JPWO2014054420A1 - 光センサ - Google Patents

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Abstract

基板（２）の表面（２Ａ）には、発光素子（３）と受光素子（４）を設ける。発光素子（３）と受光素子（４）は、透明樹脂体（５），（７）によってそれぞれ封止される。透明樹脂体（５）には、発光素子（３）の上部に位置してレンズ（６）を設ける。レンズ（６）の中心と発光素子（３）の実装位置とは、ずらして配置される。これによって、レンズ（６）を介して出射される光の光軸は、所定の仰角（φ）をもって受光素子（４）と反対側の方向に傾斜する。このとき、レンズ（６）から出射される光のビーム広がり角（θ）は、所定の値に設定される。

Description

本発明は、発光素子と受光素子を用いて被検出物体の存在を検知する光センサに関する。
一般に、発光素子と受光素子を用いて指や手等の被検出物体の存在を検知する光センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の光センサでは、発光素子からの出射光が被検出物体によって反射されたときに、この反射光を受光素子で受光することによって被検出物体の存在を検知する。また、光センサでは、発光素子からの出射光が、被検出物体に照射されずに受光素子に入射されると、誤検知の原因になる。
このような迷光の影響を低減するために、特許文献１に記載された光センサでは、発光素子と受光素子との上部にそれぞれレンズを設けると共に、これらのレンズを覆って光シールドを配置し、光シールドの光バリアによって発光素子と受光素子とを光学的に分離している。
特開２０１１−１８０１２１号公報
特許文献１に記載された光センサでは、発光素子と受光素子とを光学的に分離するために、光シールドや光バリアのような遮光部材が必要になり、製造コストが増加する。また、これらの部材を用いることで、光センサの小型化が妨げられるという問題がある。
本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、迷光を低減しつつ小型化が可能な光センサを提供することにある。
（１）．上記課題を解決するために、本発明は、基板と、該基板の表面に実装された発光素子と、該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、前記基板の表面に実装された受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したことを特徴としている。
本発明によれば、屈折率媒体を介して出射される光の光軸を受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したから、迷光レベルを低下させることができ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。このため、光バリア等を設ける必要がなく、光センサを小型化することができる。また、発光素子や受光素子の上部を光透過性のカバーで覆うときでも、このカバーの上，下方向の位置に対して、迷光レベルの変動を小さくすることができる。
（２）．本発明では、前記屈折率媒体はレンズであり、該レンズを介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が５０°〜８９°の範囲で設定すると共に、該レンズを介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜２０．３°の範囲に設定している。
本発明によれば、レンズを介して出射される光の光軸を受光素子と反対側の方向に仰角が５０°〜８９°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角を１．８°〜２０．３°の範囲に設定したから、迷光レベルを低下させることができる。また、発光素子から出射された光はレンズによって集光されるから、ビーム広がり角を小さくすることができ、迷光の影響をさらに低減することができる。
（３）．本発明では、前記発光素子の実装位置を前記レンズの中心に対して前記受光素子に近付く方向に前記レンズ径の２％〜６２％の範囲で位置ずれさせている。
本発明によれば、発光素子の実装位置をレンズの中心に対して受光素子に近付く方向にレンズ径の２％〜６２％の範囲で位置ずれさせたから、レンズを介して出射される光の光軸を受光素子と反対側の方向に傾けることができる。
（４）．本発明では、前記屈折率媒体は傾斜面をもったスロープ体であり、該スロープ体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜５７°の範囲で設定すると共に、該スロープ体を介して出射される光のビーム広がり角を２９°〜４２°の範囲に設定している。
本発明によれば、スロープ体を介して出射される光の光軸を受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜５７°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角を２９°〜４２°の範囲に設定したから、迷光レベルを低下させることができる。
（５）．本発明は、基板と、該基板の表面に実装された発光素子と、該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、前記基板の表面に実装された複数個の受光素子とを備え、前記複数個の受光素子は、前記発光素子を挟まない位置に配置され、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したことを特徴としている。
本発明によれば、屈折率媒体を介して出射される光の光軸を受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したから、迷光レベルを低下させることができる。また、複数個の受光素子を備えるから、被検出物体の存在だけでなく、移動方向も同時に検知することができる。
第１の実施の形態による光センサを示す断面図である。 図１中の発光素子およびレンズを拡大して示す拡大断面図である。 光センサを示す平面図である。 実測データによるカバー板とセンサの距離寸法と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 シミュレーションによるレンズ中心からの発光素子のずれ量と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 シミュレーションによるレンズ中心からの発光素子のずれ量と、レンズ表面散乱損失との関係を示す特性線図である。 発光素子のずれ量を０．２１ｍｍに設定した場合において、シミュレーションによるカバー板とセンサの距離寸法と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 発光素子のずれ量を０．４８ｍｍに設定した場合において、シミュレーションによるカバー板とセンサの距離寸法と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 シミュレーションによるカバー板とセンサの距離寸法と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 シミュレーションによる被検出物体とセンサの距離寸法と、信号レベルとの関係を示す特性線図である。 実測データによるカバー板とセンサの距離寸法と、ノイズレベルとの関係を示す特性線図である。 実測データによる被検出物体とセンサの距離寸法と、信号レベルとの関係を示す特性線図である。 第２の実施の形態による光センサを示す断面図である。 シミュレーションによるカバー板とセンサの距離寸法と、カバー板からの迷光レベルとの関係を示す特性線図である。 シミュレーションによる被検出物体とセンサの距離寸法と、信号レベルとの関係を示す特性線図である。 実測データによるカバー板とセンサの距離寸法と、ノイズレベルとの関係を示す特性線図である。 実測データによる被検出物体とセンサの距離寸法と、信号レベルとの関係を示す特性線図である。 第３の実施の形態による光センサを示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態による光センサについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１ないし図３に、第１の実施の形態による光センサ１を示す。光センサ１は、基板２、発光素子３、受光素子４、レンズ６等を備える。
基板２は、絶縁材料を用いて形成された平板である。基板２としては、例えばプリント配線基板が用いられる。基板２の表面２Ａには、発光素子３と受光素子４が実装される。
発光素子３は、基板２の表面２Ａに実装され、例えば赤外線や可視光線の光を出射する。発光素子３の光軸は通常、例えば基板２の表面２Ａに対して垂直方向（Ｚ軸方向）である。発光素子３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が用いられる。検知分解能を上げ、Ｓ／Ｎを向上させるためには、素子として元々出射角（ビーム広がり角）の小さいＶＣＳＥＬを発光素子３として用いるのが好ましい。
受光素子４は、基板２の表面２Ａに実装され、赤外線や可視光線の光を受光する。受光素子４としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）、フォトトランジスタ等が用いられる。受光素子４は、例えば発光素子３から図１中の左，右方向に離間して発光素子３の近傍に配置される。
基板２の表面２Ａには、発光素子３を覆って透明樹脂体５が形成される。透明樹脂体５は、発光素子３を封止する。透明樹脂体５には、発光素子３の上部に位置にして屈折率媒体としての発光素子用のレンズ６が形成される。レンズ６は、例えば上方に突出した略半球形状に形成される。
レンズ６の中心と発光素子３の実装位置は、ずらして配置される。具体的には、レンズ６の中心は、発光素子３の実装位置よりもずれ量Ｘだけ受光素子４から離れた位置に配置される。これによって、レンズ６は、発光素子３からの光を屈折させて、発光素子３からの光束の光軸を基板２と直交した垂直方向から傾斜させる。このとき、レンズ６を介して出射される光の光軸は、仰角φをもって受光素子４と反対側の方向に傾斜する。
なお、レンズ６は、発光素子３を封止する透明樹脂体５に一体的に形成したが、透明樹脂体５とは別個に設けてもよい。また、透明樹脂体５を省く構成としてもよい。この場合、レンズ６は、例えば基板２に設けた別個の支持部材によって支持する構成としてもよい。
基板２の表面２Ａには、受光素子４を覆って透明樹脂体７が形成される。透明樹脂体７は、受光素子４を封止する。透明樹脂体７には、受光素子４の上部に位置にして受光素子用のレンズを形成し、外部から入射される光を受光素子４に集光させてもよい。
また、発光素子３と受光素子４は別個の透明樹脂体５，７によって封止した場合を例示したが、これらの透明樹脂体５，７を一体化して、発光素子３と受光素子４を一緒に封止してもよい。
上述のように構成される光センサ１は、例えばセンサケーシングＳＣに収容されると共に、その上部が透明なガラス、樹脂材料等からなるカバー板ＣＰによって覆われた状態で使用される。この場合、発光素子３から出射された光（出射光）は、カバー板ＣＰを透過して例えば手、指等の被検出物体Ｏbjに照射される。また、被検出物体Ｏbjによって反射されてなる光（反射光）は、カバー板ＣＰを透過して受光素子４によって受光される。これにより、光センサ１は、被検出物体Ｏbjが光センサ１の上部に位置するか否か、即ち被検出物体Ｏbjの存在を検知することができる。
ここで、発光素子３からの出射光の一部は、カバー板ＣＰのような反射体によって反射や散乱され、受光素子４に戻ってくることがある。また、発光素子３から出た光が透明樹脂体５，７の内部を直接伝播し、受光素子４に入ってくる直達波が発生することもある。これら受光素子４に入ってくるカバー板ＣＰからの反射光や散乱光および透明樹脂体５，７等を伝播する光を総称して迷光と呼ぶ。
図４に示すように、本発明者等は実験により、発光素子３をレンズ６の中心に対してずれ量Ｘが０（Ｘ＝０）の位置に配置したときには、カバー板ＣＰの高さ位置に応じて迷光ＳＬの光強度レベル（以下、迷光レベルという）が上昇することを確認している。即ち、発光素子３の実装位置をレンズ６の中心の真下に配置し、発光素子３から出た光を垂直方向に出射する場合、少なくともカバー板ＣＰが反射する光量、つまり迷光は多くなり、光センサ１の検知特性が劣化する。
一方、ずれ量Ｘが０よりも大きくなる（Ｘ＞０）ように、レンズ６の中心よりも発光素子３を受光素子４側にずらすと迷光レベルはカバー板ＣＰの高さ位置が変化しても一定あるいは低減する。即ち、発光素子３から出た光を受光素子４と反対方向に傾けるか、あるいはレンズ６から出た光を受光素子４と反対方向に傾けることによって、迷光は低減する。
このことは発光素子３の実装位置をレンズ６の中心に対して受光素子４側にずらすことで、レンズ６から出射される光の光軸が受光素子４と反対側に傾けられるため、その分、カバー板ＣＰからの反射した光が受光素子４に戻ってくる光量、つまり迷光レベルが低減できるためだと考えられる。ここで、上述の実験に用いた発光素子３は、８５０ｎｍ帯の赤外線を出力する面発光レーザである。発光素子３が出力する光の波長は、８５０ｎｍ帯に限らず、設計仕様等に応じて適宜変更することができる。
そこで、図４の実測データを検証するために、光学シミュレータを用いてずれ量Ｘとカバー板ＣＰからの迷光比を計算した。図５にその結果を示す。なお、シミュレーションおよび実測で用いたレンズ６は、断りのない限り球面レンズである。カバー板ＣＰからの迷光比は、ずれ量Ｘが０のときの迷光レベルを基準として、これに対する比率を求めたものである。
このシミュレーションでは、レンズ径Ｒをパラメータとして計算している。なお、レンズ径Ｒは、透明樹脂体５からのレンズ６の突出寸法を例えば０．１５ｍｍのような一定値にしたときに、レンズ６の半径寸法を示している。即ち、レンズ径Ｒが大きい方が、曲率半径も大きな球面レンズになる。
図５に示すように、発光素子３をレンズ６の中心に対して受光素子４側に大きくずらす、即ち、ずれ量Ｘを増やしていくことで、カバー板ＣＰからの迷光比を低減できることが分かる。図５の結果から、レンズ径Ｒを小さくするほど迷光レベルの低減効果は大きくなっているが、発光素子３のずれ量Ｘに対する迷光比の傾きが大きくなる。このため、発光素子３やレンズ６の実装位置のばらつきによる感度が高くなる。よって、物作りの観点では、迷光レベルが許容できる範囲内で実装トレランスが緩和でき、作り易いレンズ径Ｒを選択することが重要である。
図６には、発光素子３のずれ量Ｘに対するレンズ表面散乱損失との関係を、レンズ径Ｒをパラメータとして示す。図６からも分かるように、レンズ径Ｒを小さくするとレンズ表面散乱損失が大きくなり、ある実装位置から光がレンズ６から出ていかなくなる。例えば、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍの場合、発光素子３のずれ量Ｘが１００μｍ以上でレンズ表面散乱損失が急増しており、見掛け上迷光レベルは低減するが、信号が取れない、つまり、Ｓ／Ｎが得られなくなる。
また、レンズ径Ｒとビーム広がり角θとの関係について、光学シミュレータを用いて計算した。表１にその結果を示す。なお、ビーム広がり角θは、レンズ６から出射される光の半値全幅に相当するものである。また、表１に示すビーム広がり角θは、発光素子３のレンズ６の中心に対するずれ量Ｘを０と仮定したときの値である。表１に示すように、レンズ径Ｒが大きくなるに従って、ビーム広がり角θも大きくなる。
Figure 2014054420
Figure 2014054420
ここで、発光素子３をレンズ６の中心からずらしていくと、ビーム広がり角θは狭くなる傾向があるが、レンズ径Ｒによるビーム広がり角θの大小関係は、ずれ量Ｘが０の場合と変わらない。表２に示すように、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍ〜０．４８ｍｍの中で、最もビーム広がり角θが小さいときは、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍで発光素子３のずれ量Ｘが１３０μｍのときである。このときのビーム広がり角θは１．８°となる。一方、最もビーム広がり角θが大きいときは、レンズ径Ｒが０．４８ｍｍで発光素子３のずれ量Ｘが２０μｍのときである。このときのビーム広がり角θは２０．３°となる。よって、迷光レベルをカバー板ＣＰの高さ位置に対して一定以下にするためには、屈折率媒体となるレンズ６から出た光のビーム広がり角θは、少なくとも１．８°〜２０．３°の範囲にする必要がある。
また、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍと０．４８ｍｍの場合について、発光素子３自体のビーム広がり角θ0をパラメータとして、カバー板ＣＰの高さ位置（距離寸法Ｈ）と迷光レベルとの関係について、光学シミュレータを用いて計算した。図７および図８にその結果を示す。なお、カバー板ＣＰの高さ位置としてのカバー板ＣＰと光センサ１との間の距離寸法Ｈは、具体的にはカバー板ＣＰとレンズ６との間の高さ方向の距離寸法を示している。また、発光素子３の位置は、レンズ６の中心に対して受光素子４側に５０μｍずれた位置（Ｘ＝５０μｍ）とした。計算結果より迷光レベルをある許容値ＰＶ以下で規定すると、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍの場合は、ビーム広がり角θ0は３０°以下、レンズ径Ｒが０．４８ｍｍの場合は、ビーム広がり角θ0は２０°以下にする必要がある。このとき、許容値ＰＶとしては、例えば距離寸法Ｈが０μｍのときの迷光レベルに対して２〜６倍程度の値、好ましくは３〜５倍程度の値が考えられる。また、前提として発光素子３の遠視野特性（ＦＦＰ：Far Field Pattern）はガウシアンパターンとした。
この結果から迷光レベルをカバー板ＣＰの高さ位置に対してある一定レベル以下に抑えるためには、レンズ径Ｒによってビーム広がり角θ0をある一定値以下にする必要があることが分かる。
表１では発光素子３に面発光レーザのＦＦＰの実測データを入れており、そのビームの半値全幅（広がり角θ0）は約２０°とした。よって、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍ〜０．４８ｍｍの範囲内で、迷光レベルを規定値以下にできることが、この計算結果からも示唆される。定性的にはレンズ径Ｒが大きくなるとレンズ６から出射される光の広がり角θは広がるため、迷光レベルをある一定値以下に抑えるには、元の発光素子３自体のビーム広がり角θ0をある程度狭くすることが必要であると考えられる。
また、発光素子３のずれ量Ｘに対するビーム光軸の仰角φについて、光学シミュレータを用いて計算した。表３にその結果を示す。レンズ６によってレンズ６の中心から発光素子３をずらすことが可能な距離が制限される。表３の中で数値が記入されていないところは、レンズ表面散乱損失が大きくなり、光がレンズ６から出ていく量が極端に低下する領域である。逆に、レンズ表面散乱損失が小さく、レンズ６から十分な量の光が出力される領域は、例えばレンズ径Ｒが０．２１ｍｍのときは２０μｍ〜１３０μｍ（レンズ径Ｒの９．５％〜６２％）、レンズ径Ｒが０．４８ｍｍのときは２０μｍ〜２９０μｍ（レンズ径Ｒの４．２％〜６０．４％）である。
なお、ずれ量Ｘの下限値は、例えば発光素子３の組み付け誤差等や、この誤差に伴う仰角φや広がり角θの感度によって決まる。このため、ずれ量Ｘの下限値は、例えば１０μｍ〜３０μｍ程度の値になる。一方、表３に示すように、ずれ量Ｘの上限値は、レンズ６から十分な量の光が出力される範囲で決まり、例えばレンズ径Ｒの６０％〜６２％程度の値である。
Figure 2014054420
レンズ径Ｒを大きくした方が発光素子３の実装位置トレランスが緩和できるが、図５に示したように迷光レベルは大きくなる。光センサ１に求められる特性に応じてレンズ径Ｒを選択する必要がある。表３に示した通り、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍ〜０．４８ｍｍの範囲でレンズ６から出射される光の光軸は仰角φで５１°〜８９°である。
レンズ径Ｒをパラメータとして迷光レベルおよび信号レベルのシミュレーションを行った。その結果を図９および図１０に示す。図９はカバー板ＣＰとの距離寸法Ｈに対する迷光レベル、図１０は被検出物体Ｏbjとの距離寸法Ｈ0に対する信号レベルの関係を示す。いずれも発光素子３のレンズ６の中心に対するずれ量Ｘは、受光素子４側に１００μｍである。図９に示すように、レンズ径Ｒが小さいほど迷光レベルは小さくなるが、図１０に示すように、信号レベルは低下する。このことはレンズ径Ｒが小さいほどレンズ６から出射されるビームの広がり角θが狭くなり、光軸の仰角φが小さくなる、つまり傾きが大きくなるためと考えられる。
定性的には、レンズ６からの出射された光は受光素子４から遠ざかり、かつビーム広がり角θが小さくなると、それだけカバー板ＣＰから反射して戻ってくる光（迷光）は小さくなる。逆に信号レベルはビームが絞られるため、レンズ６から出射された光が受光素子４から遠ざかったとはいえ、戻ってくる光（信号）は増えるということである。
最終的に光センサ１の特性はＳ／Ｎでその検知性能が依存するため、レンズ径Ｒ、発光素子３の実装位置によって最適な構造を決定する必要がある。
図１１にはノイズレベルの実測データを示す。実測でもカバー板ＣＰ（ガラス板）の位置に対してノイズレベルはほぼ一定となっている。カバー板ＣＰの高さ方向の距離寸法Ｈ（高さ位置）が０〜３ｍｍの範囲ではノイズレベルの大小関係が合っていないところもあるが、カバー板ＣＰの距離寸法Ｈが３．５〜５ｍｍの範囲では、シミュレーション結果と同様レンズ径Ｒが小さいほどノイズレベルが小さくなっている。ここで実測データの方でノイズレベルと呼んでいるのは、迷光以外のノイズ（例えば、受光素子４自体に依存するノイズ等）も含まれていると考えられるからである。ただノイズの迷光に占める割合は高いと思われる。
図１２には信号レベルの実測データを示す。被検出物体Ｏbjの高さ方向の距離寸法Ｈ0（高さ位置）が０〜６ｍｍの範囲では被検出物体Ｏbjから反射し、受光素子４に入力される信号強度が強いため飽和しているが、被検出物体Ｏbjの距離寸法Ｈ0が６ｍｍ以上の範囲では、図１０に示すシミュレーション結果と同様な傾向である。信号レベルの大小関係については、レンズ径Ｒが０．４８ｍｍのときを除くと、その傾向はシミュレーション結果とほぼ一致している。
以上のように、屈折率媒体にレンズ６を用いた場合、レンズ６から出た光の光軸を受光素子４と反対側に傾けることで、カバー板ＣＰからの迷光をカバー板ＣＰの位置に因らずほぼ一定にすることが可能であることを実験およびシミュレーションで確認した。例えばレンズ径Ｒが０．２１ｍｍ〜０．４８ｍｍの範囲の場合、レンズ６を介して出射される光の光軸を受光素子４と反対側の方向に仰角φが５０°〜８９°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角θを１．８°〜２０．３°の範囲に設定すると、信号レベルを確保しつつ、迷光レベルを低減可能である。
なお、第１の実施の形態では、レンズ６は球面レンズである場合を例に挙げて説明したが、例えば非球面レンズでもよく、前，後方向と左，右方向で異なる曲率をもった非対称なレンズでもよい。
次に、図１３を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、屈折率媒体としてスロープ体を用いている。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第２の実施の形態による光センサ２１は、第１の実施の形態による光センサ１とほぼ同様に構成される。このため、基板２には、発光素子３と受光素子４が設けられると共に、発光素子３と受光素子４は、透明樹脂体５，７によって封止される。但し、透明樹脂体５には、発光素子３の上部に位置して傾斜面２２Ａをもった傾斜体としてのスロープ体２２が形成されている。このスロープ体２２は、受光素子４に近付くに従って高さ寸法（厚さ寸法）が小さくなり、受光素子４側が低くなるように傾斜している。このため、傾斜面２２Ａは、基板２の表面２Ａ（水平面）に対して傾斜し、受光素子４に近付くに従って高さ位置が低くなっている。即ち、傾斜面２２Ａは、基板２の表面２Ａに対して傾斜角αをもって傾斜している。
これにより、発光素子３から出た光は、スロープ体２２を介して受光素子４とは反対方向に出射される。第１の実施の形態と同様に、屈折率媒体としてのスロープ体２２から出た光が受光素子４とは反対方向に傾けられるため、迷光レベルが低減される。
このような効果を確認するために、スロープ体２２の傾斜角αを変化させたときの迷光レベルおよび信号レベルのシミュレーションを行った。その結果を図１４および図１５に示す。比較のために、図１４および図１５には、図９および図１０で示したレンズ径Ｒが０．２１ｍｍと０．４８ｍｍとした場合の第１の実施の形態の結果も併記している。
図１４に示すように、ある迷光レベル以下にするには傾斜角αを２７°以上にする必要がある。一方、図１５に示すように、信号レベルについては、傾斜角αに拘らず、レンズ径Ｒが０．２１ｍｍのときとほぼ同等レベルとなっている。表４には、傾斜角αと、スロープ体２２から出た光のビーム広がり角θと、光軸の仰角φとの関係を示す。スロープ体２２の場合、レンズ効果による集光機能はないため、発光素子３自体のビーム広がり角θ0（半値全幅で１４°）よりも屈折率の影響で広がっている。傾斜角αが２０°〜３０°の範囲でビームの半値全幅としての広がり角θは２９°〜４２°であり、光軸の仰角φは４７°〜５７°である。
Figure 2014054420
図１６には、スロープ体２２と用いたときのノイズ実測データを示す。比較のために、図１６には、レンズ径Ｒが０．２７ｍｍで、発光素子３のずれ量Ｘが５０μｍと１００μｍのデータも掲載している。第２の実施の形態のようにスロープ体２２を用いた方が、第１の実施の形態のようにレンズ６を用いたときよりも、ノイズレベルが小さくなった。このとき、スロープ体２２の傾斜角αは２０°である。なお、図１６には、測定サンプルＡ，Ｂとして第２の実施の形態による２本の特性線が記載されているが、これらは測定サンプルが異なることを示している。
図１４のシミュレーション結果では、スロープ体２２よりもレンズ径Ｒが０．２１ｍｍと０．４８ｍｍのレンズ６を用いた方が、迷光レベルは小さくなっている。また、スロープ体２２の傾斜角αが２５°以下では迷光レベルが大きくなっている。図１６に示す実測の結果では、これらの関係は逆になっており、シミュレーションと実測では傾向が異なっている。
図１７には、信号レベルの実測データを示す。図１６のときと同様に、比較のために、図１７には、レンズ径Ｒが０．２７ｍｍで、発光素子３のずれ量Ｘが５０μｍと１００μｍのデータも掲載している。図１７に示したように、信号レベルについては、スロープ体２２の方がレンズ６よりも小さくなっている。この傾向は、図１５で示したシミュレーション結果とほぼ一致している。
ノイズ（迷光）にせよ信号レベルにせよシミュレーションと実測との間で傾向が一致しないケースが出ている。この原因としては実際のもので影響していると考えられるパラメータ（例えば内部散乱や表面散乱等）が考慮できていないためだと考えられる。
シミュレーションと実測との間で傾向が一致しないケースも見られるが、屈折率媒体にスロープ体２２を用いてもノイズ（迷光）は抑えられ、カバー板ＣＰ（ガラス板）の位置によって一定以下になることが確認できた。例えば傾斜角αが２０°〜３０°の範囲の場合、スロープ体２２を介して出射される光の光軸を受光素子４と反対側の方向に仰角φが４７°〜５７°の範囲で設定すると共に、ビーム広がり角θを２９°〜４２°の範囲に設定すると、信号レベルを確保しつつ、迷光レベルを低減可能である。
なお、スロープ体２２は、発光素子３を封止する透明樹脂体５に一体的に形成したが、透明樹脂体５とは別個に設けてもよい。また、透明樹脂体５を省く構成としてもよい。また、傾斜面２２Ａは、平坦面に限らず、湾曲面でもよい。
次に、図１８を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、基板には１個の発光素子に対して２個の受光素子を設けている。なお、第３の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第３の実施の形態による光センサ３１では、基板２には２個の受光素子３２，３３が実装されると共に、これら２個の受光素子３２，３３は、例えば透明樹脂体３４によって封止される。透明樹脂体３４には、受光素子３２，３３に集光するためのレンズをそれぞれ設けてもよい。
２個の受光素子３２，３３は、発光素子３を挟まない位置に配置される。例えば、発光素子３は図１８中の右側に配置され、受光素子３２，３３はいずれも図１８中の左側に配置される。
一方、受光素子３２と受光素子３３は、図１８中の上，下方向で異なる位置に配置される。このため、図１８中で上，下方向に移動する被検出物体Ｏbjが光センサ３１の上部を通過すると、発光素子３から出た光が被検出物体Ｏbjに当り、反射した光が先に受光素子３２で受光され、次に受光素子３３で受光される。この時間差を信号処理することで、被検出物体Ｏbjの移動方向が検知できる。
また、発光素子３とレンズ６は図１８中の左，右方向にずれた位置に配置される。このため、発光素子３から出た光は、レンズ６を介して受光素子３２，３３と反対方向に傾いた状態で出射される。この結果、発光素子３からの迷光が低減され、高いＳ／Ｎが得られる。
以上のように、被検出物体Ｏbjの近接検知および移動検知の両方の機能を備えた光センサ３１が、高いＳ／Ｎをもって構成することができる。
なお、第３の実施の形態は、第１の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、第２の実施の形態にも適用することができる。また、第３の実施の形態では、２個の受光素子３２，３３を備える場合を例に挙げて説明したが、３個以上の受光素子を備える構成としてもよい。また、発光素子３は１個に限らず、２個以上の発光素子を備えてもよい。
前記各実施の形態では、屈折率媒体としてのレンズ６やスロープ体２２によって発光素子３からの光を受光素子４，３２，３３と反対側の方向に傾斜させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば発光素子を傾斜した状態で基板に取付けることによって、発光素子からの光を直接的に受光素子と反対側の方向に傾斜させる構成としてもよい。この場合、屈折率媒体は、発光素子からの光の光軸を屈折させる必要はなく、発光素子の上部を覆うだけでよい。
前記各実施の形態では、発光素子３と受光素子４，３２，３３は透明樹脂体５と透明樹脂体７，３４で別個に封止したが、発光素子と受光素子を一緒の透明樹脂体によって封止してもよい。
１，２１，３１ 光センサ
２ 基板
２Ａ 表面
３ 発光素子
４，３２，３３ 受光素子
６ レンズ（屈折率媒体）
２２ スロープ体（屈折率媒体）
（１）．上記課題を解決するために、本発明は、基板と、該基板の表面に実装された発光素子と、該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、前記基板の表面に実装された受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、前記発光素子は、その光軸が前記基板と直交した垂直方向となり、前記屈折率媒体は、前記発光素子からの光束の光軸を前記基板と直交した垂直方向から傾斜させる構成とし、前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸は、前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定され、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角は、１．８°〜４２°の範囲に設定されたことを特徴としている。
（２）．本発明では、前記屈折率媒体はレンズであり、該レンズを介して出射される光の光軸は、前記受光素子と反対側の方向に仰角が５０°〜８９°の範囲で設定され、該レンズを介して出射される光のビーム広がり角は、１．８°〜２０．３°の範囲に設定されている。
（３）．本発明では、前記発光素子の実装位置は、前記レンズの中心に対して前記受光素子に近付く方向に前記レンズ径の２％〜６２％の範囲で位置ずれしている。
（４）．本発明では、前記屈折率媒体は傾斜面をもったスロープ体であり、該スロープ体を介して出射される光の光軸は、前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜５７°の範囲で設定され、該スロープ体を介して出射される光のビーム広がり角は、２９°〜４２°の範囲に設定されている。
（５）．本発明は、基板と、該基板の表面に実装された発光素子と、該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、前記基板の表面に実装された複数個の受光素子とを備え、前記複数個の受光素子は、前記発光素子を挟まない位置に配置され、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、前記発光素子は、その光軸が前記基板と直交した垂直方向となり、前記屈折率媒体は、前記発光素子からの光束の光軸を前記基板と直交した垂直方向から傾斜させる構成とし、前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸は、前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定され、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角は、１．８°〜４２°の範囲に設定されたことを特徴としている。

Claims (5)

  1. 基板と、
    該基板の表面に実装された発光素子と、
    該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、
    前記基板の表面に実装された受光素子とを備え、
    前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、
    前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したことを特徴とする光センサ。
  2. 前記屈折率媒体はレンズであり、
    該レンズを介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が５０°〜８９°の範囲で設定すると共に、該レンズを介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜２０．３°の範囲に設定した請求項１に記載の光センサ。
  3. 前記発光素子の実装位置を前記レンズの中心に対して前記受光素子に近付く方向に前記レンズ径の２％〜６２％の範囲で位置ずれさせた請求項２に記載の光センサ。
  4. 前記屈折率媒体は傾斜面をもったスロープ体であり、
    該スロープ体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜５７°の範囲で設定すると共に、該スロープ体を介して出射される光のビーム広がり角を２９°〜４２°の範囲に設定した請求項１に記載の光センサ。
  5. 基板と、
    該基板の表面に実装された発光素子と、
    該発光素子の上部に設けられた屈折率媒体と、
    前記基板の表面に実装された複数個の受光素子とを備え、
    前記複数個の受光素子は、前記発光素子を挟まない位置に配置され、
    前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射されてなる光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在を検知する光センサであって、
    前記屈折率媒体を介して出射される光の光軸を前記受光素子と反対側の方向に仰角が４７°〜８９°の範囲で設定すると共に、前記屈折率媒体を介して出射される光のビーム広がり角を１．８°〜４２°の範囲に設定したことを特徴とする光センサ。
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