JP3515999B2

JP3515999B2 - 測距式光電センサ

Info

Publication number: JP3515999B2
Application number: JP02568894A
Authority: JP
Inventors: 安記嘉正; 正治宮崎; 隆田中; 利明吉安; 初雄黒部
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 2004-04-05
Anticipated expiration: 2019-04-05
Also published as: JPH07234123A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物までの距離に応
じて信号値の比が決定される１対の位置信号を出力する
受光素子を備え、両位置信号の信号値の比と基準値との
大小関係に基づいて対象物までの距離を判定する測距式
光電センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、三角測量法の原理を用いて対象
物までの距離を求め、求めた距離と基準距離との大小関
係によって所定距離範囲内での対象物の存否を判定する
ようにした測距式光電センサが知られている。すなわ
ち、この種の測距式光電センサの光学系は、図９に示す
ような構成を有するのであって、半導体レーザまたは発
光ダイオードよりなる投光素子２から出力された光を投
光レンズ４を通すことによってビーム光を形成し、この
ビーム光を対象物１に照射することによって対象物１に
形成される投光スポットの像である受光スポットを、受
光レンズ５を通して受光素子３に結像させるようになっ
ている。すなわち、ビーム光の方向において対象物１の
位置が図９に示すＡ位置であると受光素子３の上での受
光スポットの位置はａ位置になり、対象物１がＢ位置で
あると受光スポットの位置はｂ位置になるのである。し
たがって、受光素子３としては対象物１までの距離に応
じた受光スポットの移動方向における位置の変化を検出
するものを用いるのであって、たとえば、受光スポット
の移動方向に並べた２個のフォトダイオードを逆極性で
直列接続した位置検知素子やＰＳＤを用いる。この種の
受光素子３では、受光スポットの位置に応じて比が決ま
る１対の電流信号を位置信号Ｉ₁，Ｉ₂として両端に設
けた端子から出力するのであって、受光スポットが形成
されている位置に近いほうの位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号
値が他方の位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値よりも大きくな
る。

【０００３】対象物１までの距離は、受光レンズ５の中
心からビーム光を含む直線に下ろした垂線の長さと、ビ
ーム光の方向における受光素子３と受光レンズ５との距
離と、受光素子３の上での受光スポットの位置とがわか
れば求めることができる。ここで、未知であるのは受光
スポットの位置だけであるから、受光素子３から出力さ
れる位置信号Ｉ₁，Ｉ₂によって受光スポットの位置を
求めれば、対象物１までの距離を求めることができるの
である。したがって、位置信号Ｉ₁，Ｉ₂に基づいて対
象物１までの距離を判定するには、図１０に示すような
構成の回路を用いる。図１０では受光素子３としてＰＳ
Ｄを用いた例を示すが、フォトダイオードよりなる位置
検知素子を用いる場合でも同じ構成の回路を採用するこ
とができる。位置信号Ｉ₁，Ｉ₂は電流信号であるか
ら、それぞれ電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂを通し
て電圧信号に変換する。各電流−電圧変換回路１１ａ，
１１ｂは、演算増幅器ＯＰａ，ＯＰｂの出力と反転入力
との間に帰還抵抗としての固定抵抗Ｒａ，Ｒｂを接続し
た構成を有し、この固定抵抗Ｒａ，Ｒｂで変換比率（ゲ
イン）が決定されている。

【０００４】上述したように、受光素子３の受光面での
受光スポットの位置は位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の比に対応し
ているから、各電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂの出
力をそれぞれ対数増幅回路１２ａ，１２ｂに通し、対数
増幅回路１２ａ，１２ｂの出力の差を距離演算回路とし
ての差動増幅回路１３で求めることによって、差動増幅
回路１３の出力値を位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値の比に
対応した距離信号として取り出す。すなわち、対数増幅
回路１２ａ，１２ｂと差動増幅回路１３とによって距離
演算回路が構成されるのである。

【０００５】差動増幅回路１３の出力信号である距離信
号の信号値は、コンパレータよりなる比較回路１４にお
いて可変抵抗器ＶＲによって設定された電圧値である基
準値と比較され、比較回路１４からは両者の大小関係に
対応した２値出力が発生する。すなわち、比較回路１４
において、基準値によって検出すべき対象物１までの距
離に対する基準距離（すなわち、距離信号の信号値が基
準値に対して反転する距離であって、検知領域の境界に
なる）が設定される。比較回路１４の出力は、対象物１
までの距離が基準距離よりも小さいときに出力をオンと
するかオフとするかを選択する論理回路１５（別途の信
号またはスイッチにより選択する）に入力され、論理回
路１５の出力によって出力回路１６に設けたスイッチ要
素（スイッチング素子またはリレー）をオン・オフさせ
る。

【０００６】ところで、上述の測距式光電センサでは、
位置信号Ｉ_１，Ｉ_２の信号値の比に相当する差動増
幅回路１３の出力値（差動出力、すなわち距離信号の信
号値）は、対象物１までの距離に応じて図１１に示すよ
うに変化する。すなわち、受光素子３の２つの位置信号
Ｉ_１，Ｉ_２の信号値が１対１になる距離（距離信号
の信号値が０になる距離）よりも対象物１までの距離が
大きい範囲では、距離信号の信号値は正であって距離が
小さくなるに従って差動増幅回路１３の出力値は減少す
る。また、距離信号の信号値が０になる距離よりも対象
物１までの距離が小さい範囲では距離信号の信号値は負
になり、信号値が０付近の距離では距離が小さくなるに
従って信号値の絶対値が増加するが、図１２にＣ位置で
示すように対象物１までの距離がさらに小さくなると受
光スポットがｃ位置に移動し、受光素子３の受光面から
外れることで受光光量が減少し（すなわち、距離の増加
に伴って受光スポットの受光面に重なる部分が減少す
る）、結果的に距離信号の信号値が０に近づくというよ
うに変化する。

【０００７】比較回路１４では設定した距離よりも近い
領域を検知領域とするのであって、比較回路１４での基
準値を正側で図１１のＳａに設定したときには、対象物
１までの距離が基準値Ｓａに対応する距離Ｌａよりも近
くなったことを一義的に判定できる。しかしながら、距
離信号の信号値が負側では図１１のように変化すること
によって、比較回路１４の基準値を負側でたとえば図１
１のＳｂに設定したときには、基準値Ｓｂに対応する距
離として２つの距離Ｌｂ₁，Ｌｂ₂があり、しかも、一
方の距離Ｌｂ₂はその距離Ｌｂ₂よりも遠い側が検知領
域となるから、結果的に距離Ｌｂ₂よりも近い領域につ
いては検知領域として設定できないことになる。このよ
うに、基準値を負側で設定すると基準値に対する距離が
２つ設定されて不都合が生じるから、比較回路１４の基
準値は正側で設定するのが一般的であって、検知領域と
して設定可能な領域の最短距離は受光素子３の２つの位
置信号の比が１対１になる基準距離に制限されているの
が現状である。ここに、差動増幅回路１３の出力につい
て正側と負側とで説明しているが、差動増幅回路１３へ
の入力の極性を入れ換えれば正負が逆になるから、以下
の説明では上述した正側に相当する領域を有効領域、負
側に相当する領域を無効領域と呼ぶ。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、検知領域と
して設定可能な領域に上述したような制約があると、図
１２のＢ位置のように対象物１が遠方に存在していると
きには、受光スポットが受光素子３の受光面の中央位置
から遠い位置に形成されることになる。一方、対象物１
が遠方に位置しているときには受光素子３での総受光量
が少なくなるから、位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値が小さ
くなる（図では位置信号Ｉ₂が小さくなる）。すなわ
ち、受光素子３の受光面の端部に受光スポットが形成さ
れることで、一方の位置信号Ｉ₂の信号値が非常に小さ
くなって一方の電流−電圧変換回路１１ｂに入力される
信号値が過少になり、ノイズの影響を受けやすくなった
り、誤差が発生しやすくなる。要するに、上記構成は検
知領域の境界を遠方に設定するのが困難であるという問
題を有している。

【０００９】検知領域の境界を設定する技術としては、
上述のように比較回路１４の基準値を可変抵抗器ＶＲを
用いて調節するもののほか、比較回路１４の基準値は固
定しておき、投光素子２、受光素子３、投光レンズ４、
受光レンズ５からなる光学系の少なくとも１つの構成要
素を移動させることによって、受光素子３から出力され
る２つの位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値の比が１対１にな
る対象物１までの距離を変化させることも考えられてい
る。たとえば、図１３に示すように、受光レンズ５をビ
ーム光に直交する方向に移動させるとすれば、両位置信
号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値の比を１対１にするには、対象物
１がＢ位置であるときに受光レンズ５を実線で示す位置
とし、対象物１がＡ位置であるときには受光レンズ５を
二点鎖線で示す位置とするのである。このように受光レ
ンズ５を移動させれば、検知領域の境界の位置にかかわ
らず、その境界での両位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値の比
を略１対１になるような設定が可能になって、比較回路
１４で基準値を調節する際の上述したような問題を解決
することが可能になる。

【００１０】しかしながら、この構成では、光学系の要
素を移動させるための機構を必要とし、比較的複雑な機
械的構成を必要とするものであるから、部品点数が大幅
に増加し、組立作業が面倒になるとともにコスト増につ
ながるという問題がある。また、ロボットの視覚センサ
などに用いる場合のように装置内に光学系を組み込む場
合に、この構成では光学系が大型化して装置に組み込み
にくくなるという問題もある。

【００１１】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、簡単な構成であって低コストで提供でき、し
かも検知領域の境界を距離にかかわらず不都合なく設定
することができる測距式光電センサを提供しようとする
ものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、既知
方向のビーム光によって対象物に形成されている投光ス
ポットを受光レンズを通して検出し投光スポットの像で
ある受光スポットの位置に応じて信号値の比が決定され
る１対の位置信号を出力する受光素子と、受光素子の両
位置信号の信号値の比に相当する距離信号を出力する距
離演算回路と、距離信号の信号値と基準値との大小関係
に応じた２値出力を発生する比較回路と、距離演算回路
に入力される両位置信号のうちの少なくとも一方のゲイ
ンを調節可能とするゲイン調節回路とを備え、測距可能
な最大距離で位置信号の信号値の比が１対１になるよう
に光学系を構成し、ゲイン調節回路による両位置信号の
ゲインの相対比を調節することによって比較回路に設定
された基準値に対して距離信号の信号値の大小関係が反
転する距離を設定することを特徴とする。

【００１３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、測距可能な最大距離で位置信号の信号値の比が１対
１になるように受光素子と受光レンズとの相対位置を設
定したことを特徴とする。請求項３の発明は、請求項１
の発明において、測距可能な最大距離で位置信号の信号
値の比が１対１になるようにビーム光の方向と受光素子
の位置との関係を設定したことを特徴とする。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、受光素子は電流信号である位置信号を出力し、ゲイ
ン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ電圧値に変
換する１対の電流−電圧変換回路であって、両電流−電
圧変換回路について電流値から電圧値への変換比率を決
定する抵抗の抵抗値を調節可能としたことを特徴とす
る。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、受光素子は電流信号である位置信号を出力し、ゲイ
ン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ電圧値に変
換する１対の電流−電圧変換回路であって、対象物の距
離が近いほど信号値が大きくなるほうの位置信号に対応
した一方の電流−電圧変換回路について電流値から電圧
値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能と
し、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換回路で固
定的に設定された変換比率よりも小さくなるように設定
したことを特徴とする。

【００１６】請求項６の発明は、既知方向のビーム光に
よって対象物に形成されている投光スポットを受光レン
ズを通して検出し投光スポットの像である受光スポット
の位置に応じて信号値の比が決定される電流信号である
１対の位置信号を出力し互いに対応する位置信号が加算
されるように並列接続された１対の受光素子と、受光素
子から出力される両位置信号の信号値の比に相当する距
離信号を出力する距離演算回路と、距離信号の信号値と
基準値との大小関係に応じた２値出力を発生する比較回
路と、距離演算回路に入力される各位置信号の信号値を
それぞれ電圧値に変換する１対の電流−電圧変換回路と
を備え、両受光素子をビーム光を含む直線に対して対称
となる位置に配置し、測距可能な最大距離で位置信号の
信号値の比が１対１になるように光学系を構成し、対象
物の距離が近いほど信号値が大きくなるほうの位置信号
に対応した一方の電流−電圧変換回路について電流値か
ら電圧値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可
能とし、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換回路
で固定的に設定された変換比率よりも小さくなるように
設定することによって、比較回路に設定された基準値に
対して距離信号の信号値の大小関係が反転する距離を設
定することを特徴とする。

【００１７】請求項７の発明は、請求項１の発明におい
て、受光素子は電流信号である位置信号を出力し、ゲイ
ン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ電圧値に変
換する１対の電流−電圧変換回路であって、対象物の距
離が近いほど信号値が小さくなるほうの位置信号に対応
した一方の電流−電圧変換回路について電流値から電圧
値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能と
し、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換回路で固
定的に設定された変換比率よりも大きくなるように設定
したことを特徴とする。

【００１８】請求項８の発明は、既知方向のビーム光に
よって対象物に形成されている投光スポットを受光レン
ズを通して検出し投光スポットの像である受光スポット
の位置に応じて信号値の比が決定される電流信号である
１対の位置信号を出力し互いに対応する位置信号が加算
されるように並列接続された１対の受光素子と、受光素
子から出力される両位置信号の信号値の比に相当する距
離信号を出力する距離演算回路と、距離信号の信号値と
基準値との大小関係に応じた２値出力を発生する比較回
路と、距離演算回路に入力される各位置信号の信号値を
それぞれ電圧値に変換する１対の電流−電圧変換回路と
を備え、両受光素子をビーム光を含む直線に対して対称
となる位置に配置し、測距可能な最大距離で位置信号の
信号値の比が１対１になるように光学系を構成し、対象
物の距離が近いほど信号値が小さくなるほうの位置信号
に対応した電流−電圧変換回路について電流値から電圧
値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能と
し、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換回路で固
定的に設定された変換比率よりも大きくなるように設定
することによって、比較回路に設定された基準値に対し
て距離信号の信号値の大小関係が反転する距離を設定す
ることを特徴とする。

【００１９】

【作用】請求項１の発明の構成によれば、測距可能な最
大距離で位置信号の信号値の比が１対１になるように光
学系の位置関係を固定的に設定していることによって、
遠方に位置する対象物について検知領域の境界を設定し
受光素子での総受光量が少なくなっても、遠方で受光素
子の受光面の端部に受光スポットが形成される場合に比
較すると両位置信号の信号値をともに比較的大きい値に
保つことができるのである。このことによって、検知領
域の境界を遠距離側に設定しても正確な測距が可能にな
るのである。また、距離演算回路に入力される両位置信
号のうちの少なくとも一方のゲインを調節可能とするゲ
イン調節回路を設け、ゲイン調節回路による両位置信号
のゲインの相対比を調節することによって比較回路に設
定された基準値に対して距離演算回路の出力である距離
信号の大小関係が反転する距離、すなわち検知領域の境
界を設定するのであって、両位置信号に対するゲインの
相対比を調節する構成を採用していることによって、距
離演算回路の出力を常に有効領域に保つことが可能にな
るのである。すなわち、両位置信号に対するゲインが等
しければ検知領域の境界を近距離側に設定したときに距
離演算回路の出力が無効領域になり、従来の技術で説明
したような不都合が生じるのであるが、請求項１の発明
の構成ではこのような問題が生じないのである。さら
に、光学系を上述のように構成していることによって、
検知領域の境界を近距離側に設定したときには受光素子
の受光面の端部に受光スポットが形成されるようにな
り、一方の位置信号の信号値が大幅に増加するが、この
ときにはゲイン調節回路でのゲインの調節によって距離
演算回路への入力信号の信号値が過大になるのを防止す
ることができるのである。結局、上記構成によって遠距
離側、近距離側についてともに検知領域の境界を不都合
なく設定することが可能になるのである。また、光学系
については可動部分がなく、ゲイン調整回路において位
置信号に対するゲインを調節するだけであるから、構成
が簡単であって部品点数が比較的少なく、容易に組み立
てることができ、低コストでの提供が可能になるのであ
る。

【００２０】請求項２の発明の構成では、受光素子と受
光レンズとの相対位置、請求項３の発明の構成では、ビ
ーム光の方向と受光素子の位置との関係によって、測距
可能な最大距離で位置信号の信号値の比が１対１になる
ように設定しているのであって、測距可能な最大距離で
位置信号の信号値の比を１対１に設定するための望まし
い実施態様である。

【００２１】請求項４の発明の構成は、ゲイン調節回路
の望ましい実施態様であって、受光素子として電流信号
である位置信号を出力するものを用い、ゲイン調節回路
は、位置信号の信号値を電圧値に変換する電流−電圧変
換回路で兼用しているのである。したがって、電流値か
ら電圧値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可
能とすることによってゲインの調節を可能としているの
である。

【００２２】請求項５の発明の構成は、ゲイン調節回路
の望ましい実施態様であって、請求項４の発明の構成と
同様に、受光素子から出力される電流信号である位置信
号の信号値を電圧値に変換する比率を決定する抵抗の抵
抗値を調節可能とし、かつ対象物の距離が近いほど信号
値が大きくなるほうの位置信号に対してのみ電流−電圧
変換回路の抵抗値を可変とし、この変換比率を他方の位
置信号に対する変換比率よりも小さく設定しているので
ある。すなわち、対象物との距離が近くなると受光量の
増加によって一方の位置信号の信号値が過大になること
があるが、この位置信号に対するゲインを可変としてい
ることによって、距離演算回路に過大な位置信号が入力
されるのを防止することができ、また変換比率を上述の
ように設定することによって距離信号を有効領域に設定
することができるのである。

【００２３】請求項６の発明の構成によれば、ビーム光
を含む直線に対して対称に配置した２個の受光素子を備
え、両受光素子を互いに対応する位置信号が加算される
ように並列接続したものについて、請求項５と同様の構
成を有するのであって、請求項１、請求項５に対応した
作用に加えて、２個の受光素子の出力を加算することで
信号値を大きくとることができ、さらに遠方の対象物に
ついても測距が可能になるのである。また、受光素子の
受光面上で対象物までの距離に応じて受光スポットが移
動する方向に対象物が移動すると、対象物までの距離が
一定でも受光スポットの位置が変化するが、２個の受光
素子を用いることによって、受光スポットの変化を相殺
することが可能であり、対象物までの距離の測定精度を
高くすることができる。

【００２４】請求項７の発明の構成は、ゲイン調節回路
の望ましい実施態様であって、請求項４の発明の構成と
同様に、受光素子から出力される電流信号である位置信
号の信号値を電圧値に変換する比率を決定する抵抗の抵
抗値を可変とし、かつ対象物の距離が近いほど信号値が
小さくなるほうの位置信号に対してのみ電流−電圧変換
回路の抵抗値を可変とし、かつこの変換比率を他方の位
置信号に対する変換比率よりも大きく設定しているので
ある。すなわち、信号値が小さくなるほうの位置信号に
ついてゲインを可変としていることによって、距離演算
回路に入力される位置信号が過少になるのを防止するこ
とができ、また変換比率を上述のように設定しているこ
とによって距離信号を有効領域に設定することができ
る。

【００２５】請求項８の発明の構成によれば、ビーム光
を含む直線に対して対称に配置した２個の受光素子を備
え、両受光素子を互いに対応する位置信号が加算される
ように並列接続したものについて、請求項７と同様の構
成を有するのであって、請求項１、請求項７に対応した
作用に加えて、２個の受光素子の出力を加算することで
信号値を大きくとることができ、さらに遠方の対象物に
ついても測距が可能になるのである。また、受光素子の
受光面上で対象物までの距離に応じて受光スポットが移
動する方向に対象物が移動すると、対象物までの距離が
一定でも受光スポットの位置が変化するが、２個の受光
素子を用いることによって、受光スポットの変化を相殺
することが可能であり、対象物までの距離の測定精度を
高くすることができる。

【００２６】

【実施例】以下の各実施例における光学系は、図９に示
した従来の光学系と同様に、投光素子２、投光レンズ
４、受光素子３、受光レンズ５により構成される。ここ
で、投光素子２および投光レンズ４により形成されるビ
ーム光の方向と、受光素子３と受光レンズ５との距離
と、受光レンズ５の中心からビーム光を含む直線に下ろ
した垂線の長さとがわかれば、対象物１までの距離がわ
かるのであるから、これらのいずれかの要素を調節する
ことで、測距可能な最大距離に対象物１が位置するとき
に受光素子３の中心（すなわち位置信号の信号値の比が
１対１になる位置）に受光スポットが形成されるように
受光系を設定する。測距可能な最大距離とは、ビーム光
の強さと受光素子３の感度と対象物１の反射率との兼ね
合いで決まる距離であって、受光素子３からの位置信号
の信号値が検知に最小限必要な大きさを持つ距離であ
る。測距可能な最大距離で受光素子３の受光面の中央に
受光スポットを形成するために、実際には、受光素子３
と受光レンズ５との相対位置、またはビーム光の方向と
受光素子３の位置との関係を設定する。このような光学
系の設定は以下の各実施例で共通であるが、実施例３、
実施例５については受光素子３が２個設けられる点で相
違している。したがって、以下の各実施例の説明では、
主として回路構成について説明する。

【００２７】（実施例１）本実施例の基本構成は、図１
０に示した回路構成と同様であるが、図１に示すよう
に、電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂと、比較回路１
４とについてのみ相違点がある。すなわち、各電流−電
圧変換回路１１ａ，１１ｂは、それぞれ演算増幅器ＯＰ
ａ，ＯＰｂの出力端と反転入力端との間に帰還抵抗を接
続し、この帰還抵抗によって電流値から電圧値への変換
比率を決定するように構成されている点では同様である
が、帰還抵抗として従来は固定抵抗Ｒａ，Ｒｂを用いて
いたのに対して本実施例では可変抵抗器ＶＲａ，ＶＲｂ
を用いている点が相違する。また、比較回路１４におい
ては、図１０に示した回路構成では基準値の調節を可能
とするために可変抵抗器ＶＲを用いていたのに対して、
本実施例では固定抵抗Ｒを用いている点が相違する。

【００２８】他の構成は図１０と同様であって、ＰＳＤ
よりなる受光素子３から出力される電流信号としての２
つの位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号値をそれぞれ電流−電圧
変換回路１１ａ，１１ｂによって電圧値に変換し、対数
増幅回路１２ａ，１２ｂで対数増幅した後に、距離演算
回路としての差動増幅回路１３で差動増幅し、次に、差
動増幅回路１３の出力である距離信号の信号値を比較回
路１４で基準値と比較し、対象物１を検知したときの出
力のオン・オフを論理回路１５で選択し、出力回路１６
からオン・オフに対応した２値信号を出力するようにな
っている。

【００２９】上記構成において、検知領域の境界を設定
するには、電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂに設けた
２つの可変抵抗器ＶＲａ，ＶＲｂのうちの少なくとも一
方を調節することによって、位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の信号
値に対する電圧値の変換比率を調節する。すなわち、可
変抵抗器ＶＲａ，ＶＲｂの抵抗値を調節することによっ
て、位置信号Ｉ₁，Ｉ₂に対するゲインを調節すること
になる。

【００３０】以下に、検知領域の境界を可変抵抗器ＶＲ
ａ，ＶＲｂで調節することができる理由を簡単に説明す
る。この説明の前提として、受光素子３の受光面におけ
る基準の位置から受光スポットまでの距離は対象物１ま
での距離に対応し、また受光素子３の上での受光スポッ
トの位置は両位置信号の信号値の比に対応することが知
られている。したがって、対象物１までの距離は位置信
号Ｉ₁，Ｉ₂の比Ｉ₁／Ｉ₂から求めることができる。
電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂでの変換比率がκ
ａ，κｂであれば、電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂ
の出力値Ｖａ，Ｖｂは、Ｖａ＝κａ・Ｉ₁、Ｖｂ＝κｂ
・Ｉ₂であって、対数増幅回路１２ａ，１２ｂの出力
は、lnＶａ、lnＶｂであるから、差動増幅回路１３の出
力はlnＶａ−lnＶｂ＝lnＶａ／Ｖｂになる。ここで、κ
ａ＝κｂであれば、差動増幅回路１３の出力は、lnＶａ
／Ｖｂ＝ln（κａ・Ｉ₁／κｂ・Ｉ₂）＝lnＩ₁／Ｉ₂
であり、距離に対応した信号値の信号を比較回路１４に
入力できることになる。一方、可変抵抗器ＶＲａ，ＶＲ
ｂで抵抗値を調節可能としたことは、変換比率κａ，κ
ｂを調節可能とすることであって、差動増幅回路１３の
出力はln（κａ・Ｉ₁／κｂ・Ｉ₂）であるから、差動
増幅回路１３の出力を調節することになる。したがっ
て、受光スポットの位置にかかわらず比較回路１４に入
力される信号値を変化させることが可能になり、比較回
路１４の基準値を固定的に設定しながらも、比較回路１
４の出力が反転するときの対象物１までの距離、すなわ
ち検知領域の境界を可変抵抗器ＶＲａ，ＶＲｂで設定で
きるのである。

【００３１】上述のように、光学系については測距可能
な最大距離に対象物１が位置するときに受光スポットが
受光素子３の中心付近に形成されるようにしていること
で、対象物１が遠方で総受光量が減少しても両位置信号
は比較的大きな信号値を持つことになって、対象物１を
検出することができるのである。一方、対象物１が近く
なると、受光スポットが図１の上方に移動することで
（図９の受光系を想定している）電流−電圧変換回路１
１ｂに入力される位置信号は、電流−電圧変換回路１１
ａに入力される位置信号よりも信号値が小さくなるが、
総受光量が増加するから、電流−電圧変換回路１１ｂに
入力される位置信号の信号値は十分な大きさに維持され
て問題は生じないのである。また、各位置信号に対する
ゲインを電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂの可変抵抗
器ＶＲａ，ＶＲｂで調節するから、差動増幅回路１３の
出力値が異なる距離で２つの信号値を持つ無効領域に入
らないようにして、差動増幅回路１３の出力値を有効領
域に設定することができ、結果的に検知領域の境界をど
のような距離に設定しても、不都合が生じることがない
のである。

【００３２】（実施例２）本実施例は、図２に示すよう
に、実施例１の構成について一方の電流−電圧変換回路
１１ｂにおいて変換比率を決定する抵抗を固定抵抗Ｒｂ
としたものであって、受光素子３から出力される両位置
信号のうちで電流−電圧変換回路１１ａに入力される位
置信号についてのみゲインを調節できるようにしたもの
である。ここで、ゲインが調節可能な位置信号として
は、対象物１までの距離が近いほど信号値が大きくなる
ほうを採用している。また、ゲインの調節にあたって
は、電流−電圧変換回路１１ａでのゲイン（変換比率κ
ａ）が、電流−電圧変換回路１１ｂでのゲイン（変換比
率κｂ）に対して相対的に小さくなるように調節する。

【００３３】このように、対象物１までの距離が近くな
ると信号値が大きくなるほうの位置信号についてゲイン
を他方よりも小さくするから、差動増幅回路１３に入力
される位置信号の信号値が過大になるのを防止すること
ができるとともに、差動増幅回路１３の出力値を有効領
域に設定することができるのである。他の構成、動作は
実施例１と同様であるから説明を省略する。

【００３４】（実施例３）本実施例は、図３に示すよう
に、２個の受光素子３ａ，３ｂを用いているものであっ
て、両受光素子３ａ，３ｂは、図４に示すように、投光
素子２および投光レンズ４により形成されたビーム光を
含む直線に対して線対称となるように配置されている。
また、両受光素子３ａ，３ｂは対応する位置信号同士が
加算されるように並列接続されている。

【００３５】すなわち、各受光素子３ａ，３ｂでは同じ
対象物１に対する受光スポットが略同位置に形成される
ことになり、しかも位置信号同士が加算されることにな
るから、受光素子３ａの各位置信号の信号値がＩａ₁，
Ｉａ₂受光素子３ｂの各位置信号の信号値がＩｂ₁，Ｉ
ｂ₂であれば、各電流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂに
対してはＩａ₁＋Ｉｂ₁、Ｉａ₂＋Ｉｂ₂の信号値を持
つ信号を入力することができるのである。その結果、電
流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂに入力される位置信号
の信号値が大きくなり、遠方の対象物１でも十分な大き
さの位置信号を得ることができるのである。

【００３６】ところで、実施例１や実施例２のように受
光素子３が１個だけ用いられているときに、受光素子３
の受光面において対象物１との距離に応じて受光スポッ
トが移動する方向に直交する方向については、対象物１
が移動しても距離の測定にほとんど影響しないが、受光
素子３の受光面において対象物１との距離に応じて受光
スポットが移動する方向については、対象物１が移動す
ると対象物１までの距離が一定であっても図４に示すよ
うに受光スポットの位置が変化することになる。すなわ
ち、投光スポットの中心部と周辺部とでは、測距した位
置に誤差が生じることになる。したがって、１個の受光
素子３を用いた実施例１や実施例２の構成では、受光素
子３の受光面の長手方向に移動する対象物１については
使用できないという制約がある。

【００３７】これに対して上述のように、２個の受光素
子３ａ，３ｂを用いた場合には、図４に示すように、一
方の受光素子３ａで受光スポットの位置に本来の位置に
対して−Δｘの誤差が生じたとすると、他方の受光素子
３ｂでは＋Δｘの誤差が生じて加算によってこれらの誤
差が相殺されるから、対象物１までの距離を正確に測定
できるのである。すなわち、対象物１の移動方向につい
て制約がないという利点を有するのである。

【００３８】他の構成は、実施例２と同様である。ま
た、この構成の装置は、１つの投光部分と２つの受光部
分とを有しており、装置には投光部分と受光部分とにつ
いてそれぞれ窓が形成されるのが普通であるから、３個
の窓が形成されることになり、このことから３眼式と呼
ばれる。（実施例４）本実施例は、図５に示すように、実施例２
とは逆に、対象物１までの距離が小さくなると信号値が
減少するほうの位置信号が入力される電流−電圧変換回
路１１ｂについてゲイン（変換比率κｂ）を調節する抵
抗を可変抵抗器ＶＲｂとし、他方の電流−電圧変換回路
１１ａについては固定抵抗Ｒａによってゲイン（変換比
率κａ）を決定しているものである。また、電流−電圧
変換回路１１ｂのゲインは電流−電圧変換回路１１ａよ
りも大きくなるように設定される。

【００３９】このように、対象物１までの距離が近くな
ると信号値が小さくなるほうの位置信号についてゲイン
を他方よりも大きくするから、差動増幅回路１３の出力
値を有効領域に設定することができるのである。他の構
成および動作は、実施例１と同様であるから説明を省略
する。（実施例５）本実施例は、図６に示すように、２個の受
光素子３ａ，３ｂを用いて実施例３と同様に３眼式に構
成したものであって、位置信号のゲインの調節について
は実施例４と同様に対象物１までの距離が近いほど信号
値が小さくなるほうの位置信号に対応した電流−電圧変
換回路１１ｂで行なっている。この構成では、実施例３
と同様に、遠方の対象物１でも十分な大きさの位置信号
を得ることができ、検知領域の境界を遠方に設定するこ
とができるのである。また、差動増幅回路１３の出力値
を有効領域に設定することができるのである。他の構成
および動作は、実施例１と同様であるから説明を省略す
る。

【００４０】（実施例６）本実施例は、電流−電圧変換
回路１１において電流値から電圧値への変換比率を調節
する構成の他例であって、図８に示すように、演算増幅
回路ＯＰｘ（すなわち、ＯＰａまたはＯＰｂ）の入力側
に可変抵抗器ＶＲ_1xを接続し、所望の位置信号Ｉ₁，Ｉ
₂を可変抵抗器ＶＲ_1xに流したときの可変抵抗器ＶＲ_1x
の両端電圧についての分圧比を調節することにより、電
流−電圧変換回路１１での変換比率を調節可能とするも
のである。この構成では帰還抵抗は固定抵抗Ｒｘ（すな
わち、ＲａまたはＲｂ）としてある。この電流−電圧変
換回路１１は、実施例１ないし実施例５において可変抵
抗器ＶＲａ，ＶＲｂを用いて変換比率を調節している電
流−電圧変換回路１１ａ，１１ｂであれば、どれでも置
換可能である。他の構成は実施例１ないし実施例５と同
様である。

【００４１】（実施例７）上記各実施例では、電流−電
圧変換回路１１ａ，１１ｂにおいて電流値から電圧値へ
の変換比率を調節するにあたって、演算増幅回路ＯＰ
ａ，ＯＰｂの出力端と反転入力端との間に挿入した帰還
抵抗を可変抵抗器ＶＲａ，ＶＲｂとする構成を示した
が、本実施例では、電流−電圧変換回路１１における変
換比率を調節するために、図７に示すように、演算増幅
回路ＯＰｘ（すなわち、ＯＰａまたはＯＰｂ）の出力電
圧を分圧するように可変抵抗器ＶＲ_2xを接続してある。
この構成では帰還抵抗は固定抵抗Ｒｘ（すなわち、Ｒａ
またはＲｂ）としてあり、出力側の分圧比の調節によっ
て、変換比率を調節するのである。この電流−電圧変換
回路１１は、実施例１ないし実施例５において可変抵抗
器ＶＲａ，ＶＲｂを用いて変換比率を調節している電流
−電圧変換回路１１ａ，１１ｂであれば、どれでも置換
可能である。他の構成は実施例１ないし実施例５と同様
である。

【００４２】

【発明の効果】請求項１の発明は、測距可能な最大距離
で位置信号の信号値の比が１対１になるように光学系の
位置関係を固定的に設定しているので、遠方に位置する
対象物について検知領域の境界を設定し受光素子での総
受光量が少なくなっても、遠方で受光素子の受光面の端
部に受光スポットが形成される場合に比較すると両位置
信号の信号値をともに比較的大きい値に保つことがで
き、検知領域の境界を遠距離側に設定しても正確な測距
が可能になるという利点がある。また、距離演算回路に
入力される両位置信号のうちの少なくとも一方のゲイン
を調節可能とするゲイン調節回路を設け、ゲイン調節回
路による両位置信号のゲインの相対比を調節することに
よって比較回路に設定された基準値に対して距離演算回
路の出力である距離信号の大小関係が反転する距離を設
定するので、両位置信号に対するゲインの相対比を調節
する構成を採用していることによって、距離演算回路の
出力を常に有効領域に保つことが可能になるという利点
がある。結局、上記構成によって遠距離側、近距離側に
ついてともに検知領域の境界を不都合なく設定すること
が可能になるという効果を奏する。また、光学系につい
ては可動部分がなく、ゲイン調整回路において位置信号
に対するゲインを調節するだけであるから、構成が簡単
であって部品点数が比較的少なく、容易に組み立てるこ
とができ、低コストでの提供が可能になるという利点が
ある。

【００４３】請求項２の発明は受光レンズと受光素子と
の相対位置を、また請求項３の発明はビーム光の方向と
受光素子の位置との関係を、測距可能な最大距離で位置
信号の信号値の比が１対１になるように設定しているの
で、測距可能な最大距離で位置信号の信号値の比を１対
１に設定するための位置合わせが比較的容易に行なえる
のである。

【００４４】請求項４の発明は、受光素子として電流信
号である位置信号を出力するものを用い、ゲイン調節回
路は、位置信号の信号値を電圧値に変換する電流−電圧
変換回路で兼用しているのであり、電流値から電圧値へ
の変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能とするこ
とによってゲインの調節を可能としているので、ゲイン
を調節するにあたって従来構成の変更をほとんど必要と
せず、容易に実現できるという利点がある。

【００４５】請求項５の発明は、請求項４の発明と同様
に、受光素子から出力される電流信号である位置信号の
信号値を電圧値に変換する比率を決定する抵抗の抵抗値
を可変としており、かつ対象物の距離が近いほど信号値
が大きくなるほうの位置信号に対してのみ電流−電圧変
換回路の抵抗値を調節可能とし、かつこの変換比率を他
方の位置信号に対する変換比率よりも小さく設定してい
るので、対象物との距離が近くなると受光量の増加によ
って一方の位置信号の信号値が過大になっても、この位
置信号に対するゲインを調節して、距離演算回路に過大
な位置信号が入力されるのを防止することができ、また
距離信号の信号値を有効領域に設定することができると
いう利点がある。

【００４６】請求項６の発明は、ビーム光を含む直線に
対して対称に配置した２個の受光素子を備え、両受光素
子を互いに対応する位置信号が加算されるように並列接
続したものについて、請求項５と同様の構成を有するの
で、請求項１、請求項５に対応した作用に加えて、２個
の受光素子の出力を加算することで信号値を大きくとる
ことができ、さらに遠方の対象物についても測距が可能
になるという利点がある。また、受光素子の受光面上で
対象物までの距離に応じて受光スポットが移動する方向
に対象物が移動すると、対象物までの距離が一定でも受
光スポットの位置が変化するが、２個の受光素子を用い
ることによって、受光スポットの変化を相殺することが
可能であり、対象物までの距離の測定精度を高くするこ
とができるという利点がある。

【００４７】請求項７の発明は、請求項４の発明と同様
に、受光素子から出力される電流信号である位置信号の
信号値を電圧値に変換する比率を決定する抵抗の抵抗値
を可変としており、かつ対象物の距離が近いほど信号値
が小さくなるほうの位置信号に対してのみ電流−電圧変
換回路の抵抗値を可変とし、かつこの変換比率を他方の
位置信号に対する変換比率よりも大きく設定しているの
で、信号値が小さくなるほうの位置信号についてゲイン
を調節して、距離演算回路に入力される位置信号が過少
になるのを防止することができ、また距離信号の信号値
を有効領域で設定できるという利点がある。

【００４８】請求項８の発明は、ビーム光を含む直線に
対して対称に配置した２個の受光素子を備え、両受光素
子を互いに対応する位置信号が加算されるように並列接
続したものについて、請求項７と同様の構成を有するの
で、請求項１、請求項７に対応した作用に加えて、２個
の受光素子の出力を加算することで信号値を大きくとる
ことができ、さらに遠方の対象物についても測距が可能
になるという利点を有する。また、受光素子の受光面上
で対象物までの距離に応じて受光スポットが移動する方
向に対象物が移動すると、対象物までの距離が一定でも
受光スポットの位置が変化するが、２個の受光素子を用
いることによって、受光スポットの変化を相殺すること
が可能であり、対象物までの距離の測定精度を高くする
ことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示すブロック図である。

【図２】実施例２を示すブロック図である。

【図３】実施例３を示すブロック図である。

【図４】実施例３の光学系の概略構成図である。

【図５】実施例４を示すブロック図である。

【図６】実施例５を示すブロック図である。

【図７】実施例６に用いる電流−電圧変換回路を示す回
路図である。

【図８】実施例７に用いる電流−電圧変換回路を示す回
路図である。

【図９】従来例を示す光学系の概略構成図である。

【図１０】従来例を示すブロック図である。

【図１１】従来例の動作説明図である。

【図１２】従来例の問題点を示す説明図である。

【図１３】他の従来例を示す光学系の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１対象物２投光素子３受光素子４投光レンズ５受光レンズ１１ａ電流−電圧変換回路１１ｂ電流−電圧変換回路１２ａ対数増幅回路１２ｂ対数増幅回路１３差動増幅回路１４比較回路１５論理回路１６出力回路Ｉ₁ 位置信号Ｉ₂ 位置信号Ｒ固定抵抗Ｒａ固定抵抗Ｒｂ固定抵抗ＶＲ可変抵抗器ＶＲａ可変抵抗器ＶＲｂ可変抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中隆大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉安利明大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者黒部初雄山梨県都留市小野字宮地226 株式会社コニカ電子内 (56)参考文献特開昭62−27688（ＪＰ，Ａ) 特開平４−369609（ＪＰ，Ａ) 特開平５−52558（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 3/06 G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】既知方向のビーム光によって対象物に形
成されている投光スポットを受光レンズを通して検出し
投光スポットの像である受光スポットの位置に応じて信
号値の比が決定される１対の位置信号を出力する受光素
子と、受光素子の両位置信号の信号値の比に相当する距
離信号を出力する距離演算回路と、距離信号の信号値と
基準値との大小関係に応じた２値出力を発生する比較回
路と、距離演算回路に入力される両位置信号のうちの少
なくとも一方のゲインを調節可能とするゲイン調節回路
とを備え、測距可能な最大距離で位置信号の信号値の比
が１対１になるように光学系を構成し、ゲイン調節回路
による両位置信号のゲインの相対比を調節することによ
って比較回路に設定された基準値に対して距離信号の信
号値の大小関係が反転する距離を設定することを特徴と
する測距式光電センサ。
【請求項２】測距可能な最大距離で位置信号の信号値
の比が１対１になるように受光素子と受光レンズとの相
対位置を設定したことを特徴とする請求項１記載の測距
式光電センサ。
【請求項３】測距可能な最大距離で位置信号の信号値
の比が１対１になるようにビーム光の方向と受光素子の
位置との関係を設定したことを特徴とする請求項１記載
の測距式光電センサ。
【請求項４】受光素子は電流信号である位置信号を出
力し、ゲイン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ
電圧値に変換する１対の電流−電圧変換回路であって、
両電流−電圧変換回路について電流値から電圧値への変
換比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能としたことを
特徴とする請求項１記載の測距式光電センサ。
【請求項５】受光素子は電流信号である位置信号を出
力し、ゲイン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ
電圧値に変換する１対の電流−電圧変換回路であって、
対象物の距離が近いほど信号値が大きくなるほうの位置
信号に対応した一方の電流−電圧変換回路について電流
値から電圧値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調
節可能とし、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換
回路で固定的に設定された変換比率よりも小さくなるよ
うに設定したことを特徴とする請求項１記載の測距式光
電センサ。
【請求項６】既知方向のビーム光によって対象物に形
成されている投光スポットを受光レンズを通して検出し
投光スポットの像である受光スポットの位置に応じて信
号値の比が決定される電流信号である１対の位置信号を
出力し互いに対応する位置信号が加算されるように並列
接続された１対の受光素子と、受光素子から出力される
両位置信号の信号値の比に相当する距離信号を出力する
距離演算回路と、距離信号の信号値と基準値との大小関
係に応じた２値出力を発生する比較回路と、距離演算回
路に入力される各位置信号の信号値をそれぞれ電圧値に
変換する１対の電流−電圧変換回路とを備え、両受光素
子をビーム光を含む直線に対して対称となる位置に配置
し、測距可能な最大距離で位置信号の信号値の比が１対
１になるように光学系を構成し、対象物の距離が近いほ
ど信号値が大きくなるほうの位置信号に対応した一方の
電流−電圧変換回路について電流値から電圧値への変換
比率を決定する抵抗の抵抗値を調節可能とし、かつこの
変換比率を他方の電流−電圧変換回路で固定的に設定さ
れた変換比率よりも小さくなるように設定することによ
って、比較回路に設定された基準値に対して距離信号の
信号値の大小関係が反転する距離を設定することを特徴
とする測距式光電センサ。
【請求項７】受光素子は電流信号である位置信号を出
力し、ゲイン調節回路は各位置信号の信号値をそれぞれ
電圧値に変換する１対の電流−電圧変換回路であって、
対象物の距離が近いほど信号値が小さくなるほうの位置
信号に対応した一方の電流−電圧変換回路について電流
値から電圧値への変換比率を決定する抵抗の抵抗値を調
節可能とし、かつこの変換比率を他方の電流−電圧変換
回路で固定的に設定された変換比率よりも大きくなるよ
うに設定したことを特徴とする請求項１記載の測距式光
電センサ。
【請求項８】既知方向のビーム光によって対象物に形
成されている投光スポットを受光レンズを通して検出し
投光スポットの像である受光スポットの位置に応じて信
号値の比が決定される電流信号である１対の位置信号を
出力し互いに対応する位置信号が加算されるように並列
接続された１対の受光素子と、受光素子から出力される
両位置信号の信号値の比に相当する距離信号を出力する
距離演算回路と、距離信号の信号値と基準値との大小関
係に応じた２値出力を発生する比較回路と、距離演算回
路に入力される各位置信号の信号値をそれぞれ電圧値に
変換する１対の電流−電圧変換回路とを備え、両受光素
子をビーム光を含む直線に対して対称となる位置に配置
し、測距可能な最大距離で位置信号の信号値の比が１対
１になるように光学系を構成し、対象物の距離が近いほ
ど信号値が小さくなるほうの位置信号に対応した電流−
電圧変換回路について電流値から電圧値への変換比率を
決定する抵抗の抵抗値を調節可能とし、かつこの変換比
率を他方の電流−電圧変換回路で固定的に設定された変
換比率よりも大きくなるように設定することによって、
比較回路に設定された基準値に対して距離信号の信号値
の大小関係が反転する距離を設定することを特徴とする
測距式光電センサ。