JPH04343276A - 光位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特に太陽等の光源位
置の方向を検出できる全方位日射センサに係るものであ
り、光電変換効果を利用した２次元の光位置検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】２次元の光位置を検出する手段として、
例えば特開昭６３−２７８２８４号公報に示されるよう
な光検出装置が考えられている。この光検出装置は、正
方形の光導電膜と透明抵抗膜を積層して形成し、この透
明抵抗膜のそれぞれ４つの辺部分にそれぞれ対応して、
それぞれ対向する一対の電極を形成する。そして、光導
電膜の裏面に共通電極を形成する。すなわち、透明抵抗
膜に光スポットが照射されると、この光スポットの照射
位置で光導電膜の抵抗値が低くされ、透明抵抗膜と共通
電極とが接続されるようにしている。

【０００３】この様な光検出装置にあっては、Ｘ座標お
よびＹ座標検出用とされる２組の対向する電極間に、同
一入力電圧をスイッチによって切換えて印加設定し、共
通電極に設定される電圧を、スイッチの切換えタイミン
グに同期して検出し、ＸおよびＹの２つの座標を時分割
的に検出するようにしている。

【０００４】しかし、この様に構成される光検出装置に
おいては、透明抵抗膜に対して、その４つの辺それぞれ
に対して外部からの電圧供給手段が必要であり、またス
イッチの切換え操作によって光スポットの入射位置のＸ
およびＹ座標が検出されるものであるため、スイッチの
切換え時間を必要とするのみならず、応答性を上げるこ
とが困難である。

【０００５】また、１つの透明抵抗膜上に２組の電極が
設定されるものであるため、この透明抵抗膜上の等電位
線が歪み、特に透明抵抗膜の角部分に近接した位置では
、その位置検出精度を上げることが困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、スイッチの切換え等の必要
性を無くして充分な応答性が確保されると共に、光スポ
ットの入射位置が容易且つ確実に高精度に検出できるよ
うにすることができ、また電源構成も容易に簡易化して
構成できるようにした、例えば太陽光の入射方向と共に
日射量の検出も容易に実現できるようにした光位置検出
装置を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光位置検
出装置は、特定される厚さに設定される絶縁性の透明基
板の光入射面に光不透過膜を形成すると共に、この基板
の裏面にＸおよびＹ方向の光入射位置を検出する第１お
よび第２の光検出素子を並べて形成し、前記光不透過膜
には第１および第２の光検出素子にそれぞれ対応する位
置に、第１および第２のピンホールを形成するようにし
ている。

【０００８】

【作用】この様に構成される光位置検出装置にあっては
、第１および第２のピンホールを介して第１および第２
の光検出素子にスポット光が入射され、その入射位置が
第１および第２の光検出素子において、ＸおよびＹ座標
としてそれぞれ検出される。したがって、この検出され
たＸおよびＹ座標、第１および第２のピンホールの座標
位置、さらにピンホールからの光が導かれる透明基板の
厚さ等の要素によって、ピンポールに対する光の入射方
位および入射角度が算出される。ここで、第１および第
２の光検出素子は、それぞれＸあるいはＹの１つの方向
の座標位置のみを検出するため、その検出方向に対応し
て設定される一対の電極を有する構造であり、その各一
対の電極の相互間に所定の電圧が常時印加設定されるよ
うにすればよい。したがって、従来のようにスイッチ機
構を設定する必要がなく、検出応答性を容易に良好にす
ることができると共に、光検出素子を構成する光抵抗膜
に等電位線に歪みが生ずることがなく、精度の高い位置
検出が確実に実行されるようになる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１で示すようにこの光位置検出装置は、例
えばガラスによって構成された絶縁性の透明基板１１を
備える。この透明基板１１は例えば厚さｔに設定される
もので、その入射側の面には、その両側に位置して第１
および第２の太陽電池１２および１３が設定される。こ
の第１および第２の太陽電池１２および１３の間には、
さらに第３の太陽電池１４が設定される。

【００１０】また、透明基板１１の裏面には、図２に示
すように第１および第２の太陽電池１２および１３の位
置に対応するように２分割した状態で、第１および第２
の光検出素子１５および１６を配置設定する。そして、
透明基板１１の表面部には、第１および第２の光検出素
子１５および１６の位置に対応して、それぞれ第１およ
び第２のピンホール１７および１８を形成し、このピン
ホール１７および１８を介して入射された光が、それぞ
れ光検出素子１５および１６部にスポット光として入射
されるようにする。

【００１１】ここで、第１の光検出素子１５は図の水平
方向（Ｘ方向）の両端にそれぞれ電極１９１　、１９２
　を備え、この光検出素子１５に光スポットが入射され
た場合にそのＸ方向座標を検出するＸ方向位置検出素子
として使用される。また第２の光検出素子１６は、Ｘ方
向と直角のＹ方向の両端に電極２０１　、２０２　を備
え、光スポットのＹ方向座標を検出するＹ方向位置検出
素子として使用されるようになる。

【００１２】第１の太陽電池１２は第１の光検出素子１
５の電源Ｖｘとして使用され、第２の太陽電池１３は第
２の光検出素子１６の電源Ｖｙ　として使用される。そ
して、第３の太陽電池１４からの出力電圧Ｉは、入射さ
れる光の量に対応して発生され、例えば日射量センサと
して機能されるようになる。

【００１３】図３はこの様に構成される光位置検出装置
の断面構造、具体的には図１の３−３線に対応する断面
構造を示すもので、この位置検出装置の第１の太陽電池
１２に対応する４−４線部分、第２の太陽電池１３に対
応する５−５線部分、および第３の太陽電池１４に対応
する６−６線部分の断面を、それぞれ図４、図５および
図６で示している。

【００１４】この光検出装置について、その構造を製造
方法にしたがって説明すると、まずガラス等の透明基板
１１の裏面に、第１および第２の光検出素子１５および
１６が形成される領域に対応して、透明抵抗体２１およ
び３１を形成する。この抵抗体２１および３１は、例え
ばシート抵抗１０〜１ＭΩ／□のＳｎ　Ｏ２　を、スパ
ッタ等によって膜状に形成して構成される。

【００１５】この様に形成された透明抵抗体２１および
３１のそれぞれ表面上に、光電変換膜２２および３２を
形成するもので、この光電変換膜２２および３２はｎｉ
ｐｉｎ型ａ−Ｓｉ多層膜によって構成され、プラズマＣ
ＶＤによって形成される。そして、この光電変換膜２２
および３２の表面上に、アルミニウム等による電極層２
３および３３を蒸着し、光検出素子１５および１６のそ
れぞれ出力電極とする。

【００１６】この様にパターニングすることによって形
成された電極層２３および３３をマスクとして使用し、
光電変換膜２２および３２をエッチングすることによっ
て不要部分を除去し、図２で示したような状態で電極１
９１　、１９２　および２０１　、２０２　をアルミニ
ウム蒸着によって形成することにより、この第１および
第２の光検出素子１５および１６が完成される。

【００１７】ここで、光電変換膜２２および３２は、ａ
−Ｓｉ　：Ｈ、ａ−Ｓｉ　Ｃ：Ｈ、ａ−Ｓｉ　Ｇｃ　：
Ｈ、ａ−Ｓｉ　Ｎ：Ｈ、μｃ−Ｓｉ　：Ｈ等の水素化ア
モルファス合金とそのフッ化物、Ｃｄ　Ｓ、Ｃｄ　Ｔｅ
　、Ｃｄ　Ｓｅ　、Ｃｕ　Ｉｎ　Ｓｅ　２　等の化合物
半導体材料およびＣ−Ｓｉ　半導体材料によってｎｉｐ
ｉｎ層構造、またはｐｉｎｉｐ層構造、あるいはｎｐｎ
層構造、ｐｎｐ層構造、および金属と組み合わせたショ
ットキー構造、さらにｉ層単膜構造で構成することもで
きる。また透明抵抗体２１および３１は、Ｚｎ　Ｏ、Ｉ
ＴＯ、ＩＴＯ／Ｓｎ　Ｏ２　等で構成できる。

【００１８】次に太陽電池部分について説明すると、透
明基板１１の表面側に、第１乃至第３の太陽電池１２〜
１４の形成領域にそれぞ対応してアルミニウムの蒸着ま
たはスパッタによって電極層４１、５１、６１を形成す
る。この電極層４１、５１、６１は光不透過膜として機
能されるようになり、ピンホール１７および１８も同時
にパターンニングにより形成される。

【００１９】この様に電極層４１、５１、６１が形成さ
れたならば、これらの電極層４１、５１、５１の上に光
電変換膜４２、５２、６２をそれぞれプラズマＣＶＤに
よって成膜する。その材料は、ｎｉｐ型ａ−Ｓｉ　膜、
ｐｉｎまたはｎｐ型、ｐｎ型のＣ−Ｓｉ　膜等によって
構成される。そして、これらの光電変換膜４２、５２、
６２のそれぞれ上にＳｎ　Ｏ２等の透明導電膜４３、５
３、６３を形成する。

【００２０】ここで、第１および第２の太陽電池１２お
よび１３は、それぞれ第１および第２の光検出素子１５
および１６の電源として使用され、充分な電圧を発生す
る必要があるため、図４および図５で示されるように複
数の素子に分割して構成され、これら分割された素子が
直列接続されるようにしている。

【００２１】すなわち、電極層４１および５１を複数列
に分割し、これら分割された電極層列のそれぞれの上に
、同じく複数列に分割した光電変換膜４２および５２を
形成する。そして、この分割された光電変換膜４２およ
び５２の上に透明導電膜４３および５３を形成し、これ
ら透明導電膜４３および５３が順次隣接する列の電極層
に接続され、全体的に複数の電池素子が直列接続される
ようにする。

【００２２】そして、この直列回路の両端から電源出力
端子が導出されて、それぞれ第１および第２の光検出素
子１５および１６のそれぞれ電極１９１　、１９２　お
よび２０１　、２０２　に接続されるようにする。

【００２３】図５に示す第３の太陽電池１４の部分は、
電極層５１の上に光電変換膜５２が形成され、この光電
変換膜４２の上に透明導電層５３が形成される３層構造
であればよく、例えば電極層５１が接地され、導電層５
３に形成される電極５４部分から出力電圧Ｉが取り出さ
れるようにする。

【００２４】この様に構成される光位置検出装置に対し
て太陽電池側から太陽光が照射されるようになるもので
、この様に太陽光が照射されると第１乃至第３の太陽電
池１２〜１４でそれぞれ電圧が発生され、第１および第
２の光検出素子１５および１６にそれぞれ電源が供給さ
れると共に、第３の太陽電池１４から照射された太陽光
の強さに対応した電圧Ｉが出力される。

【００２５】また、この太陽光は第１および第２のピン
ホール１７および１８を介して透明基板１１内に入射さ
れ、第１および第２の光検出素子１５および１６のそれ
ぞれ透明抵抗体２１および３１にスポット光として照射
され、さらに光電変換膜２２および３２に光エネルギー
として入射される。 したがって、この光電変換膜２２および３２の光スポッ
トの当てられた部分が低抵抗となり、この低抵抗部分を
介して透明抵抗体２１と電極層２３、および透明抵抗体
３１と電極層３３が電気的に接続されるようになる。

【００２６】したがって、第１の光位置検出素子１５の
電極層２３から、光スポットの当られたＸ方向の座標位
置に対応した出力電圧Ｖｘ　が出力され、第２の光位置
検出素子１６の電極層３３から、光スポットの当られた
Ｙ方向座標位置に対応した出力電圧Ｖｙがそれぞれ出力
される。

【００２７】図７は光スポット位置と出力電圧との関係
を示しているもので、実施例で示したようにＸ方向ある
いはＹ方向の両方に電極１９１　、１９２および２０１
　、２０２　を形成した１次元の光位置検出素子１５お
よび１６においては、スポット位置と電圧とは直線的な
関係がある。これに対して４方に電極を設定する２次元
素子の場合は、指数関数的に変化するもので、実施例の
光位置検出装置の光位置検出素子１５および１６におい
ては、精度の高い取扱いの容易な位置検出信号が得られ
る。

【００２８】図１３は光位置検出素子を、（Ａ）図のよ
うに１次元素子として構成した場合と、（Ｂ）図で示す
ように２次元素子として構成した場合を比較して示して
いるもので、１次元素子の場合の等電位線は、両端の電
極の相互間に平行に形成される。これに対して、４辺に
電極の設定される２次元素子の場合は、等電位線が電圧
を印加した電極の他の電極によって歪む。この結果、１
次元素子を使用することによって、位置検出精度が確実
に安定して設定される。

【００２９】図８を用いて光位置検出素子１５（１６）
における検出原理を説明する。抵抗体膜２１に電圧が印
加されると、この抵抗体膜２１の位置に対応した分割電
圧が得られるようになる。光電変換膜２２は、光が照射
されない状態では電流が流れず、光が当たると電流が流
れる性質を有する。

【００３０】したがって、この光電変換膜２２に対して
光スポットが照射されると、この光スポットの照射位置
にのみ光電流が流れるようになり、抵抗体膜２１の光ス
ポット照射位置が電極層２３に電気的に接続されるよう
になる。このため、その光スポット位置に対応した出力
電圧が得られる。

【００３１】この様に第１および第２の光位置検出素子
１５および１６において、それぞれ光スポットの当たっ
たＸ方向およびＹ方向の座標位置が検出されると、第１
および第２のピンホール１７および１８の位置、さらに
このピンホール１７、１８を通過した光が導かれる透明
基板１１の厚さｔ等に基づいて、光源の位置、すなわち
太陽の方向並びに入射角度等が算出できる。

【００３２】第１および第２のピンホール１７および１
８で得られる光スポットは、同じ方向から入射した光に
基づくものと認定できる。そして、図９において示すよ
うにピンホール１７（１８）からの入射光は、透明基板
１１内を通過して光位置検出素子１５の点Ｐに当たる。

【００３３】この光位置検出素子１５上の光スポットの
当たった位置はＰ（Ｘ、Ｙ）の座標で表現される。ここ
で、空気の屈折率をｎ１　、透明基板１１の屈折率をｎ
２　と仮定すると、“ｎ１　　ｓｉｎ（π−θ）＝ｎ２
　　ｓｉｎ（π−θ′）”の関係となる。ここで、Ｖｘ
　、Ｖｙが出力電圧、Ｖｏ　が中心位置の電圧、さらに
ａおよびｂが図７で示した電圧と位置との比を示す傾き
とすると、点Ｐの座標ＸおよびＹは Ｘ＝（Ｖｘ　−Ｖｏ　）／ａ　　およびＹ＝（Ｖｙ　−
Ｖ）／ｂとなる。そして、ピンホールから光位置検出素
子に至る透明基板１１の厚さがｔであるとすると、図９
よりこの検出装置の光入射面に対する入射角度θは

【０
０３４】

【数１】 また方位φは

【００３５】

【数２】 で計算できる。その結果図１０および図１１で示すよう
に高精度の日射の入射角度および方位が算出されるよう
になる。

【００３６】日射強度について説明すると、この日射強
度は第３の太陽電池１４の光電流値によって求められる
。 この日射強度Ｉと日射量との関係は図１２で示すように
なるものであるが、しかし入射角θで入射された光のエ
ネルギーは“１／　ｓｉｎθ”となる。したがって、日
射強度Ｉは“Ｉ＝Ｉｐｈ／　ｓｉｎθ”で計算され、そ
の結果日射量に比例した値が得られるようになる。

【００３７】実施例ではＸおよびＹの方向にそれぞれ対
応して第１および第２の光位置検出素子１５および１６
を設け、これらに対して第１および第２の太陽電池１２
および１３を設定した。しかし、この光位置検出装置は
光検出素子をＸ方向およびＹ方向に対応した２組設定す
ればよいもので、特にこれらに対応してそれぞれ太陽電
池を設定する必要はない。

【００３８】しかし、光スポットの位置を検出するため
に第１および第２の光位置検出素子１５および１６にそ
れぞれ電圧を印加設定する必要があるもので、そのため
の電源装置を設置することが要求される。この場合、日
射強度は光位置検出素子に流れる電流値に基づき算出す
ればよい。この場合、第１および第２のピンホール１７
および１８は、透明基板１１の光入射面に電極層に代わ
り光不透過層を形成し、この光不透過層にピンホールを
形成させるようにする。

【００３９】また、実施例では透明基板１１の面に第１
乃至第３の太陽電池を形成するようにしたが、これは第
１および第２の光検出素子１５および１６の形成された
透明基板１１の表面側に、別に作成した太陽電池を貼付
けるようにして一体的に構成するようにしてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る光位置検出
装置によれば、入射光の入射角度と共にその入射方位が
検出できるものであり、また日射強度も同時に検出可能
とされる。この場合、この検出装置で検出された信号そ
のものに基づいて、高精度に光源位置が検出できるもの
であり、従来のようにスイッチ操作等をしなくともよい
ものであるため、その応答性を充分に高いものとするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る光位置検出装置を説
明する斜視図。

【図２】上記光位置検出装置の裏面を示す図。

【図３】図１の３−３線断面図。

【図４】図３の４−４線断面図。

【図５】図３の５−５線断面図。

【図６】図３の６−６線断面図。

【図７】光スポット位置と出力電圧との関係を示す図。

【図８】上記光検出装置の動作の原理説明図。

【図９】同じく測定原理を説明する図。

【図１０】入射光の入射角の状態を説明する図。

【図１１】入射光の入射方位の状態を説明する図。

【図１２】入射光の入射量の状態を説明する図。

【図１３】光検出素子の等電位線の状態を１次元素子と
２次元素子とで比較して示す図。

【符号の説明】

１１…透明基板、１２、１３、１４…第１乃至第３の太
陽電池、１５、１６…第１および第２の光位置検出素子
、１７、１８…第１および第２のピンホール、１９１　
、１９２　、２０１　、２０２　…電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光入射面に光不透過性膜を形成した特
   定される厚さが設定された絶縁性の透明基板と、この透
   明基板の前記光入射面と反対側の面に並べて形成された
   、互いに直交するＸおよびＹ方向の光入射位置を検出す
   る第１および第２の光検出素子と、この第１および第２
   の光検出素子それぞれに対向して前記光不透過性膜に形
   成された第１および第２のピンホールと、前記第１およ
   び第２の光検出素子それぞれに電源を供給する電源装置
   とを具備し、前記第１および第２の光検出素子に対して
   前記第１および第２のピンホールを介して入射される光
   スポットのＸおよびＹ方向座標位置が、前記第１および
   第２の光位置検出素子でそれぞれ検出されるようにした
   ことを特徴とする光位置検出装置。
2. 【請求項２】　　前記電源装置は、前記透明基板の光入
   射面側に設定された太陽電池によって構成されるように
   した請求項１の光検出装置。