JP5069016B2

JP5069016B2 - 光学式変位センサ

Info

Publication number: JP5069016B2
Application number: JP2007030091A
Authority: JP
Inventors: 和彦平井
Original assignee: SICK OPTEX CO., LTD.
Current assignee: SICK OPTEX CO., LTD.
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP2008196877A

Description

本発明は、測定対象物に光を照射する投光素子と、照射された光の測定対象物からの反射光を受光する受光素子とを有して、測定対象物の変位量を検出する光学式変位センサに関する。

一般に、測定対象物の変位量を検出して、例えば測定対象物までの距離を得る光学式変位センサは、センサヘッドと専用のデータ処理装置（アンプユニット）とを有する。センサヘッドは、測定対象物に光を照射する投光素子と、照射された光の測定対象物からの反射光を受光するイメージセンサのような受光素子とを持ち、受光データまたはこの受光データに基づいて例えば三角測距方式で演算した変位データを検出する。専用アンプユニットは、センサヘッドから出力された変位データなどの表示の処理およびデータ変換などの処理を行う。測定対象物Ｍの変位量は例えば測定対象物Ｍの厚みや高さなどの寸法測定に利用される。

前記三角測距方式は、図３に示すように、投光素子１から出射された光を投光レンズＬ１を通して測定対象物Ｍに照射し、測定対象物Ｍからの反射光を受光レンズＬ２を通してリニアイメージセンサ２で受光し、このイメージセンサ２への反射光の受光スポット位置に基づき測定対象物Ｍまでの距離を検出するようになっている。例えば、測定対象物Ｍがセンサに近づくと集光点は画素番号０側の方向に移動し、遠ざかると画素番号Ｎ側の方向に移動するので、その反射光の受光スポット位置の変化に基づき測定対象物Ｍまでの距離を検出することができる。図４は、リニアイメージセンサ２に入射した反射光の受光量分布の一例を示す図である。この受光量分布に基づいて最大受光量を示す集光点が受光スポット位置となる。

従来から、この光学式変位センサにおいて特に高精度で、データ変換処理や各種演算などが可能な高機能のものとして、センサヘッドと専用アンプユニットとが別々に構成されて、この２つを専用の信号線で接続したものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−１４４１７号公報

しかし、従来の光学式変位センサは、センサヘッドと専用アンプユニットの組合せでセンサ機能を有するように構成されているため、専用アンプユニットと切り離したセンサヘッド単体とプログラマブルロジックコントロール（ＰＬＣ）のような汎用のデータ処理装置との接続ができなかった。このため、ユーザーによっては、センサヘッドと専用アンプユニットを接続して高機能を得るだけでなく、専用アンプユニットを接続することなく市販のＰＣ等によりセンサヘッド単体だけを用いて簡易に受光データまたは変位データを取得したい場合もあり、従来の光学式変位センサではかかる要望に対応することが困難であった。

本発明は、前記の問題点を解決して、センサヘッドと専用のデータ処理装置（アンプユニット）の接続が可能であるとともに、専用のデータ処理装置を切り離したセンサヘッド単体でも汎用のデータ処理装置に容易に接続可能な光学式変位センサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る光学式変位センサは、測定対象物に光を照射する投光素子、照射された光の測定対象物からの反射光を受光する受光素子、およびセンサヘッド全体の制御を行うヘッド制御手段を有して、検出した受光データまたは変位データを出力するセンサヘッドと、前記センサヘッドからの前記データを伝送する汎用のシリアル接続のインターフェースとを備え、前記センサヘッドと、少なくとも前記センサヘッドから出力された変位データの表示およびデータ変換の処理を行う専用アンプユニットからなる専用のデータ処理装置の組合せからなり、前記センサヘッドが前記汎用インターフェースを介して専用のデータ処理装置に接続可能なものと、前記専用のデータ処理装置を有しない前記センサヘッド単体からなり、前記センサヘッドが前記汎用インターフェースを介して汎用のデータ処理装置に直接接続可能なものとが、選択可能に設けられているとともに、前記センサヘッドは、前記汎用のデータ処理装置または前記専用のデータ処理装置に接続されたことを検出する接続検出部と、この接続検出に基づいて、前記汎用のデータ処理装置または前記専用のデータ処理装置のそれぞれに対応するデータ伝送速度に自動的に変換するデータ伝送速度変換部とを有する伝送速度変更手段を備えている。

この構成によれば、前記センサヘッドは前記汎用インターフェースを介して専用のデータ処理装置だけでなく汎用のデータ処理装置にも接続可能に設けられているので、センサヘッドと専用のデータ処理装置の接続だけでなく、専用のデータ処理装置と切り離したセンサヘッド単体でも汎用インターフェースを用いて汎用のデータ処理装置に容易に接続でき、センサヘッド単体から汎用のデータ処理装置へ受光データまたは変位データを出力するという簡易な接続が可能となる。また、センサヘッド単体での接続のほかに、センサヘッドと専用アンプユニットを用いてデータ変換処理などの複雑な処理を行うことができる。さらに、センサヘッドと専用アンプユニットの接続時に、センサヘッド単体接続時における汎用のデータ処理装置のデータ伝送速度よりも高速のデータ伝送速度に変更することができる。

好ましくは、前記センサヘッドは、前記センサヘッド単体と前記汎用のデータ処理装置の接続時には通信表示を行い、前記センサヘッドと前記専用アンプユニットの接続時には測定対象物までの距離表示を行うＬＥＤからなる表示手段を備えている。したがって、光学式変位センサの動作状態を容易に把握できる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光学式変位センサを示す構成図である。図１（Ａ）に示すように、本センサは、測定対象物Ｍに光を図示しない投光レンズを通して照射する投光素子（半導体レーザー）１、照射された光の測定対象物Ｍからの反射光を図示しない受光レンズを通して受光する受光素子２、およびセンサヘッド全体の制御を行うヘッド制御手段１０を有して、検出した測定対象物Ｍの変位データを出力するセンサヘッド３と、センサヘッド３からの変位データを専用のデータ処理装置７または汎用のデータ処理装置８へ伝送する汎用のシリアル接続のインターフェース５とを備えている。前記測定対象物Ｍの変位データ（変位量）に基づいて得られる例えば測定対象物Ｍまでの距離は、測定対象物Ｍの厚みや高さ等の寸法測定などに利用される。

前記専用のデータ処理装置７は例えば専用アンプユニットからなり、センサヘッド３から出力された変位データの表示およびデータ変換などの処理を行う。前記汎用のデータ処理装置８は、例えばプログラマブルロジックコントロール（ＰＬＣ）、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）およびＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ）などからなる。

この例では、投光素子１から照射された光の測定対象物Mの反射光を受光素子２で受光した受光データに基づいて、ヘッド制御手段１０の演算により変位データを得て、当該変位データを出力しているが、変位データに代えて、受光データそのものを出力するようにしてもよい。また、センサヘッド３が複数台（３台）設けられているが、１台だけ設けられてもよい。

本センサは、図１（Ａ）のように、センサヘッド３と専用アンプユニット７の組合せからなるものであって、センサヘッド３が汎用インターフェース５を介して専用アンプユニット７に接続可能に設けられるとともに、図１（Ｂ）のように、専用アンプユニット７を有しないセンサヘッド３単体からなるものであって、センサヘッド３が汎用のデータ処理装置８に直接接続可能に設けられている。つまり、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続と、センサヘッド３単体の使用であるセンサヘッド３単体と汎用のデータ処理装置８の接続とが選択可能に設けられている。図１（Ａ）では、専用アンプユニット７に汎用のデータ処理装置８が接続されているが、必要に応じて汎用のデータ処理装置８を省略してもよい。

図１（Ａ）の投光素子１には、例えばレーザー駆動回路４で駆動される半導体レーザーダイオード（ＬＤ）が使用される。受光素子２としてはリニアイメージセンサやＰＳＤ（位置検出素子）等が挙げられるが、この例ではリニアイメージセンサが用いられる。リニアイメージセンサ２としては、複数の画素に蓄積された信号電荷をシフトレジスタに一括伝送した後に順次出力するＣＣＤタイプのイメージセンサや、複数の画素で蓄積される信号電荷を逐次伝送して出力するタイプのイメージセンサなどが用いられる。

汎用インターフェース５には、汎用のシリアル接続のＲＳ４２２、ＲＳ４８５、ＲＳ２３２Ｃなどが使用される。この例では、ＲＳ４２２が、センサヘッド３のＲＳ４２２トランシーバ５ａと専用アンプユニット７のＲＳ４２２トランシーバ５ｂ間でツイストペア構造通信ケーブルのような汎用ケーブル９を介して受光データを伝送する。このツイストペア構造通信ケーブルは、２本のケーブルをより合せることにより磁束を打ち消し合いノイズを軽減することができるので、高速伝送時のノイズによるデータ伝送速度の低下を軽減することができる。

センサヘッド３から出る汎用ケーブル９は１系統のみであり、センサヘッド３と専用アンプユニット７とは上述したように接続されるとともに、センサヘッド３と汎用のデータ処理装置８とは、センサヘッド３のＲＳ４２２トランシーバ５ａから、汎用ケーブル９を介して、汎用のデータ処理装置８に設けられたインターフェース入力部に接続される。

前記専用アンプユニット７は、センサヘッド３が設定できる低速から高速までのすべてのデータ伝送速度（ボーレート（baud rate））に対応できるように設けられているが、前記ＰＬＣやＰＣ等のような汎用のデータ処理装置８は、必ずしもセンサヘッド３が設定できるすべてのデータ伝送速度に対応できるとは限らない。

そこで、図１（Ａ）のセンサヘッド３は、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続時にそのデータ伝送速度を、センサヘッド３単体と汎用のデータ処理装置８の接続時のデータ伝送速度から変更する伝送速度変更手段１２を備えている。この伝送速度変更回路１２は、センサヘッド３と専用アンプユニット７とが汎用インターフェース５を介して接続したことを検出する接続検出部と、この接続検出に基づいて汎用のデータ処理装置８のデータ伝送速度よりも高速のデータ伝送速度（ボーレート）に自動的に変換するボーレート変換部とを備えている。このデータ伝送速度の変更は、専用アンプユニット７のＲＳトランシーバ５ｂへの汎用ケーブル９の接続検出に基づきアンプ制御手段２０からの汎用ケーブル９を介した各センサヘッド３へのコマンド送信に基づいて行われる。

この場合、専用アンプユニット７と切り離したセンサヘッド３単体で接続する時のデータ伝送速度は、例えば、すべての汎用のデータ処理装置８に対応可能な低速（9600bpsなど）に自動設定され、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続時に、センサヘッド３が設定できる、例えば最高速のデータ伝送速度に自動的に変換される。なお、専用アンプユニット７では、周囲のノイズ状況や通信ケーブルなどの条件によって、後述するユーザーインターフェース２６で他のデータ伝送速度に設定することが可能であり、汎用のデータ処理装置８では、ユーザーが当該装置の通信仕様などの条件により、任意のデータ伝送速度に再設定することが可能である。

これにより、センサヘッド３単体で接続する時のデータ伝送速度を、汎用のデータ処理装置８に対応可能に自動設定できるとともに、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続時に、センサヘッド３単体接続時における汎用のデータ処理装置８のデータ伝送速度よりも高速のデータ伝送速度に自動的に変更することができる。

前記センサヘッド３は、センサヘッド３単体での接続時には通信表示を行い、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続時には測定対象物Ｍまでの距離表示を行うＬＥＤ（発光ダイオード）からなる表示手段（表示部）１３を備えている。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つのＬＥＤにより、通信表示ではどの程度データ伝送が実行されているかの表示を、距離表示では遠、中、近の距離表示を行う。したがって、本センサの動作状態を容易に把握できる。

図２に示すように、ヘッド制御手段（ヘッドコントロール回路）３は、さらに、受光量分布取得手段１５、測定値平均化手段１６、感度調整手段（シャッタ制御手段）１７および閾値調整手段１８を有する。受光量分布取得手段１５は、リニアイメージセンサ２の各画素の受光量分布データを取得する。この受光量分布データは、測距データの他に、本センサの設置場所における受光状態の確認や、閾値調整手段１８の閾値の可変に使用される。測定値平均化手段１６は、受光データについて例えば移動平均法を用いた演算を行って平均化する。この平均化により所望の分解能や応答速度などが得られる。

ヘッド制御手段３は、受光データを得るためにリニアイメージセンサ２の全画素の蓄積電荷を読み出す時間を制御するサンプリング制御を行うが、前記感度調整手段１７は、測定対象物Ｍの光の反射率の大きさに応じてリニアイメージセンサ２に対するシャッタの開度を自動調節する制御を行って、感度を調整する。これにより、測定対象物Ｍの光の反射率の大きさに応じてリニアイメージセンサ２に対するシャッタ制御を行うので、測定対象物Ｍの種類の変化に対して、サンプリング周期を一定にしながらシャッタ開時間を変化させることにより、投光パワー、投光時間だけでなくサンプリング周期を一定にしながら、測定対象物Ｍの種類にかかわらず一定の受光レベルが得られる。

前記閾値調整手段１８は、受光レベルの閾値に基づいてリニアイメージセンサ２の受光レベル分布のピーク位置を判定するピーク位置判定部と、リニアイメージセンサ２の受光量の大きさに基づいて閾値を調整して設定する閾値設定部とを備えている。閾値設定部では、リニアイメージセンサ２の受光量の大きさに基づいて、例えば受光量分布取得手段１５から得られたリニアイメージセンサ２の各画素の受光量の総和に基づいて、受光レベルの閾値を調整して設定したとき、その設定された閾値に基づいて、ピーク位置判定部がリニアイメージセンサ２の受光レベル分布のピーク位置を判定する。例えばピーク位置判定部は、従来と同様に、受光レベル分布における閾値に等しい２つの座標の中間位置をピーク位置と判定する。そして、受光レベル分布がピーク位置に対して左右非対称な波形であっても、比較的高い特定の受光レベル以上の頭部側の分布部分のみを抽出すればピーク位置に対しほぼ左右対称の波形となる。これにより、この抽出したピーク位置は実際のピーク位置に近く、これに基づいて正確に距離を測定できる。

図１（Ａ）の専用アンプユニット７は、センサヘッド３から出力された変位データの表示およびデータ変換や各種演算などの複雑な処理を行うので、センサヘッド３と専用アンプユニット７を組み合わせることにより、高機能センサを実現することができる。

図１（Ａ）の専用アンプユニット７では、汎用のデータ処理装置８としてプログラマブルロジックコントロール（ＰＬＣ）に接続される場合には制御入出力部２１が接続され、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等に接続される場合にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等インターフェース（ＲＳ２３２Ｃ、ＵＳＢ）２２が接続され、ＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ）に接続される場合にはアナログインターフェース２３が接続される。その他にユーザー接続に供するユーザーインターフェース２６が設けられている。

アンプ制御手段（アンプコントロール回路）２０は、専用アンプユニット７全体を制御するもので、センサヘッド３にて各制御を行わせるコマンドを生成する。この生成された各コマンドがヘッド制御手段（ヘッドコントロール回路）１０に送信されて、前記した変位データまたは受光データの出力の切り替え、データ伝送速度の変更、および前記した各手段１５〜１８の処理などを含むセンサヘッド３における制御が行われる。

このように、専用アンプユニット７からのコマンドに基づいてセンサヘッド３が制御されるので、センサヘッド３には切換スイッチが設けられておらず、仮に切換スイッチを設けた場合における開口部からセンサヘッド３内への浸水等のおそれがないことから、防水効果を有する。

図１（Ｂ）は、センサヘッド３が汎用インターフェース５を介して、専用アンプユニット７を接続することなくセンサヘッド３単体を、ＰＬＣやＰＣ等の汎用のデータ処理装置８に直接接続したものである。その他のセンサヘッド３の構成は図１（Ａ）と同様である。

センサヘッド３のＲＳ４２２トランシーバ５ａと汎用のデータ処理装置８とは、各インターフェース入力部に汎用ケーブル９を介して接続される。汎用のデータ処理装置８のうち例えばＰＬＣでは、インターフェース入力用端子台が設けられて、汎用ケーブル９と接続可能になっている。また、例えばＰＣでは、ＲＳ４２２コネクタではなく他のＲＳ２３２Ｃコネクタが設けられている場合には、ＲＳ４２２−ＲＳ２３２Ｃ変換接続用コネクタのような各汎用インターフェース間の変換接続手段を用いて接続される。こうして、汎用インターフェース５は、センサヘッド３単体の接続時、およびセンサヘッド３と専用アンプユニット７の接続時にもそれぞれ共通して接続することができる。

図１（Ｂ）のセンサヘッド３単体の接続では、図１（Ａ）に示された専用アンプユニット７のアンプ制御手段２０からではなく、ＰＬＣやＰＣ等のような汎用のデータ処理装置８内で予めコマンドが生成されてヘッド制御手段（ヘッドコントロール回路）１０へ送られる。こうして、ユーザー側では汎用ケーブル９の接続を専用アンプユニット７からＰＬＣやＰＣ等の汎用のデータ処理装置８へ差し替えるだけで、変位データまたは受光データを容易に得ることができる。

このように、本発明では、センサヘッド３は汎用インターフェース５を介して専用のデータ処理装置（アンプユニット）７だけでなく汎用のデータ処理装置８にも接続可能であるように設けられているので、センサヘッド３と専用のデータ処理装置７の接続だけでなく、専用のデータ処理装置７と切り離したセンサヘッド３単体でも汎用インターフェース５を用いて汎用のデータ処理装置８に容易に接続でき、センサヘッド３単体から汎用のデータ処理装置８へ受光データまたは変位データを出力するという簡易な接続が可能となる。

これにより、変位データや受光データの取得のような高機能を必要としないユーザーはセンサヘッド３単体のみを接続するので、汎用のデータ処理装置８を用いた安価なシステムを構築できる。また、データ変換処理や各種演算処理などの高機能を必要とする場合には、センサヘッド３と専用アンプユニット７を組み合わせることにより実現できる。

なお、この実施形態では、センサヘッド３と専用アンプユニット７の接続と、センサヘッド３単体と汎用のデータ処理装置８の接続とが選択可能に設けられているが、センサヘッド３と汎用のデータ処理装置８のみを接続するようにしてもよい。

（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光学式変位センサを示すブロック構成図である。同光学式変位センサのヘッド制御手段を示すブロック構成図である。三角測距方式を示す側面図である。受光量分布の一例を示す図である。

符号の説明

１：投光素子（ＬＤ）
２：受光素子（リニアイメージセンサ）
３：センサヘッド
５：汎用インターフェース（ＲＳ４２２等）
７：専用のデータ処理装置（アンプユニット）
８：汎用のデータ処理装置（ＰＬＣ等）
９：汎用ケーブル
１０：ヘッド制御手段（ヘッドコントロール回路）
１２：伝送速度変更回路
１３：表示手段（表示部）
１５：受光量分布取得手段
１６：測定値平均化手段
１７：感度調整手段
１８：閾値調整手段
２０：アンプ制御手段（アンプコントロール回路）
Ｍ：測定対象物

Claims

測定対象物に光を照射する投光素子、照射された光の測定対象物からの反射光を受光する受光素子、およびセンサヘッド全体の制御を行うヘッド制御手段を有して、検出した受光データまたは変位データを出力するセンサヘッドと、
前記センサヘッドからの前記データを伝送する汎用のシリアル接続のインターフェースとを備え、
前記センサヘッドと、少なくとも前記センサヘッドから出力された変位データの表示およびデータ変換の処理を行う専用アンプユニットからなる専用のデータ処理装置の組合せからなり、前記センサヘッドが前記汎用インターフェースを介して専用のデータ処理装置に接続可能なものと、前記専用のデータ処理装置を有しない前記センサヘッド単体からなり、前記センサヘッドが前記汎用インターフェースを介して汎用のデータ処理装置に直接接続可能なものとが、選択可能に設けられているとともに、
前記センサヘッドは、前記汎用のデータ処理装置または前記専用のデータ処理装置に接続されたことを検出する接続検出部と、この接続検出に基づいて、前記汎用のデータ処理装置または前記専用のデータ処理装置のそれぞれに対応するデータ伝送速度に自動的に変換するデータ伝送速度変換部とを有する伝送速度変更手段を備えた、光学式変位センサ。