに加えて、５桁で１０進数表示する高精度モードを
備えている。高精度モードで検出値（又はしきい値）を
表示する場合は、図５に示すように、第１表示部１５ａ
及び第２表示部１５ｂの両方を用いて（連結して）５桁
の１０進表示を行う。もちろん、第１表示部１５ａ及び
第２表示部１５ｂを連結すれば、最大８桁までの１０進
表示が可能になる。

【００３３】次に、押釦スイッチ１７〜２０の使用例に
ついて簡単に説明する。各押釦スイッチは複数の機能に
兼用されており、以下の使用例はその一部の機能であ
る。

【００３４】先ず、しきい値を設定する際は押釦スイッ
チ１７（以下、セットＳＷと記す）と押釦スイッチ１８
（以下、アップダウンＳＷと記す）が使用される。例え
ば、図２において投光ヘッド３ａから受光ヘッド４ａに
至る光路ＬＢを遮るように検出対象物ＷＫを配置してセ
ットＳＷ１７を押下し、次に検出対象物ＷＫを光路ＬＢ
から除いた状態でセットＳＷ１７を再度押下する。その
結果、検出対象物ＷＫが光路ＬＢを遮っているときの受
光量に相当する検出値（例えば２０００）と、遮ってい
ないときの受光量に相当する検出値（例えば４０００）
との中間値（例えば３０００）がしきい値として自動設
定される。

【００３５】このとき、しきい値の設定値が表示器１５
に表示される。通常モードでは、第１表示部１５ａ及び
第２表示部１５ｂのうちのいずれか一方に４桁表示され
る。そして、アップダウンＳＷ１８を用いてしきい値の
設定値を増減調整することができる。

【００３６】次に、動作モードの設定には、押釦スイッ
チ１９（以下、モードＳＷと記す）とアップダウンＳＷ
１８が使用される。モードＳＷ１９を一定時間（例えば
２秒）以上押しつづけると動作モードの設定変更が可能
となり、アップダウンＳＷ１８を用いて動作モードを順
番に選択することができる。このとき、表示器１５に選
択された動作モードが簡略化されたアルファベットで表
示される。例えば図６に示すように、「ファイン」、
「ターボ」、「スーパーターボ」、「ウルトラター
ボ」、「ハイスピード」、「スーパーファイン」の６種
類の動作モードがアップダウンＳＷ１８の押下によって
正逆両方向に変化する。

【００３７】なお、６種類の動作モードは、検出対象物
の大きさや距離等に応じて適切な発光量（発光素子２２
の駆動電流）や感度（増幅回路２５の増幅度）等の回路
条件を最適化するために備えられている。例えば、「フ
ァイン」モードは前述の通常モードに相当し、投光ヘッ
ド３ａから検出対象物ＷＫまでの距離１００ｍｍ程度に
最適化されている。「ターボ」モードは２００ｍｍ、
「スーパーターボ」モードは３００ｍｍ、「ウルトラタ
ーボ」は４００ｍｍにそれぞれ最適化されている。ま
た、「ハイスピード」モードは、光路ＬＢを比較的速く
横切る検出対象物ＷＫを検出できるように、応答速度を
速くした動作モードである。

【００３８】また、「スーパーファイン」モードは、前
述の高精度モードに相当し、このモードでは、発光量又
は感度（増幅率）を「ファイン」モード（通常モード）
よりも下げることにより、投光ヘッド３ａから検出対象
物ＷＫまでの距離を「ファイン」モードより更に縮めた
場合でも、増幅回路２５又はＡ／Ｄ変換器２６が飽和し
難くしている。こうすることにより、投光スポット径の
広がりを抑えて、検出対象物ＷＫが小さい（又は細い）
場合にも正確に検出することが可能になる。

【００３９】本実施形態の光電センサは、上記の動作モ
ードの他に、検出値の変化の微分演算を行い立上がり又
は立下りのエッジ検出信号を出力する微分モード、立上
がり又は立下りのエッジから遅延時間（設定可能）後に
検出信号を出力するタイマーモード等、種々のモードを
備えている。また、表示器１５による表示モードについ
ても複数のモードが備えられている。それらのモード切
り替えについても、押釦スイッチ１７〜２０の押す順序
や押し方（例えば２秒以上の押下、２回押し等）を組み
合わせることによって変更することができる。

【００４０】上記のように、検出値をディジタル表示す
ることから、検出動作に必要な受光量の変化だけでなく
絶対値の正確さが要求される。周囲温度の変化や寿命劣
化に伴って検出値の表示が変化すると、ユーザの装置に
対する信頼を損なうおそれがある。そこで、本実施形態
の光電センサは、寿命劣化による輝度劣化が小さく、し
かも同一駆動電流に対する輝度（発光量）が大きい４元
素高輝度タイプのＬＥＤを発光素子２２として使用する
と共に、周囲温度の変化に対する発光量の変動を抑える
ための自動制御回路をＬＥＤの駆動回路２３に備えてい
る。

【００４１】まず、発光素子２２として使用する４元素
高輝度タイプのＬＥＤについて説明する。

【００４２】この４元素高輝度タイプのＬＥＤの一例と
して、米国特許５００８７１８号に記載されたものがあ
る。このＬＥＤは、ＡｌＧａＩｎＰからなる半導体のＰ
Ｎ接合を用いた４元素ＬＥＤにおいて、ＧａＡｓのサブ
ストレートをＧａＰのサブストレートに置き換えたもの
である。ＧａＡｓに比べてＧａＰは光透過率が高いの
で、ＰＮ接合の前面から出る光だけでなく背面から出る
光をも有効に使用して高い輝度を得ることができる。

【００４３】つまり、非透明なＧａＡｓサブストレート
ではＰＮ接合の背面から出る光はＧａＡｓサブストレー
トに吸収されてしまうが、透明なＧａＰサブストレート
ではＰＮ接合の背面から出る光はほとんど吸収されずに
ＧａＡｓサブストレートを通過する。ＧａＡｓサブスト
レートを通過した光は、ＬＥＤ素子の背面に設けられた
反射板（反射カップ）で反射して前方に向かう。こうし
て、ＰＮ接合の前面から出る光に背面から出る光が加わ
ることにより、高輝度が得られる。

【００４４】図１１は、４元素高輝度タイプのＬＥＤの
製造工程を模式化して示す断面図である。先ず、工程
（ａ）から（ｂ）に示すように、ＧａＡｓサブストレー
ト６１上で添加物を添加しＡｌＧａＩｎＰ層６２を結晶
成長させる。次に、工程（ｃ）に示すように、ＡｌＧａ
ＩｎＰ層６２の上に、ＧａＰ層６３を成長させる。Ｇａ
Ｐ層は光透過性であり、屈折率がＡｌＧａＩｎＰ層６２
の屈折率より小さく、かつ、空気の屈折率より大きいた
め、ＡｌＧａＩｎＰ層６２から発した光が空中へ放出さ
れる際に全反射による損失が少なくなり発光効率が高く
なる。

【００４５】次に工程（ｄ）に示すように、光吸収性の
ＧａＡｓサブストレート６１を削り取り、工程（ｅ）に
示すように、光透過性のＧａＰ層６４でできた窓材を貼
り付ける。このようにして、光吸収性のＧａＡｓサブス
トレート６１が光透過性のＧａＰ層６４で置き換えられ
る。

【００４６】別の４元素高輝度タイプのＬＥＤとして、
光吸収性のＧａＡｓサブストレート６１を光透過性のサ
ファイア基板で置き換えたものがある。つまり、図１１
中の工程（ｅ）において、ＧａＰ層６４の代わりに、サ
ファイア基板を貼り付ける。但し、サファイアは非導電
性であるので、２本の電極を上面のＧａＰ層６３を介し
て取り出すことになる。このＬＥＤの場合も、上記のＬ
ＥＤと同様に、ＡｌＧａＩｎＰ層６２から発した光が光
透過性のサファイア基板を通って下方（背面）にも放射
されるので、高輝度が得られる。

【００４７】更に別の４元素高輝度タイプのＬＥＤとし
て、光吸収性のＧａＡｓサブストレート６１を光反射率
の高い金属薄膜を含む層で置き換えたものがある。この
ＬＥＤの断面構造の例を図１２に模式的に示す。ｎ型シ
リコン基板６５にＡｕ薄膜６６及びＡｌ薄膜６７を形成
してなる層６８がＡｌＧａＩｎＰ層６２の下面に貼り付
けられている。このＬＥＤでは、ＡｌＧａＩｎＰ層６２
から下方に放射された光が高い反射率を有するＡｌ薄膜
６７によって反射され、上面のＧａＰ層６３から取り出
されるので、高輝度が得られる。

【００４８】本実施形態の光電センサ装置は、上記のよ
うな各種構造を有する４元素高輝度タイプのＬＥＤのう
ち、いずれのＬＥＤを用いてもよい。

【００４９】図７は、高湿度下での寿命劣化による輝度
（発光量）の変化を３元素ＬＥＤ及び４元素ＬＥＤにつ
いて測定した結果を比較して示すグラフである。曲線３
５は、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム、ガリウム、ヒ素）
からなる半導体のＰＮ接合を有する３元素ＬＥＤ（従来
の光電センサ装置）の劣化特性である。高湿度下におい
て、使用時間が２０００時間程度になると、３０％近く
まで輝度が低下している。モニター受光素子を用いてＬ
ＥＤの輝度を検出し、輝度が一定になるようにＬＥＤの
駆動電流を制御するＡＰＣ回路の働きによって、曲線３
６に示すように、ほぼ一定の輝度に維持される。

【００５０】実際の使用条件下では、寿命劣化によって
ＬＥＤの輝度が５０％まで低下することを想定して寿命
設計を行っていた。したがって、ＬＥＤの駆動回路２３
は、使用開始直後の駆動電流の約２倍の電流容量を確保
するようにマージン（余裕）が設計されていた。

【００５１】図７のグラフにおいて、曲線３７がＡｌＧ
ａＩｎＰ（アルミニウム、ガリウム、インジウム、リ
ン）からなる半導体のＰＮ接合を用いた４元素ＬＥＤ
（本実施形態の光電センサ装置）の劣化特性である。図
７の測定例では、使用時間の経過と共に輝度が低下せず
に、むしろわずかに上昇していることがわかる。さらに
使用時間が経過すれば輝度が下降に転ずるが、その傾き
は小さく、長時間使用しても輝度がほとんど低下しない
ことがわかっている。

【００５２】図８は、周囲温度の変化に対する輝度（発
光量）の変動を３元素ＬＥＤ及び４元素ＬＥＤについて
測定した結果を比較して示すグラフである。曲線３８は
３元素ＬＥＤの輝度の変動を示し、曲線３９は４元素Ｌ
ＥＤの輝度の変動を示している。いずれも、周囲温度２
６℃における輝度を１００％とし、周囲温度の変化に対
する輝度の変動を変動率（光量比）として百分率で表し
ている。

【００５３】本実施形態の光電センサ装置の発光素子２
２として使用する４元素高輝度タイプのＬＥＤは、寿命
劣化に伴う輝度の低下がほとんど無く、かつ、高輝度で
ある特徴を有するが、図８からわかるように、３元素Ｌ
ＥＤに比べて周囲温度の変化に対する輝度の変動が大き
い欠点を有している。図８の測定例では、周囲温度が−
１５℃から＋６０℃まで変化したときに、３元素ＬＥＤ
の輝度変動が＋１０％から−５％程度であるのに対し
て、４元素ＬＥＤの輝度変動は、＋１３％から−２５％
近くに達する。

【００５４】本実施形態の光電センサ装置のように検出
値をディジタル表示する場合は、上記のような周囲温度
の変化に対する輝度の変動が表示値の変動として現れ
る。しかも、本実施形態の光電センサ装置のように５桁
の１０進数表示を行う高精度モードを備えている場合
は、その表示値の変動が目立ちやすくなる。このような
変動を抑えるために、本実施形態の光電センサ装置にお
けるＬＥＤの駆動回路２３は、ＬＥＤの輝度のフィード
バック制御を行う自動制御回路を備えている。

【００５５】この自動制御回路は、従来の３元素ＬＥＤ
を用いた光電センサ装置における寿命劣化に伴う輝度低
下を補償するためのＡＰＣ回路の構成をそのまま使用す
ることができる。つまり、モニター受光素子を用いてＬ
ＥＤの輝度を検出し、輝度が一定になるようにＬＥＤの
駆動電流を制御するＡＰＣ回路を自動制御回路として使
用できる。但し、前述のように、従来の３元素ＬＥＤを
用いた光電センサ装置ではＬＥＤの輝度が５０％まで低
下することを想定して、ＬＥＤの駆動回路２３が約２倍
の電流容量を確保するように余裕設計されていたのに対
して、本実施形態の４元素ＬＥＤを用いた光電センサ装
置では、ＬＥＤの駆動回路２３の電流容量の余裕を３０
％（周囲温度２６℃での電流容量の１．３倍）程度に下
げることが可能である。

【００５６】つまり、図８を用いて説明したように、周
囲温度が６０℃まで上がる場合を想定しても、ＬＥＤの
輝度の低下は−２５％以内に収まっているので、輝度低
下を補うためのＬＥＤの駆動電流の増加分として３０％
の余裕があれば十分である。もちろん、３元素ＬＥＤを
用いた光電センサ装置で使用していたＡＰＣ回路を含む
駆動回路をそのまま用いてもよいし、電流容量の余裕を
小さくできる分だけ小型化することも可能である。

【００５７】図９は、ＡＰＣ回路を含むＬＥＤ駆動回路
２３の具体例を示す回路図である。ＬＥＤ（発光素子）
２２の駆動回路２３は、ＬＥＤ２２にパルス駆動電流を
流すためのトランジスタ４１を備え、そのコレクタと電
源Ｖｃｃとの間にＬＥＤ２２が接続されている。トラン
ジスタ４１のエミッタは駆動電流検出用抵抗４２を介し
て接地されている。

【００５８】トランジスタ４１のベースには、所定の周
期とオン期間（パルス幅）でＬＥＤ２２に駆動電流を流
すためにトランジスタ４１のオン・オフを制御する駆動
制御スイッチ４３が設けられている。この駆動制御スイ
ッチ４３は実際には電子回路又はマイクロプロセッサの
出力ポートからの信号でオン・オフ制御される。オン期
間とオフ期間との比率は、１：５０から１：１００程度
に設定される。この結果、ＬＥＤ２２は約１／５０〜１
／１００のオン・オフ比でパルス駆動される。ＬＥＤ２
２が１回（１つのパルス電流で）発光するごとに、その
光が投光側光ファイバ３及び受光側光ファイバ４を伝播
して受光素子２４に至り、その受光量に対応する検出電
圧が得られることになる。

【００５９】ＬＥＤ２２の輝度（発光量）を決定するパ
ルス駆動電流のピーク値は、トランジスタ４１に流れる
ベース電流によって制御され、このベース電流は、モニ
ター受光素子（フォトダイオード）４４、輝度帰還用ス
イッチ４５、第１コンデンサ４６、第２コンデンサ４
７、短絡用スイッチ４８、演算増幅器４９等からなるＡ
ＰＣ（自動出力制御）回路５０によって制御される。

【００６０】すなわち、ＬＥＤ２２から発した光の一部
がモニター受光素子４４によって受光されると、その受
光量に比例する（すなわちＬＥＤ２２の発光量に比例す
る）電圧が抵抗５１の両端に発生する。このとき、輝度
帰還用スイッチ４５は閉じており、短絡用スイッチ４８
が開いているため、第１コンデンサ４６が抵抗５１の両
端の電圧まで充電される。なお、ＡＰＣ回路５０の動作
中は、後述するＡＣＣ（自動電流制御）回路を構成する
電流帰還用スイッチ５２は開いたままである。

【００６１】ＬＥＤ２２の点灯期間（オン期間）の終了
に伴って駆動制御スイッチ４３が開かれる（オフにな
る）と、輝度帰還用スイッチ４５が開かれると共に短絡
用スイッチ４８が閉じられる。実際には、駆動制御スイ
ッチ４３が開かれる少し前に輝度帰還用スイッチ４５が
開かれ、第１コンデンサ４６の電荷が輝度帰還用スイッ
チ４５を通って逆流することが防がれる。短絡用スイッ
チ４８が閉じられると、第１コンデンサ４６の電荷が第
２コンデンサ４７に流れ込み、第１コンデンサ４６及び
第２コンデンサ４７の充電電圧が等しくなる。この充電
電圧が次回のパルス駆動の際の駆動電流を決定するトラ
ンジスタ４１のベース電流を決定することになる。つま
り、第１コンデンサ４６及び第２コンデンサ４７の充電
電圧と基準電圧Ｖｏとの差に応じて演算増幅器４９の出
力電圧、ひいてはトランジスタ４１のベース電流が決ま
る。

【００６２】例えば、ＬＥＤ２２の発光量すなわちモニ
ター受光素子４４の受光量が増加して、第１コンデンサ
４６及び第２コンデンサ４７の充電電圧が高くなれば、
それに応じて演算増幅器４９は出力電圧が低下するよう
に作用する。演算増幅器４９は出力電圧が低下すると、
演算増幅器４９の出力端子に接続された抵抗５３及びコ
ンデンサ５４からなる積分回路の出力電圧（コンデンサ
５４の充電電圧）が低下し、駆動制御スイッチ４３が次
に閉じられたときのトランジスタ４１のベース電流が減
少する。その結果、ＬＥＤ２２の駆動電流が減少して発
光量（輝度）が低下する。

【００６３】逆に、ＬＥＤ２２の発光量すなわちモニタ
ー受光素子４４の受光量が減少して、第１コンデンサ４
６及び第２コンデンサ４７の充電電圧が低くなれば、演
算増幅器４９は出力電圧が上昇するように作用する。そ
の結果、コンデンサ５４の充電電圧が上昇し、駆動制御
スイッチ４３が次に閉じられたときのトランジスタ４１
のベース電流が増加するので、ＬＥＤ２２の駆動電流が
増加して発光量（輝度）が増加する。

【００６４】上記のような一種の負帰還（フィードバッ
ク）制御によって、ＬＥＤ２２の発光量（輝度）が一定
に維持される。つまり、周囲温度の変化に起因してＬＥ
Ｄ２２の発光量が変化しようとすれば、その変化を補償
する方向にＬＥＤ２２の駆動電流が変化し、結果として
ＬＥＤ２２の発光量（輝度）が一定に維持される。

【００６５】なお、本実施形態の光電センサ装置では、
ＬＥＤ２２がパルス駆動され、そのパルス幅が小さいの
で、１回のパルス駆動の時間内でフィードバック制御を
行うことは困難である。そこで、上述のようなＡＰＣ回
路５０の働きによって、モニター受光素子４４で検出さ
れたＬＥＤ２２の発光量に相当する帰還量が、次回のパ
ルス駆動時の駆動電流の制御に用いられる。通常、光電
センサ装置による１回の測定（検出）では、複数回（複
数パルス）の発光及び受光動作を連続して行い、得られ
た複数の検出値を平均して得られた値を最終的な検出値
とする処理が行われる。したがって、上記のような１パ
ルス分遅延する離散的なフィードバック制御であって
も、結果として得られる検出値は連続的なフィードバッ
ク制御と同様に安定したものとなる。

【００６６】図９に示したＬＥＤ２２の駆動回路２３
は、上記のようなＡＰＣ回路に加えて、駆動電流検出用
抵抗４２、電流帰還用スイッチ５２、第１コンデンサ４
６、第２コンデンサ４７、短絡用スイッチ４８、演算増
幅器４９等からなるＡＣＣ（自動電流制御）回路５５を
含んでいる。ＡＣＣ回路５５は、駆動電流検出用抵抗４
２の両端に発生する電圧を、電流帰還用スイッチ５２を
介して帰還させ、その電圧に応じてトランジスタ４１の
ベース電流を制御することにより、駆動電流を一定に維
持する働きをする。

【００６７】すなわち、トランジスタ４１がオン状態で
ＬＥＤ２２の駆動電流が流れているときに、電流帰還用
スイッチ５２が閉じられる。駆動電流検出用抵抗４２に
は、駆動電流に比例する電圧が発生しており、第１コン
デンサ４６がこの電圧に充電される。なお、ＡＣＣ回路
５５の動作中は、ＡＰＣ回路５０の輝度帰還用スイッチ
４５は開いたままである。

【００６８】ＬＥＤ２２のパルス駆動期間の終了に伴っ
て駆動制御スイッチ４３が開かれる（オフになる）と、
電流帰還用スイッチ５２が開かれると共に短絡用スイッ
チ４８が閉じられる。実際には、駆動制御スイッチ４３
が開かれる少し前に電流帰還用スイッチ５２が開かれ、
第１コンデンサ４６の電荷が電流帰還用スイッチ５２を
通って逆流することが防がれる。短絡用スイッチ４８が
閉じられると、第１コンデンサ４６の電荷が第２コンデ
ンサ４７に流れ込み、第１コンデンサ４６及び第２コン
デンサ４７の充電電圧が等しくなる。これ以降の動作、
すなわち演算増幅器４９、抵抗５３及びコンデンサ５４
等による回路動作は、前述のＡＰＣ回路５０における動
作と同様である。

【００６９】例えば、ＬＥＤ２２の駆動電流が増加し
て、第１コンデンサ４６及び第２コンデンサ４７の充電
電圧が高くなれば、それに応じて演算増幅器４９は出力
電圧が低下するように作用する。その結果、コンデンサ
５４の充電電圧が低下するので、駆動制御スイッチ４３
が次に閉じられたときのトランジスタ４１のベース電流
が減少し、ＬＥＤ２２の駆動電流が減少する。

【００７０】逆に、ＬＥＤ２２の駆動電流が減少して、
第１コンデンサ４６及び第２コンデンサ４７の充電電圧
が低くなれば、それに応じて演算増幅器４９は出力電圧
が上昇するように作用する。その結果、コンデンサ５４
の充電電圧が上昇するので、駆動制御スイッチ４３が次
に閉じられたときのトランジスタ４１のベース電流が増
加し、ＬＥＤ２２の駆動電流が増加する。

【００７１】このＡＣＣ回路５５の動作についても、Ａ
ＰＣ回路５０と同様に、駆動電流検出用抵抗４２によっ
て検出されたＬＥＤ２２の駆動電流に相当する帰還量
が、次回のパルス駆動時の駆動電流の制御に用いられ
る。１パルス分遅延する離散的なフィードバック制御で
あっても、前述の理由により、結果として得られる検出
値から見れば、連続的なフィードバック制御と同様に駆
動電流を略一定に維持することができる。

【００７２】つぎに、図１０は、投光側光ファイバの基
端面と発光素子（ＬＥＤ）２２との接続に関して、従来
の構成と本実施形態の構成とを比較して示す図である。
（ａ）は高輝度ではない従来の４元素ＬＥＤを用いた場
合の構成を示し、（ｂ）は本実施形態に係る高輝度の４
元素ＬＥＤを用いた場合の構成を示している。

【００７３】前述のように、高輝度ではない（サブスト
レートが透明ではない）従来の４元素ＬＥＤを用いた場
合は、３元素ＬＥＤと同等の輝度を得るためには３元素
ＬＥＤの駆動電流の３倍近くの電流を流す必要があっ
た。その結果、ＬＥＤの発熱が大きくなるので、光ファ
イバ３の基端部に熱が及ぼす悪影響を回避するために、
ＬＥＤ２２と光ファイバ３の基端面３ｂとを所定距離だ
け離す必要があった。この場合、ＬＥＤ２２から所定の
拡散角で発する光をできるだけ多く光ファイバ３の基端
面３ｂに入射させるために、図１０（ａ）に示すよう
に、集光用レンズ５８をＬＥＤ２２と光ファイバ３の基
端面３ｂとの間に設ける必要がある。

【００７４】これに対して、本実施形態の構成のように
高輝度の４元素ＬＥＤを用いた場合は、３元素ＬＥＤの
駆動電流とほぼ同等の電流で同程度の輝度を得ることが
できる。したがってＬＥＤ２２の発熱が比較的少ないの
で、図１０（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２２を光ファイ
バ３の基端面３ｂに接近させて配置することができる。
その結果、集光用レンズを用いないで、ＬＥＤ２２から
発する光を光ファイバ３の基端面３ｂに直接入射させる
ことができる。これにより、装置全体の小型化及びコス
ト低減に寄与することができる。

【００７５】なお、本発明は、上記の実施形態に限ら
ず、種々の形態で実施することができる。例えば、本発
明は光ファイバを用いた光電センサ装置に限らず、発光
素子及び受光素子が内蔵されたヘッド部とアンプ部とが
電気ケーブルによって接続されるアンプ分離型と呼ばれ
る光電センサ装置にも適用することができる。また、検
出対象物の存否を検出する光電スイッチとも呼ばれる光
電センサ装置に限らず、検出領域にある検出対象物の形
状や色、変位等を光によって検出する光電センサ装置に
も本発明を適用することができる。

【００７６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、投光部を構成する発光素子として高寿命で輝度劣化
の少ない４元素高輝度タイプのＬＥＤを使用し、周囲温
度の変化に対する発光量の変動を抑えるための自動制御
回路を設けたことにより、検出精度に優れた（例えば検
出値の表示精度の高い）光電センサ装置を提供すること
ができる。しかも、駆動電流が従来の３元素ＬＥＤ並み
でよく、寿命劣化に起因する輝度低下が少ないことを考
慮すれば駆動回路の電流容量の余裕を小さく設計するこ
とができるので、装置全体の小型化及びコスト低減に寄
与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る光電センサ装置の外観
を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施形態に係る光電センサ装置の回路
構成を示すブロック図である。

【図３】図１に示した光電センサ装置の上面図である。

【図４】表示器の表示例を示す図である。

【図５】表示器の別の表示例を示す図である。

【図６】動作モードの表示遷移例を示す図である。

【図７】高湿度下での寿命劣化による発光量の変化を３
元素ＬＥＤ及び４元素ＬＥＤについて測定した結果を比
較して示すグラフである

【図８】周囲温度の変化に対する発光量の変動を３元素
ＬＥＤ及び４元素ＬＥＤについて測定した結果を比較し
て示すグラフである。

【図９】ＡＰＣ回路を含むＬＥＤ駆動回路の具体例を示
す回路図である。

【図１０】投光側光ファイバの基端面と発光素子との接
続に関して、従来の構成と本実施形態の構成とを比較し
て示す図である。

【図１１】４元素高輝度タイプのＬＥＤの製造工程を模
式化して示す断面図である。

【図１２】別の４元素高輝度タイプＬＥＤの断面構造例
を模式的に示す図である。

【符号の説明】

３投光側光ファイバ（投光部）３ｂ投光側光ファイバの基端面４受光側光ファイバ（受光部）１５表示器２２発光素子（投光部）２３駆動回路（自動制御回路）２４受光素子（受光部）２５増幅回路（信号処理部）２６Ａ／Ｄ変換器（信号処理部）４２駆動電流検出用抵抗４４モニター受光素子５０ＡＰＣ回路（自動制御回路）５５ＡＣＣ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA24 AA32 AA34 AA43 AA47 BB10 BB22 BB24 BB26 BB32 CA02 CA34 CA35 CA37 CA57 DA33 EE01 FF16 5F089 BA05 BB01 BB04 BC02 CA16 CA20 FA03 FA06 FA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出領域に対して光を投光する投光部と、
前記検出領域からの光を受光する受光部と、該受光部か
ら出力される受光量に相当する電気信号を増幅し処理す
る信号処理部とを備えた光電センサ装置であって、前記投光部を構成する発光素子として４元素高輝度タイ
プのＬＥＤを使用し、該ＬＥＤの周囲温度の変化に対す
る発光量の変動を抑えるための自動制御回路を設けたこ
とを特徴とする光電センサ装置。
【請求項２】前記４元素高輝度タイプのＬＥＤは、Ａｌ
ＧａＩｎＰからなる半導体のＰＮ接合を有し、ＧａＡｓ
のサブストレートをＧａＰのサブストレートに置き換え
たものであることを特徴とする請求項１記載の光電セン
サ装置。
【請求項３】前記４元素高輝度タイプのＬＥＤは、Ａｌ
ＧａＩｎＰからなる半導体のＰＮ接合を有し、ＧａＡｓ
のサブストレートを光透過性のサファイア基板で置き換
えたものであることを特徴とする請求項１記載の光電セ
ンサ装置。
【請求項４】前記４元素高輝度タイプのＬＥＤは、Ａｌ
ＧａＩｎＰからなる半導体のＰＮ接合を有し、ＧａＡｓ
のサブストレートを光反射率の高い金属薄膜を含む層で
置き換えたものであることを特徴とする請求項１記載の
光電センサ装置。
【請求項５】前記自動制御回路は、前記発光素子からの
光をモニター受光素子で受光し、前記モニター受光素子
から得られた受光量に相当する電気信号に基づいて前記
発光素子の駆動電流を制御するように構成されたＡＰＣ
回路であることを特徴とする請求項１から４のいずれか
１項記載の光電センサ装置。
【請求項６】前記自動制御回路は、前記発光素子の駆動
回路に挿入された抵抗から帰還される電圧信号に基づい
て前記発光素子の駆動電流を制御するように構成された
ＡＣＣ回路をさらに備え、前記ＡＰＣ回路の作動を停止
したときに前記ＡＣＣ回路を作動させることを特徴とす
る請求項５記載の光電センサ装置。
【請求項７】前記信号処理部から出力される前記受光量
に相当する数値を表示するディジタル表示器を備えてい
ることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載
の光電センサ装置。
【請求項８】前記投光部に投光側光ファイバの基端部が
接続され、前記受光部に受光側光ファイバの基端部が接
続される光ファイバ型の光電センサ装置であって、前記
投光部を構成する発光素子から発した光が前記投光側光
ファイバの基端面に直接入射するように構成されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の
光電センサ装置。