JPH0358475B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（技術分野） 本発明は予め設定された検知エリア内に被検知
物体が存在するかどうかを判別して出力回路を制
御する反射型光電スイツチに関するものである。 （背景技術） 第１図乃至第３図はこの種の反射型光電スイツ
チの基本例を示すもので、図中１は被検知物体Ｘ
に対してパルス変調光よりなる光ビームＰを投光
する投光手段であり、投光タイミングを設定する
同期信号を発生する発振回路１０と、ドライブ回
路１１と、発光ダイオード、レーザーダイオード
などの投光素子１２と、光ビームＰを形成するコ
ンデンサレンズよりなる投光用光学系１３とで形
成されている。２は投光手段１から所定間隔l₀を
もつて並置された受光手段であり、投、受光手段
１，２は被検知物体Ｘに対して三角測量的に配置
されている。この受光手段２は被検知物体Ｘによ
る反射光を集光するための凸レンズよりなる集光
手段３と、集光手段３の集光面に配設され集光ス
ポツトＳの位置に対応した位置信号を出力する位
置検出手段４とで構成されており、この位置検出
手段４は、凸レンズよりなる集光手段３の集光面
内に配設され、集光スポツトＳの一方向の移動に
際して光量に比例しかつその移動量に応じて増加
する第１の検知信号IAを出力するとともに光量
に比例しかつ移動量に応じて減少する第２の検知
信号IBを出力する。ここに、基本例では、この
位置検出手段４は、１次元位置検知素子（以下
PSD４と称する）にて形成され、このPSD４は
第３図ａに示すように、平板状シリコン３１の表
面にＰ層３１ａ、裏面にＮ層３１ｂ、中間にＩ層
３１ｃを形成したものであり、集光スポツトＳの
位置に対応した信号電流IA，IBが出力されるよ
うになつている。この信号電流IAは集光スポツ
トＳの一方向の移動に際してその移動量に比例し
て増加する信号であり、信号電流IBは移動量に
比例して減少する信号である。もちろん、信号電
流IA，IBが光量に比例することは言うまでもな
い。第３図ｂは位置検知素子４の等価回路を示す
もので、図中Piは電流源、Doは理想的ダイオー
ド、Coは接合容量、Ptは並列抵抗、Roは電極間
抵抗である。 なお位置検出手段４として距離ｌが変化した場
合における集光スポツトＳの移動に応じて相反す
る信号電流IA，IBが得られるものであれば何で
も良く、例えば移動方向（矢印Ｍ）に連設された
２個の受光素子にて形成しても良く、受光素子と
してホトトランジスタ、ホトダイオード、太陽電
池、CdSなどが用いられる。５は判別制御手段で
あり、位置検出手段４出力に基いて被検知物体Ｘ
が所定の検知エリアDE内に存在するかどうかを
判別して出力回路６を制御するようになつてい
る。この判別制御手段５は、位置検出手段４から
の信号電流IA，IBを信号電圧VA，VBに増巾変
換する受光回路２１ａ，２１ｂと、対数増巾回路
２２ａ，２２ｂと、対数増巾回路２２ａ出力
lnVAから対数増巾回路２２ｂ出力lnVBを減算す
る減算回路２３と、減算回路２３出力lnVA／
VBと検知エリア設定用ボリウム２４ａにて設定
された動作レベルVsとを比較して減算回路２３
出力lnVA／VBが動作レベルVs以下のときＨレ
ベルを出力する比較回路２４と、投光素子１２か
らの光ビームＰの投光タイミング（発振回路１０
から出力される同期信号）に同期して比較回路２
４出力をサンプリングすることにより、被検知物
体Ｘが検知エリアDE内に存在するかどうかを確
実に判別するようにした信号処理回路２５とで形
成され、信号処理回路２５出力にて負荷制御用の
リレー、負荷制御用の半導体スイツチ素子などよ
りなる出力回路６を制御するようになつている。
なお、受光回路２１ａ，２１ｂはパルス光信号の
みを通し直流光信号をカツトしたり、特定の周波
数のみを通すバンドパスフイルタ回路を含むもの
である。 いま、被検知物体Ｘが第４図ａに示すように反
射型光電スイツチＹから距離l₁，l₂，l₃の位置に
存在する場合において、集光面内に配設された素
子PSD４に対する集光スポツトＳの位置はそれ
ぞれ第４図ｂのようになり、被検知物体Ｘの位置
が光ビームＰの投光方向に変化すると、集光ビー
ムＳが矢印Ｍ方向に移動してPSD４から出力さ
れる信号電流IA，IBは集光スポツトＳの位置に
対応した位置信号となる。判別制御手段５では受
光回路２１ａ，２１ｂにてこの信号電流IA，IB
に比例した信号電圧VA，VBを形成し、対数増
巾回路２２ａ，２２ｂにて対数増巾した電圧
lnVA，lnVBを減算回路２３にて減算することに
より、減算回路２３から信号電圧VA，VBのレ
ベル比の対数値lnVA／VBが出力されることに
なる。この減算回路２３出力lnVA／VBは反射
型光電スイツチＹから被検知物体Ｘまでの距離ｌ
に応じて変化し、距離ｌに対する減算回路２３出
力lnVA／VBは第５図に示すようになる。した
がつて、比較回路２４の検知エリア設定ボリウム
２４ａにて動作レベルVsを適当に設定すること
により、正確な検知エリアDEが容易に設定でき、
減算回路２３出力lnVA／VBが動作レベルVs以
下となつたとき比較回路２４出力がＨレベルとな
り、信号処理回路２５を介して出力回路６が作動
されるようになつている。なお、対数増巾回路２
２ａ，２２ｂに代えて、リニア増巾回路を用いる
とともに減算回路２３に代えて除算回路を用いて
増巾手段および演算手段を形成しても良い。 ここに、上述のような基本例において、判別制
御手段５はPSD４から出力される信号電流IA，
IBを増巾した信号のレベル比の対数値を演算し
てその演算値が所定の検知範囲か否かによつて被
検知物体Ｘが検知エリアDE内にあるかどうかを
判別して出力回路６を作動させているので、被検
知物体Ｘの光反射率に関係なく検知エリアDEを
設定でき、さらに投、受光用光学系１３，３の汚
れの影響を受けることがないようになつている。 ところで、このような基本例において、被検知
物体Ｘの光反射率あるいは被検知物体Ｘまでの距
離ｌが大巾に変化して受光量が大巾に変動した場
合にあつても誤動作が生じないようにするには、
受光回路２１ａ，２１ｂおよび対数増巾回路２２
ａ，２２ｂよりなる信号電流IA，IBの増巾手段
のダイナミツクレンジを広くしておく必要があ
り、被検知物体Ｘの光反射率の変化に加えて検知
エリアDEの設定可能範囲を考慮すれば上記増巾
手段のダイナミツクレンジは４〜５桁以上にする
必要がある。しかしながら、このような広いダイ
ナミツクレンジを実現することは非常に難しいの
で、通常は３桁程度のダイナミツクレンジを有す
る増巾手段を用いている。したがつて、被検知物
体Ｘが高反射率を有するものであり、かつ検知エ
リアDEを近くに設定したとき、信号電流IA，IB
の増巾手段が飽和して測距誤差が生じ、出力回路
６が誤動作する場合があるという問題があつた。
第６図は上記問題点を示す図であり、距離ｌに対
する減算回路２３出力lnVA／VB、対数増巾回
路２２ａ，２２ｂの出力lnVA，lnVBの変化を示
している。いま、同図ｂに示すように信号電流
IBの増巾手段２１ｂ，２２ｂが距離lβで飽和し、
信号電流IAの増巾手段２１ａ，２２ａが距離lα
で飽和するものとすれば、距離lβ〜lαの区間にお
いて、減算回路２３出力lnVA／VBが距離ｌに
対応しなくなつて測距誤差が生じ、距離lβ以下の
区間においては減算回路２３出力lnVA／VBが
「０」（IA／IB＝１）となつて測距不能になる。
但し、減算回路２３出力lnVA／VBの「０」は
集光スポツトＳがPSD４の中央に結像され信号
電流比IA，IBが「１」となる距離lcに対応する。
同図ａの実線は受光回路２１ａ，２１ｂあるいは
対数増巾回路２２ａ，２２ｂの飽和が発生した場
合、点線は飽和が発生しない場合を示している。
ここに動作レベルVsを第５図に想像線で示すう
に「０」以下に設定し、比較回路２３による検知
範囲として「０」を含まないように設定した場合
において、高反射率の被検知物体Ｘが検知エリア
DE′に存在して信号電流IA，IBの増巾手段が共
に飽和すると、減算回路２３出力lnVA／VBが
「０」になり、出力回路６は作動しない。したが
つて、検知エリアDE′内に被検知物体Ｘが存在し
ているにも拘らず被検知物体Ｘが検知されないと
いう不都合があつた。つまり、増巾手段の飽和に
よつて、被検知物体Ｘが恰も距離lcの位置（信号
電流比IA／IB＝１の位置）に存在しているかの
ように判別され、被検知物体Ｘを見落すことにな
り、このような検知ミスが発生すると、出力回路
６にて制御される機器が異常動作して危険である
という問題があつた。 （発明の目的） 本発明は上記の点に鑑みて為されたものであ
り、その目的とするところは、増巾手段が飽和し
た場合における被検知物体の飽和ミスを防止する
ことができる光電スイツチを提供することにあ
る。 （発明の開示） 実施例 １ 第７図は本発明一実施例を示すもので、前述の
基本例と同様の光電スイツチにおいて、検知エリ
ア設定用ボリウム２４ａによる比較回路２４の動
作レベルVsを「０」以上で設定自在にする設定
制御手段２４ｂを設けたものであり、比較判別手
段の検知範囲は増巾手段たる受光回路２１ａ，２
１ｂ、対数増巾回路２２ａ，２２ｂが飽和したと
きの演算手段出力、すなわち減算回路２３出力で
あるところの「０」を含んで設定自在となつてい
る。つまり、検知エリアDEの遠限点Ａの設定可
能範囲A₁〜A₂の最近点A₁の距離la₁を第８図に示
すように、PSD４および集光手段３により決定
される中央点Ｃの距離lcよりも大きく（la₁lc）
なるようにしたものである。 而して、遠限点Ａの距離laをla₁〜la₂に設定し
た検知エリアDEに光反射率の高い被検知物体Ｘ
が存在して強い反射光Ｒが受光されると、PSD
４から出力される検知信号すなわち信号電流IA，
IBが大きくなつて受光回路２１ａ，２１ｂ、対
数増巾回路２２ａ，２２ｂが飽和し、信号電流比
IA／IBが「１」になつて減算回路２４出力
lnVA／VBが「０」となり測距不能状態となる
が、実施例１にあつては、設定制限手段２４ｂに
より比較回路２４の動作レベルVsが常に０以上
に設定されるようにしているので、被検知物体Ｘ
が存在するものと判断され出力回路６が作動され
る。したがつて、増巾手段の飽和に起因する被検
知物体Ｘの検知ミスが防止され、出力回路６にて
制御される機器が異常動作する危険が発生しない
ことになる。すなわち、本発明にあつては増巾手
段が飽和した場合に被検知物体Ｘが検知エリア
DE内に存在するものと判断して出力回路６を作
動させるように検知エリアDEが設定されるので、
いわゆるフエールセーフ機能が付加されたことに
なつて危険が回避されるようになつているわけで
ある。 ところで、このような三角測量方式の光電スイ
ツチにおけるPSD４上の集光スポツトＳの中心
位置Ｚは、第８図に示すように凸レンズよりなる
集光手段３の集光手段３とPSD４間の距離をＦ
とすれば、Ｚ＝l₀×Ｆ／ｌとなり、距離ｌが大きく なると距離変化Δlに対するＺの変化は第９図に
示すようにΔZ₁からΔZ₂まで小さくなつてゆく。
一方、ＺとPSD４から出力される信号電流比
IA／IBの関係は、PSD４の長さをＬとすれば
lnlA／IB＝ln（Ｌ／Ｚ−１）となり、Ｚの変化ΔZ₁〜 ΔZ₂が小さくなるとIA／IBの変化も小さくなり
測距精度が低下する。しかしながら、PSD４の
端部に光が当るときの信号電流比IA／IBは第１
０図に示すようにに急峻となるので、この部分を
使えば精度の低下が少なくなる。つまり、検知エ
リアDEの設定可能範囲の最遠点A₂に存在する被
検知物体Ｘの反射光Ｒの集光スポツトS′を第８図
に示すようにできるだけPSD４の端部に結像さ
せるような光学系を設計すれば良いことになる。
ここに、第８図において最遠点A₂と集光手段３
の中心とを結ぶ直線上にPSD４の一方の端部が
位置するようにしているが、実際にはPSD４上
での集光スポツトＳはある程度の大きさをもつて
いるので、集光スポツトＳの中心はPSD４の端
部よりも少々内側に位置させている。したがつ
て、上記条件および前記条件に基いて、PSD４
の中心が検知エリアDEの設定可能範囲の最近点
A₁と集光手段３の中心とを結ぶ直線上に位置し、
PSD４の一方の端部４ａが検知エリアDEの設定
可能範囲の最遠点A₂と集光手段３の中心とを結
ぶ直線上に位置するように光学系およびPSD４
の長さを設計すれば良いことになる。したがつ
て、PSD４の長さは決まつてきて、PSD４の他
方の端部４ｂと集光手段３の中心を結ぶ直線が投
光手段１の光軸と交わる点が検知エリアDEに理
論的近限点Ｂとなる。すなわち、この近限点Ｂの
距離lbよりも被検知物体Ｘまでの距離ｌが小さく
なると、集光スポツトＳがPSD４の他方の端部
４ｂから外れてしまうため、検知動作が行なえな
くなつて不感応部分ができる。この近限点Ｂの距
離lbはlb＝la₂×lc／2la₂−lcとなる。ところが、光電
スイ ツチとしては、近限点Ｂよりも近い部分（投光用
光学系１３の近傍まで）を検知エリアDEに含め
る必要があるので、この不感応部分の存在が問題
となる。しかしながら、実際にはPSD４上の集
光スポツトＳは点ではなくある程度の大きさを持
つており、集光ビームをぼかしてPSD４の端部
４ｂにおける集光スポツトＳを適当に大きくする
ことにより、集光スポツトＳの中心がPSD４の
端部４ｂから外れてもPSD４上にある程度の反
射光が集光されるようにでき、上記不感応部分を
なくすことが可能となる。しかしながら、集光ビ
ームをぼかして集光スポツトＳを大きくする場合
において、あまり大きくすると、集光スポツトＳ
内での反射ムラの影響が大きくなり、著しく精度
が低下するので、集光スポツトＳをあまり大きく
しなくても良いようにするには近限点Ｂを適当に
設定する必要がある。以上の点を考慮して色々な
系について実験を行つた結果、少くともlb２／３ lcの関係をもつて近限点Ｂを設定すれば良いこと
がわかつた。ここに、近限点Ｂはla₂×lc／2la₂−lcで
あ るので、Ra₂2Rcという関係を満足すれば良い
ことになる。 一方、上述の考察は、光電スイツチ本体の大き
さ（例えば投、受光手段１，２の間隔l₀）を無視
しているが、実際には検知エリアDEの距離A₁，
Ａ，A₂と光電スイツチ本体の大きさとは使いや
すさの点から経験的におよそ決まつたものであ
り、このことを考慮してl₀とlcとの望ましい関係
を実験的に求めたところlc／lo20が得られた。下 表はPSD４の長さＬを３mmとして上述の条件に
基いて各部の寸法を設計した具体例を示してい
る。但し、ｆは凸レンズよりなる集光手段３の焦
点距離、ｄはレンズ径である。

【表】 上記具体例（Ａ−１）乃至（Ａ−３）によるｌ
−lnIA／IB特性はそれぞれ第１１図乃至第１３図と なる。 （発明の効果） 本発明は上述のように、移動する被検知物体に
対して光ビームを投光する投光手段と、投光手段
の側方に所定間隔をもつて配設され、被検知物体
による光ビームの反射光を集光する集光手段と、
集光手段の集光面に配設され集光スポツトの一方
向の移動に際して光量に比例しかつその移動量に
応じて増加する第１の検知信号を出力するととも
に光量に比例しかつ移動量に応じて減少する第２
の検知信号を出力する位置検出手段と、両検知信
号をそれぞれ増幅する増巾手段と、増巾手段出力
に基いて検知信号のレベル比を演算する演算手段
と、演算手段出力が予め設定された検知範囲かど
うかを比較判別して該検知範囲内のとき出力回路
を作動させる比較判別手段とよりなる光電スイツ
チであるので、被検知物体の光反射率に関係なく
検知エリアを設定できるとともに投、受光用光学
系の汚れの影響を受けることがないという利点が
あり、また上記検知範囲を両増巾手段が飽和した
ときの演算手段出力を含んで設定自在とする設定
制限手段を設けたので、両増巾手段が飽和した場
合には必ず出力回路が作動され、増巾手段の飽和
に起因する被検知物体の検知ミスが防止され、出
力回路にて制御される機器が異常動作する危険が
ないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る基本例の構成を示す図、
第２図は同上のブロツク回路図、第３図は同上に
用いる位置検出素子の構成および等価回路を示す
図、第４図乃至第６図は同上の動作説明図、第７
図は本発明一実施例のブロツク回路図、第８図乃
至第１３図は同上の動作説明図である。 １は投光手段、３は集光手段、４は位置検出手
段、６は出力回路、２２ａ，２２ｂは対数増巾回
路、２３は減算回路、２４は比較回路、２４ｂは
設定制限手段である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 移動する被検知物体に対して光ビームを投光
   する投光手段と、投光手段の側方に所定間隔をも
   つて配設され、被検知物体による光ビームの反射
   光を集光する集光手段と、集光手段の集光面に配
   設され集光スポツトの一方向の移動に際して光量
   に比例しかつその移動量に応じて増加する第１の
   検知信号を出力するとともに光量に比例しかつ移
   動量に応じて減少する第２の検知信号を出力する
   位置検出手段と、両検知信号をそれぞれ増幅する
   増巾手段と、増巾手段出力に基いて検知信号のレ
   ベル比を演算する演算手段と、演算手段出力が予
   め設定された検知範囲かどうかを比較判別して該
   検知範囲内のとき出力回路を作動させる比較判別
   手段とよりなる光電スイツチであつて、上記検知
   範囲を両増巾手段が飽和したときの演算手段出力
   を含んで設定自在とする設定制御手段を設けたこ
   とを特徴とする光電スイツチ。