JP2004061482A - 反射型光センサー - Google Patents

Abstract

【課題】物質の変位及び色調や濃淡などの特性を検出、測定する光センサーであって、小型化、精度の向上を図るために受発光一体の反射型の光センサーとする。
【解決手段】受光素子の受光面中央に貫通穴を設け、この穴に導光体又は遮光筒を通す構造とし、発光素子からの光を点光源で測定対象物に当て、反射光を受光素子面で受けられるように照射光と受光素子の光軸を一致させる反射型の光センサーである。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は例えば毛細血管での血流の動きや色の変化等を検知するような物質の変位及び色調、濃淡などの物性を検出・測定するための受発光一体の反射型光センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来反射光を利用した物体の検出や測定には図１及び図２に示してあるように各々キャンパッケージ又は樹脂モールドされた発光ダイオード等の発光素子とフォトダイオード又はフォトトランジスタ等の受光素子を一つのハウジング内に組込み、発光素子からの光を測定物に放射し、その反射光を受光素子で受けることによって物体の変位（物体の有無や位置）や特性を検出する機能をもったフォトインタラプタと称する反射型光センサーが知られている。
【０００３】
また図３に示すように各々キャンパッケージ又は樹脂モールドされた発光ダイオード等の発光素子とフォトダイオード又はフォトトランジスタ等の受光素子を一つのハウジング内に組込み、発光素子からの光を測定物に放射し、その反射光を受光素子で受けることによって物体の色調・濃淡などの特性を検出する機能をもった反射型の光センサーも公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この図１、図２で示されているフォトインタラプタと呼ばれている反射型光センサーにおいては、
▲１▼センサーと測定物との距離がセンサーの焦点距離から外れると受光素子の受光面に到達する反射光が減少し受光効率が低下する。これによって測定精度が低下もしくは測定不能となる。
▲２▼発光素子と受光素子の配置の制約（所定の位置と角度など）から発光光量の一部しか利用されないため発光素子に供給するエネルギーに対して受光光量の効率が悪くなる。
▲２▼発光素子と受光素子を並べて配置するために機器の小型化が困難である。
という欠点が生じる。
【０００５】
さらに図３に示されている機構においては、発光素子と受光素子の受光面が離れているためにセンサーの焦点距離を長くする必要がある。これにより受光効率が低下し、受光感度の低下をきたし、また測定物との距離が長いため、この区間内での外乱光の影響を受け易く、ノイズ信号の発生を招き測定精度を悪化させる原因を生じる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者はこの点に鑑み開発されたものであって、反射型センサーにおいて、上記の不具合を無くし、検出感度・検出精度の向上を図るために、受光素子の受光面の中央に貫通穴を設け、発光素子からの光が測定物に対して放射されるときの光軸と受光素子の受光面の中心を合せて同軸となるようにしたもので、これにより発光素子から放射され測定物から反射された光を受光素子が広範囲に効率よく受けることができるようにしたものである。
【０００７】
そして本発明においては、導光体または遮光壁を受光素子の穴内に配置することにより受光素子への直接光の洩れをなくして測定物からの反射光のみが受光できるような構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
添付図面により本発明の実施の形態を説明すると、図４は本発明の反射型光センサーの基本的構成図であって、反射型光センサーにおいて検出感度および検出精度の向上を図るために、受光素子（２）の受光面中央に貫通穴Ａを設け、発光素子（１）からの光（図中実線で表わす）が測定物Ｂに対して放射されるときの光軸と受光素子の受光面の中心を合せた同軸とした。これによって発光素子から放射され測定物から反射された光を受光素子が広範囲に効率よく受けるようにしたものである。
【０００９】
この受光素子（２）の穴あけは受光素子の製造プロセス途中でエッチングで設けるか、又は後工程としてレーザー加工などによって設けることができる。この受光素子に設ける穴Ａは測定対象物の形状を考慮して丸穴、長穴、角穴など任意の形状に変えることとする。またこの穴Ａの位置は、発光光が測定対象物に当り、その拡散反射光を導光体の全周近部で受光することが最も効率が良いので受光素子の中心に設けることが基本となる。しかし、複数個設ける場合などは測定対象物に合わせて設けることもあり得るので任意の場所であってもよい。
【００１０】
導光体（５）は発光素子（１）からの発光光を集光・集束させて測定対象物Ｂに光を効率よく当てる役割と受光素子への干渉（光の廻り込み）を防止する役割を担うものであって、この導光体（５）はアクリル樹脂や光学ガラスなどの素材で受光素子に設けた穴Ａの形状と光源などに合せ、かつ集光・集束を考慮して形状を決定する。また受光素子への洩れ（光の廻り込み）を防止する役割を担う。
【００１１】
遮光壁としてステンレスなどの金属薄板を任意の形状に加工した筒状のものを用いてもよい。この場合金属薄板加工品を受光素子の穴内に取付け後樹脂封止を行い、遮光壁内を透明樹脂で充填する必要がある。受光素子の外側に設ける封止枠（３）は外乱光の侵入を防止するために遮光材で形成する。また、付加機能として樹脂封止面の帯電防止のために導電材料で形成してもよい。
【００１２】
【実施例】
本発明の実施例を図４〜図７により説明する。図４は本発明の発光と受光を同軸としたことを特徴とした受発光一体の反射型光センサーの発光光と反射光の光跡を模式的に示した図であって、測定物Ｂとセンサーとの距離に関わらず、発光素子（１）から放射された光が測定物Ｂの面で反射され受光素子（２）の面に広範囲に効率よく入射する。また測定物Ｂとの距離を小さくできるので外部からの光によるノイズを受けないで済むという利点がある。
【００１３】
図５は請求項１に記載の実施例であって、受光素子（２）の受光面の中心に丸穴Ａを設け、この穴Ａの中に導光体（５）を通し受光素子面の中心から発光する形態を示している。発光素子（１）は赤外などの発光ダイオードをアクリル樹脂などの導光体でモールドした物を用いているが測定物（図示していない）の特性に合わせて選択した光源とする。また受光素子（２）は測定の目的に合わせた受光面積のフォトダイオードをプリント基板（４）上にワイヤーボンディングしているが、それ以外にフォトトランジスタやｃｄｓ（光導電素子）等適当な受光素子であってもよい。受光素子（２）の受光面中心に丸穴Ａを設け、この穴Ａの中に導光体（５）を通し受光素子面の中心から発光する形態としたため外形を最小にすることができ、このため例えば耳の穴内で脈波の測定や又は精密機械装置の深部での測定が可能となる。
【００１４】
図６は請求項２に記載の実施例であって、受光素子（２）の受光面中央に発光素子（１）を実装するための穴Ａを設け、さらに遮光壁（６）を配して発光素子（１）からの光が遮光壁（６）を通して放射されるときの光軸と受光素子（２）の受光面の中心に合わせて同軸としたことを特徴とした受発光一体の反射型光センサーの形態を示す。
【００１５】
小型化・薄型化とするため発光素子（１）及び受光素子（２）ともプリント基板（３）上にワイヤーボンディングしているが勿論それ以外の実装方法であっても構わない。この図示の実施例では発光素子（１）及び受光素子（２）を実装したプリント基板（３）の反対面に受光素子からの信号を増幅・ノイズカット・アナログ／デジタル変換などの信号処理を行うための回路を実装している。このように受光素子（２）の裏面に信号処理回路を実装することで信号ラインの距離を最短としてノイズの侵入を抑制することができる。
【００１６】
図７は請求項３に記載の実施例図であって、受光素子（２）と同一の基板上に受光素子（２）からの信号を増幅・ノイズカット・アナログ／デジタル変換などの信号処理を行うための回路を配したことを特徴とした受発光一体の反射型光センサーの形態を示すものである。
【００１７】
受光素子（２）からの信号を最短の配線距離でアナログ／デジタル変換まで行うことができるのでノイズの侵入を防止でき、さらに小型化・薄型化も期待でき、また封止枠に導電性材料を用い、これをアース電位に接続することによりセンサー部の電気的シールド効果も高め静電気及び誘導ノイズの低減を図ることもできる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、上述のように発光と受光を同軸上に配することによって、測定物との距離の変動があっても受光効率への影響が少ない。また測定物面から反射された光を受光素子全面で受光できるので受光効率が高く測定精度の向上が図れる。またセンサーを小型化・薄型化できるので狭い空間での測定・検出が可能で、特にデジタル信号線で延長して機械・装置の深部や、人体内での測定・検出が容易にできる。そして受光素子の近傍に信号処理を行うための回路を配置することで受光素子からの信号を最短の配線距離でアナログ／デジタル変換を行うことができるのでノイズの侵入を防止でき、測定精度の向上が図れるという優れた作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型光センサーの構成図
【図２】従来の別の反射型光センサーの構成図
【図３】測定物の色調や濃淡などの検出に用いられる従来の反射型光センサーの構成図
【図４】本発明の受発光一体の反射型光センサーの構成図
【図５】請求項１の実施例図で（イ）図は側面図、（ロ）図は正面図
【図６】請求項２の実施例図で、（イ）図は側面図、（ロ）は正面図
【図７】請求項３の実施例図で、（イ）図は側面図、（ロ）は正面図
【符号の説明】
（１）…発光素子
（２）…受光素子
（３）…封止枠
（４）…基板
（５）…導光体
（６）…遮光体
（７）…信号処理回路
（８）…電線
（９）…透明封止体
Ａ…穴
Ｂ…測定物

Claims (3)

1. 基部中央に発光素子を設け、受光素子の受光面中央に前記発光素子に対応する貫通穴を設け、この穴に導光体又は遮光筒を挿通し、前記発光素子からの光を点光源状に測定対象物に当て、その反射光を受光素子面で受けるように照射光と受光素子の光軸を一致させることを特徴とした受発光一体の反射型光センサー。
2. 受光素子の受光面中央に発光素子を実装する穴を設け、該穴に遮光筒を立設して発光素子を用い、発光素子からの光を点光源状に測定対象物に当て、反射光を受光素子面で受けられるように照射光と受光素子の光軸を一致させることを特徴とした受発光一体の反射型光センサー。
3. 受光素子を実装した基板の裏面又は、該受光素子の下部あるいは上部の近傍に受光素子からの信号処理回路を設けたことを特徴とした請求項１又は２に記載の受発光一体の反射型光センサー。

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