JP5985663B2 - 光センサおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、近接センサやジェスチャーセンサとして好適に用いられる光センサおよびそれを用いた電子機器に関する。

光センサは、検知対象物を検知したり、検知対象物との距離等を検出したりする機能を備えており、応用の分野が広がっている。

携帯電話（スマートフォンを含む）やデジタルカメラ等の電子機器は、画像を表示するための液晶パネルを備えている。また、このような電子機器には、液晶パネル上でタッチ操作が可能となるように、タッチパネルを備えた機種がある。さらに、携帯電話の中には、耳を当てる音声出力部に、携帯電話に対する人の顔が近づいたことを検知する近接センサが搭載されたものもある。この近接センサは、携帯電話の低消費電力化およびタッチパネルの誤動作防止のために、液晶パネルに顔が近づいたときに、タッチパネル動作をオフさせるためなどに利用されている。

また、物体の動きを検知するセンサの技術分野では、上記のような近接センサの他、人の手の動きを検知するジェスチャーセンサとして光センサを利用する要望もある。このようなジェスチャーセンサは、タッチパネル上の手の動きを非接触で検知する。これにより、濡れた手や汚れた手でも、液晶パネルの表面を汚さずに、液晶パネルに表示された画面をスクロールするように操作することができる。またタッチパネルに反応しづらい手袋等を付けた状態でも同様に液晶パネルを操作することが可能になる。

物体の動きを検知する光センサとして、例えば、特許文献１には、反射型の光センサが開示されている。この光センサは、図９に示すように、発光素子３０１と、２つの受光素子３０２，３０３を備えており、受光素子３０２，３０３が発光素子３０１の両側に配置されている。検知対象物３０４が右側にある場合、受光素子３０１に検知対象物からの反射光が強く当たる。一方、検知対象物３０４が左側にある場合、受光素子３０２，３０３に検知対象物３０４からの反射光が強く当たる。そして、２つの受光素子３０２，３０３で発生する光電流の差を読み取って、検知対象物３０４の位置や動きを検出することができる。

また、特許文献２には、複数区分の光センサと、各光センサから出力される電流を処理する制御回路と、を備えるジェスチャーセンサが開示されている。

日本国公開特許公報「特開２０００−７５０４６号公報（２０００年３月１４日公開）」 米国公開特許公報「第２０１２／２８０９０４号公報（２０１２年１１月８日公開）」

しかしながら、上記従来の光センサでは、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物の動きを正確に検知することが困難であるという問題点がある。

例えば、上記のようなジェスチャーセンサを搭載した電子機器は、人の手を検知対象物としているため、ジェスチャーセンサに対する人の手の相対的な角度の変化によって、光センサに入射する受光量が変化するので、そのような手の動作に反応する必要がある。また、手の形には個人差があり、使用時にジェスチャーセンサと手の距離が一定では無いことも多い。

また、反射型の光センサの場合、検知対象物である手の距離が離れた場合、光センサに入力される反射光が著しく減少するが、そのような場合でもジェスチャーセンサは物体の動作を正確に判定できることが要求される。

しかしながら、上記特許文献１および２のいずれの文献においても、光センサついて、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に関わらず、物体の動作を正確に検知するための具体的施策は示されていない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物の動きを正確に検知することができる光センサなどを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光センサは、発光素子から出射された光が検知対象物に照射されることによって生じた反射光、または、検知対象物によって遮断されなかった外部からの光が入射することによって光電流を発生する複数の受光素子を備え、上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比の絶対値と、所定の閾値とを比較すると共に、上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する制御回路と、上記制御回路によって上記比の絶対値が上記所定の閾値以上であると判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定すると共に、上記制御回路によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しない移動方向判定手段とを備えることを特徴とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る他の光センサは、発光素子から出射された光が検知対象物に照射されることによって生じた反射光、または、検知対象物によって遮断されなかった外部からの光が入射することによって光電流を発生する複数の受光素子を備え、上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比の絶対値と、所定の閾値とを比較する比較手段と、上記比較手段によって上記比の絶対値が上記所定の閾値以上であると判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定する移動方向判定手段と、上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する別の比較手段とを備え、上記移動方向判定手段は、上記別の比較手段によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しないことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物の動きを正確に検知することができるという効果を奏する。

本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

本発明の実施形態１（または実施形態３）に係る光センサの主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１（または実施形態３）に係る光センサに係る受発光ユニットの実装構造を示す縦断面図であり、（ａ）は、本発明の実施形態１に係る反射型の受発光ユニットの実装構造を示し、（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る透過型の受発光ユニットの実装構造を示す。 本発明の実施形態１（または実施形態３）に係る光センサの全体構成および該光センサが備える演算回路を示すブロック図であり、（ａ）は、該光センサの全体構成を示し、（ｂ）は、該光センサが備える演算回路の構成を示す。 図３の光センサの検出対象および該光センサが検知する検知対象物の移動方向を説明するための平面図であり、（ａ）および（ｃ）は、図３の光センサにおける発光素子からの出射光が形成する光スポットと検知対象物との位置関係の変化を示し、（ｂ）および（ｄ）は、図３の光センサにおける受光素子に上記光スポットの上記検知対象物からの反射光が入射した状態を示し、（ｅ）は、上記光センサが検知する検知対象物の移動方向の一例（４方向）を示し、（ｆ）は、上記光センサが検知する検知対象物の移動方向の別の例（８方向）を示す。 検知対象物の移動によって受光素子が検出する光電流の時間に対する変化の一例を示し、（ａ）は、各受光素子から出力される光電流の和の時間に対する変化の一例を示し、（ｂ）は、特定の方向に並列する少なくとも２つの受光素子から出力される光電流の差の時間に対する変化の一例を示し、（ｃ）は、上記光電流の和に対する上記光電流の差の比の時間に対する変化の一例を示し、（ｄ）は、上記比の時間に対する変化の一例を示す。 本発明の実施形態（実施形態１〜３）に係る光センサの動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係る光センサの主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態４に係るスマートフォンの外観を示す正面図である。 従来のジェスチャーセンサの構成を示す縦断面図である。

本発明の実施の形態について図１〜図８に基づいて説明すれば以下のとおりである。以下の特定の実施形態で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の実施形態で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。また、各図面に記載した構成の形状、ならびに、長さ、大きさおよび幅などの寸法は、実際の形状や寸法を反映させたものではなく、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更している。

以下に示す各実施形態では、本発明の実施の形態に係る光センサの例として、スマートフォンなどに搭載される近接センサを例にとって説明するが、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、人の手の動きを検知するジェスチャーセンサなどにも本発明を適用することが可能である。
〔実施形態１〕
本発明に係る実施形態１について、図１、図２の（ａ）〜図６を参照して以下に説明する。

＜受発光ユニットの実装構造＞
図２の（ａ）は、後述する本実施形態の光センサ１０１が備える受発光ユニット９０における発光素子ＬＥＤおよび受光素子ＤＰＤ（受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４）の実装構造を示す縦断面図である。なお、本実施形態の受発光ユニット９０は、反射型の光センサであるが、本発明を適用することが可能な形態は、このような反射型の光センサに限定されない。例えば、後述する本発明の実施形態３の受発光ユニット９０Ａのように透過型の光センサも本発明の範疇に含まれる。

図２の（ａ）に示すように、受発光ユニット９０は、発光素子ＬＥＤ、受光素子ＤＰＤ（受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４）、基板９１、封止部材９２、発光レンズ部９２ａおよび受光レンズ部９２ｂを備える。発光素子ＬＥＤ、および、受光素子ＤＰＤを構成する受光素子ＰＤ１〜４、のそれぞれは、基板９１上に適当な間隔をおいて実装されている。発光素子ＬＥＤは、発光ダイオードによって構成されている。また、受光素子ＰＤＰは、複数のフォトダイオードまたはフォトトランジスタと信号処理用回路やＬＥＤドライバ回路とを一体化したＯＰＩＣ（Optical IC）（登録商標）によって構成されている。

封止部材９２は、発光素子ＬＥＤまたは受光素子ＤＰＤを覆うように、基板９１上に形成されている。封止部材９２は、透明な樹脂材料、あるいは、発光素子ＬＥＤの発光波長を透過させて可視光成分をカットする可視光カット樹脂材料によって形成されており、表面に発光レンズ部９２ａおよび受光レンズ部９２ｂを有している。発光レンズ部９２ａは、発光素子ＬＥＤの光出射側に半球状をなすように形成された凸レンズであり、発光素子ＬＥＤから放射される光を所定位置に集束するか、または、平行光に変換するように出射する。受光レンズ部９２ｂは、受光素子ＤＰＤの光入射側に半球状をなすように形成された凸レンズであり、検知対象物１００から反射された反射光を受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に集束する。なお、発光レンズ部９２ａおよび受光レンズ部９２ｂは必ずしも必要ではない。上記特許文献２に示されているように、受光素子上に金属層等で方向性を持たせることで、検知対象物の位置に依ってそれぞれの受光素子の光電流出力量を変化させることが可能である。但し、そのような受光素子上に影を作る構造では発光素子から発射される信号光成分が著しく減少してしまう。

図４の（ｂ）および図４の（ｄ）に示すように、受光素子ＤＰＤは、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４が格子状（マトリクス状）に配列され、後述するようにそれぞれの受光素子は検知対象物１００の位置に応じて光電流が変化する構造を有している。すなわち、本実施形態の受光素子ＤＰＤは、４分割型の受光素子であり、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の４つの受光素子で構成されている。なお、受光素子ＰＤＰの構造は、本実施形態の構造に限定されない。どのような構造においても光センサ１０１と検知対象物１００との配置関係（これらの構成間の距離や人の手の相対的な角度などを含む）に依存することなく正確に検知対象物の動作を判定することができる。また、例えば、検知する移動方向は、一方向に限定されるものの、受光素子ＤＰＤは、少なくとも２つのＰＤがアレイ状に配列した受光素子などであっても良い。

＜光センサの構成＞
図３は、本実施形態に係る光センサ１０１の全体構成を示すブロック図である。同図に示すように、光センサ１０１は、受発光ユニット９０〔受光素子ＤＰＤ（受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４）、発光素子ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などを含む〕、積分回路１ａ〜１ｄ、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄ、演算回路３、レジスタ４、制御回路５、インターフェース６、制御部７、ＬＥＤ駆動回路８および発振器９を含む。

＜回路の構成＞
積分回路１ａ〜１ｄ（積分回路１〜４）は、受光素子ＤＰＤを構成する受光素子ＰＤ１〜４のそれぞれから入力された光電流を積分する回路である。ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄ（ＡＤコンバータ１〜４）は積分回路からの出力信号をＡＤ変換（アナログ・デジタル変換）する機能を備えている。

＜積分回路、ＡＤコンバータ＞
積分回路１ａ〜１ｄおよびＡＤコンバータ２ａ〜２ｄは、それぞれ、受光素子ＰＤ１〜４から入力された光電流信号を正確にＡＤ変換し、受光素子ＤＰＤから出力される信号を電子機器での処理が容易なデジタル値に変換する回路およびＡＤコンバータであれば良く、特に限定されない。例えば、積分回路１ａ〜１ｄの例として、２重積分回路など、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄの例として、ΔΣ変換回路などを挙示することができる。

＜制御回路、発振器＞
制御回路５は、発振器９からの基準クロックに基づいて、光センサ１０１全体の動作を制御する回路である。制御回路５は、例えば、発光素子ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ駆動回路８への制御信号を生成し、この信号に同期するように積分回路１ａ〜１ｄおよびＡＤコンバータ２ａ〜２ｄのそれぞれを制御する信号も生成する。また、後述する演算回路３を時系列で動作させる場合にも使用し、積分回路１ａ〜１ｄでの測定期間が終わったときにレジスタ４にデータ取り込み用の信号を送信する機能も有している。なお、制御回路５の構成および動作の詳細については後述する。

＜レジスタ＞
レジスタ４は、ＡＤ変換された光電流量に応じたデジタル値を保持する機能を有している。レジスタ４は、例えば、順序回路（フリップフロップ）で構成することができるが、特に限定されない。図３の（ａ）に示すように、本実施形態では、レジスタ４は、演算回路３を介してＡＤコンバータ２ａ〜２ｄに接続されている。しかしながら、このような形態に限定される必要はなく、例えば、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄで直接変換された光電流量に応じたデジタル値のみをレジスタ４で保持し、演算は後述するインターフェース６を介して、演算処理等が可能な制御部７（ＣＰＵ）で実施しても良い。

＜演算回路＞
次に、演算回路３は、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄから出力されるデジタル値を演算する機能を備えている。図３の（ｂ）は、演算回路３の構成を示す構成図である。同図に示すように、演算回路３は、加算回路３１ａ〜３１ｅ（加算回路１〜５）、減算回路３２ａ，３２ｂ（減算回路１，２）、および割算回路３３ａ，３３ｂ（割算回路１，２で）を含む。

加算回路３１ａ〜３１ｄは、それぞれ入力ＡおよびＢの和を出力する。加算回路３１ｅは入力Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの和を出力する回路である。

演算回路３の入力をＩＮ１〜ＩＮ４とすると、加算回路３１ａの出力は、出力Ａ＋Ｂ＝ＩＮ１＋ＩＮ２である。また、加算回路３１ｂの出力は、出力Ａ＋Ｂ＝ＩＮ３＋ＩＮ４、加算回路３１ｃの出力は、出力Ａ＋Ｂ＝ＩＮ２＋ＩＮ３、加算回路３１ｄの出力は、出力Ａ＋Ｂ＝ＩＮ１＋ＩＮ４となる。

また、加算回路３１ｅの出力は、出力Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＝ＩＮ１＋ＩＮ２＋ＩＮ３＋ＩＮ４の全合計（和）を出力する。

次に、減算回路３２ａ，３２ｂは、入力Ａと入力Ｂとの差を出力する。例えば、上記の加算回路からの出力を入力として、減算回路３２ａの出力は、出力Ａ−Ｂ＝（ＩＮ１＋ＩＮ２）−（ＩＮ３＋ＩＮ４）となる。一方、減算回路３２ｂの出力は、出力Ａ−Ｂ＝（ＩＮ２＋ＩＮ３）−（ＩＮ１＋ＩＮ４）となる。

次に、割算回路３３ａ，３３ｂは、入力Ａと入力Ｂの除算を出力する。例えば、上記の加算回路および減算回路からの出力結果を用いて、割算回路３３ａの出力は、出力Ａ／Ｂ＝〔（ＩＮ１＋ＩＮ２）−（ＩＮ３＋ＩＮ４）〕／（ＩＮ１＋ＩＮ２＋ＩＮ３＋ＩＮ４）となる。

一方、割算回路３３ｂの出力は、出力Ａ／Ｂ＝〔（ＩＮ２＋ＩＮ３）−（ＩＮ１＋ＩＮ４）〕／（ＩＮ１＋ＩＮ２＋ＩＮ３＋ＩＮ４）となる。

＜インターフェース＞
インターフェース６の構成は特に限定されない。例えば、Ｉ２Ｃで外部からのシリアルクロックＳＣＬと同期してレジスタ４から出力されるデジタル値をシリアルデータＳＤＡとして出力する回路で構成しても良い。

＜ＬＥＤ駆動回路、発光素子ＬＥＤ＞
制御回路５が発振器９からの基準クロックでＬＥＤ駆動信号を生成すると、ＬＥＤ駆動回路から光パルス信号〔例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号など〕が出力される。本実施形態の発光素子ＬＥＤは、光パルス信号に基づいて所定周期で発光して、赤外線の光パルスを出力する。

＜光センサの主要部＞
次に、図１に基づき、光センサ１０１の主要部の構成の詳細について説明する。同図に示すように、光センサ１０１の主要部は、上記のレジスタ４、制御回路５、インターフェース６、および制御部７（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を含む。同図に示すように、制御回路５は、第１コンパレータ（別の比較手段）５１、記憶回路５２、および第２コンパレータ（比較手段）５３を含む。また、制御部７は、判定拒否決定部７１、ＦＬＧ設定部７２、および移動方向判定部（移動方向判定手段）７３を含む。

＜第１コンパレータ５１＞
第１コンパレータ５１は、レジスタ４から入力される入力Ｚ（光電流の和）と、所定の電流値Ｚ_ｔｈとを比較し、その結果（Ｚ比較結果）を、インターフェース６を介して制御部７の判定拒否決定部７１に受け渡す。

＜記憶回路５２＞
記憶回路５２には、制御部７のＦＬＧ設定部７２が設定するフラグであるＳ_ＦＬＧおよびＭＥ_ＦＬＧの値が、インターフェース６を介して記録される。

＜第２コンパレータ５３＞
第２コンパレータ５３は、レジスタ４から入力される出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ，Ｙ（比）と、所定の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈとを比較し、その結果（Ｒ比較結果）を、インターフェース６を介して、制御部７の移動方向判定部７３に受け渡す。なお、比（Ｒａｔｉｏ_Ｘなど）の符号の種類は正・負の２種類が考えられるが、後述する第２コンパレータ５３における比較は、理論上は、正の符号を有する閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを設定すれば良いことになる。より具体的には、以下で説明する比較は、Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号が正であれば、正の符号を有する閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈとそのまま比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号が負であれば、Ｒａｔｉｏ_Ｘの絶対値をとって、正の符号を有する閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈと比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号に関わらず、Ｒａｔｉｏ_Ｘの絶対値が正の符号を有する閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを超えるか否かを判定すれば良い。

＜判定拒否決定部７１＞
判定拒否決定部７１は、Ｚ比較結果に基づき、検知対象物１００の移動方向を判定する処理を行うか否かを決定する。より具体的には、出力Ｚ≧Ｚ_ｔｈならば、上記判定処理を行う。一方、出力Ｚ＜Ｚ_ｔｈならば、上記判定処理を行わない。

後述するように、出力Ｚが大きい程、ばらつき成分の圧縮や外乱の影響の相殺効果が高い。よって、上記構成によれば、例えば、受光素子ＤＰＤ（または受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４）の製造ばらつきや手の角度による受光量の誤差、ならびに、外乱の影響などを縮小して、検知対象物１００の移動方向をより正確に判定することができる。

＜ＦＬＧ設定部７２＞
ＦＬＧ設定部７２は、Ｓ_ＦＬＧおよびＭＥ_ＦＬＧの値を設定する。Ｓ_ＦＬＧの初期値は「０」であるが、Ｓ_ＦＬＧ＝０のときに、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈ、または、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈと判定されると、「１」に設定され、検知対象物１００の移動方向の判定が終了すると初期化される。

ＭＥ_ＦＬＧは、例えば、Ｓ_ＦＬＧ＝１のとき、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈならば、「Ｘ＋」、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈならば、「Ｘ−」に設定される。一方、Ｓ_ＦＬＧ＝１のとき、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈならば、「Ｘ−」、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈならば、「Ｘ＋」に設定される。また、ＭＥ_ＦＬＧは、検知対象物１００の移動方向の判定が終了するとすべて初期化される。

＜移動方向判定部７３＞
移動方向判定部７３は、第２コンパレータ５３が、上記出力Ｒａｔｉｏ_Ｘが出力Ｒａｔｉｏ_Ｘと同一符号の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈよりも大きいと判定した後に、さらに、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘと符号の異なる別の出力Ｒａｔｉｏ_Ｘの絶対値が、上記同一符号の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈと符号の異なる−Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（別の閾値）の絶対値よりも大きいと判定した場合に、検知対象物１００の移動方向を判定する。上記の構成によれば、移動方向判定部７３は、２度の判定結果を用いて検知対象物１００の移動方向を判定するように構成されている。このため、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘと閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈの比較の一方のみにより、検知対象物１００の移動方向を判定する構成よりも、より正確に検知対象物１００の移動方向を判定することができる。
〔光センサの動作〕
＜基本動作＞
制御回路５が、発振器９からの基準クロックを用いてＬＥＤ駆動信号を生成すると、ＬＥＤ駆動回路から光パルス信号（例えば、ＰＷＭ信号）が出力される。発光素子ＬＥＤは、光パルス信号に基づいて所定周期で発光して、赤外線の光パルスを出力する。

検知対象物１００が発光素子ＬＥＤから出射される光の光路に位置していないとき、発光素子ＬＥＤから出射される光はそのまま進行していく。このため、受光素子ＤＰＤは、検知対象物１００からの反射光を受けることがなく、周囲光が入射するのみであるので、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の入射光量は小さい。この場合、検知対象物１００が検知されないことになる。

一方、検知対象物１００が、受発光ユニット９０に近づいて、発光素子ＬＥＤから出射される光の光路の位置に達すると、発光素子ＬＥＤから出射される光は検知対象物１００によって反射される。検知対象物１００が受発光ユニット９０に近づくほど、検知対象物１００からの反射光の光量が増大していく。

検知対象物１００は、上記の光路を完全に遮断し、発光素子ＬＥＤからの光を全て反射する位置に達すると、受発光ユニット９０に最も近づくので、この状態では反射光量が最大となる。受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４は、検知対象物１００からの反射光を受けることにより、入射光量が増大して、入射光量に比例した光電流を発生する。

光センサ１０１において、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４が発生した光電流は積分回路１ａ〜１ｄによって積分される。積分回路１ａ〜１ｄからの積分値は、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄによってそれぞれ、デジタル積分値に変換される。そして、演算回路３によって、ＡＤコンバータ２ａ〜２ｄからのデジタル積分値に基づいて、検知対象物１００の近接を検知する検知信号が出力される。さらに、検知信号は、インターフェース６から制御部７へ出力される。

光センサ１０１は、近接センサとして用いられる場合、検知対象物１００が近づくと、検知信号を出力する。一方、光センサ１０１は、ジェスチャーセンサとして用いられる場合、検知対象物１００の移動を検知する。

＜受光素子による光検出＞
次に、図４の（ａ）および図４の（ｃ）は、発光素子ＬＥＤからの出射光（照射光）が形成する光スポットＳと検知対象物１００との位置関係の変化を示す平面図である。図４の（ｂ）および図４の（ｄ）は、受発光ユニットにおける受光素子ＤＰＤに上記の光スポットＳの検知対象物１００からの反射光が入射した状態を示す平面図である。

上記のように、受光素子ＤＰＤは、４分割型の受光素子であり、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の４つの受光素子で構成されている〔図４の（ｂ）および図４の（ｄ）参照〕。このように、４分割型の受光素子ＤＰＤを用いることにより、図４の（ａ）〜図４の（ｄ）に示すように、検知対象物１００の位置によって、検知対象物１００からの反射光（光スポットＳ）が受光素子ＤＰＤに投影される像の形が変化する。したがって、受光素子ＤＰＤを構成する各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４への入射光の光量を測定することにより、検知対象物１００が受発光ユニット９０に対して、どの位置に存在するかを検知することができる。なお、本実施形態では、受光素子ＤＰＤとして受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の合計４つのＰＤを備えた分割型のＤＰＤを採用しているが、受光素子ＤＰＤを構成するＰＤの数は、４つに限定されない。例えば、本発明の原理上、受光素子ＤＰＤは、少なくとも２つ以上のＰＤを含んでいれば良い。

ここで、図４の（ａ）に示すように、検知対象物１００が発光素子ＬＥＤの出射光が形成する光スポットＳに対して右方向から左方向に移動する場合について説明する。まず、検知対象物１００からの光スポットＳの反射光は、受発光ユニット９０の受光レンズ部９２ｂ（凸レンズ）によって倒立像として受光素子ＤＰＤに投影される。

図４の（ａ）の左端およびその右側に示すように、検知対象物１００が右方向から近づいている状態では、反射光が受光素子ＰＤ２，ＰＤ３に投影される。このとき、受光素子ＰＤ２，ＰＤ３は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。また、図４の（ａ）の真ん中に示すように、検知対象物１００が光スポットＳを完全に反射する位置に達した状態では、反射光が受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のすべてに投影される。このとき、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。図４の（ａ）の右端およびその左側に示すように、検知対象物１００が左方向へ遠ざかる状態では、反射光が受光素子ＰＤ１，ＰＤ４に投影される。このとき、受光素子ＰＤ１，ＰＤ４は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。

次に、図４の（ｃ）に示すように、検知対象物１００が発光素子ＬＥＤの出射光が形成する光スポットＳに対して右斜め上から左斜め下に移動する場合について説明する。まず、検知対象物１００からの光スポットＳの反射光は、受発光ユニット９０の受光レンズ部９２ｂによって倒立像として受光素子ＤＰＤに投影される。

図４の（ｃ）の左端およびその右側に示すように、検知対象物１００が右斜め上から近づいている状態では、反射光が主として受光素子ＰＤ３に投影される。このとき、受光素子ＰＤ３は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。また、図４の（ｃ）の真ん中に示すように、検知対象物１００が光スポットＳを完全に反射する位置に達した状態では、反射光が受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のすべてに投影される。このとき、受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。図４の（ｃ）の右端およびその左側に示すように、検知対象物１００が左斜め下へ遠ざかる状態では、反射光が受光素子ＰＤ１に投影される。このとき、受光素子ＰＤ１は、入射光の強度に比例した光電流を発生する。

以上のように、光スポットＳに対する検知対象物１００の位置に応じて、受光素子ＤＰＤに投影される反射光の像の形状が変化すると、それに応じて、受光素子ＤＰＤの各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のそれぞれの光電流も変化する。したがって、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の光電流に基づいて、受発光ユニット９０と検知対象物１００との相対的な位置関係が判る。また、検知対象物１００の位置の時間変化を算出することにより、検知対象物１００の移動速度および移動方向も検出することができる。但し、正確に検知対象物１００の位置を検知するには、照明光や太陽光等の外乱光の影響を受けることなく、動作させる必要がある。なお、図４の（ｂ）において、受光素子ＤＰＤに投影される像の黒い部分および斜線で示す部分は、それぞれ光強度の高い部分および光強度の低い部分を示す。

＜光センサが検知する検知対象物の移動方向＞
次に、光センサ１０１が検知する検知対象物の移動方向は、図４の（ｅ）に示す方向Ｘ，Ｙのように２方向〔図４の（ａ）および図４の（ｂ）の検出パターンに対応〕であっても良く、図４の（ｆ）に示すように、方向Ｄ１〜Ｄ８の８方向〔図４の（ａ）〜図４の（ｄ）の検出パターンに対応〕であっても良い。

なお、図４の（ｃ）および図４の（ｄ）に示すように、方向ｄ２からｄ６への移動を検知する場合、比＝（光電流の差）／（光電流の和）＝（Ｉ１−Ｉ３）／（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）を算出しても良いし、比＝（Ｉ１−Ｉ３）／（Ｉ１＋Ｉ３）を算出しても良い。後者の場合、最大値が１、最小値が−１となり移動方向判定のための閾値をＸ方向、Ｙ方向と共用することが可能となる。これにより、閾値を別々の異なる値に設定する必要がなくなるため、処理に必要なパラメータの数を減らすことができる。また、光センサ１０１で判定する場合は閾値を設定するハードウェアの規模を縮小することができる。

＜検知対象物の近距離、遠距離での受光信号＞
反射型の光センサの場合、検知対象物１００が近くか遠くかで、受光信号量（受光量）が変化する。図５の（ａ）〜図５の（ｃ）は検知対象物１００が受発光ユニット９０を一定速度で横切った時の、受光信号量の変化を表している。

図５の（ａ）は、受光素子ＰＤ１〜４の出力光電流に応じた光電流量Ｉ１〜Ｉ４の合計Ｚ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４を、受発光ユニット９０を用いて、十分な速度で光電流量を測定した場合のグラフである。図５の（ａ）の横軸は検知対象物１００が動いている場合は時間軸である。つまり、受発光ユニット９０と検知対象物１００の相対的な位置関係の変化による受光信号量の変化を表している。また、図５の（ａ）の実線は検知対象物１００が受発光ユニット９０の近くを横切った状態を示している。一方、破線は検知対象物１００が受発光ユニット９０の遠くを横切った状態を示している。反射型センサの場合、検知対象物１００が近距離にある場合、受光信号量が大きくなり、検知対象物１００が遠くなると受光信号量が小さくなる。

次に、図５の（ｂ）は、図４の（ａ）のように検知対象物１００が横切ったとき、受光素子ＰＤ１〜４を検知対象物１００の位置に依って変化量が変わるように演算した結果である。例えば、図４の（ａ）および図４の（ｂ）で示したようにＰＤ１およびＰＤ４側から検知対象物が近づき、ＰＤ２およびＰＤ３方向に抜けていく場合、検知対象物１００の移動方向を判定するためには、差Ｘ＝（Ｉ２＋Ｉ３）−（Ｉ１＋Ｉ４）の演算を実行すれば良い。

図５の（ｂ）から、検知対象物１００が近距離を横切るか遠距離を横切るかによって、差Ｘの振幅が変化していることが分かる。これは、遠距離と近距離で移動方向の判定に差が出てしまうことにつながる。例えば、差Ｘに対してある閾値を設定し、その閾値を超えたら検出対象物１００の移動方向を判定するとした場合、遠距離の小さい振幅でも判定できるように閾値を下げる必要がある。一般的に光センサは外乱光の影響を受けて反応してしまう。また、受光素子やセンサ回路の雑音によってＳ／Ｎ比が悪化する場合がある。閾値を下げるとそのような外乱光や雑音の影響で検知対象物１００の移動方向を誤判定または判定できないといった事象が発生し得る。

このような問題を解決するために、光センサ１０１では、例えば、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＝〔（Ｉ２＋Ｉ３）−（Ｉ１＋Ｉ４）〕／（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）を算出しているが、図５の（ｃ）は、Ｒａｔｉｏ_Ｘの値を縦軸に、時間軸を横軸として、Ｒａｔｉｏ_Ｘの変化をグラフにしたものである。同図に示すグラフの波形は、検知対象物１００の距離に依存せず、ほとんど変化しない。振幅の最大値は１で最小値は−１となる。これにより、Ｒａｔｉｏ_Ｘに対して所定の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを設定したとき、検知距離に依存することなく検知対象物１００の移動方向を正確に判定することが可能となる。例えば、光センサはＩＣチップで作られ、製造ばらつきを持つ。製造ばらつきによって受光感度が増減したとしても、移動方向を判定するための値は比で判定されるため、ばらつき成分が圧縮されことになる。Ｒａｔｉｏ_Ｘは上述した演算回路３の出力ＯＵＴ２に対応し、Ｒａｔｉｏ_ＹがＯＵＴ１に対応する。なお、Ｚは、演算回路３の出力ＯＵＴ３に対応する。

また、光センサの上を手で横切る時、人の手は光センサの上を必ずしも水平に移動しない。例えば、光センサと手の距離が一定に保たれていない状態、つまり、手が光センサと垂直方向に斜めに横切った場合でも、Ｒａｔｉｏ＿ＸまたはＲａｔｉｏ＿Ｙ値は検知対象物の距離に依らず出力されるため、手の移動方向を正確に判定することができる。

次に、図５の（ｄ）は、検知対象物１００の移動速度が、図５の（ｃ）と比較して速い場合を示している。これらの図に示すように、時間間隔ｔ１’−ｔ２’は、時間間隔ｔ１−ｔ２と比較して短くなっている。時間間隔ｔ１−ｔ２および時間間隔ｔ１’−ｔ２’のそれぞれは、閾値Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号が反転する時間間隔を示している。このように閾値Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号が反転する時間間隔を測定することで、その速度（すなわち、検知対象物１００の移動速度）を特定することも可能である。より具体的には、並列する２つのＰＤ間の距離を、上記時間間隔で除算すれば、検知対象物１００の移動速度を特定できる。

＜検知対象物の移動方向の判定方法＞
次に、検知対象物１００の移動方向の判定方法の概念を説明する。なお、以下の説明では、検知対象物１００の移動方向の判定を実施するのはインターフェース６を介して接続された制御部７が実行するものとして説明する。

最初に光センサ１０１を起動する。光センサ１０１がデジタル回路を内蔵するとき、制御部７からの初期設定もこのときに実行される。

次に、実際の受光信号の測定が十分に実施される期間待機する。この測定期間が短ければ短いほど、検知対象物１００の移動速度が速くても十分なデータサンプリングが可能になる。しかしながら、測定期間が長くなると検知対象物１００の移動に対応できない。例えば、図５の（ｃ）のグラフに示すような、検知対象物１００の位置に応じたピーク値を検出できない可能性がある。なお、実際に想定される人の手の移動速度は１ｍ／ｓ程度なので、受光素子の検知角度、発光素子の発光角度にも依存するものの、最低でも１０ｍｓｅｃ以内で測定が完了することが望ましい。この測定期間は検出対象物１００の移動方向を判定する制御部７側から見た場合、サンプリングレートになり、光センサ１０１がデータを更新するまで待機する期間と言える。

その後、制御部７は受光信号に応じたデータを取得し、演算処理を実行する。上述したように光センサ１０１が演算処理を実施し、その結果をインターフェースから制御部７が読み出す。上記の演算処理の結果、それぞれの受光信号の生データを用いて、制御部７は、検知対象物１００の移動方向を判定する。基本的には判定が為されるかどうかに関わらず、測定、データ取得そして演算処理は繰り返し実行されるものとする。

次に、図１および図６に基づき、光センサ１０１による検知対象物１００の移動方向の判定手順について説明する。

なお、以下で説明する判定方法は、図１に示す制御部７（コンピュータ）を光センサ１０１の各手段として動作させるための制御プログラムでの実施を想定しているが、これはデジタル回路を有する光センサでも容易に実現できる。

まず、記号について説明する。Ｚは上述した、受光信号すべての合算値であり、Ｚ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４で表される。また、Ｚ_ｔｈはＺに対する閾値（電流値）であり、光センサ１０１のＳ／Ｎ比などを考慮して決定する。Ｒａｔｉｏ_Ｘは、上述した光電流の和に対する光電流の差の比である。Ｒａｔｉｏ_ｔｈは、図４の（ｅ）の２方向の判定を想定し、Ｒａｔｉｏ_Ｘおよび／またはＲａｔｉｏ_Ｙの閾値を設定する。上記のように図１に示す記憶回路５２は、Ｓ_ＦＬＧおよびＭＥ_ＦＬＧの状態を記憶するための記憶回路である。Ｓ_ＦＬＧ＝１であれば一回目の判定で、Ｒａｔｉｏ_Ｘの絶対値が、閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（の絶対値）を超えた状態を示しており、初期値はＳ_ＦＬＧ＝０となる。プログラム上では２値状態を表現できる変数である。ＭＥ_ＦＬＧは最初に正の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを超えたとき、ＭＥ_ＦＬＧ＝Ｘ＋とし、最初に負の閾値−Ｒａｔｉｏ_ｔｈを下回ったとき、ＭＥ_ＦＬＧ＝Ｘ−を設定する。Ｘ＋、Ｘ−はプログラム上１または２と値を設定しても良い。初期状態を表すためＭＥ_ＦＬＧの初期値は０という状態も存在する。

図１に示す制御部７が光センサ１０１を起動すると判定処理が開始される（図６のＳ１）。判定拒否決定部７１は、第１コンパレータ５１からインターフェース６を介してＺ比較結果を受け取り、検知対象物１００の移動方向の判定を行うか否かを決定する（Ｓ２）。

次に、移動方向判定部７３は、記憶回路５２からＳ_ＦＬＧを読出し、Ｓ_ＦＬＧ＝１であれば既に一回目の判定で閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを超えた状態からの遷移であるので、Ｓ４に進む。一方、Ｓ_ＦＬＧ＝０であれば、Ｓ９に進む。

次に、Ｓ９では、移動方向判定部７３は、Ｒａｔｉｏ_Ｘが正のとき、Ｒａｔｉｏ_Ｘを、Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（正の値）と比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ１０に進む。なお、この時点で検知対象物１００がどちら側から来たかを判定しても良い。一方、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＜Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ１２に進む。

Ｓ１０では、ＦＬＧ設定部７２が、ＭＥ_ＦＬＧ＝Ｘ＋と設定し、記憶回路５２に記録してＳ１１に進む。Ｓ１１では、ＦＬＧ設定部７２がＳ_ＦＬＧ＝１と設定し、記憶回路５２に記録して、Ｓ８に進む。

Ｓ１２では、移動方向判定部７３は、Ｒａｔｉｏ_Ｘが負のとき、Ｒａｔｉｏ_Ｘを、−Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（負の値）と比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ１３に進む。なお、この時点で検知対象物１００がどちら側から来たかを判定しても良い。一方、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＜Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ８に進む。

Ｓ１３では、ＦＬＧ設定部７２が、Ｓ_ＦＬＧ＝１と設定し、記憶回路５２に記録してＳ８に進む。

次に、図５の（ｃ）の横軸を時間軸とみて、本実施形態の検知対象物１００の移動方向を判定する方法を説明する。検知対象物１００が図４の（ａ）の受光素子ＰＤ１およびＰＤ４の方向から近づいてくる。受光素子ＤＰＤの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の全受光素子の合算値Ｚは、閾値Ｚ_ｔｈを超えるまで、図６のＳ２に示すＺ≧Ｚ_ｔｈを満たさないため、演算結果等は判定しない。ここでは、受光電流はデジタル変換された値を出力しているものとする。この場合、例えばＩ１に対応する値のみがＩ１＝１カウントを出力し、それ以外のＩ２＝Ｉ３＝Ｉ４＝０となった場合、Ｒａｔｉｏ_Ｘを計算すると、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＝−１となってしまう、光センサ回路または受光素子のそれぞれのばらつきに依存して、一つの受光信号のみ感度が高いということも想定される。検出対象物１００が、人の手の場合、横方向（Ｘ方向）に手を動かしているつもりでも、手の傾きに依って一部の受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４に反射信号が入りやすくなる可能性もある。そのようなばらつきや誤差要因を省くために、閾値Ｚ_ｔｈを設けることが効果的となる。

次に、Ｓ１（２回目の判定開始）からＳ３まで進み、移動方向判定部７３は、記憶回路５２から読み出したＳ_ＦＬＧの値を確認し、上記１回目の判定から遷移した２回目の判
定では、Ｓ_ＦＬＧ＝１と確認されるため、Ｓ４に進む。

Ｓ４では、移動方向判定部７３は、Ｒａｔｉｏ_Ｘが正のとき、Ｒａｔｉｏ_Ｘを、Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（正の値）と比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ５に進む。一方、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＜Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ１４に進む。

Ｓ５では、移動方向判定部７３は、記憶回路５２から読み出したＭＥ_ＦＬＧの値を確認し、ＭＥ_ＦＬＧにＸ−が設定されている場合、Ｓ６に進み、移動方向判定部７３は、検知対象物が左から右方向に移動したことを判定する。その後、Ｓ７に進み、ＦＬＧ設定部７２が、すべてのＦＬＧを初期化して、Ｓ８に進む。

Ｓ１４では、移動方向判定部７３は、Ｒａｔｉｏ_Ｘが負のとき、Ｒａｔｉｏ_Ｘを、−Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（負の値）と比較し、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ１５に進む。一方、Ｒａｔｉｏ_Ｘ＜Ｒａｔｉｏ_ｔｈならＳ８に進む。

Ｓ１５では、移動方向判定部７３は、記憶回路５２から読み出したＭＥ_ＦＬＧの値を確認し、ＭＥ_ＦＬＧにＸ＋が設定されている場合、Ｓ１６に進み、移動方向判定部７３は、検知対象物が右から左方向に移動したことを判定する。その後、Ｓ７に進み、ＦＬＧ設定部７２が、すべてのＦＬＧを初期化して、Ｓ８に進む。

以上のように、検出対象物１００の移動方向をより正確に判定するためには、次に正負が反転したＲａｔｉｏ_Ｘの結果を得られたかどうかで判定する方が望ましい（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ１４、Ｓ１５）。例えば、図５の（ｃ）の時間軸ではまずＭＥ_ＦＬＧにＸ＋が設定されることになる（Ｓ１０）。そして、Ｓ_ＦＬＧ＝１を設定し（Ｓ１１）、次の受光信号データを取得、演算を繰り返す。一回目の処理でＭＥ_ＦＬＧ＝Ｘ＋が設定された場合（Ｓ１０）、次に期待される値は、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈとなる（Ｓ１４）。その条件を満たさなかった場合は再測定を実施する（Ｓ８）。その条件が満たされた場合、初めて検知対象物１００が右から左方向に移動したことを判定する（Ｓ１６）。また、逆方向も同様に、一回目の処理でＭＥ_ＦＬＧ＝Ｘ−が設定された場合（Ｓ１３）、次に期待される値は、Ｒａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈとなる（Ｓ４）。条件が満たされた場合、初めて検知対象物が左から右方向に移動したことを判定できる（Ｓ６）。Ｒａｔｉｏ_Ｙについても同様に判定し、Ｙ方向を同時に判定することが可能である。判定後はＦＬＧをすべてクリアし次の移動方向の判定に備える（Ｓ７）。

なお、上記のＳ４、Ｓ１４、Ｓ９、Ｓ１２では、出力Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号に関わらず、｜出力Ｒａｔｉｏ_Ｘ｜≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈ（正の符号を有する）の条件を満たすならば、すべて「ＹＥＳ」（それぞれ、Ｓ５、Ｓ１５、Ｓ１０、Ｓ１３）に進むと考えても良い。

＜光センサの作用効果＞
上記の構成によれば、移動方向判定部７３は、検知対象物１００の移動方向の判定に上記光電流の和に対する差の比Ｒａｔｉｏ_Ｘを用い、この比に対して所定の閾値Ｒａｔｉｏ_ｔｈを設定し、これらの値を比較するように構成されている。

ここで、上記光電流の和の時間に対する変化は、受光素子ＤＰＤと検知対象物１００の相対的な配置関係の変化（距離、人の手の角度の変化による受光量の誤差など）による受光量の変化と相関をもつ〔図５の（ａ）参照〕。また、上記光電流の差は、検知対象物１００が近距離を横切るか遠距離を横切るかによって振幅が変化する〔図５の（ｂ）参照〕。

よって、上記光電流の差を上記光電流の和で除算すれば、検出される光電流の振幅から、受光素子ＤＰＤと検知対象物１００の相対的な配置関係（距離、手の角度など）の変化による受光量の変化による影響を除去することができる。

また、受光素子ＤＰＤを構成する受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の製造ばらつきによって受光感度が増減したとしても、検知対象物１００の移動方向は上記のＲａｔｉｏ_Ｘで判定されるため、ばらつき成分が圧縮されことになる。さらに、上記光電流の和および差は、雑音などの外乱によってＳ／Ｎ比が悪化する場合があるが、検知対象物１００の移動方向は上記のＲａｔｉｏ_Ｘで判定されるため、これらの外乱の影響も相殺されることになる。以上より、受光素子ＤＰＤと検知対象物１００との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物１００動きを正確に検知することができる。
〔実施形態２〕
本発明に係る実施形態２について、図７を参照して以下に説明する。本実施形態の光センサは、上記の実施形態１の光センサ１０１と比較して、制御部７に替えて、制御部７ａおよびタイマー７５を備えている点のみが異なっている。このため、制御部７ａ以外の構成は、実施形態１で説明したとおりなので、ここでは、説明を省略する。また、制御部７ａは、上記の制御部７と比較して、移動速度判定部（移動速度特定手段）７４を備えている点で異なる。このため、制御部７ａの移動速度判定部７４以外の構成については、実施形態１で説明したとおりなので、ここでは、説明を省略する。

＜移動速度の判定＞
移動速度判定部７４は、例えば、Ｒａｔｉｏ_Ｘの符号が反転する期間の長さ（図５の（ｃ）の時間間隔ｔ１−ｔ２、または、図５の（ｄ）の時間間隔ｔ１’−ｔ２’参照）から検知対象物１００の移動速度を特定しても良い。

例えば、最初にＲａｔｉｏ_Ｘ≧Ｒａｔｉｏ_ｔｈまたはＲａｔｉｏ_Ｘ≦−Ｒａｔｉｏ_ｔｈを判定したとき（Ｓ１０、Ｓ１３）、移動速度判定部７４は、タイマー７５を起動する。その後、右方向または左方向を判定するにいたった時間（Ｓ６、Ｓ１６）を計測することで、移動速度の判定が可能になる。制御部７ａからインターフェース６を介して受発光ユニット９０のデータを取得している場合、あるサンプリングレートを持っていることになる。最初に閾値を超えてから、何回目のサンプリングにて移動方向が判定できたかで移動速度を判定することと等価である。
〔実施形態３〕
本発明に係る実施形態３について、図２の（ｂ）を参照して以下に説明する。同図は、本発明を、透過型の受発光ユニットに適用した形態（受発光ユニット９０Ａ）を示している。本実施形態のように、上記の実施形態１または２の光センサが備える反射型の受発光ユニットを透過型の受発光ユニットとしても良い。

ここで、本実施形態の透過型の受発光ユニット９０Ａでは、上記光電流の和の時間に対する変化は、受光素子ＤＰＤと検知対象物１００（人の手など）との相対的な配置関係の変化のうち、例えば、人の手の角度の変化などによる受光量の変化と相関をもつ。

よって、上記光電流の差を上記光電流の和で除算すれば、検出される光電流の振幅から、受光素子ＤＰＤと検知対象物１００との相対的な配置関係の変化による受光量の変化による影響を除去することができる。

また、受光素子ＤＰＤを構成する受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４の製造ばらつきによって受光感度が増減したとしても、検知対象物１００の移動方向は上記のＲａｔｉｏ_Ｘで判定されるため、ばらつき成分が圧縮されことになる。さらに、上記光電流の和および差は、雑音などの外乱によってＳ／Ｎ比が悪化する場合があるが、検知対象物１００の移動方向は上記のＲａｔｉｏ_Ｘで判定されるため、これらの外乱の影響も相殺されることになる。

以上より、人の手の角度の変化などの受光素子ＤＰＤと検知対象物１００の相対的な配置関係の変化によらず、検知対象物１００の動きを正確に検知することができる。加えて、本実施形態の受発光ユニット９０Ａによれば、透過型の光センサであるというメリット、すなわち、検出距離が長い、検出精度が高い、検知対象物１００が不透明体であれば、形状・色・材質に関係なく検出できる。レンズの汚れ、ゴミに強いなどのメリットが得られる。
〔実施形態４〕
本発明に係る実施形態４について、図８を参照して以下に説明する。なお、本実施形態のスマートフォン（電子機器）２０１は、上記の実施形態１〜３のいずれの受発光ユニットを搭載しても良い。図８は、本発明の実施形態４に係るスマートフォン２０１の構成を示す平面図である。

図８に示すように、電子機器としてのスマートフォン２０１は、筐体２０２に液晶パネル２０３およびタッチパネル２０４が組み込まれることによって構成されている。このスマートフォン２０１において、液晶パネル２０３は、筐体２０２の操作面側に設けられている。また、タッチパネル２０４は、液晶パネル２０３の上に設けられている。

筐体２０２における操作面の上部には、音声出力部２０５と受発光ユニット９０または受発光ユニット９０Ａとが配置されている。音声出力部２０５は、スマートフォン２０１を電話として使用する場合の音声や、アプリケーションプログラムの動作に応じた各種の音を出力するために設けられている。

受発光ユニット９０，９０Ａは、検知対象物１００（例えばユーザの顔）の近接を検知したり、ジェスチャー動作を検知したりするために設けられている受発光部である。

本実施形態のスマートフォン２０１によれば、検知対象物１００からの距離に依存することなく検知対象物１００の動きを正確に検知することができる受発光ユニット９０，９０Ａを備えた電子機器を実現できる。

〔ソフトウェアによる実現例〕
光センサ１０１の制御ブロック（特に制御回路５、制御部７，７ａの各制御ブロック）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、光センサ１０１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る光センサ（１０１）は、発光素子（ＬＥＤ）から出射された光が検知対象物（１００）に照射されることによって生じた反射光、または、検知対象物によって遮断されなかった外部からの光が入射することによって光電流を発生する複数の受光素子（ＰＤ１〜ＰＤ４）と、を備え、上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比（Ｒａｔｉｏ_Ｘなど）の絶対値と、所定の閾値（Ｒａｔｉｏ_ｔｈなど）とを比較する比較手段（第２コンパレータ５３）と、上記比較手段によって上記比の絶対値が上記所定の閾値よりも大きいと判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定する移動方向特定手段（移動方向判定部７４）とを備える。

上記構成によれば、移動方向判定手段は、検知対象物の移動方向の判定に上記光電流の和に対する差の比を用い、この比に対して所定の閾値を設定し、これらの値を比較するように構成されている。

ここで、上記光電流の和の時間に対する変化は、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化（距離、人の手の角度の変化による受光量の誤差など）による受光量の変化と相関をもつ〔図５の（ａ）参照〕。また、上記光電流の差は、検知対象物が近距離を横切るか遠距離を横切るかによって振幅が変化する〔図５の（ｂ）参照〕。

よって、上記光電流の差を上記光電流の和で除算すれば、検出される光電流の振幅から、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化による受光量の変化による影響を除去することができる。

また、受光素子の製造ばらつきによって受光感度が増減したとしても、検知対象物の移動方向は上記の比で判定されるため、ばらつき成分が圧縮されことになる。さらに、上記光電流の和および差は、雑音などの外乱によってＳ／Ｎ比が悪化する場合があるが、検知対象物の移動方向は上記の比で判定されるため、これらの外乱の影響も相殺されることになる。

以上より、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物の動きを正確に検知することができる。

また、本発明の態様２に係る光センサは、上記態様１において、上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する別の比較手段を備え、上記移動方向判定手段は、上記別の比較手段によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しないように構成しても良い。

上記のように、検知対象物の移動方向は上記の比で判定されるため、ばらつき成分が圧縮され、外乱の影響も相殺されるが、光電流の和が大きい程、ばらつき成分の圧縮や外乱の影響の相殺効果が高い。よって、上記構成によれば、例えば、受光素子の製造ばらつきや手の角度による受光量の誤差、ならびに、外乱の影響などを縮小して、検知対象物の移動方向をより正確に判定することができる。

また、本発明の態様３に係る光センサは、上記態様１または２において、上記比の符号の種類に正および負の２種類が存在し、上記移動方向判定手段は、上記比較手段が、上記比の絶対値が正の符号を有する閾値よりも大きいと判定した後に、さらに、上記比と符号の異なる別の比の絶対値が、上記正の符号を有する閾値よりも大きいと判定した場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しても良い。

上記の構成によれば、移動方向判定手段は、比の符号が反転するまでの少なくとも２度の比の絶対値と正の符号を有する閾値との比較結果を用いて検知対象物の移動方向を判定するように構成されている。このため、上記の比較の一方のみにより、検知対象物の移動方向を判定する構成よりも、より正確に検知対象物の移動方向を判定することができる。

また、本発明の態様４に係る光センサは、上記態様３において、上記比の符号が反転する期間の長さから上記検知対象物の移動速度を特定する移動速度特定手段を備えていても良い。

上記の構成によれば、簡単な構成で検知対象物の移動速度を正確に特定することができる。

また、本発明の態様５に係る光センサは、上記態様１〜４のいずれかの光センサを備えていても良い。

上記構成によれば、光センサと検知対象物との相対的な配置関係の変化に依存することなく検知対象物の動きを正確に検知することができる電子機器を実現できる。

本発明の上記の各態様に係る光センサは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記光センサが備える各手段として動作させることにより上記光センサをコンピュータにて実現させる光センサの制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

〔付記事項〕
本発明は上述した各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り、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、反射型または透過型の光センサを用いた近接センサや、物体の動きを検知する目的で使用されるジェスチャーセンサに好適に利用することができる。

５１ 第１コンパレータ（別の比較手段）
５３ 第２コンパレータ（比較手段）
７３ 移動方向判定部（移動方向判定手段）
７４ 移動速度判定部（移動速度特定手段）
１００ 検知対象物
１０１ 光センサ
２０１ スマートフォン（電子機器）
ＰＤ１〜ＰＤ４ 受光素子
ＤＰＤ 受光素子
ＬＥＤ 発光素子

Claims (6)

1. 発光素子から出射された光が検知対象物に照射されることによって生じた反射光、または、検知対象物によって遮断されなかった外部からの光が入射することによって光電流を発生する複数の受光素子を備え、
   上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比の絶対値と、所定の閾値とを比較すると共に、上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する制御回路と、
   上記制御回路によって上記比の絶対値が上記所定の閾値以上であると判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定すると共に、上記制御回路によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しない移動方向判定手段とを備えることを特徴とする光センサ。
2. 上記制御回路は、
   上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比の絶対値と、所定の閾値とを比較する比較手段と、
   上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する別の比較手段とを備え、
   上記移動方向判定手段は、
   上記比較手段によって上記比の絶対値が上記所定の閾値以上であると判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定すると共に、
   上記別の比較手段によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しないことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 発光素子から出射された光が検知対象物に照射されることによって生じた反射光、または、検知対象物によって遮断されなかった外部からの光が入射することによって光電流を発生する複数の受光素子を備え、
   上記複数の受光素子のうち、特定の方向に沿って並列する少なくとも２つの受光素子の光電流の和に対する、当該少なくとも２つの受光素子の光電流の差の比の絶対値と、所定の閾値とを比較する比較手段と、
   上記比較手段によって上記比の絶対値が上記所定の閾値以上であると判定された場合に、上記特定の方向を上記検知対象物の移動方向と判定する移動方向判定手段と、
   上記光電流の和と、所定の電流値とを比較する別の比較手段とを備え、
   上記移動方向判定手段は、
   上記別の比較手段によって上記光電流の和が上記所定の電流値よりも小さいと判定された場合に、上記検知対象物の移動方向を判定しないことを特徴とする光センサ。
4. 上記比の符号の種類に正および負の２種類が存在し、
   上記移動方向判定手段は、
   上記比較手段が、上記比の符号が正である場合に、上記比の値が正の符号を有する閾値以上であると判定するか、または、上記比の符号が負である場合に、上記比の値が負の符号を有する閾値以下であると判定した場合に、上記検知対象物の移動方向を判定することを特徴とする請求項２又は３に記載の光センサ。
5. 上記比の符号が反転する期間の長さから上記検知対象物の移動速度を特定する移動速度特定手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の光センサ。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の光センサを備えていることを特徴とする電子機器。

Images