JP4387905B2 - 半導体光センサ装置及びこれを組込んだ情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、照度センサ用の半導体光センサ装置に関するものであり、例えば、数ルクスから数万ルクスの広範囲に渡る照度検出が可能なことを特徴とする半導体光センサ及びこれを組込んだ情報機器に関するものである。

照度センサ（半導体光センサ装置）は、周囲の照度（明るさ）に応じてリニアな出力を出力する光センサであり、主に携帯電話において、周囲の照度（明るさ）に応じて液晶画面のバックライトや操作部（キー（ｋｅｙ）部）の発光ダイオード（ＬＥＤ:Light Emitting Diode ）のオンオフ（ＯＮ／ＯＦＦ）制御に使用される。例えば、周囲が明るい場合にはバックライトやキー部の発光ダイオードを消灯し、暗い場合には点灯または輝度調整等を行って、不要な消費電力を抑えるための環境照度のセンサとして使用される。
携帯電話等において、一般にキー部の発光ダイオードのオンオフは数ルクスから１００ルクス程度の低照度範囲において制御される。従来の照度センサは、キー部の発光ダイオードのオンオフ制御にのみ使用されてきたため、数ルクスから１００ルクスの低照度範囲でリニアな出力を出すように設計されている。
しかし、現在、操作面（キー部）の発光ダイオードのオンオフの他、液晶のフルカラー化により、液晶バックライトの電力消費も大きくなり、また、高品位の表示画面を得るために、周囲の照度に合わせバックライトの輝度制御が要求されている。液晶バックライトの輝度調整は、液晶の性質上、数万ルクスの高照度で行われる。

従来のキー部の制御用に最適化された高感度な従来の照度センサでは数万ルクスの高照度は、出力が飽和してしまい検出できない。
また、数万ルクスの高照度を検出可能なように、感度を下げた照度センサの場合は、逆にキー部の制御照度である低照度での出力が、暗電流などと区別がつかなくなってしまうため、検出が困難になってしまうという問題があった。
従来の光センサ装置としては、特許文献１にゲインの異なる二個の増幅器と、コンパレータ（二値化回路）を有する光電スイッチ回路が記載されている。目的に応じて二個の増幅器を設けている。また、特許文献２には、広いダイナミックレンジを持つ光検出回路が記載されている。ゲインが異なる複数の増幅器を持ち、各増幅器の出力は初めに粗い分解でＡ／Ｄ変換され変換値が出力範囲の中央値に最も近い増幅器を選択する。また、低分解A/D コンバータはコンパレータに置き換えることもでき、その場合には各増幅器のゲインに応じた値を持つコンパレータを各々の増幅器に対して設けることが記載されている。
特開平６−２９４８７４公報 特開平５−６３５７２公報

本発明は、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの広範囲の照度領域において、照度検出が可能な半導体光センサ装置及びこの半導体光センサ装置を組込んだ情報機器を提供する。

本発明の半導体光センサ装置の一態様は、フォトダイオード部と、前記フォトダイオード部の出力に接続された、互いに異なる利得特性を有する複数の増幅器と、前記複数の増幅器のそれぞれに対応して互いに異なる複数の基準電圧を発生する比較電圧生成回路と、前記複数の増幅器のそれぞれに対応して設けられ、それぞれ対応する前記増幅器の出力と前記基準電圧とを比較し、その比較結果に基づく論理信号を出力する複数の比較器を備え、前記複数の比較器からの複数のビットの論理信号に基づいて照度検出を行うことを特徴とする。

数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。

以下、実施例及び参考例を参照して発明の実施の形態を説明する。

参考例１

まず、図１乃至図５を参照して参考例１を説明する。
図１は、この参考例を説明する照度センサの回路ブロック図、図２は、図１の照度センサの動作を説明する特性図、図３は、図１の照度センサを構成する論理回路の１例、図４は、照度センサに入力する光の照度と照度センサの出力との関係を示す特性図、図５は、この参考例の低照度用及び高照度用フォトダイオード部の構成及び作り方を説明する平面図である。
図１に示す様に、異なる照度特性を有する複数のフォトダイオード部からなるフォトダイオード部１は、その出力がスイッチ（ＳＷ）２を介して第１の増幅器３に入力するように構成されている。

図２の横軸は、照度センサに入力する光の照度を示す。図２の縦軸は、図２（ａ）がフォトダイオード部（ＰＤと略称する）の出力を表し、図２（ｂ）がモード検出回路及び比較器（以下、コンパレータという）の出力を表し、図２（ｃ）が照度センサの出力を表す。また、図２（ａ）は、図４に示される照度センサに入力される光の照度の状態を図示している。図２（ｃ）は、その状態に対応した照度センサの出力を表している。図２（ａ）には、低照度用フォトダイオード部を使用した時の照度−出力特性線（１）及び高照度用フォトダイオード部を使用した時の照度−出力特性線（２）が示されており、照度センサに入力される光の照度の状態によってどちらかの特性線が適用される。

フォトダイオード部１は、高感度の低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）と低感度の高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）から構成されている。第１の増幅器３は、少なくとも１つの増幅器からなり、フォトダイオード部１からの出力（信号電流）を電圧に変換し増幅しその出力を第２の増幅器４へ出力する。第２の増幅器４は、少なくとも１つの増幅器からなり、第１の増幅器３とは増幅率などの特性が異なっていてもよい。この照度センサは、第１の増幅器３の出力を監視してある照度になるとフォトダイオード部１を切り換えるスイッチ２を制御するモード検出回路８を有する。スイッチ２は、モード検出回路８の出力信号を受けて第１の増幅器３に入る出力信号を切り換える。照度センサは、更にバンドギャップ定電圧回路などの基準電圧発生回路６及びこの基準電圧発生回路６の出力に基づいて比較基準電圧を発生する比較電圧生成回路７を有している。モード検出回路８は、比較電圧生成回路７の出力電圧と第１の増幅器３の出力を比較して、スイッチ２のモードを制御する。第２の増幅器４の出力は、少なくとも１つ（この参考例では１つ）のコンパレータ５に入力され、ここで比較電圧生成回路７の出力電圧と比較されて論理信号が出力される。コンパレータ５の出力は、論理回路９に入力されて出力部１０にデジタル出力が出力される。論理回路９の一例は、図３に示されている。この実施例の照度センサは、１つの半導体チップ上に形成される。

次に、図２を参照しながら参考例１の照度センサの動作を説明する。
ある照度の光が照度センサに照射されると、高感度の低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）及び低感度の高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）からなるフォトダイオード部１で光は電流に変換される。低照度用フォトダイオード部は、照度数ルクスから数１００ルクスまでリニアな照度−出力特性を持っている。高照度用のフォトダイオード部は、数１００ルクスから数万ルクスまでリニアな照度−出力特性を持っている。フォトダイオードは、リニアな領域以外では照度に対して飽和出力するので照度を検出するのに適さない。低照度用フォトダイオード部と高照度用フォトダイオード部とでリニアな照度−出力特性を持つ照度範囲で切り替え照度ＥＶ１を設定する。高感度の低照度用フォトダイオード部からは、照度センサに入射した同じ光に対しても低感度の高照度用フォトダイオード部よりも大きな光電流が得られるように、例えば、受光面積を高感度の低照度用フォトダイオード部では大きく、低感度の高照度用フォトダイオード部では小さく変化をつけるようにする。面積を変える以外には、低感度の高照度用フォトダイオード部を減光フィルタで覆っても良いし、両方を併用しても良い。

図５を用いて低照度用及び高照度用フォトダイオード部の違い及び作り方を説明する。図５（ａ）は、面積の違いによってフォトダイオード（ＰＤ）部の照度特性を換える例であり、高照度用フォトダイオード部は、低照度用フォトダイオード部より面積が小さい。図５（ｂ）は、所定の面積のフォトダイオードを複数個並べ、フォトダイオード部の照度特性によって使用するフォトダイオードの個数を切換える。各フォトダイオード（ＰＤ）にはスイッチを取付け、所定の照度特性を得るべくスイッチをオンオフする。高照度用フォトダイオード部は、低照度用フォトダイオード部よりフォトダイオードの個数が少ない。
図５（ｃ）の場合は、フォトダイオード部のフォトダイオード（ＰＤ）に同一面積、同一構造の素子を用い、高照度用のフォトダイオード部のフォトダイオード（ＰＤ）の一部に遮光フィルタを形成して照度特性を変える方法である。

初期状態では、第１の増幅器３に入る各フォトダイオード部から出力される信号を切り換えるスイッチ２は、低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）に接続されている。この時の照度と照度センサ出力との関係は、図２（ａ）の低照度用フォトダイオード部を使用した時の照度−出力特性線（１）に従う（これを低照度モードという）。入射光が強くなって照度がＥＶ１になり（図２（ａ）参照）、第１の増幅器３の出力が予め定められた「モード回路閾値１」になったことをモード検出回路８が検出すると、モード検出回路８の出力は反転し（０→１）、スイッチ２が高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）側にモードを切り換える。この時、第１の増幅器３の出力は下がってしまうため、モード検出回路８でモードの状態を維持し、モード検出回路８の閾値を予め定められた「モード回路閾値２」に切り換える。この時の照度と照度センサ出力との関係は、図２（ａ）の高照度用フォトダイオード部を使用した時の照度−出力特性線（２）に従う（これを高照度モードという）。

一度高照度モードになってから照度がＥＶ２に下がると、モード検出回路８は、第１の増幅器３の出力が「モード回路閾値２」より下がったことを検出し、モード検出回路８の出力を反転させ（０→１））、スイッチ２が低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）側にモードを切り換えるようにする。その時、第１の増幅器３の出力は上昇するが、モード検出回路の閾値は「モード回路閾値１」に切り換わるため状態を維持する。
第１の増幅器３の出力電位は、それぞれ検出したい照度に合わせた電位とコンパレータ５で比較される。この例では、入力光が比較電圧生成回路７で生成された比較基準電位（検出照度１、検出照度２）を超えた時に、コンパレータ５の出力は「０」から「１」に変化する。本発明は、デジタル出力なので、検出したい照度の閾値を検出照度１（例えば、１００ルクス）と検出照度２（例えば、５００００ルクス）としている。検出照度１と検出照度２ではさらに、論理回路９により、モード検出回路８の出力電位とコンパレータの出力とを演算することにより、照度を判別することが出来る。たとえば、この例では、モード検出回路８と第１の増幅器３の出力のＡＮＤとＯＲを取ることにより、図４のような３つの照度範囲を識別することが出来る。

論理回路９は、例えば、図３に示される。図のように、照度センサの出力部１０における出力１は、モード検出回路８の出力とコンパレータ５の出力とをアンド回路（ＡＮＤ）に入力し演算して得られる。（モード検出回路８の出力）／（コンパレータ５の出力）が１／１、０／１、１／０、０／０に対して出力１は、それぞれ１、０、０、０となる。同じく出力２は、モード検出回路８の出力とコンパレータ５の出力とをオア回路（ＡＮＤ）に入力し演算して得られる。（モード検出回路８の出力）／（コンパレータ５の出力）が１／１、０／１、１／０、０／０に対して出力１は、それぞれ１、１、１、０となる。このような出力１、２を得て、照度センサは、図４に示すように、状態１では低照度用フォトダイオード部を使用し、状態２では検出照度に応じて低照度用と高照度用のフォトダイオード部を使い分け、状態３では高照度用フォトダイオード部を使用する。
基準電圧回路には、温度変化の少ないバンドギャップ回路などを用い、その電圧を抵抗分圧や演算増幅器を用いた電圧変換回路などで検出したい照度に合わせた比較用の電位をつくり、コンパレータに供給する。
なお、この構成では、検出したい照度に対し、コンパレータの比較基準電位は一つの電位としてフォトダイオード部の感度を調整しているが、勿論、比較電位とコンパレータを複数用意してもよい。

この実施例では、低照度用と高照度用の照度特性の異なる２つのフォトダイオード部を独立に設けてこれらを切り換えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。

参考例２

次に、図６及び図７を参照して参考例２を説明する。
この参考例は、参考例１がコンパレータを１つ用いているのに対し、複数のコンパレータを備えていることに特徴がある。図６及び図７は、この実施例を説明する照度センサの回路ブロック図である。
この参考例で用いられるフォトダイオード部は、参考例１と同じ特性のものを用いてもよいが、これに限定されるものでは無い。また、増幅器についても、増幅度などの特性の同じものを用いても良いし、異なるものを用いても良い。図６に示す様に、異なる照度特性を有する複数のフォトダイオード部からなるフォトダイオード部１は、その出力がスイッチ（ＳＷ）２を介して第１の増幅器３に入力する。フォトダイオード部１は、高感度の低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）と低感度の高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）からなる。少なくとも１つの増幅器からなる第１の増幅器３は、フォトダイオード部１からの出力（信号電流）を電圧に変換し増幅しその出力を少なくとも１つの増幅器からなる第２の増幅器４へ出力する。第１及び第２の増幅器は、同じ特性を有していても良いし、異なっていても良い。この照度センサは、第１の増幅器３の出力を監視してある照度になるとフォトダイオード部１を切り換えるモード検出回路８を有し、スイッチ２は、モード検出回路８の出力信号を受けて第１の増幅器３に入る出力信号を切り換える。

照度センサは、さらに、バンドギャップ定電圧回路などの基準電圧発生回路６及びこの基準電圧発生回路６の出力に基づいて比較基準電圧を発生する比較電圧生成回路７を有している。モード検出回路８は、比較電圧生成回路７の出力電圧と第１の増幅器３の出力を比較して、スイッチ２のモードを制御する。第２の増幅器４の出力は、少なくとも１つ（この実施例では１つ）のコンパレータ５に入力され、ここで比較電圧生成回路７の出力電圧と比較されて論理信号が出力される。コンパレータ５の出力は、論理回路９に入力されて出力部１０にデジタル出力が出力される。この実施例の照度センサは、１つの半導体チップ上に形成される。

次に、参考例２の照度センサの動作を説明する。
ある照度の光が照度センサに照射されると、高感度の低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）及び低感度の高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）からなるフォトダイオード部１で光は電流に変換される。高感度の低照度用フォトダイオード部からは、照度センサに入射した同じ光に対しても低感度の高照度用フォトダイオード部よりも大きな光電流が得られるようにする。
初期状態では、第１の増幅器２に入る各フォトダイオード部から出力される信号を切り換えるスイッチ２は、低照度用フォトダイオード部（ＰＤ１）に接続されている。入射光が強くなってモード検出回路８の閾値（「モード回路閾値１」）に相当する照度（実施例１ではＥＶ１）になり（図２（ａ）参照）、第１の増幅器３の出力が「モード回路閾値１」になることをモード検出回路８が検出すると、モード検出回路８の出力は反転し、スイッチ２が高照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）側に切り換わる。

この時、第１の増幅器３の出力は下がってしまうため、モード検出回路８でモードの状態を維持し、モード検出回路８の閾値を「モード回路閾値２」に切り換わってスイッチ２が低照度用フォトダイオード部（ＰＤ２）側に切り換わる。一度高照度モードになってから照度が「モード回路閾値１」に相当する照度（実施例１ではＥＶ２）に下がると、モード検出回路８は、第１の増幅器３の出力が「モード回路閾値２」より下がったことを検出し、モード検出回路８の出力を反転させる。その時第１の増幅器３の出力は上昇するが、モード検出回路の閾値は「モード回路閾値１」に切り換わるため状態を維持する。
第１の増幅器３の出力電位は、それぞれ検出したい照度に合わせた比較電圧生成回路７の複数の出力電位と複数のコンパレータ５のそれぞれにおいて比較される。
基準電圧回路６には、温度変化の少ないバンドギャップ回路などを用い、その電圧を抵抗分圧や演算増幅器を用いた電圧変換回路などで検出したい照度に合わせた比較用の電位をつくりコンパレータに供給する。

また、参考例１では、検出したい照度に対し、コンパレータの比較基準電位は一つの電位としてフォトダイオード部の感度を調整しているが、この実施例では、比較電位とコンパレータを複数用意している。即ち、コンパレータ５を複数個（コンパレータ１、コンパレータ２、・・・、コンパレータｎ）用意する。比較電圧生成回路７は、コンパレータの数に対応したｎ個の出力を生成し、これを複数のコンパレータ５の各１に入力させる。各コンパレータは、比較電圧生成回路７の出力と第２の増幅器４の出力とを比較し、論理回路９に出力する。論理回路９により、モード検出回路８の出力電位と演算することにより、照度を判別することが出来る。また、必要な検出数のコンパレータを設け、さらに論理回路９で演算することにより、出力線を減らすことが可能となる。例えば、７値の検出数の場合は、３ビット（３線）の「０」、「１」の組み合わせで出力が可能となる。

次に、図７を参照してこの参考例の他の照度センサを説明する。
この例は、図６に示す照度センサと基本構造が同じである。ここでは、ＲＯＭなどの記憶装置１１の出力が比較電圧生成回路７に入力される構造が付加されている。比較電位生成回路を内蔵する記憶装置（ＲＯＭなど）で変更出来るようにしておくことにより、必要に応じて検出照度を簡単に変更することが出来る。さらに、その記憶装置を書き換え可能な記憶装置、例えば、ＥＰＲＯＭ等とすることにより、実装による感度ばらつきなどのばらつき要因を実装後にＥＰＲＯＭを電気的に書き換えることで合せ込むことも可能となり、一層の高精度化を実現できる。
この参考例では、高照度用・低照度用の２つのモードだけでなく、例えば、中照度用というような３つ以上のモードを持たせることも勿論可能である。
この参考例では、低照度用と高照度用の照度特性の異なる２つのフォトダイオード部を独立に設けてこれらを切り換えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。

次に、図８、図８を参照して実施例１を説明する。
参考例１、２では２つの照度特性の異なるフォトダイオード部から構成されたフォトダイオード部を用い、これを適宜切り換えることに特徴があるが、この実施例では、２つの増幅度などの特性の異なる増幅器を適宜切り換えて用いることに特徴がある。この実施例で用いられるフォトダイオード部の照度特性は、実施例１、２において用いられるフォトダイオード部と同じであっても異なっていても良い。増幅器についても同様である。
図８は、この実施例を説明する照度センサの回路ブロック図、図９は、図８の照度センサの動作を説明する特性図である。フォトダイオード部１は、その出力が第１の増幅器３に入力する。第１の増幅器３は、フォトダイオード部１からの出力（信号電流）を電圧に変換し増幅してその出力を第２の増幅器４へ出力する。照度センサは、さらに、コンパレータの比較基準電圧の基になるバンドギャップ定電圧回路などの基準電圧発生回路６及びこの基準電圧発生回路６の出力に基づいて比較基準電圧を発生する比較電圧生成回路７を有している。

ここで、第２の増幅器４は、高い増幅度が必要な低照度用増幅器１３と低い増幅度が必要な高照度用増幅器１４からなる。
低照度用増幅器は、入力される光電流を照度に換算して数ルクスから数１００ルクスまでリニアな入出力特性を持っている。また、高照度用増幅器は数１００ルクスから数万ルクスまでリニアな入出力特性を持っている。リニアな範囲以外では入力に対し、出力が一定となる。低照度用増幅器と高照度用増幅器のリニアな入出力特性が重なる範囲で切り替え照度を設定する。
第２の増幅器４の出力は、コンパレータ５に入力され、ここで比較電圧生成回路７の出力電圧と比較されて論理信号が出力される。コンパレータ５は、第１のコンパレータ（コンパレータ１）及び第２のコンパレータ（コンパレータ２）からなり、第１のコンパレータには低照度用増幅器１３の出力が入力され、第２のコンパレータには高照度用増幅器１４の出力が入力される。コンパレータ５の出力は、論理回路９に入力されて出力部１０にデジタル出力が出力される。この実施例の照度センサは、１つの半導体チップ上に形成される。

図９に、実施例１の照度センサの動作を説明するための各増幅器の出力電位とコンパレータ出力の特性を示す。ある照度の光が照度センサに照射されると、フォトダイオード部１で光は電流に変換されて第１の増幅器３である程度増幅される。低照度用増幅器１３と高照度用増幅器１４とを有する第２の増幅器４で、それぞれ検出したい照度に合わせ、設定された増幅度で増幅され、それぞれ検出したい照度に合わせた電位とコンパレータ５において比較される。ここで、検出したい照度は、検出照度１及び検出照度２であり、コンパレータ１で検出照度２を検出し、コンパレータ２で検出照度１を検出する。検出照度１に合わせた電位は、基準電位１であり、検出照度２に合わせた電位は、基準電位２である。この例では、入力光が検出したい照度を超えた時に、それぞれのコンパレータの出力は「０」から「１」に変化する。即ち、コンパレータ１の出力が「０」から「１」に変化するのは、検出照度２の時であり、コンパレータ２の出力が「０」から「１」に変化するのは検出照度１の時である。

以上の構成によって、コンパレータ出力の「０」、「１」を見ることにより、照度を判別することが出来る。図９（ｃ）に示すように、検出する照度は、状態１、状態２、状態３に区分けができる。状態１は、検出照度１より低く、状態２は、検出照度１より高く、検出照度２より低く、状態３は、検出照度２より高い。これらの状態は、コンパレータ５の出力（コンパレータ１／コンパレータ２）を検出すれば分かる。状態１は、０／０であり、状態２は、０／１であり、状態３は、１／１である。

さらに、論理回路９を設置することにより、出力ロジックも必要に応じいろいろな組み合わせで出力することが出来る。例えば、論理回路９に図３のアンド回路（ＡＮＤ）及びオア回路（ＯＲ）を用いる。但し、図３において、「モード検出」を「コンパレータ１の出力」に、「コンパレータ検出」を「コンパレータ２の出力」に読み替えるものとする。この場合、出力部１０における出力１は、コンパレータ１の出力とコンパレータ２の出力とをアンド回路（ＡＮＤ）に入力し演算して得られる。（コンパレータ１の出力）／（コンパレータ２の出力）が１／１、０／１、０／０の場合、出力１は、１、０、０となる。また、出力部１０における出力２は、コンパレータ１の出力とコンパレータ２の出力とをオア回路（ＯＲ）に入力し演算して得られる。（コンパレータ１の出力）／（コンパレータ２の出力）が１／１、０／１、０／０の場合、出力２は、１、１、０となる。したがって、出力１／出力２が０／０の時は状態１であり、０／１の時は状態２であり、１／１の時は、状態３である。

基準電圧発生回路には、温度変化の少ないバンドギャップ回路などを用い、その電圧を抵抗分圧や演算増幅器を用いた電圧変換回路などで検出したい照度に合わせた比較用電位をつくりコンパレータに供給する。
なお、この構成では、検出したい照度に対し、比較用の基準電位を調整しているが、基準電位は一つの電位として、増幅器の増幅度をあわせても良い。勿論、比較電位と増幅度の両方を用いても良い。
また、以上の例では高照度用増幅器と低照度用増幅器の増幅度に違いを持たせたが、それぞれの増幅器の増幅度は同じとし、フォトダイオード部の感度に違いを持たせても良い。つまり。高照度用には感度の低いフォトダイオード部を、低照度用には感度の高いフォトダイオード部を用いればよい。勿論、フォトダイオード部の感度と増幅器の増幅度の両方に違いを持たせても良い。
この実施例では、高増幅度の低照度用及び低増幅度の高照度用に適した増幅度の異なる２つの増幅器を独立に設けて、これらを切り換えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。

次に、図１０及び図１１を参照して実施例２を説明する。
参考例１、２では２つの照度特性の異なるフォトダイオード部から構成されたフォトダイオード部を用い、これを適宜切り換えることに特徴があるが、この実施例では、２つ以上の複数の増幅度などの特性の異なる増幅器を適宜切り換えて用いることに特徴がある。
図１０及び図１１は、この実施例を説明する照度センサの回路ブロック図である。図１０に示すように、フォトダイオード部１は、その出力が第１の増幅器３に入力する。第１の増幅器３は、フォトダイオード部１からの出力（信号電流）を電圧に変換し増幅しその出力を第２の増幅器４へ出力する。照度センサは、さらに、コンパレータの比較基準電圧の基になるバンドギャップ定電圧回路などの基準電圧発生回路６及びこの基準電圧発生回路６の出力に基づいて比較基準電圧を発生する比較電圧生成回路７を有している。

第２の増幅器４は、互いに異なる増幅度の複数の増幅器（増幅器１、増幅器２、・・・、増幅器ｎ）からなる。第２の増幅器４の出力は、コンパレータ５に入力され、ここで比較電圧生成回路７の出力電圧と比較されて論理信号が出力される。コンパレータ５は、それぞれ第２の増幅器４を構成する複数の増幅器に対応する数のコンパレータ（コンパレータ１、コンパレータ２、・・・、コンパレータｎ）からなり、第１のコンパレータ（コンパレータ１）には低照度用の増幅器（増幅器１）の出力が入力され、第ｎのコンパレータ（コンパレータｎ）には高照度用の増幅器（増幅器ｎ）の出力が入力される。コンパレータ５の出力は、論理回路９に入力されて出力部１０にデジタル出力が出力される。この実施例の照度センサは、１つの半導体チップ上に形成される。

実施例１では検出照度が２値の場合について説明したが、この実施例のように３値以上（ｎ値）に対しても、必要な検出数の比較電位とコンパレータを設けるか、比較電位は一つとして、必要な検出数の増幅器とコンパレータを設けることにより検出が可能となる。さらに論理回路９を設けることにより、出力線を減らすことも可能となる。例えば、７値の検出数の場合は、３ビット（３線）の「０」「１」の組み合わせで出力が可能となる。
基準電圧回路には、温度変化の少ないバンドギャップ回路などを用い、その電圧を抵抗分圧や、演算増幅器を用いた電圧変換回路などで、検出したい照度に合わせた比較用電位をつくりコンパレータに供給する。
なお、この構成では、検出したい照度に対し、比較用の基準電位を調整しているが、基準電位は一つの電位として、増幅器の増幅度をあわせても良い。もちろん、比較電位と増幅度の両方を用いても良い。

この実施例では、増幅度の異なる複数の増幅器（第２の増幅器）を独立に設けて、これらを切り換えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。
次に、図１１を参照してこの実施例の他の照度センサを説明する。
この例は、図１０に示す照度センサと基本構造が同じである。ここでは、ＲＯＭなどの記憶装置１２の出力が比較電圧生成回路７に入力される構造が付加されている。比較電位生成回路を内蔵する記憶装置（ＲＯＭなど）で変更出来るようにしておくことで、応用に合わせた検出照度を簡単に変更出来るようにすることが出来る。さらに、その記憶装置に書き換え可能な記憶装置、例えば、ＥＰＲＯＭなどとすることにより、実装による感度ばらつきなどのばらつき要因を実装後にＥＰＲＯＭを電気的に書き換えることで、合せ込むことも可能となり、一層の高精度化を実現できる。

この実施例では、高照度用・低照度用の２つのモードだけでなく、たとえば中照度用というような３つ以上のモードを持たせることも可能である。
この実施例では、互いに増幅度の異なる２つの増幅器を独立に設けてこれらを切り換えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力が得られる。
さらに、その記憶装置を書き換え可能な記憶装置、たとえばＥＰＲＯＭなどとすることにより、実装による感度ばらつきなどのばらつき要因を実装後にＥＰＲＯＭを電気的に書き換えることによって均一に調整することができるので照度センサの高精度化が可能になる。

次に、図１２を参照して実施例３を説明する。
図１２は、携帯電話の概略平面図である。携帯電話は、液晶画面と液晶画面とは離隔した操作面（キー部）から構成されている。いずれの部分も外的環境に対処できるように、液晶画面及びキー部の明るさを制御している。そのために、本発明の一実施例であるこれらの実施例において説明した照度センサがこのような携帯電話に組込まれる。この照度センサを組込むことにより、低照度で制御されるキー部の発光ダイオードのオンオフと、高照度で制御する液晶画面の明るさ制御の両方がどちらも一つのチップ上に形成された半導体光センサ装置（照度センサ）により有効に行うことができる。
以上、本発明は、前述の実施例で説明をしたように、低照度用と高照度用のように異なる照度特性を有する複数の検出部分を独立に設けて、これらを切り替えることにより、数ルクスの低照度から数万ルクスの高照度までの照度において、精度よい検出が可能なデジタル出力照度センサ（半導体光センサ装置）を提供でき、例えば、携帯電話において、外付けのＡＤＣや、ＣＰＵ内蔵のＡＤＣなどを必要とせずに、低照度で制御するキー部の発光ダイオードのオンオフと、高照度で制御する液晶画面の明るさ制御が両方可能なデジタル出力半導体光センサ装置を提供できる。

このように、低照度の入射光を検出し制御する部分と、高照度の入射光を検出し制御する部分とを有する情報機器に、照度センサが搭載されている。一つのチップに形成され、かつ広い照度範囲の照度を検出することが可能である照度センサで検出した入射光を基に、携帯機器内の各制御対象を制御できるので、携帯機機内の消費電力の低減を行なうことが可能となる。以上の実施例では複数の照度特性の異なる複数のフォトダイオード部を独立に設けてこれらを切り換える場合と増幅度の異なる２つの増幅器を独立に設けてこれらを切り換える場合とがあるが、通常、増幅器の面積がフォトダイオードより大きいので、前者の場合の方が半導体装置の小型化の面で有利である。
また、ＣＰＵを介さずに直接照明用発光ダイオード（ＬＥＤ）ドライバをオンオフすることも可能になる。

参考例１の回路ブロック図。 図１の照度センサの動作を説明する特性図。 図１の照度センサを構成する論理回路の１例を示す回路図。 図１の照度センサに入力する光の照度と出力との関係を示す特性図。 参考例１の低照度用及び高照度用フォトダイオード部の構成及び作り方を説明する平面図。 参考例２の回路ブロック図。 参考例２の回路ブロック図。 本発明の一実施例である実施例１の回路ブロック図。 図８の照度センサの動作を説明する特性図。 本発明の一実施例である実施例２の回路ブロック図。 本発明の一実施例である実施例２の回路ブロック図。 本発明の一実施例である実施例３の携帯電話の概略平面図。

１・・・フォトダイオード部 ２・・・スイッチ
３、４・・・増幅器 ５・・・コンパレータ
６・・・基準電圧発生回路 ７・・・比較電圧生成回路
８・・・モード検出回路 ９・・・論理回路
１０・・・出力部・・・１１、１２・・・記憶回路
１３・・・低照度用増幅器 １４・・・高照度用増幅器

Claims (3)

1. フォトダイオード部と、
   前記フォトダイオード部の出力に接続された、互いに異なる利得特性を有する複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器のそれぞれに対応して互いに異なる複数の基準電圧を発生する比較電圧生成回路と、
   前記複数の増幅器のそれぞれに対応して設けられ、それぞれ対応する前記増幅器の出力と前記基準電圧とを比較し、その比較結果に基づく論理信号を出力する複数の比較器を備え、
   前記複数の比較器からの複数のビットの論理信号に基づいて照度検出を行うことを特徴とする半導体光センサ装置。
2. 前記複数の比較器からの複数のビットの論理信号に基づいて論理演算を行う論理回路を更に備え、前記論理回路からの論理演算結果を照度検出結果として出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体光センサ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体光センサ装置が組み込まれていることを特徴とする情報機器。

Images