フォトリフレクタQTR-1Aの使い方

花岡ちゃんのウィークエンド

久しぶりのウィークエンドで測距輪を作ってみました。ROSのカテゴリでやっている「1/8計画（！）」の一環です。

測距輪とは、その名の通り、転がった距離を測定する装置です。今回試作したのは内径55φのOリングを使い、写真のようにまとめました。3Dプリンタのおかげで、こういうものが作りやすくなりました。

これをロボットなどに引っ張らせることで、移動距離を計ります。見ればわかるように、車輪の白い帯をフォトリフレクタで数える構造です。二相式で一回転72パルス、分解能は3mmほどです。
仕組みは、以前シェーキーで作ったものと同じですが、分解能がだいぶ落ちています。

今回は回転を検出するフォトリフレクタに、出来合いの基板、QTR-1Aを使いました。実はこれが分解能が落ちた原因です。これから使う方のために、顛末を投稿します。

QTR-1Aは２個で480円、とても小型で外付け部品も必要なく、アマチュアにとって魅力的な商品です。本家ページによると「アナログ出力」ということで、シェーキーでやっているように、反射の強さを読み取ることで、かなり細かいエンコーダーパターンにも対応できそうに思われます。下の写真は測距輪での実装例です。

QTR-1Aの回路はこうなっています。

フォトトランジスタ側は、エミッタ接地の増幅回路ですから、バイアスのかけられないフォトトランジスタの場合、出力特性は下図のようになります。

ある明るさを境にして、出力電圧が急激に変化しています。それ以外の明るさではあまり変化はありません。つまり、アナログ出力といいながら、実用的にはデジタル的な二値しか使えないことになります。どうやらこれは、中間的な電圧を出力する可能性があることから、マイコンのロジックレベルの入力ではなく、アナログ入力に接続すべきである、という意味のようです。

エミッタ接地のアンプでは、バイアスをかけることで、変化する部分に動作点を持っていき、わずかな入力電圧の変化を、大きな電圧の変化にすることで増幅作用を実現しています。しかし、フォトリフレクタの場合は、反射光の明るさが、この変化点をまたぐように黒／白の幅を調整する必要があります。その結果、エンコーダーのパターンをこのくらいに粗くする必要があり、分解能が落ちてしまったのです。

エンコーダーの黒／白のパターンは、センサーの視野にいきなり出現する訳ではなく、徐々に入ってくるので、反射光の強さはアナログ的に変化しています。
シェーキーのリフレクタは、このページの写真にあるように、パターンからの反射光の強さをアナログ電圧として出力します。これをADで読み、波形処理を行った上で、回転方向や回転数の計測をしている訳です。

これは、フォトトランジスタを下図のようにエミッタフォロワとして使っているからです。

エミッタ側に負荷抵抗を入れたエミッタフォロワの大きな特徴は、グラフのように入力（明るさ）と出力電圧が比例することにあります。エミッタ接地とは違い、広い入力範囲で、変化を読み取ることが出来ます。しかし、明るさの小さな変化を増幅する作用はありません。一般にエミッタフォロワのゲインは１以下です。
従ってこれを読むには、感度のいいADが必要です。シェーキーの場合は、黒と白との電位差は700mVくらい、これを10bit分解能4.9mVのADで読み取っています。パターンをより細かくすると、電位差も小さくなります。

QTR-1Aを使う際は、「アナログ」とあるけれども、それはマイコンのアナログ入力に接続する必要があるということで、信号としてはデジタルとして扱わなければならない、ということに注意する必要があるでしょう。ライントレース用のセンサや、リミットスイッチ代わりなら問題ないですが、アナログであることを利用した応用を考えている場合は要注意です。

もちろん、エミッタ接地回路でも、フォトトランジスタのコレクタ抵抗を調整することで、変化点を都合のよいところに持ってくることが可能です。しかし、QTR-1Aの小さな基板では、抵抗の調整や取り替えは難しいと思います。
また、フォトリフレクタに光学スリットを追加して視野を狭め、細かいパターンに対応させることも出来るはずでが、細かい工作が必要で、アマチュア向きではないでしょう。