JP4594022B2 - 光電センサ及び多光軸型光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、投光手段から投光されて被検出物体で反射した光を受光手段で受光する反射型の光電センサ及び多光軸型光電センサに関する。

通常の反射型の光電センサや距離測定センサでは、被検出物体からの反射光の有無や測定距離に基づいて被検出物体の存在を検出している（特許文献１参照）。
実開平３−３６９８５号公報

しかしながら、投光回路または受光回路の故障、或いは窓の汚れなどの異常が発生すると、被検出物体からの反射光が無くなり、実際には被検出物体が存在するにしても、存在しないことになって危険側の故障を生じる。このため、時間的にも回路的にも別途に投光回路、受光回路、窓の汚れを監視する必要があり、構成が複雑化してコストが上昇する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成で異常の発生に対応することができる光電センサ及び多光軸型光電センサを提供することにある。

本発明の光電センサは、投光手段を設け、この投光手段に対して検出領域内の規定距離に配置された反射体を設け、前記投光手段から投光されて前記反射体または被検出物体で反射した光を受光する受光手段を設け、この受光手段の受光タイミングまたは受光位置に基づいて前記反射体または被検出物体までの距離を測定する距離測定手段を設け、前記受光手段の受光レベル及び前記距離測定手段による測定距離が変化した場合に、前記被検出物体の検出を行う検出手段と、前記受光手段の受光レベルが変化し且つ前記距離測定手段による測定距離が変化しない場合は、光量異常であると判断する判断手段を設けたものである（請求項１）。

上記構成において、前記判断手段は、前記受光手段の受光レベルが変化せず且つ前記距離測定手段による測定距離が変化した場合は、前記距離測定手段が異常であると判断するようにしてもよい（請求項２）。

また、前記判断手段の判断結果を出力する出力手段を設けるようにしてもよい（請求項３）。

本発明の多光軸型光電センサは、直線状に配列された複数の投光手段を設け、これらの投光手段に対して検出領域内の規定距離に配置された反射体を設け、前記投光手段から投光されて前記反射体または被検出物体で反射した光を受光するように直線状に配列された複数の受光手段を設け、これらの受光手段の受光タイミングまたは受光位置に基づいて前記反射体または被検出物体までの距離を測定する距離測定手段を設け、何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベル及び前記距離測定手段による測定距離が変化した場合に、前記被検出物体の検出を行う検出手段を設け、何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベルが変化し且つ前記距離測定手段による測定距離が変化しない場合は、光量異常であると判断する判断手段を設けたものである（請求項４）。

上記構成において、前記判断手段は、何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベルが変化せず且つ前記距離測定手段による測定距離が変化した場合は、前記距離測定手段が異常であると判断するようにしてもよい（請求項５）。

また、前記判断手段の判断結果を出力する出力手段を設けるようにしてもよい（請求項６）。

請求項１の発明によれば、検出領域に被検出物体が位置していない状態では、投光手段から投光された光は反射体で反射して受光手段で受光される。このとき、距離測定手段は、受光手段の受光状態に基づいて反射体までの距離を測定している。
検出領域に被検出物体が位置すると、受光手段の受光レベル及び距離測定手段による測定距離が変化するので、検出手段は、被検出物体を検出することができる。

請求項２の発明によれば、異常状態が発生したときは、受光手段の受光レベル及び距離測定手段による測定距離の何れか一方が変化するので、判断手段は、このような条件が成立したときは、異常状態が発生したと判断することができる。
請求項３または４の発明によれば、判断手段は、異常の内容を区別して判断するので、異常の内容を区分することができる。

請求項５の発明によれば、出力手段は、判断手段の判断結果を出力するので、異常状態に迅速に対処することができる。
請求項６ないし１０の発明によれば、本発明を多光軸型光電センサに適用することができる。

以下、本発明を反射型光電センサに適用した一実施例について図面を参照して説明する。
図１は光電センサの電気的構成を概略的に示す図である。この図１において、光電センサ１は、ＣＰＵ（検出手段、判断手段、出力手段に相当）２を主体として構成されている。投光回路３は、ＣＰＵ２から与えられる投光信号に応じてＬＥＤからなる投光素子４に投光電流を出力する。投光素子４は、投光電流に応じて点灯して所定周波数の光を投光する。投光素子４からの光は、投光レンズ５を通じて前方に投光される。フォトダイオードからなる受光素子６は、受光レンズ７を通じて集光した光を受光する。受光回路８は、受光素子６からの受光信号を増幅してＣＰＵ２に出力する。この場合、投光素子４及び投光回路３から投光手段が構成され、受光素子６及び受光回路８から受光手段が構成されている。

投受光時間測定回路（距離測定手段に相当）９は、ＣＰＵ２から投光回路３に投光電流が供給されたタイミングで計時を開始すると共に、受光回路８から受光信号が出力されたタイミングで計時を終了し、その計時時間をＣＰＵ２に出力する。この投受光時間測定回路９が投光タイミングから受光タイミングまでの投受光時間を測定する方法としては、極めて高速な発振器（発振周波数が例えば１ＧＨｚ）からのパルス信号をカウントするようになっている。

ＣＰＵ２はＡ／Ｄ変換回路１０を備えており、受光回路８からの受光信号をＡ／Ｄ変換回路１０によりデジタルデータに変換し、そのデジタルデータ及び投受光時間測定回路９からの投受光時間に基づいて後述するように被検出物体の検出を含む異常状態を検出したときは検出信号を出力するようになっている。
尚、光電センサ１からの検出信号は上位の制御装置（図示せず）に与えられ、制御装置では、光電センサ１から検出信号が出力されたときは、検出領域に例えば人が侵入して危険状態が発生したと判断し、監視対象の機械を停止するようになっている。つまり、本実施例の光電センサは、検出領域への人の侵入を検出する安全センサとして設置されている。

一方、光電センサ１に対して検出領域内の任意の規定距離には反射体１１が配置されている。この反射体１１は、その表面の反射率が高く且つ全反射しない材質、例えば白色の無光沢処理が表面に施された樹脂からなり、投光素子４からの光を散乱状態で反射するようになっている。

次に上記構成の作用について説明する。
光電センサ１を設置したときは、反射体１１を光電センサ１に対して検出距離内の任意の規定距離に配置する。この場合、光電センサ１と反射体１１との間が検出領域となる。
光電センサ１と反射体１１との間の検出領域に被検出物体が位置していない状態で光電センサ１に対して設定モードを指示する。すると、ＣＰＵ２は、設定モードを実行する。
図２は、ＣＰＵ２の設定モードを示している。この図２において、ＣＰＵ２は、投光動作を実行することにより投光信号を投光回路３に出力する。これにより、投光回路３から投光素子４に投光電流が与えられるので、投光素子４が点灯して光を前方に投光する。

投光素子４から前方に投光された光は、光電センサ１に対して規定距離に配置されている反射体１１で反射して受光素子６が受光する。受光回路８は、受光素子６からの受光信号を増幅してＣＰＵ２に出力する。
ＣＰＵ２は、受光動作を実行することにより受光回路８からの受光信号をＡ／Ｄ変換回路１０でデジタルデータに変換し、受光初期レベルＤｘとして記憶する。

ここで、投受光時間測定回路９は、ＣＰＵ２から投光信号が出力されたタイミングから受光素子６が受光信号を出力するタイミングまでの間の時間を測定し、その投受光時間をＣＰＵ２に出力する。つまり、投光タイミングから受光タイミングまでの間において、発振器から出力される１ｎsec周期のパルス信号をカウントすることにより投受光時間を測定しているのである。この場合、光は１ｎsecの間に約３００ｍｍ進行することから、反射体１１で折り返す場合の測定誤差は１カウント当り±１５０ｍｍとなる。

以上のようにして、設定モードを実行することにより、基準の受光初期レベルＤｘ及び投受光初期時間ｔｘを記憶したときは、光電センサ１に対して検出モードを指示する。
図３は、ＣＰＵ２の検出モードを示している。この図３において、ＣＰＵ２は、投光動作を実行することにより投光信号を出力してから（Ｓ２０１）、受光動作を実行することにより受光レベルＤｎを求めると共に（Ｓ２０２）、投受光時間測定回路９からの投受光時間ｔｎを入力する（Ｓ２０３）。

次に、上述のように求めた受光レベルＤｎが受光初期レベルＤｘと一致しているかを判断すると共に（Ｓ２０４）、投受光時間ｔｎが投受光初期時間ｔｘと一致しているかを判断し（Ｓ２０５）、それらの判断結果に基づいて検出状態を判断する。
即ち、検出領域に被検出物体が存在しない場合は、受光素子６は、図１に示すように投光素子４から投光されて反射体１１で反射した光を受光しているので、受光レベルＤｎと受光初期レベルＤｘとは一致している（Ｓ２０４：ＹＥＳ）。また、投受光時間測定回路９は、反射体１１までの距離を検出しているので、投受光時間ｔｎと投受光初期時間ｔｘとは一致している（Ｓ２０５：ＹＥＳ）。従って、ＣＰＵ２は、このような条件が成立しているときは、非検出状態の安全状態であると判断する（Ｓ２０６）。

さて、検出領域に人が侵入すると、図４に示すように投光素子４からの光が人（図４では縮小して示している）で反射するようになる。このとき、人の反射率は反射体１１よりも低いのが通常であることから、受光レベルＤｎは受光初期レベルＤｘよりも小さくなる（Ｓ２０４：ＮＯ）。また、人までの距離は反射体１１までの規定距離よりも小さいので、投受光時間ｔｎは投受光初期時間ｔｘよりも小さくなる（Ｓ２０５：ＮＯ）。従って、このような条件が成立したときは、ＣＰＵ２は、検出領域に被検出物体が位置したと判断し（Ｓ２１２）、物体検出の状態を報知すると共に（Ｓ２０８）、検出信号を出力するので（Ｓ２０９）、上位の制御装置は、危険状態が発生したとして監視対象の機械を停止する。

ところで、本実施例では、光電センサ１を安全センサとして使用していることから、光電センサ１に異常が発生したことにより危険領域への侵入を検知できない場合は、安全センサとしての機能を発揮することができなくなる。
そこで、本実施例では、次のようにして異常の発生に対して安全側となるようにした。
投光手段を構成する投光回路３及び投光素子４、受光手段を構成する受光回路８及び受光素子６の何れかが故障した場合は、受光レベルＤｎが零となり、受光レベルＤｎが受光初期レベルＤｘと異なると共に（Ｓ２０４：ＮＯ）、投受光時間ｔｎが投受光初期時間ｔｘと異なることから（Ｓ２１０：ＮＯ）、被検出物体を検出した場合と同じ条件が成立したと判断し（Ｓ２１２）、物体検出の状態を報知すると共に（Ｓ２０８）、検出信号を出力する（Ｓ２０９）。

また、何らかの要因で反射体１１が規定距離からずれた場合は、受光素子６の受光レベル及び測定距離の何れも変化することから（Ｓ２０４：ＮＯ、Ｓ２１０：ＮＯ）、被検出物体を検出したと同じ条件が成立したと判断し（Ｓ２１２）、物体検出の状態を報知すると共に（Ｓ２０８）、検出信号を出力する（Ｓ２０９）。従って、上位の制御装置は、異常状態が発生したと判断して監視対象の制御装置を停止する。

このような異常発生の場合、状態報知として物体検出が報知されるにしても、検出領域に被検出物体が存在しないことから、投受光系の異常、或いは反射体１１のずれの何れかであると判断することができる。

一方、投受光時間測定回路９が故障したときは、受光素子６の受光レベルＤｎは受光初期レベルＤｘと一致しているものの（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、投受光時間ｔｎが投受光初期時間ｔｘと異なることから（Ｓ２０５：ＮＯ）、このような場合は、ＣＰＵ２は、距離測定異常と判断し（Ｓ２０７）、その状態を報知すると共に（Ｓ２０８）、検出信号を出力する（Ｓ２０９）。

また、投光レンズ５或いは受光レンズ７が汚れたとき、或いは投光量または受光量が低下したときなどのように光量異常が発生したときは、受光素子６の受光レベルが低下するものの（Ｓ２０４：ＮＯ）、投受光時間測定回路９による投受光時間ｔｎは投受光初期時間ｔｘと一致しているので（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、このような場合は、ＣＰＵ２は、窓汚れであると判断し（Ｓ２１１）、その状態を報知すると共に（Ｓ２０８）、検出信号を出力する（Ｓ２０９）。

従って、光電センサ１から検出信号が出力されたときは、報知された状態を確認することにより異常に対して迅速に対処することができる。
このような実施例によれば、ＣＰＵ２は、受光素子６の受光レベル及び投受光時間の少なくとも一方が初期値から変化したときは、異常が発生したと判断し、物体検出時と同様に検出信号を出力するので、光電センサ１に異常が発生したときは外部に物体検出と同じ状態を報知することができる。従って、光電センサに異常が生じた場合は、危険側の故障となる従来例のものと違って、故障が発生したり、窓よごれが発生したりするにしても、安全側の故障となるので、監視対象の機械を確実に停止することができ、安全センサとして実施することができる。

しかも、検出信号を出力する際は異常の状態を同時に報知するようにしたので、異常に対して迅速に対処することができる。
本発明は、上記実施例に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
距離を測定する手段としては、ＣＰＵでソフト的に検出するようにしてもよいし、投受光時間に代えて、三角測量方式を用いるようにしてもよい。この場合、受光素子としては、イメージセンサ、或いはＰＳＤ(Position Sensitive Device)を用いるようにしてもよい。

本発明を多光軸型光電センサに適用するようにしてもよい。この場合、何れかの光軸の受光レベル及び測定距離が変化したときは被検出物体を検出したとする。また、何れかの光軸の受光レベル及び測定距離の何れかが変化したときは異常を報知する。このように多光軸型光電センサに適用した場合、光軸ずれを検出することも可能となる。

本発明の一実施例を示す光電センサの電気的構成を示すブロック図 ＣＰＵの設定モード動作を示すフローチャート ＣＰＵの検出モード動作を示すフローチャート 人の検出状態で示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は光電センサ、２はＣＰＵ（検出手段、判断手段、出力手段）、３は投光回路（投光手段）、４は投光素子（投光手段）、６は受光素子（受光手段）、８は受光回路（受光手段）、９は投受光時間測定回路（距離測定手段）、１１は反射体である。

Claims (6)

1. 投光手段と、
   この投光手段に対して検出領域内の規定距離に配置された反射体と、
   前記投光手段から投光されて前記反射体または被検出物体で反射した光を受光する受光手段と、
   この受光手段の受光タイミングまたは受光位置に基づいて前記反射体または被検出物体までの距離を測定する距離測定手段と、
   前記受光手段の受光レベル及び前記距離測定手段による測定距離が変化した場合に、前記被検出物体の検出を行う検出手段と、
   前記受光手段の受光レベルが変化し且つ前記距離測定手段による測定距離が変化しない場合は、光量異常であると判断する判断手段とを備えたことを特徴とする光電センサ。
2. 前記判断手段は、前記受光手段の受光レベルが変化せず且つ前記距離測定手段による測定距離が変化した場合は、前記距離測定手段が異常であると判断することを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
3. 前記判断手段の判断結果を出力する出力手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光電センサ。
4. 直線状に配列された複数の投光手段と、
   これらの投光手段に対して検出領域内の規定距離に配置された反射体と、
   前記投光手段から投光されて前記反射体または被検出物体で反射した光を受光するように直線状に配列された複数の受光手段と、
   これらの受光手段の受光タイミングまたは受光位置に基づいて前記反射体または被検出物体までの距離を測定する距離測定手段と、
   何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベル及び前記距離測定手段による測定距離が変化した場合に、前記被検出物体の検出を行う検出手段と、
   何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベルが変化し且つ前記距離測定手段による測定距離が変化しない場合は、光量異常であると判断する判断手段とを備えたことを特徴とする多光軸型光電センサ。
5. 前記判断手段は、何れかの光軸に対応して設けられた前記受光手段の受光レベルが変化せず且つ前記距離測定手段による測定距離が変化した場合は、前記距離測定手段が異常であると判断することを特徴とする請求項４記載の多光軸型光電センサ。
6. 前記判断手段の判断結果を出力する出力手段を備えたことを特徴とする請求項４または５記載の多光軸型光電センサ。

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