フォトIC 第　　章4

1-1 フォトICダイオード1-2 照度ー周波数変換フォトIC

照度センサ1

2-1 汎用タイプ2-2 MOSTネットワーク用 (150 Mbps)

光リンク用送信／受信フォトIC2

4-1 デジタルカラーセンサ4-2 I2C対応カラーセンサ4-3 カラー／近接センサ

カラーセンサ4

光変調型フォトIC (光電スイッチ用)5

レーザビーム同期検出用フォトIC6

7-1 簡易照度計7-2 高速デジタル伝送 (光リンク用フォトICの応用例)7-3 LEDバックライト液晶ディスプレイの色調整 (デジタルカラーセンサの応用例)7-4 スマートフォン向け多機能センサ (カラー／近接センサの応用例)7-5 デジタルコピー機・レーザプリンタの 印字開始タイミング信号の出力 (レーザビーム同期検出用フォトICの応用例)

応用例7

エンコーダモジュール (移動量／回転角センサ)3

73

4章

フォトIC

74

4章

フォトIC

　フォトICは、受光部と信号処理回路を1つのパッケージに組み込んだ光デバイスです。製品ごとに用途に合ったさまざまな機能をもっています。ディスクリートで構成した場合と比較すると、フォトICは以下の特長をもっています。

小型、軽量 電磁誘導ノイズに強い 信頼性が高い 量産性に優れている 高いコストパフォーマンス

　フォトICは、構造によりモノリシックタイプとハイブリッドタイプに大別されます。モノリシックタイプは、受光部と信号処理回路が同一チップ上に形成されています。受光部と信号処理回路の間のリード配線がないため、電磁誘導ノイズに非常に強いという特長をもっています。一方のハイブリッドタイプは、別チップで形成された受光部と信号処理ICを接続し、1つのパッケージに内蔵したものです。ハイブリッドタイプは、受光部の形状や分光感度特性などの変更を容易に行うことができるという利点をもっています。カスタム仕様のフォトICを設計する場合には、性能とコストのバランスを考慮して、フォトICのタイプを選択することが重要です。　当社は、明るさ・色の検知や、POF (Plastic Optical Fiber)による光リンクネットワーク、レーザビームプリンタの同期検知などの用途に適したフォトICを取りそろえています。さまざまな仕様に対応するために、各種光半導体プロセスや独自のICプロセスの技術開発に取り組んできました。フォトICの設計からウエハ処理・組立・検査工程まで一貫した製造体制を確立しており、信頼性を含めた各種解析・評価体制も充実しています。また、カスタム仕様のフォトICについても相談を承っています。

ハイブリッドタイプの例モノリシックタイプの例

フォトIC

用途 製品名 モノリシック／ハイブリッド 出力

照度検知フォトICダイオード モノリシック アナログ

照度－周波数変換フォトIC ハイブリッド デジタル

光通信 (POF) 光リンク用送信／受信フォトIC(汎用タイプ、MOSTネットワーク用)

モノリシックまたはハイブリッド

デジタル

移動量／回転角検知 エンコーダモジュール モノリシック

色検知 デジタルカラーセンサ、I2C対応カラーセンサ モノリシック

色／照度／物体検知 カラー／近接センサ ハイブリッド

光電スイッチ 光変調型フォトIC、光電スイッチ用フォトIC モノリシック

レーザビームプリンタなどの印字開始タイミング検出 レーザビーム同期検出用フォトIC ハイブリッド

浜松ホトニクスのフォトIC

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4章

フォトIC

照度センサ1.

1 - 1 フォトICダイオード

　フォトICダイオードは、光を受けて電流を発生するフォトダイオードと、その電流を数万倍に増幅する回路部から成るモノリシックフォトICです。出力は電流出力であり、逆電圧を印加したフォトダイオードと同じように使用することができます。フォトICダイオードには、視感度補正タイプと近赤外まで感度をもつタイプがあります。パッケージは、SIP (Single Inline Package)／DIP (Dual Inline Package)／COB (Chip on Board)／ヘッドオンタイプを用意しています。なお、民生用から車載用まで、顧客のニーズに合わせたICおよびパッケージのカスタム対応が可能です。

特長

・ フォトダイオードと同じ使いやすさ・ フォトトランジスタ並みの大きな出力・ 優れた直線性

動作原理、特性

　視感度補正タイプのフォトICダイオードの動作原理について説明します。視感度補正タイプの受光部は、メインの信号用フォトダイオードとサブの補正用フォトダイオードから構成されています。信号用フォトダイオードで発生した光電流から補正用フォトダイオードで発生した光電流を内蔵の演算回路で差し引くことにより、赤外域がカットされた分光感度特性が得られます。この信号を電流アンプで増幅して出力します。

[図1-1] ブロック図 (視感度補正タイプ)

[図1-2] 分光感度特性

[図1-3] 直線性 (視感度補正タイプ)

KPICC0163JA

KPICB0084JB

KPICB0083JD

1. 照度センサ

76

4章

フォトIC

使い方

　カソードに+電位が加わるように電圧を印加します。高周波成分を除去したい場合には、負荷抵抗 (RL)と並列にローパスフィルタ用負荷容量 (CL)を挿入して使用してください。　遮断周波数 (fc)は式 (1)で表されます。

fc .......... (1)2π CL RL1=

1 - 2 照度ー周波数変換フォトIC

　照度－周波数変換フォトICは、フォトダイオードと電流－周波数変換回路を組み合わせたCMOSフォトICです。出力はCMOSロジック対応のデジタルパルスで、その周波数は入射光量に比例します。照度－周波数変換フォトICは、各種光量センサに使用することができます。

特長

・ 広いダイナミックレンジ　一般的な電流－電圧変換回路は、ノイズや電源電圧によってダイナミックレンジが制限されます。照度－周波数変換フォトICは、電流をパルス周波数に直接変換する回路方式を採用しています。このため、フォトダイオードの光電流がもつ広いダイナミックレンジ特性は失われることなく、周波数に変換されます。その結果、5桁以上のダイナミックレンジを実現しています。

・ 視感度に近い分光感度特性　照度－周波数変換フォトICに内蔵したフォトダイオードの分光感度特性は、人間の視感度に近づけてあります。色温度誤差が少ないため、出力は人間の感覚にほぼ一致します。

・ 高感度　照度－周波数変換フォトICのフォトダイオードは、アノード・カソード間のバイアス電圧が、ほぼゼロとなる条件で駆動されます。これにより暗電流を小さくでき、高感度化を実現しています。

・ デジタル出力　出力はデジタルパルスです。面倒なアナログ処理は一切必要ありません。

動作原理、特性

　照度－周波数変換フォトICは、フォトダイオードと電流－周波数変換回路によって構成され、照度に比例したパルス周波数が出力されます。出力はResetがHighの期間に開放されます。また、ResetをHighからLowにしたときには出力パルスの位相が初期化されます。

[図1-4] ブロック図

KPICC0133JB

項目 記号 条件 Min. Typ. Max. 単位

感度波長範囲 λ - 300 ～ 820 - nm

最大感度波長 λp - 560 - nm

暗電流 ID VR=5 V - 1 50 nA

光電流 IL VR=5 V, 2856 K, 100 lx 0.18 0.26 0.34 mA

上昇時間 tr 10～90%, VR=7.5 VRL=10 kΩ, λ=560 nm - 6.0 - ms

下降時間 tf 90～10%, VR=7.5 VRL=10 kΩ, λ=560 nm - 2.5 - ms

[表1-1] 電気的および光学的特性 (視感度補正タイプ S9648‐100)

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4章

フォトIC

[図1-5] 分光感度特性

[図1-6] 出力周波数ー照度

[図1-7] 出力波形例

使い方

　照度－周波数変換フォトICを使って照度を検出する場合、特定の期間 (Tg)のパルス数をカウントして、出力周波数を求めます。この他、出力の半周期の時間を求めることによっても照度を検出できます。この方法は、低照度を検出する場合、すなわち低周波数を出力するときに有効です。

KPICB0126JA

KPICB0091JC

[図1-8] 接続例

KPICC0134JB

1. 照度センサ

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4章

フォトIC

光リンク用送信／受信フォトIC

2.

　プラスチック光ファイバ (POF: Plastic Optical Fiber)を用いた光ファイバ通信は、外来ノイズの影響を受けない、高速データ通信が可能などの特長があり、車載・FA・民生などの分野の光ネットワークに使用されています。当社はさまざまな伝送速度に対応した汎用タイプや、欧州で普及しているMOST (Media Oriented Systems Transport)ネットワーク用の高速・高信頼性を実現したタイプを用意しています。

2 - 1 汎用タイプ

送信フォトIC　　　受信フォトIC　

　汎用タイプの光リンク用受信フォトICとして、DC～100 Mbpsの伝送速度に対応した製品を用意しています。　送信フォトIC (LED駆動回路を内蔵)には、DC～10 MbpsとDC～100 Mbpsの2タイプがあります。受信フォトICには表2-1のタイプがあります。

[表2-1] 汎用タイプ光リンク用受信フォトIC

タイプ 電源電圧 伝送速度 出力レベル

低速、高感度(長距離通信用)

3.3 V ± 5%

DC～1 MbpsCMOSレベル

低速、超低消費電流

準高速通信用 DC～10 Mbps

高速通信用 DC～100 Mbps

特長

・ モノリシック構造 (受信フォトIC)　外部からの電磁ノイズの影響を低減するため、受信フォトICはフォトダイオードと信号処理回路が一体のモノリシック構造を採用しています。当社は、モノリシック構造を実現するため、独自のPINバイポーラプロセスで製造を行っています。PINバイポーラプロセスでは、最大250 Mbpsまでの高速フォトICが実現可能です。

・ 広いダイナミックレンジ　DCから100 Mbpsまでの幅広い伝送速度に対応したラインアップを用意しています。受信フォトICは広いダイナミックレンジを実現しています (例: 準高速通信用受信フォトICのダイナミックレンジ=-5～-30 dBm)。

構造

　送信フォトICのブロック図を図2-1に示します。信号が入力されるとLEDを発光させます。また、抵抗・容量によって、光出力波形の上昇時間を調整します。　受信フォトICのブロック図を図2-2に示します。フォトダイオードに光信号が入射すると、アンプで電流－電圧変換し、さらに信号を増幅します。その後、コンパレータでCMOSレベルのデジタル出力に変換して出力します。

[図2-1] ブロック図 （送信フォトIC）

[図2-2] ブロック図 （受信フォトIC）

KPICC0200JA

KPICC0201JA

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4章

フォトIC

2. 光リンク用送信／受信フォトIC

特性

[図2-3] 出力波形

(a) 送信フォトIC (DC～10 Mbps)の光出力波形

(b) 準高速通信用受信フォトICのデジタル出力波形

2 - 2 MOSTネットワーク用 (150 Mbps)

送信フォトIC 受信フォトIC 送／受信フォトIC L11354-01 S11355-01 P11379-04AT

　MOST150規格に対応した伝送速度 150 Mbpsの光リンク用フォトICです。プラスチックパッケージのSidelookerタイプと、送信／受信チップを1つのパッケージに収め、光ファイバ用のコネクタ部を一体化した表面実装型を用意しています。高信頼性を特長とし、リフローはんだ付けに対応しています。なお、伝送速度 25 Mbpsのタイプも用意しています。

横軸: 40 ns/div.PN=27 -1, 10 Mbps

横軸: 40 ns/div., 縦軸: 1 V/div.PN=27 -1, 10 Mbps

特長

・ 高速LEDを採用 (送信フォトIC)　送信フォトICは、ピーク発光波長 650 nmの高速・高出力LEDを採用しています。駆動ICは温度補償回路を内蔵しており、周囲温度が変化した場合の光出力変動を軽減します。

・ 広いダイナミックレンジ、待機モード機能 (受信フォトIC)　受信フォトICは、PINフォトダイオードとCMOS ICのハイブリッド構成で、高速動作を実現しています。‐2～‐22 dBmの広いダイナミックレンジで、光入力がない場合に低消費電力となる待機モードを備えています。

・ 完全差動構成 (受信フォトIC)　電源ノイズや、外部からの電磁ノイズの影響を低減するため、受信フォトICは、ダミーフォトダイオードを用いた完全差動構成の信号処理回路を採用しています。ノイズの影響を低減することによって、高いS/Nを実現することができます。

構造

　送信フォトICのブロック図を図2-4に示します。入力端子に所定の電気信号が入力されると、RC (Resonant Cavity)型LEDが発光します。また、周囲温度を温度モニタ回路により検出し、LED駆動電流を調整します。　受信フォトICのブロック図を図2-5に示します。一定以上の光量がフォトダイオードに入射すると、待機モードから動作モードに変わり、アンプとLVDS出力回路が動作してLVDS信号を出力します。

[図2-4] ブロック図 (送信フォトIC)

KPICC0177JA

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4章

フォトIC

[図2-5] ブロック図 (受信フォトIC)

特性

[図2-6] 出力波形 (アイパターン)

(a) 送信フォトICの光出力波形

(b) 受信フォトICのデジタル出力波形

[図2-7] 接続例 (送信フォトIC: L11354-01)

記号 部品 定数 備考R1 抵抗 100 Ω LVDS用終端抵抗L1 インダクタンス 0.1 µH フィルタ用

C1 コンデンサ 0.1 µF ノイズ対策用バイパスコンデンサ

C2 コンデンサ 10 µF フィルタ用C3 コンデンサ 10 µF フィルタ用

KPICC0178JB

MOSTストリーム, 300 Mbps

MOSTストリーム, 300 Mbps, Pin=-21.5 dBm

KPICC0179JB

[図2-8] 接続例 (受信フォトIC: S11355-01)

記号 部品 定数 備考R1 抵抗 100 Ω LVDS用終端抵抗L1 インダクタンス 0.1 µH フィルタ用

C1 コンデンサ 0.1 µF ノイズ対策用バイパスコンデンサ

C2 コンデンサ 10 µF フィルタ用C3 コンデンサ 10 µF フィルタ用

KPICC0180JC

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4章

フォトIC

エンコーダモジュール (移動量／回転角センサ)

3.

　エンコーダモジュールは赤色LEDとエンコーダ用フォトICを内蔵したモジュールで、検出対象の移動量・回転角を検出します。投／受光間において検出対象に付随したスリットの光学パターンが移動するとき、4素子フォトダイオードを内蔵したエンコーダ用フォトICがスリットの光学パターンを読み取り、パターン信号 (A相、B相)を出力します。

特長

・ 高分解能、高精度　検出対象の位置と移動方向を検出するために、インクリメンタルタイプの光学式エンコーダには2組のLED－フォトダイオード対が必要です。複数のディスクリートのLED－フォトダイオード対を用いた場合は素子間の特性バラツキがありますが、本エンコーダモジュールは1つのLEDと1チップの4素子フォトダイオードを内蔵しているため、素子間の特性バラツキを考慮する必要がありません。さらに、素子の位置精度が高いため、高分解能・高精度を実現しています。

・ 低消費電流　当社のエンコーダモジュールは、1組の赤色LEDとフォトICを内蔵しています。これらを1つのモジュールで構成しているため、低消費電流を実現しています。

・ 小型　エンコーダモジュールは、位置決めピン付きの小型パッケージを採用しています。

動作原理、使い方

　エンコーダモジュールのブロック図を図3-1に示します。　LEDからのスポット光は、スリットにより明暗パターンに変換され受光部上に投影されます。図3-3に推奨スリット板の穴のサイズを示します。　4素子のフォトダイオードを並び順にそれぞれPD1、

PD2、PD3、PD4とします。エンコーダ用フォトICの出力はA相、B相の2相デジタル出力 (TTL対応)で、A相 (VOA)はPD1－PD3間の受光量の大小を、B相 (VOB)はPD2－PD4間の受光量の大小を示します。　図3-4は、スリットによる明暗パターンが入射して移動した場合のPD1～PD4への入射信号量の変化と、それにより得られた電流がプリアンプ／コンパレータ／出力回路を通して2相のデジタル信号に変換された結果を示します。

[図3-1] ブロック図、真理値表

VOA VOB

LowLowHighHigh

LowHighLowHigh

PD1 < PD3PD1 < PD3PD1 > PD3PD1 > PD3

PD2 > PD4PD2 < PD4PD2 > PD4PD2 < PD4

受光量

[図3-2] 外形寸法図 (単位: mm)

KPCC0011JD

KPCA0010JB

2. 光リンク用送信／受信フォトIC　3. エンコーダモジュール (移動量／回転角センサ)

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4章

フォトIC

[図3-3] 推奨スリット板 (単位: mm, t=0.1)　　　　　　　　　　スリット板中心位置は図3-2参照

[図3-4] タイミングチャート

　エンコーダモジュールは、スリットの光学パターンの移動方向・移動量を検出しますが、スリット中の光学パターンの絶対位置を検出することはできません。スリット中の光学パターンの絶対位置を検出するためには、スリットの原点位置を定めて、原点位置からの移動量を検出する必要があります。そのためには、原点からエンコーダモジュールの出力変化回数を計算する装置が必要です。　出力変化回数が加算される場合は原点から離れ、減算される場合は原点に近くなっていると判断します。この判断は、2相デジタル出力 (VOA, VOB)が以下の変化のどちらであるかによって行います。（L, L）→（L, H）→（H, H）→（H, L）→（L, L）（L, L）→（H, L）→（H, H）→（L, H）→（L, L）

KPCC0013JA

KPCC0031JE

[図3-5] 応用回路例 (CW/CCWパルス信号発生回路)

　図3-5の回路は、移動量・回転角をカウントするためのアップカウント信号／ダウンカウント信号をそれぞれ発生するCW (正方向)／CCW (逆方向)パルス信号発生回路です。この回路は、サンプリング信号であるOSC信号のタイミングでVOAとVOBの状態変化の順序を検出し、正方向の状態変化に対してはCWnD端子に、逆方向の状態変化に対してはCCWnD端子にパルス信号を発生します (CWnD/CCWnD端子は逓倍率 × nの出力端子)。CWnD/CCWnD端子では、VOA・VOBの状態変化 1周期につきn回のパルスを発生します。このパルス幅は、サンプリング信号の1周期分です。OSC・VOA・VOBの状態変化に対して出力端子に現れるパルス信号を図3-6に示します。　サンプリング信号の周波数は、VOAとVOBの状態変化 1周期の最大周波数に対して40倍以上が適当です(図3-6では、簡略化して16倍となっています)。各端子に現れるパルスは、規定の状態変化の瞬間から若干遅れて発生します [理論最大遅延時間 = 1 /2 × OSC周波数 (単位: 周期)]。この各信号を、アップダウンカウンタのアップカウント端子およびダウンカウント端子に入力し、原点位置でアッ

KPICC0032JA

[図3-6] デコーダ出力のタイミングチャート (図3-5の応用回路例の場合)

KPICC0034JA

83

4章

フォトIC

プダウンカウンタをクリアする回路を備えれば、原点位置からの移動量が検出されます。 カラーセンサ4.

4 - 1 デジタルカラーセンサ

　デジタルカラーセンサは、光のRGB成分を12ビットデジタル信号に変換してシリアル出力するセンサです。デジタル出力のため、データの取り扱いが非常に簡単です。　デジタルカラーセンサの代表的な用途は、RGB-LEDバックライト液晶ディスプレイのバックライト調光です。LEDの経年劣化の対策のため、デジタルカラーセンサはLEDの明るさをモニタし、その情報をLED駆動回路にフィードバックして液晶ディスプレイの明るさと色合いを安定化します。デジタルカラーセンサは、この他にもさまざまな色合いの測定に広く使用できます。

特長

・ 9 × 9素子フォトダイオード　デジタルカラーセンサはフォトダイオードとアナログ／デジタル回路をモノリシックに集積化したフォトICです。フォトダイオードは、9 × 9素子のモザイク形状に配置されています。各素子は、オンチップフィルタによってRed (λp=610 nm)、Green (λp=540 nm)、Blue (λp=465 nm)の3色のうち1色に感度をもちます。9 × 9素子のモザイク形状の採用によって、明るさのムラによる影響を低減します。

・ 2段階の感度設定　広範囲の照度の測光を可能にするため、2段階の感度設定 (高感度モード、低感度モード)から選択することができます。高感度モードと低感度モードでは、使用する受光部が異なります (高感度モード: 9 × 9素子、低感度モード: 中央部 3 × 3素子)。

・ 12ビットデジタル出力　フォトダイオードで測光した信号は増幅されて12ビットのデジタル信号に変換されます。　モザイク形状に配置されたRGBフォトダイオードのそれぞれにアンプが内蔵されています。そのため入射光のRGB

3. エンコーダモジュール (移動量／回転角センサ)　4. カラーセンサ

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4章

フォトIC

成分について、同時に高精度な測定を行うことができます。

構造、動作原理

　デジタルカラーセンサのアンプには光－周波数変換回路を用いています。光－周波数変換回路の出力は矩形波 (デジタル信号)で、その周波数は入射光量に比例します。　光－周波数変換回路の出力はGate端子がHighの期間にカウントされ、レジスタにカウント値が保持されます。そのカウント値は、CK端子にパルスを入力することによって、パルスに同期して色別にDout端子からシリアル出力されます。出力される色の順番はRed→Green→Blueで、それぞれの色の出力は12ビットです。

[図4-1] ブロック図

[図4-2] 受光部拡大図 (単位: µm)

[表4-1] 感度設定

ゲイン モード 有効受光部

High 高感度 9 × 9素子

Low 低感度 3 × 3素子

KPICC0110JC

KPICC0124JA

特性

[図4-3] 分光感度特性

[図4-4] 出力ー照度

(a) Lowゲイン

(b) Highゲイン

KPICB0089JA

KPICB0099JA

KPICB0100JA

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4章

フォトIC

使い方

　デジタルカラーセンサに必要な入力信号は、感度を設定するRange信号、光の積分時間を設定するGate信号、測光した12ビットデジタルデータを取り出すCK信号のみです [図4-5]。デジタルカラーセンサは入力・出力ともにデジタル信号のためマイコンに直結でき、簡単に使うことができます。必要な外付け部品は、電源－グランド間に挿入するバイパスコンデンサ (0.1 µF)のみです。　デジタルカラーセンサには、赤外光を除去するために赤外カットフィルタがパッケージの上面に貼られていますが、パッケージの横からの光は赤外カットフィルタを通過しません。アパーチャなどを使って赤外カットフィルタを通らない方向からの光の対策を行う必要があります。

4 - 2 I2C対応カラーセンサ

　I2Cインターフェースが内蔵されたカラーセンサです。Red (λp=615 nm)、Green (λp=530 nm)、Blue (λp=460 nm)と赤外 (λp=855 nm)のそれぞれに感度をもち、検出結果は各色16ビットのデジタル値で出力されます。4つの16ビットレジスタを内蔵しており、RGBと赤外を連続して測定します。感度と積分時間の設定が可能で、広範囲の測光が可能です。

特長

・ I2C対応・ RGBと赤外の連続測光・ 2段階の感度切り替え機能 (感度比 1 : 10)・ 積分時間の設定による感度調節が可能 (1～65535倍)

・ 低電圧 (2.5 V, 3.3 V)動作・ 低消費電流 (75 µA typ.)・ 小型パッケージ (表面実装型ウエハレベルパッケージ)

構造、動作原理

　I2C対応カラーセンサは、視感度補正フィルタ、フォトダイオード、電流－周波数変換回路、カウンタ、タイマー回路、レジスタ、I2Cインターフェースなどから成っています [図4-6]。フォトダイオードは4 × 10素子のモザイク形状で [図4-7]、1素子の大きさは110 × 135 µmです。通常のカラーセンサにリモコン光などの強い赤外線が入射すると誤った色検出をする場合がありますが、本素子の赤外線検出機能により誤動作を防止できます。　測定する色はスイッチで自動的に切り替わり、Red、Green、Blue、赤外の順に連続して測定します。また、感度や積分時間を設定することができます。レジスタに保存された各色の16ビットデータは、I2Cインターフェースを通して読み出しが可能です。

[図4-5] タイミングチャート (デジタルカラーセンサ)

KPICC0115JB

4. カラーセンサ

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4章

フォトIC

[図4-6] ブロック図

[図4-7] 受光部拡大図 (単位: µm)

特性

　Lowゲインモードでは下段中央部の各色1素子ずつのフォトダイオードを用い、Highゲインモードでは各色10素子ずつのフォトダイオードを用いて測定します。したがって、ゲイン切り替えの感度比は1：10です。積分時間 (Tint)はあらかじめ設定されている4種類 (184 µs, 2.88 ms, 46 ms, 368 ms)から選択可能です。さらに感度を上げたい場合には、この4種類の積分時間の定数倍 [1～65535 (16ビット以下)]の設定が可能です。　初期設定ではLowゲインモード、積分時間 546 ms/ch (175 µsの3120倍)で設定されています。

[図4-8] カウント値ー照度 (代表例)

KPICC0152JB

KPICC0153JA

KPICB0130JC

4 - 3 カラー／近接センサ

　カラー／近接センサは、カラーセンサ、近接センサおよび3色LEDを小型パッケージ (5.5 × 1.7 × 1.0 mm)に一体化した多機能センサです。スマートフォンなどにおいて、ディスプレイの画質調整、タッチパネル機能のオン／オフの制御、着信表示などを行うことができます。カラーセンサは、周囲光のRGB比を検出する上、照度センサとしても使用でき、きめ細かな画質調整が可能になります。近接センサは、スマートフォンにおいては顔が近づいた場合に検知して、タッチパネル機能をオフにして、その上、液晶バックライトを消灯します。3色LEDは、着信表示用であるとともに、3色のうちの赤色LEDは近接センサの投光用としても機能します。

特長

・ I2C インターフェース: 400 kHz, Fast mode・ 低電圧 (2.5 V, 3.3 V)動作・ I2Cバス電圧 1.8 V対応・ 低消費電流・ 小型パッケージ: 5.5 × 1.7 × 1.0 mm・ リフローはんだ付けに対応・ 出荷時に距離バラツキを校正するためキャリブレーションが不要 (30 mm ± 20%)

・ I2Cのレジスタによって近接距離・LED駆動電流・測定間隔時間を設定可能

・ 外乱光の影響の少ない光同期検出が可能

構造

(1) カラーセンサ

　カラーセンサはRGBの3 chで、色温度を高精度・高感度 (1 mlx～)に測定します。16ビットA/D変換器を内蔵し、Red (615 nm)、Green (530 nm)、Blue (460 nm)の3色の比を

87

4章

フォトIC

連続して計測します。太陽光や室内照明 (蛍光灯や白熱灯など)を識別して、液晶画面の色温度や明るさを再現よく自動調整します。　カラーセンサは、液晶画面を見やすい明るさにするために照度センサとしても機能します。周囲の明るさを比視感度に近い波長域で検出し、明るさに応じて液晶バックライトの輝度をコントロールすることで、液晶画面を見やすくするとともに省電力化にも貢献します。

(2) 近接センサ

　近接センサは、3色LEDの赤色光が対象物 (顔など)に当たり反射した光を受光することで、対象物の接近を検知します。たとえばスマートフォンにおいては顔との距離を検知して、通話中にタッチパネル操作を無効にし液晶バックライトを消灯して誤動作を防止するとともに省電力化に寄与します。

(3) 3色LED

　3色LEDでは、RGBの3色を混色することでフルカラーを表示することができます。I2Cインターフェースによりさまざまな表示色の設定が可能で、スマートフォンでは電話着信時、メール受信時、SMS受信時などのそれぞれで異なる色を設定することが可能です。

[図4-9] 構成図

[図4-10] ブロック図

KPICC0206JA

特性

[図4-11] 分光感度特性

[図4-12] 近接距離－LED電流 (代表例)

KPICB0179JA

KPICB0180JA

4. カラーセンサ

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4章

フォトIC

光変調型フォトIC (光電スイッチ用)

5.

　光変調型フォトICは、光による物体検出用として開発されたフォトICです。光による物体検出には、通常フォトインタラプタやフォトリフレクタのように1対の受光／発光素子が用いられ、物体による光の遮断あるいは反射を利用します。受光素子に室内光などの外乱光が入射した場合、受光素子は外乱光を検知し誤動作するかもしれません。このような場合、信号光と外乱光の波長の違いを利用し、光学フィルタなどを用いて誤動作を防止する方法がありますが、外乱光が強い場合には十分な対策にはなりません。光変調型フォトICは、同期検出方式を採用し、外乱光の入射に対して誤動作が少なく、安定した出力を得ることができます。同期検出方式は、信号光をパルス変調し、そのタイミングに同期して信号検出を行う方式であり、非同期に入力されるノイズ光の影響を低減することができます。

特長

・ 外乱光の入射に対して誤動作の少ない検出　光変調型フォトICには、発振器、タイミング信号発生回路、LED駆動回路、フォトダイオード、プリアンプ、コンパレータ、信号処理回路、出力回路などがモノリシックに形成されています。外部にLEDを接続することにより、同期検出を行います。

・ 外乱光許容照度が高いタイプ、高感度タイプなどを用意　外乱光許容照度が高いタイプ (10000 lx typ.)、高感度タイプ (最低検出レベル： 0.2 µW/mm2 typ.)、発光素子との結線が不要な非同期タイプを用意しています。また、各種形状のパッケージ (DIP, SIP, 表面実装型)を取りそろえています。　外乱光許容照度が高いタイプ (S4282-51, S6986, S10053)のプリアンプには、直流光入射に対して特別な対策が追加されており、高照度の直流外乱光の入射下でも信号光の検出が可能です。一方、高感度タイプ (S6809, S6846, S7136-10)では、検出距離を長くすることができます。

[図5-1] ブロック図、真理値表

[図5-2] チップ拡大写真とブロック配置

構造

　光変調型フォトICの回路ブロックの構成について説明します。

(1) 発振器、タイミング信号発生回路

　発振器において内蔵コンデンサへの定電流による充放電を行うことにより、基準発振出力を生成します。発振出力は、タイミング信号発生回路に入力され、LED駆動用パルス、デジタル信号処理用の各種タイミングパルスを生成します。

(2) LED駆動回路

　タイミング信号発生回路で生成されたLED駆動用パルスによって外付けのLEDを駆動するための回路です。駆動デューティ比は1/16で、S4282-51、S6986、S10053は定

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4章

フォトIC

電流ドライブ、S6809、S6846、S7136-10はオープンコレクタドライブです。

(3) フォトダイオード、プリアンプ

　フォトダイオードの光電流は、プリアンプを通して電圧に変換されます。外乱光許容照度が高いタイプ (S4282-51, S6986, S10053)のプリアンプでは、図5-3に示すAC増幅回路を使用しており、信号検出感度を落とさずに直流および低周波の外乱光に対するダイナミックレンジを拡大しています。

[図5-3] プリアンプ部のブロック図 (S4282-51, S6986, S10053)

(4) Ｃ結合、バッファアンプ、基準電圧発生回路

　C結合によって低周波外乱光を除去し、同時にプリアンプ部のDCオフセットを除去します。バッファアンプでは、コンパレートレベルまで増幅します。基準電圧発生回路は、コンパレートレベル信号を発生します。

(5) コンパレータ

　コンパレータには、ヒステリシス機能が付加してあり、入射光の微少変動によるチャタリングを防止します。

(6) 信号処理回路

　信号処理回路は、ゲート回路とデジタル積分回路で構成されています。ゲート回路は、コンパレータ出力を弁別する回路であり、非同期外乱光による誤動作を防止します。同期外乱光は、ゲート回路で除去できないため、後段のデジタル積分回路で除去します。

(7) 出力回路

　出力回路は、信号処理回路の出力をバッファし、外部に出力する回路です。

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特性

[図5-4] 分光感度特性 (代表例)

(a) S4282-51, S6986, S10053

(b) S6809, S6846, S7136-10

[図5-5] 感度の温度特性 (代表例)

(a) 当社LED (λp=890 nm)と組み合わせた場合

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5. 光変調型フォトIC (光電スイッチ用)

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4章

フォトIC

(b) 光変調型フォトICのみの場合

使い方

　光変調型フォトICを用いると、外部に赤外LEDを接続することによって、外乱光の影響の少ない光同期検出型のフォトリフレクタやフォトインタラプタを簡単に構成できます。赤外LEDの光が物体に当たり反射した光を検出し、物体の有無や接近を検出する反射型センサや、赤外LEDの光が物体に遮蔽されたかどうかをとらえて物体の有無や通過を検出する透過型センサに応用できます。　同期検出方式を行うために、光変調型フォトICと赤外LEDを結線する必要がありますが、用途によっては結線できない場合があります。この場合は、非同期タイプを使用します。非同期タイプは外乱光除去能力は同期タイプに比べてやや劣りますが、赤外LEDと結線しないで使用することができます。

(1) LED駆動電流の増強方法

　検知距離を長くする場合には、LED駆動電流を増強する必要があります。この場合、外部に駆動回路を追加します。外部回路の簡単な例としては、図5-6のようにPNPトランジスタを用いる方法があります。この他に、LED端子にプルアップ抵抗を接続して、いったんLED駆動パルスをロジック信号にしてから外部のLED駆動回路に入力する方法もあります。フォトICとLED駆動電流の電源ラインが共通の場合は、LED駆動電流により電源電圧の変動が誘発され、これが誤動作の原因となることがあります。この場合、フォトICの電源端子の安定化を図ってください。

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[図5-6] LED駆動電流の増強方法

(a) 全タイプ

(b) S4282-51, S6986, S10053

(c) S6809, S6846, S7136-10

(2) 感度の調整方法

　光変調型フォトICの感度を調整する端子はありません。感度調整が必要な場合は、LED駆動電流を調整します。S4282-51、S6986、S10053はLEDと並列に可変抵抗を挿入し、S6809、S6846、S7136-10はLEDと直列に可変抵抗を挿入してLED駆動電流を調整します。なお、LED駆動を外部回路で行う場合には、外部回路の定数を調整してください。

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4章

フォトIC

[図5-7] LED駆動電流の調整方法

(a) S4282-51, S6986, S10053

(b) S6809, S6846, S7136-10

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レーザビーム同期検出用フォトIC

6.

　レーザビームプリンタなどにおける印字開始タイミング検出用のフォトICです。高速PINフォトダイオードと高速信号処理回路を内蔵しており、レーザビームがフォトダイオードを通過するときに、その通過タイミングを示すデジタル信号を出力します。

特長

・ 高精度タイプ (2素子フォトダイオード)と汎用タイプ (1素子フォトダイオード)を用意

・ 広範囲の入射レーザパワーに対応　内蔵する電流アンプが6倍のタイプと20倍のタイプ、および電源電圧が3.3 Vのタイプと5 Vのタイプを用意しています。2素子フォトダイオードタイプは、2素子の出力を比較することによって入射レーザパワーの変動や温度変動に対して安定した出力が得られます。1素子フォトダイオードタイプは、IC内部で設定したコンパレータ電圧よりも大きな振幅になった場合に出力が反転するように動作します。

・ ハイブリッド構成　レーザビーム同期検出用フォトICは、フォトダイオードとアンプのそれぞれの特長を生かすため、ハイブリッド構成を採用しています [図6-1]。

5. 光変調型フォトIC (光電スイッチ用)　6. レーザビーム同期検出用フォトIC

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4章

フォトIC

[図6-1] 拡大写真 (2素子フォトダイオードタイプ S9684)

動作原理

　2素子フォトダイオードタイプ S9684のブロック図を図6-2に示します。PD1・PD2にレーザビームが照射されると、それぞれ光電流 Ipd1・Ipd2が流れます。これらを電流アンプで増幅し、Ro1・Ro2端子にSource電流 Io1・Io2が流れます。Ro1・Ro2端子とGND端子間には外部にゲイン抵抗 R1・R2が接続されていて、Source電流が流れるとR1・R2の電位が上昇します。Ro1・Ro2端子間の電圧差をコンパレータによって検出して信号を出力します [図6-3]。　PD1とPD2にともにレーザビームが照射されていない場合、Ro1・Ro2端子の電圧を比較するだけでは、コンパレータの出力が確定されません。このため、PD1とPD2にビームが照射されていない場合、コンパレータの出力をHighに固定する必要があります。回路的にオフセットを与えて強制的にRo1・Ro2端子間の電圧差を設定すると、入射パワーが変動したときに出力発生タイミングのズレが発生してしまいます。そこでバイアス回路とダイオード Dによるリミット回路によって、Ro1端子電圧の下限をクランプする手法を用いています。　伝搬遅延時間変動は、レーザパワーの変動に対してどれだけ安定した出力タイミングが得られるかを示します。2素子フォトダイオードタイプはこの特性が優れています。

[図6-2] ブロック図 (S9684)

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[図6-3] 端子波形 (S9684)

[図6-4] 伝搬遅延時間変動ー入射パワー (S9684)

使い方

　Ro1・Ro2端子には外付けゲイン抵抗 (10 kΩ max.)をGND (製品によってはVcc)との間に接続します [図6-2]。スキャンされたレーザビームの入射時はRo1・Ro2端子には図6-5のようなアナログ波形が観測されます。　スキャンはPD1からPD2の向きで行います。これにより、急峻な立ち下がり側エッジを出力信号のタイミングにすることができます。　なお安定した出力タイミングを得るためには、Ro1・Ro2のアナログ波形振幅が2～3 Vとなるように入射レーザパワーとゲイン抵抗を設定する必要があります。

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4章

フォトIC

[図6-5] 波形例 (S9684)

6. レーザビーム同期検出用フォトIC

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4章

フォトIC

応用例7.

浜松ホトニクスのフォトICは、さまざまなところで使用されています。

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4章

フォトIC

7. 応用例

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4章

フォトIC

[図7-3] プログラム例

7 - 2 高速デジタル伝送 (光リンク用フォトICの応用例)

　近年のデジタル化したメディアでは、高速デジタル伝送は機器を利用する上で重要な要素となっています。メタルケーブルを用いる場合は、高品質な伝送を行うために外来ノイズの影響を考慮する必要がありますが、プラスチック光ファイバ (POF)ではこの影響が皆無となるため、特にノイズの多い環境で使用する場合にメリットを発揮します。当社は、デジタルオーディオ用から6.25 Gbpsの通信用まで、幅広いラインアップの光リンク用フォトICを製品化しています。光リンク用フォトICは、民生・FA・OA機器・車載ネットワーク・ホームネットワークなどに利用することができます。

[図7-4] 車載ネットワーク (MOST)

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7 - 1 簡易照度計

フォトICダイオードの応用例

　フォトICダイオードとコンパレータを用いた簡易照度計を紹介します。フォトICダイオードの特長 (良好な直線性、出力電流のバラツキの少なさ)を生かし、簡易照度計を作成することができます。図7-1の接続例のように、負荷抵抗 RLに発生する電圧をコンパレータ (LM111など)の比較端子に入力することにより、指定する任意の照度においてオン状態にすることができます。　視感度に近い分光感度特性をもつタイプのフォトICダイオードは、以下のような用途に用いられます。

・ テレビなどの省エネセンサ・ 携帯電話のバックライトの調光・ 液晶パネルの調光・ 車載用自動防眩ミラーの周囲光量検知・ オートライトセンサ

[図7-1] 接続例 (フォトICダイオード)

照度－周波数変換フォトICの応用例

　照度－周波数変換フォトICとワンチップマイコンPIC12F675 (Microchip社製)を用いた簡易照度計です。PIC12F675内蔵の16ビットタイマーを使用します。ICとマイコンは同一電源に接続し、ICの出力はマイコンのタイマー入力ピン (2番)に接続します。照度はLEDの点灯で表示されます。図7-3にプログラム例を示します。出力は2進数で表示され、1つ数字が大きくなると明るさが2倍になり、人間の目の感覚に近い対数表示になります。

[図7-2] 接続例 (照度－周波数変換フォトIC)

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4章

フォトIC

7 - 3 LEDバックライト 液晶ディスプレイの色調整 (デジタルカラーセンサの応用例)

　RGB-LEDバックライト液晶ディスプレイのバックライト光量は、一般的にマイコンで制御されます。バックライトは経年劣化するためカラーセンサでバックライト光をモニタして、マイコンに光量情報をフィードバックし、バックライトの光量を調整して安定化する必要があります。デジタルカラーセンサは入／出力信号がデジタル信号のため、簡単にマイコンに直結することができます。

[図7-5] 接続例 (デジタルカラーセンサ)

7 - 4 スマートフォン向け多機能センサ (カラー／近接センサの応用例)

　スマートフォンには、液晶ディスプレイの画質調整、タッチパネル機能のオン／オフの制御のためのセンサや着信表示用LEDが搭載されています。スマートフォン内に実装できるスペースは限られているため、実装部品には小型化が要求されます。当社のカラー／近接センサは、それらの機能を1つの小型パッケージに一体化することで、実装部品の省スペース化を実現します。また、低電圧 (2.5 V, 3.3 V)動作に加え、待機モード機能も搭載しているため、消費電力を最小限に抑えた設計となっています。　カラー／近接センサは、スマートフォン用に開発された製品ですが、物体検知や、明るさや色の調整が必要とされるさまざまな機器にも応用が可能です。

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[図7-6] スマートフォンに用いられるカラー／近接センサ

7 - 5 デジタルコピー機・レーザプリンタの 印字開始タイミング信号の出力 (レーザビーム同期検出用フォトICの応用例)

　デジタルコピー機やレーザプリンタは、強度変調されたレーザビームのスキャンによって感光体上に電位潜像を記録します。このようなラスター走査では、走査信号の同期が重要になります。そこで主走査を始める位置に光センサを配置して、光センサの受光信号を用いて同期信号を生成する手法が用いられています。　レーザビーム同期検出用フォトICは、印刷開始のタイミング信号を出力します。レーザビーム同期検出用フォトICの置かれた位置でレーザビームが通過したタイミング信号を生成し、位相制御回路に送ります。位相制御回路は、このタイミング信号からレーザ強度変調回路のラスター情報の書き出しタイミングを決定します。　当社は、高精度タイプ (2素子フォトダイオード)と汎用タイプ (1素子フォトダイオード)のレーザビーム同期検出用フォトICを用意しています。

[図7-7] レーザプリンタの模式図

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7. 応用例