接近传感器的制作方法

本发明涉及一种接近传感器。

背景技术：

以往已知，接受发光脉冲被物体反射而到来的反射光，并检测该物体的有无的技术(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开平6-152364号公报

技术实现要素：

然而，若受到反射光所包括的干扰光(例如，太阳光或照明光等环境光)的影响，则会存在物体的接近程度的检测精度下降的情况。

因此，本发明的目的在于，提供一种提高物体的接近程度的检测精度的接近传感器。

为达成上述目的，在本发明的一实施方式提供一种接近传感器，其接受发光脉冲被物体反射而到来的反射光，并检测所述物体的接近，该接近传感器具备：

转换电路，其将从接受所述反射光的受光元件以与所述物体的接近程度对应的大小输出的电流转换成电压并输出；

差动转换电路，其将所述转换电路的输出电压转换成差动电压并输出；以及

差动结构的相关二重采样电路，其从在所述发光脉冲的上升沿对所述差动转换电路的输出差动电压进行采样而得的值，减去在所述发光脉冲的下降沿对所述输出差动电压进行采样而得的值。

根据本发明的实施方式，能够提高物体的接近程度的检测精度。

附图说明

图1是表示接近传感器的构成的一例的图。

图2是表示接近传感器的动作的一例的流程图。

图3是表示输入至相关二重采样电路的差动电压与相关二重采样电路的采样相位之间的关系的一例的时序图。

图4是表示相位1中的各开关的开闭状态的图。

图5是表示相位2中的各开关的开闭状态的图。

图6是表示相位3中的各开关的开闭状态的图。

图7是表示相位4中的各开关的开闭状态的图。

图8是表示相位5中的各开关的开闭状态的图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示接近传感器的结构的一例的图。接近传感器1驱动发光元件11以便从发光元件11放射发光脉冲12，受光元件10接受从发光元件11放射的发光脉冲12被物体反射而到来的反射光13。并且，接近传感器1基于由受光元件10接受的反射光13的强度检测出该物体的接近。

接近传感器1检测接近的对象物中包括人体的全部或一部分(例如，手、手指、脸等)。接近传感器1例如搭载于智能手机等便携式信息设备。

接近传感器1例如是形成于芯片上的半导体集成电路。接近传感器1可以是未封装的裸芯片(barechip)，也可以是进行树脂封装后的模块化产品。另外，接近传感器1也可以是由照度传感器和接近传感器一体化的半导体集成电路中的、接近传感器的电路部分。

接近传感器1具备振荡器60、时钟生成部61、驱动部70、受光元件10、转换电路20、差动转换电路30、相关二重采样电路40、ad(analog-to-digital，模拟到数字)转换器50。

振荡器60为输出振荡信号的电路。时钟生成部61为基于振荡器60输出的振荡信号来生成第一时钟clk1和第二时钟clk2的电路。第二时钟clk2的频率为第一时钟clk1的2倍的频率。

驱动部70为以第一时钟clk1的频率驱动发光元件11，从发光元件11以与第一时钟clk1相同的频率发光的方式放射发光脉冲12的驱动电路。

作为发光元件11的具体例，例如可以是发光二极管等。发光元件11，例如输出红外线的发光脉冲12。图1示出了发光元件11外设于接近传感器1而连接的形态，但发光元件11也可以内置于接近传感器1内。另外，图1示出了发光二极管的阴极连接至驱动部70，驱动部70从发光二极管吸入电流而驱动的形态。然而，也可以考虑发光二极管的阳极连接至驱动部70，从驱动部70向发光二极管流出电流而驱动的形态。

受光元件10为接受反射光13的受光元件的一例，其利用光电效果来感测物体的接近程度。受光元件10为输出与受光元件10自身与物体的接近程度对应的大小的电流ia的光传感器的一例，例如，物体越接近受光元件10自身，输出越大的电流ia。作为受光元件10的具体例，例如可以是光电二极管。

转换电路20为将电流ia转换成电压va并输出的电流-电压转换电路的一例。转换电路20例如是单端输出的tia(transimpedanceamplifier，互阻抗放大器)。转换电路20为将从受光元件10输出的电流ia通过互阻抗22转换成电压va并输出的电路，并具有通过互阻抗22进行负反馈的运算放大器21。运算放大器21具有输入基准电压23的非反转输入节点、以及连接有受光元件10的电流输出部(图1的情况下为光电二极管的阴极)的反转输入节点。光电二极管的阳极接地。

差动转换电路30将由转换电路20输出的电压va(输出电压va)转换成差动电压vin并输出。差动转换电路30例如是具有输入电阻32、反馈电阻33、运算放大器31的反转放大电路。输入电阻32的一端被连接至运算放大器21的输出节点(电压va的输出节点)，输入电阻32的另一端被连接至运算放大器31的反转输入节点。运算放大器31的输出节点经由反馈电阻33被连接至运算放大器31的反转输入节点。运算放大器31的非反转输入节点被输入基准电压34。

由差动转换电路30输出的差动电压vin(输出差动电压vin)是从电压vinp减去电压vinn而得的电压。电压vinp与电压va相等，电压vinn为运算放大器31的输出节点的电压。

相关二重采样电路40从在发光脉冲12的上升沿对输出差动电压vin采样而得的值减去在发光脉冲12的下降沿对输出差动电压vin采样而得的值。相关二重采样电路40为由差动输入-差动输出构成的开关电容电路。其中，将在发光脉冲12的上升沿对输出差动电压vin采样而得的值称为“上升采样值voutp”，将在发光脉冲12的下降沿对输出差动电压vin采样而得的值称为“下降采样值voutn”。

相关二重采样电路40将从上升采样值voutp减去下降采样值voutn而得的值作为输出电压vout来输出(vout＝voutp-voutn)。

ad转换器50为将模拟的输出电压vout转换成数字数据的电路。ad转换器50也可以设置于接近传感器1的外部。

输出电压vout(或者，由ad转换器50输出的数字数据)成为与反射光13的强度对应的大小。从而，接近传感器1可以通过获取输出电压vout(或者，由ad转换器50输出的数字数据)，来检测物体的接近程度。

并且，接近传感器1由于具备差动结构的相关二重采样电路40，所以不易受到反射光13所包括的干扰光的影响。其结果是，能够提高物体的接近程度的检测精度。

接下来，对相关二重采样电路40的更详细的结构的一例进行说明。

相关二重采样电路40具备：差动放大器41、一对电阻42和43、第一对电容器c1p和c1n、第二对电容器c2p和c2n、第一开关电路s1、第二开关电路s2、第三开关电路s3、第四开关电路s4。

差动放大器41具有差动输入-差动输出的结构。差动放大器41具有一对输入节点(非反转输入节点、反转输入节点)和一对输出节点(非反转输出节点、反转输出节点)。

电阻42为被串联插入在电压vinp的输出点与电容器c1p之间的元件。电阻43为被串联插入在电压vinn的输出点与电容器c1n之间的元件。

第二对电容器c2p、c2n为被串联插入在差动放大器41的一对输入节点与差动放大器41的一对输出节点之间的元件。电容器c2p为被串联插入在连接差动放大器41的非反转输入节点与差动放大器41的反转输出节点之间的第一路径的元件。电容器c2n为被串联插入在连接差动放大器41的反转输入节点与差动放大器41的非反转输出节点之间的第二路径的元件。

第一开关电路s1使一对电容器c1p、c1n与差动放大器41的一对输入节点之间的连接关系在发光脉冲12的上升沿和下降沿反转。第一开关电路s1例如按照与发光脉冲12同一周期的第一时钟clk1使一对电容器c1p、c1n与差动放大器41的一对输入节点之间的连接关系反转。

第一开关电路s1例如具有一对开关sw1和一对开关sw2。一方的开关sw1为被串联插入在电容器c1p与差动放大器41的非反转输入节点之间的元件。另一方的开关sw2为被串联插入在电容器c1n与差动放大器41的反转输入节点之间的元件。一方的开关sw2为被串联插入在电容器c1p与差动放大器41的反转输入节点之间的元件。另一方的开关sw2为被串联插入在电容器c1n与差动放大器41的非反转输入节点之间的元件。

第二开关电路s2使差动放大器41的一对输入节点与差动放大器41的一对输出节点之间的连接在发光脉冲12的上升沿和下降沿断开。第二开关电路s2例如按照发光脉冲12的二分之一周期的第二时钟clk使差动放大器41的一对输入节点与差动放大器41的一对输出节点之间的连接断开。

第二开关电路s2例如具有一对开关sw3。一方的开关sw3为被串联插入在连接差动放大器41的非反转输入节点与差动放大器41的反转输出节点之间的第三路径的元件。另一方的开关sw3为被串联插入在差动放大器41的反转输入节点与差动放大器41的非反转输出节点之间的第四路径的元件。

第三开关电路s3在第二开关电路s2接通差动放大器41的一对输入节点与差动放大器41的一对输出节点之间的连接时，断开第二对电容器c2p、c2n与差动放大器41的一对输出节点之间的连接。另一方面，第三开关电路s3在第二开关电路s2断开差动放大器41的一对输入节点与差动放大器41的一对输出节点之间的连接时，接通第二对电容器c2p、c2n与差动放大器41的一对输出节点之间的连接。第三开关电路s3例如按照第二时钟clk2与逆相位的第三时钟clk3使第二对电容器c2p、c2n与差动放大器41的一对输出节点之间的连接的接通与断开反转。

第三开关电路s3例如具有一对开关sw4。一方的开关sw4为被串联插入在连接电容器c2p与差动放大器41的反转输出节点之间的路径的元件。另一方的开关sw4为被串联插入在连接电容器c2n与差动放大器41的非反转输出节点之间的路径的元件。

第四开关电路s4利用预定的基准电压对第二对电容器c2p、c2n进行初始化。第四开关电路s4例如具有一对开关sw5。一方的开关sw5为向电容器c2p与一方的开关sw4之间的部位施加基准电压vrefp的元件。另一方的开关sw5为向电容器c2n与另一方的开关sw4之间的部位施加基准电压vrefn的元件。

图2是表示接近传感器1的动作的一例的流程图。图2中，“发光”表示发光脉冲12的发光周期，高电平区间表示发光的状态，低电平区间表示不发光的状态。另外，sw1～sw4中，高电平表示其开关接通的期间，低电平表示其开关断开的期间。各开关如此地被接通或断开，由此生成如图示那样的输出电压vout。

图3是表示输入至相关二重采样电路40的差动电压(电压vinp、电压vinn)与相关二重采样电路40的采样相位之间的关系的一例的时序图。图3表示在反射光13中包括干扰光的低频噪声的情况下，输入至相关二重采样电路40的差动电压(电压vinp、电压vinn)。

下面参照图3对相关二重采样电路40的各采样相位的动作进行说明。此外，在下面的说明中，设：

[数学式1]

·vin＝vinp-vinn

·vos＝vosp-vosn

·vref＝vrefp-vrefn

·vpulse＝vpulsep-vpulsen

·vnoise＝vnoisep-vnoisen

·vout＝voutp-voutn

·c1p＝c1n

·c2p＝c2n

其中，vos表示差动放大器41的偏移电压(offsetvoltage)。vpulsep表示电压vinp的上升或下降边上的变动电压。vpulsen表示电压vinn的下降或上升边上的变动电压。vnoise表示干扰光的低频噪声。设电容器c1p的电容c1p与电容器c1n的电容c1n相同。设电容器c2p的电容c2p与电容器c2n的电容c2n相同。

图4是表示相位1中的各开关的开闭状态的图。图5是表示相位2中的各开关的开闭状态的图。图6是表示相位3中的各开关的开闭状态的图。图7是表示相位4中的各开关的开闭状态的图。图8是表示相位5中的各开关的开闭状态的图。图4～8中，“关”表示其开关为闭合状态(接通状态)，“开”表示其开关为打开状态(断开状态)。

<相位1(初始化)>

图4是表示相位1中的各开关的开闭状态的图。相位1表示在物体未接近的无信号时的状态下，利用一对电容器c1p、c1n保持前段的运算放大器21、31(参照图1)的输出偏移和后段的差动放大器41的输入偏移电压的采样相位。

相位1中的电容器c1p、c1n、c2p、c2n的电荷q¹分别如下所示。

[数学式2]

q¹c1p＝(v¹inp-vosp)·c1p

q¹c1n＝(vosn-v¹inn)·c1n

q¹c2p＝(vrefp-vosp)·c2p

q¹c2n＝(vosn-vrefn)·c2n

此外，q或v的右上标的数字表示是哪个相位，q的右下标的文字表示是哪个电容器。在下面的说明中，也同样如此。

从而，在相位1中，一对电容器c1p、c1n中积蓄的电荷q¹c1和一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷q¹c2分别如下所示。

[数学式3]

q¹c1＝q¹c1p+q¹c1n

＝(v¹inpvosp)·c1p+(vosn-v¹inn)·c1n

＝(v¹in-vos)·c1…(1)

q¹c2＝q¹c2p+q¹c2n

＝(vrefp-vosp)·c2p+(vosn-vrefn)·c2n

＝(vref-vos)·c2…(2)

<相位2(第一采样期间)>

图5是表示相位2中的各开关的开闭状态的图。相位2表示发光脉冲12的上升时的采样相位。

相位2中的电容器c1p、c1n、c2p、c2n的电荷q²分别如下所示。

[数学式4]

q²c1p＝(v¹inp+vpulsep+v²noisep-vosp)·c1p

q²c1n＝(vosn-v¹inn-vpulsen-v²noisen)·c1n

q²c2p＝(v²outn-vosp)·c2p

q²c2n＝(vosn-v²outp)·c2n

从而，在相位2中，一对电容器c1p、c1n中积蓄的电荷q²c1和一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷q²c2分别如下所示。

[数学式5]

q²c1＝q²c1p+q²c1n

＝(v¹inp+vpulsep+v²noisep-vosp)·c1p+(vosn-v¹inn-vpulsen-v²noisen)·c1n

＝(v¹in+vpulse+v²noise-vos)·c1…(3)

q²c2＝q²c2p+q²c2n

＝(v²outn-vosp)·c2p+(vosn-v²outp)·c2n

＝(-v²out-vos)·c2…(4)

在从相位1向相位2的迁移过程中，保存一对电容器c1p、c1n和一对电容器c2p、c2n加起来的电荷的总量。因此，下面公式(5)成立。

[数学式6]

q¹c1+q¹c2＝q²c1+q²c2…(5)

v²out＝-vref+(c1/c2)·(vpulse+v²noise)…(6)

从而，通过公式(1)～(5)，相位2中的输出电压v²out表示为如公式(6)所示。

<相位3(空白期间)>

图6是表示相位3中的各开关的开闭状态的图。相位3表示使一对电容器c2p、c2n的一端浮动，并在相位2保持一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷的采样相位。另外，相位3分为将一对开关sw1从闭合切换至打开且将一对开关sw2从打开切换至闭合之前的相位3a、以及将一对开关sw1从闭合切换至打开且将一对开关sw2从打开切换至闭合之后的相位3b。但是，相位3内的开关sw1、sw2的开闭的切换前后，一对电容器c2p、c2n的电荷不变。

在使输入至差动放大器41的一对输入节点的一对电压的电平反转之前的相位3a中，一对电容器c1p、c1n中积蓄的电荷q³c1和一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷q³c2分别如下所示。

[数学式7]

q³c1＝(v³in-vos)·c1…(7)

q³c2＝q²c2＝(-v²out-vos)·c2…(8)

在使输入至差动放大器41的一对输入节点的一对电压的电平反转之后的相位3b中，一对电容器c1p、c1n中积蓄的电荷q^3′c1和一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷q^3′c2分别如下所示。

[数学式8]

q^3’c1＝(v³in-vos)·c1…(9)

q^3’c2＝q²c2＝(-v²out-vos)·c2…(10)

<相位4(第二采样期间)>

图7是表示相位4中的各开关的开闭状态的图。相位4表示发光脉冲12下降时的采样相位。

相位4中的电容器c1p、c1n、c2p、c2n的电荷q⁴分别如下所示。

[数学式9]

q⁴c1p＝{vosn-v^3’inp-(-vpulsep)-v⁴noisep}·c1p

q⁴c1n＝{v^3’inn+(-vpulsen)+v⁴noisen-vosp}·c1n

q⁴c2n＝(vosn-v⁴outp)·c2n

q⁴c2p＝(v⁴outn-vosp)·c2p

从而，在相位4中，一对电容器c1p、c1n中积蓄的电荷q⁴c1和一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷q⁴c2分别如下所示。

[数学式10]

q⁴c1＝q⁴c1p+q⁴c1n

＝{-v^3’inp-(-vpulsep)-v⁴noisep+vosn}·c1p+{-vosp+v^3’inn+(-vpulsen)-v⁴noisen}·c1n

＝(-v^3’in+vpulse-v⁴noise-vos)·c1…(11)

q⁴c2＝q⁴c2p+q⁴c2n

＝(v⁴outn-vosp)·c2p+(vosn-v⁴outp)·c2n

＝(-v⁴out-vos)·c2…(12)

在从相位3向相位4迁移的过程中，保存一对电容器c1p、c1n和一对电容器c2p、c2n加起来的电荷的总量。因此，下面公式(13)成立。

[数学式11]

q³c1+q³c2＝q⁴c1+q⁴c2…(13)

v⁴out＝v²out+(c1/c2)·(vpulse-v⁴noise)

＝-vref+(c1/c2)·(2vpulse+v²noise-v⁴noise)…(14)

从而，通过公式(6)、(9)～(13)，相位4中的输出电压v⁴out被表示为公式(14)。

其中，vnoise可以推定为干扰光的低频噪声(例如，荧光灯、led照明、白热灯中所包括的50或60hz的交流电源引起的低频噪声)。干扰光的低频噪声的频率相对于相关二重采样电路40的采样频率而言，充分小。因此，可以视作在相位2和相位4的各采样中的vnoise的变化量如公式(15)所表示几乎相等。

[数学式12]

v⁴out＝-vref+2·(c1/c2)·vpulse…(16)

从而，通过公式(14)、(15)，相位4中的输出电压v⁴out如公式(16)所示。亦即，在相位1～4的过程中，从输出电压vout去除vnoise和vos。

<相位5(空白期间)>

图8是表示相位5中的各开关的开闭状态的图。相位5表示如同相位3，使一对电容器c2p、c2n的一端浮动(floating)，在相位4保持一对电容器c2p、c2n中积蓄的电荷的采样相位。另外，相位5分为将一对开关sw1从打开切换至闭合且将一对开关sw2从闭合切换至打开之前的相位5a、以及将一对开关sw1从打开切换至闭合且将一对开关sw2从闭合切换至打开之后的相位5b。在相位5中，在相位3一度切换了开闭的开关sw1、sw2的开闭再度被切换，开关sw1、sw2的开闭状态恢复至初始状态。但是，在相位5内的开关sw1、sw2的开闭的切换前后，一对电容器c2p、c2n的电荷不变。

<相位2'以后的相位>

对相位2'以后的相位，将相位2～5作为1组(一个采样周期)，重复进行与发光脉冲12的所指定的脉冲数相同的次数。设发光脉冲12的所指定的脉冲数为n的情况下，最终的第n次的输出电压vout如下所示。

[数学式13]

vout＝-vref+2n·(c1/c2)·vpulse…(17)

以上，通过实施方式对接近传感器进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。其他实施方式的一部分或全部的组合或置换等各种变形和改良可以落入本发明的范围内。

例如，受光元件可以是光电二极管以外的其他光电元件，例如，也可以是光电晶体管。

另外，搭载有接近传感器的产品可以是便携式信息设备以外的其他产品，例如，也可以是汽车或家电设备等。

另外，感测对象的物体不限于手或手指等人体的一部分，也可以是操纵杆或触摸笔等操作输入辅助工具。

符号说明

1接近传感器

10受光元件

11发光元件

12发光脉冲

13反射光

20转换电路

30差动转换电路

40相关二重采样电路

41差动放大器

c1p、c1n第一对电容器

c2p、c2n第二对电容器

s1第一开关电路

s2第二开关电路

s3第三开关电路

s4第四开关电路。