JP6483531B2 - 受発光素子モジュールおよびセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、受発光素子モジュールおよびセンサ装置に関する。

従来、発光素子から光を出射し、反射体にて反射した光を受光素子で受光するセンサ装置が提案されている。

例えば特許文献１では、センサ装置として、基材上に光学素子が配置され、基材上に光学素子を囲んで透光樹脂体（レンズ）および遮光樹脂体が配置され、基材と透光樹脂体および遮光樹脂体との間に接着層が介在している。

特開２０１５−８８５１８号公報

従来のセンサ装置では、基材と透光樹脂体および遮光樹脂体との間に介在した接着層が樹脂からなるため、接着層の熱膨張量が大きい場合、透光樹脂体および遮光樹脂体の位置がずれやすくなる。その結果、光学素子とレンズとの位置がずれて、センサ装置のセンシング性能が低下しやすい。

そこで、本発明は、センシング性能を向上させる受発光素子モジュールおよびセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュールは、上面に開口した第１穴部を有する配線基板と、前記配線基板上に配された発光素子および受光素子と、前記発光素子および前記受光素子を囲んで前記配線基板上に配され、前記発光素子および前記受光素子を囲んだ枠状の壁部ならびに前記壁部の上端部近傍の内面に設けられて前記壁部で囲んだ領域を覆うように配されるとともに前記発光素子および前記受光素子の光路上に位置した光通過部を有する蓋部を有し、且つ上下面に開口した第２穴部を有しており、前記第２穴部の開口が前記第１穴部の開口に重なった枠体と、前記配線基板の上面と前記枠体の下面との間に配された樹脂接着材と、前記発光素子および前記受光素子ならびに前記枠体の上面から離れて上方に位置した、前記発光素子の出射光を集光する第１レンズおよび被対象物からの反射光を集光する第２レンズを支持する支持部を有する支持部を有するレンズ部を有するとともに、前記支持部の下面に設けられ、前記樹脂接着材を貫通して前記第１穴部内および前記第２穴部内に配された支柱を有するレンズ部材と、を備える。

本発明の一実施形態に係るセンサ装置は、上記の受発光素子モジュールと、前記受発光素子モジュールに電気的に接続され、前記受発光素子モジュールを制御する制御用回路と、を備え、前記発光素子から対象物に光を照射し、該対象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対象物を検出する。

本発明によれば、受発光素子モジュールおよびセンサ装置のセンシング性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュールを示した断面図である。 本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュールを示した拡大図である。 本発明の一実施形態に係るセンサ装置を示した断面図である。

（受発光素子モジュール）
本発明の受発光素子モジュール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、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使用されてもよいものであるが、本明細書では、便宜的に、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義するとともに、Ｚ軸方向の正側を上方として、上面または下面などの語を用いるものとする。

また、本発明は、本実施形態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において種々の変更、改良などが可能である。

受発光素子モジュール１は、図１に示すように、配線基板２と、配線基板２上に配された発光素子３および受光素子４とを有している。受発光素子モジュール１は、対象物に発光素子３からの光を照射し、対象物での反射光を受光素子４で受光する。その結果、受発光素子モジュール１は、対象物の表面状態などをセンシングすることができる。受発光素子モジュール１は、例えば、コピー機またはプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーまたはメディアなど（対象物）の位置情報、距離情報または濃度情報などを検出することができる。

なお、図１は、本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュール１を上下方向に切断したときの断面を模式的に示している。

受発光素子モジュール１は、発光素子３からの光を集光するレンズ部材５をさらに有している。また、受発光素子モジュール１は、意図しない光（迷光）が受光素子４で受光されないように、迷光の受光を低減する枠体６をさらに有している。また、受発光素子モジュール１は、枠体６を配線基板２に接着する樹脂接着材７をさらに有している。

配線基板２は、上面および下面を有している。配線基板２の上面には、発光素子３および受光素子４が、例えばワイヤーボンディング実装またはフリップチップ実装される。そして、配線基板２は、外部装置に電気的に接続されて、例えば発光素子３および受光素子４にバイアスを印加する。

配線基板２は、例えば矩形状に形成される。配線基板２は、例えば樹脂基板またはセラミック基板を使用することができる。本実施形態に係る配線基板２は、樹脂基板である。なお、樹脂基板とは、配線基板２中の絶縁材料が樹脂材料から成る基板を指す。また、セラミック基板とは、配線基板２中の絶縁材料がセラミックス材料から成る基板を指す。配線基板２は、従来周知の工法によって形成される。

本実施形態に係る発光素子３および受光素子４は、同一の半導体基板８に形成されている。そして、発光素子３および受光素子４は、半導体基板８を介して、一体的に配線基板２に実装される。なお、本実施形態に係る受発光素子モジュール１は、発光素子３と受光素子４とを１つずつ備えているが、複数の発光素子３および複数の受光素子４を備えていてもよい。

半導体基板８は、一導電型の半導体材料からなる。本実施形態に係る半導体基板８は、例えばｎ型のＳｉ基板を使用している。すなわち、半導体基板８は、Ｓｉ基板にｎ型の不純物をドーピングしている。Ｓｉ基板に対するｎ型の不純物は、例えばＰ、Ｎ、Ａｓ、ＳｂまたはＢｉなどが挙げられる。

なお、本明細書中において、一導電型をｎ型とし、逆導電型をｐ型とする。

発光素子３は、図２（ａ）に示すように、半導体基板８の上面に複数の半導体層９が積層されて形成されている。複数の半導体層９は、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）装置により、半導体基板８にエピタ
キシャル成長させることにより形成することができる。

なお、図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュール１を上下方向に切断したときの断面のうち、発光素子３のみを拡大して示している。

複数の半導体層９は、半導体基板８の上面に積層されたバッファ層９１を有している。バッファ層９１は、半導体基板８と複数の半導体層９との界面での格子定数の差を緩和するものである。バッファ層９１は、例えば、ＧａＡｓで形成される。

複数の半導体層９は、バッファ層９１の上面に積層されたｎ型コンタクト層９２を有している。ｎ型コンタクト層９２は、上面に発光素子３のカソード電極９ａが形成され、発光素子３とカソード電極９ａとの接触抵抗を低減するものである。ｎ型コンタクト層９２は、例えばＧａＡｓに、ｎ型の不純物をドーピングして形成される。ＧａＡｓに対するｎ型の不純物としては、ＳｉまたはＳｅなどが挙げられる。

複数の半導体層９は、ｎ型コンタクト層９２の上面に積層されたｎ型クラッド層９３を有している。ｎ型クラッド層９３は、後に説明する活性層９４に正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型クラッド層９３は、例えばＡｌＧａＡｓにｎ型の不純物をドーピングして形成される。ＡｌＧａＡｓに対するｎ型の不純物は、例えばＳｉまたはＳｅなどが挙げられる。

複数の半導体層９は、ｎ型クラッド層９３の上面に積層された活性層９４を有している。活性層９４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部として機能する。活性層９４は、例えばＡｌＧａＡｓで形成される。

複数の半導体層９は、活性層９４の上面に積層されたｐ型クラッド層９５を有している。ｐ型クラッド層９５は、活性層９４に電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型クラッド層９５は、例えばＡｌＧａＡｓにｐ型の不純物をドーピングして形成される。ＡｌＧａＡｓに対するｐ型の不純物は、例えばＺｎ、ＭｇまたはＣなどが挙げられる。

複数の半導体層９は、ｐ型クラッド層９５の上面に積層されたｐ型コンタクト層９６を有している。ｐ型コンタクト層９６は、上面に発光素子３のアノード電極９ｂが形成され、発光素子３とアノード電極９ｂとの接触抵抗を低減するものである。ｐ型コンタクト層９６は、例えばＡｌＧａＡｓにｐ型の不純物をドーピングして形成される。なお、ｐ型コンタクト層９６は、ｐ型クラッド層９５よりもキャリア密度が高く設定されている。

受光素子４は、図２（ｂ）に示すように、半導体基板８の上面にｐ型半導体領域４１を
設けることによって、ｎ型の半導体基板８とｐ型半導体領域４１との界面でｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域４１は、半導体基板８にｐ型の不純物をドーピングすることによって形成されている。本実施形態に係る半導体基板８はＳｉ基板であることから、ｐ型の不純物としては、例えばＺｎ、Ｍｇ、Ｃ、Ｂ、ＩｎまたはＳｅなどが挙げられる。

なお、図２（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る受発光素子モジュール１を上下方向に切断したときの断面のうち、受光素子４のみを拡大して示している。

レンズ部材５は、光が通過するレンズ部１０と、レンズ部１０の下面に設けられた支柱１１とを有している。レンズ部材５は、透光性の材料で形成される。レンズ部材５は、例えばシリコーン樹脂、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イ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で形成される。なお、レンズ部材５において、光路上に位置する部分のみ透光性を有していればよく、例えば支柱１１は透光性を有していなくてもよい。

レンズ部１０は、発光素子３および受光素子４から離れて上方に位置しており、発光素子３の出射光および被対象物での反射光を集光し誘導する機能を有する。レンズ部１０は、発光素子３の出射光を集光する第１レンズ１２と、被対象物からの反射光を集光する第２レンズ１３とを有している。本実施形態に係る第１レンズ１２および第２レンズ１３のそれぞれは、例えば凸レンズ、球面レンズまたは非球面レンズなどである。

レンズ部１０は、第１レンズ１２および第２レンズ１３を支持する支持部１４をさらに有している。そして、支柱１１は、支持部１４の下面に設けられており、レンズ部１０ひいてはレンズ部材５を支持する機能を有する。

支持部１４は、例えば板状に形成される。支持部１４は、例えば支持部１４に貫通孔を形成し、貫通孔に第１レンズ１２および第２レンズ１３をはめ込むことによって、第１レンズ１２および第２レンズ１３を保持する。また、支持部１４は、第１レンズ１２および第２レンズ１３と一体的に形成されることによって第１レンズ１２および第２レンズ１３を保持してもよい。

レンズ部１０および支柱１１は、例えば射出成形などによって、一体的に形成されてなる。これによって、例えばレンズ部材５の各構成部材を別々に作製した後それらを接着させてレンズ部材５を形成する場合と比べて、各構成部材の位置関係のばらつきを低減することができる。

枠体６は、レンズ部材５と配線基板２との間に配されており、発光素子３および受光素子４を囲むように配置されている。その結果、枠体６は、迷光が受光素子４で受光されることを低減する機能を有する。

枠体６は、例えば、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。枠体６は、例えば射出成形などにより形成される。

枠体６は、具体的には、発光素子３および受光素子４を囲んだ枠状の壁部１５と、壁部１５の上端部近傍の内面に設けられて壁部１５で囲んだ領域を覆うように配された蓋部１６とを有している。すなわち、壁部１５は上面を有しており、壁部１５とともに枠体６の上面を構成するように蓋部１６が設けられている。また、蓋部１６は、発光素子３から第１レンズ１２までの光路上および第２レンズ１３から受光素子４までの光路上に位置した光通過部１７を有している。なお、本実施形態においては、光通過部１７は、複数の貫通孔によって形成されている。

枠体６（壁部１５）は、上面および下面を有している。枠体６の上面は、レンズ部材５
の支持部１４の下面から離れて下方に位置していてもよい。その結果、例えば枠体６の熱膨張などによってレンズ部材５が押し上げられることを低減することができる。

受発光素子モジュール１を上面視したときに、枠体６の外縁は、レンズ部材５の外縁よりも外側に位置していてもよい。そして、枠体６の外縁部の上面が上方に突出した凸部１８を有していてもよい。その結果、例えば外部応力からレンズ部材５を保護することができる。なお、本実施形態においては、凸部１８は支持部１４を囲むように、連続して形成されている。

樹脂接着材７は、配線基板２の上面と枠体６の下面との間に介在して、枠体６を配線基板２に接着するものである。樹脂接着材７は、例えば熱硬化性樹脂である。樹脂接着材７は、例えば変性シリコーン系樹脂またはウレタン系樹脂などで形成される。樹脂接着材は、例えばスタンピングによって枠体６の下面に塗布されて、枠体６が配線基板２の上面に配置されることによって配線基板２の上面と枠体６の下面との間に介在する。

ここで、本実施形態における受発光素子モジュール１において、配線基板２は、配線基板２の上面に開口した第１穴部１９を有している。また、枠体６は、枠体６の上面および
下面に開口した第２穴部２０を有しており、枠体６は第２穴部２０の開口が第１穴部１９の開口に重なるように配されている。そして、レンズ部材５の支柱１１は、樹脂接着材７を貫通して第１穴部１９内および第２穴部２０内に配されている。言い換えれば、支柱１１は、枠体６の第２穴部２０に挿入されて、樹脂接着材７を貫通して、配線基板１の第１穴部１９に挿入されている。

その結果、レンズ部材５の平面方向（ＸＹ方向）への移動が、第１穴部１９によって制限されるため、例えば配線基板２と枠体６との間の樹脂接着材６の熱膨張量が大きい場合でも、レンズ部材５と発光素子３および受光素子４との平面方向への位置ずれを低減することができる。また、レンズ部材５の支柱１１が樹脂接着材７を貫通していることから、レンズ部材５が樹脂接着材７上に載っている場合と比較して、支柱１１が樹脂接着材７の上下方向（Ｚ方向）への熱膨張を低減することができるため、レンズ部材５と発光素子３および受光素子４との上下方向への位置ずれを低減することができる。

なお、配線基板２の第１穴部１９は、例えばレーザー加工などによって形成することができる。

第１穴部１９の開口幅は、支柱１１の幅よりも大きくてもよい。そして、樹脂接着材７は、第１穴部１９の内面と支柱１１の側面との間に配されていてもよい。その結果、樹脂接着材７の接着面積を大きくすることができるため、樹脂接着材７の剥離を低減することができる。

第１穴部１９は、配線基板２の上面の開口に向かって幅広になっていてもよい。その結果、樹脂接着材７を効果的に第１穴部１９内に誘導することができる。したがって、例えば樹脂接着材７の量が多い場合でも、樹脂接着材７が不必要に流動することを低減することができる。

第２穴部２０の枠体６の下面の開口の開口幅は、支柱１１の幅よりも大きくてもよい。そして、樹脂接着材７は、第２穴部２０の内面と支柱１１の側面との間に配されていてもよい。その結果、樹脂接着材７の接着面積を大きくすることができるため、樹脂接着材７の剥離を低減することができる。

樹脂接着材７は、遮光性であってもよい。その結果、配線基板２の上面と枠体６の下面
との間、または配線基板２の第１穴部１９の内面とレンズ部材５の支柱１１の側面との間からの迷光の進入を低減することができる。なお、この場合、樹脂接着材７は、例えば黒色である。また、樹脂接着材７は、例えば樹脂材料中に黒色の顔料を添加することによって、着色することができる。

第１穴部１９は、配線基板２の上面および下面に開口していてもよい。その結果、例えば配線基板２の上面のみを開口させる場合と比較して、効率的に第１穴部１９を加工することができる。

レンズ部５の支柱１１の下端面には、樹脂接着材７が配されていてもよい。その結果、レンズ部５の支柱１１が透光性の材料からなっていたとしても、樹脂接着材７を遮光性にすることによって、配線基板２の下面側から支柱１１を介して迷光が進入してくることを低減することができる。なお、この場合、枠体６の下面に樹脂接着材７を塗布した後に、配線基板２の上面に枠体６を押圧し、樹脂接着材７を第１穴部１９内に配した後に、支柱１１を挿入することによって、支柱１１の下端面に配することができる。

樹脂接着材７のヤング率は、枠体６の下面部および配線基板２の上面部のヤング率よりも小さくてもよい。その結果、枠体６または配線基板２の熱膨張が樹脂接着材７によって制限されることを低減し、枠体６または配線基板２が歪むことを低減することができる。

なお、樹脂接着材７のヤング率は、例えば０．１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下に設定されている。枠体６のヤング率は、例えば５ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下に設定されている。配線基板２のヤング率は、例えば２０ＧＰａ以上４００ＧＰａ以下に設定されている。なお、各構成部材のヤング率は、例えばナノインデンターを使用して測定することができる。

また、支柱１１の先端部は、先端に向かって先細り形状になっていてもよい。その結果、配線基板２の下面から支柱１１に迷光が進入することを低減することができる。

レンズ部材５は、枠体６の凸部１８の内面と支持部１４の側面とにおいて樹脂接着材７を介して、固定されていてもよい。その結果、支持部１４の下面と枠体１５の蓋部１６の上面との間に入り込む樹脂接着材７の量を低減することができる。

第２穴部２０は、枠体６の上面側の開口に向かって幅広になっていてもよい。その結果、枠体６の凸部１８の内面と支持部１４の側面との間に配された樹脂接着材７が、支持部１４の下面と枠体１５の蓋部１６の上面との間に入り込む樹脂接着材７の量を低減することができる。

なお、本実施形態においては、支柱１１は複数あり、発光素子３および受光素子４を挟んで、配線基板２の対角線上に位置している。また、本実施形態においては、配線基板２の一方の対角線上には、２つの第１支柱１１が位置しており、他方の対角線上には２つの支柱１１が位置することになる。

配線基板２の第１穴部１９の形状は全て同一でもよいし、同一でなくてもよい。すなわち、複数の第１穴部１９のうち１つの形状を他のものに比べ遊びが大きくなるような大きさに設定してもよい。これにより、同一形状の支柱１１を挿入させるときに、組立が容易となる。ここで、複数の第１穴部１９のうち遊びが大きくなるような大きさに設定したものは、ＸＹ方向に均等に遊びを持たせるのではなく、一方向にのみ限定して遊びを大きくすることが望ましい。例えば２つある第１穴部１９のうち一方を配線基板２の長手方向（図のＸ軸方向）にのみ遊びを持たせた楕円形状とすればよい。これにより位置ずれを小さくすることができる。

（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。図３に示すように、本実施形態のセンサ装置１００は、受発光素子モジュール１と、受発光素子モジュール１に電気的に接続された制御用回路１０１とを有している。制御用回路１０１は、受発光素子モジュール１を制御するものである。制御用回路１０１は、例えば、発光素子３を駆動させるための駆動回路、受光素子４からの電流を処理する演算回路または外部装置と通信するための通信回路などを含んでいる。なお、図３に示す破線の矢印は、発光素子３から出る光の経路を例示している。

１ 受発光素子モジュール
２ 配線基板
３ 発光素子
４ 受光素子
５ レンズ部材
６ 枠体
７ 樹脂接着材
８ 半導体基板
９ 複数の半導体層
１０ レンズ部
１１ 支柱
１２ 第１レンズ
１３ 第２レンズ
１４ 支持部
１５ 壁部
１６ 蓋部
１７ 光通過部
１８ 凸部
１９ 第１穴部
２０ 第２穴部
１００ センサ装置
１０１ 制御用回路

Claims (7)

1. 上面に開口した第１穴部を有する配線基板と、
   前記配線基板上に配された発光素子および受光素子と、
   前記発光素子および前記受光素子を囲んで前記配線基板上に配され、前記発光素子および前記受光素子を囲んだ枠状の壁部ならびに前記壁部の上端部近傍の内面に設けられて前記壁部で囲んだ領域を覆うように配されるとともに前記発光素子および前記受光素子の光路上に位置した光通過部を有する蓋部を有し、且つ上下面に開口した第２穴部を有しており、前記第２穴部の開口が前記第１穴部の開口に重なった枠体と、
   前記配線基板の上面と前記枠体の下面との間に配された樹脂接着材と、
   前記発光素子および前記受光素子ならびに前記枠体の上面から離れて上方に位置した、前記発光素子の出射光を集光する第１レンズおよび被対象物からの反射光を集光する第２レンズを支持する支持部を有するレンズ部を有するとともに、前記支持部の下面に設けられ、前記樹脂接着材を貫通して前記第１穴部内および前記第２穴部内に配された支柱を有するレンズ部材と、を備える受発光素子モジュール。
2. 前記第１穴部の開口幅は、前記支柱の幅よりも大きく、
   前記樹脂接着材は、前記第１穴部の内面と前記支柱の側面との間に配されている、請求項１に記載の受発光素子モジュール。
3. 前記樹脂接着材は、遮光性である、請求項１または２に記載の受発光素子モジュール。
4. 前記第１穴部は、前記配線基板の上下面に開口を有している、請求項３に記載の配線基板。
5. 前記レンズ部および前記支柱は、一体的に形成されており、
   前記支柱の下端面には、前記樹脂接着材が配されている、請求項４に記載の受発光素子モジュール。
6. 前記樹脂接着材のヤング率は、前記枠体の下面部および前記配線基板の上面部のヤング率よりも小さい、請求項１〜５のいずれかに記載の受発光素子モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の受発光素子モジュールと、
   前記受発光素子モジュールに電気的に接続され、前記受発光素子モジュールを制御する制御用回路と、を備え、
   前記発光素子から対象物に光を照射し、該対象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対象物を検出する、センサ装置。

Images