JP5724384B2

JP5724384B2 - 光センサ

Info

Publication number: JP5724384B2
Application number: JP2011001101A
Authority: JP
Inventors: 道山　勝教; 勝教道山; 孝允大倉; 遠藤　昇; 昇遠藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-01-06
Also published as: JP2012141261A

Description

本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応した透光用の開口部が形成された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、複数の受光素子がマトリックス状に配置された受光手段と、受光手段に入射する光の入射角に応じて、複数の受光素子に照射される入射光の照射範囲を規定する規定手段と、受光素子の位置に基づいて設定された増幅率で、複数の受光素子から出力される検出信号を増幅して出力する増幅手段と、を備える光センサが提案されている。特許文献１の図１〜図３に示されるように、受光手段の上方にカバーが設けられており、カバーは、中央に１つの通光孔が形成された遮光板（規定手段）を有する。受光素子の受光面積よりも、通光孔の開口面積の方が大きくなっており、通光孔を介して受光手段に入射する光が、複数の受光素子に入射する構成となっている。

特開２００５−２４９４７８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、複数の受光素子に１つの通光孔が対応し、受光面積よりも開口面積が大きくなっている。このため、各受光素子の受光面に入射する光の角度範囲（指向性）が広くなり、各受光素子の指向特性に差異が生じ難かった。したがって、複数の受光素子それぞれの出力信号に基づいて、光の入射角度を検出しようとする場合、入射角度の検出精度に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、指向性を狭くすることで、光の入射角度の検出精度を向上することが可能な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、半導体基板（１１）の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子（２０）が複数形成され、半導体基板（１１）における受光素子（２０）の形成面（１１ａ）上に、透光膜（３０）を介して遮光膜（４０）が形成され、遮光膜（４０）に、受光素子（２０）それぞれに対応した透光用の開口部（４１）が形成された光センサであって、少なくとも３つの受光素子（２０）の中心と、各受光素子（２０）に対応する開口部（４１）の中心とを結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なるように、受光素子（２０）が半導体基板（１１）に形成され、開口部（４１）が遮光膜（４０）に形成されており、受光素子（２０）の受光面積が、対応する開口部（４１）の開口面積と略同一であり、複数の受光素子（２０）が、半導体基板（１１）の一面側にマトリックス状に形成され、複数の開口部（４１）が、マトリックスの中心点（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（２０）から離れるように、遮光膜（４０）に形成され、開口部（４１）と、該開口部（４１）に対応する受光素子（２０）との離間距離は、中心点（Ｐ）と受光素子（２０）との距離に比例しており、各受光素子（２０）の出力信号に基づいて、半導体基板（１１）に入射する光の仰角と左右角とを算出する算出部（５０）を有し、受光素子（２０）によって構成されるマトリックスは、一方が行番号の増減する方向に沿い、他方が列番号の増減する方向に沿い、中心点（Ｐ）にて交差する十字線によって、４つの受光素子群（２１〜２４）に分割され、４つの受光素子群（２１〜２４）は、行番号と列番号とが小さい第１受光素子群（２１）、行番号が大きく列番号が小さい第２受光素子群（２２）、行番号が小さく列番号が大きい第３受光素子群（２３）、及び、行番号と列番号とが大きい第４受光素子群（２４）であり、算出部（５０）は、４つの受光素子群（２１〜２４）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しており、前記第１受光素子群（２１）と前記第２受光素子群（２２）の出力信号、若しくは、前記第３受光素子群（２３）と前記第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の左右角を算出し、前記第１受光素子群（２１）と前記第３受光素子群（２３）の出力信号、若しくは、前記第２受光素子群（２２）と前記第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の仰角を算出することを特徴とする。

本発明によれば、光の強度と角度とを含む、それぞれの値が異なる出力信号を、少なくとも３つ得ることができるので、光の入射角度を検出することが可能となっている。

また、本発明では、受光素子（２０）の受光面積が、対応する開口部（４１）の開口面積と略同一となっている。これにより、複数の受光素子に１つの開口部が対応し、受光面積よりも開口面積が大きい構成と比べて、各受光素子（２１）の受光面に入射する光の角度範囲（指向性）が狭くなる。この結果、各受光素子（２１）の指向特性が向上されるので、各受光素子（２１）の出力信号に基づいて光の入射角度を検出する場合、光の入射角度の検出精度が向上される。なお、上記した仰角とは、受光素子（２０）の受光面に平行な直線と光の進行方向とが成す角度であり、左右角とは、半導体基板（１１）における基準点（Ｐ）周りの角度である。

なお、請求項１では、「略同一」と記載した。この略との記載は、受光素子（２０）の受光面積と、開口部（４１）の開口面積とを全く同一となるように製造しようと試みた際に、製造誤差のために、必ずしも全く同一のものを作成することはできないので、製造誤差が含まれることを明瞭とするためである。したがって、請求項１に記載の「略同一」とは、同一を包含し、その包含範囲が製造誤差範囲程度であることを示している。

受光素子（２０）と開口部（４１）の配置としては、請求項１に記載のように、複数の受光素子（２０）が、半導体基板（１１）の一面側にマトリックス状に形成され、複数の開口部（４１）が、マトリックスの中心点（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（２０）から離れるように、遮光膜（４０）に形成されており、開口部（４１）と、該開口部（４１）に対応する受光素子（２０）との離間距離は、中心点（Ｐ）と受光素子（２０）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１に記載のように、各受光素子（２０）の出力信号に基づいて、半導体基板（１１）に入射する光の仰角と左右角とを算出する算出部（５０）を有し、受光素子（２０）によって構成されるマトリックスは、一方が行番号の増減する方向に沿い、他方が列番号の増減する方向に沿い、中心点（Ｐ）にて交差する十字線によって、４つの受光素子群（２１〜２４）に分割され、４つの受光素子群（２１〜２４）は、行番号と列番号とが小さい第１受光素子群（２１）、行番号が大きく列番号が小さい第２受光素子群（２２）、行番号が小さく列番号が大きい第３受光素子群（２３）、及び、行番号と列番号とが大きい第４受光素子群（２４）であり、算出部（５０）は、４つの受光素子群（２１〜２４）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（２１）の出力信号が最大となる場合、光は、第１受光素子群（２１）から中心点（Ｐ）に向うように入射していることがわかり、第２受光素子群（２２）の出力信号が最大となる場合、光は、第２受光素子群（２２）から中心点（Ｐ）に向うように入射していることがわかる。また、第３受光素子群（２３）の出力信号が最大となる場合、光は、第３受光素子群（２３）から中心点（Ｐ）に向うように入射していることがわかり、第４受光素子群（２４）の出力信号が最大となる場合、光は、第４受光素子群（２４）から中心点（Ｐ）に向うように入射していることがわかる。このように、４つの受光素子群（２１〜２４）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１に記載のように、算出部（５０）は、第１受光素子群（２１）と第２受光素子群（２２）の出力信号、若しくは、第３受光素子群（２３）と第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の左右角を算出し、第１受光素子群（２１）と第３受光素子群（２３）の出力信号、若しくは、第２受光素子群（２２）と第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の仰角を算出する構成が良い。

請求項２に記載のように、遮光膜（４０）は、透光膜（３０）に多層に形成され、各層の遮光膜（４０）に形成された開口部（４１）によって、光の仰角が規定された構成が好ましい。

これによれば、ある開口部（４１）から入射した光が、その開口部（４１）と対応する受光素子（２０）以外の受光素子（２０）に入射することが抑制される。これにより、各受光素子（２０）の出力信号に、外乱出力が含まれることが抑制される。

第１実施形態に係る光センサの概略構成を示すブロック図である。センサ部の概略構成を示す平面図である。センサ部の断面図である。算出部を説明するための概略的な回路図である。

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、第１実施形態に係る光センサの概略構成を示すブロック図である。図２は、センサ部の概略構成を示す平面図である。図３は、センサ部の断面図である。図４は、算出部を説明するための概略的な回路図である。なお、図２では、受光素子２０の形成位置を明瞭とするために、受光素子２０を実線で示し、開口部４１を破線で示している。また、煩雑と成ることを避けるために、一部の受光素子２０と開口部４１を省略している。更に、図３では、受光素子２０の中心と、各受光素子２０に対応する開口部４１の中心とを結ぶ仮想直線を破線で示している。ちなみに、下記に示す仰角とは、受光素子２０の受光面に平行な直線と光の進行方向（図３の仮想直線）とが成す角度であり、左右角とは、半導体基板１１の基準点（図２に示す中心点Ｐ）周りの角度である。

図１に示すように、光センサ１００は、要部として、センサ部１０と算出部５０を有する。図２〜図４に示すように、センサ部１０は、半導体基板１１と、受光素子２０と、透光膜３０と、遮光膜４０とを有し、算出部５０は、増幅部５１と演算部５２とを有する。半導体基板１１の一面側に受光素子２０が形成され、その受光素子２０の形成面１１ａ上に透光膜３０が形成され、その透光膜３０に遮光膜４０が形成されている。そして、遮光膜４０には、透光用の開口部４１が形成されており、この開口部４１を介して、光が受光素子２０に入射するようになっている。受光素子２０と算出部５０とは電気的に接続されており、受光素子２０の出力信号は、算出部５０によって処理される。

半導体基板１１は、矩形状を成し、上記した受光素子２０や、算出部５０を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１１に形成された配線パターン（図示略）を介して電気的に接続されている。

受光素子２０は、光を電気信号に変換するものである。本実施形態に係る受光素子２０は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである。図１〜図３に示すように、複数の受光素子２０がマトリックス状に配置され、８１個の受光素子２０によって、９行９列のマトリックスが構成されている。９行９列のマトリックスは、一方が行番号の増減する方向（以下、行方向と示す）に沿い、他方が列番号の増減する方向（以下、列方向と示す）に沿い、マトリックスの中心点Ｐにて交差する十字線（図２に一点鎖線で示す線）によって、４つの受光素子群２１〜２４に分割されている。第１受光素子群２１を構成する受光素子２０の行番号と列番号は共に小さく、第２受光素子群２２を構成する受光素子２０の行番号は大きく列番号は小さくなっている。また、第３受光素子群２３を構成する受光素子２０の行番号は小さく列番号は大きく、第４受光素子群２４を構成する受光素子２０の行番号と列番号は共に大きくなっている。そして、受光素子群２１，２２は行番号が５以下である第５列目の受光素子２０を共有し、受光素子群２３，２４は行番号が５以上である第５列目の受光素子２０を共有している。また、受光素子群２１，２３は列番号が５以下である第５行目の受光素子２０を共有し、受光素子群２２，２４は列番号が５以上である第５行目の受光素子２０を共有している。図２では、煩雑と成ることを避けるために、第３受光素子群２３と、第３受光素子群２３を構成する受光素子２０に対応する開口部４１のみを正確に記述している。

透光膜３０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばシリコン酸化膜がある。図３に示すように、一層の透光膜３０が、形成面１１ａ上に形成されている。

遮光膜４０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。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３に示すように、遮光膜４０は、透光膜３０の上に形成されており、一層の遮光膜４０が、透光膜３０を介して形成面１１ａ上に形成されている。遮光膜４０には、８１個の受光素子２０それぞれに対応した、８１個の開口部４１が形成されており、開口部４１の開口面積は、受光素子２０の受光面積と略同一となっている。図２に示すように、本実施形態では、８１個の開口部４１が、中心点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２０から離れるように、遮光膜４０に形成されており、開口部４１と、該開口部４１に対応する受光素子２０との離間距離は、中心点Ｐと受光素子２０との距離に比例している。なお、図示しないが、遮光膜４０は、半導体基板１１に形成された配線パターンと電気的に接続しており、各電子素子を電気的に接続する配線としての機能も果たすようになっている。

算出部５０は、各受光素子２０の出力信号に基づいて、半導体基板１１に入射する光の仰角と左右角とを算出するものである。図４に示すように、算出部５０は、各受光素子２０の出力信号を増幅する４つの増幅部５１と、該増幅部５１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量、仰角、及び左右角を算出する演算部５２と、を有する。第１の増幅部５１ａは、第１受光素子群２１を構成する受光素子２０の各出力信号を加算しつつ増幅し、第２の増幅部５１ｂは、第２受光素子群２２を構成する受光素子２０の各出力信号を加算しつつ増幅する。また、第３の増幅部５１ｃは、第３受光素子群２３を構成する受光素子２０の各出力信号を加算しつつ増幅し、第４の増幅部５１ｄは、第４受光素子群２４を構成する受光素子２０の各出力信号を加算しつつ増幅する。

演算部５２は、増幅部５１ａ〜５１ｄ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、４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２１の出力信号が最大となる場合、光は、第１受光素子群２１から中心点Ｐに向うように入射していることがわかり、第２受光素子群２２の出力信号が最大となる場合、光は、第２受光素子群２２から中心点Ｐに向うように入射していることがわかる。また、第３受光素子群２３の出力信号が最大となる場合、光は、第３受光素子群２３から中心点Ｐに向うように入射していることがわかり、第４受光素子群２４の出力信号が最大となる場合、光は、第４受光素子群２４から中心点Ｐに向うように入射していることがわかる。このように、演算部５２は、４つの出力信号（受光素子群２１〜２４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。

また、行方向に沿う光が受光素子群２１，２３に入射する量と受光素子群２２，２４に入射する量とは異なり、列方向に沿う光が受光素子群２１，２２に入射する量と受光素子群２３，２４に入射する量とは異なるので、演算部５２は、受光素子群２１，２２の出力信号、若しくは、受光素子群２３，２４の出力信号に基づいて光の左右角を算出し、受光素子群２１，２３の出力信号、若しくは、受光素子群２２，２４の出力信号に基づいて光の仰角を算出する。

次に、本実施形態に係る光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、受光素子２０の受光面積が、対応する開口部４１の開口面積と略同一となっている。したがって、複数の受光素子に１つの開口部が対応し、受光面積よりも開口面積が大きい構成と比べて、各受光素子２０の受光面に入射する光の角度範囲（指向性）が狭くなる。この結果、各受光素子２０の指向特性が向上され、光の入射角度の検出精度が向上される。

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、４つの受光素子群２１〜２４が構成される例を示した。しかしながら、群の数としては３つ以上であれば良い。

本実施形態では、８１個の受光素子２０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２０の数としては、３つ以上であればよく、上記例に限定されない。

本実施形態では、透光膜３０が１層であり、遮光膜４０が１層である例を示した。しかしながら、透光膜３０及び遮光膜４０それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、透光膜３０が２層であり、遮光膜４０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３０に遮光膜４０が多層に形成されると、一層の遮光膜４０に開口部４１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４１から入射した光が、その開口部４１と対応する受光素子２０以外の受光素子２０に入射することが抑制され、各受光素子２０の出力信号に、外乱出力が含まれることが抑制される。

本実施形態では、遮光膜４０が、遮光性と導電性を有する材料から成る例を示した。しかしながら、遮光膜４０によって、半導体基板１１に形成された各電子素子を電気的に接続しなくとも良い場合、遮光膜４０を、光を吸収する性質を有する材料によって形成しても良い。

１０・・・センサ部
１１・・・半導体基板
２０・・・受光素子
２１〜２４・・・受光素子群
３０・・・透光膜
４０・・・遮光膜
４１・・・開口部
５０・・・算出部
５１・・・増幅部
５２・・・演算部
１００・・・光センサ

Claims

半導体基板（１１）の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子（２０）が複数形成され、前記半導体基板（１１）における前記受光素子（２０）の形成面（１１ａ）上に、透光膜（３０）を介して遮光膜（４０）が形成され、前記遮光膜（４０）に、前記受光素子（２０）それぞれに対応した透光用の開口部（４１）が形成された光センサであって、
少なくとも３つの前記受光素子（２０）の中心と、各受光素子（２０）に対応する前記開口部（４１）の中心とを結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なるように、前記受光素子（２０）が前記半導体基板（１１）に形成され、前記開口部（４１）が前記遮光膜（４０）に形成されており、
前記受光素子（２０）の受光面積が、対応する前記開口部（４１）の開口面積と略同一であり、
複数の前記受光素子（２０）が、前記半導体基板（１１）の一面側にマトリックス状に形成され、
複数の前記開口部（４１）が、前記マトリックスの中心点（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（２０）から離れるように、前記遮光膜（４０）に形成され、
前記開口部（４１）と、該開口部（４１）に対応する受光素子（２０）との離間距離は、前記中心点（Ｐ）と前記受光素子（２０）との距離に比例しており、
各受光素子（２０）の出力信号に基づいて、前記半導体基板（１１）に入射する光の仰角と左右角とを算出する算出部（５０）を有し、
前記受光素子（２０）によって構成されるマトリックスは、一方が行番号の増減する方向に沿い、他方が列番号の増減する方向に沿い、前記中心点（Ｐ）にて交差する十字線によって、４つの受光素子群（２１〜２４）に分割され、
４つの前記受光素子群（２１〜２４）は、行番号と列番号とが小さい第１受光素子群（２１）、行番号が大きく列番号が小さい第２受光素子群（２２）、行番号が小さく列番号が大きい第３受光素子群（２３）、及び、行番号と列番号とが大きい第４受光素子群（２４）であり、
前記算出部（５０）は、４つの前記受光素子群（２１〜２４）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しており、前記第１受光素子群（２１）と前記第２受光素子群（２２）の出力信号、若しくは、前記第３受光素子群（２３）と前記第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の左右角を算出し、前記第１受光素子群（２１）と前記第３受光素子群（２３）の出力信号、若しくは、前記第２受光素子群（２２）と前記第４受光素子群（２４）の出力信号に基づいて、光の仰角を算出することを特徴とする光センサ。
前記遮光膜（４０）は、前記透光膜（３０）に多層に形成され、各層の遮光膜（４０）に形成された開口部（４１）によって、光の仰角が規定されていることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。