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技術 受光器および携帯型電子機器

出願人 シャープ株式会社
発明者 佐藤秀樹
出願日 2016年6月3日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-111906
公開日 2017年12月14日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2017-219340
状態 特許登録済
技術分野 測光及び光パルスの特性測定 受光素子3(フォトダイオード・Tr)
主要キーワード 紫外線測定装置 サブ端末 UVセンサ デジタル出力値 センサ窓 可視光センサ 紫外線センサ 補正不可
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

受光素子入射する光の傾きを制御できる受光器を提供する。

解決手段

受光器1が、第1受光領域13,第2受光領域14を有する受光部10と、第1,第2受光領域の少なくとも一部を覆う光フィルタ11と、第1,第2受光領域および光フィルタを覆う遮光部と、を備えている。第1,第2受光領域の各々には、受光素子PD1,PD2が設けられ、遮光部には、第1,第2受光領域に光を入射させるための開口部が設けられている。また、開口部を介して第1,第2受光領域に入射した光の強度に基づいて、第1,第2受光領域に入射する光の傾きを検出する傾き検出部21をさらに備えている。

概要

背景

近年、カメラ近接センサ方位センサ加速度センサ角速度センサ、および、照度センサ等の小型化により、スマートフォン等の携帯型電子機器に上記各種センサが搭載されている。特に、液晶パネルを有する電子機器では、照度センサにより周囲の明るさを測定し、周囲の明るさに応じてバックライト輝度を適切に調整することができる。視感度に近い分光感度特性での照度測定を実現するために、照度センサに、複数の異なる分光感度特性のフォトダイオードを設け、それぞれのフォトダイオードの光電流演算する技術が知られている。

また、スマートフォンのサブ端末として、腕時計型端末メガネ型の携帯型電子機器も実用化されており、常に携帯者心拍数運動量等の生体情報モニタして管理できる環境が整っている。さらに、野外使用されるこれらの携帯型電子機器に紫外線センサを搭載し、太陽光に含まれる紫外線強度を測定することにより、日焼けの防止を促したり、日中に受けた紫外線積算量を記録したりすることができる。これにより、携帯型電子機器を用いて使用者の健康情報を管理することが可能となる。

例えば、特許文献1には、UVセンサと照度センサとを備え、各センサ受光器電圧検出回路、および、光センサ窓が設けられた紫外線測定装置が開示されている。照度センサと紫外線センサとを備える携帯型電子機器において、光センサ窓をできるだけ少なくしてデザイン性を向上させるために、紫外線センサのセンサ窓と照度センサのセンサ窓とを共通化する試みがなされている。

特許文献2には、SOI基板を用いて可視光センサと紫外線センサとを集積した光センサが開示されている。一般的に、紫外線を検出するためには、GaN系やZnO系等の化合物半導体やSOI基板を使ったフォトダイオードが使われてきたが、これらを用いた場合、信号処理用ICとの同一チップ上での集積化が困難で高コストになる。

特許文献3には、異なる分光感度特性を有する複数の接合フォトダイオードが縦方向に配列された構造の2つの受光素子と、一方の受光素子上に設けられたUV(紫外線)カットフィルタとを備え、2つの受光素子の信号強度の差分をとることで紫外線の強度および照度を測定する受光器が開示されている。

このような差分方式を採用することで、低コストで紫外線受光器を実現することができる。紫外線を受光するには、紫外線領域に感度のある最表面のPN接合フォトダイオードを使用する。UVカットフィルタ可視光赤外光とが透過するため、可視光領域または赤外線領域に感度のある深い位置のPN接合フォトダイオードを用いることにより、照度を測定することも可能となる。

また、上記差分方式は、汎用シリコン基板を用いることが可能なため、シリコンCMOS(相補型金属酸化膜半導体)プロセスで形成されたセンサ回路と同一チップ上に集積化することにより低コスト化を図ることができる。さらに、上記複数の接合フォトダイオードが縦方向に配列された構造の受光素子で紫外線および照度の両方を検出できるので、スマートフォン等の携帯型電子機器の紫外線センサおよび照度センサの光センサ窓を共通化できる。

概要

受光素子に入射する光の傾きを制御できる受光器を提供する。受光器1が、第1受光領域13,第2受光領域14を有する受光部10と、第1,第2受光領域の少なくとも一部を覆う光フィルタ11と、第1,第2受光領域および光フィルタを覆う遮光部と、を備えている。第1,第2受光領域の各々には、受光素子PD1,PD2が設けられ、遮光部には、第1,第2受光領域に光を入射させるための開口部が設けられている。また、開口部を介して第1,第2受光領域に入射した光の強度に基づいて、第1,第2受光領域に入射する光の傾きを検出する傾き検出部21をさらに備えている。

目的

本発明は、受光素子に入射する光の傾きを検出できる受光器、および、これを備えた携帯型電子機器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

受光領域を有する受光部と、上記受光領域の少なくとも一部を覆い、所定の波長領域を有する光を透過させる光フィルタと、上記受光領域および上記光フィルタを覆う遮光部と、を備え、上記受光領域が、第1受光領域と、この第1受光領域の周囲に配置された第2受光領域とで構成され、上記第1受光領域および上記第2受光領域の各々には、光が入射することによって光電流を流す受光素子が設けられており、上記光フィルタが、上記受光素子が感度を有する波長領域の光の一部を透過させ、上記遮光部が、上記第1,第2受光領域に光を入射させるための開口部を有し、上記開口部が、上記第1,第2受光領域に入射する光の入射方向に沿って見た平面視において、上記第1受光領域の半分以上の面積を有するように配置されており、上記開口部を介して上記第1,第2受光領域に入射した光の強度に基づいて、上記受光領域に入射する光の傾きを検出する傾き検出部をさらに備えることを特徴とする受光器

請求項2

請求項1に記載の受光器において、上記傾き検出部により検出された上記光の傾きに基づいて、上記第1,第2受光領域に入射する光の入射状態が正常であるか否かを判定する入射状態判定部をさらに備えることを特徴とする受光器。

請求項3

請求項1または2に記載の受光器において、上記第1受光領域に、複数の上記受光素子が設けられ、上記複数の受光素子のいずれか一方が、上記光フィルタで覆われていることを特徴とする受光器。

請求項4

請求項1から3のいずれか1つに記載の受光器を備えた携帯型電子機器

技術分野

0001

本発明は、受光器および携帯型電子機器に関する。

背景技術

0002

近年、カメラ近接センサ方位センサ加速度センサ角速度センサ、および、照度センサ等の小型化により、スマートフォン等の携帯型電子機器に上記各種センサが搭載されている。特に、液晶パネルを有する電子機器では、照度センサにより周囲の明るさを測定し、周囲の明るさに応じてバックライト輝度を適切に調整することができる。視感度に近い分光感度特性での照度測定を実現するために、照度センサに、複数の異なる分光感度特性のフォトダイオードを設け、それぞれのフォトダイオードの光電流演算する技術が知られている。

0003

また、スマートフォンのサブ端末として、腕時計型端末メガネ型の携帯型電子機器も実用化されており、常に携帯者心拍数運動量等の生体情報モニタして管理できる環境が整っている。さらに、野外使用されるこれらの携帯型電子機器に紫外線センサを搭載し、太陽光に含まれる紫外線強度を測定することにより、日焼けの防止を促したり、日中に受けた紫外線積算量を記録したりすることができる。これにより、携帯型電子機器を用いて使用者の健康情報を管理することが可能となる。

0004

例えば、特許文献1には、UVセンサと照度センサとを備え、各センサに受光器、電圧検出回路、および、光センサ窓が設けられた紫外線測定装置が開示されている。照度センサと紫外線センサとを備える携帯型電子機器において、光センサ窓をできるだけ少なくしてデザイン性を向上させるために、紫外線センサのセンサ窓と照度センサのセンサ窓とを共通化する試みがなされている。

0005

特許文献2には、SOI基板を用いて可視光センサと紫外線センサとを集積した光センサが開示されている。一般的に、紫外線を検出するためには、GaN系やZnO系等の化合物半導体やSOI基板を使ったフォトダイオードが使われてきたが、これらを用いた場合、信号処理用ICとの同一チップ上での集積化が困難で高コストになる。

0006

特許文献3には、異なる分光感度特性を有する複数の接合フォトダイオードが縦方向に配列された構造の2つの受光素子と、一方の受光素子上に設けられたUV(紫外線)カットフィルタとを備え、2つの受光素子の信号強度の差分をとることで紫外線の強度および照度を測定する受光器が開示されている。

0007

このような差分方式を採用することで、低コストで紫外線受光器を実現することができる。紫外線を受光するには、紫外線領域に感度のある最表面のPN接合フォトダイオードを使用する。UVカットフィルタ可視光赤外光とが透過するため、可視光領域または赤外線領域に感度のある深い位置のPN接合フォトダイオードを用いることにより、照度を測定することも可能となる。

0008

また、上記差分方式は、汎用シリコン基板を用いることが可能なため、シリコンCMOS(相補型金属酸化膜半導体)プロセスで形成されたセンサ回路と同一チップ上に集積化することにより低コスト化を図ることができる。さらに、上記複数の接合フォトダイオードが縦方向に配列された構造の受光素子で紫外線および照度の両方を検出できるので、スマートフォン等の携帯型電子機器の紫外線センサおよび照度センサの光センサ窓を共通化できる。

先行技術

0009

特開2010−112714号公報
特許第5189391号公報
国際公開2015/151651号明細書

発明が解決しようとする課題

0010

上記受光器では、受光素子に対して光が斜めに入射すると、受光素子の正面から光が入射した場合と比べて、受光素子への入射光量がcosθ倍に減少してしまう。また、この受光素子への入射光量の減少に伴って、UVカットフィルタのカットオフ周波数の特性が変化し、短波長側にシフトするため、受光素子への入射光量がさらに減少してしまう。このような受光素子への入射光量の減少を回避するためには、受光素子に入射する光の傾きを検出し、受光素子の正面から入射した光から得られる光電流のみを紫外線等の検出に用いることが考えられる。

0011

しかし、上記受光器では、受光素子に入射する光の傾きを検出することができないため、受光素子の正面から入射した光から得られる光電流のみを紫外線等の検出に用いることは困難である。

0012

そこで、本発明は、受光素子に入射する光の傾きを検出できる受光器、および、これを備えた携帯型電子機器を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0013

上記課題を解決すべく、本発明の受光器は、
受光領域を有する受光部と、
上記受光領域の少なくとも一部を覆い、所定の波長領域を有する光を透過させる光フィルタと、
上記受光領域および上記光フィルタを覆う遮光部と、
を備え、
上記受光領域が、第1受光領域と、この第1受光領域の周囲に配置された第2受光領域とで構成され、上記第1受光領域および上記第2受光領域の各々には、光が入射することによって光電流を流す受光素子が設けられており、
上記光フィルタが、上記受光素子が感度を有する波長領域の光の一部を透過させ、
上記遮光部が、上記第1,第2受光領域に光を入射させるための開口部を有し、上記開口部が、上記第1,第2受光領域に入射する光の入射方向に沿って見た平面視において、上記第1受光領域の半分以上の面積を有するように配置されており、
上記開口部を介して上記第1,第2受光領域に入射した光の強度に基づいて、上記受光領域に入射する光の傾きを検出する傾き検出部をさらに備えることを特徴としている。

発明の効果

0014

本発明の受光器によれば、受光部の第1,第2受光領域に入射する光の強度に基づいて、第1,第2受光領域に入射する光の傾きを検出できる。

図面の簡単な説明

0015

本発明の第1実施形態の受光器のブロック図。
図1の受光器の受光部の斜視図。
図1の受光器の受光部の断面図。
図1の受光器の受光部の上面図。
図1の受光器のA/Dコンバータの構成を示すブロック図。
図1の受光器のA/Dコンバータの動作の一例を示すタイミングチャート
本発明の第2実施形態の受光器のブロック図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irを使用している状態の断面図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_irを使用している状態の断面図。
図7の受光器の受光素子の断面図。
図7の受光器の受光素子の各フォトダイオードの分光感度特性を示す図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_uvの光電流を取り出すときのスイッチの開閉状態を示す断面図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を取り出すときのスイッチの開閉状態を示す断面図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_irの光電流を取り出すときのスイッチの開閉状態を示す断面図。
図7の受光器の受光部の上面図。
図7の受光器の受光素子のフォトダイオードPD_uvの分光感度特性を示す図。
図7の受光器の光フィルタの分光透過率特性を示す図。
図7の受光器の受光素子の光フィルタを透過した光に対するフォトダイオードPD_uvの分光感度特性を示す図。
図7の受光器の受光部全体における分光感度特性を示す図。
図7の受光器の受光部の他の例の上面図。
図20の受光器の図17の光フィルタを透過した光に対するフォトダイオードPD_uvの分光感度特性を示す図。
図20の受光器の受光部全体の分光感度特性を示す図。
本発明の第3実施形態の受光器の受光部の上面図。
本発明の第4実施形態の受光器の受光部の上面図。
本発明の第5実施形態の受光器の受光部の上面図。

実施例

0016

以下、本発明の一実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向あるいは位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」を含む用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。さらに、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは必ずしも合致していない。

0017

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の受光器1は、図1に示すように、受光部10と、受光部10に接続されたセンサ回路部20とを備えている。なお、第1実施形態の受光器1は、例えば、照度センサとして用いられる。

0018

受光部10は、図1に示すように、受光領域13,14を有しており、図3に示すように、受光領域13,14上に、光フィルタ11が設けられている。また、受光部10は、中空筺体15の内部に配置されている。

0019

受光部10の受光領域13,14は、図4に示すように、上面視正方形状の第1受光領域13と、この第1受光領域13の周囲に配置された第2受光領域14とで構成されている。第1受光領域13には、第1受光素子PD1が設けられ、第2受光領域14には、第2受光素子PD2が設けられている。第1受光素子PD1は、入射した光の強度に応じて光電流Iin1を流し、第2受光素子PD2は、入射した光の強度に応じて光り電流Iin2を流すようになっている。

0020

第1,第2受光素子PD1,PD2は、図3に示すように、相互に同一の断面構造を有している。すなわち、第1,第2受光素子PD1,PD2の各々は、P型基板P_subと、P型基板P_sub上に設けられたN型ウェル層N_wellと、N型ウェル層N_well上に設けられたP型拡散層P+とを備えている。

0021

また、第1,第2受光素子PD1,PD2は、PN接合からなる2つのフォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irを備えている。第1受光素子PD1は、P型拡散層P+とP型基板P_Subとが接地(GND)されており、第2受光素子PD2は、P型基板P_Subが接地されており、P型拡散層P+とN型ウェル層N_wellとが互いに接続されている。

0022

光フィルタ11は、例えば、視感度補正フィルタであり、図4に示すように、第1,第2受光領域13,14の全体を覆うように設けられている。

0023

また、図3に示すように、第1,第2受光素子PD1,PD2の上面には、それぞれ、P型拡散層P+が露出するように、遮蔽部12が設けられている。これにより、外部からの光がP型拡散層P+に入射する。

0024

筺体15は、その受光領域13,14に対向する面に、遮光部16を有している。この遮光部16には、受光領域13,14に光を入射させるための開口部17が設けられている。

0025

開口部17は、上面視において、第1受光領域13よりも一回り小さい正方形状を有し、その中心が第1受光領域13の中心と一致ように配置されている。

0026

センサ回路部20は、図1に示すように、A/DコンバータADC1,ADC2と、傾き検出部21と、入射状態判定部22とで構成されている。

0027

A/DコンバータADC1は、第1受光素子PD1に接続されており、光電流Iin1をデジタル信号に変更してデジタル出力値ADCOUNT1を出力する。デジタル出力値ADCOUNT1は、第1受光素子PD1に入射した光の強度に対応する。

0028

A/DコンバータADC2は、第2受光素子PD2に接続されており、光電流Iin2をデジタル信号に変更してデジタル出力値ADCOUNT2を出力する。デジタル出力値ADCOUNT2は、第2受光素子PD2に入射した光の強度に対応する。

0029

また、A/DコンバータADC1,ADC2は、同じ構成を有しており、図5に示すように、入力端子INと、出力端子UTと、充電回路23と、比較回路24と、制御回路25と、放電回路26とで構成されている。

0030

A/DコンバータADC1,ADC2は、例えば、図6に示すように動作する。なお、図6中、CLKはクロック信号を示し、SW1,SW2は図5のスイッチSW1,SW2の開閉状態を示し、Vrefは図5基準電源V1の電圧を示し、COMPは比較回路24の出力を示し、CHARGEはスイッチSW2の開閉に用いる制御回路25の出力を示す。

0031

変換動作開始前は、スイッチSW1が閉じているため、充電回路23(積分回路)の出力VSIGは、基準電源V1の電圧Vrefに充電されている。

0032

A/DコンバータADC1,ADC2は、スイッチSW1がオフすることにより、光電流IinでコンデンサC1に充電を行うことが可能になり、AD変換動作を行う。スイッチSW1のオフ期間がデータ変換期間(充電期間,t_conv)となっており、測定時間に対応する。

0033

データ変換期間(t_conv)では、まず、スイッチSW2をオンして、放電回路26により、コンデンサC1から一定の電荷(Iref×t_clk)を放電させる(プリチャージ期間)。その後、スイッチSW2をオンからオフに切り替えると、充電回路23が光電流Iinにより充電され、その出力VSIGが上昇する。出力VSIGが電圧Vrefを超えると、比較回路24の出力COMPがロー電圧からハイ電圧に切り替わる。これにり、制御回路25の出力がロー電圧からハイ電圧に切り替わってスイッチSW2がオンとなり、放電回路26によって一定の電荷(IREF×I_ref)が放電される。

0034

データ変換期間(t_conv)の間、制御回路25のカウンタが、放電時間(制御回路25の出力がロー電圧からハイ電圧になった時間)を数えており、このカウント値が、入力された電荷量に応じた値としてデジタル出力される。カウンタの出力は、A/DコンバータADC1,ADC2の出力ADCOUNT1,ADCOUNT2となる。

0035

A/DコンバータADC1,ADC2では、光電流Iinにより充電された電荷量と、放電された電荷量とが等しくなるように動作するので、「充電電荷量(Iin×t_conv)=放電電荷量(IREF×t_clk×count)により、下記式(1)が成り立つ。よって、countの最小分解能は、(IREF×t_clk)で決定される。なお、下記式(1)において、t_clkはクロック周期、t_convは充電期間、countは放電時間をカウントした値、IREFは基準電流値を示す。
count=(Iin×t_conv)/(IREF×t_clk)…(1)

0036

傾き検出部21は、デジタル出力値ADCOUNT1,ADCOUNT2に基づいて、受光領域13,14に入射した入射光の傾きを検出する。例えば、第1,第2受光領域13,14に入射する入射光の入射方向を図2に示すL1からL2に変化させると、図4に示すように、第1,第2受光領域13,14に入射する入射光の範囲がL1からL2に変化する。すなわち、デジタル出力値ADCOUNT2は、受光領域13,14に入射する入射光の傾きが大きくなるほど大きくなる。このため、第1,第2受光領域13,14に入射する入射光の傾きは、下記式(2)により求められる。
ADCOUNT2/(ADCOUNT1+ADCOUNT2)…(2)

0037

入射状態判定部22は、傾き検出部21により検出された入射光の傾きに基づいて、第1,第2受光領域13,14に入射する光の入射状態が正常であるか否かを判定する。光の入射状態が正常であるか否かは、傾き検出部21により検出された入射光の傾きが所定の閾値以下であるか否かにより判定される。なお、所定の閾値は、遮光部16の開口部17の大きさ、あるいは、第1,第2受光領域13,14に入射する光の強度等に応じて、任意に設定できる。

0038

このように、第1実施形態の受光器1によれば、受光部10の第1,第2受光領域13,14に入射する光の強度に基づいて、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出する傾き検出部21を備えている。これにより、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出できる。

0039

このとき、上記式(2)により、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きが求められる。すなわち、簡単な構成で、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出できる。

0040

また、傾き検出部21により検出された光の傾きに基づいて、第1,第2受光領域13,14に入射する光の入射状態が正常であるか否かを判定する入射状態判定部22をさらに備えている。これにより、例えば、第1,第2受光領域13,14に入射する光のうち、入射状態が正常であると判定されたものだけを紫外線強度の検出に用いることで、紫外線強度の検出精度を高めることができる。

0041

なお、遮光部16の開口部17は、上面視(第1,第2受光領域13,14に入射する光の入射方向に沿って見た平面視)において、第1受光領域13の半分以上の面積を有していればよく、受光器1の設計等に応じて、その形状および大きさを変更できる。例えば、開口部17は、その中心が第1受光領域の中心と一致していなくてもよいし、第1受光領域とは異なる形状を有してもよい。

0042

また、開口部17は、第1受光領域と同じ形状および大きさであり、かつ、中心が第1受光領域の中心と一致するように配置するのが好ましい。これにより、光が傾く方向による検知感度偏りを少なくすることができる。

0043

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態の受光器101は、図7に示すように、次の点で第1実施形態の受光器1と異なっている。なお、第2実施形態の受光器101は、例えば、紫外線センサとして用いられる。
・受光部110の第1受光領域13に第3,第4受光素子PD11,PD12を設け、第2領域に第5受光素子PD13を設け、第3受光素子PD11全体を覆うように光フィルタ11としてUVカットフィルタを配置した点。
・センサ回路部120に第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の各々に接続されたA/DコンバータADC1,ADC2,ADC3を設けた点。

0044

第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13は、図8図9に示すように、同じ断面構造を有している。すなわち、第3〜第5受光素子PD11,PD12,OD13の各々は、P型基板P_subと、P型基板P_sub上に形成されたN型ウェル層N_wellと、N型ウェル層N_well上に形成されたP型ウェル層P_wellと、P型ウェル層P_well上に形成されたN型拡散層Nとを備えている。また、P型ウェル層、N型ウェル層、及びP型基板は、接地(GND)されている。

0045

なお、図8は、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13のフォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irを使用している状態を示し、図9は、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13のフォトダイオードPD_irを使用している状態を示している。

0046

第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13は、3つのPN接合を有しており、P型基板とN型ウェル層とのPN接合により構成されたフォトダイオードPD_irと、N型ウェル層とP型ウェル層とのPN接合により構成されたフォトダイオードPD_visと、P型ウェル層とN型拡散層とのPN接合により構成されたフォトダイオードPD_uvとを備えている。

0047

第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の上面には、それぞれ、N型拡散層Nが露出するように、遮蔽部12が設けられている。これにより、外部からの光がN型拡散層Nに入射する。

0048

また、図10に示すように、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13は、5つのスイッチSW1〜SW5を備えている。スイッチSW1〜SW1は、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の各層の接続関係(各フォトダイオードのアノード及びカソードの接続関係)を変更することによって、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の分光感度特性を変更するためのスイッチである。スイッチSW1〜5を制御することによって、任意のフォトダイオードの光電流を取り出すことができる。なお、図10では、第3受光素子PD11のみを示している。

0049

第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13は、図11に示す分光感度特性を有している。

0050

フォトダイオードPD_uvの光電流を取り出すときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13のスイッチの開閉状態を図12に示す。このときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の分光感度特性は、図11中のPD_uvで示す曲線のようになる。

0051

フォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を取り出すときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13のスイッチの開閉状態を図13に示す。このときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の分光感度特性は、図11中のPD_vis+PD_irで示す曲線のようになる。

0052

フォトダイオードPD_irの光電流を取り出すときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13のスイッチの開閉状態を図14に示す。このときの第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13の分光感度特性は、図11中のPD_irで示す曲線のようになる。

0053

光フィルタ11は、紫外線の波長領域(波長400nm以下)の光の透過率が、紫外線の波長領域外の光の透過率よりも低いUVカットフィルタであり、図7に示すように、第3受光素子PD11全体を覆っている。この光フィルタ11は、紫外線の波長領域の光を遮断(紫外線の波長領域以外の光を透過)できるものが好ましい。

0054

A/DコンバータADC1は、第3受光素子PD11に接続されており、光電流Iin1をデジタル信号に変更してデジタル出力値ADCOUNT1を出力する。デジタル出力値ADCOUNT1は、第3受光素子PD11に入射した光の強度に対応する。

0055

A/DコンバータADC2は、第4受光素子PD12に接続されており、光電流Iin2をデジタル信号に変更してデジタル出力値ADCOUNT2を出力する。デジタル出力値ADCOUNT2は、第4受光素子PD12に入射した光の強度に対応する。

0056

A/DコンバータADC3は、第5受光素子PD13に接続されており、光電流Iin3をデジタル信号に変更してデジタル出力値ADCOUNT3を出力する。デジタル出力値ADCOUNT3は、第5受光素子PD13に入射した光の強度に対応する。

0057

A/DコンバータADC1,ADC2,ADC3は、同じ構成を有しており、図5に示すように、入力端子INと、出力端子OUTと、充電回路23と、比較回路24と、制御回路25と、放電回路26とで構成されている。

0058

次に、第2実施形態の受光器101において、紫外線強度を検出する原理について説明する。

0059

第2実施形態の受光器1では、事前に、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾き、および、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りを求めて、紫外線強度を検出する。ここでは、フォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を用いた検出方法について説明する。

0060

図8に示すように、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13がフォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を取り出すことができるように、各層の接続関係を変更した後、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きと、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りとを事前に検出する。

0061

図15に示すように、第1,第2受光領域13,14に入射する入射光の入射方向をL1からL2に変化させると、図4に示すように、第1,第2受光領域13,14に入射する入射光の範囲がL1からL2に変化する。すなわち、受光領域13,14に入射する入射光の傾きが大きくなるにつれて、第3,第4受光素子PD11,PD12に入射する光の量が減少し、第5受光素子PD13に入射する光の量が増加する。

0062

また、図11に示すように、フォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を取り出す場合、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13は、光フィルタ11の阻止帯域(〜400nm)に感度を殆どもたない。

0063

このため、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きは、下記式(3)により求められる。なお、下記式(3)において、「ADCOUNT1_vis_ir、ADCOUNT2_vis_ir、ADCOUNT3_vis_ir」は、それぞれ、フォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流を取り出した場合にA/DコンバータADC1,ADC2,ADC3から出力されたデジタル出力値である。
ADCOUNT3_vis_ir/(ADCOUNT1_vis_ir+ADCOUNT2_vis_ir+ADCOUNT3_vis_ir)…(3)

0064

入射状態判定部22は、上記式(3)により得られた第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きに基づいて、光の入射状態が正常であるか否かを判定する。光の入射状態が正常であると判定されたデジタル出力値ADCOUNT1〜3を有効値として、紫外線強度の検出に利用する。

0065

また、第3受光素子PD11の光照射の偏りは下記式(4)により、第4受光素子PD12の光照射の偏りは下記式(5)により求められる。
2×ADCOUNT1_vis_ir/(ADCOUNT1_vis_ir+ADCOUNT2_vis_ir)…(4)
2×ADCOUNT2_vis_ir/(ADCOUNT1_vis_ir+ADCOUNT2_vis_ir)…(5)

0066

続いて、紫外線強度を検出する。まず、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射に偏りがない場合について説明する。

0067

なお、このとき、第3,第4受光素子PD11,PD12は、図12に示すフォトダイオードPD_uvの光電流を取り出すときのスイッチの開閉状態となっている。

0068

図16に示すように、フォトダイオードPD_uvの分光感度特性のピーク波長は約450nmである。なお、受光素子におけるPN接合の接合深さを調整することにより、このピーク波長を調整することができる

0069

また、図17に示すように、光フィルタ11は、400nm以下の波長の光の透過率が低く、400nm以上の波長の光の透過率は、ほぼ100%である。

0070

第3受光素子PD11には、光フィルタ11を透過した光が入射する。このため、第3受光素子PD11の分光感度特性は、図18に示すものとなる。一方で、第4受光素子PD12の上部には光フィルタ11が設けられていないため、第4受光素子PD12の分光感度特性は、図16に示すものとなる。

0071

受光器101のセンサ回路部20において、傾き検出部21が、デジタル出力値ADCOUNT2とデジタル出力値ADCOUNT1との差分を算出する。この差分は、第4受光素子PD12に入射した光の強度から、第3受光素子PD11に入射した光の強度を差し引いたものとなるため、受光部110全体における分光感度特性は、図19に示すものとみなすことができる。

0072

これにより、受光部110が、波長が400nm以下の紫外線領域のみに感度を持つため、紫外線強度を正確に検出することができる。

0073

次に、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射が偏っている場合について説明する。

0074

紫外線強度を検出するときの主な測定対象光源である太陽光は、広い分光特性をもっていることから、紫外線強度を検出するときの第3,第4受光素子PD11(PD_uv),PD12(PD_uv)に照射される光量の偏りと、上記式(4),(5)により事前に検出した第3,第4受光素子PD11(PD_vis+PD_ir),PD12(PD_vis+PD_ir)の光照射の偏りとには相関があると言える。

0075

すなわち、紫外線強度を検出するときに出力されたA/DコンバータADC1のデジタル出力値ADCOUNT1_uv、および、A/DコンバータADC2からのデジタル出力値ADCOUNT2_uvを事前に検出した第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射の偏りにより補正することで、紫外線強度を正確に検出することができる。

0076

事前に検出した第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射の偏りにより補正されたA/DコンバータADC1のデジタル出力値ADCOUNT1_uv2は、次の式(6)により、A/DコンバータADC2のデジタル出力値ADCOUNT2_uv2は、次の式(7)により求められる。式(6),(7)では、A/DコンバータADC1,ADC2のデジタル出力値ADCOUNT1_uv,ADCOUNT2_uvに、事前に検出した第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射の偏りの逆数掛けている。
ADCOUNT1_uv2=ADCOUNT1_uv×(ADCOUNT1_vis_ir+ADCOUNT2_vis_ir)/2×ADCOUNT1_vis_ir…(6)
ADCOUNT2_uv2=ADCOUNT2_uv×(ADCOUNT1_vis_ir+ADCOUNT2_vis_ir)/2×ADCOUNT2_vis_ir…(7)

0077

上記式(5),(6)により得られたデジタル出力値ADCOUNT1_uv2,ADCOUNT2_uv2を差分することで、受光部110が、波長が400nm以下の紫外線領域のみに感度を持ち、紫外線強度を正確に検出することができる。

0078

第2実施形態の受光器101によれば、第1受光領域13に第3,第4受光素子PD11,PD12が設けられ、第1受光素子PD11全体が、光フィルタ11で覆われている。これにより、例えば、紫外線強度の検出において、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きに加えて、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射の偏りを考慮することができるので、紫外線強度の検出精度を高めることができる。

0079

なお、上記式(4),(5)により得られた3,第4受光素子PD11,PD12の光照射の偏りが1から大きく外れる場合(第3,第3受光素子PD11,PD12のどちらかに殆ど光が照射されていない場合)、補正の精度が担保できない。この場合、補正不可として、上記式(6),(7)により得られたデジタル出力値を無効値とする。

0080

また、例えば、フォトダイオードPD_visおよびフォトダイオードPD_irの光電流に変えて、フォトダイオードPD_irの光電流を使用することもできる。この場合、図9に示すように、第3〜第5受光素子PD11,PD12,PD13がフォトダイオードPD_irの光電流を取り出すことができるように、各層の接続関係を変更する。そして、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きと、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りとを事前に検出し、事前に検出された第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きと、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りとに基づいて、紫外線強度を検出する。

0081

第2実施形態の受光器101では、光フィルタ11は、第3受光素子PD11全体を覆うように配置されているが、これに限らない。例えば、図20に示すように、第3フォトダイオードPD11の一部を覆うように、光フィルタ11を配置してもよい。この場合の第3受光素子PD11の分光感度特性は、図21に示すものとなり、受光部110全体における分光感度特性は、図22に示すものとみなすことができる。

0082

(第3実施形態)
第2実施形態の受光器101では、受光部110の第1受光領域13に第3,第4受光素子PD11,PD12を設けているが、これに限らない。例えば、図23に示すように、受光部210の第1受光領域13に第3,第4受光素子PD11,PD12をそれぞれ2つ設けてもよい。

0083

第3実施形態の受光器201では、上面視において、第1受光領域13の対向する辺の中間を結ぶように遮蔽部12が設けられ、遮蔽部12で覆われた4つの領域にそれぞれ第3,第4受光素子PD11,PD12が設けられている。第3,第4受光素子PD11,PD12は、その一方が他方と隣接しないように配置され、第3受光素子PD11上を光フィルタ11が覆っている。

0084

このように第3,第4受光素子PD11,PD12を配置することで、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りを少なくすることができる。

0085

なお、第1受光領域13の分割数を増加させることにより、第3,第4受光素子PD11,PD12の光照射量の偏りをさらに少なくすることができる。

0086

(第4実施形態)
第1実施形態の受光器1では、受光部10の第1,第2受光領域13,14全体を覆うように光フィルタ11を配置しているが、これに限らない。例えば、図24に示すように、受光部310の第1受光領域13全体と第2受光領域14の一部とを覆うように光フィルタ11を配置してもよい。

0087

第4実施形態の受光器301では、上面視において、第1,第2受光領域13,14のうちの第2受光領域14の外周縁部を除く部分が覆われるように、光フィルタ11を配置している。この場合でも、第1実施形態の受光器1と同様の方法で、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出することができる。

0088

(第5実施形態)
第2実施形態の受光器101では、受光部110の第1受光領域13の第3受光素子PD11全体を覆うように光フィルタ11を配置しているが、これに限らない。例えば、図25に示すように、受光部410の第1受光領域13の第3,第4受光素子PD11,PD12の一部、および、第2受光領域14の一部を覆うように配置してもよい。

0089

第5実施形態の受光器401では、光フィルタ11を5つ備えており、第1受光領域13に1つの光フィルタ11を、第2受光領域13に4つの光フィルタ11を配置している。第1受光領域13に配置されている光フィルタ11は、上面視において、第3,第4受光素子PD11,PD12の一部を覆うように配置されている。第2受光領域14に配置されている光フィルタ11は、相互に重なることなく、第2受光領域14の外周に沿って配置されている。この場合でも、第2実施形態の受光器101と同様の方法で、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出することができる。

0090

上記第1〜第5実施形態の受光器1,101,201,301,401は、例えば、携帯型電子機器に適用することができる。

0091

本発明および実施形態をまとめると、次のようになる。

0092

本発明の受光器1,101,201,301,401は、
受光領域13,14を有する受光部10,110,210,310,410と、
上記受光領域13,14の少なくとも一部を覆い、所定の波長領域を有する光を透過させる光フィルタ11と、
上記受光領域13,14および上記光フィルタ11を覆う遮光部16と、
を備え、
上記受光領域13,14が、第1受光領域13と、この第1受光領域13の周囲に配置された第2受光領域14とで構成され、上記第1,第2受光領域13,14の各々には、光が入射することによって光電流を流す受光素子PD1,PD2,PD11,PD12,PD13が設けられており、
上記光フィルタ11が、上記受光素子PD1,PD2,PD11,PD12,PD13が感度を有する波長領域の光の一部を透過させ、
上記遮光部16が、上記受光領域13,14に光を入射させるための開口部を有し、上記開口部17が、上記第1,第2受光領域13,14に入射する光の入射方向に沿って見た平面視において、上記第1受光領域13の半分以上の面積を有するように配置されており、
上記開口部17を介して上記第1,第2受光領域13,14に入射した光の強度に基づいて、上記第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出する傾き検出部21をさらに備えることを特徴としている。

0093

上記構成によれば、受光部10,110,210,310,410の第1,第2受光領域13,14に入射する光の強度に基づいて、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きを検出できる。

0094

また、一実施形態の受光器1,101,201,301,401では、
上記傾き検出部21により検出された上記光の傾きに基づいて、上記第1,第2受光領域13,14に入射する光の入射状態が正常であるか否かを判定する入射状態判定部22をさらに備える。

0095

上記実施形態によれば、例えば、第1,第2受光領域13,14に入射する光のうち、入射状態が正常であると判定されたものだけを紫外線強度の検出に用いることで、紫外線強度の検出精度を高めることができる。

0096

また、一実施形態の受光器1,101,201,301,401では、
上記第1受光領域13に、複数の受光素子PD11,PD12が設けられ、
上記光フィルタ11は、所定の波長領域の光の透過率が、この所定の波長領域の光の透過率よりも低くなるように構成され、
上記複数の受光素子PD11,PD12のいずれか一方が、上記光フィルタ11で覆われている。

0097

上記実施形態によれば、例えば、紫外線強度の検出において、第1,第2受光領域13,14に入射する光の傾きに加えて、受光素子PD11,PD12の光照射の偏りを考慮することができるので、紫外線強度の検出精度を高めることができる。

0098

本発明の携帯型電子機器は、上記受光器を備えている。

0099

上記構成によれば、受光素子に入射する光の傾きを検出できる受光器を備えた携帯型電子機器が得られる。

0100

上記第1〜第5実施形態で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいことは、勿論である。

0101

1,101,201,301,401受光器
10,110,210,310,410受光部
11光フィルタ
12遮蔽部
13 第1受光領域
14 第2受光領域
15筺体
16遮光部
17 開口部
20、120センサ回路部
21傾き検出部
22入射状態判定部
23充電回路
24比較回路
25制御回路
26放電回路
PD1 第1受光素子
PD2 第2受光素子
PD3 第3受光素子
PD4 第4受光素子
PD5 第5受光素子

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