CN103426894A - 光电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电传感器。在能够应对入光位置的偏移的范围内，使光电二极管变小。光电传感器具备：具有投光元件（LED）（1）的投光单元（10）、包括光电二极管（2）以及信号处理电路的光电IC（20），将光电IC（20）内的光电二极管（2）的元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面做成，切掉面积比光斑像的面积大的矩形的四个角而形成的形状，其中，光斑像是通过了前方的受光透镜的光成像而产生的像。例如，基于光斑像的能设想的位置偏移范围，设定包含该范围的最小的矩形，并切掉该矩形的四个角部来导出八边形，并且将该八边形的形状以及大小应用于光电二极管（2）的元件主体。
Description
技术领域
本发明涉及受光部包括组装有光电二极管以及信号处理电路的IC芯片（光电IC）的类型的光电传感器。
背景技术
作为公开了将光电IC用于受光部的光电传感器的文献，例如存在专利文献1以及专利文献2。
专利文献1公开了如下的反射型的光电传感器，即，在形成有电路图案的基板上排列装载有LED（发光二极管）和光电IC，并在两者之间设置有遮光壁（参照专利文献1的第0015、0016段，图2等）。
在专利文献2中公开了如下的反射型光电传感器，即，在装载有LED以及光电IC的基板的前方配备有框架，在该框架上安装有透镜，并且示出了在中央部配置有方形的光电二极管的结构的光电IC（参照专利文献2的第0031～0032段、图2、图3等。）。另外，在专利文献2中记载了在透射型光电传感器的受光器中也组装同样的结构的光电IC的内容（参照图11）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-13050号公报
专利文献2：日本特开2005-303264号公报
近几年在利用光电传感器的现场，随着检测对象的多样化和设备的小型化，需要更小且性能优良的光电传感器的用户逐渐增加。
为了应对上述的要求，需要使光电二极管变小。若使光电二极管变小，则与此相对应地光电IC也变小。
另外，在光电二极管的元件主体中，在P型半导体和N型半导体接合的接合部分产生寄生电容。该寄生电容随着接合部分的截面积变大而增加，使响应用于指示受光的控制信号的响应性降低。另外，在利用跨阻放大器进行将通过光电转换而产生的电流转换为电压的信号处理的情况下，受光量信号具有因寄生电容产生的噪声。为了提高传感器的检测性能，需要使寄生电容尽量小，为此也需要使光电二极管变小。
但是，在光电传感器中，由于因组装时的部件之间的对位而产生的微小的偏移和光电IC中的光电二极管的位置偏移等，在每个产品的光斑像的成像位置出现偏移。为了稳定地进行检测，需要不管光进入哪个位置也在受光面上形成具有充分的大小的光斑像，因此难以使光电二极管变小。
图8具体示出了使光电二极管变小的情况下产生的问题点。
在图8的（A）、（B）部分中，将光电二极管设成2T，将导入有光电二极管2T的光电IC设成20T。光电二极管2T的元件主体是一般的方形，装载于光电IC20T内的硅基板上。在该基板的光电二极管2T的周围设置有用于处理来自光电二极管2T的信号的电路的布线图案。为了形成所需的所有电路的图案，必须确保一定的面积的区域，但是如图8的（B）部分所示，若使光电二极管2T变小，则能够维持布线图案的面积而使光电IC20T变小。
但是，因检测光的入射而产生的光斑像P并不限定于成像在光电二极管2T的中央部，如图中的4个方向的箭头所示，可能向各种方向偏移而进行成像。因此，若使光电二极管2T变小，则如图8的（B）部分的虚线框P′所示，光斑像P大幅偏移的情况下的受光量大幅减少，从而导致灵敏度降低。
发明内容
本发明着眼于上述的问题，其目的在于，使在光电传感器中使用的光电IC内的光电二极管在能够应对入光位置的偏移的范围内变小，从而实现光电二极管以及组装有该光电二极管的光电IC的小型化，并且进一步提高传感器的检测性能。
本发明适用于如下的光电传感器，即，具有用于发出检测用光的投光元件、包括形成有信号处理电路的硅基板和在该硅基板上装载的光电二极管的光电IC，利用光电二极管接受来自投光元件的光或者该光的反射光，并基于来自信号处理电路的输出值来输出检测信号，其中，来自信号处理电路的输出值是对因接受光而产生的受光量信号进行处理而得的输出值。
本发明的特征在于，上述光电IC内的光电二极管的元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面为，在面积比光斑像的面积大的矩形的四个角中切掉至少一个角而形成的形状的面，其中，上述光斑像是通过了前方的受光透镜的光在该元件主体的前表面上成像的像。
光入射到光电二极管的受光面（元件主体的前表面）的入光位置根据各种原因而发生位置偏移，但是根据经验或者通过测量，能够设想因该位置偏移而光斑像的成像位置偏移的范围。在以往的方形的光电二极管中，即使在包含该设想范围的范围内尽量使面积变小，也在四个角部产生不会形成光斑像的无用的区域。
本发明基于上述的考察，通过将构成光电二极管的元件主体的各面变更为去掉上述的无用区域的形状，在不影响接受检测用光的范围内，使元件主体缩小。缩小的元件主体的形状适用于元件主体的整个厚度，因此P型半导体和N型半导体接合的接合面的面积也减小，从而能够减小寄生电容。
在上述的光电传感器的一个实施方式中，上述光电二极管的元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面为，将上述矩形的四个角全部切掉而产生的八边形的面。这样，在各角部设定倾斜地横切该角部的直线来切掉在各角部产生的无用区域，由此能够决定元件主体的外缘部的形状，因此使设计变得容易。另外，由于光电二极管的形状简单，因此制作也变得容易，从而能够抑制成本。
在更优选的实施方式中，信号处理电路的布线图案形成于硅基板上的光电二极管的元件主体的周围，并且在基板上的与该元件主体的被切掉的角相对应的区域配置有信号处理电路的部分布线图案。这样，若在原来元件主体的角部所存在的区域设置信号处理电路的布线，则即使不使布线变得微细，也能够缩小信号处理电路的布线范围的外缘部以及基板，从而能够使光电IC的主体也相应地变小。
根据本发明，在能够应对所接受的光的成像位置的偏移的范围内能够实现光电IC内的光电二极管的小型化。通过该小型化，能够使光电二极管的寄生电容减小，能够提高响应控制信号的响应性，另外能够减小因信号处理而产生的噪声成分，从而能够提高光电传感器的检测性能。另外，能够在原来存在光电二极管的元件主体的角的部分配置信号处理电路的布线，因此能够实现光电IC的小型化，由此能够使光电传感器变小。
另外，即使不使信号处理电路的布线变得微细，也能够缩小布线的范围，从而能够抑制为了实现小型化而需要的成本。
附图说明
图1是将适用了本发明的反射型的光电传感器的概略结构与检测原理一同表示的图。
图2是示出图1的光电传感器的光学系统的结构的图。
图3是示出用于导出光电二极管的元件主体的形状的方法的图。
图4是示出由于将光电二极管的元件主体做成八边形而产生的面积的减小量的图。
图5是示出由于将光电二极管的元件主体的外缘形状从矩形变更为八边形而在光电IC中产生的布线的范围和尺寸的变化的图。
图6A～图6E是举例示出能够适用于光电二极管的元件主体的形状的图。
图7是将适用了本发明的透射型的光电传感器的概略结构与检测原理一同表示的图。
图8是示出在使方形的光电二极管变小的情况下产生的问题点的图。
具体实施方式
图1与检测原理一同表示适用了本发明的光电传感器的概略结构。
该例子的光电传感器是反射型的传感器，其朝向感测区域照射光，并接受位于该区域内的物体SB所反射的光，由此检测物体SB。
如图1的（a）部分所示，在传感器的筐体100内配备有具有LED1的投光单元10和具有光电二极管2的光电IC20，并且该投光单元10和光电IC20装载在相同的电路基板5上。此外，投光单元10直接安装在电路基板5上，而光电IC10经由中阶层（interposer）6安装在基板5上。
图1的（b）部分是对投光单元10进行放大的主视图，图1的（c）部分是对光电IC20进行放大的主视图。此外，实际的投光单元10和光电IC20的前表面被透明树脂覆盖，但是在图1的（b）部分、（c）部分中，示出了除去了该树脂的状态。
通常，在光电传感器中，考虑到成本方面而大多使用方形的LED芯片。如图1的（a）部分所示，该实施例的投光单元10的LED1也是方形的类型。在光电IC中也同样地，通常使用具有方形的元件主体的光电二极管，但是如图1的（c）部分所示，该实施例的光电IC20的光电二极管2的元件主体的外缘部被设定为正八边形。
图2示出了上述的光电传感器的光学系统的整体结构。
该实施例的光学系统除了上述的投光单元10以及光电IC20之外，还具有投光透镜31、受光透镜32以及用于支撑这些透镜31、32的框架部4等。框架部4的内部由中央部的壁部40分为两个导光通路41、42，在导光通路41的前端部安装有投光透镜31，而在导光通路42的前端部安装有受光透镜32。另外，在各导光通路41、42的后端面分别形成有开口部401、402。
虽然没有在图2中示出，但是装载有投光单元10以及光电IC20的电路基板5（参照图1）以使基板面沿着图2的上下方向的姿势安装在基板框架（未图示）上，该基板框架与框架部4的后方相连接。这样安装之后，投光单元10的LED1与导光通路41的开口部401相向，光电IC20的光电二极管2与导光通路42的开口部402相向。
通过使LED1、光电二极管2、透镜31、32如上述那样进行对位，从LED1发出的光通过导光通路41而被引导至投光透镜31，从而从投光透镜31射出检测用光。另外，检测对象的物体SB所反射并进入受光透镜32的光通过导光通路32而被引导至光电二极管2。
当被引导至光电二极管2的光在其元件主体的前端的受光面上成像时，产生规定大小的光斑像，但是由于组装时的对位等产生的误差，各产品之间的光斑像的成像位置也产生偏移。例如，根据投光单元10和光电IC20相对于基板5的微小的偏移、透镜31、32安装于框架部4的安装位置的微小的偏移、在投光单元10和光电IC20内的LED1和光电二极管2的位置偏移等各种偏移和偏移程度，光斑像相对于中心部的位置和偏移量发生变动。
图1的（c）部分所示的光电二极管2的元件主体的形状是考虑该偏移而导出的。下面，参照图3，对于该元件主体的形状的导出方法进行说明。
图3的（1）部分示出了因反射光产生的光斑像P成像在以往的方形的光电二极管2T的元件主体的中心部的状态。在该例子中，形成正方形的光斑像，但是光斑像的形状随着透镜31、32的特性和光路长度等的影响而发生变动。
图3的（2）部分的点E是光斑像P应该成像的基准点（受光面的中心点）。在此，如图3的（2）部分所示，将光斑像P的最大的位置偏移量设为d，使受光点从光斑像P应该成像的基准点E向各方位分别偏移距离d（即，在以E点作为中心且半径为d的圆c的圆周上设定光斑像P的中心点，并使光斑像P围绕一周），若连接各位置的光斑像P中的位于最外侧的点，则能够设定图3的（2）部分中的粗线CV所示那样的形状的闭曲线。
可以认为该闭曲线CV示出了光斑像P的偏移的范围。另外，图3的（2）部分中的RT是包含该偏移范围的最小的矩形（在该例子中为正方形），与图3的（1）部分的光电二极管2T的元件主体的形状相对应。如该矩形RT和闭曲线CV之间的关系所示，即使在能够与光斑像P的成像位置的偏移相对应的范围内使方形的光电二极管2T最小，在光电二极管2T的四角的角部也产生不可能形成光斑像P的无用区域。方形的形状不仅应用于受光面，而且也应用于元件主体的整个厚度部分，因此在光电二极管2T的P型半导体和N型半导体接合的接合面也产生上述的无用区域，使得光电二极管2T的寄生电容增加，从而使传感器的检测性能降低。
相对于此，根据将外缘部缩小至闭曲线CV所表示的范围的光电二极管，由于不存在角部的无用区域，因此能够减小寄生电容来提高检测性能。另外，由于将闭曲线CV作为外缘部的面包括假设的范围内的所有光斑像P的成像位置，因此能够可靠地形成因反射光产生的光斑像。因此，能够稳定地进行高精度的检测。
也可以制造按照该闭曲线CV将四角加工成圆角的形状的元件主体，但是也可以如图3的（3）部分所示，将闭曲线CV中的曲率大的部位（与矩形RT的角部相对应的部位）替换为与该曲线外切的线段，将由此导出的八边形OT1适用于元件主体的前表面、背面以及处于它们之间的截面。
根据图3的（1）、（2）、（3）部分所示的方法，基于经验值和实验等以高的准确度确定光斑像P的位置偏移量的最大值d来导出八边形OT1，并制作具有应用了该形状的外缘部的光电二极管，从而能够可靠地接受反射光。另外，也能够减小光电二极管的寄生电容。
但是，在运用上，也可以不严格到这种程度，而在能够确保某种程度的可靠度的范围内假设光斑像P的位置偏移量的最大值d。另外，由上述的方法导出的八边形OT1相当于，在表示偏移范围的闭曲线CV的外侧将包括受光点P的偏移范围的最小尺寸的矩形RT的四角的角部分别切掉的形状，但是也可以如图3的（4）部分所示，沿着闭曲线CV的内侧的线切掉角部的方法来导出正八边形OT2的形状。
光斑像P的位置偏移是由于各种原因的组合而产生的，并且根据各产品的生产时的状况而原因的组合也发生变动，因此如果将很多产品样品作为对象测量光斑像P相对于受光面的中心点的位置偏移量来求出测量值的概率分布，则其分布接近正太分布。这样的情况下，光斑像P的位置偏移至假设的最大值d的附近的情况极其少。另外，在将光电二极管的受光面缩小到比光斑像P的偏移范围小的情况下，当光斑像相对于光电二极管的偏移接近最大值d时，虽然光斑像的一部分处于受光面的外部，但是若缩小到正八边形OT2所示的程度，则从受光面脱离的光的量很少。即使产生接近最大值d的位置偏移，由于光斑像P的中心部位于如图3的（2）部分所示的圆c的圆周附近，因此光斑像P的大部分在光电二极管上成像。
因此，在沿着经过基于假设的位置偏移量d的最大值而得的光斑像P的偏移范围的稍内侧的位置的直线，切掉矩形RT的角部来导出正八边形OT2的形状，并将该形状应用于光电二极管2的元件主体上的情况下，也能够在受光面的任意位置成像光斑像P，从而能够获得稳定的受光量。
基于上述的原理，在图1的（b）部分所示的光电IC20导入了元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面的形状为正八边形的光电二极管2。这些面的形状以及大小与正八边形OT2（图3的（4）部分）相对应，该正八边形OT2是沿着经过闭曲线CV所示的线的稍内侧的直线，将包括光斑像P的假设的偏移范围的最小矩形RT的四角的角部分别切掉而导出的。
接着，图4是用于说明因将光电二极管2的元件主体的外缘形状从矩形变更为正八边形而产生的减小量的图。具体地，在图4中将在上述的光电二极管2中应用的正八边形OT2和作为其基准的矩形RT重叠起来表示，并且在两者之间的间隙设定斜线图案。另外，通过利用单点划线将正八边形OT2的处于相向关系的位置的各顶点分别连接，来将矩形RT分割为9个正方形区域r。
通过比较各区域r和斜线部分可知，若将矩形RT变更为正八边形OT2，则减小将近两个区域r的面积。若用数值表示，则减小整个矩形RT的大约20%的面积。
图5是将具有应用了上述矩形RT的方形的光电二极管2T（与图3的（1）部分相同）的光电IC20T（图5的（A）部分）和具有应用了正八边形OT2的光电二极管2的光电IC20（图5的（B）部分）进行对比来表示的图。各光电IC20T、20内的光电二极管2T、2安装在未图示的硅基板上，并且在该基板上的光电二极管2T、2的周围形成有信号处理电路的布线图案，从而与光电二极管侧的电极相连接。在图中的光电IC20T、20中，用虚线表示了形成信号处理电路的布线图案的范围。
根据将元件主体的厚度部分的形状做成正八边形OT2的光电二极管2，由于相当于光电二极管2T的四角的角部的部位是空区域，因此如图5的（B）部分所示，能够在各空区域实施布线。这样，通过在因元件主体缩小而产生的空间内进行布线，从而能够大幅缩小布线图案的外缘部。结果，如图5的（B）部分中的单点划线和实线表示那样，能够使光电IC20的主体比利用方形的光电二极管2T的光电IC20T小。
图4所示的面积的减小比率能够适用于光电二极管的元件主体的整个厚度部分，因此应用了基于正八边形OT2的面的光电二极管2中的P、N之间的接合面的面积也比应用了基于矩形RT的面的光电二极管2T中的P、N之间的接合面减小大约20%。因此，光电二极管2的寄生电容也同样地减小20%左右，因此能够提高响应用于指示受光的控制信号的响应性。另外，在信号处理电路中导入跨阻放大器来将因光电转换而产生的电流信号转换为电压信号的情况下，也能够大幅减小噪声成分，因此能够稳定地进行检测。
图6A至图6E示出能够适用于光电二极管2的元件主体的外缘形状的其它形状。
在上述的实施例中，考虑到生产效率，在光电二极管2的元件主体的外缘部应用了比表示光斑像的偏移范围的闭曲线CV小的正八边形OT2，但是也可以在忠实于闭曲线CT的基础上，采用如图6A所示地倾斜方向的边的长度小于上下方向以及左右方向的边的长度的八边形。该八边形与图3的（3）部分所示的八边形OT1相对应。
或者，如图6B所示，也可以使矩形RT的角部的切缺部分形成为按照闭曲线CT加工为圆角的形状。
或者，也可以一边沿着闭曲线CT一点一点地变更角度一边设定各边，由此导出如图6C所示的角的数量比八边形的角的数量多的多边形的形状。
根据光学系统的结构不同，有时光斑像P的各方位上的偏移量不均等或者形成在一个方向上长的光斑像。在这些情况下，也基于成像位置的假设的位置偏移最大值来求出光斑像的偏移范围，由此能够导出如图6D、图6E所示的去掉长方形的四角的角而成的形状并将该形状应用于光电二极管2的元件主体中。
图5的（B）部分以及图6A至图6E所示的各元件主体的形状都是相当于去掉包含光斑像P的假设的偏移范围的最小尺寸的矩形的四角的角而成的形状。因此，与应用了切掉之前的矩形的光电二极管相比，能够减小相当于四角的切掉部分的总和的量的面积。结果，在不影响接受反射光的范围内使光电二极管2和光电IC20变小，并且减小光电二极管2的寄生电容，从而能够提高检测性能。但是，不必一定去掉矩形的四角的所有角，例如也可以是仅去掉一角的形状。
最后，上述的光电IC并不限定于反射型的光电传感器，也能够适用于图7所示的透射型的光电传感器。在该光电传感器中，基于在使容置有投光单元10（在图7中未示出）的投光器101和容置有光电IC20的受光器102隔开预先规定的距离而相向的情况下能够设想的光斑像P的偏移范围，能够通过与上述的各例同样的方法来规定光电二极管2的元件主体的大小以及形状。
Claims (3)
1.一种光电传感器，其具有用于发出检测用光的投光元件、包括形成有信号处理电路的硅基板和在该硅基板上装载的光电二极管的光电IC，利用光电二极管接受来自投光元件的光或者该光的反射光，并基于来自信号处理电路的输出值来输出检测信号，其中，该来自信号处理电路的输出值是对因接受光而产生的受光量信号进行处理而得的输出值，其特征在于，
在上述光电IC内的光电二极管中，该光电二极管的元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面为，在面积比光斑像的面积大的矩形的四个角中切掉至少一个角而形成的形状的面，其中，上述光斑像是通过了前方的受光透镜的光在该元件主体的前表面上成像的像。
2.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，
上述光电二极管的元件主体的前表面、背面以及它们之间的截面为，将上述矩形的四个角全部切掉而形成的八边形的面。
3.根据权利要求1或2所述的光电传感器，其特征在于，
上述信号处理电路的布线图案形成于上述硅基板上的光电二极管的元件主体的周围，并且在基板上的与该元件主体的被切掉的角相对应的区域配置有信号处理电路的布线图案的一部分。
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