JP6607709B2

JP6607709B2 - 近接センサ

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Publication number: JP6607709B2
Application number: JP2015116001A
Authority: JP
Inventors: 祥嗣上平
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: US20160356642A1; JP2017005428A; US9952035B2

Description

本発明は、光学式の近接センサに関する。

光学式の近接センサは、これを搭載するセットの外部に向けて発光装置から赤外光を放射し、セットの外部から戻ってくる反射光を受光装置で検出することにより、物体の近接有無（＝物体による放射光の反射有無）を検出する。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

米国特許出願公開第２０１５／００８３９００号明細書

ところで、光学式の近接センサに関しては、その検出精度を高めるためにクロストーク対策が極めて重要となる。

図７は、近接センサの一従来例を示す模式図である。本従来例の近接センサ３００は、基板３１０と、発光装置３２０と、受光装置３３０と、ケース部材３４０と、集光部材３５０及び３６０と、を有するモジュールとして構成されている。なお、発光装置３２０は発光ダイオード素子である。また、受光装置３３０には、セットの外部から入射される光（物体からの反射光）を検出する手段として、単一の受光部３３１が設けられている。

近接センサ３００で生じるクロストークの原因としては、（１）開口窓４００の上面４１０から戻ってくる反射光Ｌｘ、（２）開口窓４００の下面４２０から戻ってくる反射光Ｌｙ、及び、（３）モジュールの内部を伝わる漏洩光Ｌｚを挙げることができる。

（１）の反射光Ｌｘに起因するクロストークについては、近接センサ３００と開口窓４００を隔てるギャップｄ３１を調整することにより、ほぼ０レベルまで低減することが可能である。ただし、赤外光を反射しにくい物体（黒髪など）の近接を正しく検出するために、当該クロストークを敢えて０レベルまで低減しない場合もある。

（２）の反射光Ｌｙに起因するクロストークについても、ギャップｄ３１を調整することにより、ほぼ０レベルまで低減することが可能である。

（３）の漏洩光Ｌｚに起因するクロストークについては、モジュール設計（遮光壁部材３４１の厚肉化、ないしは、発光装置３２０と受光装置３３０を隔てる受発光間距離ｄ３２の調整など）により、ほぼ０レベルまで低減することが可能である。

上記のように、従来のクロストーク対策は、基本的に、近接センサ３００と開口窓４００を隔てるギャップｄ３１を調整することにより実現されていた。

図８〜図１０は、それぞれ、ギャップ調整手法のバリエーション（第１例〜第３例）を示す模式図である。

図８の第１例では、近接センサ３００とプリント配線基板５００との間にインターポーザ（台座）６００を設けることにより、ギャップ調整が行われている。なお、近接センサ３００とプリント配線基板５００との間は、インターポーザ６００の内部に形成されたビア（不図示）を介して電気的に接続されている。

図９の第２例では、近接センサ３００が搭載されるフレキシブル配線基板７００を屈曲させて厚肉部材８００（スポンジゴムなど）を挟み込むことにより、ギャップ調整が行われている。

図１０の第３例では、近接センサ３００の上面に厚肉部材９００（スポンジゴムなど）を設けることにより、ギャップ調整が行われている。なお、厚肉部材９００には、近接センサ３００の集光部材３５０及び３６０にそれぞれ対応するように、開口部９１０及び９２０が形成されている。なお、第２例（図９）と第３例（図１０）は併用してもよい。

上記従来のギャップ調整手法によれば、ギャップｄ３１を任意に調整することができるので、反射光Ｌｘ及びＬｙに起因するクロストークを低減することが可能となる。

しかしながら、第２例（図９）や第３例（図１０）のギャップ調整手法では、ギャップｄ３１のばらつきや厚肉部材８００及び９００のがたつきが生じやすく、クロストークの低減効果が不安定になるという課題があった。

また、上記従来のギャップ調整手法では、近接センサ３００以外に別途のギャップ調整部材（６００、８００、９００）を必要とする上、仕様の異なるセット毎に厚さが最適化されたギャップ調整部材（６００、８００、９００）を複数用意しておかなければならないので、作業負担の増大やセット全体のコストアップを招くという課題もあった。

本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、セット毎のクロストーク対策が容易な近接センサを提供することを目的とする。

本明細書中に開示されている近接センサは、発光装置と、複数の受光部を備えた受光装置と、を有し、前記受光装置は、どの受光部を使用するかを任意に選択する機能を備えている構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る近接センサにおいて、前記複数の受光部は、前記発光装置と前記受光装置が並ぶ方向に沿って前記受光装置の表面上に配列されている構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第１または第２の構成から成る近接センサにおいて、前記受光装置は、装置外部との信号授受を行うインタフェイス部と、装置外部から入力される制御パラメータを格納するレジスタ部と、前記制御パラメータに応じて使用する受光部を選択する制御部とを含む構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第３の構成から成る近接センサにおいて、前記制御部は、使用する受光部を一つだけ選択し、その受光部で得られた検出信号をセンサ出力信号として装置外部に出力する構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第３の構成から成る近接センサにおいて、前記制御部は、使用する受光部を二つ以上選択し、それぞれの受光部で得られた検出信号の合成結果をセンサ出力信号として装置外部に出力する構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第５いずれかの構成から成る近接センサにおいて、前記発光装置は、面発光レーザ素子である構成（第６の構成）にするとよい。

また、上記第６の構成から成る近接センサは、前記発光装置と前記受光装置との間を光学的に分離することなく一体的に封止する透光性の封止部材をさらに有する構成（第７の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第５いずれかの構成から成る近接センサにおいて、前記発光装置は、発光ダイオード素子である構成（第８の構成）にするとよい。

また、上記第８の構成から成る近接センサは、前記発光装置と前記受光装置との間を光学的に分離する遮光壁部材をさらに有する構成（第９の構成）にするとよい。

また、本明細書中に開示されている電子機器は、上記第１〜第９いずれかの構成から成る近接センサと、前記近接センサに対向する開口窓を備えた筐体と、を有する構成（第１０の構成）とされている。

本明細書中に開示されている発明によれば、セット毎のクロストーク対策が容易な近接センサを提供することが可能となる。

近接センサの第１実施形態を示す模式図受光装置の一構成例を示すブロック図電子機器の第１構成例を示す模式図電子機器の第２構成例を示す模式図近接センサの第２実施形態を示す模式図スマートフォンの外観図近接センサの一従来例を示す模式図ギャップ調整手法の第１例を示す模式図ギャップ調整手法の第２例を示す模式図ギャップ調整手法の第３例を示す模式図

＜第１実施形態＞
図１は、近接センサの第１実施形態を示す模式図である。なお、本図の上段には近接センサ１００の模式的な上面図が描写されており、本図の下段にはＡ１−Ａ２縦断面図が描写されている。

本実施形態の近接センサ１００は、基板１１０と、発光装置１２０と、受光装置１３０と、封止部材１４０と、を有するモジュールとして構成されている。

基板１１０は、発光装置１２０と受光装置１３０を担持する板状部材である。

発光装置１２０は、近接センサ１００を搭載するセットの外部に向けて光を放射する半導体素子である。本実施形態の近接センサ１００では、発光装置１２０として、光の共振方向が基板面に対して垂直な面発光レーザ素子（いわゆるＶＣＳＥＬ［vertical cavity surface emitting LASER］レーザ素子）が用いられている。

面発光レーザ素子は、発光ダイオード素子と比べて放射光の指向角が狭い。従って、モジュールの内部を伝わる漏洩光に起因したクロストークを考慮せずに済むので、遮光壁部材を省略し、発光装置１２０と受光装置１３０を隔てる受発光間距離を縮めることが可能となる。これにより、セットの設けられる開口窓の直径を小さくすることができるので、セットの意匠性を高めることが可能となる。また、発光装置１２０の出射光を収束させるための集光部材も不要となる。

受光装置１３０は、セットの外部から入射される光を受光する半導体集積回路装置（受光ＩＣ）である。本実施形態の近接センサ１００では、受光装置１３０の表面上に複数の受光部１３１〜１３４が設けられており、受光装置１３０は、どの受光部を使用するかを任意に選択する機能を備えている（詳細は後述）。

受光部１３１〜１３４は、本図で示したように、発光装置１２０と受光装置１３０が並ぶ方向に沿って受光装置１３０の表面上に配列されている。なお、本図の例では、発光装置１２０から見て相対的に遠い領域に受光部１３１〜１３４が偏在して配列されている。受光部１３１〜１３４が配列されていない領域（＝非受光領域）には、受光装置１３０に必要な種々の回路要素を形成すればよい。

ただし、受光部１３１〜１３４の配列レイアウトについては、あくまでも一例であり、他の配列レイアウトを採用しても構わない。また、受光部の設置数についても任意（２以上）である。

封止部材１４０は、発光装置１２０と受光装置１３０との間を光学的に分離することなく一体的に封止する透光性の樹脂部材である。

図２は、受光装置１３０の一構成例を示すブロック図である。本構成例の受光装置１３０は、先に説明した受光部１３１〜１３４に加えて、インタフェイス部１３５と、レジスタ部１３６と、制御部１３７と、を含む。

受光部１３１〜１３４は、それぞれ、発光装置１２０から放射される光の波長に感度ピークを持つ受光素子（フォトダイオードやフォトトランジスタなど）であり、受光量に応じた検出信号Ｓ１〜Ｓ４を出力する。

インタフェイス部１３５は、所定の通信プロトコル（Ｉ^２Ｃプロトコルなど）に準拠して、装置外部との信号授受を行うフロントエンド手段である。

レジスタ部１３６は、インタフェイス部１３５を介して装置外部から入力される制御パラメータＤ１を揮発的ないしは不揮発的に格納する。

制御部１３７は、レジスタ部１３６から読み出される制御パラメータＤ１に応じて、受光部１３１〜１３４の中から実際に使用する受光部を選択する。より具体的に述べると、制御部１３７は、受光部１３１〜１３４に対する電力の供給／遮断を司っており、使用対象とされた受光部にのみ電力供給を行う構成とされている。このような構成とすることにより、使用されない受光部で電力を浪費せずに済む。

なお、受光部の選択手法については、種々のバリエーションが考えられる。例えば、制御部１３７は、受光部１３１〜１３４の中から実際に使用する受光部を一つだけ選択し、その受光部で得られた検出信号を最終的なセンサ出力信号Ｓｄｅｔとして、インタフェイス部１３５から装置外部に出力するようにすればよい。

或いは、制御部１３７は、受光部１３１〜１３４の中から実際に使用する受光部を二つ以上選択し、それぞれの受光部で得られた検出信号の合成結果（合算値や平均値など）を最終的なセンサ出力信号Ｓｄｅｔとして、インタフェイス部１３５から装置外部に出力するようにしてもよい。

図３は、近接センサ１００を搭載した電子機器の第１構成例を示す模式図である。本構成例の電子機器１は、近接センサ１００と、これを担持する筐体２００と、有している。筐体２００には、近接センサ１００に対向する透光性の開口窓２１０が形成されている。なお、セットの各部寸法は、筐体厚ｄ１１、ギャップｄ１２、受発光間距離ｄ１３、開口窓径φ１、及び、放射角αとする。

ここでは、開口窓２１０の上面２１１から戻ってくる反射光Ｌ１に起因するクロストークについて検討する。

第１例の電子機器１では、発光装置１２０から放射された光が開口窓２１０の上面２１１で反射され、反射光Ｌ１として受光装置１３０に戻ってくる。ただし、本図の例では、反射光Ｌ１が非受光領域（受光部１３１〜１３４の非配置領域）にしか当たらない。従って、受光部１３１〜１３４のいずれを使用したとしても、クロストークの原因となる反射光Ｌ１が検出されることはない。

このような状況であれば、発光装置１２０から見て最も近い位置に設けられている受光部１３１を選択することにより、開口窓径φ１の小径化にも対応することが可能となる。また、必要に応じて受光部１３２〜１３４を適宜併用してもよい。

図４は、電子機器の第２構成例を示す模式図である。なお、本構成例の電子機器１は、基本的に先出の第１構成例と同様であるが、セットの各部寸法（筐体厚ｄ２１、ギャップｄ２２、受発光間距離ｄ２３、開口窓径φ２、及び、放射角α）が異なっている。より具体的に述べると、第２構成例では、ギャップｄ２２と開口窓径φ２が第１構成例よりも大きく設計されている（ｄ２２＞ｄ１２、φ２＞φ１）。

ここでも、開口窓２１０の上面２１１から戻ってくる反射光Ｌ２に起因するクロストークについて検討する。

第２例の電子機器１においても、発光装置１２０から放射された光が開口窓２１０の上面２１１で反射され、反射光Ｌ２として受光装置１３０に戻ってくる。ここで、本図の例では、先の第１例（図３）と異なり、反射光Ｌ２が受光領域の一部（受光部１３１及び１３２）に当たっている。従って、受光部１３１または１３２を使用した場合には、クロストークの原因となる反射光Ｌ２を検出してしまうおそれがある。

このような状況では、発光装置１２０から見て受光部１３２よりもさらに遠い位置に設けられている受光部１３３または１３４を選択すればよいことが分かる。

上記の第１例（図３）や第２例（図４）で示したように、受光装置１３０の表面上に複数の受光部１３１〜１３４を設けて、どの受光部を選択するかを任意に設定可能とすることにより、規格の異なるセット毎のクロストーク対策として、煩雑なギャップ調整作業が基本的に不要となる。従って、セット毎のクロストーク対策が容易かつ安価となるので、セット設計のフレキシビリティを高めることが可能となる。

また、同一規格のセットに搭載される近接センサ１００については、そのキャリブレーション（出荷時調整）ができるので、製品の信頼性を高めることが可能となる。

なお、受光部１３１〜１３４の選択手法としては、例えば、近接センサ１００に何ら物体を近接させていない状況下で発光装置１２０から光を放射しておき、受光部１３１〜１３４でそれぞれ生成される検出信号Ｓ１〜Ｓ４のうち、その信号レベルが閾値を下回っているもの（＝クロストークを招くおそれのある不要な反射光を検出していないもの）を実際に使用するようにすればよい。

また、先にも述べたように、第１実施形態の近接センサ１００では、発光装置１２０として面発光レーザ素子を用いているので、封止部材１４０によるシングルモールドパッケージを採用することができる。従って、近接センサ１００の製造工程を簡易化し、モジュールの小型化やコストダウンを実現することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図５は、近接センサの第２実施形態を示す模式図である。本実施形態の近接センサ１００は、受光装置１３０が複数の受光部１３１〜１３４を備えている点において、先の第１実施形態と共通している。ただし、発光装置１２０として発光ダイオード素子を用いている点において、先の第１実施形態とは相違する。そこで、第１実施形態と同様の構成要素については図１と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第２実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。

発光ダイオード素子は、面発光レーザ素子と比べて放射光の指向角が広い。従って、発光装置１２０として発光ダイオード素子を用いる場合には、発光装置１２０と受光装置１３０を遮光性のケース部材１５０で覆うとともに、発光装置１２０と受光装置１３０との間を光学的に分離する遮光壁部材１５１を設ける必要がある。また、ケース部材１５０には、発光装置１２０及び受光装置１３０とそれぞれ対向する位置に透光性の集光部材１６０及び１７０を形成すればよい。

すなわち、第２実施形態の近接センサ１００は、従来例（図７）の近接センサ３００をベースとしつつ、受光部の設置数を２以上に増やし、どの受光部を選択するかを任意に設定可能とした構成であると言える。このような構成を採用することにより、先の第１実施形態と同様、規格の異なるセット毎のクロストーク対策として、煩雑なギャップ調整作業が基本的に不要となるので、セット設計のフレキシビリティを高めることが可能となる。

＜スマートフォンへの適用＞
図６は、スマートフォンの外観図である。スマートフォンＸは、電子機器１の一具体例であり、外観的には、タッチパネル機能を備えた表示画面Ｘ１（液晶ディスプレイや有機ＥＬ［electro-luminescence］ディスプレイ）と、光学式の近接センサＸ２と、スピーカＸ３及びマイクＸ４と、を有する。

スマートフォンＸでの音声通話時には、ユーザの耳と口がそれぞれスピーカＸ３とマイクＸ４に近付けられる。このとき、表示画面Ｘ１にはユーザの頬が近接するので、これを近接センサＸ２で検出して表示画面Ｘ１のタッチパネル機能をオフさせることにより、音声通話時における意図しないタッチ操作を未然に防止することができる。

なお、近接センサＸ２としては、これまでに説明してきた近接センサ１００を好適に用いることが可能である。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本明細書中に開示されている発明は、例えば、携帯型の電子機器（スマートフォンやデジタルカメラなど）に利用することが可能である。

１電子機器
１００近接センサ
１１０基板
１２０発光装置
１３０受光装置
１３１〜１３４受光部
１３５インタフェイス部
１３６レジスタ部
１３７制御部
１４０封止部材
１５０ケース部材
１５１遮光壁部材
１６０、１７０集光部材
２００筐体
２１０開口窓
２１１上面
Ｘスマートフォン
Ｘ１表示画面
Ｘ２近接センサ
Ｘ３スピーカ
Ｘ４マイク

Claims

発光装置と、
複数の受光部を備えた受光装置と、
を有し、
前記複数の受光部は、前記発光装置と前記受光装置が並ぶ方向に沿って前記受光装置の表面上に配列されており、かつ、前記発光装置から遠い受光部ほどクロストークを招く不要な反射光を検出しにくくなるものであって、
前記受光装置は、
装置外部との信号授受を行うインタフェイス部と、
装置外部から入力される制御パラメータを格納するレジスタ部と、
前記制御パラメータに応じてどの受光部を使用するかを任意に選択する制御部と、
を含み、
前記制御部は、クロストークを招く不要な反射光を検出していない受光部のうち、前記発光装置から見て最も近い位置に設けられている受光部を選択することを特徴とする近接センサ。
前記制御部は、前記複数の受光部の選択手法として、前記近接センサに何ら物体を近接させていない状況下で前記発光装置から光を照射しておき、前記複数の受光部でそれぞれ生成される検出信号のうち、その信号レベルが閾値を下回っているものを実際に使用することを特徴とする請求項１に記載の近接センサ。
前記制御部は、使用する受光部を一つだけ選択し、その受光部で得られた検出信号をセンサ出力信号として装置外部に出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接センサ。
前記受光装置は、
前記発光装置から第１距離を隔てた第１受光部と、
前記発光装置から前記第１距離よりも長い第２距離を隔てた第２受光部と、
前記発光装置から前記第２距離よりもさらに長い第３距離を隔てた第３受光部と、
を含み、
前記第１受光部ではクロストークを招く不要な反射光が検出される一方、前記第２受光部及び前記第３受光部ではいずれもクロストークを招く不要な反射光が検出されていない場合、前記制御部は、前記第２受光部を使用して前記第１受光部及び前記第３受光部を不使用とすることを特徴とする請求項３に記載の近接センサ。
前記制御部は、使用する受光部を二つ以上選択し、それぞれの受光部で得られた検出信号の合成結果をセンサ出力信号として装置外部に出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接センサ。
前記発光装置は、面発光レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の近接センサ。
前記発光装置と前記受光装置との間を光学的に分離することなく一体的に封止する透光性の封止部材をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の近接センサ。
前記発光装置は、発光ダイオード素子であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の近接センサ。
前記発光装置と前記受光装置との間を光学的に分離する遮光壁部材をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の近接センサ。
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の近接センサと、
前記近接センサに対向する開口窓を備えた筐体と、
を有することを特徴とする電子機器。