WO2014054420A1 - 光センサ - Google Patents

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WO2014054420A1
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lens
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light emitting
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要 花田
知久　真一郎
力 山崎
富哉 園田
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor that detects the presence of an object to be detected using a light emitting element and a light receiving element.
  • an optical sensor that detects the presence of a detected object such as a finger or a hand using a light emitting element and a light receiving element is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a detected object such as a finger or a hand using a light emitting element and a light receiving element
  • Patent Document 1 an optical sensor that detects the presence of a detected object such as a finger or a hand using a light emitting element and a light receiving element.
  • the optical sensor when the light emitted from the light emitting element is reflected by the object to be detected, the presence of the object to be detected is detected by receiving the reflected light by the light receiving element. Further, in the optical sensor, if the light emitted from the light emitting element is incident on the light receiving element without irradiating the object to be detected, it may cause erroneous detection.
  • a lens is provided on each of the light emitting element and the light receiving element, and a light shield is disposed so as to cover these lenses.
  • the light emitting element and the light receiving element are optically separated by the light barrier of the light shield.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical sensor that can be reduced in size while reducing stray light.
  • the present invention provides a substrate, a light emitting element mounted on the surface of the substrate, a refractive index medium provided on the light emitting element, and a light receiving element mounted on the surface of the substrate.
  • An optical sensor that detects the presence of the detected object by receiving light reflected from the detected object by the light receiving element.
  • the optical axis of the light emitted through the refractive index medium is set in the direction opposite to the light receiving element in an elevation angle range of 47 ° to 89 °, and the beam spread of the light emitted through the refractive index medium is set.
  • the angle is set in a range of 1.8 ° to 42 °.
  • the optical axis of the light emitted through the refractive index medium is set in the direction opposite to the light receiving element in the elevation angle range of 47 ° to 89 °, and the beam divergence angle is set to 1.8 °. Since it is set in the range of ⁇ 42 °, the stray light level can be lowered and the S / N can be improved. For this reason, it is not necessary to provide an optical barrier or the like, and the optical sensor can be miniaturized. Further, even when the upper part of the light emitting element or the light receiving element is covered with a light transmissive cover, the fluctuation of the stray light level can be reduced with respect to the position above and below the cover.
  • the refractive index medium is a lens, and an optical axis of light emitted through the lens is set in a direction opposite to the light receiving element in an elevation angle range of 50 ° to 89 °.
  • the beam divergence angle of light emitted through the lens is set in the range of 1.8 ° to 20.3 °.
  • the optical axis of the light emitted through the lens is set in the direction opposite to the light receiving element in the elevation angle range of 50 ° to 89 °, and the beam divergence angle is set to 1.8 ° to 20 °. Since it is set in the range of 3 °, the stray light level can be lowered. Further, since the light emitted from the light emitting element is collected by the lens, the beam divergence angle can be reduced, and the influence of stray light can be further reduced.
  • the mounting position of the light emitting element is shifted in the range of 2% to 62% of the lens diameter in the direction approaching the light receiving element with respect to the center of the lens.
  • the mounting position of the light emitting element is displaced in the range of 2% to 62% of the lens diameter in the direction approaching the light receiving element with respect to the center of the lens, the light of the light emitted through the lens
  • the axis can be tilted in the direction opposite to the light receiving element.
  • the refractive index medium is a slope body having an inclined surface
  • the elevation angle of the optical axis of light emitted through the slope body is 47 ° to 57 ° in the direction opposite to the light receiving element.
  • the beam divergence angle of the light emitted through the slope body is set to a range of 29 ° to 42 °.
  • the optical axis of the light emitted through the slope body is set in the direction opposite to the light receiving element in an elevation angle range of 47 ° to 57 °, and the beam divergence angle is 29 ° to 42 °. Therefore, the stray light level can be lowered.
  • the present invention comprises a substrate, a light emitting element mounted on the surface of the substrate, a refractive index medium provided on the top of the light emitting element, and a plurality of light receiving elements mounted on the surface of the substrate, The plurality of light receiving elements are arranged at positions where the light emitting element is not sandwiched, and the light emitted from the light emitting element is reflected by the object to be detected, and the light receiving element receives the light.
  • An optical sensor for detecting the presence of an object wherein an optical axis of light emitted through the refractive index medium is set in a direction opposite to the light receiving element in an elevation angle range of 47 ° to 89 °; A beam divergence angle of light emitted through the refractive index medium is set in a range of 1.8 ° to 42 °.
  • the optical axis of the light emitted through the refractive index medium is set in the direction opposite to the light receiving element in the elevation angle range of 47 ° to 89 °, and the beam divergence angle is set to 1.8 °. Since it is set in the range of ⁇ 42 °, the stray light level can be lowered. In addition, since a plurality of light receiving elements are provided, not only the presence of the detected object but also the moving direction can be detected simultaneously.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the optical sensor by 1st Embodiment. It is an expanded sectional view which expands and shows the light emitting element and lens in FIG. It is a top view which shows an optical sensor. It is a characteristic diagram which shows the relationship between the distance dimension of the cover board and sensor by actual measurement data, and the stray light level from a cover board. It is a characteristic line figure which shows the relationship between the deviation
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a distance dimension between a cover plate and a sensor by simulation and a stray light level from the cover plate when a deviation amount of the light emitting element is set to 0.21 mm.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a distance dimension between a cover plate and a sensor by simulation and a stray light level from the cover plate when the deviation amount of the light emitting element is set to 0.48 mm.
  • It is a characteristic diagram which shows the relationship between the distance dimension of the cover board and sensor by simulation, and the stray light level from a cover board.
  • It is a characteristic diagram which shows the relationship between the distance dimension of the to-be-detected object and sensor by a simulation, and a signal level.
  • the optical sensor 1 includes a substrate 2, a light emitting element 3, a light receiving element 4, a lens 6, and the like.
  • the substrate 2 is a flat plate formed using an insulating material.
  • a printed wiring board is used as the substrate 2.
  • a light emitting element 3 and a light receiving element 4 are mounted on the surface 2A of the substrate 2.
  • the light emitting element 3 is mounted on the surface 2A of the substrate 2 and emits, for example, infrared light or visible light.
  • the optical axis of the light emitting element 3 is usually perpendicular to the surface 2A of the substrate 2, for example (Z-axis direction).
  • a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), or a surface emitting laser (VCSEL) is used as the light emitting element 3.
  • a VCSEL originally having a small emission angle (beam divergence angle) as the light emitting element 3 as an element.
  • the light receiving element 4 is mounted on the surface 2A of the substrate 2 and receives infrared or visible light.
  • a photodiode (PD), a phototransistor or the like is used as the light receiving element 4, for example, a photodiode (PD), a phototransistor or the like is used.
  • the light receiving element 4 is arranged in the vicinity of the light emitting element 3, for example, spaced apart from the light emitting element 3 in the left and right directions in FIG. 1.
  • a transparent resin body 5 is formed on the surface 2A of the substrate 2 so as to cover the light emitting element 3.
  • the transparent resin body 5 seals the light emitting element 3.
  • the transparent resin body 5 is formed with a lens 6 for a light-emitting element as a refractive index medium, positioned above the light-emitting element 3.
  • the lens 6 is formed in, for example, a substantially hemispherical shape protruding upward.
  • the center of the lens 6 and the mounting position of the light emitting element 3 are shifted from each other.
  • the center of the lens 6 is arranged at a position away from the light receiving element 4 by a deviation amount X from the mounting position of the light emitting element 3. Accordingly, the lens 6 refracts the light from the light emitting element 3 and tilts the optical axis of the light beam from the light emitting element 3 from the vertical direction orthogonal to the substrate 2.
  • the optical axis of the light emitted through the lens 6 is inclined in the direction opposite to the light receiving element 4 with an elevation angle ⁇ .
  • the lens 6 is integrally formed with the transparent resin body 5 that seals the light emitting element 3, but may be provided separately from the transparent resin body 5. Further, the transparent resin body 5 may be omitted. In this case, the lens 6 may be supported by a separate support member provided on the substrate 2, for example.
  • a transparent resin body 7 is formed on the surface 2A of the substrate 2 so as to cover the light receiving element 4.
  • the transparent resin body 7 seals the light receiving element 4.
  • a lens for a light receiving element may be formed at a position above the light receiving element 4, and light incident from the outside may be condensed on the light receiving element 4.
  • the optical sensor 1 configured as described above is housed in, for example, the sensor casing SC and used in a state where the upper portion is covered with a cover plate CP made of transparent glass, resin material, or the like.
  • the light (emitted light) emitted from the light emitting element 3 passes through the cover plate CP and is irradiated to the detected object Obj such as a hand or a finger.
  • the light (reflected light) reflected by the detected object Obj passes through the cover plate CP and is received by the light receiving element 4.
  • the optical sensor 1 can detect whether or not the detected object Obj is positioned above the optical sensor 1, that is, the presence of the detected object Obj.
  • a part of the light emitted from the light emitting element 3 may be reflected or scattered by a reflector such as the cover plate CP and return to the light receiving element 4.
  • a reflector such as the cover plate CP
  • light emitted from the light emitting element 3 may directly propagate through the transparent resin bodies 5 and 7, and a direct wave entering the light receiving element 4 may be generated. Reflected light and scattered light from the cover plate CP entering the light receiving element 4 and light propagating through the transparent resin bodies 5 and 7 are collectively referred to as stray light.
  • the stray light level changes in the height position of the cover plate CP. Is also constant or reduced. That is, stray light is reduced by tilting the light emitted from the light emitting element 3 in the opposite direction to the light receiving element 4 or tilting the light emitted from the lens 6 in the opposite direction to the light receiving element 4.
  • the optical axis of the light emitted from the lens 6 is tilted to the side opposite to the light receiving element 4 by shifting the mounting position of the light emitting element 3 toward the light receiving element 4 with respect to the center of the lens 6. It is considered that the amount of light reflected from the cover plate CP returns to the light receiving element 4, that is, the stray light level can be reduced.
  • the light-emitting element 3 used in the above-described experiment is a surface-emitting laser that outputs infrared rays in the 850 nm band.
  • the wavelength of the light output from the light emitting element 3 is not limited to the 850 nm band, and can be changed as appropriate according to design specifications and the like.
  • the deviation amount X and the stray light ratio from the cover plate CP were calculated using an optical simulator.
  • FIG. 5 shows the result. Note that the lens 6 used in the simulation and actual measurement is a spherical lens unless otherwise specified.
  • the stray light ratio from the cover plate CP is obtained by using the stray light level when the shift amount X is zero as a reference.
  • the lens diameter R is calculated as a parameter.
  • the lens diameter R indicates the radial dimension of the lens 6 when the protruding dimension of the lens 6 from the transparent resin body 5 is set to a constant value such as 0.15 mm. That is, a larger lens diameter R results in a spherical lens having a larger curvature radius.
  • the stray light ratio from the cover plate CP can be reduced by largely shifting the light emitting element 3 toward the light receiving element 4 with respect to the center of the lens 6, that is, increasing the deviation amount X. .
  • the effect of reducing the stray light level increases as the lens diameter R decreases, but the gradient of the stray light ratio with respect to the shift amount X of the light emitting element 3 increases. For this reason, the sensitivity by the dispersion
  • FIG. 6 shows the relationship between the lens surface scattering loss with respect to the shift amount X of the light emitting element 3, using the lens diameter R as a parameter.
  • the lens diameter R when the lens diameter R is reduced, the lens surface scattering loss increases, and light does not come out of the lens 6 from a certain mounting position.
  • the lens diameter R is 0.21 mm, the lens surface scattering loss increases rapidly when the deviation amount X of the light emitting element 3 is 100 ⁇ m or more, the apparent stray light level is reduced, but no signal is obtained, that is, S / N cannot be obtained.
  • the relationship between the lens diameter R and the beam divergence angle ⁇ was calculated using an optical simulator. Table 1 shows the results.
  • the beam divergence angle ⁇ corresponds to the full width at half maximum of the light emitted from the lens 6. Further, the beam divergence angle ⁇ shown in Table 1 is a value when it is assumed that the shift amount X with respect to the center of the lens 6 of the light emitting element 3 is zero. As shown in Table 1, as the lens diameter R increases, the beam divergence angle ⁇ also increases.
  • the beam divergence angle ⁇ tends to become narrower.
  • the magnitude relationship of the beam divergence angle ⁇ due to the lens diameter R is as follows. does not change. As shown in Table 2, when the lens diameter R is 0.21 mm to 0.48 mm and the beam divergence angle ⁇ is the smallest, the lens diameter R is 0.21 mm and the deviation amount X of the light emitting element 3 is 130 ⁇ m. Is the time. The beam divergence angle ⁇ at this time is 1.8 °. On the other hand, the largest beam divergence angle ⁇ is when the lens diameter R is 0.48 mm and the deviation X of the light emitting element 3 is 20 ⁇ m.
  • the beam divergence angle ⁇ at this time is 20.3 °. Therefore, in order to keep the stray light level below a certain level with respect to the height position of the cover plate CP, the beam divergence angle ⁇ of the light emitted from the lens 6 serving as the refractive index medium is at least 1.8 ° to 20.3. Must be in the range of °.
  • the distance dimension H between the cover plate CP and the optical sensor 1 as the height position of the cover plate CP is specifically the distance dimension in the height direction between the cover plate CP and the lens 6. Yes.
  • the allowable value PV may be, for example, a value of about 2 to 6 times, preferably about 3 to 5 times the stray light level when the distance dimension H is 0 ⁇ m.
  • the far field characteristics (FFP: Far Field Pattern) of the light emitting element 3 are Gaussian patterns.
  • the elevation angle ⁇ of the beam optical axis with respect to the shift amount X of the light emitting element 3 was calculated using an optical simulator. Table 3 shows the results. The distance by which the light emitting element 3 can be displaced from the center of the lens 6 by the lens 6 is limited. In Table 3, where no numerical value is entered is an area where the lens surface scattering loss increases and the amount of light exiting the lens 6 is extremely reduced. Conversely, the region where the lens surface scattering loss is small and a sufficient amount of light is output from the lens 6 is, for example, 20 ⁇ m to 130 ⁇ m when the lens diameter R is 0.21 mm (9.5% to 62% of the lens diameter R). %), When the lens diameter R is 0.48 mm, it is 20 ⁇ m to 290 ⁇ m (4.2% to 60.4% of the lens diameter R).
  • the lower limit value of the deviation amount X is determined by, for example, the assembly error of the light emitting element 3 and the sensitivity of the elevation angle ⁇ and the spread angle ⁇ associated with this error. Therefore, the lower limit value of the deviation amount X is, for example, about 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the upper limit value of the deviation amount X is determined by a range in which a sufficient amount of light is output from the lens 6, and is, for example, about 60% to 62% of the lens diameter R.
  • the lens diameter R When the lens diameter R is increased, the tolerance of the mounting position of the light emitting element 3 can be reduced, but the stray light level is increased as shown in FIG. It is necessary to select the lens diameter R according to the characteristics required for the optical sensor 1. As shown in Table 3, the optical axis of light emitted from the lens 6 is 51 ° to 89 ° in elevation angle ⁇ when the lens diameter R is in the range of 0.21 mm to 0.48 mm.
  • FIG. 9 shows the stray light level with respect to the distance dimension H with respect to the cover plate CP
  • FIG. 10 shows the relationship of the signal level with respect to the distance dimension H0 with respect to the detected object Obj.
  • the shift amount X of the light emitting element 3 with respect to the center of the lens 6 is 100 ⁇ m on the light receiving element 4 side.
  • the stray light level decreases as the lens diameter R decreases, but the signal level decreases as shown in FIG. This is considered to be because the spread angle ⁇ of the beam emitted from the lens 6 becomes narrower as the lens diameter R becomes smaller, and the elevation angle ⁇ of the optical axis becomes smaller, that is, the inclination becomes larger.
  • the light emitted from the lens 6 moves away from the light receiving element 4 and the light (stray light) reflected and returned from the cover plate CP becomes smaller as the beam divergence angle ⁇ becomes smaller.
  • the signal level is that the beam is narrowed down, so that the light (signal) that is returned increases even though the light emitted from the lens 6 has moved away from the light receiving element 4.
  • the characteristics of the optical sensor 1 are S / N and the detection performance depends on it, it is necessary to determine the optimum structure depending on the lens diameter R and the mounting position of the light emitting element 3.
  • Fig. 11 shows the measured data of noise level.
  • the noise level is substantially constant with respect to the position of the cover plate CP (glass plate). If the distance dimension H (height position) in the height direction of the cover plate CP is in the range of 0 to 3 mm, the noise level may not match, but the distance dimension H of the cover plate CP is 3.5 to 5 mm. In this range, the noise level decreases as the lens diameter R decreases as in the simulation result.
  • the reason why the actually measured data refers to the noise level is that it is considered that noise other than stray light (for example, noise depending on the light receiving element 4 itself) is included. However, the ratio of noise to stray light seems to be high.
  • Fig. 12 shows the measured data of the signal level.
  • the distance dimension H0 (height position) in the height direction of the detected object Obj is in the range of 0 to 6 mm
  • the light is reflected from the detected object Obj and saturated because the signal intensity input to the light receiving element 4 is strong.
  • the tendency is similar to the simulation result shown in FIG.
  • the magnitude relation of the signal level except for the case where the lens diameter R is 0.48 mm, the tendency is almost the same as the simulation result.
  • the lens 6 when the lens 6 is used as the refractive index medium, stray light from the cover plate CP is moved to the position of the cover plate CP by tilting the optical axis of the light emitted from the lens 6 to the side opposite to the light receiving element 4. It was confirmed by experiments and simulations that it was possible to make it almost constant regardless.
  • the lens diameter R is in the range of 0.21 mm to 0.48 mm
  • the elevation angle ⁇ is in the range of 50 ° to 89 ° in the direction opposite to the light receiving element 4 with respect to the optical axis of the light emitted through the lens 6.
  • the beam divergence angle ⁇ is set in the range of 1.8 ° to 20.3 °, the stray light level can be reduced while ensuring the signal level.
  • the lens 6 is a spherical lens
  • an aspherical lens may be used, and an asymmetric lens having different curvatures in the front, rear, left, and right directions.
  • a simple lens may be used.
  • a slope body is used as the refractive index medium. Note that in the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the optical sensor 21 according to the second embodiment is configured in substantially the same manner as the optical sensor 1 according to the first embodiment. Therefore, the substrate 2 is provided with the light emitting element 3 and the light receiving element 4, and the light emitting element 3 and the light receiving element 4 are sealed with the transparent resin bodies 5 and 7. However, on the transparent resin body 5, a slope body 22 is formed as an inclined body having an inclined surface 22 ⁇ / b> A located at the upper part of the light emitting element 3. The slope body 22 is inclined so that the height dimension (thickness dimension) becomes smaller and the light receiving element 4 side becomes lower as it approaches the light receiving element 4.
  • the inclined surface 22 ⁇ / b> A is inclined with respect to the surface 2 ⁇ / b> A (horizontal plane) of the substrate 2, and the height position becomes lower as it approaches the light receiving element 4. That is, the inclined surface 22A is inclined with an inclination angle ⁇ with respect to the surface 2A of the substrate 2.
  • the light emitted from the light emitting element 3 is emitted in the opposite direction to the light receiving element 4 through the slope body 22.
  • the light emitted from the slope body 22 serving as the refractive index medium is tilted in the direction opposite to the light receiving element 4, so that the stray light level is reduced.
  • FIGS. 14 and 15 also show the results of the first embodiment when the lens diameter R shown in FIGS. 9 and 10 is 0.21 mm and 0.48 mm.
  • the inclination angle ⁇ needs to be 27 ° or more in order to be below a certain stray light level.
  • the signal level is almost the same level as when the lens diameter R is 0.21 mm regardless of the inclination angle ⁇ .
  • Table 4 shows the relationship between the inclination angle ⁇ , the beam divergence angle ⁇ of the light emitted from the slope body 22, and the elevation angle ⁇ of the optical axis.
  • the slope body 22 since there is no condensing function due to the lens effect, the light spreads more than the beam divergence angle ⁇ 0 of the light emitting element 3 itself (14 ° in full width at half maximum) due to the refractive index.
  • the inclination angle ⁇ is in the range of 20 ° to 30 °
  • the spread angle ⁇ as the full width at half maximum of the beam is 29 ° to 42 °
  • the elevation angle ⁇ of the optical axis is 47 ° to 57 °.
  • FIG. 16 shows noise measurement data when used with the slope body 22.
  • FIG. 16 also shows data in which the lens diameter R is 0.27 mm and the deviation amount X of the light emitting element 3 is 50 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the noise level was lower when the slope body 22 was used as in the second embodiment than when the lens 6 was used as in the first embodiment.
  • the inclination angle ⁇ of the slope body 22 is 20 °.
  • two characteristic lines according to the second embodiment are shown as measurement samples A and B, which indicate that the measurement samples are different.
  • the stray light level is smaller when the lens 6 having the lens diameters R of 0.21 mm and 0.48 mm is used than the slope body 22. Further, when the inclination angle ⁇ of the slope body 22 is 25 ° or less, the stray light level is large. In the actual measurement results shown in FIG. 16, these relations are reversed, and the trends are different between the simulation and the actual measurement.
  • FIG. 17 shows actual measurement data of the signal level. As in the case of FIG. 16, for comparison, FIG. 17 also shows data with a lens diameter R of 0.27 mm and deviation amounts X of the light emitting element 3 of 50 ⁇ m and 100 ⁇ m. As shown in FIG. 17, the slope body 22 is smaller than the lens 6 with respect to the signal level. This tendency almost coincides with the simulation result shown in FIG.
  • noise can be suppressed even when the slope body 22 is used as the refractive index medium, and becomes less than a certain value depending on the position of the cover plate CP (glass plate).
  • the inclination angle ⁇ is in the range of 20 ° to 30 °
  • the optical axis of the light emitted through the slope body 22 is set in the direction opposite to the light receiving element 4 and the elevation angle ⁇ is set in the range of 47 ° to 57 °.
  • the beam divergence angle ⁇ is set in the range of 29 ° to 42 °, the stray light level can be reduced while ensuring the signal level.
  • the slope body 22 is formed integrally with the transparent resin body 5 that seals the light emitting element 3, but may be provided separately from the transparent resin body 5. Further, the transparent resin body 5 may be omitted. Further, the inclined surface 22A is not limited to a flat surface but may be a curved surface.
  • the substrate is provided with two light receiving elements for one light emitting element.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • two light receiving elements 32 and 33 are mounted on the substrate 2, and the two light receiving elements 32 and 33 are sealed by, for example, a transparent resin body 34.
  • the transparent resin body 34 may be provided with lenses for condensing the light receiving elements 32 and 33.
  • the two light receiving elements 32 and 33 are arranged at positions where the light emitting element 3 is not sandwiched.
  • the light emitting element 3 is disposed on the right side in FIG. 18, and the light receiving elements 32 and 33 are both disposed on the left side in FIG.
  • the light receiving element 32 and the light receiving element 33 are arranged at different positions in the upper and lower directions in FIG. For this reason, when the detected object Obj moving upward and downward in FIG. 18 passes through the upper part of the optical sensor 31, the light emitted from the light emitting element 3 hits the detected object Obj and the reflected light is received first. Light is received by the element 32 and then received by the light receiving element 33. By performing signal processing on this time difference, the moving direction of the detected object Obj can be detected.
  • the light emitting element 3 and the lens 6 are arranged at positions shifted in the left and right directions in FIG. For this reason, the light emitted from the light emitting element 3 is emitted through the lens 6 while being inclined in the opposite direction to the light receiving elements 32 and 33. As a result, stray light from the light emitting element 3 is reduced, and a high S / N is obtained.
  • the optical sensor 31 having the functions of both proximity detection and movement detection of the detected object Obj can be configured with high S / N.
  • the third embodiment has been described by taking the case where it is applied to the first embodiment as an example, but can also be applied to the second embodiment.
  • the case where the two light receiving elements 32 and 33 are provided has been described as an example, but a configuration including three or more light receiving elements may be employed.
  • the number of light emitting elements 3 is not limited to one, and two or more light emitting elements may be provided.
  • the light from the light emitting element 3 is inclined in the direction opposite to the light receiving elements 4, 32, 33 by the lens 6 or the slope body 22 as a refractive index medium.
  • the present invention is not limited to this.
  • the light from the light emitting element may be directly inclined in the direction opposite to the light receiving element by attaching the light emitting element to the substrate in an inclined state.
  • the refractive index medium does not need to refract the optical axis of the light from the light emitting element, and only covers the upper part of the light emitting element.
  • the light emitting element 3 and the light receiving elements 4, 32, 33 are separately sealed with the transparent resin body 5 and the transparent resin bodies 7, 34. It may be sealed.
  • Optical sensor 2 Substrate 2A Surface 3 Light emitting element 4, 32, 33 Light receiving element 6 Lens (refractive index medium) 22 Slope body (refractive index medium)

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

光センサ
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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）

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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