JP2009038320A - 反射型フォトセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子と受光素子を用いた簡単な構成で、明暗パターン部材を被検出物側に設けることもなく、被検出物の移動量や移動位置が良好に検出できるようにする。
【解決手段】発光素子１８と受光素子２０が被検出物の移動方向Ｈに沿って配置される場合の受光素子２０に、その活性層を遮光反射膜２８で覆うことにより、上記発光素子１８から離れる程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域２０Ｅ_１を設ける。このような受光素子２０によれば、被検出物が発光素子１８側から受光素子２０側へ移動するに従って、被検出物からの反射光が入射する領域が徐々に大きくなり、その結果、受光素子２０では被検出物の移動に対応してリニアに変化する光量が検知され、被検出物の移動量等が検出可能になる。上記遮光反射膜２８は、被検出物の移動量が大きくなる程、受光領域２０Ｅ_１への光入射量を増やし、リニアな特性が得られる範囲を拡大する役目をする。
【選択図】図１

Description

本発明は反射型フォトセンサ、特に発光素子及び受光素子の投受光面を被検出物の移動方向に沿って配置する反射型フォトセンサで、簡単な構成にて、被検出物の移動量や移動位置を検出するためのものに関する。

反射型フォトセンサとして、フォトリフレクタ等があるが、この反射型フォトセンサは、非接触で物体の有無、物体の位置や移動量を検出する光検出器であり、例えばビデオ機器等におけるオーディオテープのスタート位置及びエンド位置の検出、コピー機、プリンターの紙の検出、ＣＤ、ＤＶＤ等の光学ドライブ装置におけるピックアップユニットの位置検出、自動焦点カメラのズーム又はフォーカス動作のレンズ位置検出に用いられる。

図６（Ａ），（Ｂ）には、従来のフォトリフレクタの構成例が示されており、図６（Ａ）は、フォトリフレクタの上下方向に移動する物体を検出するもの（下記特許文献１）である。このフォトリフレクタは、絶縁基板１、この絶縁基板１上に配置され外周を囲み中間遮光壁部２を有する窓部３、この窓部３と中間遮光壁部２とで形成された一方の凹部に配置された発光素子４、他方の凹部に配置された受光素子５を有してなる。

このような図６（Ａ）のフォトリフレクタでは、上下（矢示Ｕ）方向に移動する被検出物６が鎖線の位置にあるときは、発光素子４から出力された光が中間遮光壁部２で遮られるが、実線の位置にあるときは、発光素子４から出力された光が受光素子５へ到達することになり、この受光素子５での検知状態によって、被検出物６の所定位置における存在が検出される。

図６（Ｂ）は、フォトリフレクタの発光素子及び受光素子の配列方向に移動する物体を検出するもの（下記特許文献２）であり、このフォトリフレクタは、実装基板８、この実装基板８上に設けられたフォトリフレクタ９、このフォトリフレクタ９の上方に配置され、スリット１０を形成したスリット機構１１を有してなる。

このような図６（Ｂ）のフォトリフレクタでは、矢示Ｆの水平方向へ移動する被検出物１２がフォトリフレクタ９の上方の位置に達したときに、フォトリフレクタ９内の発光素子から照射された光がスリット１０を通過して被検出物１２に当たり、その反射光がスリット１０を通過して受光素子で検知されることにより、被検出物１２の存在が検出される。

また、従来において、フォトリフレクタを用いてカメラのレンズの位置を検出するものとして、下記の特許文献３，４があり、これらの文献３，４には、光学系のカムリング等の円筒外周面に、高反射部と遮光部とからなる、反射光量を変化させるパターン（明暗パターン）部材を配置し、フォトリフレクタによって上記パターン部材からの反射光量を検知することにより、光学系（レンズ）の回転位置（ズーム位置）等を検出することが行われている。
特開２００１−１５６３２５号公報 特開２００６−１７３３０６号公報 特開平５−４５１７９号公報 特開２００２−３５７７６２号公報

しかしながら、上記図６（Ａ），（Ｂ）の従来のフォトリフレクタでは、上下方向又は水平方向に移動する被検出物の存在の有無が検出できるのみで、移動する被検出物の移動量や位置までは検出することができない。

一方、上記特許文献３，４に開示されるように、フォトリフレクタを用いて光学系レンズの回転位置を検出するものでは、高反射部と遮光部とからなる高精度の明暗パターン部材を製作し、これを被検出物側に設けることが必要となり、構成が複雑になるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光素子と受光素子を用いた簡単な構成で、明暗パターン部材を被検出物側に設けることもなく、被検出物の移動量や移動位置を良好に検出することができる反射型フォトセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、発光部及び受光部の投受光面が、該投受光面に対し平行に移動する被検出物の移動方向に配置され、上記発光部の出力光に基づく上記被検出物からの反射光を上記受光部で受光する反射型フォトセンサにおいて、上記受光部には、その検知出力が、上記被検出物の移動量に応じて直線的に変化するように、上記発光部から離れる程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記受光部の受光領域は、活性部（活性層等で本来の受光面）を部分的に反射体（アルミニウム膜、金属合金膜、反射テープ等）で覆うことにより形成したことを特徴とする。

本発明の構成によれば、受光部（受光素子）には、発光部（発光素子）から離れるに従って広がる、例えば左端部から右端部へ広がる面積の受光領域が設けられており、発光部及び受光部の上方において被検出物が発光部側（左側）から受光部側（右側）へ移動するとき、被検出物からの反射光が最初は受光領域の小さな面積の左端部に入射するが、移動するに従って、その入射領域が大きな面積の右端部まで徐々に大きくなる。その結果、受光部では、被検出物の移動に対応して直線的に変化する光量が検知され、この検知光量によって被検出物の移動量又は移動位置が検出できることになる。

上記請求項２の構成によれば、受光部上面の受光領域以外の領域に当たる被検出物からの反射光を更に反射させることができ、これによって、被検出物の移動量が大きくなる程、反射又は乱反射による光が受光領域に到達することになり、リニアな特性が得られる範囲が拡大されるという利点がある。

本発明の反射型フォトセンサによれば、受光素子サイズやセンサのパッケージサイズを変えることなく、被検出物の移動量とセンサ出力変化の関係がリニアとなる区間を実用的なレベルまで広げることができ、簡単な構成にて、被検出物の移動位置を良好に検出することが可能になるという効果がある。また、従来のカメラに用いられている光学系レンズの位置検出センサのように、明暗パターン部材を被検出物側に設ける必要もない。
上記請求項２の発明によれば、受光部の活性部を反射体で覆う（例えばアルミニウム膜を形成する）だけで、発光部から離れる程、広がる面積の受光領域を形成することができ、センサの製作が極めて容易になるという利点がある。

図１には、本発明の実施例に係る反射型フォトセンサ（フォトリフレクタ）の構成が示され、図（Ｂ）は図（Ａ）のｂ−ｂ線断面図、図（Ｃ）は図（Ａ）のｃ−ｃ線断面図、図（Ｄ）は受光素子の受光面側の図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、実施例の反射型フォトセンサでは、絶縁基板１６上にボンディングパターン１７ａ〜１７ｄが形成されており、ボンディングパターン１７ａに発光部としての発光素子（例えば発光ダイオード）１８、ボンディングパターン１７ｂに受光部としての受光素子（例えばフォトトランジスタ）２０がダイボンディングされ、これら発光素子１８及び受光素子２０は、ボンディングパターン１７ｃ，１７ｄのそれぞれの位置に金ワイヤ２１で接続される。上記絶縁基板１６の裏面には、上記ボンディングパターン１７ａ〜１７ｄのそれぞれに接続された裏面電極２２ａ〜２２ｄが配置される。

また、上記発光素子１８及び受光素子２０の周囲を囲うように、所定の高さの外周遮光壁２４が形成されると共に、この発光素子１８と受光素子２０との間に、中間遮光壁２５が設けられ、この外周遮光壁２４と中間遮光壁２５とで囲まれる発光素子１８及び受光素子２０の上側空間は、光を透過する樹脂２６で封止される。そして、この発光素子１８と受光素子２０の投受光面は、該投受光面に対し平行に移動する被検出物の移動方向Ｈに沿って配置される。

図１（Ｄ）に示されるように、上記受光素子２０では、発光素子１８から離れる程、被検出物の移動方向Ｈの単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域２０Ｅ_１が設定される。即ち、受光素子２０の活性層（本来の受光面）の上面の左上側を、アルミニウム膜、金属合金膜等からなる遮光反射膜２８で覆う（又は遮光反射テープを貼る）ことにより、本来の受光面（四角形状活性層）がその下辺（Ｘ軸）に沿って徐々に上昇する弧状曲線と右辺（Ｙ軸）に略平行な直線の結合線で仕切られる受光領域２０Ｅ_１が形成される。

実施例の反射型フォトセンサは、以上の構成からなり、この反射型フォトセンサによる光検知作用を図２により説明する。図２（Ａ）は、被検出物３０が移動方向Ｈで左側から右側へ移動する状態を示しており、被検出物３０が位置Ｐ1 に達したとき、発光素子１８から出力された光が被検出物３０で反射され、受光素子２０（受光領域２０Ｅ_１）へ入射し始め、位置Ｐ2 に達するに従って、受光素子２０に対する被検出物３０の反射光の入射が徐々に多くなる。更に、図２（Ｂ）に示されるように、被検出物３０が移動して位置Ｐ3 ，Ｐ4 ，Ｐ5 へと移動するに従って、図２（Ａ）における受光量に加算される形で、受光素子２０への反射光の入射が増加する。なお、発光素子１８から受光素子２０へ直接入射する光は、中間遮光壁２５で遮蔽される。

このような受光素子２０での受光においては、受光領域２０Ｅ_１の面積が発光素子１８から遠ざかる程、即ち右端へ行く程、広くなっていることから、面積が同じ場合に比べると、被検出物３０が右側へ移動する程、受光領域２０Ｅ_１での受光量が増える。即ち、受光領域２０Ｅ_１の広がる面積に応じて受光量が増加する。

更に、図２（Ｃ）のように、被検出物３０は位置Ｐ6 へと移動するが、この際には、矢示Ｌ_１で示されるように、発光素子１８から出力され被検出物３０で反射した光が受光素子２０の遮光反射膜２８で反射され、その後被検出物３０で再度反射した光が受光領域２０Ｅ_１に到達する場合や、矢示Ｌ_２で示されるように、外周壁遮光壁２４の内側等で反射された後、再度被検出物３０で反射した光が受光領域２０Ｅ_１に到達する場合等（即ち被検出物３０が発光素子１８及び受光素子２０を覆う程、乱反射も増加する）によって、遮光反射膜２８で反射された光が受光素子２０で検出されるようになる。

図３には、被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を実施例（Ｃ₁₀₀）と従来例（Ｃ₂₀₀）の相対出力で表したグラフが示されており、従来例では、特性Ｃ₂₀₀に示されるように、リニアな特性が得られる移動範囲がΔＸ1 であったのに対し、本実施例では、特性Ｃ₁₀₀に示されるように、リニアな特性が得られる移動範囲がΔＸ2 と実用的な範囲まで大きく広がっている。なお、このグラフは、図２（Ｄ）に示した形状の受光領域２０Ｅ_１で得られる特性であり、この受光領域の形状を最適なものに設定することにより、リニア特性において更に直線性が高く、移動範囲の広い特性を得ることが可能である。

図４には、実施例において、アルミニウム膜からなる遮光反射膜２８を設けた場合（Ｃ₁₀₁）と遮光反射膜を設けない場合（Ｃ₂₀₁）とで被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を比較したグラフが示されており、特性Ｃ₁₀₁のように遮光反射膜２８がある場合は、特性Ｃ₂₀₁のように反射膜がない場合に比べると、被検出物３０の移動量が増す程、即ち被検出物３０が発光素子１８及び受光素子２０を覆う程、フォトセンサの出力が高くなっている。これは、遮光反射膜２８の存在によって、被検出物３０の移動量が大きくなる程、反射又は乱反射による光が受光領域２０Ｅ_１に到達し、リニアな特性が得られる範囲が拡大されることを意味している。

図５には、実施例の受光素子２０に形成される受光領域の他の例が示されており、図５（Ａ）は、右辺及び下辺の全体に円弧状の線が形状された遮光反射膜３２を設け、弧状線で仕切った受光領域２０Ｅ_２としたものである。また、この受光領域２０Ｅ_２は、鎖線５０のように斜めの線で仕切ってもよい。図５（Ｂ）は、弧状線が形成された上下２つの遮光反射膜３３を設け、本来の活性層の図の上下方向中心部において発光素子１８から離れる程、ラッパ状に広がる面積の受光領域２０Ｅ_３としたものであり、このような受光領域２０Ｅ_２，２０Ｅ_３によっても、光検出においてリニアな特性を得ることが可能となる。

上記実施例では、面実装タイプのフォトリフレクタの構造に適用した例を示したが、この面実装タイプで、外周遮光壁２４がないもの（中間遮光壁２５は必要）や、リードピンタイプ等の他の構造のフォトリフレクタに本発明を適用することができる。
また、実施例では、受光素子２０にフォトトランジスタを使用した例を示したが、受光素子としてフォトダイオードやフォトＩＣを適用してもよい。

本発明の実施例に係る反射型フォトセンサの構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のｂ−ｂ線断面図、図（Ｃ）は図（Ａ）のｃ−ｃ線断面図、図（Ｄ）は受光素子の受光面側の図である。 実施例の反射型フォトセンサにより被検出物の移動量等を検出する際の光検知作用を説明するための図である。 実施例における被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を、実施例（Ｃ₁₀₀）と従来例（Ｃ₂₀₀）の相対出力で表したグラフ図である。 実施例において、遮光反射膜を設けた場合（Ｃ₁₀₁）と遮光反射膜を設けない場合（Ｃ₂₀₁）とで、被検出物の移動量に対するフォトセンサの出力を比較したグラフ図である。 実施例の受光素子における受光領域の他の例を示す上面図である。 従来のフォトリフレクタの２つの構成例を示す図である。

符号の説明

１，１６…絶縁基板、 ４，１８…発光素子、
５，２０…受光素子、 ６，１２，３０…被検出物、
１７ａ〜１７ｄ…ボンディングパターン、
２０Ｅ_１〜２０Ｅ_３ …受光領域、
２４…外周遮光壁、 ２５…中間遮光壁、
２８，３２，３３…遮光反射膜。

Claims (2)

1. 発光部及び受光部の投受光面が、該投受光面に対し平行に移動する被検出物の移動方向に配置され、上記発光部の出力光に基づく上記被検出物からの反射光を上記受光部で受光する反射型フォトセンサにおいて、
   上記受光部には、その検知出力が、上記被検出物の移動量に応じて直線的に変化するように、上記発光部から離れる程、単位長さ当たりの面積が広くなる受光領域を設けたことを特徴とする反射型フォトセンサ。
2. 上記受光部の受光領域は、活性部を部分的に反射体で覆うことにより形成したことを特徴とする請求項１記載の反射型フォトセンサ。

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