JP2021034674A - 光学式センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子から受光素子へ直接入射される光の影響を受けず、検出物の検出を正しく行うことが可能であり、安価で簡易な構成の光学式センサを提供する。【解決手段】光を出射する発光素子101と、検出物が通過する空間110を介して発光素子101からの光を受光する受光素子103と、電子回路素子102とを備え、発光素子101からの光を空間110にて検出物が遮ることにより検出物の検出を行う光学式センサであって、発光素子101、電子回路素子102、受光素子103は、基板104の同一面上に実装され、電子回路素子102は、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間に配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、発光素子と受光素子を用いて検出物の検出を行う光学式センサに関する。
従来の光学式センサとしての透過型のフォトインタラプタは、LEDなどの発光素子とフォトトランジスタなどの受光素子を用いて、前記発光素子と前記受光素子の間を検出物が通過する時に光を遮ることを検知し、検出物の検出を行う。
特許文献1に開示された透過型のフォトインタラプタは、基板の同一面上に面実装タイプの発光素子と受光素子を実装し、それらの素子が実装された基板に、内部に反射面を有する筐体を組み付けたものである。そして、発光素子から垂直方向に出射された光は、筐体の反射面で2回反射され、垂直方向から受光素子に入射される構成となっている。
このような光学式センサにおいて、発光素子と受光素子を実装した基板に、後から組み付ける筐体を、前述の内部に反射面を設けた筐体から、透明樹脂でできたライトガイドに置き換える構成も実現できる。この場合、発光素子から垂直方向に出射された光は、ライトガイドに導かれ内面反射によって、垂直方向から受光素子に入射される。
特開平11−274550号公報
しかしながら、発光素子と受光素子を実装した基板に、内部に反射面を設けた筐体を後から組み付ける場合、発光素子からの光を受光素子に導くために、反射面を適切な位置に位置決めする必要がある。そのため、発光素子と受光素子の間において、基板と筐体との間に隙間ができてしまう。この場合、発光素子からの光が、反射面で反射されて受光素子に間接的に入射される以外に、前述の隙間から受光素子へ直接入射されてしまう。すなわち、受光素子が、前述の隙間から直接入射される光の影響を受けてしまい、検出物の有無を正しく検出できないという課題があった。
また、後付の筐体を透明樹脂でできたライトガイドに置き換えた場合は、ライトガイドは透明樹脂であるため、前述の隙間の有無に関係なく、発光素子からの光が受光素子へ直接入射されてしまい、検出物の有無を正しく検出できないという課題があった。
そこで、本発明の目的は、発光素子から受光素子へ直接入射される光の影響を受けず、検出物の検出を正しく行うことが可能であり、安価で簡易な構成の光学式センサを提供することである。
上記目的を達成するため、本発明は、光を出射する発光素子と、検出物が通過する空間を介して前記発光素子からの光を受光する受光素子と、電子回路素子とを備え、前記発光素子からの光を前記空間にて検出物が遮ることにより前記検出物の検出を行う光学式センサであって、前記発光素子、前記電子回路素子、前記受光素子は、基板の同一面上に実装され、前記電子回路素子は、前記基板の実装面において、前記発光素子と前記受光素子の間に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、発光素子から受光素子へ直接入射される光の影響を受けず、検出物の検出を正しく行うことができ、安価で簡易な構成の光学式センサを提供することができる。
(a)は実施例1における光学式センサの斜視図、(b)は実施例1における光学式センサの上面図 (a)は比較例における光学式センサの断面図、(b)は実施例1における光学式センサの断面図 実施例1における光学式センサの等価回路を示す回路図 実施例1における光学式センサの出力特性を示す図 (a)は実施例2における光学式センサの斜視図、(b)は実施例2における光学式センサの上面図 実施例2における光学式センサの部品レイアウトを示す図 実施例3における光学式センサの断面図
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
〔実施例1〕
本発明の実施例1に係る光学式センサについて図1を用いて説明する。図1(a)は実施例1における光学式センサの斜視図、図1(b)は実施例1における光学式センサの上面図である。
実施例1に係る光学式センサ100は、光を出射する発光素子101と、検出物が通過する空間110を介して前記発光素子101からの光を受光する受光素子103と、電子回路素子102とを備えている。光学式センサ100は、前記発光素子101からの光を前記空間110にて検出物が遮ることにより受光素子103が受光する光量が変化して前記検出物の検出を行う。
発光素子101は、光を出射する発光源101aを有している。ここでは発光素子101として、面実装タイプのLEDを用いている。発光素子101は、基板104に対して垂直方向に向けて光を出射する光軸垂直型のLEDである。また受光素子103は、光を受光する受光領域103aを有している。ここでは受光素子103として、フォトトランジスタ(Ptr)を用いている。受光素子103は、基板104に対して垂直方向の光を受光する光軸垂直型のフォトトランジスタである。
基板104には、透過型のフォトインタラプタをなす発光素子101と受光素子103以外にも、電子回路素子102や、CPU121やメモリ122が同一面上に実装される。電子回路素子102は、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間に配置されている。光学式センサであるフォトインタラプタを構成する発光素子101と受光素子103は、前述の電子回路素子102などの他の部品と同時に基板104にリフロー実装される。すなわち、電子回路素子102は、リフロー実装可能な素子(部品)であり、基板104の所定位置に素子を実装する自動マウント装置(不図示)によって、発光素子101と受光素子103とともに基板104の同一面上に実装される。
電子回路素子102は、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間に配置されている。電子回路素子102は、発光素子101の発光源101aの中心と受光素子103の受光領域103aの中心を繋ぐ線DL上に配置されている。ここでは、電子回路素子102は、基板104に実装された発光素子101及び受光素子103とは電子的に接続されていないチップ抵抗を用いている。さらに電子回路素子102は、発光素子101に用いるLEDと同等サイズのチップ抵抗を用いている。
光学式センサ100は、導光部材としてのライトガイド105を備えている。ライトガイド105は、発光素子101、電子回路素子102、受光素子103がリフロー実装された基板104に対して、後付けで取り付けられる。ライトガイド105は、透明のアクリル樹脂で作られており、斜面部の内面反射により発光素子101から垂直方向に出射された光を受光素子103の垂直方向へと導く。具体的には、ライトガイド105は、第1の導光部105aと、第2の導光部105bと、第1の導光部105aと第2の導光部105bとを連結する連結部105cとが一体形成されたものである。第1の導光部105aは、空間110を通過する方向へ発光素子101から出射された光を導く。第2の導光部105bは、空間110を介して第1の導光部105aに対向して設けられ、空間110を通過した光を受光素子103に導く。連結部105cは基板104の実装面側が空洞になっている。電子回路素子102は、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間であって、基板104のライトガイド105の連結部105cに対応する位置に配置されている。
空間110は、対向して設けられた第1の導光部105aと第2の導光部105bとの間にあり、発光素子101から垂直方向に出射された光が受光素子103へ導かれる光路上にある。この空間110に検出物があると光路が遮られるため、発光素子101から垂直方向に出射された光が受光素子103に届かなくなる。これにより、受光素子103が受光する光量が変化して、検出物が検出される。
図2は光学式センサの断面図を示す。図2(a)は比較例の光学式センサの断面図であり、発光素子と受光素子の間に電子回路素子が無い構成を示す。図2(b)は実施例1の光学式センサの断面図であり、発光素子と受光素子の間に電子回路素子が有る構成を示す。図において、実線で示す矢印は発光素子101から垂直方向に出射された光が受光素子103へ導かれる光路を示す。破線で示す矢印は発光素子101から水平方向に出射された光が受光素子103へ向かう光路を示す。
発光素子101である光軸垂直型のLEDの場合、出射された光の大部分が垂直方向に出射されるものの、垂直方向以外にも光が出射される。また受光素子103である光軸垂直型のフォトトランジスタは、垂直方向から入射される光に対する感度が高いものの、垂直方向以外から入射される光にも感度がある。
図2(a)に破線矢印で示す通り、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子が無い場合は、発光素子101から水平方向に出射された光は、空間110の検出物の有無に関係なく、受光素子103へ入射される。
図2(b)に破線矢印で示す通り、基板104の実装面において、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子102が有る場合は、発光素子101から水平方向に出射された光は、電子回路素子102に遮られ、受光素子103へは入射されない。
図3、図4を用いて、本実施例における光学式センサの等価回路及び出力特性について説明する。図3は実施例1における光学式センサの等価回路を示す回路図である。図4は実施例1における光学式センサの出力特性を示す図である。
図3に示すように、発光素子101はLEDであり、アノードは電流制限抵抗111を介してDC電源に、カソードはGNDに接続される。受光素子103はフォトトランジスタ(Ptr)であり、コレクタはプルアップ抵抗112を介して電源に、エミッタはGNDに接続される。
電圧出力部113は受光素子103であるフォトトランジスタのコレクタに接続されており、フォトトランジスタのコレクタ端子とGNDの間の電圧を示す。電圧出力部113は受光素子103であるフォトトランジスタがオンしている状態、フォトトランジスタに光が入射している状態では出力Lとなる。一方、電圧出力部113は受光素子103であるフォトトランジスタがオフしている状態、フォトトランジスタに光が入射していない状態では出力Hとなる。
図4に示す横軸は発光素子101に流れる電流(mA)を示す。発光素子101の発光光量は流れる電流に比例する。図4に示す縦軸は電圧出力部113の電圧(V)を示す。ここでは、実験時、DC入力電圧は3.3V、LEDは定格50mA品を使用した。なお、実験時、LEDは40mAで使用した。
図4において、実線で示すデータは、光学式センサの空間110に検出物が「無」、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子102が「有」の状態を示す。破線データは、光学式センサの空間110に検出物が「有」、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子102が「無」の状態を示す。点線データは、光学式センサの空間110に検出物が「有」、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子102が「無」の状態を示す。
光学式センサは、空間110に検出物が有る場合は、発光素子101からの光が検出物に遮られるため、受光素子103は光が入射していない状態となり、出力Hとなる。一方、空間110に検出物が無い場合は、発光素子101からの光が検出物に遮られることがないため、受光素子103は光が入射している状態となり、出力Lになる。光学式センサは、発光素子101の発光光量に依存せずに、検出物の有無に応じた出力を出す必要がある。
実線で示すデータは、発光素子101からの光のうち、発光素子101から水平方向に出射された光は、発光素子101と受光素子103の間の電子回路素子102に遮られる(図2参照)。そのため、受光素子103が受光する光の光量は、発光素子101であるLEDに流れる電流、即ち、発光素子の発光光量に依存せずに、出力Lとなっている。そのため、光学式センサは、検出物の無を判別することができる。
破線で示すデータは、発光素子101からの光が、ライトガイド105の内面反射によって反射されて受光素子103に間接的に入射される以外に、発光素子101から水平方向に出射された光が受光素子103に直接入射されてしまう。そのため、受光素子103が受光する光の光量は、発光素子101に流れる電流、即ち、発光素子101の発光光量に依存して、出力H、出力Lが変化する。そのため、光学式センサは、発光素子から受光素子へ直接入射される光の影響を受けてしまい、検出物の有無を判別することができない。
点線で示すデータは、発光素子101からの光のうち、発光素子101から水平方向に出射された光は、発光素子101と受光素子103の間の電子回路素子102に遮られる(図2参照)。そのため、受光素子103が受光する光の光量は、発光素子101であるLEDに流れる電流、即ち、発光素子の発光光量に依存せずに、出力Hとなっている。そのため、光学式センサは、検出物の有を判別することができる。
電圧出力部113の電圧は通常ロジックICに接続され、ロジックIC内部のリファレンス電圧と比較して出力H、出力Lの2値に判別される。例えば、3.3V入力で動作するロジックICは、2.6V以上を出力H、0.6V以下を出力Lとして認識し、0.6V〜2.6Vは出力H、出力Lを正しく認識できない。
発光素子101の発光光量は周囲温度条件や累積点灯時間によって変化する。発光素子101の発光光量は、他にも、発光素子101の発光効率のばらつき、光軸のばらつき、受光素子103の感度のばらつき、クリアモールドであるライトガイドの内面反射のばらつき等がある。そのため、発光素子101の発光光量に依存せずに、検出物の有無に応じた出力を出す必要がある。
しかし、前述したように、光学式センサにおいて、発光素子101から受光素子103へ直接入射される光が有ると、空間110の検出物の有無を正しく判別することができない(図4に破線で示すデータ参照)。
そこで、発光素子101と受光素子103の間に電子回路素子102を配置し、発光素子101から受光素子103へ直接入射される光を電子回路素子102によって遮ることが有効であることが分かる。
本実施例のように、電子回路素子102をチップ抵抗で構成すれば、基板104に自動機である自動マウント装置によって、発光素子101、受光素子103を実装する際に電子回路素子102を同時に実装し、そのままリフロー炉に通すことが可能である。また、汎用のチップ抵抗は安価に入手可能であり、様々なサイズを選択可能という利点がある。そのため、基板の実装面(同一面)において発光素子と受光素子の間に電子回路素子を配置することで、発光素子から受光素子へ直接入射される光の影響を受けず、検出物の検出を正しく行うことができ、安価で簡易な構成の光学式センサを提供することができる。
また、基板にライトガイドを後から組み付ける構成において、発光素子から受光素子へ水平方向に直接入射される光を防止するための機構を導光部材であるライトガイドに設ける必要がないため、ライトガイドを安価で簡易な構成にすることができる。
なお、本実施例では、電子回路素子102として、基板の同一面上に実装されるチップ抵抗を例示したが、これに限定されるものではない。発光素子や受光素子に電子的に接続されないチップセラコン、チップビーズ、コネクタ、コイル、チップジャンパなどの電子回路素子や、電子回路素子以外でも耐熱性の部品など、自動マウント装置で実装可能であり、リフロー炉に通せる部品で光を遮る部品であれば良い。
また、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子102は、前記基板の実装面において前記発光素子と前記受光素子の間の一部を遮る構成であれば効果は得られる。しかし、前記電子回路素子102は、発光素子101もしくは受光素子103の高さよりも厚い部材を選択することが好ましい。
また基板に後付けされる導光部材として透明樹脂からなるライトガイドを採用した場合も、発光素子から受光素子へ水平方向に直接入射する光を防止するための機構をライトガイドに設ける必要がない。そのため、光学式センサを安価で簡易な構成で提供することができる。
〔実施例2〕
図5、図6を用いて、本発明の実施例2に係る光学式センサについて説明する。実施例2において、実施例1と同様の構成のものに関しては説明を省略する。図5(a)は実施例2における光学式センサの斜視図、図5(b)は実施例2における光学式センサの上面図である。図6は実施例2における光学式センサの部品レイアウト及び配線パターンを示す図である。
実施例2における光学式センサの等価回路図は、実施例1で図3も用いて説明した内容と同じなので省略する。
実施例2では、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子は、発光素子101もしくは受光素子103を駆動する駆動回路を構成する部品の一部である。具体的には、発光素子101の電流制限抵抗111と、受光素子103のプルアップ抵抗112が、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子を兼ねている。図5、図6に示すように、基板104には、発光素子101、電流制限抵抗111、プルアップ抵抗112、受光素子103以外にも、CPU121やメモリ122が同一面に実装される。電子回路素子である電流制限抵抗111及びプルアップ抵抗112は、基板104の実装面(同一面)において、発光素子101と受光素子103の間に配置されている。実施例2においては、電流制限抵抗111及びプルアップ抵抗112が、発光素子101から受光素子103へ直接入射する光を遮る電子回路素子として機能する。
また実施例2では、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子を複数有している。複数の電子回路素子である電流制限抵抗111とプルアップ抵抗112は、発光素子101と受光素子103の間において異なる位置に配置されている。具体的には、電流制限抵抗111とプルアップ抵抗112は、図6の上下方向に位置をずらして実装されている。電流制限抵抗111とプルアップ抵抗112は、発光素子101の発光源101aの中心と受光素子103の受光領域103aの中心を繋ぐ線DLに対して交差する方向において、異なる位置に配置されている。ここでは電流制限抵抗111とプルアップ抵抗112を前記繋ぐ線DLに対して交差する位置に配置した構成を例示したが、これに限定されるものではない。複数の電子回路素子を、発光素子101の発光源101aの中心と受光素子103の受光領域103aの中心を繋ぐ線DLに対して交差する方向において、異なる位置に配置する場合、発光素子と受光素子の間において少なくとも1つの電子回路素子を前記繋ぐ線上に配置すればよい。また、本実施例で用いる電流制限抵抗111、プルアップ抵抗112は、発光素子101及び受光素子103よりサイズが小さい部品を用いている。電流制限抵抗111、プルアップ抵抗112の位置をずらして基板104の同一面上に実装することで、発光素子101から水平方向に出射された光が、受光素子103に水平方向から入射する光路を遮る構成になっている。
以上説明した通り、発光素子101と受光素子103を駆動する駆動回路を構成する部品である電流制限抵抗111とプルアップ抵抗112を、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子を兼ねる構成とする。これにより、電子回路素子を追加することによるコストアップを無くすことができる。
また、複数の電子回路素子である電流制限抵抗111、プルアップ抵抗112の位置をずらして基板104の同一面上に実装する。これにより、電流制限抵抗111、プルアップ抵抗112に発光素子101及び受光素子103よりサイズが小さい部品を採用した場合でも、発光素子101と受光素子103の間に配置する電子回路素子として機能させることができる。
〔実施例3〕
図7を用いて、本発明の実施例3に係る光学式センサについて説明する。実施例3において、実施例1、2と同様の構成のものに関しては説明を省略する。図7は本実施例における光学式センサの断面図である。
実施例3における光学式センサは、基板に後付けされる導光部材であるライトガイドの代わりに、反射面109a,109bを備える黒色の筐体108を備えている。以下、詳しく説明する。
実施例3では、基板104の同一面上に、発光素子101、電子回路素子102、受光素子103を先に実装し、後から筐体108を基板104に取り付ける。黒色の筐体108は、第1の反射面109aを有する第1の中空部108aと、第2の反射面109bを有する第2の中空部108bと、第1の中空部108aと第2の中空部108bとを連結する連結部108cとが一体形成されたものである。第1の中空部108aは、発光素子101から出射された光を反射する第1の反射面109aと、第1の反射面109aで反射された光を空間110に向けて通過させる第1のスリット108dとを有する。第2の中空部108bは、空間110を介して第1の中空部108aに対向して設けられている。第2の中空部108bは、空間110を通過した光を受け入れる第2のスリット108eと、第2のスリット108eを通過した光を受光素子103に向けて反射させる第2の反射面109bとを有する。
基板104に対して反射面109a,109bを備えた筐体108を後から組み付ける場合、発光素子101からの光を受光素子103に導くために、反射面109a,109bを適切な位置に位置決めする必要がある。そのため、基板104に対して筐体108を後付けする場合、図7に示す通り、筐体108の連結部108cと基板104の間に隙間が生じる。隙間が生じないように組み付けるためには、筐体108の形状を工夫する必要があり容易でない。筐体108の連結部108cと基板104との間に隙間が有ると、図7の点線で示すように、発光素子101から水平方向に出射された光が、前述の隙間を通って受光素子103へ直接入射される経路ができる。
前記した通り、光学式センサにおいて、発光素子101から受光素子103へ直接入射される光が有ると、空間110の検出物の有無を正しく判別することができない。
そこで、実施例3における光学式センサは、基板104の実装面(同一面)において、電子回路素子102を、発光素子101と受光素子103の間に実装する。これにより、電子回路素子102により発光素子101から受光素子103へ直接入射される光の経路を遮蔽することができる。
以上説明した通り、基板の同一面上に発光素子、受光素子を実装した後に、後付けで筐体を組み付ける構成において、電子回路素子を発光素子と受光素子の間に実装する。これにより、基板と筐体の連結部の間に隙間が生じた場合でも迷光の影響を受けない光学式センサを安価で簡易な構成で実現することができる。
また、発光素子から受光素子へ水平方向に直接入射する光を防止するための機構を筐体に設ける必要がないため、筐体を安価で簡易な構成にすることができる。
100 …光学式センサ
101 …発光素子
101a …発光源
102 …電子回路素子
103 …受光素子
103a …受光領域
104 …基板
105 …ライトガイド
105a …第1の導光部
105b …第2の導光部
105c …連結部
108 …筐体
108a …第1の中空部
108b …第2の中空部
108c …連結部
108d …第1のスリット
108e …第2のスリット
109a …第1の反射面
109b …第2の反射面
110 …空間
111 …電流制限抵抗
112 …プルアップ抵抗

Claims (7)

  1. 光を出射する発光素子と、
    検出物が通過する空間を介して前記発光素子からの光を受光する受光素子と、
    電子回路素子と、
    を備え、前記発光素子からの光を前記空間にて検出物が遮ることにより前記検出物の検出を行う光学式センサであって、
    前記発光素子、前記電子回路素子、前記受光素子は、基板の同一面上に実装され、前記電子回路素子は、前記基板の実装面において、前記発光素子と前記受光素子の間に配置されていることを特徴とする光学式センサ。
  2. 前記電子回路素子を複数有し、複数の電子回路素子は、前記基板の実装面において、前記発光素子の発光源の中心と前記受光素子の受光領域の中心を繋ぐ線に対して交差する方向において、異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式センサ。
  3. 前記空間を通過する方向へ前記発光素子から出射された光を導く第1の導光部と、
    前記空間を介して前記第1の導光部に対向して設けられ前記空間を通過した光を前記受光素子に導く第2の導光部と、
    前記第1の導光部と前記第2の導光部とを連結する連結部とが一体形成された導光部材と、
    を備え、
    前記電子回路素子は、前記発光素子と前記受光素子の間であって、前記連結部に対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式センサ。
  4. 前記発光素子から出射された光を反射する第1の反射面と前記第1の反射面で反射された光を前記空間に向けて通過させる第1のスリットとを有する第1の中空部と、
    前記空間を介して前記第1の中空部に対向して設けられ前記空間を通過した光を受け入れる第2のスリットと前記第2のスリットを通過した光を前記受光素子に向けて反射させる第2の反射面とを有する第2の中空部と、
    前記第1の中空部と前記第2の中空部とを連結する連結部とが一体形成された黒色の筐体と、
    を備え、
    前記電子回路素子は、前記発光素子と前記受光素子の間であって、前記基板と前記筐体の連結部との間に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学式センサ。
  5. 前記発光素子は光を出射する発光源を有し、
    前記受光素子は光を受光する受光領域を有し、
    前記電子回路素子は、前記発光素子の発光源の中心と前記受光素子の受光領域の中心を繋ぐ線上に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光学式センサ。
  6. 前記電子回路素子は、リフロー実装可能な素子であり、発光素子もしくは受光素子を駆動する駆動回路を構成する部品の一部であることを特徴とする請求項5に記載の光学式センサ。
  7. 前記発光素子は面実装タイプのLEDであり、前記受光素子は面実装タイプのフォトトランジスタであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光学式センサ。
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