JP2010141526A - 受光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲光による直流ノイズ成分を抑制する。
【解決手段】 観測空間から入力される光信号の受光強度に応じて第１の受光素子に流れる第１の電流が平滑化された第２の電流が入力され、前記第２の電流に応じた第３の電流を出力するカレントミラー回路と、前記光信号の受光強度に応じて第２の受光素子に流れる第４の電流と前記第３の電流との差電流を電圧に変換して出力する電流・電圧変換回路と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光回路に関する。

物体の有無を検出する物体検出装置として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）などの発光素子から観測空間に光信号を出力し、フォトダイオードなどの受光素子を用いて、観測空間の物体で反射された反射光を受光する反射式の物体検出装置と、観測空間を透過した直接光を受光する透過式の物体検出装置とが一般に知られている。例えば、特許文献１においては、発光素子から出力された光信号の波形と、受光素子に入力された光信号の波形とが略同一である場合に、物体が検出されたと判定する、反射式の物体検出装置が開示されている。

このようにして、観測空間の物体で反射された光信号、または観測空間を透過した光信号を受光素子で受光し、発光素子から観測空間に出力された光信号と比較することによって、物体を検出することができる。
特開平６−２４９９６８号公報

ここで、一般的な物体検出装置の一例として、反射式の物体検出装置の構成を図４に示す。図４に示されているように、受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて受光素子５に流れる受信光電流信号ＩＲｘは、ＩＶ（電流・電圧）変換回路９によって受信電圧信号ＶＲｘに変換される。

当該物体検出装置のＩＶ変換回路９において、物体１０で反射された反射光ＬＲｆのみが受光素子５に入力される場合には、受信電圧信号ＶＲｘは、例えば図５に示すように、基準レベルＶ０から最大出力電圧Ｖｍａｘ以下のレベルまでの振幅を有する。一方、反射光ＬＲｆとともに、周囲光ＬＤＣが直流ノイズ成分として受光素子５に入力される場合には、受信電圧信号ＶＲｘは、例えば図６に示すように、直流レベルＶＤＣだけ信号レベルが上昇し、最大出力電圧Ｖｍａｘによって振幅が制限される。

そのため、反射光または直接光による所望の光信号成分が、周囲光による直流ノイズ成分に埋もれてしまい、所望の光信号の検出精度が低下してしまう。

前述した課題を解決する主たる本発明は、観測空間から入力される光信号の受光強度に応じて第１の受光素子に流れる第１の電流が平滑化された第２の電流が入力され、前記第２の電流に応じた第３の電流を出力するカレントミラー回路と、前記光信号の受光強度に応じて第２の受光素子に流れる第４の電流と前記第３の電流との差電流を電圧に変換して出力する電流・電圧変換回路と、を有することを特徴とする受光回路である。
本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、周囲光による直流ノイズ成分を抑制することができる。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝物体検出装置全体の概略構成および動作＝＝＝
以下、図１を参照して、本発明が適用される物体検出装置全体の概略構成について説明する。

図１に示されている物体検出装置は、パターン発生部１、発光制御回路２、発光素子３、受光素子４、５、受光回路６、信号変換回路７、および判定部８を含んで構成されており、反射光ＬＲｆによって物体１０を検出する反射式の物体検出装置である。

発光制御回路２には、パターン発生部１から送信パターン信号Ｔｘが入力されている。また、発光制御回路２から出力される送信電流信号ＩＴｘは、発光素子３に入力され、発光素子３からは、観測空間に送信光信号ＬＴｘが出力されている。そして、第１の受光素子４および第２の受光素子５には、観測空間から受信光信号ＬＲｘが入力され、受光素子４および５の出力信号は、受光回路６に入力されている。なお、受信光信号ＬＲｘには、送信光信号ＬＴｘが物体１０で反射された、所望の光信号成分である反射光ＬＲｆと、直流ノイズ成分となる周囲光ＬＤＣの両方が含まれている。

受光回路６は、例えば平滑回路６１、カレントミラー回路６２、およびＩＶ変換回路６３を含んで構成されている。平滑回路６１には、受光素子４の出力信号が入力され、平滑回路６１の出力信号は、カレントミラー回路６２に入力されている。また、受光素子５およびレントミラー回路６２の出力は、ノードＡで接続され、ＩＶ変換回路６３には、ノードＡから受信光電流信号ＩＲｘが入力されている。そして、ＩＶ変換回路６３の出力信号は、受信電圧信号ＶＲｘとして信号変換回路７に入力されている。

判定部８には、パターン発生部１から送信パターン信号Ｔｘが、信号変換回路７から受信パターン信号Ｒｘが、それぞれ入力され、判定部８の出力信号は、物体検出信号ＤＴとして当該物体検出装置から出力されている。

次に、物体検出装置全体の動作について説明する。

パターン発生部１は、例えば２値信号である送信パターン信号Ｔｘを発生し、発光制御回路２に供給する。また、発光制御回路２は、送信パターン信号Ｔｘのレベルに応じて、送信電流信号ＩＴｘを発光素子３に供給し、発光素子３から観測空間に出力される送信光信号ＬＴｘの発光強度を変化させる。一例として、発光素子３が発光ダイオードである場合、発光制御回路２は、送信パターン信号Ｔｘがハイ・レベルの間、送信電流信号ＩＴｘを大きくすることによって送信光信号ＬＴｘの発光強度を高くし、送信パターン信号Ｔｘがロー・レベルの間、送信電流信号ＩＴｘを小さくすることによって送信光信号ＬＴｘの発光強度を低くする。

このようにして、発光制御回路２は、パターン発生部１から出力される送信パターン信号Ｔｘのレベルに応じて、発光素子３から観測空間に出力される送信光信号ＬＴｘの発光強度を変化させる。

受光素子４および５は、観測空間から入力される受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて電流値が変化する光電流を出力する。また、受光回路６は、受信光信号ＬＲｘのうち、周囲光ＬＤＣによる直流ノイズ成分を抑制し、反射光ＬＲｆによる所望の光信号成分の受光強度に応じて電圧値が変化する受信電圧信号ＶＲｘを出力する。なお、受光素子４、５、および受光回路６の動作についての詳細な説明は後述する。

信号変換回路７は、受信電圧信号ＶＲｘを例えば２値信号である受信パターン信号Ｒｘに変換する。一例として、信号変換回路７は、コンパレータ（比較器）などを用いて、上記所望の光信号成分の受光強度が高く、受信電圧信号ＶＲｘが所定の電圧より高い間、ハイ・レベルの受信パターン信号Ｒｘを出力し、所望の光信号成分の受光強度が低く、受信電圧信号ＶＲｘが所定の電圧より低い間、ロー・レベルの受信パターン信号Ｒｘを出力する。

判定部８は、送信パターン信号Ｔｘと受信パターン信号Ｒｘとを比較し、当該比較結果に応じて物体検出信号ＤＴを出力する。一例として、判定部８は、ＸＯＲ回路（排他的論理和回路）などを用いて、送信パターン信号Ｔｘおよび受信パターン信号Ｒｘのレベルが一致しているか否かを複数回判定し、一致した回数が所定の回数以上の場合には、観測空間に物体が検出されたことを示すハイ・レベルの物体検出信号ＤＴを出力し、一致した回数が所定の回数未満の場合には、ロー・レベルの物体検出信号ＤＴを出力する。

このようにして、判定部８は、パターン発生部１から出力される送信パターン信号Ｔｘと、信号変換回路７から出力される受信パターン信号Ｒｘとの比較結果に応じて、観測空間に物体が検出されたか否かを示す物体検出信号ＤＴを出力する。

＝＝＝受光素子および受光回路の構成および動作＝＝＝
図１に示した物体検出装置において、受光素子４および５としては、例えばフォトダイオードが用いられる。以下、図１において破線で囲まれた、受光素子４、５、および受光回路６を合わせて受光センサ部と称することとし、図２を参照して、本発明の一実施形態として、受光素子４および５がフォトダイオードである場合の受光センサ部の構成について説明する。

フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２のアノードは、いずれもグランド電位に接続されている。

平滑回路６１は、本実施形態では、例えば抵抗６１１およびコンデンサ６１２で構成される、低域通過フィルタとなっている。抵抗６１１およびコンデンサ６１２は、直列に接続され、抵抗６１１の一端がフォトダイオードＰＤ１のカソードに、コンデンサ６１２の一端が電源電位ＶＣＣに、それぞれ接続されている。

カレントミラー回路６２は、本実施形態では、例えば、ＰＮＰバイポーラトランジスタであるトランジスタ６２１および６２２で構成されている。第１のトランジスタ６２１のコレクタは、抵抗６１１およびコンデンサ６１２の接続点に接続され、第２のトランジスタ６２２のコレクタは、フォトダイオードＰＤ２のカソードに接続されている。なお、トランジスタ６２２およびフォトダイオードＰＤ２の接続点は、図１の受光回路６におけるノードＡに相当する。また、トランジスタ６２１および６２２のエミッタは、ともに電源電位ＶＣＣに接続され、ベースは、ともにトランジスタ６２１のコレクタに接続されている。

ＩＶ変換回路６３は、本実施形態では、例えば、電流源６３１、６３２、ＮＰＮバイポーラトランジスタであるトランジスタ６３３、６３４、および抵抗６３５で構成されている。電源電位ＶＣＣに接続された電流源６３１は、ソース電流（吐き出し電流）ＩＳ１を供給し、グランド電位に接続された電流源６３２は、シンク電流（吸い込み電流）ＩＳ２を供給している。また、トランジスタ６３３は、コレクタに電流ＩＳ１が供給され、エミッタがグランド電位に、ベースがノードＡに、それぞれ接続され、エミッタ接地回路を構成している。さらに、トランジスタ６３４は、エミッタに電流ＩＳ２が供給され、コレクタが電源電位ＶＣＣに、ベースが電流源６３１およびトランジスタ６３３の接続点に、それぞれ接続され、エミッタフォロワ回路を構成している。そして、当該エミッタフォロワ回路の出力ノード（ノードＢ）と、上記エミッタ接地回路の入力ノード（ノードＡ）とは、抵抗６３５を介して接続されている。

次に、図２を参照して、本実施形態における受光センサ部の動作について説明する。なお、図２においては、各電流の電流値は、矢印の方向に流れる場合に正の値となるものとする。

観測空間から受信光信号ＬＲｘが入力されると、フォトダイオードＰＤ１には、受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて光電流ＩＰ１（第１の電流）が流れる。また、トランジスタ６２１は、コレクタが平滑回路６１を介してフォトダイオードＰＤ１のカソードに接続されているため、トランジスタ６２１のコレクタ電流は、光電流ＩＰ１が平滑化された平滑化光電流ＩＬ１（第２の電流）となる。さらに、トランジスタ６２２は、トランジスタ６２１とカレントミラー回路を構成するため、トランジスタ６２２のコレクタ電流は、平滑化光電流ＩＬ１に応じた平滑化電流ＩＬ２（第３の電流）となる。

一方、観測空間から受信光信号ＬＲｘが入力されると、フォトダイオードＰＤ２には、受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて光電流ＩＰ２（第４の電流）が流れる。また、フォトダイオードＰＤ２のカソードと、トランジスタ６２２のコレクタとは、ＩＶ変換回路６３の入力ノードであるノードＡで接続されているため、ＩＶ変換回路６３に入力される受信光電流信号ＩＲｘは、
ＩＲｘ＝ＩＰ２−ＩＬ２
と表すことができる。したがって、観測空間から受信光信号ＬＲｘが入力されず、光電流ＩＰ１およびＩＰ２が流れない場合のノードＡの電位を基準レベルＶ０とすると、受信電圧信号ＶＲｘは、
ＶＲｘ＝Ｖ０＋ＩＲｘ×Ｒ
と表すことができ、光電流ＩＰ２と平滑化電流ＩＬ２との差電流に比例して電圧値が変化する信号となる。

このようにして、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２には、受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて光電流ＩＰ１およびＩＰ２がそれぞれ流れ、平滑回路６１は、光電流ＩＰ１を平滑化して平滑化光電流ＩＬ１を生成し、カレントミラー回路６２は、平滑化光電流ＩＬ１に応じて平滑化電流ＩＬ２を出力し、そして、ＩＶ変換回路６３は、光電流ＩＰ２と平滑化電流ＩＬ２との差電流である受信光電流信号ＩＲｘを電圧に変換して、受信電圧信号ＶＲｘを出力する。また、フォトダイオードＰＤ１に入力される受信光信号ＬＲｘのうち、反射光ＬＲｆによる所望の光信号成分は、平滑回路６１によって減衰されるため、平滑化光電流ＩＬ１および平滑化電流ＩＬ２には、主として周囲光ＬＤＣによる直流ノイズ成分が含まれる。したがって、受信光電流信号ＩＲｘには、主として所望の光信号成分が含まれ、受光回路６は、全体として、直流ノイズ成分を抑制し、所望の光信号成分の受光強度に応じて電圧値が変化する受信電圧信号ＶＲｘを出力する。

なお、光電流ＩＰ２および平滑化電流ＩＬ２に含まれる直流ノイズ成分の大きさを等しくし、より確実に直流ノイズ成分を除去するため、カレントミラー回路６２のトランジスタ６２１および６２２のサイズ比は、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の受光面積比と等しくすることが望ましい。また、フォトダイオードＰＤ１に入力された所望の光信号成分は、平滑回路６１によって減衰されるため、主としてフォトダイオードＰＤ２に入力された所望の光信号成分が受信電圧信号ＶＲｘに表れる。したがって、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の合計の受光面積を増加させることなく所望の光信号成分に対する受光センサ部の受光感度を向上させるため、または当該受光感度を低下させることなく合計の受光面積を減少させるためには、フォトダイオードＰＤ２の受光面積をフォトダイオードＰＤ１の受光面積より大きくすることが望ましい。

前述したように、図２に示した受光センサ部において、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２には、受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて光電流ＩＰ１およびＩＰ２がそれぞれ流れ、カレントミラー回路６２は、光電流ＩＰ１が平滑化された平滑化光電流ＩＬ１に応じて平滑化電流ＩＬ２を出力し、ＩＶ変換回路６３は、光電流ＩＰ２と平滑化電流ＩＬ２との差電流を電圧に変換して出力することによって、受信光信号ＬＲｘのうち、周囲光ＬＤＣによる直流ノイズ成分を抑制することができる。

また、平滑回路６１は、光電流ＩＰ１を平滑化することによって、フォトダイオードＰＤ１に入力される受信光信号ＬＲｘのうち、反射光ＬＲｆによる所望の光信号成分を減衰し、主として周囲光ＬＤＣによる直流ノイズ成分を含む平滑化光電流ＩＬ１を生成することができる。

また、カレントミラー回路６２を構成するトランジスタ６２１および６２２のサイズ比を、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の受光面積比と等しくすることによって、光電流ＩＰ２および平滑化電流ＩＬ２に含まれる直流ノイズ成分の大きさを等しくし、より確実に直流ノイズ成分を除去することができる。

また、フォトダイオードＰＤ２の受光面積をフォトダイオードＰＤ１の受光面積より大きくすることによって、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の合計の受光面積と、所望の光信号成分に対する受光センサ部の受光感度とのトレードオフの問題を効率よく解決することができる。

さらに、同一半導体基板上に形成されたフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２を用いることによって、特に受光センサ部を集積回路として構成する場合のチップ面積を抑え、受光センサ部を備えた物体検出装置などを、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどの携帯端末に容易に搭載することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態では、本発明の適用例として、図１において反射式の物体検出装置を示したが、これに限定されるものではない。本発明の受光回路は、直流に近い低周波で強度が変動する周囲光などの光ではなく、変調された光信号を受光する装置に適用することができ、例えば透過式の物体検出装置にも適用可能である。透過式の物体検出装置の場合、一例として、判定部８は、送信パターン信号Ｔｘおよび受信パターン信号Ｒｘのレベルが一致した回数が所定の回数未満の場合に、観測空間に物体が検出されたことを示すハイ・レベルの物体検出信号ＤＴを出力する。

上記実施形態では、送信パターン信号Ｔｘおよび受信パターン信号Ｒｘは、いずれも２値信号となっているが、これに限定されるものではない。判定部８には、比較可能な送信パターン信号Ｔｘおよび受信パターン信号Ｒｘが入力されていればよく、例えば、いずれも３ビットのデジタル信号としてもよい。この場合、一例として、信号変換回路７は、ＡＤ（アナログ・デジタル）変換回路などを用いて、受信電圧信号ＶＲｘを０から７まで（２進数で０００から１１１まで）の値に変換し、判定部８は、送信パターン信号Ｔｘおよび受信パターン信号Ｒｘの値が略一致しているか否かを複数回判定し、略一致した回数に応じて物体検出信号ＤＴを出力する。

上記実施形態では、一例として、発光素子３が発光ダイオードである場合の発光制御回路２の動作について説明したが、これに限定されるものではない。発光制御回路２および発光素子３は、送信パターン信号Ｔｘの変調速度に対応して送信光信号ＬＴｘの発光強度を変化させる必要があるが、当該条件下で発光制御回路２および発光素子３の構成を変更することができる。

上記実施形態では、一例として、受光素子４および５がフォトダイオードである場合の受光回路６の構成および動作について説明したが、これに限定されるものではない。受光素子４および５は、観測空間から入力される受信光信号ＬＲｘの受光強度に応じて出力信号の電流値が変化する、他の光センサを用いてもよい。

上記実施形態では、図２において、平滑回路６１およびカレントミラー回路６２の構成例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１に示した物体検出装置においては、平滑回路６２のフィルタ次数は、周囲光ＬＤＣに含まれる周波数成分と、反射光ＬＲｆに含まれる周波数成分とに応じて、適宜変更され得る。また、カレントミラー回路６２のトランジスタ６２１および６２２を、ＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor：金属酸化膜半導体）トランジスタとしてもよい。

上記実施形態では、ＩＶ変換回路６３は、出力段をエミッタフォロワ回路とすることによって、出力インピーダンスが低い構成となっているが、これに限定されるものではない。例えば図３に示すように、非反転入力が基準レベルＶ０に接続され、反転入力がノードＡに接続されるとともに、抵抗６３５を介して出力に接続されたオペアンプ（演算増幅器）６３６を用いることによっても、ＩＶ変換回路６３の出力インピーダンスを低くし、信号変換回路７の入力インピーダンスが低い場合であっても、受信電圧信号ＶＲｘを入力することができる。この場合、受信電圧信号ＶＲｘは、
ＶＲｘ＝Ｖ０＋ＩＲｘ×Ｒ
と表すことができる。

本発明が適用される物体検出装置全体の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における受光素子および受光回路の構成を示す回路ブロック図である。 本発明の受光素子および受光回路の他の構成例を示す回路ブロック図である。 一般的な物体検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 直流ノイズ成分を有しない電流・電圧変換回路の出力信号例を示す図である。 直流ノイズ成分を有する電流・電圧変換回路の出力信号例を示す図である。

符号の説明

１ パターン発生部
２ 発光制御回路
３ 発光素子
４、５ 受光素子
６ 受光回路
７ 信号変換回路
８ 判定部
９ ＩＶ（電流・電圧）変換回路
１０ 物体
６１ 平滑回路
６２ カレントミラー回路
６３ ＩＶ（電流・電圧）変換回路
ＰＤ１、ＰＤ２ フォトダイオード
６１１ 抵抗
６１２ コンデンサ
６２１、６２２ トランジスタ
６３１、６３２ 電流源
６３３、６３４ トランジスタ
６３５ 抵抗
６３６ オペアンプ（演算増幅器）

Claims (5)

1. 観測空間から入力される光信号の受光強度に応じて第１の受光素子に流れる第１の電流が平滑化された第２の電流が入力され、前記第２の電流に応じた第３の電流を出力するカレントミラー回路と、
   前記光信号の受光強度に応じて第２の受光素子に流れる第４の電流と前記第３の電流との差電流を電圧に変換して出力する電流・電圧変換回路と、
   を有することを特徴とする受光回路。
2. 前記カレントミラー回路は、
   ダイオード接続され、前記第２の電流が流れる第１のトランジスタと、
   制御電極が前記第１のトランジスタの制御電極に接続され、前記第３の電流が流れる第２のトランジスタと、
   を含み、
   前記第１および第２のトランジスタのサイズ比は、前記第１および第２の受光素子の受光面積比と等しいことを特徴とする請求項１に記載の受光回路。
3. 前記第２の受光素子の受光面積は、前記第１の受光素子の受光面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の受光回路。
4. 前記第１の電流を平滑化して、前記第２の電流を生成する平滑回路をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の受光回路。
5. 同一半導体基板上に形成された前記第１および第２の受光素子をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の受光回路。

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