JP5529203B2 - 光センサおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、物体検出や物体動作速度検出に使用される光センサに関するものであり、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光センサに関する。

デジタルカメラのレンズ移動速度検知等には、受光素子が２端子であるフォトインタラプタが用いられている。また、フォトインタラプタの受光素子には、従来、フォトトランジスタが用いられている。

図７に、フォトトランジスタを用いた従来の受光素子の構成を示す。この受光素子に光が入力すると、出力検出端子とＧＮＤとの間に光電流がｈｆｅ倍された増幅電流が流れることで、外付け抵抗部に電位差が発生する。そして、この電位差によって、出力検出端子の電圧が降下し、光検出が可能となる。

特許文献１には、受光素子が２端子である光センサにおいて、印加バイアス電圧を反転させて出力電圧範囲を広げることが開示されている。また、特許文献２には、受光素子が２端子である光センサにおいて、受光電流増幅回路にスイッチを設けて、微弱光から強光までを検知することを可能とする技術が開示されている。さらに、特許文献３には、受光素子が２端子である光センサにおいて、低い光照度においても読み取り可能な半導体装置を得ることが記載されている。

特許文献４には、ＳＭＲ素子やＭＲ素子を用いた回転速度検出装置が開示されている。この装置では、検出素子（検知部）を含むセンサ手段を定電圧発生手段で発生した定電圧で駆動し、その出力を比較手段で比較電圧と比較し、比較手段のコンパレータのオン・オフ出力で矩形波電流の高電流値と低電流値とを切り替えている。この装置は、検出する物理量が磁界であるが、検出素子をフォトダイオードに置き換えることにより、２端子の光センサとして利用が可能になる。

特開２００７−３１８１１１号公報（２００７年１２月６日公開） 特開２００７−５９８８９号公報（２００７年３月８日公開） 特開２００８−１８２２０９号公報（２００８年８月７日公開） 特開平１０−３３２７２２号公報（１９９８年１２月１８日公開）

図７に示すようなフォトトランジスタを用いた従来の受光素子では、出力信号電流が光電流に依存し、応答も光電流に依存する。このため、このようなフォトインタラプタは、高速動作が進むデジタルカメラの用途には不向きとなってきている。このため、光電流に依存せず、高速動作が可能な２端子フォトトランジスタを用いたフォトインタラプタが求められている。

特許文献１および特許文献２に記載の光センサは、フォトダイオードに増幅回路を設け、スイッチによって電源や増幅器を切り替え、光電流からの依存を抑制することができる。特許文献２においては、微弱光の時にはフォトダイオードに増幅器を接続し、強光のときはフォトダイオードから増幅器を切り離す動作を行うものとなっている。

図８は、図７に示す従来の光センサにおける光電流と出力電流との関係（図８の破線）、特許文献２の光センサにおける光電流と出力電流との関係（図８の実線）を示すグラフである。つまり、図８に示すように、特許文献２の光センサにおいて、微弱光時の出力電圧を増幅して強光時と同様の出力電流が得られたとしても入力光に依存して出力電流がリニアに変動する点においては図７に示す従来の光センサと変わらない。すなわち、出力電流が一定ではないことから、応答、動作範囲に制限があることは依然として変わらず、出力電流が入力光に依存することによる課題を完全に解決できるものではない。また、特許文献１の光センサも同様に、出力電流が入力光に依存することによる課題を解決できるものではない。

特許文献１ないし３の光センサは、フォトダイオードとこれに直列に接続されたトランジスタと、さらにもう一つのトランジスタを備えており、２つのトランジスタがカレントミラー回路を有する構成となっている。図９に示すように、フォトインタラプタの等価回路は、フォトダイオード１０１とトランジスタ１０２とから構成されており、さらに、トランジスタ１０３が設けられている。そして、トランジスタ１０２とトランジスタ１０３とがカレントミラー増幅器を構成している。

そして、特許文献１ないし３のような増幅器を用いた構成では、ＡおよびＢといった不都合が生じることも懸念される。
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。

これについて説明すると以下の通りである。

図９に示す光センサにおいて、(1)フォトダイオード１０１に光が入射されて光電流が生じると、これによって、(2)トランジスタ１０３のゲート−ソース間電圧が持ち上がり、(3)トランジスタ１０２のソースからドレインに向けてカレントミラー電流が流れる。その結果、(4)ＶＣＣ電源から外付け抵抗に電流が流れ、(5)出力電圧が低下する。出力電圧が低下すると、(6)トランジスタ１０３のゲート−ソース間電圧が下がり、(7)トランジスタ１０２を流れるカレントミラー電流が減少し、(8)外付け抵抗を流れる電流が減少し、(9)出力電圧が上昇する。その後、上記(2)に戻り、(2)〜(9)の動作を繰り返す。上記動作において、(9)の動作時の電位変動が小さければ上記Ａ）の不都合を生じ、(6)の動作時の電位変動が大きければ上記Ｂ）の不都合を生じる。

また、特許文献４のセンサでは、定電圧発生手段および比較手段を有しているために、２端子間の降下電圧を低くすることができない。以下に、その理由について説明する。

前述のように比較電圧を発生させて比較を行う比較手段のコンパレータは、電子回路としては差動増幅器にて構成される。差動増幅器を構成するトランジスタは、１つ当たり、動作電圧として約０．７Ｖが必要となる。このため、差動増幅器を構成すると少なくとも２つのトランジスタは、直列に接続される必要があるので、少なくとも１．４Ｖ程度の電圧を必要とする。

また、上記のコンパレータを定電圧発生手段の回路内に構成した場合、当該回路は、コンパレータより高い電圧で構成する必要があり、少なくとも２．１Ｖ程度の電圧を必要とする。

したがって、このような電圧が、２端子間の降下電圧を高くすることになる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受光素子の出力が光電流に依存せず、かつ２端子間の降下電圧が低くなる回路を有し、高速動作が可能な光センサを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明は、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、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している。

上記の構成によれば、上記受光素子に光入力がない場合は、上記電流制御部が動作して上記２端子間の電位差を降下させるための電流を生じさせ、光センサの出力をローとする。また、上記受光素子に光入力がある場合は、上記電流制御部が停止するため、上記２端子間の電位差が降下せず、光センサの出力をハイとする。この場合、光センサの出力は、上記電流制御部によって制御される電流に依存するように光電流より大きな電流に設定する必要がある。例えば、光電流を〜数μＡとすると、電流制御部は〜数ｍＡ等となる。

このため、上記光電流は、上記電流制御部のスイッチング制御に使用されるのみであるため、光センサの出力は上記光電流には依存しない。光センサの出力が上記光電流に依存しないことで、ハイまたはローの２値出力とすることができ、高速動作が可能となる。
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。

また、上記光センサでは、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が好ましい。

上記の構成によれば、特に光電流が少ない場合であっても、電圧制御されるトランジスタによりスイッチングを行う上記電流制御部を用いることで、より大きな一定電流が得られ、センサの電位変動を安定して大きく取ることができる。

また、上記光センサでは、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ことが好ましい。

上記光電流のみによって上記電流制御部のスイッチング制御を行う構成では、光電流をオン／オフする際に、フォトダイオード自身の容量等によって動作遅延が起き、応答特性が悪くなりえる。これに対し、上記の構成によれば、光電流と並列に電流源を設け、同一の増幅器に入力することで、光オン／オフ時の動作を速くするとともに、上記増幅器を完全にオフせずに動作可能となるため、応答が速くなる。

また、上記光センサでは、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ことが好ましい。

上記電流源が外部電源の電圧値に追従して変動する場合には、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。これに対して、上記の構成によれば、例えば上記電流源に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た光検出が可能となる。

また、上記光センサでは、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構成とすることができる。

上記の構成によれば、上記受光素子に外付けされる抵抗に対し、上記受光素子の内部回路におけるプルアップ抵抗との比で変動電位の最小値を決定すれば、外付け抵抗に依存した電圧設定ができ、安定した電圧が得られる。

また、上記センサでは、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が好ましい。

光電変換素子として、例えば、フォトダイオードを用いる場合、フォトダイオード自身の有する容量等により、光電流をオン／オフするときに、動作遅延が起きるので、応答特性が悪くなりえる。このため、前述のような光電流と並列に電流源を設けることが有効であるが、電流のばらつきにより特性が変動することから、このばらつきによって、光感度特性が低下することが懸念される。

これに対し、上記の構成では、ゼロバイアス回路により、光電変換素子の両端子間のバイアスが常にゼロとなるので、光電流の入力時にも光電変換素子が自身の容量を充電する必要が無くなる。また、これにより、上記の電流源を省略することが可能となるので、電流源の電流量が削減されると共に、電流量のばらつきを抑制できる。したがって、光感度特性のばらつきを抑制できると共に、より小さい電流でも駆動することが可能となるので、有益である。

また、上記光センサでは、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が好ましい。

第２のトランジスタに流れる電流が抵抗等の電流供給回路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、第１および第２のトランジスタ同士でゲート−ソース間電圧がばらついてしまい、光電変換素子のバイアスをゼロに制御することが難しくなる。

そこで、上記の構成では、第１のトランジスタよりも大きい電流を流す第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により、第１および第２のトランジスタ間のゲート−ソース間電圧を同等に調整することができる。これにより、光電変換素子のバイアスを容易にゼロに制御することができるので、有益である。

また、上記光センサでは、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が好ましい。

ゼロバイアス回路を駆動するには第１および第２のトランジスタが動作するようにゲート−ソース間電圧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である。この要求を満たすため、上記の構成では、電流源により、外部電源の電圧値に影響されない最小の電流をゼロバイアス回路に供給することができる。それゆえ、２端子間の電位差が最大となるときは、ゼロバイアス回路に供給する電流を最小にすることで、より大きな電位差を得ることができる。

また、上記光センサでは、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が好ましい。

上記の構成では、２端子間の電位差が降下するとき、電流源が動作せず、電流値が不十分となっても、電流供給回路により、電流源に電流が供給される。これにより、２端子間の電位差が降下するときに、電流源からゼロバイアス回路への電流が十分確保されるので、ゼロバイアス回路が安定して動作できる。

また、上記光センサでは、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が好ましい。

上記の構成では、光入力時には、インバータを構成する２つの相補型トランジスタの何れか一方がオンし、他方がオフするが、入力光量が減少する電流低の減少時には、一方がオフし、他方がオンする。このような相補型トランジスタのオン／オフ動作によってトランジスタがオン／オフするので、遅延することなく高速でトランジスタのスイッチングを制御することができる。これにより、光センサの応答速度を向上させることができる。

上記光センサでは、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が好ましい。

２端子間の電位差の降下時において、インバータにおける相補型トランジスタのうち、トランジスタのゲート−ドレイン間に配置される相補型トランジスタは、スイッチング動作してから徐々に電位差が減り、電流が減少する。このため、徐々に光センサの応答速度が低下する。

これに対し、上記の構成では、抵抗が他方の端子とトランジスタのゲートとの間に接続されているので、上記の端子側からトランジスタのゲートに電流を流して、２端子間の電位差の降下を補助することができる。これにより、光センサの応答速度の低下を防ぐことが可能となる。

上記光センサでは、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が好ましい。

上記の構成では、トランジスタのスレッシュホールドレベルが低く設定される。例えば、トランジスタとしてＭＯＳトランジスタを用いた場合、ドーズ量等を調整することでスレッシュホールドレベルを変えることが可能である。スレッシュホールドレベルを低く設定することにより、２端子間の電位差をより高くすることが可能となる。これにより、光センサの動作範囲を広げることができるので、有益である。

上記光センサでは、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が好ましい。

上記のようなスレッシュホールドレベルの低いトランジスタを用いた場合、高温におけるトランジスタのオフ時にリーク電流を生じることが懸念される。このため、トランジスタに縦続接続される補助トランジスタを設け、当該補助トランジスタのドレイン電圧を下げると、オフ時のリーク電流を１／１０以上に減少させることが可能となる。これにより、本来、２端子間の電位差の上昇すべき場合に、２端子間の電位差が低下することを抑制することができるので、有益である。

上記光センサは、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が好ましい。

トランジスタは、スレッシュホールドレベルの温度特性の変動が大きいと誤動作を生じる可能性がある。これは、ＭＯＳトランジスタのスレッシュホールドレベルが高温で低下することによる。一方、電流−電圧変化に用いる抵抗は、例えば拡散抵抗を用いると、抵抗値が高温で上昇するため、感度に大きな温度特性を生じてしまう。

そこで、上記の構成では、バイアス抵抗を負の温度特性を有する抵抗（例えばポリシリコン抵抗）で構成すれば、ＭＯＳトランジスタのスレッシュホールドレベルの温度特性を相殺することが可能となる。これにより、光センサの温度特性の変動が減少するので、有益である。

上記光センサは、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が好ましい。

上記の構成では、切替回路により、光の有無だけではなく、光の通過量をモニタリングする必要がある場合、光電流量に応じて電流量を切り替えている。これにより、出力電圧値を可変することが可能となり、光の通過量を検出することができる。

上記光センサは、上記受光素子が、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が好ましい。

上記の構成では、光電変換素子として従来用いられていたフォトトランジスタを含む受光素子のパッケージにおける電極構造（裏面電極）を利用することができる。これにより、新規にパッケージを作製する必要が無くなるので、有益である。

本発明に係る電子機器は、上記のいずれかの光センサを備えていることを特徴としている。これにより、高性能の光センサを電子機器に配置することができる。したがって、電子機器の機能を向上させることができるので、有益である。

本発明は、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を有しており、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、上記電流を停止する構成である。

それゆえ、上記光電流は、上記電流制御部のスイッチング制御に使用されるのみであるため、光センサの出力は上記光電流には依存せず、光センサの出力が上記光電流に依存しないことで、ハイまたはローの２値出力とすることができ、高速動作が可能となるといった効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態４に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態５に係る光センサの構成を示す回路図である。 実施の形態２に係る光センサ、図７に示す構成の従来の光センサ、および特許文献２に記載の従来の光センサにおいて、光の入力／非入力を切り替えた場合の出力電圧の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。 従来の光センサの一構成例を示す回路図である。 従来の光センサにおける光電流と出力電流との関係を示すグラフである。 従来の光センサの他の構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態７に係る光センサの構成を示す回路図である。 実施の形態７に係る光センサに対する比較例の光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態８に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態９に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１０に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１１に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１２に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１３に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１４に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１５に係る光センサの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１５に係る光センサの実装構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１６に係る複写機の内部構造を示す正面図である。

〔実施の形態１〕
（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、本実施の形態１に係る光センサの回路構成を示す。本光センサは、受光素子１において、フォトダイオード１１（光電変換素子）とトランジスタ１２と抵抗１３とからなる等価回路で示されるフォトトランジスタを含んでいる。受光素子１は、光入力時に回路電流を変動することにより、１方の端子の固定電位に対して他方の端子の電位を変動して信号検出する２端子の受光素子である。本実施の形態では、固定電位となる端子は接地されている。逆に、電源電圧Ｖｃｃを固定電位とすることも可能である。また、受光素子１は、トランジスタ１４ａ，１４ｂからなる第１のカレントミラー回路１４と、トランジスタ１５ａ，１５ｂからなる第２のカレントミラー回路（電流制御部）１５とを有している。

第１のカレントミラー回路１４は、入力側のトランジスタ１４ａがフォトダイオード１１と直列に接続されており、出力側のトランジスタ１４ｂは、受光素子１の２端子間にソース−ドレイン経路を有するように接続されている。フォトダイオード１１は、カソード側が第１のカレントミラー回路１４と接続され、アノード側が接地されている。また、出力側のトランジスタ１４ｂのドレインは、トランジスタ１２のゲートに接続されていると共に、抵抗１３を介して接地されている。

第２のカレントミラー回路１５は、入力側のトランジスタ１５ａと出力側のトランジスタ１５ｂとが共に、受光素子の２端子間にソース−ドレイン経路を有するように接続されている。また、トランジスタ１５ａおよびトランジスタ１５ｂのゲートは、トランジスタ１２を介して接地されている。また、入力側のトランジスタ１５ａのソースには、定電流源１６が接続されている。さらに、第２のカレントミラー回路１５では、（第１のカレントミラー回路電流）＜（第２のカレントミラー回路電流）に設定されるように、トランジスタ１５ａのトランジスタサイズよりもトランジスタ１５ｂのトランジスタサイズが十分に大きく設定される（例えば１：１００）。

（光センサの動作）
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。

（第１のカレントミラー回路電流）＜（第２のカレントミラー回路電流）に設定することで、このときの受光素子１の出力電圧は上昇し、第１のカレントミラー回路１４のＶＧＳが下がらず、安定した電流が流れる。この状態が、光センサの正常動作状態を意味する（第１のカレントミラー回路１４のＶＧＳが下がると抵抗１３を流れる電流が下がり、トランジスタ１２が動作しなくなるため）。

逆に、光入力がない場合は、第１のカレントミラー回路１４は動作せず、第２のカレントミラー回路１５が動作する。この時、（第１のカレントミラー回路電流）＜（第２のカレントミラー回路電流）に設定されていることにより、受光素子１の出力電圧は降下する。しかしながら、（トランジスタ１５ｂのＶＧＳ＋定電流源１６の電位差）はトランジスタ１２のＶＧＳ＋トランジスタ１４ｂのＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧））より小さく設定できるため、受光素子１の出力電圧が低下しても安定して動作させることができる。

さらに、上記光センサにおける光電流と出力電圧との関係について説明する。光入力がない場合のローレベル出力電圧は、第２のカレントミラー回路電流に依存し、光電流には依存しない。すなわち、上述したように、光入力がない場合には、第２のカレントミラー回路１５が動作しており、第２のカレントミラー１５は、トランジスタ１５ａのトランジスタサイズよりもトランジスタ１５ｂのトランジスタサイズが十分に大きいため、第２のカレントミラー回路電流が受光素子１の出力電圧を十分に降下させる。

一方、光入力がある場合のハイレベル出力電圧は、第１のカレントミラー回路電流に依存するが、カレントミラー回路電流を微小電流に設定することで受光素子１の出力電圧における電圧降下が最小限に抑えられる。この場合は、トランジスタ１２のトランジスタサイズを十分に小さくすれば、光電流が微小であっても、第２のカレントミラー回路１５を速やかにオフすることができる。第２のカレントミラー回路１５がオフされれば、第２のカレントミラー回路電流による受光素子１の出力電圧の降下がなくなるため、光電流が小さい状態であっても、受光素子１の出力電圧は十分に上昇する。

〔実施の形態２〕
（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。

本実施の形態２に係る光センサの回路構成を、図２を参照して説明する。図２に示す光センサは、図１の受光素子１に代えて受光素子２を備えた構成である。図１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２は、受光素子１における第２のカレントミラー回路１５および定電流源１６を有しておらず、これに代えてトランジスタ（電流制御部）２１および抵抗２２を有している。トランジスタ２１は、受光素子１の２端子間にソース−ドレイン経路を有するように接続されており、そのゲートはトランジスタ１２のソースに接続されている。また、抵抗２２は、トランジスタ２１のゲートと、受光素子２の出力検出端子との間に接続されている。

（光センサの動作）
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。

図２に示す光センサにおいても、光入力がある場合に出力がハイレベル電圧となり、光入力がない場合に出力がローレベル電圧となる。すなわち、光入力がある場合には、光電流とトランジスタ１２の駆動電流によって微小な電圧降下が起こる。一方、光入力がない場合には、受光素子２の出力電流はトランジスタ２１の駆動電流で決まり、この電流による電圧降下によって受光素子２の出力電圧がローレベルとなる。受光素子２の出力電圧は、
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。

図６は、本実施の形態２に係る光センサ、図７に示す構成の従来の光センサ、および特許文献２に記載の従来の光センサにおいて、光の入力／非入力を切り替えた場合の出力電圧の変化をシミュレーションした結果である。本実施の形態に係る光センサでは、トランジスタ２１の駆動能力で受光素子２のローレベルの動作範囲が決まるため、外付け抵抗からの動作電圧依存が少ないことが、図６のシミュレーション結果より明らかである（図６では、トランジスタ２１のＶＧＳ（約１．０Ｖ）でローレベル電圧が決定されている）。

〔実施の形態３〕
（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。

受光素子３は、フォトダイオード１１と並列に設けられる電流源として、第３のカレントミラー回路３１および抵抗３２からなる電流源を備えている。また、第３のカレントミラー回路３１における入力側のトランジスタ３１ａは、抵抗３２を介して受光素子３の出力検出端子と接続されている。第３のカレントミラー回路３１における出力側のトランジスタ３１ｂは、フォトダイオード１１と共通の増幅器である第１のカレントミラー回路１４に電流を入力するようになっている。

（光センサの動作）
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。

トランジスタ１２は、抵抗１３に流れる電流がある一定の電流以上となった時にオンする。このため、受光素子３の回路では、例えば第１のカレントミラー回路１４の電流増幅率が１の場合、トランジスタ１２がスイッチングする際に抵抗１３に流れる電流をＩ１、第３のカレントミラー回路３１の出力電流をＩ２とすると、Ｉ１＞Ｉ２となるように設定する必要がある。トランジスタ１２は、Ｉ２＋光電流≧Ｉ１にて動作する。

このように、受光素子３では、第３のカレントミラー回路３１の出力電流が常に第１のカレントミラー回路１４に供給されており、光非入力時にも第１のカレントミラー回路１４を完全にオフせずに動作可能となる。このため、光感度を上げるだけでなく、光入力によるオン／オフ動作を速くすることができる。このため、実施の形態２における受光素子２に比べて応答が速くなるといった利点がある。

〔実施の形態４〕
（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４は、フォトダイオード１１と並列に設けられる電流源として、受光素子３における第３のカレントミラー回路３１および抵抗３２からなる電流源に代えて、バンドギャップ電流源４１を備えている。バンドギャップ電流源４１は、フォトダイオード１１と共通の増幅器である第１のカレントミラー回路１４に電流を入力するようになっている。

（光センサの動作）
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。

図３における電流源は、出力検出電圧が大きくなった場合、外部電源の電圧により、電流源の電流が変動してしまう。このため、例えば外部電源電圧が一定値以上になると光検知してなくても、上記電流源の増加により、光検知しているのと同じ不具合を発生しうる。

このため、例えば図４に示すようなバンドギャップ電流源により、外部電源に依存しない電流を生成すれば、上記不具合を抑制できるため、有益である。

例えば、図４に示すバンドギャップ電流源４１の場合、トランジスタ４２とトランジスタ４３のトランジスタ比を２対１とすれば、ＶＢＥ４２（＝Ｖｔ×ｌｎ（Ｉ４４／２Ｉｓ））＋Ｒ４４×Ｉ４４＝ＶＢＥ４３（＝Ｖｔ×ｌｎ（Ｉ４４／Ｉｓ））であるので、電流源の基準電流（Ｉ４４）は式変形により、Ｖｔ×ｌｎ２／Ｒ４４となる。ここで、ＶＢＥ４２はトランジスタ４２のベースエミッタ間電圧、ＶＢＥ４３はトランジスタ４３のベースエミッタ間電圧、ＶｔはｋＴ／ｑ（ｑは電子の電荷量、Ｔは温度、ｋはボルツマン定数）、Ｉｓは飽和電流、Ｒ４４は抵抗４４の抵抗値である。Ｖｔは常温で２６ｍＶであり、Ｒ４４を１０ｋΩと仮定すると、１．８ｕＡの基準電流が生成される。この電流は、上記式から明らかなように外部電源のパラメータが入っておらず、バンドギャップ電流源４１により、外部電源に依存しない電流を生成可能であることが分かる。

〔実施の形態５〕
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。

受光素子５は、トランジスタ２１と受光素子５の出力検出端子との間に抵抗５１を導入した構成である。これにより、外付け抵抗と抵抗５１との抵抗値の比（抵抗分割）により、変動する電位Ｖｃｃの最小値を設定することが可能である。これにより、外付け抵抗に依存した電圧設定ができるとともに、安定した電圧が得られ、有益である。

すなわち、受光素子５では、光入力が無いときにトランジスタ２１が動作し、トランジスタ２１のドレイン電圧は０Ｖ近くまで減少する。このため、ローレベルの出力電圧は、外付け抵抗と抵抗５１との比により決定され、Ｖｃｃ×Ｒ５１／（Ｒ５１＋外付け抵抗）の電圧値となり、変動する電位の最小値を設定可能となる。

このように、光センサに外付けされる抵抗に対し、内部のドライブ回路におけるプルアップ抵抗との比で変動電位の最小値を決定すれば、外付け抵抗に依存した電圧設定ができるとともに、安定した電圧が得られ、有益である。本光センサは、２端子で動作検出可能であり、製品の小型化が可能であると共に従来のフォトトランジスタからの置き換えが可能であり、非常に効果がある。

〔実施の形態６〕
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。

本実施の形態に係る光センサでは、外付け抵抗の抵抗値により、出力電位がローレベル時の電位が変動し、光電流増幅回路の増幅率を変動することが可能である。例えば図４において、バンドギャップ電流源４１は出力電位がローレベル時に動作限界に近付き、出力電流が減少する。（外付け抵抗値により出力電流を微調整できる。）このため、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（ＩＬＨ）が多く必要になる。（ＩＬＨ＋バンドギャップ電流＝駆動電流のため）
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。

出力電圧がハイレベルからローレベル、あるいはローレベルからハイレベルに変動する時に、出力から入力に配線等を伝って、ノイズが返ってくることがあり、これによって出力電圧が不定となり、ハイレベルとローレベルとの出力を繰り返す症状（チャタリング）が発生することが考えられる。これを抑制するため、ヒステリシス特性を設け、ノイズが返ってもヒステリシス幅を超えないようにすれば、ノイズにより出力が反転することが無くなる。このように、ヒステリシス幅を外付け抵抗により調整すれば、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。

〔実施の形態７〕
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。

実施の形態６では、ヒステリシス幅を外付け抵抗により調整しているので、ヒステリシス幅が外付け抵抗の抵抗値に依存する。このため、外付け抵抗の抵抗値をより広い範囲で使用することが制限されてしまう。

そこで、本実施の形態では、ヒステリシス幅の抵抗値依存性を低下させるために、受光素子６を用いている。

図１０に示すように、受光素子６は、基本的には、受光素子５と同様に構成されているが、バンドギャップ電流源４１の電流量を調整することによりヒステリシス幅を調整することが受光素子５と異なる。バンドギャップ電流源４１の電流量は、前述のように抵抗４４の抵抗値によって決定されるので、その抵抗値を適宜設定すれば、所望の値に設定される。

例えば、１０ｎＡの光電流に対して、バンドギャップ電流源４１の電流量を２ｎＡとする。また、２端子間の電位差が最小となるとき、バンドギャップ電流源４１がオフするため、その電流が０Ａとなる。この場合、２端子間の最大の電位差（Ｖｍａｘ）および２端子間の最小の電位差（Ｖｍｉｎ）は、光電流からバンドギャップ電流源４１の電流量を減じた値に比例する。したがって、ＶｍａｘとＶｍｉｎとの比Ｒ（ヒステリシス）は、次の式で表される。

Ｒ＝Ｖｍａｘ／Ｖｍｉｎ
＝（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。

ここで、本実施の形態の比較例について説明する。

例えば、図１１に示す光センサは受光素子２００を備えている。この受光素子２００は、バンドギャップ電流源４１と同等の機能を有するバンドギャップ電流源２００を有しているが、このバンドギャップ電流源２００は電流量が上記のように調整されていない。また、受光素子２００において、トランジスタ１２と固定電位側の端子との間に抵抗２０２が接続されている。

上記のように構成される受光素子２００においては、抵抗２０２の両端の電位差によりヒステリシス特性を得ることができる。しかしながら、トランジスタ２１が動作したときの２端子間の電位差が最低となるとき、抵抗２０２による電位差分だけ、ローレベル電圧（固定電位側の端子の電位）が上昇するため、２端子間の電位差を充分に確保することができない。

したがって、抵抗を付加することによらず、前述のようにバンドギャップ電流源４１の電流量と光電流との比によって、ヒステリシス幅を調整（設定）することが好ましい。

〔実施の形態８〕
（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。

フォトダイオード１１自身の有する容量等により、光電流をオン／オフするときに、動作遅延が起きるので、応答特性が悪くなりえる。このため、実施の形態３では、光電流と並列に電流源（第３のカレントミラー回路３１）を設けている。しかしながら、このような構成では、電流源の電流のばらつきにより光感度特性が変動することから、この電流のばらつきによって、光感度特性が低下することが懸念される。

そこで、本実施の形態では、フォトダイオード１１のアノード−カソード間を常にゼロバイアスとすることにより、電流源の電流の影響を受けなくするように構成している。

受光素子７は、このための構成として、図１２に示すように、ゼロバイアス回路７１と、抵抗７２とを備えている。

ゼロバイアス回路７１は、トランジスタ７１ａ，７１ｂからなる。トランジスタ７１ａは、ゲートとドレインとが接続（ダイオード接続）されており、ドレインが固定電位側の端子に接続されている。また、抵抗７２は、一端が出力検出端子に接続され、他端がトランジスタ７１ａのソースに接続されている。一方、トランジスタ７１ｂは、ソースがカレントミラー回路１４におけるトランジスタ１４ａのドレインと接続され、ドレインがフォトダイオード１１のカソードに接続されている。トランジスタ７１ａ，７１ｂは、ゲート同士が接続されることにより、カレントミラー回路を構成している。

（光センサの動作）
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。

このように、フォトダイオード１１のバイアスをゼロとすることにより、フォトダイオード１１は、光電流の流入時にも、自身の容量を充電する必要が無くなる。これにより、実施の形態３で用いたような電流源を省略することが可能となるので、電流源の電流量が削減されると共に、電流量のばらつきを抑制できる。したがって、光感度特性のばらつきを抑制できると共に、より小さい電流でも駆動することが可能となるので、有益である。

（ゼロバイアス調整の詳細）
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。

そこで、本実施の形態では、例えば、トランジスタ７１ａのサイズをトランジスタ７１ｂのサイズの１０倍の比率となるように、トランジスタ７１ａ，７１ｂを形成する。これにより、併置されるトランジスタ７１ａ，７１ｂ同士でＶＧＳを同等とし、そのばらつきを無くすことができる。したがって、フォトダイオード１１のカソードの電位を、よりゼロバイアスに近づけることができる。

このように、本実施の形態では、フォトダイオード１１に接続される回路のトランジスタの数を少なくすることで、ＶＧＳのバランスを取ることが可能となる。したがって、フォトダイオード１１のバイアスを容易にゼロに制御することができるので、有益である。

なお、トランジスタ７１ａ，７１ｂのサイズの比率については、１０倍に限定されるものではなく、回路の設計仕様に応じて、トランジスタ７１ａのサイズがトランジスタ７１ｂのサイズより大きくなるように適宜設定される。

〔実施の形態９〕
（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。

本実施の形態の光センサにおいて、受光素子８は、前述の受光素子７の抵抗７２をバンドギャップ電流源８１に置き換えた構成である。このバンドギャップ電流源８１は、前述のトランジスタ７１ａに電流を流すトランジスタ８１ａを有している。このトランジスタ８１ａは、出力検出端子とトランジスタ７１ａとの間に接続されており、前述の抵抗７２が配置されている位置と同じ位置に配置されている。

（光センサの動作）
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。

バンドギャップ電流源８１において、出力する電流値は、バンドギャップ電圧を発生するトランジスタ８１ｂ，８１ｃおよび抵抗８１ｄで決定される。ここで、バイポーラトランジスタであるトランジスタ８１ｂ，８１ｃのサイズの比が２：１であるので、バンドギャップ電流源８１の基準電流Ｉｒは、次式で表される。

Ｉｒ＝Ｖｔ×ｌｎ２／Ｒ
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。

Ｖｔは常温で２６ｍＶであるので、Ｒの値を１０ｋΩとすると、１.８ｕＡの基準電流Ｉｒが生成される。

上式において、電源電圧Ｖｃｃ（外部電源の電圧値）が含まれていないことから、基準電流Ｉｒは電源電圧Ｖｃｃの依存性がないことが分かる。また、温度特性はＶｔが−２ｍＶ／℃で変動するため、抵抗８１ｄとして温度特性を高温で上昇するデバイスを用いれば、温度依存性も抑制することができる。

これにより、ゼロバイアス回路７１に供給する電流を電源電圧Ｖｃｃや温度による影響が軽減されるので、電流値のばらつきを抑えることができる。それゆえ、ゼロバイアス回路７１に供給する電流を、電源電圧Ｖｃｃや温度の影響による変動分を抑えて小さくすることができる。

したがって、ゼロバイアス回路７１に流れる電流を最小に設定することで、受光素子８の２端子間の最大の電位差として、より大きな値を得ることができるので、有益である。

〔実施の形態１０〕
（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。

前述の受光素子９において、２端子間の電位差が降下するとき、バンドギャップ電流源８１が動作せず、電流値が不十分となる場合がある。これは、バンドギャップ電流源８１において、トランジスタ８１ｂ，８１ｃのそれぞれにＭＯＳトランジスタが接続されることから、トランジスタ回路が２端子間に２段配置されることになる。このため、光電流が流れないときには、トランジスタ２１がオンするため、２端子間の電圧が降下するときに、２端子間でオンしているのは、このトランジスタ２１のみ（１段）となるので、バンドギャップ電流源８１における２段構成のトランジスタ回路に印加する電圧が不十分となる。このため、バンドギャップ電流源４１の動作が不十分になるおそれがある。

そこで、本実施の形態の光センサは、上記の不都合を回避するように構成されている。具体的には、図１４に示すように、受光素子９は、受光素子８に、さらにトランジスタ９１および第４のカレントミラー回路９２を追加して構成されている。

トランジスタ９１（電流供給回路）は、ゲートがトランジスタ２１のゲートに接続され、ドレインが固定電位側の端子に接続されている。第４のカレントミラー回路９２（電流供給回路）は、トランジスタ９２ａ，９２ｂからなる。トランジスタ９２ａは、ソースが出力検出端子に接続され、ドレインがトランジスタ９１のソースに接続されている。また、トランジスタ９２ａは、ドレインがゲートに接続されている。一方、トランジスタ９２ｂは、ソースが出力検出端子に接続され、ドレインがゼロバイアス回路７１ａ，７１ｂのゲートに接続されている。さらに、トランジスタ９２ａ，９２ｂのゲートが互いに接続されている。

（光センサの動作）
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。

これにより、バンドギャップ電流源８１からの電流Ｉａが不足しても、その不足分を電流Ｉｂで補うことができる。それゆえ、ゼロバイアス回路７１へ十分に電流を供給することができる。

このように、本実施の形態では、２端子間の電位差の上昇時に、バンドギャップ電流源８１による電流Ｉａをゼロバイアス回路７１に供給し、２端子間の電位差の降下時に、抵抗９１および第４のカレントミラー回路９２による電流Ｉｂをゼロバイアス回路７１に供給する。これにより、２端子間の電位差の降下時に電流不足によるゼロバイアス回路７１の動作が遅延することを回避できる。したがって、ゼロバイアス回路７１の動作を安定させることができ、有益である。

〔実施の形態１１〕
（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。

トランジスタ２１のスイッチング動作の速度は、受光素子１０の応答特性を決定するため、より高速であることが求められる。そこで、本実施の形態の光センサは、トランジスタ２１のスイッチング動作を速めることができるように構成されている。

具体的には、図１５に示すように、受光素子１０は、前述の受光素子４における抵抗２２をトランジスタ１１１，１１２と置き換えて構成されている。

トランジスタ１１１は、ドレインがトランジスタ１２のソースに接続され、ゲートがトランジスタ１２のゲートに接続されている。これにより、トランジスタ１２とトランジスタ１１１とが２つの相補型トランジスタとなって、トランジスタ２１のスイッチング制御を行うインバータ１１３を構成する。

トランジスタ１１２は、ソースが出力検出端子に接続され、ドレインがトランジスタ１１１のソースに接続されている。また、トランジスタ１１２は、ゲートとドレインとが接続されることにより、ダイオードを形成している。

（光センサの動作）
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。

一方、入力光量が減少することにより光電流が減少するときは、第１のカレントミラー回路１４で増幅される電流が減少するので、抵抗１３の端子間電圧が低下する。すると、トランジスタ１２，１１１のゲート−ソース間電圧がインバータ１１３のスレッシュホールド電圧にまで低下すると、トランジスタ１２がオフし、トランジスタ１１１がオンする。これにより、トランジスタ２１がオンするので、２端子間の電位差が低下する。

このように、トランジスタ２１のオン／オフ時は、必ずトランジスタ１２またはトランジスタ１１１の何れかがオン動作する。これにより、トランジスタ２１は、より高速で動作することが可能となる。したがって、光センサの応答速度を向上させることができるので、有益である。

なお、受光素子１０において、抵抗１３の端子間電圧に依存してトランジスタ１１１をスイッチングさせる必要があるため、トランジスタ１１１のソース電圧を下げておく必要がある。つまり、第１のカレントミラー回路１４のソース−ドレイン間電圧に依存して、トランジスタ１１１がスイッチングするのを防ぐ必要がある。このため、ダイオードとして機能するトランジスタ１１２をトランジスタ１１１とに直列に配置している。

また、これにより、２端子間の電圧下降、および上昇に伴いインバータ１１３の動作点を、出力がハイレベル状態からローレベル状態に変動するときと、出力がローレベル状態からハイレベル状態に変動するときとで異ならせることができる。したがって、ヒステリシス特性を得ることが可能となる。

〔実施の形態１２〕
（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。

前述のように、実施の形態１１の光センサは、受光素子１０がインバータ１１３を備えることにより、トランジスタ２１が高速でスイッチング動作することができる。しかしながら、２端子間の電位差が降下するとき、トランジスタ１１１のゲート−ドレイン間は、トランジスタ２１がスイッチング動作してから徐々に電位差が減り、電流が減少する。このため、受光素子１０の応答速度が徐々に低下していく。

そこで、本実施の形態の光センサは、このような不都合を回避することができるように構成されている。

具体的には、図１６に示すように、受光素子２１１は、受光素子１０に、さらに抵抗１１４を追加して構成されている。

抵抗１１４は、出力検出端子とトランジスタ２１のゲートとの間に接続されている。これにより、２端子間の電位差の降下が抵抗１１４で補助されるので、応答速度の低下を防ぐことが可能となる。

ところで、受光素子２１１における各トランジスタをＭＯＳトランジスタで構成すれば、ドーズ量を調整することにより、トランジスタの動作スレッシュホールドレベルを変えることが可能である。例えば、２端子間の電位差を生じさせるために電流を発生させるトランジスタ（受光素子２１１においてはトランジスタ２１）の動作スレッシュホールドレベルを０．７Ｖより低く設定しておく。通常、本実施形態の光センサの検出信号を受けるデバイスがダイオード電圧である０．７Ｖにスレッシュホールドレベルを設けるためである。

これにより、２端子間の電位差をより大きくすることができる。したがって、受光素子２１１の動作範囲を広げることができるので、有益である。

〔実施の形態１３〕
（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。

実施の形態１２の光センサは、スレッシュホールドレベルの低いトランジスタを用いた場合、高温におけるトランジスタ２１のオフ時にリーク電流が生じることが懸念される。このようなリーク電流が生じると、本来、２端子間の電位差が上昇するときに、２端子間の電位差が低下してしまうという不都合が生じる。

そこで、本実施の形態の光センサは、このような不都合を回避することができるように構成されている。

具体的には、図１７に示すように、受光素子２１２は、受光素子２１１に、さらにトランジスタ１２１（補助トランジスタ）を追加して構成されている。トランジスタ１２１は、ドレインが出力検出端子に接続され、ソースがトランジスタ２１のドレインに接続され、ゲートがトランジスタ２１のゲートに接続されている。このように、トランジスタ１２１は、トランジスタ２１と縦続接続されている。

これにより、トランジスタ２１のドレイン電圧を下げると、オフ時のリーク電流を１／１０以上に減少させることが可能となる。それゆえ、トランジスタ２１のオフ時のリーク電流を大幅に減少させることができる。特に、スイッチング動作するトランジスタ２１は、大電流を流すために、大きいサイズに形成される必要があるので、リーク電流がそれだけ大きくなりやすい。したがって、２端子間の電位差の上昇時に２端子間の電位差の低下を抑制することができるので、有益である。

ところで、トランジスタ１２は、スレッシュホールドレベルの温度特性の変動が大きいと、誤動作する可能性がある。これは、ＭＯＳトランジスタのスレッシュホールドレベルが高温で低下することによる。一方、電流−電圧変化に用いる抵抗は、例えば拡散抵抗を用いると、抵抗値が高温で上昇するため、感度に大きな温度特性を生じてしまう。

そこで、本実施の形態の光センサは、このような不都合を回避することができるように、抵抗１３（バイアス抵抗）が負の温度特性を有する抵抗（例えばポリシリコン抵抗）で構成されている。これにより、ＭＯＳトランジスタであるトランジスタ１２の温度特性と抵抗１３の温度特性とを相殺することが可能となる。したがって、受光素子２１２の温度特性の変動を抑制することができるので、有益である。

〔実施の形態１４〕
（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。

実施の形態９の光センサは、光の有無を検出することができるものの、光の通過量については検出することができない。

そこで、本実施の形態の光センサは、光の通過量を検出することができるように構成されている。

具体的には、図１８に示すように、受光素子２１３は、受光素子８に、さらにトランジスタ１３１〜１３４、トランジスタ１３５ａ〜１３５ｃ、抵抗１３６、抵抗１３７ａ，１３７ｂおよび抵抗１３８ａ〜１３８ｃを切替回路として追加して構成されている。

抵抗１３６は、トランジスタ１２，２１のドレインと固定電位側の端子との間に接続されている。抵抗１３６ａ，１３６ｂは、トランジスタ１４ｂと抵抗１３との間に直列に接続されている。

トランジスタ１３５ａ〜１３５ｃは、ゲートがバンドギャップ電流源８１におけるトランジスタ８１ａのゲートに接続され、ソースが検出出力端子に接続されている。トランジスタ１３５ａのドレインは、トランジスタ１２のソースに接続されている。抵抗１３８ａは、検出出力端子とトランジスタ２１のソースとの間に接続されている。

トランジスタ１３１は、ゲートが抵抗１３７ａ，１３７ｂの接続点に接続され、ソースがトランジスタ１３５ｂのドレインに接続され、ドレインが抵抗１３６の他端に接続されている。

抵抗１３８ｂは、一端が検出出力端子に接続されている。トランジスタ１３２は、ゲートがトランジスタ１３１，１３５ｂの接続点に接続され、ソースが抵抗１３８ｂの他端に接続され、ドレインが抵抗１３６の他端に接続されている。

トランジスタ１３３は、ゲートが抵抗１３，１３７ａの接続点に接続され、ソースがトランジスタ１３５ｃのドレインに接続され、ドレインが抵抗１３６の他端に接続されている。

抵抗１３８ｃは、一端が検出出力端子に接続されている。トランジスタ１３４は、ゲートがトランジスタ１３３，１３５ｃの接続点に接続され、ソースが抵抗１３８ｃの他端に接続され、ドレインが抵抗１３６の他端に接続されている。

（光センサの動作）
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。

まず、光量が少ない場合、トランジスタ１２のみがオンする（状態Ａ）。さらに光量が増加すると、抵抗１３７ａ，１３７ｂ間の電位が上昇することにより、トランジスタ１３１もオンする（状態Ｂ）。さらに光量が増加すると、抵抗１３，１３７ａ間の電位が上昇することにより、トランジスタ１３３もオンする（状態Ｃ）。

これにより、状態Ａでは、外付け抵抗と抵抗１３８ａとの抵抗値による分圧で出力電圧の値が決まっていたのが、状態Ｂでは、外付け抵抗と抵抗１３８ａ，１３８ｂの合成抵抗との抵抗値による分圧で出力電圧の値が決まる。それゆえ、状態Ｂでは、状態Ａよりも出力電圧を低くすることができる。また、状態Ｃでは、外付け抵抗と抵抗１３８ａ〜１３８ｃの合成抵抗との抵抗値による分圧で出力電圧の値が決まる。したがって、より出力電圧を低くすることができる。

このようにして、受光素子２１３では、３段階で出力電圧値を可変することが可能となり、光の通過量を検出することができる。また、このような回路構成を複数設けることにより、さらに細かく出力電圧を可変することが可能であるので、光の通過量の検出精度が向上する。

なお、抵抗１３７ａ，１３７ｂの抵抗値を０Ωとし、トランジスタ１２，１３１，１３３のスレッシュホールドレベルをそれぞれ変更することによっても、上記と同様に出力電圧を可変することが可能となる。

〔実施の形態１５〕
（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。

前述の各実施の形態では、光電変換素子としてフォトダイオード１１を用いた例を説明している。

一般に、フォトダイオードを用いた受光素子は、基板表面の近傍で回路を構成するため、基板の抵抗成分を除去するように、受光素子の表面に電極が設けられている。

一方、従来、受光素子の光電変換素子として用いられているフォトトランジスタは、基板のＰもしくはＮ拡散と表面のＮもしくはＰ拡散とにより構成されているので、一般に受光素子の裏面に電極が設けられている。このような電極構造により、小型の光センサを実現することができる。

本実施の形態の光センサは、図１９に示すように、受光素子２１４が、図１に示す光センサにおける受光素子１のフォトダイオード１１をフォトトランジスタ１４１（光電変換素子）に置き換えて構成されている。受光素子２１４は、このように光電変換素子としてフォトトランジスタ１４１を有することにより、図２０に示すように、受光素子２１４は、表面に１つのパッドが設けられると共に、チップの裏面に１つの裏面電極１４３が設けられる。これにより、上記の受光素子２１４は、基板１４４（フレーム）上の端子１４５にダイボンドされると共に、パッド１４２が基板１４４上の端子１４６とワイヤ１４７により接続される。

このように、受光素子２１４は、一般に広く用いられているフォトトランジスタ１４１を用いることにより、従来のパッケージ構造を利用することができるので、有益である。これに対し、フォトダイオード１１を用いる受光素子１〜１３は、上記のようなパッケージ構造を利用しようとすれば、裏面電極１４３と同様の電極を設ける必要がある。このため、新たなパッケージ構造を導入する必要がある。

なお、本実施の形態では、図１に示す実施の形態１の光センサについてフォトダイオード１１をフォトトランジスタ１４１に置き換えた例について説明した。これに限らず、実施の形態２〜１４の光センサについても、上記と同様にしてフォトダイオード１１をフォトトランジスタ１４１に置き換えてもよい。

〔実施の形態１６〕
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。

また、本発明の光センサは、煙センサ、近接センサ、測距センサ等で十分な容積を確保できないもの等に用いても好適である。煙センサ、近接センサ、測距センサ共に、フォトダイオードを用いた検出器で構成可能である。煙センサは、発光−受光間を遮る煙の量による感度の変動をセンシングしており、近接センサ、測距センサはともに発光側から照射され、検出物により反射した受光量をセンシングしている。よって何れのセンサにおいても本発明を適用すれば２端子において正確なセンシングが可能となり有益となる。

（複写機の構成）
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。

図２１に示すように、複写機３０１は、本体３０２の上部に設けられる原稿台３０３に載置された用紙に光源ランプ３０４の光を照射し、原稿からの反射光をミラー群３０５およびレンズ３０６を介して帯電された感光体ドラム３０７に照射して露光する。また、複写機３０１は、露光により感光体ドラム３０７に形成された静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成する。さらに、複写機３０１は、手差し給紙トレイ３０８や給紙カセット３０９，３１０から搬送系３１１を介して供給される用紙に感光体ドラム３０７上のトナー像を転写させ、さらに定着装置３１２にてトナー像を定着させた後、本体３０２の外部に排出する。

上記のように構成される複写機３０１においては、各部の位置や用紙の通過を検出するために光センサＳ１〜Ｓ１２が配置されている。

光センサＳ１〜Ｓ４は、原稿の光走査方向に移動するミラー群３０５の一部の位置を検出するために配置されている。光センサＳ５，Ｓ６は、ミラー群３０５の一部とともに移動するレンズ３０６の位置を検出するために配置されている。光センサＳ７は、感光体ドラム３０７の回転位置を検出するために配置されている。

光センサＳ８は、手差し給紙トレイ３０８上の用紙の有無を検出するために配置されている。光センサＳ９は、上段の給紙カセット３０９から給紙された用紙の搬送の有無を検出するために配置されている。光センサＳ１０は、下段の給紙カセット３１０から給紙された用紙の搬送の有無を検出するために配置されている。

光センサＳ１１は、感光体ドラム３０７からの用紙の分離を検出するために配置される。光センサＳ１２は、複写機３０１の外部への用紙の排出を検出するために配置される。

上記のように、複写機３０１は、多数の光センサＳ１〜Ｓ１２を有している。そこで、これらの光センサＳ１〜Ｓ１２として、前述の各実施の形態の光センサを用いることにより、光センサＳ１〜Ｓ１２による複写機３０１の高機能化を図ることができる。

なお、上記の例では、便宜上、光センサＳ１〜Ｓ１２を挙げて説明したが、実際の複写機には、より多数の光センサが用いられていることが多い。したがって、このような電子機器には、上記の効果がより顕著となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、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気製品等に利用することができる。

１〜１０ 受光素子
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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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