JP3552785B2

JP3552785B2 - フォトインタラプタ装置

Info

Publication number: JP3552785B2
Application number: JP10068795A
Authority: JP
Inventors: 慎小田島; 浩幸布川
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JPH08278166A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光によって物体の有無や位置を検出するフォトインタラプタ装置に関する。より詳しくは、光学式エンコーダに適したフォトインタラプタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を参照して、ロータリエンコーダに組み込まれた従来のフォトインタラプタ装置の一例を簡潔に説明する。入力軸となる回転シャフト１０１には可動スリット板１０２が取り付けられている。スリット板１０２は円板形状を有し、その周方向に沿って一定のピッチでスリット１０３が形成されている。可動スリット板１０２に近接して固定スリット板１０４が配置している。この固定スリット板１０４にも一定のピッチで配列したスリット１０５が形成されている。可動スリット板１０２の一面側には発光素子１０６が配置しており、固定スリット板１０４及び可動スリット板１０２に対して光束を放射する。可動スリット板１０２の他面側には受光素子１０７が配置しており、固定スリット板１０４及び可動スリット板１０２により強度変調された光束を受光して、対応する光電流を出力する。受光素子１０７には比較器１０８が接続されており、光電流を閾処理して、矩形波形を有する出力パルスを生成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した発光素子１０６、受光素子１０７、比較器１０８は所定の電源電圧の供給を受けて動作する。しかしながら、電源電圧は変動する事が避けられず、この為発光素子１０６の発光量、受光素子１０７から出力される光電流量等が変動し、比較器１０８から得られる出力パルスのデューティ比が変化するという問題がある。出力パルスのデューティ比の変動を除去する為、例えば図６に示したフォトインタラプタ装置の構成が知られている。図示する様に、可動スリット２０１及び固定スリット２０２の一面側にはＬＥＤ等からなる発光素子２０３が配置している。所定の駆動電流Ｉ_Ｆの供給を受け、光束を可動スリット２０１及び固定スリット２０２に向けて放射する。可動スリット２０１及び固定スリット２０２の他面側にはフォトトランジスタ等からなる一対の受光素子２０４及び２０５が配置している。一方の受光素子２０４から出力された光電流は負荷抵抗２０６により電圧に変換され、比較器（ＣＭＰ）２０７の正入力端子に供給される。他方の受光素子２０５から出力された光電流も同様に負荷抵抗２０８を介して電圧に変換され、比較器２０７の負入力端子に供給される。ここで、両検出電圧は互いに比較処理され、矩形波形の出力パルスが得られる。一対の受光素子２０４，２０５を組み合わせたプッシュプル方式を採用し、比較器２０７を用いて差動検出を行なう事により、電源電圧Ｖｃｃ等の変動を相殺して、出力パルスのデューティ比の安定化を図っている。この他にも、エンコーダ内に電源レギュレータを内蔵して出力パルスのデューティ比の安定化を図っている。しかしながら、差動検出により電源電圧変動に対する出力パルスのデューティ比安定化を図る方法では、受光素子の個数が増加し回路構成が複雑となり小型化を阻むという欠点がある。同様に、電源レギュレータを内蔵した構成でも回路が複雑となり小型化を阻むという欠点がある。
【０００４】
受光素子の個数を増やす事なく、電源電圧の変動に対する補償を行なう方式が、例えば特公昭６３−４９１６２号公報に開示されている。図７に示す様に、このフォトインタラプタ装置はＬＥＤ等からなる発光素子３０１とフォトトランジスタ等からなる受光素子３０２とを備えている。発光素子３０１は制限抵抗Ｒ_Ｌを介して電源電圧Ｖｃｃの供給を受ける。駆動電流Ｉ_Ｆが流れると電位差Ｖ_Ｆが生じ、所定の光束を放射する。受光素子３０２を構成するフォトトランジスタのコレクタ端子は負荷抵抗Ｒ_Ｐを介して電源電圧Ｖｃｃの供給を受ける。フォトトランジスタのベースに照射された光束の受光量に応じて光電流Ｉ_Ｃが受光素子３０２に流れる。光電流Ｉ_Ｃは負荷抵抗Ｒ_Ｐにより検出電圧ｖ_Ｏに変換され、ＴＴＬ，ＣＭＯＳ等からなるシュミットゲート回路（図示せず）に入力され、所望の出力パルスが得られる。ここで、制限抵抗Ｒ_Ｌと負荷抵抗Ｒ_Ｐの抵抗値の比を最適化する事により、電源電圧Ｖｃｃの変動に対して十分安定な検出電圧ｖ_Ｏを出力する様にしている。具体的には、受光素子３０２の入射光量が最大値と最小値の略中間値にある時、受光素子３０２から出力される光電流Ｉ_Ｃの値と発光素子３０１に流れる駆動電流Ｉ_Ｆの値との比（電流伝達比）に略等しくなる様に、負荷抵抗Ｒ_Ｐと制限抵抗Ｒ_Ｌの抵抗値の比を設定している。例えば、Ｉ_Ｆ：Ｉ_Ｃ＝１０：１になったとすると、Ｒ_Ｐ：Ｒ_Ｌ＝１０：１に定められる。しかしながら、図７に示した従来構造では、シュミットゲート回路のヒステリシス幅に対し、受光素子３０２から出力される検出電圧ｖ_Ｏの振幅が十分大きくなければならないという制約を受ける。さらに、制限抵抗Ｒ_Ｌ及び負荷抵抗Ｒ_Ｐを固定した場合、これに合わせてフォトインタラプタの電流伝達係数を調整する為、発光素子３０１と受光素子３０２の間隔を変えたり、フィルタを介在させなければならない。これにより、フォトインタラプタ装置の小型化、最適化、簡素化が制限される場合があるという問題点が生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかるフォトインタラプタ装置は基本的な構成として、一対のフォトインタラプタを有する。一方のフォトインララプタは、一方の発光素子と、一方の受光素子と、一方の比較器とを備えている。該一方の発光素子は制限抵抗を通じて流れる駆動電流に応じて動作し光束を放射する。該一方の受光素子は可動スリットを介して該光束を受光し、負荷抵抗を通じて受光量に応じた光電流を出力する。該一方の比較器は２個の入力端子と１個の出力端子を備えている。一方の入力端子は該駆動電流により該制限抵抗に生じた電圧降下に従うモニタ電圧を受け入れる。他方の入力端子は該光電流により該負荷抵抗に生じた電圧降下に従う検出電圧を受け入れる。該一方の比較器は該モニタ電圧を基準にして該検出電圧の比較処理を行ない、出力端子から可動スリットの変位を表わすパルスを出力する。同様に他方のフォトインタラプタは、該制限抵抗を通じて流れる駆動電流に応じて動作し光束を放射する他方の発光素子と、可動スリットを介して該光束を受光し負荷抵抗を通じて受光量に応じた光電流を出力する他方の受光素子と、該駆動電流により該制限抵抗に生じた電圧降下に従うモニタ電圧を受け入れる入力端子と、該光電流により該負荷抵抗に生じた電圧降下に従う検出電圧を受け入れる入力端子と、該モニタ電圧を基準にして該検出電圧の比較処理を行ない可動スリットの変位を表わし且つ該一方の比較器から出力されるパルスと所定の位相差を有するパルスを生成する出力端子とを備えた他方の比較器とからなる。ここで、該一方の発光素子と該他方の発光素子は該制限抵抗に直列接続されているとともに、該一方の比較器及び該他方の比較器は該制限抵抗に生じた電圧降下に従う共通のモニタ電圧を受け入れる入力端子を各々有する。前記制限抵抗は感温抵抗部を有しており、周囲温度に依存した該出力パルスの変動を抑制する様にモニタ電圧を調整する。
【０００７】
【作用】
本発明によれば、比較器の一方の入力端子には発光素子側の制限抵抗に生じた電圧降下に従うモニタ電圧を供給し、他方の入力端子には受光素子側の負荷抵抗に生じた電圧降下に従う検出電圧を供給する。このモニタ電圧を基準にして検出電圧の比較処理を行ない矩形波形の出力パルスを得ている。かかる構成において、電源電圧が変動すると駆動電流及び光電流も同方向にレベルシフトする。従って、これらに相関するモニタ電圧及び検出電圧も同方向に変動する。比較器はこのモニタ電圧と検出電圧を差分処理して出力パルスを得ている。差分処理により電源電圧変動に起因するレベルシフトが相殺される為、結果として出力パルスのデューティ比の安定化が図れる。さらに、制限抵抗に感温抵抗部を組み込み、その温度／抵抗特性を適宜設定する事により、周囲温度に依存した出力パルスのデューティ比の変動を抑制する事ができる。
【０００８】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図１は、本発明にかかるフォトインタラプタ装置の第１実施例を示す回路図である。本フォトインタラプタ装置はＬＥＤ等からなる発光素子１とフォトトランジスタ等からなる受光素子２と比較器（ＣＭＰ）３とを備えている。発光素子１は制限抵抗Ｒ_Ｌに直列接続され、所定の電源電圧Ｖｃｃが印加されている。発光素子１は制限抵抗Ｒ_Ｌを通じて流れる駆動電流Ｉ_Ｆに応じて動作し、光束を放射する。なお、発光素子１を構成するＬＥＤのアノード端子／カソード端子間に生じる電圧はＶ_Ｆで示してある。受光素子２のコレクタ端子はＶｃｃの供給を受け、そのエミッタ端子は負荷抵抗Ｒ_Ｐを介して接地されている。受光素子２は可動スリット４を介して光束を受光し、負荷抵抗Ｒ_Ｐを通じて受光量に応じた光電流Ｉ_Ｃを出力する。なお、受光素子２の受光領域はフォトトランジスタのベース領域に形成されている。比較器３は２個の正負入力端子と１個の出力端子を有している。正入力端子は、駆動電流Ｉ_Ｆにより制限抵抗Ｒ_Ｌに生じた電圧降下に従うモニタ電圧ｖ_Ｒを受け入れる。負入力端子は、光電流Ｉ_Ｃにより負荷抵抗Ｒ_Ｐに生じた電圧降下に従う検出電圧ｖ_Ｏを受け入れる。比較器３はモニタ電圧ｖ_Ｒを基準にして検出電圧ｖ_Ｏの比較処理を行ない、可動スリット４の変位を表わす矩形パルスを出力端子から外部に供給する。
【０００９】
駆動電流Ｉ_ＦはＩ_Ｆ＝（Ｖｃｃ−Ｖ_Ｆ）／Ｒ_Ｌで表わされる。従って、電源電圧Ｖｃｃが変化すると、駆動電流Ｉ_Ｆが変動する。さらに、モニタ電圧ｖ_Ｒはｖ_Ｒ＝Ｉ_Ｆ×Ｒ_Ｌで表わされ、Ｉ_Ｆに比例して変動する。一方、受光素子２側の検出電圧ｖ_Ｏはｖ_Ｏ＝Ｉ_Ｃ×Ｒ_Ｐで表わされる。ここで、フォトインタラプタ装置の電流伝達係数ｋ＝Ｉ_Ｃ／Ｉ_Ｆを代入すると、検出電圧ｖ_Ｏはｖ_Ｏ＝ｋ×Ｉ_Ｆ×Ｒ_Ｐで表わされる。従って、検出電圧ｖ_ＯもＩ_Ｆの変化に比例して変動する。以上により、Ｖｃｃに相関した駆動電流Ｉ_Ｆの変動に対し、モニタ電圧ｖ_Ｒ及び検出電圧ｖ_Ｏが同様に変化する。比較器３はｖ_Ｒとｖ_Ｏの差分処理を行なう為、変化分が相殺され出力パルスのデューティ比は変動しない。
【００１０】
図２を参照して、上述した出力パルスのデューティ比安定化動作を具体的に説明する。（Ａ）に示す様に、電源電圧Ｖｃｃは実線で示すレベルから点線で示すレベルに上方シフトしたとする。これにより、駆動電流Ｉ_Ｆが増大し、発光素子１の光束量も増加する。従って、受光素子２の受光量も増加し光電流Ｉ_Ｃの上昇をもたらす。この結果（Ｂ）に示す様に、モニタ電圧ｖ_Ｒが実線レベルから点線レベルに上方シフトすると共に、検出電圧ｖ_Ｏも実線レベルから点線レベルに上昇する。この上昇分は略同量である。従って、ｖ_Ｒとｖ_Ｏの差分処理を行なうと、上昇分がキャンセルされ、ｖ_Ｒとｖ_Ｏが交差する反転ポイントは時間的に変動しない。この結果、（Ｃ）に示す様に出力パルスのデューティ比は電源電圧Ｖｃｃの上昇に関わらず実質的に変動しない。電源電圧Ｖｃｃが下方に変化した時も同様に出力パルスのデューティ比は実質的に変動しない。
【００１１】
図３は、本発明にかかるフォトインタラプタ装置の第２実施例を示す回路図である。基本的には、図１に示したフォトインタラプタ装置を２個並列接続した構造となっており、９０°の位相差を有する一対の出力パルスＡ，Ｂを得ている。出力パルスＡを生成するフォトインタラプタは発光素子１Ａ、受光素子２Ａ、比較器３Ａからなる。出力パルスＢを生成する他方のフォトインタラプタは発光素子１Ｂ、受光素子２Ｂ、比較器３Ｂから構成されている。２個の発光素子１Ａ，１Ｂは制限抵抗Ｒ_L に直列接続され、電源電圧Ｖｃｃの供給を受ける。本例では、この制限抵抗Ｒ_L は感温抵抗部Ｒ₁ と非感温抵抗部Ｒ₂ とに分かれている。Ｒ₁ とＲ₂ の接続点からモニタ電圧が取り出され、各々比較器３Ａ，３Ｂの負入力端子に供給されている。受光素子２Ａ，２Ｂは可動スリット４に対し９０°の空間位相差をもって相対的に配置されている。これにより、可動スリット４の移動量のみならず移動方向も検出できる。即ち、出力パルスＡと出力パルスＢの相対的な位相関係を検出する事により可動スリット４の移動方向が分かる。一方の受光素子２Ａを構成するフォトトランジスタのコレクタ端子はＶｃｃの供給を受け、エミッタ端子は負荷抵抗Ｒ_P を介して接地されている。Ｒ_P の一方の端子から検出電圧ｖ_O が取り出され、比較器３Ａの正入力端子に供給される。同様に、受光素子２Ｂを構成するフォトトランジスタのコレクタ端子はＶｃｃの供給を受け、エミッタ端子は負荷抵抗Ｒ_P を介して接地されている。Ｒ_P の一方の端子から検出電圧ｖ_O が取り出され、比較器３Ｂの正入力端子に供給される。これらの負荷抵抗Ｒ_P は可変抵抗から構成されており、場合によっては感温抵抗部を含んでいる。
【００１２】
受光素子２Ａから出力された検出電圧は共通のモニタ電圧を基準として比較器３Ａにより比較処理され、出力パルスＡが得られる。同様に、受光素子２Ｂ側の検出電圧は共通のモニタ電圧を基準として比較器３Ｂにより比較処理され、出力パルスＢが得られる。この際、可変負荷抵抗Ｒ_Ｐの調整により、出力パルスＡ，Ｂのデューティ比は５０％に予め調整されている。さらに、制限抵抗Ｒ_Ｌから取り出されたモニタ電圧を比較基準としているので、図１に示した第１実施例と同様に、電源電圧Ｖｃｃが変動してもデューティ比が安定な出力パルスＡ，Ｂが得られる。
【００１３】
一般に、発光素子と受光素子の対からなるフォトインタラプタは温度特性を持っており、温度変化によっても出力パルスのデューティ比が変動する。一般に、フォトインタラプタの温度特性は図４に示す様に、高温側で光電流が低下する。これに対処する為、制限抵抗Ｒ_Ｌを構成する分圧抵抗Ｒ_１又はＲ_２の一方を感温抵抗にし、その温度係数を適切に設定する事により、図４に示したフォトインタラプタの温度特性をキャンセルする様にしている。例えば、図３の例では、感温抵抗部Ｒ_１の温度係数を正に設定すると、図４に示したフォトインタラプタの温度特性をキャンセルできる。即ち、制限抵抗Ｒ_Ｌに感温抵抗部Ｒ_１を組み込む事により、周囲温度に依存した出力パルスのデューティ比変動を抑制する様にモニタ電圧を調整する。あるいは、負荷抵抗Ｒ_Ｐに感温抵抗部を組み込んでも良く、周囲温度に依存した出力パルスのデューティ比変動を抑制する様に、検出電圧を調整すれば良い。なお、図１及び図３に示した実施例では、透過型の可動スリット４の両側に発光素子と受光素子を対向配置した透過型のフォトインタラプタを構成している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、反射型の可動スリット４を用い、同一面側に発光素子及び受光素子を配置した反射型フォトインタラプタにも適用可能である事は勿論である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、発光素子の駆動電流をモニタした電圧を比較電圧に使用し、受光素子の検出電圧をこの基準電圧に基づき比較処理する事により出力パルスを得ている。かかる構成により、補償用の受光素子や電源安定化用の回路要素等を追加する事なく、フォトインタラプタの電源電圧変動を相殺して、出力パルスのデューティ比安定化を図る事ができる。又、本発明にかかるフォトインタラプタでは従来構成と異なり、電流変換係数の設定に実質的な制約がない為、発光素子と受光素子の間隔調整やフィルタ挿入等を行なう必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるフォトインタラプタ装置の第１実施例を示す回路図である。
【図２】図１に示した第１実施例の動作説明に供する波形図である。
【図３】本発明にかかるフォトインタラプタ装置の第２実施例を示す回路図である。
【図４】フォトインタラプタ装置の温度特性の一例を示すグラフである。
【図５】従来のロータリエンコーダの一例を示す模式図である。
【図６】従来のフォトインタラプタ装置の一例を示す回路図である。
【図７】従来のフォトインタラプタ装置の他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１発光素子
２受光素子
３比較器
４可動スリット
Ｒ_Ｌ制限抵抗
Ｒ_Ｐ負荷抵抗

Claims

制限抵抗を通じて流れる駆動電流に応じて動作し光束を放射する一方の発光素子と、
可動スリットを介して該光束を受光し負荷抵抗を通じて受光量に応じた光電流を出力する一方の受光素子と、
該駆動電流により該制限抵抗に生じた電圧降下に従うモニタ電圧を受け入れる入力端子と、該光電流により該負荷抵抗に生じた電圧降下に従う検出電圧を受け入れる入力端子と、該モニタ電圧を基準にして該検出電圧の比較処理を行ない可動スリットの変位を表わすパルスを生成する出力端子とを備えた一方の比較器とからなる一方のフォトインタラプタと、
該制限抵抗を通じて流れる駆動電流に応じて動作し光束を放射する他方の発光素子と、
可動スリットを介して該光束を受光し負荷抵抗を通じて受光量に応じた光電流を出力する他方の受光素子と、
該駆動電流により該制限抵抗に生じた電圧降下に従うモニタ電圧を受け入れる入力端子と、該光電流により該負荷抵抗に生じた電圧降下に従う検出電圧を受け入れる入力端子と、該モニタ電圧を基準にして該検出電圧の比較処理を行ない可動スリットの変位を表わし且つ該一方の比較器から出力されるパルスと所定の位相差を有するパルスを生成する出力端子とを備えた他方の比較器とからなる他方のフォトインタラプタとを備え、
該一方の発光素子と該他方の発光素子は該制限抵抗に直列接続されており、
該一方の比較器及び該他方の比較器は該制限抵抗に生じた電圧降下に従う共通のモニタ電圧を受け入れる入力端子を各々有し、
前記制限抵抗は感温抵抗部を有しており、周囲温度に依存した該パルスの変動を抑制する様にモニタ電圧を調整することを特徴とするフォトインタラプタ装置。