JP2007228054A

JP2007228054A - 光学式反射型センサ用受光回路

Info

Publication number: JP2007228054A
Application number: JP2006044025A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oshima; 博大嶌; Yoichi Hirose; 洋一広瀬
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】本発明は、光学式反射型センサの小型化、低消費電力化及び低コスト化を可能にする光学式反射型センサ用受光回路を提供することにある。
【解決手段】ＦＥＴ１のドレイン（Ｄ）を直流電源（図示せず）の＋側（Ｖｃｃ）に接続し、ソース（Ｓ）を受光素子２のカソードに接続し、受光素子２のアノードを直流電源の−側（ＧＮＤ）に接続する。そして、ＦＥＴ１のソース（Ｓ）と受光素子２のカソードとの接続部を容量素子３の一方の電極とヒステリシス特性を有するインバータ４の入力端子に接続し、容量素子３の他方の電極をＧＮＤに接続し、インバータ４の出力端子は外部に対する出力信号の供給端子となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を検出媒体とする光学式反射型センサにおいて、発光素子から出射して被検出物で反射されて受光素子で受光された光を電気信号に変換する光学式反射型センサ用受光回路に関する。

光を検出媒体とする反射型センサ（光学式反射型センサ：以下「センサ」と略称する）の検知に関する精度、感度及び再現性を高めるためには、センサを構成する受発光素子間の光漏れ、外光及び外乱光（以下「光ノイズ」と総称する）の影響を抑制することが重要な要件となる。

そのためには、センサを構成する受発光素子の構造によって受発光素子間の光漏れを阻止すること、及び発光素子から出射して反射物（被検出物）で反射されて受光素子に入射した光を電気信号に変換し、変換された電気信号を信号処理する過程において光ノイズの影響を除去することが必要となる。

そこで、図４のブロック図で示す基本回路構成によって電気信号に重畳された光ノイズ分を除去し、正規の反射光分に対応する電気信号のみを取出す方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図４における夫々の回路ブロックは、発光素子３０と受発素子３１で構成された受発光部３２、発光回路３３、受光回路３４、タイミング回路３５、積分回路３６、サンプルホールド回路３７、検出回路３８からなっており、発光素子３０から出射して反射物３９で反射された光が受光素子３１に入射して電気信号に変換され、変換された電気信号が信号処理されるまでの回路動作は以下のようになる。

タイミング回路３５は所定の周期で連続的に発生させたタイミング信号を出力し、発光回路３３と受光回路３４に送られる。発光回路３３ではタイミング信号に基づいて発光素子３０に印加電圧を供給し、発光素子３０を発光させる。

発光素子３０の発光光は反射物３９の表面に照射され、反射物３９の表面状態を反映した反射光量が受光回路３４のタイミング信号に基づいて受光素子３１に入射し、該入射光量に応じて流れる電流を受光回路３４内の電流−電圧変換回路で電圧に変換して出力する。

出力された電気信号は積分回路３６に送られ、積分回路３６で誤動作の原因の光ノイズとなる高周波成分を除去してサンプルホールド回路３７で信号電圧レベルを保持し、検出回路３８において信号電圧レベルが設定された電圧レベルを超えたかどうかを判別し、その結果に基づいて一定量以上の反射光量の有無を判定するものである。

なお、発光素子３０と受光素子３１との間には遮光板４０が設けられており、発光素子３０の発光光が直接受光素子３１に入射しないように光の進行を阻止するようにしている。
特開平６−１６０５２４号公報

ところで、図４のブロック図において、受光素子３１に入射した光を電気信号に変換して信号処理されるまでの回路動作を担う受光回路３４、積分回路３６、サンプルホールド回路３７及び検出回路３８の夫々の回路ブロックは、一般的には図５に示すような回路構成によって成り立っている。

そして、受光回路３４ブロック、積分回路３６ブロック、サンプルホールド回路ブロック３７と検出回路３８との合成回路ブロックの夫々の回路ブロックの回路構成では、夫々の回路機能に対応するオペアンプが活用されており、抵抗、コンデンサ等を含めると少なくとも数十個の受動素子によってセンサ回路全体が成り立っていることになる。また、センサ回路全体にバイアスを与える回路を含めると更に素子の使用数が増加し、この回路構成を維持しながら更に低消費電流の回路に変更すると益々素子数が増加することになる。

上述のように、受光素子で検出した反射光を電気信号に変換して信号処理されるまでの従来の回路構成は、主として直流分を検出する光チョッピング方式による構成や、その方式を改良した構成が多く用いられているが、これらはアナログ信号を処理する方式であるためにオペアンプや、積分回路、サンプルホールド回路等の多くの素子数を必要とする回路構成となっている。これは、センサを搭載する携帯機器等の小型化、低消費電力化及び低コスト化を阻害するものであり、現実的な信号処理方法とは言い難い。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、本発明の目的とするところは、光学式反射型センサの小型化、低消費電力化及び低コスト化を可能にする光学式反射型センサ用受光回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、所定の周期で連続的に発振されたタイミングパルスに基づいて発光する発光素子の発光光を物体に照射し、前記物体で反射された反射光を前記タイミングパルスに基づいて受光素子で検出し、前記受光素子で検出された反射光を電気信号に変換して該電気信号を信号処理することによって前記物体の有無を検知する光学式反射型センサの、前記受光素子で検出された反射光を電気信号に変換して該電気信号を信号処理することによって前記物体の有無を検知する機能を有する光学式反射型センサ用受光回路であって、充電された容量素子が前記受光素子を介して放電する際の前記受光素子で検出された光量に依存する前記放電の放電電圧の時間変化において、物体有無判定手段に入力された前記放電電圧を前記物体有無判定手段に設定された前記物体の有無の判定基準となる閾値電圧と比較することによって前記物体の有無が検知されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記タイミングパルスのうちの適当な間隔を置いた飛び飛びの前記タイミングパルスに基づいて前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出された光量に依存する前記放電電圧の時間変化に於ける最低電圧を、前記物体有無判定手段にフィードバックすることによって前記物体有無判定手段の閾値電圧として設定することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、少なくとも前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出するときに基の信号となる前記タイミングパルスのパルス幅と、次の前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出するときの基の信号となる前記タイミングパルスとの間に存在する全ての前記タイミングパルスのパルス幅とは同一であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記受光素子はフォトダイオード又はＰＩＮフォトダイオード、前記容量素子はコンデンサ、前記物体有無判定手段はヒステリシス特性を有するインバータからなることを特徴とするものである。

本発明の光学式反射型センサ用受光回路は、従来の光学式反射型センサにおいて、受光素子に入射した光を電気信号に変換して信号処理するまでの機能を担う受光回路と同様の機能が得られる回路を、部品点数の少ない簡単な回路構成によって実現した。

その結果、光学式反射型センサを従来に比べて大幅に小型化、低消費電力化及び低コスト化することが可能となった。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜３を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１及び図２は本発明の光学式反射型センサ用受光回路の実施形態を示しており、図１は回路図、図２は図１で示す回路のタイミングチャートである。

まず、図１の回路図について説明する。ＦＥＴ１のドレイン（Ｄ）を直流電源（図示せず）の＋側（Ｖｃｃ）に接続し、ソース（Ｓ）を受光素子（フォトダイオードあるいはＰＩＮフォトダイオード）２のカソードに接続し、受光素子２のアノードを直流電源の−側（ＧＮＤ）に接続する。

そして、ＦＥＴ１のソース（Ｓ）と受光素子２のカソードとの接続部は容量素子（コンデンサ）である容量素子３の一方の電極とヒステリシス特性を有するインバータ４の入力端子に接続され、容量素子３の他方の電極はＧＮＤに接続され、インバータ４の出力端子は外部に対する出力信号の供給端子となっている。

次に、上記回路の動作について図２のタイミングチャートを参照しながら説明する。まず、ＦＥＴ１のゲート（Ｇ）はタイミング回路（図示せず）のバイアス信号端子に接続されており、Ｌレベル（ＧＮＤレベル）の信号をＦＥＴ１のゲート（Ｇ）に送ることによってセンサを非動作状態（非検出状態）とし、Ｈレベル（Ｖｃｃレベル）の信号をＦＥＴ１のゲート（Ｇ）に送ることによってセンサを動作状態（検出状態）とする。

まず、外部のタイミング回路のバイアス信号端子Ｖ１からＦＥＴ１のゲート（Ｇ）にＬレベルの信号が送られると（図２のｔ_１の期間）、ＦＥＴ１はスイッチング素子として作動してＯＮ状態となり、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が導通状態となってＶｃｃから流れ込んだ電流がドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）を介して容量素子３を充電し、Ｖ２の電圧がＨレベルとなる。そして、Ｈレベルの信号が入力されたインバータ４の出力Ｖ３はＬレベルとなる。

このとき、Ｖ２の電圧レベルは受光素子２に入射した光の影響を受けることなくＨレベルを維持している。つまり、この状態はセンサが非動作状態（非検出状態）であることを示している。

次に、外部のタイミング回路のバイアス信号端子Ｖ１からＦＥＴ１のゲート（Ｇ）にＨレベルの信号が送られると（図２のｔ２の期間）、ＦＥＴ１がＯＦＦ状態となり、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間がオープン状態となってＶｃｃからの電流が流れ込まなくなる。すると、容量素子３に充電されていた電荷が受光素子２を介して放電されＶ２の電圧が徐々に降下する。このときの容量素子３の放電度合は、受光素子２に入射した外光と正規の反射光との総光量に応じた受光素子２の逆方向電流（導通抵抗）に従って変化する。

因みに、受光素子２に入射する光量が一定（直流分のみ）の場合、ｔ時間後のＶ２の電圧は次の式（１）で表される。

また、受光素子２に入射した光量の急激な変化分は、受光素子２に流れる電流の急激な変化として現われるが、容量素子３の容量と受光素子２の内部抵抗とによる時定数によってＶ２には電圧変化としては現われない。つまり、早い周期で不規則に変化する外乱光の影響を抑制することができることになり、外乱光による誤動作を低減することができる。

容量素子３の放電が更に進んで、Ｖ２の電圧がインバータ４に設定された閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも低くなると、インバータ４の論理出力Ｖ３がLレベルからＨレベルに反転し、受光素子２に設定量以上の光量が入射したことを検知することができる。

なお、図３のタイミングチャートに示すように、タイミング信号は所定の周期で連続的に発生しており、このタイミング信号に基づいて受光素子２に入射した光を電気信号に変換し、後段の回路によって信号処理を施している。

その場合、タイミング信号の所定の回数毎に発光素子（図示せず）を発光させないで外光のみの検出を行なうようにしている。そして、そのときの検出開始からｔ２時間後のＶ２の電圧をインバータ４の閾値電圧Ｖ_ｔｈに反映させ、次の外光の検出まではその閾値電圧Ｖ_ｔｈを保持する。当然次の外光の検出によって閾値電圧Ｖ_ｔｈは更新される。

そこで、インバータ４の閾値電圧Ｖ_ｔｈを上記外光のみの検出のときのＶ２電圧よりも低い電圧値にしておけば、容量素子３の放電が更に進んで、Ｖ２の電圧がインバータ４に設定された閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも低くなってインバータ４の論理出力Ｖ３がLレベルからＨレベルに反転したとすると、受光素子２に入射した光は外光と共に反射光も含まれることになり、反射物の存在を知ることができる。

一方、反射物検知中にＶ２の電圧レベルが閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも低くならないときは、インバータ４の論理出力Ｖ３はLレベルのままで反転せず、受光素子２に入射した光には反射光が含まれないことになり、反射物が存在しないことを知ることができる。

なお、タイミング信号のＨレベルの時間ｔ２は、周期に無関係に少なくとも閾値電圧を検出ときのｔ２時間を次の閾値電圧を検出するまでの間は保持しなければならない。つまり、閾値電圧Ｖ_ｔｈを検出したときのタイミング信号の時間ｔ２と、その閾値電圧Ｖ_ｔｈに基づいて反射物の有無を判定するときの検出のタイミング信号の時間ｔ２とは同一であることが必要である。

また、本実施形態の回路構成にはサンプルホールド回路は必要ないため入っていないが、付加することも可能である。

更に、回路素子であるＦＥＴは必ずしもＦＥＴに限られるものではなく、トランジスタなどのスイッチング素子であれば他の素子でもかまわない。

従来、光学式反射型センサによる反射物の有無の検出に際して、外光や外乱光の光ノイズによって誤動作が生じ、結果として検出精度の低下を招くのを防止するために、図４に示す回路ブロック及び図５に示す回路によって光学式反射型センサを構成していた。

それに対し、本発明の光学式反射型センサ用受光回路は、従来の光学式反射型センサにおいて、受光素子に入射した光を電気信号に変換して信号処理するまでの機能を担う受光回路と同様の機能が得られる回路を、部品点数の少ない簡単な回路構成によって実現した。

本発明に係わる光学式反射型センサ用受光回路の実施形態を示す回路図である。図１のタイミングチャートである。閾値電圧の設定に係わるタイミングチャートである。従来の光学式反射型センサを構成する回路ブロック図である。従来の光学式反射型センサを構成する回路図である。

符号の説明

１ＦＥＴ
２受光素子
３容量素子
４インバータ

Claims

所定の周期で連続的に発振されたタイミングパルスに基づいて発光する発光素子の発光光を物体に照射し、前記物体で反射された反射光を前記タイミングパルスに基づいて受光素子で検出し、前記受光素子で検出された反射光を電気信号に変換して該電気信号を信号処理することによって前記物体の有無を検知する光学式反射型センサの、前記受光素子で検出された反射光を電気信号に変換して該電気信号を信号処理することによって前記物体の有無を検知する機能を有する光学式反射型センサ用受光回路であって、充電された容量素子が前記受光素子を介して放電する際の前記受光素子で検出された光量に依存する前記放電の放電電圧の時間変化において、物体有無判定手段に入力された前記放電電圧を前記物体有無判定手段に設定された前記物体の有無の判定基準となる閾値電圧と比較することによって前記物体の有無が検知されることを特徴とする光学式反射型センサ用受光回路。
前記タイミングパルスのうちの適当な間隔を置いた飛び飛びの前記タイミングパルスに基づいて前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出された光量に依存する前記放電電圧の時間変化に於ける最低電圧を、前記物体有無判定手段にフィードバックすることによって前記物体有無判定手段の閾値電圧として設定することを特徴とする請求項１に記載の光学式反射型センサ用受光回路。
少なくとも前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出するときに基の信号となる前記タイミングパルスのパルス幅と、次の前記発光素子を発光させない状態で前記受光素子で検出するときの基の信号となる前記タイミングパルスとの間に存在する全ての前記タイミングパルスのパルス幅とは同一であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光学式反射型センサ用受光回路。
前記受光素子はフォトダイオード又はＰＩＮフォトダイオード、前記容量素子はコンデンサ、前記物体有無判定手段はヒステリシス特性を有するインバータからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式反射型センサ用受光回路。