KR102279479B1

KR102279479B1 - 근접 센서

Info

Publication number: KR102279479B1
Application number: KR1020170111136A
Authority: KR
Inventors: 유야 카와사키; 나오스미 와키
Original assignee: 미쓰미덴기가부시기가이샤
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2021-07-20
Also published as: KR20180035666A; TW201814323A; CN107888176B; US20180088217A1; JP6908819B2; CN107888176A; US10126414B2; TWI735657B; JP2018056852A

Abstract

(과제)
물체의 근접 정도의 검출 정밀도의 향상.
(해결 수단)
발광 펄스가 물체에 반사함으로써 도래하는 반사광을 수광하여, 상기 물체의 근접을 검출하는 근접 센서로서, 상기 반사광을 수광하는 수광 소자로부터 상기 물체의 근접 정도에 따른 크기로 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 변환 회로와, 상기 변환 회로의 출력 전압을 차동 전압으로 변환하여 출력하는 차동 변환 회로와, 상기 차동 변환 회로의 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 상승으로 샘플링한 값으로부터, 상기 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 하강으로 샘플링한 값을 감산하는 차동 구성의 상관 이중 샘플링 회로를 구비하는 근접 센서.

Description

근접 센서{PROXIMITY SENSOR}

본 발명은 근접 센서에 관한 것이다.

종래 발광 펄스가 물체에 반사함으로써 도래하는 반사광을 수광하여, 당해 물체의 유무를 검지하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조).

일본 특개 평6-152364호 공보

그러나 반사광에 포함되는 외란광(예를 들면, 태양광이나 조명광 등의 환경광)의 영향을 받으면 물체의 근접 정도의 검출 정밀도가 저하되는 경우가 있다.

그래서 본 개시는 물체의 근접 정도의 검출 정밀도를 향상시킨 근접 센서의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 개시의 하나의 태양에서는

발광 펄스가 물체에 반사함으로써 도래하는 반사광을 수광하여, 상기 물체의 근접을 검출하는 근접 센서로서,

상기 반사광을 수광하는 수광 소자로부터 상기 물체의 근접 정도에 따른 크기로 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 변환 회로와,

상기 변환 회로의 출력 전압을 차동 전압으로 변환하여 출력하는 차동 변환 회로와,

상기 차동 변환 회로의 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 상승 기간에 샘플링한 값으로부터, 상기 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 하강 기간에 샘플링한 값을 감산하는 차동 구성의 상관 이중 샘플링 회로를 구비하는 근접 센서가 제공된다.

본 개시의 태양에 의하면 물체의 근접 정도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 근접 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 근접 센서의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 상관 이중 샘플링 회로에 입력되는 차동 전압과, 상관 이중 샘플링 회로의 샘플링 페이즈의 관계의 일례를 나타내는 타이밍차트이다.
도 4는 페이즈 1에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 페이즈 2에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 페이즈 3에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 페이즈 4에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 페이즈 5에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 따라 설명한다.

도 1은 근접 센서의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 근접 센서(1)는 발광 펄스(12)가 발광 소자(11)로부터 방사되도록 발광 소자(11)를 구동하고, 발광 소자(11)로부터 방사되는 발광 펄스(12)가 물체에서 반사함으로써 도래하는 반사광(13)을 수광 소자(10)로 수광한다. 그리고 근접 센서(1)는 수광 소자(10)로 수광한 반사광(13)의 강도에 기초하여 당해 물체의 근접을 검출한다.

근접 센서(1)가 근접을 검출하는 대상물에는 인체의 전부 또는 부분(예를 들면, 손, 손가락, 얼굴 등)이 포함된다. 근접 센서(1)는 예를 들면 스마트폰 등의 휴대형 정보 기기에 탑재된다.

근접 센서(1)는 예를 들면 칩 상에 형성된 반도체 집적 회로이다. 근접 센서(1)는 패키지되어 있지 않은 베어 칩이어도 되고, 수지 패키지된 모듈품이어도 된다. 또 근접 센서(1)는 조도 센서와 근접 센서가 일체화된 반도체 집적 회로 중 근접 센서의 회로 부분이어도 된다.

근접 센서(1)는 발진기(60), 클록 생성부(61), 구동부(70), 수광 소자(10), 변환 회로(20), 차동 변환 회로(30), 상관 이중 샘플링 회로(40), AD(Analog-to-digital) 컨버터(50)를 구비한다.

발진기(60)는 발진 신호를 출력하는 회로이다. 클록 생성부(61)는 발진기(60)가 출력한 발진 신호에 기초하여 제1 클록 CLK1과 제2 클록 CLK2를 생성하는 회로이다. 제2 클록 CLK2의 주파수는 제1 클록 CLK1의 2배의 주파수이다.

구동부(70)는 제1 클록 CLK1의 주파수에서 발광 소자(11)를 구동하고, 제1 클록 CLK1과 동일한 주파수에서 발광하도록 발광 소자(11)로부터 발광 펄스(12)를 방사시키는 구동 회로이다.

발광 소자(11)의 구체예로서 발광 다이오드 등을 들 수 있다. 발광 소자(11)는 예를 들면 적외광의 발광 펄스(12)를 출력한다. 도 1은 발광 소자(11)가 근접 센서(1)에 외부 부착으로 접속되어 있는 형태를 나타내는데, 발광 소자(11)는 근접 센서(1)에 내장되어도 된다. 또 도 1은 발광 다이오드의 캐소드가 구동부(70)에 접속되어, 구동부(70)가 발광 다이오드로부터 전류를 빨아들여 구동하는 형태를 나타낸다. 그러나 발광 다이오드의 애노드가 구동부(70)에 접속되어, 구동부(70)가 발광 다이오드에 전류를 흘려내어 구동하는 형태도 생각된다.

수광 소자(10)는 반사광(13)을 수광하는 수광 소자의 일례이며, 물체의 근접 정도를 광전 효과를 이용하여 감지한다. 수광 소자(10)는 수광 소자(10) 자신과 물체의 근접 정도에 따른 크기의 전류 Ia를 출력하는 광 센서의 일례이며, 예를 들면 물체가 수광 소자(10) 자신에 근접할수록 큰 전류 Ia를 출력한다. 수광 소자(10)의 구체예로서 포토다이오드를 들 수 있다.

변환 회로(20)는 전류 Ia를 전압 Va로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환 회로의 일례이다. 변환 회로(20)는 예를 들면 싱글 엔드 출력의 TIA(트랜스 임피던스 앰프)이다. 변환 회로(20)는 수광 소자(10)로부터 출력되는 전류 Ia를 트랜스 임피던스(22)로 전압 Va로 변환하여 출력하는 회로이며, 트랜스 임피던스(22)로 부귀환되는 오퍼 앰프(21)를 가진다. 오퍼 앰프(21)는 기준 전압(23)이 입력되는 비반전 입력 노드와, 수광 소자(10)의 전류 출력부(도 1의 경우, 포토다이오드의 캐소드)가 접속되는 반전 입력 노드를 가진다. 포토다이오드의 애노드는 그라운드에 접속된다.

차동 변환 회로(30)는 변환 회로(20)로부터 출력되는 전압 Va(출력 전압 Va)를 차동 전압 V_IN으로 변환하여 출력한다. 차동 변환 회로(30)는 예를 들면 입력 저항(32), 귀환 저항(33), 오퍼 앰프(31)를 가지는 반전 증폭 회로이다. 입력 저항(32)의 일단은 오퍼 앰프(21)의 출력 노드(전압 Va의 출력 노드)에 접속되고, 입력 저항(32)의 타단은 오퍼 앰프(31)의 반전 입력 노드에 접속된다. 오퍼 앰프(31)의 출력 노드는 귀환 저항(33)을 통하여 오퍼 앰프(31)의 반전 입력 노드에 접속된다. 오퍼 앰프(31)의 비반전 입력 노드에는 기준 전압(34)이 입력된다.

차동 변환 회로(30)로부터 출력되는 차동 전압 V_IN(출력 차동 전압 V_IN)은 전압 V_INp으로부터 전압 V_INn을 감산한 전압이다. 전압 V_INp은 전압 Va와 같고, 전압 V_INn은 오퍼 앰프(31)의 출력 노드의 전압이다.

상관 이중 샘플링 회로(40)는 출력 차동 전압 V_IN을 발광 펄스(12)의 상승 기간에 샘플링한 값으로부터, 출력 차동 전압 V_IN을 발광 펄스(12)의 하강 기간에 샘플링한 값을 감산한다. 상관 이중 샘플링 회로(40)는 차동 입력-차동 출력으로 구성된 스위치드 캐패시터 회로이다. 여기서 출력 차동 전압 V_IN을 발광 펄스(12)의 상승 기간에 샘플링한 값을 「상승 샘플링값 V_OUTp」이라고 하고, 출력 차동 전압 V_IN을 발광 펄스(12)의 하강 기간에 샘플링한 값을 「하강 샘플링값 V_OUTn」이라고 한다.

상관 이중 샘플링 회로(40)는 상승 샘플링값 V_OUTp으로부터 하강 샘플링값 V_OUTn을 감산한 값을 출력 전압 V_OUT으로서 출력한다(V_OUT=V_OUTp-V_OUTn).

AD 컨버터(50)는 아날로그의 출력 전압 V_OUT을 디지털 데이터로 변환하는 회로이다. AD 컨버터(50)는 근접 센서(1)의 외부에 설치되어도 된다.

출력 전압 V_OUT(또는 AD 컨버터(50)로부터 출력되는 디지털 데이터)은 반사광(13)의 강도에 따른 크기가 된다. 따라서 근접 센서(1)는 출력 전압 V_OUT(또는 AD 컨버터(50)로부터 출력되는 디지털 데이터)을 취득함으로써, 물체의 근접 정도를 검출할 수 있다.

그리고 근접 센서(1)는 차동 구성의 상관 이중 샘플링 회로(40)를 구비하고 있는 것에 의해, 반사광(13)에 포함되는 외란광의 영향을 받기 어려워진다. 그 결과 물체의 근접 정도의 검출 정밀도의 향상이 가능해진다.

이어서 상관 이중 샘플링 회로(40)의 보다 상세한 구성의 일례에 대해서 설명한다.

상관 이중 샘플링 회로(40)는 차동 증폭기(41), 한 쌍의 저항(42, 43), 제1 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n, 제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n, 제1 스위치 회로 S1, 제2 스위치 회로 S2, 제3 스위치 회로 S3, 제4 스위치 회로 S4를 구비한다.

차동 증폭기(41)는 차동 입력-차동 출력의 구성을 가진다. 차동 증폭기(41)는 한 쌍의 입력 노드(비반전 입력 노드, 반전 입력 노드)와, 한 쌍의 출력 노드(비반전 출력 노드, 반전 출력 노드)를 가진다.

저항(42)은 전압 V_INp의 출력점과 캐패시터 C_1p 사이에 직렬로 삽입된 소자이다. 저항(43)은 전압 V_INn의 출력점과 캐패시터 C_1n 사이에 직렬로 삽입된 소자이다.

제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n는 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이에 직렬로 삽입된 소자이다. 캐패시터 C_2p는 차동 증폭기(41)의 비반전 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 반전 출력 노드 사이를 연결하는 제1 경로에 직렬로 삽입된 소자이다. 캐패시터 C_2n는 차동 증폭기(41)의 반전 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 비반전 출력 노드 사이를 연결하는 제2 경로에 직렬로 삽입된 소자이다.

제1 스위치 회로 S1은 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드 사이의 접속 관계를 발광 펄스(12)의 상승 기간과 하강 기간에 각각 반전시킨다. 제1 스위치 회로 S1은 예를 들면 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드 사이의 접속 관계를 발광 펄스(12)와 동일 주기의 제1 클록 CLK1에 따라 반전시킨다.

제1 스위치 회로 S1은 예를 들면 한 쌍의 스위치 SW1과, 한 쌍의 스위치 SW2를 가진다. 일방의 스위치 SW1은 캐패시터 C_1p와 차동 증폭기(41)의 비반전 입력 노드 사이에 직렬로 삽입된 소자이다. 타방의 스위치 SW2는 캐패시터 C_1n와 차동 증폭기(41)의 반전 입력 노드 사이에 직렬로 삽입된 소자이다. 일방의 스위치 SW2는 캐패시터 C_1p와 차동 증폭기(41)의 반전 입력 노드 사이에 직렬로 삽입된 소자이다. 타방의 스위치 SW2는 캐패시터 C_1n와 차동 증폭기(41)의 비반전 입력 노드 사이에 직렬로 삽입된 소자이다.

제2 스위치 회로 S2는 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 발광 펄스(12)의 상승 기간과 하강 기간에 각각 오프시킨다. 제2 스위치 회로 S2는 예를 들면 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 발광 펄스(12)의 절반의 주기의 제2 클록 CLK에 따라 오프시킨다.

제2 스위치 회로 S2는 예를 들면 한 쌍의 스위치 SW3을 가진다. 일방의 스위치 SW3은 차동 증폭기(41)의 비반전 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 반전 출력 노드 사이를 연결하는 제3 경로에 직렬로 삽입된 소자이다. 타방의 스위치 SW3은 차동 증폭기(41)의 반전 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 비반전 출력 노드 사이를 연결하는 제4 경로에 직렬로 삽입된 소자이다.

제3 스위치 회로 S3은 제2 스위치 회로 S2가 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 온시킬 때, 제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 오프시킨다. 한편 제3 스위치 회로 S3은 제2 스위치 회로 S2가 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 오프시킬 때, 제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 온시킨다. 제3 스위치 회로 S3은 예를 들면 제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n와 차동 증폭기(41)의 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속의 온과 오프를 제2 클록 CLK2와 역위상의 제3 클록 CLK3에 따라 반전시킨다.

제3 스위치 회로 S3은 예를 들면 한 쌍의 스위치 SW4를 가진다. 일방의 스위치 SW4는 캐패시터 C_2p와 차동 증폭기(41)의 반전 출력 노드 사이를 연결하는 경로에 직렬로 삽입된 소자이다. 타방의 스위치 SW4는 캐패시터 C_2n와 차동 증폭기(41)의 비반전 출력 노드 사이를 연결하는 경로에 직렬로 삽입된 소자이다.

제4 스위치 회로 S4는 제2 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n를 소정의 기준 전압을 사용하여 초기화한다. 제4 스위치 회로 S4는 예를 들면 한 쌍의 스위치 SW5를 가진다. 일방의 스위치 SW5는 캐패시터 C_2p와 일방의 스위치 SW4 사이의 부위에 기준 전압 V_REFp을 인가하는 소자이다. 타방의 스위치 SW5는 캐패시터 C_2n와 타방의 스위치 SW4 사이의 부위에 기준 전압 V_REFn을 인가하는 소자이다.

도 2는 근접 센서(1)의 동작의 일례를 나타내는 플로우차트이다. 도 2에 있어서 「발광」은 발광 펄스(12)의 발광 주기를 나타내고, 하이 레벨의 구간이 발광하고 있는 상태를 나타내고, 로우 레벨의 구간이 발광하고 있지 않은 상태를 나타낸다. 또 SW1~SW4에 있어서 하이 레벨은 그 스위치가 온하고 있는 기간을 나타내고, 로우 레벨은 그 스위치가 오프하고 있는 기간을 나타낸다. 각 스위치가 이와 같이 온 또는 오프됨으로써, 도시와 같은 출력 전압 V_OUT이 생성된다.

도 3은 상관 이중 샘플링 회로(40)에 입력되는 차동 전압(전압 V_INp, 전압 V_INn)과, 상관 이중 샘플링 회로(40)의 샘플링 페이즈와의 관계의 일례를 나타내는 타이밍차트이다. 도 3은 외란광의 저주파 노이즈가 반사광(13)에 포함되어 있는 경우에 있어서, 상관 이중 샘플링 회로(40)에 입력되는 차동 전압(전압 V_INp, 전압 V_INn)을 나타낸다.

이하, 도 3을 참조하여 상관 이중 샘플링 회로(40)의 각 샘플링 페이즈의 동작에 대해서 설명한다. 또한 이하의 설명에 있어서

[수 1]

로 한다. V_OS는 차동 증폭기(41)의 오프셋 전압을 나타낸다. V_PULSEp는 전압 V_INp의 상승 또는 하강 에지에서의 변동 전압을 나타낸다. V_PULSEn는 전압 V_INn의 하강 또는 상승 에지에서의 변동 전압을 나타낸다. V_NOISE는 외란광의 저주파 노이즈를 나타낸다. 캐패시터 C_1p의 캐패시턴스 C1p와, 캐패시터 C_1n의 캐패시턴스 C1n는 동일한 것으로 한다. 캐패시터 C_2p의 캐패시턴스 C2p와, 캐패시터 C_2n의 캐패시턴스 C2n는 동일한 것으로 한다.

도 4는 페이즈 1에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 도 5는 페이즈 2에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 도 6은 페이즈 3에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 도 7은 페이즈 4에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 도 8은 페이즈 5에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 도 4~8에 있어서 「닫힘」는 그 스위치가 닫힌 상태(온 상태)인 것을 나타내고, 「열림」은 그 스위치가 열린 상태(오프 상태)인 것을 나타낸다.

<페이즈 1(초기화)>

도 4는 페이즈 1에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 페이즈 1은 물체가 근접하고 있지 않은 무신호시의 상태에 있어서 전단의 오퍼 앰프(21, 31)(도 1 참조)의 출력 오프셋 및 후단의 차동 증폭기(41)의 입력 오프셋 전압을 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n로 유지하는 샘플링 페이즈를 나타낸다.

페이즈 1에 있어서의 캐패시터 C_1p, C_1n, C_2p, C_2n의 전하 Q¹은 각각

[수 2]

로 표시된다.

또한 Q 또는 V의 우상측에 붙은 숫자는 어느 페이즈인지를 나타내고, Q의 우하측에 붙은 문자는 어느 캐패시터인지를 나타낸다. 이하의 설명에서도 마찬가지이다.

따라서 페이즈 1에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n에 축적된 전하 Q¹ _C1와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하 Q¹ _C2는 각각

[수 3]

로 표시된다.

<페이즈 2(제1 샘플링 기간)>

도 5는 페이즈 2에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 페이즈 2는 발광 펄스(12)의 상승시에 있어서의 샘플링 페이즈를 나타낸다.

페이즈 2에 있어서의 캐패시터 C_1p, C_1n, C_2p, C_2n의 전하 Q²는 각각

[수 4]

로 표시된다.

따라서 페이즈 2에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n에 축적된 전하 Q² _C1와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하 Q² _C2는 각각

[수 5]

로 표시된다.

페이즈 1로부터 페이즈 2로의 천이에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n를 합친 전하의 총량은 보존된다. 그 때문에

[수 6]

식(5)이 성립한다. 따라서 식(1)~(5)으로부터, 페이즈 2에 있어서의 출력 전압 V² _OUT은 식(6)과 같이 표시된다.

<페이즈 3(블랭크 기간)>

도 6은 페이즈 3에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 페이즈 3은 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n의 일단을 플로팅으로 하여, 페이즈 2에서 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하를 유지하는 샘플링 페이즈를 나타낸다. 또 페이즈 3은 한 쌍의 스위치 SW1을 닫힘으로부터 열림으로 또한 한 쌍의 스위치 SW2를 열림으로부터 닫힘으로 전환하기 전의 페이즈 3a와, 한 쌍의 스위치 SW1을 닫힘으로부터 열림으로 또한 한 쌍의 스위치 SW2를 열림으로부터 닫힘드로 전환한 후의 페이즈 3b로 나뉜다. 그러나 페이즈 3 내에서의 스위치 SW1, SW2의 개폐의 전환 전후에서 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n의 전하는 변화하지 않는다.

차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드에 입력되는 한 쌍의 전압의 레벨을 반전시키기 전의 페이즈 3a에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n에 축적된 전하 Q³ _C1와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하 Q³ _C2는 각각

[수 7]

로 표시된다.

차동 증폭기(41)의 한 쌍의 입력 노드에 입력되는 한 쌍의 전압의 레벨을 반전시킨 후의 페이즈 3b에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n에 축적된 전하 Q^3' _C1와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하 Q^3' _C2는 각각

[수 8]

로 표시된다.

<페이즈 4(제2 샘플링 기간)>

도 7은 페이즈 4에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 페이즈 4는 발광 펄스(12)의 하강시에 있어서의 샘플링 페이즈를 나타낸다.

페이즈 4에 있어서의 캐패시터 C_1p, C_1n, C_2p, C_2n의 전하 Q⁴는 각각

[수 9]

로 표시된다.

따라서 페이즈 4에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n에 축적된 전하 Q⁴ _C1와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하 Q⁴ _C2는 각각

[수 10]

로 표시된다.

페이즈 3으로부터 페이즈 4로의 천이에 있어서, 한 쌍의 캐패시터 C_1p, C_1n와 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n를 합친 전하의 총량은 보존된다. 그 때문에

[수 11]

식(13)이 성립한다. 따라서 식(6), (9)~(13)으로부터, 페이즈 4에 있어서의 출력 전압 V⁴ _OUT은 식(14)과 같이 표시된다.

여기서 V_NOISE는 외란광의 저주파 노이즈(예를 들면, 형광등, LED 조명, 백열 등 등에 포함되는 50 또는 60Hz의 교류 전원에 기인한 저주파 노이즈)가 상정된다. 외란광의 저주파 노이즈의 주파수는 상관 이중 샘플링 회로(40)의 샘플링 주파수에 대하여 충분히 작다. 그 때문에 페이즈 2와 페이즈 4의 각 샘플링에서의 V_NOISE의 변화량은 식(15)에 표시되는 바와 같이 대략 동일하다고 간주할 수 있다.

[수 12]

따라서 식(14), (15)으로부터, 페이즈 4에 있어서의 출력 전압 V⁴ _OUT은 식(16)과 같이 표시된다. 즉 페이즈 1~4의 과정에서 출력 전압 V_OUT으로부터 V_NOISE 및 V_OS가 제거된다.

<페이즈 5(블랭크 기간)>

도 8은 페이즈 5에서의 각 스위치의 개폐 상태를 나타내는 도면이다. 페이즈 5는 페이즈 3과 마찬가지로, 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n의 일단을 플로팅으로 하여, 페이즈 4에서 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n에 축적된 전하를 유지하는 샘플링 페이즈를 나타낸다. 또 페이즈 5는 한 쌍의 스위치 SW1을 열림으로부터 닫힘으로 또한 한 쌍의 스위치 SW2를 닫힘으로부터 열림으로 전환하기 전의 페이즈 5a와, 한 쌍의 스위치 SW1을 열림으로부터 닫힘으로 또한 한 쌍의 스위치 SW2를 닫힘으로부터 열림으로 전환한 후의 페이즈 5b로 나뉜다. 페이즈 5에서는 페이즈 3에서 개폐를 일단 전환한 스위치 SW1, SW2의 개폐가 다시 전환되고, 스위치 SW1, SW2의 개폐 상태가 초기 상태로 되돌려진다. 그러나 페이즈 5 내에서의 스위치 SW1, SW2의 개폐의 전환 전후에서 한 쌍의 캐패시터 C_2p, C_2n의 전하는 변화하지 않는다.

<페이즈 2' 이후의 페이즈>

페이즈 2' 이후의 페이즈는 페이즈 2~5를 1세트(1샘플링 주기)로 하여, 발광 펄스(12)의 지정된 펄스수와 동일한 횟수 반복된다. 발광 펄스(12)의 지정된 펄스수를 n으로 한 경우, 최종적인 n회째의 출력 전압 V_OUT은

[수 13]

로 표시된다.

이상, 근접 센서를 실시형태에 의해 설명했는데, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시형태의 일부 또는 전부와의 조합이나 치환 등의 각종 변형 및 개량이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.

예를 들면 수광 소자는 포토다이오드 이외의 다른 광전 소자여도 되고, 예를 들면 포토트랜지스터여도 된다.

또 근접 센서가 탑재되는 제품은 휴대형 정보 기기 이외의 다른 제품이어도 되고, 예를 들면 자동차나 가전 기기 등이어도 된다.

또 감지 대상의 물체는 손 또는 손가락 등의 인체의 일부에 한정되지 않고, 조작봉 또는 터치펜 등의 조작 입력 보조구여도 된다.

1…근접 센서
10…수광 소자
11…발광 소자
12…발광 펄스
13…반사광
20…변환 회로
30…차동 변환 회로
40…상관 이중 샘플링 회로
41…차동 증폭기
C_1p, C_1n…제1 한 쌍의 캐패시터
C_2p, C_2n…제2 한 쌍의 캐패시터
S1…제1 스위치 회로
S2…제2 스위치 회로
S3…제3 스위치 회로
S4…제4 스위치 회로

Claims

발광 펄스가 물체에 반사함으로써 도래하는 반사광을 수광하여, 상기 물체의 근접을 검출하는 근접 센서로서,
상기 반사광을 수광하는 수광 소자로부터 상기 물체의 근접 정도에 따른 크기로 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 변환 회로와,
상기 변환 회로의 출력 전압을 차동 전압으로 변환하여 출력하는 차동 변환 회로와,
상기 차동 변환 회로의 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 상승 기간에 샘플링한 값으로부터, 상기 출력 차동 전압을 상기 발광 펄스의 하강 기간에 샘플링한 값을 감산하는 차동 구성의 상관 이중 샘플링 회로를 구비하는 근접 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 상관 이중 샘플링 회로는
차동 증폭기와,
제1 한 쌍의 캐패시터와,
상기 차동 증폭기의 한 쌍의 입력 노드와 상기 차동 증폭기의 한 쌍의 출력 노드 사이에 직렬로 삽입된 제2 한 쌍의 캐패시터와,
상기 제1 한 쌍의 캐패시터와 상기 한 쌍의 입력 노드를 서로 각각 접속하는 제1 스위치 회로로서, 상기 제1 한 쌍의 캐패시터와 상기 한 쌍의 입력 노드 사이의 접속 관계를 상기 발광 펄스의 상승 기간과 하강 기간에 각각 반전시키는 제1 스위치 회로와,
상기 한 쌍의 입력 노드와 상기 한 쌍의 출력 노드를 서로 각각 접속하는 제2 스위치 회로로서, 상기 한 쌍의 입력 노드와 상기 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 상기 발광 펄스의 상승 기간과 하강 기간에 각각 오프시키는 제2 스위치 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 근접 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 제2 스위치 회로가 상기 한 쌍의 입력 노드와 상기 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 온시킬 때, 상기 제2 한 쌍의 캐패시터와 상기 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 오프시키고, 상기 제2 스위치 회로가 상기 한 쌍의 입력 노드와 상기 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 오프시킬 때, 상기 제2 한 쌍의 캐패시터와 상기 한 쌍의 출력 노드 사이의 접속을 온시키는 제3 스위치 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 근접 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 제2 한 쌍의 캐패시터를 초기화하는 제4 스위치 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 근접 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 펄스는 적외광의 펄스이며,
상기 수광 소자는 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 근접 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 펄스를 출력하는 발광 소자를 구동하는 구동부를 구비한 것을 특징으로 하는 근접 센서.