特許 7520867 光学式センサおよび光学式センサモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】光学式センサおよび光学式センサモジュール

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/166 20200101AFI20240716BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

G01L5/166

G01L5/00 101Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021554286

(86)(22)【出願日】2020-10-12

(86)【国際出願番号】 JP2020038452

(87)【国際公開番号】W WO2021085098

(87)【国際公開日】2021-05-06

【審査請求日】2023-09-06

(31)【優先権主張番号】P 2019197606

(32)【優先日】2019-10-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002185

【氏名又は名称】ソニーグループ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001357

【氏名又は名称】弁理士法人つばさ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】勝原 智子

(72)【発明者】

【氏名】大鳥居 英

(72)【発明者】

【氏名】塚本 圭

【審査官】大森 努

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－２０９１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０４１９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４９３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１３９３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７４４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９７３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４３５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０４５６８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３２６８８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５９－１５３１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６６８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３９４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５２５１３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ５／１６，５／１６６，１／２４，

Ｈ０１Ｌ ３３／００，３３／４８－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
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、
前記回路基板を支持する光透過性基板と
を備え、
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
光学式センサ。

【請求項2】

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、
前記回路基板を支持する光透過性基板と
を備え、
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
光学式センサ。

【請求項3】

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または請求項２に記載の光学式センサ。

【請求項4】

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３に記載の光学式センサ。

【請求項5】

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４に記載の光学式センサ。

【請求項6】

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または請求項２に記載の光学式センサ。

【請求項7】

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または請求項２に記載の光学式センサ。

【請求項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１または請求項２に記載の光学式センサ。

【請求項9】

前記反射層は、反射面に規則的な凹凸を有する
請求項１または請求項２に記載の光学式センサ。

【請求項10】

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４に記載の光学式センサ。

【請求項11】

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、
前記回路基板を支持する光透過性基板と、
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
光学式センサモジュール。

【請求項12】

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１１に記載の光学式センサモジュール。

【請求項13】

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１１に記載の光学式センサモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２５３６５０号

【文献】特開２０１５－１９７３５７号

【発明の概要】

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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2】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3】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。

【図4】（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5】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6】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7】図１の反射層の反射面の一変形例を表す図である。

【図8】（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。

【図9】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10】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11】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12】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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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）

【0010】

＜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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

[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。

【0024】

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。

【0025】

[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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

＜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。

【0035】

[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。

【0036】

[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。

【0037】

[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。

【0038】

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。

【0039】

＜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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

[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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】