JP2022127138A - 光結合構造、光結合法方法、カメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て時のアライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる光結合構造、光結合法方法、カメラモジュールを提供する。【解決手段】発光部２１ａを有する発光素子２０と光ファイバ３０との間で光伝送する光結合構造であって、平行なうら面１２およびおもて面１３を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔１１が形成された基板１０と、発光部２１ａに球面レンズ２２を有し、貫通孔１１の内側に球面レンズ２２が向くように基板１０のうら面１２に取り付けられた発光素子２０と、貫通孔１１のおもて面１３側において、開口端３１が発光素子２０と相対して設けられた光ファイバ３０と、光ファイバ３０の端部を囲って保持するとともに、基板１０のおもて面１３に底面４１ａ当接した有底筒状のフェルール４０と、フェルール４０を囲って保持するとともに、基板１０のおもて面１３に底面５１ａが当接して、おもて面１３に固定された、有底筒状の調芯治具５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光結合構造、光結合法方法、カメラモジュールに関する。

従来、データを伝送する通信形態の一つとして、非接触方式による光近接空間伝送が利用されている。光近接空間伝送は、映像や音声等の電気信号を光の信号に変換して伝送し、受信側で再び電気信号に戻して利用するものである（例えば、特許文献１参照）。具体的には、電気信号をレーザーダイオード等の発光素子から光信号として発し、光ファイバ等の伝送手段を介して受信装置に伝送し、受信装置において、光信号から電気信号に変換して利用する。

また、従来の光を用いた通信のための光結合構造では、発光素子と光ファイバとの間に、発光素子から発せられた光の拡散を抑制するためのレンズを設けることにより光の損失を抑制して、光ファイバへの光の入射効率を高めることで、通信の信頼性を高めることが行われている。

特開２００４－０６４４３０号公報

光結合構造においては、光が直進性に優れるという特徴を有するために、光を送受信する部品の位置精度を高くする必要がある。しかしながら、従来の光結合構造においては、発光素子、レンズ、光ファイバ等の部品を組み立てる際に、発光素子、レンズ、光ファイバの傾きと位置を合わせるアライメントの作業が煩雑となり、時間がかかるため、製造コストが高くなるという問題があった。

従って、本発明は、上記のような問題点に着目し、組み立て時のアライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる光結合構造、光結合法方法、カメラモジュールを提供することを目的とする。

本発明の光結合構造は、発光部または受光部を有する光電素子と光ファイバとの間で光伝送する光結合構造であって、平行な第１面および第２面を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔が形成された基板と、前記発光部または前記受光部に光学系を有し、前記貫通孔の内側に前記光学系が向くように前記基板の前記第１面に取り付けられた前記光電素子と、前記貫通孔の前記第２面側において、開口端が前記光電素子と相対して設けられた前記光ファイバと、前記光ファイバの端部を囲って保持するとともに、前記基板の前記第２面に底面が当接した有底筒状のフェルールと、前記フェルールを囲って保持するとともに、前記基板の前記第２面に底面が当接して、前記第２面に固定された、有底筒状の調芯治具と、を備える。

本発明は、組み立て時のアライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる光結合構造、光結合法方法、カメラモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる光結合構造を模式的に示す断面図である。 図１に示した光結合構造を備えるカメラモジュールを模式的に示す断面図である。 図１に示した光結合構造の変形例を模式的に示す断面図である。 図１に示した光結合構造の他の変形例を模式的に示す断面図である。 図１に示した光結合構造のさらに他の変形例を模式的に示す断面図である。

本発明の一実施形態にかかる光結合構造、光結合方法、カメラモジュールを、図１、図２を参照して説明する。本実施形態の光結合構造１００は、基板を有するとともに、発光部または受光部を有する光電素子と光ファイバとの間で光伝送するものに広く適用することができ、例えば、カメラモジュール２００において用いることができる。また、本実施形態のカメラモジュール２００は、例えば、ドライブレコーダー等の車載用カメラの撮像部品として適用することができる。

［光結合構造、および、光結合方法］
図１に示すように、光結合構造１００は、基板１０と、発光素子２０（光電素子）と、光ファイバ３０と、フェルール４０と、調芯治具５０と、を備える。

基板１０には、厚さ方向に貫通した貫通孔１１が形成され、基板１０は、発光素子２０が取り付けられるＰＡＤ１５が設けられた、うら面１２（第１面）と、光ファイバ３０が取り付けられる、おもて面１３（第２面）と、を有する。基板１０において、おもて面１３とうら面１２とは平行であり、貫通孔１１はおもて面１３とうら面１２と垂直である。また、貫通孔１１のうら面１２側の開口部には発光素子２０が取り付けられ、貫通孔１１のおもて面１３側の開口部には光ファイバ３０の開口端３１が配されていることで、発光素子２０と光ファイバ３０の開口端３１とが相対している。

なお、貫通孔１１の内面において発光素子２０からの光Ｌが反射すると光Ｌの位相が変化してノイズの原因となりうることから、貫通孔１１の内面に発光素子２０の光Ｌを反射させないことが好ましい。よって、貫通孔１１の内面は、発光素子２０の光Ｌが反射しないようにコーティング等を施さないことが好ましい。

発光素子２０は、発光部２１ａを有する発光素子本体２１と、発光素子本体２１の発光部２１ａ側に取り付けられた球面レンズ２２（光学系）と、発光部２１ａ側に設けられた端子２３と、を有する。また、発光素子２０は、基板１０の貫通孔１１の内側に球面レンズ２２が向くように球面レンズ２２側の面が基板１０のうら面１２に取り付けられている。また、発光素子本体２１には上面（球面レンズ２２側の面）に端子２３が設けられている。

また、発光素子本体２１から発せられた光Ｌは、球面レンズ２２を通して集光するように設計されている。球面レンズ２２は、発光素子２０から発せられた光Ｌの光量、拡散の程度、光ファイバ３０の開口端３１までの距離、すなわち、基板１０の貫通孔１１の寸法を考慮して、光Ｌの損失ができるだけ少なくなるような焦点距離を有するレンズを選択することが好ましい。

発光素子２０が基板１０に取り付けられた状態において、発光素子２０の光軸は、基板１０の貫通孔１１と平行であり、基板１０のうら面１２と垂直である。

端子２３は、例えば、金属製で環状の板状部材であり、発光素子本体２１の上面に設けられ、基板１０に設けられたＰＡＤ１５と電気的に接続する。端子２３は、発光素子２０に電気信号を入力するための端子として機能する。また、例えば、基板１０のうら面１２に設けられたＰＡＤ１５と端子２３が電気的に接続した状態で、端子２３とＰＡＤ１５とを導電性接着剤を用いて接着する。これにより、基板１０と発光素子２０が物理的に固定される。

なお、ＰＡＤ１５と端子２３との電気的な接続方法は、特に限定されず、ワイヤ等により行ってもよい。一般的に、発光素子は下面（発光部とは反対側の面）側に端子が設けられており、この端子と基板との電気的な接続は、端子にワイヤを接続して行われる。端子を下面に有する発光素子を本実施形態の光結合構造１００に適用してもよいが、発光素子の下面の端子から基板のうら面のＰＡＤまでワイヤを伸ばして接続する必要がある。さらに、発光素子の上面と基板のうら面とを非導電性接着剤等を用いて物理的に固定する必要がある。

一方、本実施形態の発光素子２０の端子２３とＰＡＤ１５を用いた接続方法であれば、発光素子２０と基板１０との物理的な固定と、端子２３とＰＡＤ１０との電気的な接続を１つの工程で行うことができ、ワイヤの取り付け工程を省いて製造コストを削減することができる。また、この接続方法であれば、ワイヤの劣化や断線が発生しないことから接続信頼性を高めることができ、本実施形態において好適に用いることができる。

光ファイバ３０は、開口端３１が基板１０の貫通孔１１を介して発光素子２０と相対して設けられている。また、光ファイバ３０において、発光素子２０から発せられた光Ｌが、発光素子２０側の開口端３１から入射して、光ファイバ３０の内部を伝送される。

光ファイバ３０としては、ガラスのみからなる光ファイバよりも取扱性がよく、より安価であることから、後述のように基板１０とフェルール４０との間ではんだ付けが不要であり、熱の影響がないことから、プラスチックを含む光ファイバを好適に用いることができる。また、プラスチックを含む光ファイバとしては、プラスチックのみからなる光ファイバ、プラスチックとガラスからなる光ファイバ等が挙げられる。

フェルール４０は、光ファイバ３０の端部を囲って保持する部材であり、底面４１ａを有する有底筒状（例えば円筒状）のフェルール本体４１と、フェルール本体４１を貫通して設けられ、光ファイバ３０を保持する光ファイバ保持部４２と、を有する。また、光結合構造１００において、フェルール４０の先端側の底面４１ａは基板１０のおもて面１３（第２面）に当接している。

調芯治具５０は、フェルール４０を囲って保持するとともに、基板１０のおもて面１３に底面５１ａが当接して、おもて面１３に固定された有底筒状（例えば円筒状）の部材である。また、発光素子２０と光ファイバ３０の光軸の位置合わせをするための部材であり、底面５１ａを有する有底筒状の調芯治具本体５１と、フェルール４０を挿入するためのフェルール挿入部５２を有する。また、フェルール４０の外形と調芯治具５０のフェルール挿入部５２の内形はほぼ同じであり、調芯治具５０にフェルール４０を挿入して取り付けた状態において、フェルール４０と調芯治具５０が位置ずれすることなく一体化することができる。

また、調芯治具５０は、フェルール４０を挿入した状態で、底面５１ａが光ファイバ３０の光軸と垂直となる。また、調芯治具５０の底面５１ａが基板１０のおもて面１３に当接した状態において、光ファイバ３０の光軸は、貫通孔１１と平行であり、基板１０のおもて面１３と垂直となる。

次に、本実施形態の光結合方法について説明する。本実施形態の光結合方法は、前述した光結合構造１００を組み立てる方法であって、平行なうら面１２およびおもて面１３を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔１１が形成された基板１０のうら面１２に、発光部２１ａに球面レンズ２２を有する発光素子２０を、基板１０の貫通孔１１の内部に球面レンズ２２が向くように取り付ける工程と、光ファイバ３０の端部を囲って保持した有底筒状のフェルール４０を保持した有底筒状の調芯治具５０を、貫通孔１１において光ファイバ３０の開口端３１と発光素子２０が相対するように、おもて面１３に調芯治具５０の底面５１ａを当接させる工程と、発光素子２０の光軸と光ファイバ３０の光軸とのアクティブアライメントを行う工程と、アクティブアライメント後に、調芯治具５０を基板１０のおもて面１３に固定する工程と、を含む。以下、これらの工程を具体的に説明する。

まず、基板１０のうら面１２に発光素子２０を取り付ける。このとき、発光素子２０の球面レンズ２２が貫通孔１１の内部に向くようにする。さらに、基板１０のうら面１２に設けられたＰＡＤ１５と端子２３が電気的に接続した状態で、端子２３とＰＡＤ１５とを導電性接着剤を用いて接着する。これにより、発光素子２０の光軸が貫通孔１１と平行になるように、基板１０と発光素子２０が物理的に固定される。

次に、光ファイバ３０を取り付ける。光ファイバ３０を内部に保持したフェルール４０を調芯治具５０に挿入して、フェルール４０と調芯治具５０の先端位置を揃えた状態で、光ファイバ３０、フェルール４０、調芯治具５０を一体とする。さらに、フェルール４０を保持した調芯治具５０の底面５１ａを基板１０のおもて面１３に当接させる。このとき、発光素子２０の光軸が基板１０のうら面１２と垂直になり、かつ、光ファイバ３０の光軸が基板１０のおもて面１３と垂直になる。また、基板１０のうら面１２とおもて面１３は平行である。これにより、光ファイバ３０の開口端３１と発光素子２０が相対するとともに、発光素子２０の光軸と光ファイバ３０の光軸とが平行に保持される。

さらに、調芯治具５０の位置を調整することで発光素子２０と光ファイバ３０の光軸のアクティブアライメントを行う。このとき、上述したように発光素子２０の光軸と光ファイバ３０の光軸とが平行に保持されている。また、発光素子２０と光ファイバ３０の開口端３１とが相対する方向において、発光素子２０と光ファイバ３０の開口端３１の距離は一定に（基板１０の厚さ寸法に）保持されている。よって、光軸のアクティブアライメントを行うときには、基板１０と平行な水平面における位置合わせのみを行い、相対方向における距離と傾きの位置合わせは行わなくてもよい。

光軸の調芯が完了したのち、調芯治具５０と基板１０とをはんだ付けにより接続する。なお、このとき、光ファイバ３０、フェルール４０には、はんだ付けの熱は直接的には加わらない。また、調芯治具５０と基板１０との接続方法は特に限定されず、はんだ付け以外の接続方法を用いてもよい。以上により、光結合構造１００の組み立てが完了する。

組み立てられた光結合構造１００においては、図１に示すように、発光素子２０から発せられた光Ｌが球面レンズ２２を通るときに集光して、基板１０の貫通孔１１の内部を通過して、光ファイバ３０の開口端３１に入射する。光ファイバ３０に入射した光は、光ファイバ３０の内部を通って伝送される。このようにして、光結合構造１００により光伝送することができる。

本実施形態の光結合構造１００は、発光部２１ａを有する発光素子２０と光ファイバ３０との間で光伝送する光結合構造であって、平行なうら面１２およびおもて面１３を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔１１が形成された基板１０と、発光部２１ａに球面レンズ２２を有し、貫通孔１１の内側に球面レンズ２２が向くように基板１０のうら面１２に取り付けられた発光素子２０と、貫通孔１１のおもて面１３側において、開口端３１が発光素子２０と相対して設けられた光ファイバ３０と、光ファイバ３０の端部を囲って保持するとともに、基板１０のおもて面１３に底面４１ａが当接した有底筒状のフェルール４０と、フェルール４０を囲って保持するとともに、基板１０のおもて面１３に底面５１ａが当接して、おもて面１３に固定された、有底筒状の調芯治具５０と、を備える。

本実施形態の光結合構造１００においては、発光素子２０の光軸と光ファイバ３０の光軸とが平行に保持されている。また、発光素子２０と光ファイバ３０の開口端３１とが相対する方向において、発光素子２０と光ファイバ３０の開口端３１の距離は一定に（基板１０の厚さ寸法に）保持されている。よって、光軸のアクティブアライメントを行うときには、基板１０と平行な水平面における位置合わせのみを行えばよい。このことから、本実施形態の光結合構造１００であれば、組み立て時のアライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる。

また、本実施形態の光結合方法であれば、光結合構造１００を用いることから、光軸のアクティブアライメントを行うときには、基板１０と平行な水平面における位置合わせのみを行えばよく、アライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる。

［カメラモジュール］
次に、本実施形態のカメラモジュール２００について説明する。図２に示すように、カメラモジュール２００は、筐体２１０と、撮像モジュール２２０と、システムのＩＣ等が実装された基板２３１を有するシステム部２３０と、光通信モジュール２４０と、を備える。撮像モジュール２２０、システム部２３０、および、光通信モジュール２４０は、筐体２１０の内部に設けられている。

撮像モジュール２２０は、筐体２１０の開口部２１１に設けられたレンズ部２２１と、ＣＣＤセンサ等の撮像素子が設けられ、レンズ部２２１を介して受光した光を光電変換する基板２２２と、を有する。光通信モジュール２４０は、映像信号を光通信により外部の機器に伝送する部材であり、前述した光結合構造１００と、光結合構造１００と外部の機器とを接続するコネクタ２４１と、を有する。

本実施形態のカメラモジュール２００が光結合構造１００を備えることから、光結合構造１００の組み立て時において、アライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。以下の変形例においては、前述した実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。

前述した実施形態において、光学系として球面レンズが用いられていたが、球面レンズに替えて非球面レンズを用いて、発光素子の光を集光させてもよい。また、発光素子の光が拡散して損失することを抑制することができればよく、図３に示す光結合構造１００Ａのように、集光レンズに替えて、発光素子２０Ａの光ＬＡが平行光となるコリメートレンズ２２Ａを用いてもよい。ただし、ボールレンズ等の球面レンズの方が非球面レンズやコリメートレンズよりも安価であることから、製造コストを抑えるために、本発明の光結合構造には球面レンズがより好適に用いられる。

また、光結合構造において、基板にザグリ部が設けられていてもよい。図４は、ザグリ部１４が基板１０Ｂに形成された光結合構造１００Ｂを模式的に示す断面図である。基板１０Ｂには、基板１０Ｂのおもて面１３から厚さ方向に切り欠いて形成されたザグリ部１４が形成され、ザグリ部１４にフェルール４０が嵌合されている。ザグリ部１４の内形は、発光素子２０と光ファイバ３０Ｂの光軸の位置合わせのために、フェルール４０の外形よりも少し大きく形成されている。

また、ザグリ部１４の底面１４ａは、基板１０のおもて面１３と平行である。光結合構造１００Ｂにおいては、調芯治具５０の底面５１ａよりもフェルール４０の底面４１ａが突出した状態で、フェルール４０が調芯治具５０に保持される。フェルール４０を保持した調芯治具５０を用いて、フェルール４０の先端の底面４１ａをザグリ部１４の底面１４ａに当接させ、調芯治具５０の先端の底面５１ａを基板１０のおもて面１３に当接させて固定する。これにより、光結合構造１００と同様に光ファイバ３０の光軸が、貫通孔１１と平行となり、また、ザグリ部１４の底面１４ａと垂直となる。

ザグリ部１４が形成されていることにより発光素子２０と光ファイバ３０Ｂとの距離を近くすることができ、発光素子２０の光をより集光させた状態で光を光ファイバ３０Ｂに入射させることができる。よって、ザグリ部１４を形成しない光結合構造１００に用いた光ファイバ３０に比べて細い芯線の光ファイバ３０Ｂに対応することができる。なお、ザグリ部１４の深さ寸法を調整することにより、発光素子２０と光ファイバ３０Ｂとの距離を所望の寸法にすることができる。

また、本発明は、光電素子として受光素子を備える光結合構造にも適用することができる。図５に示す光結合構造１００Ｃは、光電素子として受光素子６０を備える。受光素子６０は、受光素子本体６１と、受光部６１ａと、球面レンズ２２と、端子６３と、を有する。光結合構造１００Ｃにおいては、光ファイバ３０の開口端３１とは反対の開口端から光が入射して、光ファイバ３０の内部を通って開口端３１に伝送される。さらに、光ファイバ３０の開口端３１から基板１０の貫通孔１１の内部を光ＬＣが通過して球面レンズ２２に達する。光ＬＣは球面レンズ２２において集光して、受光部６１ａで受光される。

光結合構造１００Ｃにおいては、前述した実施形態の光結合構造１００と同様に、受光素子６０と光ファイバ３０との相対方向における距離と傾きは基板１０のおもて面１３とうら面１２に合わせてほぼ一定にすることができるため、相対方向における距離と傾きの位置合わせは行わなくてもよい。このことから、光結合構造１００Ｃであれば、組み立て時のアライメントの作業性を向上させて、製造コストを抑制することができる。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 光結合構造
２００ カメラモジュール
１０ 基板
１１ 貫通孔
１２ うら面（第１面）
１３ おもて面（第２面）
１４ ザグリ部
１４ａ ザグリ部１４の底面
１５ ＰＡＤ
２０ 発光素子（光電素子）
２１ａ 発光部
２２ 球面レンズ（光学系）
２２Ａ コリメートレンズ（光学系）
２３、６３ 端子
３０、３０Ｂ 光ファイバ
４０ フェルール
４１ａ 底面
５０ 調芯治具
５１ａ 底面
６０ 受光素子（光電素子）
６１ａ 受光部

Claims (7)

1. 発光部または受光部を有する光電素子と光ファイバとの間で光伝送する光結合構造であって、
   平行な第１面および第２面を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔が形成された基板と、
   前記発光部または前記受光部に光学系を有し、前記貫通孔の内側に前記光学系が向くように前記基板の前記第１面に取り付けられた前記光電素子と、
   前記貫通孔の前記第２面側において、開口端が前記光電素子と相対して設けられた前記光ファイバと、
   前記光ファイバの端部を囲って保持するとともに、前記基板の前記第２面に底面が当接した有底筒状のフェルールと、
   前記フェルールを囲って保持するとともに、前記基板の前記第２面に底面が当接して、前記第２面に固定された、有底筒状の調芯治具と、を備える、光結合構造。
2. 前記光電素子の光軸が前記基板の前記第１面と垂直であり、かつ、前記光ファイバの光軸が前記基板の前記第２面と垂直であり、
   前記光電素子の光軸と前記光ファイバの光軸とが平行に保持されている、請求項１に記載の光結合構造。
3. 前記光ファイバが、プラスチックを含む光ファイバである、請求項１または２に記載の光結合構造。
4. 前記光電素子の端子が、前記光電素子の前記光学系側に設けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の光結合構造。
5. 前記基板の前記第２面に、前記基板の厚さ方向に切り欠いて形成されたザグリ部が形成され、前記ザグリ部の底面が前記第２面と平行であり、
   前記ザグリ部の前記底面に前記フェルールが当接して嵌合されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の光結合構造。
6. 平行な第１面および第２面を有し、厚さ方向に貫通した貫通孔が形成された基板の前記第１面に、前記発光部または前記受光部に光学系を有する前記光電素子を、前記基板の前記貫通孔の内部に前記光学系が向くように取り付ける工程と、
   光ファイバの端部を囲って保持した有底筒状のフェルールを保持した有底筒状の調芯治具を、前記貫通孔において前記光ファイバの開口端と前記光電素子が相対するように、前記第２面に前記調芯治具の底面を当接させる工程と、
   前記光電素子の光軸と前記光ファイバの光軸とのアクティブアライメントを行う工程と、
   アクティブアライメント後に、前記調芯治具を前記基板の前記第２面に固定する工程と、を含む、光結合方法。
7. 請求項１～５のいずれか１項に記載の光結合構造を備える、カメラモジュール。

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