专利名称：亮度传感器的制作方法
技术领域：
本发明关于使用具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定的光电转换元件的亮度传感器。
背景技术：
公知有如图18，使用随照度电阻值起变化的CdS3的亮度传感器。此种亮度传感器具有与CdS3串联连接有检测用电阻R5的结构，于CdS3及检测用电阻R5的串联电路施加直流电压的状态下以检测用电阻R5的两端电压作为检测电压V0输出而检测照度。
例如可检测的照度范围在5-10000Lx(勒克斯)左右的一般亮度传感器，如图19，照度愈大则相对于照度的检测电压V0的变化率愈小，检测电压V0相对于照度起非线性变化。换句话说，照度愈小照度检测的鉴别率愈高，故至10000Lx的宽广照度范围的检测，亦可检测出例如100Lx以下的照度范围的微小照度变化。一般已知，人类视觉特性为照度愈小鉴别率愈高，对于照度为非线性，使用CdS3的亮度传感器即具有接近人类视觉特性的特性。
但是，上述亮度传感器的CdS3含镉，有制造时、废弃时对于环境造成负荷的重大问题，故有取代CdS3改用光电晶体管、光电二极管、光电IC的任一光电转换元件的提议(参考例如专利文献1)。取代CdS3使用的这些光电转换元件，具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定。例如使用光电晶体管PTr的亮度传感器如图20，图18的使用CdS3的亮度传感器中与检测用电阻R5的串联电路取代CdS3以光电晶体管PTr构成，如同上述亮度传感器以检测用电阻R5的两端电压作为检测电压V0检测而检测照度。
上述各种亮度传感器设有，比较各检测电压V0与依可变电阻VR1设定的定限值电压V2的比较器CP1，照度与相当于定限值电压V2的照度大小更换则使比较器CP1的输出Vout反相。
而使用光电转换元件的亮度传感器，例如可检测的照度范围在5-10000Lx左右的一般亮度传感器，通过电流的大小相对于照度起线性变化。因此，随通过电流的通过检测用电阻R5，产生于检测用电阻R5两端的检测电压V0，即相对于照度起线性变化。要点为，亮度传感器的照度检测的鉴别率为在所有可检测照度范围一致设定，例如以0-100Lx左右的照度范围为可检测的亮度传感器，如照度(横轴)以对数表示的图21，在0-100Lx的全部照度范围，照度检测的鉴别率较高。
见专利文献1 日本专利特开2003-130729号公报(第2页，图1)。
但是，使用光电转换元件构成亮度传感器，则因可检测的全部照度范围的照度检测鉴别率一致，无法如使用CdS3的亮度传感器，照度愈小照度检测鉴别率愈高，具有接近人类视觉特性的特性，产生无法实现合乎人类视觉特性的照度检测的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在提供一种取代CdS改用光电转换元件，同时如同使用CdS的亮度传感器，照度愈小则照度检测鉴别率愈高的亮度传感器。
根据本发明的第一个方面，本发明其特征为，由具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定的光电转换元件，及于与光电转换元件的串联电路施加直流电压的二极管其以使电流正向通过的方向连接以两端电压作为检测电压输出的非线性元件构成，使通过电流于具有非线性元件的通过电流愈大则相对于通过电流的检测电压变化率愈小的非线性特性范围流通，使检测电压随上述非线性特性起变化。
一般，二极管具有在正向通过的通过电流低电流而两端电压达到正向下降电压为止的范围内，两端电压相对于通过电流起非线性变化，使通过电流愈大两端电压相对于通过电流的变化率愈小的特性。根据本发明的第一个方面的结构，着眼于该二极管的特性而提出，光电转换元件使相对于照度成比例的大小的通过电流通过时，通过电流愈大则二极管的两端电压相对于通过电流的变化率愈小，故如同使用CdS的亮度传感器，检测电压相对于照度起非线性变化，而照度愈大则相对于照度的检测电压变化率愈小。因此，使用光电转换元件，如同使用CdS的亮度传感器，可以实现照度愈小照度检测的鉴别率愈高的亮度传感器。
根据本发明的第二个方面，本发明其特征为，由具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定的光电转换元件，及于与光电转换元件的串联电路施加直流电压的齐纳二极管其以使电流反向通过的方向连接以两端电压作为检测电压输出的非线性元件构成，使通过电流于具有非线性元件的通过电流愈大则相对于通过电流的检测电压变化率愈小的非线性特性范围流通，使检测电压随上述非线性特性起变化。
一般，齐纳二极管具有在反向通过的通过电流为低电流而两端电压达到齐纳电压为止的范围内，两端电压相对于通过电流起非线性变化，使通过电流愈大则两端电压相对于通过电流的变化率愈小的特性。根据本发明的第二个方面的结构，着眼于该齐纳二极管的特性而提出，光电转换元件使相对于照度成比例的大小的通过电流通过时，通过电流愈大则齐纳二极管的两端电压相对于通过电流的变化率愈小，故如同使用CdS的亮度传感器，检测电压相对于照度起非线性变化，而照度愈大则相对于照度的检测电压变化率愈小。因此，使用光电转换元件，如同使用CdS的亮度传感器，可以实现照度愈小照度检测的鉴别率愈高的亮度传感器。
根据本发明的第三个方面，在根据本发明的第一或二个方面的发明中，其中还附加使用运算放大器的放大电路以放大上述检测电压。
以该结构，检测放大电路的输出电压，则可检测的全部照度范围的照度检测鉴别率高。
根据本发明的第四个方面，在根据本发明的第一或二个方面的发明中，其中还附加上述光电转换元件及与上述非线性元件串联的输出用电阻，在非线性元件的两端电压加输出用电阻的两端电压作为检测电压。
以该结构，检测电压相对于通过电流的变化率恰以输出用电阻的电阻值垫高，故可检测的全部照度范围，照度检测鉴别率高。
根据本发明的第五个方面，在根据本发明的第一或二个方面的发明中，其中还在上述光电转换元件及上述非线性元件的连接点插入限制上述通过电流的大小的限制用电阻。
以该结构，因限制用电阻通过电流的大小被限制，故照度大时可防光电转换元件及非线性元件的因过电流而损坏。
根据本发明的第六个方面，在根据本发明的第一或二个方面的发明中，其中上述光电转换元件的与上述非线性元件相反侧的一端，以光电转换元件及非线性元件共同形成串联电路，有限制上述通过电流的大小的限制用电阻的连接。
以该结构，因限制用电阻通过电流的大小被限制，照度大时可防光电转换元件及非线性元件的因过电流而损坏。更有限制消耗电流的效果可期。
本发明着眼于，相对于非线性元件的通过电流两端电压起非线性变化的特性而提出，光电转换元件以相对于照度成比例的大小的通过电流通过时，通过电流愈大则非线性元件的两端电压相对于通过电流的变化率愈小，故如同使用CdS的亮度传感器，检测电压相对于照度起非线性变化使照度愈大则相对于照度的检测电压的变化率愈小。因此，使用光电转换元件，如同使用CdS的亮度传感器，可以实现照度愈小照度检测的鉴别率愈高的亮度传感器。
图1本发明的实施方式1的电路图。
图2同上的二极管的非线性特性示意图。
图3(a)表示同上的检测电压的工作示意图，图3(b)表示同上的放大电路的输出电压的工作示意图。
图4同上的定限值电压的示意图。
图5表示同上的“输出电压＜定限值电压”时的情形，(a)表示比较器的输入的工作示意图，(b)表示比较器的输出的工作示意图。
图6表示同上的“输出电压＞定限值电压”时的情形，(a)表示比较器的输入的工作示意图，(b)表示比较器的输出的工作示意图。
图7本发明的实施方式2的电路图。
图8表示同上的齐纳二极管的非线性特性的示意图。
图9表示同上的检测电压的工作示意图。
图10表示二极管的温度特性的示意图。
图11本发明的实施方式3的电路图。
图12本发明的实施方式4中设输出用电阻的1例的电路图。
图13表示同上的设输出用电阻的另一例的电路图。
图14表示同上的设输出用电阻的又一例的电路图。
图15表示同上的设限制用电阻的1例的电路图。
图16表示同上的设限制用电阻的另一例的电路图。
图17表示同上的设限制用电阻的又一例的电路图。
图18表示使用CdS的公知例的电路图。
图19表示同上的检测电压的工作示意图。
图20表示使用光电晶体管的公知的电路图。
图21表示同上的检测电压的工作示意图。
元件符号说明1放大电路2光电IC(光电转换元件)D1 二极管(非线性元件)PTr 光电晶体管(光电转换元件)OP1 运算放大器R3 限制用电阻R4 输出用电阻V0 检测电压ZD1 齐纳二极管(非线性元件)具体实施方式
(实施方式1)本实施方式的亮度传感器如图1，具有光电转换元件光电晶体管PTr，及非线性元件二极管D1串联的结构。本实施方式如同以公知结构来说明的使用CdS的亮度传感器，以可检测照度范围在5-10000Lx的亮度传感器作说明。
光电晶体管PTr及二极管D1的串联电路构成为通过该串联电路的通过电流受光电晶体管PTr限制，同时二极管D1光电晶体管PTr的发射极与二极管D1的阳极连接，使通过电流于二极管D1的正向通过，因直流电流而光电晶体管PTr的集电极为正的直流电压施加于两端间。该状态下，即构成为以二极管D1的两端电压作为检测电压V0输出。在此选用光电晶体管PTr使达到可检测照度的照度范围的最大值时，通过二极管D1的通过电流仍为充分的低电流，相对于10000Lx的照度通过电流较小，而检测电压V0不达到二极管D1的正向下降电压。
而光电晶体管PTr，随照度产生光电动势，同时使集电极为正施加直流电压时自集电极通过发射极的通过电流的大小相对于光电动势的大小一对一决定者。以本实施方式的亮度传感器所使用的5-10000Lx的照度范围内，光电晶体管PTr的通过电流与照度具有比例关系。另一方面，二极管D1具有，如通过电流(纵轴)以对数表示的图2，正向通过的通过电流为低电流而在电流两端电压未达到正向下降电压的范围，通过电流愈大则，相对于通过电流的两端电压的变化率愈小的特性。亦即具有，通过电流为低电流时，两端电压相对于通过电流起非线性变化的特性。以下称该特性为二极管D1的非线性特性。
本实施方式如上述，使相对于照度起线性变化的通过电流于二极管D1的正向通过，利用二极管D1的非线性特性，以实现如同使用CdS的亮度传感器，照度愈小照度检测的鉴别率愈高的亮度传感器。
以下说明该亮度传感器的工作。在光电晶体管PTr与二极管D1的串联电路两端间施加直流电压，则通过该串联电路的通过电流因光电晶体管PTr而相对于照度起线性变化。该通过电流于正向通过二极管D1，则因二极管D1的非线性特性，产生二极管D1两端间通过电流愈大相对于通过电流的变化率愈小的检测电压。因此，检测电压V0如图3(a)，相对于照度起非线性变化使照度愈大相对于照度的变化率愈小。
换句话说，照度愈小照度检测鉴别率愈高，故例如在100Lx以下的照度范围，可将照度的微小变化作为检测电压V0的变化输出，结果，本实施方式的使用光电转换元件的亮度传感器，即如同使用CdS的亮度传感器具有接近人类视觉特性的特性。
本实施方式的亮度传感器具备将检测电压V0放大输出的使用运算放大器OP1的放大电路1。放大电路1，于运算放大器OP1的反相输入端与输出端之间接有反馈用电阻R1，同时于运算放大器OP1的反相输入端与直流电源的负极之间接有输入用电阻R2构成的非反相放大电路，运算放大器OP1的非反相输入端连接到光电晶体管PTr与二极管D1的连接点。因具备放大电路1，亮度传感器的输出电压V1，如图3(b)，因检测电压V0成为常数倍的输出电压V1，可检测的全部照度范围的照度检测鉴别率提高，可检测更微小的照度变化。
而本实施方式的亮度传感器如同公知结构具备，将放大电路1的输出电压V1与定限值电压V2比较，放大电路1的输出电压V1与定限值电压V2的大小更换则输出Vout反相的比较器CP1。该定限值电压V2，自施加直流电压于两端间的可变电阻VR1的拉出线P拉出者，利用可变电阻VR1的分压，如图4，相对于可变电阻VR1一端与拉出线P之间的电阻值成比例。比较器CP1，因于反相输入端连接有放大电路1的输出端同时于非反相输入端连接可变电阻VR1的拉出线P，其工作如图5于放大电路1的输出电压V1小于定限值电压V2的期间使输出Vout为H电平，如图6于放大电路1的输出电压V1大于定限值电压V2的期间使输出Vout为L电平。
(实施方式2)本实施方式的亮度传感器，如图7，连同光电晶体管PTr构成串联电路的非线性元件，取代二极管以齐纳二极管ZD1使通过电流于齐纳二极管ZD1的反向流通连接，此与实施方式1的亮度传感器不同。齐纳二极管ZD1的两端电压作为检测电压V0输出。在此选用相对于10000Lx的照度通过电流较小的光电晶体管PTr，使照度达到可检测照度范围的最大值时通过齐纳二极管ZD1的通过电流仍充分的低电流而检测电压V0不达到齐纳二极管ZD1的齐纳电压。
而齐纳二极管ZD1具有，如通过电流(纵轴)以对数表示的图8，反向通过的通过电流为低电流而两端电压在未达到齐纳电压的范围，通过电流愈大则相对于通过电流的两端电压的变化率愈小的特性。亦即具有，通过电流为低电流时，两端电压相对于通过电流起非线性变化的特性。该特性以下称作齐纳二极管ZD1的非线性特性。
本实施方式中，使相对于照度起线性变化的通过电流于齐纳二极管ZD1的反向通过，利用齐纳二极管ZD1的非线性特性，以实现如同使用CdS的亮度传感器照度愈小则照度检测的鉴别率愈高的亮度传感器。
以下说明该亮度传感器的工作。在光电晶体管PTr与齐纳二极管ZD1的串联电路两端间施加直流电压，则通过该串联电路的通过电流因光电晶体管PTr相对于照度起线性变化。该通过电流于反向通过齐纳二极管ZD1，则因齐纳二极管ZD1的非线性特性，齐纳二极管ZD1两端间产生通过电流愈大相对于通过电流的变化率愈小的检测电压V0。因此，检测电压V0如图9，相对于照度起非线性变化使照度愈大相对于照度的变化率愈小。
换句话说，照度愈小照度检测鉴别率愈高，故例如在100Lx以下的照度范围，可将照度的微小变化作为检测电压V0的变化输出，结果，本实施方式的使用光电转换元件的亮度传感器，即如同使用CdS的亮度传感器具有接近人类视觉特性的特性。
而产生于齐纳二极管ZD1两端间的检测电压V0的大小与通过电流的大小相同齐纳电压亦随齐纳二极管ZD1愈大。本实施方式选用常见齐纳二极管中的具有较大电压者，不用放大检测电压V0的放大电路1(参照图1)而能输出较大检测电压V0。
又，二极管一般具有同大小的通过电流通过时，因周围温度升高两端电压朝向变小偏移的负温度系数。图10为以横轴为通过电流表示周围温度不同的二极管的两端电压，周围温度为“25度”者以实线表示，周围温度为“-25度”者以点线表示，周围温度为“100度”者以虚线表示。相对地，如本实施方式使用齐纳二极管ZD1，二极管的负温度系数即可因雪崩效应而正温度系数减低，可防随周围温度而起的灵敏度变化。
而图7的亮度传感器，相对于比较器CP1的反相输入端采用连接光电晶体管PTr与齐纳二极管ZD1的连接点的结构，比较检测电压V0与定限值电压V2而检测电压V0与定限值电压V2的大小更换则比较器CP1的输出Vout反相。其它结构及功能与实施方式1相同。
(实施方式3)本实施方式的亮度传感器，如图11，光电转换元件取代光电晶体管PTr改用光电IC2，及于光电IC2与直流电源的正极之间插入限制用电阻R3，此与实施方式2不同。亦即，光电IC2及齐纳二极管ZD1连同限制用电阻R3构成串联电路。
光电IC2的结构，具有随照度产生光电动势的光电动势机构光电二极管20，并具备放大光电二极管20产生的光电动势的放大器21及放大器21的输出端连接于其基极的电晶体22。电晶体22的集电极及发射极各取代实施方式2的光电晶体管PTr的集电极及发射极，各连接于限制用电阻R3及齐纳二极管ZD1的阴极。以直流电源向放大器21供电。
以该结构，光电二极管20随照度产生光电动势的际，放大器21起相对于电晶体22使基极电流流通的功能，结果，电晶体22的集电极与发射极之间即有依照度的大小的通过电流通过。限制用电阻R3，限制通过光电IC2及齐纳二极管ZD1的通过电流的大小，照度过大时可防过电流通过光电IC2及齐纳二极管ZD1而破坏光电IC2及齐纳二极管ZD1。又限制用电阻R3，为使光电IC2工作限制流入光电IC2的电流的大小，故亦有限制消耗电流的效果。而图11虽未示，如同实施方式2的亮度传感器，亦可设比较检测电压V0与定限值电压V2的比较器CP1。其它结构及功能与实施方式2同。
(实施方式4)本实施方式于上述各实施方式的亮度传感器，对于光电转换元件及非线性元件的串联电路将电阻串联的实例。因基本结构与上述各实施方式的亮度传感器相同，有关重复内容的说明省略。
首先说明，于非线性元件与直流电源的负极之间插入输出用电阻R4的亮度传感器。于实施方式1的亮度传感器设输出用电阻R4者如图12，于实施方式2的亮度传感器设输出用电阻R4者如图13，图14的实施方式3的亮度传感器中取代限制用电阻R3改设输出用电阻R4。具备输出用电阻R4的亮度传感器以于非线性元件的两端电压加输出用电阻R4的两端电压的电压作为检测电压V0，相对于照度的非线性元件的两端电压变化率加输出用电阻R4的电阻值者成为相对于照度的检测电压V0的变化率。亦即，相对于照度的检测电压V0的变化率全体升高，结果可检测的全部照度范围，照度检测的鉴别率得以提高。
其次说明，将限制如实施方式3的通过光电转换元件及非线性元件的串联电路的通过电流的大小的限制用电阻R3插入光电转换元件与非线性元件的连接点的亮度传感器。于实施方式1的亮度传感器设限制用电阻R3者如图15，在实施方式2的亮度传感器设限制用电阻R3如图16，图17示于实施方式3的亮度传感器将限制用电阻R3改插入于光电IC2与齐纳二极管ZD1的连接点而非光电IC2与直流电流的正极间。具备限制用电阻R3的亮度传感器，因通过光电转换元件及非线性元件的通过电流的大小受限，照度过大时可防过电流通过光电转换元件及非线性元件而破坏光电转换元件及非线性元件。
又，在图17的光电IC2与齐纳二极管ZD1的连接点设限制用电阻R3的亮度传感器，如同实施方式2具备比较器CP1。比较器CP1，因于反相输入端连接有齐纳二极管ZD1的阴极同时于非反相输入端有可变电阻VR1的拉出线P的连接，检测电压V0小于定限值电压V2的期间使输出Vout为H电平，检测电压V0大于定限值电压V2的期间使输出Vout为L电平而工作。
而图17的亮度传感器，因于限制用电阻R3的通过电流的大小予以限制，产生于齐纳二极管ZD1两端间的检测电压V0的大小予以限制，即使亮度传感器检测出超过可检测照度范围的大照度，检测电压V0亦不超过由可变电阻VR1设定的定限值电压V2的最大值。因此，将亮度传感器停止时，仅依可变电阻VR1设定定限值电压V2的最大值，即可保持比较器CP1的输出Vout于H电平使照度起变化时检测电压V0仍可经常小于定限值电压V2。该功能在，例如亮度传感器以外具备人体传感器，构成为外光的照度小且人体传感器检测出人体时使负荷工作的装置中，于仅依与亮度传感器无关的人体传感器的输出使负荷工作时有用。
而本实施方式所示的多数亮度传感器中，比较器CP1仅示于图17，亦可于其它图所示的亮度传感器设比较器CP1。
权利要求
1.一种亮度传感器，由下列元件所构成光电转换元件，具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定；及非线性元件，为一个二极管，在该二极管与该光电转换元件的串联电路施加直流电压，该二极管朝向使电流正向通过的方向连接，以两端电压作为检测电压而输出；利用使通过电流流过具有非线性元件中通过电流愈大，则相对于通过电流的检测电压的变化率愈小的非线性特性范围的方式，而使检测电压随该非线性特性起变化。
2.一种亮度传感器，由下列元件所构成光电转换元件，具有随照度产生光电动势的光电动势机构，通过两端间的通过电流的大小相对于光电动势一对一决定；及非线性元件，为一个齐纳二极管，在此齐纳二极管与该光电转换元件的串联电路施加直流电压，该二极管朝向使电流反向通过的方向连接，以两端电压作为检测电压而输出；利用使通过电流流过具有非线性元件中通过电流愈大，则相对于通过电流的检测电压的变化率愈小的非线性特性范围的方式，而使检测电压随该非线性特性起变化。
3.如权利要求1或2的亮度传感器，其中附加使用运算放大器的放大电路以放大该检测电压。
4.如权利要求1或2的亮度传感器，其中附加与该光电转换元件及该非线性元件串联的输出用电阻，于非线性元件的两端电压加上输出用电阻的两端电压作为检测电压。
5.如权利要求1或2的亮度传感器，其中于该光电转换元件及该非线性元件的连接点插入限制该通过电流的大小的限制用电阻。
6.如权利要求1或2的亮度传感器，其中在该光电转换元件的与该非线性元件相反侧的一端连接限制用电阻，以该限制用电阻与光电转换元件及非线性元件共同形成串联电路而限制该通过电流的大小。
全文摘要
本发明提供一种亮度传感器，取代CdS改用光电转换元件，照度愈小照度检测鉴别率愈高。亮度传感器以依照度比例使通过电流的大小起变化的光电晶体管PTr及二极管D1构成串联电路，当串联电路两端施加电压时以二极管D1的两端电压作为检测电压V0输出。二极管D1因为在两端电压达到正向下降电压前的低电流范围通过电流愈大相对于通过电流的两端电压的变化率愈小，而具有非线性特性，为使二极管D1在低电流范围工作，光电晶体管PTr选用相对于照度通过电流较小者，以使照度愈小相对于照度的检测电压V0的变化率愈大。
文档编号H01L31/08GK1661343SQ20051000633
公开日2005年8月31日 申请日期2005年1月26日 优先权日2004年2月24日
发明者森龙一, 阿部达也 申请人:松下电工股份有限公司