JP5529203B2 - 光センサおよび電子機器 - Google Patents
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Description
A)光入力時にカレントミラー増幅器が動作することで出力電圧が減少し、カレントミラー増幅器のゲート−ソース間電圧が下がって逆に増幅電流が減少する。
B)位相が逆のため、回路が発振する。
また、上記の構成では、受光素子がヒステリシス特性を有していることにより、上記受光素子のヒステリシス幅によって光センサの使用範囲を調整でき、外乱の影響によるチャタリング不具合を抑制することができる。ヒステリシス特性は、2端子間の電位差の最大値と最小値との比によって与えられる。また、上記の最大値および最小値は、光電流から電流源の電流量を減じた値に比例する。光電流に対して、電流源の電流量を適宜設定しておくと、2端子間の電位差が最小値となるとき、電流源がオフするため、その電流が0Aとなる。このように、電流源の電流量を適宜調整することにより、出力をローレベル状態からハイレベル状態に変動するために必要な光電流量と、出力をハイレベル状態からローレベル状態に変動するために必要な光電流量とが異なるので、ヒステリシス特性が得られる。
これにより、ヒステリシス幅の抵抗値依存性が低下するので、外付け抵抗の抵抗値を、より広範囲で使用することが可能となる。それゆえ、後段の増幅器のばらつきや、温度および電圧の変動の影響を排除できるので、有益である。
(光センサの回路構成)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示す光センサでは、フォトダイオード11に光が入射されて光電流が発生したときに、第1のカレントミラー回路14が動作して(スイッチング制御されて)、トランジスタ14bに電流が生じ、この電流が抵抗13に流れる。この電流によって、トランジスタ12のVGS(ゲート−ソース間電圧)が上がり、トランジスタ12がオンする電圧に到達すると、第2のカレントミラー回路15におけるVGSが下がり、第2のカレントミラー回路15の電流がオフ(停止)する。
(光センサの回路構成)
実施の形態1に係る光センサは、光電流を第2のカレントミラー回路15で増幅する構成となっているが、この構成では、特に光電流が少ない場合、センサの電位変動が不十分となる可能性がある。このため、本実施の形態2に係る光センサのように、光電流もしくは電流増幅した光電流を電圧変換し、特定の電圧に到達した場合にトランジスタをスイッチングしてドライブすれば、より大きな一定電流が得られ、センサの電位変動が安定して大きくとれるため、有益である。
図2に示す光センサでは、図1の光センサと同様に、フォトダイオード11に光が入射されると抵抗13に電流が流れ、電位が変動する。そして、一定の光電流以上でトランジスタ12がオンするように設定し、トランジスタ21を駆動する。この時、トランジスタ21の駆動能力により、より大きな一定電流が得られ、センサの電位変動が安定するため有益である。但し、図2の構成では、抵抗22の抵抗値を大きくして、トランジスタ12を流れる電流を抑える必要がある。これは、出力電圧のハイレベルの低下を抑えるためである。
ハイレベルとローレベルとの電位差が大きい程検出能力が上がるため、トランジスタ21の駆動電流を大きくすることで光電流の影響が軽減される。
(光センサの回路構成)
本実施の形態3に係る光センサの回路構成を、図3を参照して説明する。図3に示す光センサは、図2の受光素子2に代えて受光素子3を備えた構成である。図2と同一の構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明は省略する。
図3に示す受光素子3では、フォトダイオード11と並列に設けられた電流源の出力電圧が光入力の有無によって変動し、光入力時に該電流源の電流が増加し、光非入力時に電流が減少する。
(光センサの回路構成)
本実施の形態4に係る光センサの回路構成を、図4を参照して説明する。図4に示す光センサは、図3の受光素子3に代えて受光素子4を備えた構成である。図3と同一の構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明は省略する。
受光素子3においては、上記電流源が外部電源の電圧値Vccに追従して変動する場合、例えば電位が大きい場合に電流源の電流が増え、光検出範囲が狭くなることが考えられる。このため、例えばバンドギャップ電流源を用いて電位変動に依存しない電流を生成すれば外部電源の電圧値によらず安定して光検出が可能となり、有益である。
本実施の形態5に係る光センサの回路構成を、図5を参照して説明する。図5に示す光センサは、図4の受光素子4に代えて受光素子5を備えた構成である。図4と同一の構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明は省略する。
さらに、上記実施の形態1〜5に記載された各光センサでは、外付け抵抗の抵抗値によりヒステリシス特性を持たせることが好ましい。
一方、出力をハイレベル状態からローレベル状態に変動させる際は、バンドギャップ電流源が通常動作しているため、ローレベルにするための光電流量(IHL)が少なくなる。(IHL+バンドギャップ電流=駆動電流のため)このILHとIHLの比がヒステリシス幅となる。これにより、微小電流の変動があっても出力反転が生じなくなり、誤動作を抑制でき、有益である。
本実施の形態7に係る光センサの回路構成を、図10を参照して説明する。図10に示す光センサは、図5の受光素子5に代えて受光素子6を備えた構成である。図5の構成と同一の図10の構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
=(10−2)/(10−0)
=80%
このように、バンドギャップ電流源41の電流量を適宜調整することにより、出力をローレベル状態からハイレベル状態に変動するために必要な光電流量と、出力をハイレベル状態からローレベル状態に変動するために必要な光電流量とが異なるので、ヒステリシス特性が得られる。これにより、ヒステリシス幅の抵抗値依存性が低下するので、外付け抵抗の抵抗値を、より広範囲で使用することが可能となる。それゆえ、後段の増幅器のばらつきや、温度および電圧の変動の影響を排除できるので、有益である。
(光センサの回路構成)
本実施の形態8に係る光センサの回路構成を、図12を参照して説明する。図12に示す光センサは、図3の受光素子3に代えて受光素子7を備えた構成である。図3の構成と同一の図12に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記のように構成される受光素子7において、トランジスタ71a,71bはゲート接地回路を構成している。これにより、トランジスタ71aのVGS(ゲート−ソース間電圧)およびGND電位(ドレイン側)により、トランジスタ71bのドレイン側もGND電位となる。したがって、フォトダイオード11のアノード−カソード間の電位差が0となる。また、トランジスタ71bにおいて、ソース側の信号がそのままドレイン信号となるので、信号の伝送には何ら問題はない。
受光素子7においては、併置されるトランジスタ71a,71bにおいて、トランジスタ71aに流れる電流が抵抗72に流れる電流で決まるため、光電流と同等の微小電流を生成することが難しい。このため、併置されるトランジスタ71a,71b同士でVGS(ゲート−ソース間電圧)がばらついてしまい、フォトダイオード11のバイアスをゼロに制御することが難しくなる。
(光センサの回路構成)
本実施の形態9に係る光センサの回路構成を、図13を参照して説明する。図13に示す光センサは、図12の受光素子7に代えて受光素子8を備えた構成である。図12の構成と同一の図13に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記のように構成される光センサにおいては、ゼロバイアス回路71を駆動するには、トランジスタ71a,71bが動作するようにVGSが所定値に達する必要があり、このためには、最低限の電流が必要となる。この電流値は、トランジスタ特性にもよるが、少なくとも数nA程度であることが好ましい。このため、ゼロバイアス回路71に電流を供給する電流源として、電流値が電源電圧Vccや温度に依存する前述の抵抗72ではなく、バンドギャップ電流源81を用いている。
ここで、Vt=kT/q(k:ボルツマン定数,q:素電荷,T:絶対温度)であり、Rは抵抗81dの抵抗値を表わしている。
(光センサの回路構成)
本実施の形態10に係る光センサの回路構成を、図14を参照して説明する。図14に示す光センサは、図13の受光素子2に代えて受光素子9を備えた構成である。図13の構成と同一の図14に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記のように構成される光センサにおいて、2端子間の電圧が降下するときに、トランジスタ21がオンするのみでは、バンドギャップ電流源81は、印加される電圧が不十分となるために、ゼロバイアス回路71に供給する電流Iaが不足してしまう。しかしながら、このとき、トランジスタ21と併置されたトランジスタ91も同時にオンするので、このトランジスタ91に電流が流れる。すると、第4のカレントミラー回路92によって、その電流に応じた電流Ibがゼロバイアス回路71に流れ込む。
(光センサの回路構成)
本実施の形態11に係る光センサの回路構成を、図15を参照して説明する。図15に示す光センサは、図4の受光素子4に代えて受光素子10を備えた構成である。図4の構成と同一の図15に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記のように構成される光センサにおいて、光入力時に第1のカレントミラー回路14で増幅された電流が抵抗13により電圧変換される。このとき、インバータ113のスレッシュホールド電圧を超える光が入力されると、トランジスタ111がオフし、トランジスタ12がオンする。これにより、トランジスタ21がオフするので、2端子間の電圧が上昇する。
(光センサの回路構成および動作)
本実施の形態12に係る光センサの回路構成を、図16を参照して説明する。図16に示す光センサは、図15の受光素子10に代えて受光素子211を備えた構成である。図15の構成と同一の図16に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
(光センサの回路構成および動作)
本実施の形態13に係る光センサの回路構成を、図17を参照して説明する。図17に示す光センサは、図16の受光素子211に代えて受光素子212を備えた構成である。図16の構成と同一の図17に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
(光センサの回路構成)
本実施の形態14に係る光センサの回路構成を、図18を参照して説明する。図18に示す光センサは、図13の受光素子8に代えて受光素子213を備えた構成である。図13の構成と同一の図18に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記のように構成される光センサにおいては、次のように動作する。
(光センサの回路構成)
本実施の形態15に係る光センサの回路構成および実装構造を、図19および図20を参照して説明する。図19に示す光センサは、図1の受光素子1に代えて受光素子214を備えた構成である。図1の構成と同一の図19に示す構成については同じ部材番号を用い、詳細な説明を省略する。
上記実施の形態1〜15に記載の光センサは、物体検出、物体動作速度を検出することができ、例えば、受光素子が2端子であることが必要とされるフォトインタラプタを用いたデジタルカメラ、複写機、プリンタ、携帯機器、モーターを用いた電子機器等に用いると好適である。
ここで、光センサを用いた電子機器の具体例として複写機について説明する。図21は、当該複写機の内部構成を示す正面図である。
11 フォトダイオード(光電変換素子)
12 トランジスタ
13,22,32,51 抵抗
14 第1のカレントミラー回路(増幅器)
15 第2のカレントミラー回路(電流制御部)
16 定電流源
21 トランジスタ(電流制御部)
31 第3のカレントミラー回路(電流源)
41,81 バンドギャップ電流源
71 ゼロバイアス回路
81a〜81c トランジスタ
91 抵抗(電流供給回路)
92 第4のカレントミラー回路(電流供給回路)
114 抵抗
121 トランジスタ(補助トランジスタ)
131〜134 トランジスタ
137a,137b 抵抗
138a〜138c 抵抗
141 フォトトランジスタ(光電変換素子)
142 パッド
143 裏面電極
144 基板
145,146 端子
147 ワイヤ
211〜214 受光素子
301 複写機(電子機器)
S1〜S12 光センサ
Claims (17)
- 一方の端子の固定電位に対して、他方の端子の電位を変動させて信号検出する2端子の受光素子を有する光センサにおいて、
上記受光素子に光が入力されたときに発生する光電流によってスイッチング制御される電流制御部と、
上記光電流を発生する素子と並列に配置された電流源とを有し、
上記電流制御部は、上記光電流が生じていない場合には、上記2端子間の電位差を降下させるための電流を生じさせ、上記光電流が生じている場合には、上記電流を停止し、
上記受光素子がヒステリシス特性を有し、当該ヒステリシス特性が、上記2端子間の電位差が最大となるときの光電流から上記電流源の電流量を減じた値と、上記2端子間の電位差が最小となるときの光電流から上記電流源の電流量を減じた値との比で与えられるように上記電流源の電流量が設定されていることを特徴とする光センサ。 - 上記電流制御部は、上記光電流を電圧変換した電圧によってスイッチング制御されるトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 上記光電流と上記電流源から供給される電流とが、同一の増幅器に入力されて、上記電流制御部のスイッチング制御に利用されるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の光センサ。
- 上記電流源から供給される電流は、外部電源の電圧値により変動しないものであることを特徴とする請求項3に記載の光センサ。
- 変動する電位の最小値は、上記受光素子に対して外付けされた抵抗と上記受光素子内の抵抗との抵抗分割によって決定されるものであることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の光センサ。
- 光電流を発生する光電変換素子と、当該光電変換素子の両端子間のバイアスをゼロとするゼロバイアス回路とを有していることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 上記ゼロバイアス回路は、上記光電変換素子と直列に設けられる第1のトランジスタと、2端子間に接続されてダイオード接続されると共に、上記第1のトランジスタとゲート同士が接続された第2のトランジスタとを有し、当該第2のトランジスタのサイズが上記第1のトランジスタのサイズより大きいことを特徴とする請求項6に記載の光センサ。
- 外部電源の電圧値により変動しない電流を上記ゼロバイアス回路に供給する電流源を有していることを特徴とする請求項6に記載の光センサ。
- 上記2端子の間の電圧である2端子間の電位差が降下するときに上記電流源に電流を供給する電流供給回路を有していることを特徴とする請求項8に記載の光センサ。
- 上記トランジスタのスイッチング制御を行うインバータを有していることを特徴とする請求項2に記載の光センサ。
- 上記他方の端子と上記トランジスタのゲートとの間に接続される抵抗を有していることを特徴とする請求項10に記載の光センサ。
- 上記2端子間の電位差を発生させるために上記2端子間でスイッチングするトランジスタを有しており、当該トランジスタのスレッシュホールドレベルが0.7Vより低く設定されていることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 上記トランジスタに縦続接続される補助トランジスタを有していることを特徴とする請求項12に記載の光センサ。
- 上記トランジスタをスイッチング動作させるためのバイアス抵抗は負の温度特性を有することを特徴とする請求項2に記載の光センサ。
- 上記電流の量を光電流量に応じて切り替える切替回路を有していることを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 上記受光素子は、上記端子の何れか1つの端子に接続される電極をパッケージの裏面に有することを特徴とする請求項1に記載の光センサ。
- 請求項1から16の何れか一項に記載の光センサを備えていることを特徴とする電子機器。
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