JP2004158855A - レンズが一体に組み込まれた光学ナビゲーションセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 オプティカルマウス等の機器に組み込まれる光学センサの構成部品数を低減するとともに機器への組み込みを容易にする。
【解決手段】 光学センサ４２のセンサハウジング６０は、端子６８を有するリードフレームを用いてインサート成形されている。センサハウジング６０内にはダイ６２（光センサ）が実装され、迷光を遮断するとともに像をダイ６２に導く開口７２を有する開口ハウジング６４がダイ６２を囲繞するように取り付けられる。ダイ６２上に像を形成する結像レンズ４４を有する結像レンズハウジング６６がセンサハウジング６０内にスナップフィット式に組み込まれて開口７２を塞ぎ、ダイ６２と結像レンズ４４との間に異物が入るのを防止する。このように構成される光学センサ４２がオプティカルマウス等の基板に実装される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光学ナビゲーションセンサ装置に関し、かつさらに特定すれば、光学コンピュータマウスの光学ナビゲーションセンサ装置における利用に特に良好に適した光学ナビゲーションセンサに関する。

光学コンピュータマウスは典型的に、マウスが上に載置されている表面の像を連続的に記録し、かつ後に続いて記録される表面の像と比較することによって、マウスが載置されている表面上でマウスが動かされている速度及び方向を判定するために、小型ディジタルカメラのように機能する電子チップを含む多数の独立した部品を有する光学ナビゲーションセンサ装置を有する。像は、１５００コマ／秒のように、きわめて高い速度で記録され、かつセンサの分解能は高いので、マウスのきわめて小さな動きを検出することができる。

光学ナビゲーションセンサ装置は典型的に、マウスが存在している表面の小さな面積を照明しかつ電子チップによってセンスされかつ記録される照明された小さな面積の反射された像を生成するために、発光ダイオード（ＬＥＤ）の形の光源を有する。光学ナビゲーションセンサ装置は典型的に、ＬＥＤからの光を表面の小さな面積に導きかつ集光しかつ反射された像を入力しかつこれを電子チップ上に結像するために、１つ又は複数のレンズ又は光パイプ（ｌｉｇｈｔ ｐｉｐｅ、ライトガイド）も有する。光学センサナビゲーション装置はさらに典型的に、反射された像が開口を通過することを可能にしかつ電子チップに当たることを可能にするが、一方スプリアス光（迷光）が電子チップに到達することを防止する開口板を有する。

図１及び図２に示すように、典型的な従来の光学ナビゲーションセンサ装置１０において、電子チップ１２及び開口板１４は、センサハウジング１６に取付けられ、光学ナビゲーションセンサ１８を形成している。開口板１４は、開口板１４を貫通する穴２０の形の開口を有する。センサ１８は、光学コンピュータマウス２８のベース２６に取付けられた回路基板２４にクリップ２２によって取付けられている。ＬＥＤ３０も、回路基板２４に取付けられており、かつレンズ／光パイプ３２は、センサ１８、ＬＥＤ３０及びベース２６の間に配置されており、光をＬＥＤ３０からベース２６の穴３４を通してマウス２８が存在している表面３６の小さな範囲に向け、かつ表面３６の小さな範囲の反射した像を開口板１４における穴２０を通して電子チップ１２に導いている。

電子チップ１２を損傷する可能性がある異物への露出から電子チップ１２を保護し、かつ電子チップ１２の動作に干渉する可能性があるほこりの粒子が開口板１４における穴２０を通ってセンサ１８に侵入することを防止するために、カプトン（登録商標）テープ３８の小さな片が、穴２０を覆って接着されている。

上述したテープ３８の片は、光学ナビゲーションセンサ装置１０を適正に動作させるために、マウス２８の組立中の適当な時点において取り除かなければならない。はんだ付けプロセスにおいて発生する蒸気及び汚れがセンサ１８に侵入することを防止するために、回路基板２４にセンサ１８及びＬＥＤ３０を結合するために必要なすべてのはんだ付け動作が完了するまで、テープ３８の片は、その場所に残してあることが望ましい。

テープ３８を取り除いた際には、レンズ／光パイプ３２を即座にセンサ１８に結合させて、レンズ／光パイプ３２が、開口板１４の穴２０を覆い、かつ浮遊するほこりがセンサ１８に侵入することを防止できるようにすることが必要である。ほこりはセンサ１８内において動き回り、かつ電子チップ１２に反射された像の透過に干渉するので、センサ１８内のほこりは、センサ１８の間欠的な故障を引起こす。いかなるはんだ付け動作の間にもテープ３８の片がはがれず、かつセンサ１８にレンズ／光パイプ３２を結合する前にテープ３８の片全体が確実に取り除けるように、特別の注意も行なわなければならない。

本発明は、電子チップ、開口板及び結像レンズを有しかつ単一のパッケージ内に一体化された光学ナビゲーションセンサを利用して、改善された光学ナビゲーションセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの形において、光学ナビゲーションセンサは、センサハウジングと、ダイの形の電子チップと、開口ハウジングと、結像レンズとを有する。ダイは、センサハウジングに取り付けられている。開口ハウジングは、センサハウジングに取付けられており、迷光がダイに達することを阻止するためにダイを囲み、かつ結像レンズから像を入力するために開口を有し、かつダイに開口を通して像の通過を可能にする。結像レンズは、像を入力しかつダイ上に像を結像するためにセンサハウジングに取付けられている。本発明のある種の形において、結像レンズは、開口を囲みかつ開口内への異物の侵入に対する障壁を提供するレンズハウジングを有する。

本発明の１つの態様によれば、センサハウジングは、リードフレームを有する。本発明のある種の形において、センサハウジングは、インサート成形されたリードフレームを有する。

本発明のある種の形において、像は、表面で反射された像であり、かつ光学センサは、さらに表面を照明し、反射された像を生成するための発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。本発明の１つの態様によれば、光学センサ装置は、ＬＥＤからの光を入力しかつ照明すべき表面にＬＥＤからの光を集光するためのコリメーションレンズをさらに有する。

本発明のある種の形において、ＬＥＤは、センサハウジングに取付けられている。本発明の１つの態様によれば、コリメーションレンズは、ＬＥＤを囲みかつ異物に対する露出からＬＥＤを保護するレンズハウジングを有する。本発明の別の態様によれば、結像レンズ及びコリメーションレンズは、単一のレンズハウジング内に配置されている。

本発明の別の態様によれば、光学センサは、光学センサ位置決め形状を有する取付け面上に取付けるようになっており、かつ光学センサは、取付け面のセンサ位置決め形状に噛み合うようになった接続位置決め形状を有する。光学センサが、コンピュータマウスの光学ナビゲーションセンサである場合、マウスのベースは、光学センサのための取付け面を定義する。

本発明の別の形において、光学ナビゲーションコンピュータマウスは、ベースを有し、かつベースに作用的に取付けられた光学センサ装置は、上述したような光学センサを有する。

本発明の別の態様は、上述したタイプの光学センサを有する光学ナビゲーション装置の製造方法を提供する。

本発明による光学ナビゲーションセンサ装置は、テープの片による開口板における穴をカバーする必要性をなくし、取扱わなければならない独立した構成部品の数の大幅な減少を可能とし、そして反射される像の発生と捕獲（入力）を最適化するために光学ナビゲーション装置のいくつか又はすべての部品を適切な向きに自動的に整列することを含んで、従来の装置を越える多数の利点を提供する。

本発明の前記の及びその他の特徴及び利点は、添付の図面に関連して読めば、実施例の次の詳細な説明から明らかである。詳細な説明及び図面は、制限ではなく、本発明の単なる例示にすぎず、本発明の権利範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される。

図３、図４及び図５は、光学コンピュータマウス４６における本発明による結像レンズ４４が一体に組み込まれた光学センサ（光学ナビゲーションセンサ）４２を含む光学ナビゲーションセンサ装置４０の第１の実施の形態を示している。光学ナビゲーションセンサ装置４０は、後にさらに詳細に説明するように、光学マウス４６のベース４８に適切に作動するように取付けられている。

第１の実施の形態の光学センサナビゲーション装置４０は、光学ナビゲーションセンサ４２、及びベース４８上に取付けられた回路基板５２に適切に作動するように接続されたＬＥＤ５０、及びベース４８の下の表面５８の小さな範囲を照明するためにベース４８における穴５６を通してＬＥＤ５０からの光を導くコリメーションレンズ５４を有する。

光学ナビゲーションセンサ４２は、センサハウジング６０、ダイ６２の形の電子チップ、開口ハウジング６４、及び結像レンズハウジング６６を有する。センサハウジング６０は、インサート成形されたリードフレームを有し、リードフレームを回路基板５２に電気的に接続するための一連の端子６８を有する。ダイ６２は、面実装、ワイヤボンディング又はその他なんらかの適当な接続方法によって、センサハウジング６０のリードフレームに取付けられている。

開口ハウジング６４は、全体的にカップ状になっており、かつ迷光がダイ６２に達することを阻止するために、センサハウジング６０に接触しかつダイ６２を囲むスカート７０有する。開口ハウジング６４の閉じた端部は、結像レンズ４４から像を受信しかつ開口７２を介してダイ６２に像が通過することを可能にするために開口７２を有する。

結像レンズ４４は、結像レンズハウジング６６と一体に形成されており、かつ開口ハウジング６４を囲んでおり、開口７２内への異物の侵入に対して障壁を提供する。センサハウジング６０及び結像レンズハウジング６６は、結像レンズハウジング６６及び開口ハウジング６４のセンサハウジング６０への結合を容易にするために、７４で示すように、相補的なスナップアクション形状（オス・メス形状が対になったスナップフィット用形状）を有する。センサハウジング６０、開口ハウジング６４及び結像レンズハウジング６６は、すべて全体的に四角形の形をしており、また光学センサ４２の組立の際に、ハウジング６０、６４、６６を自動的に配置しかつダイ６２、結像レンズ４４及び開口７２を適正に整列するために使われる位置合わせ用表面を有する。

光学センサ４２の下側端部は、ベース４８上に直接取付けられている。図５、図６及び図７に示すように、本発明の一実施の形態において、光学センサ４２の下側端部は、ベース４８の部品取付け面８０から上方に延びた隆起部７８の形の光学センサ配置形状に噛み合うようになった溝７６を含んでいる。それにより溝７６は、ベース４８の取付け表面のセンサ配置形状に噛み合うようになった接続位置決め形状を形成している。

図８及び図９は、本発明の第２の実施の形態による光学ナビゲーションセンサ８２を示している。光学ナビゲーションセンサ８２は、第１の実施の形態の光学ナビゲーションセンサ４２と多くの点において同一であり、２つの間の基本的な相違点は、第２の実施の形態において、ＬＥＤ及びコリメーションレンズが光学ナビゲーションセンサ８２内に組み込まれている点にある。第２の実施の形態の以下の説明において、先に説明した第１の実施の形態の部品及び形状と類似する部品及び形状には同じ参照符号を付す。

光学ナビゲーションセンサ８２は、センサハウジング６０、ダイ６２の形の電子チップ、ＬＥＤチップ８４、開口ハウジング６４、及び結像レンズハウジング６６を有する。センサハウジング６０は、回路基板にリードフレームを電気的に接続するために一連の端子６８を有するインサート成形されたリードフレームである。ダイ６２及びＬＥＤチップ８４は、面実装、ワイヤボンディング、又はなんらかのその他の適当な接続方法によってセンサハウジング６０のリードフレームに取付けられている。

開口ハウジング６４は、全体的にカップ状になっており、かつ迷光がダイ６２に達することを阻止するために、センサハウジング６０に接触しかつダイ６２を囲むスカート７０を有する。開口ハウジング６４の閉じた端部は、開口７２を有し、結像レンズ４４から像を入力しかつ開口７２を介してダイ６２に像が通過することを可能にする。

結像レンズ４４及びコリメーションレンズ８６は、結像レンズハウジング６６と一体に形成されている。結像レンズハウジング６６は、開口ハウジング６４を囲んでおり、開口７２内への異物の侵入に対して障壁を提供する。センサハウジング６０及び結像レンズハウジング６６は、結像レンズハウジング６６および開口ハウジング６４をセンサハウジング６０へ容易に取付け可能とするために、７４において示すように、相補的なスナップ動作形状（オス・メス形状が対になったスナップフィット用形状）を有する。センサハウジング６０、開口ハウジング６４及び結像レンズハウジング６６は、すべて全体的に四角形の形をしており、かつセンサ８２の組立の間に、ハウジング６０、６４、６６を自動的に配置しかつダイ６２、結像及びコリメーションレンズ４４、８６を含むＬＥＤチップ８４及び開口７２を適正に整列・位置決めするために使われる位置合わせ用表面を有する。光学センサ８２の下側端部は、直接光学コンピュータマウスのベース上に取付けられている。

以上に開示した本発明の実施の形態は、現在好ましいと考えられるものであるが、一方本発明の精神及び権利範囲から外れることなく、種々の変形及び変更を行なうことができる。本発明の種々の要素及び態様は、互いに独立に利用することができ、又は実施の形態の説明に関してここに及び図面に記載したものとは異なった組合せで利用することができる。

本発明の権利範囲は、添付の特許請求の範囲に示されている。均等物の意味及び範囲内におけるあらゆる変形及び変更は、特許請求の範囲に含まれる。

本発明の態様を以下に示す。
［１］
センサハウジングと、
前記センサハウジングに取り付けられたダイと、
像を入力しかつ前記ダイ上に前記像を結像するために前記センサハウジングに取付けられた結像レンズと、
迷光が前記ダイに達することを阻止するために前記ダイを囲み、かつ結像レンズから像を入力するために開口を有し、かつ前記ダイに前記開口を通して前記像の通過を可能にする、前記センサハウジングに取付けられた開口ハウジングと
を有する光学ナビゲーションセンサを有することを特徴とする光学ナビゲーションセンサ装置。
［２］
前記結像レンズが、前記開口を囲みかつ前記開口内への異物の侵入に対する障壁を提供するレンズハウジングを有することを特徴とする［１］に記載の光学センサ装置。
［３］
前記センサハウジングが、リードフレームを有することを特徴とする［１］に記載の光学センサ装置。
［４］
前記センサハウジングが、インサート成形されたリードフレームを有することを特徴とする［１］に記載の光学センサ装置。
［５］
前記像は、表面で反射された像であり、かつ前記光学センサは、前記表面を照明して前記反射された像を生成するための発光ダイオードをさらに有することを特徴とする［１］に記載の光学センサ装置。
［６］
前記ＬＥＤからの光を入力しかつ照明すべき前記表面に前記発光ダイオードからの前記光を集光するためのコリメーションレンズをさらに有することを特徴とする［５］に記載の光学センサ装置。
［７］
前記発光ダイオードが、前記センサハウジングに取付けられていることを特徴とする［５］に記載の光学センサ装置。
［８］
前記コリメーションレンズが、前記発光ダイオードを囲み、異物に対する露出から前記発光ダイオードを保護するレンズハウジングを有することを特徴とする［７］に記載の光学センサ装置。
［９］
前記結像レンズが、前記開口を囲み、前記開口内への前記異物の侵入に対する障壁を提供するレンズハウジングを有することを特徴とする［８］に記載の光学センサ装置。
［１０］
前記結像レンズ及び前記コリメーションレンズが、単一のレンズハウジング内に配置されていることを特徴とする［８］に記載の光学センサ装置。
［１１］
前記光学センサが、光学センサ位置決め形状を有する取付け面上に取付けるようになっており、かつ前記光学センサが、前記取付け面の前記光学センサ位置決め形状に噛み合うようになった接続位置決め形状を有することを特徴とする［１］に記載の光学センサ装置。
［１２］
前記光学センサが、前記光学センサのための前記取付け面を定義するベースを有するコンピュータマウスの光学ナビゲーションセンサであることを特徴とする［１１］に記載の光学センサ装置。
［１３］
ベースと、
前記ベースに動作可能に取付けられる光学センサ装置とを有し、
光学センサを有する前記光学センサ装置が、
センサハウジングと、
前記センサハウジングに取付けられたダイと、
像を入力しかつ前記ダイ上に前記像を結像するために前記センサハウジングに取付けられた結像レンズと、
迷光が前記ダイに達することを阻止するために前記ダイを囲み、かつ前記結像レンズから像を入力するために開口を有し、かつ前記ダイに前記開口を通して前記像の通過を可能にする、前記センサハウジングに取付けられた開口ハウジングと
を有することを特徴とする、光学ナビゲーションコンピュータマウス。
［１４］
前記ベース及び前記光学センサ装置に取付けられた回路基板をさらに有することを特徴とする［１３］に記載のマウス。
［１５］
前記光学センサ装置が、前記ベース上に取付けられていることを特徴とする［１３］に記載のマウス。
［１６］
前記光学センサが、光学センサ位置決め形状を有する取付け面上に取付けるようになっており、かつ前記光学センサが、前記取付け面の前記センサ位置決め形状に噛み合うようになった接続位置決め形状を有することを特徴とする［１３］に記載のマウス。
［１７］
前記ベースが、前記光学センサのための前記取付け面を定義することを特徴とする［１６］に記載のマウス。
［１８］
前記像は、表面で反射された像であり、かつ前記マウスは、前記表面を照明して前記反射された像を生成するための発光ダイオードをさらに有することを特徴とする［１３］に記載のマウス。
［１９］
前記発光ダイオードからの光を入力しかつ照明すべき前記表面に前記発光ダイオードからの前記光を集光するためのコリメーションレンズをさらに有することを特徴とする［１８］に記載のマウス。
［２０］
前記光学センサ装置が、前記発光ダイオードを有することを特徴とする［１８］に記載のマウス。
［２１］
前記発光ダイオードが、前記センサハウジングに取付けられていることを特徴とする［２０］に記載のマウス。
［２２］
前記光学センサ装置が、前記発光ダイオードからの光を入力しかつ照明すべき前記表面に前記発光ダイオードからの前記光を集光するために前記センサハウジングに取付けられたコリメーションレンズをさらに有することを特徴とする［２０］に記載のマウス。
［２３］
光学ナビゲーション装置の製造方法であって、
センサハウジングと、
前記センサハウジングに取り付けられたダイと、
像を入力しかつ前記ダイ上に前記像を集束するために前記センサハウジングに取付けられた結像レンズと、
迷光が前記ダイに達することを阻止するために前記ダイを囲み、かつ前記結像レンズから像を入力するために開口を有し、かつ前記ダイに前記開口を通して前記像の通過を可能にする、前記センサハウジングに取付けられた開口ハウジングと
を有する光学センサを組み立てることを具備することを特徴とする、光学ナビゲーション装置の製造方法。
［２４］
前記光学ナビゲーション装置が、前記光学センサのための支持構造部を有し、前記方法が、前記光学ナビゲーションセンサの組立に続いて、前記支持構造部と前記光学センサとを結合することをさらに具備することを特徴とする［２３］に記載の方法。

光学マウスにおける従来の光学ナビゲーションセンサ装置の概略図である。 図１に示した光学ナビゲーションセンサ装置に利用されるタイプの従来の光学ナビゲーションセンサの概略図である。 光学コンピュータマウスにおける本発明による一体型結像レンズを有する光学センサを含む光学センサ装置の第１の実施の形態の概略断面図である。 光学コンピュータマウスにおける本発明による一体型結像レンズを有する光学センサを含む光学センサ装置の第１の実施の形態の概略断面図である。 図３及び図４の光学センサを展開して示す斜視図である。 取付け表面上において光学センサを位置合わせするための相補的な位置合わせ形状を有する光学センサ及び取付け表面の拡大した断面図である。 取付け表面上において光学センサを位置合わせするための相補的な位置合わせ形状を有する光学センサ及び取付け表面の拡大した断面図である。 単一のレンズハウジング内に一体化したＬＥＤ及び組合せた結像及びコリメーションレンズを有する本発明による光学センサの第２の実施の形態を拡大して示す断面図である。 単一のレンズハウジング内に一体化したＬＥＤ及び組合せた結像及びコリメーションレンズを有する本発明による光学センサの第２の実施の形態を展開して示す斜視図である。

符号の説明

４０ ナビゲーションセンサ装置
４２ 光学センサ
４４ 統合結像レンズ
４６ 光学マウス
４８ ベース
５０ ＬＥＤ
５２ 回路板
５４ コリメーションレンズ
５６ 穴
５８ 表面
６０ センサハウジング
６２ ダイ
６４ 開口ハウジング
６６ レンズハウジング
７２ 開口

Claims (1)

1. センサハウジングと、
   前記センサハウジングに取り付けられたダイと、
   像を入力しかつ前記ダイ上に前記像を結ぶために前記センサハウジングに取付けられた結像レンズと、
   迷光が前記ダイに達することを阻止するために前記ダイを囲み、かつ前記結像レンズから像を入力するための開口を有し、かつ前記ダイに前記開口を通して前記像の通過を可能にする、前記センサハウジングに取付けられた開口ハウジングと
   を有する光学ナビゲーションセンサを有することを特徴とする、光学ナビゲーションセンサ装置。

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