JPH067051B2

JPH067051B2 - 半導体位置検出器

Info

Publication number: JPH067051B2
Application number: JP16298286A
Authority: JP
Inventors: 千代春堀口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS6318201A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光源から被測定物体方向に、光を投射した光
源から一定距離離れた位置に配置された半導体位置検出
器で反射光の入射位置を検出することにより、被測定物
体までの距離を測定する能動距離検出装置等に用いる改
良された半導体位置検出器に関する。

（従来の技術）第４図は、能動方式の一般的な距離検出装置の光学系を
示す略図である。

光源４１からの光束は投光レンズ４２で被測定物の表面
４５に集光させられる。

表面４５からの反射光は一定基線長離れて配置された受
光レンズ４３により半導体位置検出器４４に集光させら
れる。

基線長をＢ，被測定物までの距離をＬ，受光レンズ４３
と半導体位置検出器４４の間隔（結像距離）をｆ，受光
レンズ４３の光軸から半導体位置検出器４４上の集光中
心位置までの距離（スポット光の移動量）をＸとする
と、(1)式に示す関係が成り立つ。

Ｘ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌ …(1) 前記(1)式の両辺を距離Ｌで微分すると次の(2)式が得ら
れる。

ｄｘ／ｄＬ＝−ｆ・Ｂ／Ｌ^２…(2) (2)式より、半導体位置検出器上でのスポット光の移動
変化量（ｄｘ／ｄＬ）は被測定物までの距離の逆数の２
乗に比例する。

第４図に示されている従来の一般的な距離検出装置で
は、半導体位置検出器として１次元の半導体位置検出器
（例えば浜松ホトニクス（株）のＳ２１５３−０２）が
用いられている。

第５図は、このような半導体位置検出器を示す断面構造
図である。

高抵抗半導体（シリコン基板）６１の表面が均一な抵抗
層５８により形成されており、この層の両端に信号取り
出し用の１対の電極５６，５７が設けられている。

表面層はＰＮ接合を形成しており、光電効果を呈する。

同図において、電極５６（Ａ）および電極５７（Ｂ）間
の距離をＣ，その間の抵抗をＲｃとし、電極５６（Ａ）
より光入射位置までの距離をｘ，その点までの抵抗をＲ
ｘとする。

光入射位置で発生した光生成電荷は、光の入射エネルギ
ーに比例する光電流としてＰ形抵抗層５８に到達し、そ
れぞれの電極までの抵抗値に逆比例するように分割さ
れ、電極５６，５７より取り出される。

入射光により生成された光電流をＩ_０とし、電極５６お
よび５７に取り出される電流をＩＡ，ＩＢとすると(3)
式が得られる。

ＩＡ＝Ｉ_０・（ＲＣ−ＲＸ）／ＲＣ，ＩＢ＝Ｉ_０・ＲＸ／ＲＣ …(3) Ｐ形抵抗層は均一であり、長さと抵抗値が比例するか
ら、(3)式は(4)式に書換えられる。

ＩＡ＝Ｉ_０・（Ｃ−ｘ）／Ｃ，ＩＢ＝Ｉ_０・ｘ／Ｃ …(4) (4)式の電流値の演算を行なうと、次の(5)式が得られ
る。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）＝１−２ｘ／Ｃ…(5) (5)式より、ＩＡ，ＩＢの値から入射光の強度に無関係
に光の入射位置を知ることのできることが理解できる。

また、これの関係をグラフ化すると第６図のグラフが得
られる。

スポット光の移動量ｘに対して電流演算値（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）は座標値
（０，＋１），（Ｃ／２，０），（Ｃ，−１）を結ぶ直
線上を変化する。

(1)式を(5)式に代入すると次の(6)式が得られる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）＝１−２ｆ・Ｂ／Ｃ・Ｌ …(6) また(6)式の両辺を距離Ｌで微分すると(7)式が得られ
る。

ｄ〔（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）〕／ｄＬ＝２ｆ・Ｂ／Ｃ・Ｌ^２…(7) (7)式より、電流演算値（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）の変化量は
(2)式の時と同様に距離Ｌの逆数の２乗に比例している
ことがわかる。

（発明が解決しようとする問題点）前述したように、従来の半導体位置検出器の電流演算値
の変化量は距離の逆数の２乗に比例している。

そのため、この半導体位置検出器を距離検出装置に利用
して、距離に比例した出力を得るためにはコンピュータ
等を用いてリニア補正テーブルを作成し、出力値の変換
をする必要がある。

また、これに伴い距離検出装置の構成が複雑・高価とな
り、高速応答の距離検出装置は実現不可能となる。

産業用ロボットの視覚センサーとして距離検出装置を用
いる場合、その出力値が距離に比例した形にしておくこ
とは必要不可欠な条件である。

本発明の目的は、被測定距離の変化量に比例した距離情
報を有する信号電流を取り出すことができる半導体位置
検出器を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）前記目的を達成するために、本発明による３角測量法の
距離検出装置に使用される半導体位置検出器は、前記半
導体位置検出器の基線長方向の単位長さ当りの抵抗値を
光源から離れるにしたがって次第に減少させて、被測定
距離の変化量に比例した距離情報を有する信号電流を取
り出すように構成されている。

前記半導体位置検出器の構成はシリコン基板の裏側にＮ
^＋層，表側にＰ形抵抗層，中間に高抵抗のｉ層よりなる
３層構造でＮ^＋層に共通電極，Ｐ形抵抗層の両端に信号
取り出し用電極を配置した３端子構成でＰ形抵抗層の単
位長さ当りの抵抗値ΔＲ(x)はａ／（ｘ＋ｂ）^２であ
る。

ただしａ，ｂは定数、ｘは光源から離れる方向を正とす
る座標上の点である。

前記Ｐ形抵抗層の単位長さ当りの抵抗値ΔＲ(x)の変化
は、前記Ｐ形抵抗層に注入する不純物濃度を変化させる
ことにより形成できる。

また、前記Ｐ形抵抗層の単位長さ当りの抵抗値ΔＲ(x)
の変化は、前記Ｐ形抵抗層の断面積の大きさを変化させ
ることにより達成できる。

（実施例）以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明す
る。

第１図は、本発明による半導体位置検出器の第１の実施
例とその特性を示す図である。

同図(a)は半導体位置検出器の平面図、同図(b)，(c)は
特性を示すグラフである。

第２図は、前記半導体位置検出器を用いた距離検出装置
の被測定距離と電流演算値の関係を示すグラフである。

この実施例半導体位置検出器を用いた距離検出装置の測
距範囲を、Ｌｎ（近距離側）からＬｆ（遠距離側）まで
とする。

先に説明した第４図に示すような光学系と組み合わせて
距離Ｌｆにある被測定物からの反射光束が受光レンズに
より集光されるスポット光位置を第１図(a)に示す半導
体位置検出器の電極１２（Ａ）側に、また、Ｌｎのスポ
ット光位置を電極１３（Ｂ）側に設定する。

基線長をＢ，受光レンズから半導体位置検出器の光電面
（Ｐ形抵抗層）までの距離をｆとする時、距離Ｌｘにお
けるスポット光位置ｘは次の(8)式で与えられる。

ｘ＝ｆ・Ｂ・（１／Ｌｘ−１／Ｌｆ）…(8) また、電極間隔Ｃは次の(9)式で規定される。

Ｃ＝ｆ・Ｂ・（１／Ｌｎ−１／Ｌｆ）…(9) 第１図(a)に示すＰ形抵抗部１４において、電極間抵抗
をＲｃとするとき、電極Ａから距離ｘまでの抵抗値Ｒ
(x)が次の(10)式の条件を満たしていれば、被測定距離
と半導体位置検出器の電流演算値の関係は直線的にな
る。

Ｒ(x)＝（Ｌｆ）^２・Ｒｃ／（Ｌｆ−Ｌｎ）・ｘ／（Ｌｆ・ｘ＋ｆ・Ｂ） …(10) (10)式の一般式に対して、光学系の設定条件をｆ・Ｂ＝
Ｌｆに設定すると、(10)式は(11)式になる。

Ｒ(x)＝〔Ｌｆ・Ｒｃ／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕・ｘ／（ｘ＋１）…(11) 第４図(a)のＰ形抵抗部１４において、ｘ方向の単位長
さ当りの抵抗値ΔＲ(x)は次の(12)式より与えられる。

ΔＲ(x) ＝〔Ｒ(x)−Ｒ（ｘ−Δｘ）〕／Δｘ＝〔Ｌｆ・Ｒｃ／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕／（ｘ＋１）^２…(1
2) (11)式および(12)式をグラフ化すると、それぞれ第１図
(b)および(c)になる。

(12)式をさらに一般化するとΔＲ(x)は次のように表さ
れる。ただしａ，ｂは定数である。

ΔＲ(x)＝ａ／（ｘ＋ｂ）^２ (10)式に(8)式を代入すると、(13)式になる。

Ｒ(x)＝Ｒｃ・｛（Ｌｆ−Ｌｘ）／（Ｌｆ−Ｌｎ）｝…(13) (13)式において、Ｌｆ，ＬｎおよびＲｃは定数であるか
ら、抵抗値Ｒ(x)と被測定物までの距離Ｌｘはリニアー
な関係になる。

一方、(3)式のＲｘを抵抗値Ｒ(x)に置き換えると、電流
演算値は(15)式になる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）＝１−２・（Ｌｆ−Ｌｘ）／（Ｌｆ−Ｌｎ）…(15) すなわち、抵抗値Ｒ(x)が(10)式の条件を満たしている
場合、(15)式より電流演算値は測距範囲ＬｎからＬｆの
間で距離Ｌｘに対して直線的に変化する。

第２図は、(15)式をグラフ化したものである。

Ｐ形抵抗層の抵抗値Ｒ(x)が(10)式の条件を満たす様な
半導体位置検出器を製作するには２つの方法がある。

第１の方法は、Ｐ形抵抗層形成時、イオン注入される不
純物濃度を変化させることにより実現できる。

すなわち、第１図(a)のＰ形抵抗部において、電極１３
（Ｂ）側の不純物濃度を高くし、電極１２（Ａ）側を低
くし、その間の不純物濃度はΔＲ(x)に逆比例する様に
制御すればよい。

第２の方法は、不純物濃度およびイオン注入機の加速電
圧を一定に保ち、均一なＰ形抵抗層を形成し、その断面
積Ｓ(x)をΔＲ(x)に逆比例するように変化させるもので
ある。

イオン注入機の加速電圧が一定の場合、Ｐ形抵抗層の厚
さｄは一定である。Ｐ形抵抗層の幅Ｗ(x)を次式のよう
にする。

Ｗ(x)＝ｋ_１／ΔＲ(x) …(16) 第３図は、本発明による半導体位置検出器の実施例を示
す平面図である。

この例では、基準距離をＬとする時、測距範囲はＬ±
０．５×Ｌに設定した。

それゆえ、Ｌｆ＝１．５×Ｌ，Ｌｎ＝０．５×Ｌとな
り、光学系の設定条件をｆ・Ｂ＝Ｌｆに選ぶと、(9)式
より電極間隔Ｃが決まり、(11)式よりＲ(x)が決定され
る。

Ｃ＝２ …(17) Ｒ(x)＝１．５・Ｒｃ・Ｘ／（Ｘ＋１）…(18) また、ΔＸ＝Ｃ／１００＝０．０２とすると、単位長さ
（０．０２）当りの抵抗値ΔＲ(x)は(12)式より決ま
る。

ΔＲ(x)＝１．５・Ｒｃ・｛Ｘ／（Ｘ＋１） −（Ｘ−０．０２）／（Ｘ＋０．９８）｝…(19) よって、Ｐ形抵抗層の幅Ｗ(x)は(20)式の条件を満たし
ていればよい。

Ｗ(x)＝ｋ・｛Ｘ／（Ｘ＋１） −（Ｘ−０．０２）／（Ｘ＋０．９８）｝^−１…(20) ただしｋは比例定数第３図において、電極１５（Ａ）および、電極１６
（Ｂ）間のＰ形抵抗部（斜線部）の幅Ｗ(x)は(20)式の
条件を満たしており、電流演算値は被測定距離に対して
リニアー（線形）になる。

（発明の効果）以上詳しく説明したように、本発明による３角測量法の
距離検出装置に使用される半導体位置検出器は、前記半
導体位置検出器の基線長方向の単位長さ当りの抵抗値を
光源から離れるにしたがって次第に減少させて、被測定
距離の変化量に比例した距離情報を有する信号電流を取
り出すように構成されている。

したがって、受光素子より得られる電流演算値が被測定
距離に対して、リニアーな関係を実現できるため、従来
の距離検出装置よりも、安価で小形軽量な距離検出装置
が実現できる。

さらに、簡素なアナログ演算回路だけで、電流演算値が
得られるため、コンピュータを介しては実現できない高
速応答の距離検出装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明による半導体位
置検出器の第１の実施例とその特性を示す図であって、
同図(a)は半導体位置検出器の平面図、同図(b),(c)は特
性を示すグラフである。第２図は、前記半導体位置検出器を用いた距離検出装置
の被測定距離と電流演算値の関係を示すグラフである。第３図は、本発明による半導体位置検出器の第２の実施
例を示す平面図である。第４図は、３角測量法による距離検出装置の光学系を示
す略図である。第５図は、従来の一般的な半導体位置検出器の断面構造
図である。第６図は、従来の半導体位置検出器によるスポット光位
置と電流演算値のグラフである。１４…Ｐ形抵抗部１７…Ｐ形抵抗面４１…光源４２…投光レンズ４３…受光レンズ４４…半導体位置検出器４５…被測定物５６，１２，１５…電極（Ａ）５７，１３，１６…電極（Ｂ）５８…Ｐ形抵抗層５９…Ｎ^＋層６０…共通電極６１…高抵抗層（ｉ層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投光式の３角測量法の距離検出装置に使用
される半導体位置検出器において、前記半導体位置検出
器の基線長方向の単位長さ当りの抵抗値を光源から離れ
るにしたがって次第に減少させて、被測定距離の変化量
に比例した距離情報を有する信号電流を取り出すように
構成した半導体位置検出器。
【請求項２】前記半導体位置検出器の構成はシリコン基
板の裏側にＮ^＋層，表側にＰ形抵抗層，中間に高抵抗の
ｉ層よりなる３層構造でＮ^＋層に共通電極，Ｐ形抵抗層
の両端に信号取り出し用電極を配置した３端子構成でＰ
形抵抗層の単位長さ当りの抵抗値ΔＲ(x)が下記の式で
与えられる特許請求の範囲第１項記載の半導体位置検出
器。記 ΔＲ(x)＝ａ／（ｘ＋ｂ）^２ただしａ，ｂは定数、ｘは光源から離れる方向を正とす
る。
【請求項３】前記Ｐ形抵抗層の単位長さ当りの抵抗値Δ
Ｒ(x)の変化は、前記Ｐ形抵抗層は注入する不純物濃度
を変化させることにより形成される特許請求の範囲第２
項記載の半導体位置検出器。
【請求項４】前記Ｐ形抵抗層の単位長さ当りの抵抗値Δ
Ｒ(x)の変化は、前記Ｐ形抵抗層の断面積の大きさを変
化させることにより変化させたものである特許請求の範
囲第２項記載の半導体位置検出器。