JP6907311B2 - 電子回路、および、そのような電子回路を備える飛行時間センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば飛行時間センサで使用される、放射放出素子の電源装置に関する。

本発明は、より詳しくは、電子回路、および、そのような電子回路を備える飛行時間センサに関係する。

本発明は、特に有利には、飛行時間センサにより放出される信号の良好な反復性を得ることが所望される事例で適用される。

飛行時間センサ（「ＴｏＦセンサ」すなわち「飛行時間センサ」）では、発光ダイオードなどの放射放出素子は、物体上での反射後、受信素子により検出されることが意図されている所与の信号を放出する。したがって、物体の距離は、信号の放出と、受信素子でのその信号の受信との間に経過する時間を基に算定され得る。

効率的な動作を達成するために、放出される信号は、高周波数で変調される。したがって、放出素子は、非常に短い立ち上がりおよび立ち下がりエッジを有する、高周波数パルスで、かつ相対的に高いレベルで形成される電流が流れなければならない。

高周波数電流におけるこれらの著しい変動は、その調整ループが、前述のパルスの持続時間より大きい特性時間を有する、電流調整器の使用を事前に妨げる。

したがって、電圧調整される電源装置、および、この電圧を電流に転換する抵抗器が、放射放出素子に給電するためにしばしば使用される。

しかし、この解決策は、前述の抵抗器でのジュール効果と、温度による発光ダイオードの電圧ドリフトに結び付けられる電流ドリフトと、製品ごとの発光ダイオードの端子での電圧の変動性に結び付けられる、得られる電流の不正確さとに起因して、加熱、および、効率の損失を必然的に含む。

この文脈で、本発明は、少なくとも１つの放射放出素子と、放射放出素子に接続される、調整端子および電流生成端子を有する電流調整器と、自身を通って流れる電流を表す信号を生成する測定素子と、電流生成端子、放射放出素子、および測定素子を通過する電気経路を、連続的に開閉するように変調信号により制御されるスイッチと、測定素子と電流調整器との間に挿置され、その信号を、調整端子に対して意図される平滑化された信号（変調を伴わない）に転換するために設計されている変換回路とを備える電子回路を提供する。

変換回路により、電流調整器での電流の調整は、変調信号の制御下でスイッチにより引き起こされる電流遮断による影響を受けないことになる。

したがって、そのような回路は、一定の電流によって放射放出素子に給電するために、および、例えば飛行時間センサに設けられるような、高周波数放出素子での電流の変調を制御するために使用される。

放出素子は、例えば発光ダイオードであり、放出素子により放出される放射は、この事例ではとりわけ、赤外線放射であり得る。

下記で説明される、いくつかの実施形態では、複数の放出素子が、電気経路上に直列に取り付けられて設けられ得る。

測定素子は、実際には抵抗器であり得、その事例では、電流を表す信号は、この抵抗器の端子での電圧である。

変換回路は、例えばローパスフィルタである。この事例では、そのようなローパスフィルタは、変調信号の周波数より低いカットオフ周波数を有し得る。

変形例として、変換回路は、ピーク検出器、または、アナログ−デジタル変換器およびプロセッサから形成される組立体であり得る。

そのような変調信号は、例えば、ここでは１００ｎｓ未満の周期を有する、周期信号である。

本発明は、さらには、上記で提供されたものなどの電子回路を備える飛行時間センサを提供する。

そのような飛行時間センサは、（複数の画素を備える）受信アレイなどの受信素子をさらに備え得る。受信素子は、次いで、反射の後に、放射放出素子により放出される放射を受信するために設計され得る。そのような飛行時間センサは、３次元カメラを形成する。

非限定的な例として与えられる、添付の図面を参照する、後に続く説明は、何の形態を本発明がとるか、および、どのように本発明が実現され得るかを明瞭にすることになる。

添付の図面においては、以下の通りである。

飛行時間センサの電子回路を示す図である。 図１の電子回路で使用される第１の電気信号を示す図である。 図１の電子回路で使用される第２の電気信号を示す図である。

飛行時間原理に基づく３次元カメラ（「ＴｏＦ３Ｄカメラ」すなわち「飛行時間３Ｄカメラ」）などの飛行時間センサは、少なくとも１つの電磁放射放出素子２（典型的には、赤外線部を放出する１つまたは複数の発光ダイオード）と、画素から形成される受信アレイなどの電磁放射受信素子４とを備える。

（一般的には、図１で表されない光学放出システムによって）放出素子２により放出される放射Ｅは、放射Ｅの経路上で遭遇する第１の物体により、受信素子４の方向に反射される（図１での符号Ｒ）。

放出素子２により提供される信号の放出と、受信素子４による対応する信号の受信との間の時間を測定することにより、距離が、遭遇する前述の第１の物体について算定され得る。

受信素子４が受信アレイである、前述の事例では、受信光学システム（レンズなど）が、受信素子４に対向して配置され、そのことによって、受信素子４の各々の画素は、飛行時間センサにより分析される立体角の特定の方向から発出する、反射される信号Ｒを受信する。

図１でわかるように、制御ユニット５（例えば、マイクロコントローラ）が、下記で説明されるように、放出素子２による放射Ｅの放出を制御し、次いで、（ここでは、アレイの異なる画素に対しての）受信素子４により測定される信号Ｌ_ｉを分析することを、上記で述べられた原理によって（ここでは、飛行時間センサに面する複数の空間的方向に対しての）遭遇する第１の物体の距離ｄ_ｉを決定するように行う。

この距離ｄ_ｉ（または、これらの距離ｄ_ｉ）は、制御ユニット５により別の電子システム（図示せず）に、後者による使用のために送信される。

例えば、自動車の分野では、飛行時間センサは、車両の前方環境のマッピングを構築するために、および／または、障害物を検出するために、および／または、前部で位置特定される別の車両の速度を（距離ｄ_ｉからの導出により）算定するために、車両の前部に配置され得る。

別の可能性によれば、飛行時間センサは、車両の乗室内に（例えば、車両の運転者に面して）配置され得、制御ユニット５により決定される距離ｄ_ｉは、ジェスチャ認識アルゴリズムで使用され得る。

図１で示されるように、放出素子２は、電源回路１０により（電流で）給電される。

制御されたスイッチ６が、さらには、放出素子２により放出される放射Ｅの変調を（制御ユニット５により生成される、および、図３で表される変調信号Ｍの制御下で）生成することができるように、電源回路１０および放出素子２と直列に取り付けられる。そのような変調は、（遭遇する第１の物体上の反射の後に）受信素子４により認識可能な信号を放出するために、飛行時間センサの動作の一部として使用される。

電源回路１０は、電流調整器１２と、測定素子１４と、変換回路、ここではローパスフィルタ１６とを備える。

電流調整器１２は、車両の電池８の端子に接続される電源端子Ｖ_ａｌｉｍと、活動化端子Ｅｎｂｌと、調整端子Ｒｅｇと、電流調整器１２により生成される電流Ｉが送り出される出力端子Ｏとを備える。

電流調整器１２は、出力端子Ｏ上に、予め決定された電圧が活動化端子Ｅｎｂｌ上に存在するときに、調整端子Ｒｅｇ上に存在する電圧によって調整される電流Ｉを送り出すために設計されている。

測定素子１４、ここでは抵抗器は、出力端子（または、電流生成端子）Ｏと、電子回路の接地（その接地は代わって、図１で図示されるように、車両の電池８の他方の端子に接続される）との間で、放出素子２および制御されたスイッチ６と直列に取り付けられる。

したがって、測定素子１４は、この測定素子１４を通って流れる電流を表す信号（ここでは、測定素子１４の端子での電圧Ｖ_ｍｅｓ）を供給する。

この信号Ｖ_ｍｅｓは、変換回路を通して、すなわち、ここではローパスフィルタ１６を通して、電流調整器１２の調整端子に送信される。したがって、ローパスフィルタ１６は、調整端子Ｒｅｇ上で、ここでは、信号Ｖ_ｍｅｓの低周波数成分に制限される、平滑化された信号Ｓを送信する。

変形例として、変換回路１６は、ピーク検出器であり得る。そのようなピーク検出器は、さらには、それが、調整端子Ｒｅｇ上で、変調信号Ｍの制御下で制御されたスイッチ６による電流Ｉの変調に起因する、信号Ｖ_ｍｅｓに存在する変動のない、平滑化された信号Ｓを送信することを可能にする。

さらに別の変形例によれば、変換回路１６は、アナログ−デジタル変換器（信号Ｖ_ｍｅｓをデータシーケンスに変換する能力のある）と、プロセッサ（その出力端子のうちの１つ上で、デジタル処理により、前述のデータシーケンスを基に生成される、平滑化された信号Ｓを生成する能力のある）とを含み得る。

測定素子１４、変換回路１６、および調整端子Ｒｅｇは、出力端子Ｏ上の予め決定された電流Ｉを得るための、電流調整器１２の、調整ループまたはフィードバックループを形成する。

今述べた電子回路の動作が、下記で説明される。

放出素子２により放射Ｅのバーストを放出するために、制御ユニット５は、予め決定された持続時間ｔ_０の間の電流調整器１２の活動化を（周期Ｔ_１によって）周期的に命じることを、ここでは、電流調整器１２の活動化端子Ｅｎｂｌ上に、対応する信号Ｂ（持続時間ｔ_０および周期Ｔ_１の周期的電圧ステップの、図２で表されるように形成される）を付与することにより行う。したがって、ｔ_０＜Ｔ_１である。

電流調整器１２のこれらの活動化範囲の間、制御ユニット５は、既に述べられた変調信号Ｍを、制御されたスイッチ６の制御端子にさらに送信することを、変調信号Ｍ（その例が、図３で表される）による、制御されたスイッチ６の開閉を（連続的に、および反復で）可能とするために行う。

変調信号Ｍは、例えば、周期Ｔ_２の周期的方形波信号であり、一般的にはＴ_２＜０．１．ｔ_０（および、したがって、Ｔ_２＜０．１．Ｔ_１）である。この箇所において、図３は、純粋に例示的であり、今述べた事例（持続時間ｔ_０の各々のバーストが、変調信号Ｍの少なくとも１０個のパルスを備える）を表さないということが留意される。

実際には、持続時間ｔ_０は、例えば、５０μｓから６００μｓの間である。周期Ｔ_１は、１ｍｓから４ｍｓの間であり得、一方で、周期Ｔ_２は、例えば、２０ｎｓから１００ｎｓの間である。

変調信号Ｍにより制御されたスイッチ６の制御に起因して、電流Ｉ（電流発生器１２により生成される）は、変調信号Ｍがハイレベルに（すなわち、この変調信号Ｍで形成されるパルスの間で）ある瞬間に、放出素子２（または、複数の放出素子）内を流れるのみである。

特に効率的な動作を得るために、変調信号Ｍの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジは、短い持続時間のものである。

したがって、上記で解説されたような飛行時間センサを動作させるために要される放射Ｅが得られる。

しかし、ローパスフィルタ１６により、電流調整器１２の調整端子Ｒｅｇ上で受信される信号Ｓは、信号Ｖ_ｍｅｓに存在する、および、変調信号Ｍの周波数での電流Ｉの遮断に起因する、鋭い変動を含まない。

この事項において、ローパスフィルタ１６は、典型的には、１／ｔ_０から１／Ｔ_２の間の（すなわち、変調信号の周波数１／Ｔ_２より低い）、例えば、２０ｋＨｚから５０ＭＨｚの間のカットオフ周波数を有する。

したがって、電流調整器１２による（測定素子１４と、ローパスフィルタ１６と、調整端子Ｒｅｇとを備える、調整ループまたはフィードバックループの手段による）電流Ｉの調整は、飛行時間センサの動作に対して要される変調を目指して、制御されたスイッチ６により引き起こされる、放出素子２での電流の強度の急速な変動にも関わらず、正しく動作する。

基準の動作（設定点に達した電流Ｉ）では、ローパスフィルタの出力信号Ｓは、電流Ｉが測定素子１４内を流れるときの、信号Ｖ_ｍｅｓの割合部分のみに対応する（信号Ｖ_ｍｅｓは、時間の残りではゼロである）ということが留意される。この状況は、電流コントローラ１２の出力での設定点電流Ｉを、バーストの間のこの電流Ｉの予め決定された遮断の存在の場合に得るために、（例えば、測定素子１４を形成する抵抗器の値を、割合に応じて増大することにより）調整ループを規定するときに考慮に入れられる。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの放射放出素子（２）を備える電子回路であって、
   前記放射放出素子（２）に接続され、活動化端子（Ｅｎｂｌ）、調整端子（Ｒｅｇ）および電流生成端子（Ｏ）を有する電流調整器（１２）と、
   自身を通って流れる電流を表す信号（Ｖｍｅｓ）を生成する測定素子（１４）と、
   前記電流生成端子（Ｏ）、前記放射放出素子（２）、および前記測定素子（１４）を通過する電気経路を、連続的に開閉するように変調信号（Ｍ）により制御されるスイッチ（６）と、
   前記測定素子（１４）と前記電流調整器（１２）との間に挿置され、前記信号（Ｖｍｅｓ）を、前記調整端子（Ｒｅｇ）に対して意図される平滑化された信号（Ｓ）に転換するために設計されている変換回路（１６）と、
   前記平滑化された信号（Ｓ）に基づいて調整された電流（Ｉ）が前記電流生成端子（Ｏ）から出力される期間を設定する信号（Ｂ）を前記活動化端子（Ｅｎｂｌ）へ送信するとともに、前記変調信号（Ｍ）を前記スイッチ（６）へ送信する制御ユニット（５）と、
   を特徴とする、電子回路。
2. 前記放出素子は、発光ダイオード（２）である、請求項１に記載の電子回路。
3. 前記放出素子（２）により放出される放射は、赤外線放射である、請求項１または２に記載の電子回路。
4. 前記電気経路上に直列に取り付けられる複数の放出素子を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の電子回路。
5. 前記測定素子は、抵抗器（１４）である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電子回路。
6. 前記変換回路は、ローパスフィルタ（１６）である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電子回路。
7. 前記ローパスフィルタ（１６）は、前記変調信号（Ｍ）の周波数より低いカットオフ周波数を有する、請求項６に記載の電子回路。
8. 前記変換回路は、ピーク検出器である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電子回路。
9. 前記変調信号（Ｍ）は、１００ｎｓ未満の周期を有して周期的である、請求項１から８のいずれか一項に記載の電子回路。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の電子回路を備える飛行時間センサ。
11. 反射の後に、前記放射放出素子（２）により放出される前記放射を受信するために設計されている受信素子（４）を備える、請求項１０に記載の飛行時間センサ。
12. 前記受信素子（４）は、受信アレイである、請求項１１に記載の飛行時間センサ。

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