JPH11297171A - 光ビームセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ビームセンサにおいて、投光素子の光出力
劣化や温度的要因による受光素子の光電変換効率の変動
等の影響を受けることなく、高い繰り返し位置精度で物
体の通過検出を行うことができるようにする。 【解決手段】 受光素子として、ベース端子付きフォト
トランジスタ３を用い、このベース端子３ｂに印加する
バイアス電圧を制御することにより、自己校正動作を行
う。例えば、ＬＥＤ２を消灯した状態でフォトトランジ
スタ３からの光電信号が基準電圧１６に匹敵するときの
バイアス電圧と、ＬＥＤ２を点灯し、かつ被検出物体１
０３が存在しない状態で、光電信号が基準電圧１６に匹
敵するときのバイアス電圧との中間値を、ベース端子３
ｂに印加するようにすれば、ＬＥＤ２からの出射光のち
ょうど半分が被検出物体１０３によって遮光される位置
を、常にセンサ１の検出点とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を利用して非接
触で物体の有無、通過等を検出する光ビームセンサに係
り、特に、投光素子の光出力劣化や温度的要因による受
光素子の光電変換効率の変動等の影響を受けることな
く、高い繰り返し位置精度で安定に検出動作を行う技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光を利用して非接触で物体の
有無、通過等を検出することを目的とし、機械制御等の
分野で広く使用されるセンサとして、光電センサや光電
スイッチと呼ばれる光ビームセンサが知られている。ま
た、この光ビームセンサとしては、光路の一部に光ファ
イバを使用することにより、投光部又は受光部の小型化
を図ったファイバーセンサや、投光部又は受光部にレン
ズを組み込むことにより、検出距離の長距離化を図った
ものもある。

【０００３】従来の光ビームセンサの基本的な構成を図
３に示し、その電気的回路を図４に示す。これらの図を
参照して光ビームセンサの動作原理を説明する。光ビー
ムセンサ１００は、投光素子である発光ダイオード１０
１（以下、ＬＥＤと記す）と、受光素子であるフォトト
ランジスタ１０２とを備え、両者間を通過する被検出物
体１０３の通過検出を行うものである。ＬＥＤ１０１の
アノードは電流制限抵抗１０４を介して電流電圧（以
下、Ｖｃｃと記す）に接続され、カソードは接地されて
いる。従って、ＬＥＤ１０１には電流が流れ、ＬＥＤ１
０１は光ビーム１１０を放射する。ＬＥＤ１０１から放
射された光ビーム１１０は、これに対向して設けられた
フォトトランジスタ１０２に入射する。フォトトランジ
スタ１０２のコレクタはＶｃｃに接続されており、ま
た、そのエミッタは負荷抵抗１０５を介して接地されて
おり、この負荷抵抗１０５に発生した電圧は比較器１０
６に入力され、ここで所定の基準電圧１０７と比較さ
れ、その比較結果は光ビームセンサ１００の検出信号と
して出力される。

【０００４】ＬＥＤ１０１とフォトトランジスタ１０２
との間の光路が被検出物体１０３によって遮られておら
ず、フォトトランジスタ１０２のエミッタ電位が基準電
圧１０７よりも大きい場合には、プラスの検出信号が比
較器１０６から出力される。また、光路が被検出物体１
０３によって遮られ、フォトトランジスタ１０２のエミ
ッタ電位が下がり、基準電圧１０７よりも小さくなる
と、比較器１０６からの出力は反転する。このように、
光ビームセンサ１００は、被検出物体１０３の有無を検
出して電気信号に変換することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ビームセンサ１００においては、以下の要因等によっ
て検出位置が変動するため、その繰り返し精度が制約さ
れ、さらに、甚だしい場合は被検出物体１０３の検出自
体が不可能となることもあった。 長期通電による投光素子の光出力劣化 投光素子の光出力の温度依存性 受光素子の光電変換係数の温度依存性

【０００６】また、これら，の投光素子の光出力変
化を補償する従来の方法としては、投光素子としてレー
ザダイオードを用い、これに内蔵されるフォトダイオー
ドで光出力を検出し、帰還制御（ＡＰＣ制御）を行うこ
とにより、一定光量を得るというものがある。しかし、
この方法では、レーザダイオードの出力光を平行にする
ためのコリメート光学系や駆動回路等が必要となり、セ
ンサの小型化、ローコスト化を図ることが困難になる。
また、投光素子として高指向性のＬＥＤを用いれば、コ
リメート光学系等は不要となるが、光出力の経時・温度
変化を補償するための適当な校正方法がなく、光出力変
化を精度良く補償することは困難であった。

【０００７】また、の受光素子の光電変換係数の温度
依存性を補償する方法としては、受光素子として、フォ
トトランジスタではなくフォトダイオードを使用するこ
とが考えられるが、この方法では、温度依存性は小さく
なるが、素子感度が低いため高性能のアンプが必要とな
り、センサの高コスト化を招来するいう問題が生じる。
また、この他に、ベース端子付きのフォトトランジスタ
を使用して、サーミスタ等の感温素子によりフォトトラ
ンジスタの温度特性を補償するという方法もあるが、こ
の方法では、投光側の光出力変化を補償する手段が別途
必要となる。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、長期通電による投光素子の光出
力劣化や温度的要因による受光素子の光電変換効率の変
動等の影響を受けることなく、高い繰り返し位置精度で
物体を検出することができる光ビームセンサを提供する
ことを目的とする。また、コリメート光学系のような大
型な装置や、高性能のアンプのような高価な部品が不要
であり、その分装置の小型化とローコスト化を図ること
ができる光ビームセンサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、検出領域に向けて光を出射する投光素子
と、この投光素子からの出射光を受光し光電信号に変換
する受光素子と、この受光素子からの光電信号を予め定
められた基準電圧と比較する比較回路とから成り、比較
回路からの出力信号に基づいて検出領域中の物体の有無
又は通過を検出する光ビームセンサにおいて、受光素子
として、ベース端子付きフォトトランジスタを用い、そ
のベース端子にバイアス電圧として、検出のためのしき
い値光量に対する光電信号が概ね基準電圧に匹敵するよ
うに制御された電圧を印加する自己校正回路を備えたも
のである。

【００１０】この構成においては、検出動作前の自己校
正動作時において、目標とする検出しきい値光量に対す
る光電信号が概ね基準電圧に匹敵するようなバイアス電
圧値を決定し、検出動作時においては、上記自己校正動
作時において決定されたバイアス電圧値をフォトトラン
ジスタのベース端子に印加し、これにより校正されたベ
ース端子付きフォトトランジスタからの光電信号を、比
較回路において基準電圧と比較することにより、検出領
域中の物体の有無又は通過を検出する。このように、校
正されたフォトトランジスタからの光電信号と基準電圧
との比較によって、物体の有無検出や通過検出を行うよ
うにしたので、長期通電による投光素子の光出力劣化と
温度的要因による受光素子の光電変換効率の変動等を、
簡単な構成でもって同時に補償することが可能となる。
また、所定の検出位置で物体の有無検出又は通過検出を
行うことが可能となるので、この光ビームセンサは、高
い繰り返し位置精度を有するものとなる。

【００１１】また、上記自己校正回路が、投光素子を消
灯した状態で光電信号が基準電圧に匹敵するときのバイ
アス電圧と、投光素子を点灯し、かつ物体が存在しない
状態で、光電信号が基準電圧に匹敵するときのバイアス
電圧との中間値を、ベース端子に印加するものであって
もよい。

【００１２】この構成においては、フォトトランジスタ
からの光電信号は、バイアス電圧に対してほぼ線形の依
存性を持つため、投光素子を消灯した状態で光電信号が
基準電圧に匹敵するときのバイアス電圧と、投光素子を
点灯し、かつ物体が存在しない状態で、光電信号が基準
電圧に匹敵するときのバイアス電圧との中間値をフォト
トランジスタのベース端子に印加すると、投光素子から
の出射光の半分の光量を受光した時のフォトトランジス
タからの光電信号を基準電圧と一致させることができ
る。これにより、投光素子の光出力が劣化したり、受光
素子の光電変換効率が変動しても、投光素子からの出射
光の半分が物体によって遮光される位置を常にセンサの
検出点とすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施の
形態を図面を参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明に係る光ビームセンサ
の回路構成図である。光ビームセンサ１は、投光素子で
あるＬＥＤ２と受光素子であるベース端子付きフォトト
ランジスタ３とを備え、これらＬＥＤ２とフォトトラン
ジスタ３との間を通過する被検出物体１０３の通過検出
を行うものである。ＬＥＤ２は、ベース端子付きフォト
トランジスタ３に向けて光ビーム（出射光）を出射する
ものであり、そのアノード２ａは、電流制限抵抗４を介
して電源電圧（以下、Ｖｃｃと記す）に接続され、カソ
ード２ｃは、アナログスイッチ６を介して接地されてい
る。アナログスイッチ６の制御端子は、この光ビームセ
ンサ１の装置全体の制御を司る中央処理装置７（以下Ｃ
ＰＵと記す）が書き込み可能な出力ラッチ８に接続され
ている。従って、ＬＥＤ２は、ＣＰＵ７により自在に点
灯又は消灯され得るようになっている。

【００１４】ベース端子付きフォトトランジスタ３のコ
レクタ３ｃはＶｃｃに接続され、エミッタ３ｅは負荷抵
抗１０を介して接地される。ベース端子３ｂは電流制限
抵抗１１を介して、デジタル／アナログコンバータ１２
（以下、Ｄ／ＡＣと記す）の出力端子に接続される。Ｄ
／ＡＣ１２の入力端子側には、ＣＰＵ７が書き込み可能
な出力ラッチ１３が接続されている。従って、ＣＰＵ７
は自在にフォトトランジスタ３のベース端子３ｂにバイ
アス電圧を印加することができる。本実施例では、ＣＰ
Ｕ７、Ｄ／ＡＣ１２等が自己校正回路を構成している。

【００１５】比較回路であるコンパレータ１５の反転入
力端子には、ベース端子付きフォトトランジスタ３のエ
ミッタ３ｅが接続され、非反転入力端子には、一定の基
準電圧１６が印加されている。この基準電圧１６として
は、Ｖｃｃの概ね１／２の値に設定するのが、ノイズマ
ージン上好ましい。コンパレータ１５の出力端子に現れ
る検出信号は、装置外部に向けて出力されると共に、Ｃ
ＰＵ７によって読み取り可能な入力バッファ１７に入力
されている。ＣＰＵ７は、コンパレータ１５からの検出
信号に基づいて、自己校正動作を行う。

【００１６】次に、光ビームセンサ１の動作原理を上記
図１に図２を加えて説明する。図２は、バイアス電圧が
印加されたフォトトランジスタ３の光電変換特性図であ
り、横軸に受光量を縦軸に光電信号をとっている（但
し、素子の特性によってゼロ点は異なるので、図２にお
いて、左下端が零点というわけではない）。自己校正動
作においては、ＣＰＵ７は、まずＬＥＤ２を消灯する。
このときのフォトトランジスタ３の受光量は、被検出物
体１０３が完全に光ビームを遮光したときと等価と考え
てよい。次に、ＣＰＵ７は、コンパレータ１５からの検
出信号をとらえながらＤ／ＡＣ１２を動作させ、フォト
トランジスタ３からの光電信号が基準電圧１６と等しく
なるバイアス電圧（基準電圧に匹敵するときバイアス電
圧）を走査する。図２においては、Ｖｂ１がバイアス電
圧に相当する。

【００１７】自己校正動作の次の段階では、ＣＰＵ７は
ＬＥＤ２を点灯し、被検出物体１０３の存在しない状態
で、上述と同様に光電信号が基準電圧と等しくなるバイ
アス電圧を走査する。図３中のＶｂ２がこれに相当す
る。

【００１８】自己校正動作の最後の段階では、ＣＰＵ７
は、バイアス電圧として上記Ｖｂ１とＶｂ２との中間値
（Ｖｂ１＋Ｖｂ２）／２を算出し、この値を出力ラッチ
１３とＤ／ＡＣ１２を作動して、フォトトランジスタ３
のベース端子に対してバイアス電圧として印加し、自己
校正動作を完了する。

【００１９】しかして、光電信号はバイアス電圧に対し
てほぼ線形の依存性を持つため、このときの光電変換特
性は、図２中のバイアス電圧＝（Ｖｂ１＋Ｖｂ２）／２
に相当する特性となり、光ビームのちょうど半分が被検
出物体１０３によって遮光される位置が、センサ１の検
出点となる。なお、本発明において必要なのは、図２に
示したグラフのうち、受光量が半遮光のとき、光電信号
が基準電圧を通る直線を求めることである。図２の校正
動作で、ゼロ遮光時の光電信号が基準電圧と等しくなる
ようなバイアス電圧と、全遮光時の光電信号が基準電圧
と等しくなるようなバイアス電圧との中間値を印加する
ため、物体検出点（半遮光）の光電信号は必ず基準電圧
と一致する。なお、光電変換特性の測定は、（１）縦軸
の光電信号は、図１のコンパレータ１５の反転入力部に
オシロスコープ等を接続し、（２）バイアス電圧は、Ｃ
ＰＵ７によりＤ／ＡＣ１２に所定のデータを書き込むこ
とにより印加し、（３）以上より、被検出物体１０３
（遮光板等）を微動装置により駆動することにより図２
の横軸の受光量を変化させて、上記（１）のオシロスコ
ープ等で電圧を測定することにより行うことができる。

【００２０】上述したような、自己校正動作を適宜行わ
しめることにより、長期通電によりＬＥＤ２の光出力劣
化、温度的要因によるフォトトランジスタ３の光電変換
効率の変動等があっても、常に所定の検出位置で被検出
物体１０３を検出することができることになる。また、
大型なコリメート光学系や高価な高性能アンプ等が不要
であり、また、簡単な構成でもってＬＥＤ２の光出力劣
化とフォトトランジスタ３の光電変換効率の変動を同時
に補償することができ、装置の小型化と低コスト化を図
ることができる。また、光電変換の動作点を予め設定さ
れた基準電圧と一致せしめることができるので、受光系
のゲイン（アンプ増幅率）を上げ、光電信号の勾配を大
きくしても、検出位置の近傍で、光電信号が電源電圧を
越えるおそれがなくなるため、より高精度の検出が可能
となる（なお、勾配が大きい方が一定のノイズ幅に対す
る検出位置変動幅が小さい）。また、このように制御さ
れたバイアス電圧を印加することなく、単に受光系のゲ
インを上げても、受光素子感度のばらつき、温度依存性
等により物体検出点（半遮光）の光電信号が検出回路系
の電源電圧に達し、飽和してしまうと正常な検出はでき
ない。なお、印加するバイアス電圧は、ＶｂとＶｂ２と
の間の値であれば、意図する検出位置によって最適に定
めればよく、必ずしも平均値に限定されるわけではな
い。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の光ビームセンサに
よれば、受光素子として、ベース端子付きフォトトラン
ジスタを用い、このベース端子に印加するバイアス電圧
を制御することにより、自己校正動作を行うようにした
ので、光ビームセンサの繰り返し検出位置精度を環境要
因の影響を受けにくいものとすることができる。また、
光電変換の動作点を予め設定された基準電圧と一致せし
めることができるので、受光系のゲインを上げ、光電信
号の勾配を大きくしても、検出位置の近傍で、光電信号
が電源電圧を越えるおそれがなくなるため、より高精度
の検出が可能となる。また、投光素子の光出力劣化と温
度的要因による受光素子の光電変換効率の変動を同時に
補償することができるので、感温素子等を備え、投光素
子と受光素子を別々に補償するものと比して、部品点数
の削減を図り、装置の低コスト化を図ることができる。
また、コリメート光学系のような大型の装置や、高性能
のアンプのような高価な装置が不要となるため、センサ
の小型化と低コスト化を図ることができる。

【００２２】また、投光素子を消灯した状態で光電信号
が基準電圧に匹敵するときのバイアス電圧と、投光素子
を点灯し、かつ物体が存在しない状態で、光電信号が基
準電圧に匹敵するときのバイアス電圧との中間値を、ベ
ース端子に印加することにより、投光素子からの出射光
のちょうど半分が物体によって遮光される位置をセンサ
の検出点とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光ビームセンサの回
路構成図である。

【図２】同センサにおいて、バイアス電圧が印加された
フォトトランジスタの光電変換特性図である。

【図３】従来の光ビームセンサの構成図である。

【図４】従来の光ビームセンサの電気的回路図である。

【符号の説明】

１ 光ビームセンサ ２ ＬＥＤ（投光素子） ３ ベース端子付きフォトトランジスタ ３ｂ ベース端子 ７ ＣＰＵ（自己校正回路） １２ Ｄ／ＡＣ（自己校正回路） １５ コンパレータ（比較回路） １６ 基準電圧 １０３ 被検出物体（物体）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出領域に向けて光を出射する投光素子
   と、この投光素子からの出射光を受光し光電信号に変換
   する受光素子と、この受光素子からの光電信号を予め定
   められた基準電圧と比較する比較回路とから成り、前記
   比較回路からの出力信号に基づいて検出領域中の物体の
   有無又は通過を検出する光ビームセンサにおいて、 前記受光素子として、ベース端子付きフォトトランジス
   タを用い、 そのベース端子にバイアス電圧として、前記検出のため
   のしきい値光量に対する光電信号が概ね前記基準電圧に
   匹敵するように制御された電圧を印加する自己校正回路
   を備えたことを特徴とする光ビームセンサ。
2. 【請求項２】 前記自己校正回路は、前記投光素子を消
   灯した状態で前記光電信号が前記基準電圧に匹敵すると
   きのバイアス電圧と、前記投光素子を点灯し、かつ物体
   が存在しない状態で、前記光電信号が前記基準電圧に匹
   敵するときのバイアス電圧との中間値を、前記ベース端
   子に印加することを特徴とする請求項１に記載の光ビー
   ムセンサ。