JP2013083602A

JP2013083602A - 光電センサ

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Publication number: JP2013083602A
Application number: JP2011224900A
Authority: JP
Inventors: Taichiro Kato; 太一郎加藤; Tetsuya Kajita; 徹矢梶田; Hiroshi Hatanaka; 浩畑中; Tomohiro Takamiya; 知広高宮; Nagayuki Sato; 永幸佐藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: EP2581760A1; CN103048005A; EP2581759A1; JP5921130B2; CN103048005B; CN103048004B; EP2581760B1; CN103048004A; EP2581759B1

Abstract

【課題】投光部側と同期することなく受光部の受光信号を復調する際に、消費電力を低減すると共に信号検出レベルを向上させる。
【解決手段】受光部２０は基準電圧を発生する基準電圧発生回路２７を有する。ＢＰＦ回路２４はこの基準電圧を、抽出する信号の中心値に設定し、受光信号からキャリア周波数付近の信号を抽出することによりノイズ成分を除去する。絶対値回路２５はＢＰＦ回路２４の出力信号をその基準電圧で全波整流し、投光部１０からの信号成分を検波する。ＬＰＦ回路２６は絶対値回路２５の出力信号から高周波成分を除去する。
【選択図】図１

Description

この発明は、受光量の変化に基づいて検出対象物を検出する光電センサに関するものである。

光電センサにおいて、外乱光（例えば、高周波点灯されるインバータ方式の蛍光灯）に起因したノイズ成分を抑制するために、投光部側で投光素子を駆動するパルス信号を外乱光の周波数よりも十分高い周波数で変調する方法が用いられていた。そして、受光部側では、投光部からの照射光を受光し、受光した信号をバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）処理してノイズ成分を抑制していた。ＢＰＦの出力信号は、整流回路およびローパスフィルタ（以下、ＬＰＦ）を用いて復調されることになるが、従来はこの整流回路において投光部側のクロック信号に同期する必要があった。しかしながら、透過型光電センサは投光部と受光部が別体で構成されており、投光部のクロック信号を受光部へ供給できなかった。

そこで、投光部と受光部を有線接続して、投光部からクロック信号を供給する方法があるが（例えば、特許文献１参照）、光電センサを設置する上で配線工数作業を伴うため好ましくない。他方、一般的な無線通信では送信データからクロック信号を再生する方法があるが、透過型光電センサにおいては検出対象物によって通信路が遮断される場合があるため、クロック信号を再生することは非常に困難である。

一方、受光部がクロック信号による投光部との同期を行わず、ＢＰＦの出力を直接、比較器を用いて評価する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では受光部において、比較器によりＢＰＦの出力信号レベルを予め決められた制限レベルに制限したパルス信号にし、パルス幅比較器がこのパルス信号のうち、予め決められた制限幅より小さい幅を持つパルスを抑圧する。これにより、投光部から到来し得ない、非常に幅の狭い干渉パルスが除去される。対照的に、非常に幅の広いパルスは、有効なパルスと干渉パルスの重畳が生じているかもしれないため、制限幅に狭められる。そして、評価ユニットにおいて、各パルスの幅を広げて積分し、閾値と比較することにより信号成分を検出する。

特開２００７−４０７２０号公報特許第４２４３８２４号公報

上記特許文献１の場合、受光部の整流回路において投光部側のクロック信号に同期する必要があるという課題があった。

これに対し、上記特許文献２の場合は同期不要であるが、高周波変調された信号を復調せずにパルス幅の計数を行うので、比較器、パルス幅比較器および評価ユニットを高速に動作させる必要があり、消費電流が大きくなるという課題があった。また、評価ユニットにおいて復調せずにパルス幅を引き延ばすことで、ノイズ等による誤検出の可能性も生じる。
また、比較器において半波成分のみを検出すると、全波整流を行った場合と比べて信号検出レベルが低下する可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、投光部側と同期することなく受光部の受光信号を復調する際に、消費電力を低減すると共に信号検出レベルを向上させることを目的とする。

この発明の請求項１に係る光電センサは、受光部が、受光した光を電圧に変換した受光信号について、キャリア周波数を中心周波数にした信号を抽出するバンドパスフィルタ回路と、バンドパスフィルタ回路が抽出した信号の振幅が略中心となる値を基準値に用いて、当該基準値以下の信号を反転させて全波整流する整流回路と、整流回路が全波整流した信号について、所定カットオフ周波数以下の信号を抽出する第１のローパスフィルタ回路とを有するものである。

この発明の請求項２に係る光電センサは、受光部が、受光した光を電圧に変換した受光信号について、キャリア周波数を中心周波数にした信号を抽出するバンドパスフィルタ回路と、バンドパスフィルタ回路が抽出した信号の振幅が略中心となる値を基準値に用いて、当該基準値以上の信号に半波整流する整流回路と、整流回路が半波整流した信号について、所定カットオフ周波数以下の信号を抽出する第１のローパスフィルタ回路とを有するものである。

この発明の請求項３に係る光電センサは、受光部が、基準電圧を発生する基準電圧発生回路を有し、バンドパスフィルタ回路が抽出する信号の中心値は、基準電圧発生回路で発生した基準電圧によって決定し、整流回路は、基準電圧発生回路で発生した基準電圧を基準値に用いて整流するようにしたものである。

この発明の請求項４に係る光電センサは、受光部が、バンドパスフィルタ回路が抽出した信号を平均化して平均電圧を求める第２のローパスフィルタ回路を有し、整流回路は、第２のローパスフィルタ回路が求めた平均電圧を基準値に用いて整流するようにしたものである。

この発明の請求項１，２によれば、バンドパスフィルタ回路の出力の中心付近の値を基準値に用いて整流回路で整流するようにしたので、変調された受光信号を、投光部側と同期することなく復調することができる。また、復調する際にパルス幅を計数する等の高速動作が不要になるため、消費電力を低減できる。さらに、全波整流することにより、従来のように半波整流する場合に比べて信号検出レベルを向上させることができる。

この発明の請求項３によれば、バンドパスフィルタ回路と整流回路が、基準電圧発生回路で発生する基準電圧を用いるようにしたので、整流回路においてバンドパスフィルタ回路の出力の中心値を基準値に用いた整流を実施でき、投光部側と同期させる必要がない。

この発明の請求項４によれば、第２のローパスフィルタ回路がバンドパスフィルタ回路の出力の平均値を求めるようにしたので、整流回路においてバンドパスフィルタ回路の出力の平均値を基準値に用いた整流を実施でき、投光部側と同期させる必要がない。

この発明の実施の形態１に係る光電センサの構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る光電センサの投光部の発するパルス光の一例を示す図である。実施の形態１に係る光電センサの各処理段階の信号波形を示すグラフである。実施の形態１に係る光電センサの各処理段階の信号波形を示すグラフであり、ノイズが重畳した場合である。この発明の実施の形態２に係る光電センサの構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１に示す光電センサは、検出領域を間に挟んで向き合う状態に設置される投光部１０と受光部２０とを備えた透過型光電センサであり、受光部２０は投光部１０からの光の変化に基づいて検出領域に検出対象物体があるか否かを判定するものである。

投光部１０は、発光ダイオードなどの投光素子を有し、投光素子は一定の周期でパルス光を発する。近年、光電センサを利用する環境下ではインバータ式の蛍光灯を利用する場面が増えている。インバータ式の蛍光灯の変調周波数は〜１００ｋＨｚ程度であり、一般的に、投光信号の周波数と近い周波数で発光している。そこで、蛍光灯などの外乱光を除去するために、外乱光の周波数に比べて十分に高いキャリア周波数でパルス光を変調する。
図２は、高周波変調したパルス光の一例である。投光周期Ａ（例えば１００μｓ）の投光信号を、例えば１００ｋＨｚの外乱光に対して十分に高いキャリア周波数１ＭＨｚ（キャリア周期Ｂは１μｓ）で変調し、パルス列Ｃにする。なお、図示例では１回の投光を４つのパルスからなるパルス列Ｃに高周波変調しているが、この矩形波形に限定されるものではない。

受光部２０は、フォトダイオードなどの受光素子２１と、ＩＶ変換回路２２と、増幅回路２３と、ＢＰＦ回路２４と、絶対値回路（整流回路）２５と、ＬＰＦ回路（第１のローパスフィルタ回路）２６と、基準電圧発生回路２７と、閾値設定回路２８と、比較器２９とを有する。

次に、図３に示すグラフを参照しながら、受光部２０の動作を説明する。
受光素子２１は、投光部１０から投光された光を受光して電流信号Ｓ１に変換する。この電流信号Ｓ１は、図３（ａ）に示すような矩形波であり、外乱光または検出対象物体が無ければ、図２に示す投光部１０からのパルス信号と略同じ波形になるはずである。
ＩＶ変換回路２２は、受光素子２１が出力した電流信号Ｓ１を電流−電圧変換し、図３（ｂ）に示すような電圧信号Ｓ２を出力する。増幅回路２３は、ＩＶ変換回路２２が出力した電圧信号Ｓ２の電圧増幅を行い、図３（ｃ）に示すような受光信号Ｓ３を出力する。

ＢＰＦ回路２４は、増幅回路２３が増幅した受光信号Ｓ３を、キャリア周波数を通過域の中心周波数にしてフィルタ処理し、図３（ｄ）に示すような電圧信号Ｓ４を出力する。この中心周波数は、基準電圧発生回路２７から出力される基準電圧Ｓ７によって決定される。よって、ＢＰＦ回路２４によりキャリア周波数付近の周波数成分を抽出することになるので、キャリア周波数と異なる周波数をもつ外乱光に起因するノイズ成分を除去できる。

絶対値回路２５は、ＢＰＦ回路２４がフィルタ処理した電圧信号Ｓ４を、基準電圧発生回路２７から出力される基準電圧Ｓ７と比較して正負を判定し、負の振幅を正側に折り返して全波整流し、図３（ｅ）に示すような整流信号Ｓ５を出力する。このように、絶対値回路２５は、投光部１０側のクロック信号を同期信号として用いずに、投光部１０からの信号成分を検波できる。また、ＢＰＦ回路２４と絶対値回路２５で同一の基準電圧Ｓ７を用いるため、ＢＰＦ回路２４が出力する電圧信号Ｓ４の振幅の中心値を基準にして正負の判定を行い全波整流するようになるので、半波整流する場合とは違い基準値に満たない振幅のパルスも検出でき、信号検出レベルが低下することがない。

ＬＰＦ回路２６は、絶対値回路２５が全波整流した整流信号Ｓ５を、所定のカットオフ周波数でフィルタ処理して高周波成分を除去し、図３（ｆ）に示すような復調信号Ｓ６を出力する。なお、カットオフ周波数は、予めＬＰＦ回路２６に設定しておけばよく、例えば投光部１０の投光周期Ａに相当する周波数などとすればよい。

閾値設定回路２８は、基準電圧発生回路２７が出力する基準電圧Ｓ７を予め設定された増幅率で増幅して閾値を生成し、比較器２９へ出力する。なお、閾値設定回路２８に与える増幅率をユーザが任意に変更できる構成にして、閾値を調整可能にしてもよい。
比較器２９は、絶対値回路２５およびＬＰＦ回路２６にて復調した復調信号Ｓ６を、閾値設定回路２８から出力される閾値と比較し、閾値以上の場合、投光部１０からの信号成分と判定する。

なお、比較器２９の後段に検出部（不図示）を設け、この検出部が、比較器２９により判定された投光部１０からの信号成分を用いて、検出領域に検出対象物があるか否かを判定することになる。検出部の処理方法は公知の方法を用いればよいため、詳細な説明は省略する。

ここで、投光部１０からの信号成分に、外乱光に起因したノイズが重畳した場合を説明する。
図４（ｇ）は外乱光（ノイズＮ）の波形であり、この外乱光が重畳した投光を受光素子２１で受光すると図４（ａ）に示すような電流信号Ｓ１となる。なお、図示例では投光は最初の１回、即ち４つのパルスからなるパルス列のみである。
受光部２０は、この電流信号Ｓ１を上述した手順で処理して受光信号Ｓ３を求め、続いてＢＰＦ回路２４にてキャリア周波数に相当する基準電圧Ｓ７を中心周波数としたフィルタ処理を行うことによりノイズ成分を除去できる。続いて絶対値回路２５にて電圧信号Ｓ４を全波整流し、ＬＰＦ回路２６にて高周波成分を除去することにより、図４（ｆ）に示す復調信号Ｓ６のように、ノイズＮ成分が除去された、投光部１０からの信号成分を抽出できる。

以上より、実施の形態１によれば、所定のキャリア周波数で変調されたパルス列Ｃを、一定の投光周期Ａで検出領域に向けて投光する投光部１０と、検出領域からの光を受光する受光素子２１と、受光素子２１が出力する電流信号Ｓ１を電圧信号Ｓ２に変換するＩＶ変換回路２２と、電圧信号Ｓ２を受光信号Ｓ３に増幅する増幅回路２３と、受光信号Ｓ３について、キャリア周波数を中心周波数として、基準電圧発生回路２７が発生する基準電圧Ｓ７を中心値とした電圧信号Ｓ４を抽出するＢＰＦ回路２４と、基準電圧発生回路２７で発生した基準電圧Ｓ７であってＢＰＦ回路２４が抽出した電圧信号Ｓ４の振幅の中心となる電圧を基準値に用いて当該基準値以下の信号を反転させて全波整流する絶対値回路２５と、絶対値回路２５の整流信号Ｓ５について所定カットオフ周波数以下の復調信号Ｓ６を抽出するＬＰＦ回路２６とを備えるように構成した。このため、絶対値回路２５が、ＢＰＦ回路２４の電圧信号Ｓ４の振幅の中心値に相当する基準電圧Ｓ７を用いて全波整流することにより、受光部２０が投光部１０側と同期することなく変調された受光信号を復調することができる。また、絶対値回路２５およびＬＰＦ回路２６において復調する際に、上述した特許文献１のようにパルス幅を計数する等の高速動作を不要としたので、消費電力を低減でき、ひいては光電センサの小型化が可能となる。さらに、絶対値回路２５において全波整流することにより、従来のように半波整流する場合に比べて信号検出レベルを向上させることができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る光電センサの構成を示すブロック図である。なお、図５において図１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態２では、受光部２０ａが新たにＬＰＦ回路（第２のローパスフィルタ部）３０を備え、このＬＰＦ回路３０が、ＢＰＦ回路２４の出力する電圧信号（図３（ｄ）および図４（ｄ）の電圧信号Ｓ４）を平均化して、絶対値回路２５の正負判定用の基準値を求める。そして、絶対値回路２５は、基準電圧発生回路２７が発生する基準電圧に代えてＬＰＦ回路３０が求めた平均電圧値を用い、ＢＰＦ回路２４の出力する信号のうち平均電圧値以下の信号成分を反転させて全波整流する。

ＬＰＦ回路３０が求める平均電圧値は、基準電圧発生回路２７が発生する基準電圧と同じように、ＢＰＦ回路２４の出力する電圧信号の振幅の中心付近の値であるので、絶対値回路２５において上記実施の形態１と同様に、変調された受光信号を投光部１０側と同期することなく全波整流することができる。また、全波整流することにより、半波整流する場合に比べて信号検出レベルを向上させることができる。
また、上記実施の形態１と同様に、復調する際にパルス幅を計数する等の高速動作を不要としたので、消費電力を低減でき、ひいては光電センサの小型化が可能となる。

なお、本発明に係る光電センサは、投光部から受光部へ同期信号を供給する必要がないため、投光部と受光部が別体で構成される透過型光電センサに用いて好適であるが、用途はこれに限定されるものではなく、投光部と受光部が一体に構成される反射型光電センサなどに用いてもよい。また、光電センサに限らず、検出対象物体の検出有無に応じてオンとオフを切り替える光電スイッチに用いてもよいことは言うまでもない。

また、上記実施の形態１，２では、絶対値回路２５で全波整流を実施する構成にしたが、これに限定されるものではなく、半波整流を実施するように構成してもよい。

また、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

１０投光部
２０，２０ａ受光部
２１受光素子
２２ＩＶ変換回路
２３増幅回路
２４ＢＰＦ回路
２５絶対値回路（整流回路）
２６，３０ＬＰＦ回路
２７基準電圧発生回路
２８閾値設定回路
２９比較器

Claims

所定のキャリア周波数で変調されたパルス列を、一定の周期で検出領域に向けて投光する投光部と、
前記検出領域からの光を受光して、当該受光量に基づいて前記検出領域の物体を検出する受光部とを備え、
前記受光部は、
前記受光した光を電圧に変換した受光信号について、前記キャリア周波数を中心周波数にした信号を抽出するバンドパスフィルタ回路と、
前記バンドパスフィルタ回路が抽出した信号の振幅が略中心となる値を基準値に用いて、当該基準値以下の信号を反転させて全波整流する整流回路と、
前記整流回路が全波整流した信号について、所定カットオフ周波数以下の信号を抽出する第１のローパスフィルタ回路とを有することを特徴とする光電センサ。
所定のキャリア周波数で変調されたパルス列を、一定の周期で検出領域に向けて投光する投光部と、
前記検出領域からの光を受光して、当該受光量に基づいて前記検出領域の物体を検出する受光部とを備え、
前記受光部は、
前記受光した光を電圧に変換した受光信号について、前記キャリア周波数を中心周波数にした信号を抽出するバンドパスフィルタ回路と、
前記バンドパスフィルタ回路が抽出した信号の振幅が略中心となる値を基準値に用いて、当該基準値以上の信号に半波整流する整流回路と、
前記整流回路が半波整流した信号について、所定カットオフ周波数以下の信号を抽出する第１のローパスフィルタ回路とを有することを特徴とする光電センサ。
受光部は、基準電圧を発生する基準電圧発生回路を有し、
バンドパスフィルタ回路が抽出する信号の中心値は、前記基準電圧発生回路で発生した基準電圧によって決定し、
整流回路は、前記基準電圧発生回路で発生した基準電圧を基準値に用いて整流することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光電センサ。
受光部は、バンドパスフィルタ回路が抽出した信号を平均化して平均電圧を求める第２のローパスフィルタ回路を有し、
整流回路は、前記第２のローパスフィルタ回路が求めた平均電圧を基準値に用いて整流することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光電センサ。