JP2014121058A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】干渉状態における受光信号の減衰を抑制し、誤判定の可能性を低減し得る光電センサを提供する。
【解決手段】第１のＢＰＦ回路７の中心周波数を投光パルスの周波数に設定し、第２のＢＰＦ回路８の中心周波数を投光パルスの周波数の２倍の周波数に設定する。受光信号を第１のＢＰＦ回路７と第２のＢＰＦ回路８それぞれでフィルタ処理して加算器９で加算することで、干渉状態における受光信号の減衰を抑制し、弁別回路１２が基準電圧で弁別する。
【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。

インバータ蛍光灯などの高い周波数で点滅する外乱光は、光電センサの信号と周波数が近く、このような外乱光が受光信号に重畳すると光電センサの誤作動の原因となっていた。その対策として、インバータ蛍光灯の点滅する周波数より高い周波数で投光信号を変調し、受光回路で狭帯域のバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）を通すことで、受光信号の外乱光成分を大幅に低減することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１７５８１７号公報

しかしながら、隣接配置した２台の光電センサが干渉状態になると、高周波変調された投光信号間の干渉により、受光信号の周波数成分が非干渉状態の受光信号の周波数に比べて２倍となる場合があり、その場合にはＢＰＦの通過帯域とずれるため受光信号が大幅に減衰するという課題があった。受光信号が減衰すると、入光状態であるにもかかわらず遮光状態であると誤判定することがある。

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、干渉状態における受光信号の減衰を抑制し、誤判定の可能性を低減し得る光電センサを提供することを目的とする。

この発明に係る光電センサは、第１の周波数のパルス光を検出領域へ投光する投光部と、投光部からのパルス光を受光し、受光量に応じたレベルの受光信号を出力する受光部と、受光部からの受光信号のうち、第１の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第１のフィルタ部と、受光部からの受光信号のうち、第１の周波数の２倍の周波数をもつ第２の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第２のフィルタ部と、第１のフィルタ部の出力と第２のフィルタ部の出力を加算する加算部と、加算部の出力を所定の閾値で弁別する弁別部とを備えるものである。

この発明によれば、中心周波数が投光パルスの周波数と等しい第１のフィルタ部とその２倍の周波数を中心周波数とする第２のフィルタ部を備え、第１のフィルタ部の出力と第２のフィルタ部の出力を加算して弁別部の入力にするようにしたので、投光パルス間の干渉により受光信号の周波数成分が２倍となり第１のフィルタ部の通過帯域とずれた場合でも、第１のフィルタ部の出力に第２のフィルタ部の出力を加算することで干渉状態における受光信号の減衰を抑制することができる。従って、誤判定の可能性を低減し得る光電センサを提供することができる。

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に係る光電センサにおいて、干渉状態における投光信号の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フィルタ処理後の受光信号の振幅について、干渉しているときと干渉していないときとの比を表すグラフである。 実施の形態１に係る光電センサのフィルタ処理後の受光信号の電圧について、干渉しているときと干渉していないときを表すグラフである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１の構成を示すブロック図である。投光部は、検出領域へ投光する投光素子２（例えば、発光ダイオード）と、投光素子２を駆動する投光回路３とから構成される。この投光部は、インバータ蛍光灯などの高い周波数で点滅する外乱光より高い周波数（第１の周波数、例えば４００ｋＨｚ）で高周波変調した投光信号を出力する。

受光部は、受光素子４（例えば、フォトダイオード）と、電流−電圧変換回路（以下、ＩＶ変換回路）５と、ＤＣカット・増幅回路６とから構成される。受光部の後段には、第１のＢＰＦ回路（第１のフィルタ部）７と、第２のＢＰＦ回路（第２のフィルタ部）８と、加算器９と、検波回路１０と、基準電圧設定回路１１と、弁別回路１２と、デジタル信号処理部１３とが設けられている。

投光部から検出領域へ投光した光を受光素子４が受光して、受光量に応じた電流を出力し、ＩＶ変換回路５が電流を電圧に変換して受光信号とする。ＤＣカット・増幅回路６は、この受光信号に含まれるＤＣ成分を除去すると共に信号成分を増幅して、第１のＢＰＦ回路７および第２のＢＰＦ回路８へ出力する。第１のＢＰＦ回路７および第２のＢＰＦ回路８でフィルタ処理して外乱光成分を除去した各受光信号を、加算器９で加算し、検波回路１０へ出力する。

検波回路１０は、加算器９の出力する受光信号を検波して弁別回路１２へ出力する。弁別回路１２は、検波回路１０から入力される受光信号を基準電圧設定回路１１の設定する基準電圧で弁別する。デジタル信号処理部１３は、弁別回路１２の弁別結果に基づいて検出対象物の有無を判定する。

先立って説明したように２台の光電センサ１を隣接配置して使用する場合、高周波変調した投光信号が干渉状態となると、その２倍の周波数成分を持つようになる。そこで、本実施の形態１では、受光側においてその２倍の周波数成分も検出できるように、ＢＰＦを並列に２つ使用する。一方の第１のＢＰＦ回路７の中心周波数を投光信号の周波数（第１の周波数、例えば４００ｋＨｚ）に設定し、もう一方の第２のＢＰＦ回路８の中心周波数を、第１のＢＰＦ回路７の中心周波数の２倍（第２の周波数、例えば８００ｋＨｚ）に設定する。なお、第２のＢＰＦ回路８の中心周波数を、第１のＢＰＦ回路７の中心周波数の丁度２倍に設定する必要はなく、多少ずらした周波数に設定しても構わない。また、第１のＢＰＦ回路７および第２のＢＰＦ回路８の各通過帯域は任意に設定すればよい。

ここで、図２に、干渉状態における投光信号の波形を示す。横軸は時間、縦軸は電圧である。投光パルスＡ，Ｂは、１．０μｓのＨ（ハイレベル）期間と１．５μｓのＬ（ローレベル）期間を持ち、８発のパルスで１つの投光パルスをなす。このとき、投光パルスＡ，Ｂは２．５μｓ周期となるので、４００ｋＨｚが主となる周波数成分である。従って、第１のＢＰＦ回路７の中心周波数は４００ｋＨｚに設定する。

図２の波形では、投光パルスＡを投光する光電センサ１と、投光パルスＢを投光する光電センサ１とが干渉状態にあり、投光パルスＡ，Ｂが−１．２５μｓずれて、丁度互いのパルスの間に相手のパルスが入るタイミングになっている。この状態のとき、投光パルスＡ，Ｂが干渉した干渉信号の周波数成分は、元々の信号の２倍（８００ｋＨｚ）になるため、第１のＢＰＦ回路７の通過帯域から外れ、第１のＢＰＦ回路７でフィルタ処理された受光信号は大きく減衰する。

そこで、第２のＢＰＦ回路８の中心周波数を８００ｋＨｚに設定することにより、投光パルスＡ，Ｂが干渉した干渉信号の周波数成分が通過帯域に入り、第２のＢＰＦ回路８のフィルタ処理後も受光信号が減衰しない。そして、加算器９において、第１のＢＰＦ回路７と第２のＢＰＦ回路８の出力を加算することで、干渉状態であっても信号の減衰量を小さく抑えることができる。

ただし、図２のように互いのパルスの間に相手のパルスが入るタイミングでずれた干渉状態の８００ｋＨｚとなる周波数成分は、投光パルスＡ（またはＢ）単独時の４００ｋＨｚの周波数成分より小さいため、フィルタ処理後の受光信号を単純に加算しただけでは、干渉状態での振幅低下がある程度発生する。そこで、中心周波数８００ｋＨｚの第２のＢＰＦ回路８の出力を重み付け（例えば、２〜３倍）して、第１のＢＰＦ回路７の出力と加算することで、干渉時の減衰量を低減する。

図３（ａ）は第１のＢＰＦ回路７単独でフィルタ処理した受光信号の振幅について、投光パルスＡ，Ｂが干渉しているときと投光パルスＡのみのときとの比を表すグラフである。図３（ｂ）は第１のＢＰＦ回路７と第２のＢＰＦ回路８でフィルタ処理し、かつ、第２のＢＰＦ回路８の出力を２倍にして加算した受光信号の振幅について、投光パルスＡ，Ｂが干渉しているときと投光パルスＡのみのときとの比を表すグラフである。各グラフとも、縦軸が振幅比、横軸が投光パルスＡ，Ｂの干渉のタイミング差である。

第１のＢＰＦ回路７の単独使用時は、図３（ａ）のようにタイミング差−１．２５μｓのときフィルタ処理後の受光信号の振幅が最も低くなり、投光パルスＡのみのときと比べて１／１０程度まで振幅が低下している。これに対して、第１のＢＰＦ回路７と出力２倍の第２のＢＰＦ回路８の使用時は、図３（ｂ）のように振幅低下が０．７倍程度までで抑えられている。

図４（ａ）は第１のＢＰＦ回路７の単独使用時、干渉により最も振幅が低くなるとき（即ち、投光パルスＡ，Ｂのタイミング差−１．２５μｓのとき）のフィルタ処理後の受光信号の電圧を表すグラフである。図４（ｂ）は第１のＢＰＦ回路７と出力２倍の第２のＢＰＦ回路８の使用時、干渉により最も振幅が低くなるとき（即ち、投光パルスＡ，Ｂのタイミング差−１．２５μｓのとき）のフィルタ処理後の受光信号の電圧を表すグラフである。各グラフとも、縦軸が受光信号の電圧、横軸が時間である。

図４（ａ）において、第１のＢＰＦ回路７の単独使用時、干渉がない投光パルスＡのみの受光信号はフィルタ処理後の電圧が０．６Ｖ近くあるが、投光パルスＢが干渉している投光パルスＡの受光信号はフィルタ処理後の電圧が０．１Ｖ以下に低下している。このため、例えば弁別回路１２の基準電圧を０．３Ｖに設定した場合には、投光パルスＢが干渉している投光パルスＡの受光信号を検知できず、入光状態であるにもかかわらず遮光状態と判定してしまう。

一方、第１のＢＰＦ回路７と出力２倍の第２のＢＰＦ回路８の使用時、振幅低下が抑制されることにより、図４（ｂ）のように、投光パルスＢが干渉している投光パルスＡの受光信号はフィルタ処理および加算後の電圧が０．５Ｖ程度に維持されている。このため、弁別回路１２において干渉パルスＢが干渉している投光パルスＡの受光信号を検知可能となり、入光状態を正しく判定することができる。
なお、投光パルスＡのみの受光信号の電圧が図４（ａ）より図４（ｂ）で上昇しているのは、矩形波状の投光パルスＡに含まれる高調波成分が第２のＢＰＦ回路８で２倍になっているためである。

以上より、実施の形態１によれば、光電センサは、第１の周波数のパルス光を検出領域へ投光する投光部と、投光部からのパルス光を受光し、受光量に応じたレベルの受光信号を出力する受光部と、受光部からの受光信号のうち、第１の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第１のＢＰＦ回路７と、受光部からの受光信号のうち、第１の周波数の２倍の周波数をもつ第２の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第２のＢＰＦ回路８と、第１のＢＰＦ回路７の出力と第２のＢＰＦ回路８の出力を加算する加算器９と、加算器９の出力を基準電圧設定回路１１の設定する基準電圧（閾値）で弁別する弁別回路１２とを備える構成にした。このため、投光パルス間の干渉により受光信号の周波数成分が本来の２倍となり第１のＢＰＦ回路７の通過帯域とずれた場合でも、第１のＢＰＦ回路７の出力に第２のＢＰＦ回路８の出力を加算することで干渉状態における受光信号の減衰を抑制することができる。従って、誤判定の可能性を低減し得る光電センサを提供することができる。

なお、上記説明では、第２のＢＰＦ回路８の出力を２倍にする例を示したが、これに限定されるものではなく何倍にしても構わない。例えば３倍にした場合、第２のＢＰＦ回路８の影響が強くなり、投光パルスＡ単独時の振幅に比べて、投光パルスＡ，Ｂがタイミング差−１．２５μｓで干渉しているときの振幅が大きくなる傾向があるが、加算後の受光信号を弁別回路１２で弁別でき、入光状態を正しく判定することができる。

また、上記説明では、第２のＢＰＦ回路８の出力に重み付けする例を示したが、反対に第１のＢＰＦ回路７の出力に重み付けしてもよい。さらに、第１のＢＰＦ回路７と第２のＢＰＦ回路８それぞれの出力を重み付けしてもよい。

以上、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。

１ 光電センサ
２ 投光素子
３ 投光回路
４ 受光素子
５ ＩＶ変換回路
６ ＤＣカット・増幅回路
７ 第１のＢＰＦ回路（第１のフィルタ部）
８ 第２のＢＰＦ回路（第２のフィルタ部）
９ 加算器
１０ 検波回路
１１ 基準電圧設定回路
１２ 弁別回路
１３ デジタル信号処理部

Claims (3)

1. 第１の周波数のパルス光を検出領域へ投光する投光部と、
   前記投光部からのパルス光を受光し、受光量に応じたレベルの受光信号を出力する受光部と、
   前記受光部からの受光信号のうち、前記第１の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第１のフィルタ部と、
   前記受光部からの受光信号のうち、前記第１の周波数の２倍の周波数をもつ第２の周波数を含む帯域以外の周波数成分を支配的に減衰させる第２のフィルタ部と、
   前記第１のフィルタ部の出力と前記第２のフィルタ部の出力を加算する加算部と、
   前記加算部の出力を所定の閾値で弁別する弁別部とを備える光電センサ。
2. 前記加算部は、前記第２のフィルタ部の出力を２〜３倍して、前記第１のフィルタ部の出力に加算することを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
3. 前記加算部は、前記第１のフィルタ部の出力および前記第２のフィルタ部の出力のいずれか一方、または両方を重み付け加算することを特徴とする請求項１記載の光電センサ。

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