JPH0750569A

JPH0750569A - 光電スイッチ

Info

Publication number: JPH0750569A
Application number: JP19261393A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Nishimoto; 育夫西本; Minoru Tanaka; 実田中
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1995-02-21
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JP2933804B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高感度長距離検出を可能とする距離判定形光
電スイッチを実現する。【構成】投光部３と、レンズ系２を介し、被検出物体
６上の輝点の像を受光面上に結像させる受光部４と、受
光面上において、投光軸と受光軸を結ぶ方向に配列され
たｎ（ｎ＞２）個の受光エレメント（１０）と、各受光
エレメント１０１、１０２、・・・、１０ｎの各光電流
Ｉ１、Ｉ２、・・・、Ｉｎを所定比率ｋ１と１−ｋ１、
ｋ２と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれ
ぞれ第１、第２の光電流出力端に導くｎ個の分流部１２
と、第１、第２の光電流出力を入力として検出信号を出
力する演算部１６と、ｋ１＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋ
ｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜ｎ）なる関係を保って所定比
率ｋ１、ｋ２、・・・ｋｎを制御する分流制御部１４と
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は物体の有無を光学的に
検出する光電スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、投光部と受光部を同一筐体に設
け、投光部よりの被検出物体の表面より拡散反射される
光を受光部により検出するものとして直接反射型スイッ
チがある。直接反射型光電スイッチは、センサ筐体が１
つで動作し、他に反射板等の補助部品を必要としないの
で、取付、調整、メンテナンスが簡単で、コストが安い
などの利点があり、広く一般的に使われている。しか
し、直接反射型光電スイッチは、物体からの散乱光を利
用しているので、（Ａ）他の方式より検出可能な距離が
短い、（Ｂ）検出物体の表面反射率により検出距離が大
きく変わる、（Ｃ）背景の反射率が大きいと、その手前
にある、反射率の少ない物体の検出ができない、ことが
ある。

【０００３】これら問題点、とくに、上記（Ｂ）（Ｃ）
を軽減するために特公昭５８−４２４１１号公報に示さ
れるような構成を有する距離判定型光電スイッチが公開
されている。この光電スイッチの方式は、投光部より被
検出物体に光を照射し、被検出物体からの散乱光を受光
部で捕らえている点は直接反射型光電スイッチと同様で
あるが、受光部での光の検出方法に特徴がある。

【０００４】図５は従来の光電スイッチに用いられる光
位置検出素子の構成と動作を説明する断面図、図６は図
５に示す光位置検出素子の特性を説明する特性図、図７
は位置検出用の光電スイッチの基本的な構成と動作を説
明するために単線をもって描いた光電スイッチの構成
図、図８は図７に示す光電スイッチの被検出物体までの
距離Ｘと受光面上の輝点の位置との関係を示す特性図で
ある。すなわち、図７において、投光部３から放射され
た光は被検出物体６上に輝点を作り、さらにその被検出
物体６上で反射された光はレンズ系２を介して受光面上
に投射され、この受光面上に上記輝点の像ができる。こ
の輝点像は被検出物体６までの距離Ｘが変わると、受光
面上の輝点像の位置Ｙが動く。よって、受光面上の輝点
像の位置Ｙを信号処理部５を通して判定することによ
り、距離Ｘを判定することになるので背景７であるか被
検出物体６であるかが判定できる。

【０００５】輝点像の位置Ｙを判定する方法として、図
５に示す光位置検出素子（ＰＳＤ）１０による方法があ
る。この光位置検出素子１は受光面上の輝点像の位置Ｙ
の値が光位置検出素子１の２つの出力電流Ｉ１、Ｉ２に
から計測できる。すなわちこの光位置検出素子１は図６
に示すような特性を有しているので、直接反射型光電ス
イッチの欠点であった上記（Ｂ）の「検出物体の表面反
射率により検出距離が大きく変わる」および上記（Ｃ）
の「背景７の反射率が大きいと、その手前にある、反射
率の少ない物体の検出ができないことがある」という問
題点を解決できる。このように、距離判定型光電スイッ
チは、受光面上の光量を検出する方式ではなく、距離情
報に基づく方式である点で、直接反射型方式と比べ、極
めて優れた特徴を有するが、反面次のような問題点を有
する。

【０００６】すなわち、被検出物体６までの距離Ｘと受
光面上の輝点像の位置Ｙとの関係は図８に示すように非
線形である。すなわち、被検出物体６までの距離Ｘが小
さいときには被検出物体６までの距離Ｘに対して受光面
上の輝点像の位置Ｙの変化が大きいので上記光位置検出
素子１の２つの出力電流Ｉ１、Ｉ２の変化量が大きくな
り、受光面上の輝点像の位置Ｙが精度よく演算でき被検
出物体６までの距離Ｘを精度良く判定できるが、被検出
物体６までの距離Ｘが大きいときには被検出物体６まで
の距離Ｘに対して受光面上の輝点像の位置Ｙの変化が小
さいので上記光位置検出素子１の２つの出力電流Ｉ１、
Ｉ２の変化量が小さくなり、受光面上の輝点像の位置Ｙ
が精度よく演算できず、被検出物体６までの距離Ｘが小
さいときほど被検出物体６までの距離Ｘを精度良く判定
できない。さらに受光面上の輝点の明るさは被検出物体
６までの距離Ｘが大きいとそれだけ暗くなり、ノイズの
影響が大きくなり被検出物体６までの距離Ｘの判定精度
が落ちるので長距離化ができないなどの問題点があっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は上述のように、被検出物体までの距離が小
さいときほど被検出物体までの距離を精度良く判定でき
ず、さらに受光面上の輝点の明るさは被検出物体までの
距離が大きいと、ノイズの影響が大きくなり被検出物体
までの距離の判定精度が落ち、長距離化が困難となるこ
とである。

【０００８】請求項１の発明は距離判定型光電スイッチ
において長距離化を可能にすることを目的とするもので
ある。

【０００９】請求項２の発明は距離判定型光電スイッチ
において長距離化を可能にするとともに、検出距離の調
整を可能にすることを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、投光
軸より光を照射し、被検出物体上に輝点を作る投光部
と、レンズ系を介し、被検出物体上の輝点の像を受光面
上に結像させる受光部と、受光面上において、投光軸と
受光軸を結ぶ方向に配列されたｎ（ｎ＞２）個の受光エ
レメントと、各受光エレメントの各光電流を所定比率
（ｋ１）と（１−ｋ１）、（ｋ２）と（１−ｋ２）、・
・・（ｋｎ）と（１−ｋｎ）に分割してそれぞれ第１、
第２の光電流出力端に導くｎ個の分流部と、第１、第２
の光電流出力を入力として検出信号を出力する演算部
と、ｋ１＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；
ｍ＝２〜ｎ）なる関係を保って所定比率（ｋ１）、（ｋ
２）、・・・（ｋｎ）を制御する分流制御部とを有する
光電スイッチである。

【００１１】請求項２の発明は、投光軸より光を照射し
被検出物体上に輝点を作る投光部と、レンズ系を介し被
検出物体上の輝点の像を受光面上に結像させる受光部
と、受光面上において、投光軸と受光軸を結ぶ方向に配
列されたｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、各受光エ
レメントの各光電流を所定比率（ｋ１）と（１−ｋ
１）、（ｋ２）と（１−ｋ２）、・・・（ｋｎ）と（１
−ｋｎ）に分割してそれぞれ第１、第２の光電流出力端
に導くｎ個の分流部と、第１、第２の光電流出力を入力
として検出信号を出力する演算部と、ｋ１＞０．５＞ｋ
ｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜ｎ）なる関係
を保って所定比率（ｋ１）、（ｋ２）、・・・（ｋｎ）
を制御する分流制御部と、この分流制御部は所定比率
（ｋ１）、（ｋ２）、・・・（ｋｎ）が変えられる操作
部を有する光電スイッチである。

【００１２】

【作用】請求項１の発明における光電スイッチは、投光
軸上において、投光部より光を照射して、被検出物体上
に輝点を作る。受光部は被検出物体までの距離に対応し
た受光面上の位置に輝点像を結像させる。ｎ（ｎ＞２）
個の受光エレメントは受光面上に結像された輝点像の位
置に応じた光電流を生じる。ｎ個の分流器は上記各受光
エレメントの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ１、ｋ２
と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれぞれ
第１、第２の光電流出力端に導く。分流制御部はｋ１＞
０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２〜
ｎ）なる関係を保って上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・・
ｋｎを制御する。上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・・ｋｎ
に対応する受光面基準位置に対しての大小関係が上記第
１、第２の光電流出力端に含まれる。演算部は上記第
１、第２の光電流出力を入力として受光面基準位置に対
しての大小関係に基づき検出信号を出力する。

【００１３】請求項２の発明における光電スイッチは、
投光軸上において、投光部より光を照射して、被検出物
体上に輝点を作る。受光部は被検出物体までの距離に対
応した受光面上の位置に輝点像を結像させる。ｎ（ｎ＞
２）個の受光エレメントは受光面上に結像された輝点像
の位置に応じた光電流を生じる。ｎ個の分流器は上記各
受光エレメントの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ１、
ｋ２と１−ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれ
ぞれ第１、第２の光電流出力端に導く。分流制御部はｋ
１＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−１；ｍ＝２
〜ｎ）なる関係を保って上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・
・ｋｎを制御する。上記所定比率ｋ１、ｋ２、・・・ｋ
ｎに対応する受光面基準位置に対しての大小関係が上記
第１、第２の光電流出力端に含まれる。演算部は上記第
１、第２の光電流出力を入力として受光面基準位置に対
しての大小関係に基づき検出信号を出力する。さらに分
流制御部に設けた操作部によって分割比率ｋ１、ｋ２、
・・・ｋｎが変えられる。

【００１４】

【実施例】以下この発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１はこの発明における光電スイッチの
要部を示すブロック図、図２は図１における分流部と分
流制御部をより具体的に示す回路図、図３はこの発明の
受光部に配列される受光エレメントの配列を示す平面
図、図４はこの発明の受光部の光位置検出感度を説明す
る特性図である。すでに図７によって説明した光電スイ
ッチにおいて、受光部４として、従来の光位置検出素子
１に代え、図３に示すようなｎ個の受光エレメント１０
を受光軸と投光軸を結ぶ方向に配列する。

【００１５】図１において、１２は分流部、１３は差動
アンプ部、１４は分流制御部、１５は操作部である。受
光部４からの信号を信号処理部５によって処理し、出力
信号とするまでの中で、この発明の要部は図１に示す受
光部４、分流部１２および分流制御部１４であるのでこ
れについてより詳しく説明する。

【００１６】図２において、ａ点にボルツマン電圧Ｖｔ
（＝ｋＴ／ｑ）に比例した電圧αＶｔが生じ、トランジ
スタＱ１とトランジスタＱ２の大きさの比によりαが決
まることが知られている。よってｂ点の電圧は操作部１
５の抵抗Ｒｒｅｆの大きさによらずαＶｔとなる。抵抗
Ｒｐと可変抵抗ＶＲ１との合成抵抗値と抵抗Ｒｒｅｆと
の比によりｃ点に電圧が生じる。ｃ点の電圧は所定値だ
けシフトされｄ点の電圧となる。この電圧を設定電圧と
呼ぶ。可変抵抗ＶＲ１の大きさを変えると設定電圧はそ
れに応じて連続的に変化する。

【００１７】抵抗Ｒ１に流れる電流に比例した電流がｅ
点より流れるのでｆ点、ｇ点、ｈ点の順に電圧が小さく
なっていき、その電圧差は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｊの比とボ
ルツマン電圧Ｖｔとで決まる一定値である。この電圧が
参照電圧となる。この図においてＲｊとその前後の計３
つの抵抗だけしか示していないが、受光エレメント１０
の数だけこの抵抗が直列に接続される。

【００１８】図２では、図３に示す多数の受光エレメン
ト１０１、１０２、１０３・・・１０ｎのうちｊ番目と
その前後の計３つを示して残りの受光エレメントは省略
してある。また、分流部１２も同様にｊ番目とその前後
の計３つだけを示してある。各分流部は差動アンプ部１
３、すなわちエミッタをたがいに接続した、それぞれ対
をなすトランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、
Ｑ５ａ、Ｑ５ｂを有する。これらのトランジスタＱ３
ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂのエミッ
タに各受光エレメント１０１、１０２、１０３・・・１
０ｎが接続され、各トランジスタＱ３ａ、Ｑ３ｂ、Ｑ４
ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂの一方のコレクタが第１の
電流出力端ｐに接続され、各トランジスタＱ３ａ、Ｑ３
ｂ、Ｑ４ａ、Ｑ４ｂ、Ｑ５ａ、Ｑ５ｂの他方のコレクタ
が第２の電流出力端ｑに接続される。これによりｎ個の
受光エレメント１０のｎ本の光電流信号はｐ、ｑの２つ
の信号に変換される。各トランジスタの一方のベースに
は参照電圧が、また他方のベースには設定電圧が与えら
れる。設定電圧は各分流器とも同一の電圧であるが、参
照電圧は各分流器で所定の電位差を持っていてその差は
ボルツマン電圧Ｖｔの定数倍したものである。

【００１９】今、可変抵抗ＶＲ１の値により設定電圧が
ｊ番目の参照電圧Ｖｊに近い場合を考える。ｊ番目の分
流器１２ｊを中心にその隣り合った分流器１２（ｊ＋
１）、１２（ｊ−１）の参照電圧の差を適当に設計する
ことにより、１番目からｊ−２番目までの全ての分流器
の参照電圧は設定電圧より十分小さく受光エレメント１
０の光電流のほとんどすべてを第１の電流出力端ｐに、
ｊ＋２番目からｎ番目までの全ての分流器の参照電圧は
設定電圧より十分大きく受光エレメント１０の光電流の
ほとんどすべてを第２の電流出力端ｑに分流していると
見なすことができる。

【００２０】ｊ−１番目の分流器１２（ｊ−１）の参照
電圧は設定電圧より低いので受光エレメント１０の光電
流を第１の電流出力端ｐに電流の多くを分流し、ｊ＋１
番目の分流器１２（ｊ＋１）の参照電圧は設定電圧より
高いので受光エレメント１０の光電流を第２の電流出力
端ｑに電流の多くを分流する。ｊ番目の受光エレメント
１０の光電流は第１の電流出力端ｐと第２の電流出力端
ｑに分流する。

【００２１】このようにすることで第１の電流出力端ｐ
の電流をＩａ、第２の電流出力端ｑの電流をＩｂとする
と、図４に示すようにｊ番目近傍の入射光の位置に対し
ては入射光位置の変化に対して敏感な出力特性が得られ
る。すなわち、ｊ番目近傍は受光部４の全長がＬｅに小
さくなった光位置検出素子１の特性と等価であり、Ｌ／
Ｌｅ倍の感度が得られる。この敏感な特性の位置を光判
定基準位置Ｙ０とする。

【００２２】以上述べたように、受光面が光を受けて第
１の電流出力端ｐと第２の電流出力端ｑからの２つの出
力を有する２分割受光素子と類似の機能となる。また上
記２つの電流Ｉａ、Ｉｂを入力として、演算部１６は所
望の出力を出す。さらに可変抵抗ＶＲ１の値を操作する
ことで上記ｊ番目は１番目からｎ番目までその間の任意
の位置に光判定基準位置Ｙ０を自由に設定できる。光判
定基準位置Ｙ０が判定基準距離Ｘ０に対応しているの
で、ＶＲ１の値を変えることで判定基準距離Ｘ０を操作
できる。

【００２３】なお、図２に示すように各分流器１２ｊ、
１２（ｊ＋１）、１２（ｊ−１）に光電流と並列に直流
バイアス電流源９９を設けてもよい。これにより、各分
流器１２ｊ、１２（ｊ＋１）、１２（ｊ−１）の電流の
最小値が保証されるので応答速度が低下することを防止
できる。

【００２４】また受光部４、分流部１２、分流制御部１
４等をすべて１つの基板上に集積することもでき、この
方法は、工業的に有効である。

【００２５】図２において、可変抵抗ＶＲ１に固定抵抗
Ｒｐが並列に接続されているが、これにより光判定基準
位置Ｙ０と判定基準距離Ｘ０との関係の非線形性を補正
している。すなわち、距離Ｘと受光面上の位置Ｙとは反
比例の関係である。そこで、可変抵抗ＶＲ１に並列に固
定抵抗Ｒｐをつなぐことでその合成抵抗値と可変抵抗Ｖ
Ｒ１の操作量との非線形を作る。これにより距離Ｘと受
光面上の位置Ｙとの非線形を補正する。

【００２６】以上、操作部１５の可変抵抗ＶＲ１に基づ
き分流比率が設定される場合について説明したが、例え
ば図２において可変抵抗ＶＲ１を操作する代わりにｃ点
に電圧を外部から入力するようにしてもよい。この場合
も全く同様の光位置判定感度が得られえることは明らか
であるから、例えば光電スイッチからの外部入力により
判定基準距離Ｘ０を設定、変更できる光電スイッチが可
能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明における光
電スイッチにおいて、請求項１の発明によれば、投光軸
より光を照射する投光部と、レンズ系を有する受光部
と、上記受光面上に投光軸と受光軸を結ぶ方向に配列さ
れたｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、ｎ個の分流器
と、分流制御部および演算部とを設けているので、受光
面上の特定の位置の入射光位置（上記光判定基準位置Ｙ
０）の感度を光位置検出素子に比べて高感度にすること
ができ、それだけ小さな光学系で動作させることがで
き、また同様の光学系を用いればより長距離まで距離判
定が可能となり、を上記判定基準距離Ｘ０を自由に設定
でき、また受光部、分流部、分流制御部の全てをシリコ
ン基板上に集積することが容易なのでより小型高性能な
光電スイッチが可能となる。

【００２８】また請求項２の発明は、投光軸より光を照
射する投光部と、レンズ系を有する受光部と、上記受光
面上に投光軸と受光軸を結ぶ方向に配列されたｎ（ｎ＞
２）個の受光エレメントと、ｎ個の分流器と、分流制御
部と、演算部および操作部を設けているので、請求項１
の発明に加え、分流制御部が分割比率ｋ１、ｋ２、・・
・ｋｎを変えられる操作部を有しているので、検出距離
の調整が容易となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における光電スイッチの要部を示すブ
ロック図である。

【図２】図１における分流部と分流制御部をより具体的
に示す回路図である。

【図３】この発明における光電スイッチの受光部に適用
される受光エレメントの配列を示す平面図である。

【図４】図３の受光部の検出感度を説明する特性図であ
る。

【図５】従来の光電スイッチに用いられる光位置検出素
子の構成と動作を説明する断面図である。

【図６】図５に示す光位置検出素子の特性を説明する特
性図である。

【図７】位置検出用の光電スイッチの基本的な構成と動
作を説明するために単線をもって描いた光電スイッチの
構成図である。

【図８】図７に示す光電スイッチの被検出物体までの距
離Ｘと受光面上の輝点の位置との関係を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

２レンズ系３投光部４受光部６被検出物体１０受光エレメント１２分流部１４分流制御部１５操作部１６演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投光軸より光を照射し被検出物体上に輝
点を作る投光部と、レンズ系を介し、上記被検出物体上
の輝点の像を受光面上に結像させる受光部と、上記受光
面上において、投光軸と受光軸を結ぶ方向に配列された
ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、上記各受光エレメ
ントの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ１、ｋ２と１−
ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれぞれ第１、
第２の光電流出力端に導くｎ個の分流部と、上記第１、
第２の光電流出力を入力として検出信号を出力する演算
部と、ｋ１＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−
１；ｍ＝２〜ｎ）なる関係を保って上記所定比率ｋ１、
ｋ２、・・・ｋｎを制御する分流制御部とを備えた光電
スイッチ。
【請求項２】投光軸より光を照射し被検出物体上に輝
点を作る投光部と、レンズ系を介し、上記被検出物体上
の輝点の像を受光面上に結像させる受光部と、上記受光
面上において、投光軸と受光軸を結ぶ方向に配列された
ｎ（ｎ＞２）個の受光エレメントと、上記各受光エレメ
ントの各光電流を所定比率ｋ１と１−ｋ１、ｋ２と１−
ｋ２、・・・ｋｎと１−ｋｎに分割してそれぞれ第１、
第２の光電流出力端に導くｎ個の分流部と、上記第１、
第２の光電流出力を入力として検出信号を出力する演算
部と、ｋ１＞０．５＞ｋｎ及びｋｍ≦ｋｐ（ｐ＝ｍ−
１；ｍ＝２〜ｎ）なる関係を保って上記所定比率ｋ１、
ｋ２、・・・ｋｎを制御する分流制御部と、上記分流制
御部は上記分割比率ｋ１、ｋ２、・・・ｋｎが変えられ
る操作部とを備えた光電スイッチ。