JPH02206714A - 近接センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物体までの距離と物体表面の傾きを測定する
近接センサに係り、特に回転体である円筒にスリットを
設け、受光素子出力の相対的変化の時期に依存して距離
を測定する近接センサに関する。

［従来の技術および発明が解決すべき課題］ロボットの
手で複雑な形状の物体を安定的に把握するには、近接セ
ンサが不可欠である。この種のセンサは、ロボットの手
を微妙に制御するために必要な、物体までの距離と物体
表面の傾きを測定できること、また、ロボットの手機構
への装着上、できるだけ軽量、小形で簡単な装置である
こと等の条件を備えていなければならない。ところが、
実際には、これらの条件を満たすセンサはいまだ実現し
ておらず、新しいセンサの開発が望まれてきた。

発光素子や受光素子を用いてセンサを構成する方法は、
センサの軽量化・小形化の点で都合がよく、こうしたセ
ンサがこれまでいくつか提案されてきた。しかし、その
多くは１個の発光素子と１個の受光素子とを一組として
センサを構成するにすぎず、画素子を結ぶ光路は基本的
に１個に限定されていた。従って、この光路か、ら定ま
る距離を距離測定の最大感度点とし、受光素子で検出す
る光量の大きさの違いによって最大感度点の前後の距離
を識別していた。また、位相差を利用した近接センサは
発光素子を複数個用いるが、このようなセンサにおいて
も、光量の大きさに依存して距離を決めているので本質
的には変りがない。

このように、従来のセンサは、受光素子で検出する反射
光量の絶対値に依存して距離を定めてきた。このため、 （１）距離測定の結果は、物体表面に特有な凹凸度、反
射率、傾きの影響を強く受ける。

（２）測定環境中の照明の影響を受ける。

（３）測定可能な距離の範囲が狭い。

等の欠点があった。特に、位相差を利用したセンサにお
いては、物体表面の起伏状態や反射率が位相差に与える
影響をなくすため、物体表面は完全拡散面で、かつ、発
光素子は無指向性でなければならない等、光学的に理想
的ないくつかの条件を使用上の前提とする。ところが現
実には、物体表面の起伏状態や反射率は、物体に特有な
属性で物体ごとに異なる。しかも、反射率は同一物体で
も入射角によって異なる。このため、このような条件の
設定は実際的でなく、センサの実用化を非常に困難にし
てきた。また、回転円盤を用いる近接センサ（特開昭６
０−１５８３０８号公報）は使用上の条件を設定せずに
現実の環境に対処できる実用的センサであるが、螺旋状
スリットの切削が困難であるという一面を有する。

［発明の目的］ 本発明は上記の難点を解決するためになされたもので、
発光素子、受光素子、スリットを設けた円筒と、その回
転のためのモータ、および円筒回転の同期検出装置を用
いてセンサを構成し、物体に角度を変えて連続、かつ、
周期的に光を投射し、受光素子出力信号の変化時期を検
出して物体までの距離を幾何学的に決定し、３個以上の
受光素子または発光素子から得られる距離情報を使うこ
とにより、物体表面の傾きをも測定する能力を有する近
接センサを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明による近接センサ
は、回転体の連続回転により、物体に対して方向を変え
光を周期的に投射し、光投射の開始から反射光を入力す
るまでの時間と一回の光投射に必要な時間との比に基い
て物体までの距離を測定する近接センサにおいて、外周
面にスリットを設けた回転体としての円筒と、円筒を回
転させる回転装置と、円筒内から光を投射する発光素子
と、この発光素子゛から投射され物体にあたって反射し
た反射光を受光する円筒側方に設けられた受光素子と、
円筒の回転角度を検出する回転角検出手段と、受光素子
出力の相対的変化を検出する受光素子信号検出回路とか
ら成る。

あるいは本発明による近接センサは、回転体の連続回転
により、物体からの反射光の入力方向を周期的に変え、
光投射の開始から反射光を入力するまでの時間と反射光
の受光開始から終了までの時間との比に基いて物体まで
の距離を測定する近接センサであり、発光素子と受光素
子とを上記のものと交換し、物体に光を投射する円筒側
方に設けられた発光素子と、発光素子から投射され物体
にあたって反射した反射光を受光する円筒内の受光素子
とから成る。

さらに本発明による近接センサにおいては、回転角検出
手段が、スリットによる光投射の開始時および終了時を
検出する回転角検出手段、またはスリットによる反射光
の受光開始時および受光終了時を検出する回転角検出手
段である。

また本発明による近接センサにおいては、円筒表面を展
開したとき、スリットが直線である。

さらに本発明による近接センサは、円筒および発光素子
はそれぞれ１個ずつ、円筒の側方に設けた受光素子が複
数個であるか、円筒および受光素子はそれぞれ１個ずつ
、円筒の側方に設けた発光素子が複数個であってもよい
。

あるいは本発明による近接センサは、すなくとも３個以
上の受光素子または少なくとも３個以上の発光素子から
の距離情報を使い、物体表面の傾きを検出するための演
算装置を備えているものである。

［実施例］ 本発明による近接センサの好ましい実施例を図面を参照
して詳述する。

第１図に示すように、本発明による近接センサにおいて
は、外周面にスリットＳを設けた回転体としての円筒Ｃ
は、回転装置としてのモータＭの回転力によって回転軸
線９の周囲を回転する。ベルトＷとベアリングＢは、こ
の回転をスムースに行なうための手段である。回転軸線
９の中心Ｏには発光素子として点光源りゆかあり、スリ
ットＳを通って光の一部が外部に放射状に出る。第２図
に示すように、軸部Ｕは、ベアリングＢ内に格納されて
点光源としての発光素子Ｌ０を支持すると同時に円筒Ｃ
の回転軸線を９上に保持する。スリットＳを通って外部
に放射状に出た光の一部が、物体Ｇの表面で反射した反
射光のうち、前面から来る光は、円筒Ｃの側方に固定し
た受光素子Ｒで受光される。受光素子ＲにはフードＦ等
をつけて指向性を高め、真正面から乱反射してくる光の
みを検出するようにすることが好ましい。受光素子Ｒで
受光された信号は受光素子検出回路１で検出される（第
６図参照）。

第１図および第３図に示すように、回転角検出手段Ｔ１
、Ｔｆｆｉは円筒Ｃの側方に設けられ、スリットＳから
出る光の前面投射の開始と終了を検出するための円筒の
回転角検出手段で、光学的手段（光センサ）゛を採用し
ている。

別法として、前記受光素子と前記発光素子を交換して構
成し、即ち回転軸線９の中心Ｏにある発光素子としての
点光源Ｌ０を無指向性の受光素子で置換し受光素子Ｌ０
とし、円筒Ｃの側方に固定した受光素子Ｒを点状ビーム
を発生する発光素子で置換し発光素子Ｒとし、発光素子
Ｒから出て物体Ｇの表面で反射した反射光のうち、スリ
ットＳを通って円筒Ｃ内に入った光を受光素子Ｌ０で受
光するようにし、１受光素子Ｌ０で受光された信号は受
光素子検出回路１で検出される。光学的手段（光センサ
）を採用している回転角検出手段Ｔ１、Ｔ！は円筒Ｃの
側方に設けられ、上記と同様に距離や姿勢の検出が可能
となる。この場合、円筒Ｃは一個の受光素子Ｌ０を覆い
、円筒Ｃと一体となって回転するスリットＳを通して受
光素子Ｌ０に入力される物体Ｇからの反射光の方向を変
える役割を果す。

円筒Ｃの側方に設けられた回転角検出手段Ｔ１、Ｔ、は
、スリットＳからの光投射の開始時と終了時を検出する
か、スリットＳによる反射光の受光開始時と終了時を検
出するよう構成されている。

スリットＳは円筒Ｃの表面を展開したとき、直線状であ
るので、スリットＳがら出る光または入る光は放射状で
あり、この放射光は一平面を成している。

第８図に示すように、円筒Ｃと発光素子としての点光源
Ｌ０はそれぞれ１個ずつ、円筒Ｃの側方に設けた受光素
子Ｒを複数個（第８図ではＲ８、Ｒ２、Ｒ，の３個）、
あるいは円筒Ｃと受光素子としての点光源Ｌ０はそれぞ
れ１個ずつ、円筒Ｃの側方に設けた発光素子Ｒを複数個
（図示せず）とし、これら複数個の距離情報を使い、物
体表面の傾きを検出するための演算装置５を設けるもの
である。

なお、スリットＳを設けたために、円筒Ｃが回転むらを
起こす場合には、自動車の車輪のように、バランサを設
置して防止できる。モータＭの起動・停止時の過渡的状
態においては、回転角が速度によって円筒Ｃの一回転内
で角速度が変化し、距離測定の精度に大きな影響が現れ
るが、定速回転下では円筒Ｃの回転速度が違ってもその
影響は全くない。このため、モータＭの回転速度を適当
に定め、目的に好適なサンプリング速度で距離を測定し
、エネルギーを節約することができる。

また、塵埃等によってスリットＳが目詰まりをおこした
り、衝撃によって近接センサを破壊する危険のある環境
では、円筒Ｃに同心状の透明円筒ガラスを置いて近接セ
ンサを保護し、あるいは円筒前方に透明板状ガラスを置
いて近接センサを保護することもできる。ただし、後者
の場合、スリット光は、ガラス面で屈折し、投射角を減
少させる作用をする。このため、距離は短めに測定され
る傾向になる。この影響をなくすには、ガラスを設置し
た状況下で円筒Ｃの回転角と物体Ｇまでの距離りの対応
づけをすればよい。そうしておくことにより、距離りを
正確に定めることができる。

第６図に示すように、受光素子の出力信号を処理する回
路は、以下の５つのブロックに大別される。

受光素子信号検出回路１は、受光素子出力信号の変化に
着目し、光を入力した時にのみパルスを発生する機能を
有する。受光素子出力の大きさは、測定環境中の明暗に
よって異なるが、定常的な照明状態においては出力レベ
ルは変化しないため、反射光の入力時期は、受光素子出
力の相対的変化の開始時期に等しい。この時期を検出す
る回路は一般に、微分回路、あるいはピーク値検出回路
を主要素として構成される。

同期検出回路２は、光反射の同期を検出する回路で、第
１図中の回転角検出手段Ｔ１、Ｔ２がスリットＳの通過
開始と通過終了時点をそれぞれ知らせることに用いられ
、回転するスリットＳの通過開始と通過終了時にパルス
を発生する。

時間測定回路３は、円筒Ｃの回転による光投射の開始か
ら受光素子が光を入力するまでの時間を測定する回路で
ある。これらの時間は正確な時間である必要はなく、同
じ物差で測定した時間軸上の長さであればよい。このた
め、第６図のように、周波数一定のパルス発生器からの
出力パルスをそれぞれの期間だけ計算することによって
その機能を実現する。

距離演算回路４は、光投射の開始から受光素子が光を入
力するまでの時間と光投射を終了するまでの時間比を計
算し、その結果を出力する。この出力は、ただちに実際
の距離に対応づけられるので実質的な距離を表すと言え
る。

さらに演算装置５が距離演算回路４の後に設けられ、３
個の受光素子Ｒｓ、Ｒｉ、Ｒ，から得られる光信号は、
専用の回路（３個）によって処理され、演算装置５の働
きにより、円筒Ｃが１回転する間に物体Ｇまでの距離り
を３カ所で測定することができる。物体Ｇが至近距離に
ある場合、これら３カ所は同一面にあるとみなせるので
、物体表面の傾きが定まる。つまり、３つの距離情報と
（受光）素子配置情報とから、演算装置路の働きで物体
表面の式を３次元空間で決定できるのである。

これら５つのブロックに示した回路は、既存のトランジ
スタやＩＣを用いて構成でき、受光素子出力信号を処理
する回路全体を安価に、かつ、軽量、小形に組み立てる
ことが容易である。

［作用］ 次に、本発明による距離測定の原理について説明する。

第４図に示すように光学系をｘｙｚの直交座標系で説明
する。スリットＳから出た光は、前面に物体Ｇ（第４図
では球）があると、その表面で乱反射する。一方、受光
素子Ｒ７はフードＦ等をつけて指向性を高めであるので
、真正面から乱反射してくる光のみ、つまり、受光素子
Ｒ？の光軸上にある物体表面（第４図のＰｒ）が照射さ
れたときにのみ光を感知する。モータＭの回転力で円筒
Ｃが常時回転するために、光の投射方向は変る。このた
め、受光素子Ｒ／が反射光を入力する時期は必ず実現す
る。このときの光路は、特定方向にあり、この方向を検
出すれば受光素子Ｒｊ前面から反射点Ｐｒ、つまり物体
までの距離を幾何学的に計算できる。このように、円筒
Ｃを連続回転させた状態で受光素子Ｒ７が反射光を入力
する時点をとらえ、これを用いて光の投射方向を知り、
距離を計算するのが本発明の基本原理である。

円筒Ｃの回転は、物体Ｇに投射する光ビームの方向を変
え、任意の位置にある物体Ｇまでの距離を連続的に測定
することを可能にする役割を果す。

さらに、数式を使って本原理を詳細に説明する。

円筒Ｃの回転角θに関し、右回転方向を正方向（右手系
）と定め、スリットＳがＸ軸と重なる時の回転角θを零
と定めると、スリットＳ面はθ＝０の時、Ｘ軸と平行に
なる。この面を表す式は、ｙ軸との交角をαとすると（
第５参照）、ｚ＝ｙｔａｎαとなる。θ≠０では一般に
次式で表される。

ｓｉｎθｔａｎａ　・ｘ−ｃｏｓθｔａｎａ　φｙ＋ｚ
＝０また、受光素子Ｒｊの光軸がその取り付は状況によ
って定まる。すなわち、受光素子Ｒｉに関する定数とし
て、受光素子ＲＭの受光位置座標と光軸の方向余弦をそ
れぞれ（ｘｉＳｙｉＳｚｉ）、（λ１１μビ、νｉ）と
定義すれば、 λ　ｉ　　　　　　μビ　　　　　　ν　ｉで光軸の式
が表される。

以上の２式を使い、スリット面と光軸との交点が計算さ
れる。交点の座標を（ｘｒ、　ｙ　ｒ、　ｚ　ｒ）とす
れば λ　ｉ　　ｚ　　１ｓｉｎθｔａｎａ−ｐ　　ｉ　　ｚ
　　ｔｃｏｓθｔａｎａ＋　ν　ｔ　（ｘ　　１ｓＬｎ
θｔａｎｃｌ−７ｔｃｏｓθｔａｎａ）となる。従って
、測定すべき距離Ｄｉは（（ｘ　ｒ−ｘ　ｉ　）”＋（
ｙ　ｒ−ｙ　ｉ　）”＋（ｚ　ｒ−ｚ　ｔ　）”］２か
ら計算される。

光軸がＸ軸と平行になるよう設計される場合、λｔ＝１
、μ／＝Ｏ１ν１＝０となり、Ｖ＝３’ｔｘｚ＝ｚ　ｔ
で光軸の式から表される。この場合、ｙ１＝ｙ　ｉ、ｚ
　ｒ＝ｚ　ｔとなるのは明らかで、距離Ｄｉは Ｄｊ＝ｌｘｒ−ｘｌ となる。

（Ｘｉ％ｙビ、ｚｉ）、λｔ、μｉ、シｉは、受光素子
Ｒ７の取り付は状況から、また、θは受光素子Ｒ７出力
の暗信号から明信号に変化する時期を検出する回路１か
ら与えられるので、上式を用いて距離Ｄｊが容易に計算
される。

以上示したように、距離Ｄｉは円筒Ｃの回転角θに基い
て定まるので、予め回転角θと距離Ｄｔとの関係を調べ
ておきさえすれば、上記の式を毎回計算することなく、
距離Ｄ／を定めることができる。

スリットＳは、必ずしも第７図中のａのように円筒表面
の展開図が直線である必要はなく、同図中のｂのような
関係に設計して回転角θと距離りとの関係を線形化する
ことも可能である。このようにすると、θとＤｉとの関
係が簡単になり、その結果、距離を定める手続も簡単に
なる。

また、本発明は、円筒Ｃの駆動や回転の方式、およびス
リットＳの配置や形状を変えることにより、各種用途に
適した特性の近接センサを提供することはいうまでもな
い。例えば、第５図中のαを９０°に設計することによ
り、点光源Ｌ０を線光源Ｌ１に変えて軸９上に配置し、
物体Ｇへの投射光量を高めることができる（第９図参照
）。この場合、スリットで示す直線により構成される平
面（スリット面）は垂直になることは自明である。

また、スリット光の前面投射開始と終了を検出する回転
角検出手段Ｔ８、Ｔ２の素子を機械的手段、電気的手段
、磁気的手段に置換できることも明白である。

［発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように、本発明の近接センサ
は、回転体の連続回転により、物体に対して方向を変え
光を周期的に投射し、光投射の開始から反射光を入力す
るまでの時間と一回の光投射に必要な時間との比に基い
て物体までの距離を測定する近接センサにおいて、外周
面にスリットを設けた回転体としての円筒と、円筒を回
転させる回転装置と、円筒内から光を投射する発光素子
と、この発光素子から投射され物体にあたって反射した
反射光を受光する円筒側方に設けられた受光素子と、円
筒の回転角度を検出する回転角検出手段と、受光素子出
力の相対的変化を検出する受光素子信号検出回路とから
成り、あるいは本発明による近接センサは、回転体の連
続回転により、物体からの反射光の入力方向を周期的に
変え、光投射の開始から反射光を入力するまでの時間と
反射光の受光開始から終了までの時間との比に基いて物
体までの距離を測定する近接センサであり、発光素子と
受光素子とを上記のものと交換し、物体に光を投射する
円筒側方に設けられた発光素子と、発光素子から投射さ
れ物体にあたって反射した反射光を受光する円筒内の受
光素子とから成る。

さらに本発明による近接センサにおいては、回転角検出
手段が、スリットによる光投射の開始時および終了時を
検出する回転角検出手段、またはスリットによる反射光
の受光開始時および受光終了時を検出する回転角検出手
段であり、円筒表面を展開したとき、スリットが直線で
ある。

さらに本発明による近接センサは、円筒および発光素子
はそれぞれ１個ずつ、円筒の側方に設けた受光素子が複
数個であるか、円筒および受光素子はそれぞれ１個ずつ
、円筒の側方に設けた発光素子が複数個であってもよい
。

あるいは本発明による近接センサは、すなくとも３個以
上の受光素子または少なくとも３個以上の発光素子から
の距離情報を使い、物体表面の傾きを検出するための演
算装置を備えているものである。

このように本発明による近接センサは、受光素子が反射
光を捕える時期を根拠に円筒の回転角を検出し、幾何学
的に予め定めておいた回転角度と距離との対応関係から
物体までの距離を定め、少なくとも３個以上の距離デー
タをもとに、物体表面の傾きをも検出するので、受光素
子出力の絶対値に依存してきた従来のセンサとは異なり
、受光素子が初めて反射光を捕える時期、すなわち受光
素子出力の相対的変化の時期に依存して距離を定めるこ
とができ、物体表面が鏡のように平坦な場合を除き、物
体に特有な凹凸や傾き、反射率、色、材質等の影響を全
く受けることなく、さらに、測定環境中の照明の影響も
受けないという利点を有する。

このように実用上優れた性質を多々備えた本発明は、広
くロボット用センサとして、また、自動化を目指した生
産ラインにおいて、距離や傾きを測定、あるいは監視す
る小形のセンサとして非常に大きな効果を上げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による近接センサの概略構成図、第２図
は本発明の近接センサによる光投射の状況説明図、第３
図は本発明による近接センサの部分平面図、第４図は直
交座標系による光路説明図、第５図は円筒上のスリット
を示す正面図、第６図は受光素子出力信号処理回路の一
例を示す構成図、第７図はスリット設計例を示す図、第
８図は本発明の近接センサによる傾きを検出する一実施
例の正面図、第９図は線光源によるスリット光の一例を
示す断面図である。 Ｃ・・円筒、Ｓ・・スリット、Ｒ（Ｒ？）・・受光素子
、Ｆ・・フード、Ｔ・・回転角検出手段、９・・回転軸
線、Ｌ・・発光素子、Ｏ・・円筒回転軸中心、Ｗ・・ベ
ルト、Ｍ・・モータ、Ｕ・・軸部、Ｇ・・物体、Ｄ（Ｄ
ｉ）・・距離、θ・・円筒回転角、α・・スリットの傾
斜角、Ｘ・・距離測定方向（前方）、ｙ・・横方向、２
・・回転軸方向、１・・受光素子信号検出回路、２・・
同期検出回路、ｊ・・時間測定回路、４・・距離演算回
路、５・・演算装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転体の連続回転により、物体に対して方向を変え
   光を周期的に投射し、光投射の開始から反射光を入力す
   るまでの時間と一回の光投射に必要な時間との比に基い
   て物体までの距離を測定する近接センサにおいて、外周
   面にスリットを設けた前記回転体としての円筒と、前記
   円筒を回転させる回転装置と、前記円筒内から光を投射
   する発光素子と、前記発光素子から投射され前記物体に
   あたって反射した反射光を受光する前記円筒側方に設け
   られた受光素子と、前記円筒の回転角度を検出する回転
   角検出手段と、前記受光素子出力の相対的変化を検出す
   る受光素子信号検出回路とから成ることを特徴とする近
   接センサ。 ２、回転体の連続回転により、物体からの反射光の入力
   方向を周期的に変え、光投射の開始から反射光を入力す
   るまでの時間と反射光の受光開始から終了までの時間と
   の比に基いて物体までの距離を測定する近接センサにお
   いて、外周面にスリットを設けた前記回転体としての円
   筒と、前記円筒を回転させる回転装置と、前記物体に光
   を投射する前記円筒側方に設けられた発光素子と、前記
   発光素子から投射され前記物体にあたって反射した反射
   光を受光する前記円筒内の受光素子と、前記円筒の回転
   角度を検出する回転角検出手段と、前記受光素子出力の
   相対的変化を検出する受光素子信号検出回路とから成る
   ことを特徴とする近接センサ。 ３、前記回転角検出手段が、前記スリットによる光投射
   の開始時および終了時を検出する回転角検出手段である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の近接セン
   サ。 ４、前記回転角検出手段が、前記スリットによる反射光
   の受光開始時および受光終了時を検出する回転角検出手
   段であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   近接センサ。 ５、前記スリットが、前記円筒表面を展開したとき直線
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第４
   項の何れか１項記載の近接センサ。 ６、前記円筒および前記円筒内の前記発光素子はそれぞ
   れ１個ずつ、前記円筒の側方に設けた前記受光素子が複
   数個であることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ３項または第５項記載の近接センサ。 ７、前記円筒および前記円筒内の前記受光素子はそれぞ
   れ１個ずつ、前記円筒の側方に設けた前記発光素子が複
   数個であることを特徴とする特許請求の範囲第２項、第
   ４項または第５項記載の近接センサ。 ８、少なくとも３個以上の前記受光素子またはを少なく
   とも３個以上の前記発光素子からの距離情報を使い、物
   体表面の傾きを検出するための演算装置を設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項のうち何れ
   か１項記載の近接センサ。