フォトリフレクタとは
フォトリフレクタとは、発光器と受光器を同一方向に向けて並べて発光器から光を投射し、物体により反射された光を受光器が検出して物体の存在を検知するデバイスのことです。
光を使って物体を検知する仕組みは一般にフォトインタラプタと言われ、一組の発光器と受光器を用いて光によって物体の有無や位置を検出する機能を持った装置を指します。フォトインタラプタには透過型と反射型に分けられ、透過型のフォトインタラプタは、発光器と受光器の間を物体通過する際に光を遮断することにより検知するものです。
また、反射型のフォトインタラプタは発光器が発する光を物体が反射し、その反射光を受光器が検出することで検知するものです。通常透過型をフォトインタラプタ、反射型はフォトリフレクタと呼び両者を区別していますので、本記事では後者に限定して解説します。
フォトリフレクタの使用用途
フォトリフレクタは、主に至近距離の物体の検出に使われます。その他、物体の表面色により光の反射率が異なることを利用して白黒のパターンを検出する用途や、物体とフォトリフレクタの距離により信号の強さが変化することから距離の測定にも使用可能です。
具体的な例として、所定の位置に物体があるかないかの判定機能が挙げられます。ディスクプレイヤーにおけるメディアの装着状態の検知などです。また、様々な機器で使われているエンコーダでは、回転軸にスリットが刻まれた円形のスリット板が取り付けられていますが、このスリットをカウントして回転量を検出する機構にもフォトリフレクターが利用されています。
スリットの欠けの部分には物体がないため、受光部の信号から欠けの部分の数をカウントすることができます。色の違いを検出する例として、自走ロボットが白色のガイド線上を移動する際に、経路を検出する機構のセンサーとして使われる場合がそれにあたります。
また、大まかな距離を測ることもフォトリフレクターの用途の一つで、プリンターのインクやトナーの残量検出がその一例です。
フォトリフレクタの原理
フォトリフレクタは、近赤外LEDである発光素子とフォトトランジスタやフォトダイオードの受光素子を同一方向に向けて配置したものです。発光素子から照射されている光が検出対象の物体によって反射され、その反射光を受光素子が検知することにより物体を検出します。
反射光の強度は、1つには物体とフォトリフレクタ間の距離に応じて決まります。物体とフォトリフレクタ距離が近ければ、それだけ反射光は強くなるので物体とフォトインタラプタの距離は反射光の強さから大まかに求めることが可能です。
また、光の反射率は物体の色や濃度によって異なるため、光の強さを検知することで、色の違いや濃淡の検出もできます。
フォトリフレクタのその他情報
反射形フォト・マイクロセンサを採用する上での注意点
1. 外乱光
フォトリフレクタは、構造上受光素子が外側に向かって組み込まれているため、外乱光が受光部に回り込みやすいことを考慮する必要があります。通常フォトリフレクタの受光部には、波長700nm以下の光を遮断する可視光カットフィルタを設置して外乱光の影響を低減ようにしていますが、それでも完全に防ぐことはできません。
2. 背景
背景の影響とは、検出物体がなくとも背景物体が発光素子の光を反射して、受光素子が誤検知することです。例えば、ステンレスや亜鉛メッキのフレームの上を紙が通過し、その紙の通過を検出するような場合だと、紙検出時の受光信号レベルよりも紙のないときの受光レベルの方が大きくなることが起こり得ます。
そのため、背景は真黒もしくは大きくスペースが空いていることが望ましいものです。
3. 検出対象の光反射率
出力レベルについて注意すべきは、検出物体の種類や距離、大きさにより反射光量が大きく変化することです。もともと反射形フォト・マイクロセンサの光電流は、物体を検出しているときでも数十μA～数百μA程度の電流レベルしか得られないので、受光素子の出力レベル自体が低いということを認識する必要があります。
周囲が暗黒であっても、受光素子には暗電流や漏れ電流が流れ、これらが温度上昇で10μA以上に達することがあり、これらのノイズレベルが信号レベルに対して無視できないことを留意しなければなりません。特に反射率の低い物体は、ノイズに対する信号の割合が極めて小さくなるため注意が必要です。
4. 小さな物体や透明な物体の検出
検出対象の物体が小さい場合や透明な物体は反射光が弱いので、受光素子の出力信号レベルが小さく、ノイズに紛れてしまう可能性があります。検出物体の大きさに関しては、フォトインタラプタの仕様を確認しておくことが大切です。