JPH04131712U - 傾き角検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 傾き角検出センサにおいて、受光素子の動作
領域を広げ、安定かつ高精度な傾き角検出を可能とし、
しかも検出回路を簡単にする。 【構成】 受光素子としてＰＳＤ１２を使用し、発光素
子１１から被検出物体Ｙに投光し、被検出物体Ｙからの
反射光がＰＳＤ１２に入射する入射位置から被検出物体
Ｙの傾き角を検出する。 【効果】 入射光エネルギーとは無関係に、光の入射位
置を求めることができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、被検出物体の傾きを検出する傾き角検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来の傾き角検出センサは、図５の如く、センサ本体１内に、発光素子(発光 ダイオード)２と、複数個に分割された受光素子（フオトダイオード）３（図６ 参照）とを備え、発光素子１から被検出物体Ｙに投光し、被検出物体Ｙからの反 射光が受光素子２の受光面上にどのような領域をもつて受光されるかにより被検 出物体Ｙの傾き角を検出している。

【０００３】 なお、図６は複数個に分割された受光素子の例を示す図であつて、図６−Ａ， Ｂは２分割型受光素子、図６−Ｃは６分割型受光素子である。また、図６中、斜 線部は受光素子に集光された反射光のスポツト領域を示す。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

従来の傾き角検出センサでは、図６に示すように、受光面を複数に分割した受 光素子が用いられているが、いずれも動作領域がせまく、安定かつ高精度な傾き 角検出ができない。また、検出回路が複雑になる等の欠点を有している。

【０００５】 例えば、図６−Ａ，Ｂに示す２分割の受光素子を用い、その差出力から傾き角 を検出する方式では、受光素子上に集光されたスポツト光に強度分布があるため 、スポツト光の位置の移動に対する差出力のリニアリテイは限られた範囲でしか 存在しない。

【０００６】 また図６−Ｃに示す多分割素子（６分割）を用い、スポツト光の当たつている 位置により傾き角を検出する方式では、その分解能は分割数に依存し、また検出 回路も複雑となる。

【０００７】 本考案は、上記に鑑み、受光素子の動作領域が広く、安定かつ高精度な傾き角 検出を可能とし、しかも検出回路が簡単となる傾き角検出センサの提供を目的と する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）本考案請求項１による課題解決手段は、図１，２の如く、発光素子１１と 、受光素子とを備え、発光素子１１から被検出物体Ｙに投光し、被検出物体Ｙか らの反射光が受光素子に入射する位置から被検出物体Ｙの傾き角を検出する傾き 角検出センサであつて、前記受光素子は、その両端から得られる光電流が光の入 射位置に比例するよう構成された半導体位置検出素子１２から成るものである。

【０００９】 （２）請求項２による課題解決手段は、請求項１記載の傾き角検出センサにおい て、発光素子１１と半導体位置検出素子１２との間に、発光素子１１からの照射 光が直接半導体位置検出素子１２に入射するのを防止するための遮光壁１５が配 置されたものである。

【００１０】 （３）請求項３による課題解決手段は、請求項１，２記載の傾き角検出センサに おいて、発光素子１１および半導体位置検出素子１２の前面に、検出しようとす る被検出物体Ｙの角度変位の方向と直交する方向に軸を持つ円筒形レンズ２１が 配置されたものである。

【００１１】

【作用】

上記課題解決手段において、発光素子１１より照射された光は、円筒形レンズ ２１を通り被検出物体Ｙで反射され、再び円筒形レンズ２１を通り受光素子上に 集光される。

【００１２】 このとき、請求項１では、受光素子として半導体位置検出素子１２を使用して おり、半導体位置検出素子１２の両端から得られる光電流は、スポツト光の照射 位置に比例するから、入射光エネルギーとは無関係に、光の入射位置を求めるこ とができる。このため、従来の分割型受光素子に比べて受光素子の動作領域が広 がり、安定かつ高精度な傾き角検出が可能となり、しかも分解能は分割数に依存 しないから検出回路も簡単となる。

【００１３】 また、請求項２では、発光素子１１と半導体位置検出素子１２との間に遮光壁 １５を配置し、発光素子１１からの照射光が直接発光素子１１に入射しない構造 としているので、Ｓ／Ｎ比が大きくとれる。

【００１４】 さらに、請求項３では、検出しようとする被検出物体Ｙの角度変位の方向と直 交する方向に軸を持つ円筒形レンズ２１を、発光素子１１および半導体位置検出 素子１２の前面に配置しているので、スポツト光をその走査方向に垂直な方向に 広がつた形状にしてスポツトサイズを大きくすることができる。このため、ゴミ やホコリ等の影響が少なくなり、より安定した角度検出が可能となる。

【００１５】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を図１ないし図４に基づいて説明する。

【００１６】 図１は本考案の一実施例に係る傾き角検出センサの構成を示す図であつて、図 １−Ａは平面図、図１−Ｂは図１−ＡのＡ−Ａ断面図、図１−Ｃは正面図、図２ は本実施例において受光素子として利用される半導体位置検出素子の断面図、図 ３は被検出物体の傾き角変化に対する半導体位置検出素子のスポツト光領域の位 置関係を示す図、図４はスポツト光領域の位置と半導体検出素子の光電流の関係 を示す図である。

【００１７】 本実施例の傾き角検出センサは、図１の如く、センサ本体１０内に、発光素子 １１と、半導体位置検出素子（以下、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔ ｉｖｅ Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）という）１２からなる受光素子とを備 え、発光素子１１から被検出物体Ｙに投光し、被検出物体Ｙからの反射光がＰＳ Ｄ１２に入射する入射位置から傾き角を検出するよう構成されている。

【００１８】 前記センサ本体１０は、図１−Ｂの如く、遮光性樹脂により前面開放の箱形に 形成されており、内部に、発光素子１１が収納される発光側収納室１３と、ＰＳ Ｄ１２が収納される受光側収納室１４と、該収納室１３，１４との間に突出形成 され発光素子１１の照射光が直接ＰＳＤ１２に入射するのを防止する遮光壁１５ とを有している。

【００１９】 前記発光素子１１は、発光ダイオードが使用されており、図１−Ａの如く、発 光側リードフレーム１６にダイボンドされ、さらにボンデイングワイヤ１７を介 してリードフレーム１６と内部結線されている。

【００２０】 前記ＰＳＤ１２は、受光側リードフレーム１８にその長手方向がリードフレー ム１８のリード部と直交するようダイボンドされており、さらにボンデイングワ イヤ１７を介してリードフレーム１８と内部結線されている。

【００２１】 そして、ＰＳＤ１２は、シリコンフオトダイオードを応用した光スポツトの位 置検出用センサである。これは、ヒジコン、ＣＣＤ等と異なり非分割型の素子で あるので、連続した電気信号（Ｘ，Ｙ座標信号）が得られ、位置分解能、応答性 に優れている。

【００２２】 ＰＳＤ１２は、図２の如く、平板状シリコンの表面にＰ層、裏面にＮ層、中間 にあるＩ層から構成されており、ＰＳＤ１２に入射した光は、光電変換され、光 電流としてＰ層（両面分割型ではＰ層とＮ層）に付けられた電極１９，２０から 分割出力される。

【００２３】 そして、発光素子１１およびＰＳＤ１２の前面には、図１の如く、ＰＳＤ１２ の長手方向と直交する方向、すなわち検出しようとする被検出物体Ｙの角度変位 の方向と直交する方向に軸を持つ円筒形レンズ２１が配置されている。

【００２４】 ここで、上記傾き角検出センサの製造方法について説明する。

【００２５】 まず、発光素子１１およびＰＳＤ１２を各リードフレーム１６，１８にダイボ ンドし、ボンデイングワイヤ１７を介して発光素子１１およびＰＳＤ１２とリー ドフレーム１６，１８間に内部結線を施す。そして、これらを金型等にセツトし 、遮光性樹脂にてこれらをモールドする。しかる後、円筒形レンズ２１を発光素 子１１およびＰＳＤ１２の前面に取り付ける。

【００２６】 次に、動作を説明する。

【００２７】 発光素子１１より照射された光は、光路ガイドホルダー（センサ本体）１０お よび円筒形レンズ２１を通り被検出物体Ｙで反射され、再び円筒形レンズ２１を 通りＰＳＤ１２上に集光される。

【００２８】 このとき、発光素子１１と、ＰＳＤ１２との間に遮光壁１５を配置し、発光素 子１１から照射光が直接ＰＳＤ１２に入射しない構造となつているため、被検出 物体Ｙからの反射光（信号分：Ｓ）と、センサ内部での光のリーフ（ノイズ分： Ｎ）との比（Ｓ／Ｎ）が大きくとれる。

【００２９】 ＰＳＤ１２に光スポツトが入射すると、入射位置には光エネルギーに比例した 電荷が発生する。そして、発生した電荷は、光電流として抵抗層（図２ではＰ層 ）を通り、両端電極１９，２０から出力される。

【００３０】 ここで、抵抗層（Ｐ層）は、全面に均一な抵抗値を持つ様に作られていること から、光電流は電極までの距離に逆比例して分割されて取り出される。すなわち 、ＰＳＤ１２の両端電極１９，２０から得られる光電流は、スポツト光の照射位 置に比例する。

【００３１】 図１−Ｃの如く、被検出物体Ｙがａ→ｂ→ｃと角度を変えると、ＰＳＤ１２上 に集光された被検出物体Ｙの光の像は、図３の如く、ａ→ｂ→ｃの様に移動する 。

【００３２】 いま、図２の如く、ＰＳＤ１２と被検出物体Ｙとの距離をＫとし、被検出物体 Ｙの角度変位が０のときにＰＳＤ１２の中央に反射光が戻るようにセツトされて いると、被検出物体Ｙが角度変位θ₁をもつて傾くと、ＰＳＤ中央よりｘ＝Ｋｔ ａｎ２θ₁の位置に反射光が戻る。

【００３３】 すなわち、被検出物体Ｙがθ₁だけ角度変化すると、発光素子１１からの照射 光は反射角Ｒ₁（＝θ₁）をもつて反射される。一般に、反射角Ｒ₁は、反射光の 方向と反射面の法線Ｚとの間の角をいう。したがつて、被検出物体Ｙは、その角 度変位０のときにはＰＳＤ１２と平行にセツトされているから、角Ｒ₂はθ₁とな り、ｘ＝Ｋｔａｎ２θ₁を得る。

【００３４】 ここで、ＰＳＤ１２の長さをＬとすると、ＰＳＤ１２の一端側電極１９から得 られる光電流Ｉ₁は、

【００３５】

【数１】

【００３６】 となる。

【００３７】 また、他端側電極２０から得られる光電流Ｉ₂は、

【００３８】

【数２】

【００３９】 となる。

【００４０】 上式より光電流Ｉ₁，Ｉ₂の減算値と加算値の比を求めると、Ｉ₀＝Ｉ₁＋Ｉ₂で あるので、

【００４１】

【数３】

【００４２】 となる。

【００４３】 角度変位が微少であれば、ｔａｎ２θ₁≒２θ₁となることより、光電流Ｉ₁， Ｉ₂の減算値と加算値の比は、

【００４４】

【数４】

【００４５】 となり、直接被検出物体Ｙの角度変位に比例する。

【００４６】 図４にスポツト光位置と光電流の関係を示し、図中Ｓは有効受光部である。

【００４７】 このように、受光素子としてＰＳＤ１２を使用することで、入射光エネルギー とは無関係に、光の入射位置を求めることができるので、従来の分割型受光素子 に比べて受光素子の動作領域が広がり、安定かつ高精度な傾き角検出が可能とな り、しかも分解能は分割数に依存しないから検出回路も簡単となる。

【００４８】 また、本実施例の光学系は、従来の球形レンズに換わつて円筒形レンズ２１を 用いているのは、従来の球形レンズ系では、集光性が非常に良く、受光素子上に 小さなスポツト光を得るのには適しているが、逆にいま被検出物体Ｙが検出しよ うとしている角度変位の方向と垂直方向に傾いた時、スポツト光が受光素子から はずれてしてしまう恐れがあるからである。

【００４９】 そこで、円筒形レンズ２１を検出しようとする被検出物体Ｙの角度変位の方向 と直交する方向に軸を持つように、発光素子１１およびＰＳＤ１２の前面に配置 することにより、検出しようとする角度変位の方向のみ集光され、検出しようと する角度変位の方向に垂直な方向は光路ガイドホルダー（センサ本体）１０によ り規制されているだけで、発光素子１１から放射された光は円筒形レンズ２１で 検出しようとする角度変位の方向のみ集光され、被検出物体Ｙから反射された光 が再び同じ円筒形レンズ２１で集光され、ＰＳＤ２上に検出しようとする角度変 位の方向と、垂直方向に細長いスポツト光を得ることができる。

【００５０】 これにより、検出しようとする角度変位の方向と、垂直な方向に傾いた時もス ポツト光がＰＳＤ１２からはずれることはないので、ゴミやホコリ等の影響を少 なくでき、より安定した角度検出が可能になる。

【００５１】 なお、本考案は、上記実施例に限定されるものではなく、本考案の範囲内で上 記実施例に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。

【００５２】

【考案の効果】

以上の説明から明らかな通り、本考案請求項１によると、受光素子として、そ の両端から得られる光電流が光の入射位置に比例するよう構成された半導体位置 検出素子を使用しているので、その検出出力は、直接被検出物体の角度変位に比 例することとなり、入射エネルギーとは無関係に光の入射位置を求めることがで きる。

【００５３】 したがつて、従来の分割型受光素子に比べて受光素子の動作領域が広がり、安 定かつ高精度な傾き角検出が可能となり、しかも分解能は分割数に依存しないか ら検出回路も簡単で済む。

【００５４】 また、請求項２によると、発光素子と半導体位置検出素子との間に遮光壁を配 置し、発光素子からの照射光が直接半導体位置検出素子に入射しない構造とする ことで、Ｓ／Ｎ比を大きくとることができる。

【００５５】 さらに、請求項３によると、検出しようとする被検出物体の角度変位の方向と 直交する方向に垂直な方向に軸を持つ円筒形レンズを、発光素子およびＰＳＤの 前面に配置することから、スポツト光をその走査方向に垂直な方向に広がつた形 状にしてスポツトサイズを大きくできる。

【００５６】 このため、ゴミやホコリ等の影響が少なくなり、より安定した角度検出が可能 となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本考案の一実施例に係る傾き角検出セン
サの構成を示す図であつて、図１−Ａは平面図、図１−
Ｂは図１−ＡのＡ−Ａ断面図、図１−Ｃは正面図であ
る。

【図２】図２は本実施例において受光素子として利用さ
れる半導体位置検出素子の断面図である。

【図３】図３は被検出物体の傾き角変化に対する半導体
位置検出素子のスポツト光領域の位置関係を示す図であ
る。

【図４】図４はスポツト光領域の位置と半導体検出素子
の光電流の関係を示す図である。

【図５】図５は従来の傾き角検出センサの構成を示す図
である。

【図６】図６は複数個に分割された受光素子の例を示す
図であつて、図６−Ａ，Ｂは２分割型受光素子、図６−
Ｃは６分割型受光素子である。

【符号の説明】

１１ 発光素子 １２ 半導体位置検出素子（ＰＳＤ） １５ 遮光壁 ２１ 円筒形レンズ Ｙ 被検出物体

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子と、受光素子とを備え、発光素
   子から被検出物体に投光し、被検出物体からの反射光が
   受光素子に入射する位置から被検出物体の傾き角を検出
   する傾き角検出センサであつて、前記受光素子は、その
   両端から得られる光電流が光の入射位置に比例するよう
   構成された半導体位置検出素子から成ることを特徴とす
   る傾き角検出センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の傾き角検出センサにおい
   て、発光素子と半導体位置検出素子との間に、発光素子
   からの照射光が直接半導体位置検出素子に入射するのを
   防止するための遮光壁が配置されたことを特徴とする傾
   き角検出センサ。
3. 【請求項３】 請求項１，２記載の傾き角検出センサに
   おいて、発光素子および半導体位置検出素子の前面に、
   検出しようとする被検出物体の角度変位の方向と直交す
   る方向に軸を持つ円筒形レンズが配置されたことを特徴
   とする傾き角検出センサ。