JP2006226853A - 距離設定型光電センサー - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の位置や姿勢を調節する光学部可動機構が設けられ、ユーザーによる距離設定が容易な距離設定型光電センサーを提供する。
【解決手段】距離設定型光電センサーは、対象物に向けて光を投光するための投光部２１と、対象物からの反射光を受光する受光素子２２を含む受光部と、受光素子２２からの信号を処理して受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を求める主制御部３３と、受光部の角度を調整する受光部調整機構２７と、受光部の角度を示す情報を取得して主制御部に与える姿勢情報取得部２８とを備える。主制御部３３は、姿勢情報取得部２８から与えられた情報を換算して求めた現在距離を表示部３４に表示させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光を用いた三角測距によって得られる対象物までの距離を測定し、対象物までの距離と基準距離との比較結果である二値信号を出力する距離設定型光電センサーに関する。

この種の光電センサーは、位置センサー又は変位センサーと呼称される場合もあり、光を用いた三角測距によって対象物（以下、ワークという）までの距離を測定する。図１を参照して、この測定原理を簡単に説明する。図１に示すように、センサーヘッド１０１に発光素子１０２と受光素子１０３が所定の間隔で配設されている。発光素子１０２から投光された光が投光レンズ１０４を通ってワークＷＫに投光され、ワークＷＫで反射した光が受光レンズ１０５を通って受光素子１０３に入射する。受光素子１０３として、一定範囲の受光面を有し、入射光の受光面におけるスポット位置又は光量分布の重心位置を検出可能なＰＳＤ（位置検出半導体素子）、ＣＣＤ（固体撮像素子）等のセンサー素子が使用される。

図１において、ワークＷＫの位置が破線で示すようにセンサーヘッド１０１に近づくと、受光素子１０３に入射する反射光が破線で示すように変化するので、受光素子１０３の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置が矢印で示すように移動する。ワークＷＫがセンサーヘッド１０１から遠ざかる方向に移動すれば受光素子１０３の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置は矢印と逆の方向に移動する。したがって、受光素子１０３の受光面における受光スポットの位置又は光量分布の重心位置を検出することによって、ワークＷＫまでの距離又はその変位を測定することができる。

このような光電センサーは通常、ワークまでの距離を測定して表示すると共に、測定結果と基準距離（予め定めた距離）との比較結果を二値信号として表示し、外部へ出力する機能を有する。また、ワークまでの距離と基準距離との比較結果である二値信号を出力する機能に特化した光電センサー（光電スイッチ）として、二分割ＰＤ（フォトダイオード）を受光素子に用いたものがある。二分割ＰＤは、ＰＳＤやＣＣＤに比べて安価であること等のメリットがある。二分割ＰＤを用いた従来の距離設定型光電センサーの動作原理を図２に基づいて簡単に説明する。

図２に示すように、二分割ＰＤ１０３は受光面が２つに分割されており、各分割受光面から個別の受光量信号が得られる。一方の分割受光面をＮ側（Ｎｅａｒ側）受光面、他方の分割受光面をＦ側（Ｆａｒ側）受光面という。図２（ｂ）に示すように受光スポットＳＰがＮ側受光面とＦ側受光面との境界に位置するときに両方の分割受光面から同等の受光量信号が得られる。また、図２（ａ）に示すように受光スポットＳＰがＮ側受光面に偏ると、Ｎ側受光面から得られる受光量ＮがＦ側受光面から得られる受光量Ｆより大きくなる（Ｎ＞Ｆ）。逆に図２（ｃ）に示すように受光スポットＳＰがＦ側受光面に偏ると、Ｆ側受光面から得られる受光量ＦがＮ側受光面から得られる受光量Ｎより大きくなる（Ｎ＜Ｆ）。したがって、図２（ｂ）に示す状態を基準距離とすれば、Ｎ側受光面とＦ側受光面から得られる受光量の差が正であるか負であるかに基づいて、ワークＷＫまでの距離が基準距離より近いか遠いかを示す二値信号を出力することができる。

ところで、距離設定型光電センサーで測定可能な距離範囲は、図１から分かるように、受光素子の受光面の大きさと光学系の定数（発光素子１０２と受光素子１０３との間隔や受光レンズの倍率等）によって決まる。ワークの位置が測定可能な距離の範囲から外れると、反射光の受光スポットが受光素子の受光面から外れてしまい測定不可能となる。受光レンズの倍率を大きくすれば、小さな受光素子（受光面）で広い距離範囲をカバーすることができるが、分解能が低下することになる。このため、例えば近距離用の光電センサーと遠距離用の光電センサーとを個別に用意することが従来から行われている。

１台の光電センサーで近距離から遠距離までの広い範囲をカバーする方法の一つとして、例えば特許文献１に開示されているように、光学系の位置や姿勢を調節する光学部可動機構を設ける方法がある。この方法では、センサーヘッド内に例えば受光部の受光軸の角度を変更調節するための機構を設け、ユーザーがトリマーを回転操作することによって受光軸の角度等を変更調節する。その結果、受光素子の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置が移動するので、小さな受光素子で広い距離範囲をカバーすることができる。

また、特許文献１には、トリマーの回転角に対応する目盛りを表示する機構も記載されている。ユーザーは、その目盛りを読み取ることによってトリマーの回転角を知り、ひいては測定対象の距離範囲（又はワークまでの基準距離）の目安を知ることができる。
特開平６−１６８６５２号公報

上記の特許文献１に記載されている光電センサーでは、トリマーの回転角に対応する目盛りの表示を読み取ることによってユーザーは測定対象の距離範囲（又はワークまでの基準距離）の目安を知ることができるが、目盛りの数値を距離に換算する必要があり、直感的に距離を把握することが困難であった。また、トリマーの回転角に対応する目盛りを表示するための機構、例えば数値が刻まれた円筒又は円板と表示窓が必要になり、そのためのスペースも必要である。このことは、センサーヘッドの小形化の妨げ要因となっていた。

本発明は、上記のような課題に鑑みて為されたものであり、光学系の位置や姿勢を調節する光学部可動機構が設けられた三角測距方式の距離設定型光電センサーにおいて、光学部の姿勢情報を取得して既存の表示器に表示することにより、ユーザーによる距離設定を容易にすると共に、センサーヘッドの小形化を可能にすることを目的とする。

本発明による距離設定型光電センサーの第１の構成は、対象物に向けて光を投光するための発光素子及び投光レンズと、前記対象物からの反射光を受光するための受光レンズ及び受光素子と、この受光素子からの信号を処理して受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を求めることにより前記対象物までの距離を算出する主制御部とを備えた距離設定型光電センサーにおいて、前記発光素子、前記投光レンズ、前記受光レンズ及び前記受光素子のうちの少なくとも１つを含む光学部の位置又は角度を調整することによって前記受光素子の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を変更する光学部可動機構と、前記光学部可動機構によって位置又は角度を変更調整される光学部の姿勢を示す光学部姿勢情報を取得して前記主制御部に与える姿勢情報取得部と、前記主制御部の制御によって数値表示を行うディジタル表示器とを設け、前記主制御部が、前記姿勢情報取得部から与えられる前記光学部姿勢情報を換算して求めた現在距離を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする。

このような構成によれば、光学部可動機構を駆動したときに変化する測定対象の距離範囲を代表する距離（例えば範囲の中心距離）が、姿勢情報取得部が取得した光学部姿勢情報の換算によって現在距離として求められ、ディジタル表示器に表示される。したがって、従来の機械的な表示機構を用いた目盛り表示に比べて正確に現在距離を表示することができるので、ユーザーはその表示に従って基準距離の設定（又は変更調整）を行いやすくなる。また、測定結果等を表示するための既存のディジタル表示器を用いて現在距離を表示することができるので、従来技術のような特別な表示機構が不要となり、センサーヘッドの小形化に寄与することができる。

本発明による距離設定型光電センサーの第２の構成は、上記第１の構成において、自動ティーチング又は手動操作によって基準距離を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記光学部姿勢情報から得られた現在距離と前記設定された基準距離との比較結果に基づいて、前記光学部可動機構による前記光学部の調整方向をユーザーに知らせるための表示（例えば＋又は−の符号）を前記ディジタル表示器を含む表示部に表示させることを特徴とする。

このような構成によれば、ユーザーは、ディジタル表示器の表示にしたがって、光学部の調整方向（光学部可動機構を動かすべき方向）、例えばトリマーの回転方向を的確に知ることができる。したがって、調整に慣れていないユーザーであっても、容易に基準距離の設定を行うことができる。

本発明による距離設定型光電センサーの第３の構成は、上記いずれかの構成において、自動ティーチング又は手動操作によって基準距離を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記現在距離と前記基準距離との差又は比から算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする。

本発明による距離設定型光電センサーの第４の構成は、上記第３の構成において、前記主制御部が前記現在距離と前記基準距離との比較結果を出力する際のチャタリングを防止するために所定のヒステリシスが設けられ、前記主制御部は、前記現在距離と前記基準距離との差又は比と前記ヒステリシスから算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする。

本発明による距離設定型光電センサーの第５の構成は、上記第１又は第２の構成において、前記受光素子として、受光面が第１受光面と第２受光面とに二分割され、各分割受光面から個別の受光量信号が得られる二分割ＰＤを使用し、自動ティーチング又は手動操作によって基準距離を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記現在距離と前記基準距離との差又は比、及び前記個別の受光量信号から算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする。

上記第３、第４又は第５の構成によれば、測定対象の距離範囲を代表する距離（例えば範囲の中心距離）だけでなく、検出範囲の目安となる検出余裕度が表示される。測定結果である現在距離と予め設定した基準距離との比較に際して、チャタリングを防止するために所定のヒステリシスを設けることが一般的であるが、このヒステリシスの幅は距離に比例して増減する。したがって、ワークまでの距離が比較的近い場合はワークが少し変位すれば比較結果（オン・オフ）が反転するが、ワークまでの距離が遠い場合は、ワークの変位量がある程度大きくなければ比較結果の反転が生じない（検出できない）。このようなワークまでの距離（及びヒステリシス等）によって決まる検出余裕度の表示は、ユーザーにとって実使用時の参考になる。なお、検出余裕度の具体的な計算式の例については後述する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図３は、本発明の実施例に係る距離設定型光電センサーの外観を示す斜視図である。この実施例の距離設定型光電センサーは、いわゆるアンプ分離型であり、ヘッド部１１とアンプ部１２が電気ケーブル１３で接続されている。

アンプ部１２は薄型直方体形状のケース１２１を有し、その前端側にはヘッド部１１に接続された電気ケーブル１３が接続され、後端側には上位の制御装置（ＰＬＣ等）に接続された電気ケーブル１４が接続されている。ケース１２１の下面１２２には、ＤＩＮレール（機器取付用規格レール）に装着するための構造が備えられている。複数のアンプ部１２を重ねるように並べてＤＩＮレールに取り付けることができ、その際にアンプ部１２の側面に設けられたコネクタ１２３によって隣接するアンプ部１２との電気的な接続をとることができる。

アンプ部１２の上面には、測定結果の数値表示等に使用される８桁（４桁×２）の７セグメントＬＥＤを用いたディジタル表示器１２４と、測定距離と基準距離との比較結果を表示するための出力インジケータ（発光ダイオード）１２５が設けられている。また、基準距離の設定、動作モードや表示モードの切り替え等に使用される複数の押釦スイッチ１２６〜１２８が設けられている。これらの押釦スイッチ１２６〜１２８やディジタル表示器１２４等を保護するための透明樹脂製の保護カバー１３０が設けられ、図３では保護カバー１３０を開いた状態が示されている。保護カバー１３０はアンプ部１２の後端側上部に設けられたヒンジ部で枢支されており、これを閉じた状態では押釦スイッチ１２６〜１２８やディジタル表示器１２４等を含むアンプ部１２の上面パネル（表示・操作パネル）が保護カバー１３０で覆われるようになっている。

ヘッド部１１には投光部及び受光部が内蔵され、投光部の発光素子から発した光ＬＢがヘッド部１１の前面からワークＷＫに向けて投光され、ワークＷＫからの反射光ＬＢ’が受光部の前面から受光素子に入射するように構成されている。図１を用いて既述したように、投光部には投光レンズが含まれ、受光部には受光レンズが含まれている。また、ヘッド部１１の背面には、後述する受光部調整機構を用いて基準距離の手動設定を行うためのトリマー１１２が設けられている。

図４は本発明の実施例に係る距離設定型光電センサーの回路構成を示すブロック図である。ヘッド部１１に内蔵された投光部２１には、レーザーダイオード又は発光ダイオードを用いた発光素子とその駆動回路が含まれている。また、受光部は二分割ＰＤを用いた受光素子２２を含む。二分割ＰＤは図２を用いて既述したように、受光面がＮ側受光面とＦ側受光面とに分割されており、各分割受光面から個別の受光量信号が出力される。なお、図２において、Ｎ側受光面から出力された受光量信号をＮで示し、Ｆ側受光面から得られる受光量信号をＦで示している。また、Ｎ側受光面から得られた受光量（電圧又はディジタル変換値）をＮで表し、Ｆ側受光面から得られた受光量をＦで表すこともある。

図４に示すように、Ｎ側受光面及びＦ側受光面から出力された受光量信号Ｎ及びＦはそれぞれの増幅器２３及び２４を経てアナログ演算部２５に入力される。そして、アナログ演算部２５から受光量信号Ｎと、２つの受光量信号の差（受光量差信号という）Ｎ−Ｆとが出力される。これらの信号は信号切替部２６に入力される。信号切替部２６は、アンプ部１２からの切替制御信号にしたがって、受光量信号Ｎと受光量差信号Ｎ−Ｆを交互に（時分割で）電気ケーブル１３に送り出す。信号切替部２６に与えられる切替制御信号は、投光部２１の制御信号に重畳されてアンプ部１２から電気ケーブル１３を介して送られる。なお、ヘッド部１１に内蔵された受光部調整機構２７と姿勢情報取得部２８については後述する。

アンプ部１２では、ヘッド部１１から電気ケーブル１３を介して送られた受光量信号Ｎ及び受光量差信号Ｎ−Ｆを信号増幅部３１で増幅し、ＡＤ変換部３２でディジタル値に変換して主制御部３３に入力する。主制御部３３は、ディジタル値となった受光量Ｎ及び受光量差Ｎ−Ｆから他方の受光量Ｆを復元する。なお、受光量差信号とそれに対応するディジタル値である受光量差についても便宜上、共にＮ−Ｆで表す。主制御部３３は更に、後述する受光量差の正規化演算処理を行い、その結果得られるディジタル量を表示部３４に表示させる。表示部３４は、図３に示したアンプ部１２の上面パネルに設けられたディジタル表示器１２４及び出力インジケータ１２５を含む。

また、アンプ部１２には、基準距離の設定（変更調整）等を行うための設定入力部３５と投光制御部３６が備えられている。設定入力部３５は、図３に示したアンプ部１２の上面パネルに設けられた押釦スイッチ１２６〜１２８を含む。投光制御部３６は、主制御部３３の指令に基づいて、ヘッド部１１の投光部２１に対して投光制御信号を与える。また、前述のように、ヘッド部１１からアンプ部１２へ送られる受光量信号Ｎと受光量差信号Ｎ−Ｆとを時分割で切り替えるための切替制御信号を投光制御信号に重畳する働きも有する。主制御部３３が測定モードで測定したワークＷＫまでの距離と基準距離との比較結果は、表示部３４に含まれる出力インジケータ１２５に表示されると共に、制御装置（ＰＬＣ等）に接続された電気ケーブル１４へ出力される。

なお、電気ケーブル１４を介して行われる外部出力は、２個のインジケータ１２５（図３参照）に対応する２本の出力線を設けて行ってもよいし、１本の出力線のみでいずれかのインジケータ１２５に対応する出力を行ってもよい。

図５は、受光量差の正規化演算を説明するためのグラフである。また、図６は、受光量差の正規化演算処理の流れを示すフローチャートである。背景技術の説明で図２を参照しながら述べたように、二分割ＰＤのＮ側受光面とＦ側受光面との境界に受光スポットＳＰが位置するときに両方の分割受光面から同等の受光量信号が得られ、受光量差Ｎ−Ｆがゼロになる。受光スポットＳＰがＮ側受光面に偏るとＮ−Ｆは正の値になり、受光スポットＳＰがＦ側受光面に偏るとＮ−Ｆは負の値になる。この様子をグラフで表すと、図５（ａ）に示す実線又は破線の曲線のようになる。

図５（ａ）において、実線の曲線４１は表面の光の拡散反射率が比較的高いワークＷＫの場合の特性であり、破線の曲線４２は拡散反射率が比較的低いワークＷＫの場合の特性である。いずれの場合も、光学系の配置によって決まる基準距離Ｄｒｅｆでは受光量差Ｎ−Ｆがゼロになる。つまり、このときに受光素子２２である二分割ＰＤのＮ側受光面とＦ側受光面との境界を中心にして受光スポットＳＰがＮ側受光面とＦ側受光面とに均等に分布している。しかし、基準距離Ｄｒｅｆからずれた点では、同じ距離のずれであってもワークＷＫの表面の光の拡散反射率によっての受光量差Ｎ−Ｆの値が異なる。

また、図５（ａ）からわかるように、基準距離Ｄｒｅｆからずれるにしたがって、受光量差Ｎ−Ｆの絶対値は増加した後に下降に転じる。そして、受光素子２２の受光面の範囲内に受光スポットが存在する範囲に相当する距離範囲Ｒｇｄの両端でゼロになる。つまり、受光スポットが受光素子２２の受光面の両端から外れれば受光量Ｎ及びＦは共にゼロになるので、受光量差Ｎ−Ｆの値も当然ゼロになる。これらのことから、受光量差Ｎ−Ｆをそのまま相対距離（変位）を表す検出量として使用することはできない。

そこで、本実施例の距離設定型光電センサーでは、主制御部３３が受光量差の正規化演算処理を行う。この処理は、基本的には受光量Ｎと受光量Ｆとの和（Ｎ＋Ｆ）で受光量差Ｎ−Ｆを割ることによって、ワークＷＫの表面の光の拡散反射率の影響を除く処理である。更に、受光量Ｎ又は受光量Ｆがゼロに近づいたときに（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値を強制的に１にする処理を加えている。図６のフローチャートに沿ってこれらの処理について以下に説明を加える。

図６は、図４に示したアンプ部の主制御部３３が入力された受光量Ｎ及び受光量差Ｎ−Ｆから正規化演算処理を行う過程を示している。まず、ステップ＃１０１において、受光量Ｎから受光量差Ｎ−Ｆを引く演算によって受光量Ｆを求める（復元する）。この受光量Ｆは、後に説明するように、受光量Ｎと共にディジタル表示器１２４に個別に表示する場合があるので、得られた受光量Ｆの値は受光量Ｎと共に主制御部３３内のメモリに保存される。

次のステップ＃１０２において、受光量Ｎと受光量Ｆとの和（受光量和）Ｎ＋Ｆを算出する。この値についても、ディジタル表示器１２４に表示する場合があるので、メモリに保存される。続くステップ＃１０３において受光量差Ｎ−Ｆを受光量和Ｎ＋Ｆで割って（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）を求める正規化演算を実行する。

更に、次のステップ＃１０４において受光量Ｎ又はＦがゼロ近傍のときの補正処理を行う。これは、受光量Ｎ又はＦが予め定めたゼロに近い値より小さくなったときに、（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値を強制的に１又は−１にする処理である。この処理は、受光量Ｎ又は受光量Ｆがゼロに近づいたときに（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値が不安定になり、（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）と距離との関係が一義的に定まらなくなるのを回避するために行われる。なお、受光量Ｎ及びＦが共に予め定めたゼロに近い値より小さくなったときは、エラー表示を行い、出力を強制オフ又は−１に相当する出力とする。このようにして得られた（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値は、ステップ＃１０５で主制御部３３内のメモリに保存されると共に相対距離（変位）を表す数値としてディジタル表示器１２４にディジタル表示される。

上記のようにして得られた正規化演算処理結果である（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値をグラフで表すと図５（ｂ）のようになる。この図では、距離範囲Ｒｇｄにおける（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）に所定の係数Ｄを掛けた値Ｄ（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）が曲線４３で表されている。図５（ｂ）から分かるように、距離範囲Ｒｇｄのうちの両端部を除いた範囲Ｒｇｌでは、Ｄ（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）が略直線的に変化する。この両端部が、図６のステップ＃１０４で（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値を強制的に１にした範囲に対応している。両端部を除いた範囲Ｒｇｌでは、Ｄ（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）と距離との関係が略直線的になるので、この範囲内で基準距離を任意に設定することが可能である。

すなわち、光学系の配置によって決まる受光量差Ｎ−Ｆがゼロになる距離Ｄｒｅｆを基準距離として固定する必要はなく、それを含む所定範囲（図５（ｂ）の範囲Ｒｇｌ）内で基準距離を設定（変更）することができる。この基準距離の変更設定は、主制御部３３がソフトウェアでディジタル値として行うことができる。したがって、従来のティーチングと同様にして基準距離を自動設定することができる。

ティーチングによる基準距離の自動設定の一例を図７及び図８に基づいて説明する。図７は、アンプ部１２の押釦スイッチ１２６〜１２８やディジタル表示器１２４を含む上面パネルの平面図である。また、図８はティーチングの一例を示すフローチャートである。ティーチングの一例の説明の前に、図７に示す上面パネルの表示や操作について簡単に説明する。

図７において、出力インジケータ１２５は、既に説明したように、主制御部３３が測定モードで測定したワークＷＫまでの距離と基準距離との比較結果が表示されるＬＥＤである。例えば、ワークＷＫまでの距離が基準距離より短ければ左側の出力インジケータ１２５が点灯し、ワークＷＫまでの距離が基準距離より長ければ右側の出力インジケータ１２５が点灯する。なお、出力インジケータ１２５の表示及び外部への出力信号のチャタリングを回避するために、ワークＷＫまでの距離と基準距離との比較処理には一定のヒステリシス（不感帯）が設けられている。つまり、ワークＷＫがヘッド部１１に対して接近するときと離間するときとでは出力インジケータ１２５等の切り替わりのタイミングがヒステリシス分だけ異なる。

なお、基準距離を複数設けるようにしてもよい。例えば２個の基準距離を設け（第１基準距離＜第２基準距離とする）、次のように比較判断及び表示出力を行ってもよい。なお、この場合の出力インジケータ１２５の変形例を図１１に示す。図１１（ａ）は図３のように２個のインジケータ１２５（１２５ａ及び１２５ｂ）を設けた例であり、図１１（ｂ）は２個のインジケータ１２５ａ及び１２５ｂの間に第３のインジケータ１２５ｃを設けた変形例である。また、図（ｃ）及び（ｄ）は、アンプ部１２のインジケータ１２５と同様のインジケータをヘッド部１１の背面又は上面に設けた場合の例を示している。図１１（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ図１１（ａ）及び（ｂ）に対応している。まず、ワークＷＫまでの距離が第１基準距離より小さければ左側のインジケータ１２５ａが点灯し、ワークＷＫまでの距離が第２基準距離より大きければ右側のインジケータ１２５ｂが点灯する。ワークＷＫまでの距離が第１基準距離と第２基準距離の間にある場合は、図１１（ａ）の例では両方のインジケータ１２５ａ及び１２５ｂが点灯し、図１１（ｂ）の例では第３のインジケータ１２５ｃが点灯する。

ディジタル表示器１２４は８桁の７セグメントＬＥＤであり、上４桁の表示部１２４Ｈと下４桁の表示部１２４Ｌとに分かれている。これら表示部１２４Ｈ及び１２４Ｌを用いて設定モード及び測定モードにおける多様な表示を行うことができる。例えば、測定モードにおいて表示部１２４Ｈに基準距離に相当する数値を表示し、表示部１２４ＬにワークＷＫまでの距離の現在値に相当する数値（正規化演算処理後のＤ（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の値）を表示する。前述の受光量Ｎと受光量Ｆとを表示部１２４Ｈと表示部１２４Ｌとに表示してもよい。あるいは、受光量差Ｎ−Ｆと受光量和Ｎ＋Ｆを表示部１２４Ｈと表示部１２４Ｌとに表示してもよい。

これらの複数の表示モードを押釦スイッチ１２６又は１２７で切り替えるようにしてもよい。数値表示だけでなくエラーコードや動作モードの記号等を簡易的に表示することもできる。また、後述するように、受光部調整機構（光学部可動機構）による基準距離の手動設定を行う際にユーザーの助けとなる増減方向の表示や検出余裕度の表示をディジタル表示器１２４によって行うことができる。

押釦スイッチ１２６又は１２７は、表示モードや動作モード（設定モード、測定モード等）の切り替え等に使用される。また、押釦スイッチ１２８はアップダウンキー（増減キー）であり、設定された基準距離の手動による微調整等に使用される。

図８のフローチャートは、ティーチングの一例をユーザーによる操作の流れとして示している。ステップ＃２０１においてユーザーは、複数種類用意されたティーチングモードの中からティーチングモードＡを選択する。この選択は、押釦スイッチ１２６又は１２７の押下、またはそれらの組み合わせ押下によって行われる。

次のステップ＃２０２において、ユーザーはワークＷＫをヘッド部１１の前方の第１位置にセットする。この第１位置は、ワークＷＫの存在を検出すべき近距離側の位置である。このとき、主制御部３３はワークＷＫまでの距離の現在値に相当する数値を求め、ディジタル表示器１２４の例えば左側表示部１２４Ｈに表示させる。この状態で次のステップ＃２０３においてユーザーは設定スイッチ（押釦スイッチ１２６又は１２７）を押下する。その結果、ディジタル表示器１２４に表示された近距離側の位置に相当する数値が固定される。

次のステップ＃２０４において、ユーザーはワークＷＫをヘッド部１１の前方の第２位置にセットする。この第２位置は、ワークＷＫの存在を検出すべきでない遠距離側の位置である。このとき、主制御部３３はワークＷＫまでの距離の現在値に相当する数値を求め、ディジタル表示器１２４の例えば右側表示部１２４Ｌに表示させる。この状態で次のステップ＃２０５においてユーザーは設定スイッチを押下する。その結果、ディジタル表示器１２４に表示された遠距離側の位置に相当する数値が固定される。最後にユーザーはディジタル表示器１２４に表示された第１位置及び第２位置の数値を確認し、決定スイッチ（押釦スイッチ１２６又は１２７）を押下する（ステップ＃２０６）。これでティーチングモードＡの操作は終了する。主制御部３３は第１位置及び第２位置の数値の例えば中間値を求め、これを基準距離として設定する。設定された基準距離はディジタル表示器１２４の例えば左側表示部１２４Ｈに表示される。

上記のように、主制御部３３がソフトウェアによって基準距離を設定可能な範囲、つまり、上記のティーチングモードＡの操作でユーザーが第１位置及び第２位置を設定できる範囲は、前述のように図５（ｂ）の範囲Ｒｇｌに相当する。この範囲は、光学系の配置と受光素子２２の受光面の大きさによって決まり、比較的狭い範囲に限定されてしまう。そこで、本実施例の距離設定型光電センサーは、受光部の角度を変更することによって図５（ａ）及び（ｂ）における基準距離Ｄｒｅｆを変更する受光部調整機構（図４における２７）が備えられている。

図９は、受光部調整機構２７の構成例を模式的に示す図である。ヘッド部１１内には、投光部２１と受光部２０が内蔵され、投光部２１は発光素子２１１及び投光レンズ２１２を含む。受光部２０は受光素子２２と受光レンズ２０１を含む。この例では、投光部２１は位置及び角度が固定されており、受光部２０は受光素子２２及び受光レンズ２０１が一体として軸心ＡＸ周りに回転可能になっている。受光部２０には扇形部材２０２が固定され、その周縁部には軸心ＡＸを中心とする円弧に沿ってヘリカルギア２０３が形成されている。また、ヘリカルギア２０３に噛合するギア溝が形成された回転操作ロッド２０４が設けられ、その端部が図３に示した回転操作されるトリマー１１２としてヘッド部１１の背面に露出している。

上記のような構造によれば、ユーザーがトリマー１１２（回転操作ロッド２０４）を回転操作することにより、受光部２０が軸心ＡＸ周りに回転操作される。その結果、ワークＷＫからの反射光ＬＢ’が受光素子２２の中心に入射するときの光軸の角度が変化するので、光学系の配置によって決まる基準距離Ｄｒｅｆを変更することができる。

また、受光部２０の姿勢、すなわち軸心ＡＸ周りの回転角を検出する角度センサー（例えばロータリーエンコーダ）２０７が設けられ、その出力信号が電気ケーブル１３を介してアンプ部１２に送られるように構成されている。すなわち、角度センサー２０７とその出力信号回路（図示せず）が、図４における姿勢情報取得部２８に該当する。姿勢情報取得部２８から出力される受光部２０の姿勢情報は、アンプ部１２の主制御部３３に入力される。主制御部３３は、入力された受光部２０の姿勢情報（光学部姿勢情報）やそれから求められる調整方向等をディジタル表示器１２４に表示させる。

図９に示した受光部調整機構２７の例では受光素子２２及び受光レンズ２０１を一体として回転操作することによって光学部姿勢情報が変化するが、受光素子２２及び受光レンズ２０１を一体として平行移動することによっても光学部姿勢情報を変化させることが可能である。つまり、投光部２１に対して受光部２０を接近又は離間する方向（図９で上下方向）に平行移動すれば、受光素子２２の受光面における受光スポット位置が変化するので光学部姿勢情報が変化する。あるいは、受光素子２２又は受光レンズ２０１を単独で上下方向に移動させても同様に光学部姿勢情報を変化させることができる。

更に、受光部２０の代わりに投光部２１の角度や位置を変更した場合も受光素子２２の受光面における受光スポット位置が変化し、光学部姿勢情報が変化することがこれまでの記述から明らかであろう。つまり、受光素子２２の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を変更することによって光学部姿勢情報を変更するには、発光素子２１１、投光レンズ２１２、受光レンズ２０１及び受光素子２２のうちの少なくとも１つを含む光学部の位置又は角度を調整する光学部可動機構を設ければよい。図９に示した受光部調整機構２７は、この光学部可動機構の一例に過ぎない。例えば、受光部２０及び投光部２１の角度が同時に互いに逆方向に変更されるように構成すれば、特に光を正反射する表面（鏡面）を有するワークＷＫの検出に際して好ましい。

また、上記の例における角度センサー２０７とその出力信号回路である姿勢情報取得部２８の構成についても種々の変更が可能である。つまり、光学部可動機構によって変化する光学部の位置又は角度に相当する光学部姿勢情報を取得して主制御部３３に与える姿勢情報取得部２８は、光学部可動機構の構成に応じて、公知の各種センサーを用いて構成することが可能である。例えば光学部（の一部）を平行移動させる光学部可動機構の場合は、静電容量センサー等を用いた距離センサーによってその距離情報を取得すればよい。

次に、主制御部３３が姿勢情報取得部２８から得た受光部の姿勢情報（光学部姿勢情報）を用いて行う制御について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施例の距離設定型光電センサーにおいて主制御部３３が実行する設定モード等の処理のフローチャートである。主制御部３３が実行する設定モードの一部及び測定モードの処理が図１０のフローチャートに示されている。

図１０のステップ＃３０１において主制御部３３は、設定モードであるか測定モードであるかを判断する。設定モードである場合は、ステップ＃３０２以下の処理が実行され、設定モードでない場合はステップ＃３１１以下の測定モードの処理が実行される。

設定モードでは、まずステップ＃３０２で１点ティーチングか否かがチェックされる。１点ティーチングである場合はステップ＃３０３で１点ティーチングが実行され、１点ティーチングでない場合はステップ＃３０４で２点ティーチングが実行される。

１点ティーチングの処理の例を図１２のフローチャートに示す。１点ティーチングでは、ワークＷＫを検出したい位置に置き、ワークまでの距離を検出する。この距離に対して所定量（又は所定割合）の減算を行って得られる値を第１基準距離とし、所定量（又は所定割合）の加算を行って得られる値を第２基準距離とする。また、検出した距離を姿勢目標距離とする。上記の所定量（又は所定割合）は予め定めた固定値でもよいし、ユーザーが設定、変更できるようにしてもよい。また、算出すべき距離は１回分のデータでもよいし、複数か取り込んだデータを平均処理してもよいし、ある幅を持たせてもよい。図１２において、ステップ＃４０１では設定スイッチの入力状態の監視を行い、ステップ＃４０２で入力があれば、次のステップ＃４０３で距離算出処理を実行する。続くステップ＃４０４で、算出された距離から上記のようにして第１基準距離、第２基準距離及び姿勢目標距離を算出する。

次に、２点ティーチングの処理の例を図１３のフローチャートに示す。２点ティーチングでは、ワークＷＫを検出したい位置に置き、ワークまでの距離を検出する。検出された距離を第１距離とする。続いて、ワークＷＫを検出したくない位置へ移動し、ワークまでの距離を検出する。検出された距離を第２距離とする。第１距離と第２距離との間の値を基準距離とし、姿勢目標距離についても同様に、第１距離と第２距離との間の値とする。また、算出すべき距離は１回分のデータでもよいし、複数か取り込んだデータを平均処理してもよいし、ある幅を持たせてもよい。図１３において、ステップ＃５０１では設定スイッチの入力状態の監視を行い、ステップ＃５０２で入力があれば、次のステップ＃５０３で第１距離の算出処理を実行する。ワークＷＫを移動させた後にステップ＃５０４で設定スイッチの入力状態の監視を行い、ステップ＃５０５で入力があれば、次のステップ＃５０６で第２距離の算出処理を実行する。続くステップ＃５０７で、算出された第１距離及び第２距離から基準距離及び姿勢目標距離を算出する。

上記のように、１点ティーチング又は２点ティーチングによって基準距離と姿勢目標距離が得られる。基準距離は測定モードで使用される、いわゆる、しきい値である。姿勢目標距離は、受光部姿勢を最適な状態に調整する際の目標距離である。

図１０のフローチャートに戻って、ティーチングの後のステップ＃３０５において、姿勢目標距離と受光面位置目標値からルックアップテーブルによって目標姿勢値を算出する。受光面位置目標値とは、姿勢目標距離にワークＷＫがあると仮定したときに、ワークＷＫからの反射光の受光面における受光スポットの目標位置を示す値である。例えば受光素子２２が二分割ＰＤの場合は、２個の分割受光面の境界が最も分解能が良くなるので、この位置が受光面における受光スポットの目標位置に適している。この場合の受光面位置目標値はゼロとなる（前述のように、受光素子２２の受光面上での位置に関連する値は（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）である）。

次のステップ＃３０６において、姿勢情報取得部２８から受光部姿勢情報（光学部姿勢情報）が取得される。続くステップ＃３０７で受光部姿勢情報と目標姿勢値との比較が行われ、比較結果がステップ＃３０９で表示される。また、必須ではないが、ステップ＃３０８で前述の検出余裕度の算出が行われ、この算出結果も必要に応じてステップ＃３０９で表示される。

検出余裕度は例えば、式１「検出余裕度＝（現在距離−基準距離）／ヒステリシス」から求めることができる。この式１の中のヒステリシスは、前述のように、表示及び出力信号のチャタリングを回避するために、測定結果の距離と基準距離との比較処理に設けた不感帯である。つまり、ワークＷＫがヘッド部１１に接近する方向に変位したときに比較結果がオフからオンに反転するときの検出距離と、離間する方向に変位したときに比較結果がオンからオフに反転するときの検出距離は、ヒステリシスの幅だけ異なる。

このヒステリシスの幅は距離に比例して増減する。つまり、ワークＷＫまでの距離が比較的近い場合はワークＷＫが少し変位すれば比較結果（オン・オフ）が反転するが、ワークまでの距離が遠くなれば、ワークＷＫの変位量がある程度大きくなければ比較結果の反転が生じない（検出できない）。したがって、上記の式１で算出された検出余裕度は、ワークＷＫまでの距離に応じた検出可能な最小変位量（の逆数）を意味し、これを表示することは、ユーザーにとって有益な情報となる。

検出余裕度は、上記の式１以外に、式２「現在値／基準値」、式３「現在値×ヒステリシス／基準値」、式４「（Ｎ×Ｆ／（Ｎ＋Ｆ））×（現在値−基準値）／ヒステリシス」等の式を用いて定義（算出）することが可能である。なお、式４におけるＮ及びＦは、前述のように受光素子２２である二分割ＰＤのＮ側受光量及びＦ側受光量をそれぞれ示している。したがって、（Ｎ×Ｆ／（Ｎ＋Ｆ））は、Ｎ側受光量の比率とＦ側受光量の比率との積であり、Ｎ＝Ｆのときに最も大きくなる。このときに分解能が最も良くなる。

ステップ＃３０９行われる表示出力では、例えば、図７に示したディジタル表示器１２４のうちの上４桁の表示部１２４Ｈを用いて現在距離を表示し、下４桁の表示部１２４Ｌを用いて検出余裕度を表示する。そして２個の出力インジケータ１２５のいずれか一方を点灯することによって調整方向（＋又は−）を表示させればよい。あるいは、現在距離と基準距離との差を数値表示してもよい。また、調整方向をディジタル表示器１２４に記号（例えば＋又は−の符号）として表示してもよい。

ユーザーは、ディジタル表示器１２４や出力インジケータ１２５に表示される現在距離、調整方向、検出余裕度等の表示を参考にしながら、前述のようにトリマー１１２を回転操作することによって、受光部２０の姿勢（角度）を変更し、現在距離の調整を行うことができる。現在距離を基準距離に合わせる設定が完了すれば、ユーザーは押釦スイッチ１２６又は１２７を用いて設定モードから測定モードに切り替える。

図１０のフローチャートでは、ステップ＃３１０で設定モードの終了か否かが判断され、終了るまでステップ＃３０６からステップ＃３１０の処理が繰り返される。この後、次の処理へ移行する。

また、ステップ＃３１１以下の測定モードの処理では、まずステップ＃３１１で距離算出処理が実行される。図１４に距離算出処理のフローチャートを例示する。ステップ＃６０１において受光部姿勢情報の更新タイミングか否かが判断され、更新タイミングである場合は次のステップ＃６０２で受光部姿勢情報が取得される。次のステップ＃６０３において（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の更新タイミングか否かが判断され、更新タイミングである場合は次のステップ＃６０４で受光量Ｎ及び受光量Ｆが取得される。

次のステップ＃６０５において、受光素子２２の受光面上での位置に関連する値（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）が算出され、続くステップ＃６０６でルックアップテーブルにより（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）を受光部姿勢情報に基づいて距離に換算する。ワークＷＫまでの距離が異なっていても、受光部の姿勢によっては（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）が同一になる場合があり得る。受光部の姿勢が決まれば（分かれば）、ワークＷＫまでの距離は（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）から一意に決まる。したがって、上記のルックアップテーブルとして、受光部姿勢情報と受光素子２２の受光面上での位置に関連する値（Ｎ−Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）とを引数として距離が求められる二次元のテーブルを予め用意しておけばよい。

図１０に戻って、続くステップ＃３１２において、測定結果と基準距離との比較を行い、ワークＷＫまでの距離が基準距離より近いか遠いかを判断する。比較結果は前述のように制御装置（ＰＬＣ等）に接続された電気ケーブル１４へ出力される（ステップ＃３１３）と共に表示部３４に含まれる出力インジケータ１２５に表示される（ステップ＃３１４）。この後、次の処理へ移行する。

以上、本発明の実施例及び変形例を説明したが、本発明は上記の実施例及び変形例に限らず、種々の形態で実施することができる。例えば、図３に示したようなヘッド部１１とアンプ部１２が電気ケーブル１３で接続されたアンプ分離型の光電センサーに限らず、ヘッド部とアンプ部とが１つの筐体に内蔵されたアンプ一体型の光電センサーにも本発明を適用することができる。また、本実施例では受光素子２２として二分割ＰＤを用いているが、ＰＳＤやＣＣＤを受光素子２２として用いた構成にも本発明を適用することができる。

距離設定型光電センサーの動作原理を示す図である。 受光素子としての二分割ＰＤの動作原理を示す図である。 本発明の実施例に係る距離設定型光電センサーの外観を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る距離設定型光電センサーの回路構成を示すブロック図である。 受光量差の正規化演算を説明するためのグラフである。 受光量差の正規化演算処理の流れを示すフローチャートである。 アンプ部の押釦スイッチやディジタル表示器を含む上面パネルの平面図である。 ティーチングの一例を示すフローチャートである。 受光部調整機構の構成例を模式的に示す図である。 本実施例の距離設定型光電センサーにおいて主制御部が実行する設定モード等の処理のフローチャートである。 アンプ部及びヘッド部における出力インジケータの例を示す図である。 １点ティーチングの処理の例を示すフローチャートである。 ２点ティーチングの処理の例を示すフローチャートである。 距離算出処理の例を示すフローチャートである。

符号の説明

２２ 二分割ＰＤ（受光素子）
２７ 受光部調整機構（光学部可動機構）
２８ 姿勢情報取得部
３３ 主制御部
３４ 表示部
１２４ ディジタル表示器（表示部）
１２５ 出力出力インジケータ（表示部）
２０１ 受光レンズ
２１１ 発光素子
２１２ 投光レンズ
ＷＫ ワーク（対象物）

Claims (5)

1. 対象物に向けて光を投光するための発光素子及び投光レンズと、前記対象物からの反射光を受光するための受光レンズ及び受光素子と、この受光素子からの信号を処理して受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を求めることにより前記対象物までの距離を算出する主制御部とを備えた距離設定型光電センサーであって、
   前記発光素子、前記投光レンズ、前記受光レンズ及び前記受光素子のうちの少なくとも１つを含む光学部の位置又は角度を調整することによって前記受光素子の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置を変更する光学部可動機構と、
   前記光学部可動機構によって位置又は角度を変更調整される光学部の姿勢を示す光学部姿勢情報を取得して前記主制御部に与える姿勢情報取得部と、
   前記主制御部の制御によって数値表示を行うディジタル表示器とを備え、
   前記主制御部が、前記姿勢情報取得部から与えられる前記光学部姿勢情報と前記受光素子の受光面における受光スポット位置又は受光量分布の重心位置とに基づいて求めた現在距離を前記ディジタル表示器に表示させるように構成されていることを特徴とする距離設定型光電センサー。
2. 自動ティーチング又は手動操作によって目標姿勢値を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記光学部姿勢情報と前記設定された目標姿勢値との比較結果に基づいて、前記光学部可動機構による前記光学部の調整方向をユーザーに知らせるための表示を前記ディジタル表示器を含む表示部に表示させることを特徴とする
   請求項１記載の距離設定型光電センサー。
3. 自動ティーチング又は手動操作によって基準距離を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記現在距離と前記基準距離との差又は比から算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする
   請求項１又は２記載の距離設定型光電センサー。
4. 前記主制御部が前記現在距離と前記基準距離との比較結果を出力する際のチャタリングを防止するために所定のヒステリシスが設けられ、前記主制御部は、前記現在距離と前記基準距離との差又は比と前記ヒステリシスから算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする
   請求項３記載の距離設定型光電センサー。
5. 前記受光素子として、受光面が第１受光面と第２受光面とに二分割され、各分割受光面から個別の受光量信号が得られる二分割ＰＤを使用し、自動ティーチング又は手動操作によって基準距離を設定するための設定入力部を更に備え、前記主制御部が、前記現在距離と前記基準距離との差又は比、及び前記個別の受光量信号から算出した検出余裕度を前記ディジタル表示器に表示させることを特徴とする
   請求項１又は２記載の距離設定型光電センサー。
   

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