JPH067052B2 - ２分割形半導体位置検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光源から被測定物体方向に、光を投射した光
源から一定距離離れた位置に配置された半導体位置検出
器で反射光の入射位置を検出することにより、被測定物
体までの距離を測定する能動方式の距離検出装置等に用
いられる改良された２分割形半導体位置検出器に関す
る。

（従来の技術） 第６図は、前記能動方式の一般的な距離検出装置の光学
系を示す略図である。

光源１で発光した光束は投光レンズ２で被測定物の表面
５に集光される。

表面５からの反射光は、一定基線長離れて配置された受
光レンズ３により半導体位置検出器４に集光される。

基線長をＢ，被測定物までの距離をＬ，受光レンズ３と
光検出素子４の間隔（結像距離）をｆ，受光レンズ３の
光軸から光検出素子４上の集光位置までの距離（スポッ
ト光の移動量）をｘとすると、(1)式に示す関係が成り
成つ。

ｘ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌ ……(1) 前記(1)式の両辺を距離Ｌで微分すると次の(2)式が得ら
れる。

ｄｘ／ｄＬ＝−ｆ・Ｂ／Ｌ^２ …(2) (2)式より、半導体位置検出器４上でのスポット光の移
動変化量（ｄｘ／ｄＬ）は被測定物までの距離の逆数の
２乗に比例する。

第６図に示されている従来の一般的な距離検出装置で
は、半導体位置検出器４として１次元の半導体位置検出
器（例えば浜松ホトニクス（株）のＳ２１５３−０２）
が用いられている。

第７図は、このような半導体位置検出器を示す断面構造
である。

高抵抗半導体（シリコン基板）の表面が均一な抵抗層に
より形成されており、この層の両端に信号取り出し用の
１対の電極が設けられている。

表面層はＰＮ接合を形成しており、光電効果を呈する。

同図において、電極６（Ａ）および電極７（Ｂ）間の距
離をＣ、その間の抵抗をＲｃとし、電極６（Ａ）より光
入射位置までの距離をｘ、その点までの抵抗をＲｘとす
る。

光入射位置で発生した光生成電荷は、光の入射エネルギ
ーに比例する光電流としてＰ形抵抗層８に到達し、それ
ぞれの電極までの抵抗値に逆比例するように分割され、
電距６（Ａ）および７（Ｂ）より取り出される。

入射光により生成された光電流をＩ_０とし、電極６
（Ａ）および７（Ｂ）に取り出される電流をＩＡ，ＩＢ
とすると(3)式が得られる。

ＩＡ＝Ｉ_０・〔（Ｒｃ−Ｒｘ）／Ｒｃ〕， ＩＢ＝Ｉ_０・（Ｒｘ／Ｒｃ） …(3) Ｐ形抵抗層は均一であり、長さと抵抗値が比例するか
ら、(3)式は(4)式に書き変えられる。

ＩＡ＝Ｉ_Ｏ〔（Ｃ−ｘ）／Ｃ〕， ＩＢ＝Ｉ_Ｏ・ｘ／Ｃ …(4) (4)式の電流値の演算を行うと、次の(5)式が得られる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）＝１−２ｘ／Ｃ…(5) (5)式より、ＩＡ，ＩＢの値から入射光の強度に無関係
に光の入射位置を知ることができることが理解できる。

また、これをグラフ化すると第８図のグラフが得られ
る。

スポット光の移動量ｘに対して 電流演算値（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）は座標値
（０，＋１），（Ｃ／２，０），（Ｃ，−１）を結ぶ直
線上を変化する。

(1)式を(5)式に代入すると(6)式が得られる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ） ＝１−（２ｆ・Ｂ）／（Ｃ・Ｌ）…(6) また(6)式の両辺を距離Ｌで微分すると(7)式が得られ
る。

ｄ〔（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）〕／ｄＬ ＝２ｆ・Ｂ／（Ｃ・Ｌ^２）…(7) (7)式より、 電流演算値（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ）の変化量は
(2)式の時と同様に距離Ｌの逆数の２乗に比例している
ことがわかる。

（発明が解決しようとする問題点） 前述したように、従来の半導体位置検出器の電流演算値
の変化量は距離の逆数の２乗に比例している。

そのためこの半導体位置検出器を距離検出装置に利用し
て、距離に比例した出力値を得るためにはコンピュータ
等を用いてリニア補正テーブルを作成し、出力値の変換
をする必要がある。

産業用ロボットの視覚センサとして距離検出装置を用い
る場合、その出力値が距離に比例した形にしておくこと
は必要不可欠な条件である。

距離検出装置の構成が複雑で高価になってしまい、ソフ
トウェアーを介すことから高速応答の距離検出装置は実
現不可能となる。

本発明の目的は、半導体位置検出器の表面の抵抗層を分
割することにより、被測定物体距離の変化量に比例した
距離情報をもつ信号電流を取り出すことができるように
した２分割形半導体位置検出器を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による２分割形半導体
位置検出器は、投射光の被測定物体からの反射光の入射
位置を検出する３角測量法の距離検出装置に使用される
１次元半導体位置検出器において、前記半導体位置検出
器の受光面を曲線に沿って絶縁分離して、各受光面に電
極を設け、反射光を前記分離された各受光面に入射し、
入射面積に対応する生成電流が両電極から取り出される
ことにより、被測定物体距離に比例した距離情報をもつ
信号電流を取り出すように構成されている。

前記２分割形半導体位置検出器はシリコン基板の裏側に
共通端子を形成するＮ^＋層を設け、表側に受光面となる
矩形のＰ層を分離層によって絶縁分離し、各Ｐ層に信号
電流取り出し用電極を配置した構成において、前記受光
面の光源側の辺からｘの位置において、 Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）＋Ｉ＝Ｗ Ｗ（ｘ）＝ａｘ／（ｘ＋ｂ） の関係を成立させることができる。

ただし、Ｗは半導体位置検出器の幅、Ｉは幅方向の分離
層の長さ、Ｈ（ｘ）は光源側の受光面の幅方向の長さ、
Ｗ（ｘ）は他側の受光面の幅方向の長さ、ａ，ｂは定数
である。

なお前記定数ａおよびｂを次の式で定義できる。

ａ＝Ｌｆ（Ｗ−Ｉ）／（Ｌｆ−Ｌｎ） ｂ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌｆ ただし、Ｌｎは近距離側測距限界，Ｌｆは遠距離側測距
限界，Ｂは基線長，ｆは受光レンズと検出器の間隔（結
像距離）である。

（実施例） 以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は、本発明による２分割形半導体位置検出器の第
１の実施例を示す平面図である。

第２図は、前記２分割形半導体位置検出器の断面構造図
である。

シリコン基板２２に形成された分離層１４によって分割
されたＰ層１５および１６は受光面であって、それぞれ
電流取り出し電極１２（Ａ）および１３（Ｂ）に接続さ
れている。

また、裏側にＮ^＋層２３を形成し、これに共通電極２４
が接続されている。

距離検出装置の測距範囲をＬｎ（近距離側）からＬｆ
（遠距離側）までとする。

この半導体位置検出器を先に説明した第６図に示すよう
な光学系と組み合わせる。

２分割形半導体位置検出器の左側の電極１２（Ａ）を第
６図の光源１側にする。

距離Ｌｆにある被測定物からの反射光束が受光レンズに
より集光されるスポット光位置を第１図に示す２分割形
半導体位置検出器の左側の電極１２（Ａ），Ｌｎのスポ
ット光位置を右側の電極１３（Ｂ）近くに設定する。

光学系の基線長をＢ，受光レンズから測距用２分割形半
導体位置検出器の受光面までの距離をｆとする時、距離
Ｌｘにおける線状のスポット光位置ｘは次の(8)式で表
される。

ｘ＝ｆ・Ｂ・〔（１／Ｌｘ）−（１／Ｌｆ）〕…(8) また、有効な受光面の長さＣは(9)式になる。

Ｃ＝ｆ・Ｂ・〔（１／Ｌｎ）−（１／Ｌｆ）〕…(9) 第１図において、分離層１４によって分割されたＰ層の
内、入射光によってＰ層１５の部分で生成された光電流
は電極１２（Ａ）、またＰ層１６からの光電流は電極Ｂ
（１３）より取り出される。

同図の斜線で示される部分に、距離Ｌｘからの反射光束
が幅の狭いスリット光の形で照射されていると仮定す
る。

この時生成される全光電流をＩ_０電極１２（Ａ）および
電極１３（Ｂ）から取り出される光電流をそれぞれＩＡ
およびＩＢ，電極１２（Ａ）に接しているＰ層１５の幅
をＨ（ｘ），電極１３（Ｂ）に接しているＰ層１６の幅
をＷ（ｘ）とする。

ここでスリット光の幅が充分小さいとき、取り出される
光電流ＩＡおよびＩＢは次の(10)式および(11)式により
近似できる。

ＩＡ＝Ｈ（ｘ）・Ｉ_０／〔Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）〕……(1
0) ＩＢ＝Ｗ（ｘ）・Ｉ_０／〔Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）〕……(1
1) なおＨ（ｘ）とＷ（ｘ）の間には次の関係が成立する。

Ｈ（ｘ）＋Ｉ＋Ｗ（ｘ）＝Ｗ ただし：Ｗは半導体位置検出器の全幅 ：Ｉは分離層１４の幅方向の幅 そして電流演算値は(12)式になり、入射光強度には無関
係に照射位置が求まる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ） ＝〔Ｈ（ｘ）−Ｗ（ｘ）〕 ／〔Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）〕…(12) 同図で距離Ｌｆの照射位置から距離Ｌｘの照射位置まで
の距離をｘとすると、Ｐ層の幅Ｗ（ｘ）およびＨ（ｘ）
が次の(13)式および(14)式を満足しているとき、電流演
算値は被測定物距離に対してリニアな関係になる。

Ｗ（ｘ） ＝〔Ｌ^２ｆ／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕 ・〔ｘ／（Ｌｆ・ｘ＋ｆ・Ｂ）〕・（Ｗ−Ｉ）……(13) (13)をさらに一般的に表現するＷ（ｘ）はＷ（ｘ）＝ａ
／（ｘ＋ｂ）となる。

ただしａ，ｂ ：定数 Ｈ（ｘ）＝Ｗ−Ｉ−Ｗ（ｘ） ……(14) 一般式で与えられた(13)式に対して、光学系の設定条件
をｆ・Ｂ＝Ｌｆに設定すると(13)式は次の(15)式に変形
される。

Ｗ（ｘ） ＝〔Ｌｆ／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕 ・〔ｘ／（ｘ＋１）〕・（Ｗ−Ｉ）…(15) ここで(8)式および(14)式に代入すると(16)式および(1
7)式が得られる。

Ｗ（ｘ）＝（Ｗ−Ｉ）・ 〔（Ｌｆ−Ｌｘ）／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕…(16) Ｈ（ｘ）＝（Ｗ−Ｉ）・ 〔（Ｌｘ−Ｌｎ）／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕…(17) (16)式および(17)式を(12)式に代入すると(18)式が得ら
れる。

（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ＋ＩＢ） ＝１−〔２・（Ｌｆ−Ｌｘ）／（Ｌｆ−Ｌｎ）〕…(18) すなわちＰ層の幅Ｗ（ｘ）およびＨ（ｘ）が(13)式およ
び(14)式の条件を満足している場合、(18)式より電流演
算値は測距範囲ＬｎからＬｆの間で被測定距離Ｌｘに対
して直線的に変化する。

第３図は、本発明による２分割形半導体位置検出器のさ
らに他の実施例を示す。

分離層２７で分割されたＰ層２８および２９はそれぞれ
コンタクトホール３０および３１を介して電極２５およ
び２６に接続されている。

第１図の構造では受光面に照射するスリット光の長さが
幅Ｗより短いと(13)式および(14)式の条件で近似できな
い。

この実施例は基本構成要素の幅を狭くして、これを複数
個平列に並べて第３図のようなパターンにすることによ
り、スリット光の長さがＷより短かくても使用可能にし
たものである。

第３図に示す実施例では基準の被測定距離をＬrefと
し、測距範囲をＬref±０．５Ｌrefに設定した時のパタ
ーンである。

これにより、Ｌｆ＝１．５Ｌref，Ｌｎ＝０．５Ｌref，
Ｌｆ−Ｌｎ＝Ｌrefとし、光学系の設定条件をｆ・Ｂ＝
Ｌｆ＝１．５Ｌrefに選定すると、(13)式および(14)式
は(19)式および(20)式になる。

Ｗ（ｘ）＝（Ｗ−Ｉ）・〔１．５ｘ／（ｘ＋１）〕…(1
9) Ｈ（ｘ）＝（Ｗ−Ｉ） ・〔（１−０．５ｘ）／（ｘ＋１）〕…(20) (19)式および(20)式において、変数ｘを０から有効受光
面長Ｃまでについて計算し、作図すればよい。

第４図は、本発明による２分割形半導体位置検出器を用
いた距離計の演算回路の実施例を示す回路図である。

この実施例は２分割形半導体位置検出器３２の出力をコ
ンデンサを介した交流結合方式により電流電圧変換した
後、２分割形半導体位置検出器の１対の出力端子（電極
ＡおよびＢ）から得られる光電流の差（ＩＡ−ＩＢ）と
和（ＩＡ＋ＩＢ）に相当する演算を実行する。

信号抜取回路（下側に詳細な回路例を破線で囲んで示
す）により、第１図に示す光源１（第４図では光源３
４）が点燈している時と、していない時の状態を２つの
サンプルホールド回路でホールドし、演算増幅器によ
り、その差分が出力される。

この回路により信号成分のみを抜き取ることができる。

この信号成分はアナログ割算器３３で演算され出力され
る。

この出力値と被測定距離Ｌｘの関係を第８図に示す。

第４図の回路では、光電流値の和（ＩＡ＋ＩＢ）を常に
モニタし、この値が一定になる様、光源３４の発光強度
を制御することにより、同図の演算回路が安定した状態
で動作させることができる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように本発明による２分割形半導体
位置検出器は、投射光の被測定物体からの反射光の入射
位置を検出する３角測量法の距離検出装置に使用される
１次元半導体位置検出装置において、前記半導体位置検
出器の前記距離検出装置の光源側の電極に接続される抵
抗層、および光源と反対側の電極に接続される抵抗層を
曲線に沿って絶縁分離して、反射光を前記分離された各
抵抗層に入射し、入射面積に対応する生成電流が両電極
から取り出されることにより、被測定物体距離の変化量
に比例した距離情報をもつ信号電流を取り出すように構
成されている。

したがって、半導体位置検出器より得られる電流演算値
が被測定距離に対してリニア関係を実現できる。

そのため、従来のコンピュータを付加してリニア補正し
なければならなかった距離検出装置よりも、安価で小形
軽量な距離検出装置が実現できる。さらに、簡単なアナ
ログ演算回路だけで電流演算値が得られるため、コンピ
ュータを介しては実現不可能な高速応答の距離検出装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による２分割形半導体位置検出器の第
１の実施例を示す平面図である。 第２図は、前記２分割形半導体位置検出器の断面構造図
である。 第３図は、２分割形半導体位置検出器の第２の実施例を
示す平面図である。 第４図は、２分割形半導体位置検出器の出力の処理をす
るアナログ演算回路の実施例を示す回路図である。 第５図は、本発明による２分割形半導体位置検出器の被
測定距離と電流演算値の関係を示すグラフである。 第６図は、従来の３角測量法による距離検出装置の光学
系を示すグラフである。 第７図は、従来の半導体位置検出器の断面構造図であ
る。 第８図は、従来の半導体位置検出器による入射光位置と
電流演算値のグラフである。 １………光源 ２………投光レンズ ３………受光レンズ ４………半導体位置検出器 ５………被測定物 ６………電極（Ａ） ７………電極（Ｂ） ８………Ｐ形抵抗層 ９………Ｎ^＋層 １０………共通電極 １１………高抵抗層（ｉ層） １２………電極（Ａ） １３………電極（Ｂ） １４………分離層 １５………電極（Ａ）に接したＰ層 １６………電極（Ｂ）に接したＰ層 ２５………電極（Ａ） ２６………電極（Ｂ） ２７………分離層 ２８………電極（Ａ）に接続したＰ層 ２９………電極（Ｂ）に接続したＰ層 ３０………電極（Ａ）のコンタクトホール ３１………電極（Ｂ）のコンタクトホール ３２………２分割形半導体位置検出器 ３３………アナログ割算器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投射光の被測定物体からの反射光の入射位
   置を検出する３角測量法の距離検出装置に使用される１
   次元半導体位置検出器において、前記半導体位置検出器
   の受光面を曲線に沿って絶縁分離して、各受光面に電極
   を設け、反射光を前記分離された各受光面に入射し、入
   射面積に対応する生成電流が両電極から取り出されるこ
   とにより、被測定物体距離に比例した距離情報をもつ信
   号電流を取り出すように構成したことを特徴とする２分
   割形半導体位置検出器。
2. 【請求項２】前記２分割形半導体位置検出器はシリコン
   基板の裏側に共通端子を形成するＮ^＋層を設け、表側に
   受光面となる矩形のＰ層を分離層によって絶縁分離し、
   各Ｐ層に信号電流取り出し用電極を配置した構成におい
   て、前記受光面の光源側の辺からｘの位置において次の
   関係が成立させられている特許請求の範囲第１項記載の
   ２分割形半導体位置検出器。 記 Ｈ（ｘ）＋Ｗ（ｘ）＋Ｉ＝Ｗ Ｗ（ｘ）＝ａｘ／（ｘ＋ｂ） ただし Ｗ：半導体位置検出器の幅 Ｉ：幅方向の分離層の長さ Ｈ（ｘ）：光源側の受光面の幅方向の長さ Ｗ（ｘ）：他側の受光面の幅方向の長さ ａ，ｂ：定数
3. 【請求項３】前記定数ａおよびｂは次の式で与えられる
   特許請求の範囲第２項記載の２分割形半導体位置検出
   器。 記 ａ＝Ｌｆ（Ｗ−１）／（Ｌｆ−Ｌｎ） ｂ＝（ｆ・Ｂ）／Ｌｆ Ｌｎ：近距離側測距限界 Ｌｆ：遠距離側測距限界 Ｂ：基線長 ｆ：受光レンズと検出器の間隔（結像距離）