JPS61186810A - 光学式微小距離測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 ［発明の技術分野］ この発明は、たとえば産業ロボットの触覚機能に応用さ
れる光学式微小距離測定方法に関する。

［従来技術の説明コ 第８図は従来の光学式微小距離測定に用いられている微
小距離センサを示している。このセンサ（１）では、ケ
ーシング（２）の後面に、隣接して配置された５つの発
光ダイオード（３）とこれらの発光ダイオード（３）か
ら離れて設けられた１つのフォトダイオード（４）とが
横一列に並べる固定されている。ケーシング（２）の前
面に゛　、７ｒトダイオード（４）に対応する位置に受
ｓｌｃ用ピンホール（５）があけられているとともに、
このピンホール（５）から発光ダイオード群側に寄った
位置に投光用ピンホール（６）があけられている。

各発光ダイオード（３）の出力光は投光用ピンホール（
６）を通って前方に向って出射される。各発光ダイオー
ド（３）の出力光は、その発光ダイオード（３）の出光
面の中心と投光用ピンホール（６）とを通る直線と、フ
ォトダイオード（４）の受光面の中心と受光用ピンホー
ル（５）とを通る直線との交鎖位置で、被測定物体（７
）によって反射された場合にフォトダイオード（４）に
入射する。微小距離センサ（１）から、各発光ダイオー
ド（３）についての上記各交鎖位置までの距離はあらか
じめそれぞれ求められる。したがって、各発光ダイオー
ド（３）を順次１つずつ駆動していき、フォトダイオー
ド（４）が光を受光したとぎに駆動されている発光ダイ
オードく３）を判別することによって、微小距離センサ
（１）から被測定物体（７）までの距離を測定すること
ができる。

このような測定方法では、微小距離センサ（１）に接近
しつつある物体や遠ざかりつつある物体に対して、微小
距離センサ（１）からその物体までの距離を、正ル１【
に測定することができない。また、複数の発光ダイオー
ド（３）とフォトダイオード（４）とを横一列に並べて
配置しなければならないので、微小距離センサ（１）を
小型化することが困難である。

発明の概要 ［発明の目的］ この発明は、微小距離センサに接近しつつある物体や離
れつつある物体であっても、微小距離センサから物体ま
での距離を正確に測定することができ、しかも微小距離
センサの小型化が図れる光学式微小距離測定方法を提供
することを目的とする。

［発明の構成、作用および効果］ この発明による光学式微小距離測定方法は、被測定物体
に向って光を出射させるための発光素子部と被測定物体
によって反射された光を受光させるための受光素子部と
を有する発光受光素子を微小距離センサとして用い、微
小距離センサから被測定物体までの距離と、受光素子部
の受光出力またはそれに関連する値との関係を表わすデ
ータをあらかじめ作成しておき、受光素子部の受光出力
を検出し、上記データにもとづいて検出された受光出力
またはそれに関連する値に対応する微小距離センサから
被測定物体までの距離を求めることを特徴とする。

この発明による光学式微小距離測定方法では、微小距離
センサから被測定物体までの距離と、受光素子部の受光
出力またはそれに関連する直との関係を表わすデータを
あらかじめ作成しておき、受光素子部の受光出力を検出
し、上記データにもとづいて検出された受光出力または
それに関連する値に対応する微小距離センナから被測定
物体までの距離を求めているから、微小距離センサに接
近しつつある物体や遠ざかりつつある物体に対して、微
小距離センサからその物体までの距離を正確に測定する
ことができる。

したがってこのような物体をモニタすることが可能とな
る。

また、発光素子と受光素子とは少なくとも１つずつあれ
ば足り、しかも発光素子部と受光素子部とを有する発光
受光素子が微小距離センサとして用いられているので、
微小距離センサを小型化することが可能となる。

実施例の説明 第１図は、微小距離センサを示している。この微小距離
センサ（１０）では、前面に開口部（１１ａ　）を有す
るケース（１１）内に、発光素子部（１２）と受光素子
部（１３）とを備えた発光受光素子（１４）が収納固定
されている。発光素子部（１２）は中央部に位置し、受
光素子部（１３）はその周囲に位置している。ケース（
１１）の開口部（１１ａ）には、透明板ガラス（１５）
が嵌められかつ固定されている。板ガラス（１５）の内
面には、受光素子部（１３）の前面に対応する位置に螢
光体く１６）が設けられている。

発光素子部（１２）から出力された光は板ガラス（１５
）を通過して前方に出射され、被測定物体（７）によっ
て反射される。この反射光は螢光体（１６）に入射する
。これにより螢光体く１６）が励起され、螢光体く１６
）から螢光が発光される。この螢光が受光素子部（１３
）に入射し、受光素子部（１３）によって受光される。

後述するように、この実施例では、発光素子部（１２）
と受光素子部（１３）としては、発光素子部（１２）か
ら出力される光の波長領域と受光素子部（１３）が高感
度で受光しうる光の波長領域とが異なるものが用いられ
ている。これは、発光素子部（１２）から出力された光
の一部が受光素子部（１３）にたとえ直接に入射するこ
とがあっても、受光素子部（１３）の受光信号にこの光
の影響が現われないようにするためである。

そして、被測定物体（７）によって反射された光の強度
に応じた受光信号を得るために、被測定物体（７）によ
って反射された光を螢光体く１Ｇ）によって、受光素子
部（１３）が高感度で受光しうる波長領域内の波長の光
に変換するようにしている。したがって、螢光体（１６
）としては、被測定物体（７）からの反射光によって励
起され、受光素子部（１３）が高感度で受光しうる波長
領域内の波長の螢光を発光するものが用いられる。

第２図は発光受光素子（１４）の−例を示している。発
光受光素子（１４）は、半導体基板（２１）上に発光素
子部（１２）と受光素子部（１３）とが形成されている
ものである。発光素子部（１２）は中央部に位置し、こ
の中央部（１２△〉の表面が発光面となっている。中央
部（１２Ａ）は、その横断面が円形であり、その直径は
たとえば１６０［μｍ１である。受光素子部（１３）は
その周囲に位置している。受光素子部（１３）は、一部
が欠除した環状に形成されており、その外径はたとえば
４００″［μ″ＩＩｌ］である。発光素子部（１２）は
、ざらに中央部（１２△）から周囲の受光素子部（１３
）を横切って半径方向にのびており、この延長部（１２
Ｂ＞の外端にボンディング・バット形成部（１２Ｇ＞が
形成されている。受光素子部（１３）にら、その周側面
から外方に突出したボンディング・パッド形成部（１３
Ａ）が形成されている。

この素子は、以下のようにして！ｌｌ造される。

ｎ　”　−Ｑａ　Ａｓ　１５板（２１）上にロー　−Ｇ
ａ　Ａｓ層（２２）およびｐ　−Ｇａ　Ａｓ層（２３）
を順次形成する。ρ−ＧａＡＳ層（２３）の上面中央部
に基板（２１）に達する電流通路用凹部（２７）を形成
し、その上にｎ　　Ｇａｏ　、　７Ａ１０　、３Ａｓ１
ｉＪ（２４）を形成する。ｒｌ　　Ｇａａ、７Ａ１ａ。

３ＡＳ層（２４）上にｐ　Ｇａｏ、９５Ａ１０゜ｏｓＡ
ｓ活性層（発光層）（２５）およびｐ−Ｇａｏ、７Ａ１
０．３ＡＳ層（２Ｇ）を順次形成する。

次に発光素子部（１２）と受光素子部（１３）とを分離
するための分離溝（２８）をｐ　Ｇａｏ。

７Ａ１０．３ＡＳ層（２Ｇ）の上面から基板（２１）に
達するまで形成する。

発光素子部（１２）以外の部分のｌ）　　Ｇａｏ。

７　Ａｌａ　、３　Ａ３層およびｐ−Ｇａｏ、ｇ５Ａ７
０．０５ＡＳ層を除去するとともに、ボンディング・パ
ッド形成部（１３Ａ）上のＧａｐ、？Ａ１０．３ＡＳ層
を除去して受光素子部（１３）を作成する。

発光素子部（１２）の中央部（１２Ａ）の上面（発光面
）にアノード電極（２９）を形成する。

ボンディング・パッド形成部（１２Ｇ＞の上面にリード
アウトワイヤ用のボンディング・パッド（３０）を形成
し２、アノード電極（２９）とボンディング・パッド（
３０）とを電気的に接続するための導体（３１）を延長
部（１２Ｂ）の上面に形成する。ボンディング・パッド
形成部（１３Ａ　＞の上面にリードアウトワイヤ用のボ
ンディング・パッド（３２）を形成する。仁のボンディ
ング・パッド（３２）は受光素子部（１３）のアノード
電極を兼ねている。基板（２１）の下面に共通電極（カ
ソード電極＞（３３）を形成する。

発光素子部（１２）のｎ　−−Ｑａ　Ａｓ層（２２）、
ｐ　−Ｇａ　Ａｓ層（２３）および四部（２７）によっ
て、中央部（１２Ａ）内における四部（２７）のある中
心部に電流通路を形成するため電流狭窄層が構成されて
いる。受光素子部（１３）のｎ　−Ｇａｏ、７△／ａ、
ＪＡｓ層（２４）は、受光時にその下方にあるｐ　−Ｇ
ａ　Ａｓ層（２３）に発生した電子が正孔と再結合する
のを阻止するように作用する。

電１本（２９）　　（３３）間には直流電源（３４）に
よってアノード電極（２９）側を正とする電圧が印加さ
れる。これにより、発光素子部（１２）が順バイアスさ
れ、その発光面から光が出力される。

電極（ボンディング・バット＞　　（３２＞　　（３３
＞間には直流電源（３５）によってアノード電極（３２
）側を負とする電圧が印加される。電源（３５）には負
荷抵抗（３６）が直列に接続されている。被測定物体（
７）からの反射光によって励起された発光体く１Ｇ）か
らの螢光が受光素子部（１３）の上面（受光面）に入射
すると、その受光量に応じた光電流１が抵抗（３Ｇ）を
流れ、電圧降下Ｖが生じる。この電圧Ｖが受光出力とし
て取り出される。

第３図は、発光素子部（１２）の発光スペクトルと受光
素子部（１３）の分光感度特性を示している。発光素子
部（１２）からは８００〜８７０（ｎｍ）の波長領域の
光が出力される。受光素子部（１３）Ｌｔ、６９０〜７
９０（ｎＩｌ）の波長領域の光に対して感度が高い特性
を有している。

第４図は、微小距離センサ（１０）から被測定物体（７
）までの距離Ｘに対する受光出力Ｖの測定データを示し
ている。このデータは、試験用の被測定物体を、微小距
離センサ（１０）の前面に接触させた状態から徐々に離
していき、受光出力Ｖをサンプリングすることによって
求められる。被測定物体が微小距離センサ（１０）の前
面に接触している場合に（Ｘ−０）、被測定物体からの
反射光によって励起された螢光体く１６）からの螢光が
、受光素子部（１３）の受光面の内周縁よりもわずか内
がわに向って進行するように、発光素子部（１２）の出
力部（１２Ａ＞と受光素子部（１３）との間隔＜Ｗ）お
よび出力部（１２Ａ＞の上面（発光面）からセンサ（１
０）の前面までの距離りが設定されている。したがって
、距離Ｘ＝０のときには受光出力ｖ＝０となる。被測定
物体を微小距離センサ（１０）の前面から徐々に遠ざけ
ていくと、それに伴って螢光の進路が外側に移行してい
くので、螢光が受光面に入射されかつその受光量が徐々
に増加していく。このため、被測定物体がセンサク１０
）から遠ざかるにつれて、受光出力Ｖが徐々に増加して
いく。そして、距離Ｘが所定の距離Ｘｃに達すると、受
光出力が最大（この最大値をＶｐで示す）となり、距離
Ｘが距離Ｘｃよりも大きくなると受光出力■は徐々に低
下していく。

これは、距離Ｘが距離ＸＣよりも大きくなるにしたがっ
て、螢光のうら、受光面の外周縁よりも外がわに向って
進行する光が多くなるからである。このセンサ（１０）
による距離Ｘの測定可能範囲はＸ−ｏからＸ−Ｘｃまで
の馳囲である。

測定範囲を大きくするためには、受光素子部（１３）の
外径を大きくすればよい。

第５図は、上記測定データから求められた、距離Ｘに対
する受光出力Ｖとその最大値Ｖｐとの比Ｍ−／Ｖｐのデ
ータであり、第６図は、このデータから求められた比Ｍ
に対する距離Ｘのデータである。

上記センサ（１０）を用いて被測定物体（７）までの距
離を測定する方法について説明する。

この測定にあたっては、上記第６図に示す比Ｍに対する
距離Ｘのデータ作成しておくとともに、測定の対象とな
る測定物体（７）がセンサ（１０）から距離ＸＣだけ離
れた位置にあるときの受光出力Ｖｐを測定しておく。電
源（３４）によって電極（２９）　　（３３）間に電圧
を印加して、発光素子部（１２）を駆初させるとともに
電源（３５）によって電極（３２）　　（３３）間に電
圧を印加する。

そして受光出力Ｖを取り出し、受光出力Ｖと上記受光出
力ｖｐとの比Ｍ１−Ｖ／Ｖｐを求める。

次に第６図に示すデータにもとづいて、Ｍｌに対する距
離×１を求める。この距離×１がセンサ（１０）から被
測定物体（７）までの距離である。

上記測定方法では、受光素子部の受光出力Ｖの大きさに
もとづいて微小距離センサから被測定物体の距離を測定
しているから、微小距離センサに接近しつつある物体や
遠ざかっていく物体に対して、微小距離センサからその
物体までの距離を、正確に測定することができる。した
がって、このような物体をモニタすることが可能となる
。

また、発光素子部と受光素子部とが半導体基板上に一体
的に形成された発光受光素子を微小距離センサとして用
いているので、微小距離センサを小形化することが可能
となる。

発光素子部の出力光の波長領域と、受光素子部が高感度
で受光しうる光の波長領域とが異なっているので、発光
素子部の出力光の一部が、受光素子部にたとえ直接に入
射しても、受光出力にその光による影響が現われないの
で測定精度を高めることができる。またこのようにして
も、被測定物体によって反射された光は、螢光体によっ
て受光素子部が高感度で受光しつる波長領域内の波長の
光に変換され、変換された光が受光素子部に入射するの
で、被測定物体によって反射された光の強度に応じた受
光出力を得ることができる。

また、受光素子部の受光出力とその最大値Ｖｐとの比Ｍ
＝Ｖ／Ｖρにもとづいて、距離測定を行なっているので
、対象となる測定物体の反射率にかかわらず、距離測定
を行なうことが可能となる。

上記実施例では、ｉｔ　Ｍ　−Ｖ　／　Ｖ　ｐを用いて
距離Ｘを求めているが、受光出力■に対する距離Ｘのデ
ータをあらかじめ求めておき、受光出力Ｖとそのデータ
とによって距離Ｘを求めてもよい。

また、発光受光素子（１４ンを複数設け、各発光受光素
子（１４）ごとに微小距離センサ（１０）から被測定物
体（７）までの距離をそれぞれ測定し、これらの測定値
全体から、微小距離センサ（１０）から被測定物体（７
）までの距離を求めるようにしてもよい。

また、上記実施例における微小距離測定センサ（１０）
では、発光素子部（１２〉が中央部に位置し、受光素子
部（１３）がその周囲に位置している発光受光素子（１
４）が用いられているが、第７図に示す微小距離測定セ
ンサ（１０）のように、受光素子部（１３）が中央部に
位置し、発光素子部（１２）がその周囲に位置している
発光受光素子（１４Ａ）を用いてもよい。第７図におい
て第１図と同じものには同じ符号を付し、その説明を省
略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は微小距離測定センサを示す概略構成図、第２図
は発光受光素子を示す一部切欠斜視図、第３図は発光素
子部の発光スペクトルおよび受光素子部の分光感度特性
をそれぞれ示すグラフ、第４図は微小距離測定センサか
ら被測定物体までの距ＭＸに対する受光出力Ｖを示すグ
ラフ、第５図は微小距離測定センサから被測定物体まで
の距離Ｘに対する受光出力■とその最大値Ｖｐとの比Ｍ
　（−Ｖ／Ｖｐ　）を示すグラフ、第６図は受光出力Ｖ
とその最大ＩＩ　Ｖ　ｐとの比Ｍ（−Ｖ／Ｖｌ））に対
する微小距離センサから被測定物体までの距離Ｘを示す
グラフ、第７図は微小距離センサの変形例を示す第１図
に相当する図、第８図は従来の微小距離センサを示す概
略構成図である。 （７）・・・被測定物体、（１０）・・・微小距離セン
サ、（１２）・・・発光素子部、（１３）・・・受光素
子部。 （Ｘ）・・・微小距離センサから被測定物体までの距離
。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物体に向って光を出射させるための発光素子部と
   被測定物体によって反射された光を受光させるための受
   光素子部とを有する発光受光素子を微小距離センサとし
   て用い、 微小距離センサから被測定物体までの距離と、受光素子
   部の受光出力またはそれに関連する値との関係を表わす
   データをあらかじめ作成しておき、 受光素子部の受光出力を検出し、上記データにもとづい
   て検出された受光出力またはそれに関連する値に対応す
   る微小距離センサから被測定物体までの距離を求める、 光学式微小距離測定方法。 （２）発光素子部の出力光の波長領域と受光素子部が高
   感度で受光しうる光の波長領域とが異なっており、受光
   素子部の前方位置に、被検出物体からの反射光によって
   励起され、受光素子部が高感度で受光しうる波長領域内
   の波長の光を発光する発光体が設けられている特許請求
   の範囲第（１）項記載の光学式微小距離測定方法。