JP2020071124A - Distance measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、測距センサに関する。 The present disclosure relates to a distance measuring sensor.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a TOF (Time Of Flight) type distance measuring sensor has been used in which a target object is irradiated with pulsed light and a time difference until light reception is divided by a light speed to measure a distance to the target object. In a TOF distance measuring sensor, an avalanche photodiode may be used as a light receiving element.
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。 The avalanche photodiode is used by applying a reverse bias voltage of about 100 V, and when light enters, the PN junction portion is excited, and a relatively large reverse current can be obtained with a relatively small light input. However, if there is a relatively large light input to the avalanche photodiode, a huge amount of reverse current will flow, so the input resistance may be designed to be relatively small for current input.A circuit to protect the subsequent circuit is required. Becomes
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。 Patent Document 1 below describes a laser scanner in which reflected light is measured by a light receiver composed of an avalanche photodiode and a downstream component is protected from an overcurrent by a limiter diode.
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。 Further, Patent Document 2 below describes a laser distance measuring system in which a reflected light is measured by a photodetector composed of an avalanche photodiode and a protection circuit for adapting to overload is constituted by the diode. ..
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。 In Patent Documents 1 and 2, a protection diode is connected to the anode side of the avalanche photodiode in the forward direction toward the ground. Here, the input impedance of the second-stage circuit is set so that the protection diode turns on only when the overcurrent is generated by the avalanche photodiode, so that the input terminal voltage of the second-stage circuit turns on the protection diode when the overcurrent occurs. Adjusted to exceed voltage.
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。 However, in the TOF distance measuring sensor, it is necessary to stop the irradiation of the pulsed light before the pulsed light is reflected and returned, and it is necessary to detect a high-frequency current. For example, in order to measure a distance of 1 m, it is necessary to irradiate light with a pulse width shorter than about 2 / (3 × 10 8 ) = 6.7 ns, and the current pulse width output from the avalanche photodiode is also 6 It becomes 0.7 ns or less, and it is necessary to detect a high frequency current of approximately 150 MHz or more. When such a high-frequency current is generated, in the conventional protection circuit, the forward voltage is applied to the protection diode and the junction capacitance increases, so the reactance of the protection diode decreases and the high-frequency current passes through the protection diode. It leaks to the ground. Therefore, in the conventional protection circuit, not only the overcurrent but also the high-frequency current to be detected is attenuated, and the measurement accuracy cannot be sufficiently improved.
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。 Therefore, the present invention provides a distance measuring sensor provided with a circuit that reduces the attenuation of the high frequency current to be detected and protects the subsequent circuit from overcurrent.
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。 A distance measuring sensor according to one aspect of the present disclosure outputs a pulse current when a light projecting unit that projects pulsed light to an object and a reverse bias voltage is applied and the pulsed light reflected by the object is received. An avalanche photodiode, a zener diode whose cathode is connected to the anode side of the avalanche photodiode and whose anode is grounded, and a resistor which is connected between the anode side of the avalanche photodiode and the subsequent circuit.
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。 According to this aspect, when an overcurrent is output by the avalanche photodiode, a high voltage equal to or higher than the Zener voltage is applied to the Zener diode, and the overcurrent is released to the ground through the Zener diode. Therefore, the subsequent circuit can be protected from overcurrent. On the other hand, when a high frequency current to be detected by the avalanche photodiode is output, a reverse bias voltage is applied to the Zener diode, the junction capacitance decreases, and the reactance increases, so the high frequency current hardly flows in the Zener diode. It flows into the subsequent circuit. Therefore, the attenuation of the high frequency current to be detected can be reduced.
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。 In the above aspect, the resistance value may be equal to or greater than the value obtained by dividing the Zener voltage of the Zener diode by the current allowed to flow into the subsequent circuit.
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。 According to this aspect, when the current output from the avalanche photodiode is equal to or higher than the current allowed to flow into the subsequent circuit, the current is released to the ground via the Zener diode and the overcurrent in the latter circuit is exceeded. Can be protected from
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。 In the above aspect, the light projecting section may project pulsed light having a pulse width of 10 ns or less onto the object.
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。 According to this aspect, the lower limit of the measurable distance can be set to 1.5 m or less.
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。 In the above aspect, when the current output from the avalanche photodiode is represented by I apd , the resistance value is represented by R1, and the reactance of the zener diode is represented by X zd , the current flowing through the zener diode is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / X zd ), and the current flowing into the subsequent circuit may be I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / R1).
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。 According to this aspect, most of the current output from the avalanche photodiode is allowed to flow into the subsequent circuit, and the attenuation of the high frequency current to be detected can be reduced.
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。 In the above aspect, the reactance of the Zener diode divided by the resistance value may be 10 5 or more.
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。 According to this aspect, the attenuation of the high frequency current due to the Zener diode to be detected can be reduced to 0.001% or less.
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。 According to the present invention, there is provided a distance measuring sensor including a circuit that reduces the attenuation of the high frequency current to be detected and protects the subsequent circuit from overcurrent.
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。 Hereinafter, an embodiment according to one aspect of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described with reference to the drawings. In addition, in each of the drawings, components denoted by the same reference numerals have the same or similar configurations.
［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。
[Example of configuration]
FIG. 1 is a circuit diagram of a distance measuring sensor 1 according to an embodiment of the present invention. The distance measuring sensor 1 includes a light projecting unit (not shown), an avalanche photodiode APD, a Zener diode ZD, a first resistor R1, and a post-stage circuit CIR.
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。 The light projecting unit projects the pulsed light onto the object. The light projecting section may be composed of, for example, a laser element. The light projecting section may project a pulsed light having a pulse width of 10 ns or less to the object. By setting the pulse width to 10 ns or less, the lower limit of the measurable distance by the distance measuring sensor 1 can be set to 1.5 m or less.
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。 The avalanche photodiode APD is applied with the reverse bias voltage APD_bias and outputs the pulse current I apd when receiving the pulsed light reflected by the object. Specifically, the reverse bias voltage APD_bias may be about 100 V, and the pulse current I apd may be several hundred mA.
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。 The cathode of the Zener diode ZD is connected to the anode side of the avalanche photodiode APD, and the anode is grounded. The Zener voltage of the Zener diode ZD may be several volts, for example 5V.
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。 The first resistor R1 is connected between the anode side of the avalanche photodiode APD and the post-stage circuit CIR. The value of the first resistor R1 may be equal to or more than the value obtained by dividing the Zener voltage of the Zener diode ZD by the current allowed to flow into the subsequent circuit CIR. For example, when the current I limit allowed to flow into the subsequent circuit CIR is 100 mA and the Zener voltage is 5 V, the value of the first resistor R1 may be 50Ω or more. By setting the value of the first resistor R1 in this way, when the current I apd output from the avalanche photodiode APD becomes equal to or larger than the current I limit at which the inflow to the subsequent circuit CIR is allowed, the Zener diode ZD The current is released to the ground through the circuit, and the latter-stage circuit CIR can be protected from overcurrent.
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。 A value obtained by dividing the reactance X zd of the Zener diode ZD by the value of the first resistor R1 may be 10 5 (100,000) or more. Here, the reactance X zd of the Zener diode ZD depends on the junction capacitance of the Zener diode ZD, and the junction capacitance depends on the voltage applied to the Zener diode ZD. In the distance measuring sensor 1 according to this embodiment, since the reverse bias voltage is applied to the Zener diode ZD, the junction capacitance becomes smaller by the application of the voltage and the reactance X zd becomes larger by the application of the voltage. Generally, the reactance X zd is several GΩ, and when the first resistance R1 is several tens Ω, the value obtained by dividing the reactance X zd by the value of the first resistance R1 is about 10 8 . As described above, by increasing the ratio of the reactance X zd to the first resistor R1 to about 10 5 or more, the attenuation of the high frequency current to be detected can be reduced to 0.001% or less for the reason described below. It is possible to substantially eliminate the attenuation of the high frequency current that should be provided.
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。 The post-stage circuit CIR includes an operational amplifier OP and a second resistor R2, amplifies the voltage input from the first resistor R1, and outputs the amplified voltage to the output terminal OUT. The operational amplifier OP functions as an inverting amplifier circuit with an amplification factor of R2 / R1, and amplifies and outputs the voltage in the range of the power supply voltages VCC and VEE. The latter-stage circuit CIR may be other than the amplifier circuit and is optional.
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。 According to the distance measuring sensor 1 of the present embodiment, when an overcurrent is output by the avalanche photodiode APD, a high voltage higher than the Zener voltage is applied to the Zener diode ZD, and the overcurrent passes through the Zener diode ZD. Escape to the earth. Therefore, the latter-stage circuit CIR can be protected from overcurrent. On the other hand, when a high frequency current to be detected by the avalanche photodiode APD is output, a reverse bias voltage is applied to the Zener diode ZD, the junction capacitance becomes small, and the reactance X zd becomes large. Flow into the latter-stage circuit CIR. Therefore, the attenuation of the high frequency current to be detected can be reduced.
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。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the current flowing in the circuit of the distance measuring sensor 1 according to the present embodiment and the current I apd output from the avalanche photodiode APD. In the figure, the horizontal axis shows the “APD output current”, that is, the current I apd output from the avalanche photodiode APD in the unit of mA, and the vertical axis shows the “current of each part” in the unit of mA. Here, the “current of each part” means, specifically, the current I apd output from the avalanche photodiode APD, the current I in flowing into the post-stage circuit CIR through the first resistor R1, and the current I flowing out from the zener diode ZD. It is zd . In the figure, the current I apd output from the avalanche photodiode APD is indicated by a solid line, the current I in flowing into the subsequent circuit CIR through the first resistor R1 is indicated by a broken line, and the current I zd flowing out from the Zener diode ZD is indicated by a chain line. It shows with.
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。 When the voltage (R1 × I in ) applied to the first resistor R1 is smaller than the Zener voltage, a part of the current I apd output from the avalanche photodiode APD passes through the first resistor R1 to the subsequent circuit CIR at a certain ratio. It flows in, and the rest flows out from the Zener diode ZD to the ground. Specifically, the current I in flowing into the subsequent circuit CIR is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / R1), and the current I zd flowing out from the Zener diode ZD is I apd X ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / X zd ). That is, I zd / I in = R1 / X zd . For example, when the value of the first resistor R1 is several tens Ω and the reactance X zd of the Zener diode ZD is several GΩ, I zd / I in = 10 −8 , and the current I zd flowing out from the Zener diode ZD is It becomes substantially zero. In this way, most of the current I apd output from the avalanche photodiode APD can flow into the post-stage circuit CIR, and the attenuation of the high frequency current to be detected can be reduced. Further, if the value obtained by dividing the reactance X zd of the Zener diode ZD by the value of the first resistor R1 is 10 5 or more, the attenuation of the high frequency current to be detected can be 0.001% or less.
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。 The example shown in FIG. 2 shows an example in which the value of the first resistor R1 is 50Ω and the Zener voltage is 5V when the current I limit allowed to flow into the subsequent circuit CIR is 100 mA. In this case, I zd / I in << 1, and when the current I apd output from the avalanche photodiode APD is in the range of 0 to 100 mA, the current I zd flowing out from the Zener diode ZD is almost zero, and the subsequent circuit CIR. The current I in = I apd flowing into On the other hand, when the current I apd output from the avalanche photodiode APD is 100 mA or more, the current I zd flowing out from the Zener diode ZD is I apd −100 mA, and the current I in flowing into the subsequent circuit CIR is constant at I in = 100 mA. .. In this way, it is possible to reduce the attenuation of the high frequency current to be detected and protect the post-stage circuit CIR from overcurrent.
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。 FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional distance measuring sensor 100. The conventional distance measuring sensor 100 includes a light projecting unit (not shown), an avalanche photodiode APD, a clamp diode D1, a bypass capacitor C1, a first resistor R1, and a rear circuit CIR.
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。 When light enters the avalanche photodiode APD, a reverse current is generated, and the current flows into the post-stage circuit CIR through the first resistor R1 and is amplified. Here, if the avalanche photodiode APD receives excessive light, a large reverse current is generated, and the input voltage to the post-stage circuit CIR of the first resistor R1 rises. In the distance measuring sensor 1 of the conventional example, the first resistance is set to Vcc + Vf ≦ I limit × R1 when the current I limit which allows the inflow to the subsequent circuit CIR is allowed and the forward voltage of the clamp diode D1 is V f. The value of R1 is selected so that current exceeding I limit will flow from clamp diode D1 to ground. The high frequency current flowing into the clamp diode D1 is returned to the ground through the bypass capacitor C1 and does not flow into the power supply Vcc as a noise source. Specifically, when the forward voltage Vf of the clamp diode D1 is 0.3 V, the power supply Vcc is 3.3 V, and the current I limit allowed to flow into the subsequent circuit CIR is 100 mA, The value of the resistor R1 may be 36Ω.
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。 However, when the amount of light incident on the avalanche photodiode APD is small and the output current is equal to or less than I limit , the high frequency potential of the cathode of the clamp diode D1 is set to the ground potential by the bypass capacitor C1. The current leaks out to the clamp diode D1 side. If the reactance of the bypass capacitor C1 with respect to the high frequency current is substantially zero and the forward resistance of the clamp diode D1 with respect to the high frequency is Rd1, the amount of the leaked current is I apd × ((1 / R1 + 1 / Rd1) / Rd1) Becomes Further, the current flowing into the subsequent circuit CIR through the first resistor R1 becomes I apd × ((1 / R1 + 1 / Rd1) / R1). That is, the value obtained by dividing the current leaking from the clamp diode D1 by the current flowing into the post-stage circuit CIR is R1 / Rd1. Here, the forward resistance Rd1 of the clamp diode D1 with respect to a high frequency is often selected to have a value similar to that of R1 in order to quickly release the overcurrent to the bypass capacitor C1. Therefore, when the amount of incident light is small, the current leaking from the clamp diode D1 to the ground is generated to the same extent as the current flowing into the post-stage circuit CIR, and the high frequency current to be detected is attenuated.
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。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the current flowing through the circuit of the distance measuring sensor 100 of the conventional example and the current I apd output from the avalanche photodiode APD. In the figure, the horizontal axis shows the “APD output current”, that is, the current I apd output from the avalanche photodiode APD in the unit of mA, and the vertical axis shows the “current of each part” in the unit of mA. Here, the “current of each part” specifically means the current I apd output from the avalanche photodiode APD, the current I in flowing into the subsequent circuit CIR through the first resistor R1 and the current I flowing out from the clamp diode D1. It is d1 . In the figure, the current I apd output from the avalanche photodiode APD is indicated by a solid line, the current I in flowing into the subsequent circuit CIR through the first resistor R1 is indicated by a broken line, and the current I d1 flowing out from the clamp diode D1 is indicated by two points. It is indicated by a chain line.
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。 When the voltage (R1 × I in ) applied to the first resistor R1 is smaller than the power supply Vcc + the forward voltage Vf of the clamp diode D1, a part of the current I apd output from the avalanche photodiode APD is at a certain ratio. It flows into the latter-stage circuit CIR through the resistor 1 and the rest flows out from the clamp diode D1 to the ground. Specifically, the current I in flowing into the latter-stage circuit CIR is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / Rd1)) / R1), and the current I d1 flowing out from the clamp diode D1 is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / Rd1)) / Rd1). That is, I d1 / I in = R1 / Rd1.
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。 In the example shown in FIG. 4, when the current I limit allowed to flow into the subsequent circuit CIR is 100 mA, the value of the first resistor R1 is 36Ω, and the forward resistance Rd1 of the clamp diode D1 with respect to high frequency is 100Ω. An example is shown. In this case, I d1 / I in = 0.36, and about 36% of the current I apd output from the avalanche photodiode APD flows out from the clamp diode D1 to the ground. As described above, in the conventional distance measuring sensor 1, not only the overcurrent but also the high-frequency current to be detected is attenuated, and the measurement accuracy cannot be sufficiently improved.
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。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting the interpretation of the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size and the like are not limited to the exemplified ones but can be changed as appropriate. Further, the configurations shown in different embodiments can be partially replaced or combined.
［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）。
[Appendix 1]
A light projecting unit that projects a pulsed light onto an object,
An avalanche photodiode (APD) that outputs a pulse current when a reverse bias voltage is applied and the pulsed light reflected by the object is received;
A Zener diode (ZD) having a cathode connected to the anode side of the avalanche photodiode (APD) and an anode grounded;
A resistor (R1) connected between the anode side of the avalanche photodiode (APD) and the subsequent circuit,
Distance measuring sensor (1) provided with.
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 APD ... Avalanche photodiode, C1 ... Bypass capacitor, D1 ... Clamp diode, OP ... Operational amplifier, R1 ... First resistance, R2 ... Second resistance, ZD ... Zener diode
Claims (5)
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。 A light projecting unit that projects a pulsed light onto an object,
A reverse bias voltage is applied, an avalanche photodiode that outputs a pulse current when receiving the pulsed light reflected by the object,
A cathode is connected to the anode side of the avalanche photodiode, and a zener diode whose anode is grounded,
A resistor connected between the anode side of the avalanche photodiode and the subsequent circuit,
Distance measuring sensor equipped with.
請求項１に記載の測距センサ。 The value of the resistor is equal to or greater than a value obtained by dividing the Zener voltage of the Zener diode by a current allowed to flow into the subsequent circuit.
The distance measuring sensor according to claim 1.
請求項１又は２に記載の測距センサ。 The light projecting unit projects the pulsed light having a pulse width of 10 ns or less onto the object.
The distance measuring sensor according to claim 1.
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。 When the current output from the avalanche photodiode is represented as I apd , the resistance value is represented as R1, and the reactance of the Zener diode is represented as X zd ,
The current flowing through the Zener diode is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / X zd ),
The current flowing into the latter-stage circuit is I apd × ((1 / (1 / R1 + 1 / X zd )) / R1),
The distance measuring sensor according to any one of claims 1 to 3.
請求項１から４のいずれか一項に記載の測距センサ。 A value obtained by dividing the reactance of the Zener diode by the value of the resistance is 10 5 or more,
The distance measuring sensor according to any one of claims 1 to 4.
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