JP6420423B2 - 受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置に関する。
従来より、発光素子から被照射物へ光を照射し、被照射物へ入射する光に対する正反射光と拡散反射光とを受光素子によって受光することで被照射物の特性を検出するセンサ装置が種々提案されている。このセンサ装置は広い分野で利用されており、例えば、フォトインタラプタ、フォトカプラ、リモートコントロールユニット、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）通信デバイス、光ファイバ通信用装置、さらには原稿サイズセンサなど多岐にわたるアプリケーションで用いられている。
このようなセンサ装置として、例えば、同一の基板上に発光素子および受光素子をそれぞれ実装し、発光素子および受光素子のそれぞれに応じたレンズが設けられたセンサ装置が使用されている(例えば、特許第２９３９０４５号公報参照。)。
特許第２９３９０４５号公報
しかしながら、近年、より高いセンシング性能が求められるようになり、上記文献に記載のセンサ装置を用いても所望の性能を実現しがたくなっていた。そこで、さらに高いセンシング性能を有するセンサ装置およびそれを実現する受発光素子モジュールが求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、センシング性能の高い受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置を提供することを目的とする。
本発明の受発光素子モジュールは、半導体材料からなる基板と、前記基板の一主面に複数の半導体層が積層されて形成されている発光素子と、前記基板の前記一主面にｐｎ接合を形成して構成され、前記発光素子を挟むように第１方向に並んで配置されている２つの受光素子と、前記基板の前記一主面と間隔を空けて配置されるとともに、前記一主面に対向する第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記発光素子からの光を被対象物に導く第１レンズと、前記被対象物によって反射された光を２つの前記受光素子のそれぞれに導く２つの第２レンズと、を含み、前記第１レンズと２つの前記第２レンズとは、前記第１方向に並んで前記第１レンズの両側に前記第２レンズが配置されるとともに、前記第１主面側および前記第２主面側において前記第１レンズを構成する曲面の両側と２つの前記第２レンズを構成する曲面とがその途中で接合されており、前記第１レンズおよび前記第２レンズのそれぞれにおける前記第１主面側の曲面の曲率半径は、前記第２主面側の曲面の曲率半径よりも小さく、前記第１レンズおよび前記第２レンズは、前記第１方向と直交し且つ前記基板の一主面に沿った第２方向における大きさが、前記第１方向における大きさに比べて大きい。
本発明のセンサ装置は、上述した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、を有するセンサ装置であって、前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射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被照射物の位置情報、距離情報および表面情報のうち少なくとも１つを検出する。
本発明の受発光素子モジュールによれば、高いセンシング性能を実現することができる。また、このような受発光素子モジュールを用いたセンサ装置によれば、高いセンシング性能により高精度な情報を得ることのできるものとなる。
（ａ）は、本実施形態に係る受発光素子モジュールの一例を示す断面図であり、（ｂ）は、要部上面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子モジュールを構成する発光素子の断面図である。（ｂ）は、図１に示した受発光素子モジュールを構成する受光素子の断面図である。 光学素子の変形例を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図１に示す受発光素子モジュールの変形例を示す模式的な断面図および上面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、光学素子の変形例を示す模式図である。 光学素子の変形例を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、光学素子の変形例を示す模式図である。 図１に示した受発光素子モジュールを用いたセンサ装置の実施の形態の一例を模式的に示す概略断面図である。 本実施形態に係る受発光素子モジュールを用いたセンサ装置と、比較例に係る受発光素子モジュールを用いたセンサ装置とによる被照射物の表面状態と受光素子により検出する光電流の大きさとの相関を示す線図である。
以下、本発明の受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置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、以下の例は本発明の実施の形態の一例を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
（受発光素子モジュール）
図１（ａ）および（ｂ）に示す受発光素子モジュール１は、例えばコピー機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーやメディアなどの被照射物の位置情報、距離情報または表面情報などを検出するセンサ装置として機能する。また、受発光素子モジュール１は、例えば締め固めた粉体または生物の皮膚などの表面情報を検出するセンサ装置、あるいは紙などの位置情報を検出し、紙などの数などを計測する装置としても適用可能である。なお、図１（ｂ）において、各構成要素の位置関係が明白となるように、発光素子３ａの発光部、受光素子３ｂの受光部は破線で示している。
受発光素子モジュール１は、配線基板２と、配線基板２の上面に配置された受発光素子３と、光学素子４とを有する。受発光素子３は基板３０と基板３０の一主面３０ｓに位置する発光素子３ａおよび受光素子３ｂとを有する。光学素子４は、基板３０の一主面３０ｓと間隔を空けて配置される。ここで、便宜上、一主面３０ｓと平行な面をＸＹ平面とし、基板３０の厚み方向をＺ方向とする。また、Ｘ方向を第１方向、Ｙ方向を第１方向に直交する第２方向ということもある。一主面３０ｓ上において、発光素子３ａと受光素子３ｂとが並ぶ方向を第１方向（Ｘ方向）とする。
本実施形態では、１つの発光素子３ａに対して、２つの受光素子３ｂが設けられる。具体的には、１つの発光素子３ａと２つの受光素子３ｂが、受光素子３ｂ、発光素子３ａ、受光素子３ｂの順に、２つの受光素子３ｂが１つの発光素子３ａを挟むように、Ｘ方向において一列に配置されている。なお、本明細書では、便宜上、２つの受光素子３ｂを受光素子３ｂ１、受光素子３ｂ２ということがある。本実施形態では、受光素子３ｂ１で被照射物からの正反射光を検出し、受光素子３ｂ２で被照射物からの拡散（散乱）反射光を検出する。受光素子３ｂ１、発光素子３ａおよび受光素子３ｂ２は、Ｙ方向における中心を揃えるようにしてＸ方向に配列されている。
このような発光素子３ａ、受光素子３ｂは、１つの基板３０の一主面３０ｓに一体的に形成されている。このような構成とすることで、発光素子３ａと受光素子３ｂとを所定の位置に配置することが可能となり、センシング性能を高めることができる。また、発光素子３ａ、受光素子３ｂが個別に実装される場合に比べ、両者を近接配置することができる。これにより、小型の受発光素子モジュール１を提供することができる。なお、本実施形態では発光素子３ａおよび２つの受光素子３ｂが基板３０と一体的に形成されたものを用いているが、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ１個でもよいし、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ個別に実装されていてもよいし、複数の発光素子３ａを一体的に形成した発光素子アレイおよび複数の受光素子３ｂを一体的に形成した受光素子アレイを配列したものであってもよいし、これらの組合せであってもよい。
光学素子４は基板３０の一主面３０ｓからＺ方向に間隔を空けて配置されている。そして、光学素子４は、基板３０の一主面３０ｓに対向する第１主面４ｓ１と、第１主面４ｓ１とは反対側に位置した第２主面４ｓ２とを有している。なお、第２主面４ｓ２は、言い換えれば、被対象物に対向する主面である。
光学素子４は、発光素子３ａ、受光素子３ｂが形成された領域を囲むような側壁を有する保持体５により保持される。保持体５は、光学素子４を介さずに外部からの光が受光素子３ｂへ入射することのないように、遮光性材料で構成してもよい。
光学素子４は、発光素子３ａからの光を被対象物に導くための第１レンズ４ａと、被対象物に反射された光を受光素子３ｂに導くための第２レンズ４ｂと、を含む。本実施形態では、受光素子３ｂ１に対応する第２レンズ４ｂ１と、受光素子３ｂ２に対応する第２レンズ４ｂ２とを有する。第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとは、第１方向に並んで配置される。また、第１レンズ４ａを構成する曲面と第２レンズ４ｂを構成する曲面とが交差するように互いに曲面の途中で接合されてなる。本実施形態では、第１方向において、第２レンズ４ｂ１、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂ２が並んで配置されており、互いに接合されている。なお、本実施形態では、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂは、それぞれ、第２方向においては、レンズの曲面が他のレンズと接合されることがないように形成されている。
以下、詳細に各部位について説明する。
配線基板２は、受発光素子３および制御用回路１０１にそれぞれ電気的に接続されて、受発光素子３に形成された発光素子３ａおよび受光素子３ｂにバイアスを印加したり、受発光素子３と制御用回路１０１との間で電気信号の授受を行なったりするための配線基板として機能する。
基板３０は、この例では一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、高い電気抵抗を有することが望ましい。本実施形態では、シリコン（Ｓｉ）基板に一導電型の不純物としてリン（Ｐ）を１×１０１７〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度で含むｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用いている。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）の他に、例えば窒素（Ｎ２）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。以下、ｎ型を一導電型、ｐ型を逆導電型とする。
基板３０の上面に、第１方向において発光素子３ａと、この発光素子３ａを挟むように２つの受光素子３ｂとが列状に配置されている。発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能し、発光素子３ａから発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子３ｂに入射する。受光素子３ｂは、光の入射を検出する光検出部として機能する。
発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、複数の半導体層が積層された積層体である。発光素子３ａは、基板３０の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。発光素子３ａの具体的な構成は下記で説明する。
まず、基板３０の上面には、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに積層される半導体層（本実施形態の場合は後に説明するｎ型コンタクト層３０ｂ）との格子定数の差を緩衝するバッファ層３０ａが形成されている。バッファ層３０ａは、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに形成される半導体層との格子定数の差を緩衝することによって、基板３０と半導体層の間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくし、ひいては基板３０の一主面３０ｓに形成される半導体層全体の格子欠陥または結晶欠陥を少なくする機能を有する。なお、バッファ層３０ａおよびその上面に形成される半導体層は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法により形成すればよい。
本実施形態のバッファ層３０ａは、不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、その厚さが２〜３μｍ程度とされている。なお、基板３０と基板３０の一主面３０ｓに積層される半導体層との格子定数の差が大きくない場合には、バッファ層３０ａは省略することができる。
バッファ層３０ａの上面には、ｎ型コンタクト層３０ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．８〜１μｍ程度とされている。
本実施形態では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。ｎ型コンタクト層３０ｂの上面の一部は露出しており、この露出している部分に発光素子側の第１電極３１ａを介して、配線基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ｎ型コンタクト層３０ｂに接続される発光素子側の第１電極３１ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。
発光素子側の第１電極３１ａは、例えば金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金またはＮｉ系合金などを用いて、その厚さが０．５〜５μｍ程度で形成される。それとともに、基板３０の上面からｎ型コンタクト層３０ｂの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、基板３０およびｎ型コンタクト層３０ｂ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
絶縁層８は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの無機絶縁膜や、ポリイミドなどの有機絶縁膜などで形成され、その厚さが０．１〜１μｍ程度とされている。
ｎ型コンタクト層３０ｂの上面には、ｎ型クラッド層３０ｃが形成されており、後に説明する活性層３０ｄに正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型クラッド層３０ｃは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本実施形態では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。
ｎ型クラッド層３０ｃの上面には、活性層３０ｄが形成されており、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層として機能する。活性層３０ｄは、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）であるとともに、その厚さが０．１〜０．５μｍ程度とされている。なお、本実施形態の活性層３０ｄは、不純物を含まない層であるが、ｐ型不純物を含むｐ型活性層であっても、ｎ型不純物を含むｎ型活性層であってもよく、活性層のバンドギャップがｎ型クラッド層３０ｃおよび後に説明するｐ型クラッド層３０ｅのバンドギャップよりも小さくなっていればよい。
活性層３０ｄの上面には、ｐ型クラッド層３０ｅが形成されており、活性層３０ｄに電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型クラッド層３０ｅは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本実施形態では、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。
ｐ型クラッド層３０ｅの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆが形成されている。ｐ型コンタクト層３０ｆは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。
ｐ型コンタクト層３０ｆは、発光素子側の第２電極３１ｂを介して、配線基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｐ型コンタクト層３０ｆは、ｐ型コンタクト層３０ｆに接続される発光素子側の第２電極３１ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。
なお、発光素子側の第１電極３１ａが発光素子毎に個別電極として設けられていれば、発光素子側の第２電極３１ｂは発光素子毎に設ける必要はなく、共通の発光素子側の第１電極３１ｂを少なくとも１つ設ければよい。当然のことながら、発光素子側の第１電極３１ａを共通電極として、発光素子側の第１電極３１ｂを発光素子のそれぞれに個別電極として設けてもよい。
また、ｐ型コンタクト層３０ｆの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆの酸化を防止する機能を有するキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、例えば不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成して、その厚さを０．０１〜０．０３μｍ程度とすればよい。
発光素子側の第２電極３１ｂは、例えば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）と、密着層であるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）とを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉまたはＡｌＣｒ合金などで形成されており、その厚さが０．５〜５μｍ程度とされるとともに、基板３０の上面からｐ型コンタクト層３０ｆの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、基板３０およびｐ型コンタクト層３０ｆ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
このようにして構成された発光素子３ａは、発光素子側の第１電極３１ａと発光素子側の第２電極３１ｂとの間にバイアスを印加することによって、活性層３０ｄが発光して、光の光源として機能する。
受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、基板３０の一主面３０ｓにｐ型半導体領域３２を設けることによって、ｎ型の基板３０とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域３２は、基板３０にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。本実施形態では、ｐ型半導体領域３２の厚さが０．５〜３μｍ程度となるように、ホウ素（Ｂ）がｐ型不純物として拡散されている。
ｐ型半導体領域３２は、受光素子側の第１電極３３ａと電気的に接続されており、ｎ型半導体である基板３０には、図示はしないが受光素子側の第２電極３３ｂが電気的に接続されている。
受光素子側の第１電極３３ａは、基板３０の上面に絶縁層８を介して配置されているため、基板３０と電気的に絶縁されている。
受光素子側の第１電極３３ａ、受光素子側の第２電極３３ｂは、例えば金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）または白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）の合金などで、その厚さが０．５〜５μｍ程度となるように形成されている。
このように構成された受光素子３ｂは、ｐ型半導体領域３２に光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を受光素子側の第１電極３３ａを介して取り出すことによって、光検出部として機能する。なお、受光素子側の第１電極３３ａと受光素子側の第２電極３３ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子３ｂの光検出感度が高くなるので好ましい。
保持体５は、配線基板２の上面に配置されている。保持体５の側壁部は、配線基板２の上面に、受発光素子３を取り囲むように接合されている。両者の接合には、接着剤を用いてもよいし、係合部を用いてもよい。そして、発光素子３ａが発した光が被照射物に向かう方向以外に散乱するのを防止したり、受光素子３ｂに被照射物で反射された光以外の光が入射するのを防止したり、配線基板２および受発光素子３を外部環境から保護する機能を有する。
このような保持体５は、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）ポリカーボネート樹脂（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。また複数の材料の組み合わせであってもよい。
なお、本実施形態の保持体５の奥行および幅の寸法は配線基板２の奥行および幅の寸法と同じになっているが、必ずしも配線基板２の寸法と同じにする必要はなく、少なくとも発光素子３ａおよび受光素子３ｂが覆われる寸法であればよい。
保持体５の上壁は、側壁部とともに配線基板２および受発光素子３を覆うように配置される。本実施形態の上壁は側壁部に当接して配置されている。そして、後に説明する光学素子４を支持する機能も有する。
保持体５の上壁は、側壁部と同様の材料で形成される。なお、本実施形態の側壁部および上壁は、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）で射出成形によって一体的に形成されている。上壁には、光学素子４が配置される領域に光通過部を設けている。この例では、光通過部として開口部を設けている。
光学素子４は、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂが互いに接合され一体的に形成されている。ここで、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとは、お互いのレンズを構成する曲面が互いに途中で接合され一体化している。言い換えると、第１レンズ４ａを構成する曲面の曲率半径を描く仮想延長線と第２レンズ４ｂを構成する曲面の曲率半径を描く仮想延長線とが交差するものとなる。この例では、第１方向において、第１レンズ４ａの両側に第２レンズ４ｂが第２方向の中心を揃えて配置されている。このため、これらのレンズ４ａ、４ｂの中心を通る厚み方向の断面視をした際に、第１レンズ４ａの両側がレンズ曲面の途中で第２レンズ４ｂとそれぞれ接続されている。
このように構成することにより、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することができる。そして、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することにより、発光素子３ａからの出射光の被対象物への入射角を小さくすることができる。具体的には１５°以下、さらには５°以下とすることができる。この値は、一般的な、個別の発光素子と受光素子とを基準面に対して角度をつけて実装する場合の角度（３０°程度）に比べて極めて小さいものである。このように入射角を小さくすることにより、微小な領域の表面状態を確認することができるようになり、センシング性能を高めることができる。
第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂは、第２方向における大きさが、前記第１方向における大きさに比べて大きくてもよい。すなわち、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂは、それぞれ、第２方向におけるレンズの有効径が、第１方向におけるレンズの有効径に比べ大きくなっている。さらに言い換えると、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂは、第１方向と第２方向とで非対称の形状となっている。その結果、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂにより光量を確保することができる。
本実施形態に係る光学素子４において、図１に示すように、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂは、第１主面４ｓ１および第２主面４ｓ２の両主面において、お互いのレンズを構成する曲面が互いに途中で接合されてもよい。その結果、光学素子４の両主面側の曲面において集光がしやすくなり、受発光素子モジュール１の設計の自由度を向上させることができる。
第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂのそれぞれにおける第１主面４ｓ１側の曲面の曲率半径は、第２主面４ｓ２側の曲面の曲率半径よりも小さくてもよい。その結果、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合によって形成される凹みを小さくすることができる。したがって、受発光素子モジュール１の設計の自由度を向上させるとともに、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合部に埃が溜まるのを低減することができる。なお、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂのそれぞれにおける第１主面４ｓ１側の曲面の曲率半径は、例えば３ｍｍ以上１２ｍｍ以下に設定される。また、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂのそれぞれにおける第２主面４ｓ２側の曲面の曲率半径は、例えば１ｍ以上に設定される。
また、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置することにより、受発光素子モジュール１を小型化することができる。さらに、上述の通り、入射角を小さくすることができるので、被対象物までの距離を長くすることも可能となる。
このような、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂの材質は、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ート樹脂、ポリメタクリル酸メチル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が挙げられる。
第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂは、例えばシリコーン樹脂で形成されたシリンドリカルレンズ、球面レンズまたはフレネルレンズ等を用いることができる。このようなレンズ４ａ、４ｂは保持体５の上壁に、シリコーン樹脂などの有機接着剤などにより取り付ければよい。また、第１レンズ４ａ、第２レンズ４ｂとの接合部は、Ｚ方向からの上面視で、例えばＹ方向に平行な直線状に延びている。
なお、本実施形態では、Ｚ方向（基板３０の厚み方向）から透視状態でみたときに、第１レンズ４ａの中心と発光素子３ａの中心とをずらしている。例えば、発光素子３ａの中心を起点としてＺ方向（法線方向）から１０°〜２０°傾けた仮想線上に第１レンズ４ａの中心が位置するように互いの位置を調整してもよい。このように配置することにより、発光素子３ａからの光のうち、発光強度の高い角度領域の出射光を効率よく取り出すとともに、被対象物に対して入射角をつけて光を照射することができる。
なお、光学素子４は、例えば第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂに接合面を形成し、個々のレンズの接着面同士をシリコーン樹脂等の接着剤によって接着させることによって形成することができる。また、光学素子４は、金型などに第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂの材料を流し込み、硬化させることによって一体的に形成してもよい。また、個々のレンズを切断後に互いに当接させて機械的に固定してもよい。
（変形例１：光学素子４の形状）
図３に示すように、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂは、第２主面４ｓ２側において、１つの曲面を構成してもよい。その結果、光学素子４Ａの第２主面４ｓ２側において、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合部における凹みがなくなり、光学素子４Ａの第２主面４ｓ２側に埃が溜まりにくくなる。また、仮に光学素子４Ａの第２主面４ｓ２に埃が付着したとしても、埃を除去しやすくなる。
第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂで構成する１つの曲面の曲率半径は、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂのそれぞれの第１主面４ｓ１側の曲面の曲率半径よりも大きくてもよい。その結果、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂで構成する１つの曲面を平坦に近づけることができるため、受発光素子モジュール１の設置スペースを小さくすることができる。なお、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂのそれぞれにおける第１主面４ｓ１側の曲面の曲率半径は、例えば３ｍｍ以上１２ｍｍ以下に設定される。また、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂで構成する１つの曲面の曲率半径は、例えば１ｍ以上に設定される。
（変形例２：光調整部材６）
図４に示すように、光学素子４と発光素子３ａおよび受光素子３ｂとの間に光調整部材６を配置してもよい。光調整部材６は、発光素子３ａが被対象物へ照射する光が通過し、かつ被対象物で反射して受光素子３ｂで受光される反射光が通過する光通過部６１を有する。これにより、光調整部材６は、発光素子３ａから発する光の光路を調整したり、受光素子３ｂに迷光が受光されることを低減したりする機能を有する。光調整部材６は、例えば板状に形成されている。
光調整部材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）ポリカーボネート樹脂（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。樹脂材料または金属材料で形成されている。また、光調整部材６は、例えば、透光性材料、光吸収性材料または遮光性材料で形成される。本実施形態に係る光調整部材６は、遮光性を有する樹脂材料で形成されている。
光調整部材６は、保持体５と別体で設け、保持体５に接合してもよいし、図４に示すように、保持体５Ａを光調整部材６とし、保持体５Ａの上壁に光通過部６１（第１光通過部６１ａ、第２光通過部６１ｂ）を形成してもよい。
光調整部材６の光通過部６１は、発光素子３ａと第１レンズ４ａとの間に位置し光調整部材６を貫通する貫通孔である第１光通過部６１ａと、受光素子３ｂと第２レンズ４ｂとの間に位置し光調整部材６を貫通する貫通孔である第２光通過部６１ｂとを有してもよい。なお、図４（ｂ）において、各構成要素の位置関係を明白にするために、発光素子３ａの発光部、受光素子３ｂの受光部、第１光通過部６１ａおよび第２光通過部６１ｂを破線で記している。なお、本実施形態では、第２光通過部６１ｂは複数あり、受光素子３ｂ１および第２レンズ４ｂ１に対応する第２光通過部６１ｂ１と、受光素子３ｂ２および第２レンズ４ｂ２に対応する第２光通過部６１ｂ２とを有している。
第１方向における第１光通過部６１ａの大きさは、第１方向における第１レンズ４ａの大きさよりも小さくてもよい。その結果、例えば、発光素子３ａからの光が第１レンズ４ａに入射せずに迷光になってしまうことを低減することができる。
第１方向における第２光通過部６１ｂの大きさは、第１方向における第２レンズ４ｂの大きさよりも小さくてもよい。その結果、例えば、第２レンズ４ｂ以外からの光（迷光）が、受光素子３ｂで受光されることを低減することができる。
第１光通過部６１ａおよび第２光通過部６１ｂはそれぞれ独立して存在しており、光調整部材６は、第１光通過部６１ａおよび第２光通過部６１ｂの間に位置した遮光性領域を有していてもよい。その結果、発光素子３ａ、受光素子３ｂが配置された側の空間と光学素子４との間を分離する役割をなす。このような光調整部材６により、発光素子３ａから第１レンズ４ａに向かう光と、第２レンズ４ｂから受光素子３ｂに向かう光とを分離することができる。これにより、発光素子３ａと受光素子３ｂとを近接配置した場合であっても、意図せぬ発光素子３ａからの光、受光素子３ｂへの光の影響を抑制することができる。なお、本実施形態では、光調整部材６は、第１光通過部６１ａおよび第２光通過部６１ｂ以外の部分で遮光性を有している。
さらに、本実施形態では、第１光通過部６１ａは、第２方向における大きさが第１方向における大きさよりも大きくてもよい。すなわち、第１レンズ４ａの第１方向における有効径に比べ第２方向における有効径が大きいため、これに合わせて、第１光通過部６１ａの大きさを調整することにより、発光素子３ａからの光を多く第１レンズ４ａに導くことができる。このような、第１光通過部６１ａの形状は矩形状であってもよいし、楕円状であってもよい。また、第２光通過部６１ｂは、多くの光を受光素子３ｂに導くよう、第２レンズ４ｂの有効径に対応させて可能な限り大きくしてもよい。
また、上述した通り、光通過部６１が光調整部材６を貫通した貫通孔であることから、例えば、光通過部６１が透光性材料から成る場合と比較して、発光素子３ａの光が光通過部６１を通過する際の光の損失を低減しやすくすることができる。
なお、本実施形態において、Ｚ方向から透視状態でみたときに、第１レンズ４ａの中心と発光素子３ａの中心と第１光通過部６１ａの中心とは、互いに一致しない。具体的には、発光素子３ａの中心を起点としてＺ方向から１０°〜２０°傾けた仮想線上に第１光通過部６１ａの中心が位置するように互いの位置を調整すればよい。
（変形例３：第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合部）
受発光素子モジュール１Ｂは、上述の光学素子４に代えて、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように光学素子４Ｂ１、４Ｂ２を備えていてもよい。図５（ａ）に示すように、光学素子４Ｂ１は、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合部に溝４１を設けている。このように溝４１を設けることにより、意図せぬ発光素子３ａからの光、受光素子３ｂへの光の影響を抑制することができる。
溝４１は、第１光通過部６１ａと第２光通過部６１ｂとの距離よりも小さければ特に限定されないが、例えば、第１および第２レンズ４ａ、４ｂとしてＮＡが０．５のものを用いた場合には、幅を１００〜３００μｍとし、深さを２００〜８００ｎｍとしてもよい。また、溝４１の内壁は、鏡面状態でもよいが、シボ加工等により、表面状態を荒らすことにより直射光の影響を抑制するような構成としてもよい。
また、溝４１は、光学素子４Ｂ２の第１主面４ｓ１側に位置していてもよい。その結果、溝４１が光学素子４Ｂ２の第２主面４ｓ２側に位置している場合と比較して、例えば溝４１内に埃が入ることを低減することができる。したがって、光の損失などを低減することができる。
また、図５（ｂ）に示す光学素子４Ｂ２のように、溝４１に遮光材料、光吸収体、または第１および第２光学レンズ４ａ、４ｂよりも屈折率が小さい材料から充填部４２を設けてもよい。この場合も、意図せぬ発光素子３ａからの光、受光素子３ｂへの光の影響を抑制し、光線を分離することができる。充填部４２の材料は、充填が容易で、かつ応力緩和が可能な材料を用いることが好ましく、例えば、シリコーン系、ポリカーボネイト系の黒色有機樹脂を例示できる。
（変形例４：第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとの接合部）
図６は、ＸＹ平面に垂直な方向から透視状態で見た、受発光素子モジュール１Ｃの要部上面図である。受発光素子モジュール１Ｃは、図６に示すように、ＸＹ平面において、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとが接合される接合部が第２方向（Ｙ方向）と非平行に延びるような光学素子４Ｃを有していてもよい。
図６に示すように、発光素子３ａからの光を多く取り出したい場合には、第２方向における中央部から離れるに従い、第１レンズ４ａ側から第２レンズ４ｂ１側に張り出すように第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂ１とを接合してもよい。また、拡散反射光を受光素子３ｂ２で受ける場合には、受光強度を高めるために、第２方向における中央部から離れるに従い、第２レンズ４ｂ２側から第１レンズ４ａ側に張り出すように接合してもよい。
（変形例５：第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂ）
受発光素子モジュール１Ｄは、図７（ａ）に示すように、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂ１のみ接合されており、第２レンズ４ｂ２は接合されていなくてもよいし、図７（ｂ）に示すように、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂの曲率半径は互いに異なっていてもよい。このような構成とすることで、受発光素子モジュール１Ｄの設計の自由度を向上させることができる。
（変形例６：基板３０）
上述の例では、基板３０として半導体材料を用い、基板３０の一部に受光素子３ｂを作りこんだ例を用いて説明したが、基板３０Ｅを有する受発光素子モジュール１Ｅとしてもよい。基板３０Ｅは半導体材料に限定されず、ＳＯＩ基板、ＳＯＳ基板、絶縁性材料からなる基板、樹脂基板等を用いてもよい。この場合には、別基板に形成した受光素子３ｂ、発光素子３ａを貼り合わせることにより、同一基板上に発光素子３ａ、受光素子３ｂを備えた受発光素子モジュール１Ｅとすることができる。
この場合には、基板３０Ｅとして放熱性の高い材料を用いた場合には、放熱性の高い受発光素子モジュールを提供することができる。内部配線を施した配線基板を用いた場合には、電気配線の取り回しが容易となり、集積性の高いものとすることができる。その場合には基板３０Ｅが配線基板２を兼ねることも可能となる。また、最適条件で形成した発光素子３ａ、受光素子３ｂを基板３０Ｅに貼り合わせることで、各素子の性能を高めることができる。
（変形例７：その他）
上述の例では、１つの発光素子３ａと２つの受光素子３ｂとを有する受発光素子３を用いたが、１つの発光素子３ａとそれを囲むように配置された３以上の受光素子３ｂとの組み合わせとしてもよい。さらに、発光素子３ａアレイと受光素子３ｂアレイとを並べて配置したものとしてもよい。この場合には、発光素子３ａと受光素子３ｂとの配置に合わせ、光学素子４も形成すればよい。
また、上述の例では受光素子３ｂはｐｎ型のフォトダイオードとしたが、ＰＩｎ型としてもよい。さらに、受光素子３ｂ１、３ｂ２で大きさ、形状を異なるものとしてもよい。具体的には、正反射光に比べ反射角度が大きく、かつ反射角度のばらつきも大きい散乱反射光を受光する受光素子３ｂ２は、第１方向に長い矩形形状としてもよい。
さらに、上述の構成により従来技術に比べ十分被照射物への入射角を小さくすることができるが、光学素子４の上方にプリズムを設けることにより、さらに入射角度を小さくすることが可能となる。
（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８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３ａを駆動させるための駆動回路、受光素子３ｂ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等を含んでいる。
以下では、受発光素子モジュール１を、コピー機やプリンタなどの画像形成装置における、中間転写ベルトＶ上に付着したトナーＴ（被照射物）の位置を検出するセンサ装置に適用する場合を例に挙げて説明する。
受発光素子モジュール１の発光素子３ａおよび受光素子３ｂが形成された面が、中間転写ベルトＶに対向するように配置される。そして、発光素子３ａから中間転写ベルトＶ上のトナーＴへ光が照射される。本実施形態では、発光素子３ａから発せられた光が、第１レンズ４ａを介して中間転写ベルトＶ上のトナーＴに入射する。そして、この入射光Ｌ１に対する正反射光Ｌ２が、第２レンズ４ｂを介して受光素子３ｂによって受光される。受光素子３ｂには、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、制御用回路１０１でこの光電流が検出される。
本実施形態のセンサ装置１００では、以上のようにトナーＴからの正反射光の強度に応じた光電流を検出することができる。そのため、例えば受光素子３ｂから検出される光電流値が大きい場合は、この位置にトナーＴが位置するというように、中間転写ベルトＶ上のトナーＴの位置を検出することができる。なお、正反射光の強度はトナーＴの濃度にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、トナーＴの濃度を検出することも可能である。同様に、正反射光の強度は、受発光素子３からトナーＴとの距離にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、受発光素子３とトナーＴとの距離を検出することも可能である。また、正反射光、拡散反射光の強度は、被照射物の凹凸情報、光沢情報等の表面情報にも対応するため、被照射物の表面情報を得ることもできる。
本実施形態のセンサ装置１００によれば、受発光素子モジュール１の有する上述の効果を奏することができる。
なお、図９に本実施形態のセンサ装置（実施例１とする）と比較例１、２のセンサ装置とのセンシング性能を測定した測定結果を示す。比較例１は、砲弾型の発光部品（ＬＥＤ部品）とＰＤ部品とを、その上面が被照射面に対して角度を３０°となるように傾けて配置したものを用いている。比較例２は、センサ装置１００の光学素子４に代えて、複数のレンズがその曲率半径の途中で互いに接合されていない、独立したレンズを用いたものを用いている。これらの各センサ装置を用いて、表面状態を異ならせた複数の被照射物に対して、受光素子３ｂ１の光電流を計測した。このように被照射物の表面状態を異ならせることにより、入射光の反射率を相対的に変化させることができる。
図９より、比較例１、２では、被照射物における反射率が変わるにつれて（被照射物表面におけるトナー被覆率が変わるにつれ）、変化率が低下して飽和していき、センシング性能が低下することが分かった。これに比べて、実施例１では、被照射物における反射率の変化と、光電流の大きさとの間に比較的良好な線形関係を維持できていることを確認できた。これにより、実施例１によれば、被照射物の状態に依存せず、良好なセンシング性能を発現できることを確認できた。
以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれ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内で種々の変更が可能である。
例えば、上述の実施形態に係る受発光素子モジュール１では、受発光素子モジュール１の変形例として光調整部材６が遮光性の材料で形成されている構成を例に説明したが、光調整部材６は透光性材料からなってもよい。この場合、例えば、透光性の樹脂材料で光調整部材６を形成して、遮光すべき箇所について遮光性部材を配置してもよい。
また、上述の実施形態に係る受発光素子モジュール１では、光学素子４の形成方法としてレンズ同士を接着剤にて接着する例を説明したが、第１レンズ４ａおよび第２レンズ４ｂを接着する接着剤を遮光性のものにしてもよい。
１ 受発光素子モジュール
２ 配線基板
３ 受発光素子
３ａ 発光素子
３ｂ 受光素子
４ 光学素子
４ｓ１ 第１主面
４ｓ２ 第２主面
４ａ 第１レンズ
４ｂ 第２レンズ
５ 保持体
６ 光調整部材
６１ 光通過部
６１ａ 第１光通過部
６１ｂ 第２光通過部
８ 絶縁層
３０ 基板
３０ｓ 一主面
３０ａ バッファ層
３０ｂ ｎ型コンタクト層
３０ｃ ｎ型クラッド層
３０ｄ 活性層
３０ｅ ｐ型クラッド層
３０ｆ ｐ型コンタクト層
３１ａ 発光素子側の第１電極
３１ｂ 発光素子側の第２電極
３２ ｐ型半導体領域
３３ａ 受光素子側の第１電極
３３ｂ 受光素子側の第２電極
１００ センサ装置
１０１ 制御用回路

Claims (7)

  1. 半導体材料からなる基板と、
    前記基板の一主面に複数の半導体層が積層されて形成されている発光素子と、
    前記基板の前記一主面にｐｎ接合を形成して構成され、前記発光素子を挟むように第１方向に並んで配置されている２つの受光素子と、
    前記基板の前記一主面と間隔を空けて配置されるとともに、前記一主面に対向する第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する光学素子と、を備え、
    前記光学素子は、前記発光素子からの光を被対象物に導く第１レンズと、前記被対象物によって反射された光を２つの前記受光素子のそれぞれに導く２つの第２レンズと、を含み、
    前記第１レンズと２つの前記第２レンズとは、前記第１方向に並んで前記第１レンズの両側に前記第２レンズが配置されるとともに、前記第１主面側および前記第２主面側において前記第１レンズを構成する曲面の両側と２つの前記第２レンズを構成する曲面とがその途中で接合されており、
    前記第１レンズおよび前記第２レンズのそれぞれにおける前記第１主面側の曲面の曲率半径は、前記第２主面側の曲面の曲率半径よりも小さく、
    前記第１レンズおよび前記第２レンズは、前記第１方向と直交し且つ前記基板の一主面に沿った第２方向における大きさが、前記第１方向における大きさに比べて大きい、受発光素子モジュール。
  2. 前記第１レンズおよび前記第２レンズは、前記第２主面側において、１つの曲面を構成する、請求項１に記載の受発光素子モジュール。
  3. 前記第１レンズおよび前記第２レンズで構成する前記１つの曲面の曲率半径は、前記第１レンズおよび前記第２レンズのそれぞれの前記第１主面側の曲面の曲率半径よりも大きい、請求項２に記載の受発光素子モジュール。
  4. 前記光学素子は、前記第１レンズと前記第２レンズとの接合部に溝を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の受発光素子モジュール。
  5. 前記溝は、前記光学素子の前記第１主面側に位置している、請求項４に記載の受発光素子モジュール。
  6. 前記第１レンズと前記第２レンズとが接合される接合部は、前記第１方向と直交し且つ
    前記基板の一主面に沿った第２方向に対して非平行に延びている、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、を有するセンサ装置であって、
    前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射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被照射物の位置情報、距離情報および表面情報のうち少なくとも１つを検出する、センサ装置。
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