JP4719071B2 - 検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、検出センサに係り、詳しくは被検出物へ向けて所定周期のパルス光を照射する投光素子を備えた検出センサに関するものである。

従来、投光素子から照射される光を直接受光するモニタ用受光素子を備えた各種装置が知られている（例えば特許文献１など）。また、こうした装置としての検出センサにおいて、投光素子から被検出物へ向けて所定周期のパルス光を照射するとともに、該投光素子から該被検出物へ向けて照射されたパルス光を検出用受光素子にて受光し、前記所定周期ごとの該検出用受光素子の受光量に基づいて、前記被検出物の検出を行うものがある。このような検出センサは、投光素子へ投光電流を供給して前記所定の周期に対応する所定のデューティ比にて該投光素子をパルス駆動するとともに、モニタ用受光素子の受光量が一定レベルとなるように投光電流を調整する。これにより、投光素子の投光量が一定に保たれる。
特開２００５−２８６０６０号公報

ところで、こうした検出センサにおいて、投光素子の投光量の保持に際し、モニタ用受光素子の受光量に対応する電位をアナログ積分しこれに基づき投光電流を調整する回路構成を採用したものが提案されている。この場合、投光素子の投光開始後、該投光素子が立ち上がってその投光量が安定するまでにある程度の時間（例えば数十ｍｓ程度）を要する。このため、被検出物を精度よく検出可能になるまでに長時間を要することになる。

本発明の目的は、投光素子の投光量をより短時間で安定させることができる検出センサを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、被検出物へ向けてパルス光を照射する投光素子と、前記投光素子から前記被検出物へ向けて照射された光を受光する検出用受光素子と、前記投光素子から照射される光を直接受光するモニタ用受光素子と、前記検出用受光素子の受光量に基づいて前記被検出物の検出を行い、その検出結果の出力を行う検出手段と、前記投光素子へ投光電流を供給して所定のデューティ比にて該投光素子をパルス駆動する駆動手段と、前記モニタ用受光素子の受光量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流を調整する調整手段とを備える検出センサにおいて、さらに、記憶手段と、前記調整手段による前記投光電流の調整量を前記記憶手段に記憶させる記憶制御手段とを備え、前記調整手段は、前記駆動開始時に、前記記憶手段に記憶される前記調整量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流を調整し、前記駆動手段は、駆動開始時の所定期間において、前記所定のデューティ比よりも大きなデューティ比で前記投光素子をパルス駆動することを要旨とする。

同構成によれば、前記投光素子は、前記駆動開始時の所定期間において、前記駆動手段により、前記所定のデューティ比よりも大きなデューティ比でパルス駆動されることで、その投光量が安定するまでの立ち上がりの時間を短縮でき、該投光量の早期安定化を図ることができる。
また、同構成によれば、前記駆動開始時には、前記調整手段により、前記記憶手段に記憶される前記調整量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流が調整される。従って、前記投光素子の立ち上がり時の不安定な投光量に関係なく、前記記憶手段に記憶された安定状態での前記調整量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流が調整されるため、前記投光素子の立ち上がりの時間を更に短縮できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の検出センサにおいて、前記駆動手段は、前記駆動開始時の所定期間において、前記パルス駆動における前記投光素子の投光時間を長くすることで、デューティ比を大きくして前記投光素子をパルス駆動することを要旨とする。

一般に、パルス駆動においてデューティ比を大きくするには、パルス周期を短くするか、投光時間を長くするかの手法が考えられる。パルス周期を短くした場合には、パルス駆動におけるオン・オフの切替を短時間で繰り返し行う必要性が生じるため、前記投光素子の各立ち上がりの応答遅れの影響をその回数分だけ顕著に受ける可能性がある。同構成によれば、前記投光素子の投光時間を長くして、デューティ比を大きくすることで、こうした応答遅れの影響を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の検出センサにおいて、前記駆動手段は、前記駆動開始時の所定期間において、当該所定期間連続して前記投光素子へ投光電流を供給することで、前記パルス駆動における前記投光素子の投光時間を長くすることを要旨とする。

同構成によれば、前記駆動開始時の所定期間において、前記パルス駆動における前記投光素子の投光時間は、前記所定期間連続する最長時間とされる。従って、前記投光素子を最短で立ち上げることができる。また、前記駆動開始時の所定期間において、当該所定期間連続して前記投光素子へ投光電流を供給し続ければよいため、前記パルス駆動におけるデューティ比の設定を簡易な回路構成で実現できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出センサにおいて、前記駆動開始時の前記所定期間において、前記検出手段の出力を無効化する無効化手段を備えたことを要旨とする。

同構成によれば、前記駆動開始時の前記所定期間において、前記無効化手段により、前記検出手段の出力が無効化されることで、前記投光素子の立ち上がり時の不安定な投光量に基づく検出動作を回避し、該検出動作の安定化を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出センサにおいて、外部より前記投光素子の投光動作を停止させる投光停止信号が入力される入力手段と、前記投光停止信号の入力が終了したことを検知する検知手段とを備え、前記駆動手段は、電源投入時又は前記検知手段により前記投光停止信号の入力の終了が検知された時を、前記駆動開始時と認識することを要旨とする。

同構成によれば、電源投入時又は前記検知手段により前記投光停止信号の入力の終了が検知された時において、前記投光素子の立ち上がりの時間を短縮できる。

請求項１乃至５に記載の発明では、投光素子の投光量をより短時間で安定させることができる検出センサを提供することができる。

以下、本発明を検出センサとしての光電センサに具体化した一実施形態について図１〜図３に従って説明する。
図１及び図２は、本実施形態の光電センサ１０の電気的構成を示すブロック図及び回路図である。図１に示すように、光電センサ１０は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）からなる投光素子１１を備えた投光回路１２と、例えばフォトダイオードからなる検出用受光素子１３を備えた受光回路１４と、制御回路１５とを備えて構成される。

投光回路１２は、制御回路１５からのパルス信号を受けて、投光素子１１を周期的に発光させるとともに、該投光素子１１は、被検出物Ｗへ向けて所定周期のパルス光を照射する。

検出用受光素子１３は、前記投光素子１１から被検出物Ｗへ向けて照射され該被検出物Ｗで反射された光（パルス光）を受光するとともに、この受光した光を光電変換する。そして、受光回路１４は、検出用受光素子１３で光電変換された電気信号を増幅するとともに、前記所定周期ごとの前記増幅された電気信号、即ち前記検出用受光素子１３の受光量に基づいて前記被検出物Ｗの検出を行い、その検出結果を検出信号として出力する。つまり、受光回路１４は、検出手段を構成する。

なお、制御回路１５には、外部より、光電センサ１０への電源投入時を認識させるための電源投入開始信号が入力されるとともに、前記投光素子１１の投光動作を停止させる投光停止信号が入力される。投光停止信号が入力されその入力の終了を検知する制御回路１５は、入力手段及び検知手段を構成する。また、制御回路１５は、電源投入時又は投光停止信号の入力の終了が検知された時（以下、「駆動開始時」という）の所定期間Ｔにおいて、前記受光回路１４からの出力を無効化する検出無効化信号を該受光回路１４に出力する。この所定期間Ｔは、本実施形態において投光素子１１の投光量が安定化するまでの立ち上がり時間に基づき設定されている。制御回路１５は、無効化手段を構成する。

図２に示すように、所定の電位を有するプラス電源Ｖｃｃには、前記投光素子１１のアノードが接続されるとともに、該投光素子１１のカソードは、ＮＰＮ形のトランジスタ２１のコレクタに接続され、更に該トランジスタ２１のエミッタは、抵抗２２を介して接地されている。なお、前記投光素子１１は、トランジスタ２１のベースに印加される電位に応じて調整される投光電流が供給されることで、該投光電流に応じた投光量で発光する。

また、プラス電源Ｖｃｃには、前記投光素子１１から照射される光を直接受光する、例えばフォトダイオードからなるモニタ用受光素子２３のカソードが接続されるとともに、該投光素子１１のアノードは、抵抗２４を介して接地されている。さらに、モニタ用受光素子２３のカソード（抵抗２４との接続点）は、抵抗２５の一端に接続されるとともに、該抵抗２５の他端は、スイッチ２６を介してオペアンプ２７の反転入力端子（−）に接続される。このスイッチ２６は、前記制御回路１５からのパルス信号に基づいてオン・オフ制御される。

なお、オペアンプ２７の非反転入力端子（＋）は、所定の電位（例えば５Ｖ）Ｖｒを有する直流電源２８のプラス電極に接続されるとともに、該直流電源２８を介して接地される。また、オペアンプ２７の出力端子は、コンデンサ２９を介してオペアンプ２７の反転入力端子（−）に接続されるとともに、スイッチ３０を介して前記トランジスタ２１のベースに接続される。

前記抵抗２５及びコンデンサ２９とともに積分回路を構成するオペアンプ２７は、前記スイッチ２６のオン状態において、前記モニタ用受光素子２３の受光量に応じたそのアノードの電位と前記所定の電位Ｖｒとの電位差を積分した電位に前記所定の電位Ｖｒを加えた電位を、その出力端子の電位（以下、「ＡＰＣ（Auto Power Control）電位Ｖａ」という）として形成する。また、上記オペアンプ２７は、前記スイッチ２６のオフ状態において、ＡＰＣ電位Ｖａを保持する。

ＡＰＣ電位Ｖａは、前記スイッチ３０のオン状態において、トランジスタ２１のベースに印加される。つまり、前記投光素子１１には、ＡＰＣ電位Ｖａに応じた投光電流が供給される。このスイッチ３０は、前記制御回路１５からのパルス信号に基づいてオン・オフ制御されており、前記投光素子１１は、所定のデューティ比（例えば、４％）にてパルス駆動される。投光素子１１から照射されるパルス光の前記所定周期は、上記所定のデューティ比に対応していることはいうまでもない。そして、前記スイッチ２６のオン・オフ制御に係るパルス信号の周期、即ちＡＰＣ電位Ｖａの積分期間は、前記所定周期に合わせて設定されている。

これにより、例えば前記モニタ用受光素子２３のアノードの電位が前記所定の電位Ｖｒに比べて低いとき、即ち該モニタ用受光素子２３の受光量が小さいときには、積分回路を通じてＡＰＣ電位Ｖａが増加されることで、前記投光素子１１へ供給される投光電流がその分、増加される。あるいは、前記モニタ用受光素子２３のアノードの電位が前記所定の電位Ｖｒに比べて高いとき、即ち該モニタ用受光素子２３の受光量が大きいときには、積分回路を通じてＡＰＣ電位Ｖａが低減されることで、前記投光素子１１へ供給される投光電流がその分、低減される。このように、投光素子１１へ供給される投光電流が自動的に調整されることで、前記モニタ用受光素子２３のアノードの電位、即ち該モニタ用受光素子２３の受光量が一定レベルに制御される。つまり、投光回路１２は、駆動手段及び調整手段を構成する。モニタ用受光素子２３の受光量が一定レベルに制御されることで、前記投光素子１１の投光量が一定レベルに制御されることはいうまでもない。

また、本実施形態の制御回路１５は、前述の駆動開始時を起点とする所定の経過時間（例えば８００μｓ）を、駆動開始時の所定期間Ｔとしてその内蔵するタイマ１５ａにて監視するとともに、該所定期間Ｔにおいて、前記スイッチ２６，３０のオン状態を継続し当該所定期間連続して前記投光素子１１へ投光電流を供給する。つまり、駆動開始時の所定期間Ｔにおいては、前記投光素子１１が連続投光されるように投光電流が供給される。この場合、パルス駆動の周期を変更することなく、前記投光素子１１の投光時間を長くすることで、デューティ比を通常のデューティ比（４％）よりも大きなデューティ比（１００％）にしたと実質的に見なすことができる。そして、前記駆動開始時の所定期間Ｔに集中して、ＡＰＣ電位Ｖａが増加されることで、前記投光素子１１へ供給される投光電流の増加が促進され、該投光素子１１の投光量が安定化するまでの立ち上がり時間が短縮される。

さらに、制御回路１５は、駆動開始時の所定期間Ｔを通じて、前記受光回路１４の制御部３１に前記検出無効化信号を出力する。この制御部３１は、検出用受光素子１３で光電変換された電気信号に基づいて、前述の態様で検出信号を出力するもので、検出無効化信号が出力された際には、当該検出信号の出力を無効化する。

図３（ａ）（ｂ）は、それぞれＡＰＣ電位Ｖａ及び投光素子１１の投光量（投光パルス）を示すタイムチャートである。図３（ａ）には、前記所定期間Ｔも含めて、通常のデューティ比（４％）で前記投光素子１１をパルス駆動する場合のＡＰＣ電位Ｖａの推移を、２点鎖線にて併せて図示している。同図に示したように、時刻ｔ０において、前述の電源投入開始信号又は投光停止信号に基づき、電源投入又は投光停止信号の入力の終了が検知されると、該時刻ｔ０を起点とする時刻ｔ１までの前記所定期間Ｔにおいて、前記投光素子１１が連続投光されている。このとき、ＡＰＣ電位Ｖａの増加が促進されることで、前記投光素子１１の投光量が安定化するまでの立ち上がり時間が短縮されていることが確認される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、前記投光素子１１は、前記駆動開始時の所定期間Ｔにおいて、前記所定のデューティ比（４％）よりも大きなデューティ比（１００％）でパルス駆動されることで、その投光量が安定するまでの立ち上がりの時間を短縮でき、該投光量の早期安定化を図ることができる。そして、被検出物Ｗを精度よく検出可能になるまでに要する時間をより短縮することができる。

（２）本実施形態では、前記投光素子１１の投光時間を長くして、デューティ比を通常のデューティ比（４％）よりも大きなデューティ比（１００％）にしたことで、例えばパルス周期を短くする場合のように、パルス駆動におけるオン・オフの切替に伴って受ける投光素子１１の各立ち上がりの応答遅れの影響を全体として抑制することができる。

（３）本実施形態では、前記駆動開始時の所定期間Ｔにおいて、パルス駆動における前記投光素子１１の投光時間は、当該所定期間連続する最長時間とされる。従って、前記投光素子１１を最短で立ち上げることができる。また、前記駆動開始時の所定期間Ｔにおいて、当該所定期間連続して前記投光素子１１へ投光電流を供給し続ければよいため、前記パルス駆動におけるデューティ比の設定を簡易な回路構成で実現できる。

（４）本実施形態では、前記駆動開始時の所定期間Ｔにおいて、前記検出無効化信号により、受光回路１４（制御部３１）の検出信号の出力が無効化されることで、前記投光素子１１の立ち上がり時の不安定な投光量に基づく検出動作を回避し、該検出動作の安定化を図ることができる。

（５）本実施形態では、駆動開始時としての電源投入時又は前記投光停止信号の入力の終了が検知された時において、前記投光素子１１の立ち上がりの時間を短縮できる。
（６）本実施形態では、投光素子１１をパルス駆動することで、該投光素子１１への平均的な供給電流（電力）の大きさに対し、投光素子１１の発光レベルを向上させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態において、投光素子１１へ供給される投光電流の調整量に係るＡＰＣ電位Ｖａを、制御回路１５により適宜の記憶手段（ＲＡＭなど）に記憶させてもよい。この場合、例えば投光素子１１の投光を停止した後、再投光する際に、記憶手段に記憶された安定状態でのＡＰＣ電位Ｖａを設定し、該ＡＰＣ電位Ｖａに基づいて前記投光素子１１へ供給される投光電流を調整することで、該投光素子１１の立ち上がり時の不安定な投光量に関係なく、その立ち上がりの時間を更に短縮できる。この場合、制御回路１５は、記憶制御手段を構成する。

・前記実施形態において、投光素子１１の定格の制約により、該投光素子１１の立ち上がりが完了するまで連続投光させることが困難な場合には、該立ち上がりの完了を待たずに当該連続投光を中止し、その後は通常のデューティ比（４％）にてパルス駆動するようにしてもよい。あるいは、投光素子１１の連続投光を、複数回に分けて行ってもよい。例えば、投光素子１１の立ち上がりが完了するまでに必要な投光時間の総和が８００μｓであるとすると、各４００μｓとなる２回の連続投光によって該投光素子１１を立ち上げてもよい。

・前記実施形態においては、前記投光素子１１を連続投光させることで、実質的にデューティ比を通常のデューティ比（４％）よりも大きなデューティ比（１００％）にしたが、前記投光素子１１の投光時間を長くすることで、デューティ比を通常のデューティ比（４％）よりも大きな適宜のデューティ比にしてもよい。この場合、デューティ比の変更（切替）は、例えばスイッチによる回路の切替などで行ってもよい。

・駆動開始時の所定期間Ｔにおいて、パルス駆動におけるオンタイムを変更することなく、パルス周期を短くすることで、デューティ比を大きくしてもよい。
・受光回路１４の制御部３１及び制御回路１５の機能を一体化した機能を有する単一の回路（制御回路）を採用してもよい。

・スイッチ２６，３０として、リレースイッチや半導体スイッチなどを採用し得る。
・投光素子１１は、ＬＤ（半導体レーザ）であってもよい。

本発明の一実施形態を示すブロック図。 同実施形態を示す回路図。 （ａ）（ｂ）は、ＡＰＣ電位及び投光量を示すタイムチャート。

符号の説明

Ｗ…被検出物、１０…検出センサとしての光電センサ、１１…投光素子、１２…駆動手段及び調整手段を構成する投光回路、１３…検出用受光素子、１４…検出手段及び調整手段を構成する受光回路、１５…駆動手段、調整手段、入力手段、検知手段、無効化手段及び記憶制御手段を構成する制御回路、１５ａ…タイマ、２３…モニタ用受光素子。

Claims (5)

1. 被検出物へ向けてパルス光を照射する投光素子と、
   前記投光素子から前記被検出物へ向けて照射された光を受光する検出用受光素子と、
   前記投光素子から照射される光を直接受光するモニタ用受光素子と、
   前記検出用受光素子の受光量に基づいて前記被検出物の検出を行い、その検出結果の出力を行う検出手段と、
   前記投光素子へ投光電流を供給して所定のデューティ比にて該投光素子をパルス駆動する駆動手段と、
   前記モニタ用受光素子の受光量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流を調整する調整手段とを備える検出センサにおいて、
   さらに、記憶手段と、
   前記調整手段による前記投光電流の調整量を前記記憶手段に記憶させる記憶制御手段とを備え、
   前記調整手段は、前記駆動開始時に、前記記憶手段に記憶される前記調整量に基づいて前記駆動手段から前記投光素子へ供給される投光電流を調整し、
   前記駆動手段は、
   駆動開始時の所定期間において、前記所定のデューティ比よりも大きなデューティ比で前記投光素子をパルス駆動することを特徴とする検出センサ。
2. 請求項１に記載の検出センサにおいて、
   前記駆動手段は、
   前記駆動開始時の所定期間において、前記パルス駆動における前記投光素子の投光時間を長くすることで、デューティ比を大きくして前記投光素子をパルス駆動することを特徴とする検出センサ。
3. 請求項２に記載の検出センサにおいて、
   前記駆動手段は、
   前記駆動開始時の所定期間において、当該所定期間連続して前記投光素子へ投光電流を供給することで、前記パルス駆動における前記投光素子の投光時間を長くすることを特徴とする検出センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出センサにおいて、
   前記駆動開始時の前記所定期間において、前記検出手段の出力を無効化する無効化手段を備えたことを特徴とする検出センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出センサにおいて、
   外部より前記投光素子の投光動作を停止させる投光停止信号が入力される入力手段と、
   前記投光停止信号の入力が終了したことを検知する検知手段とを備え、
   前記駆動手段は、
   電源投入時又は前記検知手段により前記投光停止信号の入力の終了が検知された時を、前記駆動開始時と認識することを特徴とする検出センサ。

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