WO2021085098A1 - 光学式センサおよび光学式センサモジュール - Google Patents

光学式センサおよび光学式センサモジュール Download PDF

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light
optical sensor
circuit board
optical
light emitting
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智子 勝原
大鳥居　英
圭 塚本
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ソニー株式会社
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • H05K2201/10151—Sensor

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical sensor and an optical sensor module.
  • the optical sensor includes a light emitting board having a light emitting element and a circuit board.
  • the circuit board is provided at a position facing the light emitting element, and among the light transmitting portion that transmits the light of the light emitting element and the light of the light emitting element emitted through the light transmitting portion, the light reflected by the reflecting layer is transferred. It has one or more light receiving elements that receive light.
  • the optical sensor module includes a plurality of optical sensors connected in series via a connecting line.
  • Each optical sensor has a light emitting board having a light emitting element and a circuit board.
  • the circuit board is provided at a position facing the light emitting element, and among the light transmitting portion that transmits the light of the light emitting element and the light of the light emitting element emitted through the light transmitting portion, the light reflected by the reflecting layer is transferred. It has one or more light receiving elements that receive light.
  • This optical sensor module further includes a wiring board and an organic member.
  • the wiring board has wiring for electrically connecting the connection line and the circuit board.
  • the organic member is provided in common to each optical sensor to prevent external light from entering one or a plurality of light receiving elements, and fixes a plurality of optical sensors in a series.
  • a light emitting substrate having a light emitting element and a circuit substrate having one or a plurality of light receiving elements are laminated and emitted via a light transmitting portion.
  • the light reflected by the reflecting layer is received by one or more light receiving elements.
  • the size of each sensor can be reduced as compared with the case where the light emitting element and one or more light receiving elements are provided on the same surface or formed on a common substrate.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the cross-sectional configuration example of the optical triaxial force sensor which concerns on 1st Embodiment of this disclosure. It is a figure which shows the example of the upper surface structure of the optical triaxial force sensor of FIG. It is a figure which shows the functional block example of the optical 3-axis force sensor of FIG. (A) It is a figure which shows the example of the upper surface structure of the circuit board of FIG. (B) It is a figure which shows the example of the upper surface structure of the circuit board of FIG. It is a figure which shows one modification of the cross-sectional structure of the optical triaxial force sensor of FIG. It is a figure which shows one modification of the cross-sectional structure of the optical triaxial force sensor of FIG.
  • FIG. 8 It is a figure which shows one modification of the reflective surface of the reflective layer of FIG. (A) is a figure showing an example of the waveform of the amount of light received from the convex part of FIG. (B) is a figure showing an example of the waveform of the amount of light received from the recess of FIG. 7. (C) It is a figure which shows an example of the waveform which superposed the waveform of the light-receiving amount of FIG. 8 (A), and the waveform of the light-receiving amount of FIG. 8 (B). It is a figure which shows the plane structure example of the optical 3-axis force sensor module which concerns on 2nd Embodiment of this disclosure.
  • FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of the optical 3-axis force sensor module of FIG. It is a figure which shows one modification of the planar structure of the optical 3-axis force sensor module of FIG. It is a figure which shows one modification of the cross-sectional structure of the optical triaxial force sensor module of FIG.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional configuration example of the optical 3-axis force sensor 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 shows an example of the upper surface configuration of the optical 3-axis force sensor 1 of FIG.
  • the optical 3-axis force sensor 1 includes a light emitting board 10, a circuit board 20, a light transmitting board 30, a wiring board 40, a reflecting layer 50, a deformed layer 60, and a light shielding portion 70.
  • the optical 3-axis force sensor 1 corresponds to a specific example of the "optical sensor" of the present disclosure.
  • the light emitting board 10 and the circuit board 20 are laminated on each other.
  • the light emitting substrate 10 is arranged at a position facing the lower surface (second main surface) of the circuit board 20.
  • the light transmissive substrate 30 is arranged at a position facing the upper surface (first main surface) of the circuit board 20.
  • the wiring board 40 is arranged at a position facing the circuit board 20 with the light emitting board 10 in between.
  • the reflective layer 50 and the deformed layer 60 are arranged at positions facing the upper surface of the light transmissive substrate 30.
  • the reflective layer 50 is arranged at a position facing the light transmissive substrate 30 via the deformed layer 60.
  • the light-shielding portion 70 covers the reflective layer 50, the deformed layer 60, and the light-transmitting substrate 30.
  • the light emitting substrate 10 has a light emitting element 11.
  • the light emitting element 11 is provided on the upper surface (the surface on the circuit board 20 side) of the light emitting board 10.
  • the light emitting element 11 is provided, for example, in the central portion of the light emitting substrate 10.
  • the light emitting substrate 10 has, for example, a configuration in which a light emitting element 11 is provided on a GaAs substrate.
  • the light emitting element 11 is composed of, for example, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting LASER).
  • the light emitting element 11 may be composed of an end face light emitting type laser or an LED.
  • the light emitting element 11 emits light having a predetermined divergence angle.
  • the circuit board 20 has a light transmitting portion 21 that transmits the light of the light emitting element 11.
  • the light transmitting portion 21 is provided at a position facing the light emitting element 11, and is provided, for example, in the central portion of the circuit board 20.
  • the light transmitting portion 21 is, for example, a through hole penetrating the circuit board 20 as shown in FIG.
  • the circuit board 20 further has one or a plurality of light receiving elements 22 that receive the light reflected by the reflection layer 50 among the light of the light emitting element 11 emitted through the light transmitting portion 21.
  • One or more light receiving elements 22 are formed on the upper surface of the circuit board 20 (the surface opposite to the light emitting board 10).
  • the circuit board 20 has, for example, a light receiving board 20-1 on which one or more light receiving elements 22 are formed, as shown in FIG.
  • One or more light receiving elements 22 are arranged around the light transmitting portion 21.
  • the plurality of light receiving elements 22 are formed on the upper surface of the circuit board 20, the plurality of light receiving elements 22 are formed on the upper surface of the circuit board 20, for example, as shown in FIGS. 4A and 4B.
  • X-axis and Y-axis correspond to two axes in a plane parallel to the upper surface of the circuit board 20.
  • the plurality of light receiving elements 22 are arranged, for example, in a region 20a near the light transmitting portion 21 and a region 20b away from the light transmitting portion 21. In FIG.
  • the light receiving element 22 is composed of, for example, a PD (photodiode), an APD (avalanche photodiode), or a SPAD (single photon avalanche diode).
  • the circuit board 20 is, for example, a DSP (Digital Signal Processing) that processes a control circuit 23 that controls the light emission of the light emitting element 11 and a light receiving signal 22A obtained by one or a plurality of light receiving elements 22. ) Circuit 24 and a SerDes (SERializer / DE Serializer) circuit 25.
  • the control circuit 23 When the trigger signal is input, the control circuit 23 outputs a signal for driving the light emitting element 11 to emit light to the light emitting element 11.
  • a signal for driving light emission is input from the control circuit 23, the light emitting element 11 emits light toward the light transmitting unit 21.
  • the DSP circuit 24 performs various signal processing on the light receiving signal 22A obtained by one or more light receiving elements 22.
  • the DSP circuit 24 calculates the displacement of the reflection layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) due to an external force based on, for example, the light-receiving signals 22A obtained by one or more light-receiving elements 22. Output to the outside.
  • the Z-axis corresponds to one axis parallel to the normal on the upper surface of the circuit board 20.
  • the SerDes circuit 25 performs serial / parallel conversion of the signal input from the DSP circuit 24.
  • the SerDes circuit 25 outputs the signal after serial / parallel conversion as measurement data 25A (packet data) to the outside.
  • the DSP circuit 24 and the SerDes circuit 25 correspond to a specific example of the "processing circuit" of the present disclosure.
  • the circuit board 20 has, for example, as shown in FIG. 3, a signal processing board 20-2 on which the control circuit 23, the DSP circuit 24, and the SerDes circuit 25 are formed.
  • the light receiving substrate 20-1 is laminated on, for example, the signal processing substrate 20-2.
  • the size of the light emitting board 10 in the XY plane is smaller than, for example, the size of the circuit board 20 in the XY plane.
  • the light emitting substrate 10 is laminated, for example, on the central portion of the lower surface of the circuit board 20 via a plurality of bumps 12.
  • the bump 12 corresponds to a specific example of the "first bump" of the present disclosure.
  • the bump 12 is made of, for example, a solder material.
  • the light emitting board 10 (light emitting element 11) is electrically connected to the circuit board 20 (control circuit 23 and DSP circuit 24) via a plurality of bumps 12.
  • the light transmissive substrate 30 is a substrate that supports the circuit board 20 and transmits the light of the light emitting element 11.
  • the light transmissive substrate 30 is configured to include, for example, a quartz substrate such as glass.
  • the circuit board 20 is bonded to the light transmissive substrate 30 on the lower surface (for example, on the surface of the quartz substrate).
  • the size of the light transmissive substrate 30 in the XY plane is, for example, the same as or substantially the same as the size of the circuit board 20 in the XY plane.
  • the wiring board 40 has a wiring 41 for electrically connecting the external circuit and the circuit board 20 (control circuit 23 and SerDes circuit 25).
  • the wiring board 40 is, for example, a flexible substrate composed of a wiring 41 and a resin layer that supports the wiring 41.
  • a light emitting board 10 and a circuit board 20 are mounted on the upper surface of the wiring board 40.
  • the circuit board 20 is laminated on the upper surface of the wiring board 40 via a plurality of bumps 26, for example.
  • the bump 26 corresponds to a specific example of the "second bump" of the present disclosure.
  • the light emitting board 10 is arranged in a gap formed between the circuit board 20 and the wiring board 40 by the plurality of bumps 26.
  • the bump 26 is made of, for example, a solder material.
  • the circuit board 20 is electrically connected to the wiring board 40 (wiring 41) via a plurality of bumps 26.
  • the deformable layer 60 supports the reflective layer 50.
  • the deformable layer 60 is fixed to the upper surface of the light transmissive substrate 30.
  • the deformable layer 60 is made of an organic material having flexibility that can be deformed by an external force and a property of transmitting light of the light emitting element 11, and is made of, for example, silicone.
  • the deformable layer 60 has, for example, a dome shape or a trapezoidal shape, and when an external force is applied to the deformable layer 60, the deformable layer 60 is deformed to change the position, orientation, and shape of the reflective layer 50. It is possible to change.
  • the reflective layer 50 is provided at a position facing the light transmissive substrate 30 with the deformed layer 60 in between.
  • the reflective layer 50 is provided, for example, at a position facing the light transmitting portion 21.
  • the light emitting element 11, the light transmitting portion 21, and the reflecting layer 50 are arranged at positions where, for example, the optical axis of the light emitting element 11, the central axis of the light transmitting portion 21, and the central axis of the reflecting layer 50 overlap each other.
  • the reflective layer 50 has a reflecting surface that reflects the light of the light emitting element 11.
  • the reflective surface may be a flat surface or a curved surface.
  • the reflective surface of the reflective layer 50 is made of, for example, a metal material having a high reflectance with respect to the light of the light emitting element 11.
  • the reflective layer 50 is formed by, for example, depositing a metal material having a high reflectance with respect to the light of the light emitting element 11 on the surface of a rubber substrate, a plastic substrate, a Si substrate, or a glass substrate.
  • the reflective surface of the reflective layer 50 may be formed of, for example, a dielectric multilayer film having a high reflectance with respect to the light of the light emitting element 11.
  • the light-shielding portion 70 prevents external light from entering the reflection layer 50 and one or a plurality of light-receiving elements 22.
  • the light-shielding portion 70 covers the reflective layer 50, the deformed layer 60, and the light-transmitting substrate 30, and is fixed to the reflective layer 50, the deformed layer 60, and the light-transmitting substrate 30.
  • the light-shielding portion 70 is made of an organic material having flexibility and a property of absorbing external light and light of the light emitting element 11, and is made of, for example, silicone containing carbon black.
  • a trigger signal is input to the control circuit 23 from the outside via the wiring board 40. Then, when the trigger signal is input, the control circuit 23 outputs a signal for driving the light emitting element 11 to emit light to the light emitting element 11.
  • the control circuit 23 outputs a signal for driving the light emitting element 11 to emit light to the light emitting element 11.
  • a signal for driving light emission is input from the control circuit 23
  • the light emitting element 11 emits light toward the light transmitting unit 21.
  • the light emitted from the light emitting element 11 passes through the light transmitting portion 21 and then enters the reflecting layer 50 at a predetermined divergence angle.
  • the light emitted from the light emitting element 11 is reflected by the reflection layer 50 at a reflection angle according to the position, orientation, and shape of the reflection layer 50, and is incident on one or more light receiving elements 22.
  • the light incident on one or more light receiving elements 22 is photoelectrically converted by one or more light receiving elements 22 to become a digital light receiving signal 22A, which is output to the DSP circuit 24.
  • the DSP circuit 24 performs various signal processing on the input received light signal 22A.
  • the DSP circuit 24 calculates the displacement of the reflective layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) due to an external force based on, for example, the light-receiving signal 22A, and outputs the displacement to the SerDes circuit 25.
  • the SerDes circuit 25 performs serial / parallel conversion of the signal input from the DSP circuit 24, and outputs packet data as measurement data 25A to the outside.
  • the optical 3-axis force sensor 1 executes the above process each time a trigger signal is input from the outside.
  • the light emitting substrate 10 having the light emitting element 11 and the circuit substrate 20 having one or more light receiving elements 22 are laminated, and the light of the light emitting element 11 emitted through the light transmitting portion 21 is laminated.
  • the light reflected by the reflective layer 50 is received by one or more light receiving elements 22.
  • the size of each optical 3-axis force sensor 1 can be reduced as compared with the case where the light emitting element 11 and one or more light receiving elements 22 are provided on the same surface or formed on a common substrate. It can be made smaller.
  • a plurality of optical 3-axis force sensors 1 can be arranged at a high density.
  • one or more light receiving elements 22 are formed on the upper surface of the circuit board 20, the light emitting board 10 is arranged at a position facing the lower surface of the circuit board 20, and the circuit is interposed via the plurality of bumps 12. It is laminated on the substrate 20.
  • the size of each optical 3-axis force sensor 1 can be reduced as compared with the case where the light emitting element 11 and one or more light receiving elements 22 are provided on the same surface or formed on a common substrate. It can be made smaller.
  • a plurality of optical 3-axis force sensors 1 can be arranged at a high density.
  • a control circuit 23 that controls the light emission of the light emitting element 11 and a processing circuit (DSP circuit 24, SerDes circuit) that processes the light receiving signal 22A obtained by one or more light receiving elements 22. 25) is provided.
  • DSP circuit 24, SerDes circuit a processing circuit that processes the light receiving signal 22A obtained by one or more light receiving elements 22. 25
  • the wiring board 40 is provided at a position facing the circuit board 20 with the light emitting board 10 in between, and the wiring board 40 is laminated on the circuit board 20 via the bumps 26. In this way, by providing the wiring board 40 for each optical 3-axis force sensor 1, a plurality of optical 3-axis force sensors 1 can be arranged at high density even on a curved surface.
  • the light transmitting portion 21 is a through hole penetrating the circuit board 20.
  • the light emitted from the light emitting element 11 can reach the reflective layer 50 without being attenuated by the light transmitting portion 21.
  • a plurality of light receiving elements 22 are arranged around the light transmitting portion 21.
  • the plurality of light receiving elements 22 can accurately capture the change in the reflected light according to the position, orientation, and shape of the reflective layer 50 changed by the external force.
  • the displacement of the reflective layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) can be accurately calculated.
  • the reflective layer 50, the light-transmitting deformable layer 60 that supports the reflective layer 50 and is deformable by an external force, and external light are incident on the reflective layer 50 and one or a plurality of light receiving elements 22.
  • a light-shielding portion 70 is provided to prevent the light-shielding.
  • the deformed layer 60 is fixed to the light transmissive substrate 30, and the light-shielding portion 70 covers the reflective layer 50, the deformed layer 60, and the light transmissive substrate 30.
  • the influence of external light can be reduced, so that the displacement of the reflective layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) can be accurately calculated in the DSP circuit 24.
  • the reflective layer 50 is fixed to the light-shielding portion 70 and is in contact with the deformed layer 60 without being fixed, and the light-shielding portion 70 is detachably attached to the light-transmitting substrate 30. You may. Further, in the above embodiment, the reflective layer 50 and the deformed layer 60 are fixed to the light-shielding portion 70 and are in contact with the light-transmitting substrate 30 without being fixed, and the light-shielding portion 70 is attached to the light-transmitting substrate 30. On the other hand, it may be configured to be removable.
  • the light-shielding portion 70 may have a mechanism 71 that can be attached to and detached from the light-transmitting substrate 30, for example, as shown in FIG.
  • the mechanism 71 has, for example, a configuration in which it is detachably fitted to the light transmissive substrate 30. In this case, the light-shielding portion 70 can be easily replaced when the light-shielding portion 70 is deteriorated.
  • the light-transmitting substrate 30 is a light-emitting element on the upper surface (the surface on the reflective layer 50 side) of a quartz substrate 31 such as glass, as shown in FIG. 6, for example. It may be configured to have a half mirror layer 32 that reflects a part of the light of 11. In this case, in the region 20a near the light transmitting portion 21, the reflected light L1 in the half mirror layer 32 and the reflected light L2 in the reflecting layer 50 interfere with each other according to the displacement of the reflecting layer 50. Stripes occur.
  • the DSP circuit 24 performs predetermined signal processing on the light receiving signal 22A obtained by the plurality of light receiving elements 22 provided in the region 20a near the light transmitting portion 21 among the plurality of light receiving elements 22. Therefore, interference fringes corresponding to the displacement of the reflective layer 50 can be detected.
  • the DSP circuit 24 can calculate the displacement of the reflective layer 50 in the Z-axis direction with higher accuracy based on the detected interference fringes.
  • the reflective layer 50 may have regular irregularities on the reflective surface.
  • the reflective layer 50 has a reflective surface in which a plurality of concave portions 51 and a plurality of convex portions 52 are arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction. doing.
  • the plurality of recesses 51 are formed on the reflective surface so that the occupied area of the plurality of recesses 51 is, for example, about 25% of the entire reflective surface.
  • the depth of each recess 51 is, for example, about 100 nm.
  • the amount of light received from the plurality of convex portions 52 shows, for example, the displacement as shown in FIG.
  • the amount of light received from the plurality of recesses 51 shows, for example, the displacement as shown in FIG. 8B with respect to the displacement of the reflective layer 50 in the Z-axis direction.
  • the amount of light received from the plurality of recesses 51 is about 1/3 of the amount of light received from the plurality of convex portions 52, and the phase of the amount of light received from the plurality of recesses 51 is It can be seen that the phase of the amount of light received from the plurality of convex portions 52 is slightly out of phase. Therefore, for example, as shown in FIG. 8C, the reflected light from the plurality of convex portions 52 and the reflected light from the plurality of concave portions 51 generate interference fringes according to the displacement of the reflective layer 50. The interference fringes do not have a symmetrical waveform centered on the peak, but have an asymmetrical waveform.
  • the DSP circuit 24 starts integrating the received light amount when the light amount of the interference fringes exceeds 50%, and ends the integration of the received light amount when the light amount of the interference fringes becomes 50% or less.
  • the peak of the amount of light is in the first half or the second half of the total amount of light, it can be determined whether the displacement of the reflective layer 50 in the Z-axis direction is in the + direction or the-direction.
  • FIG. 9 shows a plan configuration example of the optical 3-axis force sensor module 2 according to the present embodiment.
  • FIG. 10 shows an example of the cross-sectional configuration of the optical 3-axis force sensor module 2 of FIG. 9 taken along the line AA.
  • the optical 3-axis force sensor module 2 includes a plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected in series via a connecting line 80.
  • the connection line 80 is based on, for example, a clock pair differential line and a data pair differential line, and is composed of several other types of control lines.
  • the optical 3-axis force sensor 1 corresponds to a specific example of the "optical sensor module" of the present disclosure.
  • the light-shielding portion 70 is provided in common to each optical 3-axis force sensor 1 to prevent external light from being incident on one or a plurality of light receiving elements 22, and also to prevent external light from being incident on one or a plurality of light receiving elements 22.
  • the 3-axis force sensor 1 is fixed to the series.
  • the light-shielding portion 70 corresponds to a specific example of the "organic member" of the present disclosure.
  • the connection line 80 and the wiring board 40 (specifically, the wiring 41) are connected, and the connection line 80 and the circuit board 20 (specifically, the control circuit 23 and SerDes) are connected.
  • the circuit 25) is electrically connected.
  • the gap G between the two wiring boards 40 adjacent to each other is smaller than the arrangement pitch P of the plurality of optical 3-axis force sensors 1.
  • the arrangement pitch P is, for example, about 1 mm.
  • the optical 3-axis force sensor module 2 is an optical 3 arranged at one end of a plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series.
  • a control element 81 connected to the axial force sensor 1 (1A) via a connecting line 80 is provided.
  • the control element 81 controls the light emission of the light emitting element 11 in each optical 3-axis force sensor 1.
  • the control element 81 outputs a trigger signal for controlling the light emission of the light emitting element 11 to the optical 3-axis force sensor 1A at a predetermined cycle.
  • the optical 3-axis force sensor 1A When the trigger signal is input, the optical 3-axis force sensor 1A outputs a signal for driving the light emitting element 11 to emit light, and outputs the generated packet data as the measurement data 25A to the light emitting element 11 via the connection line 80. Then, the data is output to the optical 3-axis force sensor 1 adjacent to the optical 3-axis force sensor 1A. When the optical 3-axis force sensor 1 adjacent to the optical 3-axis force sensor 1A receives packet data as measurement data 25A from the optical 3-axis force sensor 1A via the connection line 80. This input is regarded as a trigger signal for controlling the light emission of the light emitting element 11, and a signal for driving the light emitting element 11 to emit light is output to the light emitting element 11.
  • the optical 3-axis force sensor 1 adjacent to the optical 3-axis force sensor 1A includes the measurement data 25A obtained by the optical 3-axis force sensor 1A and the measurement data 25A obtained by its own measurement.
  • the packet data is output to the adjacent optical 3-axis force sensor 1 via the connection line 80.
  • light emission control and data transmission are performed in this way by the bucket brigade method.
  • the optical 3-axis force sensor module 2 further includes, for example, as shown in FIG. 9, the optics arranged at the other end of the plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series.
  • An interface element 82 connected to the three-axis force sensor 1 (1B) via a connecting line 80 is provided.
  • the interface element 82 outputs a signal (packet data including measurement data 25A) corresponding to the light receiving signal 22A or the light receiving signal 22A obtained by one or more light receiving elements 22 in each optical 3-axis force sensor 1 to the outside. To do.
  • the optical 3-axis force sensor module 2 further includes, for example, as shown in FIG. 9, a power supply circuit 83 that supplies power to a plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series. ing.
  • the power supply circuit 83 supplies the power supply voltage Vcc from the optical 3-axis force sensor 1A side in the plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series.
  • the light-shielding portion 70 is provided in common to each optical 3-axis force sensor 1 to prevent external light from being incident on one or a plurality of light receiving elements 22, and also to prevent external light from being incident on one or a plurality of light receiving elements 22.
  • the 3-axis force sensor 1 is fixed to the series. As a result, a plurality of optical 3-axis force sensors 1 can be arranged at a higher density than when the individual optical 3-axis force sensors 1 are arranged separately.
  • each optical 3-axis force sensor 1 is provided with a reflective layer 50 and a light-transmitting deformable layer 60 that supports the reflective layer 50 and is deformable by an external force.
  • the change in the reflected light according to the position, orientation, and shape of the reflective layer 50 changed by the external force can be accurately captured by one or more light receiving elements 22.
  • the displacement of the reflective layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) can be accurately calculated.
  • the deformable layer 60 is fixed to the light transmissive substrate 30, and the light-shielding portion 70 is the reflective layer 50, the deformable layer 60, and the light transmissive substrate. It covers 30.
  • the influence of external light can be reduced, so that the displacement of the reflective layer 50 in the three-axis directions (X-axis, Y-axis, Z-axis) can be accurately calculated in the DSP circuit 24.
  • control element 81 and the interface element 82 are provided.
  • the light emission control of the plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series and the transmission of the data obtained by the plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series can be transmitted by the bucket brigade method. It becomes possible to do. Therefore, light emission control and data transmission can be realized by a simple method.
  • the arrangement pitch of the plurality of optical 3-axis force sensors 1 is smaller than the size of the wiring board 40. As a result, a plurality of optical 3-axis force sensors 1 can be arranged at a high density.
  • the optical 3-axis force sensor module 2 includes a large number of optical 3-axis force sensors 1, for example, as shown in FIG. 11, a plurality of optical types 3 connected to the series. It is preferable that the axial force sensor 1 has a zigzag meandering layout.
  • the power supply circuit 83 supplies the power supply voltage Vcc from the U-turn portion 2A side of the plurality of optical 3-axis force sensors 1 connected to the series, and the plurality of optics connected to the series.
  • the reference voltage GND can be supplied to the U-turn portion 2B side corresponding to the U-turn portion 2A. This prevents sensor malfunction due to voltage drop.
  • the reflective layer 50 is fixed to the light-shielding portion 70 and is in contact with the deformed layer 60 without being fixed, so that the light-shielding portion 70 can be attached to and detached from the light-transmitting substrate 30. It may have been done. Further, in the present embodiment, the reflective layer 50 and the deformed layer 60 are fixed to the light-shielding portion 70 and are in contact with the light-transmitting substrate 30 without being fixed, so that the light-shielding portion 70 is attached to the light-transmitting substrate 30. On the other hand, it may be configured to be removable. In these cases, the light-shielding unit 70 may have, for example, the mechanism 71 described above. In this case, the deformed layer 60 can be easily replaced when the deformed layer 60 is deteriorated.
  • the light-shielding portion 70 is, for example, as shown in FIG. 12, a fixed portion 72 fixed to the light transmissive substrate 30 and a fixed portion 72 in a state of being detachable from the fixed portion 72. It may be composed of the exchange part 73 which is in contact with the exchange part 73.
  • the deformable layer 60 may be fixed to the exchange portion 73 and may be in contact with the light transmissive substrate 30 without being fixed.
  • the upper surface of the fixing portion 72 (the boundary portion between the fixing portion 72 and the replacement portion 73) is the upper surface of the light transmitting substrate 30 (light transmitting). It is preferable that they are arranged in the same plane as (the boundary portion between the sex substrate 30 and the deformable layer 60) or at a position below it.
  • the deformable layer 60 may be fixed to the light transmissive substrate 30 and may be in contact with the replacement portion 73 without being fixed. At this time, the deformable layer 60 may or may not be in contact with the fixed portion 72.
  • the light-shielding portion 70 By forming the light-shielding portion 70 with the fixing portion 72 and the replacement portion 73 in this way, when the surface of the light-shielding portion 70 (the surface of the replacement portion 73) is deteriorated, the deteriorated portion (replacement portion 73) can be removed. Can be easily replaced.
  • the present disclosure may have the following structure.
  • An optical sensor comprising a circuit board having one or more light receiving elements that receive light.
  • the one or more light receiving elements are formed on the first main surface of the circuit board.
  • the light emitting substrate is arranged at a position of the circuit board facing the second main surface opposite to the first main surface, and is laminated on the circuit board via the first bump (1). ).
  • the optical sensor comprising a circuit board having one or more light receiving elements that receive light.
  • the optics according to (1) or (2) further comprising a control circuit for controlling light emission of the light emitting element and a processing circuit for processing a light receiving signal obtained by the one or a plurality of light receiving elements.
  • Type sensor. It has wiring for electrically connecting the external circuit, the control circuit, and the processing circuit, is arranged at a position facing the circuit board with the light emitting board in between, and via a second bump.
  • the optical sensor according to (3) further comprising a wiring board laminated on the circuit board.
  • a light transmissive substrate that supports the circuit board is further provided. The deformed layer is fixed to the light transmissive substrate and is fixed to the light transmissive substrate.
  • a light transmissive substrate that supports the circuit board is further provided.
  • the deformed layer is fixed to the light-shielding portion and is fixed to the light-shielding portion.
  • the optical sensor according to (7), wherein the light-shielding portion is detachably attached to the light-transmitting substrate.
  • a light transmissive substrate that supports the circuit board is further provided.
  • the light transmissive substrate has a half mirror layer on the surface opposite to the circuit board.
  • the optical sensor according to (7), wherein the plurality of light receiving elements are arranged in a region near the light transmitting portion and a region away from the light transmitting portion.
  • the reflective layer has regular irregularities on the reflective surface.
  • An optical sensor module that is commonly provided for each of the optical sensors and has an organic member that prevents external light from entering the one or more light receiving elements and fixes the plurality of optical sensors in a series.
  • Each of the optical sensors With the reflective layer
  • Each of the optical sensors further comprises a light transmissive substrate that supports the circuit board. The deformed layer is fixed to the light transmissive substrate and is fixed to the light transmissive substrate.
  • Each of the optical sensors further comprises a light transmissive substrate that supports the circuit board.
  • the deformed layer is fixed to the organic member, and is fixed to the organic member.
  • the first optical sensor arranged at one end is connected to the first optical sensor via the connection line, and the light emitting element in each of the optical sensors
  • the optical sensor module according to any one of (13) to (16) wherein the gap between the two wiring boards adjacent to each other is smaller than the arrangement pitch of the plurality of optical sensors.
  • a light emitting substrate having a light emitting element and a circuit substrate having one or a plurality of light receiving elements are laminated and emitted via a light transmitting portion.
  • the light of the light emitting element the light reflected by the reflecting layer is received by one or a plurality of light receiving elements, so that a plurality of optical sensors can be arranged at a high density.
  • the effects of the present disclosure are not necessarily limited to the effects described herein, and may be any of the effects described herein.

Landscapes

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Abstract

本開示の一実施形態に係る光学式センサは、発光素子を有する発光基板と、回路基板とを備えている。回路基板は、発光素子と対向する位置に設けられ、発光素子の光を透過させる光透過部と、光透過部を介して出射された発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有する。１または複数の受光素子は、例えば、回路基板の第１主面に形成される。発光基板は、例えば、回路基板の、第１主面とは反対側の第２主面と対向する位置に配置されるとともに、第１バンプを介して回路基板に積層される。

Description

光学式センサおよび光学式センサモジュール
　本開示は、光学式センサおよび光学式センサモジュールに関する。
　ロボットによる物体のハンドリングを制御するために、ロボットには多くのセンサが用いられる。ロボットに用いられ得るセンサが、例えば、下記の特許文献１，２に開示されている。
米国特許出願公開第２０１０／０２５３６５０号 特開２０１５－１９７３５７号
　ところで、多数のセンサを高密度に配置することが可能になれば、単体のセンサからは得られ難い様々な情報が得られる。特に、ロボットの分野では、ロボットハンドの先端部分に多数のセンサを高密度に配置することが可能になれば、ロボットハンドを更に精密に制御することも可能となる。従って、高密度に配置することの可能な光学式センサおよび光学式センサモジュールを提供することが望ましい。
　本開示の一実施形態に係る光学式センサは、発光素子を有する発光基板と、回路基板とを備えている。回路基板は、発光素子と対向する位置に設けられ、発光素子の光を透過させる光透過部と、光透過部を介して出射された発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有している。
　本開示の一実施形態に係る光学式センサモジュールは、接続線を介してシリーズに接続された複数の光学式センサを備えている。各光学式センサは、発光素子を有する発光基板と、回路基板とを有している。回路基板は、発光素子と対向する位置に設けられ、発光素子の光を透過させる光透過部と、光透過部を介して出射された発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有している。この光学式センサモジュールは、さらに、配線基板と、有機部材とを有している。配線基板は、接続線と回路基板とを電気的に接続するための配線を有している。有機部材は、各光学式センサに共通に設けられ、外光が１または複数の受光素子に入射するのを妨げるとともに、複数の光学式センサをシリーズに固定する。
　本開示の一実施形態に係る光学式センサおよび光学式センサモジュールでは、発光素子を有する発光基板と、１または複数の受光素子を有する回路基板とが積層されており、光透過部を介して出射された発光素子の光のうち、反射層によって反射された光が１または複数の受光素子によって受光される。これにより、発光素子と、１または複数の受光素子とを同一面上に設けたり、共通の基板に形成したりした場合と比べて、個々のセンサのサイズを小さくすることができる。
本開示の第１の実施の形態に係る光学式３軸力覚センサの断面構成例を表す図である。 図１の光学式３軸力覚センサの上面構成例を表す図である。 図１の光学式３軸力覚センサの機能ブロック例を表す図である。 （Ａ）図１の回路基板の上面構成例を表す図である。（Ｂ）図１の回路基板の上面構成例を表す図である。 図１の光学式３軸力覚センサの断面構成の一変形例を表す図である。 図１の光学式３軸力覚センサの断面構成の一変形例を表す図である。 図１の反射層の反射面の一変形例を表す図である。 （Ａ）図７の凸部からの受光量の波形の一例を表す図である。（Ｂ）図７の凹部からの受光量の波形の一例を表す図である。（Ｃ）図８（Ａ）の受光量の波形と、図８（Ｂ）の受光量の波形を重ね合わせた波形の一例を表す図である。 本開示の第２の実施の形態に係る光学式３軸力覚センサモジュールの平面構成例を表す図である。 図９の光学式３軸力覚センサモジュールの断面構成例を表す図である。 図９の光学式３軸力覚センサモジュールの平面構成の一変形例を表す図である。 図９の光学式３軸力覚センサモジュールの断面構成の一変形例を表す図である。
　以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比などについても、それらに限定されるものではない。なお、説明は、以下の順序で行う。

　　１．第１の実施の形態（光学式３軸力覚センサ）
　　２．変形例（光学式３軸力覚センサ）
　　３．第２の実施の形態（光学式３軸力覚センサモジュール）
＜１．第１の実施の形態＞
[構成]
　本開示の第１の実施の形態に係る光学式３軸力覚センサ１の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る光学式３軸力覚センサ１の断面構成例を表したものである。図２は、図１の光学式３軸力覚センサ１の上面構成例を表したものである。光学式３軸力覚センサ１は、発光基板１０、回路基板２０、光透過性基板３０、配線基板４０、反射層５０、変形層６０および遮光部７０を備えている。光学式３軸力覚センサ１が、本開示の「光学式センサ」の一具体例に相当する。
　発光基板１０および回路基板２０が互いに積層されている。発光基板１０は、回路基板２０の下面（第２主面）と対向する位置に配置されている。光透過性基板３０は、回路基板２０の上面（第１主面）と対向する位置に配置されている。配線基板４０は、発光基板１０を間にして、回路基板２０と対向する位置に配置されている。反射層５０および変形層６０は、光透過性基板３０の上面と対向する位置に配置されている。反射層５０は、変形層６０を介して、光透過性基板３０と対向する位置に配置されている。遮光部７０は、反射層５０、変形層６０および光透過性基板３０を覆っている。
　発光基板１０は、発光素子１１を有している。発光素子１１は、発光基板１０の上面（回路基板２０側の面）に設けられている。発光素子１１は、例えば、発光基板１０の中央部分に設けられている。発光基板１０は、例えば、ＧａＡｓ基板上に発光素子１１が設けられた構成となっている。発光素子１１は、例えば、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL、Vertical Cavity Surface Emitting LASER）によって構成されている。発光素子１１は、端面発光型のレーザや、ＬＥＤによって構成されていてもよい。発光素子１１は、所定の発散角を有する光を出射する。
　回路基板２０は、発光素子１１の光を透過させる光透過部２１を有している。光透過部２１は、発光素子１１と対向する位置に設けられており、例えば、回路基板２０の中央部分に設けられている。光透過部２１は、例えば、図１に示したように、回路基板２０を貫通する貫通孔である。回路基板２０は、さらに、光透過部２１を介して出射された発光素子１１の光のうち、反射層５０によって反射された光を受光する１または複数の受光素子２２を有している。１または複数の受光素子２２は、回路基板２０の上面（発光基板１０とは反対側の面）に形成されている。回路基板２０は、例えば、図３に示したように、１または複数の受光素子２２が形成された受光基板２０－１を有している。
　１または複数の受光素子２２は、光透過部２１の周囲に配置されている。複数の受光素子２２が回路基板２０の上面に形成されている場合、複数の受光素子２２は、例えば、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示したように、回路基板２０の上面において、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に配列されている。Ｘ軸およびＹ軸は、回路基板２０の上面と平行な面内における２軸に相当する。複数の受光素子２２は、例えば、光透過部２１の近傍の領域２０ａと、光透過部２１から離れた領域２０ｂとに配置されている。なお、図４（Ａ）には、４個の受光素子２２が光透過部２１の近傍の領域２０ａに形成されるとともに、４個の受光素子２２が光透過部２１から離れた領域２０ｂに形成されている場合が例示されている。また、図４（Ｂ）には、８個の受光素子２２が光透過部２１の近傍の領域２０ａに形成されるとともに、４個の受光素子２２が光透過部２１から離れた領域２０ｂに形成されている場合が例示されている。受光素子２２は、例えば、ＰＤ（フォトダイオード）、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）、またはＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）によって構成されている。
　回路基板２０は、例えば、図３に示したように、発光素子１１の発光を制御する制御回路２３と、１または複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａを処理するＤＳＰ（Digital Signal Processing）回路２４と、ＳｅｒＤｅｓ（SERializer/DESerializer）回路２５とを有している。制御回路２３は、トリガー信号が入力されると、発光素子１１を発光駆動させる信号を発光素子１１に出力する。発光素子１１は、制御回路２３から、発光駆動させる信号が入力されると、光透過部２１に向かって光を出射する。
　ＤＳＰ回路２４は、１または複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａに対して各種の信号処理を行う。ＤＳＰ回路２４は、例えば、１または複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａに基づいて、外力による反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を計算し、外部に出力する。Ｚ軸は、回路基板２０の上面の法線と平行な１軸に相当する。ＳｅｒＤｅｓ回路２５は、ＤＳＰ回路２４から入力された信号のシリアル／パラレル変換を行う。ＳｅｒＤｅｓ回路２５は、シリアル／パラレル変換後の信号を、測定データ２５Ａ（パケットデータ）として外部に出力する。ＤＳＰ回路２４およびＳｅｒＤｅｓ回路２５が、本開示の「処理回路」の一具体例に相当する。回路基板２０は、例えば、図３に示したように、制御回路２３、ＤＳＰ回路２４およびＳｅｒＤｅｓ回路２５が形成された信号処理基板２０－２を有している。受光基板２０－１は、例えば、信号処理基板２０－２上に積層されている。
　発光基板１０のＸＹ面内のサイズは、例えば、回路基板２０のＸＹ面内のサイズよりも小さくなっている。発光基板１０は、例えば、回路基板２０の下面の中央部分に、複数のバンプ１２を介して積層されている。バンプ１２は、本開示の「第１バンプ」の一具体例に相当する。バンプ１２は、例えば、半田材料で形成されている。発光基板１０（発光素子１１）は、複数のバンプ１２を介して、回路基板２０（制御回路２３およびＤＳＰ回路２４）と電気的に接続されている。
　光透過性基板３０は、回路基板２０を支持する基板であり、発光素子１１の光を透過する。光透過性基板３０は、例えば、ガラスなどの石英基板を含んで構成されている。光透過性基板３０に下面（例えば、石英基板の表面に）に、回路基板２０が貼り合わされている。光透過性基板３０のＸＹ面内のサイズは、例えば、回路基板２０のＸＹ面内のサイズと同一またはほぼ同一となっている。
　配線基板４０は、外部回路と回路基板２０（制御回路２３およびＳｅｒＤｅｓ回路２５）とを電気的に接続するための配線４１を有している。配線基板４０は、例えば、配線４１と、配線４１を支持する樹脂層とによって構成された可撓性基板である。配線基板４０の上面には、発光基板１０および回路基板２０が実装されている。回路基板２０は、例えば、配線基板４０の上面に、複数のバンプ２６を介して積層されている。バンプ２６は、本開示の「第２バンプ」の一具体例に相当する。発光基板１０は、複数のバンプ２６によって回路基板２０と配線基板４０との間に形成される間隙に配置されている。バンプ２６は、例えば、半田材料で形成されている。回路基板２０は、複数のバンプ２６を介して、配線基板４０（配線４１）と電気的に接続されている。
　変形層６０は、反射層５０を支持する。変形層６０は、光透過性基板３０の上面に固定されている。変形層６０は、外力により変形可能な柔軟性と、発光素子１１の光を透過する性質とを有する有機材料によって構成されており、例えば、シリコーンによって構成されている。変形層６０は、例えば、ドーム形状、または、台形状となっており、変形層６０に外力が加えられたときに、変形層６０が変形することによって、反射層５０の位置や向き、形状を変化させることが可能となっている。
　反射層５０は、変形層６０を間にして、光透過性基板３０と対向する位置に設けられている。反射層５０は、例えば、光透過部２１と対向する位置に設けられている。発光素子１１、光透過部２１および反射層５０は、例えば、発光素子１１の光軸と、光透過部２１の中心軸と、反射層５０の中心軸とが互いに重なり合う位置に配置されている。反射層５０は、発光素子１１の光を反射する反射面を有している。反射面は、平坦面になっていてもよいし、曲面になっていてもよい。反射層５０の反射面は、例えば、発光素子１１の光に対して高い反射率を有する金属材料によって構成されている。反射層５０は、例えば、ゴム基板、プラスチック基板、Ｓｉ基板もしくはガラス基板の表面に、発光素子１１の光に対して高い反射率を有する金属材料を蒸着することによって形成されたものである。反射層５０の反射面は、例えば、発光素子１１の光に対して高い反射率を有する誘電多層膜によって構成されていてもよい。
　遮光部７０は、外光が反射層５０および１または複数の受光素子２２に入射するのを妨げる。遮光部７０は、反射層５０、変形層６０および光透過性基板３０を覆っており、反射層５０、変形層６０および光透過性基板３０に固定されている。遮光部７０は、柔軟性と、外光や、発光素子１１の光を吸収する性質とを有する有機材料によって構成されており、例えば、カーボンブラックを含有するシリコーンによって構成されている。
[動作]
　次に、光学式３軸力覚センサ１の動作について説明する。
　外部から、配線基板４０を介して制御回路２３にトリガー信号が入力される。すると、制御回路２３は、トリガー信号が入力されると、発光素子１１を発光駆動させる信号を発光素子１１に出力する。発光素子１１は、制御回路２３から、発光駆動させる信号が入力されると、光透過部２１に向かって光を出射する。発光素子１１から出射された光は、光透過部２１を透過した後、所定の発散角で反射層５０に入射する。発光素子１１から出射された光は、反射層５０において、反射層５０の位置や向き、形状に応じた反射角で反射され、１または複数の受光素子２２に入射する。１または複数の受光素子２２に入射した光は、１または複数の受光素子２２において光電変換され、デジタルの受光信号２２Ａとなって、ＤＳＰ回路２４に出力される。ＤＳＰ回路２４は、入力された受光信号２２Ａに対して各種の信号処理を行う。ＤＳＰ回路２４は、例えば、受光信号２２Ａに基づいて、外力による反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を計算し、ＳｅｒＤｅｓ回路２５に出力する。ＳｅｒＤｅｓ回路２５は、ＤＳＰ回路２４から入力された信号のシリアル／パラレル変換を行い、測定データ２５Ａとしてのパケットデータを外部に出力する。光学式３軸力覚センサ１は、外部から、トリガー信号が入力されるたびに、上記の処理を実行する。
[効果]
　次に、光学式３軸力覚センサ１の効果について説明する。
　本実施の形態では、発光素子１１を有する発光基板１０と、１または複数の受光素子２２を有する回路基板２０とが積層されており、光透過部２１を介して出射された発光素子１１の光のうち、反射層５０によって反射された光が１または複数の受光素子２２によって受光される。これにより、発光素子１１と、１または複数の受光素子２２とを同一面上に設けたり、共通の基板に形成したりした場合と比べて、個々の光学式３軸力覚センサ１のサイズを小さくすることができる。その結果、複数の光学式３軸力覚センサ１を高密度に配置することができる。
　本実施の形態では、１または複数の受光素子２２が回路基板２０の上面に形成され、発光基板１０が回路基板２０の下面と対向する位置に配置されるとともに、複数のバンプ１２を介して回路基板２０に積層されている。これにより、発光素子１１と、１または複数の受光素子２２とを同一面上に設けたり、共通の基板に形成したりした場合と比べて、個々の光学式３軸力覚センサ１のサイズを小さくすることができる。その結果、複数の光学式３軸力覚センサ１を高密度に配置することができる。
　本実施の形態では、回路基板２０において、発光素子１１の発光を制御する制御回路２３と、１または複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａを処理する処理回路（ＤＳＰ回路２４、ＳｅｒＤｅｓ回路２５）が設けられている。これにより、これらの回路を配線基板４０や、外部に設けた場合と比べて、個々の光学式３軸力覚センサ１のサイズを小さくすることができる。その結果、複数の光学式３軸力覚センサ１を高密度に配置することができる。
　本実施の形態では、発光基板１０を間にして、回路基板２０と対向する位置に配線基板４０が設けられており、配線基板４０がバンプ２６を介して回路基板２０に積層されている。このように、光学式３軸力覚センサ１ごとに配線基板４０を設けることで、複数の光学式３軸力覚センサ１を、曲面に対しても高密度に配置することができる。
　本実施の形態では、光透過部２１が回路基板２０を貫通する貫通孔となっている。これにより、発光素子１１から出射された光を、光透過部２１で減衰させることなく、反射層５０に到達させることができる。その結果、発光素子１１のパワーを過度に大きくする必要がないので、光学式３軸力覚センサ１における消費電力を低く抑えることが可能となる。
　本実施の形態では、複数の受光素子２２が光透過部２１の周囲に配置されている。これにより、外力によって変化した反射層５０の位置や向き、形状に応じた、反射光の変化を複数の受光素子２２において正確に捉えることができる。その結果、ＤＳＰ回路２４において、反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を正確に計算することができる。
　本実施の形態では、反射層５０と、反射層５０を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層６０と、外光が反射層５０および１または複数の受光素子２２に入射するのを妨げる遮光部７０とが設けられている。これにより、外力によって変化した反射層５０の位置や向き、形状に応じた、反射光の変化を１または複数の受光素子２２において正確に捉えることができる。その結果、ＤＳＰ回路２４において、反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を正確に計算することができる。
　本実施の形態では、変形層６０が光透過性基板３０に固定されており、遮光部７０が、反射層５０、変形層６０および光透過性基板３０を覆っている。これにより、外光による影響を低減することができるので、ＤＳＰ回路２４において、反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を正確に計算することができる。
＜２．変形例＞
　次に、上記実施の形態に係る光学式３軸力覚センサ１の変形例について説明する。
[変形例Ａ]
　上記実施の形態において、反射層５０が遮光部７０に固定されるとともに、変形層６０には固定されずに接しており、遮光部７０が光透過性基板３０に対して着脱可能に構成されていてもよい。また、上記実施の形態において、反射層５０および変形層６０が遮光部７０に固定されるとともに、光透過性基板３０には固定されずに接しており、遮光部７０が光透過性基板３０に対して着脱可能に構成されていてもよい。これらの場合に、遮光部７０は、例えば、図５に示したように、光透過性基板３０に対して着脱可能な機構７１を有していてもよい。機構７１は、例えば、光透過性基板３０に対して着脱可能に嵌合する構成を有している。このようにした場合には、遮光部７０が劣化した場合などに、遮光部７０を容易に交換することができる。
[変形例Ｂ]
　上記第１の実施の形態およびその変形例において、光透過性基板３０は、例えば、図６に示したように、ガラスなどの石英基板３１の上面（反射層５０側の面）に、発光素子１１の光の一部を反射するハーフミラー層３２を有する構成となっていてもよい。このようにした場合には、光透過部２１の近傍の領域２０ａにおいて、ハーフミラー層３２での反射光Ｌ１と、反射層５０での反射光Ｌ２とによって、反射層５０の変位に応じた干渉縞が生じる。そのため、ＤＳＰ回路２４は、複数の受光素子２２のうち、光透過部２１の近傍の領域２０ａに設けられた複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａに対して所定の信号処理をすることにより、反射層５０の変位に応じた干渉縞を検出することができる。ＤＳＰ回路２４は、検出した干渉縞に基づいて、反射層５０のＺ軸方向の変位をより高い精度で計算することができる。
[変形例Ｃ]
　上記第１の実施の形態およびその変形例において、反射層５０が、反射面に規則的な凹凸を有していてもよい。反射層５０が、例えば、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示したように、複数の凹部５１および複数の凸部５２がＸ軸方向およびＹ軸方向に配列された反射面を有している。複数の凹部５１の占有面積が、例えば、反射面全体の２５％程度の面積となるように、複数の凹部５１が反射面に形成されている。各凹部５１の深さは、例えば、１００ｎｍ程度なっている。このとき、複数の凸部５２からの受光量は、反射層５０のＺ軸方向の変位に対して、例えば、図８（Ａ）に示したような変位を示す。一方、複数の凹部５１からの受光量は、反射層５０のＺ軸方向の変位に対して、例えば、図８（Ｂ）に示したような変位を示す。
　図８（Ａ）、図８（Ｂ）から、複数の凹部５１からの受光量は、複数の凸部５２からの受光量の約１／３となり、複数の凹部５１からの受光量の位相は、複数の凸部５２からの受光量の位相から若干ずれることがわかる。そのため、例えば、図８（Ｃ）に示したように、複数の凸部５２からの反射光と、複数の凹部５１からの反射光とによって、反射層５０の変位に応じた干渉縞が生じる。この干渉縞は、ピークを中心とする対称な波形とはならず、非対称な波形となる。よって、ＤＳＰ回路２４は、例えば、干渉縞の光量が５０％を超えた時点で受光量の積算を開始し、干渉縞の光量が５０％以下となった時点で受光量の積算を終了し、光量のピークが総光量の前半にあるか、後半にあるかによって、反射層５０のＺ軸方向の変位が＋方向なのか、－方向なのか判定することができる。
＜３．第２の実施の形態＞
[構成] 
　本開示の第２の実施の形態に係る光学式３軸力覚センサモジュール２の構成について説明する。図９は、本実施の形態に係る光学式３軸力覚センサモジュール２の平面構成例を表したものである。図１０は、図９の光学式３軸力覚センサモジュール２のＡ－Ａ線での断面構成例を表したものである。光学式３軸力覚センサモジュール２は、接続線８０を介してシリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１を備えている。接続線８０は、例えば、クロックペア差動線およびデータペア差動線を基本とし、その他数種のコントロール線により構成されている。光学式３軸力覚センサ１が、本開示の「光学式センサモジュール」の一具体例に相当する。
　本実施の形態では、遮光部７０が、各光学式３軸力覚センサ１に共通に設けられており、外光が１または複数の受光素子２２に入射するのを妨げるとともに、複数の光学式３軸力覚センサ１をシリーズに固定している。遮光部７０が、本開示の「有機部材」の一具体例に相当する。各光学式３軸力覚センサ１において、接続線８０と配線基板４０（具体的には配線４１）とが接続されており、接続線８０と回路基板２０（具体的には制御回路２３およびＳｅｒＤｅｓ回路２５）とが電気的に接続されている。光学式３軸力覚センサモジュール２において、互いに隣接する２つの配線基板４０の間隙Ｇは、複数の光学式３軸力覚センサ１の配列ピッチＰよりも小さくなっている。配列ピッチＰは、例えば、１ｍｍ程度となっている。
　光学式３軸力覚センサモジュール２は、例えば、図９に示したように、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１のうち、一方の端部に配置された光学式３軸力覚センサ１（１Ａ）に対して、接続線８０を介して接続されたコントロール素子８１を備えている。コントロール素子８１は、各光学式３軸力覚センサ１における発光素子１１の発光を制御する。コントロール素子８１は、発光素子１１の発光を制御するトリガー信号を所定の周期で光学式３軸力覚センサ１Ａに出力する。
　光学式３軸力覚センサ１Ａは、トリガー信号が入力されると、発光素子１１を発光駆動させる信号を発光素子１１に出力し、生成した測定データ２５Ａとしてのパケットデータを、接続線８０を介して、光学式３軸力覚センサ１Ａに隣接する光学式３軸力覚センサ１に出力する。光学式３軸力覚センサ１Ａに隣接する光学式３軸力覚センサ１は、光学式３軸力覚センサ１Ａから、接続線８０を介して、測定データ２５Ａとしてのパケットデータが入力されると、この入力を、発光素子１１の発光を制御するトリガー信号とみなして、発光素子１１を発光駆動させる信号を発光素子１１に出力する。光学式３軸力覚センサ１Ａに隣接する光学式３軸力覚センサ１は、光学式３軸力覚センサ１Ａで得られた測定データ２５Ａと、自身の計測により得た測定データ２５Ａとを含むパケットデータを、接続線８０を介して、隣接する光学式３軸力覚センサ１に出力する。光学式３軸力覚センサモジュール２では、このようにして、バケツリレー方式で、発光制御およびデータ伝送が行われる。
　光学式３軸力覚センサモジュール２は、さらに、例えば、図９に示したように、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１のうち、他方の端部に配置された光学式３軸力覚センサ１（１Ｂ）に対して、接続線８０を介して接続されたインターフェース素子８２を備えている。インターフェース素子８２は、各光学式３軸力覚センサ１における１または複数の受光素子２２で得られた受光信号２２Ａもしくは受光信号２２Ａに対応する信号（測定データ２５Ａを含むパケットデータ）を外部に出力する。
　光学式３軸力覚センサモジュール２は、さらに、例えば、図９に示したように、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１に対して電力を供給する電源回路８３を備えている。電源回路８３は、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１において、光学式３軸力覚センサ１Ａ側から電源電圧Ｖｃｃを供給する。
[効果]
　次に、光学式３軸力覚センサモジュール２の効果について説明する。
　本実施の形態では、遮光部７０が、各光学式３軸力覚センサ１に共通に設けられており、外光が１または複数の受光素子２２に入射するのを妨げるとともに、複数の光学式３軸力覚センサ１をシリーズに固定している。これにより、個々の光学式３軸力覚センサ１を別体で配置した場合と比べて、複数の光学式３軸力覚センサ１を高密度に配置することができる。
　本実施の形態では、個々の光学式３軸力覚センサ１において、反射層５０と、反射層５０を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層６０とが設けられている。これにより、外力によって変化した反射層５０の位置や向き、形状に応じた、反射光の変化を１または複数の受光素子２２において正確に捉えることができる。その結果、ＤＳＰ回路２４において、反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を正確に計算することができる。
　本実施の形態では、個々の光学式３軸力覚センサ１において、変形層６０が光透過性基板３０に固定されており、遮光部７０が、反射層５０、変形層６０および光透過性基板３０を覆っている。これにより、外光による影響を低減することができるので、ＤＳＰ回路２４において、反射層５０の３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位を正確に計算することができる。
　本実施の形態では、コントロール素子８１およびインターフェース素子８２が設けられている。これにより、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１の発光制御や、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１で得られたデータの伝送をバケツリレー方式で行うことが可能となる。従って、簡易な方法で、発光制御およびデータ伝送を実現することができる。
　本実施の形態では、複数の光学式３軸力覚センサ１の配列ピッチが、配線基板４０のサイズよりも小さくなっている。これにより、複数の光学式３軸力覚センサ１を高密度に配置することができる。
　なお、光学式３軸力覚センサモジュール２が多数の光学式３軸力覚センサ１を備えている場合には、例えば、図１１に示したように、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１がジグザグに蛇行したレイアウトとなっていることが好ましい。このようにした場合には、電源回路８３は、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１におけるＵターン部分２Ａ側から電源電圧Ｖｃｃを供給し、シリーズに接続された複数の光学式３軸力覚センサ１において、Ｕターン部分２Ａに対応するＵターン部分２Ｂ側に基準電圧ＧＮＤを供給することができる。これにより、電圧降下によるセンサ不具合が防止される。
　また、本実施の形態において、反射層５０が遮光部７０に固定されるとともに、変形層６０には固定されずに接しており、遮光部７０が光透過性基板３０に対して着脱可能に構成されていてもよい。また、本実施の形態において、反射層５０および変形層６０が遮光部７０に固定されるとともに、光透過性基板３０には固定されずに接しており、遮光部７０が光透過性基板３０に対して着脱可能に構成されていてもよい。これらの場合に、遮光部７０が、例えば、上述した機構７１を有していてもよい。このようにした場合には、変形層６０が劣化した場合などに、変形層６０を容易に交換することができる。
　また、これらの場合に、遮光部７０は、例えば、図１２に示したように、光透過性基板３０に対して固定された固定部７２と、固定部７２から剥離可能な状態で固定部７２に接する交換部７３とにより構成されていてもよい。
　変形層６０は、交換部７３に固定されるとともに、光透過性基板３０には固定されずに接していてもよい。このとき、変形層６０が固定部７２に固定されるのを避ける観点から、固定部７２の上面（固定部７２と交換部７３との境界部分）が、光透過性基板３０の上面（光透過性基板３０と変形層６０との境界部分）と同一の面内、またはそれよりも下の位置に配置されていることが好ましい。また、変形層６０は、光透過性基板３０に固定されるとともに、交換部７３には固定されずに接していてもよい。このとき、変形層６０が固定部７２と接していてもよいし、固定部７２と接していなくてもよい。
　このように、遮光部７０を固定部７２と交換部７３とにより構成することで、遮光部７０の表面（交換部７３の表面）が劣化した場合などに、劣化した部分（交換部７３）を容易に交換することができる。
　以上、実施の形態およびその変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
　また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
　発光素子を有する発光基板と、
　前記発光素子と対向する位置に設けられ、前記発光素子の光を透過させる光透過部と、前記光透過部を介して出射された前記発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有する回路基板と
　を備えた光学式センサ。
（２）
　前記１または複数の受光素子は、前記回路基板の第１主面に形成され、
　前記発光基板は、前記回路基板の、前記第１主面とは反対側の第２主面と対向する位置に配置されるとともに、第１バンプを介して前記回路基板に積層されている
　（１）に記載の光学式センサ。
（３）
　前記回路基板は、前記発光素子の発光を制御する制御回路と、前記１または複数の受光素子で得られた受光信号を処理する処理回路とを更に有する
　（１）または（２）に記載の光学式センサ。
（４）
　外部回路と前記制御回路および前記処理回路とを電気的に接続するための配線を有し、前記発光基板を間にして、前記回路基板と対向する位置に配置されるとともに、第２バンプを介して前記回路基板に積層された配線基板を更に備えた
　（３）に記載の光学式センサ。
（５）
　前記光透過部は、前記回路基板を貫通する貫通孔である
　（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の光学式センサ。
（６）
　前記複数の受光素子は、前記光透過部の周囲に配置されている
　（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の光学式センサ。
（７）
　前記反射層と、
　前記反射層を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層と、
　外光が前記反射層および前記１または複数の受光素子に入射するのを妨げる遮光部と
　を更に備えた
　（１）ないし（６）のいずれか１つに記載の光学式センサ。
（８）
　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
　前記変形層は、前記光透過性基板に固定されており、
　前記遮光部は、前記反射層、前記変形層および前記光透過性基板を覆っている
　（７）に記載の光学式センサ。
（９）
　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
　前記変形層は、前記遮光部に固定されており、
　前記遮光部は、前記光透過性基板に対して着脱可能に構成されている
　（７）に記載の光学式センサ。
（１０）
　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
　前記光透過性基板は、前記回路基板とは反対側の表面にハーフミラー層を有し、
　前記複数の受光素子は、前記光透過部の近傍の領域と、前記光透過部から離れた領域とに配置されている
　（７）に記載の光学式センサ。
（１１）
　前記反射層は、反射面に規則的な凹凸を有する
　（７）に記載の光学式センサ。
（１２）
　前記処理回路は、前記受光信号に基づいて、外力による前記反射層の変位を計算し、外部に出力する
　（３）または（４）に記載の光学式センサ。
（１３）
　接続線を介してシリーズに接続された複数の光学式センサを備え、
　各前記光学式センサは、
　発光素子を有する発光基板と、
　前記発光素子と対向する位置に設けられ、前記発光素子の光を透過させる光透過部と、前記光透過部を介して出射された前記発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有する回路基板と、
　前記接続線と前記回路基板とを電気的に接続するための配線を有する配線基板と、
　各前記光学式センサに共通に設けられ、外光が前記１または複数の受光素子に入射するのを妨げるとともに、前記複数の光学式センサをシリーズに固定する有機部材と
　を有する
　光学式センサモジュール。
（１４）
　各前記光学式センサは、
　前記反射層と、
　前記反射層を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層と
　を更に有する
　（１３）に記載の光学式センサモジュール。
（１５）
　各前記光学式センサは、前記回路基板を支持する光透過性基板を更に有し、
　前記変形層は、前記光透過性基板に固定されており、
　前記有機部材は、前記反射層、前記変形層および前記光透過性基板を覆っている
　（１４）に記載の光学式センサモジュール。
（１６）
　各前記光学式センサは、前記回路基板を支持する光透過性基板を更に有し、
　前記変形層は、前記有機部材に固定されており、
　前記有機部材は、前記光透過性基板に対して着脱可能に構成されている
　（１４）に記載の光学式センサモジュール。
（１７）
　シリーズに接続された前記複数の光学式センサのうち、一方の端部に配置された第１光学式センサに対して、前記接続線を介して接続され、各前記光学式センサにおける前記発光素子の発光を制御するコントロール素子と、
　シリーズに接続された前記複数の光学式センサのうち、他方の端部に配置された第２光学式センサに対して、前記接続線を介して接続され、各前記光学式センサにおける前記１または複数の受光素子で得られた受光信号もしくは前記受光信号に対応する信号を外部に出力するインターフェース素子と
　を更に備えた
　（１３）ないし（１６）のいずれか１つに記載の光学式センサモジュール。
（１８）
　互いに隣接する２つの前記配線基板の間隙は、前記複数の光学式センサの配列ピッチよりも小さくなっている
　（１３）ないし（１６）のいずれか１つに記載の光学式センサモジュール。
　本開示の一実施形態に係る光学式センサおよび光学式センサモジュールによれば、発光素子を有する発光基板と、１または複数の受光素子を有する回路基板とを積層し、光透過部を介して出射された発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を１または複数の受光素子によって受光するようにしたので、複数の光学式センサを高密度に配置することができる。なお、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
　本出願は、日本国特許庁において２０１９年１０月３０日に出願された日本特許出願番号第２０１９－１９７６０６号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (18)

  1. 　発光素子を有する発光基板と、
    　前記発光素子と対向する位置に設けられ、前記発光素子の光を透過させる光透過部と、前記光透過部を介して出射された前記発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有する回路基板と
    　を備えた光学式センサ。
  2. 　前記１または複数の受光素子は、前記回路基板の第１主面に形成され、
    　前記発光基板は、前記回路基板の、前記第１主面とは反対側の第２主面と対向する位置に配置されるとともに、第１バンプを介して前記回路基板に積層されている
    　請求項１に記載の光学式センサ。
  3. 　前記回路基板は、前記発光素子の発光を制御する制御回路と、前記１または複数の受光素子で得られた受光信号を処理する処理回路とを更に有する
    　請求項２に記載の光学式センサ。
  4. 　外部回路と前記制御回路および前記処理回路とを電気的に接続するための配線を有し、前記発光基板を間にして、前記回路基板と対向する位置に配置されるとともに、第２バンプを介して前記回路基板に積層された配線基板を更に備えた
    　請求項３に記載の光学式センサ。
  5. 　前記光透過部は、前記回路基板を貫通する貫通孔である
    　請求項１に記載の光学式センサ。
  6. 　前記複数の受光素子は、前記光透過部の周囲に配置されている
    　請求項１に記載の光学式センサ。
  7. 　前記反射層と、
    　前記反射層を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層と、
    　外光が前記反射層および前記１または複数の受光素子に入射するのを妨げる遮光部と
    　を更に備えた
    　請求項１に記載の光学式センサ。
  8. 　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
    　前記変形層は、前記光透過性基板に固定されており、
    　前記遮光部は、前記反射層、前記変形層および前記光透過性基板を覆っている
    　請求項７に記載の光学式センサ。
  9. 　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
    　前記変形層は、前記遮光部に固定されており、
    　前記遮光部は、前記光透過性基板に対して着脱可能に構成されている
    　請求項７に記載の光学式センサ。
  10. 　前記回路基板を支持する光透過性基板を更に備え、
    　前記光透過性基板は、前記回路基板とは反対側の表面にハーフミラー層を有し、
    　前記複数の受光素子は、前記光透過部の近傍の領域と、前記光透過部から離れた領域とに配置されている
    　請求項７に記載の光学式センサ。
  11. 　前記反射層は、反射面に規則的な凹凸を有する
    　請求項７に記載の光学式センサ。
  12. 　前記処理回路は、前記受光信号に基づいて、外力による前記反射層の変位を計算し、外部に出力する
    　請求項３に記載の光学式センサ。
  13. 　接続線を介してシリーズに接続された複数の光学式センサを備え、
    　各前記光学式センサは、
    　発光素子を有する発光基板と、
    　前記発光素子と対向する位置に設けられ、前記発光素子の光を透過させる光透過部と、前記光透過部を介して出射された前記発光素子の光のうち、反射層によって反射された光を受光する１または複数の受光素子とを有する回路基板と、
    　前記接続線と前記回路基板とを電気的に接続するための配線を有する配線基板と、
    　各前記光学式センサに共通に設けられ、外光が前記１または複数の受光素子に入射するのを妨げるとともに、前記複数の光学式センサをシリーズに固定する有機部材と
    　を有する
    　光学式センサモジュール。
  14. 　各前記光学式センサは、
    　前記反射層と、
    　前記反射層を支持するとともに、外力により変形可能な光透過性の変形層と
    　を更に有する
    　請求項１３に記載の光学式センサモジュール。
  15. 　各前記光学式センサは、前記回路基板を支持する光透過性基板を更に有し、
    　前記変形層は、前記光透過性基板に固定されており、
    　前記有機部材は、前記反射層、前記変形層および前記光透過性基板を覆っている
    　請求項１４に記載の光学式センサモジュール。
  16. 　各前記光学式センサは、前記回路基板を支持する光透過性基板を更に有し、
    　前記変形層は、前記有機部材に固定されており、
    　前記有機部材は、前記光透過性基板に対して着脱可能に構成されている
    　請求項１４に記載の光学式センサモジュール。
  17. 　シリーズに接続された前記複数の光学式センサのうち、一方の端部に配置された第１光学式センサに対して、前記接続線を介して接続され、各前記光学式センサにおける前記発光素子の発光を制御するコントロール素子と、
    　シリーズに接続された前記複数の光学式センサのうち、他方の端部に配置された第２光学式センサに対して、前記接続線を介して接続され、各前記光学式センサにおける前記１または複数の受光素子で得られた受光信号もしくは前記受光信号に対応する信号を外部に出力するインターフェース素子と
    　を更に備えた
    　請求項１３に記載の光学式センサモジュール。
  18. 　互いに隣接する２つの前記配線基板の間隙は、前記複数の光学式センサの配列ピッチよりも小さくなっている
    　請求項１３に記載の光学式センサモジュール。
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