JPH05196500A - 測光装置 - Google Patents

測光装置

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JPH05196500A
JPH05196500A JP4032716A JP3271692A JPH05196500A JP H05196500 A JPH05196500 A JP H05196500A JP 4032716 A JP4032716 A JP 4032716A JP 3271692 A JP3271692 A JP 3271692A JP H05196500 A JPH05196500 A JP H05196500A
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JP
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voltage
output
capacitor
input
photodiode
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JP4032716A
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English (en)
Inventor
Isao Tazawa
勇夫 田澤
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Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Mining Co Ltd
Nikko Kyodo Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 入出力特性の検出範囲を段階的に切換えるこ
とができるようにし、常時広い検出範囲を持つ測光装置
を提供する。 【構成】 フォトダイオードPDと直列に、切換えスイ
ッチSWを介して、容量の異なる4つのコンデンサC1
〜C4を接続し、入射光に比例してフォトダイオードP
Dから出力される電流IP を切換えスイッチSWで選択
された1つのコンデンサに蓄積し、電圧VC に変換す
る。この充電電圧VC をC−MOS型の第1のシュミッ
トインバータ24に入力し、パルス出力電圧を発生させ
る。切換えスイッチSWはマイクロコンピュータ22か
らの制御信号SC によって作動し、所定のコンデンサを
フォトダイオードPDに選択接続し、これによって周波
数決定用の容量値を自動的に切換え、光量−周波数変換
回路30の入出力特性の検出範囲を段階的に切換え設定
できるように構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般的には照度(光量)
−周波数変換方式の電子的測光装置に関し、特に、簡単
な構成で発振回路の入出力特性の検出範囲を切換えるこ
とができるようにした電子的測光装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】周知のように、電子的測光装置にはフォ
トダイオード、フォトトランジスタ等の光検出素子が使
用されているが、例えば、フォトダイオードを使用した
照度(光量)−周波数変換方式の従来の測光装置の一例
を図5に示す。この測光装置は光検出素子であるフォト
ダイオードPDと静電容量型の負荷であるコンデンサC
とアナログスイッチ23とC−MOS型の第1のシュミ
ットインバータ24とで光量−周波数変換回路30を構
成しており、フォトダイオードPDとコンデンサCとは
アナログスイッチ23を介して直列に接続され、入射す
る光の照度又は光量に比例してフォトダイオードPDを
流れる電流IP をアナログスイッチ23を介してコンデ
ンサCに蓄積し、電圧VC に変換する。このコンデンサ
Cに蓄積される電圧VC はC−MOS型の第1のシュミ
ットインバータ24でパルス信号に変換される。第1の
シュミットインバータ24は高レベルのスレッショルド
電圧VTHと低レベルのスレッショルド電圧VTLの2つの
スレッショルド電圧を有し、入力電圧が高レベルのスレ
ッショルド電圧VTHより低いときには高レベルの出力電
圧VH を発生し、また、入力電圧が高レベルのスレッシ
ョルド電圧VTHに達すると出力電圧が高レベルVH から
低レベルVL に切換わり、そして入力電圧が低レベルの
スレッショルド電圧VTLに降下するまで低レベルの出力
電圧VL を保持し、入力電圧が低レベルのスレッショル
ド電圧VTLに降下したときに出力電圧が低レベルVL
ら高レベルVH に切換わるように動作する。従って、フ
ォトダイオードPDに光が入射せず、電流IP が流れな
いときには、即ち、コンデンサCに電荷が蓄積されない
ときには、その出力電圧は高レベルVH であり、また、
コンデンサCの充電電圧VC が高レベルのスレッショル
ド電圧VTHに等しくなると、シュミットインバータ24
の出力電圧は高レベルから低レベルVL に切換わる。さ
らに、コンデンサCの蓄積電荷が放電によりシュミット
インバータ24の低レベルのスレッショルド電圧VTL
まで低下すると、シュミットインバータ24の出力電圧
は低レベルVL から高レベルVH に切換わる。従って、
第1のシュミットインバータ24からはコンデンサCの
充放電に対応した周期のパルス電圧が出力され、かくし
てフォトダイオードPDに入射する光の照度又は光量が
周波数信号に変換されることになる。
【0003】一方、アナログスイッチ23は2つの固定
接点x0 及びx1 と1つの可動接点xを有し、可動接点
xはコンデンサCに接続され、第1の固定接点x0 はフ
ォトダイオードPDに接続され、そして第2の固定接点
1 は放電用抵抗Rに接続されている。また、このアナ
ログスイッチ23の可動接点xは、その制御線24aを
通じて第1のシュミットインバータ24から高レベル出
力電圧VH が印加されたときには、第1の固定接点x0
と接続され、逆に低レベル出力電圧VL が印加されたと
きには、可動接点xは第2の固定接点x1 と接続される
ように構成されている。
【0004】上記構成において、フォトダイオードPD
に電流が流れず、従ってコンデンサCに電荷が蓄積され
ない初期状態においては、第1のシュミットインバータ
24の出力は高レベルVH にあるから、アナログスイッ
チ23の可動接点xは第1の固定接点x0 と接続されて
いる。光量の測定が開始されると、フォトダイオードP
Dに電流IP が流れ、コンデンサCは充電される。コン
デンサCの充電電圧VC が第1のシュミットインバータ
24の高レベルのスレッショルド電圧VTHに達すると、
このシュミットインバータ24の出力電圧は高レベルV
H から低レベルVL に切換わる。これによってアナログ
スイッチ23の可動接点xは第2の固定接点x1 側に切
換わり、コンデンサCの充電電圧VC は抵抗Rを介して
放電される。放電によってコンデンサCの充電電圧VC
が第1のシュミットインバータ24の低レベルスレッシ
ョルド電圧VTLにまで降下すると、このシュミットイン
バータ24の出力電圧は低レベルVL から高レベルVH
に切換わる。これによってアナログスイッチ23の可動
接点xが再び第1の固定接点x0 と接続され、コンデン
サCに充電電流が流れる。以下、同様の動作が繰り返さ
れる結果、第1のシュミットインバータ24の出力電
圧、即ち、光量−周波数変換回路30からの出力電圧V
1 は、図6に示すように、コンデンサCの充放電周期に
対応する周波数のパルス波形となる。
【0005】この第1のシュミットインバータ24の出
力電圧V1 は、本例では、第1のシュミットインバータ
24と同じC−MOS型の第2のシュミットインバータ
25に供給される。この第2のシュミットインバータ2
5も高レベルのスレッショルド電圧VTHと低レベルのス
レッショルド電圧VTLの2つのスレッショルド電圧を有
し、同様に動作する。即ち、第1のシュミットインバー
タ24から高レベルの電圧信号VH が入力されていると
きには低レベルの電圧出力VL を発生し、低レベルの電
圧信号VL が入力されているときには高レベルの電圧出
力VH を発生する。従って、第2のシュミットインバー
タ25からは第1のシュミットインバータ24のパルス
波形を反転した同じ周波数F0 の出力電圧が発生され、
演算計測部であるマイクロコンピュータ22に供給され
る。
【0006】マイクロコンピュータ22は光量−周波数
変換回路30から第2のシュミットインバータ25を通
じて入力される周波数信号F0 のパルス数を計数するカ
ウンタ部22aと、フォトダイオードPD及び変換回路
の入出力特性の演算処理プログラムを記憶しているRO
M(リード・オンリー・メモリ)を含む記憶部22b
と、カウンタ部22aで計数された一定時間内のパルス
数から、記憶部22bのプログラムに従ってフォトダイ
オードPDの出力電流の大きさを検出し、照度又は光量
を算出する演算処理部22cとから構成されており、か
くして、フォトダイオードPDに入射する光の照度又は
光量を求めることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の測光装置においては、光量−周波数変換回路(発振
回路)30の入出力特性、即ち、フォトダイオードPD
の出力電流IP と発振周波数F0 の関係は発振回路を構
成する素子によって定まり、固定である。従って、測定
できる光量(照度)の検出範囲はこの入出力特性曲線で
決まってしまう。例えば、全く制約条件がないときの入
出力特性は図7に示すようになり、フォトダイオードP
Dの出力電流IP が0.01〜1000μAの変化に対
して発振周波数F0 は100Hz〜10MHzまで変化
する。即ち、50dB(倍)の検出領域を持つことにな
る。しかしながら、実際には多くの制約条件があり、例
えばマイクロコンピュータ22の内蔵カウンタ(カウン
タ部22a)或は汎用カウンタの性能により発振周波数
0 の上限が400KHzであり、また、変調光システ
ムによる発振周波数F0 の下限が1KHzであるとする
と、実際には25dBの検出範囲しか持たないことにな
る。これでは測定範囲が狭く、微少な光量から大きな光
量までの広い範囲の光量測定が1つの測光装置では行な
えないという重大な欠点がある。
【0008】従って、本発明の目的は、簡単な構成で発
振回路の入出力特性の検出範囲を段階的に切換えること
ができるようにし、制約条件があっても広い範囲にわた
って光量を検出することができるようにした高信頼性、
小型の測光装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は本発明に係る
測光装置によって達成される。要約すれば、本発明は、
受光量に応じて出力電流が変化する光検出素子と、該光
検出素子からの出力電流を容量の異なる複数の静電容量
型の負荷の1つに供給する第1のスイッチ手段と、該第
1のスイッチ手段により選択された1つの負荷に充電さ
れた充電電圧と予め設定された基準電圧とを比較し、充
電電圧が基準電圧に達したとき毎に出力信号レベルを変
化させる電圧検出手段と、該電圧検出手段からの出力信
号レベルの変化によって前記充電された負荷の放電路を
形成する第2のスイッチ手段とを具備することを特徴と
する測光装置である。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照して詳細に説明する。
【0011】図1は本発明による測光装置の一実施例を
示す回路構成図である。本実施例の測光装置では光検出
素子としてフォトダイオードPDを使用し、このフォト
ダイオードPDと直列に、切換えスイッチSWを介し
て、容量の異なる複数の静電容量型の負荷、本実施例で
はコンデンサC1〜C4、を接続し、入射する光の照度
又は光量に比例してフォトダイオードPDから出力され
る電流IP を切換えスイッチSWで選択された1つのコ
ンデンサに蓄積し、電圧VC に変換する。このコンデン
サに蓄積された電圧VC は、例えばC−MOS型の第1
のシュミットインバータ24に入力される。なお、シュ
ミットインバータ24の機能、動作態様等は上述した通
りであるので、ここでは省略する。
【0012】また、本実施例ではアナログスイッチの代
わりにダイオードD1を使用し、このダイオードD1
を、第1のシュミットインバータ24の出力と入力間に
フォトダイオードPDとは逆極性で、抵抗R1を介して
接続し、照度(光量)−周波数変換回路30を構成して
いる。
【0013】ここで、アナログスイッチの代わりにダイ
オードD1を使用したのは、アナログスイッチの使用に
よって光量−周波数変換の特性が不安定となり、光量計
測における誤差が大きくなり、信頼性に欠けるという欠
点を除去するためである。即ち、上記図5においてアナ
ログスイッチ23の可動接点xが固定接点x1 側に接続
されている場合、即ち、コンデンサCの放電時に、フォ
トダイオードPDから出力されている電流はその接合容
量Cj やアナログスイッチ23の固定接点x0の端子容
量Ci を充電しているため、可動接点xが固定接点x0
側に切換わったときに、これら容量Cj 及びCi に蓄積
された電荷がコンデンサCに放電される。このため、充
電開始時にはコンデンサCの電圧がVTLから若干高い電
圧に上昇しており、コンデンサCの充電はこの上昇した
電圧から始まって高レベルのスレッショルド電圧VTH
なるまでの時間行なわれることになる。従って、充電に
要する時間が短くなる。その結果、照度(光量)−周波
数変換の特性が不安定となり、光量計測における誤差が
大きくなり、信頼性に欠けるという欠点が生じるのであ
る。
【0014】図1に示す本実施例の構成において、フォ
トダイオードPDに電流が流れず、従って、切換えスイ
ッチSWで選択されたコンデンサ、例えばコンデンサC
1、に電荷が蓄積されない初期状態においては、第1の
シュミットインバータ24の出力電圧は高レベルVH
あるから、ダイオードD1は逆方向にバイアスされ、ス
イッチオフと同じ機能をなす。それ故、抵抗R1には電
流が流れず、コンデンサC1は充電可能状態にある。光
量の測定が開始されると、フォトダイオードPDに電流
P が流れ、コンデンサC1は充電される。このコンデ
ンサC1の充電電圧VC が第1のシュミットインバータ
24の高レベルのスレッショルド電圧VTHに達すると、
このシュミットインバータ24の出力電圧は高レベルV
H から低レベルVL に切換わる。これによってダイオー
ドD1は順方向にバイアスされ、スイッチオンと同じ機
能をなすから、コンデンサC1の充電電圧VC 及びフォ
トダイオードPDの出力電流IP は抵抗R1及びダイオ
ードD1を介して流れ、コンデンサC1の充電電圧は放
電される。放電によってコンデンサC1の充電電圧VC
がシュミットインバータ24の低レベルスレッショルド
電圧VTLにまで降下すると、シュミットインバータ24
の出力電圧は低レベルVL から高レベルVHに切換わ
る。これによってダイオードD1は再び逆バイアスされ
てオフ状態となるから、コンデンサC1に充電電流が流
れる。以下、同様の動作が繰り返される結果、第1のシ
ュミットインバータ24の出力電圧V1 の波形は前述し
た図6に示すようになる。
【0015】また、本実施例では、第1のシュミットイ
ンバータ24の出力側に構成簡単な波形整形回路を接続
し、出力電圧V1 を波形整形して出力電圧V1 の低レベ
ル出力電圧VL の持続時間、即ち、切換えスイッチSW
で選択されたコンデンサの放電時間を長くし、汎用カウ
ンタやマイクロコンピュータ内蔵のカウンタのような安
価なカウンタにより出力波形を十分な精度で計測するこ
とができるようにしてある。
【0016】上記波形整形回路は第1のシュミットイン
バータ24の出力側と第2のシュミットインバータ25
の入力側との間に直列に第3のシュミットインバータ3
1とダイオードD2を接続し、このダイオードD2の出
力側と接地間に抵抗R2及びコンデンサC5を並列に接
続した構成を有し、この波形整形回路で波形整形された
出力信号が第2のシュミットインバータ25の入力に供
給される。
【0017】次に、上記波形整形回路の動作について簡
単に説明する。第1のシュミットインバータ24の出力
電圧V1 は第3のシュミットインバータ31によって反
転され、その出力電圧波形は図2の(A)に示すように
なる。この出力波形はその高レベルの部分、即ち、切換
えスイッチSWで選択されたコンデンサ、例えばコンデ
ンサC1、の放電時間Tdに対応する部分がダイオード
D2を通じてコンデンサC5を充電し、低レベルの部
分、即ち、コンデンサC1の充電時間Δtに対応する部
分はダイオードD2が逆バイアスとなるので阻止され
る。従って、第3のシュミットインバータ31の出力波
形が高レベルから低レベルになると、コンデンサC5に
充電された電圧は時定数τ=C5 ・R2 (ただしC5
コンデンサC5の容量、R2 は抵抗R2の抵抗値)に従
って抵抗R2を通じて除々に放電するから、第2のシュ
ミットインバータ25の入力に供給される電圧波形は図
2の(B)に示すようになる。その結果、第2のシュミ
ットインバータ25の出力電圧波形は図2の(C)に示
すようになり、コンデンサC1の放電時間Tdよりも長
い所要の時間幅Td' を得ることができる。この時間幅
Td' は波形整形回路のコンデンサC5及び抵抗R2の
値C5 、R2 を適当に設定することによって所望の任意
の値に設定できるから、汎用カウンタやマイクロコンピ
ュータ内蔵のカウンタのようなある程度の性能を有する
安価なカウンタによって確実に計測することができる時
間幅Td' に容易に設定することができる。
【0018】なお、本実施例では、切換えスイッチSW
はマイクロコンピュータ22の制御ポート22dからの
制御信号SC によって作動し、指示された所定のコンデ
ンサを選択接続するように構成されており、これによっ
て発振回路の周波数決定用の容量値を自動的に切換え、
光量−周波数変換回路30の入出力特性の検出範囲を段
階的に切換え設定できるようにしてある。このコンデン
サC1〜C4の切換えは他の手段により自動的に行なう
ようにしても、或は手動で行なうようにしても良いこと
は勿論である。
【0019】今、4つのコンデンサC1〜C4の容量値
がC1<C2<C3<C4であるとすると、切換えスイ
ッチSWによりコンデンサC1が選択接続されていると
きには、例えば図3にAで示す入出力特性(レンジA)
となり、コンデンサC2が選択接続されているときには
図3にBで示す入出力特性(レンジB)となり、コンデ
ンサC3が選択接続されているときには図3にCで示す
入出力特性(レンジC)となり、そしてコンデンサC4
が選択接続されているときには図3にDで示す入出力特
性(レンジD)となる。即ち、光量−周波数変換回路3
0の容量負荷の値を増加させるに従い、入出力特性は発
振周波数が低くなる方向へほぼ平行に移動する。これに
よって、前述したように、マイクロコンピュータ22の
内蔵カウンタ或は汎用カウンタの性能により発振周波数
0 の上限が400KHzであり、また、変調光システ
ムによる発振周波数F0 の下限が1KHzであるという
制約があっても、図3のA、B、C、Dの4つの入出力
特性を切換えて使用することにより、検出できるフォト
ダイオードPDの出力電流IP の範囲は0.01μAか
ら1000μAまでとなるから、発振周波数F0 は10
0Hz〜10MHzとなり、全く制約がないときと同じ
検出範囲を持つことになる。即ち、50dBまで計測す
ることが可能になる(電圧で言うと、10μV〜1Vの
計測に相当する)。かくして、本実施例によれば、種々
の制約があっても、簡単な構成により検出範囲のレンジ
を切換えることができるから、正確に測定できる光量の
下限が低くなり、かつ正確に測定できる光量の上限が高
くなる。従って、常に広い検出範囲を持つことになり、
微少な光量から大きな光量まで安価なカウンタの使用に
より十分な精度で計測することができる。さらに、レン
ジ切換えにより測定する光量に適当した入出力特性を設
定することができるから、正確に測定できる光量範囲が
広くなるだけでなく、測定精度が一段と高くなり、信頼
性が一層向上するという利点もある。
【0020】図4は上述した本実施例の測光装置の動作
態様を説明するフローチャートである。まず、スタート
時には光量−周波数変換回路30の入出力特性を計測で
きる周波数の一番低いレンジDに自動的に設定し、フォ
トダイオードPDに入射する光量に対応するデータ入力
より発振周波数F0 を検出し、この発振周波数F0 がレ
ンジDの上限周波数FMAX より高いか否かを判断し、上
限周波数FMAX より低い場合(YES)には発振周波数
0 がレンジDの下限周波数FMIN より高いか否かを判
断する。また、上限周波数FMAX 以上である場合(N
O)には検出レンジを次に高いレンジ(レンジC)に切
換える指示を発し、切換え可能である場合(YES)に
は同様の動作を行なわせ、切換え可能でない場合(N
O)にはオーバーフロー出力を発する。一方、発振周波
数F0 がレンジDの下限周波数FMINより低い場合(Y
ES)には検出レンジを次に低いレンジ(本例では存在
せず)に切換える指示を発し、切換え可能である場合
(YES)には同様の動作を行なわせ、切換え可能でな
い場合(NO)にはアンダーフロー出力を発する。以
下、データ入力毎に同様の動作を繰り返す。
【0021】なお、本発明による電子的測光装置は単に
照度(光量)を測定するだけでなく、種々のオイルの汚
れ或は劣化やオイル以外の光が透過し得る液体、気体等
の汚れ或は劣化を計測できる。例えば自動車のエンジン
オイル等の潤滑油の汚れ或は劣化を検出する装置等に適
用して有用なものである。
【0022】また、上記実施例は本発明の単なる例示に
過ぎず、回路構成、使用する素子等は必要に応じて任意
に変更できるものである。例えば、C−MOSシュミッ
トインバータ以外のインバータや他の回路素子を使用す
ることもでき、また、フォトダイオード以外の光検出素
子やマイクロコンピュータ以外の素子を使用してもよい
ことは勿論である。さらに、光量−周波数変換回路から
発生される周波数出力は方形波パルス以外のパルスでも
よい。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による測光
装置は、発振回路の入出力特性を段階的に切換え設定す
ることができるので、種々の制約があっても、検出範囲
のレンジ切換えにより、正確に測定できる光量の下限が
低くなり、かつ正確に測定できる光量の上限が高くな
る。従って、常に広い検出範囲を持つことになり、微少
な光量から大きな光量まで安価なカウンタの使用により
十分な精度で計測することができる。また、レンジ切換
えにより測定する光量に適当した入出力特性を設定する
ことができるから、測定精度が一段と高くなり、信頼性
が一層向上する。さらに、検出範囲のレンジ切換えは、
1個の切換えスイッチと複数の容量素子よりなる極めて
簡単かつ安価な回路構成を単に付加するのみで良いか
ら、殆どコストアップになることなく装置の性能を一段
と高くすることができる等の多くの顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による測光装置の一実施例を示す回路構
成図である。
【図2】図1に示す本発明の第1の実施例に使用された
波形整形回路の各部における電圧出力を示す波形図であ
る。
【図3】図1に示す本発明の第1の実施例の入出力特性
を示す図である。
【図4】図1に示す本発明の第1の実施例の動作態様を
説明するフローチャートである。
【図5】従来の測光装置の一具体例を示す回路構成図で
ある。
【図6】測光装置に使用されているシュミットインバー
タの電圧出力を示す波形図である。
【図7】測光装置の代表的な入出力特性を示す図であ
る。
【符号の説明】
22 マイクロコンピュータ 24、25、31 シュミットインバータ 30 照度(光量)−周波数変換回路 PD フォトダイオード SW 切換えスイッチ C1〜C5 コンデンサ R1、R2 抵抗 D1、D2 ダイオード

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受光量に応じて出力電流が変化する光検
    出素子と、該光検出素子からの出力電流を容量の異なる
    複数の静電容量型の負荷の1つに供給する第1のスイッ
    チ手段と、該第1のスイッチ手段により選択された1つ
    の負荷に充電された充電電圧と予め設定された基準電圧
    とを比較し、充電電圧が基準電圧に達したとき毎に出力
    信号レベルを変化させる電圧検出手段と、該電圧検出手
    段からの出力信号レベルの変化によって前記充電された
    負荷の放電路を形成する第2のスイッチ手段とを具備す
    ることを特徴とする測光装置。
  2. 【請求項2】 前記電圧検出手段は、前記充電電圧が前
    記基準電圧に達したとき毎にパルス信号を発生するパル
    ス発振回路であることを特徴とする請求項1の測光装
    置。
  3. 【請求項3】 前記第1のスイッチ手段は制御手段によ
    り前記複数の負荷を前記光検出素子に自動的に選択接続
    し、測光可能な入出力特性の検出範囲を自動的に切換え
    ることを特徴とする請求項1の測光装置。
JP4032716A 1992-01-22 1992-01-22 測光装置 Pending JPH05196500A (ja)

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