JP5429201B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本発明は、複数の受光素子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、光量に応じた信号を出力する受光素子と、受光素子の上方に支持され、光の入射角度に応じて受光素子への光量を変更する光量変更部材と、を備える光センサが提案されている。各受光素子には、オペアンプとレーザトリミング抵抗による電流・電圧変換回路が接続されており、レーザトリミング抵抗の抵抗値を調整することで、各受光素子の出力信号のゲインを調整している。

特許第３８８２３７８号公報

上記したように、特許文献１に示される光センサでは、各受光素子に電流・電圧変換回路が接続され、受光素子の数だけあるレーザトリミング抵抗の抵抗値をレーザトリミングによって調整する。そのため、コストが嵩む、という問題が生じる虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、各受光素子の出力信号のゲインを調整しつつ、コストが嵩むことが抑制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、受光量に応じた電荷を蓄積する複数の受光素子と、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、全ての受光素子それぞれと共通して電気的に接続された共通配線と、対応する受光素子と共通配線との間に設けられた転送スイッチと、各受光素子に対して設けられ、受光素子に蓄積された電荷をリセットするリセット部と、転送スイッチの開閉、及び、リセット部の駆動を制御する制御部と、を有し、リセット部は、受光素子とグランドとの間に配置されたリセットスイッチであり、制御部は、各受光素子に対応するリセットスイッチそれぞれに、リセットスイッチを開閉制御するリセット信号を異なるタイミングで出力し、各受光素子に対応する転送スイッチそれぞれに、転送スイッチを開閉制御する転送信号を同時に出力することで、各受光素子から前記共通配線に出力される電荷の量を調整することを特徴とする。

受光素子に電荷が蓄積される時間（蓄積時間）は、リセット部が駆動せず且つ転送スイッチが開状態である時間に相当する。したがって、請求項１に記載のように、転送スイッチの開閉とリセット部の駆動とを調整することで、受光素子から共通配線に出力される電荷の量、すなわち、受光素子の出力信号のゲインを調整することができる。これによれば、各受光素子にオペアンプとレーザトリミング抵抗による電流・電圧変換回路が接続され、レーザトリミング抵抗の抵抗値を調整する構成と比べて、コストが嵩むことを抑制しつつ、各受光素子の出力信号のゲインを調整することができる。

蓄積時間は、リセットスイッチ及び転送スイッチそれぞれが開状態である時間に相当する。したがって、請求項１に記載のように、制御部から、各受光素子に対応するリセットスイッチへのリセット信号の出力タイミングを異ならせ、各受光素子に対応する転送スイッチへの転送信号の出力タイミングを同時とすることで、各受光素子から共通配線に出力される電荷の量、すなわち、受光素子の出力信号のゲインを調整することができる。

また、制御部から、各受光素子に対応する転送スイッチへの転送信号の出力タイミングが同時となるので、ゲインが調整された各受光素子の出力信号が、同時に共通配線に出力されることとなる。これにより、ゲインが調整された各受光素子の出力信号が共通配線にて加算され、加算された信号が共通配線から出力されるので、光センサの回路構成が簡素化され、コストが嵩むことが抑制される。なお、請求項１に記載のリセットスイッチとしては、請求項２に記載のように、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴを採用することができる。

請求項３，４に記載の発明の作用効果は、請求項１，２に記載の発明の作用効果と同等なので、その記載を省略する。

請求項５に記載のように、受光素子は、半導体基板の一面側に形成され、規定部は、一面上に、透光膜を介して形成された遮光膜と、該遮光膜に形成された投光用の開口部とから成る構成を採用することができる。このように、規定部が、半導体基板に形成された薄膜から成るので、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。

請求項６に記載のように、複数の開口部それぞれの開口面積が異なる構成が好ましい。これによれば、各受光素子の出力信号のゲイン比を、各開口部の開口面積比によって調整することができる。

請求項７に記載のように、遮光膜は、透光膜に層状に複数形成されており、複数の遮光膜それぞれに形成された開口部によって、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、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子の出力信号に、意図しない開口部からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。

光センサ装置の概略構成を示す回路図である。 規定部と受光素子とを説明するための断面図である。 制御信号を説明するためのタイミングチャートである。

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、光センサ装置の概略構成を示す回路図である。図２は、規定部と受光素子とを説明するための断面図である。図３は、制御信号を説明するためのタイミングチャートである。なお、図１では規定部２０の記載を省略し、図２では、受光素子１０の中心と、受光素子１０に対応する開口部２２の中心とを結ぶ仮想直線を破線で示している。

光センサ１００は、図１及び図２に示すように、要部として、受光素子１０と、規定部２０と、リセットスイッチ３０と、転送スイッチ４０と、制御部５０と、増幅回路６０と、を有する。受光素子１０に光が入射すると、その光量に応じた電荷が受光素子１０に蓄積され、転送スイッチ４０が閉状態となると、受光素子１０に蓄積された電荷が、転送スイッチ４０を介して増幅回路６０に出力される。なお、リセットスイッチ３０が閉状態となると、受光素子１０に蓄積された電荷が、リセットスイッチ３０を介してグランドに流れ、受光素子１０の電荷蓄積量はゼロとなる。

受光素子１０は、受光量に応じた電荷を蓄積するものであり、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである。図１に示すように、受光素子１０のカソード電極は電源に接続され、アノード電極はリセットスイッチ３０を介してグランドに接続されており、図２に示すように、受光素子１０は、半導体基板１１の一面１１ａ側に形成されている。図２では、代表例として、３つの受光素子１０ａ〜１０ｃを図示しているが、本実施形態では、９つの受光素子１０ａ〜１０ｉが一面１１ａ側に形成されている。

一面１１ａ上には透光膜１２が形成されており、透光膜１２に規定部２０が形成されている。透光膜１２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。図示しないが、半導体基板１１には、光センサ１００の構成要素３０〜６０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、受光素子１０ａ〜１０ｉ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。規定部２０は、透光膜１２に形成された遮光膜２１と、遮光膜２１に形成された投光用の開口部２２と、を有する。遮光膜２１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に破線で示すように、受光素子１０ａ〜１０ｃそれぞれの受光面の中心と、対応する開口部２２の中心とを結ぶ線の傾きが異なっており、受光素子１０ａ〜１０ｃの入射角度が異なっている。本実施形態では、開口部２２によって、第１受光素子１０ａの仰角が９０°、第２受光素子１０ｂの仰角が８０°、第３受光素子１０ｃの仰角が７０°に規定されている。なお、図示しないが、開口部２２によって、第４受光素子１０ｄの仰角が６０°、第５受光素子１０ｅの仰角が５０°、第６受光素子１０ｆの仰角が４０°、第７受光素子１０ｇの仰角が３０°、第８受光素子１０ｈの仰角が２０°、第９受光素子１０ｉの仰角が１０°に規定されている。

リセットスイッチ３０は、受光素子１０とグランドとの接続を開閉制御するためのものであり、受光素子１０とグランドとの間に設けられている。図１に示すように、リセットスイッチ３０は、９つのリセットスイッチ３０ａ〜３０ｉを有しており、各受光素子１０ａ〜１０ｉは、対応するリセットスイッチ３０ａ〜３０ｉを介して、グランドと接続されている。本実施形態に係るリセットスイッチ３０は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、特許請求の範囲に記載のリセット部に相当する。

転送スイッチ４０は、受光素子１０と増幅回路６０（共通配線６１）との接続を開閉制御するためのものあり、受光素子１０とリセットスイッチ３０との中点と共通配線６１との間に設けられている。図１に示すように、転送スイッチ４０は、９つの転送スイッチ４０ａ〜４０ｉを有しており、各受光素子１０ａ〜１０ｉは、対応する転送スイッチ４０ａ〜４０ｉを介して、共通配線６１と接続されている。本実施形態に係る転送スイッチ４０は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

制御部５０は、スイッチ３０，４０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からはパルス状の制御信号が各スイッチ３０，４０に出力される。制御信号としては、リセットスイッチ３０を開閉制御するリセット信号と、転送スイッチ４０を開閉制御する転送信号と、がある。これら２つの制御信号それぞれのパルス周期とデューティ比は同一であるが、パルスの立下り（立上り）タイミングが異なる。

増幅回路６０は、共通配線６１を介して、各受光素子１０ａ〜１０ｉと電気的に接続されており、各受光素子１０ａ〜１０ｉの出力信号が加算された加算信号を増幅して、外部に出力する機能を果たす。

次に、光センサ１００の動作を図３に基づいて説明する。図３では、煩雑となることを避けるために、９つのリセットスイッチ３０ａ〜３０ｉに入力される９つのリセット信号の内、３つのリセットスイッチ３０ａ〜３０ｃに入力される３つのリセット信号だけを図示し、９つの転送スイッチ４０ａ〜４０ｉに入力される９つの転送信号それぞれは同一なので、１つにまとめて図示した。

上記したように、リセットスイッチ３０及び転送スイッチ４０は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。したがって、電圧レベルの低い信号（以下、Ｌｏ信号と示す）がリセットスイッチ３０に入力されると、受光素子１０はリセットスイッチ３０を介してグランドに接続され、受光素子１０に蓄積された電荷がリセットされる。また、Ｌｏ信号が転送スイッチ４０に入力されると、受光素子１０は転送スイッチ４０を介して共通配線６１に接続され、受光素子１０に蓄積された電荷が、共通配線６１に出力される。

上記したように、２つの制御信号それぞれのパルス周期とデューティ比は同一であるが、パルスの立下り（立上り）タイミングは異なる。したがって、転送信号の１パルス周期間に、受光素子１０に電荷が蓄積される時間は２つあることとなる。それは、転送信号の立上りエッジから、リセット信号の立下りエッジまでの第１蓄積時間と、リセット信号の立上りエッジから、転送信号の立下りエッジまでの第２蓄積時間と、である。第１蓄積時間は、転送スイッチ４０が閉状態から開状態に移行したタイミングから、リセットスイッチ３０が開状態から閉状態に移行するタイミングまでの時間であり、第２蓄積時間は、リセットスイッチ３０が閉状態から開状態に移行したタイミングから、転送スイッチ４０が開状態から閉状態に移行するタイミングまでの時間である。

図３に示すように、各転送スイッチ４０ａ〜４０ｉに入力される転送信号は相等しいが、各リセットスイッチ３０ａ〜３０ｉに入力されるリセット信号のパルスの立下り（立上り）タイミングは異なる。したがって、各受光素子１０ａ〜１０ｉの総蓄積時間（第１蓄積時間と第２蓄積時間の和）は互いに相等しいが、第１蓄積時間及び第２蓄積時間が異なることとなる。

第１蓄積時間の間に蓄積された電荷は、リセットスイッチ３０へＬｏ信号が入力されると、受光素子１０はリセットスイッチ３０を介してグランドに接続されるので、リセットされる。したがって、第１蓄積時間に蓄積された電荷は、共通配線６１に出力されないこととなる。これに対して、第２蓄積時間の間に蓄積された電荷は、転送スイッチ４０へＬｏ信号が入力されると、受光素子１０は転送スイッチ４０を介して共通配線６１に接続されるので、共通配線６１に出力されることとなる。このように、各受光素子１０ａ〜１０ｉからは、第２蓄積時間に依存した電荷量の信号（ゲインが調整された信号）が出力される。

上記したように、各転送スイッチ４０ａ〜４０ｉに入力される転送信号は、同一となっている。したがって、ゲインが調整された各受光素子１０ａ〜１０ｉの出力信号は、共通配線６１に同時に出力され、共通配線６１にて加算される。この加算された信号が、増幅回路６０に出力される。なお、図３では、受光素子１０ａ〜１０ｉそれぞれの第２蓄積時間（第１蓄積時間）を異ならせており、受光素子１０ａ〜１０ｉそれぞれの出力信号のゲイン比を異ならせている。

次に、光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、リセットスイッチ３０及び転送スイッチ４０の開閉（第２蓄積時間）を調整することで、各受光素子１０ａ〜１０ｉから共通配線６１に出力される電荷の量、すなわち、受光素子１０ａ〜１０ｉそれぞれの出力信号のゲインを調整することができる。これによれば、各受光素子にオペアンプとレーザトリミング抵抗による電流・電圧変換回路が接続され、レーザトリミング抵抗の抵抗値を調整する構成と比べて、コストが嵩むことを抑制しつつ、各受光素子１０ａ〜１０ｉの出力信号のゲインを調整することができる。

各転送スイッチ４０ａ〜４０ｉに入力される転送信号は、同一となっている。これにより、ゲインが調整された各受光素子１０ａ〜１０ｉの出力信号が共通配線６１にて加算され、加算された信号が共通配線６１から出力されるので、光センサ１００の回路構成が簡素化され、コストが嵩むことが抑制される。

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、透光膜１２を介して形成された遮光膜２１と、該遮光膜２１に形成された開口部２２とから成る。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、９つの受光素子１０ａ〜１０ｉ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ず、３つ以上であればよい。

本実施形態では、図２に示すように、透光膜１２が１層であり、遮光膜２１が１層である例を示した。しかしながら、透光膜１２及び遮光膜２１それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、透光膜１２が２層であり、遮光膜２１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１２に遮光膜２１が多層に形成されると、一層の遮光膜２１に開口部２２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２２から入射した光が、その開口部２２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２２からの光出力（外乱出力）が含まれることが抑制される。

本実施形態では、各受光素子１０ａ〜１０ｉの受光面積と、対応する開口部２２の開口面積との関係を特に言及しなかった。しかしながら、例えば、各受光素子１０ａ〜１０ｉの受光面積と対応する開口部２２の開口面積とが互いに等しくとも良いし、異なっていても良い。また、各受光素子１０ａ〜１０ｉに対応する開口部２２の開口面積それぞれを等しくしても良いし、異ならせても良い。特に、各受光素子１０ａ〜１０ｉに対応する開口部２２それぞれで開口面積が異なるようにした場合、各受光素子１０ａ〜１０ｉの出力信号のゲイン比を、各開口部２２の開口面積比によっても調整することができるので、好ましい。

本実施形態では、リセット信号、転送信号それぞれのデューティ比が同一である例を示したが、異なっていても良い。

本実施形態では、リセットスイッチ３０及び転送スイッチ４０が、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである例を示した。しかしながら、リセットスイッチ３０及び転送スイッチ４０としては、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを採用することもできる。この場合、リセットスイッチ３０は、受光素子１０のカソード電極と電源との間に接続され、転送スイッチ４０は、受光素子１０と電源との中点と共通配線６１との間に設けられる。リセットスイッチ３０が閉状態となると、受光素子１０に電源電圧が印加され、受光素子１０に蓄積された電荷がリセットされる。なお、制御信号（リセット信号と転送信号）の電圧レベルは反転する。

１０・・・受光素子
２０・・・規定部
３０・・・リセットスイッチ
４０・・・転送スイッチ
５０・・・制御部
６０・・・増幅回路
１００・・・光センサ

Claims (7)

1. 受光量に応じた電荷を蓄積する複数の受光素子と、
   全ての前記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、
   全ての前記受光素子それぞれと共通して電気的に接続された共通配線と、
   対応する前記受光素子と前記共通配線との間に設けられた転送スイッチと、
   各受光素子に対して設けられ、前記受光素子に蓄積された電荷をリセットするリセット部と、
   前記転送スイッチの開閉、及び、前記リセット部の駆動を制御する制御部と、を有し、
   前記リセット部は、前記受光素子とグランドとの間に配置されたリセットスイッチであり、
   前記制御部は、各受光素子に対応する前記リセットスイッチそれぞれに、前記リセットスイッチを開閉制御するリセット信号を異なるタイミングで出力し、各受光素子に対応する前記転送スイッチそれぞれに、前記転送スイッチを開閉制御する転送信号を同時に出力することで、各受光素子から前記共通配線に出力される電荷の量を調整することを特徴とする光センサ。
2. 前記リセットスイッチは、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 受光量に応じた電荷を蓄積する複数の受光素子と、
   全ての前記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、
   全ての前記受光素子それぞれと共通して電気的に接続された共通配線と、
   対応する前記受光素子と前記共通配線との間に設けられた転送スイッチと、
   各受光素子に対して設けられ、前記受光素子に蓄積された電荷をリセットするリセット部と、
   前記転送スイッチの開閉、及び、前記リセット部の駆動を制御する制御部と、を有し、
   前記リセット部は、前記受光素子と電源との間に配置されたリセットスイッチであり、
   前記制御部は、各受光素子に対応する前記リセットスイッチそれぞれに、前記リセットスイッチを開閉制御するリセット信号を異なるタイミングで出力し、各受光素子に対応する前記転送スイッチそれぞれに、前記転送スイッチを開閉制御する転送信号を同時に出力することで、各受光素子から前記共通配線に出力される電荷の量を調整することを特徴とする光センサ。
4. 前記リセットスイッチは、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項３に記載の光センサ。
5. 前記受光素子は、半導体基板の一面側に形成され、
   前記規定部は、前記一面上に、透光膜を介して形成された遮光膜と、該遮光膜に形成された投光用の開口部とから成ることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の光センサ。
6. 複数の前記開口部それぞれの開口面積が異なることを特徴とする請求項５に記載の光センサ。
7. 前記遮光膜は、前記透光膜に層状に複数形成されており、複数の前記遮光膜それぞれに形成された開口部によって、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５又は請求項６に記載の光センサ。

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