JPH0623653B2 - 半導体位置検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野】 本発明は被測定物からの光を光点として入射し、この光
点の位置を検出する半導体位置検出器に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、光源から被測定物に光を投射し、光源から一定距
離だけ離れた位置に設けられた半導体位置検出器で反射
光を受け、被測定物までの距離を検出する能動距離検出
装置が知られている。

第４図はかかる距離検出装置の光学系の説明図である。
図示の通り、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源１か
らの光は、集光レンズ２を介して被測定物３に照射され
る。被測定物３からの反射光は受光レンズ４で集光さ
れ、半導体位置検出器５の受光部（図示せず）に光点と
して入射される。ここで、基線長をＢとし、被測定物３
までの距離をＬとし、受光レンズ４と半導体位置検出器
５の間隔（結像距離）をｆとし、受光レンズ４の光軸か
ら半導体位置検出器５上の光点位置（集光中心位置）Ｓ
Ｐまでの距離（スポット光の移動量）をｘとすると、下
記（１）が成り立つ。

ｘ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌ …（１） 従って、第４図においてｘ，ｆ，Ｂの値が既知であれ
ば、被測定物３までの距離Ｌを求めることができる。

第５図は第４図に示す一次元の半導体位置検出器５の詳
細な断面構成図である。図示の通り、高抵抗の真性（ｉ
型）シリコン基板５１の表面側には、均一にｐ型不純物
を拡散したｐ型抵抗層５２が形成され、ｐ−ｎ接合型ダ
イオードとして受光部をなしている。また、シリコン基
板５１の裏面側にはｎ型不純物を高濃度に拡散したｎ^＋
型導電層５３が形成され、これに電極５４がオーミック
接触されている。表面側のｐ型抵抗層（受光部）５２の
両端には一対の信号取出電極５５ａ，５５ｂが配設さ
れ、ここから電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｂが取り出されるようになっ
ている。

いま、ｐ型抵抗層５２上の位置ＳＰに被測定物３からの
光が光点として入射され、この位置ＳＰが電極５５ａか
ら距離ｘだけ離れていたとする。また、電極５５ａ，５
５ｂの間の距離をＣとし、その間のｐ型抵抗層５２の抵
抗値をＲ_Ｃとし、位置ＳＰと電極５５ａとの間のｐ型抵
抗層５２の抵抗をＲ_ｘとし、更に光の入射により生成さ
れる光電流をＩ_Ｏとすると、電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｂには次の式
が成り立つ。

Ｉ_Ａ＝Ｉ_Ｏ・（Ｒ_Ｃ−Ｒ_ｘ）／Ｒ_Ｃ Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｏ・Ｒ_ｘ／Ｒ_Ｃ …（２） ここで、ｐ型抵抗層５２における抵抗値はその長さと比
例するから、上記の（２）式は下記の（３）式のように
なる。

Ｉ_Ａ＝Ｉ_Ｏ・（Ｃ−ｘ）／Ｃ Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｏ・ｘ／Ｃ …（３） 従って、上記の（３）式より （Ｉ_Ａ−Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ） ＝１−２ｘ／Ｃ…（４） が得られるので、入射光の強度にかかわりなく、電流Ｉ
_Ａ、Ｉ_Ｂの値から光の入射位置ＳＰを演算することがで
きる。

第６図は測距範囲をＬ_ＮからＬ_Ｆに設定した時の距離検
出用光学系を示す図である。光源１の発光光束を集光レ
ンズ２によって集光し、被測定物３を照射する。被測定
物３からの反射光は集光レンズ２に対して基線長Ｂだけ
隔てて配置された受光レンズ４により集光される。半導
体位置検出器５は受光レンズ４から距離ｆの集光位置
（光点位置）に配置されている。

ここで、測距範囲内の最至近距離（近距離側の限界）お
よび最遠距離（遠距離側の限界）をそれぞれＬ_Ｎおよび
Ｌ_Ｆとし、被測定物３までの距離をＬとする。また、受
光レンズ４の光軸から半導体位置検出器５の受光部の一
方の端までの距離をＸ_Ｆとし、他方の端までの距離をＸ
_Ｎとし、被測定物３からの反射光が受光レンズ４によっ
て集光される光点位置ＳＰから受光レンズ４の光軸まで
の距離をｘとし、光点位置ＳＰから半導体位置検出器５
の受光部の一方の端までの距離をｘ_１とし、半導体位置
検出器５の受光部の長さ（一対の電極の間隔）をＣとす
ると、それぞれ以下の関係式が成り立つ。

Ｘ_Ｎ＝Ｃ＋Ｘ_Ｆ＝ｆ・Ｂ／Ｌ_Ｎ …（６） 従って、上記の（５），（６）の式より下記の（７）式
が得られる。

また、第６図においては、 Ｘ_１＝ｘ−ｘ_Ｆ＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ−１／Ｌ_Ｆ） …（８） の関係式も得られる。

次に、半導体位置検出器５の位置分解能を△ｘ、距離Ｌ
_ＮおよびＬ_Ｆにおける距離分解能をそれぞれ△Ｌ_Ｎ・△
Ｌ_Ｆとし、Ｌ_ＮとＬ_Ｆとの関係を Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝ｍ …（９） で表わすと、次の関係式が得られる。

（１１）式および（１２）式より、距離分解能△Ｌ_Ｎお
よび△Ｌ_Ｆはそれぞれ（１３）式および（１４）式に示
すようになる。

△Ｌ_Ｎ＝△Ｘ・▲Ｌ² _N▼／（△Ｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ） …（１３） △Ｌ_Ｆ＝ｍ^２・△Ｘ・▲Ｌ² _N▼ ／（ｍ・△Ｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ） …（１４） （１３）式および（１４）式の比をとると、下記の（１
５）式が得られる。

△Ｌ_Ｆ／△Ｌ_Ｎ＝ｍ^２・（△Ｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ） ／（ｍ・△Ｘ・Ｌ_Ｎ＋ｆ・Ｂ） …（１５） （１５）式において、ｍ・△Ｘ・Ｌ_Ｎ≪ｆ・Ｂの条件が
成り立つ時には、これを下記の（１６）式に近似するこ
とができる。

△Ｌ_Ｆ／△Ｌ_Ｎ≒ｍ^２ …（１６） （１６）式より、遠距離側の距離分解能△Ｌ_Ｆは前述の
（９）式に示すｍが大きいと、著しく悪化することがわ
かる。

言い換えれば、測定可能な最至近距離から最遠距離まで
の範囲を大きくとれば、それだけ遠距離になったときの
分解能が低下してしまう。このため、例えばレーザ加工
機の加工部における位置検出のように近距離側での高分
解能が期待される位置検出装置を、無人搬送車の走行な
どにおける位置検出のように遠距離側での高分解能が要
求される装置に適用すると、所望の分解能が得られない
欠点があった。

そこで本発明は、遠、近の限界距離の比（Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝
ｍ）を大きくしても、遠距離側において高い距離分解能
を得ることのできる測距範囲の広い距離検出装置に適用
可能な半導体位置検出器を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る半導体位置検出器は、高抵抗の半導体基板
の表面側に第１導電型不純物を含む受光部を形成すると
共に、裏面側に第２導電型不純物層を形成し、受光部に
被測定物からの光が光点として入射されたときに当該受
光部の両端に配設された信号取出電極から取り出される
光電流にもとづいて、受光部における光点の位置を検出
する半導体位置検出器であって、受光部が下記のように
構成されることを特徴とする。すなわち、各一対の信号
取出電極を両端に配設した複数の受光エリアを含み、こ
の複数の受光エリアは各一対の信号取出電極の一方と他
方が互いに隣接するように一列に配設され、かつ複数の
受光エリアの信号取出電極の間隔は一方から他方向かっ
て順次大きくなると共に、任意の受光エリアの信号取出
電極の間隔と任意の受光エリアと隣接する他方の側の受
光エリアの信号取出電極の間隔との比は常に一定である
ことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の構成によれば、遠距離側の被測定物からの光と
近距離側の被測定物からの光は、それぞれ異なる受光エ
リアに光点として入射され、従って各光電流はそれぞれ
の受光エリアの信号取出電極から出力される。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の
符号を付し、重複する説明を省略する。

第１図は実施例に係る半導体位置検出器の斜視図であ
り、第２図（ａ）はその平面図あり、同図（ｂ）は縦断
面図である。そして、これが従来のものと比べて特徴的
なことは、半導体基板の表面側に形成された受光部が、
複数の受光エリアを列設して構成されていることであ
る。ｎ個（ｎは２以上の整数）の受光エリア５２_１〜５
２_ｎは、高抵抗のシリコン基板５１の表面側にＰ型の不
純物を均一に拡散させることで形成されるが、各受光エ
リア５２_１〜５２_ｎの長手方向の長さは順次に大きくな
っている。そして、各受光エリア５２_１〜５２_ｎの両端
には幅を十分に狭くした各一対の信号取出電極５５ａ_１
〜５５ａ_ｎ、５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎが配設され、一対の取
出電極間のＰ型抵抗層（受光エリア）の長さＣ_１〜Ｃ_ｎ
には Ｃ_２／Ｃ_１＝Ｃ_３／Ｃ_２＝… ＝Ｃ_ｎ／Ｃ_n-1＝Ｄ（一定） …（１７） の関係が成立している。なお、各信号取出電極５５ａ_１
〜５５ａ_ｎ，５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎの幅Ｗは、Ｗ≪Ｃ_１と
みなせる程度に十分に狭くなっているものとする。

測距範囲をｎ分割し、遠距離側よりＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，
Ｌ_４，…Ｌ_ｎとすると、半導体位置検出器５が上記の
（１７）式を満足しているとき、下記の（１８）式の関
係が成り立つ。

Ｌ_１／Ｌ_２＝Ｌ_２／Ｌ_３＝Ｌ_３／Ｌ_４ ＝…＝Ｌ_n-1／Ｌ_ｎ＝Ｄ（一定） …（１８） 半導体位置検出器５に接続される増幅回において、半導
体位置検出器５に入射する光には信号光以外に外乱光
（たとえば太陽光等）も含まれる。この場合には、電流
−電圧変換用抵抗とコンデンサを用いたＡＣ結合方式
（浜松ホトニクス株式会社発行「「半導体位置検出器カ
タログ」Ｐ．１４参照）を用いるのが一般的である。こ
のとき、半導体位置検出器５の電極間抵抗Ｒ_Ｃと電流−
電圧変換用抵抗の温度特性の違いにより、前述の（４）
式に示す信号演算出力に誤差を生じる。それゆえ、第１
図に示す半導体位置検出器５の高抵抗シリコン基板５１
上の各電極５５ａ_１〜５５ａ_ｎ，５５ｂ_１〜５５ｂ_ｎに
近接して電流−電圧変換用抵抗（図示せず）を形成し、
抵抗の温度特性をそろえることにより、上記信号演算出
力の誤差をなくすことができる。

第３図は本発明の半導体位置検出器５と、これに専用の
信号処理回路のブロック図である。この実施例では、半
導体位置検出器５の受光部５１を分離層５８_１，５８_２
によって完全に三分割し、前述の（１７）式の関係は以
下の数値に設定してある。

Ｃ_２／Ｃ_１＝Ｃ_３／Ｃ_２＝２ …（１９） これに伴い、測距範囲の分割は前述の（１８）式より以
下の数値になる。

Ｌ_１／Ｌ_２＝Ｌ_２／Ｌ_３＝２ …（２０） 半導体位置検出器５上には、各受光エリア５２_１〜５２
_３の信号取出電極５５ａ_１〜５５ａ_３，５５ｂ_１〜５５
ｂ_３に接して電流−電圧変換抵抗ｒが形成されている。
光が入射することにより得られる光電流Ｉ_ＡおよびＩ_Ｂ
は、この電流−電圧変換抵抗ｒにより電圧に変換され、
コンデンサＣによりＡＣ結合されて交流成分のみが増幅
器Ｕ_１〜Ｕ_６に送られ、増幅後にゲート回路２２と加算
回路Ｕ_７〜Ｕ_９に転送される。加算回路Ｕ_７は光が半導
体位置検出器５の受光エリア５_１に入射して得られる光
電流における交流成分の和を演算する。同様に、加算回
路Ｕ_８およびＵ_９は受光エリア５２_２および受光エリア
５２_３から得られる光電流の交流成分の和を演算する。
加算回路Ｕ_７〜Ｕ_９の出力はサンプルアンドホールド回
路Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂に与えられ、光源１をパルス点燈させた時
の被測定物３から反射されてくる光の信号レベルがホー
ルドされる。この時のサンプリング信号は第３図の記号
φ_２で示される。

サンプルアンドホールド回路Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂の出力はフィル
タ回路Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅により平均化される。そして、フィル
タ回路Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅の出力は比較回路Ｕ₁₆〜Ｕ₁₈に与えら
れ、ここで被測定物３から反射されてくる信号光が半導
体位置検出器５の受光エリア５２_１〜５２_３のうちのど
の受光エリアに最も強く当っているかが判定され、その
結果がゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３として出力され
る。ここで、例えば光信号が受光エリア５２_１に入射し
ている場合には、ゲート信号Ｇ１が“Ｈ”（ハイレベ
ル）となり、ゲート信号Ｇ２およびＧ３が“Ｌ”（ロウ
レベル）となる。このゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３
により、ゲート回路２２において信号光が最も強く入射
している受光エリアからの信号線をＯＮさせ、その出力
が減算回路２３および加算回路２４に送られる。

減算回路２３および加算回路２４の演算出力は信号成分
抜取回路２５に与えられ、ここで外乱光成分に重畳され
た信号成分のみが抜き取られる。ここでは、光源をパル
ス点燈させる直前の電圧レベルをサンプリング信号φ_１
により記録し、パルス点燈時の電圧レベルをサンプリン
グ信号φ_２により記録する。この両者の記録値の差分を
とることにより、信号成分の抜き取りが実行される。信
号成分抜取回路２５の出力はアナログ割算器２６に与え
られ、ここで演算が実行されてアナログ電圧の形で出力
される。その結果、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２およびＧ３の
出力状態により三分割された測距範囲の、どこに被測定
物が存在するかが判明し、アナログ電圧出力により被測
定物３までの正確な距離を求めることができる。

なお、図には示していないが、信号成分抜取回路２５の
出力のうち、Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂの信号レベルをモニタし、この
電圧レベルが一定になるように光源１側の駆動回路（図
示せず）を制御することにより、アナログ割算器２６の
演算精度を向上させることができる。

次に、上記実施例を具体的数値によってより詳しく説明
する。

まず、実施例の測距装置の光学条件を以下の如く設定す
る。

ｆ＝６０〔mm〕 Ｂ＝２００〔mm〕 Ｌ_N3＝７５０〔mm〕 Ｌ_F3＝Ｌ_N2＝１５００〔mm〕 Ｌ_F2＝Ｌ_N1＝３０００〔mm〕 Ｌ_F1＝６０００〔mm〕 Ｌ_F1／Ｌ_N1＝２ Ｃ１＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ_N1−１／Ｌ_F1）＝２〔mm〕 △Ｘ＝Ｃ１／５００＝４〔μｍ〕 半導体位置検出器５の分解能は入射光にもとづく信号光
電流の大きさにより変化するが、一般に信号光電流の和
（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）が３００〔ｎＡ〕の時に、分解能△Ｘは
電極間隔の１／５００程度になる。そこで、△Ｘ＝Ｃ１
／５００とて求める。上記の数値を前述の（１４）式に
代入すると、最遠距離の距離分解能△Ｌ_Ｆは以下の如く
なる。

△Ｌ_Ｆ≒１２〔mm〕 …（１９） これに対して、同一の光学系で従来の半導体位置検出器
を用いた場合に、同様して最遠距離の距離分解能を求め
ると以下の如くなる。

ｆ・Ｂ＝１２０００ Ｌ_Ｎ＝７５０〔mm〕 Ｌ_Ｆ＝６０００〔mm〕 Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝８ Ｃ＝ｆ・Ｂ（１／Ｌ_Ｎ−１／Ｌ_Ｆ）＝１４〔mm〕 △Ｌ_Ｆ＝８３〔mm〕 そこで、（１９）式と（２０）式を比較すると、本実施
例においては従来技術の半導体位置検出器を用いた時に
比べて、遠距離側での距離分解能は同一光学系を用いて
も約７倍に改善されている。この効果は、半導体位置検
出器の受光部の分割数（受光エリアの数）を増すことに
より、さらに向上させることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の
変形が可能である。

例えば、本発明の距離検出器への適用については、第３
図に示されるものに限られない。また、半導体基板につ
いてもシリコンに限られず、例えばガリウムヒ素（Ｇａ
Ａｓ）とすれば、より高温の条件下でも用いることが
可能になる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、遠距離側の
被測定物からの光と近距離側の被測定物からの光は、そ
れぞれ異なる受光エリアに光点として入射され、従って
各各光電流はそれぞれの受光エリアの信号取出電極から
出力されるので、遠、近の限界距離の比（Ｌ_Ｆ／Ｌ_Ｎ＝
ｍ）を大きくしても、遠距離側において高い距離分解能
を得ることのできる測距範囲の広い距離検出装置に適用
可能な半導体位置検出器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る半導体位置検出器の斜視
図、第２図は第１図に示す半導体位置検出器の平面図お
よび縦断面図、第３図は本発明の半導体位置検出器を適
用した距離検出装置の要部ブロック図、第４図は距離検
出器の光学系の説明図、第５図は従来の半導体位置検出
器の断面図、第６図は測距範囲をＬ_ＮからＬ_Ｆにしたと
きの距離検出用光学系の説明図である。 １……光源、２……集光レンズ、３……被測定物、４…
…受光レンズ、５……半導体位置検出器、２２……ゲー
ト回路、２３……減算回路、２４……加算回路、２５…
…信号成分抜取回路、２６……アナログ割算器、５１…
…シリコン基板、５２……受光部（Ｐ型抵抗層）、５２
_１〜５２_２……受光エリア、５３……ｎ^＋型導電層、５
５ａ，５５ａ_１〜５５ａ_ｎ，５５ｂ，５５ｂ，_１〜５５
ｂ_ｎ……信号取出電極、Ｕ_１〜Ｕ_６……増幅器、Ｕ_７〜
Ｕ_９……加算回路、Ｕ₁₀〜Ｕ₁₂……サンプルアンドホー
ルド回路、Ｕ₁₃〜Ｕ₁₅……フィルタ回路、Ｕ₁₆〜Ｕ₁₈…
…比較回路（コンパレータ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−167213（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−167212（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−235518（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高抵抗の半導体基板の表面側に第１導電型
   不純物を含む受光部を形成すると共に、裏面側に第２導
   電型不純物層を形成し、前記受光部に被測定物からの光
   が光点として入射されたときに当該受光部の両端に配設
   された信号取出電極から取り出される光電流にもとづい
   て、前記受光部における光点の位置を検出する半導体位
   置検出器において、 前記受光部は、各一対の信号取出電極を両端に配設した
   複数の受光エリアを含み、この複数の受光エリアは前記
   各一対の信号取出電極の一方と他方が互いに隣接するよ
   うに一列に配設され、かつ前記複数の受光エリアの信号
   取出電極の間隔は一方から他方へ向かって順次大きくな
   ると共に、任意の受光エリアの信号取出電極の間隔と前
   記任意の受光エリアと隣接する前記他方の側の受光エリ
   アの信号取出電極の間隔との比は常に一定であることを
   特徴とする半導体位置検出器。
2. 【請求項２】前記受光部は、前記半導体基板に形成され
   た分離層を介して前記複数の受光エリアに分割されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
   位置検出器。
3. 【請求項３】前記信号取出電極は、電流／電圧変換用の
   抵抗を介して接地されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の半導体位置検出器。
4. 【請求項４】前記電流／電圧変換用の抵抗は、前記半導
   体基板に不純物を注入して形成した拡散抵抗であること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の半導体位置検
   出器。