JP5069404B2 - センサ構造 - Google Patents

Description

本発明はセンサ構造に関し、特に反射光バリヤの一部をなすセンサ構造に関する。キャリヤ上には、フォトダイオードと、計測光ビーム（特にパルス状の計測光ビーム）を伝送するための第１の発光ダイオードと、参照光ビーム（特に計測光ビームに対し時間的にオフセットされたパルス状の参照光ビーム）を伝送するための第２の発光ダイオードと、上記フォトダイオードと上記２つの発光ダイオードとを収容する光伝送ハウジングと、が構成される。

反射光バリヤの公知のセンサ構造においては、２つのＬＥＤチップと１つのフォトダイオードとが回路基盤上に構成される。一方のＬＥＤチップは参照光ビームを伝送するために設けられ、隣接するフォトダイオードに直接照射する。双方の上記チップがある一平面上に設けられるために上記光の大部分はフォトダイオードの側面に照射される。他方のＬＥＤチップは計測光ビームを伝送するために設けられ、ハウジングの別の部分に配置されるため、対照的に、上向きにのみ照射を行う。ビームコーン（beam cone）と呼ぶビーム円錐領域内に反射物体が配置されると、これに反射した光が上方からフォトダイオードに入射する。

光パルスを伴ったフォトダイオードの照射においては、フォトダイオードの照射により発生する光電流は、特有の遅れを伴って光パルスに追随する。この特有の遅れは、光電流の立ち上がり時間と減衰時間とによって定量化される。これらの時間は、上記フォトダイオードの電気的なパラメータ（特にその容量）と、外部の電気的な配線（実質的には負荷抵抗）と、の双方に依存する。しかしながら、光学的放射方向による依存性もさらに認められる。上記光が主として上方から半導体チップ上に入射せず、側面から上記チップに透過する場合には、上記立ち上がり時間と減衰時間とに著しい増大が起こる。従って、フォトダイオードはより遅延する。上記現象が発生する理由はおそらく以下の通りであろう。側方からの照射により、光の吸収によって生じた自由電荷キャリヤの対の大部分が上記チップ上に供給される。上記電荷キャリヤの対が電流に影響を及ぼす前に、ｐ−ｎ接合領域内でまず発散するはずであり、これにより遅れが生じるのであろう。

具体的な用途においては、双方のＬＥＤチップはパルス状に交互に動作する。電気回路の上記機能により反射光バリヤの周囲光に対する感度の問題は除去される。側方あるいは上方からフォトダイオード上への光照射において時間応答が異なると、このプロセスにおける評価電子回路にとって大きな問題となる。

上記の問題は請求項１の特徴を有するセンサ構造によって解消される。上記問題を解消する本発明は、センサ構造、特に反射光バリヤの一部をなすセンサ構造、からなり、このセンサ構造はキャリヤを含み、かつ、該キャリヤ上には、フォトダイオードと、計測光ビーム、特にパルス状の計測光ビーム、を伝送する第一発光ダイオードと、参照光ビーム、特に上記計測光ビームに対し時間的にオフセットされたパルス状の参照光ビーム、を伝送する第二発光ダイオードと、上記フォトダイオードと上記２つの発光ダイオードとを収容する光伝送ハウジングと、が配置され、かつ、上記第二発光ダイオードは、該発光ダイオードによって伝送される上記参照光ビームが側方から上記フォトダイオードに実質的に入射しないように配置されることを特徴とする。

上記第二発光ダイオードによって伝送される参照光は、従って、間接的な光路にのみ沿って上記フォトダイオードに実質的に作用する。上記第二発光ダイオードによって伝送された参照光は、具体的には、ハウジング壁で反射して、上記フォトダイオード上に実質的に入射する。上記反射は、具体的には、全反射に基づいている。

本発明の特定の好適な態様においては、フォトダイオードがキャリヤの第一平面上に配置され、参照光の照射に供する第二発光ダイオードが第二平面上に配置される。上記構成は製造上簡素な構成であり、特に、少なくとも上記フォトダイオードの高さあるいは上記第二発光ダイオードの高さだけ上記２つの平面が互いにオフセットすると、フォトダイオードへの参照光の側方からの照射をその構成自体で十分に抑制できる。従って、フォトダイオードへの参照光の照射はハウジング壁での反射を経由してのみ行われ、つまり、フォトダイオードへの照射は実質的に上方から行われる。

望ましくは、第二発光ダイオードはフォトダイオードよりも高い平面上に配置される。しかしながら、通常、上記の配置を逆にすることもできる。

特に、上記キャリヤとして回路基盤が設けられ、該回路基盤は、望ましくは、少なくとも２つの層からなるサンドイッチ状の平面の形で形成される。この構成も同様に製造上、簡素かつコスト的にも有利な構成となる。

さらに、光を透さない材料からキャリヤを構成することは特に望ましい。これにより、フォトダイオードへの望ましくない照射を防ぐことができる。

望ましくは、ハウジングはエポキシ樹脂等の光を透すカプセル材料によって形成される。この材料は、検出すべき物体へ計測光を伝送させることと、参照光をハウジングで反射させることと、の双方を確保するのに特に適していることが判明している。

第二発光ダイオードの領域において、ハウジングに面取りすることが望ましく、これにより、ハウジング壁の反射が改善され、参照光による物体の検出が防止される。一方、検出される可能性のある物体の方向に計測光を集光するレンズが、第一発光ダイオードの前方に望ましくは設けられる。

本発明の態様は、添付図面に開示され、以下に説明されている。添付図面は模式図の一枚のみである。

図１に示すセンサ構造は、第一層１ａと、該第一層に部分的に積層された第二層１ｂと、を備えたキャリヤとして機能する回路基盤１を含む。従って、上記キャリヤには二つの平面２ａ，２ｂが形成される。

フォトダイオード３と第一発光ダイオード４とが上記第一平面２ａ上に互いに隣接して設けられ、一方、第二発光ダイオード５が上記第二平面２ｂ上に設けられる。このフォトダイオード３は上記キャリヤ１の上記第二層１ｂのすぐ隣に配置され、上記第二層１ｂの高さは上記フォトダイオード３の高さｈよりも若干大きくなるように選択される。上記第一発光ダイオード４は、上記第二発光ダイオード５から遠方の上記フォトダイオード３の側に距離を置いて配置される。

エポキシ樹脂製のカプセル材料が上記回路基盤１に付与され、上記フォトダイオード３と上記２つの発光ダイオード４，５とを収容するハウジング６を形成する。上記第一発光ダイオード４は、上記プロセスにおいてハウジング６の別の領域に配置され、すなわち、上記フォトダイオード３と上記第二発光ダイオード５とからクロストークバリヤ（Crosstalk barrier）（図示せず）によって隔てられ、これにより、上記第一発光ダイオード４よって伝送される光は上記フォトダイオード３上に側方から入射することない。上記第一発光ダイオード４の前方には、さらにレンズ（同様に図示せず）が設けられる。一方、上記ハウジング６には、面取りされた面７いわゆるファセット、が上記第二発光ダイオード５の領域内に設けられる。

上記第一発光ダイオード４は計測光を供給し、この計測光は、上記ハウジング６を抜け出て、上記ハウジング６の前方に配置された物体８によって反射する。従って、上記第一発光ダイオード４によって伝送された計測光は、矢印Ｉ，ＩＩのとおりに、上記フォトダイオード３の上面３ａに到達し、該上面に電気信号を生成する。上記発光ダイオード４は上記プロセスにおいてクロック（刻時）的な動作する。

上記第二発光ダイオード５は、時間的にオフセットして作動する。この第二発光ダイオード５は参照光ビームを伝送する。この参照光ビームは上記ハウジング６の壁に反射して、矢印ＩＩＩ，ＩＶのとおりに上記フォトダイオード３の上面３に反射する。周囲光は、上記２つの信号同士を減算することにより算出することが可能である。加えて、上記第二発光ダイオード５によって生成された参照光信号は調整用に使用してもよい。

図から明らかなように、回路基盤１の第二層１ｂによって形成された第二平面２ｂ上に第二発光ダイオード５を配置する構成により、フォトダイオード３への参照光の側方照射が抑制される。従って、この参照光は、上記反射した計測光と同様に、実質的に上方のみからフォトダイオード３上に照射する。これにより上記参照光信号の時間応答はフォトダイオード３内の上記計測光信号の時間応答に一致するため、冒頭で述べた問題は回避される。また、この方法によれば参照光については、特に、フォトダイオード３の立ち上がり時間と減衰時間とを小さくすることが実現可能となる。

光を透さない材料から回路基盤１の上記２つの層１ａ，１ｂを形成することにより、誤った方向に案内されたその他の光もまた概ね除外される。

本発明によるセンサ構造の断面図。

符号の説明

１…回路基盤
１ａ…回路基盤の第一層
１ｂ…回路基盤の第二層
２ａ…第一平面
２ｂ…第二平面
３…フォトダイオード
３ａ…フォトダイオードの上面
４…第一発光ダイオード
５…第二発光ダイオード
６…ハウジング
７…ファセット
８…物体
Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ…ビームの方向
ｈ…フォトダイオードの高さ

Claims (6)

1. センサ構造であって、
   キャリヤ（１）を含み、かつ、
   フォトダイオード（３）と、
   計測光ビームを伝送する第一発光ダイオード（４）と、
   参照光ビームを伝送する第二発光ダイオード（５）と、
   上記フォトダイオード（３）と上記２つの発光ダイオード（４，５）とを収容する光伝送ハウジング（６）と、
   が該キャリヤ上に配置され、かつ、
   上記キャリヤ（１）として回路基盤が設けられ、該回路基盤（１）は少なくとも２つの層からなるサンドイッチ状の基盤として形成され、上記キャリヤ（１）の第一平面（２ａ）上に上記フォトダイオード（３）が配置され、上記キャリヤ（１）の第二平面（２ｂ）上に上記第二発光ダイオード（５）が配置され、上記第二平面（２ｂ）は上記第一平面（２ａ）より高い位置にあり、第二発光ダイオード（５）は上記発光ダイオード（５）によって伝送される上記参照光ビームが側方から上記フォトダイオード（３）に実質的に入射しないように配置され、
   上記ハウジング（６）は、光を透すカプセル材料によって形成され、かつファセット（７）と呼ぶ面取りされた壁を上記第二発光ダイオード（５）の領域内に有し、
   上記第二発光ダイオード（５）によって照射される参照光ビームは、全反射により上記フォトダイオード（３）の上面（３ａ）に入射し、上記第二発光ダイオード（５）と上記フォトダイオード（３）との間には保護スクリーンが設けられていないことを特徴とするセンサ構造。
2. 上記第一・第二平面（２ａ，２ｂ）が、少なくとも、上記フォトダイオード（３）の高さ（ｈ）あるいは上記第二発光ダイオード（５）の高さ、だけ互いにオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ構造。
3. 上記第二発光ダイオード（５）が上記フォトダイオード（３）よりも高い平面（２ｂ）上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ構造。
4. 上記回路基盤（１）の上記層（１ａ，１ｂ）が互いに積層されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ構造。
5. 上記キャリヤ（１）は、光を透さない材料からなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ構造。
6. 上記計測光を集光するレンズが上記第一発光ダイオード（４）の前方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ構造。

Images