JP3105460U

JP3105460U - 変調光を受光する光センサ

Info

Publication number: JP3105460U
Application number: JP2004002935U
Authority: JP
Inventors: 一徳砂原
Original assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Current assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2010-05-26

Abstract

【課題】変調光に応答したのか、外乱光に応答したのかが区別することができるようにした光センサを提供することを目的とする。
【解決手段】変調光に応答して信号を出力する変調光受光素子３０と、入射光に応じて信号を出力するモニタ受光素子４０と、変調光受光素子３０とモニタ受光素子４０とを収容するケース１０とを有する。ケース１０において、光の入射側からモニタ受光素子４０、変調光受光素子３０の順に配置し、かつ、モニタ受光素子４０は、少なくともその一部が、変調光受光素子３０において受光すべき変調光が透過可能である。
【選択図】図２

Description

本考案は、光信号を受光する光センサに関し、特に、変調光を受光する変調光受光素子を有する光センサに関する。

フォトインタラプタとして用いることができる光センサとして、発光ダイオード等の発光素子と、この発光素子からの変調光を受光して、外乱の影響を受けずに検出信号を取り出す変調光受光センサとを有するものがある。この変調光受光センサは、ある特定のパルス周期により点滅する光に反応し、その光を受光面に受けると、特定の論理値を出力信号として出力する。この変調光受光センサは、すべての光にそのまま応答する光センサと異なり、特定の変調光にのみ応答するため、外乱光の影響を受けにくい。

従来の光変調方式フォトインタラプタは外乱光の影響を受けにくいセンサであっても、誤動作することがあり得る。例えば、外乱光が特定のパルス周期に近い場合、誤動作することがあり得る。しかし、そのような場合に、これまでは、変調光に応答したのか、外乱光に応答したのかが区別できないという問題があった。

本考案の目的は、変調光に応答したのか、外乱光に応答したのかが区別することができるようにした光センサを提供することを目的とする。

本考案の第１の態様は、
変調光に応答して信号を出力する変調光受光素子と、
入射光に応じて信号を出力するモニタ受光素子と、
前記変調光受光素子とモニタ受光素子とを収容するケースとを有し、
前記ケースにおいて、光の入射側からモニタ受光素子、変調光受光素子の順に配置し、かつ、前記モニタ受光素子は、少なくともその一部が、前記変調光受光素子において受光すべき変調光が透過可能であることを特徴とする。

また、本考案の第２の態様は、
変調光を出射する発光素子と、
前記発光素子と間隔をあけて対向配置され、前記発光素子の出射光を受光する変調光受光素子およびモニタ受光素子と、前記発光素子、変調光受光素子およびモニタ受光素子を収容するケースとを有し、
前記変調光受光素子は、前記発光素子からの変調光に応答して信号を出力し、
前記モニタ受光素子は、入射光に応じて信号を出力し、
前記ケースにおいて、光の入射側からモニタ受光素子、変調光受光素子の順に配置し、かつ、前記モニタ受光素子は、少なくともその一部が、前記変調光受光素子において受光すべき変調光が透過可能であることを特徴とする。

本考案によれば、変調光に応答したのか、外乱光に応答したのかが区別することができるようにした光センサを実現することができる。

以下、本考案に係る光センサの実施形態について図面を参照して説明する。

図１および図２に示すように、本考案の第１の実施形態に係る光センサは、ケース１０に収容された、発光部１１と受光部１３とが溝部１２を挟んで対向配置される構造となっている。すなわち、この光センサでは、溝部１２内に、シャッタ、セクタ等の遮光物が存在しない場合、発光部１１からの光信号が受光部１３に伝達される。一方、溝部１２内に、遮光物が存在する場合には、発光部１１からの光信号の受光部１３への伝達が阻止される。これにより、遮光物の存否による信号伝達の制御、遮光物の存否の検出等を行うことができる。代表的な例として、フォトインタラプタとして使用することが挙げられる。

発光部１１と受光部１３には、溝部１２を挟んで対向する面に透光部１４と１５とが設けられる。これらは、発光部１１から出射される光が、受光部１３に投射される際に用いられる。ケース１０のその他の部分は、外部からの光の入射を防ぐため、遮光性の材料で覆わる構造となっている。透光部１４、１５は、本実施形態では、スリット状の切り込みを設けることにより形成されている。

ケース１０の底部には、配線基板５０が装填される。この配線基板５０には、後述する発光素子および受光素子と、そのほかの回路要素とが、それぞれ実装されるともに、発光素子および受光素子と回路要素との接続を行う。さらに、図示を省略している入出力コネクタとの接続を行う。この印刷配線５０の下方の空間には、遮光性を確保するための封止処理が行われる。配線基板５０に搭載される回路要素としては、前述したコネクタの外、例えば、図４に示す異常検出回路６０が挙げられる。

発光部１１には、発光素子２０として、例えば、発光ダイオードが配置されている。本実施形態では、具体的には、９５０ｎｍ近傍に相対放射強度のピークを有する発光ダイオードが用いられている。もちろん、これに限定されない。後述するように、受光素子３０，４０側の分光感度に対応するスペクトル分布特性を有する発光素子が選ばれる。

発光素子２０は、その発光面２１が前述した透光部１４から対向する受光部の透光部１５を望むよう配置される。発光素子２０は、リードピン２３により、配線基板５０に固定されると共に、図示していない配線を介して、後述する、変調光受光素子３０の変調駆動回路３８と接続される。発光素子２０は、変調駆動回路３８からの、一定の繰返し周期を有する駆動信号によりパルス発光される。

受光部１３には、変調光に応答して信号を出力する変調光受光素子３０と、入射光に応じて信号を出力するモニタ受光素子４０とが配置されている。受光部１３では、光の入射側からモニタ受光素子４０、変調光受光素子３０の順に、ケース１０に配置される。また、モニタ受光素子４０は、少なくともその一部が、変調光受光素子３０において受光すべき変調光が透過可能なものが用いられる。具体的には、例えば、前述した発光素子２０からの放射光である９５０ｎｍ近傍にピークを有する光を透過できればよい。本実施形態では、モニタ受光素子４０のモールド部分４０ｍが、発光素子２０からの出射光が透過可能になっている。

なお、モニタ受光素子４０と変調光受光素子３０とは、図１、図２および図３に示すように、それらの受光面の中心軸を相対的に変位させた状態で配置される。これは、モニタ受光素子４０の受光面に中心部に、光を透過しにくい半導体素子、例えば、シリコンチップが存在することを考慮したためである。すなわち、変調光受光素子３０が、モニタ受光素子４０を透過した光を効率よく受光できるようにするためである。

変調光受光素子３０には、例えば、フォトダイオード等の受光素子が用いられる。本実施形態では、例えば、９００ｎｍ近傍に分光感度のピークを有する素子が用いられる。この変調光受光素子３０には、図４に示すように、変調光の受光を行なうための回路が搭載される。すなわち、フォトダイオード３２と、このフォトダイオード３２に入射光の光量に応じて光電流の変化を生じさせると共に、その光電流を増幅して、受光信号として出力する受光回路３４と、受光信号について予め定めた論理条件に基づいて論理値を出力する論理回路３６と、前述した発光素子２０を予め定めた繰り返し周期を有するパルス波形により変調駆動すると共に、前述した論理回路３６に論理条件として、前述した繰り返し周期を供給する駆動信号を出力する変調駆動回路３８とを有する。これらの回路は、例えば、ＩＣにより構成される。

また、変調光受光素子３０は、シリコンチップにおける受光機能を有する領域の前面に受光面３１が設けられる。変調光受光素子３０は、３３ａから３３ｄの４本のリードピンを有する。これらのリードピン３３ａから３３ｄは、配線基板５０に固定されると共に、配線と接続される。また、これらのリードピン３３ａから３３ｄは、電源ピン、発光素子駆動信号出力ピン、および、信号出力ピンとして機能する。

論理回路３６は、例えば、図５（Ｆ）に示すように、特定の周期の光に対応して、論理出力を行う。本実施形態では、
モニタ受光素子４０には、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の受光素子が用いられる。本実施形態では、シリコンフォトダイオードを受光素子４２として用いている。具体的には、シリコンフォトダイオードを構成するシリコンチップが実装されている。シリコンチップは、モールド部４０ｍによりモールドされている。モールド部分４０ｍは、前述したように発光素子からの出射光を透過することができる。また、シリコンチップにおける受光機能を有する領域の前面に受光面４１が設けられる。この例では集光レンズが装着されている。モニタ受光素子４０は、リードピン４３ａ、４３ｂおよび４３ｃを有する。これらのリードピン４３ａ、４３ｂおよび４３ｃは、配線基板５０に固定されると共に、配線と接続される。リードピン４３ａ、４３ｂおよび４３ｃは、モニタ受光素子４０について、駆動電流の供給と、信号の出力とを行う機能を有する。

異常検出回路６０は、発光素子の駆動信号と、モニタ受光素子の出力信号とにより、変調光受光素子３０が受けている光に異常があるかを判定し、異常がある場合、異常信号を出力する。具体的には、変調駆動回路３８の出力信号であるＬＥＤ駆動信号（図４（Ａ），図６（Ａ））に基づいてチェック信号（図４（Ｃ），図６（Ｃ））を生成するチェック信号生成回路６２と、モニタ受光素子の出力信号（図４（Ｄ），図６（Ｄ））と、チェック信号（図４（Ｃ），図６（Ｃ））とにより、変調光受光素子３０が受けている光に異常があるかを判定する判定回路６４とを備える。判定回路６４は、例えば、アンド回路により構成される。すなわち、モニタ受光素子の出力信号（図４（Ｄ），図６（Ｄ））と、チェック信号（図４（Ｃ），図６（Ｃ））とが共に“Ｈ”の場合、変調光受光素子３０が受けている光に異常があることを示す異常信号（図４（Ｅ），図６（Ｅ））を“Ｈ”とする。

次に、本実施形態の光センサの動作について、図４、図５、図６等を用いて説明する。まず、動作原理について説明する。

図５および図６において、図４における（Ａ）から（Ｆ）の位置における波形をそれぞれ示す。図４に示す変調光受光素子３０の変調駆動回路３８から発光素子２０の発光ダイオード（ＬＥＤ）を駆動するためのパルスが出力される（図４（Ａ））。この駆動信号によりＬＥＤが駆動されて、そのパルスの波形に応じて発光して、光信号を出力する（図４（Ｂ）および図５（Ｂ））。この光信号は、変調光受光素子３０およびモニタ受光素子４０に送られる。なお、図５では、説明の便宜上、３種類の周期Ｔ１、Ｔ２およびＴ３を示している。

モニタ受光素子４０は、発光素子２０の発光信号の発光周期（図５（Ｂ））Ｔ１、Ｔ２およびＴ３に対応して受光信号を出力している（図５（Ｄ））。これに対して、変調光受光素子３０も、発光素子２０の発光信号を受光している。モニタ受光素子４０では、ＬＥＤ駆動信号（図６（Ａ））の立ち下がりを基準として、１．２μｓ位相が遅れて立ち上がる。しかし、発光素子２０の発光信号の発光周期（図５（Ｂ））Ｔ１およびＴ３については、予め定めた論理条件を満たさないため、論理回路３６の出力（図５（Ｆ））は、ハイレベルを示す“Ｈ”となる。一方、発光素子２０の発光信号の発光周期（図５（Ｂ））Ｔ２については、予め定めた論理条件を満たすため、論理回路３６の出力（図５（Ｆ））は、ローレベルを示す“Ｌ”となる。

そこで、本実施形態の光センサの動作に関し、遮光物による遮光がされていない状態、遮光されている状態、さらに、外乱光が照射されている状態の各状態について説明する。変調駆動回路３８から、図６（Ａ）に示すようなＬＥＤ駆動信号が出力される。この駆動信号に応じて、発光素子２０が、図５（Ｂ）の周期Ｔ２に示す発光信号を出力する。また、ＬＥＤ駆動信号は、図４に示すチェック信号生成回路６２にも入力される。チェック信号生成回路６２では、ＬＥＤ駆動信号（図６（Ａ））の立ち下がり後、１．２μｓ以内にチェック信号（図６（Ｃ））を出力する。

ここで、発光部１１と受光部１３との間の溝部１２に遮光物（図示せず）が存在する場合には、変調光受光素子３０およびモニタ受光素子４０のいずれにも発光素子２０からの光が入射しないため、モニタ出力（図６（Ｄ））はローレベルのままであり、変調光受光素子３０の出力Ｖout（図６（Ｆ））はハイレベルとなっている。

次に、遮光状態が解除され、発光素子２０からの出射光が変調光受光素子３０およびモニタ受光素子４０に入射すると、変調光受光素子３０は、予め定めた周期の光信号が入力するため、論理回路がそれを判定して、出力Ｖoutがローレベルに変わる（図６（Ｆ））。モニタ受光素子４０においても、同じ周期の光信号を受光し、モニタ出力として、発光パルスに対応する信号を出力する（図６（Ｄ））。

ここで、明るい状態が継続する外乱光が入射したとする。この場合、モニタ受光素子の出力信号（図４（Ｄ），図６（Ｄ））と、チェック信号（図４（Ｃ），図６（Ｃ））とが共に“Ｈ”であるため、変調光受光素子３０が受けている光に異常があることを示す異常信号（図４（Ｅ），図６（Ｅ））を“Ｈ”とする。具体的には、チェック信号に同期して“Ｈ”となる異常信号を出力する。

これにより、変調光受光素子３０では検出できない外乱光の存在を、モニタ受光素子が検出して、変調光受光素子３０の出力が信頼できるものであるかを、ユーザに知らせることができる。

次に、本考案の他の実施形態について、図７、図８および図９を参照して説明する。本実施形態は、発光素子と受光素子との組を、複数組、具体的には二組、同一ケース１０に収容したものである。ケース１０には、配線基板５０の配線と接続されるコネクタ５９が設けられている。

図７から図９に示すように、発光部１１に、２個の発光素子に対応する位置に透光部１４ａ、１４ｂが配置される。一方、受光部１３に、２個の受光素子に対応する位置に透光部１５ａ，１５ｂが配置される。図９に示すように、発光素子２０ａに対向して、モニタ受光素子４０ａと、その後方に位置する変調光受光素子３０ａとが、配線基板５０に固定されて配置される。発光素子２０ａと、モニタ受光素子４０ａおよび変調光受光素子３０ａとは、前述した図２に示すものと同様のものが用いられる。従って、ここでは重複した説明は省略する。同様に、図９には示していないが、他の一組の発光素子２０ｂと、モニタ受光素子４０ｂおよび変調光受光素子３０ｂとについても、前述した図２に示すものと同様のものが用いられる。これらの発光素子および受光素子の動作は、前述したものと同様である。

本考案の一実施形態に係る光センサの一部切欠平面図である。本考案の一実施形態に係る光センサのＡ−Ａ断面図である。本考案の一実施形態に係る光センサのＢ−Ｂ断面図である。本考案の一実施形態に係る光センサの回路構成を示すブロック図である。本稿案の一実施形態に係る光センサにおける動作波形を示す波形図である。本考案の一実施形態に係る光センサの外乱光入射時の動作を示す波形図である。本考案の他の実施形態に係る光センサの平面図である。本考案の他の実施形態に係る光センサの正面図である。本考案の他の実施形態に係る光センサの断面図である。

符号の説明

１０…ケース、１１…発光部、１２…溝部、１３…受光部、１４、１５…透光部、２０…発光素子、２１…発光面、２２…発光ダイオード（ＬＥＤ）、３０…変調光受光素子、３１…受光面、３２…フォトダイオード、３３ａから３３ｄ…リードピン、３４…受光回路、３６…論理回路、３８…変調駆動回路、４０…モニタ受光素子、４１…受光面、４３ａから４３ｃ…リードピン、４４…受光回路、５０…配線基板、６０…異常検出回路、６２…チェック信号生成回路、６４…判定回路。

Claims

変調光に応答して信号を出力する変調光受光素子と、
入射光に応じて信号を出力するモニタ受光素子と、
前記変調光受光素子とモニタ受光素子とを収容するケースとを有し、
前記ケースにおいて、光の入射側からモニタ受光素子、変調光受光素子の順に配置し、かつ、前記モニタ受光素子は、少なくともその一部が、前記変調光受光素子において受光すべき変調光が透過可能であること
を特徴とする光センサ。
変調光を出射する発光素子と、
前記発光素子と間隔をあけて対向配置され、前記発光素子の出射光を受光する変調光受光素子およびモニタ受光素子と、前記発光素子、変調光受光素子およびモニタ受光素子を収容するケースとを有し、
前記変調光受光素子は、前記発光素子からの変調光に応答して信号を出力し、
前記モニタ受光素子は、入射光に応じて信号を出力し、
前記ケースにおいて、光の入射側からモニタ受光素子、変調光受光素子の順に配置し、かつ、前記モニタ受光素子は、少なくともその一部が、前記変調光受光素子において受光すべき変調光が透過可能であること
を特徴とする光センサ。
請求項１および２のいずれか一項に記載の光センサにおいて、
前記モニタ受光素子と変調光受光素子とは、それらの受光面の中心を相対的に変位させて配置されることを特徴とする光センサ。
請求項１および２のいずれか一項に記載の光センサにおいて、
前記発光素子は、一定の繰返し周期を有する駆動信号によりパルス発光されることを特徴とする光センサ。