JP2014131165A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光電センサ間での相互干渉状態を回避する光電センサを提供する。
【解決手段】弁別部６１が受光信号を閾値で弁別し、その出力をアップダウンカウンタ６２でカウントして入光状態か遮光状態かを判定する。パターン決定回路９は、遮光状態から入光状態に遷移する期間の投光タイミングを規定した投光パターン＃１〜＃ｎの中から任意に１つの投光パターンを選択し、遷移途中で投光タイミングをずらす。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数台を隣接配置した場合の相互干渉状態を回避する光電センサに関するものである。

反射形と呼ばれる検出方式の光電センサは、投光部と受光部を、検出対象物の存在する検出領域に対して同じ側に並べて設置し、投光部から発した光の検出対象物による反射光を受光部で受光することで、その受光量の変化から入光状態（検出）か遮光状態（非検出）かを判定する。

複数の反射形光電センサを隣接配置して使用する場合、自機以外の投光が入光する相互干渉状態を防止するために、外乱光を検出して自機の投光タイミングをずらしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２１７００３号公報

しかしながら、従来の相互干渉防止機能では投光タイミングのずらし方が一律であるため、２台が同じタイミングで動作して同じタイミングで遮光状態から入光状態になるとき、外乱光か自機の投光かを区別することができないという課題があった。その状態でクロックが少しずつずれていくことにより、光量が変化して、誤動作する場合があった。
光電スイッチの投光周期は数十μｓ〜数百μｓであるため、例えば８時間の使用を考えるとその間に２台が同じタイミングになる確率は無視できないレベルとなる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の光電センサ間での相互干渉状態を回避する光電センサを提供することを目的とする。

この発明に係る光電センサは、所定の投光パターンに従って検出領域へ投光する投光部と、投光部からの光が検出対象物に反射した反射光を受光し、受光量に応じたレベルの受光信号を出力する受光部と、受光部からの受光信号を所定の閾値で弁別して出力する弁別部と、弁別部の出力の有無に応じてカウントアップまたはカウントダウンし、カウント値に応じて入光状態か遮光状態かを判定するアップダウンカウンタと、アップダウンカウンタのカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを規定した投光パターンを複数記憶している投光パターン記憶部と、投光パターン記憶部に記憶された複数の投光パターンの中から任意に１つの投光パターンを選択して投光部へ与え、アップダウンカウンタのカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを所定の投光パターンの投光タイミングからずらすパターン決定部とを備えるものである。

この発明によれば、入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを所定の投光パターンの投光タイミングからずらすようにしたので、入光状態を判定する前段階の遷移途中で投光タイミングをずらすことができ、複数の光電センサ間での相互干渉状態を回避する光電センサを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る光電センサの構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る光電センサの投光パターン記憶部が記憶する投光パターン＃１〜＃４を示す表である。 実施の形態１に係る光電センサの投光パターン記憶部が記憶する投光パターン＃１〜＃４を示すグラフである。 実施の形態１に係る光電センサの投光パターン記憶部が記憶する投光パターン＃１〜＃４の別の例を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る光電センサのパターン決定回路の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２に係る光電センサのパターン決定回路のデコータの一例を示す図である。 図６に示すパターン選択用カウンタのカウント値に対してセレクタが選択した投光パターンの番号を示すグラフである。 実施の形態２に係る光電センサのパターン決定回路の変形例を示すブロック図である。 実施の形態２に係る光電センサのパターン決定回路の変形例を示すブロック図である。 図９に示すＭ系列生成回路として使用する線形帰還シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）の回路図である。 実施の形態２に係る光電センサのパターン決定回路の変形例を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１の構成を示すブロック図である。この光電センサ１は、投光素子２（例えば、発光ダイオード）と、投光駆動回路３と、受光素子４（例えば、フォトダイオード）と、受光回路５と、判定回路６と、投光パターン記憶部７と、セレクタ８と、パターン決定回路９とから構成される。

光電センサ１を反射形として構成する場合、投光素子２および投光駆動回路３からなる投光部と、受光素子４および受光回路５からなる受光部とを、検出対象物１０の存在する検出領域に対して同じ側に並べて設置し、投光部から発した光の検出対象物１０による反射光を受光部で受光することで、その受光量の変化から入光状態（検出状態）か遮光状態（非検出状態）かを判定する。

セレクタ８は、パターン決定回路９が決定した投光パターン番号（＃１〜＃ｎ）の投光パターンを投光パターン記憶部７から選択して投光駆動回路３および受光回路５へ出力する。投光駆動回路３は、投光パターンに従ってスイッチング素子を駆動して投光素子２を発光させ、パルス光を検出領域へ投光する。受光素子４は、検出領域からの反射光を受光して、受光量に応じた電流を出力する。

受光回路５は、受光素子４の出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路、電圧信号を増幅する増幅回路、増幅した電圧信号からノイズを除去するフィルタ回路などを有し、受光量のレベルに応じた受光信号を生成する。また、受光回路５は外乱光検出部５１を有し、外乱光検出部５１は自機の投光タイミングの前後の自発光のパルスが検出されないタイミングでの受光レベルを監視し、受光レベルがあるレベルを超えた場合は外乱光を検出したとして、投光駆動回路３に指示を与えてパルス光の投光周期をずらし、自発光が外乱光に重ならないようにする。

判定回路６は、受光回路５から入力される受光信号を所定の閾値で弁別してデジタル信号に変換する弁別部６１と、このデジタル信号の有無に応じてカウント値をカウントアップまたはカウントダウンするアップダウンカウンタ６２とを有する。判定回路６は、アップダウンカウンタ６２のカウント値が最大値のときに入光状態と判定してオン信号を出力し、カウント値が最小値の０のときに遮光状態と判定してオフ信号を出力する。

投光パターン記憶部７は、ｎ種類の投光パターン＃１〜＃ｎを記憶している。例えば、判定方式をデジタル積分（アップダウンカウンタ６２によるアップダウンカウント）方式としアップダウンカウンタ６２に５段のカウンタを用いた場合、カウント値が遮光状態（カウント値０）と入光状態（カウント値５）との間を遷移する間に、投光周期をずらすような投光パターンとする。

パターン決定回路９は、セレクタ８を制御して、投光パターン記憶部７の記憶する投光パターン＃１〜＃ｎの中の１つの投光パターンを選択し、投光駆動回路３および受光回路５へ出力する。

図２に投光パターン＃１〜＃４の表を示し、図３（ａ）〜（ｄ）に投光パターン＃１〜＃４のグラフを示す。ここに示す投光パターンは一例であり、これらに限定されるものではない。図示するように、アップダウンカウンタ６２のカウント値が０の遮光状態のとき、およびカウント値が５の入光状態のとき、投光パターン＃１〜＃４の投光周期は１００μｓであり、投光パターンによらず同じタイミングでパルス光を投光する。一方、カウント値が１〜４に変化するとき、すなわち、遮光状態から入光状態への遷移途中または入光状態から遮光状態への遷移途中、カウント値ごとに異なる投光周期が設定されている。さらに、カウント値が１〜４に変化する時間が投光パターンごとに異なる（投光パターン＃１では３８０μｓ、投光パターン＃２では３６０μｓ、投光パターン＃３では３５０μｓ、投光パターン＃４では３７０μｓ）。

例えば、自機が投光パターン＃１に従って投光し、隣接配置された他機が投光パターン＃２に従って投光している場合、遮光から入光への遷移途中で投光パルスのタイミングのずれが発生する。従って、干渉状態であったとしても、遷移途中で必ずタイミングがずれるようになり、外乱光検出部５１において自発光と干渉光とを正しく判別することができる。また、カウント値が１〜４に変化する時間が異なるので、これ以降は自発光と干渉光がずれるようになり、干渉状態を回避することができる。

また、アップダウンカウンタ６２のカウント値が最大値になって判定回路６からオン信号を外部出力する前に、外乱光検出部５１が外乱光を検出することになるため、外乱光を自発光と混同することによる誤動作を防ぐことができる。加えて、遷移途中で外乱光を検出した場合に外乱光検出部５１が動作して投光周期をさらにずらすことにより、以降は干渉光を避けるような投光タイミングになるので、干渉状態を回避して誤動作を防ぐことができる。

なお、外乱光検出部５１が外乱光を検出すると投光周期をさらにずらす構成にしたが、投光周期をずらさない構成にしても、入光と遮光の遷移途中で投光パターン＃１〜＃４のいずれかを実行することにより以降の投光タイミングがずれるため、干渉状態を回避できる。
ただし、外乱光検出部５１が投光周期をさらにずらす構成にした場合には、より効果的に干渉状態を回避できる。この構成の場合、投光パターン間のタイミング差は、遮光と入光の遷移途中で必ず外乱光検出部５１が動作するレベルのタイミング差にすることが望ましい。

また、図２および図３の例では、４種類の投光パターンを示したが、この数を増やすことで複数の光電センサ１が同じ投光パターンを選択する確率を減らすことができる。

また、図２および図３の例では、アップダウンカウンタ６２のカウント値ごとに投光周期を変えた投光パターンを設定したが、カウント値１〜４のときの投光周期を変えてもよい。図４（ａ）〜（ｄ）に、投光周期が異なる投光パターン＃１〜＃４のグラフを示す。図４の例では、カウント値１および５のとき、投光パターン＃１〜＃４の投光周期は１００μｓとする。一方、カウント値が１〜４の間、投光パターン＃１の投光周期は９０μｓ（図４（ａ））、投光パターン＃２は８５μｓ（図４（ｂ））、投光パターン＃３は８０μｓ（図４（ｃ））、投光パターン＃４は７５μｓ（図４（ｄ））とする。

従来の相互干渉防止機能の１つである異周波タイプでは、光電センサ１ごとの投光周期が定常的に異なるのに対し、本実施の形態１では遮光と入光の遷移の期間だけ投光周期が異なる構成である。両者の差としては、異周波タイプでは光電センサ１ごとに応答時間が異なるのに対し、本実施の形態１では投光パターン間の周期差が小さいため応答時間の仕様を変えずに対応できる。

ただし、厳密には投光パターンごとに応答時間が異なるが、応答時間の仕様は理論上の値にクロック誤差およびその他のマージンを加算して決定するため、多少の周期差はマージンで吸収でき、製品の仕様としては同じ応答時間になる。

以上より、実施の形態１に係る光電センサ１は、所定の投光パターン（例えば、１００μｓ周期）に従って検出領域へ投光する、投光素子２および投光駆動回路３からなる投光部と、投光部からの光が検出対象物１０に反射した反射光を受光して受光量に応じたレベルの受光信号を出力する、受光素子４および受光回路５からなる受光部と、受光部からの受光信号を所定の閾値で弁別して出力する弁別部６１と、弁別部６１の出力の有無に応じてカウントアップまたはカウントダウンし、カウント値に応じて入光状態か遮光状態かを判定するアップダウンカウンタ６２と、アップダウンカウンタ６２のカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを規定した投光パターン＃１〜＃ｎを記憶している投光パターン記憶部７と、投光パターン記憶部７に記憶された投光パターン＃１〜＃ｎの中から任意に１つの投光パターンを選択して投光駆動回路３へ与え、アップダウンカウンタ６２のカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを上述の所定の投光パターンからずらすパターン決定回路９とを備えるように構成した。このため、遮光状態から入光状態へ遷移する期間および入光状態から遮光状態へ遷移する期間の投光タイミングを、通常の投光パターンの投光タイミングからずらすことができ、複数の光電センサ１間での相互干渉状態を回避することができる。また、入光状態を判定する前段階の遷移途中で投光タイミングをずらすことができるので、誤動作を防ぐことができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る光電センサ１のパターン決定回路９の構成例を示すブロック図である。なお、本実施の形態２の光電センサ１は、図１に示す光電センサ１と図面上では同様の構成であるため、パターン決定回路９以外は図１を援用する。

相互干渉状態を回避するために、光電センサ１ごとに異なる投光パターンを選択する確率が高くなるようにパターン決定回路９を構成する必要がある。図５の例では、パターン決定回路９が、発振回路９１と、電源投入時リセット回路９２と、パターン選択用カウンタ９３と、デコーダ９４とを備える。パターン選択用カウンタ９３は、発振回路９１が出力する投光パルス生成のためのクロック信号ｃｌｋ（またはその分周）により動作し、光電センサ１の電源投入時に電源投入時リセット回路９２が出力するリセット信号ｒｓｔによりカウント値をリセットする。従って、異なる光電センサ１間において、パターン選択用カウンタ９３のカウント値が別となる確率を高くすることができる。

デコーダ９４は、パターン選択用カウンタ９３のｍビットのカウント値をｎビットにデコードし、デコード値をセレクタ８へ出力する。セレクタ８は、判定回路６から出力されるラッチ信号（後述する）によりデコード値をラッチして、ラッチしたデコード値に対応する番号の投光パターン＃１〜＃ｎを選択して、投光駆動回路３および受光回路５へ出力する。

図６に、デコーダ９４の一例を示す。この例では、パターン選択用カウンタ９３をＱ１〜Ｑ８の８ビットのカウンタで構成し、デコーダ９４を２つのＥＸＯＲ（排他的論理和）回路９４ａ，９４ｂで構成する。セレクタ８は、ＥＸＯＲ回路９４ａの出力値ｓｅｌ１とＥＸＯＲ回路９４ｂの出力値ｓｅｌ２が（０，０）のとき投光パターン＃１を選択し、（０，１）のときは投光パターン＃２を選択し、（１，０）のときは投光パターン＃３を選択し、（１，１）のときは投光パターン＃４を選択する。

図７に、パターン選択用カウンタ９３のカウント値に対してセレクタ８が選択した投光パターンの番号＃１〜＃４を示す。グラフの横軸はデコード前のカウント値、縦軸が投光パターンの選択値（即ち、番号）を表しており、カウント値と投光パターンとの関係がばらばらのように見える。従って、異なる光電センサ１間において、選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができる。

判定回路６がラッチ信号を出力するタイミングとしては、入光状態から遮光状態に遷移したタイミングが考えられる。具体的には、入光状態において、アップダウンカウンタ６２のカウント値が１から０になったタイミングで、判定回路６からセレクタ８へラッチ信号を出力する。
あるいは、遮光状態において、アップダウンカウンタ６２のカウント値が０から１になったタイミングで、判定回路６からセレクタ８へラッチ信号を出力する。この場合は、カウント値が１のときの投光周期を、カウント値が０のときの投光周期と同じにする必要がある。
あるいは、入光状態において、アップダウンカウンタ６２のカウント値が２から１になったタイミングで、判定回路６からセレクタ８へラッチ信号を出力する。なお、カウンタ値は一例であって、１〜４のいずれか他の値でもよい。

なお、図５の例では、電源投入時リセット回路９２を使用して電源投入のタイミングでパターン選択用カウンタ９３をリセットするようにしたが、リセットするタイミングはこれに限定されるものではない。以下に、変形例を示す。

図８は、パターン決定回路９の変形例を示すブロック図であり、電源投入時リセット回路９２の代わりに遮光判定回路９５を備える。遮光判定回路９５は、アップダウンカウンタ６２のカウント値が最小値の０のときに判定回路６から入力されるオフ信号により、入光状態から遮光状態になったタイミングを判定し、このタイミングでリセット信号ｒｓｔを出力する。従って、パターン選択用カウンタ９３は、入光状態から遮光状態になったときにカウント値をリセットする。リセット後はパターン選択用カウンタ９３が遮光状態の期間をカウントしていき、入光状態になるときに判定回路６から出力されるオン信号をラッチ信号にしてセレクタ８がパターン選択用カウンタ９３のカウント値をラッチし、投光パターンを選択する。

図９は、パターン決定回路９の変形例を示すブロック図であり、パターン選択用カウンタ９３の代わりに、カウンタの一種であるＭ系列生成回路（疑似乱数生成部）９６を備える。図１０に、Ｍ系列生成回路９６として使用する線形帰還シフトレジスタ（ＬＦＳＲ）の回路図を示す。Ｍ系列生成回路９６は、発振回路９１のクロック信号ｃｌｋで同期されたｍ個のＤフリップフロップ（ＤＦＦ）と、デコーダのＥＸＯＲ回路とにより構成されており、任意のＤＦＦの出力の排他的論理和をとり、その値をシフトレジスタの入力とする。シフトレジスタの出力ＯＵＴはＭ系列の疑似乱数列になるため、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができる。

なお、光電センサ１にボタンを設け、ユーザがこのボタンを手動で操作した場合に、Ｍ系列生成回路９６を構成するｍ個のＤＦＦのうち、出力をＥＸＯＲ回路に戻すＤＦＦを切り替え、Ｍ系列符号の生成式を変えるように構成してもよい。どのＤＦＦの出力をＥＸＯＲ回路に戻すかによりシフトレジスタの出力するＭ系列符号が別のものになるため、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができる。

図１１は、パターン決定回路９の変形例を示すブロック図であり、２つのＭ系列生成回路９６ａ，９６ｂを備える。Ｍ系列生成回路９６ａを構成するＤＦＦの数とＭ系列生成回路９６ｂを構成するＤＦＦの数を変えることにより系列長を変え、その出力をデコードする。２種類のＭ系列生成回路９６ａａ，９６ｂを使用することにより、１種類のＭ系列生成回路９６を使用する場合に比べ、繰り返し周期が長くなるため、デコードの種類を増やすことができる。従って、選択可能な投光パターン数が増え、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができる。

以上より、実施の形態２によれば、パターン決定回路９は、投光パターン記憶部７に記憶された複数の投光パターン＃１〜＃ｎの中から、パターン選択用カウンタ９３がカウントする動作状況（例えば、電源投入からの経過時間、入光状態と遮光状態の判定が切り替わったときからの経過時間）に応じた１つの投光パターンを選択するように構成した。このため、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができ、相互干渉状態をより確実に回避することができる。

また、実施の形態２によれば、パターン決定回路９は、Ｍ系列符号を生成するＭ系列生成回路９６を有し、投光パターン記憶部７に記憶された複数の投光パターン＃１〜＃ｎの中からＭ系列生成回路９６の生成する値に応じた１つの投光パターンを選択するように構成した。このため、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができ、相互干渉状態をより確実に回避することができる。
なお、Ｍ系列符号は一例であり、疑似乱数列を生成できればどのような回路構成であってもよい。

また、実施の形態２によれば、パターン決定回路９は、パターン選択用カウンタ９３の値またはＭ系列生成回路９６の値を、投光パターン記憶部７に記憶された複数の投光パターンの番号＃１〜＃ｎにデコードするデコーダ９４を有する構成にした。このため、パターン選択用カウンタ９３またはＭ系列生成回路９６の出力値のランダム性を高めることができ、異なる光電センサ１間で選択する投光パターンが別となる確率を高くすることができる。

なお、図５、図８、図９および図１１ではパターン決定回路９が発振回路９１を備える構成にしたが、これに限定されるものではなく、投光駆動回路３が発振回路９１を備え、そのクロック信号ｃｌｋをパターン決定回路９に入力する構成にしてもよい。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

１ 光電センサ
２ 投光素子
３ 投光駆動回路
４ 受光素子
５ 受光回路
６ 判定回路
７ 投光パターン記憶部
８ セレクタ
９ パターン決定回路
１０ 検出対象物
５１ 外乱光検出部
６１ 弁別部
６２ アップダウンカウンタ
９１ 発振回路
９２ 電源投入時リセット回路
９３ パターン選択用カウンタ
９４ デコーダ
９４ａ，９４ｂ ＥＸＯＲ回路
９５ 遮光判定回路
９６，９６ａ，９６ｂ Ｍ系列生成回路（疑似乱数生成部）

Claims (9)

1. 所定の投光パターンに従って検出領域へ投光する投光部と、
   前記投光部からの光が検出対象物に反射した反射光を受光し、受光量に応じたレベルの受光信号を出力する受光部と、
   前記受光部からの受光信号を所定の閾値で弁別して出力する弁別部と、
   前記弁別部の出力の有無に応じてカウントアップまたはカウントダウンし、カウント値に応じて入光状態か遮光状態かを判定するアップダウンカウンタと、
   前記アップダウンカウンタのカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを規定した投光パターンを複数記憶している投光パターン記憶部と、
   前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの中から任意に１つの投光パターンを選択して前記投光部へ与え、前記アップダウンカウンタのカウント値が入光状態と遮光状態の間を遷移する期間の投光タイミングを前記所定の投光パターンの投光タイミングからずらすパターン決定部とを備える光電センサ。
2. 前記パターン決定部は、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの中から、動作状況に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
3. 前記パターン決定部は、電源投入からの経過時間を計時するパターン選択用カウンタを有し、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの中から当該パターン選択用カウンタの値に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項２記載の光電センサ。
4. 前記パターン決定部は、前記アップダウンカウンタの入光状態と遮光状態の判定が切り替わったときからの経過時間を計時するパターン選択用カウンタを有し、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの中から当該パターン選択用カウンタの値に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項２記載の光電センサ。
5. 前記パターン決定部は、前記アップダウンカウンタのカウント値が特定の値になったときの前記パターン選択用カウンタの値に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項３または請求項４記載の光電センサ。
6. 前記パターン決定部は、疑似乱数列を生成する疑似乱数生成部を有し、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの中から当該疑似乱数生成部の生成する値に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
7. 前記パターン決定部は、前記アップダウンカウンタのカウント値が特定の値になったときの前記疑似乱数生成部の生成する値に応じた１つの投光パターンを選択することを特徴とする請求項６記載の光電センサ。
8. 前記パターン決定部は、前記パターン選択用カウンタの値を、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの番号にデコードするデコーダを有することを特徴とする請求項３から請求項５のうちのいずれか１項記載の光電センサ。
9. 前記パターン決定部は、前記疑似乱数生成部の値を、前記投光パターン記憶部に記憶された前記複数の投光パターンの番号にデコードするデコーダを有することを特徴とする請求項６または請求項７記載の光電センサ。

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