JP2010054248A - 変換回路、及び、照度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】広い照度範囲をカバーすることができ、かつ、電力利用効率の高い照度センサを実現する。
【解決手段】照度センサ１００は、ＡＤ変換器１２０と乗算器１３０と制御部１４０とを備えている。ＡＤ変換器１２０の感度と乗算器１３０の係数とを、これらの積が一定になるように設定することによって、広い照度範囲をカバーする。また、所定のタイミングでＡＤ変換器１２０への電力供給を開始するとともに、設定された感度でＡＤ変換器１２０が光電流をデジタル信号に変換するために要する時間が経過した後、ＡＤ変換器１２０への電力供給を停止することによって、電力消費量を削減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電流をデジタル信号に変換する変換回路に関する。また、そのような変換回路を備えた照度センサに関する。

可視光を電気信号に変換する光電変換素子としては、シリコンフォトダイオードとＣｄＳ（硫化カドミウム）セルとが代表的である。シリコンフォトイオードは、小型で応答速度が速く安定性も高いため、光通信、光ディスク再生、光測定などの分野で広く用いられている。しかし、シリコンフォトダイオードは、赤外線領域に感度をもっており、その分光感度特性は、人間の視覚特性と大きく異なる。このため、可視光領域に感度をもつ照度センサには、分光感度特性が人間の視覚特性に近いＣｄＳセルが用いられてきた。

しかし、環境負荷物質問題が耳目を集める昨今、硫化カドミウムを主成分とするＣｄＳセルの使用が制限されつつある。例えば欧州では、２００６年７月以降、カドミウム、鉛、６価クロム、または水銀を使用した製品の持ち込みが禁止されている。このため、可視光領域に感度をもつ照度センサを、環境負荷が小さいシリコンフォトダイオードを用いて構成することに対する要望が高まっている。

また、近年、携帯電話やテレビなどに搭載された液晶ディスプレイのバックライトの明るさを周囲の明るさにに応じて自動的に調光することによって、消費電力を抑えたり、視認性を高めたりする技術が急速に普及している。この用途でも可視光領域に感度をもつ照度センサの需要は急増している。

照度センサには、デジタル信号を出力するものと、アナログ信号を出力するものとがあり、前者のものが広く普及している。シリアルインターフェースを介してデジタル信号を出力する方が、ノイズに強く、配線が少なく、機器の小型化に貢献できるためである。

以下、デジタル信号を出力する照度センサについて、もう少し詳しく説明する。

デジタル信号を出力する照度センサは、可視光を光電流に変換する光電変換素子と、光電流をデジタル信号に変換するＡＤ変換器とにより構成される。人間が知覚可能な照度範囲は１０7に及ぶダイナミックレンジを有しているため、これをフルレンジで測定可能な照度センサを実現するためには２４ビット精度のＡＤ変換器が必要になる。しかし、このような長精度ＡＤ変換器は、回路規模、消費電力、及び変換速度の観点から民生用として現実的ではない。このため、民生用の照度センサには、通常、８ビットから１６ビット精度の短精度ＡＤ変換器が用いられている。

また、照度センサに用いられるＡＤ変換器では、光電流をデジタル信号に変換するために積分法が用いられている。積分法とは、光電流を容量に充電した後、蓄積された電荷まは電圧を利用してデジタル信号を生成するＡＤ変換の一方式である。ダイオードまたは抵抗により光電流を電圧に変換し、その電圧を利用してデジタル信号を生成する方式も存在するが、積分法と比べて高速化が容易である反面、１２ビット精度程度までしか精度を上げることができず、また、精度を上げる（ビット数を増やす）とチップ面積が著しく増大する傾向があるため、民生用の照度センサには適さない。照度センサにおいては高いサンプリング速度が要求されないことも、積分法が用いられる要因となっている。

積分法を用いたＡＤ変換器の問題点としては、精度を上げるためには、内部クロックを高速化するか、あるいは、積分時間を長くする必要があることが挙げられる。容量に蓄積された光電流の放電時間を利用してデジタル信号を生成する２重積分法を例にとり説明すると、放電時間を精度良く計測するためには、内部クロックを高速化して時間刻み幅を短くするか、あるいは、容量値を大きくして充放電時間を長くする必要がある。内部クロックの高速化は、消費電力の増大を招く。容量値を大きくするには、ＩＣに外付け容量を付加したり、ＩＣ内部に大きな容量素子を設けたりする必要がありコスト増を招く。

以上のように、人間が知覚可能な全照度範囲をカバーする照度センサを、既存のＡＤ変換器を用いて民生用として許容され得る範囲内で実現することは困難であった。

このような問題を解決し得る技術を開示した文献としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１の図２には、フォトダイオードと、そのフォトダイオードの出力を電圧に変換するアンプと、そのアンプの出力を増幅する可変ゲインアンプと、その可変ゲインアンプの出力をデジタル値に変換するＡＤ変換器とを備えた分光輝度計が開示されている。この分光輝度計においては、入射光量に応じて可変ゲインアンプのゲインを切り替えるとともに、ＡＤ変換器の出力にこのゲインの逆数を乗じることによって、広い測定範囲を得るとともに、入出力特性の線形性を保っている。
特開２００５−１５６２４２（２００５年６月１６日公開）

しかしながら、特許文献１に記載の分光輝度計を含む従来の照度センサにおいては、消費電力削減の余地が残されており、電力利用効率が低いという問題があった。

実際、光電流をデジタル信号に変換する照度センサにおいては、通常、要求されるサンプリング周期がＡＤ変換に要する変換時間より長い。したがって、ＡＤ変換器は、変換時間の他は無駄に電力を消費していることになる。特に、特許文献１に記載の分光輝度計のように、積分型ＡＤ変換器からの出力に積分時間の逆数を乗算する構成を採用したうえで積分時間を照度に応じてコントロールすることによって、広い照度範囲をカバーする照度センサを実現することが可能であるが、この場合、照度が高くなると積分時間が短くなって電力利用効率が一層低下する。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い照度範囲をカバーすることができ、かつ、電力利用効率の高い照度センサを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る変換回路は、光電流をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、上記デジタル信号に係数を乗じる乗算器と、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積が所定の値となるよう当該感度と当該乗数とを設定する制御部と、を備えた変換回路であって、上記制御部は、所定のタイミングで上記ＡＤ変換器への電力供給を開始するとともに、設定された感度で上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換するために要する変換時間が経過した後、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止する、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換している期間を除き、上記ＡＤ変換器が電力を消費することはない。したがって、無駄に電力が消費されることを防止し、電力利用効率を向上させるという効果を奏する。

本発明に係る変換回路において、上記ＡＤ変換器は、上記制御部によって設定された第１積分時間に渡って上記光電流を容量に充電した後、該容量に充電された上記光電流を放電するために要した第２積分時間を示すデジタル信号を生成する２重積分型ＡＤ変換器であり、上記制御部は、上記ＡＤ変換器より供給されたタイミング信号であって、上記光電流の放電が完了したタイミングを示すタイミング信号に基づいて、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止するタイミングを決定する、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記ＡＤ変換器の積分時間の設定が変更され、上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換するために要する変換時間が変化しても、上記制御部は、上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換し終えたタイミングを見計らって、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止することができる。しがって、上記ＡＤ変換器のＡＤ変換動作を阻害することなく、ＡＤ変換器の消費電力をより一層削減できるという更なる効果を奏する。

本発明に係る変換回路において、上記制御部は、上記ＡＤ変換器の上記第１積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定する、ことが好ましい。

商用交流電源により駆動されている光源環境化では、上記光電流が商用交流電源周波数で変動する。しかし、上記光電流が商用交流電源周波数で変動する場合であっても、商用交流電源周期の整数倍に設定された積分時間に渡って上記光電流を充電すれば、放電に要する時間は上記光電流が商用交流電源周波数で変動することの影響を受けない。このため、上記光電流が商用交流電源周波数で変動する場合であっても、上記乗算器から出力されるデジタル信号の値に揺らぎが生じない、という更なる効果を奏する。

本発明に係る変換回路において、上記制御部は、上記乗算器からの出力が屋内照度レベルとして予め設定された範囲内にあるときに限って、上記ＡＤ変換器の上記第１積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定する、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記乗算器からの出力が屋内照度レベルとして予め設定された範囲外にあるとき（例えば、日中の屋外環境下にあるとき）、上記ＡＤ変換器の積分時間が必要以上に長く設定されて無駄な電力を消費することがない。このため、ＡＤ変換器の消費電力をより一層削減できるという更なる効果を奏する。

本発明に係る変換回路において、上記制御部は、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積が外部から指定された値になるよう上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数とを設定する、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積により決まる当該変換回路全体の感度を外部から指定することが可能になる、という更なる効果を奏する。

本発明に係る変換回路において、上記ＡＤ変換器は、上記デジタル信号がオーバーフローしているか否かを示すオーバーフロー信号を上記制御部に供給し、上記制御部は、上記オーバーフロー信号に基づいて上記デジタル信号がオーバフローしていることを検知したとき、上記ＡＤ変換器の感度を下げる、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記ＡＤ変換器から出力される上記デジタル信号がオーバーフローするような照度の高い環境下にあるときに、上記ＡＤ変換器の感度を下げてオーバーフローを自動的に解消することができる。したがって、そのような照度の高い環境下にあっても、上記乗算器から出力されるデジタル信号に照度に比例する正確な値をもたせることができる、という更なる効果を奏する。

なお、上記デジタル信号がオーバーフローするとは、上記デジタル信号の値が上記デジタル信号により表現可能な最大値と等しくなることを指す。

本発明に係る変換回路において、上記ＡＤ変換器は、上記デジタル信号がアンダーフローしているか否かを示すアンダーフロー信号を上記制御部に供給し、上記制御部は、上記アンダーフロー信号に基づいて上記デジタル信号がアンダーフローしたことを検知したとき、上記ＡＤ変換器の感度を上げる、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記ＡＤ変換器から出力される上記デジタル信号がアンダーフローするような照度の低い環境下にあるときに、上記ＡＤ変換器の感度を上げてアンダーフローを自動的に解消することができる。したがって、そのような照度の低い環境下にあっても、上記乗算器から出力されるデジタル信号に有効桁数の大きい正確な値をもたせることができる、という更なる効果を奏する。

なお、上記デジタル信号がアンダーフローするとは、上記デジタル信号の値が予め設定された閾値よりも小さいことを指す。

本発明に係る変換回路において、上記ＡＤ変換器は、設定されている感度が最大感度よりも低いときに限って、上記デジタル信号がアンダーフローしていることを示すアンダーフロー信号を上記制御部に供給する、ことが好ましい。

上記ＡＤ変換器が最大感度に設定されている場合、上記ＡＤ変換器から出力されるデジタル信号の値が閾値より小さかったとしても、その値は上記デジタル信号として表現し得る最も正確な値である。つまり、上記ＡＤ変換器が最大感度に設定されている場合、上記ＡＤ変換器から出力される上記デジタル信号の値が閾値より小さかったとしても、上記感度を上げる必要はない。上記構成によれば、このような場合に上記デジタル信号がアンダーフローしていることを示すアンダーフロー信号が上記制御部に供給されることはない。したがって、上記制御部が無駄に上記ＡＤ変換器の感度を切り得ることに伴う消費電力を更に削減することができる。

本発明に係る変換回路において、上記制御部は、当該変換回路が動作を開始したとき、上記ＡＤ変換器の感度を最低感度に設定する、ことが好ましい。

上記ＡＤ変換器は、通常、感度が低ければ低いほど、変換時間が短い。したがって、最高感度から始めて、上記ＡＤ変換器の感度を下げながら適正感度に調整するより、最低感度から始めて、上記ＡＤ変換器の感度を上げながら適正感度に調整する方が、調整完了までにＡＤ変換器が要する変換時間の総和が短くなる。したがって、上記構成によれば、ＡＤ変換器の感度を適正感度に調整するまでに消費する電力を低減することができる。

本発明に係る変換装置において、上記制御部は、上記乗算器からの出力に応じて上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数とを設定する、ことが好ましい。

上記構成によれば、上記制御部は、例えば、上記乗算器から出力されるデジタル信号の値が小さいときには上記ＡＤ変換器の感度を上げ、上記乗算器から出力されるデジタル信号の値が大きいときには上記ＡＤ変換器の感度を下げるなどして、上記乗算器から出力されるデジタル信号の値に応じて上記ＡＤ変換器の感度を自律的に設定することができる。

本発明に係る変換装置において、上記乗算器は、上記デジタル信号をビットシフトすることによって、上記デジタル信号に係数２N（Ｎは任意の整数）を乗じる倍数器である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、２の冪では表せない係数を乗ずる一般的な乗算器を使用した場合と比べて回路規模を小さくすることができ、上記乗算器において消費される電力を低減することができる。

本発明に係る変換装置は、上記乗算器からの出力を対数変換する対数変換器を更に備えている、ことが好ましい。

人間が感じる明るさは照度の対数値である。上記構成によれば、人間が感じる明るさに比例した値を有するデジタル信号を出力することができる。

なお、上記変換回路を備えた照度センサも本発明の技術的範疇に含まれる。

本発明に係る変換回路は、光電流をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、上記デジタル信号に係数を乗じる乗算器と、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積が所定の値となるよう当該感度と当該乗数とを設定する制御部と、を備えた変換回路であって、上記制御部は、所定のタイミングで上記ＡＤ変換器への電力供給を開始するとともに、設定された感度で上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換するために要する変換時間が経過した後、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止する。このため、無駄に電力が消費されることを防止し、電力利用効率を向上させるという効果を奏する。

〔実施形態１〕
本発明の第１の実施形態について、図１〜３に基づいて説明すれば以下のとおりである。

（照度センサの構成）
本実発明に係る変換回路を備えた照度センサ１００の構成について、図１を参照して説明する。

図１は、照度センサ１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示したように、照度センサ１００は、フォトダイオード１１０と、ＡＤ変換器１２０と、乗算器１３０と、制御部１４０とを備えている（ＡＤ変換器１２０と乗算器１３０と制御部１４０との組み合わせが本発明に係る変換回路を構成している）。

フォトダイオード１１０は、可視光を光電流に変換し、得られた光電流をＡＤ変換器に供給する。ＡＤ変換器１２０は、フォトダイオード１１０から供給された光電流を短精度デジタル信号に変換する感度可変なＡＤ変換器であり、得られた短精度デジタル信号を乗算器１３０に供給する。乗算器１３０は、ＡＤ変換器１２０から供給された短精度デジタル信号に係数を乗じる係数可変な乗算器である。乗算器１３０において短精度デジタル信号に係数を乗ずることによって得られた長精度デジタル信号は、シリアルインタフェースを介して外部に出力される。

乗算器１３０から出力されるデジタル信号のビット長（２４ビット程度）は、ＡＤ変換器１２０から出力されるデジタル信号のビット長（８〜１６ビット程度）より長い。そこで、本明細書においては、前者を「短精度デジタル信号」、後者を「長精度デジタル信号」と呼び分けている。

本実施形態においては、光電流を容量に充電した後、該容量に充電された光電流を放電するために要した時間（後述の第２積分時間）に比例した値をもつ短精度デジタル信号を生成する２重積分型ＡＤ変換器を、ＡＤ変換器１２０として使用する。ただし、必ずしもこれに限定されるわけではなく、例えば、フラッシュ型、パイプライン型、逐次比較型、デルタシグマ型などのＡＤ変換器を用いてもよい。

また、本実施形態においては、Ｎビット左シフトを行うことによって短精度デジタル信号の値に係数２^Nを乗じる倍数器を、乗算器１３０として使用する。これにより、２の冪では表せない係数を乗ずる一般的な乗算器を使用した場合と比べて回路規模を小さくすることができる。ただし、必ずしもこれに限定されるわけではなく、２の冪では表せない係数を乗ずる一般的な乗算器を用いてもよい。

次に、照度センサ１００における、ＡＤ変換器１２０の動作モード、及び、その設定方法について、再び図１を参照しながら説明する。

ＡＤ変換器１２０は、後述するように、測定モードと待機モードとに切替可能に構成されている。測定モードにおいては、ＡＤ変換器１２０への電力供給が行われ、待機モードにおいては、ＡＤ変換器への電力供給が断たれる。制御部１４０は、モード切替信号ＳＷをＡＤ変換器１２０に供給することによって、ＡＤ変換器１２０のモードを切り替える。

制御部１４０は、測定モードへの切り替えと待機モードへの切り替えとを周期的に繰り返すことによって、ＡＤ変換器１２０を間欠的に動作させる。待機モードから測定モードへの切り替えタイミングは、例えば、予め定められたサンプリングクロックに同期させればよい。一方、測定モードから動作モードへの切り替えタイミングは、測定モードの継続時間がＡＤ変換器１２０の変換時間よりも長くなるように決定すればよい。このようにしてＡＤ変換器１２０を間欠的に動作させることによって、測定モードの継続時間をＡ、待機モードの継続時間をＢとすると、ＡＤ変換器１２０における平均消費電力を、Ａ／（Ａ＋Ｂ）に低減することができる。

次に、照度センサ１００における、ＡＤ変換器１２０の感度、及び、乗算器１３０の係数の設定方法について、再び図１を参照しながら説明する。

制御部１４０は、感度設定信号をＡＤ変換器１２０に供給することによって、ＡＤ変換器１２０の感度を設定する。ＡＤ変換器１２０が２重積分型ＡＤ変換器である場合には、ＡＤ変換器１２０が光電流を容量に充電する時間（後述の第１積分時間）を指定する感度設定信号によってＡＤ変換器１２０の感度を設定することができる。また、制御部１４０は、乗数設定信号を乗算器１３０に供給することによって、乗算器１３０が短精度デジタル信号に乗ずる係数を設定する。乗算器１３０が倍数器である場合には、シフト量Ｎを指定する乗数設定信号によって乗算器１３０の係数２Ｎを設定することができる。

制御部１４０は、乗算器１３０から出力される長精度デジタル信号の値に応じて、設定すべきＡＤ変換器１２０の感度を自律的に決定する。例えば、長精度デジタル信号の値が小さい（照度が低い）ときには、ＡＤ変換器１２０の感度を高く設定し、長精度デジタル信号の値が大きいとき（照度が高いとき）には、ＡＤ変換器１２０の感度を低く設定する。これにより、ＡＤ変換器１２０の精度を上げることに伴って発生する、消費電流、測定時間、及びチップ面積の増大といった問題を招来することなく、照度センサ１００の実効的なダイナミックレンジを拡大することができる。

また、制御部１４０は、乗算器１３０が短精度デジタル信号に乗ずる係数を、ＡＤ変換器１２０の感度と乗算器１３０の係数との積が所定の値となるように設定する。このため、ＡＤ変換器１２０の感度が変更されても、フォトダイオード１１０から出力される光電流の大きさと乗算器１３０から出力される長精度デジタル信号の値との間の比例関係が保たれる。したがって、照度センサ１００の後段に接続される機器は、ＡＤ変換器１２０の感度が変更されても、処理方法を変更することなく長精度デジタル信号を処理し続けることができる。

なお、ＡＤ変換器１２０の感度と乗算器１３０の係数との積は、予め設定されたものであってもよいし、外部から指定されたものであってもよい。後者の場合、照度センサ１００全体の感度を外部から調整することが可能になる。例えば、実際の照度と照度センサ１００の出力（長精度デジタル信号の示す値）とが一致するように、照度センサ１００を調整することなどが可能になる。

また、蛍光灯や白熱灯など商用交流電源により駆動されている光源の光量は、交流電源周波数（ハム周波数）に合わせて変動する。したがって、このような光源環境下で照度センサ１００を使用する場合、ＡＤ変換器１２０の積分時間（後述する第１積分時間）が交流電源周期よりも短いと、ＡＤ変換器１２０から出力される短精度デジタル信号の値も交流電源周波数に合わせて変動してしまう。ＡＤ変換器１２０から出力される短精度デジタル信号におけるこのような交流電源周波数の影響を排除するために、制御部１４０は、ＡＤ変換器１２０の積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定することが好ましい。

より具体的には、ＡＤ変換器１２０の積分時間を１００ｍｓに設定することが好ましい。日本における商用交流電源の周波数は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるため、ＡＤ変換器１２０の積分時間を１００ｍｓに設定することによって、どちらの周波数に対しても交流電源周波数の影響を排除することができるためである。なお、１００ｍｓは、ＩＣの積分時間としては比較的長い現実的な積分時間である。

なお、交流電源周波数の影響が問題となるのは、照度センサ１００が屋内で使用されている場合だけである。したがって、制御部１４０は、乗算器１３０から出力される長精度デジタル信号の値が屋内照度レベルとして予め設定された範囲（例えば、３０００ｌｕｘ以下）内にあるときに限って、ＡＤ変換器１２０の積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定するようにしてもよい。これにより、屋外ではＡＤ変換器１２０の積分時間をより短く設定することができ、更なる消費電力の削減が可能になる。

（積分器の詳細）
次に、ＡＤ変換器１２０の詳細について、図２〜３を参照して説明する。

図２は、ＡＤ変換器１２０の構成を示した回路図である。

図２に示したように、ＡＤ変換器１２０は、フォトダイオード１１０から供給される光電流を容量に蓄積する積分器１２１と、積分器出力を基準電圧Ｖrefと比較するコンパレータ１２２とを含む２重積分型ＡＤ変換器である。なお、図示を省略しているが、ＡＤ変換器１２０は、第２積分時間（後述）を計測するカウンター回路が別途設けられており、このカウンター回路により計測された時間に比例する値をもつ短精度デジタル信号を乗算器１３０に供給するように構成されている。

図３は、制御部１４０によるＡＤ変換器１２０の制御パターンを示すタイミングチャートである。

図３に示したように、制御部１４０は、所定のタイミングでモード切替信号ＳＤを立ち上げる。これにより、積分器１２１およびコンパレータ１２２への電力供給が開始されるとともに、積分器出力とコンパレータ出力とがアースから切り離され、ＡＤ変換器１２０は待機モードから測定モードへと遷移する。

続いて、制御部１４０は、制御信号ＳＷ２を立ち上げる。これにより、容量のショートが解かれ、光電流の充電が開始される。光電流の充電期間中、積分器出力は、光電流の大きさに比例した傾きで増加する。積分器出力がＶref２を上回ると、コンパレータ出力が立ち上がる。

制御部１４０は、フィードバックされたコンパレータ出力に基づいて、光電流の充電が開始された時点を特定する。そして、光電流の充電が開始された時点から一定時間（設定すべき感度に対応する第１積分時間）が経過した時点でＳＷ１を立ち上げる。これにより、積分器１２１への光電流の入力が断たれ、光電流の放電が開始される。放電速度は、定電流源Ｉrefにより律速されて一定となる。したがって、光電流の放電期間中、積分器出力は一定の傾きで低下する。積分器出力がＶref２を下回ると、コンパレータ出力が立ち下がる。

制御部１４０は、フィードバックされたコンパレータ出力に基づいて、光電流の放電が終了した時点を特定する。そして、光電流の放電が完了した時点より後に、制御信号ＳＷ２を立ち下げ、続いて、モード切替信号ＳＤを立ち下げる。これにより、容量Ｃがショートされ、続いて、積分器１２１およびコンパレータ１２２への電力供給が停止されるとともに、積分器１２１およびコンパレータ１２２のノード電位が固定され、ＡＤ変換器１２０は測定モードから待機モードへと遷移する。

図３に示したように、コンパレータ出力が立ち立ち上がった時点から光電流の充電を完了した時点（すなわち、光電流の放電を開始した時点）までの時間間隔を「第１積分時間」と言う。制御部１４０は、この第１積分時間を制御することにより、ＡＤ変換器１２０の感度を設定する。一方、光電流の放電を開始した時点からコンパレータ出力が立ち下がった時点までの時間間隔を「第２積分時間」と言う。ＡＤ変換器１２０は、上述したとおり、この第２積分時間に比例する値をもつ短精度デジタル信号を出力する。

〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態について図４に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係る照度センサ１００は、第１の実施形態に係る照度センサ１００において生じ得る、以下のような問題を回避するためのものである。すなわち、照度センサ１００を起動した直後は、ＡＤ変換器１２０の感度が周辺照度に応じた値に設定されていない。このため、ＡＤ変換器１２０の感度が高すぎる設定になっていれば、ＡＤ変換器１２０から出力される短精度デジタル信号がオーバーフローを起こし、乗算器１４０から出力される長精度デジタル信号の値も不正確になる。

図４は、本実施形態に係る照度センサ１００の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る照度センサ１００は、図４に示したように、フォトダイオード１１０と、ＡＤ変換器１２０と、乗算器１３０と、制御部１４０とを備えており、第１の実施形態に係る照度センサ１００と同様の構成である。第１の実施形態に係る照度センサ１００との相違点は、（１）オーバーフロー信号を制御部１４０に供給する機能をＡＤ変換器１２０に付加した点、及び（２）ＡＤ変換器１２０の感度を低下させた後、光電流の再測定をＡＤ変換器１２０に指示する機能を制御部１４０に付加した点である。

より具体的に言えば、ＡＤ変換器１２０は、生成したデジタル信号の値が短精度デジタル信号により表現可能な最大値に一致しているか否かを判定し、判定結果を示すオーバーフロー信号を制御部１４０に供給する。制御部１４０は、ＡＤ変換器１２０から供給されたオーバーフロー信号に基づいて、ＡＤ変換器１２０においてオーバーフローが起こったこと（ＡＤ変換器１２０によって生成されたデジタル信号の値が短精度デジタル信号により表現可能な最大値に達したこと）を検知すると、現在の設定値よりも低い感度（短い積分時間）を指定する感度制御信号によってＡＤ変換器１２０の感度を低下させたうえで、再測定指示信号によってＡＤ変換器１２０に光電流の再測定を実行させる。

これにより、上述した問題を回避することができる。また、本実施形態の構成は、ＡＤ変換器１２０の測定期間中に周辺照度が急激に上昇した場合にも有効である。
〔実施形態３〕
本発明の第３の実施形態について図５に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係る照度センサ１００は、第１の実施形態に係る照度センサ１００において生じ得る、以下のような問題を回避するためのものである。すなわち、照度センサ１００を起動した直後は、ＡＤ変換器１２０の感度が周辺照度に応じた値に設定されていない。このため、ＡＤ変換器１２０の感度が低すぎる設定になっていれば、ＡＤ変換器１２０から出力される短精度デジタル信号の有効桁数が小さくなり、乗算器１４０から出力される長精度デジタル信号の精度が下がる。

図５は、本実施形態に係る照度センサ１００の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る照度センサ１００は、図５に示したように、フォトダイオード１１０と、ＡＤ変換器１２０と、乗算器１３０と、制御部１４０とを備えており、第１の実施形態に係る照度センサ１００と同様の構成である。第１の実施形態に係る照度センサ１００との相違点は、（１）アンダーフロー信号を制御部１４０に供給する機能をＡＤ変換器１２０に付加した点、及び（２）ＡＤ変換器１２０の感度を上昇させた後、光電流の再測定をＡＤ変換器１２０に指示する機能を制御部１４０に付加した点である。

より具体的に言えば、ＡＤ変換器１２０は、生成したデジタル信号の値が予め設定された閾値を下回っているか否かを判定し、判定結果を示すアンダーフロー信号を制御部１４０に供給する。制御部１４０は、ＡＤ変換器１２０から供給されたアンダーフロー信号に基づいて、ＡＤ変換器１２０においてアンダーフローが起こったこと（ＡＤ変換器１２０によって生成されたデジタル信号の値が予め設定された閾値を下回ったこと）を検知すると、現在の設定値よりも高い感度（長い積分時間）を指定する感度制御信号によってＡＤ変換器１２０の感度を上昇させたうえで、再測定指示信号によってＡＤ変換器１２０に光電流の再測定を実行させる。

これにより、上述した問題を回避することができる。また、ＡＤ変換器１２０の測定期間中に周辺照度が急激に低下した場合にも有効である。

なお、ＡＤ変換器１２０が最大感度に設定されている場合、ＡＤ変換器１２０から出力される短精度デジタル信号の値が小さくても、それはＡＤ変換器１２０によって測定し得る最も正確な値である。したがって、ＡＤ変換器１２０が最大感度に設定されている場合には再測定を行う必要はない。このため、ＡＤ変換器１２０は、設定されている感度が最大感度よりも低いときに限って、アンダーフローしていることを示すアンダーフロー信号を上記制御部に供給することが好ましい。これにより、不要な再測定を回避し、消費電力を更に低減することができる。

また、実施形態２に係る照度センサ１００に付加した機能を本実施形態に係る照度センサ１００にも付加し、アンダーフローが生じた場合だけでなく、オーバーフローが生じた場合にもＡＤ変換器１２０に光電流の再測定を実行させるようにしてもよい。この場合、ＡＤ変換器１２０がオーバーフローとアンダーフローとを交互に繰り返しながら、光電流の再測定が何度も実行されて、最終的に正確な測定値にたどり着く。このような実施形態を考慮すると、制御部１４０は、照度センサ１００が動作を開始したとき、ＡＤ変換器１２０の感度を最低感度に設定することが好ましい。感度が低いほうが測定時間（第１席分時間）が短いため、感度が低いところから測定を始めたほうが、正確な測定値にたどり着くまでに要する時間が短くて済むからである。

〔実施形態４〕
本発明の第４の実施形態について図６に基づいて説明すれば以下のとおりである。

図６は、本実施形態に係る照度センサ１００の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る照度センサ１００は、図６に示したように、フォトダイオード１１０と、ＡＤ変換器１２０と、乗算器１３０と、制御部１４０とを備えており、第１の実施形態に係る照度センサ１００と同様の構成である。第１の実施形態に係る照度センサ１００との相違点は、乗算器１３０の後段に、対数変換器１５０が付加されている点である。

対数変換器１５０は、乗算器１５０から供給された長精度デジタル信号の値を対数変換し、得られたデジタル信号をシリアルインターフェース等を介して外部に出力する。乗算器１５０から供給された長精度デジタル信号の値ｘとすると、対数変換器１５０は値ｌｏｇ_２（ｘ）をもつデジタル信号であって、乗算器１５０から供給された長精度デジタル信号よりもビット長の短い短精度デジタル信号を出力する。

これにより、人間が感じる明るさ（照度の対数値）に比例したデジタル信号を、照度１００から出力されたデジタル信号を処理する情報処理装置に供給することができる。しかも、乗算器１５０から出力される長精度デジタル信号よりもビット長の短い短精度デジタル信号を出力することにより、情報処理装置の負荷を軽減することができる。

〔付記事項〕
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、照度に応じたデジタル信号を出力する照度センサに広く利用することができ、特に、民生用の照度センサに好適に利用することができる。

本発明の第１の実施形態を示すものであり、照度センサの概略構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態を示すものであり、ＡＤ変換器の構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態を示すものであり、制御部によるＡＤ変換器の制御方法を示したタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態を示すものであり、照度センサの概略構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施形態を示すものであり、照度センサの概略構成を示したブロック図である。 本発明の第４の実施形態を示すものであり、照度センサの概略構成を示したブロック図である。

符号の説明

１００ 照度センサ（変換回路）
１１０ フォトダイオード
１２０ ＡＤ変換器
１３０ 乗算器
１４０ 制御部
１５０ 対数変換器

Claims (13)

1. 光電流をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、上記デジタル信号に係数を乗じる乗算器と、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積が所定の値となるよう当該感度と当該乗数とを設定する制御部と、を備えた変換回路であって、
   上記制御部は、所定のタイミングで上記ＡＤ変換器への電力供給を開始するとともに、設定された感度で上記ＡＤ変換器が上記光電流を上記デジタル信号に変換するために要する変換時間が経過した後、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止する、
   ことを特徴とする変換回路。
2. 上記ＡＤ変換器は、上記制御部によって設定された第１積分時間に渡って上記光電流を容量に充電した後、該容量に充電された上記光電流を放電するために要した第２積分時間に比例する値をもつデジタル信号を生成する２重積分型ＡＤ変換器であり、
   上記制御部は、上記ＡＤ変換器より供給されたタイミング信号であって、上記光電流の放電が完了したタイミングを示すタイミング信号に基づいて、上記ＡＤ変換器への電力供給を停止するタイミングを決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の変換回路。
3. 上記制御部は、上記ＡＤ変換器の上記第１積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の変換回路。
4. 上記制御部は、上記乗算器からの出力が屋内照度レベルとして予め設定された範囲内にあるときに限って、上記ＡＤ変換器の上記第１積分時間を商用交流電源周期の整数倍に設定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載に変換回路。
5. 上記制御部は、上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数との積が外部から指定された値になるよう上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数とを設定する、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載に変換回路。
6. 上記ＡＤ変換器は、上記デジタル信号がオーバーフローしているか否かを示すオーバーフロー信号を上記制御部に供給し、
   上記制御部は、上記オーバーフロー信号に基づいて上記デジタル信号がオーバフローしていることを検知したとき、上記ＡＤ変換器の感度を下げる、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の変換回路。
7. 上記ＡＤ変換器は、上記デジタル信号がアンダーフローしているか否かを示すアンダーフロー信号を上記制御部に供給し、
   上記制御部は、上記アンダーフロー信号に基づいて上記デジタル信号がアンダーフローしていることを検知したとき、上記ＡＤ変換器の感度を上げる、
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の変換回路。
8. 上記ＡＤ変換器は、設定されている感度が最大感度よりも低いときに限って、上記デジタル信号がアンダーフローしていることを示すアンダーフロー信号を上記制御部に供給する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の変換回路。
9. 上記制御部は、当該変換回路が動作を開始したとき、上記ＡＤ変換器の感度を最低感度に設定する、
   ことを特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載の変換回路。
10. 上記制御部は、上記乗算器からの出力に応じて上記ＡＤ変換器の感度と上記乗算器の係数とを設定する、
    ことを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載の変換回路。
11. 上記乗算器は、上記デジタル信号をＮビット左シフトすることによって、上記デジタル信号に係数２^N（Ｎは任意の整数）を乗じる倍数器である、
    ことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の変換回路。
12. 上記乗算器からの出力を対数変換する対数変換器を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の変換回路。
13. 請求項１から１２の何れか１項に記載の変換回路を備えている、
    ことを特徴とする照度センサ。

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