(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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１０１（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、ＬＥＤ１０１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１０６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、負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１０３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。
▲１▼長期通電による投光素子の光出力劣化
▲２▼投光素子の光出力の温度依存性
▲３▼受光素子の光電変換係数の温度依存性
【０００６】
また、これら▲１▼，▲２▼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、（３）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という問題が生じる。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、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。
【００１２】
また、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ＣＰＵ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、ＣＰＵ７、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、ＣＰＵ７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を走査する。図２においては、Ｖｂ１がその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、ＣＰＵ７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）
【図１】
0003676924.tif 000002
【図２】
0003676924.tif 000003
【図３】
0003676924.tif 000004
【図４】
0003676924.tif 000005