(57)【要約】【課題】従来の光センサよりも大幅にコンパクト化でき、ノイズに強く確実な検出が可能であり、使用環境に制約がほとんどない光センサを提供する。【解決手段】２個の発光色の異なる発光チップ２ａ、２ｂあるいは３個の発光色が赤２ｒ、青２ｂ、緑２ｇの発光チップを１個の発光ダイオード内に組込まれた多チップ発光ダイオードであって、一の発光チップを受光素子として用い、他の発光チップを光源として用いる。光源用発光チップが放射した光を受光用発光チップが受光すると、発光ダイオードの入力端子間に起電力が生じるので、受光の有無により被検出物の存否を検知することができる。光源用に緑色の発光チップを用い、受光用に赤色の発光チップを用いると最も光起電力が高い。物体検出や液面検出に汎用的に使える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の発光チップが１個の発光ダイオード内に組込まれた多チップ発光ダイオードであって、
一の発光チップを受光素子として用い、
他の発光チップを光源として用いる
ことを特徴とする光センサ。
【請求項２】
２個の発光色の異なる発光チップで１個の発光ダイオードを構成している
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ。
【請求項３】
赤色または橙色の発光チップ、青色の発光チップおよび緑色の発光チップからなる３色の発光チップで１個の発光ダイオードを構成している
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ。
【請求項４】
光源用に短波長側の発光チップを用い、受光用に長波長側の発光チップを用いた
ことを特徴とする請求項２または３記載の光センサ。
【請求項５】
光源用に緑色の発光チップを用い、受光用に赤色の発光チップを用いた
ことを特徴とする請求項４記載の光センサ。
【請求項６】
光源用発光チップに所定の周波数の交流電流を重畳させるか断続的に印加し、受光用発光チップの出力回路において同一周波数の交流信号を検出する信号選択識別回路を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ。
【請求項７】
受光用発光チップが光源用発光チップの放射光を受光したか、または受光量が増加したことによって、被検出物を検知する
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ。
【請求項８】
受光用発光チップが光源用発光チップの放射光を受光しなくなったか、または受光量が減少したことによって、被検出物を検知する
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサに関する。さらに詳しくは、物体検出や液面検出、パターン読出しなどに利用できる光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサの使用例の一例として液面レベル検出があるが、こうした液面レベルのモニタリングや制御は、工業分野とくに化学製品製造プロセスや石油精製プラントなどにおいてきわめて重要な基本技術である。
液面検出に用いられている方法としては、古典的な（１）フロート（浮子）法以外に、（２）光学的手法、（３）液体の導電性を利用する方法、（４）インダクタンスや容量の変化を調べる電磁気的手法、（５）超音波法、（６）圧力検出式などがある。
このうち前記（３）はイオン溶液のような導電性の液体には適用可能であるが、非電解質溶液（油、アルコールなど）には使えない。また、イオン性溶液に通電すると電気分解が起き、ガスの発生や化学反応物質の生成、電極部の腐食などが起きる。前記（４）の方法では高い検出精度や分解能を得るのは難しく、前記（５）は汎用性や小型化の点で問題がある。前記（６）の圧力検出式は堅固な構造を有するが形状が大きく重いなどの問題がある。そして、前記（２）の光学的手法では、光源としてレーザ、受光素子にフォトダイオードやフォトトランジスタなどを用いるため高い精度を得ることは可能であるが、次のような問題がある。
【０００３】
１）まず、光を照射する発光素子の外に照射光を受光する受光素子を必要とするため、コンパクト化に制限がある（非特許文献１，２，３）。
たとえば、図１２の（Ａ）図に示すように、直接受光方式では被検出物体Ｓを挟んで両側に光源Ｌｓと受光素子Ｌａを配置する必要が生ずる。同（Ｂ）図に示すように、光反射方式では、被検出物体Ｓの片面側に斜めに配置した光源Ｌｓと受光素子Ｌａとを要する。同（Ｃ）図に示す光ファイバ方式では、光源Ｌｓおよび受光素子Ｌａと被検出物体Ｓの間を光ファイバｆで接続するが、光源Ｌｓと受光素子Ｌａの２部材を要することに変わりはない。同（Ｄ）図に示すように、ペン型バーコードリーダは、ＬＥＤ光源Ｌｓと受光素子Ｌａをペン型ホルダーｈ内にタンデムに配置している。
これらの構成から明らかなように、いずれの検出方式でも、光源Ｌｓと受光素子Ｌａからなる２部材を必須とするし、被検出物体Ｓの両側に配置空間を要したり、片側であっても斜めに配置するなど、やはり占有スペースを大きくとる。また、ペン型ケースも２部材を収納するので長さが長くなる。要するに、その構成は、コンパクト化に限度が存する。
２）また、従来技術で受光素子として多用されているシリコン−フォトダイオード（以下Ｓｉ−ＰＤという）は、波長0.30μｍの近紫外から１μｍ前後の近赤外まで広い受光帯域を持っているが、これは反面では不要な光信号やノイズを拾い易いという短所となる。換言すれば、検知動作が不正確になりやすい。
３）さらに、レーザ光源を用いる場合は、その寿命に限度があり、かつクリーンな環境が要求されるので、使用上の制限が多く、汎用的に使用しにくいという問題がある。
【０００４】
【非特許文献１】「機械技術者のためのセンサ技術入門」103頁  佐野清人著  昭和５９年５月１５日初版発行  日刊工業新聞社発行
【非特許文献２】「やさしいセンサ技術」３８頁  自動化技術編集部編  １９８８年８月１日８版発行  株式会社工業調査会発行
【非特許文献３】「図解メカトロニクス入門シリーズ  センサ入門」150〜151頁  雨宮好文著  昭和５８年９月３０日第１版発行  株式会社オーム社発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑み、従来の光センサよりも大幅にコンパクト化でき、ノイズに強く確実な検出が可能であり、使用環境に制約がほとんどない光センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明の光センサは、２以上の発光チップが１個の発光ダイオード内に組込まれた多チップ発光ダイオードであって、一の発光チップを受光素子として用い、他の発光チップを光源として用いることを特徴とする。
第２発明の光センサは、第１発明において、２個の発光色の異なる発光チップで１個の発光ダイオードを構成していることを特徴とする。
第３発明の光センサは、第１発明において、３個の発光色が赤、青、緑の発光チップで１個の発光ダイオードを構成していることを特徴とする。
第４発明の光センサは、第２または第３発明において、光源用に短波長側の発光チップを用い、受光用に長波長側の発光チップを用いたことを特徴とする。
第５発明の光センサは、第４発明において、光源用に緑色の発光チップを用い、受光用に赤色の発光チップを用いたことを特徴とする。
第６発明の光センサは、第１発明において、光源用発光チップに所定の周波数の交流電流を重畳させるか断続的に印加し、受光用発光チップの出力回路において同一周波数の交流信号を検出する信号選択識別回路を設けたことを特徴とする。
第７発明の光センサは、第１発明において、受光用発光チップが光源用発光チップの放射光を受光したか、または受光量が増加したことによって、被検出物を検知することを特徴とする。
第８発明の光センサは、第１発明において、受光用発光チップが光源用発光チップの放射光を受光しなくなったか、または受光量が減少したことによって、被検出物を検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１発明によれば、光源としての発光チップが放射した光を受光素子としての発光チップが受光すると、発光ダイオードの入力端子間に起電力が生じるので、受光の有無により被検出物の存否を検知することができる。そして、発光ダイオードの受光帯域（受光の波長帯域）は狭いので、ノイズ光やバックグラウンド光の影響を抑えて正確な検知動作ができる。また、１個の発光ダイオードで発光と受光ができるので、センサの構成を大幅にコンパクト化でき、配置スペースも最小化できる。
第２発明によれば、２個の発光チップのうち、１個を光源として、他の１個を受光素子として使用でき、必要最小限の部材によって最もコンパクトな光センサを構成できる。
第３発明によれば、任意の２個の発光チップを組合わせて単光色以外の多光色も発光させうるので、被検出対象の色との適性などに合わせて検出しやすい色を発光させて検出精度を高めることができる。
第４発明によれば、発光色の異なる発光チップを２個用いる場合、長波長発光チップの光を受けても短波長発光チップには光起電力が生じないが、短波長の発光チップの光を受けると長波長発光チップに光起電力が生じるので、光センサとして使用可能となる。
第５発明によれば、緑色発光チップのピーク発光波長は赤色受光スペクトルに最も近いので、赤色発光チップでの受光の有無を判別しやすく、しかも赤色発光チップは三色の発光チップのうち最も受光域が広く光起電力が大きいので、確実に検出結果を出力できる。
第６発明によれば、受光用発光チップの発する電気信号が、所定周波数の交流電流に乗った形で現れるので、バックグラウンド光などと明瞭に識別でき、ノイズの影響を極小にできる。
第７発明によれば、受光用チップが受光したか、受光量が増加すると光起電力が発生したり増加するので、そのことにより検知動作を認識することができる。
第８発明によれば、受光用チップが受光していないか、受光量が減少すると光起電力が消失したり減少するので、そのことにより検知動作を認識することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
((本発明の技術原理))
まず、本発明の技術原理を図面に基づき説明する。
図９は本発明の光センサの技術原理説明図である。図１０は光起電力の特性説明図である。図１１の（Ａ）図は赤色ＬＥＤの発光スペクトルと受光分光特性を示すグラフ、同（Ｂ）図はＬＥＤとＳｉ−ＰＤの受光帯域を比較したグラフである。
【０００９】
（技術原理）
本発明の光センサの技術原理は、１個の発光ダイオード内の光源用発光チップが放射した光を受光用発光チップが受光すると、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと表示することがある）の入力端子間に起電力が生じるので、受光の有無あるいは受光量の増減により被検出物の存否を検知することができる、というものである。
上記のＬＥＤの光起電力効果については今なおほとんど知られておらず、光電子工学の専門家でさえもＬＥＤに受光効果があることを知っている人は稀である。光半導体工学や光エレクトロニクス素子に関する高度な専門書を見てもＬＥＤの発光原理や理論に関しては記述されているが、受光効果についてはその存在すらも記されていない。
しかしながら、本発明者は、赤色ＬＥＤ、例えばGaAlAs系の赤色超高輝度ＬＥＤは、Ｓｉ−ＰＤに匹敵するほどの大きな受光能力（光起電力効果）を有することを発見し、この事実をもとに本発明を完成するに至ったものである。
【００１０】
（ＬＥＤの光起電力）
図９（Ａ）に示すように、ＬＥＤ１０は発光チップ１１に陽極１２と陰極１３を接続し、発光チップ１１の周囲をエポキシ樹脂あるいはガラス製のレンズ１４で囲った電子部品である。このＬＥＤ１０は、定格２０ｍＡ程度の入力電流に対して単色光を放射する半導体素子であるが、これとは逆に同図（Ｂ）のようにＬＥＤ１０に光を入射するとアノード（陽極）側が＋、カソード（陰極）側が−となる光起電力Ｖｐが発生する（光起電力効果）。このときＬＥＤ１０の２端子を短絡すると光電流Ｉｐが流れる。本発明は、この光起電力、光電流を物体検知に利用するものである。
これまでの実験ではGaAlAs系化合物半導体から作られた高輝度赤色ＬＥＤがこの効果が最も大きいが、最近の赤色ＬＥＤの主流となっているInGaAlP系の高輝度赤色ＬＥＤも顕著な光起電力効果を示す。またＬＥＤの陽極と陰極を電気的に接続するとその回路には光電流（正式には短絡光電流）Ｉｐが流れる。高輝度赤色ＬＥＤに太陽光を直接照射させるとＶｐ＝1.5〜1.6Ｖというマンガン乾電池と同等の電圧が発生し、光電流Ｉｐも１〜２ｍＡと意外に大きいものである。
Ｓｉ−ＰＤの場合、直射太陽光でも0.5Ｖの光起電力なので、赤色ＬＥＤではその３倍もの電圧が得られる。一方、光電流についてはＳｉ−ＰＤ（レンズ直径は同じ）の方が３倍ないしはそれ以上の光電流が発生する。光起電力は赤外ＬＥＤ、紫外ＬＥＤを含め全ての発光色のＬＥＤで見られるが、高輝度とくに光度１ｃｄ（カンデラ）以上の超高輝度赤色ＬＥＤは光起電力、光電流ともに大きく、光発電力が最も大きい。なお、赤色から橙色、黄色、緑色、青色とＬＥＤが短波長のものになると光電流が著しく減少するが、光起電力は1.5〜1.2Ｖ程度でさほど小さくはならない。
【００１１】
（光起電力の特性）
図１０の（Ａ）図に示すように、同型の高輝度赤色ＬＥＤ１，２（直径５ｍｍあるいは１０ｍｍ）の光軸を合わせてレンズ間距離約２ｃｍで対向させ、片方のＬＥＤ１に定格電流２０ｍＡを流すと、他方のＬＥＤ２には1.45〜1.47Ｖ≒1.5Ｖの光起電力が発生する。このとき受光ＬＥＤの２端子を接続すると４０〜７０μＡ程度（ＬＥＤの型や光軸のわずかな違いで値は異なる）の光電流が流れる。光源側に流す電流を０ｍＡから２０ｍＡまで増加させて受光ＬＥＤへの入射光を増加していった場合のグラフが図１０の（Ｂ）図である。
同（Ｂ）図から分かるように、受光ＬＥＤの光電流Ｉｐは広い入射光量範囲で入射光と比例する。これに対し光起電力Ｖｐは弱い入射光で立ち上りすぐに飽和してしまう。これらの特性はＬＥＤに特有のものではなく、Ｓｉ−ＰＤについても定性的には全く同様である。
【００１２】
（本発明の構成）
本発明の光センサを構成するＬＥＤは、２個以上の発光チップを１個のＬＥＤに組込んだ多チップＬＥＤであり、２チップタイプや３チップタイプが含まれる。
多チップのうち、少なくとも一の発光チップが受光素子として用いられ、他の一又は二以上の発光チップが光源として用いられる。
受光素子として用いる発光チップも、光源として用いる発光チップも、可視光以外の発光チップ（白色発光チップ）をも含め広く種々の発光チップを用いることができるが、受光素子として望ましいのは光起電力が大きいことであり、この観点からは、GaAlAs系材料ならびにInGaAlP系材料を素材とする光度１ｃｄ以上の赤色超高輝度ＬＥＤが最も好適である。この赤色高輝度ＬＥＤは、それ自体の放射する光と同じ波長（630〜660ｎｍ）の光に対して光起電力Ｖｐが1.45Ｖ以上、短絡光電流Ｉｐは数十μＡと、非常に顕著な光起電力効果がある。
図１１の（Ａ）に示すように、この赤色高輝度ＬＥＤの放射光は純色に近く、その中心波長は660ｎｍであり、一方、受光においては630ｎｍ付近にピークのある500〜680ｎｍの狭くかつ急峻な受光帯域をもっている。同図（Ａ）において、発光と受光の二つの特性曲線は互いに交わっており、このため、このＬＥＤはそれ自体が発する光を受信できるのである。なお、ＬＥＤによる受光は、そのＬＥＤが消灯状態にあるときのみ可能で、点灯している場合は不可能である。
【００１３】
発光色の異なる２個の発光チップのうち、どれを光源とし、どれを受光素子とするかは、各発光チップの発光スペクトルと受光分光感度特性で決まる。ある発光チップで受光できる光波長は、その発光チップの放射ピーク波長よりも短い波長域であり、一般に発光ピーク波長より３０ｎｍ〜５０ｎｍ短波長側に受光のピークがある。また、最大ピーク波長よりも短い波長の光に対しては受光感度が減少する。例えば、発光のピーク波長が660ｎｍの赤色発光チップの場合、受光のピーク波長は630ｎｍ付近にあり、680ｎｍ暗赤色以上の光および500ｎｍ（青緑色）以下の光は受光しない。
したがって、発光色の異なる、つまり発光波長が違った発光チップを２つ対向させた場合、短波長の発光チップの点灯により長波長発光チップに光起電力効果は生じるが、長波長発光チップを点灯しても短波長発光チップには光起電力は起きない。こうした現象も光半導体工学・物理では知られていないが、本発明者は「ＬＥＤの片想い効果」と名づけている。この効果は本発明を理解したり実施する際きわめて重要な要素である。
【００１４】
後に実施形態に基づき実証データを示すが、例えば、赤色発光チップの光起電力はかなり弱い光でも1.3Ｖ以上となる。そのため赤色発光チップが２個入ったＬＥＤにおいて片方を点灯させた場合や、緑色発光チップと赤色発光チップが１個ずつ入ったＬＥＤにおいて緑色発光チップを点灯した場合には、光源発光チップからの光の一部がレンズ内面で反射してもう一つの発光チップに入射し、それに1.3Ｖ前後の光起電力を生ぜしめる。
また、赤色発光チップが２個入ったＬＥＤでは２つの発光チップ間での相互光起電力効果は可逆的である。
しかしながら、緑色発光チップと赤色発光チップが入った２チップＬＥＤの場合、赤色発光チップを点灯したときには緑色発光チップの光起電力効果はほとんど起きず、光起電力は100ｍＶ以下で光電流はほとんどゼロ（１μＡ以下）である。
【００１５】
上記のように、ＬＥＤの片想い効果を考慮すると、発光波長（ピーク波長をいう）がλ１である発光チップを受光素子とする際、光源としては同色の発光チップを用いるか、もしくは発光波長λ２がλ１よりも短い発光チップを使わなくてはならない。但し、短波長発光チップ光を長波長発光チップで受光できるとはいっても、受光側発光チップの分光受光感度の帯域よりも短波長側の発光チップ光は受光できない。例えば赤色発光チップで紫外発光チップの光を受けることはできない。青色発光チップの光により赤色発光チップに生じる光起電力効果はかなり小さい。
最適な発光チップの組合わせは次のとおりと考えられる。
・赤外発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには赤外または赤色発光チップ
・赤色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには赤色または橙色発光チップ
・橙色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには橙色または黄色発光チップ
・黄色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには黄色または緑色発光チップ
・緑色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには緑色または青緑色発光チップ
・青緑色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには青緑色または青色発光チップ
・青色発光チップを受光素子とする場合は光源発光チップには青色または紫色発光チップ
【００１６】
（光センサとしての特徴）
一般にＬＥＤの光起電力効果は、Ｓｉ−ＰＤのそれに比べるとＶｐはともかくＩｐが非常に小さいため、これまで積極的な利用はなされなかったのであるが、予想に反して光センシングにおいて、Ｓｉ−ＰＤの代わりに超高輝度ＬＥＤを光源兼受光素子として用いることができたのであり、これを原理とする本発明は次のような長所がある。
１）一般に、図１１の（Ｂ）に示すように、Ｓｉ−ＰＤは波長900ｎｍから1000ｎｍ（＝１μｍ）を受光ピークとし300ｎｍの短波長側に向かって次第に感度（光電流）が減少するという特性を有するが、250〜1000ｎｍの近紫外線領域から近赤外線領域までの広い波長域に光感度をもっている。このため、他の光信号を拾ったり光ノイズや環境光変化の影響を受けやすいという短所でもある。これに対し、本発明が用いるＬＥＤの受光特性はそれ自体の発光中心波長から３０〜５０ｎｍに受光のピークをもち、100〜200ｎｍの狭い帯域幅を持つ。このため、ＬＥＤ受光センサにはＳｉ−ＰＤに比べると光混信や光ノイズの影響ははるかに小さいという長所がある。つまり、ノイズに左右されない確実な検出ができるのである。
２）また、本発明は、２以上の発光チップを１個の発光ダイオードに組込まれたＬＥＤを用いるので、センシングシステムが非常にコンパクトになるという実益がある。
【００１７】
((本発明の実施形態))
つぎに、本発明の各実施形態を説明する。
図１は２チップタイプＬＥＤ光センサの説明図である。図２は３チップタイプＬＥＤ光センサの説明図である。図３の（Ａ）図は赤色発光チップの波長スペクトルを示すグラフ、同（Ｂ）図は青色発光チップの波長スペクトルを示すグラフ、同（Ｃ）図は緑色発光チップの波長スペクトルを示すグラフである。図４は信号選択識別回路の回路図である。
【００１８】
（第１実施形態：２チップＬＥＤ光センサ）
本発明の光センサに用いるＬＥＤとしては、図１に示す２チップタイプがある。この２チップＬＥＤ１は、１個のＬＥＤ１の中に２個の発光チップ２ａ，２ｂを有するものである。すなわち、発光チップ２ａ，２ｂを光放射角を適切に絞り込むためのエポキシ樹脂やガラス製のレンズ３中に２個並べており、３本の端子４〜６を有している。この３端子のうち、共通端子４ともう一つの端子５（または６）間に通電することができ、一つの発光チップ（図示の場合は、２ａ）のみを点灯することができる。そして、このＬＥＤ１中の他の発光チップ２ｂを受光素子とすれば、一つのＬＥＤで光検出器を構成することができる。
【００１９】
本実施形態の一例である２チップ赤色ＬＥＤ（東芝ＴＬＲＡ１７９、直径５ｍｍ、長さ８ｍｍ、材料はGaAlAs）のレンズ内光反射によるチップ相互光起電力効果を、以下に示す。
内部構造は図１（Ａ）のとおりであり、内部回路は図１（Ｃ）のように赤色ＬＥＤチップが２個直列に接続されており、その接続点から共通の端子２が出ている。
まずスペクトルメータで発光スペクトルを調べたところ、赤色ＬＥＤのチップ１とチップ２のピーク発光波長は、それぞれ663ｎｍ、664ｎｍであった。誤差±１ｎｍを考慮するとスペクトルはまったく同じといえる（メーカーによる公称発光波長は660ｎｍ）。各発光チップの定格電流は２０ｍＡであるが、光起電力が非常に弱い光で飽和領域に入ること、および実際の利用では低電力消費が望ましいことを考慮し、光源とする発光チップの入力電流は定格の半分の１０ｍＡ（入力電圧は1.71Ｖ）として測定を行った（室温２５℃）。その結果が表１である。
【表１】
2006093450.tif 000003
表１から明らかように、２つの赤色発光チップ間のレンズ内相互光起電力効果は可逆的である。光源発光チップからの放射光の内部反射によりすでに1.3Ｖもの光起電力が受光発光チップの端子間に生じる。
なお、発光チップの色の組合せ例は、段落００１４に記載のとおりであるあるが、後述するごとく赤色発光チップがとくに受光効果が大きいのと、赤色発光チップの受光スペクトルのピーク波長に近い発光スペクトルを持つ発光チップは緑色発光チップなので、赤色発光チップを受光用にし緑色発光チップを光源用にするのが好適である。
【００２０】
図１（Ｂ）に示すように、光センサでは、光源用発光チップ２ａから出た光のほとんどはレンズ外に放射され、一部の光はレンズ内面で反射されるが、これにより１Ｖ前後の光起電力が発光チップ２ｂに発生する。これに対し、同図（Ａ）に示すように、被検出物体Ｓが近づくと、その表面で反射した光が受光用発光チップ２ｂに入射する。このため発光チップ２ｂの光起電力は数１０ｍＶ程度増加する。この起電力の増加を増幅検知することにより、物体の接近あるいは接触を検知することができる。
【００２１】
（第２実施形態：３チップＬＥＤ光センサ）
本発明が用いるＬＥＤとしては、図２に示す３チップタイプも用いることができる。この３チップＬＥＤ１には赤色発光チップ２ｒ、緑色発光チップ２ｇ、青色発光チップ２ｂの３つの発光チップが１個のＬＥＤの中に組込まれたものである。
【００２２】
本実施形態の一例であるＲＧＢ３チップＬＥＤ（日亜化学ＮＳＴＭ５１５、直径５ｍｍ、長さ８ｍｍ、材料は赤色チップはInGaAlP系、緑色と青色ＬＥＤはInGaN系材料）のレンズ内光反射によるチップ間相互光起電力効果を、以下に示す。
ＲＧＢ３チップＬＥＤの構造は図２（Ａ）のとおりである。まず各チップとも電流１０ｍＡ(定格は２０ｍＡ)を流した状態で発光スペクトルを調べた。なお入力電圧は、赤色発光チップが1.86Ｖ、緑色発光チップが3.38Ｖ、青色発光チップが3.14Ｖであった。その結果、各チップのピーク発光波長は、それぞれ635ｎｍ（赤）、526ｎｍ（緑）、460ｎｍ（青）であった。
次にレンズ内光反射によるチップ間相互光起電力効果を調べた。その結果を表２に示す（入力電流は各チップとも１０ｍＡ）。
【表２】
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表２において、赤色発光チップを光源とした場合、「片想い効果」のため緑色発光チップおよび青色発光チップには光起電力効果が起きないことが分かる。また緑色発光チップを光源とした場合も片想い効果のため青色発光チップには光起電力効果は起きない。光起電力効果が顕著なのは緑色発光チップを光源とした場合で、光起電力は1.43Ｖと大きい。一方、光電流は0.67μＡと小さい。
興味深いのは、青色発光チップを光源とした場合、赤色発光チップも緑色発光チップも光起電力は同じ0.45Ｖであり、光電流もほとんど同じである。この事実は赤色発光チップ、緑色発光チップとも受光センサとして使用できるということである。
しかしながら、表２から３色発光チップで光センシングを行うには、光源に緑色発光チップ、受光に赤色発光チップを用いるのが最適であることが分かる。
【００２３】
図２（Ｂ）に示すように、光センサでは、光源用発光チップ２ｇから出た光のほとんどはレンズ外に放射され、一部の光はレンズ内面で反射されるが、これにより1.4Ｖ前後の光起電力が発光チップ２ｒに発生する。これに対し、同図（Ａ）に示すように、被検出物体Ｓが近づくと、その表面で反射した光が受光用発光チップ２ｒに入射する。このため発光チップ２ｒの光起電力は数１０ｍＶ程度増加する。この起電力の増加を増幅検知することにより、物体の接近あるいは接触を検知することができる。
【００２４】
３つの発光チップのうち、いずれを光源にして、いずれを受光素子にするのも任意である。受光素子は一つの発光チップを用いてもよく、二以上を組合わせてもよい。二つの発光チップを組合わせた場合は、光起電力の違いから対象物の有無のみならず、色を見分けることも可能である。光源として使う発光チップは一つでもよく二つでもよい。二つを光源とする場合は、単色でなく、組合せによって混合色を発光することができる。
【００２５】
光源用チップと受光用チップの組合せは、「光源−緑、受光素子−赤」が最適である。
その理由を、つぎに説明する。
図３（Ａ）は発光ピーク波長が640ｎｍ付近にあるInGaAlP系赤色発光チップの受光分光特性をグラフにしたものである。同図から明らかなように、赤色発光チップの受光スペクトルのピーク波長は580ｎｍ付近にある。同図（Ｂ）の青色発光チップや同図（Ｃ）の緑色発光チップの受光スペクトルと比較すると、赤色発光チップの受光スペクトルは受光域が広く、光起電力も大きいことが分かる（分光強度は一定に保った状態で測定）。
なお、図３（Ｂ）によれば、青色ＬＥＤチップの発光スペクトルのピーク波長が420ｎｍ付近である。赤色ＬＥＤチップの受光スペクトルと比較すると、受光域が狭く、光起電力も小さい。また、図３（Ｃ）によれば、緑色ＬＥＤチップの発光スペクトルのピーク波長が440ｎｍ付近である。青色ＬＥＤチップの受光スペクトルと比べると、若干受光域が広いが、光起電力は小さい。
したがって、３チップＬＥＤ１内にある２ｒ，２ｇ，２ｂそれそれのチップのうち、受光素子に最も向いているチップは、赤色発光チップであるといえる。
【００２６】
一方、発光チップに要求される性質は、受光チップの受光スペクトルのピーク波長に近い波長の光を発光することである。
ここで、赤色発光チップの受光スペクトルのピーク波長に近いピーク波長の発光スペクトルは、緑色であり、緑色発光チップのピーク発光波長は525ｎｍである。青色ＬＥＤチップの受光スペクトルのピーク波長に近いピーク波長を持つ発光スペクトルの色は、青色であり、青色ＬＥＤチップのピーク発光波長は470ｎｍである。緑色ＬＥＤチップの受光スペクトルのピーク波長に近いピーク波長を持つ発光スペクトルの色は、青色であり、青色ＬＥＤチップのピーク発光波長は470ｎｍである。
【００２７】
上記の赤、緑、青の各発光チップにおいて、受光感度のピークは発光スペクトルのピークより数十ｎｍ短波長側にシフトした位置にあるか、赤色発光チップの発光のピーク波長と受光のピーク波長が近い組合せが最適となるはずなので、［発光素子−青、受光素子−緑］，［発光素子−青、受光素子−赤］，［発光素子−緑、受光素子−赤］の３通りのうち、［発光素子−緑、受光素子−赤］の組合せが最適となる。したがって、２チップタイプも３チップタイプも緑色発光チップを光源、赤色発光チップを受光素子とするのが最もよい。
【００２８】
（本発明の他の実施形態）
１）白色ＬＥＤ（２端子のもの）はまだ製品化された多チップＬＥＤは現時点では存在しないが、光起電力効果は小さいながらも有しているので、本発明の光センサとして使用可能である。すなわち、白色発光チップを光源とし、その光を例えば赤色発光チップに入射させると、赤色発光チップには、1.4Ｖ前後の光起電力が生じるので、白色発光チップと赤色発光チップを組込んだＬＥＤも本発明の光センサとして使用できる。なお、白色発光チップの光に対して緑色発光チップで受光した場合の光起電力は約0.3Ｖ、青色発光チップで受光した場合のそれは約0.1Ｖであり、現時点では実用的でないが、将来、光起電力が大きくなるよう改良されれば、充分本発明の光センサとして使用できる。
２）また、赤色発光チップの代わりに橙色の発光チップを用いることも可能である。
３）現時点におけるＧａＮ系化合物半導体材料から作られている緑色発光チップや青色発光チップの光起電力効果は小さいが（赤色発光チップに比べ光起電力はともかく光電流が１/５０以下）、将来、光起電力が大きくなれば、実用的な使用が可能となる。
４）前記各実施形態はエポキシ樹脂レンズ付の多チップＬＥＤであるが、この場合、侵襲性の液体や溶剤に対しても、フッ素樹脂等の保護膜を表面に被覆すれば、使用可能となる。
５）本発明では、レンズの無い多チップＬＥＤも使用できる。このタイプのＬＥＤは照明付プッシュスイッチなどに組込まれるものであり、こうしたレンズ無し多チップＬＥＤは、例えばタッチセンサとしてそのまま適用可能である。
【００２９】
（本発明の信号選択識別回路）
既述のように、ＬＥＤ受光素子は帯域が狭いため混信が起きにくく光ノイズや光環境の影響を受けにくいのであるが、下記のような交流センシング方式（交流信号選択識別回路）を用いれば、バックグラウンド光等の影響をさらに大幅に減少させることができる。つまり、光環境に対する安定性を増強させることができる。
例えば図４（Ａ）のように、光源とするＬＥＤチップに流す電流に周波数ｆ（例えば１kHz）の正弦波（または方形波）交流電流を重畳させたり、図４（Ｂ）のように周波数ｆ（例えば１kHz）でスイッチング（点滅）させる。そして受光するＬＥＤチップの側の回路においては光源側で重畳もしくはスイッチングさせた周波数ｆのみの交流信号を、バンドパスフィルタを通して検出し、その変化から物体や液体の有無を感知する。この信号選択識別回路を用いれば、蛍光灯光に含まれる５０Ｈｚや100Ｈｚ（関東、欧州など）あるいは６０Ｈｚや120Ｈｚ（関西、米国など）の交流光ノイズの影響がカットされ、太陽光をも含む環境光の影響も極小化される。
【００３０】
（本発明のセンシング使用例）
以下に、本発明の光センサの使用例を説明する。
ただし、以下の使用例は代表的な例を示すものであり、これら以外の用途を制限するものではない。本発明の光センサは、かなり汎用的に使え、その用途には無限の広がりがある。なお、図示の光センサは２チップタイプであるが、３チップタイプであってもよいこと勿論である。
図５は本発明のＬＥＤ光センサを用いた物体検出の説明図である。図６は本発明のＬＥＤ光センサを用いた液面検出の説明図である。図７は本発明のＬＥＤ光センサを用いた液面検出の他の例の説明図である。図８は本発明のＬＥＤ光センサを用いたパターン読取りの説明図である。
（１）物体検出
図５は、２チップＬＥＤを用いた光センサによる物体検出の説明図である。図示のように、この一方の発光チップ２ａから出た光のほとんどはレンズ外に放射される。一部の光はレンズ内面で反射されるが、その光量は小さいため、光起電力も小さい状態である。これに対し、被検出物体Ｓが近づくと、その表面で反射した光が他の発光チップ２ｂに入射する。このときの受光量は大きいので、大きな起電力を発生し、例えば、光センサには１Ｖ前後の光起電力Ｖｐが生じる。この起電力による電流によって、物体の接近あるいは接触を検知することができる。
被検出物体の色が発光チップから出た光を吸収して充分な反射光が得られない場合は、二つの発光チップの色の組合せを替えて、充分な反射光が得られるようにすればよい。フルカラーの三色発光チップを用いる光センサでは、例えば緑色光を光源としたとき充分な反射光が得られなければ、青色光を光源とするように替えればよい（但し、既述のごとく受光用は赤色発光チップが好ましい）。
また、本発明の光センサは反射型なので、いろいろな物体を検出できる。例えば、２チップＬＥＤ光センサのレンズ部に指を当てると、光は皮膚で反射してＬＥＤに逆入射するのでタッチセンサとしても利用できる。
【００３１】
（２）液面検出
本発明の光センサは反射型なので、液面検出も可能である。
図６（Ａ）に示したように、本発明の光センサを構成するＬＥＤ１が水面の上方にある場合には、点灯している発光チップの放射光の一部がレンズ内面で（全）反射してもう一つの発光チップに入射し、そのチップの端子間に光起電力を生じる。これがバイアス出力電圧であるが、同図（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１のレンズが水中に没するとレンズの屈折率と水のそれとの差が小さいため、レンズ内面での光反射がなくなり光は水中に出ていく。これによりバイアス出力電圧は著しく減少する。このように、このＬＥＤ１のレンズの先を水につけるとレンズ内面での反射が減り、受光用チップのＶｐは減少する。このわずかな光起電力の変化を電子回路（コンパレータ回路）で増幅検出すれば、0.1ｍｍ程度の精度で液面を検出することができる。
【００３２】
ＬＥＤ１の配置の仕方は、図６のように、液面上に置く場合の外、図７に示すように液中に配置してもよい。
この場合、ＬＥＤ１が液中にある場合は、レンズ内面での反射光は少ないが、液面が下がってレンズ頂部が露出すると反射光が多くなるので、出力電圧が増大することにより、液面の低下を検出することができる。
【００３３】
液面検出に適用できる液体には、とくに制限なく、例えば、水（工業用水や純水）、油（作動油や潤滑油）、醤油、ソース、薬液、廃液、バッテリー液、生食液など各種液体（侵食性薬品、溶剤を除く）に用いることができる。また、本発明の光センサは、本体となるＬＥＤの直径は５ｍｍ、長さ８ｍｍ程度と超小型なので、例えば、点滴治療、輸血、透析などを行う医療現場での液面制御にも利用できる。
検出対象の液体の色が、光源である発光チップの発光色と同じで、しかも液体の色が濃い場合、あるいは液体がミルクのような濃い白色をしているなど、液体が光源用発光チップの放射光に反射性（あるいは反射的）である場合には、図５のような反射方式で液面検出を行うこともできる。
この場合、３チップＬＥＤを用いた場合は、任意の一つの発光チップを除いた残り二つの発光チップを組み合わせて、任意の光を発光できる。例えば、下記左側に記載の色の発光が可能である。
・青色と緑色を合わせ、青緑色を発光→赤色発光チップで受光
・青色と赤色を合わせ、ピンク色を発光→緑色発光チップで受光
したがって、被検出物体の地色等に左右されない物体検出あるいは液面検出を可能とすることができる。
（３）バーコード・リーダあるいはマークシート・リーダ
図８（Ａ）の上段はバーコードパターンを示しており、下段は、そのバーコードパターンを本発明の光センサで読み取った場合の出力電圧波形を示している。バーコードパターンの黒地の部分と白地の部分では光反射率が異なるので、このような出力波形が得られ、本発明の光センサで、バーコード・リーダを構成することができる。
図８（Ｂ）は、マークシート・リーダ２０を示している。このマークシート・リーダ２０は本発明のＬＥＤ光センサ１を横列に並べてマークの配列パターンに合わせて配置されている。マークシート２１は、所定の場所に人がマークを塗りつぶす一般的なタイプを用いることができ、各マークの黒白（塗り、塗らない）の別を同一間隔で配置した複数個のＬＥＤ光センサ１で検出することができる。
【００３４】
（本発明の長所）
本発明では１個のＬＥＤ内の２以上の発光チップを光源と受光素子として構成するため、フォトダイオードやフォトトランジスタといった別体の受光素子は不要となる。したがって光センシングシステムの構成や光センシングデバイスの構造が非常に簡素となり、製造コストも安くて済む。その結果、超小型、超軽量、きわめてシンプル、防水性、機密性、防爆が容易、低価格、長寿命、保守性、汎用性（何にでも使える）、超低消費電力、設置が容易、液体に浸かっても大丈夫、などの利点が得られる。
また、従来技術で受光素子として多用されているＳｉ−ＰＤに比べると受光帯域が狭いので、不要な光信号やノイズに影響されにくく、検知動作が正確になるという利点がある。
さらに、光源の寿命が長く、クリーンな環境でなくとも使用できる耐環境性が高いので、使用上の制限が少なく、河川や井戸、海など野外での水位検知、工業生産ライン、農業栽培現場、医薬製造ライン、医療現場などで汎用的に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】２チップタイプＬＥＤ光センサの説明図である。
【図２】３チップタイプＬＥＤ光センサの説明図である。
【図３】（Ａ）図は赤色発光チップの波長スペクトルを示すグラフ、（Ｂ）図は青色発光チップの波長スペクトルを示すグラフ、（Ｃ）図は緑色発光チップの波長スペクトルを示すグラフである。
【図４】信号選択識別回路の回路図である。
【図５】本発明のＬＥＤ光センサを用いた物体検出の説明図である。
【図６】本発明のＬＥＤ光センサを用いた液面検出の説明図である。
【図７】本発明のＬＥＤ光センサを用いた液面検出の他の例の説明図である。
【図８】本発明のＬＥＤ光センサを用いたパターン読取りの説明図である。
【図９】本発明の光センサの技術原理説明図である。
【図１０】光起電力の特性説明図である。
【図１１】（Ａ）図は赤色ＬＥＤの発光スペクトルと受光分光特性を示すグラフ、（Ｂ）図はＬＥＤとＰＤの受光帯域を比較したグラフである。
【図１２】（Ａ）〜（Ｄ）は従来の光センサの構成と使用方法の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１                  ＬＥＤ
２ａ、２ｂ          発光チップ
２ｒ，２ｂ，２ｇ    発光チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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