JP5375841B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本発明は、複数の受光素子と、全ての受光素子それぞれの受光面に入射する光の入射角度が異なるように、光の入射角度を規定する規定部と、受光素子の出力信号に基づいて、光の入射角度を算出する算出部と、を備える光センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が規定されている。

米国特許６８７５９７４号明細書

特許文献１に示される光センサでは、対を成す２つのフォトダイオードが左右方向に隣接しており、これら２つのフォトダイオードそれぞれの受光面に入射する光の範囲が、２つのフォトダイオードの上方に位置する１つの光伝播エリアによって規定されている。したがって、左方から光センサに光が入射した場合、右方のフォトダイオードの出力信号が、左方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。これとは反対に、右方から光センサに光が入射した場合、左方のフォトダイオードの出力信号が、右方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。したがって、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号を比べることで、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することが可能となっている。

ところで、上記構成では、左方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値と、右方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値と、を算出し、これら２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。

しかしながら、用途によって、特に検出したい光の角度がある場合、その用途に応じて光伝播エリアを作成し直さなくてはならないために、汎用性が低い、という問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、汎用性が向上された光センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の受光素子（１０）と、全ての受光素子（１０）それぞれの受光面に入射する光の入射角度が異なるように、光の入射角度を規定する規定部（２０）と、受光素子（１０）の出力信号に基づいて、光の入射角度を算出する算出部（３０）と、を備える光センサであって、全ての受光素子（１０）それぞれと算出部（３０）との間に設けられた選択スイッチ（４０）と、選択スイッチ（４０）の開閉を制御する制御部（５０）と、を有することを特徴とする。

このように本発明によれば、任意の受光素子（１０）を選択することができるので、特に検出したい光の角度があったとしても、その用途に応じて、制御部（５０）の設定を書き換えるだけでよくなる。これによれば、用途に応じて、規定部（２０）を作成し直す構成と比べて、汎用性が向上される。

請求項２に記載のように、受光素子（１０）は、半導体基板（１１）の一面１１ａ側に形成され、規定部（２０）は、一面（１１ａ）上に形成された透光膜（２１）と、透光膜（２１）を介して一面（１１ａ）上に形成された遮光膜（２２）と、該遮光膜（２２）に形成された投光用の開口部（２３）とから成る構成を採用することができる。このように、規定部（２０）が、半導体基板（１１）に形成された薄膜（２１，２２）から成るので、半導体基板の上方に、開口窓が形成された遮蔽板などが設けられた構成と比べて、光センサの体格の増大が抑制される。

受光素子（１０）と開口部（２３）の配置としては、請求項３に記載のように、複数の受光素子（１０）が、半導体基板（１０）の一面（１１ａ）側にマトリックス状に形成され、複数の開口部（２３）は、マトリックスを２分する分割線上に位置する基準点（Ｐ）から放射状に延びる仮想直線に沿って、対応する受光素子（１０）から離れるように、遮光膜（２２）に形成されており、開口部（２３）と、該開口部（２３）に対応する受光素子（１０）との離間距離は、基準点（Ｐ）と受光素子（１０）との距離に比例する構成を採用することができる。

請求項４に記載のように、マトリックスは、分割線によって、第１受光素子群（１０ａ）と第２受光素子群（１０ｂ）とに２分されており、算出部（３０）は、第１受光素子群（１０ａ）と第２受光素子群（１０ｂ）それぞれの出力信号を比較することで、光の入射方向を概算する構成が良い。

これによれば、第１受光素子群（１０ａ）の出力信号が第２受光素子群（１０ｂ）の出力信号よりも高くなる場合、光は、第１受光素子群（１０ａ）から分割線に向うように入射していることがわかる。反対に、第２受光素子群（１０ｂ）の出力信号が第１受光素子群（１０ａ）の出力信号よりも高くなる場合、光は、第２受光素子群（１０ｂ）から分割線に向うように入射していることがわかる。このように、２つの受光素子群（１０ａ，１０ｂ）それぞれの出力信号を比較することで、光の入射方向を概算することができる。

請求項５に記載のように、遮光膜（２２）は、透光膜（２１）に層状に複数形成されており、複数の遮光膜（２２）それぞれに形成された開口部（２３）によって、受光面に入射する光の角度が規定された構成が好ましい。これによれば、ある開口部（２３）から入射した光が、その開口部（２３）と対応する受光素子（１０）以外の受光素子（１０）に入射することが抑制される。これにより、各受光素子（１０）の出力信号に、意図しない開口部（２３）からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。

請求項１〜５に記載の制御部（５０）としては、例えば、請求項６に記載のように、アドレスデコーダを採用することができる。

光センサの概略構成を示す回路図である。 受光素子と開口部の配置を説明するための平面図である。 図２のIII−III線に沿う断面図である。 算出部の概略構成を説明するための回路図である。 規定部の変形性を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、光センサの概略構成を示す回路図である。図２は、受光素子と開口部の配置を説明するための平面図である。図３は、図２のIII−III線に沿う断面図である。図４は、算出部の概略構成を説明するための回路図である。なお、図２では、受光素子１０の形成位置を明瞭とするために、受光素子１０を実線で示し、開口部２３を破線で示している。また、図３では、受光素子１０の中心と、受光素子１０に対応する開口部２３の中心とを結ぶ仮想直線を破線で示している。

以下においては、複数の受光素子１０によって構成されるマトリックスの行に沿う方向を左右方向、列に沿う方向を前後方向と示す。なお、以下に示す左方とは、列番号が少ない側であり、右方とは、列番号が大きい側である。また、前方とは、行番号が少ない側であり、後方とは、行番号が大きい側である。

光センサ１００は、図１〜図３に示すように、要部として、受光素子１０と、規定部２０と、算出部３０と、選択スイッチ４０と、制御部５０と、を有する。受光素子１０と算出部３０とは、選択スイッチ４０を介して電気的に接続されており、受光素子１０の出力信号は、制御部５０によって閉状態とされた選択スイッチ４０を介して算出部３０に入力される。

受光素子１０は、光を電気信号に変換するものであり、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである。図２及び図３に示すように、２８個の受光素子１０が、半導体基板１１の一面１１ａ側に形成されており、２８個の受光素子１０によって、４行７列のマトリックスが構成されている。本実施形態では、マトリックスが、前後方向に沿う分割線（図２に二点鎖線で示す直線）によって、第１〜第４列の受光素子１０から成る第１受光素子群１０ａと、第４〜第７列の受光素子１０から成る第２受光素子群１０ｂとに２分されている。なお、図示しないが、半導体基板１１には、光センサ１００の構成要素３０〜５０が形成されており、これら構成要素は、半導体基板１１に形成された配線パターンを介して電気的に接続されている。

規定部２０は、２８個の受光素子１０それぞれの受光面に入射する光の入射角度が異なるように、光の入射角度を規定するものである。図３に示すように、規定部２０は、一面１１ａ上に形成された透光膜２１と、透光膜２１上に形成された遮光膜２２と、遮光膜２２に形成された投光用の開口部２３と、を有する。図３に破線で示すように、各受光素子１０の受光面の中心と、対応する開口部２３の中心とを結ぶ線の傾きが異なっており、各受光素子１０に入射する光の角度が異なっている。透光膜２１は絶縁性と透光性を有する材料から成り、このような性質を有する材料としては、例えば酸化シリコンＳｉＯ_２がある。遮光膜２２は、遮光性と導電性を有する材料から成り、このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。

図２に示すように、複数の規定部２０は、４行４列に位置する受光素子１０（基準点Ｐ）から放射状に延びる仮想直線（図示略）に沿って、対応する受光素子１０から離れるように、遮光膜２２に形成されている。そして、開口部２３と、該開口部２３に対応する受光素子１０との離間距離が、基準点Ｐと受光素子１０との距離に比例している。これにより、第１受光素子群１０ａでは、左方から入射する光を検出し易く、右方か入射する光を検出し難くなっている。反対に、第２受光素子群１０ｂでは、右方から入射する光を検出し易く、左方から入射する光を検出し難くなっている。また、各受光素子１０では、後方から入射する光を検出し難く、第４列の受光素子１０から、列番号が増減するにつれて、前方から入射する光を検出し難くなっている。以上、示したように、第１受光素子群１０ａを構成する受光素子１０は、左方から入射する光を検出し易く、第２受光素子群１０ｂを構成する受光素子１０は、左方から入射する光を検出し易く、第４列の受光素子１０は、前方から入射する光を検出し易くなっている。

算出部３０は、受光素子１０の出力信号に基づいて、光の入射角度を算出するものである。図４に示すように、算出部３０は、受光素子群１０ａ，１０ｂの出力信号を増幅する２つの増幅部３１ａ，３１ｂと、該増幅部３１ａ，３１ｂの出力信号を演算することで、光センサ１００に入射する光の入射方向を算出する演算部３２と、を有する。第１の増幅部３１ａは、第１受光素子群１０ａを構成する受光素子１０の各出力信号を加算しつつ増幅し、第２の増幅部３１ｂは、第２受光素子群１０ｂを構成する受光素子１０の各出力信号を加算しつつ増幅する。

演算部３２は、増幅部３１ａ，３１ｂそれぞれの出力信号が入力されると、加算して光の入射量を演算すると共に、２つの出力信号を比較することで、光の入射方向を概算する。例えば、第１受光素子群１０ａの出力信号が第２受光素子群１０ｂの出力信号よりも高くなる場合、光は、左方から入射していることがわかる。反対に、第２受光素子群１０ｂの出力信号が第１受光素子群１０ａの出力信号よりも高くなる場合、光は、右方から入射していることがわかる。このように、２つの受光素子群１０ａ，１０ｂそれぞれの出力信号を比較することで、光の入射方向を概算することができる。

本実施形態に係る演算部３２は、第１受光素子群１０ａの出力信号を、２つの受光素子群１０ａ，１０ｂの出力信号の総和によって割った値と、第２受光素子群１０ｂの出力信号を、２つの受光素子群１０ａ，１０ｂの出力信号の総和によって割った値と、を算出し、これら２つの値の比をとることで、光が、光センサ１００に対して左右方向からどれくらい入射しているのかを検出する。

選択スイッチ４０は、受光素子１０と算出部３０との接続を開閉制御するためのものであり、各受光素子１０と算出部３０との間に設けられている。本実施形態に係る選択スイッチ４０は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

制御部５０は、選択スイッチ４０の開閉を制御するものであり、アドレスデコーダである。制御部５０には、ＲＯＭなどの記憶部から設けられており、この記憶部に記憶された情報によって、どの選択スイッチに、電圧レベルがＨｉレベルの信号を常時出力して、どの受光素子１０と算出部３０とを電気的に接続するのかが決定されている。記憶部の情報は、用途に応じて決定される。例えば、受光素子１０の受光面と図３に破線で示す仮想直線とが成す角度（仰角）が大きい光を検出したい場合、第３〜第５列の受光素子１０に対応する選択スイッチ４０のみを常時閉状態とし、上記した角度が小さい光を検出したい場合、第１，２，６，７列の受光素子１０に対応する選択スイッチ４０のみを常時閉状態とする。このように、分割線を介して対称となるように、選択スイッチ４０が選択される。数式で表現すれば、ｎを１〜４までの自然数、ｍを１〜３までの自然数とすると、ｎ行（４−ｍ）列の受光素子１０に対応する選択スイッチ４０と、ｎ行（４＋ｍ）列の受光素子１０に対応する選択スイッチ４０と、が選択される。

次に、光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、受光素子１０と算出部３０とが選択スイッチ４０を介して電気的に接続されており、選択スイッチ４０の開閉が、制御部５０によって制御されている。これによれば、特に検出したい光の角度があったとしても、その用途に応じて、制御部５０の記憶部の情報を書き換えるだけでよくなるので、用途に応じて規定部を作成し直す構成と比べて、汎用性が向上される。

受光素子１０は、半導体基板１１の一面１１ａ側に形成され、規定部２０は、一面１１ａ上に形成された複数の薄膜２１，２２から成る。したがって、半導体基板の上方に、開口窓が形成された遮蔽板などが設けられた構成と比べて、光センサ１００の体格の増大が抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、２８個の受光素子１０が半導体基板１１に形成された例を示した。しかしながら、受光素子１０の数としては、上記例に限定されない。

本実施形態では、複数の受光素子１０が、マトリックス状に配置された例を示した。しかしながら、受光素子１０の配置例としては、上記例に限定されない。例えば、基準点Ｐから放射状に延びる仮想直線状に、受光素子１０が配置された構成を採用することもできる。

本実施形態では、図２に示すように、受光面積が相等しい複数の受光素子１０が、半導体基板１１に形成された例を示した。しかしながら、光の入射量を検出するために、他の受光素子１０よりも受光面積が大きい、入射量検出用の受光素子が、半導体基板１１に形成された構成を採用することもできる。

本実施形態では、図２に示すように、透光膜２１が１層であり、遮光膜２２が１層である例を示した。しかしながら、透光膜２１及び遮光膜２２それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、図５に示すように、透光膜２１が２層であり、遮光膜２２が２層である構成を採用することもできる。このように、透光膜２１に遮光膜２２が多層に形成されると、一層の遮光膜２２に開口部２３が形成された構成と比べて、半導体基板１１に入射する光の範囲を狭めることができる。これにより、ある開口部２３から入射した光が、その開口部２３と対応する受光素子１０以外の受光素子１０に入射することが抑制され、受光素子１０の出力信号に、意図しない開口部２３からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。図５は、規定部の変形性を説明するための断面図である。

１０・・・受光素子
２０・・・規定部
３０・・・算出部
４０・・・選択スイッチ
５０・・・制御部
１００・・・光センサ

Claims (6)

1. 複数の受光素子（１０）と、
   全ての前記受光素子（１０）それぞれの受光面に入射する光の入射角度が異なるように、光の入射角度を規定する規定部（２０）と、
   前記受光素子（１０）の出力信号に基づいて、光の入射角度を算出する算出部（３０）と、を備える光センサであって、
   全ての前記受光素子（１０）それぞれと前記算出部（３０）との間に設けられた選択スイッチ（４０）と、
   前記選択スイッチ（４０）の開閉を制御する制御部（５０）と、を有することを特徴とする光センサ。
2. 前記受光素子（１０）は、半導体基板（１１）の一面１１ａ側に形成され、
   前記規定部（２０）は、前記一面（１１ａ）上に形成された透光膜（２１）と、前記透光膜（２１）を介して前記一面（１１ａ）上に形成された遮光膜（２２）と、該遮光膜（２２）に形成された投光用の開口部（２３）とから成ることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 複数の前記受光素子（１０）が、前記半導体基板（１０）の一面（１１ａ）側にマトリックス状に形成され、
   複数の前記開口部（２３）は、前記マトリックスを２分する分割線上に位置する基準点（Ｐ）から放射状に延びる仮想直線に沿って、対応する受光素子（１０）から離れるように、前記遮光膜（２２）に形成されており、
   前記開口部（２３）と、該開口部（２３）に対応する受光素子（１０）との離間距離は、前記基準点（Ｐ）と前記受光素子（１０）との距離に比例することを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
4. 前記マトリックスは、前記分割線によって、第１受光素子群（１０ａ）と第２受光素子群（１０ｂ）とに２分されており、
   前記算出部（３０）は、前記第１受光素子群（１０ａ）と前記第２受光素子群（１０ｂ）それぞれの出力信号を比較することで、光の入射方向を概算することを特徴とする請求項３に記載の光センサ。
5. 前記遮光膜（２２）は、前記透光膜（２１）に層状に複数形成されており、複数の前記遮光膜（２２）それぞれに形成された開口部（２３）によって、前記受光面に入射する光の角度が規定されていることを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の光センサ。
6. 前記制御部（５０）は、アドレスデコーダであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光センサ。

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