JPH09138161A

JPH09138161A - 光検知素子

Info

Publication number: JPH09138161A
Application number: JP29548195A
Authority: JP
Inventors: Akira Kurahashi; 明倉橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-11-14
Filing date: 1995-11-14
Publication date: 1997-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣｄＳセルのような無極性２線式の長所を備
え、かつ、製品の性能バラツキが少ない光検知素子を実
現する。【解決手段】この光検知素子は、シリコンウエハ上に
一体的に形成しモノリシックＩＣとして構成しており、
出力電流の向きが互いに逆方向となるように光電変換部
１０、２０を直列に接続して形成すると共に、各光電変
換部１０、２０に対しバイパスダイオード１３、２３を
並列に接続して形成して対応する光電変換部１０、２０
に印加される逆方向電圧をバイパスさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】光の光量を測定する光検知素
子に関し、特に、駆動電力と検出信号とを共通の配線を
利用して伝送する２線式の光検知素子に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら使用されている光検知素子としては、ＣｄＳ光導電素
子があり、この素子を素材とした光導電型の光検知装置
が知られている。ＣｄＳ光導電素子２００は、硫化カド
ミウムなどをセラミックの基板上に焼結してＣｄＳ光導
電体２０１を形成し、その両端に電極２０２を付けて構
成しており（図１２）、その電極間の抵抗値が入射光量
に応じて変化する特性を有している。このため、図１２
に示すように、電極間に電源２０４と電流計２０３とを
直列に接続することで、ＣｄＳ光導電素子２００で受光
される光量の変化を電流値の変化として測定できる。

【０００３】このようにＣｄＳ光導電素子を用いた光量
測定は、ＣｄＳ光導電素子の抵抗値の変化を電流の変化
として読み取るものであり、ＣｄＳ光導電素子と信号処
理回路との配線についても、正負の極性を考慮すること
なく、２端子のうちどちらを電流計に接続しても、どち
らの端子を電源電位に接続しても間題を生じることはな
い（図１３）。ＣｄＳ光導電素子は、このような無極性
２線式光量検知素子であるため、供給電源として交流電
源が利用できる場合には、交流電流計を用いても光量の
検知動作が可能である。

【０００４】しかし、多結晶物質であるＣｄＳ光導電素
子において、その主な製造工程であるＣｄＳの塗布およ
び焼結工程は、塗布体の濃度、混入物質濃度、塗布厚、
溶剤の性状、塗布および焼結時間、焼結温度、焼結温度
プロフィールなど、複雑な要因が互いに関連しあってい
るため、標準作業で品質管理を行っても製品の性能バラ
ツキが大きいのが現状である。

【０００５】一方、主に単結晶シリコンを用いたフォト
ダイオードと、フォトダイオード出力を電気的に増幅す
る増幅器を１チップ化し、または各々を同一ケース内に
収納した光検知装置が知られている。このタイプの光量
測定装置では、精密なＩＣ工程を採用できるため、Ｃｄ
Ｓ光導電素子に於けるような製品毎のバラツキを著しく
少なくでき、再現性や歩留まりの向上が可能である。ま
たＩＣ製造工程技術を使用して大量生産ラインを構成す
ることも可能であり、低価格の光量測定装置を提供する
こともできる。

【０００６】しかし、フォトダイオードを利用して広範
囲な光量測定を行う場合では、微弱信号を受光した際の
出力は、マイクロアンペアのレベルか、またはそれ以下
になることも多い。このため雑音の信号線への混入を避
ける観点から、フォトダイオードの直近、または同一チ
ップ上に増幅器を設けることが望ましい。この場合、光
量測定装置２１０と信号処理部２２０との接続は、図１
４に示すように、電源線ａ、ｂ、及び、信号線ｃが最低
必要である。即ち、各部分の電位の基準及びリ夕一ンと
なる接地電位の配線、増幅器やフォトダイオードに駆動
電位を与える電源の配線、及び、増幅器の電圧または電
流出力の配線の都合３本が必要である。従って、フォト
ダイオードを利用して光量測定装置を構成した場合に
は、ＣｄＳ光導電素子を使用した場合に比べて余分な配
線材料が別途必要となり、配線作業に関わる工数も増大
し、さらに製造コストも増加することになる。また、３
本の配線の接続を間違えると光量測定装置が動作不能と
なるばかりか、この装置と接続された他の機器までも破
損する可能性がある。

【０００７】本発明は、このような課題を解決すべく為
されたものであり、その目的は、ＣｄＳセルのような無
極性２線式の長所を備え、かつ、製品の性能バラツキが
少ない光検知素子を実現しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１にかか
る光検知素子は、第１電極及び第２電極と、受光光量に
応じた電流を出力し、その出力電流の向きが互いに逆方
向となるように、第１電極と第２電極との間に直列に接
続された一対の光電変換手段と、各光電変換手段に対し
てそれぞれ並列に接続され、対応する光電変換手段の両
端に印加される逆方向電圧をバイパスするバイパス手段
とを備え、各光電変換手段は、フォトダイオードと、こ
のフォトダイオードの出力電流を所定の倍率に増幅する
増幅回路とで構成する。

【０００９】第１電極と第２電極との間に電圧が印加さ
れると、印加電圧の極性に応じて、一方の光電変換手段
が動作状態となり、他方の光電変換手段が非動作状態と
なる。動作中の光電変換手段から出力された電流は、非
動作状態の光電変換素子に並列に接続されたバイパス手
段を経由して流れる。このように、この光検知素子は第
１電極及び第２電極に印加される電圧の極性に依らずに
使用し得る。

【００１０】請求項２にかかる光検知素子では、前述し
た各手段を同一の半導体基板上に形成したモノリシック
ＩＣとして構成する。

【００１１】また、請求項３にかかる光検知素子は、第
１電極及び第２電極を有し、この第１電極と第２電極と
の間の印加電圧の極性によらず、常に同一方向に電流を
出力する整流手段と、整流手段に対して接続されてお
り、受光光量に応じた電流を出力するとともに、その電
流の向きが前記整流手段を介して循環する電流の向きと
一致する光電変換手段とを備え、光電変換手段は、フォ
トダイオードと、このフォトダイオードの出力電流を所
定の倍率に増幅する増幅回路とで構成する。

【００１２】請求項４にかかる光検知素子では、整流手
段を、複数のダイオードをブリッジ型に組んで構成した
ブリッジ型整流回路で構成する。

【００１３】請求項５にかかる光検知素子は、これら各
手段を同一の半導体基板上に形成したモノリシックＩＣ
として構成する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。

【００１５】図１、２に本実施形態にかかる光検知素子
を示す。この光検知素子Ａは、２つのフォトダイオード
１１、２１を有し、これら２つのフォトダイオード１
１、２１で挟まれた領域３０には、電流入力型電流源
（カレントミラー）１２、２２及びバイパスダイオード
１３、２３を形成しており、また、この領域３０には、
この素子の入出力電極となる２つの電極３４、３５を形
成している。この光検知素子Ａは、図３に示すように、
ｐ型基板としてのシリコンウエハ３１上に一体的に形成
しモノリシックＩＣとして構成しており、シリコンウエ
ハ３１上には、所定の領域にｎ型不純物を拡散してｎウ
ェルを形成し、さらにこの中にｐ型不純物を拡散して受
光部を形成してフォトダイオード１１、２１を形成して
いる。一方、領域３０内のシリコンウエハ３１上には、
同様にしてバイパスダイオード１３、２３を形成すると
共に、所定の抵抗値になるようにｎ型不純物をイオン注
入法等により注入拡散して抵抗Ｒ１、Ｒ２を形成してい
る。また、アンプ部ＡＭＰも所定のリソグラフィー及び
不純物拡散を行うことによって形成している。電極３４
はフォトダイオード１１とバイパスダイオード１３の共
通電極として、電極３５は、フォトダイオード２１とバ
イパスダイオード２３の共通電極として形成し、それぞ
れの素子を図示したようにＡｌ配線することにより、光
検知素子Ａをモノリシックに形成している。なお、この
光検知素子Ａは、フォトダイオード１１、２１以外の部
分は、パイメルなどの絶縁膜３２とその上に蒸着された
１μｍ程度のアルミニウム膜３３で選択的に覆い、外部
からの光でＩＣの動作条件が異常を生じたりしないよう
に考慮している。

【００１６】図４に、光検知素子Ａ内で構成される回路
のブロック図を示す。この光検知素子Ａは、受光光量に
応じた電流を出力するブロックとして、前述したフォト
ダイオード１１、２１及びバイパスダイオード１３、２
３によって、２つの光電変換部１０、２０を形成してお
り、その出力電流の向きが互いに逆方向となるように直
列に接続している。光電変換部１０の電流入力型電流源
（以下、電流源と記す）１２は、フォトダイオード１１
の出力電流が入力端に加えられると、あらかじめ決めら
れた定数で増倍された電流が出力端子に現れるように抵
抗Ｒ１、Ｒ２の値を設定している。光電変換部２０の電
流源２２も同様に、フォトダイオード２１の出力電流が
入力端に加えられると、あらかじめ決められた定数で増
倍された電流が出力端に現れるように抵抗Ｒ１、Ｒ２の
値を設定している。

【００１７】さらに、各光電変換部１０、２０には、バ
イパスダイオード１３、２３を並列に接続しており、こ
れらバイパスダイオード１３、２３によって、対応する
各光電変換部１０、２０の両端に印加される逆方向電圧
をバイパスさせ、光電変換部１０、２０に逆電圧が加わ
らないようにしている。

【００１８】なお、電流入力型電流源の構成例を図５に
例示しておく。図中、フォトダイオード１１からの出力
電流をＩin、電流源１２の出力電流をＩo で示してお
り、フォトダイオード１１の出力電流Ｉinは、（Ｒ１／
Ｒ２）倍に増倍されて出力される。なお、回路構成は図
示した構成に限定するものではなく、種々の回路が構成
され得る。ただし、モノリシックＩＣで構成され、内部
能動素子のバイアス電源が定電流化されたもの、もしく
は消費電流が光検知出力より十分小さく設計されたもの
を採用する。このように構成することで、電極３４−３
５間電圧が、例えば５Ｖから１５Ｖまで変化しても、無
信号時の回路電流は通常は数十％程度以下の変化に収ま
り、これを後で除去することは容易である。さらに消費
電流自体が小さければ誤差とはならない。また、モノリ
シックＩＣ技術での製造工程を採用することで、カレン
トミラー定数のバラツキは数十％以下にコントロールす
ることも十分に可能である。さらに、電流増幅率は、Ｒ
１とＲ２の比で与えられ、必ずしも、個々の抵抗値の絶
対値精度は要求されないことから光検出誤差はさらに小
さくなると期待できる。

【００１９】ここで、このように構成する光検知素子Ａ
の動作について説明する（図４参照）。まず、電極３５
に比べ電極３４に高い電圧が印加された場合には、光電
変換部１０が光検知動作を行い、光電変換部２０は非動
作状態となる。光電変換部１０からの出力電流は、光電
変換部２０に対して並列接続されたバイパスダイオード
２３を経由して電極３５に循環する。一方、電極３４に
比べ電極３５に高い電圧が印加された場合には、光電変
換部２０が光検知動作を行い、光電変換部１０は非動作
状態となる。光電変換部２０からの出力電流は、光電変
換部１０に対して並列接続されたバイパスダイオード１
３を経由して電極３４に循環する。このようにして２つ
の電極のいずれに正、負の電源電圧が加えられても、出
力電流の向きは電源電圧によって決まるものの、全体と
して光量測定装置の動作は確保され得る。使用に際して
は、電極３４、３５間に、バイアス電源４１及び電流計
４２を直列に接続し、この間を循環して流れる電流を電
流計４２で読み取る。この電流値を基に、フォトダイオ
ード１１或は２１に入射した光量が検知される。

【００２０】このような無極性２線式の光量測定装置と
しては、光量測定部が必要とする動作電力と出力信号
を、共通の配線を利用して遠隔分離された評価部へ送る
構成が要求される。このような具体例としては、各種の
４−２０ｍＡ電流ループ型信号伝達方式が工業的用途に
広く使用されている。この場合、入力信号が零に相当す
る出力は４ｍＡであり、信号検知部で必要な電力とオフ
セット電流をあわせて丁度４ｍＡにしておく。また、フ
ルスケールに相当する出力を２０ｍＡとする。こうする
ことで配線部分の断線と無信号時の区別ができ、配線部
分に於ける電圧降下誤差も無視できる利点がある。

【００２１】上記実施形態で示した光量測定素子におい
ても、基本的には上記と類似した構成をとる。ただし、
無信号時の消費電流が１０マイクロアンペア程度もしく
はそれ以下で、動作可能電圧が５Ｖから１５Ｖ程度の増
幅器としての電流入力型電流源を使用することに特徴が
ある。例えば、フォトダイオード１１、２１として、
１．３ｍｍ角のシリコンフォトダイオード（Ｓ２１６４
−０１）を採用し、カレントミラー定数が1000倍の条件
で周囲の照度が100 ルクスの状態のときを想定すると、
電極３４と電極３５との間には、光量測定素子出力とし
ての１ｍＡに加え、わずかな電流入力型電流源の消費電
流が循環する。このときの周囲照度と電極間を循環する
出力電流の関係は、図６に示すように、良好な直線関係
にあり、ＣｄＳの代用として十分に機能し得る。

【００２２】このように構成された光検知素子は、大量
生産及び部品自動搭載に適したモールドパッケージに収
納した状態で出荷される。図７にその一例を示す。この
パッケージは、搭載基板５３上に光検知素子Ａを搭載
し、電極３４、３５とリードフレーム５１、５２とをワ
イヤー３６、３７で接続し、２端子型プラスチックモー
ルドケース５０内に収容している。このモールドケース
５０の側面からは、リードフレーム５１、５２が突出し
ており、また、搭載基板５３から突出した凸部５３ａの
先端も、モールドケース５０の側面から突出して状態と
なっている。図８に示すパッケージは、２本のリードフ
レーム６１、６２を備えた搭載基板６３上に光検知素子
Ａを搭載し、電極３４、３５とリードフレーム６４、６
５とをワイヤー３６、３７で接続し、表面実装型のプラ
スチックモールドケース６０内に収容したタイプであ
る。

【００２３】モールドケース内に収容した場合、モール
ド用樹脂の光透過特性を利用した波長選択特性を利用で
きるので、特に可視領域や近赤外領域など、所望の波長
に重点を置いた光量測定装置を実現できる。

【００２４】以上例示した実施形態では、２つのフォト
ダイオードを用いて構成したが、図９〜１１に示すよう
に、１つのフォトダイオードで構成することも可能であ
る。この光検知素子Ｂは、フォトダイオード１１１と電
流源（カレントミラー）１１２とで光電変換部１１０を
構成し、この光電変換部１１０に対し、４つのダイオー
ドで構成する整流ダイオードブリッジ１１３を接続して
構成している。整流ダイオードブリッジ１１３からは、
電極１３４−１３５間に印加される電圧の極性によら
ず、常に図に矢印で示す向きに電流が出力される。従っ
て、図に示すように、整流ダイオードブリッジ１１３と
光電変換部１１０との出力電流の向きを一致させて接続
することで、光検知素子Ａと同一の機能を有する素子を
構成できる。なお、この光検知素子Ｂも光検知素子Ａと
同様に、各部を１つのシリコンウエハ１３１上に一体的
に形成してモノリシックＩＣとして構成している。ま
た、フォトダイオード１１１以外の部分は、パイメルな
どの絶縁膜１３２とその上に蒸着された１μｍ程度のア
ルミニウム膜１３３で選択的に覆っている。

【００２５】従来の光検知素子では、工業製品の組立現
場での取付を容易にするため、予め極性判定ができるソ
ケットに接続されたものを使用していたが、各実施形態
で示したように構成することで、無極性形状のソケット
を使用でき、さらに光検知素子に予めソケットを装着す
る前工程においても誤接続を考慮することなく、組立作
業を実施できるため、製造効率を向上させることができ
る。また、従来の光導電型光センサ（ＣｄＳセル）を使
用したタイプでは電源の安定が必須であったが、各実施
形態で示した光検知素子は、２線式電流出力型であるた
め、消費電力は定電流化されているため、仕様範囲内で
供給電圧が変動しても、光量測定精度が低下することは
ない。例えば、自動車の蓄電器電圧変動は、１２Ｖ系で
は７〜１５Ｖ程度はあるといわれるが、本実施形態で示
した光検知素子を自動車に装備する場合は、電源の安定
化を行わずに直に蓄電器ラインに接続しても光量測定の
精度が何等劣化することはない。さらに、光を検知する
フォトダイオード部から発生する微弱な光信号を遠距離
伝送する必要がなくなるため、電磁気雑音の環境が劣悪
な自動車や工業機械などに組み付けても誤動作する心配
はないなどの優れた効果が期待できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、各請求項にかかる
光検知素子によれば、ＣｄＳセルを用いることなく、無
極性２線式の光検知素子を構成できるため、光検知素子
を工業製品へ組み付ける際にも、電極極性を考慮するこ
となく効率的に行うことができる。また、光電変換手段
を、光に対する感度が本質的に面積だけで決まるフォト
ダイオードと、ＩＣ技術で作られた定数バラツキが少な
い増幅回路との組合せで構成したことにより、従来の光
導電型光センサとしてのＣｄＳセルやフォトトランジス
タなどに比べ、光検知特性のバラツキを各段に小さくす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態にかかる光検知素子を示す斜視図であ
る。

【図２】図１の光検知素子を中央部で破断した状態を示
す斜視図である。

【図３】図１の光検知素子の内部構成を示すブロック図
である。

【図４】図１の光検知素子の内部で構成される回路の構
成を示すブロック図である。

【図５】電流入力型電流源の構成例を示す回路図であ
る。

【図６】図１の光検知素子の周囲照度と出力電流との関
係を示すグラフである。

【図７】図１の光検知素子をモールドパッケージ内に収
納した状態を示す透視斜視図である。

【図８】他のパッケージ例を示す透視斜視図である。

【図９】光検知素子の他の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図１０】図９の光検知素子の内部構成を示すブロック
図である。

【図１１】図９の光検知素子の内部で構成される回路の
構成を示すブロック図である。

【図１２】従来のＣｄＳ光導電素子及びその使用形態を
示す説明図である。

【図１３】ＣｄＳ光導電素子に対する接続態様を示す説
明図である。

【図１４】フォトダイオードを利用した従来の３線式光
量測定装置の結線状態を示す説明図である。

【符号の説明】

Ａ、Ｂ…光検知素子、１０、２０…光電変換部、１１、
２１…フォトダイオード、１２、２２…電流入力型電流
源、１３、２３…バイパスダイオード、３４、３５…電
極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１電極及び第２電極と、受光光量に応じた電流を出力し、その出力電流の向きが
互いに逆方向となるように、前記第１電極と第２電極と
の間に直列に接続された一対の光電変換手段と、前記各光電変換手段に対してそれぞれ並列に接続され、
対応する前記光電変換手段の両端に印加される逆方向電
圧をバイパスするバイパス手段とを備え、前記各光電変換手段は、フォトダイオードと、このフォ
トダイオードの出力電流を所定の倍率に増幅する増幅回
路とで構成する光検知素子。
【請求項２】前記光検知素子は、前記各手段を同一の半
導体基板上に形成したモノリシックＩＣである請求項１
記載の光検知素子。
【請求項３】第１電極及び第２電極を有し、この第１電
極と第２電極との間の印加電圧の極性によらず、常に同
一方向に電流を出力する整流手段と、前記整流手段に対して接続されており、受光光量に応じ
た電流を出力するとともに、その電流の向きが前記整流
手段を介して循環する電流の向きと一致する光電変換手
段とを備え、前記光電変換手段は、フォトダイオードと、このフォト
ダイオードの出力電流を所定の倍率に増幅する増幅回路
とで構成する光検知素子。
【請求項４】前記整流手段は、複数のダイオードをブリ
ッジ型に組んで構成したブリッジ型整流回路である請求
項３記載の光検知素子。
【請求項５】前記光検知素子は、前記各手段を同一の半
導体基板上に形成したモノリシックＩＣである請求項
３、４のいずれかに記載の光検知素子。