JPS63108289A - 測距型光電スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、光位置センサを用いることにより検知対象が
所定の設定距離に存在することを検出する測距型光電ス
イッチに関するものである。

［背景技術］ 一般に検知対象が所定の設定距離に存在するかどうかを
判定して出力を得る光電スイッチとしては、発光部から
放射された光線の検知対象での反射光の強度によって検
知対象を検出する反射型光電スイッチが提供されている
が、反射型の光電スイッチは受光部での受光量により検
知対象を検出するから、検知対象の周囲の背景からの光
線の影響を受けやすく、信傾性が低いという問題がある
。

一方、このような問題を解消する充電スイッチとしで、
受光部に光位置センサ（以下ＰＳＤと略称する：　ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ
）を用いたものがある。ＰＳＤは、第３図に示すように
、ｐｉｎ７オトダイオードのｐ層を高抵抗層とし、その
両端に電極８　ａ、　８　ｂを設け、ｎＮ側に共通電極
９を設けたｈη遣を有する光起電力素子である。ＰＳＤ
　１のｐ層側の表面にスポット光が照射されると、ｐ層
がスポット光の照射位置で分割されることになり、各電
極８ａ、８ｂと分割位置との間の距離に反比例した電流
が各電極８ａ、８ｂから出力される。すなわち、両電極
８　ａｔ　Ｂ　ｂ間を結ぶ方向をＸ方向、両型ｉ８ａ、
８ｂ開の中心位置を原点、両電極８　ａ、　８　ｂ間の
距離を２Ｉ！とじ、原点から電極８ａ側に距離Ｘの位置
で９層の表面にスポット光が照射され、そのときの起電
流を工。とすると、各電極８　ａｔ　８　ｂから取り出
される電流り、Ｉ２と起電流■。との関係は、次式のよ
うになる。

Ｉ、／Ｉ。＝（ｅ−ｘ）／２１　　・・・・・・■ｒ　
２／　Ｉ　。＝　（ｌ＋　ｘ）／　２１　　・”−■こ
こに、１．＝Ｉ、＋１２とした。■、■両式の比の対数
をとると、 となり、スポット光が原点付近に照射されていると仮定
すれば、（ｘ／Ｊり＜＜　１となるから、０式は以下の
ように変形できる。

このように、ＰＳＤＩの受光面へのスポット光の照射位
置が両電極８　ａ、　８　ｂから出力される電流の比と
して検出でき、しかもスどット光の光量に対応する起電
流Ｉ０に依存しないのである。すなわち、照射方向が一
定方向となるように設定された発光部から検知対象にス
ポット光を照射し、その反射光をレンズ系を通してＰＳ
ＤＩの受光面に集光させれば、ＰＳＤｌへのスポット光
の集光位置は発光部もしくは受光部と検知対象との間の
距離の関数となるから、反射光の強度とは無関係に検知
対象までの距離を検出できるのである。

以上の原理に基づいてＰＳＤｌを用いた充電スイッチを
第４図に示すように構成することができる。外乱ノイズ
除去のために発光部（図示せず）は高周波で変調された
スポット光を照射するように構成され、発光部の光軸方
向は一定方向に設定されている。検知対象からの反射光
を受光するＰＳＤｌの両電極より取り出された電流はそ
れぞれ前置回路部としての電流−電圧変換回路２　ａｔ
　２　ｂにより電流の大きさに対応した電圧値に変換さ
れ、除算回路３において電流比に対応する電圧比が計算
される。したがって、除算回路３の出力電圧はＰＳＤ１
／）受光面におけるスポット光の照射位置に対応するこ
とになり、上述したように、ＰＳＤｌの受光面へのスポ
ット光の照射位置は検知対象までの距離の関数となって
いるから、除算回路３の出力値は検知対象までの距離に
対応することになる。そこで、比較回路４において予め
設定されたしきい値と除算回路３の出力値とを比較し、
その大小関係により所定の設定距離に検知対象が存在し
ているかどうかを判定することができるのである。ここ
に、しきい値は可変抵抗等のしきい値設定手段５により
予め設定可能となっており、このしきい値を設定するこ
とにより、検知対象を検知する距離を設定することがで
きるのである。比較回路４の出力は演算回路６において
外乱ノイズ等の除去と検波とが行なわれた後、出力回路
７を介して接点出力として出力されるのである。

上述のように構成された光電スイッチは原理的には反射
光の強度に依存することなく、検知対象の検出を行なう
ことができるが、実際には検知対象との距離によって反
射光の強度が変化し、またＰＳＤＩの起電流は波長によ
り変化するから、ＰＳＤｌの出力電流の大きさは相当に
広い範囲で変化すると考えられる。したがって、電流−
電圧変換回路２　ａｔ　２　ｂには広いダイナミンクレ
ンジが要求されるが、ダイナミックレンジの上限は電源
電圧に依存しているから、電池電源等の比較的低電圧の
電源を使用する場合にはダイナミックレンジを広くとれ
ないもの・である、すなわち、大き（１人力信号に対し
て回路を飽和させないためには、伝達インピーダンスを
小さく設定する必要があり、また小さい入力信号に対し
て帰還抵抗による電流熱雑音の増加を防止するとともに
十分なゲインを得て側圧精度を高めるためには、伝達イ
ンピーダンスを大さく設定する必要があるが、従来の電
体−電圧変換回路２　ａｔ　２　ｂでは伝達インピーダ
ンスが固定されていたものであるから、大小側入力信号
に十分に対応させることができないものであった。

−１−１＋曲■ンぜ一−九ｊこψ−１−雫神ＩＡｓｙｊ
ｉ電判伍÷八〜＾げＧ１１路を用いることが考えられる
が、外乱ノイズの影響を避けるために発光部は高周波で
変調されたスポット光を照射しているから、広帯域の可
変利得増幅回路を用いる必要がある。しかしながら、広
帯域の増幅回路においてゲインを高速に変化させること
は安定性等の面から困難である。

【発明の目的］ 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、その
目的とするところは、ＰＳＤの出力を後段に伝達する前
置回路部の伝達インピーダンスを設定距離と検知対象と
に対応するように最適値に安定的に設定することにより
、飽和したり雑音に信号が埋もれたりすることなく高い
測「精度が得られるようにした測距型光電スイッチを提
供することにある。

〔発明の開示１ 本発明に係る測距型光電スイッチは、発光部から検知対
象に照射されたスポット光の検知対象での反射光を受光
し、検知対象までの距離に対応しで相反する方向に変化
する一対の電流出力が得られる光位置センサを備え、光
位置センサの両出力電流の比率が所定の設定距離に対応
する値となったときに接点出力が得られるようにした測
距型光電スイッチにおいて、光位置センサの出力電流を
後段に伝達する前置回路部と、上記設定距離における検
知対象からの反射光の受光量を記憶する記憶回路部と、
記憶回路部に記憶された受光量に基づいて前置回路部の
伝達インピーダンスを最適値に設定するインピーダンス
可変回路部とを具備して成る鬼のであり、前置回路部と
してダイナミックレンジの狭いものを用いても十分に高
精度の測距が行なえるようにしている。

（基本構成） 第１図に示すように、ＰＳＤＩの出力電流は前置回路部
としての一対の電流−電圧変換回路１１ａ、ｌｌｂに入
力される０両電流−電圧変換回路１１ａ、ｌｌｂは前置
増幅器を兼ねる。第１の電流−電圧変換回路１１ａには
ＰＳＤｌの起電流に相当する電流、すなわち共通電極９
に流れ込む電流が入力され、また第２の電流−電圧変換
回路ｆｉｂにはＰＳＤｌの一方の電極８ａの出力電流が
入力される。各電流−電圧変換回路１１ａ、ｌｌｂは演
算増幅器と可変抵抗よりなる帰還抵抗Ｒａ、Ｒｈとによ
りｍ＊さｈており、帰還抵抗Ｒａ、Ｒｈを調節すること
により伝達インピーダンスが調整可能となっている。両
電流−電圧変換回路１１ａ、ｌｌｂの出力電圧は除算回
路１２に入力され、両電流−電圧変換回路１１ａ、１１
ｂの入力電流比が除算回路１２の出力に得られる。以後
、ｔＩＳ４図に示した従来構成と同様の処理により接点
出力が得られるようになっている。

ところで、第１の電流−電圧変換回路１１ａの出力はア
ナログ−デジタル変換器１３に入力され、その出力値は
記憶回路１４で記憶可能となっている。また、記憶回路
１４の出力に基づいて制御回路１５では両電流−電圧変
換回路１１ａ＝１１ｂの帰還抵抗Ｒａ、Ｒｂを所定値に
設定するようになっている。すなわち、制御回路１５と
帰還抵抗Ｒａ。

Ｒｂとにより伝達インピーダンス可変回路部が構成され
る。記憶回路１４としては電源切断後にも記憶値が保持
されるように通常はＲＯＭが用いられるのであり、プリ
セットスイッチＳＷの操作に上り書込がなされ、その後
位が記憶されるようになっている。電源切断後に記憶値
が消去されていもよい場合には、記憶回路１４としてＲ
ＡＭを用いることもできる。

ところで、除算回路１２への入力値は起電流に相当する
電流■。と一方の電極８ａから出力された電流１１との
比に相当するから、背景技術の項において説明した０式
の両辺の対数をとれば、さらに、（ｘ、＃）＜＜　１な
る関係を導入すれば、となり、この電流比によってもス
ポット光の位置、すなわち検知対象までの距離が検出で
きることがわかる。

（基本動作） 以下、上記基本構成における基本動作を説明する。まず
、実際に光電スイッチを使用する前に検知対象を検知範
囲内に配置し、検知対象を検知する。このときプリセッ
トスイッチＳＷを操作して記憶回路１４を書込状態に設
定するとともに、制御回路１５により少なくとも第１の
電流−電圧変換回路１１ａの伝達インピーダンスが最小
となるように帰還抵抗Ｒａを設定する。これによって、
検知Ｎ象による反射光の強度に対応した光量データが記
憶回路１４に記憶される。この光量データに基づいて制
御回路１５を介して各電流−電圧変換回路１１ａ、１１
ｂの帰還抵抗Ｒａ、Ｒｂが調整され、電流−電圧変換回
路１１ａ、ｌｌｂの伝達インピーダンスが検知対象に適
応した値に設定されるのである。すなわち、検知対象と
検知条件（検知対象の位置等）とが決定されればＰＳＤ
Ｉで受光される反射光の強度が決定されるので、検知対
象が所定位置に位置するときに、最適条件で回路が作動
するように伝達インピーダンスを設定すれば、比較的ダ
イナミックレンジが狭くても入力電流が回路の動作範囲
を逸脱することがなく、安定な動作が行なえるのである
。

ここで、記憶回路１４としてＲＯＭ＋：Ｊ’ｆｆいるこ
とにより、プリセットスイッチＳＷの操作のみで簡単に
最適値を設定できるから、繁雑な調整が不要となるので
ある。また、７ナログーデジタル変換器１３は電流−電
圧変換回路１１ａ、ｌｌｂの帰還抵抗Ｒａ、　Ｒｂを数
段階に設定するために用いるから、分解能が小さいもの
でよく、安価なものを用いることができるのである。

（実施例） 第２図はＰＳＤＩの起電流を検出して電流−電圧変換回
路１１ａ、ｌｌｂの帰還抵抗Ｒａ、Ｒｂを設定する部分
の具体例を示す回路図である。すなわち、ＰＳＤＩの起
電流工。は電流−電圧変換回路１１ａを介してサンプル
・ホールド回路１６に入力される。電流−電圧変換回路
１１ａは演算増幅器ＯＰの反転入力端と出力端との間に
帰還抵抗Ｒ３〜Ｒ９を挿入して構成され、入力電流と帰
還抵抗との積に相当する出力電圧が得られるようになっ
ている。

各帰還抵抗Ｒ１〜Ｒ９は直列に接続されており、出力端
側の帰還抵抗Ｒ９を除く各帰還抵抗ＲＩ−Ｒ４にはそれ
ぞれアナログスイッチＳ、〜８４が並列に接続されてい
る。したがって、アナログスイッチＳ、〜Ｓ、の開閉状
態に応じて演算増幅器ＯＰの入出力端間に挿入される帰
還抵抗Ｒ２〜Ｒ９が選択され、伝達インピーダンスが調
節されるのである。

サンプル・ホールド回路１６は発光部を変調するクロッ
クφが入力されており、発光部の点滅に同期してサンプ
リングを行なうようになっている。

サンプル・ホールド回路１６により保持された値はアナ
ログ−デジタル変換器１３に入力されて２ビツトのデジ
タル値に変換され、記憶回路１４に書き込まれる。記憶
回路１４への書込はプリセットスイッチＳＷの操作によ
り行なわれるゆプリセットスイッチＳＷはスイッチ回路
１７に接続されており、スイッチ回路１７はプリセット
スイッチＳＷが閉成したときに導通するスイッチングト
ランジスタＱと、抵抗ＲとコンデンサＣとを直列接続し
た時定数回路とを備え、時定数回路のコンデンサＣにス
イッチングトランジスタＱが並列に接続された構成とな
っている。またスイッチ回路１７の出力は抵抗Ｒとコン
デンサＣとの接続点がら得られるようになっている。し
たがって、プリセットスイッチＳＷを閉成すると、コン
デンサＣが放電してスイッチ回路１７の出力レベルがＬ
“となり、その状態からプリセットスイッチＳＷを開放
すると、抵抗Ｒを介して所定時間でコンデンサＣの充電
が満了する。この時定数はクロ７り信号の周期よりも十
分に長く設定されている。スイッチ回路１７の出力は、
インバータ１８を介して記憶回路１４の書込禁止端子に
入力されるとともに、一対の２人力ナンドデー）　１９
ａ、１９ｂの各一方の入力端子にそれぞれ入力される。

各ナンドゲー）　１９ａ、１９ｂの残りの入力端子には
記憶回路１４の２ビツトの出力端子がそれぞれ接続され
る。

両ナンドデー）　１９ａ、１９ｂの出力はデコーダ２０
を介してアナログスイッチ８１〜Ｓ４の制御入力端に入
力される。すなわち、デコーダ２０では２ビツトの入力
に対応して、４チヤンネルの出力端の出力レベルを選択
的に“Ｈ”とするのである。

（動作） 以上の構成により、プリセットスイッチＳＷを閉成すれ
ば、両ナンドゲー）　１９ａ、１９ｂの出力レベルがと
もに４Ｈ“となって、アナログスイッチＳ、〜Ｓ、はす
べで閉成され、電流−電圧変換回路１１ｇの伝達インピ
ーダンスは最小となる。この状態で検出されたＰＳＤＩ
での受光強度に相当するデジタル値がアナログ−デジタ
ル変換器１３の出力として得られる。ここで、プリセッ
トスイッチＳＷを閉成後直ちに開放しても、スイッチ回
路−１７の時定数回路で設定された時間はナンドゲー）
　１９ａ、１９ｂの出力レベルが“Ｈ“となっているか
ら、電流−電圧変換回路１１ａの設定状態が変更される
ことなく、この間に受光量が測定されるのである。時定
数回路のコンデンサＣが充電されると、記憶回路１４の
書込禁止端子への入力が立ち下がり、記憶回路１４にア
ナログ−デジタル変換器１３の出力値が記憶され、同時
に・その記憶値がデコーダ２０に入力されで、アナログ
スイッチＳ、〜Ｓ、が受光強度に対応した状態に設定さ
れる。

デコーダ２０に入力さＫる２ビツト値の最小値は第２図
の左端のアナログスイッチＳ、に対応し、右方のアナロ
グスイッチ８２〜Ｓ、はど大きい値に対応している。ま
た帰還抵抗Ｒ１〜Ｒ１はＲ，＜Ｒ２＜Ｒコ＜Ｒ，となる
ように設定されているから、入力信号が小さいときには
伝達インピーダンスが大きくなり、入力信号が大きいと
きには伝達インピーダンスが小さくなる。

以上のようにして、電流−電圧変換回路１１ａ。

１１ｂの伝達インピーダンスな測距条件に合わせて設定
するから、電流−電圧変換回路１１ａ、１１ｂのダイナ
ミックレンジが狭くても測定範囲内では飽和したり信号
が雑音に埋もれたりすることがなく、しかも動作中には
伝達インピーダンスが固定されるから、安定動作が行な
えるのである。伝達インピーダンスの調節は比較回路４
のしきい値を設定する際に同時に行なえばよい。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、光位置センサの出力電流を後段
に伝達する前置回路部と、設定鉗離における検知対象か
らの反射光の受光量を記憶する記憶回路部と、記憶回路
部に記憶された受光量に基づいて前置回路部の伝達イン
ピーダンスを最適値に設定するインピーダンス可変回路
部とを具備して成るものであり、前置回路手段の伝達イ
ンピーダンスな測距条件に適応する最適値に設定するの
で、前置回路手段のダイナミックレンジが狭い場合であ
っても飽和したり信号が雑音に埋もれたりすることがな
（、かつ動作中は伝達インピーダンスが固定されるから
、動作が安定するという利点

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示すブロック図、第２図は
本発明の一実施例の要部回路部、第３図は本発明に使用
するＰＳＤＩを示す断面図、第４図は従来例を示すブロ
ック図である。 １はＰＳＤ、１１ａ、１　ｌｂは電流−電圧変換回路、
１４は記憶回路、１５は制御回路、Ｒａ、Ｒｂは帰還抵
抗である。 代理人　弁理士　石　１）艮　七 〇　　　　　　　　　　　　　　　　−一　　　　　　
　　　　□

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光部から検知対象に照射されたスポット光の検
   知対象での反射光を受光し、検知対象までの距離に対応
   して相反する方向に変化する一対の電流出力が得られる
   光位置センサを備え、光位置センサの両出力電流の比率
   が所定の設定距離に対応する値となったときに接点出力
   が得られるようにした測距型光電スイッチにおいて、光
   位置センサの出力電流を後段に伝達する前置回路部と、
   上記設定距離における検知対象からの反射光の受光量を
   記憶する記憶回路部と、記憶回路部に記憶された受光量
   に基づいて前置回路部の伝達インピーダンスを最適値に
   設定するインピーダンス可変回路部とを具備して成るこ
   とを特徴とする測距型光電スイッチ。