(57)【要約】      （修正有）【課題】測距値のバラツキが小さい遠距離測距を可能にする測距センサを提供する。【解決手段】測距センサは、発光素子２と、受光光学系４と、受光素子６と、上記受光素子６の受光面を覆う遮光層１３と、上記受光素子６上における受光位置を求める検出部とを備え、上記受光素子６は、上記発光素子２と上記受光光学系４と上記受光素子６とを通る平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された連続する複数の受光部１２を含んでおり、上記遮光層１３には、各受光部１２に受光光学系４からの光を導くための開口が形成されており、上記開口の側壁には、対応する上記受光部１２の上記受光光学系４からの上記受光面の延在方向への距離に応じた遮光角度が設けられている。【選択図】図３
2015230177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象物に対して光を照射する発光素子と、
測距対象物からの反射光を集光する受光光学系と、
上記受光光学系で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流を出力する受光素子と、
上記受光素子の受光面を覆うように設けられた遮光層と、
上記光電流に基づいて、上記受光素子上における受光位置を求める検出部と
を備え、
上記受光素子は、上記発光素子と上記受光光学系と上記受光素子とを通る平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部を含んでおり、
上記遮光層には、上記各受光部に上記受光光学系からの光を導くための開口が形成されており、
上記開口の側壁には、対応する上記受光部の上記受光光学系からの上記受光面の延在方向への距離に応じた遮光角度が設けられている
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の測距センサにおいて、
上記各受光部は、第１電型の上部拡散層で成り、
上記各上部拡散層の夫々の周囲に形成された第２電型の下部拡散層と、
上記各下部拡散層の周囲に形成された上記第１電型の拡散層と
を備え、
上記検出部は、上記上部拡散層と上記下部拡散層との接合部で得られた光電流である上層拡散部受光電流に加えて、上記下部拡散層と上記拡散層との接合部で得られた光電流である下層拡散部受光電流をも検出するようになっており、上記下層拡散部受光電流から上記上層拡散部受光電流を減じた光電流に基づいて、上記受光素子上における受光位置を求めるようになっている
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の測距センサにおいて、
上記遮光層は、上記複数の受光部のうち、上記受光光学系に近い側に在って入射角度が８５°以上且つ９０°以下である受光部の表面を覆うように設けられている
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の測距センサにおいて、
上記遮光層が設けられた上記受光素子を第１受光素子とし、
上記発光素子と上記受光光学系と上記第１受光素子とを通る上記平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部を含むと共に、上記受光光学系からの光を受光し、且つ受光面が遮光層で覆われていない第２受光素子を備え、
上記第１受光素子と上記第２受光素子とは、上記発光素子と上記受光光学系と上記第１受光素子とを通る上記平面に対して対称に形成されており、
上記検出部は、基準となる基準対象物を用いた測距時において、上記第２受光素子からの光電流と上記第１受光素子からの光電流との差分値を求め、上記測距対象物の測距時においては、上記第２受光素子からの光電流値に対して上記差分値による補正を行い、上記補正後の光電流値に基づいて、上記第２受光素子上における受光位置を求めるようになっている
ことを特徴とする測距センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの何れか一つに記載の測距センサを用いた
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体の有無の検出や物体までの距離の検出を行う三角測距方式の測距センサ、および、それを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、位置検出誤差の少ない位置検出装置として、特開２００８‐２２７４３０号公報(特許文献１)に開示された位置検出用受光素子がある。この位置検出用受光素子においては、Ｎ型基板とＰ型抵抗層とで受光部を構成し、上記Ｐ型抵抗層は、入射光位置に応じて不純物濃度が高くなるように配置された異なる不純物濃度の複数の抵抗部からなり、分解能の向上を図るようにしている。
【０００３】
また、特開２０１０‐２４９６９７公報(特許文献２)に開示された光学式測距装置がある。この光学式測距装置では、受光素子上に測距対象物からの反射光によって２つの光スポットを形成し、測距対象物までの距離を、受光素子上の２つの光スポット間距離と受光光学系と受光素子との間の距離に基づいて求め、測距値のばらつきを軽減するようにしている。
【０００４】
また、特開２００３‐１５６３２８公報(特許文献３)に開示された測距センサがある。この測距センサでは、近位側の測距対象物に反射して受光素子に受光され得る位置に配置された第１の発光素子と、遠位側の測距対象物に反射して上記受光素子に受光され得る位置に配置された第２の発光素子とを備えて、測距値ばらつきを軽減するようにしている。
【０００５】
また、受光素子への迷光を除去する検出装置として、特開平７‐１９８５９号公報(特許文献４)に開示された反射型光電センサがある。この反射型光電センサにおいては、ケース内に実装されたＬＥＤチップから出射されて物体検知領域で反射された光を、上記ケースに設けた微小なピンホールを介して縦置きに配置されたＰＳＤ(Position Sensitive Detector：光位置センサ)で受光する。その際に、上記ＬＥＤチップの上部のレンズ下面に配置された遮光マスクによって、迷光を遮光するようにしている。
【０００６】
また、特開２００７‐２０７７８９号公報(特許文献５)に開示された個体撮像素子がある。この個体撮像素子では、フォトダイオードが形成された半導体基体の表層に、各フォトダイオード毎に、多層の金属配線層を水平方向にずらして積層してθ0だけ傾斜した窓開口を設け、試料を透過して垂直に入射する励起光を遮断するようにしている。
【０００７】
また、特開２００１‐２３７４０４号公報(特許文献６)に開示された増幅型個体撮像装置がある。この増幅型個体撮像装置では、複数の受光部が形成された半導体基板の上方に複数の遮光層を積層し、最上層の遮光層における開口部の中心と上記開口部に対応する受光部の中心とのずれを、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って大きくして、周辺部におけるシェーディングを抑制するようにしている。
【０００８】
しかしながら、上記従来の位置検出装置(測距センサ)には、以下のような問題がある。
【０００９】
三角測距方式を使用した測距センサにおいては、精度のよい光学特性を得るためにレンズが大きくなり、高価で形状も比較的大きくなるので使用範囲が限られる。特に、遠距離検出の際には、スポット位置の変動が少ないため、位置検出の精度低下が避けられない。
【００１０】
上記特許文献１に開示された位置検出用受光素子では、受光部のＰ型抵抗層における不純物濃度を、入射光位置に応じて高くなるようにすることによって、遠距離側の電流出力変動を大きくするようにしている。しかしながら、それに伴って、近距離側の電流出力変動が低減されてしまうというデメリットが生じる。
【００１１】
上記遠距離時の分解能向上やばらつき低減のために、上記特許文献２に開示された光学式測距装置では、受光素子上に２つの光スポットを形成するようにしている。また、上記特許文献３に開示された測距センサでは、近位測用の第１の発光素子と遠位測用の第２の発光素子とを備えるようにしている。しかしながら、何れも部材が増え、高価で形状が大きくなるという問題がある。
【００１２】
また、上記特許文献４に開示された反射型光電センサでは、上記ＰＳＤを縦置きに配置することにより、三角形の相似によって、検知物距離変化に対して上記ＰＳＤの受光スポット位置がリニアに変動することから、遠距離側の分解能を向上させるようにしている。しかしながら、上記ＰＳＤを縦置きに配置することによって構造が複雑になり、高価になると共にセンサの厚みが大きくなる。
【００１３】
また、特許文献５に開示された個体撮像素子では、半導体基体の表層に、各フォトダイオード毎にθ0だけ傾斜した窓開口を設けて、垂直に入射する光を遮断するようにしている。しかしながら、受光量を検知する上記フォトダイオードは、距離検知物の反射率に依存して受光量が変動するため、距離検知物体が制限されるという問題がある。また、入射角が一定方向に限定されるため、三角測量に用いることができないという問題もある。
【００１４】
また、特許文献６に開示された増幅型個体撮像装置では、複数の受光部が形成された半導体基板の上方に複数の遮光層を積層し、各遮光層の開口部の中心と対応する受光部の中心とのずれを周辺部に向かうに従って大きくするようにしている。しかしながら、個々の受光部への入射角が一定方向に限定されるため、三角測量に用いることができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８‐２２７４３０号公報
【特許文献２】特開２０１０‐２４９６９７公報
【特許文献３】特開２００３‐１５６３２８公報
【特許文献４】特開平７‐１９８５９号公報
【特許文献５】特開２００７‐２０７７８９号公報
【特許文献６】特開２００１‐２３７４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、この発明の課題は、小型で且つ低価格であり、測距値のバラツキが小さい遠距離測距が可能な三角測距方式による測距センサを提供することにある。
【００１７】
また、この発明のもう一つの課題は、測距値のバラツキが小さい遠距離測距が可能な測距センサを用いることによって、高性能な電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、この発明の測距センサは、
測距対象物に対して光を照射する発光素子と、
測距対象物からの反射光を集光する受光光学系と、
上記受光光学系で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流を出力する受光素子と、
上記受光素子の受光面を覆うように設けられた遮光層と、
上記光電流に基づいて、上記受光素子上における受光位置を求める検出部と
を備え、
上記受光素子は、上記発光素子と上記受光光学系と上記受光素子とを通る平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部を含んでおり、
上記遮光層には、上記各受光部に上記受光光学系からの光を導くための開口が形成されており、
上記開口の側壁には、対応する上記受光部の上記受光光学系からの上記受光面の延在方向への距離に応じた遮光角度が設けられている
ことを特徴としている。
【００１９】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記各受光部は、第１電型の上部拡散層で成り、
上記各上部拡散層の夫々の周囲に形成された第２電型の下部拡散層と、
上記各下部拡散層の周囲に形成された上記第１電型の拡散層と
を備え、
上記検出部は、上記上部拡散層と上記下部拡散層との接合部で得られた光電流である上層拡散部受光電流に加えて、上記下部拡散層と上記拡散層との接合部で得られた光電流である下層拡散部受光電流をも検出するようになっており、上記下層拡散部受光電流から上記上層拡散部受光電流を減じた光電流に基づいて、上記受光素子上における受光位置を求めるようになっている。
【００２０】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記遮光層は、上記複数の受光部のうち、上記受光光学系に近い側に在って入射角度が８５°以上且つ９０°以下である受光部の表面を覆うように設けられている。
【００２１】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記遮光層が設けられた上記受光素子を第１受光素子とし、
上記発光素子と上記受光光学系と上記第１受光素子とを通る上記平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部を含むと共に、上記受光光学系からの光を受光し、且つ受光面が遮光層で覆われていない第２受光素子を備え、
上記第１受光素子と上記第２受光素子とは、上記発光素子と上記受光光学系と上記第１受光素子とを通る上記平面に対して対称に形成されており、
上記検出部は、基準となる基準対象物を用いた測距時において、上記第２受光素子からの光電流と上記第１受光素子からの光電流との差分値を求め、上記測距対象物の測距時においては、上記第２受光素子からの光電流値に対して上記差分値による補正を行い、上記補正後の光電流値に基づいて、上記第２受光素子上における受光位置を求めるようになっている。
【００２２】
また、この発明の電子機器は、
上記この発明の測距センサを用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
以上より明らかなように、この発明の測距センサは、受光素子の受光面を覆う遮光層に受光部に光を導く開口を設け、上記開口の側壁には、対応する上記受光部の上記受光光学系からの距離に応じた遮光角度を設けている。
【００２４】
したがって、上記受光部における分解能を向上させることができる。特に、上記遮光角度が大きいため、同一の上記受光部に反射光が入射される上記測距対象物までの距離の範囲が大きい遠距離検出時において、分解能を向上させることができる。
【００２５】
すなわち、この発明によれば、発光光学系または上記受光光学系を増加させる必要がないため小型且つ低価格であり、測距値のバラツキが小さく、且つ遠距離測距が可能な測距センサを提供することができる。
【００２６】
また、この発明の電子機器は、測距値のバラツキが小さく、且つ遠距離測距が可能な測距センサを用いるので、高性能な測距機能を有する電子機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の測距センサにおける光学系を示す概略図である。
【図２】図１における受光素子の平面図および断面図である。
【図３】図２における金属板の開口位置の説明図である。
【図４】図２の遮光メタルを配置しない場合の分解能低下の説明図である。
【図５】特許文献１の位置検出用受光素子のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図２とは異なる受光素子の断面図である。
【図７】図２および図６とは異なる受光素子の断面図である。
【図８】検知物からの反射光の入射角に対する検知物距離の依存性を示す図である。
【図９】この発明の測距センサを用いた距離検出回路のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２９】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の測距センサにおける光学系を示す概略図である。この測距センサ１は、三角測量方式を用いた光学式測距センサであり、図１(a)に示すように、測距対象物７に光を照射する発光素子２と、発光素子２から照射された光を集光する発光レンズ３と、測距対象物７からの反射光を集光する上記受光光学系の一例としての受光レンズ４と、受光レンズ４で集光された光が結像されて光スポット５が形成される受光素子６と、を備えている。尚、図１(b)は、図１(a)における(イ)部の拡大図である。
【００３０】
上記発光素子２の位置を原点Ｏ(０,０)とし、発光レンズ３の位置を点Ａ(０,ｄ)とし、受光レンズ４の位置を点Ｃ(Ｌ,ｄ)とし、原点Ｏの基線上であるＸ軸上に受光素子６を配している。
【００３１】
上記受光素子６には、上記ＰＳＤが用いられており、受光素子６上に照射されて結像された光スポット５の光重心位置を検出する。
【００３２】
図２は、上記受光素子６の平面図(図２(a))、および、図２(a)のＡ‐Ａ'矢視断面図(図２(b))である。ここで、図２におけるＡ‐Ａ’矢視断面が、上記「発光素子と受光光学系と受光素子とを通る平面」であって、図１(a)におけるＸＹ平面である。本実施の形態においては、図２(a)に示すように、Ｎ型基板１１の表面に、Ｐ型抵抗層１２を、４本の直線状の部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dを互いに連続して「Ｍ字状」に配列して、ジグザグ形状に配置している。部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dは、上記受光部の一例である。そして、最も遠い測距対象物７からの反射光を受光する部分Ｐ型抵抗層を、部分Ｐ型抵抗層１２aとする一方、最も近い測距対象物７からの反射光を受光する部分Ｐ型抵抗層を、部分Ｐ型抵抗層１２dとしている。
【００３３】
このように、上記各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dをジグザグ形状になるように配置することによって、受光素子６上に形成される光スポット５の径に合わせて受光エリアを広くとることができ、ＳＮ比を向上させることができる。また、上記ジグザグ形状を三角形のジグザグ形状にすることによって、アセンブリによるチップずれで、図１(a)におけるＺ軸方向に光スポット５の位置がずれた際の距離誤検出を防ぐことができる。尚、受光素子６上における光スポット５の径は、上記ジグザグ形状のピッチ幅に略等しくなっている。
【００３４】
図５は、上記特許文献１に開示された、Ｎ型基板とＰ型抵抗層とで受光部を構成し、上記Ｐ型抵抗層を、入射光位置に応じて不純物濃度が高くなるように配置された複数の抵抗部で構成した位置検出用受光素子によるシミュレーション結果を示す。
【００３５】
図５に示すように、測距対象物までの距離が長い１５ｃｍ〜３０ｃｍの遠距離では、上記Ｐ型抵抗層の不純物濃度を変化させない場合に比して、出力電圧の変動が大きくなるものの、測距対象物までの距離が短い２ｃｍ〜５ｃｍの短距離側では、その分だけ出力電圧の変動が低下することになる。
【００３６】
そこで、本実施の形態においては、図２(b)に示すように、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dの周囲に、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dにおける受光レンズ４からのＸ軸方向への距離に応じて遮光角度を変更した、上記遮光層の一例としての遮光メタル１３を配置している。この遮光メタル１３は、アルミニウム等でなる複数枚の金属板１３a〜１３cを積層して構成されており、各金属板１３a〜１３cには、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに測距対象物７からの反射光を導くための開口１４a〜１４dが設けられている。ここで、各開口１４a〜１４dの形状はＰ型抵抗層１２と略同じ形状を有している。
【００３７】
但し、上記各開口１４a〜１４dの位置は、各金属板１３a〜１３cによって、以下のようにずれている。すなわち、図３に示すように、ＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)等で成る発光素子２上の原点Ｏ(０,０)を通る受光素子６上の基線をＸ軸とした場合、例えば、部分Ｐ型抵抗層１２bに対応する開口１４b(図２(b)参照)に関して、金属板１３a〜１３cに形成する開口１４ba〜１４bc(図２(b)参照)の位置を、部分Ｐ型抵抗層１２bにおけるＸ軸上の中心と受光レンズ４の中心とを結ぶ線上に、開口１４ba〜１４bcのＸ軸上の中心が位置するように設定するのである。
【００３８】
こうすることによって、Ｙ軸上の点Ｂ0の位置から出射されて受光レンズ４を通る入射角θbの光が、部分Ｐ型抵抗層１２bに入射する。尚、このことは金属板１３a〜１３dに形成する開口１４aa〜１４ac，開口１４ca〜１４ccおよび開口１４da〜１４dcの場合も同様である。
【００３９】
上記遮光メタル１３を配置していない従来においては、図４に示すように、測距対象物７が、実線で示す光(部分Ｐ型抵抗層１２bのＸ軸方向の中心に向かう光)を反射する位置Ｂ0から、点線で示す光を反射する位置Ｂ1,Ｂ2に移動した場合にも、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに点線で示す光が入射されるので、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dからの出力によって、上記両位置が同一距離として認識される。
【００４０】
これに対し、本実施の形態においては、図３に示すように、金属板１３a〜１３dに形成する開口１４aa〜１４da,１４ab〜１４dbおよび１４ac〜１４dcを、上述のように配置することにより、図４においては各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに入射されていた位置Ｂ1,Ｂ2からの点線で示す光は、図３においては、遮光メタル１３の各金属板１３a〜１３dによって遮光される。そのため、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに点線で示す光が入射されず、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dにおける分解能を向上させることができる。
【００４１】
特に、上記遮光角度が大きいため、同一の部分Ｐ型抵抗層１２aに反射光が入射される測距対象物７までの距離の範囲が大きい遠距離検出時において、分解能を向上させることができるのである。
【００４２】
ところで、従来の測距センサでは、図１(a)において、上記発光素子２から測距対象物７に出射された光束８が、発光レンズ３によって略平行光束９に集光される。この集光された平行光束９は、Ｙ軸上に沿って射出され、測距対象物７上の点Ｂ(０,ｙ)にスポット照射され、測距対象物７で拡散反射する。測距対象物７によって拡散反射された光束１０は受光レンズ４によって集光される。集光された光は、受光素子６上の点Ｅ(Ｌ＋ｌ,０)に結像されて受光素子６上に光スポット５を形成する。
【００４３】
そして、上記点Ｃ(受光レンズ４の中心)を通るＹ軸に平行な線がＸ軸上の受光素子６と交差する点を点Ｆ(Ｌ,０)とすると、三角形ＡＢＣと三角形ＦＣＥとは相似形となる。そこで、発光レンズ３から測距対象物７までの距離ｙを、受光素子６によって光スポット５の位置を検出して辺ＦＥ(距離ｌ)の変位量を測定し、この距離ｌを用いて、距離ｙ＝距離Ｌ×(距離ｄ/距離ｌ)によって検出するようにしている。
【００４４】
しかしながら、本実施の形態の受光素子６においては、図２(b)に示すように、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dの周囲に配置された遮光メタル１３の遮光角度を、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dにおける受光レンズ４からのＸ軸方向への距離に応じて変更するようにしている。そのために、遠距離側の部分Ｐ型抵抗層１２aと近距離側の部分Ｐ型抵抗層１２dとへの入射角度が変わり、上記近距離側よりも入射角度が大きい上記遠距離側では、より部分Ｐ型抵抗層１２aの深部まで光が入射することになる。
【００４５】
そして、上記受光素子６のＰ型抵抗層１２によって得られる受光電流は、入射光の入射深さに応じて電流値が増加する傾向がある。
【００４６】
そこで、本実施の形態においては、上記各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dからの受光電流に基づいて、図１(b)における光入射位置Ｇの位置を検出し、三角形ＯＢＥと三角形ＨＥＧとが相似形になることから、図１(a)における発光素子２から測距対象物７までの距離ｙ’を、距離ｙ’＝距離(Ｌ＋ｌ)×(距離ｄ’/距離ｌ’)によって検出するのである。
【００４７】
つまり、従来の測距センサにおいては、受光素子６上における距離ｌの変化を検出していたのに対して、本実施の形態の測距センサ１においては、受光素子６における距離ｌと距離ｄ’との変化分となる(Ｌ＋ｌ)×ｄ’の変化量を検出することになる。したがって、従来の測距センサによって検出する「距離ｌの変化量」に対して、本実施の形態の測距センサ１によって検出する「(Ｌ＋ｌ)×ｄ’の変化量」を大きくすることが可能になる。
【００４８】
すなわち、本実施の形態の測距センサ１によれば、上記受光素子６上における距離ｌの変化が少ない遠距離側において有効である。したがって、遮光メタル１３の遮光角度を受光レンズ４からのＸ軸方向への距離に応じて変更することにより遠距離検出時における分解能を向上できることと相まって、従来の測距センサに比べて遠距離検出時の特性を改善することが可能になるのである。
【００４９】
尚、図２(b)では、上記遮光メタル１３の一断面を示している。遮光メタル１３における開口１４a〜１４dの平面形状は、Ｐ型抵抗層１２の形状に合わせて連続的に遮光位置を変えるようにしている。具体的に言えば、各金属板１３a〜１３dに、Ｐ型抵抗層１２と略同じ形状の開口１４aa〜１４da,１４ab〜１４dbおよび１４ac〜１４dcを、対応する部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dへの入射角(受光レンズ４からのＸ軸方向への距離の一例)に応じた距離だけ部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dの位置からＸ軸方向にずらして形成している。こうすることによって、各部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dによる分解能の向上を図ることができるのである。
【００５０】
さらに、受光素子を、互いに独立した複数の受光部で構成し、夫々の受光部に光が単一角度でしか入射できない場合には、アセンブリのばらつきに対して尤度がない。しかしながら、本実施の形態の場合のように、受光素子６を、互いに連続して配列された複数の受光部(部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２d)で構成し、各受光部の遮光角度を徐々に変更した場合には、光スポットは一定面積を有するため、アセンブリのばらつきに対して尤度があり、有益である。
【００５１】
・第２実施の形態
図６は、本実施の形態における上記発光素子２と受光素子６とのＸ軸方向への断面図である。
【００５２】
図３に示すように、上記測距対象物７が、実線で示す光を反射する位置Ｂ0から、点線で示す光を反射する位置Ｂ1,Ｂ2に移動した場合に、点線で示す光は遮光メタル１３の各金属板１３a〜１３dによって遮光される。しかしながら、測距対象物７の移動距離が小さい場合には、図６に示すように、点線で示す光は遮光メタル１３の各金属板１３a〜１３dによって反射されて、部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに入射される。
【００５３】
このように、上記部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに入射された点線で示す光は外乱光と成り、受光素子６のＳＮ比を低下させ、距離検出の分解能を低下させる。
【００５４】
一方、上記測距対象物７から実線で示すように反射されて、各金属板１３a〜１３dによって反射されずに入射される光は、部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dの深さが浅い場合には、部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dよりも深部に到達する。
【００５５】
そこで、本実施の形態においては、上記部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２d夫々の周囲に、Ｎ型拡散を行って部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dを形成し、部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５d全体の周囲を覆ってＰ型拡散層１６を形成する。こうして、上記測距対象物７から実線で示すように反射されて部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dに直接入射された光は、部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dに到達するようにしている。
【００５６】
尚、上述の説明においては、上記Ｎ型基板１１の表面に位置する部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dから部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dおよびＰ型拡散層１６の順に説明しているが、実際の形成順序は上述の逆であることは言うまでもない。
【００５７】
したがって、上記部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dと部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dとのＰＮ接合部において上記外乱光により光電変換が行われる一方、部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dとＰ型拡散層１６とのＰＮ接合部において実線で示す光および上記外乱光により光電変換が行われる。そこで、検出部によって、部分Ｎ型抵抗層１５a〜１５dで成るＮ型抵抗層１５とＰ型拡散層１６とのＰＮ接合部で得られた上記下層拡散部受光電流の電流値から、Ｐ型抵抗層１２とＮ型抵抗層１５とのＰＮ接合部で得られた上記上層拡散部受光電流の電流値を減ずることにより、外乱光の影響を無くすことができる。こうして、本実施の形態によれば、受光素子６のＳＮ比を向上させ、距離検出の分解能を向上させることができるのである。
【００５８】
・第３実施の形態
図７は、本実施の形態における上記発光素子２と受光素子６とのＸ軸方向への断面図である。
【００５９】
図７に示すように上記発光素子２と受光素子６とを配置した場合、近距離に位置する測距対象物７からの反射光は発光素子２から離れた部分Ｐ型抵抗層で検出される。そのために、測距対象物７がＹ軸方向へ単位距離だけ移動した場合において、Ｐ型抵抗層１２上における近距離側の受光領域での光入射位置(スポット)の移動量は、遠距離側の受光領域における光入射位置(スポット)の移動量よりも大きい。
【００６０】
つまり、近距離側の部分Ｐ型抵抗層１２eへの入射光の入射角θeは小さい。そのため、部分Ｐ型抵抗層１２eの周囲に遮光メタル１３を配置した場合には、小さい入射角θeで部分Ｐ型抵抗層１２eに入射する光は遮光メタル１３で遮光されることになる。その結果、部分Ｐ型抵抗層１２eでの電流変化量(出力電流値)が、遠距離側の部分Ｐ型抵抗層１２aに比較して小さくなる。
【００６１】
そこで、本実施の形態においては、近距離側の部分Ｐ型抵抗層１２eの周囲には遮光メタル１３を配置しないようにする。具体的には、遮光メタル１３を、複数の部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２eのうち、受光レンズ４に近い側に在って入射角度が８５°以上且つ９０°以下である部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２cの表面を覆うように設けるのである。こうすることによって、近距離側の部分Ｐ型抵抗層１２eへの入射光量を多くして、遠距離側の部分Ｐ型抵抗層１２aの電流変化量との差異を低減できる。
【００６２】
図８は、検知物からの反射光の受光素子への入射角αに対する上記検知物までの距離である検知物距離の依存性を示す。図８(a)は、図８(b)において発光点と受光点との間の距離である基線長を０.３７５cmとした場合における、入射角α(°)と検知物距離(cm)との関係を示す。図８(a)から分かるように、検知物距離が遠距離の場合には、例えば検知物距離が１４cmから１５cmまで１cm変化した際の入射角αの変化は０.１°である。これは受光素子６上における受光像の移動量に換算すれば数μmであり、検出精度が低い。
【００６３】
そこで、図８(a)において、検知物距離が１cm変化した際の入射角αの変化が１°未満を呈する入射角度が８５°以上且つ９０°以下となる受光素子６上の領域に遮光メタル１３を形成することによって、検出精度の向上を図ることができるのである。
【００６４】
以上のごとく、本実施の形態によれば、上記測距対象物７までの距離が遠距離の場合から近距離の場合までよりリニアな電流変化量を得ることができ、受光素子６上での検知位置変動をよりリニアにすることが可能になるのである。
【００６５】
・第４実施の形態
上記第１実施の形態における上記受光素子６上に遮光角度を変更した遮光メタル１３を配置した測距センサは、遮光メタル１３を配置しない測距センサに比較して高精度な距離が可能になるものの、遮光メタル１３による遮光によって受光量が減少する。そのため、反射率が低い測距対象物７の場合には、受光素子６から十分な出力電流が得られず、信号検出が出来ない場合がある。
【００６６】
そこで、本実施の形態においては、製品出荷時等に、基準対象物を用いて、遮光角度を変更した遮光メタル１３を配置した受光素子６によって出力信号を検出し、遮光角度を変更した遮光メタル１３を配置していない受光素子によって検出した出力信号との差分を検出する。そして、この差分を補正値として、遮光角度を変更した遮光メタル１３を配置していない受光素子によって、実際に測距対象物７に対する測距を行い、上記補正値で補正を行うことによって、反射率の低い測距対象物７の場合であっても正確に距離を検出可能にするのである。
【００６７】
図９は、本実施の形態における距離検出回路のブロック図である。１２は、上記第１実施の形態〜上記第３実施の形態における遮光角度を変更した遮光メタル１３(図示せず)が配置された「Ｍ字状」のＰ型抵抗層である。また、１８は、遮光角度を変更した遮光メタル１３が配置されていない「Ｗ字状」のＰ型抵抗層である。ここで、「Ｍ字状」のＰ型抵抗層１２と「Ｗ字状」のＰ型抵抗層１８とは、同一基板上にＸ軸に対して対称になるように配置されている。
【００６８】
１９は、Ｐ型抵抗層１２の一端１２aとＰ型抵抗層１８の一端１８aとを切り替え選択して、一端１２aを選択した場合には電流Ｉ2を、一端１８aを選択した場合には電流Ｉ1をオペアンプ２１の例えば＋端子に入力する第１スイッチである。また、２０は、Ｐ型抵抗層１２の他端１２bとＰ型抵抗層１８の他端１８bとを切り替え選択して、他端１２bを選択した場合には電流Ｉ2’を、他端１８bを選択した場合には電流Ｉ1’をオペアンプ２１の−端子に入力する第２スイッチである。
【００６９】
周囲光除去回路２２は、Ｐ型抵抗層１２またはＰ型抵抗層１８におけるオペアンプ２１の出力電流を入力として周囲光除去信号を生成し、オペアンプ２１の−端子および＋端子にフィードバックする。その結果、オペアンプ２１の出力端子からは、外乱光の影響が除去された電流信号Ｉ2/Ｉ2’またはＩ1/Ｉ1’が出力される。
【００７０】
一般的に、測距センサにおいては、発光素子としてのＬＥＤをパルス駆動し、受光素子によって、ＬＥＤの駆動に同期した受光信号を検出する。その際に、上記受光信号には外乱光成分も含まれるため、周囲光除去回路２２によって、ＬＥＤ駆動時以外の受光信号を上記周囲光除去信号(外乱光成分)としてオペアンプ２１にフィードバックして、減算するのである。
【００７１】
記憶および演算装置２３は、上記Ｐ型抵抗層１２とＰ型抵抗層１８とによる基準対象物を用いた測距時のオペアンプ２１の出力電流値の差分値を、補正値として記憶する。そして、Ｐ型抵抗層１８による測距対象物７の測距時におけるオペアンプ２１の出力電流値に対して、上記記憶されている補正値による補正を行って、測距対象物７の測距検出値として出力する。
【００７２】
以下、上記構成を有する距離検出回路を用いた測距動作について説明する。
【００７３】
先ず、製品出荷時等において、基準位置に設置された反射率の高い基準対象物を用い、上記第１スイッチ１９および第２スイッチ２０をＰ型抵抗層１８側に切り替えて、オペアンプ２１の出力信号Ｉ1/Ｉ1’を取得して、記憶および演算装置２３に記憶する。次に、第１スイッチ１９および第２スイッチ２０をＰ型抵抗層１２側に切り替えて、オペアンプ２１の出力信号Ｉ2/Ｉ2’を取得して、記憶および演算装置２３に記憶する。さらに、記憶および演算装置２３によって、Ｐ型抵抗層１８接続時の出力Ｉ1/Ｉ1’とＰ型抵抗層１２接続時の出力Ｉ2/Ｉ2’との差分値「Ｉ1/Ｉ1’−Ｉ2/Ｉ2’」が算出されて、補正値として記憶される。
【００７４】
そして、実際の測距対象物７の測距時においては、第１スイッチ１９および第２スイッチ２０をＰ型抵抗層１８側に切り替えて、オペアンプ２１の出力信号Ｉ3/Ｉ3’を取得して、記憶および演算装置２３に記憶する。さらに、記憶および演算装置２３によって、オペアンプ２１の出力Ｉ3/Ｉ3’に対して、補正値「Ｉ1/Ｉ1’−Ｉ2/Ｉ2’」を減算する補正演算が行われ、演算結果
Ｉ3/Ｉ3’−(Ｉ1/Ｉ1’−Ｉ2/Ｉ2’)
を、Ｐ型抵抗層１８上における光スポット位置の検出値として出力する。
【００７５】
以後、上記記憶および演算装置２３の出力(光スポット位置検出値)に基づいて、公知の方法によって測距対象物７までの距離が求められるのである。
【００７６】
こうすることによって、上記遮光メタル１３を配置しないＰ型抵抗層１８における測距精度の低さを、上記補正演算で補正することによって向上させることができる。したがって、遮光メタル１３を配置しないＰ型抵抗層１８によって、高精度な測距を可能にすることができるのである。
【００７７】
ここで、実際の測距対象物７の測距時においてＰ型抵抗層１８を使用する理由は、反射率が低い測距対象物７の場合であっても十分な出力電流が得られるためである。そして、Ｐ型抵抗層１８を使用した場合の測距精度の低さを、上記補正演算によって補正するのである。つまり、本実施の形態においては、遮光メタルが配置されたＰ型抵抗層１２は、距離測定の基準としての役割を担っているのである。
【００７８】
上記各実施の形態における測距センサ１は、人体感知センサとしても使用可能であり、オートフォ−カス機能機器,洋式便座,洗面器具,自動掃除機,複写機あるいは各種ロボット等の電子機器に用いると好適である。上述のように位置検出誤差の少ない測距センサ１を用いることによって、高性能な電子機器を実現することができる。
【００７９】
特に、上記電子機器としての光学式エンコーダに適用した場合には、移動体スリット幅に依存せず、且つ光学ばらつきに依存しない光学式エンコーダを実現することができる。
【００８０】
尚、上記各実施の形態においては、上記Ｐ型抵抗層１２を４本の部分Ｐ型抵抗層１２a〜１２dで構成している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、５本以上の部分Ｐ型抵抗層で構成しても一向に構わない。
【００８１】
また、上記各実施の形態においては、Ｎ型基板１１の表面にＰ型抵抗層１２が形成された受光素子６を例示しているが、Ｐ型基板の表面にＮ型抵抗層が形成された受光素子６であっても一向に差し支えない。
【００８２】
また、上記各実施の形態においては、上記遮光層を、複数枚の金属板１３a〜１３dを積層した遮光メタル１３で構成している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、一枚の金属板で構成しても良いし、光吸収剤の混入や表面加工が施された一枚または複数枚の樹脂膜で構成しても良い。
【００８３】
また、上記第３実施の形態においては、「近距離側の部分Ｐ型抵抗層の周囲に遮光メタル１３を配置しない」構成を、上記第１実施の形態における受光素子６に適用した場合を例に説明している。しかしながら、この発明は、これに限定されるものではなく、上記第２実施の形態における受光素子６に適用しても、一向に差し支えない。
【００８４】
以上のごとく、この発明の測距センサは、
測距対象物７に対して光を照射する発光素子２と、
測距対象物７からの反射光を集光する受光光学系４と、
上記受光光学系４で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流を出力する受光素子６と、
上記受光素子６の受光面を覆うように設けられた遮光層１３と、
上記光電流に基づいて、上記受光素子６上における受光位置を求める検出部と
を備え、
上記受光素子６は、上記発光素子２と上記受光光学系４と上記受光素子６とを通る平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部１２a〜１２dを含んでおり、
上記遮光層１３には、上記各受光部１２a〜１２dに上記受光光学系４からの光を導くための開口１４a〜１４dが形成されており、
上記開口１４a〜１４dの側壁には、対応する上記受光部１２a〜１２dの上記受光光学系４からの上記受光面の延在方向への距離に応じた遮光角度が設けられている
ことを特徴としている。
【００８５】
上記構成によれば、上記受光素子６の受光面を覆う上記遮光層１３において、上記各受光部１２a〜１２dに光を導く上記開口１４a〜１４dの側壁には、対応する受光部１２a〜１２dの上記受光光学系４からの距離に応じた遮光角度を設けている。したがって、上記各受光部１２a〜１２dにおける分解能を向上させることができる。特に、上記遮光角度が大きいため、同一の上記受光部１２aに反射光が入射される上記測距対象物７までの距離の範囲が大きい遠距離検出時において、分解能を向上させることができる。
【００８６】
すなわち、この発明によれば、発光光学系または上記受光光学系４を増加させる必要がないため小型且つ低価格であり、測距値のバラツキが小さい遠距離測距が可能な測距センサを提供することができる。
【００８７】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記各受光部１２a〜１２dは、第１電型の上部拡散層で成り、
上記各上部拡散層１２a〜１２dの夫々の周囲に形成された第２電型の下部拡散層１５a〜１５dと、
上記各下部拡散層１５a〜１５dの周囲に形成された上記第１電型の拡散層１６と
を備え、
上記検出部は、上記上部拡散層１２a〜１２dと上記下部拡散層１５a〜１５dとの接合部で得られた光電流である上層拡散部受光電流に加えて、上記下部拡散層１５a〜１５dと上記拡散層１６との接合部で得られた光電流である下層拡散部受光電流をも検出するようになっており、上記下層拡散部受光電流から上記上層拡散部受光電流を減じた光電流に基づいて、上記受光素子６上における受光位置を求めるようになっている。
【００８８】
この実施の形態によれば、上記各受光部である第１電型の上部拡散層１２a〜１２dの周囲には、第２電型の下部拡散層１５a〜１５dが形成されている。したがって、上記各受光部１２a〜１２dの深さが浅い場合には、上記測距対象物７で反射されて上記遮光層１３で反射されずに入射されが光は、上記上部拡散層１２a〜１２dよりも深部に位置する上記第２電型の下部拡散層１５a〜１５dに到達する。これに対し、上記遮光層１３で反射されて入射される外乱光は、上記上部拡散層１２a〜１２dおよび上記下部拡散層１５a〜１５dに到達する。
【００８９】
そして、上記検出部は、上記下層拡散部受光電流から上記上層拡散部受光電流を減じた電流に基づいて、上記受光素子６上における受光位置を求めるようにしている。したがって、上記下層拡散部受光電流に含まれる上記測距対象物７からの正常な入射光と外乱光との情報から、上記上層拡散部受光電流に含まれる上記外乱光の情報を除去することができる。
【００９０】
すなわち、この実施の形態によれば、上記受光素子６のＳＮ比を向上させ、距離検出の分解能を向上させることができるのである。
【００９１】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記遮光層１３は、上記複数の受光部１２a〜１２eのうち、上記受光光学系４に近い側に在って入射角度が８５°以上且つ９０°以下である受光部１２a〜１２cの表面を覆うように設けられている。
【００９２】
上記受光光学系４から遠い側の上記受光部１２d〜１２eは、上記入射角が小さいために入射される光が上記遮光層１３で遮光され易い。
【００９３】
この実施の形態によれば、上記複数の受光部１２a〜１２eのうち、上記受光光学系４から遠い側の入射角度が８５°よりも狭い受光部１２d〜１２eの表面は、上記遮光層１３によって覆われてはいない。したがって、近距離検出用の上記受光部１２d〜１２eへの入射光量を多くして、遠距離検出用の上記受光部１２a〜１２cの電流変化量との差異を低減できる。
【００９４】
したがって、この実施の形態によれば、上記測距対象物７までの距離が遠距離の場合から近距離の場合までよりリニアな電流変化量を得ることができ、上記受光素子６上での検知位置変動をよりリニアにすることが可能になるのである。
【００９５】
また、一実施の形態の測距センサでは、
上記遮光層１３が設けられた上記受光素子６(１２)を第１受光素子とし、
上記発光素子２と上記受光光学系４と上記第１受光素子６(１２)とを通る上記平面と交差するように配置されて、互いに連続して一体に形成された複数の受光部を含むと共に、上記受光光学系４からの光を受光し、且つ受光面が遮光層１３で覆われていない第２受光素子１８を備え、
上記第１受光素子６(１２)と上記第２受光素子１８とは、上記発光素子２と上記受光光学系４と上記第１受光素子６(１２)とを通る上記平面に対して対称に形成されており、
上記検出部２１,２２,２３は、基準となる基準対象物を用いた測距時において、上記第２受光素子１８からの光電流と上記第１受光素子６(１２)からの光電流の差分値を求め、上記測距対象物７の測距時においては、上記第２受光素子１８からの光電流値に対して上記差分値による補正を行い、上記補正後の光電流値に基づいて、上記第２受光素子１８上における受光位置を求めるようになっている。
【００９６】
この実施の形態によれば、表面が上記遮光層１３で覆われた上記第１受光素子６(１２)と覆われない上記第２受光素子１８とを、上記発光素子２と上記受光光学系４と上記第１受光素子６(１２)とを通る平面に対して対称に形成している。そして、上記検出部２１,２２,２３は、基準対象物を用いて、上記第２受光素子１８からの光電流と上記第１受光素子６(１２)からの光電流の差分値を求め、上記測距対象物７に対する測距時には、上記第２受光素子１８からの光電流値に対して上記差分値による補正を行うようにしている。
【００９７】
したがって、上記遮光層１３で覆われていない上記第２受光素子１８における測距精度の低さを、上記補正によって向上させることができ、高精度な測距を可能にすることができる。すなわち、反射率が低い測距対象物７の場合であっても、高精度な測距を行うことができるのである。
【００９８】
また、この発明の電子機器は、
上記この発明の上記測距センサ１を用いたことを特徴としている。
【００９９】
上記構成によれば、測距値のバラツキが小さい遠距離測距が可能な測距センサ１を用いることによって、高性能な測距機能を有する電子機器を実現することができる。
【０１００】
例えば、移動体スリット幅に依存せず、且つ光学ばらつきに依存しない光学式エンコーダを実現することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１…測距センサ、
２…発光素子、
３…発光レンズ、
４…受光レンズ、
６…受光素子、
７…測距対象物、
８,９,１０…光束、
１１…Ｎ型基板、
１２…Ｐ型抵抗層、
１２a〜１２e…部分Ｐ型抵抗層、
１３…遮光メタル、
１３a〜１３d…金属板、
１４a〜１４d,１４aa〜１４ac,１４ba〜１４bc,１４ca〜１４cc,１４da〜１４dc…開口、
１５…Ｎ型抵抗層、
１５a〜１５d…部分Ｎ型抵抗層、
１６…Ｐ型拡散層、
１８…遮光メタルが配置されていないＰ型抵抗層、
１９,２０…スイッチ、
２１…オペアンプ、
２２…周囲光除去回路、
２３…記憶および演算装置、
θb,θe…入射角。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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