JP2013239578A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】入光位置のばらつきに対応できる範囲でフォトダイオードを小型にする。
【解決手段】投光素子（ＬＥＤ）１を有する投光ユニット１０と、フォトダイオード２および信号処理回路を含むフォトＩＣ２０とを具備する光電センサにおいて、フォトＩＣ２０内のフォトダイオード２の素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面を、前方の受光レンズを通過した光の結像により生じるスポット像よりも面積が大きい矩形の四隅の角をなくした形状とする。たとえば、スポット像の想定される位置ずれ範囲に基づき、その範囲を包含する最小の矩形を設定して、その矩形の四隅の角部を切り落とすことにより八角形を導出し、その八角形の形状および大きさをフォトダイオード２の素子本体に適用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードおよび信号処理回路が組み込まれたＩＣチップ（フォトＩＣ）を受光部に含むタイプの光電センサに関する。

フォトＩＣを受光部に用いた光電センサが開示された文献として、たとえば特許文献１および特許文献２が存在する。
特許文献１には、回路パターンが形成された基板上にＬＥＤ（発光ダイオード）とフォトＩＣとが並べて搭載され、両者の間に遮光壁が設けられた構成の反射型の光電センサが開示されている（特許文献１の段落００１５，００１６，図２等を参照。）。

特許文献２には、ＬＥＤおよびフォトＩＣが搭載された基板の前方にレンズが装着されたホルダを配備した構成の反射型光電センサが開示されるとともに、中央部に角形のフォトダイオードが配置された構成のフォトＩＣが示されている（特許文献２の段落００３１〜００３２，図２，図３等を参照。）。また特許文献２には、透過型光電センサの受光器にも同様の構成のフォトＩＣを組み込むことが記載されている（図１１を参照。）。

特開２００７−１３０５０号公報 特開２００５−３０３２６４号公報

近年の光電センサが利用される現場では、検出対象の多様化や設備の小型化が進み、それに伴って、より小型で性能の良い光電センサを要望するユーザが増えている。

上記の要望に応えるには、フォトダイオードを小型にする必要がある。フォトダイオードを小型にすれば、それに応じてフォトＩＣも小型になる。
また、フォトダイオードの素子本体では、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合部分に寄生容量が生じる。この寄生容量は、接合部分の断面積が増えるほど大きくなり、受光を指示する制御信号への応答性を悪くする。また、トランスインピーダンスアンプを用いて光電変換により生じた電流を電圧に変換する信号処理を行う場合には、寄生容量に起因するノイズが受光量信号に載ってしまう。センサの検出性能を向上するには、寄生容量をできるだけ小さくする必要があり、そのためにもフォトダイオードを小型にする必要がある。

しかし、光電センサでは、組み立て時の部品間の位置合わせで生じる微小なずれや、フォトＩＣにおけるフォトダイオードの位置ずれなどによって、製品毎のスポット像の結像位置にばらつきが出る。安定した検出を行うには、光がどの位置に入光しても、受光面に十分な大きさのスポット像を形成する必要があるため、フォトダイオードを小型にするのは困難である。

図８は、フォトダイオードを小型にした場合に生じる問題点を具体的に示す。
図８では、（Ａ）（Ｂ）ともに、フォトダイオードを２Ｔとし、フォトダイオード２Ｔが導入されるフォトＩＣを２０Ｔとする。フォトダイオード２Ｔの素子本体は、一般的な角形形状のものであり、フォトＩＣ２０Ｔ内のシリコン基板に搭載される。この基板のフォトダイオード２Ｔの周囲には、フォトダイオード２Ｔからの信号を処理する回路の配線パターンが設けられる。必要な回路のパターンを全て形成するには、一定の面積の領域を確保しなければならないが、図８（Ｂ）に示すように、フォトダイオード２Ｔを小型にすれば、配線パターンの面積を維持して、フォトＩＣ２０Ｔを小型にすることができる。

しかし、検出光の入光によるスポット像Ｐは、フォトダイオード２Ｔの中央部に結像するとは限らず、図中の４方位の矢印に示すように、様々な方向にずれて結像する可能性がある。このため、フォトダイオード２Ｔを小型にすると、図８の（Ｂ）の点線枠Ｐ´に示すように、スポット像Ｐが大きくずれた場合の受光量が大幅に減少し、感度が低下してしまう。

本発明は、上記の問題に着目し、光電センサで使用されるフォトＩＣ内のフォトダイオードを、入光位置のばらつきに対応できる範囲で小型にすることによって、フォトダイオードおよびこれが組み込まれるフォトＩＣの小型化を実現すると共に、センサの検出性能をより向上することを、課題とする。

本発明は、検出用の光を発する投光素子と、信号処理回路が形成されたシリコン基板と、このシリコン基板上に搭載されるフォトダイオードとを含むフォトＩＣとを具備し、投光素子からの光またはこの光に対する反射光をフォトダイオードで受光し、その受光により生じた受光量信号を処理した信号処理回路からの出力に基づき検出信号を出力する光電センサに適用される。
本発明が特徴とするところは、上記のフォトＩＣ内のフォトダイオードの素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面を、前方の受光レンズを通過した光により当該素子本体の前面に結像するスポット像よりも面積が大きい矩形の四隅の角のうちの少なくとも一角をなくした形状の面とする点にある。

フォトダイオードの受光面（素子本体の前面）への光の入光位置は、様々な原因によって位置ずれするが、経験上または計測によって、その位置ずれによりスポット像の結像位置がばらつく範囲を想定することができる。従来の角形のフォトダイオードでは、この想定範囲を包含する範囲でできるだけ面積を小さくしたとしても、四隅の角部に、スポット像が結像することのない無駄な領域が生じてしまう。

本発明は、上記の考察に基づき、フォトダイオードの素子本体を構成する各面を上記の無駄領域を除いた形状に変更することによって、検出用の光の受光に支障のない範囲で素子本体を縮小したものである。縮小された素子本体の形状は、素子本体の厚み全体に適用されるので、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合面の面積も削減されて、寄生容量を減らすことができる。

上記の光電センサの一実施形態では、フォトダイオードの素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面を、前記矩形の四隅の角の全てを切り欠くことにより生じる八角形の面とする。このようにすれば、各角部に対し、それぞれその角部に生じる無駄領域が切り落とされるように当該角部を斜めに横切る直線を設定することにより、素子本体の外縁部の形状を定めることができるので、設計が容易である。また、フォトダイオードの形状が単純であるので、製作も容易でコストを抑えることができる。

より好ましい実施形態では、信号処理回路の配線パターンが、シリコン基板上のフォトダイオードの素子本体の周囲に形成されると共に、当該基板上のフォトダイオードの素子本体の欠落した角に対応する基板上の箇所に、信号処理回路の一部の配線パターンが配置される。このように、これまで素子本体の角部が位置していた領域に信号処理回路の配線を施せば、配線を微細にしなくとも、信号処理回路の配線範囲の外縁部および基板を縮小することができ、その分、フォトＩＣの本体を小型にすることができる。

本発明によれば、フォトＩＣ内のフォトダイオードを、受光する光の結像位置のばらつきに対応できる範囲で小型にすることができる。この小型化によってフォトダイオードの寄生容量を削減できるので、制御信号に対する応答性を向上させ、また信号処理によって生じるノイズ成分を削減することができ、光電センサの検出性能を高めることができる。また、これまでフォトダイオードの素子本体の角の部分が置かれていた箇所に信号処理回路の配線を配置することができるので、フォトＩＣを小型化することができ、それによって光電センサを小型にすることが可能になる。
また、信号処理回路の配線を微細化しなくとも、配線の範囲を縮小することができるので、小型化の実現に要するコストを抑えることができる。

本発明が適用される反射型の光電センサの概略構成を、検出原理と共に示す図である。 図１の光電センサの光学系の構成を示す図である。 フォトダイオードの素子本体の形状を導出するための方法を示す図である。 フォトダイオードの素子本体を八角形にすることにより生じる面積の削減量を示す図である。 フォトダイオードの素子本体の外縁形状を矩形から八角形に変更することによってフォトＩＣに生じる配線の範囲やサイズの変化を示す図である。 フォトダイオードの素子本体に適用可能な形状を例示する図である。 本発明が適用される透過型の光電センサの概略構成を、検出の原理と共に示す図である。 角形のフォトダイオードを小型にした場合に生じる問題点を示す図である。

図１は、本発明が適用される光電センサの概略構成を、検出原理と共に示す。
この例の光電センサは、検知エリアに向けて光を照射し、そのエリア内にある物体ＳＢで反射した光を受光することにより物体ＳＢを検出する反射型のセンサである。

図１（ａ）に示すように、センサの筐体１００内には、ＬＥＤ１を含む投光ユニット１０やフォトダイオード２を含むフォトＩＣ２０が、同じ回路基板５に搭載された状態で配備される。なお、投光ユニット１０は回路基板５に直付けされ、フォトＩＣ１０は、インタポーザ６を介して基板５に実装される。

図１（ｂ）は、投光ユニット１０を拡大した正面図であり、図１（ｃ）はフォトＩＣ２０を拡大した正面図である。なお、実際の投光ユニット１０やフォトＩＣ２０の前面は透明樹脂で被覆されるが、図１（ｂ）（ｃ）では、その樹脂を除いた状態を示している。

一般に、光電センサでは、コスト面を考慮して、角形のチップＬＥＤを使用することが多い。この実施例の投光ユニット１０のＬＥＤ１も、図１（ａ）に示すように、角形タイプのものである。フォトＩＣでも同様に、一般的には角形の素子本体を有するフォトダイオードが使用されるが、この実施例のフォトＩＣ２０のフォトダイオード２の素子本体は、図１（ｂ）に示すように、外縁部が正八角形状に設定されている。

図２は、上記の光電センサの光学系の全体構成を示す。
この実施例の光学系は、前出の投光ユニット１０およびフォトＩＣ２０のほか、投光レンズ３１，受光レンズ３２，およびこれらのレンズ３１，３２を支持するホルダ部４などにより構成される。ホルダ部４は、中央部の壁部４０により内部が２つの導光路４１，４２に分かれており、導光路４１の前端部に投光レンズ３１が、導光路４２の前端部に受光レンズ３２が、それぞれ装着される。また、各導光路４１，４２の後端面にはそれぞれ開口部４０１，４０２が形成される。

図２には示していないが、投光ユニット１０およびフォトＩＣ２０が搭載された回路基板５（図１を参照。）は、ホルダ部４の背後に連なる基板ホルダ（図示せず。）に、図２の上下方向に基板面を沿わせた姿勢で装着される。この装着により、投光ユニット１０のＬＥＤ１は、導光路４１の開口部４０１に対向し、フォトＩＣ２０のフォトダイオード２は、導光路４２の開口部４０２に対向する状態となる。

ＬＥＤ１，フォトダイオード２，レンズ３１，３２が上記のように位置合わせされることによって、ＬＥＤ１を出た光は導光路４１を通過して投光レンズ３１に導かれ、投光レンズ３１から検出用の光が出射される。また、検出対象の物体ＳＢで反射して受光レンズ３２に入った光は、導光路３２を通過してフォトダイオード２へと導かれる。

フォトダイオード２に導かれた光がその素子本体の前端の受光面に結像すると、所定大きさのスポット像が生じるが、組み立て時の位置合わせなどで生じる誤差によって、個々の製品間におけるスポット像の結像位置にばらつきが生じる。たとえば、投光ユニット１０やフォトＩＣ２０の基板５に対する微小なずれ、ホルダ部４に対するレンズ３１，３２の装着位置の微小なずれ、投光ユニット１０やフォトＩＣ２０内でのＬＥＤ１またはフォトダイオード２の位置ずれなど、各種のずれやずれ度合いによって、中心部に対するスポット像の位置やずれ量が変動する。

図１（ｂ）に示したフォトダイオード２の素子本体の形状は、このばらつきを考慮して導出されたものである。以下、図３を参照して、この素子本体の形状の導出方法を説明する。

図３（１）は、従来の角形のフォトダイオード２Ｔの素子本体の中心部に反射光によるスポット像Ｐが結像している状態を示す。この例では、正方形状のスポット像が形成されるものとするが、スポット像の形状は、レンズ３１，３２の特性や光路長などの影響によって変動する。

図３（２）の点Ｅは、スポット像Ｐが結像すべき基準点（受光面の中心点）である。ここで、図３（２）に示すように、スポット像Ｐの最大の位置ずれ量をｄとして、スポット像Ｐが結像すべき基準点Ｅから各方位にそれぞれ距離ｄずつ受光スポットをずらし（すなわち、Ｅ点を中心とする半径ｄの円ｃの円周上にスポット像Ｐの中心点を設定して、スポット像Ｐを一周させる。）、各位置のスポット像Ｐにおいて一番外側に位置する点を結ぶと、図３（２）中の太線ＣＶに示すような形状の閉曲線を設定することができる。

この閉曲線ＣＶは、スポット像Ｐのばらつきの範囲を示すものと考えられる。また図３（２）中のＲＴは、当該ばらつき範囲を包含する最小の矩形（この例では正方形）であり、図３（１）のフォトダイオード２Ｔの素子本体の形状に対応する。この矩形ＲＴと閉曲線ＣＶとの関係に示すように、角形のフォトダイオード２Ｔをスポット像Ｐの結像位置のばらつきに対応可能な範囲で最小にしても、その四隅の角部には、スポット像Ｐが結像する可能性のない無駄領域が生じる。角形の形状は、受光面だけでなく、素子本体の厚み部分全体に適用されるので、上記の無駄領域はフォトダイオード２ＴのＰ型半導体とＮ型半導体との接合面にも生じ、フォトダイオード２Ｔの寄生容量を増大させて、センサの検出性能を低下させてしまう。

これに対し、閉曲線ＣＶが示す範囲まで外縁部を縮めたフォトダイオードによれば、角部の無駄領域がなくなるので、寄生容量を減らして検出性能を高めることができる。また、閉曲線ＣＶを外縁部とする面には、想定される範囲内でのスポット像Ｐの結像位置の全てが含まれるので、反射光によるスポット像を確実に結像させることができる。よって、精度の良い検出を安定して行うことが可能になる。

この閉曲線ＣＶに忠実に従って、四隅が丸められた形状の素子本体を作成してもよいが、図３（３）に示すように、閉曲線ＣＶ中の曲率が大きい箇所（矩形ＲＴの角部に対応する箇所）をその曲線に外接する線分に置き換え、それにより導出された八角形ＯＴ１を素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面に適用してもよい。

図３の（１）（２）（３）に示した方法によれば、経験値や実験などに基づいてスポット像Ｐの位置ずれ量の最大値ｄを高い確度で特定して八角形ＯＴ１を導出し、その形状が適用された外縁部を有するフォトダイオードを製作することによって、反射光を確実に受光することができる。また、フォトダイオードの寄生容量も削減できる。

ただし、運用上は、そこまで厳密にせずに、ある程度の信頼度が確保できる範囲で、スポット像Ｐの位置ずれ量の最大値ｄを想定してもよい。また、上記の方法により導出される八角形ＯＴ１は、受光スポットＰのばらつき範囲を含む最小サイズの矩形ＲＴの四隅の角部を、それぞればらつき範囲を示す閉曲線ＣＶよりも外側で切り落としたものに相当するが、図３（４）に示すように、閉曲線ＣＶの内側のラインに沿って角部を切り落とす方法によって、正八角形ＯＴ２の形状を導き出してもよい。

スポット像Ｐの位置ずれは様々な原因の組み合わせにより生じ、またそれぞれの製品の生産時の状況によって原因の組み合わせが変動するので、多数の製品サンプルを対象に受光面の中心点に対するスポット像Ｐの位置ずれ量を計測して計測値の確率分布を求めると、その分布は正規分布に近い状態になると考えられる。そうとすると、想定した最大値ｄの付近までスポット像Ｐが位置ずれするケースは、ごく僅かである。また、フォトダイオードの受光面をスポット像Ｐのばらつき範囲より縮小した場合に、フォトダイオードに対するスポット像のずれが最大値ｄに近い値になると、スポット像の一部が受光面の外に出るが、正八角形ＯＴ２が示す程度の縮小であれば、受光面から逸脱する光の量は僅かなものである。最大値ｄに近い位置ずれが生じても、スポット像Ｐの中心部は、図３（２）に示した円ｃの円周付近に位置するので、スポット像Ｐの大半はフォトダイオードに結像する。

したがって、想定した位置ずれ量ｄの最大値に基づくスポット像Ｐのばらつき範囲よりやや内側の位置を通る直線に沿って矩形ＲＴの角部を切り落とすことにより正八角形ＯＴ２の形状を導き出し、この形状をフォトダイオード２の素子本体に適用した場合でも、その受光面の任意の場所にスポット像Ｐを結像させて、安定した受光量を得ることができる。

上記の原理に基づき、図１（ｂ）に示したフォトＩＣ２０には、素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面の形状を正八角形とするフォトダイオード２が導入されている。これらの面の形状および大きさは、スポット像Ｐの想定されるばらつき範囲を含む最小の矩形ＲＴの四隅の角部を、それぞれ閉曲線ＣＶが示すラインよりやや内側を通る直線に沿って切り落とすことにより導出された正八角形ＯＴ２（図３（４））に対応するものである。

つぎに、図４は、フォトダイオード２の素子本体の外縁形状を矩形から正八角形に変更することによって生じる削減量を説明するための図である。具体的に、図４では、上記のフォトダイオード２に適用される正八角形ＯＴ２とその基準とした矩形ＲＴとを重ねて示すと共に、両者の間の隙間に斜線パターンを設定している。また、正八角形ＯＴ２の対向関係にある各頂点をそれぞれ一点鎖線で結ぶことにより、矩形ＲＴを９個の正方形領域ｒに分割している。

各領域ｒと斜線部分との比較により明らかなように、矩形ＲＴを正八角形ＯＴ２に変更すると、領域ｒの２個分弱に相当する面積が削減される。これを数値で示すと、矩形ＲＴの全体の約２０％の面積が削減されると考えられる。

図５は、上記の矩形ＲＴが適用された角形のフォトダイオード２Ｔ（図３（１）と同じ。）を有するフォトＩＣ２０Ｔ（図５の（Ａ））と、正八角形ＯＴ２が適用されたフォトダイオード２を有するフォトＩＣ２０（図５の（Ｂ））とを、対比させて示したものである。各フォトＩＣ２０Ｔ，２０内のフォトダイオード２Ｔ，２は、図示しないシリコン基板上に搭載され、その基板上のフォトダイオード２Ｔ，２の周囲に信号処理回路の配線パターンが形成されて、フォトダイオード側の電極に接続されている。図中のフォトＩＣ２０Ｔ，２０では、信号処理回路の配線パターンが形成される範囲が点線により表されている。

素子本体の厚み部分の形状を正八角形ＯＴ２にしたフォトダイオード２によれば、フォトダイオード２Ｔの四隅の角部に相当する箇所が空き領域となるので、図５（Ｂ）に示すように、各空き領域に配線を施すことができる。このように、素子本体の縮小により生じたスペースに配線を入れ込むことによって、配線パターンの外縁部を大きく縮小することができる。この結果、図５（Ｂ）中の一点鎖線と実線とにより表されているように、フォトＩＣ２０の本体を、角形のフォトダイオード２Ｔを用いるフォトＩＣ２０Ｔより小さくすることが可能になる。

図４に示した面積の削減比率は、フォトダイオードの素子本体の厚み部分全体に適用できるので、正八角形ＯＴ２に基づく面が適用されたフォトダイオード２におけるＰ，Ｎ間の接合面の面積も、矩形ＲＴに基づく面が適用されたフォトダイオード２Ｔに対して約２０％削減される。よって、フォトダイオード２の寄生容量も、同様に、２０％前後削減されるので、受光を指示する制御信号に対する応答性を高めることができる。また、信号処理回路にトランスインピーダンスアンプを導入して、光電変換による電流信号を電圧信号に変換する場合にも、ノイズ成分が大きく削減されるので、安定した検出を行うことができる。

図６は、フォトダイオード２の素子本体の外縁形状に適用可能な他の形状を示す。
上記の実施例では、生産効率を考慮して、フォトダイオード２の素子本体の外縁部に、スポット像のばらつき範囲を示す閉曲線ＣＶより小さい正八角形ＯＴ２を適用したが、閉曲線ＣＴに忠実に沿って、図６（ａ）に示すように、斜め方向の辺の長さが上下方向および左右方向の辺より短い形状の八角形状を採用してもよい。この八角形は、図３（３）に示した八角形ＯＴ１に対応する。

または、図６（ｂ）に示すように、矩形ＲＴの角部の切り欠き部分を閉曲線ＣＴに従って丸めた形状にしてもよい。
または、閉曲線ＣＴに沿って小刻みに角度を変更させながら各辺を設定することにより、図６（ｃ）に示すように、八角形より角の数が多い多角形の形状を導出してもよい。

光学系の構成によっては、各方位におけるスポット像Ｐのずれ量が均等にならない場合や、一方向に長いスポット像が生じる場合がある。これらのケースでも、結像位置の想定される位置ずれ最大値に基づき、スポット像のばらつき範囲を求めることにより、図６の（ｄ）や（ｅ）に示すように、長方形の四隅の角をなくした形状を導き出し、この形状をフォトダイオード２の素子本体に適用することができる。

図５（Ｂ）および図６の（ａ）〜（ｅ）に示した各素子本体の形状は、いずれもスポット像Ｐの想定されるばらつき範囲を包含する最小サイズの矩形の四隅の角をなくした形状に相当するものである。したがって、切り落とし前の矩形が適用されたフォトダイオードに対し、四隅の切り落とし部分の総和に相当する量の面積を削減することができる。この結果、反射光の受光に支障のない範囲でフォトダイオード２やフォトＩＣ２０を小型にすると共に、フォトダイオード２の寄生容量を削減して、検出性能を向上させることができる。ただし、必ずしも矩形の四隅の角のすべてをなくす必要はなく、たとえば、一角のみをなくした形状としてもよい。

最後に、上記のフォトＩＣは、反射型の光電センサに限らず、図７に示すような透過型の光電センサに適用することも可能である。この光電センサでは、投光ユニット１０（図７では示さず。）が収容される投光器１０１とフォトＩＣ２０が収容される受光器１０２とをあらかじめ定めた距離を隔てて対向させた場合に想定されるスポット像Ｐのばらつき範囲に基づき、上記した各例と同様の方法によりフォトダイオード２の素子本体の大きさおよび形状を定めることができる。

１ 投光素子（ＬＥＤ）
２ フォトダイオード
２０ フォトＩＣ
３２ 受光レンズ
Ｐ スポット像
ＲＴ 矩形（正方形）
ＣＶ スポット像のばらつき範囲を示す閉曲線
ＯＴ１，ＯＴ２ 八角形

Claims (3)

1. 検出用の光を発する投光素子と、信号処理回路が形成されたシリコン基板と、このシリコン基板上に搭載されるフォトダイオードとを含むフォトＩＣとを具備し、投光素子からの光またはこの光に対する反射光をフォトダイオードで受光し、その受光により生じた受光量信号を処理した信号処理回路からの出力に基づき検出信号を出力する光電センサであって、
   前記フォトＩＣ内のフォトダイオードでは、その素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面が、前方の受光レンズを通過した光により当該素子本体の前面に結像するスポット像よりも面積が大きい矩形の四隅の角のうちの少なくとも一角をなくした形状の面となることを、特徴とする光電センサ。
2. 前記フォトダイオードの素子本体の前面および背面ならびにこれらの間の断面は、前記矩形の四隅の角の全てを切り欠くことにより生じる八角形の面となる、請求項１に記載された光電センサ。
3. 前記信号処理回路の配線パターンが、前記シリコン基板上のフォトダイオードの素子本体の周囲に形成されると共に、当該素子本体の欠落した角に対応する基板上の箇所に、信号処理回路の一部の配線パターンが配置されている、請求項１または２に記載された光電センサ。

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