JP2019046981A - 光センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図って、しかも、あらゆる光素子に迅速かつ安価に対応可能な光センサ装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】 光センサ装置１は、光導波路プレート２が基本モジュール３上に実装されて、構成される。基本モジュール３は、発光素子４と受光素子５の光素子が基板６上に並んで配置されて、構成される。発光素子４および受光素子５を覆う基板６の表面は、透明なポッティング材などから形成される保護膜７で被覆されている。光導波路プレート２にはコア８とクラッド９とが形成されている。コア８は、光素子４が授受する光を導く導光部を構成する。クラッド９は、コア８の周囲を覆ってコア８によって導かれる光をコア８に閉じ込める導光部包囲部を構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光素子を基板に備えて構成される光センサ装置およびその製造方法に関するものである。

従来、この種の光センサ装置としては、例えば、特許文献１に開示された光学式近接センサがある。この近接センサは、発光ダイオード、フォトダイオード、および周辺光センサが装着されたプリント回路基板を備えている。発光ダイオードによって放射され、物体から反射された光線は、フォトダイオードにより検出されて、物体がセンサに接近していることが検知される。

発光ダイオード、フォトダイオード、および周辺光センサは金属シールドによってカバーされている。基板に取り付けられた発光ダイオード、フォトダイオード、および周辺光センサの直ぐ上の金属シールド上部には、それぞれ開口が形成されている。また、金属シールド内の発光ダイオードが装着される空間部分と、フォトダイオードおよび周辺光センサが装着される空間部分とは、光バリアによって分離されている。発光ダイオードから出射される光は、この光バリアとその上部の金属シールドにあいた開口とで形成される光路によって、外部空間へ導かれる。また、センサに到来する光は、フォトダイオードおよび周辺光センサの各上部の金属シールドにあいた各開口と、光バリアとで形成される光路に導かれて、フォトダイオードおよび周辺光センサにそれぞれ受光される。これにより、発光ダイオードと、フォトダイオードおよび周辺光センサとの間のクロストークが最小にされる。

特開２０１１−１８０１２１号公報

しかしながら、上記従来の光センサ装置では、発光ダイオードや、フォトダイオード、周辺光センサといった回路基板上に装着される光素子が授受する光を導く光路は、金属シールドにあいた各開口と光バリアとによって形成される。このため、上記従来の光センサ装置では、その小型化を図ることが難しい。また、金属シールドや光バリアの製作には高価な金型が必要とされるので、光センサ装置の製造にコストを要する。また、回路基板上に装着される光素子が異なると、新たな光素子に合う開口および光バリアを備えるように、金属シールドを製作し直す必要がある。このため、上記従来の光センサ装置では、種々の光素子への変更に迅速かつ安価に対応することは難しい。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
光素子を基板に備えて構成される光センサ装置において、
光素子が授受する光を導く導光部と、この導光部の周囲を覆って導光部によって導かれる光を導光部に閉じ込める導光部包囲部とから構成される光導波路プレートを基板上に備えることを特徴とする。

本構成によれば、光素子の授受する光は、基板上に備えられる光導波路プレートによってその光路が導かれる。光導波路プレートは、容易に薄く形成することができる。このため、光センサ装置の小型化を容易に図ることができる。また、従来のように高価な金型は必要とされないため、光センサ装置の低価格化を図ることができる。また、光導波路プレートにおける導光部および導光部包囲部には設計の自由度がある。このため、光導波路プレートを載せる基板が備える光素子に合わせて、導光部および導光部包囲部の形成位置や大きさ、光屈折率などを容易に変更して調節することができ、あらゆる光素子に迅速かつ安価に対応することができる光センサ装置を提供できる。

また、本発明は、導光部包囲部の基板側に遮光層を備えることを特徴とする。

本構成によれば、光素子を備える基板の表面は、基板に載せる光導波路プレートの遮光層により、導光部の下方を除いて覆われる。したがって、ノイズとなる外乱光が光素子を備える基板に入射するのが防止され、かつ、信号となる光は導光部を透過して光素子に確実に授受される。このため、微小な光信号を外乱光の影響を受けずに確実に授受することの可能な光センサ装置が提供される。

また、本発明は、
光素子が、発光素子と受光素子とが並んで配置されて構成され、
導光部が、発光素子から出射される光を導いて外部空間へ放出させる、発光素子上に配置される出射光導光部と、外部空間から入射する光を受光素子へ導く、受光素子上に配置される入射光導光部とから構成されることを特徴とする。

本構成によれば、発光素子から出射されて反射した光を受光素子で受光して、検出対象物を検出することが可能な近接検知を行う光センサ装置を、小型化して、しかも、あらゆる光素子を用いて迅速かつ安価に提供することができる。

また、本発明は、光素子が透明な保護膜で被覆されることを特徴とする。

本構成によれば、光素子が透明な保護膜で被覆されることで、光素子を傷付けることなく、光センサ装置を製造することができる。

また、本発明は、導光部包囲部が透明な樹脂から形成されるクラッドであり、導光部が導光部包囲部の光屈折率より高い光屈折率を有する透明な樹脂から形成されるコアであることを特徴とする。

本構成によれば、導光部を透過する光は、クラッドとコアとの光屈折率差により、導光部包囲部によって導光部内に閉じ込められる。

また、本発明は、導光部包囲部をクラッド樹脂で未硬化の状態に形成する工程と、導光部をクラッド樹脂よりも光屈折率の高いコア樹脂で未硬化の状態に形成する工程と、クラッド樹脂およびコア樹脂を未硬化の状態にして所定時間待機する工程とを備えて、コアおよびクラッドからなる光導波路を光導波路プレートに形成することを特徴とする。

光センサ装置の本製造方法によれば、導光部包囲部を形成するクラッド樹脂および導光部を形成するコア樹脂を未硬化の状態にして所定時間待機する工程を備えることで、未硬化のコア樹脂およびクラッド樹脂間でドーパントの拡散が起き、コア樹脂内に光屈折率分布が形成される。この光屈折率分布は、待機する所定時間を適宜選択することで所望に設定でき、所望の光屈折率分布をコアに有するグレードインデックス型の光導波路を得ることができる。

また、本発明は、紫外光を透過する透明基板上における導光部包囲部の形成領域に遮光材を含むクラッド樹脂を充填する工程と、透明基板側から紫外光を照射することで遮光材を含むクラッド樹脂を透明基板側から所定厚さに硬化させて遮光層を形成する工程と、遮光層上における未硬化のクラッド樹脂を除去する工程と、遮光層上における導光部包囲部の形成領域にクラッド樹脂を充填する工程とを備えて、光導波路プレートを形成することを特徴とする。

光センサ装置の本製造方法によれば、導光部包囲部の形成領域に充填された遮光材を含むクラッド樹脂を、透明基板側から紫外光を照射して硬化させる際、紫外光は、遮光材を含むクラッド樹脂を透過し難いため、遮光材を含むクラッド樹脂の浅い部分しか硬化させることができない。したがって、クラッドの下方に所定厚さに遮光層を容易に形成することができる。

本発明によれば、小型化を図って、しかも、あらゆる光素子に迅速かつ安価に対応可能な光センサ装置およびその製造方法を提供することができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態による光センサ装置の断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す光センサ装置を構成する光導波路プレートの断面図、（ｃ）は、（ａ）に示す光センサ装置を構成する基本モジュールの断面図である。 一実施形態による光センサ装置の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、一実施形態による光センサ装置を構成する光導波路プレートの製造に用いられる型の製作方法を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｈ）は、一実施形態による光センサ装置を構成する光導波路プレートの製造方法を示す断面図である。

次に、本発明の光センサ装置を実施するための形態について、説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態による光センサ装置１の断面図である。光センサ装置１は、同図（ｂ）に示す光導波路プレート２が同図（ｃ）に示す基本モジュール３上に実装されて、構成される。図２は光センサ装置１の斜視図である。

基本モジュール３は、発光素子４と受光素子５の光素子が基板６上に並んで配置されて、構成される。基板６には、図示しないＩＣ（高集積化回路）が形成される場合もある。発光素子４および受光素子５を覆う基板６の表面は、透明なポッティング材などから形成される保護膜７で被覆されている。

光導波路プレート２にはコア８とクラッド９とが形成されている。コア８は、発光素子４と受光素子５の光素子が授受する光を導く導光部を構成する。クラッド９は、コア８の周囲を覆ってコア８によって導かれる光をコア８に閉じ込める導光部包囲部を構成する。クラッド９は透明な樹脂から形成され、コア８は、クラッド９の光屈折率より高い光屈折率を有する透明な樹脂から形成される。

本実施形態では、コア８は、出射コア８ａと入射コア８ｂとから構成される。出射コア８ａは、発光素子４から出射される光を導いて外部空間へ放出させる出射光導光部を構成し、光導波路プレート２が基本モジュール３上に実装されることで、発光素子４上に配置される。入射コア８ｂは、外部空間から入射する光を受光素子５へ導く入射光導光部を構成し、光導波路プレート２が基本モジュール３上に実装されることで、受光素子５上に配置される。また、本実施形態では、光導波路プレート２は、クラッド９の基板６側に遮光層１０を所定の厚さに備える。

図３（ａ）〜（ｃ）は、光センサ装置１を構成する光導波路プレート２の製造に用いられる型の製作方法を示す斜視図である。

最初に同図（ａ）に示す、コア８の形成領域だけ穴１１があいた金型１２が製作される。次に、同図（ｂ）に示す、金型１２の上部空間の四方を囲む透明樹脂枠１３の中に、紫外光を透過する樹脂が流し込まれて、樹脂が硬化させられる。次に、硬化した樹脂が反転されることで、同図（ｃ）に示す、光センサ装置１の製造において使用される型１４が得られる。この型１４は、コア８の形成領域に凸部１５を有する。

図４（ａ）〜（ｈ）は、光導波路プレート２の製造方法を示す断面図である。

同図（ａ）は上記のように製作した型１４を示す。まず、この型１４の凸部１５を含む上部空間を囲む図示しない樹脂枠の中に、遮光材が入ったクラッド樹脂１６が同図（ｂ）に示すように充填される。クラッド樹脂１６には紫外光硬化型の透明樹脂が使用される。次に、型１４の裏面側から同図（ｃ）に示すように紫外光が照射され、クラッド樹脂１６が硬化させられる。遮光材が入ったクラッド樹脂１６は光が透過し難いため、浅い所定の厚さ部分だけが硬化させられる。したがって、未硬化のクラッド樹脂１６の部分は容易に除去することができ、同図（ｄ）に示す遮光層１０がクラッド層形成領域の下方に形成される。

次に、遮光材が入ったクラッド樹脂１６を除去した部分に、遮光材を含まない透明なクラッド樹脂１７が同図（ｅ）に示すように充填される。その後、今度は型１４の表面側から紫外光が照射され、クラッド樹脂１７が硬化させられる。この硬化は完全には行われず、クラッド樹脂１７は半硬化の状態にされる。次に、型１４の上部にある凸部１５が除去され、同図（ｆ）に示すように、コア８の形成領域に穴１８が形成される。次に、形成された穴１８にコア樹脂１９が同図（ｇ）に示すように充填される。このコア樹脂１９にも紫外光硬化型の透明樹脂が使用され、型１４の表面側から紫外光が照射されて、コア樹脂１９が硬化させられる。この硬化も完全には行われず、コア樹脂１９もクラッド樹脂１７と同様に半硬化の状態にされる。

その後、クラッド樹脂１７およびコア樹脂１９を未硬化状態にして所定時間待機する工程が設けられた後、クラッド樹脂１７およびコア樹脂１９は完全に硬化させられる。そして、型１４が除去されることで、同図（ｈ）に示す、出射コア８ａと入射コア８ｂとから構成されるコア８、およびクラッド９並びに遮光層１０を備えた光導波路プレート２が得られる。この光導波路プレート２が基本モジュール３上に実装されることで、図１（ａ）に示すパッケージ化された構造をした光センサ装置１が完成する。

このような本実施形態による光センサ装置１によれば、導光部を透過する光は、クラッド９とコア８との光屈折率差により、導光部包囲部によって導光部内に閉じ込められ、発光素子４や受光素子５といった光素子の授受する光は、基板６上に備えられる光導波路プレート２によって低損失に効率的にその光路が導かれる。このような光導波路プレート２は、容易に薄く形成することができる。このため、光センサ装置１の小型化を容易に図ることができる。また、従来のように高価な金型は必要とされないため、光センサ装置１の低価格化を図ることができる。また、光導波路プレート２におけるコア８によって構成される導光部およびクラッド９によって構成される導光部包囲部には、設計の自由度がある。このため、光導波路プレート２を載せる基板６が備える光素子に合わせて、コア８およびクラッド９の形成位置や大きさ、光屈折率などを容易に変更して調節することができ、あらゆる光素子に迅速かつ安価に対応することができる光センサ装置１を提供できる。

また、本実施形態による光センサ装置１によれば、発光素子４および受光素子５を備える基板６の表面は、基板６に載せる光導波路プレート２の遮光層１０により、コア８の下方を除いて覆われる。したがって、ノイズとなる外乱光が発光素子４および受光素子５を備える基板６に入射するのが防止され、かつ、信号となる光はコア８を透過して発光素子４および受光素子５に確実に授受される。外乱光の入射防止機能は、遮光層１０が発光素子４および受光素子５に近い位置に形成されるため、その効果は特に高い。このため、微小な光信号を外乱光の影響を受けずに確実に授受することの可能な、脈拍センサ等に適用するのが好適な光センサ装置１が提供される。

また、本実施形態による光センサ装置１では、発光素子４と受光素子５が基板６上に並んで配置されて構成される。また、発光素子４および受光素子５の直上に出射コア８ａおよび入射コア８ｂが形成されるので、効率的に信号光を出射コア８ａおよび入射コア８ｂに閉じ込めることができる。したがって、本実施形態による光センサ装置１によれば、発光素子４から出射されて反射した光を受光素子６で受光して、検出対象物を検出することが可能な近接検知を行う光センサ装置１を、小型化して、しかも、あらゆる光素子を用いて迅速かつ安価に提供することができる。

また、本実施形態による光センサ装置１によれば、発光素子４と受光素子５が透明な保護膜７で被覆されることで、発光素子４と受光素子５を傷付けることなく、光導波路プレート２を基本モジュール３上に実装して光センサ装置１を製造することができる。

また、本実施形態による光センサ装置１では、図４（ｂ）に示すように、紫外光を透過する型１４で構成される透明基板上におけるクラッド９の形成領域に、遮光材を含むクラッド樹脂１６を充填する工程と、図４（ｃ）に示すように透明基板側から紫外光を照射することで、遮光材を含むクラッド樹脂１６を透明基板側から所定厚さに硬化させて、図４（ｄ）に示す遮光層１０を形成する工程と、図４（ｄ）に示すように、遮光層１０上における未硬化のクラッド樹脂１６を除去する工程と、図４（ｅ）に示す、遮光層１０上におけるクラッド９の形成領域にクラッド樹脂１７を充填する工程とを備えて、光導波路プレート２が形成される。

このような本実施形態による光センサ装置１の製造方法によれば、クラッド９の形成領域に充填された遮光材を含むクラッド樹脂１６を、透明基板側から紫外光を照射して硬化させる際、紫外光は、上述のように、遮光材を含むクラッド樹脂１６を透過し難いため、遮光材を含むクラッド樹脂１６の浅い部分しか硬化させることができない。したがって、光センサ装置１の本製造方法によれば、クラッド９の下方に所定厚さに遮光層１０を容易に形成することができる。

また、本実施形態による光センサ装置１では、図４（ｅ）に示す、クラッド９をクラッド樹脂１７で未硬化の状態に形成する工程と、図４（ｇ）に示す、コア８をクラッド樹脂１７よりも光屈折率の高いコア樹脂１９で未硬化の状態に形成する工程と、クラッド樹脂１７およびコア樹脂１９を未硬化の状態にして所定時間待機する工程とを備えて、コア８およびクラッド９からなる光導波路が光導波路プレート２に形成される。

このような本実施形態による光センサ装置１の製造方法によれば、クラッド樹脂１７およびコア樹脂１９を未硬化の状態にして所定時間待機する工程を備えることで、未硬化のコア樹脂１９およびクラッド樹脂１７間の界面でドーパントの拡散が起き、コア樹脂１７内に光屈折率分布が形成される。この光屈折率分布は、待機する所定時間を適宜選択することで所望に設定でき、所望の光屈折率分布を図４（ｈ）に示すようにコア８に有するグレードインデックス型の光導波路を得ることができる。

このようなグレードインデックス型の光導波路を光導波路プレート２が備える場合、発光素子４を垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などで構成することで、発光素子４から出射されるレーザ光線の方向をコア８の光屈折率分布で制御することができる。例えば、コア８の内部でレーザ光線の方向を曲げることができる。

また、出射コア８ａの光屈折率とクラッド９の光屈折率とで定まる開口数ＮＡを適宜選択することで、出射コア８ａから放出される光の放出角度を適宜選択することが可能となる。また、入射コア８ｂの光屈折率とクラッド９の光屈折率とで定まる開口数ＮＡを適宜選択することで、入射コア８ｂに受光される光の受光角を制御することができる。

なお、上記の実施形態では、クラッド樹脂１７を形成した後にコア樹脂１９を形成する場合について説明したが、これとは逆に、コア樹脂１９を形成した後にクラッド樹脂１７を形成するように構成してもよい。この場合においても、上記の実施形態と同様な作用効果が奏される。

上記の実施形態による光センサ装置１は、スマートホンの近接検知用センサや、人間の脈拍を計測する脈拍センサなどに利用することができる。また、発光素子４を光らせないことで、受光素子５を照度検知の用途に用いることもできる。

１…光センサ装置
２…光導波路プレート
３…基本モジュール
４…発光素子（光素子）
５…受光素子（光素子）
６…基板
７…保護膜
８…コア（導光部）
８ａ…出射コア（出射光導光部）
８ｂ…入射コア（入射光導光部）
９…クラッド（導光部包囲部）
１０…遮光層
１１，１８…穴
１２…金型
１３…樹脂枠
１４…型（透明基板）
１５…凸部
１６…遮光材入りクラッド樹脂
１７…透明なクラッド樹脂
１９…コア樹脂

Claims (7)

1. 光素子を基板に備えて構成される光センサ装置において、
   前記光素子が授受する光を導く導光部と、この導光部の周囲を覆って前記導光部によって導かれる光を前記導光部に閉じ込める導光部包囲部とから構成される光導波路プレートを前記基板上に備えることを特徴とする光センサ装置。
2. 前記導光部包囲部の前記基板側に遮光層を備えることを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
3. 前記光素子は、発光素子と受光素子とが並んで配置されて構成され、
   前記導光部は、前記発光素子から出射される光を導いて外部空間へ放出させる、前記発光素子上に配置される出射光導光部と、外部空間から入射する光を前記受光素子へ導く、前記受光素子上に配置される入射光導光部とから構成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光センサ装置。
4. 前記光素子は透明な保護膜で被覆されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光センサ装置。
5. 前記導光部包囲部は透明な樹脂から形成されるクラッドであり、前記導光部は前記導光部包囲部の光屈折率より高い光屈折率を有する透明な樹脂から形成されるコアであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光センサ装置。
6. 前記導光部包囲部をクラッド樹脂で未硬化の状態に形成する工程と、前記導光部を前記クラッド樹脂よりも光屈折率の高いコア樹脂で未硬化の状態に形成する工程と、前記クラッド樹脂および前記コア樹脂を未硬化の状態にして所定時間待機する工程とを備えて、コアおよびクラッドからなる光導波路を前記光導波路プレートに形成する請求項１に記載の光センサ装置の製造方法。
7. 紫外光を透過する透明基板上における前記導光部包囲部の形成領域に遮光材を含むクラッド樹脂を充填する工程と、前記透明基板側から紫外光を照射することで遮光材を含む前記クラッド樹脂を前記透明基板側から所定厚さに硬化させて前記遮光層を形成する工程と、前記遮光層上における未硬化の前記クラッド樹脂を除去する工程と、前記遮光層上における前記導光部包囲部の形成領域にクラッド樹脂を充填する工程とを備えて、前記光導波路プレートを形成する請求項２に記載の光センサ装置の製造方法。

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