JP6405368B2 - 光学式センサ - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から出射された光を対象物に照射し、対象物による反射光を検出し、チルトセンサに適用可能な光学センサに関する。

従来から、発光素子と光検出部とを組み合わせてなる装置が知られている。

例えば、特許文献１に記載の発光装置では、ＬＥＤチップが収納されたパッケージに、ＬＥＤチップから放射される光を検出する光検出部と、光検出部の温度を検出する温度検出部とが設けられている。光検出部の出力から、温度検出部の出力を減算することにより、光検出部の出力信号から、光検出部の温度に起因したノイズを除去している。この装置では、光検出部の出力をＬＥＤチップの駆動にフィードバックすることにより、ＬＥＤチップの発光の安定化を図っているが、センサ機能はない。

一方、特許文献２に記載の装置は、発光素子と光検出部とを組み合わせてなる光学式エンコーダであり、センサ機能がある。この光学式エンコーダでは、半導体基板上に光検出器と凹部が形成されている。凹部内に光源が配置され、凹部上にスリットが配置されており、光源から出射された光ビームは、スリットを通過した後、エンコーダ用の光学パターンに照射される。

特開２００９−１００４４号公報 特開２００５−４３１９２号公報

しかしながら、従来、チルトセンサに適用可能な小型の光学式センサについては、知られていない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、チルトセンサに適用可能な小型の光学式センサを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る光学式センサは、発光素子と、前記発光素子が配置される下部基板と、前記下部基板との間の空間内に前記発光素子が位置する上部基板と、前記上部基板上に設けられた光学ブロックと、を備え、前記上部基板は、位置検出型光検出素子を備えており、前記光学ブロックは、前記発光素子から出射された光を、測定対象物方向に反射するように構成されており、前記測定対象物によって反射された光は、前記位置検出型光検出素子に入射することを特徴とする。

下部基板、上部基板、光学ブロック及び発光素子を集積し、上部基板は位置検出型光検出素子を備え、位置検出型光検出素子は、光学ブロックを介して測定対象物に入射し、これで反射された光を検出することができる。測定対象物の回転角度によって、位置検出型光検出素子への光入射位置が異なるので、この光学センサはチルトセンサとして機能することができるが、集積化によって、全体の装置は小型化することができる。

また、前記上部基板は、不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３以上の第１導電型（例：Ｎ型）の半導体基板本体と、前記半導体基板本体の表面に形成され不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３未満の第１導電型（例：Ｎ型）の第１半導体領域と、前記第１半導体領域内に形成された単数又は複数の第２導電型（例：Ｐ型）の第２半導体領域と、を備え、前記位置検出型光検出素子は、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を備えていることを特徴とする。

半導体基板本体が、高不純物濃度（１×１０^１８/ｃｍ^３以上）である場合には、基板裏面方向から表面に位置する位置検出型光検出素子に入射する光を遮断することができるため、精密な測定が可能となる。

また、前記上部基板は、モニタ用フォトダイオードを更に備え、前記光学ブロックは、前記発光素子から出射された光を、前記モニタ用フォトダイオードの方向にも反射するように構成されていることを特徴とする。

モニタ用フォトダイオードを用いることで、その出力に応じて、発光素子に供給される駆動電流を安定させることができる。モニタ用フォトダイオード及び分割フォトダイオードは、上部基板内に集積されており、光学ブロックを用いて発光素子からの光を反射・偏向するので、光学式センサは小型化される。

また、前記上部基板は、第２導電型の半導体基板本体と、前記半導体基板本体の表面に形成された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域内に形成された単数又は複数の第２導電型の第２半導体領域と、を備え、前記位置検出型光検出素子は、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を備えていることを特徴とする。

かかる構造によっても、上記光学式センサは機能するが、半導体基板本体をＰ型とする場合、その上部のＮ型半導体領域との間にＰＮ接合が形成される。したがって、このＰＮ接合をモニタ用フォトダイオードとして用いることが可能である。この場合、モニタ用フォトダイオードの出力は、半導体基板本体及びＮ型半導体領域にそれぞれ電気的に接続された電極から取り出すことができる。

また、前記光学ブロックは、ハーフミラーブロックと、前記ハーフミラーブロックに重ねられたフルミラーブロックと、を備え、前記ハーフミラーブロックは、第１フラット透明板と、前記第１フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第１傾斜面に沿って、前記第１フラット透明板に埋め込まれたハーフミラー層と、を備え、前記フルミラーブロックは、透明な第２フラット透明板と、前記第２フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第２傾斜面に沿って、前記第２フラット透明板に埋め込まれたフルミラー層と、を備えることを特徴とする。

ハーフミラー層によって測定対象物方向に発光素子からの光を反射することができ、ハーフミラー層を透過した光を、フルミラー層によってモニタ用フォトダイオード方向に反射することができる。

また、前記下部基板及び前記上部基板は、前記発光素子を収容する空間を画成する凹部をそれぞれ備えていること特徴とする。発光素子が凹部内に配置されるため、基板厚み方向の小型化が可能である。

前記位置検出型光検出素子は、分割フォトダイオード又はＰＳＤとすることができる。

この光学式センサは、チルトセンサに適用可能な構造であって小型にすることができる。

図１は、第１実施形態に係る光学式センサを一部分解して示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物のＩＩ−ＩＩ矢印線断面図である。 図３は、第１実施形態に係る光学式センサのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線断面図である。 図４は、光学式センサの一部領域の平面図である。 図５は、上部基板の底面図である。 図６は、下部基板の底面図である。 図７は、光学式センサの回路図である。 図８は、光学ブロックの縦断面構成を示す図である。 図９は、第２実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。 図１０は、第３実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。 図１１は、第４実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。 図１２は、変形例に係る光学式センサを一部分解して示す斜視図である。 図１３は、ハーフミラーブロックの製造方法について説明するための図である。 図１４は、フルミラーブロックの製造方法について説明するための図である。 図１５は、光学式センサの製造方法について説明するための図である。 図１６は、凹部位置の変形例について説明するための図である。 図１７は、凹部位置の変形例について説明するための図である。 図１８は、分割フォトダイオードの代わりにＰＳＤを用いた光学式センサの斜視図である。 図１９は、ＰＳＤの平面図である。 図２０は、図１９に示したＰＳＤの縦断面構成を示す図である。

以下、実施の形態に係る光学式センサについて説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、第１実施形態に係る光学式センサを一部分解して示す斜視図であり、図２は、第１実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物のＩＩ−ＩＩ矢印線断面図である。

この光学式センサは、発光素子４０（図２参照）と、発光素子４０がその上に配置される下部基板２０と、上部基板１０と、上部基板１０上に設けられた光学ブロック３０とを備えている。

三次元直交座標系において、各基板に垂直な方向がＺ軸方向であり、モニタ用フォトダイオードＭから分割フォトダイオードＳＤに向かう方向がＹ軸方向であり、これらの双方に垂直な方向がＸ軸方向である。

発光素子４０は、上部基板１０と下部基板２０との間に画成される空間内に位置しており、例えば波長６７０ｎｍの可視光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）であるが、レーザダイオードを用いることもできる。発光素子４０は、化合物半導体基板４０Ａと、化合物半導体基板４０Ａの表面側に形成された半導体領域４０Ｂとを備えており、これらの導電型は反対である。すなわち、一方の導電型がＰ型であり、他方の導電型がＮ型である。

発光素子４０の光出射面には、レンズ（球レンズ）５０が設けられている。レンズ５０は、接着剤５１によって、発光素子４０の光出射面に固定されている。発光素子４０から出射された光は、レンズ５０によって収束され、その後、光学ブロック内のハーフミラーによって反射・偏向され、測定対象物Ｒに照射される。測定対象物Ｒは、Ｘ軸、及びＹ軸を中心に回転可能であり、測定対象物Ｒで反射された光は、分割フォトダイオードＳＤに入射する。測定対象物Ｒの回転角度によって、分割フォトダイオードＳＤへの光入射位置が異なるので、この光学センサはチルトセンサとして機能することができる。

上部基板１０は、分割フォトダイオードＳＤとモニタ用フォトダイオードＭとを備えている。

まず、分割フォトダイオードＳＤについて説明する。上部基板１０は、半導体基板本体１０Ａと、半導体基板本体１０Ａの表面側に形成された複数のＰ型の半導体領域１０Ｂを備えている。図２の例では、半導体基板本体１０ＡはＮ型であり、個々の半導体領域１０Ｂと半導体基板本体１０Ａとの間にＰＮ接合を有するフォトダイオードが形成されている。図１では、４つのフォトダイオードを有する４分割フォトダイオードが示されているが、分割数はこれに限定されるものではない。

個々の半導体領域１０Ｂの周囲は、Ｎ型の隔離領域１０Ｃによって囲まれている。隔離領域１０Ｃの不純物濃度は、半導体基板本体１０Ａの不純物濃度よりも高い（１×１０^１８/ｃｍ^３以上）ことが好ましい。

次に、モニタ用フォトダイオードＭについて説明する。

図１において、モニタ用フォトダイオードＭは、分割フォトダイオードＳＤとは異なる位置に形成されている。詳説すれば、光出射孔Ｈは、モニタ用フォトダイオードＭと分割フォトダイオードＳＤとの間に位置しており、ＹＺ平面は、光学ブロック３０におけるハーフミラーの法線とフルミラーの法線とを含んで構成されている。すなわち、発光素子４０から出射された光線は、同一平面（ＹＺ平面）内において進行しており、要素の位置ずれによる検出精度の劣化が生じにくい簡単な構造になっている。なお、対象物によっては、光線はＹＺ平面内のみを進行することもできるが、対象物がＸ軸及びＹ軸回転する場合には、ＹＺ平面における構造に限られるものではない。

モニタ用フォトダイオードＭは、半導体基板本体１０Ａの表面側にＰ型の半導体領域１０ｂを備えている。半導体基板本体１０ＡはＮ型であるため、半導体領域１０ｂと半導体基板本体１０Ａとの間にＰＮ接合を有するフォトダイオードが形成されている。

半導体領域１０ｂの周囲は、Ｎ型の隔離領域１０ｃによって囲まれている。隔離領域１０ｃの不純物濃度は、半導体基板本体１０Ａの不純物濃度よりも高く（１×１０^１８/ｃｍ^３以上）、好適には隔離領域１０Ｃの不純物濃度と同一である。

なお、上記の隔離領域１０Ｃ及び隔離領域１０ｃは、個々の半導体領域１０Ｂ及び半導体領域１０ｂに、周囲から余分なキャリアが混入するのを抑制すると共に、基板電位を与えるためのコンタクト領域としても機能している。

半導体基板本体１０Ａの上下面には、それぞれ絶縁膜１０Ｄ及び絶縁膜１０Ｅが形成されている。絶縁膜１０Ｄ及び絶縁膜１０Ｅの材料は、例えばＳｉＯ_２からなるが、ＳｉＮｘや樹脂などの他の材料を用いることもできる。

半導体基板本体２０Ａの上下面にも、それぞれ絶縁膜２０Ｄ及び絶縁膜２０Ｅが形成されている。絶縁膜２０Ｄ及び絶縁膜２０Ｅの材料は、例えばＳｉＯ_２からなるが、ＳｉＮｘや樹脂などの他の材料を用いることもできる。

上部基板１０と下部基板２０とは、貼り合わせられている。貼り合わせ方法として、上部基板１０と下部基板２０を加熱して圧着させる方法、上部基板１０と下部基板２０との間に接着剤を介在させる方法、上部基板１０の下面に設けられた電極と下部基板２０の上面に設けられた電極とをバンプを介して接続する方法等がある。接着剤を用いる場合には、絶縁膜１０Ｅと絶縁膜２０Ｄとの間の界面が接着層になる。

上部基板１０の下面には、凹部Ｈ１が設けられており、下部基板２０の上面には凹部Ｈ２が設けられており、これらがＺ軸方向に重なることで、発光素子４０及び集光レンズ５０を収容する空間が画成されている。すなわち、下部基板２０及び上部基板１０は、発光素子４０を収容する空間を画成する凹部Ｈ１，Ｈ２をそれぞれ備えており、発光素子４０が凹部内に配置されるため、基板厚み方向の小型化がされている。

光学ブロック３０は、発光素子４０から出射された光を、測定対象物Ｒの方向に反射するように構成されており、測定対象物Ｒによって反射された光は、分割フォトダイオードＳＤに入射する。また、上部基板１０は、モニタ用フォトダイオードＭを備え、光学ブロック３０は、発光素子４０から出射された光を、モニタ用フォトダイオードＭの方向にも反射するように構成されている。

この光学式センサでは、下部基板２０、上部基板１０、光学ブロック３０及び発光素子４０を集積しており、分割フォトダイオードＳＤは、光学ブロック３０を介して測定対象物Ｒに入射し、これで反射された光を検出することができる。この集積化によって、全体の装置は小型化することができる。また、モニタ用フォトダイオードＭを用いることで、その出力に応じて、発光素子４０に供給される駆動電流を安定させることができる。モニタ用フォトダイオードＭ及び分割フォトダイオードＳＤは、上部基板１０内に集積されており、光学ブロック３０を用いて発光素子４０からの光を反射・偏向するので、光学式センサは小型化される。

光学ブロック３０は、ハーフミラーブロック３０Ａと、ハーフミラーブロック３０Ａに重ねられたフルミラーブロック３０Ｂとを備えている。

光学ブロック３０は、図８に示すように、ハーフミラーブロック３０Ａは、第１フラット透明板と、第１フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第１傾斜面に沿って、前記第１フラット透明板に埋め込まれたハーフミラー層Ｍ１とを備えている。

フルミラーブロック３０Ｂは、透明な第２フラット透明板と、第２フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第２傾斜面に沿って、第２フラット透明板に埋め込まれたフルミラー層Ｍ２とを備えている。

ハーフミラー層Ｍ１によって、測定対象物Ｒの方向に、発光素子４０からの光Ｌを反射光Ｌ１として反射することができ、ハーフミラー層Ｍ１を透過した光を、フルミラー層Ｍ２によってモニタ用フォトダイオードＭの方向に反射光Ｌ２として反射することができる（図８参照）。

図３は、光学式センサのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線断面図である。

図１及び図３を参照すると、上部基板１０には、分割フォトダイオードＳＤの半導体領域１０Ｂからの出力を取り出すための貫通電極Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄが設けられている。また、上部基板１０には、モニタ用フォトダイオードＭの半導体領域１０ｂからの出力を取り出すための貫通電極Ｅが設けられている。上部基板１０には、基板電位を与えるための貫通電極Ｆが設けられている。

貫通電極Ａ〜Ｆは、上部基板１０の下面に形成された凹部Ｈ３の底面から上面まで貫通しており、表面の絶縁膜１０Ｄ上にまで延びている。それぞれの貫通電極Ａ〜Ｆは、上部基板１０及び下部基板２０に形成された絶縁膜１０Ｅ及び２０Ｄ上を這って、下部基板２０の貫通電極Ａ３〜Ｆ３にそれぞれ電気的に接続されている。下部基板２０の上面には凹部Ｈ４が形成されており、貫通電極Ａ３〜Ｆ３は、凹部Ｈ４の底面から下面まで貫通し、絶縁膜２０Ｅから露出するまで延びている。なお、上部基板に凹部Ｈ３を、下部基板２０に凹部Ｈ４を用いず、上部基板１０に貫通電極Ａ〜Ｆを、下部基板２０に貫通電極Ａ３〜Ｆ３を夫々形成しても構わない。

上部基板１０の上部の絶縁膜１０Ｄと光学ブロック３０との間には接着層が介在している。

図４は、光学式センサの一部領域の平面図である。

上部基板１０の上部の絶縁膜１０Ｄ上には、半導体領域１０Ｂ、半導体領域１０ｂ及び隔離領域１０Ｃ及び隔離領域１０ｃに、それぞれ電気的に接続されたコンタクト電極が露出しており、それぞれのコンタクト電極は、貫通電極Ａ〜Ｆに接続されている。

図５は、上部基板１０の底面図である。

上記の貫通電極Ａ〜Ｆは、絶縁膜１０Ｅを這って、絶縁膜１０Ｅの下面上に設けられた電極パッドＡ１〜Ｆ１にそれぞれ電気的に接続される。なお、基板間の隙間を均一に保持するためのダミー用の電極パッドＸ１を絶縁膜１０Ｅの下面上に設けることもできる。

図６は、下部基板２０の底面図である。

上記の電極パッドＡ１〜Ｆ１、Ｘ１は、絶縁膜２０Ｄの上面上に、対向して設けられた電極パッドＡ２〜Ｆ２、Ｘ２にそれぞれ電気的に接続される。接続には半田バンプを用いることもできる。絶縁膜２０Ｄの上面上には、発光素子４０の一方の端子に駆動電流を供給するための電極パッドＧも設けられており、電極パッドＧは、貫通電極Ｇ３に電気的に接続される。発光素子４０の他方の端子には、下部基板２０の基板電位が貫通電極Ｆ３から与えられる。

図７は、光学式センサの回路図である。

分割フォトダイオードＳＤは、４つのフォトダイオードＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤを備えており、それぞれの出力は、貫通電極Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄを介して検出回路７０に入力される。検出回路７０は、入力信号を電圧に変換し、必要に応じて増幅し、或いは、デジタル値に変換して、制御回路８０に検出値を入力する。制御回路８０は、入力された検出値に基づいて、測定対象物Ｒの回転角度を演算し、外部機器に出力する。

検出回路７０には、モニタ用フォトダイオードＭからのモニタ信号も貫通電極Ｅを介して入力されている。検出回路７０は、入力信号を電圧に変換し、必要に応じて増幅し、或いは、デジタル値に変換して、制御回路８０に検出値を入力する。制御回路８０は、入力されるモニタ信号の検出値が一定となるように、光源駆動回路６０から発光素子４０に供給される駆動電流の大きさを制御する。すわなち、制御回路８０は、モニタ信号が基準値以上の場合には、駆動電流を減少させ、基準値未満の場合には増加させる処理を行う。

図９は、第２実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。

この形態では、上部基板１０は、不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３以上のＮ型の半導体基板本体１０Ａと、半導体基板本体の表面に形成され不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３未満（例：４×１０^１２/ｃｍ^３で、好適範囲は１×１０^１１/ｃｍ^３以上１×１０^１６/ｃｍ^３以下）のＮ型半導体領域１０Ｆと、Ｎ型半導体領域１０Ｆ内に形成された複数のＰ型半導体領域１０Ｂとを備えている。分割フォトダイオードＳＤは、Ｎ型半導体領域１０Ｆ及び複数のＰ型半導体領域１０Ｂによって構成され、モニタ用フォトダイオードＭは、Ｎ型半導体領域１０Ｆ及び複数のＰ型半導体領域１０ｂによって構成される。その他の構成は、第１実施形態と同一である。なお、Ｎ型半導体領域１０Ｆはエピタキシャル層である。

本例のように、半導体基板本体１０Ａが、高不純物濃度（１×１０^１８/ｃｍ^３以上）である場合、基板裏面方向から表面に位置する分割フォトダイオードＳＤに入射する光を遮断することができるため、精密な測定が可能となる。

図１０は、第３実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。

この形態では、上部基板１０は、Ｐ型の半導体基板本体１０Ａと、半導体基板本体１０Ａの表面に形成されたＮ型半導体領域１０Ｇ、１０ｇと、Ｎ型半導体領域１０Ｇ、１０ｇ内に形成された複数のＰ型半導体領域１０Ｂ及びＰ型半導体領域１０ｂとを備えている。

分割フォトダイオードＳＤは、Ｎ型半導体領域１０Ｇ及び複数のＰ型半導体領域１０Ｂによって構成され、モニタ用フォトダイオードＭは、Ｎ型半導体領域１０ｇ及び複数のＰ型半導体領域１０ｂによって構成される。その他の構成は、第１実施形態と同一である。

かかる構造によっても、上記光学式センサは機能するが、半導体基板本体１０ＡをＰ型とする場合、その上部のＮ型半導体領域１０Ｇとの間にＰＮ接合が形成される。したがって、このＰＮ接合をモニタ用フォトダイオードとして用いることが可能である。この場合、モニタ用フォトダイオードの出力は、半導体基板本体１０Ａ及びＮ型半導体領域１０Ｇにそれぞれ電気的に接続された電極から取り出すことができ、この場合、モニタ用フォトダイオードは省略することもできる。

図１１は、第４実施形態に係る光学式センサ及び測定対象物の縦断面図である。

上述の例では、集光レンズ５０は、発光素子４０に固定することとしたが、これは上部基板１０を貫通する光出射孔Ｈの径を大きくし、その内面に固定することとしてもよい。固定には接着剤５２を用いることができる。

図１２は、変形例に係る光学式センサを一部分解して示す斜視図である。

上述の例では、４分割フォトダイオードの光感応領域を構成する各半導体領域１０Ｂの大きさは同一であったが、これは異なっていてもよい。すなわい、光出射孔Ｈに近い側の半導体領域１０Ｂの面積よりも、光出射孔Ｈから遠い側の半導体領域１０Ｂの面積を大きくすることができる。測定対象物の回転角は、分割フォトダイオードＳＤの各半導体領域１０Ｂからの出力の比率に対応しているが、このように面積を設定することにより、測定対象の角度に対する４分割フォトダイオードの４分割フォトダイオード出力値の線形性が向上し、制御回路の負荷低減をすることができる。

図１３は、ハーフミラーブロック３０Ａの製造方法について説明するための図である。

まず、透明基板Ｇ１上にハーフミラー層Ｍ１を形成し単位ミラー構造Ａ１を製造する（Ａ）。次に、単位ミラー構造Ａ１を積層し、積層体を構成する（Ｂ）。次に、所定の角度で積層体を切断する（Ｃ）。これにより、ハーフミラーブロック３０Ａを製造することができる（Ｄ）。ハーフミラーブロック３０Ａは、透明基板Ｇ１の材料からなる第１フラット透明板と、ハーフミラー層Ｍ１とを備えることになる。

図１４は、フルミラーブロック３０Ｂの製造方法について説明するための図である。

まず、透明基板Ｇ２上にフルミラー層Ｍ２を形成し単位ミラー構造Ｂ１を製造する（Ａ）。次に、単位ミラー構造Ｂ１を積層し、積層体を構成する（Ｂ）。次に、所定の角度で積層体を切断する（Ｃ）。これにより、フルミラーブロック３０Ｂを製造することができる（Ｄ）。フルミラーブロック３０Ｂは、透明基板Ｇ２の材料からなる第１フラット透明板と、フルミラー層Ｍ２とを備えることになる。

なお、上述の透明基板Ｇ１、Ｇ２の材料としては、ＳｉＯ_２を用いることができるが、その他の透明材料も用いることができる。また、ハーフミラー層Ｍ１の材料としては、アルミ（Ａｌ）クロム（Ｃｒ）などの金属膜、ならびに誘電体多層膜（誘電体多層膜は、右記のうち少なくとも２種類の誘電体からなる多層膜で、誘電体膜の材料として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２））などを用いることができ、フルミラー層Ｍ２の材料としては、アルミ（Ａｌ）銀（Ａｇ）などの金属膜、ならびに誘電体多層膜（誘電体多層膜は、右記のうち少なくとも２種類の誘電体からなる多層膜で、誘電体膜の材料として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２））などを用いることができ、これらの層はスパッタ法、蒸着法、又はメッキ法を用いて透明基板上に形成することができる。

図１５は、光学式センサの製造方法について説明するための図である。

上述のように形成されたハーフミラーブロック３０Ａと、フルミラーブロック３０Ｂとを貼り合わせて接合する（Ａ）。接合には、熱圧着を用いることもできるが、接着剤を用いることもできる。次に、接合した光学ブロック３０の両面を研磨する（Ｂ）。しかる後、上部基板１０に光学ブロック３０を貼り合わせる（Ｃ）。この貼り合わせには、熱圧着を用いることもできるが、接着剤を用いることもできる。また工程（Ｃ）については上述の方法の他に常温接合プロセスなどを用いても構わない。次に、工程（Ｃ）の積層体の上部基板１０に、レンズ及び発光素子が設けられた下部基板２０を貼り合わせる（Ｄ）。工程（Ｄ）の積層体のダイシングを行って個別の素子に分離する（Ｅ）ことにより、上述の光学式センサが完成する。また、上記（Ｃ）工程後に積層体のダイシングを行い、個片化し、個別の素子の上部基板１０にレンズ及び発光素子が設けられた下部基板２０を貼り合せるように工程を入れ替えても構わない。

図１６は、凹部位置の変形例について説明するための図である。

上述のいずれの例においても、凹部Ｈ１内にのみ発光素子４０を配置して、下部基板の半導体基板本体２０Ａの表面は平坦にすることができる。なお、その他の要素の記載は省略してある。

図１７は、凹部位置の変形例について説明するための図である。

また、上述のいずれの例においても、凹部Ｈ２内にのみ発光素子４０を配置して、上部基板の半導体基板本体１０Ａの下面は平坦にすることができる。なお、その他の要素の記載は省略してある。

また、上述の光学式センサは、測定対象物の回転角（傾斜角）を検出することができるが、用途によっては他の物理量（位置など）を検出することも可能である。

なお、上述の分割フォトダイオードに代えて、ＰＳＤ（光位置検出素子）を用いることもできる。ＰＳＤは、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサであり、ＣＣＤなどとは異なり非分割型のため、連続した電気信号（ＸまたはＹ座標）が得られ、位置分解能・応答性に優れている。発光素子から発光され、レンズ５０、基板１０内部の光出射孔Ｈによりコリメートされた光は、光学ブロック３０内のハーフミラー３０Ａで反射され、測定対象物Ｒに反射され、（２次元）のＰＳＤに照射される。ＰＳＤの各出力電極より取り出された光電流値より、ＰＳＤ上の照射位置が求められ、測定対象物Ｒの角度が算出される。以下、その構造について説明する。

図１８は、分割フォトダイオードの代わりにＰＳＤを用いた光学式センサの斜視図である。このセンサの図１に示したものとの相違点は、分割フォトダイオードの位置に、ＰＳＤが配置された点のみであり、他の構成は、図１のものと同一である。

図１９は、ＰＳＤの平面図であり、平面形状が概ね長方形の半導体領域１０Ｂの表面上に対向する一対の電極（ＥａとＥｄ）及び（ＥｂとＥｃ）が、２組配置されている。ＰＳＤにおいては、入射光のスポット位置に応じて、入射位置から電極までの抵抗値が異なるため、対向する電極間から出力される電流の比率を求めると、スポット光の入射位置、すなわち、測定対象物の位置が判明する。

図２０は、図１９に示したＰＳＤの縦断面構成を示す図である。

ＰＳＤは基板の厚み方向にはダイオードを構成しており、半導体領域１０Ｂと、半導体基板本体１０Ａとの間にダイオードが構成されている。半導体領域１０Ｂは例えばＰ型であり、半導体基板本体１０Ａは例えばＮ型であるが、上述の図９又は図１０の構造を採用することもできる。半導体基板本体１０Ａは、隔離領域１０Ｃ及びその上に形成された電極Ｅｆを介してグランドなどの固定電位に接続されている。隔離領域１０Ｃの導電型は、例えばＮ型であるが、半導体基板本体１０Ａの導電型と同一であり、基板電位を与えることができる。なお、各電極Ｅａ、Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄ，Ｅｆは、それぞれ上述の貫通電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆに接続することができる。また、隔離領域１０Ｃをカソードとして、半導体領域１０Ｂをアノードとすることができるが、その逆も可能である。分割型フォトダイオードの構成はＰＳＤには適用することができ、同図では、隔離領域１０Ｃの深さは、半導体領域１０Ｂの深さと同一である例を示しているが、ＰＳＤの周縁領域を構成する隔離領域１０Ｃは半導体領域１０Ｂよりも深い方が好ましい。

また、図９に示したように、半導体基板本体１０Ａの表面に半導体領域１０Ｆを形成し、この中にＰＳＤの光検出領域となる単一の半導体領域１０Ｂを形成してもよい。半導体の断面構成は、図９における分割フォトダイオードＳＤの左右方向の半分の構造と同じである。

以上、説明したように、上記実施形態では、分割フォトダイオード又はＰＳＤからなる位置検出型の光検出素子を備えており、チルトセンサに適用することができる。

また、上述の半導体基板本体は、Ｓｉからなるが、他の材料を採用することも可能であり、また、Ｎ型（第１導電型）及びＰ型（第２導電型）は、相互に置換することができる。

以上のように、上記の光学式センサは、発光素子４０と、発光素子４０が配置される下部基板２０と、下部基板２０との間の空間内に発光素子４０が位置する上部基板１０と、上部基板１０上に設けられた光学ブロック３０と、を備え、上部基板１０は、位置検出型の光検出素子（分割フォトダイオード又はＰＳＤ）を備えており、光学ブロック３０は、発光素子４０から出射された光を、測定対象物の方向に反射するように構成されており、測定対象物によって反射された光は、位置検出型の光検出素子に入射する。

また、上部基板１０は、不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３以上の第１導電型（例：Ｎ型）の半導体基板本体１０Ａと、半導体基板本体１０Ａの表面に形成され不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３未満の第１導電型（例：Ｎ型）の第１半導体領域１０Ｆと、第１半導体領域１０Ｆ内に形成された単数又は複数の第２導電型（例：Ｐ型）の第２半導体領域１０Ｂとを備え、位置検出型の光検出素子は、第１半導体領域１０Ｆ及び第２半導体領域１０Ｂを備えている（図９参照）。なお、ＰＳＤの場合の縦断面構成は、第２半導体領域１０Ｂの数が単数であり、図９における分割フォトダイオードの左右方向の半分の領域の構造と同一となる。

また、上部基板１９は、モニタ用フォトダイオードＭを更に備え、光学ブロック３０は、発光素子４０から出射された光を、モニタ用フォトダイオードＭの方向にも反射するように構成されている。

また、上部基板１０は、第２導電型（例：Ｐ型）の半導体基板本体１０Ａと、半導体基板本体の表面に形成された第１導電型（例：Ｎ型）の第１半導体領域１０Ｇと、第１半導体領域１０Ｇ内に形成された単数又は複数の第２導電型の第２半導体領域１０Ｂとを備え、位置検出型の光検出素子は、第１半導体領域１０Ｇ及び第２半導体領域１０Ｂを備えている（図１０）。なお、ＰＳＤの場合の縦断面構成は、第２半導体領域１０Ｂの数が単数であり、図１０における分割フォトダイオードの左右方向の半分の領域の構造と同一となる。

また、光学ブロック３０は、ハーフミラーブロック３０Ａと、ハーフミラーブロック３０Ａに重ねられたフルミラーブロック３０Ｂとを備え、ハーフミラーブロック３０Ａは、第１フラット透明板（ハーフミラーブロック３０Ａの本体部分）と、第１フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第１傾斜面に沿って、第１フラット透明板に埋め込まれたハーフミラー層Ｍ１とを備え、フルミラーブロック３０Ｂは、透明な第２フラット透明板（フルミラーブロック３０Ｂの本体部分）と、第２フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第２傾斜面に沿って、第２フラット透明板に埋め込まれたフルミラー層Ｍ２とを備えている。

また、下部基板２０及び上部基板１０は、発光素子４０を収容する空間を画成する凹部をそれぞれ備えている。

また、上述の位置検出型の光検出素子は、分割フォトダイオード又はＰＳＤであり、光学式センサをチルトセンサに適用することができる。

１０…上部基板、２０…下部基板、３０…光学ブロック、ＳＤ…分割フォトダイオード、Ｍ…モニタ用フォトダイオード。

Claims (7)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が配置される下部基板と、
   前記下部基板との間の空間内に前記発光素子が位置する上部基板と、
   前記上部基板上に設けられた光学ブロックと、
   を備え、
   前記上部基板は、
   位置検出型の光検出素子を備えており、
   前記光学ブロックは、
   前記発光素子から出射された光を、測定対象物の方向に反射するように構成されており、前記測定対象物によって反射された光は、前記位置検出型の光検出素子に入射する、
   ことを特徴とする光学式センサ。
2. 前記上部基板は、
   不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３以上の第１導電型の半導体基板本体と、
   前記半導体基板本体の表面に形成され不純物濃度が１×１０^１８/ｃｍ^３未満の第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第１半導体領域内に形成された単数又は複数の第２導電型の第２半導体領域と、
   を備え、
   前記位置検出型の光検出素子は、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記上部基板は、モニタ用フォトダイオードを更に備え、
   前記光学ブロックは、前記発光素子から出射された光を、前記モニタ用フォトダイオードの方向にも反射するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式センサ。
4. 前記上部基板は、
   第２導電型の半導体基板本体と、
   前記半導体基板本体の表面に形成された第１導電型の第１半導体領域と、
   前記第１半導体領域内に形成された単数又は複数の第２導電型の第２半導体領域と、
   を備え、
   前記位置検出型の光検出素子は、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式センサ。
5. 前記光学ブロックは、
   ハーフミラーブロックと、
   前記ハーフミラーブロックに重ねられたフルミラーブロックと、
   を備え、
   前記ハーフミラーブロックは、
   第１フラット透明板と、
   前記第１フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第１傾斜面に沿って、前記第１フラット透明板に埋め込まれたハーフミラー層と、
   を備え、
   前記フルミラーブロックは、
   透明な第２フラット透明板と、
   前記第２フラット透明板の表面の法線に対して傾斜した角度を有する直線を、その法線とする第２傾斜面に沿って、前記第２フラット透明板に埋め込まれたフルミラー層と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学式センサ。
6. 前記下部基板及び前記上部基板は、前記発光素子を収容する空間を画成する凹部をそれぞれ備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学式センサ。
7. 前記位置検出型の光検出素子は、分割フォトダイオード又はＰＳＤである、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学式センサ。

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