JP6085910B2 - 光電センサおよび光電センサにおける受光量の増幅制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、検出用の光を投光して、その光を直接または当該光の反射光を受光し、得られた受光量に基づき物体を検出する光電センサに関する。特に本発明は、ユーザによる調整操作に応じて受光量の増幅ゲインを可変設定する機能を有する光電センサに関する。

図４は、受光量の増幅ゲインの調整機能を有する光電センサの従来例を示す。
この例の光電センサは、投光素子（ＬＥＤ）２０を含む投光部２と受光素子１０（フォトダイオード）を含むフォトＩＣチップ１Ｔとが１つの筐体内に組み込まれた反射型のセンサである。フォトＩＣチップ１Ｔには、投光制御部１１，Ｉ／Ｖ変換部１２，プリアンプ１３，メインアンプ１５，比較部１６，信号処理部１７，出力部１８などが含まれる。また、このフォトＩＣチップ１Ｔには、可変抵抗器１００およびコンデンサ１１０が外付けされる。図中、Ｉ／Ｖ変換部１２，プリアンプ１３，メインアンプ１５，可変抵抗器１００，コンデンサ１１０が、受光量信号を増幅する増幅処理部を構成し、比較部１６および信号処理部１７が増幅後の受光量信号を用いた検出処理を行う検出処理部を構成する。

投光制御部１１は、信号処理部１７に接続されると共に、端子Ｔ１を介して投光部２に接続される。出力部１８は、端子Ｔ２を介して出力用回路（図示せず。）に接続される。
プリアンプ１３からの出力ラインは、端子Ｔ１１を介して可変抵抗器１００の一方の固定端子ａに接続され、メインアンプ１５への入力ラインは、端子Ｔ１２を介してコンデンサ１１０の一方の電極に接続される。可変抵抗器１００の他方の固定端子ｂは接地され、可動端子ｃはコンデンサ１１０の他方の電極に接続される。

投光部２のＬＥＤ２０は、信号処理部１７から投光制御部１１を介して与えられる駆動パルスを受けて発光する。フォトダイオード１０の光電変換により生じた受光量信号（電流信号）は、Ｉ／Ｖ変換部１２により電圧信号に変換された後にプリアンプ１３により増幅される。プリアンプ１３からの出力は可変抵抗器１００において分圧され、端子ｃ−ｂ間の降下電圧による信号がメインアンプ１５に入って増幅される。
可変抵抗器１００の可動端子ｃは図示しない回動部の回転に応じて端子ａ，ｂ間を移動し、その位置の変化に応じて、端子ａ−ｃ間の抵抗と端子ｃ−ｂ間の抵抗との比率が変動し、これに応じてメインアンプに入る前の受光量信号のレベルが変化する。

可変抵抗器１００の回動部は、ユーザの回転操作によって回転する。この従来例では、回動部の回転範囲では、可動端子ｃを固定端子ｂに最も近づける設定になる方の端縁位置に目盛０が割り当てられ、他端に向かうにつれて「１，２，３・・・」と値が大きくなるように、均等な間隔で目盛が割り当てられている。目盛０に対する回動部の回転量が大きくなるにつれて、可動端子ｃは固定端子ｂから遠ざかり、端子ｃ−ｂ間の抵抗の比率が高められる。この抵抗の変化は、可動端子ｃの変位に対してリニアな変化（端子ｃ−ｂ間の距離にほぼ比例する変化を意味する。）となる。メインアンプ１５に入る信号のレベルも同様の変化を示す。
プリアンプ１３およびメインアンプ１５には一定のゲインが設定されているので、プリアンプ１３に入る信号レベルＶｉｎとメインアンプから出る信号のレベルＶｏｕｔとの比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ（増幅処理部全体としてのゲイン）も、可動端子ｃの移動に対してリニアに変化する。

しかし、可動端子ｃの変位に対して受光量のゲインがリニアに変化する場合、可動端子ｃが移動する間のゲインの変化率は、その移動時の端子ｃの位置によって異なるものになる。たとえば、図５は、回動部の回転範囲が０〜１０の目盛により均等に分割されるものとして、各目盛が示す可動端子ｃの位置と受光量のゲインとの関係をグラフにより表したもので、直線Ａがリニアな変化の例である。
この直線Ａでは、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎの最大値が１．０として正規化されており、可動端子ｃの１目盛分の移動に対して０．１ずつゲインが変化する。したがって、可動端子ｃを最大の目盛り１０に対応する位置から一段階下の目盛９に対応する位置に動かしたときは、ゲインは１．０から０．９に変化し、変化前のゲインに対する変化後のゲインの比率は−１０％となる。一方、可動端子ｃを目盛２に対応する位置から目盛１に対応する位置に動かしたときには、ゲインは０．２から０．１に変化し、変化前のゲインに対する変化後のゲインの比率は−５０％となる。

光電センサの受光量は検出距離が短くなるにつれて大きくなる。検出距離が短く、受光量が強くなる場合には、ゲインを低く抑えるために、固定端子ｂに対する可動端子ｃの移動量を小さくする（つまり、目盛の値が小さな範囲に回動部側の設定目盛を合わせる。）必要があるが、その一方で、検出の精度を確保するためにゲインを細かく調整する必要がある。しかし、図５の直線Ａが示した関係によると、ゲインが低くなるように目盛の値が小さな範囲に回動部側の設定目盛を合わせると、回動部を少し動かしただけでもゲインが大きく変動し、感度の微調整が困難になる。

この問題を解決する方法として、図６に示すように、可変抵抗器１００に補正用の抵抗２００を並列に接続することによって、可動端子ｃの移動に対するゲインの変化を指数関数的な変化に近づけることが提案されている（特許文献１，２を参照）。

実開平６−５４３２２号公報 実開平７−４３００７号公報

図５の曲線Ｂは、可動端子ｃの移動に対してゲインが指数関数的に変化する場合の例を示す。この曲線が示す関係によると、可動端子ｃがどの位置から動いても、１目盛分の移動に対し、移動前の約５０％の比率でゲインが変化する。したがって、ユーザは、回動部の回転量を１目盛分増やすとゲインが２倍になり、回転量を１目盛分減らすとゲインが１／２倍になるという認識の下で、ゲインを調整することができるので、調整の度合いを認識しやすい。しかも、目盛の値が小さな範囲に回動部側の設定目盛が合わせられている間のゲインが低い値に抑えられるので、検出距離が短く、受光量が強くなる場合のゲインの微調整が容易になる。

図６に示した補正用抵抗２００を含む構成の回路によるゲインの変化は指数関数的な変化に近くなるが、完全な指数関数的特性は得られない。感度調整操作の操作量が小さい状態下でのゲインの値はなお高めの値になり、操作に対するゲインの変化率も一定にならないので、ゲインの調整にかかる不便を解消するには不十分である。

本発明は上記の問題点に着目し、感度調整操作の際のゲインがどのような値に設定されていても、その操作に対して安定した比率でゲインを変化させることにより、感度調整を行うユーザの感覚に合った調整を可能にすることを課題とする。

本発明は、投光処理および受光処理に伴い生じた受光量信号を増幅する増幅処理部と、増幅後の受光量信号を用いた検出処理を行う検出処理部とを有する光電センサに適用される。検出方式は反射型、透過型のいずれであってもよい。

本発明による光電センサの増幅処理部には、ユーザの感度調整操作に対してリニアに変化する調整指示信号を入力して、当該信号を感度調整操作に対して指数関数的に変化するゲイン制御信号に変換するゲイン制御部と、このゲイン制御信号に従ったゲインによる増幅処理を行う可変増幅部とが含まれる。
なお、感度調整操作に対する「リニアな変化」や「指数関数的な変化」には、ある程度の誤差が含まれてもよい。

上記において、感度調整操作では、受光量のゲインを現在値より上げるか、または現在値より下げるかを指定すると共に、その上げ幅または下げ幅をどの程度にするかを指定することができる。たとえば、可変抵抗器の回動部を動かす方法により感度調整操作を行う場合には、回動部の回転方向および回転角度によって、上記の各指定が行われる。

上記構成の光電センサによれば、感度調整操作に対して受光量のゲインを指数関数的に変化させることができるので、操作時の受光量やゲインの値に関係なく、操作開始時のゲインを安定した比率で増減させることが可能になる。したがって、ユーザは、受光量を所望のレベルに調整するのに必要な操作の加減を判断しやすくなり、調整を容易に行うことが可能になる。また、検出距離が近いためにゲインが低く抑えられている場合のゲインの微調整も容易になる。

一実施形態による光電センサには、一対の固定端子と、感度調整操作に応じて各固定端子間における位置が変動する可変端子とを有する可変抵抗器がさらに設けられる。この可変抵抗器の各固定端子間には一定の電圧が印加され、各固定端子間の可動端子の位置に基づき分圧された電圧による信号が調整指示信号としてゲイン制御部に入力される。このように一定の電圧を可変抵抗器に印加することによって、可動端子の変位に対してリニアに変化する調整指示信号が生成される。

上記の実施形態において、増幅処理部および検出処理部が１つのＩＣチップ内に配備される場合があるが、その場合には、可変抵抗器の可動端子とゲイン制御部との接続経路にローパスフィルタを設けるのが望ましい。ＩＣチップ内の回路は、チップ本体のシールド機能によってノイズから守られるが、調整指示信号は、可変抵抗器によってＩＣチップの外部で生成されるので、様々なノイズ成分が載る可能性があり、そのノイズを含む調整指示信号がゲイン制御部に入ると、誤ったゲイン制御信号が生成され、感度調整操作を反映しない増幅が行われるおそれがある。ローパスフィルタによりノイズ成分のない調整指示信号が入力されると、ゲイン制御信号の精度を確保することができ、感度調整操作に忠実に従った増幅処理を行うことが可能になる。
なお、上記のＩＣチップは受光素子が組み込まれたフォトＩＣチップであってもよい。

本発明による制御方法は、投光処理および受光処理に伴い生じた受光量信号を可変増幅部が組み込まれた増幅処理部により増幅して、増幅後の受光量信号を用いた検出処理を行う光電センサにおける受光量の増幅処理を制御するもので、ユーザの感度調整操作に対してリニアに変化する調整指示信号を生成するステップと、この調整指示信号を感度調整操作に対して指数関数的に変化するゲイン制御信号に変換するステップと、ゲイン制御信号を可変増幅部に与えて当該信号に従ったゲインによる増幅処理を行わせるステップとを実行する。

上記の方法において、調整指示信号を生成するステップは、光電センサの筐体の内部に限らず、筐体の外部で実行し、生成された調整指示信号を光電センサに入力するようにしてもよい。

本発明によれば、感度調整操作が開始された時点の受光量やゲインの値に関係なく、感度調整操作に対してほぼ一定の比率でゲインを変化させることができるので、ユーザは、受光量を所望のレベルに調整するのに必要な操作の加減を判断しやすくなる。また、検出距離が短くて受光量が強い場合のゲインの微調整も容易になるので、検出の精度を向上することができる。

本発明が適用された反射型の光電センサの構成例を示すブロック図である。 可変抵抗器の可動端子の位置の変化に対する調整指示信号およびゲイン制御信号の変化の特性を個別に示したグラフである。 可変ゲインアンプの概略構成を示すブロック図である。 従来の光電センサの構成例を示すブロック図である。 可変抵抗器の可動端子の位置の変化に対して受光量のゲインがリニアに変化する例と受光量のゲインが指数関数的に変化する例とを示すグラフである。 可変抵抗器に補正用の抵抗が接続された例を示す回路図である。

図１は、本発明が適用された反射型の光電センサの構成例を示す。なお、図１では、図４に示した従来例に対応する構成を図４と同じ符号により示す。
この実施例の光電センサの筐体には、ＬＥＤ２０を含む投光部２とフォトダイオード１０を含むフォトＩＣチップ１とが組み込まれる。

フォトＩＣチップ１には、フォトダイオード１０のほか、投光制御部１１，Ｉ／Ｖ変換部１２，プリアンプ１３，可変ゲインアンプ１４，メインアンプ１５，比較部１６，信号処理部１７，出力部１８が設けられる。投光制御部１１は、信号処理部１７に接続されると共に、端子Ｔ１を介して投光部２０に接続される。出力部１８は、端子Ｔ２を介してＩＣチップ１外の出力用回路（図示せず。）に接続される。
Ｉ／Ｖ変換部１２，プリアンプ１３，可変ゲインアンプ１４，メインアンプ１５は、後述する可変抵抗器１００やローパスフィルタ１０１と共に増幅処理部を構成する。また比較部１６および信号処理部１７によって検出処理部が構成される。

投光部２のＬＥＤ２０は、信号処理部１７から投光制御部１１を介して与えられる駆動パルスによって発光する。フォトダイオード１０での光電変換により生じた受光量信号（電流信号）は、Ｉ／Ｖ変換部１２により電圧信号に変換された後に、プリアンプ１３、可変ゲインアンプ１４、メインアンプ１５による増幅処理を受ける。増幅後の受光量信号は比較部１６において基準電圧と比較される。信号処理部１７は、比較部１６からの信号に応じて物体の有無を示す信号を生成する。この信号は、検出信号として出力部１８から出力される。

フォトＩＣチップ１には、可変抵抗器１００を接続するための端子Ｔ３と、この可変抵抗器１００により生成された調整指示信号を入力するための端子Ｔ４とが設けられている。フォトＩＣチップ１の内部において、端子Ｔ３は所定電圧Ｖｒｅｆに接続され、端子Ｔ４は可変ゲインアンプ１４に接続される。

フォトＩＣチップ１の外部では、端子Ｔ３に可変抵抗器１００の一方の固定端子ａが接続され、端子Ｔ４に、ローパスフィルタ１０１（抵抗１０２やコンデンサ１０３により構成される。）が接続されている。可変抵抗器１００の他方の固定端子ｂは接地され、可動端子ｃはローパスフィルタ１０１の入力端に接続される。

上記の接続により、可変抵抗器１００の各固定端子ａ，ｂの間に電圧Ｖｒｅｆが印加され、この電圧Ｖｒｅｆが、可変抵抗器１００の端子ａ−ｃ間と端子ｃ−ｂ間との抵抗比に応じて分圧され、端子ｃ−ｂ間の降下電圧による信号がローパスフィルタ１０１を介して可変ゲインアンプ１４に入力される。この信号が先に述べた調整指示信号として機能する。可動端子ｃは、可変抵抗器１００の図示しない回動部の回転に応じて端子ａ，ｂ間を移動する。この移動に伴う分圧比の変化により、調整指示信号は、図２（１）に示すように、可動端子ｃの変位に対してリニアに変化する。
なお、図２（１）のグラフでは、横軸の向かって左から右に向かうにつれて、可動端子ｃと固定端子ｂとの距離が大きくなる。また，縦軸では、端子ｃ−ｂ間の距離が最大になったときの調整指示信号（最大値）を１．０として正規化している。

図３に示すように、可変ゲインアンプ１４には、ゲイン制御部１４１とラダー型減衰回路１４２とが含まれる。ゲイン制御部１４１は、可変抵抗器１００により生成された調整指示信号を図２（２）に示すような指数関数的に変化する信号（最大値を１．０として正規化している。）に変換する。変換後の信号は、ゲイン制御信号としてラダー型減衰回路１４２に入力される。

ラダー型減衰回路１４２には、複数の差動アンプ，各差動アンプに対応する数のラダー抵抗による直列回路，インタポレータ，積分器などが含まれる。各差動アンプには、ラダー抵抗の直列回路からそれぞれ異なる比率により減衰された受光量信号が与えられる。各差動アンプからの出力は、インタポレータからの重み付け信号によって重み付けされ、重み付け後の信号が積分器により積分されてメインアンプへと出力される。
インタポレータは、各差動アンプに対する重みづけ信号の強度分布をゲイン制御信号に応じて変化させることにより、ラダー型減衰回路１４２の全体としての減衰率を変動させる。この減衰率は、ゲイン制御信号に従った変化、すなわち可変抵抗器１００の可動端子ｃの変位に対して指数関数的に変化するように設計される。

プリアンプ１３やメインアンプ１５のゲインは一定であるので、プリアンプ１３への入力レベルＶｉｎに対するメインアンプ１５からの出力レベルＶｏｕｔの比率Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ（受光処理部全体に設定されるゲイン）も同様に、可動端子ｃの変位に対して指数関数的に変化する。したがって、感度調整操作時に可動端子ｃがどの位置にあっても、可動端子ｃの移動に応じてほぼ一定の比率でゲインを変化させることができる。

上記の構成において、フォトＩＣチップ１の内部回路は、チップ本体のシールドにより保護されているが、可変抵抗器１００や可動端子ｃから端子Ｔ４までの信号線はフォトＩＣチップ１の外部にあるため、ＤＣ信号である調整指示信号に高周波ノイズが重畳する可能性がある。ノイズが載った調整指示信号がゲイン制御部１４１に入ると、誤ったゲイン制御信号が生成されて、ラダー減衰回路１４２に誤動作が生じるおそれがある。しかし、この実施例では、調整指示信号の入力経路にローパスフィルタ１０１が設けられているので、調整指示信号に重畳されたノイズをフォトＩＣチップ１の外部で除去して、ＤＣ成分のみをゲイン制御部１４１に入力することができる。これにより、ユーザの感度調整操作に忠実に従ったゲイン調整を行うことが可能になる。
なお、ローパスフィルタ１０１の位置はフォトＩＣチップ１の外には限らない。すなわち、可変抵抗器１００の可動端子ｃをフォトＩＣチップ１の端子Ｔ４に接続し、フォトＩＣチップ１内の端子Ｔ４と可変ゲインアンプ１４との間の経路にローパスフィルタを配備してもよい。

なお、上記の実施例の光電センサは反射型であるが、透過型の光電センサにおいても、その受光部に上記実施例と同様のフォトＩＣを、外付けの可変抵抗器１００やローパスフィルタ１１０と共に組み込むことができる。

また上記の実施例では、可変抵抗器１００の固定端子ａ，ｂ間に所定電圧Ｖｒｅｆを印加して、可動端子ｃの位置に基づき分圧された電圧により調整指示信号を生成したが、調整指示信号を生成するための構成は可変抵抗器に限定されるものではない。また、感度調整操作の内容も回転操作に限定されるものではない。
たとえば、光電センサの筐体にゲインを上げることを指示するアップキーとゲインを下げることを指示するダウンキーとを設けると共に、アップキーが操作される都度、一定のレベル分上昇し、ダウンキーが操作される都度、一定のレベル分下降するような信号を生成し、これを調整指示信号として機能させてもよい。

また、光電センサをコンソールなどの設定用機器に接続して、設定用機器において感度調整操作を行い、この操作に対してリニアに変化する調整指示信号を光電センサに伝送して、これを指数関数的に変化するゲイン制御信号に変換し、この信号により光電センサの増幅ゲインを制御するようにしてもよい。また、設定用機器における感度調整操作は、アナログ的操作に限らず、たとえば「（現在値に対して）２倍」というように、ゲインの変化比率を数値により指定する操作であってもよい。

１ フォトＩＣチップ
２ 投光部
１０ フォトダイオード
１２ Ｉ／Ｖ変換部
１３ プリアンプ
１４ 可変ゲインアンプ
１５ メインアンプ
１６ 比較部
１７ 信号処理部
１８ 出力部
１００ 可変抵抗器
１０１ ローパスフィルタ
１４１ ゲイン制御部
１４２ ラダー型減衰回路
ａ，ｂ 固定端子
ｃ 可動端子

Claims (4)

1. 投光処理および受光処理に伴い生じた受光量信号を増幅する増幅処理部と、増幅後の受光量信号を用いた検出処理を行う検出処理部とを有する光電センサにおいて、
   前記増幅処理部には、ユーザの感度調整操作に対してリニアに変化する調整指示信号を入力して、当該調整指示信号を前記感度調整操作の操作量に対して指数関数的に一定の比率で変化するゲイン制御信号に変換するゲイン制御部と、このゲイン制御信号に従ったゲインによる増幅処理を行う可変増幅部とが含まれ、
   前記可変増幅部は、
   複数の差動アンプと、
   前記複数の差動アンプ各々に対する重み付け信号を出力するインタポレータとを含み、
   前記ゲイン制御信号に応じて前記インタポレータが前記重み付け信号の強度分布を変化させることにより、前記感度調整操作の操作量に応じたゲインによる前記増幅処理を行う、光電センサ。
2. 一対の固定端子と、前記感度調整操作に応じて各固定端子間における位置が変動する可動端子を有する可変抵抗器がさらに設けられ、
   前記可変抵抗器の各固定端子間に一定の電圧が印加され、各固定端子間の可動端子の位置に基づき分圧された電圧による信号が前記調整指示信号として前記ゲイン制御部に入力される、請求項１に記載された光電センサ。
3. 前記増幅処理部および検出処理部が１つのＩＣチップ内に配備されると共に、前記可変抵抗器の可動端子とゲイン制御部との接続経路にローパスフィルタが設けられる、請求項２に記載された光電センサ。
4. 投光処理および受光処理に伴い生じた受光量信号を可変増幅部が組み込まれた増幅処理部により増幅して、増幅後の受光量信号を用いた検出処理を行う光電センサにおける受光量の増幅処理を制御する方法であって、
   ユーザの感度調整操作に対してリニアに変化する調整指示信号を生成するステップと、 この調整指示信号を前記感度調整操作の操作量に対して指数関数的に一定の比率で変化するゲイン制御信号に変換するステップと、このゲイン制御信号を前記可変増幅部に与えて当該調整指示信号に従ったゲインによる増幅処理を行わせるステップとを実行し、
   前記可変増幅部は、複数の差動アンプと、前記複数の差動アンプ各々に対する重み付け信号を出力するインタポレータとを含み、
   前記増幅処理を行わせるステップは、前記ゲイン制御信号に応じて前記インタポレータが前記重み付け信号の強度分布を変化させることにより、前記感度調整操作の操作量に応じたゲインによる前記増幅処理を含む、光電センサにおける受光量の増幅制御方法。

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