JP6294500B2 - 受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置に関する。
従来、発光素子から被照射物へ光を照射し、被照射物へ入射する光に対する正反射光と拡散反射光とを受光素子によって受光することで被照射物の特性を検出するセンサ装置が種々提案されている。このセンサ装置は広い分野で利用されており、例えば、フォトインタラプタ、フォトカプラ、リモートコントロールユニット、IrDA(Infrared Data Association)通信デバイス、光ファイバ通信用装置、さらには原稿サイズセンサなど多岐にわたるアプリケーションで用いられている。
例えば、特開2007−201360号公報に記載されているように、同一の基板上に発光素子および受光素子をそれぞれ配置し、受光領域と発光領域とを隔てる遮光壁が設けられたセンサ装置が使用されている。
ところが、このようなセンサ装置では、基板と遮光壁との間に隙間が生じ、この隙間から光が漏れることによって、センサ装置のセンシング性能を高めることが難しいという問題点があった。
受発光素子モジュールの一態様は、上面を有する基板と、前記基板の前記上面に配置された発光素子と、前記基板の前記上面に前記発光素子と間隔を開けて配置された受光素子と、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記上面と間隔を開けて配置された下面を有する中間壁と、を備え、前記中間壁の前記下面は凸状である。
センサ装置の一態様は、上述の受発光素子モジュールを用いたセンサ装置であって、前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の情報を検出するものである。
(a)は、本発明の受発光素子モジュールの実施の形態の一例を示す平面図である。(b)は、図1(a)の1I−1I線に沿った概略断面図である。 (a)は、図1に示した受発光素子モジュールを構成する発光素子の断面図である。(b)は、図1に示した受発光素子モジュールを構成する受光素子の断面図である。 遮光壁の配置位置と傾斜面を説明するための模式図である。 図1に示した受発光素子モジュールを用いたセンサ装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 (a)、(b)はそれぞれ、図1に示す受発光素子モジュールの変形例に係る受発光素子モジュール1Aの模式的な断面図および要部拡大図である。 図1および図5に示す受発光素子モジュールの変形例を示す要部拡大断面図である。 図1および図6に示す受発光素子モジュールの変形例を示す要部拡大断面図である。
以下、本発明の受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置の実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。また、本例の受発光素子モジュールは、いずれの方向が上方または下方とされてもよいが、以下の説明では、便宜的に直交座標系(X,Y,Z)を定義し、Z軸方向の正側を上方とする。
(受発光素子モジュール)
図1(a)および(b)に示す受発光素子モジュール1は、例えばコピー機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーやメディアなどの被照射物の位置情報、距離情報、表面状態または濃度情報などを検出するセンサ装置の一部として機能する。なお、本例の受発光素子モジュール1の検出対象物は、トナーやメディアなどに限られず、金属表面、錠剤表面、あるいは生物の皮膚などでもよい。
受発光素子モジュール1は、受発光素子アレイ3と筐体20とを備える。受発光素子アレイ3は、基板2と、基板2の上面2aに配置された複数の発光素子3aおよび複数の受光素子3bを備える。複数の発光素子3aで発光素子アレイを、複数の受光素子3bで受光素子アレイを構成している。この例では、発光素子3aの配列方向と受光素子3bの配列方向とは略平行であり、この配列方向と直交する方向に間隔をあけて発光素子アレイと受光素子アレイとが並べて配置されている。
筐体20は、発光素子3aおよび受光素子3bを収容する収容空間4aを形成するものである。この例では、筐体20は、複数の発光素子3aおよび複数の受光素子3bを取り囲むように配置された枠状の外壁4と、外壁4の内側に位置した、外壁4の内部空間4aにおいて、発光素子3aおよび受光素子3bのそれぞれに対応した空間の間に位置した中間壁5と、基板2および受発光素子アレイ3を覆っており、発光素子3aおよび受光素子3bのそれぞれ対応した発光素子側の第1レンズ6aおよび受光素子側の第2レンズ6bとを支持する上壁7とを有している。
本例の複数の発光素子3aおよび複数の受光素子3bは、受発光素子アレイ3として半導体基板30の上面に一体的に形成されている。このような構成とすることで、発光素子3aと受光素子3bとを所定の位置に配置することが可能となり、センシング性能を高めることができる。このように、本例では、発光素子3aおよび受光素子3bは、これらが作り込まれた半導体基板30を基板2の上面2a上に配置することで、発光素子3aおよび受光素子3bを配置することで、基板2の上面2a上に配置するものとなる。
なお、本例では複数の発光素子3aおよび複数の受光素子3bが一体的に形成された受発光素子アレイ3を用いているが、発光素子3aおよび受光素子3bがそれぞれ1個でもよいし、発光素子3aおよび受光素子3bがそれぞれ個別に形成されていてもよいし、複数の発光素子3aを一体的に形成した発光素子アレイおよび複数の受光素子3bを一体的に形成した受光素子アレイであってもよいし、これらの組合せであってもよい。
基板2は、受発光素子アレイ3および外部装置とそれぞれ電気的に接続されて、受発光素子アレイ3に形成された発光素子3aおよび受光素子3bにバイアスを印加したり、受発光素子アレイ3と外部装置との間で電気信号の授受を行なったりするための配線基板として機能する。
半導体基板30は、一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、高い電気抵抗を有することが望ましい。本例では、半導体基板30としてシリコン(Si)基板に一導電型の不純物としてリン(P)を1×1017〜2×1017atoms/cmの濃度で含んでいる。すなわち、本例の半導体基板30は、n型のシリコン(Si)基板を用いている。n型の不純物としては、リン(P)の他に、例えば窒素(N)、砒素(As)、アンチモン(Sb)およびビスマス(Bi)などが挙げられ、ドーピング濃度は1×1016〜1×1020atoms/cmとされる。以下、本明細書では、n型を一導電型、p型を逆導電型とする。
半導体基板30の上面に、複数の発光素子3aが列状に配置されており、複数の発光素子3aの列に沿って複数の受光素子3bが列状に配置されている。発光素子3aは被照射物に照射する光の光源として機能し、発光素子3aから発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子3bに入射する。受光素子3bは、光の入射を検出する光検出部として機能する。
発光素子3aは、図2(a)に示すように、半導体基板30の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。
まず、半導体基板30の上面には、半導体基板30と半導体基板30の上面に積層される半導体層(本例の場合は後に説明するn型コンタクト層30b)との格子定数の差を緩衝するバッファ層30aが形成されている。バッファ層30aは、半導体基板30と半導体基板30の上面に形成される半導体層との格子定数の差を緩衝することによって、半導体基板30と半導体層の間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくし、ひいては半導体基板30の上面に形成される半導体層全体の格子欠陥または結晶欠陥を少なくする機能を有する。
本例のバッファ層30aは、不純物を含まないガリウム砒素(GaAs)からなり、その厚さが2〜3μm程度とされている。なお、半導体基板30と半導体基板30の上面に積層される半導体層との格子定数の差が大きくない場合には、バッファ層30aは省略することができる。
バッファ層30aの上面には、n型コンタクト層30bが形成されている。n型コンタクト層30bは、ガリウム砒素(GaAs)に、例えばn型不純物であるシリコン(Si)またはセレン(Se)などがドーピングされている。n型不純物のドーピング濃度は、例えば1×1016〜1×1020atoms/cm程度とされるとともに、n型コンタクト層30bの厚さは、例えば0.8〜1μm程度とされている。本例では、n型不純物としてシリコン(Si)が1×1018〜2×1018atoms/cmのドーピング濃度でドーピングされている。
n型コンタクト層30bの上面の一部は露出しており、この露出している部分には、発光素子用の第1電極31aが配置されている。そして、発光素子3aは、第1電極31aを介して、基板2とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。n型コンタクト層30bは、n型コンタクト層30bに接続される第1電極31aとの接触抵抗を下げる機能を有している。
第1電極31aは、例えば金(Au)アンチモン(Sb)合金、金(Au)ゲルマニウム(Ge)合金またはNi系合金などを用いる。また、第1電極31aの厚さは、0.5〜5μm程度で形成される。第1電極31aは、半導体基板30の上面からn型コンタクト層30bの上面を覆うように形成される絶縁層8の上に配置されている。そのため、第1電極31aは、半導体基板30およびn型コンタクト層30b以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
絶縁層8は、例えば窒化シリコン(SiN)または酸化シリコン(SiO)などの無機絶縁材料や、ポリイミドなどの有機絶縁材料などで形成される。また、絶縁層8の厚さは、例えば0.1〜1μm程度に設定される。
n型コンタクト層30bの上面には、n型クラッド層30cが形成されている。n型クラッド層30cは、後に説明する活性層30dに正孔を閉じ込める機能を有している。n型クラッド層30cは、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)にn型不純物であるシリコン(Si)またはセレン(Se)などがドーピングされており、n型不純物のドーピング濃度は例えば1×1016〜1×1020atoms/cm程度とされる。また、n型クラッド層30cの厚さは、例えば0.2〜0.5μm程度とされている。本例では、n型不純物としてシリコン(Si)が1×1017〜5×1017atoms/cmのドーピング濃度でドーピングされている。
n型クラッド層30cの上面には、活性層30dが形成されている。活性層30dは、電子や正孔などのキャリアが集中して、再結合することによって光を発する発光層として機能する。活性層30dは、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)で形成されている。活性層30dの厚さは、例えば0.1〜0.5μm程度とされる。なお、本例の活性層30dは、不純物を含まない層であるが、p型不純物を含むp型活性層であっても、n型不純物を含むn型活性層であってもよく、活性層のバンドギャップがn型クラッド層30cおよび後に説明するp型クラッド層30eのバンドギャップよりも小さくなっていればよい。
活性層30dの上面には、p型クラッド層30eが形成されている。p型クラッド層30eは、活性層30dに電子を閉じ込める機能を有している。p型クラッド層30eは、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)に、例えばp型不純物である亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)または炭素(C)などがドーピングされ、p型不純物のドーピング濃度は例えば1×1016〜1×1020atoms/cm程度とされる。活性層30dの厚さは、例えば0.2〜0.5μm程度とされる。本例では、p型不純物としてマグネシウム(Mg)が1×1019〜5×1020atoms/cmのドーピング濃度でドーピングされている。
p型クラッド層30eの上面には、p型コンタクト層30fが形成されている。p型コンタクト層30fは、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)に、例えばp型不純物である亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)または炭素(C)などがドーピングされており、p型不純物のドーピング濃度は、例えば1×1016〜1×1020atoms/cm程度とされる。p型コンタクト層30fの厚さは、例えば0.2〜0.5μm程度とされている。
p型コンタクト層30fの上面には、発光素子用の第2電極31bが配置されている。そして、発光素子3aは、第2電極31bを介して、基板2とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。p型コンタクト層30fは、p型コンタクト層30fに接続される第2電極31bとの接触抵抗を下げる機能を有している。
なお、第1電極31aが発光素子毎に個別電極として設けられていれば、第2電極31bは発光素子毎に設ける必要はなく、共通の第2電極31bを少なくとも1つ設ければよい。当然のことながら、第1電極31aを共通電極として、第2電極31bを発光素子のそれぞれに個別電極として設けてもよい。
また、p型コンタクト層30fの上面には、p型コンタクト層30fの酸化を防止する機能を有するキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、例えば不純物を含まないガリウム砒素(GaAs)で形成する。キャップ層の厚さは、例えば0.01〜0.03μm程度とされる。
第2電極31bは、例えば金(Au)やアルミニウム(Al)と、密着層であるニッケル(Ni)、クロム(Cr)またはチタン(Ti)とを組み合わせたAuNi、AuCr、AuTiまたはAlCr合金などで形成される。第2電極31bの厚さは、例えば0.5〜5μm程度とされる。第2電極31bは、半導体基板30の上面からp型コンタクト層30fの上面を覆うように形成される絶縁層8の上に配置されているため、半導体基板30およびp型コンタクト層30f以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
このようにして構成された発光素子3aは、第1電極31aと第2電極31bとの間にバイアスを印加することによって、活性層30dが発光して、光の光源として機能する。
受光素子3bは、図2(b)に示すように、半導体基板30の上面の表層にp型の半導体領域32を設けてn型の半導体基板30とでpn接合を形成することによって、構成されている。p型の半導体領域32は、半導体基板30にp型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。p型不純物としては、例えば亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、炭素(C)、ホウ素(B)、インジウム(In)またはセレン(Se)などが挙げられる。p型不純物のドーピング濃度は、例えば1×1016〜1×1020atoms/cmとされる。本例では、p型の半導体領域32の厚さが0.5〜3μm程度となるように、ホウ素(B)がp型不純物として拡散されている。
p型の半導体領域32は、受光素子用の第3電極33aと電気的に接続されている。また、n型半導体である半導体基板30には、図示はしないが受光素子用の第4電極33bが電気的に接続されている。第3電極33bは、半導体基板30の上面のうち、p型の半導体領域32と離れた位置に形成してもよいし、半導体基板30の下面に形成してもよい。
第3電極33aは、半導体基板30の上面に絶縁層8を介して配置されているため、半導体基板30と電気的に絶縁されている。そして、第3電極33aは、p型の半導体領域32を囲うように形成されている。
第3電極33aおよび第4電極33bは、例えば金(Au)とクロム(Cr)、アルミニウム(Al)とクロム(Cr)または白金(Pt)とチタン(Ti)の合金などで形成される。第3電極33aおよび第4電極33bの厚さは、例えば0.5〜5μm程度とされる。
このように構成された受光素子3bは、p型の半導体領域32に光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を第3電極33aを介して取り出すことによって、光検出部として機能する。なお、第3電極33aと第4電極33bとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子3bの光検出感度が高くなるので好ましい。
外壁4は、基板2の上面に、受発光素子アレイ3を取り囲むように、図示はしないが接着剤9を介して接続されている。そして、発光素子3aが発した光が被照射物に向かう方向以外に散乱するのを防止したり、受光素子3bに被照射物で反射された以外の光が入射するのを防止したり、基板2および受発光素子アレイ3を外部環境から保護する機能を有する。
外壁4は、発光素子3aが出射する光に対して透光性の低い材料で構成すればよい。このような材料として、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリスチレン樹脂(PS)、塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン樹脂(ABS)などの汎用プラスチック、ポリアミド樹脂(PA)ポリカーボネイト樹脂(PC)などのエンジニアリングプラスチック、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、およびアルミニウム(Al)、チタン(Ti)などの金属材料で形成される。
なお、本例の外壁4の奥行および幅の寸法は基板2の奥行および幅の寸法と同じになっているが、必ずしも基板2の寸法と同じにする必要はなく、少なくとも発光素子3aおよび受光素子3bが覆われる寸法であればよい。
中間壁5は、外壁4の内側で構成する収容空間4aにおいて、発光素子3aが形成された領域と受光素子3bが形成された領域との間に配置されている。すなわち、中間壁5を挟んで一方側に発光素子3aが、他方側に受光素子3bが位置している。
中間壁5は、発光素子3aの発した光が、被照射物に反射されることなく受光素子3bに入射するのを防止する機能を有する。
中間壁5は、受発光素子アレイ3および基板2とは接触しないように配置されている。具体的には、中間壁5は基板2の上方において基板2の上面2aと間隔を開けて配置されている。このように配置することで、受発光素子モジュール1が駆動により熱を発したり、外部環境から熱を受けたりして、中間壁5が熱膨張によって寸法が伸びたとしても、発光素子3aおよび受光素子3bが形成されている受発光素子アレイ3、および基板2に当接することがないことから、発光素子3aおよび受光素子3bの位置関係を維持することができ、センシング性能を高めることができる。
中間壁5は、発光素子3a側に位置する第1側面5aと、受光素子3b側に位置する第2側面5bと、第1側面5aおよび第2側面5bに接続される下面5cとを有している。中間壁5の下面5cは、基板2の上面2aに対向しており、基板2の上面2aと間隔を開けて配置されている。
本例の第1側面5aおよび第2側面5bは、受発光素子アレイ3の上面の法線方向、ならびに発光素子3aおよび受光素子3bのそれぞれの配列方向に沿って配置されている。また、本例の第1側面5aおよび第2側面5bは外壁4と当接している。具体的には、第1側面5aおよび第2側面5bは、外壁4の内面のうち一主面からこの一主面に対向した他主面に向かって伸びており、外壁4の一主面および他主面に接続している。
なお、本例の第1側面5aおよび第2側面5bは必ずしも外壁4に当接している必要はなく、外壁4の内部空間4aを発光素子3a側と受光素子3b側に対応した空間に仕切ることができればどのような形状であってもよい。ただし、発光素子3aおよび受光素子3bの配列方向の長さは、少なくとも発光素子3aの列の長さ以上の長さにする必要がある。
中間壁5の下面5cは凸状である。すなわち、中間壁5の下面5cは、発光素子3a、受光素子3bおよび中間壁5の上下方向(Z軸方向)に切断した断面において、凸状である。その結果、発光素子3aの光が中間壁5の下面5cで反射して受光素子3bに入射することを低減することができる。
すなわち、発光素子3aからの出射光は上方に広がりをもって進む。この出射光のうち下面5cの頂点部から発光素子3a側に入射した光は、下面5cがXY平面と略並行である場合に比べ、発光素子3a側に反射させることができる。また、発光素子3aの出射光のうち中間壁5の下面5cの頂点部から受光素子3b側に直進する光は、中間壁5の下面5cに入射させにくくすることができる。したがって、発光素子3aからの光の一部が下面5cで反射して受光素子3bへ到達することを低減することができる。
言い換えれば、中間壁5により、発光素子3aからの光をZ方向に対する光の出射角度に応じて、第1レンズ6aに到達する光と、第1傾斜面5c1で反射され受光素子3bが形成されていない領域に反射する光と、第2傾斜面5c2により、中間壁5の他方側に逃がすように導かれる光との少なくとも3種類に分け、受光素子3bへ迷光として入射することを低減することができる。このため、受発光素子モジュール1を迷光の影響を抑制した、センシング性能の高いものとすることができる。
なお、「XY平面」は、基板2の上面2aと平行な面とし、発光素子3aと受光素子3bとを通る方向をX方向とする。
具体的には、本例の下面5cは、基板2の上面2aに対向しており、第1側面5aから連続する第1傾斜面5c1と、この第1傾斜面5c1から第2側面5bまで連続する第2傾斜面5c2とを備える。また、本例の第1側面5aおよび第2側面5bは外壁4の一主面および他主面に接続しているため、中間壁5の下面5cは外壁4の一主面から他主面に向かって連続している。言い換えれば、中間壁5のうち下面5cの部分の形状は、三角柱状に形成されており、三角柱の底面が外壁4の一主面および他主面に接続した形状である。
なお、本例の下面5cにおいては、上記の「下面5cの頂点部から発光素子3a側」は第1傾斜面5c1であり、「下面5cの頂点部から受光素子3b側」は第2傾斜面5c2である。また、第1傾斜面5c1と第2傾斜面5c2とが交わり頂点となる部位を交点5c3とする。
第1傾斜面5c1は、交点5c3からX方向において発光素子3aに近づくに連れて、第1傾斜面5c1から上面2aに下ろす垂線の長さが長くなるように傾いている。同様に、第2傾斜面5c2は交点5c3からX方向において受光素子3bに近づくに連れて、第2傾斜面5c2から上面2aへ下ろす垂線の長さが長くなるように傾いている。言い換えると、第1傾斜面5c1は、X方向において発光素子3aに近付くにつれて、Z方向において発光素子3aとの距離が大きくなるように傾斜している。同様に、第2傾斜面5c2は、X方向において受光素子3bに近付くにつれて、Z方向における受光素子3bまでの距離が大きくなるように傾斜している。
なお、「Z方向」は、上面2aに垂直な方向である厚み方向とする。
上述したように、下面5cをこのような2つの傾斜面(5c1,5c2)で構成することにより、発光素子3aが発した光が、下面5cに入射されたとしても、受光素子3b側に迷光として漏れるのを抑制することができる。
そして、発光素子3aからの出射光のうち、Z方向に対する角度の大きい光は、第2傾斜面5c2により、中間壁5を挟んだ反対側に逃がすことができる。これにより、発光素子3aからの光の一部が、下面5cで反射して受光素子3bへ到達することを抑制することができる。
また、下面5cの全てを一方向に傾斜する傾斜面で構成する場合に比べて、異なる方向に傾斜する2つの傾斜面(5c1,5c2)で構成することで、迷光を抑制するために必要なZ方向のサイズを小さくすることができ、その結果、受発光素子モジュール1を低背化することができる。
あるいは、下面5cが2つの傾斜面(5c1,5c2)を有していることで、下面5cの全てを一方向に傾斜する傾斜面で構成する場合に比べて、Z方向のサイズは同じのまま、中間壁5の厚みを大きくすることができる。その結果、中間壁5の遮光性を高めることができる。
このような中間壁5は、発光素子3aの発光点と下面5cの頂点とを結ぶ仮想線よりも上方に位置していてもよい。具体的には、中間壁5は、図3に例を示すように、第2傾斜面5cの傾斜角度αを大きくしてもよい。すなわち、発光素子3aの任意の発光点と受光素子3bの任意の受光点とを通る線を第1仮想直線L1,発光点と交点5c3とを通る線を第2仮想直線L2,第2傾斜面5c2の延長線を第3仮想直線L3とすると、第2傾斜面5c2の角度αはL1とL3とでなす角度であり、この角度αを、L1とL2とでなす角度βに比べ大きくする。
角度αを角度βに比べ大きくすることで、発光素子3aからの出射光のうち、Z方向に対する角度の大きい光は、第2傾斜面5c2により中間壁5に衝突することなく、Z方向上方に向かい、中間壁5を挟んで反対側に逃がすことができる。これにより、発光素子3aからの光の一部が、下面5cで反射して受光素子3bへ到達することを抑制することができる。
なお、発光素子3aは活性層30dが発光することから、「発光点」とは活性層30dの任意の点である。また、受光素子3bは、半導体領域32の表面で受光することから、「受光点」とは半導体領域32の表面の任意の点である。
さらに、第1傾斜面5c1の算術平均粗さを、第1側面5aの算術平均粗さに比べ大きくしてもよい。この場合には、第1レンズ6aに向かう光は本来の進行方向から変化することなく到達させることができ、第1傾斜面5c1に到達する光は散乱させることで、迷光を抑制することができる。
第1傾斜面5c1の算術平均粗さを大きくするためには、第1傾斜面5c1を機械的に荒らしたり、プラズマ等を照射して物理的に荒らしたりすればよい。
中間壁5の下面5cの頂点と発光素子3aの発光点との距離D1は、中間壁5の下面5cの頂点と受光素子3bの受光点との距離D2よりも小さくてもよい。すなわち、図7に示すように、中間壁5の下面5cの頂点は、発光素子3aの近傍に位置していてもよい。その結果、下面5cの頂点を受光素子3bから遠ざけることができ、発光素子3aの光が中間壁5の下面5cの頂点部で拡散反射して受光素子3bに入射することを低減することができる。なお、図7中の破線は、D1、D2を示す補助線である。
また、第1傾斜面5c1は、同じ方向に傾く傾斜面であれば2以上を組み合わせてもよい。その場合には、発光素子側面5aに接続される側の傾斜面が、交点5c3に接続される側の傾斜面に比べ、傾斜角度が大きくなるようにするとよい。第2傾斜面5c2も同様である。
また、第1傾斜面5c1が、発光素子側面5aに接続される部位や、交点5c3に接続される部位で傾斜角が変化したり、一部曲面になってもよい。第2傾斜面5c2も同様である。
また、本例の下面5cは、傾斜面5c1,5c2を有しているが、下面5cは傾斜面ではなく、凸部の一部に凹部を有していてもよい。
このような中間壁5は、外壁4と同様に、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリスチレン樹脂(PS)、塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン樹脂(ABS)などの汎用プラスチック、ポリアミド樹脂(PA)ポリカーボネイト樹脂(PC)などのエンジニアリングプラスチック、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、およびアルミニウム(Al)やチタン(Ti)などの金属材料で形成される。
上壁7は、基板2および受発光素子アレイ3を覆うように配置される。本例の上壁7は外壁4の上端に当接して配置されている。そして、発光素子3aおよび受光素子3bに対応した位置に、貫通孔7a,7bを有している。貫通孔7a,7bは、発光素子3aからの光を被照射物に向けて外部に取り出し、被照射物からの反射光を受光素子3bに導く機能、および後に説明するレンズ6a,6bの支持体として機能する。
なお、この場合、中間壁5は、貫通孔7a,7bの間に形成されている。
上壁7は、外壁4および中間壁5と同様に、ポリプロピレン樹脂(PP)、ポリスチレン樹脂(PS)、塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)およびアクリロニトリル/ブタジエン/スチレン樹脂(ABS)などの汎用プラスチック、またはポリアミド樹脂(PA)ポリカーボネイト樹脂(PC)などのエンジニアリングプラスチック、または液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、またはアルミニウム(Al)やチタン(Ti)などの金属材料で形成される。
なお、本願の外壁4、中間壁5および上壁7は、ポリカーボネート樹脂(PC)で射出成形によって一体的に形成されている。
第1レンズ6aおよび第2レンズ6bは上壁7の貫通孔7a,7bに対応して配置されて、それぞれ発光素子3aの発した光を集光する機能と、被照射物で反射された光を集光する機能を有する。第1レンズ6aおよび第2レンズ6bを有することにより、受発光素子モジュール1と被照射物との距離が長くなった場合でもセンシング性能を高くすることができる。
第1レンズ6aおよび第2レンズ6bの材質は、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂ならびにエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリカーボネート樹脂ならびにアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂などのプラスチック、あるいはサファイアおよび無機ガラスなどが挙げられる。
本例の第1レンズ6aおよび第2レンズ6bは、シリコーン樹脂で形成されたシリンドリカルレンズであり、貫通孔7aおよび貫通孔7bの長手方向、つまり受発光素子アレイ3に形成された受光素子3aの列および発光素子3bの列に沿った方向に直交する方向に曲率を有している。第1レンズ6aおよび第2レンズ6bの上壁7への取付けは、シリコーン樹脂などの有機接着剤などによって行なえばよい。
本例では、発光素子3aの発光部の中心を結んだ直線および受光素子3bの受光部の中心を結んだ直線と、第1レンズ6aおよび第2レンズ6bの光軸とをそれぞれ略一致させており、光軸は受発光素子アレイ3の上面から上方に向かう法線方向と略一致する。このような構成とすることにより、発光素子3aから発した光を高い照度で被照射物に照射することが可能となり、発光素子3aが発した光が被照射物で反射されて受光素子3bによって受光するときの照度を高くすることが可能となるため、感度の高い、つまりセンシング性能の高い受発光素子モジュール1を実現することができる。
ここで、受光部の中心とは、p型の半導体領域32a側から半導体基板30を平面視した場合のp型の半導体領域32aの中心のことである。同様に、発光部の中心とは、p型コンタクト層30f側から半導体基板30を平面視した場合の活性層30dの中心のことである。活性層30dの上面には、p型クラッド層30eおよびp型コンタクト層30fなどが積層されているため、活性層30dの中心を直接に観察することができないことから、p型コンタクト層30fの中心を活性層30dの中心とみなしても問題ない。なぜなら、上述したように、半導体層の各層は非常に薄いことから、発光素子アレイ3aを形成するためのエッチングとn型コンタクト層30bの上面の一部を露出するためのエッチングとが個別に行なわれたとしても、p型コンタクト層30f側から平面透視して、p型コンタクト層30fの中心と活性層30dの中心とは略一致するからである。
また、本例の第1レンズ6aおよび第2レンズ6bは、シリンドリカルレンズであるが、受光素子3aおよび発光素子3bのそれぞれに対応した平凸レンズであってもよい。
なお、本例では、上壁7、第1レンズ6aおよび第2レンズ6bを有しているが、受発光素子モジュール1と被照射物が近距離で設置される場合などは、第1レンズ6aおよび第2レンズ6bは設けなくてもよく、上壁7も必ずしも設ける必要はない。
(センサ装置)
次に、受発光素子モジュール1を備えたセンサ装置100について説明する。以下では、受発光素子モジュール1を、コピー機やプリンタなどの画像形成装置における、中間転写ベルトV上に付着したトナーT(被照射物)の位置を検出するセンサ装置に適用する場合を例に挙げて説明する。
図4に示すように、本例のセンサ装置100は、受発光素子モジュール1の発光素子3aおよび受光素子3bが形成された面が、中間転写ベルトVに対向するように配置される。そして、発光素子3aから中間転写ベルトV上のトナーTへ光が照射される。本例では、発光素子3aの上方にプリズムP1を、また受光素子3bの上方にプリズムP2を配置して、発光素子3aから発せられた光が、第1レンズ6aを介してプリズムP1で屈折して中間転写ベルトV上のトナーTに入射する。そして、この入射光L1に対する正反射光L2が、プリズムP2で屈折して、第2レンズ6bを介して受光素子3bによって受光される。受光素子3bには、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、受光素子側第1電極33aなどを介して、外部装置でこの光電流が検出される。
本例のセンサ装置100では、以上のようにトナーTからの正反射光の強度に応じた光電流を検出することができる。そのため、例えば受光素子3bの列の一端側からn番目の受光素子から検出される光電流値が最も大きい場合は、このn番目の受光素子3bに対応する位置にトナーTが位置するというように、中間転写ベルトV上のトナーTの位置を検出することができる。なお、正反射光の強度はトナーTの濃度にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、トナーTの濃度を検出することも可能である。同様に、正反射光の強度は、受発光素子アレイ3からトナーTとの距離にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、受発光素子アレイ3とトナーTとの距離を検出することも可能である。
本例のセンサ装置100によれば、受発光素子モジュール1の有する上述の効果を奏することができる。
(変形例1:受発光素子モジュール1A)
上述の例では、筐体20の上壁7から下方に伸びる中間壁5を用いた例について説明したが、この例に限定されない。例えば、図5に示す受発光素子モジュール1Aのように、中間壁5Aの機能を上壁7Aの一部に持たせてもよい。
受発光素子モジュール1Aは、受発光素子モジュール1と、筐体20A,レンズ6Aを有する点で異なり、その他の部分は同様である。以下、異なる点についてのみ説明する。
筐体20Aは外壁4Aと上壁7Aとを備える。外壁4Aと上壁7Aとは一体的に形成されている。そして、上壁7Aには、発光素子3a、受光素子3bに対応する位置に第1開口部7Aa,第2開口部7Abが形成されている。この第1および第2開口部7Aa,7Abは、それぞれ、受光素子3aからの光を外部に出射させたり、非照射物からの反射光を受光素子3bに導いたりするためのアパーチャーとして機能する。このため、第2開口部7Abは、厚み方向の途中から上方に向けて徐々に開口径が広がるような形状となっている。
上壁7Aのうち、この第1開口部7Aaと第2開口部7Abとの間の領域が中間壁5Aとして機能する。すなわち、中間壁5Aの下面5Acは、収容空間4aに臨む上壁7Aの下面のその他の部位に比べて突出することはない。
このように形成することで、上壁7Aを受発光素子アレイ3に近接させることができるので、受発光素子モジュール1Aを低背化することできる。また、アパーチャーを発光素子3a,受光素子3bに近接配置させることで、発光素子3aからの光を効率的に活用し、反射光を精度よく受光素子3bに導くことができるので、センシング性能の高い受発光素子モジュール1Aとすることができる。さらに、中間壁5Aが突起部となっていないことから、半導体基板30に当接し、基板を損傷する虞もなくなり、信頼性の高い受発光素子モジュール1Aを提供することができる。
なお、第2開口部7Abを形成する壁面のうち、中間壁5Aと機能する部分と対向する領域7Ab1は、厚み方向の下方に向けて徐々に開口径が広がるような傾斜面でなければ特に限定されない。領域7Ab1を厚み方向の下方に向けて徐々に開口径が広がるような傾斜面とすると、仮想直線L2に沿って中間壁5Aの他方側に進んだ光が、受光素子3b側(下側)に反射されるからである。
このため領域7Ab1は、開口径が上方に向けて広がるような傾斜面とするか、Z方向に略平行(主面に垂直)とすることが好ましい。この例では、領域7Ab1の上方側では開口径が上方に向けて広がるような傾斜面となっているが、第2仮想直線L2との交差部7AdはZ方向と略平行となっている。
このように構成することで、第2傾斜面5Ac2により、例えば、仮想直線L2に沿って中間壁5Aの他方側に進んだ光を上方に反射させ、収容空間4Aaの外側へと導くことができるからである。さらに、このように構成することで、開口径を一定に維持することができるので、第2開口部7Abの上方の開口径が大きくなりすぎたり、下方の開口径が小さくなりすぎたりしてアパーチャーとしての機能を損なうこととを抑制することができる。
なお、上壁7Aに形成される第1開口部7Aa,第2開口部7Abの上方は後述のレンズ6Aとの関係で開口径等、開口位置を厳密に制御する必要がある。このため、第1傾斜面5Ac1,第2傾斜面5Ac2が、上壁7Aの厚みの上方付近まで形成されていると、アパーチャーとしての機能に影響する虞がある。また、傾斜面を多く形成することにより、上壁7Aの強度が低下し、信頼性の低下を招く虞がある。このため、第1傾斜面5Ac1,第2傾斜面5Ac2は、上壁7Aの厚みの半分より下側、より好ましくは下側の厚みの1/4以下の領域に形成するとよい。
レンズ6Aは、第1レンズ6Aaと第2レンズ6Abと支持部6Acと柱部6Adとが一体的に形成されている。支持部6Acは板状であり、その面内に第1レンズ6Aaと第2レンズ6Abとを保持している。そして、支持部6Acの角部において、その下方に延びる少なくとも2つの柱部6Adが配置されている。ここで、基板2A及び筐体20Aの幅広の外壁4Aには、貫通孔2Ab、貫通孔4Abが形成されている。これらの貫通孔2Ab,4Abに柱部6Adを挿入することで、基板2Aと筐体20Aとレンズ6Aとを1つの基準で位置決めして所望の位置に配置することができる。
このようなレンズ6Aを用いることで、小型で、位置精度が高いことからセンシング性能の高い受発光素子モジュール1Aとすることができる。
さらに、受発光素子モジュール1,1Aにおいて、発光素子3aからの光が第1傾斜面5c1の交点5c3において正反射したときの反射光が、受光素子3bに入射することがないように、第1傾斜面5c1の角度を設定するとよい。
具体的には、図6に示すように、発光素子3aにおける発光点と受光素子3bにおける受光点との距離をL、交点5c3から発光点および受光点を通る第1仮想直線L1までの垂線の距離をh、発光点から第1仮想直線に沿った垂線までの距離をL、垂線とこの垂線から第1傾斜面5c1とのなす角をγとしたときに、
L>L+h×tan{2γ−tan−1(h/L)−90} (h>0)
を満たすように、第1傾斜面5c1の角度を調整すればよい。
また、受発光素子モジュール1,1Aにおいて、第1傾斜面5c1,5Ac1と第2傾斜面5c2,5Ac2とが成す角度を鈍角とするとよい。このような構成とすることで、中間壁5を樹脂成型する際に樹脂が回り込みやすくなり所望の形状に精度よく製造することができる。また、両傾斜面5c1,5Ac1,5c2,5Ac2が基板2の上面に対して寝かすような角度となるため、中間壁5の厚み方向(Z方向)における長さを短くすることができ、受発光素子モジュール1を低背化することができる。さらに、交点5c3,5Ac3が半導体基板30に接触し半導体基板30を破損することを抑制することができる。
(変形例2)
上述の例では、半導体基板20が基板2に実装された場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、基板2上に放熱部材等の台座部を介して半導体基板20を実装してもよい。また、筐体20は基板2上に接続されていなくてもよく、例えば半導体基板20上に接続されてもよい。
以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

Claims (10)

  1. 上面を有する基板と、
    前記基板の前記上面に配置された発光素子と、
    前記基板の前記上面に前記発光素子と間隔を開けて配置された受光素子と、
    前記発光素子と前記受光素子との間において、前記上面と間隔を開けているとともに前記発光素子の発光部および前記受光素子の受光部よりも上方に配置された下面を有する中間壁と、を備え、
    前記中間壁の前記下面は、前記受光素子に対向した第2傾斜面を有しており、
    前記第2傾斜面は、前記発光素子の発光点と前記第2傾斜面の下端とを結ぶ仮想線よりも上方に位置するように傾斜している、受発光素子モジュール。
  2. 前記下面は、前記発光素子側に位置した第1傾斜面を有している、請求項に記載の受発光素子モジュール。
  3. 前記中間壁は、上下方向に伸びており、前記下面に接続し、前記発光素子側に位置した第1側面をさらに有しており、
    前記第1傾斜面の算術平均粗さは、前記第1側面の算術平均粗さよりも大きい、請求項に記載の受発光素子モジュール。
  4. 前記第1傾斜面の傾斜角度は、前記発光素子からの光が、前記第1傾斜面のうち前記第1傾斜面および前記第2傾斜面の交点において正反射したときに、その反射光が前記受光素子よりも前記発光素子側に到達するように設定されている、請求項に記載の受発光素子モジュール。
  5. 前記発光素子および前記受光素子の収容空間を形成する筐体を備え、
    前記筐体は、前記発光素子からの光を外部に出射する第1開口部と、外部からの反射光を前記受光素子に導く第2開口部とを有し、
    前記中間壁は、前記筐体の前記第1開口部と前記第2開口部との間に位置している、請求項1〜のいずれかに記載の受発光素子モジュール。
  6. 前記第2開口部は、前記第2開口部の壁面と前記仮想線とが交差するように配されている、請求項2を引用する請求項に記載の受発光素子モジュール。
  7. 前記第2開口部の前記壁面は、前記発光素子からの光を上方に反射するように上下方向
    に伸びている、請求項に記載の受発光素子モジュール。
  8. 前記第2開口部を形成する壁面のうち前記第2仮想直線との交差部は、前記第1主面に直交する垂線と略平行となっている、請求項に記載の受発光素子モジュール。
  9. 一導電型の半導体基板をさらに備え、
    前記発光素子は、前記半導体基板の上面に配された複数の半導体層を有しており、
    前記受光素子は、前記半導体基板の上面の表層部に配された逆導電型の半導体領域を有している請求項1〜のいずれかに記載の受発光素子モジュール。
  10. 請求項1〜のいずれか1項に記載の受発光素子モジュールを用いたセンサ装置であって、
    前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の情報を検出する、センサ装置。
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