JP4999596B2

JP4999596B2 - 反射型フォトセンサ

Info

Publication number: JP4999596B2
Application number: JP2007203699A
Authority: JP
Inventors: 光松下; 佐藤　　淳
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-08-04
Filing date: 2007-08-04
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-08-04
Also published as: JP2009038322A

Description

本発明は反射型フォトセンサ、特に発光素子及び受光素子の投受光面を被検出物の移動方向に垂直な方向に配置する反射型フォトセンサで、簡単な構成にて、被検出物の移動量や移動位置を検出するためのものに関する。

反射型フォトセンサとして、フォトリフレクタ等があるが、この反射型フォトセンサは、非接触で物体の有無、物体の位置や移動量を検出する光検出器であり、例えばビデオ機器等におけるオーディオテープのスタート位置及びエンド位置の検出、コピー機、プリンターの紙の検出、ＣＤ、ＤＶＤ等の光学ドライブ装置におけるピックアップユニットの位置検出、自動焦点カメラのズーム又はフォーカス動作のレンズ位置検出に用いられる。

図７（Ａ），（Ｂ）には、従来のフォトリフレクタの構成例が示されており、図７（Ａ）は、フォトリフレクタの上下方向に移動する物体を検出するもの（下記特許文献１）である。このフォトリフレクタは、絶縁基板１、この絶縁基板１上に配置され外周を囲み中間遮光壁部２を有する窓部３、この窓部３と中間遮光壁部２とで形成された一方の凹部に配置された発光素子４、他方の凹部に配置された受光素子５を有してなる。

このような図７（Ａ）のフォトリフレクタでは、上下（矢示Ｕ）方向に移動する被検出物６が鎖線の位置にあるときは、発光素子４から出力された光が中間遮光壁部２で遮られるが、実線の位置にあるときは、発光素子４から出力された光が受光素子５へ到達することになり、この受光素子５での検知状態によって、被検出物６の所定位置における存在が検出される。

図７（Ｂ）は、フォトリフレクタの発光素子及び受光素子の配列方向に移動する物体を検出するもの（下記特許文献２）であり、このフォトリフレクタは、実装基板８、この実装基板８上に設けられたフォトリフレクタ９、このフォトリフレクタ９の上方に配置され、スリット１０を形成したスリット機構１１を有してなる。

このような図７（Ｂ）のフォトリフレクタでは、矢示Ｆの水平方向へ移動する被検出物１２がフォトリフレクタ９の上方の位置に達したときに、フォトリフレクタ９内の発光素子から照射された光がスリット１０を通過して被検出物１２に当たり、その反射光がスリット１０を通過して受光素子で検知されることにより、被検出物１２の存在が検出される。

また、従来において、フォトリフレクタを用いてカメラのレンズの位置を検出するものとして、下記の特許文献３，４があり、これらの文献３，４には、光学系のカムリング等の円筒外周面に、高反射部と遮光部とからなる、反射光量を変化させるパターン（明暗パターン）部材を配置し、フォトリフレクタによって上記パターン部材からの反射光量を検知することにより、光学系（レンズ）の回転位置（ズーム位置）等を検出することが行われている。
特開２００１−１５６３２５号公報特開２００６−１７３３０６号公報特開平５−４５１７９号公報特開２００２−３５７７６２号公報

しかしながら、上記図７（Ａ），（Ｂ）の従来のフォトリフレクタでは、上下方向又は水平方向に移動する被検出物の存在の有無が検出できるのみで、移動する被検出物の位置や移動量までは検出することができない。

一方、上記特許文献３，４に開示されるように、フォトリフレクタを用いて光学系レンズの回転位置を検出するものでは、高反射部と遮光部とからなる高精度の明暗パターン部材を製作し、これを被検出物側に設けることが必要となり、構成が複雑になるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光素子と受光素子を用いた簡単な構成で、明暗パターン部材を被検出物側に設けることもなく、被検出物の移動量や移動位置を良好に検出することができる反射型フォトセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、発光部及び受光部の投受光面が、該投受光面に対し平行に移動する被検出物の移動方向に垂直な方向に配置され、上記発光部の出力光に基づく上記被検出物からの反射光を上記受光部で受光する反射型フォトセンサにおいて、上記受光部の検出出力が、上記被検出物の移動量に応じて直線的に変化するように、上記発光部には、上記被検出物の移動方向の中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記発光部として、上記被検出物の移動方向に、複数の発光素子を配置したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、上記発光部として１つの発光素子を設け、この発光素子の発光領域は、活性部（活性層等で本来の発光面）を部分的に遮光体（アルミニウム膜、金属合金膜、遮光テープ等）で覆うことにより形成したことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、上記受光部には、被検出物の移動方向の中心部から両端へ向かう程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域を設けたことを特徴とする。

本発明の構成によれば、発光部（発光素子）に、被検出物の移動方向の中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域が設けられており、センサ内縦方向に配置された発光部（発光素子）及び受光部の上方において被検出物が左側から右側へ移動するとき、最初は左側の発光領域から出力された光が被検出物から反射し、その反射光が受光部へ入射し、その入射光は被検出物が移動するに従って大きくなる。その後、被検出物が受光部（及び発光部）の中心部を超える位置まで移動すると、右側の発光領域からの出力光が被検出物から反射して受光部へ入射するようになる。その結果、受光部では、被検出物の移動に対応して直線的に変化する光量が検知され、この検知光量によって被検出物の移動量又は移動位置が検出できることになる。即ち、中心部及び両端部で均一な発光量となる発光部では、受光部の中心部に入射する光が多くなるので、本発明では、発光部中心部の発光領域を小さくすることにより、直線的に変化する実用的な範囲を設定するようにしたものである。

上記請求項４の構成によれば、受光部において、被検出物の移動方向の中心部から両端へ向かう程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域を設けることにより、発光部と受光部との両方の構成によって、直線的に変化する移動範囲の大きさやその直線性を所望の値に設定することができる。

本発明の反射型フォトセンサによれば、発光部の構成の工夫により、被検出物の移動量とセンサ出力変化の関係がリニアとなる区間を実用的なレベルまで広げることができ、簡単な構成にて、被検出物の移動位置を良好に検出することが可能になるという効果がある。また、従来のカメラに用いられている光学系レンズの位置検出センサのように、明暗パターン部材を被検出物側に設ける必要もない。
上記請求項３の発明によれば、発光部の活性部を遮光体で覆うだけで、中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域を形成することができ、センサの製作が極めて容易であるという利点がある。

上記請求項４の発明によれば、中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光部と、中心部から被検出物の移動方向の両端へ向かう程、広がる受光領域を持つ受光部との両方によって、直線的に変化する移動範囲の大きさやその直線性を任意かつ所望の値に設定することが可能になると共に、設定のバリエーションが増えるという利点がある。

図１には、本発明の実施例に係る反射型フォトセンサ（フォトリフレクタ）の構成が示され、図（Ｂ）は図（Ａ）のｂ−ｂ線断面図である。図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、実施例の反射型フォトセンサでは、絶縁基板１６上にボンディングパターン１７ａ〜１７ｄが形成されており、ボンディングパターン１７ａに発光部としての２つの発光素子（例えば発光ダイオード）１８ａ，１８ｂ、ボンディングパターン１７ｂに受光部としての受光素子（例えばフォトトランジスタ）２０がダイボンディングされ、これら発光素子１８ａ，１８ｂ及び受光素子２０は、その長手方向が被検出物の移動方向Ｈに一致するように配置され、ボンディングパターン１７ｃ，１７ｄのそれぞれの位置に金ワイヤ２１で接続される。上記絶縁基板１６の裏面には、上記ボンディングパターン１７ａ〜１７ｄのそれぞれに接続された裏面電極２２ａ〜２２ｄ（２２ａ、２２ｂは図示せず）が配置される。

また、上記発光素子１８ａ，１８ｂ及び受光素子２０の周囲を囲うように、所定の高さの外周遮光壁２４が形成されると共に、この発光素子１８ａ，１８ｂと受光素子２０との間に、中間遮光壁２５が設けられ、この外周遮光壁２４と中間遮光壁２５とで囲まれる発光素子１８ａ，１８ｂ及び受光素子２０の上側空間は、光を透過する樹脂２６で封止される。そして、この発光素子１８ａ，１８ｂと受光素子２０の投受光面は、被検出物の移動方向Ｈに平行となり、この移動方向Ｈに垂直な方向に沿って配置される。

図１（Ａ）に示されるように、上記２つの発光素子１８ａ，１８ｂは、受光素子２０の被検出物の移動方向Ｈの中心点に対応する発光部の位置から左右に等距離だけ離れた位置で、受光素子２０の左右端よりも少し外側の位置に配置されており、これによって、被検出物移動方向Ｈの中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域が設定される。

実施例の反射型フォトセンサは、以上の構成からなり、この反射型フォトセンサによる光検知作用を図２及び図３により説明する。図２（Ａ）は、図１のセンサ内部を被検出物の移動方向Ｈに垂直な方向にて発光素子１８ａ，１８ｂ側から見たもので、被検出物３０が左側から右側へ移動する状態であり、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）と同じ方向からセンサ内部を見たものであり、発光素子１８ａ，１８ｂから出力された光は、移動する被検出物３０で反射され、移動方向Ｈに垂直な方向に存在する受光素子２０側へ導かれる。なお、発光素子１８ａ，１８ｂから受光素子２０へ直接入射する光は中間遮光壁２５によって遮蔽される。

図３（Ａ）に示されるように、まず被検出物３０が発光素子１８ａ及び受光素子２０の上方を覆うようにして位置Ｐ1 に達したとき、左側の発光素子１８ａから出力された光Ｌ1 が被検出物３０で反射され、受光素子２０（受光領域）へ入射し始める。ここで、発光素子１８ｂから出力された反射光Ｌ2 等は、受光素子２０へ入射しない。そして、図３（Ｂ）に示されるように、被検出物３０が位置Ｐ2 に達するに従って、上記Ｌ1 と同様の反射光が徐々に増えると同時に、反射角度の異なる反射光Ｌ3 も多くなる。また、被検出物３０が位置Ｐ3 に達するに従って、上記反射光Ｌ1 ，Ｌ3が徐々に増えると共に、更に反射角度の異なる反射光Ｌ4 も多くなり、２つの発光素子１８ａ，１８ｂの中間点を超える位置からは、右側の発光素子１８ｂから出力された光に基づく反射光Ｌ5 が入射し始めるというように、被検出物３０の移動量が大きくなる程、受光素子２０へ到達する光は増加する。

そして、実施例では、２つの発光素子１８ａ，１８ｂを離して配置し、中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域を設定していることから、受光素子２０では、被検出物３０の移動量に応じてリニアに変化する検出出力が得られる。即ち、２つの発光素子１８ａ‐１８ｂ間においても、発光領域を設けた場合は、全体の発光領域からの出力光に基づく被検出物３０からの反射光が受光素子２０の中心部へ集められるという現象が生じ、中心部へ向かう程、受光素子２０に対する入射光が多くなる。そこで、実施例では、左右両端に発光素子１８ａ，１８ｂを離して配置することによって、中心部へ向かう入射光を削減し、リニアな特性を得るようにしている。

図４には、被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を実施例（Ｃ₁₀₀）と従来例（Ｃ₂₀₀）の相対出力で表したグラフが示されており、従来例では、特性Ｃ₂₀₀に示されるように、リニアな特性が得られる移動範囲がΔＸ1 であったのに対し、本実施例では、特性Ｃ₁₀₀に示されるように、リニアな特性が得られる移動範囲がΔＸ2 と実用的な範囲まで大きく広がっている。

図５（Ａ）〜（Ｄ）には、実施例の発光部の他の構成例が示されており、これらは、単一の発光素子（又は発光部）に遮光体を設けることで、発光領域を設定したものである。図５（Ａ）は、１つの発光素子３１の活性部（活性層等の本来の受光面）の中心部をアルミニウム遮光膜（又は遮光テープ）３３で覆うことにより、両端部の発光領域３１Ｇ_１を設けたものであり、図５（Ｂ）は、１つの発光素子３１の活性部の中心部の２箇所を２つの遮光膜３４で覆うことにより、中心部よりも両端部の発光量が高い発光領域３１Ｇ_２を設けたものである。

図５（Ｃ）は、１つの発光素子３１の中心部に、三角形と逆三角形のアルミニウム遮光膜３５をそれらの頂点を一致させるように形成し、発光領域３１Ｇ_３を設けたものであり、図５（Ｄ）は、半楕円状の２つのアルミニウム遮光膜３６を上下に配置し、中心部から両端へ向けラッパ状に広がる面積の発光領域３１Ｇ_４としたものである。これらの発光領域３１Ｇ_１〜３１Ｇ_４を有する発光素子３１よっても、受光素子２０での光検出においてリニアな特性を得ることが可能となる。なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）の構成において、上記発光領域３１Ｇ_１〜３１Ｇ_４に対し、小さなサイズの発光素子を複数個配置して同様の発光領域を持つ発光部を形成してもよい。

図６には、実施例の受光素子２０の他の構成例が示されており、図６に示されるように、受光素子２０では、その上面の活性部（活性層等で本来の受光面）の下側を、アルミニウム膜、金属合金膜等からなる半楕円状の遮光反射膜３９で覆う（又は遮光反射テープを貼る）ことにより、受光素子２０の受光面積が中心部から両左右端へ向かう程、広がる受光領域２０Ｅ_１が設定される。

このような受光素子２０の受光領域２０Ｅ_１によれば、被検出物の移動方向Ｈにおいて中心部から両端へ向かうに従って受光量が徐々に増加するので、この受光素子２０と図１の発光素子１８ａ，１８ｂ又は図５の各種形状の発光領域３１Ｇ_１〜３１Ｇ_４を持つ発光素子３１との組み合わせによって、リニア特性が得られる範囲（ΔＸ）を拡張したり、その直線性を改善したりすることができる。

上記実施例では、面実装タイプのフォトリフレクタの構造に適用した例を示したが、この面実装タイプで、外周遮光壁２４がないもの（中間遮光壁２５は必要）や、リードピンタイプ等の他の構造のフォトリフレクタに本発明を適用することができる。
また、実施例では、受光素子２０にフォトトランジスタを使用した例を示したが、受光素子としてフォトダイオードやフォトＩＣを適用してもよい。

本発明の実施例に係る反射型フォトセンサの構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のｂ−ｂ線断面図である。実施例の反射型フォトセンサの発光素子から受光素子へ到達する光を示し、図（Ａ）はセンサ内部を発光素子から受光素子へ向かう方向で見た図、図（Ｂ）はセンサ内部を発光素子及び受光素子の側面側から見た図である。実施例の反射型フォトセンサにより被検出物の移動量等を検出する際の光検知作用を説明するための図である。実施例における被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を、実施例（Ｃ₁₀₀）と従来例（Ｃ₂₀₀）の相対出力で表したグラフ図である。実施例の発光素子の他の例を示す上面図である。実施例の受光素子において発光領域を変えた他の例を示す上面図である。従来のフォトリフレクタの２つの構成例を示す図である。

符号の説明

１，１６…絶縁基板、４，１８ａ，１８ｂ，３１…発光素子、
５，２０…受光素子、６，１２，３０…被検出物、
１７ａ〜１７ｄ…ボンディングパターン、
２０Ｅ_１…受光領域、２４…外周遮光壁、
２５…中間遮光壁、３１Ｇ_１〜３１Ｇ_４…発光領域、
３３，３４，３５，３６…遮光膜、
３９…遮光反射膜。

Claims

発光部及び受光部の投受光面が、該投受光面に対し平行に移動する被検出物の移動方向に垂直な方向に配置され、上記発光部の出力光に基づく上記被検出物からの反射光を上記受光部で受光する反射型フォトセンサにおいて、
上記受光部の検出出力が、上記被検出物の移動量に応じて直線的に変化するように、上記発光部には、上記被検出物の移動方向の中心部よりも両端部の発光量が高くなる発光領域を設けたことを特徴とする反射型フォトセンサ。
上記発光部として、上記被検出物の移動方向に、複数の発光素子を配置したことを特徴とする請求項１記載の反射型フォトセンサ。
上記発光部として１つの発光素子を設け、この発光素子の発光領域は、活性部を部分的に遮光体で覆うことにより形成したことを特徴とする請求項１記載の反射型フォトセンサ。
上記受光部には、被検出物の移動方向の中心部から両端へ向かう程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域を設けたことを特徴とする請求項１乃至３記載の反射型フォトセンサ。