JP6505506B2 - Optical sensor and electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、検知物体に反射した光を用いて検知物体までの距離を測定する光センサに関する。 The present invention relates to an optical sensor that measures the distance to a detection object using light reflected by the detection object.
特許文献1は、三角測量の原理を用いて鏡面物体までの距離を測定する三角測量式測距装置を開示している。特許文献2は、異なる角度で投光・受光する装置を備え、受光した光が鏡面反射をともなう多重反射光であるか否かを判定する距離計測装置を開示している。特許文献3は、三角測量方式・飛行時間(TOF;time of flight)方式のいずれかを選択する光3次元カメラを開示している。
特許文献1の三角測量式測距装置と、特許文献3の光3次元カメラとは、検知物体の表面が鏡面であるか否かを判定できない。特許文献2の距離計測装置は、投光装置の角度を変更する機構などが複雑である。本発明は、上記問題に鑑み、検知物体に反射した光を用いて検知物体までの距離を測定する光センサであって、簡易に検知物体の表面状態を判定できる光センサと電子機器とを提供することを目的とする。
The triangulation type distance measuring device of
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、検知物体に反射した光を用いて検知物体までの距離を測定する光センサであって、一方向へ光を出射する発光素子と、上記発光素子の上記一方向に垂直な方向へ配された複数のアバランシェフォトダイオードと、上記検知物体と上記発光素子とを隔てる筐体と、上記発光素子と上記複数のアバランシェフォトダイオードとに接続され、TOF方式および三角測量方式で上記距離を特定する制御部とを備え、上記発光素子と、上記発光素子に最も近い上記アバランシェフォトダイオードとの間の距離は、上記検知物体が上記筐体に接触するときに、上記発光素子から出射した光が上記検知物体の表面に広がるスポット径に等しく、上記制御部は、特定した上記距離と、上記アバランシェフォトダイオードの受光位置とを比較して、上記検知物体の表面状態を検知する。 In order to solve the above-mentioned subject, an optical sensor concerning one mode of the present invention is an optical sensor which measures distance to a detection object using light reflected to a detection object, and emits light to one way. A light emitting element, a plurality of avalanche photodiodes arranged in a direction perpendicular to the one direction of the light emitting element, a case separating the detection object and the light emitting element, the light emitting element and the plurality of avalanche photodiodes And a control unit for specifying the distance by TOF method and triangulation method, and a distance between the light emitting element and the avalanche photodiode closest to the The light emitted from the light emitting element is equal to the spot diameter spread on the surface of the detection object when contacting the housing, and the control unit determines the specified distance and the aba. By comparing the light receiving position of the emission Chez photodiode, for detecting the surface state of the detection object.
また、本発明の一態様に係る電子機器は、上記光センサを備える。 Further, an electronic device according to one aspect of the present invention includes the light sensor.
本発明の各態様によれば、簡易に検知物体の表面状態を判定できるという効果を奏する。 According to each aspect of the present invention, it is possible to easily determine the surface state of the detection object.
〔実施形態1〕
本発明の第一実施形態について、図1および図2を参照し説明する。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
《光センサ1の構成》
図1は、本実施形態の光センサ1の構成を示す正面図であって、(a)は全体構成を示し、(b)は発光素子11および受光素子12付近の部分構成を示す。図1では、検知物体Aの表面は鏡面である。図1の(a)に示されるように、光センサ1は、発光素子11と、複数の受光素子12と、レンズ13と、制御部15と、破線で示される筐体とを備える。
<< Configuration of
FIG. 1 is a front view showing the configuration of the
(発光素子)
発光素子11は、光軸OAにそって一方向へ光を出射する。発光素子11として、例えば発光ダイオード(LED;Light Emitting Diode)を利用できる。発光素子11から出射した光は、空間を伝搬するにしたがい広がっていく。光線Ll・Lrは、発光素子11から出射した光が広がる範囲を視覚的に示す線である。なお、図1では、発光素子11から出射した光は、図1の水平方向に広がっているが、図1の奥行方向にも同様に広がっている。この光の伝搬経路に検知物体Aがあるときには、光は検知物体Aの表面で反射する。検知物体Aに反射した光は、レンズ13を介し受光素子12へと集光される。
(Light emitting element)
The light emitting element 11 emits light in one direction along the optical axis OA. For example, a light emitting diode (LED; Light Emitting Diode) can be used as the light emitting element 11. The light emitted from the light emitting element 11 spreads as it propagates in space. The light beams Ll and Lr are lines visually indicating the range in which the light emitted from the light emitting element 11 spreads. In FIG. 1, the light emitted from the light emitting element 11 spreads in the horizontal direction in FIG. 1, but also spreads in the depth direction in FIG. 1. When the detection object A is in the light propagation path, the light is reflected on the surface of the detection object A. The light reflected to the detection object A is condensed to the light receiving element 12 through the lens 13.
(受光素子)
受光素子12は、光軸OAに垂直な方向へ配されたアバランシェフォトダイオードである。アバランシェフォトダイオードは、半導体中の電子なだれ増倍(アバランシェ増倍)を利用して、増幅機能をもたせた光検出用ダイオードである。アバランシェフォトダイオードでは、半導体の禁制帯幅よりも大きいエネルギーの光を照射し、キャリアとして生じた自由電子と正孔とが、逆方向の電圧を加えられたダイオード中でなだれ増倍されることにより、光が電気信号に変換されると同時に増幅される。このため、アバランシェフォトダイオードの応答速度は、他のダイオードと比較して速く、例えば1GHz以上である。光センサ1は、このような受光素子12を備えることにより、TOF方式で検知物体Aまでの距離を演算できる。なお、これに限定されるわけではないが、受光素子12の寸法は、図1の水平方向において約10μmである。
(Light receiving element)
The light receiving element 12 is an avalanche photodiode arranged in a direction perpendicular to the optical axis OA. An avalanche photodiode is a light detection diode provided with an amplification function by using electron avalanche multiplication (avalanche multiplication) in a semiconductor. In an avalanche photodiode, light with energy larger than the forbidden band width of a semiconductor is irradiated, and free electrons and holes generated as carriers are subjected to avalanche multiplication in a diode to which a reverse voltage is applied. The light is converted into an electrical signal and amplified at the same time. For this reason, the response speed of the avalanche photodiode is faster than, for example, other diodes, for example, 1 GHz or more. The
(受光素子の動作モード)
受光素子12は、ガイガーモードで動作することが好ましい。ガイガーモードで動作する受光素子12では、単一フォトンの入射によっても、アバランシェ増幅が起こる。このため、受光素子12は、大きな出力電流を得ることができる。なお、このような受光素子12は、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD)と呼ばれる。
(Operation mode of light receiving element)
It is preferable that the light receiving element 12 operate in Geiger mode. In the light receiving element 12 operating in Geiger mode, avalanche amplification also occurs by the incidence of a single photon. Therefore, the light receiving element 12 can obtain a large output current. Such a light receiving element 12 is called a single photon avalanche diode (SPAD).
受光素子12が光を電気信号に変換した検出信号は、高周波であるほど寄生容量の影響を受け、信号遅延が生じると共にその振幅が小さくなる。このとき、検出信号の検出が困難になる。そして、検知物体Aと光センサ1とが近接するほど、この検出信号は高周波になる。しかし、受光素子12がガイガーモードで動作することにより、検出信号の高速駆動化と共に振幅を高めることができる。ゆえに、光センサ1は、このような受光素子12を備えることにより、TOF方式でより近接した検知物体Aまでの距離を演算できる。
The detection signal obtained by converting the light into an electric signal by the light receiving element 12 is affected by parasitic capacitance as the frequency is higher, and a signal delay occurs and the amplitude decreases. At this time, detection of the detection signal becomes difficult. Then, the closer the detection object A and the
なお、受光素子12がガイガーモードで動作する場合、距離の演算において、外乱光の悪影響が大きくなることがある。受光素子12のバイアス電圧を変更したり、受光素子12に直列に接続する電流源の電流量を外乱光に併せて変更することにより、この悪影響を抑制できる。 When the light receiving element 12 operates in Geiger mode, the adverse effect of disturbance light may increase in the calculation of the distance. This adverse effect can be suppressed by changing the bias voltage of the light receiving element 12 or changing the amount of current of the current source connected in series to the light receiving element 12 together with the disturbance light.
(検知物体)
検知物体Aは、例えば、検知物体Aaで示される光センサ1により近い位置、または、検知物体Abで示される光センサ1からより遠い位置へ移動し得る。検知物体Aaは、検知物体Aが光センサ1の筐体(破線)に接触する位置まで移動したものである。最近接距離dは、検知物体Aaと発光素子11との間の距離である。光センサ1の筐体は、検知物体Aと発光素子11とを隔てている。このため、検知物体Aは、検知物体Aaよりも光センサ1に近い位置へは移動しない。
(Detected object)
The detection object A can move to, for example, a position closer to the
図1の(b)に示されるように、発光素子11から出射した光線Lrは、対称軸SAに対し角度θをなして検知物体Aaの表面へ入射する。光線LRは、光線Lrが検知物体Aaに反射したものであり、対称軸SAに対し角度θをなして検知物体Aaの表面から反射する。そして、光線LRは、レンズ13を介して受光素子121へ入射する。レンズ13による屈折が微小である場合、光軸OAと、発光素子11に最も近い位置に配された受光素子121の端部との間の距離rは、発光素子11から出射した光が検知物体Aaの表面に広がるスポット径Dにおおむね等しくなる。つまり、受光素子121の発光素子11側の端部は、対称軸SAについて発光素子11と対称な位置に配されている。
As shown in (b) of FIG. 1, the light beam Lr emitted from the light emitting element 11 is incident on the surface of the detection object Aa at an angle θ with respect to the symmetry axis SA. The light ray LR is a reflection of the light ray Lr to the detection object Aa, and reflects from the surface of the detection object Aa at an angle θ with respect to the symmetry axis SA. Then, the light beam LR enters the
(制御部)
制御部15は、発光素子11と受光素子12とに接続されており、TOF方式で検知物体までの距離を特定するTOF部151と、三角測量方式でこの距離を特定する三角測量部152とを備える。制御部15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(Central Processing Unit)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1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、「一時的ではない有形の媒体」、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。
(Control unit)
The
(筐体)
通常、発光素子11と、受光素子12と、レンズ13と、制御部15とは、一つのパッケージとしてアッセンブリされている。光センサ1の筐体は、このパッケージである。さらに、光センサ1をロボット掃除機などに設置するときには、光センサ1に外枠が配される。筐体は、この外枠であってもよい。この場合、上述の最近接距離dは、発光素子11からこの外枠までの距離になる。なお、車輪を備えたロボット掃除機では、距離を検出する対象である走行面と、光センサ1の発光素子11との間の最近接距離が、この車輪によって規定される。よって、車輪を筐体の一部であるとしてもよい。
(Housing)
Usually, the light emitting element 11, the light receiving element 12, the lens 13, and the
光センサ1の筐体には、発光素子11から出射した光が検知物体Aに照射されるように、かつ、検知物体Aに反射した光が受光素子12へ入射するように、穴部が設けられている。なお、この穴部は、光を透過する部材であってもよい。
The housing of the
《光センサ1の動作および本実施形態の効果》
(距離測定)
図1に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面である場合、発光素子11から光軸OAにそって一方向へ出射した光は、検知物体Aに反射することにより、光軸OAに垂直な方向へ、発光素子11から出射した光が検知物体Aの表面に広がるスポット径Dに等しい長さを伝搬する。よって、光センサ1と検知物体Aとが最近接しても、検知物体Aに反射した光は、発光素子11に最も近いアバランシェフォトダイオードである受光素子12に入射できる。そして、アバランシェフォトダイオードは光のTOFの測定に好適である。ゆえに、TOF方式により、光センサ1から検知物体Aまでの距離を測定できる。
<< Operation of
(Distance measurement)
As shown in FIG. 1, when the surface of the detection object A is a mirror surface, light emitted from the light emitting element 11 in one direction along the optical axis OA is reflected by the detection object A to the optical axis OA. In the vertical direction, the light emitted from the light emitting element 11 propagates a length equal to the spot diameter D spreading on the surface of the detection object A. Therefore, even if the
(鏡面判定)
図2は、図1に示される光センサ1の構成を示す正面図である。図2では、検知物体Aの表面は鏡面ではない。なお、図2では、図面を簡略化するために、光センサ1の筐体と、制御部15とを省略している。
(Surface judgment)
FIG. 2 is a front view showing the configuration of the
図2に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面ではない場合、三角測量法により、この距離を測定できる。そして、検知物体Aの表面が鏡面である場合と、この表面が鏡面ではない場合とで、検知物体Aに反射した光が入射する受光素子12の位置が異なる。具体的には、光センサ1がレンズ13を備えることにより、レンズ13により集光された拡散光は、検知物体Aと光センサ1との間の距離が大きくなるほど、発光素子11に近い側へ動く。また、検知物体Aと光センサ1との間の距離が近くなるほど、この拡散光は、発光素子11から遠い側へ動く。
As shown in FIG. 2, when the surface of the detection object A is not a mirror surface, this distance can be measured by triangulation. The position of the light receiving element 12 on which the light reflected by the detection object A is incident differs between when the surface of the detection object A is a mirror surface and when the surface is not a mirror surface. Specifically, as the
ゆえに、TOF部151・三角測量部152の特定結果と、光が入射した受光素子12の位置(受光位置)とに基づき、制御部15は、検知物体Aの表面が鏡面であるのか否かを判定できる。この判定において、光を異なる角度で投光・受光するといった複雑な構成を用いていない。よって、光センサ1は、簡易に検知物体Aの表面状態を判定できる。
Therefore, based on the identification results of the
〔実施形態2〕
本発明の第二実施形態について、図3〜図4を参照し説明する。なお、説明の便宜上、上述の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。後述の実施形態についても同様である。
Second Embodiment
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the member which has the same function as the member demonstrated in the above-mentioned embodiment for convenience of explanation, the same code | symbol is written in addition and the description is abbreviate | omitted. The same applies to the embodiments described later.
《光センサ1aの構成》
図3は、本実施形態の光センサ1aの構成を示す正面図である。図3では、検知物体Aの表面は鏡面である。図3に示されるように、光センサ1aは、発光素子11と、複数の受光素子12と、レンズ13l・13rと、制御部15と、破線で示される筐体とを備える。
<< Configuration of
FIG. 3 is a front view showing the configuration of the
(受光素子)
受光素子12は、左側受光素子12lと、右側受光素子12rとを含む。発光素子11から出射して検知物体Aに反射した光の一部は、レンズ13lを介し左側受光素子12lへと集光される。また、この光の他の一部は、レンズ13rを介し右側受光素子12rへと集光される。左側受光素子12lと、右側受光素子12rとは、光軸OAに垂直な方向へ配されたアバランシェフォトダイオードであり、光軸OAについて互いに対称に配されている。
(Light receiving element)
The light receiving element 12 includes a left light receiving element 12l and a right
受光素子121lは、左側受光素子12lのうち、発光素子11に最も近い位置に配されたものである。発光素子11から出射した光線Llは、対称軸SAlに対しある角度をなして検知物体Aaの表面へ入射する。入射した光線は、対称軸SAlに対し、このある角度と同一の角度をなして検知物体Aaの表面から反射する。そして、反射した光線は、レンズ13lを介して受光素子121lへ入射する。光軸OAと、受光素子121lの端部との間の距離は、発光素子11から出射した光が検知物体Aaの表面に広がるスポット径におおむね等しくなる。つまり、受光素子121lの発光素子11側の端部は、対称軸SAlについて発光素子11と対称な位置に配されている。
The
また、受光素子121rは、右側受光素子12rのうち、発光素子11に最も近い位置に配されたものである。発光素子11から出射した光線Lrは、対称軸SArに対しある角度をなして検知物体Aaの表面へ入射する。入射した光線は、対称軸SArに対し、このある角度と同一の角度をなして検知物体Aaの表面から反射する。そして、反射した光線は、レンズ13rを介して受光素子121rへ入射する。光軸OAと、受光素子121rの端部との間の距離は、発光素子11から出射した光が検知物体Aaの表面に広がるスポット径におおむね等しくなる。つまり、受光素子121rの発光素子11側の端部は、対称軸SArについて発光素子11と対称な位置に配されている。
The
《光センサ1aの動作および本実施形態の効果》
図3に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面である場合、発光素子11から光軸OAにそって一方向へ出射した光は、検知物体Aに反射することにより、光軸OAに垂直な方向へ、発光素子11から出射した光が検知物体Aの表面に広がるスポット径に等しい長さを伝搬する。よって、光センサ1aと検知物体Aとが最近接しても、検知物体Aに反射した光は、発光素子11に最も近いアバランシェフォトダイオードである受光素子121l・121rに入射できる。そして、アバランシェフォトダイオードは光のTOFの測定に好適である。ゆえに、TOF方式により、光センサ1aから検知物体Aまでの距離を測定できる。また、上述のとおり、制御部15は、検知物体Aの表面が鏡面であるのか否かを判定できる。以上より、光センサ1aは、簡易に検知物体Aの表面状態を判定できる。
<< Operation of
As shown in FIG. 3, when the surface of the detection object A is a mirror surface, light emitted from the light emitting element 11 in one direction along the optical axis OA is reflected by the detection object A to the optical axis OA. In the vertical direction, the light emitted from the light emitting element 11 propagates a length equal to the spot diameter spreading on the surface of the detection object A. Therefore, even if the
図4は、図3に示される光センサ1aの構成を示す正面図である。図4では、検知物体Aの表面は鏡面であり、かつ、検知物体Aは光センサ1aに対し傾いている。なお、図4では、図面を簡略化するために、光センサ1aの筐体と、制御部15とを省略している。
FIG. 4 is a front view showing the configuration of the
図4に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面であり、かつ、検知物体Aが光センサ1aに対し傾いた場合、例えば左側受光素子12lは、光を受光できないことがある。しかし、左側受光素子12lと、右側受光素子12rとは、光軸OAについて互いに対称に配されているため、右側受光素子12rは、この光を受光できる。このように、左側受光素子12lおよび右側受光素子12rのうちの少なくとも一方が、発光素子11から出射して検知物体Aに反射した光を受光できる。よって、検知物体Aが光センサ1aに対し傾いていても、光センサ1aは、簡易に検知物体Aの表面状態を判定できる。
As shown in FIG. 4, when the surface of the detection object A is a mirror surface and the detection object A is inclined with respect to the
〔実施形態3〕
本発明の第三実施形態について、図5を参照し説明する。
Third Embodiment
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
《検知物体の表面状態を高精度に判定するための構成およびその効果》
図5は、本実施形態の検知物体Aの表面状態を判定するための構成を示す模式図であって、(a)は検知物体Aの表面が鏡面である構成を示し、(b)は検知物体の表面が鏡面ではない構成を示す。図5の構成は、光センサ1aにも同様に適用できる。
<< Configuration and effect for determining the surface state of a detection object with high precision >>
FIG. 5 is a schematic view showing a configuration for determining the surface state of the detection object A of the present embodiment, wherein (a) shows a configuration in which the surface of the detection object A is a mirror surface, and (b) shows detection The structure where the surface of an object is not a mirror surface is shown. The configuration of FIG. 5 is similarly applicable to the
図5の(a)に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面である場合、発光素子11から出射して検知物体Aに反射した光は、発光素子11に最も近い位置に配された受光素子121へ入射する。光電流分布Daは、受光素子12が光を受光した位置と、その光電流とを示している。この光電流は、受光素子121の位置のみに分布している。発光素子11から出射した光は、検知物体Aで正反射するため、光電流の波高値は比較的高くなる。
As shown in (a) of FIG. 5, when the surface of the detection object A is a mirror surface, the light emitted from the light emitting element 11 and reflected by the detection object A is disposed at a position closest to the light emitting element 11 The light enters the
一方、図5の(b)に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面ではない場合、発光素子11から出射して検知物体Aに反射した光は、受光素子121よりも発光素子11から遠い受光素子122〜124へ入射する。光電流分布Dbの光電流は、受光素子122〜124の位置に分布している。発光素子11から出射した光は、検知物体Aで拡散反射するため、光電流の波高値は比較的小さくなる。なお、検知物体Aの表面が鏡面ではない場合、発光素子11から出射した光は、検知物体Aにて拡散反射し、レンズ13の中心を基準に集光・受光される。このため、拡散反射した光の光軸中心は、レンズ13の中心を通過する。
On the other hand, as shown in (b) of FIG. 5, when the surface of the detection object A is not a mirror surface, the light emitted from the light emitting element 11 and reflected to the detection object A is closer to the light emitting element 11 than the
以上のように、検知物体Aの表面が鏡面である場合と、鏡面ではない場合とで、光が入射した受光素子12の位置(個数)だけではなく、光電流の波高値が異なる。このため、光が入射した受光素子の個数と、波高値とから、より高精度に検知物体Aの表面状態を判定できる。 As described above, not only the position (number) of the light receiving elements 12 on which light is incident but also the peak value of the photocurrent differs depending on whether the surface of the detection object A is a mirror surface or not. For this reason, the surface state of the detection object A can be determined with higher accuracy from the number of light receiving elements into which light has entered and the peak value.
〔実施形態4〕
本発明の第四実施形態について、図6を参照し説明する。
Embodiment 4
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
《光センサから検知物体までの距離を確実に測定するための構成》
図6は、本実施形態の光センサ1から検知物体Aまでの距離を測定するための構成を示す回路図である。なお、図6の構成は、光センサ1aにも同様に適用できる。図6に示されるように、光センサ1は、一つの受光素子ごとに、抵抗素子Rと、トランジスタTと、定電流源Sと、をさらに備える。なお、図6では、光センサ1が備える複数の受光素子のうちの一つが、受光素子12として示されている。トランジスタTは、酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET;metal oxide semiconductor field effect transistor)である。この構成に限定されるわけではなく、トランジスタTは、アバランシェフォトダイオードである受光素子12の応答速度に応じて、高速にON/OFFできるトランジスタであれば、どのようなものであってもよい。
<< Configuration for reliably measuring the distance from the optical sensor to the detected object >>
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration for measuring the distance from the
受光素子12のカソードは、高電圧線HVに接続されている。受光素子12のアノードは、抵抗素子Rの一端に接続されている。抵抗素子Rの他端と、トランジスタTのゲート端子と、定電流源Sの一端とは、ノードNに接続されている。定電流源Sの他端と、トランジスタTのソース端子とは、GNDに接地されている、または、比較的低電圧の配線に接続されている。トランジスタTのドレイン端子は、制御部15に接続されており、出力信号Iが流れる。
The cathode of the light receiving element 12 is connected to the high voltage line HV. The anode of the light receiving element 12 is connected to one end of the resistive element R. The other end of the resistive element R, the gate terminal of the transistor T, and one end of the constant current source S are connected to the node N. The other end of the constant current source S and the source terminal of the transistor T are grounded to GND or connected to a relatively low voltage wiring. The drain terminal of the transistor T is connected to the
このように、受光素子12に対し、直列に抵抗素子が挿入されることにより、ノードNの電位に応じた出力信号Iが得られると共に、受光素子12の光電流を制限するクエンチングが可能となる。なお、抵抗素子Rは、トランジスタによる抵抗でも構成可能である。 Thus, by inserting a resistance element in series with the light receiving element 12, an output signal I corresponding to the potential of the node N can be obtained, and quenching for limiting the photocurrent of the light receiving element 12 is possible. Become. The resistance element R can also be configured as a resistance by a transistor.
《本実施形態の効果》
図5の(a)に示されるように、検知物体Aの表面が鏡面である場合には、受光素子12から得られる光電流の波高値が高くなる。このとき、光電流のクエンチングに時間を要するため、光センサから検知物体までの距離の高速検知が困難になることがある。図6に示される抵抗素子Rの抵抗値を高くすることで、安定して高速検知できる。
<< Effect of this embodiment >>
As shown in (a) of FIG. 5, when the surface of the detection object A is a mirror surface, the peak value of the photocurrent obtained from the light receiving element 12 becomes high. At this time, since it takes time to quench the photocurrent, high-speed detection of the distance from the light sensor to the detection object may be difficult. By increasing the resistance value of the resistance element R shown in FIG. 6, stable and high-speed detection can be performed.
クエンチングされた光電流の減衰は、検出開始時からクエンチングまでの時間をt、抵抗素子Rの抵抗値をR、その寄生容量をCとおくと、係数exp(−t/RC)に依存する。発光素子11に近い受光素子12ほど、その受光素子12から得られる光電流が大きくなるため、時間tが長くなる傾向にある。このため、時間tに応じて、減衰に係る上記係数が一定値以上となるように、抵抗素子Rの抵抗値を選択すればよい。 The attenuation of the quenched photocurrent depends on the coefficient exp (-t / RC), where t is the time from the start of detection to quenching, R is the resistance of resistor element R, and C is its parasitic capacitance. Do. As the light receiving element 12 is closer to the light emitting element 11, the photocurrent obtained from the light receiving element 12 is larger, so the time t tends to be longer. Therefore, the resistance value of the resistance element R may be selected so that the above coefficient relating to the attenuation becomes equal to or more than a predetermined value according to the time t.
〔実施形態5〕
本発明の第五実施形態について、図7を参照し説明する。
Fifth Embodiment
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
《ロボット掃除機の構成》
図7は、本実施形態のロボット掃除機5(電子機器)の構成を示す図であって、(a)は正面図であり、(b)は底面図である。なお、図を明瞭にするために、図7の(b)では床面6を省略している。また、図7の(a)のXYZ軸と、図7の(b)のXYZ軸とは、対応している。
<< Configuration of Robot Vacuum Cleaner >>
FIG. 7 is a view showing the configuration of a robot cleaner 5 (electronic device) of the present embodiment, where (a) is a front view and (b) is a bottom view. In addition, in order to clarify a figure, the
図7の(a)に示されるように、ロボット掃除機5は、光センサ1または1aと、筐体51と、タイヤ52とを備える。光センサ1または1aは、筐体51に設けられている。そして、光センサ1または1aが備える発光素子から床面6へ、光軸OAにそって光が出射される。図7の(b)に示されるように、ロボット掃除機5の筐体51には、吸引部53が設けられている。吸引部53には、床面6からごみを吸い込むローラーが設けられている(非図示)。
As shown in (a) of FIG. 7, the robot cleaner 5 includes the
《ロボット掃除機の動作および効果》
ロボット掃除機5は、タイヤ52の回転を床面6に伝えてY軸正方向側へ走行する。なお、ロボット掃除機5は、その底面と床面6とを略平行に保つための機構を備えていてもよい。図7の(b)に示されるように、光センサ1または1aは、ロボット掃除機5の底面において、吸引部53に対し、ロボット掃除機5の走行方向正面側に配されている。ロボット掃除機5は、掃除対象である床面6の状態を検出して吸引力を変更できるため、ごみ収集能力向上および省エネに貢献できる。以上のように、光センサ1または1aを備えた電子機器も本発明に含まれる。
<< Operation and effect of robot vacuum cleaner >>
The robot cleaner 5 transmits the rotation of the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る光センサ1・1aは、検知物体Aに反射した光を用いて検知物体までの距離を測定する光センサであって、一方向へ光を出射する発光素子11と、上記発光素子の上記一方向に垂直な方向へ配された複数のアバランシェフォトダイオード(受光素子12・左側受光素子12l・右側受光素子12r)と、上記検知物体と上記発光素子とを隔てる筐体と、上記発光素子と上記複数のアバランシェフォトダイオードとに接続され、TOF方式および三角測量方式で上記距離を特定する制御部15とを備え、上記発光素子と、上記発光素子に最も近い上記アバランシェフォトダイオードとの間の距離rは、上記検知物体が上記筐体に接触するときに、上記発光素子から出射した光が上記検知物体の表面に広がるスポット径Dに等しく、上記制御部は、特定した上記距離と、上記アバランシェフォトダイオードの受光位置とを比較して、上記検知物体の表面状態を検知する。
[Summary]
The
上記構成によれば、検知物体の表面が鏡面である場合、発光素子から一方向へ出射した光は、検知物体に反射することにより、この一方向に垂直な方向へ、発光素子から出射した光が検知物体の表面に広がるスポット径に等しい長さを伝搬する。よって、光センサと検知物体とが最近接するとき、つまり検知物体が筐体に接触するときでも、検知物体に反射した光は、発光素子に最も近いアバランシェフォトダイオードに入射できる。 According to the above configuration, when the surface of the detection object is a mirror surface, the light emitted in one direction from the light emitting element is reflected by the detection object, whereby the light emitted from the light emitting element in the direction perpendicular to the one direction Propagates a length equal to the spot diameter spreading on the surface of the sensing object. Therefore, even when the light sensor and the detection object are in closest contact with each other, that is, even when the detection object is in contact with the housing, light reflected by the detection object can be incident on the avalanche photodiode closest to the light emitting element.
さらに、検知物体の表面が鏡面である場合、TOF方式により、光センサから検知物体までの距離を測定できる。検知物体の表面が鏡面ではない場合、三角測量法により、この距離を測定できる。そして、検知物体の表面が鏡面である場合と、この表面が鏡面ではない場合とで、検知物体に反射した光が入射するアバランシェフォトダイオードは異なる。ゆえに、TOF方式・三角測量方式で特定した距離と、光が入射したアバランシェフォトダイオードの位置とに基づき、制御部は、検知物体の表面が鏡面であるのか否かを判定できる。この判定において、光を異なる角度で投光・受光するといった複雑な構成を必要としない。 Furthermore, when the surface of the detection object is a mirror surface, the distance from the light sensor to the detection object can be measured by the TOF method. If the surface of the object to be detected is not specular, this distance can be measured by triangulation. And, when the surface of the detection object is a mirror surface and when the surface is not a mirror surface, the avalanche photodiodes to which the light reflected by the detection object is incident are different. Therefore, based on the distance specified by the TOF method / triangulation method and the position of the avalanche photodiode on which the light is incident, the control unit can determine whether the surface of the detection object is a mirror surface. This determination does not require a complicated configuration in which light is projected and received at different angles.
以上のように、検知物体に反射した光を用いて検知物体までの距離を測定する光センサにおいて、簡易に検知物体の表面状態を判定できる。 As described above, in the optical sensor that measures the distance to the detection object using the light reflected by the detection object, the surface state of the detection object can be easily determined.
本発明の態様2に係る光センサでは、上記態様1において、上記アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードで動作してもよい。
In the optical sensor according to aspect 2 of the present invention, in the
アバランシェフォトダイオードが光を電気信号に変換した検出信号は、高周波であるほどその振幅が小さくなる。このとき、検出信号の検出が困難になる。そして、検知物体と光センサとが近接するほど、この検出信号は高周波になる。 The detection signal obtained by converting the light into an electrical signal by the avalanche photodiode has a smaller amplitude as the frequency is higher. At this time, detection of the detection signal becomes difficult. Then, the closer the detection object and the light sensor, the higher the detection signal.
上記構成によれば、アバランシェフォトダイオードがガイガーモードで動作することにより、検出信号の振幅を高めることができる。ゆえに、光センサは、より近接した検知物体までの距離を演算できる。 According to the above configuration, the amplitude of the detection signal can be increased by operating the avalanche photodiode in the Geiger mode. Therefore, the light sensor can calculate the distance to the closer detected object.
本発明の態様3に係る光センサでは、上記態様1または2において、光を受光した上記アバランシェフォトダイオードの個数と、上記アバランシェフォトダイオードが出力する光電流の波高値とから、上記検知物体の表面状態を検知してもよい。
In the optical sensor according to aspect 3 of the present invention, the surface of the detection object according to
上記構成によれば、検知物体の表面が鏡面である場合と、鏡面ではない場合とで、光が入射したアバランシェフォトダイオードの位置(個数)だけではなく、光電流の波高値が異なる。このため、光が入射したアバランシェフォトダイオードの個数と、波高値とから、より高精度に検知物体の表面状態を判定できる。 According to the above configuration, not only the position (number) of avalanche photodiodes on which light is incident but also the peak value of the photocurrent differs depending on whether the surface of the detection object is a mirror surface or not. For this reason, the surface state of the detection object can be determined with higher accuracy from the number of avalanche photodiodes on which light has entered and the peak value.
本発明の態様4に係る光センサは、上記態様1から3のいずれか一態様において、上記複数のアバランシェフォトダイオードのそれぞれに直列に接続された抵抗素子Rをさらに備え、上記抵抗素子の抵抗値は、上記抵抗素子に接続された上記アバランシェフォトダイオードと上記発光素子との間の距離が近いほど高くてもよい。
The optical sensor according to aspect 4 of the present invention further comprises a resistance element R connected in series to each of the plurality of avalanche photodiodes in any one of the
検知物体の表面が鏡面である場合には、アバランシェフォトダイオードから得られる光電流の波高値が高くなる。このとき、光電流のクエンチングに時間を要するため、光センサから検知物体までの距離の高速検知が困難になることがある。 When the surface of the detection object is a mirror surface, the peak value of the photocurrent obtained from the avalanche photodiode becomes high. At this time, since it takes time to quench the photocurrent, high-speed detection of the distance from the light sensor to the detection object may be difficult.
上記構成によれば、発光素子に近いアバランシェフォトダイオードほど、そのアバランシェフォトダイオードから得られる光電流が大きくなるため、検出開始時からクエンチングまでの時間が長くなる傾向にある。この傾向に応じて抵抗素子の抵抗値を高くすることで、安定して高速検知できる。 According to the above configuration, as the avalanche photodiode is closer to the light emitting element, the photocurrent obtained from the avalanche photodiode is larger, so the time from the detection start to the quenching tends to be longer. By increasing the resistance value of the resistance element according to this tendency, stable and high-speed detection can be performed.
本発明の態様5に係る電子機器は、上記態様1から4のいずれか一態様に記載の光センサを備える。
An electronic device according to aspect 5 of the present invention includes the optical sensor according to any one of the
(その他の態様)
本発明の他の態様に係る光センサでは、上記態様1から4のいずれか一態様において、上記アバランシェフォトダイオードは、上記発光素子に対して対称に配されていてもよい。
(Other modes)
In the optical sensor according to another aspect of the present invention, in any one of the
検知物体の表面が鏡面であり、かつ、検知物体が光センサに対し傾いた場合、アバランシェフォトダイオードは、光を受光できないことがある。 If the surface of the detection object is a mirror surface and the detection object is tilted with respect to the light sensor, the avalanche photodiode may not be able to receive light.
上記構成によれば、対称に配された複数のアバランシェフォトダイオードのうちの少なくとも一つは、発光素子から出射して検知物体に反射した光を受光できる。よって、検知物体が光センサに対し傾いていても、光センサは、簡易に検知物体の表面状態を判定できる。 According to the above configuration, at least one of the plurality of symmetrically arranged avalanche photodiodes can receive the light emitted from the light emitting element and reflected by the detection object. Therefore, even if the detected object is tilted with respect to the light sensor, the light sensor can easily determine the surface state of the detected object.
〔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。
[Items to be added]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
本発明は、ロボット掃除機の床面状態検出に利用することができる。 The present invention can be used to detect the floor condition of a robot cleaner.
1・1a 光センサ
5 ロボット掃除機(電子機器)
11 発光素子
12 受光素子(アバランシェフォトダイオード)
12l 左側受光素子(アバランシェフォトダイオード)
12r 右側受光素子(アバランシェフォトダイオード)
13・13l・13r レンズ
15 制御部
151 TOF部
152 三角測量部
A 検知物体
D スポット径
R 抵抗素子
T トランジスタ
d 最近接距離
r 距離
1 ・ 1a Optical Sensor 5 Robot Cleaner (Electronic Equipment)
11 light emitting element 12 light receiving element (avalanche photodiode)
12 l Left light receiving element (avalanche photodiode)
12r Right light receiving element (avalanche photodiode)
13 · 13 l ·
Claims (5)
一方向へ光を出射する発光素子と、
上記発光素子の上記一方向に垂直な方向へ配された複数のアバランシェフォトダイオードと、
上記検知物体と上記発光素子とを隔てる筐体と、
上記発光素子と上記複数のアバランシェフォトダイオードとに接続され、TOF方式および三角測量方式で上記距離を特定する制御部と、
を備え、
上記発光素子と、上記発光素子に最も近い上記アバランシェフォトダイオードとの間の距離は、上記検知物体が上記筐体に接触するときに、上記発光素子から出射した光が上記検知物体の表面に広がるスポット径に等しく、
上記制御部は、特定した上記距離と、上記アバランシェフォトダイオードの受光位置とを比較して、上記検知物体の表面状態を検知する、
ことを特徴とする光センサ。 An optical sensor that measures the distance to a detection object using light reflected by the detection object,
A light emitting element that emits light in one direction;
A plurality of avalanche photodiodes disposed in a direction perpendicular to the one direction of the light emitting element;
A housing separating the detection object and the light emitting element;
A control unit connected to the light emitting element and the plurality of avalanche photodiodes and specifying the distance by the TOF method and the triangulation method;
Equipped with
The distance between the light emitting element and the avalanche photodiode closest to the light emitting element is such that light emitted from the light emitting element spreads on the surface of the detection object when the detection object contacts the casing. Equal to the spot diameter,
The control unit detects the surface state of the detection object by comparing the specified distance with the light receiving position of the avalanche photodiode.
An optical sensor characterized by
上記抵抗素子の抵抗値は、上記抵抗素子に接続された上記アバランシェフォトダイオードと上記発光素子との間の距離が近いほど高いことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の光センサ。 And a resistive element connected in series to each of the plurality of avalanche photodiodes,
The resistance value of the said resistive element is so high that it is so high that the distance between the said avalanche photodiode connected to the said resistive element and the said light emitting element is near, It is described in any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. Light sensor.
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