JPH05264734A - 物体センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的低電力で機能し、外乱光に影響される
ことなく広角度範囲で分解能高く物体を判別できる物体
センサーを提供する。 【構成】 発光光量変調された光１を発光する固体発光
素子２と、この固体発光素子２からの射出光を正弦波振
動と比較して振動中心付近では遅く、最大振幅付近では
速くなるように角度振動させて物体３に投射する駆動装
置４と、この物体３表面からの反射を受光して信号に変
換する受光素子５と、この受光信号を増幅・復調する電
子回路６とより構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光投射角度振動法によ
る物体検知のためのセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光センシング技術を応用した産業
分野は多方面にわたり，より高分解能の物体センサーの
必要性が高まっている。一般的な光投射角度振動法によ
る物体センサーは光源、投射光を角度振動させる駆動装
置，受光素子、増幅・復調器などから構成され、光源か
ら光を角度振動させて物体に投射し、物体表面で反射し
た光の一部を受光素子で検知し、これを増幅・復調後に
同期検波して、投射光のビーム径の分解能範囲内で物体
の方位、個数、大きさ、表面形状などを判別するように
なっている。

【０００３】しかしながら、従来の光投射角度振動法に
よる物体センサーは光源にランプ又はレーザーを用いて
おり、これにレンズ、鏡等の集光用の光学的機器が組み
込まれるため、角度振動させる部分の慣性モーメントは
大きな電力を必要とし、角度振動の周波数の高さに限界
がある。このため分解能は低く、運動する物体の時間変
化の検知も困難である。さらに、光学的機器の組み込み
により光源に不要な振動が誘発され、光源の質的低下が
避けられない。

【０００４】低消費電力で高い角度振動数を確保するた
めには、光源としてランプやレーザーの替わりに小型軽
量の発光ダイオードやレーザーダイオード等の固体発光
素子を使用することが考えられるが、この場合、人体に
無害とするため固体発光素子の発光出力を微弱にしなけ
ればならず、このため受光素子が室内照明や日光などの
外乱を受け易くなってしまう。外乱を避けるために光源
を正弦波変調やパルス変調などで発光させる方法も考え
られるが、この場合、変調周波数を一般的には角度振動
数より１桁以上は高くする必要があり、極めて高い周波
数で発光変調が可能な固体発光素子を求めねばならな
い。

【０００５】また、投射光を正弦波振動させる方式の投
射光は、時間をt(s), 振動角をA(t)、最大振動角をAma
x、角度振動数をfa(Hz)とすると、 A(t)＝Amax・sin(2 π・fa・t) なる式で表すことができる。今、A(t)≒±Amaxの場合を
考えると、角度振動速度は略０とみなせる。即ち、dA
(t) ／dt≒０となる。角度振動速度が０に近いと云うこ
とは、最大振動角付近に投射光が長時間留まることを意
味する。このため最大振動角付近で検知される物体に対
しては長時間の平均値として判別されることとなり、分
解能が低くなる。

【０００６】一方、A(t)≒０では、角度振動速度、dA
(t) ／dtが最大となる。これは、振動中心付近では投射
光が短時間しか留まらないことを意味する。このため、
振動中心付近で検知される物体に対する分解能も低く、
また高速でこの角度付近を通過する物体の検知は極めて
困難となる。

【０００７】そこで、投射光を角度振動ではなく円振動
とした場合、その速度は一定に保たされ上述のような問
題は解決できる。しかし、光が投射される全周方向のう
ち検知する物体に有効に投射される角度範囲は僅かな割
合であり、発光効率、時間分解能の点で問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解消すべく提案されたものであって、比較的低電力で
機能し、外乱光に影響されることなく広角度範囲で分解
能高く物体を判別できる物体センサーを提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による物体センサ
ーは、発光光量変調された光を発光する固体発光素子
と、この固体発光素子を正弦波振動と比較して振動中心
付近では遅く、最大振幅付近では速くなるように光を角
度振動させて物体に投射する駆動装置と、物体へ投射し
た光が物体表面から反射する光を受光し、これを信号に
変換する受光素子及び受光信号を増幅・復調する電子回
路とから構成されることを特徴とするものである。更
に、前記角度振動は光の反射・屈折を利用した光学的駆
動装置を用いても良い。

【００１０】

【作用】本発明は、固体発光素子を駆動装置を用いて、
固体発光素子からの投射光を角度振動速度が振動中心付
近では正弦波振動と比較して遅く、最大振幅付近では速
くなるようにしたため、広角度範囲での物体検知の分解
能が高くなり、比較的低電力で機能し、外乱光にも影響
されることなく広角度範囲で分解能が高く物体を判別で
きる。

【００１１】

【実施例】先ず、本発明による物体センサーの第１の実
施例を図１に基づき説明する。物体センサーは、発光光
量変調された光１を発光する固体発光素子２と、この固
体発光素子２を所定の角度振動させて光１を物体３に投
射する駆動装置４と、物体３へ投射した光１が物体３の
表面から反射する光を受光して信号に変換する受光素子
５と、この受光信号を増幅する電子回路６とから構成さ
れている。図中、７は固体発光素子２の角度振動の中心
軸、８は駆動装置４の駆動回路、９は固体発光素子２の
発振回路、１０は同期検波器，１１は遮蔽板である。

【００１２】また、本発明によるの物体センサーの第２
の実施例を図２に基づき説明する。この第２の実施例
は、第１の実施例において使用した駆動装置４（図１）
に換えて、光学的駆動装置４ａを使用したものであっ
て、他の光学素子、部材は第１の実施例のものと同一で
あるから説明を省く。

【００１３】尚、前記固体発光素子２の所定の角度振動
とは、正弦波振動と比較して、振動中心では遅く、最大
振幅付近では速くなるようにしたものである。

【００１４】ここで、光源には小型軽量の固体発光素子
２を用いたことにより、比較的低消費電力で大きな角度
振動数の光が得られる。固体発光素子２としては、発光
ダイオードや半導体レーザーが代表的であり、赤外光か
ら可視光や紫外光に亙る各波長光を発光する素子が安価
で、かつ容易に入手可能である。固体発光素子に微小レ
ンズなどの補助光学系素子を組み込んで光路を修正し、
その全体を一つの固体発光素子としたものが多種市販さ
れている。このため、用途に最適な光源の選択が可能で
ある。また本発明の物体センサーの光源は、発光光量変
調した固体発光素子であるため、変調・復調の方式と周
波数帯とを適当に調整することで、復調信号に及ぼす外
乱光の影響を軽減することができる。

【００１５】図３に角度振動させた投射光１の光路を示
す。固体発光素子２から投射された光１は、或る指向特
性で直進し、物体３の表面で乱反射し、反射光の一部が
物体センサーに戻って来る。固体発光素子２を駆動する
装置４、或いは、投射光を光学的に駆動する装置４ａを
用いて、固体発光素子２からの投射光１を角度振動速度
が振動中心付近では正弦波振動と比較して遅く、最大振
幅付近では速くなるようにしたため、広角度範囲での物
体検知の分解能が高くなる。

【００１６】固体発光素子２の角度振動数は発光光量変
調の周波数よりも低い周波数とし、角度振動に同期した
信号を参照信号として受光信号を同期検波しても良い。
これにより検波出力の時間変化を検知すれば、物体の方
位、個数、大きさ、表面形状、反射率分布のそれぞれの
時間変化も判別することができるようになる。

【００１７】なお、振動機構系の改良により、角度振動
速度を更に大きくすれば、比較的速く運動する物体の反
射光情報をも捕らえることが出来、広い産業分野での利
用が期待される。

【００１８】受光素子５にはフォト・トランジスタやフ
ォト・ダイオード等の光を電気信号に変換する素子を用
いる。投射光１が物体３の表面から反射した光を受光し
て、その光の強弱を信号に変換する。

【００１９】増幅回路６と同期検波器１０とは受光素子
５からの受光信号を増幅・復調する電子回路である。こ
の増幅回路６と同期検波器１０とは、発光光量変調に同
期した信号を参照信号として受光信号を同期検波しても
良い。この場合、角度振動数の制約が解除され、光源を
正弦波変調やパルス変調等で発光でき、外乱を低減す
る。

【００２０】以上の構成で比較的低電力で機能し、外乱
光に影響されることなく広角度範囲で分解能高く、物体
の方位、個数、大きさ、表面形状、反射率分布等が判別
できる。

【００２１】前述の第１の実施例による物体センサーを
用いた第１の実験例について説明する。固体発光素子２
に標準半値角10°の指向特性を有する赤色発光ダイオー
ドを使用した。赤色発光ダイオードは発振回路９により
周波数 30kHzと、デューティー＝1/3 で点灯して、固体
発光素子２はモータを有する駆動装置４により±15°の
範囲で角度振動させた。固体発光素子２はモータの第２
固有振動数1.75 kHz以下の角度振動となるように制御し
た。駆動装置４は、時間ｔ、時間ずれをδとすると、振
動数 f＝５Hzで、振動の各半周期毎に時間ずれδを調整
して、(t＋δ)に比例する大きさの電流をモータに流し
て各半周期の角度振動速度をほぼ一定に保つ。

【００２２】受光素子５には広角指向特性のフォト・ト
ランジスタを用い、固体発光素子２から約４cm離して固
定した。固体発光素子２と受光素子５との中間に約10cm
四方の黒色の遮光板11を挟んで、固体発光素子２からの
光１が直接受光素子５に届かないようにした。電子回路
６は増幅、同期検波、復調の各機能部で構成した。受光
素子５の信号は電子回路６に入力し、受光信号をピーク
振動数30kHz 、−3dBバンド幅2kHzの感度特性を有する
増幅部で増幅し、物体の方位に対する出力信号を同期検
波器１０へ伝えた。電子回路６の同期検波器１０には発
振回路９から固体発光素子２への出力信号と同期する30
kHz の信号を参照信号として入力した。

【００２３】幅ｄ＝８cmの物体３を上記の構成の物体セ
ンサーの前方約70cmの距離に、固体発光素子２の角度振
動の中心軸７からそれぞれ 0°, 10°, 15°と異なる位
置に置いた。図４上段縦軸に、この時の物体センサーの
出力信号を示し、下段縦軸に、固体発光素子２の角度振
動周期に同期したパルス信号を、時間を上下段共通の横
軸として示す。物体３の位置 0°, 10°, 15°で現れた
出力信号のパターンは角度位置により異なり、位置10°
より外側範囲では角度差 5°で物体の判別が可能である
ことがわかる。

【００２４】以上の第１の実験は本発明による物体セン
サーを用いての実験であるが、従来方式の装置によるも
のとの比較をするため比較実験を行った。その比較実験
について説明する。この比較実験は、固体発光素子から
の投射光を従来方式の正弦波振動とした以外は、前記第
１の実験と同じ構成の物体センサーを用い、同じ条件で
実験し、その結果を図５に示す。物体を 0°, 10°, 15
°と異なる位置にそれぞれ置いて、この時の物体センサ
ーの出力信号を上段縦軸に示し、固体発光素子の角度振
動周期に同期したパルス信号を下段縦軸に示し、時間を
上下段共通の横軸として示す。

【００２５】図５を観察するに、比較例の場合は、物体
の位置は 0°か15°かのいずれかの区別が判別できるの
みであって、 0°か10°かの位置判別が難しく、10°以
下の角度範囲では物体方位も検知できなかった。また、
角度振動の振動中心付近においては、投射光が短時間し
か留まらないので、分解能も低く、高速でこの角度付近
を通過する物体の検知は極めて困難であることを示して
いる。そして、最大振動角付近では投射光が長時間留ま
り、そのため物体に対して長時間の平均値として判別さ
れるので分解能が低くなっている。そこで、時間軸の圧
縮または伸長を行っても、方位分解能は第１の実験例の
場合より遙に劣っていた。

【００２６】第２の実験例について説明する。第１の実
施例による第１の実験例の場合と同じ物体センサーを用
いたが、固体発光素子２の指向特性を狭めるために、固
体発光素子２に細長い薄肉黒色の筒を被せて投射光１の
ビーム径を細くした。この時、実効標準半値角は第１の
実験例の場合の半分の 5°であった。物体センサー前方
約70cmに図６に示す通り、白色部と黒色部とを半分ずつ
有する幅 d＝8 cmの物体と、更にその奥方向約10cmの処
に幅 d＝30cmの全部黒色の物体を置き、図６上段に示す
ように物体センサーから見て黒色部が重なるようにし
た。図中の斜線部位は、物体の黒色部を示すものとす
る。また、図６の下段には、上記２個の物体に対する同
期検波器出力を示す。この結果から、複数物体の個数や
大きさは勿論のこと、検波出力の違いにより物体の遠
近、表面形状（凹凸）、反射率分布が判別できることが
判る。

【００２７】同じく第３の実験例について説明する。図
１に示す物体センサーにおいて、固体発光素子２として
標準半値角14°の指向特性、ピーク波長 900nmの赤外発
光ダイオードを用い、これに細長い薄肉黒色の筒を被せ
て投射光１のビーム径を細くした。この時、実効標準半
値角は第１の実験例の場合の1/2 の 5°であった。赤外
発光ダイオードは直流電流で発光させた。固体発光素子
２はモータを有する駆動装置４により±10°の範囲の範
囲で角度振動させた。固体発光素子２はモータの第２固
有振動数2.05kHz 以下の角度振動となるように制御し
た。駆動装置４は、時間ｔ、時間ずれをδとすると、振
動数ｆ＝20Hzで、振動の各半周期毎に時間ずれδを調整
して、（ｔ＋δ）に比例する大きさの電流をモータに流
して各半周期の角度振動速度をほぼ一定に保つ。

【００２８】受光素子５には、第１の実験例と同じ広角
指向特性のフォト・トランジスタを用い、固体発光素子
２から約５cm離して固定した。遮光板11、電子回路６は
第１の実験例のものと同じものを用いた。電子回路６の
同期検波器１０には駆動回路８から固体発光素子２への
出力信号と同期する20kHz の信号を参照信号として入力
した。物体センサーの前方約30cmの位置に図６上段に示
す物体を置き、増幅器の時間ずれと増幅感度下限を変化
させて物体センサーの出力を記録解析し、固体発光素子
２を直流点灯する実験をしたところ、図６下段に示した
第２の実験例と同様の結果が得られた。

【００２９】同じく第４の実験例について説明する。前
述した第３の実験例の物体センサーに発光光量変調・復
調機能を付加して第３の実験例と同様の実験をしたとこ
ろ、第３の実施例の場合と同様の結果が得られた。

【００３０】本発明の第２の実施例による図２に示す物
体センサーを用いた第５の実験例について説明する。こ
の物体センサーにおいて、固体発光素子２は固定し、反
射・屈折により光１を角度振動させる光学的駆動装置４
ａにより、光学系が発光する光１を±15°の範囲でほぼ
一定の角度振動速度で角度振動させた。これ以外は、実
験例１の場合と同構成，同条件で実験した。結果は実験
例１と同様であった。

【００３１】

【発明の効果】本発明の物体センサーは、比較的低電力
で機能し、外乱光に影響されることなく広角度範囲で分
解能高く物体を判別できるものであり、物体センサーを
用いる光センシング技術の応用分野の発展に大きく貢献
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による物体センサーの概
略図である。

【図２】本発明の第２の実施例による物体センサーの概
略図である。

【図３】角度振動させた投射光の光路を示す図である。

【図４】第１の実施例第１の実験例であり、物体センサ
ーの各角度位置における出力信号を上段縦軸に、固体発
光素子のパルス信号に同期した信号を下段縦軸に、時間
ｔ（ms) を上下段共通の横軸に示す。

【図５】従来装置による比較実験例であり、物体センサ
ーにおける各角度位置における出力信号を上段縦軸に、
固体発光素子のパルス信号に同期した信号を下段縦軸
に、時間ｔ（s)を上下段共通の横軸に示す。

【図６】本発明の第２の実施例における物体位置を示す
平面図( 上段) と、これに対応する物体センサーの出力
信号を示す図であり，横軸は時間（ｔ）を表す。

【符号の説明】 １ 投射光 ２ 固体発光素子 ３ 物体 ４ 駆動装置 ４ａ 光学的駆動装置 ５ 受光素子 ６ 電子回路 ７ 角度信号の中心軸 ８ 駆動装置または光学的駆動装置の駆動回路 ９ 発振回路 １０ 同期検波器 １１ 遮蔽板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光光量変調された光を発光する固体発
   光素子と、該固体発光素子からの射出光を正弦波振動と
   比較して振動中心付近では遅く、最大振幅付近では速く
   なるように角度振動させて物体に投射する駆動装置と、
   該投射光の物体表面からの反射を受光して信号に変換す
   る受光素子及び該受光信号を増幅・復調する電子回路と
   より構成されることを特徴とする物体センサー。
2. 【請求項２】 発光光量変調された光を発光する固体発
   光素子と、該固体発光素子からの射出光を反射・屈折に
   より正弦波振動と比較して振動中心付近では遅く、最大
   振幅付近では速くなるように角度振動させて物体に投射
   する光学的駆動装置と、該投射光の物体表面からの反射
   を受光して信号に変換する受光素子及び該受光信号を増
   幅・復調する電子回路とより構成されることを特徴とす
   る請求項１記載の物体センサー。