DE2112274A1

DE2112274A1 - Lichtsensor-Matrizenanordnung aus photoleitenden Bauelementen

Info

Publication number: DE2112274A1
Application number: DE19712112274
Authority: DE
Inventors: Nobuo Hasegawa; Saburo Kitamura; Toshio Yamashita; Manabu Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1971-10-14
Also published as: CA952614A; BE764263A; FR2084618A5; GB1289440A; NL7103395A; US3668408A

Description

MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD. Osaka/Japan

Lichtsensor-Matrizenanordnung aus photoleitenden Bauelementen

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtsensor-Matrizenanordnungen, bestehend aus Gruppen von photoleitenden CdS-Bauelementen in Sandwichbauweise zur Datenablesung von ruhenden Lochkarten und zur Struktur erkennung.

Die bislang bekanntgewordenen Lichtsensorvorrichtungen für die obigen Zwecke arbeiten mit Silizium-Phototransistoren und -Photodioden. Doch sind Silizium-Lichtsensoren dieser Art zur Zeit sehr kostspielig, und da für diese Zwecke jeweils zahlreiche Bauelemente in eine flächenhafte Anordnung gebracht werden müssen, sind sie wegen des damit verbundenen hohen Aufwandes in der Praxis nicht in Anwendung gekommen.

Als weiterer Aspekt ist hier zu beachten, daß selbst bei Verwendung von npn-Phototransistoren, die als die empfindlichsten Silizium-Lichtsensorbauelemente gelten, eine Lichtquelle mit einer

Lumen pro Quadratfuß Beleuchtungsstärke von etwa 100 bis 300 Fußkerzen/erforderlich

ist

109842/1609

ist, falls diese ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers unmittelbar an eine logische Schaltung und dergleichen angekoppelt werden sollen. Eine solche Lichtquelle gibt aber erhebliche Wärmemengen ab, was bei SiIizium-Lichtsensoren, deren Temperaturverhalten zu wünschen übrigläßt, ein schwieriges Problem aufwirft.

Lichtempfindliche CdS-Bauelemente haben andererseits eine höhere Lichtempfindlichkeit' und sind weniger aufwendig, so daß es naheliegt, sie für die obigen Zwecke einzusetzen. Die zur Zeit benutzten lichtempfindlichen CdS-Bauelemente sind jedoch sämtlich flächenhaft ausgebildet, wobei die Elektrode auf der gleichen Seite vorgesehen ist wie die lichtempfindliche Schicht. Für gewöhnlich is.t etwa die Hälfte der lichtbestrahlten Fläche des Bauelements mit einer Elektrodenmetallschicht überzogen. Sind kleine lichtempfindliche Bauelemente nahe beieinander angeordnet, so ist die lichtbestrahlte Fläche eines jeden Bauelements natürlich nur sehr klein und der verfügbare Photo strom ist dann sehr schwach. Für die obengenannten Zwecke, bei denen die lichtempfindliche Fläche der einzelnen Bauelemente ja äußerst klein sein muß, ergibt sich daher bei der praktischen Verwendung von lichtempfindlichen CdS-Bauelementen hinsichtlich der Lichtempfindlichkeit ein inhärentes Problem.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Grundprinzipien eines in der erfindungsgemäßen Lichtsensoranordnung verwendeten lichtempfindlichen Bauelements;

Figuren 2 und 3 Verdrahtungsschemata für wahlweise einzusetzende Schaltverbindungen des mit lichtempfindlichen Bauelementen arbeitenden Lichtsensors»

Figuren 4a und 4b eine Vorderansicht beziehungsweise eine Seitenansicht einer Ausführungsform des in dem erfindungsgemäßen Lichtsensor als Spitze benutzten lichtempfindlichen Bauelements}

Figur 5 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungegemäßen Lichteensoranordnungf und

Figuren

109842/1609

Figuren 6a, 6b und 6c eine im Ausschnitt dargestellte Vorderansicht, Rückansicht beziehungsweise Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtsensorvorrichtung.

In Figur 1 ist das in erfindungsgemäßer Weise eingesetzte lichtempfindliche CdS-Bauelement in Sandwichbauweise gezeigt, das ein transparentes Glassubstrat 1 aufweist, das auf der einen Seite mit einem transparenten leitenden Film 2 überzogen ist, auf den eine gesinterte lichtempfindliche Cd S-Schi cht 3 aufgebracht ist, die ihrerseits mit einer Elektrodenmetallschicht 4 überzogen ist. Bei diesem Aufbau ist auf der lichtbestrahlten Seite also keine Elektrode vorgesehen. Auch kann der Abstand zwischen benachbarten Elektroden beim Einbauen dieser Bauelemente im Yergleich zur Verwendung üblicher Bauelemente auf etwa ein Zehntel verringert werden. Man kann also bei kleiner lichtempfindlicher Fläche ohne weiteres eine hohe Lichtempfindlichkeit erreichen. Bei einem solchen Aufbau können diese lichtempfindlichen CdS-Bauelemente für die obengenannten Zwecke Verwendung finden, wobei also viele solcher Bauelemente flächenhaft angeordnet sind.

Beim flächenhaften Anordnen von lichtempfindlichen Bauelementen kommen für die Herstellung der Schaltverbindungen zwei Methoden in Betracht, um so von den einzelnen Bauelementen unabhängige Ausgangs signale zu erhalten.

Figur 2 zeigt die eine dieser Methoden, wobei hier die einzelnen Bauelemente 5 eine Elektrode mit gemeinsamem Anschluß aufweisen, während für die andere Elektrode jeweils ein gesonderter Anschluß vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ist die Zahl der Ausgangsanschlüsse η + 1, wobei η die Zahl der Bauelemente bezeichnet.

Figur 3 zeigt die andere Methode, bei der die einzelnen Bauelemente 6 jeweils mit der dazugehörigen Diode 7 in Reihe geschaltet sind und die einzelnen Reihenschaltungen in Matrizenform zwischen sich kreuzenden Leitungen 8 und 9 für X und T aufgeschaltet sind. Bei dieser Anordnung ist die Zahl der Ausgangeanschlüsse X + T, wobei XY gleich η ist. Falls X =T, so ist sie 2/n.

Die Anordnung der in Richtung der X-Achse geführten Lei-

tungen

109847/1609

tungen wird für gewöhnlich als "Reihe" bezeichnet, die Anordnung der in Sichtung der Y-Achse geführten Leitungen dagegen als "Spalte". Da die lichtempfindlichen CdS-Bauelemente normalerweise keine Polarität haben, werden sie mit den betreffenden Dioden hintereinandergeschaltet, wenn sie in der obigen Matrizenform angeordnet werden. Andernfalls wurden sie überbrückt werden und es könnten keine unabhängigenAusgangssignale erhalten werden. Lichtempfindliche Bauelemente in Sandwichbauweise besitzen demgegenüber polaren Charakter, und wenn ihre Zahl in der Anordnung gering ist, können also unabhängige Ausgangssignale auch ohne Seriendioden erhalten werden. Da jedoch ihr Rieht verhältnis im Vergleich zur üblichen Siliziumdiode klein ist, sind Seriendioden erforderlich, falls η sehr groß ist. Andernfalls würde sich das Signal-Störverhältnis verschlechtern.

Gemäß der Erfindung wird eine Vielzahl von lichtempfindlichen CdS-Bauelementen in Sandwichbauweise in Verbindung mit den dazugehörigen Dioden eingesetzt, wobei eine Anordnung nach Art einer Matrix vorgesehen ist, so daß man eine Lichtsensor-Matrizenanordnung zur Datenablesung von ruhenden Lochkarten und zur Strukturerkennung erhält.

Die Figuren 4a und 4b zeigen beispielhaft ein (im nachfolgenden als Spitze bezeichnetes) lichtempfindliches CdS-Bauelement, das zur Verwendung in einer Sensor anordnung für die Datenablesung von Lochkarten vorgesehen ist. Bei der Datenablesung von Lochkarten beträgt der Standardabstand zwischen benachbarten Löchern in benachbarten Spalten, gemessen von Lochmitte zu Lochmitte, 2,21 mm, während sich der Standardabstand zwischen benachbarten Löchern in benachbarten Zeilen von Lochmitte zu Lochmitte auf 6,35 mm beläuft. Die Abmessungen der einzelnen Spitze müssen daher klein genug sein, um eine Unterbringung innerhalb eines entsprechend bemessenen Raums zu gestatten. Da die größere Abmessung des Kartenlochs 3»18 mm beträgt, die kleinere Abmessung dagegen 1,40 mm, soll der Durchmesser der effektiv lichtbestrahlten Fläche der Spitze kleiner sein ale 1,40 mm. Da das lichtempfindliche CdS-Bauelement in Sandwichbauweise eine hohe Lichtempfindlichkeit besitzt, können die obigen Bemessungserfordernisse hinlänglich eingehalten

werden

1098A2/1609

werden. Bei der in den Figuren 4a und 4*> dargestellten Spitze "belaufen sich die Abmessungen des mit einem transparenten leitenden Film 11 überzogenen transparenten Glassubstrats 10 auf 2,01 χ 3,00 mm, der Durchmesser der lichtempfindlichen CdS-Schicht 12 beträgt 1,40 mm und der Durchmesser der Elektrode IJ beträgt 0,81 mm. Die Bezugszahlen 15 und 16 bezeichnen Leitungsteile, die von der betreffenden der Elektroden 13 und 14 ausgehen.

Figur 5 zeigt eine (im folgenden als ein Modul bezeichnete) Lichtsensoranordnung mit zehn jeweils sandwichartig aufgebauten lichtempfindlichen Bauelementen, die auf einem einzigen, langgestreckten Substrat vorgesehen sind und die in einheitlichen Abständen voneinander so angeordnet sind, daß ihre Verteilung jeweils dem Abstand zwischen benachbarten Spalten der Lochkarte entspricht. Diese Bauelemente sind an eine gemeinsame Elektrode angeschaltet, von der zwei Leitungsteile 17 fortführen.

In dan Figuren 6a, 6b und 6c ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtsensor-Matrizenanordnung dargestellt, die zur Datenablesung von Lochkarten mit 10 Spalten und 10 Zeilen bei ruhender Karte dienen soll. In den Figuren ist nur ein Teilbereich mit der neunten und zehnten Zeile und mit den Anschlüssen gezeigt.

Figur 6a zeigt die Vorderseite der Vorrichtung. Die Bezugszahl 18 bezeichnet eine Tafel mit gedruckter Schaltung, die Bezugszahl 19 bezeichnet eine gemeinsame Anschlußleitung für die neunte Zeile und die Bezugszahl 20 bezeichnet Inselelektroden. Mit der Bezugszahl 21 sind Anschlüsse für die betreffenden Zeilen bezeichnet, die an dem einen Ende der die gedruckte Schaltung tragenden Tafel zusammengefaßt sind. Sie können über eine Steckverbindung ohne weiteres ab- und angeschaltet werden. Die Bezugszahl 22 bezeichnet ein Modul aus lichtempfindlichen CdS-Bauelementen in Sandwichbauweise mit einem lichtempfindlichen Bereich an der Vorderseite. Dieses weist zwei Leitungsteile auf, die mit der gemeinsamen Anschlußleitung der Zeile verbunden sind, und zehn Leitungsteile, die mit den betreffenden Inselelektroden verbunden sind.

Fifflir

109842/1609

Figur 6b zeigt die Rückseite der Vorrichtung. Mit der Bezugszahl 23 sind die gemeinsamen Anschlußleitungen der betreffenden Spalten bezeichnet, mit der Bezugszahl 24 Dioden und mit der Bezugszahl 25 Anschlüsse der betreffenden Spalten, die so angeordnet sind, daß sie sich mit den Anschlüssen der Zeilen auf der Vorderseite überdecken.

Bei Figur 6c handelt es sich um eine Seitenansicht der Vorrichtung. Die Dioden 24 sind mit den Leitungsteilen der dazugehörigen Spalten durch Leitungsteile verbunden, die sich durch Löcher hindurcherstrecken, die von der Rückseite der Tafel mit gedruckter Schaltung zu den entsprechenden Inselelektroden hinführen. Sie sind auch an der Vorderseite mit der gemeinsamen Anechlußleitung der dazugehörigen Zeile verbunden. Die einzelnen Reihenschaltungen aus je einem lichtempfindlichen Bauelement und einer Diode sind also insgesamt in Matrizenform in der Weise aufgeschaltet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist.

Da bei dem lichtempfindlichen CdS-Bauelement in Sandwichbauweise eine polare Charakteristik in Rechnung zu stellen ist, muß die Seriendiode so angeschaltet werden, daß sie die gleiche Polarität liefert wie das lichtempfindliche Bauelement, wie dies auch in Figur 3 gezeigt ist.

Bei der obigen Ausführungsform der Figuren 6a, 6b und 6c sind Module vorgesehen. Hierbei ist es erforderlich, daß die zehn lichtempfindlichen Bauelemente in einem Modul die gleichen Eigenschaften haben. Auch ein Unterschied in den Eigenschaften zwischen den einzelnen Modulen wirft verschiedene Probleme auf, was davon abhängt, wie die Ausgangesignale erhalten werden. In solchen Fällen können statt der Module Spitzen mit nur einem Bau-. element mit gleichen Eigenschaften vorgesehen sein.

Wenngleich bei der obigen Beschreibung von einer Lichtsensormatrix zur Datenablesung von Lochkarten ausgegangen wurde, so kann aber die gleiche Matrizenanordnung auch für die Strukturerkennung Verwendung finden. Zu diesem Zweck wählt man den Abstand zwischen benachbarten Zeilen gleich dem Abstand zwischen benachbarten Spalten.

Di· 109842/1609

Die Sensormatrix aus lichtempfindlichen CdS-Bauelementen mit sandwichartigem Aufbau, deren Bauweise die obenbeschriebene ist, kann zur Datenablesung von Lochkarten Verwendung finden, was bislang auf Schwierigkeiten stieß, falls die üblichen lichtempfindlichen CdS-Bauelemente vorgesehen waren. Auch erzielt man in diesem Fall eine Lichtempfindlichkeit, die etwa hundertmal so hoch ist wie bei Verwendung üblicher Silizium-Phototransistoren. Zudem können die lichtempfindlichen CdS-Bauelemente mit Sandwichbauweise ohne weiteres in Massenfertigung hergestellt werden, was hinsichtlich des Fertigungsaufwandes entsprechende Vorteile mit sich bringt. Da die Anschlüsse der einzelnen Zeilen und Spalten an dem einen Ende der Tafel mit gedruckter Schaltung zusammengefaßt sind, kann die Matrix auch unschwer mit der dazugehörigen Schaltung ver- "

bunden werden und ihre Handhabung ist sehr einfach.

Da außerdem eine Lichtempfindlichkeit erzielt wird, die etwa hundertmal so hoch ist wie im Fall der Verwendung eines Silizium-Phototransistors, genügt schon eine Beleuchtungsstärke von etwa 10 Fußkerzen, was niedrig ist im Vergleich zu den 100 bis 300 Fußkerzen, die eine Lichtquelle haben muß, falls mit den üblichen Silizium-Photo transistoren gearbeitet wird. Der Leistungsbedarf der Lichtquelle kann also stärkstens herabgesetzt werden. Auch ist der Temperaturanstieg in der Umgebung geringer, so daß unerwünschten, Auswirkungen auf die elektrische Schaltungsanordnung vorgebeugt wird.

Anders als bei Verwendung von Silizium-Phototransisto- ^

ren geringer Empfindlichkeit kann die erfindungsgemäße Sensormatrix darüber hinaus ohne Verstärker unmittelbar an die Logikschaltung (DTL oder TTL) angeschaltet werden. Die erfindungsgemäße Sensormatrix eignet sioh daher auch für eine Verwendung in verschiedenen Eingangsanschlüssen von Rechenanlagen und Fernsprech-Selbstwähleinrichtungen.

Patentanspruch

109842/1609

Claims

P a t e η t a η a ρ r u c h

Lichtsensorvorrichtung·, gekennzeichnet durch eine Tafel (l8) mit gedruckter Schaltung, eine Matrix von auf der Vorderseite der Tafel (18) mit gedruckter Schaltung in einer Vielzahl von Zeilen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen CdS-Bauelementen (22) in Sandwichbauweise, Gruppen τοη Inselelektraden (20) -,. die auf der Vorderseite der Tafel (l8) mit gedruckter Schaltung angeordnet Bind, wobei jede dieser Gruppen von Insel elektroden (2G-) einer entsprechenden Zeile von lichtempfindlichen CdS-Eaeuelementen (22) in Form einzelner Spitzen oder in Modtilgruppierung zugeordnet ist und wobei die Tafel (18) mit gedruckter Schaltung an der Vorderseite gemeinsame Anschlußleitungen (19) für die einzelnen Zeilen von lichtempfindlichen CdS-Bauelementen (22) sowie an der Rückseite gemeinsame Anschlußleitungen für die einzelnen Spalten von lichtempfindlichen CdS-Bauelementen (22) aufweist, und mit den betreff enden lichtempfindlichen CdS-Bauelementen (22) in Serie geschaltete Dioden (24), wobei diese Dioden (24) mit den entsprechenden Ineelelektroden (20) durch Leitungsteile verbunden sind, die sich jeweils durch Löcher hindurcherstrecken, die in Erstrekkung von der Kickseite der Tafel (18) mit gedruckter Schaltung zu den einzelnen, insgesamt in Storm einer Matrix aufgeschalteten Dioden (24) vorgesehen sind, und wobei die gemeinsamen Anschlußleitungen für die einzelnen Zeilen und Spalten jeweils mit Anschlüssen (^R]_~^E2._OI ^χ-Ο,-) verbunden sind, die an dem einen Ende der Tafel (18) mit gedruckter Schaltung zusammengefaßt sind.

2/1