JP6231216B2 - センサ、センサ装置、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、近接センサや近接照度センサなどを含むセンサと、上記センサおよび赤外光を含む光を出射する発光素子を備えたセンサ装置と、近接センサや近接照度センサなどを含む電子機器とに関するものである。

携帯電話やスマートフォンやデジタルカメラなどの携帯機器に備えられた表示部においては、外光（外乱光）の照度に応じてその発光量を調整するため、照度センサが搭載されることが望まれている。

また、これらの携帯機器においては、より低消費電力を実現するため、ユーザの顔が近づいた時に、表示部をオフさせることができるように、近接センサが搭載されることも望まれている。

さらに、これらの携帯機器の小型化への要望から、照度センサと近接センサとが一体化された近接・照度センサが提案されている。

これらの携帯機器に搭載されたセンサを用いて、これらの携帯機器の新たな機能（アプリケーション）として、ユーザの脈拍などの検出を行い、簡単に健康状態を確認できることへの要望が強い。

従来から、特許文献１に記載されているように、人の指先で反射される反射光は血流に応じて変化するため、発光ダイオードで出射された光をフォトダイオードで受光し、その反射光の変化を検出することで、脈伯を検出する方法が用いられていた。なお、この脈拍の検出には、信号の周期を正確に検出することが必要とされる。また、特許文献２には、積分型のアナログデジタル変換回路を用いて、脈拍を検出することについて開示されている。

日本国公開特許公報「特開平７−２９４５６４号公報（１９９５年１１月１０日公開）」 日本国公表特許公報「特表２００７−５２３７２７号公報（２００７年８月２３日公表）」 日本国公開特許公報「特開２００８−０３４５２２号公報（２００８年２月１４日公開）」 日本国公開特許公報「特開平１０−２０１７４３号公報（１９９８年８月４日公開）」

図１５は、携帯電話やスマートフォンなどの携帯機器に搭載されている従来の近接照度センサの一例を示す。

図示されているように、近接照度センサ１０１は、受光素子として、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオード１０２と可視光〜赤外光領域に分光特性を有する可視光〜赤外光対応フォトダイオード１０３とを備えているとともに、各フォトダイオード１０２・１０３からのアナログ値である入力電流をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換回路１０４・１０５を備えている。

なお、近接照度センサ１０１における近接センサとしての機能は、後述する近接センサ１０７と同じであるため説明を省略し、ここでは照度センサとしての機能についてのみ説明する。

赤外光対応フォトダイオード１０２において単位時間当たりの受光量に応じて生じる電流を入力電流１（Iin1）とし、可視光〜赤外光対応フォトダイオード１０３において単位時間当たりの受光量に応じて生じる電流を入力電流２（Iin2）とする。

入力電流１（Iin1）をアナログデジタル変換回路１０４でアナログ−デジタル変換した結果として、アナログデジタル変換回路１０４から出力されるデジタル値がＡＤＣＯＵＴ１であり、入力電流２（Iin2）をアナログデジタル変換回路１０５でアナログ−デジタル変換した結果として、アナログデジタル変換回路１０５から出力されるデジタル値がＡＤＣＯＵＴ２である。

そして、上記ＡＤＣＯＵＴ１をα倍し、ＡＤＣＯＵＴ２から減算する演算を行うことで、以下のような照度の結果をデジタル値として得ることができる。

ＡＤＣＯＵＴ２−ＡＤＣＯＵＴ１×α＝Ｉｉｎ２−Ｉｉｎ１×α
図１６は、携帯電話やスマートフォンなどの携帯機器に搭載されている従来の近接センサの一例を示す。

ＬＥＤ素子１０６は、検知物体１１０の近接の程度を検知するため、近接センサ１０７で受光する所定波長の光を含む光を出射するとともに、表示パネル１０９に光を照射するバックライトでもある。

近接センサ１０７は、受光素子としてのフォトダイオード（未図示）とアナログデジタル変換回路（未図示）とを備えた構成となっている。

レンズ１０８は、ＬＥＤ素子１０６および近接センサ１０７のフォトダイオード上に設けられ、受光効率や発光効率を向上させる。

図１７は、図１６に図示したＬＥＤ素子の制御信号と近接センサの出力値および判定値の一例を示す。

図１７（ａ）は、近接センサ１０７に検知物体１１０が近接している場合である。ＬＥＤ素子１０６を発光させた場合、検知物体１１０が近接しているので、検知物体１１０からの反射光が多く、近接センサ１０７のフォトダイオードが受光する受光量も多い。したがって、ＬＥＤ素子１０６が発光期間中の近接センサ１０７の出力値データは、Ｄａｔａ１となり、ＬＥＤ素子１０６が非発光期間中の近接センサ１０７の出力値データは、Ｄａｔａ２となる。そして、このＤａｔａ１とこのＤａｔａ２との差分を近接データとし、この近接データが閾値以上であれば、検知物体１１０が近接センサ１０７に近接している状態（近接状態）であると判定するようになっている。

一方、図１７（ｂ）は、検知物体１１０が近接センサ１０７から離れている場合である。ＬＥＤ素子１０６を発光させでも検知物体１１０が離れているので、検知物体１１０からの反射光が少なく、近接センサ１０７のフォトダイオードが受光する受光量も少ない。したがって、ＬＥＤ素子１０６が発光期間中の近接センサ１０７の出力値データは、Ｄａｔａ１となり、ＬＥＤ素子１０６が非発光期間中の近接センサ１０７の出力値データは、Ｄａｔａ２となる。そして、このＤａｔａ１とこのＤａｔａ２との差分を近接データとし、この近接データは閾値未満であるので、検知物体１１０が近接センサ１０７から離れている状態（非近接状態）であると判定するようになっている。

上述した近接照度センサ１０１および近接センサ１０７においては、検知物体が近接照度センサ１０１または近接センサ１０７の近くに有るか無いかの判定を行うので、検知物体が近接照度センサ１０１または近接センサ１０７の近くにある場合であり、アナログデジタル変換回路の出力値が飽和していても、検知物体の近接判定には大きな影響がない。

しかしながら、これらの近接照度センサや近接センサを用いて、ユーザの脈拍を測定する場合、ユーザの指を近接照度センサや近接センサに近づけて測定するため、アナログデジタル変換回路の出力値が飽和してしまう。ユーザの脈拍の検出のためには、アナログデジタル変換回路の出力値の周期を検出することが必要である。アナログデジタル変換回路の出力値が飽和してしまうと、アナログデジタル変換回路の出力値の周期を検出することができないので、ユーザの脈拍を検出することが困難となってしまう。

以上のように、ユーザの脈拍の検出は、近接照度センサや近接センサを用いた検知物体の近接判定とは異なるため、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することは困難であった。そのため、ユーザの脈拍を検出する機能を備えた携帯機器などにおいては、通常、ユーザの脈拍を検出するための脈拍センサを別途設ける必要があったため、携帯機器の小型化や低価格化を妨げる一つの原因となっていた。

本発明の目的は、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサと、センサ装置と、電子機器とを提供することである。

本発明のセンサは、上記課題を解決するために、赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサであって、上記デジタル出力値が上記第１受光素子と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整する調整回路と、上記デジタル出力値の周期を検出するためのデジタルフィルターと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサを実現することができる。

本発明のセンサ装置は、上記課題を解決するために、上記センサと、赤外光を含む光を出射する発光素子とを備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサ装置を実現することができる。

本発明の電子機器は、上記課題を解決するために、赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサを含む電子機器であって、上記センサには、上記デジタル出力値が上記第１受光素子と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整する調整回路が備えられており、上記デジタル出力値はデジタルフィルター処理され、その周期が検出されることを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができる電子機器を実現することができる。

本発明の一態様によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサと、センサ装置と、電子機器とを実現できる。

発光素子としての赤外光ＬＥＤと、脈拍検出機能を備えた近接照度センサとを備えたセンサ装置の概略構成を示す図である。 脈拍検出機能を備えた近接照度センサに備えられた積分型アナログデジタル変換回路とカウント調整回路との概略構成を示す図である。 図２に図示したアナログデジタル変換回路の駆動信号の一例を示す図である。 脈拍検出機能を備えた近接照度センサを、近接センサモードとして用いた場合と脈拍センサモードとして用いた場合とのアナログ−デジタル変換回路からの出力値を示す図である。 近接照度センサに備えられた赤外光対応フォトダイオードと可視光〜赤外光対応フォトダイオードとの分光特性の一例を示す図である。 近接照度センサに備えられたデジタルフィルターを説明するための図である。 近接照度センサを脈拍センサとして作動した場合において、アナログデジタル変換回路の出力値をデジタルフィルターを用いて処理する前後の脈拍波形を示す図である。 ＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルターで構成されたデジタルフィルターの一例を示す図である。 発光素子としての赤外光ＬＥＤと、脈拍検出機能を備えた近接センサとを備えたセンサ装置の概略構成を示す図である。 発光素子としての赤外光ＬＥＤと、近接センサと、デジタルフィルター処理をするＣＰＵとを備えた電子機器の概略構成を示す図である。 分光特性変更可能受光素子の概略構成を示す図である。 発光素子としての赤外光ＬＥＤと、分光特性変更可能受光素子を２つ有する脈拍検出機能を備えた近接照度センサとを備えたセンサ装置の概略構成を示す図である。 受光部（受光面）が複数に分割された受光素子の概略構成を示す図である。 脈拍検出機能を備えた近接照度センサと、バックライト制御部と、バックライトと、液晶パネルと、を備えた電子機器の概略構成を示す図である。 携帯電話やスマートフォンなどの携帯機器に搭載されている従来の近接照度センサの一例を示す。 携帯電話やスマートフォンなどの携帯機器に搭載されている従来の近接センサの一例を示す。 図１６に図示したＬＥＤ素子の制御信号と近接センサの出力値および判定値の一例を示す。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などはあくまで一実施形態に過ぎず、これらによってこの発明の範囲が限定解釈されるべきではない。

本発明の実施の形態を図１〜図１４に基づいて説明すれば以下のとおりである。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図８に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

図１は、発光素子としての赤外光ＬＥＤ１と、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８とを備えたセンサ装置９の概略構成を示す図である。
（発光素子）
本実施の形態においては、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８の受光波長領域を考慮し、発光素子として赤外光ＬＥＤ１を用いている。ユーザの指の血液中のヘモグロビンには、近赤外光を良く吸収する性質があり、赤外光領域を含む光を出射する発光素子を用いることが好ましい。
（脈拍検出機能を備えた近接照度センサ）
図１に図示されているように、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８は、受光素子として、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオード２と可視光〜赤外光領域に分光特性を有する可視光〜赤外光対応フォトダイオード３とを備えている。

さらに、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８は、フォトダイオード２からのアナログ値である入力電流をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換回路４と、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）がフォトダイオード２と検知物体（図中の指）との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整するカウント調整回路５（調整回路）と、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）の周期を検出するためのデジタルフィルター６と、フォトダイオード３からのアナログ値である入力電流をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換回路７と、を備えている。

なお、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８における近接センサとしての機能と照度センサとしての機能とは、図１５、図１６および図１７を用いて上述した説明と同じであるため、その説明を省略し、以下では脈拍検出機能を中心に説明をする。
（積分型アナログデジタル変換回路およびカウント調整回路）
図２は、積分型アナログデジタル変換回路とカウント調整回路との概略構成を示す図である。

図示されているように、積分型アナログデジタル変換回路４（以後、アナログデジタル変換回路４と称する）は、入力電流の電流量をデジタル変換して出力するアナログデジタル変換回路であって、充電回路１０と、放電回路１１と、比較回路１２と、制御回路１３とを備えている。

充電回路１０は、フォトダイオード２（未図示）からの入力電流（Ｉｉｎ）に応じた電荷を蓄える容量（Ｃ１）と、オペアンプ（ＡＭＰ１）とを備えている。

放電回路１１は、スイッチ２（ＳＷ２）を介して、一度に予め定められた電荷量を放電する回路である。

比較回路１２は、充電回路１０の出力電圧（ｖｓｉｇ）と電圧がＶ１である基準電圧（ｖｒｅｆ）とを比較する比較器（ＣＭＰ１）と、基準電圧（ｖｒｅｆ）と充電回路１０の出力とを開閉するスイッチ１（ＳＷ１）と、を備えている。

制御回路１３は、フリップフロップ（ＦＦ）とカウンター（ｃｏｕｎｔ）とを備え、放電回路１１の放電回数に応じたデジタル値を出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）として出力する。

そして、カウント調整回路５は、放電回路１１と同様の構成からなり、スイッチ３（ＳＷ３）を介して、測定期間中に予め定められた電荷量を放電する回路であり、オフセット（ｏｆｆｓｅｔ）する値によって放電回数が決定される。すなわち、スイッチ３（ＳＷ３）は、オフセットで設定された電荷に応じた回数分Ｈｉ電圧となり、Ｈｉ電圧時にスイッチ３（ＳＷ３）が閉じられ、放電される。

図３は、図２に図示するアナログデジタル変換回路４の駆動信号の一例を示す図である。

最初に、比較回路１２におけるスイッチ１（ＳＷ１）は閉じているので、充電回路１０の出力電圧（ｖｓｉｇ）は基準電圧（ｖｒｅｆ）に充電されている。そして、データ充電期間（ｔ＿ｃｏｎｖ）の間、スイッチ１（ＳＷ１）が開くことで、フォトダイオード２（未図示）からの入力電流（Ｉｉｎ）が充電回路１０の容量（Ｃ１）に充電され、アナログ−デジタル変換される。

先ず、放電回路１１により、一定の電荷（Ｉ１×クロック（ｔ＿ｃｌｋ））を放電させるプリチャージ動作が行われ、充電回路１０の出力電圧（ｖｓｉｇ）は下がる。この後、充電回路１０はフォトダイオード２からの入力電流（Ｉｉｎ）により充電され、充電回路１０の出力電圧（ｖｓｉｇ）が基準電圧（ｖｒｅｆ）を超えると、比較回路１２の出力値（ｃｏｍｐ）がＨｉ電圧になり、制御回路１３からは、比較回路１２の出力値（ｃｏｍｐ）がＨｉ電圧となってから１クロック（ｔ＿ｃｌｋ）後に、放電回路１１のスイッチ２（ＳＷ２）を制御する制御信号（ｃｈａｒｇｅ）が出力される。そして、この制御信号（ｃｈａｒｇｅ）がＨｉ電圧時に放電回路１１のスイッチ２（ＳＷ２）が閉じられ、放電回路１１からは、一定の電荷（Ｉ１×クロック（ｔ＿ｃｌｋ））が放電される。それから、制御回路１３のカウンター（ｃｏｕｎｔ）で、制御信号（ｃｈａｒｇｅ）のＨｉ電圧期間に相当する放電時間を数えることで、フォトダイオード２から入力された電荷量に応じた値をデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）として出力できる。

フォトダイオード２からの入力電流（Ｉｉｎ）により充電された電荷量とＩ１×クロック（ｔ＿ｃｌｋ）により放電された電荷量とは、等しくなるように動作される。

クロックをｔ＿ｃｌｋ、データ充電時間をｔ＿ｃｏｎｖ、放電時間をカウントした値をｃｏｕｎｔ、基準電流量をＩ１とすると、充電電荷量＝Ｉｉｎ×ｔ＿ｃｏｎｖ、放電電荷量＝Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ×ｃｏｕｎｔとなる。そして、充電電荷量＝放電電荷量の関係から、ｃｏｕｎｔ＝（Ｉｉｎ×ｔ＿ｃｏｎｖ）／（Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ）が成り立つ。ここで、最小分解能は、（Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ）で決定されることになる。データ充電時間ｔ＿ｃｏｎｖをｔ＿ｃｌｋ×２^ｎ（ｎは分解能）の期間の間、充電するように設定すると、ｃｏｕｎｔ＝Ｉｉｎ／Ｉ１×２^ｎとなる。

例えば、分解能ｎ＝１６ビットの場合は、カウント数（ｃｏｕｎｔ）は、入力電流Ｉｉｎに応じた値を、０〜６５５３５の範囲で出力することになる。したがって、このようなアナログ−デジタル変換回路４を備えることにより、広いダイナミックレンジと高い分解能のアナログ−デジタル変換が可能となる。

図１に図示した近接照度センサ８は、積分型のアナログ−デジタル変換回路であるアナログ−デジタル変換回路４を備えているので、広いダイナミックレンジと高い分解能のアナログ−デジタル変換が可能である近接照度センサ８を実現できる。

そして、近接照度センサ８のアナログ−デジタル変換回路４には、脈拍の周期の変動を容易に検出することができるようにカウンタ調整回路５(調整回路)が備えられている。カウント調整回路５は、図２に図示されているように、スイッチ３（ＳＷ３）を介して、測定期間中に予め定められた電荷量を放電する回路であり、オフセット（ｏｆｆｓｅｔ）する値によって放電回数が決定できるのでアナログ−デジタル変換回路４からの出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）のカウントを調整することができる。

このように、カウント調整回路５を用いる場合においては、ｏｆｆｓｅｔを調整するカウント数とすると、充電電荷量＝Ｉｉｎ×ｔ＿ｃｏｎｖ、放電電荷量＝Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ×ｃｏｕｎｔ＋Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ×ｏｆｆｓｅｔとなる。

充電電荷量＝放電電荷量の関係から、ｃｏｕｎｔ＝（Ｉｉｎ×ｔ＿ｃｏｎｖ）／（Ｉ１×ｔ＿ｃｌｋ）−ｏｆｆｓｅｔとなる。ここで、データ充電時間ｔ＿ｃｏｎｖをｔ＿ｃｌｋ×２^ｎ（ｎは分解能）の期間の間、充電するように設定すると、ｃｏｕｎｔ＝Ｉｉｎ／Ｉ１×２^ｎ−ｏｆｆｓｅｔとなり、調整したいカウント数のｏｆｆｓｅｔ分だけ、カウントをシフトさせることができる。したがって、カウント調整回路５を用いることにより、アナログ−デジタル変換回路４からの出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）がフォトダイオード２と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整することができる。

図４は、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８を、近接センサモードとして用いた場合と脈拍センサモードとして用いた場合とにおけるフォトダイオード２と検知物体との間の距離に応じて変化するアナログ−デジタル変換回路４からの出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）を示す図である。

図４（ａ）は、近接照度センサ８を近接センサモードとして用いた場合であって、近接センサモードでは、検知物体の距離１００ｍｍ程度に対して検知することを目的としているため、例えば、指を近づけた時の近距離２０ｍｍ以下では、アナログデジタル変換回路４からの出力値である出力カウントは飽和している。

既に上述したように、近接センサモードにおいては、検知物体がフォトダイオード２の近くに有るか無いかの判定を行うのみなので、アナログデジタル変換回路４の出力値が飽和していても、検知物体の近接判定には大きな影響がない。

しかしながら、ユーザの脈拍を測定する場合、ユーザの指をフォトダイオード２に近づけて測定するため、指を置いた程度の近距離１ｍｍ〜２ｍｍ程度でアナログデジタル変換回路４の出力値を飽和させずに設定する必要がある。このような近距離１ｍｍ〜２ｍｍ程度ではアナログデジタル変換回路４の出力値は一般的には飽和してしまうが、近接照度センサ８においては、カウント調整回路５を用いてアナログデジタル変換回路４の出力値がフォトダイオード２と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲（例えば、指を置いた程度の近距離１ｍｍ〜１．６ｍｍ程度）において飽和しないように調整している。

図４（ｂ）は、近接照度センサ８を脈拍センサモードとして用いた場合であって、脈拍センサモードにおいては、指を置いた程度の近距離１ｍｍ〜１．６ｍｍ程度ではアナログデジタル変換回路４の出力値は飽和していないので、脈拍測定が可能となる。

ここで、アナログデジタル変換回路４の出力値が飽和している場合にユーザの脈拍検出が困難な理由について説明する。アナログデジタル変換回路４からの飽和している出力値を後述するデジタルフィルター処理した場合、脈拍によるカウントの変動がない状態、すなわち、飽和値に固定された状態になり、デジタルフィルター処理後の出力が、０で変動しなくなってしまうので、ユーザの脈拍検出が困難である。

一方、アナログデジタル変換回路４からの飽和していない出力値をデジタルフィルター処理した場合、脈拍によるカウントの変動がある状態になり、デジタルフィルター処理後の出力値が、脈拍の周期での変動と捉えることが可能となる。

そして、カウント調整回路５を用いてアナログデジタル変換回路４の出力値がフォトダイオード２と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲（例えば、指を置いた程度の近距離１ｍｍ〜１．６ｍｍ程度）において飽和しないように調整することで、脈拍センサモードとして用いることができる理由について説明する。

スマートフォンなどの携帯機器に近接照度センサ８を実装する場合、一般的には、フォトダイオード２は表示パネルの下部や表示パネルの内部に設けられる。したがって、フォトダイオード２と表示パネルの表面（ユーザの指の接触面）との間にはギャップが生じることとなる。よって、ユーザの指を表示パネルに完全に接触した状態でも、通常約１ｍｍ〜１．６ｍｍ程度の距離が残る。

このような理由から、近接照度センサ８においては、カウント調整回路５を用いてアナログデジタル変換回路４の出力値がフォトダイオード２と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲（例えば、指を置いた程度の近距離１ｍｍ〜１．６ｍｍ程度）において飽和しないように調整し、脈拍センサモードとして用いている。

携帯機器の種類などにより、フォトダイオード２と表示パネルの表面（ユーザの指の接触面）との間のギャップは異なることがあるため、カウント調整回路５を用いて、アナログデジタル変換回路４の出力値がフォトダイオード２と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲で飽和しないように最適調整し、脈拍によるカウントの変動がある状態にする必要がある。
（受光素子）
図５は、近接照度センサ８に備えられた赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオード２と可視光〜赤外光領域に分光特性を有する可視光〜赤外光対応フォトダイオード３との分光特性の一例を示す図である。

近接照度センサ８が照度センサとして動作時には、可視光〜赤外光の分光特性の出力から、赤外光の分光特性の出力にα倍をして減算することで、視感度に合わせた照度特性を実現できる。

そして、近接照度センサ８が近接センサとして動作時には、赤外光の分光特性の出力を用いることで、可視光を低減し、蛍光灯などのノイズを低減できる。

それから、近接照度センサ８が脈拍センサとして動作時には、赤外光の分光特性の出力を用いることで、人の指先で反射される血流に応じた反射光を検出できる。
（デジタルフィルター）
図６は、近接照度センサ８に備えられたデジタルフィルター４を説明するための図である。

図示されているように、デジタルフィルター４は、ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルターであり、ローパスフィルターとハイパスフィルターとで構成される。

ローパスフィルターは移動平均処理で構成でき、ハイパスフィルターは、差分処理で構成できる。

アナログデジタル変換回路４の出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）を連続して２ｎ個保持し、Ｄａｔａ［２ｎ−１］〜Ｄａｔａ［ｎ］の平均値から、Ｄａｔａ［ｎ−１］〜Ｄａｔａ［０］の平均値を減算することで、ローパスフィルターとハイパスフィルターとの特性が得られる。

なお、ｎは保持するデータ数であり、デジタルフィルター４の通過域を調整できる。例えば、アナログデジタル変換回路４の出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）が１０ｍｓｅｃ毎に出力された場合、ｎ＝２４程度とすることで、ユーザの脈拍の周期の検出が容易になる。

図７は、近接照度センサ８を脈拍センサとして作動した場合において、アナログデジタル変換回路４の出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）をデジタルフィルター４を用いて処理する前後の脈拍波形を示す図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、ユーザＡ（人Ａ）の場合におけるデジタルフィルター４処理前後の脈拍波形を示しており、図７（ｃ）および図７（ｄ）は、ユーザＢ（人Ｂ）の場合におけるデジタルフィルター４処理前後の脈拍波形を示しており、図７（ｅ）および図７（ｆ）は、ユーザＣ（人Ｃ）の場合におけるデジタルフィルター４処理前後の脈拍波形を示している。

図示されているように、ユーザ毎に脈拍波形には差が生じているが、デジタルフィルター４を用いることにより、周波数の速い細かいノイズを平滑化するというローパスフィルターの効果と、ユーザによる反射光量の差（ＤＣレベル）を除去するというハイパスフィルターの効果とを得ることができ、デジタルフィルター４処理後の脈拍波形は、ユーザに関係なく、０を中心とした振幅を有する脈拍波形を得ることができる。

したがって、図７（ｂ）、図７（ｄ）および図７（ｆ）に図示されているデジタルフィルター４から出力される脈拍波形の最大値または最小値を検出することで、ユーザの脈拍の周期を容易に検出することができる。

また、図７（ｂ）、図７（ｄ）および図７（ｆ）に図示されているデジタルフィルター４から出力される脈拍波形の０を横切るポイントを検出することで、すなわち、デジタルフィルター４から出力される脈拍波形が０となる周期を検出することで、ユーザの脈拍の周期を容易に検出することができる。

以上では、デジタルフィルター４がＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルターである場合を例に挙げて説明したが、デジタルフィルター４はＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルターであってもよい。

図８は、ＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルターで構成されたデジタルフィルターの一例を示す図である。

図示されているようなＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルターで構成されたデジタルフィルターを用いると、ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルターで構成されたデジタルフィルターより、少ない演算で性能のよいデジタルフィルター設計することができるというメリットがあるが、フィードバックパスがあることや係数感度が高く不安定になりやすいことや位相応答が非線形であることなどのデメリットもある。

〔実施の形態２〕
次に、図９に基づいて、本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１においては、脈拍検出機能を備えた近接照度センサを備えたセンサ装置を例に挙げて説明したが、本実施の形態においては、脈拍検出機能を備えた近接センサを備えたセンサ装置を例に挙げて説明するという点において、上記の実施の形態１とは異なる。その他の構成については実施の形態１において説明したとおりである。説明の便宜上、上記の実施の形態１の図面に示した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図９は、発光素子としての赤外光ＬＥＤ１と、脈拍検出機能を備えた近接センサ１４とを備えたセンサ装置１５の概略構成を示す図である。

図示されているように、脈拍検出機能を備えた近接センサ１４は、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオード２と、フォトダイオード２からのアナログ値である入力電流（Ｉｉｎ１）をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換回路４と、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）がフォトダイオード２と検知物体（図中の指）との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整するカウント調整回路５（調整回路）と、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）の周期を検出するためのデジタルフィルター６と、を備えている。

このような脈拍検出機能を備えた近接センサ１４によれば、近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができる。

なお、脈拍検出機能を備えた近接センサ１４における脈拍の検出方法は、上述した実施の形態１で既に説明した通りであり、近接センサとしての機能については、図１６および図１７を用いて既に説明した通りであるため、ここではそれらの説明を省略する。

〔実施の形態３〕
次に、図１０に基づいて、本発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１および２においては、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）をデジタルフィルター処理するデジタルフィルター６が脈拍検出機能を備えた近接照度センサや脈拍検出機能を備えた近接センサに備えられている場合を例に挙げて説明したが、本実施の形態においては、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）のデジタルフィルター処理が近接照度センサや近接センサ外でソフトウェア的に処理されるという点において、上記の実施の形態１および２とは異なる。その他の構成については実施の形態１および２において説明したとおりである。説明の便宜上、上記の実施の形態１および２の図面に示した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、発光素子としての赤外光ＬＥＤ１と、近接センサ１６と、ＣＰＵとを備えた電子機器１８の概略構成を示す図である。

図示されているように、近接センサ１６は、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオード２と、フォトダイオード２からのアナログ値である入力電流（Ｉｉｎ１）をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換回路４と、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）がフォトダイオード２と検知物体（図中の指）との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整するカウント調整回路５（調整回路）と、を備えている。

そして、アナログデジタル変換回路４からのデジタル出力値（ＡＤＣＯＵＴ１）の周期を検出するためのデジタルフィルター処理は、電子機器１８のＣＰＵにおいて、ソフトウェア的に行われる。

なお、電子機器１８はデジタルフィルター処理を行うことができるＣＰＵなどの処理部を有すればよく、一例としては、携帯電話やスマートフォンやデジタルカメラなどを挙げることができる。

このような構成の電子機器は、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができ、デジタルフィルター処理をソフトウェアで処理することにより、近接照度センサや近接センサとしては、アナログデジタル変換回路までの構成とできるため、簡単な構成となり低価格を実現できる。

〔実施の形態４〕
次に、図１１および図１２に基づいて、本発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態１〜３は、受光素子として、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオードや可視光〜赤外光領域に分光特性を有する可視光〜赤外光対応フォトダイオードを備えている場合を例に挙げて説明したが、本実施の形態においては、分光特性変更可能受光素子を備えているという点において、上記の実施の形態１〜３とは異なる。その他の構成については実施の形態１〜３において説明したとおりである。説明の便宜上、上記の実施の形態１〜３の図面に示した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１１は、分光特性変更可能受光素子２１の概略構成を示す図である。

図示されているように、分光特性変更可能受光素子２１は２つ以上のＰＮ接合を備える受光素子である。そして、分光特性変更可能受光素子２１の構造は、積層順でＰ基板−Ｎウェル−Ｐ拡散で構成され、スイッチ１およびスイッチ２により分光特性を変更することができるようになっている。

すなわち、分光特性変更可能受光素子２１は、赤外光領域に分光特性を有するＰ基板−Ｎウェルのフォトダイオード１９と、可視光領域に分光特性を有するＮウェル−Ｐ拡散のフォトダイオード２０とを備えている。

そして、分光特性変更可能受光素子２１におけるスイッチ１がＯＮおよびスイッチ２がＯＦＦの時には、Ｐ基板−Ｎウェルのフォトダイオード１９を使用し、Ｎウェル−Ｐ拡散のフォトダイオード２０は短絡される。したがって、分光特性変更可能受光素子２１は赤外光領域に分光特性を有することとなる。

一方、分光特性変更可能受光素子２１におけるスイッチ１がＯＦＦおよびスイッチ２がＯＮの時には、Ｐ基板−Ｎウェルのフォトダイオード１９を使用するとともに、Ｎウェル−Ｐ拡散のフォトダイオード２０も使用する。したがって、分光特性変更可能受光素子２１は可視光〜赤外光領域に分光特性を有することとなる。

図１２は、発光素子としての赤外光ＬＥＤ１と、分光特性変更可能受光素子２１を２つ有する脈拍検出機能を備えた近接照度センサ２２とを備えたセンサ装置２３の概略構成を示す図である。

図示されているように、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ２２においては、赤外光領域に分光特性を有する赤外光対応フォトダイオードとしては、スイッチ１をＯＮにし、スイッチ２をＯＦＦにした分光特性変更可能受光素子２１を用いており、可視光〜赤外光領域に分光特性を有する可視光〜赤外光対応フォトダイオードとしては、スイッチ１をＯＦＦにし、スイッチ２をＯＮにした分光特性変更可能受光素子２１を用いている。

上記構成によれば、スイッチの接続状態のみが異なる同じ構造の分光特性変更可能受光素子２１を用いることができるので、２つの異なる構造を有する受光素子を形成するより効率よく受光素子を形成することができる。

〔実施の形態５〕
次に、図１３に基づいて、本発明の実施の形態５について説明する。上述した実施の形態１〜４は、受光素子の受光部（受光面）が面一状に形成されている場合を例に挙げて説明したが、本実施の形態においては、受光素子の受光部（受光面）が複数に分割されている点において、上記の実施の形態１〜４とは異なる。その他の構成については実施の形態１〜４において説明したとおりである。説明の便宜上、上記の実施の形態１〜４の図面に示した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１３は、受光部（受光面）が複数に分割された受光素子２４の概略構成を示す図である。

図示されているように、受光素子２４はが複数に分割された受光部（受光面）を有する。なお、本実施の形態においては、受光部（受光面）がマトリクス状に１６分割されたものを用いているが、分割数および分割形状は特に限定されない。

そして、照度センサとして動作時には、受光部（受光面）全て、すなわち、１６分割された受光面ＰＤ００〜ＰＤ１５を全て使用する。これは、照度センサとして動作時には、低照度での感度を上げるためと、指向特性を向上されるために、受光素子の受光エリアを大きく使用するのが好ましいからである。

一方、図１６に図示されているように、ＬＥＤ素子１０６から出射され、表示パネル１０９で反射された反射光のスポットは、通常、ＬＥＤ素子１０６と反対側にずれる傾向があることから、近接センサとして動作時には、図１３の左側に発光素子が存在するとした場合、１６分割された受光面ＰＤ００〜ＰＤ１５中、ＰＤ０２、ＰＤ０３、ＰＤ０６、ＰＤ０７、ＰＤ１０、ＰＤ１１、ＰＤ１４、ＰＤ１５を受光エリア（指定エアリア）として選択することが好ましい。これにより、携帯機器などにおける表示パネルからの反射光によるノイズ光量を低減することができる。

脈拍センサとして動作時にも、近接センサとして動作時と同様に、携帯機器などにおける表示パネルからの反射光の影響を受けるため、１６分割された受光面ＰＤ００〜ＰＤ１５中、ＰＤ０２、ＰＤ０３、ＰＤ０６、ＰＤ０７、ＰＤ１０、ＰＤ１１、ＰＤ１４、ＰＤ１５を受光エリア（指定エアリア）として選択することが好ましい。これにより、ユーザの指先で反射される血流に応じた反射光を安定して得られる。

〔実施の形態６〕
次に、図１４に基づいて、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態においては、脈拍検出機能を備えた近接照度センサや脈拍検出機能を備えた近接センサからの近接判断データまたは照度データに基づいて、例えば、液晶パネルなどの表示パネルに光を照射するバックライトの輝度を制御するという点において、上記の実施の形態１〜５とは異なる。その他の構成については実施の形態１〜５において説明したとおりである。説明の便宜上、上記の実施の形態１〜５の図面に示した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１４は、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８と、バックライト制御部２５と、バックライト２６と、液晶パネル２７と、を備えた電子機器２８の概略構成を示す図である。

図示されているように、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８からの近接判断データおよび照度データに基づいて、バックライト制御部２５介して、バックライトの輝度を制御する。

例えば、電子機器２８が置かれている状況によって、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８からの照度データは変わるので、この照度データを用いて、バックライトの輝度を制御することにより、液晶パネル２７の表示品質を一定以上に維持することができる。

また、電子機器２８が携帯電話やスマートフォンやデジタルカメラなどである場合に、ユーザが電子機器２８に顔などを近づけた場合には、液晶パネル２７に表示を行う必要がない場合があるので、脈拍検出機能を備えた近接照度センサ８からの近接判断データに基づいて、バックライトの輝度を下げる制御をしてもよい。

なお、本実施の形態においては、電子機器を例に挙げて説明しているが、センサ装置の場合においては、バックライトが発光素子に該当し、バックライト制御部は発光素子制御部に該当する。

また、上記発光素子は、液晶表示パネルや表示パネルに対して光を照射するバックライトに含まれていてもよい。

さらには、上記発光素子は、有機ＥＬ発光素子であってもよい。

〔まとめ〕
本発明の態様１におけるセンサは、赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサであって、上記デジタル出力値が上記第１受光素子と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整する調整回路と、上記デジタル出力値の周期を検出するためのデジタルフィルターと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサを実現することができる。

本発明の態様２におけるセンサは、可視光から赤外光までの領域の光を受光する第２受光素子を備えていることが好ましい。

上記構成によれば、近接照度センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサを実現することができる。

本発明の態様３におけるセンサにおいては、上記第１受光素子および上記第２受光素子は、それぞれ赤外光を受光する受光素子と可視光を受光する受光素子とを備えており、上記第１受光素子は、上記赤外光を受光する受光素子を用いて受光を行い、上記第２受光素子は、上記赤外光を受光する受光素子と上記可視光を受光する受光素子とを用いて受光を行うことが好ましい。

上記構成によれば、上記第１受光素子と上記第２受光素子とを同じ構造で形成できるので、２つの異なる構造を有する受光素子を形成するより効率よく受光素子を形成することができる。

本発明の態様４におけるセンサにおいては、上記デジタルフィルターは、ローパスフィルターとハイパスフィルターとで構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、周波数の速い細かいノイズを平滑化するというローパスフィルターの効果と、ユーザによる反射光量の差（ＤＣレベル）を除去するというハイパスフィルターの効果とを得ることができ、デジタルフィルター処理後の脈拍波形は、ユーザに関係なく、０を中心とした振幅を有する脈拍波形を得ることができる。

本発明の態様５におけるセンサにおいては、上記デジタルフィルターは、脈拍の周期を通過域とすることが好ましい。

本発明の態様６におけるセンサにおいては、上記デジタルフィルターからの出力値の最大値または最小値を用いて、上記デジタル出力値の周期を検出することが好ましい。

本発明の態様７におけるセンサにおいては、上記デジタルフィルターからの出力値が０となる周期を上記デジタル出力値の周期とすることが好ましい。

上記構成によれば、ユーザの脈拍の周期の検出が容易になる。

本発明の態様８におけるセンサにおいては、上記第１受光素子は、分割された複数の受光部を備えており、上記複数の受光部中、所定領域の受光部を用いて受光を行うことが好ましい。

上記構成によれば、携帯機器などにおける表示パネルからの反射光によるノイズ光量を低減することができる。

本発明の態様９におけるセンサにおいては、上記アナログデジタル変換回路は、一定時間に受光した赤外光の光量に応じた上記第１受光素子からの入力電流の電流量をデジタル変換して出力する積分型アナログデジタル変換回路であり、上記積分型アナログデジタル変換回路には、上記電流量に応じた電荷量を蓄える容量を有する充電回路と、一度に予め定められた電荷量を放電する放電回路と、上記充電回路の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と、上記比較回路からの出力値に基づいた上記放電回路の放電回数をデジタル値として出力する制御回路と、を備えていることが好ましい。

上記構成によれば、広いダイナミックレンジと高い分解能のアナログ−デジタル変換が可能であり、脈拍の周期の変動を容易に検出することができる。

本発明の態様１０におけるセンサにおいては、上記調整回路は、上記デジタル出力値が上記第１受光素子と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように、測定期間中に予め定められた電荷量を放電することが好ましい。

上記構成によれば、上記デジタル出力値におけるオフセットの設定が容易になる。

本発明の態様１１におけるセンサ装置においては、上記センサと、赤外光を含む光を出射する発光素子とを備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができるセンサ装置を実現することができる。

本発明の態様１２におけるセンサ装置においては、上記センサからの出力値に基づいて、上記発光素子を制御することが好ましい。

上記構成によれば、センサ装置の低消費電力化を実現することができる。

本発明の態様１３におけるセンサ装置においては、上記発光素子は、液晶表示パネルに対して光を照射するバックライトに含まれていてもよい。

本発明の態様１４におけるセンサ装置においては、上記発光素子は、有機ＥＬ発光素子であってもよい。

本発明の態様１５における電子機器は、赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサを含む電子機器であって、上記センサには、上記デジタル出力値が上記第１受光素子と検知物体との間の距離の少なくとも所定範囲において上記距離の各々の値に応じて変化するように調整する調整回路が備えられており、上記デジタル出力値はデジタルフィルター処理され、その周期が検出されることを特徴としている。

上記構成によれば、近接照度センサや近接センサを用いてユーザの脈拍を検出することができる電子機器を実現することができる。

尚、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。

本発明は、近接センサや近接照度センサなどを含むセンサと、上記センサおよび赤外光を含む光を出射する発光素子を備えたセンサ装置と、近接センサや近接照度センサなどを含む電子機器とに好適に用いることができる。

１ 赤外光ＬＥＤ（発光素子）
２ 赤外光対応フォトダイオード（第１受光素子）
３ 可視光〜赤外光対応フォトダイオード（第２受光素子）
４ アナログデジタル変換回路
５ カウント調整回路（調整回路）
６ デジタルフィルター
７ アナログデジタル変換回路
８ 近接照度センサ（センサ）
９ センサ装置
１０ 充電回路
１１ 放電回路
１２ 比較回路
１３ 制御回路
１４ 近接センサ（センサ）
１５ センサ装置
１６ 近接センサ
１７ センサ装置
１８ 電子機器
１９ Ｐ基板−Ｎウェルフォトダイオード
２０ Ｎウェル−Ｐ拡散フォトダイオード
２１ 分光特性変更可能受光素子
２２ 近接照度センサ（センサ）
２３ センサ装置
２４ 受光面が分割された受光素子
２５ バックライト制御部
２６ バックライト
２７ 液晶パネル（表示パネル）
２８ 電子機器

Claims (7)

1. 赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサであって、
   上記アナログデジタル変換回路には、
   上記第１受光素子からの入力電流に応じた電荷量を蓄える容量を備えた充電回路と、
   上記充電回路の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と、
   上記比較回路からの出力値に基づいて、上記充電回路の電荷量において、一度に予め定められた電荷量を放電する放電回路と、
   上記放電回路の放電回数を上記デジタル出力値として、出力するカウンターとが備えられており、
   測定期間中に予め定められた電荷量を放電するとともに、上記充電回路の電荷量をオフセットする値によって放電回数が決定される調整回路と、
   上記デジタル出力値の周期を検出するためのデジタルフィルターと、を備えたことを特徴とするセンサ。
2. 上記アナログデジタル変換回路には、上記放電回路の放電を制御する制御信号を出力するとともに、上記カウンターを含む制御回路が備えられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 上記デジタルフィルターは、ローパスフィルターとハイパスフィルターとで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
4. 上記デジタルフィルターからの出力値の最大値または最小値を用いて、上記デジタル出力値の周期を検出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセンサ。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のセンサと、赤外光を含む光を出射する発光素子とを備えたことを特徴とするセンサ装置。
6. 赤外光を受光する第１受光素子と、上記第１受光素子のアナログ出力値をデジタル出力値に変換するアナログデジタル変換回路とを備えたセンサを含む電子機器であって、
   上記アナログデジタル変換回路には、
   上記第１受光素子からの入力電流に応じた電荷量を蓄える容量を備えた充電回路と、
   上記充電回路の出力電圧と基準電圧とを比較する比較回路と、
   上記比較回路からの出力値に基づいて、上記充電回路の電荷量において、一度に予め定められた電荷量を放電する放電回路と、
   上記放電回路の放電回数を上記デジタル出力値として、出力するカウンターとが備えられており、
   上記センサには、測定期間中に予め定められた電荷量を放電するとともに、上記充電回路の電荷量をオフセットする値によって放電回数が決定される調整回路が備えられており、
   上記デジタル出力値はデジタルフィルター処理され、その周期が検出されることを特徴とする電子機器。
7. 上記アナログデジタル変換回路には、上記放電回路の放電を制御する制御信号を出力するとともに、上記カウンターを含む制御回路が備えられていることを特徴とする請求項６に記載の電子機器。

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