光検出装置および電子機器
【課題】単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接／方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に最も効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置を提供する。
【解決手段】受光素子２００は、反射光１０３が直接入射する第１のウェル３０１と、第１のウェル３０１を挟んで対向し、かつ反射光１０３は遮光されて入射しない第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３とを備えている。受光素子２００による受信信号は、第１のウェル３０１の出力と第２のウェル３０２の出力との和、及び、第１のウェル３０１の出力と第３のウェル３０３との出力の和を、時間軸上で交互に出力する。この受信信号に基づいて、光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態と、前記対象物体の近接状態が変化した際の移動方向とが判定される。
【解決手段】受光素子２００は、反射光１０３が直接入射する第１のウェル３０１と、第１のウェル３０１を挟んで対向し、かつ反射光１０３は遮光されて入射しない第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３とを備えている。受光素子２００による受信信号は、第１のウェル３０１の出力と第２のウェル３０２の出力との和、及び、第１のウェル３０１の出力と第３のウェル３０３との出力の和を、時間軸上で交互に出力する。この受信信号に基づいて、光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態と、前記対象物体の近接状態が変化した際の移動方向とが判定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の近接状態および移動方向を検知するための光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ等の表示画面を備えた電子機器、例えば携帯電話やスマートフォン、タブレット型情報端末、あるいはデジタルカメラ等においては、機器への人体の近接具合を検出して種々の制御が行われている。これらの機器の表示画面は、タッチパネルとしての情報入力機能も兼ねており、通話の開始や機器をポケット等に挿入するなど何らかの物体がタッチパネルに近接した際、その機能をオフすることで誤動作を防止することが必要となる場面がある。またデジタルカメラでは、ユーザが液晶画面からファインダーに目線を移す際に自動的に液晶画面の明るさを落とすといった制御が行われる。このような用途に向け、自らパルス発光し対象物体からの反射パルス光を検出して対象物体の近接具合を判定する、小型かつ安価な光学式の近接センサが広く用いられている。
【０００３】
ところで、タッチパネル機能を有するディスプレイを使用していると、操作自体による画面の汚れが避けられず頻繁に拭き取りが必要と感じるユーザは少なくない。特に、ページ送りなどの操作、所謂スワイプ動作により油脂汚れが引き伸ばされ、好ましくない。
【０００４】
上記近接センサは、画面への物体（人体、例えば耳や頬）の接近を検出するためのものなので、ディスプレイと同一のＸＹ平面内に実装され、ディスプレイ面の法線Ｚ方向への物体の近接状態を検出している。ここで、上記センサに物体（指）が近接した際、物体のＸＹ平面内での移動方向も同時に検出する機能があれば、上記スワイプ動作をタッチレス化することが可能になる。スワイプ動作自体は、画面全体の表示内容をＸまたはＹの軸方向に沿って切り替える大雑把な操作なので、上記センサのディスプレイ平面上での実装位置を強く制約するものではない。また、このような目的を達成するためだけに複数の近接センサや測距センサあるいは高価なイメージングデバイスを配置し、情報端末が高コスト化するのは望ましくない。
【０００５】
このため、近接センサに方向検知機能を容易に集積化し、小型かつ安価な近接／方向センサとすることが求められる。これにより、例えば携帯情報端末のタッチレススワイプ動作を容易に実現することでき、タッチパネルの汚れの問題は解決される。勿論、これに限らず、モーションセンサとして他の様々な用途に展開することができる。
【０００６】
近接センサと方向センサのモノリシック化において、まず想起されるのは分割フォトダイオードを用いた光検出装置である。このような装置では、分割した各フォトダイオードの出力差に基づいてフォトダイオード面上での信号光スポットサイズの移動方向を知ることができる。ここで、分割フォトダイオード全体の合計出力を近接センサの信号光として利用する場合、分割された個々のフォトダイオードの出力信号は必ずそれよりも小さくなる。光ディスクのトラッキング制御のように、上記各出力信号から生成される誤差信号を最小化するよう連続的に帰還制御をかけるシステムにおいてはこれでも十分に機能が果たされる。
【０００７】
しかしながら、上記分割フォトダイオードを近接／方向センサとして用いる場合には、移動方向を判定すること、すなわちＸＹ方向の移動は無いが正面からの（Ｚ方向のみの）近接状態の変化を検知することも必要とされる。このようなシステムにおいては、不定状態（ＸＹ移動方向の判定結果がチャタリングする状態）を避けるため、方向検知に用いる信号光に対しても十分なＳ／Ｎで閾値判定する必要がある。
【０００８】
したがって、上記のようにフォトダイオードを分割することで近接センサに方向検知機能を加えるには、フォトダイオード全体の面積を大きくするか、そうでない場合は発光信号量を相応に大きくしなければならない。その結果、近接／方向センサのサイズ及びコストは増大する。
【０００９】
また、単一の受発光素子を用いて近接／方向検知機能を実現するために、フォトダイオードの深さ方向の構造を利用することができる。これに関連する従来技術としては、特許文献１が挙げられる。
【００１０】
特許文献１では、i)より長い波長の光は吸収係数が相対的に小さく、フォトダイオード中に深く進入する現象、及び、ii)その光吸収に伴い発生したキャリアは、密度勾配によって入射方向（Ｚ方向）に垂直なＸＹ方向に拡散する現象、を利用して入射光の波長分布スペクトルを推定することが開示されている。
【００１１】
特許文献１自体は、上記現象の近接／方向センサへの利用可能性に対して何らの示唆も与えてはいないが、上記現象を用いて近接／方向センサを実現しうる。その場合、通常使用されるシリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する特定の波長帯（概ね８００ｎｍ以上、より望ましくは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍ）の近赤外域に発光スペクトルのピークを有する発光素子を用いる。すなわち、単体のシリコンフォトダイオードの基板厚み方向（Ｚ方向）に深く進入した近赤外域の信号光によって発生したキャリアは、ドリフトしながらフォトダイオード外側の面内ＸＹ方向に拡散する。このキャリアを、フォトダイオードの外側に配置したコレクタ領域で収集し電流として取り出すことができる。このコレクタ領域を分割して配置することにより、原理的には、フォトダイオード面積自体の大幅な増大を招くことなく、被検知物体の移動方向を検知するために使用する信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，５９６，９８１号明細書（２００３年７月２２日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に開示の上記現象を用いて近接／方向センサを実現しようとする場合、実際に人体の動きに追随して誤動作のない近接／方向センサを実現するには、以下に述べるような相反する重要な課題がある。このため、上記現象を利用した近接方向センサの構成自体、全く自明なものではない。
【００１４】
１つ目の課題は、概ね１ｍ／ｓのオーダである人体の動作速度に十分追随するような、近接／移動方向に関する情報のサンプリングが必要なことである。一般的に、このような用途に用いられる受光素子のサイズは１００μｍ乃至数１００μｍスクエア程度であるので、上記人体の動きを検出するために必要な測定サイクルは、１００μｓ乃至数１００μｓ以下の程度となる。これを大きく上回る測定サイクルでは、近接／非近接状態が切り替わる際の対象物体の移動方向に関する情報を見逃すことになる。
【００１５】
一方、対象物体の近接／非近接状態が変化し、近接／方向センサがその変化を検知するその瞬間及びその前後の時間においては、人体の動きが相対的に遥かに遅いため、信号レベルは判定基準となる閾値レベルの近傍にほぼ停滞した状態にあるとみなせる。その結果、必然的にセンサは信号処理回路自身あるいは回路外部から混入する光学的あるいは電気的な雑音に非常に弱い状態に晒される。このため、２つ目の課題として、判定結果の安定性が問題となる。これは、直接的にパルス波形を増幅再生してパルス数を数える方式のセンサであろうと、パルス波形を積分する積分器及びカウンタを用いたＡ／Ｄ変換によるデジタル方式のセンサであろうと、特定の閾値に対する判定を行う限りは問題となり得る。
【００１６】
近接センサでは、一般的にパーシスタンス（複数回連続する同一判定結果をもって最終判定結果とすること）の回数を増大することで、判定結果の安定性を得ている。しかしながら、パーシスタンスの回数を増大することは、上記１つ目の課題であるセンサの応答時間とは相反する制約を与えるものであり、応答時間と判定精度／安定性のトレードオフは、近接／方向センサにおいて、より重要な課題となる。
【００１７】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接／方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に最も効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明は、発光素子と、前記発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光を受光する受光素子とを備える光検出装置であって、前記受光素子は、前記反射光が直接入射する第１のウェルと、前記第１のウェルの外周に沿って前記第１のウェルを挟んで対向し、かつ前記発光素子からの光は遮光されて入射しない第２のウェル及び第３のウェルとを、備えており、さらに、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和を、時間軸上で交互に信号処理し、当該光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態を表す第１の判定結果と、前記対象物体の近接状態が変化した際、前記対象物体が前記第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向に沿って移動した向き又は方向性無しの３状態のいずれかを表す第２の判定結果と、を出力する信号処理回路を備えていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、上記光検出装置の受光素子は、第１乃至第３のウェルを有しており、第１のウェルには発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光が直接入射するようになっている。また、第２および第３のウェルは、第１のウェルの外周に沿って第１のウェルを挟んで対向している。これにより、第２および第３のウェルは、第１のウェルに入射した反射光によって発生したキャリアを収集し電流として取り出すことができる。
【００２０】
第１乃至第３のウェルにおける出力電流は、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和が、時間軸上で交互になるように信号処理される。すなわち、上記処理された信号は、常に第１のウェルの出力を含んでいるものとなる。このため、単一の受光素子を用いた近接／方向センサにおいて、全体の受光面積の増加を招くことなく近接センサと方向センサの機能を両立しつつ、良好な応答特性を得ることができる。また、この応答特性は、安定性を得るためのパーシスタンスを設定しても、人体の動作速度に十分追随する十分な応答特性が得られる程度のものであり、応答時間と判定精度／安定性を両立できる。
【００２１】
また、上記光検出装置では、前記受光素子はシリコン基板上に形成され、前記発光素子の発光スペクトルは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍの波長に最大強度を有し、前記第１のウェルと前記第２のウェルの間隔、及び、前記第１のウェルと前記第２のウェルの間隔は、相等しく１０μｍ以内である構成とすることができる。
【００２２】
上記の構成によれば、受光素子としてシリコンフォトダイオードが使用され、該シリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する波長帯に発光スペクトルのピークを有する発光素子が使用されるため、効率の良い受光検知が可能となる。また、第１のウェルと第２のウェルの間隔、及び、第１のウェルと第２のウェルの間隔を上記のように設定することにより、第２および第３のウェルによるキャリア収集効率を良好なものとできる。
【００２３】
また、上記光検出装置では、前記信号処理回路は、前記第１のウェルの出力および前記第２のウェルの出力の和と、前記第１のウェルの出力および前記第３のウェルの出力の和との、いずれに対しても、同一の１組の閾値を用いて３値以上の多値出力を有する比較器を備え、前記第１の判定結果は、時間軸上で交互に信号処理された前記各和が、順序に関係なく複数回連続して、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかの閾値と比較された結果として、同一であったか否かに基づいて判定され、前記第２の判定結果は、上記第１の判定結果が判定される直前に信号処理された前記各和が、前記比較器によって前記一組の閾値のうちのいずれかでかつ第１の判定に用いられたものとは異なる閾値と比較された結果に基づいて判定される構成とすることができる。
【００２４】
上記の構成によれば、上記１組の閾値を用いて、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出することができる。
【００２５】
また、上記光検出装置では、前記信号処理回路は、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、および前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルの出力との和を積分する積分器と、前記積分器の出力を閾値電圧と比較して２値のデジタルパルス信号を生成する比較器と、前記デジタルパルス信号のパルス発生回数をカウントするアップダウンカウンタとを備え、(A) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第２（または第３）のウェルの出力の和をアップカウント、またはダウンカウントし、続いて、(B) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第３（または第２）のウェルの出力の和を、前記(A)とは逆方向にダウンカウントまたはアップカウントし、前記第１の判定結果は、(A)終了時点のカウント値が第１の閾値を超えるか否かに基づいて判定され、前記第２の判定結果は、(B)終了時点のカウント値が第２及び第３の閾値の間にあるか否か、に基づいて判定される構成とすることができる。
【００２６】
上記の構成によれば、上記アップダウンカウンタのカウント値と第１乃至第３の閾値を用いて、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検することができる。また、積分器を用いる上記構成は、信号帯域が狭帯域となりＳ／Ｎで有利であることに加え、回路ブロックを照度センサやＲＧＢセンサと共通化できるといったメリットもある。
【００２７】
また、上記光検出装置では、前記第２の判定結果を出力するための出力端子を備え、前記第２の判定結果は、ハイレベル、ローレベル、および内部で生成されるパルス列の３状態の何れかとして出力される構成とすることができる。
【００２８】
上記の構成によれば、光検出装置の外部からは、例えば出力信号の平均値を検出することで移動方向に関する３状態（移動方向（２方向）および移動なし）を判別することができる。
【００２９】
また、上記光検出装置では、外部との通信手段と、前記第１および第２の判定結果の状態変化に基づき出力する出力端子と、前記第１及び第２の判定結果が格納され、前記通信手段により外部から読み出し可能なレジスタとを少なくとも備え、前記第１の判定結果は１ビット、前記第２の判定結果は２ビットの情報として、前記レジスタに格納される構成とすることができる。
【００３０】
上記の構成によれば、光検出装置の外部からは、レジスタに格納される情報を読み出すことで移動方向に関する３状態（移動方向（２方向）および移動なし）を判別することができる。また、外部において出力信号を検出するために、平均化やウィンドウコンパレータ、あるいはＡ／Ｄ変換器などの追加コスト要因を発生させること無く、対象物体の近接情報及び移動方向の情報を得ることができる。
【００３１】
また、上記光検出装置では、前記受光素子と前記信号処理回路とが集積化されている構成とすることができる。
【００３２】
また、上記光検出装置では、当該光検出装置のパッケージは、前記受光素子のためのレンズを含まない構成とすることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の光検出装置は、単一の受光素子を用いた近接／方向センサにおいて、全体の受光面積の増加を招くことなく良好な応答特性を得ることができるといった効果を奏する。また、この応答特性は、安定性を得るためのパーシスタンスを設定しても、人体の動作速度に十分追随する十分な応答特性が得られる程度のものであり、応答時間と判定精度／安定性を両立できるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、（ａ）は光検出装置の受光部の平面図、（ｂ）は前記受光部の断面図である。
【図２】本発明の光検出装置の使用状況を説明する斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明の光検出装置の全体構成を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る光検出装置の全体構成を説明する図である。
【図５】実施の形態１に係る光検出装置の信号処理の概略を説明する波形図である。
【図６】実施の形態１に係る光検出装置の増幅部の構成を示す回路図である。
【図７】実施の形態１に係る光検出装置の非近接→近接及び方向検知判定方法を説明する図である。
【図８】実施の形態１に係る光検出装置の近接→非近接及び方向検知判定方法を説明する図である。
【図９】実施の形態２に係る光検出装置の増幅部の構成を示す回路図である。
【図１０】実施の形態２に係る光検出装置の信号処理方法を説明する図である。
【図１１】実施の形態３に係る光検出装置の出力部の構成を示す回路図である。
【図１２】実施の形態４に係る光検出装置の出力部の構成を示す回路図である。
【図１３】本発明の光検出装置を搭載する携帯端末の一部とその使用状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、本発明は、以下に示す各実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。以下に説明する本発明の構成において、同様のものに関しては共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能を有する部分の詳細な説明は省略する。
【００３６】
〔実施の形態１〕
図２は、本発明に係る光検出装置１００が使用される状況を説明する図である。図２では、検出の対象物体である人間の指１０１が、光検出装置１００の発光素子（詳細は図示せず）から放射される近赤外線のビームコーン１０２に接し始め、反射光１０３が生じる様子が描かれている。尚、ビームコーン１０２は、光検出装置１００の天面の法線である第１の軸１０６に沿って放射されている。ここで、光検出装置１００は受発光一体型のパッケージとして図示されているが、本発明はこの形態に限定されず、受発光セパレート型などのいずれの形態にも適用されることは以下の説明から自ずと明らかとなるであろう。
【００３７】
また、光検出装置１００における近接センサとしての機能は、第１の軸１０６方向、すなわち発光素子の光軸方向（あるいは受光素子面の法線方向）に沿った、対象物体１０１の近接／非近接状態を検知する。また、図２は、方向センサとして検出すべき、第２の軸（すなわち１０５方向）に沿う対象物体１０１の移動方向に対して、光検出装置１００の発光素子及び受光素子（詳細は図示せず）を結ぶ軸１０４が垂直に配置された例を示している。この例は、これ以降の説明を分かりやすくするための便宜的な配置であって、第２の軸１０５と検出方向と発光素子及び受光素子を結ぶ軸１０４とは、必ずしも垂直である必要はなく、厳密に垂直または平行である必要もない。第２の軸１０５は、光検出装置１００を搭載するホストシステムの仕様として、光検出装置に無関係に決定される軸である。この第２の軸１０５に対応させるべき本光検出装置に固有の軸方向の定義については、後に図１を参照してより詳しく説明する。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）は、図２の光検出装置１００の内部構造について詳細を示すものである。同図（ａ）は軸１０４を紙面横方向に、同図（ｂ）は軸１０４を紙面法線方向にとっている。光検出装置１００は、受光素子２００および発光素子２０２を有しており、受光素子２００は信号処理回路２０１の一部として集積化されている。また、発光素子２０２の駆動回路も前記信号処理回路２０１に含まれ得る。図３（ａ），（ｂ）は、図２の状態からさらに指１０１が１０５方向に移動し、指１０１からの反射光１０３が、備える受光素子２００に入射する様子を示している。尚、光検出装置１００内部の相互配線や端子配線等は任意であり、当業者にとって容易に想到し得るものであるため省略した。
【００３９】
光検出装置１００の受光部周辺にはレンズ作用を有する構造は設けられておらず、赤外線に対して吸収の小さい平板樹脂によるモールドが施されている。これは、対象物体が光検出装置１００に近接しつつ方向１０２に移動するような状況においての望ましい設計のうち、最も単純かつ確実なものである。ここでの望ましい設計とは、反射光１０３が受光素子２００の端から入射し始め、対象物体１０１の移動に伴って入射光量が単調に増大するような設計である。勿論、受光素子２００の上部にレンズ構造を設けてもよいが、その場合は、レンズ以外の部分から受光素子２００に斜め入射する反射光１０３と、レンズを通して結像する反射光１０３とは、受光素子２００に対して入射位置が大きく異なるので注意深く設計を行う必要がある。
【００４０】
また、光検出装置１００のパッケージの発光素子２０２周辺には、ビーム整形レンズ２０３及び受光部への直接入射を避けるための吸光部２０４が設けられている。これらの構造についての設計詳細は任意であり、受発光別体（セパレート型）のパッケージにより前記吸光部２０４が存在しない、あるいは発光側にビーム整形レンズが無い、といった種々の変形が可能である。
【００４１】
図１（ａ）には、受光素子２００のより詳細な構造を図３（ａ）と同様の断面として示した。また、図１（ｂ）は受光素子２００の上面図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、受光素子２００は、ｐ型シリコン基板３００上に、第１のウェル３０１、第２のウェル３０２、及び第３のウェル３０３が設けられて構成されている。第１のウェル３０１は、フォトダイオードとして作用する。第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３は、第１のウェル３０１と同様の積層構造を有し、第１のウェル３０１の外周に沿って第１のウェル３０１を挟んで対向配置されている。
【００４２】
受光素子２００では、この第２のウェル３０２（の重心）と第３のウェル３０３（の重心）とを結ぶ軸を、対象物体１０１の移動方向を検知すべき前記第２の軸１０５と一致させる。
【００４３】
図１および図３の例では、発光素子２０２の照射光における発光スペクトルは、受光素子に使用されるシリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する特定の波長帯（概ね８００ｎｍ以上、より望ましくは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍ）に最大強度を有していることが好ましい。このため、発光素子２０２の発光スペクトルは、波長９４０ｎｍに強度ピークを有し、入射光のほぼ１００％を吸収させるべくｐ型シリコン基板３００の厚さは４００μｍとした。また、第１乃至第３のウェルはｎ型の伝導性を有し、ｐ基板との接合面の深さは約４μｍである。
【００４４】
第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３は、光学的に厚いメタル層３０４（例えば１μｍ厚のＡｌ層）で遮光され、シリコン基板３００の上面からの光が入射しないようにされる。メタル層３０４の上下及び周囲には通常のシリコンプロセスで使用される絶縁層が形成されている（詳細構造は図示せず）。
【００４５】
一方、第１のウェル３０１は、対象物体１０１からの反射光１０３に対しては、上記絶縁層も含めて光学的に開口された構造となっている。これは、必ずしも第１のウェルの上にはメタル層が全く存在しないことを意味するものではない。例えば、数１０ｎｍの厚さの１対の貴金属層（例えばＡｇ）で数１００ｎｍの厚さの誘電体を挟んだ積層体（図示せず）は、ファブリペローエタロンとして、特定の波長すなわち発光素子２０２の波長ピークに対して、ほぼ透明となるよう設計し得ることは周知であり、図３に示した平板樹脂による受光部モールドとの組み合わせは本願発明にとっても好ましいものである。
【００４６】
ここで、第１のウェル３０１と第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３との距離３０５はいずれも１０μｍ以内（ここでは５μｍ）とし、またそれぞれのウェルの幅３０６は２０μｍとしている。ｐ型シリコン基板３００における少数キャリアである電子の拡散長は概ね５乃至１０μｍであり、上記構造によって、第１のウェル３０１すなわちフォトダイオードの最周辺部の直下で光吸収により発生したキャリアは、その近傍の第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３にも効率よく収集される構造となっている。これは、単一のフォトダイオードで方向検知を行うために必要な構造である。
【００４７】
また上記の例では、第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３の幅３０６は、１０乃至１００μｍ程度が望ましい。これは、信号光の波長（ここでは９４０ｎｍ）における吸収係数（約１２０ｃｍ−１）の逆数乃至その１／１０程度の範囲内で選択すればよいことを意味する。ただし、幅３０６が小さすぎると上記の収集効率が低下し、大きすぎると受光素子２００全体のサイズが大きくなる。詳細な検討の結果、例えば９００乃至９４０ｎｍの近赤外光に対しては、より望ましくは第２及び第３のウェルの幅３０６を２０乃至５０μｍ程度とし、さらに以下に説明する信号処理を用いることによって、実用上十分な方向検知作用が得られることが分かった。他の波長についても同様に、第２及び第３のウェルの幅３０６を当該波長における吸収係数の逆数乃至その１／１０までの範囲を目安として選択することにより良好な方向検知特性が得られる。
【００４８】
尚、第１のウェル３０１の幅３０７は、第２及び第３のウェルの幅よりも大きければ任意に設定できる。なぜならば、以降で詳しく説明するように、上記方向検知の作用は、フォトダイオードの最周辺部にのみ信号光が入射する状況下でその直下に発生したキャリアを第２あるいは第３のウェルで収集することによって得られるからである。この理由からも明らかなように、図１（ｂ）に示す第１乃至第３のウェルの軸１０４方向への長さは相等しくすることが望ましく、第１のウェルの長さは、通常、幅３０７と概ね同じ程度のサイズとされる。方向検知特性の切れを良くする目的で、第１のウェルの形状を長方形あるいは他の形状とすることは任意であるが、常に第２及び第３のウェルが上記距離３０５をもって第１のウェルと境界を接することにより、第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向、すなわち前記軸１０４に垂直な方向１０５、に沿う対象物体１０１の移動方向の検知作用が、高い面積利用効率を保って実現される。
【００４９】
ここまで図１乃至図３を用いて説明した光検出装置１００における、信号処理の詳細の一例を、図４乃至図８を参照して説明する。
【００５０】
第１乃至第３のウェル３０１〜３０３からは、それぞれ信号処理回路２０１に対して電流が出力される。ただし、第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３の出力電流４０２及び４０３は、それぞれスイッチ４０４及び４０５を介して信号処理回路２０１に接続される。第１のウェル３０１の出力電流４０１も同様にスイッチを介して接続されてよいが、光検出装置１００が近接方向センサとして動作している間は常に接続された状態に維持されればよいので、ここでは第１のウェルに対応するスイッチを省略している。尚、表記を簡単にするため、図４では、第１乃至第３のウェル３０１乃至３０３と基板３００で形成されるダイオードを前記ウェルと同一番号で表記し、第２及び第３のウェル上に形成されるメタル層３０４も合わせて簡略的に図示した。ただし、電磁ノイズ耐性の観点から、実際のメタル層３０４には通常ＧＮＤ電位が与えられ、各電流出力ノードとは電位が異なっている。
【００５１】
ここで、スイッチ４０４及び４０５は信号処理回路２０１の制御部４０７で生成される制御信号４０８及び４０９によってそれぞれ制御され、図５に示すようなシーケンスで開閉される。すなわち、出力電流４０１と出力電流４０２の和、及び、出力電流４０１と出力電流４０３の和が、時間軸上で交互に信号処理回路２０１の内部の増幅部４０６に入力されて信号処理がなされる。同図中に示したように、これ以降、上記各信号処理期間を［Ａ］相及び［Ｂ］相と呼ぶものとする。この信号処理については、後に図７乃至８を用いて詳細を説明する。この信号処理がなされ、近接／非近接あるいは移動方向の検知結果が判定されると、出力部４１２を駆動するための信号４１３が制御部４０７から出力され、光検出装置１００の外部に出力信号４１４が出力される。また、発光素子２０２も制御部４０７から発光素子駆動回路４１１に送られる制御信号４１０により駆動される。尚、図５に示した信号はいずれもＨレベルまたはＬレベルのデジタル信号で、制御信号４１０のパルス幅は典型的には１０μｓ、繰り返し周期は１００μｓ程度である。
【００５２】
次に、増幅部４０６の１つの具体例として、増幅部６０１を図６に示す。増幅部６０１は送信光パルスのＯＮ／ＯＦＦ波形を受光信号６００から増幅して２値のデジタルレベルに再生する。受光信号６００は、先述の通り、時間軸上で交互に入力される出力電流４０１と出力電流４０２との和、および出力電流４０１と出力電流４０３との和のいずれかである。受光信号６００はトランスインピーダンスアンプ６０２で電圧信号６０３に変換され、ＡＣ結合を経た後で２分岐され（信号６０４）、それぞれ閾値電圧６０５及び６０６と比較器６０７及び６０８にて比較され、２値のデジタルパルス信号６０９及び６１０が再生される。全体として、比較器６１１は２ビットの多値出力となる。また、この再生信号６０９及び６１０は制御部４０７に含まれるフリップフロップ（ＦＦ）により保持される。
【００５３】
ここで、実際に、図３の状況に応じて受光信号６００乃至上記各増幅信号が変化する様子と、さらに制御部４０７で行われる信号処理について、図７を参照して説明する。図３の状況では、図５で説明した発光素子の駆動波形４１０に基づいて放射された光パルスの列が対象物体１０１に反射されつつ、対象物体１０１は図１の１０５方向に移動し、かつ光検出装置１００に近接する。
【００５４】
この状況では、図７に示すように、トランスインピーダンスアンプ６０２の出力パルス電圧６０３の振幅は時間の経過とともに増大する。また、図２に示したような受光部にレンズ作用のない光学系では、図３あるいは図４に示した第２のウェルの側から反射光１０３が入射し始める。従って、図４あるいは図７に示した制御信号４０８及び４０９による信号の切り替え処理の結果、図７の信号６０３の振幅は、［Ｂ］相よりも先に［Ａ］相で増大する。ただし、いずれの相の出力にも第１のウェルの出力電流４０１は共通して含まれているので、信号６０３の振幅は、［Ａ］相／［Ｂ］相比を最大でも２程度に保って増大する。尚、図７は分かりやすくするために急激に信号振幅を増大させているが、実際の動作において信号６０３の振幅が上昇するスロープは、既に説明したように、人体の動く速度と受光部２００のサイズの関係からこの時間軸スケールではほとんどわからない程に緩やかである。
【００５５】
リファレンス電圧として比較器６０７及び６０８に与えられる閾値６０５及び閾値６０６は、この状況においては、閾値６０５が非近接→近接の検出閾値であり、閾値６０６が移動方向検出のための閾値である。図７から分かるように、制御部４０７は信号６０９が３回連続して発光パルスを再生するか否かを継続的に監視して、非近接→近接という第１の判定結果が得られる（パーシスタンス＝３の例）。
【００５６】
ここで、この第１の判定が行われる直前の［Ａ］，［Ｂ］各相における比較器６０８の出力（信号６１０）から、第２の判定すなわち移動方向の判定が行われる。尚、比較器６０８の直前の出力は、制御部４０７のフリップフロップにて保持されている。図７では、第１の判定は［Ａ］相終了時に発生し、その時の［Ａ］相の比較器出力はパルス再生有り、その直前の［Ｂ］相の比較器出力はパルス再生無しである。
【００５７】
このように、非近接から近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が異なる場合、移動方向はパルス再生有りから無しの方向に生じたと判定できる。すなわち上記の例では、第２のウェルから第３のウェルの方向（第１と第２の和［Ａ］側から第１と第３の和［Ｂ］側への方向）、従って、軸１０５に沿って図２の右方向に生じたものと判定できる。また、非近接から近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が等しい場合は、近接方向に垂直な第２及び第３のウェルを結ぶ方向には対象物体の移動は無かったものと判定できる。この、方向性無し（近接動作に横方向の移動は伴わない）と判定する領域は前記閾値６０６と６０５との差によって調整され得る。例えば、閾値６０６と６０５との差を小さくすることで、図２における指１０１の軸１０５に沿う横方向の移動が、軸１０６に沿う近接速度よりも非常に遅い場合、すなわち指１０１が軸１０６となす角度が小さい遠方から近接する場合であっても、方向検知が可能となる（方向性無しと判定する角度範囲が狭くなる）。逆に、閾値６０６と６０５との差を大きくすることで、指１０１が軸１０６となす角度が小さい場合に軸１０５方向の移動が無い（方向性無し）と判定する角度範囲は広くなる。
【００５８】
次に、近接状態にあった対象物体１０１が光検出装置１００から遠ざかる場合について、図８を参照して説明する。面内の移動方向についても図７の例とは逆に第３のウェルから第２のウェルに向かうものとする。この場合、図８に示すように、トランスインピーダンスアンプ６０２の出力パルス電圧６０３の振幅は時間の経過とともに減少する。また、図７の説明と同様の理由で、図８の信号６０３の振幅は［Ａ］相よりも先に［Ｂ］相で減少し、信号６０３の振幅の［Ａ］相／［Ｂ］相比は最大でも２程度に保たれる。
【００５９】
ここで、対象物体１０１が近接状態が判定されている状況においては、図８に示す閾値６０５’及び６０６’の意味が以下のように変更されることに注意が必要である。ここで、近接→非近接の判定の基準となるのは閾値６０５’であり、移動の方向性を判定するための閾値は閾値６０６’である。そして、方向判定のための閾値と非近接検出のための閾値との大小関係は、図７の非近接→近接の場合とは異なり、方向判定のための閾値６０６’が非近接検出のための閾値６０５’よりも小さい。
【００６０】
これは、第１の判定が行われた直前の［Ａ］相及び［Ｂ］相の信号振幅の差異を検出するために必須の変更である。図７及び図８を見比べると明らかなように、図８では、３回連続パルス再生無しと判定した以降は、信号振幅はもはや検出不可能なほどに減少してしまう。このため、方向判定のための閾値６０６’を非近接検出のための閾値６０５’よりも小さくすることが必要である。
【００６１】
図８から分かるように、制御部４０７は信号６０９が３回連続して発光パルス無しが検出されるか否かを継続的に監視して、近接→非近接という第１の判定結果が得られる（パーシスタンス＝３の例）。そして、この第１の判定が行われる直前の［Ａ］，［Ｂ］各相における比較器６０８の出力（信号６１０）から、第２の判定すなわち移動方向の判定が行われる。図８では、第１の判定は［Ｂ］相終了時に発生し、その時の［Ｂ］相の比較器出力はパルス再生無し、その直前の［Ａ］相の比較器出力はパルス再生有りである。
【００６２】
このように、近接から非近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が異なる場合、移動方向はパルス再生無しから有りの方向に生じたと判定できる。すなわち上記の例では、第３のウェルから第２のウェルの方向、軸１０５に沿って図２の左方向に生じたものと判定できる。また、近接から非近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が等しい場合は、近接方向に垂直な第２及び第３のウェルを結ぶ方向には対象物体の移動は無かったものと判定できる。この、方向性無し（近接動作に横方向の移動は伴わない）と判定する領域は前記閾値６０６’と６０５’との差によって調整され得る。
【００６３】
以上より、図７乃至図８に示した４つの閾値が以下の関係を満たすことで、光検出装置１００の誤動作は防止され安定に動作する。
【００６４】
６０６（非近接→近接時の方向判定）＞６０５（近接→非近接判定）
＞６０５’（非近接→近接判定）＞６０６’（近接→非近接時の方向判定）
尚、上記の一組の閾値（６０６、６０５、６０５’、６０６’）の互いの差、或いは最小値である閾値６０６’は、実施の形態２以降で詳細を説明する実際の回路内雑音を考慮して、雑音による誤動作が生じない範囲において設定すべきであることは言うまでもない。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光検出装置１００では、パーシスタンス３回で近接／非近接及びその方向性の判定を安定に完了することができ、３００μｓ程度で対象物体の動きに応答することが可能である。
【００６６】
以上説明したように、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００６７】
〔実施の形態２〕
本実施の形態２では、増幅部４０６の他の具体例として、増幅部９０１を図９に示す。増幅部９０１は、以下で説明するように、受光信号９００をその強度に応じた電圧パルス列に変換し、Ａ／Ｄ変換器、より詳細にはＶＦＣ(voltage-frequency converter)を構成するために用いられている。以下、図７の説明と同様に、発光素子の駆動波形４１０に基づいて放射された光パルスの列が対象物体１０１に反射されつつ、対象物体１０１は図１の１０５方向に移動し、かつ光検出装置１００に近接してくる、という状況を想定して説明する。
【００６８】
まず、図１０を参照して増幅器９０１の動作を説明する。受光信号９００は、前述の通り、時間軸上で交互に入力される出力電流４０１および出力電流４０２の和と、出力電流４０１および出力電流４０３の和とのいずれかである。受光信号９００は、積分器９０２で電圧ランプ波形９０３に変換され、比較器９０４にて閾値電圧と比較される。ランプ出力９０３が閾値電圧を上回ると、極短い一定幅の２値のデジタルパルス信号９０５が生成される(one shot)。このパルスは、積分器９０２のリセットに使用されるとともに、制御部４０７のアップダウンカウンタに入力されて、そのパルス発生回数がカウントされる。
【００６９】
次に、図７乃至図８のパルス再生型の増幅器の場合と同様、［Ａ］相［Ｂ］相を交互に続けて増幅（積分）する際、図１０に示すように、アップダウンカウンタのｕｐとｄｏｗｎを切り替えてカウントする。すなわち、［Ａ］相と［Ｂ］相の切り替え時のカウント値から近接／非近接の第１の判定を行う。この判定のために用いる閾値は図中の９０６である。また、［Ｂ］相終了時のカウント値から方向性に関する第２の判定を行う。この判定のために用いる閾値は図中９０７及び９０９である。尚、図１０では［Ａ］相のカウントをアップカウント、［Ｂ］相のカウントをダウンカウントとしているが、これらのカウント方向は逆であっても良い。
【００７０】
本実施の形態２にかかる近接／方向では、［Ａ］相の開始前にカウンタはリセット値９０８にリセットされる。そして、［Ａ］相と［Ｂ］相の切り替え時のカウント値、すなわち、［Ａ］相のみによるカウント値が閾値９０６と比較される。第１のウェル３０１での反射光１０３の受光が多くなればカウント値が増加するため、カウント値が閾値９０６よりも大きくなれば、その時点で対象物体１０１の近接状態が発生したと判定される。
【００７１】
対象物体１０１の近接が検出されると、その時点で続いて方向性の判定が行われる。ここで、方向性の判定については図７及び図８の例と全く異なるので特に注意が必要である。方向性判定のための閾値９０７及び９０９は、リセット値９０７に対して±方向に対称に設定される。そして、［Ｂ］相終了時点のカウント値が、閾値９０７及び９０９の間にあれば方向性無しと判定する。これは以下の理由による。［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０７及び９０９の間にあれば、［Ａ］相でのカウント数と［Ｂ］相でのカウント数がほぼ等しいと見なされる。この場合は、反射光１０３が第１のウェル３０１のほぼ中央で受光されていると見なされるため、対象物体１０１の近接は、第２の軸１０５に沿った移動によるものではないと判定される。
【００７２】
次に、対象物体１０１が第２の軸１０５に沿って、第２のウェルから第３のウェルに向かう方向へ移動する場合を考える。この場合、対象物体１０１が第１のウェルに近づいてくるに伴って反射光１０３の受光量が増加するため、［Ａ］相でのカウント数が増加し、やがて上記第１の判定による近接が検出される。この時点では、反射光１０３は第２のウェル側で強い強度を有しており、［Ａ］相でのカウント数が大きく、［Ｂ］相でのカウント数が小さいと考えられる。このため、［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０７よりも大きければ、［Ａ］相から［Ｂ］相、すなわち第２のウェルから第３のウェルに向かう方向への移動があったと判定する。
【００７３】
逆に、対象物体１０１が第２の軸１０５に沿って、第３のウェルから第２のウェルに向かう方向へ移動する場合は、第１の判定による近接の検出時点で、反射光１０３は第３のウェル側で強い強度を有している。このため、［Ａ］相でのカウント数が小さく、［Ｂ］相でのカウント数が大きくなる。したがって、［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０９よりも小さければ、［Ｂ］相から［Ａ］相、すなわち第３のウェルから第２のウェルに向かう方向への移動があったと判定する。
【００７４】
これらのカウント値の大小比較は、制御部４０７の中でデジタル演算により行われ（図示せず）、上記一連の信号処理に関連する増幅器及び制御部の全回路規模は、図５乃至図８で説明したパルス再生増幅器（６０１）による場合と比べて大幅に小さくできる。一方で、本実施の形態２においては、実施の形態１と比べ、発光素子の駆動パルス幅及び［Ａ］相［Ｂ］相の生成パルス幅をより長い時間に設定する必要がある。例えば、１０ｎＡの受光信号９００で１ｐＦの帰還容量を持つ積分器９０２に１Ｖの出力電圧を発生させるには、１００μｓの時間を要する。図１０の［Ａ］，［Ｂ］各相に１００μｓの時間を与えるとすれば１回の測定に２００μｓかかり、ｄｕｔｙ５０％で発光素子を駆動しても、パーシスタンス＝３とした場合の応答時間は１．２ｍｓと長くなる。但し、１．２ｍｓの応答時間は、これによる消費電力は大きくなるものの、近接方向センサとしての人体の動きへの追随は十分可能と言える。また、積分器を用いる本実施の形態２は、信号帯域が狭帯域となりＳ／Ｎで有利であることに加え、回路ブロックを照度センサやＲＧＢセンサと共通化できるといったメリットもあり、有用である。
【００７５】
尚、図９乃至図１０においては、ＶＦＣ型のＡ／Ｄ変換器を用いた光検出装置１００について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、Ｃｈａｒｇｅ ｂａｌａｎｃｅ型、あるいはΣΔ型等の任意のＡ／Ｄ変換器に適用され得るものである。また、［Ａ］相［Ｂ］相をｕｐ／ｄｏｗｎカウンタで交互に信号処理することで近接検知と方向検知を効率よく行う特徴を損なわない範囲で、図１０の信号処理方法を変形することが可能である。例えば、［Ａ］相［Ｂ］相各１回の積分期間を連続して設けているが、［Ａ］相［Ｂ］相をさらに分割して［Ａ１］，［Ｂ１］，［Ｂ２］，［Ａ２］として対称性を高めれば、背景光等のＤＣ乃至極低周波の変動成分の影響をより効率よく低減することができる。
【００７６】
以上説明したように、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００７７】
〔実施の形態３〕
上記実施の形態１および２では、第１の判定結果である近接／非近接状態、あるいは、第２の判定結果である近接／非近接時の移動方向について、それぞれ２値あるいは３値の状態を検出するための手段について詳細に説明してきた。本実施の形態３では、判定結果を光検出装置１００の外部に出力する手段について説明する。尚、この手段は、上記実施の形態のいずれにも適用できる、
図１１に、図４で説明した出力部４１２の詳細な構成例を示す。この例では、第１の判定結果の出力段４１２ａと、第２の判定結果の出力段４１２ｂとが個別に設けられており、いずれもＣＭＯＳインバータとして構成されている。尚、出力段４１４ａあるいは４１４ｂの回路構成は、図１１に示したＣＭＯＳインバータに限られるものではなく、一般的なオープンドレイン出力としてもよい。
【００７８】
出力段４１２ａの出力信号４１４ａは、例えば、Ｈの時は非近接状態、Ｌの時は近接状態、というように２状態を表すことができる。あるいは、出力段４１２ａの出力信号４１４ａは外部へのアラート信号とすることも望ましい。例えば、第１の判定結果に変化が生じたときのみ出力信号４１４ａはＨからＬに遷移し、一定時間後に再びＬからＨに遷移するＯｎｅ Ｓｈｏｔパルスを出力する。このような出力信号４１４ａに対し、外部からは当該出力信号４１４ａを１ビットカウンタでカウントして近接／非近接の判定結果を得ることができる。あるいはまた、出力段４１２ａの出力信号４１４ａは、第１の判定結果に変化が生じたときのみ出力信号４１４ａはＨからＬに遷移し、外部からクリアされるまでＬレベルを保持する所謂割り込み出力とすることもできる。この場合にも、外部からは出力信号４１４ａを１ビットカウンタでカウントすることで近接／非近接の判定結果を容易に得ることができる。
【００７９】
一方、出力段４１２ｂは、対称物体の移動の向き、あるいは方向性無し、という３状態を表すことが必要である。このため、出力信号４１４ｂに以下のように対応させることができる。すなわち、出力信号４１４ｂがハイレベル固定の場合は、近接／非近接の状態変化に伴い、第２のウェル３０２から第３のウェル３０３の方向に対象物体の移動があったことを示し、ローレベル固定の場合は逆向きの移動があったことを示すものとする。さらに、出力信号４１４ｂとして、光検出装置内部の制御部４０７でのタイミング生成に用いられている内部クロック信号が出力された場合、近接／非近接の状態変化に伴う対象物体の面内方向への移動は無かったことを示すものとする。あるいは上記クロック信号そのものではなく、デューティを変えるなどした周期性パルス列が出力されても良い。第２の判定結果を出力する出力段４１２ｂをこのように構成することにより、光検出装置１００の外部からは、例えば出力信号４１４ｂの平均値を検出することで移動方向に関する前記３状態を判別することができる。
【００８０】
以上説明したように、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００８１】
〔実施の形態４〕
本実施の形態４では、図４で説明した出力部４１２の他の構成例を、図１２を参照して説明する。
【００８２】
この構成例も、実施の形態１乃至２で説明した実施の形態、あるいはそこから派生する任意の実施形態に対しても容易に適用できる。この構成においては、光検出装置１００と外部との通信手段として汎用のシリアル通信を用いる。例えば、Ｉ２Ｃなどのシリアルバス規格を用いることができる。ただし、外部との通信手段としてのＳＤＡ及びＳＣＬの２端子に加えて、判定結果の状態変化をアラートするための割り込み出力回路４１４も通常は必要となる。この事情は単体の近接センサにおいても同様であり、近接方向センサの構成に特有の問題ということではない。
【００８３】
上記のような構成とすることにより、第１の判定結果に１ビット、第２の判定結果に２ビットのレジスタを割り当てて外部から読み出し可能とすることができる。例えば、第２の判定結果用の２ビットレジスタに対しては、１１：方向性無し、１０：第３のウェルから第２のウェルの方向に移動、０１：第２のウェルから第３のウェルの方向に移動、００：方向性無し、といったように判定結果をマッピングすることができる。
【００８４】
上記構成では、外部機器は、出力端子４１２からの出力信号４１４によって判定結果の状態変化を通知される。そして、この通知を受けた外部機器は、ＳＤＡ及びＳＣＬ端子より、制御部４０７内のレジスタにアクセスし、このレジスタ内に格納された上記判定結果を読み出す。従って、外部で出力端子４１２の出力信号４１４を検出するために、平均化やウィンドウコンパレータ、あるいはＡ／Ｄ変換器などの追加コスト要因を発生させること無く、対象物体の近接情報及び移動方向の情報を得ることができる。
【００８５】
このようにして、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置が構成できた。
【００８６】
〔実施の形態５〕
実施の形態１乃至４で説明した光検出装置１００を搭載した携帯端末（電子機器）１１０を図１３に示す。図１３において、端末１１０はマルチタッチディスプレイ（タッチパネル）１１１を備えており、端末１１０の使用者から見てディスプレイの下部に、光検出装置１００が埋め込まれている。図１３における光検出装置１００の長手方向の軸は、図１乃至３で示した例とは向きが９０度異なっているが、内部に搭載される受光素子２００の第２及び第３のウェルを結ぶ軸が図１３中の方向１０５に概ね一致していれば何ら問題はなく、単なる変形例に過ぎない。
【００８７】
このような携帯機器の構成により、少なくとも図１３の１０５方向に対するスワイプ動作はタッチレス化することができる。特に、近接センサとしての出力変化時にのみ方向検知がなされるため、余計な方向検知出力は生じず、機器としての誤動作を招くことが無い。このようにして、スワイプ動作によるディスプレイの油脂汚れの問題が、極めて低コストかつ省スペースである単体の近接方向センサによって解決された。
【００８８】
尚、これまでの説明から明らかなように、本発明による光検出装置１００をＸＹＺ、３軸の近接方向センサに拡張することは容易である（Ｚ：近接、Ｘ，Ｙ：方向）。すなわち、第２及び第３のウェルを結ぶ軸に垂直となるよう、第４及び第５のウェルを第１のウェルを挟んで対向させて配置するとともに、信号処理においては、第２及び第３のウェルに対する［Ａ］相及び［Ｂ］相の信号処理に加えて、第４及び第５のウェルに対する［Ｃ］相及び［Ｄ］相の信号処理を行い、また判定結果の出力についても同様に、実施の形態４乃至５を利用してさらに３値の状態を追加して表せるようにすればよい。その結果、１軸のスワイプ動作に限らず、携帯端末１１０におけるユーザの各種モーションのセンシングに本発明の光検出装置を利用することができる。
【００８９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサを提供でき、携帯電話やスマートフォン、タブレット型情報端末、あるいはデジタルカメラ等の電子機器に利用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１００ 光検出装置
１０１ 対象物体
１１１ マルチタッチディスプレイ（タッチパネル）
２００ 受光素子
２０１ 信号処理回路
２０２ 発光素子
３００ ｐ型シリコン基板
３０１ 第１のウェル
３０２ 第２のウェル
３０３ 第３のウェル
４０６ 増幅部
４０７ 制御部
４１２ 出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の近接状態および移動方向を検知するための光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ等の表示画面を備えた電子機器、例えば携帯電話やスマートフォン、タブレット型情報端末、あるいはデジタルカメラ等においては、機器への人体の近接具合を検出して種々の制御が行われている。これらの機器の表示画面は、タッチパネルとしての情報入力機能も兼ねており、通話の開始や機器をポケット等に挿入するなど何らかの物体がタッチパネルに近接した際、その機能をオフすることで誤動作を防止することが必要となる場面がある。またデジタルカメラでは、ユーザが液晶画面からファインダーに目線を移す際に自動的に液晶画面の明るさを落とすといった制御が行われる。このような用途に向け、自らパルス発光し対象物体からの反射パルス光を検出して対象物体の近接具合を判定する、小型かつ安価な光学式の近接センサが広く用いられている。
【０００３】
ところで、タッチパネル機能を有するディスプレイを使用していると、操作自体による画面の汚れが避けられず頻繁に拭き取りが必要と感じるユーザは少なくない。特に、ページ送りなどの操作、所謂スワイプ動作により油脂汚れが引き伸ばされ、好ましくない。
【０００４】
上記近接センサは、画面への物体（人体、例えば耳や頬）の接近を検出するためのものなので、ディスプレイと同一のＸＹ平面内に実装され、ディスプレイ面の法線Ｚ方向への物体の近接状態を検出している。ここで、上記センサに物体（指）が近接した際、物体のＸＹ平面内での移動方向も同時に検出する機能があれば、上記スワイプ動作をタッチレス化することが可能になる。スワイプ動作自体は、画面全体の表示内容をＸまたはＹの軸方向に沿って切り替える大雑把な操作なので、上記センサのディスプレイ平面上での実装位置を強く制約するものではない。また、このような目的を達成するためだけに複数の近接センサや測距センサあるいは高価なイメージングデバイスを配置し、情報端末が高コスト化するのは望ましくない。
【０００５】
このため、近接センサに方向検知機能を容易に集積化し、小型かつ安価な近接／方向センサとすることが求められる。これにより、例えば携帯情報端末のタッチレススワイプ動作を容易に実現することでき、タッチパネルの汚れの問題は解決される。勿論、これに限らず、モーションセンサとして他の様々な用途に展開することができる。
【０００６】
近接センサと方向センサのモノリシック化において、まず想起されるのは分割フォトダイオードを用いた光検出装置である。このような装置では、分割した各フォトダイオードの出力差に基づいてフォトダイオード面上での信号光スポットサイズの移動方向を知ることができる。ここで、分割フォトダイオード全体の合計出力を近接センサの信号光として利用する場合、分割された個々のフォトダイオードの出力信号は必ずそれよりも小さくなる。光ディスクのトラッキング制御のように、上記各出力信号から生成される誤差信号を最小化するよう連続的に帰還制御をかけるシステムにおいてはこれでも十分に機能が果たされる。
【０００７】
しかしながら、上記分割フォトダイオードを近接／方向センサとして用いる場合には、移動方向を判定すること、すなわちＸＹ方向の移動は無いが正面からの（Ｚ方向のみの）近接状態の変化を検知することも必要とされる。このようなシステムにおいては、不定状態（ＸＹ移動方向の判定結果がチャタリングする状態）を避けるため、方向検知に用いる信号光に対しても十分なＳ／Ｎで閾値判定する必要がある。
【０００８】
したがって、上記のようにフォトダイオードを分割することで近接センサに方向検知機能を加えるには、フォトダイオード全体の面積を大きくするか、そうでない場合は発光信号量を相応に大きくしなければならない。その結果、近接／方向センサのサイズ及びコストは増大する。
【０００９】
また、単一の受発光素子を用いて近接／方向検知機能を実現するために、フォトダイオードの深さ方向の構造を利用することができる。これに関連する従来技術としては、特許文献１が挙げられる。
【００１０】
特許文献１では、i)より長い波長の光は吸収係数が相対的に小さく、フォトダイオード中に深く進入する現象、及び、ii)その光吸収に伴い発生したキャリアは、密度勾配によって入射方向（Ｚ方向）に垂直なＸＹ方向に拡散する現象、を利用して入射光の波長分布スペクトルを推定することが開示されている。
【００１１】
特許文献１自体は、上記現象の近接／方向センサへの利用可能性に対して何らの示唆も与えてはいないが、上記現象を用いて近接／方向センサを実現しうる。その場合、通常使用されるシリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する特定の波長帯（概ね８００ｎｍ以上、より望ましくは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍ）の近赤外域に発光スペクトルのピークを有する発光素子を用いる。すなわち、単体のシリコンフォトダイオードの基板厚み方向（Ｚ方向）に深く進入した近赤外域の信号光によって発生したキャリアは、ドリフトしながらフォトダイオード外側の面内ＸＹ方向に拡散する。このキャリアを、フォトダイオードの外側に配置したコレクタ領域で収集し電流として取り出すことができる。このコレクタ領域を分割して配置することにより、原理的には、フォトダイオード面積自体の大幅な増大を招くことなく、被検知物体の移動方向を検知するために使用する信号を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，５９６，９８１号明細書（２００３年７月２２日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に開示の上記現象を用いて近接／方向センサを実現しようとする場合、実際に人体の動きに追随して誤動作のない近接／方向センサを実現するには、以下に述べるような相反する重要な課題がある。このため、上記現象を利用した近接方向センサの構成自体、全く自明なものではない。
【００１４】
１つ目の課題は、概ね１ｍ／ｓのオーダである人体の動作速度に十分追随するような、近接／移動方向に関する情報のサンプリングが必要なことである。一般的に、このような用途に用いられる受光素子のサイズは１００μｍ乃至数１００μｍスクエア程度であるので、上記人体の動きを検出するために必要な測定サイクルは、１００μｓ乃至数１００μｓ以下の程度となる。これを大きく上回る測定サイクルでは、近接／非近接状態が切り替わる際の対象物体の移動方向に関する情報を見逃すことになる。
【００１５】
一方、対象物体の近接／非近接状態が変化し、近接／方向センサがその変化を検知するその瞬間及びその前後の時間においては、人体の動きが相対的に遥かに遅いため、信号レベルは判定基準となる閾値レベルの近傍にほぼ停滞した状態にあるとみなせる。その結果、必然的にセンサは信号処理回路自身あるいは回路外部から混入する光学的あるいは電気的な雑音に非常に弱い状態に晒される。このため、２つ目の課題として、判定結果の安定性が問題となる。これは、直接的にパルス波形を増幅再生してパルス数を数える方式のセンサであろうと、パルス波形を積分する積分器及びカウンタを用いたＡ／Ｄ変換によるデジタル方式のセンサであろうと、特定の閾値に対する判定を行う限りは問題となり得る。
【００１６】
近接センサでは、一般的にパーシスタンス（複数回連続する同一判定結果をもって最終判定結果とすること）の回数を増大することで、判定結果の安定性を得ている。しかしながら、パーシスタンスの回数を増大することは、上記１つ目の課題であるセンサの応答時間とは相反する制約を与えるものであり、応答時間と判定精度／安定性のトレードオフは、近接／方向センサにおいて、より重要な課題となる。
【００１７】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接／方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に最も効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、本発明は、発光素子と、前記発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光を受光する受光素子とを備える光検出装置であって、前記受光素子は、前記反射光が直接入射する第１のウェルと、前記第１のウェルの外周に沿って前記第１のウェルを挟んで対向し、かつ前記発光素子からの光は遮光されて入射しない第２のウェル及び第３のウェルとを、備えており、さらに、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和を、時間軸上で交互に信号処理し、当該光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態を表す第１の判定結果と、前記対象物体の近接状態が変化した際、前記対象物体が前記第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向に沿って移動した向き又は方向性無しの３状態のいずれかを表す第２の判定結果と、を出力する信号処理回路を備えていることを特徴としている。
【００１９】
上記の構成によれば、上記光検出装置の受光素子は、第１乃至第３のウェルを有しており、第１のウェルには発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光が直接入射するようになっている。また、第２および第３のウェルは、第１のウェルの外周に沿って第１のウェルを挟んで対向している。これにより、第２および第３のウェルは、第１のウェルに入射した反射光によって発生したキャリアを収集し電流として取り出すことができる。
【００２０】
第１乃至第３のウェルにおける出力電流は、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和が、時間軸上で交互になるように信号処理される。すなわち、上記処理された信号は、常に第１のウェルの出力を含んでいるものとなる。このため、単一の受光素子を用いた近接／方向センサにおいて、全体の受光面積の増加を招くことなく近接センサと方向センサの機能を両立しつつ、良好な応答特性を得ることができる。また、この応答特性は、安定性を得るためのパーシスタンスを設定しても、人体の動作速度に十分追随する十分な応答特性が得られる程度のものであり、応答時間と判定精度／安定性を両立できる。
【００２１】
また、上記光検出装置では、前記受光素子はシリコン基板上に形成され、前記発光素子の発光スペクトルは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍの波長に最大強度を有し、前記第１のウェルと前記第２のウェルの間隔、及び、前記第１のウェルと前記第２のウェルの間隔は、相等しく１０μｍ以内である構成とすることができる。
【００２２】
上記の構成によれば、受光素子としてシリコンフォトダイオードが使用され、該シリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する波長帯に発光スペクトルのピークを有する発光素子が使用されるため、効率の良い受光検知が可能となる。また、第１のウェルと第２のウェルの間隔、及び、第１のウェルと第２のウェルの間隔を上記のように設定することにより、第２および第３のウェルによるキャリア収集効率を良好なものとできる。
【００２３】
また、上記光検出装置では、前記信号処理回路は、前記第１のウェルの出力および前記第２のウェルの出力の和と、前記第１のウェルの出力および前記第３のウェルの出力の和との、いずれに対しても、同一の１組の閾値を用いて３値以上の多値出力を有する比較器を備え、前記第１の判定結果は、時間軸上で交互に信号処理された前記各和が、順序に関係なく複数回連続して、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかの閾値と比較された結果として、同一であったか否かに基づいて判定され、前記第２の判定結果は、上記第１の判定結果が判定される直前に信号処理された前記各和が、前記比較器によって前記一組の閾値のうちのいずれかでかつ第１の判定に用いられたものとは異なる閾値と比較された結果に基づいて判定される構成とすることができる。
【００２４】
上記の構成によれば、上記１組の閾値を用いて、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出することができる。
【００２５】
また、上記光検出装置では、前記信号処理回路は、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、および前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルの出力との和を積分する積分器と、前記積分器の出力を閾値電圧と比較して２値のデジタルパルス信号を生成する比較器と、前記デジタルパルス信号のパルス発生回数をカウントするアップダウンカウンタとを備え、(A) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第２（または第３）のウェルの出力の和をアップカウント、またはダウンカウントし、続いて、(B) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第３（または第２）のウェルの出力の和を、前記(A)とは逆方向にダウンカウントまたはアップカウントし、前記第１の判定結果は、(A)終了時点のカウント値が第１の閾値を超えるか否かに基づいて判定され、前記第２の判定結果は、(B)終了時点のカウント値が第２及び第３の閾値の間にあるか否か、に基づいて判定される構成とすることができる。
【００２６】
上記の構成によれば、上記アップダウンカウンタのカウント値と第１乃至第３の閾値を用いて、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検することができる。また、積分器を用いる上記構成は、信号帯域が狭帯域となりＳ／Ｎで有利であることに加え、回路ブロックを照度センサやＲＧＢセンサと共通化できるといったメリットもある。
【００２７】
また、上記光検出装置では、前記第２の判定結果を出力するための出力端子を備え、前記第２の判定結果は、ハイレベル、ローレベル、および内部で生成されるパルス列の３状態の何れかとして出力される構成とすることができる。
【００２８】
上記の構成によれば、光検出装置の外部からは、例えば出力信号の平均値を検出することで移動方向に関する３状態（移動方向（２方向）および移動なし）を判別することができる。
【００２９】
また、上記光検出装置では、外部との通信手段と、前記第１および第２の判定結果の状態変化に基づき出力する出力端子と、前記第１及び第２の判定結果が格納され、前記通信手段により外部から読み出し可能なレジスタとを少なくとも備え、前記第１の判定結果は１ビット、前記第２の判定結果は２ビットの情報として、前記レジスタに格納される構成とすることができる。
【００３０】
上記の構成によれば、光検出装置の外部からは、レジスタに格納される情報を読み出すことで移動方向に関する３状態（移動方向（２方向）および移動なし）を判別することができる。また、外部において出力信号を検出するために、平均化やウィンドウコンパレータ、あるいはＡ／Ｄ変換器などの追加コスト要因を発生させること無く、対象物体の近接情報及び移動方向の情報を得ることができる。
【００３１】
また、上記光検出装置では、前記受光素子と前記信号処理回路とが集積化されている構成とすることができる。
【００３２】
また、上記光検出装置では、当該光検出装置のパッケージは、前記受光素子のためのレンズを含まない構成とすることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の光検出装置は、単一の受光素子を用いた近接／方向センサにおいて、全体の受光面積の増加を招くことなく良好な応答特性を得ることができるといった効果を奏する。また、この応答特性は、安定性を得るためのパーシスタンスを設定しても、人体の動作速度に十分追随する十分な応答特性が得られる程度のものであり、応答時間と判定精度／安定性を両立できるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、（ａ）は光検出装置の受光部の平面図、（ｂ）は前記受光部の断面図である。
【図２】本発明の光検出装置の使用状況を説明する斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明の光検出装置の全体構成を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る光検出装置の全体構成を説明する図である。
【図５】実施の形態１に係る光検出装置の信号処理の概略を説明する波形図である。
【図６】実施の形態１に係る光検出装置の増幅部の構成を示す回路図である。
【図７】実施の形態１に係る光検出装置の非近接→近接及び方向検知判定方法を説明する図である。
【図８】実施の形態１に係る光検出装置の近接→非近接及び方向検知判定方法を説明する図である。
【図９】実施の形態２に係る光検出装置の増幅部の構成を示す回路図である。
【図１０】実施の形態２に係る光検出装置の信号処理方法を説明する図である。
【図１１】実施の形態３に係る光検出装置の出力部の構成を示す回路図である。
【図１２】実施の形態４に係る光検出装置の出力部の構成を示す回路図である。
【図１３】本発明の光検出装置を搭載する携帯端末の一部とその使用状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、本発明は、以下に示す各実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。以下に説明する本発明の構成において、同様のものに関しては共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能を有する部分の詳細な説明は省略する。
【００３６】
〔実施の形態１〕
図２は、本発明に係る光検出装置１００が使用される状況を説明する図である。図２では、検出の対象物体である人間の指１０１が、光検出装置１００の発光素子（詳細は図示せず）から放射される近赤外線のビームコーン１０２に接し始め、反射光１０３が生じる様子が描かれている。尚、ビームコーン１０２は、光検出装置１００の天面の法線である第１の軸１０６に沿って放射されている。ここで、光検出装置１００は受発光一体型のパッケージとして図示されているが、本発明はこの形態に限定されず、受発光セパレート型などのいずれの形態にも適用されることは以下の説明から自ずと明らかとなるであろう。
【００３７】
また、光検出装置１００における近接センサとしての機能は、第１の軸１０６方向、すなわち発光素子の光軸方向（あるいは受光素子面の法線方向）に沿った、対象物体１０１の近接／非近接状態を検知する。また、図２は、方向センサとして検出すべき、第２の軸（すなわち１０５方向）に沿う対象物体１０１の移動方向に対して、光検出装置１００の発光素子及び受光素子（詳細は図示せず）を結ぶ軸１０４が垂直に配置された例を示している。この例は、これ以降の説明を分かりやすくするための便宜的な配置であって、第２の軸１０５と検出方向と発光素子及び受光素子を結ぶ軸１０４とは、必ずしも垂直である必要はなく、厳密に垂直または平行である必要もない。第２の軸１０５は、光検出装置１００を搭載するホストシステムの仕様として、光検出装置に無関係に決定される軸である。この第２の軸１０５に対応させるべき本光検出装置に固有の軸方向の定義については、後に図１を参照してより詳しく説明する。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）は、図２の光検出装置１００の内部構造について詳細を示すものである。同図（ａ）は軸１０４を紙面横方向に、同図（ｂ）は軸１０４を紙面法線方向にとっている。光検出装置１００は、受光素子２００および発光素子２０２を有しており、受光素子２００は信号処理回路２０１の一部として集積化されている。また、発光素子２０２の駆動回路も前記信号処理回路２０１に含まれ得る。図３（ａ），（ｂ）は、図２の状態からさらに指１０１が１０５方向に移動し、指１０１からの反射光１０３が、備える受光素子２００に入射する様子を示している。尚、光検出装置１００内部の相互配線や端子配線等は任意であり、当業者にとって容易に想到し得るものであるため省略した。
【００３９】
光検出装置１００の受光部周辺にはレンズ作用を有する構造は設けられておらず、赤外線に対して吸収の小さい平板樹脂によるモールドが施されている。これは、対象物体が光検出装置１００に近接しつつ方向１０２に移動するような状況においての望ましい設計のうち、最も単純かつ確実なものである。ここでの望ましい設計とは、反射光１０３が受光素子２００の端から入射し始め、対象物体１０１の移動に伴って入射光量が単調に増大するような設計である。勿論、受光素子２００の上部にレンズ構造を設けてもよいが、その場合は、レンズ以外の部分から受光素子２００に斜め入射する反射光１０３と、レンズを通して結像する反射光１０３とは、受光素子２００に対して入射位置が大きく異なるので注意深く設計を行う必要がある。
【００４０】
また、光検出装置１００のパッケージの発光素子２０２周辺には、ビーム整形レンズ２０３及び受光部への直接入射を避けるための吸光部２０４が設けられている。これらの構造についての設計詳細は任意であり、受発光別体（セパレート型）のパッケージにより前記吸光部２０４が存在しない、あるいは発光側にビーム整形レンズが無い、といった種々の変形が可能である。
【００４１】
図１（ａ）には、受光素子２００のより詳細な構造を図３（ａ）と同様の断面として示した。また、図１（ｂ）は受光素子２００の上面図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、受光素子２００は、ｐ型シリコン基板３００上に、第１のウェル３０１、第２のウェル３０２、及び第３のウェル３０３が設けられて構成されている。第１のウェル３０１は、フォトダイオードとして作用する。第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３は、第１のウェル３０１と同様の積層構造を有し、第１のウェル３０１の外周に沿って第１のウェル３０１を挟んで対向配置されている。
【００４２】
受光素子２００では、この第２のウェル３０２（の重心）と第３のウェル３０３（の重心）とを結ぶ軸を、対象物体１０１の移動方向を検知すべき前記第２の軸１０５と一致させる。
【００４３】
図１および図３の例では、発光素子２０２の照射光における発光スペクトルは、受光素子に使用されるシリコンフォトダイオードの感度ピーク波長に近く、より深く進入する特定の波長帯（概ね８００ｎｍ以上、より望ましくは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍ）に最大強度を有していることが好ましい。このため、発光素子２０２の発光スペクトルは、波長９４０ｎｍに強度ピークを有し、入射光のほぼ１００％を吸収させるべくｐ型シリコン基板３００の厚さは４００μｍとした。また、第１乃至第３のウェルはｎ型の伝導性を有し、ｐ基板との接合面の深さは約４μｍである。
【００４４】
第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３は、光学的に厚いメタル層３０４（例えば１μｍ厚のＡｌ層）で遮光され、シリコン基板３００の上面からの光が入射しないようにされる。メタル層３０４の上下及び周囲には通常のシリコンプロセスで使用される絶縁層が形成されている（詳細構造は図示せず）。
【００４５】
一方、第１のウェル３０１は、対象物体１０１からの反射光１０３に対しては、上記絶縁層も含めて光学的に開口された構造となっている。これは、必ずしも第１のウェルの上にはメタル層が全く存在しないことを意味するものではない。例えば、数１０ｎｍの厚さの１対の貴金属層（例えばＡｇ）で数１００ｎｍの厚さの誘電体を挟んだ積層体（図示せず）は、ファブリペローエタロンとして、特定の波長すなわち発光素子２０２の波長ピークに対して、ほぼ透明となるよう設計し得ることは周知であり、図３に示した平板樹脂による受光部モールドとの組み合わせは本願発明にとっても好ましいものである。
【００４６】
ここで、第１のウェル３０１と第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３との距離３０５はいずれも１０μｍ以内（ここでは５μｍ）とし、またそれぞれのウェルの幅３０６は２０μｍとしている。ｐ型シリコン基板３００における少数キャリアである電子の拡散長は概ね５乃至１０μｍであり、上記構造によって、第１のウェル３０１すなわちフォトダイオードの最周辺部の直下で光吸収により発生したキャリアは、その近傍の第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３にも効率よく収集される構造となっている。これは、単一のフォトダイオードで方向検知を行うために必要な構造である。
【００４７】
また上記の例では、第２のウェル３０２あるいは第３のウェル３０３の幅３０６は、１０乃至１００μｍ程度が望ましい。これは、信号光の波長（ここでは９４０ｎｍ）における吸収係数（約１２０ｃｍ−１）の逆数乃至その１／１０程度の範囲内で選択すればよいことを意味する。ただし、幅３０６が小さすぎると上記の収集効率が低下し、大きすぎると受光素子２００全体のサイズが大きくなる。詳細な検討の結果、例えば９００乃至９４０ｎｍの近赤外光に対しては、より望ましくは第２及び第３のウェルの幅３０６を２０乃至５０μｍ程度とし、さらに以下に説明する信号処理を用いることによって、実用上十分な方向検知作用が得られることが分かった。他の波長についても同様に、第２及び第３のウェルの幅３０６を当該波長における吸収係数の逆数乃至その１／１０までの範囲を目安として選択することにより良好な方向検知特性が得られる。
【００４８】
尚、第１のウェル３０１の幅３０７は、第２及び第３のウェルの幅よりも大きければ任意に設定できる。なぜならば、以降で詳しく説明するように、上記方向検知の作用は、フォトダイオードの最周辺部にのみ信号光が入射する状況下でその直下に発生したキャリアを第２あるいは第３のウェルで収集することによって得られるからである。この理由からも明らかなように、図１（ｂ）に示す第１乃至第３のウェルの軸１０４方向への長さは相等しくすることが望ましく、第１のウェルの長さは、通常、幅３０７と概ね同じ程度のサイズとされる。方向検知特性の切れを良くする目的で、第１のウェルの形状を長方形あるいは他の形状とすることは任意であるが、常に第２及び第３のウェルが上記距離３０５をもって第１のウェルと境界を接することにより、第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向、すなわち前記軸１０４に垂直な方向１０５、に沿う対象物体１０１の移動方向の検知作用が、高い面積利用効率を保って実現される。
【００４９】
ここまで図１乃至図３を用いて説明した光検出装置１００における、信号処理の詳細の一例を、図４乃至図８を参照して説明する。
【００５０】
第１乃至第３のウェル３０１〜３０３からは、それぞれ信号処理回路２０１に対して電流が出力される。ただし、第２のウェル３０２及び第３のウェル３０３の出力電流４０２及び４０３は、それぞれスイッチ４０４及び４０５を介して信号処理回路２０１に接続される。第１のウェル３０１の出力電流４０１も同様にスイッチを介して接続されてよいが、光検出装置１００が近接方向センサとして動作している間は常に接続された状態に維持されればよいので、ここでは第１のウェルに対応するスイッチを省略している。尚、表記を簡単にするため、図４では、第１乃至第３のウェル３０１乃至３０３と基板３００で形成されるダイオードを前記ウェルと同一番号で表記し、第２及び第３のウェル上に形成されるメタル層３０４も合わせて簡略的に図示した。ただし、電磁ノイズ耐性の観点から、実際のメタル層３０４には通常ＧＮＤ電位が与えられ、各電流出力ノードとは電位が異なっている。
【００５１】
ここで、スイッチ４０４及び４０５は信号処理回路２０１の制御部４０７で生成される制御信号４０８及び４０９によってそれぞれ制御され、図５に示すようなシーケンスで開閉される。すなわち、出力電流４０１と出力電流４０２の和、及び、出力電流４０１と出力電流４０３の和が、時間軸上で交互に信号処理回路２０１の内部の増幅部４０６に入力されて信号処理がなされる。同図中に示したように、これ以降、上記各信号処理期間を［Ａ］相及び［Ｂ］相と呼ぶものとする。この信号処理については、後に図７乃至８を用いて詳細を説明する。この信号処理がなされ、近接／非近接あるいは移動方向の検知結果が判定されると、出力部４１２を駆動するための信号４１３が制御部４０７から出力され、光検出装置１００の外部に出力信号４１４が出力される。また、発光素子２０２も制御部４０７から発光素子駆動回路４１１に送られる制御信号４１０により駆動される。尚、図５に示した信号はいずれもＨレベルまたはＬレベルのデジタル信号で、制御信号４１０のパルス幅は典型的には１０μｓ、繰り返し周期は１００μｓ程度である。
【００５２】
次に、増幅部４０６の１つの具体例として、増幅部６０１を図６に示す。増幅部６０１は送信光パルスのＯＮ／ＯＦＦ波形を受光信号６００から増幅して２値のデジタルレベルに再生する。受光信号６００は、先述の通り、時間軸上で交互に入力される出力電流４０１と出力電流４０２との和、および出力電流４０１と出力電流４０３との和のいずれかである。受光信号６００はトランスインピーダンスアンプ６０２で電圧信号６０３に変換され、ＡＣ結合を経た後で２分岐され（信号６０４）、それぞれ閾値電圧６０５及び６０６と比較器６０７及び６０８にて比較され、２値のデジタルパルス信号６０９及び６１０が再生される。全体として、比較器６１１は２ビットの多値出力となる。また、この再生信号６０９及び６１０は制御部４０７に含まれるフリップフロップ（ＦＦ）により保持される。
【００５３】
ここで、実際に、図３の状況に応じて受光信号６００乃至上記各増幅信号が変化する様子と、さらに制御部４０７で行われる信号処理について、図７を参照して説明する。図３の状況では、図５で説明した発光素子の駆動波形４１０に基づいて放射された光パルスの列が対象物体１０１に反射されつつ、対象物体１０１は図１の１０５方向に移動し、かつ光検出装置１００に近接する。
【００５４】
この状況では、図７に示すように、トランスインピーダンスアンプ６０２の出力パルス電圧６０３の振幅は時間の経過とともに増大する。また、図２に示したような受光部にレンズ作用のない光学系では、図３あるいは図４に示した第２のウェルの側から反射光１０３が入射し始める。従って、図４あるいは図７に示した制御信号４０８及び４０９による信号の切り替え処理の結果、図７の信号６０３の振幅は、［Ｂ］相よりも先に［Ａ］相で増大する。ただし、いずれの相の出力にも第１のウェルの出力電流４０１は共通して含まれているので、信号６０３の振幅は、［Ａ］相／［Ｂ］相比を最大でも２程度に保って増大する。尚、図７は分かりやすくするために急激に信号振幅を増大させているが、実際の動作において信号６０３の振幅が上昇するスロープは、既に説明したように、人体の動く速度と受光部２００のサイズの関係からこの時間軸スケールではほとんどわからない程に緩やかである。
【００５５】
リファレンス電圧として比較器６０７及び６０８に与えられる閾値６０５及び閾値６０６は、この状況においては、閾値６０５が非近接→近接の検出閾値であり、閾値６０６が移動方向検出のための閾値である。図７から分かるように、制御部４０７は信号６０９が３回連続して発光パルスを再生するか否かを継続的に監視して、非近接→近接という第１の判定結果が得られる（パーシスタンス＝３の例）。
【００５６】
ここで、この第１の判定が行われる直前の［Ａ］，［Ｂ］各相における比較器６０８の出力（信号６１０）から、第２の判定すなわち移動方向の判定が行われる。尚、比較器６０８の直前の出力は、制御部４０７のフリップフロップにて保持されている。図７では、第１の判定は［Ａ］相終了時に発生し、その時の［Ａ］相の比較器出力はパルス再生有り、その直前の［Ｂ］相の比較器出力はパルス再生無しである。
【００５７】
このように、非近接から近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が異なる場合、移動方向はパルス再生有りから無しの方向に生じたと判定できる。すなわち上記の例では、第２のウェルから第３のウェルの方向（第１と第２の和［Ａ］側から第１と第３の和［Ｂ］側への方向）、従って、軸１０５に沿って図２の右方向に生じたものと判定できる。また、非近接から近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が等しい場合は、近接方向に垂直な第２及び第３のウェルを結ぶ方向には対象物体の移動は無かったものと判定できる。この、方向性無し（近接動作に横方向の移動は伴わない）と判定する領域は前記閾値６０６と６０５との差によって調整され得る。例えば、閾値６０６と６０５との差を小さくすることで、図２における指１０１の軸１０５に沿う横方向の移動が、軸１０６に沿う近接速度よりも非常に遅い場合、すなわち指１０１が軸１０６となす角度が小さい遠方から近接する場合であっても、方向検知が可能となる（方向性無しと判定する角度範囲が狭くなる）。逆に、閾値６０６と６０５との差を大きくすることで、指１０１が軸１０６となす角度が小さい場合に軸１０５方向の移動が無い（方向性無し）と判定する角度範囲は広くなる。
【００５８】
次に、近接状態にあった対象物体１０１が光検出装置１００から遠ざかる場合について、図８を参照して説明する。面内の移動方向についても図７の例とは逆に第３のウェルから第２のウェルに向かうものとする。この場合、図８に示すように、トランスインピーダンスアンプ６０２の出力パルス電圧６０３の振幅は時間の経過とともに減少する。また、図７の説明と同様の理由で、図８の信号６０３の振幅は［Ａ］相よりも先に［Ｂ］相で減少し、信号６０３の振幅の［Ａ］相／［Ｂ］相比は最大でも２程度に保たれる。
【００５９】
ここで、対象物体１０１が近接状態が判定されている状況においては、図８に示す閾値６０５’及び６０６’の意味が以下のように変更されることに注意が必要である。ここで、近接→非近接の判定の基準となるのは閾値６０５’であり、移動の方向性を判定するための閾値は閾値６０６’である。そして、方向判定のための閾値と非近接検出のための閾値との大小関係は、図７の非近接→近接の場合とは異なり、方向判定のための閾値６０６’が非近接検出のための閾値６０５’よりも小さい。
【００６０】
これは、第１の判定が行われた直前の［Ａ］相及び［Ｂ］相の信号振幅の差異を検出するために必須の変更である。図７及び図８を見比べると明らかなように、図８では、３回連続パルス再生無しと判定した以降は、信号振幅はもはや検出不可能なほどに減少してしまう。このため、方向判定のための閾値６０６’を非近接検出のための閾値６０５’よりも小さくすることが必要である。
【００６１】
図８から分かるように、制御部４０７は信号６０９が３回連続して発光パルス無しが検出されるか否かを継続的に監視して、近接→非近接という第１の判定結果が得られる（パーシスタンス＝３の例）。そして、この第１の判定が行われる直前の［Ａ］，［Ｂ］各相における比較器６０８の出力（信号６１０）から、第２の判定すなわち移動方向の判定が行われる。図８では、第１の判定は［Ｂ］相終了時に発生し、その時の［Ｂ］相の比較器出力はパルス再生無し、その直前の［Ａ］相の比較器出力はパルス再生有りである。
【００６２】
このように、近接から非近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が異なる場合、移動方向はパルス再生無しから有りの方向に生じたと判定できる。すなわち上記の例では、第３のウェルから第２のウェルの方向、軸１０５に沿って図２の左方向に生じたものと判定できる。また、近接から非近接に遷移し、直前の［Ａ］相と［Ｂ］相とのパルス再生有無が等しい場合は、近接方向に垂直な第２及び第３のウェルを結ぶ方向には対象物体の移動は無かったものと判定できる。この、方向性無し（近接動作に横方向の移動は伴わない）と判定する領域は前記閾値６０６’と６０５’との差によって調整され得る。
【００６３】
以上より、図７乃至図８に示した４つの閾値が以下の関係を満たすことで、光検出装置１００の誤動作は防止され安定に動作する。
【００６４】
６０６（非近接→近接時の方向判定）＞６０５（近接→非近接判定）
＞６０５’（非近接→近接判定）＞６０６’（近接→非近接時の方向判定）
尚、上記の一組の閾値（６０６、６０５、６０５’、６０６’）の互いの差、或いは最小値である閾値６０６’は、実施の形態２以降で詳細を説明する実際の回路内雑音を考慮して、雑音による誤動作が生じない範囲において設定すべきであることは言うまでもない。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光検出装置１００では、パーシスタンス３回で近接／非近接及びその方向性の判定を安定に完了することができ、３００μｓ程度で対象物体の動きに応答することが可能である。
【００６６】
以上説明したように、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００６７】
〔実施の形態２〕
本実施の形態２では、増幅部４０６の他の具体例として、増幅部９０１を図９に示す。増幅部９０１は、以下で説明するように、受光信号９００をその強度に応じた電圧パルス列に変換し、Ａ／Ｄ変換器、より詳細にはＶＦＣ(voltage-frequency converter)を構成するために用いられている。以下、図７の説明と同様に、発光素子の駆動波形４１０に基づいて放射された光パルスの列が対象物体１０１に反射されつつ、対象物体１０１は図１の１０５方向に移動し、かつ光検出装置１００に近接してくる、という状況を想定して説明する。
【００６８】
まず、図１０を参照して増幅器９０１の動作を説明する。受光信号９００は、前述の通り、時間軸上で交互に入力される出力電流４０１および出力電流４０２の和と、出力電流４０１および出力電流４０３の和とのいずれかである。受光信号９００は、積分器９０２で電圧ランプ波形９０３に変換され、比較器９０４にて閾値電圧と比較される。ランプ出力９０３が閾値電圧を上回ると、極短い一定幅の２値のデジタルパルス信号９０５が生成される(one shot)。このパルスは、積分器９０２のリセットに使用されるとともに、制御部４０７のアップダウンカウンタに入力されて、そのパルス発生回数がカウントされる。
【００６９】
次に、図７乃至図８のパルス再生型の増幅器の場合と同様、［Ａ］相［Ｂ］相を交互に続けて増幅（積分）する際、図１０に示すように、アップダウンカウンタのｕｐとｄｏｗｎを切り替えてカウントする。すなわち、［Ａ］相と［Ｂ］相の切り替え時のカウント値から近接／非近接の第１の判定を行う。この判定のために用いる閾値は図中の９０６である。また、［Ｂ］相終了時のカウント値から方向性に関する第２の判定を行う。この判定のために用いる閾値は図中９０７及び９０９である。尚、図１０では［Ａ］相のカウントをアップカウント、［Ｂ］相のカウントをダウンカウントとしているが、これらのカウント方向は逆であっても良い。
【００７０】
本実施の形態２にかかる近接／方向では、［Ａ］相の開始前にカウンタはリセット値９０８にリセットされる。そして、［Ａ］相と［Ｂ］相の切り替え時のカウント値、すなわち、［Ａ］相のみによるカウント値が閾値９０６と比較される。第１のウェル３０１での反射光１０３の受光が多くなればカウント値が増加するため、カウント値が閾値９０６よりも大きくなれば、その時点で対象物体１０１の近接状態が発生したと判定される。
【００７１】
対象物体１０１の近接が検出されると、その時点で続いて方向性の判定が行われる。ここで、方向性の判定については図７及び図８の例と全く異なるので特に注意が必要である。方向性判定のための閾値９０７及び９０９は、リセット値９０７に対して±方向に対称に設定される。そして、［Ｂ］相終了時点のカウント値が、閾値９０７及び９０９の間にあれば方向性無しと判定する。これは以下の理由による。［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０７及び９０９の間にあれば、［Ａ］相でのカウント数と［Ｂ］相でのカウント数がほぼ等しいと見なされる。この場合は、反射光１０３が第１のウェル３０１のほぼ中央で受光されていると見なされるため、対象物体１０１の近接は、第２の軸１０５に沿った移動によるものではないと判定される。
【００７２】
次に、対象物体１０１が第２の軸１０５に沿って、第２のウェルから第３のウェルに向かう方向へ移動する場合を考える。この場合、対象物体１０１が第１のウェルに近づいてくるに伴って反射光１０３の受光量が増加するため、［Ａ］相でのカウント数が増加し、やがて上記第１の判定による近接が検出される。この時点では、反射光１０３は第２のウェル側で強い強度を有しており、［Ａ］相でのカウント数が大きく、［Ｂ］相でのカウント数が小さいと考えられる。このため、［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０７よりも大きければ、［Ａ］相から［Ｂ］相、すなわち第２のウェルから第３のウェルに向かう方向への移動があったと判定する。
【００７３】
逆に、対象物体１０１が第２の軸１０５に沿って、第３のウェルから第２のウェルに向かう方向へ移動する場合は、第１の判定による近接の検出時点で、反射光１０３は第３のウェル側で強い強度を有している。このため、［Ａ］相でのカウント数が小さく、［Ｂ］相でのカウント数が大きくなる。したがって、［Ｂ］相終了時点のカウント値が閾値９０９よりも小さければ、［Ｂ］相から［Ａ］相、すなわち第３のウェルから第２のウェルに向かう方向への移動があったと判定する。
【００７４】
これらのカウント値の大小比較は、制御部４０７の中でデジタル演算により行われ（図示せず）、上記一連の信号処理に関連する増幅器及び制御部の全回路規模は、図５乃至図８で説明したパルス再生増幅器（６０１）による場合と比べて大幅に小さくできる。一方で、本実施の形態２においては、実施の形態１と比べ、発光素子の駆動パルス幅及び［Ａ］相［Ｂ］相の生成パルス幅をより長い時間に設定する必要がある。例えば、１０ｎＡの受光信号９００で１ｐＦの帰還容量を持つ積分器９０２に１Ｖの出力電圧を発生させるには、１００μｓの時間を要する。図１０の［Ａ］，［Ｂ］各相に１００μｓの時間を与えるとすれば１回の測定に２００μｓかかり、ｄｕｔｙ５０％で発光素子を駆動しても、パーシスタンス＝３とした場合の応答時間は１．２ｍｓと長くなる。但し、１．２ｍｓの応答時間は、これによる消費電力は大きくなるものの、近接方向センサとしての人体の動きへの追随は十分可能と言える。また、積分器を用いる本実施の形態２は、信号帯域が狭帯域となりＳ／Ｎで有利であることに加え、回路ブロックを照度センサやＲＧＢセンサと共通化できるといったメリットもあり、有用である。
【００７５】
尚、図９乃至図１０においては、ＶＦＣ型のＡ／Ｄ変換器を用いた光検出装置１００について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、Ｃｈａｒｇｅ ｂａｌａｎｃｅ型、あるいはΣΔ型等の任意のＡ／Ｄ変換器に適用され得るものである。また、［Ａ］相［Ｂ］相をｕｐ／ｄｏｗｎカウンタで交互に信号処理することで近接検知と方向検知を効率よく行う特徴を損なわない範囲で、図１０の信号処理方法を変形することが可能である。例えば、［Ａ］相［Ｂ］相各１回の積分期間を連続して設けているが、［Ａ］相［Ｂ］相をさらに分割して［Ａ１］，［Ｂ１］，［Ｂ２］，［Ａ２］として対称性を高めれば、背景光等のＤＣ乃至極低周波の変動成分の影響をより効率よく低減することができる。
【００７６】
以上説明したように、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００７７】
〔実施の形態３〕
上記実施の形態１および２では、第１の判定結果である近接／非近接状態、あるいは、第２の判定結果である近接／非近接時の移動方向について、それぞれ２値あるいは３値の状態を検出するための手段について詳細に説明してきた。本実施の形態３では、判定結果を光検出装置１００の外部に出力する手段について説明する。尚、この手段は、上記実施の形態のいずれにも適用できる、
図１１に、図４で説明した出力部４１２の詳細な構成例を示す。この例では、第１の判定結果の出力段４１２ａと、第２の判定結果の出力段４１２ｂとが個別に設けられており、いずれもＣＭＯＳインバータとして構成されている。尚、出力段４１４ａあるいは４１４ｂの回路構成は、図１１に示したＣＭＯＳインバータに限られるものではなく、一般的なオープンドレイン出力としてもよい。
【００７８】
出力段４１２ａの出力信号４１４ａは、例えば、Ｈの時は非近接状態、Ｌの時は近接状態、というように２状態を表すことができる。あるいは、出力段４１２ａの出力信号４１４ａは外部へのアラート信号とすることも望ましい。例えば、第１の判定結果に変化が生じたときのみ出力信号４１４ａはＨからＬに遷移し、一定時間後に再びＬからＨに遷移するＯｎｅ Ｓｈｏｔパルスを出力する。このような出力信号４１４ａに対し、外部からは当該出力信号４１４ａを１ビットカウンタでカウントして近接／非近接の判定結果を得ることができる。あるいはまた、出力段４１２ａの出力信号４１４ａは、第１の判定結果に変化が生じたときのみ出力信号４１４ａはＨからＬに遷移し、外部からクリアされるまでＬレベルを保持する所謂割り込み出力とすることもできる。この場合にも、外部からは出力信号４１４ａを１ビットカウンタでカウントすることで近接／非近接の判定結果を容易に得ることができる。
【００７９】
一方、出力段４１２ｂは、対称物体の移動の向き、あるいは方向性無し、という３状態を表すことが必要である。このため、出力信号４１４ｂに以下のように対応させることができる。すなわち、出力信号４１４ｂがハイレベル固定の場合は、近接／非近接の状態変化に伴い、第２のウェル３０２から第３のウェル３０３の方向に対象物体の移動があったことを示し、ローレベル固定の場合は逆向きの移動があったことを示すものとする。さらに、出力信号４１４ｂとして、光検出装置内部の制御部４０７でのタイミング生成に用いられている内部クロック信号が出力された場合、近接／非近接の状態変化に伴う対象物体の面内方向への移動は無かったことを示すものとする。あるいは上記クロック信号そのものではなく、デューティを変えるなどした周期性パルス列が出力されても良い。第２の判定結果を出力する出力段４１２ｂをこのように構成することにより、光検出装置１００の外部からは、例えば出力信号４１４ｂの平均値を検出することで移動方向に関する前記３状態を判別することができる。
【００８０】
以上説明したように、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に追随させるための光検出装置が実現できた。
【００８１】
〔実施の形態４〕
本実施の形態４では、図４で説明した出力部４１２の他の構成例を、図１２を参照して説明する。
【００８２】
この構成例も、実施の形態１乃至２で説明した実施の形態、あるいはそこから派生する任意の実施形態に対しても容易に適用できる。この構成においては、光検出装置１００と外部との通信手段として汎用のシリアル通信を用いる。例えば、Ｉ２Ｃなどのシリアルバス規格を用いることができる。ただし、外部との通信手段としてのＳＤＡ及びＳＣＬの２端子に加えて、判定結果の状態変化をアラートするための割り込み出力回路４１４も通常は必要となる。この事情は単体の近接センサにおいても同様であり、近接方向センサの構成に特有の問題ということではない。
【００８３】
上記のような構成とすることにより、第１の判定結果に１ビット、第２の判定結果に２ビットのレジスタを割り当てて外部から読み出し可能とすることができる。例えば、第２の判定結果用の２ビットレジスタに対しては、１１：方向性無し、１０：第３のウェルから第２のウェルの方向に移動、０１：第２のウェルから第３のウェルの方向に移動、００：方向性無し、といったように判定結果をマッピングすることができる。
【００８４】
上記構成では、外部機器は、出力端子４１２からの出力信号４１４によって判定結果の状態変化を通知される。そして、この通知を受けた外部機器は、ＳＤＡ及びＳＣＬ端子より、制御部４０７内のレジスタにアクセスし、このレジスタ内に格納された上記判定結果を読み出す。従って、外部で出力端子４１２の出力信号４１４を検出するために、平均化やウィンドウコンパレータ、あるいはＡ／Ｄ変換器などの追加コスト要因を発生させること無く、対象物体の近接情報及び移動方向の情報を得ることができる。
【００８５】
このようにして、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサとして、対象物体の近接／非近接状態の変化とそれに直交する移動方向を、同時に効率よく検出して人体の動作に十分に追随させるための光検出装置が構成できた。
【００８６】
〔実施の形態５〕
実施の形態１乃至４で説明した光検出装置１００を搭載した携帯端末（電子機器）１１０を図１３に示す。図１３において、端末１１０はマルチタッチディスプレイ（タッチパネル）１１１を備えており、端末１１０の使用者から見てディスプレイの下部に、光検出装置１００が埋め込まれている。図１３における光検出装置１００の長手方向の軸は、図１乃至３で示した例とは向きが９０度異なっているが、内部に搭載される受光素子２００の第２及び第３のウェルを結ぶ軸が図１３中の方向１０５に概ね一致していれば何ら問題はなく、単なる変形例に過ぎない。
【００８７】
このような携帯機器の構成により、少なくとも図１３の１０５方向に対するスワイプ動作はタッチレス化することができる。特に、近接センサとしての出力変化時にのみ方向検知がなされるため、余計な方向検知出力は生じず、機器としての誤動作を招くことが無い。このようにして、スワイプ動作によるディスプレイの油脂汚れの問題が、極めて低コストかつ省スペースである単体の近接方向センサによって解決された。
【００８８】
尚、これまでの説明から明らかなように、本発明による光検出装置１００をＸＹＺ、３軸の近接方向センサに拡張することは容易である（Ｚ：近接、Ｘ，Ｙ：方向）。すなわち、第２及び第３のウェルを結ぶ軸に垂直となるよう、第４及び第５のウェルを第１のウェルを挟んで対向させて配置するとともに、信号処理においては、第２及び第３のウェルに対する［Ａ］相及び［Ｂ］相の信号処理に加えて、第４及び第５のウェルに対する［Ｃ］相及び［Ｄ］相の信号処理を行い、また判定結果の出力についても同様に、実施の形態４乃至５を利用してさらに３値の状態を追加して表せるようにすればよい。その結果、１軸のスワイプ動作に限らず、携帯端末１１０におけるユーザの各種モーションのセンシングに本発明の光検出装置を利用することができる。
【００８９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、単一の受光素子を用いた簡単な構成による小型かつ低コストな近接方向センサを提供でき、携帯電話やスマートフォン、タブレット型情報端末、あるいはデジタルカメラ等の電子機器に利用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１００ 光検出装置
１０１ 対象物体
１１１ マルチタッチディスプレイ（タッチパネル）
２００ 受光素子
２０１ 信号処理回路
２０２ 発光素子
３００ ｐ型シリコン基板
３０１ 第１のウェル
３０２ 第２のウェル
３０３ 第３のウェル
４０６ 増幅部
４０７ 制御部
４１２ 出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光を受光する受光素子とを備える光検出装置であって、
前記受光素子は、前記反射光が直接入射する第１のウェルと、前記第１のウェルの外周に沿って前記第１のウェルを挟んで対向し、かつ前記発光素子からの光は遮光されて入射しない第２のウェル及び第３のウェルとを、備えており、
さらに、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和を、時間軸上で交互に信号処理し、当該光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態を表す第１の判定結果と、前記対象物体の近接状態が変化した際、前記対象物体が前記第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向に沿って移動した向き又は方向性無しの３状態のいずれかを表す第２の判定結果と、を出力する信号処理回路を備えていることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記受光素子はシリコン基板上に形成され、
前記発光素子の発光スペクトルは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍの波長に最大強度を有し、
前記第１のウェルと前記第２のウェルとの距離、及び、前記第１のウェルと前記第２のウェルとの距離は、相等しく１０μｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記信号処理回路は、
前記第１のウェルの出力および前記第２のウェルの出力の和と、前記第１のウェルの出力および前記第３のウェルの出力の和との、いずれに対しても、同一の１組の閾値を用いて３値以上の多値出力を有する比較器を備え、
前記第１の判定結果は、時間軸上で交互に信号処理された前記各和が、順序に関係なく複数回連続して、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかの閾値と比較された結果として、同一であったか否かに基づいて判定され、
前記第２の判定結果は、上記第１の判定結果が判定される直前に信号処理された前記各和が、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかでかつ第１の判定に用いられたものとは異なる閾値と比較された結果に基づいて判定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記信号処理回路は、
前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、および前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルの出力との和を積分する積分器と、
前記積分器の出力を閾値電圧と比較して２値のデジタルパルス信号を生成する比較器と、
前記デジタルパルス信号のパルス発生回数をカウントするアップダウンカウンタとを備え、
(I) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第２または第３のウェルの出力との和をアップカウント、またはダウンカウントし、続いて、
(II) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第３または第２のウェルの出力との和を、前記(I)とは逆方向にダウンカウントまたはアップカウントし、
前記第１の判定結果は、(I)終了時点のカウント値が第１の閾値を超えるか否かに基づいて判定され、
前記第２の判定結果は、(II)終了時点のカウント値が第２及び第３の閾値の間にあるか否か、に基づいて判定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第２の判定結果を出力するための出力端子を備え、
前記第２の判定結果は、ハイレベル、ローレベル、および内部で生成されるパルス列の３状態の何れかとして出力されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項６】
外部との通信手段と、
前記第１の判定結果および第２の判定結果の状態変化に基づいて出力する出力端子と、
前記第１の判定結果および第２の判定結果が格納され、前記通信手段により外部から読み出し可能なレジスタとを少なくとも備え、
前記第１の判定結果は１ビット、前記第２の判定結果は２ビットの情報として、前記レジスタに格納されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記受光素子と前記信号処理回路とが集積化されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項８】
当該光検出装置のパッケージは、前記受光素子のためのレンズを含まないことを特徴とする請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
タッチパネルを備える電子機器であって、前記請求項１から８の何れか一項に記載の光検出装置を搭載することにより、少なくとも前記タッチパネルにおけるスワイプ動作をタッチレス化していることを特徴とする電子機器。
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子の照射光が対象物体によって反射されたときの反射光を受光する受光素子とを備える光検出装置であって、
前記受光素子は、前記反射光が直接入射する第１のウェルと、前記第１のウェルの外周に沿って前記第１のウェルを挟んで対向し、かつ前記発光素子からの光は遮光されて入射しない第２のウェル及び第３のウェルとを、備えており、
さらに、前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、及び、前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルとの出力の和を、時間軸上で交互に信号処理し、当該光検出装置天面の法線方向である第１の軸方向に沿う対象物体の近接状態を表す第１の判定結果と、前記対象物体の近接状態が変化した際、前記対象物体が前記第２及び第３のウェルを結ぶ第２の軸方向に沿って移動した向き又は方向性無しの３状態のいずれかを表す第２の判定結果と、を出力する信号処理回路を備えていることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記受光素子はシリコン基板上に形成され、
前記発光素子の発光スペクトルは９００ｎｍ乃至９８０ｎｍの波長に最大強度を有し、
前記第１のウェルと前記第２のウェルとの距離、及び、前記第１のウェルと前記第２のウェルとの距離は、相等しく１０μｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記信号処理回路は、
前記第１のウェルの出力および前記第２のウェルの出力の和と、前記第１のウェルの出力および前記第３のウェルの出力の和との、いずれに対しても、同一の１組の閾値を用いて３値以上の多値出力を有する比較器を備え、
前記第１の判定結果は、時間軸上で交互に信号処理された前記各和が、順序に関係なく複数回連続して、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかの閾値と比較された結果として、同一であったか否かに基づいて判定され、
前記第２の判定結果は、上記第１の判定結果が判定される直前に信号処理された前記各和が、前記比較器によって前記１組の閾値のうちのいずれかでかつ第１の判定に用いられたものとは異なる閾値と比較された結果に基づいて判定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記信号処理回路は、
前記第１のウェルの出力と前記第２のウェルの出力との和、および前記第１のウェルの出力と前記第３のウェルの出力との和を積分する積分器と、
前記積分器の出力を閾値電圧と比較して２値のデジタルパルス信号を生成する比較器と、
前記デジタルパルス信号のパルス発生回数をカウントするアップダウンカウンタとを備え、
(I) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第２または第３のウェルの出力との和をアップカウント、またはダウンカウントし、続いて、
(II) 前記発光素子が発光した状態で前記第１のウェルの出力と前記第３または第２のウェルの出力との和を、前記(I)とは逆方向にダウンカウントまたはアップカウントし、
前記第１の判定結果は、(I)終了時点のカウント値が第１の閾値を超えるか否かに基づいて判定され、
前記第２の判定結果は、(II)終了時点のカウント値が第２及び第３の閾値の間にあるか否か、に基づいて判定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第２の判定結果を出力するための出力端子を備え、
前記第２の判定結果は、ハイレベル、ローレベル、および内部で生成されるパルス列の３状態の何れかとして出力されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項６】
外部との通信手段と、
前記第１の判定結果および第２の判定結果の状態変化に基づいて出力する出力端子と、
前記第１の判定結果および第２の判定結果が格納され、前記通信手段により外部から読み出し可能なレジスタとを少なくとも備え、
前記第１の判定結果は１ビット、前記第２の判定結果は２ビットの情報として、前記レジスタに格納されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記受光素子と前記信号処理回路とが集積化されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の光検出装置。
【請求項８】
当該光検出装置のパッケージは、前記受光素子のためのレンズを含まないことを特徴とする請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
タッチパネルを備える電子機器であって、前記請求項１から８の何れか一項に記載の光検出装置を搭載することにより、少なくとも前記タッチパネルにおけるスワイプ動作をタッチレス化していることを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
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【図７】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２３３７８３（Ｐ２０１２−２３３７８３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２３７５（Ｐ２０１１−１０２３７５）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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