JPH02294080A - 物体検出用センサ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半透明の物体を光で検知するセンサに関し、
特に，フォトインターラプタ、光電スイッチ及び反射型
光センサに使用され、応用としては複写器用紙、トレー
ス用紙及びＯ　Ｈ　Ｐ　（ＯｖｅｒＨｅａｄ　Ｐｒｏｊ
ｅｃｔｅｒ）用紙の検出に好適する。

（従来の技術） 多くの分野で利用されているフォトインターラプタの発
光素子には、発光ダイオード（以後ＬＥＤと記載する）
が、受光素子としてフォトトランジスタやフォトＩＣが
使用されている．その要部を第９図により説明すると，
非透光性樹脂からなるハウジング５０には，　　ＬＥＤ
５１と受光素子５２を対向して配置できる部ｆｉ５３．
　５３が設置され、その相対向する壁にはスリット５４
を形成してＬＥＤ５１の放射光用光路としている．　　
ＬＥＤ５１と受光素子５２はいわゆるリードフレームに
マウント後，非道光性樹脂層５５によりモールドして図
に示す形状に成形し，リード５７を非透明樹脂層５５外
に導出してアウターリードとして機能させる．従って，
当然であるがハウジング５０外にも導出する。

更に，ユーザ（Ｕｓｅｒ）が使用し易いように，ハウジ
ング５０に処理回路を内蔵し非透光性樹脂層からなる他
のハウジング５７を設置した方式も使用されている（第
１０図参照）．第１１図には、フォトインターラプタの
基本的な回路を示した．即ち、電源ｖｃｃには、ＬＥＤ
ＧＬ、受光素子（ＮＰＮフォトトランジスタ）　ＰＴ及
び抵抗Ｒ３が接続され、ＬＥＤＧＬ夫々に抵抗Ｒ１、受
光素子ＰＴに抵抗ボリュウムＲ２、抵抗Ｒ３に抵抗Ｒ４
が接続されている。ＮＰＮフォトトランジスタＰＴのエ
ミッタはコンパレータ５８の正端子に、コンパレータ５
８の負端子に接続する抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の中間点ｖ４
を基準電位としている．この回路では、ＮＰＮフオトト
ランジスタＰＴのエミッタ出力Ｖ２＞基準電位ｖ４の時
は，ＬＥＤＧＬと受光素子ＰＴ間に試料が存在せず，逆
にＶ２くｖ４の場合がこの試料が配置された状態を示し
，フォトインターラプタとしての機能を果たすことにな
る．ところで、ＬＥＤには光出力、受光素子には感度の
バラツキがあるために順電流ＩＦを加えるとコレクタ電
流Ｉｃは，物によってバラック。

また、赤外線用ＬＩＥＤとフォトトランジスタを使うと
約５倍位のコレクタ電流Ｉｃのバラツキが実在すると考
えれば良い．このため半透明物体を検知するには、順電
流やコレクタ電流をＦｉｌＩ整する手段を付加し，更に
上記のようにコンパレータなどを含む比較回路を後段に
加えていた。従って、第１１図の回路は半透明物体の検
知にも有効であり、上記の■２と■４の関係があるが，
物体の光透過率をα，物体のない時がＶ２＝Ｖ２１、物
体のある時がＶ２＝Ｖ２２とするとＶ２２＝αＶ２１と
なるので、（Ｖ４）／２＞Ｖ２１＞Ｖ４とすルコトモ必
要ニナル。

ところで出願人は、先に特願昭５９−９０４１７号、特
開昭６０　−　２３４３８２号公報名称『受光素子の電
力損失一定化装置』を出願しており５その要旨は、ＬＥ
Ｄに対向して配置する受光素子の受光電流を抵抗により
検出し、この検出された受光電流の変化量に対応して前
記ＬＥＤの発光量を負帰還制御して、受光素子の電力損
失を一定化するものである．このＬＥＤの発光量を負帰
還制御するに当たっては，　　ＬＥＤに電流制御素子を
接続し、更に、検出された受光電流の変化分を増幅し，
この制御素子を制御する増幅器により実施し、更にまた
、増幅器は、一方入力端に基準電圧を供給する演算増幅
器により構成する。

即ち、ＬＥＤの劣化や、ＬＥＤと受光素子間に遮蔽物が
介在して受光素子の入射光量が変化した場合でも自動的
に電力損失が一定に保持され、しかも，人手によるｒＡ
ａを不要としたものである。

具体的な回路図を第１２図により説明するが、第９図と
同じ部品には同一番号を利用する。即ち、ＬＥＤ’５１
として発光ダイオードが，受光素子５２にＮＰＮフオト
トランジスタが、電流制御素子５６としてＮＰＮ　トラ
ンジスタ６０が用いられ、このトランジスタのコレクタ
は抵抗６１を介して接続端子６２に結び，エミッタは接
地する． また、ベースは抵抗６３を経て演算増幅器６４の出力端
に接続し、この演算増幅器の両入力端間には発振防止用
のコンデンサ６６が接続され、非反転入力端は接地され
ている．更に，負荷抵抗ＲＬは、接続端子６２に続され
ている。

なお、ＬＥＤ５　１とフォトトランジスタ５２の距離は
最小４ｎ＋ｍに設定されており、端子６７は電圧モニタ
用に使用される． この回路では受光素子５２に流れる電流を検出し、検出
電流の変化量に応じてＬＥＤ５１の発光量を負帰還制御
している。従って、ＬＥＤ５］が劣化した場合や、ＬＥ
Ｄ５１と受光素子５２の間に塵埃などの遮蔽物が介在し
て入射光景が変化した場合にも自動的に電力損失が一定
に保持される利点がある．また、受光素子５２の電力損
失は負荷抵抗ＲＬとノ１（準屯圧Ｖｒｅｆによって一義
的に決まるために、被試験物としての受光素子５２を取
替える毎に調整が不要になる。

（発明が解決しようとする課題） このようなフォトインターラプタの問題点としては、温
度変化に対して不安な要素を持つことである。第１１図
の回路である温度に抵抗ボリュウムＲ２で設定しても■
２の電位は温度により変化することが、第１３図ａ．ｂ
により明らかであり、これは横軸に周囲温度（℃）を，
縦軸に相対コレクタ電流値を採った曲線図である。

ところで．　Ｖ２１（／）電位は、Ｖ２１＝ＩｃＸ　Ｒ
　２　テ求められ、Ｒ２により調整固定するのでＩｃが
温度により変化することによりＶ２１が変化することに
なり，この温度変化の程度は，組合わせる発光素子と受
光素子の特性によっても変わることは言うまでもない．
また、半透明の物体が挿入された時のＶ２２の電位もま
た、温度により変わる。

一方，Ｖ４は．　　Ｖｃｃ一定なら変化しないので，信
号となるｖ２が不安な要素を持ってコンバレータで処理
されて，誤動作を発生しかねない。

本発明はこのような事情により成されたもので、特に、
温度によるｖ２の電位をより安定にし，より正確な出力
が得られることを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係わる物体検出用センサは、（１）発光素子と
，これに向合って配置され、間挿される物体からの発光
素子放射光の透過光または反射光を受光する第１検出器
と，物体により影響を受けない発光素子放射光を受光す
る第１検出器と同持性の第２検出器に特徴がある。また
、（２）第１検出器と第２検出器により発生した出力信
号による処理回路を付設したり、（３）第２検出器の出
力イｎ号により発光素子の光景をＦ！１！！する回路を
付設し，第１検出器により物体の有無を検出することに
も特徴がある． （作　用） このように本発明に係わる物体検出用センサでは，発光
素子放射光の反射光または反射光を受光する受光素子と
して第１検出器を配置する外に，挿入する物体の影響を
受けず、第１検出器と特性が同じ受光素子を第２検出器
として配置している。

例えば，第１検出器がフォトトランジスタなら第２検出
器もフォトトランジスタ、第１検出器がフォトダイオー
ドなら第２検出器もフォトダイオードを利用する。

この背景には、周囲温度による光電流特性がフォトダイ
オードとフォトトランジスタで差があるためである． 即ち、フォトダイオードでは、２５℃における光電流を
１とした場合、５０℃で１．０５、７５℃で１．０９程
度になるの対して、フォトトランジスタでは７５℃で約
１．４倍になり、これを第２図ａ，ｂに示した．従って
、第２検出器の受光素子をフォトダイオードで，第１検
出器用受光素子にフォトトランジスタを適用した時の光
電流と周囲温度の関係は、第２図Ｃに示すＡ直線、逆に
第１検出器用受光素子をフォトダイオード、第２検出器
の受光素子をフォトトランジスタの組合わせにすると直
線Ｂとなる．このために上記のように同一特性を示す受
光素子を第１検出器と第２検出器に使用する。

（実施例） 本発明の実施例を第１図乃至第８図を参照して説明する
が、第１図に本発明に係わる物体検出用センサの回路を
示し，第３図及び第４図にその要部断面図とスリットの
形状を斜視図により明らか，にした．なお第２図は、作
用欄で説明したので省略する． 従来技術欄の第９図と第１０図にも示したように、フォ
トインターラプタ１は、非造光性樹脂からなるハウジン
グ２にＬＥＤ　３と受光素子４を向合って配置するが、
ハウジング２の相対向面には、第３図にあるようにスリ
ット５をＭ！Ｉ置して光路を形成している。また、いわ
ゆるリードフレームにマウトしたＬＥＤ　３及び受光素
子４を非透光性樹脂６でモールドしてからハウジング２
に配置し，非透光性樹脂６及びハウジング２外にこのリ
ードフレームに形成してあるリード７を導出して他の電
子機器との接続に備える． ところで，本発明に係わる物体検出用センサは、第３図
ａに明らかなようにハウジング２の対向する部ｐＡ８．
８内にＬＥＤ　３と受光素子９即ち第１検出器を配置す
ると共に、他の受光素子４即ち第２検出器を検出用物体
の影響を受けない位置に配置すると共に、ＬＥＤ　３の
放射光を受光する。

この部屋８、８を構成しスリット５が形成された相対向
面の距離は１５＋ａｍ，　　ＬＥＤ　３と受光素子９間
の距離は１７＋ｓ鳳とし，スリットの幅は第３図ｂに明
らかにしたように０．５ｍｍとする。

このような構造を持った物体検出用センサの回路を第１
図に示した．即ち、電圧５．５８Ｖの屯源ＶｃｃはＬＥ
Ｄ　３、受光素子４、９として動作するＮＰＮ型フォト
トランジスタのコレクタ、５１Ｋの抵抗１０及び２Ｋの
抵抗１ｌを夫々接続する。このＬＥＤ　３はオペアンプ
ｌ２に接続し、その正端子はＮＰＮ型フォトトランジス
タ５のエミッタに接続して接続点Ｖ１を形成後，　ＩＯ
ＯＫΩのボリュウム抵抗１３を経て接地する．また、Ｎ
ＰＮ型フォトトランジスタ９のエミッタは抵抗ｌ４を経
て接地するが，このエミッタは接続点ｖ２を形成してか
らコンパレイタｌ５の負端子に結ぶ．また、オペアンプ
１２とコンバレイタ１５の負端子と正端子は接続し，コ
ンパレイタ１５の正端子は、５１Ｋの抵抗ＩＯの接続点
で基準屯圧Ｖｒａｆ電位を示すｖ４とし，更に５１Ｋの
抵抗１６を経て接地する．更に、Ｖｃｃ電源に接続した
２Ｋの抵抗１１はコンパレイタｌ４に接続してＶｏｕｔ
を構成する。

このような回路接続では受光素子４に流れる電流に応じ
てＬＥＤ　３の光景を負帰還制御しているので，受光素
子の電力損失を一定に保持しているのは、先願に示す通
りであるが、本願の動作説明に先立って負帰還制御の概
略を説明する。ところでこの出願では、第１２図に明ら
かなように電流素子を必要としているが、６５ｍＡと電
流容景の大きいオペランプが実用化されている現在では
、電流素子を設置していない第１図の本発明回路によっ
てＬＥＤ　３に負帰還制御が可能である。

即ち、負荷抵抗として機能する１００ＫΩのボリュム抵
抗１３　（これをＲＬと表示する。）はオペアンプ１２
の入力インピーダンスより十分低いために、受光素子４
に流れる電流工は全てボリュウム低抗１３に流れるので
その屯圧Ｖ＝ＩＸＲＬとなる。このオペアンプ１２では
，ｖ１　（負荷抵抗肛の電圧Ｖ）と基市屯圧４の差が増
幅され、オペアンプ１ｌの出力信号によりＬＥＤ　３に
流れる電流が変化し、この電力損失が一定になるように
発光量が制御される。

受光素子５に流れる電流（受光電流）ＩがＩ十Δ工とな
るに伴って発光量を変化させるのには，オペアンプｌ１
の出力電圧を変化させて対応できる。

つまり、発光量はオペアンプ１１の出力電圧に依存する
ことになる。また、受光素子４に流れる電流（受光電流
）Ｉ＋Δ■となった時の各部の条件は次のようになる． 表 受光電流　負荷電圧　演算増幅器の出力電圧　発光量総
ｍ　Ｉ　＋Ａ　Ｉ　Ｖ＋ＡＶ　Ａ（Ｖｒｅｆ−Ｖ−ΔＶ
）　Ｅ＋ΔＥ変化分　　Δ工　　　ΔＶ　　　　　　−
ＡΔＶ　　　　　ΔＥこの表と発光量の関係から発光量
の変化分はΔＥ＝ａＡΔｖとｖ＝ＩｘＲＩからＡＥ＝α
ＡＲＬＸΔ工が得られる。即ち、受光電流がΔＩだけ増
大しようとすると，発光量Ｅは逆に減衰しようとしてＬ
ＥＤ３は受光素子４の変化を押えるように負帰還制御さ
れる。また．受光素子４の電力損失Ｐ＝ＩＸ（Ｖｃｅ−
Ｖ）で現わされるし、オペアンプｌ１の利得Ａが充分に
大きいときは、両入力端子間の電圧は非常に小さく、Ｖ
ｒｅｆ＝Ｖとなり、Ｐ＝ＩＸ（■ｃｃ　−　Ｖｒｅｆ　
）となる， 受光電流工はＶ　＝　Ｉ　ＸＲＬ＝Ｖｒａｆ　　Ｉ　＝
Ｖｒｅｆ／ＲＬとなる．そこで電力損失Ｐ　＝　Ｖｒｅ
ｆ　／　ＲＬ　Ｘ　（Ｖｃｃ　−Ｖｒｅｆ）・・・イが
得られる。

即ち、この式イは，電ｇｖＣＣを固定した供給電源にす
ると，負荷抵抗ＲＬと基準電圧Ｖｒｅｆにより屯力損失
を決定できることになる。

このように，本発明に係わる物体検出センサでは、温度
の影響を受けずにＶ　ｌ　＝Ｖ４になるようにＬＥＤ　
３を自動的に発光させており、その放射光は，回路上で
第２検出器が受光し、更に、第１検出器も受光すること
になる。

このように，本発明の物体検出用センサでは、物体の影
響のない第２検出器即ち受光素子４の電流が一定になる
ように負帰還制御してｖ１の電位を一定に保持している
。

この基準電圧はＶｒｅｆは，オペアンブ１ｌの負端子に
接続したｖ４が受持ち、これは、コンパレイタ１５の正
端子に接続され、５１Ｋの抵抗ｌＯ、１６の中間に配置
されている。

これに加えて、電源νＣＣに接続した第１検出器を構成
するＮＰＮ　トランジスタ４のエミツタ出力は、電源の
変動によって当然その電位も変わるが、他の第２検出器
などもこれにつれて変動することになる。

また，ＩＯＯＫΩのボリュウム抵抗ｌ３のｖＲ整により
物体がない時はＶ２＝Ｖ４となるように設定した。

そこでＶ　４　＝５．５８Ｖ　Ｘ　（５１Ｋ）／（５１
Ｋ　＋５１Ｋ）＝２．７９Ｖとなるので，Ｖｏｕｔ（０
．ＩＶを得た。半透明物体としてトレース用紙（λ＝　
９４０ｎｍにおける光透過率３４％）をＬＥＤ　３と第
１検出ＰＰＩ９の間に挿入したところ、Ｖ　２　＝　１
．３６Ｖ　，　Ｖｏｕｔ＝５．５８Ｖ　トなり、この半
透明物体を検知することができた。

しかも電源Ｖｃｃの電位が変化してもＶｌ．Ｖ４及びｖ
２のそれは下記のように設定されている。

即ち、Ｖ　１　＝Ｖ４　＝（５１Ｋ）／（５１Ｋ＋５１
Ｋ）ＸＶｃｃ＝　１　／　２　Ｖｃｃ Ｖ２（物体無し）：ＶＬ＝Ｖ４、Ｖ２＝Ｖ２１＝１．４
３Ｖ　１いずれも調整段階 Ｖ２　（物体有りＫ中間電位）　４Ｖ／２．７９ＶＶ２
＝αＶ　２１　＝　１．４３αｖ１、Ｖ　２１／　Ｖ　
１　＝　１．４３Ｖ　２２／　Ｖ　ｌ　＝　１．４３α
と一定比従って、ＬＥＤと受光素子間に挿入するのに，
１　／１．４３＝７０％の透過率以下の物体を境にして
温度変化有無に関係なく検出できる。

更に、ｖ４の電位を変えることにより半透明の物体とし
てＯＨＰ用紙（λ＝　９４０ｎｍにおける光透過率約９
０％）も検出可能であるがノイズを防止するためにはコ
ンデンサを設置する必要もある。

このような結果を得るのに、第１図に示した回路を持っ
た物体検出用センサでは、第１検出器９を構成し電源Ｖ
ｃｃに接続したＮｒ’Ｎ　トランジスタ９のエミッタの
電位を受けるｖ２により温度変化及びＶｃｃの変動に対
して調整する役割を果しており，更に基準電位を示すｖ
４との切換えはコンパレイタｌ５によって行われる。ま
た、上記のようにｖ１＝Ｖ４になるようにＬＥＤ　３の
発光量が調整されているが，Ｖｌは一種のモニタとして
の役割を行っている。

次に第４図乃至第７図に示した例について説明するが、
第４乃至６図ａの各回は、夫々の要部を断面図で、第４
乃至６図ｂ　（６図ａの点線内部）が等価回路を示して
いる。この中第４図ａ，ｂは本発明の概念を示したもの
で説明を省略する。また、第５図ａ，ｂは，処理回路１
７を第３図のハウジング２内に付設した例であるが第１
図の回路とほぼ同様である。

第６図ａ，ｂの例は、出力比較用基準電源と発光量一定
用基準電源として各々をオペアンプｌ２の負端子に、オ
ペアンプｌ５の正端子に設置したものであるが、この両
オペアンプに発光１ｋ調整用抵抗ボリュウム１３を設置
しているが、片一方でも良い．更に、第７図ａもほぼ第
１図と同じであるが、第７図ｂは、第６図におけるＮＰ
Ｎ　トランジスタ４、９を交換した例である。

［発明の効果］ 横軸に周囲温度Ｔａ（”Ｃ）を，縦軸に電位（Ｖ）を採
りｖ１とｖ４の比を一定とした第８図に明らかなように
本発明に係わる検出センサでは、ＬＩｊＤ３と受光素子
４間に物体の有無に係わらすｖ２電位と、■１とｖ４の
電位は周囲温度に関係な＜４Ｖと２．８６Ｖと一定して
いるので、半透明体も精度良く検知できる。

更に、電源電位の変動及びｖ２電位の温度変化による変
動も調整されるので検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係わる物体検出用センサの回
路図、第２図ａ．ｂ．ｃは第１及び第２検出器にフォト
トランジスタかフォトダイオードを混在して使用した結
果得られる光市流と周囲温度の関係を示す図，第３図ａ
．ｂはその物体検出用センサの要部の断面図と斜視図、
第４図ａ，ｂ乃至第６図ａ．ｂは、他の実施例の断面図
と等価回路図、第７図ａ．ｂは他の実施例の等価回路図
、第８図は本発明に係わる物体検出用センサの電位と周
囲温度の関係を示す図、第９図ａ，ｂは従来の物体検出
用センサの要部断面図と等価回路図、第ｌＯ図は従来の
コネクタ付きの物体検出用センサの断面図，第１１図は
従来の物体検出用センサの回路図、第１２図は他の従来
の物体検出用の回路図、第１３図は、従来の物体検出用
センサの温度による特性変化を示す曲線図である． １：物体検出用、２：ハウジング、３：ＬＥＤ、４、 ：受光素子、 ５：スリット， ：透光性樹脂、 ７　： リード、 二部屋、 ９、 ｌＯ、 １４． １６：抵抗、 ｌ２：オペアンプ， ｌ５： コンパレイク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と、これに向合って配置され、間挿され
   る物体からの発光素子放射光の透過光または反射光を受
   光する第１検出器と、物体により影響を受けない発光素
   子放射光を受光する第１検出器と同持性の第２検出器を
   具備することを特徴とする物体検出用センサ
2. （２）第１検出器及び第２検出器により発生した出力信
   号による処理回路を付設することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の物体検出用センサ
3. （３）第２検出器の出力信号により発光素子の光量を調
   整する回路を付設し、第１検出器により物体の有無を検
   出することを特徴とする特許請求の範囲第１項および第
   ２項記載の物体検出用センサ