JP2013509699A5 - - Google Patents

Description

光学的センサのための光信号発信器および光受信器

本発明は、請求項１の上位概念による光学的センサのための光信号発信器、特に工業自動化システム用の光バリヤ又は光タスタのための光信号発信器、ならびに請求項１０の上位概念による光受信器に関する。

光学的センサは、多くの非工業用途において、またとりわけ工業用途、特に工業自動化装置においても、種々の形で、物体又は人の存在もしくは不在を検出するために使用される。公知の実施例は、光信号発信器、つまり光源によって光ビームが発信され、フォトセル、感光性半導体素子又は類似センサ素子によって受信される光バリヤ又は光タスタある。その場合に、光タスタとは、光源と光受信器（センサ）とが唯一の装置内に一緒に組み込まれている「反射型光バリヤ」を意味する。

大きな区間（検出範囲）を監視可能な、できるだけ頑丈でかつ外部光に依存しないシステムを構成するためには、光信号発信器（送信器）において光のビーム成形が行なわれなければならない。このために、一般的に常に本来の光源（ＬＥＤ、半導体レーザダイオード）は、光学系、例えばレンズ又はレンズ系（「組み合わせレンズ」）を備えている。それにより、比較的小さい光点が発生させられ、光ビームの中に対象が入った際における高いスイッチング精度および繰返し精度が保証され、隣接設置された同種の装置との相互影響が低減され（つまり信号雑音比が改善され）、検出間隔（距離）が拡大される。光信号発信器のこのような構成により、前方に置かれた光学系によって、かなり大きい外形寸法を有する装置か、さもなければ光学系が突き出た容器を有する装置が生じる。しかし窮屈なスペース環境では平らな容器外形寸法が要求され、これは公知の装置によっては実現できない。光学的センサの光信号発信器によって放出される光を受信する公知の光受信器（光検出器、「受光器」）の寸法も同様に不利である。何故ならば、これも前方に置かれた光学系によって任意に平らに構成することができないからである。

従って本発明の課題は、光学的センサのためのできるだけ平らに構成された光信号発信器および光受信器を提案することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１による光学的センサのための光信号発信器および請求項１０による光受信器によって解決される。

本発明による解決策の考え方は、半導体系の光源、とりわけ半導体レーザダイオードをプリント基板内に組み込み、その光源から光をプリント基板平面に対して平行に放射し、プリント基板内に、又はプリント基板に隣接して、ビーム転向のための要素を設けることにある。同様の構成を光受信器（光検出器）についても提案する。

課題の解決策は、特に、光発生のために半導体系の光源が使用される光学的センサのための光信号発信器、特に工業自動化システム用の光バリヤ又は光タスタのための光信号発信器を提供する。半導体系の光源が多層プリント基板の両外側層間の構造空間内に配置され、半導体系の光源の光出射方向がプリント基板の層にほぼ平行に向けられ、半導体系の光源から放射される光をプリント基板の層に対してほぼ垂直な方向に転向させるための転向ユニットが設けられている。このような配置によって非常に平らに構成された光信号発信器を作ることができる。この構成原理に従って、光学的センサ装置用の受信器として同様に平らに構成された光受信器も作ることができ、この場合には、半導体系の光源の代わりに半導体系の光センサ（ＣＣＤチップ、ＣＭＯＳチップ）が使用され、その光センサの感光面はプリント基板の層に対してほぼ垂直に向けられている。この場合に光が感光センサに当たるように、そのセンサにより検出すべき光が、転向ユニットによって、プリント基板に対して垂直な入射方向からプリント基板の平面に方向転換される。

本発明による光信号発信器の有利な構成は従属請求項に記載されている。その際に記載されている特徴および利点は、意味内容に従って、本発明による光受信器の対応する構成についても当てはまる。

転向要素が半導体系の光源と一緒にその（１つの）構造空間に配置されているのが有利である。それによって、全部そろった光信号発信器が、唯一の部品として、もしくは他の方法で使用されるプリント基板の唯一の部分として、光学的センサもしくは光信号発信器の組立時に、光源を備えたプリント基板を転向要素に対して位置合わせし又はその逆に位置合わせする必要なしに、作られ組み立てられ得る。このやり方は製造にも有利である。何故ならば、最後に最上層（上部外側層）をかぶせる前に、先ず下層（支持体層）に中間層、半導体系の光源および転向要素を備え付けることができるからである。放射された光を通過させるためにプリント基板の光出射側の外側層が転向要素の領域に開口を有し、その開口が汚れ等に対する保護のために透明部分、例えばフィルタ板により封鎖されているとよい。代替実施形態では、転向要素が構造空間の外側に、従ってプリント基板の外側に配置されている。このためにプリント基板が端面側に光の出射口を有し、この出射口も透明な封鎖要素を備えているとよい。いずれの場合にも、透明な封鎖要素は、光線を成形し又は光学的な絞りの作用を発揮させるために、光学レンズ等として構成してもよいし、あるいは光フィルタとして構成してもよい。例えば後者の場合には殆ど透明な封鎖要素を着色すること（カラーフィルタ）、又は偏光フィルタ（線形偏光フィルタ又は円形偏光フィルタ）として構成することが考えられ得る。この場合に、対応する光受信器（光検出器）がまさにそのようなフィルタを備えているとよく、それによって改善された信号雑音比を達成することができる。

一般に使用されている転向要素はプリズム又はミラーである。特に「ミラー」の実施例では、反射面が光線の集束又は拡張のために凸面又は凹面に形成されているとよい。その場合に膨らみは必ずしも回転対称でなくてもよい。むしろ、複雑なジオメトリ、例えば楕円体又はいわゆる鞍形も有利に使用できる。一般に使用されている半導体レーザダイオードが光を非対称に放射するという事情が考慮される。このようなジオメトリはプリズムの反射層についても選択することができる。

転向要素と、少なくとも１つの光学レンズとが、１つの光学モジュールにまとめられているならば、製造（組立）時に利点がもたらされる。このような光学モジュールは、その組立前に既に構造空間内に半導体系の光源と（例えば接着によって）結合されているので、構造空間への構成要素の配置（組立）時に、光学作用をする要素をもはや新たに互いに位置合わせする必要がない。

半導体系の光源が放熱のためにプリント基板の少なくとも１つの接触面に接触していると有利である。プリント基板の接触面と半導体系の光源の表面との間に、熱伝達および間隔の埋め合わせのための要素、例えば熱伝導パッド又は熱伝導ペーストが設けられているとよい。

半導体系の光源がボンディング（チップボンディング）又は貫通接触によりプリント基板の導体路、接触面又ははんだパッドに電気的に接続されているならば有利である。それにより、費用のかかるハンダ付け又はバネ接触の等の配設を省略することができる。これらの提案された接触方法は、特に半導体系の光源がパッケージなしのチップ（「ダイ」）として使用される場合にも適している。このような「パッケージなし」の要素は、格別に小さい外形寸法を有し、従ってプリント基板の両外側層間の平らな構造空間内での取付けに格別に好適である。

以下において本発明による光信号発信器の実施例を図面に基づいて説明する。これは同時に本発明による光受信器の説明に役立つ。

図１は多層プリント基板の外側層間の構造空間内に半導体系の光源と転向要素とを有する光信号発信器を示す。 図２は構造空間内に転向要素と複数のレンズとを有する光学モジュールが設けられている図１に対応する装置を示す。 図３は多層プリント基板の両外側層間の構造空間内に半導体系の光源と転向要素とを有し、その転向要素がプリント基板装置の外側に配置されている光信号発信器を示す。

図１に光信号発信器が断面図で示されている。５つの層ＬＡＹからなるプリント基板ＬＰが示され、外側の層ＬＡＹしか存在しない領域には光信号発信器の有効要素のための構造空間が設けられている。有効要素としては半導体系の光源、ここではレーザダイオードＬＤが設けられている。レーザダイオードＬＤは、プリント基板の上下の層ＬＡＹのはんだパッドＬＰＤに電気的に接続され、そのレーザダイオードのパッケージ面がプリント基板ＬＰの冷却面ＫＦに接触している。図１を基準にしてレーザダイオードＬＤの上方の領域において、レーザダイオードＬＤと冷却面ＫＦとの間に熱伝導パッドＷＬＰが配置され、この熱伝導パッドは、熱伝達のほかに、レーザダイオードＬＤとプリント基板ＬＰの上層ＬＡＹとの間の間隙をふさぐために使用されている。

図１には光信号発信器の機能と必ずしも関係しない他の電子部品ＥＢＴが見えている。レーザダイオードＬＤの発光部ＥＭの表面は、プリント基板ＬＰの基礎面に対して直角に向けられている。即ち、発生光はプリント基板の層に平行に（図１においては、左に向かって）放射される。光を集束させるためにレンズＬが設けられている（図１には光線経路ＳＧが概略的に描かれている）。これは概略図であり、図示された２つのレンズＬの代わりに複雑なレンズ系を使用することもできる。構造空間内において最後に転向要素ＵＥとして傾斜姿勢でミラーが設けられおり、このミラーは、放射された光をプリント基板ＬＰの平面に対して垂直方向に（ここでは上に向けて）送り出す。光はプリント基板ＬＰの上層における開口を通して外に出る。この開口は、この実施例では、透明な閉鎖要素ＦＳ（「フィルタ板」）として、ビーム成形のために使用される他のレンズＬを有する。転向要素ＵＥ（ここでは、ミラー）の表面は、この実施例では平らではなくて、むしろ丸く膨らみを持たされている。それによって、放射された光ビームの成形（集束）が行なわれる。

レーザダイオードＬＤはパッケージに収容されていない半導体部品であり、即ち、パッケージのない「ダイ」が、プリント基板ＬＰに、もしくは接触面として使用されるはんだパッドＬＰＤに直接配線される。そのためにここでは「チップボンディング」の技術が使用される。他の電気接触技術も使用可能である。個々の層ＬＡＹが互いに圧着された多層プリント基板（積層構造物）の代わりに、本発明による装置は、積重ねられた又は積み上げられた個別のプリント基板（積み重ねプリント基板）から構成されてもよい。

図２には、光学要素が１つの光学モジュールＯＭにまとめられている光信号発信器が示されている。残りの構成部品は殆ど図１の装置に対応するので、それらの構成部品およびそれらの参照符号はここで改めて説明しない。しかしこの場合に、図２を基準にしてプリント基板ＬＰの上の方の層ＬＡＹには、ビーム成形（集束）のための要素としてレンズが使用されず、単に開口ＡＳＰ（「窓」）だけが設けられている。それによって、組立時に正確に、光学モジュールＯＭを開口ＡＳＰに、もしくは代替実施例では最上層の透明カバー（閉鎖要素ＦＳ）をプリント基板ＬＰにそろえる必要がない。

図３には、半導体系の光源および場合によってレンズ又はレンズ系（組み合わせレンズ）だけがプリント基板ＬＰ内に組み込まれていて、転向要素ＵＥおよび場合によって他の光学要素がプリント基板ＬＰ内に組み込まれていない光信号発信器の実施形態が示されている。それによって光学要素、特に転向要素ＵＥを比較的大きい寸法にすることができる。この解決策は、プリント基板ＬＰをもう一度、光学要素のための取付け部を有する別の容器Ｇでふさぐ場合に格別に有利である。容器Ｇとプリント基板ＬＰの上層ＯＬもしくは下層ＵＬとの間のスペーサＡＨは、一方ではプリント基板ＬＰの固定のために使用され、他方では転向要素ＵＥおよびその他の外部の光学要素に対するプリント基板ＬＰおよびそれにともなう発光部ＥＭの正確な位置合わせのために使用されている。

光学的センサ用の光受信器（光検出器）も、図１乃至３に基づいて具現される光信号発信器と同様に構成することができる。その場合に半導体系の光源の代わりに半導体系の光検出器、例えばＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサが使用される。光の光線経路ＳＧは同じであるが、放射方向が逆になることは言うまでもない。

ＡＨ スペーサ
ＡＯＥ 取付け部
ＡＳＰ 開口
ＥＢＴ 電子部品
ＥＭ 発光部
ＦＳ 封鎖要素
Ｇ 容器
ＫＦ 冷却面
Ｌ レンズ
ＬＡＹ 層
ＬＤ レーザダイオード
ＬＰ プリント基板
ＬＰＤ はんだパッド
ＯＬ 上層
ＯＭ 光学モジュール
ＳＧ 光線経路
ＵＥ 転向要素
ＵＬ 下層
ＷＬＰ 熱伝導パッド

Claims (11)

1. 光を発生するための半導体系の光源（ＬＤ）を有する、光学的センサのための光信号発信器において、半導体系の光源（ＬＤ）が多層プリント基板（ＬＰ）の両外側層（ＯＬ，ＵＬ）間の構造空間内に配置され、半導体系の光源（ＬＤ）の光出射方向がプリント基板（ＬＰ）の層（ＬＡＹ）にほぼ平行に向けられ、半導体系の光源（ＬＤ）から放射される光をプリント基板（ＬＰ）の層（ＬＡＹ）に対してほぼ垂直な方向に転向させるための転向ユニット（ＵＥ）が設けられていることを特徴とする光信号発信器。
2. 転向要素（ＵＥ）が構造空間内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光信号発信器。
3. プリント基板（ＬＰ）の両外側層（ＯＬ，ＵＬ）の一方が転向された光の出射のために転向要素（ＵＥ）の領域に開口（ＡＳＰ）又は透明封鎖要素（ＦＳ）を有することを特徴とする請求項２記載の光信号発信器。
4. 転向要素（ＵＥ）が半導体系の光源（ＬＤ）の光出射方向においてプリント基板の端面側に隣接して配置され、構造空間が光のための端面側の出射口又は端面側の透明封鎖要素（ＦＳ）を有することを特徴とする請求項１記載の光信号発信器。
5. 転向要素（ＵＥ）がプリズム又はミラーであることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の光信号発信器。
6. 転向要素（ＵＥ）の反射面が光線の集束又は拡張のために凸面又は凹面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の光信号発信器。
7. 転向要素（ＵＥ）および少なくとも１つの光学レンズ（Ｌ）が１つの光学モジュールにまとめられていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の光信号発信器。
8. 半導体系の光源（ＬＤ）が放熱のためにプリント基板（ＬＰ）の接触面（ＫＦ）に接触していることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の光信号発信器。
9. 半導体系の光源（ＬＤ）がボンディング又は貫通接触によりプリント基板（ＬＰ）の導体路又は接触面（ＬＰＤ）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の光信号発信器。
10. 光を検出するための半導体系の光検出器を有する、光学的センサのための光受信器において、半導体系の光検出器が多層プリント基板（ＬＰ）の両外側層（ＯＬ，ＵＬ）間の構造空間内に配置され、半導体系の光検出器の感光検出面がプリント基板（ＬＰ）の層（ＬＡＹ）にほぼ垂直に向けられ、半導体系の光検出器によって検出されるべき光をプリント基板（ＬＰ）の層（ＬＡＹ）に対してほぼ垂直な方向から転向させるための転向ユニット（ＵＥ）が設けられていることを特徴とする光受信器。
11. 半導体系の光検出器がＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサであることを特徴とする請求項１０記載の光受信器。