JPH08181348A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光電変換装置の暗電流補償機能を安定化させ
る。 【構成】 光電変換装置は主受光素子１と補助受光素子
２とカレントミラー回路３と処理回路４とからなる。主
受光素子１は入射光Ｌの受光量に応じた光電流成分Ｉｓ
に加えて周囲温度に依存する暗電流成分Ｉｎを含む検出
電流Ｉｐを発生する。補助受光素子２は入射光Ｌから遮
光され、周囲温度に依存する純暗電流Ｉｄのみを発生す
る。カレントミラー回路３は純暗電流Ｉｄに応じた補償
電流Ｉｃを生成し検出電流Ｉｐから差し引く事によっ
て、暗電流成分Ｉｎを除去した正味の検出電流（Ｉｓ）
を得る。処理回路４は正味の検出電流（Ｉｓ）を処理し
て出力信号Ｖｏｕｔを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光電スイッチや光学式エ
ンコーダ等に用いられる光電変換装置に関する。より詳
しくは、光電変換装置に組み込まれる受光素子の温度補
償技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は最も単純な光電変換装置の一例と
して、光電スイッチを示している。光電スイッチは受光
素子１０１と処理回路１０４の組み合わせからなる。こ
の例では受光素子１０１が二端子型のフォトトランジス
タからなり、処理回路１０４は単純なインバータからな
る。フォトトランジスタのエミッタ端子はインバータ１
０４の入力端子に接続されていると共に、抵抗Ｒを介し
て接地されている。インバータ１０４は入射光Ｌの受光
量に応じた入力信号Ｖｉｎを反転して出力信号Ｖｏｕｔ
を出力する。

【０００３】図１０は従来の光電スイッチの他の例を示
しており、受光素子１０１と処理回路１０４との間に増
幅用のトランジスタ１０５が介在するダーリントン接続
構造となっている。

【０００４】図１１は、図９に示した光電スイッチの動
作を簡潔に表わしたものである。常温では入射光Ｌの受
光量に応じて光電流が上昇し、入力信号Ｖｉｎの電圧が
高くなる。処理回路１０４の閾値Ｖｔｈを超えたところ
で、出力信号Ｖｏｕｔの論理レベルが反転する。なお、
図では理解を容易にする為出力信号Ｖｏｕｔの論理レベ
ルを実際とは逆に表わしている。一方、高温状態では受
光素子１０１を流れる暗電流が増加する為、入力信号Ｖ
ｉｎの電圧レベルも全体的に上昇する。この上昇分が処
理回路１０４の閾値Ｖｔｈを超えてしまうと、出力信号
Ｖｏｕｔの論理レベル反転が起らない為光電スイッチと
しての機能が果たせなくなる。

【０００５】受光素子として用いられるフォトトランジ
スタは遮光状態でも漏れ電流が流れ、これを暗電流と呼
んでいる。暗電流は温度依存性があり、温度上昇と共に
指数関数的に増大する。フォトトランジスタを高照度下
で使用する場合には、光電流が暗電流に対して大きくと
れる為、周囲の温度変化を特に考慮する必要はない。し
かしながら、低照度で且つ高温動作時においてはＳ／Ｎ
が小さくなる為注意が必要である。又、受光素子として
用いられるフォトダイオードについても、入射光がない
状態では逆方向の漏れ電流が流れ、これを暗電流と呼ん
でいる。この暗電流は逆方向印加電圧と周囲温度の上昇
に伴なって増加する傾向を有する。暗電流は低照度領域
における検出限界となる為少ないほど良い。フォトトラ
ンジスタやフォトダイオード等の受光素子は、常温では
一般的に暗電流は殆ど無視できるレベルにあるが、温度
上昇と共に指数関数的に増大する。特に、入射光量が少
なく光信号出力が大きくとれない場合、図１１に示した
様に誤動作を引き起す原因となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来から、暗電流の温
度依存性を補償する回路構成が種々提案されており、図
１２にその一例を示す。この例は、図９に示した光電ス
イッチに補償用の補助受光素子１０２を付加した構成と
なっている。主受光素子１０１を構成する二端子型のフ
ォトトランジスタと、補助受光素子１０２を構成する二
端子型のフォトトランジスタは同一の電気特性を有する
が、補償用のトランジスタのみ外部入射光から完全に遮
閉されている。この補償用トランジスタのコレクタ端子
は処理回路１０４の入力端子側に位置するノードＮに接
続している。温度が上昇すると、主受光素子１０１に流
れる暗電流（リーク電流）は、補助受光素子１０２の同
方向に流れる暗電流で補償される。なお、フォトトラン
ジスタの代わりにフォトダイオードを用いる例も知られ
ている。

【０００７】上述した従来例は一般に、接地電位ＧＮＤ
に加え２つの電源電圧ＶＤＤ，ＶＣＣが必要である。主
受光素子１０１を構成するフォトトランジスタのコレク
タ端子はＶＤＤ側に接続され、エミッタ端子は前述した
ノードＮに接続する。一方、補償用のフォトトランジス
タのコレクタ端子はノードＮに接続し、エミッタ端子は
他方の電源電圧ＶＣＣの供給を受ける。仮に、ＶＣＣを
ＧＮＤと共通にすると、主受光素子１０１側のフォトト
ランジスタの出力が小さい場合、暗電流補償用のフォト
トランジスタに十分なバイアス電圧（コレクタ電圧）が
印加されない。従って、図１２に示した従来の暗電流補
償回路は単電源では使いづらい構成となっている。又、
主受光素子１０１側のフォトトランジスタが多数の場
合、これと同数だけ補償用のフォトトランジスタが必要
となり、回路コストの面から問題がある。さらに、上述
した補償回路構成をＩＣチップに集積化した光電変換素
子アレイを作成する場合、コレクタ端子を共通にした構
造を採用できない為、回路設計上難点がある。

【０００８】図１３は、光学式エンコーダ等に組み込ま
れる光電変換回路の従来例を表わしており、互いに逆相
関係にある一対の信号を処理して暗電流の影響を取り除
いている。図示する様に、処理回路１０４は正入力端子
と負入力端子を備えたコンパレータ（ＣＭＰ）からな
る。正入力端子には一方の受光素子１０１ｐのエミッタ
端子が接続され。負入力端子には他方の受光素子１０１
ｎのエミッタ端子が接続されている。両受光素子１０１
ｐ，１０１ｎは共に二端子型のフォトトランジスタから
なる。一方の受光素子１０１ｐにより受光される入射光
Ｌｐと、他方の受光素子１０１ｎにより受光される入射
光Ｌｎは互いに逆相関係になっている。従って、対応す
る一対の入力信号Ｖ⁺ とＶ^- も互いに逆相関係にある。

【０００９】図１４は、図１３に示した光電変換回路の
動作を簡潔に表わしたものである。入力信号Ｖ⁺ ，Ｖ^-
には各々暗電流成分が含まれている。この一対の入力信
号をコンパレータＣＭＰで比較処理する事により、暗電
流成分がキャンセルされ周囲温度に依存しない出力信号
Ｖｏｕｔが得られる。しかしながら、互いに逆相関係に
ある入射光Ｌｐ，Ｌｎを形成する為、エンコーダ板のス
リット構造、固定マスク構造、受光素子の受光面パタン
等が複雑になり、コストアップの原因となっていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は温度変化に対して安定に動作し且つ
構造が単純化された光電変換装置を提供する事を目的と
する。かかる目的を達成する為に以下の手段を講じた。
即ち、本発明にかかる光電変換装置は基本的な構成とし
て、主受光素子と補助受光素子とカレントミラー回路と
処理回路とを備えている。主受光素子は入射光の受光量
に応じた光電流成分に加えて、周囲温度に依存する暗電
流成分を含む検出電流を発生する。補助受光素子は該入
射光から遮光され周囲温度に依存する純暗電流のみを発
生する。カレントミラー回路は該純暗電流に応じた補償
電流を生成し、該検出電流から差し引く事によって該暗
電流成分を除去した正味の検出電流を得る。処理回路は
該正味の検出電流を処理して所定の出力信号を生成す
る。

【００１１】具体化された構成では、前記補助受光素子
は該主受光素子と同一の構造（同一の電気特性）を備
え、該暗電流成分と同量の純暗電流を発生し、前記カレ
ントミラー回路は該純暗電流と同量の補償電流を生成す
る。あるいは、前記カレントミラー回路は該純暗電流に
比例する補償電流を生成し、該暗電流成分と同量になる
様に調整する。一態様によれば、前記主受光素子、補助
受光素子、カレントミラー回路及び処理回路の全部又は
一部が同一半導体基板に集積形成されている。他の態様
によれば、本光電変換装置は複数の主受光素子と単一の
補助受光素子とを含んでいる。前記カレントミラー回路
は単一の純暗電流に応じて複数の補償電流を生成し、複
数の主受光素子の各々から個別に暗電流成分を除去す
る。

【００１２】

【作用】本発明によれば、暗電流補償用に遮光された補
助受光素子が、カレントミラー回路を介して主受光素子
に接続している。このカレントミラー回路は補償用の補
助受光素子から出力される電流に応じて動作し、主受光
素子から出力される検出電流に含まれる暗電流成分を直
接差し引く様にしている。これにより、回路構成が単純
化され単電源でも安定的に動作できる。又、カレントミ
ラー回路を介して主受光素子と補助受光素子は対称的に
配置され、回路設計が容易になると共に複数の主受光素
子を単一の補助受光素子で温度補償できる。さらに、主
受光素子、補助受光素子、カレントミラー回路、処理回
路等を含めて同一基板上に集積化できる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を詳細に説明する。図１は本発明にかかる光電変換装置
の第１実施例を表わしており、光電スイッチを構成する
ものである。本光電スイッチは主受光素子１と補助受光
素子２とカレントミラー回路３と処理回路４とを備えて
いる。主受光素子１は入射光Ｌの受光量に応じた光電流
成分（信号成分）Ｉｓに加えて、周囲温度に依存する暗
電流成分（雑音成分）Ｉｎを含む検出電流Ｉｐを発生す
る。本例では、この主受光素子１はベース端子を欠いた
二端子型のＮＰＮフォトトランジスタからなり、そのエ
ミッタ端子はノードＮに接続されると共に、コレクタ端
子は電源ラインに接続している。これに対し、補助受光
素子２は入射光Ｌから遮光され、周囲温度に依存する純
暗電流Ｉｄのみを発生する。この補助受光素子２もベー
ス端子を欠いた二端子型のＮＰＮフォトトランジスタか
らなり、前述した主受光素子１側のフォトトランジスタ
と同一の構造（同一のトランジスタ特性）を備えてい
る。即ち、補助受光素子２側のフォトトランジスタは暗
電流成分Ｉｎと同量の純暗電流Ｉｄを発生する。この補
償用フォトトランジスタのコレクタ端子は共通の電源ラ
インに接続される一方、エミッタ端子は前述したカレン
トミラー回路３の入力端子に接続している。

【００１４】カレントミラー回路３は純暗電流Ｉｄに応
じた補償電流Ｉｃを生成し該検出電流Ｉｐから差し引く
事によって、該暗電流成分Ｉｎを除去した正味の検出電
流（光電流成分Ｉｓ）を得る。本例では、カレントミラ
ー回路３は純暗電流Ｉｄと同量の補償電流Ｉｃを生成し
ている。図示する様に、カレントミラー回路３は一対の
ＮＰＮトランジスタＴａ，Ｔｂからなる。両トランジス
タのベース端子は共通接続されると共に、補償用フォト
トランジスタのエミッタ端子に接続されている。入力側
のトランジスタＴａのコレクタ端子は補償用フォトトラ
ンジスタのエミッタ端子に接続する一方、そのエミッタ
端子は接地されている。出力側のトランジスタＴｂのコ
レクタ端子はノードＮに接続する一方、エミッタ端子は
接地されている。図示する様に、カレントミラー回路３
はノードＮを流れる検出電流Ｉｐから暗電流成分Ｉｎを
直接差し引いている。最後に、処理回路４は抵抗Ｒを流
れる正味の検出電流（Ｉｓ）を処理して出力信号Ｖｏｕ
ｔを生成する。本例では、この処理回路４は単純なイン
バータからなり、その入力端子はノードＮに接続する一
方、出力端子は制御対象となる装置（図示せず）側に接
続される。

【００１５】図２は、本発明にかかる光電変換装置の第
２実施例を示す回路図である。基本的な構成は図１に示
した光電変換スイッチと同一であり、対応する部分には
対応する参照番号を付して理解を容易にしている。異な
る点は、主受光素子１と処理回路４との間に増幅器５が
介在している事である。この増幅器５はＮＰＮトランジ
スタからなり主受光素子１を構成するＮＰＮフォトトラ
ンジスタと組み合わせてダーリントン接続を構成してい
る。負荷抵抗Ｒを通る正味の検出電流（Ｉｓ）はＮＰＮ
トランジスタ５によりｈ_FE倍され、別の負荷抵抗Ｒを流
れる。なお、ｈ_FEはＮＰＮトランジスタ５の電流増幅率
である。本実施例においても、主受光素子１から出力さ
れる暗電流成分はカレントミラー回路３により直接差し
引かれている。

【００１６】図３は本発明にかかる光電変換装置の第３
実施例を示す回路図である。基本的には、図１に示した
光電変換スイッチと同一の構造を有しており、対応する
部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしてい
る。異なる点は、主受光素子１を構成するフォトトラン
ジスタに比べ、補助受光素子２を構成するフォトトラン
ジスタのサイズを縮小化して実装効率を有利にしたもの
である。この為、補助受光素子２から出力される純暗電
流Ｉｄは主受光素子１から出力される暗電流成分Ｉｎよ
り小さい。この差を補正する為、カレントミラー回路３
は純暗電流Ｉｄに比例する補償電流Ｉｃを生成し、暗電
流成分Ｉｎと同量になる様に調整する。具体的には、カ
レントミラー回路３の出力側のトランジスタＴｂは、入
力側のトランジスタＴａに比べ大きなエミッタ面積を有
している。例えば、補助受光素子２のサイズ（受光面
積）が主受光素子１に比べ半分に縮小化された場合、出
力側のトランジスタＴｂのエミッタ面積は入力側トラン
ジスタＴａに比べ２倍となる。この様にすれば、カレン
トミラー回路３の入力側にはＩｄの２倍に相当するＩｃ
が流れる為、過不足なく検出電流Ｉｐに含まれる暗電流
成分Ｉｎを差し引く事が可能になる。

【００１７】図４は、本発明にかかる光電変換回路の第
４実施例を示している。基本的には、図３に示した第３
実施例と同一の構成を有しており、対応する部分には対
応する参照番号を付して理解を容易にしている。前述し
た第３実施例では、カレントミラー回路３を構成する一
対のトランジスタＴａ，Ｔｂのエミッタ面積を相対的に
調整して、所望の大きさの補償電流を得ている。これに
対し、本実施例では一対のトランジスタＴａ，Ｔｂに接
続される負荷抵抗Ｒａ，Ｒｂの抵抗値を相対的に調整し
て、適量の補償電流が得られる様にしている。

【００１８】図５は本発明にかかる光電変換装置の第５
実施例を示す回路図である。本実施例は複数（図示の例
では２個）の主受光素子１１，１２と、単一の補助受光
素子２とを含んでいる。カレントミラー回路３は単一の
純暗電流Ｉｄに応じて２個の補償電流Ｉｃ１，Ｉｃ２を
生成し、２個の主受光素子１１，１２の各々から個別に
暗電流成分を除去している。具体的には、カレントミラ
ー回路３は２個の出力側トランジスタＴｂ１，Ｔｂ２を
備えている。一方のトランジスタＴｂ１はノードＮ１に
接続され、第１の受光素子１１の検出電流から暗電流成
分を除去している。なお、このノードＮ１には第１の処
理回路４１が接続され、第１の出力信号Ｖｏｕｔ１が得
られる。第２のトランジスタＴｂ２は第２のノードＮ２
に接続され、第２の主受光素子１２の検出電流から暗電
流成分を除去している。なお、第２のノードＮ２には第
２の処理回路４２が接続され、第２の出力信号Ｖｏｕｔ
２が得られる。本実施例では単一の補助受光素子２及び
カレントミラー回路３で２個の主受光素子１１，１２の
暗電流補償を行なっているが、勿論３個以上の主受光素
子の暗電流補償を同様の構成により行なう事が可能であ
る。

【００１９】図６は本発明にかかる光電変換装置の第６
実施例を示す回路図であり、例えば光学式エンコーダに
応用できる。基本的には、図１に示した第１実施例と同
様であり、対応する部分には対応する参照番号を付して
理解を容易にしている。本例では、主受光素子１がフォ
トダイオードで構成されている。これと対応して、補助
受光素子２も同一の構造を有するフォトダイオードで構
成されている。但し、補助受光素子２側のフォトダイオ
ードは入射光Ｌから完全に遮光されている。本例では処
理回路４がコンパレータＣＭＰで構成されている。この
コンパレータＣＭＰの正入力端子にはノードＮが接続し
ている。カレントミラー回路３により暗電流成分が除去
された正味の検出電流に応じて入力信号Ｖ⁺ がコンパレ
ータＣＭＰの正入力端子に印加される。一方、コンパレ
ータＣＭＰの負入力端子には一対の抵抗Ｒｘ，Ｒｙによ
って抵抗分割された所定の参照信号Ｖ^- が印加される。

【００２０】図７は、図６に示した第６実施例の動作説
明に供する波形図である。図示する様に、入力信号Ｖ⁺
は入射光Ｌの受光量に応じて変動している。この変動
は、例えば入射光Ｌが光学式エンコーダのスリット板を
透過する際に現われるものである。補助受光素子２及び
カレントミラー回路３の作用により、主受光素子１の検
出電流から暗電流成分が過不足なく除去されている為、
入力信号Ｖ⁺ には実質的に直流成分が含まれていない。
コンパレータＣＭＰは参照信号Ｖ^- を基準として入力信
号Ｖ⁺ を閾処理し、矩形の出力信号Ｖｏｕｔが得られ
る。

【００２１】図８は、図６に示した光電変換装置の具体
的な構成例を表わしている。前述した様に、光電変換装
置は主受光素子１、補助受光素子２、カレントミラー回
路３、処理回路４等を含んでいる。ディスクリートな部
品を用いて光電変換装置をハイブリッド構成にする事が
できる。しかしながら、主受光素子１、補助受光素子
２、カレントミラー回路３、処理回路４等の全部又は一
部を同一半導体基板に集積形成する事も可能であり、図
８はこのＩＣチップ構成を表わしている。基本的には、
主受光素子１と補助受光素子２はフォトダイオードから
なり、カレントミラー回路３や処理回路４はＮＰＮトラ
ンジスタと抵抗等から構成できる。従って、図８に示す
様にバイポーラＩＣプロセスを適用して、Ｐ型基板５１
上にＮＰＮトランジスタ、抵抗、フォトダイオード等を
集積形成可能である。例えば、フォトダイオードはＰ型
基板５１とＮ型エピタキシャル層５２との間のＰＮ接合
を利用すれば良い。主受光素子１用のフォトダイオード
と補助受光素子２用のフォトダイオードは同一の構造を
有している。但し、補助受光素子２用のフォトダイオー
ドは金属膜等からなる遮光層５３により完全に遮光され
ている。これに対し、主受光素子１側のフォトダイオー
ドには入射光が直接照射される。

【００２２】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、主
受光素子と暗電流補償用の補助受光素子との間にカレン
トミラー回路が介在している。このカレントミラー回路
を介して検出電流から暗電流成分を直接差し引く事によ
り、温度変化に対して安定した信号出力が得られる光電
変換装置を実現できる。又、カレントミラー回路を介在
させる事により光電変換装置の回路構成を単純化でき回
路設計が容易になる。さらには、カレントミラー回路を
介する事により単一の補助受光素子で複数の主受光素子
の暗電流補償が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光電変換装置の第１実施例を示
す回路図である。

【図２】第２実施例を示す回路図である。

【図３】第３実施例を示す回路図である。

【図４】第４実施例を示す回路図である。

【図５】第５実施例を示す回路図である。

【図６】第６実施例を示す回路図である。

【図７】第６実施例の動作説明に供する波形図である。

【図８】第６実施例の具体的な構成例を示す模式的な断
面図である。

【図９】従来の光電変換装置の一例を示す回路図であ
る。

【図１０】従来の光電変換装置の他の例を示す回路図で
ある。

【図１１】図９に示した従来例の動作説明に供する波形
図である。

【図１２】従来の光電変換装置の別の例を示す回路図で
ある。

【図１３】従来の光電変換装置のさらに別の例を示す回
路図である。

【図１４】図１３に示した従来例の動作説明に供する波
形図である。

【符号の説明】

１ 主受光素子 ２ 補助受光素子 ３ カレントミラー回路 ４ 処理回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光の受光量に応じた光電流成分に加
   えて周囲温度に依存する暗電流成分を含む検出電流を発
   生する主受光素子と、 該入射光から遮光され周囲温度に依存する純暗電流のみ
   を発生する補助受光素子と、 該純暗電流に応じた補償電流を生成し該検出電流から差
   し引く事によって該暗電流成分を除去した正味の検出電
   流を得るカレントミラー回路と、 該正味の検出電流を処理して出力信号を生成する処理回
   路とからなる光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記補助受光素子は該主受光素子と同一
   の構造を備え該暗電流成分と同量の純暗電流を発生し、
   前記カレントミラー回路は該純暗電流と同量の補償電流
   を生成する請求項１記載の光電変換装置。
3. 【請求項３】 前記カレントミラー回路は該純暗電流に
   比例する補償電流を生成し該暗電流成分と同量になる様
   に調整する請求項１記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 前記主受光素子、補助受光素子、カレン
   トミラー回路及び処理回路の全部又は一部が同一半導体
   基板に集積形成されている請求項１記載の光電変換装
   置。
5. 【請求項５】 複数の主受光素子と単一の補助受光素子
   とを含み、前記カレントミラー回路は単一の純暗電流に
   応じて複数の補償電流を生成し、複数の主受光素子の各
   々から個別に暗電流成分を除去する請求項１記載の光電
   変換装置。