JP2730042B2 - 透過型フォトセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体の有無や位置等を光により検出する透
過型フォトセンサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来より、透過型フォトセンサにおける電流伝達比の
向上を図るため、種々の構造の透過型フォトセンサが案
出されている。第14図は従来の透過型フォトセンサの概
略断面図、第15図はその発光素子が発する光の光路図で
ある。第14図及び第15図において60はＵ字状のケース、
61はケース60の左側部60aに設けられた発光部、62はケ
ース60の右側部60bに設けられた受光部である。第14図
に示すように発光部61と受光部62はケース60の左右側部
の内側に対向して取り付けられている。発光部61は発光
素子１と発光素子１用のリード部53と光透過性材料55と
からなり、光の放射面57aは凸レンズ状に形成されてい
る。受光部62は受光素子２と受光素子２用のリード部54
と光透過性材料55とからなり、光の照射面57bは凸レン
ズ状に形成されている。また、矢印は光路を示す。尚、
発光部61における光透過性材料55は凸レンズ部を形成す
ると共に、発光素子１やリード部53を一体的にモールド
するものである。また、発光部61におけるリード部53は
リードフレームを含むものであり、発光素子１はその一
方のリードフレーム上に取り付けられ、他のリードフレ
ームとはワイヤーボンディングされている。受光部62に
おいても同様である。

上記のように構成された透過型フォトセンサによれ
ば、第15図に示すように発光素子１が発する光のうち光
透過性材料55によって形成された放射面57aに直接放射
された光は、レンズ効果により放射面57aの中心軸に対
して平行な光とされ、受光部62の照射面57bに達する。
その平行光は照射面57bで屈折して受光素子２に集光さ
れる。したがって、これらの光は透過型フォトセンサの
電流伝達比の向上に寄与する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の透過型フォトセンサでは、発光
素子１が発した光のうち直接放射面57aに放射されない
光は、受光素子２へは達せず損失光となる。また、直接
放射面57aに放射される光でも、放射面57aに対する入射
角の大きな光は、フレネル反射によりその大部分は内側
に反射されるので、受光素子２に放射されるものは少な
い。

たとえば、光透過性材料55に現在一般に使用されてい
る屈折率1.5のエポキシ樹脂を使用した場合は、実際に
放射面57aの中心軸に対して平行な光として受光部62の
照射面57bに達する光は、発光素子１が発した光のう
ち、前記中心軸に対して約30度以内に発した光だけであ
る。

第16図はGaPの発光素子が発する光束の配光特性を示
す図である。同図に示すように、中心軸Ｙに対して30度
以内に発する光束は、球帯係数を考慮にいれて計算した
場合、中心軸Ｙに対して90度以内に発する光束の約15％
である。このことは発光素子が発する光のうち受光素子
に達する光が15％以下であり、光の伝達効率が悪いとい
うことを示している。

以上のように、従来の透過型フォトセンサでは、受光
素子２に達しない無駄な光が多いため、受光素子２への
伝達効率が悪いという欠点があった。

また、前記中心軸に対して平行な光を得るためには発
光素子１の位置を放射面57aの焦点に配置しなければな
らないが、この発光素子１の位置（焦点位置）は、第17
図に示すように発光部61の放射面57aの高さをＨ、放射
面57aの直径をＤ、屈折率をｎとすれば、 と表すことができる。そして、一般に使用されている屈
折率ｎが1.5のエポキシ樹脂では、Ｈ≒1.1Dとなる。し
たがって、発光部61は薄型にできないという欠点があっ
た。このことは、受光部62においても同様である。

更に、従来の透過型フォトセンサで使用する発光素子
は、一般にGaAs赤外LEDが多く使用されるが、価格が高
いためローコスト化の要求に対してはGaP赤色LEDが使用
されている。また、被検出物体によっては、GaAs赤外LE
Dが発する発光波長領域の赤外線の透過率が大きい物体
もあり、この場合光が入射しているときと遮断されたと
きの出力信号比が十分にとれないので、GaP赤色LEDが使
用されている。しかし、GaP赤色LEDは出力が小さく、光
が入射しているときと遮断されたときの出力信号比が十
分にとれないため、用途が限られていた。

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、発
光素子が発する光を効率よく受光素子に放射することが
でき、しかも発光部や受光部を薄型にすることができる
透過型フォトセンサを提供することを目的とするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明に係る透過型フォ
トセンサは、発光素子と該発光素子に電力を供給する発
光用のリード部とを含む発光部と、該発光部が放射した
光を受光して光電変換する受光素子と該受光素子から電
力を取り出す受光用のリード部とを含む受光部とを有
し、前記発光部と前記受光部との間の光路上に位置する
被検出物体を受光素子の受光量の変化により検出する透
過型フォトセンサにおいて、前記発光部は、光透過性材
料により製作され、該光透過性材料の内部に発光素子を
埋め込み、該発光素子の発光面に対向して凹面状反射面
をかつ発光素子の発光面の反対側に平面状の放射面を形
成し、前記受光部は、光透過性材料により製作され、該
光透過性材料の内部に受光素子を埋め込み、前記受光素
子の受光面に対向して凹面状反射面をかつ受光素子の反
対側に平面状の入射面を形成し、前記発光部の発光素子
が発した光を前記凹面状反射面で反射して放射面より平
行光又は収束光として放射し、前記発光素子が発した光
を前記受光部の入射面より受光し前記凹面状反射面で反
射して収束光とした後に前記受光素子に放射するように
構成したものである。

〔作用〕

本発明は前記の構成によって、発光用のリード部から
発光素子に電力を供給すると、発光電力が発光する。発
光素子が発した光は凹面状反射面で反射して平行光又は
収束光としてから受光部に放射するので、発光素子が発
する光を効率よく受光部に放射することができる。ま
た、受光部が受けた光は凹面状反射面で反射して収束光
にしてから受光素子に放射するので、受光部が受けた光
を効率よく受光素子に放射することができる。

このように、光透過性材料で製作した発光部に凹面状
反射面と平面状放射面をかつ光透過性材料で形成した受
光部に凹面状反射面と平面状入射面とを設ければ、より
効率よく発光素子が発した光を受光素子に放射すること
ができる。

また、光透過性材料に形成した凹面状反射面は、発光
素子の発光面又は受光素子の受光面に対向して設けら
れ、かつ平面状の放射面又は平面状の入射面が形成され
ているので、発光部または受光部の厚さを薄くしても凹
面状反射面を配置して発光素子が発する光を効率よく受
光部に放射することができる。そして、受光部が受けた
光は受光素子によって光電変換され、受光用のリード部
を介して電気エネルギー（出力信号）として外部に取り
出す。

〔実施例〕

以下に本発明の第１の実施例を第１図乃至第５図を参
照して説明する。第１図は本発明の第１の実施例である
透過型フォトセンサの概略断面図、第２図はその発光素
子が発する光の光路を示す図である。第１図及び第２図
において10はケース、11はケース10の左側部10aに設け
られた発光部、12はケース10の右側部10bに設けられた
受光部である。発光部11は発光素子１と発光素子１用リ
ード部３と凹面状反射面6aと光透過性材料５とからな
り、光の放射面7aは平面状に形成されている。受光部12
は受光素子２と受光素子２用リード受４と凹面状反射面
6bと光透過性材料５とからなり、光の入射面7bは平面状
に形成されている。また、矢印は光路を示す。尚、光透
過性材料５は光透過性樹脂あるいは硝子、たとえば低融
点硝子でもよい。このことは、以下に説明する他の実施
例でも同様である。

リード部３はリードフレームを含むものであり、発光
素子１はその一方のリードフレーム上に取り付けられ、
他のリードフレームとはワイヤーボンディングされてい
る。リード部４と受光素子２も同様である。また、凹面
状反射面6aと凹面状反射面6bとはＵ字状のケース10の左
右側部の内側に対向して設けられ、凹面状反射面6aと発
光面とが対向するように発光素子１が配置され、同様に
凹面状反射面6bと受光面とが対向するように受光素子２
が配置されている。そして、凹面状反射面6a・6bはそれ
ぞれ発光素子１又は受光素子２を焦点とする回転放物面
状に形成されている。たとえば、凹面状反射面6a・6bは
樹脂製のケース10の左右側部10a・10bの内側に回転放物
面状の凹面状部を対向するように形成し、その凹面状部
を鍍金や金属蒸着等により鏡面加工して反射面としたも
のである。

上記の構成によれば、リード部３による発光素子１に
電力が供給され、発光素子１が発光する。ところで、凹
面状反射面6aは回転放物面状に形成され、しかも発光素
子１は凹面状反射面6aの焦点に発光面が対向するように
配置されているので、発光素子１が発するほぼ全ての光
は第２図の矢印に示すように凹面状反射面6aによって反
射され、凹面状反射面6aの中心軸に対して平行な光とな
る。また、凹面状反射面6bは回転放物面状に形成され、
しかも受光素子２は凹面状反射面6bの焦点に受光面が対
向するように配置されているので、凹面状反射面6aによ
る平行光は受光部12の凹面状反射面6bで再び反射された
後、受光素子に集光される。したがって、発光素子１が
発する光を、ほぼ損失なく有効に受光素子２に集光する
ことができる。そし、受光素子２に集光された光は電気
エネルギーに変換され、その電気エネルギーはリード部
４を介して出力信号として外部に取り出す。

上記の実施例によれば、発光素子１が発する光を凹面
状反射面6a・6bにより効率よく受光素子２に集光するこ
とができるので、光の損失がなく、光の伝達効率の向上
を図ることができる。また、発光部11の放射面7a及び受
光部12の入射面7bは平面状に形成されているので、防塵
性に優れている。更に、構造が簡易であるので、容易に
製造することができ量産性の向上を図ることができる。

また、上記の実施例によれば、発光素子１から受光素
子２への光の伝達効率が非常に良くなるので、たとえば
前述の第16図に示す配光特性を有する発光素子を使用し
た場合には、従来のものに比べて、理論上、光の伝達効
率が６倍以上にもなる。したがって、従来では用途の制
限があった低価格の低出力GaP赤色LED等でも、フォトセ
ンサ用発光素子として十分に使用することができ、生産
コストを安くすることができる。

更に、上記の実施例によれば、凹面状反射面6aは発光
素子１の発光面側に発光素子１と対向するように設けら
れているので、第３図に示すように発光素子１の位置
（凹面状反射面6aの焦点位置）からの凹面状反射面6aま
での高さＨは、発光部11の放射面7aの直径をＤとすれ
ば、Ｈ＝D/4とすることができる。したがって、発光部1
1の厚さは従来の構造のものに比べて1/4以下にすること
ができる。受光部12についても同様である。このよう
に、本実施例によれば従来の透過型フォトセンサに比べ
て、発光部11や受光部12を薄くすることができる。

尚、発光素子１に電力を供給するリード部３には細い
リードフレームを用いることにより、放射面7aの直径を
5mmとした場合でも発光部11における発光素子１とリー
ドフレームの影による光の損失は10％以下にすることが
できる。受光部12でも同様である。このように、本実施
例の透過型フォトセンサは、従来のものに比べて光の伝
達効率が非常に向上するので、発光素子１や受光素子２
等の影による損失は効率上も特に問題とはならない。

第４図は本実施例の第１変形例を示す図である。第４
図において3a・3bは回路パターン８はワイヤ、９は光透
過性基板である。尚、第４図に示す本実施例の第１変形
例及び以下に説明する本実施例の第２乃至第４の実施例
並びに参考例において上記第１乃至第３図に示す第１の
実施例と同一の機能を有するものは同一の符号を付すこ
とによりその詳細な説明を省略する。

本変形例は、発光部11のリード部３を光透過性基板９
を含む回路パターン3a・3bとワイヤ８とに置き換えたも
のである。本変形例において発光素子１は光透過性基板
９に形成された一方の回路パターン3aの端にマウントさ
れ、他方の回路パターン3bとはワイヤ８により電気的に
接続されている。そして、発光素子１と凹面状反射面6a
との空間は光透過性材料５により充填されている。

以上の構成により上記実施例と同様の作用、効果を生
じさせることができる。尚、上記では発光部11のリード
部３について説明したが受光部12のリード部においても
同様である。

第５図は、本発明の参考例を示す図である。本参考例
は前記第１変形例における発光素子１と凹面反射面6aと
の空間を中空状に形成したものである。

このように、リードフレームの替わりに回路パターン
の形成された光透過性基板（たとえば透明ガラス基板）
を使用すれば、回路パターンの線幅を20μｍ以下とする
ことが可能となり、放射面7aの直径を5mmとした場合で
も、発光部11における発光素子１と回路パターンとの影
による損失は１％以下にすることができる。受光部12に
おいても同様である。

いずれにしても、本実施例の透過型フォトセンサは、
従来のものに比べて光の伝達効率が向上するので、発光
素子１や受光素子２等の影による損失は効率上も特に問
題とはならない。

上記第１変形例について説明したことは、以下に説明
する他の実施例でも同様である。

第６図は本発明の第２の実施例である透過型フォトセ
ンサの発光素子が発する光の光路を示す図である。第６
図において13a・13bは配光調整用の凸レンズである。
尚、第２の実施例は前記第１の実施例とは発光部11と受
光部12とは相違するが、その他は第１の実施例と同様で
あるので、第２の実施例の概略断面図は省略する。以
下、第３乃至第６の実施例においても同様であるので、
これらの実施例においても概略断面図は省略する。

本発明の第２の実施例の発光部11及び受光部12は各々
配光調整用の凸レンズ13a・13bを含むものである。尚、
この配光調整用凸レンズ13a・13bは、発光素子１と凹面
状反射面6aとの空間又は受光素子２と凹面状反射面6bと
の空間が光透過性材料５で埋められている場合には、光
透過性材料５でモールドする際に、光透過材料５により
一体的に形成したものであってもよい。このことは、以
下に説明する他の実施例でも同様である。

上記の構成によれば、第６図に示すように発光素子１
が発するほぼ全ての光は回転放物面状に形成された凹面
状反射面6aによって反射され、凹面状反射面6aの中心軸
に対して平行な光とされた後、光路上に設けた凸レンズ
13aにより屈折して、発光素子１と受光素子２の中間点
で一度集光する。そして、この光は受光部12の照射面7b
に設けた配光調整用凸レンズ13bに達して再び屈折し
て、凹面状反射面6bの中心軸に対して平行な光になり、
受光素子２に対向して設けられ回転放物面状に形成され
た凹面状反射面6bにより受光素子２に集光される。した
がって、発光素子１発する光を効率よく受光素子２に集
光することができる。

本実施例によれば、発光素子１と受光素子２の中間点
で光が一度集光するので、中間点で被検出物体を検出す
るようにすれば、被検出物体が中間点になければ受光素
子２はON状態となっており、被検出物体が中間点にある
と受光素子２はOFF状態になる。このように、本実施例
によれば、ある点（中間点）に被検出物体があるか否か
により位置制御等を行うことができるので、検出精度の
向上を図ることができる。その他の効果は前記第１の実
施例と同様である。

第７図は本発明の第３の実施例である透過型フォトセ
ンサの発光素子が発する光の光路を示す図である。第７
図において14a・14bは光透過性材料で形成された凹レン
ズ、6c・6dは回転楕円面状に形成された凹面状反射面で
ある。

本発明の第３の実施例が第１の実施例と異なるのは、
本実施例の発光部11及び受光部12が回転楕円面状に形成
された凹面状反射面と、配光調整用の凹レンズを含むも
のである点にある。その他の点は第１の実施例と同様で
ある。尚、発光素子１は凹面状反射面6cの焦点に発光面
が対向するように配置され、受光素子２は凹面状反射面
6dの焦点に受光面が対向するように配置されている。ま
た、放射面7aや反射面7bでの光の屈折をなくすため、た
とえば、凹レンズ14aのレンズ表面は放射光に対して垂
直になるように、集光点Ｃを中心とする球面状に形成さ
れている。凹レンズ14bも同様である。

上記の構成によれば、凹面状反射面6c・6dが回転楕円
面状に形成されているので、第７図の矢印で示すように
発光素子１から発するほぼ全ての光は回転楕円面状に形
成された凹面状反射面6cによって反射され、この反射光
に対して垂直になるように形成された凹レンズ14aの表
面から光が放射された後、発光素子１と受光素子２の中
間点で一度集光される。そしてこの光に対して垂直にな
るように表面が形成された凹レンズ14bを通過して、受
光素子２に対向して設けられ回転楕円面状に形成され凹
面状反射面6dにより反射され、受光素子２に集光され
る。このように、凹面状反射面6cで反射された光が収束
光となる場合には、発光部11にレンズ面が集光点を中心
とする球面状に形成された凹レンズ14aを設けることに
より、レンズ面と空気の界面から光を垂直に放射するこ
とができる。したがって、光透過性材料５と空気との界
面における屈折による放射角のずれを防止して集光精度
の向上を図ることができる。受光部12においても同様に
凹レンズ14bを設けることにより、集光精度の向上を図
ることができる。その他の作用・効果は第２の実施例と
同様である。

また、発光素子１と凹面状反射面6cとの空間及び受光
素子２と凹面状反射面6dとの空間が中空状の場合には、
光透過性材料５がなく、界面における屈折を考慮する必
要がないので、第８図の参考例に示すように、凹レンズ
14a・14bに替えて光透過性基板9a・9bを取り付けたもの
でもよい。

尚、本実施例における発光部11と前記第２の実施例の
受光部12とを組み合わせたもの、又は本実施例における
受光部12と第２の実施例における発光部11とを組み合わ
せたものでも、同様の作用・効果を生じさせることがで
きる。

第９図、第10図および第11図は、本発明の参考例を示
す図である。

第12図は本発明の第４の実施例の概略図である。第12
図において、20aは発光部11に設けられた第１の光ファ
イバ、20bは受光部12に設けられた第２の光ファイバで
ある。本実施例の発光部11は前記第２又は第３の実施例
で説明した発光部に第１の光ファイバ20aを配置したも
のであり、また本実施例の受光部12は前記第２又は第３
の実施例で説明した受光部に第２の光ファイバ20bを配
置したものである。第１の光ファイバ20aは放射面7aか
ら放射された収束光の収束点に、その一端面が放射面7a
に対向するように配置されている。また、第１の光ファ
イバ20aの他端面と第２の光ファイバ20bの一端面、及び
第２の光ファイバ20bの他端面と受光部12とが対向配置
されている。そして、第１の光ファイバ20aと第２のフ
ァイバ20bとの間に位置する被検出物体を検出する。

上記の構成によれば、放射面7aから放射された光は第
１の光ファイバ20aの一端に収束して入射し、該第１の
光ファイバ20aによって案内され他端から放射される。
放射された光は第２の光ファイバ20bの一端に入射し同
様に案内されて他端から放射されて受光部12の照射面7b
に照射される。

本実施例によれば、光ファイバ20a・20bによって光を
案内することができるので、通常の透過型フォトセンサ
では検出しにくい、たとえば狭い場所においても、被検
出物体の位置等を容易に検出することができる。その他
の作用、効果は前記第２又は第３の実施例と同様であ
る。

第13図は本発明の参考例を示す図である。第13図に示
す参考例の受光部12には凹面状反射面が配置されておら
ず、第２の光ファイバの端面と受光素子２とは近接して
対向配置されている。

尚、上記第１乃至第４の実施例においては、発光部11
と受光部12とが同一のケースに一体的に形成されたもの
について説明したが、発光部11と受光部12とは別々に異
なるケースに形成されたものであってもよい。

また、上記第１乃至第４の実施例においては、凹面状
反射面が回転放物面状又は回転楕円面状に形成されてい
る場合について説明したが、凹面状反射面は他の楕円放
物面状又は他の楕円面状等に形成されたものでもよい。
また、凹面状反射面は複数の小平面を結合して回転放物
面状又は回転楕円面状に形成したものであってもよい。

更に、上記第１乃至第４の実施例においては、発光部
と受光部とが一組配置されたものについて説明したが、
発光部と受光部とは複数組配置されたものであってもよ
い。この場合に各組毎に発光・受光波長の異なる発光素
子と受光素子を使用することにより、たとえば赤外波長
用の発光素子と受光素子を組にしたものと、可視用の発
光素子と受光素子を組にしたものとを併設することによ
り、センサで得ることのできる情報量を増やすことがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、発光部に設けた
凹面状反射面により、発光素子が発する光を効率よく受
光素子に放射することができる。また、受光部に設けた
凹面状反射面により、受光部が受けた光を効率よく受光
素子に放射することができる。更に、凹面状反射面は発
光素子や受光素子と対向して配置してあるので、発光部
や受光部を薄型にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例である透過型フォトセン
サの概略断面図、第２図はその発光素子が発する光の光
路を示す図、第３図はその凹面状反射面の形状を説明す
るための図、第４図は本発明の第１の実施例の変形例を
示す概略部分断面図、第５図は本発明の参考例を示す概
略部分断面図、第６図は本発明の第２の実施例の発光素
子が発する光の光路を示す図、第７図は本発明の第３の
実施例の発光素子が発する光の光路を示す図、第８図は
参考例の発光素子が発する光の光路を示す図、第９図乃
至第11図は参考例の発光素子が発する光の光路を示す
図、第12図は本発明の第４の実施例の概略図、第13図は
参考例の概略図、第14図は従来の透過型フォトセンサの
概略断面図、第15図はその発光素子が発する光の光路を
示す図、第16図はGaP発光素子の配光特性を示す図、第1
7図は従来の透過型フォトセンサの放射面形状を説明す
るための図である。 １……発光素子、２……受光素子、 ３・４……リード部、3a・3b……回路パターン、５……
光透過性材料、 6a・6b・6c・6d……凹面状反射面、 7a……放射面、7b……入射面、 ８……ワイヤ、９・9a・9b……光透過性基板、 10……ケース、11……発光部、 12……受光部、13a・13b……凸レンズ、 14a・14b……凹レンズ、 20a・20b……光ファイバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−80881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−119987（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−57983（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−138204（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−91459（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−94965（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭54−41873（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−22551（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭57−8202（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子と該発光素子に電力を供給する発
   光用のリード部とを含む発光部と、該発光部が放射した
   光を受光して光電変換する受光素子と該受光素子から電
   力を取り出す受光用のリード部とを含む受光部とを有
   し、前記発光部と前記受光部との間の光路上に位置する
   被検出物体を受光素子の受光量の変化により検出する透
   過型フォトセンサにおいて、前記発光部は、光透過性材
   料により製作され、該光透過性材料の内部に発光素子を
   埋め込み、該発光素子の発光面に対向して凹面状反射面
   をかつ発光素子の発光面の反対側に平面状の放射面を形
   成し、前記受光部は、光透過性材料により製作され、該
   光透過性材料の内部に受光素子を埋め込み、前記受光素
   子の受光面に対向して凹面状反射面をかつ受光素子の反
   対側に平面状の入射面を形成し、前記発光部の発光素子
   が発した光を前記凹面状反射面で反射して放射面より平
   行光又は収束光として放射し、該発光素子が発した光を
   前記受光部の入射面より受光し前記凹面状反射面で反射
   して収束光とした後に前記受光素子に放射するように構
   成したことを特徴とする透過型フォトセンサ。
2. 【請求項２】前記発光部は、前記凹面状反射面が回転放
   物面状又は回転楕円面状に形成され、前記発光素子が凹
   面状反射面の焦点に配置され、かつ前記受光部は、前記
   凹面状反射面が回転放物面状又は回転楕円面状に形成さ
   れ、前記受光素子が前記凹面状反射面の焦点に配置され
   ている請求項第１項記載の透過型フォトセンサ。