JPS60210718A - 光検出方式 - 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】 （イ）　技　術　分　野 この発明は、光検出方式に関する。

光を利用した検出方式として、各種のものがある。

（１）物体の存在確認 （２）通過する物体の計数 （８）直線移動体の位置、速度検出 （４）回転体の回転角、回転速度検出 いずれも、発光器、受光器を有するものが多い。

原理的には、光線の透過、遮断の状態を受光器で電気に
変換し、信号処理を行う。

第３図は（１）の物体存在確認のために用いられる光検
出方式の平面図である。発光器１から受光器２に向って
光線４が、出射されている。物体３が間に存在すれば、
受光器２に光が入らないので、物体の存在を検出できる
。

第４図は（２）の通過物体の計数のための光検出方式の
平面図である。発光器１、受光器２の間を、複数個の物
体３、・・・・・・が通過してゆく。遮光の回数を受光
器２の信号から計数する事により、通過数を知る事がで
きる。

第５図は直線移動体の位置、速度検出（３）のための光
検出方式を示す。

発光器１と受光器２の間に、物体に連結され物体といっ
しょに直線変位する直線移動スリット板５がある。直線
移動スリット板５には、等間隔で遮光部６と透光部（ス
リット）７とが交互に並んでいる。受光器２で、遮光部
６と透光部７との通過回数を知り、物体の変位を検出す
る。変位を時間で割って、速度を知る事もできる。

第６図は（３）の回転体の回転角、回転速度検出のため
の光検出方式を示している。回転スリット板８が発光器
１と受光器２の間に設けられる。これは回転軸９のまわ
りに回転する。なんらかの物体の回転と回転軸とが連絡
している。回転スリット板゛８には遮光部６と透光部７
とがある。受光器２により、遮光部、透光部の繰返しを
検出する。これにより回転角を知る。時間で割って、回
転速度を知る事もできる。

直線移動スリット板５、回転スリット板８の斜視図を第
１１図、第１２図に示す。

（イ）　従　来　技　術 発光器１はＬＥＤ、レーザ、半導体レーザ、ランプ等が
用いられる。特に、Ｌｌｉ：Ｄの用いられる事が多い。

又、発光器１には、ＬＥＤ駆動用のドライブ回路を内蔵
する事もある。

受光器２は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、
光電管、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード
（ＡＰＤ）等が用いられる。コスト、取扱いの容易さの
点で、フォトダイオードが特によく利用される。

この場合、電流増幅器、閾値判別器をも含む事が多い。

光線４をシャープにするのが望ましいので、発光器側に
集光レンズを設けて、光の拡散を防ぐ事が多い。

受光器側に於ても、集光レンズを設けて、フォトトラン
ジスタ等へ入射する光量を増強する事が多い。

第８図〜第６図は受光器、発光器、物体が同一場所にあ
るように示しているが、検出物体、対象物のある場所と
、発光器、受光器のある場所とを離隔する事もできる。

この場合、第７図に示すような構成となる。光ファイバ
１０により発光器１の出射光を回転スリット板８へ送り
、スリット板８の透過光を他の光ファイバ１０に入射さ
せ、光ファイバ１０を伝搬した光を受光器２によって検
出する。

このようにすれば、検出部が危険な場所であったり、可
燃性ガスの存在する場所であったり、電磁ノイズの存在
する場所であったりしても、安全で、高信頼性の測定を
行う事ができる。

（つ）従来技術の原理 以上に説明したように、光を用いて、物体の存在、物体
の計数、変位、速度の測定等を行う事ができる。目的は
多様であるが、遮光、透光の繰返しを検出する、という
点では同一である。

第８図によって原理を説明する。

（ａ）は発光部の光強度を示す波形図である０横軸は時
間である。発光部では、このように、変調していない、
一定の強さの光を′発する事が多い。もちろん変調して
いる事もある。

一定の直流光を用いる時に、受光部に入る入射光の波形
を（ｂ）に示す。これは、物体が通過したり、スリット
板５．８が光を遮断し、又は透過させる事による。光が
透過した時は、入射光強度は大きく、光が遮断された時
、入射光は零であるか、相対的に小さくなるかである。

（ｂ）は必ずしも正弦波を示しているのではない。

スリット板の遮光、透光部が、正弦的な透過率をもって
変化している時のみ、正弦波になる。実際には、透過率
の差はもつと著しい事が多いので、正弦波よりも矩形波
に近い。

（Ｃ）は受光器の電流波形である。受光器はある領域で
、入射光量に比例した電流を生ずるから、これは（ｂ）
と同様な波形となる。′ ここに閾値Ｇを設定する。電流値ＩがＧより大きい時に
、ＨＩ（論理値”ｌ”）、Ｇより小さい時にＬＯ（論理
値”’０”）を対応させる。

実際には、コンパレータを使って、２値化する。

（ｄ）が２値化された検出信号波形を示す。これは矩形
波である。Ｔｐｔ、はＬｏである時間を示し、ＴＰＨは
ＨＩである時間を示す。パルスの１周期は、これらの和
Ｔｐである。

（ｄ）のパルス波形から、各々の光検出システムに於て
、 （１）物体の存否・・・・・・ＨｌであるかＬＯである
かにより、 （２）物体の速度・・・・・・Ｔｐの逆数から、（８）
物体の変位（位置、回転角）・・・・・・パルス数を符
号付けしてカウントする事により等をめる事ができる。

（：Ｉ−）従来技術の問題点 従来方式では、受光器の光電流Ｉを、Ｇと比較して、２
つの値に分けている。

もしも、物体、或いはスリット板などが、はぼ静止に近
い状態にあり、かつ受光量が、光電流Ｉにして、閾値Ｇ
に近い場合、振動或いは、機械構造部のバックラッシュ
により、入射光強度がＧに近傍でのゆらぎを生ずる事が
ある。つまり、入射光強度がＧの近傍で振動する。

振動の振幅は僅かであっても、閾値Ｇを、横切るたびに
２値化された信号はＨＩ、ＬＯＯ間を変化し続ける。

第９図はこのような入射光波形（ａ）に対する、２値化
された検出信号波形（ｂ）゛を示している。入射光が閾
値より大きい時（３０）、検出信号４０はＨＩである。

閾値以下になった時（３１）、検出信号４１はＬＯにな
ってしまう。再び閾値以上（３２）になった時、検出信
号４２はＨＩになる。この後、安定な入射光弱の状態３
３が続き、検出信号４３はＬＯになる。

閾値の近傍のゆらぎ３Ｌ　３２のために、余分なパルス
４２．４４、・・・・・・などが生ずる。

これをパルス割れ、チャタリング等という。

このような誤動作が起ると、パルスの数が増加するから
、パルスカウントする場合、パルスをミスカウントして
しまう。このため、物体の変位や速度を正しく測定する
事ができない。

け）　構　成 本発明は、このような誤動作を避けるため、発光器側の
出力を変化させる事にした。受光器側での検出信号がＬ
ＯからＨＩに変化した時、発光器出力を増大させる。逆
に、受光器信号がＨｌからＬＯに変化した時は、発光器
出力を減少させる。

このように、正帰還をかけることによって、Ｌ。

とＨＩの状態変化を明確なものにする。

従来法では、第８図（ａ）に示すように、発光波形は一
定であったから、発光器の構成は定電流回路を含む簡単
なものであった。

本発明に於ては、発光器の電流は一定ではなく、２とお
りの電流値Ｉｈ１　Ｉ４をとる事にした。Ｉｈ）Ｉ６で
ある。切換えは受光器の発する帰還信号によって行なう
。

受光器に於て、 （１）　Ｌ　Ｏ、ＨＩの変化があった時、Ｉ６からＩｈ
へ切換える。

（２）ＨＩ→ＬＯの変化があった時、 Ｉｈから１４へ切換える、 ようにする。

（のように、ヒステリシスを与えるから、信号がチャタ
リングを含むというような事はなくなる。

受光器の増幅、二値化回路に於て、ヒステリシスを与え
る回路は既に例も多い。コンパレータの基準電圧を、切
りかえるようにすれば良い。又はシュミット回路を用い
れば、Ｍずヒステリシスが伴うから、これでもよい。

本発明は、受光器の内部でヒステリシスを与えるのでは
なく、発光器の電流を切換えて、ヒステリシスに対応す
るものを与えている。

第１図は本発明の光検出方式の回路ブロック図である。

発光器１と受光器２とが、光ファイバ１０によって光を
やりとりし、光は回転スリット板８を透過する事により
、信号光となって受光器２へ入射する。これは既に述べ
たように一例にすぎない。

光ファイバ１０がない事もある。光ファイバがなく、レ
ンズを使う事もある。回転スリット板８ではなく、直線
状スリット板のこともある。又、被測定物体が、直接遮
光する位置を通るようにしである事もある。

発光器１は、発光素子１１と、これを強弱２とおりに駆
動する駆動回路１２と、強弱に切換える信号を発する駆
動制御回路１３を含んでいる。

受光器２は、受光素子１５と、受光素子１５の電流信号
を増幅する増幅器１６と、増幅された電流工が閾値Ｇよ
り大きいか小さいかを判別する判別器１７とを含む。判
別器１７の出力は、検出信号出力端子１８から外部にと
り出される。同時に、判別器１７の出力は発光器１の駆
動制御器１３へ正帰還される。

判別器１７の比較入力は、抵抗２０によって接地するよ
うにｉ示されている。これは閾値ＧがＯＶで、増幅器１
６の出力がＱＶを境にして、上下にほぼ等分に振れるも
のに対応する。

実際には、判別器１７の比較入力は、正電源と負電源、
又はいずれかの電源と接地との間の電圧に設定できるよ
うに、抵抗、可変抵抗を組合わせる事が多い。可変抵抗
を調整して、閾値Ｇを設定する。

駆動制御回路１３には、判別器１７の出力ＨＩ又はＬ６
が入力される。Ｈｌが入力されている時、駆動制御回路
１３の指令により、駆動回路１２の電流Ｉｈになる。Ｌ
Ｏが入力されている時、駆動制御回路１３の指令により
、駆動回路１２の電流は工４になる。

第１０図によって動作を説明する。（ａ）Ｉは発光器の
駆動電流又は発光素子の出力を示している。駆動電流は
一定ではなく、高駆動電流Ｉｈと、低駆動電流１４に切
換わるようになっている。Φ）は受光器の入射光波形又
は受光素子の光電流、或は増幅器１６の電流を示してい
る。破線は、閾値Ｇを示す。増幅器の電流工とＧとを比
較するものとする。（Ｃ）は判別器の出力である検出信
号を示している。

（ａ）の駆動電流が高駆動電流域５０にあるとする。

発光素子のパワーは大きい。受光素子の信号がこの時、
部分波６０のように変化したとする。発光、受光素子の
間に、遮光物体がないか、遮光性能の小さい物体がある
か、の状態である。

小さいリップル６４を伴った後、受光素子の出力電流が
、閾値Ｇを上から下へと変化したとする。

この瞬間に、検出信号はＨｌからＬＯに低下する。

（Ｃ）に示すγ０から７１への変化である。この変化は
、発光素子の駆動電流をＩｈからＩｌへと変化させるよ
うに働く。（ａ）に於て高駆動電流域５０から低駆動電
流域５１へと変化する。

発光素子のパワーが低下するから、受光素子の光電流が
減少する。これが（ｂ）の急減少波６５に当る。リップ
ル６６の後、なだらかに変化する閾値以下の部分波６１
になる。検出信号は７１のままで安定する。

部分波６１が増加し、閾値Ｇに達すると、検出信号は７
２のように立上る。すると発光器側の発光素子駆動電流
がＩｈになり、（ａ）の５２に示すようになる。部分波
６１が閾値Ｇを横切った瞬間に１４→Ｉｈの切換えが行
われるから、受光素子出力は６２のように瞬間的にもち
上る。リップル６７があっても、閾値Ｇより遠く離れて
いるから問題ない。

（イ））他の構成 以上に示したものは、発光素子のパワーは２段階に切換
えられはするが、直流成分しかない事に変わりはない。

直流信号は、外乱光に対して弱いという欠点がある。外
部の光源による直流光が受光器に入ると、これと信号と
を判別する事ができず誤動作する。

このような事が問題にな゛る場合は、発光素子のパワー
に変調をかける。ここではＦ　Ｓ　Ｋ（Ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙＳｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）変調の例について説明
する。高振動数信号ｆＨと、低振動数信号ｒＬとを使う
。前者は、後者の２倍にする事が多い。

論理値ｕ１”又はＨＩに対シ、ｆｏを、論理値ＩＩ　Ｏ
１％又はＬＯに対しｆ’ｔを対応させる。

第２図はこの変調を用いた光検出方式の回路ブロック図
を示す。

受光器２の中に高振動数信号ｆｕを発振する発振器２３
を設ける。この振動数の信号は、分周器２４によって、
１／２の振動数の信号ｆＬになる。

一方、ｆｕＯ方は、閾値調整抵抗２１を経て、合流点２
６に至る。

分周器２４によって作られた低振動数信号ｆ’ｔは、発
光器１の側の駆動制御器１３に入力される。駆動回路１
２の電流は、ｆＬで振動する。発光素子もｆＬで変化す
る変調波となる。ただし、変調波の振幅は、受光器２の
出力バッファ２２によってコントロールされる。

受光素子１５に入る光もｆ’Ｌで振動している。これを
増幅器１６で増幅した後、合流点で発振器２３からの信
号ｆ’Ｈと合流する。判別器１７は、ｆＬとｆｕの混合
された信号の中から、振幅の大きい方の信号の対応する
論理値を出力する。つまり、ｆＬの方が大きければ、Ｌ
Ｏを出力し、ｆＨの方が優勢であればＨＩを出力する。

発光素子は常にｆＬの変調波を出すが、間に遮光するも
のがない時、受光素子にｆ’ｔの波が検出される。判別
器１７は、ｆＬの方が優勢である事を判別する。ＬＯ倍
信号出す。これによって出力バッファ２２は、発光器の
駆動電流を増加させるように指令を、駆動制御器１３に
与える。発光素子は大きい振幅のｆＬ波を生ずるように
なる。

一方、発光素子１１、受光素子１５の間の光学系に物体
が入ってきた場合、受光素子のｆＬ波が減少する。合流
点２６で、ｆＨ波が優越するようになる。判別器１７は
ＨＩを出力し、出力バッファ２２は、発光器１の駆動制
御器に、発光素子駆動電流を減するように指令する。こ
れによって発光素子のｆＬ波の振幅が減少する。すると
受光素子のｆｔ、波の信号振幅も減少し、合流点２６で
のｆＨ波の優越性が確実なものになる。

遮光物体がなくなると、発光素子からのｆ’Ｌ波が、受
光素子にそのまま入力するから、合流点２６ではｆＬ波
の比重が増し、判別器１７はＬＯを出力する。

これにノつて、発光器１の方では、駆動電流が増強され
る。

判別器１７に入るｆＨの振幅は一定であり、ｆＬが変化
する振幅を与える。つまり、ｆＨの振幅が閾値Ｇを与え
る。

（１）効　果 （１）　バックラッシュ、チャタリングによるパルス計
数の誤まりを防ぐ事ができる。発光器の方へ正の帰還を
かけるからである。

（２）光ファイバを用いることとすれば、ノイズに強く
、危険な場所にも設置できる。

（３）ＦＳＸ変調を使うと外乱光にも全く影響されない
。

舒）用　途 （１）　物体検出器 （２）　物体数カウンター （８）位置計測 （４）　回転計　・・・・・・・・・　ロボット、モー
タ、内燃機関

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光検出方式の第１の構成例を示すブロ
ック図。 第２図は本発明の光検出方式の第２の構成例を示すブロ
ック図。 第３図は物体の存否を検出する公知の光検出装置平面図
。 第４図は物体数を検出する公知の光検出装置平面図。 第５図は直線変位、速度を検出する公知の光検出装置平
面図。 第６図は回転変位、速度を検出する公知の光検出装置平
面図。 第７図は光ファイバを用いた光検出装置平面図。 第８図は従来の光検出方式の動作を説明する波形図。（
ａ）は発光波形、又は発光素子駆動電流、（ｂ）は受光
器の入射光波形、（Ｃ）は受光素子又は増幅器の出力電
流波形、（ｄ）は検出信号波形である。 第９図は従来の光検出方式の欠点を説明するための受木
器側の波形図。（ａ）は受光素子の入射光波形、つまり
受光素子の電流波形、（ｂ）は二値化回路を経た検出信
号波形である。 第１０図は本発明の光検出方式の動作を説明する各部の
波形図。（ａ）は発光素子の発光パワー又は駆動電流を
示す。（ｂ）は受光器への入射パワー又は受光器の出力
電流、（Ｃ）は二値化回路（判別器）を経た検出信号波
形。 第、１１図は直ｍ移動スリット板の斜視図。 第１２図は回転スリット板の斜視図。 １・・・・・・・・・発光器 ２・・・・・・・・・受光器 ３　・・・・・・・・・　物　体 ４　・・・・・・・・・　光　線 ５　・・・・・・・・・　直線移動スリット板６・・・
・・・・・・遮光部 ７・・・・・・・・・透光部 ８　・・・・・・・・・　回転スリット板９　・・・・
・・・・・　回　転　軸 １０・・・・・・・・・　光ファイバ １１・・・・・・・・・　発光素子 １２・・・・・・・・・　駆動回路 １３・・・・・・・・・　駆動制御器 １５・・・・・・・・・　受光素子 １６・・・・・・・・・　増　幅　器 １７・・・・・・・・・　判　別　器 １８・・・・・・・・・　検出信号出力端子２２・・・
・・・・・・　出力バッファ２４・・・・・・・・・分
周器 発　明　者　彰　本　哲　夫 特許出願人　住友電気工業株式会社 第３図 第５図 第１１図 第１２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光器１と受光器２とを備え、発光器１から出射
   し受光器２へ入射する光線４を、物体３又は物体の運動
   に連続して直進或は回転運動するスリット板５．８によ
   って、透過或は遮断し、受光器２の検出信号を変化させ
   物体の存否、物体の数、変位、速度を検出する光検出方
   式に於て、受光器入射光量に対応する出力電流Ｉが閾値
   Ｇより大になった時、発光器１０発光強度を増加させ、
   受光器２の入射光量に対応する出力電流工が閾値Ｇより
   小になった時、発光器１の発光強度を減少させる事を特
   徴とする光検出方式。
2. （２）発光器１、受光器２と、物体３又はスリット板５
   ．８とを光ファイバ１０．１０で結合した特許請求の範
   囲第（１）項記載の光検出方式。
3. （３）発光器１０発光波形を、検出器の出力信号の変化
   する周期よりも十分短い周期ｆＬをもつパル波形とした
   特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載の光検出
   方式。