JP5740858B2

JP5740858B2 - 光位相差検出式の物体検知センサ

Info

Publication number: JP5740858B2
Application number: JP2010158312A
Authority: JP
Inventors: 和巳本荘; 篤岡副
Original assignee: 竹中電子工業株式会社
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: JP2012021822A

Description

本発明は、検知領域の一端に設置され、その検知領域における物体の有無を検知する光位相差検出式の物体検知センサに関する。

光位相差検出式センサ（例えば、特許文献１参照）は、投光波と受光波の位相差を検出して、被検知物体までの距離を測定している。これは、上記位相差が被検知物体との距離に比例することを利用したものである。そのため、光位相差検出式センサは、原理的に温度等の影響を受けにくく、被検知物体の色の変化にも強い。

しかし、電気回路の温度ドリフトにより、距離測定値が変動するため、数センチ単位の距離変動を検出することは困難である。光位相差検出式の距離測定装置において、レーザーダイオードの発光強度が温度により変化してしまう問題の対策として、温度測定記憶手段と各温度に対する温度補正係数を用いて、距離計測能力を補正することも考えられていた（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３２５５３７号公報

特開平０９−３１８７３７号公報

しかし、この方法では、温度測定手段、温度記憶手段等が必要となり、構造が複雑となる。また、各温度に対する温度補正係数を決めなければならず、そのためのデータ採取、分析、設定といった諸作業が必要となり、開発コストが増大するといった問題がある。また、温度ドリフトによる距離測定値の変動度合いは、背景(床面等)の反射率により異なることが判っており、温度補正係数は、一つに特定することはできない。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、回路構成や構造を複雑にすることなく、どのような場所に設置しても、数センチ単位まで正確に、物体の有無を検知することができる光位相差検出式の物体検知センサを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、（１）検知領域における物体の有無を検知するセンサであって、検知領域に向けて検出光を投光する投光素子と、前記検知領域からの反射光を受光して受光信号を生成する受光素子と、投光した光と、受光した光との位相差を検出し距離計算をおこなう距離算出手段と、前記検知領域内に物体が有ると判定する判定手段と、状態補正手段とを備え、前記状態補正手段は、時間Ｔ１よりも長い時間判定手段からの出力が存在していないことを受けて、その間の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値を記憶する補正値記憶手段と、その次の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値を記憶する補正値記憶手段と、判定手段から出力が発生するのを受けて、直近の時間Ｔ２の時間に実施された距離計算に基づき、補正値記憶手段に記憶されたデータを破棄する状態監視手段とを備え、データが破棄されていない方の補正値記憶手段の値を、距離算出結果とし、その補正方法は、距離算出結果に基づき距離測定結果を補正するものであることを特徴とする光位相差検出式の物体検知センサを提供するものである。

また本発明は、上記構成（１）において、（２）前記状態監視手段は、時間Ｔ１よりも長い時間判定手段からの出力が存在していないことを受けて、その間の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値が記憶済みの値と比較して所定値以上の変動を含む場合にのみ記憶内容を更新することを特徴とする光位相差検出式の物体検知センサを提供するものである。

また本発明は、上記構成（１）において、（３）前記距離算出手段は、前記判定手段の応答速度に相当する距離計算速度と、前記判定手段の応答速度と異なる距離計算速度とを備え、前記状態補正手段は、前記２種類の距離計算速度による距離算出結果を、それぞれに設定した物体の有無を判定する判定とは異なる判定値に基づき判定し、前記補正値記憶手段の値を更新していくことを特徴とする光位相差検出式の物体検知センサを提供するものである。

また本発明は、上記構成（３）において、（４）判定手段の応答速度と異なる距離計算速度に基づき抽出された距離算出値が、１回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値と、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値（数センチメートル）以下の変動幅である場合には、これを補正値として採用し、２回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値以下の変動幅である場合には、これを再び補正値として採用し、これを繰り返し、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値の変動幅を超える場合には、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の補正値記憶手段に記憶されていた距離算出結果の平均値は破棄することを特徴とする光位相差検出式の物体検知センサを提供するものである。

上記のように構成された本発明の物体検知センサによれば、通常動作時に距離測定を継続し、検出物体が存在しないと判断したときのみ、自動的に背景(床面等)までの距離測定結果の補正、もしくは、検出閾値の補正をおこなうので、数センチ単位まで正確に、物体の有無を検知することができる。検知領域を通過する物体（検出対象としない物体）による補正値の変動や、想定外の補正値の変動を除去する様にしたので、物体の有無検知性能を、適切に維持することができる。温度測定手段や温度記憶手段を必要としないので、回路構成、製品構造が複雑化せず、コストが抑えられる。距離算出結果に基づき補正をおこなう方式であるので、背景(床面等)の反射率により異なる温度ドリフトによる距離測定値の変動度合いの違い、個体差による距離測定値の変動度合いの違い、経年変化による距離測定値の変動、光学系の汚れによる距離測定値の変動等あらゆる変動に対応することができる。

図１は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの設置状態と動作状態を示した説明図である。図３は状態補正手段がおこなう距離算出手段の状態抽出に関わる時間Ｔ１及びＴ２の説明図である。図４は、距離算出手段の距離計算速度の違いによる、距離算出手段の状態の差を示した説明図である。図５は、温度ドリフト以外の補正値の変動状態を示した説明図である。図６は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの動作状態を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの構成を示すブロック図である。
物体検知センサ１内には、検出光を投光する投光素子１１、検知領域からの反射光を受光して受光信号を生成する受光素子１２、投光した光と、受光した光との位相差を検出し距離計算をおこなう距離算出手段１３、検知領域内に物体が有ると判定する判定手段１５、距離算出手段の状態を監視し続け、判定手段からの出力が存在していない時にのみ、距離算出結果に基づき判定手段の判定値を補正する状態補正手段１４、検知信号を発する出力手段１６を備えている。

図２は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの設置状態と動作状態を示した説明図である。（Ａ）は、設置状態を示す側面図であり、（Ｂ）は、距離測定結果の変動状態を、物体検出の閾値との関係を含め説明したタイムチャートである。Ｗは天井、Ｇは床であり、１は本発明の物体検知センサである。

物体検知センサ１の真下に検知領域が形成され、投光素子１１から投光された光が、対象物に当り、そこで反射して戻ってきた反射光を受光素子１２で受光している。受光素子の出力をもとに受光信号を生成して、投光した光と受光した光との位相差を検出し、距離算出手段１３で距離計算をおこなう。

この種のセンサは、設置時や電源投入時に、検知領域の背景となる床面までの距離と、検知領域内の床面におかれた所定の高さの被検知物体までの距離を測定し、内部回路に記憶させる、いわゆるティーチングという操作をおこなう。ここで、床面までの距離をＬ１、所定の高さの被検知物体までの距離をＬ２とする。ティーチング時に使用する被検知物体の高さを１０センチメートルとすると、それよりも大きな（１０センチメートルよりも背の高い）物体が検知領域内に存在すると、物体検知センサから検知信号が発せられる様に設定される。ティーチング時に、Ｌ１を測定すると、自動的にＬ２が設定される様にしているものもある。

図２（Ｂ）のタイムチャートの縦軸は、距離算出結果に対応した信号出力値であり、横軸は時間である。測定距離が短いほどプラス側に変動するように示されている。Ｌ２は、検知領域内に物体が有ると判定する判定手段の閾値である。実線は、信号を表しており、閾値Ｌ２を超えると、物体検知センサから検知信号が発せられる。時間（イ）、（ハ）は、検知物体なし、時間（ロ）、（ニ）は、検知物体ありの状態を示している。

時間（ハ）に示されている様に、物体検知センサから床面までの距離は一定であるのにもかかわらず、距離算出結果に対応した信号出力値が変動する場合がある。これは、電気回路の温度ドリフトによるものであり、周囲温度が年中一定な特殊環境での使用を除き、不可避の問題である。

Ｌ２を１０センチメートルに相当する閾値と設定している場合、床面までの距離算出結果が温度により変動すると、背の高さが５センチメートルの物体を検知してしまったり、その反対に、背の高さが１５センチメートルの物体であっても検知しなくなったりする現象が発生してしまう。特に、光位相差検出式の物体検知センサを、急病によって倒れてしまった人間の検知を目的として使用する際には、このような検出感度の変動は許されない。

そこで、時間Ｔ１（たとえば３０秒）ごとに区切り、その間の限られた時間Ｔ２（例えば１秒）の間の距離算出結果の平均値をＬ１´として記憶させ、このＬ１´を、ティーチング時に設定したＬ１と入れ替え、同時にこの変動分に相当するだけ判定手段の閾値Ｌ２をシフトさせるか、距離算出結果の値を変動分だけシフトさせれば、温度ドリフトに対する補正をおこなうことができると考えた。この処理は、結果として判定手段の判定値を補正することにつながる。

タイムチャート中の、１回目、２回目のＴ１時間では、検出物体なしの判定であり、それぞれのＴ２時間の距離算出結果の平均値をＬ１´を補正値として採用する。３回目のＴ１時間では、後半において検出物体ありとなっているので、この間のＴ２時間の距離算出結果の平均値は、破棄する。このような処理をおこなうことにより、検知物体ありの状態だけでなく、検知物体ありの状態へ移行する直前の不安定な距離算出結果による補正処理を回避できる。

図３は状態補正手段がおこなう距離算出手段の状態抽出に関わる時間Ｔ１及びＴ２の状態を示した説明図である。精度良く距離算出をおこなうために、距離算出手段の状態抽出に関わる時間を長くする必要がある。この図に示すような時間Ｔ１（検知物体なしの状態の時間）を通して距離算出結果の平均を採り、補正値として採用することも考えられるが、そうすると、Ｔ１の初期と後期の部分の測定値が、床面からの距離と異なっているため、Ｔ１時間の平均値が、床面との距離の正確な補正値とはならない。これは、距離算出を、移動平均、連続一致のディレイ処理等を介して処理し、距離測定を確実にしているためである。つまり、距離算出手段から得られる信号は、応答が遅くなっているからである。正確な補正値とするための工夫として、時間Ｔ１の中に、Ｔ２を設け、Ｔ２の間の距離算出結果の平均値をとるようにしている。

図４は、距離算出手段の距離計算速度の違いによる、距離算出手段の差を示した説明図である。距離算出を、移動平均、連続一致のディレイ処理等を介して処理し、距離測定を確実にしているために、距離算出手段から得られる信号は、応答が遅くなっているが、応答速度以上に速いスピードで物体が検知領域を横切ると、応答の速い距離算出処理を経た信号は、図４の破線に示すようになり、判定手段の判定値を超えている。距離算出手段から得られる信号は実線で示すようになり、検出物体なしの判定となるが、このときの距離算出結果の平均値は、床面との距離の正確な補正値とはならない。

応答の速い距離算出処理を経た信号が、判定手段の判定値を超えた場合には、この間の距離算出結果の平均値は、破棄するような処理をおこなう。これにより、応答速度以上に速いスピードで横切る検知物体による誤った補正処理を回避できる。図４に示す例では、応答の速い距離算出処理の応答速度を１０ｍs とし、距離算出手段から得られる信号の応答速度は、１００ｍｓとした。

図５は、温度ドリフト以外の補正値の変動状態を示した説明図である。温度ドリフトは、検知器の周囲温度、検知器の内部回路の発熱等により発生するものであり、急激な変化を生じさせるものではない。このため図５に示すような変動は、温度ドリフト以外のいわゆる想定外の変動として、補正判定から取り除く必要がある。たとえば、１回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値Ｌ１´が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で５センチメートル以下の変動幅である場合には、これを補正値として採用する。２回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値Ｌ１´が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で５センチメートル以下の変動幅である場合には、これを再び補正値として採用する。これを繰り返し、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値Ｌ１´が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で５センチメートルの変動幅を超える場合には、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値は、破棄する。このような処理をおこなうことにより温度ドリフト以外の補正値の変動を除去することができる。

次に、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの動作を、電源投入から順を追って説明する。ここでは、距離算出結果の値を変動分だけシフトさせ、温度ドリフトに対する補正をおこなう方式について説明する。電源をオンすると、ティーチングを開始し、Ｌ１の値を設定する。Ｌ１の値は、検知器から背景となる床面までの距離である。続いて、Ｌ２の値が設定される。高さ１０センチメートル以上の物体を検知する様にするため、Ｌ２は、Ｌ１よりも１０センチメートルだけ小さな値に設定される。これらの設定が完了すると、距離算出手段の出力の監視を開始する。図６は、本発明の光位相差検出式の物体検知センサの動作状態を示したフローチャートであり、ティーチング終了後の動作状態を示している。

ステップＳ００１で距離算出手段の出力の監視を開始し、ステップＳ００２では、判定手段の応答速度に相当する距離計算速度に基づき距離データを計算する。そして、その平均化処理を行い、その結果Ｄ１を一時的に記憶する。ステップＳ００３では、判定手段の応答速度よりも速い距離計算速度に基づき距離データを計算し、その平均化処理を行い、その結果Ｄ２を一時的に記憶する。ステップＳ００４では、Ｄ１の値がＬ３の値を下回っているかどうかを監視し、下回っておれば、ステップＳ００５に進む。Ｌ３は、物体の有無を判定する判定値Ｌ2とは異なる値であり、ドリフト補正要否を判定する判定閾値である。

ステップＳ００５では、Ｄ２の値がＬ４の値を下回っているかどうか監視し、下回っておれば、ステップＳ００６に進む。Ｌ４は、物体の有無を判定する判定値Ｌ２とは異なる判定値であり、Ｌ３の値の６０％から７０％の大きさに設定されたドリフト補正要否を判定する判定閾値である。ステップＳ００６では、時間計測用のカウンタをインクリメントする。ステップＳ００４とステップＳ００５で、Ｄ１の値とＤ２の値がそれぞれの判定閾値以上となった場合には、ステップＳ０１２で、時間計測用のカウンタをリセットし、時間計測をゼロ秒に戻す。

ステップＳ００７では、カウンタの値がゼロであるかどうかを監視し、ゼロであれば、ステップＳ０１３に進み、補正用データＤ３をゼロにリセットする。Ｄ３は、平均化処理された距離データとＬ１の値との差に相当する値であり、補正用データとして平均化されて記憶されている。ステップＳ００７で、カウンタの値がゼロでなければ、ステップＳ００８へ進み、カウンタの値がＴａよりも大きくＴｂよりも小さいかどうか（時間Ｔ２であるか）が判定される。カウンタの値がこの範囲に入っていると、ステップＳ０１４に進み、補正用データＤ３を平均化し、記憶する。カウンタの値がこの範囲に入っていなければ、ステップＳ００９に進む。ステップＳ００９では、カウンタの値がＴ１を超えたかどうかを監視し、超えたら、ドリフト補正値Ｄｈを補正用データＤ３に更新し、カウンタ値をゼロにリセットする。

カウンタの値がＴ１を超えていなければ、ステップＳ０１０へ進み、補正距離データＤが演算される。補正距離データＤは、距離データＤ１、距離データＤ２のどちらかの値を基に演算される。そして、ステップＳ０１１で補正距離データを基に出力判定がおこなわれる。以上のステップＳ００１からステップＳ０１１までの一連の動作を、約７ｍＳで実行する。ステップＳ００１とステップＳ００２で実行される距離データの平均化処理は、１０回分（約７０ｍＳ）のデータの平均値を計算し順次更新して一時的に記憶している。時間Ｔ１の間、継続して、Ｄ１とＤ２がドリフト補正判定閾値を下回っていれば、その間の時間Ｔ２に取得した補正用データＤ３を、ドリフト補正値Ｄｈとして順次更新し続けることになる。

図６のフローチャートに示した実施例は、温度ドリフトが発生していない状況下でも、ドリフト補正値Ｄｈを更新し続けるものであるが、補正用データＤ３が、所定の値に満たない場合には、ドリフト補正をしないというステップを組み込んで、所定値以上の温度ドリフトのみを補正対象としても本発明の効果は発揮される。

本発明は、光位相差検出式の物体検知センサだけでなく、超音波を用いた距離測定装置他、ティーチング操作を伴い物体検知を行う装置にて利用することができる。

１光位相差検出式の物体検知センサ
１１投光素子
１２受光素子
１３距離検出手段
１４状態補正手段
１５判定手段
１６出力手段
Ｌ１ティーチングにて記憶した背景までの距離
Ｌ２検知領域内に物体が有ると判定する距離
Ｗ天井
Ｇ床

Claims

検知領域における物体の有無を検知するセンサであって、検知領域に向けて検出光を投光する投光素子と、前記検知領域からの反射光を受光して受光信号を生成する受光素子と、投光した光と、受光した光との位相差を検出し距離計算をおこなう距離算出手段と、前記検知領域内に物体が有ると判定する判定手段と、状態補正手段とを備え、前記状態補正手段は、時間Ｔ１よりも長い時間判定手段からの出力が存在していないことを受けて、その間の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値を記憶する補正値記憶手段と、その次の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値を記憶する補正値記憶手段と、判定手段から出力が発生するのを受けて、直近の時間Ｔ２の時間に実施された距離計算に基づき、補正値記憶手段に記憶されたデータを破棄する状態監視手段とを備え、データが破棄されていない方の補正値記憶手段の値を、距離算出結果とし、その補正方法は、距離算出結果に基づき距離測定結果を補正するもの、もしくは、検出閾値の補正をおこなうものであることを特徴とする光位相差検出式の物体検知センサ。
前記状態監視手段は、時間Ｔ１よりも長い時間判定手段からの出力が存在していないことを受けて、その間の時間Ｔ２(Ｔ２≦Ｔ１)だけ距離算出手段で距離計算を行った結果を抽出し、その平均値が記憶済みの値と比較して所定値以上の変動を含む場合にのみ記憶内容を更新することを特徴とする請求項１に記載の光位相差検出式の物体検知センサ。
前記距離算出手段は、前記判定手段の応答速度に相当する距離計算速度と、前記判定手段の応答速度と異なる距離計算速度とを備え、前記状態補正手段は、前記２種類の距離計算速度による距離算出結果を、それぞれに設定した物体の有無を判定する判定とは異なる判定値に基づき判定し、前記補正値記憶手段の値を更新していくことを特徴とする請求項１に記載の光位相差検出式の物体検知センサ。
判定手段の応答速度と異なる距離計算速度に基づき抽出された距離算出値が、１回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値と、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値（数センチメートル）以下の変動幅である場合には、これを補正値として採用し、２回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値以下の変動幅である場合には、これを再び補正値として採用し、これを繰り返し、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の距離算出結果の平均値が、それ以前の距離算出結果と比較して、床面の距離換算で一定値の変動幅を超える場合には、Ｎ回目のＴ１時間内のＴ２時間の補正値記憶手段に記憶されていた距離算出結果の平均値は破棄することを特徴とする請求項３に記載の光位相差検出式の物体検知センサ。