JP2005079383A - 光学的検知装置および光学的検知装置の汚れ判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子および受光手段の劣化、特性による個体差、発光面、受光面への埃の付着による光量低下などを補正することができ、高速に明暗判定が行なえる光学的検知装置を提供する。
【解決手段】発光素子として発光ダイオード１１が用いられ、受光素子としてフォトトランジスタ１６が用いられた透過型の光学的検知装置において、発光ダイオード１１が駆動されてからフォトトランジスタ１２（ＣＭＯＳ回路１８）の出力信号が反転するまでの時間をＴｏｎ時間計測部２０で計測し、この計測した時間に応じて電流制御部１３が発光ダイオード１１の駆動電流を可変制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば、搬送される有価証券などの紙葉類の有無等を光学的に検知する透過型の光学的検知装置、および、この光学的検知装置の発光面や受光面の汚れを判定する汚れ判定方法に関する。

従来、たとえば、有価証券などの紙葉類を搬送する紙葉類搬送装置は、搬送される紙葉類の位置や状態などを検知するために、透過形の光学的検知装置が複数装備されている。

通常、このような光学的検知装置は、発光素子として発光ダイオードが用いられ、受光素子としてフォトトランジスタが用いられている。そして、このような発光ダイオードとフォトトランジスタを用いた光学的検知装置の制御方法としては、発光ダイオードとフォトトランジスタとの間の距離を長くとるために発光ダイオードはパルス点灯が使用され、発光ダイオードの駆動電流（順動電流）を多く流している（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１１−２９７１７１号公報（図４）

紙葉類を検知する場合、紙葉類が光を透過する場合があることから、紙葉類との距離に応じた抵抗値等の回路設計、あるいは、発光ダイオードやフォトトランジスタの特性による選定が必要である。

また、複数個の光学的検知装置を制御する場合、一般に時分割処理が行なわれるが、フォトトランジスタの応答速度が遅いことから処理に時間がかかる。
さらに、発光ダイオードおよびフォトトランジスタの特性や劣化、取付け時の取付け精度により、フォトトランジスタの受光量に個体差が生じる。そのため、それぞれの光学的検知装置により出力が均一にならないため、フォトトランジスタの光電流出力はその最悪値を見込まなければならない。

そこで、本発明は、発光素子および受光手段の劣化、特性による個体差、発光面、受光面への埃の付着による光量低下などを補正することができ、高速に明暗判定が行なえる光学的検知装置および光学的検知装置の汚れ判定方法を提供することを目的とする。

本発明の光学的検知装置は、所定の駆動電流で駆動される発光素子と、この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段と、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する時間計測手段と、この時間計測手段により計測された時間に応じて前記発光素子の駆動電流を可変制御する電流制御手段とを具備している。

また、本発明の光学的検知装置の汚れ判定方法は、所定の駆動電流で駆動される発光素子と、この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段を有し、当該光学的検知装置の使用開始時、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する第１のステップと、この第１のステップにより計測される時間が所定の時間となるように前記発光素子の駆動電流を設定する第２のステップと、当該光学的検知装置の使用を開始してから所定期間経過後、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する第３のステップと、この第３のステップにより計測される時間が前記所定の時間となるように前記発光素子の駆動電流を設定する第４のステップと、前記第２のステップにより設定された駆動電流と前記第４のステップにより設定された駆動電流との差があらかじめ定められた所定値以上となったとき、前記発光素子およびまたは前記受光手段が汚れているものと判定する第５のステップとを具備している。

本発明によれば、発光素子および受光手段の劣化、特性による個体差、発光面、受光面への埃の付着による光量低下などを補正することができ、高速に明暗判定が行なえる光学的検知装置および光学的検知装置の汚れ判定方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る透過型の光学的検知装置の構成を概略的に示すものである。図１において、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１１のアノードは、制限抵抗１２を介して電流制御手段としての電流制御部１３に接続されている。電流制御部１３は、ＣＰＵ（セントラル・プロセッシング・ユニット）１４に接続されていて、このＣＰＵ１４から８ビットのデータで電流値が設定され、この電流値に基づく駆動電流により発光ダイオード１１を駆動するようになっている。

発光ダイオード１１のカソードはトランジスタ１５のコレクタに接続され、このトランジスタ１５のエミッタは接地されている。トランジスタ１５のベースには、ＣＰＵ１４から発光ダイオード点灯タイミング信号が供給される。

発光ダイオード１１と相対向する部位には、間に図示しない紙葉類の搬送路を介在して受光手段としてのフォトトランジスタ１６が設けられている。フォトトランジスタ１６のエミッタは接地され、コレクタは負荷抵抗１７を介して直流電源に接続される。

また、フォトトランジスタ１６のコレクタは、フォトトランジスタ１６の出力信号を論理レベルに変換するＣＭＯＳ回路（ＩＣ回路）１８の入力端に接続される。ＣＭＯＳ回路１８は、フォトトランジスタ１６とともに受光手段を構成していて、その出力信号は、ＣＰＵ１４へ送られるとともにアンド回路１９の一方の入力端に供給される。アンド回路１９の他方の入力端には、ＣＰＵ１４からの発光ダイオード点灯タイミング信号が供給される。

アンド回路１９の出力信号は、時間計測手段としてのＴｏｎ時間計測部２０に供給される。Ｔｏｎ時間計測部２０は、アンド回路１９がＣＭＯＳ回路１８の出力信号と発光ダイオード点灯タイミング信号とで論理積が成立している間、たとえば、図示しない発信器などから出力される基準クロックをカウントすることにより、発光ダイオード１１が駆動されてからフォトトランジスタ１６が光を受光してＣＭＯＳ回路１８の出力信号が反転するまでの時間、すなわち、フォトトランジスタ１６とＣＭＯＳ回路１８とからなる受光手段の応答時間（Ｔｏｎ時間と称す）を計測するものであり、その計測結果は８ビットのデジタルデータとしてＣＰＵ１４へ送られる。

次に、このような構成において作用を説明する。
発光ダイオード１１とフォトトランジスタ１６との間の距離をｄと定めたとき、ＣＰＵ１４からトランジスタ１５のベースに、図２（ａ）に示すような発光ダイオード点灯タイミング信号を供給することにより発光ダイオード１１を点灯する。すると、フォトトランジスタ１６に光電流が流れ、図２（ｂ）に示すようにフォトトランジスタ１６の出力（Ｖce）が変化し、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＯＳ回路１８のスレッシュホールドレベル以下になったとき出力信号がハイレベル（１）からローレベル（０）に変化する。

ここで、発光ダイオード点灯タイミング信号の立上がり点からＣＭＯＳ回路１８の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する点までの時間をＴｏｎ時間と定める。このＴｏｎ時間を計測するのがＴｏｎ時間計測部２０である。

このＴｏｎ時間計測部２０は、発光ダイオード点灯タイミング信号の立上がり点で図２（ｄ）に示すような基準クロックのカウントを開始し、ＣＭＯＳ回路１８の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する点でカウントを終了することによりＴｏｎ時間を計測するもので、その計測データ（Ｔｏｎ時間）はＣＰＵ１４に送られる。

ＣＰＵ１４は、図３に示すように、紙葉類が存在しない状態において、Ｔｏｎ時間計測部２０で計測したＴｏｎ時間と、あらかじめ定められた紙葉類が存在しない状態の基準のＴｏｎ時間（たとえば、３．０μｓ）とを比較し、計測したＴｏｎ時間の方が基準のＴｏｎ時間よりも長い場合は、それに応じた電流増加データを電流制御部１３に設定することにより、発光ダイオード１１の駆動電流を増加させ、基準となるＴｏｎ時間に合わせる。

これにより、発光ダイオード１１およびフォトトランジスタ１６の劣化、特性による個体差、発光ダイオード１１の発行面およびフォトトランジスタ１６の受光面への埃の付着による光量低下などを補正することができ、Ｔｏｎ時間を常に一定に保つことができるとともに、高速に明暗判定が行なえる。

次に、たとえば、図４（ｂ）に示すように、検知する紙葉類が２５％よりも少ない光を透過するとした場合、図４（ｄ）に示すように、紙葉類が存在しない状態で発光ダイオード１１に通常時の２５％の駆動電流を流すと、フォトトランジスタ１６の受光量の減少によりＴｏｎ時間が１０μｓとなる。この１０μｓのＴｏｎ時間を紙葉類の有無（明暗）判定（１、０判定）のタイミングとして設定する。

これにより、紙葉類が存在するときは２５％以下の光しか透過しないので、発光ダイオード１１を駆動してから１０μｓ経過後のフォトトランジスタ１６（ＣＭＯＳ回路１８）の出力の反転状態を判定することにより、紙葉類の有無を認識（判定）できる。

次に、センサスライス方法について説明する。
紙葉類を光が２５％以下透過した場合を暗状態、紙葉類を光が２５％以上透過した場合を明状態とするスライス値は、Ｔｏｎ時間を測定することにより求められるが、このＴｏｎ時間はフォトトランジスタ１６の特性（ｈＦＥ）によってばらつきが生じる。

そこで、まず、ＣＰＵ１４は、あらかじめ発光ダイオード１１とフォトトランジスタ１６との間に紙葉類が存在しない状態で、このＴｏｎ時間を計測する。このとき、フォトトランジスタ１６の特性にばらつきがなければ基準のＴｏｎ時間となるはずであるが、もし違った値であれば基準のＴｏｎ時間となるように発光ダイオード１１の駆動電流の値を変更して再調整する。

次に、ＣＰＵ１４は、定常動作時の発光ダイオード１１の駆動電流に対し、その１／４となる駆動電流を電流制御部１３に設定することにより発光ダイオード１１を駆動し、そのときのＴｏｎ時間を計測する。このとき、フォトトランジスタ１６の特性にばらつきがなければＴｏｎ時間は１０μｓとなるはずであるが、もし違った値であればＴｏｎ時間が１０μｓとなるように発光ダイオード１１の駆動電流の値を変更して再調整する。

こうして設定した１０μｓのＴｏｎ時間を、図４に示すように、紙葉類の有無（明暗）判定（１、０判定）のタイミングとして用いることにより、フォトトランジスタ１６の特性（ｈＦＥ）による影響をなくすことができる。

次に、埃検知（汚れ判定）方法について説明する。
発光ダイオード１１の発光面やフォトトランジスタ１６の受光面への埃の付着（汚れ）は、発光ダイオード１１に対する駆動電流の初期値から補正後の駆動電流の増大量で検知可能である。

まず、ＣＰＵ１４は、当該光学的検知装置の取付け直後（使用開始時）、前述同様にＴｏｎ時間が３μｓとなるように発光ダイオード１１に対する駆動電流の補正動作を行なわせ、そのときの駆動電流値Ｉ0を記憶しておく。

定常動作を続け埃がたまると、発光ダイオード１１の駆動電流は補正動作により増大する。
そこで、ＣＰＵ１４は、図５に示すように、使用を開始してから一定期間経過後、発光ダイオード１１に駆動電流の補正をかける。このとき、埃の影響によりフォトトランジスタ１６の受光光量が充分に確保できていないと、駆動電流値はＩ1〜Ｉ3のように上昇する。これにより、駆動電流値がある一定以上に達したとき、埃除去を知らせるアラームを出力する。

埃の除去後、発光ダイオード１１の駆動電流に補正をかけると、最適電流値はＩ0まで戻るはずであるが、そのとき発光ダイオード１１自体に劣化が生じてい ると、図５に示すように、Ｉ0よりも大きな電流値Ｉ4となる。このように、補正後電流が減少した点を記録していくことで、発光ダイオード１１の経年変化を検知することができる。

次に、Ｔｏｎ時間レベルによる検知方法について説明する。
Ｔｏｎ時間を計測することで、フォトトランジスタ１６の光電流を推定できる。これにより、フォトトランジスタ１６を（１）、（０）のＣＭＯＳ回路出力ではなく、たとえば、８ビットのデジタルレベル出力として扱うことができる。これにより、ＣＰＵ１４の内部で閾値を定めて、紙葉類の有無（明暗）判定等が可能となる。

以下、それについて図６および図７に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、図６のフローチャートにより明暗判定用閾値の設定について説明する。ＣＰＵ１４は、まず、あらかじめ、発光ダイオード１１とフォトトランジスタ１６との間に紙葉類が存在しない状態で、たとえば、定常動作時の１／４の光量で発光ダイオード１１を点灯させ、このときのＴｏｎ時間ｔ１を計測し（ステップＳ１）、これを閾値として記憶しておく。

次に、ＣＰＵ１４は、上記同様、発光ダイオード１１とフォトトランジスタ１６との間に紙葉類が存在しない状態で、たとえば、定常時の１／２の光量で発光ダイオード１１を点灯させ、このときのＴｏｎ時間ｔ２を計測し（ステップＳ２）、これを閾値として記憶しておく。

次に、図７のフローチャートにより定常動作時における明暗判定動作について説明する。ＣＰＵ１４は、定常動作時、前記同様にＴｏｎ時間ｔ３を計測し（ステップＳ３）、この計測したＴｏｎ時間ｔ３と先に（ステップＳ１で）計測して記憶してある光量１／４時のＴｏｎ時間ｔ１とを比較し（ステップＳ４）、Ｔｏｎ時間ｔ３の方がＴｏｎ時間ｔ１よりも大きければ暗状態（紙葉類有り）と判定する。

ステップＳ４での比較の結果、Ｔｏｎ時間ｔ３の方がＴｏｎ時間ｔ１よりも小さい場合、ＣＰＵ１４は、ステップＳ３で計測したＴｏｎ時間ｔ３と先に（ステップＳ２で）計測して記憶してある光量１／２時のＴｏｎ時間ｔ２とを比較し（ステップＳ５）、Ｔｏｎ時間ｔ３の方がＴｏｎ時間ｔ２よりも大きければ埃による低下レベル（アラーム通知）とし、小さければ明状態（正常）と判定する。

以上説明したように上記実施の形態によれば、以下のような作用効果が期待できる。
(1) Ｔｏｎ時間が常に一定になるように制御することにより高速に明暗判定が行なえる。

(2) Ｔｏｎ時間の計測を基に発光ダイオードの駆動電流を制御することで、発光ダイオードの劣化、発光ダイオードの特性による個体差、埃による光量低下などを補正できる。

(3) センサスライス設定を行なうことで、フォトトランジスタの特性（ｈＦＥ）による影響をなくすことができる。

(4) フォトトランジスタのＴｏｎ時間を計測することで、レベル入力として扱うことも可能となる。

なお、前記実施の形態では、透過型の光学的検知装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、反射型の光学的検知装置にも同様に適用できることは説明するまでもないことである。

本発明の実施の形態に係る透過型の光学的検知装置の構成を概略的に示す構成図。 Ｔｏｎ時間計測時のタイミング図。 発光ダイオードの駆動電流補正時のタイミング図。 紙葉類を光が２５％透過時のタイミング図。 駆動電流最適化時の発光ダイオードの経年変化を説明する図。 Ｔｏｎ時間レベルによる検知方法における明暗判定用閾値の設定を説明するフローチャート。 Ｔｏｎ時間レベルによる検知方法における定常動作時における明暗判定動作を説明するフローチャート。

符号の説明

１１…発光ダイオード（発光素子）、１２…制限抵抗、１３…電流制御部（電流制御手段）、１４…ＣＰＵ、１５…トランジスタ、１６…フォトトランジスタ（受光手段）、１７…負荷抵抗、１８…ＣＭＯＳ回路（ＩＣ回路、受光手段）、１９…アンド回路、２０…Ｔｏｎ時間計測部（時間計測手段）。

Claims (8)

1. 所定の駆動電流で駆動される発光素子と、
   この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段と、
   前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する時間計測手段と、
   この時間計測手段により計測された時間に応じて前記発光素子の駆動電流を可変制御する電流制御手段と、
   を具備したことを特徴とする光学的検知装置。
2. 所定の駆動電流で駆動される発光素子と、
   この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段と、
   前記発光素子と前記受光手段との間に前記被検知物が存在しない状態で、前記被検知物の光透過率に対応した駆動電流で前記発光素子を駆動し、このとき前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する時間計測手段と、
   定常動作時、前記時間計測手段により計測された時間に基づき前記受光手段の出力信号のレベルが明状態であるか暗状態であるかを判定する判定手段と、
   を具備したことを特徴とする光学的検知装置。
3. 前記被検知物の光透過率に対応した駆動電流とは、前記被検知物が光をＸ％透過した場合、定常時の駆動電流に対し、そのＸ％となる駆動電流であることを特徴とする請求項２記載の光学的検知装置。
4. 所定の駆動電流で駆動される発光素子と、
   この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段と、
   前記発光素子と前記受光手段との間に前記被検知物が存在しない状態で、定常時の駆動電流よりも少ない第１の駆動電流で前記発光素子を駆動し、このとき前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの第１の時間をあらかじめ計測する明暗閾値設定手段と、
   定常動作時、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する時間計測手段と、
   この時間計測手段により計測された計測時間と前記第１の時間とを比較し、計測時間の方が第１の時間よりも長い場合、前記受光手段の出力信号のレベルが暗状態であると判定し、前記時間計測手段により計測された計測時間と前記第１の時間とを比較し、計測時間の方が第１の時間よりも短い場合、前記受光手段の出力信号のレベルが明状態であると判定する判定手段と、
   を具備したことを特徴とする光学的検知装置。
5. 前記明暗閾値設定手段は、さらに前記発光素子と前記受光手段との間に前記被検知物が存在しない状態で、前記定常時の駆動電流よりも少なく、かつ、前記第１の駆動電流よりも多い第２の駆動電流で前記発光素子を駆動し、このとき前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの第２の時間をあらかじめ計測し、前記計測時間が前記第１の時間よりも短く、かつ、前記第２の時間よりも長い場合、前記受光手段の出力信号のレベルが当該受光手段の受光面に埃等が付着しているレベルであると判定することを特徴とする請求項４記載の光学的検知装置。
6. 前記第１の駆動電流とは、定常時の駆動電流に対しほぼ１／４となる駆動電流であり、前記第２の駆動電流とは、定常時の駆動電流に対しほぼ１／２となる駆動電流であることを特徴とする請求項５記載の光学的検知装置。
7. 前記発光素子は発光ダイオードであり、前記受光手段はフォトトランジスタおよびこのフォトトランジスタの出力信号を論理レベルに変換するＩＣ回路とからなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の光学的検知装置。
8. 所定の駆動電流で駆動される発光素子と、この発光素子に対して被検知物の移動経路を介して対向して設けられ、前記発光素子からの光を受光して電気信号に変換する受光手段を有し、
   当該光学的検知装置の使用開始時、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する第１のステップと、
   この第１のステップにより計測される時間が所定の時間となるように前記発光素子の駆動電流を設定する第２のステップと、
   当該光学的検知装置の使用を開始してから所定期間経過後、前記発光素子が駆動されてから前記受光手段の出力信号が反転するまでの時間を計測する第３のステップと、
   この第３のステップにより計測される時間が前記所定の時間となるように前記発光素子の駆動電流を設定する第４のステップと、
   前記第２のステップにより設定された駆動電流と前記第４のステップにより設定された駆動電流との差があらかじめ定められた所定値以上となったとき、前記発光素子およびまたは前記受光手段が汚れているものと判定する第５のステップと、
   を具備したことを特徴とする光学的検知装置の汚れ判定方法。

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