反射型光电开关以及物体测定方法

专利名称：反射型光电开关以及物体测定方法
技术领域：
本发明涉及反射型光电开关，特别是测定到物体的距离比规定的基准距离远还是 近的反射型光电开关以及物体测定方法。
背景技术：
以往，作为反射型光电开关的一种，已知有测定从光电开关到物体的距离比规定 的基准距离远还是近的距离设定反射型(Background Suppression，以下简称为BGS)光电 开关(例如，参照专利文献1，专利文献2)。根据这样的BGS光电开关，可不测定背景仅测 定物体。另一方面，作为利用激光器发出的光的干涉的距离计，提出一种利用激光器的输 出光和测定对象的返回光在半导体激光器内部的干涉(自混合效应)的激光计测器(例 如，参考非专利文献1、非专利文献2、非专利文献3)。图12显示FP型(法布里-珀罗型) 半导体激光器的复合谐振器模型。在图12中，101为半导体激光器，102为半导体结晶解理 面，103为光电二极管，104为测定对象。设激光的振荡波长为λ，从离测定对象104近的解理面102到测定对象104的距 离为L，当满足以下的谐振条件时，来自测定对象的返回光和谐振器101内的激光相互增 强，激光输出稍有增加。L = qA /2. . . (1)在式子(1)中，q为整数。即使测定对象104的散射光非常微弱，但是由于半导体 激光器的谐振器101中的所表现的反射率增加，产生放大作用，从而可充分地观测。由于半导体激光器与注入电流的大小相对应发射出频率不同的激光，在调制振荡 频率的时候，不需要外部调制器，可通过注入电流直接调制。图13显示以某一定的比例使 半导体激光器的振荡波长变化时的振荡波长和光电二极管103的输出波形之间的关系。 当满足式子(I)L = qX/2的时候，返回光和谐振器101内的激光的相位差为0° (同相 位)，此时返回光和谐振器101内的激光为最大相互增强；若L = q λ /2+ λ /4时，相位差为 180° (逆相位)，此时返回光和谐振器101内的激光为最大相互减弱。因此，如果变化半导 体激光器的振荡波长，激光输出为强弱交替反复出现，此时，激光输出由设置在谐振器101 的光电二极管103测定，得到如图13所显示的一定周期的阶梯状波形。这样的波形一般称 为干涉波纹。该阶梯状的波形，即各个干涉波纹称为模跳脉冲(下面称为MHP)。MHP是不同于 模跳现象的现象。例如，在到测定对象104的距离为L1，MHP的个数为10个时，一半的距离 L2中，MHP的个数为5个。S卩，在某一特定时间内令半导体激光器的振荡波长变化的时候， MHP的个数与测定距离呈比例变化。于是，通过光电二极管103检测11朋，测定11朋的频率， 可容易地计测距离。利用上述的自混合型的激光计测器，可实现BGS光电开关。BGS光电开关只要通过 与规定的基准距离相比较进行物体在近距离还是远距离的0N/0FF判定即可。因此，在自混合型的激光计测器作为BGS光电开关使用时，只要判断测定的MHP的平均周期相对于物体 在基准距离的位置时的MHP的已知基准周期是长还是短即可。相对于物体在基准距离的位 置时的MHP的已知基准周期，测定到的MHP的平均周期为长的情况下，ON判定为物体在比 基准距离更近的距离，又，测定到的MHP的周期为短的情况下，OFF判定为物体在比基准距 离更远的距离。
专利文献1日本特开昭63-102135号公报专利文献2日本特开昭63-187237号公报非专利文献1 上田正，山田谆，紫藤进，《利用半导体激光器的自混合效应的距 离计》1994年度电气关系学会东海支部联合大会演讲论文集，1994年非专利文献2 山田谆，紫藤进，津田纪生，上田正，《关于利用半导体激光的自 混合效应的小型距离计的研究》，爱知工业大学研究报告，第31号B，p. 35-42，1996年非专利文献 3 Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donati and Thierry Bosch, [Laser diode self-mixing technique for sensing applications], JOURNAL OF OPTICS A:PUREAND APPLIED OPTICS，p.283-294，2002 年发明所要解决的问题如上所述，利用自混合型的激光计测器，可实现BGS光电开关。但是，仅求得 MHP的平均周期与基准周期进行比较的话，判定精度会变差。因此，发明人利用专利申请 2007-015020号提出的方法，求出MHP的周期的次数分布，求出中央值或最频值等的分布的 代表值，根据该周期的分布的代表值和周期的次数分布计算到物体的距离，将算出的距离 和基准距离进行比较，可提高判定精度。然后，这样的方法中，需要存储器和计算机，从而导 致BGS光电开关的造价升高的问题。又，当物体位于比基准距离近的地方的情况下，MHP的周期分布如图14的分布40 那样，朝向比基准周期Th长的方向偏移。相反的，当物体在比基准距离远的地方的情况下， MHP的周期分布如图14的分布41所示，朝向比基准周期Th短的方向偏移。这样，通过比较 周期比基准周期Th长的MHP的个数Nlong和周期比基准周期Th短的MHP的个数Nshort， 可通过简单且便宜的结构判定物体的远近。在该判定方法中，如果Nlong > Nshort成立， 则判定物体在比基准距离近的地方，如果Nlong < Nshort成立，则判定物体在比基准距离 远的地方。但是，在对周期比基准周期Th长的MHP的个数Nlong和周期比基准周期Th短的 MHP的个数Nshort进行比较的判定方法中，例如将外部散乱光等干扰也作为MHP计数，或者 信号的跳变导致有无法被计数的MHP，从而测定的MHP的周期有时会产生误差，因此，有可 能在物体在基准距离附近的位置时有判定的误差。

发明内容
本发明是为了解决上述课题而作成的，其目的在于利用自混合型的激光计测器， 以简单且便宜的构造来实现精度良好的反射型光电开关。又，本发明的目的还在于实现能够校正周期的测定误差并能高精度地判定物体远 近的反射型光电开关。解决问题用的手段
本发明提供一种反射型光电开关，包含发射激光的半导体激光器；使该半导体激光器动作的激光驱动器；检测含有干涉波形的电气信号的检测单元，所述干涉波形由于 从该半导体激光器发射出的激光和位于所述半导体激光器前方的物体的返回光的自混合 效应而产生；每次输入干涉波形时都测定包含在所述检测单元的输出信号中的所述干涉波 形的周期的周期测定单元；计数单元，在将所述物体在基准距离的位置时的所述干涉波形 的周期作为基准周期时，所述计数单元将由所述周期测定单元测定的干涉波形的周期的次 数区分为以下四种小于所述基准周期的第一规定倍数的周期的次数Ni，大于等于所述基 准周期的第一规定倍数且小于基准周期的周期的次数N2，大于等于所述基准周期且小于基 准周期的第二规定倍数的周期的次数N3，和大于等于所述基准周期的第二规定倍数的周期 的次数N4，其中第一规定倍数小于第二规定倍数；判定单元，该判定单元比较所述次数m、 N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数m为最大时，判定所述物体在比所述基准距离 远的位置，当次数N4为最大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之 和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和N3的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体 在比所述基准距离远的位置，当所述次数N3大时，则判定所述物体在比所述基准距离近的 位置。又本发明的一构成例进一步包括通过N2，= N2-N1算出所述次数N2的校正值 N2，的次数校正单元，所述判定单元比较所述次数m、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所 述次数W为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时， 判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所 述次数的校正值N2’和次数N3的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所述基 准距离远的位置，当所述次数N3大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。又本发明的一构成例进一步包括通过N3，= N3+N1算出所述次数N3的校正值 N3，的次数校正单元，所述判定单元比较所述次数m、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所 述次数W为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时， 判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所 述次数N2和次数的校正值N3’的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体在比所述基准距 离远的位置，当所述校正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。又，在本发明的反射型光电开关的一构成例中，所述激光驱动器驱动所述半导体 激光器，使得至少包括振荡波长连续单调增加的期间的第一振荡期间和至少包括振荡波长 连续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在；并进一步包括归一化单元，所述归一化 单元在分别按各振荡期间以各振荡期间的次数对所述计数单元求得的次数Ni、N2、N3、N4 进行归一化之后，对各归一化后的次数N1、N2、N3、N4，分别求得第一振荡期间和第二振荡期 间的次数的和附，，、N2，，、N3，，、N4” ；和通过N2，= N2，，-Nl，，计算所述次数N2，，的校正值N2， 的次数校正单元；所述判定单元比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当 所述次数Ni”为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大 时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比 较所述次数的校正值N2’和次数N3”的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所 述基准距离远的位置，当所述次数N3”大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。又在本发明的反射型光电开关的一构成例中，所述激光驱动器驱动所述半导体激光器，使得至少包括振荡波长连续单调增加的期间的第一振荡期间和至少包括振荡波长连 续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在；并进一步包括归一化单元，所述归一化单 元在分别按各振荡期间以各振荡期间的次数对所述计数单元求得的次数m、N2、N3、N4进 行归一化之后，对于各归一化后的次数N1、N2、N3、N4，分别求得第一振荡期间和第二振荡期 间的次数的和附”、N2”、N3”、N4” ；和通过N3，= N3” +Ni”计算所述次数N3”的校正值N3， 的次数校正单元；所述判定单元比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当 所述次数Ni”为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大 时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比 较所述次数N2”和次数的校正值N3’的大小，当所述次数N2”大时，判定所述物体在比所述 基准距离远的位置，当所述校正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
又本发明的反射型光电开关的一构成例中，所述第一规定倍数为0. 5，所述第二规 定倍数为1.5。又本发明提供一种物体检测方法，其包含将驱动电流提供给半导体激光器，驱动 所述半导体激光器动作的振荡步骤；检测含有干涉波形的电信号的检测步骤，所述干涉波 形由于从该半导体激光器发射出的激光和位于所述半导体激光器前方的物体的返回光的 自混合效应而产生；每次输入干涉波形时都测定包含在由所述检测步骤得到的输出信号中 的所述干涉波形的周期的周期测定步骤；计数步骤，在将所述物体在所述基准距离的位置 时的所述干涉波形的周期作为基准周期时，将由所述周期测定步骤测定的干涉波形的周期 的次数区分为以下四种小于所述基准周期的第一规定倍数的周期的次数Ni，大于等于所 述基准周期的第一规定倍数且小于基准周期的周期的次数N2，大于等于所述基准周期且小 于基准周期的第二规定倍数的周期的次数N3，和大于等于所述基准周期的第二规定倍数的 周期的次数N4，其中第一规定倍数小于第二规定倍数；判定步骤，比较所述次数Ni、N4和 次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数m为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的 位置，当所述次数N4为最大时，判定所述物体在比所述准距离近的位置，当所述次数之和 (N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和N3的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体 在比所述基准距离远的位置，当所述次数N3大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位 置。发明效果根据本发明，可消除周期测定时的模跳脉冲的欠缺和过多的干扰检测的影响，能 正确地判定从反射型光电开关到物体的距离比基准距离近还是远。又，在本发明中，周期测 定单元和计数单元和判定单元能通过简单的结构实现，从而能以简单且便宜的结构实现精 确度好的反射型光电开关。 又，在本发明中，通过设置次数校正单元，可更加有效地消除周期测定时过多的干 扰检测的影响，从而提高对物体远近的判定精度。


图1是显示本发明第一实施方式的BGS光电开关的构成的框图。图2是显示本发明第一实施方式的半导体激光器的振荡波长的时间变化的一个 实例的示意图。
图3是示意性显示本发明第一实施方式的电流-电压变换放大部的输出电压波形 以及过滤部输出电压波形的波形图。图4是显示本发明第一实施方式的BGS光电开关的周期区别部的构成的框图。图5是示意性显示本发明第一实施方式的BGS光电开关的过滤部的输出电压波形 的波形图 。图6是显示本发明第一实施方式中发生波形欠缺时的模跳脉冲的周期的次数分 布的示意图。图7是显示本发明第一实施方式中周期根据噪声一分为二时的模跳脉冲的周期 的次数分布的示意图。图8是显示本发明第二实施方式中BGS光电开关的周期区别部的构成的框图。图9是显示噪声导致模跳脉冲周期分割和波形欠缺、且显示物体没有静止时的模 跳脉冲周期的次数分布的示意图。图10是显示本发明第四实施方式的BGS光电开关的周期区别部的构成的框图。图11是显示本发明第五实施方式的BGS光电开关的构成的框图。图12是显示现有的激光计测器中的半导体激光器的复合谐振器模型的示意图。图13是显示半导体激光器的振荡波长和内置光电二极管的输出波形的关系的示 意图。图14是显示物体距离和模跳脉冲周期的次数分布的关系的示意图。
具体实施例方式[第一实施方式]下面，参考

本发明的实施方式。图1是显示涉及本发明第一实施方式的 BGS光电开关的构造的框图。图1的BGS光电开关具有发射激光的半导体激光器1，将半导体激光器1的光输 出变换为电信号的光电二极管2，对半导体激光器1发出的光进行集光发射、并对物体10的 返回光进行集光入射到半导体激光器1的透镜3，驱动半导体激光器1的激光驱动器4，将 光电二极管2的输出电流变换为电压并放大的电流-电压变换放大部5，从电流-电压变换 放大部5的输出电压中除去载波的过滤部6，测定过滤部6的输出电压中包含的MHP的周 期，并根据基于基准周期的值对MHP的周期的次数进行区别的周期区别部7，根据周期区别 部7的区别结果判定物体10是在比基准距离近的距离还是远的距离的判定部8，显示判定 部8的判定结果的显示部9。光电二极管2和电流_电压变换放大部5构成测定单元。下面，为了便于说明，假 设半导体激光器1使用没有模跳现象型(VCSEL型、DFB激光型)的。激光驱动器4将随着时间以一定变化率反复增减的三角波驱动电流作为注入电 流提供给半导体激光器1。这样，半导体激光器1被驱动为，与注入电流的大小成比例的，使 振荡波长以一定变化率连续增加的第一振荡期间和振荡波长以一定变化率连续减少的第 二振荡期间交互反复出现。图2是显示半导体激光器1的振荡波长的时间变化的图。在图 2中，Pl为第一振荡期间，P2为第二振荡期间，λ a为各期间振荡波长的最小值，λ b为各期 间振荡波长的最大值，Tt为三角波的周期。在本实施方式中，振荡波长的最大值Xb和振荡波长的最小值λ a通常分别为一定的值，它们的差Xb-λ a也通常为一定的值。半导体激光器1发出的激光通过透镜3集光，入射到物体10。由物体10反射的光 通过透镜3集光，入射到半导体激光器1。但是，透镜3的集光不是必须的。光电二极管2 设置在半导体激光器1的内部或是其附近，半导体激光器1的光输出变换为电流。电流-电 压变换放大部5将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大。
过滤部6具有从调制波中抽取重叠信号的功能。图3(A)是显示电流-电压变换 放大部5的输出电压波形的示意图，图3 (B)是显示过滤部6的输出电压波形的示意图。这 些附图表示了从相当于光电二极管2的输出的图3(A)的波形(调制波)，去除图2的半导 体激光器1的振荡波形(载波)来抽取图3 (B)的MHP波形(干涉波形)的过程。周期区别部7测定包含在过滤部6的输出电压中的MHP的周期，根据基于物体10 在规定的基准距离位置时的MHP的已知周期(以下，称为基准周期Th)的值对MHP的周期 的次数进行区别。图4为显示周期区别部7的构成的框图。周期区别部7包括周期测定部70和计 数部71。周期测定部70包括上升检测部72和时间测定部73。图5为说明周期测定部70的动作的图，且是显示过滤部6的输出电压波形即MHP 的波形的示意图。在图5中，Hl为用来检测MHP的上升的阈值。上升检测部72通过比较过滤部6的输出电压和阈值H1，来检测MHP的上升。时间 测定部73基于上升检测部72的检测结果，测定从MHP的上升到下次上升的时间tuu(即， MHP的周期)。时间测定部73在每次对MHP的上升进行检测时进行上述测定。计数部71将由周期测定部70测定的MHP的周期T的次数区别为以下四种小于基 准周期Th的0. 5倍(0. 5Th > Τ)的周期的次数m，大于等于基准周期Th的0. 5倍且小于基 准周期Th (0. 5Th ^ T < Th)的周期的次数N2，大于等于基准周期Th且小于基准周期Th的 1. 5倍(Th彡T < 1. 5Th)的周期的次数N3，和大于等于基准周期Th的1. 5倍(1. 5Th ( Τ) 的周期的次数Ν4。如上所述，周期区别部7对MHP的周期的次数进行区别。周期区别部7分别在各测 定期间(在本实施例中，指分别在第一振荡期间Pl和第二振荡期间Ρ2)测定MHP的周期， 对周期的次数进行区别。接着，判定部8根据周期区别部7的测定结果判定物体10比基准距离近还是远。 判定部8比较MHP的周期的次数Ni、Ν4和次数之和(Ν2+Ν3)的大小，如果次数m为最大， 那么判定物体10在比基准距离远的位置，如果次数N4为最大，那么判定物体10在比基准 距离近的位置。如果次数之和(N2+N3)为最大，则判定部8比较次数N2和N3的大小，当次 数N2比次数N3大的时候，判定物体10在比基准距离远的位置，如果次数N3比次数N2大， 判定物体10在比基准距离近的位置。判定部8在每个周期区别部7对MHP的周期进行测定并区别的测定期间(在本实 施例方式中，分别在第一振荡期间Pl和第二振荡期间P2)进行上述判定。显示部9显示判定部8的判定结果。图6、图7是说明本实施方式的判定原理的图，图6是显示产生波形欠缺时的MHP 的周期的次数分布的示意图，图7是显示周期因噪声一分为二时的MHP的周期的次数分布 的示意图。在图6、图7中，TO为MHP的原本的周期次数分布a的代表值(中央值或是出现频率最大的值等)。例如如果由于MHP的强度较小，周期测定时产生MHP的欠缺(检测遗漏)的话，则产生欠缺的地方的MHP的周期为原本周期的大约2倍，由该欠缺产生的MHP的周期次数分 布为以2T0为中心的正态分布(图6的b)。该次数分布b与MHP的原本的周期次数分布a 为相似形。另一方面，如果周期测定时将噪声误作为MHP检测的话，则MHP的周期以随机的比 例分为两部分。此时，作为对噪声进行过剩计数的结果，被分为两部分的MHP的周期次数分 布相对于0. 5T0为对称分布(图7的c)。在本实施方式中，如上所述，将MHP的周期的次数分为4种，如果小于基准周期Th 的ο. 5倍的周期的次数m为最大，则该次数m不是由噪声造成的，将其视为MHP原本的周 期，并判定物体10在比基准距离远的位置。如果大于等于基准周期Th的1. 5倍的周期的 次数N4为最大，则该次数N4不是由MHP的欠缺造成的，将其视为MHP的原本周期，判定物 体10在比基准距离近的位置。又，在无法通过次数m或N4判定物体10的远近的情况下， 无视次数m和N4，对大于等于基准周期Th的0. 5倍且小于基准周期Th的周期的次数N2， 和大于等于基准周期Th且小于基准周期Th的1. 5倍的周期的次数N3的大小进行比较，从 而判定物体10的远近。这样，在本实施方式中，可消除在测定周期时MHP的欠缺和过剩的噪声检测造成 的影响，正确地判断从BGS光电开关到物体10的距离(更确切地说是半导体激光器1到物 体10的距离)比基准距离远还是近。周期区别部7和判定部8可通过具有CPU、存储装置以及接口的计算机以及存储在 存储装置中的程序实现，也可通过硬件实现。本实施方式中，仅仅测定MHP的周期、区别周 期和比较次数大小即可实现，因此可以简单的构成实现周期区别部7和判定部8。[第二实施方式]下面，对本发明第二实施方式进行说明。在本实施方式中，BGS光电开关整体构成 与第一实施方式相同，故采用图1的符号进行说明。图8是显示本发明第二实施方式的BGS光电开关的周期区别部7的构成的框图。 本实施方式的周期区别部7相对于第一实施方式的构成增加了次数校正部74。周期测定部 70和计数部71的动作与第一实施方式的相同。次数校正部74根据下列式子计算出大于等于基准周期Th的0. 5倍且小于基准周 期Th的周期的次数N2的校正值N2’，和大于等于基准周期Th且小于基准周期Th的1. 5倍 的周期的次数N3的校正值N3’。N2，= N2-N1(2)N3，= N3+N1(3)接着，次数校正部74将计数部71求得的次数N1、N2、N3、N4和自身所求得的校正 值N2’、N3’通知给判定部8。与第一实施方式相同，周期区别部7分别对每个测定期间的 MHP周期进行区别，计算次数的校正值。又，次数校正部74，也可计算校正值N2’、N3’中的 某一个。接着，本实施方式的判定部8比较MHP的周期的次数附和N4和次数之和(N2+N3) 的大小，如果次数m为最大，则判定物体10在比基准距离远的地方，如果次数N4为最大，则判定物体10在比基准距离近的地方。又，判定部8在次数之和(N2+N3)为最大的情况下， 比较次数校正值N2’和次数N3的大小，当校正值N2’比次数N3大的时候，判定物体10在 比基准距离远的地方，当次数N3比校正值N2’大的时候，判定物体10在比基准距离近的地 方。判定部8在各测定期间进行上述判定。又，在次数校正部74计算校正值N3’的时候，判定部8进行下列的判定。即，判定 部8比较MHP的周期的次数Μ和N4和次数之和(N2+N3)的大小，如果次数m为最大，判 定物体10在比基准距离远的地方，如果次数N4为最大，判定物体10在比基准距离近的地 方。又，判定部8在次数之和(N2+N3)为最大的情况下，比较次数N2’和次数校正值N3’的 大小，当次数N2比次数校正值N3’大的时候，判定物体10在比基准距离远的地方，当次数 校正值N3’比次数N2大的时候，判定物体10在比基准距离近的地方。BGS光电开关的其他构成与第一实施方式中所说明的相同。作为在周期测定时噪声过剩计数的结果，被分为两部分的MHP的周期的次数分布 c如图7所示，与MHP原本的周期次数分布a重叠得较多。因此，在本实施方式中，如式子 (2)那样对大于等于基准周期Th的0. 5倍且小于基准周期Th的周期的次数N2进行校正， 如式子(3)那样对大于等于基准周期Th且小于基准周期Th的1. 5倍的周期的次数N3进 行校正。 这样，在本实施方式中，可更有效去除周期测定时过剩的噪声检测的影响，与第一 实施方式相比，进一步提高了对物体10的远近的判定精度。[第三实施方式]下面，对本发明第三实施方式进行说明。在本发明实施方式中，由于BGS光电开关 的构成与第一实施方式相同，采用图1、图4的符号进行说明。周期区别部7的周期测定部70的动作与第一实施方式相同。本实施方式的计数部71与第一实施方式相同，由周期测定部70测定的MHP的周 期τ的次数被区别为以下四种小于基准周期Th的0. 5倍(0. 5Th > Τ)的次数Ni，大于等 于基准周期Th的0. 5倍且小于基准周期Th(0. 5Th彡T < Th)的周期的次数N2，大于等于 基准周期Th且小于基准周期Th的1. 5倍(Th < T < 1. 5Th)的周期的次数N3，和大于等于 基准周期Th的1. 5倍(1. 5Th彡T)的周期的次数N4。与第一实施方式相同，判定部8比较MHP的周期的次数m、N4和次数之和(N2+N3) 的大小，如果次数m为最大，那么判定物体10在比基准距离远的位置，如果次数N4为最 大，那么判定物体10在比基准距离近的位置。如果次数之和(N2+N3)为最大，则判定部8 以基准周期Th的整数倍周期nTh (η为2以上的整数)为基准，将周期nTh附近且小于周期 nTh的周期T的次数加到次数N2上，将周期nTh的附近且大于等于周期nTh的周期T的次 数加到N3上。然后，判定部8比较加算后的次数N2和N3的大小，如果次数N2大于次数 N3，判定物体10在比基准距离远的地方，如果次数N3比次数N2大，判定物体10在比基准 距离近的地方。BGS光电开关的其他构成与第一实施方式所说明的相同。本实施方式说明了在测定MHP的周期时发生MHP欠缺的情况下的校正方法，周期 测定部70的测定结果在N3 < N2 < (N3+N4)成立时有效。又，在并用本实施方式和第二实施方式的情况下，需要使用校正值N2’。对该校正值N2’和次数N3进行上述加算。[第四实施方式] 在第一 第三实施方式中，如果物体10没有静止则有误判的可能性。这是因为， 如果位于半导体激光器前方的物体10在振荡期间向接近BGS光电开关的方向移动，则在第 一振荡期间Pl中MHP的个数增加(MHP的周期变短)，同时在第二振荡期间P2中MHP的个 数减少(MHP的周期变长)。图9显示了噪声造成MHP的周期分割和波形欠缺，且显示了物体10没有静止的情 况下的MHP的周期的次数分布。如果假设噪声导致的MHP周期的分割和波形欠缺的频率比 例在第一振荡期间Pl和第二振荡期间P2大致相同，由于在次数归一化后进行判定，因此即 使物体10移动，也可正确地判定从BGS光电开关到物体10为止的距离(更正确地说是从 半导体激光器1到物体10为止的距离)比基准距离远还是近。在本实施方式中，BGS光电开关的整体构成和第一实施方式的相同，采用图1的符 号进行说明。图10为本发明第四实施方式的BGS光电开关的周期区别部7的构成的框图。本实 施方式的周期区别部7与第一实施方式的构成相比，增加了归一化部75和次数校正部76。 周期测定部70和计数部71的动作和第一实施方式的相同。在本实施方式中，在第一振荡期间Pl中计数部71求得的次数N1、N2、N3、N4分别 作为Nl (Pl)、N2 (Pl)、N3 (Pl)、N4 (Pl)，在第二振荡期间P2中计数部71求得的次数N1、N2、 N3、N4 分别作为 Nl (P2)、N2 (P2)、N3 (P2)、N4 (P2)。如下列式子那样，归一化部75在各振荡期间以各振荡期间的次数对次数Ni、N2、 N3、N4进行归一化之后，对于归一化后的次数N1、N2、N3、N4分别求出第一振荡期间Pl和第 二振荡期间P2的次数之和附”、N2”、N3”、N4”。Ni” = (Nl(Pl)/ (Ni (Pl) +N2 (Pl) +N3 (Pl) +N4 (Pl))}+{N1(P2)/ (Ni (P2) +N2 (P2) +N3 (P2) +N4 (P2))}(4)N2”= {N2 (Pl)/ (Ni (Pl) +N2 (Pl) +N3 (Pl) +N4 (Pl))}+ {N2 (P2)/ (Ni (P2) +N2 (P2) +N3 (P2) +N4 (P2))}(5)N3”= {N3 (Pl)/ (Ni (Pl) +N2 (Pl) +N3 (Pl) +N4 (Pl))}+ {N3(P2)/ (Ni (P2) +N2 (P2) +N3 (P2) +N4 (P2))}(6)N4，，= {N4 (Pl)/ (Ni (Pl) +N2 (Pl) +N3 (Pl) +N4 (Pl))}+ {N4 (P2)/ (Ni (P2) +N2 (P2) +N3 (P2) +N4 (P2))}(7)次数校正部76如下那样计算出次数N2 ”的校正值N2 ’，和次数N3 ”的校正值N3 ’。
N2，=N2”-N1”(8)N3，=N3”+N1”(9)接着，次数校正部76将归一化部75求得的次数m”、N2”、N3”、N4”和自身求得的 校正值N2’和N3’通知给判定部8。在本实施方式中，由于求得第一振荡期间P1和第二振 荡期间P2的和，周期区别部7在各振荡周期(三角波周期)动作。又，次数校正部76计算 出校正值N2’、N3’中的某一个即可。接着，本实施方式的判定部8比较MHP的周期的次数附”和N4”和次数之和 (N2”+N3”)的大小，如果次数N1”为最大，则判定物体10在比基准距离远的地方，如果次数 N4”为最大，则判定物体10在比基准距离近的地方。又，在次数之和(N2”+N3”)为最大的 情况下，判定部8比较次数校正值N2’和次数N3”的大小，当校正值N2’比次数N3”大的时 候，判定物体10在比基准距离远的地方，当次数N3”比校正值N2’大的时候，判定物体10 在比基准距离近的地方。判定部8在各振荡周期(三角波周期)进行上述判定。又，在次数校正部76计算校正值N3’的时候，判定部8进行下列的判定。即，判定 部8比较MHP的周期的次数附”和N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，如果次数N1 ”为最 大，则判定物体10在比基准距离远的地方，如果次数N4”为最大，则判定物体10在比基准 距离近的地方。又，判定部8在次数之和(N2”+N3”)为最大的情况下，比较次数N2”和次 数的校正值N3’的大小，当次数N2”比次数的校正值N3’大的时候，判定物体10在比基准 距离远的地方，当次数的校正值N3’比次数N2”大的时候，则判定物体10在比基准距离近 的地方。BGS光电开关的其他构成与第一实施方式所说明的相同。在本实施方式中，与第二实施方式相同，可有效去除周期测定时过剩的噪声检测 的影响，即使物体10移动了，也可正确判定物体10的远近。[第五实施例]在第一 第四实施例中，从作为受光器的光电二极管的输出信号中抽出MHP波 形，但是也能够不使用光电二极管抽出MHP波形。图11是本发明第五实施方式的BGS光电 开关的构成的框图，与图1同样的构成采用相同的符号。本实施方式的BGS光电开关中，使 用电压检测部11替代第一 第四实施方式中的光电二极管2和电流-电压变换放大部5。电压检测部11检测并放大半导体激光器1的端子间电压，即检测阳极-阴极间的 电压。由半导体激光器1发射的激光和物体10返回的光而产生干涉时，在半导体激光器1 的端子间电压出现MHP波形。从而，可从半导体激光器1的端子间电压抽出MHP波形。过滤部6，与第一 第四实施方式中的一样，具有从调制波中抽出重叠信号的功 能，其从电压检测部11的输出电压抽出MHP波形。半导体激光器1、激光驱动器4、周期区别部7、判定部8和显示部9的动作和第 一 第四实施方式的相同。这样，在本实施方式中，可不使用光电二极管抽出MHP波形，与第一 第四实施方 式相比，能够减少BGS光电开关的部件数量，能够降低制造BGS光电开关的成本。本发明适用于反射型光电开关。
权利要求
一种反射型光电开关，其特征在于，包含发射激光的半导体激光器；使该半导体激光器动作的激光驱动器；检测含有干涉波形的电气信号的检测单元，所述干涉波形由于从该半导体激光器发射出的激光和位于所述半导体激光器前方的物体的返回光的自混合效应而产生；每次输入干涉波形时都测定包含在所述检测单元的输出信号中的所述干涉波形的周期的周期测定单元；计数单元，在将所述物体在基准距离的位置时的所述干涉波形的周期作为基准周期时，所述计数单元将由所述周期测定单元测定的干涉波形的周期的次数区分为以下四种小于所述基准周期的第一规定倍数的周期的次数N1，大于等于所述基准周期的第一规定倍数且小于基准周期的周期的次数N2，大于等于所述基准周期且小于基准周期的第二规定倍数的周期的次数N3，和大于等于所述基准周期的第二规定倍数的周期的次数N4，其中第一规定倍数小于第二规定倍数；判定单元，该判定单元比较所述次数N1、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数N1为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当次数N4为最大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和N3的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N3大时，则判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
2.如权利要求1所述的反射型光电开关，其特征在于，其进一步包括通过N2’ = N2-N1算出所述次数N2的校正值N2’的次数校正单元，所述判定单元比较所述次数m、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数m为最大 时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时，判定所述物体在 比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数的校正值 N2’和次数N3的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置， 当所述次数N3大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
3.如权利要求1所述的反射型光电开关，其特征在于，其进一步包括通过N3’ = N3+N1算出所述次数N3的校正值N3’的次数校正单元，所述判定单元比较所述次数m、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数m为最大 时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时，判定所述物体在 比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和次数 的校正值N3’的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所 述校正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
4.如权利要求1所述的反射型光电开关，其特征在于，所述激光驱动器驱动所述半导体激光器，使得至少包括振荡波长连续单调增加的期间 的第一振荡期间和至少包括振荡波长连续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在；并进一步包括归一化单元，所述归一化单元在分别按各振荡期间以各振荡期间的次数对所述计数单 元求得的次数附、N2、N3、N4进行归一化之后，对各归一化后的次数附、N2、N3、N4,分别求 得第一振荡期间和第二振荡期间的次数的和W”、N2”、N3”、N4” ；和通过N2’ =拟”-附”计算所述次数拟”的校正值拟’的次数校正单元； 所述判定单元比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当所述次数m” 为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大时，判定所述 物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比较所述次数 的校正值N2’和次数N3”的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所述基准距离 远的位置，当所述次数N3”大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
5.如权利要求1所述的反射型光电开关，其特征在于，所述激光驱动器驱动所述半导体激光器，使得至少包括振荡波长连续单调增加的期间 的第一振荡期间和至少包括振荡波长连续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在； 并进一步包括归一化单元，所述归一化单元在分别按各振荡 期间以各振荡期间的次数对所述计数单 元求得的次数Ni、N2、N3、N4进行归一化之后，对于各归一化后的次数m、N2、N3、N4,分别 求得第一振荡期间和第二振荡期间的次数的和m”、N2”、N3”、N4” ；和通过N3’ =吧”+附”计算所述次数吧”的校正值吧’的次数校正单元； 所述判定单元比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当所述次数m” 为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大时，判定所述 物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比较所述次数 N2”和次数的校正值N3’的大小，当所述次数N2”大时，判定所述物体在比所述基准距离远 的位置，当所述校正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
6.如权利要求1 5中任一项所述的反射型光电开关，其特征在于，所述第一规定倍数 为0. 5，所述第二规定倍数为1. 5。
7.一种物体检测方法，其检测到物体的距离比规定的基准距离远还是近，其特征在于， 包含将驱动电流提供给半导体激光器，驱动所述半导体激光器动作的振荡步骤； 检测含有干涉波形的电信号的检测步骤，所述干涉波形由于从该半导体激光器发射出 的激光和位于所述半导体激光器前方的物体的返回光的自混合效应而产生；每次输入干涉波形时都测定包含在由所述检测步骤得到的输出信号中的所述干涉波 形的周期的周期测定步骤；计数步骤，在将所述物体在所述基准距离的位置时的所述干涉波形的周期作为基准周 期时，将由所述周期测定步骤测定的干涉波形的周期的次数区分为以下四种小于所述基 准周期的第一规定倍数的周期的次数Ni，大于等于所述基准周期的第一规定倍数且小于基 准周期的周期的次数N2，大于等于所述基准周期且小于基准周期的第二规定倍数的周期的 次数N3，和大于等于所述基准周期的第二规定倍数的周期的次数N4，其中第一规定倍数小 于第二规定倍数；判定步骤，比较所述次数m、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当所述次数m为最大时， 判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时，判定所述物体在比所 述准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和N3的大小， 当所述次数N2大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N3大时，判定 所述物体在比所述基准距离近的位置。
8.如权利要求7所述的物体检测方法，其特征在于，其进一步包括 通过N2’ = N2-N1算出所述次数N2的校正值N2’的次数校正步骤；所述判定步骤比较所述次数Ni、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当次数m为最大时， 判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当次数N4为最大时，判定所述物体在比所述基 准距离近的位置，当次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数的校正值N2’和次数N3 的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N3 大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
9.如权利要求7所述的物体检测方法，其特征在于，其进一步包括 通过N3’ = N3+N1算出所述次数N3的校正值N3’的次数校正步骤，所述判定步骤比较所述次数Ni、N4和次数之和(N2+N3)的大小，当次数m为最大时， 判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4为最大时，判定所述物体在比所 述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2+N3)为最大时，则比较所述次数N2和次数的校 正值N3’的大小，当所述次数N2大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述校 正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
10.如权利要求7所述的物体检测方法，其特征在于，所述振荡步骤使所述半导体激光器动作以使得至少包括振荡波长连续单调增加的期 间的第一振荡期间和至少包括振荡波长连续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在； 并进一步包括归一化步骤，在分别按各振荡期间以各振荡期间的次数对由所述计数步骤得到的次数 N1、N2、N3、N4进行归一化之后，对于各归一化后的次数N1、N2、N3、N4，分别求得第一振荡期 间和第二振荡期间的次数的和附”、N2”、N3”、N4” ；和通过N2’ =拟”-附”计算所述次数拟”的校正值拟’的次数校正步骤； 所述判定步骤比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当次数Ni”为最 大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大时，判定所述物体 在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比较所述次数的校 正值N2’和次数N3”的大小，当所述校正值N2’大时，判定所述物体在比所述基准距离远的 位置，当所述次数N3”大时，判定所述物体在所述比基准距离近的位置。
11.如权利要求7所述的物体检测方法，其特征在于，所述振荡步骤使所述半导体激光器动作以使得至少包括振荡波长连续单调增加的期 间的第一振荡期间和至少包括振荡波长连续单调减少的期间的第二振荡期间交互存在； 并进一步包括归一化步骤，在分别按各振荡期间以各振荡期间的次数对由所述计数步骤得到的次数 N1、N2、N3、N4进行归一化之后，对于各归一化后的次数N1、N2、N3、N4，分别求得第一振荡期 间和第二振荡期间的次数的和附”、N2”、N3”、N4” ；和通过N3’ =吧”+附”计算所述次数吧”的校正值吧’的次数校正步骤； 所述判定步骤比较所述次数m”、N4”和次数之和(N2”+N3”)的大小，当所述次数m” 为最大时，判定所述物体在比所述基准距离远的位置，当所述次数N4”为最大时，判定所述 物体在比所述基准距离近的位置，当所述次数之和(N2”+N3”)为最大时，则比较所述次数 N2”和次数的校正值N3’的大小，当所述次数N2”大时，判定所述物体在比基准距离远的位置，当所述校正值N3’大时，判定所述物体在比所述基准距离近的位置。
12.如权利要求7 11中任一项所述的物体检测方法，其特征在于，所述第一规定倍数 为0. 5，所述第二规定倍数为1. 5。
全文摘要
本发明利用自混合型激光计测器，以简单且便宜的结构实现精度良好的反射型光电开关。该反射型观点开关包括半导体激光器(1)，检测包含由半导体激光器(1)发射的激光和物体(10)返回的光的自混合效应所产生的干涉波形的电信号的检测单元(光电二极管(2)、电流-电压变换放大部(5))，以基于基准周期的值对干涉波形的周期的次数进行区别的周期区别部(7)，根据周期区别部(7)的测定结果判定物体(10)比基准距离近还是远的判定部(8)。
文档编号H03K17/968GK101888230SQ20091014102
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者上野达也 申请人:株式会社山武