JP4108180B2 - 光電子センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被監視領域へ光信号を送信する光送信器と、光送信器によって送信された光信号の受信する光受信器とからなり、対象物が被監視領域中にある場合、光受信器によって直接又は間接的に作用される評価回路が品物検出信号を生成するために設けられた光受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかるセンサは例えば、出入り監視のために単一光障壁又はマルチビ−ム光グリッドシステムとして使用されるセンサ、特に建物内の機械又は特定の部屋の危険な作業領域を安全にする意図をもったセンサとして用いられる。
対象物が被監視領域へ入り光送信器と光受信器との間の光路を中断する場合、品物検出信号は指定された種類のセンサで生成される。品物検出信号は例えば、機械のスイッチ断線又は聴覚又は光学の警告プロセスを起動する。
【０００３】
既知のシステムでは、送信器及び受信器の間の光路が中断されるかどうかに関する測定が純粋能動的考察に一般に基づかないために、受光光量が指定された値を満たさない場合は常に、それは光路の割込みよって被監視領域の対象物の存在に関して結論が引かれることを意味する。
ある応用の既知のシステム中の問題は次のものがある。光送信器の送信の角度内に、又は光受信器の視野内に基本的に反射が許容可能な対象物が配置されることがあるという事実であり、つまり、品物検出信号を起こすようには意図されないが、被監視領域中で許容不可能対象物のまわりの反射を誘導することである。許容不可能対象物のまわりのそのような反射によって、許容不可能対象物は例えば、光送信器と光受信器の間の中央の光ビ−ムを中断するが、前述の反射許容可能対象物は光受信器への臨界光量以下の受光光量に落ちないこともある。従って、品物検出信号の生成は起こらない。したがって既知のセンサでは、被監視領域中にある許容不可能対象物がすべて信頼性高く検知されることが保証できない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記種類の光電子センサを開発することにあり、被監視領域の近傍又は被監視領域それ自体に反射許容可能対象物の妨害にする影響を解消し、その信頼性が向上した光電子センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光受信器は受信器素子の感光エリア領域おける受信光強度の中心位置を測定する空間解像受信器素子として形成されたこと、評価回路と協働する記憶素子は受信光強度の中心の少なくとも１つの所望の位置の記憶のために設けられたこと、評価回路はセンサの動作中に検出された実際の位置と記憶された所望の位置とを比較する比較手段を有すること、並びに、品物検出信号は所望の位置からの実際の位置の偏差が定義された閾値を超える場合に生成されること、により、上記目的は満たされる。
【０００６】
本発明によれば、従来技術の例のような単純なフォトダイオードはもはや使用されないが、感光表面を有する空間解像受信器素子が使用され、空間解像受信器素子は、感光表面上の受信光強度の中心位置が測定されるように設計されている。所望の位置は、受信器素子の感光表面上の受信光強度の中心位置のためにプリセットされ、本発明のセンサの動作中に検出された実際の位置と比較される。被監視領域中への許容不可能対象物の導入によって、感光表面上の受信光強度の中心位置は、変移する。所望の位置に関するセンサの動作に検出された実際の位置のこの変移が定義された閾値を超過する場合、品物検出信号は生成される。
【０００７】
本発明の原理によると、許容不可能対象物による中央の光ビ−ムの割込み中で、反射許容可能対象物が光送信器によって送信された光量を計るために相当な割合が光受信器に導かれるように被監視領域又はその近傍に配置される場合さえ、被監視領域中にある許容不可能対象物の認識は可能である。つまり、許容可能対象物が許容不可能対象物のまわりの反射を導くとき、認識が可能である。このように本発明のセンサの信頼性は、従来技術のセンサに比して著しく改善される。
【０００８】
更に、本発明のセンサの利点は柔軟な使用範囲が存在するという事実にあり、センサの信頼性に負の効果を有する反射対象物なしで、反射許容可能対象物に非常に接近して本発明によるセンサが装備できるからである。
更に、本発明によるセンサの生産では互いに関する個々の光学部品コンポーネントの非常に正確な調節が必要でない利点があり、また、そのコスト的に好ましい光学部品が使用できる利点もある。なぜなら、生成される各センサのために、所望値が、生産中に生じた不正確をすべて自動的に考慮する生産工程の結論の後にそれぞれ検出されるからである。この点おいて、生産中に単に発生するその不正確が理想的に装着されたセンサに比べて変移している感光表面上の受信光強度の中心の所望の位置へ導くことは、説明経由で注意されるべきである。しかしながら、既に言及したように自動的に不正確をすべて考慮して、変移した所望の位置が実際の所望の位置に記憶できるので、これはいかなる負の効果も持っていない。
【０００９】
空間解像受信器素子が複数の感光素子の列配置から成る場合は好ましい。しかしながら、同様に、さらに行列配置の複数の感光素子を提供でき、この行列で十分な受信素子の感光表面を形成する。列配置、つまり一次元の受信器素子の使用の場合、受信器素子を形成する感光素子の列配置と平行に少なくとも本質的に伸びる平面に起こる対象物のまわりのそれらの反射は、検知できるか除去できる。
【００１０】
感光性の素子の行列配置を使用する場合、ＣＣＤの使用は解決として提案される。
列または行列の配置の個々の感光素子は、例えば、フォトダイオードとして、又は光信号の検出に適している他の素子として形成できる。
しかしながら、本発明により、空間解像受信器素子は、一又は二次元のＰＳＤすなわち位置感応検出器として形成できる。位置感応検出器は感光表面を備えた電気光学素子であり、例えば検出器は２つの電流を振幅比率から供給し、振幅比率の結果が１次元まで関連づけられたＰＳＤの感光表面上の光スポットの位置に関して引くことができる。４つの電流を供給するＰＳＤが使用される場合、結果は、ＰＳＤの感光表面上の光スポットの２次元の位置に関する互いに関するこれらの電流の振幅比率から取り出すことができる。
【００１１】
ティーチイン（教示）方法によって受信光強度の中心の所望の位置を検出して記憶できる場合、それは特に有利である。この場合、本発明のセンサは、それぞれの使用場所に存在する条件に個々に適応できる。使用場所にティーチイン方法を実行する際に、受信光スポットの位置は、反射許容可能対象物によって既に影響を及ぼされる。従って、許容不可能対象物がない被監視領域へ光信号が送信され再び受け取られるように、記憶されるべき所望の位置がティーチイン方法の情況に検出された場合、感光表面上のこの光信号によって引き起こされた光スポットの位置は、個々の環境に一致する所望値を指定する。前述のティーチイン方法によって、本発明のセンサのエンドユーザは、センサの製造工程中で考慮に以前に入れられなければならなかった使用のこれらの条件なしで、使用のそれぞれの条件への個々の適応を達成することができる位置に置かれる。これは、本発明により形成されたセンサの使用の最も種々の可能性を可能にする。
【００１２】
センサの空間解像受信器素子は、光学システムの焦点面中に配置できる。前述のティーチイン方法によって与えられたセンサの学習能力の結果、焦点の中の受信器素子の正確な位置の保守に正確な注意を払うことが必要でなくなる。光受信器システムを像成形に関して空間解像受信器素子が焦点の近傍に配置されることが、完全に考えられる。
【００１３】
被監視領域の反対側に光送信器及び光受信器を配置することができる。また、被監視領域の同じ側に光送信器及び光受信器、また被監視領域の反対側に再帰反射体を配置することが可能である。最後の変形例は、自動コリメーション配置に相当する。
さらに本発明のセンサは、光グリッド配置の情況中で使用できる。ここに、複数の光送信器及び光受信器は互いの側の各場合に配置され、また、それぞれ要求された構造で配置される得る。
【００１４】
光グリッド配置の光受信器は、一次元の受信器素子として好ましく形成される。これらの光グリッド配置の一次元の受信器素子は、相互に関連する光送信器又は光受信器の光軸に平行な回転軸線で、互いに対して回転できる。この点で、一次元の受信器素子を、隣接したもの同士で回転の角度が総計９０度までの範囲内で配置する場合、有利である。光グリッド配置の一次元の受信器素子は、前述の回転軸線と平行に伸びるすべての所望の平面に起こる対象物のまわりの反射の任意形態を検知するか又は除去することができる。一次元の受信器素子だけは使用されるが、上記の回転の結果として、対象物のまわりの任意の反射は除去できる。
【００１５】
本発明によるセンサの動作方法では、既に言及されたように、記憶されるべき１つ以上の所望の位置は、対象物不在の被監視領域を備えた動作状態下の使用場所にてセンサが操作されることで、検出することができる。この点で、被監視領域は確かに反射許容可能対象物を有することができるが、しかしながら、許容不可能対象物は、所望の位置の測定中に全く存在しないことがある。使用の異なる条件が使用場所で可能な場合、所望値は使用のこれらの条件の各々のために検出して記憶でき、そのとき異なる所望の位置は例えば選択スイッチによって起動ができる。または、実際の位置が検出されたすべての所望の位置からのそれぞれ前もって定義した程度だけ異なる場合、品物検出信号が単に送信されるように、記憶された所望の位置をすべて同時に起動することはさらに可能である。
【００１６】
受信光強度の中心位置を特徴づける少なくとも２つの部分的電流を発生する受信器素子（ＰＳＤ）を使用する場合、検出された位置を特徴づけるパラメータとして１つの部分的電流と部分的電流の合計との振幅比率が処理できる。この処理により、許容可能な反射は許容不可能な反射と区別できる。振幅比率の処理は２つの部分的電流の差分と２つの部分的電流の合計の間でなされる。
【００１７】
更に、光グリッド配置した複数の光送信器及び光受信器の対を備えたシステムの場合、受信光の中心の一定の変移は、システムの許容可能な悪調整として、又は許容可能な低周波振動として分類され、品物検出信号の送信が起こらないようにするので、より高いシステム信頼性が保証され、つまりシステムのより低い妨害感受性が得られる。
【００１８】
光グリッド配置の一次元の受信器素子は、避けられないシステム光学系許容差を補う場合に好ましい。システム光学系許容差は例えば、光グリッドのために使用された一次元の受信器素子のねじり配置によって、レンズにおけるウェッジエラーによって、アパ−チャ−などの偏心した位置よって引き起こされる。一次元の受信器素子の所望の位置は校正手続き中では別々に測定され、例えば、関連する許容可能な変移許容差と一緒に記憶され補償される。
【００１９】
最終的に、品物検出信号が常に送信される場合の本発明によるセンサの動作方法は、記憶された所望の位置から検出された実際の位置の偏差が定義された閾値を超過するとき、又は光受信器によって受信された光量が定義された最小値に満たさないとき、有利である。光受信器が例えば光を受光しない又は極少量光の極端な場合により光スポットの実際の位置が検知できないとき、光受信器によって受信された光量が定義された最小値を満たさないので、品物検出信号を生成することは可能である。
【００２０】
さらに、好適な実施例が従属する請求項中で述べられる。本発明は従属する請求項の任意の所望の組合せを含み、特に互いの中の方法を含む。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１は、光送信システム２の方向に光のコーンを送信するＬＥＤとして形成された光送信器１を示す。光送信システム２の光軸３は光受信システム４の光軸と一致し、ＰＳＤとして形成された光受信器５は光送信システム２から離れた光受信システム側に設けられている。
【００２２】
被監視領域６は、光送信システム２と光受信器システム４の間に存在する。
空間解像受信器５はその上に入射する光スポットの位置に依存する信号を評価回路７へ供給し、評価回路は所望の位置の記憶する記憶素子８及び検出された実際の位置との所望の位置とを比較する比較手段９を装備している。
光送信システム２は、この光の大部分が光受信システム４上に光軸３に平行に向かわせるように光送信器から送信された光を包含する。しかしながら、光送信器１によって送信された光の一部は光軸３に傾斜して放射し、光受信器システム４上に通過しない。この状態は図１中の矢印で記述された光経路から明白である。
【００２３】
図１に示されるセンサの動作位置において、反射許容可能及び反射許容不可能対象物が被監視領域６中又は被監視領域６の近傍にも存在しないので、光送信器１によって送信された光は、そのような対象物に影響を受けないで光受信器５に達する。光受信器５上で生成された光スポットは図１に参照数字１０で図示されるゼロ位置に位置する。このゼロ位置１０は、光受信器５の感光表面の中心に好ましく位置する。
【００２４】
図１の作動状態は光受信器５上で形成された光スポットの所望の位置を検出するのに適切であり、この所望の位置がゼロ位置１０に対応する。この所望の位置は、それが実際の位置との後の比較に利用可能なように、評価回路７の記憶素子に記憶される。
図２は図１による配置を示し、反射許容可能対象物１１が被監視領域６の下に存在する。反射する対象物１１の反射表面は光軸３と平行に伸び、被監視領域６に面している。
【００２５】
図２中で示される矢印は、光送信器１によって送信された光の一部が反射許容可能対象物１１の反射表面に当たり、そこから光受信システム４へ向かうことを示す。光受信システム４は、第２の光スポットが１２によって示された位置（それはゼロ位置１０から一定間隔で配置される）で光受信器５の感光表面で発生するように、反射許容可能対象物１１から反射された光を包含する。
【００２６】
評価回路７は、ゼロ位置１０及び位置１２に位置する２個の光スポットの光強度の中心を計算することができる。この計算は、２個の光スポットの位置、及び２個の光スポットの領域中でそれぞれ受信された光量の両方を含んでいる。この方法においては、距離Ｘは、ゼロ位置１０からの光強度の中心の距離のために検出される。間隔Ｘは、ゼロ位置１０からの位置１２の間隔より小さい。
【００２７】
従って、間隔Ｘは、被監視領域６の近くの反射許容可能対象物１１で、図２の動作状態下の受信光スポットの合計の所望の位置を特徴づける。この所望値は、図１により検出された所望値に加えて更なる所望値として記憶されることが、可能である。同様に、図２により検出された所望値だけが記憶されることも、可能である。２つの所望値を記憶する場合、検出された実際の値が２つの所望値と異なるとき、品物検出信号の生成は常に起こる。
【００２８】
図３は図２による配置を示し、被監視領域６中にある許容不可能対象物１３で区別され、許容不可能対象物１３は光軸３と平行な光送信システム２から光受信システム４に通過する光を妨げるものである。しかしながら、図３によると、光送信器からなお送信された光の一部は許容可能対象物１１の反射表面へ通過し、ここからこの光成分が光受信システム４に偏向される。図２によると、光受信システム４はこの方法で受信された光成分を包含し、よって光受信器５上の位置１２にて光スポットの形成を引き起こす。今、評価回路７が図３による条件下の受信光スポットの光強度の中心を再び検出する場合、この位置は、図３による光スポットが存在する許容不可能対象物１３の結果ゼロ位置１０で受光されないので、図２による検出された位置と異なる。図３によるこのように検出された光強度の中心は、反射許容可能対象物１１で反射によって生成されるその光スポットの場所について記述する位置１２と、その位置に関して一致する。よって、光強度の中心は、図３でのゼロ位置１０からの間隔Ｚを有し、それは図２による間隔Ｘとは異なる。
【００２９】
今、図１及び２による記憶した所望の位置がコンパレータ手段９内の評価回路７にて図３による実際の位置と比較される場合、偏差Ｚが任意の所望値に相当しない事を特定し、その結果、結論は被監視領域６の品物又は許容不可能対象物の存在に関して引くことができる。
よって、許容不可能対象物は、図３に起こる許容可能対象物１１に生成された許容不可能対象物のまわりの反射にもかかわらず、信頼性をもって認識できる。従来技術では、対象物１１での反射によって、適切な光量受光され、さらに単にこの事実の結果品物検出信号の送信が省略される事を導くかかる状況を、発生できない。
【００３０】
図４はオ−トコリメ−ション配置の本発明による光電子センサを示す。光送信器１４及び光受信器１５は、被監視領域６の一方の側に配置され、一方、再帰反射体１６は、被監視領域６の反対側に配置され、２枚の鏡１７，１８を有し、これらは光送信器１４によって送信された光ビームを光受信器１５へ戻す偏向を生ぜしめる。さらに３つの鏡システムは再帰反射体１６の代わりに設けることができる。
【００３１】
反射許容可能対象物１９は、被監視領域６中で配置される。被監視領域６上に、さらに反射許容可能対象物２０が配置される。両方の反射する対象物１９，２０は、光受信器１５によって検出された光強度の中心の変移、つまり受信光強度の中心の変移を引き起こす。図４により検出した光強度の中心位置は所望値として記憶される。反射許容不可能対象物又は光学許容不可能対象物が図４の配置動作中の被監視領域６へ導入される場合、これは、光強度の中心の変移を引き起こし、結局、品物検出信号の生成を導く。
【図面の簡単な説明】
【図１】 被監視領域中又は被監視領域の近傍に反射する対象物がない場合の本発明による送信器配置の原理を示す構成図。
【図２】 被監視領域中又は被監視領域の近傍に反射許容可能対象物がある場合の本発明による送信器配置の原理を示す構成図。
【図３】 被監視領域の近傍の許容可能対象物及び被監視領域内の許容不可能対象物を備えた場合の本発明による送信器配置の原理を示す構成図。
【図４】 被監視領域中に反射許容可能対象物がある場合の本発明によるオ−トコリメ−ション配置を備えた送信器配置の原理を示す構成図。
【符号の説明】
１，１４ 光送信器
２ 光送信システム
３ 光軸
４ 光受信システム
５，１５ 光受信器
６ 被監視領域
７ 評価回路
８ 記憶素子
９ 比較手段
１０ ゼロ位置
１１，１９ 反射許容可能対象物
１２ 位置
１３ 許容不可能対象物
１６ 再帰反射体
１７，１８ 鏡
２０ 反射許容可能対象物

Claims (18)

1. 被監視領域（６）へ光信号を送信する光送信器（１、１４）と、光送信器（１、１４）によって送信された光信号の受信する光受信器（５、１５）とからなり、対象物（１３）が被監視領域（６）中にある場合、光受信器（５、１５）によって直接又は間接的に作用される評価回路（７）が品物検出信号を生成するために設けられた光電子センサであって、光受信器（５、１５）は、受信器素子の感光エリア領域おける受信光強度の中心位置を測定する空間解像受信器素子として形成されたこと、評価回路（７）と協働する記憶素子（８）は、受信光強度の中心の少なくとも１つの所望の位置の記憶のために設けられたこと、評価回路（７）は、センサの動作中に検出された実際の位置と記憶された所望の位置とを比較する比較手段（９）を有すること、並びに、品物検出信号は、所望の位置からの実際の位置の偏差が定義された閾値を超える場合に生成されること、を特徴とする光電子センサ。
2. 空間解像受信器素子（５、１５）は、複数の感光素子の列配置を有することを特徴とする請求項１記載の光電子センサ。
3. 空間解像受信器素子（５、１５）は、複数の感光素子の行列配置を有することを特徴とする請求項１記載の光電子センサ。
4. 感光素子はフォトダイオードとして形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の光電子センサ。
5. 空間解像受信器素子（５、１５）は、一又は二次元のＰＳＤ（位置感応検出器）として形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の光電子センサ。
6. 受信光強度の中心の所望の位置は、反射許容可能対象物によって既に影響を及ぼされた受信光スポットの位置として記憶素子に記憶されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の光電子センサ。
7. 空間解像受信器素子（５）は、光学システムの焦点面中に配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の光電子センサ。
8. 空間解像受信器素子は光学システムの焦点の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の光電子センサ。
9. 光送信器（１）及び光受信器（５）は被監視領域（６）の反対側に配置されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１に記載の光電子センサ。
10. 光送信器（１４）及び光受信器（１５）は、被監視領域（６）の一方の側に配置され、再帰反射体（１６）は、被監視領域（６）の反対側に配置されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１に記載の光電子センサ。
11. 光送信器（１、１４）及び光受信器（５、１５）は、その複数が光グリッドを構成するように光グリッド配置されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１に記載の光電子センサ。
12. 光グリッド配置の光受信器（１５）は、光送信器及び光受信器の間の光軸に平行な線のうちのいずれか１つに関して回転してそれぞれ配置される一次元の受信器素子として、形成されたことを特徴とする請求項１１記載の光電子センサ。
13. 隣接した受信器素子間の回転の角度は９０度であることを特徴とする請求項１２記載の光電子センサ。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つによる光電子センサを動作させる方法であって、記憶されるべき所望の位置の１つは、対象物不在の被監視領域（６）での動作条件下の使用場所にてセンサが操作されることで、検出されることを特徴とする光電子センサの動作方法。
15. １次元もしくは２次元の受信器素子で受信光強度の中心位置を決定することを特徴とする請求項１４に記載の光電子センサの動作方法。
16. 受信光強度の中心位置を特徴づける少なくとも２つの部分的電流を発生する受信器素子を使用する場合、検出された位置を特徴づけるパラメータとして１つの部分的電流と部分的電流の合計との振幅比率が処理されることを特徴とする請求項１４又は １５に記載の光電子センサの動作方法。
17. 光グリッド配置した複数の光送信器（１、１４）及び光受信器（５、１５）の対を備えたシステムの場合、受信光の中心の一定の変移は、システムの許容可能な悪調整として、又は許容可能な低周波振動として分類され、品物検出信号の送信が起こらないようになされたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１に記載の光電子センサの動作方法。
18. 記憶された所望の位置から検出された実際の位置の偏差が定義された閾値を超過するか、又は、光受信器（５、１５）によって受信された光量が定義された最小値を満たさない場合、品物検出信号は送信されることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１に記載の光電子センサの動作方法。

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