JP2006261524A

JP2006261524A - 受光回路

Info

Publication number: JP2006261524A
Application number: JP2005079208A
Authority: JP
Inventors: Keiji Osugi; 啓治大杉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】外光の強度が高い場合でも物体からの反射光を検出し、かつ、外光の強度が低い場合でも物体からの反射光を高感度で検出する。
【解決手段】外光の強度に応じて抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値を調整する調整回路（スイッチ回路４１〜４ｎ、コントローラ３０）を備える。外光の強度が高い場合には、上記合成抵抗の抵抗値が小さくなるようにスイッチ回路４１〜４ｎを制御して接続点Ａの電位を低下させ、外光の強度が低い場合には、上記合成抵抗の抵抗値が大きくなるようにスイッチ回路４１〜４ｎを制御して接続点Ａの電位を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子を備えた受光回路に関する。

従来より、このような受光回路は、発光素子から光を照射して検出対象からの反射光を捉える反射式センサ等に用いられている。また、このような反射式センサを利用した装置としては、非接触で車室内照明の点灯、消灯の切り替え制御を行う近接スイッチや、人の手の接近を検知して手洗器等の水洗器への給水を自動で制御する給水制御装置等がある（例えば、特許文献１参照）。

図４に、従来の受光回路を備えた近接スイッチの回路構成を示す。近接スイッチは、発光素子としての赤外発光ＬＥＤ１０、抵抗１１、ＮＰＮ型トランジスタ１２、抵抗１３ａ、１３ｂからなる発光部と、受光素子としてのフォトダイオード２０、抵抗２１、コンデンサ２２、抵抗２３ａ、２３ｂ、増幅器２４、インタフェース回路（図中では、Ｉ／Ｆと記す）２５からなる受光部およびコントローラ３０を備えている。なお、受光部およびコントローラ３０によって受光回路を構成している。

赤外発光ＬＥＤ１０には、電流制限用の抵抗１１を介してＮＰＮ型トランジスタ１２が直列に接続されている。このＮＰＮ型トランジスタ１２のベースには、保護回路としての抵抗１３ａ、１３ｂが設けられている。

ＮＰＮ型トランジスタ１２のベースにコントローラ３０の制御回路（後述する）から比較的周期の短い連続したパルス信号が入力されると、このパルス信号に応じてＮＰＮ型トランジスタ１２はオンオフし、赤外発光ＬＥＤ１０は発光する。

フォトダイオード２０は、赤外発光ＬＥＤ１０から照射した光が物体６０によって反射した場合にこの反射光を受光するためのものであり、受光した光を電流に変換する。なお、フォトダイオード２０が受光する光には、物体６０からの反射光の他に外光（太陽光や照明による光など）も含まれている。

抵抗２１は、フォトダイオード２０に流れる電流を電圧に変換するためのものであり、フォトダイオード２０と直列に接続されている。フォトダイオード２０と抵抗２１の接続点Ａからフォトダイオード２０が受光した光の強度に応じた電圧が出力される。なお、フォトダイオード２０が受光する反射光の強度は外光の強度と比較して微弱であるため、接続点Ａの電圧の直流分を外光の強度に応じた電圧として考えることができる。

コンデンサ２２は、接続点Ａから入力される信号の直流分をカットするためのもので、交流分のみを通過させる。

増幅器２４は、接続点Ａからコンデンサ２２を介して入力される信号（接続点Ａの交流分）をコントローラ３０の検知回路（図示せず）が検出できるレベルまで増幅するもので、抵抗２３ａ、２３ｂによって生成された基準電圧に基づいて、コンデンサ２２を介して入力される信号を所定の増幅率で増幅する。

インタフェース回路２５は、接続点Ａから入力される電圧信号からコントローラ３０を保護するためのもので、バッファによって構成されている。

コントローラ３０は、増幅器２４によって増幅された信号（接続点Ａの交流分が増幅された信号）の電圧が基準値以上か否かを判定することによって、近接する物体６０の有無を判定する検知回路、インタフェース回路２５を介して入力されるフォトダイオード２０と抵抗２１との接続点Ａの電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路、およびＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた制御回路（いずれも図示せず）を備えている。このＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って各種処理を行う。

また、コントローラ３０の制御回路は、Ａ／Ｄ変換回路によってインタフェース回路２５を介して入力されるフォトダイオード２０と抵抗２１との接続点の電圧をデジタル信号に変換するとともに、変換した信号に基づいてフォトダイオード２０が受光した光の強度を検出し、検出した光の強度が基準値以上となった場合にはフォトダイオード２０への電源をオフする等の制御を行うようになっている。
特開平５−１５６６８２号公報

図４に示した受光回路において、抵抗２１は、フォトダイオード２０に流れる電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路として機能し、この抵抗２１の抵抗値によって、フォトダイオード２０と抵抗２１の接続点Ａの電位は変化する。すなわち、一定の強さの光をフォトダイオード２０に照射した場合、抵抗２１の抵抗値が小さいと接続点Ａの電位は小さくなり、抵抗２１の抵抗値が大きいと接続点Ａの電位は大きくなる。

また、電流−電圧変換回路の電流の変化に対する接続点Ａの電位の変化、すなわち電流−電圧変換の感度は、抵抗２１の抵抗値が大きいほど高く、抵抗２１の抵抗値が小さいほど低くなる。

抵抗２１の抵抗値を大きくした場合、電流−電圧変換の感度は高くなるが、フォトダイオード２０と抵抗２１の接続点Ａの電位は上昇するため、外光の強度が高い場合、接続点Ａの電位が電源電圧に近づいて飽和してしまい、物体からの反射光を受光できなくなってしまうといった状況が考えられる。このように、抵抗２１の抵抗値を大きくすると、反射光の検出が可能な明るさ範囲（検出可能範囲）が狭くなってしまう。

このため、このような受光回路は、抵抗２１の抵抗値を小さくして接続点Ａの電位を低くし、これを補完するために後段の増幅器２４の増幅率を大きくとるように構成される。

しかし、このように抵抗２１の抵抗値を小さくすると、接続点Ａの電位が低くなるため、接続点Ａから出力される信号のＳＮ比が悪く、物体からの反射光を高感度で受光するのが難しいといった問題がある。

このように、フォトダイオード２０と抵抗２１の接続点Ａの電位を高くすると検出可能範囲が狭くなり、反対に、検出可能範囲を広くするとフォトダイオード２０と抵抗２１の接続点Ａの電位が低くなり、反射光の受光感度が低くなってしまう。

本発明は上記問題に鑑みたもので、高い受光感度を維持し、かつ、広い検出可能範囲に対応できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１〜３に記載の発明では、発光素子から発光した光が物体に反射した反射光を受光する受光素子と、受光素子と直列に接続された第１の抵抗と、第１の抵抗と直列に接続された第２の抵抗と、受光素子が受光した光の強度を検出する検出手段と、検出手段によって検出された光の強度に応じて第１の抵抗および第２の抵抗の合成抵抗の抵抗値を調整する調整回路と、を備えたことを特徴としている。

このように、検出手段によって検出された光の強度に応じて第１の抵抗および第２の抵抗の合成抵抗の抵抗値が調整される。この結果、検出手段によって検出された光の強度が高い場合には、第１の抵抗および第２の抵抗の合成抵抗の抵抗値が小さくなるように調整することによって、広い検出可能範囲に対応することができる。また、検出手段によって検出された光の強度が低い場合には、第１の抵抗および第２の抵抗の合成抵抗の抵抗値が大きくなるように調整することによって、高い受光感度で物体からの反射光を受光することができる。

本発明の一実施形態に係る受光回路を備えた近接スイッチの回路構成を図１に示す。なお、本実施形態の近接スイッチは、車両に搭載され、物体（人の手）の接近を検知する検知センサとして用いられる。また、上記した従来技術と同一部分には、同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。本実施形態に係る近接スイッチは、図４に示した構成と比較して、更に、抵抗５１、５２、…、５ｎ（ｎは整数）およびコントローラ３０からの制御信号に応じてスイッチ動作するスイッチ回路４１、４２、…、４ｎ（ｎは整数）を備えた点が異なる。

第２の抵抗としての抵抗５１〜５ｎは、第１の抵抗つまり抵抗２１と直列に接続されている。これらの抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１によって、フォトダイオード２０に流れる電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路が構成され、この電流−電圧変換の感度は抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値によって決まる。

スイッチ回路４１〜４ｎは、それぞれコントローラ３０からの制御信号に応じてスイッチ動作するＮＰＮ型トランジスタ４０とこのＮＰＮ型トランジスタ４０の保護回路として設けられた抵抗４１ａ、４１ｂを有している。なお、図１では、スイッチ回路４ｎの内部構成についてのみ記し、スイッチ回路４ｎ以外のスイッチ回路の内部構成については省略する。

スイッチ回路４１〜４ｎは、内部のＮＰＮ型トランジスタ４０のコレクタが直列接続された抵抗５１〜５ｎ、２１の各接続点に接続されるように設けられている。例えば、スイッチ回路４ｎは、図１に示すように内部のＮＰＮ型トランジスタ４０のコレクタが抵抗２１と抵抗５ｎの接続点に接続されるように設けられている。

スイッチ回路４１〜４ｎの各ＮＰＮ型トランジスタ４０のベースには、コントローラ３０の制御回路からそれぞれ制御信号が入力されるようになっており、ＮＰＮ型トランジスタ４０のベースにハイレベルの制御信号が入力されるとＮＰＮ型トランジスタ４０はオンとなり、ＮＰＮ型トランジスタ４０のベースにローレベルの制御信号が入力されるとＮＰＮ型トランジスタ４０はオフとなる。

例えば、スイッチ回路４ｎのＮＰＮ型トランジスタ４０がオフからオンになると、抵抗２１と抵抗５ｎの接続点が接地された状態となり、すなわち、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が小さくなり、接続点Ａの電圧は低下する。反対に、スイッチ回路４ｎのＮＰＮ型トランジスタ４０がオンからオフになると、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が大きくなり、接続点Ａの電圧は上昇する。

次に、図２を参照して、コントローラ３０の処理について説明する。コントローラ３０は、電源が投入されると、検知回路による物体６０の有無の検知を開始するとともに、図３に示す処理を開始する。

まず、全てのスイッチ回路４１〜４ｎをオフさせる。具体的には、全てのスイッチ回路４１〜４ｎの各ＮＰＮ型トランジスタ４０のゲートにローレベルの制御信号を出力する（Ｓ１００）。これにより、フォトダイオード２０には、抵抗２１および抵抗５１〜５ｎの全てが直列接続された状態となる。

次に、接続点Ａの直流電圧分を測定する。具体的には、インタフェース回路２５を介して入力される接続点Ａの電圧をＡ／Ｄ変換回路によってデジタル信号に変換し、接続点Ａの直流電圧が何ボルトかを測定する（Ｓ１０２）。

次に、ＯＮ側切り替え制御（後述する）としての判定値（第１の判定値）の演算を行う。具体的には、図３に示す制御判定テーブルの「ＯＮ側制御」の項目を参照して、スイッチ回路４１〜４ｎの状態に応じた判定値を特定する（Ｓ１０４）。

図３は、制御判定テーブルの一例を示したもので、この制御判定テーブルの「ＯＮ側制御」の項目には、全てのスイッチ回路をオフさせた状態の判定値は３．５０Ｖ、スイッチ回路４１のみをオンさせた状態の判定値は３．６０Ｖ、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態の判定値は３．７０Ｖといったように、スイッチ回路の状態毎に判定値が定義されている。

次に、Ｓ１０２において測定した接続点Ａの直流電圧がＳ１０４において特定した判定値以上か否かを判定する（Ｓ１０６）。

外光の強度が高く、接続点Ａの直流電圧が全てのスイッチ回路をオフさせた状態の判定値（３．５０Ｖ）以上となった場合、Ｓ１０６の判定はＹＥＳとなり、次に、スイッチ回路のＯＮ側切り替え制御を実行する（Ｓ１０８）。

このスイッチ回路のＯＮ側切り替え制御は、図１に示した構成において、オンさせるスイッチ回路を最下段（スイッチ回路４１）側から上段側に１つシフトさせる制御である。例えば、全てのスイッチ回路をオフさせた状態では最下段のスイッチ回路４１のみをオンさせ、スイッチ回路４１のみをオンさせた状態ではその上段のスイッチ回路４２のみをオンさせ、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態ではその上段のスイッチ回路４３のみをオンさせるといった制御を行う。

Ｓ１０８の処理によって、例えば、全てのスイッチ回路をオフさせた状態から最下段のスイッチ回路４１のみをオンさせると、抵抗５１と抵抗５２の接続点が接地された状態となり、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値は小さくなり、フォトダイオード２０と抵抗２１との接続点Ａの電圧は低下する。

Ｓ１０８の処理の後、再度、Ｓ１０２〜Ｓ１０８の処理を繰り返し、Ｓ１０６の判定がＹＥＳとなると、Ｓ１０８の処理によってオンさせるスイッチ回路を上段側にシフトさせる。このようにオンさせるスイッチ回路を上段側にシフトさせる度に接続点Ａの電圧は低下する。なお、オンさせるスイッチ回路をスイッチ回路４ｎまでシフトさせた場合には、その状態を維持する。

このように、外光の強度が高くなると、コントローラ３０によって抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が小さくなるようにスイッチ回路４１〜４ｎが制御され、接続点Ａの電位が低下するので、接続点Ａの電位が電源電圧に近づいて飽和することがなくなり、広い検出可能範囲に対応することができる。

また、Ｓ１０８の処理によってオンさせるスイッチ回路を上段側へシフトさせ、例えば、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態で、接続点Ａの電圧がスイッチ回路４２のみをオンさせた状態の判定値（３．７０Ｖ）よりも低下すると、Ｓ１０６の判定はＮＯとなり、次に、ＯＦＦ側切り替え制御としての判定値（第２の判定値）の演算を行う。具体的には、図３に示した制御判定テーブルの「ＯＦＦ側制御」の項目を参照して、スイッチ回路４１〜４ｎの状態に応じた判定値を特定する（Ｓ１１０）。

この制御判定テーブルの「ＯＦＦ側制御」の項目には、全てのスイッチ回路をオフさせた状態の判定値は１．５０Ｖ、スイッチ回路４１のみをオンさせた状態の判定値は１．６０Ｖ、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態の判定値は１．７０Ｖといったように、スイッチ回路の状態毎に判定値が定義されている。

次に、Ｓ１０２において測定した接続点Ａの直流電圧がＳ１１０において特定した判定値以下か否かを判定する。例えば、スイッチ回路４２のみオンさせた状態では、接続点Ａの直流電圧がスイッチ回路４２のみをオンさせた状態の判定値（１．７０Ｖ）以下か否かを判定する（Ｓ１１２）。

ここで、接続点Ａの直流電圧が判定値よりも高い場合、Ｓ１１２の判定はＮＯとなり、Ｓ１０２の処理へ戻る。

また、外光の強度が低くなり、Ｓ１１２において、接続点Ａの直流電圧が判定値（１．７０Ｖ）以下となった場合、Ｓ１０６の判定はＹＥＳとなり、次に、スイッチ回路のＯＦＦ側切り替え制御を実行する（Ｓ１１４）。

このスイッチ回路のＯＦＦ側切り替え制御は、図１に示した構成において、オフさせるスイッチ回路を上段側から下段側に１つシフトさせる制御である。例えば、スイッチ回路４ｎのみをオンさせた状態ではその下段側のスイッチ回路（図示せず）のみをオンさせ、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態ではその下段側のスイッチ回路４１のみをオンさせ、スイッチ回路４１のみをオンさせた状態では全てのスイッチ回路をオフさせるといった制御を行う。

Ｓ１１４の処理によって、例えば、スイッチ回路４２のみをオンさせた状態からスイッチ回路４１のみをオンさせた状態にすると、抵抗５２と抵抗５３の接続点が接地された状態から抵抗５１と抵抗５２の接続点が接地された状態となり、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が大きくなり、フォトダイオード２０と抵抗２１との接続点Ａの電圧は上昇する。

Ｓ１１４の処理の後、再度、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１１０、Ｓ１１２、Ｓ１１４の処理を繰り返し、Ｓ１１２の判定がＹＥＳとなると、Ｓ１１４の処理によってオンさせるスイッチ回路を下段側にシフトさせる。このように、オンさせるスイッチ回路を下段側にシフトさせる度に接続点Ａの電圧は上昇する。なお、全てのスイッチ回路をオフさせた場合には、全てのスイッチ回路をオフさせた状態を維持し、Ｓ１０２の処理へ戻る。

このように、外光の強度が低くなると、コントローラ３０によって抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が大きくなるようにスイッチ回路４１〜４ｎが制御され、接続点Ａの電位が上昇するので、接続点Ａから出力される信号のＳＮ比が改善され、高い受光感度で物体からの反射光を受光することができる。

上記した構成によれば、外光の強度に応じて抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が調整される。この結果、外光の強度が高い場合には、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が小さくなるように調整することによって、広い検出可能範囲に対応することができる。また、外光の強度が低い場合には、抵抗５１〜５ｎおよび抵抗２１の合成抵抗の抵抗値が大きくなるように調整することによって、高い受光感度で物体からの反射光を受光することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、受光回路が反射式センサを利用した近接スイッチに用いられた例を示したが、近接スイッチに限定されるものではなく、各種反射式センサに用いることができる。

また、上記実施形態では、スイッチ回路としてＮＰＮ型トランジスタを用いた例を示したが、ＮＰＮ型トランジスタに限定されるものではなく、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、リレー等の各種スイッチ素子を用いて構成してもよい。

また、上記実施形態では、図１に示したように、直列接続された複数の抵抗５１〜５ｎと並列に複数のスイッチ回路４１〜４ｎにより第２の抵抗を構成する例を示したが、この構成は一例であり、例えば、抵抗５１〜５ｎの各抵抗値を異ならせ、抵抗５１とスイッチ回路４１を直列に接続し、抵抗５２とスイッチ回路４２を直列に接続し、抵抗５３とスイッチ回路４３を直列に接続し、…、抵抗５ｎとスイッチ回路４ｎを直列に接続し、これらの直列接続した回路を並列に接続して第２の抵抗を構成してもよい。

また、上記実施形態では、図１に示したように、複数のスイッチ回路４１〜４ｎおよびコントローラ３０によって調整回路を構成した例を示したが、デジタル制御可変抵抗デバイス（例えば、ポテンショメータ）等を用いて調整回路を構成してもよい。

また、上記実施形態では、物体からの反射光と外光の両方をフォトダイオード２０によって受光する例を示したが、物体からの反射光を受光するフォトダイオード２０と別に外光を受光するフォトダイオード２０を設けて構成してもよい。

なお、図２に示すフローチャートの各ステップの処理は、それぞれの機能を実現する手段として把握されるものであり、コントローラ３０のＣＰＵとしては、上記した実施形態に示すようなソフトウェアによって構成されるものに限らず、ハードウェアにより構成されていてもよい。

また、図２に示したフローチャートのＳ１０２の処理が特許請求の範囲の検出手段に相当し、Ｓ１０４〜Ｓ１１４の処理が制御手段に相当する。

本発明の一実施形態に係る受光回路を備えた近接スイッチの構成を示す図である。コントローラの処理を示す図である。制御判定テーブルについての説明図である。従来技術としての受光回路を備えた近接スイッチの構成を示す図である。

符号の説明

１…赤外発光ＬＥＤ、１１…抵抗、１２、４０…ＮＰＮ型トランジスタ、
１３ａ、１３ｂ、２１、２３ａ、２３ｂ、５１〜５ｎ…抵抗、
２０…フォトダイオード、２２…コンデンサ、２４…増幅器、
２５…インタフェース回路、３０…コントローラ、
４１〜４ｎ…スイッチ回路。

Claims

発光素子から発光した光が物体に反射した反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子と直列に接続された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と直列に接続された第２の抵抗と、
前記受光素子が受光した光の強度を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された光の強度に応じて前記第１の抵抗および前記第２の抵抗の合成抵抗の抵抗値を調整する調整回路と、を備えたことを特徴とする受光回路。
前記第２の抵抗は、直列接続された複数の抵抗によって構成されており、
前記調整回路は、前記第２の抵抗を構成する複数の抵抗と並列に設けられた複数のスイッチ回路と、
前記検出手段によって検出された光の強度に応じて前記複数のスイッチ回路をスイッチ動作させる制御手段と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の受光回路。
前記スイッチ回路は、前記制御回路からの制御信号に応じてスイッチ動作するトランジスタを用いて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の受光回路。