JPH04145306A - 光センサ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は光を利用して位置や速度等を検出するセンサに
関する。

［従来の技術］ 従来、光センサとしては、第２２図に示すように半導体
レーザＳＬとポリゴンミラーＰＭとを組み合わせたもの
、および第２３図に示すようにフィラメント光源ＦＬと
コリメータレンズＣＭとを組み合わせたものが開発され
ている。

第２２図に示す光センサは、半導体レーザＳＬから出力
されたレーザ光線をポリゴンミラーＰＭで走査し、その
走査光をコリメータレンズＣＭで平行走査光線としてか
ら、この平行走査光線を測定物ＳＭの測定領域に出射す
る。出射された平行走査光線は、受光レンズＲＬによっ
て受光素子Ｒ８に集束され、入射した光線の強度が検出
される。

これらの構成により、測定物ＳＭによって、平行走査光
線が遮蔽された巾を、入射光線が遮蔽された時間値とし
て検出する。したがって、走査光が遮蔽された時間値を
算出することによって、測定物ＳＭの外径が計測される
。

第２３図に示す光センサは、普通のフィラメント光源Ｆ
Ｌから出射された光線をコリメータレンズＣＭによって
平行光線にし、この平行光線を１次元のＣＯＤで検出す
る。これらの構成により、測定物ＳＭによって、平行光
線が遮蔽された巾を、出力が「オフ」状態のＣＯＤの巾
から検出する。

したがって、平行光線が遮蔽された巾から測定物ＳＭの
外径が計測される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の技術では、測定物ＳＭのＸ軸方向
に光線を平行走査したり、あるいは平行光とし、測定物
ＳＭの外径が遮蔽中にそのまま反映されるようにして計
測を行うものであったため、測定物ＳＭのＸ軸方向の座
標を計測することができるだけであった。このため、測
定領域における測定物ＳＭのＹ軸方向の座標を計測する
には、もう１組の光センサを使用する必要があった。

又、従来の技術では、いずれも平行光線を作らなければ
ならず、第２２図に示す光センサでは、ポリゴンミラー
ＰＭを機械的に駆動する駆動装置やコリメータレンズＣ
Ｍ、受光レンズＲし等多くの構成部品が必要とされ、か
つ大型化される問題があった。あるいは、第２３図に示
す光センサでは、フィラメント光源ＦＬから出射される
広がりの大きな光線を平行光線化するため、コリメータ
レンズＣＭが大型化される問題があった。

本発明は上記課題を解決することにより、測定領域にお
ける測定物のＸ−Ｙ軸座標の計測ができ、しかも部品点
数が少なく、かつ小型化を達成することができる光セン
サの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］・ 上記目的を達成するための手段として、本発明の光セン
サは、放射状光を発光する光源と、上記放射状光の放射
中心から所定距離隔てるとともに、受光素子を連続的に
多数配設したライン状受光手段と、該ライン状受光手段
における個々の受光素子の受光状態を出力する出力手段
とを備えることを要旨とする。

［作用］ 本発明の光センサは、光源が発光した放射状光がライン
状受光手段に受光され、出力手段がライン状受光手段に
おける個々の受光素子の受光状態を出力する。したがっ
て、光源から発光された放射状光がライン状受光手段に
受光されるまでの間に、例えば測定物が間を通ると、こ
の測定物によって放射状光が遮蔽され、この遮蔽状態が
出力手段から出力される。

つまり、出力手段から出力される遮蔽状態は、測定物の
Ｘ−Ｙ軸座標および大きざを反映して、その出力状態が
決定される。例えば、外径が数値の測定物であれば、Ｙ
軸方向の座標に対応して、ライン状受光手段における遮
蔽状態となる範囲の巾が決定され、Ｘ軸方向の座標に対
応して、ライン状受光手段にあける遮蔽状態となる範囲
の位置が決定される。

又、機械的駆動部品やコリメータレンズ、集光レンズ等
を用いることなく測定物の座標を反映したデータを出力
する。

「実施例］ 次に図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本実施例の光センサ１の構成図、第２図はその
発光部３の説明図、第３図は発光部３の構成図、第４図
および第５図は光センサ１の動作の説明図である。

光センサ１は、第１図に示すように発光部３と、受光部
５と、枠７とを備えている。

発光部３は、第３図に示すように、半導体レーザ素子９
と、凸レンズ１１と、円柱レンズ１３とを備えている。

半導体レーザ素子９は、レーザ光線を凸レンズ１１に出
射する。凸レンズ１１は、レーザ光線を真円平行光線に
して、円柱レンズ１３に出射する。円柱レンズ１３は、
入射した真円平行光線を一方向のみに放射状のスリット
光線にする。円柱レンズ１３から出射されたスリット光
線は、第２図に示すように、発光部３の発光口１５から
出射される。

受光部５は、第１図に示すように、発光部３の発光口１
５に対向する位置に配設されている。受光部５は、ＣＯ
Ｄリニアアレイセンサ１７を備えている。ＣＯＤリニア
アレイセンサ１７は、発光口１５から出射されたスリッ
ト光線の出射角が６０°の範囲を受光する。ＣＯＤリニ
アアレイセンサ１７は、多数の受光素子を備え、各受光
素子が個々に発光部３から出射された放射状光線の光量
信号を出力する。

枠７は、正三角形状を有しており、１頂部に発光部３を
支持し、発光部３と対向する辺に受光部５を支持する。

上記枠７の１頂部は、発光部３が出射する放射状光線の
放射中心Ｓと一致するよう構成されている。

光センサ１は、次に示す構成上の特性を有する。

光センサ１は、第４図および第５図に示すような各部の
諸元を有するものとする。なあ、受光部５の表面をｙ軸
とし、受光部５の中心から放射中心５への垂線をｙ軸と
し、枠７に囲まれた＠域内に半径ｄの円柱が入り、受光
部５上に光の入って来ない影の部分Ｓができたものとす
る。

・放射中心二〇点 ・原点：　（０，Ｏ） ・高さ：ｈ ・原点から影のできた位置までの距離：ａ、ｂ・円柱Ｍ
（測定物）の半径：ｄ ・０点から見た円柱Ｍへの接線：Ａ、Ｂ・直線Ａ、Ｂと
ｙ軸のなす角：θａ、θｂ・直線Ａと平行で円柱Ｍの中
心（ｘｏ、ｙｏ）を通る直線：八′ ・直線Ｂと平行で円柱Ｍの中心（Ｘｏ、Ｖｏ）を通る直
線二Ｂ− とする。

このとき、ＣＯＤの出力波形から、影Ｓの両端までの距
離ａ、ｂを求めると、円柱Ｍの中心座標（Ｘｏ、ｙｏ）
はそれぞれ次式で算出することができる。

ただし、θａ、θｂはａとｂの符号によって次に示すよ
うに表される。

次に、ａとｂとの値開のθａ、θｂを示し、この場合に
（１）、（２＞、（３）式が成立することを示す。

ａ＝ｂ＝ｏ　　　　円柱Ｍは存在しない・・・（４）ａ
〉０゜ ｂ＞０の時 づ ｙニー登ｘ＋（ｈ十−一） 睦 ｙ＝令”　（ｈ−ｃｏ’５ｅｂ） 円柱Ｍの中心座標（Ｘ。

）は直線Ａ′ 一の交点であるから（７） （８）式より ｙｏ→ｘ□＋（ｈ十黒田） （９〉。

（１０）式を解くと、 座標（Ｘｏ。

はそれぞれ次式の様に与えられる。

（９）。

（１０）式はそのまま使用できる。

（９）。

（１０）式はそのまま使用できる。

（９）。

（１０）式はそのまま使用できる。

円柱Ｍはｙ軸上にある。

すなわち（１）〜（３）式と（５）（６）（１４）〜（
１９）により、ｈとｄが既知の場合ａとｂがわかれば円
柱Ｍの中心座標（ｘｏ、ｙｏ）が算出できる。

次に、上述した光センサ１の構成上の特性を利用して、
光センサ１に入ってきた円柱Ｍの座標を計測して、出力
する第６図に示す様な構成の第１実施例の座標計測装置
２１を説明する。

第６図は座標計測装置２１の構成図、第７図は座標計測
処理のフローチャートである。

座標計測装置２１は、第６図に示すように、光センサ１
と、演算ユニット２３と、レーザ電源２５と、キーボー
ド２７と、表示部２９とを備えている。レーザ電源２５
は、半導体レーザ素子９に電源を供給する。演算ユニッ
ト２３は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力
インタフェース等を有する。

演算ユニット２３は、受光部５に接続されており、受光
部５から光量信号を入力する。第７図に示す座標計測処
理は、演算ユニット２３によって起動され、実行される
。該ルーチンが起動されると、演算ユニット２３は、キ
ーボード２７から数値データとして、測定物Ｍの半径ｄ
と、光センサの高さｈと、長さ１とを入力する（ステッ
プ１００、以後ステップをＳと記す）。

数値データの入力が終了すると、次に原点から影のでき
た位置までの距離ａ、ｂの読み込みを行う（ｓｌｌｏ）
。距離ａ、ｂの読み込みでは、受光部５から入力インタ
フェースを介して入力した光量信号から影の部分Ｓの境
界を検出し、この境界の位置をディジタル値に変換して
、変数としての距離ａ、ｂに代入する処理を行う。

次いで、距離ａと距離すとがともにｒＯＪか否を判断す
る（５１２０）。つまり、（４）式に対応するか否かを
判断する。ともに「０」であれば、測定物Ｍが存在しな
いと判断して、次の距離ａ。

ｂを読み込む（５１１０＞。

ともに「０」でなければ、次に距離ａ、ｂより測定物Ｍ
の座標ＸＯ，ｙＯを算出する（Ｓ１３０）。測定物Ｍの
座標Ｘｏ、Ｖｏの算出は既述した（１）〜く２２）式に
基づいて行う。

座標Ｘｏ、Ｖｏの算出後、測定物Ｍの現在の座標Ｘｏ、
Ｖｏを表示部２９に出力する。表示部２９では、座標Ｘ
ｏ、ｙｏを光学表示する。

以後、５１１０〜５１４０の処理が繰り返され、測定物
Ｍの現在座標Ｘｏ、Ｖｏが表示される。

以上に説明した座標計測装置２１は、測定物ＭのＸ−Ｙ
座標を検出することができ、広い応用範囲を有するとい
う極めて優れた効果を奏する。そのうえ、この座標計測
装置２１のセンサ部に当たる光センサ１は、部品点数が
少なくしかも小型であり、かつ機械的可動部分を有して
いないことから、スペース効率や信頼性の要求される種
々な部分に使用できるという優れた効果を有する。

なお、光センサ１は第１図に示した形状に限定されるも
のでなく、本発明の要旨内で放射状光線を出射する発光
部と、この発光部と所定距離隔てられて配設された受光
部５とを備えたものであれば、種々な態様に変形するこ
とが可能である。この場合には、受光部５の入射角が少
なくとも６０°以上になるようにすると、受光部５にお
ける反射光が適切な値に抑えられる。例えば、第８図に
示すように、発光部３Ａと、受光部５Ａ、５Ｂと、四角
形の枠７Ａとを有するものであってもよい。

なお、この場合には、受光部５Ａ、５Ｂへの入射角が４
５°となり、受光部５Ａ、５Ｂにおける反射光が増大す
るため、受光効率が悪くなる。そこでＣＯＤリニアアレ
イセンサ１７Ａの受光素子個々がそれぞれ入射角が６０
”以上となるように形成すると良い。

又、受光部は光ファイバーをならべ、ＣＣＤセンサに光
を導く方法としても−よい。

次に、座標計測装置２１の使用例を説明する。

第９図および第１０図は移動物体３１の位置を検出する
例を示す。第９図は平面図、第１０図は正面図である。

図に示すように、移動物体３１に１字状の位置検出棒３
３を固定し、この位置検出棒３３の測定部３５を光セン
サ、１　Ｂの測定領域に介装する。これにより、移動物
体３１のＸ−Ｙ軸座標が非接触で検出される。

第９図および第１０図に示した使用例を応用することに
より、第１１図および第１２図に示すように、ドリルの
穴あけポイントの非接触座標位置制御を行うことができ
る。

次に第２実施例を説明する。第２実施例は、第１図に示
した光センサ１を重ねて用いるものである。

第１３図は、光センサ１Ｃ１１Ｄの外観図を示す。光セ
ンサ１Ｃは、発光部３Ｃと受光部５Ｃと枠７Ｃとを備え
る。光センサ１Ｄは、発光部３Ｄと、受光部５Ｄと、枠
７Ｄとを備える。

第１４図は、光センサ１Ｃと光センサ１Ｄとの測定領域
が重なる様にし、かつ発光部３Ｃと発光部３Ｄとが１２
０°回転した状態で重ねた光センサユニット４１の外観
を示す。

次に光センサユニット４１の構成上の特性を説明する。

光センサユニット４１の測定領域に両センサ１Ｃ，１，
Ｄの光を同時に遮光する様な円柱Ｍが第１５図のように
存在したとき、光センサ１Ｃの座標軸を第１５図のよう
にｘ−ｙ、光センサ１Ｄの座標軸をＸ−Ｙとして、各セ
ンサＩＣ，ＩＤ上にできる影の端のＸ座標をａ、ｂ、ａ
＝　　ｂ−とすると（１）〜（２２）より各座標におけ
る円柱Ｍの座標が計算できる。

ここで、円柱Ｍの半径ｄも未知の場合、座標Ｘ−ｙにお
けるＭの中心座標（Ｘｏ、Ｖｏ）はり。

ａ、ｂは既知でおるからｄだけを未知とした式で表わさ
れ、この式を仮に ｘＯ＝ｆ　（ａ、ｂ、ｈ、ｄ）・・−（２３＞ｙｏ　＝
Ｑ　（ａ、ｂ、ｈ、ｄ）−（２４＞とする。また座標Ｘ
−ＹにおけるＭの中心座標を（Ｘｏ、Ｙｏ）とすると同
様にｄだけを未知とする式 ％式％（２５） が求められる。ここで、点（Ｘｏ、Ｖｏ）と点（Ｘｏ、
Ｙｏ）とは、座標が異なるが位置的に同じである。ここ
で第１６図に示すようにｘ−ｙ座持ったものであるから
（２７）、（２８）式に示す数学的座標変換式より ｘ＝Ｘｃｏｓ８−Ｙｓｉｎｅｌ＋ａ＋＋　（２７）ｙ＝
Ｘｓｉｎｅ＋Ｙｃｏｃ８＋ｂ　　　　−（２８）センサ
１Ｃと１０とを第１６図の様に組み合わせた場合 （Ｘｏ。

Ｏ と （Ｘ。

Ｙ。

）の関係は次式で （２３）、（２４）、（２５＞、（２６＞式は、先に述
べたように（１）〜（２２）式よりｄだけを未知のもの
として算出できるから（２９）。

（３０）式までを総合して、Ｘｏ、Ｖｏ、ｄが算出でき
る。

次に光センサ１Ｃ，ＩＤを２つ重ね合わせた光センサユ
ニット４１の使用例を説明する。第１７図は、光センサ
１Ｃ，１Ｄの出力状態を示す。円柱Ｍｔｆｉ有効長の場
合、また球の場合に、これが光センサユニット４１を通
過するときの影の立ち上がり時間の差から通過時間Ｔが
わかる。ここで光センサ１Ｃと１Ｄのレーザ光の平面間
距離もわかっているから、これをｒＬＪとすると、通過
速度法に光センサユニット４１に入って来た円柱Ｍの座
標（Ｘｏ、Ｖｏ）、半径ｄ、通過速度■を出力する座標
計測装置５１を説明する。

第１８図は、座標計測装置５１の構成を示し、第１９図
は座標等計測処理のフローチャートを示す。座標計測装
置５１は、第１８図に示すように、光センサユニット４
１と、演算；ニット５３と、レーザ電源５５と、キーボ
ード５７と、表示部５９とを備えている。座標計測装置
５１の各構成は、第６図に示した座標計測装置２１とほ
ぼ同様の構成を有する。

演算ユニット５３において、第１９図に示す座標等計測
処理ルーチンが起動されると、キーボード５７から読値
データとして光センサ１Ｃ，ＩＤの高さｈと長ざ１とを
入力する（ｓ２００＞。

次いで原点から影のできた位置までの距離ａ。

ｂ、ａ＝、ｂ＝および通過時間ｊｌ＊ｔ２を読み込む（
ｓ２１０＞。これらは、光センサユニット５１の各々の
光センサ１Ｃ，１Ｄからの光量信号に基づいて算出する
。

次に距離ａ、ｂ、ａ、ｂ−がすべてｒＯＪであるか否か
を判断する（５２２０＞。すべてｒＯＪであれば、測定
領域に円柱Ｍが存在しないと判断して、次のａ、ｂ、ａ
−、ｂ−、ｔｌ　、ｔｌを読み込む（ｓ２１０＞。いず
れかが「０」でなければ、次に各処理を順次実行する。

まず、距離ａ、ｂより半径ｄを含んだ座標ｘＯ。

ｙｏを（２３＞、（２４）式のように算出する（ｓ２３
０＞、又、距離ａ−，ｂ−より半径ｄを含んだ座標Ｘｏ
、Ｙｏを（２４）、（２５）式のように算出する（ｓ２
４０）。

次に、５２３０，５２４０で求めた値から（１）弐〜（
３０）式を総合した所定の算出手順に基づいて、座標ｘ
ｏ、ｙｏと、半径ｄとを算出しく５２５０＞、表示部５
９で座標Ｘｏ、Ｖｏと、半径ｄとを表示する（ｓ２６０
）。

又、５２３０，５２４０とほぼ同時に、時間ｔ１、ｔｌ
より（３１）式に基づいて、通過速［Ｖを算出しく５２
７０＞、表示部５９で通過速度Ｖを表示する（３２８０
＞。

上述８２１０−３２８０が繰り返され、現時点における
座標Ｘｏ、ｙｏと、半径ｄと、通過速度■とが繰り返し
算出される。

以上に説明した座標計測装置５１は、円柱ＭのＸ−Ｙ軸
座標と、半径ｄと、通過速度■とを検出することができ
、広い応用範囲を有するという極めて優れた効果を奏す
る。

次に、座標計測装置５１の使用例を説明する。

第２０図は光センサユニット４１Ａの平面図を示し、第
２１図はその動作状態の説明図である。

光センサユニット４１Ａは、２個の光センサを重ね合わ
せて、測定領域を第２０図の様に、エリアを３つに分け
る。このエリアの上方に球の吐き出しロア１，７２．７
３をそれぞれ設ける。球の吐き出しロア１．７２．７３
から球Ｍが（Ｍｌ。

Ｍ２．Ｍ３）が落下して光センサ１Ｆ→光センサ１Ｅの
順に通過したとき、球Ｍの直径と、位置が算出できる。

これにより、どのエリアを通過したかがわかり、球Ｍの
分類及びカウントができる。

また光センサＩＦ、と光センサ１Ｅとの通過した時間差
Ｔから落下速度もわかる。ただし球Ｍが２個以上同時に
通過する場合は使用できない。

又、第１１図および第１２図に光センサを重ねた光セン
サユニットを配設し、穴あけポイントの制御と、ドリル
寸法の確認とを両方とも行う構成とすることもできる。

［発明の効果］ 本発明の光センサは、放射状光を発光する光源と、これ
を受光するライン状受光手段とを備えることから、光源
の出射光を大形のコリメータレンズや機械的動作をとも
なうポリゴンミラー等を用いて平行光を得ることなく座
標を反映したデータを出力する。又、１の光源とこれに
対向する１のライン状受光手段だけで測定物のＸ軸座標
の計測ができ、しかもＹ軸座標の計測もできる。

この結果、省スペース、部品点数の低減、およびＸ−Ｙ
軸座標の計測が行なえる光センサが提供できるという極
めて優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は光センサ１の構成図、第２図は発光部３の説明
図、第３図は発光部３の構成図、第４図および第５図は
光センサ１の動作の説明図、第６図は座標計測装置２１
の構成図、第７図は座標計測処理ルーチンのフローチャ
ート、第８図は光センサの変形例の構成図、第９図ない
し第１２図は使用例の説明図、第１３図および第１４図
は光センサユニット４１の構成図、第１５図および第１
６図は光センサユニット４１の動作の説明図、第１７図
は光センサユニット４１の動作のタイミングを示す説明
図、第１８図は座標計測装置５１の構成図、第１９図は
座標等計測処理ルーチンのフローチャート、第２０図お
よび第２１図は光センサユニット４１Ａの使用例の説明
図、第２２図および第２３図は従来例の説明図である。 １、ＩＢ。 ３．３Ａ。 ５．５Ａ。 ７．７Ａ。 ４１．４１ ２１．５１ １Ｃ，１Ｄ、ＩＥ、ＩＦ・・・光センサ３Ｃ，３Ｄ・・
・発光部 ５８．５Ｃ，５Ｄ・・・受光部 ７Ｃ，７Ｄ・・・枠 Ａ・・・光センサユニット ・・・座標計測装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射状光を発光する光源と、 上記放射状光の放射中心から所定距離隔てるとともに、
   受光素子を連続的に多数配設したライン状受光手段と、 該ライン状受光手段における個々の受光素子の受光状態
   を出力する出力手段と を備える光センサ。