JP2008151702A

JP2008151702A - 光学式測距センサおよび温水洗浄便座

Info

Publication number: JP2008151702A
Application number: JP2006341598A
Authority: JP
Inventors: Akishi Yamaguchi; 陽史山口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】簡単な構成で広い測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力を正確に得ることができ、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサを提供する。
【解決手段】発光素子５０２と、発光素子５０２から出射された光を集光して、測距対象物に照射するための投光用集光部５０８と、測距対象物からの反射光を集光する受光用集光部５０９と、発光素子５０２から出射された光の光軸に対して受光面を含む平面が垂直になるように配置され、受光用集光部５０９により集光された反射光を受光する位置検出受光素子５０３と、位置検出受光素子から出力される信号の処理および発光素子５０２を所定のタイミングで駆動するＩＣ５０４とを備える。上記位置検出受光素子５０３の受光部は、発光素子５０２と位置検出受光素子５０３を結ぶ基線に沿って並んだ複数の受光領域に分割され、分割された複数の受光領域の抵抗値が異なる。
【選択図】図１Ｂ

Description

この発明は、光学式測距センサおよびそれを用いた温水洗浄便座に関する。

従来、光学式測距センサとしては、一つの発光素子と、一つの位置検出受光素子(ＰＳＤ(Position Sensitive Device))と、投光用集光部および受光用集光部と、上記位置検出受光素子から出力される信号の処理および所定のタイミングで発光素子を駆動する１つのＩＣ(Integrated Circuit：集積回路)とを備えたものがある(例えば、特開平９−３１８３１５号公報(特許文献１)および特開２００３−２８７４２０号公報(特許文献２)参照)。この光学式測距センサは、受光側の素子として使用する位置検出受光素子は、受光部が１つだけで、その受光部の抵抗値は受光部内で均一かつ一定なものであった。この受光素子の２つの端子より得られる信号(電流値)をI１,I２として、I１／(I１＋I２)に基づいて、測距対象物までの距離に対応する出力値を得て距離計測を行っている。

上記従来の光学式測距センサは、受光側の素子として使用する位置検出受光素子の受光部が１つだけで、その受光部の抵抗値は受光部内で均一かつ一定なものであるため、三角測距方式により測距対象物までの距離を検出する光学式測距センサにおいて、測距対象物までの距離と出力は、図５に示すように、反比例の関係にあり、測距対象物までの距離が短いところでは距離変動による出力変化が大きく、測距対象物までの距離が長いところでは距離変動による出力変化が小さいという問題がある。

したがって、測距対象物までの距離が短いところでは、精度よく距離を計測できるが、測距対象物までの距離が長いところでは、距離計測の精度が悪くなる。また、測距対象物までの距離が長いところでは、距離計測の精度が悪くなるので、実用上の距離計測範囲は、計測可能な最大距離と最小距離の比が８程度までしかなかった。
特開平９−３１８３１５号公報特開２００３−２８７４２０号公報

そこで、この発明の課題は、簡単な構成で広い測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力を正確に得ることができ、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサおよびそれを用いた温水洗浄便座を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光学式測距センサは、
三角測距方式により測距対象物までの距離を検出する光学式測距センサであって、
発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して、上記測距対象物に照射する投光用集光部と、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光用集光部と、
上記発光素子から出射された光の光軸に対して受光面を含む平面が垂直になるように配置され、上記受光用集光部により集光された上記反射光を受光する位置検出受光素子と、
上記位置検出受光素子から出力される信号の処理および上記発光素子を所定のタイミングで駆動する集積回路と
を備え、
上記位置検出受光素子の受光部は、上記発光素子と上記位置検出受光素子を結ぶ基線に沿って並んだ複数の受光領域に分割され、
上記受光部の分割された上記複数の受光領域の抵抗値が異なることを特徴とする。

上記構成の光学式測距センサによれば、上記発光素子から出射された光は、投光用集光部を通過して測距対象物に投光され、測距対象物で拡散反射し、その反射光の一部は、受光用集光部により集光されて、発光素子の受光面に入射して光スポットを形成する。この位置検出受光素子の受光面上の光スポットの集光位置は、測距対象物とこの光学式測距センサとの距離によって変化する。上記位置検出受光素子の受光面に入射した光の入射位置で発生した電荷が光電流となって出力される。上記発光素子と位置検出受光素子を結ぶ基線に沿って並んだ複数の受光領域に分割された位置検出受光素子の受光部において、受光領域毎に抵抗値を適宜設定することによって、広い測距範囲において測距対象物までの距離に比例した光電流を得ることが可能となる。したがって、簡単な構成で広い測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力を正確に得ることができ、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサを実現できる。なお、測距対象物までの距離に対する出力の絶対値は、センサ個々のばらつきを有するが、距離に比例した出力を得られるので、ある２点の位置での出力を検知し外部にメモリーさせておけば、第３点目の位置の出力を検知して、上記２点のデータよりセンサ外部で計算することによって正確に距離を求めることができる。

また、一実施形態の光学式測距センサでは、上記位置検出受光素子の上記受光部の分割数と上記複数の受光領域の抵抗値は、上記測距対象物までの距離と上記位置検出受光素子の出力が略比例するように設定されている。

上記実施形態によれば、上記位置検出受光素子の受光部の分割数および分割された複数の受光領域の抵抗値を、測距対象物までの距離と位置検出受光素子の出力が略比例するように設定することによって、測距精度をより向上できる。

また、一実施形態の光学式測距センサでは、上記位置検出受光素子の上記受光部の分割数は５で、分割された上記複数の受光領域の面積は等しく、かつ、上記複数の受光領域の抵抗値の比は、上記発光素子側から順に８０：１０：５：３：２である。

上記実施形態によれば、上記位置検出受光素子の受光部の分割数を５とし、分割された各受光領域の面積を等しくすると共に、５つの受光領域の抵抗値の比を発光素子側から順に８０：１０：５：３：２とすることによって、検出距離と出力電圧の直線性を向上させることができる。

また、一実施形態の光学式測距センサでは、
上記受光用集光部は、上記測距対象物までの距離に応じて上記位置検出受光素子上の集光位置が移動する方向に沿って移動可能であり、
上記受光用集光部を移動させることによって、上記位置検出受光素子上の集光位置を変化させることを可能としたことを特徴とする。

光学式測距センサの検出距離を表す出力電圧の直線性が向上しても、受光用集光部と位置検出受光素子との位置関係がばらついて、所定の距離にある測距対象物からの反射光が位置検出受光素子の受光面の所定の位置に集光しない場合は、直線性が劣ることが考えられる。そこで、上記実施形態によれば、受光用集光部を可動できる構造にし、位置検出受光素子上にできる集光位置を変化させて、所定に位置に光スポットを形成できるようにする。これにより、受光用集光部と位置検出受光素子との位置関係のばらつきを調整することが可能となる。

また、この発明の温水洗浄便座では、上記のいずれか１つの光学式測距センサを搭載したことを特徴とする。

上記構成によれば、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサを搭載することによって、光学式測距センサの距離に対する出力ばらつきが小さいので、人を確実に検出することができ、温水洗浄便座の機能を正常に動作させることができる。

以上より明らかなように、この発明の光学式測距センサによれば、所定の距離範囲内に存在する測距対象物までの距離を、その距離に比例した出力を正確に得て検知できるので、距離が遠いところに存在する測距対象物でも精度よく距離を検知できる。

また、この発明の温水洗浄便座によれば、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサを搭載することによって、温水洗浄便座の機能を正常に動作させることができる。

以下、この発明の光学式測距センサおよび温水洗浄便座を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１Ａは、この発明の実施の一形態の光学式測距センサの正面図を示し、図１Ｂは、図１ＡのIB−IB線から見た上記光学式測距センサの断面図を示している。

この光学式測距センサは、図１Ａ，図１Ｂに示すように、リードフレーム５０１上に配置された一つの発光素子５０２と、一つの位置検出受光素子５０３と、上記位置検出受光素子５０３から出力される信号の処理および所定のタイミングで発光素子５０２側を駆動する１つのＩＣ５０４とを備えている。上記発光素子５０２と位置検出受光素子５０３を別々に透光性樹脂５０５でモールドし、リードフレーム５０１によりお互いのパッケージ(発光素子５０２と位置検出受光素子５０３)を一定間隔に保っている。

ここで、発光素子５０２は、発光波長が赤外領域にピーク感度を有し、位置検出受光素子５０３は、受光波長が赤外領域にピーク感度を有している。また、位置検出受光素子５０３の受光部は、発光素子５０２と位置検出受光素子５０３を結ぶ基線に沿って並んだ複数の受光領域５０３a,５０３b,５０３c,５０３d,５０３eに分割され、それぞれの受光領域５０３a〜５０３eの抵抗値が異なる。この実施の形態では、受光部の分割数を５、各受光領域５０３a〜５０３eの面積を等しくし、５つの受光領域５０３a〜５０３eの抵抗値の比を発光素子５０２側から順に８０：１０：５：３：２としている。

次に、この透光性樹脂モールドの発光素子５０２,位置検出受光素子５０３の光の通路となる窓部５０５a,５０５bを除いて遮光性樹脂５０６で一体モールドしている。この一体モールドされたデバイスを基板５０７に実装し、必要な電気部品(抵抗、コンデンサ等)を基板５０７に実装した後、この基板５０７を、投光用集光部５０８および受光用集光部５０９を備えたケース５１０にネジ５１１により固定する。

このケース５１０の投光用集光部５０８および受光用集光部５０９以外の部分は、遮光性かつ導電性を有する樹脂からなり、これら投光用集光部５０８および受光用集光部５０９とケース５１０は２色成形で一体成形されている。また、投光用集光部５０８および受光用集光部５０９は、可視光をカットする光学特性を有する材料からなり、可視光線が外乱光として存在しても、位置検出受光素子５０３の受光領域５０３a〜５０３eまで届かないようになっている。また、このケース５１０には、発光素子２からの光が直接受光領域５０３a〜５０３eに入射しないように、投光用集光部５０８側と受光用集光部５０９側との間を遮る内壁５１０aを設けている。さらに、遮光性を有する樹脂からなるケース５１０に導電性樹脂材料を使用し、光学式測距センサのグランド端子(リードフレームのグランド部)に金属ネジで電気的に接続しており、シールド効果で外部の電磁ノイズの影響を除去することによって、安定した出力を得られる。

上記位置検出受光素子５０３から出力される信号の処理および所定のタイミングで発光素子５０２を駆動するＩＣ５０４は、所定に期間内で所定の回数だけ発光素子５０２をパルス発光させ、その発光タイミングに同期して位置検出受光素子５０３側の信号を有効信号として抽出し、パルス発光回数分の平均値として出力する機能を有する。これにより、定常的な外乱光が光学式測距センサの受光領域５０３a〜５０３eに入射しても、この外乱光の影響はキャンセルされて、精度のよい検出が可能である。

また、図２Ａは上記光学式測距センサの構造を示しており、図２Ｂは上記光学式測距センサに用いられる位置検出受光素子５０３の受光領域５０３a〜５０３eの平面図を示している。

図３Ａは上記位置検出受光素子５０３の受光面左端(発光素子５０２)からの距離に対するトータル抵抗値の比(左端からの距離に応じた左側の抵抗値／右端から左端までの全抵抗値)を説明するための図を示しており、図３Ａに示すように、受光面左端から受光領域５０３a〜５０３e(抵抗値は８０：１０：５：３：２)が順に並んでいるので、左端から徐々にトータル抵抗値の比が変化する。

また、図３Ｂは上記位置検出受光素子５０３の出力特性を示している。

次に、この発明による位置検出受光素子５０３を備えた光学式測距センサの特徴について図２Ａ,図２Ｂ,図３Ａ,図３Ｂにより説明する。

図２Ａに示すように、発光素子５０２より出射される光が投光用集光部５０８で集光され、位置検出受光素子５０３の受光面にほぼ垂直に投光される。この光が測距対象物５１２に拡散反射し、受光用集光部５０９に入射する光だけを集光し、位置検出受光素子５０３の受光面上に光スポットを形成させる。この光学式測距センサから測距対象物までの距離が変わると、受光面上の光スポットの位置が変わるので、位置検出受光素子５０３の２つの端子より得られる電流値をI１,I２としてI１／(I１＋I２)で求めた出力値が得られる。受光面が１つで受光領域５０３a〜５０３eの抵抗値が均一な場合、この出力値は光学式測距センサから測距対象物までの距離に反比例するが、この発明では、複数に分割された受光部の受光領域５０３a〜５０３eの抵抗値が夫々異なり、光学式測距センサの発光素子５０２側つまり測距対象物が遠いところにある場合の反射光が入射する位置のほうが大きい抵抗値で、測距対象物が近いところにある場合の反射光が入射する位置のほうが小さい抵抗値となっている。

測距対象物が一定距離移動するとき、測距対象物が遠いところにある場合より近いところにある場合の方が受光面上の光スポットの位置変化量が大きいので、光スポットの位置変化量が大きいところの抵抗値が小さく、光スポットの位置変化量が小さいところの抵抗値が大きくしている。詳しくは、測距対象物までの距離と出力がほぼ比例するように、受光部の分割数を５とし、各受光領域５０３a〜５０３eの面積が等しく、かつ５つの受光領域５０３a〜５０３eの抵抗値の比が発光素子５０２側から順に８０：１０：５：３：２となるように設定している(図２Ｂ,図３Ａ参照)。

これにより、図３Ｂに示すように、簡単な構成で広い測距範囲において測距対象物までの距離に比例する出力を正確に得ることができ、広い測距範囲全域で測距精度を均一にできる光学式測距センサを実現することができる。

また、このように直線性を向上しても、所定の距離にある測距対象物からの反射光が位置検出受光素子５０３の所定の位置に集光しなければ、出力の直線性が得られない。実際には、受光用集光部５０９と位置検出受光素子５０３との位置関係がばらついて、出力の直線性が劣ることが考えられる。

これに対して、図４Ａ，図４Ｂに示すように受光用集光部５１３を可動できる構造にし、位置検出受光素子５０３上にできる集光位置を変化させて、所定に位置に光スポットを形成することが可能となる。これにより、測距対象物までの距離と出力がほぼ比例する光学式測距センサが可能となり、測距対象物までの距離が比較的遠い場合でも、距離変動に対する出力変動が大きくとれ、精度のよい検出が可能となる。

具体的には、受光用集光部５１３に位置調整用の突起部５１３aを設け、これを図の矢印方向(左右)に移動させるように設置し、カバー５１４を設けてある。これにより、受光用集光部５１３の位置調整を行い、所定の距離にある測距対象物からの反射光が位置検出受光素子５０３の所定の位置に集光するようにしている。このような構造をとることで、より精度よく、測距対象物までの距離と出力が比例する光学式測距センサが可能となる。

従来の光学式測距センサが搭載された温水洗浄便座では、便座に人が座っているかどうかを検出し人が座っていれば、所定に機能を動作させるシステムになっている。しかし、人が便座に座る位置は、個人によりばらつくので光学式測距センサから人までの距離が一定でない。光学式測距センサの特性も距離に対して出力がばらつくため、便座に人がすわっても人を検知しないという問題が起こりうる。

これに対して、この発明の光学式測距センサを温水洗浄便座に搭載すれば、この光学式測距センサの距離に対する出力ばらつきが小さいので、人を確実に検出することができ、温水洗浄便座の機能を所定通り動作させることができる。

上記実施の形態では、光学式測距センサを用いた温水洗浄便座について説明したが、これに限らず、この発明の光学式測距センサを他の機器に適用してもよい。

また、この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

図１Ａはこの発明の実施の一形態の光学式測距センサの正面図である。図１Ｂは図１ＡのIB−IB線から見た上記光学式測距センサの断面図である。図２Ａは上記光学式測距センサの構造を示す図である。図２Ｂは上記光学式測距センサに用いられる位置検出受光素子の受光部の平面図である。図３Ａは上記位置検出受光素子の受光面左端からの距離に対するトータル抵抗値の比を説明するための図である。図３Ｂは上記位置検出受光素子の出力特性を示すである。図４Ａは上記光学式測距センサの受光用集光部の可動構造を示す正面図と断面図である。図４Ｂは図４ＡのIVB−IVB線から見た断面の模式図である。図５は従来の光学式測距センサの出力特性を示す図である。

符号の説明

５０１…リードフレーム
５０２…発光素子
５０３…位置検出受光素子
５０３a〜５０３e…受光領域
５０４…ＩＣ
５０５…透光性樹脂
５０５a,５０５b…窓部
５０６…遮光性樹脂
５０７…基板
５０８…投光用集光部
５０９…受光用集光部
５１０…ケース部
５１０a…内壁
５１１…ネジ
５１２…測距対象物
５１３…受光用集光部
５１３a…突起部

Claims

三角測距方式により測距対象物までの距離を検出する光学式測距センサであって、
発光素子と、
上記発光素子から出射された光を集光して、上記測距対象物に照射する投光用集光部と、
上記測距対象物からの反射光を集光する受光用集光部と、
上記発光素子から出射された光の光軸に対して受光面を含む平面が垂直になるように配置され、上記受光用集光部により集光された上記反射光を受光する位置検出受光素子と、
上記位置検出受光素子から出力される信号の処理および上記発光素子を所定のタイミングで駆動する集積回路と
を備え、
上記位置検出受光素子の受光部は、上記発光素子と上記位置検出受光素子を結ぶ基線に沿って並んだ複数の受光領域に分割され、
上記受光部の分割された上記複数の受光領域の抵抗値が異なることを特徴とする光学式測距センサ。
請求項１に記載の光学式測距センサにおいて、
上記位置検出受光素子の上記受光部の分割数と上記複数の受光領域の抵抗値は、上記測距対象物までの距離と上記位置検出受光素子の出力が略比例するように設定されていることを特徴とする光学式測距センサ。
請求項２に記載の光学式測距センサにおいて、
上記位置検出受光素子の上記受光部の分割数は５で、分割された上記複数の受光領域の面積は等しく、かつ、上記複数の受光領域の抵抗値の比は、上記発光素子側から順に８０：１０：５：３：２であることを特徴とする光学式測距センサ。
請求項１に記載の光学式測距センサにおいて、
上記受光用集光部は、上記測距対象物までの距離に応じて上記位置検出受光素子上の集光位置が移動する方向に沿って移動可能であり、
上記受光用集光部を移動させることによって、上記位置検出受光素子上の集光位置を変化させることを可能としたことを特徴とする光学式測距センサ。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光学式測距センサを搭載したことを特徴とする温水洗浄便座。