JP3882378B2

JP3882378B2 - Optical sensor

Info

Publication number: JP3882378B2
Application number: JP05525199A
Authority: JP
Inventors: 和好角谷; 啓二堀場; 正樹高島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: DE19913955A1; DE19913955B4; JPH11337405A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光センサに係り、詳しくは、光の入射角に対するセンサ出力として所望の特性を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２８に示すように、車両用の光センサとして日射センサ１００が用いられており、日射センサ１００は自動車のダッシュパネル１０１の上面で日射を受ける位置に取り付けられ、日射量を検出してエアコンの日射による室温変化を補正するために使用される。日射センサの一例を図２９に示す。センサハウジング１０２の上面に受光素子１０３が配置されるとともに受光素子１０３は光学レンズ（蓋材）１０４で覆われている。この光学レンズ１０４はダッシュパネル１０１の上面に配置した場合において意匠上の理由により着色ガラスや樹脂（半透明材）で、かつ、その表面がシボ加工されている。また、光学レンズ１０４の裏面には凹部１０５が形成され、光を受光素子１０３に導くことができる。つまり、図３０のように、仰角９０°の光は受光素子１０３にそのまま入射できるが、仰角０°の光は壁１０２ａに遮られ検出できないが、図２９のように、光学レンズ１０４のレンズ作用により光を受光素子１０３に導くことができる。また、仰角９０°の光は図２９のように光学レンズ１０４により発散され受光素子１０３に導かれる。このように、光学レンズ１０４によるレンズ作用により、受光素子１０３に照射される光の量がコントロールされる。また、光学レンズ１０４にレンズ機能を持たせるために凹レンズの他にもプリズムの集合体レンズ（フレネルレンズ）等が用いられる。
【０００３】
従来、光の入射角に対する出力特性（指向性）の調整は、光学レンズ１０４の出射面の形状（特に、凹部１０５の形状）を調整することにより、単一感度（単一出力）の受光素子１０３への光路を調整することにより行っていた。つまり、光路設計の方法については、特開平６−４３０２８号公報に開示されているように、光学プリズムの設計が必要となる。しかし、センサ表面（光学レンズ１０４の表面）にはシボ加工が施されており、拡散の影響を見込んだ光学レンズ設計が必要となるが、拡散の程度は経験と勘に頼る割合が大きく、シボ加工等による拡散の要素を含む光学系の光路設計は経験と勘による見込みの要素が含まれる。そのため、所望の指向性を有する日射センサを短期間に設計（開発）することは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、光の入射角に対する出力特性の調整を容易に行うことができる光センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光センサは、光量に応じた信号を出力する受光素子と、前記受光素子の上方に支持され、光の入射角に応じて前記受光素子への光量を変更する光量変更部材と、を備えている。そして、受光領域に複数の受光素子を配置するとともに前記各受光素子の出力に重み付けすることにより光源位置によって変化する所望の出力特性を得るようにしたことを特徴としている。
【０００６】
この構成を採用すると、レンズ系を作成した後に、即ち、光学的特性の決まったレンズ系を用いて各受光素子の出力を重み付けすることで所望の出力特性を得ることができる。その結果、従来ではレンズ系を複数用いて最適化を図る場合にはその手間も多く面倒であったばかりか、レンズ型が多数必要であったが、本発明においては光学的特性の決まったレンズ系を用いて各受光素子の出力を重み付けするものであり、その調整作業は容易である。
【０００７】
なお、「光量を変更する」とは、光の透過量が変わるというものだけでなく、照射範囲が変わる場合も意味するものである。
特に、請求項１に記載では、各受光素子の出力の重み付けを、各受光素子から出力される信号のゲインを調整するものとしているため、実用上好ましいものとなる。
【００１２】
請求項２に記載のように、前記複数の受光素子は同心円状に形成されるものとすると、光源の方位による影響を抑制できる。
請求項４に記載のように、同心円状に配置された前記複数の受光素子のうち、最も中心に位置する受光素子を第１の指向特性用として使用し、当該素子と他の受光素子とを第２の指向特性用として使用すると、複数の指向特性が得られ、中心の受光素子を多目的化することでセンサとして好ましいものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
【００１７】
本実施の形態においては、図２８を用いて説明した日射センサに適用している。図１には、日射センサの平面図を示す。図２には、図１のＡ−Ａ断面図を示す。ただし、図１は、図２に示すキャップ材である光学レンズ４とスリット板（遮光板）５を取り外した状態での平面図である。本例では太陽が光源であり、光源位置とは太陽の位置である。
【００１８】
図２において、日射センサ１は、コネクタを兼ねるセンサハウジング２と、センサチップ３と、光学レンズ４と、スリット板５と、ターミナル６とを備えている。センサハウジング２は、ケース７とホルダ８から構成され、両部材７，８は共に合成樹脂よりなる。ケース７は、円筒状をなし、立設した状態で使用される。また、ホルダ８は、ケース７内の上部に嵌入されている。ここで、センサハウジング２がケース７とホルダ８にて構成されていることから、ケース７を共通部材とし、ホルダ８（受光素子実装部とコネクタ部）をセンサ仕様毎に変えて用いることができる。
【００１９】
図２に示すように、ケース７の外周面にはセンサ取付け爪９が設けられており、日射センサ１が自動車のダッシュパネル１０の取付け孔１０ａに対し図２中、Ｘ方向に挿入され、センサ取付け爪９の外方への付勢力により本センサ１がダッシュパネル１０に取り付けられる。
【００２０】
ホルダ８の上面中央部にはセンサチップ３が固定されている。また、ホルダ８にはセンサ信号を外部に出力するための外部出力端子としてのターミナル６がインサート成形され、ホルダ８の中にターミナル６を埋設した構造となっている。ターミナル６の一端がホルダ８の上面に露出し、ターミナル６の他端がホルダ８の下面から突出している。
【００２１】
図１に示すように、四角形状のセンサチップ３には４つのフォトダイオード（受光素子）Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４が形成され、フォトダイオードＤ１〜Ｄ４は入射する光の量に応じた信号をそれぞれ出力する。
【００２２】
センサチップ３の詳細を図３を用いて詳細に説明する。センサチップ３はフォトダイオードＤ１〜Ｄ４と信号処理回路を具備した光ＩＣである。センサチップ３は円形の受光領域１１を有している。この受光領域１１は、中心の円形受光領域１２とその外周側のリング状受光領域１３とその外周のリング状受光領域１４とその外周のリング状受光領域１５に区画されている。各領域１２〜１５は電気的に絶縁されている。より詳しくは、図４に示すように、ｎ型シリコン基板１６の表層部において円形のｐ型領域１７が形成され、その外周側にリング状のｐ型領域１８，１９，２０がそれぞれ形成されている。また、ｎ型シリコン基板１６の裏面にはカソード電極２１が形成されるとともに、基板１６の表面側においてｐ型領域１７，１８，１９，２０にはアノード電極２２，２３，２４，２５が設けられている。このように、ｐ型領域１７にてフォトダイオードＤ１が、ｐ型領域１８にてフォトダイオードＤ２が、ｐ型領域１９にてフォトダイオードＤ３が、ｐ型領域２０にてフォトダイオードＤ４が形成され、図３の各領域１２〜１５に光が当たるとそれぞれ受光量に応じた電気信号（光電流）が取り出される。また、図３において、円形の受光領域１１の外周側に信号処理回路が形成されている。
【００２３】
このように、複数のフォトダイオード（受光素子）Ｄ１〜Ｄ４を同心円状に形成すると、太陽（光源）の方位による影響を抑制できるようになる（詳細は後述する）。
【００２４】
図２において、センサチップ３の上方において、ホルダ８の上面にはスリット板５がセンサチップ３を覆うように支持されている。図５にはスリット板５の詳細を示す。スリット板５は遮光材料よりなる。スリット板５はその中央部に上下に貫通するスリット（透孔）２６が形成され、導光部であるスリット２６は円形をなしている。スリット板５のスリット２６の位置は、図２に示すように、センサチップ３の真上に設定されている。
【００２５】
図２において、光学レンズ４は着色ガラスや樹脂（半透明材）よりなり、お碗型をなしている。また、光学レンズ４の表面（上面）４ａにはシボ加工が施され、スリガラスの表面と同様にザラザラしている。この光学レンズ４がケース７の外周面に嵌入され、センサチップ３の上方においてハウジング２に支持されている。さらに、光学レンズ４の内周面（下面）の中央部には凹部２７が形成され、この凹部２７により光学レンズ４がレンズ機能を持つことになる。
【００２６】
本例においては、光学レンズ４とスリット板５により、光の入射角（仰角）に応じてセンサチップ３への光量を変更する光量変更部材が構成されている。このように、光量変更部材は、単純形状の凹レンズ（４）を有するものであるので、レンズ形状が単純であるため開発期間の短縮が図れる。
【００２７】
なお、光学レンズ４にレンズ機能を持たせるために凹レンズの他にもプリズムの集合体レンズ（フレネルレンズ）等を用いてもよい。
図６は、同センサの電気的構成を示す図である。つまり、前記センサチップ３に形成された４つのフォトダイオードＤ１〜Ｄ４、およびフォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号を処理する信号処理回路の回路構成を示すものである。
【００２８】
図６において、フォトダイオードＤ１はオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。このフォトダイオードＤ１には受光量に応じた電流（光電流）ＩD1が流れる。また、オペアンプＯＰ１はレーザトリミング抵抗Ｒ１を介して負帰還がかけられている。そして、フォトダイオードＤ１に流れる電流ＩD1に応じてオペアンプＯＰ１の出力電圧Ｅ１が変化し、このオペアンプＯＰ１とレーザトリミング抵抗Ｒ１により電流・電圧変換回路（Ｉ−Ｖ変換回路）が構成されている。このＩ−Ｖ変換回路において、レーザトリミング抵抗Ｒ１の抵抗値を調整することによりゲイン（増幅率）を調整することができるようになっている。
【００２９】
同様に、フォトダイオードＤ２にはオペアンプＯＰ２とレーザトリミング抵抗Ｒ２によるＩ−Ｖ変換回路が接続され、フォトダイオードＤ２に流れる電流ＩD2に応じてオペアンプＯＰ２の出力電圧Ｅ２が変化する。ここで、レーザトリミング抵抗Ｒ２の抵抗値を調整することによりゲインを調整することができるようになっている。また、フォトダイオードＤ３にはオペアンプＯＰ３とレーザトリミング抵抗Ｒ３によるＩ−Ｖ変換回路が接続され、フォトダイオードＤ３に流れる電流ＩD3に応じてオペアンプＯＰ３の出力電圧Ｅ３が変化する。ここで、レーザトリミング抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することによりゲインを調整することができるようになっている。さらに、フォトダイオードＤ４にはオペアンプＯＰ４とレーザトリミング抵抗Ｒ４によるＩ−Ｖ変換回路が接続され、フォトダイオードＤ４に流れる電流ＩD4に応じてオペアンプＯＰ４の出力電圧Ｅ４が変化する。ここで、レーザトリミング抵抗Ｒ４の抵抗値を調整することによりゲインを調整することができるようになっている。
【００３０】
このようにレーザトリミング抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を調整することにより各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号のゲイン調整が行われ、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力（感度）を重み付けすることできる。
【００３１】
図６において、各オペアンプＯＰ１〜ＯＰ４の出力端子は抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を介してそれぞれオペアンプＯＰ１０の反転入力端子に接続されている。ここで、４つのフォトダイオードＤ１〜Ｄ４に対応する各オペアンプＯＰ１〜ＯＰ４の出力信号（電圧）Ｅ１〜Ｅ４は加算されて、オペアンプＯＰ１０に入力される。オペアンプＯＰ１０は抵抗Ｒ２０を介して負帰還がかけられている。そして、オペアンプＯＰ１０と抵抗Ｒ２０により、各オペアンプＯＰ１〜ＯＰ４の出力信号（電圧）Ｅ１〜Ｅ４の加算値（＝Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４）に対し所定の倍率で増幅された信号がセンサ信号（出力電圧ＶOUT ）としてオペアンプＯＰ１０の出力端子から送出される。
【００３２】
ここで、センサ出力ＥOUT は、
ＥOUT ＝Ｅ１・ｋ１＋Ｅ２・ｋ２＋Ｅ３・ｋ３＋Ｅ４・ｋ４
にて表される。ただし、ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４は各Ｉ−Ｖ変換回路のゲインである。
【００３３】
本例では、前述したようにレーザトリミング抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の調整にて、ｋ１＝１、ｋ２＝０、ｋ３＝３、ｋ４＝５とし、ＥOUT ＝Ｅ１＋３×Ｅ３＋５×Ｅ４を成立させている。このようにして、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力（感度）の重み付けが行われている。
【００３４】
次に、このように構成した日射センサ１の作用を説明する。
図２の光学レンズ４の表面側に照射された光は光学レンズ４を通過し、スリット板５に照射される。さらに、スリット板５のスリット２６を通過した光はセンサチップ３のフォトダイオードＤ１〜Ｄ４（図１参照）に照射される。この光照射によりフォトダイオードＤ１〜Ｄ４から信号が出力される。つまり、センサ表面（光学レンズ４）に照射された光は、レンズ材の屈折率と形状により光路変更されレンズ４内を進み、センサチップ３に向かって出射され、スリット板５のスリット２６を通してセンサチップ３に至る。ここで、光学レンズ４の出射側形状を凹形状にすることで、水平方向からの光（センサ仰角０°の光）をセンサチップ３側に導くことができる。
【００３５】
つまり、図７に示すように、仰角０°の光は光学レンズ４のレンズ作用により集光されるとともにスリット板５のスリット２６を通してセンサチップ３に導かれる。このときのセンサチップ３での光の照射位置（光照射範囲）を図８に示す。この図８に示すように、センサチップ３の受光領域１１の端部に光が当たる。
【００３６】
また、図９に示すように、仰角４０°の光は、光学レンズ４の内部で拡散されつつスリット板５のスリット２６を通してセンサチップ３に導かれる。このときのセンサチップ３での光の照射位置（光照射範囲）を図１０に示す。この図１０に示すように、センサチップ３の受光領域１１の略半分（図１０での左半分）に光が当たる。
【００３７】
また、図１１に示すように、仰角９０°の光は、光学レンズ４の内部で拡散されつつスリット板５のスリット２６を通してセンサチップ３に導かれる。このときのセンサチップ３での光の照射位置（光照射範囲）を図１２に示す。この図１２に示すように、センサチップ３の受光領域１１の中央部に光が当たる。図７，９，１１から分かるように、光の照射範囲において、入射角度が低く（低仰角側）なると、入射方向とは反対側に照射されることになる。
【００３８】
このように、光学レンズ４およびスリット板５により光量変調された光は、センサチップ３の表面に照射されるが、照射された光の角度（仰角）によって受光面側の照射範囲が変化する。
【００３９】
図１３には、仰角に対するセンサチップ（受光素子）３の受光量を示す。図１３の横軸には仰角をとり、縦軸に受光量をとっている。図１３において、光学レンズ４が無いときの受光特性をＬ１で示すとともに、光学レンズ４が有るときの受光特性をＬ２で示す。この図１３から、光学レンズ４が無いときの受光特性Ｌ１においては仰角が大きいときには受光量が多く、仰角が小さいときには受光量がほとんど「０」である。これに対し、光学レンズ４が有るときの受光特性Ｌ２は仰角が大きいときには受光量を小さくすることができるとともに、仰角が小さいときには受光量をある程度大きくすることができることが分かる。
【００４０】
ここで、従来では、光学レンズ４の出射側の形状（図２の凹部２７の形状）を調整してレンズ特性を調整することにより光路調整して、光の量が所望の値になるように設計することで所望のセンサ指向性（感度特性）を得るようにしてきた。
【００４１】
これに対し、本実施形態では、図６のレーザトリミング抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を調整することにより所望のセンサ指向性が得られる。
また、図７〜図１１を用いて説明したように、光量変更部材としての光学レンズ４およびスリット板５は、太陽が受光面に対して直上方向にあるときに（図１１，１２の状態）、同心円状に配置された複数のフォトダイオード（受光素子）Ｄ１〜Ｄ４のうち、同心円の中心から離れた位置の素子（特にＤ４）からの出力が、太陽が受光面に対して直上から離れた方向にあるときに比べて（図７〜図１０の状態に比べて）低くなる。よって、同心円状の素子Ｄ１〜Ｄ４のうち、外周に位置する素子（特にＤ４）の出力を任意に制御することで、所望のセンサ出力特性（指向性）が容易に得られる。特に、検出対象の太陽の仰角特性において、高仰角、すなわちセンサに対して太陽が直上に位置する場合の出力を抑える場合に外周部の素子の出力を操作することは非常に有効である。
【００４２】
換言すると、光量変更部材としての光学レンズ４およびスリット板５は、太陽が受光面に対して直上方向にあるときに（図１１，１２の状態）、同心円状に配置された複数のフォトダイオード（受光素子）Ｄ１〜Ｄ４のうち、同心円の中心から離れた位置の素子（特にＤ４）が遮光されるように形成されているものとすることにより、同心円状の素子Ｄ１〜Ｄ４のうち、外周に位置する素子（特にＤ４）の遮光特性を任意に制御することで、所望のセンサ出力特性（指向性）が容易に得られる。特に、検出対象の太陽の仰角特性において、高仰角、すなわちセンサに対して太陽が直上に位置する場合の出力を抑える場合に外周部の素子の遮光特性を操作することは非常に有効である。
【００４３】
以下、指向性（感度特性）の設計手順について説明する。
はじめに、所定のレンズ特性を有する光学レンズ４および所定の形状のスリット２６を有するスリット板５を用意するとともに、図３，４のようにフォトダイオードＤ１〜Ｄ４を有するセンサチップ３を用意する。そして、図６のレーザトリミング抵抗Ｒ１〜Ｒ４をトリミングすることにより、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４における感度（ゲイン）の調整を行う。これにより、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４を所望な感度特性とすることができる。その結果、図１４に示すような仰角に対する所望な出力特性を得ることができる。
【００４４】
図１５には４つのフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の各々の出力電流を取り出した場合の出力の測定結果を示す。つまり、図３の円形受光領域１２を有するフォトダイオードＤ１の出力をＬ１０で、図３のリング状受光領域１３を有するフォトダイオードＤ２の出力をＬ２０で、図３のリング状受光領域１４を有するフォトダイオードＤ３の出力をＬ３０で、図３のリング状受光領域１５を有するフォトダイオードＤ４の出力をＬ４０で示す。図１５において、フォトダイオードＤ１，Ｄ２（出力特性Ｌ１０，Ｌ２０）は高仰角の出力が大きく、低仰角の出力が小さい。一方、フォトダイオードＤ３，Ｄ４（出力特性Ｌ３０，Ｌ４０）は低仰角の出力が大きいが、中および高仰角ではフォトダイオードＤ１，Ｄ２（出力特性Ｌ１０，Ｌ２０）ほどの出力が出ない。
【００４５】
このような特性を得るためには、光学レンズ４の屈折特性およびスリット板５のスリット２６により、高仰角のときにフォトダイオードＤ３，４が遮光されるようにし、かつ低仰角のときにフォトダイオードＤ１，Ｄ２に照射される光量が小さくなるようにすればよい。
【００４６】
この図１５のように、複数のフォトダイオード（受光素子）Ｄ１〜Ｄ４の出力は同じ光（仰角）に対して、指向性がそれぞれ異なるものとしたので、異なる指向性の素子を組み合わすことで所望の特性を得ることが可能となる。つまり、複数の受光素子Ｄ１〜Ｄ４の指向特性は同じ光に対して、それぞれ異なるものとし、この仰角特性（指向特性）の異なる複数のフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力に対し後段の増幅部で所定量の重み付けを行い、これを組み合わすことで所望の特性が得られる。
【００４７】
この図１５の特性より、図１４の要求される特性を実現させるために、後段の回路部にて信号を増幅させ、所望の指向性を得るようにしている。つまり、ゲインｋ１＝１、ｋ２＝０、ｋ３＝３、ｋ４＝５となるように図６の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に対しレーザトリミングを行い、センサ出力ＥOUT ＝Ｅ１＋３×Ｅ３＋５×Ｅ４としている。
【００４８】
その結果、図１４に示すように、所望のセンサ出力特性を有するものとすることができる。図１４においては、仰角が４０〜５０°でセンサ出力値がピークとなり、かつ、低い仰角のときにセンサ出力値が低くなる特性である。この特性はエアコンを制御するときの熱負荷特性であり、車両の形状（特にフロントガラスの形状等）により決定されるものである。
【００４９】
以上、本実施形態では、光学レンズ４におけるシボや材料による拡散の影響を含んだレンズ特性に対し、フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の形状（受光部形状）と回路増幅部の組み合わせで所望なセンサ出力特性（センサ感度特性）を得ることができるため、レンズ形状のチューニング時間が軽減できる。そのため、短期設計（開発）が可能となる。
【００５０】
このように本実施形態は下記の特徴を有する。
（イ）受光領域１１に４つのフォトダイオード（受光素子）Ｄ１〜Ｄ４を配置するとともに、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力に重み付けすることにより太陽位置（光源位置）によって変化する所望の出力特性を得るようにした。よって、レンズ系を作成した後に、即ち、光学的特性の決まったレンズ４およびスリット板５を用いて各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力が重み付けされる。その結果、従来ではレンズ系を複数用いて最適化を図る場合にはその手間も多く面倒であったばかりか、レンズ型が多数必要であった。より詳しくは、図２９の凹部１０５の形状や光学レンズ１０４と受光素子１０３との距離やレンズ１０４における外表面の半径および直線面の長さ等を調整して所望の出力特性を得るようにしていた。これに対し、本実施形態においてはレンズ４およびスリット板５を作成した後（レンズ形状およびスリット形状を決定した後）に、光学的特性の決まったレンズ系を用いて各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力を重み付けするものであり、その調整作業は容易である。つまり、従来、１つの受光素子にて複数の指向性を実現させることは、単一レンズでは不可能であったが、照射された光を光学レンズ等で制限するとともに、受光素子側の出力をフォトダイオードＤ１〜Ｄ４毎に変えることで、所望な指向性を実現させることができる。
（ロ）各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力の重み付けを、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号を処理する信号処理回路において、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号のゲインを調整するものとしたので、実用上好ましいものとなる。
（ハ）各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４は同心円状に形成されているため、方位角特性の影響を受けにくい。つまり、車載用フォトセンサにおいては、検出対象としての太陽は仰角以外に方位角も変化する。この方位角に依存せずに仰角特性を得るためには、太陽がいかなる方位の時にも一定の仰角特性を有するものとする必要がある。本実施形態で示した同心円状の配置により、この条件をクリアすることができる。
【００５１】
なお、エアコン用日射センサに必要な熱負荷特性を得る場合について説明したが、他のセンサに必要な出力特性（感度特性）を得る場合に適用してもよい。
本実施形態の応用例を次に説明する。
【００５２】
図３の構成ではセンサチップ３の受光領域１１を４分割しているが、さらに細分化することで設計自由度が増える。例えば図１６のように、多数の角形受光領域（フォトダイオード）２８によるマトリックスパターンとしてもよい。あるいは、図１７に示すように、リングパターンを分割して多数の受光領域（フォトダイオード）２９に区画してもよい。
【００５３】
また、図３の構成に対し、図１８に示すように、受光素子パターンを変更することで、図１９に示すように、複数の指向特性を両立させることが可能である。詳しくは、図１８に示すごとく、中央の円形受光領域３０と、その回りの円弧状受光領域３１，３２，３３，３４と、その外周側の円弧状受光領域３５，３６，３７，３８に区画し、円形受光領域３０を指向特性（I ）用として使用し、受光領域３０〜３８を指向特性（II）用として使用する。その結果、指向特性（I ）の特性および指向特性（II）の特性が容易に設計可能となる。具体的には、図１９に示すように、低い仰角で出力（感度）が低く大きな仰角で感度が高い特性（低仰角カット）が得られるとともに、所定の仰角（図では３５°程度）でピークをもち低い仰角で感度が低い特性が得られる。
【００５４】
つまり、同心円状に配置された複数のフォトダイオード（受光素子）３０〜３８の組み合わせにより、１つの受光チップで複数（２つ以上）の指向特性を得るようにしたので、１チップから複数の特性が得られ、好ましい。詳しくは、同心円状に配置された複数のフォトダイオード（受光素子）３０〜３８のうち、最も中心に位置する素子３０を第１の指向特性用として使用し、当該素子３０と他の素子３１〜３８とを第２の指向特性用として使用した。よって、複数の指向特性が得られ、中心の素子３０を多目的化することでセンサとして好ましいものとなる。
【００５５】
このように、１つのセンサチップにて異なる特性の出力を得ることができ、より具体的には、例えば、指向特性（I ）は自動車のヘッドライト等を自動的に点灯・消灯させるオートライトに利用し、また、指向特性（II）は車載用エアコンの制御に用いる日射センサとして利用する。こうすることで１つのセンサで２つの異なる対象の制御が可能となり効率がよい。
【００５６】
なお、指向特性（I ）を得るためには、後述する図２４に示されるフォトダイオードＤ１に対応するカレントミラー回路（フォトダイオードＤ１に対応するトランジスタＱ１，Ｑ１１）におけるカレントミラー比（ｋ５値）を適宜設定すればよい。
【００５７】
一方、図１８の円形受光領域３０と円弧状受光領域３１，３２，３３，３４との間は所定の距離ｄ１だけ離間しており、この領域に信号処理回路が形成されている。
【００５８】
この信号処理回路が形成された領域は、同心円状のフォトダイオード（受光素子）３０〜３４のうち、センサ全体としての所望の出力特性（指向特性（II））に寄与しない領域が受光領域としてデッドスペースになるため、この領域を有効活用するために信号処理回路を形成したものである。これにより同心円状の受光素子形成領域外に必要となる信号処理回路のスペースを省くことができ、小型化に有利である。
【００５９】
このように、同心円状の受光素子３０と３１〜３４は所定領域離れて形成されており、この所定領域内に、各受光素子から出力される信号を処理する信号処理回路が形成されているものとすることにより、同心円状の受光素子のうち、デッドスペースとなる領域を別の用途に用いることで有効利用することができ、小型化が可能となる。特に受光素子と信号処理回路とが集積化されるセンサにおいては有効である。
【００６０】
また、スリット板５は図５に示した円形のスリット（透孔）２６を有するものの他にも、図２０に示すように角形のスリット（透孔）４０であったり、図２１に示すようにＬ字状のスリット（透孔）４１であったり、図２２に示すようにＩ字状のスリット（透孔）４２であってもよい。
【００６１】
また、図２の構成では、スリット板５と光学レンズ４を設けたが、いずれか一方のみ備えるものとしてもよい。ここで、図２の構成では、スリット板５を用いているので、光の照射範囲を制御でき設計自由度が高いものである。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６２】
フォトダイオードＤ１〜Ｄ４における出力（感度）の重み付け（調整方法）として、図６ではレーザトリミング抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値を調整してゲイン調整を行ったが、本実施形態ではそれに代わり、カレントミラー回路のカレントミラー比を調整することによりゲイン調整を行っている。
【００６３】
図２３に示すように、フォトダイオードＤ１に対し、トランジスタＱ１，Ｑ２によるカレントミラー回路が接続されている。つまり、フォトダイオードＤ１にトランジスタＱ１が直列に接続されている。同様に、ダイオードＤ２に対しトランジスタＱ３，Ｑ４によるカレントミラー回路が、ダイオードＤ３に対しトランジスタＱ５，Ｑ６によるカレントミラー回路が、ダイオードＤ４に対しトランジスタＱ７，Ｑ８によるカレントミラー回路が接続されている。さらに、トランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７は並列接続されるとともに、各トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８にはトランジスタＱ９，Ｑ１０によるカレントミラー回路が接続されている。つまり、並列接続されたトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８にに対しトランジスタＱ９が直列に接続されている。
【００６４】
ここで、トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８におけるエミッタ面積が調整できるようになっており、このエミッタ面積の調整により、カレントミラー比が変えられる。具体的には、センサチップ３に図２３の回路が組み込まれるが、トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８のエミッタ領域の形成工程においてトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８毎にエミッタ領域の面積を調整する（面積を異ならせる）。その結果、図２３のゲインｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４を調整してセンサ出力信号ＩOUT が所望の特性（指向性）を有するものに調整される。
【００６５】
なお、上述のようにゲインｋ１〜ｋ４を設定して指向特性を得るが、全体の出力の大きさはセンサ出力信号ＩOUT を調整すればよい。具体的には、図示しない抵抗値をレーザトリミング等により調整したりすることで可能である。例えば図６に示す回路の場合、抵抗Ｒ２０を調整するようにすればよい。
【００６６】
このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号、即ち、フォト電流ＩD1〜ＩD4を処理する信号処理回路において、トランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８におけるエミッタ面積の調整にてカレントミラー比を変えて各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４から出力される信号のゲインｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４を調整するようにし、これにより、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力（感度）の重み付けを行うようにしたので、実用上好ましいものとなる。
【００６７】
なお、図１８，１９を用いて説明したように、２つの指向特性を得る場合には、図２３の代わりに、図２４に示すように、フォトダイオードＤ１に対応するトランジスタＱ１に対しトランジスタＱ１１を追加し（ゲインｋ５）、このトランジスタＱ１１に対しトランジスタＱ１２，Ｑ１３によるカレントミラー回路を接続する。そして、トランジスタＱ１０に流れる電流（出力）ＩOUT₁により日射センサ用の指向特性(II)を得るとともに、トランジスタＱ１３に流れる電流（出力）ＩOUT₂によりコンライト用の指向特性（I)を得る。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１，２の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６８】
第１，２の実施の形態では信号処理回路の抵抗値Ｒ１〜Ｒ４またはエミッタ面積をトリミングする構成であったが、本実施形態では、信号処理回路ではなくセンサチップ３の工夫にてフォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力（感度）に重み付けを行うことができるようにしている。
【００６９】
図２５に示すように、センサチップ３におけるｎ型シリコン基板１６の表層部において円形のｐ型領域１７が形成され、その外周側にリング状のｐ型領域１８，１９，２０が形成されている。ここまでは図３，４と同じ構成である。本例では、基板１６の上面にアルミ薄膜５０が形成され、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４毎に面積の異なるアルミ薄膜５１，５２，５３，５４が形成されている。図２５ではアルミ薄膜５２が最も大きな面積であり、アルミ薄膜５１，５３，５４の順に小さくなっている。つまり、実質的に前述のゲインｋ１＝１、ｋ２＝０、ｋ３＝３、ｋ４＝５となるようにし、実質的にＥOUT ＝Ｅ１＋３×Ｅ３＋５×Ｅ４を満足するようにしている。より詳しいアルミ薄膜５１，５２，５３，５４の配置手順は、基板１６上にアルミ薄膜５０をデポし、所望の形状にパターニングすることにより図２５の形状とする。
【００７０】
このように本実施形態は下記の特徴を有する。
（イ）各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４の出力の重み付けを、各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４を被覆する膜５０の光透過特性（透過光量）を調整するものとしたので、実用上好ましいものとなる。
（ロ）この膜５０の光透過特性の調整は、膜５０の占有面積を調整するものであるので、実用上好ましいものとなる。
【００７１】
本実施形態の応用例を次に説明する。
図２６に示すように、センサチップ３における基板１６の上面にシリコン酸化６０が形成され、シリコン酸化膜６０は各フォトダイオードＤ１〜Ｄ４（領域１７〜２０）毎に厚さが異なっている（ｔ２＞ｔ１＞ｔ３＞ｔ４）。つまり、実質的に前述のゲインｋ１＝１、ｋ２≒０、ｋ３＝３、ｋ４＝５となるようにし、実質的にＥOUT ＝Ｅ１＋３×Ｅ３＋５×Ｅ４を満足するようにしている。このように、フォトダイオードＤ１〜Ｄ４を被覆する膜の光透過特性の調整を、シリコン酸化膜６０の厚さｔ１〜ｔ４を調整するものとし、フォトダイオードＤ１〜Ｄ４上での酸化膜厚ｔ１〜ｔ４の調整によって出力（感度）を部分的に変えるようにしてもよい。
【００７２】
あるいは、図２７に示すように、フォトダイオードＤ１を構成するｐ型領域１７と、フォトダイオードＤ２を構成するｐ型領域１８と、フォトダイオードＤ３を構成するｐ型領域１９と、フォトダイオードＤ４を構成するｐ型領域２０における不純物濃度を異ならせることによって特性を部分的に変えることが可能である。
【００７３】
また、これまでの説明においては受光素子としてフォトダイオードを用いてきたが、他にも例えばフォトトランジスタを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における日射センサの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】センサチップの平面図。
【図４】センサチップの説明図。
【図５】スリット板の平面図。
【図６】日射センサの回路構成図。
【図７】光路を示す断面図。
【図８】受光部での光照射部を示す平面図。
【図９】光路を示す断面図。
【図１０】受光部での光照射部を示す平面図。
【図１１】光路を示す断面図。
【図１２】受光部での光照射部を示す平面図。
【図１３】仰角に対する受光量を示す図。
【図１４】仰角に対するセンサ出力を示す図。
【図１５】仰角に対する素子出力を示す図。
【図１６】別例の日射センサの平面図。
【図１７】別例の日射センサの平面図。
【図１８】別例の日射センサの平面図。
【図１９】仰角に対する相対感度を示す図。
【図２０】別例のスリット板の平面図。
【図２１】別例のスリット板の平面図。
【図２２】別例のスリット板の平面図。
【図２３】第２の実施形態における日射センサの回路構成図。
【図２４】センサの回路構成図。
【図２５】第３の実施形態における日射センサの説明図。
【図２６】別例の日射センサを示す図。
【図２７】別例の日射センサを示す図。
【図２８】車両における日射センサを示す図。
【図２９】日射センサの断面図。
【図３０】日射センサの断面図。
【符号の説明】
１…日射センサ、２…センサハウジング、３…センサチップ、４…光学レンズ、５…スリット板、１１…受光領域、１２…円形受光領域、１３…リング状受光領域、１４…リング状受光領域、１５…リング状受光領域、５０…アルミ薄膜、６０…シリコン酸化膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical sensor, and more particularly to a technique for obtaining desired characteristics as a sensor output with respect to an incident angle of light.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 28, a solar radiation sensor 100 is used as an optical sensor for a vehicle. The solar radiation sensor 100 is attached to a position where solar radiation is received on the upper surface of a dash panel 101 of an automobile, and detects the amount of solar radiation to detect the amount of solar radiation. Used to correct room temperature change due to solar radiation. An example of the solar radiation sensor is shown in FIG. A light receiving element 103 is disposed on the upper surface of the sensor housing 102, and the light receiving element 103 is covered with an optical lens (cover material) 104. When this optical lens 104 is disposed on the upper surface of the dash panel 101, it is colored glass or resin (semi-transparent material) for the reason of design, and the surface thereof is textured. Further, a recess 105 is formed on the back surface of the optical lens 104, and light can be guided to the light receiving element 103. That is, as shown in FIG. 30, light having an elevation angle of 90 ° can be incident on the light receiving element 103 as it is, but light having an elevation angle of 0 ° is blocked by the wall 102a and cannot be detected. However, as shown in FIG. Thus, light can be guided to the light receiving element 103. Further, light having an elevation angle of 90 ° is diverged by the optical lens 104 and guided to the light receiving element 103 as shown in FIG. As described above, the amount of light applied to the light receiving element 103 is controlled by the lens action of the optical lens 104. In addition to the concave lens, a prism assembly lens (Fresnel lens) or the like is used to give the optical lens 104 a lens function.
[0003]
Conventionally, the adjustment of the output characteristic (directivity) with respect to the incident angle of light is performed by adjusting the shape of the exit surface of the optical lens 104 (particularly, the shape of the recess 105), thereby receiving a single sensitivity (single output) light receiving element. This was done by adjusting the optical path to 103. In other words, the optical path design method requires the design of an optical prism as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-43028. However, the surface of the sensor (the surface of the optical lens 104) is textured, and an optical lens design that takes into account the influence of diffusion is necessary. However, the degree of diffusion largely depends on experience and intuition. The optical path design of an optical system including elements of diffusion due to processing and the like includes elements expected from experience and intuition. For this reason, it has been difficult to design (develop) a solar radiation sensor having a desired directivity in a short time.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical sensor that can easily adjust output characteristics with respect to an incident angle of light.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The optical sensor according to claim 1 is a light receiving element that outputs a signal corresponding to the light amount, and a light amount changing member that is supported above the light receiving element and changes the light amount to the light receiving element according to the incident angle of light. And equipped with ing. And A plurality of light receiving elements are arranged in the light receiving region, and a desired output characteristic that changes depending on the light source position is obtained by weighting the output of each light receiving element.
[0006]
When this configuration is adopted, a desired output characteristic can be obtained by weighting the output of each light receiving element after the lens system is created, that is, using a lens system having a predetermined optical characteristic. As a result, in the past, when using a plurality of lens systems for optimization, it was troublesome and cumbersome, and a large number of lens types were required. Is used to weight the output of each light receiving element, and the adjustment work is easy.
[0007]
Note that “changing the amount of light” not only means that the amount of transmitted light changes, but also means that the irradiation range changes.
In particular , Claims 1 Described in Then , Output weight of each light receiving element ,each Adjusting the gain of the signal output from the light receiving element Because This is preferable for practical use.
[0012]
Claim 2 As described above, if the plurality of light receiving elements are formed concentrically, the influence of the orientation of the light source can be suppressed.
Claim 4 As described above, among the plurality of light receiving elements arranged concentrically, the light receiving element located at the center is used for the first directivity, and the element and the other light receiving elements are used as the second light receiving element. When used for directional characteristics, a plurality of directional characteristics can be obtained, and the central light receiving element is made multipurpose, which is preferable as a sensor.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0017]
The present embodiment is applied to the solar radiation sensor described with reference to FIG. FIG. 1 shows a plan view of the solar radiation sensor. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. However, FIG. 1 is a plan view in a state in which the optical lens 4 and the slit plate (light-shielding plate) 5 which are cap materials shown in FIG. 2 are removed. In this example, the sun is the light source, and the light source position is the position of the sun.
[0018]
In FIG. 2, the solar radiation sensor 1 includes a sensor housing 2 that also serves as a connector, a sensor chip 3, an optical lens 4, a slit plate 5, and a terminal 6. The sensor housing 2 includes a case 7 and a holder 8, and both the members 7 and 8 are made of synthetic resin. The case 7 has a cylindrical shape and is used in a standing state. The holder 8 is fitted into the upper part of the case 7. Here, since the sensor housing 2 is composed of the case 7 and the holder 8, the case 7 can be used as a common member, and the holder 8 (light receiving element mounting portion and connector portion) can be changed for each sensor specification. .
[0019]
As shown in FIG. 2, a sensor mounting claw 9 is provided on the outer peripheral surface of the case 7, and the solar radiation sensor 1 is inserted into the mounting hole 10a of the dash panel 10 of the automobile in the X direction in FIG. The sensor 1 is attached to the dash panel 10 by the outward biasing force of the attachment claw 9.
[0020]
The sensor chip 3 is fixed to the center of the upper surface of the holder 8. In addition, a terminal 6 as an external output terminal for outputting a sensor signal to the outside is insert-molded in the holder 8, and the terminal 6 is embedded in the holder 8. One end of the terminal 6 is exposed on the upper surface of the holder 8, and the other end of the terminal 6 protrudes from the lower surface of the holder 8.
[0021]
As shown in FIG. 1, four photodiodes (light receiving elements) D1, D2, D3, and D4 are formed on the square sensor chip 3, and the photodiodes D1 to D4 output signals according to the amount of incident light. Output each.
[0022]
Details of the sensor chip 3 will be described in detail with reference to FIG. The sensor chip 3 is an optical IC including photodiodes D1 to D4 and a signal processing circuit. The sensor chip 3 has a circular light receiving region 11. The light receiving region 11 is divided into a central circular light receiving region 12, a ring-shaped light receiving region 13 on the outer periphery side thereof, a ring-shaped light receiving region 14 on the outer periphery thereof, and a ring-shaped light receiving region 15 on the outer periphery thereof. Each region 12-15 is electrically insulated. More specifically, as shown in FIG. 4, a circular p-type region 17 is formed in the surface layer portion of the n-type silicon substrate 16, and ring-shaped p-type regions 18, 19, and 20 are formed on the outer peripheral side thereof. Yes. A cathode electrode 21 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 16, and anode electrodes 22, 23, 24, and 25 are provided in the p-type regions 17, 18, 19, and 20 on the front surface side of the substrate 16. ing. Thus, the photodiode D1 is formed in the p-type region 17, the photodiode D2 is formed in the p-type region 18, the photodiode D3 is formed in the p-type region 19, and the photodiode D4 is formed in the p-type region 20. When light strikes each of the regions 12 to 15 in FIG. 3, an electrical signal (photocurrent) corresponding to the amount of received light is extracted. In FIG. 3, a signal processing circuit is formed on the outer peripheral side of the circular light receiving region 11.
[0023]
As described above, when the plurality of photodiodes (light receiving elements) D1 to D4 are formed concentrically, the influence of the orientation of the sun (light source) can be suppressed (details will be described later).
[0024]
In FIG. 2, the slit plate 5 is supported on the upper surface of the holder 8 so as to cover the sensor chip 3 above the sensor chip 3. FIG. 5 shows details of the slit plate 5. The slit plate 5 is made of a light shielding material. The slit plate 5 is formed with a slit (through hole) 26 penetrating vertically at the center thereof, and the slit 26 serving as a light guide portion is circular. The position of the slit 26 of the slit plate 5 is set immediately above the sensor chip 3 as shown in FIG.
[0025]
In FIG. 2, the optical lens 4 is made of colored glass or resin (translucent material) and has a bowl shape. Further, the surface (upper surface) 4a of the optical lens 4 is subjected to a textured process, and is rough like the surface of the ground glass. The optical lens 4 is fitted on the outer peripheral surface of the case 7 and supported by the housing 2 above the sensor chip 3. Further, a concave portion 27 is formed in the central portion of the inner peripheral surface (lower surface) of the optical lens 4, and the optical lens 4 has a lens function by the concave portion 27.
[0026]
In this example, the optical lens 4 and the slit plate 5 constitute a light amount changing member that changes the light amount to the sensor chip 3 according to the incident angle (elevation angle) of light. Thus, since the light quantity changing member has a simple-shaped concave lens (4), since the lens shape is simple, the development period can be shortened.
[0027]
In order to give the optical lens 4 a lens function, a prism assembly lens (Fresnel lens) or the like may be used in addition to the concave lens.
FIG. 6 is a diagram showing an electrical configuration of the sensor. That is, the circuit configuration of the four photodiodes D1 to D4 formed on the sensor chip 3 and a signal processing circuit that processes signals output from the photodiodes D1 to D4 is shown.
[0028]
In FIG. 6, the photodiode D1 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1. A current (photocurrent) ID1 corresponding to the amount of received light flows through the photodiode D1. The operational amplifier OP1 is negatively fed back via a laser trimming resistor R1. The output voltage E1 of the operational amplifier OP1 changes according to the current ID1 flowing through the photodiode D1, and the operational amplifier OP1 and the laser trimming resistor R1 constitute a current / voltage conversion circuit (IV conversion circuit). In this IV conversion circuit, the gain (amplification factor) can be adjusted by adjusting the resistance value of the laser trimming resistor R1.
[0029]
Similarly, an IV conversion circuit including an operational amplifier OP2 and a laser trimming resistor R2 is connected to the photodiode D2, and an output voltage E2 of the operational amplifier OP2 changes according to a current ID2 flowing through the photodiode D2. Here, the gain can be adjusted by adjusting the resistance value of the laser trimming resistor R2. The photodiode D3 is connected to an IV conversion circuit including an operational amplifier OP3 and a laser trimming resistor R3, and an output voltage E3 of the operational amplifier OP3 changes according to a current ID3 flowing through the photodiode D3. Here, the gain can be adjusted by adjusting the resistance value of the laser trimming resistor R3. Further, an IV conversion circuit including an operational amplifier OP4 and a laser trimming resistor R4 is connected to the photodiode D4, and an output voltage E4 of the operational amplifier OP4 changes according to a current ID4 flowing through the photodiode D4. Here, the gain can be adjusted by adjusting the resistance value of the laser trimming resistor R4.
[0030]
Thus, by adjusting the resistance values of the laser trimming resistors R1 to R4, the gain of the signal output from each photodiode D1 to D4 is adjusted, and the output (sensitivity) of each photodiode D1 to D4 is weighted. it can.
[0031]
In FIG. 6, the output terminals of the operational amplifiers OP1 to OP4 are connected to the inverting input terminals of the operational amplifier OP10 via resistors R11 to R14, respectively. Here, the output signals (voltages) E1 to E4 of the operational amplifiers OP1 to OP4 corresponding to the four photodiodes D1 to D4 are added and input to the operational amplifier OP10. The operational amplifier OP10 is negatively fed back through the resistor R20. Then, the operational amplifier OP10 and the resistor R20 are used as a sensor signal (output voltage VOUT) as a signal amplified by a predetermined magnification with respect to the added values (= E1 + E2 + E3 + E4) of the output signals (voltages) E1 to E4 of the operational amplifiers OP1 to OP4. Sent from the output terminal of OP10.
[0032]
Here, the sensor output EOUT is
EOUT = E1 · k1 + E2 · k2 + E3 · k3 + E4 · k4
It is represented by However, k1, k2, k3, k4 are gains of the respective IV conversion circuits.
[0033]
In this example, by adjusting the resistance values of the laser trimming resistors R1 to R4 as described above, k1 = 1, k2 = 0, k3 = 3, k4 = 5, and EOUT = E1 + 3 × E3 + 5 × E4 is established. Yes. In this way, the outputs (sensitivities) of the photodiodes D1 to D4 are weighted.
[0034]
Next, the operation of the solar radiation sensor 1 configured as described above will be described.
The light irradiated on the surface side of the optical lens 4 in FIG. 2 passes through the optical lens 4 and is irradiated on the slit plate 5. Further, the light that has passed through the slit 26 of the slit plate 5 is applied to the photodiodes D1 to D4 (see FIG. 1) of the sensor chip 3. A signal is output from the photodiodes D1 to D4 by this light irradiation. That is, the light irradiated to the sensor surface (optical lens 4) is changed in optical path according to the refractive index and shape of the lens material, travels through the lens 4, is emitted toward the sensor chip 3, and passes through the slit 26 of the slit plate 5. The chip 3 is reached. Here, by making the emission side shape of the optical lens 4 concave, light from the horizontal direction (light with a sensor elevation angle of 0 °) can be guided to the sensor chip 3 side.
[0035]
That is, as shown in FIG. 7, light having an elevation angle of 0 ° is condensed by the lens action of the optical lens 4 and guided to the sensor chip 3 through the slit 26 of the slit plate 5. The light irradiation position (light irradiation range) at the sensor chip 3 at this time is shown in FIG. As shown in FIG. 8, light strikes the end of the light receiving region 11 of the sensor chip 3.
[0036]
As shown in FIG. 9, light having an elevation angle of 40 ° is guided to the sensor chip 3 through the slit 26 of the slit plate 5 while being diffused inside the optical lens 4. The light irradiation position (light irradiation range) at the sensor chip 3 at this time is shown in FIG. As shown in FIG. 10, light strikes substantially half of the light receiving region 11 of the sensor chip 3 (left half in FIG. 10).
[0037]
As shown in FIG. 11, light having an elevation angle of 90 ° is guided to the sensor chip 3 through the slit 26 of the slit plate 5 while being diffused inside the optical lens 4. FIG. 12 shows the light irradiation position (light irradiation range) at the sensor chip 3 at this time. As shown in FIG. 12, light hits the central portion of the light receiving region 11 of the sensor chip 3. As can be seen from FIGS. 7, 9, and 11, when the incident angle is low (low elevation angle side) in the light irradiation range, the light is irradiated on the side opposite to the incident direction.
[0038]
As described above, the light whose light amount is modulated by the optical lens 4 and the slit plate 5 is irradiated on the surface of the sensor chip 3, and the irradiation range on the light receiving surface side changes depending on the angle (elevation angle) of the irradiated light.
[0039]
FIG. 13 shows the amount of light received by the sensor chip (light receiving element) 3 with respect to the elevation angle. In FIG. 13, the horizontal axis represents the elevation angle and the vertical axis represents the amount of received light. In FIG. 13, the light receiving characteristic when the optical lens 4 is not provided is indicated by L1, and the light receiving characteristic when the optical lens 4 is provided is indicated by L2. From FIG. 13, in the light receiving characteristic L1 when there is no optical lens 4, the amount of received light is large when the elevation angle is large, and the amount of received light is almost “0” when the elevation angle is small. On the other hand, it can be seen that the light receiving characteristic L2 when the optical lens 4 is present can reduce the amount of received light when the elevation angle is large, and can increase the amount of received light to some extent when the elevation angle is small.
[0040]
Here, conventionally, the optical path is adjusted by adjusting the shape of the exit side of the optical lens 4 (the shape of the concave portion 27 in FIG. 2) and adjusting the lens characteristics so that the amount of light becomes a desired value. The desired sensor directivity (sensitivity characteristic) has been obtained by designing.
[0041]
On the other hand, in this embodiment, desired sensor directivity can be obtained by adjusting the resistance values of the laser trimming resistors R1 to R4 in FIG.
Further, as described with reference to FIGS. 7 to 11, the optical lens 4 and the slit plate 5 as the light quantity changing member are when the sun is directly above the light receiving surface (states of FIGS. 11 and 12). Among the plurality of photodiodes (light receiving elements) D1 to D4 arranged concentrically, the output from the element (especially D4) located away from the center of the concentric circle caused the sun to be separated from directly above the light receiving surface. It is lower than when it is in the direction (compared to the states of FIGS. 7 to 10). Therefore, desired sensor output characteristics (directivity) can be easily obtained by arbitrarily controlling the output of the elements (particularly D4) located on the outer periphery among the concentric elements D1 to D4. In particular, in the elevation angle characteristics of the sun to be detected, it is very effective to manipulate the output of the element at the outer peripheral portion when suppressing the high elevation angle, that is, the output when the sun is directly above the sensor.
[0042]
In other words, the optical lens 4 and the slit plate 5 serving as the light quantity changing member have a plurality of photodiodes arranged concentrically (when the sun is in a direction directly above the light receiving surface (the state shown in FIGS. 11 and 12)). Among the light receiving elements D1 to D4, the elements (especially D4) located away from the center of the concentric circles are formed so as to be shielded from light. Desired sensor output characteristics (directivity) can be easily obtained by arbitrarily controlling the light-shielding characteristics of the positioned elements (particularly D4). In particular, in the elevation angle characteristics of the sun to be detected, it is very effective to manipulate the light shielding characteristics of the elements in the outer peripheral portion in order to suppress the high elevation angle, that is, the output when the sun is positioned directly above the sensor.
[0043]
The directivity (sensitivity characteristic) design procedure will be described below.
First, an optical lens 4 having predetermined lens characteristics and a slit plate 5 having a slit 26 having a predetermined shape are prepared, and a sensor chip 3 having photodiodes D1 to D4 as shown in FIGS. Then, the trimming of the laser trimming resistors R1 to R4 in FIG. 6 adjusts the sensitivity (gain) in each of the photodiodes D1 to D4. Thereby, each photodiode D1-D4 can be made into a desired sensitivity characteristic. As a result, a desired output characteristic with respect to the elevation angle as shown in FIG. 14 can be obtained.
[0044]
FIG. 15 shows the output measurement results when the output currents of the four photodiodes D1 to D4 are taken out. That is, the output of the photodiode D1 having the circular light receiving region 12 in FIG. 3 is L10, the output of the photodiode D2 having the ring light receiving region 13 in FIG. 3 is L20, and the output having the ring light receiving region 14 in FIG. The output of the diode D3 is denoted by L30, and the output of the photodiode D4 having the ring-shaped light receiving region 15 of FIG. 3 is denoted by L40. In FIG. 15, photodiodes D1 and D2 (output characteristics L10 and L20) have a high output at a high elevation angle and a low output at a low elevation angle. On the other hand, the photodiodes D3 and D4 (output characteristics L30 and L40) have large outputs at low elevation angles, but the outputs at the middle and high elevation angles are not as high as the photodiodes D1 and D2 (output characteristics L10 and L20).
[0045]
In order to obtain such characteristics, the refraction characteristics of the optical lens 4 and the slit 26 of the slit plate 5 allow the photodiodes D3 and D4 to be shielded from light at high elevation angles, and the photodiodes at low elevation angles. What is necessary is just to make small the light quantity irradiated to D1, D2.
[0046]
As shown in FIG. 15, since the outputs of the plurality of photodiodes (light receiving elements) D1 to D4 have different directivities with respect to the same light (elevation angle), it is possible to combine elements having different directivities. Desired characteristics can be obtained. That is, the directivity characteristics of the plurality of light receiving elements D1 to D4 are different from each other with respect to the same light, and the output of the plurality of photodiodes D1 to D4 having different elevation angle characteristics (directivity characteristics) is provided in the subsequent amplification section. Desired characteristics can be obtained by performing quantitative weighting and combining them.
[0047]
From the characteristics shown in FIG. 15, in order to realize the required characteristics shown in FIG. 14, a signal is amplified in a circuit section at a later stage to obtain a desired directivity. That is, laser trimming is performed on the resistors R1, R2, R3, and R4 in FIG. 6 so that the gains k1 = 1, k2 = 0, k3 = 3, and k4 = 5, and the sensor output EOUT = E1 + 3 × E3 + 5 × E4. Yes.
[0048]
As a result, as shown in FIG. 14, it can have a desired sensor output characteristic. In FIG. 14, the sensor output value peaks when the elevation angle is 40 to 50 °, and the sensor output value decreases when the elevation angle is low. This characteristic is a heat load characteristic when the air conditioner is controlled, and is determined by the shape of the vehicle (particularly the shape of the windshield).
[0049]
As described above, in the present embodiment, desired sensor output characteristics are obtained by combining the shape of the photodiodes D1 to D4 (the shape of the light receiving part) and the circuit amplifying part with respect to the lens characteristic including the influence of diffusion due to the texture and material in the optical lens 4. Since (sensor sensitivity characteristics) can be obtained, the lens shape tuning time can be reduced. Therefore, short-term design (development) is possible.
[0050]
Thus, this embodiment has the following characteristics.
(A) While arranging four photodiodes (light receiving elements) D1 to D4 in the light receiving region 11, weighting the outputs of the photodiodes D1 to D4 gives desired output characteristics that change depending on the solar position (light source position). I tried to get it. Therefore, after the lens system is created, that is, the outputs of the photodiodes D1 to D4 are weighted by using the lens 4 and the slit plate 5 whose optical characteristics are determined. As a result, in the past, when a plurality of lens systems were used for optimization, it was troublesome and troublesome, and many lens types were required. More specifically, a desired output characteristic is obtained by adjusting the shape of the recess 105 in FIG. 29, the distance between the optical lens 104 and the light receiving element 103, the radius of the outer surface of the lens 104, the length of the linear surface, and the like. It was. On the other hand, in the present embodiment, after the lens 4 and the slit plate 5 are created (after the lens shape and the slit shape are determined), each of the photodiodes D1 to D4 is formed using a lens system having a predetermined optical characteristic. The output is weighted, and the adjustment work is easy. That is, conventionally, it has been impossible with a single lens to achieve a plurality of directivities with a single light receiving element, but the irradiated light is limited by an optical lens and the output on the light receiving element side is reduced. By changing each of the photodiodes D1 to D4, desired directivity can be realized.
(B) In the signal processing circuit that processes the signals output from the photodiodes D1 to D4, the gains of the signals output from the photodiodes D1 to D4 are adjusted by weighting the outputs of the photodiodes D1 to D4. Therefore, it is preferable for practical use.
(C) Since the photodiodes D1 to D4 are formed concentrically, they are not easily affected by the azimuth characteristics. That is, in the on-vehicle photosensor, the sun as a detection target changes not only in elevation but also in azimuth. In order to obtain an elevation angle characteristic without depending on this azimuth angle, it is necessary to have a certain elevation angle characteristic at any azimuth of the sun. This condition can be cleared by the concentric arrangement shown in the present embodiment.
[0051]
In addition, although the case where the thermal load characteristic required for the solar radiation sensor for air conditioners was acquired was demonstrated, you may apply when obtaining the output characteristic (sensitivity characteristic) required for another sensor.
An application example of this embodiment will be described next.
[0052]
In the configuration of FIG. 3, the light receiving region 11 of the sensor chip 3 is divided into four, but the degree of freedom in design increases by further subdividing. For example, as shown in FIG. 16, a matrix pattern including a large number of rectangular light receiving regions (photodiodes) 28 may be used. Alternatively, as shown in FIG. 17, the ring pattern may be divided into a large number of light receiving regions (photodiodes) 29.
[0053]
Further, by changing the light receiving element pattern as shown in FIG. 18 with respect to the configuration of FIG. 3, it is possible to achieve a plurality of directional characteristics as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 18, the light receiving region 30 is divided into a central circular light receiving region 30, surrounding arc-shaped light receiving regions 31, 32, 33, and 34, and outer peripheral arc-shaped light receiving regions 35, 36, 37, and 38. The circular light receiving area 30 is used for directivity (I), and the light receiving areas 30 to 38 are used for directivity (II). As a result, the directivity (I) and directivity (II) characteristics can be easily designed. Specifically, as shown in FIG. 19, a characteristic (low elevation angle cut) with a low output (sensitivity) at a low elevation angle and a high sensitivity at a high elevation angle (low elevation angle cut) is obtained, and a peak is obtained at a predetermined elevation angle (about 35 ° in the figure). And low sensitivity at a low elevation angle.
[0054]
That is, since a plurality of (two or more) directivity characteristics are obtained with one light receiving chip by combining a plurality of photodiodes (light receiving elements) 30 to 38 arranged concentrically, a plurality of characteristics are obtained from one chip. Is preferable. Specifically, among the plurality of photodiodes (light receiving elements) 30 to 38 arranged concentrically, the element 30 located at the center is used for the first directivity, and the element 30 and the other elements 31 to 31 are used. 38 were used for the second directivity. Therefore, a plurality of directivity characteristics can be obtained, and the central element 30 can be multipurpose so that it is preferable as a sensor.
[0055]
In this way, an output with different characteristics can be obtained with one sensor chip. More specifically, for example, the directivity (I) is an auto light that automatically turns on and off the headlight of an automobile. In addition, the directivity (II) is used as a solar radiation sensor used for controlling an on-vehicle air conditioner. By doing so, it is possible to control two different objects with one sensor, and the efficiency is high.
[0056]
In order to obtain the directivity (I), the current mirror ratio (k5 value) in the current mirror circuit (transistors Q1, Q11 corresponding to the photodiode D1) corresponding to the photodiode D1 shown in FIG. What is necessary is just to set suitably.
[0057]
On the other hand, the circular light receiving area 30 and the arc-shaped light receiving areas 31, 32, 33, and 34 in FIG. 18 are separated by a predetermined distance d1, and a signal processing circuit is formed in this area.
[0058]
In the region where the signal processing circuit is formed, a region which does not contribute to a desired output characteristic (directional characteristic (II)) of the entire sensor among the concentric photodiodes (light receiving elements) 30 to 34 is dead as a light receiving region. Since this space is used, a signal processing circuit is formed in order to effectively use this area. As a result, the space for the signal processing circuit required outside the concentric light receiving element formation region can be saved, which is advantageous for downsizing.
[0059]
As described above, the concentric light receiving elements 30 and 31 to 34 are formed apart from each other by a predetermined area, and a signal processing circuit for processing a signal output from each light receiving element is formed in the predetermined area. Thus, the concentric light receiving element can be effectively used by using a region that becomes a dead space for another purpose, and the size can be reduced. This is particularly effective in a sensor in which a light receiving element and a signal processing circuit are integrated.
[0060]
Further, the slit plate 5 may be a square slit (through hole) 40 as shown in FIG. 20 in addition to the circular slit (through hole) 26 shown in FIG. 5, or as shown in FIG. It may be an L-shaped slit (through hole) 41 or an I-shaped slit (through hole) 42 as shown in FIG.
[0061]
In the configuration of FIG. 2, the slit plate 5 and the optical lens 4 are provided, but only one of them may be provided. Here, since the slit plate 5 is used in the configuration of FIG. 2, the light irradiation range can be controlled and the degree of freedom in design is high.
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
[0062]
As the weighting (adjustment method) of the outputs (sensitivity) in the photodiodes D1 to D4, the gain adjustment is performed by adjusting the resistance values of the laser trimming resistors R1 to R4 in FIG. Gain adjustment is performed by adjusting the current mirror ratio of the circuit.
[0063]
As shown in FIG. 23, a current mirror circuit including transistors Q1 and Q2 is connected to the photodiode D1. That is, the transistor Q1 is connected in series with the photodiode D1. Similarly, a current mirror circuit including transistors Q3 and Q4 is connected to the diode D2, a current mirror circuit including transistors Q5 and Q6 is connected to the diode D3, and a current mirror circuit including transistors Q7 and Q8 is connected to the diode D4. Further, the transistors Q1, Q3, Q5, and Q7 are connected in parallel, and the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8 are connected to a current mirror circuit including transistors Q9 and Q10. That is, the transistor Q9 is connected in series to the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8 connected in parallel.
[0064]
Here, the emitter areas of the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8 can be adjusted, and the current mirror ratio can be changed by adjusting the emitter area. Specifically, the circuit of FIG. 23 is incorporated in the sensor chip 3, but the area of the emitter region is adjusted for each of the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8 in the step of forming the emitter regions of the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8. (Different areas). As a result, the gains k1, k2, k3, and k4 in FIG. 23 are adjusted to adjust the sensor output signal IOUT to have a desired characteristic (directivity).
[0065]
Although the directivity is obtained by setting the gains k1 to k4 as described above, the overall output may be adjusted by adjusting the sensor output signal IOUT. Specifically, it is possible to adjust a resistance value (not shown) by laser trimming or the like. For example, in the case of the circuit shown in FIG. 6, the resistor R20 may be adjusted.
[0066]
Thus, this embodiment has the following features.
(A) In the signal processing circuit that processes the signals output from the photodiodes D1 to D4, that is, the photocurrents ID1 to ID4, the current mirror ratio is changed by adjusting the emitter area in the transistors Q2, Q4, Q6, and Q8. Since the gains k1, k2, k3, k4 of the signals output from the photodiodes D1 to D4 are adjusted, thereby weighting the outputs (sensitivities) of the photodiodes D1 to D4. This is preferable for practical use.
[0067]
As described with reference to FIGS. 18 and 19, when two directional characteristics are obtained, instead of FIG. 23, as shown in FIG. 24, the transistor Q11 is replaced with the transistor Q1 corresponding to the photodiode D1. In addition (gain k5), a current mirror circuit comprising transistors Q12 and Q13 is connected to this transistor Q11. The current (output) IOUT flowing through the transistor Q10 ₁ To obtain the directivity (II) for the solar radiation sensor and the current (output) IOUT flowing in the transistor Q13 ₂ Thus, the directivity (I) for conlite is obtained.
(Third embodiment)
Next, the third embodiment will be described focusing on the differences from the first and second embodiments.
[0068]
In the first and second embodiments, the resistance values R1 to R4 or the emitter area of the signal processing circuit are trimmed, but in the present embodiment, the photodiode D1 is not devised by the sensor chip 3 but the signal processing circuit. ˜D4 output (sensitivity) can be weighted.
[0069]
As shown in FIG. 25, a circular p-type region 17 is formed in the surface layer portion of the n-type silicon substrate 16 in the sensor chip 3, and ring-shaped p-type regions 18, 19, and 20 are formed on the outer peripheral side thereof. . Up to this point, the configuration is the same as in FIGS. In this example, an aluminum thin film 50 is formed on the upper surface of the substrate 16, and aluminum thin films 51, 52, 53, and 54 having different areas are formed for the respective photodiodes D1 to D4. In FIG. 25, the aluminum thin film 52 has the largest area, and the aluminum thin films 51, 53, and 54 become smaller in this order. That is, the gains k1 = 1, k2 = 0, k3 = 3, and k4 = 5 are substantially satisfied, and EOUT = E1 + 3 × E3 + 5 × E4 is substantially satisfied. A more detailed arrangement procedure of the aluminum thin films 51, 52, 53, 54 is that the aluminum thin film 50 is deposited on the substrate 16 and patterned into a desired shape to obtain the shape shown in FIG.
[0070]
Thus, this embodiment has the following characteristics.
(A) Since the output weights of the photodiodes D1 to D4 are adjusted for the light transmission characteristics (transmitted light amount) of the film 50 that covers the photodiodes D1 to D4, they are practically preferable.
(B) The adjustment of the light transmission characteristics of the film 50 adjusts the area occupied by the film 50 and is therefore preferable in practice.
[0071]
An application example of this embodiment will be described next.
As shown in FIG. 26, the silicon oxide 60 is formed on the upper surface of the substrate 16 in the sensor chip 3, and the silicon oxide film 60 has a different thickness for each of the photodiodes D1 to D4 (regions 17 to 20) (t2). >T1>t3> t4). That is, the above-described gains k1 = 1, k2≈0, k3 = 3, k4 = 5 are satisfied, and EOUT = E1 + 3 × E3 + 5 × E4 is substantially satisfied. Thus, the adjustment of the light transmission characteristics of the films covering the photodiodes D1 to D4 is performed by adjusting the thicknesses t1 to t4 of the silicon oxide film 60, and the oxide film thicknesses t1 to t4 on the photodiodes D1 to D4. The output (sensitivity) may be partially changed by adjusting t4.
[0072]
Alternatively, as shown in FIG. 27, the p-type region 17 constituting the photodiode D1, the p-type region 18 constituting the photodiode D2, the p-type region 19 constituting the photodiode D3, and the photodiode D4 are constituted. The characteristics can be partially changed by changing the impurity concentration in the p-type region 20 to be changed.
[0073]
In the above description, the photodiode is used as the light receiving element. However, for example, a phototransistor may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a solar radiation sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a plan view of a sensor chip.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a sensor chip.
FIG. 5 is a plan view of a slit plate.
FIG. 6 is a circuit configuration diagram of a solar radiation sensor.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an optical path.
FIG. 8 is a plan view showing a light irradiation unit in the light receiving unit.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an optical path.
FIG. 10 is a plan view showing a light irradiation unit in the light receiving unit.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an optical path.
FIG. 12 is a plan view showing a light irradiation unit in the light receiving unit.
FIG. 13 is a diagram showing a received light amount with respect to an elevation angle.
FIG. 14 is a diagram showing a sensor output with respect to an elevation angle.
FIG. 15 is a diagram showing an element output with respect to an elevation angle.
FIG. 16 is a plan view of another example of a solar radiation sensor.
FIG. 17 is a plan view of another example of a solar radiation sensor.
FIG. 18 is a plan view of another example of a solar radiation sensor.
FIG. 19 is a diagram showing relative sensitivity with respect to an elevation angle.
FIG. 20 is a plan view of another example of a slit plate.
FIG. 21 is a plan view of another example slit plate.
FIG. 22 is a plan view of another example slit plate.
FIG. 23 is a circuit configuration diagram of a solar radiation sensor according to the second embodiment.
FIG. 24 is a circuit configuration diagram of a sensor.
FIG. 25 is an explanatory diagram of a solar radiation sensor according to the third embodiment.
FIG. 26 is a view showing another example of a solar radiation sensor.
FIG. 27 is a diagram showing another example of a solar radiation sensor.
FIG. 28 is a diagram showing a solar radiation sensor in a vehicle.
FIG. 29 is a cross-sectional view of a solar radiation sensor.
FIG. 30 is a cross-sectional view of a solar radiation sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solar radiation sensor, 2 ... Sensor housing, 3 ... Sensor chip, 4 ... Optical lens, 5 ... Slit board, 11 ... Light-receiving area, 12 ... Circular light-receiving area, 13 ... Ring-shaped light-receiving area, 14 ... Ring-shaped light-receiving area, 15 ... Ring-shaped light receiving region, 50 ... Aluminum thin film, 60 ... Silicon oxide film.

Claims

A light receiving element that outputs a signal according to the amount of light;
A light amount changing member that is supported above the light receiving element and changes the light amount to the light receiving element according to the incident angle of light;
Bei to give a,
An optical sensor to obtain the desired output characteristics that change by the light source position by weighting the outputs of the respective light receiving elements with arranging a plurality of light receiving elements in the light receiving region,
The weight of the output of each light receiving element adjusts the gain of the signal output from each light receiving element .

The optical sensor according to claim 1, wherein the plurality of light receiving elements are concentrically formed .

Each light receiving element is connected to an operational amplifier and a current / voltage conversion circuit using a laser trimming resistor, and the current / voltage conversion circuit adjusts the resistance value of the laser trimming resistor to output the light receiving element. the optical sensor of claim 1 or 2 for adjusting the gain of that signal.

A light receiving element that outputs a signal according to the amount of light;
A light amount changing member that is supported above the light receiving element and changes the light amount to the light receiving element according to the incident angle of light;
With
A plurality of light receiving elements arranged concentrically in a light receiving region and weighting the output of each light receiving element to obtain a desired output characteristic that changes depending on the light source position,
Among the plurality of light receiving elements arranged concentrically, the light receiving element located at the center is used for the first directivity, and the element and the other light receiving elements are used for the second directivity. Optical sensor.