JP6117502B2 - 物体検知装置、メカトロニクス装置および物体検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を利用して物体の有無を検知する技術に関する。

物体の有無を検知する装置（物体検知装置）として、光を利用する装置がある。この物体検知装置では、例えば、図８に示されるように、発光部５０と受光部５１が互いに間隙を介して対向配置している（例えば特許文献１参照）。このような物体検知装置では、発光部５０と受光部５１との間の間隙に物体５２が入り込むと、当該物体５２が発光部５０から出射された光を遮るので、受光部５１では発光部５０からの光を受光できなくなる。受光部５１は、例えば、フォトダイオードにより構成される。上記のように、物体５２による遮光によって受光部５１での受光量が低下すると、受光部５１から出力されるセンサ出力（電流）が低下する。この受光部５１からのセンサ出力の低減により物体５２の存在を検知することができる。

特開２００４−２１４４６２号公報

図８に示される構成では、複数の発光部５０と、複数の受光部５１とが同じ数ずつ必要になる。ところで、各種装置において、構造の簡素化および製造工程の簡略化が要求されており、この要求に応えるために、部品点数の低減が望まれている。

本発明は上記課題を解決するために考え出された。すなわち、本発明の主な目的は、部品点数を低減できる物体検知装置、メカトロニクス装置および物体検知方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は次のように構成されている。すなわち、
本発明の物体検知装置は、
互いに異なる波長の光をそれぞれ出射する複数の光出射部と、
前記各光出射部に間隙を介して対向する位置に配設される光入射部と、
前記各光入射部に入射した光を共通の受光部位に導く受光側導光路と、
前記受光部位に位置し前記各光出射部から出射する光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する受光素子と、
を有し、
前記受光素子から出力する電流に基づいて前記光出射部と前記光入射部との間の間隙における物体の有無を検知する。

本発明のメカトロニクス装置は、
物体を搬送する搬送装置と、
当該搬送装置により搬送される物体の有無を検知する物体検知装置と
を有し、
前記物体検知装置として、上記本発明の物体検知装置を備えている。

本発明の物体検知方法は、
互いに異なる波長の光を複数の光出射部から出射し、
前記各光出射部に間隙を介して対向する位置に光入射部を配設し、
前記各光入射部に入射した光を共通の受光部位に導く受光側導光路を設け、
前記各光出射部から出射する光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する受光素子を前記受光部位に配置し、
前記受光素子から出力する電流に基づいて前記光出射部と前記光入射部との間の間隙における物体の有無を検知する。

本発明によれば、装置の部品点数を低減できる。

本発明に係る第１実施形態の物体検知装置の構成を模式的に示す図である。 物体検知装置を備えるメカトロニクス装置の一例を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の物体検知装置の構成を模式的に示す図である。 受光素子の光電変換効率特性の一例を表すグラフである。 受光素子の光電変換効率特性の別の例を表すグラフである。 第２実施形態の物体検知装置を構成する二値化回路の処理例を説明する波形図である。 本発明に係る第３実施形態の物体検知装置の構成を模式的に示す図である。 発光素子を利用して物体の有無を検知する仕組みを説明する図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態の物体検知装置の構成を模式的に表す図である。第１実施形態の物体検知装置１は、複数（図１の例では３個）の光出射部２と、複数（図１の例では３個）の光入射部３と、受光側導光路４と、受光素子５とを有している。各光出射部２は、互いに異なる波長の光を出射する。各光入射部３は、対応する光出射部２に間隙を介して対向する位置に配置されている。当該各光入射部３は、例えば、受光側導光路４の入口である。

受光側導光路４は、光入射部３に入射した光を共通の受光部位Ｚに導く導光路である。受光素子５は、受光部位Ｚにおいて、受光側導光路４から出射した光を受光できるように設置されている。当該受光素子５は、各光出射部２から出射する光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する機能を備えている。換言すれば、この第１実施形態では、受光素子５は、複数の光出射部２に共通に対応する受光素子である。

この物体検知装置１では、光出射部２と光入射部３との間の間隙に物体７が入り込むと、光出射部２から光入射部３に向かう光が物体７によって遮られるので、光入射部３および受光側導光路４を通って受光素子５に至る光量が減少する。この光量の減少は、受光素子５から出力される電流量の減少として現れる。これにより、受光素子５の出力電流量に基づいて、光出射部２と光入射部３との間における物体７の有無を検知することができる。

この第１実施形態の物体検知装置１は、受光側導光路４と、複数の波長の光に対応できる受光素子５とを利用することによって、各光出射部２に一対一に対応する受光素子を設けなくて済むという効果を得ることができる。すなわち、この第１実施形態の物体検知装置１は、部品点数（受光素子の設置数）を削減することができるという効果を得ることができる。また、受光素子を削減できることから、物体検知装置１は、その削減できる受光素子が使用する電力分、消費電力を低減できる。さらに、物体検知装置１は、上記のように部品点数を削減できることから、価格低下を図ることができる。

このような物体検知装置１は、図２に示されるように、メカトロニクス装置１０に組み込むことができる。すなわち、メカトロニクス装置１０は、搬送装置１１と、物体検知装置１とを有している。搬送装置１１は、物体を搬送する装置である。物体検知装置１は、その搬送装置１１によって搬送される物体の有無を検知する装置として機能する。このメカトロニクス装置１０は、物体検知装置１を備えているので、物体検知装置１が得られる上記効果を得ることができる。

（第２実施形態）
以下に、本発明に係る第２実施形態を説明する。

図３は、本発明に係る第２実施形態の物体検知装置の構成を模式的に示す図である。この第２実施形態の物体検知装置２０は、複数の発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）と、受光側導光路２２と、受光素子２３と、電流−電圧変換回路２４と、二値化回路２５とを有している。

発光素子２１は光出射部を構成する光源であり、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ(Light Emitting Diode)）により構成されている。図３の例では、３種の発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒが設けられており、これら発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒは、互いに異なる波長の光を発光する。具体的には、発光素子２１Ｂは、青色の光（例えば波長が約４５０nmである光）を発光する。発光素子２１Ｇは、緑色の光（例えば波長が約５２０nmである光）を発光する。発光素子２１Ｒは、赤色の光（例えば波長が約６６０nmである光）を発光する。

このような各発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒにおける発光部分に間隙を介して対向する位置に、光入射部２７が配置されている。この第２実施形態では、光入射部２７は、受光側導光路２２における光の入口である。つまり、この第２実施形態では、発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）から発せられた光は、発光素子２１と光入射部２７との間の間隙を通り、光入射部２７から受光側導光路２２に入射する。

受光側導光路２２は、複数の入口（光入射部）２７に対して一つの出口２８を備えている。当該受光側導光路２２は、各光入射部２７から入射した光を共通の出口２８に向けて導く構成を有している。例えば、受光側導光路２２は、光ファイバとプリズムと導光板と鏡とのうちの少なくも一つを有して構成されている。

受光素子２３は、受光側導光路２２の出口２８から出射した光を受光できるように設置されている。当該受光素子２３は、光を電気に変換する機能を持つ素子である。この第２実施形態では、受光素子２３は、光出射部である発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）から発光される光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する機能を備えている。例えば、受光素子２３は、発光素子２１Ｂにおける青色光の波長を持つ光を受光することにより、電流を出力するフォトダイオードを有する。また、受光素子２３は、発光素子２１Ｇにおける緑色光の波長を持つ光を受光することにより、電流を出力するフォトダイオードを有する。さらに、受光素子２３は、発光素子２１Ｒにおける赤色光の波長を持つ光を受光することにより、電流を出力するフォトダイオードを有する。受光素子２３は、それら各フォトダイオードによる電流を出力する複数の端子を備えている。

図４は、受光素子２３における受光した光の波長と光電変換効率（受光感度）との関係例を示すグラフである。なお、光電変換効率は、受光した光量（パワー）に対する受光素子からの出力電流量の比により表される。つまり、受光光量をＰ［Ｗ］とし、出力電流量をＩ［Ａ］とし、光電変換効率をＫ［Ａ／Ｗ］とすると、光電変換効率Ｋは、Ｋ＝Ｉ÷Ｐにより表すことができる。

図４において、青色光（波長約４５０nm）に対する受光素子２３の光電変換効率は、鎖線Ｂにより表されている。緑色光（波長約５２０nm）に対する受光素子２３の光電変換効率は、実線Ｇにより表されている。赤色光（波長約６６０nm）に対する受光素子２３の光電変換効率は、点線Ｒにより表されている。この図３から分かるように、受光素子２３は、発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）から発せられた光（青色光、緑色光、赤色光）を受光した場合に、その光の波長に対応する光電変換効率に基づいて、受光した光に応じた電流（アナログ）を出力する。

電流−電圧変換回路２４は、受光素子２３から出力された各色光に対応するアナログ電流をアナログ電圧に変換する回路構成を有する。二値化回路２５は、電流−電圧変換回路２４から出力された各色光に対応するアナログ電圧（アナログ信号）を閾値Ｓを利用して二値化することによって、各色光に対応するデジタル信号をそれぞれ生成する回路構成を有している。例えば、受光素子２３が図４に示すような光電変換効率を持つ場合には、図４に示される範囲Ｈに対応する受光素子２３の出力電流が電流−電圧変換回路２４によって電圧に変換された後の電圧レベル範囲内で閾値Ｓが設定される。二値化回路２５は、その閾値Ｓの電圧レベルの電圧を発生する回路（閾値発生回路）を有している。

二値化回路２５は、具体的には、例えば、図６に示されるように、入力電圧Ａが入力した場合には、閾値Ｓを利用して生成した出力電圧Ｄを出力する。つまり、二値化回路２５は、入力電圧Ａの電圧レベルが閾値Ｓ以上である場合にはＨレベルの電圧を出力し、入力電圧Ａの電圧レベルが閾値Ｓ未満である場合にはＬレベルの電圧を出力する。

このような二値化回路２５の出力電圧（デジタル信号）に基づいて、発光素子２１と光入射部２７（受光側導光路２２の入口）との間の間隙における物体３０の有無が検知される。すなわち、発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）と、当該発光素子２１に対応する光入射部２７との間に物体３０が無い場合には、発光素子２１の光は、光入射部２７と受光側導光路２２を通って受光素子２３で受光される。この場合には、二値化回路２５は、発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒの各色の光に対応するＨレベルの信号を出力する。これに対して、例えば、発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）と、当該発光素子２１に対応する光入射部２７との間に物体３０が有ることにより、発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒのうちの一以上の光を受光素子２３が受光できない場合がある。この場合には、二値化回路２５は、発光素子２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒの各色の光に対応する信号のうち、受光できなかった色の光に対応する信号に関してはＬレベルの信号を出力する。このような信号に基づいて、物体３０が発光素子２１と光入射部２７との間の間隙に存在することと、物体３０の存在する位置とを検知することが可能である。

この第２実施形態の物体検知装置２０においても、第１実施形態と同様に、複数の発光素子２１に対して共通の受光素子２３を設ける構成とすることができる。これにより、第２実施形態の物体検知装置２０は、発光素子と同じ個数の受光素子を設置しなければならない場合に比べて、物体検知装置の部品点数を削減することができる。また、物体検知装置２０は、物体検知装置２０の消費電力を削減することができる。さらにまた、物体検知装置２０は、価格低下を図ることができる。

このような物体検知装置２０は、例えば、搬送装置を備えるメカトロニクス装置に組み込むことができる。例えば、そのようなメカトロニクス装置としては、プリンタや現金自動預け払い機（ＡＴＭ(Automated Teller Machine)）等を挙げることができる。プリンタは、印刷用紙を搬送する搬送装置を備える。当該搬送装置により搬送される印刷用紙の有無を検知する物体検知装置がプリンタには設けられており、当該物体検知装置として第２実施形態の物体検知装置をプリンタに組み込むことができる。また、現金自動預け払い機は、キャッシュカード（磁気カードやＩＣ(Integrated Circuit))カード）を搬送する搬送装置を備えている。その搬送装置により搬送されるキャッシュカードの有無を検知する物体検知装置として第２実施形態の物体検知装置２０を現金自動預け払い機に設けることができる。

なお、前述した説明では、二値化回路２５は、一つの閾値Ｓを利用している例を示している。これに代えて、二値化回路２５は、複数の閾値Ｓを利用してもよい。すなわち、例えば、図５のグラフに示されるように、受光素子２３によっては、各色の光に対する光電変換効率（受光感度）に大きな差がある場合がある。このような場合に、同じ閾値Ｓに基づいて、各色の光に対する信号の二値化処理を行うと、不具合が生じる場合がある。例えば、青色光に対応する信号の二値化処理に利用する閾値Ｓとして、図５に示されるような効率範囲Ｗ_Ｂに対応する電圧レベルが適切であるとする。この場合に、その範囲内に対応する電圧レベル範囲内で閾値Ｓを設定したとする。この場合には、赤色光に対応する電流−電圧変換回路２４から出力される電圧のレベルは、受光素子２３における受光の有無に関係無く、閾値Ｓよりも低いレベルとなる。つまり、この場合には、二値化回路２５は、常に、Ｌレベルの信号を出力することとなる。これにより、物体検知装置２０には、正確な物体検知ができないという問題が発生する。

このような問題の発生を回避することをも考慮して、二値化回路２５は、複数の閾値Ｓを利用して、二値化処理を行う構成であってもよい。例えば、青色光に対する閾値Ｓ_Ｂは、図５に示されるような効率範囲Ｗ_Ｂに対応する電圧レベル範囲内で設定される。また、緑色光に対する閾値Ｓ_Ｇは、効率範囲Ｗ_Ｇに対応する電圧レベル範囲内で設定される。さらに、赤色光に対する閾値Ｓ_Ｒは、効率範囲Ｗ_Ｒに対応する電圧レベル範囲内で設定される。

また、上記のように、各色の光のそれぞれに個別に閾値を設定するのではなく、例えば、青色光と緑色光には共通の閾値が設定されていてもよい。

上記のように、複数の閾値Ｓを利用する場合には、二値化回路２５には、各閾値Ｓを発生する複数の閾値発生回路が備えられる。

前記したように、各色の光にそれぞれ閾値Ｓを設定する場合には、複数色の光に共通の閾値Ｓを設定する場合よりも制約が少なくなることから、閾値Ｓの設定が容易となる。

（第３実施形態）
以下に、本発明に係る第３実施形態を説明する。なお、この第３実施形態の説明において、第２実施形態の物体検知装置と同様な構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図７は、本発明に係る第３実施形態の物体検知装置の構成を模式的に示す図である。この第３実施形態の物体検知装置３３は、第２実施形態で述べている複数の発光素子２１（２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ）に代えて、光源である発光素子３５と、発光側導光路３６と、複数のフィルタ３７（３７Ｂ，３７Ｇ，３７Ｒ）とを有している。

発光素子３５は、複数色の波長の光を含む白色光を発光する素子であり、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成されている。この第３実施形態では、発光素子３５は、第２実施形態において述べているような青色と緑色と赤色の三色の波長（約４５０nm、約５２０nm、約６６０nm）を少なくとも含む光を発光する。

発光側導光路３６は、入口３８に入射した光を複数の出口３９（３９Ｂ，３９Ｇ，３９Ｒ）に導く光路である。当該発光側導光路３６は、例えば、光ファイバとプリズムと導光板と鏡とのうちの少なくとも一つを有して構成されている。この第３実施形態では、発光側導光路３６の入口３８は、発光素子３５から発せられた光を受ける位置に配置されている。また、発光側導光路３６の複数の出口３９は、それぞれ、各光入射部２７（換言すれば、受光側導光路２２の入口）に個別に対向する位置に配置されている。この第３実施形態では、これら出口３９が光出射部として機能する。

複数のフィルタ３７は、それぞれ、一対一に対応する発光側導光路３６の出口３９から出射する光の経路（光路）に配置されている。つまり、フィルタ３７は、出口３９に設けられていてもよいし、出口３９よりも導光路外側の光路に配置されていてもよい。また、フィルタ３７は、出口３９よりも導光路内の光路に配置されていてもよい。この第３実施形態では、各フィルタ３７は、互いに異なる波長の光を透過する機能を備えている。例えば、フィルタ３７Ｂは、青色（波長約４５０nm）の光を透過し、他の波長の光（少なくとも緑色光と赤色光）を減衰する。フィルタ３７Ｇは、緑色（波長約５２０nm）の光を透過し、他の波長の光（少なくとも青色光と赤色光）を減衰する。フィルタ３７Ｒは、赤色（波長約６６０nm）の光を透過し、他の波長の光（少なくとも青色光と緑色光）を減衰する。このような複数のフィルタ３７を利用することによって、一つの発光素子３５を設けただけで、物体検知装置３３は、第２実施形態と同様に、各光入射部（受光側導光路２２の入口）に互いに異なる波長の光が入射する構成を有することができる。

この第３実施形態では、上記以外の構成は第２実施形態と同様である。

この第３実施形態の物体検知装置３３は、第２実施形態の物体検知装置２０に比べて、発光素子の数を削減することができる。つまり、第３実施形態の物体検知装置３３は、第２実施形態の物体検知装置２０よりも更に部品点数を削減できる。また、物体検知装置３３は、さらに消費電力を低減することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、第１〜第３の各実施形態に限定されず、様々な実施の形態を採り得る。例えば、物体検知装置は、図１や図３や図７に示される構成を複数個有する構成としてもよい。これにより、より広範囲における物体の有無を検知することができる。

また、第３実施形態では、発光ダイオードが光源として利用されている。これに代えて、第３実施形態の物体検知装置は、発光ダイオード以外の光源を利用してもよい。

１，２０，３３ 物体検知装置
２ 光出射部
３ 光入射部
４，２２ 受光側導光路
５，２３ 受光素子
１０ メカトロニクス装置
１１ 搬送装置
２４ 電流−電圧変換回路
２５ 二値化回路
２１，３５ 発光素子
３６ 発光側導光路
３７ フィルタ

Claims (7)

1. 互いに異なる波長の光をそれぞれ出射する複数の光出射部と、
   前記各光出射部に間隙を介して対向する位置に配設される光入射部と、
   前記各光入射部に入射した光を共通の受光部位に導く受光側導光路と、
   前記受光部位に位置し前記各光出射部から出射する光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する受光素子と、
   を有し、
   前記受光素子から出力する電流に基づいて前記光出射部と前記光入射部との間の間隙における物体の有無を検知し、
   前記受光素子から出力される異なる前記波長に応じた電流を、各々電圧に変換し、各々の前記電圧を、前記波長毎に設定された閾値を用いて二値化する電気回路をさらに有している物体検知装置。
2. 前記受光側導光路は、光ファイバとプリズムと導光板と鏡とのうちの少なくとも一つを有して構成されている請求項１記載の物体検知装置。
3. 前記各光出射部は、互いに異なる波長を出射する光源により構成される請求項１又は請求項２記載の物体検知装置。
4. 前記各光出射部から出射する複数の波長の光を含む光を発光する光源と、
   前記光源から発せられた光を前記各光出射部に導く発光側導光路と、
   前記各光出射部に一対一に対応して設置され当該対応する光出射部に対して設定された波長の光を透過するフィルタと
   をさらに有する請求項１又は請求項２記載の物体検知装置。
5. 前記発光側導光路は、光ファイバとプリズムと導光板と鏡とのうちの少なくとも一つを有して構成されている請求項４記載の物体検知装置。
6. 物体を搬送する搬送装置と、
   当該搬送装置により搬送される物体の有無を検知する物体検知装置と
   を有し、
   前記物体検知装置として、請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の物体検知装置を備えているメカトロニクス装置。
7. 互いに異なる波長の光を複数の光出射部から出射し、
   前記各光出射部に間隙を介して対向する位置に光入射部を配設し、
   前記各光入射部に入射した光を共通の受光部位に導く受光側導光路を設け、
   前記各光出射部から出射する光の波長を持つ光を受光することにより当該光の強さおよび波長に応じた電流を出力する受光素子を前記受光部位に配置し、
   前記受光素子から出力する電流に基づいて前記光出射部と前記光入射部との間の間隙における物体の有無を検知し、
   前記受光素子から出力される異なる前記波長に応じた電流を、各々電圧に変換し、各々の前記電圧を、前記波長毎に設定された各閾値を用いて二値化する物体検知方法。

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