JPS5990966A - 光電変換素子 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、エンコーダー等に用いてパルス光を電流まだ
は電圧パルスに変換する光電変換素子に関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 、′Ａ１図が従来例の光電変換素子を用いだエンコーダ
の構成図である。タングステンランプ、発光ダイオード
等の面状の光源１と、一定の間隔で開゛孔部２を連続さ
せだしゃへい板３と、光電変換素子が約０．５〜２ｍｍ
の間隔で平行に配置されている。

光電変換素子は、ステンレス、アルミニウム等の金属基
板６の研磨面にアモルファスシリコン等の非晶質半導体
薄膜６を形１人し、その上に突起部７ａ、ｓａなどを交
互に対向させた透明くし型′心棒７，８を蒸着とフォト
エツチングにより形成する。

透明くし型電極７，８の突起部のピンチはそれぞれ、し
ゃへい板３の開孔部のピッチと一致している。非晶質半
導体薄膜５はＰＮ接合やＰｉＮ接合あるいはンヨ）トキ
ー接合の光起電力素子を電極と共に形＋１！５　してお
り、光の入射？ｔＩＳ分に光起電力を発生させる。透明
くし型電極′γ、８の拐料はＩ　ＴＯ（ＩｎｘＳｎ、−
ｘＯ２）やネサ（５ｎＯ２）等の透明導電性相イ」であ
る。リード線９ａ　、９ｂは透明くし型電極の配線部７
ｂ、８ｂにそれぞれ接続され、リード線９Ｃは金属基板
４に接続されて共通アースになっている。

しゃへい板３の開孔部２がたとえば透明くし型電極７の
突起部７ａの真上にある時光源１からの光は透明くし型
電極了のすべての突起部に入射しその突起部の下の部分
の非晶質半導体薄膜６に光起電力を発生しリード線９ａ
と９０の間に電気信号が生ずる。この時、光の入射しな
い透明くし型電極８には光起電力が発生せずリード線９
ｂと９０の間には電気信号は生じない。従ってしゃへい
板３が図の横方向に移動すれば、リード線９ａ、９０間
とリード線９ｂ、９０間に交代に光起電力が発生し、こ
の２つの信号を演算回路でひき算−４−れば連続した交
流信号となる。

交流信号のパルス数はしゃへい板３の移動量に比例１．
エンコーダとしての機能を果たす。

第１図に示す従来例は、配線部７ｂ、８ｂの線巾が０．
２〜１間で膜厚が６ｏ○〜２０００Ａであり、実効的な
電極となる突起部７２Ｌ　、　８Ｌに比べ線巾が大きく
容量が無視できない反面、配線）１】としては高抵抗で
ある。従って時定数が大きく光電流を外部回路に取り出
す応答速度が遅くなる欠点を有する。すなわち、しやへ
い板３の移動速度が大きくなるとリード線９ａ、９０問
およびリード線９ｂ、９Ｃ間に発生する信号のピークが
くずれて検出できなくなる。ロータリーエンコーダとし
て用いる場合は、高速のス’Ｊ　ノ）　イ１’＠ｕへい
円板の回転に信号が追随せず光起電力の周波数特性が、
６ｋＨ２以上の高い周波数で特に低下する。

配線部７ｂ、８ｂの高抵抗の理由は約１００ＯＡの透明
電極材料の７−ト抵抗が７０〜２００Ωと高いためであ
る。

体積固有抵抗で表現するとＯ汀Ｘ１０　〜２×１ｏ　Ω
ＣＴｎでありアルミニウムの体積固有抵抗２．７５Ｘ１
０　０口　に比べ約３桁太きい。抵抗を一ドけるために
膜厚を厚くすれば光の透過率が下がり突起部子ａ、Ｓａ
に発生する光電流が減少してし捷う。

抵抗を下げるだめに巾を広くすればＩＪに比例して金属
基板６との間の容量が火きくなり時定数は減少しない。

配線部７ｂ、８ｂＯ）面積は万効的電極である突起部７
３．８１Ｌと同程度であり配線部の容量は無視できない
程太きい。非晶質半導体薄膜６は光吸収が大きく膜厚は
１μ以下が通常であり、これも容ｌを犬きくする原因の
一つである。

まだ、非晶質半導体薄膜の材料自身の光応答は十分はや
く、アモルファスシリコンの鴨合で、１μｓｅｃ〜１０
μｓｅｃであり光電変換素子の時定数の決定要因とはな
らない。

上記の配線部７　ｂ　、　８　ｂの高抵抗と大容量とい
う２つの欠点に加えて、光源１からの光が配線部７ｂ、
８ｂにもれるという第３の欠点がある。配線↑４］ｉ７
　ｂ　、　Ｂ　ｂの部分も光が入射すれば光起電力素子
として動作し、リード線９ａ、９０間あるいはｇｂ、９
ｃ間に直流バイアス信号が発生して交流信号のＳ／Ｎ　
比を低下させる。

発明のＹ］的 本発明は従来例の３つの欠点をすべて角イ決し、応答の
早い光電変換素子を提供するものである。

発明の構成 本発明は、実効的電極となるくし型電極の突起部にのみ
対向する帯状電極を反対の面に設けて非晶質半導体薄膜
をはさみ、くし型電極の配線部が゛容量を持たず従って
巾を広くして低抵抗化できると共に光起電力素子として
機能しないようにするものである。

実施例の説明 第２図は本発明による代表的な実施例である。

ガラス、セラミック、耐熱高分子等の絶縁性基板１３の
上に帯状電極１４を設ける。帯状電極１４は金属やＩＴ
Ｏをメタルマスクを１１１いて蒸着したり金属箔をポリ
イミド等の耐熱高分子に一体成型したりして設けること
ができる。端子部以外の帯状電極を被覆する非晶質半導
体薄膜５の代表例はアモルファスノリコンのＰｉＮ構造
である。

プラズマＣＶＤ装置により７ラン（ＳｉＨ，）をグロー
放電で分＋Ｉ＋’ｒ　Ｌ、１５０〜３００℃に加熱した
基板上にアモルファス７リコンを堆積才る。ジボラン（
Ｂ２Ｈ６）、＋ボスフィン（ＰＨ５）　　等のガスを０
．２〜２％混入させればそれぞれＰ）ζＩＪ、　、　Ｎ
型の不純物層ができ、光起電力素子を構成するＰｉＮ接
合ができる。

帯状電極１４がＡｕ、Ａｔ、Ｃｕなどの蒸着膜の場合基
板の加熱により蒸着膜の原子が非晶質半導体薄膜５に拡
散しやすいので、Ｏｒ、Ｎｉ、＝ッケルクロム合金、Ｉ
ＴＯ，ＳｎＯ，、等を用いた方が良い。透明くし型電極
１０．１１は非晶質半導体薄膜５の上にＩＴＯや５ｎｏ
２を電子ビーム蒸着やスパッタリングを用いて全面蒸着
しフォトエツチングによってパターンを形成する。

エツチング液は塩酸やリン酸を用いて透明電極のみをエ
ツチングできる。透明くし型電極１０゜１１の突起部１
０＆、１１１Ｌのみ帯状電極１４と対向して光起電力素
子を構成するから、配線部１０ｂ、１１ｂは帯状電極１
４との間に容量を持たず線巾を広くして抵抗を下げるこ
とができる。

従って突起部１０Ｌ、１１２Ｌの面積を従来例の突起部
７ａ、８ａの面積と同じにした場合、本発明による実施
例は時定数を％〜％に小さくでき光電変換素子の応答速
度を３〜４倍に向上することができる。光が配線部１０
２Ｌ、１１ｂにもれても光起電力は発生せずＳ／Ｎも向
上する。

第３図の実施例は光電変換素子をそのまま円板状の絶縁
基板２７の外周部に形成したものでありロータリーエン
コーダに用いることができる。

しゃへい板の回転軸を通す孔３６を持つ絶縁性基板２７
の上に帯状電極２８を円周ヒに設は端子部２９がかくれ
ないよう非晶質半導体薄膜３ｏをその上に形成する。そ
の上に更に突起部３１ａ。

３２ａと配線部３１　ｂ　、３２ｂを持つ２つの透明く
し型電極３１．３２を円周」−に設け、突起部３１　ａ
　、３２ａが帯状電極２８と対向するようにする。帯状
電極２８に接続したリード線３３を共通アースとして、
２つの透明くし型電極にそれぞれ接続したリード線３４
．３５に交互に光電流が発生する。第３図では省１略し
ているが透明くし型電極は円周上に沿って連続して設け
られている。

実際には３０ｍｍφの基板で突起部３１ａ、３２ａの数
はあわぜて４００〜８０ｏぐらいもうけるため突起部３
１＆、３２ａの線巾は１５０μ以下となる。

配線部３１　ｂ　、３２ｂも円周に沿って長くなり本発
明の効果が一層顕著である。第２図および第３図の実施
例を変形させ、くし型電極を金属電極とし帯状電極を透
明電極とすることも可能である。

この場合絶縁性基板はガラス等の薄く透明なものにし基
板側から光を入れることになる。光起電力素子とじゃへ
い板の間が基板の厚みだけ広くなるが、本実施例の場合
配線部への光の拡散によるＳ／Ｈの低下は生じない。

第４図は光電変換素子自体が差動回路を構成し２つのく
し型電極からの信号をひき算する演算回路を必要としな
いものである。絶縁性基板１３の上に２つに分割された
帯状電極１了、１８を設けそれぞれに対向する突起部１
５ａ、１５ｂをもつくし型電極１５．１６が非晶質半導
体薄膜５をはさんでいる。また、帯状電極１７．１８の
端部にそれぞれくし型電極１６．１５の端部が接触し、
それぞれリード線１９．２０に接続されている。

くし型電極１５と帯状電極１７で構成する第１の光起電
力素子とくし型電極１６と帯状電極１８で構成する第２
の光起電力素子は極性を逆にして結合した形になってお
り、それぞれ光が交代に入射するとリード線１９　、２
０間には交流信号が発生する。

くし型電極と帯状電極のうち光の入射側になる方は少な
くとも透明電極にする。２つのくし型電極を絶縁性基板
上に設け２つの帯状電極を非晶質半導体薄膜５の上に設
ける構成も本質的に同じであり、絶縁基板側から光を入
れる場合は当然ガラス等の透明絶縁材料を用いる心安が
ある。

第５図は透明帯状電極と金属くし型電極を用いた実施例
である。金属基板２１の一層にセラミック８ｉ０２やポ
リイミド、フッ素樹脂等の非晶質半導体薄膜６より十分
厚い絶縁膜２２を設け、この上にフォトエツチングによ
って金属くし型電極２３．２４を形成する。その上に非
晶質半導体薄膜５を形成し、その上にメタルマスクを用
いて透明帯状電極２５を蒸着する。前述のように５ｎ０
２゜ＩＴＯなどの透明導電材料は金属に比べ体積固有抵
抗が約３桁も大きい。そこで線［１］の狭く抵抗の大き
くなるくし型電極に金属を１］」い抵抗があまり問題に
ならない帯状電極に透明導電相料を用いたのが第５図の
実施例である。第３図のようなロータリーエンコーダ用
などのパターンでは第６図に示す実施例の構成にすれば
更に直列抵抗かに〜％に減少し応答速度は従来例に比べ
、６〜２０倍に向上させることができる。

発明の効果 以上のように、本発明によれば光電変換素子の容置と抵
抗が共に小さくなり、その時定数で決まる応答速度を従
来例の６〜２ｏ倍まで向上することが可能である。まだ
、光の拡散やもれによるＳ　、−’　Ｈの低下を防ぐ効
果もあり、エンコーダ川光電変換素子としてすぐれた特
性を実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の光電変換素子を用いるエンコーダの構
成図、第２図は本発明の一実施例の光電変換素子の構成
図、第３図は本発明の異なる実施例のロータリーエンコ
ーダ用光電変換素子の構成図、第４図は本発明の異なる
実施例の差動構成の光電変換素子、第６図は本発明の異
なる実施汐１１の金属くし型電極と透明帯状電極を用い
る光電変換素子の構成図である。 ５・・・・・非晶質半導体薄膜、ＩＱ、１１　・　・透
明くし型電極、１０ａ、１１ｔ）・・・・突起部、１０
ｂ、１１ｂ・・・・・・配線部、１２ａ〜１２０・・・
・・リード線、１３・・・・・・絶縁基板、１４・・・
・・帯状電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板上に設けた非晶質半導体薄膜に接して
   一方の而に交互に突起部を持つ２つのくし型電極を形成
   し、もう一方の面に実質的に前記突起部のみに対向する
   帯状電極を形成し、少なくとも一方の電極は透明電極で
   ある光電変摸索ｒ−８
2. （２）帯状電極を透明電極とし２つのくし型電極を金属
   電極とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換素子。