JP2009536378A - 可動物体の動きを検出するための検出回路 - Google Patents

Abstract

ジョイスティックのように可動物体（２）の動きを検出するための検出回路（１）は、第一方向におけるジョイスティックの第一動作を検出するための第一検出器（１００）であって、光スポット（３）の存在／不在（光スポット（３）の位置はその第一動作に依存する。）を検出するための第一検出ユニット（１０１）を有する第一検出器（１００）と、第二方向におけるジョイスティックの第二動作を検出するための第二検出器（２００）であって、光スポット（３）の第一／第二強度（光スポット（３）の強度はその第二動作に依存する。）を検出するための第二検出ユニット（２０１）を有する第二検出器（２００）と、を備える。そのような検出回路（１）は、組み立て中の構成要素のずれに影響されにくく、また、製造がより簡単で且つより安価である。第二検出器（２００）は、ジョイスティックの位置とは無関係に光スポット（３）内にすっかり位置付けられ、また、第一及び第三検出器は、ジョイスティックの位置に依存して光スポット（３）内に部分的に位置付けられる。検出ユニット（１０１）は、フォトダイオード（１２０）とフォトダイオード（１２０）からの信号をデジタル化するためのトランジスタ（１２１）とを有する。

Description

本発明は、可動物体の動きを検出するための検出回路、並びに、検出装置、デバイス及び方法に関する。

そのような可動物体の例には、ジョイスティック及び多機能（マルチファンクション）キーがあり、そのようなデバイスの例には、携帯電話、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）及びリモコン装置のような消費者製品、並びに、非消費者製品があり、他の例を除外するものではない。

従来技術の検出装置は、米国特許第６３２６９４８号によって公知となっており、それは、スライド面を備えたベースと、そのスライド面をスライド可能な可動ボディと、光を発するための発光要素と、その可動ボディに備えられ且つその発光要素が発する光を反射するための反射面を有する反射部と、その反射部が反射した光を受ける複数の受光要素とを有する入力デバイスを開示する。

その従来技術の検出装置では、水平運動は、それら複数の受光要素が受ける光の量を比較することによって検出される。垂直運動を検出するために、ダイアフラムがその可動ボディとその受光要素との間に置かれ、その可動ボディが押し下げられた場合にその受光要素における光スポットのサイズが増大するようにする。従って、その垂直運動は、それら複数の受光要素が受ける光の総量を検出することによって検出される。

その既知の検出装置は、とりわけ、垂直運動を検出できるようにするためのダイアフラムを必要とするという事実のために、不利である。そのようなダイアフラムは、組み立て中の構成要素のずれに敏感であり、また、製造をより複雑で且つより高価なものとしてしまう。
米国特許第６３２６９４８号明細書

本発明の目的は、とりわけ、その可動物体とその検出器との間にダイアフラムを必要としない検出回路を提供することである。

本発明の更なる目的は、とりわけ、ダイアフラムを必要としない検出装置、デバイス、及び方法を提供することである。

可動物体の動きを検出するための本発明に従った検出回路は：
・その検出回路の平面の第一方向におけるその可動物体の第一の動きを検出するための第一検出器であって、第一検出ユニットであり、その第一検出ユニットの位置における光スポットの存在又は不在を検出するための第一検出ユニットを有し、その光スポットの位置がその第一の動きに依存するところの第一検出器、及び
・その検出回路の平面に垂直な第二方向におけるその可動物体の第二の動きを検出するための第二検出器であって、その光スポットの強度がその第二の動きに依存し、第二検出ユニットであり、その第二検出ユニットの位置におけるその光スポットの第一強度又は第二強度を検出するための第二検出ユニットを有し、その第一及び第二強度がゼロに等しくない異なる強度であるところの第二検出器、を有する。

第一の位置で光スポットの存在又は不在を検出することによって、例えば、その可動物体の水平方向の動きを検出可能である。第二の位置でその光スポットの強度を検出することによって、例えばその可動物体の垂直方向の動きを検出可能であり、また、それは、ダイアフラムの使用をもはや必要としない。

本発明に従った検出回路は、とりわけ、それが、組み立て中における構成要素のずれに影響されにくく、また、製造がより簡単で且つより安価である点で更に有利である。

本発明に従った検出回路の実施例は：
・その検出回路の平面の第三方向におけるその可動物体の第三の動きを検出するための第三検出器であって、第三検出ユニットであり、その第三検出ユニットの位置におけるその光スポットの存在又は不在を検出するための第三検出ユニットを有し、その光スポットの位置がその第三の動きに依存し、その第一及び第三方向が平行でない方向にあるところの第三検出器、を更に有することによって特徴付けられる。

第一、第二及び第三方向のそれぞれは、例えば、その検出回路の面が水平面である場合におけるｘ、ｙ及びｚ方向であるが、追加的な選択肢を除外するものではない。

本発明に従った検出回路の実施例は、追加的な第一検出ユニットを有する第一検出器、及び、追加的な第三検出ユニットを有する第三検出器によって特徴付けられ、その第一検出ユニットは、その第一方向に平行に並べられ、その第三検出ユニットは、その第三方向に平行に並べられる。複数の第一検出ユニット及び複数の第三検出ユニットは、その第一及び第三方向における動きがより正確に検出されることができるようにする。その複数の第一検出ユニット及び複数の第三検出ユニットは、例えば、交差する線群であり、その第二検出ユニットがその交差点又はその交差点の近くに位置付けられ、或いは、複数の第二検出ユニットがその交差点の近く、その交差する線若しくは線群のところ、又は、その交差する線群の近くに位置付けられる。

本発明に従った検出回路の実施例は、その可動物体の位置にかかわらずその光スポット内に全体が置かれる第二検出器と、その可動物体の位置に依存してその光スポット内に一部が置かれる第一及び第三検出器とによって特徴付けられる。その光スポットのサイズは、好適には、その第二検出器の第二検出ユニットの全てが、その可動物体の位置にかかわらずこの光スポット内に置かれるように、また、好適には、その第二検出器の第二検出ユニットの全てが、その可動物体の位置に依存して、一部がこの光スポットの内側に置かれ且つ一部がこの光スポットの外側に置かれるように決められる。その可動物体の位置は、その検出回路における光スポットの位置を決定する。

本発明に従った検出回路の実施例は：
・光信号を生成するためのソースであり、その可動物体がその光信号をその検出ユニットに反射するための反射器を有し、その光スポットがその反射された光信号に由来するところのソース、を更に有することによって特徴付けられる。

発光源又は赤外光を発する熱源のようなそのソースをその検出回路内に置くことによって、また、その可動物体に反射器を備えることにより、それはもはや、不都合にもその可動物体内にソースを置く必要がない。

本発明に従った検出回路の実施例は、第一フォトエレメント信号を生成するための第一フォトエレメントを有する第一検出ユニットであって、その第一フォトエレメントがその第一フォトエレメント信号をデジタル化するための第一トランジスタに結合されるところの第一検出ユニットと、第二フォトエレメント信号を生成するための第二フォトエレメントを有する第二検出ユニットであって、その第二フォトエレメントがその第二フォトエレメント信号をデジタル化するための第二トランジスタに結合されるところの第二検出ユニットと、によって特徴付けられる。フォトダイオード又はフォトトランジスタのようなそれらフォトエレメントの直ぐ後でそれらフォトエレメント信号をデジタル化することによって、複雑で高価なアナログ−デジタルコンバータ及び増幅器の利用が回避される。

本発明に従った検出回路の実施例は、薄膜ポリシリコン技術、単結晶シリコン基板技術、発光ダイオード技術及び有機発光ダイオード技術のうちの少なくとも一つの技術に基づく集積検出回路である検出回路によって特徴付けられる。そのような集積回路は、有利的には、一つの堅固な回路を形成するために、それらフォトエレメントと、それらトランジスタと、そのソースとを有し得る。

本発明に従った検出装置は、本発明に従った検出回路を有し、更に、その可動物体を有する。

本発明に従った検出装置の実施例は、ダイアフラムのない装置である検出装置によって特徴付けられる。そのダイアフラムは、単に不利点だけを取り込む。

本発明に従った検出装置の実施例は、傾けられた可動物体に由来するその検出回路の面の第一方向におけるその可動物体の第一の動きと、押し下げられた可動物体に由来するその検出回路の面に垂直な第二方向におけるその可動物体の第二の動きと、によって特徴付けられる。その傾斜及び押し下げは、ユーザーフレンドリーな動きである。

本発明に従ったデバイスは、本発明に従った検出回路を有し、更に、その可動物体で構成されるマン・マシン・インタフェースを有する。

本発明に従ったデバイスの実施例は、その検出回路を有する一体型ディスプレイであるディスプレイを更に有するマン・マシン・インタフェースによって特徴付けられる。このように、その可動物体は、例えば、そのディスプレイの一部を形成し、また、別々に構築される必要が無く、そのことは、製造をより簡単で且つより安価なものとする。その可動物体は、例えば、一体型ディスプレイのディスプレイ領域の縁に置かれてもよい。

本発明に従った検出装置の実施例と、本発明に従ったデバイスの実施例と、本発明に従った方法の実施例とは、本発明に従った検出回路の実施例に対応する。

本発明は、とりわけ、一種類の検出器が二つの異なる種類の動きを検出しなければならない場合にはダイアフラムが使用されることになっているという見解に基づき、また、とりわけ、異なる種類の検出器が異なる種類の動き検出するために利用されることになっているという基本的な考えに基づく。

本発明は、とりわけ、その可動物体とその検出器との間にダイアフラムを必要としない検出回路を提供するための課題を解決する。本発明に従った検出回路は、とりわけ、組み立て中における構成要素のずれに影響されにくく、また、製造がより簡単で且つより安価であるという点で更に有利である。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例によって明確となり、それらを参照することで明らかにされる。

図１の断面図で示される本発明に従った検出装置１０は、本発明に従った検出回路１を有する。例えばＡＳＩＣダイのような検出回路１は、例えばフォトダイオードのような検出器１００、２００、３００と、例えば何れかの種類のＬＥＤのような光源といったソース４とを有し、且つ、パッケージ６内に位置付けられる。スプリング８は、パッケージ６に取り付けられ、可動物体２は、スプリング８に結合される。この可動物体２は、反射器５及び仮想回転ポイント７を有する。パッケージ６のはんだボール９は、パッケージ６が例えば図１０で示されるデバイス２０に接続されるのを可能にする。更に、ｘ、ｙ、及びｚ方向が図１で示されている。

図２における、動かされていない可動物体（左側）及び動かされた可動物体（右側）に対応する断面図及び上面図で示される検出回路１は、それら断面図において、検出回路１の基本原理を説明するために、検出器Ｄ１〜Ｄ４、ソースＳ、及び、反射器５の反対側にあるソースＳのイメージ１１を開示する。上面図において、それら四つの検出器Ｄ１〜Ｄ４は、ソースＳを取り囲むように示される。検出器Ｄ１及びＤ２からの信号は、ｙ方向信号を得るために差動回路を介して互いに差し引かれ、また、検出器Ｄ３及びＤ４からの信号は、ｘ方向信号を得るために差動回路を介して互いに差し引かれる。

ジョイスティックのような可動物体２が、動かされていない位置、すなわち静止位置（左側）にある場合、反射器５は、その基板に平行であり、そして、ソースＳが発する光は、反射器５によって反射され、光スポット３をその基板上に投げ返す。言い換えれば、反射器５の後ろにあるソースＳのイメージ１１は、その反射器の輪郭によって創出される開口を通じて光円錐を光らせる。反射器５のサイズ、ソースＳと反射器５との間の距離、及び、検出器Ｄ１〜Ｄ４の寸法は、光スポット３がそれら検出器の面積の約半分を覆うように、選択され得る。そのシステムの対称性のおかげで、反射された光スポット３は、検出器Ｄ１〜Ｄ４上で中心に置かれる。言い換えれば、検出器Ｄ１〜Ｄ４の全てが等しく光に晒され、その結果、Ｘ及びＹ方向における出力信号はゼロとなる。

そのジョイスティックが反射器５の中央又はその上にある仮想旋回軸の回りを僅かに右に傾けられると、イメージ１１は、円又は曲線に沿って新しい位置まで移動させられる。その結果、その光円錐もまた傾けられ、そして、結果的に光スポット３は、左に移動させられて僅かに引き延ばされる。この時点で、その対称性は崩される。Ｄ３は、Ｄ４より多くの光を受けるが、Ｄ１及びＤ２は、均等に照らされたままである。出力Ｘでは、Ｘ方向におけるそのジョイスティックの傾斜角に比例する非ゼロ信号が検出されるが、出力Ｙにおける信号は、ゼロのままである。同様にして、（Ｘ及びＹの）何れの方向における傾斜も、四つ全ての検出器Ｄ１〜Ｄ４を用いて検出され得る。検出器Ｄ１〜Ｄ４を接続する上述の方法は単なる例に過ぎない。四つの検出器Ｄ１〜Ｄ４からＸ及びＹ信号を取り出す別の方法も存在する。

別の実施では、そのジョイスティックの特定方向への傾斜、つまり、Ｘ及びＹ信号は、その方向に向かって移動するディスプレイ上のカーソルの速度に翻訳される。そのジョイスティックを傾斜させることにより、ユーザは、そのカーソルを所望の方向に移動させることができる。その動きの速度は、その傾斜角に依存する。その動きを止めるために、ユーザは、そのジョイスティックを手放してその静止位置にそれを戻させる必要がある。

図３の上面図で示される、本発明に従った検出回路１のための検出器のレイアウトは、単なる例に過ぎず、図３ａにおける方形群のような、或いは、図３ｂにおける細いストリップのようなものがあり、また、それら検出器の数は、図３ｃ及び３ｄでは四つより大きいものとなり得る。図３ｃでは、そのソースの四つのサイドに沿って一列に並ぶ多くの小検出器がある。その光スポットによって覆われる検出器の数を数えることによって、Ｘ及びＹ信号は、取得され得る。この図３ｃは、図４で更なる詳細が示される。図３ｄでは、その基板は、小検出器の配列によって囲まれたソースＳを含む。そのジョイスティックの傾斜に対応する光スポットの形状及び位置は、その光スポットによって覆われる検出器エレメントを計数し且つ見つけ出すことによって正確に決定され得る。

更に、図示されてはいないが、その反射器は、異なる形状を有していてもよい。その反射器は、凹面鏡であってもよい。その鏡の中心点とそのソースとの間の距離は、好適には、ｆと２ｆとの間であってもよい。なお、ｆは、その鏡の焦点距離である。この場合、その基板上における反射された光スポットは、平面鏡の場合よりも有意に小さい。その凹面鏡は、好適には、図３ｄで示されるような検出器の配列と一緒に用いられる。その光スポットの小さなサイズのおかげで、その光スポットの位置は、結果として、そのジョイスティックの傾斜に対応し、より正確に決定され得る。

本発明に従った検出回路１の上面図である図４でより詳細に示される検出器のレイアウトは、例えば１８個の検出ユニット１０１〜１１８を有する第一検出器１００と、例えば８個の検出ユニット２０１〜２０８を有する第二検出器２００と、例えば１８個の検出ユニット３０１〜３１８を有する第三検出器３００とを有する。左から右へのｘ方向において、検出ユニット３０１〜３０９の後には、検出ユニット２０５及び２０６、ソース４、検出ユニット２０７及び２０８、並びに、検出ユニット３１８〜３１０が続く。上から下へのｙ方向において、検出ユニット１０１〜１０９の後には、検出ユニット２０１及び２０２、ソース４、検出ユニット２０３及び２０４、並びに、検出ユニット１１８〜１１０が続く。更に、光スポット３が図示される。

また、位置Ｐに対する強度Ｉを開示するグラフが図示される。暗領域が４０１で示され、分かれ目（閾値）が４０３で示され、且つ、明領域が４０２で示される。この例では、論理“１”がその暗領域に対して生成され、また、論理“０”がその明領域に対して生成される。

本発明に従った検出回路１におけるフォトダイオード１２０、１３０、１４０及びトランジスタ１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、図５で示される。フォトダイオード１２０、１３０、１４０のカソードは、第一基準端子に結合され、また、それらのアノードは、トランジスタ１２１、１３１、１４１の第一主電極に結合される。それらトランジスタ１２１、１３１、１４１の第二主電極は、トランジスタ１２２、１３２、１４２の第一主電極に結合され、且つ、インバータ１２３、１３３、１４３の入力に結合される。トランジスタ１２１、１３１、１４１は、それらの信号変化をデジタル化し、また、インバータ１２３、１３３、１４３は、更に、その信号をデジタル化し、且つ、そのデジタル信号を反転させる。トランジスタ１２２、１３２、１４２の第二主電極は、第二基準端子に結合される。トランジスタ１２１、１３１、１４１の制御電極は、相互に結合される。トランジスタ１２２、１３２、１４２の制御電極は、相互に結合される。全ての制御電極は、バイアス目的のため、電流を定義するため及び閾値を定義するための更なる回路に結合され得る。

実際には、検出ユニット１０１〜１０９、１１０〜１１８、３０１〜３０９、３１０〜３１８の各グループに対し、図５で示されるような回路が存在し得る。検出ユニット２０１〜２０８に関し、最小状態ではただ一つだけの検出ユニット、例えば、検出ユニット２０１又は２０２が存在し得、拡張状態では例えば四個の検出ユニット２０１、２０８、２０４、２０５又は２０２、２０３、２０６、２０７が存在し得、最大状態では八個以上の検出ユニットが存在し得る。検出ユニット２０１〜２０８の数とは無関係に、それぞれのものが、図５で示されるようなそれら自身の回路を有していてもよく、或いは、二個以上のものが一緒になって図５等で示されるような回路を有していてもよい。

検出ユニット２０２、２０３、２０６、２０７は、例えば、押下選択（press-to-select）アクション（Ｚ方向における押下）を検出するために用いられ、以下ではＺ光検出器と称される。代替的に、例えば全ての検出ユニット２０１〜２０８がＺ光検出器であってもよい。残りのものは、Ｘ及びＹ検出のために用いられ、以下ではＸ／Ｙ光検出器と称される。それらＺ光検出器は、好適には、そのジョイスティックの位置にかかわらず、その光スポットの内側にある。それらＺ光検出器の位置は、例えば、そのソースからもう少し離れたところに、且つ／或いは、Ｘ／Ｙ光検出器から外れたところに、変えられてもよい。

検出回路において、Ｘ／Ｙ光検出器の信号は、対応する基準信号と比較され、それは、結果的に１ビットのデジタル信号をもたらす。例えば、Ｘ／Ｙ光検出器がその光スポットの外側にある場合、図５で示される回路は、結果的に、この光検出器に対する“１”をもたらし、或いは、もう一方の場合、つまりその光検出器がその光スポットの内側にある場合、その回路は、結果的に“０”をもたらす。その回路は、実質的には１ビットのＡＤＣ（アナログ−デジタルコンバータ）である。言い換えれば、その回路は、閾値検出である（図４の隅にある差し込み図を参照。）。例えば、その光スポットの境界が光検出器を横切った場合、その光検出器が受ける光強度は、暗値４０１から明値４０２まで増大させられる。これら二つのレベルの中程のどこかで、閾値４０３が定義される。それは、その光スポットの境界がその光検出器を半分ほど横切ったときに、その検出器が受けた信号が“１”（暗）から“０”（明）に切り換えられることを意味する。その後の段階で、デジタル回路は、各グループにおいてその光スポットに晒されたフォトダイオードの数を計数し、それが、そのグループにおける信号を表すことになる。

その後、信号Ｘ及びＹは、グループ３の信号からグループ４の信号を、また、グループ１の信号からグループ２の信号を、それぞれ（デジタル的に）減算することによって算出される。このデジタル検出方法の利点は、それらの電子回路がより単純であるという点にある。増幅器及びＡＤＣのようなアナログ回路は、必要とされない。それらの信号は、各光検出器のところで直ぐにデジタル化される。

フォトダイオードのような光検出器は、逆バイアスされ、そして、例えば、図示されない電流ミラー回路に接続される。この電流ミラー回路を介して、基準電流が定義され得る。この基準電流は、同じグループにあるフォトダイオードを通過する等しく且つ別個の電流を創出するために、ミラーリングされる。フォトダイオード１２０の輝度条件に応じて、その中間点、例えば、トランジスタ１２１と１２２との間の結合は、低値にも高値にもなり得る。例えば、そのフォトダイオードが照らされていない場合、この点における電圧はほとんどゼロであるが、そのフォトダイオードが光に晒される場合、その内部抵抗は、（光強度と共に指数関数的に）大幅に減少し、そのことは、そのポイントを迅速に高値に切り替えさせる。完全にデジタル化された信号を確保するために、例えばインバータ１２３のような追加の閾値検出回路が追加されてもよい。最終的に、各インバータの出力のところでデジタル信号が取得され、それは、そのフォトダイオードの輝度条件に依存する。各グループにおけるそれらフォトダイオードからの出力は、それを二進数に変換させるため、後の段階でエンコーダに供給されてもよい。そのエンコーダ以外の他の適切な回路が使用されてもよい。

図６の断面図でより詳細に示される、本発明に従った検出回路１のための検出器のレイアウトは、検出器２００及び３００と、ソース４と、反射器５と、反射器５の動かされていない位置、すなわち静止位置におけるソース４のイメージ１２と、動かされた位置、すなわち非静止位置１４における検出器５と、この動かされた位置、すなわち非静止位置に対応するソース４のイメージ１３と、光スポットの寸法１５とを開示する。

例えば、図１０で示されるようなディスプレイ上にある特定の項目を選択するためにそのジョイスティックが垂直に押された場合、その基板上の反射された光スポットの直径は、変化させられないが、そのスポットの光強度は、増大させられる。当初は、反射器５は、その静止位置にある。その反射器の縁のところで反射された光線は、その基板上の反射された光スポットの境界を定義する。この現象はまた、同等の方法で、（その反射器の上でそのソースと対称と成す）その光源のイメージ１２が反射器５の場所にある仮想穴を通して光円錐を光らせるものと考えられる。この場合におけるその円錐の立体角は、α０である。そのソースの輝度パワーが一定であると仮定すると、その基板上の光強度は、α０／Ａに比例する。なお、Ａは、その反射された光スポットの面積である。

ここで、そのジョイスティックが垂直に押された（クリックアクション）場合、その反射器は、前よりもその基板により近い位置１４に移動することとなる。単純反射の法則を適用すると、その反射された光スポットのサイズが大きくなることなく、同じままであることが簡単に理解できる。しかしながら、この場合そのソースのイメージ１３がその反射器により近づくという事実のために、その光円錐の立体角α１は、このときα０よりも大きくなる。結果として、その基板が受ける光強度（〜α１／Ａ、Ａは不変である。）もまた増大させられる。一以上（例えば、４個）のＺ光検出器は、この変化を検知し、そして、単純な閾値検出回路を用いて、そのスティックの垂直位置に対応するデジタル信号が生成される。原理上は、ただ一つのＺ光検出器のみが必要とされる。しかしながら、そのスティックの左右対称の動きを確実なものとするために、二以上（例えば、２〜４個）のＺ光検出器が望ましいとされる。それらＺ光検出器は、Ｘ／Ｙ光検出器と同じ列に配置されてもよく、或いは、好適には、そのスティックの位置にかかわらず、それらがその光スポットの内側にあるという条件で、それらは、別の場所に置かれてもよい。

図７は、本発明に従った第一集積検出回路１を断面図で示す。光源５０３は、低温ポリシリコン技術（ＬＴＰＳ）に基づいて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）５０１やフォトダイオード５０２等のような電子デバイスを含む基板５０６に、蒸着され且つパターン形成された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）である。ＴＦＴ又はＬＴＰＳフォトダイオードは、シールドされていなければ、光の影響を受けやすく、それ故に、光検出器として使用され得る。その上、ＬＴＰＳに基づく電子回路は、そのデバイスを制御し且つそのデバイスのための信号処理を行うために用いられることができ、そのことは、そのデバイスを完全に統合されたものとする。ＬＴＰＳ及びＯＬＥＤ技術は、近年、アクティブマトリックス型ＯＬＥＤディスプレイを製造するために、一つの共通の基板上で組み合わされた。その結果、光学ポインティングデバイスに対するこの技術の使用は、技術の再利用、高度の集積、及び低コストの点で有利である。そのＯＬＥＤの波長は、ＬＴＰＳベースの光検出器の検知範囲に合うように選択され得る。絶縁層は、５００で示され、透明トップ電極は、５０７で示され、ボトム電極は５０４で示され、ゲート酸化物は、５０５で示される。

図８は、本発明に従った第二集積検出回路１を断面図で示す。（光検出器として使用される）シリコンフォトダイオード６０２及びＣＭＯＳ回路６０１は、単結晶シリコン基板６０３上に集積され得る。そのシリコンウエハが完成した後（バック・エンド・オブ・ザ・ライン処理の後）、そのウエハは、そのシリコンウエハの上にＯＬＥＤ構造が蒸着され且つパターン形成されるところであるＯＬＥＤ製造工場に移される。その後、そのウエハは、例えば光学ポインティングデバイスでの使用のために、分離されたダイスにダイスカットされる。透明トップ電極は、６０７で示され、ボトム電極は、６０５で示され、ＯＬＥＤは、６０４で示され、シリコンダイの相互接続（インターコネクション）は、６００で示され、そして、絶縁層は、６０６で示される。

図９は、本発明に従った第三集積検出回路１を断面図で示す。（光検出器として使用される）シリコンフォトダイオード７０２及びＣＯＭＳ回路７０１は、シリコン基板７０３上に集積され得る。そのシリコンウエハが完成した後（バック・エンド・オブ・ザ・ライン処理の後）、無機ＬＥＤダイ７０４は、（ピック・アンド・プレース処理及び接着によって）そのシリコンウエハの上に取り付けられる。その後、そのウエハは、光学ポインティングデバイスでの使用のために、分離されたダイスにダイスカットされる。ボンドワイヤは、７０７で示され、ボトム電極は、７０５で示され、そのシリコンダイの相互接続は、７００で示される。

熱源は赤外光を発するので、それは、赤外光源としても使用され得る。その熱源は、例えば（金属抵抗又はポリ抵抗を用いた）抵抗ヒータによってシリコン基板上に簡単に創出され得る。代替的に、可視光又は赤外光は、例えばＰ−Ｎ接合が逆バイアスされて電子なだれ状態にあるときのシリコンＰ−Ｎ接合の発光を用いることにより、或いは、ＣＭＯＳトランジスタにおけるいわゆる“ラッチアップ”現象を用いることにより、シリコン上で創出され得る。そのラッチアップは、熱及び赤外線の放射を創出するループ内のいくつかのトランジスタの中を過剰な電流が流れるときの、ＩＣにおける望ましくない現象である。ラッチアップは、そのチップの不適切な設計又は欠陥により発生する。しかしながらこの場合には、ラッチアップは、意図的に創出される。シリコンフォトダイオードは、赤外波長に敏感であり、そのため、その熱源から来る赤外光を検出するために使用され得る。

図１０は、本発明に従ったデバイス２０を示す。それは、ディスプレイ２１、及びジョイスティックのような可動物体２を有する。そのジョイスティックは、例えば、ディスプレイ基板２４の一部を形成する集積電子機器領域２３群の間にある、検出回路１及びソース４を有するディスプレイ領域におけるジョイスティック領域２２に取り付けられる。その光学式ジョイスティックは、アクティブマトリックス型ＯＬＥＤディスプレイ技術に基づく。その装置は、ＯＬＥＤ光源と、共通の基板上に組み立てられたＴＦＴに基づく多数の光検出器と、その基板の上に吊された反射器を有するジョイスティックとを含む。この装置は、携帯電話、ＰＤＡ、及び、そのディスプレイ上のメニューを通じてナビゲートを行う他の携帯用デバイス等のデバイスで使用され得る。検出回路１は、例えば、図３で示されるレイアウトの一つ又はそれらの組み合わせといった如何なる種類の検出器レイアウトを有していてもよく、更なるレイアウトを排除することもない。

デバイスは、例えば、ＯＬＥＤ、光検出器、及び、ＯＬＥＤディスプレイ技術を用いて作られた集積電子機器を含む大きな基板からダイスカットされたフォトニックダイを含む。補足として、そのジョイスティックは、ＯＬＥＤディスプレイ基板上に統合され、そして、そのディスプレイの追加的な機能としてそのディスプレイと共に販売されてもよい。例えば携帯電話におけるＯＬＥＤディスプレイにおいて、そのディスプレイ領域を囲むいくつかの縁は、そのディスプレイの駆動回路や接続パッド等のようなオンボード電子機器のために用いられてもよい。いくつかある電子回路の中でもとりわけ、光学式ジョイスティックのための少なくともいくつかの構成要素は、そのディスプレイ領域の縁に統合され得る。そのジョイスティックの電子機器はまた、そのディスプレイの周辺領域に統合されてもよい。図１０の右側は、例えば携帯電話における結合型ディスプレイ・ジョイスティックを示す。ジョイスティックのボディ、及び、その懸架機構は、ディスプレイ基板（図１０の左下を参照。）上に構築されてもよく、或いは、その電話のトップカバーの一部であってもよい。

携帯用デバイスにとって、検出装置１０の寸法は、決定的に重大な意味を持つ。例えば携帯電話には利用できるスペースが多くはないからである。特に、その検出装置の高さは、できるだけ小さくすべきである。図１の検出装置の高さは、概して、サスペンション８の高さによって決定される。図１１は、検出装置１０の極めて有利な代替実施例を概略的に示し、そこでは、ノブの形をした可動物体２内のスペースは、サスペンション８’を収容するために用いられる。この手段は、その高さを著しく低減させ得る。サスペンション８’は、パッケージ６から突出している。そのパッケージ内に収容される代わりに、それは、ここでは、ノブ２の中に存在する。そのノブ内の空洞は、（ジョイスティックのような）可動物体２が触れることなく傾斜し且つクリックできるように十分に大きいものであるべきである。この代替実施例は、図１１で示されるように、パッケージ６の厚みを１ｍｍにまで或いは０．８ｍｍにさえ薄くするのを可能にする。そのパッケージの実際の厚みは、内部の構成要素の高さによるよりもむしろ、そのパッケージの所要の機械的強度によって決定される。パッケージ基板２５の典型的な厚みは、約０．２ｍｍであり、また、デバイス基板１の厚みは、約０．２ｍｍである。別の有利点は、そのノブの比較的大きな体積がサスペンション８’を収容するために用いられ得るので、そのサスペンションのデザインの寸法における制約が緩和されるという点にある。

図１２は、図１１の代替的な検出装置を備えたデバイス２０を示す。デバイス２０は、ここでは、携帯電話である。はんだボール９を持つパッケージ６は、プリント回路基板（ＰＣＢ）２１に接続される。そのＰＣＢ上の他の隣接するＩＣ２２は、その携帯電話に他の機能を与えるために存在し得る。ノブ２は、その携帯電話のハウジング２３に組み込まれる。その代替的な検出装置は、ノートブックにおけるマウスポインタとして適用されてもよく、或いは、携帯電話、ＰＤＡ、携帯ゲーム機、リモコン及び他の携帯用デバイスにおけるディスプレイ上のポインティングデバイスとして適用されてもよい。

本発明の有利な実施例において、その検出装置は、加速度計として用いられる。その可動物体は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような透明弾性材料でできている。その可動物体の形は、それがそのソースからの光を反射してその基板に戻すことができるようなものである。図１３ａは、ソリッド（中空でない）ボウルの形をした透明で弾力性のあるそのような可動物体の断面図を示す。ここでは、その可動物体は、回転対称の三次元物体である。この図では、対称軸を通る断面だけが示される。その可動物体は、平らな上面（ＡＢ）と、湾曲した側壁（ＢＣ、ＡＤ）とを有する。

そのボウルの小さな脚の低い剛性のおかげで、その可動物体は、横加速度によってもたらされる慣性力の影響を受けて数度傾けられ得る。そのデバイスに加速度が加えられていない場合、その可動物体は、その静止位置（図１３ａ）で真っ直ぐに立ち上がり、そして、その可動物体の上面は、その基板に平行である。その光源Ｓから出る光は、可動物体２の透明弾性材料を通過し、そして、上面ＡＢに達する。この界面のところで、その光は、その入射角に応じて、一部がその面の上の空気に透過され、且つ、一部がその可動物体内に反射される。その入射角が臨界角θ_c＝ｎ₀／ｎ₁よりも小さい場合（ｎ₀は、その可動物体の周りの媒体（例えば、空気である。）の屈折率であり、ｎ₁は、その可動物体の材料の屈折率である。）、その表面で内部反射が生じ、そのことは、光のほんの僅かの部分だけが反射され、残りが透過されることを意味する。この例では、その弾性材料は、屈折率１．４を有するＰＤＭＳであり、結果としてθ_c＝４５．６°をもたらす。その入射角が臨界角θ_cよりも大きい場合には、全内部反射が生じる。この場合、１００％の光がその可動物体構造内に反射される（図１３ａの網掛け領域として表示される）。（内部反射及び全内部反射の双方による）その反射された光は、その後、その可動物体の側壁ＡＤ、ＢＣに達する。その側壁の湾曲した面のために、その入射角が（ほとんど）ゼロとなり、そのことは、その可動物体から空気への光の透過を最大にする。

理想的には、その湾曲した側壁は、面ＡＢの上にある、ソースＳのイメージＳ’のところを中心とする球面の一部である。この形状により、その側壁を通る透過（屈折）光の方向は、不変である。

その透過光は、最終的にその基板上に光の円を投げ返す。その円の内部は、その内部反射領域に対応する弱い強度を有し、一方で、その円の外輪は、その全内部反射領域に対応する強い強度を有する（図１３ｂ参照。）。その全内部反射円は、その加速度計の動作に対して最も大きく寄与する。

その原理の代替的な説明では、上面ＡＢの上にあるその光源のイメージＳ’は、その上面における開口を通して光円錐を光らせる（図１３ａ、図１４ａ参照）。その上面のサイズ、その可動物体の高さ、及び、それら検出器の寸法は、（その外輪を含む）光サークルがその検出器の領域の約半分を覆うように、選択される。そのシステムの対称性のおかげで、その反射された光サークルは、それら検出器の中心に置かれる。言い換えれば、全ての検出器は、その光に均等に晒され、その結果、出力信号Ｘ及びＹはゼロとなる。

（Ｘ方向であるとされる）横加速度が図１３のデバイスに適用されると、慣性力がその可動物体を横向きに押し、そして、その可動物体を僅かに傾斜させる（図１４ａ）。上面ＡＢは、その静止位置から離れるように傾けられ、そして、イメージＳ’を新しい位置に移動させ、その結果、その基板上のその反射された光サークルは、右側に移動させられて僅かに引き延ばされる。この時点で、その対称性は崩れる。Ｄ４は、Ｄ３よりも多くの光を受けるが、Ｄ１及びＤ２は、均等に照らされたままである。これは、Ｄ３が以前受けていた光束の一部がこの時点でＤ４に移されたからである。出力Ｘでは、その可動物体の傾斜角、すなわちＸ方向の加速度に比例する非ゼロ信号が検出され、一方、出力Ｙにおける信号は、ゼロのままである。同様にして、横方向（Ｘ及びＹ）の何れの加速度も四つの検出器Ｄ１〜Ｄ４の全てを用いることで検出され得る。それら検出器は、異なる方法で接続されてもよく、また、それら四つの検出器からのＸ及びＹ信号は、上の例で言及されたのとは異なる方法で抽出されてもよい。

その可動物体のために使用される好適な透明弾性材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。この材料は、調節可能な弾力性（約３６０〜１１００ｋＰａの範囲のヤング率）を有し、（鋳造又はリソグラフィーを用いた）製造工程で簡単に使用可能であり、可視光（波長２３０〜７００ｎｍで、屈折率が１．４）に対する透過性を有し、低いガラス転移温度（−１２５℃）を有し、且つ、広い温度範囲にわたって一定の弾性率を有する。

鋳造技術は、そのＰＤＭＳ可動物体を構築するのに使用され得る。複数の鋳造可動物体が同じステップでキャリア基板上に構築され、その後、光源及び検出器を含む基板上に移されて接着される。その光源及び検出器に対するその可動物体の配置調整は、ウエハーレベルで為され得る。最新技術は、数ミクロン以下の精度の配置調整を可能にする。その可動物体のサイズは数百ミクロンの範囲にあるので、これは、容認可能である。次に、それらセンサーがパッケージされ、そしてその後に、パッケージ２７を備えた基板２６がダイスカットされる。最後に、それらセンサーダイは、外部パッケージ２８内にモールドされる（図１５参照。）。上述のパッケージは、単なる例に過ぎない。パッケージングの他の方法もまた可能である。内部パッケージ２７の内面は、不要な反射を避けるために、例えば、黒色で粗い、光吸収性のものである。内部パッケージ２７とフォトニック基板２６との間の接合部は、その構造を汚染が無い状態に維持するために、また、内部の空気圧を一定に維持するために、好適には密封されており、一定の減衰係数が得られるようにする。

その加速度計の感度は、その可動物体の質量が増大すると、増大する。その可動物体上に追加の質量を創出するために、金属リング２９が鋳造工程中にその可動物体上に置かれてもよい（図１６ａ参照。）。このリングは、その構造体の周縁に位置付けられる。従って、それは、その光の光路に影響しない。代替的に、金属層３０が可動物体２の上に蒸着されてもよい（図１６ｂ参照。）。この層の役割は、その質量を増大させること、及び、ミラーとしての機能を果たすことの二つの要素から構成され得る。この場合、その光源から来る光の全てがその基板上に反射され、それは、著しく光度を増大させる。

上述の加速度計は、本質的に第三の方向（その基板に垂直なＺ方向）にも敏感である。図１７は、Ｚ方向における動作を説明する。図１７ａでは、ゼロ加速度の状態が示される。その可動物体は、力を受けておらず、真っ直ぐに立ち上がっており、図１３と同じである。例えば、図１７ｂの矢印によって示されるように、Ｚ方向における加速度がそのセンサーに適用された場合、その可動物体の構造は、そのボディが低くなるように、変形される。有限要素シミュレーションは、この場合主にその構造の脚部が圧縮され、一方で、その可動物体のボディがほとんど不変であることを明らかにした。結果として、その可動物体の上面は、その基板に近づいていく。このことは、全内部反射リングの幅を増大させ（全反射が始まる臨界角が同じままであり、一方で、その反射面がその基板に近づくからである。）、また、そのソースとそれら検出器との間のより短い距離のために、反射された光サークル全体の光度を増大させる。結果として、全ての検出器が受ける光量が均一に増大される。Ｘ、Ｙ出力では、それらが差動モードで接続されているので、この増大は見られない。しかしながら、共通モードが用いられた場合には、Ｚ加速度に対応する信号が取得され得る。

図１８で示される代替的な実施例では、三次元加速度計を形成するために、Ｚ方向のための第二感知コンポーネントが、従前のＸ−Ｙコンポーネントに追加され得る。片持ち梁（カンチレバー）の形をした透明で弾力性のある可動物体が、同じ基板上で、同じ鋳造ステップにより、Ｘ−Ｙコンポーネントの近くに構築され得る（図１８）。その図では、その片持ち梁の断面が示される。実際には、その片持ち梁は、この断面からその図の平面に対する垂直方向に押し出される三次元構造として想像されるべきである。光源は、その片持ち梁の足下で且つその片持ち梁の下に位置付けられ、二つの検出器Ｄ５及びＤ６が追加される（図１８）。それら検出器は、差動モードで接続される。その片持ち梁の脚の側壁は、その光をその構造内に閉じこめるためにテーパー状であり、その結果、Ｚコンポーネントと隣接するＸ−Ｙコンポーネントとの間のクロストークを極小化する。

この場合における全体の反射光は、その基板上に光の矩形を投げかける（図１９ａ参照。）。それら検出器は、（加速度のない）静止位置において、光の矩形が検出器の双方に重なり、且つ、各検出領域の約半分を覆うように設計される。

加速度のＺ成分に応じて、その片持ち梁は、上方又は下方に曲げられる（図１９ｂ参照。）。結果として、その光の矩形は、それぞれ、右側又は左側に移動させられ、その出力で信号の変化をもたらす。その形状のおかげで、その片持ち梁は、Ｚ方向の加速度に対してのみ敏感であり、Ｘ及びＹ方向の加速度の影響を受けにくい。

上述の実施例は、本発明を限定するよりもむしろ本発明を説明するためのものであり、また、当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替的な実施例を設計できる点に留意すべきである。それら請求項では、括弧内に置かれる何れの参照記号であってもその請求項を限定するものとして解釈してはならない。動詞“有する”及びその活用の使用は、請求項に規定されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素に先行する冠詞“ａ”又は“ａｎ”は、複数のそのような要素の存在を除外するものではない。本発明は、複数の区別できる要素を有するハードウェアを用いて実現されてもよく、適切にプログラムされたコンピュータを用いて実現されてもよい。複数の手段を列挙する装置クレームでは、これら手段のいくつかは、一つの同じハードウェアによって具現化されてもよい。特定の施策が相互に異なる従属項で列挙されているという事実は、これらの施策の組み合わせが利益を得るためには使用され得ないということを示すものではない。

本発明に従った検出装置を断面図で図式的に示す。 動かされていない可動物体（左側）及び動かされた可動物体（右側）に対する検出回路の断面図及び上面図を示す。 本発明に従った検出回路のための検出器のレイアウトを上面図で示す。 本発明に従った検出回路のための検出器のより詳細なレイアウトを上面図で示す。 本発明に従った検出回路におけるフォトダイオード及びトランジスタを示す。 本発明に従った検出回路のための検出器のより詳細なレイアウトを断面図で示す。 本発明に従った第一集積検出回路を断面図で示す。 本発明に従った第二集積検出回路を断面図で示す。 本発明に従った第三集積検出回路を断面図で示す。 本発明に従ったデバイスを示す。 本発明に従った検出装置の代替物を示す。 図１１の代替的な検出装置を備えたデバイスを示す。 加速度計の形を取る本発明に従ったデバイス（加速度ゼロ）の断面図（ａ）及び上面図（ｂ）を示す。 加速度がＸ方向に適用された場合における図１３のデバイスの断面図（ａ）及び上面図（ｂ）を示す。 パッケージ化されたデバイスの例を示す。 金属リング（ａ）又は金属層（ｂ）の形で可動物体に加えられた追加の質量を示す。 三次元動作モードにおける加速度計の断面図［（ａ）加速度なしの状態、（ｂ）加速度がＺ方向に適用された状態］を示す。 Ｚ方向のための独立した検出コンポーネントを有する三次元加速度計の断面図を示す。 Ｚコンポーネント及び検出回路の動作原理［（ａ）加速度なしの状態、（ｂ）加速度が適用された状態］を示す。

Claims (14)

1. 可動物体の動きを検出するための検出回路であって：
   当該検出回路の面の第一方向における前記可動物体の第一の動きを検出するための第一検出器であって、第一検出ユニットであり、該第一検出ユニットの位置における光スポットの存在又は不在を検出するための第一検出ユニットを有し、前記光スポットの位置が前記第一の動きに依存するところの第一検出器；及び
   当該検出回路の面に垂直な第二方向における前記可動物体の第二の動きを検出するための第二検出器であって、前記光スポットの強度が前記第二の動きに依存し、第二検出ユニットであり、該第二検出ユニットの位置における前記光スポットの第一強度又は第二強度を検出するための第二検出ユニットを有し、前記第一及び第二強度がゼロに等しくない異なる強度であるところの第二検出器；
   を有する検出回路。
2. 当該検出回路の面の第三方向における前記可動物体の第三の動きを検出するための第三検出器であって、第三検出ユニットであり、該第三検出ユニットの位置における前記光スポットの存在又は不在を検出するための第三検出ユニットを有し、前記光スポットの位置が前記第三の動きに依存し、前記第一及び第三方向が非平行方向にあるところの第三検出器を更に有する、
   請求項１に記載の検出回路。
3. 前記第一検出器は、追加の第一検出ユニットを有し、
   前記第三検出器は、追加の第三検出ユニットを有し、
   前記第一検出ユニット群が前記第一方向に平行に並べられ、
   前記第三検出ユニット群が前記第三方向に平行に並べられる、
   請求項２に記載の検出回路。
4. 前記第二検出器は、前記可動物体の位置にかかわらず、前記光スポット内に全体が置かれ、
   前記第一及び第三検出器は、前記可動物体の位置に依存して、前記光スポット内に一部が置かれる、
   請求項２に記載の検出回路。
5. 光信号を生成するためのソースであり、前記可動物体が該光信号を当該検出回路に反射するための反射器を有し、前記光スポットが該反射された光信号に由来するところのソースを有する、
   請求項１に記載の検出回路。
6. 前記第一検出ユニットは、第一フォトエレメント信号を生成するための第一フォトエレメントであり、該第一フォトエレメント信号をデジタル化するための第一トランジスタに結合される第一フォトエレメントを有し、
   前記第二検出ユニットは、第二フォトエレメント信号を生成するための第二フォトエレメントであり、該第二フォトエレメント信号をデジタル化するための第二トランジスタに結合される第二フォトエレメントを有する、
   請求項１に記載の検出回路。
7. 当該検出回路は、薄膜ポリシリコン技術、単結晶シリコン基板技術、発光ダイオード技術及び有機発光ダイオード技術のうちの少なくとも一つの技術に基づく集積検出回路である、
   請求項１に記載の検出回路。
8. 請求項１に記載の検出回路を有し、更に、前記可動物体を有する検出装置。
9. 当該検出装置は、ダイアフラムのない装置である、
   請求項８に記載の検出装置。
10. 前記検出回路の前記面の前記第一方向における前記可動物体の前記第一の動きは、傾斜された前記可動物体に由来し、
    前記検出回路の前記面に垂直な前記第二方向における前記可動物体の前記第二の動きは、押下された前記可動物体に由来する、
    請求項８に記載の検出装置。
11. 前記可動物体は、ソースの光に対して透明である弾性材料で構成される、
    請求項８乃至１０に記載の検出装置。
12. 前記可動物体で構成されるマン・マシン・インタフェースを更に有する、
    請求項１に記載の検出回路を有するデバイス。
13. 前記マン・マシン・インタフェースは、ディスプレイを更に有し、該ディスプレイは、前記検出回路を有する統合ディスプレイである、
    請求項１２に記載のデバイス。
14. 検出回路を用いて可動物体の動きを検出する方法であって：
    第一検出器を用いて、前記検出回路の面の第一方向における前記可動物体の第一の動きを検出する第一ステップであり、第一検出ユニットを用いて該第一検出ユニットの位置における光スポットの存在又は不在を検出する第一サブステップを有し、前記光スポットの位置が前記第一の動きに依存するところの第一ステップ；及び
    第二検出器を用いて、前記検出回路の面に垂直な第二方向における前記可動物体の第二の動きを検出する第二ステップであり、前記光スポットの強度が前記第二の動きに依存し、第二検出ユニットを用いて該第二検出ユニットの位置における光スポットの第一強度又は第二強度を検出する第二サブステップを有し、前記第一及び第二強度がゼロに等しくない異なる強度であるところの第二ステップ；
    を有する方法。

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