JP2022067204A - 光電センサ用ｉｃ及び光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】様々なタイプの光電センサにおいて光電センサ用ＩＣを共通化する。【解決手段】光電センサ用ＩＣは、第１受光素子及び第２受光素子と、減算回路と、切替回路と、制御部と、を備える。ここで、減算回路は、第１受光素子での受光量に応じて変化する第１受光信号と、第２受光素子での受光量に応じて変化する第２受光信号と、の差分である差分信号を出力する。切替回路は、第１受光信号及び第２受光信号の少なくとも何れか一方が入力される第１入力端子と、差分信号が入力される第２入力端子と、出力端子と、を有し、第１入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定と、第２入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定と、の間での切替えが可能な回路である。そして、制御部は、外部から入力される切替信号に応じて切替回路の設定を切り替える。【選択図】図２

Description

本発明は、光電センサ用ＩＣ及びそれを備えた光電センサに関する。

光電センサには、透過型、反射型、ミラー反射型、及び距離設定反射型の光電センサが存在する。透過型、反射型、及びミラー反射型の光電センサは、受光素子での受光量に基づいて被検出体の有無を検出する（例えば、特許文献１参照）。一方、距離設定反射型の光電センサは、所定位置を基準にした被検出体までの相対距離に応じて、受光素子での受光位置が基準点（被検出体が所定位置にあるときの受光位置）から変化するように構成されており、当該受光位置に基づいて被検出体までの相対距離を検出する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９－０１４３６０号公報 特開２００６－２２６８５１号公報

近年、これらの光電センサにおいては、当該光電センサを機能させるための様々な回路（受光素子を含む）が１つの集積回路（ＡＳＩＣ）に纏められることが多い。しかし、透過型、反射型、及びミラー反射型の光電センサと、距離設定反射型の光電センサとでは、検出対象が、被検出体の有無であるのか、或いは、被検出体までの相対距離であるのかによって、光電センサを機能させるための回路構成（受光素子の構成を含む）が異なるため、集積回路（ＡＳＩＣ）においても光電センサのタイプに応じた設計が強いられていた。

そこで本発明の目的は、様々なタイプの光電センサにおいて光電センサ用ＩＣを共通化することである。

本発明に係る光電センサ用ＩＣは、被検出体の有無を検出する、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサと、所定位置を基準にした被検出体までの相対距離を検出する距離設定反射型の光電センサと、に共通して使用することが可能なＩＣであり、第１受光素子及び第２受光素子と、減算回路と、切替回路と、制御部と、を備える。ここで、減算回路は、第１受光素子での受光量に応じて変化する第１受光信号と、第２受光素子での受光量に応じて変化する第２受光信号と、の差分である差分信号を出力する。切替回路は、第１受光信号及び第２受光信号の少なくとも何れか一方が入力される第１入力端子と、差分信号が入力される第２入力端子と、出力端子と、を有し、第１入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定と、第２入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定と、の間での切替えが可能な回路である。そして、制御部は、外部から入力される切替信号に応じて切替回路の設定を切り替える。

上記光電センサ用ＩＣによれば、切替回路の設定を切り替えるだけで、光電センサのタイプに応じた回路を構築することができる。即ち、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサに光電センサ用ＩＣを搭載する場合には、当該光電センサ用ＩＣにおいて、切替回路の設定を、第１入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定に切り替えることで、被検出体の有無を検出するための回路を構築できる。一方、距離設定反射型の光電センサに光電センサ用ＩＣを搭載する場合には、当該光電センサ用ＩＣにおいて、切替回路の設定を、第２入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定に切り替えることで、所定位置を基準にした被検出体までの相対距離を検出するための回路を構築できる。

上記光電センサ用ＩＣは、第１受光信号と第２受光信号との合成である合成信号を出力する加算回路を更に備えていてもよい。そして、第１入力端子には合成信号が入力されてもよい。この構成によれば、切替回路の設定が、第１入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定である場合において、第１受光素子及び第２受光素子に入射した光が何れも、被検出体の有無の判定に用いられることになる。一方、第１受光信号及び第２受光信号の何れか一方のみが第１入力端子に入力される場合には、第１入力端子に接続された第１受光素子又は第２受光素子に入射した光だけが、被検出体の有無の判定に用いられることになる。従って、上述した構成によれば、受光面積を大きくすることができる。

上記光電センサ用ＩＣは、切替回路からの出力信号を増幅する増幅回路を更に備えていてもよい。そして、制御部は、増幅回路で増幅された出力信号を用いて被検出体の検出状態を判定してもよい。このように切替回路の出力側で増幅を行うことにより、光電センサ用ＩＣに必要な増幅用の回路は１つだけでよくなり、従って、切替回路の入力側で増幅を行う場合（即ち、増幅回路が２つ必要になる場合）に比べて、回路を簡略化することができる。

上記光電センサ用ＩＣは、増幅回路で増幅された出力信号の振幅を時間で積分する積分回路と、当該積分回路で得られた積分値を基準値と比較する比較回路と、を更に備えていてもよい。そして、制御部は、比較回路での比較結果に基づいて被検出体の検出状態を判定してもよい。この構成によれば、積分回路において１周期あたりの積分値を求めることにより、周期ごとの検出結果を精度良く得ることが可能になる。よって、光電センサの検出精度を高めることが可能になる。

本発明に係る光電センサは、光電センサ用ＩＣを備えた光電センサであり、透過型、反射型、及びミラー反射型の何れかの光電センサである場合には、光電センサ用ＩＣにおいて、切替回路の設定が、第１入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定に切り替えられ、距離設定反射型の光電センサである場合には、光電センサ用ＩＣにおいて、切替回路の設定が、第２入力端子に入力された信号を出力端子から出力する設定に切り替えられる。

本発明によれば、様々なタイプの光電センサにおいて光電センサ用ＩＣを共通化することが可能になる。

実施形態に係る光電センサを概念的に示した破断斜視図である。 本実施形態に係る光電センサ用ＩＣの構成を示した概念図である。 三角測距の原理を用いた検出方法についての説明図である。 検出用の光として用いられるパルス光の２つの例を示した概念図である。 第１変形例に係る光電センサ用ＩＣの構成を示した概念図である。

［１］実施形態
［１－１］光電センサの構成
図１は、実施形態に係る光電センサを概念的に示した破断斜視図である。図１に示されるように、本実施形態の光電センサは、ケース１と、当該ケース１内に設置された基板２と、当該基板２の表面に実装された投光素子３及び光電センサ用ＩＣ４と、電源線及び信号線を含んだコード５と、を備える。

投光素子３は、ＬＥＤや半導体レーザなど、被検出体を検出するための光（検出用の光）を発する素子である。光電センサ用ＩＣ４は、受光部４１を有している。そして、ケース１には、投受光用窓１１が設けられており、投光素子３及び光電センサ用ＩＣ４は、投光素子３が発した光が投受光用窓１１を通過し、その光のうちの被検出体又はリフレクタで反射したものが再び投受光用窓１１を通過して受光部４１に入射するように配されている。

このように、本実施形態の光電センサは、自身が備える投光素子３から検出用の光を発する光電センサであり、被検出体の有無を検出する反射型又はミラー反射型の光電センサ、或いは、所定位置Ｐ０（図３参照）を基準にした被検出体までの相対距離を検出する距離設定反射型の光電センサである。なお、本実施形態の光電センサは、投光素子３からは光を発せずに、光電センサとは別体に設けられた投光装置が発した光を受光部４１で検出する透過型の光電センサとして使用されてもよい。

従来、透過型、反射型、及びミラー反射型の光電センサと、距離設定反射型の光電センサとでは、検出対象が、被検出体の有無であるのか、或いは、被検出体までの相対距離であるのかによって、光電センサを機能させるための回路構成が異なっており、光電センサ用ＩＣ４においても光電センサのタイプに応じた設計が強いられていた。

そこで本実施形態では、光電センサ用ＩＣ４が、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサと、距離設定反射型の光電センサと、において共通化できるように構成されている。以下、光電センサ用ＩＣ４の構成について具体的に説明する。

［１－２］光電センサ用ＩＣの構成
図２は、本実施形態に係る光電センサ用ＩＣ４の構成を示した概念図である。図２に示されるように、本実施形態の光電センサ用ＩＣ４は、受光部４１として、第１受光素子４１Ａと、第２受光素子４１Ｂと、を備えている。更に、光電センサ用ＩＣ４は、減算回路４２と、切替回路４３と、増幅回路４４と、積分回路４５と、比較回路４６と、制御部４９と、を備える。

第１受光素子４１Ａは、例えばフォトダイオードなどで構成されたものであり、受光面に入射した光を電気信号に変換して出力することにより、そのときの受光量に応じて変化する第１受光信号Ｓ１を出力する。同様に、第２受光素子４１Ｂは、例えばフォトダイオードなどで構成されたものであり、受光面に入射した光を電気信号に変換して出力することにより、そのときの受光量に応じて変化する第２受光信号Ｓ２を出力する。

本実施形態では、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４１Ｂは、それらの受光面が連続するように隣接配置されると共に、第１受光素子４１Ａは、第２受光素子４１Ｂに対して投光素子３とは反対側の位置に配されている。そして、それらが出力する第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２は、光電センサのタイプごとに以下のように用いられる。

透過型、反射型、及びミラー反射型の光電センサでは、第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２の少なくとも何れか一方（即ち、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４１Ｂの少なくとも何れか一方での受光量）に基づいて、被検出体の有無が検出される。この場合、受光面に入射する光のスポット径は、当該受光面内に収まるものであってもよいし、当該受光面からはみ出るものであってもよい。

一方、距離設定反射型の光電センサでは、第１受光信号Ｓ１と第２受光信号Ｓ２との差分に基づいて、所定位置Ｐ０を基準にした被検出体までの相対距離が検出される。具体的には以下のとおりである。

図３は、三角測距の原理を用いた検出方法についての説明図である。図３に示されるように、光電センサは、投光レンズ５１と受光レンズ５２とを更に備えており、投光レンズ５１を介して投光素子３から被検出体（図３では、符号Ｔで示されている）に照射された検出用の光のうち、当該被検出体で反射して受光レンズ５２に入射したものが、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４１Ｂの受光面上に結像する。

そして、被検出体が所定位置Ｐ０にあるときの結像位置（受光位置）が、第１受光素子４１Ａと第２受光素子４１Ｂとの境界線に一致するように、受光レンズ５２の位置が調整されている。この場合、受光面上に結像する光のスポット径は、当該受光面内に収まるものであることが好ましい。なお、被検出体の相対位置に応じて第１受光素子４１Ａでの受光量と第２受光素子４１Ｂでの受光量との差に変化が生じるのであれば、受光面上に結像する光のスポット径は、受光面からはみ出るものであってもよい。

このような構成によれば、所定位置Ｐ０を基準として、被検出体が光電センサに近づいた場合には、結像位置（受光位置）が第１受光素子４１Ａの受光面上へ移動し、逆に被検出体が光電センサから遠ざかった場合には、結像位置（受光位置）が第２受光素子４１Ｂの受光面上へ移動する。

このような三角測距の原理を用いた検出方法においては、第１受光信号Ｓ１と第２受光信号Ｓ２との差分を導出することにより、当該差分で得られる差分信号Ｓｄ（＝Ｓ１－Ｓ２）の振幅が、被検出体が所定位置Ｐ０にある場合にはゼロに近い値になり、被検出体が光電センサに近づいた場合には正の値になり、被検出体が光電センサから遠ざかった場合には負の値になる。

減算回路４２は、上述した第１受光信号Ｓ１と第２受光信号Ｓ２との差分を導出する回路であり、当該差分で得た差分信号Ｓｄ（＝Ｓ１－Ｓ２）を出力する。

切替回路４３は、第１入力端子４３Ａと、第２入力端子４３Ｂと、出力端子４３Ｃと、を有し、第１入力端子４３Ａに入力された信号を出力端子４３Ｃから出力する設定（以下、「第１設定」と称す）と、第２入力端子４３Ｂに入力された信号を出力端子４３Ｃから出力する設定（以下、「第２設定」と称す）と、の間での切替えが可能な回路である。本実施形態では、第１入力端子４３Ａに第１受光信号Ｓ１が入力され、第２入力端子４３Ｂに差分信号Ｓｄが入力される。即ち、第１設定では、透過型、反射型、及びミラー反射型の光電センサで必要となる信号（受光部４１での受光量を示す信号。ここでは第１受光信号Ｓ１）が出力端子４３Ｃから出力され、第２設定では、距離設定反射型の光電センサで必要となる差分信号Ｓｄが出力端子４３Ｃから出力される。なお、第１入力端子４３Ａには、第２受光信号Ｓ２が入力されてもよい。

そして、切替回路４３の設定の切替えは、制御部４９により、外部から入力される切替信号Ｓｗに応じて行われる。即ち、光電センサが、透過型、反射型、及びミラー反射型の何れか１つの光電センサとして使用される場合には、切替信号Ｓｗにより、切替回路４３の設定が第１設定に切り替えられる。一方、光電センサが、距離設定反射型の光電センサとして使用される場合には、切替信号Ｓｗにより、切替回路４３の設定が第２設定に切り替えられる。

増幅回路４４は、切替回路４３の出力側に設けられており、切替回路４３からの出力信号Ｓｒを増幅する回路である。このように切替回路４３の出力側で増幅を行うことにより、光電センサ用ＩＣ４に必要な増幅用の回路は１つだけでよくなり、従って、切替回路４３の入力側で増幅を行う場合（即ち、増幅回路が２つ必要になる場合）に比べて、回路を簡略化することができる。

積分回路４５は、増幅回路４４で増幅された出力信号Ｓｒの振幅を時間で積分する回路である。本実施形態では、検出用の光は、制御部４９の制御により所定周期で投光素子３から繰り返し発せされるパルス光であり、当該パルス光は、一周期あたり、１つのパルスで構成されたもの（図４（Ａ）参照）であってもよいし、１つの纏まりを持った複数のパルスで構成されたもの（例えば、４つのパルスで構成されたもの。図４（Ｂ）参照）であってもよい。このように、検出用の光として１つの纏まりを持った複数のパルス光を用い、積分回路４５において１周期あたりの積分値を求めることにより、周期ごとの検出結果を精度良く得ることが可能になる。また、バンドパスフィルタ（不図示）を組み合わせることにより、複数のパルス光に含まれる周波数帯域以外の光（例えば、外部からの変調光源による影響）を低減させることができる。

比較回路４６は、積分回路４５で得られた積分値Ｑｒを基準値Ｑ０と比較する回路である。ここで、基準値Ｑ０は、切替回路４３の設定に応じて（即ち、外部から入力される切替信号Ｓｗに応じて）変更されてもよい。

そして、制御部４９は、比較回路４６での比較結果に基づいて被検出体の検出状態を判定する。具体的には、制御部４９は、切替回路４３を第１設定で使用する場合には、比較回路４６での比較結果に基づいて、被検出体を検出したか否か（即ち、被検出体の有無）を判定する。また、制御部４９は、切替回路４３を第２設定で使用する場合には、比較回路４６での比較結果に基づいて、所定位置Ｐ０を基準にした被検出体までの相対距離を検出する。

より具体的には、制御部４９は、切替回路４３を第１設定で使用している場合において、比較回路４６により「積分値Ｑｒが基準値Ｑ０より大きい」と判定された場合には、被検出体を検出したと判定する。このような制御は、積分値Ｑｒが大きくなったとき（即ち、受光部４１での受光量が大きくなったとき）に被検出体を検出する制御であり、ライトオン制御と呼ばれているものである。なお、これに対して、積分値Ｑｒが小さくなったとき（即ち、受光部４１での受光量が小さくなったとき）に被検出体を検出する制御は、ダークオン制御と呼ばれており、制御部４９は、切替回路４３を第１設定で使用している場合において、被検出体の有無をダークオン制御で判定してもよい。また、本実施形態の光電センサは、ケース１に設けられたツマミの操作などにより、ライトオン制御とダークオン制御とが切り替えられるものであってもよい。

一方、制御部４９は、切替回路４３を第２設定で使用している場合において、比較回路４６により「積分値Ｑｒが基準値Ｑ０より大きい」と判定された場合には、被検出体を検出すると共に、その被検出体の位置が所定位置Ｐ０よりも光電センサに近い位置であると判定する。なお、切替回路４３が第２設定で使用される場合においても、第１設定で使用される場合と同様、ケース１に設けられたツマミの操作などにより、ライトオン制御とダークオン制御とが切り替えられてもよい。

このような光電センサ用ＩＣ４によれば、切替回路４３の設定を切り替えるだけで、光電センサのタイプに応じた回路を構築することができる。即ち、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサに光電センサ用ＩＣ４を搭載する場合には、当該光電センサ用ＩＣ４において、切替回路４３の設定を第１設定（第１入力端子４３Ａに入力された信号を出力端子４３Ｃから出力する設定）に切り替えることで、被検出体の有無を検出するための回路を構築できる。一方、距離設定反射型の光電センサに光電センサ用ＩＣ４を搭載する場合には、当該光電センサ用ＩＣ４において、切替回路４３の設定を第２設定（第２入力端子４３Ｂに入力された信号を出力端子４３Ｃから出力する設定）に切り替えることで、所定位置Ｐ０（図３参照）を基準にした被検出体までの相対距離を検出するための回路を構築できる。よって、上記光電センサ用ＩＣ４によれば、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサと、距離設定反射型の光電センサと、に共通して使用することができる。

［２］変形例
［２－１］第１変形例
図５は、第１変形例に係る光電センサ用ＩＣ４の構成を示した概念図である。図５に示されるように、光電センサ用ＩＣ４は、加算回路４７を更に備えていてもよい。ここで、加算回路４７は、第１受光信号Ｓ１と第２受光信号Ｓ２との合成を導出する回路であり、当該合成で得た合成信号Ｓｅ（＝Ｓ１＋Ｓ２）を出力する。そして、第１入力端子４３Ａには、合成信号Ｓｅが入力されてもよい。

このような構成によれば、切替回路４３の設定が第１設定である場合において、第１受光素子４１Ａ及び第２受光素子４１Ｂに入射した光が何れも、被検出体の有無の判定に用いられることになる。一方、第１受光信号Ｓ１及び第２受光信号Ｓ２の何れか一方のみが第１入力端子４３Ａに入力される場合には、第１入力端子４３Ａに接続された第１受光素子４１Ａ又は第２受光素子４１Ｂに入射した光だけが、被検出体の有無の判定に用いられることになる。従って、本変形例の構成によれば、受光部４１の受光面積を大きくすることができる。

［２－２］第２変形例
上述した光電センサ用ＩＣ４において、比較回路４６に代えて、制御部４９が、積分回路４５で得られた積分値Ｑｒを基準値Ｑ０と比較する処理を行ってもよい。この場合、制御部４９は、積分回路４５で得られた積分値Ｑｒを用いて被検出体の検出状態を判定することになる。

［２－３］第３変形例
上述した光電センサ用ＩＣ４において、比較回路４６にて基準値Ｑ０は負の値に設定されてもよい。そして、制御部４９は、切替回路４３を第２設定で使用している場合において、比較回路４６により「積分値Ｑｒが基準値Ｑ０より小さい」と判定された場合に、被検出体を検出すると共に、その被検出体の位置が所定位置Ｐ０よりも光電センサから遠い位置であると判定してもよい。

また、比較回路４６にて基準値Ｑ０として正の値と負の値の２種類が用意され、制御部４９は、その場合の比較回路４６での比較結果に基づいて、被検出体の位置が、所定位置Ｐ０よりも光電センサに近い位置であるのか、或いは、所定位置Ｐ０よりも光電センサから遠い位置であるのかを判定してもよい。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。更に、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ケース
２ 基板
３ 投光素子
４ 光電センサ用ＩＣ
５ コード
１１ 投受光用窓
４１ 受光部
４１Ａ 第１受光素子
４１Ｂ 第２受光素子
４２ 減算回路
４３ 切替回路
４３Ａ 第１入力端子
４３Ｂ 第２入力端子
４３Ｃ 出力端子
４４ 増幅回路
４５ 積分回路
４６ 比較回路
４７ 加算回路
４９ 制御部
５１ 投光レンズ
５２ 受光レンズ
Ｐ０ 所定位置
Ｑ０ 基準値
Ｑｒ 積分値
Ｓ１ 第１受光信号
Ｓ２ 第２受光信号
Ｓｄ 差分信号
Ｓｅ 合成信号
Ｓｒ 出力信号
Ｓｗ 切替信号

Claims (5)

1. 被検出体の有無を検出する、透過型、反射型、及びミラー反射型の少なくとも何れか１つの光電センサと、所定位置を基準にした被検出体までの相対距離を検出する距離設定反射型の光電センサと、に共通して使用することが可能な光電センサ用ＩＣであって、
   第１受光素子及び第２受光素子と、
   前記第１受光素子での受光量に応じて変化する第１受光信号と、前記第２受光素子での受光量に応じて変化する第２受光信号と、の差分である差分信号を出力する減算回路と、
   前記第１受光信号及び前記第２受光信号の少なくとも何れか一方が入力される第１入力端子と、前記差分信号が入力される第２入力端子と、出力端子と、を有し、前記第１入力端子に入力された信号を前記出力端子から出力する設定と、前記第２入力端子に入力された信号を前記出力端子から出力する設定と、の間での切替えが可能な切替回路と、
   外部から入力される切替信号に応じて前記切替回路の設定を切り替える制御部と、
   を備える、光電センサ用ＩＣ。
2. 前記第１受光信号と前記第２受光信号との合成である合成信号を出力する加算回路を更に備え、
   前記第１入力端子には前記合成信号が入力される、請求項１に記載の光電センサ用ＩＣ。
3. 前記切替回路からの出力信号を増幅する増幅回路を更に備え、
   前記制御部は、前記増幅回路で増幅された前記出力信号を用いて被検出体の検出状態を判定する、請求項１又は２に記載の光電センサ用ＩＣ。
4. 前記増幅回路で増幅された前記出力信号の振幅を時間で積分する積分回路と、
   前記積分回路で得られた積分値を基準値と比較する比較回路と、
   を更に備え、
   前記制御部は、前記比較回路での比較結果に基づいて被検出体の検出状態を判定する、請求項３に記載の光電センサ用ＩＣ。
5. 請求項１～４の何れかに記載の光電センサ用ＩＣを備えた光電センサであり、
   被検出体の有無を検出する、透過型、反射型、及びミラー反射型の何れかの光電センサである場合には、前記光電センサ用ＩＣにおいて、前記切替回路の設定が、前記第１入力端子に入力された信号を前記出力端子から出力する設定に切り替えられ、
   所定位置を基準にした被検出体までの相対距離を検出する距離設定反射型の光電センサである場合には、前記光電センサ用ＩＣにおいて、前記切替回路の設定が、前記第２入力端子に入力された信号を前記出力端子から出力する設定に切り替えられる、光電センサ。

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