光传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种光传感器。在基板(2)的表面(2A)设置有3个发光元件(3)～(5)和1个感光元件(6)。感光元件(6)配置于连结3个发光元件(3)～(5)的三角形区域(TA1)的范围内。形成与三角形区域(TA1)相接的长方形(RA1)。从3个发光元件(3)～(5)射出的光束的光轴(V1)～(V3)和假定的XY平面(Sxy)的交点垂直地投影到基板(2)的表面(2A)时形成三角形(TA0)，形成与该三角形(TA0)相接的长方形(RA0)。对从3个发光元件(3)～(5)射出的光的方向进行设定，以使得长方形(RA0)的纵向和横向尺寸(X0)、(Y0)与长方形(RA1)的纵向和横向尺寸(X1)、(Y1)相比，纵向和横向中至少有一个方向的尺寸较大。
【专利说明】光传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用发光元件和感光元件对被检测物体的存在、移动进行检测的光传感器。
【背景技术】
[0002]众所周知一种利用发光元件和感光元件对手指或手等被检测物体的移动进行检测的光传感器(例如参照专利文献I?3)。专利文献I所记载的光传感器中，以包围I个感光元件的周围的方式设有9个发光元件，通过在9个发光元件之中确定产生了经被检测物体反射的反射光的发光元件，由此检测出被检测物体的移动。专利文献2所记载的光传感器中，设有多对发光兀件和感光兀件，来自发光兀件的光被设于传感器内部的镜片和被检测物体反射，利用这2个反射光的多普勒频移(doppler shift)来检测出被检测物体的移动。专利文献3所记载的光传感器中，以包围I个感光元件周围的方式设有3个发光元件，对于3个发光元件的每一个，对来自被检测物体的反射光进行感光，根据3个反射光的相位差来检测被检测物体的移动。
现有技术文献专利文献
[0003]专利文献1:日本专利特开2001-188087号公报专利文献2:日本专利第4094424号公报
专利文献3:日本专利特开2011-227574号公报
【发明内容】
[0004]在专利文献I所记载的光传感器中，为了增加能够检测的被检测物体的移动方向，需要增加发光元件，导致制造成本提高。在专利文献2所记载的光传感器中，由于发光元件和感光元件相互靠近地配置，因而传感器内所产生的杂散光容易射入感光元件，导致S/N (Signalto Noise rat1:信噪比)降低。在专利文献3所记载的光传感器中，通常发光兀件向着与基板垂直的方向射出光。因此存在如下问题:由于3个反射光的相位差取决于3个发光元件的间隔大小，所以若使光传感器小型化，则相位差变小而导致检测精度下降。
[0005]本发明是鉴于上述问题而得到的，本发明的目的在于提供一种能够提高S/N和检测精度的光传感器。
[0006](I).为了解决上述问题，本发明的光传感器具备:基板；安装于基板的表面的至少3个发光元件；对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域内且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件，利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大。
[0007]根据本发明，由于使用至少3个发光元件，因此例如在3个发光元件的光经由被检测物体反射时，通过检测出各个反射光的相位差，从而能够检测到在与基板的表面平行且相互垂直的X轴方向和Y轴方向上的动作。另外，通过检测出反射光的强度，还能够检测到在与基板垂直的Z轴方向上的动作。
[0008]除此之外，构成为如下结构:从3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结3个发光元件的三角形相接且具有大致平行于X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大。因此，垂直投影所形成的长方形变大多少，3个反射光的相位差就能扩大多少，从而能够提高被检测物体的动作的检测精度。
[0009]另外，从发光元件射出的光束的光轴朝向连结3个发光元件的三角形的区域外。因此，能够抑制从发光元件射出的光不经由被检测物体反射而成为杂散光射入感光元件，能够提高S/N且能够降低误检测。
[0010](2).本发明的光传感器具备:基板；安装于该基板的表面的至少3个发光元件；对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域之外且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件，利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大，所述感光元件配置于从所述发光元件射出的光束的光轴的延长线以外的区域中。
[0011 ] 在本发明中，也能够检测出被检测物体在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的动作。另外，能够扩大3个反射光的相位差，能够提高被检测物体的动作的检测精度。而且，由于感光元件配置于从发光元件射出的光束的光轴的延长线以外的区域中，因此，能够抑制杂散光，能够提高S/N且能够降低误检测。
[0012](3).本发明中，连结所述至少3个发光元件的所述三角形为等腰三角形，且该等腰三角形的底边与高之比设为1:1时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸大致相等。
[0013]根据本发明，从3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸大致相等。因此，只要在能得到检测所需的S/N的范围内，都能够在Z轴方向的任意位置上使X轴和Y轴两个方向上的检测精度相同，能够进行稳定的检测。
[0014](4).本发明的光传感器具备:基板；安装于该基板的表面的至少3个发光元件；对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域内且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件，利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于，所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大。
[0015]在本发明中，也能够检测出被检测物体在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的动作。另外，能够扩大3个反射光的相位差，能够提高被检测物体的动作的检测精度，并且能够抑制杂散光。除此之外，由于发光控制单元使至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，因此利用I个感光元件就能检测出来自各个发光元件的反射光。因此，能够减少感光元件的个数，能够削减元件数量以降低制造成本。
[0016](5).本发明的光传感器具备:基板；安装于该基板的表面的至少3个发光兀件；对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域之外且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件，利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于，所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和所述Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大，所述感光元件配置于从所述发光元件射出的光束的光轴的延长线以外的区域中。
[0017]在本发明中，也能够检测出被检测物体在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的动作。另外，能够扩大3个反射光的相位差，能够提高被检测物体的动作的检测精度，并且能够抑制杂散光。除此之外，由于发光控制单元使至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行fenshi发光，因此利用I个感光元件就能检测出来自各个发光元件的反射光。
[0018](6).本发明中，所述发光控制单元能够改变所述至少3个发光元件各自的脉冲发光的发光间隔，所述感光元件与所述至少3个发光元件各自的脉冲光同步地对由所述被检测物体所反射的光进行感光。
[0019]根据本发明，由于发光控制单元能够改变至少3个发光元件各自的脉冲发光的发光间隔，因此在例如被检测物体的移动速度较快时能够缩短发光间隔，在移动速度较慢时能够延长发光间隔。由此，能够进行与检测物体的移动速度相应的检测。
[0020](7).本发明中，还具有信号处理单元，该信号处理单元利用所述感光元件对来自所述至少3个发光元件的光经由所述被检测物体反射后得到的光进行感光，使用流过所述感光元件的3个电流值的波形整体来求出各自的相位差，并根据2个相位差来判定所述被检测物体的移动方向。
[0021]根据本发明，信号处理单元使用流过感光元件的3个电流值的波形整体来求出各个相位差,并且根据2个相位差来判定被检测物体的移动方向。因此，即使流过感光元件的3个电流值的波形互不相同，也能够考虑它们的波形整体的相关性来求出各自的相位差，从而能够降低移动方向的误检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是表示第一实施方式所涉及的光传感器的立体图。
图2是表示图1中的光传感器的俯视图。
图3是从图2中的箭头II1-1II方向观察光传感器后得到的剖视图。
图4是示意性地表示第一实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
图5是从图4中的箭头V-V方向观察光传感器后得到的正视图。
图6是从图4中的箭头V1- VI方向观察光传感器后得到的侧视图。
图7是表示第一、第六、第七实施方式所涉及的光传感器的框图。
图8是表示发光信号和反射光信号的时间变化的特性曲线图。
图9是表示使被检测物体在X轴方向上移动的状态的说明图。
图10是表示使被检测物体在X轴方向上移动时反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图11是表示使被检测物体在Y轴方向上移动的状态的说明图。
图12是表示使被检测物体在Y轴方向上移动时反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图13是表示被检测物体覆盖光传感器上方的状态的说明图。
图14是从图13中的箭头XIV — XIV方向观察后得到的说明图。
图15是表示被检测物体通过光传感器的上方时反射光信号的时间变化的特性曲线图。
图16是示意性地表示第一比较例所涉及的光传感器的俯视图。
图17是从图16中的箭头XVI1- XVII方向观察光传感器后得到的正视图。
图18是从图16中的箭头XVII1- XVIII方向观察光传感器后得到的侧视图。
图19是示意性地表示第一比较例所涉及的光传感器的俯视图。
图20是从图19中的箭头XX - XX方向观察光传感器后得到的正视图。
图21是从图19中的箭头XX1- XXI方向观察光传感器后得到的侧视图。
图22是示意性地表示第二比较例所涉及的光传感器的俯视图。
图23是从图22中的箭头XXII1- XXIII方向观察光传感器后得到的正视图。
图24是从图22中的箭头XXIV - XXIV方向观察光传感器后得到的侧视图。
图25是示意性地表示第三比较例所涉及的光传感器的俯视图。
图26是从图25中的箭头XXV1- XXVI方向观察光传感器后得到的正视图。
图27是从图25中的箭头XXVI1- XXVII方向观察光传感器后得到的侧视图。 图28是示意性地表示第二比较例所涉及的光传感器的俯视图。
图29是从图28中的箭头XXIX - XXIX方向观察光传感器后得到的正视图。
图30是从图28中的箭头XXX - XXX方向观察光传感器后得到的侧视图。
图31是示意性地表示第二实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
图32是从图31中的箭头XXXI1- XXXII方向观察光传感器后得到的正视图。
图33是从图31中的箭头XXXII1- XXXIII方向观察光传感器后得到的侧视图。
图34是示意性地表示第三实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
图35是示意性地表示第四实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
图36是示意性地表示第五实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
图37是表示在第六实施方式中对被检测物体的移动方向进行确定的处理的流程图。
图38是表示使被检测物体在X轴方向上移动的状态的说明图。
图39是表示使被检测物体在X轴方向上移动时反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图40是表示在第七实施方式中对脉冲发光的发光间隔进行调整的处理的流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面，参照附图详细地说明本发明实施方式所涉及的光传感器。
[0024]在图1至图7中示出了第一实施方式所涉及的光传感器I。光传感器I具有基板
2、发光元件3?5、感光元件6等。
[0025]基板2是利用绝缘材料来形成的平板。作为基板2，例如采用印刷布线基板。在基板2的表面2A上安装发光兀件3?5和感光兀件6。
[0026]发光兀件3?5安装于基板2的表面2A上，且射出红外光或可见光。发光兀件3?5的光轴通常为例如与基板2的表面2A垂直的方向(Z轴方向)。作为发光元件3?5，例如使用发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL =VerticalCavity Surface Emitting Laser)。为了提高检测分辨率且提高S/N,优选采用原本出射角较小的VCSEL来作为发光元件3?5。
[0027]在基板2的表面2A上，3个发光元件3?5配置于不排成一条直线的位置上。因此，在基板2的表面2A上，在3个发光元件3?5的内部形成有三角形区域TA1。
[0028]感光兀件6安装于基板2的表面2A上,且对红外光或可见光进行感光。作为感光兀件6,例如米用光电二极管(PD)、光电三极管等。感光兀件6配置在基板2的表面2A中的三角形区域TAl的范围内。
[0029]在基板2的表面2A形成有透明树脂层7。透明树脂层7覆盖基板2的整个表面2A，且对发光元件3?5和感光元件6进行密封。在透明树脂层7上，在与各个发光元件3?5相对应的位置形成有发光元件用透镜7A?7C。发光元件用透镜7A?7C形成为朝上方突起的大致半球形。
[0030]发光元件用透镜7A?7C的中心和发光元件3?5的安装位置错开。因此，来自发光元件3?5的光束的光轴因发光元件用透镜7A?7C而弯曲，且向着倾斜于Z轴方向的方向射出。
[0031]此处，如图4所示，对于3个发光元件3?5，假定与基板2的表面2A平行且互相垂直的X轴和Y轴。并形成长方形RAl，该长方形RAl与连接3个发光元件3?5的三角形(三角形区域TAl)相接，且具有大致平行于X轴及Y轴的边。还形成长方形RAO，该长方形RAO与从3个发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3和假定的XY平面Sxy的交点垂直地投影到基板2的表面2A上时所形成的投影三角形TAO相接，且具有大致平行于X轴及Y轴的边。此时，对从3个发光元件3?5射出的光的方向进行设定，以使得长方形RAO纵向和横向的尺寸X0、YO与长方形RAl纵向和横向的尺寸X1、Y1相比，纵向和横向中至少有一个方向的尺寸较大。即，长方形RAO纵向和横向的尺寸X0、YO与长方形RAl纵向和横向的尺寸X1、Y1相比，满足如下数学式I?数学式3之中的任一个条件。
[0032][数学式I]
XO > XI, YO > Yl
[0033][数学式2]
XO = XI, YO > Yl
[0034][数学式3]
XO > XI, YO = Yl
[0035]将包含有与从3个发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3相交的点的平面设为假定的XY平面Sxy，但实际上是被检测物体Obj移动的平面，并非仅限于与基板2的表面2A平行的面(XY平面Sxy)。被检测物体Obj移动的移动面也可以是倾斜于基板2的表面2A的倾斜面。另外移动面不仅限于平面，也可以是凸曲面或者凹曲面。
[0036]若被检测物体Obj远离基板2的上方，则来自发光元件3?5的光变弱，导致无法利用感光元件6来检测出来自被检测物体Obj的反射光。因此，将假定的XY平面Sxy配置在能够利用感光元件6来检测出来自被检测物体Obj的反射光的高度范围内。
[0037]在透明树脂层7上，在与感光元件6相对应的位置形成感光元件用透镜7D。感光元件用透镜7D也与发光元件用透镜7A?7C —样形成为半球形。感光元件用透镜7D使从外部射入的光集中于感光元件6。
[0038]发光元件用透镜7A?7C及感光元件用透镜7D与对发光元件3?5及感光元件6进行密封的透明树脂层7形成为一体，但也可以与透明树脂层7分开设置。虽然构成为利用发光元件用透镜7A?7C使来自发光元件3?5的光相对于基板2的铅直方向倾斜，但也可以构成为在相对于基板2的表面2A倾斜的状态下安装发光元件3?5，从而使从发光元件3?5射出的光直接与基板2的铅直方向倾斜。
[0039]接着，对与发光元件3?5及感光元件6相连接的信号处理电路11进行说明。
[0040]如图7所示，信号处理电路11具有发光元件驱动部12、光检测信号放大部13、滤波部14以及运算处理部15。
[0041]发光元件驱动部12以与运算处理部15协作的方式来构成发光控制单元。发光元件驱动部12与发光元件3?5相连接，并根据来自运算处理部15的控制信号来输出发光信号Stl?St3。具体而言,发光兀件驱动部12将用于使发光兀件3?5发光的驱动电流提供给发光兀件3?5。
[0042]光检测信号放大部13与感光元件6相连接，对由感光元件6所提供的光检测信号SO进行电流一电压转换，且对经电流一电压转换后的光检测信号SO进行放大。滤波部14与光检测信号放大部13的后级相连接，并从由光检测信号放大部13所输出的光检测信号SO中除去噪声。
[0043]然后，信号处理电路11利用发光元件驱动部12来驱动发光元件3?5，并利用光检测信号放大部13和滤波部14，将与来自被检测物体Obj的反射光相对应的光检测信号SO输出到运算处理部15。
[0044]运算处理部15例如是微机处理器，进行如下处理或控制:对发光元件3?5的发光进行控制的处理；从光检测信号SO分离出与发光兀件3?5相对应的3个反射光信号Srl?Sr3的处理；根据3个反射光信号Srl?Sr3来检测被检测物体Obj的存在或移动的处理；以及对光传感器I的整体控制等。
[0045]具体而言，运算处理部15将用于控制发光元件3?5的检测光的强度或时序的控制信号提供给发光元件驱动部12，以对应于该控制信号的方式来使发光元件3?5发光。此处，发光元件驱动部12分别向发光元件3?5提供脉冲状的驱动电流，以作为发光信号Stl?St3。发光信号Stl?St3具有一定的发光间隔TO，且每个发光元件3?5按照不同的时序来进行输出。由此，发光元件3?5分别以脉冲发光的方式进行分时发光(参照图8)。
[0046]另外，只要发光元件3?5分时地进行脉冲发光即可。因此，也可以例如在发光元件3停止发光的同时，下一个发光元件4开始发光。
[0047]另外，运算处理部15将从感光元件6经由光检测信号放大部13及滤波部14所提供的光检测信号SO分离出3个反射光信号Srl?Sr3。此处，由于发光兀件3?5以互不相同的时序进行分时发光，所以对于发光兀件3?5的每个发光时刻,都会对来自各发光兀件3?5的光经由被检测物体Obj进行反射后得到的反射光进行感光。因此，通过从光检测信号SO获取与发光信号Stl?St3同步的3个信号，能够分离出基于分别来自发光元件3?5的光的反射光的信号。
[0048]因此，运算处理部15在发光元件3?5的每个发光时刻获取光检测信号S0，且分离出与发光兀件3?5的反射光相对应的3个反射光信号Srl?Sr3。此时，反射光信号Srl?Sr3相当于对在每个发光时刻提取出的脉冲状的光检测信号SO进行包络线检波后得到的信号。
[0049]在此情况下，由于利用I个感光元件6能够检测出各个发光元件3?5的反射光，因此，能够降低感光元件6的个数，且能够减少元器件的个数并降低制造成本。
[0050]运算处理部15根据3个反射光信号Srl?Sr3对2个相位差T21、T32进行运算。具体而言，在求出例如发光兀件3的反射光信号Srl和发光兀件4的反射光信号Sr2的相位差T21的情况下，对反射光信号Srl的峰值和反射光信号Sr2的峰值的时间差进行运算，将该时间差作为相位差T21。同样地，发光元件4的反射光信号Sr2和发光元件5的反射光信号Sr3的相位差T32利用这些反射光信号Sr2、Sr3的峰值间的时间差来求出。运算处理部15根据这2个相位差T21、T32，来确定被检测物体Obj的移动方向。另外，运算处理部15从3个反射光信号Srl?Sr3的强度(大小)检测出被检测物体Obj在Z轴方向上的位置、移动方向。
[0051]根据反射光信号Srl?Sr3峰值的时间差，来求出相位差T21、T32。然而，本发明并不仅限于此，例如可根据反射光信号Srl?Sr3大于规定阈值的上升沿时刻的时间差来求出相位差T21、T32，也可根据反射光信号Srl?Sr3小于规定阈值的下降沿时刻的时间差来求出相位差T21、T32。
[0052]另外，以使用反射光信号Sr1、Sr2之间的相位差T21和反射光信号Sr2、Sr3之间的相位差T32来确定被检测物体Obj的移动方向等的情况为例，进行了说明。然而，本发明不仅限于此，例如可以使用反射光信号Srl、Sr3之间的相位差T31，或者使用这3个相位差T21、T32、T31，来取代相位差T21、T32之中的任一个。
[0053]接着，利用图9至图15，来说明光传感器I进行的被检测物体Obj的检测动作。
[0054]若驱动光传感器1，则发光兀件3?5向着基板2的上方射出光。在该状态下，若手或手指等被检测物体Obj通过基板2的上方，则被检测物体Obj将遮住发光元件3?5的光路。由此，被检测物体Obj对来自发光元件3?5的光进行反射。由感光元件6来接收该反射光，感光兀件6输出与反射光的强度相对应的电流来作为光检测信号S0。
[0055]运算处理部15从来自感光元件6的光检测信号SO分离出3个反射光信号Srl?Sr3，并运算出它们的相位差T21、T32。然后，运算处理部15根据这2个相位差T21、T32，来确定被检测物体Obj的移动方向、位置、移动速度等。
[0056]移动方向等的确定方法如下所述。如图9及图10所示，当被检测物体Obj沿着X轴方向移动时，被检测物体Obj依次通过发光元件3、4、5的上方。因此，由于按照反射光信号Srl、Sr2、Sr3的顺序依次产生峰值，所以相位差T21、T32也成为与这些峰值的产生顺序相对应的值。其结果是，根据相位差T21、T32，能够检测出被检测物体Obj沿着X轴方向移动，且能够检测出被检测物体Obj的移动速度。
[0057]另一方面，如图11及图12所示，当被检测物体Obj沿着Y轴方向移动时，被检测物体Obj依次通过发光元件5、3、4的上方。此时，由于相位差T21、T32也成为与该通过顺序相对应的值，所以根据相位差T21、T32，能够检测出被检测物体Obj沿着Y轴方向移动，且能够检测出被检测物体Obj的移动速度。
[0058]另外，如图13至图15所示，反射光信号Srl?Sr3的大小会随着被检测物体Obj在Z轴方向上的位置而发生变化。即，当被检测物体Obj配置于靠近光传感器I的位置时，反射光变强，反射光信号Srl?Sr3也变大。另一方面，当被检测物体Obj配置于远离光传感器I的位置时，反射光变弱，反射光信号Srl?Sr3也变弱。因此，根据反射光信号Srl?Sr3的大小，能够检测出Z轴方向上的位置，并且根据反射光信号Srl?Sr3大小的变化，能够检测出被检测物体Obj沿着Z轴方向移动，且能够检测出被检测物体Obj的移动速度。
[0059]如图16至图18所不,在发光兀件22?24向着基板2的铅直方向射出光的第一比较例中，相位差Τ2Γ、T32’仅仅取决于发光元件22?24之间的间隔尺寸。因此，在使第一比较例所涉及的光传感器21小型化时，由于相位差Τ21’、Τ32’变小，所以在检测被检测物体Obj的移动方向、移动速度时，它们的检测精度有下降的趋势。
[0060]与此相对地，在第一实施方式所涉及的光传感器I中，发光兀件3?5向着三角形区域TAl的外侧射出光。此时，与投影三角形TAO相接且具有大致平行于X轴和Y轴的边长方形RAO纵向和横向的尺寸Χ0、Υ0相比于与三角形区域TAl相接的长方向RAl纵向和横向的尺寸X1、Yl，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸较大，其中，投影三角形TAO是从3个发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3与假定的XY平面Sxy的交点垂直地投影到基板2的表面2Α上时形成的。
[0061]因此，如图10所示，相比于第一比较例所涉及的相位差Τ21’、Τ32’，第一实施方式所涉及的相位差Τ21、Τ32较大。其结果是，在检测被检测物体Obj的移动方向、移动速度时，能够提高它们的检测精度。
[0062]另外，将感光元件6配置在三角形区域TAl的范围内，并且发光元件3?5向着三角形区域TAl的外侧射出光。因此，由于能够抑制杂散光，所以能够提高S/N，并且降低误检测。
[0063]另外，在图4至图6中，以长方形RAO纵向和横向的尺寸Χ0、Υ0都大于与三角形区域TAl相接的长方形RAl纵向和横向的尺寸X1、Yl的情况，即满足数学式I的条件的情况为例，进行了说明。
[0064]然而，本发明并不仅限于此，如图19至图21所示的第一变形例的光传感器31那样，可以是如下结构:相比于与三角形区域TAl相接的长方向RAl纵向和横向的尺寸X1、Yl，长方形RAO纵向和横向的尺寸Χ0、Υ0之中仅尺寸YO大于尺寸Yl。在第一变形例中，满足数学式2的条件。
[0065]另外，如图22至图24所示的第二变形例的光传感器32那样，可以是如下结构:相比于与三角形区域TAl相接的长方向RAl纵向和横向的尺寸X1、Υ1，长方形RAO纵向和横向的尺寸Χ0、YO之中仅尺寸XO大于尺寸XI。在第二变形例中，满足数学式3的条件。
[0066]而且，在图4至图6中，长方形RAO构成为包围与三角形区域TAl相接的长方形RAl，其中，长方形RAO基于从发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3和假定的XY平面Sxy的交点而得到。然而，本发明并不仅限于此，例如如图25至图27所示的第三变形例的光传感器33那样，可将长方形RAO和长方形RAl构成为部分重合，也可以将长方形RAO和长方形RAl构成为完全不重合。
[0067]然而，发光元件3?5除了要向着三角形区域TAl的外侧射出光以外，还需要使长方形RAO纵向和横向的尺寸Χ0、YO满足上述数学式I至数学式3中的任一个条件。
[0068]在图28至图30所示的第二比较例中，光传感器41的发光元件42?44在相对于基板2的铅直方向倾斜的方向上，向着三角形区域TAl的外侧射出光。然而，在第二比较例中，发光元件42?44的光轴VI’?V3’向着长方向RAl的内侧延伸。因此，长方形RA0’纵向和横向的尺寸Χ0’、Υ0’相比于与三角形区域TAl相接的长方向RAl的纵向和横向的尺寸X1、Yl，至少有一个方向上的尺寸较小，其中，该长方形RAO’与从3个发光元件42?44射出的光束的光轴VI’?V3’和假定的XY平面Sxy的交点垂直地投影到基板2的表面2Α上时所形成的投影三角形TAO’相接且具有大致平行于X轴及Y轴的边。因此，第二比较例的结构不包含于本发明之中。
[0069]接着，利用图31至图33来说明本发明的第二实施方式。在第二实施方式中，连结3个发光元件的三角形区域形成为等腰三角形。在第二实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0070]在第二实施方式所涉及的光传感器51中，连结3个发光元件3?5的三角形区域TAl形成为等腰三角形。此时，发光元件3和发光元件5分别配置于例如底边的两端，发光元件4配置于顶点的位置。因此，发光元件3和发光元件4之间的距离尺寸等于发光元件5和发光元件4之间的距离尺寸。
[0071]发光兀件3、5在Y轴方向上配置于相同的位置,且在X轴方向上相互分开。此处，在三角形区域TAl中，沿着X轴的底边的长度尺寸大于沿着Y轴的高度尺寸，且设定成例如2:1左右的比率。在三角形区域TAl的范围内配置感光元件6。感光元件6配置于发光元件3和发光元件5的中间位置。
[0072]发光元件3?5的光的射出方向是离开三角形区域TAl的方向。例如发光元件3、5向着相对于X轴方向相互分离的方向射出光，发光兀件4向着相对于Y轴方向离开发光兀件3、5的方向射出光。
[0073]来自发光元件3?5的光束的光轴Vl?V3相互所成的角度Θ 12、Θ 23、Θ 31在基板2的表面2A上均为120°的情况相比于角度Θ 12、Θ 23为90°、角度Θ 31为180°的情况，能够提高被检测物体Obj在Y轴方向上移动时的检测精度。此处，角度Θ 12是光轴Vl与光轴V2所成的角度，角度Θ 23是光轴V2和光轴V3所成的角度，角度Θ 31是光轴V3和光轴Vl所成的角度。
[0074]对于角度Θ 12、Θ 23、Θ 31均为例如120。的情况和Θ 12、Θ 23为90。的情况，利用直径为1mm的木棒来作为被检测物体Obj,并且进行使其以10cm/sec的规定速度沿着Y轴方向通过在Z轴方向上距离传感器2cm的位置的实验。其结果是，角度Θ12、Θ23、Θ31均为120°的情况相比于Θ 12、Θ 23为90°的情况，相位差Τ21、Τ31增大至1.7倍左右。
[0075]由此，第二实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。
[0076]接着，利用图34来说明本发明的第三实施方式。在第三实施方式中，将感光元件配置在连结3个发光元件的三角形区域的范围外。在第三实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0077]在第三实施方式所涉及的光传感器61中，将感光兀件6配置在连结3个发光兀件3?5的三角形区域TAl的范围外。此时，发光元件3?5位于三角形区域TAl的外侧，向着满足上述数学式I至数学式3之中任一个条件的方向射出光。另外，感光元件6配置于从发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3的延长线以外的区域。
[0078]由此，第三实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。在图34中示出了感光元件6配置在三角形区域TAl的范围外且配置于发光元件3、4之间。然而，本发明并不仅限于此，如图34中的虚线所示，可将感光元件6配置于发光元件4、5之间，也可配置于发光元件3、5之间，只要在三角形区域TAl的范围外且在光轴Vl?V3的延长线以外的区域，可配置于基板2的任意位置。另外，第三实施方式还能够适用于第二实施方式。
[0079]接着，利用图35来说明本发明的第四实施方式。在第四实施方式中，与3个发光元件相对应地具有3个感光元件。在第四实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0080]在第四实施方式所涉及的光传感器71中，在基板2上安装有3个感光元件72?74。3个感光元件72?74配置于连结3个发光元件3?5的三角形区域TAl的范围内。感光元件72位于发光元件3的附近，且对基于来自发光元件3的光的反射光进行感光。感光元件73位于发光元件4的附近，且对基于来自发光元件4的光的反射光进行感光。感光兀件74位于发光兀件5的附近,且对基于来自发光兀件5的光的反射光进行感光。
[0081]在此情况下，发光元件3?5无需以脉冲发光的方式进行分时发光，也可以连续发光。
[0082]由此，第四实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。在第四实施方式中，构成为将3个感光元件72?74配置在连结3个发光元件3?5的三角形区域TAl的范围内，但也可以将3个发光元件72?74配置在连结3个发光元件3?5的三角形区域TAl的范围外。在此情况下，与第三实施方式相同，可将3个感光元件72?74配置在从发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3的延长线以外的区域。
[0083]在第四实施方式中，以具有3个感光元件72?74的情况为例进行了说明，但是也可以是具有2个感光元件的结构，或者也可以是具有4个以上感光元件的结构。
[0084]接着，利用图36来说明本发明的第五实施方式。在第五实施方式中，在根据从3个发光元件射出的光束的光轴和XY平面的交点来形成长方形时，该长方形纵向和横向的尺寸大致相等。在第五实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0085]在第五实施方式所涉及的光传感器81中，将连结3个发光元件3?5的三角形区域TAl形成为等腰三角形。此时，将三角形区域TAl形成为底边与高之比为1:1的等腰三角形。另外，发光元件3和发光元件5分别配置于例如底边的两端，发光元件4配置于顶点的位置。感光元件6配置于三角形区域TAl的范围内。
[0086]形成长方形RAO，该长方形RAO与从3个发光元件3?5射出的光束的光轴Vl?V3和假定的XY平面Sxy的交点垂直地投影到基板2的表面2A上时所形成的投影三角形TAO相接，且具有大致平行于X轴及Y轴的边。此时，确定发光元件3?5的光的射出方向，以使得长方形RAO纵向和横向的尺寸X0、YO大致相等。
[0087]其结果是，光轴V1、V2所成的角度Θ 12和光轴V2、V3所成的角度Θ 21均为127°。光轴V1、V3所成角度Θ 31为106°。另外，感光元件6配置于长方形RAO的中心位置。
[0088]由此，第五实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。除此之夕卜，在第五实施方式中，只要在能得到检测所需的S/N的范围内，在Z轴方向的任意位置上都能够使X轴和Y轴两个方向上的检测精度相同，能够进行稳定的检测。另外，第五实施方式还能够适用于第三或第四实施方式。
[0089]接着，利用图7及图37来说明本发明的第六实施方式。在第六实施方式中，信号处理电路使用流过感光元件的3个电流值的波形整体来求出各个相位差，并且根据2个相位差来判定被检测物体的移动方向。在第六实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0090]第六实施方式所涉及的光传感器91的结构与第一实施方式所涉及的光传感器I基本相同。因此，在基板2上设置有3个发光元件3?5和感光元件6，并且安装有信号处理电路92。信号处理电路92的结构与第一实施方式所涉及的信号处理电路11基本相同，具有发光元件驱动部12、光检测信号放大部13、滤波部14以及运算处理部15。
[0091]第六实施方式所涉及的运算处理部15执行图37所示的程序。在该程序中，通过下面所示的步骤来确定被检测物体Obj的移动方向。
[0092]在步骤I中，读取光检测信号S0，在步骤2中，从光检测信号SO分离出3个反射光信号Srl?Sr3。在接下去的步骤3中，运算出反射光信号Sr1、Sr2之间的相位差T21，在步骤4中，运算出反射光信号Sr2、Sr3之间的相位差T32。然后，在步骤5中，根据这些相位差T21、T32，来确定被检测物体Obj的移动方向。具体而言，根据相位差T21、T32的正负、大小，确定被检测物体Obj的移动方向。此时，可以通过将相位差T21、T32的正负、大小应用于预先准备的映射中来确定移动方向，也可以通过对相位差T21、T32实施各种运算处理来确定移动方向。
[0093]在第六实施方式中，利用反射光信号Srl?Sr3的波形整体来运算相位差T21、T32。具体而言，导入下面的数学式4所示的函数Zl(X)，将函数Zl(X)为最小的偏移量X设为相位差T21。同样地，导入下面的数学式5所示的函数Z2(x)，将函数Z2(x)为最小的偏移量X设为相位差T32。
[0094][数学式4]
Zl(x) = / (Sr2 (t-χ) -Srl (t) 2dt
[0095][数学式5]
Z2 (X) =/ (Sr3 (t-χ) -Sr2 (t) 2dt
[0096]为了提高相位差T21、T32的精度，可将积分的范围和偏移量x的范围设定为尽可能大的值。然而，随着积分的范围和偏移量X的范围变大，运算量会增大，处理速度会降低。因此，在相位差T21、T32的精度所允许的范围内，将积分的范围和偏移量X的范围设定为尽可能小的值。
[0097]由于第六实施方式所涉及的光传感器91如上所述地构成，因此，下面说明检测被检测物体Obj时的具体例。
[0098]如图38所示，当例如以手作为被检测物体Obj时，对于每个发光元件3?5，被来自发光元件3?5的光照射的部分的形状有时会不同。在图38所示的示例中，来自发光元件3、5的光照射到5根手指上，而来自发光元件4的光仅照射到食指、中指、无名指这3根手指上。在此情况下，如图39所示，反射光信号Sr1、Sr3和反射光信号Sr2各自的峰值数不同。因此，在利用反射光信号Srl?Sr3的峰值、上升沿、下降沿等时，有时无法求出正确的相位差T21、T32。
[0099]与此相对地，在第六实施方式中，由于使用反射光信号Srl?Sr3的波形整体来求出它们的相位差T21、T32，因此即使在反射光信号Srl?Sr3的波形互不相同的情况下，也能够求出正确的相位差T21、T32。其结果是，不仅能够正确地检测X轴方向和Y轴方向，还能正确地检测相对于X轴方向或Y轴方向倾斜的移动方向。
[0100]另外，函数Zl (X)、Ζ2(χ)不仅限于连续值的积分。例如若反射光信号Srl?Sr3以规定的采样周期而离散时，则函数Zl(X)、Z2(x)也可以是离散值的总和。另外，如数学式4及数学式5所示，利用对2个波形的差分的平方进行积分后得到的值为最小的偏移量，来求出相位差T21、T32。然而，本发明并不仅限于此，例如也可利用2个波形的相关性为最大的偏移量，来求出相位差。
[0101]由此，第六实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。另外，第六实施方式还能够适用于第二至第五实施方式。
[0102]接着，利用图7及图40来说明本发明的第七实施方式。在第七实施方式中，发光元件驱动部使3个发光元件各自的脉冲发光的发光间隔发生变化。在第七实施方式中，对于与第一实施方式相同的结构要素标注相同的符号，并省略对其的说明。
[0103]第七实施方式所涉及的光传感器101的结构与第一实施方式所涉及的光传感器I基本相同。因此，在基板2上设置有3个发光元件3?5和感光元件6，并且安装有信号处理电路102。信号处理电路92的结构与第一实施方式所涉及的信号处理电路11基本相同，具有发光元件驱动部12、光检测信号放大部13、滤波部14以及运算处理部15。
[0104]发光元件3?5分别以脉冲发光的方式进行分时发光。另外，运算处理部15执行图40所示的发光间隔的调整处理。具体而言，在步骤11中，根据反射光信号Srl?Sr3的相位差T23、T31，对被检测物体Obj的移动速度进行运算。在接下去的步骤12中，根据在步骤11中运算得到的移动速度，使从发光元件驱动部12输出的发光信号Stl?St3的脉冲间隔(发光间隔T0)发生变化。
[0105]由此，发光元件3?5的脉冲发光的发光间隔TO会随着被检测物体Obj的移动速度而变化。例如，当被检测物体Obj的移动速度较快时，发光元件3?5的脉冲发光的发光间隔TO变短，当被检测物体Obj的移动速度较慢时，发光元件3?5的脉冲发光的发光间隔TO变长。由此，能够进行与被检测物体Obj的移动速度相应的检测。另外，能够抑制发光兀件3?5的不必要发光,能够力图降低耗电。
[0106]由此，第七实施方式也能够获得与第一实施方式几乎相同的作用和效果。另外，第七实施方式还能够适用于第二至第六实施方式。
[0107]在上述各个实施方式中，以具有3个光源元件3?5的情况为例进行了说明，但也可以是4个以上发光元件的结构。在此情况下，只要4个以上的发光元件之中的任意3个发光元件向着满足数学式I至数学式3中任一个的条件的方向射出光即可。
[0108]另外，X轴方向和Y轴方向不仅限于所述各个实施方式所示出的情况，也可以设定为与基板2的表面2A平行且互相垂直的任意2个轴方向。
[0109]在上述各个实施方式中，构成为将作为信号处理单元的信号处理电路11、92、102安装于基板2，但信号处理电路11、92、102也可以与基板2分开设置。
标号说明
[0110]1、31 ?33、51、61、71、81、91、101 光传感器
2基板 2A表面
3?5发光兀件
6、72?74感光元件
11、92、102信号处理电路(信号处理单元)
12发光元件驱动部(发光控制单元)
15运算处理部
【权利要求】
1.一种光传感器，具有: 基板； 安装于该基板的表面的至少3个发光元件； 对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域内且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件， 利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于， 对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大。
2.一种光传感器，具有: 基板； 安装于该基板的表面的至少3个发光元件； 对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域外且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件， 利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于， 对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大， 所述感光元件配置于从所述发光元件射出的光束的光轴的延长线以外的区域中。
3.如权利要求1或2所述的光传感器，其特征在于， 连结所述至少3个发光元件的所述三角形为等腰三角形，该等腰三角形的底边与高之比为1:1，此时， 从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸大致相等。
4.一种光传感器，其特征在于，具有: 基板； 安装于该基板的表面的至少3个发光元件； 对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及 位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域内且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件， 利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于， 所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大。
5.一种光传感器，其特征在于，具有: 基板； 安装于该基板的表面的至少3个发光元件； 对该至少3个发光元件的发光动作进行控制的发光控制单元；以及位于连结所述至少3个发光元件的三角形区域外且安装于所述基板的表面的至少I个感光元件， 利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于， 所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，对于所述至少3个发光元件，当假定有与所述基板的表面平行且相互垂直的X轴和Y轴时，从所述至少3个发光元件射出的光束的光轴和假定的XY平面的交点垂直地投影到所述基板的表面时形成投影三角形，与该投影三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸相比于与连结所述至少3个发光元件的所述三角形相接且具有大致平行于所述X轴和Y轴的边的长方形的纵向和横向的尺寸，其纵向和横向中至少有一个方向上的尺寸更大， 所述感光元件配置于从所述发光元件射出的光束的光轴的延长线以外的区域中。
6.如权利要求4或5所述的光传感器,其特征在于， 所述发光控制单元能够改变所述至少3个发光元件各自的脉冲发光的发光间隔， 所述感光元件与所述至少3个发光元件各自的脉冲光同步地对由所述被检测物体所反射的光进行感光。
7.如权利要求1、2、4或5中任一项所述的光传感器,其特征在于， 还具有信号处理单元，该信号处理单元利用所述感光元件对来自所述至少3个发光元件的光经由所述被检测物体反射后得到的光进行感光，使用流过所述感光元件的3个电流值的波形整体来求出各自的相位差，并根据2个相位差来判定所述被检测物体的移动方向。
【文档编号】G06F3/042GK104205027SQ201280071632
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年10月18日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】花田要, 梶敦次, 山崎力, 石川宽人, 园田富哉 申请人:株式会社村田制作所