JP3033686B2 - 光センサー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光センサー装置に関
し、特に受光素子に入射する光強度が弱い場合に、発光
素子の発光出力を大きくすることにより光センサー装置
のＳ／Ｎ（信号対雑音比）を改善するするとともに、複
数の受光素子が近接して配置された場合、複数の発光素
子の発光タイミングを相互に調整することにより光信号
が干渉し誤動作するのを防止した光センサー装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、物体を検出する装置として赤
外線やレーザー光を用いた光センサー装置が広く使われ
ている。従来の光センサー装置は図９に示すように、発
振回路１と増幅器２と発光素子３からなる発光ユニット
１００と、受光素子５とバンドパスフィルタ６と検波・
整流回路７と増幅器８とコンパレータ９と帰還抵抗１０
と出力端子１１とからなる受光ユニット２００とから構
成される。

【０００３】次に、従来の光センサー装置の動作につい
て説明すると、まず発振回路１で蛍光灯など点滅してい
る光が雑音源とならないように外部光源の周波数から離
れた周波数で発振を行うが、一般的には出力波形は正弦
波である。

【０００４】増幅器２は、発振信号を増幅してＬＥＤや
発光ダイオードまたはレーザダイオードからなる発光素
子３を電流駆動する。発光素子３は、増幅器２の出力波
形にほぼ比例した赤外線または可視光を発光し、検出物
４に向かって光を放射する。このとき、発光素子３を駆
動する電流は、信頼性を確保する制約条件から発光素子
の定格直流電流を越えない範囲に設定される。

【０００５】受光ユニット２００では、はじめにフォト
トランジスタやフォトダイオードなど光を電気信号に変
換する受光素子５で、検出物４を透過または反射した光
を検出し、外部光源による雑音成分を除去するため、バ
ンドパスフィルタ６で発振回路１の発振周波数とほぼ等
しい周波数を抜き出す。次に、検波・整流回路７で発振
回路１で発振している発振周波数を検波した後整流し、
直流信号に変換して増幅器８に入力する。コンパレータ
９は、増幅器８の出力信号と基準電圧Ｖｒとを比較し
て、増幅器８の出力信号が基準電圧Ｖｒよりも大きい場
合、出力端子１１にローレベルを出力する。こうして、
反射光を検出する場合の光センサー装置は、検出物４が
存在すると判定する。ここで帰還抵抗１０は、コンパレ
ータ１０のヒステリシスを決める抵抗であり、雑音によ
りコンパレータ９が誤動作しないようにしている。ま
た、光センサーの感度調整は、通常増幅器８の利得を調
整することにより行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光セン
サー装置は、発光素子３と検出物４との距離または検出
物４と受光素子５との距離が遠く離れていて、受光素子
５に入射する光強度が小さい場合や、検出物の光反射率
が低く受光素子に入射する光強度が小さい場合、発光素
子３に流す電流値を大きくして光出力信号を大きくした
り、受光ユニット２００を構成する増幅器８の利得を大
きくして、受光素子５に入射する光強度の低下に対応し
ていた。

【０００７】発光素子３に流す電流値を大きくしていく
と、発光素子３の光信号出力もほぼ電流値に比例して大
きくなるが、発光素子３に流す電流値を定格電流値を越
えて流した場合、発光素子３で発生する熱により発光素
子３の温度が上昇し、発光素子の寿命が短縮したり、発
光効率が低下するという問題がある。したがって、発光
素子３の光信号出力を大きくする方法も限界がある。

【０００８】一方、増幅器９の利得を大きくする方法
は、外部光源から受光素子５に入射してくる雑音成分
や、受光ユニット２００自体で発生する雑音も信号と一
緒に増幅してしまい、受光ユニット２００のＳ／Ｎが低
下し、コンパレータ９の動作が不安定になるという問題
がある。

【０００９】また、複数の発光ユニット１００と近接し
た複数の受光ユニット２００から構成される光センサー
装置の場合、受光素子５に複数の発光素子３からの光信
号が入射するため、これらの信号間で光の相互干渉が生
じ、もとの光信号の周波数が変化してしまう。このた
め、バンドパスフィルタ６の出力に光干渉で生じた成分
も混入し、検波・整流回路の出力および出力端子１１の
レベルが不安定になり、光センサー装置が誤動作を起こ
すという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、発光素子と検出物との距
離または検出物と受光素子との距離が遠くなって、受光
素子に入射する光強度が小さくなった場合も、安定して
検出物を検出することができる光センサー装置を提供す
ることにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、複数の発光ユ
ニットと近接した複数の受光ユニットからなる光センサ
ー装置においても、複数の発光ユニットから発生した光
信号どうしが干渉を起こすことなく動作の安定した光セ
ンサー装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、本発明による
光センサー装置は、発光素子と、前記発光素子に一定電
流を供給する定電流回路と、前記定電流回路に一定周期
のパルス信号を供給するパルスジェネレータと、前記パ
ルスジェネレータから供給されるパルス信号のデューテ
ィ比と前記定電流回路の電流値を制御する制御手段とを
含む発光ユニットと、前記発光素子から放射される光信
号を光電変換する受光素子と、前記受光素子の出力信号
を増幅する増幅器と、前記増幅器の出力信号をサンプリ
ングしこの値をホールドするサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールド回路の出力信号を基準電圧と比較
して検出物が存在するかどうかの判定信号を出力する比
較手段とを含む受光ユニットとを備える光センサー装置
において、前記受光素子に入射する光信号の強度が小さ
くなった場合、前記制御手段により前記デューティ比を
小さくするとともに、前記デューティ比と前記発光素子
を駆動する駆動電流との積が前記発光素子の最大消費電
力に比例した制限値を超えない範囲で前記駆動電流を大
きくし、逆に前記受光素子に入射する光信号の強度が大
きくなった場合、前記制御手段によりデューティ比を大
きくするとともに前記発光素子を駆動する駆動電流を小
さくするように制御することを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明における光センサー装置の
概略構成図である。なお、従来例と共通の構成要素には
共通の参照文字／数字を付してある。

【００１５】本発明の光センサー装置は、発光素子３と
発光素子３に一定電流を流す定電流回路１３と定電流回
路１３に一定周期のパルス信号を供給するパルスジェネ
レータ１２とパルスジェネレータ１２から出力されるパ
ルス信号のデューティ比と定電流回路１３の電流値を制
御するための制御端子１４とからなる発光ユニット１１
０と、受光素子５と増幅器１５とパルスジェネレータ１
２のパルス信号により増幅器１５の出力信号をサンプリ
ングし、その値をホールドするサンプルホールド回路１
６とコンパレータ９と帰還抵抗１０と出力端子１１とか
らなる受光ユニット２１０とを備えている。

【００１６】次に、本発明の実施の形態の光センサー装
置の動作について図１〜図３を参照して説明する。

【００１７】最初にパルスジェネレータ１２は、図２に
示すように制御端子１４に印加される制御信号ｃによ
り、パルス周期を一定にしデューティ比のみ変更したパ
ルス信号を定電流回路１３に供給する。図２において、
デューティ比Ｄは、Ｄ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）
として表すことができ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれ
ぞれデューティ比が９０％，５０％，１０％の場合のパ
ルスジェネレータ１２の出力信号ａを表し、制御信号ｃ
によって任意のデューティ比に設定することができる。
ここで、Ｔｏｎはパルス信号がハイレベルの期間を、Ｔ
ｏｆｆはパルス信号がロウレベルの期間を表す。

【００１８】定電流回路１３は、発光素子３に流れる電
流を図３に示すように制御信号ｃによりデューティ比の
変化に合わせながら、発光素子３の最大消費電力を越え
ない範囲に設定し、発光素子３を電流駆動する。図３
で、（ａ）はデューティ比が大きくかつパルス電流値が
小さい場合を示し、（ｂ）はデューティ比が５０％の場
合を、（ｃ）はデューティ比が小さくかつパルス電流値
が大きい場合を示している。

【００１９】ところで、発光素子３の最大消費電力Ｐｄ
ｍは、（１）式で表すことができる。

【００２０】 Ｐｄｍ＝Ｖｆ・ｉｍ・Ｄ ・・・（１） ここで、Ｖｆは発光素子３の順方向電圧、ｉｍは発光素
子３に流し得る最大電流である。（１）式より、Ｐｄｍ
＝一定としてデューティ比Ｄとｉｍとの関係を図示する
と図４のようになり、デューティ比を小さくすると最大
駆動電流を大きくすることができることがわかる。すな
わち、発光素子３と検出物４との距離や検出物４と受光
素子５との距離が遠くなって受光素子５に入射する光強
度が少なくなった場合や、光反射率が低い検出物を検出
する場合、図４に示すデューティ比Ｄと発光素子の最大
駆動電流の関係にもとづき、制御端子１４から制御信号
ｃを入力しパルスジェネレータ１２のデューティ比Ｄを
小さくするとともに、制御信号ｃにより定電流回路１３
の出力電流を大きくするように制御する。

【００２１】次に、図５を参照して定電流回路１３の回
路動作についてより詳しく説明する。

【００２２】定電流回路１３は、可変バイアス回路１７
と増幅器１８と切り替えスイッチ１９と出力端子５０と
を備えている。制御端子１４から入力した制御信号ｃに
よって、可変バイアス回路１７で発生するバイアス電圧
Ｖ１を制御する。増幅器１８は、ボルテージフォロアと
して動作するので、増幅器１８の出力はＶ１となる。パ
ルスジェネレータ１２からのパルス信号ａは、パルス信
号ａがハイレベルのとき切り替えスイッチ１９を出力端
子５０側に、パルス信号ａがロウレベルのとき切り替え
スイッチ１９を接地側に切り替える。従って、発光素子
３に流れる電流ｉは、パルス信号ａと同じタイミング波
形となり、その電流値は（２）式で与えられる。

【００２３】 ｉ＝（Ｖ１−Ｖｆ）／Ｒ ・・・（２） ここで、Ｒは抵抗２０の抵抗値である。制御信号ｃによ
り、可変バイアス回路１７から発生するバイアス電圧Ｖ
１を制御し、（２）式で表される任意の電流値に設定す
る。

【００２４】次に、図６を参照して受光ユニット２１０
の動作について説明する。図６において、パルスジェネ
レータ１２の出力信号ａが（ａ）に示すようなデューテ
ィ比に設定された場合、発光素子３の光信号は（ｂ）の
ようになる。受光ユニット２１０は、受光素子５で検出
物４からの反射光または透過光を光電変換し（ｃ）に示
すような光電流を増幅器１５に入力する。ここで、
（ｃ）の波形は（ａ）または（ｂ）のパルスの４発目に
検出物４からの反射光または透過光が受光素子５に入射
した場合を示している。

【００２５】サンプルホールド回路１６は、（ｄ）に示
すパルスジェネレータ１２から出力されるパルス信号ｂ
のタイミングパルスに同期して、（ｃ）に示す受光素子
からの光電流を増幅器１５で増幅した信号を（ｅ）に示
すようにサンプリングしホールドする。従って、パルス
ジェネレータ１２の出力信号ａに同期したタイミングパ
ルスｂに合わせて光信号をサンプルホールドするので、
外部光源からの雑音をサンプルホールドすることがな
い。このため、外部光源からの雑音で誤動作を起こすこ
とがない。

【００２６】コンパレータ９は、サンプルホールド回路
１６の出力信号を基準電圧Ｖｒと比較して、サンプルホ
ールド回路１６の出力信号が基準電圧Ｖｒよりも高い場
合、出力端子１１にロウレベルを出力する。これによ
り、反射光を利用した光センサー装置は検出物４が存在
すると判定する。

【００２７】次に、図７および図８を参照して本発明の
第２の実施の形態について説明する。なお、図１および
図６と共通の共通の構成要素には共通の参照文字／数字
を付してある。

【００２８】本発明の実施の形態においては、発光ユニ
ット１２０と発光ユニット１２０’および受光ユニット
２１０と受光ユニット２１０’は基本的に同一構成であ
り、発光ユニット１２０と受光ユニット２１０は信号ｂ
を介して同期して動作し、発光ユニット１２０’と受光
ユニット２１０’は信号ｂ’を介して同期して動作して
いる。さらに、発光ユニット１２０と発光ユニット１２
０’は信号ｄを介して同期して動作している。また、受
光ユニット２１０と受光ユニット２１０’は接近して配
置されているため、発光素子３からの光信号は受光素子
５’にも入射し、発光素子３’からの光信号は受光素子
５にも入射する。

【００２９】図８の（ａ）および（ａ）’に示すよう
に、パルスジェネレータ１２０とパルスジェネレータ１
２０’から発生したパルス出力ａおよびａ’は、パルス
ジェネレータ１２０から出力されるパルス信号ｄを介し
て互いに同期がとれており、かつハイレベルが重なり合
わないように位相がシフトされている。すなわち、
（ａ）に示すパルスジェネレータ１２０の出力パルス信
号ａのハイレベルの期間は、（ａ）’に示すパルスジェ
ネレータ１２０’の出力パルス信号ａ’のハイレベル期
間と重ならない。

【００３０】従って、時刻ｔ１でサンプルホールド回路
１６は、（ｃ）の波形をサンプルしその値をホールドす
るが、このとき（ｃ）’の波形は０Ｖであるので発光素
子３’からの光信号は受光ユニット２１０に影響を及ぼ
さない。同様に、時刻ｔ２でサンプルホールド回路１
６’は、（ｃ）’の波形をサンプルしその値をホールド
するが、このとき（ｃ）の波形は０Ｖであるので発光素
子３からの光信号は受光ユニット２１０’に影響を及ぼ
さない。

【００３１】このように、発光ユニット１１０と発光ユ
ニット１１０’で同期をとって発光素子３と発光素子
３’を電流駆動し、互いに発光素子の光信号が重ならな
いようにすることで相互干渉を防ぐことができる。

【００３２】なお、上記の説明においては、発光ユニッ
トおよび受光ユニットが２つの場合について述べたが、
多数の場合についても同様に適用し得る。また、パルス
信号ｄはパルス信号ａまたはパルス信号ｂを代用しても
良いし、図７に図示しない別のパルス信号発生器からパ
ルスジェネレータ１２０，１２０’にそれぞれパルス信
号を供給して、複数のパルスジェネレータ間の同期をと
っても良い。さらに、発光ユニットと受光ユニットを多
数配列した場合において、近接した発光素子間でのみ相
互に光信号が重ならないようにタイミングを調整するよ
うにしても同様の効果が得られる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光セ
ンサー装置は、発光素子と検出物との距離や検出物と受
光素子の距離が離れている場合や、検出物の光反射率が
低い場合においても、発光素子を駆動する駆動電流のデ
ューティ比を制御するとともに、デューティ比に合わせ
て駆動電流を最適化することにより、信頼性を損なうこ
となく発光素子の発光光量を最適化することが可能にな
り、高精度で検出物を検出することができる。

【００３４】また、近接して受光ユニットを設置した場
合でも発光ユニットと受光ユニットを同期して動作させ
るとともに、複数の発光ユニット間で同期をとって複数
の発光素子からの光信号が互いに重なり合わないように
することにより、複数の発光素子から発光する光信号が
相互干渉を起こすことがなく、このため相互干渉に伴う
誤動作も生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光センサー装置を示す概略構成図であ
る。

【図２】デューティ比の定義を示す説明図である。

【図３】パルスジェネレータの出力信号のデューティ比
を変化させた場合の定電流回路の出力電流を表す説明図
である。

【図４】発光素子の最大駆動電流とデューティ比の相関
図である。

【図５】本発明の定電流回路を含むブロック図である。

【図６】本発明の光センサー装置の回路動作を説明する
ための信号波形図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図で
ある。

【図８】本発明の第２の実施の形態における回路動作を
説明するための信号波形図である。

【図９】従来の光センサー装置を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 発振回路 ２，８，１５，１５’，１８ 増幅器 ３，３’ 発光素子 ４，４’ 検出物 ５，５’ 受光素子 ６ バンドパスフィルタ ７ 検波・整流回路 ９，９’ コンパレータ １０，１０’ 帰還抵抗 １１，１１’ 出力端子 １２，１２０，１２０’ パルスジェネレータ １３ 定電流回路 １４，１４’ 制御端子 １６，１６’ サンプルホールド回路 １７ 可変バイアス回路 １９ 切り替えスイッチ ２０ 抵抗 １００，１１０，１２０，１２０’ 発光ユニット ２００，２１０，２１０’ 受光ユニット

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子と、前記発光素子に一定電流を
   供給する定電流回路と、前記定電流回路に一定周期のパ
   ルス信号を供給するパルスジェネレータと、前記パルス
   ジェネレータから供給されるパルス信号のデューティ比
   と前記定電流回路の電流値を制御する制御手段とを含む
   発光ユニットと、 前記発光素子から放射される光信号を光電変換する受光
   素子と、前記受光素子の出力信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器の出力信号をサンプリングしこの値をホール
   ドするサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド
   回路の出力信号を基準電圧と比較して検出物が存在する
   かどうかの判定信号を出力する比較手段とを含む受光ユ
   ニットとを備える光センサー装置において、 前記受光素子に入射する光信号の強度が小さくなった場
   合、前記制御手段により前記デューティ比を小さくする
   とともに、前記デューティ比と前記発光素子を駆動する
   駆動電流との積が前記発光素子の最大消費電力に比例し
   た制限値を超えない範囲で前記駆動電流を大きくし、逆
   に前記受光素子に入射する光信号の強度が大きくなった
   場合、前記制御手段によりデューティ比を大きくすると
   ともに前記発光素子を駆動する駆動電流を小さくするよ
   うに制御することを特徴とする光センサー装置。
2. 【請求項２】 前記サンプルホールド回路は、前記パル
   スジェネレータから出力される一定周期のパルス信号を
   位相シフトした信号を用いて前記増幅器の出力信号をサ
   ンプリングすることを特徴とする請求項１記載の光セン
   サー装置。
3. 【請求項３】 前記発光ユニットと前記受光ユニットと
   を複数備えた光センサー装置において、前記発光素子が
   同時に発光しないようにしたことを特徴とする請求項１
   記載の光センサー装置。
4. 【請求項４】 前記定電流回路の電流値を、前記デュー
   ティ比に反比例するように制御することを特徴とする請
   求項１乃至３記載の光センサー装置。