JP5654639B2 - 移動体の端部検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、物体（以下、「移動体」）を走行あるいは回転させている間に、その端部の位置を検出する装置に関する。この発明は、特に移動体の蛇行、反り、よれ、偏芯の有無を判定するために好適に用いられる。

印刷用紙、搬送用無端ベルト、記録媒体ディスク、プラスチックシートなどの移動体は、走行又は回転中に蛇行、反り、よれ、偏芯などの予定外の動きをすると、印刷、搬送、記録が適正に行われない。そこで、これを防止するために、移動体の端部の位置を検出し、検出データに応じて移動体の動きが制御されている。
このような移動体の端部の位置を検出するために、従来より発光器と、発光器からの光を受光する受光器とを備え、検出対象物の有無を光学的に検出するフォトインタラプタ（特許文献１）やＣＣＤセンサが知られている。受光器は、フォトインタラプタの場合はフォトトランジスタ、ＣＣＤセンサの場合はフォトトランジスタ及びＣＣＤからなる。

ＣＣＤセンサは分解能が高く、これを受光器に用いた例として、移動体の移動方向に直交する方向に直線状に配置された複数の光電変換素子（ＣＣＤ）からなるエッジ位置検出装置が提案されている（特許文献２）。この装置においては、各光電変換素子は、受光量に応じた一定の電圧を出力する。そして、発光器と受光器との間を移動体が通過する際に、移動体により遮光された光電変換素子の出力値と移動体により遮光されていない光電変換素子の出力値との中間の出力値を示す光電変換素子の位置が移動体の端部に対応すると判定される。

特開２００４−０１０１７９号公報 特許第３９３２５１２号公報

しかし、フォトインタラプタは、発光器の光量変化や受光素子の感度の影響を受けやすいため、複雑な補正回路を必要とし高コストを強いられるか、又は分解能の低下に甘んじなければならない。また、ＣＣＤセンサは、それ自体高価であるうえ、信号処理に高いコストがかかる。しかも発光器及び受光器の品質のバラツキに伴って出力値がばらつくため、制御や調整が複雑である。そして、いずれの方式も対応可能な移動体のサイズが装置毎に定まっている。

それ故、この発明の第一の課題は、補正回路が無くても精度のばらつきが無く、発光素子または受光素子の各個別の特性や、発光素子または受光素子の汚れなどに起因する受光量の差異に影響されることがなく、高精度で検出可能な端部検出装置を提供することにある。第二の課題は、種々のサイズの移動体に適応可能な検出装置を提供することにある。第三の課題は、小型で耐久性に優れた端部検出装置を安価に提供する。

その課題を解決するために、この発明の移動体の端部検出装置は、
Ｚ方向に移動する移動体のＸ方向の端部の位置を非接触状態で検出する装置において、
Ｙ方向に光を発する発光素子と、
移動体の通路を間にして前記発光素子とＹ方向に対向し、Ｘ方向に昇順又は降順に配列したｎ個（ｎは３以上の正の整数）の受光素子Ｄ１、Ｄ２、・・・Ｄｎと、
隣り合う受光素子の受光の有無ないし受光量の差を各々比較し、比較した結果を異なる電圧もしくは信号で出力する比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１と、
前記比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１の出力に基づいて、遮光された受光素子の数と比例又は反比例する電圧もしくは信号、又は設定した電圧もしくは信号に達した旨の信号を出力する演算部と
を備えることを特徴とする。

この発明の装置では、一次元に配列したｎ個（ｎは３以上の正の整数）の受光素子の隣り合う受光素子の受光の有無を対応する比較器が各々比較して、二値化された信号などの異なる電圧もしくは信号で出力する。例えば、隣り合う受光素子の一方又は両方が受光したときはローレベルの電圧を、両方が受光していないときはハイレベルの電圧を各比較器が出力する。そして、演算部が、前記比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１の出力に基づいて、遮光された受光素子の数と比例又は反比例する電圧もしくは信号、又は設定した電圧もしくは信号に達した旨の信号を出力する。これにより、演算部が出力する値とＸ方向の位置とが一次相関を示す。従って、Ｘ方向の既知の位置に対応する演算部の出力値を予め取得しておくことで、出力値から移動体のＸ方向端部位置を判定することができる。

前記演算部は、前記比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１の後段に各々接続されたトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０と、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０の動作に基づいて抵抗分圧比が段階的に切換えられる分圧回路とを有する。この構成によれば、比較器の出力に基づいてトランジスタが各々ON/OFFし、抵抗分圧比を切換える。一つのトランジスタの切換えで、出力値が一段増減するため、低コストで前記の一次相関が達成される。前記演算部は、比較器Ｃｍの出力を比較器Ｃｍ−１の出力に累積減算又は累積加算することによって出力するものであってもよい。

この発明の装置によれば、移動体によって遮光されている受光素子と遮光されていない受光素子とで比較器が差動をとることができれば足りる。このため、光量が低くても支障ないし、補正回路が無くても精度のばらつきが無く、発光素子または受光素子の各個別の特性や、発光素子または受光素子の汚れなどに起因する受光量の差異に影響されることがない。その結果、高精度で安定的な検出が可能である。また、演算部が出力する値とＸ方向の位置とが一次相関を示すので、種々のサイズの移動体に適応可能である。更に、補正回路を要しないので小型であり、非接触で検出するので耐久性に優れる。

実施形態１の端部検出装置を示す斜視図である。 （ａ）は同装置の正面図、（ｂ）は同装置の平面図、（ｃ）は同装置の右側面図、（ｄ）は（ａ）のＡＡ矢視断面図である。 同装置に用いられている受光器を示す正面図である。 同装置の使用状態を示す斜視図である。 同装置の回路ブロック図である。 フォトダイオードの位置と演算部の出力電圧との関係を示すグラフである。 演算部から出力される電圧値と端部位置情報とを関連付けた変換テーブルである。 Ｘ方向の端部位置情報の経時変化を示す図である。 移動体が回転ディスクであるときの端部位置検出装置の使用方法を示す平面図である。 移動体が給紙カセットの押し上げ板であるときの端部位置検出装置の使用方法を示す鉛直方向断面図である。 移動体が長いウェブＧであるときの端部位置検出装置の使用方法を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＢＢ矢視断面図である。 実施形態５の検出装置に用いられる受光器を示す正面図である。 実施形態６の検出装置の回路ブロック図である。 実施形態７の検出装置の回路ブロック図である。

−実施形態１−
この発明の端部検出装置を実施形態に基づいて図面とともに具体的に説明する。図１は実施形態の端部検出装置を示す斜視図、図２（ａ）は同装置の正面図、図２（ｂ）は同装置の平面図、図２（ｃ）は同装置の右側面図、図２（ｄ）は図２（ａ）のＡＡ矢視断面図、図３は同装置に用いられている受光器を示す正面図、図４は同装置の使用状態を示す斜視図、図５は同装置の回路ブロック図である。

便宜上、図４において向かって左右方向をＸ方向、上下方向をＹ方向とする。検出装置１は、Ｚ方向に移動する移動体としての印刷用紙ＰのＸ方向の端部の位置を非接触状態で検出するもので、発光素子２、受光素子アレイ３、保持体４、集積回路５及び演算部６を備える。

発光素子２は、Ｙ方向に光を発する発光ダイオードであって、その表面にはコリメートレンズ２ａが取り付けられている。受光素子アレイ３は、移動体Ｐの通路を間にして発光素子２とＹ方向に対向し、Ｘ方向に０．１ｍｍピッチで配列した２１個の受光素子としてのフォトダイオードＤ１、Ｄ２、・・・Ｄ２１からなる。保持体４は、樹脂にてコの字型に一体成形されたモノリシック構造をなし、移動体Ｐの通路と干渉しないように空間を保って一方の側に発光素子２、他方の側に受光素子アレイ３を保持している。フォトダイオードＤ１、Ｄ２、・・・Ｄ２１は、保持体４の連結部分４ａに近い側から遠い側に向かって降順に配列されている。

集積回路５は、受光素子アレイ３に各フォトダイオードと電気的に接続するように保持体４に固定されている。集積回路５には、図５に示すように多数の増幅器、比較器及び信号調整回路が組み込まれている。演算部６は、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０と、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０の動作に基づいて抵抗分圧比が段階的に切換えられる抵抗Ｒ１〜Ｒ２１を含む分圧回路とからなる。フォトダイオードＤ１の出力端子は増幅器を介して比較器Ｃ１の入力端子に接続されている。そして、フォトダイオードＤ１を除く各フォトダイオードＤｍの出力端子は二つに分岐しており、一方の分岐がそれぞれ増幅器Ａ０１２、Ａ０２２・・・を介してＣｍの非反転入力端子に接続され、他方の分岐がそれぞれ増幅器Ａ０２１、Ａ０３１・・・を介して比較器Ｃｍ−１の反転入力端子に接続されている。尚、増幅器の符号は、全て図示すると図面が煩雑となるので省略するが、三桁の数字のうち最も右側の数字「１」及び「２」がそれぞれ比較器の反転入力端子及び非反転入力端子に接続していることを示し、残り二桁がフォトダイオードの符号の数字と対応している。

各比較器Ｃｍの出力端子は、それぞれ対応するトランジスタＱｍのベースに接続されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ２１は、出力をステップ電圧とするための主要素であって互いに直列に接続されており、Ｒ１側の末端の電極がGNDに接続され、Ｒ２２側の末端の電極が電源端子に接続されている。Ｒ１〜Ｒ２１は各抵抗間（抵抗ＲｍとＲｍ＋１との間）で各トランジスタＱｍのコレクタと接続されている。エミッタはGNDに接続されている。各トランジスタのＯＮ/ＯＦＦにより、抵抗分圧が行われ、抵抗分圧値に見合った出力がなされる。抵抗Ｒ２１とＲ２２との接続点より、ボルテージフォロア回路７を介して出力電圧Ｖoutが取り出される。

比較器Ｃ１はフォトダイオードＤ１、Ｄ２の光電流を各々増幅器Ａ０１２、Ａ０２１を介して差動を取り、Ｃ２はＤ２、Ｄ３の光電流を各々増幅器Ａ０２２、Ａ０３１を介して差動を取り、Ｃ２０はＤ２０、Ｄ２１の光電流を各々増幅器Ａ２０２、Ａ２１１を介して差動を取る。比較器には各々Ｓ１〜Ｓ２０の信号安定回路が信号安定化のために設けられている。差動増幅器８は比較器Ｃ１〜Ｃ２０の動作を安定させるためのもので、その入力端子にフォトダイオードＤ２１と定電流源９が接続され、出力端子に信号安定回路Ｓ２１を介して比較器Ｃ２０が接続されている。

この構成によれば、比較器ＣｍがＨＩＧＨとなるとトランジスタＱｍがＯＮとなって、コレクタに電流が流れ、抵抗Ｒ１〜Ｒ２０の合成抵抗がＲｍとＲｍ＋１との間で分断される。従って、フォトダイオードＤ１からＤ２１までの範囲における遮光の程度に応じて比較器Ｃｍ、トランジスタＱｍが動作し、抵抗分圧比が切り替わって出力電圧値

として出力される。図６はフォトダイオードの位置と演算部の出力電圧との関係を示すグラフであり、横軸の数字は比較器の番号と対応している。全てのダイオードが受光した時は出力が３．３Ｖ、全てが遮光された時は出力が０．８Ｖとなる。例えばＤ１０とＤ１１との間に移動体の端部が位置していてＤ１からＤ１０までのダイオードだけが遮光され、Ｄ１１以降は受光したとする。この場合、Ｃ１からＣ１０までの比較器は、各々ＨＩＧＨとなり、Ｒ１〜１０までがＧＮＤレベルにショートカットされ、分圧抵抗値が減少して出力値２Ｖを出力する。

ボルテージフォロア回路７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを含む図略のコンピュータに接続されており、出力電圧値２Ｖがコンピュータ処理により図７の変換テーブルに基づいて２ｍｍという端部位置情報に変換される。変換テーブルは、電圧値と端部位置情報とが一次相関を示すように関連付けたものであり、ハードディスク、ＣＤなどの記憶媒体に記憶されている。コンピュータは、移動体のＸ方向の端部位置情報を既定値と比較することにより移動体端部が所望の位置にあるかどうかを判定し、更に、既定値からどれだけ離れているかを判定する判定部を備える。即ち、例えば既定値を１．５ｍｍ、所望の位置が１．５±０．１ｍｍとしたとき、判定部は前記移動体の端部が所望の位置に無いと判定し、０．５ｍｍ離れていると判定する。こうして端部の位置及びそのずれの程度を検出することができる。この既定値は移動体のＸ方向サイズに応じて定めればよい。

移動体は、放置していても自動的に既定の位置に矯正されることがある。従って、移動体の端部が所望の位置から外れる度に位置ずれと判定していては、機械的に矯正する際に多大のエネルギー損失を生じる。そこで、このような場合、前記判定部は、更に、移動体のＸ方向の端部位置情報を一定時間連続して取得し、前記取得した端部位置情報を時系列に比較することにより移動体端部が所望の位置にあるかどうかを判定し、更に、所望の位置からどれだけ離れているかを判定する。例えば、図８に示すように端部位置情報を連続して取得し、端部位置が１．５±０．１ｍｍの範囲を超えている時間がｔ時間に達したとき、これを検出して位置ずれ信号を発する。また、そのｔ時間内における変位の方向及び量に基づいて移動体の蛇行、反り又はよれの有無を判定する。

検出装置１によれば、移動体によって遮光されている受光素子と遮光されていない受光素子とで比較器が差動をとることさえできれば、それらの受光素子間が移動体の端部位置であると特定できる。このため、発光器の光量の不安定さに起因して光量が低くなっても支障ないし、補正回路が無くても精度のばらつきが無い。即ち、発光素子または受光素子の各個別の特性や、発光素子または受光素子の汚れなどに起因する受光量の差異に影響されることがない。その結果、検出幅±１ｍｍ、検出分解能０．１ｍｍという高精度で移動体の端部位置を検出可能である。また、演算部が出力する電圧値とＸ方向の位置とが一次相関を示すので、種々のサイズの移動体に適応可能である。更に、補正回路を要しないので小型であり、非接触で検出するので耐久性に優れる。

受光素子の受光量によっては、比較器が差動を取りにくい場合があるときは、受光素子の受光量を電圧値として出力したのち、その電圧値が一定値以上か否かをもって、２種類の信号、もしくは一種類の信号と無信号を出力する閾値判断回路を受光素子に接続するとよい。これにより、比較器による信号の二値化が容易に達成される。閾値判断回路は比較器に内在されていてもよいし、比較器と受光素子との間に設けられていても良い。
検出装置１は、移動体のＸ方向の位置を矯正するだけのためには通常単独で用いられるが、移動体のＸ方向の両端部付近に各々配置して、各端部の位置を検出してもよく、これにより蛇行、反り又はよれの有無を判定精度が向上する。

−実施形態２−
図９は、移動体が回転ディスクＷであるときの端部位置検出装置の使用方法を示す平面図である。検出装置１は、ディスクテーブルにおけるＸ方向の一端部に一つ、Ｚ方向の一端部に一つ、合計２つ設置されている。そして、回転中のディスクの周縁の位置情報を一定時間連続して取得し、位置情報を時系列に比較し、偏芯の有無が判定される。

−実施形態３−
図１０は、移動体が給紙カセットの押し上げ板Ｍであるときの端部位置検出装置の使用方法を示す鉛直方向断面図である。押し上げ板Ｍは、上面に用紙を載せるように給紙カセットＫ内の底に設置されており、下面に指示棒Ｂが連なっている。紙が送りローラ１１、１２で送られてその量が減る度に、給紙カセットＫ内で押し上げ板Ｍが上昇する。検出装置１は、給紙カセットＫの底より下方に延びた指示棒Ｂの下端の軌道を間にして発光素子（図示省略）及び受光素子アレイ３が対向するように設置されている。そして、押し上げ板Ｂが所定の高さに位置するかどうかを装置１が検出している。

−実施形態４−
図１１は、移動体が長いウェブＧであるときの端部位置検出装置の使用方法を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＢＢ矢視断面図である。検出装置１は、ウェブの左右両端に一つずつ合計２つ設置されている。走行中のウェブＧの両端の位置情報を一定時間連続して取得し、位置情報を時系列に比較し、たわみ、蛇行、反りの有無が判定される。

−実施形態５−
以上の実施形態はいずれも移動体のＸ方向の端部位置を検出するものであるが、図４における受光素子アレイ３に代えて、図１２に示すように受光素子がＺ方向に配列した受光素子アレイ１３を用いることにより、移動体のＺ方向の端部位置を検出することもできる。

−実施形態６−
図１３は、実施形態６の検出装置の回路ブロック図である。この実施形態では実施形態１における演算部６に代えて比較器Ｃｍの出力を比較器Ｃｍ−１の出力に累積減算又は累積加算するコンピュータプログラムが演算部１６として機能する。尚、コンピュータプログラムに代えて論理回路を用いてもよい。

−実施形態７−
図１４は、実施形態７の検出装置の回路ブロック図である。この実施形態では実施形態１における各比較器Ｃｍの後段に電圧レギュレータＢｍが接続され、比較器の出力が所定の電圧信号に制御されて各々トランジスタＱｍに入力される。これにより基準電圧Ｖrefなどの比較器に与えられる電圧にばらつきがあっても実施形態１〜６と同様に高精度に移動体の端部位置を検出することができる。尚、電圧レギュレータＢｍは比較器Ｃｍの前段に接続されていても良い。

−実施形態８−
実施形態６において演算部１６が、累積減算又は累積加算後の値が設定した電圧又は信号に達したことを判定し、達した場合にその旨を信号によって出力するようにしてもよい。即ち、図６において、２Ｖに達するまでは出力せず、２Ｖに達したときにその旨を出力するようにするのである。

１ 端部検出装置
２ 発光素子
３ 受光素子アレイ
４ 保持体
５ 集積回路
６ 演算部

Claims (2)

1. Ｚ方向に移動する移動体のＸ方向の端部の位置を非接触状態で検出する装置において、
   Ｙ方向に光を発する発光素子と、
   移動体の通路を間にして前記発光素子とＹ方向に対向し、Ｘ方向に昇順又は降順に配列したｎ個（ｎは３以上の正の整数）の受光素子Ｄ１、Ｄ２、・・・Ｄｎと、
   隣り合う受光素子の受光の有無ないし受光量の差を各々比較し、比較した結果を異なる電圧もしくは信号で出力する比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１と、
   前記比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１の出力に基づいて、遮光された受光素子の数と比例又は反比例する電圧もしくは信号、又は設定した電圧もしくは信号に達した旨の信号を出力する演算部と
   を備え、
   前記各受光素子Ｄｍの出力端子が二つに分岐され、その一方が増幅器を介して比較器Ｃｍの非反転入力端子に接続され、他方が別の増幅器を介して比較器Ｃｍ−１の反転入力端子に接続されており、
   前記演算部が、前記比較器Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎ−１の後段に各々接続されたトランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０と、トランジスタＱ１、Ｑ２、・・・Ｑ２０の動作に基づいて抵抗分圧比が段階的に切換えられる分圧回路とを有する
   ことを特徴とする移動体の端部検出装置。
2. 更に、前記演算部の出力値を移動体のＸ方向の端部位置情報に変換する変換テーブルを備える請求項１に記載の検出装置。

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