(57)【要約】【課題】検出すべき高周波電流の減衰を小さくし、後段回路を過電流から保護する回路を備えた測距センサを提供する。【解決手段】測距センサ１は、対象物にパルス光を投光する投光部と、逆バイアス電圧が印加され、対象物で反射されたパルス光を受光した場合にパルス電流を出力するアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、アバランシェフォトダイオードのアノード側にカソードが接続され、アノードが接地されたツェナーダイオードＺＤと、アバランシェフォトダイオードのアノード側と後段回路の間に接続された抵抗Ｒ１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物にパルス光を投光する投光部と、
逆バイアス電圧が印加され、前記対象物で反射された前記パルス光を受光した場合にパルス電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードのアノード側にカソードが接続され、アノードが接地されたツェナーダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードのアノード側と後段回路の間に接続された抵抗と、
を備える測距センサ。
【請求項２】
前記抵抗の値は、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を、前記後段回路への流入が許容される電流で除算した値以上である、
請求項１に記載の測距センサ。
【請求項３】
前記投光部は、１０ｎｓ以下のパルス幅の前記パルス光を前記対象物に投光する、
請求項１又は２に記載の測距センサ。
【請求項４】
前記アバランシェフォトダイオードから出力される電流をＩapdと表し、前記抵抗の値をＲ１と表し、前記ツェナーダイオードのリアクタンスをＸzdと表すとき、
前記ツェナーダイオードに流れる電流は、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｘzd）であり、
前記後段回路に流入する電流は、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｒ１）である、
請求項１から３のいずれか一項に記載の測距センサ。
【請求項５】
前記ツェナーダイオードのリアクタンスを前記抵抗の値で除算した値が、１０5以上である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の測距センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、測距センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物にパルス光を照射し、受光までの時間差を光速度で除算して対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）方式の測距センサが用いられている。ＴＯＦ方式の測距センサでは、受光素子としてアバランシェフォトダイオードが用いられることがある。
【０００３】
アバランシェフォトダイオードは、１００Ｖ程度の逆バイアス電圧を印加して使用し、光が入射するとＰＮ接合部分が励起して、比較的小さな光入力で比較的大きな逆方向電流が得られる特徴がある。しかしながら、アバランシェフォトダイオードに比較的大きな光入力があると膨大な逆方向電流が流れてしまうため、電流入力のため入力抵抗を比較的小さく設計することがある後段回路を保護するための回路が必要となる。
【０００４】
下記特許文献１には、アバランシェフォトダイオードで構成される受光器によって反射光を測定し、リミッタ・ダイオードによって下流の構成部品を過電流から保護するレーザスキャナが記載されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、アバランシェフォトダイオードで構成される光検出器によって反射光を測定し、ダイオードによって過負荷に適応するための保護回路を構成したレーザ距離測定器システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５７９８２０２号
【特許文献２】特許第２９６８２１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び２では、アバランシェフォトダイオードのアノード側に、アースに向かって順方向に保護ダイオードが接続されている。ここで、後段回路の入力インピーダンスは、アバランシェフォトダイオードによって過電流が発生したときにのみ保護ダイオードがオンとなるように、後段回路の入力端子電圧が、過電流が発生した際に保護ダイオードのオン電圧を超えるように調整される。
【０００８】
しかしながら、ＴＯＦ方式の測距センサでは、パルス光が反射されて戻るまでにパルス光の照射を止める必要があり、高周波の電流を検出する必要がある。例えば１ｍの距離を計測するためには、２／（３×１０8）＝６．７ｎｓ程度よりも短いパルス幅の光を照射する必要があり、アバランシェフォトダイオードから出力される電流パルス幅も６．７ｎｓ以下となり、おおよそ１５０ＭＨｚ以上の高周波電流を検出する必要がある。このような高周波電流が発生する場合、従来の保護回路では、保護ダイオードに順方向電圧が印加されて接合容量が大きくなっているため、保護ダイオードのリアクタンスが下がり、高周波電流が保護ダイオードを通ってアースに漏れてしまう。そのため、従来の保護回路では、過電流のみならず、検出すべき高周波電流までもが減衰してしまい、測定精度が十分に高められなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、検出すべき高周波電流の減衰を小さくし、後段回路を過電流から保護する回路を備えた測距センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様に係る測距センサは、対象物にパルス光を投光する投光部と、逆バイアス電圧が印加され、対象物で反射されたパルス光を受光した場合にパルス電流を出力するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードのアノード側にカソードが接続され、アノードが接地されたツェナーダイオードと、アバランシェフォトダイオードのアノード側と後段回路の間に接続された抵抗と、を備える。
【００１１】
この態様によれば、アバランシェフォトダイオードによって過電流が出力されると、ツェナー電圧以上の高電圧がツェナーダイオードに印加され、過電流は、ツェナーダイオードを通ってアースに逃がされる。よって、後段回路を過電流から保護することができる。一方、アバランシェフォトダイオードによって検出すべき高周波電流が出力される場合、ツェナーダイオードには逆バイアス電圧が印加されて接合容量が小さくなり、リアクタンスが大きくなるため、高周波電流はツェナーダイオードにほとんど流れず、後段回路に流入する。よって、検出すべき高周波電流の減衰を小さくすることができる。
【００１２】
上記態様において、抵抗の値は、ツェナーダイオードのツェナー電圧を、後段回路への流入が許容される電流で除算した値以上であってよい。
【００１３】
この態様によれば、アバランシェフォトダイオードから出力される電流が、後段回路への流入が許容される電流以上となる場合に、ツェナーダイオードを介して電流がアースに逃がされ、後段回路を過電流から保護することができる。
【００１４】
上記態様において、投光部は、１０ｎｓ以下のパルス幅のパルス光を対象物に投光してもよい。
【００１５】
この態様によれば、測定可能距離の下限を１．５ｍ以下とすることができる。
【００１６】
上記態様において、アバランシェフォトダイオードから出力される電流をＩapdと表し、抵抗の値をＲ１と表し、ツェナーダイオードのリアクタンスをＸzdと表すとき、ツェナーダイオードに流れる電流は、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｘzd）であり、後段回路に流入する電流は、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｒ１）であってよい。
【００１７】
この態様によれば、アバランシェフォトダイオードから出力される電流の大部分を後段回路に流入させ、検出すべき高周波電流の減衰を小さくすることができる。
【００１８】
上記態様において、ツェナーダイオードのリアクタンスを抵抗の値で除算した値が、１０5以上であってよい。
【００１９】
この態様によれば、ツェナーダイオードに起因する検出すべき高周波電流の減衰を０．００１％以下にすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、検出すべき高周波電流の減衰を小さくし、後段回路を過電流から保護する回路を備えた測距センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る測距センサの回路図である。
【図２】本実施形態に係る測距センサの回路に流れる電流とアバランシェフォトダイオードから出力される電流との関係を示す図である。
【図３】従来例の測距センサの回路図である。
【図４】従来例の測距センサの回路に流れる電流とアバランシェフォトダイオードから出力される電流との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００２３】
［構成例］
図１は、本発明の実施形態に係る測距センサ１の回路図である。測距センサ１は、投光部（不図示）、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ、ツェナーダイオードＺＤ、第１抵抗Ｒ１及び後段回路ＣＩＲを備える。
【００２４】
投光部は、対象物にパルス光を投光する。投光部は、例えばレーザ素子で構成されてよい。投光部は、１０ｎｓ以下のパルス幅のパルス光を対象物に投光してよい。パルス幅を１０ｎｓ以下とすることで、測距センサ１による測定可能距離の下限を１．５ｍ以下とすることができる。
【００２５】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、逆バイアス電圧ＡＰＤ＿ｂｉａｓが印加され、対象物で反射されたパルス光を受光した場合にパルス電流Ｉapdを出力する。具体的には、逆バイアス電圧ＡＰＤ＿ｂｉａｓは１００Ｖ程度であってよく、パルス電流Ｉapdは数百ｍＡであってよい。
【００２６】
ツェナーダイオードＺＤは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード側にカソードが接続され、アノードが接地されている。ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧は、数Ｖであってよく、例えば５Ｖであってよい。
【００２７】
第１抵抗Ｒ１は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード側と後段回路ＣＩＲの間に接続されている。第１抵抗Ｒ１の値は、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流で除算した値以上であってよい。例えば、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimitを１００ｍＡとし、ツェナー電圧を５Ｖとする場合、第１抵抗Ｒ１の値は５０Ω以上であってよい。このように第１抵抗Ｒ１の値を設定することで、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdが、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimit以上となる場合に、ツェナーダイオードＺＤを介して電流がアースに逃がされ、後段回路ＣＩＲを過電流から保護することができる。
【００２８】
ツェナーダイオードＺＤのリアクタンスＸzdを第１抵抗Ｒ１の値で除算した値は、１０5（１０万）以上であってよい。ここで、ツェナーダイオードＺＤのリアクタンスＸzdは、ツェナーダイオードＺＤの接合容量に依存し、接合容量は、ツェナーダイオードＺＤに印加される電圧に依存する。本実施形態に係る測距センサ１では、ツェナーダイオードＺＤに逆バイアス電圧が印加されるため、接合容量は電圧の印加により小さくなり、リアクタンスＸzdは電圧の印加により大きくなる。一般的には、リアクタンスＸzdは、数ＧΩとなり、第１抵抗Ｒ１が数十Ωの場合、リアクタンスＸzdを第１抵抗Ｒ１の値で除算した値は、１０8程度となる。このように、リアクタンスＸzdと第１抵抗Ｒ１の比を１０5以上程度に大きくすることで、後述する理由により、検出すべき高周波電流の減衰を０．００１％以下にすることができ、検出すべき高周波電流の減衰を実質的に無くすことができる。
【００２９】
後段回路ＣＩＲは、オペアンプＯＰ及び第２抵抗Ｒ２を含み、第１抵抗Ｒ１から入力される電圧を増幅して、出力端子ＯＵＴに出力する。オペアンプＯＰは、増幅率がＲ２／Ｒ１の反転増幅回路として機能し、電源電圧ＶＣＣ，ＶＥＥの範囲で電圧を増幅して出力する。なお、後段回路ＣＩＲは、増幅回路以外であってもよく、任意である。
【００３０】
本実施形態に係る測距センサ１によれば、アバランシェフォトダイオードＡＰＤによって過電流が出力されると、ツェナー電圧以上の高電圧がツェナーダイオードＺＤに印加され、過電流は、ツェナーダイオードＺＤを通ってアースに逃がされる。よって、後段回路ＣＩＲを過電流から保護することができる。一方、アバランシェフォトダイオードＡＰＤによって検出すべき高周波電流が出力される場合、ツェナーダイオードＺＤには逆バイアス電圧が印加されて接合容量が小さくなり、リアクタンスＸzdが大きくなるため、高周波電流はツェナーダイオードＺＤにほとんど流れず、後段回路ＣＩＲに流入する。よって、検出すべき高周波電流の減衰を小さくすることができる。
【００３１】
図２は、本実施形態に係る測距センサ１の回路に流れる電流とアバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdとの関係を示す図である。同図では、横軸に「ＡＰＤ出力電流」すなわちアバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流ＩapdをｍＡの単位で示し、縦軸に「各部の電流」をｍＡの単位で示している。ここで、「各部の電流」とは、具体的には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapd、第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉin及びツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzdである。同図では、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdを実線で示し、第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉinを破線で示し、ツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzdを一点鎖線で示している。
【００３２】
第１抵抗Ｒ１に印加される電圧（Ｒ１×Ｉin）がツェナー電圧より小さい場合、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdの一部は、ある割合で第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入し、残りはツェナーダイオードＺＤからアースに流れ出す。具体的には、後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉinは、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｒ１）であり、ツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzdは、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｘzd））／Ｘzd）である。すなわち、Ｉzd／Ｉin＝Ｒ１／Ｘzdである。例えば、第１抵抗Ｒ１の値が数十Ωであり、ツェナーダイオードＺＤのリアクタンスＸzdが数ＧΩである場合、Ｉzd／Ｉin＝１０-8となり、ツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzdは、実質的にゼロとなる。このようにして、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdの大部分を後段回路ＣＩＲに流入させ、検出すべき高周波電流の減衰を小さくすることができる。また、ツェナーダイオードＺＤのリアクタンスＸzdを第１抵抗Ｒ１の値で除算した値が１０5以上であれば、検出すべき高周波電流の減衰を０．００１％以下にすることができる。
【００３３】
図２に示す例では、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimitが１００ｍＡである場合に、第１抵抗Ｒ１の値を５０Ω、ツェナー電圧を５Ｖとした例を示している。この場合、Ｉzd／Ｉin＜＜１であり、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdが０〜１００ｍＡの範囲において、ツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzdがほぼゼロであり、後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉin＝Ｉapdである。一方、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdが１００ｍＡ以上の範囲では、ツェナーダイオードＺＤから流れ出す電流Ｉzd＝Ｉapd−１００ｍＡとなり、後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉin＝１００ｍＡで一定となる。このようにして、検出すべき高周波電流の減衰を小さくし、後段回路ＣＩＲを過電流から保護することができる。
【００３４】
図３は、従来例の測距センサ１００の回路図である。従来例の測距センサ１００は、投光部（不図示）、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ、クランプダイオードＤ１、バイパスコンデンサＣ１、第１抵抗Ｒ１及び後段回路ＣＩＲを備える。
【００３５】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤに入光があると、逆方向電流が発生し、第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲへ電流が流れ込み、増幅等される。ここで、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに過大な入光があると、大きな逆方向電流が発生し、第１抵抗Ｒ１の後段回路ＣＩＲへの入力電圧が上昇する。従来例の測距センサ１では、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimitとし、クランプダイオードＤ１の順方向電圧をＶｆとするとき、Ｖｃｃ＋Ｖｆ≦Ｉlimit×Ｒ１となるように第１抵抗Ｒ１の値を選択して、Ｉlimitを超える電流はクランプダイオードＤ１からアースへ流れるようにしている。クランプダイオードＤ１に流れ込んだ高周波電流は、バイパスコンデンサＣ１を通してアースに戻されるので、電源Ｖｃｃにノイズ源となって流入することはない。具体的には、クランプダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆが０．３Ｖであり、電源Ｖｃｃが３．３Ｖであり、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimitを１００ｍＡとする場合、第１抵抗Ｒ１の値を３６Ωにすればよい。
【００３６】
しかしながら、アバランシェフォトダイオードＡＰＤへの入光量が小さく、出力される電流がＩlimit以下である場合、バイパスコンデンサＣ１によってクランプダイオードＤ１のカソードの高周波電位が接地電位になっているため、検出すべき高周波電流がクランプダイオードＤ１側へ漏れ出してしまう。漏れ出す電流の量は、高周波電流に対するバイパスコンデンサＣ１のリアクタンスがほぼゼロであるとし、クランプダイオードＤ１の高周波に対する順方向抵抗をＲｄ１とすると、Ｉapd×（（１／Ｒ１＋１／Ｒｄ１）／Ｒｄ１）となる。また、第１抵抗Ｒ１を通って後段回路ＣＩＲに流入する電流は、Ｉapd×（（１／Ｒ１＋１／Ｒｄ１）／Ｒ１）となる。すなわち、クランプダイオードＤ１から漏れ出す電流を後段回路ＣＩＲに流入する電流で除算した値は、Ｒ１／Ｒｄ１となる。ここで、クランプダイオードＤ１の高周波に対する順方向抵抗Ｒｄ１は、過電流を速やかにバイパスコンデンサＣ１へ逃がすため、Ｒ１と同程度の値となるものが選択されることが多い。そのため、入光量が小さい場合、クランプダイオードＤ１からアースに漏れ出す電流は、後段回路ＣＩＲに流入する電流と同程度発生してしまい、検出すべき高周波電流が減衰してしまう。
【００３７】
図４は、従来例の測距センサ１００の回路に流れる電流とアバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdとの関係を示す図である。同図では、横軸に「ＡＰＤ出力電流」すなわちアバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流ＩapdをｍＡの単位で示し、縦軸に「各部の電流」をｍＡの単位で示している。ここで、「各部の電流」とは、具体的には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapd、第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉin及びクランプダイオードＤ１から流れ出す電流Ｉd1である。同図では、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdを実線で示し、第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉinを破線で示し、クランプダイオードＤ１から流れ出す電流Ｉd1を二点鎖線で示している。
【００３８】
第１抵抗Ｒ１に印加される電圧（Ｒ１×Ｉin）が電源Ｖｃｃ＋クランプダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｆより小さい場合、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdの一部は、ある割合で第１抵抗Ｒ１を通して後段回路ＣＩＲに流入し、残りはクランプダイオードＤ１からアースに流れ出す。具体的には、後段回路ＣＩＲに流入する電流Ｉinは、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｒｄ１））／Ｒ１）であり、クランプダイオードＤ１から流れ出す電流Ｉd1は、Ｉapd×（（１／（１／Ｒ１＋１／Ｒｄ１））／Ｒｄ１）である。すなわち、Ｉd1／Ｉin＝Ｒ１／Ｒｄ１である。
【００３９】
図４に示す例では、後段回路ＣＩＲへの流入が許容される電流Ｉlimitが１００ｍＡである場合に、第１抵抗Ｒ１の値を３６Ω、クランプダイオードＤ１の高周波に対する順方向抵抗Ｒｄ１を１００Ωとした例を示している。この場合、Ｉd1／Ｉin＝０．３６となり、アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力される電流Ｉapdのうちおおよそ３６％がクランプダイオードＤ１からアースに流れ出してしまう。このように、従来例の測距センサ１では、過電流のみならず、検出すべき高周波電流までもが減衰してしまい、測定精度が十分に高められなかった。
【００４０】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【００４１】
［附記１］
対象物にパルス光を投光する投光部と、
逆バイアス電圧が印加され、前記対象物で反射された前記パルス光を受光した場合にパルス電流を出力するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と、
前記アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のアノード側にカソードが接続され、アノードが接地されたツェナーダイオード（ＺＤ）と、
前記アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）のアノード側と後段回路の間に接続された抵抗（Ｒ１）と、
を備える測距センサ（１）。
【符号の説明】
【００４２】
ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード、Ｃ１…バイパスコンデンサ、Ｄ１…クランプダイオード、ＯＰ…オペアンプ、Ｒ１…第１抵抗、Ｒ２…第２抵抗、ＺＤ…ツェナーダイオード
【図１】
2020071124.tif 000003
【図２】
2020071124.tif 000004
【図３】
2020071124.tif 000005
【図４】
2020071124.tif 000006