JPH02308575A - 光検出セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、例えば変位検出用光センサ等として用いら
れるもので、受光素子とその信号処理回路とを１チツプ
に集積化することのできる光検出セルに関するものであ
る。

（従来の技術） 受光素子とその信号処理回路とを１チツプに集積化する
ようにした従来の光検出回路としては、例えば第９図に
示すようなものがある（シャープ技報、第２６号、ｐ１
２７〜１３０．昭和５８年６月）。同図中、１はフォト
ダイオード、２は増幅器、３は出力にヒステリシス特性
を持たせるためのシュミットトリガ回路、４は出力トラ
ンジスタ、５はその負荷抵抗、６は安定化電源である。

そして、逆バイアスされたフォトダイオード〕に光が入
射すると、微小な光電流が流れる。この光電流は増幅器
２で増幅されるとともに電圧変換され、シュミットトリ
ガ回路３に入力される。シュミットトリガ回路３は、そ
の入力がある一定のレベルを越えると出力側がオンとな
り、入力がそれよりも低い他のレベルを下回るとオフに
なるというヒステリシス特性を持っている。このシュミ
ットトリガ回路３の出力で出力トランジスタ４が駆動さ
れ、“０”、“１”の２値レベル信号が外部に取出され
る。このように、従来の光検出回路は、所定の大きさの
ヒステリシスを持って入射光の光強度を基準電圧と比較
し、それに対応した“０”、“１“信号を出力してノイ
ズ成分等で動作が不安定になるのを防止するようにして
いる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の光検出回路は、光電流の検出部が増幅器とシュミ
ットトリガ回路で構成されていたため、素子数が多くな
ってチップ占有面積が大きくなり、またその増幅器で電
圧変換してから基準電圧と比較するようになっていたた
め、増幅後の基準ＤＣレベルがばらついて誤差要因が増
えることにより、感度ばらつきが大きくなり、さらには
温度依存性も大きいという問題があった。そして、この
問題は、特に多チャネルのフォトダイオードとその光電
流を検出する検出部を構成する場合に顕著になっていた
。

そこで、この発明は、標準的なゲート回路等を用いるこ
とにより１チツプにコンパクトに集積化することかでき
、また感度ばらつきが殆んどなく高精度に光検出を行う
ことのできる光検出セルを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は上記課題を解決するために、第１の光量レベ
ルの入射光を検出して２値レベル信号を出力する第１の
光検出手段と、前記第１の光量レベルよりも所要値だけ
大なる第２の光量レベルの入射光を検出して２値レベル
信号を出力する第２の光検出手段と、前記第１の光検出
手段の出力に対応した２値レベル信号をラッチする第１
の論理セルと、前記第２の光検出手段の出力に対応した
２値レベル信号をラッチする第２の論理セルと、前記第
１の論理セル及び第２の論理セルの各出力を入力して前
記第１の光量レベルと第２の光量レベルのレベル差に対
応したヒステリシス特性を有する２値レベル出力をする
出力論理セルとを有することを要旨とする。

（作用） 上記構成において、第１、第２の光検出手段には、例え
ばブリップフロップ形光センサを用いることができ、ま
た第１、第２の論理セル及び出力論理セルは標準的なゲ
ート回路を用いて構成することができてセル全体を１チ
ツプにコンパクトに　・集積化することが可能となる。

そして第１の光検出手段で第１の光量レベルの入射光が
検出され、第２の光検出手段で第１の光量レベルよりも
所要値だけ大なる第２の光量レベルの入射光が検出され
る。次いで第１、第２の各光検出手段の出力に対応した
２値レベル信号が第１、第２の論理セルにそれぞれラッ
チされ、この第１、第２の論理セルの各出力が出力論理
セルに入力され、入射光の第１の光量レベルと第２の光
量レベルのレベル差に対応したヒステリシス特性を有す
る２値レベル信号が出力されてノイズ成分等で動作が不
安定になるのが防止される。

上述のように、第１、第２の論理セルのラッチ機能によ
り、後段の同期クロックが不要とされて構成が簡易化さ
れ、一層の集積容易化が図られる。

また、従来例のように、一旦電圧変換してから基準電圧
と比較することによりヒステリシス特性を有する出力を
得るものではないため、これに起因する感度ばらつきが
殆んどなく、高精度の光検出が実現される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を第１図ないし第６図に基づい
て説明する。

まず、光検出セルの構成を説明すると、第１図中、１０
は第１の光電“出手段としての第１のフリップフロップ
形光センサであり、第２図に示すように、２個のトラン
ジスタ７．８と、その各負荷抵抗３９．４０とで構成さ
れている。２９．３゜はそれぞれ出力端子、２７．２８
は電源端子であり、この両電源端子２７．２８の間にパ
ルス電源が接続されるようになっている。

トランジスタ７．８は、それぞれベース面積が大きく形
成されＣおり、一方のトランジスタ７は、そのベースに
入射光が照射されてフォトトランジスタとして機能する
ようになっている。これに対し、他方のトランジスタ８
は、そのベースにＡｌｌ膜等の光不透過膜が被着されて
通常のトランジスタとして機能するようになっている。

また、部品のばらつきによる回路の非対称性や雑音等に
拘らず入射光がゼロ入力のときはトランジスタ８がオン
となって出力端子３０の出力が常に“０”となり、また
後述するように第１の光量レベルの入射光で反転動作が
生じるように、負荷抵抗４０の抵抗値は、他の負荷抵抗
３９の抵抗値よりも十分に大に設定されている。なお、
入射光がゼロ入力のとき、トランジスタ８を常にオンと
するためには、トランジスタ８のエミッタ面積を、トラ
ンジスタ７のそれよりも所要面積だけ大に設定するよう
にしてもよい。

１１は第１の論理セルであり、２個のインバータ１２ａ
、１３ａと４個のＮＯＲゲート１４ａ１１５ａ、１６ａ
、１７ａで構成されている。これらは何れも標準的なゲ
ートが用いられており、これらの各ゲートのうち、２個
のＮＯＲゲート１６ａ、１７ａでラッチ機能を有するフ
リップフロップが構成されている。３３．３４は第１の
論理セルの出力端子である。

そして、第１のフリップフロップ形光センサ１０の各出
力端子２９．３０がインバータ１２ａ１１３ａにそれぞ
れ接続されている。また、ＮＯＲゲート１４ａの２個の
入力端子には、第１のフリップフロップ形光センサ１０
の出力端子３０とインバータ１２Ｈの出力端子とがそれ
ぞれ接続され、他のＮＯＲゲート１５ａの２個の入力端
子には、第１のフリップフロップ形光センサ１０の出力
端子２９とインバータ１３ａの出力端子とがそれぞれ接
続されている。さらに、各ＮＯＲゲート１４ａ、１５ａ
の出力端子は、２個のＮＯＲゲート１６ａ、１７ａで構
成されたフリップフロップの入力端子にそれぞれ接続さ
れている。

このように、第１のフリップフロップ形光センサ１０が
、その出力に対応した２値レベル信号をラッチする第１
の論理セル１１に接続されて第１のセル２０が構成され
ている。

一方、１８は第２の光検出手段としての第２のフリップ
フロップ形光センサであり、前記第１のブリップフロッ
プ形光センサ１０と同様に、フォトトランジスタを含む
２個のトランジスタとその各負荷抵抗とで構成されてい
る。第２のフリップフロップ形光センサ１８における２
個の負荷抵抗の抵抗値の間には、第１のフリップフロッ
プ形光センサ１０における両負荷抵抗の抵抗値間のオフ
セットよりも所要量だけ大なるオフセットが設定されて
いる。後述するように、このオフセットにより、第２の
フリップフロップ形光センサ１８は、第１のフリップフ
ロップ形光センサ１０よりも所要レベルだけ大なる第２
の光量レベルの入射光で反転動作が生じるようになって
いる。

１９は第２の論理セルであり、前記第１の論理セル１１
と同様に、２個のインバータ１２ｂ１１３ｂと４個のＮ
ＯＲゲート１４ｂ、１５ｂ。

１６ｂ、１７ｂで構成され、このうち２個のＮＯＲゲー
ト１６ｂ、１７ｂでラッチ機能を有するフリップフロッ
プが構成されている。３５．３６は第２の論理セルの出
力端子である。

そして、第２のフリップフロップ形光センサ１８が、そ
の出力に対応した２値レベル信号をラッチする上述の第
２の論理セル１９に接続されて第２のセル２１が構成さ
れている。

２２は出力論理セルであり、４個のＮＯＲゲート２３．
２４．２５．２６で構成され、このうち２個のＮＯＲゲ
ート２５．２６でフリップフロップが構成されている。

このフリップフロップの入力端子に、他の２個のＮＯＲ
ゲート２３．２４の各出力端子がそれぞれ接続されてい
る。３８はその出力端子である。

ＮＯＲゲート２３の２個の入力端子には、第１の論理セ
ル１１の出力端子３３と第２の論理セル１９の出力端子
３５がそれぞれ接続され、他のＮＯＲゲート２４の２個
の入力端子には、第１の論理セル１１の出力端子３４と
第２の論理セル１つの出力端子３６がそれぞれ接続され
ている。

出力論理セル２２により、第１の論理セル１１及び第２
の論理セル１９の各出力を人力して、入射光の第１の光
量レベルと第２の光量レベルのレベル差に対応したヒス
テリシス特性′を有する２値レベル信号が出力されて、
ノイズ成分等で動作が不安定になるのが防止されるよう
になっている。

上述の第１、第２のセル２０．２１及び出力論理セル２
２は標準的なディジタルＩＣプロセスで製造することが
でき、これらの各セルは１チ・ノブにコンパクトに集積
化されている。

次に、上述のように構成された光検出セルの作用を、第
３図ないし第６図を用いて説明する。

第１のフリップフロップ形光センサ１０における電源端
子２７に、パルス電源から第３図（ａ）に示すような電
源電圧が与えられると、両負荷抵抗３９．４０の抵抗値
のオフセットから、まずトランジスタ８がオンとなって
出力端子２９の出力が“１”、他の出力端子３０の出力
は“０”に設定される（第３図（ｂ））。このとき、電
源電圧の印加時等において両出力端子２９．３０の出力
が過渡的に“０“、“０“、又は“１”、“１”の不安
定状態が生じるが、この不安定状態は後述するようにラ
ッチ機能を有する第１の論理セル１１により吸収される
。

第２のフリップフロップ形光センサ１８も電源電圧の印
加当初は、第１のフリップフロップ形光センサ１０と同
様に、出力端子３１の出力が“１゜、他の出力端子３２
の出力が“０”に設定されている。

次いで、このような設定状態において、入射光としての
光ビーム（第４図（ａ））がフォトトランジスタに投射
されると、第１のフリップフロ・ツブ形光センサ１０は
、その第１の光量レベルＬ、において反転動作し、出力
端子２９の出力が“０”、他の出力端子３０の出力が“
１”となる。一方、第２のフリップフロップ形光センサ
１８は第２の光量レベルＬ２において反転動作し、出力
端子３１の出力が“０”、他の出力端子３２の出力が“
１”となる。

第５図は、上述のような第１のフリップフロップ形光セ
ンサ１０の２値レベル出力に対する第１の論理セル１１
の出力関係を示しており、インノ（−夕１．２　ａ、１
３ａの信号反転動作、ＮＯＲゲート１４ａ、　１５ａの
論理動作、ＮＯＲゲート１、６　ａ、１７ａからなるフ
リップフロップの反転及びラッチ動作により次のような
論理がなされる。

即ち、端子２９．３０からの入力信号“０”、“１“対
し、出力端子３３．３４にはこれに対応した“１”、“
０”出力がラッチされ、また、入力信号“１”、“０”
に対しては、出力端子３３．３４にこれに対応した“０
”、“１”出力がう・ソチされる。そし２て、入力信号
“０”、“０″又は“１”、“１”の不安定状態に対し
ては、各出力端子３３．３４には、その直前の入力信号
時の各出力がそのままラッチされて不安定状態が吸収さ
れる。

第２の論理セル１９についても、第１の論理セル１１と
同様の論理がなされ、入力端子３１．３２からの入力信
号“０”、“１”に対し、出力端子３５．３６には、こ
れに対応した“１”、“０”出力がラッチされ、また、
入力信号“１”、０′に対しては、出力端子３５．３６
には、これに対応した０“、“１”出力がラッチされる
。

次いで、第１の論理セル１１の各出力端子３３．３４か
らの２値レベル信号及び第２の論理セル１９の各出力端
子３５．３６からの２値レベル信号か出力論理セル２２
に入力されて、入射光の第１の光量レベルＬ１と第２の
光量レベルＬ２のレベル差に対応したヒステリシス特性
を有する２値レベル信号が出力され、ノイズ成分等で動
作が不安定になるのが防止される。

第４図のタイミングチャート及び第６図の論理テーブル
は、この出力論理セル２２の入出力関係を示している。

端子３３．３４．３５．３６からの入力信号が“０”、
“１″、“０”、“１”のとき、出力論理セル２の出力
端子３８の出力は“１”となり、入力信号が“１”、“
０“、“１″、“０”のとき、出力端子３８の出力は“
０”となる。また、入力信号が“０”、“１“、“１″
、“０”及び“１”、０″、”ｏ”、“１″では、その
直前の入力信号時の出力状態がそのまま保持される。

このように第１、第２の両ブリップフロップ形光センサ
１０．１８で、それぞれ第１の光量レベルＬ＋及び第２
の光量レベルＬ２の入射光が検出され、両ブリップフロ
ップ形光センサ１０．１８の出力がそれぞれ切換ったと
きに、出力論理セル２２からその第１、第２の光量レベ
ルＬ、　、Ｌ２のレベル差に対応したヒステリシス特性
を有する２値レベル信号″１″、“０”が出力されて光
検出が行われる。

上述のように、この実施例の光検出セルは、第１、第２
の論理セル１１．１９のラッチ機能により、後段の同期
クロックが不要とされて回路構成が簡易化される。また
、従来例のように、一旦電圧変換してから基準電圧と比
較してヒステリシス特性を有する出力を得るものではな
いため、これに起因する感度ばらつきがなく高精度の光
検出が実現される。

次いで、第７図には、フリップフロップ形光センサの第
１の変形例を示す。この変形例では、フリップフロップ
を構成する両トランジスタ８　ａ　％８ｂは通常のトラ
ンジスタが用いられ、受光素子としてはフォトダイオー
ド３７が用いられ、このフォトダイオード３７がトラン
ジスタ８ｂのベース・エミッタ間に接続されている。

入射光がゼロ入力のとき、トランジスタ８ｂがオンとな
って出力端子３０の出力が“０”となることは前記の場
合と同様である。そして入射光の光量レベルが所定レベ
ルを越えると、トランジスタ８ｂのベース電流がフォト
ダイオード３７側に流れて当該トランジスタ８ｂがオフ
となり、フリップフロップ形光センサが反転動作して出
力端子３０の出力は“１”となる。

第８図には、フリップフロップ形光センサの第２の変形
例を示す。この変形例は、受光素子としてフォトダイオ
ード３７を用いた点は、上述の第１の変形例のものと同
様であるが、フリップフロップを構成する各トランジス
タ及び負荷抵抗としてＭＮＯ３Ｑａ〜９ｄを用いたもの
である。

動作は、前記第１変形例のものとほぼ同様である。

なお、上述の実施例において第１、第２の論理セル及び
出力論理セルはＮＯＲゲートを用いて構成したが、ＮＡ
ＮＤゲート等の他のゲートを用いて構成することもでき
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、第１、第２の
光検出手段には、例えばフリップフロップ形光センサを
用いることができ、また第１、第２の論理セル及び出力
論理セルはＮＯＲゲート等の標準的なゲート回路を用い
て構成することができるので、セル全体を１チツプにコ
ンパクトに集積化することが可能となる。

また、第１１第２の光検出手段の各出力に対応した２値
レベル信号を第１、第２の論理セルにそれぞれラッチし
たのち出力論理セルに入力させるようにしたため、後段
の同期クロックが不要となって回路構成が簡易化され、
一層の集積容易化を図ることができる。

さらに、従来のように、一旦電圧変換してがら基準電圧
と比較することによりヒステリシス特性を有する出力を
得るものではないため、これに起因する感度ばらつきが
なくなり高精度の光検出を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図はこの発明に係る光検出セルの実施
例を示すもので、第１図は全体構成を示す回路図、第２
図はフリップフロップ形光検出回路の構成例を示す回路
図、第３図はフリップフロップ形光検出回路の出力波形
等を示す波形図、第４図は動作を説明するための２値レ
ベル信号等のタイミングチャート、第５図は論理セルの
入出力関係を示す論理テーブル、第６図は出力論理セル
の入出力関係を示す論理テーブル、第７図はフリップフ
ロップ形光検出回路の第１の変形例を示す回路図、第８
図はフリップフロップ形光検出回路の第２の変形例を示
す回路図、第９図は従来の光検出回路を示す回路図であ
る。 １０．１８：第１、第２のフリップフロップ形光センサ
（第１、第２の光検出手段） １１．１つ：第１、第２の論理セル、 ２２：出力論理セル。 代理人　　弁理士　　三　好　　秀　和第２図 区　　　　　　　　　区 の　　　　　　　　　　　　　円 城　　　　　　　　　城 Ｗｃ４図 第６図 ＠７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　第１の光量レベルの入射光を検出して２値レベル信号
   を出力する第１の光検出手段と、前記第１の光量レベル
   よりも所要値だけ大なる第２の光量レベルの入射光を検
   出して２値レベル信号を出力する第２の光検出手段と、
   前記第１の光検出手段の出力に対応した２値レベル信号
   をラッチする第１の論理セルと、前記第２の光検出手段
   の出力に対応した２値レベル信号をラッチする第２の論
   理セルと、前記第１の論理セル及び第２の論理セルの各
   出力を入力して前記第１の光量レベルと第２の光量レベ
   ルのレベル差に対応したヒステリシス特性を有する２値
   レベル出力をする出力論理セルとを有することを特徴と
   する光検出セル。