JP2015002502A - 光センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光である太陽光等の周囲光によりダイナミックレンジが低下することなく、安定して近接物体を検出できる光センサ装置を提供する。
【解決手段】ＡＭＰ１の出力電圧のうち直流成分をＤＥＴ１で検出し、ＣＯＭＰ１によって基準電圧との差分を求め、その差分によりＩ２を駆動することにより、直流成分を除去することが可能となる。つまり直流成分である太陽光等の外部光の影響を受けずに安定して近接物体を検出することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に受光素子と発光素子を内蔵した光センサ装置において、外光によるダイナミックレンジ低下の防止に関するものであり、より具体的には近接センサにおける太陽光によるダイナミックレンジ低下の防止に関する。

近接センサは民生品から業務用及び産業用の機械まで、様々なアプリケーションに使用されている。従来の近接センサは１つの発光素子と１つの受光素子を含み、これらの受発光素子がそれぞれ外の検出領域へと向くように配置されている。近接センサの前をある物体が移動する場合、その物体は発光素子からの光を反射し、反射された光の一部は受光素子により受光される。受光素子が発光素子からの光を受光した場合、近接センサは物体の存在を表示する信号を送る。近年では、携帯電話やデジタルカメラにおいて、タッチパネルに顔等が接触して誤動作を起こさないために、近接センサを搭載する機種が増えている。

図５に従来例として、受発光素子を内蔵したセンサ装置１の構成を示す。

アナログ入力電流をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部ＡＤＣ２と、カソードがＡＤＣの入力に接続され、アノードが電気的に接地されている受光素子ＰＤを備える。

またＡＤＣのＡＤ変換結果が一方に入力され、他方の入力に入力される所定の閾値Ｄａｔａ＿ｔｈとを比較して、上記ＡＤ変換結果が上記閾値を超えていれば、上記被検出対象が近接していることを示す信号を出力し、上記ＡＤ変換結果が上記閾値以下であれば、上記被検出対象が近接していないことを示す信号を出力する比較回路３と、上記ＡＤ変換結果を記憶する記憶回路４と、第１端子が、上記一方の入力に接続されており、第２端子が記憶回路の入力とに接続されており、第３端子が、電気的に接地されているとともに、上記第１端子と上記第２端子とを接続するか、上記第１端子と上記第３端子とを接続して、上記一方の入力を電気的に接地する切り替えスイッチＳＷ０’とを備える。

またＰＤのカソードと上記ＡＤＣの入力とに一端が接続されているスイッチである開閉スイッチＳＷ０と、入力に電源電圧が印加され、出力がＰＤのカソードとＳＷ０の他端に接続されている可変電流源６と、上記ＳＷ０の開閉を制御する制御信号である第２制御信号を、ＳＷ０の制御入力に出力するとともに、ＳＷ０’の切り替えを制御する制御信号である第３制御信号を、ＳＷ０の制御入力に出力するスイッチ制御回路５０とを備える。

次に図６を用いて従来例の動作について説明する。図６は、従来実施例において、太陽光等の外部光が照射されており、かつ、被検出対象が有る場合の動作波形のタイミングチャートである。

まず第１工程として、発光ダイオードが駆動していない期間について説明する。

この区間のデータＤａｔａ０を測定する時は、図５においてＳＷ０を開く。また、図５のセンサ装置１は、ＡＤＣ２の出力と、比較回路３の一方の入力との間にスイッチＳＷ０’を備えている。ＳＷ０’は、太陽光等の外部光が照射されている場合は、常に導通している（比較回路の一方の入力に接続されているＳＷ０’の第１端子と、ＡＤＣ２の出力及び記憶回路４の入力に接続されているＳＷ０’の第２端子とが接続されている）。

また、太陽光等の外部光が照射される場合は、上記導通が行われるか、上記第１端子と、電気的に接地されたＳＷ０’の第３端子とが接続されて、比較回路の一方の入力が電気的に接地されるかを切り替えられる。そして、センサ装置が備えるスイッチ制御部は、ＳＷ１に対して、当該スイッチの開閉を制御する信号（第２制御信号）を送信するとともに、ＳＷ２に対して、当該スイッチの開閉を制御する信号（第３制御信号）を送信する。

ＳＷ０が開いている状態のセンサ装置において、ＰＤから出力される電流Ｉｉｎ（フォトダイオードの出力電流）は、太陽光等の外部光により発生した光電流ＩＡＴＳのみになる。ＩＰＤは、ＡＤ１によりアナログ−デジタル変換され、デジタル値ＡＤＣＯＵＴとしてのデータＤａｔａ０が得られる。

ここで、Ｄａｔａ０の測定時は、ＳＷ１の他端を電気的に接地する。これにより、比較回路の一方の入力における値を０とする。これにより、Ｄａｔａ０の測定時に、比較回路の一方の入力における値０が、比較回路の他方の入力に入力される閾値Ｄａｔａ＿ｔｈ（Ｄａｔａ＿ｔｈ＞０）を超えない（閾値Ｄａｔａ＿ｔｈ以下である）。よって、Ｌｏｗレベルであるデジタル出力信号Ｄｏｕｔが、外部に出力される。

Ｄａｔａ０は、記憶回路に記憶される。記憶回路は、Ｄａｔａ０に応じた信号である電流制御信号Ｓｃを、Ｉ１の制御入力へ出力する。Ｄａｔａ０に応じた電流Ｉ１≒ＩＡＴＳ（可変電流源の出力電流）を出力することが出来るようになる。

第１工程の後に続けて行われる工程である第２工程において、ＬＥＤを駆動している期間のＤａｔａ１を測定する場合を考える。この場合、図５のセンサ装置において、ＳＷ２を閉じる。これによりＡＤＣに入力される電流は、ＬＥＤの反射光によるパルス電流ＩＰＬＳとＩＡＴＳの和であるＩＰＤから、ＩＡＴＳを差し引く減算が行われる。これにより、ＩＰＬＳのアナログ−デジタル変換が行われ、デジタル値ＡＤＣＯＵＴとしてのＤａｔａ１が得られる。

比較回路の一方の入力に入力されるＤａｔａ１は、比較回路の他方の入力に入力されるＶｔｈを超えるような値に設定するものとする。よって、デジタル出力信号Ｄｏｕｔのレベルが、ＬｏｗレベルからＨｉレベルへ変化することにより生じる、被検出対象が近接したことを示すパルスが、Ｄｏｕｔとして外部に出力される。これにより、ＡＤ１には太陽光等の外部光により発生した電流ＩＡＴＳが減算された、ＬＥＤ１の反射光によるパルス電流ＩＰＬＳのみが入力されるため、太陽光等の入射によるＡＤＣのダイナミックレンジ低下を抑制できる。

特開２０１２−１４７２５５号公報

上記従来技術によれば、太陽光等の外部光によりダイナミックレンジ低下することなく、被検出対象が近接したことを検出することが可能となる。しかしながら、太陽光等の外部光により発生した電流ＩＡＴＳを減算するＩ１の最大値は、ＡＤＣのダイナミックレンジによるため、ＡＤＣのダイナミックレンジを超えるような強い外部光が入射された場合、外部光成分電流を完全にはキャンセルできず、やはりダイナミックレンジ低下を引き起こす課題がある。

また、ＬＥＤを消灯から点灯させた場合、ＳＷ０’を切り替えてオンにする動作を行う。このとき、ＰＤやＳＷ０’−ＰＤ１間配線、ＳＷ２に形成される寄生容量をＩ１がチャージするため、ＰＤに入力されるＩ１の波形にオーバーシュートが発生する。よってＡＤＣの出力として期待した値が得られず誤動作の要因となる。また受光感度を大きくするために、ＰＤ１の面積を大きくすることができないため、より遠くの物体を検出しようとした場合、アンプの増幅率を大きくしなければならず、ＳＮ比が悪くなる。

上記のような課題に鑑み、本発明は強い外部光が入射された場合でもダイナミックレンジ低下を引き起こす事なく、安定して近接物体を検出する光センサを提供することを目的とする。

本開示の光センサ装置は、光源と、光を受けて光電流を発生するフォトダイオードと、光電流を電圧に変換するアンプと、光源を駆動する電流源と、電流源からの駆動電流をＯＮまたはＯＦＦにするパルス発生回路と、アンプの出力の直流成分を検出する直流検出回路と、直流検出回路の出力と基準電圧を比較し、差分を出力する比較回路と、アンプの入力に接続され、比較回路の出力に応じて出力を変更する可変電流源とを備える。

このような構成によれば、太陽光などの外乱光がフォトダイオードに照射されることによって発生する光電流を、可変電流源からの電流によりキャンセルすることができる。よって、外乱光によるダイナミックレンジが低下することなく、近接物体の検出での誤動作を防止することができる。さらに、可変電流源とフォトダイオードの間に近接物体検出時に切り替え動作が行われるスイッチもないため、アナログ−デジタル変換回路への入力電流に、オーバーシュートが発生することもないため、誤動作を防止することができる。

また、前記可変電流源と前記受光部の間に、スイッチを有し、外部光の照度を測定する動作時には前記スイッチをＯＦＦにすることにより、出力端子から、周辺光の照度を出力することが可能となる。

本開示のような光センサ装置によると、太陽光等の外部光直下においても誤動作することなく安定して近接物体を検出することができる。また、簡単な回路構成追加により周辺光の照度を検出することが可能となる。

第１の実施形態に係る光センサ装置を示す図 第１の実施形態に係る光センサ装置の動作を説明するタイミングチャート 第２の実施形態に係る光センサ装置を示す図 第３の実施形態に係る光センサ装置を示す図 従来技術に係る光センサ装置を示す図 従来技術に係る光センサ装置の動作を説明するタイミングチャート

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る光センサ装置について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る光センサ装置は、光を受けて光電流を発生するフォトダイオードＰＤ１と、ＰＤ１の出力電流を電圧に変換するアンプＡＭＰ１と、ＡＭＰ１の出力の直流成分を検出する直流検出回路ＤＥＴ１と、ＤＥＴ１の出力電圧と基準電圧ＶＲＥＦを比較する比較回路ＣＯＭＰ１とを備え、ＰＤ１にはＣＯＭＰ１の出力に応じて出力を変更する可変電流源Ｉ２が接続されている。

さらに、光を出射する光源ＬＥＤ１と、ＬＥＤ１を駆動する電流源Ｉ１と、Ｉ１からの電流をＯＮまたはＯＦＦさせるためのパルス発生回路ＯＳＣ１とを備えている。

次に、本実施形態に係る光センサ装置の動作を、図２のタイミングチャートを用いて説明する。本実施形態に係る光センサ装置においては、近接物体を検出するために電流源Ｉ１の電流を、パルス発生回路ＯＳＣ１によりＯＮ、ＯＦＦを繰り返すパルス波形とし、光源ＬＥＤ１をパルス状に発光させる。このとき、ＬＥＤ１を流れる電流は図２のＡのような波形となり、ＬＥＤ１は点灯と消灯を繰り返す。

ＬＥＤ１から照射されたパルス光は、本実施形態の光センサ装置に近接した物体に照射され、少なくともその一部の光が反射され、フォトダイオードＰＤ１に入射される。このときフォトダイオードＰＤ１には物体から反射されたＬＥＤ１のパルス光以外に、図２のＢのような、例えば太陽光、白熱灯といった外部光も入射される。そのため、フォトダイオードＰＤ１の出力電流は図２のＣに示すように外部光成分にＬＥＤ１のパルス光成分が重畳した波形となる。ここでＬＥＤ１のパルス光の周期は、外部光の時間的な変化の周期よりも短く設定されている。例えば外部光が蛍光灯だった場合、その電源の周波数よりも短く設定しているため、直流に近い外部光成分にＬＥＤ１のパルス光成分が重畳しているような波形となる。

まず、ＬＥＤ１が消灯している時の動作を説明する。図２では、ＤのＤ−１の区間になる。この時パルス発生回路ＯＳＣ１はＯＦＦ信号を出力し、ＬＥＤ１を駆動する駆動電流はＯＦＦとなる。フォトダイオードＰＤ１には外部光のみ入射されるので、それに応じた電流がＰＤ１から出力され、アンプＡＭＰ１に入力される。アンプＡＭＰ１は電流電圧変換し、その出力電圧を出力端子ＯＵＴ１から出力する。また、ＡＭＰ１の出力電圧は同時に直流検出回路ＤＥＴ１にも入力され、その直流成分を比較回路ＣＯＭＰ１に出力する。ここで比較回路ＣＯＭＰ１はパルス発生回路ＯＳＣ１からＯＦＦ信号が入力されると基準電圧ＶＲＥＦと直流検出回路ＤＥＴ１からの信号を比較し、その差分を出力する。また比較回路ＣＯＭＰ１は、パルス発生回路ＯＳＣ１からＯＮ信号が入力されると、直前のＯＦＦ信号が入力されていた時の出力を保持したまま出力する。基準電圧ＶＲＥＦはフォトダイオードＰＤ１に無入力時に、ＡＭＰ１が出力する電圧と同等の電圧である。比較回路ＣＯＭＰ１は基準電圧ＶＲＥＦと直流検出回路ＤＥＴ１の出力電圧を比較し、その差分を可変電流源Ｉ２に出力する。可変電流源Ｉ２は比較回路ＣＯＭＰ１からの出力に応じて出力電流を調整する。可変電流源Ｉ２の出力電流はフォトダイオードＰＤ１で発生した電流のうちＡＭＰ１に入力される成分を減らす働きをする。外部光がフォトダイオードＰＤ１に入射された場合、アンプＡＭＰ１の出力が増加し、アンプＡＭＰ１の出力のうちの直流成分を直流検出回路ＤＥＴ１検出し、出力する。比較回路ＣＯＭＰ１が基準電圧ＶＲＥＦと直流検出回路ＤＥＴとの差を出力する。比較回路ＣＯＭＰ１の出力に応じて可変電流源Ｉ２がＡＭＰ１に入力される外部光による電流を打ち消すように電流を出力するため、結果ＡＭＰ１の出力は基準電圧に近づく。つまり負帰還動作となる。

次にＬＥＤ１が点灯している時の動作を説明する。図２では、ＤのＤ−２の区間が相当する。この時パルス発生回路ＯＳＣ１はＯＮ信号を出力する。フォトダイオードには、近接物体から反射されたＬＥＤ１のパルス光と外部光が入射されるため、その発生電流は図２のＣのようになる。比較回路ＣＯＭＰ１は、パルス発生回路ＯＳＣ１からＯＮ信号が入力されると、直前のＯＦＦ信号が入力されていた時の出力、つまりＤ−１における最後の状態の出力を保持する。よって可変電流源Ｉ２の出力もＤ−１における最後の状態の出力が保持される。アンプＡＭＰ１に入力される電流は、可変電流源Ｉ２から供給される電流、すなわち直前のＯＦＦ状態における外部光成分に相当する電流がキャンセルされるため、図２のＥのようにＬＥＤ１による信号成分のみとなる。これにより、アンプＡＭＰ１のダイナミックレンジは、外部光により狭くなることはなく、安定して近接物体を検出することができる。また可変電流源Ｉ２とフォトダイオードＰＤ１の間に、近接物体検出時におけるＬＥＤ１のＯＮ／ＯＦＦと連動してＯＮ／ＯＦＦするスイッチがないため、ＬＥＤ１のＯＮ／ＯＦＦ時のスイッチ切り替えに伴うスパイク電流がアンプＡＭＰ１に入力されることもないので、ＬＥＤ１のパルス立上がり、立下り時の異常出力も起きない。

さらに、ＬＥＤ１が再度消灯した時の動作を説明する。図２では、ＤのＤ−３の区間が相当する。この時Ｄ−１の区間と同様、パルス発生回路ＯＳＣ１はＯＦＦ信号を出力し、比較回路ＣＯＭＰ１が動作し、可変電流源Ｉ２の出力電流がアンプＡＭＰ１に入力される。この時Ｂに示すように、例えば外部光の光量が増加した場合、それによる電流を打ち消すため可変電流源Ｉ２の出力電流がそれに追随してＤ−３のように増加し、結果Ｅに示すようにアンプＡＭＰ１に入力される電流はゼロに近づくよう調整される。すなわち、外部光の強度の変化に応じて、その影響をキャンセルするよう、可変電流源Ｉ２の出力を調整する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る光センサ装置について、図３を参照しながら説明する。第１の実施形態との差として、アンプＡＭＰ１のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ１を備えることが特徴である。本実施形態の光センサ装置を携帯電話等に用いる場合は、電池の保持時間を延ばすために、ＬＥＤ駆動電流を可能な限り削減し、信号光が弱いことが多い。そのため、アナログ信号出力だと外部からのノイズの影響が比較的大きくなるため、デジタル信号出力とすることでノイズの影響をなくすことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る光センサ装置について、図４を参照しながら説明する。本実施形態では、第１の実施形態との差として、可変電流源Ｉ２とフォトダイオードＰＤ１の間に接続されるスイッチＳＷ１を備えることが特徴である。本実施形態の光センサ装置において、近接物体を検出する近接センサ機能に加えて、外部光の照度を測定する機能を持たせる場合、単純にフォトダイオードＰＤ１の出力をアンプＡＭＰ１で電流電圧変換して出力端子ＯＵＴ１に出力すればよい。その際、可変電流源Ｉ２による外部光キャンセル機能は不要となる。これを実現するために、本実施形態では、可変電流源Ｉ２とフォトダイオードＰＤ１の間に接続され、外部光の照度を測定する際にＯＦＦとなり、近接物体を検出する際はＯＮとなるスイッチＳＷ１を備える。

次に動作を説明する。近接物体を検出する近接センサ機能時には、これまで詳細に述べたとおり、外部光キャンセル機能が有効であるので、ＳＷ１をＯＮにしたままとする。そして、本実施形態に係る光センサ装置を外部光の照度を測定する機能に切り替える場合、ＳＷ１をＯＦＦにしたままとする。こうすることで、可変電流源Ｉ２による外部光キャンセルは動作しなくなり、フォトダイオードＰＤ１の出力をアンプＡＭＰ１で電流電圧変換して出力端子ＯＵＴ１に出力することができる。

以上説明したように、本発明の光センサ装置は、電子機器に搭載される近接センサ等に適用することが出来る。特に、携帯電話やデジタルカメラに好適に用いることが出来る。

ＰＤ、ＰＤ１ 受光素子
ＡＤ１ アナログ−デジタル変換回路
ＳＷ０、ＳＷ２ スイッチ
ＣＯＭＰ１ 比較回路
ＬＥＤ１ 光源
Ｉ１ 電流源
Ｉ２ 可変電流源
ＶＲＥＦ 基準電圧
Ｄａｔａ＿ｔｈ しきい値
ＯＵＴ１ 出力端子
Ｄｏｕｔ デジタル出力信号
２ ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換部）
３ 比較回路（比較部）
４ 記憶回路（記憶部）
６ 可変電流源
５０ スイッチ制御回路（スイッチ制御部）
ｔ＿ｃｏｎｖ 測定時間
Ｄａｔａ０、Ｄａｔａ１ データ

Claims (7)

1. 光源と、
   光を受けて光電流を発生するフォトダイオードと、
   前記光電流を電圧に変換するアンプと、
   前記光源を駆動する電流源と、
   前記電流源からの駆動電流をＯＮまたはＯＦＦにするパルス発生回路と、
   前記アンプの出力の直流成分を検出する直流検出回路と、
   前記直流検出回路の出力と基準電圧を比較し、差分を出力する比較回路と、
   前記アンプの入力に接続され、前記比較回路の出力に応じて出力を変更する可変電流源とを備えることを特徴とする光センサ装置。
2. 前記アンプからの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を有することを特徴とする請求項１に記載の光センサ装置。
3. 前記光源への前記駆動電流がＯＦＦとなっている期間において、前記比較回路は前記基準電圧と前記直流検出回路の出力を比較し、当該比較回路の出力に応じて前記可変電流源の電流量の調節を行い、
   前記光源への前記駆動電流がＯＮとなっている期間において、直前の前記可変電流源の電流量に保持することを特徴とする請求項１ないし２に記載の光センサ装置。
4. 前記可変電流源と前記受光部の間にスイッチを有し、
   外部光の照度を測定する動作時には前記スイッチをＯＦＦにすることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光センサ装置。
5. 前記基準電圧は、前記フォトダイオードへの無入力時に前記アンプが出力する電圧と同等の電圧であることを特徴とする請求項１ないし４に記載の光センサ装置。
6. 前記可変電流源からの出力は、フォトダイオードから前記アンプに入力される電流を打ち消すことを特徴とする請求項１ないし５に記載の光センサ装置。
7. 前記パルス発生回路のパルス周期は、外部光の変化の周期よりも短いことを特徴とする請求項１ないし６に記載の光センサ装置。

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