(57)【要約】【課題】投光素子を複数のＬＥＤチップから構成しながら、投光素子からの光を投光用光ファイバに効率よく入射させることができる光ファイバセンサ及び光ファイバセンサ用投光素子を提供する。【解決手段】投光素子５に対向して投光用光ファイバ３の先端面が位置しており、投光素子５からの光が投光用光ファイバ３に入射するようになっている。投光素子５は、複数のＬＥＤチップ６を基板７上に直線上に配列した状態で固着してなる。ＬＥＤチップ６は４元素半導体であり、活性層からの光を上面から効率よく放射することができる。ここで、ＬＥＤチップ６は各電極１３，１４が上面に形成されており、互いに限界まで近接して配置されている。これにより、ＬＥＤチップ６全体の発光領域を小さく設定することができ、投光素子５からの光を投光用光ファイバ３に効率よく入射させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤチップを基板上に搭載して構成された投光素子と、
この投光素子から発せられた光が入光するように配置され、検出領域に光を照射する投光用光ファイバと、
前記検出領域を介して前記投光用光ファイバからの光を受ける受光用光ファイバと、
この受光用光ファイバが受けた光を受光する受光素子とを備え、
前記ＬＥＤチップは、活性層をはさんで形成されるＰ型の半導体層とＮ型の半導体層のうち当該活性層の下面側に形成される半導体層が発光領域よりも側方に突出形成され、その上面及び前記活性層の上面側に位置する半導体層の上面にそれぞれ電極が蒸着形成されてなり、
前記複数のＬＥＤチップは、直線上に配列され且つ前記電極が配列方向と直交する方向となるように近接配列された状態で前記基板に固着された上で、各ＬＥＤチップが順方向となるように直列接続され、
前記投光用光ファイバは、前記ＬＥＤチップの上面から放射された光が入光するように配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記ＬＥＤチップは、ＩｎＧａＡｌＰ構造であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記投光素子は、直列接続されたＬＥＤチップのうち所定のＬＥＤチップから投光電流を通電可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
活性層をはさんで形成されるＰ型の半導体層とＮ型の半導体層のうち当該活性層の下面側に形成される半導体層が発光領域よりも側方に突出形成され、その上面及び前記活性層の上面側に位置する半導体層の上面にそれぞれ電極が蒸着形成された複数のＬＥＤチップを備え、
前記複数のＬＥＤチップは、直線上に配列され且つ前記電極が配列方向と直交する方向となるように近接配列された状態で基板に固着された上で、各ＬＥＤチップが順方向となるように直列接続されていることを特徴とする光ファイバセンサ用投光素子。
【請求項５】
前記ＬＥＤチップは、ＩｎＧａＡｌＰ構造であることを特徴とする請求項４記載の光ファイバセンサ用投光素子。
【請求項６】
直列接続されたＬＥＤチップのうち所定のＬＥＤチップから投光電流を通電可能に構成されていることを特徴とする請求項４または５記載の光ファイバセンサ用投光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投光素子からの光を投光用光ファイバを介して検出領域に投光する光ファイバセンサ及びそれに用いられる光ファイバセンサ用投光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】実開平１−１０４０５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバセンサでは、より微細な検出を可能とするため、投光量の増大が望まれており、単純に投光量を増大するには、投光素子の数を多くすればよいものの、それでは消費電流が増加するという問題が生じる。
【０００５】
そこで、実開平１−１０４０５３号公報のように、複数のＬＥＤチップを直列接続して構成した投光素子では、消費電流を抑制しつつ投光量の増大を図ることができるので、光ファイバセンサにこのような投光素子を用いることで、上記問題を解決できるように思われる。
ところが、光ファイバは細いので、複数のＬＥＤチップからなる投光素子から発せられた光を効率よく光ファイバに入射させるように構成するには、複数のＬＥＤチップをできるだけ密着させて配置するのが望ましい。
【０００６】
しかしながら、実開平１−１０４０５３号公報のものは、ＬＥＤチップは銀ペーストによってリードフレームなどと電気的導通を図る構成であることから、ＬＥＤチップを接合するときに溶解した銀ペーストがＬＥＤチップとリードフレームとの間の間隙をはい上がり、ＬＥＤチップから外へはみ出るような状態となる。このため、ＬＥＤチップの間隔を過度に狭くすると、隣接するＬＥＤチップの銀ペースト同士が接触してしまう虞がある。このように隣接するＬＥＤチップの銀ペースト同士が接触してしまった場合は、ＬＥＤチップが短絡してしまうことになるので、ＬＥＤチップに通電するにしても発光しなくなってしまう。結局、ＬＥＤチップを近接して配置することは困難であり、投光用光ファイバに効率よく入射できていないのが実情である。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、投光素子を複数のＬＥＤチップから構成しながら、投光素子からの光を投光用光ファイバに効率よく入射させることができる光ファイバセンサ及び光ファイバセンサ用投光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ファイバセンサは、複数のＬＥＤチップを基板上に搭載して構成された投光素子と、この投光素子から発せられた光が入光するように配置され、検出領域に光を照射する投光用光ファイバと、前記検出領域を介して前記投光用光ファイバからの光を受ける受光用光ファイバと、この受光用光ファイバが受けた光を受光する受光素子とを備え、前記ＬＥＤチップは、活性層をはさんで形成されるＰ型の半導体層とＮ型の半導体層のうち当該活性層の下面側に形成される半導体層が発光領域よりも側方に突出形成され、その上面及び前記活性層の上面側に位置する半導体層の上面にそれぞれ電極が蒸着形成されてなり、前記複数のＬＥＤチップは、直線上に配列され且つ前記電極が配列方向と直交する方向となるように近接配列された状態で前記基板に固着された上で、各ＬＥＤチップが順方向となるように直列接続され、前記投光用光ファイバは、前記ＬＥＤチップの上面から放射された光が入光するように配置されているものである（請求項１）。
【０００９】
このような構成によれば、ＬＥＤチップの上面に電極が設けられているので、ＬＥＤチップの下面を基板に例えば接着剤で固着することができる。これにより、各ＬＥＤチップを限界まで直線的に近接配列することができるので、各ＬＥＤチップ全体の発光領域を極力小さくすることができ、ＬＥＤチップからの光を投光用光ファイバに効率よく入射させることができる。
【００１０】
上記構成において、前記ＬＥＤチップは、ＩｎＧａＡｌＰ構造であるのが望ましい（請求項２）。
このような構成によれば、ＬＥＤチップの活性層で発光した光をＬＥＤチップの上面から効率よく放射することができるので、ＬＥＤチップの発光量を増大することができる。
【００１１】
また、前記投光素子は、直列接続されたＬＥＤチップのうち所定のＬＥＤチップから投光電流を通電可能に構成されているようにしてもよい（請求項３）。
このような構成によれば、通電するＬＥＤチップの数を変更するにしても、投光電流を一定とすることができるので、内部発熱を防止しながら投光量を調整することができる。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサ用投光素子は、活性層をはさんで形成されるＰ型の半導体層とＮ型の半導体層のうち当該活性層の下面側に形成される半導体層が発光領域よりも側方に突出形成され、その上面及び前記活性層の上面側に位置する半導体層の上面にそれぞれ電極が蒸着形成された複数のＬＥＤチップを備え、前記複数のＬＥＤチップは、直線上に配列され且つ前記電極が配列方向と直交する方向となるように近接配列された状態で基板に固着された上で、各ＬＥＤチップが順方向となるように直列接続されているものである（請求項４）。
【００１３】
また、前記ＬＥＤチップは、ＩｎＧａＡｌＰ構造であるのが望ましい（請求項５）。
また、直列接続されたＬＥＤチップのうち所定のＬＥＤチップから投光電流を通電可能に構成されているようにしてもよい（請求項６）
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２は、光ファイバセンサを示す斜視図である。この図２において、光ファイバセンサ１の本体２の前端には投光用光ファイバ３と受光用光ファイバ４とが装着されており、投光素子から発せられた光が投光用光ファイバ３を介して検出領域に照射されると共に、検出領域を介した光を受光用光ファイバ４を介して受光素子が受光するようになっている。
【００１４】
図３は、投光素子５を示す側面図である。この図３において、投光素子５は、例えば３個のＬＥＤチップ６を基板７上に搭載して構成されている。これらのＬＥＤチップ６は保護用樹脂８で被覆されており、その保護用樹脂８に当接するように投光用光ファイバ３の先端面が位置している。
【００１５】
図１は、投光素子５を概略的に示す斜視図で、保護用樹脂８は省略してある。この図１において、投光素子５は、例えば直方体状の３個のＬＥＤチップ６を直線上に近接配列した状態で基板７上にエポキシ樹脂（図示せず）により固着して構成されている。ＬＥＤチップ６の大きさは、０．２７×８ｍｍであり、各ＬＥＤチップ６の間隙寸法は０．１ｍｍである。また、投光用光ファイバ３のコア３ａの直径はφ１ｍｍである。
以上のような構成の結果、図４に示すように投光用光ファイバ３のコア３ａの端面全体がＬＥＤチップ６に対向していることになる。
【００１６】
一方、基板７は樹脂またはセラミックからなり、図１に示すようにＬＥＤチップ６を挟んで一対の孔９が形成されている。これらの孔９は、チップマウント認識基準用に設けられているものであるが、基板を図示しない素子ブロックに固定する際の基準としても用いられる。
【００１７】
次に上記ＬＥＤチップ６について説明する。
図５は、ＬＥＤチップ６の概念図である。この図５において、ＬＥＤチップ６は、活性層１０を挟んで上側にＰ型半導体層１１が形成され、下側にＮ型半導体層１２が形成されている。これらの各半導体層１１，１２において、活性層１０の下側に位置する半導体層（図５ではＮ型半導体層１２）を実際の発光領域よりも長く形成した状態で、Ｐ型半導体層１１と活性層１０をエッチング処理することによりＮ型半導体層１２のみを表面に露出させる。そして、この露出部の上面にＮ型電極１３を蒸着形成すると共に、チップ表面（Ｐ型半導体層１１の上面）にＰ型電極１４を蒸着形成している。
尚、活性層１０の上側にＮ型半導体層１２を形成し、下側にＰ型半導体層１１を形成するようにしてもよい。この場合、Ｐ型半導体層１１を発光領域よりも長く形成することになる。
【００１８】
図６は、本実施の形態で使用しているＬＥＤチップ６の模式図である。この図６において、活性層１０は、インジウムガリウムアルミニウムリン（Ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ）からなる。Ｐ型半導体層１１は、Ｐ型ガリウムリン（Ｐ−ＧａＰ）１１ａ、Ｐ型ガリウムヒ素（Ｐ−ＧａＡｓ）１１ｂ、Ｐ型インジウムガリウムアルミニウムリン（Ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ）１１ｃからなる。Ｎ型半導体層１２は、Ｎ型インジウムガリウムアルミニウムリン（ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ）１２ａ、基板（Ｎ型ガリウムヒ素）（ｎ−ＧａＡｓ）１２ｂからなる。そして、Ｎ型インジウムガリウムアルミニウムリン１２ａの上面にＮ型電極１３が蒸着により形成され、Ｐ型ガリウムリン１１ａの上面にＰ型電極１４が蒸着により形成されている。
【００１９】
このような構成のＬＥＤチップ６の特徴は、活性層１０で発光した光の波長帯域に対してＰ型半導体層１１は高い透過率を示すので、活性層１０で発光した光は、Ｐ型半導体層１１を透過して上面から効率よく放射することができる。このようなＰ型半導体層１１は４元素から形成されているので、４元素半導体と称されている。
尚、半導体層を３元素から形成してものは３元素半導体と称され、光の透過率が低いことから、横面発光が一般的である。
【００２０】
さて、図１に戻って、上記構成の３個のＬＥＤチップ６が基板７に直線上に搭載されている。この場合、各ＬＥＤチップ６は向きが交互に配置されており、このような配置により、各電極１３，１４が配列方向と直交する方向となるように近接配列している。つまり、隣り合うＬＥＤチップ６のＰ型電極１４とＮ型電極１３とが限界まで近接している。そして、各電極１３，１４が基板７上に形成されたランド１５に対してワイヤー１６で接続されることにより、複数のＬＥＤチップ６は電気的に順方向に直列接続されている。
【００２１】
図７は、光ファイバセンサ１の投光部の電気的構成を示している。この図７において、３個のＬＥＤチップ６は上述したように順方向に直列接続されており、順方向の最下位に位置するＬＥＤチップ６のカソードにはｎｐｎ型トランジスタ１７のコレクタが接続されている。このトランジスタ１７のエミッタは抵抗１８を介してグランドライン１９と接続され、ベースはＣＰＵ２０の出力端子Ｐ０と接続されている。
【００２２】
投光素子５の各ＬＥＤチップ６のアノードにはｎｐｎ型トランジスタ２１〜２３のエミッタがそれぞれ接続されている。これらのトランジスタ２１〜２３の各コレクタは電源ライン２４と接続され、各ベースはＣＰＵ２０の出力端子Ｐ１〜Ｐ３とそれぞれ接続されている。
【００２３】
受光素子２５のアノードは電源ライン２４と接続され、カソードは抵抗２６を介してグランドライン１９と接続されている。また、受光素子２５と抵抗２６との共通接続点は、増幅回路２７を介してＣＰＵ２０の入力端子Ｉ１と接続されている。そして、投光量切換スイッチ２８はＣＰＵ２０の入力端子Ｉ２と接続されており、使用者により投光レベルが切換可能となっている。
【００２４】
ＣＰＵ２０は、投光量切換スイッチ２８からの投光レベルに応じて出力端子Ｐ１〜Ｐ３を択一的に選択した状態で出力端子Ｐ０を間欠的にオンすると共に、そのタイミングで入力端子Ｉ１の入力レベルに基づいて検出領域における検出対象物の有無を判断し、その判断結果を示す出力信号を出力端子Ｏ１から外部に出力するようになっている。
【００２５】
次に上記構成の作用について説明する。
投光量を最大に設定する場合は、投光量切換スイッチ２８に対する操作により投光レベルを最大に設定する。すると、ＣＰＵ２０は、出力端子Ｐ３を選択した状態で、出力端子Ｐ０を間欠的にオンするので、投光素子５を構成する全てのＬＥＤチップ６に間欠的に投光電流が供給され、それに伴って全てのＬＥＤチップ６が間欠的に発光するようになる。
【００２６】
ここで、投光素子５を構成する各ＬＥＤチップ６は、所謂４元素半導体素子であるので、活性層１０で発光した光は当該活性層１０の上側に位置するＰ型半導体層１１を効率よく透過し、最終的にＬＥＤチップ６の上面から放射されるようになる。この場合、各ＬＥＤチップ６は上面に電極を有した構成であり、互いに限界まで近接して配置されているので、３個のＬＥＤチップ６全体の発光領域は極力小さく設定されている。これにより、各ＬＥＤチップ６から放射された光は、投光用光ファイバ３のコア３ａに効率よく入射し、投光用光ファイバ３を通過して検出領域に照射される。
【００２７】
そして、投光用光ファイバ３から検出領域に照射された光は、検出領域に検出対象物が存在しない場合は、受光用光ファイバ４に入射し、受光用光ファイバ４を通じて受光素子２５に入射する。また、検出領域に検出対象物が存在する場合は、投光用光ファイバ３から照射された光が受光用光ファイバ４ひいては受光素子２５に入射することはない。これにより、受光素子２５には受光量に比例した受光電流が流れ、その受光電流に応じた受光電圧がＣＰＵ２０に与えられるので、ＣＰＵ２０は、投光タイミングにおける受光電圧に基づいて検出対象物の存在を判断し、その判断結果を示す出力信号を出力端子Ｏ１から出力する。従って、光ファイバセンサ１から出力された出力信号に基づいて検出対象物の有無を判断することができる。
【００２８】
また、投光素子５からの投光量を最小に設定したい場合は、投光量切換スイッチ２８に対する操作により投光量を最小レベルに設定する。すると、ＣＰＵ２０は、出力端子Ｐ１をオンにした状態で出力端子Ｐ０を間欠的にオンするので、順列方向に接続された最下位のＬＥＤチップ６のみが発光し、その光が投光用光ファイバ３に入射するようになる。
【００２９】
ここで、注目すべき点は、投光素子５を構成する３個のＬＥＤチップ６は順方向に直列接続されていることから、ＬＥＤチップ６の順方向の降下電圧を無視すると、発光するＬＥＤチップ６の数にかかわらず投光電流は一定となることである。このことは、投光部の消費電流は一定であり、内部発熱が変化しない安定した投光量可変が可能であることを意味している。
【００３０】
このような実施の形態によれば、投光素子５を構成する複数のＬＥＤチップ６として上面に電極１３，１４が形成された構造のものを用い、それらのＬＥＤチップ６を、直線上に配列し且つ電極が配列方向と直交する方向となるように近接配列するようにしたので、ＬＥＤチップを基板に搭載する手段として銀ペーストを用いた従来構成に比較して、銀ペーストによる導通を図る必要がないので、隣り合うＬＥＤチップ６同士の短絡の危険性がなくなり、これによってＬＥＤチップ６同士を限界まで近接することができる。従って、ＬＥＤチップ６全体の発光領域を小さく設定することができるので、投光素子５から投光された光を投光用光ファイバ３に効率よく入射することができ、光ファイバセンサ１の検出性能を高めることができる。
【００３１】
しかも、ＬＥＤチップ６は限界まで近接しているので、投光用光ファイバ３への入光の中心抜けがなくなり、投光用光ファイバ３から均一な光を照射することができる。
また、ＬＥＤチップ６として４元素半導体を用いるようにしたので、ＬＥＤチップ６の上面から光を効率よく放射することができ、上面から光を放射する構成でありながら、投光量の増大を図ることができる。
【００３２】
さらに、投光電流を流すＬＥＤチップ６の数を変更した場合でも投光電流を一定とすることができるので、内部発熱が変化しない安定した状態を維持することができ、投光量を可変としながら内部発熱の変動により動作が不安定となってしまうことを防止できる。
【００３３】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
ＬＥＤチップ６の側面を絶縁処理し、隣接するＬＥＤチップ６同士を密着するようにしてもよい。
投光素子５からの光を投光用光ファイバ３にレンズで集光させて入射させるようにしてもよい。
ランド１５を介することなく隣接するＬＥＤチップ６の電極同士を直接接続するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、本発明の光ファイバセンサ及び光ファイバセンサ投光素子によれば、複数のＬＥＤチップを基板上に搭載して構成された投光素子において、上面に電極が形成されたＬＥＤチップを用い、それらのＬＥＤチップの配置を工夫することにより、各ＬＥＤチップを限界まで近接配置するようにしたので、投光素子を複数のＬＥＤチップから構成しながら、投光素子からの光を投光用光ファイバに効率よく入射させることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における投光素子を示す斜視図
【図２】光ファイバセンサの斜視図
【図３】投光素子の側面図
【図４】ＬＥＤチップの平面図
【図５】ＬＥＤチップの構造を概略的に示す模式図
【図６】ＬＥＤチップの構造を示す模式図
【図７】投光部の電気回路図
【符号の説明】
１は光ファイバセンサ、２は本体、３は投光用光ファイバ、４は受光用光ファイバ、５は投光素子、６はＬＥＤチップ、７は基板、１０は活性層、１１はＰ型半導体層、１２はＮ型半導体層、１３，１４は電極、２０はＣＰＵ、２５は受光素子、２８は投光量切換スイッチである。
【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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