JP7467270B2 - 反射型光センサ、および、近接センサ - Google Patents

反射型光センサ、および、近接センサ Download PDF

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Description

本発明は、反射型光センサ、および、近接センサに関する。
スマートフォンにおいて、近接センサ６０１は図７のように使用されている。近接センサ６０１は、基板６０４上に、発光素子６０２と、受光素子６０３とがモールド樹脂６０５で一体封止されている。近接センサ６０１は、スマートフォンのガラスパネル６０６下に配置される。発光素子から出射された光はガラスパネルを通して外部へ照射され、顔、耳などからの反射した光が再びガラスパネルを通して受光素子に戻ることを検知して、タッチパネル画面のオン、オフを制御している。
発光素子は、一般的に波長が９４０ｎｍの赤外光のＬＥＤが使用されるが、最近は指向角が狭く、駆動電流を下げられる面発光レーザのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）の使用が増えてきている。ＶＣＳＥＬは、垂直共振器面発光レーザと訳される部品であり、微細なレーザ光を基板の垂直方向に射出する。受光素子は、光を電気信号へ変換するフォトダイオード６０７と、光電変換された信号を増幅演算処理する回路とが同一半導体基板上に形成されたＣＭＯＳプロセスで製造される。発光素子と、受光素子とを基板６０４上にダイアタッチして、Ａｕ線（図示せず）による電気接続した上で、トランスファーモールドで樹脂封止することにより、近接センサは製造される。
特許文献１には、垂直共振器型面発光レーザーを用いた光変位計における、戻り光励起雑音の発生について開示されている。また、特許文献２の図９、段落〔０００６〕には、近接センサにおける出射光が筐体に反射されることが開示されている。
特許４２２０２１９号公報 特許６６４１４６９号公報
図６は、発光素子５０１から出射された光の振る舞いの概略を示す図である。発光素子５０１からの出射光５０２は、スマートフォンのガラスパネルを通して外部へ透過光５０３として照射される。
出射光５０２は、発光素子５０１から直上へ基板の垂直方向に出射され、モールド樹脂を透過してモールド樹脂表面からガラスパネル方向へ出射される。出射光５０２が出射されるモールド樹脂表面を「パッケージ出射面」と呼び、同様に、受光素子が光を検知するフォトダイオードの直上のモールド樹脂表面を「パッケージ受光面」と呼ぶ。パッケージ出射面と、パッケージ受光面とは同一平面で、かつ基板に平行な面になるように、金型で成形される。
出射光はパッケージ（パッケージ出射面）と空間（空気）および空間（空気）とガラスパネルの界面にて、屈折率の違いにより一部が反射散乱される。発光素子からの出射光は内部散乱光５０６、反射散乱光５０４と反射戻り光５０５、および、透過光５０３に大きく分けられる。一般的に、ガラスと、空気との屈折率の差により約５％程度が反射成分になると考えられる。
先述したとおり、近年は、発光素子として、ＬＥＤよりも、面発光レーザであるＶＣＳＥＬの使用が増えてきている。ＶＣＳＥＬを使用した場合には、反射戻り光５０５により発光特性が変動する問題が生じる。ＶＣＳＥＬはレーザ発振する素子のため、ガラスパネルからの反射戻り光がＶＣＳＥＬ出射端に結合することにより、ＶＣＳＥＬの発振動作自体が不安定化する「戻り光誘起雑音」が発生する。これにより、図８に示すように、出射光波形が変動し、センシングにおけるノイズ成分となるため検出精度が低下する不具合が発生する。
また、反射散乱光および内部散乱光についても受光素子側へ向かう成分は、検知物からの反射信号光に対してノイズ成分となるため、検出精度が低下する不具合が発生する。
本発明の一態様は、反射型光センサにおいて、発光素子の出射光によるノイズを抑制することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る反射型光センサは、同一の基板上において、同一方向に実装された発光素子および受光素子と、上記発光素子と、上記受光素子とを覆うパッケージと、を備え、上記パッケージの表面は、上記発光素子の発光側に位置する出射面と、上記受光素子の受光側に位置する受光面と、を含み、上記受光面は、上記基板と平行であり、上記出射面は、上記受光面に対して傾斜して設けられる。
本発明の一態様によれば、反射型光センサにおいて、発光素子の出射光によるノイズを抑制することができる。
本発明の実施形態１に係る反射型光センサの概略を示す図である。 本発明の実施形態３に係る反射型光センサの概略を示す図である。 本発明の実施形態３に係るパッケージ表面加工の実施例を示す図である。 本発明の実施形態４に係る反射型光センサの概略を示す図である。 本発明の実施形態５に係る反射型光センサの概略を示す図である。 従来の反射型光センサの課題を示す図である。 従来の反射型光センサの概略を示す図である。 発光素子からの発光波形例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る、出射面の傾斜角に対する反射戻り光量の光学シミュレーション例を示す図である。 本発明の実施形態６に係るＶＣＳＥＬ発光素子の概略構造を示す図である。
本発明は、赤外光を用いて物体の有無を検知する反射型光センサに関するものである。特に、スマートフォンにおいて通話時にタッチパネルの誤作動を防止するために画面のオン／オフを制御する近接センサとして多く使用されている。
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。本実施形態では、発光素子の直上に配置されるパッケージの出射面の構造により、ガラスパネルおよび出射面からの反射光成分を制御する。
図１は、本実施形態に係る反射型光センサの概略を示す図である。図１に示すように、反射型光センサ１は、基板１０と、発光素子１１と、受光素子１２と、パッケージ７とを備えている。発光素子１１および受光素子１２は、同一の基板１０上において、同一方向に向けて実装されている。パッケージ７は、発光素子１１と、受光素子１２とを覆う。受光素子１２は、基板１０と平行に配置されるフォトダイオード１３を備えている。
パッケージ７の表面であるパッケージ表面７１は、発光素子１１の直上（発光側）に位置するパッケージ出射面（出射面）７２と、受光素子１２の直上（受光側）に位置するパッケージ受光面（受光面）７３と、を含んでいる。
パッケージ受光面７３は、基板１０と平行に設けられる。これにより、パッケージ受光面７３は、受光素子１２のフォトダイオード１３に効率よく光を入射させることができる。
パッケージ出射面７２は、パッケージ受光面７３に対して傾斜して設けられる。これにより、発光素子１１からの出射光１０２は、パッケージ出射面７２と、空気との界面において外側（左側）へ光軸が曲げられると同時に、内部散乱光１０６も反射角が下方向に変化する。
上記によれば、反射型光センサ１において、受光素子１２の表面へ散乱する成分を抑制することができる。なお、パッケージ界面で光軸が曲がった出射光１０２はガラスパネルとの界面において反射されるが、その反射戻り光１０５は反射角により発光素子１１から遠ざかる方向へ進む。そのため、発光素子１１への戻り光を防止し、発光特性の変動を回避することができる。
換言すれば、ガラスパネルから発光素子１１への反射戻り光を防止して、発光波形を安定化させると共に、ガラスパネルからの反射散乱光と、パッケージ出射面７２からの内部散乱光との影響を抑制することができる。これにより、受光素子１２への光ノイズ成分回り込みを抑制し、安定動作する反射型光センサ１を実現することができる。このような反射型光センサ１を用いて、スマートフォン向けに高精度の近接センサを提供することができる。
なお、図１では、パッケージ出射面７２が受光素子１２側に傾斜している構成を示したが、パッケージ出射面７２が外側（受光素子１２側と反対側）に傾斜している構成としてもよい。後者の構成によれば、発光素子１１からの出射光１０２のうち、ガラスパネルに反射して、発光素子１１に戻る光を防止することにより、発光特性の変動を回避することができる。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本実施形態では、実施形態１を前提にして、反射型光センサ１において、パッケージ出射面７２は、パッケージ受光面７３に対して１０°～１５°の角度で受光素子１２側に傾斜して設けられる。
図９は、本実施形態に係る、パッケージ出射面７２の傾斜角を変化させたときの、発光面への戻り光量を光学シミュレーションした結果を示す図である。図９に示すように、傾斜角１０°以上で戻り光を略ゼロにできるが、傾斜角が大き過ぎるとパッケージ７から出射される光軸も大きく曲がるため、光検出システム全体の光学利得が減少してしまう。すなわち、傾斜角が大きくなると、検知対象物に照射される光量が減少することになり、信号低下により検知特性が低下する。そこで、検知特性への影響を考慮して設計すると、１５°が実用的な傾斜角の上限値になる。そのため、実装精度公差も考慮して、傾斜角が１０°～１５°であることが最適である。
図２に示すように、パッケージ出射面７２、および、パッケージ受光面７３には、開口窓２０１、２０２を設けてもよい。開口窓２０１、２０２は、発光素子１１、受光素子１２の直上の、パッケージ表面７１の樹脂を薄く整形して、光の透過をよくしたものである。
発光の開口窓２０１を設けた場合、出射光が出射されるモールド樹脂表面は、開口窓２０１の底面であるので、開口窓２０１の底面がパッケージ出射面７２になる。
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本実施形態では、反射型光センサ１において、パッケージ出射面７２の開口窓２０１と、パッケージ受光面７３の開口窓２０２とは、トランスファーモールドにより一体成型される。パッケージ出射面７２およびパッケージ受光面７３には、磨き加工が行われる。パッケージ出射面７２およびパッケージ受光面７３以外の、パッケージ表面７１には、光を散乱減衰させる加工が行われる。
図２は、本実施形態に係る反射型光センサ１の概略を示す図である。図２に示すように、トランスファーモールドによって、図１のパッケージ出射面７２に発光の開口窓２０１を設け、図１のパッケージ受光面７３に受光の開口窓２０２を設けて、樹脂封止成型される。次に、発光の開口窓２０１および受光の開口窓２０２を磨いて、出射光および反射信号光の散乱損失を抑える。それ以外のパッケージ表面７１については、光を散乱減衰させる状態に加工する。
発光素子１１からの出射光の一部がガラスパネルで反射して、反射散乱光２０４としてパッケージ７へ戻ってくる。その反射散乱光をパッケージ表面にて散乱減衰させることで、内部の受光素子への反射散乱光の影響を抑制することができる。
図３は、本実施形態に係るパッケージ成型後の状態例を示す図である。同一モールド樹脂で成型された後で、開口窓２０１、２０２を磨く。これにより、開口窓２０１、２０２周辺のパッケージ表面７１の状態よりも、光の散乱損失を抑制することができる。
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
図４は、本実施形態に係る反射型光センサ１の概略を示す図である。本実施形態では、反射型光センサ１は、図２に対して、パッケージ表面７１のうち、パッケージ出射面７２と、パッケージ受光面７３との間に、段差スリット３０１をさらに備える。段差スリット３０１は、モールド金型で成型される。
反射散乱光３０２はパッケージ表面７１にて反射散乱されるが、一部はモールド内部へ透過され、受光素子１２のフォトダイオード１３へ向かうノイズ光成分となる。この光経路に段差スリット３０１を形成することにより、モールド樹脂と、空気との界面が加わり、この界面でノイズ光成分は反射散乱される。
この段差スリット３０１により、ガラスパネルからの反射散乱光３０２およびパッケージ７内部の発光素子１１からの内部散乱光３０３の、受光素子１２のフォトダイオード１３への回り込みを抑制することができる。段差スリット３０１の位置および深さは、反射散乱光３０２の入射角、および、内部散乱光３０３の光路シミュレーションにより設計される。その場合、モールド金型を使用することにより、段差スリット３０１を高精度に成型することができる。
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本実施形態では、図４に対して、段差スリット４０１の表面の全体に遮光体４０４が施される。なお、段差スリット４０１の凹部に遮光体４０４が埋め込まれてもよい。
図５は、本実施形態に係る反射型光センサ１の概略を示す図である。図５に示すように、段差スリット４０１の中に遮光体４０４が追加される。これにより、図４では段差スリット３０１の空気面を透過して受光素子１２のフォトダイオード１３へ向かっていた光ノイズ成分を透過させることなく、ブロックすることで、受光素子１２のフォトダイオード１３への回り込みをさらに抑制できる。遮光体４０４の追加方法は、段差スリット４０１に遮光樹脂を塗布して硬化させることで形成できる。さらに、遮光樹脂を用いて２重トランスファーモールドすることにより、精度よく均一に成型することができる。
〔実施形態６〕
本発明の実施形態６について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本実施形態では、発光素子１１は、面発光レーザＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）によるものであり、発光素子１１の電流狭窄層９０５がインプラ方式で形成される。
図１０は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬ発光素子の断面構造を示す図である。ＶＣＳＥＬは、垂直方向にレーザ発振を行い、表面からレーザ光が出射される。活性層９０３で発光した光を上下の反射ミラーＰ－ＤＢＲ９０４とＮ－ＤＢＲ９０２で増幅を行う。バイアス電流は、上部電極から下部電極へ印加されるが、活性層の発光領域に電流を集中させるため、電流狭窄層９０５、９０６が設けられている。
電流狭窄層９０５、９０６を形成する方法として、上部からプロトン注入によるインプラ方式と、横方向から水蒸気で酸化させる酸化膜方式の２種類がある。発明者らは、ＶＣＳＥＬ発光部へ光を戻した場合の戻り光耐量特性として、インプラ方式のＶＣＳＥＬを使用する方が、酸化膜方式よりも、反射戻り光に対して安定動作を確保しやすいことを実験的に確認した。
これは、Ｈ＋イオンを打ち込むことにより電流通路を制限するインプラ方式では、ＶＣＳＥＬの戻り光雑音の主要因となるマルチモード競合において、より高次の横マルチモードが受ける光学ロスが大きいことが作用しているためと考えられる。
なお、近接センサは、本発明の実施形態１から６の何れかの反射型光センサ１を用いる。これにより、ガラスパネルからの反射戻り光および反射散乱光の影響を抑制できるため、ユーザのガラスパネル実装条件に対して検知特性を安定させることができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る反射型光センサは、同一の基板上において、同一方向に実装された発光素子および受光素子と、上記発光素子と、上記受光素子とを覆うパッケージと、
を備え、上記パッケージの表面は、上記発光素子の発光側に位置する出射面と、上記受光素子の受光側に位置する受光面と、を含み、上記受光面は、上記基板と平行であり、上記出射面は、上記受光面に対して傾斜して設けられる。
上記の構成によれば、受光素子の表面へ散乱する成分を抑制することができる。また、発光素子への戻り光を防止することにより、発光特性の変動を回避することができる。したがって、反射型光センサにおいて、発光素子の出射光によるノイズを抑制することができる。
本発明の態様２に係る反射型光センサは、上記態様１において、上記出射面が、上記受光面に対して１０°～１５°の角度で上記受光素子側に傾斜して設けられることとしてもよい。
上記の構成によれば、傾斜角を１０°以上にすることにより、戻り光を略ゼロにすることができる。また、傾斜角を１５°以下にすることにより、出射光の軸の曲がりを抑えることができる。
本発明の態様３に係る反射型光センサは、上記態様１または２において、上記出射面と、上記受光面とが、トランスファーモールドにより一体成型され、上記出射面および上記受光面には、磨き加工が行われ、上記出射面および上記受光面以外の、上記パッケージの表面には、光を散乱減衰させる加工が行われることとしてもよい。
上記の構成によれば、出射面および受光面における磨き加工により、出射面および受光面の周辺の表面よりも、散乱損失を抑制することができる。また、出射面および受光面以外の、パッケージの表面における、光を散乱減衰させる加工により、内部の受光素子への反射散乱光の影響を抑制することができる。
本発明の態様４に係る反射型光センサは、上記態様３において、上記出射面と、上記受光面との間に、段差スリットをさらに備えることとしてもよい。
上記の構成によれば、反射散乱光および内部散乱光の、受光素子への回り込みを抑制することができる。
本発明の態様５に係る反射型光センサは、上記態様４において、上記段差スリットの表面には遮光体が施されることとしてもよい。
上記の構成によれば、反射散乱光および内部散乱光の、受光素子への回り込みをさらに抑制することができる。
本発明の態様６に係る反射型光センサは、上記態様１から５の何れかにおいて、上記発光素子は、面発光レーザＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）によるものであり、当該発光素子の電流狭窄層がインプラ方式で形成されることとしてもよい。
上記の構成によれば、反射戻り光に対して、発光素子を安定して動作させることができる。
本発明の態様７に係る近接センサは、上記態様１から６の何れかの反射型光センサを用いる。
上記の構成によれば、ユーザのガラスパネル実装条件に対して検知特性を安定させることができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１ 反射型光センサ
７ パッケージ
１０ 基板
１１ 発光素子
１２ 受光素子
７１ パッケージ表面
７２ パッケージ出射面（出射面）
７３ パッケージ受光面（受光面）
３０１、４０１ 段差スリット
４０４ 遮光体
９０５ 電流狭窄層

Claims (6)

  1. 同一の基板上において、同一方向に実装された発光素子および受光素子と、
    上記発光素子と、上記受光素子とを覆うパッケージと、
    上記パッケージの上記発光素子の発光側に設けられ、上記パッケージを覆うガラスパネルと、
    を備え、
    上記パッケージの表面は、
    上記発光素子の発光側に位置する出射面と、
    上記受光素子の受光側に位置する受光面と、
    を含み、
    上記受光面は、上記基板と平行であり、
    上記出射面は、上記受光面に対して１０°～１５°の角度で上記受光素子側に傾斜して設けられ、
    上記発光素子からの出射光は、上記出射面で光軸が曲がって上記ガラスパネルに反射された後、上記発光素子から遠ざかる方向へ進む
    ことを特徴とする反射型光センサ。
  2. 上記出射面と、上記受光面とは、トランスファーモールドにより一体成型され、
    上記出射面および上記受光面には、磨き加工が行われ、
    上記出射面および上記受光面以外の、上記パッケージの表面には、光を散乱減衰させる加工が行われることを特徴とする請求項１に記載の反射型光センサ。
  3. 上記出射面と、上記受光面との間に、段差スリットをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の反射型光センサ。
  4. 上記段差スリットの表面には遮光体が施されることを特徴とする請求項３に記載の反射型光センサ。
  5. 上記発光素子は、面発光レーザＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）によるものであり、当該発光素子の電流狭窄層がインプラ方式で形成されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項の反射型光センサ。
  6. 請求項１から５の何れか１項の反射型光センサを用いることを特徴とする近接センサ。
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