JPH02181329A - 光スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 アクチュエータの変位に応じて受光光の強度が変化する
ことを利用した先スイッチにおいて、光源モニタ用受光
素子を設置し２その出力と信号用受光素子の出力を比較
してスイッチングすることによって、光源の発光量の変
化、温度、電源電圧等の変動にも影響を受けない高精度
な、しかも簡単な回路構成の光スィッチが実現できる。

発明の背景 この発明は、アクチュエータに接触してアクチュエータ
を動かす物体を、スイッチ内部において光学的に検知す
る光スイッチ装置に関する。

従来の光の強度変化を利用したスイッチでは光源の発光
量が不安定であるため高精度なスイッチング動作ができ
ない。また、光源のモニタ用受光素子を設置し１発光量
制御を行なうものもあるが、モニタ用受光素子のバッフ
ァ出力と比較するための安定な基準電位が必要となる。

しかも、信号用受光素子のバッファ出力と比較するスレ
ッシホールド・レベルとしても安定した基準電位を必要
とする。しかし、この安定した基準電位を用いると、コ
ストが高くなり２回路規模も大きくなりローコスト化、
小型化が要求されるスイッチには向いていないという問
題点がある。

以上の点について第７図から第９図を参照して詳述する
。

第７図は光スィッチの基本原理を示している。

光スイッチ装置は、光源と、受光素子と、受光素子の受
光量を変化させることのできるアクチュエータとを有し
ている。アクチュエータの移動量と受光素子の受光量は
１対１に対応している。アクチュエータの移動によって
受光量が変化したときに、あるスレッシホールド参レベ
ルと比較してそれよりも大きいか、小さいかに応じてス
イッチ出力が生成される。

第８図は従来のスイッチ装置の電気的構成例を示してい
る。光源５１は定電流回路５２によって駆動される。光
ｉ１＊５１からの投射光を受光してその強度に応じた出
力信号を発生する信号用受光素子５３の受光信号はバッ
ファ回路（増幅回路、電流／電圧変換回路等）を経て比
較回路５５に与えられる。比較回路５５には基準電位発
生回路５Ｂから出力される基準となるスレッシホールド
中レベルが与えられており、比較回路５５は受光信号を
このスレッシホールド中レベルと比較してその結果を表
わす信号を出力回路５７に与える。出力回路５７は上記
比較結果を適当な形態のスイッチ出力に変換して出力す
る。上述のように、受光素子５３に入射する光量がアク
チュエータの変位によって変化する。この従来の回路は
、光源５１の発光量が温度等の変化によって変動した場
合、スイッチ出力の動作点が変化してしまうという問題
がある。

そこで、光源５１の発光量を温度変化等にかかわらず一
定になるように制御したものが第９図に示されている。

第９図において、モニタ用受光素子５８が設けられ、光
源５１からの投射光の一部がこの受光素子５８に受光さ
れる。モニタ用受光素子５８の出力信号はバッファ回路
５９を経て発光量制御回路６１に与えられる。一方、高
精度基準電位発生回路６０から発生する基準電位も制御
回路８１に与えられる。制御回路６１は、これらの２つ
の入力の比較結果に応じて、光源５１の発光量が常に一
定となるように光源５１を制御する。

信号用受光索子５３の出力信号はバッファ５４を経て比
較回路５５に与えられる。比較回路５５には高精度基準
電位発生回路６２の出力する基準電位（スレッシホール
ド・レベル）が与えられ、比較回路５５は受光素子５３
の出力信号のレベルとスレッシホールド・レベルとを比
較してその結果を出力回路５７に与えるので、出力回路
５７からは適当な形態に変換されたスイッチ出力が出力
される。

しかしながら、第９図の回路では３発生回路Ｇ。

の基準電位がドリフトすると発光量が変わってしまうの
で、高精度なスイッチングには高精度な基準電位が必要
となってくる。高精度な基準電位を発生する回路を用い
ると、コストが高くなり１回路規模も大きくなってしま
い、ローコスト化、小型化が要求されるスイッチには向
いていない。

発明の背景 この発明は比較的簡単な構成でかつ高精度のスイッチン
グが可能な光スイッチ装置を提供することを目的とする
。

この発明による光スイッチ装置は、投射光を出射する光
源、光源からの投射光の一部を受光する信号用受光装置
、光源からの投射光の他の一部を受光するモニタ用受光
素子、アクチュエータの変位にともなって信号用受光装
置に入射する光の強度を変化させる手段、モニタ用受光
素子の出力信号にｇ−ｄいてスレッシホールド参レベル
を発生する回路、および信号用受光装置の出力信号を上
記スレッシホールド・レベルと比較してスイッチ出力を
発生する出力回路を備えていることを特徴とする。

この発明によると、モニタ用受光素子の出力信号に基づ
いてスイッチングの動作点を定めるスレッシホールド・
レベルを作成しているので、スレッシホールド・レベル
は光源の発光量の変化を反映し、光源発光量の変化にか
かわらず常に高精度のスイッチングを期待することがで
きる。また、安定かつ高精度の基準電位発生回路を用意
する必要がないので、比較的安価に提供でき、しかも回
路全体もコンパクトにできる。

とくに信号用受光装置（受光素子）の受光量とモニタ用
受光素子の受光量が等しくなったときにスイッチングさ
せるように動作点を定めた場合。

それぞれの受光素子の出力側に接続されるバッファ回路
（増幅回路、電流／電圧変換回路等）を同一特性とする
ことによって（たとえばゲインを等しくする。デュアル
・パッケージの素子を使う等）、温度変化等に基づくド
リフトをキャンセルでき、きわめて高精度のスイッチン
グ動作が期待できる。

実施例の説明 第１図はこの発明の実施例を示している。

光スイッチ装置のケースｌＯの内部に、光源としての発
光ダイオード（ＬＥＤ）１１．ボール・レンズ１２．１
５．ハーフ・ミラー１３．モニタ用フォトダイオード１
４および信号用フォトダイオード１６が配置されている
。ＬＥＤＩＩはたとえば直径１００μｍの発光径をもつ
もので、ボール・レンズ（たとえば直径５ｍｍ）の焦点
位置に置かれる。ＬＥＤＩＩの出射光はボール・レンズ
１２によってコリメートされる。このコリメート出射光
の一部はハーフ・ミラー１３によって偏向され、モニタ
用フォトダイオード１４に受光される。コリメート出射
光の残りの部分は直進し、ボール・レンズ（たとえば直
径５ｍｍ）によって集光される。この収束光の光スポツ
ト径はＬＥＤＩＩの発光径と同じ１００μｍとなる。収
束光は焦点位置を過ぎると拡散して信号用フォトダイオ
ード１Ｂによって受光される。

上記の投射光の光軸に垂直な平面内において。

光スイッチ装置のケース１０の内部に進退自在に２つの
アクチュエータ２１．２２が設けられている。アクチュ
エータ２１．２２のケース１０外に露出している部分は
蛇腹２５によって囲まれている。また、アクチュエータ
２１．２２はばね２６によって外方に向って付勢され、
かつストッパによってその突出量が規制されている。２
つのアクチュエータ２１．２２は一直線状に配置され、
それらの内端にナイフ・エツジ２１ａ、　２２ａが設け
られている。これらのナイフ・エツジ２１ａ、　２２ａ
は、投射光がボール・レンズ１５によって集光されるそ
の焦点位置に向って進むように配置されている。またナ
イフ拳エツジ２１ａ、　２２ａは光軸方向にわずかにず
れている。

第２図は、投射光のスポット（ＬＥＤＩＩの発光領域の
結像）ＳＰと、このスポット位置を進退するナイフ・エ
ツジ２１ａ、２１ｂと、フォトダイオード１６の受光領
域ｌｅａとの関係を示すものである。

ナイフ・エツジ２１ａまたは２１ｂがスポットＳＰに向
って進むと、投射光が遮光され、フォトダイオード１６
に受光される光量が減少する。ナイフ・エツジ２１ａま
たは２２ｂ（すなわちアクチュエータ２１または２２）
の移動ｆｆ１（押し込み量）に対して。

フォトダイオード１Ｂの出力信号のレベルは第４図に示
すように変化する。フォトダイオード１Ｂの出力信号を
適当な（たとえば中間のレベルの）スレッシホールド・
レベルによって弁別することによってスイッチ出力を得
ることができる。スイッチングの分解能は光スポットＳ
Ｐめ１／　ｔｏｏｏ程度となるため、スイッチ精度は〜
０．１μｍ程度のものが得られる。光源として半導体レ
ーザを用いると、スイッチ精度をさらに高めることがで
きる。

第１図および第２図に示す光スイッチ装置では、２個の
アクチュエータ２１．２２が設けられているので、２方
向から来る移動物体（検知物）に対処できる。４方向に
アクチュエータを設け、これらの内端に第２図に鎖線２
３ａ、　２４ａで示すものを含めてそれぞれナイフ・エ
ツジを設ければ、４方向の検知が可能となる。この場合
にも、すべてのナイフ・エツジ２１ａ〜２４ａを光軸方
向にわずかにずらしておく。さらに、複数の受光素子（
受光装置）を設け、かつ各受光素子を各ナイフ・エツジ
に対応させて配置すれば、どのナイフ・エツジが変位し
たか、すなわち物体がどの方向から到来したかを検知で
きるようになる。さらに第１図に示す光スイッチ装置は
透過型のものであるが２反射型の光スイッチ装置も考え
られうる。たとえば受光素子１６の位置に凹面鏡等の反
射体を設けるとともに、ナイフ・エツジを黒色として光
を吸収するようにし、上記反射体によって反射した光を
信号用受光素子で受光する。

第３図は光スイッチ装置の電気的構成を示している。こ
の図において、ＬＥＤＩＩは定電流回路３１によって駆
動される。信号用フォトダイオード１６およびモニタ用
フォトダイオード１４の出力信号はそれぞれバッファ回
路３２．３３を経て比較回路３４に与えられる。モニタ
用フォトダイオード１４の出力信号はバッファ回路３３
によってそれに応じた適当なレベルに変換され、スレッ
シホールド・レベルとして用いられる。比較回路３４の
比較結果が出力回路３５に与えられ、出力回路３５から
スイッチ出力が発生する。この回路によると、温度、電
源電圧変動１発光効率の変化等によってＬＥＤＩＩの出
力が変動しても、それに応じてスレッシホールド・レベ
ルが変化するので、高精度化を図ることができるととも
に１回路構成の簡素化を図ることができる。また、信号
用受光素子、モニタ用受光素子およびそれぞれのバッフ
ァ回路を同特性にし、信号用受光素子の受光量とモニタ
用受光素子が等しくなったときにスイッチングさせるよ
うにすると、温度、電源電圧等の変動に対してより強い
高精度な光スィッチが実現できる。

第５図はＬ　Ｅ　Ｄ　１１の発光量が変化したことに応
じて信号用受光素子１Ｂの出力信号がＰｌからＰ２に変
化した様子を示している。信号用受光素子１Ｂおよびモ
ニタ用受光索子１４はＬＥＤＩＩの発光量のうちの一定
の割合を受光している（信号用受光素子１６の受光量は
もちろんナイフ・エツジの位置によって変わる）。した
がって、ＬＥＤＩＩの発光量が変化すると信号用受光素
子１Ｇの受光量のみならずモニタ用受光素子１４の受光
量も変化する。モニタ用受光索子１４の受光量の変化に
よって、スレッシホールド・レベルもＬ　からＬ２に変
化する。

したがって、スイッチ動作点は常に一定位置に保たれ、
ＬＥＤＩＩの発光量が変動しても光スイッチ装置は常に
一定位置でオン／オフする。

第６図は光スイッチ装置の構造の他の例を示している。

装置のケース４０内にガイド４４が設けられ、このガイ
ド４４によって移動体４１が移動自在に案内されている
。移動体４１にはアクチュエータ（またはプランジャ）
が取付けられ、検出物体によって変位させられる。移動
体４１の内部にはレンズ４３が取付けられている。ケー
ス４０の２つの内端面にはそれぞれ光源としてのＬＥＤ
ＩＩおよび信号用フォトダイオード１Ｂが設けられてい
る。レンズ４３がこれらのＬＥＤＩＩとフォトダイオー
ド１Ｂとの中間にあるときに、フォトダイオード１６に
は最大光量の光が入射する。移動体４１はこの位置を復
帰点とするようにばね等で付勢されかつストッパで係止
されている。アクチュエータ４２を通して移動体４１が
移動し、レンズ４３が変位するとフォトダイオード１６
に受光される光量が減少する。したがって、フォトダイ
オード１Ｂの出力信号を適当なスレッシホールド・レベ
ルで弁別することにより。

スイッチングが可能となる。上記スレッシホールド・レ
ベルはモニタ用フォトダイオード１４の出力信号のレベ
ルによって決定される。このモニタ用フォトダイオード
１４は、ＬＥＤＩＩの出射光を受光できる位置に固定さ
れている。第６図に示す構造の光スイッチ装置にも第３
図の回路が適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示し、光スイッチ装置の断
面図、第２図はナイフ・エツジの平面図、第３図は光ス
イッチ装置の電気回路を示すブロック図、第４図は信号
用フォトダイオードの出力特性を示すグラフである。 第５図は光源の発光量が変化したときの状態を示すグラ
フである。 第６図は他の実施例を示す断面図である。 第７図は光スィッチの原理を示すグラフである。 第８図および第９図は従来の光スィッチの電気的構成を
それぞれ示すブロック図である。 １１・・・ＬＥＤ。 Ｉ４・・・モニタ用フォトダイオード。 １６・・・信号用フォトダイオード。 ２１、２２．４２・・・アクチュエータ。 ２１ａ。 ２２ａ。 ２３ａ。 ２４ａ・・・ナイフ Φエツジ。 ３２゜ ３３・・・バッファ回路。 ３４・・・比較回路。 ４３・・・レンズ。 以 上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 投射光を出射する光源、 光源からの投射光の一部を受光する信号用受光装置、 光源からの投射光の他の一部を受光するモニタ用受光素
   子、 アクチュエータの変位にともなって信号用受光装置に入
   射する光の強度を変化させる手段、モニタ用受光素子の
   出力信号に基づいてスレッシホールド・レベルを発生す
   る回路、および信号用受光装置の出力信号を上記スレッ
   シホールド・レベルと比較してスイッチ出力を発生する
   出力回路、 を備えた光スイッチ装置。