WO2013141021A1 - 光センサ - Google Patents

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WO2013141021A1
WO2013141021A1 PCT/JP2013/056107 JP2013056107W WO2013141021A1 WO 2013141021 A1 WO2013141021 A1 WO 2013141021A1 JP 2013056107 W JP2013056107 W JP 2013056107W WO 2013141021 A1 WO2013141021 A1 WO 2013141021A1
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light
reflected light
phase difference
light emitting
emitting elements
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PCT/JP2013/056107
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寛人 石川
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株式会社村田製作所
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/941—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated using an optical detector
    • H03K2217/94111—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated using an optical detector having more than one emitter

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor that detects the presence or movement of an object to be detected using a light emitting element and a light receiving element.
  • an optical sensor that detects the movement of an object to be detected such as a finger or a hand using a light emitting element and a light receiving element is known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
  • Such a conventional optical sensor includes three light emitting elements surrounding one light receiving element, receives reflected light from the detected object for each of the three light emitting elements, and receives three light emitting elements. The movement of the detected object is detected based on the phase difference of the reflected light.
  • the rising time when the three reflected lights are larger than a predetermined threshold or the falling time when the reflected light is smaller than the predetermined threshold are detected, and the time difference between the rising time and the falling time is detected.
  • the phase difference is obtained based on
  • three waveform peaks of reflected light are detected, and a phase difference is obtained based on a time difference between the peaks.
  • these methods have a problem that when the waveforms of the three current values flowing through the light receiving elements are different from each other, the phase difference of the reflected light cannot be obtained accurately, and erroneous detection of the moving direction occurs. .
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical sensor that can suppress erroneous detection of the moving direction.
  • the present invention provides a substrate, at least three light emitting elements mounted on the surface of the substrate, light emission control means for controlling the light emission operation of the at least three light emitting elements, And at least one light receiving element mounted on the surface of the substrate, and the light emitted from the light emitting element receives the light reflected by the detected object by the light receiving element, thereby the presence of the detected object.
  • an optical sensor for detecting movement, light received by the at least three light emitting elements reflected by the detected object is received by the light receiving element, and based on a light detection signal output from the light receiving element, Reflected light signal acquisition means for acquiring three reflected light signals corresponding to light from the three light emitting elements, and based on the difference or correlation between the entire waveforms of the three reflected light signals.
  • a phase difference computing means for obtaining the phase difference is characterized by comprising a moving direction specifying means for specifying a movement direction of the target object based on at least two of said phase difference.
  • the surface of the substrate is detected by detecting the phase difference of each reflected light. Motion in a biaxial direction parallel to can be detected. Further, by detecting the intensity of the reflected light, an operation in a direction perpendicular to the substrate can also be detected.
  • phase difference calculation means obtains each phase difference based on the difference or correlation between the entire waveforms of the three reflected light signals, even when the waveforms of the three current values flowing through the light receiving elements are different from each other, Each phase difference can be obtained in consideration of the difference and correlation of the entire waveform. For this reason, compared with the case where a phase difference is calculated
  • phase difference calculating means obtains the phase difference between the two reflected light signals
  • the one reflected light signal is shifted in time by a predetermined shift amount, and the other reflected light signal is calculated.
  • the square of the difference between the two is added to the entire waveform, and the shift amount that minimizes the added value is used as the phase difference.
  • the phase difference calculating means shifts the time of one reflected light signal by a predetermined shift amount, The square of the difference between them is added to the entire waveform, and the shift amount that minimizes this added value is taken as the phase difference. Therefore, the phase difference can be obtained in consideration of the difference between the entire waveforms of the two reflected light signals, and the detection accuracy of the phase difference can be improved.
  • phase difference calculation means obtains the phase difference between the two reflected light signals
  • the two reflected light signals are shifted in time by a predetermined shift amount.
  • the shift amount that maximizes the calculated value is used as the phase difference.
  • the phase difference calculating means obtains the phase difference between the two reflected light signals
  • the product of the two reflected light signals is obtained with one reflected light signal shifted in time by a predetermined shift amount.
  • a sum calculation is performed, and the shift amount that maximizes the calculated value is defined as a phase difference. For this reason, the phase difference can be obtained in consideration of the cross-correlation between the entire waveforms of the two reflected light signals, and the detection accuracy of the phase difference can be improved.
  • the light emission control means causes each of the at least three light emitting elements to emit light in a pulsed manner and in a time division manner.
  • the light emission control unit causes each of the at least three light emitting elements to emit light in a pulsed manner and in a time-sharing manner, the light reflected by each light emitting element can be detected by one light receiving element. it can. For this reason, the number of light receiving elements can be reduced, the number of parts can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the light emitting element is a surface emitting laser.
  • the light emitting element is a surface emitting laser
  • the light emission angle can be reduced, the detection resolution can be increased, and the S / N can be improved as compared with, for example, a light emitting diode. be able to.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical sensor as seen from the direction of arrows III-III in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical sensor as seen from the direction of arrows III-III in FIG.
  • It is a flowchart which shows the whole process for pinpointing the moving direction of a to-be-detected object.
  • It is a flowchart which shows the calculation process of the phase difference T21 in FIG.
  • T32 shows the calculation process of the phase difference
  • FIG. 1 It is a flowchart which shows the specific process of the moving direction in FIG. It is explanatory drawing which shows the relationship between two phase differences and the angle of an optical sensor. It is explanatory drawing which shows the relationship between the ratio of two phase differences, and the angle of an optical sensor. It is explanatory drawing which shows the map for pinpointing the angle of an optical sensor based on the ratio of two phase differences. It is explanatory drawing which shows the state which moved the to-be-detected object to the X-axis direction. It is a characteristic diagram which shows the time change of a reflected light signal when a to-be-detected object is moved to the X-axis direction.
  • FIG. 21 is a characteristic diagram showing a time change of the reflected light signal corresponding to FIG. 20. It is explanatory drawing which shows the state from which the number of the fingers which block the light from three light emitting elements differs for every light emitting element, when a hand is moved to the X-axis direction.
  • FIG. 23 is a characteristic diagram showing a change over time of a reflected light signal corresponding to FIG. 22. It is a characteristic line figure which shows the relationship between the square sum of the difference of reflected light signal Sr1, Sr2, and a shift amount.
  • the optical sensor 1 includes a substrate 2, light emitting elements 3 to 5, a light receiving element 6, a signal processing circuit 11, and the like.
  • the substrate 2 is a flat plate formed using an insulating material.
  • a printed wiring board is used as the substrate 2.
  • the light emitting elements 3 to 5 and the light receiving element 6 are mounted on the surface 2A of the substrate 2.
  • the light emitting elements 3 to 5 are mounted on the surface 2A of the substrate 2 and emit infrared or visible light.
  • the optical axes of the light emitting elements 3 to 5 are usually in a direction perpendicular to the surface 2A of the substrate 2 (Z-axis direction), for example.
  • a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), or a surface emitting laser (VCSEL) is used as the light emitting elements 3 to 5.
  • a VCSEL having a small emission angle as the light emitting elements 3 to 5 as an element.
  • the three light emitting elements 3 to 5 are arranged on the surface 2A of the substrate 2 at positions that are not aligned. Therefore, a triangular area TA is formed on the surface 2A of the substrate 2 inside the three light emitting elements 3-5.
  • the light receiving element 6 is mounted on the surface 2A of the substrate 2 and receives infrared or visible light.
  • a photodiode (PD), a phototransistor or the like is used as the light receiving element 6, for example.
  • the light receiving element 6 is arranged within a triangular area TA on the surface 2A of the substrate 2.
  • the light receiving element 6 may be disposed outside the triangular area TA.
  • a transparent resin layer 7 is formed on the surface 2A of the substrate 2.
  • the transparent resin layer 7 covers the entire surface 2A of the substrate 2 and seals the light emitting elements 3 to 5 and the light receiving element 6.
  • light emitting element lenses 7A to 7C are formed at positions corresponding to the light emitting elements 3 to 5, respectively.
  • the light emitting element lenses 7A to 7C are formed in a substantially hemispherical shape protruding upward.
  • the center of the light emitting element lenses 7A to 7C coincides with the mounting position of the light emitting elements 3 to 5. Therefore, the optical axis of the light flux from the light emitting elements 3 to 5 is along the Z-axis direction.
  • the optical axes of the light beams from the light emitting elements 3 to 5 may be tilted from the Z-axis direction by shifting the centers of the light emitting element lenses 7A to 7C and the mounting positions of the light emitting elements 3 to 5. In this case, it is preferable that the optical axis of the light beam from the light emitting elements 3 to 5 is emitted toward the outside of the triangular area TA so that phase differences T21 and T32 described later are increased.
  • a light receiving element lens 7D is formed at a position corresponding to the light receiving element 6. Similarly to the light emitting element lenses 7A to 7C, the light receiving element lens 7D is also formed in a hemispherical shape.
  • the light receiving element lens 7 ⁇ / b> D collects light incident from the outside onto the light receiving element 6.
  • the light emitting element lenses 7A to 7C and the light receiving element lens 7D are integrally formed on the transparent resin layer 7 for sealing the light emitting elements 3 to 5 and the light receiving element 6, but separately from the transparent resin layer 7. It may be provided.
  • the signal processing circuit 11 includes a light emitting element driving unit 12, a light detection signal amplifying unit 13, a filter unit 14, and an arithmetic processing unit 15.
  • the light emitting element driving unit 12 constitutes a light emission control unit in cooperation with the arithmetic processing unit 15.
  • the light emitting element driving unit 12 is connected to the light emitting elements 3 to 5 and outputs the light emission signals St1 to St3 based on the control signal from the arithmetic processing unit 15. Specifically, the light emitting element driving unit 12 supplies the light emitting elements 3 to 5 with a driving current for causing the light emitting elements 3 to 5 to emit light.
  • the light detection signal amplifier 13 is connected to the light receiving element 6 and performs current-voltage conversion on the light detection signal S0 supplied from the light receiving element 6 to amplify the current-voltage converted light detection signal S0.
  • the filter unit 14 is connected to the subsequent stage of the photodetection signal amplification unit 13 and removes noise from the photodetection signal S0 output from the photodetection signal amplification unit 13.
  • the signal processing circuit 11 drives the light emitting elements 3 to 5 using the light emitting element driving unit 12, and uses the light detection signal amplifying unit 13 and the filter unit 14 to respond to the reflected light from the detected object Obj.
  • the detection signal S0 is output to the arithmetic processing unit 15.
  • the arithmetic processing unit 15 is, for example, a microprocessor, a process for controlling light emission of the light emitting elements 3 to 5, a process for separating the light detection signal S0 into three reflected light signals Sr1 to Sr3 corresponding to the light emitting elements 3 to 5, Based on the three reflected light signals Sr1 to Sr3, processing for detecting the presence and movement of the detected object Obj, overall control of the optical sensor 1, and the like are performed.
  • the arithmetic processing unit 15 supplies a control signal for controlling the intensity and timing of the detection light of the light emitting elements 3 to 5 to the light emitting element driving unit 12, and the light emitting element corresponding to the control signal 3-5 are made to emit light.
  • the light emitting element driving unit 12 supplies pulsed driving currents to the light emitting elements 3 to 5 as the light emission signals St1 to St3, respectively.
  • the pulses of the light emission signals St1 to St3 have a constant light emission interval T0 and are output at different timings for the light emitting elements 3 to 5, respectively.
  • each of the light emitting elements 3 to 5 emits light in a pulsed manner and in a time division manner (see FIG. 5).
  • the light emitting elements 3 to 5 may emit pulses in a time division manner. For this reason, for example, the light emission of the next light emitting element 4 may be started simultaneously with the light emission of the light emitting element 3 being stopped.
  • the arithmetic processing unit 15 executes the program shown in FIG. In this program, the moving direction of the detected object Obj is specified by the following procedure.
  • step 1 the light detection signal S0 supplied from the light receiving element 6 through the light detection signal amplifying unit 13 and the filter unit 14 is read.
  • step 2 the three reflected light signals Sr1 to Sr3 are separated from the light detection signal S0.
  • the light-emitting elements 3 to 5 emit light in a time-sharing manner at different timings
  • the light reflected from the detected object Obj reflects the light from each of the light-emitting elements 3 to 5 at each light emission timing of the light-emitting elements 3 to 5. Is received. Therefore, by extracting three signals synchronized with the light emission signals St1 to St3 from the light detection signal S0, it is possible to separate reflected light signals based on the light from the respective light emitting elements 3 to 5.
  • the arithmetic processing unit 15 takes out the light detection signal S0 for each light emission timing of the light emitting elements 3 to 5, and separates it into three reflected light signals Sr1 to Sr3 corresponding to the reflected light of the light emitting elements 3 to 5. At this time, the reflected light signals Sr1 to Sr3 correspond to those obtained by envelope detection of the pulsed light detection signal S0 extracted at each light emission timing.
  • the number of the light receiving elements 6 can be reduced, the number of parts can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. can do.
  • step 3 the phase difference T21 between the reflected light signals Sr1 and Sr2 is calculated, and in step 4, the phase difference T32 between the reflected light signals Sr2 and Sr3 is calculated. At this time, the phase differences T21 and T32 are calculated based on the difference between the entire waveforms of the reflected light signals Sr1 to Sr3. In step 5, the moving direction of the detected object Obj is specified based on these phase differences T21 and T32.
  • step 11 the waveform start time t0 and end time t1 are determined as a range for calculating the difference of the entire waveform based on the reflected light signals Sr1 and Sr2.
  • a case where the rising time at which the reflected light signal Sr2 increases from a predetermined threshold is set as the start time t0 and the falling time at which the reflected light signal Sr2 decreases from the predetermined threshold is set as the end time t1 is taken as an example. explain.
  • start time t0 and the end time t1 are not limited to those described above, and may be set to, for example, the rise time and fall time of the reflected light signal Sr1.
  • the start time t0 and the end time t1 may be set based on the reflected light signals Sr1 and Sr2 having a large time difference between the rise time and the fall time, and the time difference between the rise time and the fall time is small.
  • the start time t0 and the end time t1 may be set.
  • the start time t0 and the end time t1 may be set based on the reflected light signals Sr1 and Sr2 that have an earlier rise time.
  • the time difference between the start time t0 and the end time t1 may be set in advance based on these.
  • the maximum value ( ⁇ x0) for shifting the waveform of the reflected light signal Sr2 to the negative side or the positive side is determined as the detection range of the phase difference T21 based on the reflected light signals Sr1 and Sr2.
  • the maximum value ( ⁇ x0) of the shift amount x is set based on, for example, the time difference between the start time t0 and the end time t1 of the waveform of the reflected light signal Sr2.
  • the maximum value ( ⁇ x0) of the shift amount may be, for example, the same value as the time difference between the start time t0 and the end time t1 of the waveform of the reflected light signal Sr2, or may be about half the value.
  • the maximum shift amount ( ⁇ x0) may be set to a value smaller than the time difference between the start time t0 and the end time t1 of the waveform of the reflected light signal Sr2, or may be set to a large value.
  • the maximum shift amount ( ⁇ x0) may be set based on the waveform of the reflected light signal Sr1. If the maximum value ( ⁇ x0) of the shift amount can be experimentally predicted, the maximum value ( ⁇ x0) of the shift amount may be set in advance to a value based on the experiment.
  • step 13 the shift amount x is set to a negative maximum value ( ⁇ x0) as an initial value.
  • step 14 the reflected light signal Sr2 is shifted in time by the shift amount x using the function Zd1 (x) shown in the following equation 1, and the square sum of the difference from the reflected light signal Sr1 is calculated in this state. Note that the function Zd1 (x) calculates the sum of discrete values, but it may calculate the integral of continuous values.
  • the shift amount x is increased by a predetermined value ⁇ x ( ⁇ x> 0), and in step 16, it is determined whether or not the shift amount x is larger than the positive maximum value (+ x0).
  • the predetermined value ⁇ x corresponds to the detection interval of the phase difference T21, and is set to a value smaller than the maximum value (+ x0).
  • Step 16 when it is determined as “NO” in Step 16, the processes of Steps 14 and 15 are repeated.
  • step 16 when “YES” is determined in step 16, the shift amount x is larger than the positive maximum value (+ x0). Therefore, the process proceeds to step 17, and the shift amount that minimizes the function Zd1 (x). x21 is output as the phase difference T21.
  • Steps 21 to 27 by the calculation process of the phase difference T32 are substantially the same as steps 11 to 17 by the calculation process of the phase difference T21. Therefore, in step 21, the waveform start time t0 and end time t1 are determined as a range for calculating the difference of the entire waveform based on the reflected light signals Sr2 and Sr3. In step 22, the maximum value ( ⁇ x0) for shifting the waveform of the reflected light signal Sr2 to the negative side or the positive side is determined as the detection range of the phase difference T32 based on the reflected light signals Sr2 and Sr3. In steps 21 and 22, for example, the same values as in steps 11 and 12, times t0 and t1, and the maximum value ( ⁇ x0) of the shift amount x are set.
  • step 23 the shift amount x is set to a negative maximum value ( ⁇ x0) as an initial value.
  • step 24 the reflected light signal Sr3 is shifted in time by the shift amount x using the function Zd2 (x) shown in the following equation 2, and the square sum of the difference from the reflected light signal Sr2 is calculated in this state. Note that the function Zd2 (x) calculates the sum of discrete values, but it may calculate the integral of continuous values.
  • step 25 the shift amount x is increased by a predetermined value ⁇ x ( ⁇ x> 0), and in step 26, it is determined whether or not the shift amount x is larger than the positive maximum value (+ x0). If “NO” is determined in the step 26, the processes of the steps 24 and 25 are repeated. On the other hand, if “YES” is determined in the step 26, the process shifts to a step 27 to output the shift amount x32 that minimizes the function Zd2 (x) as the phase difference T32.
  • the time difference between the start time t0 and the end time t1 as the waveform range and the maximum value ( ⁇ x0) within the range of the shift amount x should be as large as possible. It is better to set, and it is better to set the predetermined value ⁇ x as small as possible.
  • the integration range and the shift amount x range are set as small as possible, and the predetermined value ⁇ x is set as large as possible within a range in which the accuracy of the phase differences T21 and T32 is acceptable.
  • step 31 the ratio f ( ⁇ ) between the phase difference T21 and the phase difference T32 is obtained based on the following equation (3).
  • the moving direction of the detected object Obj is specified by applying the ratio f ( ⁇ ) of the phase differences T21 and T32 to the map M shown in FIG.
  • the light emitting elements 3 to 5 are arranged on the circumference, and the light emitting element 3 is arranged at a position of 180 ° when the right side position is 0 ° with respect to the center of the circumference.
  • the light emitting element 4 is disposed at a position of 90 ° and the light emitting element 5 is disposed at a position of 0 °. It is assumed that the moving speed of the detected object Obj is constant, the detected object Obj travels in the 0 ° direction, and the angle (rotation angle) when the optical sensor 1 is rotated is ⁇ .
  • the distance L21 between the light emitting elements 3 and 4 and the distance L32 between the light emitting elements 4 and 5 with respect to the 0 ° direction change geometrically.
  • the distances La and Lb can be estimated from the time required for the movement of the detected object Obj (phase differences T21 and T32).
  • the ratio of the distances L21 and L32 coincides with the ratio f ( ⁇ ) shown in the equation (3) and becomes a function geometrically having the angle ⁇ as a variable as shown in the following equation (4).
  • FIG. 11 shows the relationship between the ratio f ( ⁇ ) and the angle ⁇ .
  • the angle ⁇ and the ratio f ( ⁇ ) have a one-to-one correspondence. Therefore, based on the ratio f ( ⁇ ), the angle ⁇ that is the moving direction of the detected object Obj can be obtained.
  • the map M shown in FIG. 12 is obtained by determining the angle ⁇ in increments of 30 ° based on the range of the ratio f ( ⁇ ) for the sake of simplicity.
  • the first threshold value f1 on the positive side is the ratio f ( ⁇ ) when the angle ⁇ is 165 ° or 345 °
  • the first threshold value ( ⁇ f1) on the negative side is the angle ⁇ of 105 ° or 285.
  • the ratio f ( ⁇ ) in the case of °.
  • the positive second threshold f2 is a ratio f ( ⁇ ) when the angle ⁇ is 15 ° or 195 °
  • the negative second threshold ( ⁇ f2) is an angle ⁇ of 75 ° or 255 °. In this case, the ratio is f ( ⁇ ).
  • the case where the light emitting elements 3 to 5 are arranged at predetermined angular positions on the circumference has been described as an example, but these angular positions can be set as appropriate. Further, the light emitting elements 3 to 5 are not necessarily arranged on the circumference, and can be arranged at arbitrary positions on the substrate 2. Furthermore, instead of using the map M, the angle ⁇ may be directly calculated back using the equation (4).
  • the light emitting elements 3 to 5 emit light toward the upper side of the substrate 2.
  • the detected object Obj such as a hand or a finger passes above the substrate 2
  • the detected object Obj blocks the optical path of the light emitting elements 3 to 5.
  • the detected object Obj reflects the light from the light emitting elements 3 to 5.
  • the reflected light is received by the light receiving element 6, and the light receiving element 6 outputs a current corresponding to the intensity of the reflected light as the light detection signal S0.
  • the calculation processing unit 15 separates the three reflected light signals Sr1 to Sr3 from the light detection signal S0 from the light receiving element 6, and calculates the phase differences T21 and T32. Then, the arithmetic processing unit 15 specifies the moving direction, position, moving speed and the like of the detected object Obj based on the two phase differences T21 and T32.
  • the method for specifying the moving direction etc. is as shown below.
  • a finger of a hand will be described as an example of the detected object Obj.
  • the detected object Obj passes above them in the order of the light emitting elements 3, 4, and 5.
  • the phase differences T21 and T32 have values corresponding to the order in which such peaks are generated.
  • the detected object Obj moves along the Y-axis direction
  • the detected object Obj passes above them in the order of the light emitting elements 5, 3, and 4.
  • the phase differences T21 and T32 also have values according to such a passing order. Therefore, based on the phase differences T21 and T32, the detected object Obj moves along the Y-axis direction and The moving speed of the detection object Obj can be detected.
  • the magnitudes of the reflected light signals Sr1 to Sr3 vary depending on the position of the detected object Obj in the Z-axis direction. That is, when the detected object Obj is arranged at a position close to the optical sensor 1, the reflected light becomes strong and the reflected light signals Sr1 to Sr3 also become large. On the other hand, when the detected object Obj is arranged at a position away from the optical sensor 1, the reflected light becomes weak and the reflected light signals Sr1 to Sr3 also become small.
  • the position in the Z-axis direction can be detected according to the magnitudes of the reflected light signals Sr1 to Sr3, and the detected object Obj can be moved in the Z-axis direction according to the change in the magnitude of the reflected light signals Sr1 to Sr3. It is possible to detect the movement along the line and the moving speed of the detected object Obj.
  • the magnitudes of the reflected light signals Sr1 to Sr3 change according to the unevenness of the surface of the detected object Obj. Therefore, as shown in FIGS. 20 and 21, for example, when the hand as the object to be detected Obj moves along the X-axis direction, the magnitudes of the reflected light signals Sr1 to Sr3 depend on the unevenness of the finger or the like. As a result, a plurality of peaks occur in the reflected light signals Sr1 to Sr3.
  • the shape of the portion irradiated with light from the light emitting elements 3 to 5 may be different for each of the light emitting elements 3 to 5.
  • the light from the light emitting elements 3 and 5 is applied to the four fingers of the index finger, the middle finger, the ring finger, and the little finger, but the light from the light emitting element 4 is emitted from the three fingers excluding the little finger. Is only irradiated.
  • the reflected light signals Sr1, Sr3 and the reflected light signal Sr2 have different numbers of peaks. Therefore, when the peak, rise, fall, etc. of the reflected light signals Sr1 to Sr3 are used, accurate phase differences T21 and T32 may not be obtained.
  • the phase differences T21 and T32 are obtained based on the difference between the entire waveforms of the reflected light signals Sr1 to Sr3.
  • the relationship between the shift amount x and the square sum function Zd1 (x) of the difference between the reflected light signals Sr1 and Sr2 is as shown in FIG.
  • the function Zd1 (x) has only one minimum value
  • the shift amount x21 corresponding to this minimum value is detected as the phase difference T21.
  • a two-dot chain line in FIG. 25 when the reflected light signal Sr2 is shifted by the shift amount x21, it can be seen that the waveforms of the reflected light signals Sr1 and Sr2 correspond to each other.
  • the relationship between the shift amount x and the square sum function Zd2 (x) of the difference between the reflected light signals Sr2 and Sr3 is as shown in FIG.
  • the shift amount x32 corresponding to the minimum minimum value among them is detected as the phase difference T32.
  • the waveforms of the reflected light signals Sr2 and Sr3 correspond to each other.
  • the shift amount x corresponding to the remaining minimum value corresponds to the position where one finger is displaced.
  • phase differences T21 and T32 can be obtained even when the reflected light signals Sr1 to Sr3 have different waveforms. As a result, it is possible to accurately detect not only the X-axis direction and the Y-axis direction but also the moving direction inclined obliquely from the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • Steps 1 and 2 in FIG. 6 show a specific example of the reflected light signal acquisition means. Steps 3 and 4 in FIG. 6, steps 13 to 17 in FIG. 7, and steps 23 to 27 in FIG. A specific example of the phase difference calculating means is shown, and step 5 in FIG. 6 shows a specific example of the moving direction specifying means.
  • the phase difference is obtained based on the cross-correlation of the three reflected light signals.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the optical sensor 21 according to the second embodiment is configured in substantially the same manner as the optical sensor 1 according to the first embodiment. Therefore, the substrate 2 is provided with the three light emitting elements 3 to 5 and the light receiving element 6, and the signal processing circuit 22 is mounted thereon.
  • the signal processing circuit 22 is configured in substantially the same manner as the signal processing circuit 11 according to the first embodiment, and includes a light emitting element driving unit 12, a light detection signal amplification unit 13, a filter unit 14, and an arithmetic processing unit 15.
  • the arithmetic processing unit 15 according to the second embodiment executes the program shown in FIG. 6 and identifies the moving direction of the detected object Obj.
  • the arithmetic processing unit 15 according to the second embodiment obtains the phase differences T21 and T32 based on the cross-correlation of the reflected light signals Sr1 to Sr3 in steps 3 and 4 in FIG.
  • step 41 the waveform start time t0 and end time t1 are determined as ranges for calculating the correlation of the waveforms based on the reflected light signals Sr1 and Sr2.
  • step 42 the maximum value ( ⁇ x0) for shifting the waveform of the reflected light signal Sr2 to the negative side or the positive side is determined as the detection range of the phase difference T21 based on the reflected light signals Sr1 and Sr2.
  • step 43 the shift amount x is set to a negative maximum value ( ⁇ x0) as an initial value.
  • step 44 the reflected light signal Sr2 is shifted in time by the shift amount x using the function Zc1 (x) shown in the following equation 5, and the product sum with the reflected light signal Sr2 is calculated in this state.
  • the function Zc1 (x) is a correlation function of the reflected light signals Sr1 and Sr2.
  • the function Zc1 (x) calculates the sum of discrete values, but it may calculate the integral of continuous values.
  • step 45 the shift amount x is increased by a predetermined value ⁇ x ( ⁇ x> 0), and in step 46, it is determined whether or not the shift amount x is larger than the positive maximum value (+ x0). If “NO” is determined in the step 46, the processes of the steps 44 and 45 are repeated. On the other hand, when “YES” is determined in step 46, the process proceeds to step 47, and the shift amount x 21 at which the function Zc 1 (x) is maximized is output as the phase difference T 21.
  • step 51 based on the reflected light signals Sr2 and Sr3, a waveform start time t0 and an end time t1 are determined as a range for calculating the correlation of the waveform.
  • step 52 a maximum value ( ⁇ x0) for shifting the waveform of the reflected light signal Sr2 to the negative side or the positive side is determined as a detection range of the phase difference T32 based on the reflected light signals Sr2 and Sr3.
  • step 53 the shift amount x is set to a negative maximum value ( ⁇ x0) as an initial value.
  • step 54 the reflected light signal Sr3 is shifted in time by the shift amount x using the function Zc2 (x) shown in the following equation 6, and the product sum with the reflected light signal Sr2 is calculated in this state.
  • the function Zc2 (x) is a correlation function of the reflected light signals Sr2 and Sr3. Note that the function Zc2 (x) calculates the sum of discrete values, but the integration of continuous values may be calculated.
  • step 55 the shift amount x is increased by a predetermined value ⁇ x ( ⁇ x> 0), and in step 56, it is determined whether or not the shift amount x is larger than the positive maximum value (+ x0). If “NO” is determined in the step 56, the processes of the steps 54 and 55 are repeated. On the other hand, if "YES” is determined in the step 56, the process shifts to a step 57 to output the shift amount x32 that maximizes the function Zc2 (x) as the phase difference T32.
  • steps 43 to 47 in FIG. 28 and steps 53 to 57 in FIG. 29 show specific examples of the phase difference calculation means.
  • three light receiving elements 32 to 34 are mounted on the substrate 2.
  • the light receiving element 32 is positioned in the vicinity of the light emitting element 3 and receives reflected light based on light from the light emitting element 3.
  • the light receiving element 33 is positioned in the vicinity of the light emitting element 4 and receives reflected light based on light from the light emitting element 4.
  • the light receiving element 34 is positioned in the vicinity of the light emitting element 5 and receives reflected light based on light from the light emitting element 5.
  • the light-emitting elements 3 to 5 do not need to perform time-division light emission by pulse light emission, and may emit light continuously.
  • the third embodiment it is possible to obtain substantially the same operational effects as those in the first embodiment.
  • the three light receiving elements 32 to 34 since the light detection signals output from the three light receiving elements 32 to 34 correspond to the reflected light signals Sr1 to Sr3, respectively, the three light receiving elements 32 to 34 constitute a part of the reflected light signal acquisition means. Constitute.
  • the third embodiment can also be applied to the second embodiment.
  • the case where the three light receiving elements 32 to 34 are provided has been described as an example.
  • the structure may include two light receiving elements, and may include four or more light receiving elements. It is good also as a structure.
  • the signal processing circuits 11 and 22 are configured to be mounted on the substrate 2, but may be provided separately from the substrate 2.
  • the moving direction of the detected object Obj is specified as an example using the phase difference T21 between the reflected light signals Sr1 and Sr2 and the phase difference T32 between the reflected light signals Sr2 and Sr3.
  • the present invention is not limited to this.
  • the phase difference T31 between the reflected light signals Sr1 and Sr3 may be used instead of any of the phase differences T21 and T32, and these three phase differences T21, T32, and T31. May be used.
  • Photosensor 2 Substrate 2A Surface 3 to 5 Light emitting element 6, 32 to 34 Light receiving element 11 and 22 Signal processing circuit 12 Light emitting element driving unit (light emission control means) 15 Arithmetic processing part

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Abstract

　基板（２）の表面（２Ａ）には、３個の発光素子（３）～（５）と１個の受光素子（６）を設ける。信号処理回路（１１）の演算処理部（１５）は、受光素子（６）からの光検出信号（Ｓ0）から３つの反射光信号（Ｓr1）～（Ｓr3）を分離する。演算処理部（１５）は、反射光信号（Ｓr2）をシフトさせながら、反射光信号（Ｓr1），（Ｓr2）の波形全体の差分の二乗和を演算する。演算処理部（１５）は、この演算値が最小となるときのシフト量（ｘ21）に基づいて、反射光信号（Ｓr1），（Ｓr2）の位相差（Ｔ21）を演算する。同様な処理に基づき、演算処理部（１５）は、反射光信号（Ｓr2），（Ｓr3）の位相差（Ｔ32）を演算する。演算処理部（１５）は、位相差（Ｔ21），（Ｔ32）に基づいて被検出物体（Ｏbj）の移動方向を特定する。

Description

光センサ
　本発明は、発光素子と受光素子を用いて被検出物体の存在や移動を検知する光センサに関する。
　一般に、発光素子と受光素子を用いて指や手等の被検出物体の移動を検知する光センサが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。このような従来技術による光センサは、１個の受光素子の周囲を取囲んで３個の発光素子を設け、３個の発光素子毎に被検出物体からの反射光を受光して、３つの反射光の位相差に基づいて被検出物体の移動を検知する。
特開２０１１－２２７５７４号公報
"Silicon Labs AN580", [online], インターネット＜URL：http://www.silabs.com/pages/DownloadDoc.aspx?FILEURL=Support%20Documents/TechnicalDocs/AN580.pdf&src=DocumentationWebPart＞
　特許文献１に記載された光センサでは、３つの反射光が所定の閾値よりも大きくなる立上り時または所定の閾値よりも小さくなる立下り時をそれぞれ検出し、この立上り時または立下り時の時間差に基づいて位相差を求める。非特許文献１に記載された光センサでは、３つの反射光の波形のピークをそれぞれ検出し、このピークの時間差に基づいて位相差を求める。しかし、これらの方法では、受光素子に流れる３個の電流値の波形が相互に異なるときには、反射光の位相差を正確に求めることができず、移動方向の誤検知が発生するという問題がある。
　本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、移動方向の誤検知を抑制することができる光センサを提供することにある。
　（１）．上記課題を解決するために、本発明は、基板と、該基板の表面に実装された少なくとも３個の発光素子と、該少なくとも３個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、前記基板の表面に実装された少なくとも１個の受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、前記少なくとも３個の発光素子による光が前記被検出物体によって反射された光を前記受光素子によって受光し、前記受光素子から出力される光検出信号に基づいて、前記３個の発光素子による光に対応した３つの反射光信号を取得する反射光信号取得手段と、３つの前記反射光信号の波形全体の差または相関に基づいて各々の位相差を求める位相差演算手段と、少なくとも２つの前記位相差に基づいて前記被検出物体の移動方向を特定する移動方向特定手段とを備えることを特徴としている。
　本発明によれば、少なくとも３個の発光素子を用いるから、例えば３個の発光素子の光を被検出物体が反射したときに、各々の反射光の位相差を検出することによって、基板の表面に平行な２軸方向の動作を検知することができる。また、反射光の強度を検出することによって、基板に垂直な方向の動作も検知することができる。
　また、位相差演算手段は、３つの反射光信号の波形全体の差または相関に基づいて各々の位相差を求めるから、受光素子に流れる３個の電流値の波形が相互に異なるときでも、これらの波形全体の差や相関を考慮して各々の位相差を求めることができる。このため、反射光信号のピーク等によって位相差を求める場合に比べて、位相差の検出精度を高めることができる。そして、移動方向特定手段は、位相差演算手段によって求めた位相差を用いて被検出物体の移動方向を判定するから、移動方向の誤検知を抑制することができる。
　（２）．本発明では、前記位相差演算手段は、２つの前記反射光信号の位相差を求めるときには、一方の前記反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、他方の前記反射光信号との間の差の二乗を波形全体で加算し、この加算値が最小となるシフト量を位相差としている。
　本発明によれば、位相差演算手段は、２つの反射光信号の位相差を求めるときには、一方の反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、他方の反射光信号との間の差の二乗を波形全体で加算し、この加算値が最小となるシフト量を位相差とする。このため、２つの反射光信号の波形全体の差を考慮して位相差を求めることができ、位相差の検出精度を高めることができる。
　（３）．本発明では、前記位相差演算手段は、２つの前記反射光信号の位相差を求めるときには、一方の前記反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、２つの前記反射光信号の積和演算を行い、この演算値が最大となるシフト量を位相差としている。
　本発明によれば、位相差演算手段は、２つの反射光信号の位相差を求めるときには、一方の反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、２つの反射光信号の積和演算を行い、この演算値が最大となるシフト量を位相差とする。このため、２つの反射光信号の波形全体の相互相関を考慮して位相差を求めることができ、位相差の検出精度を高めることができる。
　（４）．本発明では、前記発光制御手段は、前記少なくとも３個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させる。
　本発明によれば、発光制御手段は、少なくとも３個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させるから、１個の受光素子によって、各々の発光素子による反射光を検出することができる。このため、受光素子の個数を低減することができ、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。
　（５）．本発明では、前記発光素子は面発光レーザである。
　本発明によれば、発光素子は面発光レーザであるから、例えば発光ダイオード等を用いた場合に比べて、光の出射角を小さくすることができ、検知分解能を上げ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
第１の実施の形態による光センサを示す斜視図である。 図１の光センサを示す平面図である。 光センサを図２中の矢示III－III方向からみた断面図である。 第１，第２の実施の形態による光センサを示すブロック図である。 発光信号および反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 被検出物体の移動方向を特定するための全体処理を示す流れ図である。 図６中の位相差Ｔ21の演算処理を示す流れ図である。 図６中の位相差Ｔ32の演算処理を示す流れ図である。 図６中の移動方向の特定処理を示す流れ図である。 ２つの位相差と光センサの角度との関係を示す説明図である。 ２つの位相差の比率と光センサの角度との関係を示す説明図である。 ２つの位相差の比率に基づいて、光センサの角度を特定するためのマップを示す説明図である。 被検出物体をＸ軸方向に移動させた状態を示す説明図である。 被検出物体をＸ軸方向に移動させたときの反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 被検出物体をＹ軸方向に移動させた状態を示す説明図である。 被検出物体をＹ軸方向に移動させたときの反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 被検出物体で光センサの上方を覆った状態を示す説明図である。 図１７中の矢示XVIII－XVIII方向からみた説明図である。 光センサの上方を被検出物体が通過したときの反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 手をＸ軸方向に移動させた場合に、３個の発光素子からの光を遮る指の本数が全ての発光素子で同じ状態を示す説明図である。 図２０に対応した反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 手をＸ軸方向に移動させた場合に、３個の発光素子からの光を遮る指の本数が発光素子毎に異なる状態を示す説明図である。 図２２に対応した反射光信号の時間変化を示す特性線図である。 反射光信号Ｓr1，Ｓr2の差分の二乗和とシフト量との関係を示す特性線図である。 反射光信号Ｓr1，Ｓr2の時間変化を示す特性線図である。 反射光信号Ｓr2，Ｓr3の差分の二乗和とシフト量との関係を示す特性線図である。 反射光信号Ｓr2，Ｓr3の時間変化を示す特性線図である。 第２の実施の形態による位相差Ｔ21の演算処理を示す流れ図である。 第２の実施の形態による位相差Ｔ32の演算処理を示す流れ図である。 第３の実施の形態による光センサを、透明樹脂層を省いて模式的に示す平面図である。
　以下、本発明の実施の形態による光センサについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
　図１ないし図４に、第１の実施の形態による光センサ１を示す。光センサ１は、基板２、発光素子３～５、受光素子６、信号処理回路１１等を備える。
　基板２は、絶縁材料を用いて形成された平板である。基板２としては、例えばプリント配線基板が用いられる。基板２の表面２Ａには、発光素子３～５と受光素子６とが実装される。
　発光素子３～５は、基板２の表面２Ａに実装され、赤外線や可視光線の光を出射する。発光素子３～５の光軸は通常、例えば基板２の表面２Ａに対して垂直方向（Ｚ軸方向）である。発光素子３～５としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が用いられる。検知分解能を上げ、Ｓ／Ｎを向上させるためには、素子として元々出射角の小さいＶＣＳＥＬを発光素子３～５として用いるのが好ましい。
　３個の発光素子３～５は、基板２の表面２Ａ上で一直線に並ばない位置に配置される。このため、基板２の表面２Ａには、３個の発光素子３～５の内部に三角形領域ＴＡが形成される。
　受光素子６は、基板２の表面２Ａに実装され、赤外線や可視光線の光を受光する。受光素子６としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）、フォトトランジスタ等が用いられる。受光素子６は、基板２の表面２Ａの三角形領域ＴＡの範囲内に配置される。なお、受光素子６は、三角形領域ＴＡの外側に配置してもよい。
　基板２の表面２Ａには、透明樹脂層７が形成される。透明樹脂層７は、基板２の表面２Ａを全面に亘って覆い、発光素子３～５および受光素子６を封止する。透明樹脂層７には、各発光素子３～５と対応した位置に発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃが形成される。発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃは、上方に突出した略半球形状に形成される。
　発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃの中心と発光素子３～５の実装位置とは、一致する。このため、発光素子３～５からの光束の光軸は、Ｚ軸方向に沿っている。なお、発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃの中心と発光素子３～５の実装位置とをずらすことによって、発光素子３～５からの光束の光軸をＺ軸方向から傾斜させてもよい。この場合、後述する位相差Ｔ21，Ｔ32が大きくなるように、発光素子３～５からの光束の光軸を三角形領域ＴＡの外側に向けて出射させるのが好ましい。
　また、透明樹脂層７には、受光素子６と対応した位置に受光素子用レンズ７Ｄが形成される。受光素子用レンズ７Ｄも、発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃと同様に半球形状に形成される。受光素子用レンズ７Ｄは、外部から入射される光を受光素子６に集光する。
　なお、発光素子用レンズ７Ａ～７Ｃおよび受光素子用レンズ７Ｄは、発光素子３～５および受光素子６を封止する透明樹脂層７に一体的に形成したが、透明樹脂層７とは別個に設けてもよい。
　次に、発光素子３～５および受光素子６に接続された信号処理回路１１について説明する。
　図４に示すように、信号処理回路１１は、発光素子駆動部１２、光検出信号増幅部１３、フィルタ部１４および演算処理部１５を備える。
　発光素子駆動部１２は、演算処理部１５と協働して発光制御手段を構成する。発光素子駆動部１２は、発光素子３～５に接続され、演算処理部１５からの制御信号に基づいて発光信号Ｓt1～Ｓt3を出力する。具体的には、発光素子駆動部１２は、発光素子３～５を発光させるための駆動電流を、発光素子３～５に供給する。
　光検出信号増幅部１３は、受光素子６に接続され、受光素子６から供給された光検出信号Ｓ0に対して電流－電圧変換を行い、電流－電圧変換された光検出信号Ｓ0を増幅する。フィルタ部１４は、光検出信号増幅部１３の後段に接続され、光検出信号増幅部１３から出力された光検出信号Ｓ0からノイズを除去する。
　そして、信号処理回路１１は、発光素子駆動部１２を用いて発光素子３～５を駆動し、光検出信号増幅部１３およびフィルタ部１４を用いて被検出物体Ｏbjからの反射光に応じた光検出信号Ｓ0を演算処理部１５に向けて出力する。
　演算処理部１５は、例えばマイクロプロセッサであり、発光素子３～５の発光を制御する処理、光検出信号Ｓ0から発光素子３～５に対応した３つの反射光信号Ｓr1～Ｓr3に分離する処理、３つの反射光信号Ｓr1～Ｓr3に基づいて被検出物体Ｏbjの存在や移動を検知する処理、光センサ１の全体的な制御等を行う。
　具体的には、演算処理部１５は、発光素子３～５の検出光の強度やタイミングを制御するための制御信号を発光素子駆動部１２に供給し、この制御信号に対応するように発光素子３～５を発光させる。ここで、発光素子駆動部１２は、発光信号Ｓt1～Ｓt3としてパルス状の駆動電流を発光素子３～５にそれぞれ供給する。発光信号Ｓt1～Ｓt3のパルスは、一定の発光間隔Ｔ0を有すると共に、発光素子３～５毎に異なるタイミングで出力される。これにより、発光素子３～５は、各々をパルス発光で、かつ時分割発光する（図５参照）。
　なお、発光素子３～５は、時分割でパルス発光すればよい。このため、例えば発光素子３の発光が停止するのと同時に、次なる発光素子４の発光を開始してもよい。
　また、演算処理部１５は、図６に示すプログラムを実行する。このプログラムでは、以下に示す手順によって、被検出物体Ｏbjの移動方向を特定する。
　ステップ１では、受光素子６から光検出信号増幅部１３およびフィルタ部１４を介して供給された光検出信号Ｓ0を読込む。ステップ２では、光検出信号Ｓ0から３つの反射光信号Ｓr1～Ｓr3を分離する。
　ここで、発光素子３～５は互いに異なるタイミングで時分割発光するから、発光素子３～５の発光タイミング毎に、それぞれの発光素子３～５からの光を被検出物体Ｏbjが反射した反射光が受光される。このため、光検出信号Ｓ0から発光信号Ｓt1～Ｓt3と同期した３つの信号を取り出すことによって、それぞれの発光素子３～５からの光に基づく反射光の信号を分離することができる。
　そこで、演算処理部１５は、光検出信号Ｓ0を発光素子３～５の発光タイミング毎に取り出し、発光素子３～５の反射光に応じた３つの反射光信号Ｓr1～Ｓr3に分離する。このとき、反射光信号Ｓr1～Ｓr3は、発光タイミング毎に抽出したパルス状の光検出信号Ｓ0を包絡線検波したものに相当する。
　この場合、１個の受光素子６によって各々の発光素子３～５による反射光を検出することができるから、受光素子６の個数を低減することができ、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。
　続くステップ３では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2間の位相差Ｔ21を演算し、ステップ４では、反射光信号Ｓr2，Ｓr3間の位相差Ｔ32を演算する。このとき、位相差Ｔ21，Ｔ32は、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の波形全体の差に基づいて演算する。そして、ステップ５では、これらの位相差Ｔ21，Ｔ32に基づいて、被検出物体Ｏbjの移動方向を特定する。
　次に、図６中のステップ３に示す位相差Ｔ21の演算処理について、図７を参照して説明する。
　ステップ１１では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2に基づいて、波形全体の差分を計算するための範囲として、波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を決める。ここでは、反射光信号Ｓr2が所定の閾値よりも増加する立上り時刻を開始時刻ｔ0とし、反射光信号Ｓr2が所定の閾値よりも減少する立下り時刻を終了時刻ｔ1とした場合を例に挙げて説明する。
　なお、開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1は、上述したものに限らず、例えば反射光信号Ｓr1の立上り時刻と立下り時刻に設定してもよい。また、反射光信号Ｓr1，Ｓr2のうち立上り時刻と立下り時刻の時間差が大きいものに基づいて、開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を設定してもよく、立上り時刻と立下り時刻の時間差が小さいものに基づいて、開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を設定してもよい。さらに、反射光信号Ｓr1，Ｓr2のうち立上り時刻が早いものに基づいて、開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を設定してもよい。また、被検出物体Ｏbjの大きさや移動速度が予測可能な場合には、これらに基づいて、開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1との時間差を予め設定しておいてもよい。
　ステップ１２では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2に基づいて、位相差Ｔ21の検出範囲として、反射光信号Ｓr2の波形を負側または正側にシフトさせる最大値（±ｘ0）を決める。シフト量ｘの最大値（±ｘ0）は、例えば反射光信号Ｓr2の波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1との時間差に基づいて設定する。シフト量の最大値（±ｘ0）は、例えば反射光信号Ｓr2の波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1との時間差と同程度の値でもよく、半分程度の値でもよい。
　なお、シフト量の最大値（±ｘ0）は、反射光信号Ｓr2の波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1との時間差よりも小さい値に設定してもよく、大きい値に設定してもよい。また、シフト量の最大値（±ｘ0）は、反射光信号Ｓr1の波形に基づいて設定してもよい。シフト量の最大値（±ｘ0）が実験的に予測可能であれば、シフト量の最大値（±ｘ0）を、実験に基づく値に予め設定しておいてもよい。
　ステップ１３では、シフト量ｘを初期値としての負の最大値（－ｘ0）に設定する。ステップ１４では、以下の数１に示す関数Ｚd1（ｘ）を用いて、反射光信号Ｓr2をシフト量ｘだけ時間をシフトさせ、この状態で反射光信号Ｓr1との差分の二乗和を演算する。なお、関数Ｚd1（ｘ）は離散値の総和を演算するものとしたが、連続値の積分を演算してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　続くステップ１５では、シフト量ｘを予め設定された所定値Δｘ（Δｘ＞０）だけ増加させ、ステップ１６では、シフト量ｘが正の最大値（＋ｘ0）よりも大きいか否かを判定する。所定値Δｘは、位相差Ｔ21の検出間隔に相当し、最大値（＋ｘ0）よりも小さい値に設定される。
　そして、ステップ１６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ１４，１５の処理を繰り返す。一方、ステップ１６で「ＹＥＳ」と判定したときには、シフト量ｘが正の最大値（＋ｘ0）よりも大きくなっているから、ステップ１７に移行して、関数Ｚd1（ｘ）が最小となるシフト量ｘ21を位相差Ｔ21として出力する。
　次に、図６中のステップ４に示す位相差Ｔ32の演算処理について、図８を参照して説明する。
　位相差Ｔ32の演算処理によるステップ２１～２７は、位相差Ｔ21の演算処理によるステップ１１～１７とほぼ同様である。このため、ステップ２１では、反射光信号Ｓr2，Ｓr3に基づいて、波形全体の差分を計算するための範囲として、波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を決める。ステップ２２では、反射光信号Ｓr2，Ｓr3に基づいて、位相差Ｔ32の検出範囲として、反射光信号Ｓr2の波形を負側または正側にシフトさせる最大値（±ｘ0）を決める。ステップ２１，２２では、例えばステップ１１，１２と同じ値の時刻ｔ0，ｔ1とシフト量ｘの最大値（±ｘ0）が設定される。
　ステップ２３では、シフト量ｘを初期値としての負の最大値（－ｘ0）に設定する。ステップ２４では、以下の数２に示す関数Ｚd2（ｘ）を用いて、反射光信号Ｓr3をシフト量ｘだけ時間をシフトさせ、この状態で反射光信号Ｓr2との差分の二乗和を演算する。なお、関数Ｚd2（ｘ）は離散値の総和を演算するものとしたが、連続値の積分を演算してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　続くステップ２５では、シフト量ｘを予め設定された所定値Δｘ（Δｘ＞０）だけ増加させ、ステップ２６では、シフト量ｘが正の最大値（＋ｘ0）よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップ２６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ２４，２５の処理を繰り返す。一方、ステップ２６で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ２７に移行して、関数Ｚd2（ｘ）が最小となるシフト量ｘ32を位相差Ｔ32として出力する。
　なお、位相差Ｔ21，Ｔ32の精度を高めるためには、波形の範囲としての開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1との時間差と、シフト量ｘの範囲となる最大値（±ｘ0）はできるだけ大きな値に設定した方がよく、所定値Δｘはできるだけ小さい値に設定した方がよい。しかし、波形の範囲とシフト量ｘの範囲が大きくなり、所定値Δｘが小さくなるに従って、演算量の増大や処理速度の低下が発生する。このため、位相差Ｔ21，Ｔ32の精度が許容できる範囲で、積分の範囲とシフト量ｘの範囲はできるだけ小さい値に設定され、所定値Δｘはできるだけ大きい値に設定される。
　次に、図６中のステップ５に示す移動方向の特定処理について、図９ないし図１２を参照して説明する。
　ステップ３１では、以下の数３の式に基づいて、位相差Ｔ21と位相差Ｔ32の比率ｆ（θ）を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　続くステップ３２では、位相差Ｔ21，Ｔ32の比率ｆ（θ）を、図１２に示すマップＭに当てはめることによって、被検出物体Ｏbjの移動方向を特定する。
　ここで、マップＭの具体的な作成方法について説明する。図１０に示すように、例えば発光素子３～５を円周上に配置すると共に、円周の中心に対して右側位置を０°としたときに、発光素子３を１８０°の位置に配置し、発光素子４を９０°の位置に配置し、発光素子５を０°の位置に配置した場合を考える。被検出物体Ｏbjの移動速度は等速と仮定し、被検出物体Ｏbjが０°方向に進むものとし、光センサ１を回転させたときの角度（回転角度）をθとする。角度θを変化させると、０°方向に対する発光素子３，４間の距離Ｌ21と発光素子４，５間の距離Ｌ32が幾何学的に変化する。また、被検出物体Ｏbjが等速で移動すると仮定すると、距離Ｌa，Ｌbは、被検出物体Ｏbjが移動するときの所要時間（位相差Ｔ21，Ｔ32）から見積もることができる。
　この場合、距離Ｌ21，Ｌ32の比率は、数３の式に示す比率ｆ（θ）に一致すると共に、以下の数４に示すように、幾何学的に角度θを変数とする関数になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　この比率ｆ（θ）と角度θとの関係を図示すると、図１１に示す通りとなる。距離Ｌ21が正の場合（Ｌ21＞０）と負の場合（Ｌ21＜０）とで場合分けすると、角度θと比率ｆ（θ）が一対一で対応する。従って、比率ｆ（θ）に基づいて、被検出物体Ｏbjの移動方向となる角度θを求めることができる。
　図１２に示すマップＭは、単純化のために、比率ｆ（θ）の範囲によって角度θを３０°刻みで求めたものである。ここで、正側の第１閾値ｆ1は、角度θが１６５°または３４５°の場合の比率ｆ（θ）であり、負側の第１閾値（－ｆ1）は、角度θが１０５°または２８５°の場合の比率ｆ（θ）である。また、正側の第２閾値ｆ2は、角度θが１５°または１９５°の場合の比率ｆ（θ）であり、負側の第２閾値（－ｆ2）は、角度θが７５°または２５５°の場合の比率ｆ（θ）である。
　なお、前述では、発光素子３～５を円周上で所定の角度位置に配置した場合を例に挙げて説明したが、これらの角度位置は適宜設定することができる。また、発光素子３～５は必ずしも円周上に配置する必要はなく、基板２上の任意の位置に配置することができる。さらに、マップＭを用いずに、数４の式を用いて角度θを直接的に逆算してもよい。
　次に、図１３ないし図１９を用いて、光センサ１による被検出物体Ｏbjの検出動作について説明する。
　光センサ１が駆動すると、発光素子３～５は基板２の上方に向けて光を出射する。この状態で基板２の上方を手や指等の被検出物体Ｏbjが通過すると、発光素子３～５の光路を被検出物体Ｏbjが遮る。これにより、被検出物体Ｏbjは発光素子３～５からの光を反射する。この反射光は受光素子６によって受光され、受光素子６は、反射光の強度に応じた電流を光検出信号Ｓ0として出力する。
　演算処理部１５は、受光素子６からの光検出信号Ｓ0から３つの反射光信号Ｓr1～Ｓr3を分離し、これらの位相差Ｔ21，Ｔ32を演算する。そして、演算処理部１５は、２つの位相差Ｔ21，Ｔ32に基づいて、被検出物体Ｏbjの移動方向、位置、移動速度等を特定する。
　移動方向等の特定方法は、以下に示す通りである。ここでは、被検出物体Ｏbjとして手の指を例に挙げて説明する。図１３および図１４に示すように、Ｘ軸方向に沿って被検出物体Ｏbjが移動したときには、発光素子３，４，５の順番で、これらの上方を被検出物体Ｏbjが通過する。このため、反射光信号Ｓr1，Ｓr2，Ｓr3の順番でこれらのピークが発生するから、位相差Ｔ21，Ｔ32もこのようなピークの発生順序に応じた値になる。この結果、位相差Ｔ21，Ｔ32に基づいて、被検出物体ＯbjがＸ軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Ｏbjの移動速度を検出することができる。
　一方、図１５および図１６に示すように、Ｙ軸方向に沿って被検出物体Ｏbjが移動したときには、発光素子５，３，４の順番で、これらの上方を被検出物体Ｏbjが通過する。このとき、位相差Ｔ21，Ｔ32もこのような通過順序に応じた値になるから、位相差Ｔ21，Ｔ32に基づいて、被検出物体ＯbjがＹ軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Ｏbjの移動速度を検出することができる。
　また、図１７ないし図１９に示すように、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の大きさは、被検出物体ＯbjのＺ軸方向の位置に応じて変化する。即ち、被検出物体Ｏbjが光センサ１に近い位置に配置されたときには、反射光が強くなり、反射光信号Ｓr1～Ｓr3も大きくなる。一方、被検出物体Ｏbjが光センサ１から離れた位置に配置されたときには、反射光が弱くなり、反射光信号Ｓr1～Ｓr3も小さくなる。このため、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の大きさに応じて、Ｚ軸方向の位置を検出できると共に、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の大きさの変化に応じて、被検出物体ＯbjがＺ軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Ｏbjの移動速度を検出することができる。
　また、発光素子３～５として、例えばＶＣＳＥＬのような高い分解能を有する素子を用いると、被検出物体Ｏbjの表面の凹凸に応じて、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の大きさが変化する。このため、図２０および図２１に示すように、例えば被検出物体Ｏbjとしての手がＸ軸方向に沿って移動したときには、指等の凹凸に応じて、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の大きさが変化し、反射光信号Ｓr1～Ｓr3には複数のピークが発生する。
　一方、図２２に示すように、例えば被検出物体Ｏbjとして手を用いたときには、発光素子３～５からの光が照射される部分の形状が発光素子３～５毎に異なることがある。図２２に示す例では、発光素子３，５からの光は人差し指、中指、薬指、小指の４本の指に照射されるが、発光素子４からの光は、小指を除いた３本の指にしか照射されない。この場合、図２３に示すように、反射光信号Ｓr1，Ｓr3と反射光信号Ｓr2は互いのピークの数が異なる。このため、反射光信号Ｓr1～Ｓr3のピーク、立上り、立下り等を用いたときには、正確な位相差Ｔ21，Ｔ32を求めることができないことがある。
　これに対し、第１の実施の形態による光センサ１では、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の波形全体の差に基づいて位相差Ｔ21，Ｔ32を求める。例えば図２３に示す反射光信号Ｓr1～Ｓr3について、シフト量ｘと反射光信号Ｓr1，Ｓr2の差分の二乗和の関数Ｚd1（ｘ）との関係は、図２４に示す通りとなる。このとき、関数Ｚd1（ｘ）の極小値は１つだけとなるから、この極小値に対応したシフト量ｘ21が位相差Ｔ21として検出される。図２５中に２点鎖線で示すように、シフト量ｘ21だけ反射光信号Ｓr2をシフトさせると、反射光信号Ｓr1，Ｓr2の波形が互いに対応していることが分かる。
　一方、シフト量ｘと反射光信号Ｓr2，Ｓr3の差分の二乗和の関数Ｚd2（ｘ）との関係は、図２６に示す通りとなる。このとき、関数Ｚd2（ｘ）の極小値は２つ存在するが、この中で最小の極小値に対応したシフト量ｘ32が位相差Ｔ32として検出される。図２７中に２点鎖線で示すように、シフト量ｘ32だけ反射光信号Ｓr3をシフトさせると、反射光信号Ｓr2，Ｓr3の波形が互いに対応していることが分かる。なお、残余の極小値に対応したシフト量ｘは、指１本ずれた位置に対応したものである。
　このように、第１の実施の形態では、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の波形が相互に異なる場合でも、正確な位相差Ｔ21，Ｔ32を求めることができる。この結果、Ｘ軸方向やＹ軸方向に限らず、Ｘ軸方向やＹ軸方向から斜めに傾斜した移動方向でも正確に検出することができる。
　なお、図６中のステップ１，２は反射光信号取得手段の具体例を示し、図６中のステップ３，４、図７中のステップ１３～１７、図８中のステップ２３～２７は位相差演算手段の具体例を示し、図６中のステップ５は移動方向特定手段の具体例を示している。
　次に、図４、図２８および図２９を用いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、３つの反射光信号の相互相関に基づいて位相差を求める。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第２の実施の形態による光センサ２１は、第１の実施の形態による光センサ１とほぼ同様に構成される。このため、基板２には、３個の発光素子３～５と受光素子６が設けられると共に、信号処理回路２２が実装される。信号処理回路２２は、第１の実施の形態による信号処理回路１１とほぼ同様に構成され、発光素子駆動部１２、光検出信号増幅部１３、フィルタ部１４および演算処理部１５を備える。
　第２の実施の形態による演算処理部１５は、第１の実施の形態と同様に、図６に示すプログラムを実行し、被検出物体Ｏbjの移動方向を特定する。第２の実施の形態による演算処理部１５は、図６中のステップ３，４において、反射光信号Ｓr1～Ｓr3の相互相関に基づいて位相差Ｔ21，Ｔ32を求める。
　次に、第２の実施の形態による位相差Ｔ21の演算処理について、図２８を参照して説明する。
　ステップ４１では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2に基づいて、波形の相関を計算するための範囲として、波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を決める。ステップ４２では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2に基づいて、位相差Ｔ21の検出範囲として、反射光信号Ｓr2の波形を負側または正側にシフトさせる最大値（±ｘ0）を決める。
　ステップ４３では、シフト量ｘを初期値としての負の最大値（－ｘ0）に設定する。ステップ４４では、以下の数５に示す関数Ｚc1（ｘ）を用いて、反射光信号Ｓr2をシフト量ｘだけ時間をシフトさせ、この状態で反射光信号Ｓr2との積和を演算する。このとき、関数Ｚc1（ｘ）は、反射光信号Ｓr1，Ｓr2の相関関数である。なお、関数Ｚc1（ｘ）は離散値の総和を演算するものとしたが、連続値の積分を演算してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　続くステップ４５では、シフト量ｘを予め設定された所定値Δｘ（Δｘ＞０）だけ増加させ、ステップ４６では、シフト量ｘが正の最大値（＋ｘ0）よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップ４６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ４４，４５の処理を繰り返す。一方、ステップ４６で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ４７に移行して、関数Ｚc1（ｘ）が最大となるシフト量ｘ21を位相差Ｔ21として出力する。
　次に、第２の実施の形態による位相差Ｔ32の演算処理について、図２９を参照して説明する。
　ステップ５１では、反射光信号Ｓr2，Ｓr3に基づいて、波形の相関を計算するための範囲として、波形の開始時刻ｔ0と終了時刻ｔ1を決める。ステップ５２では、反射光信号Ｓr2，Ｓr3に基づいて、位相差Ｔ32の検出範囲として、反射光信号Ｓr2の波形を負側または正側にシフトさせる最大値（±ｘ0）を決める。
　ステップ５３では、シフト量ｘを初期値としての負の最大値（－ｘ0）に設定する。ステップ５４では、以下の数６に示す関数Ｚc2（ｘ）を用いて、反射光信号Ｓr3をシフト量ｘだけ時間をシフトさせ、この状態で反射光信号Ｓr2との積和を演算する。このとき、関数Ｚc2（ｘ）は、反射光信号Ｓr2，Ｓr3の相関関数である。なお、関数Ｚc2（ｘ）は離散値の総和を演算するものとしたが、連続値の積分を演算してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　続くステップ５５では、シフト量ｘを予め設定された所定値Δｘ（Δｘ＞０）だけ増加させ、ステップ５６では、シフト量ｘが正の最大値（＋ｘ0）よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップ５６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ５４，５５の処理を繰り返す。一方、ステップ５６で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ５７に移行して、関数Ｚc2（ｘ）が最大となるシフト量ｘ32を位相差Ｔ32として出力する。
　かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。なお、第２の実施の形態では、図２８中のステップ４３～４７、図２９中のステップ５３～５７が位相差演算手段の具体例を示している。
　次に、図３０を用いて、本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、３個の発光素子に対応して３個の受光素子を備える。なお、第３の実施の形態において、第１の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
　第３の実施の形態による光センサ３１では、基板２には３個の受光素子３２～３４が実装される。受光素子３２は、発光素子３の近傍に位置して発光素子３からの光に基づく反射光を受光する。受光素子３３は、発光素子４の近傍に位置して発光素子４からの光に基づく反射光を受光する。受光素子３４は、発光素子５の近傍に位置して発光素子５からの光に基づく反射光を受光する。
　この場合、発光素子３～５はパルス発光で時分割発光する必要はなく、連続発光してもよい。
　かくして、第３の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。この場合、３個の受光素子３２～３４から出力される光検出信号が反射光信号Ｓr1～Ｓr3にそれぞれ対応するから、３個の受光素子３２～３４は、反射光信号取得手段の一部を構成する。
　なお、第３の実施の形態は、第２の実施の形態にも適用することができる。また、第３の実施の形態では、３個の受光素子３２～３４を備える場合を例に挙げて説明したが、２個の受光素子を備える構成としてもよく、４個以上の受光素子を備える構成としてもよい。
　前記各実施の形態では、３個の発光素子３～５を備える場合を例に挙げて説明したが、４個以上の発光素子を備える構成としてもよい。
　前記各実施の形態では、信号処理回路１１，２２は基板２に実装する構成としたが、基板２と別個に設けてもよい。
　前記各実施の形態では、反射光信号Ｓr1，Ｓr2間の位相差Ｔ21と反射光信号Ｓr2，Ｓr3間の位相差Ｔ32を用いて被検出物体Ｏbjの移動方向等を特定する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば位相差Ｔ21，Ｔ32のいずれかに代えて、反射光信号Ｓr1，Ｓr3間の位相差Ｔ31を用いてもよく、これら３つの位相差Ｔ21，Ｔ32，Ｔ31を用いてもよい。
　１，２１，３１　光センサ
　２　基板
　２Ａ　表面
　３～５　発光素子
　６，３２～３４　受光素子
　１１，２２　信号処理回路
　１２　発光素子駆動部（発光制御手段）
　１５　演算処理部

Claims (5)

  1. 　基板と、
    　該基板の表面に実装された少なくとも３個の発光素子と、
    　該少なくとも３個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、
    　前記基板の表面に実装された少なくとも１個の受光素子とを備え、
    　前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、
    　前記少なくとも３個の発光素子による光が前記被検出物体によって反射された光を前記受光素子によって受光し、前記受光素子から出力される光検出信号に基づいて、前記３個の発光素子による光に対応した３つの反射光信号を取得する反射光信号取得手段と、
    　３つの前記反射光信号の波形全体の差または相関に基づいて各々の位相差を求める位相差演算手段と、
    　少なくとも２つの前記位相差に基づいて前記被検出物体の移動方向を特定する移動方向特定手段とを備えることを特徴とする光センサ。
  2. 　前記位相差演算手段は、２つの前記反射光信号の位相差を求めるときには、一方の前記反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、他方の前記反射光信号との間の差の二乗を波形全体で加算し、この加算値が最小となるシフト量を位相差とする請求項１に記載の光センサ。
  3. 　前記位相差演算手段は、２つの前記反射光信号の位相差を求めるときには、一方の前記反射光信号を所定のシフト量だけ時間をシフトさせた状態で、２つの前記反射光信号の積和演算を行い、この演算値が最大となるシフト量を位相差とする請求項１に記載の光センサ。
  4. 　前記発光制御手段は、前記少なくとも３個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させる請求項１に記載の光センサ。
  5. 　前記発光素子は面発光レーザである請求項１に記載の光センサ。
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