JP2008107284A - 反射型光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】応差性能の悪化を避けつつ設定距離が長距離化された反射型光電センサを提供する。
【解決手段】被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域で受光する光検出器２０と、被検出物体に向けて光を投光する投光素子（ＬＥＤ）１４とを備える。投光素子１４は、第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離（設定距離）から被検出物体が遠近方向に動いた場合の受光量差の変動量が最大となるように、投光軸まわりに回転させた回転角が決定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサに関する。

産業機械に組み込まれ、被検出物体の有無を検知する光電センサには、近年、検出距離の長距離化、位置決め精度の向上、応答速度の高速化、小型化という要求がある。

図１６は、光電センサの種類について説明するための図である。
光電センサの種類は、図１６（Ａ）に示す透過形、図１６（Ｂ）に示す回帰形、図１６（Ｃ）に示す拡散形、図１６（Ｄ）に示す距離設定形がある。

図１６（Ａ）に示す透過型には、検出距離が最も長く（〜３０ｍ）、投光器と受光器の２個で構成され、センサ間の距離が長くなると光軸合わせが難しいといった特徴がある。

図１６（Ｂ）に示す回帰形には、検出距離が透過形の次に長く（〜４ｍ）、センサ１つで投光受光の機能を備えており、反射板が必要であるといった特徴がある。

図１６（Ｃ）に示す拡散形には、検出距離が回帰形の次に長く（〜１ｍ）、被検出物体の色の違いで検出距離が異なり、被検出物体の色と背景の色とにより誤動作することがあるといった特徴がある。

図１６（Ｄ）に示す距離設定形には、検出距離が最も短く（〜０．５ｍ）、検出距離が被検出物体の色に影響されにくく、背景の色の影響が無いといった特徴がある。

近年の産業機械では、限られたスペースを最大限に利用するため、周辺機器の小型化の要求がある。その中で、光電センサの透過形、回帰形はセンサ２台分またはセンサ本体と反射板の取り付けスペースが必要であり、省スペースが要求される用途に向かないが、拡散形と距離設定形は各々がセンサ１台で構成されることから、省スペース化の要求を満たすことができる。

しかし、拡散形は被検出物体の色で検出距離が異なることや、背景の色で誤動作してしまうことから、顧客側で被検出物体の背景をセンサから遠ざけたり、背景の色を変更したりする必要があった。したがって、被検出物体の色が様々である場合等は、小型化要求を実現するには距離設定型の光電センサを採用することが有利である。

特開平６−１６２８８５（特許文献１）および特開２００１−３３６９２９（特許文献２）は、距離設定型の光電センサに関する従来技術を開示している。
特開平６−１６２８８５ 特開２００１−３３６９２９

距離設定形は検出物体の色や背景の影響を受けないが、検出距離が短い。このため、大きな貨物を搬送するラインや、自動倉庫等の２重在荷検知等の用途では、検出距離の不足が生じており、検出距離を長距離化するという要求がある。

すなわち、光電センサの中でも距離設定形センサは検出距離（設定距離）が最も短いため、設定距離の長距離化の要求がある。しかし、距離設定形センサで設定距離を長距離化すると、検出性能の１つである応差が著しく悪化するため、容易な長距離化が不可能であった。この応差についてすこし説明しておくこととする。

図１７は、距離設定形光電センサの概略構成を示す図である。
図１７を参照して、距離設定形センサ５１０は、投光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）５１４と、投光レンズ５１６と、受光レンズ５１８と、受光素子である光検出器５２０とを含む。受光素子５２０は、受光領域５２０Ｎと受光領域５２０Ｆとを含む。

ＬＥＤ５１４からの光は、投光レンズ５１６で整形され、投光ビームＳＢとなる。投光ビームＳＢは、被検出物体に照射される。被検出物体によって反射された光は受光レンズで光検出器(２分割ＰＤ)５２０上に集光され、結像される。

図１８は、図１７における各点における光分布を示す図である。
図１７、図１８を参照して、ＬＥＤ５１４の形状は、矩形であり、投光スポットも矩形である。被検出物体が設定距離から前後に移動すると、光検出器５２０上の受光スポットは上下に移動する。受光スポットが移動した際、受光スポットのまたがる２つの受光領域５２０Ｎ，５２０Ｆの各々に入光する光強度を演算して、被検出物体が設定距離の前後どちらかに位置するか判別する。

距離設定形センサの設定距離とは、２分割光検出器５２０の分割線と受光スポットの強度を２分割する線が一致するときの、センサから被検出物体までの距離のことである。

近い（Ｎｅａｒ）側受光領域５２０Ｎで受光される光強度をＢＮ、遠い（Ｆａｒ）側受光領域５２０Ｆで受光される光強度をＢＦとすると、被検出物体が設定距離にあるときにＢＮ＝ＢＦとなる。

被検出物体が設定距離よりもセンサに近づくと、受光スポットは図１７で上方（Ｎｅａｒ側）に移動し、光強度はＢＮ＞ＢＦとなる。逆に、被検出物体が設定距離よりもセンサから遠ざかると、受光スポットは図１７で下方（Ｆａｒ側）に移動し、光強度はＢＮ＜ＢＦとなる。

図１９は、応差を説明するための図である。
図１９を参照して、設定距離の近傍でのチャタリングを避けるためや、ホワイトノイズによる誤動作を防止するために、光検出器５２０からの光強度信号の信号処理にヒステリシス幅を設けている。そのため、ＯＮ→ＯＦＦ、ＯＦＦ→ＯＮの距離の差が発生する。これを応差と呼ぶ。

検出物体の色が白と黒の場合では反射率が異なるため、応差が異なる。その理由は、黒色は白色と比べて光の反射率が低いため、光量変化の割合(図中直線Ｌ１，Ｌ２の傾き)が小さくなり、ヒステリシス幅の閾値を超えるまでの検出物体の移動距離が長くなるためである。これを白黒誤差と呼び、その誤差が少ないほど良い。

距離設定形センサの応差は、設定距離に対する割合で規定される(例：設定距離：２００ｍｍ、応差：設定距離の１０％以内)。白色被検出物体も黒色被検出物体もこの規定された応差を満たす必要がある。

先に述べたように、距離設定形センサは検出距離が短いので、検出距離の不足が生じる場合があり、検出距離を長距離化するという要求がある。しかし、距離設定形センサは同じ大きさのまま設定距離を長距離化すると、応差が著しく悪化（低下）する。

図２０は、長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第１の図である。
図２０（Ａ）は基準となる場合（設定距離ａ）を示し、図２０（Ｂ）は同じ大きさのセンサ本体に対して設定距離を２倍にした場合（設定距離２ａ）を示す。

図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）に対して、投光レンズから検出物体側の距離は全て２倍となるが、受光レンズから受光素子の距離が変わらないため受光スポットの移動量は１／２となる。また長距離化により光量が距離の二乗に反比例して１／４に減少する。

図２１は、長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第２の図である。
図２１に示すように、同じ色の被検出物体で比較すると、被検出物体の位置に対する光量の差の変化を示す直線は、元の設定距離の場合が直線Ｌ３であるのに対し、光量の減少と受光スポットの移動量の減少の相乗効果で、設定距離を２倍にすると直線Ｌ４に示すように傾きが少なくなる。

図２２に示すように、設定距離１００ｍｍの場合の応差を１とした場合、設定距離を２００ｍｍに伸ばすと応差は８まで悪化する。

ヒステリシス幅を決めている光量の差のしきい値レベルが同じであれば、設定距離を２倍にすると、応差は８倍になる。(内訳：長距離化による光量減少→１／４、検出物体の移動量に対する受光スポットの移動量の比率→１／２)
図２２は、長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第３の図である。

センサを同じ大きさのまま長距離化した際の応差の著しい悪化を低減するための対策としては、１）ＬＥＤの発光パワーを上げる、２）光検出器のゲインを上げる、等で可能である。しかし、１）の場合はＬＥＤの性能で限界が決まり、材料等の検討が必要であり、２）の場合はノイズ等に弱くなり、回路定数の変更が必要となる等の検討が必要で、品質低下、コスト高を招く恐れがあり、効果的な改善とならない。

ところで、現在、距離設定形センサの投光素子は、ＬＥＤチップをリード（フレーム）に実装し、樹脂で封止したものが一般的に使用されている。

図２３は、ＬＥＤチップの一般的な形状の例を示す図である。
図２３（Ａ）は平面図であり、図２３（Ｂ）は正面図である。実装されるＬＥＤは図２３のように発光部の中心にワイヤボンディング用の電極が設けられているものが一般的である。

図２４は、図２３に示したＬＥＤチップを使用した場合の投光、受光スポットの形状を示した図である。

距離設定形センサの光源として、中心部分にワイヤボンディング用電極のあるＬＥＤを使用することが多いので、各面におけるＬＥＤの投影像は光検出器の分割線に対して図２４に示す関係になるように設置、実装されている。

図１７、図２４を参照して、投光レンズ５１６を通過した光は、被検出物体にＬＥＤの発光形状のまま照射されるため、中心部の光強度がゼロとなる。したがって、検出物体からの反射光を受光レンズで集光して光検出器５２０に投影される受光スポットも、同様に中心部の光強度が低くなる。

被検出物体が設定距離、設定距離よりNear側（センサ方向）、設定距離よりFar側（センサ反対方向）に移動したときの受光スポットの形状と位置は図２４に示すようになる。

図２５は、図２４で示した受光スポットと受光量分布の関係を示す図である。
中心部分の光強度がゼロのＬＥＤを用いた場合、ＬＥＤの強度分布を光検出器の分割線と直交する軸に沿った光強度の変化を示すと図２５のように示される。強度分布から、中心部（分割線付近）の光強度が周囲と比較して低いことがわかる。

このとき、検出物体が設定距離の前後に一定距離移動したときの受光スポットの移動は、図２５のＮｅａｒ側、Ｆａｒ側と示されたの受光量分布のようになる。Ｎｅａｒ側に移動したときのパワー変動量は、面積ΔＮ０で示され、Ｆａｒ側に移動したときのパワー変動量は、面積ΔＦ０で示される。ＬＥＤ発光領域の周囲部分と比較して中央部分のパワー変動量が小さいことがわかる。これは、図２１の直線Ｌ４に示したように設定距離付近の受光量変化の傾きが小さくなる要因となるため、ヒステリシス幅を超えるまでの検出物体の移動距離が長くなり、結果として応差が大きくなる。

つまり、中心部の光量が低いＬＥＤを使用すると、光検出器の分割線付近のパワー変動量が少なくなり、距離設定形センサの応差が悪くなってしまうという問題がある。

一方、受光スポットの中心部の光量が周囲と比較して低いことを改善するため、投光レンズと受光レンズで対策する方法がある。投光レンズで意図的に投光スポットをぼやけさせることで受光スポットもぼやけさせ、中央部の光量低下を改善することができる。しかし、ぼやかした分受光スポット全体の径が拡大し、受光スポットの光密度が低下する。したがって、検出物体が前後移動した際の光量変化量が小さくなるため、効果が得られない。さらに、投光スポットが拡大するため、エッジによる誤動作の領域が広がり、信頼性が低下してしまうという新たな問題も発生する。

また、受光レンズで意図的にぼやけさせることで、中央部の光量低下を改善することができる。しかし、投光レンズでの対策と同様、ぼやかした分受光スポットが拡大し受光スポットの光密度が低下する。したがって、検出物体が前後移動した際の、光量変化量が小さくなり効果が得られない。

中心部にワイヤボンディング用電極のあるＬＥＤを使用する場合このような課題があり、距離設定センサの長距離化、応差の向上が困難であった。

この発明の目的は、応差の悪化を避けつつ設定距離が長距離化された反射型光電センサを提供することである。

この発明は、要約すると、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、第１、第２の受光領域を有し、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備える。投光手段は、第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離から被検出物体が遠近方向に動いた場合の受光量差の変動量が最大となるように、投光手段の投光軸まわりに回転させた回転角が決定されている。

好ましくは、反射型光電センサは、決定された回転角を満たす関係になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える。

この発明の他の局面に従うと、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、分割線で分割された第１、第２の受光領域を有し、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備える。投光手段は、発光領域が形成された矩形状の半導体チップを含む。第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離に配置された被検出物体上に投影され受光手段上に結像される半導体チップの像は、分割線と交わり、かつ外形の四辺が分割線に対して傾斜する。

好ましくは、反射型光電センサは、半導体チップの像が、分割線と交わり、かつ外形の四辺が分割線に対して傾斜することを満たす関係になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える。

好ましくは、反射型光電センサは、半導体チップの四辺が分割線と非平行になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える。

より好ましくは、半導体チップの対向する二辺は、分割線に対して４５°±１５°の範囲以内の角をなす。

この発明のさらに他の局面に従うと、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、分割線で分割された第１、第２の受光領域を有し、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備える。投光手段は、発光領域と電極とが投光側主表面に形成された半導体チップを含む。第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離に配置された被検出物体上に投影され受光手段上に結像される半導体チップの像は、分割線と交わり、かつ電極に対応する位置が分割線から外れている。

好ましくは、反射型光電センサは、半導体チップの像が、分割線と交わり、かつ電極に対応する位置が分割線から外れることを満たす関係になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える。

好ましくは、電極は、半導体チップの像上の対応する位置が分割線で区切られた一方側と他方側に１つずつ配置されるように、投光側の主表面に２つ設けられる。

本発明によれば、応差の悪化を避けつつ、反射型光電センサの設定距離を長距離化することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、光電センサの断面図である。

図１を参照して、光電センサ１０は、ケースの前面にカバーレンズ２６がはめ込まれた窓が設けられている。投光レンズ１６と受光レンズ１８とは、ホルダ部材２４によって支持されている。

投光素子（ＬＥＤ）１は、投光レンズ１６の焦点位置に発光部分が位置するように配置されている。受光レンズ１８の焦点位置には、受光素子である２分割型の光検出器（ＰＤ）２０が配置されている。

ＬＥＤ１および２分割型の光検出器２０が基板１２の一方側の面に搭載され、駆動および検出制御用のＩＣ２２が基板１２の他方側の面に搭載されている。

ボリュームシャフト２８は、受光レンズ１８の位置を基板１２と平行に移動させるようにねじが刻まれており、受光レンズ１８にはボリュームシャフト２８と噛み合うようなねじが刻まれている。ボリュームシャフト２８を回すと、光検出器２０上に結像される光スポットの位置が移動するので、光電センサ１０の設定距離を変更することができる。

ロータリースイッチ３０は、ＩＣ２２に電気的に接続されており、検出結果の極性を切替える。すなわち、設定距離より近い側をＯＮとするかＯＦＦとするかをロータリースイッチ３０によって切替えることができる。このＯＮ／ＯＦＦ信号は、コード３２から他の制御機器に出力される。

光電センサ１０は、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域で受光する光検出器２０と、被検出物体に向けて光を投光する投光素子（ＬＥＤ）１４とを備える。投光素子１４は、第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離（設定距離）から被検出物体が遠近方向に動いた場合の受光量差の変動量が最大となるように、投光軸まわりに回転させた回転角が決定されている。

好ましくは、反射型光電センサは、決定された回転角を満たす関係になるように、光検出器２０と投光素子１４とが配置されている支持部材（ホルダ部材２４および基板１２）をさらに備える。

図２は、図１の距離設定形光電センサの光学要素を概略的に示した図である。
図２を参照して、距離設定形光電センサ１０は、投光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）１４と、投光レンズ１６と、受光レンズ１８と、受光素子である光検出器２０とを含む。光検出器２０は、受光領域２０Ｎと受光領域２０Ｆとを含む。

ＬＥＤ１４からの光は、投光レンズ１６で整形され、ほぼ平行な投光ビームＳＢとなる。投光ビームＳＢは、被検出物体に照射される。被検出物体によって反射した光（拡散反射光）は受光レンズで光検出器(２分割ＰＤ)２０上に集光され、結像される。

なお、図２では光電センサ１０前面の下側に投光部、上側に受光部が設けられているが、投光部と受光部の位置を逆にしてもよい。

図３は、図１および図２で示されるＬＥＤ１４を拡大して示した図である。
図４は、図３の半導体チップ４６を拡大して示した図である。

図３、図４を参照して、ＬＥＤ１４は、半導体チップ（発光ダイオードチップ）４６と、半導体チップ４６がマウントされ半導体チップの主表面上の電極５６とワイヤ４９で接続されたリード４４と、半導体チップ４６の主表面上の電極５４とワイヤ４８で接続されたリード４２と、リード４２，４４、半導体チップ４６、ワイヤ４８，４９を封止した透明樹脂部４１とを含む。

半導体チップ４６は、矩形状であり、その主表面に発光領域５２とワイヤボンド用の電極５４，５６とが形成されている。電極５４にはその中央部分にワイヤ４８が電気的に接続される。電極５６には破線５８で示す部分にワイヤ４９が電気的に接続される。リード４４の半導体チップ４６がマウントされている面には、光を反射するリフレクタが形成されている。

図２の設定距離Ｄ０に被検出物体があるときに、被検出物体上の光スポットは、受光レンズ１８を介して光検出器２０の表面に結像されると、図４に示すように光検出器２０の分割線ＰＤＶがチップ４６の四辺と４５°をなす。

図１において、この関係を満たすように基板１２上にＬＥＤ１４用のリードを挿入するスルーホールが設けられている。なお、光検出器２０の分割線ＰＤＶは、ＬＥＤ１４と光検出器が並ぶ方向に直交し、かつ、分割線ＰＤＶに対してチップ４６の辺が傾斜するようにＬＥＤ１４が基板１２に固定されている。また、チップの対角線と分割線ＰＤＶの位置が一致する。

実施の形態１に係る光電センサは、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、図１，図２に示すように分割線で分割された第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆを有し、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆで受光する光検出器２０と、被検出物体に向けて光を投光する投光素子１４とを備える。図３、図４に示すように、投光素子１４は、発光領域５２と電極５４，５６とが投光側主表面に形成された半導体チップ４６を含む。第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆにおける受光量差がゼロになる距離（設定距離）に配置された被検出物体上に投影され光検出器２０上に結像される半導体チップ４６の像は、分割線ＰＤＶと交わり、かつ電極５４，５６に対応する位置が分割線ＰＤＶから外れている。受光領域２０Ｎは、Near側の受光領域であり，受光領域２０Ｆは、Far側の受光領域である。被検出物体がセンサに近づくと光検出器上の光スポットは、受光領域２０Ｆから２０Ｎに向かう向きに移動する。被検出物体がセンサから遠ざかると光検出器上の光スポットは、受光領域２０Ｎから２０Ｆに向かう向きに移動する。

好ましくは、反射型光電センサは、半導体チップ４６の像が、分割線ＰＤＶと交わり、かつ電極５４，５６に対応する位置が分割線ＰＤＶから外れることを満たす関係になるように、光検出器２０と投光素子１４とが配置されている支持部材（ホルダ部材２４および基板１２）をさらに備える。

好ましくは、電極５４，５６は、半導体チップ４６の像上の対応する位置が分割線ＰＤＶで区切られた一方側と他方側に１つずつ配置されるように、投光側の主表面に２つ設けられる。

図５は、実施の形態１の光電センサの受光スポットと受光量分布を示した図である。
図５上段は、受光スポット形状を示し、図５下段は受光スポットの移動方向に沿って位置を特定して表示した受光量分布を示す。

図５上段に示すように、距離設定形センサの光検出器２０のＰＤ分割線と、距離設定形センサの光検出器２０のＰＤ分割線に平行な短冊状の中央領域で光強度の高い部分とを一致させるように、半導体発光素子を設置、実装する。(図中のＬＥＤは１例である)。

図５下段に示すように、検出物体に照射される投光スポットの受光量分布は、中央が凸となった光強度分布となる。光検出器上に結像される受光スポットも同様の光強度分布を持つ。

検出物体が一定距離動いたときのパワー変動量は、図５中のΔＮ、ΔＦの面積である。従来のＬＥＤを使用した図２５に示した場合と比較して、発光量の総量が等しい場合でも光量変化量が多くなることがわかる。

図６は、投光軸まわりのチップの配置について説明するための図である。
図６を参照して、ＬＥＤのチップは、投光軸に対して発光面が直交するように配置される。そして投光軸まわりの回転角θは、図２５で示した場合（配置Ｐ１）を０°とすると、図５に示した場合（配置Ｐ２）は４５°である。被検出物体が設定距離にある場合に、被検出物体を遠近方向に微小変動させたときの２つの受光領域の光量差の変動量が最大となるように回転角θを決定すればよい。

図７は、実施の形態１の技術を使用した場合の、設定距離が等しいときの検出物体の位置とパワー変動量のグラフを示した図である。

図７に示すように、設定距離が等しければ、本願実施の形態１の技術の応差が従来技術の応差よりも精度が高くなっていることがわかる。

図８は、実施の形態１の技術を使用した場合の、設定距離が２倍であるときの検出物体の位置とパワー変動量のグラフを示した図である。

図８に示すように、設定距離が従来、本願ともに２倍であるときも、本願実施の形態１の技術の応差が従来技術の応差よりも精度が高くなっていることがわかる。

［実施の形態２］
発光素子の発光面はいくつかの変形が考えられる。

図９は、発光素子の発行面のバリエーションを示した図である。
図９において、チップＡは、図２３で説明した中央部にワイヤボンディング用電極が１つ形成されているもの、チップＢは、図４で説明した２箇所にワイヤボンディング用電極が形成されているもの、チップＣは、発光面の裏面２箇所にフリップチップ接続用電極が形成されているものである。実施の形態２の光電センサは、チップＡを使用するものである。

図１０は、実施の形態２で用いられるＬＥＤ１１４を拡大して示した図である。実施の形態２では、図１の構成においてＬＥＤ１４に代えてＬＥＤ１１４が用いられる。

図１１は、図１０の半導体チップ１４６を拡大して示した図である。
図１０、図１１を参照して、ＬＥＤ１１４は、半導体チップ１４６と、半導体チップ１４６がマウントされたリード１４４と、半導体チップ１４６の主表面上の電極１５４とワイヤ１４８で接続されたリード１４２と、リード１４２，１４４，半導体チップ１４６、ワイヤ１４８を封止した透明樹脂部１４１とを含む。

半導体チップ１４６は、矩形状であり、その主表面に発光領域１５２とワイヤボンド用の電極１５４とが形成されている。電極１５４は、発光領域１５２のほぼ中央に配置されている。電極１５４にはその中央部分にワイヤ４８が電気的に接続される。リード１４４の半導体チップ１４６がマウントされている面には、光を反射するリフレクタが形成されている。

図２の設定距離Ｄ０に被検出物体があるときに、被検出物体上の光スポットは、受光レンズ１８を介して光検出器２０の表面に結像されると、図１１に示すように光検出器２０の分割線ＰＤＶがチップ１４６の四辺と４５°をなす。

図１において、この関係を満たすように基板１２上にＬＥＤ１１４用のリードを挿入するスルーホールが設けられている。なお、光検出器２０の分割線ＰＤＶは、ＬＥＤ１１４と光検出器が並ぶ方向に直交し、かつ、分割線ＰＤＶに対してチップ１４６の辺が傾斜するようにＬＥＤ１１４が基板１２に固定されている。

図１２は、実施の形態２の光電センサの受光スポットと受光量分布を示した図である。
図１２上段は、受光スポット形状を示し、図１２下段は受光スポットの移動方向に沿って位置を特定して表示した受光量分布を示す。

図１２上段に示すように、距離設定形センサの光検出器２０のＰＤ分割線と、距離設定形センサの光検出器２０のＰＤ分割線に平行な短冊状の中央領域で光強度の高い部分とを一致させるように、半導体発光素子を設置、実装する。

図１２下段に示すように、検出物体に照射される投光スポットの受光量分布は、中央が凸となった光強度分布Ｗ１となる。光検出器上に結像される受光スポットも同様の光強度分布を持つ。図２５では同じ半導体チップを回転角θ＝０°で配置していたが、実施の形態２では回転角θ＝４５°で配置する。これにより光強度分布は、波形Ｗ２から波形Ｗ１に示すように改善される。

実施の形態２の場合でも、従来のＬＥＤ配置を使用した図２５に示した場合と比較して、発光量の総量が等しいときでも光量変化量が多くなることがわかる。

［実施の形態３］
実施の形態３では図９のチップＣに示した裏面に電極が形成されているものを使用する場合について説明する。

図１３は、実施の形態３で用いられるＬＥＤ２１４を拡大して示した図である。実施の形態３では、図１の構成においてＬＥＤ１４に代えてＬＥＤ２１４が用いられる。

図１４は、図１３の半導体チップ２４６を拡大して示した図である。
図１３、図１４を参照して、ＬＥＤ１１４は、半導体チップ２４６と、半導体チップ２４６がマウントされた基板２５０と、基板２５０に形成される電極２４８，２４９と、リフレクタ２４７とを含む。半導体チップ１４６は、基板にフリップチップ実装され、透明樹脂部２４１で封止されている。

半導体チップ１４６は、矩形状であり、その主表面に発光領域２５２が形成され、裏面に電極２４８，２４９とそれぞれ接続されるフリップチップ接続用電極２５８，２５４が形成されている。電極２５８，２５４が裏面に形成されているので、電極による影が生じず、発光スポットは暗部のない矩形となる。

図２の設定距離Ｄ０に被検出物体があるときに、被検出物体上の光スポットは、受光レンズ１８を介して光検出器２０の表面に結像されると、図１４に示すように光検出器２０の分割線ＰＤＶがチップ２４６の像の四辺と４５°をなす。

図１において、この関係を満たすように基板１２上にＬＥＤ２１４を表面実装するための電極が設けられている。なお、光検出器２０の分割線ＰＤＶは、ＬＥＤ２１４と光検出器が並ぶ方向に直交し、かつ、分割線ＰＤＶに対してチップ２４６の辺が傾斜するようにＬＥＤ２１４が基板１２に固定されている。

［ＬＥＤの実装向きを変えることの効果］
図１５は、ＬＥＤの実装向きを変えることの効果を説明するための図である。

図１５を参照して、Ｎｏ．１に示されるのは、ワイヤボンド用電極が中央に設けられた矩形の半導体チップを、ＰＤ分割線に対して２辺が直交し、他の２辺が平行となるように配置した例である。このような配置を実装角度（図６の回転角θ）０°と表現することにする。Ｎｏ．２に示されるのは、ワイヤボンド用電極が中央に設けられた矩形の半導体チップを、ＰＤ分割線に対して４辺が４５°の角度をなすように配置した例である（実施の形態２に対応）。このような配置を実装角度４５°と表現する。矩形が正方形では、設定距離に被検出物体があるときにＰＤ分割線がチップ（受光スポット）の対角線に一致する。

Ｎｏ．３に示されるのは、表面にワイヤボンド用電極がない矩形の半導体チップを、実装角度０°で配置した例である。Ｎｏ．４に示されるのは、表面にワイヤボンド用電極がない矩形の半導体チップを、実装角度４５°で配置した例である（実施の形態３に対応）。Ｎｏ．５に示されるのは、表面に２つのワイヤボンド用電極が形成された矩形の半導体チップを、実装角度４５°で配置した例である（実施の形態１に対応）。

ＰＤ分割線が発光領域を横切る長さを単純計算して比較すると、効果の計算値は、Ｎｏ．１に示す例を１にするとＮｏ．２〜４は、それぞれ１．６２倍、１．５０倍、２．１２倍となる。

光学シミュレーションソフトウエアを使用して本願発明者が計算したＮ−Ｆ変化量（Near側からFar側に被検出物体を変化させたときのNear側ＰＤ受光量とFar側ＰＤ受光量の差の変化量）は、Ｎｏ．１〜５に示す例は、それぞれ１．０８、１．６８、１．５０、２．５５、２．７２（×１０^-7ｎＷ）となる。この値に基づいた効果は、Ｎｏ．１に示す例を１にするとＮｏ．２〜４は、それぞれ１．５５倍、１．３９倍、２．３６倍、２．５２倍となる。

したがって、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５に示したＬＥＤの実装角度にすれば、光量変動が大きくなり、図７、図８で説明したグラフの傾きが大きくなり、応差が従来技術と比較して小さくなることがわかる。

つまり、実施の形態１〜３に示した技術を用いると、被検出物体が設定距離付近で前後移動したときのパワー変動量が大きくなり、応差が向上する。

以上説明したように、実施の形態１〜３に係る光電センサは、ある局面に従うと、被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、図２に示すように、分割線ＰＤＶで分割された第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆを有し、被検出物体からの反射光を第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆで受光する光検出器２０と、被検出物体に向けて光を投光する投光素子とを備える。図３、図１０、図１３に示すように、投光素子１４，１１４，２１４は、発光領域が形成された矩形状の半導体チップ４６，１４６，２４６をそれぞれ含む。図４、図１１、図１４に示すように、第１、第２の受光領域２０Ｎ，２０Ｆにおける受光量差がゼロになる距離（設定距離）に配置された被検出物体上に投影され光検出器２０上に結像される半導体チップ４６，１４６，２４６の像は、分割線ＰＤＶと交わり、かつ外形の四辺が分割線に対して傾斜する。

好ましくは、反射型光電センサは、半導体チップの像が、分割線と交わり、かつ外形の四辺が分割線に対して傾斜することを満たす関係になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材（ホルダ部材２４および基板１２）をさらに備える。

好ましくは、反射型光電センサは、矩形状の半導体チップの四辺が分割線と非平行になるように、受光手段と投光手段とが配置されている支持部材（ホルダ部材２４および基板１２）をさらに備える。

より好ましくは、矩形状の半導体チップの対向する二辺は、分割線に対して４５°±１５°の範囲の角をなす。

実施の形態１〜３によれば、以下の１〜４の効果が得られる。
１．設定距離を長距離化した場合の応差の著しい悪化を発明技術で低減できる。
２．応差の値を設定距離に対する割合で設定した場合、従来製品と同じ光学配置で、ＬＥＤの実装に本技術を用いるだけで、同レベルの応差で設定距離の長距離化が可能である。
３．応差の値を設定距離に対する割合で設定した場合、従来製品と同じ光学配置で、ＬＥＤの実装に本技術を用いるだけで、応差の向上が可能である。
４．応差の値を設定距離に対する割合で設定した場合、同レベルの応差と設定距離で光電センサの小型化が可能である。

なお、図１５では、実装角度を４５°にした場合を説明したが、これに限られるものではなく、４５°±１５°の範囲内であれば、実装角度が０°の場合と比べて応差が向上するという効果が得られる。

また、本実施の形態では、ＬＥＤは、図３，図１０ではリード付き砲弾型形状のＬＥＤ１４，１４１を示し、図１３では表面実装タイプを例に挙げて説明した。しかし、投光素子はこれに限られるものではなく、種々の変形した素子を用いても良い。たとえば、外形は、図１３のような表面実装タイプ型であっても、基板（ガラスエポキシ基板など）上に上部を電極面にして半導体チップをマウントし、チップ表面の電極と基板上の電極とをワイヤボンドして透明樹脂で被覆したような構成の投光素子であっても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

光電センサの断面図である。 図１の距離設定形光電センサの光学要素を概略的に示した図である。 図１および図２で示されるＬＥＤ１４を拡大して示した図である。 図３の半導体チップ４６を拡大して示した図である。 実施の形態１の光電センサの受光スポットと受光量分布を示した図である。 投光軸まわりのチップの配置について説明するための図である。 実施の形態１の技術を使用した場合の、設定距離が等しいときの検出物体の位置とパワー変動量のグラフを示した図である。 実施の形態１の技術を使用した場合の、設定距離が２倍であるときの検出物体の位置とパワー変動量のグラフを示した図である。 発光素子の発行面のバリエーションを示した図である。 実施の形態２で用いられるＬＥＤ１１４を拡大して示した図である。 図１０の半導体チップ１４６を拡大して示した図である。 実施の形態２の光電センサの受光スポットと受光量分布を示した図である。 実施の形態３で用いられるＬＥＤ２１４を拡大して示した図である。 図１３の半導体チップ２４６を拡大して示した図である。 ＬＥＤの実装向きを変えることの効果を説明するための図である。 光電センサの種類について説明するための図である。 距離設定形光電センサの概略構成を示す図である。 図１７における各点における光分布を示す図である。 応差を説明するための図である。 長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第１の図である。 長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第２の図である。 長距離化に伴う応差の悪化を説明するための第３の図である。 ＬＥＤチップの一般的な形状の例を示す図である。 図２３に示したＬＥＤチップを使用した場合の投光、受光スポットの形状を示した図である。 図２４で示した受光スポットと受光量分布の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 光電センサ、１２ 基板、１４，１１４，２１４ 投光素子、１６ 投光レンズ、１８ 受光レンズ、２０ 光検出器、２０Ｎ，２０Ｆ 受光領域、２４ ホルダ部材、２６ カバーレンズ、２８ ボリュームシャフト、３０ ロータリースイッチ、３２ コード、４１，１４１，２４１ 透明樹脂部、４２，４４，１４２，１４４ リード、４６，１４６，２４６ 半導体チップ、４８，４９，１４８ ワイヤ、５２，１５２，２５２ 発光領域、５４，５６，１５４，２４８，２４９，２５８，２５４ 電極、５８ 破線、２４７ リフレクタ。

Claims (9)

1. 被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、
   第１、第２の受光領域を有し、前記被検出物体からの反射光を前記第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、
   前記被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備え、
   前記投光手段は、前記第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離から前記被検出物体が遠近方向に動いた場合の前記受光量差の変動量が最大となるように、前記投光手段の投光軸まわりに回転させた回転角が決定されている、反射型光電センサ。
2. 決定された前記回転角を満たす関係になるように、前記受光手段と前記投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える、請求項１に記載の反射型光電センサ。
3. 被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、
   分割線で分割された第１、第２の受光領域を有し、前記被検出物体からの反射光を前記第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、
   前記被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備え、
   前記投光手段は、
   発光領域が形成された矩形状の半導体チップを含み、
   前記第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離に配置された前記被検出物体上に投影され前記受光手段上に結像される前記半導体チップの像は、前記分割線と交わり、かつ外形の四辺が前記分割線に対して傾斜する、反射型光電センサ。
4. 前記半導体チップの像が、前記分割線と交わり、かつ外形の四辺が前記分割線に対して傾斜することを満たす関係になるように、前記受光手段と前記投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える、請求項３に記載の反射型光電センサ。
5. 前記半導体チップの四辺が前記分割線と非平行になるように、前記受光手段と前記投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える、請求項３に記載の反射型光電センサ。
6. 前記半導体チップの対向する二辺は、前記分割線に対して４５°±１５°の範囲以内の角をなす、請求項５に記載の反射型光電センサ。
7. 被検出物体までの距離を検出する反射型光電センサであって、
   分割線で分割された第１、第２の受光領域を有し、前記被検出物体からの反射光を前記第１、第２の受光領域で受光する受光手段と、
   前記被検出物体に向けて光を投光する投光手段とを備え、
   前記投光手段は、
   発光領域と電極とが投光側主表面に形成された半導体チップを含み、
   前記第１、第２の受光領域における受光量差がゼロになる距離に配置された前記被検出物体上に投影され前記受光手段上に結像される前記半導体チップの像は、前記分割線と交わり、かつ前記電極に対応する位置が前記分割線から外れている、反射型光電センサ。
8. 前記半導体チップの像が、前記分割線と交わり、かつ前記電極に対応する位置が前記分割線から外れることを満たす関係になるように、前記受光手段と前記投光手段とが配置されている支持部材をさらに備える、請求項７に記載の反射型光電センサ。
9. 前記電極は、前記半導体チップの像上の対応する位置が前記分割線で区切られた一方側と他方側に１つずつ配置されるように、投光側の主表面に２つ設けられる、請求項７に記載の反射型光電センサ。

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