WO2023067758A1 - 反射型光センサ - Google Patents

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WO2023067758A1
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concave mirror
reflected
focal point
emitting element
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章弘 舘小路
悦司 大村
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株式会社京都セミコンダクター
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto

Definitions

  • the present invention relates to a reflective optical sensor that detects an object by irradiating it with light and detecting the light reflected by the object.
  • a reflective optical sensor that detect objects to be detected by irradiating them with light and detecting the light reflected by the objects to be detected have been widely used.
  • a reflective optical sensor can detect an object to be detected without contact, and is therefore generally used for purposes such as detection of a rotation angle and detection of an edge of an object.
  • a reflective optical sensor has a light-emitting element, a light-receiving element, and a light-shielding wall disposed between them, as disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the light receiving element is configured to receive the reflected light.
  • the fact that the output of the light-receiving element fluctuates depending on the presence or absence of reflected light and the intensity of the reflected light is used to detect the object to be detected.
  • the light-emitting element irradiates a nearby object to be detected with diffused light. Therefore, most of the light emitted by the light emitting element is irradiated to the object to be detected, but even if the object to be detected has a high reflectance, part of the light reflected by the object to be detected enters the light receiving element. There is very little light.
  • the coupling efficiency the ratio of the light incident on the light receiving element to the light emitted by the light emitting element is defined as the coupling efficiency
  • the result of the ray tracing simulation in the reflective photosensor of Patent Document 1 shows that the irradiation angle of the light emitting element is 90°. In this case, the coupling efficiency is about 5%, and improvement of the coupling efficiency is desired.
  • An object of the present invention is to provide a reflective photosensor that can improve coupling efficiency.
  • the reflective optical sensor of the first aspect of the invention comprises a light emitting element and a light receiving element, and the light receiving element detects the reflected light of the light emitted from the light emitting element reflected by the object to be detected, thereby detecting the object to be detected.
  • the reflective optical sensor has an open box-like case in which a first concave mirror and a second concave mirror are integrally formed at the bottom, and the first concave mirror and the second concave mirror are arranged around the axis of symmetry of a parabola.
  • a parabola including a vertex of the parabola formed by rotating the parabola is used as a reflecting surface, and the axis of symmetry of the first concave mirror and the axis of symmetry of the second concave mirror are aligned with the first concave mirror of the first concave mirror. on the side opposite to the vertex of the first concave mirror with respect to the focal point and on the side opposite to the vertex of the second concave mirror with respect to the second focal point of the second concave mirror so as to intersect at a predetermined crossing angle.
  • the first concave mirror reflects the light emitted from the light-emitting element toward the first concave mirror from the position of the first focal point or a position near the first focal point.
  • the reflected light reflected by the object to be detected is applied to the second concave mirror, and the second concave mirror reflects the light so as to converge toward the second focal point. It is characterized in that the light receiving element is configured to detect the reflected light.
  • the light emitting element of the reflective photosensor irradiates the first concave mirror with light from the position of the first focal point of the first concave mirror or a position near the first focal point, and the light is reflected by the first concave mirror.
  • the detected light is irradiated to the object.
  • the reflected light reflected by the object to be detected is irradiated to the second concave mirror, and the reflected light reflected by the second concave mirror so as to be condensed toward the second focal point is incident on the light receiving element of the reflective photosensor.
  • the light emitted from the light emitting element is reflected by the first concave mirror and becomes parallel light due to the property of the parabolic surface, so that the object to be detected is irradiated with constant light regardless of the distance to the object.
  • the irradiated parallel light is reflected by the flat reflecting surface of the object to be detected
  • most of the reflected light is irradiated to the second concave mirror as parallel light, and directed to the second focal point by the second concave mirror. reflected and collected by Therefore, most of the diffused light emitted from the light-emitting element can be collimated and radiated onto the object to be detected, and the reflected light can be collected and detected by the light-receiving element.
  • the coupling efficiency can be improved when the ratio of the light incident on the light receiving element is taken as the coupling efficiency.
  • parallel light since parallel light is emitted, constant light can be emitted regardless of the distance from the reflective photosensor, and high coupling efficiency can be achieved. can be widened.
  • a reflective optical sensor according to the first aspect of the invention, wherein the light emitting element and the light receiving element are accommodated in the case, and a sealing resin through which light from the light emitting element is transmitted is contained in the case. It is characterized by being filled. According to the above configuration, the sealing resin protects the light-emitting element, the light-receiving element, and the reflecting surfaces of the first and second concave mirrors, thereby preventing damage to the reflective optical sensor due to collision with the object to be detected.
  • the reflective optical sensor of the invention of claim 3 is the invention of claim 1, wherein the light from the light emitting element directly enters the second concave mirror between the first concave mirror and the second concave mirror; It is characterized by having a light shielding wall for preventing the light reflected by the first concave mirror from directly entering the light receiving element. According to the above configuration, it is possible to prevent the light from the light emitting element from entering the light receiving element without being reflected by the object to be detected, thereby preventing erroneous detection of the object to be detected.
  • the reflective optical sensor of the present invention it is possible to improve the coupling efficiency.
  • FIG. 1 is a plan view of a reflective photosensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1; It is explanatory drawing of a parabola.
  • FIG. 4 is an explanatory drawing for assembling the reflective optical sensor; It is an example of a ray tracing simulation result in the reflective optical sensor according to the example. It is a figure which shows the relationship of the distance h and coupling efficiency in the reflective optical sensor which concerns on an Example. It is a figure which shows the relationship of the distance h, the angle of a 1st, 2nd concave mirror, and coupling efficiency in the reflective optical sensor which concerns on an Example in the shape of a contour line. It is a figure which shows the relationship between the angle of a 1st, 2nd concave mirror, the focal distance of a 1st, 2nd concave mirror, and coupling efficiency in a reflective optical sensor which concerns on an Example.
  • the reflective optical sensor 1 has an open box-shaped case 2 with a rectangular parallelepiped top surface open, a light emitting element 3 and a light receiving element 4 .
  • the open side of the case 2 is assumed to be above the reflective photosensor 1, the reflective photosensor 1 can be used in various postures depending on the application.
  • a first concave mirror 5 and a second concave mirror 6 are integrally formed on the inner bottom of the case 2 with their reflecting surfaces facing the open side of the case 2 .
  • the first concave mirror 5 is a parabola formed by rotating the parabola P1 around the axis of symmetry A1 of the parabola P1, and the parabola including the vertex of the parabola P1 is formed as a reflecting surface.
  • the second concave mirror 6 is a parabola formed by rotating the parabola P2 around the axis of symmetry A2 of the parabola P2, and the parabola including the vertex of the parabola P2 is formed as a reflecting surface.
  • the y-axis is the axis of symmetry of the parabola P
  • the position of the origin is the vertex of the parabola P
  • the symmetry axes A1 and A2 are symmetrical at an angle ⁇ with respect to the direction axis perpendicular to the open side end face 2e of the case 2 (the normal line N of the open side end face 2e passing through the intersection of the symmetry axes A1 and A2). Inclined is preferred.
  • the axis of symmetry A1 and the axis of symmetry A2 intersect the first focal point F1 on the side opposite to the first vertex V1 and the second focal point F2 on the side opposite to the second vertex V2. That is, the axis of symmetry A1 and the axis of symmetry A2 intersect on the opposite side of the first and second vertices V1 and V2 at a position spaced apart from the first focal point F1 and the second focal point F2.
  • the case 2 is formed, for example, by resin molding in the shape of a rectangular parallelepiped box with an open upper surface, and a parabola formed by rotating the parabolas P1 and P2 corresponding to the first and second concave mirrors 5 and 6 on the inner bottom. formed respectively.
  • Reflective films 5a and 6a containing metal such as gold and titanium are formed on at least these two paraboloids, respectively, and the first and second concave mirrors 5 and 6 are formed integrally with the case 2.
  • a light blocking wall 7 extending from the inner bottom of the case 2 toward the open side is formed so as to partition the first concave mirror 5 and the second concave mirror 6.
  • the open end of the case 2 is recessed from the open end face 2e of the case 2 toward the bottom for positioning the pair of first lead frames 8a, 8b and the pair of second lead frames 9a, 9b. recessed portions 2a to 2d are formed.
  • the first lead frames 8a and 8b supply power to the light emitting element 3 from the outside.
  • a light emitting element 3 is fixed to one side of the tip of the first lead frame 8a which is placed and fixed in the recess 2a.
  • the first lead frame 8a is recessed so that the light emitting surface of the light emitting element 3 from which light is emitted faces the first concave mirror 5 and the light emitting element 3 is arranged at or near the first focal point F1. 2a. At this time, the light emitting element 3 is accommodated in the case 2 .
  • the concave portions 2a to 2d may not be formed and may be positioned by another method.
  • the second lead frames 9a and 9b output the optical power of the light receiving element 4 to the outside.
  • a light receiving element 4 is fixed to one side of the tip of the second lead frame 9a which is placed and fixed in the recess 2c.
  • the second lead frame 9a has a concave portion 2c so that the light receiving surface of the light receiving element 4 for receiving light faces the second concave mirror 6 and the light receiving element 4 is arranged at or near the second focal point F2. fixed to At this time, the light receiving element 4 is housed inside the case 2 .
  • the case 2 housing the light emitting element 3 and the light receiving element 4 is filled with a sealing resin 10 , and the light emitting element 3 and the light receiving element 4 are covered with the sealing resin 10 .
  • the first lead frames 8 a and 8 b and the second lead frames 9 a and 9 b may also be covered with the sealing resin 10 .
  • the sealing resin 10 is translucent to allow the light from the light emitting element 3 to pass therethrough, and is, for example, an epoxy-based synthetic resin that allows visible light or infrared light to pass therethrough.
  • the sealing resin 10 protects the reflecting surfaces of the light emitting element 3 , the light receiving element 4 , the first and second concave mirrors 5 and 6 , and restricts the oscillation of the light emitting element 3 and the light receiving element 4 . For example, when vibration is not transmitted to the light emitting element 3 and the light receiving element 4 from the outside, the sealing resin 10 can be omitted.
  • a surface 10a of the sealing resin 10 is formed flat so as to match the open-side end surface 2e of the case 2.
  • the surface 10a of the sealing resin 10 is a plane in the vicinity of the first focal point F1 and the second focal point F2 parallel to the plane containing the first focal point F1 and the second focal point F2.
  • the intersection of the axis of symmetry A1 and the axis of symmetry A2 above the surface 10a of the sealing resin 10 and the area near this intersection are the detection positions of the object to be detected.
  • first lead frames 8a, 8b and the second lead frames 9a, 9b are elongate members made of, for example, Kovar (an alloy containing iron, nickel, and cobalt), it is not easy to attach them to the case 2 individually. Therefore, as shown in FIG. 4, the light-emitting element 3 and the light-receiving element 4 are fixed to first lead frames 8a, 8b and second lead frames 9a, 9b formed integrally with the rectangular frame 11, for example, by bonding wires. Connect electrically. Then, the first lead frames 8a, 8b and the second lead frames 9a, 9b are placed together with the frame 11 in the corresponding recesses 2a to 2d. After sealing with the sealing resin 10, the base end portions of the first lead frames 8a, 8b and the second lead frames 9a, 9b are cut to separate and remove the frame 11.
  • FIG. 4 an alloy containing iron, nickel, and cobalt
  • the frame 11 can also be formed in a tape shape or a sheet shape so that the frame 11 having the first lead frames 8a, 8b and the second lead frames 9a, 9b are connected in a plane. In this case, fixing and electrical connection of the light emitting element 3 and the light receiving element 4 are facilitated, and, for example, they can be attached to a plurality of cases 2 arranged at predetermined intervals continuously or simultaneously, thereby improving manufacturing efficiency. improves.
  • the light shielding wall 7 prevents the light emitted from the light emitting element 3 from directly entering the second concave mirror 6 and prevents the light reflected by the first concave mirror 5 from directly entering the light receiving element 4 .
  • the light emitting element 3 is a light emitting diode with an irradiation angle of 90°.
  • the light i2 is reflected by the object OB to be reflected light i3 ( parallel light) is applied to the second concave mirror 6 .
  • the axes of symmetry A1 and A2 are symmetrically inclined at the same angle with respect to the surface 10a, the reflecting surface of the object OB to be detected and the surface 10a of the reflective optical sensor 1 are arranged in parallel. Easy to install.
  • the object to be detected OB is detected by installing the reflective surface of the object OB to be tilted with respect to the surface 10a. be able to.
  • the reflected light i3 is reflected by the second concave mirror 6 toward the second focal point F2 and condensed like the reflected light i4. Then, the reflected light i4 is incident on the light receiving element 4 at or near the second focal point F2, and a photocurrent is output.
  • the light i2 which is part of the light from the light emitting element 3 and is reflected by the first concave mirror 5 goes outside and does not enter the second concave mirror 6.
  • the reflective optical sensor 1 the light from the light emitting element 3 is reflected by the object to be detected OB, and the reflected light i3 is reflected by the second concave mirror 6, and the reflected light i4 is detected by the light receiving element 4.
  • An object OB can be detected.
  • the coupling efficiency when the ratio of the light incident on the light receiving element 4 to the light emitted by the light emitting element 3 is taken as the coupling efficiency, the photocurrent output of the reflective photosensor 1 increases as the coupling efficiency increases. Therefore, it is possible to easily prevent erroneous detection of the object to be detected OB due to the influence of stray light, for example, and it is also possible to reduce power consumption by reducing the light intensity of the light emitting element 3, so realization of high coupling efficiency is desired.
  • the coupling efficiency when the object to be detected OB is separated from the surface 10a with the distance h between the surface 10a of the reflective optical sensor 1 and the object to be detected OB as a parameter. (Coupling Efficiency) is shown in FIG.
  • the coupling efficiency decreases.
  • the maximum coupling efficiency is obtained when the distance h is in the range of 3.7 mm to 5.7 mm, and a high coupling efficiency exceeding 10% is obtained when the distance h is about 0 mm to 8 mm. Therefore, in order to prevent damage to the reflective optical sensor 1 and the object to be detected OB due to contact between the reflective optical sensor 1 and the object to be detected OB, a high coupling efficiency is ensured even when a certain distance h is secured. can do.
  • the coupling efficiency when the distance h and the angle of inclination of the axes of symmetry A1 and A2 (the angle of inclination of the first and second concave mirrors 5 and 6) ⁇ are used as parameters is shown in contour lines in FIG.
  • the angle ⁇ increases, the range of the distance h where high coupling efficiency is obtained shifts in the direction of decreasing the distance h.
  • the angle ⁇ is increased to some extent, most of the light reflected by the first concave mirror 5 is shielded by the light shielding wall 7 so that it does not directly enter the light receiving element 4, and is not irradiated to the object OB to be detected. descend.
  • the reflective photosensor 1 can be formed at an angle ⁇ that increases the coupling efficiency based on FIG.
  • the optimum distance h that increases the coupling efficiency can be specified.
  • the coupling efficiency when the angle ⁇ of inclination of the first and second concave mirrors 5 and 6 and the focal length are parameters is shown by the curved surface in FIG.
  • the coupling efficiency is almost unaffected by the focal lengths of the first and second concave mirrors 5 and 6, and is maximized when the angle ⁇ is 25° at any focal length.
  • the light emitting element 3 irradiates the first concave mirror 5 with light i1 from the position of the first focal point F1 of the first concave mirror 5 or a position near the first focal point F1, and the first concave mirror 5 emits light i1.
  • the reflected light i2 is applied to the object to be detected OB.
  • the reflected light i3 reflected by the object to be detected OB is irradiated onto the second concave mirror 6, and the reflected light i4 reflected by the second concave mirror 6 so as to be condensed toward the second focal point F2 reaches the light receiving element 4. configured for incidence.
  • the light i1 emitted from the light emitting element 3 is reflected by the first concave mirror 5 due to the property of the parabolic surface and becomes parallel light. , are reflected by the object to be detected OB. Most of the reflected light i3 reflected by the flat reflecting surface of the object to be detected OB is irradiated to the second concave mirror 6 as parallel light, reflected by the second concave mirror 6 toward the second focal point F2, and condensed. be. Therefore, most of the diffused light emitted from the light emitting element 3 can be collimated and radiated onto the object to be detected OB, and the reflected light i3 can be collected and detected by the light receiving element 4.
  • the coupling efficiency can be improved when the ratio of the light incident on the light receiving element 4 to the light emitted by is defined as the coupling efficiency.
  • the coupling efficiency since parallel light is emitted, constant light can be emitted to the object to be detected OB regardless of the distance from the reflective optical sensor 1, and high coupling efficiency can be obtained between the object to be detected OB and the reflective optical sensor.
  • the range of the distance h between 1 can be widened.
  • the case 2 contains the light emitting element 3 and the light receiving element 4, and is filled with a sealing resin 10 through which light from the light emitting element 3 is transmitted. Therefore, the sealing resin 10 protects the reflecting surfaces of the light emitting element 3, the light receiving element 4, and the first and second concave mirrors 5 and 6, thereby preventing damage to the reflective optical sensor 1 due to collision with the object to be detected OB, for example. can do.
  • the reflective optical sensor 1 is arranged between the first concave mirror 5 and the second concave mirror 6 so that the light from the light emitting element 3 directly enters the second concave mirror 6 and the light reflected by the first concave mirror 5 reaches the light receiving element 4 . It has a light shielding wall 7 that prevents direct incidence on the light. Therefore, it is possible to prevent the light from the light-emitting element 3 from entering the light-receiving element 4 without being reflected by the object to be detected OB, thereby preventing erroneous detection of the object to be detected OB.
  • the light emitting element 3 and the light receiving element 4 are fixed to a lid member transparent to the light emitted from the light emitting element 3.
  • a plurality of wirings for electrically connecting the light-emitting element 3 and the light-receiving element 4 may be formed on the lid member, and the lid member may be fixed to the open side of the case 2 .
  • Reference Signs List 1 Reflective optical sensor 2: Cases 2a to 2d: Concave portion 2e: Open side end surface 3: Light emitting element 4: Light receiving element 5: First concave mirror 6: Second concave mirror 7: Light shielding walls 8a, 8b: First lead frame 9a , 9b: second lead frame 10: sealing resin 10a: surface 11: frames A1, A2: axis of symmetry F1: first focus F2: second focus P1, P2: parabolas V1, V2: vertex

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Abstract

【課題】結合効率を向上させることができる反射型光センサを提供すること。 【解決手段】発光素子(3)の光が被検知物(OB)で反射された反射光を受光素子(4)が検知する反射型光センサ(1)は、第１、第２凹面鏡(5,6)を底部に備えた開放箱状のケース(2)を有し、第１、第２凹面鏡(5,6)は、放物線をその対称軸の回りに回転させた放物線の頂点を含む放物面を夫々反射面とし、第１凹面鏡(5)の第１焦点(F1)を通る対称軸(A1)と第２凹面鏡(6)の第２焦点(F2)を通る対称軸(A2)が、第１焦点(F1)に対して第１凹面鏡(5)の頂点(V1)と反対側で、且つ第２焦点(F2)に対して第２凹面鏡(6)の頂点(V2)と反対側で所定の交差角で交差するように、ケース(2)の開放側に反射面を向けて形成され、発光素子(3)が第１焦点(F1)又は第１焦点(F1)の近傍から第１凹面鏡(5)に向けて光を照射し、第１凹面鏡(5)が反射した光のうち被検知物(OB)で反射された反射光を第２凹面鏡(6)が第２焦点(F2)に向けて集光するように反射して受光素子(4)が検知する。

Description

反射型光センサ
　本発明は、光を照射して被検知物で反射された光を検知することにより被検知物を検知する反射型光センサに関する。
　従来から、光を照射して近接する被検知物で反射された反射光を検知することにより、被検知物を検知する反射型光センサが広く利用されている。反射型光センサは、被検知物を非接触で検知することが可能なので、例えば回転角の検知、物体端部の検知のような用途において一般的に利用されている。
　反射型光センサは、例えば特許文献１のように、発光素子と受光素子と、これらの間に配設された遮光壁を有し、発光素子が照射した光が被検知物で反射し、この反射光を受光素子で受光するように構成されている。そして、受光素子の出力が反射光の有無、反射光の強度によって変動することを、被検知物の検知に利用している。
特開２００１－３０８３７２号公報
　特許文献１の反射型光センサでは、発光素子が拡散光を近接する被検知物に照射する。それ故、発光素子が発した光の大部分は被検知物に照射されるが、被検知物が高い反射率を備えていても、被検知物で反射された光のうち受光素子に入射する光は僅かである。例えば、発光素子が発した光に対する受光素子に入射する光の割合を結合効率としたときに、特許文献１の反射型光センサにおける光線追跡シミュレーションの結果では、発光素子の照射角が９０°の場合に結合効率は５％程度であり、結合効率の向上が望まれている。
　本発明の目的は、結合効率を向上させることができる反射型光センサを提供することである。
　請求項１の発明の反射型光センサは、発光素子と受光素子を備え、前記発光素子の光が被検知物で反射された反射光を前記受光素子が検知することによって前記被検知物を検知する反射型光センサにおいて、第１凹面鏡と第２凹面鏡が底部に一体的に形成された開放箱状のケースを有し、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡は、放物線の対称軸の回りに前記放物線を回転させて形成される前記放物線の頂点を含む放物面を夫々反射面とし、前記第１凹面鏡の前記対称軸と前記第２凹面鏡の前記対称軸が、前記第１凹面鏡の第１焦点に対して前記第１凹面鏡の前記頂点と反対側で、且つ前記第２凹面鏡の第２焦点に対して前記第２凹面鏡の前記頂点と反対側で所定の交差角で交差するように、前記ケースの開放側に前記反射面を向けて形成され、前記発光素子が前記第１焦点の位置又は前記第１焦点の近傍位置から前記第１凹面鏡に向けて照射した光を前記第１凹面鏡が反射して前記被検知物に照射し、前記被検知物で反射された前記反射光が前記第２凹面鏡に照射され、前記第２凹面鏡が前記第２焦点に向けて集光するように反射した前記反射光を前記受光素子が検知するように構成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、反射型光センサの発光素子が、第１凹面鏡の第１焦点の位置又はこの第１焦点の近傍位置から第１凹面鏡に向けて光を照射し、第１凹面鏡で反射された光が被検知物に照射される。被検知物で反射された反射光は第２凹面鏡に照射され、第２凹面鏡によって第２焦点に向けて集光するように反射されたこの反射光が、反射型光センサの受光素子に入射する。発光素子から発せられた光は、放物面の性質によって、第１凹面鏡で反射されて平行光になるので、被検知物までの距離によらず一定の光が被検知物に照射される。そして、照射された平行光が被検知物の平坦な反射面で反射された場合、この反射光の大部分は、平行光のまま第２凹面鏡に照射され、第２凹面鏡で第２焦点に向けて反射、集光される。従って、発光素子から照射された拡散光の大部分を平行光にして被検知物に照射し、その反射光を集光して受光素子が検知することができるので、発光素子が発した光に対する受光素子に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率を向上させることができる。また、平行光を照射するので、反射型光センサからの距離によらず一定の光を照射することができ、高い結合効率が得られる被検知物と反射型光センサの間の距離の範囲を広くすることができる。
　請求項２の発明の反射型光センサは、請求項１の発明において、前記ケース内に前記発光素子及び前記受光素子が収容され、前記発光素子の光が透過する封止樹脂が前記ケース内に充填されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、封止樹脂によって発光素子と受光素子と第１、第２凹面鏡の反射面を保護して、被検知物との衝突による反射型光センサの破損を防止することができる
　請求項３の発明の反射型光センサは、請求項１の発明において、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間に、前記発光素子の光が前記第２凹面鏡に直接入射すること、及び前記第１凹面鏡で反射された光が前記受光素子に直接入射することを防止する遮光壁を有することを特徴としている。
　上記構成によれば、発光素子の光が被検知物で反射されずに受光素子に入射することを防いで、被検知物の誤検知を防止することができる。
　本発明の反射型光センサによれば、結合効率を向上させることができる。
本発明の実施例に係る反射型光センサの平面図である。 図１のII－II線断面図である。 放物線の説明図である。 反射型光センサの組み立て説明図である。 実施例に係る反射型光センサにおける光線追跡シミュレーション結果の例である。 実施例に係る反射型光センサにおける距離ｈと結合効率の関係を示す図である。 実施例に係る反射型光センサにおける距離ｈと、第１、第２凹面鏡の角度と、結合効率の関係を等高線状に示す図である。 実施例に係る反射型光センサにおける第１、第２凹面鏡の角度と、第１、第２凹面鏡の焦点距離と、結合効率の関係を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
　図１、図２に示すように、反射型光センサ１は、直方体の上面が開放された開放箱状のケース２と、発光素子３と受光素子４を有する。尚、ケース２の開放側を反射型光センサ１の上方として説明するが、用途等に応じて様々な姿勢で反射型光センサ１を使用することができる。
　ケース２の内側の底部には、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６が、これらの反射面をケース２の開放側に向けて一体的に形成されている。第１凹面鏡５は、放物線Ｐ１の対称軸Ａ１の回りにこの放物線Ｐ１を回転させて形成される放物面であって、放物線Ｐ１の頂点を含む放物面を反射面として形成されている。第２凹面鏡６は、放物線Ｐ２の対称軸Ａ２の回りにこの放物線Ｐ２を回転させて形成される放物面であって、放物線Ｐ２の頂点を含む放物面を反射面として形成されている。
　図３のようにｘｙ平面上でｙ＝ｘ2／（４ａ）で表される放物線Ｐにおいて、例えばａ＝５ｍｍとしたものが放物線Ｐ１，Ｐ２であるが、ａの値が放物線Ｐ１と放物線Ｐ２とで異なっていてもよい。尚、ｙ軸が放物線Ｐの対称軸であり、原点の位置が放物線Ｐの頂点であり、（ｘ，ｙ）＝（０，ａ）の位置が放物線Ｐの焦点である。
　図１、図２のように、第１凹面鏡５を形成する放物線Ｐ１の頂点を第１頂点Ｖ１とし、焦点を第１焦点Ｆ１とする。また、第２凹面鏡６を形成する放物線Ｐ２の頂点を第２頂点Ｖ２とし、焦点を第２焦点Ｆ２とする。放物線Ｐ１の第１頂点Ｖ１と第１焦点Ｆ１を通る対称軸Ａ１と、放物線Ｐ２の第２頂点Ｖ２と第２焦点Ｆ２を通る対称軸Ａ２とが、所定の交差角２θで交差するように、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６が形成されている。このとき、ケース２の開放側端面２ｅに垂直な方向軸（対称軸Ａ１，Ａ２の交差点を通る開放側端面２ｅの法線Ｎ）に対して、対称軸Ａ１，Ａ２が夫々角度θで対称に傾いていることが好ましい。
　対称軸Ａ１と対称軸Ａ２は、第１焦点Ｆ１に対して第１頂点Ｖ１と反対側で、且つ第２焦点Ｆ２に対して第２頂点Ｖ２と反対側で交差する。即ち、第１、第２頂点Ｖ１，Ｖ２と反対側に第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２よりも離隔した位置で、対称軸Ａ１と対称軸Ａ２が交差する。
　ケース２は、例えば樹脂成型によって直方体の上面が開放された箱状に形成されると共に、内側底部に第１、第２凹面鏡５，６に対応する放物線Ｐ１，Ｐ２を回転させた放物面が夫々形成される。そして、少なくともこれら２つの放物面に、例えば金、チタンのような金属を含む反射膜５ａ，６ａが夫々形成されて、第１、第２凹面鏡５，６がケース２に一体的に形成されている。第１凹面鏡５と第２凹面鏡６の間の境界部分には、ケース２の内側底部から開放側に向かって延びる遮光壁７が、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６を区画するように形成されている。
　ケース２の開放側端部には、１対の第１リードフレーム８ａ，８ｂ及び１対の第２リードフレーム９ａ，９ｂの位置決めのために、ケース２の開放側端面２ｅから底部側に凹入させた凹部２ａ～２ｄが形成されている。第１リードフレーム８ａ，８ｂは、外部から発光素子３に電力を供給する。凹部２ａに載置されて固定される第１リードフレーム８ａの先端部の片面には、発光素子３が固定されている。第１リードフレーム８ａは、発光素子３の光が出射される発光面が第１凹面鏡５に臨むように、且つ発光素子３が第１焦点Ｆ１の位置又はその近傍位置に配置されるように凹部２ａに固定される。このとき発光素子３は、ケース２内に収容される。尚、凹部２ａ～２ｄが形成されず、他の方法で位置決めされてもよい。
　第２リードフレーム９ａ，９ｂは、受光素子４の光電力を外部に出力する。凹部２ｃに載置されて固定される第２リードフレーム９ａの先端部の片面には、受光素子４が固定されている。第２リードフレーム９ａは、光を入射させる受光素子４の受光面が第２凹面鏡６に臨むように、且つ受光素子４が第２焦点Ｆ２の位置又はその近傍位置に配置されるように凹部２ｃに固定される。このとき受光素子４は、ケース２内に収容される。
　図２のように、発光素子３、受光素子４が収容されたケース２内には封止樹脂１０が充填され、発光素子３、受光素子４が封止樹脂１０に覆われている。第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂも封止樹脂１０に覆われていてもよい。封止樹脂１０は、発光素子３の光が透過する透光性を備え、例えば可視光又は赤外光が透過するエポキシ系の合成樹脂である。封止樹脂１０により、発光素子３、受光素子４、第１、第２凹面鏡５，６の反射面が保護され、発光素子３と受光素子４の揺動が規制される。尚、例えば発光素子３と受光素子４に外部から振動が伝わらない場合には、封止樹脂１０を省略することもできる。
　封止樹脂１０の表面１０ａは、ケース２の開放側端面２ｅと一致するように平坦に形成されている。この封止樹脂１０の表面１０ａは、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２を含む平面に平行な第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２の近傍の平面である。そして、封止樹脂１０の表面１０ａの上方の対称軸Ａ１と対称軸Ａ２の交差点及びこの交差点近傍領域が、被検知物の検知位置になる。
　第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂは、夫々例えばコバール（鉄、ニッケル、コバルトを含む合金）製の細長い部材なので、個別にケース２に取り付けることは容易ではない。そこで図４に示すように、矩形の枠１１と一体的に形成した第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂに、発光素子３と受光素子４を固定し、例えばボンディングワイヤによって電気的に接続する。そして、第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂを対応する凹部２ａ～２ｄに枠１１と共に同時に載置する。封止樹脂１０で封止後に、第１リードフレーム８ａ，８ｂと第２リードフレーム９ａ，９ｂの基端部を切断することにより、枠１１を切り離して除去する。
　第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂを有する枠１１が平面的に連なるように、枠１１をテープ状又はシート状に形成することもできる。この場合、発光素子３と受光素子４の固定、電気的な接続が容易になり、例えば所定の間隔で並べられた複数のケース２に対して連続的に又は同時に取り付けることができるので、製造効率が向上する。
　図５に示すように、放物線の性質により、第１焦点Ｆ１の位置又はその近傍位置の発光素子３から照射された光ｉ１の一部は、第１凹面鏡５で反射されて、光ｉ２（平行光）として被検知物ＯＢに照射可能である。遮光壁７は、発光素子３から照射される光が第２凹面鏡６に直接入射することを防ぐと共に、第１凹面鏡５で反射された光が受光素子４に直接入射することを防ぐ。尚、発光素子３は、照射角が９０°の発光ダイオードである。
　検知位置に反射型光センサ１の封止樹脂１０の表面１０ａに平行な平坦な反射面を有する被検知物ＯＢがある場合には、光ｉ２が被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３（平行光）が第２凹面鏡６に照射される。このとき、表面１０ａに対して、対称軸Ａ１，Ａ２が同じ角度で対称に傾いている場合には、被検知物ＯＢの反射面と反射型光センサ１の表面１０ａとが平行になるように設置し易い。尚、表面１０ａに対して対称軸Ａ１，Ａ２が同じ角度で対称に傾いていない場合でも、表面１０ａに対して被検知物ＯＢの反射面が傾くように設置して被検知物ＯＢを検知することができる。
　反射光ｉ３は、第２凹面鏡６で第２焦点Ｆ２に向けて反射され、反射光ｉ４のように集光される。そして、反射光ｉ４が第２焦点Ｆ２の位置又はその近傍位置の受光素子４に入射して、光電流が出力される。一方、被検知物ＯＢがない場合には、発光素子３の光の一部が第１凹面鏡５で反射された光ｉ２は外部に出てしまい、第２凹面鏡６に入射しないので、受光素子４に入射しない。そのため、反射型光センサ１は、発光素子３の光が被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３を第２凹面鏡６で反射させ、この反射光ｉ４を受光素子４で検知することによって被検知物ＯＢを検知することができる。
　発光素子３が照射する光のうち、受光素子４に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率が高いほど反射型光センサ１の光電流の出力が大きくなる。それ故、例えば迷光の影響による被検知物ＯＢの誤検知を容易に防止でき、例えば発光素子３の光量を低下させて低消費電力化することも可能なので、高い結合効率の実現が望まれている。ここで、図５のような光線追跡シミュレーションに基づいて、反射型光センサ１の表面１０ａと被検知物ＯＢの距離ｈをパラメータにして、被検知物ＯＢが表面１０ａから離隔した場合の結合効率（Coupling Efficiency）を図６に示す。
　距離ｈを大きくしていくと、ｈ＝３．７ｍｍまでは結合効率が上昇し、その後結合効率が５２％で一定になる。さらに距離ｈを大きくしていくと、結合効率が低下する。距離ｈが３．７ｍｍから５．７ｍｍの範囲内で結合効率が最大であり、距離ｈが０ｍｍから８ｍｍ程度までは１０％を超える高い結合効率が得られる。従って、反射型光センサ１と被検知物ＯＢの接触による反射型光センサ１の破損、被検知物ＯＢの破損を防止するために、ある程度の距離ｈを確保した場合でも、高い結合効率を確保することができる。また、照射する平行光の照射範囲よりも小型の被検知物ＯＢの場合には反射光が減少するが、結合効率が高いので小型の被検知物ＯＢを検知することができる。
　距離ｈと、対称軸Ａ１，Ａ２の傾斜の角度（第１、第２凹面鏡５，６の傾斜の角度）θをパラメータとしたときの結合効率が、図７に等高線状に示されている。角度θが大きくなるほど、距離ｈが小さくなる方向に高い結合効率が得られる距離ｈの範囲がシフトする。ある程度角度θを大きくすると、第１凹面鏡５で反射された光の大部分が受光素子４に直接入射しないように遮光壁７で遮られ、被検知物ＯＢに照射されなくなるので、結合効率が急低下する。距離ｈが設定されている場合には、図７に基づいて結合効率が高くなる角度θで反射型光センサ１を形成することができる。角度θの反射型光センサ１に対しては、結合効率が高くなる最適な距離ｈを指定することができる。
　距離ｈを５ｍｍとした場合に、第１、第２凹面鏡５，６の傾斜の角度θと焦点距離をパラメータとしたときの結合効率が、図８に曲面で示されている。結合効率は、第１、第２凹面鏡５，６の焦点距離に殆ど影響されず、どの焦点距離においても角度θが２５°のときに最大となっている。
　上記反射型光センサ１の作用、効果について説明する。
　反射型光センサ１は、第１凹面鏡５の第１焦点Ｆ１の位置又はこの第１焦点Ｆ１の近傍位置から発光素子３が第１凹面鏡５に向けて光ｉ１を照射し、第１凹面鏡５で反射された光ｉ２が被検知物ＯＢに照射される。そして、被検知物ＯＢで反射された反射光ｉ３は第２凹面鏡６に照射され、第２凹面鏡６によって第２焦点Ｆ２に向けて集光するように反射された反射光ｉ４が受光素子４に入射するように構成されている。
　発光素子３から発せられた光ｉ１は、放物面の性質によって、第１凹面鏡５で反射されて平行光になるので、反射型光センサ１からの距離によらず一定の光ｉ２が照射され、被検知物ＯＢで反射される。被検知物ＯＢの平坦な反射面で反射された反射光ｉ３の大部分は、平行光のまま第２凹面鏡６に照射され、第２凹面鏡６で第２焦点Ｆ２に向けて反射、集光される。従って、発光素子３から照射された拡散光の大部分を平行光にして被検知物ＯＢに照射し、その反射光ｉ３を集光して受光素子４で検知することができるので、発光素子３が発した光に対する受光素子４に入射する光の割合を結合効率としたときに、結合効率を向上させることができる。また、平行光を照射するので、反射型光センサ１からの距離によらず一定の光を被検知物ＯＢに照射することができ、高い結合効率が得られる被検知物ＯＢと反射型光センサ１の間の距離ｈの範囲を広くすることができる。
　また、ケース２内には、発光素子３及び受光素子４が収容され、発光素子３の光が透過する封止樹脂１０が充填されている。従って、封止樹脂１０によって発光素子３と受光素子４と第１、第２凹面鏡５，６の反射面を保護して、例えば被検知物ＯＢとの衝突による反射型光センサ１の破損を防止することができる。
　反射型光センサ１は、第１凹面鏡５と第２凹面鏡６の間に、発光素子３の光が第２凹面鏡６に直接入射すること、及び第１凹面鏡５で反射された光が受光素子４に直接入射することを防止する遮光壁７を有する。従って、発光素子３の光が被検知物ＯＢで反射されずに受光素子４に入射することを防いで、被検知物ＯＢの誤検知を防止することができる。
　図示を省略するが、第１リードフレーム８ａ，８ｂ、第２リードフレーム９ａ，９ｂの代わりに、発光素子３の光に対して透明な蓋部材に発光素子３と受光素子４を固定し、これら発光素子３と受光素子４に電気的に接続する複数の配線を蓋部材に形成して、ケース２の開放側にこの蓋部材を固定してもよい。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。
１　　：反射型光センサ
２　　：ケース
２ａ～２ｄ：凹部
２ｅ　：開放側端面
３　　：発光素子
４　　：受光素子
５　　：第１凹面鏡
６　　：第２凹面鏡
７　　：遮光壁
８ａ，８ｂ：第１リードフレーム
９ａ，９ｂ：第２リードフレーム
１０　：封止樹脂
１０ａ：表面
１１　：枠
Ａ１，Ａ２：対称軸
Ｆ１　：第１焦点
Ｆ２　：第２焦点
Ｐ１，Ｐ２：放物線
Ｖ１，Ｖ２：頂点

Claims (3)

  1. 　発光素子と受光素子を備え、前記発光素子の光が被検知物で反射された反射光を前記受光素子が検知することによって前記被検知物を検知する反射型光センサにおいて、
    　第１凹面鏡と第２凹面鏡が底部に一体的に形成された開放箱状のケースを有し、
    　前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡は、放物線の対称軸の回りに前記放物線を回転させて形成される前記放物線の頂点を含む放物面を夫々反射面とし、前記第１凹面鏡の前記対称軸と前記第２凹面鏡の前記対称軸が、前記第１凹面鏡の第１焦点に対して前記第１凹面鏡の前記頂点と反対側で、且つ前記第２凹面鏡の第２焦点に対して前記第２凹面鏡の前記頂点と反対側で所定の交差角で交差するように、前記ケースの開放側に前記反射面を向けて形成され、
    　前記発光素子が前記第１焦点の位置又は前記第１焦点の近傍位置から前記第１凹面鏡に向けて照射した光を前記第１凹面鏡が反射して前記被検知物に照射し、
    　前記被検知物で反射された前記反射光が前記第２凹面鏡に照射され、
    　前記第２凹面鏡が前記第２焦点に向けて集光するように反射した前記反射光を前記受光素子が検知するように構成されたことを特徴とする反射型光センサ。
  2. 　前記ケース内に前記発光素子及び前記受光素子が収容され、前記発光素子の光が透過する封止樹脂が前記ケース内に充填されたことを特徴とする請求項１に記載の反射型光センサ。
  3. 　前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡の間に、前記発光素子の光が前記第２凹面鏡に直接入射すること、及び前記第１凹面鏡で反射された光が前記受光素子に直接入射することを防止する遮光壁を有することを特徴とする請求項１に記載の反射型光センサ。
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