光センサ
【課題】光の左右比が飽和することが抑制された光センサを提供する。
【解決手段】半導体基板に複数の受光素子が形成され、受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成されている。上記形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する一対の開口部が、仮想直線に対して線対称となるように遮光膜に形成されており、一対の受光素子それぞれは、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一端から他端に向うにしたがって太くなっている。そして、形成面に交差する光によって、形成面に投影した、一対の開口部それぞれの少なくとも一部が、対応する受光素子、及び、その受光素子の両端を結ぶ線によって囲まれた領域に位置する。
【解決手段】半導体基板に複数の受光素子が形成され、受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成されている。上記形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する一対の開口部が、仮想直線に対して線対称となるように遮光膜に形成されており、一対の受光素子それぞれは、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一端から他端に向うにしたがって太くなっている。そして、形成面に交差する光によって、形成面に投影した、一対の開口部それぞれの少なくとも一部が、対応する受光素子、及び、その受光素子の両端を結ぶ線によって囲まれた領域に位置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、透光用の開口部が形成された光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が規定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許６８７５９７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示される光センサでは、対を成す２つのフォトダイオードが左右方向に隣接しており、これら２つのフォトダイオードそれぞれの受光面に入射する光の範囲が、２つのフォトダイオードの上方に位置する１つの光伝播エリアによって規定されている。したがって、左方から光センサに光が入射した場合、右方のフォトダイオードの出力信号が、左方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。これとは反対に、右方から光センサに光が入射した場合、左方のフォトダイオードの出力信号が、右方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。したがって、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号を比べることで、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することが可能となっている。
【０００５】
ところで、上記構成では、左方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値（第１の値）と、右方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値（第２の値）と、を算出し、これら２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、フォトダイオードの形成面（受光面）上に、透光層を介して遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが形成されている。斜め上方からフォトダイオードの受光面に入射する光は、遮光マスクによって遮られるが、その光がフォトダイオードの形成面に入射する範囲は、受光面と光伝播エリアとの距離に依存する。特許文献１では、その距離が透光層の厚さによって決定されており、その厚さが薄いために、フォトダイオードの形成面に入射する光の範囲が狭まっている。
【０００７】
このため、光の入射方向によっては、左方のフォトダイオードの受光面に光が入射するが、右方のフォトダイオードの受光面に光が入射しない場合が生じる。この場合、右方のフォトダイオードの出力信号がゼロとなるので、２つのフォトダイオードの出力信号の総和が左方のフォトダイオードの出力信号と同等となり、第１の値が１、第２の値が０となる。これとは反対に、右方のフォトダイオードの受光面に光が入射するが、左方のフォトダイオードの受光面に光が入射しない場合、左方のフォトダイオードの出力信号がゼロとなるので、２つのフォトダイオードの出力信号の総和が右方のフォトダイオードの出力信号と同等となり、第１の値が０、第２の値が１となる。このように、いずれの値も一定となる（飽和する）ため、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することはできても、光の入射角度に対応した光の左右比を検出することができなくなる。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、光の左右比が飽和することが抑制された光センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成された光センサであって、受光素子の形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する、一対の開口部が、仮想直線に対して線対称となるように遮光膜に形成されており、一対の受光素子それぞれは、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっており、受光素子の形成面に交差する光によって受光素子の形成面に投影した、一対の開口部それぞれの投影部位の少なくとも一部が、対応する受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置することを特徴とする。
【００１０】
以下においては、説明を簡便とするために、仮想直線に沿う方向を前後方向、この前後方向に交差し、一対の受光素子、及び、一対の開口部それぞれが並ぶ方向を左右方向と示す。また、左右方向に平行であり、一対の開口部を通る基準線から前方を前側、基準線から後方を後側と示し、一対の受光素子のうち、左方に位置する受光素子を左受光素子、右方に位置する受光素子を右受光素子と示す。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、一対の受光素子及び一対の開口部それぞれが、前後方向に対して線対称となっており、１つの受光素子に１つの開口部が対応している。そして、各受光素子は、前から後ろに向って、中央がへこんだ凹形状を成し、開口部の投影部位の少なくとも一部は、対応する受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置している。
【００１２】
これによれば、後側から光センサに入射した光が、一対の受光素子それぞれに必ず入射されるわけではないが、前側から光センサに入射した光は、一対の受光素子それぞれに入射される。例えば、光が右前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの左後方に光が入射し、光が左前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの右後方に光が入射する。これにより、一対の受光素子のうち、一方の受光素子だけに前側の光が入射することが抑制され、各受光素子の出力信号が０となることが抑制される。
【００１３】
また、本発明では、一対の受光素子それぞれの横幅は、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっている。これによれば、例えば、光が右前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの左後方に入射する光の受光面積が異なるので、各受光素子の出力信号が異なることとなる。逆についても同様で、光が左前方から光センサに入射する場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの右後方に入射する光の受光面積が異なるので、各受光素子の出力信号が異なることとなる。
【００１４】
したがって、一対の受光素子それぞれの横幅が一定の構成とは異なり、左受光素子の出力信号を２つの受光素子の出力信号の総和によって割った値（第１の値）と、右受光素子の出力信号を２つの受光素子の出力信号の総和によって割った値（第２の値）とが異なることとなる。以上により、２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。
【００１５】
以上、示したように、本発明によれば、一対の受光素子それぞれの出力信号が０となることが抑制され、それぞれの出力信号が異なるので、光の左右比が飽和することが抑制される。なお、光が前方から光センサに入射する場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの後方に入射する光の受光面積は同一となるので、上記した２つの値は等しくなる。
【００１６】
請求項２に記載のように、少なくとも二対の受光素子、及び、これらに対応する、少なくとも二対の開口部を有している構成が好ましい。
【００１７】
これによれば、一対の受光素子が半導体基板に形成された構成とは異なり、少なくとも２つの左右比を算出することができるので、左右比の検出精度が向上される。
【００１８】
請求項３に記載のように、一対の受光素子と、それぞれに対応する開口部との距離が、他の一対の受光素子と、それぞれに対応する開口部との距離と異なる構成が好ましい。
【００１９】
受光素子に入射する光の仰角は、受光素子と開口部との距離に依存する。したがって、本発明の構成において、ある受光素子と他の受光素子それぞれの出力信号を比較することで、光センサに入射する光の仰角を検出することができる。
【００２０】
また、本発明では、少なくとも二対の受光素子が半導体基板に形成されている。したがって、一対の受光素子と、独立した１つの受光素子とが半導体基板に形成された構成とは異なり、仰角特性の異なる出力信号を少なくとも２つずつ得ることができる。これにより、仰角の検出精度が向上される。
【００２１】
請求項４に記載のように、一対の受光素子それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状を成し、開口部の投影部位は、その円弧を成す線の中心に位置した構成が好ましい。
【００２２】
これによれば、開口部と受光素子の横幅の中心との距離が一定となるので、前側から入射してくる光の方向が変化したとしても、一対の受光素子の受光面それぞれに入射する光の量が、各受光素子の横幅のみに依存することとなる。これにより、前側から入射してくる光の方向が変化した際に、一対の受光素子の受光面それぞれに入射する光の量が受光素子の横幅だけに依存しなくなった結果、光の左右比の検出精度が低下することが抑制される。なお、請求項５に記載のように、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角は、１８０°以上が良い。これによれば、前側から光センサに入射してくる光の全てを、検出範囲に含むことができる。
【００２３】
請求項６に記載のように、一対の受光素子それぞれは、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成す構成が良い。これによれば、一対の受光素子それぞれが、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって不連続的に太くなる形状とは異なり、受光素子の出力信号の入射角特性を線形に近づけることができる。
【００２４】
なお、受光素子のより具体的な形状としては、請求項７若しくは請求項８に記載の構成を採用することができる。すなわち、請求項７に記載のように、一対の受光素子それぞれが、他方の端部の形状が直線状となった角笛のような形状、若しくは、請求項８に記載のように、一対の受光素子それぞれが、他方の端部の形状が曲線状となった勾玉のような形状を採用することができる。
【００２５】
請求項９に記載のように、遮光膜は、透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された開口部によって、光の仰角が規定されており、受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっている構成が良い。
【００２６】
これによれば、２つの受光素子の間に、多層の透光膜が位置するので、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子の出力信号に、ノイズが含まれることが抑制される。
【００２７】
また、本発明では、形成面から最も離れた開口部以外の開口部の形状は、受光素子の形状に対応している。これによれば、形成面から最も離れた開口部以外の開口部の形状が、受光素子の形状に対応していない構成とは異なり、その開口部を構成する遮光膜によって、受光素子に入射する光が遮られることが抑制される。
【００２８】
なお、受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状としては、受光素子の形状に対応していればよく、例えば、請求項１０〜１２に記載の構成を採用することができる。すなわち、形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状としては、請求項９に記載のように、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状、又は、請求項１０に記載のように、他方の端部の形状が直線状となった角笛のような形状、若しくは、請求項１１に記載のように、他方の端部の形状が曲線状となった勾玉のような形状を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】仰角と方位角とを説明するための概略図である。
【図４】左右比を示すグラフ図である。
【図５】光センサの変形例を示す平面図である。
【図６】光センサの変形例を示す平面図である。
【図７】光センサの変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る光センサを車両に搭載した場合の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、仰角と方位角とを説明するための概略図である。図４は、左右比を示すグラフ図である。なお、図１では、後述する受光素子２１〜２４及び開口部５１〜５４を実線で示し、受光素子２１〜２４及び開口部５１〜５４それぞれの形成位置を規定する直線を、仮想直線ＶＬとして二点鎖線で示す。また、以下においては、後述する受光素子２０の形成面１０ａに沿い、車両の前後を貫く方向を前後方向、形成面１０ａに沿い、車両の左右を貫く方向を左右方向と示す。ちなみに、上記した仮想直線ＶＬは、前後方向に沿っている。
【００３１】
光センサ１００は、車両のフロントパネルに搭載され、主として、太陽の位置を検出するのに使用される。光センサ１００は、図１及び図２に示すように、要部として、半導体基板１０と、受光素子２０と、透光膜３０と、遮光膜４０と、開口部５０と、を有する。半導体基板１０の一面側に受光素子２０が形成され、受光素子２０の形成面１０ａ上に透光膜３０が形成され、透光膜３０に遮光膜４０が形成されている。そして、遮光膜４０には、透光用の開口部５０が形成され、この開口部５０を介して、光が受光素子２０に入射するようになっている。図示しないが、光センサ１００は、受光素子２０の出力信号を処理する算出部を有しており、この算出部によって、光センサ１００に入射してくる光の仰角や方位角が概算される。以下においては、先ず、光センサ１００の要部１０〜５０の概略構成を示した後に、光センサ１００の特徴点を説明する。
【００３２】
半導体基板１０は、矩形状を成し、上記した受光素子２０や、算出部を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１０に形成された配線パターン（図示略）を介して電気的に接続されている。
【００３３】
受光素子２０は、光を電気信号に変換するものである。本実施形態に係る受光素子２０は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードであり、半導体基板１０の形成面１０ａ側に形成されている。形成面１０ａには、二対の受光素子２１〜２４が形成されており、受光素子２１，２２が対を成し、受光素子２３，２４が対を成している。これら受光素子２１〜２４は、光センサ１００の特徴点なので、後で詳説する。
【００３４】
透光膜３０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアクリル樹脂がある。図２に示すように、透光膜３０は、形成面１０ａ上に、多層に形成されている。本実施形態では、３層の透光膜３１〜３３が形成面１０ａ上に積層されている。
【００３５】
遮光膜４０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。図２に示すように、遮光膜４０は、２層の透光膜３０の間に形成されており、多層の遮光膜４０が、透光膜３０を介して形成面１０ａ上に形成されている。本実施形態では、２つの遮光膜４１，４２が透光膜３０に形成されており、遮光膜４１，４２それぞれに、開口部５０が形成されている。なお、図示しないが、遮光膜４０は、半導体基板１０に形成された配線パターンと電気的に接続しており、各電子素子を電気的に接続する配線としての機能も果たすようになっている。
【００３６】
開口部５０は、受光素子２０に入射する光を規定するものである。遮光膜４１，４２それぞれに、二対の開口部５１〜５４が形成されており、開口部５１，５２が対を成し、開口部５３，５４が対を成している。これら開口部５１〜５４は、光センサ１００の特徴点なので、後で詳説する。
【００３７】
算出部は、受光素子２０の出力信号に基づいて、光センサ１００（車両）に入射する外光の仰角や方位角を概算するものである。別の表現を用いれば、算出部は、太陽の大体の高さと、太陽が車両の左右いずれの方向にどの程度位置しているのか（左右比）を算出するものである。太陽の大体の高さは、対を成さない受光素子２１，２３、若しくは、対を成さない受光素子２２，２４の出力信号を比べることで算出される。左右比は、第１受光素子２１の出力信号を、２つの受光素子２１，２２の出力信号の総和で割った値（第１の値）と、第２受光素子２２の出力信号を、２つの受光素子２１，２２の出力信号の総和で割った値（第２の値）との比をとることで、算出される。若しくは、第３受光素子２３の出力信号を、２つの受光素子２３，２４の出力信号の総和で割った値（第３の値）と、第４受光素子２４の出力信号を、２つの受光素子２３，２４の出力信号の総和で割った値（第４の値）との比をとることで、算出される。その理由は、光センサ１００の作用効果を説明する際に述べる。なお、図３に示すように、仰角θは、水平面から上方の角度を示し、方位角φは、車両周りの角度を示す。
【００３８】
次に、本実施形態に係る光センサ１００の特徴点を説明する。図１に示すように、対を成す受光素子２１，２２は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっており、対を成す受光素子２３，２４は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっている。そして、第１受光素子２１及び第３受光素子２３それぞれが、仮想直線ＶＬから左方に位置し、第２受光素子２２及び第４受光素子２４それぞれが、仮想直線ＶＬから右方に位置している。受光素子２１〜２４それぞれは、前から後ろに向って中央部がへこんだ凹形状（略Ｃ字状）を成し、その横幅が、仮想直線ＶＬから離れた端部２１ａ〜２４ａから、仮想直線ＶＬ側の端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。そして、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が直線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る線（図１で破線で示した線）が、所定の半径を有する円弧状と成っている。以上により、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、角笛のような形状を成している。なお、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が１８０°となっており、上記した横幅とは、円弧を成す線（横幅の中心を通る線）に交差する方向の長さを示している。本実施形態では、対を成す受光素子２１，２２のほうが、対を成す受光素子２３，２４よりも大きくなっている。
【００３９】
図１に示すように、対を成す開口部５１，５２は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっており、対を成す開口部５３，５４は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっている。そして、形成面１０ａから離れた遮光膜４２の開口部５１〜５４それぞれの形状が、円形となっており、図示しないが、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応している。すなわち、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、角笛のような形状を成している。
【００４０】
また、図１に示すように、形成面１０ａに交差する光によって形成面１０ａに投影された、開口部５１〜５４それぞれの投影部位の一部が、対応する受光素子２１〜２４、及び、その受光素子２１〜２４の端部２１ａ〜２４ａと端部２１ｂ〜２４ｂとを結ぶ線によって囲まれた領域に位置している。更に、本実施形態では、破線によって示した円弧の中心に、開口部５１〜５４の投影部位の中心が位置しており、開口部５１〜５４の中心と、受光素子２１〜２４の横幅の中心との距離が一定となっている。そして、図１及び図２に示すように、対を成す受光素子２１，２２と、それぞれに対応する開口部５１，５２との距離が、対を成す受光素子２３，２４と、それぞれに対応する開口部５３，５４との距離と異なっている。
【００４１】
次に、本実施形態に係る光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、受光素子２１〜２４それぞれは、前から後ろに向って中央部がへこんだ凹形状を成し、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角は、１８０°となっている。これにより、後側から光センサ１００（車両）に入射した光が、各受光素子２１〜２４それぞれに入射するわけではないが、前側から光センサ１００に入射してきた光は、開口部５１〜５４を介して、各受光素子２１〜２４の後ろ側に入射する。このように、前側から光センサ１００に入射してくる光の全てが検出範囲に含まれるので、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）のうち、一方の受光素子だけに前側の光が入射することが抑制され、各受光素子２１〜２４の出力信号が０となることが抑制される。
【００４２】
また、上記したように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅は、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。これによれば、例えば、図１に実線矢印で示すように、右前方から光が入射してきた場合、その光は、開口部５１〜５４を介して、各受光素子２１〜２４の左後方に入射する。そして、その光を受光する面積が、第１受光素子２１よりも第２受光素子２２の方が大きく、第３受光素子２３よりも第４受光素子２４の方が大きくなる。これに対して、図１に破線矢印で示すように、左前方から光が入射してきた場合、その光を受光する面積の関係が逆となる。すなわち、光を受光する面積が、第２受光素子２２よりも第１受光素子２１の方が大きく、第４受光素子２４よりも第３受光素子２３の方が大きくなる。この結果、右前方から光が入射してきた場合、第２受光素子２２の出力信号が第１受光素子２１の出力信号よりも大きくなり、第３受光素子２３の出力信号が第４受光素子２４の出力信号よりも大きくなる。反対に、左前方から光が入射してきた場合、第１受光素子２１の出力信号が第２受光素子２２の出力信号よりも大きくなり、第４受光素子２４の出力信号が第３受光素子２３の出力信号よりも大きくなる。
【００４３】
したがって、算出部の説明にて定義した、第１の値と第２の値との比、若しくは、第３の値と第４の値との比をとることで、光が、光センサ１００に対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を算出することができる。例えば、第１の値と第２の値との比が、２：３であれば、太陽が前方から右方にその値の程度位置しており、８：１であれば、太陽が前方から左方にその値の程度位置していることがわかる。参考として、図４に、光センサ１００によって算出される左右比の方位角特性を示す。図４に示すグラフの横軸が、方位角を示し、縦軸が左右比を示している。第１の値が実線で表され、第２の値が破線で表されている。これによれば、本発明に係る光センサ１００の場合、方位角が±９０°の場合であっても、左右比が飽和していないことがわかる。
【００４４】
以上、示したように、本発明によれば、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）それぞれの出力信号が０となることが抑制され、それぞれの出力信号が異なるので、光の左右比が飽和することが抑制される。なお、光が車両に対して真向かいから入射する場合、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）それぞれの後方に入射する光の受光面積は同一となるので、第１の値と第２の値（第３の値と第４の値）それぞれが０．５となり、互いに等しくなる。この場合、左右比は、１：１となる。
【００４５】
本実施形態では、二対の受光素子２１〜２４が半導体基板１０に形成され、これらに対応する、二対の開口部５１〜５４が遮光膜４０に形成されている。これによれば、一対の受光素子が半導体基板に形成された構成とは異なり、少なくとも２つの左右比を算出することができるので、左右比の検出精度が向上される。
【００４６】
本実施形態では、対を成す受光素子２１，２２と、それぞれに対応する開口部５１，５２との距離が、対を成す受光素子２３，２４と、それぞれに対応する開口部５３，５４との距離と異なっている。そのため、受光素子と開口部との形成位置によって規定される、受光素子の受光面に入射する光の仰角が、対を成さない受光素子２１，２３（２２，２４）それぞれで異なっている（図２参照）。したがって、これら２つの受光素子２１，２３（２２，２４）の出力信号を比較して、高いほうの出力信号を検出することで、太陽の大体の高さを算出することができる。また、一対の受光素子と、独立した１つの受光素子とが半導体基板に形成された構成とは異なり、仰角特性の異なる出力信号を少なくとも２つずつ得ることができるので、仰角の検出精度が向上される。
【００４７】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状と成し、その円弧の中心に、開口部５１〜５４の投影部位の中心が位置している。これにより、開口部５１〜５４の中心と、受光素子２１〜２４の横幅の中心との距離が一定となっている。これによれば、前側から入射してくる光の方向が変化したとしても、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）の受光面それぞれに入射する光の量が、各受光素子２１〜２４の横幅のみに依存することとなる。これにより、前側から入射してくる光の方向が変化した際に、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）の受光面それぞれに入射する光の量が受光素子２１〜２４の横幅だけに依存しなくなった結果、光の左右比の検出精度が低下することが抑制される。
【００４８】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。これによれば、受光素子２１〜２４それぞれが、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向うにしたがって不連続的に太くなる形状とは異なり、受光素子２１〜２４の出力信号の入射角特性を線形に近づけることができる。
【００４９】
本実施形態では、遮光膜４０は、透光膜３０に多層に形成され、遮光膜４１，４２に形成された開口部５１〜５４によって、光の仰角が規定されている。これによれば、任意の２つの受光素子の間に、２層の遮光膜４１，４２が位置するので、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子２１〜２４の出力信号に、ノイズが含まれることが抑制される。
【００５０】
本実施形態では、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応している。これによれば、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応していない構成とは異なり、遮光膜４１によって、受光素子２１〜２４に入射する光が遮られることが抑制される。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００５２】
本実施形態では、光センサ１００が車両に搭載された例を示した。しかしながら、光センサ１００の適用としては、上記例に限定されない。
【００５３】
本実施形態では、二対の受光素子２１〜２４が半導体基板１０に形成された例を示した。しかしながら、対を成す受光素子２０の組み数としては、１組以上であればよく、上記例に限定されない。
【００５４】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなった例を示した。しかしながら、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って不連続的に細くなった構成を採用することもできる。しかしながら、この場合、受光素子２１〜２４の出力信号の入射角特性が線形から遠ざかるので、本実施形態で示したように、連続的に太くなる形状が好ましい。
【００５５】
上記したように、本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなった例を示した。しかしながら、図５に示すように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に細くなった構成を採用することもできる。図５は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５６】
本実施形態では、図１に示すように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が、１８０°である例を示した。しかしながら、図６に示すように、中心角が１８０°以上であっても良い。これによれば、光センサ１００の後ろ側から入射してくる光の一部を、検出範囲として含むことができる。図６は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５７】
本実施形態では、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が直線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、角笛のような形状を成している例を示した。しかしながら、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状としては、上記例に限定されず、例えば、図７に示すように、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が曲線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、勾玉のような形状を成していても良い。なお、この場合、端部２１ｂ〜２４ｂそれぞれの横幅が途中から細くなるが、端部２１ｂ、２２ｂそれぞれの細くなる部位は、２つの開口部５１，５２を結ぶ線よりも前側に位置し、端部２３ｂ、２４ｂそれぞれの細くなる部位は、２つの開口部５３，５４を結ぶ線よりも前側に位置している。したがって、光センサ１００に前方から入射する光は、この途中から細くなる部位に入射し難くなっており、細くなる部位は、前方から入射してくる光の左右比を検出するのに寄与し難くなっている。図７は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５８】
本実施形態では、透光膜３０が３層であり、遮光膜４０が２層である例を示した。しかしながら、透光膜３０及び遮光膜４０それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、透光膜３０が４層であり、遮光膜４０が３層である構成を採用することもできる。
【００５９】
本実施形態では、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、角笛のような形状を成している例を示した。しかしながら、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状としては、各受光素子２１〜２４の形状に対応していればよく、上記例に限定されない。例えば、図７に示した受光素子２１〜２４のように、勾玉のような形状を成していても良い。
【００６０】
本実施形態では、遮光膜４０が、遮光性と導電性を有する材料から成る例を示した。しかしながら、遮光膜４０によって、半導体基板１０に形成された各電子素子を電気的に接続しなくとも良い場合、遮光膜４０を、光を吸収する性質を有する材料によって形成しても良い。
【００６１】
なお、本実施形態では、特に外光の日射量の検出について言及していなかったが、例えば、対を成さない受光素子２１，２３（２２，２４）の出力信号を比較して、高いほうの出力信号に基づいて、日射量を概算することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・半導体基板
２０・・・受光素子
３０・・・透光膜
４０・・・遮光膜
５０・・・開口部
１００・・・光センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、透光用の開口部が形成された光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体基板にフォトダイオードが複数形成され、その形成面上に透光性を有する透光層が形成され、その透光層に遮光性を有する遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが複数形成された光センサが提案されている。この光センサでは、遮光マスクの光伝播エリアによって、フォトダイオードの受光面に入射する光の範囲が規定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許６８７５９７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示される光センサでは、対を成す２つのフォトダイオードが左右方向に隣接しており、これら２つのフォトダイオードそれぞれの受光面に入射する光の範囲が、２つのフォトダイオードの上方に位置する１つの光伝播エリアによって規定されている。したがって、左方から光センサに光が入射した場合、右方のフォトダイオードの出力信号が、左方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。これとは反対に、右方から光センサに光が入射した場合、左方のフォトダイオードの出力信号が、右方のフォトダイオードの出力信号よりも大きくなる。したがって、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号を比べることで、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することが可能となっている。
【０００５】
ところで、上記構成では、左方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値（第１の値）と、右方のフォトダイオードの出力信号を、対を成す２つのフォトダイオードの出力信号の総和によって割った値（第２の値）と、を算出し、これら２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、フォトダイオードの形成面（受光面）上に、透光層を介して遮光マスクが形成され、その遮光マスクに光伝播エリアが形成されている。斜め上方からフォトダイオードの受光面に入射する光は、遮光マスクによって遮られるが、その光がフォトダイオードの形成面に入射する範囲は、受光面と光伝播エリアとの距離に依存する。特許文献１では、その距離が透光層の厚さによって決定されており、その厚さが薄いために、フォトダイオードの形成面に入射する光の範囲が狭まっている。
【０００７】
このため、光の入射方向によっては、左方のフォトダイオードの受光面に光が入射するが、右方のフォトダイオードの受光面に光が入射しない場合が生じる。この場合、右方のフォトダイオードの出力信号がゼロとなるので、２つのフォトダイオードの出力信号の総和が左方のフォトダイオードの出力信号と同等となり、第１の値が１、第２の値が０となる。これとは反対に、右方のフォトダイオードの受光面に光が入射するが、左方のフォトダイオードの受光面に光が入射しない場合、左方のフォトダイオードの出力信号がゼロとなるので、２つのフォトダイオードの出力信号の総和が右方のフォトダイオードの出力信号と同等となり、第１の値が０、第２の値が１となる。このように、いずれの値も一定となる（飽和する）ため、光が左方から入射しているのか、右方から入射しているのかを検出することはできても、光の入射角度に対応した光の左右比を検出することができなくなる。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、光の左右比が飽和することが抑制された光センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成された光センサであって、受光素子の形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する、一対の開口部が、仮想直線に対して線対称となるように遮光膜に形成されており、一対の受光素子それぞれは、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっており、受光素子の形成面に交差する光によって受光素子の形成面に投影した、一対の開口部それぞれの投影部位の少なくとも一部が、対応する受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置することを特徴とする。
【００１０】
以下においては、説明を簡便とするために、仮想直線に沿う方向を前後方向、この前後方向に交差し、一対の受光素子、及び、一対の開口部それぞれが並ぶ方向を左右方向と示す。また、左右方向に平行であり、一対の開口部を通る基準線から前方を前側、基準線から後方を後側と示し、一対の受光素子のうち、左方に位置する受光素子を左受光素子、右方に位置する受光素子を右受光素子と示す。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、一対の受光素子及び一対の開口部それぞれが、前後方向に対して線対称となっており、１つの受光素子に１つの開口部が対応している。そして、各受光素子は、前から後ろに向って、中央がへこんだ凹形状を成し、開口部の投影部位の少なくとも一部は、対応する受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置している。
【００１２】
これによれば、後側から光センサに入射した光が、一対の受光素子それぞれに必ず入射されるわけではないが、前側から光センサに入射した光は、一対の受光素子それぞれに入射される。例えば、光が右前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの左後方に光が入射し、光が左前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの右後方に光が入射する。これにより、一対の受光素子のうち、一方の受光素子だけに前側の光が入射することが抑制され、各受光素子の出力信号が０となることが抑制される。
【００１３】
また、本発明では、一対の受光素子それぞれの横幅は、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっている。これによれば、例えば、光が右前方から光センサに入射した場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの左後方に入射する光の受光面積が異なるので、各受光素子の出力信号が異なることとなる。逆についても同様で、光が左前方から光センサに入射する場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの右後方に入射する光の受光面積が異なるので、各受光素子の出力信号が異なることとなる。
【００１４】
したがって、一対の受光素子それぞれの横幅が一定の構成とは異なり、左受光素子の出力信号を２つの受光素子の出力信号の総和によって割った値（第１の値）と、右受光素子の出力信号を２つの受光素子の出力信号の総和によって割った値（第２の値）とが異なることとなる。以上により、２つの値の比をとることで、光が、光センサに対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を検出することができる。
【００１５】
以上、示したように、本発明によれば、一対の受光素子それぞれの出力信号が０となることが抑制され、それぞれの出力信号が異なるので、光の左右比が飽和することが抑制される。なお、光が前方から光センサに入射する場合、左受光素子及び右受光素子それぞれの後方に入射する光の受光面積は同一となるので、上記した２つの値は等しくなる。
【００１６】
請求項２に記載のように、少なくとも二対の受光素子、及び、これらに対応する、少なくとも二対の開口部を有している構成が好ましい。
【００１７】
これによれば、一対の受光素子が半導体基板に形成された構成とは異なり、少なくとも２つの左右比を算出することができるので、左右比の検出精度が向上される。
【００１８】
請求項３に記載のように、一対の受光素子と、それぞれに対応する開口部との距離が、他の一対の受光素子と、それぞれに対応する開口部との距離と異なる構成が好ましい。
【００１９】
受光素子に入射する光の仰角は、受光素子と開口部との距離に依存する。したがって、本発明の構成において、ある受光素子と他の受光素子それぞれの出力信号を比較することで、光センサに入射する光の仰角を検出することができる。
【００２０】
また、本発明では、少なくとも二対の受光素子が半導体基板に形成されている。したがって、一対の受光素子と、独立した１つの受光素子とが半導体基板に形成された構成とは異なり、仰角特性の異なる出力信号を少なくとも２つずつ得ることができる。これにより、仰角の検出精度が向上される。
【００２１】
請求項４に記載のように、一対の受光素子それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状を成し、開口部の投影部位は、その円弧を成す線の中心に位置した構成が好ましい。
【００２２】
これによれば、開口部と受光素子の横幅の中心との距離が一定となるので、前側から入射してくる光の方向が変化したとしても、一対の受光素子の受光面それぞれに入射する光の量が、各受光素子の横幅のみに依存することとなる。これにより、前側から入射してくる光の方向が変化した際に、一対の受光素子の受光面それぞれに入射する光の量が受光素子の横幅だけに依存しなくなった結果、光の左右比の検出精度が低下することが抑制される。なお、請求項５に記載のように、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角は、１８０°以上が良い。これによれば、前側から光センサに入射してくる光の全てを、検出範囲に含むことができる。
【００２３】
請求項６に記載のように、一対の受光素子それぞれは、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成す構成が良い。これによれば、一対の受光素子それぞれが、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって不連続的に太くなる形状とは異なり、受光素子の出力信号の入射角特性を線形に近づけることができる。
【００２４】
なお、受光素子のより具体的な形状としては、請求項７若しくは請求項８に記載の構成を採用することができる。すなわち、請求項７に記載のように、一対の受光素子それぞれが、他方の端部の形状が直線状となった角笛のような形状、若しくは、請求項８に記載のように、一対の受光素子それぞれが、他方の端部の形状が曲線状となった勾玉のような形状を採用することができる。
【００２５】
請求項９に記載のように、遮光膜は、透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された開口部によって、光の仰角が規定されており、受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっている構成が良い。
【００２６】
これによれば、２つの受光素子の間に、多層の透光膜が位置するので、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子の出力信号に、ノイズが含まれることが抑制される。
【００２７】
また、本発明では、形成面から最も離れた開口部以外の開口部の形状は、受光素子の形状に対応している。これによれば、形成面から最も離れた開口部以外の開口部の形状が、受光素子の形状に対応していない構成とは異なり、その開口部を構成する遮光膜によって、受光素子に入射する光が遮られることが抑制される。
【００２８】
なお、受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状としては、受光素子の形状に対応していればよく、例えば、請求項１０〜１２に記載の構成を採用することができる。すなわち、形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状としては、請求項９に記載のように、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状、又は、請求項１０に記載のように、他方の端部の形状が直線状となった角笛のような形状、若しくは、請求項１１に記載のように、他方の端部の形状が曲線状となった勾玉のような形状を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】仰角と方位角とを説明するための概略図である。
【図４】左右比を示すグラフ図である。
【図５】光センサの変形例を示す平面図である。
【図６】光センサの変形例を示す平面図である。
【図７】光センサの変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る光センサを車両に搭載した場合の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、仰角と方位角とを説明するための概略図である。図４は、左右比を示すグラフ図である。なお、図１では、後述する受光素子２１〜２４及び開口部５１〜５４を実線で示し、受光素子２１〜２４及び開口部５１〜５４それぞれの形成位置を規定する直線を、仮想直線ＶＬとして二点鎖線で示す。また、以下においては、後述する受光素子２０の形成面１０ａに沿い、車両の前後を貫く方向を前後方向、形成面１０ａに沿い、車両の左右を貫く方向を左右方向と示す。ちなみに、上記した仮想直線ＶＬは、前後方向に沿っている。
【００３１】
光センサ１００は、車両のフロントパネルに搭載され、主として、太陽の位置を検出するのに使用される。光センサ１００は、図１及び図２に示すように、要部として、半導体基板１０と、受光素子２０と、透光膜３０と、遮光膜４０と、開口部５０と、を有する。半導体基板１０の一面側に受光素子２０が形成され、受光素子２０の形成面１０ａ上に透光膜３０が形成され、透光膜３０に遮光膜４０が形成されている。そして、遮光膜４０には、透光用の開口部５０が形成され、この開口部５０を介して、光が受光素子２０に入射するようになっている。図示しないが、光センサ１００は、受光素子２０の出力信号を処理する算出部を有しており、この算出部によって、光センサ１００に入射してくる光の仰角や方位角が概算される。以下においては、先ず、光センサ１００の要部１０〜５０の概略構成を示した後に、光センサ１００の特徴点を説明する。
【００３２】
半導体基板１０は、矩形状を成し、上記した受光素子２０や、算出部を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１０に形成された配線パターン（図示略）を介して電気的に接続されている。
【００３３】
受光素子２０は、光を電気信号に変換するものである。本実施形態に係る受光素子２０は、ＰＮ接合を有するフォトダイオードであり、半導体基板１０の形成面１０ａ側に形成されている。形成面１０ａには、二対の受光素子２１〜２４が形成されており、受光素子２１，２２が対を成し、受光素子２３，２４が対を成している。これら受光素子２１〜２４は、光センサ１００の特徴点なので、後で詳説する。
【００３４】
透光膜３０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアクリル樹脂がある。図２に示すように、透光膜３０は、形成面１０ａ上に、多層に形成されている。本実施形態では、３層の透光膜３１〜３３が形成面１０ａ上に積層されている。
【００３５】
遮光膜４０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。図２に示すように、遮光膜４０は、２層の透光膜３０の間に形成されており、多層の遮光膜４０が、透光膜３０を介して形成面１０ａ上に形成されている。本実施形態では、２つの遮光膜４１，４２が透光膜３０に形成されており、遮光膜４１，４２それぞれに、開口部５０が形成されている。なお、図示しないが、遮光膜４０は、半導体基板１０に形成された配線パターンと電気的に接続しており、各電子素子を電気的に接続する配線としての機能も果たすようになっている。
【００３６】
開口部５０は、受光素子２０に入射する光を規定するものである。遮光膜４１，４２それぞれに、二対の開口部５１〜５４が形成されており、開口部５１，５２が対を成し、開口部５３，５４が対を成している。これら開口部５１〜５４は、光センサ１００の特徴点なので、後で詳説する。
【００３７】
算出部は、受光素子２０の出力信号に基づいて、光センサ１００（車両）に入射する外光の仰角や方位角を概算するものである。別の表現を用いれば、算出部は、太陽の大体の高さと、太陽が車両の左右いずれの方向にどの程度位置しているのか（左右比）を算出するものである。太陽の大体の高さは、対を成さない受光素子２１，２３、若しくは、対を成さない受光素子２２，２４の出力信号を比べることで算出される。左右比は、第１受光素子２１の出力信号を、２つの受光素子２１，２２の出力信号の総和で割った値（第１の値）と、第２受光素子２２の出力信号を、２つの受光素子２１，２２の出力信号の総和で割った値（第２の値）との比をとることで、算出される。若しくは、第３受光素子２３の出力信号を、２つの受光素子２３，２４の出力信号の総和で割った値（第３の値）と、第４受光素子２４の出力信号を、２つの受光素子２３，２４の出力信号の総和で割った値（第４の値）との比をとることで、算出される。その理由は、光センサ１００の作用効果を説明する際に述べる。なお、図３に示すように、仰角θは、水平面から上方の角度を示し、方位角φは、車両周りの角度を示す。
【００３８】
次に、本実施形態に係る光センサ１００の特徴点を説明する。図１に示すように、対を成す受光素子２１，２２は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっており、対を成す受光素子２３，２４は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっている。そして、第１受光素子２１及び第３受光素子２３それぞれが、仮想直線ＶＬから左方に位置し、第２受光素子２２及び第４受光素子２４それぞれが、仮想直線ＶＬから右方に位置している。受光素子２１〜２４それぞれは、前から後ろに向って中央部がへこんだ凹形状（略Ｃ字状）を成し、その横幅が、仮想直線ＶＬから離れた端部２１ａ〜２４ａから、仮想直線ＶＬ側の端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。そして、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が直線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る線（図１で破線で示した線）が、所定の半径を有する円弧状と成っている。以上により、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、角笛のような形状を成している。なお、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が１８０°となっており、上記した横幅とは、円弧を成す線（横幅の中心を通る線）に交差する方向の長さを示している。本実施形態では、対を成す受光素子２１，２２のほうが、対を成す受光素子２３，２４よりも大きくなっている。
【００３９】
図１に示すように、対を成す開口部５１，５２は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっており、対を成す開口部５３，５４は、仮想直線ＶＬに対して線対称となっている。そして、形成面１０ａから離れた遮光膜４２の開口部５１〜５４それぞれの形状が、円形となっており、図示しないが、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応している。すなわち、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、角笛のような形状を成している。
【００４０】
また、図１に示すように、形成面１０ａに交差する光によって形成面１０ａに投影された、開口部５１〜５４それぞれの投影部位の一部が、対応する受光素子２１〜２４、及び、その受光素子２１〜２４の端部２１ａ〜２４ａと端部２１ｂ〜２４ｂとを結ぶ線によって囲まれた領域に位置している。更に、本実施形態では、破線によって示した円弧の中心に、開口部５１〜５４の投影部位の中心が位置しており、開口部５１〜５４の中心と、受光素子２１〜２４の横幅の中心との距離が一定となっている。そして、図１及び図２に示すように、対を成す受光素子２１，２２と、それぞれに対応する開口部５１，５２との距離が、対を成す受光素子２３，２４と、それぞれに対応する開口部５３，５４との距離と異なっている。
【００４１】
次に、本実施形態に係る光センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、受光素子２１〜２４それぞれは、前から後ろに向って中央部がへこんだ凹形状を成し、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る、円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角は、１８０°となっている。これにより、後側から光センサ１００（車両）に入射した光が、各受光素子２１〜２４それぞれに入射するわけではないが、前側から光センサ１００に入射してきた光は、開口部５１〜５４を介して、各受光素子２１〜２４の後ろ側に入射する。このように、前側から光センサ１００に入射してくる光の全てが検出範囲に含まれるので、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）のうち、一方の受光素子だけに前側の光が入射することが抑制され、各受光素子２１〜２４の出力信号が０となることが抑制される。
【００４２】
また、上記したように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅は、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。これによれば、例えば、図１に実線矢印で示すように、右前方から光が入射してきた場合、その光は、開口部５１〜５４を介して、各受光素子２１〜２４の左後方に入射する。そして、その光を受光する面積が、第１受光素子２１よりも第２受光素子２２の方が大きく、第３受光素子２３よりも第４受光素子２４の方が大きくなる。これに対して、図１に破線矢印で示すように、左前方から光が入射してきた場合、その光を受光する面積の関係が逆となる。すなわち、光を受光する面積が、第２受光素子２２よりも第１受光素子２１の方が大きく、第４受光素子２４よりも第３受光素子２３の方が大きくなる。この結果、右前方から光が入射してきた場合、第２受光素子２２の出力信号が第１受光素子２１の出力信号よりも大きくなり、第３受光素子２３の出力信号が第４受光素子２４の出力信号よりも大きくなる。反対に、左前方から光が入射してきた場合、第１受光素子２１の出力信号が第２受光素子２２の出力信号よりも大きくなり、第４受光素子２４の出力信号が第３受光素子２３の出力信号よりも大きくなる。
【００４３】
したがって、算出部の説明にて定義した、第１の値と第２の値との比、若しくは、第３の値と第４の値との比をとることで、光が、光センサ１００に対して左方からどれくらい入射しているのか、若しくは、右方からどれくらい入射しているのか、を検出することができる。すなわち、光の左右比を算出することができる。例えば、第１の値と第２の値との比が、２：３であれば、太陽が前方から右方にその値の程度位置しており、８：１であれば、太陽が前方から左方にその値の程度位置していることがわかる。参考として、図４に、光センサ１００によって算出される左右比の方位角特性を示す。図４に示すグラフの横軸が、方位角を示し、縦軸が左右比を示している。第１の値が実線で表され、第２の値が破線で表されている。これによれば、本発明に係る光センサ１００の場合、方位角が±９０°の場合であっても、左右比が飽和していないことがわかる。
【００４４】
以上、示したように、本発明によれば、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）それぞれの出力信号が０となることが抑制され、それぞれの出力信号が異なるので、光の左右比が飽和することが抑制される。なお、光が車両に対して真向かいから入射する場合、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）それぞれの後方に入射する光の受光面積は同一となるので、第１の値と第２の値（第３の値と第４の値）それぞれが０．５となり、互いに等しくなる。この場合、左右比は、１：１となる。
【００４５】
本実施形態では、二対の受光素子２１〜２４が半導体基板１０に形成され、これらに対応する、二対の開口部５１〜５４が遮光膜４０に形成されている。これによれば、一対の受光素子が半導体基板に形成された構成とは異なり、少なくとも２つの左右比を算出することができるので、左右比の検出精度が向上される。
【００４６】
本実施形態では、対を成す受光素子２１，２２と、それぞれに対応する開口部５１，５２との距離が、対を成す受光素子２３，２４と、それぞれに対応する開口部５３，５４との距離と異なっている。そのため、受光素子と開口部との形成位置によって規定される、受光素子の受光面に入射する光の仰角が、対を成さない受光素子２１，２３（２２，２４）それぞれで異なっている（図２参照）。したがって、これら２つの受光素子２１，２３（２２，２４）の出力信号を比較して、高いほうの出力信号を検出することで、太陽の大体の高さを算出することができる。また、一対の受光素子と、独立した１つの受光素子とが半導体基板に形成された構成とは異なり、仰角特性の異なる出力信号を少なくとも２つずつ得ることができるので、仰角の検出精度が向上される。
【００４７】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状と成し、その円弧の中心に、開口部５１〜５４の投影部位の中心が位置している。これにより、開口部５１〜５４の中心と、受光素子２１〜２４の横幅の中心との距離が一定となっている。これによれば、前側から入射してくる光の方向が変化したとしても、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）の受光面それぞれに入射する光の量が、各受光素子２１〜２４の横幅のみに依存することとなる。これにより、前側から入射してくる光の方向が変化した際に、対を成す受光素子２１，２２（２３，２４）の受光面それぞれに入射する光の量が受光素子２１〜２４の横幅だけに依存しなくなった結果、光の左右比の検出精度が低下することが抑制される。
【００４８】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなっている。これによれば、受光素子２１〜２４それぞれが、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向うにしたがって不連続的に太くなる形状とは異なり、受光素子２１〜２４の出力信号の入射角特性を線形に近づけることができる。
【００４９】
本実施形態では、遮光膜４０は、透光膜３０に多層に形成され、遮光膜４１，４２に形成された開口部５１〜５４によって、光の仰角が規定されている。これによれば、任意の２つの受光素子の間に、２層の遮光膜４１，４２が位置するので、ある開口部から入射した光が、その開口部と対応する受光素子以外の受光素子に入射することが抑制される。これにより、各受光素子２１〜２４の出力信号に、ノイズが含まれることが抑制される。
【００５０】
本実施形態では、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応している。これによれば、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、各受光素子２１〜２４の形状に対応していない構成とは異なり、遮光膜４１によって、受光素子２１〜２４に入射する光が遮られることが抑制される。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００５２】
本実施形態では、光センサ１００が車両に搭載された例を示した。しかしながら、光センサ１００の適用としては、上記例に限定されない。
【００５３】
本実施形態では、二対の受光素子２１〜２４が半導体基板１０に形成された例を示した。しかしながら、対を成す受光素子２０の組み数としては、１組以上であればよく、上記例に限定されない。
【００５４】
本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなった例を示した。しかしながら、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って不連続的に細くなった構成を採用することもできる。しかしながら、この場合、受光素子２１〜２４の出力信号の入射角特性が線形から遠ざかるので、本実施形態で示したように、連続的に太くなる形状が好ましい。
【００５５】
上記したように、本実施形態では、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に太くなった例を示した。しかしながら、図５に示すように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅が、端部２１ａ〜２４ａから端部２１ｂ〜２４ｂに向って連続的に細くなった構成を採用することもできる。図５は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５６】
本実施形態では、図１に示すように、受光素子２１〜２４それぞれの横幅の中心を通る円弧を成す線と、円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が、１８０°である例を示した。しかしながら、図６に示すように、中心角が１８０°以上であっても良い。これによれば、光センサ１００の後ろ側から入射してくる光の一部を、検出範囲として含むことができる。図６は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５７】
本実施形態では、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が直線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、角笛のような形状を成している例を示した。しかしながら、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状としては、上記例に限定されず、例えば、図７に示すように、端部２１ｂ〜２４ｂの形状が曲線状となっており、受光素子２１〜２４それぞれの全体形状が、勾玉のような形状を成していても良い。なお、この場合、端部２１ｂ〜２４ｂそれぞれの横幅が途中から細くなるが、端部２１ｂ、２２ｂそれぞれの細くなる部位は、２つの開口部５１，５２を結ぶ線よりも前側に位置し、端部２３ｂ、２４ｂそれぞれの細くなる部位は、２つの開口部５３，５４を結ぶ線よりも前側に位置している。したがって、光センサ１００に前方から入射する光は、この途中から細くなる部位に入射し難くなっており、細くなる部位は、前方から入射してくる光の左右比を検出するのに寄与し難くなっている。図７は、光センサの変形例を示す平面図である。
【００５８】
本実施形態では、透光膜３０が３層であり、遮光膜４０が２層である例を示した。しかしながら、透光膜３０及び遮光膜４０それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、透光膜３０が４層であり、遮光膜４０が３層である構成を採用することもできる。
【００５９】
本実施形態では、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状が、角笛のような形状を成している例を示した。しかしながら、遮光膜４１に形成された開口部５１〜５４それぞれの形状としては、各受光素子２１〜２４の形状に対応していればよく、上記例に限定されない。例えば、図７に示した受光素子２１〜２４のように、勾玉のような形状を成していても良い。
【００６０】
本実施形態では、遮光膜４０が、遮光性と導電性を有する材料から成る例を示した。しかしながら、遮光膜４０によって、半導体基板１０に形成された各電子素子を電気的に接続しなくとも良い場合、遮光膜４０を、光を吸収する性質を有する材料によって形成しても良い。
【００６１】
なお、本実施形態では、特に外光の日射量の検出について言及していなかったが、例えば、対を成さない受光素子２１，２３（２２，２４）の出力信号を比較して、高いほうの出力信号に基づいて、日射量を概算することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・半導体基板
２０・・・受光素子
３０・・・透光膜
４０・・・遮光膜
５０・・・開口部
１００・・・光センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、前記半導体基板における前記受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、前記遮光膜に、前記受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成された光センサであって、
前記受光素子の形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が前記半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する、一対の開口部が、前記仮想直線に対して線対称となるように前記遮光膜に形成されており、
一対の前記受光素子それぞれは、前記仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっており、
前記受光素子の形成面に交差する光によって前記受光素子の形成面に投影した、一対の前記開口部それぞれの投影部位の少なくとも一部が、対応する前記受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置することを特徴とする光センサ。
【請求項２】
少なくとも二対の前記受光素子、及び、これらに対応する、少なくとも二対の前記開口部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。
【請求項３】
一対の前記受光素子と、それぞれに対応する前記開口部との距離が、他の一対の前記受光素子と、それぞれに対応する前記開口部との距離と異なることを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
一対の前記受光素子それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状を成し、
前記開口部の投影部位は、その円弧を成す線の中心に位置していることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項５】
前記円弧を成す線と、前記円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が、１８０°以上となっていることを特徴とする請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
一対の前記受光素子それぞれは、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成すことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項７】
一対の前記受光素子それぞれは、前記他方の端部の形状が直線状となっており、角笛のような形状を成すことを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項８】
一対の前記受光素子それぞれは、前記他方の端部の形状が曲線状となっており、勾玉のような形状を成すことを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項９】
前記遮光膜は、前記透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された前記開口部によって、光の仰角が規定されており、
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成すことを特徴とする請求項９に記載の光センサ。
【請求項１１】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記他方の端部の形状が直線状となっており、角笛のような形状を成すことを特徴とする請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記他方の端部の形状が曲線状となっており、勾玉のような形状を成すことを特徴とする請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１】
半導体基板の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子が複数形成され、前記半導体基板における前記受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、前記遮光膜に、前記受光素子それぞれに対応して透光用の開口部が形成された光センサであって、
前記受光素子の形成面に沿う仮想直線に対して線対称となるように、一対の受光素子が前記半導体基板に形成され、これら一対の受光素子に対応する、一対の開口部が、前記仮想直線に対して線対称となるように前記遮光膜に形成されており、
一対の前記受光素子それぞれは、前記仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっており、
前記受光素子の形成面に交差する光によって前記受光素子の形成面に投影した、一対の前記開口部それぞれの投影部位の少なくとも一部が、対応する前記受光素子、及び、その受光素子の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線によって囲まれた領域に位置することを特徴とする光センサ。
【請求項２】
少なくとも二対の前記受光素子、及び、これらに対応する、少なくとも二対の前記開口部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。
【請求項３】
一対の前記受光素子と、それぞれに対応する前記開口部との距離が、他の一対の前記受光素子と、それぞれに対応する前記開口部との距離と異なることを特徴とする請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
一対の前記受光素子それぞれの横幅の中心を通る線が、所定の半径を有する円弧状を成し、
前記開口部の投影部位は、その円弧を成す線の中心に位置していることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項５】
前記円弧を成す線と、前記円弧の中心とを結ぶ線によって構成される扇の中心角が、１８０°以上となっていることを特徴とする請求項４に記載の光センサ。
【請求項６】
一対の前記受光素子それぞれは、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成すことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項７】
一対の前記受光素子それぞれは、前記他方の端部の形状が直線状となっており、角笛のような形状を成すことを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項８】
一対の前記受光素子それぞれは、前記他方の端部の形状が曲線状となっており、勾玉のような形状を成すことを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
【請求項９】
前記遮光膜は、前記透光膜に多層に形成され、各層の遮光膜に形成された前記開口部によって、光の仰角が規定されており、
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記仮想直線の一方から他方に向って、中央がへこんだ凹形状を成し、その横幅が、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって太くなっていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、一方の端部から他方の端部に向うにしたがって連続的に太くなる形状を成すことを特徴とする請求項９に記載の光センサ。
【請求項１１】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記他方の端部の形状が直線状となっており、角笛のような形状を成すことを特徴とする請求項１０に記載の光センサ。
【請求項１２】
前記受光素子の形成面から最も離れた層の開口部を除く開口部の形状は、前記他方の端部の形状が曲線状となっており、勾玉のような形状を成すことを特徴とする請求項１０に記載の光センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６００１１（Ｐ２０１２−６００１１Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３２９５（Ｐ２０１０−２０３２９５）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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