JP3167867B2 - 光結合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、検出路上の被検出物の
有無を光学的に検出する透過型の光結合装置（フォトイ
ンタラプタ）に関し、特に液体の液面検出を行うことが
可能な光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の光結合装置の構造を示す
正面側からの縦断面図である。

【０００３】該光結合装置は、樹脂モールドタイプの発
光素子１および受光素子２と、該発光素子１と受光素子
２とを並置して収納する外装ケース３と、前記発光素子
１および受光素子２の発光側上方および受光側上方に配
置されそれぞれ上面にプリズム状の反射面４，５を備
え、該両反射面４、５間を被検出物（被検出物体６）の
検出路とする発光側導光体７および受光側導光体８とを
有してなる構成である。前記発光素子１および受光素子
２は、リードフレーム上に発光チップまたは受光チップ
が搭載され、前記リードフレームの外部接続用リードと
なる部分以外の部分が透光性樹脂にて封止されたものか
らなる。

【０００４】前記外装ケース３は、例えば遮光性樹脂よ
り構成され、前記発光素子１と受光素子２とを並置して
それぞれ個別に収納する貫通孔９を備えており、該貫通
孔９に前記発光素子１および受光素子２を挿入して収納
することによって、互いを並置するとともに発光素子１
からの直接光が受光素子２にて受光されるのを防止する
ものである。

【０００５】前記発光側導光体７および受光側導光体８
は、可視光カット（赤外光透過）の透光性樹脂、例えば
ポリカーボネイト、アクリル樹脂等より構成され、上面
にプリズム状の反射面４，５を備えてなり、これらは底
面側が前記発光素子１又は受光素子２と対向するよう前
記貫通孔９上端部にて保持される。

【０００６】このような従来の光結合装置は、図５に示
すように、例えば被検出物体６が反射面４，５間の検出
路を通過する際の光の遮断によって、被検出物体６を検
知するものであり、通常、検出路に被検出物体６が無い
場合には、発光素子１にて発した光は、まず発光側導光
体７へ導かれ、その反射面４にて受光側導光体側に反射
される。その後、被検出物体６の検出路を介して受光側
導光体８に導かれ、その反射面５にて受光素子側に反射
されて受光素子２にて受光される。また、検出路に被検
出物体６が有る場合には、被検出物体体６の検出路にて
光が遮光され、受光素子２には受光されない。

【０００７】このようにして、被検出物体６の有無およ
び移動タイミングを検知する。

【０００８】また、この他、従来の光結合装置は、水等
の液体を被検出物とし、液面チェックのセンサーとして
用いることが考えられている。

【０００９】図６は、光結合装置を液面検出用として用
いた場合を説明するための概略図である。ここで、光結
合装置としては、上記した光結合装置が用いられている
こととする。

【００１０】該光結合装置は、液面がある一定の位置ま
で増加または減少したことを検出するものであって、通
常、図６（ａ）に示すように、液体が反射面４、５を覆
っている場合には、発光素子１にて発せられた光は受光
素子２にて受光されず、また図６（ｂ）に示すように、
液体が反射面４、５を覆っていない場合には、発光素子
１にて発せられた光は受光素子２にて受光される。

【００１１】ここで、液体が反射面４，５を覆った場合
に受光素子１にて受光されない理由としては、液体と反
射面４，５との屈折率差が小さいためであり、これによ
って発光素子１からの光が反射面４，５にて全反射され
ず液中に放射されることによるものである。

【００１２】前記反射面４，５の屈折率は、導光体７，
８を構成する樹脂材料によって決まり、例えば樹脂材料
としてポリカーボネイト樹脂を用いた場合には屈折率は
約１．５８であり、またアクリル樹脂を用いた場合には
屈折率は約１．４９である。これに対し、水の屈折率は
約１．３３であり、空気（０度，１気圧）の屈折率は約
１．００である。

【００１３】これを利用して、例えば水が増加したこと
を検出したり、水が減少したことを検出する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た光結合装置では、互いの導光体７，８の間隔が狭い
（例えば、２ｍｍ）のものにおいて液面検出用として用
いた場合、液面が反射面４，５を覆う位置から覆わない
位置まで下がったとき、即ち液面が図６（ａ）の位置か
ら図６（ｂ）の位置まで下がったとき、図７に示すよう
に、従来の光結合装置の構造上、液体の表面張力によっ
て導光体８、９の先端部、即ち反射面４、５の部分に液
体が残ってしまい、光を全反射できず液面の誤検知をす
ることになるといった不都合を生じていた。

【００１５】このため、従来の光結合装置の構造では、
導光体７，８の間隔の狭いもの（液体だまりが生じる間
隔のもの）においては液面検出を行うことが不可能であ
った。

【００１６】本発明は、上記課題に鑑み、反射面の最先
端部に突起を設けることによって前記反射面に液体が残
ることがなくなり、液面検出を可能とした光結合装置の
提供を目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合装置は、
発光素子および受光素子と、該発光素子および受光素子
を並置し、収納する外装ケースと、前記発光素子および
受光素子の発光側上方および受光側上方に配置されそれ
ぞれ上面にプリズム状の反射面を備え、該両反射面間を
被検出物の検出路とする発光側導光体および受光側導光
体とを有し、液体を被検出物として液面検出を行う光結
合装置であって、前記発光側導光体および受光側導光体
に、それぞれ前記反射面の上端部より上方に、前記発光
側導光体および受光側導光体を並置する方向の厚みが一
定で突出し、液体だまりを発生させる突起を設けてな
り、前記発光側導光体および受光側導光体の反射面は、
それぞれ段差にて分割されてなる複数の反射面からな
り、該複数の反射面の各反射面に対して前記突起を一体
にして設けてなることを特徴とするものである。

【００１８】

【００１９】

【作用】上記構成によれば、本発明の光結合装置は、発
光側導光体および受光側導光体に、それぞれ前記反射面
の上端部より上方に、発光側導光体および受光側導光体
を並置する方向の厚みが一定で突出し、液体だまりを発
生させる突起を設けてなる構成なので、該光結合装置を
逆さ状に配置して液面検出に用いれば、例えば液面が導
光体の反射面部分を超えた位置から導光体よりも下方の
位置に下降した場合には、導光体表面に付着した液体は
反射面の先端部から突起へ移動し、該突起部分にて液体
だまりを発生することとなる。このため、反射面部分で
は液体だまりが発生せず、反射面において安定して光を
反射させることが可能となる。したがって、液面検出を
誤検出することなしに検出することができる。

【００２０】さらに、本発明の光結合装置は、発光側導
光体および受光側導光体の反射面が、それぞれ段差にて
分割されてなる複数の反射面からなり、該複数の反射面
の各反射面に対して前記突起を一体にして設けてなる構
成なので、被検出物の検出光路が複数得られ、被検出物
を検出する位置に幅をもたせることが可能であり、また
受光素子の出力の違いによって被検出物の位置を特定す
ることが可能である。

【００２１】図１は、本発明よりなる光結合装置の基本
構成例を示す正面側からの縦断面図である。

【００２２】該光結合装置は、樹脂モールドタイプの発
光素子１および受光素子２と、該発光素子１と受光素子
２とを並置して収納する外装ケース３と、前記発光素子
１および受光素子２の発光側上方および受光側上方に配
置されそれぞれ上面にプリズム状の反射面４，５を備
え、該両反射面４，５間を被検出物（被検出物体６）の
検出路とする発光側導光体７および受光側導光体８とを
有し、該発光側導光体７および受光側導光体８にそれぞ
れ前記反射面４、５の上端部より上方に突出する突起１
０を設けてなる構成である。

【００２３】前記発光素子１および受光素子２は、リー
ドフレーム上に発光チップまたは受光チップが搭載さ
れ、前記リードフレームの外部接続用リードとなる部分
以外の部分が透光性樹脂にて封止されたものからなる。

【００２４】前記外装ケース３は、例えば遮光性樹脂よ
り構成され、前記発光素子１と受光素子２とを並置して
それぞれ個別に収納する貫通孔９を備えており、該貫通
孔９に前記発光素子１および受光素子２を挿入して収納
することによって、互いを並置するとともに発光素子１
からの直接光が受光素子にて受光されるのを防止するも
のである。

【００２５】前記発光側導光体７および受光側導光体８
は、可視光カット（赤外光透過）の透光性樹脂、例えば
ポリカーボネイト、アクリル樹脂等より構成され、上面
にプリズム状の反射面４，５を備え、さらには該反射面
４，５の上端部分に該上端部より上方に突出する突起１
０を備えてなり、これらは底面側が前記発光素子１又は
受光素子２と対向するよう前記貫通孔９上端部にて保持
される。

【００２６】前記発光側導光体７および受光側導光体８
の互いが並置する方向の厚みは、その先端部分で２ｍｍ
程度からなる。また、前記突起１０の同方向の厚みは
０．４ｍｍ程度からなり、突起１０の突出させる長さと
しては３ｍｍ以上とする。前記突起１０の厚みとして
は、なるべく薄くすることが望ましく、その理由として
は突起１０が設けられた部分では光の反射に付与しない
ためである。ここで、互いの導光体７，８の間隔として
は、例えば２ｍｍ程度あけられている。

【００２７】前記反射面４，５は、９０度に全反射する
よう構成されており、その傾斜角度は４５度に設定され
ている。

【００２８】反射面４，５および突起１０を備えた発光
側導光体７および受光側導光体８は、例えば金型による
射出成形にて形成する。また、前記発光側導光体７およ
び受光側導光体８と前記外装ケース３とを２色成形にて
形成しても良い。

【００２９】このような本基本構成例の光結合装置は、
図１に示すように、従来同様、例えば被検出物体６が反
射面４，５間の検出路を通過する際の光の遮断によっ
て、被検出物体６を検知することが可能である。

【００３０】通常、検出路に被検出物体６が無い場合に
は、発光素子１にて発した光は、まず発光側導光体７へ
導かれ、その反射面４にて受光側導光体側に反射され
る。その後、被検出物体６の検出路を介して受光側導光
体８に導かれ、その反射面５にて受光素子側に反射され
て受光素子２にて受光される。また、検出路に被検出物
６が有る場合には、被検出物体６の検出路にて光が遮光
され、受光素子２には受光されない。

【００３１】このようにして、被検出物体６の有無およ
び移動タイミングを検知する。

【００３２】また、本基本構成例の光結合装置は、上記
構成によって水等の液体を被検出物とし、液面がある一
定の位置まで増加または減少したことを検出する液面チ
ェックのセンサーとして用いることが可能である。

【００３３】以下、液面検出について説明する。

【００３４】通常、液体が反射面４，５を覆っている
（付着している）場合には、発光素子１にて発せられた
光は受光素子２にて受光されず、また、液体が反射面
４，５を覆っていない場合には、発光素子１にて発せら
れた光は受光素子２にて受光される。

【００３５】ここで、液体が反射面４，５を覆った場合
（液面が反射面４，５よりも上にある場合）に受光素子
１にて受光されない理由としては、液体と反射面４，５
との屈折率差が小さいためであり、これによって発光素
子１からの光が反射面４、５にて全反射されず液中に放
射されることによるものである。具体的には、従来例で
も説明したように、液体として水を用いたときの水の屈
折率は約１．３３であり、これに対し導光体７，８を構
成する樹脂材料、例えばポリカーボネイト樹脂の屈折率
は約１．５８であり、またアクリル樹脂の屈折率は約
１．４９であり、その差はポリカーボネイト樹脂の場合
で０．２５、アクリル樹脂の場合で０．１６と小さく、
この差が小さくなるにつれて反射されなくなる。

【００３６】これに対して、液体が反射面４，５を覆わ
ない場合（液面が反射面４，５よりも下にある場合）に
受光素子１にて受光できる理由としては、反射面４，５
に表面張力にて付着した液体は重力の関係上、下方向に
移動する傾向があり、本基本構成例の光結合装置では反
射面４，５の先端部に突起１０を設けているので、図２
に示すように、液体だまりは前記突起１０の先端部分ま
で移動することとなる。したがって、前記反射面４，５
表面には液体が残らず空気（屈折率：約１．００）が接
触することとなるため、上述した導光体７，８を構成す
る樹脂材料に基づく屈折率との差が大きく得られ、全反
射が可能となる。

【００３７】本基本構成例は、互いの導光体７，８の間
隔が狭い光結合装置において有効な手段であり、該手段
によれば例えば従来例において液体だまりが発生するよ
うな間隔を有する光結合装置についても液体検出が行
え、小型の液面検出が可能な光結合装置が得られる。

【００３８】前記突起１０の突出する長さと互いの導光
体７，８の間隔の関係としては、上記では一例として間
隔２ｍｍに対して長さ３ｍｍ以上としたが、互いの導光
体７，８の間隔を長くとればとるほど突起１０の突出す
る最低長さを短くすることができる。これは、液体の表
面張力に関係する。

【００３９】このように、本基本構成例の光結合装置
は、発光側導光体７および受光側導光体８に、それぞれ
前記反射面４，５の上端部より上方に突出する突起１０
を設けているので、該光結合装置を逆さ状に配置して液
面検出に用いたとしても、液体だまりは突起１０部分に
てを発生することとなる。したがって、反射面４，５部
分では液体だまりが発生せず、反射面４，５において安
定して光を全反射させることが可能となり、液面検出を
誤検出することなしに検出することができる。また、被
検出物体６の検出においても従来同様検出可能である。
これによって、液面検出と被検出物体検出を同一製品に
て対応することができる。

【００４０】図３は、本発明よりなる光結合装置の一実
施例を示す構成図であり、（ａ）は正面側からの縦断面
図であり、（ｂ）は側面側からの縦断面図である。本実
施例について、上述した基本構成例と相違する点のみ説
明する。

【００４１】本実施例よりなる光結合装置は、発光側導
光体７および受光側導光体８の反射面４，５が、段差に
て複数の反射面４ａ，４ｂ，４ｃ、５ａ，５ｂ，５ｃに
分割されてなるものであり、詳細には互いの反射面４、
５が対向する方向に対して垂直方向に段差が設けられて
おり、それぞれ反射面４ａと反射面５ａ、反射面４ｂと
反射面５ｂ、反射面４ｃと反射面５ｃとが互いに対向す
るよう構成され、各反射面はそれぞれに対応する突起１
０が設けられてなる構造である。

【００４２】上記構成によれば、発光素子１および受光
素子２を増加させることなしに複数の検出光路が得ら
れ、また、複数の検出光路によって、被検出物の位置、
液面の位置等を検出することが可能である。

【００４３】例えば、図３において被検出物体６が検出
路を外装ケース３側に徐々に下降すると、前記被検出物
体６は検出光路Ａ、検出光路Ｂ、検出光路Ｃを順に遮光
していくことになり、これによって受光素子２の出力は
図４に示すように徐々に減少していくことになる。これ
を利用して、受光素子２の出力値に基づいて被検出物６
の位置検出を行うことが可能となる。

【００４４】また、液面検出においても、液面が徐々に
上がるにつれて液体が反射面を覆うこととなり、これに
よって反射面において対空気との屈折率の差によって全
反射していた光が屈折率の差の低い液体により全反射さ
れなくなり、光は液体内に放射されることになり、液面
が検出光路Ａ、Ｂ、Ｃを順に越えることによって受光素
子２の出力は前記同様図４に示すように徐々に減少して
いくことになる。これを利用して、受光素子２の出力値
に基づいて液面の位置検出を行うことが可能となる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光結合装
置によれば、発光側導光体および受光側導光体に、それ
ぞれ前記反射面の上端部より上方に、発光側導光体およ
び受光側導光体を並置する方向の厚みが一定で突出し、
液体だまりを発生させる突起を設けているので、該光結
合装置を逆さ状に配置して液面検出に用いれば、液体だ
まりは突起部分にてを発生することとなる。したがっ
て、反射面部分では液体だまりが発生せず、反射面にお
いて安定して光を反射させることが可能となり、液面検
知を誤検知することなしに検出する。また、被検出物体
の検出においても従来同様検出可能である。これによっ
て、液面検出と被検出物体検出を同一製品にて対応する
ことができる。また、液面検出の光結合装置として小型
化が図れる。

【００４６】さらに、本発明の光結合装置によれば、発
光側導光体および受光側導光体の反射面は、それぞれ段
差にて分割されてなる複数の反射面からなり、該複数の
反射面の各反射面に対して前記突起を一体にして設けて
なる構成なので、被検出物の検出光路が複数得られ、被
検出物を検出する位置に幅をもたせることが可能とな
り、また受光素子の出力の違いによってその被検出物の
位置を特定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明よりなる光結合装置の基本構成例を示す
正面側からの縦断面図である。

【図２】図１に示す光結合装置を液面検出に用いたとき
の液体だまりの様子を示す図である。

【図３】本発明の一実施例を示す構成図であり、（ａ）
は正面側からの縦断面図であり、（ｂ）側面側からの縦
断面図である。

【図４】受光素子の出力と被検出物体の位置または液面
の位置との関係を示す特性図である。

【図５】従来の光結合装置の構造を示す正面側からの縦
断面図である。

【図６】液面検出を説明するための正面図であり、
（ａ）は液面が反射面を超えた場合であり、（ｂ）は液
面が反射面よりも低い場合である。

【図７】図５に示す光結合装置を液面検出に用いたとき
の液体だまりの様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 発光素子 ２ 受光素子 ３ 外装ケース ４、５ 反射面 ６ 被検出物（体） ７ 発光側導光体 ８ 受光側導光体 １０ 突起

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子および受光素子と、 該発光素子および受光素子を並置し、収納する外装ケー
   スと、 前記発光素子および受光素子の発光側上方および受光側
   上方に配置されそれぞれ上面にプリズム状の反射面を備
   え、該両反射面間を被検出物の検出路とする発光側導光
   体および受光側導光体とを有し、液体を被検出物として
   液面検出を行う光結合装置であって、 前記発光側導光体および受光側導光体に、それぞれ前記
   反射面の上端部より上方に、前記発光側導光体および受
   光側導光体を並置する方向の厚みが一定で突出し、液体
   だまりを発生させる突起を設けてなり、 前記発光側導光体および受光側導光体の反射面は、それ
   ぞれ段差にて分割されてなる複数の反射面からなり、該
   複数の反射面の各反射面に対して前記突起を一体にして
   設けてなる ことを特徴とする光結合装置。