JPH04340773A - 一次元光位置検出器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、アモルファスシリコ
ンＰＳＤにおいて、透明抵抗層を一部細くして高抵抗化
することにより、位置精度を上げるようにした光の入射
位置を検出する一次元光位置検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、高い耐久性、信頼性をもって物体
の直線変位や角度変位を検出するため、電気的接触を用
いる可変抵抗器を用いた位置センサに代わり、移動体よ
り放射あるいは移動体で反射、透過される光が抵抗層を
備えた光位置検出器で受光され、この光位置検出器での
受光位置により非接触に前記移動体の直線変位や角度変
位を検出する非接触位置センサが用いられている。

【０００３】このような非接触位置センサとして、特開
昭６１−２７１４１３号公報や特開昭６３−３２３０５
号公報のごとく光位置検出器としてアモルファスシリコ
ン半導体膜を用いるものが提案されている。このような
従来例を以下、図において説明する。

【０００４】図１４は従来のアモルファスシリコン半導
体膜を用いた光位置検出器の構成を示す平面図であり、
図１５は図１４のＤ−Ｄ線の断面図であり、図１６は従
来の光位置検出器を用いた位置センサの構成を示す平面
図である。以下、従来例を図１４〜図１６を用いて説明
する。

【０００５】まず、図１４，図１５の両図において、Ａ
は光位置検出器であり、１は基板であり、ここでは、透
明板ガラスである場合を示し、２ａ，２ｂは検出電極で
、Ａｌ等の金属を基板１上に蒸着にて形成した導電層で
あり、３は透明抵抗層であり、酸化インジウム・スズ（
ＩＴＯ）膜あるいは酸化スズ（ＳｎＯ２）膜をその両端
が検出電極２ａ，２ｂと重なるようスパッタ、または蒸
着にて帯状に形成されている。

【０００６】また、４はアモルファスシリコン半導体（
以下ａ−Ｓｉという）光起電力層でプラズマＣＶＤ法等
の蒸着法により透明抵抗層３上にＰ層，Ｉ層，Ｎ層の順
に成膜され、ＰＩＮ構造の光起電力層を形成している。 ５はバイアス電極であり、同じくＡｌ等の金属をａ−Ｓ
ｉ　光起電力層４の検出領域の上に蒸着にて形成した導
電層である。

【０００７】次に図１６において、７はＬＥＤ等の光源
であり、ａ−Ｓｉ光起電力層４の受光感度特性より通常
可視光源が用いられ、８はその一部に光を透過させるス
リット８１を有する移動スリット板で、光源７と光位置
検出器Ａの間に配置される。

【０００８】また、６は位置検出回路であり、光位置検
出器Ａの両端の検出電極２ａ，２ｂが各々非反転増幅器
６１ａ，６１ｂの反転入力端に接続され、バイアス電極
５がバイアス電位（ここでは接地電位）に接続されてい
る。

【０００９】非反転増幅器６１ａ，６１ｂの出力の片側
（ここでは非反転増幅器６１ａの出力）が非反転増幅器
６２の反転入力端に接続され、非反転増幅器６２の出力
が位置出力電圧Ｖｘとして外部に出力されるようになっ
ている。

【００１０】一方、非反転増幅器６１ａ，６１ｂの出力
の双方が非反転増幅器６３の反転入力端に接続され、非
反転増幅器６３の出力は、比較増幅器６４の一方の入力
端に接続されるとともに、比較増幅器６４の他方の入力
端に基準電圧Ｖｒｅｆ　が印加され、比較増幅器６４の
出力が前記光源７に接続される。

【００１１】なお、Ｒａ，Ｒｂは非反転増幅器６１ａ，
６１ｂの各出力端と（−）入力端間に接続された負荷抵
抗である。

【００１２】図１７は従来の他の光位置検出器の断面図
であり、光位置検出器において、基板１上に検出電極２
ａ，２ｂ、透明抵抗層３を積層した段階の図を示したも
のであり、透明抵抗層３が２本の細線３１で形成されて
おり、透明抵抗層３はａ−Ｓｉ光起電力層４と２本の細
線３１の部分のみで重なり合う。

【００１３】次に動作について説明する。図１６におい
て、光源７は比較増幅器６４により駆動されて発光し、
この光束の一部は移動スリット板８のスリット８１を透
過して光位置検出器Ａに入射する。光位置検出器Ａへの
入射光は基板１、透明抵抗層３を透過して、ａ−Ｓｉ光
起電力層４に到達し、その一部はさらにバイアス電極５
で反射されて再度ａ−Ｓｉ光起電力層４に戻される。

【００１４】このａ−Ｓｉ光起電力層４には、この入射
光束により光起電力が発生し、入射光量に応じた光電流
ｉが発生し、この光電流ｉは透明抵抗層３をその両端に
設けた検出電極２ａ，２ｂに分流する。

【００１５】このとき、各分流光電流ｉａ，ｉｂは、検
出電極２ａ，２ｂ間の長さ（受光長さ）をＬ、検出電極
２ａ，２ｂ間の透明抵抗層３の全抵抗値をＲｔ、検出電
極２ｂより光入射位置までの距離をＸ、その間の透明抵
抗層３の抵抗値をＲｘとすれば、 　　　　　　　　Ｘ／Ｌ＝Ｒｘ／Ｒｔ＝ｉａ／（ｉａ＋
ｉｂ）　　　　　　　　　　　　…（１）で与えられる
。

【００１６】光電流ｉａ，ｉｂは各々非反転増幅器６１
ａ，６１ｂで負荷抵抗Ｒａ，Ｒｂで電流電圧変換され、
各々電圧Ｖａ，Ｖｂとなり、電圧Ｖａ，Ｖｂは非反転増
幅器６３により加算され、加算値（Ｖａ＋Ｖｂ）が所定
の一定基準電圧Ｖｒｅｆ　となるよう比較増幅器６４に
より光源７の発光光量が制御される。

【００１７】一方、非反転増幅器６１ａの出力は非反転
増幅器６２により所定の出力ゲインＫが与えられて、位
置出力電圧Ｖｘとして出力される。すなわち、位置出力
電圧Ｖｘは、 　　　　　　　　Ｖｘ＝ＫＶａ／Ｖｒｅｆ　＝ＫＶａ／
（Ｖａ＋Ｖｂ）　　　　　　　　…（２）となり（１）
式より 　　　　　　　　Ｖｘ＝Ｋｉａ／（ｉａ＋ｉｂ）＝ＫＸ
／Ｌ　　　　　　　　　　　　　　…（３）となって、
位置出力電圧Ｖｘは光位置検出器Ａの入射位置に相当す
る。

【００１８】したがって、移動スリット板８を移動させ
、そのスリット８１を透過する光の光位置検出器Ａへの
入射位置を検出することにより、移動スリット板８の位
置を知る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来の光位置検出器は
以上のように構成されているので、以下のごとき課題が
あった。すなわち、透明抵抗層３には、光電流ｉの他に
非反転増幅器６１ａ，６１ｂの入力オフセット電圧ΔＶ
ａ，ΔＶｂの差による誤差電流Δｉが、　　　　　　　
　Δｉ＝（ΔＶｂ−ΔＶａ）／Ｒｔ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　…（４）として流れるため
、実際に非反転増幅器６１ａ，６１ｂの負荷抵抗Ｒａ，
Ｒｂを流れる電流Ｉａ，Ｉｂは入力オフセット電圧の極
性、大きさにより例えば各々（ｉａ＋Δｉ），（ｉｂ−
Δｉ）となり、位置出力の電圧Ｖｘは、 　　　　　　　　Ｖｘ＝Ｋ［｛Ｒ（ｉａ＋Δｉ）＋ΔＶ
ｂ｝／｛Ｒ（ｉａ＋ｉｂ）　　　　　　　　　　　　　
　＋ΔＶｂ−ΔＶａ｝］＝Ｋ（Ｘ＋ΔＸ）／Ｌ　　　　
　　…（５）となって、かかる誤差電流Δｉ、入力オフ
セット電圧ΔＶａ，ΔＶｂによる位置検出誤差ΔＸが生
じる。

【００２０】ところが、従来の光位置検出器の透明抵抗
層３の抵抗値Ｒｔは小さいため、（４）式で光電流ｉに
対する誤差電流Δｉの比率が無視できず、位置出力Ｖｘ
の誤差ΔＸが大となり、検出精度が悪いといった課題が
あった。

【００２１】このような課題を解決しようと透明抵抗層
３の厚さを減じて、抵抗値Ｒｔを大とすると、光電流ｉ
に対する誤差電流Δｉの比率は小となるが、透明抵抗層
３の膜厚の一様性が損なわれるため、位置検出誤差は結
局同様に大となった。

【００２２】また、図１７のごとく、透明抵抗層３を２
本の細線３１で形成して抵抗値Ｒｔを上げても同様に誤
差電流Δｉは小となるが、ａ−Ｓｉ光起電力層４はキャ
リアの拡散長が単結晶Ｓｉに比べて小さいため、ａ−Ｓ
ｉ光起電力層４の光照射領域の内、光電流に寄与する領
域はａ−Ｓｉ光起電力層４と透明抵抗層３とが重なり合
う部分のみとなり、図１７のごとく、上記重畳面積が小
さい場合には、入射光量に対する光電流ｉもまた小とな
り、結局光電流ｉに対する誤差電流Δｉの比率は同様に
大となり、さらにオフセット電圧に対するＲ（ｉａ＋Δ
ｉ）の比率は逆に小となって、位置検出誤差はやはり大
となる。

【００２３】請求項１の発明は、上記のような課題を解
消するためになされたもので、光入射位置に対する位置
検出精度を向上できる一次元光位置検出器の提供を目的
とする。

【００２４】請求項２の発明は、ａ−Ｓｉ光起電力層に
重畳する低抵抗部分の重畳面積比と全抵抗のいずれをも
大きくとることができる一次元光位置検出器を得ること
を目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る一
次元光位置検出器は、基板上に積層された帯状の第１の
導電層と、ａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層と、周期的なパ
ターンからなり、少なくともその一部が細線を形成し、
パターン間が前記細線で連結されて、前記透明抵抗層の
抵抗値と前記ａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層との重畳面積
比がともに所定値以上となるように設定された透明抵抗
層と、この透明抵抗層の両端に積層された第２の導電層
とを設けたものである。

【００２６】また、請求項２の発明に係る一次元光位置
検出器は、ａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層またはバイアス
電極より広い帯域の周期的なパターンを有し、このパタ
ーンの一部に形成された細線がａ−Ｓｉ　ＰＩＮ起電力
層の外側に配設された透明抵抗層を設けたものである。

【００２７】

【作用】請求項１の発明においては、第１の導電層がバ
イアス電極を形成するとともに、第２の導電層が検出電
極を形成し、ａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層に入射した入
射光の位置をその一部が細線で形成された周期的なパタ
ーンからなる透明抵抗層を介して検出電極に流入する光
電流により検出する。

【００２８】また、請求項２の発明における透明抵抗層
の一部がａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層の外側に配置して
いるから、ａ−Ｓｉ光起電力層と透明抵抗層との重畳面
積比と全抵抗比を独立させて設定でき、重畳面積比と全
抵抗のいずれも大きくとれることになる。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の一次元光位置検出器の実施
例について図面に基づき説明する。図１はその一実施例
の構成を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線の断
面図である。

【００３０】この実施例は基本的構成は従来と同じであ
るが、その透明抵抗層３が異なるものである。図１にお
いて、光位置検出器Ａは透明ガラス基板１上にＡｌ等の
検出電極２ａ，２ｂが蒸着等により積層され、次に基板
１上に検出電極２ａ，２ｂとその両端が重なり合うよう
ＩＴＯあるいはＳｎＯ２をスパッタリング等により数百
〜千Ａの厚さに成膜して透明抵抗層３を形成し、さらに
この上にプラズマＣＶＤ等の蒸着法やスパッタリングに
て数千Å程度のａ−Ｓｉ光起電力層をＰ層，Ｉ層，Ｎ層
の順に透明抵抗層３の幅より広い幅で積層し、最後にＡ
ｌ等のバイアス電極５をリード接続部５１を除き、ほぼ
透明抵抗層３と同程度の幅に蒸着等で形成する。

【００３１】このとき、透明抵抗層３の検出電極間の領
域は短軸方向に長いが比較的幅の広い低抵抗部分３３と
これを結ぶ細線の高抵抗部分３２からなる周期的パター
ンを持つよう形成する。

【００３２】このパターンの周期は、入射光径より小さ
く設定するのが分解能上で有利であるが、通常入射光径
は透明抵抗層３の幅、すなわち低抵抗部分３３の長さ程
度に設定されるため、極端に小とする必要はない。透明
抵抗層３の低抵抗部分３３の幅および高抵抗部分３２の
細線幅は次のようにして決定すればよい。

【００３３】すなわち、ａ−Ｓｉ起電力層４に入射する
光束の面積をＳ、平均照度をＥ、光電流変換効率をＫと
し、ａ−Ｓｉ　ＰＩＮ光起電力層４に対する透明抵抗層
３の重畳面積比ｍとすれば、平均光電流ｉはｉ＝ＫｍＳ
Ｅで与えられる。

【００３４】ここで、図１６で示した検知回路６におけ
る電流電圧変換器である非反転増幅器６１ａ，６１ｂの
オフセット電圧ΔＶａ，ΔＶｂに対し、上記（５）式よ
り平均光電流ｉが所定の誤差許容率α（＜＜１）を用い
て、 　　　　　　　　ｉ＝ＫｍＳＥ≧｜ΔＶａ＋ΔＶｂ｜／
Ｒα　　　　　　　　　　　　　　…（６）なるよう、
すなわちＲｉ＞＞｜ΔＶａ＋ΔＶｂ｜なるよう前記重畳
面積比ｍを定め、さらに、（４）式より透明抵抗層３の
全抵抗Ｒｔが誤差許容率β（＜＜１）を用いて、　　　
　　　　　Ｒｔ≧｜ΔＶａ＋ΔＶｂ｜／ｉβ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　…（７）なるよう
、すなわち（５）式において誤差電流Δｉに対し、ｉ＞
＞Δｉなるよう低抵抗部分３３および高抵抗部分３２の
幅を決定して、全抵抗Ｒｔを調整する。

【００３５】すなわち、この実施例によれば、透明抵抗
層３の全抵抗値Ｒｔを従来の単なる帯状の透明抵抗層３
より、約１０〜１００倍程度高い値とすることができ、
図１７のごとく、単に透明抵抗層３を細線として抵抗値
Ｒｔを上げた場合と比較し、重畳面積比ｍを大きくとれ
るため、入射光量に対する光電流ｉをあまり減少させる
ことなく、誤差電流Δｉに対する光電流ｉの比率を従来
の光位置検出器よりも大きくでき、位置検出精度を大幅
に向上できる。

【００３６】図３〜図９は一実施例の透明抵抗層３の他
のパターンの例を示す図である。図３は前記実施例にお
ける細線の高抵抗部分３２を長方形の低抵抗部分３３の
中央に設けたものである。

【００３７】また図４は長方形の低抵抗部分３３とその
片端を結ぶ細線の高抵抗部分３２を互い違いに２列設け
てこれらを並列としたもの、すなわち、短形波に形成し
たものであり、図３より重畳面積比ｍは小となるが、抵
抗値Ｒｔを高くできる。

【００３８】図５は図４の低抵抗部分３３を台形として
、その短辺を細線からなる高抵抗部分３２で結んだもの
で、図４よりパターン周期内での出力変化は小さくなる
反面、さらに抵抗値Ｒｔを高くできる。

【００３９】図６は分割抵抗としては、ほとんど機能せ
ず、主に集電をおこなう集電機能部３４を接続線３５に
より細線の高抵抗部分３２に接続したもので、パターン
周期内での出力変化はほとんどない反面、図５よりさら
に抵抗値Ｒｔを高くできる。

【００４０】図７は長方形の低抵抗部分３３の間に並列
に細線からなる高抵抗部分３２を配し、低抵抗部分３３
の片端に各々隣接する高抵抗部分３２を接続したもので
、図４より重畳面積比ｍは小となるが、抵抗値Ｒｔを高
くできる。

【００４１】図８は図７と配置は同じでるが、低抵抗部
分３３の両端に各々隣接する細線からなる高抵抗部分３
２を接続したもので、やはり、図４より重畳面積比ｍは
小となるが抵抗値Ｒｔを高くできる。

【００４２】図９は図６と同じく集電機能部３４を接続
線３５により細線の高抵抗部分３２に接続したものであ
るが、集電機能部３４に平行に高抵抗部分３２を配置し
て、図６より重畳面積比ｍは小となるが、抵抗値Ｒｔを
高くしたものである。

【００４３】このようなパターンの透明抵抗層３によっ
ても、同様に入射光量に対する光電流ｉをあまり減少さ
せることなく、全抵抗値Ｒｔを高くでき、位置検出精度
を大きく向上できる。

【００４４】次に、この発明の第２の実施例について説
明する。図１０はこの第２の実施例の光位置検出器の構
成を示す平面図であり、図１１は図１０のＢ−Ｂ線の断
面図である。この図１０，図１１の両図に示す第２の実
施例においては、表面が平滑なエポキシ，ポリイミド等
の樹脂、アルミナ等のセラミック、あるいはステンレス
等の金属の不透明基板１の上に、順にバイアス電極５、
ａ−Ｓｉ光起電力層４、低抵抗部分３３とこれを結ぶ細
線の高抵抗部分３２からなる周期的パターンを持つ透明
抵抗層３、検出電極２ａ，２ｂを積層している。

【００４５】この場合、ａ−Ｓｉ光起電力層４はバイア
ス電極５の上にＮ層，Ｉ層，Ｐ層の順に成膜する。この
実施例においても、図１の実施例と同等の効果が得られ
るとともに、基板１を金属にした場合にはバイアス電極
５を兼ねることが可能となり、部品点数をへらすことが
できるし、基板１を樹脂あるいはプラスチックにした場
合には、同じ基板上にこの光位置検出器Ａの位置検出回
路６を実装できるという利点がある。

【００４６】図１２はこの発明の第３の実施例の光位置
検出器の構成を示す平面図であり、図１３は図１２のＣ
−Ｃ線の断面図である。この図１２，図１３に示す第３
の実施例においては、図１０，図１１と同じく、不透明
基板１の上に、順にバイアス電極５、ａ−Ｓｉ光起電力
層４、透明抵抗層３、検出電極２ａ，２ｂを積層してい
るが、透明抵抗層３の内低抵抗部分３３のみが、ａ−Ｓ
ｉ光起電力層４に重ねられ、各低抵抗部分３３を結ぶ細
線で形成された高抵抗部分３２はａ−Ｓｉ光起電力層４
の外側で基板１に直接積層されている。

【００４７】すなわち、この図１２，図１３に示す実施
例の構成においては、ａ−Ｓｉ光起電力層４に重畳する
低抵抗部分のみが光電変換を請負うため、重畳面積比ｍ
と全抵抗Ｒｔを独立に設定でき、重畳面積比ｍと全抵抗
Ｒｔのいずれをも大きくできるため、さらに位置検出精
度を改善できるという利点がある。

【００４８】以上の各実施例においては、いずれも直線
状の光位置検出領域を持つ光位置検出器を示したが、光
位置検出領域は円弧等の曲線状にも形成できることは言
うまでもない。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれば
、基板上に積層された帯状の第１の導電層と、アモルフ
ァスシリコン光起電力層と、透明抵抗層の両端に積層さ
れた第２の導電層が設けられるとともに、前記透明抵抗
層が周期的なパターンからなり、少なくともその一部が
細線を形成し、パターン間がこの細線で連結されて、前
記透明抵抗層の抵抗値と、アモルファスシリコン光起電
力層と透明抵抗層の重畳面積比がともに所定値以上とな
るよう設定されるように構成したので、光電流に対する
誤差電流の割合を低減でき、光入射位置に対する位置検
出精度を向上できるという効果がある。

【００５０】また、請求項２の発明によれば、透明抵抗
層をアモルファスシリコンＰＩＮ光起電力層またはバイ
アス電極よりも広い帯幅の周期的なパターンを有し、こ
のパターンに形成された細線がアモルファスシリコンＰ
ＩＮ光起電力層の外側に設けるように構成したので、重
畳面積比と全抵抗を独立に設定でき、重畳面積比と全抵
抗のいずれも大きくでき、さらに位置検出精度を改善で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の一次元光位置検出器の構
成を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線の断面図である。

【図３】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図４】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図５】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図６】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図７】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図８】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図９】図１の実施例における透明抵抗層のパターン例
を示す平面図である。

【図１０】この発明の第２の実施例による一次元光位置
検出器の平面図である。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ線の断面図である。

【図１２】この発明の第３の実施例による一次元光位置
検出器の平面図である。

【図１３】図１２のＣ−Ｃ線の断面図である。

【図１４】従来の一次元光位置検出器の平面図である。

【図１５】図１４のＤ−Ｄ線の断面図である。

【図１６】従来の一次元光位置検出器を用いた位置セン
サの構成説明図である。

【図１７】従来の一次元光位置検出器の別の例を示す平
面図である。

【符号の説明】

Ａ　　光位置検出器 １　　基板 ２ａ　　検出電極 ２ｂ　　検出電極 ３　　透明抵抗層 ３２　　高抵抗部分 ３３　　低抵抗部分 ３４　　集電機能部 ３５　　接続線 ４　　アモルファスシリコン光起電力層５　　バイアス
電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に積層されて帯状に形成されバ
   イアス電極を形成する第１の導電層と、アモルファスシ
   リコンＰＩＮ光起電力層と、周期的なパターンからなり
   、少なくともこのパターンの一部が細線を形成して上記
   パターン間がこの細線で連結されて抵抗値と上記アモル
   ファスシリコンＰＩＮ光起電力層に対する重畳面積比が
   ともに所定値以上となるように設定された透明抵抗層と
   、この透明抵抗層の両端に積層され検出電極を形成し上
   記アモルファスシリコンＰＩＮ光起電力層に入射した入
   射光の位置を上記透明抵抗層を介して上記検出電極に入
   射する光電流により検出する第２導電層とを備えた一次
   元光位置検出器。
2. 【請求項２】　　上記透明抵抗層は上記ＰＩＮ光起電力
   層または上記バイアス電極より広い帯幅の周期的なパタ
   ーンを有し、上記パターンの一部に形成された細線が上
   記アモルファスシリコンＰＩＮ光起電力層の外側に配置
   されていることを特徴とする請求項１に記載の一次元光
   位置検出器。