JPS62112019A - 光検出器 - 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】 本発明は、１導電型の半導体領域を具え、この領域にこ
れと相俟ってｐｎ接合を形成する反対導電型の区域を有
する多数の細条状フォトダイオードを設け、これらフォ
トダイオードの両端を２つの同心円弧上に配設し、フォ
トダイオードの長手方向側部を半径方向に延在させ、フ
ォトダイオードを接線方向において規則正しい相対距離
に配置し、順次のフォトダイオードの一端及び他端を出
力電極に交互に接続し、放射光を透過しない像画成シー
ルドをフォトダイオード上に配列し、このシールドによ
ってフォトダイオードの両◇ｉｉｉを被覆すると共にシ
ールドに設けた開口内にフォトダイオードを主として配
置し、フォトダイオードの両端縁部を前記円弧と同心状
に配置するようにした角度変位測定装置に用いるに好適
な光検出器に関するものである。

この種の光検出器は英国特許第１　ｌｉ　Ｏ６９０２号
明細書から既知である。

多重フォトセルとしても示されるこの袖の光検出器は、
例えば回転速度を測定及び制御するために種々の用途に
用い得る角度変位測定装置（タコメーク）、Ｘ線結晶学
に用いられる角度測定装置、並びに物体の角度変位を測
定及び／又は調整する装置に特に頻繁に使用される。

物体の角度変位は、物体に接続され、以下半径方向細条
パターンと称される半径方向に延在する細条パターンを
多重フォトセルにより構成された基準細条パターンヒ）
ご結像することによって測定することができる。このフ
ォトセルは複数のフォトダイオードと、これらフォトダ
イオードを所定のプログラムに従って電子処理回路に接
続するスイッチング電極とを具える。従って゛基準細条
パターン″が多重フォトセルの表面をみかけ上移動する
ことは明らかである。これがため、周囲の影響にほぼ無
関係にダイナミック検出を行うことができ、しかも変位
の方向を測定することもできる。

このダイナミック検出は、個別の細条パターン及びこの
パターンに均等な移動を与える移動部分を用し）ること
なく達成することができるため、多重７オトセルを具え
る変位センサは構成が簡単となり、且つ耐振１生が高く
なる。この種の角度変位測定装置は公開ヨーロッパ特許
願ＥＰ９６４４８号に記載されている。

この種装置に用いるためには、前述した英国特許第１４
０６９０２号明細書から既知の半径方向に延在するフォ
トダイオードを具える多重フォトセルが特に好適である
。その理由は、この場合フォトダイオードを、半径方向
に延在する測定ディスク細条に従って光検出？（の面に
配列し得るからである。）ｒトダイオードを並列ライン
に従って配列する一ヒ述のヨーロッパ特許原註ＥＰ９６
４４８号に用いられている直線性検出器と対比するに、
この場合直線性フォトダイオードパターン上の半径方向
測定細条パターンの像を変換するために、正確に整列さ
れた追加の光学素子を用いる必要はない。フォトダイオ
ードの電気的な制限はスイッチング即ちゲート電極によ
って決まるため、ゲート電極は光学的制限即ち像画成ン
ールドの下側に配置する必要がある。従ってこの像画成
ンールト；ま導電層として構成し得ると共に出力型ｔ・
瓜として用いることができ、しかもスイ；・チングミ極
は出力電極の下側に配列してこれから電気的にｉ（Ｑ　
ａ＝１し得るようにする。しかし、容量、特にゲート電
極及び出力電極間の容１により出力信号に対するゲート
電極の信号の漏話が著しくなることを確かめた。

これら漏話各組は、これらが出力電極に同一端で接続さ
れていないフォトダイオードに対し相違する場合には特
に妨害となることを確かめた。

本発明の目的は、スイッチング信号を経て接触すべき半
径方向に延在するフォトダイオードを有する多重フォト
セルを具え、構成が極めて簡単で、漏話容量による妨害
に起因する障害をできるだけ減少し得るようにした光検
出器を提供せんとするにある。

本発明は１導電型の半導体領域を具え、この領域にこれ
と相俟ってｐｎ接合を形成する反対導電型の区域を有す
る多数の細条状フォトダイオードを設け、これらフォト
ダイオードの両端を２つの同心円弧上に配設し、フォト
ダイオードの長手方向側部を半径方向に延在させ、フォ
トダイオードを接線方向において規則正しい相対距離に
配置し、順次のフォトダイオードの一端及び池端を出力
電極に交互に接続し、放射光を透過しない像画酸シール
ドをフォトダイオード上に配列し、このシールドによっ
てフォトダイオードの両端を被覆すると共にシールドに
設けた開口内にフォトダイオードを主として配置し、フ
ォトダイオードの両端縁部を前記円弧と同心状に配置す
るようにした角度変位測定装置に用いるに好適な光検出
器において、前記シールドを、出力電極として用いる導
電層により構成し、前記両端謀部に隣接する部分によっ
て均一幅のハンドを形成し、この均一幅の比をその中心
ラインの曲率半径の比にほぼ逆比例させ、各フォトダイ
オードは出力電極の下側に位置する絶縁ゲート電極を有
する電界効果トランジスタを経て出力電極に接続するよ
うにしたことを特徴とする。

又、本発明物体の角度変位測定装置は、物体に機械的に
連結された測定ディスクを具え、このディスクには半径
方向に延在する第１細条のパターンを設け、これら第１
細条は接線方向において第２細条と交互に配設し、これ
ら第１及び第２細条の光特性を互いに相違させ、ほかに
１則条パターンを照射する光源と、細条パターンからの
光を電気信号に変換する光検出器とを具え、この光検出
器には、電子スイッチにより検出器信号を処理する電子
回路に連続的に接続される多数のフォトダイオードより
成る多重フォトセルを設けて、前記測定ディスクにより
物体の角度変位を測定する装置において、前記光検出器
として本発明による光検出器を用いるようにしたことを
特徴とする。

図面につき本発明を説明する。

図中同一部分には同一符号を付して示す。第１図に平面
図で示し、第２図にその一部分をｆｆ−ｎ線上の断面で
示す本発明光検出器は１導電型（本例ではｎ導電型）の
半導体領域■を具える。この半導体領域をｎ導電型とす
ることもできる。ｎ導電型領域１には複数個の同一構成
の細条状フォトダイオード、本例では説明の便宜上５個
のフォトダイオード（１１〜１５〉　を設ける。実際に
はこれらフォトダイオードの数を著しく多く、例えば約
２００個とすることができる。第２図にはフォトダイオ
ード１３の断面を示す。このフォトダイオードは反対導
電型（本例ではｎ導電型）の区域４を具え、この区域は
領域１と相俟ってｐｎ接合５を形成する。フォトダイオ
ード１１〜１５の両端部は２つの同心円弧上に配置し、
これらフォトダイオードの長手方向側部を半径方向に延
在させる（第１図参照）。

フォトダイオードは、接線方向に、即ち長手方向に対し
直角を成す方向に規則正し５）ト目対距＃Ｌ　７：ｔｅ
列すると共に、その一端及び池端を以下詳細に説明する
ように出力電極に交互に接続する。半導体領域１は基準
電位即ち接地点に接続する。

フォトダイオード上には像画酸シールド６を設け、この
シールド６は、入射光に対し不透明とし、且つこれによ
りフォトダイオードの両端部を被覆すると共に光が当た
るフォトダイオードの部分を画成して不所望な端（源信
号を防止し得るようにする。又、シールド６には開口Ａ
　Ｂ　ＣＤを設け、この開口内にフォトダイオードを主
として位置させ、開口の対向端縁ΔＢ及びＣＤを円の弧
と同心状に配置する。

本発明によれば、シールド６を出ツノ電極として用いる
導電層、例えばアルミニウム層により構成し、その間口
端縁ＡＢ及びＣＤに隣接する部分によって均一幅のバン
ドを構成し、その幅（貼、ｂ２）の比を、バンドの中心
線（Ｈｌ、　Ｈ１’及びＨ２，Ｈ２′）の曲率半径（Ｒ
１，Ｒ２）の１ヒに対しほぼ逆比例の関係とする。第１
図から明らかなように上記関係は次式で表す、−どがで
きる。

ｂ、　　　　Ｒ２ □年　□ ２Ｒ１ 更に本発明によれば各フォトダイオードを、電界効果ト
ランジスタを介して出力電極６の下側に位置するゲート
電極７に供給するスイッチング信号（Ｓ、□−８１５）
によって出力電極６に接続する。第２図から明らかなよ
うに区域４には遮断部を設け、これにより区域の一部分
４′を接点窓８（第１図ではＸ印で示す）を介して出力
電極６に接続する。

これら区域の部分４′及び４によって絶縁ゲート電極７
を有する電界効果トランジスタのソース及びドレイン領
域を構成し、絶縁ゲート電極７はスイッチング電圧点Ｓ
１３　に接続する。このスイッチング電圧として正しい
値のものを選定する場合には区域の部分４及び４′間の
関連するフォトダイオードの表面部分に既知のように反
転チャンネルが形成され、この反転チャンネルを経て区
域部分４及び４′を電気的に互いに接続し、従って光に
より区域４に形成される電荷が出力電極６に流れ（１）
るようになり、この電荷を出力端子Ｕて測定することが
できる。

供給導体を含むゲート電極７と、これから酸化物層１６
　（第２図参照）により絶縁された上側の出力電極６と
の間の容量によって漏話を発生し、この漏話により測定
すべき信号から識別し得ない妨害信号を発生する。バン
ド幅ｂ１及びｂ２が等しい場合にはバンドΔＢに接続さ
れたフォトダイオード１２及び１４の漏話容量がバンド
ＣＤに接続されたフォトダイオード１１．１３及び１５
の漏話容量よりも大きい。その理由は区域４の長手方向
側部が半径方向に延在するため、これら区域はバンドＣ
Ｄの部分よりもハンドΔＢの部分のほうが広いからであ
る。ゲート電極の表面積従って容量は比Ｌ／Ｒ，におい
てフォトダイオード１１．１３及び１５に対するよりも
フォトダイオード１２及び１１１に対するほうが大であ
る。従って漏話妨害信号はフォトダイオード１１．１３
及び１５並びにフォトダイオード１２及び１４．二対し
て同程度の大きさとなる。順次のフォトダイオードのこ
れら妨害信号の大きさが相違するため、出力電極に交番
振幅の妨害電圧パルスが発生し、そのエンベロープ状交
番信号が測定すべき信号の無視し得ない部分を構成する
。

回路設計の見地からすると、全部のフォトダイオードに
対する妨害電圧パルスの大きさが同一であり、その結果
エンベロープ信号が直流電圧信号であることは信号を解
析するうえて有利である。

この点は、本発明光検出器において比 ｂ１　〜　Ｒ２ ｂ２Ｒ＋ とする良好な概算によって達成することができ、その結
果、バンドΔＢに接続されたフォトダイオードの漏話容
重をバンドＣＤに接続されたフォトダイオードの漏話容
量にほぼ等しくすることができる。

実際に達成された満足に作動する光検出器では、フォト
ダイオードの数を２２０とする。多結晶珪素より成り、
供給導体を含むスイッチング電極７の幅を８μｍ　とし
、且つＲ１−１７ｍｍ及びＲ２＝１８．８　ｍｍとする
。かかる光検出器において、）＜ンド幅す、を／　＜ン
ド幅ｂ２に等しくすると、順次のフォトダイオード間の
妨害信号の差はほぼ１０ニルとなる。

本発明による構成においては、この差を著しく減少させ
ることができる。

多重フォトセルを具える半導体本体にはスイッチング信
号を発生且つ処理する電子回路を少なくとも８６分的に
組込むのが好適であり、従って光検出器全体は、多重フ
ォトセル及び関連する周辺電子部品を有するモノリシッ
ク集積回路を構成する。

次に示す例では本発明による光検出２３を用いる物体の
角度変位測定装置を説明する。

第３及び４図に示す物体の角度変位測定装置は、回転を
測定する必要のある物体（図示せず）に接続された中心
Ｍを有する円形ディスク２１を具える。

この円形ディスク２１は軸線ａａ’を中心として回転す
る。この円形ディスク２１はいわゆるゴニオメータ即ち
マニピュレータの一部分を形成し、これにより検査すべ
き物質のサンプルを測定光ビームに対し所定角度で配列
する。ゴニオメータは例えばＸ線と共に作動するスペク
トロメータ又は顕微鏡に使用する。或いは又円形ディス
ク２１によって工作機械又は処理機械の角度センサの一
部分を構成することもできる。このディスク２１には、
等距離に配列されたｙ数個の反射細条２３及びこれら反
射細条に対し交互に配列された無反射、例えば透明又は
光吸収細条２４より成るパターン２２を設ける。

このパターン２２を光源２５、例えば発光ダイオード又
はダイオードレーザから放出されたビーム２６により照
射する。ビーム２６の一部分を反透鏡２７によりディス
ク２１に反射する。光源２５は視野レンズ２８の焦点面
に配置してビームを平行とし得るようにする。パターン
２２により反射された光の一部分は反透鏡２７を通過し
て対物レンズ系２９に到達し、この対物レンズ系によっ
て測定ディスクの照射パターンを多重フォトセル３０上
に結像する。

多重フォトセル３０は本発明による光検出器の一部分を
構成すると共に比較的多数の細条状フォトダイオード３
１を具え、これらフォトダイオードは分離細条３２によ
りｔ目互に分離すると共に比較的少数の群に分割する。

これがため、各群は比較的多数のフォ１−ダイオードを
具える。結像された１ｉｌｌ１条パターン２２の一段当
たりのフォトダイオードの数はできるだけ多数として光
信号の電気的な再現性をできるだけ信頼性のあるものと
する必要がある。

又、例えば７２０個の細条段を周縁に具える細条パター
ン２２の最大可能な部分を走査する必要がある。

第５図に示すように光検出器のフォトダイオード３１は
曲率半径Ｒ′の曲線３３に沿って配列し、この曲率半径
Ｒ′は、フォトダイオードのパターンが多重フォトセル
に形成されたパターン２２の細条の像に相当するように
選定する。従って、対物レンズ系２９を倍率Ｍとする場
合には、上記曲率半径Ｒ′は次式で表すことができる。

Ｒ′二ＭＸＲ ここにＲは、パターン２２の細条が配列された曲線３４
の曲率半径である。かかる手段とすることにより反射細
条２３からの光を多くとも１個のフォトダイオード３１
又は１個の分離細条３２毎に測定ディスク２１に照射す
ることができ、しかも測定ディスクが回転すると全ての
フォトダイオードが順次に完全！こ照ｑ−１さ１するよ
うになる。これがため測定ディスク２１従ってこれに連
結された物体の角回転を極めて正確に測定することがで
きる。

多重フォトセル３０の上述した例ではフォトダイオード
の数を２２０とし、各フォトダイオードの長さを１．８
ｍｍとした。又、各フォトダイオードの幅を１０μｍと
し、これらフォトダイオードの相対距１＋、ｉｌＦも１
０μｍとした。従ってパターン２２の段当たりのフォト
ダイオードの数は、視野がパターン２２の２２段を具え
るような数とした。これがため１０個の順次のフォトダ
イオードより成る各組の関連するフォトダイオードを互
いに接続した。これは各々が２２個のフォトダイオード
より成る群が１０個存在することを意味する。

従って、フォトダイオードの５個の順次の群を作動させ
ることによって多重フォトセル３０の表面に白黒比が１
：１の静止細条パターンをシュミレートする。この５群
のフォトダイオードを毎回１群宛進段する場合には移動
細条パターンを得ることができる。

第６図にブロンク線図で示す処理回路ではクロックパル
ス発生器４０により発生したタロツクパルス４１を分周
器４２及び４３に供給する。分周器４２によってリング
カウンタ４５を制御するパルス４４を発生する。多重フ
ォトセル３０は、このリングカウンタ４５により作動し
て測定信号４６を発生する。分周器４３によって、分周
器４２からの制御パルス４４とは繰り返し周波数が異な
るパルス４７を発生し、これにより基準信号を形成する
。バッファカウンタ４８では測定信号４６及び基準パル
ス４７を互いに比較する。

バッファカウンタ４８の出力パルスを例えば表示器に供
給する。

リングカウンタ４５によって多重フォトセル３０のフォ
トダイオードの順次の群を作動させる場合には細条パタ
ーンはフォトセル３０の表面上を一定の速度でみかけよ
移動する。このパターン２２の没は、パターン２２のフ
ォトセル３０上への投影の没と等しくする。パターン２
２がフォトセル３０に対して静止している場合には測定
信号の周波数は一定となる。

パターン２２の投影がリングカウンタ４５により作動す
る見かけのパターンと同一方向に移動する場合には測定
信号４６の周波数は減少するが、パターンの投影がリン
グカウンタにより作動する見かけのパターンとは逆方向
に移動する場合には測定信号４６の周波数が増大する。

これがため、細条パターン２２の変位従って物体の変位
の方向及び大きさを測定することができる。

前述したように、第６図のブロック図に従う処理回路の
一部分は多重フォトセルと同一半導体本体内に組込むこ
とができる。

本発明は上述した例にのみ限定されるものではない。例
えば、フォトダイオードは、ｎ型半導体本体に設けた口
型区域で構成しないでｎ型半導体本体に設けた口型区域
で構成することができる。

又、出力電極として用いるシールド６もアルミニウム層
でなく他の導電層で構成することができる。

更に、フォトダイオードは上述した所とは異なる形状で
群に接続することができ、又測定装置或いは調整装置へ
の使用に従って群に接続しなくてもよい。

４６図面の１１？ｉ弔な１；つ（明 第１図は本発明光検出器の一７’ＦＲ分を示す平面図、
第２図は第１図に示す光検出器のｎ−ｎ線」二の断面図
、 第３図は本発明物体の角度変位測定装置の構成を示す説
明図、 第４及び５図は第３図に示す装置の一部分を詳細に示す
部分平面図、 第６図は第３図に示す装置に関連する信号処理回路を示
すブロック図である。

１・・・半導体領域　　　　４・・・半導体区域４′・
・・一部分（４）５・・・ｐ　ｎ　＋？合６・・・像画
成シールド（出力電極） ７・・・ゲート電極　　　　８・・・接点窓１１〜１５
・・・フォトダイオード １６・・・酸化物層　　　　　２１・・・円形測定ディ
スク２２・・・パターン　　　　　２３・・・反射細条
２４・・・透明又は光吸収細条 ２５・・・光源　　　　　　　２６・・ビーム２７・・
・反透鏡　　　　　　２８・・・視野レンズ２９・・・
対′内レンズ系　　　３０・・・多重フォトセル３１・
・・細条状フォトダイオード ３２・・・分離細条　　　　　３３．３４・・・曲線４
０・・・クロックパルス発生器 ４１・・・クロックパルス　　４２．４３・・・分周器
４４・・・パルス（４２）　　　　　４５・・・リング
カウンタ４６・・・測定信号　　　　　４７・・・パル
ス（４３）４８・・・バッファカウンタ　ＡＢＣＤ・・
・開口へＢ、　ＣＤ・・・開口縁 Ｒ，Ｒ′、　Ｒ，、ｒｔ２・・・曲率半径す、　、　ｂ
２・・・幅

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１導電型の半導体領域を具え、この領域にこれと相
   俟ってｐｎ接合を形成する反対導電型の区域を有する多
   数の細条状フォトダイオードを設け、これらフォトダイ
   オードの両端を２つの同心円弧上に配設し、フォトダイ
   オードの長手方向側部を半径方向に延在させ、フォトダ
   イオードを接線方向において規則正しい相対距離に配置
   し、順次のフォトダイオードの一端及び他端を出力電極
   に交互に接続し、放射光を透過しない像画成シールドを
   フォトダイオード上に配列し、このシールドによってフ
   ォトダイオードの両端を被覆すると共にシールドに設け
   た開口内にフォトダイオードを主として配置し、フォト
   ダイオードの両端縁部を前記円弧と同心状に配置するよ
   うにした角度変位測定装置に用いるに好適な光検出器に
   おいて、前記シールドを、出力電極として用いる導電層
   により構成し、前記両端縁部に隣接する部分によって均
   一幅のバンドを形成し、この均一幅の比をその中心ライ
   ンの曲率半径の比にほぼ逆比例させ、各フォトダイオー
   ドは出力電極の下側に位置する絶縁ゲート電極を有する
   電界効果トランジスタを経て出力電極に接続するように
   したことを特徴とする光検出器。 ２、フォトダイオードは、スイッチング信号を発生且つ
   処理する電子回路の少なくとも一部分と共に同一半導体
   本体内に設けるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲大１項記載の光検出器。 ３、物体に機械的に連結された測定ディスクを具え、こ
   のディスクには半径方向に延在する第１細条のパターン
   を設け、これら第１細条は接線方向において第２細条と
   交互に配設し、これら第１及び第２細条の光特性を互い
   に相違させ、ほかに細条パターンを照射する光源と、細
   条パターンからの光を電気信号に変換する光検出器とを
   具え、この光検出器には、電子スイッチにより検出器信
   号を処理する電子回路に連続的に接続される多数のフォ
   トダイオードより成る多重フォトセルを設けて、前記測
   定ディスクにより物体の角度変位を測定する装置におい
   て、前記光検出器として特許請求の範囲第１項又は第２
   項に記載の光検出器を用いるようにしたことを特徴とす
   る物体の角度変位測定装置。