JPH04347928A - 物体検出センサの感度調整ボリウム - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光電スイッチや近接ス
イッチなどの感度調整ボリウムの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば反射形光電スイッチでは、検出
物体の後方にある非検出物による誤動作を防止したり、
微妙な反射率の差を検出するためには感度調整は不可欠
であり、また透過形光電スイッチにおいても微妙な透過
率を検出しようとすればやはり感度調整が必要である。 そこで従来からもボリウムによってこの感度調整を行っ
てきた。

【０００３】ところで、感度調整ボリウムにおいて解決
すべき課題としては、先ず直線性を良好にしてボリウム
調整作業を容易にすることがある。しかし、光電スイッ
チにおいて投光器から一定レベルの光を放射する場合に
は、投光器から受光器までの距離Ｌと、受光器に達する
光の受光量Ｖとの間には次の指数的な関係がある。 Ｖ＝ＫＬ−２　　　　　　Ｋ：光電スイッチの特性で定
まる係数

【０００４】一方、反射形光電スイッチでは、
投光器から放射された光が任意の距離Ｌに位置する物体
によって反射して受光器に達するが、透過形光電スイッ
チとは異なりＬ＝０のときの受光量Ｖは０に等しく、受
光量が最大になるのはＬ＝０ではなく、特定の距離が必
要である。従って、この距離をａとすると、前式は次の
ようになる。 　　　　　　　　Ｖ＝Ｋ（Ｌ＋ａ）−２　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　……■式何れにしても、受光器に到達する光の受光
量は光電スイッチと検出物体の距離の指数関数として変
化する。図９が一般の反射形光電スイッチの「距離−受
光レベル特性」であり、ａで示した間隔が上述の特定の
距離に相当する。

【０００５】次に、図１０に従来の光電スイッチの受光
回路のブロック図を示すと、１は受光回路、２は増幅回
路、３は感度調整ボリウム、４は増幅回路、５は入力信
号が所定レベルを越えたか否かを判定し、ＯＮ・ＯＦＦ
信号を出力するコンパレータ回路、６は波形整形回路、
７は出力回路である。この回路では感度調整はボリウム
３を受光信号の減衰器として利用しているが、このボリ
ウムは一般的な可変抵抗器であるから特性としては図１
１に表したように回転角θに対する直線的な変化を示す
Ｂ特性である。従って、受光レベルはボリウム３の回転
角に比例するために、ボリウム３の回転角に対する動作
距離の変化は■式の性格をそのまま継承し、指数的に変
化する特性になる。図１２にその特性を示す。

【０００６】一方、コンパレータ回路５には出力時のチ
ャタリングを防止するために、一定の電圧幅でヒステリ
シスを与えるのが一般的である。そして、このヒステリ
シスが光電スイッチの応差（スイッチＯＮのタイミング
とスイッチＯＦＦのタイミングとの距離的なずれ）にな
るが、応差が小さい程微小な光量の変化を確実に捉える
ことができる。特に検出物体までの距離が短い場合には
、応差の大小は光電スイッチの検出精度にそのまま反映
してしまうことになる。さらに、高利得の交流増幅器を
用いるほうが光電スイッチとしての動作距離を長くする
ことができるので、これら両者共に満足できるようにす
ることが最良である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術で
は、先ずボリウムの回転角に対する出力特性は指数関数
的な特性がそのまま現れるので、感度調整が困難であり
、特に図１２における原点に近い側、即ちボリウムの回
転角が小さい部分ではその角度に対する動作距離の変化
が大きく、感度調整には極めて専門的な技術を必要とし
た。これを解消するために固定抵抗を組み合わせること
も試みられているが、根本的な改善には至っていないの
が現状である。

【０００８】一方、応差の改良および高利得の問題につ
いても、従来の技術では致命的な欠陥がある。即ち、高
利得の増幅を行えば受光回路やコンパレータ回路５の前
段の増幅回路において検出信号に重畳されているノイズ
成分まで同等に増幅してしまうので、増幅後のノイズ成
分がコンパレータのヒステリシス電圧に近づくほどチャ
タリングのおそれが大きくなる。このことは、チャタリ
ングを防止するためにコンパレータの動作域にヒステリ
シスを与えたことと矛盾してしまう。従って、応差を小
さくしようとすれば利得を抑えなければならないという
相反する結果となる。

【０００９】このように、光電スイッチの利用者は設置
に際して感度調整を必ず行わなければならないので非常
に煩わしく、たとえ出荷時に説明書などで調整手続きや
グラフを明示していてもその通りの調整ができないこと
もあり、利用者と製造者の間でトラブルが生じる原因と
なるものであった。

【００１０】本発明ではこれら従来の課題を解決しよう
とするもので、感度調整ボリウムの直線性を向上して調
整作業を容易にできると共に、小さい応差で高い利得を
あげることができる光電スイッチなどの感度調整ボリウ
ムを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明では検出信号を増幅し、この増幅信号を
可変抵抗を介して一定の基準電位およびヒステリシスを
有するコンパレータに入力する物体検出センサにおいて
、上記可変抵抗の一方側に上記増幅信号の入力と共に直
流電位を印加するという手段を用いた。

【００１２】

【作用】可変抵抗が感度調整ボリウムとして機能するも
のであるが、これによって検出信号の利得を調整する作
用を行っている。また、一方側に直流電位をさらに印加
するという手段は、増幅信号の電位にさらに予め設定し
た固定的な直流電位を加算することになり、増幅信号の
対距離特性を直線的に補正する作用を行うと共に、増幅
信号に含まれているノイズ成分の比率を抑制するという
作用も行うものである。従って、この直流電位によって
感度調整の直線性および応差の抑制、高利得という機能
が獲得できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付した図面に従
って詳述すると、図１は今回改良した感度調整ボリウム
のブロック図であり、１は受光素子を含む受光回路、２
は増幅回路、３は可変抵抗で構成された感度調整ボリウ
ム、４は増幅回路、５は入力信号が所定レベルを越えた
か否かを判定し、ＯＮ・ＯＦＦ信号を出力するコンパレ
ータ回路、６は波形整形回路、７は出力回路、８は感度
調整ボリウム３における欠陥を是正するための抵抗であ
る。また、これらを回路図として表せば、図２のように
なる。この回路においては、フォトダイオードＰＤと抵
抗Ｒ１によって受光回路１を構成する。また、オペアン
プＩＣ１は抵抗Ｒ２・Ｒ３およびコンデンサＣ２と共に
増幅回路２を構成し、ＶＲは感度調整ボリウム、Ｒ４が
図１に示した抵抗８であり、この抵抗８によって感度調
整ボリウムＶＲに対して直流電位を与えている。ＩＣ２
はコンパレータであり、抵抗Ｒ５・Ｒ６によって基準電
圧であるしきい値が決定され、さらに抵抗Ｒ７によって
コンパレータＩＣ２にヒステリシスを与えており、これ
らによって図１のコンパレータ回路５を構成している。 なお、図１における波形整形回路６、出力回路７は従来
と同様の回路および機能を採用するので、省略しており
、増幅回路４についても単に利得と考えるほうが説明が
容易であるので、同様に省略する。

【００１４】ところで、図２の回路上で、説明のため増
幅回路２から出力された信号レベルをＶａ、感度調整ボ
リウムＶＲに与えられた直流電位をＶｄ、感度調整ボリ
ウムＶＲの摺動端子ＶＲ２　の直流電位をｖｄ、抵抗Ｒ
５・Ｒ６で与えられたコンパレータＩＣ２のしきい値電
位をＶｐ、感度調整ボリウムＶＲの摺動端子ＶＲ２　を
通じてコンパレータＩＣ２に入力される信号レベルをｖ
ａとし、入出力関係を示せば、次のように表現すること
ができる。

【００１５】先ず、コンパレータＩＣ２の入力電位はｖ
ａ＋ｖｄで表すことができ、またこの入力電位がＶｐ以
上になればコンパレータＩＣ２からＯＮ出力がされるの
で、その基準レベルを示すため、 　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｐ＝ｖａ＋ｖｄ　
　とする。　　　　　　　　　　　　　　　　……■式
次に感度調整ボリウムＶＲの回転角をθとし、最大側の
固定端子ＶＲ３　まで回転したときをθ＝１、最小側の
固定端子ＶＲ１　側にある場合をθ＝０とすると、上記
ｖａとｖｄは次の式で示される。 　　　　　　　　　　　　　　　　ｖａ＝Ｖａ×θ　　
　　　　　　　　　　　　　　ｖｄ＝Ｖｄ×θ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　……■式　　従って■式は　　Ｖｐ＝θ（Ｖａ＋Ｖｄ
）　　となり、　　　　　　　　　　　　……■式これ
を変形して　　Ｖａ＝（Ｖｐ−Ｖｄ・θ）／θ　　　　
　　　　　　　　　　　　……■式また受光レベルと動
作距離Ｌとは■式の関係にあるから、 　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖａ＝Ｋ／（Ｌ＋ａ
）２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
……■式で表される。そこで■式と■式によってＬを求
めると、　　　　　　　　　　　　　　　　Ｌ＝Ｋ′｛
θ／（Ｖｐ−Ｖｄ・θ）｝１／２　−ａ　　……■式で
表され、これが本発明回路における感度調整ボリウムの
回転角θと動作距離Ｌの関係式になる。

【００１６】そして、コンパレータＩＣ２がｖａ＝０．
３でＯＮするように定数を設定し、Ｖｐ＝１、ａ＝０．
１５に設定した場合の最大感度（θ＝１）のときを計算
値によって求めると、次のようになる。なお、Ｋ′は比
例係数であるから説明を容易にするためにＫ′＝１とす
る。先ずｖｄを求めると、■式からｖｄ＝０．７となる
。次に■式に各数値を代入すればＶｄ＝０．７が求めら
れる。続いてこれらを■式に代入し、感度調整ボリウム
ＶＲの任意の回転角θに対する距離Ｌを求めれば、表１
の通りになった。さらに、動作距離Ｌ＝１を最大として
グラフで示したものが図３のＡに示した曲線である。

【００１７】一方、本発明回路との比較のために従来の
回路で■式と同様の関係式を求めれば、Ｖｄ＝０である
から、 Ｌ＝Ｋ′（θ／Ｖｐ）１／２　−ａ で示される。これを上述の通りの数値の下に回転角θに
対する動作距離を求めれば、表２の通りであった。また
これを図３に表せば、Ｂに示した曲線になる。

【００１８】ここで本実施例と従来例を比較すると、従
来は感度調整ボリウムの回転角に対して動作距離が指数
的に変化しているのに対して、本実施例ではより直線的
な変化をしている。さらに図４において本発明回路と従
来例とを実際に応用した場合の「回転角θ−動作距離特
性」を示した。このうち、Ｃ曲線が本発明回路における
もの、Ｄ曲線が従来例におけるものである。図４からも
明らかなように、従来の製品では回転角θが小さい部分
では急激に動作距離が変化するので調整が非常に困難で
あるのに対して、本実施例では直線的に動作距離が変化
するので、調整は極めて容易である。

【００１９】続いて第２の解決課題であるコンパレータ
のヒステリシスにおける応差と利得の関係について以下
に説明する。図５にヒステリシスを与えたコンパレータ
の動作特性を示す。図中、波形Ｅはコンパレータの入力
部に与えられた受光信号であり、波形Ｆはコンパレータ
の出力信号である。ここでヒステリシス電圧をＶｈとす
れば、波形Ｅと波形Ｆの関係で示すように、ｖａ＝Ｖｐ
−ｖｄのときにコンパレータはＯＮし、ｖａ＝Ｖｐ−ｖ
ｄ−ＶｈのときにコンパレータはＯＦＦとなる。そして
、ヒステリシス電圧Ｖｈはしきい値電圧Ｖｐに対して一
定であるから、このときの電気的な応差としては、　　
　　　　　　　　　　　　　　応差（％）＝Ｖｈ／ｖａ
×１００　　　　　　　　　　　　　　……■式ここで
、ｖａは■式と■式によって、ｖａ＝Ｖｐ−Ｖｄ・θ　
　となり、これを■式に代入すれば、　　　　　　　　
　　　　　　　　応差（％）＝Ｖｈ／（Ｖｐ−Ｖｄ・θ
）×１００　　…■式で表すことができる。従ってこの
式からも、感度調整ボリウムＶＲがθ＝１で応差が最も
大きく、θ＝０に近づくに従って応差が小さくなるとい
う特性を持っている。 図６にこの特性を示す。

【００２０】ところで、従来の技術ではＶｄ＝０である
から、応差は■式を基礎とすると、 応差（％）＝Ｖｈ／Ｖｐ×１００ になり、感度調整ボリウムＶＲの回転角には関係なく一
定値になる。

【００２１】従って、本発明回路では感度調整ボリウム
の回転角によって応差を変化することができるという特
徴を持っている。即ち、このことから本発明回路では回
転角を小さくして検出距離を短くしてゆくに伴って応差
は小さくなり、検出精度が高くなるのに比べ、従来例で
は検出距離を短くしても精度は全く向上しないという顕
著な違いが生ずることになる。

【００２２】ところで、記述したように実際の回路では
信号レベルＶａには幾分のノイズ成分が重畳している。 図５ではノイズ成分を無視したときのコンパレータＩＣ
２の理想波形を示したが、ノイズ成分が重畳すれば図７
のように信号に一定の幅が生ずることになる。ここで信
号レベルＶａに電圧をＶｎ、ｖａに含まれるノイズ電圧
をｖｎとすると、ノイズを考慮した場合のヒステリシス
電圧はノイズ電圧分だけ小さくなるので、■式は、　　
　　　　応差（％）＝（Ｖｈ−Ｖｎ・θ）／（Ｖｐ−Ｖ
ｄ・θ）×１００　　■式として表される。ここで、Ｖ
ｈ＝０．０２、Ｖｎ＝０．０１４というように最大感度
（θ＝１）におけるノイズ成分をヒステリシス電圧の７
０％に設定すると、■式は、 　　　　　　応差（％）＝（０．０２−０．０１４　・
θ）／（Ｖｐ−Ｖｄ・θ）×１００で示されることにな
る。このときのＶｐ、Ｖｄに適当な値を設定して、感度
調整ボリウムＶＲの回転角に対する応差を求めれば、表
３のようになった。ここでＶｄ＝０の場合は従来例の回
路に相当する。

【００２３】表３からも明らかなように、従来例では回
転角が最大のときには他の場合と同一であるが、回転角
θを絞りこめば逆に応差が大きくなってしまう。従って
、回転角が小さい範囲で従来例を使用すれば検出精度が
低くなるという特性を持っていた。そこで、従来例の応
差を小さくするにはヒステリシス電圧Ｖｈを低くすれば
よいのであるが、Ｖｈがｖｎに近づくほどコンパレータ
出力にチャタリングが生ずる機会が増大することになる
。従って、応差を小さくするためにＶｈを低くするには
、増幅回路の利得を犠牲にして信号レベルＶａに含まれ
るノイズ成分ｖｎの絶対値を小さくするという択一的な
選択が迫られた。本発明回路では、表３にも示したよう
に、回転角θに対する応差の変化が少なく、特にＶｐ＝
１、Ｖｄ＝０．７に設定した場合には応差は２％で一定
するようになった。これは、感度調整ボリウムＶＲの操
作によって検出可能な距離をどのように可変しても検出
精度が一定であることを意味する。図８に従来例と本発
明の「動作距離−応差特性」を示す。

【００２４】なお、本実施例では主に反射形の光電スイ
ッチを前提として説明したが、これに限るものではなく
、検出距離と検出信号レベルに指数関数的な関係がある
検出手段を利用するものであれば、たとえば透過形の光
電スイッチや、近接スイッチでも同等である。また、電
源供給を本実施例の説明とは逆方向の位相にしても、出
力波形の位相が逆転するだけであって、回路自体の機能
および効果には何ら変わるところはない。

【００２５】

【発明の効果】本発明では、従来は可変抵抗のみによっ
て感度調整を行っていたものが、可変抵抗の一方側にさ
らに直流電位を加算するようにしたので、増幅信号の電
位に直流電位を加えたものが可変抵抗の一方側に印加さ
れることになる。従って、指数関数的な特性を有する増
幅信号の低電位の部分では特に直流電位の比率が大きく
なるので補正幅が高くなり、急激な立ち上がりの指数曲
線を補正して、より直線的な特性とすることができた。 そして、これによって本発明では感度調整ボリウムの回
転角と検出距離が直線的な変位をすることから、調整作
業が飛躍的に容易になった。

【００２６】また、ノイズ成分を含んだ増幅信号に対し
て非ノイズ成分である直流電位を加算したので、コンパ
レータに入力される信号は従来と比較して格段とノイズ
成分を抑制することができたので、高利得の増幅を行っ
てもノイズによるチャタリングのおそれを極めて少なく
することが可能となった。さらに加えて、高利得を維持
しながら、回路定数を適当な値に設定することによって
感度調整ボリウムの回転角にかかわらず応差を一定にす
ることができるので、検出距離の長短に影響されずに検
出精度を維持することができるという極めて信頼性の高
い回路を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明回路のブロック図。

【図２】本発明回路の回路図。

【図３】本発明回路と従来例の回転角−距離特性を示す
グラフ。

【図４】本発明回路と従来例の回転角−動作距離特性を
示すグラフ。

【図５】コンパレータの入出力特性を示す波形図。

【図６】本発明回路の回転角−応差特性を示すグラフ。

【図７】コンパレータのノイズ成分を含んだ入出力特性
を示す波形図。

【図８】本発明回路と従来例の動作距離−応差特性を示
すグラフ。

【図９】反射形光電スイッチの距離−受光レベル特性を
示すグラフ。

【図１０】従来例を示すブロック図。

【図１１】感度調整ボリウム自体の回転角−抵抗値特性
を示すグラフ。

【図１２】従来例による感度調整の回転角−動作距離特
性を示すグラフである。

【表１】 本発明の感度調整ボリウムの特定回転角に対する距離を
表わしたもの、

【表２】 従来例の感度調整ボリウムの特定回転角に対する距離を
表わしたもの、

【表３】 感度調整ボリウムの特定回転角に対する応差を表わした
ものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出信号を増幅し、この増幅信号を可変抵
   抗を介して一定の基準電位およびヒステリシスを有する
   コンパレータに入力する物体検出センサにおいて、上記
   可変抵抗の一方側に上記増幅信号の入力と共に直流電位
   を印加したことを特徴とする物体検出センサの感度調整
   ボリウム。