JP2015075453A

JP2015075453A - 光電センサ

Info

Publication number: JP2015075453A
Application number: JP2013213482A
Authority: JP
Inventors: 次郎馬場; Jiro Baba; 智紀花田; Tomonori Hanada
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: US20150102205A1; JP6214993B2; DE102014220487A1; US9354352B2

Abstract

【課題】光の伝搬時間を計測することによりワークを検出する光電センサを提供する。
【解決手段】検出光を繰り返し生成する発光素子と、検出光の反射光を受光する受光素子と、受光信号Ｒ１を二値化する二値化処理部３２と、二値化受光信号Ｒ２の時間変化を示す波形データＷｓを検出する波形検出部３３と、発光素子の発光タイミングを一致させて２以上の波形データＷｓを積算し、積算波形データＷｍを生成する波形積算部３４と、積算波形データＷｍに基づいて、ワークの有無を判別するワーク判別部３６とを備えることにより、回路規模を抑制しつつ、反射光を高速でサンプリングし、ワークを検出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光電センサに係り、さらに詳しくは、検出光を出射し、その反射光を受光することにより、ワークを検出する光電センサの改良に関する。

所定の検出位置へ検出光を出射し、その反射光を受光することにより、ワークの有無を検出する光電センサが従来から知られている。この種の光電センサには、ワークの有無による受光量の差を利用するタイプや、三角測距法を利用するタイプが知られている。三角測距法を利用するタイプの光電センサの場合、三角測距法により反射面までの距離を測定し、当該距離を閾値と比較することによりワークの有無を検出している。

反射面までの距離は、光の伝搬時間を計測することにより求めることもできる。つまり、検出光を出射してから、反射光を受光するまでの時間を計測することができれば、三角測距法を利用することなく、反射面までの距離を求めることができ、ワークを検出することができると考えられる。

しかしながら、光電センサにおいて、光の伝搬時間を計測してワークの検出を行おうとすれば、極めて短い周期で反射光をサンプリングしなければならないという問題があった。光の速度は３．０×１０^８ｍ／ｓであり、３０ｍｍを１００ｐｓで伝搬する。このため、例えば、ワークまでの距離を１５ｍｍの精度で検出しようとすれば、１００ｐｓのオーダーで反射光をサンプリングする必要がある。

このような速度で反射光をサンプリングすることは容易ではなく、実現しようとすれば、発熱対策が必要となり、装置全体が大型化すると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光の伝搬時間を計測することによりワークを検出する光電センサを提供することを目的とする。特に、このような光電センサを安価に提供することを目的とする。また、このような光電センサを小型化することを目的とする。さらに、光電センサの信頼性を向上させることを目的とする。

第１の本発明による光電センサは、検出光を繰り返し生成する発光素子と、上記検出光の反射光を受光し、受光量を示す受光信号を生成する受光素子と、上記受光素子からの受光信号を二値化する二値化処理部と、上記発光素子の発光タイミングに対応した取込信号を生成する取込制御回路と、多数の記憶素子を有し、各記憶素子が上記取込信号に応じて上記二値化された受光信号を記憶する波形取込部と、上記取込信号を上記各記憶素子に供給するための分岐回路を有する取込信号分配部と、上記二値化された受光信号を上記各記憶素子に供給するための分岐回路を有する受光信号信号分配部と、上記取込信号分配部及び上記受光信号信号分配部の少なくともいずれか一方に設けられ、上記波形取込部に上記二値化された受光信号が時間変化を示す波形データとして記憶されるように、上記取込信号及び上記二値化された受光信号が上記各記憶素子に供給されるタイミングを相対的に遅延させる遅延回路と、上記発光素子の発光タイミングを一致させて２以上の上記波形データを積算し、積算波形データを生成する波形積算手段と、上記積算波形データに基づいて、ワークの有無を判別するワーク判別手段とを備えて構成される。

時間変化を示す波形データとして、二値化された受光信号を検出することにより、受光信号を多値データとしてサンプリングする場合に比べて、回路規模を大幅に縮小し、より高速のサンプリングを行うことができる。また、遅延回路の遅延時間をサンプリング周期とするサンプリングを行うことにより、より高速のサンプリングを行うことができる。さらに、検出光を繰り返し発光し、２以上の波形データを積算した積算波形データを求めることにより、ノイズ成分を抑制し、反射光の成分を強調することができる。従って、回路規模を抑制しつつ、反射光を高速でサンプリングし、ワークを検出することができる。

第２の本発明による光電センサは、上記構成に加えて、上記積算波形データのピークを検出し、上記反射光の反射面までの距離を求めるピーク検出手段を備え、上記ワーク判別手段が、上記距離を判定閾値と比較し、上記ワークの有無を判別するように構成される。

積算波形データのピークを検出し、反射面までの距離を求めることにより、高い精度で反射面までの距離を計測することができる。また、ノイズの影響を抑制し、信頼性の高いワーク検出を行うことができる。

第３の本発明による光電センサは、上記構成に加えて、上記受光信号分配部が、直列接続された多数の上記遅延回路からなり、二値化された上記受光信号が入力される遅延線路を備えて構成される。

第４の本発明による光電センサは、上記構成に加えて、上記波形取込回路が、上記遅延回路に対応する多数の記憶素子からなり、上記遅延回路が、直列接続された第１遅延素子及び第２遅延素子と、容量素子とを有し、第１遅延素子の出力端子が、第２遅延素子及び上記容量素子に接続され、第２遅延素子の出力端子が、上記記憶素子及び後段の上記遅延回路に接続され、上記容量素子は、上記記憶素子の入力容量と略同一の容量を有する。

このような構成により、２つの遅延素子の負荷容量を略一致させ、遅延回路の立ち上がり特性と、立ち上がり特性を略一致させることができる。従って、精度の高い波形データを取得することができる。

第５の本発明による光電センサは、上記構成に加えて、上記取込信号分配部が、上記記憶素子に入力されるまでに上記取込信号が経由する分岐数が、当該記憶素子が取り込む上記受光量の受光時刻が早くなるほど、単調に増加するように構成される。

このような構成により、取込信号分配回路内における遅延により、波形データにデータの欠落が発生するのを防止することができる。

本発明によれば、光の伝搬時間を計測することによりワークを検出する光電センサを提供することができる。特に、このような光電センサを安価に提供することができる。また、このような光電センサを小型化することができる。さらに、光電センサの信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１による光電センサ１００の一構成例を示した外観図である。光電センサ１００によるワーク検出時の様子の一例を示した図である。図１の光電センサ１００の回路構成の一例を示した図である。図１の光電センサ１００の要部について機能構成の一例を示したブロック図である。図４の波形検出部３３の詳細構成の一例を示した図である。取込信号分配部５２の一構成例を示した図である。光電センサ１００によるワーク検出処理の一例を示したフローチャートである。光電センサ１００の動作の一例を示したタイミング図である。本発明の実施の形態２による取込信号分配部５２の一構成例を示した図である。本発明の実施の形態３による波形検出部３３の一構成例を示した図である。受光信号分配部５０の一構成例を示した図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光電センサ１００の一構成例を示した外観図である。光電センサ１００は、奥行き方向を長手とする略直方体の筐体１０からなり、その前面には、検出光を出射するための投光窓１１と、その反射光が入射される受光窓１２が設けられている。また、筐体１０の側面には、ユーザが操作入力を行うための操作キー１３と、表示出力を行うための表示部１４が設けられている。さらに、筐体１０の背面には、他の装置（不図示）に接続される通信ケーブル１５が設けられている。

この光電センサ１００は、検出光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することにより、ワークの有無を検出する。この計測時間は、反射面までの往復距離に相当する。このため、当該計測時間を予め定められた判定閾値Ｖｊと比較することにより、予め定められた検出位置におけるワークの有無を判定することができる。この判定結果は、表示部１４に出力され、あるいは、通信ケーブル１５を介して他の装置へ出力される。

図２は、光電センサ１００によるワーク検出時の様子の一例を示した図である。図中の（ａ）には、検出対象物としてのワーク１０１が存在する場合が示され、（ｂ）には、ワーク１０１が存在しない場合が示されている。

ワーク１０１が存在している場合、光電センサ１００からの検出光は、ワーク１０１及び壁面１０２で反射され、各反射光が光電センサ１００に入射される。これに対し、ワーク１０１が存在していない場合には、壁面１０２での反射光だけが光電センサ１００に入射される。このため、反射面までの距離を求め、判定閾値Ｖｊと比較することにより、ワークの有無を検出することができる。

図３は、図１の光電センサ１００の回路構成の一例を示した図である。光電センサ１００は、操作キー１３、表示部１４、発光素子２０、受光素子２１、距離計測部２２、主制御部２３、データ記憶部２４及び信号入出力部２５により構成される。

操作キー１３は、ユーザ操作に基づいて、操作信号を主制御部２３へ出力する操作入力手段であり、例えば、接点式スイッチが用いられる。ユーザは、操作キー１３を押下することにより、判定閾値Ｖｊを含む各種パラメータを変更し、あるいは、検出動作の開始などを指示することができる。表示部１４は、主制御部２３からの表示信号に基づいて、パラメータ設定画面やワークの判定結果を表示する表示装置であり、例えば、液晶パネルや有機ＥＬが用いられる。

発光素子２０は、距離計測部２２からの発光信号Ｐに基づいて、検出光を生成する半導体素子であり、例えば、赤色レーザ光を生成するレーザダイオードが用いられる。発光信号Ｐは、発光素子２０を駆動するパルス信号であり、当該パルス信号に基づいて、発光素子２０からパルス状の検出光が生成される。つまり、発光素子２０の発光タイミングは、発光信号Ｐにより規定されている。

受光素子２１は、検出光の反射光を受光し、その受光量を示す受光信号Ｒ１を生成する半導体素子であり、例えば、フォトダイオードが用いられる。生成された受光信号Ｒ１は、距離計測部２２へ出力される。

距離計測部２２は、発光素子２０が検出光を出射してから、受光素子２１が反射光を受光するまでの時間を計測することにより、反射面までの距離を求める手段である。距離計測部２２は、高速動作が要求されることから、例えば、専用の半導体集積装置が用いられる。

主制御部２３は、光電センサ１００内の各構成部品を制御する制御手段であり、例えば、マイクロプロセッサが用いられる。データ記憶部２４は、判定閾値を含む設定データを保持する記憶手段であり、例えば、フラッシュメモリが用いられる。主制御部２３は、操作キー１３からの操作信号に基づいて、データ記憶部２４内に保持されている判定閾値を含む各種パラメータを変更する。また、距離計測部２２による計測動作を制御し、距離計測部２２が計測した反射面までの距離を判定閾値と比較し、ワークの有無を判定する。

信号入出力部２５は、通信ケーブル１５を介して、他の装置（不図示）との間で通信を行う通信手段であり、他の装置から制御信号を受信し、あるいは、判定結果を他の装置へ送信する。

図４は、図１の光電センサ１００の要部について機能構成の一例を示したブロック図である。図中には、発光制御部３０、取込制御部３１、二値化処理部３２、波形検出部３３、波形積算部３４、ピーク検出部３５及びワーク判別部３６が示されている。なお、ブロック３０〜３５は、距離計測部２２により実現され、ワーク判別部３６は、主制御部２３により実現される。

発光制御部３０は、主制御部２３からのワーク検出信号に基づいて、発光信号Ｐを生成する。ワーク検出信号は、ワーク検出を指示する制御信号であり、発光制御部３０は、１回のワーク検出について、２以上の発光信号Ｐを順次に生成する。発光信号Ｐの繰り返し回数をＮｓとすれば、１回の距離測定のために、Ｎｓパルス分の検出光が発光素子２０から順次に出射される。例えば、１回の距離計測について、６４パルス分の検出光が生成される。

取込制御部３１は、発光信号Ｐに基づいて取込信号Ｓを生成し、波形検出部３３へ出力する。取込信号Ｓは、受光波形を取り込む取込タイミングを与える信号であり、発光タイミングに対応する信号として生成される。例えば、発光信号Ｐを遅延させることにより取込信号Ｓが生成される。発光タイミングと取込タイミングの時間差は、取込遅延Ｔｄとして予め定められており、取込制御部３１は、発光信号Ｐを取込遅延Ｔｄだけ遅延させる遅延回路として実現することができる。この例では、取込遅延Ｔｄが５０ｎｓであるものとする。

二値化処理部３２は、受光素子２１から出力される受光信号Ｒ１を予め定められた二値化閾値Ｖｄと比較し、二値化された受光量を示す二値化受光信号Ｒ２を生成する。

波形検出部３３は、取込制御部３１からの取込信号Ｓに基づいて、波形データＷｓを取得するサンプリング手段である。波形データＷｓは、取込タイミング直前の一定時間における受光量の時間変化を示すデータであり、二値化された多数の受光量で構成される。取得される波形データＷｓの時間幅は、取込時間Ｔｗとして予め定められている。例えば、サンプリング周期が１００ｐｓ、サンプリング数が６００であれば、取込時間Ｔｗは６０ｎｓとなる。つまり、波形データＷｓは、発光タイミングを基準とする時間軸上において、取込遅延Ｔｄ及び取込時間Ｔｗにより規定される時間ウィンドウを用いて、二値化受光信号Ｒ２の波形データを切り取ったものである。

波形積算部３４は、波形検出部３３が取得した２以上の波形データＷｓを積算し、積算波形データＷｍを生成する。波形検出部３３は、１回の距離計測について、Ｎｓ個の波形データＷｓを取得する。これらの波形データＷｓが、波形積算部３４により、互いの発光タイミングが一致するように積算され、１つの積算波形データＷｍが生成される。つまり、この積算波形データＷｍは、振幅データの最大値がＮｓとなる。

ここでいう積算とは、２つの波形データＷｓについて、互いに対応する時刻ごとに、当該波形データＷｓを構成する二値データ同士を加算する演算処理を意味する。波形検出部３３により生成される波形データＷｓを構成する二値データは、その順序が発光タイミングを基準とする時刻に対応している。このため、波形積算部３４は、２つの波形データＷｓについて、それぞれの波形データＷｓ中における順序が一致する二値データ同士を互いに加算する処理を行っている。

ピーク検出部３５は、積算波形データＷｍのピークを検出し、反射面までの距離を求めている。積算波形データＷｍのピークを検出することにより、反射光のパルスを検出することができる。ピーク検出には周知の技術を用いることができる。例えば、積算波形データＷｍを予め定められたピーク閾値Ｖｐと比較し、最初にピーク閾値Ｖｐを超えた位置にピークが存在すると判定することができる。このようなピーク検出により、反射光の受光タイミングがかわるため、反射面までの往復距離に相当する検出光の伝搬時間を求めることができる。つまり、発光タイミングと受光タイミングの時間差として、反射面までの距離が求められる。

ワーク判別部３６は、ピーク検出部３５により求められた反射面までの距離を判定閾値Ｖｊと比較することにより、ワークの有無を判別する。判定閾値Ｖｊは、ユーザにより予め指定され、データ記憶部２４に保持されている。

図５は、図４の波形検出部３３の詳細構成の一例を示した図である。波形検出部３３は、多数の記憶素子５１ｅからなる波形取込部５１と、二値化受光信号Ｒ２を各記憶素子５１ｅに供給する受光信号分配部５０と、取込信号Ｓを各記憶素子５１ｅに供給する取込信号分配部５２とにより構成される。

受光信号分配部５０は、二値化処理部３２からの二値化受光信号Ｒ２を分配し、互いに遅延時間の異なる多数の二値化受光信号ｒ１〜ｒｎを生成する回路である。生成された二値化受光信号ｒ１〜ｒｎは、波形取込部５１を構成するｎ個の記憶素子５１ｅにそれぞれ入力される。

本実施の形態による受光信号分配部５０は、多数の遅延回路５３を直列接続して構成される遅延線路からなり、その入力端には、二値化受光信号Ｒ２が入力される。また、各遅延回路５３間には分岐点５３ｂが設けられ、各遅延回路５３の出力は、分配後の二値化受光信号ｒ１〜ｒｎとして、各記憶素子５１ｅへ入力される。遅延回路５３は、１ビットの論理信号を一定時間遅延させる遅延手段であり、例えば、１００ｐｓ程度の極めて短い遅延時間を有する。このため、各遅延回路５３の遅延時間を最小単位とし、当該遅延時間の合計に相当する時間長を有する二値化受光信号Ｒ２の波形データが遅延線路上に形成され、ｎ個の二値化受光信号ｒ１〜ｒｎとして波形取込部５１へ出力される。

波形取込部５１は、多数の記憶素子５１ｅを備え、取込信号Ｓに基づいて、二値化受光信号Ｒ２の波形データを取り込む。各記憶素子５１ｅは、取込信号分配部５２からの取込信号ｓ１〜ｓｎに基づいて、受光信号分配部５０からの二値化受光信号ｒ１〜ｒｎを取り込むことにより、二値化受光信号Ｒ２の時間変化を示す波形データＷｓを生成する。記憶素子５１ｅには、例えば、フリップフロップやラッチ回路を用いることができる。図中では、ＣＫ入力の立ち上がりタイミングで、Ｄ入力を取り込んで保持し、その値をＱ出力として出力するＤ型フリップフロップの例が記載されている。

本実施の形態による波形取込部５１では、各記憶素子５１ｅが、受光信号分配部５０内の各遅延回路５３に対応づけられている。このため、分配後の取込信号ｓ１〜ｓｎが完全に同期していれば、遅延量が互いに異なる二値化受光信号ｒ１〜ｒｎが、各記憶素子５１ｅによって同時に取り込まれ、波形データＷｓが生成される。つまり、各記憶素子５１ｅに対し、取込信号Ｓ及び二値化受光信号Ｒ２が供給されるタイミングを相対的に遅延させることにより、波形データＷｓを生成している。この場合、１つの遅延回路５３の遅延時間をサンプリング周期とし、遅延回路５３の数をサンプリング数とする二値化受光信号Ｒ２のサンプリング処理が行われることを意味する。

取込信号分配部５２は、取込制御部３１からの取込信号Ｓを分配し、互いに同期した多数の取込信号ｓ１〜ｓｎを生成する回路である。生成された取込信号ｓ１〜ｓｎは、波形取込部５１を構成するｎ個の記憶素子５１ｅにそれぞれ入力される。

遅延回路５３は、直列接続された２個の遅延素子５３ｄと、これらの遅延素子５３ｄの接続点に容量を付加する容量素子５３ｃとにより構成される。前段の遅延素子５３ｄには、前段の遅延回路５３の出力信号が入力され、その出力端子には、後段の遅延素子５３ｄ及び容量素子５３ｃが接続される。また、後段の遅延素子５３ｄの出力端子には、分岐点５３ｂを介して、後段の遅延回路５３及び記憶素子５１ｅが接続される。

各遅延素子５３ｄには、インバータ（ＮＯＴゲート）が用いられる。一般に、インバータの出力特性は、立ち上がり時及び立ち下がり時で異なり、また、その遅延時間は、負荷容量によって変化する。このため、同一の特性を有する２個のインバータを直列に接続し、これらのインバータの負荷容量を一致させることができれば、遅延回路５３の立ち上がり特性及び立ち下がり特性を一致させることができる。このため、記憶素子５１ｅの入力容量と略一致させた容量素子５３ｃを前段の遅延素子５３ｄの出力端子に接続し、遅延回路５３を構成する２個のインバータの負荷容量を一致させている。

図６は、取込信号分配部５２の一構成例を示した図であり、取込信号Ｓを１６個の取込信号ｓ１〜ｓ１６に分配する場合の例が示されている。取込信号Ｓは、取込信号分配部５２を介して、波形取込部５１を構成する多数の記憶素子５１ｅに供給される。ここでは、１６個の記憶素子５１ｅに供給するために、取込信号Ｓが１６個の取込信号ｓ１〜ｓ１６に分配される例について説明する。

取込信号分配部５２は、２つの分岐先を有する多数の分岐点５４ｂと、各分岐点５４ｂに設けられた多数の増幅素子５４ｄとを備えている。また、分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６が、できるだけ同数の分岐点５４ｂを通過して生成されるように、対称的なツリー構造を有する回路構成が採用されている。

図中では、取込信号Ｓが上側から入力され、左右対称のツリー状の回路を経由して、左右方向に配列された１６個の取込信号ｓ１〜ｓ１６が下方向へ出力されている。この場合、分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６は、いずれも同数（４個）の分岐点５４ｂを経由して生成されている。

一般に、回路素子は、負荷容量が増大すれば、遅延時間も増大する。このため、取込信号Ｓに対する取込信号ｓ１〜ｓｎの平均遅延時間を最小化しようとすれば、各増幅素子５４ｄのファンアウト数を小さくするとともに、取込信号ｓ１〜ｓｎが、それぞれ通過する増幅素子５４ｄの数が少なくなるような回路構成を採用する必要がある。

増幅素子５４ｄのファンアウト数を小さくするためには、分岐点５４ｂごとに増幅素子５４ｄを配置し、各分岐点５４ｂにおける分岐先の数を少なくすればよく、分岐先の数は２であることが望ましい。また、取込信号ｓ１〜ｓｎが、それぞれ通過する増幅素子５４ｄの数を少なくするには、各取込信号ｓ１〜ｓｎが、できるだけ同数の分岐点５４ｂを通過するように、対称形のツリー状の回路を採用すればよい。従って、ｎ＝１６の場合に、取込信号Ｓに対する取込信号ｓ１〜ｓ１６の平均遅延時間を最小にしようとすれば、図５に示したツリー回路を採用すればよい。

図７のステップＳ１０１〜Ｓ１０６は、光電センサ１００によるワーク検出処理の一例を示したフローチャートである。このワーク検出処理は、ワーク検出が指示された場合に開始される。

まず、発光素子２０が検出光を生成する（ステップＳ１０１）。ワーク検出処理が開始されると、発光制御部３０が発光信号Ｐを生成し、当該発光信号Ｐに基づいて、発光素子２０がパルス状の検出光を生成する。この検出光は、投光窓１１を介して出射され、ワーク又は背景の壁等により反射される。この反射光の一部は、受光窓１２を介して受光素子２１に入射され、その受光量を二値化した二値化受光信号Ｒ２が、波形検出部３３に入力される。

次に、波形データＷｓの取得が行われる（ステップＳ１０２）。発光信号Ｐが生成される発光タイミングから所定の取込遅延Ｔｄが経過すれば、取込制御部３１により取込信号Ｓが生成され、波形検出部３３に入力される。波形検出部３３の波形取込部５１は、この取込信号Ｓに基づいて、二値化受光信号Ｒ２の波形データＷｓを取り込む。

次に、取り込まれた波形データＷｓについて積算処理が行われる（ステップＳ１０３）。積算処理は、２つの波形データＷｓについて、発光タイミングを一致させた時間軸上で対応する二値データ同士を加算する処理である。最初に取り込まれた波形データＷｓは、そのまま積算波形データＷｍになる。２回目以降に取り込まれた波形データＷｓは、先に求められた積算波形データＷｍに加算され、新たな積算波形データＷｍが求められる。

発光制御部３０は、ワーク検出信号が入力されると、予め定められた繰り返し回数Ｎｓに達するまで、発光信号Ｐを繰り返し生成する。つまり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、Ｎｓ回繰り返される（ステップＳ１０４）。

Ｎｓ個の波形データＷｓを積算した積算波形データＷｍが求められると、当該積算波形データＷｍに基づいて、ピーク検出処理が行われる（ステップＳ１０５）。ピーク検出処理は、積算波形データＷｍのピークを検出する処理であり、積算波形データＷｍ中に含まれる反射光のパルスが当該ピークとして検出される。ピークの位置は、受光タイミングを示していることから、ピークを検出することにより、反射面までの距離を求めることができる。

反射面までの距離が求められると、ワーク判定処理が行われる（ステップＳ１０６）。ワークの判定処理は、反射面までの距離を判定閾値とＴｊと比較することにより行われる。例えば、反射面までの距離が、判定閾値Ｖｊ以下であればワークが存在すると判定し、それ以外であればワークが存在しないと判定することができる。

図８は、光電センサ１００の動作の一例を示したタイミング図である。図中の（ａ）には、受光素子２１から出力される受光信号Ｒ１の時間変化、（ｂ）には、波形検出部３３が取得する波形データＷｓ、（ｃ）には、波形積算部３４が求める積算波形データＷｍがそれぞれ示されている。また、（ａ）〜（ｃ）は、いずれも左（ＮＥＡＲ側）へ行くほど受光時刻が早く、右へ（ＦＡＲ側）行くほど受光時刻が遅くなるように示されている。

（ａ）の受光信号Ｒ１には、有意な成分として、ワーク反射成分６２及び壁面反射成分６３が含まれている。ワーク反射成分６２は、ワーク１０１での反射光に相当する成分であり、壁面反射成分６３は、壁面１０２での反射光に相当する成分である。また、受光信号Ｒ１には、有意な成分６２，６３だけでなく、多くのノイズも含まれ、受光信号Ｒ１の波形データに対し、ピーク検出処理を行ったとしても、ワーク反射成分６２や壁面反射成分６３を抽出することは容易ではない。

（ｂ）の波形データＷｓは、二値化された多数の受光量により構成され、二値化受光信号Ｒ２の時間変化を示している。受光量が二値化されていることから、有意な成分６２，６３とノイズ成分とが判別できない状態で混在している。

（ｃ）の積算波形データＷｍは、Ｎｓ個の波形データＷｓを積算して得られる波形データであり、ノイズ成分が低減され、有意な成分６２，６３が強調されている。波形データＷｓを積算した場合、ランダムに発生するノイズの振幅は、積算数Ｎｓが大きくなるほど、Ｎｓ／２に近づいていく。これに対し、有意な成分６２，６３の振幅は、積算数Ｎｓが多くなるほど強調され、Ｎｓ／２から遠ざかっていく。このため、積算数Ｎｓが十分に大きければ、積算波形データＷｍを用いて、有意な成分６２，６３を容易に抽出することができる。

ワーク反射成分６２の判別は、ピーク検出処理により行われる。すなわち、積算波形データＷｍをピーク閾値Ｖｐと比較すれば、有意な成分６２，６３が検出される。このうち、最初のピークとして、ワーク反射成分６２が抽出される。

次に、ワーク反射成分６２に相当する反射面までの距離が求められる。積算波形データＷｍ上における位置は、発光タイミングを基準とする時刻に対応しているため、ワーク反射成分６２が抽出された積算波形データＷｍ上の位置に基づいて、反射面までの距離を求めることができる。図中では、ワーク反射成分６２の立下りエッジが基準レベルＮｓ／２と交差する点を基準クロス点６２ｃを求め、当該基準クロス点６２ｃの位置に基づいて、反射面までの距離が求められる。なお、立下りエッジに代えて、立ち上がりエッジを用いてもよいし、基準レベルは、Ｎｓ／２以外であってもよい。

本実施の形態による光電センサ１００では、二値化処理部３２が、受光素子２１の受光信号Ｒ１を二値化し、波形検出部３３が、二値化受光信号Ｒ２の時間変化を示す波形データＷｓを検出する。このため、受光信号Ｒ１を多値データとしてサンプリングする場合に比べて、回路規模を大幅に縮小し、より高速なサンプリングを実現することができる。また、サンプリング時における発熱を顕著に抑制することができ、放熱処理を軽減又は省略することができる。従って、光電センサ１００を小型化することができる。

また、本実施の形態による光電センサ１００では、発光素子２０が、検出光を繰り返し生成し、波形検出部３３が、２以上の波形データＷｓを生成し、波形積算部３４が、発光素子２０の発光タイミングを一致させて、これらの波形データＷｓを積算した積算波形データＷｍを生成する。このような積算処理により、ランダムに発生するノイズの影響を低減し、反射光の成分を強調した積算波形データＷｍを生成することができ、反射光を容易に検出することができる。

つまり、二値化受光信号Ｒ２をサンプリングし、波形データＷｓを生成することにより、回路規模を顕著に増大させることなく、受光量を高速にサンプリングすることができる。また、２以上の波形データＷｓを積算することにより、反射光を容易に検出することができる。さらに、高速サンプリングに伴うノイズの影響を低減することにより、ワーク検出の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態による光電センサ１００では、ピーク検出部３５が、積算波形データＷｍをピーク閾値Ｖｐと比較してピークを検出することにより、反射光の成分を検出し、反射面までの距離を求める。また、ワーク判別部３６が、求められた距離を判定閾値Ｖｊと比較し、ワークの有無を判別する。このため、ワークの有無を精度良く判別することができ、信頼性の高い光電センサを提供することができる。

また、本実施の形態による光電センサ１００は、直列接続された多数の遅延回路５３からなる受光信号分配部５０と、発光素子２０の発光タイミングに基づいて、取込信号Ｓを生成する取込制御部３１を備え、二値化受光信号Ｒ２が受光信号分配部５０の遅延線路に入力され、取込信号Ｓに基づいて、波形取込部５１が、各遅延回路５３の出力を取り込むことにより、波形データＷｓを生成する。このため、遅延回路５３の遅延時間をサンプリング周期とし、遅延回路５３の数をサンプリング数とする二値化受光信号Ｒ２のサンプリング処理を行うことができる。従って、論理素子の遅延時間程度の極めて短い周期でサンプリングされた波形データＷｓを取得することができ、反射面までの距離を精度良く求めることができる。

また、本実施の形態による光電センサ１００は、波形取込部５１が、遅延回路５３に対応する多数の記憶素子５１ｅからなり、遅延回路５３が、直列接続された２つの遅延素子５３ｄと、当該遅延素子５３ｄ間に、記憶素子５１ｅの入力容量と略同一の容量を付加する容量素子５３ｃとを備えている。このため、２つの遅延素子５３ｄの付加容量を略一致させ、遅延回路の立ち上がり特性と、立ち上がり特性を略一致させることができ、波形データＷｓを精度良く取得することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、取込信号分配部５２が対称形のツリー回路からなり、取込信号ｓ１〜ｓｎの平均遅延時間を最小化する場合の例について説明した。これに対し、これに対し、本実施の形態では、取込信号分配部５２が、非対称形のツリー回路からなり、サンプリング時刻の逆転が生じるのを防止する場合について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２による取込信号分配部５２の一構成例を示した図であり、図６の場合と同様、取込信号Ｓを１６個の取込信号ｓ１〜ｓ１６に分配する場合の例が示されている。この取込信号分配部５２は、多数の分岐点５４ｂと、多数の増幅素子５４ｄとを備えているが、図６の場合とは異なり、非対称的なツリー状の回路からなる。

分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６は、波形取込部５１内の各記憶素子５１ｅに入力される取込信号であり、各記憶素子５１ｅは、受光信号分配部５０内の各遅延回路５３に対応づけられている。つまり、分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６は、二値化受光信号Ｒ２のサンプリング時刻に対応づけられている。このため、取込信号ｓ１〜ｓ１６が完全に同期していなければ、上記サンプリング時刻に誤差が生じる。

取込信号Ｓに対する分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６の遅延時間は、通過する分岐数が同一であったとしても、各増幅素子５４ｄの特性ばらつきや、配線容量のばらつきに起因する誤差が生じる。そして、隣接するサンプリング時刻に対応する取込信号ｓｉ，ｓ（ｉ＋１）間に生じる誤差が、遅延回路５３の遅延時間を超えれば、波形データＷｓ中にデータの欠落が発生する。例えば、図６の取込信号Ｓ８及びＳ９は、隣接するサンプリング時刻に対応しているが、取込信号分配部５２内では、最初の分岐点５４ｂで分かれ、互いに異なる３つの増幅素子５４ｄを経由して生成されているため、当該取込信号Ｓ８，Ｓ９が対応するサンプリング時刻に逆転が生じ易くなる。

そこで、本実施の形態による取込信号分配部５２は、取込信号ｓ１〜ｓ１６の平均遅延時間がある程度増大することを許容しつつ、サンプリング時刻が逆転するのを防止するように構成されている。具体的には、対応するサンプリング時刻が遅くなるほど、通過する分岐数が単調に減少するように取込信号ｓ１〜ｓ１６を生成している。つまり、取込信号Ｓに対する分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６の遅延時間は、より早いサンプリング時刻（よりＮＥＡＲ側）に対応する取込信号ほど大きくなるように、取込信号分配部５２を設計することにより、波形データＷｓ中におけるデータ欠落の発生を防止している。

図中では、取込信号Ｓが上側から入力され、左右非対称のツリー状の回路を経由して、左右方向に配列された１６個の取込信号ｓ１〜ｓ１６が下方向へ出力される。各取込信号ｓ１〜ｓ１６が通過する分岐数は同一ではなく、取込信号ｓ１〜ｓ４が分岐数３、取込信号ｓ５〜ｓ８が分岐数４、取込信号ｓ９〜ｓ１６が分岐数５になっている。つまり、分配後の取込信号ｓ１〜ｓ１６は、番号が小さい左側の信号ほど、対応するサンプリング時刻が遅いため、通過する分岐数が少なくなり、取込信号Ｓに対する遅延量が小さくなるように設計されている。また、番号が大きな右側の信号ほど、サンプリング時刻が早いため、通過する分岐数が多くなり、取込信号Ｓに対する遅延量が大きくなるように設計されている。

本実施の形態による光電センサ１００は、取込信号Ｓを互いに同期した多数の記憶素子５１ｅに分配する取込信号分配部５２を備え、取込信号分配部５２内において、取込信号ｓ１〜ｓｎが経由する分岐数は、当該取込信号ｓ１〜ｓ１６が入力される記憶素子５１ｅが取り込む二値化受光信号Ｒ２の受光時刻が早いほど、単調に増加する。このため、取込信号分配部５２内における遅延により、記憶素子５１ｅに取り込まれた二値化受光信号Ｒ２からなる波形データＷｓにデータの欠落が発生するのを防止することができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、受光信号分配部５０が、遅延回路５３を備え、二値化受光信号Ｒ２を遅延させることにより、波形データＷｓを取得する場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、取込信号分配部５２が、遅延回路５３を備え、取込信号Ｓを遅延させることにより、波形データＷｓを取得する場合について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３による波形検出部３３の一構成例を示した図である。この波形検出部３３も、波形取込部５１、受光信号分配部５０及び取込信号分配部５２により構成されるが、図５の波形検出部３３（実施の形態１）と比較すれば、受光信号分配部５０が、ツリー回路からなり、取込信号分配部５２が、遅延線路からなる点で異なる。つまり、図５における受光信号分配部５０及び取込信号分配部５２を互いに入れ替えた構成に相当する。

受光信号分配部５０は、二値化処理部３２からの二値化受光信号Ｒ２を分配し、互いに同期した多数の二値化受光信号ｒ１〜ｒｎを生成する回路である。生成された二値化受光信号ｒ１〜ｒｎは、波形取込部５１を構成するｎ個の記憶素子５１ｅにそれぞれ入力される。

取込信号分配部５２は、取込制御部３１からの取込信号Ｓを分配し、互いに遅延時間の異なる多数の取込信号ｓ１〜ｓｎを生成する回路である。生成された取込信号ｓ１〜ｓｎは、波形取込部５１を構成するｎ個の記憶素子５１ｅにそれぞれ入力される。

本実施の形態による取込信号分配部５２は、多数の遅延回路５３を直列接続して構成される遅延線路からなり、その入力端には、取込信号Ｓが入力される。また、各遅延回路５３間には分岐点５３ｂが設けられ、各遅延回路５３の出力は、分配後の取込信号ｓ１〜ｓｎとして、各記憶素子５１ｅへ入力される。つまり、遅延線路の構成は、図５の受信信号分配部５０の遅延線路と同様である。このため、各遅延回路５３の遅延時間を最小単位として、遅延量が互いに異なる多数の取込信号ｓ１〜ｓｎが生成される。

波形取込部５１は、図５の場合と同様の構成を有するが、各記憶素子５１ｅが取込信号分配部５２内の各遅延回路５３に対応づけられている点で異なる。このため、分配後の二値化受光信号ｒ１〜ｒｎが完全に同期していれば、遅延回路５３の遅延時間に相当する時間差をもって二値化受光信号Ｒ２が順次に各記憶素子５１ｅに取り込まれる。つまり、各記憶素子５１ｅに対し、取込信号Ｓ及び二値化受光信号Ｒ２が供給されるタイミングを相対的に遅延させることにより、波形データＷｓを生成している。その結果、実施の形態１の場合と同様、１つの遅延回路５３の遅延時間をサンプリング周期とし、遅延回路５３の数をサンプリング数とする二値化受光信号Ｒ２のサンプリング処理が行われる。

図１１は、受光信号分配部５０の一構成例を示した図であり、二値化受光信号Ｒ２を１６個の二値化受光信号ｒ１〜ｒ１６に分配する場合の例が示されている。二値化受光信号Ｒ２は、受光信号分配部５０を介して、波形取込部５１を構成する多数の記憶素子５１ｅに供給される。ここでは、１６個の記憶素子５１ｅに供給するために、二値化受光信号Ｒ２が１６個の二値化受光信号ｒ１〜ｒ１６に分配される例が示されている。この受光信号分配部５０は、図６の取込信号分配部５２（実施の形態１）と同様の構成を有するが、取込信号Ｓに代えて、二値化受光信号Ｒ２が入力され、取込信号ｓ１〜ｓｎに代えて、二値化受光信号ｒ１〜ｒｎが出力される点で異なる。

本実施の形態による波形検出部３３は、受光信号分配部５０及び取込信号分配部５２の構成を入れ替え、受光信号分配部５０がツリー回路からなり、取込信号分配部５２が遅延線路からなり、二値化受光信号Ｒ２に代えて、取込信号Ｓを遅延させるように構成されている。このような構成を採用した場合でも、実施の形態１の場合と同様の波形データＷｓを生成することができる。

２０発光素子
２１受光素子
２２距離計測部
２３主制御部
２４データ記憶部
２５信号入出力部
３０発光制御部
３１取込制御部
３２二値化処理部
３３波形検出部
３４波形積算部
３５ピーク検出部
３６ワーク判別部
５０受光信号分配部
５１波形取込部
５１ｅ記憶素子
５２取込信号分配部
５３遅延回路
５３ｂ分岐点
５３ｃ容量素子
５３ｄ遅延素子
５４ｂ分岐点
５４ｄ増幅素子
６２ワーク反射成分
６２ｃ基準クロス点
６３壁面反射成分
１００光電センサ
１０１ワーク
１０２壁面
Ｎｓ発光の繰り返し回数（積算数）
Ｐ発光信号
Ｒ１受光信号
Ｒ２二値化受光信号
ｒ１〜ｒ１６,ｒｎ分配後の二値化受光信号
Ｓ取込信号
ｓ１〜ｓ１６，ｓｎ分配後の取込信号
Ｔｄ取込遅延
Ｔｗ取込時間
Ｖｄ二値化閾値
Ｖｊ判定閾値
Ｖｐピーク閾値
Ｗｍ積算波形データ
Ｗｓ波形データ

Claims

検出光を繰り返し生成する発光素子と、
上記検出光の反射光を受光し、受光量を示す受光信号を生成する受光素子と、
上記受光素子からの受光信号を二値化する二値化処理部と、
上記発光素子の発光タイミングに対応した取込信号を生成する取込制御回路と、
多数の記憶素子を有し、各記憶素子が上記取込信号に応じて上記二値化された受光信号を記憶する波形取込部と、
上記取込信号を上記各記憶素子に供給するための分岐回路を有する取込信号分配部と、
上記二値化された受光信号を上記各記憶素子に供給するための分岐回路を有する受光信号信号分配部と、
上記取込信号分配部及び上記受光信号信号分配部の少なくともいずれか一方に設けられ、上記波形取込部に上記二値化された受光信号が時間変化を示す波形データとして記憶されるように、上記取込信号及び上記二値化された受光信号が上記各記憶素子に供給されるタイミングを相対的に遅延させる遅延回路と、
上記発光素子の発光タイミングを一致させて２以上の上記波形データを積算し、積算波形データを生成する波形積算手段と、
上記積算波形データに基づいて、ワークの有無を判別するワーク判別手段とを備えたことを特徴とする光電センサ。
上記積算波形データのピークを検出し、上記反射光の反射面までの距離を求めるピーク検出手段を備え、
上記ワーク判別手段が、上記距離を判定閾値と比較し、上記ワークの有無を判別することを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
上記受光信号分配部は、
直列接続された多数の上記遅延回路からなり、二値化された上記受光信号が入力される遅延線路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
上記遅延回路は、直列接続された第１遅延素子及び第２遅延素子と、容量素子とを有し、
第１遅延素子の出力端子が、第２遅延素子及び上記容量素子に接続され、
第２遅延素子の出力端子が、上記記憶素子及び後段の上記遅延回路に接続され、
上記容量素子は、上記記憶素子の入力容量と略同一の容量を有することを特徴とする請求項３に記載の光電センサ。
上記取込信号分配部は、上記記憶素子に入力されるまでに上記取込信号が経由する分岐数は、当該記憶素子が取り込む上記受光量の受光時刻が早くなるほど、単調に増加することを特徴とする請求項４に記載の光電センサ。