JP4226340B2

JP4226340B2 - 発光装置及び光センサ

Info

Publication number: JP4226340B2
Application number: JP2003004899A
Authority: JP
Inventors: 勢杉浦; 光恭松尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: JP2004221200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平行度の高い光束が要求される光エンコーダ等に用いられる発光装置及びこの発光装置と受光素子とから成る光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学装置を用いた光エンコーダとして、物体の移動速度を検出するリニアエンコーダや回転角度を検出するロータリーエンコーダが知られている。光エンコーダにおいては、電気信号によりＬＥＤ等の発光素子から出力された光を、光学部品を介して測定対象に照射し、測定対象から戻ってくる光を受光素子で受光し、電気信号に変換する。例えば透過型の光エンコーダであれば、発光素子から出力された光を、コリメータレンズで平行化し、固定スリット板のスリット、可動スリット板のスリットの順に通過させて、受光素子で受光し、電気信号に変換して位置情報として検出するスリットシャッタ方式のものが例としてあげられる。
【０００３】
ここで、受光素子の出力信号のＳ／Ｎ比を向上させるためには、各スリット板における複数のスリットに対する光の入射角を一定（９０度）にするとともに、複数のスリットを通過した光を同時に検出することにより、鋭い波形の出力信号を得ることが必要である。そのために、各スリット板に入射する光は、高精度な平行光であることが要求される。測定対象に照射する光は、照射領域内において平行光である上に均一な光強度が求められ、照射領域外への光強度を抑えノイズとなる迷光成分を除去することも重要になる。一方で光エンコーダは、分解能を低下させずに小型・低価格化することが求められている。
【０００４】
一般的に、発光素子とレンズとの間に空間を設けると、レンズ体の屈折率は、空気（又は不活性ガス）より高いので屈折作用が強く、空間を設けない場合に対してレンズと発光素子を接近させることができ、小型化が可能である。更に、高分解能な光エンコーダに対応する場合、照射光の平行度を得るために電流狭窄型ＬＥＤ等を用いて、光源自体を点光源または線光源化すれば、レンズの枚数を抑えることができ、１枚レンズでも容易に平行光が得られ低価格化しやすい。小型・低価格化を実現した発光装置として、基板上に発光素子を固着し、一体成形したレンズ付キャップをこの基板に固着したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−６２２５７号公報（特許請求の範囲、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の発光装置では、レンズ付キャップを基板に固着するために、接着剤を用いるか、熱による圧着接合が必要になるが、接着剤による固着では、接着剤の厚みのバラツキが発光素子とレンズ間距離のバラツキとなり、また、熱圧着による固着では、レンズ付キャップに変形が生じるため同様の問題が生じ、発射光の平行精度が低下する。また、レンズ付キャップは透光性を有するので、発光素子からの光が周囲に散乱してしまい、光エンコーダ等では受光素子へ外乱信号として影響を及ぼすという問題もあった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その第１の目的は、平行精度の高い照射光を得ることができる小型・低価格な発光装置及びこの発光装置と受光素子とから成る光センサを得るものである。また、第２の目的は、外乱信号となる散乱光が発生しない発光装置及びこの発光装置と受光素子とから成る光センサを得るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る発光装置においては、底面が基準面として平坦に仕上げられ、遮光性を有する箱形の基体と、前記底面に設置された発光素子と、レンズ部と脚部とを有し、この脚部下面を前記底面に直接当接させて前記基体内に設置され、上部が前記基体の側壁上部と接着され、前記発光素子から照射される光を前記レンズ部で平行光に変換するレンズ体と、を備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における発光装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、図４は基体の平面図、図５はレンズ体の斜視図である。
【００１０】
図において、１は、遮光性材料である積層セラミックスシートの焼結により方形箱形に成形された基体であり、その底面１ａは基準面として平坦に精密仕上げされていて、その中心にダイパッド１ｂが形成され、その近傍にボンディングパッド１ｃが形成され、それぞれに電力を供給する配線パターン１ｄが形成されている。配線パターン１ｄは基体１の側壁１ｅを貫通して側壁１ｅの外側面に設けられた接続端子１ｆに接続している。
【００１１】
ダイパッド１ｂ上には発光ダイオードからなる発光素子２が設置され、半田や導電性接着剤等からなるダイボンド剤３により固着される。発光素子２の表面に形成された他方の電極（図示せず）とボンディングパッド１ｃとは、例えば金などの金属細線からなるボンディングワイヤ４により結線され電気的に接続される。２ａは発光素子２の光源である。レンズ部５ａと脚部５ｂを一体成形したレンズ体５が脚部下面５ｃを基体１の底面１ａに直接当接させて基体１内に設置され、レンズ中心５ｄと光源２ａの中心とを精密に整合させ、側壁１ｅの上部とレンズ体５の上部を接着剤６で接着する。なお、この接着は、レンズ体５の固定を目的とするので、接着剤６を全面に塗布する必要はない。脚部下面５ｃを底面１ａに直接当接させたとき、光源２ａの高さがレンズの焦点距離になるように脚部５ｂの高さが設定されている。
【００１２】
このように構成された実施の形態１の発光装置では、発光素子２から照射される光のうちレンズ体５のレンズ部５ａに入射しない光、すなわちレンズ体５の外周部へ向かう光は、遮光性材料で製作された基体１の側壁１ｅによって遮られるので、発光装置外への不要な光の放出を抑えることができる。また、発光素子２及びレンズ体５は、何れも基体１の底面１ａを基準面として設置されているため、図２に示すように、光軸方向の寸法精度を決める因子は、発光素子２の厚み（ア）、発光素子２とダイパッド１ｂとを接着するダイボンド剤３の厚み（イ）、レンズ体５の脚部下面５ｃの当接面となる底面１ａの平坦度（ウ）と、レンズ体５の成形精度（キ）のみとなり、従来の構造に対して、基体とレンズ付キャップとを接着する接着剤の厚み公差分を無くすことができる。
【００１３】
次に実施の形態１の発光素子２の詳細を説明する。図６は図３のＣ部拡大図、図７は発光パターンを示す図、図８は集光阻害部のある発光パターンを示す参考図、図９は発光素子に線光源を用いる場合の発光素子設置方向を示す平面図、図１０は図９のＬ−Ｌ線に沿う縦断面図、図１１〜図１４は発光素子表面の線光源部分の形状形態を示す図である。
【００１４】
本実施の形態では、複数レンズ群を用いずに１枚のレンズのみで平行光を得るために、光源を点光源または線光源としている。図６の破線で示す光線Ｊは、レンズ部５ａに入射する光線のうち最も放射角の大きい光線を示しているが、発光素子２に電力を供給するボンディングワイヤ４を、光線Ｊと干渉しないように低い位置でボンディングする。発光素子２から発する光線は、ボンディングワイヤ４に遮られることなくレンズ部５ａに到達し、隈なく平行光に変換され照射されるので、発光パターン５ｅは、図７に示すように集光阻害のないパターンが得られる。ボンディングワイヤ４が光線Ｊと干渉すると、図８に示すように集光阻害部５ｆが発生してしまう。
【００１５】
次に、発光素子２として線光源ＬＥＤを用いた形態を示す。１枚レンズでは光の平行性が損なわれるので光源の線方向は図９に示すように測定対象７のスリット７ａの長手方向と平行にする。測定対象７は矢印Ｍの方向に動くので、矢印Ｍ方向に関して光の平行性が要求される、一方矢印Ｍに垂直な方向に関しては、分解能は要求されないので光線の平行性が崩れていても良い。線光源を用いる場合でも、ボンディングワイヤ４を低く打つことができるので、ワイヤが光線を遮ることはなく、平行で均一な光強度の発光パターンが得られる。
【００１６】
線光源は細線状のものが理想的であるが、リソグラフィによってパターンを作製するため幅のあるものとなり、基本形状として図１１に示すような長方形の形状となる。長方形の角は応力が集中するので、図１２に示すように角を丸めたり、図１３に示すような楕円形や、図１４に示すようなトラック形にすると良い。
【００１７】
次に実施の形態１における光源２ａ中心とレンズ中心５ｄを整合させるためのアライメントマークの詳細を説明する。図１５はレンズ体５の平面図、図１６は基体１の平面図、図１７はレンズ体５を基体１に設置した状態の図１６のＮ−Ｎ線に沿う縦断面図である。
【００１８】
レンズ体５の成形時に、レンズ部５ａ外の上面平坦部５ｈの対向する角隅部２ヶ所に予め凹形のアライメントマーク５ｇを形成する。基体１の底面１ａの対向する角隅部２ヶ所にも配線パターン１ｄのメッキ形成時に同様にアライメントマーク１ｇがメッキ形成されている。アライメントマーク１ｇがレンズ体５の脚部５ｂの下になるときは、脚部５ｂがその上に乗らないように、その部分を切欠いておく。アライメントマーク５ｇ、１ｇを脚部５ｂと重ならない位置に形成すると良い。アライメントマークは、マーク５ｇと１ｇが整合したときにレンズ中心５ｄと光源２ａの中心が整合するように高精度で形成する。レンズ体５成形時及び基体１配線メッキ時にそれぞれアライメントマーク５ｇ及び１ｇを形成するので、部品コスト及び組立コストを抑えることができる。
【００１９】
次に実施の形態１におけるアライメントマークの他の形態について説明する。図１８は十字線状のラインマークを設けたレンズ体５の斜視図、図１９はレンズ体５の平面図、図２０は十字線８が設けられた顕微鏡で基体１の底面１ａ中心部を見たときの視野を示す図、図２１は基体１内にレンズ体５を設置後に顕微鏡で見たときの視野を示す図である。レンズ体５の成形時に、レンズ部５ａの周囲の上面平坦部５ｈの４ヶ所にレンズ中心５ｄを通る高精度な十字線状のラインマーク５ｉを形成している。
【００２０】
次に、上記のラインマーク５ｉを形成したレンズ体５のレンズ中心５ｄを発光素子２の光源２ａの中心に位置整合させる手順を示す。図２０に示すように、発光素子２を設置した基体１の光源２ａの中心を、顕微鏡視野の十字線１５の交点位置に整合させ基体１を固定する。次に、図２１に示すように、基体１と顕微鏡を固定したまま、レンズ体５を基体１内に挿入・設置し、レンズ体５の４ヶ所のラインマーク５ｉを顕微鏡の十字線１５に整合させ、基体１とレンズ体５とを固定・接着する。このようにすれば、基体１にアライメントマークを設けなくても、光源２ａの中心とレンズ中心５ｄを整合させることができる。
【００２１】
実施の形態２．
図２２はこの発明の実施の形態２における発光装置の平面図、図２３は図２２のＤ−Ｄ線に沿う縦断面図、図２４はレンズ体の斜視図、図２５は実施の形態２における発光装置の発光パターンの概念図である。図２２〜図２４中の図１〜図２１と同一符号は同一部品を示し、レンズ体２５の形状以外は、前述の実施の形態１の発光装置と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
レンズ体２５は、レンズ部２５ａ下方、すなわちレンズ部２５ａと発光素子２の間の中空部分を円筒形２５ｊに形成している。図２３に示すように、発光素子２から照射される光のうち円筒側面に入射する光は、１点鎖線矢印Ｇで示されるように光軸から遠ざかる方向に屈折し、一方、レンズ部２５ａに入射する光は光軸に平行になるように屈折するので、レンズ部２５ａに入射する光と円筒側面に入射する光が分離される。さらに、円筒側面に入射する光は、基体１の側壁１ｅにより遮光される。すなわち、円筒形空間２５ｊが絞りの効果を発揮し、外乱光を完全に抑えることができる。
【００２３】
図２５は実施の形態２における発光装置の発光パターンの概念図であり、Ｘ軸は光軸を基準とした照射位置を示し、点Ｈ、Ｉはレンズ部２５ａの端に対応し、Ｙ軸は図２３の計測面Ｆ−Ｆにおける発光強度を示す。光軸からレンズ部２５ａの端より内側の特定範囲の光強度をほぼ均一にすることができ、かつ、その外側へは外乱光が一切出ないようにすることが可能となり、ノイズとなる迷光成分を除去することができる。
【００２４】
実施の形態３．
図２６はこの発明の実施の形態３における発光装置の縦断面図、図２７はその製造方法を示す図、図３１〜図３３はレンズ体の斜視図である。図２６、図２７、図３１〜図３３中の前記実施の形態１を示す図１〜図２１と同一符号は同一部品を示し、レンズ体３５の形状以外は、前述の実施の形態１の発光装置と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
図３１に示すレンズ体３５は、その上部の４辺に鍔部３５ｋを設けて成形され、図３２及び図３３に示すレンズ体３５は、その上部の２辺のみに鍔部３５ｋを設けて成形されている。鍔部３５ｋを２辺のみに設けるようにすれば成形性が良くなる。実施の形態１のレンズ体５の構造の場合、レンズ体５を基体１内に挿入・設置した後に接着剤６を塗布しないと底面１ａまで接着剤６が流れ込んでしまい、レンズ体５と基体との全周の均質な接着が困難となる。本実施の形態では、レンズ体３５を基体１に挿入する前に、図２７に示すように基体１の側壁１ｅの上端面に接着剤６を塗布する。接着剤の粘度は、後から挿入するレンズ体３５の鍔部３５ｋと側壁１ｅ上端面との間の隙間より厚く塗布できるような粘度の高いものとする。次に、レンズ体３５を基体１内に挿入し脚部３５ｂを底面１ａに当接させ、当接させたまま光軸ズレを調整するか、あるいは、光軸ズレ調整を行なった後、当接させる。このとき、側壁１ｅ上端面と顎部３５ｋが接着され、接着剤６を硬化させることによりレンズ体３５を基体１に固着することができる。鍔部３５ｋを設けることにより、位置合せした後に接着剤を塗布する工程がなくなり、塗布工程とレンズ位置合せ工程を分離することができ、組立性が向上する。なお、脚部３５ｂは熱膨張・熱収縮するため、所定の温度、所定の圧力で脚部３５ｂと底面１ａとを当接させ接着固定しても、温度変化により当接状態が変化するが、脚部３５ｂと底面１ａとを直接当接させることで、精度良く容易に組立が可能なことに変わりはない。
【００２６】
実施の形態４．
図２８はこの発明の実施の形態４における発光装置の縦断面図である。図２８中の前記実施の形態１を示す図１〜図２１と同一符号は同一部品を示し、基体４１の形状以外は、前述の実施の形態１の発光装置と同一であるので、その詳細な説明は省略する。基体４１は、その側壁４１ｅの高さが実施の形態１の基体１の側壁１ｅに比べ高くなっていて、レンズ体５のレンズ部５ａが隠れる程度の高さになっている。
【００２７】
図１〜図５に示すように、レンズ体５の上面には、レンズ部５ａ以外の平坦部５ｈが存在し、発光素子２から照射される光のうち、図３の破線矢印Ｅで示すように、レンズ部５ａを通過せずに平坦部５ｈを通過して外部に放出される光があり、これが外乱光となる。上記の実施の形態４の発光装置では、基体４１の側壁４１ｅの高さを高くすることにより、このような外乱光を遮断する。側壁４１ｅの高さをレンズ部５ａより高くすることにより、レンズ部保護の効果も得られる。
【００２８】
実施の形態５．
図２９はこの発明の発光装置を用いた光センサを示す縦断面図である。図２９中の前記実施の形態１を示す図１〜図２１と同一符号は同一部品を示し、前述の実施の形態１の発光装置と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
基体５１は、発光素子２を収納する方形箱形の発光装置基体５１ｍに受光素子を収納する方形箱形の受光部基体５１ｎを側壁５１ｅの一部を共有させて一体的に成形したものである。受光部基体５１ｎの底面５１ａａは、発光装置基体５１ｍの底面５１ａより高くしてある。底面５１ａには発光素子２が設置され、ボンディングワイヤ４で結線され、底面５１ａａには受光素子８が設置されボンディングワイヤ４で結線されている。レンズ体５５は、レンズ部５５ａと脚部５５ｂと鍔部５５ｋを有し鍔部５５ｋは受光部基体５１ｎ側に伸びて受光素子８の透光保護カバー５５ｎとなっている。レンズ体５５と基体５１とは側壁５１ｅの上端部で接着剤６により接着されている。光センサの上側には発光装置から照射された光を反射させて受光装置に入射させるプリズム９が設置され、受光部とプリズム９の間には、スリットが多数設けられ、回転軸７ｂにより回転される円盤（測定対象７）が配置される。測定対象７は直線運動をするものでも測定が可能である。
【００３０】
上記のように構成された光センサにあっては、発光装置から平行光を照射させ、プリズム９により折り返し、測定対象７に照射し、スリットを透過する光を受光素子８で受光し、これを電気信号に変換して測定対象７の位置情報を得る。発光素子２から照射される光は、側壁５１ｅにより遮光され、受光素子８の外乱光となることはない。受光素子８表面の受光部分もパターン化されており、測定対象７のスリットを通り抜ける光パターン情報と受光素子のパターンとの位置関係により受光量が変化する。この場合、測定対象７と受光素子８の受光面の距離関係は、分解能を左右する要因となり、受光素子８を設置する底面５１ａａと発光素子２を設置する底面５１ａとを異なった高さとし、受光素子８の高さを最適な位置に設定することにより、高分解能な光センサを得ることができる。
【００３１】
実施の形態６．
図３０はこの発明の発光装置を用いた他の光センサを示す縦断面図である。図３０中の前記実施の形態５を示す図２９と同一符号は同一部品を示し、前述の実施の形態５の光センサと同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
基体５１は、実施の形態５の基体と同一であり、レンズ体３５は、実施の形態３のレンズ体と同一であるが、実施の形態１または２のレンズ体を用いてもよい。プリズムや測定対象は図示を省略してあるが、実施の形態５と同様である。実施の形態５と異なるところは、受光素子８をレンズ体の一部で保護する代わりに、受光部基体５１ｎの凹部に透光樹脂１０を充填して受光素子８を封止する。これにより受光面とボンディングワイヤ４を保護することができ、受光面と保護面との距離も短くすることができ、受光面と測定対象との距離を短くすることができ、光学設計の自由度を、より高くすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、平行性の高い光源を得ることができる小型・低価格な発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す発光装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図である。
【図４】基体の平面図である。
【図５】レンズ体の斜視図である。
【図６】図３のＣ部拡大図である。
【図７】発光パターンを示す図である。
【図８】集光阻害部のある発光パターンを示す参考図である。
【図９】発光素子に線光源を用いる場合の発光素子設置方向を示す平面図である。
【図１０】図９のＬ−Ｌ線に沿う縦断面図である。
【図１１】発光素子表面の線光源部分の形状形態を示す図である。
【図１２】発光素子表面の線光源部分の形状形態を示す図である。
【図１３】発光素子表面の線光源部分の形状形態を示す図である。
【図１４】発光素子表面の線光源部分の形状形態を示す図である。
【図１５】レンズ体の平面図である。
【図１６】基体の平面図である。
【図１７】レンズ体を基体に設置した状態の図１６のＮ−Ｎ線に沿う縦断面図である。
【図１８】十字線状のラインマークを設けたレンズ体の斜視図である。
【図１９】レンズ体の平面図である。
【図２０】十字線が設けられた顕微鏡で基体の底面中心部を見たときの視野を示す図である。
【図２１】基体内にレンズ体を設置後に顕微鏡で見たときの視野を示す図である。
【図２２】この発明の実施の形態２を示す発光装置の平面図である。
【図２３】図２２のＤ−Ｄ線に沿う縦断面図である。
【図２４】レンズ体の斜視図である。
【図２５】実施の形態２における発光装置の発光パターンの概念図である。
【図２６】この発明の実施の形態３を示す発光装置の縦断面図である。
【図２７】発光装置の製造方法を示す図である。
【図２８】この発明の実施の形態４を示す発光装置の縦断面図である。
【図２９】この発明の実施の形態５を示す光センサの縦断面図である。
【図３０】この発明の実施の形態６を示す光センサの縦断面図である。
【図３１】この発明の実施の形態３を示すレンズ体の斜視図である。
【図３２】この発明の実施の形態３を示すレンズ体の斜視図である。
【図３３】この発明の実施の形態３を示すレンズ体の斜視図である。
【符号の説明】
１基体、１ａ底面、１ｂダイパッド、１ｃボンディングパッド、１ｄ配線パターン、１ｅ側壁、１ｇアライメントマーク、２発光素子、２ａ光源、３ダイボンド剤、４ボンディングワイヤ、５レンズ体、５ａレンズ部、５ｂ脚部、５ｃ脚部下面、５ｄレンズ中心、５ｇアライメントマーク、５ｉアライメントマーク、６接着剤、７測定対象、７ａスリット、８受光素子、９プリズム、１０透光樹脂、２５ｊ円筒形空間、３５ｋ鍔部、５１基体。

Claims

底面が基準面として平坦に仕上げられ、遮光性を有する箱形の基体と、
前記底面に設置された発光素子と、
レンズ部と脚部とを有し、この脚部下面を前記底面に直接当接させて前記基体内に設置され、上部が前記基体の側壁上部と接着され、前記発光素子から照射される光を前記レンズ部で平行光に変換するレンズ体と、
を備えたことを特徴とする発光装置。
前記発光素子は点光源型または線光源型であり、この発光素子と前記基体の底面に形成されたボンディングパッドとを結線するボンディングワイヤを前記光源から照射され前記レンズ部を通る光束の外側に位置するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記レンズ体は樹脂一体成形品であり、前記発光素子の光源中心とこのレンズ体のレンズ中心とを整合させるための少なくとも２個のアライメントマークが前記レンズ部の外側のレンズ体上面に一体成形されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記アライメントマークは、レンズ中心を通る直交十字線の一部として線状に４ヶ所成形されていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
前記レンズ体の脚部のレンズ部下方には、円筒形空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発光装置。
前記レンズ体の上部には前記基体の側壁上端部と対向する鍔部が形成され、この顎部と前記側壁上端部とがこの側壁上端部に塗布された接着剤により接着されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発光装置。
前記基体の側壁の高さが、前記レンズ体のレンズ部の外側を通って外方へ屈折する散乱光を遮る高さに成形されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の発光装置。
請求項６に記載の発光装置の基体と受光素子を収納する基体とを一体的に成形し、前記レンズ体の鍔部を受光部基体側へ延長してこの受光部基体と接着し前記受光素子の保護カバーとしたことを特徴とする光センサ。
請求項１〜７のいずれか一つに記載の発光装置の基体と受光素子を収納する基体とを一体的に成形し、前記受光素子の収納部に透光樹脂を充填してこの受光素子を封止したことを特徴とする光センサ。