JP2024035722A - 光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】周囲環境の明るさに関わらず安定した測定を可能な光センサを提供する。
【解決手段】光センサは、時間的に変化する光を照射する発光素子と、ｐｎ接合を含み、発光素子から照射された光を直接または間接的に受光する受光素子と、受光素子で受光された光の受光量に基づいた電流を測定する測定部と、受光素子にバイアスを印加するバイアス印加部とを備え、バイアス印加部は、発光素子により光を照射して受光量に基づいた電流を測定する動作の前に、受光素子にバイアスを印加することにより、受光素子がオン状態とされた際に流れる順方向電流をｐｎ接合に流し、またはｐｎ接合において降伏現象が生じた際に流れる降伏電流をｐｎ接合に流す光センサ。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は光センサに関する。

光センサとして、検知対象物体の距離を測定する近接センサが知られている。このような近接センサでは、ＬＥＤから発光された光を検知対象物体に照射し、検知対象物体からの反射光をフォトダイオードで受光し、受光した光の強度に応じて検知対象物体の有無、及び検知対象物体までの距離を測定できる。

また特許文献１には、光電変換素子としてフォトダイオードを用いたイメージセンサが開示されている。特許文献１の構成では、フォトダイオードへの入射光量が低下した際に、フォトダイオードに流れるセンサ電流を電圧に変換するＭＯＳトランジスタの抵抗値が大きくなり、その結果、残像が長時間にわたって観測されることを防止するために、フォトダイオードの接合容量に蓄積された電荷を放電する。

特開２０００－３２９６１６号公報

上記のように、フォトダイオードを用いた近接センサが知られている。しかし、近接センサにより安定した測定が可能となるまでには、明るい環境よりも、暗い環境の方が時間を要する場合があった。この点、特許文献１は、センサ電流が大きい場合と小さい場合とでＭＯＳトランジスタの抵抗値が異なり、フォトダイオードの接合容量との時定数が異なることに起因する残像の観測時間を問題としている。従って、特許文献１の構成を適用しても、上記課題を解決することはできない。

本発明の一態様は、周囲環境の明るさに関わらず安定した測定を可能な光センサを提供することを目的とする。

一態様に係る光センサは、時間的に変化する光を照射する発光素子と、ｐｎ接合を含み、発光素子から照射された光を直接または間接的に受光する受光素子と、受光素子で受光された光の受光量に基づいて発生する電流を測定する測定部と、受光素子にバイアスを印加するバイアス印加部とを具備し、受光量に基づいて発生する電流を測定する動作の前にバイアス印加部は、受光素子にバイアスを印加することにより、受光素子がオン状態とされた際に流れる順方向電流をｐｎ接合に流し、またはｐｎ接合において降伏現象が生じた際に流れる降伏電流を前記ｐｎ接合に流す。

本発明の第１実施形態に係る光センサの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る光センサの回路図である。 本発明の第１実施形態に係る光センサにおける各種信号のタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る光センサの待機動作時における回路図である。 本発明の第１実施形態に係る光センサの備えるフォトダイオードの電圧・電流特性を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る光センサの近接動作時における回路図である。 本発明の第１実施形態に係る光センサの近接動作時における積分回路及びカウンタ回路の出力を示すグラフである。 比較例に係る光センサの近接動作時における、測定回数とカウント数との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る光センサの近接動作時における、測定回数とカウント数との関係を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光センサの回路図である。 本発明の第２実施形態に係る光センサの待機動作時における回路図である。 本発明の第２実施形態に係る光センサの近接動作時における回路図である。 本発明の第３実施形態に係る光センサシステムの回路図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態に係る光センサについて説明する。以下では光センサの例として、近接センサを例に挙げて説明する。

まず、本実施形態に係る近接センサの構成について説明する。図１は、本実施形態に係る近接センサの構成を簡単に示す模式図であり、近接センサとしての主要な要素のみを図示している。

図示するように近接センサ（光センサ）１００は、基板１１０、発光ダイオード（発光素子）１２０、フォトダイオード（受光素子）１３０、測定部１４０、投光レンズ１５０、及び受光レンズ１６０を備えている。基板１１０は、例えばＰＣＢ（Printed Circuit Board）基板などであり、基板１１０上に発光ダイオード１２０、フォトダイオード１３０、及び測定部１４０が設けられている。発光ダイオード１２０は、図示せぬ制御部によって駆動されて光を出力し、検知対象物２００に対して当該光を照射する。なお、本例では発光ダイオード１２０を用いた場合を例に説明するが、レーザダイオード等、光を照射可能な発光素子であれば発光ダイオードに限定されない。より具体的には、発光ダイオード１２０から出力された光は、投光レンズ１５０によって、検知対象物体２００に照射される（光１７０）。検知対象物体２００からの反射光１８０は、受光レンズ１６０によって集光され、フォトダイオード１３０に入射する。フォトダイオード１３０は、検知対象物体２００からの反射光１８０を受光し、受光した光を電流に変換する。測定部１４０は、フォトダイオード１３０に流れる電流により、検知対象物体２００の有無や距離を測定する。なお測定部１４０は、例えばProximity-Sensor（ＰＳ）－ＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）である。ＰＳ－ＡＤＣは、フォトダイオード１３０からのアナログ値である入力電流をデジタル値に変換するためのアナログ／デジタル変換回路である。アナログ／デジタル変換方式としては一例として積分回路を用いた方式がある。もちろん、測定部１４０はＰＳ－ＡＤＣに限定されるものではなく、フォトダイオード１３０からの入力電流に基づいて、検知対象物体２００の有無や距離を測定できる構成であれば限定されない。またフォトダイオード１３０とＰＳ―ＡＤＣ１４０は、近年では同一の半導体チップ上で構成される事が多いが、同一の半導体チップ上で構成される場合であっても、それぞれが別個の半導体チップ上で構成される場合であってもよく、いずれの構成であっても下記で説明する効果を同様に得られる。

上記構成において、検知対象物体２００が近接センサ１００の近くにある場合、フォトダイオード１３０が受光する反射光１８０の強度は強くなり、フォトダイオード１３０に流れる電流は大きくなる。一方、検知対象物体２００が近接センサ１００に対して遠くにある場合、フォトダイオード１３０が受光する反射光１８０の強度は弱くなり、フォトダイオード１３０に流れる電流は小さくなる。つまりフォトダイオード１３０に流れる電流量を検出する事で検知対象物体２００が近接センサ１００に対して一定距離内に存在しているかどうかを判断することが可能となる。

図２は、図１で説明した近接センサ１００の、より詳細な回路図である。図示するように近接センサ１００は、大まかには、制御部３００、発光部３１０、フォトダイオード１３０、測定部１４０、バイアス印加部３２０、及びスイッチ部３３０を備えている。

発光部３１０は、電源３１１、スイッチ素子３１２、電流源３１３、及び図１で説明した発光ダイオード１２０を備えている。スイッチ素子３１２は、制御部３００から与えられる信号Ｓ３によって制御され、発光ダイオード１２０のカソードを電流源３１３と接続する。また発光ダイオード１２０のアノードは電源３１１と接続される。そして、信号Ｓ３が例えば“Ｈ”レベルとされることによりスイッチ素子３１２がオン状態になると、発光ダイオード１２０に電流が印加され、発光ダイオード１２０は検知対象物体２００に向けて光を照射する。このように、スイッチ素子３１２により、発光ダイオード１２０はオフ（消灯）状態とオン（発光）状態を繰り返す。換言すれば、発光ダイオード１２０は、時間的に変化する光を照射する。また発光ダイオード１２０は、近接センサ１００の消費電流を低減させるために間欠動作を行ってもよい。

フォトダイオード（受光素子）１３０は、図１を用いて説明したとおりであり、検知対象物体２００からの反射光１８０が、フォトダイオード１３０のｐｎ接合に入射することにより電流が流れる。フォトダイオード１３０は、例えばアノードが接地され、カソードがノードＮ１０に接続される。

バイアス印加部３２０はフォトダイオード１３０にバイアスを印加する。具体的には、発光ダイオード１２０により光を照射して検知対象物体２００までの距離を測定する動作の前に、フォトダイオード１３０にバイアスを印加することにより、フォトダイオード１３０がオン状態とされた際に流れる順方向電流をｐｎ接合に流す。より具体的には、バイアス印加部３２０は、負電圧発生回路３２１とスイッチ素子３２２とを備えている。負電圧発生回路３２１は、制御部３００の制御に従って負電圧を発生する。この負電圧は、後述する待機動作において、フォトダイオード１３０に印加されることにより、フォトダイオードがオン状態とされた際に流れる順方向電流を、フォトダイオード１３０のｐｎ接合に流すための電圧である。当該動作の詳細は後述する。スイッチ素子３２２は、制御部３００から与えられる信号Ｓ１によって制御され、負電圧発生回路３２１とノードＮ１０との間を接続する。そして、信号Ｓ１が例えば“Ｈ”レベルとされることによりスイッチ素子３２２がオン状態になると、負電圧発生回路３２１で発生された負電圧がノードＮ１０、すなわちフォトダイオード１３０のカソードに印加される。他方で、信号Ｓ１が例えば“Ｌ”レベルとされることによりスイッチ素子３２２がオフ状態になると、負電圧発生回路３２１とノードＮ１０とは電気的に非接続とされる。

スイッチ部３３０は、スイッチ素子３３１を含む。スイッチ素子３３１は、制御部３００から与えられる信号Ｓ２によって制御され、測定部１４０と、ノードＮ１０すなわち発光ダイオード１２０との間を接続する。そして、信号Ｓ２が例えば“Ｈ”レベルとされることによりスイッチ素子３３１がオン状態になると、フォトダイオード１３０と測定部１４０とが電気的に接続され、信号Ｓ２が例えば“Ｌ”レベルとされることによりスイッチ素子３３１がオフ状態になると、フォトダイオード１３０と測定部１４０とが電気的に非接続とされる。

測定部１４０は、前述の通り、例えばＰＳ－ＡＤＣであり、フォトダイオード１３０で受光された光に基づいて、検知対象物体２００までの距離を測定する。測定部１４０は、電流源４００、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ４１０、４２０、オペアンプ（増幅器）４３０、コンパレータ(比較器)４４０、容量素子（キャパシタ）４５０、及びカウンタ回路４６０を備えている。ＭＯＳトランジスタ４１０は、電流源４００から電流がドレインに供給され、ソースはノードＮ２０（オペアンプ４３０の反転入力端子（－））に接続され、ゲートには電圧Ｖdisが印加される。ＭＯＳトランジスタ４２０は、ソースがスイッチ素子３３１に接続され、ドレインがノードＮ２０、すなわちオペアンプ４３０の反転入力端子に接続され、ゲートに電圧Ｖchが印加される。オペアンプ４３０は、反転入力端子（－）がノードＮ２０に接続され、正転入力端子（＋）に基準電圧Ｖrefが印加される。そして、ノードＮ２０と基準電圧Ｖrefとの差動増幅信号を電圧Ｖintとして、ノードＮ２１に出力する。容量素子４５０は、一方電極がノードＮ２０に接続され、他方電極がノードＮ２１に接続される。コンパレータ４４０は、正転入力端子（＋）がノードＮ２１に接続され、反転入力端子（－）に基準電圧Ｖrefが印加される。そして、ノードＮ２１と基準電圧Ｖrefとの比較結果を出力する。カウンタ回路４６０は、コンパレータ４４０の出力に基づいてカウント動作を実行し、カウント結果を出力する。このように測定部１４０は、主にオペアンプ４３０と容量素子４５０とで積分回路が構成され、フォトダイオード１３０で発生した電荷量に基づいてカウンタ回路４６０のカウント数が変動する。

制御部３００は、上記構成の近接センサ１００全体の動作を制御する。例えば、信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、電圧Ｖdis、Ｖch、及び負電圧発生回路３２１等の動作タイミングを制御する。

次に、本実施形態に係る近接センサ１００の動作について説明する。図３は、近接センサ１００の動作フェーズ、電圧Ｖch、Ｖdis、及び信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のタイミングチャートである。

図示するように、近接センサ１００は、制御部３００の命令に従って、検知対象物体２００までの距離を測定しない待機動作（第２動作）と、検知対象物体２００までの距離を測定する近接動作（第１動作）とを繰り返す。近接動作の前には、待機動作が行われる。まず、待機動作について説明する。待機動作は、バイアス印加部３２０によりフォトダイオード１３０にバイアスを印加して、フォトダイオード１３０のｐｎ接合に電流を流すことにより、後述する格子欠陥の状態を明環境と暗環境とで略等しくする動作であり、近接動作の前に行われる。なお、図３の例では、説明の簡単化のために１度の近接動作のたびに待機動作が行われる場合を示しているが、近接動作が複数回連続して実行されてもよい。

図３に示すように、待機動作（時刻ｔ０～ｔ１、ｔ３～ｔ４）の期間、制御部３００は電圧Ｖch及びＶdisを“Ｌ”レベルとして、ＭＯＳトランジスタ４２０及び４１０をオフ状態とすることにより、測定部１４０を非動作状態とする。また制御部３００は、信号Ｓ１を“Ｈ”レベル、信号Ｓ２及びＳ３を“Ｌ”レベルとすることにより、バイアス印加部３２０とフォトダイオード１３０とを電気的に接続すると共に、フォトダイオード１３０と測定部１４０とを電気的に非接続とする。また、発光部３１０においてスイッチ素子３１２をオフ状態として、発光ダイオード１２０による光の照射を停止する。

図４Ａは、待機動作時におけるバイアス印加部３２０、フォトダイオード１３０、スイッチ部３３０、及び測定部１４０の接続関係を簡単に示す回路図である。前述の通り、スイッチ素子３２２がオン状態、スイッチ素子３３１がオフ状態となることで、フォトダイオード１３０は負電圧発生回路３２１に接続され、測定部１４０とは非接続とされる。そして、制御部３００の命令に基づいて、負電圧発生回路３２１は負電圧を出力し、フォトダイオードのカソードに印加する。この際、負電圧発生回路３２１の出力する負電圧は、アノードが接地されているフォトダイオード１３０において順方向バイアスとなる電圧（例えば－０．７Ｖ）である。その結果、フォトダイオード１３０はオン状態となりオン電流Ｉ_ＯＮが流れる。

図４Ｂは、フォトダイオード１３０の電圧・電流特性を示すグラフである。図示するように、フォトダイオードに順方向（正）の電圧が印加されると、ある順方向バイアスＶ_ＯＮが印加された時点から、オン電流Ｉ_ＯＮがアノードからカソードに向かって流れる。オン電流Ｉ_ＯＮは、電圧と共に急峻に増加する順方向電流である。待機動作時において負電圧発生回路３２１は、フォトダイオード１３０のカソードに負電圧を印加する。すると、フォトダイオード１３０のアノードは接地されているので、フォトダイオード１３０のｐｎ接合には順方向バイアスが印加される。その結果、フォトダイオード１３０のｐｎ接合には、図４Ｂに示す順方向電流Ｉ_ＯＮが流れる。待機動作時においてフォトダイオード１３０に電流を流す理由は、フォトダイオード１３０内に含まれる格子欠陥に電子をトラップさせることで、暗い環境下であるか明るい環境下であるかに関わらず、安定した近接動作を可能とするためである。この点については、後に詳細に説明する。

なお、フォトダイオード１３０の特性として、逆バイアスが印加された際、逆バイアスの電圧値の絶対値が一定値（降伏電圧Ｖ_Ｂ）を超えると、ｐｎ接合に降伏現象が生じて、降伏電流Ｉbreakが流れる。降伏電流Ｉbreakは、アノードからカソードに向かって流れる逆方向電流であり、順方向電流と同様に、電圧と共に急峻に増加する電流である。また、逆バイアスの電圧値の絶対値が降伏電圧Ｖ_Ｂ未満であり、フォトダイオードがオフ状態である期間においても、逆方向のリーク電流Ｉoffがわずかに流れる。前述した待機動作においてフォトダイオードに流れる電流Ｉ_ＯＮの絶対値は、リーク電流Ｉoffの絶対値よりも大きく、また、光がフォトダイオード１３０に入射しない際に流れる暗電流の絶対値よりも大きい。

次に、近接動作について説明する。図３に示すように、近接動作（時刻ｔ１～ｔ３、ｔ４～ｔ６）の期間、制御部３００はまず、時刻ｔ１～ｔ２（及びｔ４～ｔ５）の期間に電圧Ｖchを“Ｈ”レベルとしてＭＯＳトランジスタ４２０をオン状態とし、電圧Ｖdisを“Ｌ”レベルとしてＭＯＳトランジスタ４１０をオフ状態とする。引き続き制御部３００は、時刻ｔ２～ｔ３（及びｔ５～ｔ６）の期間に電圧Ｖchを“Ｌ”レベルとしてＭＯＳトランジスタ４２０をオフ状態とし、電圧Ｖdisを“Ｈ”レベルとしてＭＯＳトランジスタ４１０をオン状態とする。また制御部３００は、信号Ｓ１を“Ｌ”レベルとし、信号Ｓ２を“Ｈ”レベルとすることにより、近接動作の期間、バイアス印加部３２０と測定部１４０とを電気的に非接続とし、フォトダイオード１３０と測定部１４０とを電気的に接続する。また制御部３００は、時刻ｔ１～ｔ２（及びｔ４～ｔ５）の期間、信号Ｓ３を“Ｈ”レベルとすることにより、発光ダイオード１２０により検知対象物体２００に光を照射する。

図５Ａは、近接動作時におけるバイアス印加部３２０、フォトダイオード１３０、スイッチ部３３０、及び測定部１４０の接続関係を簡単に示す回路図である。前述の通り、スイッチ素子３２２がオフ状態、スイッチ素子３３１がオン状態となることで、フォトダイオード１３０は測定部１４０に接続され、負電圧発生回路３２１とは非接続とされる。また、時刻ｔ１（及びｔ４）において発光ダイオード１２０が光を検知対象物体２００に照射し、その反射光がフォトダイオード１３０に入射し、フォトダイオード１３０には電流が流れる。そして、時刻ｔ１～ｔ２（及びｔ４～ｔ５）の期間にＭＯＳトランジスタ４２０がオン状態とされるため、フォトダイオード１３０に流れる電流に応じた電荷が容量素子４５０に充電される。その後、時刻ｔ２（及び時刻ｔ５）において発光ダイオード１２０による光の照射が終了すると、時刻ｔ２～ｔ３（及びｔ５～ｔ６）の期間にＭＯＳトランジスタ４１０がオン状態とされるため、電流源４００を介して、容量素子４５０に充電された電荷が放電される。このように発光ダイオード１２０は、オン状態とオフ状態とを繰り返す、すなわち時間的に変化する光を検知対象物体２００に照射する。

上記近接動作時の動作につき、図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂは、オペアンプ４３０の出力電圧Ｖintと、カウンタ回路４６０のカウント値を示すグラフである。図示するように、ＭＯＳトランジスタ４２０がオン状態とされて電荷が容量素子４５０に充電される期間（時刻ｔ０～ｔ１０）、電圧Ｖintは上昇する。そして、ＭＯＳトランジスタ４２０がオフ状態とされてＭＯＳトランジスタ４１０がオン状態とされて容量素子４５０に充電されている電荷の放電が開始すると、電圧Ｖintは低下する。なお、オペアンプ４３０に入力される電圧Ｖrefは例えばゼロＶである。そして、カウンタ回路４６０が、時刻ｔ１０から電圧ＶintがゼロＶとなる時刻ｔ１１までの期間をカウントし、このカウント値を、検知対象物体２００までの距離に相当する値として出力する。このように、フォトダイオード１３０に流れる電流を容量素子４５０に充電し、この電荷が放電されるまでの時間をカウンタ回路４６０がカウントし、容量素子４５０の電荷がなくなるまでの時間、つまりカウンタ回路４６０のカウント数が、検知対象物体２００までの距離と相関のあるデジタル値として出力される。このように測定部１４０は、フォトダイオード１３０における受光量に基づいて発生する電流を測定し、この電流量に基づいて検知対象物体２００までの距離を判定する。

上記のように本実施形態に係る近接センサによれば、周囲環境の明るさに関わらず安定した測定が可能となる。本効果につき、以下説明する。

本願発明者らは、明るい環境（明環境）と暗い環境（暗環境）とで測定を行った場合、暗環境で安定して測定ができるまでに時間がかかるという課題を発見した。図６Ａは、本実施形態の比較例に係る近接センサにおける、測定回数とカウント数との関係を示すグラフである。本比較例では、上記実施形態で説明した待機動作を行わなかった場合において、検知対象物体２００が存在する場合の近接動作時の測定結果を示している。明環境では１回目からの測定で、例えば約９００カウント程度の検知を確認でき、その後もカウント数はほぼ一定である。これに対して暗環境では、１回目の測定でのカウント数は例えば約６００カウントであり、以降カウント数は徐々に増えていき、例えば約２５回目の測定で、明環境の結果と同等になる。このように、暗環境においては、複数回の測定を待たなければ、正確な測定結果を得られない場合がある。

図６Ｂは、本実施形態に係る近接センサにおける、測定回数とカウント数との関係を示すグラフであり、図６Ａと同様の条件下で測定を行った結果である。図示するように、本実施形態では、暗環境においても、１回目の測定で明環境と同等のカウント数が得られた。

本願発明者らは、図６Ａに示すように暗環境において初期の測定で正確な測定結果が得られない現象につき、次のように検討した。図７はフォトダイオード１３０の断面図である。図示するようにフォトダイオード１３０は、例えばｐ型のシリコン基板５００上にｎ型ウェル５０１を設けることにより形成される。シリコン基板５００では、光を受光する事でキャリア（電子）が励起される。その電子が、ｐ型基板５００から、エネルギー準位の低いｎ型ウェル５０１に移動する事でフォトダイオード１３０に電流が流れる。またシリコン基板５００内には、一定数の格子欠陥が存在していることが知られている。すると、図８の、比較例に係るフォトダイオード１３０の断面図に示すように、暗環境で近接信号光（検知対象物体２００からの反射光）により発生したキャリアの一部は、格子欠陥によりトラップ（再結合)されるため、全てのキャリアが信号成分として出力されないと考えられる。

一方、図９のフォトダイオード１３０の断面図に示すように、明環境では常時キャリアが発生しており格子欠陥にキャリアがトラップされている状態である。従って、近接信号光により発生したキャリアの大部分は格子欠陥にトラップされることなく、信号成分として出力されていると考えられる。

次に暗環境から近接動作を連続で行った時に近接の測定結果が上昇していくメカニズムについて説明する。これは暗環境から近接動作を連続して動作していくことでフォトダイオード１３０の状態が明環境の状態に変化していると考える事ができる。図１０は比較例に係るフォトダイオード１３０の断面図であり、暗環境から連続して近接動作を行った時のフォトダイオード１３０の状態変化を示す図である。図示するように、暗環境では格子欠陥が最も多い状態であり、この状態で近接動作を行うと近接信号光により発生したキャリアの多くは信号成分としてフォトダイオードから出力されるが、格子欠陥が存在する事でキャリアは確率的に格子欠陥にトラップ（再結合）されることで、信号として出力されないと考えられる。そして、近接動作を繰り返して行うことで格子欠陥の多くがキャリアと再結合され、最終的に明環境の格子状態に近づいていくと考えられる。

上記の検討結果に基づき、本実施形態では、近接動作前の格子欠陥の状態を暗環境と明環境で合わせておくことで、本課題（暗環境で近接測定結果が安定するまでに時間がかかる）を解決できる。具体的には、待機動作時において、フォトダイオード１３０に電圧を印加し電流を流すことで、シリコン基板５００内の格子欠陥を減らすことが可能である。すなわち、発光素子により光を照射して検知対象物体までの距離を測定する動作（近接動作）の前に、バイアス印加部３２０により、フォトダイオード（受光素子）１３０にバイアス（本例では負電圧）を印加する。これにより、フォトダイオード１３０がオン状態とされた際に流れる順方向電流Ｉ_ＯＮを、当該フォトダイオードのｐｎ接合に流す。換言すれば、フォトダイオード１３０のｐｎ接合に電子を注入する。これにより、シリコン基板５００内の格子欠陥に電子をトラップさせる。つまり、フォトダイオード１３０のｐｎ接合に順方向電流を流した後において欠陥準位にトラップされているキャリアの数は、ｐｎ接合に順方向電流を流す前において欠陥準位にトラップされているキャリアの数よりも大きい。上記の結果、近接動作を行う前に、フォトダイオード１３０の格子欠陥に予め電子をトラップさせることで、暗環境であっても、明環境と同等の格子状態が得られる。よって、暗環境であっても、測定当初から、反射光により発生したキャリアのほとんどを信号成分として取り出すことができる。このように、近接動作の前にフォトダイオード１３０に電圧を印加して電流を流すことにより、暗環境であっても明環境であっても同等の条件で検知対象物体２００の距離を測定できるため、周囲環境の明るさに関わらず安定した測定が可能となり、本課題を解決できる。

なお、ダイオードには、電流を流すことで微弱ではあるが光を放出する特性があることも知られている。そのフォトダイオード自身が発する微弱光によりフォトダイオード内にキャリアが発生している可能性もあることも考えられるが、この場合であってもフォトダイオード１３０にバイアスを印加することで、明環境と暗環境にシリコン基板５００内の格子状態の差を低減することが可能である。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る光センサについて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態で説明したバイアス印加部３２０を、負電圧発生回路３２１の代わりにバイポーラトランジスタを形成することにより実現するものである。以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。

図１１は、本実施形態に係る近接センサ１００においてバイアス印加部３２０、フォトダイオード１３０、スイッチ部３３０、及び測定部１４０を示す回路図である。図示するように、本実施形態に係るバイアス印加部３２０は、電流源３２３、ダイオード３２４、及びスイッチ素子３２５、３２６、３２７を備えている。電流源３２３は、スイッチ素子３２５を介して、ダイオード３２４のアノードに接続される。スイッチ素子３２５は、例えば制御部３００から与えられる信号Ｓ４によって制御され、信号Ｓ４が例えば“Ｈ”レベルとされることでオン状態となる。ダイオード３２４は、カソードがノードＮ１０、すなわちフォトダイオード１３０のカソードに接続される。従って、ダイオード３２４とフォトダイオード１３０は、それぞれのカソードがベース電極に相当するｐｎｐ型バイポーラトランジスタとして機能する。スイッチ素子３２６は、ダイオード３２４のアノードとノードＮ１０との間を接続する。スイッチ素子３２６は、例えば制御部３００から与えられる信号Ｓ６によって制御され、信号Ｓ６が例えば“Ｈ”レベルとされることでオン状態となる。スイッチ素子３２７は、ノードＮ１０、すなわちダイオード３２４のカソードとフォトダイオード１３０のカソードとの接続ノードと、例えば接地ノード（第１ノード）との間を接続する。スイッチ素子３２７は、例えば制御部３００から与えられる信号Ｓ５によって制御され、信号Ｓ５が例えば“Ｈ”レベルとされることでオン状態となる。

図１２Ａは、待機動作時におけるバイアス印加部３２０の動作について示している。図示するように、待機動作時において制御部３００は、信号Ｓ４及びＳ５を“Ｈ”レベルとし、信号Ｓ６を“Ｌ”レベルとする。これにより、スイッチ素子３２５及び３２７がオン状態となる。すると、ノードＮ１０、すなわちダイオード３２４とフォトダイオード１３０から構成されるバイポーラトランジスタのベース電位がゼロＶとなり、当該バイポーラトランジスタがオン状態となる。これにより、電流源３２３からダイオード３２４及びノードＮ１０を介してフォトダイオード１３０に電流が流れる。この際、フォトダイオード１３０におけるｐｎ接合には逆バイアスが印加されるため、当該ｐｎ接合では降伏現象が発生し、図３Ｂで説明した降伏電流Ｉbreakが流れる。降伏電流Ｉbreakの絶対値は、第１実施形態で説明した電流Ｉ_ＯＮと同様に、リーク電流Ｉoffの絶対値よりも大きく、また、光がフォトダイオード１３０に入射しない際に流れる暗電流の絶対値よりも大きい。なお、上記バイポーラトランジスタのベースがスイッチ素子３２７によって接続される第１ノードの電位が接地電位（ゼロＶ）である場合を例に説明したが、必ずしも接地電位に限らず、バイポーラトランジスタをオン状態として、フォトダイオード１３０に降伏電流を流すことができる電位であればよい。

図１２Ｂは、近接動作時におけるバイアス印加部３２０の動作を示している。図示するように、近接動作時において制御部３００は、信号Ｓ４及びＳ５を“Ｌ”レベルとし、信号Ｓ６を“Ｈ”レベルとする。これにより、スイッチ素子３２５及び３２７がオフ状態となり、スイッチ素子３２６がオン状態となる。この結果、ダイオード３２４のアノード及びカソードは同電位となり、ダイオード３２４及びフォトダイオード１３０のカソードも第１ノードから電気的に非接続とされる。このため、ダイオード３２４とフォトダイオード１３０から構成されるバイポーラトランジスタはオフ状態となり、電流源３２３からフォトダイオード１３０には電流は流れない。そして、スイッチ素子３３１がオン状態とされ、検知対象物体２００からの反射光によって流れる電流に基づく電荷が、測定部１４０の容量素子４５０に充電される。

上記のように、バイポーラトランジスタを構成することによりバイアス印加部３２０を実現してもよい。第１実施形態では、バイアス印加部３２０として、負電圧発生回路３２１を用いる場合を説明した。しかし、使用する半導体プロセスや許容されるチップサイズによっては負電圧回路の使用が困難な場合がある。その際はフォトダイオード１３０に対して逆方向にバイアスを印加して、降伏電流を流すことで、第１実施形態と同様の効果が得られる。しかし、通常の電源電圧（例えば１．８～３．６Ｖ程度）では十分な電流を流すことが出来ない場合がある。そのような場合において、本実施形態のように、フォトダイオード１３０のカソードに別のダイオード（フォトダイオード）のカソードを接続することでｐｎｐ型バイポーラトランジスタを形成すればよい。これにより、通常の電源電圧であっても、フォトダイオード１３０に電流を流すことが可能である。

そして本方法によれば、フォトダイオード１３０に降伏電流Ｉbreakを流すことにより、第１実施形態と同様に、フォトダイオード１３０のｐｎ接合にキャリアを注入できる。これにより、暗環境であっても、近接動作を行う前に、フォトダイオード１３０の格子欠陥に予めキャリアをトラップさせることで、明環境と同等の格子状態が得られる。よって、暗環境であっても、測定当初から、反射光により発生したキャリアのほとんどを信号成分として取り出すことができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る光センサについて説明する。上記第１及び第２実施形態では、近接センサ１００が発光素子１２０を備える場合を例に説明した。これに対して本実施形態は、上記第１及び第２実施形態において、近接センサ１００が発光素子を備えず、発光素子及び発光素子駆動回路が近接センサ１００の外部に設けられる構成に関する。以下では、上記第１及び第２実施形態と異なる点についてのみ説明する。

図１３は、本実施形態に係る光センサシステムの回路図である。図示するように、光センサシステムは、近接センサ１００及び発光素子駆動回路１０００を備えている。近接センサ１００の構成は、上記第１及び第２実施形態とほぼ同様の構成であるが、第１実施形態で説明した図２の構成において、発光部３１０が廃されると共に、新たに出力回路６００を備えている。なお、図１３ではバイアス印加部３２０として、第１実施形態で説明した負電圧発生回路３２１を用いる場合を示しているが、第２実施形態の図１１で説明したようにバイポーラトランジスタを構成する場合であってもよい。制御部３００は、第１実施形態で説明した例えば図３に示すタイミングで発光素子を駆動するための信号Ｓ３を出力回路６００に出力する。出力回路６００は、受信した信号Ｓ３を、近接センサ１００外部の発光素子駆動回路１０００に出力する。

発光素子駆動回路１０００は、第１実施形態で説明した発光部３１０に相当し、発光部と同様の構成を有している。図示するように発光素子駆動回路１０００は、発光ダイオード（発光素子）１１２０、スイッチ素子１３１２、及び電流源１３１３を備えている。本例では、発光ダイオード１１２０が、図１で説明した発光素子１２０と同様の機能を果たす。スイッチ素子３１２は、出力回路６００から与えられる信号Ｓ４によって制御され、発光ダイオード１１２０のカソードを電流源１３１３と接続する。また発光ダイオード１１２０のアノードは電源と接続される。そして、信号Ｓ４すなわち信号Ｓ３が例えば“Ｈ”レベルとされることによりスイッチ素子１３１２がオン状態になると、発光ダイオード１１２０に電流が印加され、発光ダイオード１１２０は検知対象物体２００に向けて光を照射する。また、発光素子駆動回路１０００は、発光ダイオード１１２０を制御するための図示せぬ駆動回路を備えていてもよいし、図示はしないが逆にスイッチ素子１３１２と電流源１３１３は近接センサ１００の内部に具備し、発光ダイオード１１２０だけを近接センサ１００外部に設けてもよい。

本実施形態によれば、近接センサ１００と発光素子１１２０とが互いに独立して設けられる。従って、発光素子１１２０と受光素子１３０との距離を大きくしたいアプリケーションにおいて特に有用である。
＜変形例など＞
上記のように、第１及び第２実施形態に係る光センサによれば、暗環境であるか明環境であるかに関わらず、近接動作の信頼性を向上できる。なお、上記では種々の実施形態を用いて説明を行なったが、実施形態は上記に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、フォトダイオード１３０としてｐｎ接合ダイオードの場合を例に説明したが、ｐ型層とｎ型層との間に真性半導体層を設けたＰＩＮ型ダイオードであってもよい。また第１実施形態では、バイアス印加部３２０として負電圧発生回路３２１を用いる場合を例に説明した。しかし、フォトダイオード１３０のアノードの電位によっては、正電圧発生回路を用いてもよく、フォトダイオード１３０に順方向バイアスを印加できる構成であればよい。これは第２実施形態でも同様であり、仮想的なｐｎｐ型バイポーラトランジスタのベース電位はゼロＶに限らず、バイポーラトランジスタがオン状態となる電位であれば限定されない。また、待機動作時においてフォトダイオード１３０に電流を流す期間は、例えば制御部３００によって制御可能としてもよい。また、ユーザが電流を流す期間を制御部３００に設定してもよい。電流を流す期間の一例としては、例えば１００μｓなどであるが、これはフォトダイオード１３０のサイズや、格子欠陥の程度に依存する。従って制御部３００には、出荷前のテスト動作で適切とされた期間が設定されてもよいし、または近接センサを搭載したデバイスに電源が投入されたタイミングなどにおいて、制御部３００が近接動作のテストを実施し、その結果に基づいて適切な期間を得る構成であってもよい。このような近接センサを搭載するデバイスとしては、例えばスマートフォンや、ワイヤレスイヤホンなどが挙げられる。例えばスマートフォンに搭載される場合、スマートフォンの前面はタッチパネルであることが一般的である。従って、電話の着信があって、ユーザがスマートフォンを自身の耳に近づけた際に、近接センサがそれを検知し、タッチパネル機能を無効にしてもよい。また、近接センサは、スマートフォン等の電子機器のパネル下に配置されることが一般的である。このような場合には、電子機器のパネルからの反射光を検知対象物体として判断して誤作動する可能性がある。このような問題の対策としては、発光素子と受光素子との間の距離を離すことが有効であり、第３実施形態で説明した構成を採用することが好ましい。またワイヤレスイヤホンの場合には、ワイヤレスイヤホンがユーザの耳に近づいたことを近接センサが検知し、これに基づいてワイヤレスイヤホンが音を出力するようにしてもよい。また、図３を用いて説明したタイミングチャートも一例に過ぎず、待機動作及び近接動作が可能であれば、電圧Ｖch、Ｖdis、及び信号Ｓ１～Ｓ３のタイミングは適宜変更可能である。更に、測定部１４０としてＰＳ－ＡＤＣを用いる場合を例に説明したが、フォトダイオード１３０に流れる電流に基づいて検知対象物体２００との距離を演算可能な構成であれば、特に限定されない。

上記では、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上述した形態に限定されるものではなく、適宜変形可能である。そして上記の構成は、実質的に類似の構成、類似の作用効果を奏する構成または類似の目的を達成できる構成で置き換えることができる。また、上記実施形態では光センサとして近接センサを例に説明してきたが、検知物の有無を判定するフォトインタラプタや電気信号の通電有無を判定するフォトカプラ等の発光素子から照射される光を受光する全ての半導体光センサに対して本発明は有効である。更に、上記実施形態では、光センサを例に説明したが、不純物が存在する半導体基板または半導体層において、当該不純物の存在が問題なるようなあらゆる場面において適用可能であり、このような場合にバイアス印加部３２０を設けることにより、欠陥順位を低減し、または完全に無くすことができる。

１００…近接センサ、１１０…基板、１２０、１１２０…発光ダイオード、１３０…フォトダイオード、１４０…測定部、１５０、１６０…レンズ、１７０、１８０…光、２００…検知対象物体、３００…制御部、３１０…発光部、３１１…電源、３１２、３２２、３２５、３２６、３２７、３３１…スイッチ素子、３１３、１３１３…電流源、３２０…バイアス印加部、３２１…負電圧発生回路、３２３、４００…電流源、３２４…ダイオード、３３０…スイッチ部、４１０、４２０…ＭＯＳトランジスタ、４３０…オペアンプ、４４０…コンパレータ、４５０…容量素子、４６０…カウンタ回路、５００…ｐ型基板、５０１…ｎ型ウェル、６００…出力回路、１０００…発光素子駆動回路

Claims (12)

1. 時間的に変化する光を照射する発光素子と、
   ｐｎ接合を含み、前記発光素子から照射された光を直接または間接的に受光する受光素子と、
   前記受光素子で受光された前記光の受光量に基づいて発生する電流を測定する測定部と、
   前記受光素子にバイアスを印加するバイアス印加部と
   を具備し、
   前記受光量に基づいて発生する電流を測定する動作の前に前記バイアス印加部は、前記受光素子に前記バイアスを印加することにより、前記受光素子がオン状態とされた際に流れる順方向電流を前記ｐｎ接合に流し、または前記ｐｎ接合において降伏現象が生じた際に流れる降伏電流を前記ｐｎ接合に流す、光センサ。
2. ｐｎ接合を含み、光を受光する受光素子と、
   前記受光素子で受光された前記光の受光量に基づいて発生する電流を測定する測定部と、
   前記受光素子にバイアスを印加するバイアス印加部と、
   前記受光素子が受光する光信号を外部の発光素子から発光させるための制御信号出力部と
   を具備し、
   前記受光量に基づいて発生する電流を測定する動作の前に、前記バイアス印加部は、前記受光素子に前記バイアスを印加することにより、前記受光素子がオン状態とされた際に流れる順方向電流を前記ｐｎ接合に流し、または前記ｐｎ接合において降伏現象が生じた際に流れる降伏電流を前記ｐｎ接合に流す、光センサ。
3. 前記バイアス印加部によって流れる前記順方向電流及び前記降伏電流の絶対値は、前記受光素子がオフ状態において流れるリーク電流の絶対値よりも大きい、請求項１または２記載の光センサ。
4. 前記バイアス印加部によって流れる前記順方向電流及び前記降伏電流の絶対値は、前記受光素子の暗電流の絶対値よりも大きい、請求項１または２記載の光センサ。
5. 前記光センサは、前記発光素子により前記光を照射して前記受光量に基づいた電流を測定する第１動作と、前記受光量に基づいた電流を測定しない第２動作とを繰り返し、
   前記第２動作時において、前記バイアス印加部は、前記受光素子の前記ｐｎ接合に前記順方向電流または前記降伏電流を流す、請求項１または２記載の光センサ。
6. 前記受光素子と前記測定部とを電気的に接続または非接続とするスイッチ部を更に備え、
   前記スイッチ部は、前記受光素子の前記ｐｎ接合に前記順方向電流または前記降伏電流を流す期間、前記受光素子と前記測定部とを電気的に非接続とし、
   前記光を照射して前記受光量に基づいた電流を測定する期間、前記受光素子と前記測定部とを電気的に接続する、請求項１または２記載の光センサ。
7. 前記受光素子は、アノードが接地されたフォトダイオードであり、
   前記バイアス印加部は、負電圧発生回路を含み、
   前記負電圧発生回路は、前記フォトダイオードのカソードに負電圧を印加することにより前記フォトダイオードの前記ｐｎ接合に順方向電圧を印加して、前記順方向電流を流す、請求項１または２記載の光センサ。
8. 前記受光素子は、アノードが接地されたフォトダイオードであり、
   前記バイアス印加部は、
   前記フォトダイオードのカソードにカソードが接続されたダイオードと、
   前記ダイオードのアノードに接続された電流源と、
   前記フォトダイオード及び前記ダイオードの前記カソードと第１ノードとの間を接続または非接続とするスイッチ部と
   を更に備え、
   前記スイッチ部は、前記フォトダイオード及び前記ダイオードの前記カソードを前記第１ノードに接続することにより、前記フォトダイオードのｐｎ接合に降伏電流を流す、請求項１または２記載の光センサ。
9. 前記第１ノードは接地されている、請求項８記載の光センサ。
10. 前記受光素子の前記ｐｎ接合に前記順方向電流または前記降伏電流を流す期間を制御する制御部を更に備える、請求項１または２記載の光センサ。
11. 前記ｐｎ接合に前記順方向電流または前記降伏電流を流した後において欠陥準位にトラップされているキャリアの数は、前記ｐｎ接合に前記順方向電流または前記降伏電流を流す前において欠陥準位にトラップされているキャリアの数よりも大きい、請求項１または２記載の光センサ。
12. 不純物が存在する半導体基板上で構成されており、前記不純物により発生する欠陥準位を低減するために、前記半導体基板に電流を流すためのバイアス印加回路を備えた光センサ。

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