JP5162902B2

JP5162902B2 - 光電センサの受光ユニットおよび光電センサの投光ユニット

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Publication number: JP5162902B2
Application number: JP2007001546A
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Inventors: 晋水原
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Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2013-03-13
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Description

本発明は、光電センサ、光電センサの受光ユニットおよび光電センサの投光ユニットに関し、特にパルス光を照射することにより対象物の検出を行なう光電センサ、光電センサの受光ユニットおよび光電センサの投光ユニット関する。

光電センサの受光素子として、一般にフォトダイオードなどが使用され、フォトダイオードから出力される信号を取り出す１つの手段として、トランスインピーダンスアンプが使われる。トランスインピーダンスアンプは、反転アンプの２つの入力端子間をフォトダイオードで仮想的にショートさせたもので、反転アンプの負の入力端子にフォトダイオードの出力が直接入力される。このトランスインピーダンスアンプは、ダイナミックレンジが広く無入光時の雑音が非常に小さいので、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ration)の高い信号を取り出すことができる。また、微弱な入光状態からでも直線性のよい信号を取り出すことができる。したがって、トランスインピーダンスアンプは、直流光の検出に用いられる。しかしながら、トランスインピーダンスアンプは、フォトダイオードが有する容量成分などのために無入光状態からの応答特性が悪く、パルス光の検出には適していない（非特許文献１および特許文献１を参照）。

一方、パルス光の検出に対して応答特性を向上させるものとして、図１７に示すように、フォトダイオードに逆方向バイアス電圧を印加した回路（以下、逆バイアス型の回路）が使用される。このような逆バイアス型の回路では、光信号が１μｓ程度の非常に短い時間幅のパルスであっても十分に応答することができる。しかしながら、逆バイアス型の回路は、逆バイアスによるフォトダイオードのショットノイズや、電流・電圧変換素子の熱雑音などのために、無入光時の雑音が比較的大きく、直流光の検出には適していない（非特許文献１および特許文献１を参照）。
特許第３２５４５３２号公報「光センサとその使い方（第２版）」、著者：谷腰欣司、発行者：日刊工業新聞社、発行日（第２版）：２０００年３月２１日

ところで、直流光の検出に通常用いられるトランスインピーダンスアンプをパルス光を検出する光電センサに利用できれば便利である。なぜなら、たとえば、フォトダイオードとトランスインピーダンスアンプとを１チップに搭載した直流光検出用の汎用フォトＩＣが販売されているが、このような直流光検出用の汎用フォトＩＣを利用してパルス光を検出する光電センサを構築できれば、安価でかつ小型の光電センサを提供することができるからである。

それゆえに、本発明の目的は、トランスインピーダンスアンプのような逆バイアス電圧を受光素子に印加せずに受光素子からの電流を電圧に出力する回路を用いて、パルス光を検出することができる光電センサ、光電センサの受光ユニットおよび光電センサの投光ユニットを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光電センサの受光ユニットは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光する受光素子と、受光素子に逆バイアスを印加せずに、受光素子から出力される電流を電圧に変換する変換部と、変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去するハイパスフィルタとを備え、変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

好ましくは、受光素子および変換部は、１チップに集積されている。
好ましくは、光電センサの受光ユニットは、さらに、直流光を直接受光素子に向けて投光する投光素子を備える。

また、本発明は、前述の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、パルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、直流光を直接受光素子に向けて投光する第２の投光素子とを備える。

また、本発明は、前述の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、パルス光を直流光でバイアスした光を検出領域に向けて投光する投光素子を備える。

また、本発明の光電センサは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光する受光素子と、受光素子に逆バイアスを印加せずに、受光素子から出力される電流を電圧に変換する変換部と、変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去するハイパスフィルタと、パルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、直流光を直接受光素子に向けて投光する第２の投光素子とを備え、変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

また、本発明の光電センサは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光する受光素子と、受光素子に逆バイアスを印加せずに、受光素子から出力される電流を電圧に変換する変換部と、変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去するハイパスフィルタと、パルス光を直流光でバイアスした光を検出領域に向けて投光する投光素子とを備え、変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

また、本発明の光電センサの受光ユニットは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、光の赤色成分を抽出する第１の受光素子と、光を受光して、光の緑色成分を抽出する第２の受光素子と、光を受光して、光の青色成分を抽出する第３の受光素子と、第１の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第１の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、第２の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第２の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、第３の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第３の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第３の変換部と、第１の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第１のハイパスフィルタと、第２の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第２のハイパスフィルタと、第３の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第３のハイパスフィルタとを備え、第１の変換部、第２の変換部および第３の変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

好ましくは、第１の変換部、第２の変換部および第３の変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

好ましくは、第１の受光素子、第２の受光素子、第３の受光素子、第１の変換部、第２の変換部および第３の変換部は、１チップに集積されている。

また、本発明の光電センサの投光ユニットは、前述の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、白色のパルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、白色の直流光を直接受光素子に向けて投光する第２の投光素子と備える。

また、本発明の光電センサの投光ユニットは、前述の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、白色のパルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、赤外の直流光を直接受光素子に向けて投光する第２の投光素子とを備える。

また、本発明の光電センサの投光ユニットは、前述の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、パルス光を直流光でバイアスした白色の光を検出領域に向けて投光する投光素子を備える。

また、本発明の光電センサの受光ユニットは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、光の赤色成分を抽出する第１の受光素子と、光を受光して、光の緑色成分を抽出する第２の受光素子と、光を受光して、光の青色成分を抽出する第３の受光素子と、第１の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第１の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、第２の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第２の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、第３の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第３の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第３の変換部と、第１の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第１のハイパスフィルタと、第２の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第２のハイパスフィルタと、第３の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第３のハイパスフィルタと、白色の直流光を直接受光素子に向けて投光する投光素子とを備え、第１の変換部、第２の変換部および第３の変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

また、本発明の光電センサの受光ユニットは、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、光の赤色成分を抽出する第１の受光素子と、光を受光して、光の緑色成分を抽出する第２の受光素子と、光を受光して、光の青色成分を抽出する第３の受光素子と、第１の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第１の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、第２の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第２の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、第３の受光素子に逆バイアスを印加せずに、第３の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第３の変換部と、第１の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第１のハイパスフィルタと、第２の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第２のハイパスフィルタと、第３の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第３のハイパスフィルタと、赤外の直流光を直接受光素子に向けて投光する投光素子とを備え、第１の変換部、第２の変換部および第３の変換部は、トランスインピーダンスアンプである。

本発明によれば、逆バイアス電圧を受光素子に印加せずに受光素子からの電流を電圧に出力する回路を用いて、パルス光を検出することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態は、対象物体検出用のパルス光を出力するＬＥＤ(Light Emitting Diode)に加えて、直流光を出力するＬＥＤを備えた光電センサに関する。

光電センサは、可視光線、赤外線などの光を投光部から信号光として検出対象領域へ向け発射し、検出対象領域に検出対象物が存在する場合、その検出対象物からの反射光を受光部で検出し、検出対象物の特徴量を示す出力信号を得るものである。

また、光電センサの投光部に使用される投光素子は、パルス駆動されることが一般的である。これは、太陽光などの外乱光などの対策の他、たとえば同種の光電センサを複数台並べて使用する場合などにおいて、誤って他の光電センサからの光を検知しないよう、いわゆる相互干渉防止の目的で使用される場合もある。

図１は、本発明の第１の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。
図１を参照して、この光電センサは、投光ユニット１０および受光ユニット５０を備える。

投光ユニット１０は、ＬＥＤ（Ａ）１１、駆動部（Ａ）１２、投光レンズ１５、ＬＥＤ（Ｂ）１３、および駆動部（Ｂ）１４を含む。受光ユニット５０は、受光レンズ５１、汎用フォトＩＣ５７と、ハイパスフィルタ５４、信号処理部５５、および投光制御部５６を含む。

汎用フォトＩＣ５７は、フォトダイオード５２と、トランスインピーダンスアンプ５３とを含む。つまり、フォトダイオード５２とトランスインピーダンスアンプ５３とは１チップに集積されている。

ＬＥＤ（Ａ）１１は、第１の投光素子であって、パルス光を出力する。
駆動部（Ａ）１２は、ＬＥＤ（Ａ）１１を駆動して、パルス光を出力させる。

投光レンズ１５は、ＬＥＤ（Ａ）１１から出力された光を検出領域に向けて照射する。
ＬＥＤ（Ｂ）１３は、第２の投光素子であって、直流光（ＤＣバイアス光）を直接フォトダイオード５７に向けて出力する。

駆動部（Ｂ）１４は、ＬＥＤ（Ｂ）１３を駆動して直流光（ＤＣバイアス光）を出力させる。

受光レンズ５１は、検出領域からの光（ＬＥＤ（Ａ）１１から出力されたパルス光を含む）を集光して、フォトダイオード５２に出力する。

フォトダイオード５２は、受光素子であって、受光レンズ５１から出力される光とＬＥＤ（Ｂ）１３から出力された直流光とが重畳された光を受けて、電気信号に変換する。

トランスインピーダンスアンプ５３は、フォトダイオード５２に逆バイアス電圧を印加せずに、フォトダイオード５２から出力された電流を電圧に変換する。

図２は、汎用フォトＩＣ５７に含まれるフォトダイオード５２と、トランスインピーダンスアンプ５３の構成を表わす図である。

図２を参照して、トランスインピーダンスアンプ５３の反転オペアンプＯＰの２つの入力端子間がフォトダイオード５２で仮想的にショートされ、反転オペアンプＯＰの負の入力端子にフォトダイオードの出力が直接入力される。また、反転オペアンプＯＰの出力端と入力端の間に抵抗ＲＦとコンデンサＣが並列でフィードバック接続されている。

再び、図１を参照して、ハイパスフィルタ５４は、トランスインピーダンスアンプ５３から出力された信号のうちＤＣバイアス成分（低周波成分）、つまり直流光の成分を除去する。

信号処理部５５は、ハイパスフィルタ５４から出力された信号（つまり、パルス光による信号）にしたがって、検出領域に対象物体が存在するか否かを判断する。すなわち、信号処理部５５は、投光制御部５６を通じて投光ユニット１０に対してパルス光の出力を指示し、指示したタイミングの直後において、ハイパスフィルタ５４から出力される信号の大きさが所定の閾値を超える場合に、検出領域に対象物体が存在すると判断する。

投光制御部５６は、信号処理部５５からの指示に従って、投光ユニット１０の駆動部（Ａ）１２に対してパルス光の出力を指示する。

（光電センサの構造）
上述した各機能が、投光ユニット１０と受光ユニット５０が共通のハウジングに収容された投受一体型の光電センサ（つまり、反射回帰型光電センサ）に組み込まれた場合について、その構造を説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態の光電センサの外観斜視図である。
図４は、図３の光電センサの断面図である。

図３および図４を参照して、センサ本体は、ケース２０６の前面に受光用兼および投光用の窓２０３が設けられている。窓２０３は、脱落しないように保護部材２０２によって保持されている。ケース２０６の上面には、表示灯２０５が設けられており、検出結果がわかるようになっている。

投光レンズ１５は投光ユニットのホルダ部材３０１によって支持されている。また、受光レンズ５１は、受光ユニットのホルダ部材３０２によって支持されている。

ＬＥＤ（Ａ）１１は、投光レンズ１５の焦点位置に発光部分が位置するように配置されている。受光レンズ５１の焦点位置には、フォトダイオード５２が配置されている。

また、遮光部材３０３は、ＬＥＤ（Ａ）１１から出力された光が直接フォトダイオード５２に入力されないようにするために設けられる。また、基板３０４には、汎用フォトＩＣ５７、ハイパスフィルタ５４、信号処理部５５および投光制御部５６が実装される。

ＬＥＤ（Ｂ）１３は、出力された光が直接フォトダイオード５２に入力される位置に配置される。

（動作比較）
次に、従来と本発明の第１の実施形態の光電センサを反射型の光電センサとして用いた場合について、その動作を比較する。

図５は、従来の光電センサの動作の概略を説明するための図である。
図５を参照して、ＬＥＤは、周期Ｔ＝１０〜１００μｓ、幅２〜３μｓ、大きさＡのパルス光を出力する、このパルス光は、検出物体で反射されて、大きさがＡ′に減衰する。

フォトダイオードは、ＬＥＤから出力されて検出物体で反射されたパルス光を受光して、電気信号に変換してトランスインピーダンスアンプに送る。

トランスインピーダンスアンプは、ＤＣ成分を有しないパルス光に対しては、応答性が悪いため、フォトダイオードから出力される信号を適切に増幅することができない。

図６は、本発明の第１の実施形態の光電センサの動作の概略を説明するための図である。

図６を参照して、ＬＥＤ（Ａ）は、周期Ｔ＝１０〜１００μｓ、幅２〜３μｓ、大きさＡのパルス光を出力する、このパルス光は、検出物体で反射されて、大きさがＡ′に減衰する。また、ＬＥＤ（Ｂ）は、大きさＢの直流光を出力する。ＬＥＤ（Ａ）から出力されたパルス光とＬＥＤ（Ｂ）から出力された直流光は、異なる経路を通って受光ユニットのフォトダイオードに送られる。

フォトダイオードは、ＬＥＤ（Ａ）から出力されて検出物体で反射されたパルス光と、ＬＥＤ（Ｂ）から出力された直流光とが重畳された光、つまり、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、電気信号に変換してトランスインピーダンスアンプに送る。

トランスインピーダンスアンプは、入力される光がＤＣ成分を有するので、応答性がよく、フォトダイオードから出力される信号を適切に増幅することができる。

その後、ハイパスフィルタは、トランスインピーダンスアンプから出力される信号からＤＣ成分、つまり直流光の成分を除去する。

以上のように、第１の実施形態の光電センサによれば、パルス光と直流光とは同時に受光、増幅した後、ハイパスフィルタによって直流光を除去するので、逆バイアス電圧をフォトダイオードに印加せずにフォトダイオードからの電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いて、パルス光を検出することができる。また、第１の実施形態によれば、直流光を検出するために設計された汎用フォトＩＣを用いて、パルス光を検出できるので、安価で小型の光電センサを提供することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態の投光ユニットを変更したもので、２つのＬＥＤを備える代わりに、パルス光を直流光でバイアスした光を投光する単一のＬＥＤを備える光電センサに関する。

図７は、本発明の第２の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。
図７を参照して、この光電センサが図１の光電センサと相違するのは、投光ユニット２０である。

投光ユニット２０は、ＬＥＤ２１と、駆動部２２と、投光レンズ１５を含む。
ＬＥＤ２１は、パルス光に、直流光がバイアスされた光を出力する。

駆動部２２は、ＬＥＤ２１を駆動する。
投光レンズ１５は、ＬＥＤ２１から出力された光を検出領域に向けて照射する。

（動作）
次に、本発明の第２の実施形態の光電センサを反射型の光電センサとして用いた場合について、その動作を説明する。

図８は、本発明の第２の実施形態の光電センサの動作の概略を説明するための図である。

図８を参照して、ＬＥＤは、周期Ｔ＝１０〜１００μｓ、幅２〜３μｓ、大きさＡのパルス光に、大きさＢの直流光がバイアスされた光を出力する。この光は、検出物体で反射されてパルス成分の大きさがＡ′に減衰し、直流成分の大きさがＢ′に減ずる。つまり、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、パルス光と直流光が同一の経路を通って受光ユニットのフォトダイオードに送られる。

フォトダイオードは、ＬＥＤから出力されて検出物体で反射された光、つまり、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、電気信号に変換してトランスインピーダンスアンプに送る。

その後、ハイパスフィルタは、トランスインピーダンスアンプから出力される信号からＤＣ成分を除去する。

以上のように、第２の実施形態の光電センサによれば、第１の実施形態と同様に、逆バイアス電圧をフォトダイオードに印加せずにフォトダイオードからの電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いて、パルス光を検知することができる。また、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、直流光を受光するために設計された汎用フォトＩＣを用いて、パルス光を検知できるので、安価で小型の光電センサを提供することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、対象物体の色を識別するために、投光ユニット側で白色光を投光し、受光ユニット側で色成分ごとの受光素子を用いて受光した光の色を識別するような光電センサに関する。

図９は、本発明の第３の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。
図９を参照して、この光電センサは、投光ユニット３０および受光ユニット６０を備える。

投光ユニット３０は、ＬＥＤ（Ａ）３１、駆動部（Ａ）１２、投光レンズ１５、ＬＥＤ（Ｂ）３３、および駆動部（Ｂ）１４を含む。

受光ユニット６０は、受光レンズ５１、汎用フォトＩＣ７７、ハイパスフィルタ（Ａ）７３、ハイパスフィルタ（Ｂ）７４、ハイパスフィルタ（Ｃ）７５、信号処理部７６、および投光制御部５６を含む。

汎用フォトＩＣ７７は、赤成分フィルタ６２とフォトダイオード（Ａ）６３からなる第１の受光素子６１、緑成分フィルタ６５とフォトダイオード（Ｂ）６６からなる第２の受光素子６４、青成分フィルタ６８とフォトダイオード（Ｃ）６９からなる第３の受光素子６７、トランスインピーダンスアンプ（Ａ）７０、トランスインピーダンスアンプ（Ｂ）７１、およびトランスインピーダンスアンプ（Ｃ）７２を含む。。つまり、第１の受光素子６１、第２の受光素子６４、第３の受光素子６７、トランスインピーダンスアンプ（Ａ）７０、トランスインピーダンスアンプ（Ｂ）７１、およびトランスインピーダンスアンプ（Ｃ）７２は１チップに集積されている。

ＬＥＤ（Ａ）３１は、第１の投光素子であって、白色（つまり、赤、青、緑成分を含む）のパルス光を出力する。

駆動部（Ａ）１２は、ＬＥＤ（Ａ）３１を駆動してパルス光を出力させる。
投光レンズ１５は、ＬＥＤ（Ａ）３１から出力された光を検出領域に向けて照射する。

ＬＥＤ（Ｂ）３３は、第２の投光素子であって、白色（つまり、赤、青、緑成分を含む）の直流光（ＤＣバイアス光）を直接第１の受光素子６１、第２の受光素子６４、および第３の受光素子６７に向けて出力する。

駆動部（Ｂ）１４は、ＬＥＤ（Ｂ）３３を駆動して直流光（ＤＣバイアス光）を出力させる。

受光レンズ５１は、検出領域からの光（ＬＥＤ（Ａ）３１から出力されたパルス光を含む）を受光して、第１の受光素子６１、第２の受光素子６４および第３の受光素子６７に出力する。

赤成分フィルタ６２は、受光レンズ５１から出力される光とＬＥＤ（Ｂ）３３から出力された直流光とが重畳された光のうち赤成分だけを通過させる。

フォトダイオード（Ａ）６３は、赤成分フィルタ６２から出力される赤成分の光を受光して、電気信号に変換する。

緑成分フィルタ６５は、受光レンズ５１から出力される光とＬＥＤ（Ｂ）３３から出力された直流光とが重畳された光のうち緑成分だけを通過させる。

フォトダイオード（Ｂ）６６は、緑成分フィルタ６５から出力される緑成分の光を受光して、電気信号に変換する。

青成分フィルタ６９は、受光レンズ５１から出力される光とＬＥＤ（Ｂ）３３から出力された直流光とが重畳された光のうち青成分だけを通過させる。

フォトダイオード（Ｃ）６９は、青成分フィルタ６９から出力される青成分の光を受光して、電気信号に変換する。

図１０は、第１の受光素子６１、第２の受光素子６４、および第３の受光素子６７の光の波長に対する相対感度を示す図である。

図１０を参照して、赤成分フィルタ６２を含む第１の受光素子６１の相対感度Ｓ１は、赤い色の光、つまり、６２０ｎｍ〜７８０ｎｍの波長の光で高くなる。緑成分フィルタ６５を含む第２の受光素子６４の相対感度Ｓ２は、緑色の光、つまり、４９０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長の光で高くなる。青成分フィルタ６９を含む第３の受光素子６７の相対感度Ｓ３は、青色の光、つまり、４５０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長の光で高くなる。したがって、第１の受光素子６１によって赤色の光を検出でき、第２の受光素子６４によって緑色の光を検出でき、第３の受光素子６７によって青色の光を検出できる。

再び図９を参照して、トランスインピーダンスアンプ（Ａ）７０は、フォトダイオード（Ａ）６３から出力された信号を増幅する。

トランスインピーダンスアンプ（Ｂ）７１は、フォトダイオード（Ｂ）６６から出力された信号を増幅する。

トランスインピーダンスアンプ（Ｃ）７２は、フォトダイオード（Ｃ）６９から出力された信号を増幅する。

ハイパスフィルタ（Ａ）７３は、トランスインピーダンスアンプ（Ａ）７０から出力された信号のうちＤＣバイアス成分（低周波成分）、つまり直流光の成分を除去する。

ハイパスフィルタ（Ｂ）７４は、トランスインピーダンスアンプ（Ｂ）７１から出力された信号のうちＤＣバイアス成分（低周波成分）、つまり直流光の成分を除去する。

ハイパスフィルタ（Ｃ）７５は、トランスインピーダンスアンプ（Ｃ）７２から出力された信号のうちＤＣバイアス成分（低周波成分）、つまり直流光の成分を除去する。

信号処理部７６は、ハイパスフィルタ（Ａ）７３、ハイパスフィルタ（Ｂ）７４およびハイパスフィルタ（Ｃ）７５から出力された信号にしたがって、検出領域に対象物体があるか否かおよびその色を判断する。すなわち、信号処理部７６は、投光制御部５６を通じて投光ユニット３０に対してパルス光の出力を指示し、指示したタイミングの直後において、ハイパスフィルタ（Ａ）７３、ハイパスフィルタ（Ｂ）７４およびハイパスフィルタ（Ｃ）７５から出力される信号の大きさを調べる。信号処理部７６は、ハイパスフィルタ（Ａ）７３から出力される信号が所定の閾値を超える場合に、検出領域に対象物体が存在すると判断し、対象物体は赤色成分を含むと判断する。また、信号処理部７６は、ハイパスフィルタ（Ｂ）７４から出力される信号が所定の閾値を超える場合に、検出領域に対象物体が存在すると判断し、対象物体は緑色成分を含むと判断する。また、信号処理部７６は、ハイパスフィルタ（Ｃ）７５から出力される信号が所定の閾値を超える場合に、検出領域に対象物体が存在すると判断し、対象物体は青色成分を含むと判断する。

投光制御部５６は、信号処理部からの指示に従って、受光ユニットの駆動部（Ａ）に対してパルス光の出力を指示する。

以上のように、第３の実施形態の光電センサによれば、逆バイアス電圧をフォトダイオードに印加せずにフォトダイオードからの電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出することができる。また、第３の実施形態によれば、ディスプレイの色度補正用に設計された赤、青、緑の３色が検知可能な汎用フォトＩＣを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出できるので、安価で小型の光電センサを提供することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第３の実施形態の投光ユニットを変更したもので、パルス光に直流光がバイアスされた白色光を投光する単一のＬＥＤを備えた光電センサに関する。

図１１は、本発明の第４の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。
図１１を参照して、この光電センサが図９の光電センサと相違するのは、投光ユニット４０である。

投光ユニット４０は、ＬＥＤ４１と、駆動部２２と、投光レンズ１５を含む。
ＬＥＤ４１は、パルス光にの直流光がバイアスされ、かつ白色（つまり、赤、青、緑成分を含む）の光を出力する。

駆動部２２は、ＬＥＤ４１を駆動する。
投光レンズ１５は、ＬＥＤ４１から出力された光を検出領域に向けて照射する。

以上のように、第４の実施形態の光電センサによれば、第３の実施形態と同様に、逆バイアス電圧をフォトダイオードに印加せずにフォトダイオードからの電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出することができる。また、第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、ディスプレイの色度補正用に設計された赤、青、緑の３色が検知可能な汎用フォトＩＣを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出できるので、安価で小型の光電センサを提供することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、第３の実施形態の投光ユニットを変更したもので、白色の直流光を出力するＬＥＤに代えて、赤外の直流光を出力するＬＥＤを備えた光電センサに関する。

図１０に示すように、第１の受光素子、第２の受光素子および第３の受光素子は、いずれも赤外の光（７８０ｎｍ〜１ｍｍの波長の光）に対する相対感度が大きい。したがって、直流光として白色光を与える代わりに、赤外光を与えることによっても、これらの受光素子にバイアス光を与えることができる。

図１２は、本発明の第５の実施形態の光電センサの構造を表わす図である。
図１２を参照して、この光電センサが図９の光電センサと相違するのは、投光ユニット７０である。

投光ユニット７０は、ＬＥＤ（Ａ）３１、駆動部（Ａ）１２、投光レンズ１５、ＬＥＤ（Ｂ）７３、および駆動部（Ｂ）１４を含む。

ＬＥＤ（Ａ）３１は、第３の実施形態と同様に、白色（つまり、赤、青、緑成分を含む）のパルス光を出力する。

駆動部（Ａ）１２は、第３の実施形態と同様に、ＬＥＤ（Ａ）３１を駆動してパルス光を出力させる。

投光レンズ１５は、第３の実施形態と同様に、ＬＥＤ（Ａ）３１から出力された光を検出領域に向けて照射する。

ＬＥＤ（Ｂ）７３は、赤外の直流光（ＤＣバイアス光）を直接第１の受光素子６１、第２の受光素子６４、および第３の受光素子６７に向けて出力する。

駆動部（Ｂ）１４は、ＬＥＤ（Ｂ）７３を駆動して赤外の直流光（ＤＣバイアス光）を出力させる。

以上のように、第５の実施形態の光電センサによれば、第３の実施形態と同様に、逆バイアス電圧をフォトダイオードに印加せずにフォトダイオードからの電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出することができる。また、第５の実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、ディスプレイの色度補正用に設計された赤、青、緑の３色が検知可能な汎用フォトＩＣを用いて、赤成分、青成分および緑成分のパルス光を検出できるので、安価で小型の光電センサを提供することができる。さらに、第５の実施形態によれば、第３の実施形態のような白色の直流光を出力するＬＥＤの代わりに、安価な赤外の直流光を出力するＬＥＤを用いるので、第３の実施形態より安価な光電センサを提供することができる。

（変形例）
本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例を含む。

（１）ＬＥＤ（Ｂ）
本発明の実施形態では、ＬＥＤ（Ｂ）およびそれを駆動する駆動部（Ｂ）を投光ユニット側に設けたが、これに限定するものではなく、受光ユニット側に設けてもよい。たとえば、本発明は、図１の光電センサを変形した図１３の光電センサ、図９の光電センサを変形した図１４の光電センサ、図１２の光電センサを変形した図１５の光電センサであってもよい。

（２）光電センサの構造
本発明の実施形態では、投光ユニットと受光ユニットが共通のハウジングに収容された投受一体型の光電センサを例にして説明したが、これに限定するものではない。本発明の実施形態で説明した構成は、投光ユニットと受光ユニットが別々のハウジングに収容された光電センサに適用することも可能である。

また、本発明の実施形態で説明した構成は、図１３に示すようなファイバ型光電センサに適用することも可能である。

図１６は、ファイバ光電センサの上部カバーを開いた状態における外観斜視図である。
同図に示されるように、光電センサは多連装型のプラスチック製筐体１０１を有する。筐体１０１の前部には、投光用ファイバ２と受光用ファイバ３とが挿入され、クランプレバー１０３の操作によって抜け止め固定される。筐体１０１の後部からは電気コード４が引き出されている。図示の電気コード４は、アース用の芯線１４１と、正電源用の芯線１４２と、検出出力用の芯線１４３と、診断出力用の芯線１４４とを有する。筐体１０１は、制御盤等の取付面に対して、図示しないＤＩＮレールを介して固定される。符号１０４で示されるものはＤＩＮレール嵌合溝である。筐体１０１の上部には、透明な上部カバー１０２が開閉可能に取り付けられている。上部カバー１０２を開いた状態で露出する筐体１０１の上面には、第１の表示器１０５と、第２の表示器１０６と、第１の操作ボタン１０７と、第２の操作ボタン１０８と、第３の操作ボタン１０９と、第１のスライド操作子１１０と、第２のスライド操作子１１１とが設けられている。また、投光用ファイバ２および受光用ファイバ３の先端には、レンズなどを含みファイバに着脱可能なヘッド部１２０が設けられている。また、図示しないが、このファイバ光電センサには、ファイバをクランプし、かつ投光素子および受光素子を内蔵するアンプが備えられている。

今回開示された実施の形態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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。汎用フォトＩＣに含まれるフォトダイオードと、トランスインピーダンスアンプの構成を表わす図である。本発明の第１の実施形態の光電センサの外観斜視図である。図３の光電センサの断面図である。従来の光電センサの動作の概略を説明するための図である。本発明の第１の実施形態の光電センサの動作の概略を説明するための図である。本発明の第２の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。本発明の第２の実施形態の光電センサの動作の概略を説明するための図である。本発明の第３の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。第１の受光素子、第２の受光素子、および第３の受光素子の光の波長に対する相対感度を示す図である。本発明の第４の実施形態の光電センサの構成を表わす図である。本発明の第５の実施形態の光電センサの構造を表わす図である。図１の光電センサの変形例を表わす図である。図９の光電センサの変形例を表わす図である。図１２の光電センサの変形例を表わす図である。ファイバ光電センサの上部カバーを開いた状態における外観斜視図である。逆バイアス型の回路の構成を表わす図である。

符号の説明

２投光用ファイバ、３受光用ファイバ、４電源コード、１０，２０，３０，４０，７０，５１０，５３０，５７０投光ユニット、１１，３１，４１ＬＥＤ（Ａ）、１２駆動部（Ａ）、１３，３３，７３ＬＥＤ（Ｂ）、１４駆動部（Ｂ）、１５投光レンズ、２１ＬＥＤ、２２駆動部、５０，６０，５５０，５６０受光ユニット、５１受光レンズ、５２フォトダイオード、５３トランスインピーダンスアンプ、５４ハイパスフィルタ、５５，７６信号処理部、５６投光制御部、５７，７７汎用フォトＩＣ、６１第１の受光素子、６２赤成分フィルタ、６３フォトダイオード（Ａ）、６４第２の受光素子、６５緑成分フィルタ、６６フォトダイオード（Ｂ）、６７第３の受光素子、６８青成分フィルタ、６９フォトダイオード（Ｃ）、７０トランスインピーダンスアンプ（Ａ）、７１トランスインピーダンスアンプ（Ｂ）、７２トランスインピーダンスアンプ（Ｃ）、７３ハイパスフィルタ（Ａ）、７４ハイパスフィルタ（Ｂ）、７５ハイパスフィルタ（Ｃ）、１０１プラスチック製筐体、１０２上部カバー、１０３クランプレバー、１０４ＤＩＮレール嵌合溝、１０５第１の表示器、１０６第２の表示器、１０７第１の操作ボタン、１０８第２の操作ボタン、１０９第３の操作ボタン、１１０第１のスライド操作子、１１１第２のスライド操作子、１２０ヘッド部、１４１アース用の芯線、１４２正電源用の芯線、１４３検出出力用の芯線、１４４診断出力用の芯線、２０２保護部材、２０３受光窓、２０５表示灯、２０６ケース、３０１投光ユニットのホルダ部材、３０２受光ユニットのホルダ部材、３０３遮光部材、３０４基板、ＰＤフォトダイオード、ＲＦ抵抗、Ｃコンデンサ、ＯＰアンプ、Ｖｃｃ電源。

Claims

各々が、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、前記光の特定の色成分を抽出する複数の受光素子と、
各々が、接続する受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記受光素子から出力される電流を電圧に変換する複数の変換部と、
各々が、接続する変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する複数のハイパスフィルタとを備え、
前記複数の変換部は、トランスインピーダンスアンプである、光電センサの受光ユニット。
前記複数の受光素子は、
検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、前記光の赤色成分を抽出する第１の受光素子と、
前記光を受光して、前記光の緑色成分を抽出する第２の受光素子と、
前記光を受光して、前記光の青色成分を抽出する第３の受光素子とを含み、
前記複数の変換部は、
前記第１の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第１の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、
前記第２の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第２の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、
前記第３の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第３の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第３の変換部とを含み、
前記複数のハイパスフィルタは、
前記第１の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第１のハイパスフィルタと、
前記第２の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第２のハイパスフィルタと、
前記第３の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第３のハイパスフィルタとを含み、
前記第１の変換部、前記第２の変換部および前記第３の変換部は、トランスインピーダ
ンスアンプである、請求項１記載の光電センサの受光ユニット。
前記複数の受光素子、および前記複数の変換部は、１チップに集積されている、請求項１記載の光電センサの受光ユニット。
請求項１に記載の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、
白色のパルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、
白色の直流光を直接前記複数の受光素子に向けて投光する第２の投光素子と備える、光電センサの投光ユニット。
請求項１に記載の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、
白色のパルス光を検出領域に向けて投光する第１の投光素子と、
赤外の直流光を直接前記複数の受光素子に向けて投光する第２の投光素子とを備える、光電センサの投光ユニット。
請求項１に記載の受光ユニットに光を投光する光電センサの投光ユニットであって、
パルス光を直流光でバイアスした白色の光を検出領域に向けて投光する投光素子を備える、光電センサの投光ユニット。
各々が、検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、前記光の特定の色成分を抽出する複数の受光素子と、
各々が、接続する受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記受光素子から出力される電流を電圧に変換する複数の変換部と、
各々が、接続する変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する複数のハイパスフィルタと、
白色の直流光を直接前記複数の受光素子に向けて投光する投光素子とを備え、
前記複数の変換部は、トランスインピーダンスアンプである、光電センサの受光ユニット。
前記複数の受光素子は、
検出領域から入射される、パルス光を直流光でバイアスした光を受光して、前記光の赤色成分を抽出する第１の受光素子と、
前記光を受光して、前記光の緑色成分を抽出する第２の受光素子と、
前記光を受光して、前記光の青色成分を抽出する第３の受光素子とを含み、
前記複数の変換部は、
前記第１の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第１の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、
前記第２の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第２の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、
前記第３の受光素子に逆バイアスを印加せずに、前記第３の受光素子から出力される電流を電圧に変換する第３の変換部とを含み、
前記複数のハイパスフィルタは、
前記第１の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第１のハイパスフィルタと、
前記第２の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第２のハイパスフィルタと、
前記第３の変換部から出力される電圧から直流光の成分を除去する第３のハイパスフィルタとを含み、
前記投光素子は、白色の直流光を直接前記第１の受光素子、前記第２の受光素子、および前記第３の受光素子に向けて投光し、
前記第１の変換部、前記第２の変換部および前記第３の変換部は、トランスインピーダンスアンプである、請求項７記載の光電センサの受光ユニット。