JP2817800B2 - 電気式荷重平均方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の対象技術分野］ この発明は物体が所定の検出距離内にあるか否かを光
電的に検出する方法およびその装置に関するもので、と
くに限定反射形光電検出器の荷重平均方法およびその装
置に関する。

［従来技術とその問題点］ 従来この種の光電式物体検出方式には、大別して、次
の３つがある。

すなわち、投光器から放射された光を受光器で受け、
この光を被検出物体が横切るとき、投光器から受光器に
達する光が遮られることを利用して動作する透過形と、
投光部と受光部を同一筐体に設け、投光部から放射され
る光を回帰反射板により受光部に向けて反射させ、投光
部から回帰反射板への光を被検出物体が遮断することに
より、この物体を検出する回帰反射形と、投光部と受光
部を同一筐体に設け、投光部から放射される光を被検出
物体の表面において拡散反射させ、この光を受光部によ
り検出する直接反射形とがある。この直接反射型光電ス
イッチは、他の方式に比べ、スイッチ筐体が１つで動作
し、他に反射板等の補助部品を必要としないので、取付
け、調整、メンテナンスが簡単あるいはコストが安いな
どの利点があり、広く一般的に使われている。

しかし、直接反射形光電スイッチは、物体からの散乱
光を利用しているので正反射光を用いる他の方式に比べ
光が弱く、このため（ａ）他の方式より検出可能な距離
が短く、また（ｂ）検出物体の表面反射率により検出距
離が大きく変わったり、さらに（ｃ）背景の反射率が大
きいと、その手前にある、反射率の少ない物体、たとえ
ば白い背景をもつ暗い物体の検出ができないことがある
などの問題点がある。

そこで、これら問題点、とくに、（ｂ）（ｃ）を軽減
するために第１図に示すように限定反射形光電スイッチ
と呼ばれるセンサーが使用される。

このセンサーの検出方式は、投光部から被検出物体に
光を照射し、かつ被検出物体からの散乱光を受光部で捕
えている点では直接反射形光電スイッチと同様である
が、受光部での光の検出方式が異なる。すなわち、第１
図において、投光部から放射された光は被検出物体上に
輝点を作り、この輝点はレンズ系を介して受光面上に輝
点像として結像される。この輝点像は、被検出物体まで
の距離が変ると、その距離に応じて受光面上をその上下
方向に動く、受光面は第２図に示すように光軸を通り、
かつこの紙面と直交する線を境として上下に分割された
２つの受光領域4a、4bにより形成されている。すなわち
この受光面は特性の等しい２つの矩形の受光素子をそれ
ぞれの素子の１つの辺がその分割線上で互いに接するよ
うに配設することにより形成される。したがってこれら
の受光素子からは受光面上の輝点像に対応した出力がそ
れぞれ得られる。そこで両受光素子の出力を比較するこ
とにより、輝点像が受光面の分割線を境にして２つの受
光領域の中、いずれの領域にずれているか、すなわち２
つの受光素子のどちら側にずれているかが分かる。

受光面上の輝点像の位置は検出体までの距離に関係す
るので、受光軸すなわちレンズの中心と受光面の分割線
とを結ぶ線と、投光軸すなわち投光部から放射される光
の軸線とが交わる点をＰ点とすると、受光面上の輝点の
像の位置により、Ｐ点より近い位置にある被検出物体
か、あるいはＰ点より遠い位置にある背景かが、２つの
受光素子の出力から判別される。

そして２つの受光素子6a、6bの出力すなわち光電流は
電流−電圧変換器31すなわち31a、31bに入力されて電圧
信号に変換され、さらにその出力は演算回路32に入力さ
れ、ここで両出力が演算されて外部出力となる。

この方式によれば、受光面上の輝点像の位置により被
検出物体の有無を判定することができるので、被検出物
体の表面反射率に依存しない。このため直接反射形光電
スイッチの欠点である上記（ｂ）すなわち被検出物体の
表面反射率により検出距離が大きく変わること、および
（ｃ）背景の反射率が大きいと、その手前にある、反射
率の少ない物体の検出ができないことの２つの課題を解
決することができる。

また、受光面に入射する外乱光はこその受光面におい
て均等であるので被検出物体の有無の判定方式には影響
を与えずしたがって、この方式は、外乱光に強く、それ
だけ長距離検出が可能である。

このように限定反射形光電センサーは直接反射形光電
センサーと比べ、きわめて優れた特長を有するが、それ
でもなお工業上、次のような問題点を有する。

すなわち、投光部、受光部の各部品の公差、およびそ
の組付けの公差により、Ｐ点の位置が誤差を有し、セン
サー全体を小さくすると、Ｐ点の位置の誤差が極めて大
きな値となる。

たとえば、第１図において、投、受光素子間の距離L1
＝12、検出距離L2＝240、レンズ受光素子間の距離L3＝
８のときに、L1に誤差εが±0.2あるとすると、実際の
検出距離LXはつぎのようになる。

tanθ＝（L1/L2）＝0.05 ここでθは目標角度である。

tanθε＝（ε/L3）＝±0.025 ここでθεは目標角度誤差である。

Lx＝L1/tan（θ＋θε） ≒L2/（0.05±0.025） ＝160〜480 この計算結果から分かるように、光学系の相対位置の
公差がＰ点の位置を大きく変えてしまうので、これを調
整することが不可欠である。

そこで検出距離を調整する方式を大きく分けると、光
学系を直接調整する方式と、光学系を変えないで調整す
る方式とがある。

まず、光学系を変えないで調整する方式を大別する
と、（ｄ）２つの受光素子の出力の差の大きさを設定す
る方式と（ｅ）２つの受光素子の出力の比の大きさを設
定する方式とがある。

これらの方式は、いずれも電気的に行うので、振動に
強く、構造が簡単で、かつ安価である等の利点を有する
が、（ｄ）方式においては、次のような問題点がある。

すなわち、検出距離をＰ点より離れた位置に設定する
ばあい、被検出物体の表面の反射率の影響が大きくな
り、直接反射形光電センサーの欠点であった上記（ｂ）
被検出物体の表面反射率により検出距離が大きく変わる
こと、および（ｃ）背景の反射率が大きいと、その手前
にある反射率の少ない物体の検出ができないことの２つ
の問題を招く怖れがある。

また上記（ｅ）の方式は、上記（ｄ）の方式の問題は
ないが、２つの受光素子の光信号を１対１で扱わなくな
るので、外乱光に弱くなるという問題がある。

このように、光学系の誤差を残したままで、検出距離
を調整しようとすると、折角の限定反射形光電スイッチ
の利点が生かせなくなる。

一方、第１図において、光学系を調整し、Ｐ点を動か
す方法として、（ｆ）実効的に公差角θを変える機械的
機構を設たり、（ｇ）実効的に投光軸と受光軸の距離を
変える機械的機構を設ける、方法がある。

上記（ｆ）（ｇ）の方法によれば、限定反射形光電セ
ンサーの原理的な特徴をそのまま生かすことができる
が、機械的機構を有するため、（ｈ）振動衝撃で設定距
離が狂いやすく、また（ｉ）センサ全体の構造が複雑と
なったり、（ｊ）コストが高くなったりするなどの欠点
がある。

［発明の目的］ この発明はこのような従来の問題点に鑑み、複雑な光
学部品を用いることなく、衝撃や振動に対して安定に、
かつ高い精度をもって検出距離の調整を行なうことを目
的とする。

［発明の概要］ あらかじめ設定された距離内にある被検出物体を光電
的に検出する光学系において、受光面を３つの受光領域
に分割するとともに、これらの受光領域の互いに隣接す
る受光領域の受光出力を荷重平均した２つの信号を距離
の判定信号とすることにより光学的に受光軸を変化させ
ることと等価とし、機械的な調整方式の利点を生かしな
がらその欠点を除く方法およびその装置を実現するもの
である。

［実施例］ 以下図によってこの発明の一実施例について説明す
る。

すなわち第４図において、投光部１は被検出物体２に
対して光を放射する。そしてこの被検出物体により反射
された光はこの物体の表面に輝点を作り、さらにこの表
面で反射された光はレンズ系３を通して受光面４に導か
れ、この受光面上に輝点像として結像される。この投光
時から結像時までの光学的過程は従来の方式と同一であ
る。

この発明においては第５図に示すように受光面４が３
つの受光領域4a、4b、4cに分割されている。その分割方
向は受光面４から被検出物体２までの距離すなわち検出
距離が変化するにつれて輝点像が受光面４上において移
動する方向である。そしてこの３つの受光領域は第４図
および第６図に示すように３つの受光素子6a、6b、6cに
より構成される。

また第６図において投光部１は投光回路11とこの投光
回路によって駆動される投光素子13たとえば発光ダイオ
ードから構成される。またこの投光素子の前方にはこの
投光素子から放射される光を被検出物体２に対し効果的
に導くための投光用レンズ15が必要に応じて配設され
る。

一方、受光部12において、受光面４すなわち３つの受
光領域4a、4b、4cを形成する３つの受光素子6a、6b、6c
の出力端は変換回路17の入力端に接続される。さらにこ
の変換回路の出力端は荷重平均回路18の入力端に接続さ
れる。そしてこの荷重平均回路の出力端は信号判定回路
19の入力端に接続される。またこの信号判定回路は投光
回路11と接続され、同期回路を形成する。そして変換回
路17、荷重平均回路18および信号判定回路19により受光
回路20が形成される。

さらに出力部21において、出力回路23の入力端は信号
判定回路19の出力端に接続され、かつ出力回路23と信号
判定回路19との間には表示回路25が接続される。

なお電源27は投光部１、受光部12および出力部21に電
力を供給する。第７図において、変換回路17は各受光素
子6a、6bおよび6cにそれぞれ接続され電流−電圧変換器
31すなわち31a、31bおよび31cにより構成される。

また荷重平均回路18は各電流−電圧変換器31a、31bお
よび31cの出力端に接続された可変抵抗器33により構成
される。この可変抵抗器は抵抗34すなわち第１と第２の
電流−電圧変換器31a、31b間および第２と第３の電流−
電圧変換器31b、31cとの間に接続された抵抗34a、34bと
摺動子36すなわち36a,36bにより構成される。さらに信
号判定回路19はコンパレーター35により構成され、この
入力端は可変抵抗器33の摺動子36a、36bに接続される。
この摺動子はたがいに連動するように構成されており、
かつ荷重平均値を得るための荷重設定器を構成してい
る。

ここでは検出距離の設定方法について説明する。

すなわち第７図において３つの受光領域すなわち３つ
の受光素子6a、6bおよび6cから出力される光電流は変換
回路17すなわち第１、第２および第３の電圧−電流変換
器31a、31b、31cによりさらに他の電気信号すなわち電
圧信号Va、VbおよびVcにそれぞれ変換される。なおこの
電気信号は電圧信号に限定されるものではなく、他の電
気信号であってもよい。

そしてその電気信号は荷重平均回路18に供給される。
この回路において各電気信号Va、VbおよびVcは連動する
摺動子36aおよび36bすなわち荷重平均回路18の荷重設定
機能により荷重平均されその出力Vd、Veとなる。この出
力Vd、Veは次のように表わされる Vd＝n1×Va＋（１−n1）×Vb （n1＝０〜1:設定荷重値） Ve＝n2×Vb＋（１−n2）×Vc （n2＝０〜1:設定荷重値） このばあい、摺動子36aおよび36bはたがいに連動して
いるので、n1＝n2である。

そこで従来と同様に、コンパレーター35によりその信
号Vd、Veの大小関係が判定される。

今、設定荷重値がn1＝n2＝０のときを考えてみると、
Vd＝Vb、Ve＝Vcとなる。これは、３つの受光素子の各素
子6a、6bおよび6cのうち6bおよび6cで構成される２分割
素子として動作していることになる。

上記構成において被検出物体２が所定の検出距離内に
あるか否かの検出は原理的に従来の方法と同一であるの
でその説明は省略する。

一方設定荷重値が、n1＝n2＝１の時を考えると、Vd＝
Va、Ve＝Vbとなる。これは、３つの受光素子6a、6bおよ
び6cのうち6a、6bで構成される２分割素子として動作し
ていることになる。すなわち、連動摺動子36aおよび36b
の位置により、３つの受光素子6a、6bおよび6cの中の中
央の素子6bの幅だけ、２つの受光素子6a、6cが受光面４
上を等価的に移動することになる。

以上、電気的に受光軸を移動できることを説明した
が、次に外乱光ノイズについて説明する。

すなわち受光素子6a、6b、6c上に均等に外乱光が入射
すると、電流−電圧変換回路31a、31bおよび31cの出力V
a、Vb、Vcには等しいノイズ信号Na＝Nb＝Ncが現れる。
よって、荷重平均回路18の出力Vd、Veつまり信号判定回
路19すなわちコンパレーター35の入力には設定荷重値の
値によらず、等しいノイズ信号Nd＝Neが現れ、比較回路
の信号判定に影響を及ぼさないことが分かる。

すなわち、この発明における検出距離の調整方法にお
いても、機械的に光軸を調整する従来の方法と同様な耐
ノイズ性を有していることが理解されるであろう。

なお上記実施例においては変換回路の出力信号を荷重
平均する方法を説明したが、これはこの方法が工業的に
もっとも容易に実現することが可能であるからである。
すなわち第１、第２および第３の電気信号の相対値、言
い換えれば、第１、第２および第３の電気信号の比を演
算し、この価に基づき被検出物体が所定の領域にあると
きに出力すればよい。

また第７図では２つの摺動子36a、36bがたがいに連動
するものについて説明したが、摺動抵抗器を形成する抵
抗34a、34bはこの回路が有する荷重平均機能を実現する
ものであればよく、したがってそれぞれ独立した４つの
抵抗により構成することができる。たとえばこれらの抵
抗はこれを可変抵抗、トリミング抵抗、あるいは無限大
の抵抗値を有する抵抗を適宜組み合わせることにより構
成することができる。さらに第８図に示すように一つの
摺動子36により構成することも可能である。すなわちこ
の図においては第１の電流−電圧変換器31aの出力端を
抵抗34aを開始て差動増幅器41の一方の入力端に接続
し、また第３の電流−電圧変換器31cの出力端を抵抗34c
を介して接続し、かつこれら両抵抗間に抵抗34bを直列
に接続し、この抵抗を第２の電流−電圧変換器31bに接
続した摺動子とによってその抵抗値を可変としている。

なお、発振器45はパルス整形回路47を介して投光回路
11に接続され、またその発振器45は差動増幅器41の出力
端において、同期回路43に接続され、かつこの同期回路
は、投光部１の投光素子13からの信号と差動増幅器41の
出力との同期をとることでS/N比を向上させる。また同
期回路43の出力端には正負判定回路49に接続され、さら
にこの正負判定回路は出力回路23に接続され、これら差
動増幅器41、同期回路43および正負判定回路49によって
信号判定回路19が構成される。

以上、受光素子6a、6bおよび6cが同じ大きさのばあい
について、光学系を調整するのと同様の効果を、電気的
調整手段により実現できることを説明したが、その調整
範囲は中央の受光素子6bの幅に依存する。光学的調整範
囲をより広くするためには、中央の受光素子6bの幅を大
きくすれば良い。しかし、受光面上に生じる輝点像の大
きさすなわちその直径より中央の受光素子6bの幅の方が
大きくなると、受光面上に生じる輝点像が完全に中央の
受光素子6bの中に入ってしまい、受光素子6aおよび6cの
出力が変化し無くなる状態があるので、中央の受光素子
6bの幅をあまり大きくできない。このような問題に対
し、たとえば第９図に示すように両側の受光素子6a、6c
の幅をα倍大きくして、受光素子6a、6cが大きくなった
分だけ、光電流を電気信号、たとえば電圧信号に変換す
る変換係数、たとえば、負荷抵抗を1/αにすることは有
効である。これにより、中央の受光素子6bの実際の幅を
変えずに、動作上幅を広くしたのと同様の効果が得られ
る。

すなわち、受光面上に均等に外乱光が入射したとき
は、各受光素子の光電流が異なるが、上記変換係数を変
えてあるので、同一の３つの電気信号たとえば電圧信号
となる。同一の電気信号は判定回路に影響を及ぼさない
ので、素子幅が変わっても、均等外乱光に対しては強
い。

今、受光面上の輝点像の中心が受光素子6a、6bの境界
に有ると、受光素子6a、6bから得られる光電流は等しく
なるが受光素子6aの電気信号は、変換係数が1/αなの
で、受光素子6bの電気信号より1/αだけ小さくなる。す
なわち、受光素子6aおよび6bの電気信号が等しい受光面
上の輝点像の中心位置は、受光素子6aおよび6bの境界で
はなく、受光素子6aおよび6bの境界より受光素子6a側に
ずれたところとなる。このように、中央の受光素子6bの
幅を変えることなく、受光素子6aおよび6bの境界が移動
したのと同様の効果を得ることができる。

また次のようなことに対して素子幅を変え、それに応
じて変換係数を変えてもよい。すなわち、被検出物体が
遠いとき、その物体までの距離の変動に対しての受光面
上の輝点像の動きは僅かとなるので、たとえば、第10図
に示すように、遠距離側の受光素子6cの幅を小さくし、
近距離側の受光素子6aの幅を大きくしたものを使用すれ
ば、距離の変化に対しての光信号の変化が直線化するの
に効果がある。

すなわち、被検出物体が遠距離にあるときに、その物
体までの距離の変動に対しての受光面上の輝点像の動き
はわずかとなるので、遠距離側の受光素子すなわち第４
図の例では素子6cの幅を小さくし、近距離の受光素子す
なわち受光素子6aの幅を大きくすれば、距離の変化に対
しての光信号の変化を直線化することができる。

［発明の効果］ この発明は上述のように受光面を３つの受光領域に分
割し、この各受光領域における受光量に応じた第１、第
２および第３の電気信号に変換し、これらの電気信号の
相対値により被検出物体が所定の検出距離内に存在する
かいなかを判定するようにしているので、その光学系す
なわち検出距離の調整を電気的に行なうことができ、し
たがって機械的な振動や衝撃に強く、しかも高精度、か
つ複雑な光学部品を必要とせず、いきおい安価に供給で
きる利点がある。また受光面すなわち３つの受光領域は
外乱光を均一に受けるのでその影響を受けず、したがっ
て検出距離の範囲を長大化することができる。

さらに被検出物体の反射率が異なるばあいにも検出距
離が変動せず、しかも被検出物体が反射率の高い背景の
手前にあるばあいでもそれを正確に検出できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般の検出距離限定形の光電式物体検出方法を
示す光学系の構成図、第２図は第１図に示す光学系の受
光面と輝点像との関係を示す正面図、第３図は信号処理
系のブロック図、第４図はこの発明における電気式荷重
平均方法の光学系の構成図、第５図は第４図の受光面と
輝点像との関係を示す正面図、第６図は第４図の受光部
とその信号処理系を示すブロック図、第７図は第６図の
要部を示すブロック図、第８図はこの発明の他の実施例
を示すブロック図、第９図および第10図は受光面の応用
例を示す正面図である。 １……投光部 ２……被検出物体 ３……レンズ系 ４……受光面 11……投光回路 12……受光部 13……投光素子 15……投光用レンズ 17……変換回路 18……荷重平均回路 19……信号判定回路 21……出力部 23……出力回路 25……表示回路 27……電源 31……電流−電圧変換回路 33……可変抵抗器 35……コンパレーター 36……摺動子 41……差動増幅器 43……同期回路 45……発振器 47……パルス整形回路 49……正負判定回路

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投光部から被検出物体に対し光を放射する
   とともに、この被検出物体からの反射光をレンズ系を介
   して受光面上に輝点像として結像させ、かつ上記被検出
   物体から上記受光面までの距離が変化することにより上
   記輝点像が上記受光面上において一定の方向に移動する
   ものにおいて、上記受光面を上記輝点像の移動方向にお
   いて３つの受光領域に分割し、この各受光領域における
   受光量に応じた第１、第２および第３の光電流に変換
   し、さらにこれらの第１、第２および第３の光電流を第
   １、第２および第３の電気信号に変換し、これら第１、
   第２および第３の電気信号の相対値により被検出物体が
   所定の検出距離内に存在するか否かを判定することを特
   徴とする電気式荷重平均方法。
2. 【請求項２】投光部から被検出物体に対し光を照射する
   とともに、この被検出物体からの反射光をレンズ系を介
   して受光面上に輝点像として結像させ、かつ上記被検出
   物体から上記受光面までの距離が変化することにより上
   記輝点像が上記受光面上において一定の方向に移動する
   ものにおいて、上記受光面を上記輝点像の移動方向にお
   いて３つの受光領域に分割し、この各受光領域における
   受光量に応じた第１、第２および第３の光電流に変換
   し、さらにこれらの第１、第２および第３の光電流を第
   １、第２および第３の電気信号に変換し、上記第１と第
   ２の電気信号を第１および第２の荷重係数によってそれ
   ぞれ荷重平均することにより第１の荷重平均値を得、ま
   た上記第２と第３の電気信号を第３および第４の荷重係
   数をもってそれぞれ荷重平均することにより第２の荷重
   平均値を得、上記第１および第２の荷重平均値の差分の
   正負により被検出物体が所定の検出距離内に存在するか
   否かを判定することを特徴とする電気式荷重平均方法。
3. 【請求項３】被検出物体に対し光を放射する投光部と、
   この投光部から上記被検出物体に向けて投射され、かつ
   この被検出物体によって反射される光を検出する受光部
   と、この受光部の出力を電気信号に変換する受光回路
   と、この受光回路の出力に応じた出力信号を出す出力回
   路とを備え、上記受光部は、上記投光部の投光軸と交差
   する受光軸上に配されたレンズ系と、このレンズ系を介
   して被検出物体からの反射光を輝点像として結像させる
   受光面と、この受光面から上記被検出物体までの距離が
   変化することにより上記受光面上を移動する上記輝点像
   の移動方向に配設された３つの受光素子を有し、また上
   記受光回路は上記３つの受光素子のそれぞれから生じる
   第１、第２および第３の光電流を第１、第２および第３
   の電気信号に変換する変換回路と、上記３つの受光素子
   のそれぞれの出力信号の相対値から被検出物体が所定の
   検出距離内に存在するか否かを判定する判定回路を有し
   ていることを特徴とする電気式荷重平均装置。
4. 【請求項４】被検出物体に対し光を放射する投光部と、
   この投光部から上記被検出物体に向けて投射され、かつ
   この被検出物体によって反射される光を検出する受光部
   と、この受光部の出力を電気信号に変換する受光回路
   と、この受光回路の出力に応じた出力信号を出す出力回
   路とを備え、上記受光部は、上記投光部の投光軸と交差
   する受光軸上に配されたレンズ系と、このレンズ系を介
   して被検出物体からの反射光を輝点像として結像させる
   受光面と、この受光面から上記被検出物体までの距離が
   変化することにより上記受光面上を移動する上記輝点像
   の移動方向に配設された３つの受光素子を有し、また上
   記受光回路は、３つの受光素子のそれぞれから生じる第
   １、第２および第３の光電流を第１、第２および第３の
   電気信号に変換する変換回路と、上記第１および第２の
   電気信号を第１および第２の荷重係数により荷重平均す
   ることにより第１の荷重平均値を出力し、上記第２およ
   び第３の電気信号を第３および第４の荷重係数により荷
   重平均することにより第２の荷重平均値を出力する荷重
   平均回路と、上記第１および第２の荷重平均値の差分の
   正負により所定の検出領域に被検出物体が存在するか否
   かの判定信号を出力する判定回路とを有していることを
   特徴とする電気式荷重平均装置。