JP2004165215A

JP2004165215A - 光電センサ

Info

Publication number: JP2004165215A
Application number: JP2002326030A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujita; 浩司藤田
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-10
Also published as: EP1418445A3; US7247834B2; US20040089791A1; EP1418445A2

Abstract

【課題】受光素子や発光素子を複数個用いることなく、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することを可能にする。
【構成】発光素子１０の発光領域と受光素子２０の受光領域とが重なった検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内の物体の有無を検知するセンサであって、発光素子１０の駆動電流Ｉを電流値可変可能に出力する電源部４０と、電源部４０を制御して発光素子１０の駆動電流Ｉの大きさを変化させる一方、受光素子２０の出力に基づいて物体の有無を判定し、当該判定結果をデジタルの検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として出力する機能を有した制御部３０と、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３をアナログに変換して信号αとして出力する出力回路５０とを有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子と受光素子とを用いて物体の有無を検知する光電センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光電センサは発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する基本構成になっている。即ち、検知領域内に物体が侵入すれば、発光素子から発せられた光が当該物体に反射して受光素子で受光され、これに伴って、受光素子から出力される信号のレベルが変化し、物体の侵入が検知される。
【０００３】
検知領域については発光素子及び受光素子との位置関係や向き等により定まり、受光素子や発光素子を複数個用いると、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することも可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６８９６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、受光素子や発光素子を複数個用いた場合、装置の小型化及び低コスト化を図ることが非常に困難になるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、受光素子や発光素子を複数個用いることなく、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することが可能な光電センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電センサは、発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する装置であって、発光素子の駆動電流を電流値可変可能に出力する電源部と、発光素子の駆動電流の大きさを変化させるために電源部を制御する制御部とを具備したことを特徴としている。
【０００８】
制御部については、例えば、電源部を制御して発光素子の駆動電流の大きさを変化させる一方、受光素子の出力に基づいて物体の有無を判定し、当該判定結果をデジタル又はアナログの検知信号として出力する機能を有した構成のものがある。
【０００９】
好ましくは、発光素子の駆動電流の大きさを所定のパターンで繰り返し変化させる機能を有した構成のものを用いることが望ましい。
【００１０】
本発明の別の光電センサは、発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する装置であって、発光素子を発光させる一方、受光素子の出力レベルと互いに異なる複数の基準値とを各々比較するとともに当該比較結果をデジタル又はアナログの検知信号として出力する構成となっていることを特徴としている。
【００１１】
本発明の別の光電センサは、発光素子を発光させる一方、受光素子の出力レベルと基準値とを比較し、当該比較結果を検知信号として出力し、その後、前記基準値を変化させ、基準値変化毎に、受光素子の出力レベルと当該基準値とを比較するとともに当該比較結果を検知信号として出力する構成となっていることを特徴としている。
【００１２】
好ましくは、前記基準値を所定のパターンで繰り返し変化させる機能を有した構成のものを用いることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図１乃至図４を参照して説明する。図１は光電センサの構成図、図２は同センサの制御部の出力回路を示す回路図、図３は同センサの電源部の動作を示すための図であって、制御部から出力される制御信号と発光素子の駆動電流との関係を示すタイミングチャート、図４は同センサの物体検知原理を説明するための図であって、発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域を示す図である。
【００１４】
ここに掲げる光電センサは図４に示すように発光素子１０の発光領域と受光素子２０の受光領域とが重なった検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内の物体の有無を検知するセンサであって、単に物体の近接の有無だけでなく、その近接距離を３段階で測定することが可能になっている。ここでいう検知領域Ａ１は、発光素子１０及び受光素子２０の前方であって距離Ｌ０からＬ１までに相当する部分をいう。同様に、検知領域Ａ２、Ａ３は、発光素子１０及び受光素子２０の前方であって距離Ｌ０からＬ２、距離Ｌ０からＬ３までに相当する各部分をいう。
【００１５】
同センサは、具体的には発光素子１０及び受光素子２０以外に、図１に示すように発光素子１０の駆動電流Ｉを電流値可変可能に出力する電源部４０と、電源部４０を制御して発光素子１０の駆動電流Ｉの大きさを変化させる一方、受光素子２０の出力に基づいて物体の有無を判定し、当該判定結果をデジタルの検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として出力する機能を有した制御部３０と、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３をアナログに変換して信号αとして出力する出力回路５０とを有した構成となっている。以下、各構成部の詳細について説明する。
【００１６】
発光素子１０及び受光素子２０はここでは赤外線用の発光ＬＥＤ、及びフォトトランジスタ又はフォトダイオードを用いており、図４に示すように隣り合わせで配置されている。即ち、検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入すれば、発光素子１０から発せられた光が当該物体に反射して発光素子２０で受光され、受光素子２０から出力される電圧のレベルが増加して変化するようになっている。
【００１７】
電源部４０は制御部３０から出力された制御信号ＯＵＴ１、２、３に応じて動作する３つの定電流回路が並列接続された回路となっていて、図３に示すように制御信号ＯＵＴ１、２、３がＨレベルであるときには、駆動電流Ｉの大きさがＩ１、Ｉ２、Ｉ２に変化するようになっている。
【００１８】
発光素子１０に流れる駆動電流Ｉの大きさがＩ１であるときには、受光素子２０により検知領域Ａ１内の物体の有無を検知することが可能である。同様に、発光素子１０に流れる駆動電流Ｉの大きさがＩ２、Ｉ３であるときには、受光素子２０により検知領域Ａ２、Ａ３内の物体の有無を検知することが可能である。これは発光素子１０の光強度が駆動電流の大きさに比例して大きくなるという発光素子の特性に基づいている。
【００１９】
制御部３０は受光素子２０の出力電圧が所定値以上であったときには検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したと判定する判定部３１と、判定部３１の判定結果に基づいて検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を出力する出力部３２と、電源部４０を制御するために制御信号ＯＵＴ１、２、３を図３に示すパターンで繰り返し出力する発光制御部３３とを有した構成となっている。
【００２０】
ここでは制御部３０としてマイコンを用いており、内蔵メモリに予め記録されたプログラムがＣＰＵにより実行されることにより判定部３１及び発光制御部３３としての機能を発揮するようになっている。同プログラムの内容については後述する。
【００２１】
受光素子２０の出力電圧はマイコンのアナログ入力ポートを通じて入力されている。出力部３２はマイコンのＩ／Ｏに相当する部分であり、図２（Ａ）又は（Ｂ）に示す構成となっている。図２（Ａ）に示すものはＮ−ｃｈ出力用、図２（Ｂ）に示すものはＰ−ｃｈ出力用である。いずれの回路についてもトランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ３がオンすると、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を出力するようになっている。
【００２２】
出力回路５０は図２（Ａ）に示すように抵抗ｒ１と抵抗ｒ２、ｒ３、ｒ４（ｒ２＜ｒ３＜ｒ４）との分圧抵抗回路であり、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に応じて分圧比が変化し、その分圧電圧が信号αとして出力するようになっている。図２（Ｂ）に示す回路も同様であって、抵抗ｒ１’と抵抗ｒ２’、ｒ３’、ｒ４’（ｒ４’＜ｒ３’＜ｒ２’）との分圧抵抗回路であり、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に応じて分圧比が変化し、その分圧電圧が信号αとして出力するようになっている。
【００２３】
以上のように構成された光電センサの動作及び物体検知原理について説明し、併せて制御部３０にて処理されるプログラムの内容について説明する。
【００２４】
まず、図外のスイッチがオンにされると、制御部３０は図２に示すように制御信号ＯＵＴ１、２、３を順次出力する。すると、電源部４０から出力される駆動電流Ｉの大きさが図２に示すようにＩ１、Ｉ２、Ｉ３へと順次的に大きくなり、これに伴って発光素子１０の光強度が３段階に大きくなる。これは、発光素子１０の発光領域が実質的に３段階に拡大することを意味している。
【００２５】
制御部３０は制御信号ＯＵＴ１を出力している期間に受光素子２０の出力電圧を入力し、同電圧が所定値以上であったときには検知領域Ａ１内に物体が侵入したとして検知信号Ｄ１をアクティブにし、Ｈレベルの検知信号Ｄ１を出力する。同様に、制御信号ＯＵＴ２，ＯＵＴ２を出力している期間に受光素子２０の出力電圧を入力し、同電圧が所定値以上であったときには検知領域Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したとして検知信号Ｄ２、Ｄ３をアクティブにし、Ｈレベルの検知信号Ｄ２、Ｄ３を出力する。すると、制御信号ＯＵＴ１、２、３からなるデジタル値が出力回路５０によりアナログ値に変換され、出力回路５０からアナログの信号αとして出力される。
【００２６】
制御部３０においては上記した処理が繰り返し行われる。即ち、発光素子１０の光強度は３段階に順次大きくされた後、元に戻され、再び３段階に順次大きくされ、このようなパターンが繰り返し行われる。その間に、受光素子２０の出力電圧に基づいて検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したか否かが順次判定され、その判定結果がデジタルの検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として出力される。そして出力回路５０により検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３がアナログの信号αに変換されて出力される。
【００２７】
このように同センサから出力される信号αの電圧レベルにより検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したか否かが判る。具体的には、物体が同センサに向かって近接すると、検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が順番にアクティブに変化していき、これに伴って信号αの電圧レベルが大きくなる。よって、信号αの電圧レベルを見れば、物体の近接距離を３段階で判ることになる。
【００２８】
以上のように構成された光電センサによる場合、従来例による場合とは異なり、受光素子２０や発光素子１０を複数個用いることなく、物体の有無を検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３にわたって検知することが可能になる。発光素子１０及び受光素子２０の個数を増加させる必要がないという点で、センサの小型化及び低コスト化を図ることができる。また、本実施形態においては、外部信号の入力が不要であるだけでなく、アナログ出力形式になっているので、周辺回路の構成が単純になり、この点でもセンサ小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００２９】
上記した光電センサを以下のように設計変更してもかまわない。例えば、制御部３０においてマイコンのアナログ出力ポートを利用して検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を直接にアナログの信号αを出力するようにする。また、受光素子２０の出力をそのまま外部出力し、制御部３０において、発光素子１０の駆動電流Ｉの大きさを変化させるために電源部４０を制御するだけの機能に止めるようにする。この場合、発光素子１０の駆動電流Ｉの大きさを所定のパターンで繰り返し変化させたり、外部信号の入力に応じて電源部４０を制御するようにすると良い。さらに、デジタルの検知信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３をアナログに変換することなく直接にパラレルで出力したり、マイコンを用いることなくハードウエアにより同一の機能を実現するようにしても良い。特に、発光素子及び受光素子については、赤外線用発光ＬＥＤとリモコン用の受光ＩＣを使用することが可能である。即ち、赤外線用発光ＬＥＤから発せられた一定波長の搬送波（バースト波）が物体に反射し、リモコン用の受光ＩＣにより受光され、リモコン用の受光ＩＣにより一定波長の搬送波が検出されると、検知領域に物体が有るとして信号を出力する形態をとっても良い。この場合、同信号を制御部に入力して上記と同様の処理を行ってデジタル又はアナログで出力したり又は直接出力するようにすると良い。
【００３０】
次に本発明の第２の実施の形態について主として図５及び図６を参照して説明する。図５は光電センサの検知回路の回路図、図６は同検知回路の動作を説明するための図であって、受光素子の出力段に接続されたバッファアンプの出力電圧波形を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一の構成部分について同一の部品番号を付して表すものとする。
【００３１】
ここに掲げる光電センサは図４に示すように発光素子１０の発光領域と受光素子２０の受光領域とが重なった検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内の物体の有無を検知するセンサであって、単に物体の近接の有無だけでなく、その近接距離を３段階で測定することが可能になっている。第１の実施の形態と大きく異なるのは、電源部４０に相当するものがなく、発光素子１０に流す駆動電流Ｉが一定にされており、制御部３０の代わりに図６に示すような検知回路６０が用いられている点である。なお、図６においては発光素子１０及び駆動電流Ｉを生成する駆動回路等が図示省略されている。
【００３２】
同センサは、発光素子１０を発光させる一方、受光素子２０の出力レベルと互いに異なる３つの基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ３（Ｖ_ｔｈ１＜Ｖ_ｔｈ２＜Ｖ_ｔｈ３）とを各々比較するとともに当該比較結果をデジタルの検知信号Ｄ１’ 、Ｄ１’ 、Ｄ３’ として出力する構成となっている。発光素子１０を発光させるには駆動電流Ｉを供給する必要があるが、その大きさは発光素子１０から発した光が検知領域Ａ３の全てに到達し得る値（Ｉ３）に設定されている。受光素子２０の出力に基づいて検知信号Ｄ１’ 、Ｄ１’ 、Ｄ３’ を生成するのが検知回路６０である。
【００３３】
検知回路６０は受光素子２０の出力を増幅するバァファアンプ６１と、抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ４の分圧抵抗回路であって基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ３を生成する基準電圧発生回路６５と、バッファアンプ６１の出力電圧ｖと基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ２とを大小比較し、その比較結果を検知信号Ｄ３’ 、Ｄ２’ 、Ｄ１’ として出力するコンパレータ６２、６３、６４とを有した構成となっている。
【００３４】
以上のように構成された光電センサの動作及び物体検知原理を説明する。まず、図外のスイッチがオンにされると、発光素子１０に駆動電流Ｉが供給され、発光素子１０から一定強度の光が発せられる。物体が同センサに近接する方向に検知領域Ａ３、Ａ２、Ａ１内に順次侵入すると、図６に示すように受光素子２０の出力レベルが上昇する。これは、物体と発光素子１０及び受光素子２０との間の距離に反比例して発光素子２０で受光される反射光の強度が上昇するからである。これに伴って、バッファアンプ６１の出力電圧ｖが基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ３を順次超えると、これに伴って検知信号Ｄ３’ 、Ｄ２’ 、Ｄ１’ が順次アクティブ、ここではＨレベルとなる。逆に言うと、物体が検知領域Ａ３、Ａ２、Ａ１内に順次侵入した時点で、検知信号Ｄ３’ 、Ｄ２’ 、Ｄ１’ が順次アクティブとなるように、基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ３の大きさが設定されている。
【００３５】
このように同センサから出力される検知信号Ｄ１’ 、Ｄ２’ 、Ｄ３’ のデジタル値により検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したか否かが判り、物体の近接距離が３段階で判ることになる。即ち、受光素子２０や発光素子１０を複数個用いることなく、物体の有無を検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３にわたって検知することが可能になり、第１の実施の形態と同様のメリットを奏する。特に、第１の実施の形態とは異なる電源部４０や制御部３０が不要であるので、センサの小型化及び低コスト化を一層図ることが可能になる。
【００３６】
上記した光電センサを以下のように設計変更してもかまわない。例えば、検知回路６０の後段にＤ／Ａ変換回路を設けて、アナログ出力形式にする。また、検知回路６０においてコンパレータを一つとし、基準値Ｖ_ｔｈ１、Ｖ_ｔｈ２、Ｖ_ｔｈ３を所定のパターンで繰り返し変化させる。即ち、発光素子１０を発光させる一方、受光素子２０の出力レベルと基準値とを比較し、当該比較結果を検知信号として出力し、その後、基準値を変化させ、基準値変化毎に、受光素子２０の出力レベルと基準値とを比較するとともに当該比較結果を検知信号として出力する構成にしてもかまわない。このような検知信号であっても基準値を変化させるタイミングさえ把握すれば、検知領域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に物体が侵入したか否かが判り、物体の近接距離が３段階で判ることになる。特に、発光素子及び受光素子については、赤外線用発光ＬＥＤとリモコン用の受光ＩＣを使用することが可能である。即ち、赤外線用発光ＬＥＤから発せられた一定波長の搬送波（バースト波）が物体に反射し、リモコン用の受光ＩＣにより受光され、リモコン用の受光ＩＣにより一定波長の搬送波が検出され、且つその受光強度が複数の基準値のうちの一つの基準値以上であったときには、当該基準値に対応する検知領域に物体が有るとして信号をデジタル又はアナログで出力する形態をとっても良い。
【００３７】
なお、本発明に係る光電センサは上記実施の形態に限定されず、例えば、検知領域については３つに限定されず、複数であれば良く、発光素子及び受光素子の種類、配置方法等についても適宜設計変更すれば良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上、本発明の請求項１又は２に係る光電センサによる場合、発光素子の駆動電流の変化を通じて発光素子の発光領域が実質的に拡大／縮小する構成となっているので、従来例による場合とは異なり、受光素子や発光素子を複数個用いることなく、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することが可能になる。発光素子及び受光素子の個数を増加させる必要がないという点で、装置の小型化及び低コスト化を図る上でメリットがある。
【００３９】
本発明の請求項３に係る光電センサによる場合、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知するに当たり外部信号の入力が不要な構成となっているので、周辺回路の構成が単純になり、この点で装置の小型化及び低コスト化を図ることが可能になる。
【００４０】
本発明の請求項４に係る光電センサによる場合、検知すべき物体と発光素子及び受光素子との間の距離に反比例して発光素子の出力レベルが低下することを利用したもので、受光素子の出力レベルに基づいて物体の有無を判定しているが、その判定レベルの基準となる基準値が互いに異なる複数の値にされた構成となっているので、従来例による場合とは異なり、受光素子や発光素子を複数個用いることなく、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することが可能になり、請求項１及び２の場合と同様のメリットがある。また、その検知結果がデジタル又はアナログの検知信号として一度に出力されるので、検知の高速応答という点でもメリットがある。
【００４１】
本発明の請求項５に係る光電センサによる場合、検知すべき物体と発光素子及び受光素子との間の距離に反比例して発光素子で受光される反射波の光強度が低下することを利用したもので、受光素子の出力レベルに基づいて物体の有無を判定するものの、その判定レベルの基準となる基準値を変化させる構成となっているので、従来例による場合とは異なり、受光素子や発光素子を複数個用いることなく、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知することが可能になり、請求項１及び２の場合と同様のメリットがある。
【００４２】
本発明の請求項６に係る光電センサによる場合、物体の有無を複数の検知領域にわたって検知するに当たり外部信号の入力が不要な構成となっているので、請求項３と同様のメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための光電センサの構成図である。
【図２】同センサの制御部の出力回路を示す回路図である。
【図３】同センサの電源部の動作を示すための図であって、制御部から出力される制御信号と発光素子の駆動電流との関係を示すタイミングチャートである。
【図４】同センサの物体検知原理を説明するための図であって、発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を説明するための光電センサの検知回路の回路図である。
【図６】同判定部の動作を説明するための図であって、受光素子の出力段に接続されたバッファアンプの出力電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
１０発光素子
２０受光素子
３０制御部
４０電源部
５０出力回路
Ｉ駆動電流
Ａ１、Ａ２、Ａ３検知領域

Claims

発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する光電センサにおいて、発光素子の駆動電流を電流値可変可能に出力する電源部と、発光素子の駆動電流の大きさを変化させるために電源部を制御する制御部とを具備したことを特徴とする光電センサ。
請求項１記載の光電センサにおいて、前記制御部は、電源部を制御して発光素子の駆動電流の大きさを変化させる一方、受光素子の出力に基づいて物体の有無を判定し、当該判定結果をデジタル又はアナログの検知信号として出力する機能を有した構成となっていることを特徴とする光電センサ。
請求項１又は２記載の光電センサにおいて、前記制御部は、発光素子の駆動電流の大きさを所定のパターンで繰り返し変化させる機能を有した構成となっていることを特徴とする光電センサ。
発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する光電センサにおいて、発光素子を発光させる一方、受光素子の出力レベルと互いに異なる複数の基準値とを各々比較するとともに当該比較結果をデジタル又はアナログの検知信号として出力する構成となっていることを特徴とする光電センサ。
発光素子の発光領域と受光素子の受光領域とが重なった検知領域内の物体の有無を検知する光電センサにおいて、発光素子を発光させる一方、受光素子の出力レベルと基準値とを比較し、当該比較結果を検知信号として出力し、その後、前記基準値を変化させ、基準値変化毎に、受光素子の出力レベルと当該基準値とを比較するとともに当該比較結果を検知信号として出力する構成となっていることを特徴とする光電センサ。
請求項５記載の光電センサにおいて、前記基準値を所定のパターンで繰り返し変化させる機能を有した構成となっていることを特徴とする光電センサ。