JP5327980B2

JP5327980B2 - シールドとレンズが改良された光学式近接センサ

Info

Publication number: JP5327980B2
Application number: JP2010270225A
Authority: JP
Inventors: ユーフェン・ヤオ; チー・ブーン・オン; シェー・ピン・オン
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2011180121A; US8232883B2; US20110133941A1

Description

本願で説明される本発明の種々の実施形態は、近接センサ、及びそれに関連した構成要素、装置、システム及び方法に関する。

AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のHSDL-9100表面実装近接センサ、AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9101一体型反射センサ、AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9120一体型光学式近接センサ、及びAVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9800一体型周辺光・近接センサなどの光学式近接センサは技術的に周知である。そのようなセンサは一般に、一体型の高性能な赤外線発光体すなわち光源及び対応するフォトダイオードすなわち光検出器を備えており、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップ及びポータル・コンピュータ、携帯型及び手持ち式装置、娯楽装置及び自動販売機、産業用自動化装置及び機器、非接触型スイッチ、衛生自動化装置及び機器など多数の手持ち式電子装置の中で使用されている。

図１を参照すると、従来技術の光学式近接センサ１０と、感知されるべき物体６０とが示されている。この光学式近接センサ１０は、赤外線発光体１６、発光体駆動回路５１、光検出器すなわちフォトダイオード１２、光検出器用感知回路５３、開口５２及び５４が付いた金属筐体すなわちシールド１８を備えている。発光体１６によって放射され、物体６０（光学式近接センサ１０に比較的接近している）から光線１９として反射された光線１５は、フォトダイオード１２によって検出されて、これにより物体６０がセンサ１０に接近している又は近いことが指摘される。

図１にさらに示されているように、光学式近接センサ１０は、金属で形成された金属の筐体すなわちシールド１８をさらに備えている。このシールド１８は、それぞれ発光体１６及び光検出器１２の上に配置された開口５２及び５４を備え、発光体１６によって放射された光１５の少なくとも第１の部分が開口５２を通過し、また検出されるべき物体６０から反射された光の第１の部分１９の少なくとも第２の部分が開口５４を通過して、光検出器１２によって検出される。図示のように、金属の筐体すなわちシールド１８は、その下側にそれぞれ発光体１６と光検出器１２が配置されている第１及び第２の頂部をさらに備えている。第１及び第２の頂部６１及び６３の間の下側には、光学的に不透明な金属の内部側壁２５が配置されて、発光体１６と光検出器１２との間が光学的に分離されている。

多くの光学式近接センサは、図１に示されている種類のシールドすなわち筐体１８などの金属シールドを一般に備えて、発光体１６と光検出器すなわちフォトディテクタ１２との間が光学的に分離されて、発光体１６と光検出器１２との間の望まれていない光学クロストークが最小にされる。例えば、AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9120一体型光センサの暫定的データシート及びAVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9800一体型周辺光・近接センサの暫定的データシートに対応するデータシートを参照されたい。それぞれのデータシートは、参照によりそれぞれの全体が本願に組み込まれるものとする。

図２は、比較的複雑な金属のシールドすなわち筐体１８を有する従来技術の光学式近接センサ１０を示している。図２に示されている光学式近接センサは、AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9800一体型周辺光・近接センサである。この装置は、上にＬＥＤ１６、光検出器すなわちフォトダイオード１２、及び周辺光センサ１４が装着されたプリント回路基板（ＰＣＢ）すなわち基板１１を備えている。２ピースの金属シールド１８は、ＬＥＤ１６、光検出器すなわちフォトダイオード１２、及び周辺光センサ１４をカバーし、また２つの間に配置された下向きに突出している光バリア２５を備えている。APDS-9800光学式近接センサでは、金属シールド１８は、かなり複雑な形状と幾何学的配置がなされており、革新的な金属打抜き技術を用いて形成されまた薄くされている。また金属シールド１８は手にぴったり合う必要があり、適切な位置合わせ及び嵌合を確実に行うために、接着によって下側のＰＣＢに装着される。

図２のAPDS-9800センサ１０は、発光体１６、光検出器１２、又は周辺光センサ１４の上に配置されたレンズを備えていない。以下でより詳細に説明されるが、APDS-9800センサなどの装置にコリメータ・レンズがないことにより、相当な性能損失が発生することが発見された。その理由は、センサが放射した一部の光は集束されずにその後に分散し、またセンサ１０が放射した一部の光が分散効果のために失われるからである。光の損失は、携帯型電子装置のウィンドウの光透過率が低いため、又はウィンドウ自身が容認できないほど高いレベルのクロストークを発生するためにさらに悪化される。全てのこれらの要因により、光学式近接センサが物体を検出できる距離が減少される。

ここで分かるように、従来技術の少なくとも幾つかの光学式近接センサは、嵌合することが難しい又は時間を要する金属シールド１８を備えている。さらに、従来技術の少なくとも幾つか光センサは、大きなクロストークと光学的効率が劣っていることを示しており、それらの要因は両方とも、そのようなセンサによって物体を検出できる有効距離を減少させている。その上、販売市場では、さらに小さい携帯型電子装置が要求されている。このことは、無論、さらに小さい光学式近接センサを作るための動機付けが存在することを意味している。

必要なことは、製造工程の間にセンサ上に正確かつ迅速に配置することができる金属シールドを作ることができ、クロストークを減少させると共に検出距離を増加させ、また性能が向上し、安価で、製造性が増加されかつ信頼性が高められた光学式近接センサの設計である。また必要とされることは、より小さい光学式近接センサである。

幾つかの実施形態では、以下の光学式近接センサが提供される。この光学式近接センサは、基板上に搭載された赤外線発光体と、この基板上に搭載された赤外線光検出器と、この基板上に搭載されると共に、発光体と光検出器にそれぞれ動作可能に接続された発光体駆動回路及び光検出回路を備えた集積回路と、発光体上に配置され、発光体によって放射された光を検出されるべき物体に向けて上方に集めかつ方向付けるように構成された第１の球面レンズと、光検出器上に配置され、第１のレンズによって上方に送られ、かつ検出されるべき物体から光検出器に向けて下向きに反射された入射光を集めかつ方向付けるように構成された第２の球面レンズと、発光体、光検出器、第１のレンズ、及び第２のレンズの上に配置された光シールドと、を具備し、この光シールドは、第１及び第２の頂部と、第１及び第２の頂部の間を下向きに突出して、発光体を光検出器から分離しまた近接センサを発光部と光検出部に分割する光バリアと、第１の部分又は第２の部分のどちらかから下向きに突出する少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材と、それぞれ第１及び第２のレンズ上の第１及び第２の部分を貫通して配置された第１及び第２の開口と、を備え、近接センサ上のシールドの位置合わせが、光バリアと少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材によって最適化され、互いに関連する発光体、第１のレンズ、光検出器、第２のレンズ、及びシールドの構成によって、発光体と光検出器との間のクロストークが最小にされ、かつ近接センサの検出距離が最大にされる。

別の実施形態では、光学式近接センサを作る方法が提供される。この方法は、赤外線発光体を基板上に装着するステップと、赤外線光検出器を基板上に搭載するステップと、発光体駆動回路及び光検出回路を有する集積回路を基板上に搭載し、これらの回路を発光体及び光検出器に動作可能に接続するステップと、発光体によって放射された光を検出されるべき物体に向けて上方に集めかつ方向付けるように構成された第１の球面レンズを発光体の上に配置又は形成するステップと、第１のレンズによって上方に送られ、かつ検出されるべき物体から光検出器に向けて下向きに反射された入射光を集めかつ方向付けるように構成された第２の球面レンズを光検出器上に配置又は形成するステップと、発光体、光検出器、第１のレンズ、及び第２のレンズの上に光シールドを配置するステップと、を含み、この光シールドは、第１及び第２の頂部と、第１及び第２の頂部の間を下向きに突出して、発光体を光検出器から分離しまた近接センサを発光部と光検出部に分割する光バリアと、第１の頂部又は第２の頂部のどちらかから下向きに突出する少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材と、それぞれ第１及び第２のレンズ上のシールドを貫通して配置された第１及び第２の開口と、を備え、近接センサ上のシールドの位置合わせが、光バリアと少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材によって最適化され、互いに関連する発光体、第１のレンズ、光検出器、第２のレンズ、及びシールドの構成によって、発光体と光検出器との間のクロストークが最小にされ、かつ近接センサの検出距離が最大にされる。

さらに別の実施形態は本願で開示されるか、又は明細書及び図面を読んで理解すれば、当業者には明らかになるであろう。

本発明の種々の実施形態の様々な態様は、下記の明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

従来技術の光学式近接センサと関連する回路を示す図である。組み立てられた従来技術の光学式近接センサの斜視図である。光学式近接センサ用のシールド１８の１つの実施形態の上部の斜視図である。光学式近接センサ用のシールド１８の１つの実施形態の底部の斜視図である。チャネル７２を形成する前の近接センサアセンブリ２０の１つの実施形態の平面図である。チャネル７２を形成する前の近接センサアセンブリ２０の１つの実施形態の側面図である。チャネル７２を形成した後の近接センサアセンブリ２０の上部の斜視図である。チャネル７２を形成した後の近接センサアセンブリ２０の平面図である。シールド１８が上に配置され完全に組み立てられたレンズ付き近接センサ１０の上部の斜視図である。近接センサアセンブリ２０の１つの実施形態の概略断面図である。レンズ付き及びレンズなしの近接センサを用いて得られた試験結果を示す図である。図１１に示された試験データを発生するために採用された試験構成を示す図である。集積回路３５と光学式近接センサ１０用の回路の１つの実施形態を示す図である。光学式近接センサ１０を作る方法１００の１つの実施形態を示す図である。

これらの図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。同じ番号は、特に断りのない限り、図面全体を通して同じ部品又はステップを指している。

下記の詳細な説明では、明細書の一部を形成する添付の図面が参照される。図面には、本発明が実行される特定の実施形態が例示されている。この点に関して、「頂部」、「底部」、「頂上に」、「下方に」、「前方へ」、「後方へ」、「側部」、「前部」、「背面」などの方向性用語が、説明される図面の向きに関連して使用される。本発明の種々の実施形態の構成要素が多くの様々な向きで位置付けられるため、方向性用語は例示する目的のために使用されるのであり、これに限定されることはない。他の実施形態も使用することができ、また本発明の範囲から逸脱することなく、構造的又は論理的な変更を行うことができることは理解されよう。このため、下記の詳細な説明は、これに限定されると考えてはならない、また本発明の範囲は添付された特許請求の範囲によって定義される。

図３〜図９を参照すると、光学式近接センサ１０とその種々の構成要素の１つの実施形態が示されている。そのような実施形態の完全な光学式近接センサは、図９に示されている。後で明らかになるように、図３〜図９に示された光学式近接センサ１０の実施形態により、近接センサ１０に正確にかつ迅速に装着されるシールド１８を容易に取り付けかつ正確に位置決めできるようにすることによって、物体６０を検出できる距離を増加することによって、発光体１６と光検出器１２との間の不要なクロストークを減少させることによって、光学式近接センサ１０の全体的な大きさ、体積及び占有面積を減少することによって、またそれらに関連する製造及び材料のコストを低減することによって、従来技術の光学式近接センサに関連した多くの問題が克服される。一例として、１つの実施形態では、図９に示された光センサ１０は、寸法が約４．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍになるように構成されることができる。図３〜図９に例示された光学式近接センサ１０の実施形態の別の利点は、この明細書及び図面を読み、理解し、考えれば、当業者には明らかになるであろう。

ここで図３及び図４を参照すると、それぞれシールド１８の１つの実施形態による上部及び底部の斜視図が示されている。図示のように、開口５２、５４及び５６がシールド１８の上部６１及び６３を貫通して配置され、そして基板１１に取り付けられた又は装着された発光体１６、光検出器１２及び周辺光センサ１４の直ぐ上に配置されるように構成される（図７及び図８を参照されたい）。光バリア２５が部分６１と６３との間から下方に突出して、一方の発光体１６と他方の周辺光センサ１４及び光検出器１２との間のクロストークの発生を最小にするために、近接センサ１０を、発光体１６を有する発光部分と光検出器１２及び周辺光センサ１４を有する光検出部分とに分離して、これにより発光体１６と光検出器１２（及び周辺光センサ１４）との間のクロストークを最小にする。

図３〜図８にさらに示されるように、光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５が第２の部分６３（光検出器１２及び周辺光センサ１４を備えている）から下向きに突出して、近接センサ１０の光検出部分の上に位置付けられる。光バリア２５もシールド１８の第１の部分６１から下向きに突出して、近接センサ１０の発光部分と光検出部分との間に形成されたチャネル７２内に下向きに延長するように構成される。

光バリア２５と光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５は一緒に構成及び配列されて、シールド１８が近接センサ１０の下側のシールドレスアセンブリ２０上に置かれるとき、シールド１８は正確かつ自動的に安定した方法で下側のシールドレスアセンブリ２０上に自身を見当合わせする。そのような構成及び配列により、シールド１８が下側のアセンブリ２０上に置かれる場合、自己位置合わせ及び心合わせが結果として行われて、シールド１８はアセンブリ２０に対して垂直方向及び水平方向が正確に位置合わせされる。光バリア２５と光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５は、シールド１８がアセンブリ２０上に置かれたとき及びその後で、シールド１８の位置の安定性を増加させる。

図４を参照すれば明らかになるが、光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５により、シールド１８の下側はアセンブリ２０の上面から所定の距離だけ間隔が空けられ、これによりアセンブリ２０の上面とシールド１８の下側との間に明確でかつ正確なギャップが形成される。アセンブリ２０の上面の全体にわたって正確で連続した寸法のギャップを形成する光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５と協力して、光バリア２５をチャネル７２に挿入することにより、シールド１８はアセンブリ２０の端部とコーナに関して正確に位置合わせされる。さらに、真空動作式ピック・アンド・プレイス・マシーン（vacuum-operated pick-and-place machine）又は手作業などの任意の他の適当な配置手段によって、シールド１８を素早く、安定にまた正確にアセンブリ２０の上に配置するように構成することができる。１つの実施形態では、シールド１８は、適当なエポキシ又は他の接着剤を用いてアセンブリ２０に接着されるが、シールド１８をアセンブリ２０に確実に固定する他の手段も採用できる。

１つの実施形態によれば、シールド１８の部分６１及び６３は、レンズ２７、２９及び３０の一番上の部分からやや上方でかつ垂直方向にオフセットされて位置決めするように故意に構成される。そのような配列により、発光体１６から発生した光がレンズ２９の方向にレンズ２７及びシールド１８を通って又はそれらの周りからリークして、そうでなければ望ましくないクロストークが発生する可能性が防止される。

１つの実施形態では、シールド１８は前述された打抜き及び引き抜き技術を用いて金属から形成されるが、セラミック又はポリマーなどの任意の適当な材料から形成されることもでき、又は射出形成又は注入形成などの任意の適当な処理を用いて形成される。光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５がシールド１８の上に置かれて、光検出部分の代わりに又はそれに加えて、アセンブリ２０の発光部分の上に重なることができることにさらに注意されたい。

光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５が光バリア２５から直角に延長する、又は光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５が１つのチャネルすなわち溝を形成するという要求はない。その代わり、光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５は、１つ又は複数の下向きに突出するチャネル、リッジ、溝、ｖ又はｕ字型の溝、チャネル、ｖ又はｕ字型のチャネル、レイ（ray）、リッジ、又はシールド１８の下側から下向きに突出するスタンドオフ又は小塊（nubbin）を備えることができる。さらに、光シールド位置合わせ・スペーシング部材６５は、シールド１８の一部として形成される必要はないが、その代わりに、シールド１８の下側に型打ち、成形、装着、接着又は他の方法で形成された１つ以上の下向きに突出する位置合わせ部材を備えることができる。

ここで図５〜図８を参照すると、光学式近接センサ１０が、線４３を介してワイヤ・ボンド・パッド４１の１つに動作可能に接続された発光体１６を上に搭載した基板１１を備えていることが分かる。１つの実施形態によれば、発光体１６は、型式番号TK116IRA TYNTEK（登録商標）のAlGaAs／GaAs赤外線チップなどの半導体赤外線ＬＥＤである。このＬＥＤのデータシートは、本願と同じ日に提出された情報開示陳述書の中に含まれており、その全体は参照により本願に組み込まれるものとする。１つの実施形態では、基板１１は、上又は中に配置されたトレース、ワイヤ・ボンド・パッド及び／又はビア（via）を有するプリント回路基板である。当業者に周知の従来の材料は、第１の基板１１を形成するために使用できる。光検出器１２と周辺光検出器１４は、線７７及び７８を介してワイヤ・ボンド・パッド７５及び７６に動作可能に接続される。１つの実施形態によれば、光検出器１２はAVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9120型集積光学式近接センサであり、周辺光検出器１４はAVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社のAPDS-9800型集積周辺光・近接センサである。集積回路３５が線７３とワイヤ・ボンド・パッド７４を介して基板１１に搭載され、発光体１６、光検出器１２及び周辺光センサ１４に動作可能に接続される。１つの実施形態によれば、集積回路３５は、AVAGO TECHNOLOGIES（登録商標）社の光学式近接センサ用のAPDS-9702型信号処理ＩＣであり、そのデータシートは参照によりその全体が本願に組み込まれるものとする。

図５及び図６は、成形された光学的に透明な赤外線通過部品（molded optically transmissive infrared light pass component）３１／３２が、発光体１６、光検出器１２及び周辺光検出器１４の上に配置され、またそれらをカバーした後のアセンブリ２０を示している。成形された光学的に透明な赤外線通過部品３１／３２は、図５及び図６に示されたレンズ２７、２９及び３０を含むように成形されることができることに注意されたい。ここで、レンズ２７、２９及び３０は、発光体１６によって放射され、検出されるべき物体６０（図５及び図６には図示されていない）から反射された光を平行にしかつ光検出器１２に向けて内向きに方向付けるように構成される。図５及び図６の光学レンズ２７、２９及び３０は、同じ材料から形成され、そして製造工程の間に同じ時間に、またチャネル７２（図７及び図８を参照のこと）が１つの実施形態によれば切断又は鋸引きによって形成される前に形成されることが好ましい。

第１及び第２の成形された光学的に透明な赤外線通過部品３１及び３２は、中に配置された集積回路３５、発光体１６、光検出器１２、及び周辺光センサ１４をシール及び保護し、また前述されたように、シールド１８を上に取り付けるためのプラットフォームを提供する。１つの実施形態によれば、第１及び第２の成形された光学的に透明な赤外線通過部品３１及び３２は、NITTO DENKO（登録商標）社のNT-8506型クリア・トランスファ成形化合物（clear transfer molding compound）又はPENCHEM Technologies（登録商標）社のOP 579型赤外線パス光電子式エポキシ（infrared pass optoelectronic epoxy）などの赤外線通過及び光学的に透明なトランスファ成形化合物を用いて形成される。他の適当な光学的に透明なエポキシ、プラスチック、ポリマー又は他の材料も、使用することができる。幾つかの実施形態では、光学的に透明な赤外線通過部品３１及び３２は、同じ製造段階の間に成形される、又は別個に成形されうる。２００１年付けの「Clear Transfer Molding Compound NT-8506」という題名の技術データシートNT-8506及び２００９年４月付けのPENCHEM OP 579 IR Pass Optoelectronic Epoxy Data Sheet, Revision 1を参照されたい。それらの資料は両方とも参照により、それぞれの全体が本願に組み込まれるものとする。

図９は、１つのパッケージを形成する完全に組み立てられた光センサ１０を示している。発光体すなわちＬＥＤ１６によって放射された赤外線は、開口５２を通ってセンサ１０から出射し、検出されるべき物体６０（図１を参照のこと）に入射し、物体６０から反射されて、光検出器１２に戻って検出される。周辺光センサ１４は、周辺の照度レベル又は近くの物体の有無を検出する。１つの実施形態では、例えば、周辺光センサ１４は、携帯型電子装置内のディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーン用の制御回路に動作可能に接続される。この制御回路は、周辺光センサ１４によって検出された周辺光の照度レベルに基づいて、ディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーンの機能を調節する。機能は、明るさ、照度、及びオン／オフのうちの１つまたは複数とすることができる。周辺光センサ１４は、近くの物体の存在を検出するように、また検出された物体の存在に基づいて、制御回路がディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーンの機能を調節するように構成することもできる。

ここで図１０を参照すると、光学式近接センサ１０の１つの実施形態の断面の略図が示されている。図示のように、レンズ２７、２９及び３０は全て、球形の外形を示している。１つの実施形態では、発光体用レンズ２７の半径は約０．４３ｍｍで直径は約０．８ｍｍ、光検出器用レンズ２９の半径は約１ｍｍで直径は約１．２ｍｍ、そして周辺光センサ用レンズ３０の半径は約０．４ｍｍで直径は約０．８ｍｍである。球形レンズの他の半径や直径も、無論考えられる。一例として、発光体用レンズ２７の半径は約０．４ｍｍと約０．５ｍｍとの間の範囲、直径は約０．６ｍｍと約１ｍｍとの間の範囲とすることができる。光検出器用レンズ２９の半径は約０．６５ｍｍと約１．５ｍｍとの間の範囲で、直径は約０．９ｍｍと約１．５ｍｍとの間の範囲とすることができる。周辺光検出器用レンズ３０の半径は約０．２ｍｍと約０．６ｍｍとの間の範囲で、直径は約０．６ｍｍと約１．０ｍｍとの間の範囲とすることができる。図１０に示された実施形態では、発光体用レンズ２７と光検出器用レンズ２９との間の中心間レンズ距離が約２．５ｍｍであることを特徴にしているが、他の中心間レンズ距離も使用できることにさらに注意されたい。

図５、６、７、８及び１０に示された有利で効果的なレンズ構成は、クロストークの低減と検出距離の増加に関して極めて良好な結果が生じることが発見された。図１１は、発光体１６と光検出器１２の上にレンズが配置されない状態（「レンズなし」と名付けられた曲線を参照のこと）と、発光体１６と光検出器１２の上に球面レンズが配置された状態（「レンズ付き」と名付けられた曲線を参照のこと）の、その他の点では同一の近接センサを用いて発生された検出信号を示している。

図１１に示されたグラフは、図１２に例示されている試験装置を用いて生成された。ここでは、検出されるべき物体として動作する標準の１８％グレー反射カードが近接センサ１０の上に配置され、厚さが１ｍｍの介在する光学的に透明なウィンドウ５０が、センサ１０とグレー・カードとの間で、センサ１０の０．５ｍｍ上に配置された。このカードは次に、センサ１０から離れるように様々な距離に移動されて、検出信号が近接センサ１０によって発生された。

図１１のグラフに示されているように、球面レンズを備えていない近接センサから約５０ｍｍ離れた距離のグレー・カードでは、クロストークは検出信号から区別ができなくなるため、このことは、球面レンズを装着してない近接センサが検出されるべき物体６０を検出できる有効距離は約５０ｍｍに限定される、ことを意味する。他方では、球面レンズを備えている近接センサから約１４０ｍｍ離れた距離のグレー・カードでは、クロストークは検出信号から区別ができなくなるため、このことは、球面レンズを装着している近接センサが検出されるべき物体６０を検出できる有効距離は、球面レンズを装着してない、その他の点では同一の近接センサの距離のほぼ３倍であることを意味する。

これらの印象的な結果により、発光体１６によって放射された光は球面レンズ２７によって近接センサから上方に効率的に収集及び方向付けられ、レンズ２９に入射した反射光は光検出器１２によって検出されるように下向きに収集及び方向付けられ、そしてウィンドウ５０又は光バリア２５を通るかその周りで拡散、反射、回折又は屈折された不要な所望しない光は、図９の光学式近接センサ１０によって効率的に最小にされる。

種々の実施形態によれば、レンズ付き光学式近接センサ１０は、約５０ｍｍ、約７５ｍｍ、及び／又は約１００ｍｍを超える距離にある検出されるべき物体６０を検出するように構成されうる。

光学式近接センサ１０が使用される多くの用途では、ウィンドウ５０を形成するプラスチック又はガラスなどの光学的に透明な材料が、近接センサ１０の上に配置され、それは今度は、スマートフォン、携帯電話、ポータル又はラップトップ・コンピュータ、コンピュータ又は携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯型電子装置の中に組み込まれる。ウィンドウ５０の１つの機能は、センサ１０及び装置の中に配置された他の回路や電子及び電気部品を保護することである。ウィンドウ５０の他の機能は、装置に機械的強度を与えること、又はその表面の外観を改良することである。そのような用途では、ウィンドウ５０は基本的に不要な２次光学システムを構成して、検出されるべき物体６０が存在しない場合は特に明らかになる望ましくないクロストークをもたらす可能性がある。

発光体１６の上にレンズが配置されていない近接センサでは、レンズの出力ビームが大きく、より大きなクロストーク信号をもたらす。幾つかの事例では、光学式近接センサ内のクロストークは、物体６０が検出範囲外である場合でさえ、光検出器１２によって与えられた出力が完全に飽和される原因になる可能性がある。

図９のレンズ付き近接センサ１０では、発光体１６によって放射されたビームの角度が狭くされ、クロストークがそれに応じて減少される。さらに、物体６０から反射される信号は、物体６０から反射される間に、通常ブルームする（bloom）、すなわち拡散するため、光検出器１２の上に配置されたレンズ２９は、レンズ２９に入射する光線を光検出器１２の活性領域に向けて集束させる効果がある。レンズ付き近接センサ１０はまた、全体的なシステム設計の中で、より柔軟な許容差を可能にする。

近接センサ１０をウィンドウ５０の近くに配置することにより、クロストークも減少できることが発見された。近接センサ１０をウィンドウ５０に隣接して配置し、センサ１０とウィンドウ５０との間にギャップが存在しないようにすることが理想的である。しかしながら、このことは実際的な観点から、実現することは極めて困難である。多くの装置では、エアギャップ５２に対する標準的な最小許容値は、約０．２ｍｍである。図９のレンズ付き近接センサ１０は、これまで可能であった大きさよりも大きなエアギャップをセンサ１０とウィンドウ５０との間に配置できることが発見された。実際に、ウィンドウ５０の厚さに基づいて、約０．５ｍｍと１ｍｍの間の著しく大きなエアギャップ５２を図９のレンズ付き近接センサ１０に対して、性能をかなり落とすことなく実現することができる。

さらに、ウィンドウ５０が厚くなると、クロストークの大きさが一般にそれだけ大きくなる。図９のレンズ付き光学式近接センサ１０の１つの利点は、これまで可能であったものよりも遙かに厚いウィンドウ５０を一緒に使用できることである。厚さが１．３５ｍｍ（又はそれ以上の厚さ）のウィンドウが幾つかの装置ではますます使用されるようになる用途では、ウィンドウの厚さが重要になる。

図９のレンズ付き近接センサ１０はまた、近接センサ１０が達成できる検出距離を驚くほど大きく増加する。レンズ２７及び２９は、放射及び受光された光線の輝度を狭い角度に集束させるため、レンズ２７及び２９の光軸に沿った光量は比較的高い。これにより、放射ビームが近接センサ１０からより長い距離を移動して標的６０に当たり、またそこから反射されたビームが十分なエネルギーを保持して光検出器１２によって検出されることが可能にされる。図９の近接センサの放射及び反射された光ビームの輝度が高められるため、発光体駆動電流をより小さくすることができ、これは今度は、近接センサ１０が配置されかつ動作可能に接続されている装置の全体的な電力消費量を減少させることになる。

図１３は、集積回路３５及び近接センサ１０に関連した回路の１つの実施形態を示している。この例示された実施形態は、Avago Technologies社のAPDS 9702型信号処理用集積回路である。そのような回路の他の実施形態も考えられる。

図１４は、図９の近接センサ１０を製造する方法１００の１つの実施形態を例示している。方法１００は、ステップ１０３において、基板１１を準備及び提供するステップによって、またステップ１０１において、集積回路３５（Avago Technologies社の9701型ＩＣ）、ＬＥＤ１６（TK114IR型のＬＥＤ）、光検出器１２（PD-TK043PD型）、及び周辺光センサ１４（Avago Technologies社の9005型ＩＣ）を含む半導体ウェーファを準備及び提供するステップで開始する。それらは青テープ上に搭載され、裏面研削され、またダイスカットされる。個々のダイ３５（9701型ＩＣ）が、ステップ１０５において、ABLESTIK（登録商標）社の2025型などの電気的に非導電性のエポキシを用いて、基板１１に取り付けられる。このエポキシは、ステップ１０７において硬化する。次に、個々のダイ１４（9005型ＩＣ）が、ステップ１０９において、ABLESTIK（登録商標）社の2025型などの非導電性のエポキシを用いて基板１１に取り付けられる。このエポキシは、ステップ１１１で硬化される。個々のダイ１２（PD-TK043PD）がステップ１１３において、FDP5053又はFDP5100などの電気的に導電性のエポキシを用いて基板１１に取り付けられる。このエポキシは、ステップ１１５において硬化される。次に、個々のダイ１６（TK114IR型のＬＥＤ）がステップ１１７において、FDP5053又はFDP5100などの電気的に導電性のエポキシを用いて基板１１に取り付けられる。このエポキシは、ステップ１１９において硬化される。ダイの装着後に、プラズマ洗浄がステップ１２１で行われて、基板１１の表面と、またステップ１２３でワイヤ・ボンディングを実行する前に特にワイヤ・ボンディング面を浄化する。ワイヤ・ボンディングの後で、１００％の目視検査がステップ１２５で行われて、ボンドの品質と完全性が検証される。目視検査の後で、第２のプラズマ洗浄ステップが実行される。次に、成形加工がステップ１２９において、NT8506型クリア又は赤外線パス化合物を用いて実行され、ステップ１１９に続いて、成形後硬化（post-mold curing）がステップ１３１で行われる。硬化の後で、ステップ１３３において基板１１はダイスカットされ１つに切り離される。これらは次に、ステップ１３５において焼成される（baked）。焼成の後で、１００％の目視検査がステップ１３７で実行される。ステップ１３９において、シールド１８がアセンブリ２０に取付け及び接着され、続いてステップ１４１において硬化される。１００％の目視検査が、ステップ１４３で再度行われ、その後にステップ１４５において、最終的な機能試験が個々のセンサ１０に対して実行される。試験の後で、ステップ１４５で実行された試験に合格した個々のセンサ１０は、ステップ１４７でテープ・アンド・リール上に置かれ、ステップ１４９で焼成され、そして次に、ステップ１５１で出荷するために包装される。

光学式近接センサ１０を製造する別の方法も考えられ、また図１４に示されたステップの順序を変更できることに注意されたい。

前述された成形工程は、トランスファ成形法が含まれる。この方法では、熱硬化性材料はトランスファ・ポット内の熱と圧力によって軟化され、次に、適当なスプル（sprue）、ランナ（runner）、及びゲートを通して、最終硬化のための密閉金型中に高圧で押し込まれる。

本願で説明された種々の構成要素、装置及びシステムを作る方法は、本発明の範囲の中に含まれる。

本願で開示された近接センサの種々の実施形態は、携帯電話、スマートフォン、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップ・コンピュータ、ノートブック・コンピュータ、コンピュータ及び他の装置などの携帯型電子装置の中に組み込まれることができることは、当業者は理解されよう。

先に開示された実施形態に加えて、本発明に対して種々の実施形態が考えられる。前述された実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の実施例と考えるべきである。本発明の前述の実施形態に加えて、詳細な説明及び添付した図面を詳細に調べると、本発明の別の実施形態が存在することが分かるであろう。従って、明示的に本願に記載されていない本発明の前述した実施形態の多くの組合せ、置き換え、変更例及び修正例は、本発明の範囲の中に含まれるものとする。

１０：光学式近接センサ
１１：基板
１２：光検出器
１４：周辺光センサ
１６：発光体
１８：光シールド
２５：光バリア
５２：開口
５４：開口
５６：開口
６１：第１の頂部
６３：第２の頂部
６５：光シールド位置合わせ・スペーシング部材

Claims

光学式近接センサにおいて、
基板上に搭載された赤外線発光体と、
前記基板上に搭載された赤外線光検出器と、
前記基板上に搭載されると共に、前記発光体及び前記光検出器に動作可能にそれぞれ接続された発光体駆動回路及び光検出回路を有する集積回路と、
前記発光体上に配置され、前記発光体によって放射された光を検出されるべき物体に向けて上方に集めかつ方向付けるように構成された第１の球面レンズと、
前記光検出器上に配置され、前記第１のレンズによって上方に送られ、かつ前記検出されるべき物体から前記光検出器に向けて下向きに反射された入射光を集めかつ方向付けるように構成された第２の球面レンズと、
前記発光体、前記光検出器、前記第１のレンズ、及び前記第２のレンズの上に配置された光シールドであって、該光シールドは、第１及び第２の頂部と、該第１及び第２の頂部の間を下向きに突出して、前記発光体を前記光検出器から分離しまた前記近接センサを発光部と光検出部とに分割する光バリアと、前記第１の頂部又は前記第２の頂部のどちらかから下向きに突出する少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材と、前記第１及び第２のレンズ上の前記第１及び第２の頂部をそれぞれ貫通して配置された第１及び第２の開口と、を有する、光シールドと、
を備え、
前記近接センサ上の前記シールドの位置合わせは、前記光バリアと前記少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材によって最適化され、互いに関連する前記発光体、前記第１のレンズ、前記光検出器、前記第２のレンズ、及び前記シールドの構成によって、前記発光体と前記光検出器との間のクロストークは最小化され、かつ前記近接センサの検出距離は最大化される、光学式近接センサ。
前記光検出部内に配置された周辺光センサをさらに備えている、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記周辺光センサが、携帯型電子装置内のディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーン用の制御回路に動作可能に接続される、請求項２に記載の光学式近接センサ。
前記制御回路が、前記周辺光センサによって検出された周辺光の照度レベルに基づいて、ディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーンの機能を調節する、請求項３に記載の光学式近接センサ。
前記機能が明るさ、照度、及びオン／オフのうちの１つである、請求項４に記載の光学式近接センサ。
前記周辺光センサが、近くの物体の存在を検出するように構成され、前記制御回路が前記物体の存在が検出されたことに基づいて、ディスプレイ、キーパッド又はタッチスクリーンの機能を調節する、請求項３に記載の光学式近接センサ。
第３の球面レンズが前記周辺光センサの上に配置され、第３の開口が前記周辺光センサの上の前記シールドの前記第２の頂部を貫通して配置される、請求項３に記載の光学式近接センサ。
前記近接センサが、５０ｍｍを超える距離の前記検出されるべき物体を検出するように構成される、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記近接センサが、７５ｍｍを超える距離の前記検出されるべき物体を検出するように構成される、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記近接センサが、１００ｍｍを超える距離の前記検出されるべき物体を検出するように構成される、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材が、１つ又は複数の下向きに突出する溝、ｖ又はｕ字型の溝、チャネル、ｖ又はｕ字型のチャネル、レイ、リッジ、スタンドオフ又は小塊を形成する、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記発光体及び前記光検出器のうちの少なくとも１つが半導体のダイである、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記集積回路が特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記光学式近接センサが携帯型電子装置の中に組み込まれる、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記携帯型電子装置がスマートフォン、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップ・コンピュータ、ノートブック・コンピュータ、又はコンピュータである、請求項１４に記載の光学式近接センサ。
光学的に透明なウィンドウが前記近接センサ上に配置される請求項１４に記載の光学式近接センサ。
前記光学的に透明なウィンドウと前記近接センサとの間のギャップが１ｍｍ以下である、請求項１４に記載の光学式近接センサ。
前記光学的に透明なウィンドウと前記近接センサとの間のギャップが０．５ｍｍ以下である、請求項１４に記載の光学式近接センサ。
前記第１及び第２のレンズのうちの少なくとも１つが光学的に透明な材料から成形される、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記第１のレンズの第１の中心と前記第２のレンズの第２の中心との間の距離が２．０ｍｍと３．０ｍｍとの間の範囲にある、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記センサの高さが１ｍｍである、請求項１に記載の光学式近接センサ。
前記シールドの上面が前記第１及び第２のレンズの最も高い部分の上に配置される、請求項１に記載の光学式近接センサ。
光学式近接センサを製造する方法であって、
赤外線発光体を基板上に装着するステップと、
赤外線光検出器を基板上に搭載するステップと、
発光体駆動回路及び光検出回路を有する集積回路を前記基板上に搭載し、これらの回路を前記発光体及び前記光検出器に動作可能に接続するステップと、
前記発光体によって放射された光を検出されるべき物体に向けて上方に集めかつ方向付けるように構成された第１の球面レンズを前記発光体の上に配置又は形成するステップと、
前記第１のレンズによって上方に送られ、前記検出されるべき物体から前記光検出器に向けて下向きに反射された入射光を集めかつ方向付けるように構成された第２の球面レンズを前記光検出器上に配置又は形成するステップと、
前記発光体、前記光検出器、前記第１のレンズ、及び前記第２のレンズの上に光シールドを配置するステップであって、該光シールドは、第１及び第２の頂部と、該第１及び第２の頂部の間を下向きに突出して、前記発光体を前記光検出器から分離しまた前記近接センサを発光部と光検出部とに分割する光バリアと、前記第１の頂部又は前記第２の頂部のどちらかから下向きに突出する少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材と、前記第１及び第２のレンズ上の前記シールドを貫通してそれぞれ配置された第１及び第２の開口とを有する、ステップと、
を含み、
前記近接センサ上の前記シールドの位置合わせは、前記光バリア及び前記少なくとも１つの光シールド位置合わせ・スペーシング部材によって最適化され、互いに関連する前記発光体、前記第１のレンズ、前記光検出器、前記第２のレンズ、及びシールドの構成によって、前記発光体と前記光検出器との間のクロストークは最小化され、前記近接センサの検出距離は最大化される、方法。
前記近接センサを携帯型電子装置の中に組み入れるステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
前記携帯型電子装置がスマートフォン、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ラップトップ・コンピュータ、ノートブック・コンピュータ、又はコンピュータである、請求項２４に記載の方法。