JP2008123797A - 無接点スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の特性のばらつきや経時変化や環境変化に強健で、かつ製造が容易で、かつ小型化できる無接点スイッチを提供する。
【解決手段】光を発生するＬＥＤ３１と、ＬＥＤ３１からの光を受光する２つのＰＤ４１、４２とを設けるとともに、ＬＥＤ３１とＰＤ４１、４２の間にレンズ２１を設ける。ノブの操作に連動して、レンズ２１をＬＥＤ３１の光軸Ｊ１に対して垂直な方向に移動させて、変化するＰＤ４１、４２の受光量に基づいてレンズ２１の移動方向と移動量を検出する。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、光を利用した無接点スイッチに関するものである。

ノブの操作に連動して、可動接点を固定接点に対して摺動させて接離させることにより、電気回路を開閉して、ノブの位置を検出するスイッチがある。このような機械的接点を有するスイッチでは、接点が摩耗や酸化等により接触不良になることが懸念される。また、接点には機械的な寿命があって、該寿命は比較的短い。さらに、ノブと接点とが連動しているため、接点の摺動抵抗等に妨害されて、ノブ等の移動体の理想的なＦ−Ｓ（Force−Stroke；操作荷重−変位）特性が得られない。

一方、下記の特許文献１〜５には、光を利用した無接点スイッチが開示されている。特許文献１では、可動体の操作に連動して、レンズを発光素子と受光素子との間で光軸方向へ移動させて、受光素子の受光量を変化させ、該受光量が所定のレベルにおいてスイッチ出力を発生させて、可動体の位置を検出している。特許文献２では、肉厚が軸方向に変化するパイプ状のレンズ効果を有する光透過体を、直線移動体の操作に連動して、発光素子と受光素子との間で光軸に対して垂直な方向に移動させて、受光素子の受光量を変化させ、該受光量に応じた受光素子からの出力信号より直線移動体の位置を検出している。特許文献３では、透光窓と遮光窓とが設けられたシャッタを、キートップの操作に連動して、２つのフォトインタラプタの凹部内で光軸に対して垂直に５つの位置へ移動させて、各フォトインタラプタの光を透過しまたは遮断し、５種類のモードの信号を出力している。

特許文献４では、光ファイバから成る１本の出射光路の入射側を発光素子に対向させ、光ファイバから成る２本の入射光の各入射側を出射光路の出射側に対向させ、該入射光路の各出射側を２つの受光素子に対向させ、両受光素子の出力差を検出する作動増幅器および比較器を設けている。そして、作動部材の操作に連動して、出射光路または入射光路の一方の端部を入射光路の配列方向へ変位させて、両受光素子の出力差を変化させ、該出力差の極性または絶対値よりスイッチのオン・オフを判別している。特許文献５では、複数の平行な孔または逆三角形の孔が設けられた片状体を、ボタンの操作に連動して、発光素子と受光素子との間で光軸に対して垂直な方向へ移動させて、受光素子の受光量を変化させ、該受光量に応じた受光素子からの出力信号より、ボタンの操作を検出している。

特許第２７０１３５６号公報 特開平５−２８０９２５号公報 特開平７−６５６７４号公報 特公平４−３８０９２号公報 実用新案登録第３０７８３８９号公報（段落００２３、図６）

特許文献１、２、５のような構造では、発光素子の特性のばらつきや、温度等の環境変化や、経時変化等により、発光素子の発光量が変動した場合、これに伴って受光素子の受光量も変動するため、該受光量から移動体の位置を正確に検出できなくなる。特許文献３のような構造では、キートップとシャッタの各移動位置で、各フォトインタラプタの光を正確に透過しまたは遮断するように、キートップとシャッタとフォトインタラプタ等の寸法や組み立ての精度を厳しくしなければならず、スイッチの製造が困難である。特許文献４のような構造では、発光素子と受光素子の間に出射光路と入射光路となる光ファイバを設けているため、部品点数が多くて、スイッチの製造が困難であり、発光素子と受光素子の間隔が広くて、スイッチが大型化する。

本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化に強健（ロバスト）で、かつ製造が容易で、かつ小型化できる無接点スイッチを提供することにある。

本発明に係る無接点スイッチは、光を発生する発光素子と、発光素子からの光を受光する第１の受光素子および第２の受光素子と、発光素子と第１および第２の受光素子の間に設けられたレンズと、発光素子の光軸に対して垂直な方向にレンズを移動させる移動機構と、第１および第２の受光素子の受光量に基づいてレンズが移動した量または方向と量を検出する移動検出手段とを備えている。

このようにすると、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化により、発光素子の発光量が変動しても、これに伴う第１および第２の受光素子の受光量の変動量は同等になるので、第１および第２の受光素子の受光量の変化から、移動機構によるレンズの移動量または移動方向と移動量を正確に検出することができる。つまり、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化に対して、無接点スイッチを強健にすることが可能となる。このため、レンズの移動量または移動方向と移動量に応じてスイッチ出力を確実に発生することが可能となる。また、発光素子からの光を受光素子で常に受光すればよく、該光をレンズの位置に応じて受光素子に対して透過したり遮断したりする必要がないので、各部品の製造と組み付けの精度をあまり厳しくしなくてもよくなり、無接点スイッチの製造を容易にすることができる。また、発光素子からの光をレンズで各受光素子へ導くので、部品点数が少なく、無接点スイッチの製造を容易にすることができ、発光素子と各受光素子の間隔を狭くして、無接点スイッチを小型化することができる。また、一方の受光素子が故障しても、一方の受光素子の受光量が他方の受光素子の受光量に対して異常となるので、レンズの位置にかかわりなく、該故障を容易に検出することができる。さらに、機械的接点が無いので、接点の接触不良といった不具合が生じず、寿命が長くなり、移動機構とレンズの動作が妨害されず、設計した理想的なレンズ等のＦ−Ｓ特性を実現することができる。

また、本発明の一実施形態では、上記無接点スイッチにおいて、第１および第２の受光素子は、レンズの移動方向へ並べて設けられ、移動検出手段は、第１および第２の受光素子の受光量の差分に基づいてレンズが移動した方向と量を検出する。

このようにすると、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化により、発光素子の発光量が変動しても、第１および第２の受光素子の受光量の差分は変動しないので、第１および第２の受光素子の受光量の差分の変化から、レンズの移動方向と移動量を正確に検出することができる。また、一方の受光素子が故障しても、第１および第２の受光素子の受光量の差分が異常となるので、レンズの位置にかかわりなく、該故障を容易に検出することができる。

また、本発明の一実施形態では、上記無接点スイッチにおいて、第１および第２の受光素子に代えて、発光素子からの光を受光する位置検出素子を備え、移動検出手段は、位置検出素子の受光位置に基づいてレンズが移動した方向と量を検出する。

このようにすると、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化により、発光素子の発光量が変動しても、位置検出素子の受光位置は変動しないので、位置検出素子の受光位置の変化から、レンズの移動方向と移動量を正確に検出することができる。また、部品点数がより少なくなり、無接点スイッチの製造を容易にすることができる。

また、本発明の一実施形態では、上記無接点スイッチにおいて、移動検出手段は、レンズの移動量に基づいて移動速度を検出する。

このようにすると、レンズの移動速度に応じた信号を発生して出力することができる。そしてこれにより、無接点スイッチで操作する操作対象の動作制御用のデータが増加するので、例えば該移動速度に基づいて操作対象の動作速度を変える等の制御を行うことが可能となる。

また、本発明の一実施形態では、上記無接点スイッチにおいて、レンズに発光素子の光軸に対して垂直に穴を設け、該穴に水が入って受光素子の受光量が変化することに基づいて水を検出する水検出手段を備える。

このようにすると、発光素子からの光がレンズ、穴、レンズの順に透過して、受光素子で受光される。このため、無接点スイッチが水没等の水害に遭っても、水がレンズの穴に入って受光素子の受光量が変化することから水を検出して、該検出結果を上位装置へ出力し、水害の発生を通知することが可能となる。

さらに、本発明の一実施形態では、上記無接点スイッチにおいて、レンズの発光素子と受光素子に面しない外周部に穴と平行に溝を設ける。

上述したようにレンズに穴を設けると、発光素子からの光の一部が、穴を回り込むようにレンズを透過して、受光素子に入射するので、受光素子の受光量に基づいて穴に水が入ったことを正確に検出できなくなるおそれがある。然るに、上記のようにレンズの外周部に溝を設けると、発光素子からの光がレンズ、穴、レンズの順に透過して、受光素子で受光されるのを妨げることなく、該光の一部が穴を回り込むようにレンズを透過して、受光素子に入射するのを阻止することができる。このため、受光素子の受光量に基づいて穴に水が入ったことを正確に検出することが可能となる。

本発明によれば、無接点スイッチを、発光素子の特性のばらつきや環境変化や経時変化に対して強健にすることができ、かつ容易に製造することができ、かつ小型化することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る無接点スイッチ１００のブロック図である。無接点スイッチ１００は、車載用のパワーウインドウスイッチとして用いられる。発光素子３は、赤色光または赤外線光を発生する。受光素子４は、発光素子３からの光を受光する。レンズ２は、発光素子３と受光素子４の間に設けられている。移動機構１には、ユーザが操作する操作子が含まれている。移動機構１は、操作子の操作に連動して、発光素子３の光軸に対して垂直な方向にレンズ２を移動させる。移動検出部５と水検出部６と信号出力部７は、例えばマイクロコンピュータ等から成る。移動検出部５は、受光素子４の受光量に基づいてレンズ２が移動した方向と量と速度を検出する。水検出部６は、受光素子４の受光量に基づいて水を検出する。信号出力部７は、移動検出部５と水検出部６の検出結果に応じた信号をパワーウインドウ用の制御装置に出力する。

図２および図３は、無接点スイッチ１００の構造図である。無接点スイッチ１００のケース５０の上部には、角筒５１が設けられている。角筒５１の平行な２側面には、図２に示すように軸５２が設けられている。ノブ１１の両平行な２側面には、穴１２が設けられている。角筒５１にノブ１１を被せて、軸５２を穴１２に嵌め合わせることにより、ノブ１１は角筒５１に軸５２を中心に回転可能に取り付けられる。ノブ１１の内側には、レバー１３がノブ１１と一体で設けられている（詳細構造図示省略）。レバー１３は、図２に示すように角筒５１を貫通している。レバー１３の先端には、凹部１４が形成されている。凹部１４は、スライダ１５の上部に設けられた凸部１６と係合されている。

また、ノブ１１の内側には、図３に示すように円筒１７がノブ１１と一体で設けられている。円筒１７は、レバー１３の側方にレバー１３と平行に設けられている。円筒１７は、角筒５１に挿入されている。円筒１７の内側には、プランジャ１８とばね１９が装着されている。角筒５１の内側の円筒１７の下方には、案内台５３がケース５０と一体で設けられている。レバー１３は、案内台５３の側方を通って、図２に示すようにケース５０の内側に突出している。案内台５３には、図３に示すようにＶ字形の窪み５４が設けられている。プランジャ１８は、ばね１９によって窪み５４に押し付けられている。窪み５４の左右の傾斜面には、段差が設けられている。

ケース５０の内側には、図２に示すように基板６０が設けられている。基板６０には、マイクロコンピュータ等の電子部品と電気回路が実装されている。また、基板６０の上面には、光パッケージ３０が実装されている。光パッケージ３０の本体は、図４に示すように凹型に形成されている。光パッケージ３０の本体は、遮光性を有する合成樹脂から形成されている。光パッケージ３０の本体の凹部の一方の側面には、１つのＬＥＤ（Light Emitting Diode）３１が設けられ、他方の側面には、２つのＰＤ（Photodiode）４１、４２が設けられている。ＰＤ４１、４２は、左右方向へ並べられている。ＬＥＤ３１は、図１の発光素子３の一例である。ＰＤ４１、４２は、図１の受光素子４の一例である。光パッケージ３０の本体の底面からは、プレスフィット端子４０が複数突出している。各プレスフィット端子４０は、光パッケージ３０に含まれる電気部品３１、４１、４２等と基板６０上の電気回路とを電気的に接続する。

光パッケージ３０の本体の凹部には、スライダ１５が挿入されている。スライダ１５は、遮光性を有する合成樹脂から形成されている。スライダ１５には、レンズ２１が埋め込まれている。レンズ２１は、凸レンズから成り、図１のレンズ２の一例である。スライダ１５とレンズ２１の厚みは、ＬＥＤ３１とＰＤ４１、４２の間隔より小さくなっている。スライダ１５は、図示しない壁に支持されて、厚み方向と上下方向へ移動できないようになっている。光パッケージ３０の本体の下面からＬＥＤ３１、ＰＤ４１、４２、およびレンズ２１の各中心までの高さは等しくなっている。ＬＥＤ３１が発生した光は、レンズ２１を透過して、ＰＤ４１、４２で受光される。

図２および図３に示す中立状態から、軸５２を中心にノブ１１を時計回りまたは反時計回りに回転操作することで、レバー１３とプランジャ１８が左右へ揺動し、スライダ１５とレンズ２１がＬＥＤ３１の光軸に対して垂直に左右へ平行移動する。この際、プランジャ１８の揺動は、窪み５４の左右の傾斜面によって案内される。また、プランジャ１８が窪み５４の傾斜面の段差を乗り越えることで、プランジャ１８と案内台５３の接触力が急激に変化して、節度感（クリック感）が発生する。そして、ノブ１１の操作を解除すると、プランジャ１８がばね１９の弾性力によって、図３に示すように窪み５４の底に押し付けられ、図２および図３に示すようにノブ１１、レバー１３、スライダ１５、およびレンズ２１が中立位置に戻って静止する。ノブ１１やレンズ２１等の移動体の理想的なＦ−Ｓ特性が得られるように、ノブ１１、レバー１３、スライダ１５、および窪み５４等は設計されている。ノブ１１とレバー１３は、操作子である。ノブ１１、レバー１３、スライダ１５、角筒５１、および軸５２は、レンズ２１を移動させる移動機構１（図１）である。円筒１７、プランジャ１８、ばね１９、案内台５３、および窪み５４は、節度を発生させる節度機構である。

図５Ａ〜図５Ｃは、ＬＥＤ３１からの光のＰＤ４１、４２での受光状態を示す図である。図６は、レンズ２１の移動量に対するＰＤ４１、４２の出力の変化状態を示す図である。図５Ａ〜図５Ｃに示すようにＰＤ４１、４２は、中間Ｃ３がＬＥＤ３１の中心Ｃ１とＬＥＤ３１のレンズ２１入射前の光軸Ｊ１とに一致するように設けられている。図２等に示したようにノブ１１、スライダ１５、およびレンズ２１等が中立位置にあるときは、図５Ａに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１、ＬＥＤ３１のレンズ２１入射前の光軸Ｊ１、およびＰＤ４１、４２の中間Ｃ３と一致する。このため、ＬＥＤ３１のレンズ２１出射後の光軸Ｊ２がレンズ２１入射前の光軸Ｊ１およびＰＤ４１、４２の中間Ｃ３と一致し、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＤ４１、４２に均等に受光される。そして、図６の真ん中に示すようにＰＤ４１、４２から受光量に応じて出力される信号の電圧レベルを示す出力値が同等になる。つまり、ＰＤ４１、４２の受光量が同等になる。

また、図２等でノブ１１を反時計回りに回転操作して、スライド１５とレンズ２１を右へ移動させて行くと、図５Ｂに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１および光軸Ｊ１から右へずれて行く。このため、ＬＥＤ３１のレンズ２１出射後の光軸Ｊ２がレンズ２１入射前の光軸Ｊ１とＰＤ４１、４２の中間Ｃ３とに対して右へ傾いて行き、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＤ４１よりＰＤ４２に多く受光される。そして、図６の右側に示すように、ＰＤ４１の出力値が低下し、ＰＤ４２の出力値が上昇し、ＰＤ４１、４２の出力値の差分が大きくなって行く。つまり、ＰＤ４１の受光量が減少し、ＰＤ４２の受光量が増加し、ＰＤ４１、４２の受光量の差分が大きくなって行く。

また、図２等でノブ１１を時計回りに回転操作して、スライド１５とレンズ２１を左へ移動させて行くと、図５Ｃに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１および光軸Ｊ１から左へずれる。このため、ＬＥＤ３１のレンズ２１出射後の光軸Ｊ２がレンズ２１入射前の光軸Ｊ１とＰＤ４１、４２の中間Ｃ３とに対して左へ傾いて行き、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＤ４２よりＰＤ４１に多く受光される。そして、図６の左側に示すように、ＰＤ４２の出力値が低下し、ＰＤ４１の出力値が上昇し、ＰＤ４１、４２の出力値の差分が大きくなって行く。つまり、ＰＤ４２の受光量が減少し、ＰＤ４１の受光量が増加し、ＰＤ４１、４２の受光量の差分が大きくなって行く。図６では、ＰＤ４１、４２の出力は中立位置に対して左右対称になっている。図１の移動検出部５には、図６に示すようなレンズ２１の移動量に対するＰＤ４１、４２の出力の変化を示す情報を予め記憶しておく。

図７は、ＰＤ４１、４２の出力値の差分を得る回路を示す図である。本回路は、光パッケージ３０に設けられている。ＰＤ４１、４２の出力値は差動アンプに入力される。差動アンプは、所定の周期で、ＰＤ４２からの入力値Ｖｉｎ２よりＰＤ４１からの入力値Ｖｉｎ１を減じた値と、抵抗値Ｒ３を抵抗値Ｒ１で除した値とを乗じて、ＰＤ４１、４２の出力値の差分Ｖｏｕｔを算出し｛Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ２−Ｖｉｎ１）（Ｒ３／Ｒ１）｝、移動検出部５へ出力する。抵抗値Ｒ３を抵抗値Ｒ１で除した値は、抵抗値Ｒ４を抵抗値Ｒ２で除した値と等しくなっている（Ｒ３／Ｒ１＝Ｒ４／Ｒ２）。

移動検出部５は、所定の周期で、差動アンプからＰＤ４１、４２の出力値の差分が入力されると、図６に示すようなレンズ２１の移動量に対するＰＤ４１、４２の出力の変化を示す情報を参照し、ＰＤ４１、４２の出力値の差分の極性（＋または−）からレンズ２１の移動方向（右または左）を検出し、ＰＤ４１、４２の出力値の差分の大きさからレンズ２１の移動量を検出する。ＰＤ４１、４２の出力値の差分自体を、レンズ２１の移動量とみなしてもよい。これ以外に、例えばＰＤ４１、４２の出力値の大小関係と大きさとからレンズ２１の移動方向と移動量とを検出してもよい。また、移動検出部５は、レンズ２１の移動量を時間で微分して、レンズ２１の移動速度を検出する。レンズ２１の移動方向、移動量、および移動速度は、ノブ１１の操作方向、操作量、および操作速度とみなせる。

図１の信号出力部７は、移動検出部５で検出したレンズ２１の移動方向と移動量に応じて、ＯＮ若しくはＯＦＦの信号または線形のアナログ信号等のスイッチ出力を発生させて、制御装置に出力する。例えばＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する場合は、図６に示すように、レンズ２１の中立位置の右側に、マニュアルオープンオフ閾値ＭＯ−ｏｆｆ、マニュアルオープンオン閾値ＭＯ−ｏｎ、およびオートオープンオン閾値ＡＯ−ｏｎを設けて（０＜ＭＯ−ｏｆｆ＜ＭＯ−ｏｎ＜ＡＯ−ｏｎ）、移動検出部５または信号出力部７に予め記憶しておく。また、レンズ２１の中立位置の左側に、マニュアルクローズオフ閾値ＭＣ−ｏｆｆ、マニュアルクローズオン閾値ＭＣ−ｏｎ、およびオートクローズオン閾値ＡＣ−ｏｎを設けて（０＞ＭＣ−ｏｆｆ＞ＭＣ−ｏｎ＞ＡＣ−ｏｎ）、移動検出部５または信号出力部７に予め記憶しておく。そして、レンズ２１の左右への移動量が、マニュアルオープンオン閾値ＭＯ−ｏｎ、オートオープンオン閾値ＡＯ−ｏｎ、マニュアルクローズオン閾値ＭＣ−ｏｎ、またはオートクローズオン閾値ＡＣ−ｏｎのいずれかを越えたときに、該閾値に対応するマニュアルオープンオン信号、オートオープンオン信号、マニュアルクローズオン信号、またはオートクローズオン信号を制御装置に出力する。また、マニュアルオープンオン信号またはマニュアルクローズオン信号を出力した後、レンズ２１の左右への移動量がマニュアルオープンオフ閾値ＭＯ−ｏｆｆまたはマニュアルクローズオフ閾値ＭＣ−ｏｆｆを越えなくなったときに、該閾値に対応するマニュアルオープンオフ信号またはマニュアルクローズオフ信号を制御装置に出力する。

制御装置は、マニュアルオープン／クローズオン信号が入力されると、モータを駆動して、パワーウインドウを開閉し始め、マニュアルオープン／クローズオフ信号が入力されると、モータの駆動を停止して、パワーウインドウの開閉を停止する。また、制御装置は、オートオープン／クローズオン信号が入力されると、モータを駆動して、パワーウインドウを完全に開閉する。図６に示すようにマニュアルオープン／クローズオフ閾値ＭＯ／ＭＣ−ｏｆｆを、マニュアルオープン／クローズオン閾値ＭＯ／ＭＣ−ｏｎより中立位置側にある程度間隔をおいて設けているのは、ノブ１１やレンズ２１等のＦ―Ｓ特性に生じる履歴現象（ヒステリシス）に対処するためである。これにより、ノブ１１に加わる荷重の微小変化で、レンズ２１がマニュアルオープン／クローズオン閾値ＭＯ／ＭＣ−ｏｎの付近で微小移動しても、マニュアルオープン／クローズのオン信号とオフ信号が短時間に切り替わって繰り返し出力されるのを防止することができる。

また、信号出力部７は、移動検出部５で検出したレンズの２１の移動速度に応じた信号を発生させて、制御装置に出力する。制御装置は、レンズ２１の移動速度に応じた信号が入力されると、例えば該信号に基づいてパワーウンインドウの開閉速度を変えるように制御する。

以上によると、ＬＥＤ３１の特性のばらつきや環境変化や経時変化により、ＬＥＤ３１の発光量が変動しても、これに伴うＰＤ４１、４２の受光量の変動量は同等になり、ＰＤ４１、４２の受光量の差分は変動しない。このため、ＰＤ４１、４２の受光量や受光量の差分の変化から、移動体であるレンズ２１の移動方向、移動量、および移動速度を正確に検出することができる。また、ノブ１１等の操作方向、操作量、および操作速度も正確に検出することができる。つまり、ＬＥＤ３１の特性のばらつきや環境変化や経時変化に対して、無接点スイッチ１００を強健にすることが可能となる。

よって、検出したレンズ２１の移動方向と移動量に応じて、ＯＮ／ＯＦＦ信号または線形のアナログ信号等のスイッチ出力を確実に発生させて、制御装置に送ることが可能となる。特に、ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する場合は、レンズ２１の各方向の移動量の判断基準となる閾値を調整することで、ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力点をレンズ２１の位置に応じて正確に設定することができる。また、上記閾値の数を増減することで、ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力点数を容易に増減することができる。つまり、ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力点を設定しまたは変更する際に、設計自由度が高く、部品の追加や変更の必要がなく、かかるコストを低く抑えることが可能となる。

また、検出したレンズ２１の移動速度に応じた信号を発生して制御装置に送ることができる。そしてこれにより、無接点スイッチ１００で操作するパワーウインドウの開閉制御用のデータが増加するので、例えば制御装置でレンズ２１の移動速度に基づいてパワーウインドウの開閉速度を変化させる等の制御を行うことが可能となる。

また、ＬＥＤ３１からの光をＰＤ４１、４２で常に受光すればよく、該光をノブ１１の操作やレンズ２１の位置に応じてＰＤ４１、４２に対して透過したり遮断したりする必要がないので、各部品の製造と組み付けの精度をあまり厳しくしなくてもよくなり、無接点スイッチ１００の製造を容易にすることができる。また、中立状態でレンズ２１の中心をＬＥＤ３１の中心、光軸、およびＰＤ４１、４２の中間に厳密に合わせなくても、例えば中立状態でのＰＤ４１、４２の受光量（出力値）を初期値とすることで、または中立状態でのＰＤ４１、４２の受光量（出力値）を均等になるようにオフセットすることで、レンズ２１の移動方向、移動量、および移動速度を正確に検出することができる。

また、ＬＥＤ３１からの光をレンズ２１でＰＤ４１、４２へ導くので、部品点数が少なく、無接点スイッチ１００の製造を容易にすることができ、ＬＥＤ３１とＰＤ４１、４２の間隔を狭くして、無接点スイッチ１００を小型化することができる。また、ＬＥＤ３１、ＰＤ４１、４２、および差動アンプ等を含んだ回路を光パッケージ３０に設けて基板６０に実装しているので、構造が簡単で、ＬＥＤ３１とＰＤ４１、４２の位置合わせや、他の部品との組み付けや、ノイズと電磁波障害等の対策を容易に行うことが可能になる。

また、ＰＤ４１、４２の一方が故障した場合、該一方のＰＤの受光量が故障していない他方のＰＤの受光量に対して異常となり、両方の受光量の差分も異常となる。このため、レンズ２１の位置にかかわりなく、一方のＰＤの受光量の異常または両方のＰＤの受光量の差分の異常により、一方のＰＤの故障を容易に検出することができる。

さらに、機械的接点が無いので、接点の接触不良といった不具合が生じず、寿命が長くなり、ノブ１１等の移動機構、プランジャ１８等の節度機構、およびレンズ２１の動作が妨害されず、設計した理想的なレンズ２１等のＦ−Ｓ特性を実現することができる。

以上では、レンズ２として凸レンズ２１を用いているが、これに代えて、図８Ａおよび図８Ｂに示すような穴２３と溝２４が形成されたレンズ２２を用いてもよい。レンズ２２は、透明な楕円筒から成る。レンズ２２は、凸レンズ２１に代えて、スライダ１５に埋め込まれる。レンズ２２の穴２３は、ＬＥＤ３１の光軸Ｊ１に対して垂直に設けられている。レンズ２２の溝２４は、レンズ２２のＬＥＤ３１とＰＤ４１、４２に面しない外周部に穴２３と平行に設けられている。レンズ２２が中立位置にあるときは、レンズ２２の中心Ｃ４がＬＥＤ３１の中心Ｃ１、光軸Ｊ１、Ｊ２、およびＰＤ４１、４２の中間Ｃ３に一致する。レンズ２２は、ノブ１１の操作に連動して左右へ平行移動する。ＬＥＤ３１からの光は、矢印で示すようにレンズ２２、穴２３、レンズ２２の順に透過して、ＰＤ４１、４２で受光される。レンズ２２の左右への平行移動に伴って、ＰＤ４１、４２の受光量が変化するため、該受光量の差分からレンズ２２の移動方向、移動量、および移動速度が検出される。

図８Ａに示すように、穴２３が空気で満たされているときは、レンズ２２は凹レンズとして機能する。このため、ＬＥＤ３１からの光は、矢印で示すように穴２３とレンズ２２の境界面で屈折して発散する。一方、水没等が原因で、図８Ｂに示すように、穴２３に水Ｗが入って満たされたときは、レンズ２２は凸レンズとして機能する。このため、ＬＥＤ３１からの光は、矢印で示すようにレンズ２２と水Ｗの境界面で屈折して収束する。よって、穴２３に水Ｗが入っているときのＰＤ４１、４２の受光量は、穴２３に水Ｗが入っていないときのＰＤ４１、４２の受光量に比べて多くなる。穴２３に水Ｗが入っている場合と入っていない場合のＰＤ４１、４２の出力値は、図２の水検出部６に予め記憶しておく。これにより、水検出部６は、穴２３に水Ｗが入ってＰＤ４１、４２の受光量が変化することに基づいて水Ｗを検出する。信号出力部７は、水検出部６で水Ｗを検出したことを示す信号を発生させて、制御装置に出力する。制御装置は、水Ｗの検出を示す信号が入力されると、水没等の水害が発生したと判断し、例えばモータを駆動して、パワーウンインドウを完全に開く。

図９に示すようにレンズ２２から溝２４を省いた場合、ＬＥＤ３１からの光の一部が、二点鎖線の矢印で示すようにレンズ２２を透過して境界面で反射しながら穴２３を回り込んで、ＰＤ４１、４２に入射してしまう。このため、ＰＤ４１、４２の受光量に基づいて穴２３に水が入ったことを正確に検出できなくなるおそれがある。然るに、図８Ａに示すようにレンズ２２に溝２４を設けると、ＬＥＤ３１からの光の一部が、二点鎖線の矢印で示すようにレンズ２２を透過して穴２３を回り込んで行く途中で、レンズ２２と溝２４の境界面で反射して、ＰＤ４１、４２に入射しなくなる。このため、ＰＤ４１、４２の受光量に基づいて穴２３に水が入ったことを正確に検出できるようになる。また、ＬＥＤ３１からの光がレンズ２２、穴２３、レンズ２２の順に透過して、ＰＤ４１、４２で受光されるのを、溝２４により妨げることもない。

また、図１０に示すようにレンズ２２の溝２４に遮光体２５を挿入することで、ＬＥＤ３１からの光の一部が溝２４を透過するのを遮光体２５で阻止して、ＰＤ４１、４２に完全に入射しなくなる。レンズ２２に設ける溝２４と遮光体２５の形状は、図８Ａや図１０に示すような四角形に限らず、例えば図１１Ａに示すような三角形、図１１Ｂに示すような段差形、または図１１Ｃに示すような長丸形等にしてもよい。つまり、溝２４と遮光体２５の形状は、遮光効果を発揮できるものであればよい。

上記によると、無接点スイッチ１００が水没等の水害に遭っても、水Ｗがレンズ２２の穴２３に入ってＰＤ４１、４２の受光量が変化することから水Ｗを検出することができる。そして、該検出結果を制御装置へ出力し、水害の発生を通知することが可能となる。また、ＬＥＤ３１からの光の一部が穴２３を回り込むようにレンズ２２を透過してＰＤ４１、４２に入射するのを、溝２４や遮光体２５で阻止することができ、ＰＤ４１、４２の受光量に基づいて穴２３に水Ｗが入ったことを正確に検出することが可能となる。

以上では、受光素子４としてＰＤ４１、４２を用いているが、これに代えて、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すようなＰＳＤ（Position Sensitive Detector；位置検出素子）４３を用いてもよい。図１２Ａ〜図１２Ｃは、ＬＥＤ３１からの光のＰＳＤ４３での受光状態を示す図である。図１３Ａ〜図１３Ｃは、ＰＳＤ４３の出力を左右方向の位置によりヒストグラム化した図である。図１２Ａ〜図１２Ｃに示すようにＰＳＤ４３は、中心Ｃ５がＬＥＤ３１の中心Ｃ１と一致するように、光パッケージ３０に設けられている。レンズ２１に代えて、図８Ａ等に示したレンズ２２を用いてもよい。

レンズ２１等が中立位置にあるときは、図１２Ａに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１、ＰＳＤ４３の中心Ｃ５、およびＬＥＤ３１のレンズ２１入射前後の光軸Ｊ１、Ｊ２と一致する。このため、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＳＤ４３に左右均等に受光され、図１３Ａに示すようにＰＳＤ４３の出力のヒストグラムの中心Ｃ６がＰＳＤ４３の中心Ｃ５と一致する。つまり、ＰＳＤ４３の受光位置の重心がＰＳＤ４３の中心Ｃ５と一致する。

また、ノブ１１の回転操作により、スライド１５とレンズ２１を右へ移動させて行くと、図１２Ｂに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１および光軸Ｊ１から右へずれて、ＬＥＤ３１のレンズ２１出射後の光軸Ｊ２がレンズ２１入射前の光軸Ｊ１とＰＳＤ４３の中心Ｃ５とに対して右へ傾いて行く。このため、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＳＤ４３に偏って受光され、図１３Ｂに示すようにＰＳＤ４３の出力のヒストグラムの中心Ｃ６がＰＳＤ４３の中心Ｃ５から右へずれて行く。つまり、ＰＳＤ４３の受光位置の重心がＰＳＤ４３の中心Ｃ５から右へずれて行く。

また、ノブ１１の回転操作により、スライド１５とレンズ２１を左へ移動させて行くと、図１２Ｃに示すようにレンズ２１の中心Ｃ２が、ＬＥＤ３１の中心Ｃ１および光軸Ｊ１から左へずれて、ＬＥＤ３１のレンズ２１出射後の光軸Ｊ２がレンズ２１入射前の光軸Ｊ１とＰＳＤ４３の中心Ｃ５とに対して左へ傾いて行く。このため、ＬＥＤ３１からの光が、矢印で示すようにレンズ２１を透過して、ＰＳＤ４３に偏って受光され、図１３Ｃに示すようにＰＳＤ４３の出力のヒストグラムの中心Ｃ６がＰＳＤ４３の中心Ｃ５から左へずれて行く。つまり、ＰＳＤ４３の受光位置の重心がＰＳＤ４３の中心Ｃ５から左へずれて行く。

ＰＳＤ４３の受光位置の重心Ｃ６とＰＳＤ４３の中心Ｃ５とのずれ方向とずれ量は、レンズ２１の移動方向と移動量に相当する。図１の移動検出部５は、所定の周期で、ＰＳＤ４３の受光位置に基づいてレンズ２１の移動方向と移動量を検出する。また、移動検出部５は、レンズ２１の移動量を時間で微分して、レンズ２１の移動速度を検出する。図１の信号出力部７は、移動検出部５で検出したレンズ２１の移動方向、移動量、および移動速度に応じた信号を発生させて、制御装置に出力する。

上記によると、ＬＥＤ３１の特性のばらつきや経時変化により、ＬＥＤ３１の発光量が変動しても、ＰＳＤ４３の受光位置は変動しないので、ＰＳＤ４３の受光位置の変化から、レンズ２１の移動方向と移動量を正確に検出することができる。また、受光素子４として１つのＰＳＤ４３を用いているので、部品点数がより少なくなり、無接点スイッチ１００の製造を容易にすることができる。さらに、ＰＤ４１、４２を用いた場合と同様に、ＬＥＤ３１の特性のばらつきや環境変化や経時変化に対して無接点スイッチ１００を強健にしつつ、無接点スイッチ１００を小型化することが可能となる。

以上では、本発明をノブ１１等の操作子を揺動操作するタンブラスイッチに適用して、無接点スイッチ１００としているが、これ以外に本発明を、例えば図１４に示すようなスライドスイッチに適用して、無接点スイッチ１００ａとしてもよい。図１４の無接点スイッチ１００ａでは、ノブ１１ａがケース５０ａに左右へ平行移動可能に取り付けられている。ノブ１１ａの下部には、プレート１３ａが一体で設けられている。プレート１３ａは、ケース５０ａの内部に突出していて、光パッケージ３０の凹部に挿入されている。プレート１３ａには、レンズ２１が光パッケージ３０に設けられたＬＥＤ３１およびＰＤ４１、４２と対向するように埋め込まれている。図１４に示す中立状態からノブ１１ａを左右へ移動操作することで、プレート１３ａとレンズ２１が左右へ平行移動して、ＬＥＤ３１からの光のＰＤ４１、４２での受光状態が変化し、ＰＤ４１、４２の受光量に基づいてレンズ２１の移動方向、移動量、および移動速度が検出される。ＰＤ４１、４２に代えて、ＰＳＤ４３を用いてもよい。

また、本発明を、例えば図１５に示すようなプッシュスイッチに適用して、無接点スイッチ１００ｂとしてもよい。図１５の無接点スイッチ１００ｂでは、ノブ１１ｂがケース５０ｂに下方へ押し込み可能に取り付けられている。ノブ１１ｂの下部には、プレート１３ｂが一体で設けられている。ケース５０ｂの内部には、光パッケージ３０ｂと基板６０が設けられている。光パッケージ３０ｂは、基板６０に実装されている。光パッケージ３０ｂの本体は、図４に示した光パッケージ３０と同様に凹型に形成されている。光パッケージ３０ｂの本体の凹部の一方の側面には、ＬＥＤ３１が設けられ、他方の側面には、ＰＤ４１、４２が上下に並べて設けられている。プレート１３ｂは、ケース５０ｂの内部に突出していて、光パッケージ３０ｂの凹部に挿入されている。プレート１３ｂには、レンズ２１がＬＥＤ３１およびＰＤ４１、４２と対向するように埋め込まれている。図１５に示す初期状態からノブ１１ｂを下方へ押し込み操作することで、プレート１３ｂとレンズ２１が下方へ移動して、ＬＥＤ３１からの光のＰＤ４１、４２での受光状態が変化し、ＰＤ４１、４２の受光量に基づいてレンズ２１の下方への移動量および移動速度が検出される。ノブ１１ｂは、ばね１９ｂの弾性力によって図１５の初期位置へ戻される。ＰＤ４１、４２に代えて、ＰＳＤ４３を用いてもよい。

以上では、ＬＥＤ３とＰＤ４１、４２またはＰＳＤ４３を光パッケージ３０、３０ｂに設けて、光パッケージ３０、３０ｂを基板６０に実装しているが、これに代えて、例えば図１６に示すようにＬＥＤ等の発光素子３とＰＳＤ等の受光素子４を基板６０に実装するようにしてもよい。また、受光素子４として、２つのＰＤを用いてもよい。発光素子３と受光素子４は、それぞれカバー９ａ、９ｂで覆われている。カバー９ａ、９ｂは所定の間隔をおいて基板６０等に固定されている。カバー９ａ、９ｂの間には、レンズ２が図面に対して垂直に移動可能に設けられている。カバー９ａ、９ｂの対向する面の上部には、レンズ２と対向するように開口が設けられている。カバー９ａ、９ｂの内側の上部には、ミラー８ａ、８ｂが設けられている。発光素子３からの光は、ミラー８ａで反射して、レンズ２を透過し、ミラー８ｂで反射して、受光素子４で受光される。受光素子４の受光位置または受光量の変化に基づいて、レンズ２の移動方向、移動量、および移動速度が検出される。

以上では、移動検出部５がＰＤ４１、４２の受光量またはＰＳＤ４３の受光位置に基づいてレンズ２１、２２の移動方向、移動量、および移動速度を全て検出しているが、これに限らず、該レンズ２１、２２の移動方向、移動量、および移動速度のうち少なくとも１つを検出するようにしてもよい。

以上では、本発明をパワーウインドウスイッチに適用した例を挙げたが、本発明はこれに限らず、操作対象に何らかの動作を行わせるために操作するスイッチ全般に適用することが可能である。

無接点スイッチのブロック図である。 無接点スイッチの構造図である。 無接点スイッチの構造図である。 光パッケージを示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＤでの受光状態を示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＤでの受光状態を示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＤでの受光状態を示す図である。 レンズの移動量に対するＰＤの出力の変化状態を示す図である。 ＰＤの出力値の差分を得る回路を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 他のレンズを用いた場合の光の透過状態を示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＳＤでの受光状態を示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＳＤでの受光状態を示す図である。 ＬＥＤからの光のＰＳＤでの受光状態を示す図である。 ＰＳＤの出力を位置によりヒストグラム化した図である。 ＰＳＤの出力を位置によりヒストグラム化した図である。 ＰＳＤの出力を位置によりヒストグラム化した図である。 他の無接点スイッチの構造図である。 他の無接点スイッチの構造図である。 他の光パッケージを示す図である。

符号の説明

１ 移動機構
２ レンズ
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 移動検出部
６ 水検出部
７ 信号出力部
１１、１１ａ、１１ｂ ノブ
１３ レバー
１３ａ、１３ｂ プレート
１５ スライダ
２１ レンズ
２２ レンズ
２３ 穴
２４ 溝
３１ ＬＥＤ
４１、４２ ＰＤ
４３ ＰＳＤ
５１ 角筒
５２ 軸
Ｊ１ ＬＥＤの光軸
１００、１００ａ、１００ｂ 無接点スイッチ

Claims (7)

1. 光を発生する発光素子と、
   前記発光素子からの光を受光する第１の受光素子および第２の受光素子と、
   前記発光素子と前記第１および前記第２の受光素子との間に設けられたレンズと、
   前記発光素子の光軸に対して垂直な方向に前記レンズを移動させる移動機構と、
   前記第１および前記第２の受光素子の受光量に基づいて前記レンズが移動した量を検出する移動検出手段と、を備えたことを特徴とする無接点スイッチ。
2. 光を発生する発光素子と、
   前記発光素子からの光を受光する第１の受光素子および第２の受光素子と、
   前記発光素子と前記第１および前記第２の受光素子との間に設けられたレンズと、
   前記発光素子の光軸に対して垂直な方向に前記レンズを移動させる移動機構と、
   前記第１および前記第２の受光素子の受光量に基づいて前記レンズが移動した方向と量を検出する移動検出手段と、を備えたことを特徴とする無接点スイッチ。
3. 請求項２に記載の無接点スイッチにおいて、
   前記第１および前記第２の受光素子は、前記レンズの移動方向へ並べて設けられ、
   前記移動検出手段は、前記第１および前記第２の受光素子の受光量の差分に基づいて前記レンズが移動した方向と量を検出することを特徴とする無接点スイッチ。
4. 請求項２に記載の無接点スイッチにおいて、
   前記第１および前記第２の受光素子に代えて、前記発光素子からの光を受光する位置検出素子を備え、
   前記移動検出手段は、前記位置検出素子の受光位置に基づいて前記レンズが移動した方向と量を検出することを特徴とする無接点スイッチ。
5. 請求項２に記載の無接点スイッチにおいて、
   前記移動検出手段は、前記レンズの移動量に基づいて移動速度を検出することを特徴とする無接点スイッチ。
6. 請求項２に記載の無接点スイッチにおいて、
   前記レンズに前記発光素子の光軸に対して垂直に穴を設け、
   前記穴に水が入って前記受光素子の受光量が変化することに基づいて水を検出する水検出手段を備えたことを特徴とする無接点スイッチ。
7. 請求項６に記載の無接点スイッチにおいて、
   前記レンズの前記発光素子と前記受光素子に面しない外周部に前記穴と平行に溝を設けたことを特徴とする無接点スイッチ。

Images