JP2014119267A

JP2014119267A - 光センサ、光センサのノイズ除去方法、及び携帯電話機

Info

Publication number: JP2014119267A
Application number: JP2012272212A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Osako; 康丞大迫; Kenji Kimura; 賢治木村; Kiyofumi Miyamura; 清文宮村
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-30

Abstract

【課題】増幅手段が受光手段の出力を増幅する前に低周波ノイズ成分が除去されていなかった。
【解決手段】光センサ１０は、発光部２２と、ハイパスフィルタ２５と、極性反転アンプ２７と、積分器２８とを備える。発光部２２は、パルス信号ＰＳ１に基づいて、パルス光９１を外部に向けて出射する。ハイパスフィルタ２５は、外部からの入射光９２に基づく電圧信号１２４から所定の周波数以上の交流成分を取り出してフィルタ出力１２５として出力する。極性反転アンプ２７は、パルス信号ＰＳ１に基づいて正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わる。極性反転アンプ２７は、正転アンプ状態のときにフィルタ出力１２５を反転しないで出力し、反転アンプ状態のときにフィルタ出力１２５を反転して出力する。積分器２８は、極性反転アンプの出力１２７を積分する。
【選択図】図１

Description

本発明は光センサに関し、例えば近接センサ又は測距センサに好適に利用できる光センサに関する。

特許文献１は、光電センサを備えた人体検出装置を開示している。人体検出装置は、人体に対して赤外光を投光する投光手段と、投光手段にパルス投光を指令するパルス出力手段と、人体からの反射光を受光しその受光量を電圧に変換して出力する受光手段と、受光手段の出力を増幅する増幅手段と、増幅手段の出力の極性を反転する反転手段と、積分手段とを備える。積分手段は、投光手段が投光しているときに増幅手段の出力を積分し、投光手段が投光していないときに反転手段の出力を積分する。人体検出装置は、積分手段の出力に基づいて人体の有無を検出する。

特許文献１に記載の人体検出装置によれば、パルス投光に同期しないノイズ成分を打ち消すことができる。投光と積分動作を繰り返すことで、積分手段出力は大きくなり、ノイズ成分は小さくなる。その結果、光電センサのＳ／Ｎ比（信号／ノイズ比）が向上する。なお、この投光および積分の回数が多いほど、信号量とノイズ除去性能が向上する。言い換えれば、この回数が多いほど、検出感度とＳ／Ｎ比が向上する。一方で、この回数が多いほど、投光や受光回路の電力消費は増大する。

特開２００９−２８７９９３号公報

特許文献１に記載の人体検出装置においては、増幅手段が受光手段の出力を増幅する前に低周波ノイズ成分が除去されない。低周波ノイズ成分が増幅手段によって増幅されるため、検出精度が低下することが予想される。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、光センサは、発光部と、ハイパスフィルタと、極性反転アンプと、積分器とを備える。発光部は、パルス信号に基づいて、パルス光を外部に向けて出射する。ハイパスフィルタは、外部からの入射光に基づく電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出してフィルタ出力として出力する。極性反転アンプは、パルス信号に基づいて正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わる。極性反転アンプは、正転アンプ状態のときにフィルタ出力を反転しないで出力し、反転アンプ状態のときにフィルタ出力を反転して出力する。積分器は、極性反転アンプの出力を積分する。

上記一実施の形態によれば、検出精度の高い光センサ、光センサのノイズ除去方法、及び光センサを備えた携帯電話機を提供することができる。

実施の形態１にかかる光センサの概略図である。実施の形態２にかかる光センサの回路図である。実施の形態２にかかる光センサにパルス信号と同じ周波数の信号の入力があった場合における動作を示す波形図である。実施の形態２にかかる光センサにパルス信号と異なる周波数の信号の入力があった場合における動作を示す波形図である。実施の形態２にかかる光センサにパルス信号と異なる他の周波数の信号の入力があった場合における動作を示す波形図である。実施の形態２にかかる光センサにおいて、発光部の発光からハイパスフィルタによる出力までの間で遅延が発生した場合における動作を示す波形図である。実施の形態３にかかる光センサの回路図である。実施の形態３にかかる光センサにおいて、パルス光の発光からハイパスフィルタによる出力の間で遅延が発生した場合における動作を示す波形図である。実施の形態４にかかる光センサの回路図である。実施の形態４にかかる光センサの動作を示す波形図である。実施の形態５にかかる携帯電話機の正面図である。実施の形態５にかかる携帯電話機の制御系のブロック図である。

以下、図面を参照して、光センサ、光センサのノイズ除去方法、携帯電話機、及び携帯電話機の制御方法の実施の形態を説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

（実施の形態１）
はじめに、実施の形態１にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法を説明する。

図１を参照して、実施の形態１にかかる光センサ１０の構成を説明する。光センサ１０は、例えば、光センサ１０に近接した物体を検出するための近接センサ、又は、光センサ１０から物体までの距離を測定するための測距センサとして好適に用いられる。光センサ１０は、発光部２２と、受光部２３と、電流電圧変換回路２４と、ハイパスフィルタ２５と、極性反転アンプ２７と、積分器２８とを備える。発光部２２は、高周波のパルス信号ＰＳ１に基づいて、パルス光９１を光センサ１０の外部に向けて出射する。受光部２３は、光センサ１０の外部からの入射光９２を受け、入射光９２の強さに対応する光電流１２３を発生する。具体的には、受光部２３は、入射光９２の強さに比例する光電流１２３を発生する。ここで、入射光９２は、パルス光９１が物体で反射した反射光及び環境光のいずれか一方又は両方を含む場合がある。電流電圧変換回路２４は、光電流１２３を電圧信号１２４に変換する。ハイパスフィルタ２５は、電圧信号１２４から所定の遮断周波数ｆｃ以上の交流成分を取り出して、参照電圧Ｖｒｅｆを中心とする信号波形を示すフィルタ出力１２５として出力する。極性反転アンプ２７は、パルス信号ＰＳ１に基づいて正転アンプ状態（非反転アンプ状態）と反転アンプ状態とが切り替わる。極性反転アンプ２７は、正転アンプ状態のときにフィルタ出力１２５を反転しないで出力する。極性反転アンプ２７は、反転アンプ状態のときにフィルタ出力を参照電圧Ｖｒｅｆに対して反転して出力する。積分器２８は、極性反転アンプ２７が出力したアンプ出力１２７を参照電圧Ｖｒｅｆに基づいて積分する。積分器２８は、積分結果（測定結果）を積分器出力１２８として出力する。光センサ１０は、積分器出力１２８に基づいて、光センサ１０に近接した物体を検出し、又は光センサ１０から物体までの距離を測定する。

正転アンプ状態は、正転増幅モード（非反転増幅モード）を含む。正転増幅モードにおいて、極性反転アンプ２７は、反転されないフィルタ出力１２５を増幅して出力する。反転アンプ状態は、反転増幅モードを含む。反転増幅モードにおいて、極性反転アンプ２７は、反転されたフィルタ出力１２５を増幅して出力する。尚、極性反転アンプ２７は、正転アンプ状態において、反転されないフィルタ出力１２５を減衰して出力してもよく、反転されないフィルタ出力１２５を減衰も増幅もしないで出力してもよい。極性反転アンプ２７は、反転アンプ状態において、反転されたフィルタ出力１２５を減衰して出力してもよく、反転されたフィルタ出力１２５を減衰も増幅もしないで出力してもよい。

極性反転アンプ２７及び積分器２８がノイズ除去回路１５を構成すると理解することもできる。ノイズ除去回路１５は、フィルタ出力１２５に含まれるパルス信号ＰＳ１と周波数が異なるノイズ成分を打ち消す。ノイズ除去回路１５は、ノイズ成分を打ち消す過程でフィルタ出力１２５を増幅する場合がある。

光センサ１０及びそのノイズ除去方法によれば、パルス光９１が物体で反射した反射光及び環境光の両方が入射光９２として受光部２３に入射した場合であっても、パルス光９１の周波数と異なる周波数のノイズ成分を除去することができる。具体的には、ハイパスフィルタ２５が低周波の環境光（例えば、太陽光）に由来する低周波ノイズ成分を除去し、極性反転アンプ２７及び積分器２８が高周波の環境光（例えば、発光ダイオード照明からの光）に由来する高周波ノイズ成分を除去する。したがって、パルス光９１の周波数と異なる周波数の環境光が受光部２３に入射した場合であっても、光センサ１０が誤動作することが防止される。

上述したように、ハイパスフィルタ２５によって低周波ノイズ成分が除去されたフィルタ出力１２５が極性反転アンプ２７に入力される。ハイパスフィルタ２５は、直流成分だけでなく、遮断周波数ｆｃより低い周波数の交流成分も除去することができる。極性反転アンプ２７は、フィルタ出力１２５を増幅することが可能である。低周波ノイズ成分が極性反転アンプ２７によって増幅されないため、物体を検出する精度又は光センサ１０から物体までの距離を検出する精度が向上する。更に、低周波ノイズ成分が除去されたフィルタ出力１２５を極性反転アンプ２７が増幅するため、極性反転アンプ２７より前段の回路におけるゲイン設定の自由度が高い。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法を説明する。実施の形態２にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法は、実施の形態１にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法をより具体的に構成した一例である。

図２を参照して、実施の形態２にかかる光センサ１０は、ドライバ回路２１と、バッファ回路２６とを更に備える。発光部２２は、例えば、発光ダイオードである。発光部２２は、赤外発光ダイオードであることが好ましい。受光部２３は、例えば、フォトダイオードである。電流電圧変換回路２４は、オペアンプＯＰ１と、帰還抵抗Ｒ１とを備える。ハイパスフィルタ２５は、容量Ｃ１と、抵抗Ｒ２とを備える。バッファ回路２６は、オペアンプＯＰ２を備えたボルテージフォロワである。極性反転アンプ２７は、オペアンプＯＰ３と、抵抗Ｒ３〜Ｒ５と、スイッチＳＷ１とを備える。積分器２８は、電流変換回路としての抵抗Ｒ６と、電流積分回路２９とを備える。電流積分回路２９は、オペアンプＯＰ４と、容量Ｃ２とを備える。

発光部２２としての発光ダイオードのアノードはドライバ回路２１に接続され、カソードは基準電位に接続される。受光部２３としてのフォトダイオードのアノードは基準電位に接続され、カソードはオペアンプＯＰ１の−入力端子（反転入力端子）に接続される。オペアンプＯＰ１の＋入力端子（非反転入力端子）は基準電位に接続される。オペアンプＯＰ１の−入力端子は、帰還抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＰ１の出力端子に接続される。オペアンプＯＰ１の出力端子は、容量Ｃ１を介してオペアンプＯＰ２の＋入力端子に接続される。容量Ｃ１とオペアンプＯＰ２の＋入力端子との間のノードは、抵抗Ｒ２を介して参照電位Ｖｒｅｆに接続される。オペアンプＯＰ２の−入力端子は、オペアンプＯＰ２の出力端子に接続される。

オペアンプＯＰ２の出力端子は、抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰ３の−入力端子に接続され、抵抗Ｒ４を介してオペアンプＯＰ３の＋入力端子に接続される。オペアンプＯＰ３の−入力端子は、抵抗Ｒ５を介してオペアンプＯＰ３の出力端子に接続される。抵抗Ｒ４とオペアンプＯＰ３の＋入力端子の間のノードは、スイッチＳＷ１を介して参照電位Ｖｒｅｆに接続される。スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ３の＋入力端子が抵抗Ｒ４に接続された状態とオペアンプＯＰ３の＋入力が参照電位Ｖｒｅｆに接続された状態とを切り替える。オペアンプＯＰ３の出力端子は、抵抗Ｒ６を介してオペアンプＯＰ４の−入力端子に接続される。オペアンプＯＰ４の−入力端子は、容量Ｃ２を介してオペアンプＯＰ４の出力端子に接続される。オペアンプＯＰ４の＋入力端子は、参照電位Ｖｒｅｆに接続される。

次に、光センサ１０の動作を説明する。

ドライバ回路２１は、パルス信号ＰＳ１に基づいて、発光部２２を駆動する。発光部２２は、パルス信号ＰＳ１に従って点滅し、パルス光９１を出射する。具体的には、発光部２２は、パルス信号ＰＳがハイレベルのときに発光し、パルス信号ＰＳのローレベルのときに発光しない。受光部２３は、入射光９２の強さに対応する光電流１２３を発生する。電流電圧変換回路２４は、光電流１２３を電圧信号１２４に変換する。ここで、電流電圧変換回路２４の出力端子であるオペアンプＯＰ１の出力端子の電位は、光電流１２３と帰還抵抗Ｒ１の抵抗値との積に対応する電位差だけ基準電位から異なる。

ハイパスフィルタ２５は、電圧信号１２４から遮断周波数ｆｃ以上の交流成分を取り出して、フィルタ出力１２５として出力する。遮断周波数ｆｃは１／（２π・Ｃ１・Ｒ２）に等しい。ここで、記号Ｃ１及びＲ２は、それぞれ、容量Ｃ１の容量値及び抵抗Ｒ２の抵抗値である。尚、電圧信号１２４に含まれているパルス光９１の反射光に対応する成分が極端に減衰することを防ぐため、遮断周波数ｆｃはパルス信号ＰＳ１の周波数より十分低い値に設定される。フィルタ出力１２５は、参照電圧Ｖｒｅｆをまたいで振動する電圧信号である。

ハイパスフィルタ２５により、遮断周波数ｆｃより低い周波数のノイズ成分がカットされる。例えば、太陽光に由来するノイズ成分や低周波の人工光に由来するノイズ成分をカットすることができる。

ハイパスフィルタ２５は、バッファ回路２６を介して極性反転アンプ２７にフィルタ出力１２５を出力する。バッファ回路２５は、極性反転アンプ２７のような後段の回路がハイパスフィルタ２５に影響を及ぼすことを防止する。

極性反転アンプ２７は、パルス信号ＰＳ１を同期信号として利用して、正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わる。具体的には、パルス信号ＰＳ１に基づいてスイッチＳＷ１のオン／オフが切り替わることで、正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わる。パルス信号ＰＳ１がハイレベルのとき、極性反転アンプ２７は正転アンプ状態をとり、上述した正転アンプ状態時の動作を実行する。パルス信号ＰＳ１がローレベルのとき、極性反転アンプ２７は反転アンプ状態をとり、上述した反転アンプ状態時の動作を実行する。正転アンプ状態時の増幅率と反転アンプ状態時の増幅率とを等しくするため、基本的には、極性反転アンプ２７の入力抵抗としての抵抗Ｒ３及びＲ４の抵抗値を互いに等しくする。尚、極性反転アンプ２７の増幅率は、Ｒ５／Ｒ３とＲ５／Ｒ４との比で決まる。ここで、記号Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５は、それぞれ、抵抗Ｒ３、Ｒ４、及びＲ５の抵抗値である。

積分器２８は、極性反転アンプ２７が出力したアンプ出力１２７を参照電圧Ｖｒｅｆに基づいて積分する。言い換えると、積分器２８は、アンプ出力１２７と参照電圧Ｖｒｅｆの差分を積分する。積分器２８は、積分結果を積分器出力１２８として出力する。電流変換回路としての抵抗Ｒ６は、極性反転アンプ２７の出力端子としてのオペアンプＯＰ３の出力端子と電流積分回路２９の入力端子としてのオペアンプＯＰ４の−入力端子との間の電位差に対応した電流を発生する。発生した電流は抵抗Ｒ６を流れる。ここで、オペアンプＯＰ４の−入力端子の電位は、−入力端子と＋入力端子のバーチャルショートにより参照電位Ｖｒｅｆに等しい。容量Ｃ２は、抵抗Ｒ６を流れる電流に基づいて電荷を蓄える。積分器出力１２８は、容量Ｃ２に蓄えられた電荷に対応する。容量Ｃ２に蓄えられた電荷がゼロのとき、積分器２８の出力端子としてのオペアンプＯＰ４の出力端子の電位は参照電位Ｖｒｅｆに等しく、積分器出力１２８は参照電圧Ｖｒｅｆに等しい。

極性反転アンプ２７及び積分器２８により、パルス信号ＰＳ１と周波数が異なるノイズ成分が除去される。

光センサ１０は、積分器出力１２８に基づいて、物体を検出し、又は光センサ１０から物体までの距離を測定する。ここで、積分器出力１２８は、入射光９２に含まれているパルス光９１が物体で反射した反射光の強弱を表している。近接センサの場合、光センサ１０は、積分器出力１２８が閾値より大きいときに光センサ１０に近接した物体の存在を検出し、積分器出力１２８が閾値より小さいときに光センサ１０に近接した物体の存在を検出しない。測距センサの場合、光センサ１０は、積分器出力１２８に基づいて光センサ１０から物体までの距離を決定する。

次に、図３乃至５を参照して、パルス信号ＰＳ１と周波数が異なるノイズ成分が除去されるメカニズムを詳細に説明する。

図３を参照して、パルス光９１が物体で反射した反射光のみが入射光９２として受光部２３に入射した場合を説明する。パルス信号ＰＳ１は、周期Ｔのパルス波形を示す。電圧信号１２４は、基準電圧（０）を下回らないで振動する波形を示す。電圧信号１２４は、パルス信号ＰＳ１がハイレベルのときに相対的に高く、パルス信号ＰＳ１がローレベルのときに相対的に低い。フィルタ出力１２５は、参照電圧Ｖｒｅｆを中心として振動する信号波形を示す。フィルタ出力１２５は、パルス信号ＰＳ１がハイレベルのときに参照電圧Ｖｒｅｆより高く、パルス信号ＰＳ１がローレベルのときに参照電圧Ｖｒｅｆより低い。電圧信号１２４の振幅αとフィルタ出力１２５の振幅αとは等しい。極性反転アンプ２７は、パルス信号Ｓ１がハイレベルのときにフィルタ出力１２５を反転しないで出力し、パルス信号Ｓ１がローレベルのときにフィルタ出力１２５を参照電圧Ｖｒｅｆに対して反転して出力する。言い換えると、極性反転アンプ２７は、発光部２２が発光しているときにフィルタ出力１２５を反転しないで出力し、発光部２２が発光していないときにフィルタ出力１２５を参照電圧Ｖｒｅｆに対して反転して出力する。そのため、アンプ出力１２７の全体が参照電圧Ｖｒｅｆより高くなる。積分器２８が時刻ｔ０から時刻ｔ１まで測定（積分）を行った場合、積分器出力１２８の時刻ｔ１における値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの区間においてアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれる部分の符号付面積の和に対応する。アンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれる部分がすべて参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線より上側であるため、測定終了時刻ｔ１における積分器出力１２８の値は、測定開始時刻ｔ０から測定終了時刻ｔ１までの時間に概ね比例する。

図４を参照して、パルス信号ＰＳ１の周波数をｆとしたとき、周波数が０．５７ｆのパルス光のみが入射光９２として受光部２３に入射した場合を説明する。パルス信号ＰＳ１がハイレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより低い場合と高い場合とがある。パルス信号ＰＳ１がローレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより高い場合と低い場合とがある。そのため、アンプ出力１２７は、参照電圧Ｖｒｅｆより高い部分と低い部分とを含む。積分器２８が時刻ｔ０から時刻ｔ２まで測定（積分）を行った場合、時刻ｔ２における積分器出力１２８は小さい。その理由は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの区間においてアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれる部分のうち直線より上の部分と下の部分とが互いに打ち消し合うためである。

図５を参照して、パルス信号ＰＳ１の周波数をｆとしたとき、周波数が０．９５ｆのパルス光のみが入射光９２として受光部２３に入射した場合を説明する。パルス信号ＰＳ１がハイレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより低い場合と高い場合とがある。パルス信号ＰＳ１がローレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより高い場合と低い場合とがある。そのため、アンプ出力１２７は、参照電圧Ｖｒｅｆより高い部分と低い部分とを含む。積分器２８が時刻ｔ０から時刻ｔ３まで測定（積分）を行った場合、時刻ｔ３における積分器出力１２８は小さい。その理由は、時刻ｔ０から時刻ｔ３までの区間においてアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれる部分のうち直線より上の部分と下の部分とが互いに打ち消し合うためである。図４及び図５から理解されるように、ノイズ成分の周波数がパルス信号ＰＳ１の周波数に近い場合は、ノイズ成分を除去するために測定時間（積分時間）を長くする必要がある。

上述したように、極性反転アンプ２７及び積分器２８により、パルス信号ＰＳ１と周波数が異なるノイズ成分を除去することができる。したがって、発光ダイオード照明からの光に由来する高周波のノイズ成分を除去することができる。

図３に示す場合では、発光部２２が発光してからハイパスフィルタ２５がその発光に由来するフィルタ出力１２５を出力するまでの間の遅延は無視できるほど小さい。しかし、光センサ１０の回路構成によっては、その遅延が無視できないほど大きくなると予想される。

図６は、例として、パルス光９１に由来するフィルタ出力１２５がパルス信号ＰＳ１に対してＴ／５だけ遅延した場合の波形を示す。この場合、フィルタ出力１２５の周波数はパルス信号ＰＳ１の周波数に等しいが、フィルタ出力１２５とパルス信号ＰＳ１との間に位相ずれが生じている。その結果、パルス信号ＰＳ１がハイレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより低い場合と高い場合とがあり、パルス信号ＰＳ１がローレベルのときにフィルタ出力１２５が参照電圧Ｖｒｅｆより高い場合と低い場合とがある。そのため、アンプ出力１２７は、参照電圧Ｖｒｅｆより高い部分と低い部分とを含む。積分器２８が時刻ｔ０から時刻ｔ１まで測定（積分）を行った場合、時刻ｔ１における積分器出力１２８は図３に示す場合に比べて小さくなる。その理由は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの区間においてアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれる部分のうち直線より上の部分と下の部分とが互いに打ち消し合うためである。図６に示す場合における時刻ｔ１における積分器出力１２８が図３に示す場合における時刻ｔ１における積分器出力１２８より小さいことは、パルス光９１に由来する信号が受光部２３から積分器２８の間でロスすることを意味する。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法を説明する。実施の形態３にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法では、パルス光９１に由来する信号が遅延によりロスすることが防止される。

図７を参照して、実施の形態３にかかる光センサ１０は、遅延回路３０を備える点が実施の形態２に係る光りセンサ１０と異なる。遅延回路３０は、インバータを偶数段並べる方法、ＲＣ回路とインバータ２段を組み合わせる方法、リタイミング用のフリップフロップを用いる方法等で構成される。遅延回路３０は、パルス信号ＰＳ１を遅延してパルス信号ＰＳ２を生成し、パルス信号ＰＳ２を極性反転アンプ２７に出力する。遅延回路３０は、パルス信号ＰＳ１の立ち上がりと立下りを同じだけ遅延させてパルス信号ＰＳ２を生成する。極性反転アンプ２７は、パルス信号ＰＳ２に基づいて正転アンプ状態（例えば、正転増幅モード）と反転アンプ状態（例えば、反転増幅モード）とが切り替わる。遅延回路３０は、パルス光９１に由来するフィルタ出力１２５がパルス信号ＰＳ１に対してＴ／５だけ遅延するため、パルス信号ＰＳ２をパルス信号ＰＳ１に対してＴ／５だけ遅延させる。尚、パルス信号ＰＳ２をパルス信号ＰＳ１に対してどれくらい遅延させるかは、計算等により決定される。

図８を参照して、パルス信号ＰＳ２がパルス信号ＰＳ１に対してＴ／５だけ遅延しているため、フィルタ出力１２５の位相と極性反転アンプ２７の同期信号としてのパルス信号ＰＳ２の位相とが一致している。その結果、アンプ出力１２７の全体が参照電圧Ｖｒｅｆより高くなる。したがって、積分器２８が時刻ｔ１０から時刻ｔ１１まで測定（積分）を行った場合、時刻ｔ１１における積分器出力１２８は、図６に示す場合に比べて大きく、図３に示す場合と同じである。尚、この場合の測定時間（＝ｔ１１−ｔ１０）は、図３及び図６の場合の測定時間（＝ｔ１−ｔ０）と同じである。積分器２８は、パルス光９１に由来する信号をロスなく測定することができる。パルス光９１に由来する信号をロスなく測定することができるため、以下の効果が期待できる。発光部２２を発光させるための電流が小さくても近接判定及び距離の測定が可能となるため、消費電力が削減される。さらに、近接センサではパルス光９１に由来する信号とノイズの比（以下、Ｓ／Ｎ比という。）で近接判定が可能な距離の最大値が決まり、測距センサではＳ／Ｎ比で測定可能な距離の最大値が決まる。そのため、近接センサにおける検知可能距離及び測距センサにおける測定可能距離を伸ばすことができる。Ｓ／Ｎ比が大きくなるため、測定精度が向上する。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法を説明する。実施の形態４にかかる光センサ及び光センサのノイズ除去方法では、積分器２８の測定時間（積分時間）を環境に応じて決定することで環境光に由来するノイズを効率的に除去することができる。

図９を参照して、実施の形態４にかかる光センサ１０の構成を説明する。実施の形態４にかかる光センサ１０は、制御部３１と、スイッチＳＷ２とを備える点が実施の形態３にかかる光センサ１０と異なる。制御部３１は、スイッチＳＷ２を制御するためのスイッチ制御信号１３２を出力する。

以下、実施の形態４にかかる光センサ１０の動作を説明する。

制御部３１は、スイッチＳＷ２をオフ状態に制御してパルス信号ＰＳ１のドライバ回路２１への入力を遮断する。パルス信号ＰＳ１に基づいて発光部２２を駆動するドライバ回路２１へのパルス信号ＰＳ１の入力が遮断されるため、発光部２２はパルス光９１を出射しない。このとき、スイッチＳＷ２は、パルス信号ＰＳ１の遅延回路３０への入力を遮断しない。そのため、パルス信号ＰＳ２の極性反転アンプ２７への入力が遮断されず、極性反転アンプ２７はパルス信号ＰＳ２に基づいて動作する。制御部３１は、発光部２２がパルス光９１を出射しない状態（発光部２２からのパルス光９１が受光部２３に入射しない状態）で積分器２８に測定時間（積分時間）が異なる複数の測定（積分）を実行させる。尚、制御部３１は、測定ごとに積分器２８をリセットして容量Ｃ２に蓄えられた電荷をゼロにする。制御部３１は、複数の測定の結果に基づいて、環境光に由来するノイズを効率的に打ち消すことができる最適測定時間を決定する。その後、制御部３１は、スイッチＳＷ２をオン状態に制御してパルス信号ＰＳ１がドライバ回路２１に入力されるようにする。パルス信号ＰＳ１がドライバ回路２１に入力されるため、発光部２１はパルス信号ＰＳ１に基づいてパルス光９１を光センサ１０の外部に向けて出射する。制御部３１は、発光部２１がパルス光９１を光センサ１０の外部に向けて出射している状態で積分器２８に最適測定時間の測定（積分）を実行させる。

図１０を参照して、発光部２２からのパルス光９１が受光部２３に入射しない状態で積分器２８が実行する複数の測定を説明する。ここでは、複数の測定を実行している間、パルス信号ＰＳ１の周波数をｆとしたとき０．５７ｆの周波数のパルス光のみが入射光９２として受光部２３に入射している場合を考える。発光部２２が発光しないため、フィルタ出力１２５はパルス光９１に由来する成分を含まない。フィルタ出力１２５の全体が周波数０．５７ｆのパルス光に由来する。複数の測定の各々において、測定開始時刻をｔ２０で表す。更に、時刻ｔ２０における出力１２５の位相は複数の測定において一致していると仮定する。ここでは、積分器２８が測定時間Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の測定を実行する場合を説明するが、測定数は３に限定されない。

積分器２８が時刻ｔ２０から時刻ｔ２１まで測定時間Ｔ１の測定を行うと、時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの間にあるアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれた部分が打ち消されずに残る。その部分は、参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線より上側である。そのため、時刻ｔ２１における積分器出力１２８は、積分器２８の入力信号としてのアンプ出力１２７が参照電圧Ｖｒｅｆで一定である場合における積分器出力１２８（以下、ゼロ出力という。）より時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの間にある部分の面積に対応する値だけ大きい。

積分器２８が時刻ｔ２０から時刻ｔ２２まで測定時間Ｔ２の測定を行うと、アンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれた部分が打ち消される。そのため、時刻ｔ２２における積分器出力１２８は、ゼロ出力に等しい。

積分器２８が時刻ｔ２０から時刻ｔ２３まで測定時間Ｔ３の測定を行うと、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの間にあるアンプ出力１２７を表す曲線と参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線とで囲まれた部分が打ち消されずに残る。その部分は、参照電圧Ｖｒｅｆを表す直線より下側である。そのため、時刻ｔ２３における積分器出力１２８は、ゼロ出力より時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの間にある部分の面積に対応する値だけ小さい。

制御部３１は、積分器２８が測定時間Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の測定によりそれぞれ出力する複数の積分器出力１２８を比較する。制御部３１は、複数の積分器出力１２８のなかでゼロ出力に最も近い積分器出力１２８が出力された測定の測定時間Ｔ２を選択し、測定時間Ｔ２を最適測定時間として決定する。発光部２１がパルス光９１を光センサ１０の外部に向けて出射しているときに、積分器２８が最適測定時間としての測定時間Ｔ２の測定を実行する。このとき積分器２８から出力される積分器出力１２８の測定終了時刻における値は、光センサ１０から物体までの距離だけでなく測定時間にも依存する。言い換えると、光センサ１０から物体までの距離が同じ場合であっても、測定時間が異なれば、積分器出力１２８の測定終了時刻における値が異なる。測定時間による影響を除去するため、制御部３１は、積分器出力１２８の測定終了時刻における値を測定時間Ｔ２で割って得られる商を制御部出力１３１として出力する。近接センサの場合、光センサ１０は、制御部出力１３１が閾値より大きいときに光センサ１０に近接した物体の存在を検出し、制御部出力１３１が閾値より小さいときに光センサ１０に近接した物体の存在を検出しない。測距センサの場合、光センサ１０は、制御部出力１３１に基づいて光センサ１０から物体までの距離を決定する。

本実施の形態によれば、環境光に由来するノイズを効率的に打ち消すことができる。したがって、光センサ１０は環境光に由来するノイズの影響を受けにくくなる。尚、発光部２２からのパルス光９１が受光部２３に入射しない状態を実現するために、発光部２２の向きを変えたり発光部２２をシャッター（不図示）で覆ったりしてもよい。測定時間Ｔ１の測定で出力される積分器出力１２８と測定時間Ｔ２の測定で出力される積分器出力１２８が互いに等しく、且つ、ゼロ出力に最も近い場合、制御部３１は、測定時間Ｔ１及びＴ２の平均値を最適測定時間として決定してもよい。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５にかかる携帯電話機及びその制御方法を説明する。実施の形態５にかかる携帯電話機は、実施の形態１乃至４のいずれかにかかる光センサ１０を備える。ここで、光センサ１０は、近接センサとして用いられる。

図１１を参照して、携帯電話機１は、筐体４０と、タッチパネル４１と、通話のためのレシーバ４２と、通話のためのマイクロホン４３とを備える。光センサ１０の発光部２２、光センサ１０の受光部２３、タッチパネル４１、レシーバ４２、及びマイクロホン４３は、筐体４０の前面４０ａに配置される。

図１２を参照して、携帯電話機１の制御系は、光センサ１０と、タッチパネル制御部４４と、通話検出部４５と、タッチパネル４１とを備える。タッチパネル４１は、入力部４１ａと、表示部４１ｂとを備える。入力部４１ａは、例えば、タッチセンサである。表示部４１ｂは、例えば、液晶ディスプレイである。表示部４１ｂは、画像やアイコンを表示する。入力部４１ａは、タッチパネル４１のアイコンに対応する部分に対するユーザの接触を検知する。携帯電話機１は、そのアイコンに関連付けられた機能を実行する。

ユーザが携帯電話機１を用いて通話をするとき、レシーバ４２はユーザの耳の近くに配置され、マイクロホン４３はユーザの口の近くに配置される。このとき、ユーザは、表示部４１ｂを見ることができず、表示部４１ｂに表示されたアイコンを操作しようと思わない。ユーザが見ることができないのに表示部４１ｂのバックライトを点灯させ続けることで電力が浪費される。タッチパネル４１とユーザの顔との接触を入力部４１ａが検知すると、携帯電話機１がユーザの意図しない動作を実行してしまうおそれがある。このような問題点を解決するために、携帯電話機１は以下のように動作する。

通話検出部４５は、携帯電話機１が他の電話機と音声通信を行う機能を実行中の状態としての通話状態を検出する。通話検出部４５が携帯電話機１の通話状態を検出すると、光センサ１０は、筐体４０の前面４０ａに近接した位置にユーザの顔があるか判定するために、以下の動作を実行する。発光部２２は、パルス信号ＰＳ１に基づくパルス光９１を携帯電話機１の筐体４０の前面４０ａから外部に向けて出射する。受光部２３は、外部から前面４０ａに入射した入射光の強さに対応する光電流１２３を発生する。電流電圧変換部２４は、光電流１２３を電圧信号１２４に変換する。ハイパスフィルタ１２５は、電圧信号１２４から遮断周波数ｆｃ以上の交流成分を取り出して参照電圧Ｖｒｅｆを中心とする信号波形を示すフィルタ出力１２５として出力する。極性反転アンプ２７は、パルス信号ＰＳ１に基づいて、フィルタ出力１２５を反転しないで出力する正転アンプ状態（例えば、正転増幅モード）とフィルタ出力１２５を参照電圧Ｖｒｅｆに対して反転して出力する反転アンプ状態（例えば、反転増幅モード）とを切り替える。積分器２８は、極性反転アンプ２７が出力したアンプ出力１２７を参照電圧Ｖｒｅｆに基づいて積分して積分器出力１２８を出力する。光センサ１０は、積分器出力１２８（又は制御部出力１３１）に基づいて、筐体４０の前面４０ａに近接した位置にユーザの顔があるか判定する。光センサ１０は、前面４０ａに近接した位置にユーザの顔があると判定した場合、その判定結果を示す光センサ出力１１０を出力する。タッチパネル制御部４４は、光センサ出力１１０に基づいて、タッチパネル４１を制御する。

通話検出部４５が携帯電話機１の通話状態を検出している場合に、タッチパネル制御部４４が光センサ出力１１０に基づいてタッチパネル４１の表示部４１ｂのバックライトを消灯すると、携帯電話機１の消費電力が低減される。通話検出部４５が携帯電話機１の通話状態を検出している場合に、タッチパネル制御部４４が光センサ出力１１０に基づいてタッチパネル４１の入力部４１ａを無効化すると、携帯電話機１がユーザの意図しない動作を実行してしまうことが防止される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、受光部２３を構成するためにフォトダイオードのかわりにフォトトランジスタを用いることができる。実施の形態２にかかる遅延回路３０を実施の形態１にかかる光センサ１０に適用することができる。実施の形態４にかかる制御部３１及びスイッチＳＷ２を実施の形態１又は２にかかる光センサ１０に適用することができる。この場合、スイッチＳＷ２は、パルス信号ＳＷ１のドライバ回路２１への入力を遮断するとき、パルス信号ＳＷ１の極性反転アンプ２７への入力を遮断しない。

その他、実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。
（１）携帯電話機の制御方法は、携帯電話機の通話状態を検出し、パルス信号に基づくパルス光を携帯電話機の筐体の前面から外部に向けて出射する。更に、外部から前面に入射した入射光の強さに対応する光電流を発生し、光電流を電圧信号に変換する。更に、電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力する。更に、パルス信号に基づいて、フィルタ出力を反転しないで増幅する正転増幅モードとフィルタ出力を参照電圧に対して反転して増幅する反転増幅モードとを切り替える。更に、反転されずに増幅されたフィルタ出力及び反転されて増幅されたフィルタ出力を参照電圧に基づいて積分する。更に、反転されずに増幅されたフィルタ出力及び反転されて増幅されたフィルタ出力を参照電圧に基づいて積分した結果に基づいて、前面に配置されたタッチパネルを制御する。携帯電話機は、通話のためのレシーバ及びマイクロホンを備える。レシーバ及びマイクロホンは、前面に配置される。
（２）光センサは、パルス信号に基づいて、パルス光を外部に向けて出射する発光部と、外部からの入射光の強さに対応する光電流を発生する受光部と、光電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路とを備える。更に、電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力するハイパスフィルタを備える。更に、フィルタ出力に含まれるパルス信号と異なる周波数のノイズ成分を打ち消すノイズ除去回路を備える。ノイズ除去回路は、ノイズ成分を打ち消す過程でフィルタ出力を増幅する。
（３）光センサのノイズ除去方法は、パルス信号に基づいて、パルス光を光センサの外部に向けて出射し、光センサの外部からの入射光の強さに対応する光電流を発生し、光電流を電圧信号に変換する。更に、電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力する。更に、フィルタ出力に含まれるパルス信号と異なる周波数のノイズ成分を打ち消す。更に、ノイズ成分を打ち消す過程でフィルタ出力を増幅する。

１携帯電話機、１０光センサ、
２１ドライバ回路、２２発光部、
２３受光部、２４電流電圧変換回路、
２５ハイパスフィルタ、２６バッファ回路、
２７極性反転アンプ、２８積分器、
３０遅延回路、３１制御部、
４０筐体、４０ａ前面、
４１タッチパネル、４１ａ入力部、
４１ｂ表示部、４２レシーバ、
４３マイクロホン、４４タッチパネル制御部、
４５通話検出部、１１０光センサ出力、
９１パルス光、９２入射光、
１２３光電流、１２４電圧信号、
１２５フィルタ出力、１２７アンプ出力、
１２８積分器出力、ｆｃ遮断周波数、
ＰＳ１〜ＰＳ２パルス信号、ＳＷ１〜ＳＷ２スイッチ、
Ｔ１〜Ｔ３測定時間、Ｖｒｅｆ参照電位又は参照電圧

Claims

パルス信号に基づいて、パルス光を外部に向けて出射する発光部と、
外部からの入射光の強さに対応する光電流を発生する受光部と、
前記光電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力するハイパスフィルタと、
前記パルス信号に基づいて正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わり、前記正転アンプ状態のときに前記フィルタ出力を反転しないで出力し、前記反転アンプ状態のときに前記フィルタ出力を前記参照電圧に対して反転して出力する極性反転アンプと、
前記参照電圧に基づいて前記極性反転アンプの出力を積分する積分器と
を具備する
光センサ。
請求項１に記載の光センサであって、
前記パルス信号を遅延して前記極性反転アンプに出力する遅延回路を更に具備する
光センサ。
請求項１に記載の光センサであって、
前記積分器が積分する期間である測定時間を決定する測定時間決定制御を実行する制御部を更に具備し、
前記測定時間決定制御では、
前記発光部からのパルス光が前記受光部に入射しない状態で、測定時間が異なる複数の測定を実行し、
前記複数の測定の結果に基づいて、前記測定時間を決定する
光センサ。
請求項３に記載の光センサであって、
前記測定時間決定制御では、前記積分器が前記複数の測定によりそれぞれ出力する複数の積分器出力のなかで前記積分器の入力信号が前記参照電圧で一定である場合に前記積分器が出力するゼロ出力に最も近い積分器出力が出力された測定の測定時間を前記測定時間として決定する
光センサ。
請求項３に記載の光センサであって、
前記パルス信号に基づいて前記発光部を駆動するドライバ回路と、
前記パルス信号の前記ドライバ回路への入力を遮断するスイッチ
を更に具備し、
前記制御部は、前記スイッチを制御し、
前記スイッチは、前記パルス信号の前記ドライバ回路への入力を遮断するとき、前記パルス信号の前記極性反転アンプへの入力を遮断しない
光センサ。
請求項１に記載の光センサであって、
バッファ回路を更に具備し、
前記ハイパスフィルタは、前記バッファ回路を介して前記極性反転アンプに前記フィルタ出力を出力する
光センサ。
パルス信号に基づいて、パルス光を光センサの外部に向けて出射し、
前記光センサの外部からの入射光の強さに対応する光電流を発生し、
前記光電流を電圧信号に変換し、
前記電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力し、
前記パルス信号に基づいて、前記フィルタ出力を反転しないで増幅する正転増幅モードと前記フィルタ出力を前記参照電圧に対して反転して増幅する反転増幅モードとを切り替え、
反転されずに増幅された前記フィルタ出力及び反転されて増幅された前記フィルタ出力を前記参照電圧に基づいて積分する
光センサのノイズ除去方法。
請求項７に記載の光センサのノイズ除去方法であって、
前記パルス信号を遅延して遅延パルス信号を生成し、
前記遅延パルス信号に基づいて、前記正転増幅モードと前記反転増幅モードとを切り替える
光センサのノイズ除去方法。
請求項７に記載の光センサのノイズ除去方法であって、
反転されずに増幅された前記フィルタ出力及び反転されて増幅された前記フィルタ出力を前記参照電圧に基づいて積分する期間である測定時間を決定する測定時間決定制御を実行し、
前記測定時間決定制御では、
前記パルス信号に基づくパルス光が前記光電流を発生する受光部に入射しない状態で、測定時間の異なる複数の測定を実行し、
前記複数の測定の結果に基づいて、前記測定時間を決定する
光センサのノイズ除去方法。
請求項９に記載の光センサのノイズ除去方法であって、
前記測定時間決定制御では、
パルス光を出射する発光部を前記パルス信号に基づいて駆動するドライバ回路への前記パルス信号の入力を遮断し、
前記パルス信号に基づいて前記正転増幅モードと前記反転増幅モードとを切り替える極性反転アンプへの前記パルス信号の入力を遮断しない
光センサのノイズ除去方法。
光センサと、
筐体と、
タッチパネルと、
通話のためのレシーバと、
通話のためのマイクロホンと、
タッチパネル制御部と、
通話検出部と
を具備し、
前記光センサは、
パルス信号に基づいて、パルス光を外部に向けて出射する発光部と、
外部からの入射光の強さに対応する光電流を発生する受光部と、
前記光電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号から所定の周波数以上の交流成分を取り出して参照電圧を中心とする信号波形を示すフィルタ出力として出力するハイパスフィルタと、
前記パルス信号に基づいて正転アンプ状態と反転アンプ状態とが切り替わり、前記正転アンプ状態のときに前記フィルタ出力を反転しないで出力し、前記反転アンプ状態のときに前記フィルタ出力を前記参照電圧に対して反転して出力する極性反転アンプと、
前記参照電圧に基づいて前記極性反転アンプの出力を積分する積分器と
を備え、
前記発光部、前記受光部、前記タッチパネル、前記レシーバ、及び前記マイクロホンは、前記筐体の前面に配置され、
前記タッチパネル制御部は、前記通話検出部が通話状態を検出している場合、前記光センサの出力に基づいて、前記タッチパネルを制御する
携帯電話機。
請求項１１に記載の携帯電話機であって、
前記タッチパネル制御部は、前記通話検出部が通話状態を検出している場合、前記光センサの出力に基づいて、前記タッチパネルの表示部のバックライトを消灯する
携帯電話機。
請求項１１に記載の携帯電話機であって、
前記タッチパネル制御部は、前記通話検出部が通話状態を検出している場合、前記光センサの出力に基づいて、前記タッチパネルの入力部を無効化する
携帯電話機。