(57)【要約】【課題】  組立時の調整を不要とした小形の光学ユニットを提供する。【解決手段】  光学ユニット１は、パッケージ２の内部にダイパッド３が取り付けられて第１のキャビティ７と第２のキャビティ８が形成される。ダイパッド３の一方の面には発光素子４が実装されるとともに、他方の面には受光素子５が実装される。パッケージ２には光が通るアパーチャ１０と、投光レンズ１２を保持するレンズ保持部１１と、反射ミラー１５を保持するミラー保持部１４と、集光レンズ１８を保持する窓部１７が一体に形成され、光学ユニット１を構成する光学部品はパッケージ２に直接取り付けられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光手段と受光手段を収納したパッケージと、
前記パッケージの内部を仕切って第１のキャビティと第２のキャビティを形成するとともに、前記第１のキャビティ側の面に前記発光手段が実装され、前記第２のキャビティ側の面に前記受光手段が実装されるダイパッドと、
前記第１のキャビティを構成する前記パッケージの一の壁部に設けられ、前記発光手段から出射した光が通る第１の開口部と、
前記第２のキャビティを構成する前記パッケージの他の壁部に設けられ、前記受光手段へ入射する光が通る第２の開口部と、
前記発光手段から出射された光を集光する投光手段と、
前記発光手段と前記第１の開口部との間の前記パッケージに一体に形成され、前記投光手段が取り付けられる投光手段保持部と、
前記投光手段で集光された光の進行方向を変更する光路変更手段と、
前記パッケージに一体に形成され、前記光路変更手段が取り付けられる光路変更手段保持部と、
前記第２の開口部に取り付けられて、外部からの光を集光する集光手段と
を備えたことを特徴とする光学ユニット。
【請求項２】
前記第１の開口部は前記発光手段から出射した光を絞る形状を有することを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項３】
前記投光手段は球状のボールレンズであることを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記集光手段はレンズで、前記第２の開口部は前記レンズを保持する形状を有することを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記発光手段から出射される波長の光を通して前記受光手段に入射させる選択手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記光路変更手段は反射ミラーで、前記光路変更手段保持部は前記反射ミラーを一定の角度で固定する形状を有することを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記ダイパッドの少なくとも一方の面に電気部品を搭載したことを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項８】
前記パッケージの側壁部の外面に固定溝を設けたことを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【請求項９】
前記発光手段は発光出力を検出する受光手段を一体に備えたことを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のパッケージ内に発光手段と受光手段を収容した光学ユニットに関する。詳しくは、パッケージ内をダイパッドで仕切り、このダイパッドの一方の面に発光手段を実装し、他方の面に受光手段を実装するとともに、光学ユニットを構成する光学部品の保持部をパッケージと一体に形成することで、ユニットの小型化を図り、組立時の調整を不要とするものである。
【背景技術】
【０００２】
発光素子および受光素子を備えた光学ユニットは、被検出物の有無を検出する光学センサ等として用いられる。従来の光学センサは、発光素子および受光素子等の各光学部品がそれぞれ独立したパッケージにより構成されており、それら部品をさらに集合し、光学軸の調整等を行いつつ結合させるハウジング構造を必要としていた。
【０００３】
光学部品の独立したパッケージ構造の例として、発光素子は缶タイプパッケージの形態が一般的であり、受光素子はフォトダイオードをリード付き樹脂パッケージに封入した形態が一般的である。また、発光素子から出射した光を集光するために投光レンズを用いる構成では、発光素子とレンズとの距離の調整と、光学軸の調整のため、３次元での位置調整が必要となるものが多い。
【０００４】
図７は従来の発光素子の構成例を示す斜視図で、図７（ａ）は外観を示し、図７（ｂ）は内部構成を示す。発光素子１００は図７（ｂ）に示すように半導体レーザ１０１を備える。半導体レーザ１０１はマウント１０２に取り付けられ、マウント１０２はアイレット１０３に取り付けられる。アイレット１０３にはリード１０４が取り付けられ、リード１０４と接続されたランド１０５と半導体レーザ１０１との間がワイヤ１０６で電気的に接続される。
【０００５】
アイレット１０３には図７（ａ）に示すようにキャップ１０７が取り付けられ、半導体レーザ１０１を保護する。このキャップ１０７には透明なガラス等を備えた窓部１０７ａが設けられ、半導体レーザ１０１からのレーザ光は窓部１０７ａから出射する。
【０００６】
図８は従来の各光学部品の取付構成例を示す断面図で、従来の発光素子と投光レンズの取付構造について説明する。固定部材１１０には取付穴１１１が設けられ、図７で説明した発光素子１００が取り付けられる。取付穴１１１の内径は、発光素子１００のキャップ１０７の外径より大きく、アイレット１０３の外径より小さく設定される。これにより、キャップ１０７を取付穴１１１に挿入して発光素子１００を固定部材１１０に取り付けると、キャップ１０７が取付穴１１１内で移動できることで、発光素子１００のＸ軸方向とＹ軸方向の位置調整が行える。
【０００７】
投光レンズ１１２は外筒１１３に収納され、外筒１１３が取付穴１１１に挿入されて固定部材１１０に取り付けられる。投光レンズ１１２は固定部材１１４により外筒１１３に取り付けられ、外筒１１３にはレーザ光が通るアパーチャ１１５が備えられる。外筒１１３の外径は取付穴１１１の内径とほぼ同じである。これにより、外筒１１３を取付穴１１１に挿入して投光レンズ１１２を固定部材１１０に取り付けると、投光レンズ１１２のＺ軸方向の位置調整が行える。
【０００８】
以上の構成では、発光素子１００を発光させながら、発光素子１１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に動かして光学軸の調整を行うとともに、投光レンズ１１２を保持する外筒１１３をＺ軸方向に動かして焦点位置の調整を行い、位置調整後、発光素子１００および外筒１１３を固定部材１１０に固定していた。
【０００９】
これに対して、単一のパッケージに発光素子と受光素子を実装した光学ユニットも提案されている。例えば、基板の表面に発光素子と受光素子を並列して設け、これら発光素子と受光素子を樹脂モールドで一体化することで、発光素子と受光素子を単一のパッケージに実装している（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２４４４０９号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発光素子と受光素子が独立したパッケージに収納された光学ユニットでは、各パッケージを実装する際に、光学軸の調整等が必要で調整項目が多いという問題があった。また、各光学部品を保持するための部材が必要で、部品点数が多くなることでコストアップにつながるという問題があった。さらに、光学ユニットのサイズも大型化するという問題があった。
【００１２】
また、発光素子と受光素子を単一のパッケージに実装した光学部品でも、発光素子と受光素子を並列に並べた構成では、光学部品としてのサイズをそれほど小型化できず、設置できる場所に制約が生じ、用途が限られるという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、組立時の調整が不要な小形の光学ユニット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】
【００１４】
上述した課題を解決するため、本発明に係る光学ユニットは、発光手段と受光手段を収納したパッケージと、パッケージの内部を仕切って第１のキャビティと第２のキャビティを形成するとともに、第１のキャビティ側の面に発光手段が実装され、第２のキャビティ側の面に受光手段が実装されるダイパッドと、第１のキャビティを構成するパッケージの一の壁部に設けられ、発光手段から出射した光が通る第１の開口部と、第２のキャビティを構成するパッケージの他の壁部に設けられ、受光手段へ入射する光が通る第２の開口部と、発光手段から出射された光を集光する投光手段と、発光手段と第１の開口部との間のパッケージに一体に形成され、投光手段が取り付けられる投光手段保持部と、投光手段で集光された光の進行方向を変更する光路変更手段と、パッケージに一体に形成され、光路変更手段が取り付けられる光路変更手段保持部と、第２の開口部に取り付けられて、外部からの光を集光する集光手段とを備えたものである。
【００１５】
本発明に係る光学ユニットによれば、発光手段から出射した光は投光手段および第１の開口部を通り、光路変更手段で光路が変更されて光学ユニットの外部へと出射される。光学ユニットから出射した光が例えば被検出物を照射すると、この被検出物で反射した光は光学ユニットの方向に戻り、集光手段で集光されて受光手段に入射する。
【００１６】
本発明に係る光学ユニットでは、パッケージに光路変更手段を取り付けることで、ダイパッドの一方の面に実装された発光手段から出射した光の反射光を、ダイパッドの他方の面に実装された受光手段へ入射できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光学ユニットは、ダイパッドの一方の面に発光手段を実装し、他方の面に受光手段を実装して、このダイパッドをパッケージに取り付けているので、発光手段および受光手段を実装するために必要なスペースが少なくて済む。また、投光手段および光路変更手段等の光学ユニットを構成する光学部品の保持部等をパッケージに一体に形成しているので、光学部品を保持するための別部材が不要であり、部品点数を大幅に削減できる。よって、光学ユニットの小型化を図ることができるとともに、コストダウンを図ることができる。
【００１８】
さらに、パッケージに各光学部品を直接取り付けるので、各光学部品の実装精度は高く、光学部品間で光学軸を一致させる等の調整が不要となる。よって、光学ユニットの組立時の無調整化を図ることができる。
【００１９】
また、パッケージの内部をダイパッドで仕切り、発光手段が実装される第１のキャビティと受光素子が実装される第２のキャビティを形成するので、発光手段から出射した光がパッケージ内で直接受光手段へ入射することがない。よって、単純な構成で性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の光学ユニットの実施の形態について説明する。図１〜図４は本実施の形態の光学ユニットの構成例を示し、図１は側断面図、図２は平面図、図３は底面図、図４は正面図である。ここで、図１における切断面は図２に示すＡ−Ａ線であるが、後述するパッケージのみを断面で示している。また、図２は光学ユニット１を図１における矢印Ｂ方向から見た平面図であるが、内部構成を示すため後述するカバーを取り付けていない状態で示している。
【００２１】
本実施の形態の光学ユニット１は、パッケージ２に取り付けられたダイパッド３の一方の面に発光素子４を備え、他方の面に受光素子５を備えるとともに、パッケージ２に各種光学部品を直接取り付ける構成としたものである。
【００２２】
パッケージ２はモールド成形により構成され、後述する各保持部等が一体に形成される。パッケージ２の大きさは、一例として長辺方向の長さが６〜７ｍｍ程度、短辺方向の長さが３〜４ｍｍ程度、高さが２〜３ｍｍ程度で実現できる。ダイパッド３および複数本のリード６は図示しないリードフレームから構成され、パッケージ２と一体に成形される。リード６はパッケージ２の一の側壁部の外面から突出している。
【００２３】
ダイパッド３は、図１に示すようにパッケージ２の内部の一部分を高さ方向において仕切るように設けられる。これにより、パッケージ２の内部には、パッケージ２の壁部に囲まれてダイパッド３の一方の面側に第１のキャビティ７が形成され、ダイパッド３の他方の面側に第２のキャビティ８が形成される。この第１のキャビティ７側に発光のための構成が備えられ、第２のキャビティ８側に受光のための構成が備えられる。
【００２４】
次に、光学ユニット１における発光側の構成について説明する。発光素子４は発光手段の一例で、例えばレーザダイオードと、レーザの発光量をモニタして発光パワーを一定に保つための受光手段としてのＰＩＮフォトダイオードから構成されるレーザオンフォトダイオード（ＬＯＰ）である。この発光素子４は、第１のキャビティ７に面しているダイパッド３の一方の面に銀ペースト等を用いて実装される。
【００２５】
第１のキャビティ７には、所定のリード６と電気的に導通するランド部６ａが設けられ、発光素子４を構成するレーザダイオードやフォトダイオードは、ワイヤ９によりランド部６ａと電気的に接続される。ここで、発光素子４の光の照射方向は、ダイパッド３の面に対して略平行である。
【００２６】
第１のキャビティ７は、第１の開口部としてのアパーチャ１０を備える。アパーチャ１０は、第１のキャビティ７を構成するパッケージ２の一の壁部である正面側の壁部に設けられ、発光素子４から出射した光を絞る所定の形状を有する開口で、発光素子４から出射される光の光学軸上に位置している。発光素子４から出射した光は、このアパーチャ１０を通ることで所望の形状に絞られたビームとなる。このアパーチャ１０は、パッケージ２のモールド時に形成される。
【００２７】
第１のキャビティ７は、ダイパッド３とアパーチャ１０の間にレンズ保持部１１を備える。レンズ保持部１１は投光手段保持部の一例で、このレンズ保持部１１には、発光素子４から出射された光を集光する投光手段としての投光レンズ１２が取り付けられる。
【００２８】
投光レンズ１２は球状のボールレンズで、レンズ保持部１１は、例えばこの投光レンズ１２の直径より小さな直径の穴部をパッケージ２のモールド時に形成したものである。このレンズ保持部１１に投光レンズ１２が載せられ、ＵＶ硬化樹脂等による接着剤を用いて固定される。
【００２９】
これにより、投光レンズ１２の直径と、レンズ保持部１１が設けられる位置と、レンズ保持部１１の直径の関係から、投光レンズ１２をレンズ保持部１１に取り付けた時の、投光レンズ１２の中心の３次元方向の位置が一義的に決まる。
【００３０】
そして、発光素子４から出射される光の光学軸と投光レンズ１２の中心が一致する位置に投光レンズ１２が取り付けられるように、レンズ保持部１１の直径や高さ等の形状が設定される。また、発光素子４の発光点と投光レンズ１２との距離によって焦点が決定するので、予め定められている所望の焦点距離が得られる位置に投光レンズ１２が取り付けられるように、レンズ保持部１１の位置が設定される。
【００３１】
このレンズ保持部１１を構成する穴部は、第２のキャビティ８まで貫通していない。これにより、パッケージ２の内部において、発光素子４から出射された光が直接第２のキャビティ８へ漏れることはない。
【００３２】
なお、投光レンズ１２はボールレンズ以外でもよいが、ボールレンズを用いることで、取り付ける際の向きを考慮することなく、所定の位置に取り付けることができる。また、レンズ保持部１１の形状は一例である。
【００３３】
第１のキャビティ７は、ダイパッド３の一方の面と対向する部位が開口しており、投光レンズ１２等の実装後に、この開口にカバー１３が取り付けられて封止される。
【００３４】
パッケージ２はミラー保持部１４を備える。ミラー保持部１４は光路変更手段保持部の一例で、このミラー保持部１４には、発光素子４から出射された光の光路を変更する光路変更手段としての反射ミラー１５が取り付けられる。
【００３５】
ミラー保持部１４はパッケージ２の正面側の壁部から突出する形状で、パッケージ２のモールド時に一体に形成される。このミラー保持部１４に反射ミラー１５を固定することで、反射ミラー１５は一定の角度を保持して固定される。反射ミラー１５は、アパーチャ１０に反射面が対向し、このアパーチャ１０を通る光が照射される位置に取り付けられる。
【００３６】
パッケージ２の底面には照射口１６を備える。照射口１６は反射ミラー１５の反射面に対向する開口である。よって、発光素子４から出射した光は投光レンズ１２で集光され、アパーチャ１０で所定の形状に絞られ、反射ミラー１５で反射して照射口１６から所定の方向へ照射される。
【００３７】
すなわち、発光素子４の発光点と投光レンズ１２の距離によって焦点位置が決定され、アパーチャ１０よって光のビーム形状が所望の形状に絞られる。そして、反射ミラー１５の角度によって出射方向が決定される。これにより、発光素子４から出射した光は、所望の位置で必要とされるスポットサイズと形状が得られることになる。
【００３８】
次に、光学ユニット１における受光側の構成について説明する。受光素子５は受光手段の一例で、例えばフォトダイオードである。受光素子５は第２のキャビティ８に面しているダイパッド３の他方の面に、銀ペースト等を用いて実装される。
【００３９】
第２のキャビティ８には、所定のリード６と電気的に導通する図示しないランド部が設けられ、受光素子５は図示しないワイヤによりランド部と電気的に接続されて、受光素子５に入射した光の量に対応した電圧等の電気信号が所定のリード６から出力される。
【００４０】
第２のキャビティ８は、第２の開口部としての窓部１７を備える。この窓部１７は、第２のキャビティ８を構成するパッケージ２の他の壁部である底面側の壁部に照射口１６と並べて設けられ、パッケージ２のモールド時に形成される。
【００４１】
窓部１７には集光手段としての集光レンズ１８が取り付けられる。集光レンズ１８は凸レンズで、外部より入射した光を受光素子５へ集光させる。集光レンズ１８の一方の面には凸状の位置決め部１８ａが備えられる。窓部１７は位置決め部１８ａの外形と合致する形状を有し、窓部１７に位置決め部１８ａを嵌めて接着等で固定すると、集光レンズ１８の位置が一義的に決まるように設定されている。
【００４２】
さて、受光素子５はダイパッド３に対して略直交する方向から光が入射する。これにより、光学ユニット１では発光素子４から出射する光の向きと受光素子５へ入射する光の向きが略直交する関係となっている。このため、反射ミラー１５を設けて発光素子４から出射した光の方向を変更して、発光素子４から出射した光の反射光が受光素子５へ入射できるようにしている。
【００４３】
図示しないが、発光素子４から出射した光の波長のみを選択する選択手段としてバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を必要に応じて備える。例えば、集光レンズ１８と重ねて窓部１７にバンドパスフィルタを備える。あるいは、集光レンズ１８の表面にバンドパス層を形成してもよい。
【００４４】
また、砒素等を微量に添加することである波長以下の光をカットできるようにしたレンズと組み合わせる構成でもよい。さらに、外光の影響を受けない環境下で使用される場合は、バンドパスフィルタは不要となる場合もある。
【００４５】
光学ユニット１では、ダイパッド３に発光素子４と受光素子５を実装しているが、ダイパッド３はスペースに余裕がある。このため、図１および図２に二点鎖線で示すように、ダイパッド３に表面実装型の電気部品１９を実装して、受発光素子の周辺の電気回路を一体に組み込むことが可能である。
【００４６】
また、光学ユニット１を実装するため、パッケージ２に固定溝２０を設けることとしてもよい。固定溝２０は、例えばパッケージ２の両側壁部の外面に、パッケージ２の長辺方向に延在するＶ字型の溝を形成したものである。さらに、第１のキャビティ７側のパッケージ２には基準部２１が形成され、組立時の基準点として利用される。
【００４７】
次に、本実施の形態の光学ユニット１の動作について説明する。図５は本実施の形態の光学ユニット１の動作例を示し、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は正面図である。なお、図５（ａ）では光学ユニット１を断面で示している。
【００４８】
光学ユニット１は、所定の距離にある被検出物２２の有無や通過を検出する例えば反射形の光学センサとして使用される。発光素子４から出射した光は投光レンズ１２により集光され、アパーチャ１０により所定の形状に絞られたビーム光となり、反射ミラー１５で反射して照射口１６から外部へ照射される。
【００４９】
被検出物２２が照射口１６の前方に位置すると、発光素子４から出射した光は被検出物２で反射する。被検出物２２で反射した光の一部は光学ユニット１の方向に戻り、照射口１６と並ぶ集光レンズ１８に入射する。なお、バンドパスフィルタを備えることで、発光素子４から出射した波長の光のみを透過させ、他の外光が入射することを防ぐことができる。
【００５０】
集光レンズ１８に入射した光は集光されて受光素子５へ入射する。このように、受光素子５へ発光素子４からの戻り光が入射することで、電気信号として所定の電圧がリード６から出力される。これにより、被検出物２２が有ることを検出できる。
【００５１】
次に、本実施の形態の光学ユニット１を装置に取り付ける構成について説明する。図６は本実施の形態の光学ユニット１の取付構成例を示し、図６（ａ）は取付機構の正面図、図６（ｂ）は取付状態を示す正面図である。
【００５２】
取付機構２３はマウント部２４と保持板２５と固定ネジ２６を備える。保持板２５は光学ユニット１に備えた固定溝２０に嵌る爪部２５ａを有し、固定ネジ２６でマウント部２４に固定される。
【００５３】
光学ユニット１を取り付ける際には、固定ネジ２６を緩め、対向する爪部２５ａの間に光学ユニット１を入れて、爪部２５ａを固定溝２０に嵌める。そして、固定ネジ２６を締めることで保持板２５を変形させて爪部２５ａで光学ユニット１を左右両側から挟む。これにより、図６（ｂ）に示すように、爪部２５ａが固定溝２５に嵌った状態で保持板２５により光学ユニット１はマウント部２４に保持される。
【００５４】
以上説明したように、本実施の形態の光学ユニット１は、ダイパッド３の一方の面に発光素子４を実装し、他方の面に受光素子５を実装するパッケージ２に、投光レンズ１２、反射ミラー１５および集光レンズ１８の保持部、さらにはアパーチャ１０を一体に形成したものである。これにより、パッシブアライメントで各部品を実装して、所望の位置精度を得ることができるので、組立コストを低減させることができる。
【００５５】
そして、光学ユニット１は小形であるので設置場所の制約が少なく、被検出物を検出する光学センサとして使用する場合、様々な装置への適用が可能となる。
【００５６】
なお、本実施の形態では、発光素子４から出射した光の光路を変更するため反射ミラー１５を設ける構成としたが、これは、パッケージ２を成形する際、単純な構成の金型でミラー保持部１４を形成できるためである。よって、ミラー保持部を窓部１７の側に一体に設けることができれば、受光素子５へ入射する光の光路を変更する構成とすることも考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の光学ユニットは小形であることから、物品の有無を検出する光学センサやバーコード等を読み取る光学読取装置に適用できる。また、クロストークの発生が抑えられることから、光通信装置への適用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施の形態の光学ユニットの構成例を示す側断面図である。
【図２】本実施の形態の光学ユニットの構成例を示す平面図である。
【図３】本実施の形態の光学ユニットの構成例を示す底面図である。
【図４】本実施の形態の光学ユニットの構成例を示す正面図である。
【図５】本実施の形態の光学ユニットの動作例を示し、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は正面図である。
【図６】本実施の形態の光学ユニットの取付構成例を示し、図６（ａ）は取付機構の正面図、図６（ｂ）は取付状態を示す正面図である。
【図７】従来の発光素子の構成例を示し、図７（ａ）は外観斜視図、図７（ｂ）は分解斜視図である。
【図８】従来の各光学部品の取付構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・光学ユニット、２・・・パッケージ、３・・・ダイパッド、４・・・発光素子、５・・・受光素子、６・・・リード、７・・・第１のキャビティ、８・・・第２のキャビティ、９・・・ワイヤ、１０・・・アパーチャ、１１・・・レンズ保持部、１２・・・投光レンズ、１３・・・カバー、１４・・・ミラー保持部、１５・・・反射ミラー、１６・・・照射口、１７・・・窓部、１８・・・集光レンズ、１８ａ・・・位置決め部、１９・・・電気部品、２０・・・固定溝、２１・・・基準部
【図１】
2005051163.tif 000003
【図２】
2005051163.tif 000004
【図３】
2005051163.tif 000005
【図４】
2005051163.tif 000006
【図５】
2005051163.tif 000007
【図６】
2005051163.tif 000008
【図７】
2005051163.tif 000009
【図８】
2005051163.tif 000010