JP2010529434A - 光センサのクロストーク低減方法 - Google Patents

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Abstract

低減されたクロストークを有する光センサが開示されると共に、かかるセンサを製造する方法及びこれを用いる方法が開示される。当該センサは、当該光センサの外面の部位上で当該検出器の近くに配置されて光吸収をなすコーティングを含む。この吸収コーティングは、当該センサの透明パッケージ内部で反射された光の量を低減することよってクロストークの量を低減する。同様に、当該コーティングは、また、当該センサに入る環境光及び/又は迷光の量を低減することができる。当該コーティングは、当該センサの製造プロセスにコスト又は複雑さをほとんど加えず、さらに当該センサのサイズを実質的に増やすことなく或いは信頼性リスクを増すことなくクロストークを低減する。他の実施例も開示される。

Description

本特許出願は、米国特許出願第60/941,455号(2007年6月1日出願)及び第12/123,350号(2008年5月19日出願)に基づく優先権を主張し、これらは引用により本願明細書に組み入れられている。
本出願は、光センサ並びにかかる光センサを製造する方法及びその使用方法に関する。特に、本出願は低減された量のクロストークを有する反射型光センサに関する。
光センサは広範な応用において用いられる。光センサが特定使用される1つ応用は物体の存在及び/又は不存在を検出することである。物体の存在及び不存在を検出する光センサの2つタイプは、それぞれ遮蔽型光センサ及び反射型光センサである。
遮蔽型光センサ(透過型センサとしても周知である)は、光放出器及び光検出器が検出されるべき物体の両対向側に配置されている。当該物体の存在は、当該物体が当該放出器及び当該受光器との間の光路を遮るときに検出される。当該物体の不存在は、当該物体が当該放出器及び当該受光器との間の光路が擾乱されないままである時に(すなわち、当該物体がその光路を壊さないという理由で)検出される。
他方、反射型光センサは、検出されるべき物体の同一側に配置された光放出器及び光検出器を含む。当該光放出器からの光放出が当該物体の面から反射され、次いで当該光検出器よって受光されたとき当該物体が検出される。反射型光センサは、典型的には、光放出器として発光ダイオード(LED)を含み、光検出器としてフォトダイオード又はフォトトランジスタを含む。これら2つのコンポーネントは、当該光センサのハウジング内において並置関係にて設置される。当該LEDは、画定されない大きい角範囲で(すなわち、通常の電球と同様に)投射される広角の放出窓を有し得る。
反射型光センサの性能は、反射と非反射とが交番する面を含む物体を走査するときに提供されるコントラストによって部分的に測定され得る。このコントラストは、通常、それらの面の反射度と、当該物体の大きさに比べたセンサの解像度と、光放出器と光検出器との間で光電流に寄与するクロストーク量によって決定される。このクロストークは、放出された光が内部的に反射されたか、散乱されたか或いは当該光検出器に運ばれた光の一部のみならず、当該LEDからの何らかの直射照射である。通常、当該クロストークがより小さいほど当該反射型光センサの動作は良好となる。
現状では、クロストークに関係する問題を最小化する2つの方法がある。図1に示されるように、当該第1の方法は、センサ100において、(第1空洞112内に配置された)放出器と(第2空洞114内に配置された)検出器との間に不透明な障壁116を配置する、しばしばパッケージ化解決策と呼ばれている方法である。この第1の方法は、クロストークを防ぐ上でいくぶん効果的であるものの、複雑な組立プロセスを必要とし洗練された光学系とする余地がない。
クロストークを最小化するための第2の方法は、二重化されたフォトダイオード及びコンパレータを用いることよって差動形式で光信号を処理する方法である。従って、この方法はしばしばダイ(die)構成解決策と呼ばれている。当該ダイ構成解決策は、光が2つのフォトダイオードに均一に広がらないことや、アナログ出力のためには働かないこと、さらには感光領域の大きさを2倍にすることの如く、高コストであってあまり効果的ではない。
本出願は、低減されたクロストーク量を有する反射型光センサを開示すると共に、かかるセンサを製造する方法及びこれを使用する方法を開示している。当該センサは、当該光センサの外面の部位上で当該検出器の近くに配置されて光吸収をなすコーティングを含む。
この吸収コーティングは、当該センサの透明パッケージ内部で反射された光の量を低減することよってクロストークの量を低減する。同様にして、当該コーティングは、また、当該センサに入る環境光及び/又は迷光の量を低減することができる。当該コーティングは、当該センサの製造プロセスにコスト又は複雑さをほとんど加えず、さらに、当該センサのサイズを実質的に増やすことなく或いは何らかの信頼性リスクを増すことなくクロストークを低減する。
引き続く以下の説明は、図を参照することによってより良く理解され得る。
従来の反射型光センサを示す図である。 吸収コーティングを含む反射型光センサの実施例毎に異なる外観を示す図である。 吸収コーティングを含む反射型光センサの実施例毎に異なる外観を示す図である。 吸収コーティングを含む反射型光センサの実施例毎に異なる外観を示す図である。 吸収コーティングを含む反射型光センサの他の実施例を示す図である。 吸収コーティングを含む反射型光センサのさらなる他の実施例を示す図である。
当該図は、引き続く説明と一緒になって、当該反射型光センサ並びにかかるセンサを製造する方法及び使用する方法を示すと共に説明している。当該図において、コンポーネントの構成は誇張されている場合もあるし或いは明確さのために単純化されている場合もある。当該図面において、層及び領域の厚みは明確さのために誇張されている。層、コンポーネント又は基板が他の層、コンポーネント又は基板の「上」にあるとして説明されているとき、かかる態様は、当該他の層、コンポーネント又は基板の上に直接在る場合もあるし、介在する層が存在する場合もあり得ることが理解されるべきである。異なる図面において同じ参照番号は同じ要素を表し、従って、それらの説明は繰り返されない。
引き続く説明は、徹底された理解を提供するために特定の詳細を提供している。それにもかかわらず、当該光センサ並びにかかるセンサを製造する方法及び使用する方法は、これらの特定の詳細を用いることなく実施且つ使用し得ることを、当業者は理解するであろう。例えば、本説明が反射型光センサに焦点を当てる一方で、本説明は光学的エンコーダ及びバーコードリーダヘッドの如き他の光センサに用いる変形がなされ得る。事実、本説明は、多種のプリンタ、運動コントロール、位置コントロール及びバーコード応用の如き多種の最終的な用途において用いられ得る。
本出願で説明されている反射型光センサは、クロストークを引き起こす内部反射された光を部分的に又は完全に吸収するコーティングを含む。同様に、当該コーティングは、当該センサに入り得る環境光及び/又は迷光の量を低減し得る。かかる反射型光センサのある実施例が図で示され本明細書で説明されている。
図2a乃至図2cで例示されるデバイスを参照すると、図2aは反射型の光センサ1の上面図を示し、図2bはセンサ1の側面図を示し、そして図2cはセンサ1の端面図を示している。光センサ1は、光放出エレメント(すなわち放出器)31と、光検出エレメント(すなわち検出器)32とを含む。光放出エレメント31は、大きい角範囲で光を投射する広角の放出ウインドウ33を有することによって、当該センサが測定する所望の物体によって最大量の光が反射され得るようにしている。
光放出エレメント31から放出され得る光は、当該所望の物体で反射され得る何らかの既知の光であり得るし、当該光が可視スペクトル内に存在するか否かに関わらず、光検出エレメント32よって検出され得る。かかる光の例としては、赤外線、単色可視光、白色光及びそれらの組合せを含む。ある実施例において、使用される光は赤色光を含む。ある実施例において、当該光の波長は約400nm乃至約1000nmの範囲内にあり得る。他の実施例において、当該光の波長は約630nmである。
光放出エレメント31は、周知の技術による何らかの光源を含む。周知の光源の例としては、垂直空洞表面発光レーザ(VCSEL)、共鳴空洞発光ダイオード(RCLED)、発光ダイオード(LED)及びそれらの組合せを含む。ある実施例において、当該光源は、発光ダイオードを含む。幾数かの光源が組み合わされて当該光放出エレメントを作成し得る一方で、典型的には単一の光源だけが用いられて光放出エレメント31として使用される。
光検出エレメント32は、放出器31から放出され、次いで測定される物体から反射した光を検出し得る何らかの周知の電子コンポーネントを含む。用いられ得る光検出エレメントの例としては、フォトダイオードアレイ、電荷結合デバイス(CCD)、フォトトランジスタ、フォトダイオード、インピーダンス変換増幅器が付加されたフォトダイオード、インピーダンス変換増幅器又はそれの組合せを含む。ある実施例において、当該光検出エレメントは、フォトトランジスタを含む。これらコンポーネントの幾数かが結合されて当該光検出エレメントが作成され得る一方で、典型的には単一のコンポーネントだけが光検出エレメント32として使用される。
当該光放出及び光検出エレメントは、パッケージ用の材料(すなわちパッケージ)2で封止されている。パッケージ2は、光放出エレメント31及び光検出エレメント32を包んで、当該環境からそれらを絶縁し更にそれらを保護する。ある実施例において、パッケージ2は、部分的に又は完全に光学的に透明な材料から作られることによって光が部分的に又は完全に通過し得る。当該パッケージは、シリコーン、ガラス、透明なエポキシ樹脂又はこれらの材料の組合せの如き、当該パッケージの機能と整合した何らかの材料から作られ得る。ある実施例において、当該パッケージに用いられる材料としては、透明なエポキシ樹脂を含む。
光放出エレメント31及び光検出エレメント32は、導線5に電気的に接続されている。導線5は、当該保護用のパッケージ2から伸張し、当該光センサを制御回路に接続するプリント回路基板の如き外部の電気コンポーネント又はデバイスにセンサ1を接続する。反射型光センサ1において用いられ得る、従来技術で知られている何らかの導線としては、鋼又は銅の如き何らかの伝導性の金属又は金属合金が含まれる。ある実施例において、導線5は鋼を含む。示されるように、導線5の外側部位は、L形状に実質的に曲げられていることで、容易にプリント回路基板に取り付けられ得る水平に伸張した端部を形成している。導線5について他の何らかの周知の構造も用いられ得る。そして、6つの導線が本図で示されている一方で、当該光センサは導線5の数として4つ乃至8つを含む幾つかの数を含むことができる。
図2aに示されているように、センサ1は、センサ1のうちで光検出エレメント32を含む部位に配置されたコーティング15を含む。コーティング15は、センサ1の当該部位のうちで何らかの所望の部分上に配置され得る。
本図で例示される実施例において、当該部位におけるコーティング15の被覆領域は最大化されている。コーティング15は、センサ1内部で反射されるか、さもなければ結局は光検出エレメント32上に衝突するはずの光を吸収する。この内部で反射された光は、当該センサ内のクロストーク現象に寄与し、上記のように、当該センサがこの光を低減するとき当該クロストークも低減する。コーティング15は、また、当該センサに入る環境光及び/又は迷光の量を低減することができる。この環境光及び/又は迷光は、また、光検出エレメント32よって検出されることから、光センサ1の動作の邪魔をするはずである。
コーティング15は、当該内部で反射された光及び/又は当該環境光/外部迷光を吸収する何らかの厚さを有し得る。当該実際の厚さは、また、当該コーティングを作るのに用いられる材料及びパッケージ2に用いられる材料に依存する。ある実施例において、コーティング15の厚みは、約20μm乃至約100μmの範囲内にあり得る。
ある実施例において、コーティング15は単一層を含む。他の実施例において、コーティング15は、複数の層を含むことができ、当該複数層のうちの1つの層で光の特定のタイプ/波長を吸収することができる。そして、他の層は光の異なるタイプ/波長を吸収するために用いることができる。
ある実施例において、コーティング15は、光検出エレメント32を含むセンサ1の全部位を完全に包み込んではいない。これらの実施例において、コーティング15は、当該測定される物体から反射された光がセンサ1に入って検知される位置に開口部17を含む。このように、有用な光が開口部17を通して入って光検出エレメント32よって検出されることができ、その一方で同時にコーティング15は当該内部反射された光及び当該環境光/外部迷光を低減する。
開口部17の大きさは、従って、光検出エレメント32の寸法に部分的に依存することになる。ある実施例において、当該検出器は長方形又は正方形の形状からなり、当該開口部の面積は、約0.25mm乃至約4mmの範囲内にあり得る。
開口部17は、当該内部で反射された光及び/又は当該環境光/迷光を最小にすると共に、当該測定された物体から反射された光の量を最大にすることになる何らかの形を有し得る。用いられる形は、また、センサ1で期待される用途に依存することになる。使用され得る形の例としては、実質的に、矩形、正方形、円形、長方形、三角形、楕円、及び台形の形を含む。ある構成において、開口部17の形は、当該測定される物体から反射された光がセンサ1に入ることができるような傾斜を備える開口部17の側壁を提供することよって変形され得る。
ある実施例において、コーティング15及び開口部17は、図3に図示されるように構成される。この図で示されるセンサにおいて、センサ1は、光検出エレメント32(この図において実質的に円形状で示されている)を含むセンサ1を覆っているコーティング15を含む。光放出エレメント31を含んでいるセンサ1の部位はコーティング15を含まない。センサ1は、実質的に矩形形状の開口部17をコーティング15に含み、開口部17は、当該測定される物体から反射される光が自身を通過して当該検出器に衝突するのを可能とする。
コーティング15について異なる構成が当該光センサで用いられ得る。ある構成において、コーティング15は、当該構成がその製造プロセスを複雑にするかもしれない場合でさえ、当該センサの外面よりも上というよりは、むしろ下に配置され得る。他の構成において、当該コーティングが当該外面の内部又は外部にあるか否かに関わらず、空気の空洞がセンサ1のアクティブエリアと当該コーティングの面との間に含まれ得る。更なる他の構成において、コーティング15は、当該センサの側部及び底部をカバーするために伸張し得る。そして更なる他の構成において、コーティング15は、放出器ドーム33及び開口部17を除いて当該センサの全面をカバーさえし得る。
コーティング15は、内部反射された光及び環境光/迷光を吸収する何らかの材料又はそれらの組合せから作られ得る。また一方で、当該コーティングで用いられる材料は、製造又動作中に当該センサについて用いられるかもしれない水又は何らかの洗浄溶媒に対しても耐性を有するべきであり、コーティングされる材料との適合性(すなわち湿潤性及び粘着性)を有するべきであり、そして、形成される厚さが均一且つロット毎に一定しているように当該材料施工に使用されるプロセスとの適合性を有するべきである。使われ得る材料の例としては、インク、塗料及びそれらの組合せを含む。ある実施例において、黒インクがコーティング15のための材料として使用され得る。他の実施例において、半導体デバイスのマーキングのために使用されるインクが用いられ得る。まだ他の実施例において、吸収される光に最適化したカーボン添加インクが当該コーティングとして用いられ得る。
コーティング15の有効性の1つの尺度は、IFT、すなわち何ら光が外部から反射されない時に当該検出器をターンオンするのに必要なLED電流量である。当該IFTがより大きいと、当該センサのクロストークは小さくなる。ある例では、コーティング15を含まず且つ図2aに示された如く(コーティング15を含まないこと以外)構成された反射型光センサの場合、当該IFTは2.3mA乃至7.9mAの範囲内にあり得る。しかし、コーティング15を用いることよって、当該IFTは約15.6mAから約25.9mAに増大され得る。このように、コーティング15を用いることよって、当該クロストークは、小さい分散(すなわち7.3mAの標準偏差)を伴って約80%乃至約50%減少され得る。
上記したセンサは、説明及び図示された構造を提供する何らかのプロセスによって製造され得る。ある実施例において、以下に説明されるプロセスが当該センサを製造するのに用いられる。最初に、導線フレームが周知技術のように準備される。ある例では、当該導線フレームは、薄い金属プレートが所望の形に押圧されるか又は所望の形に打ち抜かれることによって製作され得る。次に、光放出エレメント31が当該導線フレームの1つの部位に接続又は取り付けられ、そして光検出エレメント32が当該導線フレームの他の1つの部位に取り付けられるか又は接続される。光放出エレメント31及び光検出エレメント32は、当該同一プロセスで又は別々のプロセスで取り付けられ得る。周知技術のような何らかの取付プロセスが用いられ得る一方、ある実施例において一片単位又は配列単位でのダイ取付プロセスが用いられ得る。次いで、当該ダイ取付プロセスで用いられた材料が周知技術の何らかのプロセスによって硬化される。
次に、光放出エレメント31及び光検出エレメント32は、当該導線フレームに電気的に接続される。ある実施例において、このプロセスは、何らかの周知の導線接続プロセスを用いることよって実行される。次いで、パッケージ2が、光放出エレメント31と、光検出エレメント32と、外部の導線5を除いた当該導線フレームの大部分とのまわりに形成される。例えば、パッケージ2は、一片単位でのトランスファ成形方法を用いて形成され得る。トランスファ成形プロセスで用いられ当該成形されたプラスチック材料は、センサ1の放出器側より上方にドーム形を備えるパッケージ2の最終形状を提供する。
次に、コーティング15が、開口部17をコーティング15に残す何らかの周知のプロセスを用いてパッケージ2の外側上に提供される。ある例では、当該コーティングが、インクが用いられる例の如く、パッケージ2の外面の所望のエリアに丁度選択的に適用され得る。他の例において、当該コーティング材料の層が当該センサの検出器の部位全体を覆うように適用され、次いで、開口部17が、用いられた当該コーティング材料に対して例えば何らかの周知の除去プロセスによって形成され得る。
次に、パッケージ2の当該成形されたプラスチック材料は何らかの周知の方法よって硬化される。次いで、当該センサが単片化されて試験され、当該導線フレームから伸張している導線が所望の形に(例えば、本図に示されるように)曲げられ、そして周知技術のようにしてテーピングが実行される。
反射型光センサ1は、図4に示されるように動作し得る。光55は、光放出エレメント31から放出され、放出ウインドウ33を通過し、検出されるか及び/又は測定されるべき所望の物体50に衝突する。物体50から反射された光は、次いで、コーティング15上に光59として衝突し(そして吸収される)、或いは光57としてコーティング15内の開口部17を通過し、光検出エレメント32よって検出される。また一方で、光放出エレメント31から放出された光56の特定量が当該パッケージから出ることがない。この光(ここでは光58)の一部は、光を吸収するコーティング15の内側に当たるまで当該パッケージ内部を進行する。
上記した反射型光センサにおけるクロストークを低減する能力は、また、反射型センサのうちの何らかの他のタイプに、それらが非表面設置型、焦光型又は非焦光型の反射型光センサであるか否かに関わらず、近接センサのみならず他の光センサにも同様に適用され得る。また一方で、この能力は他の光電子デバイスと組み合わせられてもよく、かかる場合としては、IrDA(Infrared Data Association)かそれ以外かに関わらず、例えば、バーコードスキャナ、ラベルスキャナ、光カーテン、タッチスクリーン及びトランスミッタ/レシーバモジュールの如く、内部反射されるか又は拡散される何らかの光が低減されることを要求する場合である。
前述した何らかの変更に加えて、幾つかの他の変容形態及び他の変形形態が当業者によって本開示の思想及び範囲から逸脱することなくなされてもよく、添付の特許請求の範囲はかかる変更態様を包含することが意図されている。従って、現時点で最も実際的且つ好ましい形態であると想到される形態に関する情報が上記のように特定的に且つ詳細に説明されたが、限定するものではないが、態様、機能、動作及び使用を含む幾つかの変更形態が本明細書で記述された原理及び概念集合から逸脱することなくなされ得る。また、本明細書において用いられたように、実施例は例示のものであって何らかの形で制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (24)

  1. 光電子デバイスであって、
    光透過可能なパッケージの第1部位に含まれる光放出エレメントと、
    前記パッケージの第2部位に含まれる光検出エレメントと、
    を含み、前記パッケージの前記第2部位は、前記光検出エレメントの近くに開口部を備え且つ光吸収をなすコーティングを含むことを特徴とする光電子デバイス。
  2. 請求項1に記載の光電子デバイスであって、前記コーティングは、前記光電子デバイス内で内部反射された光を吸収し、当該クロストークを低減することを特徴とする光電子デバイス。
  3. 請求項1に記載の光電子デバイスであって、前記コーティングは、前記光電子デバイスの外部からの環境光又は迷光を吸収することを特徴とする光電子デバイス。
  4. 請求項1に記載の光電子デバイスであって、前記コーティングは、インク若しくは塗料又はそれらの組合せを含むことを特徴とする光電子デバイス。
  5. 請求項1に記載の光電子デバイスであって、前記コーティングの厚みは、約20μm乃至約100μmの範囲内にあることを特徴とする光電子デバイス。
  6. 請求項2に記載の光電子デバイスであって、当該クロストークは、前記コーティングを用いることよって約50%乃至約80%減少することを特徴とする光電子デバイス。
  7. 光センサであって、
    光透過可能なパッケージの第1部位に含まれる光放出エレメントと、
    前記パッケージの第2部位に含まれる光検出エレメントと、
    を含み、前記パッケージの前記第2部位は、前記光検出エレメントの近くに開口部を備え且つ光吸収をなすコーティングを含むことを特徴とする光センサ。
  8. 請求項7に記載の光センサであって、前記コーティングは、前記光センサ内で内部反射された光を吸収し、当該クロストークを低減することを特徴とする光センサ。
  9. 請求項7に記載の光センサであって、前記コーティングは、前記光センサ外からの環境光又は迷光を吸収することを特徴とする光センサ。
  10. 請求項7に記載の光センサであって、前記コーティングは、インク若しくは塗料又はそれらの組合せを含むことを特徴とする光センサ。
  11. 請求項7に記載の光センサであって、前記コーティングの厚みは、約20μm乃至約100μmの範囲内にあることを特徴とする光センサ。
  12. 請求項8に記載の光センサであって、当該クロストークは、前記コーティングを用いることよって約50%乃至約80%減少することを特徴とする光センサ。
  13. 請求項7に記載の光センサであって、前記光放出エレメントはLEDを含み、前記光検出エレメントはフォトダイオードを含むことを特徴とする光センサ。
  14. 請求項7に記載の光センサであって、前記開口部は、実質的に、矩形、正方形、円形、長方形、三角形、楕円及び台形のうちの何れかの形状を有することを特徴とする光センサ。
  15. 請求項14に記載の光センサであって、前記開口部は、傾斜を有する側壁を含むことを特徴とする光センサ。
  16. 反射型光センサであって、
    光透過可能なパッケージの第1部位に含まれる光放出エレメントと、
    前記パッケージの第2部位に含まれる光検出エレメントと、
    を含み、前記パッケージの前記第2部位は、前記光検出エレメントの近くに開口部を備え且つ光吸収をなすコーティングを含み、前記コーティングは、前記反射型光センサ内で内部反射された光を吸収すると共に、前記反射型光センサ外からの環境光又は迷光を吸収することを特徴とする反射型光センサ。
  17. 請求項16に記載の反射型光センサであって、前記コーティングは、インク若しくは塗料又はそれらの組合せを含むことを特徴とする反射型光センサ。
  18. 請求項16に記載の反射型光センサであって、前記コーティングの厚みは、約20μm乃至約100μmの範囲内にあることを特徴とする反射型光センサ。
  19. 請求項16に記載の反射型光センサであって、前記開口部は、実質的に、矩形、正方形、円形、長方形、三角形、楕円及び台形のうちの何れかの形状を有することを特徴とする反射型光センサ。
  20. 請求項16に記載の反射型光センサであって、前記開口部は、傾斜を有する側壁を含むことを特徴とする反射型光センサ。
  21. 物体を光学的に検出する方法であって、
    光透過可能なパッケージの第1部位に含まれる光放出エレメントと、前記パッケージの第2部位に含まれる光検出エレメントと、を含む反射型光センサを提供するステップであり、前記パッケージの前記第2部位は、前記光検出エレメントの近くに開口部を備え且つ光吸収をなすコーティングを含むステップと、
    前記反射型光センサの近くに光学的な反射機能を有する物体を提供するステップと、
    前記光放出エレメントから光を放出するステップと、
    前記前記コーティング内の開口部を通して前記物体から反射された光を検出するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  22. 請求項21に記載の方法であって、前記コーティングは、インク若しくは塗料又はそれらの組合せを含むことを特徴とする方法。
  23. 請求項21に記載の方法であって、前記コーティングの厚みは、約20μm乃至約100μmの範囲内にあることを特徴とする方法。
  24. 請求項21に記載の方法であって、前記開口部は、実質的に、矩形、正方形、円形、長方形、三角形、楕円及び台形のうちの何れかの形状を有することを特徴とする方法。
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