專利名稱：光電傳感器、光學(xué)模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)模塊，例如光電傳感器的光投射和接收單元，并且涉及這種光學(xué)模塊和具有這種光學(xué)模塊的光電傳感器的制造方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于用于物體檢測的光電傳感器的光學(xué)模塊，需要使例如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)或者光電二極管(PD)的半導(dǎo)體光學(xué)元件與例如光投射透鏡或光接收透鏡等與上述半導(dǎo)體光學(xué)元件對應(yīng)設(shè)置的透鏡的位置精確匹配。如果沒有充分精確地實現(xiàn)這種位置匹配，那么光的投射或接收將不會如所預(yù)期的進(jìn)行，并且不能精確地實現(xiàn)物體的檢測。
透鏡通常設(shè)置在安裝于基板上的半導(dǎo)體光學(xué)元件的上方。如日本專利特開平10-125187所述的，在很多情況下，透鏡與一罩蓋形成為一體，其中該罩蓋與貼附有基板的殼體連接。
對于如此構(gòu)成的光學(xué)模塊，通過嚴(yán)格控制組件間的組裝位置的精確度，半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡可以達(dá)到高級別精確度的定位。為了精確地進(jìn)行位置匹配，還必須嚴(yán)格地控制測量中的精確度，以使得制造出來的組件具有根據(jù)設(shè)計的精確形狀。
然而，嚴(yán)格地控制測量中的精確度以及組裝位置的精確度并不是一件容易的事情。對于透鏡與連接到一殼體的罩蓋形成為一體的光學(xué)組件——其通過將半導(dǎo)體光學(xué)元件安裝在中間基板并使用透明樹脂材料將其密封以形成芯片尺寸封裝(CSP)，并且通過將該形成為CSP的IC封裝安裝到基板以使基板固定到殼體上而制成——而言，例如，至少需要考慮以下種類的位置偏差(a)當(dāng)半導(dǎo)體光學(xué)元件連接到中間基板時所產(chǎn)生的位置偏差；
(b)在制造中間基板時正面和背面上的布線圖樣的位置偏差；(c)當(dāng)CSP形式的IC封裝安裝到基板時所產(chǎn)生的位置偏差；(d)當(dāng)基板連接到殼體時所產(chǎn)生的位置偏差；(e)當(dāng)透鏡形成于罩蓋上時透鏡的位置偏差；和(f)當(dāng)罩蓋安裝到殼體時所產(chǎn)生的位置偏差。
因此，對于具有如上所述結(jié)構(gòu)的光學(xué)模塊，必須要有非常多的測量控制和組裝控制，這不利地影響了制造成本。而且，由于測量控制和組裝控制存在一個限度，因此即使個別的位置偏差可以控制到最小的程度，當(dāng)所述模塊作為一個整體時，在半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡之間并不能始終實現(xiàn)精確地位置匹配。因此，使半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡位置匹配的有效方法就是盡量減少半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡之間的組件的數(shù)量。
從上述觀點(diǎn)出發(fā)，日本專利特開平4-13989公開了一種光學(xué)模塊，其具有被密封在透明樹脂材料內(nèi)而形成IC封裝的半導(dǎo)體光學(xué)元件，例如LED或LD，并且將透鏡直接連接到該IC封裝的表面。在這種情況下，因為可以使用日本專利特開平2-188972中公開的用于調(diào)整光軸的裝置來直接調(diào)整透鏡與半導(dǎo)體光學(xué)元件之間的位置匹配，所以無需考慮上述(a)至(f)所述類型的位置偏差，并且使得精確的位置匹配成為可能。
然而，近年來，光學(xué)模塊逐漸需要變得更小，并且半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡也正在小型化。因此，在對這些組件進(jìn)行定位時難以對這些組件進(jìn)行操作。在進(jìn)行位置匹配時難以保持透鏡本身，從而極難使透鏡與半導(dǎo)體光學(xué)元件位置匹配。
而且，隨著半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡被制作得更小，在光學(xué)模塊中它們之間的距離也需要變得更小。因此，如果在它們之間存在位置偏差，則產(chǎn)生的光的行為的變化將變得很大從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低的問題。
另一個問題是隨著透鏡逐漸變薄，如果在通過注射成型來制造透鏡時使用頂出針(eject pin)將透鏡從模具中取出，那么該頂出針很可能穿透并損壞透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
因此鑒于上述問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種光學(xué)模塊，其中可以容易地實現(xiàn)其小型化的半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡的位置匹配，同時還提供一種制造這種光學(xué)模塊的方法以及一種含有這種光學(xué)模塊的光電傳感器。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種光學(xué)模塊，盡管其透鏡制作得很薄但仍可以高生產(chǎn)率地制造，同時提供一種制造這種光學(xué)模塊的方法以及一種含有這種光學(xué)模塊的光電傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模塊的特征在于包括半導(dǎo)體光學(xué)元件；將所述半導(dǎo)體光學(xué)元件密封于其中的透明樹脂部；和貼附于所述透明樹脂部上表面的透鏡單元；其中，所述透鏡單元包括透鏡部，其通過所述透明樹脂部與所述半導(dǎo)體光學(xué)元件相對設(shè)置；以及平坦部，其從所述透鏡部沿著所述透明樹脂部的所述上表面延伸。利用如此構(gòu)成的光學(xué)模塊，因為可以通過透鏡單元的平坦部間接地支撐透鏡部，所以即使透鏡部被制作得很小或很薄，也可以容易且精確地進(jìn)行透鏡部相對于半導(dǎo)體光學(xué)元件的位置匹配。
其中，優(yōu)選地，所述平坦部形成為完全圍繞所述透鏡部，并且從所述透鏡部的整個外周延伸。這樣，平坦部的主要表面的區(qū)域可以制作得很寬并且可以更容易地支撐透鏡單元。另外，優(yōu)選地，所述平坦部在遠(yuǎn)離所述透鏡部的邊緣部具有引導(dǎo)壁，從而所述引導(dǎo)壁延伸并覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的側(cè)表面。由此可以粗略地使引導(dǎo)壁相對于透明樹脂部的側(cè)表面位置匹配。當(dāng)透鏡單元和透明樹脂部通過粘結(jié)劑連接在一起時，多余部分的粘結(jié)劑被平坦部和引導(dǎo)壁引導(dǎo)到透明樹脂部的側(cè)表面，從而能夠防止粘結(jié)劑貼附透鏡部等。
其中，優(yōu)選地，所述平坦部具有一對自所述透鏡部相互反向延伸的部分，從而所述引導(dǎo)壁從所述相互反向延伸的部分的端部延伸，并且覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的相對的側(cè)表面。利用如此構(gòu)成的平坦部，透明樹脂部位于一對引導(dǎo)壁之間，并且使得透鏡單元的位置匹配更為容易。
所述平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度優(yōu)選為0.6mm或更大，并且要小于等于所述透鏡部的最大厚度。如果平坦部具有這樣的尺寸，那么通過注射成型來制造透鏡單元時，頂出針可以作用于平坦部，并且因此光學(xué)模塊可以制作得更小和更薄。
所述平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度優(yōu)選小于0.6mm，所述引導(dǎo)壁在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的寬度為0.6mm或更大。如果平坦部具有這樣的尺寸，那么在通過注射成型來制造透鏡單元時，頂出針可以作用于引導(dǎo)壁部分，并且因此光學(xué)模塊可以制作得更小和更薄。平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度可以優(yōu)選被制作為基本上等于引導(dǎo)壁在與所述側(cè)表面垂直的方向上的厚度。如果這樣，在通過注射成型來制造透鏡單元時，熔融的樹脂就可以更平穩(wěn)地流動。
所述平坦部位于所述透明樹脂部上的部分在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的最大厚度優(yōu)選被制作為1.0mm或更小，從而可以獲得非常薄且小的光學(xué)模塊。
其中，所述平坦部可以包括沿遠(yuǎn)離所述透明樹脂部的相反方向凸出的壁部，并且所述壁部在與所述透鏡部相對的位置處具有凹部，該凹部沿朝向所述透鏡部的方向凹入，而且光纖的一端插入該凹部中，從而所述光纖通過面向所述透鏡部的一端而貼附于所述壁部。通過這樣的結(jié)構(gòu)，光纖可以容易地連接到透鏡單元，并且可以容易且低成本地制造具有光纖的光學(xué)模塊。而且，光纖可以容易地相對于透鏡部進(jìn)行位置匹配來制造高質(zhì)量的光學(xué)模塊。
其中，所述透鏡單元優(yōu)選包括聚碳酸酯樹脂或丙烯酸樹脂以作為主要材料。通過這樣的材料，本發(fā)明的光學(xué)模塊可以通過注射成型低成本地制造。
根據(jù)本發(fā)明一個方案的光電傳感器的特征在于包括至少一個如上所述的光學(xué)模塊，以用作光投射器或光接收器。
所謂的傳輸型光電傳感器通常具有一個設(shè)置在單獨(dú)的殼體內(nèi)的、作為光投射器或光接收器的光學(xué)模塊。如果該光學(xué)模塊如上所述構(gòu)成，那么就可以容易地實現(xiàn)其小型化的半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡部的位置匹配，并且可以獲得小型化的光電傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案的光電傳感器的特征在于包括至少一個作為光投射器的如上所述的光學(xué)模塊，和至少一個另外的作為光接收器的如上所述的光學(xué)模塊。
所謂的反射型光電傳感器通常具有在一個單獨(dú)的殼體內(nèi)的、作為光投射器和光接收器的兩個光學(xué)模塊。因此，如果根據(jù)本發(fā)明來構(gòu)成光學(xué)模塊，那么即使是具有兩個或更多個光學(xué)模塊的光電傳感器也能制造得很小，這是因為能夠容易且精確地實現(xiàn)其小型化的半導(dǎo)體光學(xué)元件和透鏡部之間的位置匹配。
本發(fā)明的光學(xué)模塊的制造方法的特征在于包括以下步驟將半導(dǎo)體光學(xué)元件密封在透明樹脂部中；通過注射成型形成包含有透鏡部和從所述透鏡部延伸的平坦部的透鏡單元；以及通過吸附裝置吸附所述平坦部的主要表面部，由此使所述透鏡單元與所述透明樹脂部的表面(上表面)位置匹配地貼附，以使所述透鏡部通過透明樹脂部與所述半導(dǎo)體光學(xué)元件以面對面的關(guān)系定位。通過這種方法，可以間接地支撐透鏡單元，因此能夠容易地實現(xiàn)位置匹配。
在上述的制造方法中，優(yōu)選地，所述平坦部形成為在與所述透鏡部相對的邊緣部具有引導(dǎo)壁，并且由此所述透鏡單元貼附于所述透明樹脂部，從而使所述引導(dǎo)壁覆蓋所述透明樹脂部的側(cè)表面。這樣通過引導(dǎo)壁和與所述透明樹脂部的上表面連續(xù)的側(cè)表面能夠?qū)崿F(xiàn)粗略的位置匹配。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述透鏡單元形成為使所述平坦部的厚度小于0.6mm，并且所述引導(dǎo)壁在所述平坦部的所述厚度的方向上的厚度為0.6mm或更大；優(yōu)選地，在將所述透鏡單元從模具取出時，通過沿所述平坦部的所述厚度方向朝向所述引導(dǎo)壁頂壓頂出針來形成所述透鏡單元。通過這種方法，透鏡單元在通過注射成型方法形成以后，能夠有效地從模具中取出，因此平坦部可以制作得更薄，而且光學(xué)模塊可以制作得更小。


圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光投射器(light projector)的分解立體圖；圖2為圖1的光投射器組裝后的局部剖面圖；圖3-圖7為示出用于制造圖1的光投射器的過程的示意性截面圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光投射器的分解立體圖；圖9為圖8的光投射器的透鏡單元的立體圖；圖10為圖8的光投射器組裝后的局部剖面圖；圖11-圖14為示出用于制造圖8的光投射器的過程的示意性截面圖；圖15為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光接收器的分解立體圖；圖16為圖15的光接收器的透鏡單元的立體圖；
圖17為圖15的光接收器組裝后的局部剖面圖；圖18為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的結(jié)合有光接收器的距離設(shè)定型光電傳感器的示意圖；圖19為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光投射器的局部剖面圖。
具體實施例方式
下面將通過實例對本發(fā)明進(jìn)行說明，其中，本發(fā)明作為光學(xué)模塊應(yīng)用于光電傳感器的光投射器和光接收器。在所述的實例中，相同的組件以相同的附圖標(biāo)記表示，并且不再重復(fù)它們的描述。
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光投射器101A的分解立體圖，而圖2為光投射器101A組裝后的局部剖面圖。以下將結(jié)合圖1和圖2對該光投射器101A的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的該光投射器101A包括CSP形式的IC封裝110、安裝基板120、透鏡單元130、殼體140和罩蓋150。CSP形式的IC封裝110包括中間基板111、作為半導(dǎo)體光學(xué)元件的LED112和透明樹脂部113。LED112以裸芯片方式安裝在中間基板111的表面(上表面)，從而其光投射面將朝向上方。透明樹脂部113形成于中間基板111的上表面，以覆蓋以裸芯片方式安裝的LED112。以這種方式，LED112被透明樹脂部113密封于其中。環(huán)氧樹脂優(yōu)選作為透明樹脂部113的材料。除LED112之外的組件也可以安裝于透明樹脂部113的表面。
IC封裝110安裝成使其中間基板111的背面面對安裝基板120。更詳細(xì)地進(jìn)行描述，在中間基板111的背面上形成的導(dǎo)線分布圖(未圖示)和在安裝基板120的表面(上表面)上形成的另一個導(dǎo)線分布圖121通過焊料(未圖示)連接在一起，從而使中間基板111上的電路和安裝基板120上的電路電連接，并且IC封裝110能夠可靠地貼附于安裝基板120。當(dāng)然，安裝基板120上還可以安裝除IC封裝110外的組件。
透鏡單元130與IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a位置匹配且連接到該上表面113a。透鏡單元130包括用作投射透鏡的透鏡部131；以及平坦部132，該平坦部132從透鏡部131向側(cè)向延伸，且形成為基本平坦的形式，并且與在中央處的投射透鏡形成為一個整體。換句話說，透鏡單元130形成為使得透鏡部131被平坦部132圍繞，該平坦部132從透鏡部131沿所有的側(cè)向方向側(cè)向凸出，并且沿著IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a延伸。透鏡部131由例如聚碳酸酯樹脂或丙烯酸樹脂的材料制成，并且優(yōu)選通過注射成型來形成。使用含有通過紫外線硬化的樹脂材料的粘合劑118將透鏡單元130固定到透明樹脂部113的上表面113a上。
透鏡單元130被固定到透明樹脂部113的上表面113a上，使透鏡部131相對于LED112位置匹配，或者說LED112的光軸和透鏡部131的光軸相互重合。
安裝基板120被固定以容置于殼體140的內(nèi)部，該殼體140為箱形且上表面敞開。更詳細(xì)地進(jìn)行描述，通過設(shè)置于殼體140底面的位置匹配銷141將安裝基板120固定并使其位置匹配。罩蓋150進(jìn)一步被連接到殼體140，用于封蓋殼體140的上部開口。罩蓋150的至少中央部分需要由透明材料制成，以使來自LED112的、通過透鏡部131的光可以被投射到光投射器101A的外部。聚碳酸酯樹脂、丙烯酸樹脂和聚芳酯樹脂材料適于作為罩蓋150的材料。
根據(jù)圖2所示的實施例，光投射器101A設(shè)計成平坦部132在與透明樹脂部113的上表面113a垂直的方向上的厚度t1為0.6mm或更大，并且小于透鏡部131在同樣方向上的最大厚度T1。厚度t1優(yōu)選為1.0mm或更小。
要求t1至少為0.6mm的原因在于在透鏡單元130通過注射成型形成并從模具上取下時，頂出針將不會穿透透鏡單元130的平坦部132。使t1小于T1的原因在于通過盡可能地減少罩蓋150和透鏡單元130的透鏡部131之間的距離，可以使得光投射器101A更薄。優(yōu)選使t1等于或小于1.0mm的原因在于這樣將可以在不利用平坦部132的情況下通過保持透鏡部131的側(cè)表面而實現(xiàn)上述的位置匹配。最大厚度T1是決定光投射器101A的光學(xué)特性的參數(shù)之一，其沒有特別的限定。
以下將結(jié)合圖3-圖7對制造光投射器101A的方法進(jìn)行說明，圖3-圖7分別示出了該制造過程中的一個示意性截面圖。
首先，如圖3所示，將LED112以裸芯片方式安裝于中間基板111的上表面。然后，在中間基板111上形成透明樹脂部113以便將以裸芯片方式安裝的LED112密封于其中。由此制備出CSP形式的IC封裝110，并且該IC封裝110被貼附于安裝基板120的上表面。
除了上述參考圖3的過程之外，如圖4和圖5所示，通過注射成型單獨(dú)制備透鏡單元130。制備好模具11和12并使它們結(jié)合，然后將熔融的透明樹脂材料澆注到它們之間形成的空間并使透明樹脂材料硬化，從而形成透鏡單元130。由于這樣獲得的透鏡單元130是很小的組件，所以將其從模具11和12中取出便成為了問題。根據(jù)本發(fā)明的方法，如圖5所示，模具11沿箭頭A的方向與模具12分離，并且與此同時頂出針14以箭頭B的方向頂向平坦部132，從而透鏡單元130可以平滑地與模具11和12分離。如上所述，由于透鏡單元130的平坦部132的厚度t1為0.6mm或更大，所以可以進(jìn)行這種操作。因此可以在不會由于頂出針14的頂出而產(chǎn)生損壞的情況下，將透鏡單元130取出。
然后，如圖6所示，將一定量的含有可通過紫外線硬化的樹脂材料的粘合劑118涂敷到貼附于安裝基板120的IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a，同時通過吸附頭21的吸附力吸住如上所述的通過注射成型制造的透鏡單元130，并且沿箭頭C的方向使吸附頭21下降。透鏡單元130通過以下形式被吸附到吸附頭21上，即其透鏡部131插入到形成于吸附頭21的吸附表面23上的開口22，并且平坦部132的上表面被定位成與吸附頭21的、開設(shè)有吸附管24的吸附表面23接觸。
然后，如圖7所示，使透鏡單元130的透鏡部131與密封在IC封裝110內(nèi)的LED112相互位置匹配，從而使LED112和透鏡部131的光軸同軸，并且在保持位置匹配的情況下使粘結(jié)劑118暴露于紫外線下從而使粘結(jié)劑118硬化。因此，透鏡單元130貼附于IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a。在前述日本專利特開平2-188972中公開的用于調(diào)整光軸的裝置可以被用于該位置匹配處理。當(dāng)透鏡單元130由此被直接貼附于IC封裝110后，釋放由吸附頭21產(chǎn)生的吸附力，并且沿著箭頭D的方向移走吸附頭21。
然后，將其上安裝有IC封裝110并且IC封裝110上貼附有透鏡單元130的安裝基板120定位并貼附于殼體140上，并且將罩蓋150連接到該殼體140，以完成結(jié)構(gòu)如圖2所示的光投射器101A。
當(dāng)光投射器101A根據(jù)如上所述的方法制造，盡管透鏡部131被制作地很小且很薄，但是由于透鏡部131是間接地由吸附頭21支撐以吸附包括有透鏡部131的透鏡單元130的平坦部132的上表面，所以可以容易地實現(xiàn)透鏡部131相對于LED112的位置匹配過程。因此，盡管光投射器101A的透鏡部131制造得更小且更薄，但是光投射器101A仍可以以高生產(chǎn)效率且低成本地進(jìn)行制造。
由于平坦部132形成為圍繞透鏡部131且側(cè)向延伸，所以平坦部132的上表面的面積可以制造得足夠大，并且因此吸附頭21可以可靠地支撐透鏡單元130，從而可以保持很高的生產(chǎn)效率。
圖8為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光投射器101B的分解立體圖；圖9為更詳細(xì)地示出該光投射器101B的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖10為該光投射器101B組裝后的局部剖面圖。
如圖8和圖10所示，與上述的根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光投射器101A類似，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光投射器101B包括CSP形式的IC封裝110、安裝基板120、透鏡單元130、殼體140和罩蓋150。該透鏡單元130的形狀不同于第一實施例的光投射器101A的相應(yīng)的單元。
如圖8和圖10所示，光投射器101B的透鏡單元130包括用作投射透鏡的透鏡部131；以及從透鏡部131側(cè)向延伸的平坦部132。該平坦部132在其與透鏡部131相反的一側(cè)的邊緣部處具有引導(dǎo)壁133。換句話說，如圖9所示，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光投射器101B的透鏡單元130為下表面敞開的箱形，投射透鏡位于其主要表面(principal surface)的中央部分。平坦部132形成為沿著IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a延伸，并且引導(dǎo)壁133沿著透明樹脂部113的側(cè)表面113b向下延伸。透鏡部131由例如聚碳酸酯樹脂或丙烯酸樹脂的材料制成，并且優(yōu)選通過注射成型來形成。
如圖10所示，透鏡單元130通過粘結(jié)劑118貼附于IC封裝110(形成為CSP且內(nèi)部容置有LED112)的透明樹脂部113的上表面113a，從而使透明樹脂部113的上表面113a被包括透鏡部131和平坦部132的透鏡單元130的主要表面覆蓋，并且透明樹脂部113的側(cè)表面113b的上部被引導(dǎo)壁133覆蓋。
透鏡單元130以透鏡部131與LED112相互位置匹配而使LED112和透鏡部131的光軸相互重合的形式而貼附于透明樹脂部113的上表面113a。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，光投射器101B設(shè)計成平坦部132在與透明樹脂部113的上表面113a垂直的方向上的厚度t1小于0.6mm，優(yōu)選小于0.5mm，甚至更優(yōu)選地小于0.4mm，并且小于透鏡部131在相同方向上的最大厚度T1。引導(dǎo)壁133的寬度(在與透明樹脂部113的上表面113a垂直的方向上)t2為0.6mm或更大，并且引導(dǎo)壁133的厚度(在與透明樹脂部113的側(cè)表面113b垂直的方向上)t3基本上與t1相同。
要求t1小于0.6mm的原因在于平坦部132可以隨著透鏡部131的變小而被制作為比0.6mm更薄。使t1小于T1的原因在于通過使罩蓋150與透鏡單元130的透鏡部131盡可能地彼此靠近而可以使光投射器101B制造得更薄。為了在這種情況下通過注射成型來形成透鏡單元130，透鏡單元130的厚度必須為0.6mm或更大，從而當(dāng)透鏡單元130作為模制產(chǎn)品從模具取出時頂出針將不會穿透和損壞透鏡單元130。然而，如果頂出針頂?shù)搅吮绕教共?32厚的透鏡部131，那么透鏡部131的表面將受到損壞，并且由于在受損部分發(fā)生光散射，因此很有可能不利地影響光投射器的特性。這就是引導(dǎo)壁的寬度t2要選擇為0.6mm或更大以及設(shè)置引導(dǎo)銷頂?shù)狡渖系脑颉?br> 使t1和t3基本相等的原因在于在注射成型時熔融的樹脂材料較容易在模具內(nèi)流動，從而可以一種改善的方式形成透鏡單元130。透鏡部131的最大厚度T1是決定光投射器101B的光學(xué)特性的參數(shù)，其沒有特別的限定。
在上述內(nèi)容中，如果引導(dǎo)壁133的寬度t2為1.0mm或更大，那么將有可能從側(cè)面保持(或特別地通過吸附)透鏡單元130。因此，如果這樣做，那么將意味著在使透鏡單元130相對于LED112位置匹配時增加了處理中的自由度。
以下將結(jié)合圖11-圖14對制造光投射器101B的方法進(jìn)行說明，圖11-圖14分別示出了該制造過程中的一個示意性截面圖。
首先，與本發(fā)明第一實施例的情形一樣，制備CSP形式的IC封裝110并將其貼附于安裝基板120的上表面。
除如上所述的處理之外，如圖11和圖12所示，通過注射成型來單獨(dú)制備透鏡單元130。制備模具11和12并使它們結(jié)合，然后將熔融的透明樹脂材料澆注到它們之間形成的空間并且硬化，從而形成透鏡單元130。由于如此獲得的透鏡單元130是很小的組件，所以將其從模具11和12中取出便成為了問題。根據(jù)本發(fā)明的方法，如圖12所示，模具11沿箭頭A的方向與模具12分離，并且與此同時頂出針14以箭頭B的方向頂向引導(dǎo)壁133，從而透鏡單元130可以平滑地與模具11和12分離。如上所述，由于透鏡單元130的引導(dǎo)壁的寬度t2制造為0.6mm或更大，所以可以進(jìn)行這種操作。因此可以在不會由于頂出針14頂向引導(dǎo)壁133而產(chǎn)生損壞的情況下，將透鏡單元130從模具12中取出。
然后，如圖13所示，將一定量的含有可通過紫外線硬化的樹脂材料的粘合劑118涂敷到貼附于安裝基板120的IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a，同時通過吸附頭21的吸附力吸住如上所述的通過注射成型制造的透鏡單元130，并且沿箭頭C的方向使吸附頭21下降。透鏡單元130通過以下形式被吸附到吸附頭21上，即透鏡部131插入形成在吸附頭21的吸附表面23上的開口22，并且其平坦部132的上表面定位成與吸附頭21的、開設(shè)有吸附管24的吸附表面23接觸。然后貼附箱形的透鏡單元130，以覆蓋透明樹脂部113，從而使引導(dǎo)壁133與透明樹脂部113的側(cè)表面113b相對。
然后，如圖14所示，并且如上面第一實施例所述的，透鏡單元130的透鏡部131與密封在IC封裝110內(nèi)的LED112相互位置匹配，從而使LED112和透鏡部131的光軸同軸，并且在保持這種位置匹配的情況下使粘結(jié)劑118暴露于紫外線下從而使得粘結(jié)劑118硬化。因此，透鏡單元130貼附于IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a。在這樣將透鏡單元130直接地固定至IC封裝110之后，釋放由吸附頭21產(chǎn)生的吸附力，并且沿著箭頭D的方向移走吸附頭21。如果引導(dǎo)壁133的寬度t2為1.0或更大，那么吸附頭21可以從側(cè)面接觸透鏡單元130，以通過吸附力支撐透鏡單元130。
以后的完成如圖10所示結(jié)構(gòu)的光投射器101B的過程與第一實施例相同。
第二實施例相比于第一實施例的優(yōu)點(diǎn)包括第一，由于模制物可以通過頂出針推動而安全地脫離模具，所以即使透鏡部131制作得較小，透鏡單元130仍然可以通過注射成型而形成；第二，由于通過引導(dǎo)壁133和透明樹脂部113的側(cè)面壁113b可以實現(xiàn)粗略的位置匹配，所以透鏡部131相對于LED112的位置匹配變得較為容易；第三，由于多余部分的粘結(jié)劑118由引導(dǎo)壁133和平坦部132引導(dǎo)到透明樹脂部113的側(cè)壁113b，所以可以防止粘結(jié)劑貼附到吸附頭或透鏡部131上。因此，即使透鏡部131被制作得再小再薄，也可以維持高效率地生產(chǎn)。
圖15為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光接收器201的分解立體圖。圖16為更詳細(xì)地示出該光接收器201的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖17為該光接收器201組裝后的局部剖面圖。以下將結(jié)合這些附圖來說明光接收器的結(jié)構(gòu)。由于其制造方法類似于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光投射器101B的制造方法，所以不再重復(fù)描述。
如圖15和圖17所示，根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光接收器201包括CSP形式的IC封裝210、安裝基板220、透鏡單元230、殼體240和罩蓋250。
CSP形式的IC封裝210包括中間基板211、作為半導(dǎo)體光學(xué)元件的PD和透明樹脂部213。PD212以裸芯片方式安裝于中間基板211的上表面上，從而其光接收面朝向上方。透明樹脂部213形成于中間基板211的上表面，以覆蓋以裸芯片方式安裝的PD212。以這種方式，PD212被透明樹脂部213密封于內(nèi)部。環(huán)氧樹脂優(yōu)選作為透明樹脂部213的材料。透明樹脂部213的表面上還可以安裝除PD212之外的其他組件。
IC封裝210安裝成使其中間基板211的背面面對安裝基板220。更詳細(xì)地進(jìn)行描述，在中間基板211的背面上形成的導(dǎo)線分布圖(未圖示)和在安裝基板220的上表面上形成的另一個導(dǎo)線分布圖221通過焊料(未圖示)連接在一起，從而中間基板211上的電路和安裝基板220上的電路可以電連接，并且IC封裝210能夠可靠地貼附于安裝基板220。當(dāng)然，安裝基板220可以安裝除IC封裝210外的組件。
透鏡單元230與IC封裝210的透明樹脂部213的上表面213a位置匹配并連接到上表面213a。透鏡單元230包括用作光接收透鏡的透鏡部231；以及從透鏡部231側(cè)向延伸的平坦部232。在平坦部上遠(yuǎn)離透鏡部231的一對相對邊緣部還形成有引導(dǎo)壁233。因此，如圖16所示，光接收器201的透鏡單元230是一個整體的箱形，且具有敞開的下表面和一對敞開的側(cè)表面，并在其主要表面的中央部分具有光接收透鏡。平坦部232沿著透明樹脂部213的上表面213a延伸，而引導(dǎo)壁233沿著透明樹脂部213的側(cè)表面從平坦部232的側(cè)邊緣向下延伸。透鏡部231由例如聚碳酸酯樹脂或丙烯酸樹脂的材料制成，并且優(yōu)選通過注射成型來形成。使用含有通過紫外線硬化的樹脂材料的粘合劑218將透鏡單元230固定到透明樹脂部213的上表面213a上。
透鏡單元230被固定到透明樹脂部213的上表面213a上，從而使其透鏡部231相對于PD212位置匹配，或者說PD212的光軸和透鏡部231的光軸相互重合。
安裝基板220被固定以容置于殼體240的內(nèi)部，該殼體240為箱形并且其上表面敞開。更詳細(xì)地進(jìn)行描述，安裝基板220通過設(shè)置于殼體240底面的位置匹配銷241而進(jìn)行固定進(jìn)而位置匹配。罩蓋250進(jìn)一步被連接到殼體240，用于封蓋殼體240的上部開口。罩蓋250的至少中央部分需要由透明材料制成，以便需要通過透鏡部231由PD212接收的光可以從光接收器201的外部到達(dá)透鏡部231。聚碳酸酯樹脂、丙烯酸樹脂和聚芳酯樹脂材料適于作為罩蓋250的材料。
根據(jù)圖17所示的實施例，光接收器201設(shè)計成平坦部232在與透明樹脂部213的上表面213a垂直的方向上的厚度t4小于0.6mm，優(yōu)選小于0.5mm，更優(yōu)選地小于0.4mm，并且小于透鏡部231在相同方向上的最大厚度T2。引導(dǎo)壁233的寬度(在與透明樹脂部213的上表面213a垂直的方向上)t5為0.6mm或更大，并且引導(dǎo)壁233的厚度(在與透明樹脂部213的側(cè)表面213b垂直的方向上)t6基本上與t4相同。
要求t4小于0.6mm的原因在于平坦部232可以隨著透鏡部231的變小而被制作為比0.6mm更薄。使t4小于T2的原因在于通過設(shè)置罩蓋250與透鏡單元230的透鏡部231盡可能地彼此靠近而可以使光接收器201被制作得更薄。為了在這種情況下通過注射成型來形成透鏡單元230，透鏡單元230在厚度上必須為0.6mm或更大，從而當(dāng)透鏡單元130作為模制產(chǎn)品從模具取出時頂出針將不會穿透和損壞透鏡單元230。不過，如果頂出針頂?shù)搅吮绕教共?32厚的透鏡部231，那么透鏡部231的表面可能會受到損壞，并且由于在損害部分發(fā)生光散射，而很有可能不利地影響作為光接收器的特性。這就是引導(dǎo)壁的寬度t5要選擇為0.6mm或更大并且設(shè)置引導(dǎo)銷頂?shù)狡渖系脑?。本發(fā)明的這方面的詳情與本發(fā)明第二實施例中所說明的內(nèi)容類似。
使t4和t6基本相等的原因在于在注射成型時熔融的樹脂材料較容易在模具內(nèi)流動，從而可以一種改善的方式形成透鏡單元230。透鏡部231的最大厚度T2是決定光接收器201的光學(xué)特性的參數(shù)之一，其沒有特別的限定。
在上述內(nèi)容中，如果引導(dǎo)壁233的寬度t5制成1.0mm或更大，那么將可以從透鏡單元230的側(cè)面來保持(或特別地通過吸附)透鏡單元230。因此，如果這樣做，那么將意味著在使透鏡單元230相對于PD212位置匹配時增加了處理中的自由度。
通過如此構(gòu)成的光接收器201，可以得到與根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施例的光投射器101A和101B相類似的效果。換句話說，即使透鏡部231被制作得小且薄，也可以低成本地且以高生產(chǎn)率地制造高質(zhì)量的光接收器。而且，由于透明樹脂部231位于一對引導(dǎo)壁233之間，所以只要在一個方向上進(jìn)行透鏡單元230在透明樹脂部213的上表面231a上的位置匹配，因此大大簡化了位置匹配的工作。
圖18示出了將本發(fā)明的光接收器用于距離設(shè)定型光電傳感器中的情形，這是因為上述的光接收器201尤其適用于距離設(shè)定型光電傳感器，。
距離設(shè)定型光電傳感器使用例如分區(qū)光電二極管(divided photodiode)或位置敏感二極管(PSD)等位置檢測元件，并且通過計算這些元件的輸出信號之間的差值以及通過將計算的差值與特定的閾值相比較來檢測位于特定的參考位置前方的物體。通常不檢測設(shè)置成距離超過上述參考位置的物體。而且，在這樣的距離設(shè)定型光電傳感器的制造中，光投射元件和光接收元件(光投射器和光接收器)的精確定位極為重要。
圖18示出了具有彼此靠近設(shè)置的光投射器101和光接收器201的距離設(shè)定型光電傳感器。光接收器201的PD212被劃分為第一光接收部212a和第二光接收部212b，從而使來自光投射器101的光在被距離短于特定值L的物體反射后將被第一光接收部212a接收，并且來自光投射器101的光在被距離大于特定值L的物體反射后將被第二光接收部212b接收。
光投射器101適用于通過光投射透鏡130發(fā)射光束到檢測區(qū)域。光接收透鏡單元230和分區(qū)光電二極管212相對于該光束以特定角度定位。更詳細(xì)地進(jìn)行描述，如以下方式構(gòu)成和定位光投射器和光接收器201，即，透鏡單元230和分區(qū)的PD212的中心連線與光投射器101的光軸在特定距離L的預(yù)定位置處交叉。
距離設(shè)定型光電傳感器的信號處理通過安裝在安裝基板220上的信號處理電路(未圖示)來執(zhí)行。PD212的第一光接收部212a和第二光接收部212b均有一端與I/V轉(zhuǎn)換器(未圖示)連接，所述I/V轉(zhuǎn)換器用于將從PD212的對應(yīng)的光接收部212a或212b接收的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。每一個輸出的電壓信號通過放大器(未圖示)進(jìn)行放大，并且傳輸?shù)讲顒与娐?未圖示)以產(chǎn)生差動信號。該差動信號被傳輸?shù)奖容^電路(未圖示)以與特定的閾值比較。該比較電路適用于根據(jù)差動信號的正或負(fù)來確定反光的目標(biāo)物體的距離是短于還是遠(yuǎn)于特定的距離L。
如果根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成光接收器201，那么透鏡單元230可以根據(jù)特定的距離L沿箭頭E的方向移動，以相對于位于所述的一對引導(dǎo)壁233之間的透明樹脂部213進(jìn)行位置匹配。換句話說，可以容易地實現(xiàn)位置匹配，因此該距離設(shè)定型光電傳感器可以根據(jù)本發(fā)明而容易地制造。
并且，本發(fā)明也具有關(guān)于其他種類的反射型光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)。反射型光電傳感器的光學(xué)特性是由分別包括光投射器和光接收器的光投射部和光接收部確定的。如果將本發(fā)明的光投射器和光接收器用于反射型光電傳感器的光投射部和光接收部，并且根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行調(diào)整以便它們具有各自所需的光學(xué)特性，那么就可以消除現(xiàn)有技術(shù)中與波動相關(guān)的諸多問題。通過消除反射型光電傳感器在組裝處理中產(chǎn)生的特性上的變化，還可以穩(wěn)定且可靠地制造反射型光電傳感器；并且還可以消除這些反射型光電傳感器在使用時環(huán)境變化的影響。
圖19為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光投射器101C的局部剖面圖，該光投射器101C具有光纖160，以通過作為光投射透鏡的透鏡部131將光從LED112引導(dǎo)到待檢測的目標(biāo)物體。
該光投射器101C的透鏡單元130包括透鏡部131、從透鏡部131側(cè)向延伸的平坦部132以及從平坦部132向上凸出的壁部134。該平坦部132沿著IC封裝110的透明樹脂部113的上表面113a延伸，而壁部134沿著遠(yuǎn)離透明樹脂部113的向上方向延伸。壁部134在面對透鏡部131的位置處具有凹部134a，該凹部134a通過使壁部134的上表面沿朝向透鏡部131的方向內(nèi)凹而形成。光纖160的一端部連接并固定于該凹部134a。
通過這樣形成的光投射器101C，光纖160可以容易地貼附于透鏡單元130，而且由此可以容易且低成本地制造連接有光纖的光投射器。由于光纖可以容易地相對于透鏡部131進(jìn)行位置匹配，所以可以獲得高質(zhì)量的光投射器。
盡管以上通過光投射器和光接收器的具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但光投射器中具有的特點(diǎn)可以包含在光接收器中，并且光接收器中具有的特點(diǎn)同樣可以包含在光投射器中。而且，本發(fā)明所闡述的特點(diǎn)可以應(yīng)用到光投射器和光接收器之外的各種不同的光學(xué)模塊中，例如光通信裝置?？傊?，所描述的實施例并不用于限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)模塊，包括半導(dǎo)體光學(xué)元件；透明樹脂部，其將所述半導(dǎo)體光學(xué)元件密封于其中；和透鏡單元，其貼附于所述透明樹脂部的上表面；其中，所述透鏡單元包括透鏡部，其通過所述透明樹脂部與所述半導(dǎo)體光學(xué)元件相對設(shè)置；和平坦部，其從所述透鏡部沿著所述透明樹脂部的所述上表面延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部完全圍繞所述透鏡部，并且從所述透鏡部的整個外周延伸。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部在遠(yuǎn)離所述透鏡部的邊緣部具有引導(dǎo)壁，所述引導(dǎo)壁延伸成覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的側(cè)表面。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部具有一對自所述透鏡部互相反向延伸的部分；其中，所述引導(dǎo)壁從所述的互相反向延伸的部分的端部延伸；并且其中，所述引導(dǎo)壁延伸成覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的彼此相對的側(cè)表面。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度為0.6mm或更大，并且要小于等于所述透鏡部的最大厚度。
6.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度小于0.6mm；并且所述引導(dǎo)壁在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的寬度為0.6mm或更大。
7.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的厚度基本等于所述引導(dǎo)壁在與所述側(cè)表面垂直的方向上的厚度。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部位于所述透明樹脂部上的部分在與所述透明樹脂部的所述上表面垂直的方向上的最大厚度為1.0mm或更小。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部包括沿遠(yuǎn)離所述透明樹脂部的相反方向凸出的壁部；其中，所述壁部在與所述透鏡部相對的位置處具有凹部，該凹部沿朝向所述透鏡部的方向凹入；并且其中，光纖的一端插入所述的凹部中，從而使所述光纖通過面向所述透鏡部的所述一端而貼附于所述壁部。
10.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)模塊，其中，所述平坦部包括沿遠(yuǎn)離所述透明樹脂部的相反方向凸出的壁部；其中，所述壁部在與所述透鏡部相對的位置處具有凹部，該凹部沿朝向所述透鏡部的方向凹入；并且其中，光纖的一端插入所述的凹部中，從而使所述光纖通過面向所述透鏡部的所述一端而貼附于所述壁部。
11.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)模塊，其中，所述透鏡單元包括聚碳酸酯樹脂或丙烯酸樹脂作為主要材料。
12.一種光電傳感器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，所述光學(xué)模塊用作光投射器或光接收器。
13.如權(quán)利要求12所述的光電傳感器，其中包括用作光投射器的根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模塊，和用作光接收器的根據(jù)權(quán)利要求1所述的另一個光學(xué)模塊。
14.一種光電傳感器，包括光投射部，其具有用于將光束投射到檢測區(qū)域的光投射元件；光接收元件；透明樹脂部，其將所述光接收元件密封于其中；和透鏡單元，其貼附于所述透明樹脂部的上表面，所述透鏡單元包括透鏡部，其通過所述透明樹脂部與所述光接收元件相對設(shè)置；和平坦部，其從所述透鏡部沿著所述透明樹脂部的所述上表面延伸；其中，所述光電傳感器用于根據(jù)所述光接收元件的光接收位置，通過三角測量獲得與待檢測的目標(biāo)物體的距離相當(dāng)?shù)奈锢砹?，并通過將所述的物理量與閾值比較來確定到所述目標(biāo)物體的距離。
15.如權(quán)利要求14所述的光電傳感器，其中，所述平坦部完全圍繞所述透鏡部，并且從所述透鏡部的整個外周延伸；其中，所述平坦部在遠(yuǎn)離所述透鏡部的邊緣部具有引導(dǎo)壁；其中，所述引導(dǎo)壁延伸成覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的側(cè)表面。
16.一種光電傳感器，包括光投射元件；光接收元件；透明樹脂部，其將所述光投射元件密封于其中；和透鏡單元，其貼附于所述透明樹脂部的上表面，所述透鏡單元包括透鏡部，其通過所述透明樹脂部與所述光投射元件相對設(shè)置；和平坦部，其從所述透鏡部沿著所述透明樹脂部的所述上表面延伸；其中，所述光電傳感器用于根據(jù)所述光接收元件的光接收位置，通過三角測量獲得與待檢測的目標(biāo)物體的距離相當(dāng)?shù)奈锢砹?，并通過將所述的物理量與閾值比較來確定到所述目標(biāo)物體的距離。
17.如權(quán)利要求16所述的光電傳感器，其中，所述平坦部完全圍繞所述透鏡部，并且從所述透鏡部的整個外周延伸；其中，所述平坦部在遠(yuǎn)離所述透鏡部的邊緣部具有引導(dǎo)壁；其中，所述引導(dǎo)壁延伸成覆蓋所述透明樹脂部的連接至所述上表面的側(cè)表面。
18.一種光學(xué)模塊的制造方法，所述方法包括以下步驟將半導(dǎo)體光學(xué)元件密封在透明樹脂部中；通過注射成型形成包括有透鏡部和從所述透鏡部延伸的平坦部的透鏡單元；以及通過吸附裝置吸附所述平坦部的主要表面部，由此使所述透鏡單元與所述透明樹脂部的上表面位置匹配地貼附，以使所述透鏡部通過所述透明樹脂部與所述半導(dǎo)體光學(xué)元件以面對面的關(guān)系定位。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述平坦部形成為在與所述透鏡部相對的邊緣部具有引導(dǎo)壁，并且所述透鏡單元被貼附于所述透明樹脂部，以使所述引導(dǎo)壁覆蓋所述透明樹脂部的側(cè)表面，所述側(cè)表面與所述上表面相連。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述透鏡單元形成為使得所述平坦部的厚度小于0.6mm，并且所述引導(dǎo)壁在所述平坦部的所述厚度的方向上的厚度為0.6mm或更大；并且形成所述透鏡單元的步驟包括以下步驟在將所述透鏡單元從模具取出時，沿所述平坦部的所述厚度方向向著所述引導(dǎo)壁頂壓頂出針。
全文摘要
一種光學(xué)模塊，其形成有密封在透明樹脂部內(nèi)部的半導(dǎo)體光學(xué)元件和貼附于該透明樹脂部的上表面的透鏡單元。該透鏡單元具有透鏡部，該透鏡部通過所述透明樹脂部與所述半導(dǎo)體光學(xué)元件相對設(shè)置。從所述透鏡部沿著所述透明樹脂部的所述上表面延伸有平坦部。光電傳感器可以包括一個這樣的光學(xué)模塊作為光投射器，而且還包括另一個這樣的光學(xué)模塊作為光接收器。
文檔編號G02B6/00GK1953221SQ20061013602
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月19日
發(fā)明者奧濃基晴, 杉本誠, 小谷慎二郎 申請人:歐姆龍株式會社