DE4205757A1

DE4205757A1 - Vorrichtung zum erfassen der position und intensitaet von licht sowie festkoerperbauelement zur verwendung hierfuer

Info

Publication number: DE4205757A1
Application number: DE4205757A
Authority: DE
Inventors: Manabu Yamada; Shoichi Onda; Kenichi Hanaki; Masashi Harada
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1991-02-26
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1992-08-27
Also published as: GB2253516A; GB9204010D0; GB2253516B; US5324929A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erfassung einer jeweiligen Position und Intensität von Licht, mittels dem beispielsweise die Bestrahlungsrichtung, der Höhenwinkel, die Intensität oder die Sonneneinstrahlung durch Sonnen strahlen unter Verwendung des Fotoleitungseffekts von Halbleitermaterial aus amorphem Silizium oder dergleichen erfaßt werden kann. Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für ein Klimatisierungssystem bzw. eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit Eigenantrieb verwend bar, um die Intensität der Sonneneinstrahlung bzw. Insola tion mit hoher Genauigkeit zu erfassen, um Daten zur Berech nung der sonneneinstrahlungsabhängigen thermischen Belastung zu liefern.

Als relevanter Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang die JP-OS 59-3 28 116 mit dem Titel "Foto-Potentiometer" sowie die JP-OS 63-1 64 281 mit dem Titel "Positionserfassungsgerät" zu nennen. Die erstgenannte Druckschrift schlägt ein Positi onserfassungsgerät (Foto-Potentiometer) vor, das einen foto leitfähigen Film verwendet, dessen Widerstandswert sich bei Lichteinfall verringert. Die zweitgenannte Druckschrift of fenbart ein Positionserfassungsgerät, das eine leitfähige Schicht mit einer amorphen Halbleiterschicht mit einem p-i n-Übergang, eine transparente leitfähige Schicht sowie ein Metall aufweist.

Bei dem erstgenannten, den fotoleitfähigen Film verwendenden Positionserfassungsgerät wird gemäß der Darstellung in Fig. 35 an einem Bereich, der nicht durch einen Lichtstrahl be lichtet ist, ein Kriechstrom hervorgerufen, der auf die thermische Anregung von Elektronen bei erhöhten Temperaturen zurückzuführen ist. Dieser Kriechstrom kann bewirken, daß eine Ausgangsspannung gegenüber einem einer Lichteinstrah lungsposition (Position eines Lichtpunkts H) entsprechenden Teilpotentialwert verschoben wird bzw. einen Offsetwert er hält, wodurch eine genaue Messung der Position erschwert wird.

Demgegenüber treten im Falle des letztgenannten, die amorphe Halbleiterschicht verwendenden Positionserfassungsgeräts folgende Probleme auf. Ein durch Einfall eines Lichtstrahls hervorgerufener Licht- bzw. Fotostrom hat eine geringe Stärke von beispielsweise 100 nA. Demzufolge ist für nach folgende Rechenvorgänge ein hochempfindlicher Verstärker er forderlich. Als Folge davon wird das Gerät vergleichsweise groß und teuer.

Der Erfindung liegt zur Lösung dieser Probleme die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zum Erfassen einer jeweiligen Position und Intensität von Licht zu schaffen, dessen dem jeweiligen Einfall eines Lichtstrahls entsprechende Ausgangsspannung einen hohen Wert hat (hohe Empfindlichkeit), das selbst bei erhöhter Temperatur aufgrund minimalen Kriechstroms eine stabile Erfassungsgenauigkeit gewährleistet und das ein Si gnal liefert, welches einen Einfallwinkel, den Höhenwinkel sowie die Intensität des Lichts bzw. die Lichtstärke angeben kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 an gegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Gerät zum Erfassen der Position und In tensität von Licht weist demnach folgende Einrichtungen auf: mindestens eine Widerstandsschicht;
eine fotoelektrische Wandlerschicht, die in überlappender Weise auf die Widerstandsschicht aufgeschichtet ist und Di odenkomponenten bildet, die zueinander entgegengesetzte Po larität aufweisen und in Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die Diodenkomponenten so eingerichtet sind, daß sie an einem Bereich, an dem Licht passiert, leitfähig werden und dort eine fotoelektromotorische Kraft hervorrufen;
Eingangselektroden zum Herbeiführen einer vorbestimmten Po tentialverteilung auf der Widerstandsschicht in einer ebenen Richtung auf der Widerstandsschicht;
einer Ausgangselektrode zum Abgreifen des vorbestimmten Po tentials auf der Widerstandsschicht über den Bereich, bei dem das Licht passiert; und
eine Einrichtung, die Licht in Fleck- bzw. Punktform durch die Widerstandsschicht auf die fotoelektrische Wandler schicht strahlt bzw. lenkt, um ein Signal zu erhalten, wel ches die Position und Intensität von in Punktform einge strahltem Licht wiedergibt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das vorstehend erläuterte Gerät an einem Fahrzeug mit Selbstantrieb vorge sehen, wobei die Einrichtung zum Bestrahlen mit punktförmi gem Licht eine Einrichtung aufweist, mittels der auf das selbstangetriebene Fahrzeug auftreffende Sonnenstrahlen in Punktform gebracht werden können, so daß über die Ausgangs elektrode ein Signal erhalten wird, welches die Richtung, die Höhe bzw. den Höhenwinkel sowie die Intensität der Son nenstrahlen angibt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist das vorgenannte Gerät vier Eingangselektroden auf, die an vier Ecken der Widerstandsschicht vorgesehen sind, wobei über diese Ausgangselektroden zu unterschiedlichen Zeiten unter Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens Signale abgegriffen werden, welche die Position und die Intensität des Lichts angeben.

Gemäß einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung weisen die Diodenkomponenten der fotoelektrischen Wandlerschicht wechselseitig entgegengesetzte Polaritäten von Diodenkompo nenten auf, die bei Lichtbestrahlung eine unterschiedliche Größe der fotoelektromotorischen Kräfte haben, um ein Un gleichgewicht in der Weise hervorzurufen, daß der Diffe renzanteil der fotoelektromotorischen Kräfte zu dem über die Ausgangselektrode erhaltenen Signal addiert wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung besteht die Widerstandsschicht aus einer ersten Widerstandsschicht, die bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nahe des Lichts angeordnet ist, sowie aus einer zweiten Widerstands schicht, die vom Licht entfernt angeordnet ist, wobei die erste und zweite Widerstandsschicht jeweils Eingangselektro den aufweisen, um auf einer Zeitmultiplexbasis in wechsel seitig überschneidenden Richtungen abwechselnd Potentialver teilungen hervorzurufen, und wobei die Ausgangselektrode eine erste Ausgangselektrode, die auf der zweiten Wider standsschicht vorgesehen ist und gemeinsam für die Eingangs elektrode dient, um das vorbestimmte Potential auf der er sten Widerstandsschicht über die fotoelektrische Wandler schicht abzugreifen, sowie eine zweite Ausgangselektrode aufweist, die auf der ersten Widerstandsschicht vorgesehen ist und gleichzeitig als Eingangselektrode dient, um das vorbestimmte Potential auf der zweiten Widerstandsschicht über die fotoelektrische Wandlerschicht abzugreifen.

Auch bei Einsatz der vorgenannten Weiterbildungen wird das erfindungsgemäße Gerät vorzugsweise für ein selbstangetrie benes Fahrzeug verwendet, wobei die Einrichtung zur Belich tung mit punktförmigem Licht eine Einrichtung aufweist, wel che die das selbstangetriebene Fahrzeug treffenden Sonnen strahlen derart in einen punktförmigen Strahl umsetzt, daß das über die Ausgangselektrode abzugreifende Signal für die Richtung, den Höhenwinkel sowie die Intensität der Sonnen strahlen repräsentativ ist.

Ein für das erfindungsgemäße Gerät bevorzugt verwendetes Po sitionserfassungselement umfaßt folgende Teile:
ein Substrat;
eine auf dem Substrat ausgebildete Widerstandsschicht;
zwei Paare von Eingangselektroden auf der Widerstandsschicht entlang deren Umfangsrand, mittels denen abwechselnd in zu einander senkrechten Richtungen Spannungen anlegbar sind;
eine fotoelektrische Wandlerschicht, die auf der Wider standsschicht ausgebildet ist und Fotodioden aufweist, die wechselseitig entgegengesetzte Polaritäten haben und in Reihe angeordnet sind; und
eine auf der fotoelektrischen Wandlerschicht ausgebildete Ausgangselektrodenschicht.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positi onserfassungselements weist folgende Teile auf:
ein Substrat;
eine auf dem Substrat ausgebildete zweite Widerstands schicht;
eine fotoelektrische Wandlerschicht, die auf der Wider standsschicht ausgebildet ist und Fotodioden aufweist, die wechselseitig entgegengesetzte Polaritäten haben und in Reihe angeordnet sind; und
eine auf der fotoelektrischen Wandlerschicht ausgebildete erste Widerstandsschicht;
ein Elektrodenpaar, das entlang der entgegengesetzten zwei Ränder der zweiten Widerstandsschicht vorgesehen ist; und
ein Elektrodenpaar, das entlang der entgegengesetzten zwei Ränder der ersten Widerstandsschicht vorgesehen ist; wobei sich das Elektrodenpaar auf der ersten Widerstandsschicht in einer Richtung gegenüberliegt, die senkrecht zur Richtung verläuft, in der sich das Elektrodenpaar auf der zweiten Wi derstandsschicht gegenüberliegt.

Bei der vorstehenden Ausführungsform kann jede Elektrode gleichzeitig als Eingangselektrode und als Ausgangselektrode dienen.

Die Widerstandsschicht kann darüberhinaus einen Schichtwi derstandswert aufweisen, der innerhalb eines Bereichs größer oder gleich 10 Ω/cm² und kleiner oder gleich 1 MΩ/cm² liegt. Ferner kann die fotoelektrische Wandlerschicht aus einem Ma terial gebildet sein, das aus amorphen Legierungshydriden, wie zum Beispiel a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H, a-SiN:H, µc-Si:H oder Fluorsalzen derselben, gewählt ist, oder aus einem zu sammengesetzten Halbleitermaterial einschließlich CdS, CdTe, CdSe, CuInSe₂ usw., und zu einer n-i-p-i-n Schichtstruktur, einer p-i-n-i-p Schichtstruktur, einer n-p-n Schichtstruktur oder einer p-n-p Schichtstruktur ausgebildet werden.

Für die fotoelektrische Wandlerschicht kann eine erste i-Schicht und eine zweite i-Schicht verwendet werden, wobei diese Schichten ein abwechselnd unterschiedliches Material mit unterschiedlicher Spitzenempfindlichkeits-Wellenlänge aufweisen und wobei die zweite i-Schicht dicker als die er ste i-Schicht ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Positionserfassungsgerät kann weiterhin ein Licht-Isolations- bzw. Licht-Abschirmungsteil aufweisen, in dessen Zentrum ein feines Loch ausgebildet ist. Das Posi tionserfassungsgerät kann weiterhin ein optisches Teil auf weisen, dessen Brechungsindex größer als der von Luft ist und das auf dem Positionserfassungselement angeordnet ist. Alternativ dazu kann das Positionserfassungsgerät transpa rentes Harz enthalten, das innerhalb des feinen Lochs ange ordnet ist.

Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsge mäßen Geräts können weiterhin eine Einrichtung, mittels der über die zwei Paare der Eingangselektroden abwechselnd Span nungen mit vorbestimmten Spannungsdifferenzen anlegbar sind, sowie eine Einrichtung aufweisen, mittels der auf der Basis der von der Spannungsanlegeeinrichtung angelegten Spannung die über die Ausgangselektrodenschicht des Positionserfas sungselements ausgegebene Spannung erfaßt werden kann.

In diesem Fall kann das Gerät ferner eine Einrichtung zum gleichzeitigen Anlegen von gleichen Spannungen für zwei Paare von Eingangselektroden des Positionserfassungselements sowie eine Einrichtung zum Erfassen des Ausgangsstroms aus der fotoelektrischen Wandlerschicht des Positionserfassungs elements im Ansprechen an das Anlegen der Spannung mittels der Einrichtung zum gleichzeitigen Anlegen einer gleichen Spannung über die Ausgangselektrodenschicht des Positionser fassungselements aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 anhand einer schematischen perspektivischen An sicht einen omnidirektionalen Sonneneinstrahlungssensor, der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positionserfas sungsgeräts verwendet;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise der Berechnung der Richtung und des Höhenwinkels eines Sonnenstrahls bei einem omnidirektionalen Sonneneinstrah lungssensor;

Fig. 3 den schematischen Aufbau des in dem omnidirek tionalen Sonneneinstrahlungssensor der Fig. 1 verwendeten Positionserfassungselements;

Fig. 4 einen Querschnitt zur Darstellung des Schichtaufbaus des Positionserfassungselements der Fig. 3;

Fig. 5 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild der laminierten Schichtstruktur der Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der zur Bildung ei nes fotoleitfähigen Films mit einer n-i-p-i-n Schichtstruk tur erforderlichen Bedingungen;

Fig. 7 einen Längsschnitt zur Darstellung einer weite ren laminierten Schichtstruktur des erfindungsgemäßen Posi tionserfassungselements;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild des Schaltungsauf baus im erfindungsgemäßen Positionserfassungselement;

Fig. 9 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung einer Ab wandlung der laminierten Schichtstruktur des Positionserfas sungselements der Fig. 7;

Fig. 10 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Be ziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Temperatur bei einem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Positionser fassungselement;

Fig. 11 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der iso elektrischen Linien eines Potentials Vx in einer X-Koordi nate sowie eines Potentials Vy in einer Y-Koordinate bei dem erfindungsgemäßen Positionserfassungsgerät;

Fig. 12 schematisch den Aufbau einer weiteren Ausfüh rungsform eines omnidirektionalen Sonneneinstrahlungssen sors, der ein erfindungsgemäßes Positionserfassungsgerät aufweist;

Fig. 13 eine Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise der Berechnung von Richtung und Höhenwinkel eines Son nenstrahls bei dem omnidirektionalen Sonneneinstrahlungssen sor der Fig. 12;

Fig. 14 ein Kennliniendiagramm zur Darstellung der Aus gangscharakteristika bei einem Höhenwinkel von 10° und al len, unter einem Raster von 10° aufgenommenen Richtungen bei dem omnidirektionalen Sonneneinstrahlungssensor der Fig. 12;

Fig. 15 ein Diagramm der Ausgangskennlinie des auf die Sonneneinstrahlungsstärke bezogenen Ausgangsstroms (Licht strom) bei dem omnidirektionalen Sonneneinstrahlungssensor der Fig. 12;

Fig. 16(A) bis 16(D) Kennliniendiagramme zur Dar stellung experimentell erhaltener isoelektrischer Linien bei jeweils unterschiedlicher Konfiguration von Eingangselektro den auf einem transparenten Widerstandskörperfilm im erfin dungsgemäßen Positionserfassungselement;

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer optimierten Eingangselektrode, die eine Ausnehmungen aufweisende Elek trodenkonfiguration aufweist;

Fig. 18 ein Kennliniendiagramm zur Darstellung isoelek trischer Linien des Potentials Vx in der X-Koordinate und des Potentials Vy in der Y-Koordinate;

Fig. 19 in einer perspektivischen Ansicht ein auf dem transparenten Widerstandsfilm befindliches Positionserfas sungselement mit einer Eingangselektrode, welche die in Fig. 16 gezeigte Elektrodenkonfiguration mit Ausnehmungen auf weist;

Fig. 20 eine Ausführungsform einer Eingangselektrode mit einer L-förmigen Elektrodenkonfiguration;

Fig. 21 einen Längsschnitt durch ein Positionserfas sungselement, bei dem auf einem Glassubstrat mittels eines direkten Druckverfahrens oder durch Ablagerung eines Metall- Dünnfilms ein Licht-Abschirmungsteil ausgebildet ist;

Fig. 22 einen Längsschnitt durch das Positionserfassungselement, bei dem auf einem ein feines Loch aufweisenden Abschnitt des Licht-Abschirmungsteils ein Tröpfchen eines verflüssigten transparenten Harzes, wie z. B. Silizium, abgelagert und anschließend verfestigt ist, um ein einen hohen Brechungsindex aufweisendes Teil als Ersatz für ein Prisma zu bilden;

Fig. 23 ist ein Längsschnitt des Positionserfassungs elements, bei dem ein Metall-Dünnfilm als ein einen hohen Brechungsindex aufweisendes Teil auf dem Licht-Abschirmungs teil abgelagert ist und bei dem über der Gesamtoberfläche des Licht-Abschirmungsteils einschließlich des feinen Loches eine transparente Harzbeschichtung vorgesehen ist;

Fig. 24 einen Schaltplan einer detaillierten Schaltungsanordnung einer Erfassungsschaltung der Fig. 11;

Fig. 25 einen Schaltplan des Aufbaus einer Stromquelle der Erfassungsschaltung der Fig. 23;

Fig. 26 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung einer Aus lese-Zeitsteuerung der Erfassungsschaltung der Fig. 23;

Fig. 27 anhand einer perspektivischen Darstellung eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionser fassungsgeräts;

Fig. 28 ein schematisches Ersatzschaltbild einer bei dem in Fig. 26 gezeigten Gerät vorliegenden Schichtstruktur;

Fig. 29 schematisch die prinzipielle Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Positionserfassungselements;

Fig. 30 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips bei der Erfassung einer X-Koordinate, einer Y-Koor dinate sowie eines Stroms bei dem erfindungsgemäßen Positi onserfassungsgerät;

Fig. 31 schematisch einen Schaltungsaufbau der gezeig ten Ausführungsform des Positionserfassungselements;

Fig. 32 den Verlauf einer jeweiligen Kennlinie eines Lichtstroms bezüglich der Dicke eines i-Films, wenn der i-Film in dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Positionser fassungselements aus a-SiC bzw. aus a-Si besteht;

Fig. 33 anhand einer Tabelle die optimalen Werte der jeweiligen Filmdicke eines i₁-Films und eines i₂-Films sowie eines Lichtstroms bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel;

Fig. 34 einen Längsschnitt durch einen weiteren Schichtaufbau in einem Positionserfassungselement des erfin dungsgemäßen Positionserfassungsgeräts; und

Fig. 35 eine schematische Darstellung eines ein her kömmliches Positionserfassungselement bildenden fotoleitfä higen Films.

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist ein omni direktionaler bzw. Allrichtungs-Sonneneinstrahlungssensor bzw. Insolationssensor 100 unter Verwendung eines erfin dungsgemäßen Positionserfassungsgeräts aufgebaut.

Der omnidirektionale Insolationssensor 100 weist allgemein ein Positionserfassungselement 1 sowie ein Licht-Abschir mungsteil 9 auf. Um eine Lichtabschirmung für die obere Flä che sowie für die seitlichen Flächen des Positionserfas sungselements 1 zu gewährleisten, ist das Positionserfas sungselement 1 von dem im wesentlichen zylindrischen Licht- Abschirmungsteil 9 umgeben. Am Zentrum der oberen Oberfläche des Licht-Abschirmungsteils 9 ist eine Nadelstichpore bzw. ein feines Loch 10 ausgebildet. Das Licht-Abschirmungsteil 9 und das feine Loch 10 bilden zusammen eine Einrichtung, die dazu dient, einen Lichtstrahl auf das Positionserfassungs element 1 in Form eines Flecks bzw. Punkts zu strahlen bzw. zu projizieren. Demzufolge gelangt ein Sonnenstrahl durch das feine Loch 10 hindurch in den Innenraum des Licht-Ab schirmungsteils 9 und bildet einen Lichtfleck bzw. Licht punkt H. Ein entsprechender Bestrahlungs- bzw. Belichtungs punkt P (x, y) auf einer Erfassungsoberfläche 1a des Positi onserfassungselements 1 gibt die Richtung und die Höhe bzw. den Höhenwinkel des Sonnenstrahls an. Der omnidirektionale Insolationssensor 100 erfaßt demzufolge die Richtung und den Höhenwinkel des Sonnenstrahls durch Erfassen des Licht punkts, der an dem Belichtungspunkt auf die Erfassungsfläche 1a des Positionserfassungsgeräts projiziert wird.

Fig. 2 zeigt ein dreidimensionales Koordinatensystem, das bezüglich des Zentrums der Erfassungsfläche 1a des Positi onserfassungselements 1 ausgerichtet ist. Wenn der dem Hö henwinkel des Sonnenstrahls entsprechende Einfallswinkel am feinen Loch 10 der oberen Fläche des Licht-Abschirmungsteils 9 gleich R ist und wenn ferner eine Entfernung zwischen dem feinen Loch 10 und der Erfassungsfläche 1a des Positionser fassungselements 1 gleich t ist, erreicht der Lichtpunkt H den Belichtungspunkt P (x, y) auf der Erfassungsfläche 1a des Positionserfassungselements 1 unter dem Neigungswinkel R.

Derjenige Winkel, der zwischen der Y-Achse und einer Projek tionslinie des auf den Belichtungspunkt P (x, y) auf der Er fassungsfläche 1a des Positionserfassungselements 1 abgebil deten Lichtpunkts gebildet ist und dessen Winkel der Rich tung des Sonnenstrahls entspricht, kann hier mit Φ ausge drückt werden. Unter der Annahme, daß Ausgangssignale Vx und Vy, die später näher erläutert werden, bezüglich des Ur sprungs des Koordinatensystems proportional zur Position bzw. zum Belichtungspunkt P (x, y) sind, können die Winkel R und Φ durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden:

Φ = tan^-1 (Vx/Vy),
R = tan^-1 (t/Vx² + Vy²)^1/2.

Fig. 3 zeigt schematisch den Gesamtaufbau des Positionser fassungselements 1 im vorstehend erläuterten omnidirektiona len Insolationssensor 100. Fig. 4 ist hierbei ein Längs schnitt, welcher die Schichtstruktur des Positionserfas sungselements 1 verdeutlicht. Es sei an dieser Stelle ange merkt, daß die Fig. 3 und 4 im Gegensatz zu der Darstel lung der Fig. 1 in einer Lage gezeichnet sind, bei der der Lichtpunkt H von der unteren Seite her auf das Positionser fassungselement 1 auftrifft.

Bei der Herstellung des Positionserfassungselements 1 wird auf einem Glassubstrat 1 als eine Widerstandsfilmschicht 3 eine Schicht aus Metalloxid, wie beispielsweise SnO₂, ITO (Indium-Zinn-Oxid), ZnO oder dergleichen, gebildet. Die Wi derstandsfilmschicht 3 ist vorzugsweise transparent. Auf der Widerstandsfilmschicht 3 sind Legierungsschichten aus amor phem Silizium (das nachfolgend mit a-Si) bezeichnet wird, als n-i-p-i-n Schichtstruktur oder als p-i-n-i-p Schicht struktur abgelagert. Hierdurch wird eine fotoelektrische Wandlerfilmschicht 4 mit einer Struktur gebildet, bei der zwei Dioden bzw. Diodenkomponenten mit zueinander entgegen gesetzten Polaritäten in Serie bzw. in Reihenschaltung ange ordnet sind. Als Folge davon ist unabhängig davon, welche Polarität eine an diese Reihenschaltung der Dioden angelegte Spannung aufweist, keinerlei Stromfluß möglich. Auf der fo toelektrischen Wandlerfilmschicht 4 ist eine gemeinsame Aus gangselektrode 5 ausgebildet. Die fotoelektrische Wandler schicht 4 ist aus Al, Cr, Ni, Ag oder dergleichen geformt. Die auf der gemeinsamen Ausgangselektrode 5 definierte Ebene bildet einen Positionserfassungsbereich zum Erfassen des Lichtpunkts H. Angrenzend an periphere bzw. Umfangränder der Widerstandsfilmschicht 3 sind zwei Paare von Eingangselek troden 6a, 6b und 6c, 6d daran entlang in der Weise angeord net, daß die Richtungen zum Anlegen von Spannungen senkrecht zueinander verlaufen. Die Eingangselektroden 6a, 6b und 6c, 6d sind aus Al, Cr, Ni, Ag oder dergleichen durch Musterge bung ("patterning") in eine leitfähige Dünnfilmschicht ge formt. Diese Eingangselektroden 6a, 6b und 6c, 6d bilden je weils ein Elektrodenpaar für die Positionserfassung in der X- bzw. in der Y-Koordinate.

Es sei angemerkt, daß der Widerstandswert der Widerstands filmschicht 3 größer oder gleich 10 Ω/cm² und kleiner oder gleich 1 MΩ/cm² ist, und vorzugsweise größer oder gleich 100 Ω/cm² und kleiner oder gleich 1 kΩ/cm². Der Grund hierfür liegt darin, daß die Differenz der Widerstandswerte zwischen der gemeinsamen Ausgangselektrode 5 zu klein wird, mit der Folge, daß die Widerstandsfilmschicht nicht mehr als Wider standsschicht wirksam ist, falls der Widerstand zu klein ist. Wenn der Widerstand demgegenüber übermäßig hoch ist, kann er größer werden als der Widerstand der fotoelektri schen Umsetzschicht 4 (der im Falle von a-Si ungefähr 1 kΩ bis 500 kΩ), so daß es unmöglich ist, ein Ausgangssignal zu erhalten.

Fig. 5 ist eine vereinfachte Darstellung der in Fig. 4 ge zeigten Schichtstruktur. In Fig. 5 ist die fotoelektrische Wandlerschicht 4 als n-i-p-i-n Schichtstruktur ausgebildet. Bei den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 wird vorzugs weise die fotoelektrische Wandlerschicht 4 mittels eines n- Typ-Halbleiters 41 aus µcSi:H (feinkristallines Silizium), einem i-Typ-Halbleiter 42 aus a-Si:H (nicht-kristallinem Si lizium), einem p-Typ-Halbleiter 43 aus a-SiC:H, einem i-Typ- Halbleiter 44 aus a-SiC:H und einem p-Typ-Halbleiter 45 aus µcSi:H in der Reihenfolge von der Seite der Widerstandsfilm schicht 3 her geformt, sowie eine transparente Widerstands filmschicht. Fig. 6 zeigt anhand einer Tabelle die Bedingun gen zur Bildung der geschichteten bzw. laminierten Schichten der fotoelektrischen Wandlerschicht 4 mit dem vorgenannten n-i-p-i-n-Schichtaufbau.

Der Grund zur Verwendung von feinkristallinem Silizium zur Ausbildung des ersten n-Typ-Halbleiters 41 ist darin zu se hen, daß der zweite i-Typ-Halbleiter 42 infolge dieser Maß nahme von dem einfallenden Lichtstrahl so viel wie möglich empfängt, so daß in der durch den n-Typ-Halbleiter 41, den i-Typ-Halbleiter 42 und den p-Typ-Halbleiter 43 an der Seite der Widerstandsfilmschicht 3 ausgebildeten Fotodiode (Schaltdiode) ein möglichst großer Lichtstrom bzw. Fotostrom IL erzeugt werden kann. Der Grund dafür, daß der vierte i-Typ-Halbleiter 44 dünner als der zweite i-Typ-Halbleiter 42 ausgebildet wird, liegt demgegenüber darin, den in der durch den p-Typ-Halbleiter 43, den i-Typ-Halbleiter 44 und den n- Typ-Halbleiter 45 gebildeten Fotodiode erzeugten Lichtstrom bzw. Fotostrom IS kleiner zu machen. Der Grund zur Verwen dung des feinkristallinen Siliziums im fünften n-Typ-Halb leiter 45 ist in der Erzielung eines guten Kontakts mit der gemeinsamen Ausgangselektrode 5 zu sehen.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Schaltung bzw. ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Positionserfas sungselements 1. Fig. 10 ist ein Kennliniendiagramm bzw. Kennfeld, welches die Beziehung zwischen der Ausgangsspan nung und der Temperatur im herkömmlichen sowie im erfin dungsgemäßen Positionserfassungselement zeigt. Wie Fig. 10 deutlich entnehmbar ist, sind Ausgangsspannungen an Belich tungspunkten A, B und C beim erfindungsgemäßen Positionser fassungselement 1 deutlich voneinander unterscheidbar und ändern sich selbst dann nicht, wenn die Temperatur ansteigt.

Wie bereits erläutert, verwendet das herkömmliche Positions erfassungselement demgegenüber eine fotoleitfähige Schicht, deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von einem Anstieg der Temperatur verringert. Bei einer erhöhten Temperatur tritt nämlich an dem von dem Lichtstrahl nicht belichteten Bereich ein Kriechstrom auf, der die Ausgangsspannung aus dem entsprechend dem jeweiligen Belichtungspunkt des Licht flecks geteilten Wert verschiebt bzw. einen entsprechenden Offset-Wert hinzufügt.

Im Gegensatz dazu weist das erfindungsgemäße Positionserfas sungselement 1 zur Bildung der fotoelektrischen Wandler schicht 4 Diodenkomponenten bzw. -bauteile auf, in denen durch Belichtung mittels des Lichtstrahls ein Licht- bzw. Fotostrom in entgegengesetzter Beziehung zueinander erzeugt wird. Das eine derart aufgebaute fotoelektrische Wandler schicht 4 aufweisende Positionserfassungselement 1 kann in folge des Gleichrichtungseffekts der Diode verhindern, daß ein Kriechstrom in entgegengesetzter Richtung zur Ausgangs spannung fließt. Die Ausgangsspannung schwankt daher selbst bei einer erhöhten Temperatur nicht, wodurch stets eine hochgenaue Messung der Position ermöglicht ist.

Es ist anzumerken, daß die vorbeschriebene Struktur des Po sitionserfassungselements 1 in die in Fig. 7 gezeigte Schichtstruktur umgeändert werden kann. Bei der in Fig. 7 gezeigten Schichtstruktur wird ein Positionserfassungsele ment 1′ erzeugt, indem auf einem isolierenden Substrat 2′, welches unter Verwendung einer SOS-Technologie ("Silizium auf Saphir") hergestellt wird, in von oben nach unten be schriebener Reihenfolge die Widerstandsfilmschicht 3, die fotoelektrische Wandlerschicht 4 und die gemeinsame Aus gangselektrode 5 geformt werden. In diesem Fall wird das einfallende Licht von der oberen Seite her bestrahlt bzw. projiziert. Folglich wird die n-i-p-i-n-Schichtstruktur der in Fig. 4 gezeigten fotoelektrischen Wandlerschicht 4 mit nach unten zeigender Oberseite hergestellt. Die Eingangs elektroden 6a, 6b und 6c, 6d werden ähnlich wie im Falle von Fig. 4 auf der Widerstandsfilmschicht 3 ausgebildet.

Fig. 9 zeigt eine Abwandlung einer weiteren Struktur des Po sitionserfassungselements gemäß dem in Fig. 7 gezeigten Aus führungsbeispiel. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform ist die jeweilige Position der Widerstandsfilmschicht 3 un ter der Ausgangselektrode 5 umgedreht in Bezug auf das ein fallende Licht. In gleicher Weise sind die Positionen der Schichten in der fotoelektrischen Wandlerschicht 4 jeweils umgekehrt bzw. vertauscht. In diesem Fall ist keine Transpa renz bzw. Durchsichtigkeit der Widerstandsfilmschicht erfor derlich, während nunmehr die Ausgangselektrode durchsichtig sein muß. Andererseits wird der auf das einfallende Licht bezogene Licht- bzw. Fotostrom IL der Diodenkomponente an der der Ausgangselektrode 5 abgelegenen Seite kleiner als der Licht- bzw. Fotostrom IS der in der Nähe der Ausgangs elektrode 5 befindlichen Diodenkomponente.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Betriebs weise des erfindungsmäßen Positionserfassungselements 1 nä her erläutert.

Wenn an die der Widerstandsfilmschicht 3, wie z. B. einer transparenten Widerstandsschicht, gegenüberliegenden Ein gangselektroden (wie beispielsweise an die Eingangselektro den 6a und 6b) Spannungen angelegt werden, kann jeder Punkt der Widerstandsfilmschicht 3 ein Potential aufweisen, das proportional zu seiner Entfernung von der Eingangselektrode ist. Solange kein Lichtfleck H vorhanden ist, blockiert die fotoelektrische Wandlerschicht 4 jeglichen Stromfluß infolge des Gleichrichtungseffekts der Dioden. Im Ansprechen auf eine Bestrahlung mit dem Lichtfleck H wird in der fotoelek trischen Wandlerschicht 4 ein entsprechender Fotostrom er zeugt. Die fotoelektrische Wandlerschicht 4 gestattet den Fluß dieses Fotostroms. Wenn der Lichtfleck H an einem Punkt P(x, y) auf der an der Seite des Glassubstrats 2 befindli chen Erfassungsfläche projiziert wird, durchdringt der Lichtfleck H das Glassubstrat 2 sowie die transparente Wi derstandsfilmschicht 3, um schließlich die fotoelektrische Wandlerschicht 4 zu erreichen. Daraufhin bildet der dem Be lichtungspunkt P(x, y) entsprechende Bereich der fotoelek trischen Wandlerschicht 4 einen leitfähigen Bereich 4a. Als Folge davon wird das dem Belichtungspunkt P(x, y), auf den der Lichtfleck H projiziert wird, entsprechende Potential zur gemeinsamen Ausgangselektrode 5 ausgegeben.

Es ist eine Detektor- bzw. Erfassungsschaltung 7 vorgesehen, die Schalter S1 und S2 aufweist. Die Erfassungsschaltung 7 ist dazu eingerichtet, die Schalter S1 und S2 gleichzeitig zu schalten bzw. zu betätigen, um an gegenüberliegende Paare der Eingangselektroden 6a, 6b bzw. 6c, 6d auf der Wider standsfilmschicht 3 abwechselnd die gleiche Spannung anzule gen, um hierdurch die jeweilige X- und Y-Koordinatenposition zu erfassen. Weiterhin ist ein Schalter S3 zum Umschalten von an der gemeinsamen Ausgangselektrode 5 anliegenden Aus gangsspannungen vorgesehen. Der Schalter S3 wird synchron mit der Schalt-Zeitsteuerung der Schalter S1 und S2 geschal tet bzw. betätigt, um ein die X-Koordinatenposition des Be lichtungspunkts P(x, y) angebendes Potential Vx sowie ein die Y-Koordiatenposition des Belichtungspunkts P(x, y) ange bendes Potential Vy an der gemeinsamen Ausgangselektrode 5 mittels eines Zeitmultiplexverfahrens unabhängig voneinander zu erfassen und zu liefern. Auf der Grundlage dieser Aus gangssignale bzw. Potentiale Vx und Vy können die Richtung Φ und der Höhen- bzw. Einfallswinkel 8 berechnet werden.

Fig. 11 ist ein Kennlinienfeld, das Äquipotentialkurven des Potentials Vx der X-Koordinatenposition sowie des Potentials Vy der Y-Koordinatenposition im Positionserfassungselement 1 zeigt. Im betrachteten Ausführungsbeispiel hat das Positi onserfassungselement 1 eine quadratische Elektrode mit einer Kantenlänge von 10 mm. Die obere Fläche der Elektrode ent spricht der wirksamen Fläche des Positionserfassungselements der Fig. 17.

Fig. 12 zeigt den Gesamtaufbau eines weiteren Ausführungs beispiels eines omnidirektionalen Insulationssensors 200, bei dem ein erfindungsgemäßes Positionserfassungsgerät ver wendet wird.

Der omnidirektionale Sensor 200 weist zusätzlich zu den Kom ponenten des vorstehend beschriebenen omnidirektionalen Sen sors 100 ein eine hohe Brechung bzw. einen hohen Brechungs index aufweisendes Teil 8 auf. Das den hohen Brechungsindex aufweisende Teil 8 ist zwischen dem Positionserfassungsele ment 1 und dem Licht-Abschirmungsteil 9 angeordnet und weist ein paralleles Oberflächenprisma oder dergleichen auf, wel ches eine Dicke t und einen größeren Brechungsindex besitzt.

Auf ähnliche Weise wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel gelangt ein Sonnenstrahl über das kleine Loch 10 in den In nenraum des Licht-Abschirmungsteils 9, um den Lichtfleck H zu bilden. Der Lichtfleck H wird von dem den hohen Bre chungsindex aufweisenden Teil 8 gebrochen und daraufhin am Belichtungspunkt P(x, y) auf die Erfassungsfläche 1a des Po sitionserfassungselements 1 projiziert. Die Richtung und der Einfallswinkel des Sonnenstrahls kann daher vom Positionser fassungselement 1 erfaßt werden. Das vorliegende Ausfüh rungsbeispiel des omnidirektionalen Insulationssensors 200 ist darüber hinaus in der Lage, die Größe der Insulation bzw. die Intensität der Lichteinstrahlung zu erfassen.

Um die X-Koordinatenposition zu erfassen, werden Schalter S4 und S6 eingeschaltet, während ein Schalter S8 gemäß der Dar stellung mit Masse verbunden bzw. geerdet wird. Daraufhin wird das die X-Koordinatenposition des Belichtungspunkts P(x, y) angebende Potential Vx über einen Schalter S3 ausge geben. Auf ähnliche Weise werden zur Erfassung der Y-Koordi natenposition Schalter S5 und S7 eingeschaltet, während der Schalter S8 gemäß der Darstellung geerdet wird. Daraufhin wird das die Y-Koordinatenposition des Belichtungspunkts P(x, y) angebende Potential Vy über den Schalter S3 ausgege ben.

Wie aus Fig. 13 hervorgeht, sei angenommen, daß der Ein fallswinkel, unter dem der Sonnenstrahl in den Innenraum des Licht-Abschirmungsteils 9 (Fig. 12) über das kleine Loch 10 eintritt, den Wert R habe. Der Einfallswinkel R entspricht der Höhe bzw. dem Höhenwinkel des Sonnenstrahls. Der Winkel des durch das den hohen Brechungswinkel aufweisende Teil 8 verlaufenden Lichtflecks H nimmt daraufhin den Wert R′ an. Das heißt, der Lichtfleck H erreicht den Belichtungspunkt P(x, y) unter dem Einfallswinkel R′.

Ein zwischen der Y-Koordinatenachse und einer auf die Erfas sungsfläche la des Positionserfassungselements 1 projizier ten Linie des Lichtflecks H geformter Winkel hat hier den Wert Φ, wobei dieser Winkel Φ der Richtung des Sonnenstrahls entspricht. Unter der Annahme, daß die Ausgangssignale bzw. Potentiale Vx und Vy proportional zur Position des Belich tungspunkts P(x, y) sind, kann der Winkel Φ auf der Basis der erfaßten X- und Y-Koordinatenposition des Belichtungs punkts P(x, y) mittels folgender Gleichung berechnet werden:

5 Φ = tan^-1(Vx/Vy).

Unter der weiteren Annahme, daß der Brechungsindex von Luft den Wert 1 und der Brechungsindex des den hohen Brechungsin dex aufweisenden Teils 8 den Wert n1 hat, gilt folgende Be ziehung:

(sinR/sinR′) = (1/n1).

Da die Dicke des den hohen Brechungsindex aufweisenden Teils 8 gleich t ist, kann der Höhenwinkel 8 wie folgt ausgedrückt werden:

R = (t/(n1²(Vx² + Vy² + t²)-t²)^1/2.

Ein derartiges einen hohen Brechungsindex aufweisendes Teil 8 ist insbesondere bei einem relativ niedrigen Einfallswin kel wirksam, d. h. bei einem niedrigen Höhenwinkel des Son nenstrahls, wie z. B. R = 10°. Das den hohen Brechungsindex aufweisende Teil 8 vermeidet nämlich die mögliche Gefahr, daß ein einen niedrigen Einfallswinkel aufweisender Sonnen strahl reflektiert wird. Das den hohen Brechungsindex auf weisende Teil 8 stellt daher unter allen Umständen eine Be lichtung des Lichtflecks H auf das Positionserfassungsele ment 1 sicher, um dadurch eine Erfassung der Position, d. h. des Höhenwinkels, der Richtung usw., eines Sonnenstrahls zu ermöglichen. Fig. 14 zeigt eine entsprechende Kennlinie des Ausgangssignals bei einem festen Höhenwinkel von R = 10° bei schrittweiser Änderung der Richtung um jeweils 10°.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Lichtintensi tät, d. h. die Größe der Sonneneinstrahlung, durch Änderung der jeweiligen Schaltposition der Schalter S4, S5, S6 und S7 erfaßt werden. In diesem Fall wird der Schalter S8 mit einer Stromquelle 71 verbunden, wodurch jeder der Elektroden 6a, 6b sowie 6c, 6d Spannung zugeführt wird. In diesem Zustand wird der durch die gemeinsame Ausgangselektrode 5 fließende Strom gemessen, um daraus die Lichtintensität abzuleiten. Der gemessene Strom enthält eine Ungleichgewichtskomponente des in der fotoelektrischen Wandlerschicht 4 hervorgerufenen Licht- bzw. Fotostroms und ist proportional zur Größe der Sonneneinstrahlung bzw. zur Lichtintensität. Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen dem bei dieser Bedingung gemessenen Ausgangsstrom und der Lichtintensität. Wie aus Fig. 15 deut lich wird, kann die Stärke der Sonneneinstrahlung bzw. die Lichtintensität durch Messung des Ausgangsstroms abgeleitet werden.

Fig. 16 zeigt den Verlauf verschiedener Äquipotentialkurven, die aus Versuchen resultieren, die bezüglich verschiedener Gestaltungsformen bzw. Konfigurationen der Eingangselektro den 6a, 6b, 6c und 6d durchgeführt wurden. Diese Versuche wurden bezüglich bzw. unter Verwendung von rechteckförmigen, punktförmigen, konkavgeformten und konvexgeformten Elektro den durchgeführt. Durch Analyse der Ergebnisse dieser Versu che wurde gefunden, daß die Genauigkeit der Positionserfas sung innerhalb der effektiven Fläche der transparenten Wi derstandsfilmschicht 3 ± 6% des vollen Meßbereichs (full scala, FS) beträgt und damit besser als diejenige der ande ren Gestaltungsformen ist, wenn die Eingangselektroden in konkaver Form ausgebildet sind.

Zur Ermittlung der optimalen konkaven Gestalt wurden weitere Versuche durchgeführt. Als Ergebnis dieser Versuche wurde gefunden, daß die in Fig. 17 gezeigte konkave Konfiguration optimal ist. Wie aus Fig. 17 zu erkennen ist, sind die kon kav geformten Eingangselektroden 6a, 6b, 6c und 6d an jewei ligen Ecken der Widerstandsfilmschicht derart angeordnet, daß jedes Paar 6a, 6b bzw. 6c, 6d der Eingangselektroden einander diagonal gegenüberliegt. Wie aus Fig. 18 hervor geht, wird bei einer derartigen Konfiguration und Anordnung der Eingangselektroden 6a, 6b, 6c und 6d die Störung bzw. Verzerrung der Äquipotentialkurven vergleichsweise klein. Durch die Wirkung der konkav geformten Eingangselektroden werden die Äquipotentialkurven im wesentlichen gerade, wo durch die Genauigkeit der Positionserfassung auf ± 3% des vollen Meßbereichs innerhalb der wirksamen Fläche der trans parenten Widerstandsfilmschicht 3 weiter verbessert wird.

Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht eines Positionser fassungselements 1, das konkav geformte Eingangselektroden 6a, 6b, 6c sowie 6d aufweist, die in der in Fig. 17 gezeig ten Art und Weise angeordnet sind. Es wurde ferner gefunden, daß L-förmige Eingangselektroden, die auf die in Fig. 20 ge zeigte Art und Weise angeordnet sind, ähnlich gute Meßergeb nisse hervorrufen können. Durch Verbesserung der Konfigura tion der Eingangselektroden ist es demzufolge möglich, die Linearität der Koordinatenwerte des Lichtflecks und die ent sprechenden Meßwerte zu verbessern. Dieser Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung der X- oder Y-Koordinatenposition ist unabhängig von der jeweiligen Belichtungsposition in der X- bzw. Y-Achsenrichtung erzielbar.

Fig. 21 zeigt eine andere Möglichkeit zum Erzielen einer Lichtabschirmung. Bei der Ausführungsform der Fig. 21 wird das Licht-Abschirmungsteil 9 durch Drucken oder Ablagerung eines dünnen Metallfilms direkt auf das Glassubstrat 2 des Positionserfassungselements gebildet. Bei dieser Gestaltung sind das Licht-Abschirmungsteil 9 und die transparente Wi derstandsfilmschicht 3 nahe beieinander unter Zwischenschal tung des Glassubstrats 2 angeordnet. Als Folge davon kann der Erfassungsbereich des Positionserfassungselements 1 ver größert werden. Da das Licht-Abschirmungsteil 9 im wesentli chen als ein Dünnfilm durch Drucken oder Ablagerung direkt auf dem Glassubstrat 2 ausgebildet werden kann, wird in vor teilhafter Weise weiterhin erreicht, daß ein unter einem vergleichsweise niedrigen bzw. flachen Einfallswinkel ein fallender Sonnenstrahl niemals durch die Ränder des kleinen Lochs beeinflußt wird. Dies trägt zusätzlich zur Ausdehnung des Winkelerfassungsbereichs des Positionserfassungselements 1 bei.

Fig. 22 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des in Fig. 21 gezeigten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Ausführungs form wird verflüssigtes Silizium oder ein anderes transpa rentes Harz in Form eines Tröpfchens in das kleine Loch 10 eingebracht. Das verflüssigte Harz wird daraufhin an Ort und Stelle verfestigt. Sobald es verfestigt bzw. ausgehärtet ist, kann das transparente Harz als Ersatz für das den hohen Brechungsindex aufweisende Teil 8 dienen. Alternativ dazu ist es gemäß der Darstellung in Fig. 23 möglich, eine trans parente Deckschicht 8a über der gesamten Oberfläche des Licht-Abschirmungsteils 9 durch Ablagerung auf dem dünnen Metallfilm auszubilden. In diesem Fall kann die Deckschicht 8a als Ersatz für das den hohen Brechungsindex aufweisende Teil 8 dienen.

Fig. 24 zeigt den Schaltplan einer Gesamtschaltung der in Fig. 12 gezeigten Erfassungsschaltung 7 zum Erzielen der Ausgangs- bzw. Meßsignale des Positionserfassungselements 1.

An die Eingangselektroden 6a (X⁺) und 6b (X⁻) wird eine Spannung von 5 V bzw. 0 V angelegt, worauf eine Spannung Vx als ein der X-Koordinatenposition des Belichtungspunkts P(x, y) entsprechendes Ausgangssignal (OUT) erhalten wird. An die Eingangselektroden 6c (Y⁺) und 6d (Y⁻) wird eine Spannung von 5 V bzw. 0 V angelegt, worauf eine Spannung Vy als ein der Y-Koordinatenposition des Belichtungspunkts P(x, y) entspre chendes Ausgangssignal (OUT) erhalten wird. Daraufhin wird durch gleichzeitiges Anlegen einer Spannung von 5 V an alle Eingangselektroden 6a (X⁺), 6b (X⁻), 6c (Y⁺) und 6d (Y⁻) als Ausgangssignal (OUT) ein Strom erhalten, welcher der Inten sität des Sonnenstrahls, d. h. der Sonneneinstrahlungsstärke entspricht.

Die vorstehenden drei Abläufe werden unter Synchronisation durch ein Taktsignal wiederholt. Das jeweils erhaltene Aus gangssignal (OUT) wird einem entsprechenden Schaltungsknoten X, Y bzw. I eines Ausgangsanschlusses zugeführt.

Nachstehend wird der Betriebsablauf näher erläutert. Zur Re alisierung des gezeigten Ausführungsbeispiels werden von der in Fig. 25 dargestellten Stromversorgungsquelle 71 Versor gungsspannungen von +5 V, 0 V (Masse) sowie ± 15 V benötigt. Die Versorgungsspannungen ± 15 V werden mittels eines Gleich strom/Gleichstrom-Umsetzers 22 aus der zugeführten Speise spannung +5 V erzeugt. Es ist anzumerken, daß die +5 V Ver sorgungsspannung über die mit einem Pfeil versehenen Schal tungspunkte, die +15 V Versorgungsspannung über die mit aus gefüllten Kreisen bezeichneten Schaltungspunkte und die -15 V Versorgungsspannung über die mit Hohlkreisen bezeichneten Schaltungspunkte zugeführt wird. Die ± 15 V Versorgungsspan nung ist aufgrund der Verwendung von Operationsverstärkern erforderlich, die eine Versorgungsspannung von ± 15 V benöti gen und die später näher erläutert werden.

Ein Kristalloszillator bzw. Quartzschwingkreis 73a dient zur Erzeugung einer Schwingung mit konstanter Frequenz. Die Schwingung des Quartzschwingkreises 73a wird von einem Zäh ler 73 einer Frequenzteilung unterzogen, um ein Bezugs-Takt signal zu liefern, das in Fig. 26 mit CK bezeichnet ist. das Bezugs-Taktsignal wird von einem Zähler 74 weiterhin um den Faktor 1/2 und 1/4 geteilt, um entsprechende Signale QA und QB zu erzeugen.

Durch entsprechende Kombination der Signale QA und QB mit dem Pegel H (= +5 V) und dem Pegel L (= 0 V) ist es gemäß Fig. 26 möglich, vier Auslese-Zeitsteuerungen zu erhalten. Von diesen vier Zeitsteuerungen verwendet das gezeigte Aus führungsbeispiel 3.

Nachfolgend wird die Lese-Zeitsteuerung für die X-Koordina tenposition näher erläutert. Unter der in Fig. 26 vorliegen den Lese-Zeitsteuerung für X, bei der QA = H und QB = L, werden die Zustände von Analogschaltern 75a, 75b, 75c und 75d näher betrachtet. Da das Signal QB den Pegel L hat, ist der Analogschalter 75a ausgeschaltet. Ein Signal S1 wird da her auf dem Pegel L gehalten. Die Eingangselektrode 6c des Positionserfassungselements 1 wird daher offengehalten. Der Analogschalter 75b ist eingeschaltet, da das Signal QA und damit ein Signal SE jeweils den Pegel H aufweisen. Ein Si gnal SG hat folglich den Pegel H, wodurch der Eingangselek trode 6a des Positionserfassungselements 1 eine Spannung von +5 V zugeführt wird. Der Analogschalter 75b wird durch die Zustände des Signals QB sowie eines Signals SB mittels eines UND-Gatters 4a gesteuert. Das Signal SB wird durch ein UND- Gatter 4c und ein invertierendes Glied 5a festgelegt. Da das Signal QA den Pegel H und das Signal QB den Pegel L auf weist, hat ein Signal SA den Pegel L, während das Signal SB infolge des invertierenden Glieds 5a den Pegel H hat, so daß am UND-Gatter 4a die Pegel H und L anliegen. Ein Signal Sc nimmt daher den Pegel L an. Der Analogschalter 75c ist dementsprechend ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt hat ein Signal SH den Pegel L, wodurch die Eingangselektrode 6d des Positionserfassungselements 1 geöffnet wird. Der Analog schalter 75d wird von dem UND-Gatter 4b auf der Basis des jeweiligen Zustands der Signale QA und SB gesteuert. Da nun mehr sowohl das Signal QA als auch das Signal SB den Pegel H aufweisen, nimmt ein Signal SD ebenfalls den Pegel H an. Der Analogschalter 75d wird folglich eingeschaltet, um einem Si gnal SF die Spannung 0 V (Masse) einzuprägen. Demzufolge wird der Eingangselektrode 6b des Positionserfassungselements 1 die Spannung 0 V (Masse) zugeführt.

Gemäß vorstehender Beschreibung wird in diesem Betriebszu stand der Eingangselektrode 6a (X⁺) die Spannung +5 V und der Eingangselektrode 6b (X⁻) 0 V zugeführt, während die Ein gangselektroden 6c (Y⁺) und 6d (Y⁻) offengehalten werden bzw. potentialfrei sind. Daher kann bei diesem Betriebszu stand die X-Koordinatenposition erfaßt werden. Wenn zu die sem Zeitpunkt ein Sonnenstrahl auf das Positionserfassungs element 1 gerichtet wird und der entsprechende Lichtfleck H die Erfassungsfläche 1a des Positionserfassungselements 1 erreicht, wird über die gemeinsame Ausgangselektrode 5 des Positionserfassungselements 1 ein das Potential an der X-Ko ordinatenposition angebendes Signal SJ als Ausgangssignal (OUT) geliefert.

Das das Potential der X-Koordinatenposition angebende Signal SJ wird in diesem Zustand der jeweils linken Seite von Ana logschaltern 75g, 75h und 75i zugeführt. Nachfolgend wird der Zustand der Analogschalter 75g, 75h und 75i näher be trachtet.

Aufgrund des Pegels H des Signals SD ist der Analogschalter 75g eingeschaltet. Der Analogschalter 75h ist aufgrund des Pegels L eines Signals SC ausgeschaltet. Ebenso ist der Ana logschalter 75i aufgrund des Pegels L eines Signals SA aus geschaltet. Ein Signal SX erhält daher den Pegel des Signals SJ (das Potential der X-Koordinatenposition). Es sei ange merkt, daß ein Operationsverstärker 8a ein Spannungsfolger mit Impedanzwandlung ist. Der Operationsverstärker 8a ist nicht immer notwendig und kann daher in manchen Fällen ver nachlässigt bzw. weggelassen werden.

In ähnlicher Weise wird das die Y-Koordinatenposition ange bende Potential am Schaltungspunkt Y unter in Fig. 26 ge zeigten Auslese-Zeitsteuerung ausgegeben.

Bei der in Fig. 26 gezeigten Zeitsteuerung kann der durch die gemeinsame Ausgangselektrode 5 des Positionserfassungs elements 1 fließende Strom I wie folgt eingestellt werden. Da sowohl das Signal QA als auch das Signal QB den Pegel H aufweisen, wird an alle Eingangselektroden 6a (X⁺), 6b (X⁻), 6c (Y⁺) und 6d (Y⁻) eine Spannung von +5 V angelegt. Zu die sem Zeitpunkt sind die Analogschalter 75g und 75h ausge schaltet. Das Signal SJ passiert folglich den Analogschalter 75i. Im Ansprechen hierauf gibt ein Operationsverstärker 8c ein Signal SM ab, aus dem mittels eines Operationsverstär kers 8d ein Signal SN erzeugt wird. Es sei angemerkt, daß die Operationsverstärker 8c und 8d zur Umsetzung des Stroms in eine Spannung dienen.

Die Bezugszeichen 9a, 9b und 9c bezeichnen monostabile Mul tivibratoren, während die Bezugszeichen 10a, 10b und 10c Operationsverstärker bezeichnen.

Während das Signal SX dasjenige Potential führt, das die X-Koordinatenposition angibt, weisen Eingangsanschlüsse A und B des monostabilen Multivibrators 9a jeweils einen Pegel H auf. Dessen Ausgang Q weist folglich einen H-Pegel auf. Un ter diesen Betriebsbedingungen werden die Daten aktuali siert, worauf der Wert X als das die X-Koordinatenposition angebende Potential aufrechterhalten bleibt. Während dieses Zeitraums sind die Q-Ausgänge der monostabilen Multivibrato ren 9b und 9c auf den Pegel L festgelegt.

Es sei angemerkt, daß der Wert Y als das die Y-Koordinaten position angebende und dem Signal SL entsprechende Potential und der Wert I als das die Lichtintensität angebende und dem Signal SN entsprechende Potential jeweils durch einen ähnli chen Ablauf wie zuvor beschrieben erhalten werden. Auf eine ausführliche Beschreibung der entsprechenden Betriebsabläufe wird daher verzichtet.

Fig. 27 zeigt anhand einer schematischen perspektivischen Darstellung eine weitere Ausführungsform des Positionserfas sungselements zur Bildung des erfindungsgemäßen Positionser fassungsgeräts. Fig. 28 zeigt die prinzipielle Schichtstruk tur bzw. ein Ersatzschaltbild des Positionserfassungsele ments der Fig. 27. Es ist anzumerken, daß die Fig. 27 und 28 in einer Lage gezeichnet sind, bei der das Licht von der unteren Seite her bestrahlt wird.

Das Positionserfassungselement weist ein Glassubstrat 22 auf. Auf dem Glassubstrat 22 sind aufeinanderfolgend eine zur Erfassung der X-Koordinatenposition des Belichtungs punkts des Lichtflecks dienende Widerstandsfilmschicht 23, die aus einem transparenten Widerstandsmaterial gebildet ist, eine den Fotoleitungseffekt einer fotoelektrischen Wandlerschicht ausnutzende fotoleitfähige Filmschicht 24, sowie eine aus transparentem Widerstandsmaterial gebildete Widerstandsfilmschicht 25 zur Erfassung der Y-Koordinatenpo sition des Belichtungspunkts des Lichtflecks aufgeschichtet. Von jeder der Widerstandsfilmschichten 23 und 25 zur Erfas sung der X- bzw. Y-Koordinatenposition erstrecken sich je weils zwei Blei- bzw. Zuleitungselektroden X, X′ bzw. Y, Y′.

An den Anschlußbereichen der jeweiligen Elektroden X, X′, Y und Y′ sind Streifenelektroden vorgesehen, welche einen ge ringeren Widerstandswert als die Widerstandsfilmschichten 23 und 25 zur Erfassung der X- bzw. Y-Koordinatenposition auf weisen.

Bei dem dargestellten Aufbau ist die fotoleitfähige Film schicht 24 zwischen den Widerstandsfilmschichten 23 und 25 angeordnet, um einen direkten Kontakt zwischen diesen zu vermeiden. Die Widerstandsfilmschichten 23 und 25 zur Erfas sung der X- bzw. Y-Koordinatenposition sind senkrecht zuein ander angeordnet. In Abwesenheit eines Lichtflecks werden die Widerstandsfilmschichten 23 und 25 im wesentlichen in einer gegenseitigen elektrischen Isolation gehalten.

Nachfolgend wird die Zusammensetzung der jeweiligen Schich ten des Positionserfassungselements näher erläutert.

Das Glassubstrat 22 wird aus Sodaglas mit einer Dicke von 1,1 mm hergestellt. Auf der Oberfläche des Sodaglases wird eine SiO₂-Beschichtung vorgesehen. Es sei angemerkt, daß die Dicke des Glassubstrats 22 die Eigenschaften des die Belich tungsposition und die Lichtintensität erfassenden Positions erfassungsgeräts in keiner Weise beeinflußt.

Die Widerstandsfilmschicht 23 zur Erfassung der X-Koordina tenposition des Belichtungspunkts des Lichtflecks wird in einer Dicke von 60 nm aus SiO₂ geformt. Für die Widerstands filmschicht 23 wird ein Schichtwiderstandswert von 200 Ω/cm² vorgesehen. Die für die Widerstandsfilmschicht 23 erforder liche Funktion liegt darin, ein Passieren des Lichts zu ge statten und einen geeigneten Schichtwiderstand aufzuweisen. Folglich kann als Material zur Ausbildung der Widerstands filmschicht 23 zusätzlich zu SiO₂ die Verbindung ZnO, In dium-Zinn-Oxid (ITO) oder auch ein anderer dünner Metallfilm verwendet werden.

Die fotoleitfähige Filmschicht 24 hat einen fünfschichtigen Aufbau einschließlich eines n-Typ-Halbleiters 241 aus fein kristallinem Silizium (µc-Si), eines i-Typ-Halbleiters 242 aus reinem a-SiC (i₁-SiC), eines p-Typ-Halbleiters 243 aus a-SiC, eines i-Typ-Halbleiters 244 aus reinem a-SiC (i₂-SiC) sowie eines n-Typ-Halbleiters 245 aus feinkristallinem Si (µc-Si), wie dies in Fig. 28 dargestellt ist. Eine derartige Anordnung ist äquivalent zu einer entgegengesetzten Verbin dung von zwei Dioden.

Bei der fotoleitfähigen Filmschicht 24 ist eine Umwandlung auf einen niedrigen Widerstandswert nur in demjenigen Be reich erforderlich, der von dem Lichtfleck belichtet wird. Für die fotoleitfähige Filmschicht 24 ist es weiterhin von Wichtigkeit, daß der nachfolgend als i₁-Schicht bezeichnete i-Typ-Halbleiter 242 sowie der nachfolgend als i₂-Schicht bezeichnete i-Typ-Halbleiter 244 jeweils eine geeignete Dicke aufweisen. Im einzelnen wird die jeweilige Dicke der i₁- und der i₂-Schicht derart festgelegt, daß der durch Be lichtung mit dem Lichtfleck zu erzeugende Fotostrom ein gutes Gleichgewicht erreichen kann. Die Leitfähigkeit der fotoleitfähigen Filmschicht 24 im belichteten Zustand ist darüberhinaus so festgelegt, daß sie größer oder gleich 10^-6 Ω/cm beträgt.

Optimale Werte für die Schichten i₁ und i₂ sind in der in Fig. 33 gezeigten Tabelle angegeben. Um in diesem Fall ein Gleichgewicht der Fotoströme im Schichtaufbau der fotoleit fähigen Filmschicht 24 der Fig. 28 zu erreichen, ist die vom Licht bzw. vom Lichteinfall weiter entfernte i₂-Schicht 244 dicker als die i₁-Schicht 242. Der bevorzugte Bereich des Dickenverhältnisses zwischen der i₁-Schicht 242 und der i₂- Schicht 244 liegt zwischen 1 : 2 und 1 : 10.

Die Widerstandsfilmschicht 25 zur Erfassung der Y-Koordina tenposition des Belichtungspunkts ist in einer Dicke von 40 nm aus Ti gebildet. Grundsätzlich kann die Widerstandsfilm schicht 25 zur Erfassung der Y-Koordinatenposition gleich der Widerstandsfilmschicht 23 zur Erfassung der X-Koordina tenposition sein. Wie aus Fig. 27 zu erkennen ist, ist je doch keine Lichtdurchlässigkeit bzw. Transparenz erforder lich. Demzufolge können zur Ausbildung der Widerstandsfilm schicht 25 für die Erfassung der Y-Koordinatenposition zu sätzlich zu den für die Widerstandsfilmschicht 23 für die Erfassung der X-Koordinatenposition geeigneten Materialien verschiedene Materialien verwendet werden, wie z. B. Metalle einschließlich Ti, Cr, Ni usw., TiN, Ag-Paste, Ni-Paste, Cu- Paste usw., sofern es möglich ist, den Widerstand auf einen Wert festzulegen, der größer oder gleich 10 Ω/cm² und klei ner oder gleich 1 MΩ/cm² ist.

Fig. 29 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips des vorstehend beschriebenen Positi onserfassungselements.

An beiden Enden der transparenten Widerstandsfilmschichten werden 0 V und 5 V angelegt, wobei der Wert der letztgenannten Spannung nicht notwendigerweise 5 V betragen muß, sondern le diglich als Beispielswert zu verstehen ist. Infolgedessen wird in der transparenten Widerstandsfilmschicht ein zwi schen 0 V und 5 V verlaufender Spannungsgradient hervor gerufen. Wenn die fotoleitfähige Filmschicht 24 in diesem Zustand belichtet wird, wird der an der entsprechenden Be lichtungsposition befindliche Teil der Dioden leitfähig.

Dasjenige spezifische Potential, das der durch den Licht fleck belichteten Position der transparenten Widerstands filmschicht entspricht, wird folglich auf die Elektrode übertragen. Infolgedessen ist es möglich, dasjenige Poten tial zu erhalten, das der Belichtungsposition entspricht. Dies ist im wesentlichen äquivalent zu der Maßnahme, einen Test-Meßfühler mit der den Spannungsgradienten aufweisenden transparenten Widerstandsfilmschicht in Kontakt zu bringen, um das Potential an der entsprechenden Position auszulesen. Anstelle des Anbringens eines Test-Meßfühlers wird hingegen eine Belichtung durchgeführt, um den entsprechenden Bereich zum Auslesen des dort herrschenden Potentials leitfähig zu machen. Bei dem Positionserfassungselement gemäß dem vorlie genen Ausführungsbeispiel sind die Widerstandsfilmschichten 23 und 25 zur Erfassung der X- bzw. Y-Koordinatenposition mit einem Schichtwiderstandswert versehen, der in einem Be reich von größer oder gleich 10 Ω/cm² und kleiner oder gleich 1 MΩ/cm² liegt, um die in Fig. 27 gezeigte Schicht struktur auszubilden. Mit dem erläuterten Aufbau ist es mög lich, drei Funktionen gleichzeitig durchzuführen, nämlich die Erfassung der X-Koordinatenposition, der Y-Koordinaten position sowie der Stromstärke.

Fig. 30 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfassung der X-Koordinatenposition, der Y-Koordinatenposition und des Stroms.

Erfassung der X-Koordinatenposition

An beide Endelektroden (Zuleitungselektroden X, X′) der zur Erfassung der X-Koordinatenposition vorgesehenen Widerstandsfilmschicht 23 werden 5 V und 0 V angelegt, um mit tels einer oder beider Endelektroden der zur Erfassung der Y-Koordinatenposition dienenden Widerstandsfilmschicht 25 das der zu messenden Position entsprechende Potential zu er halten. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Strom von der zur Er fassung der X-Koordinatenposition vorgesehenen Widerstands filmschicht 23 über diejenige Position, an der Licht auf die fotoleitfähige Filmschicht 24 projiziert wird, zu der für die Erfassung der Y-Koordinatenposition vorgesehenen Wider standsfilmschicht 25. Hier ist es notwendig, daß der Einfluß des Restwiderstands der zur Erfassung der Y-Koordinatenposi tion dienenden Widerstandsfilmschicht 25 auf das Ausgangssi gnal vernachlässigt werden kann. So wäre im Falle der Ver wendung eines digitalen Multimeters eine Eingangsimpedanz von größer oder gleich 1 MΩ wünschenswert. Wenn die Ein gangsimpedanz gering ist und der Widerstandswert der zur Er fassung der Y-Koordinatenposition dienenden Widerstandsfilm schicht 25 1 MΩ/cm² beträgt, kann die Ausgangsspannung ge dämpft werden.

Erfassung der Y-Koordinatenposition

Da die Art und Weise der Erfassung im wesentlichen der Er fassung der X-Koordinatenposition entspricht, sollte sich eine nähere Erläuterung erübrigen. (Es sei jedoch angemerkt, daß in diesem Fall Spannungen an beide Endelektroden der zur Erfassung der Y-Koordinatenposition dienenden Widerstands filmschicht 25 angelegt werden und daß der Strom nunmehr von dieser Widerstandsfilmschicht 25 zu der für die Erfassung der X-Koordinatenposition vorgesehenen Widerstandsfilm schicht 23 fließt. Ähnlich wie beim vorstehend erläuterten Fall vermag der Strom an derjenigen Position durch die foto leitfähige Filmschicht 24 zu fließen, an der diese belichtet wird.)

Erfassung der Stromstärke (Lichtintensität)

Zu diesem Zweck werden an beide Endelektroden der zur Erfas sung der Y-Koordinatenposition vorgesehenen Widerstandsfilm schicht 25 5 V angelegt. Infolgedessen wird die Potential verteilung der Widerstandsfilmschicht 25 konstant bzw. ver gleichmäßigt. Unter dieser Voraussetzung wird der Lichtfleck auf die fotoleitfähige Filmschicht 24 projiziert, um dadurch die entsprechende Stelle leitfähig zu machen und einen dementsprechenden Stromfluß von der Widerstandsfilmschicht 25 zu der für die Erfassung der X-Koordinatenposition vorge sehenen Widerstandsfilmschicht 23 zu gestatten. Der Aus gangsstrom kann daher über die Widerstandsfilmschicht 23 er faßt werden. Die Größe bzw. Stärke des Ausgangsstroms ändert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Belichtungsposition des Lichtflecks auf der fotoleitfähigen Filmschicht 24 nicht, da das Potential an allen Positionen auf der Wider standsfilmschicht 25 einen gleichförmigen Wert hat. Die Stärke des Ausgangsstroms hängt daher einzig und allein von der Intensität des einfallenden Lichts (der Stärke der Son neneinstrahlung) ab. Da die fotoleitfähige Filmschicht 24 unter Verwendung eines Diodenpaars mit entgegengesetzter Po larität und jeweils gleicher elektrischer Eigenschaften auf gebaut ist, kann die Lichtintensität entweder unter Verwen dung der für die Erfassung der X-Koordinatenposition vorge sehenen Widerstandsfilmschicht 23 oder aber der für die Er fassung der Y-Koordinatenposition vorgesehenen Widerstands filmschicht 25 gemessen werden. Demzufolge kann eine äquiva lente Erfassung der Lichtintensität durchgeführt werden, in dem an beide Endelektroden der Widerstandsfilmschicht 23 eine Spannung von 5 V angelegt wird.

Bei dem vorbeschriebenen Aufbau ist es von wesentlicher Be deutung, die Dioden mit entgegengesetzten Polaritäten so an zuordnen, daß sich die durch Belichtung der fotoleitfähigen Filmschicht erzeugten Fotoströme gegenseitig aufheben. Zu diesem Zweck ist es bedeutsam, die Schichtdicke optimal festzulegen. Wenn die in jeder der in der fotoleitfähigen Filmschicht 24 befindlichen Dioden zu erzeugenden Fotoströme untereinander nicht den gleichen Wert haben, kann nämlich eine Ungleichgewichtskomponente des Stroms den Ausgangsstrom in der Weise beeinflussen, daß eine Differenz in der Erfas sung der Lichtintensität bei Verwendung der zur Erfassung der X-Koordinatenposition dienenden Widerstandsfilmschicht 23 und bei Verwendung der zur Erfassung der Y-Koordinatenpo sition dienenden Widerstandsfilmschicht 25 hervorgerufen wird. Im einzelnen deutet ein Ungleichgewicht im Ausgangs strom auf ein Ungleichgewicht des internen Widerstands in den Schichten hin, wodurch die Meßgenauigkeit beeinflußt wird.

Es wurden daher Anstrengungen unternommen, um die jeweilige Schichtdicke der i₁-Schicht 242 und der i₂-Schicht 244 zu optimieren, um auf diese Weise ein Gleichgewicht der Licht bzw. Fotoströme I₁ und I₂ in den Dioden der fotoleitfähigen Filmschicht 24 herbeizuführen. Es sei angemerkt, daß auf grund der für das Positionserfassungsgerät erforderlichen Meßgenauigkeit eine gegenseitige Anpassung der Fotoströme I₁ und I₂ innerhalb eines Bereichs von ± 30% erforderlich ist. Wenn die Fotoströme I₁ und I₂ gleich groß sind, kann logi scherweise kein Fotostrom fließen. Fotoströme I₁ und I₂, die bei gleicher Größe entgegengesetzte Richtung aufweisen, ru fen jedoch gleichwohl einen Stromfluß hervor.

Unter der Annahme, daß als jeweiliges Material für die i₁- Schicht 242 und die i₂-Schicht 244 a-SiC bzw. a-Si verwendet wird, kann die in Fig. 32 dargestellte Beziehung zwischen dem Fotostrom (µA) und der Schichtdicke (mm) des i-Typ-Halb leiters festgestellt werden. Durch Lösung der Gleichung der Absorptionskoeffizienten und der Stetigkeit dieser Materia lien werden die in Fig. 33 angegebenen Schichtdicken be stimmt.

Bei diesen festgelegten Schichtdicken werden bei dem in Fig. 28 gezeigten Aufbau der Schichten, bei dem die i₁-Schicht 242 aus a-SiC und die i₂-Schicht 244 aus a-Si gebildet ist, die Fotoströme gleich groß. Wenn demgegenüber sowohl die i₁- Schicht 242 als auch die i₂-Schicht 244 jeweils aus a-Si ge bildet ist, weichen die jeweiligen Schichtdicken von den in Fig. 33 gezeigten Werten ab.

Wie hieraus entnommen werden kann, ist es notwendig, die Fo toströme für die Erfassung der X-Koordinatenposition und der Y-Koordinatenposition im Positionserfassungselement in ge genseitige Übereinstimmung zu bringen.

Fig. 34 zeigt anhand eines Längsschnitts die Schichtstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Positionserfassungsgeräts.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Positionserfassungs element hergestellt, indem die fotoleitfähige Filmschicht 34 unmittelbar auf dem Glassubstrat 32 ausgebildet wird, an statt dazwischen eine Widerstandsfilmschicht anzuordnen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel setzt sich die fotoleitfähige Filmschicht aus einem n-Typ-Halbleiter 341 aus feinkristal linem Si (µC-Si), einem i-Typ-Halbleiter 342 aus reinem a-Si, einem p-Typ-Halbleiter 343 aus a-SiC, einem i-Typ-Halb leiter 344 aus purem a-Si sowie aus einem n-Typ-Halbleiter 345 aus feinkristallinem Si (µc-Si) zusammen. In diesem Falle ist es notwendig, vorab die Eingangs-(Ausgangs-)-Elek troden 33 mittels Metall oder mittels Metallpaste durch Ab lagerung oder Kathodenzerstäubung auf dem Glassubstrat 32 auszubilden.

Das wesentliche Merkmal der Schichtstruktur der vorliegenden Ausführungsform des Positionserfassungselements liegt darin, daß einer oder beide der n-Typ-Halbleiter 341 und 345 aus feinkristallinem Si als eine oder beide der Widerstandsfilm schichten 23 und 25 zur Erfassung der X- bzw. der Y-Koordi natenposition dient bzw. dienen. In diesem Fall ändert das feinkristalline Si seinen Widerstandswert selbst dann nicht, wenn es belichtet wird, und kann folglich als Bezugswider stand verwendet werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 34 werden anstelle der bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Fig. 28 vorgese henen Widerstandsfilmschichten 23 und 25 für die X- bzw. Y-Koordinatenposition Eingangs-(Ausgangs-)Elektroden 33 und Ausgangs-(Eingangs-)Elektroden 35 unmittelbar auf den n-Typ- Halbleitern ausgebildet.

Obgleich ein derartiger Schichtaufbau eine leichte Ver schlechterung in den Temperatureigenschaften des Positions erfassungsgeräts bewirken kann, ist das Gerät gleichwohl in der Lage, bis zu einer Temperatur von 100°C ohne wesentliche Probleme zu arbeiten. Es sei erwähnt, daß die fotoleitfähige Filmschicht mit der n-i-p-i-n-Schichtstruktur problemlos so gar bis 140°C arbeiten kann, wenn für die Widerstandsfilm schicht die n-Typ-Halbleiter nicht verwendet werden.

Aufgrund des vorstehend erläuterten Aufbaus lassen sich mit der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile und Wirkun gen erzielen. Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung lassen sich folgende Wirkungen und Vorteile erzielen: Die fotoleitfähige Schicht ist auf der Widerstandsschicht aufge schichtet und weist Diodenkomponenten mit entgegengesetzten Polaritäten auf, die in Reihenschaltung aufeinandergeschich tet sind, worauf derjenige Bereich, an dem das Licht pas siert, leitfähig wird und aufgrund der durch das Licht indu zierten Leistung den Fluß eines Fotostroms in den jeweiligen Diodenkomponenten ermöglicht. Durch Anlegen unterschiedli cher Spannungen an beide Enden der Widerstandsfilmschicht tritt in der Widerstandsfilmschicht andererseits eine Poten tialverteilung auf. Über die Ausgangselektrode wird das je weils vorliegende, der von dem Licht durchsetzten Position entsprechende Potential von der Widerstandsfilmschicht abge griffen. Der von der Widerstandsfilmschicht zu der Ausgangs elektrode fließende Strom wird als Ausgangsstrom bezeichnet, der sich von dem durch fotoelektrische Umwandlung in den Di odenkomponenten erzeugten Fotostrom unterscheidet. Mittels der Einrichtung zur Belichtung mit punktförmigem Licht kann die Belichtungsposition des punktförmigen Lichts und dessen Intensität erfaßt werden, um ein diese Werte angebendes Si gnal über die Ausgangselektrode auszugeben. Andererseits ist der Ausgangsstrom im wesentlichen proportional zur Intensi tät des Lichts.

Die fotoleitfähige Schicht im erfindungsgemäßen Positionser fassungsgerät ruft aufgrund der Wirkung des Schichtaufbaus, bei dem die Diodenkomponenten mit entgegengesetzten Polari täten angeordnet sind, selbst bei einer erhöhten Temperatur keinerlei Kriechstrom hervor, der von der Widerstandsschicht zur Ausgangselektrode fließt.

Daher ist es möglich, unter Zugrundelegung des über die fo toelektrische Wandlerschicht von der Ausgangselektrode abge gebenen Ausgangssignals die Position und Intensität des Lichts mit hoher Genauigkeit festzustellen. Selbst wenn ein vergleichsweise großer Potentialgradient auf der Oberfläche der Widerstandsfilmschicht auftritt, um dadurch den Aus gangsstrom zu vergrößern, würde keinerlei Kriechstrom auf treten. Folglich ist es möglich, ein ausreichend großes, der Belichtungsposition entsprechendes Ausgangssignal zu erhal ten.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung werden fol gende Wirkungen und Vorteile erzielt. Das erfindungsgemäße Positionserfassungsgerät wird für ein selbstangetriebenes Fahrzeug verwendet. In diesem Fall weist die Einrichtung zur Belichtung durch ein punktförmiges Licht eine Einrichtung zur Belichtung durch einen punktförmigen Sonnenstrahl auf, der auf das selbstangetriebene Fahrzeug fällt. Demzufolge können über die Ausgangselektrode Signale abgegeben werden, die Informationen über die Richtung, den Höhenwinkel und die Intensität der Sonnenstrahlen enthalten.

Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung sind fol gende Wirkungen und Vorteile erzielbar. Vier Eingangselek troden sind vorzugsweise an vier Ecken der Widerstandsfilm schicht vorgesehen. Unter Verwendung von zwei dieser vier Elektroden ist es möglich, die Potentialverteilung in der seitlichen Richtung der Widerstandsfilmschicht zu erfassen. In gleicher Weise ist es durch Verwendung der anderen zwei der vier Elektroden möglich, die Potentialverteilung in der Längsrichtung der Widerstandsfilmschicht zu erfassen.

Wenn an die Eingangselektroden vorbestimmte Spannungen ange legt werden, können die die Lichtposition und Lichtintensi tät angebenden Signale zu verschiedenen Zeitpunkten auf der Basis eines Zeitmultiplexverfahrens erhalten werden.

Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung sind fol gende Wirkungen und Vorteile erzielbar. Die Diodenkomponen ten in der fotoelektrischen Wandlerschicht bilden Diodenkom ponenten mit gegenseitig entgegengesetzten Polaritäten. In Anbetracht des durch die Belichtung zu induzierenden Aus gangsstroms hat beispielsweise derjenige Fotostrom, der in der die Rückwärts-Vorspannung aufweisenden Diodenkomponente erzeugt wird, eine größere Stärke als derjenige Fotostrom, der in der eine Vorwärts-Vorspannung aufweisenden Diodenkom ponente erzeugt wird. Der in der Diodenkomponente mit der Rückwärts-Vorspannung erzeugte Fotostrom fließt infolgedes sen in der Richtung der Vorwärts-Vorspannung und wird zu dem Ausgangsstrom addiert.

Aufgrund dieser Anordnung ist die jeweilige Stärke der Fo toströme in den Diodenkomponenten der fotoelektrischen Wand lerschicht im Ungleichgewicht und von entgegengesetzter Richtung, wodurch über die Ausgangselektrode zusätzlich zu dem spezifischen Potential auf der Widerstandsfilmschicht, das dessen jeweilige Position widerspiegelt, ein im Un gleichgewicht befindlicher Fotostrom erzielbar ist. Demzu folge ist es möglich, das die Lichtintensität repräsentie rende Signal mit einem relativ großen Wert zu erhalten, wo durch eine hohe Empfindlichkeit erzielbar ist.

Gemäß einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung werden fol gende Wirkungen und Vorteile erzielt. Die Widerstandsfilm schicht weist hierbei an der der Einfallsrichtung des Lichts zugewandten Seite eine erste transparente Widerstandsschicht und an der der Einfallsrichtung des Lichts abgewandten Seite eine zweite transparente Widerstandsschicht auf. Diese bei den Widerstandsschichten sind jeweils mit Eingangselektroden versehen, über die auf einer Zeitmultiplexbasis durch peri odisches Anlegen vorbestimmter Spannungen eine Potentialver teilung periodisch erzeugt wird. Die Potentialverteilung auf der ersten Widerstandsschicht unterscheidet sich von derje nigen der zweiten Widerstandsschicht in ihrer Richtung. Auf der zweiten Widerstandsschicht ist ferner eine Ausgangselek trode vorgesehen, um das jeweilige Potential an der Belich tungsposition der ersten Widerstandsschicht über die foto elektrische Wandlerschicht auszugeben. Demzufolge wird die jenige Elektrode als erste Ausgangselektrode verwendet, die aufgrund des verwendeten Zeitmultiplexverfahrens zu einem anderen Zeitpunkt als Eingangselektrode für die zweite Wi derstandsschicht dient. In gleicher Weise sind auf der er sten Widerstandsschicht zweite Ausgangselektroden zur Aus gabe des an dem Belichtungspunkt der zweiten Widerstands schicht jeweils herrschenden Potentials vorgesehen. Diese zweiten Ausgangselektroden dienen aufgrund des Zeitmulti plexverfahrens ebenso als Eingangselektroden für die erste Widerstandsschicht.

Es ist anzumerken, daß bei derjenigen Gestaltung, bei der unter Verwendung einer einzigen Widerstandsschicht Eingangs elektroden an vier Ecken vorgesehen sind, die an der Basis schicht der Widerstandsschicht angeordneten und zum Herbei führen des Potentialgradienten nicht aktiven Eingangselek troden die durch die anderen Eingangselektroden auf der gleichen Widerstandsschicht hervorgerufene Potentialvertei lung beeinflussen können. Derartige Störungen der Potential verteilung können jedoch durch diejenige Weiterbildung der Erfindung sicher ausgeschlossen werden, bei der die Ein gangselektroden für die erste Widerstandsschicht und für die zweite Widerstandsschicht getrennt sind. Die die Belich tungsposition des punktförmigen Lichts angebenden Signale werden über die ersten Ausgangselektroden und die zweiten Ausgangselektroden mittels eines Zeitmultiplexverfahrens ausgelesen.

Gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung werden fol gende Wirkungen und Vorteile erzielt. Gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung weisen die Diodenkomponenten in der fotoelektrischen Wandlerschicht Diodenkomponenten auf, die eine wechselseitig entgegengesetzte Vorspannrichtung besit zen. Aufgrund des Ausgangsstroms sind die Diodenkomponenten auf der Seite der Vorwärts-Vorspannung sowie auf der Seite der Rückwärts-Vorspannung in der Lage, einen gleich starken Fotostrom zu erzeugen, um im wesentlichen ein Gleichgewicht herbeizuführen.

Aufgrund dieser Gestaltung kann auf der Basis eines Zeitmul tiplexverfahrens als Ausgangsstrom ein zusammengesetzter Strom erhalten werden, der sich aus den Ausgangsströmen der ersten und zweiten Ausgangselektroden zusammensetzt, welche die jeweilige Belichtungsposition angebende Signale darstel len. Da die Diodenkomponenten in der Lage sind, ein Gleich gewicht zwischen den von ihnen erzeugten Fotoströmen auf rechtzuerhalten, heben sich die Fotoströme gegenseitig auf und fließen folglich nicht ab. Demzufolge kann an der Aus gangselektrode ein Ausgangsstrom abgegriffen werden, der einzig und allein von dem jeweiligen Potential an der der Belichtungsstelle entsprechenden Position abhängt. Folglich kann an der Ausgangselektrode ein Potential abgegriffen wer den, das höchst genau der Belichtungsposition entspricht.

Gemäß einem siebten Gesichtspunkt der Erfindung sind fol gende Wirkungen und Vorteile erzielbar. Für den Fall, daß das erfindungsgemäße Positionsbestimmungsgerät für ein selbstangetriebenes Fahrzeug verwendet wird, weist die Ein richtung zur Erzeugung des Lichtpunkts eine Einrichtung auf, die einen auf das selbstangetriebene Fahrzeug auftreffenden Sonnenstrahl in einen Lichtpunkt umformt. Hierdurch können Signale erhalten werden, welche die Richtung, den Höhenwin kel sowie die Intensität des auf das selbstangetriebene Fahrzeug treffenden Sonnenstrahls angeben.

Claims

1. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht, mit:
mindestens einer Widerstandsschicht (3; 23, 25);
einer fotoelektrischen Wandlerschicht (4), die auf überlappende Art auf die Widerstandsschicht (3; 23, 25) auf geschichtet ist und Diodenkomponenten bildet, die zueinander entgegengesetzte Polarität aufweisen und in Reihe angeordnet sind; wobei die Diodenkomponenten dazu eingerichtet sind, an einem Bereich, an dem Licht passiert, leitfähig zu werden und darin eine fotoelektromotorische Kraft hervorzurufen;
Eingangselektroden (6a bis 6d) zum Herbeiführen einer vorbestimmten Potentialverteilung auf der Widerstandsschicht (3; 23, 25) in einer ebenen Richtung auf der Widerstands schicht (3; 23, 25);
einer Ausgangselektrode (3) zum Abgreifen des vorbe stimmten Potentials auf der Widerstandsschicht (3; 23, 25) über den Bereich, an dem das Licht passiert; und
einer Einrichtung (9), die das Licht durch die Wider standsschicht (3; 23, 25) hindurch in Punktform auf die fo toelektrische Wandlerschicht (4) projiziert, um ein Signal zu erhalten, welches die Position und Intensität des in Punktform projizierten Lichts wiedergibt.

2. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach Anspruch 1, das für ein selbstangetriebenes Fahr zeug vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung zur Projektion des Lichts in Punktform eine Ein richtung zur Projektion eines das selbstangetriebene Fahr zeug bestrahlenden Sonnenstrahls in Punktform derart auf weist, daß über die Ausgangselektrode (5) ein die Richtung, den Höhenwinkel sowie die Intensität des Sonnenstrahls ange bendes Signal erzielbar ist.

3. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an vier Ecken der Widerstandsschicht (3) vier Eingangselektro den (6a bis 6d) vorgesehen sind, und daß über die Ausgangs elektrode (5) ein die Position des Lichts und die Intensität des Lichts angebendes Signal mittels eines Zeitmultiplexver fahrens zu verschiedenen Zeiten abgegriffen wird.

4. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Di odenkomponenten der fotoelektrischen Wandlerschicht (4) wechselseitig entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, wobei die von den Diodenkomponenten bei der Belichtung jeweils er zeugte fotoelektromotorische Kraft unterschiedlich groß ist, um ein Ungleichgewicht in der Weise zu bewirken, daß die Differenzkomponente der fotoelektromotorischen Kräfte zu dem über die Ausgangselektrode (5) erhaltenen Signal addiert wird.

5. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Widerstandsschicht eine erste, bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Lichts dem Licht zugewandte Wider standsschicht (23) sowie eine zweite, bezüglich der Ausbrei tungsrichtung des Lichts dem Licht abgewandte Widerstands schicht (25) aufweist; wobei die erste (23) und die zweite Widerstandsschicht (25) jeweils Eingangselektroden zum ab wechselnden Errichten von Potentialverteilungen in einander überschneidenden Richtungen auf einer Zeitmultiplexbasis aufweisen, und wobei die Ausgangselektrode eine erste, auf der zweiten Widerstandsschicht vorgesehene und gemeinsam der Elektrode zum Abgreifen des vorbestimmten Potentials auf der ersten Widerstandsschicht über die fotoelektrische Wandler schicht dienende Ausgangselektrode sowie eine zweite Aus gangselektrode aufweist, die auf der ersten Widerstands schicht vorgesehen ist und gemeinsam der Eingangselektrode zum Abgreifen des vorbestimmten Potentials auf der zweiten Widerstandsschicht über die fotoelektrische Wandlerschicht dient.

6. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Di odenkomponenten in der fotoelektrischen Wandlerschicht Di odenkomponenten mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten aufweisen, welche elektromotorische Kräfte mit im wesentli chen ausgleichenden Größen erzeugen.

7. Gerät zum Erfassen der Position und Intensität von Licht nach Anspruch 5, das auf einem selbstangetriebenen Fahrzeug vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) zur punktförmigen Projektion von Licht eine Einrichtung aufweist, die einen das selbstangetriebene Fahr zeug treffenden Sonnenstrahl in Form eines Punkts abbildet, so daß über die Ausgangselektrode ein die Richtung, den Hö henwinkel sowie die Intensität des Sonnenstrahls angebendes Signal erzielbar ist.

8. Positionserfassungselement, mit:
einem Substrat (2; 22);
einer auf dem Substrat (2; 22) ausgebildeten Wider standsschicht (3; 23);
zwei auf der Widerstandsschicht (3; 23) entlang deren Umfangsrand angeordneten Paaren von Eingangselektroden (6a, 6b und 6c, 6d), die derart angeordnet sind, daß Spannungen in zueinander senkrechten Richtungen anlegbar sind;
einer fotoelektrischen Wandlerschicht (4), die auf der Widerstandsschicht ausgebildet ist und Fotodioden aufweist, die zueinander entgegengesetzte Polaritäten haben und in Reihe angeordnet sind; und
einer Ausgangselektrodenschicht (5), die auf der der Widerstandsschicht abgewandten Seite der fotoelektrischen Wandlerschicht (4) ausgebildet ist.

9. Positionserfassungselement, mit:
einem Substrat (22);
einer zweiten Widerstandsschicht (23), die auf dem Sub strat (22) ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Ränder aufweist;
einer fotoelektrischen Wandlerschicht (24), die auf der zweiten Widerstandsschicht ausgebildet ist und Fotodioden aufweist, die zueinander entgegengesetzte Polaritäten haben und in Reihenschaltung angeordnet sind;
einer ersten Widerstandsschicht (25), die auf der foto elektrischen Wandlerschicht (24) ausgebildet ist und zwei gegenüberliegende Ränder aufweist;
ein entlang der gegenüberliegenden zwei Ränder der zweiten Widerstandsschicht vorgesehenes Elektrodenpaar; und
ein entlang der gegenüberliegenden zwei Ränder der er sten Widerstandsschicht vorgesehenes Elektrodenpaar, wobei die Elektroden des Elektrodenpaars auf der ersten Wider standsschicht einander in einer Richtung gegenüberliegen, die senkrecht zu der entsprechenden Richtung des Elektroden paars auf der zweiten Widerstandsschicht verläuft.

10. Positionserfassungselement nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Elektrode sowohl als Eingangs- als auch als Ausgangselektrode dient.

11. Positionserfassungselement nach Anspruch 9 oder 10, da durch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht einen Schichtwiderstandswert aufweist, der innerhalb eines Be reichs größer oder gleich 10 Ω/cm² und kleiner oder gleich 1 MΩ/cm² liegt.

12. Positionserfassungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische wandlerschicht aus einem Material geformt ist, das aus amor phen Legierungshydriden, wie z. B. a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H, a-SiN:H, µc-Si:H oder Fluoriden davon oder einem zusammenge setzten Halbleitermaterial einschließlich CdS, CdTe, CdSe, CuInSe₂ usw. gewählt ist, und in eine n-i-p-i-n-Schicht struktur, eine p-i-n-i-p-Schichtstruktur, eine n-p-n- Schichtstruktur oder in eine p-n-p-Schichtstruktur geformt wird.

13. Positionserfassungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlerschicht eine erste i-Schicht und eine zweite i-Schicht aufweist, die aus jeweils unterschiedlichem Material mit unterschiedlicher Spitzenempfindlichkeits-Wellenlänge bestehen, wobei die zweite i-Schicht dicker als die erste i-Schicht ist.

14. Positionserfassungsgerät, gekennzeichnet durch ein Po sitionserfassungselement nach einem der Ansprüche 9-13 so wie durch ein Licht-Abschirmungsteil (9), in dessen Zentrum ein feines Loch (10) vorgesehen ist.

15. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 14, gekennzeich net durch ein optisches Teil (8; 8a), dessen Brechungsindex größer als der von Luft ist und das auf dem Positionserfas sungselement angeordnet ist.

16. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 14, gekennzeich net durch ein transparentes Harz (8), das innerhalb des fei nen Lochs (10) angeordnet ist.

17. Positionserfassungsgerät mit:
einem Positionserfassungselement nach einem der Ansprü che 9-13;
einer Einrichtung (7; Fig. 24) zum abwechselnden Anle gen von Spannungen mit einer vorbestimmten Spannungsdiffe renz über zwei Paare von Eingangselektroden;
einer Einrichtung (Fig. 24), die auf der Basis der von der Spannungs-Anlegeeinrichtung angelegten Spannung die über die Ausgangselektrode (5) ausgegebene Spannung erfaßt.

18. Positionserfassungsgerät nach Anspruch 17, gekennzeich net durch
eine Einrichtung (S1, S2) zum gleichzeitigen Anlegen von gleich großen Spannungen an ein Paar der Eingangselek troden des Positionserfassungselements; und
eine Einrichtung (S3) zum Erfassen des von der fotoelektrischen Wandlerschicht des Positionserfassungsele ments im Ansprechen auf ein Anlegen der Spannung mittels der Einrichtung zum gleichzeitigen Anlegen gleicher Spannungen abgegebenen Stroms über die Ausgangselektrode (5) des Positionserfassungselements.