JPH0763552A

JPH0763552A - 光電スイッチ

Info

Publication number: JPH0763552A
Application number: JP21258093A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takagi; 剛高木; Junichi Takagi; 潤一高木
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】小型の光電スイッチで被検出物体の絵柄や背
景の影響を受けることなく、高精度の距離の検出を行
う。【構成】２つの光検出器アレイ１ａ、１ｂにより被検
出物体４の像を取り込み、相関演算により距離を求め、
制御出力を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、あらかじめ設定された
検知エリア内に被検知エリア内に被検知物体が存在する
かどうかを判別して、出力回路を制御する光電スイッチ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のあらかじめ設定された検知エリア
内に被検知物体が存在するかどうかを判別して出力回路
を制御する光電スイッチとしては次のようなものがあ
る。図３０は、位置検出素子１を用いた三角測距方式に
よる光電スイッチである。投光素子２よりでる光束は、
投光レンズ３により絞られ、被検知物体の表面に照射さ
れる。そして、被検知物体の表面より拡散された光線の
一部は受光レンズ５を通過して位置検出素子１上にスポ
ットを作る。このとき図に示したように、受光スポット
は被検知物体４までの距離Ａ、Ｂに応じてスポット位置
がａ、ｂと変化する。このスポット位置を検知すること
により物体４までの距離を判定するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の三角測距方式を用いた距離測定においては、比
較的近距離での距離変動については、位置検出素子１上
でのスポット位置の変化も大きく検出精度も良いが、遠
距離での距離変動については、その変化も小さく検出精
度も悪くなる。検出精度を保とうとすると、投光レンズ
３と受光レンズ５間の距離（基線長）を大きくする必要
があり、装置が大型化してしまうという問題点がある。

【０００４】また、長距離化にともない被検知物体４か
らの反射光量も低下しｓ／ｎが悪くなるという問題点も
ある。

【０００５】さらに、被検知物体４に模様などの色柄６
がある場合には、誤動作する場合があるという問題点が
ある。図３１を用いて説明する。被検知物体４に図に示
すような柄６がある場合には、その表面の反射率の違い
に応じて位置検出素子１上での集光スポットの形状が変
化し、光強度分布の重心が（ａ）、（ｂ）で示すように
変化する。図に示した場合には、重心が右側に移動して
しまうため、被検知物体４までの実際の距離よりも短い
という結果を出力してしまう。

【０００６】また同じような理由で、設定距離範囲７に
は被検知物体４がない場合でも、図３２に示すように背
景８の一部分が検出エリアに入ってきたような場合に
は、位置検出素子１上での光強度の重心位置が、設定距
離位置に被検知物体４がある場合と同じようになるた
め、誤動作してしまう。これは、距離を測定して制御出
力を出力する光電スイッチとしては、致命的な問題点で
ある。

【０００７】このような問題点を解決するための提案と
しては、特開昭５９−１５８０２９号公報に記載された
ものが知られている。この提案は図３３に示すように、
位置検出素子１及び受光レンズ５をそれぞれ２個設けた
もので、３眼式と呼ばれるものである。しかしながら、
このような構成においては、前述したように基線長を長
くとる必要があるため、装置が大型化してしまうという
問題がある。

【０００８】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、検出距離が大きくなっても被検知物体の像の位
置を高精度に検出することができる小型の光電スイッチ
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】請求項１に記載の光電ス
イッチは、被検知物体４までの距離データをもとに制御
信号を出力する光電スイッチにおいて、空間的に隔てら
れた第１及び第２の光路に沿って被検知物体４から入射
する光を受け伝達し得る、所定の距離に離された第１及
び第２レンズ５と、前記第１レンズ５ａから前記第１光
路に沿って伝達された光を受け、その光の強度分布を表
す複数の電気信号を供給する検出器であって、前記第１
レンズ５ａから距離ｆの位置に固定された複数個の光応
答素子を有する第１検出器アレイ１ａと、前記第２レン
ズ５ｂから前記第２光路に沿って伝達された光を受け、
その光の強度分布を表す複数の電気信号を供給する検出
器であって、前記第２レンズ５ｂから距離ｆの位置に固
定された複数個の光応答素子を有する第２検出器アレイ
１ｂと、前記第１及び第２検出器アレイ１に接続された
前記電気信号を受信し、前記第１検出器アレイ１ａのう
ち連続したａ個の光応答素子からなるあるグループの電
気信号と前記第２検出器アレイ１ａのうち連続したａ個
の光応答素子からなる複数のグループからの電気信号と
を比較して、前記第２検出器アレイ１ｂのうちどのグル
ープが前記第１検出器アレイ１ａのあるグループからの
電気信号に最も類似するかを決定し、前記第１検出器ア
レイ１ａのあるグループの光応答素子によって検出され
た強度分布の位置と前記第２検出器アレイ１ｂの前記決
定されたグループの強度分布の位置との変位を光応答素
子の数で表した出力信号を、被検知物体４までの距離を
指示する信号として出力する回路装置としての出力装置
１１と、スイッチを動作させたい（ＯＮ／ＯＦＦ）距離
データを入力する事のできる入力装置１２と、前記回路
装置１１からの出力信号と前記入力装置１２からの入力
信号とを比較し、大小判別を行う信号処理回路としての
大小判別装置１３と、前記信号処理回路１３からの出力
信号をもとに制御信号を出力する出力回路としての出力
装置１４と、から構成されることを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の光電スイッチは、スイッ
チを動作させたい範囲を複数個の距離設定入力により限
定したことを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の光電スイッチは、複数個
の距離設定を入力可能な入力装置１２を有し、その入力
値と被検知物体４までの距離データを比較、大小判別す
ることにより被検知物体４の存在領域を検知し、それに
応じた制御信号を出力することを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の光電スイッチは、動作距
離設定方法として、スイッチを動作させたい位置に被検
知物体４を配置させて、そのときの距離を請求項１記載
の方法で測定し、その距離データをもとに動作距離を設
定することを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の光電スイッチは、動作距
離設定方法として、検出領域から被検知物体４を除去し
て、そのときの距離を請求項１記載の方法で測定し、そ
の距離データをもとに動作距離を設定することを特徴と
する。

【００１４】請求項６に記載の光電スイッチは、動作距
離設定方法として、検出領域内に被検知物体４を配置さ
せて、そのときの距離を請求項１記載の方法で測定し、
また、被検知物体４を検出領域から除去した状態での距
離を請求項１記載の方法で測定し、その両方の距離デー
タの間に位置する距離データをもって動作距離と設定す
ることを特徴とする。

【００１５】請求項７に記載の光電スイッチは、前記検
出器アレイ１上での被検知物体４の結像状態を判別する
合焦判別機能を有し、前記合焦判別器からの信号をもと
に受光レンズ５を動かせることができることを特徴とす
る。

【００１６】請求項８に記載の光電スイッチは、前記合
焦判別の方法として、左右の検出器アレイ１ａ、１ｂ上
での像が最も類似している状態を決定する相関演算にお
いて、その相関値が最小となる付近での相関値の傾きが
最も大きくなるレンズ位置をもって合焦であると判別す
る合焦判別機能を持つことを特徴とする。

【００１７】請求項９に記載の光電スイッチは、前記合
焦判別の方法として、左右の検出器アレイ１ａ、１ｂ上
での像が最も類似している状態を決定する相関演算にお
いて、その最小相関値が最小となるレンズ位置をもって
合焦であると判別する合焦判別機能を持つことを特徴と
する。

【００１８】請求項１０に記載の光電スイッチは、前記
合焦判別の方法として、検出器アレイ１上での被検知物
体４からの像の強度分布を表す連続した光応答素子から
の電気信号のうち隣接する電気信号の差分の合計を計算
し、その合計が最も大きくなるレンズ位置をもって合焦
であると判別する合焦判別機能を持つことを特徴とす
る。

【００１９】請求項１１に記載の光電スイッチは、被検
知領域を照明する投光手段としての投光素子２を有する
ことを特徴とする。

【００２０】請求項１２に記載の光電スイッチは、前記
投光手段の照明光が強度分布を持つコントラストパター
ン２１となっていることを特徴とする。

【００２１】請求項１３に記載の光電スイッチは、前記
コントラストパターン２１が周期性のないことを特徴と
する照明光であることを特徴とする。

【００２２】請求項１４に記載の光電スイッチは、前記
コントラストパターン２１を作製する投光装置の構成と
して、半導体発光素子２からの出射光をアキシコンレン
ズ３１により投射することにより照明光に強度分布を持
たせたことを特徴とする。

【００２３】請求項１５に記載の光電スイッチは、前記
コントラストパターン２１を作製する投光装置の構成と
して、半導体発光素子２からの出射光を光学マスク４１
により明暗化し、その像を投光レンズ３により投射する
ことを特徴とする。

【００２４】請求項１６に記載の光電スイッチは、前記
コントラストパターン２１を作製する投光装置の構成と
して、半導体発光素子２からの出射光をレンズ３で回折
格子４２上に集光しその回折パターン２１によりコント
ラストを形成するという構成にしたことを特徴とする。

【００２５】請求項１７に記載の光電スイッチは、前記
コントラストパターン２１を作製する投光装置の構成と
して、半導体発光素子２の光出射面上を電極金属５１で
覆い、半導体発光素子２の発光形状をコントラストパタ
ーン２１とし、その像を投光レンズ３により投射するこ
とを特徴とする。

【００２６】請求項１８に記載の光電スイッチは、前記
照明光は発光径が１５０μｍ以下の微小発光素子２から
発することを特徴とする。

【００２７】請求項１９に記載の光電スイッチは、前記
照明光の発光波長を選択的に透過する光学フィルター２
３を受光部分に設けたことを特徴とする。

【００２８】請求項２０に記載の光電スイッチは、検知
領域を判別するための可視光発光素子２によるガイドス
ポット５１を設けたことを特徴とする。

【００２９】請求項２１に記載の光電スイッチは、前記
可視発光素子２の発光径が１５０μｍ以下であるＬＥＤ
を用いてガイドスポットを形成したことを特徴とする。

【００３０】請求項２２に記載の光電スイッチは、前記
ガイドスポット５１を検出領域を指示する線状のまたは
矢印状に形成したことを特徴とする。

【００３１】請求項２３に記載の光電スイッチは、前記
ガイドスポット５１を作製する投光装置の構成として、
半導体発光素子２からの出射光を光学マスク７１により
明暗化し、その像を投光レンズ３により投射することを
特徴とする。

【００３２】請求項２４に記載の光電スイッチは、前記
ガイドスポット５１を作製する投光装置の構成として、
半導体発光素子２の光出射面上を電極金属で覆い、半導
体発光素子２の発光形状を線状または矢印状とし、その
像を投光レンズ３により投射することを特徴とする。

【００３３】請求項２５に記載の光電スイッチは、前記
線状または矢印状のガイドスポット５１を作製する投光
装置の光軸を投光装置からの光ビームの広がり角分だけ
距離測定用の受光レンズ５の光軸からずらしたことを特
徴とする。

【００３４】請求項２６に記載の光電スイッチは、前記
スイッチ動作時に距離データを求めるための相関演算の
演算回数を、距離設定時の演算回数より少くしたことを
特徴とする。

【００３５】請求項２７に記載の光電スイッチは、スイ
ッチ動作時に用いるウィンドウをずらし、画素数を距離
設定時より少くすることにより、演算回数を少くしたこ
とを特徴とする。

【００３６】請求項２８に記載の光電スイッチは、距離
設定時に最も高かったウィンドウ（Ａ）を中心として、
その前後のウィンドウを任意の画素分ずらすことにより
演算回数を少くしたことを特徴とする。

【００３７】請求項２９に記載の光電スイッチは、ウィ
ンドウをずらし画素数を少なくする方法として、距離設
定時に最も相関の高かった一方のウィンドウ（Ａ）を基
準ウィンドウとし、もう一方のウィンドウについては相
関の高かったウィンドウ（Ａ）を中心として、その前後
である任意画素分だけずらす方法により、演算回数を少
なくしたことを特徴とする。

【００３８】請求項３０に記載の光電スイッチは、前記
演算回数を少なくする方法として、距離設定時に用いた
ウィンドウよりも画素数の少ないウィンドウを用いるこ
とにより演算回数を少なくしたことを特徴とする。

【００３９】請求項３１に記載の光電スイッチは、距離
設定時に最も相関の高かった左右のウィンドウの内部
で、画素数を少なくしたウィンドウを前記ウィンドウ内
でずらすことにより、スイッチ動作時の相関演算を行
い、距離設定時よりも演算回数を少なくしたことを特徴
とする。

【００４０】請求項３２に記載の光電スイッチは、距離
設定時に最も相関の高かったウィンドウ（Ａ）の一方に
ついてその内の一部分を基準画素とし、もう一方のウィ
ンドウを順次ずらしていくことによりスイッチ動作時の
相関演算を行い、距離設定時よりも演算回数を少なくし
たことを特徴とする。

【００４１】請求項３３に記載の光電スイッチは、前記
基準画素として、距離設定時において最も入射光強度の
高かった画素を中心とした一連の画素を基準画素とした
ことを特徴とする。

【００４２】請求項３４に記載の光電スイッチは、前記
基準画素として、距離設定時において最もコントラスト
の高かった一連の画素を基準画素としたことを特徴とす
る。

【００４３】請求項３５に記載の光電スイッチは、最も
遠い設定距離と最も近い設定距離に応じたそれぞれの相
関の高いウィンドウを抽出し、そのウィンドウの位置を
もとに比較ウィンドウ領域を決定し、相関演算を行うこ
とを特徴とする。

【００４４】

【作用】上記構成の光電スイッチにおいては、被検知物
体４までの距離データをもとに制御信号を出力する光電
スイッチにおいて、その構成を、空間的に隔てられた第
１及び第２の光路に沿って被検知物体４から入射する光
を受け伝達し得る、所定の距離に離された第１及び第２
レンズ５ａ、５ｂと、前記第１レンズ５ａから前記第１
光路に沿って伝達された光を受け、その光の強度分布を
表す複数の電気信号を供給する検出器１ａであって、前
記第１レンズ５ａから距離ｆの位置に固定された複数個
の光応答素子を有する第１検出器アレイと、前記第２レ
ンズ５ｂから前記第２光路に沿って伝達された光を受
け、その光の強度分布を表す複数の電気信号を供給する
検出器１ｂであって、前記第２レンズ５ｂから距離ｆの
位置に固定された複数個の光応答素子を有する第２検出
器アレイと、前記第１及び第２検出器アレイに接続され
た前記電気信号を受信し、前記第１検出器アレイのうち
連続したａ個の光応答素子からなるあるグループの電気
信号と、前記第２検出器アレイのうち連続したａ個の光
応答素子からなる複数のグループからの電気信号とを比
較して、前記第２検出器アレイのうちどのグループが前
記第１検出器アレイのあるグループからの電気信号に最
も類似するかを決定し、前記第１検出器アレイのあるグ
ループの光応答素子によって検出された強度分布の位置
と前記第２検出器アレイの前記決定されたグループの強
度分布の位置との変位を光応答素子の数で表した出力信
号を、被検知物体４までの距離を指示する信号として出
力する回路装置としての出力装置１４と、動作させたい
（ＯＮ／ＯＦＦ）距離データを入力する事のできる入力
装置１２と、前記出力装置１４からの出力信号と前記入
力装置１２からの入力信号とを比較し、大小判別を行う
信号処理回路としての大小判別装置１３と、大小判別装
置１３からの出力信号をもとに制御信号を出力する出力
回路としての出力装置１４と、からなる光電スイッチと
したので、基線長が短い場合においても、相関演算によ
り高精度に被検知物体４の像の位置を検出することがで
きるため、検出距離が大きくなっても高精度に検出する
ことができる。これは、従来の距離測定方法では、被検
知物体４の像の重心位置１点のデータをもって距離を求
めていたのに対し、本発明による光電スイッチの距離測
定方法では、被検知物体４の像を多数の光応答素子によ
り検出し、光強度分布としてとらえため多数のデータに
もとずいて、相関演算や補間演算などにより距離データ
が算出されるため高精度化が達成されるのである。した
がって、このような距離測定方法を用いれば、長距離検
出時においても高精度に被検知物体４を検出することが
できる超小型化の光電スイッチを実現することができ
る。

【００４５】また、長距離化などにともない被検知物体
４からの光量が低下した場合においても、本検出方式を
用いた光電スイッチにおいては、検出器アレイとしてＣ
ＣＤなどの電荷を蓄積するタイプの受光素子を用いるこ
とにより、十分なＳ／Ｎを確保することができる。

【００４６】さらに、被検知物体４に色柄がある場合に
おいても検出誤差を生じること無く高精度に検出するこ
とができる。これは図３４に示すように被検知物体４に
色柄６７がある場合には、左右の像はともに同じ方向に
シフトするため、その相関位置間隔をＬ２とした場合、
色柄が無い場合の左右の像の相関位置間隔Ｌ１と等しく
なり、結局距離データとしては同じ値が得られるためで
ある。従って本方式を用いた光電スイッチにおいては色
柄の影響による誤差を生じないという効果が得られる。

【００４７】また、それと同様に背景エッジの影響を受
けないという効果が得られる。図３５を用いて説明す
る。設定位置７に被検知物体４がある場合の相関位置間
隔をＬ１とし、背景位置８に背景の一部分が検出領域に
入ってきた場合の相関位置間隔をＬ２とすると、後者の
場合、左側の検出器アレイ１ａに形成される像の強度分
布は、前者の場合に比べて右側にシフトするため、結果
としてＬ２はＬ１より小さくなり、光電スイッチとして
は、設定位置よりも遠いという判断をし誤動作しないこ
とになる。このことは、従来の距離を測定して制御出力
を出力する光電スイッチにおいて、致命的であった問題
点を解決したことになる。

【００４８】また、このような光電スイッチにおいて
は、相関演算などの信号処理はデジタル信号で行われる
ため、複数の距離設定により制御出力を変えるというよ
うなことも容易に行えるようになる。

【００４９】また、動作距離設定入力方法についても、
被検知物体４を検出領域に配置し、その時の被検知物体
４までの距離をそのスイッチを用いて測定しそのデータ
をもとに動作距離を設定するといった、ティーチング入
力も可能となる。

【００５０】また、検出器アレイ上の被検知物体４から
の像の合焦状態を光軸する機構と、受光レンズ５の焦点
位置を調整できる機構を備えることによりスイッチを動
作させたい設定距離において、焦点があった状態で相関
演算が行えるため、高精度に距離測定を行うことができ
誤差の小さい光電スイッチを実現することができる。

【００５１】また、被検知領域を照明する投光手段とし
ての発光素子２を設けた構成とすることで、応答時間の
短い光電スイッチを実現することができる。また、照明
光として強度分布を有するコントラストパターン２１を
投射することで、被検知物体４にコントラストがない
（例えば真っ白）の場合でも、相関演算を行えるだけの
十分なコントラストを保つことができる。したがって、
対称物体４の表面の状態により影響を受けない光電スイ
ッチを実現することができる。

【００５２】また、使用者に検知領域が分かるように可
視光発光素子によるガイドスポット５１が設けることに
より、スイッチ取付など光軸の調整が容易になる。

【００５３】また、相関演算に要する時間を、スイッチ
動作時（検出時）に距離データを求めるための相関演算
において、相関演算を行うウィンドウを限定することに
より、演算回数を距離設定時の演算回数より少なくし、
短縮することにより、光電スイッチの応答速度を高める
ことができる。

【００５４】

【実施例】以下、本発明の光電スイッチの実施例を図面
を参照して説明する。なお図１乃至図に示す各実施例
において、図乃至図に示す従来例の部分に対応する
部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略
する。

【００５５】図１に本発明による光電スイッチの距離測
定原理を示す。被検知物体４からの像を２つのレンズ５
ａ、５ｂにより検出器アレイ１ａ、１ｂ上に結像し、２
つの像の強度分布８を比較しその相関を見ることによ
り、２つの像の位置間隔Ｌを求める。被検知物体４が遠
い場合にはＬは小さく、近い場合にはＬは大きくなる。

【００５６】図２に本発明による光電スイッチの構成を
示す。前述の距離測定原理にもとずいて距離を測定し距
離データを出力する距離信号出力装置１１と、スイッチ
を動作させたい（ＯＮ／ＯＦＦ）距離データを入力する
事のできる距離設定入力装置１２と、前記回路装置１１
からの出力信号と前記入力装置１２からの入力信号とを
比較し、大小判別を行う信号処理回路１３と、前記信号
処理回路１３からの出力信号をもとに制御信号を出力す
る出力回路１４とから構成される。ＯＮ／ＯＦＦ制御を
切り替える距離データを設定入力装置１２より入力し、
２つのレンズ５ａ、５ｂを通じて一対の検出器アレイ１
ａ、１ｂ上に形成される被検知物体からの像の相関演算
を行い、被検知物体４までの距離を算出する。そこで得
られた距離データとあらかじめ設定された距離データ
を、大小判別装置１３において大小判別を行いＯＮ／Ｏ
ＦＦなどの制御信号を制御信号出力装置１４から出力す
る光電スイッチである。このような構成にすることで、
被検知物体４の像を多数の光応答素子により検出し、光
強度分布としてとらえため多数のデータにもとずいて、
相関演算や補間演算などにより距離データが算出される
ため高精度化が達成される。したがって、長距離検出時
においても高精度に被検知物体４を検出することができ
る超小型化の光電スイッチを実現することができる。ま
た、長距離化などにともない被検知物体４からの光量が
低下した場合においても、本検出方式を用いた光電スイ
ッチにおいては、検出器アレイとしてＣＣＤなどの電荷
を蓄積するタイプの受光素子を用いることにより、十分
なＳ／Ｎを確保することができる。さらに、被検知物体
４に色柄がある場合においても検出誤差を生じること無
く高精度に検出することができる。また、それと同様、
従来の光電スイッチにおいては致命的な欠点であった背
景エッジの影響を受けないという効果が得られる。

【００５７】また、このような光電スイッチにおいて
は、相関演算などの信号処理はデジタル信号で行われる
ため、複数の距離設定により制御出力を変えるというよ
うなことも容易に行えるようになる。図３に２つの距離
設定入力によりＯＮ信号を出力する領域を限定した光電
スイッチの例を示す。距離設定時にＬ１とＬ２のデータ
を記憶し、光電スイッチ動作時には、被検知物体までの
距離データと大小判別を行うことにより、測定距離デー
タがＬ１とＬ２の間にあるときにのみ、ＯＮ信号を出力
するものである。同様に、複数の距離設定により被検知
物体の存在する領域を判別し、それに応じた制御出力を
出力する光電スイッチの実施例を図４に示す。このよう
なスイッチを用いれば１つの光電スイッチで複雑な制御
が可能となる。

【００５８】次に同様距離設定入力方法ついての実施例
を図５と図６を用いて示す。図５には被検知物体４を検
出領域に配置し、その時の被検知物体４までの距離をそ
のスイッチを用いて測定しそのデータをもとに動作距離
を設定する。この場合は測定値より少し遠い位置をもっ
て設定値とする。実際光電スイッチとして動作させると
きは、ティーチングにより得られた動作距離より近い場
合はＯＮ信号を出力し、遠い場合はＯＦＦ信号を出力す
る。同様に図６には、被検知物体を検出領域に配置しな
いで距離測定を行いそのデータをもとに動作距離を設定
した例について示す。この場合は測定値より少し近い位
置をもって設定値とする。また、図５、６に示した両方
の状態の距離データを求め、そのあいだの距離をもって
動作設定値とする事も可能である。

【００５９】次に、検出器アレイ１上の被検知物体４か
らの像の合焦状態を表示する機構と、受光レンズ５の焦
点位置を調整できる機構を備えた光電スイッチの実施例
を図７に示す。被検知物体４からの像の結像状態を電気
的な処理を通じて合焦、非合焦を判別し、その結果を合
焦状態表示用ＬＥＤ２２ａにより表示する。その表示を
見ながらレンズ位置を合焦状態になるまで調整するもの
である。このような機構を備えることによりスイッチを
動作させたい設定距離において、焦点があった状態で相
関演算が行えるため、高精度に距離測定を行うことがで
き誤差の小さい光電スイッチを実現することができる。
この実施例では、手動によりレンズ３、５を矢印Ａ−Ａ
方向に移動させて焦点を調整した例について示したが、
自動に調整する事も可能である。

【００６０】次にその合焦判別方法に関する実施例を示
す。図８に示したように検出器アレイ１上の像は、合焦
状態ではコントラストが明瞭（強度分布の変化が急峻）
であるが、非合焦状態ではコントラストが不明瞭とな
る。したがって、左右の検出器アレイ上での像が最も類
似している状態を決定する相関演算において、合焦状態
では、その相関値が最小となる付近での相関値の傾きが
最も大きくなる、またその相関値自体も小さくなる。こ
の現象を利用して、図９に示すように相関演算の傾きま
たは最小相関値を用いて合焦状態を判断するものであ
る。さらに別の方法として、像のコントラストの状態に
より合焦判別する事も可能である。前述の通り合焦時に
は強度分布の変化が急峻であるため、検出器アレイの隣
接する光応答素子からの出力の差は大きくなる。このこ
とを利用して、検出器アレイ上での被検知物体からの像
の強度分布を表す連続した光応答素子からの電気信号の
うち隣接する電気信号の差分の合計を計算し、その合計
が最も大きくなるレンズ位置をもって合焦であると判別
する方法である。

【００６１】次に、被検知領域を照明する投光手段を有
する光電スイッチの実施例について説明する。このよう
に検出器アレイ１の相関計算により距離を測定する方法
においては、検出器アレイ１として、ＣＣＤなどのよう
な電荷を蓄積するタイプの光応答素子が用いられるた
め、被検知物体４からの像の強度分布を得るために要す
る時間がかかる。そのため、被検知物体４の照度が低い
とスイッチとしての応答時間が非常に長くなってしま
う。このような問題点を解決するため被検知物体４を照
明する投光手段を設けた。図１０に投光手段を有する光
電スイッチの外形図を示す。ふたつの受光レンズ５の脇
に投光用のレンズ３を配し、光源としてはＬＥＤを用い
ている。このような構成とすることで、応答時間の短い
光電スイッチを実現することができる。

【００６２】次に、照明光として強度分布を有するコン
トラストパターン２１を投射する投光手段としての高出
力ＬＥＤ２１ｂを持った光電スイッチの実施例を図１１
に示す。このような構成とすることで、被検知物体４に
コントラストがない（例えば真っ白）の場合でも、相関
演算を行えるだけの十分なコントラストを保つことがで
きる。したがって、対称物体の表面の状態により影響を
受けない光電スイッチを実現することができる。しかし
ながら、周期性をもつコントラストパターンを用いた場
合には、相関演算結果において周期的な極小値を持つた
め、相関判別を誤る恐れがある。そのような誤りを防ぐ
ため、コントラストパターンに周期性のない投光装置を
用いた。

【００６３】次に、コントラストパターンを作製する投
光装置の構成としていくつかの実施例を示す。図１２に
は、半導体発光素子からの出射光をアキシコンレンズ３
１により投射することにより照明光に強度分布３２を持
たせた例を示した。このようなレンズを用いることによ
り簡単に強度分布を作ることができる。また図１３に示
したように、半導体発光素子２からの出射光を光学マス
ク４１により明暗化し、その像を投光レンズ３により投
射する構成も考えられる。さらに図１４に示したように
半導体発光素子２からの出射光をレンズ３で回折格子４
２上に集光しその回折パターンによりコントラストを形
成するという構成も考えられる。このような構成におい
ては、光学マスク４１を用いる場合と比較して光の利用
効率が高いため、より強い照明光が可能となり応答時間
の短縮化が図れる。また、図１５に示したように、半導
体発光素子２の光出射面上を電極金属５１などで覆うな
どして、半導体発光素子２の発光形状そのものをコント
ラストパターンとし、その像を投光レンズ３により投射
することでも同様の効果が得られる。

【００６４】また、照明光に強度分布をつける方法とし
て、図１６に示すような発光素子２の発光径２ａが１５
０μｍ以下の微小発光ＬＥＤを光源として用いることも
有効である。このような光源を用いることで、被検知領
域において照明光のビームスポットの方が小さくするこ
とができるため、受光視野エリア内に十分な強度分布変
化をつけることができる。また、図１８に示したように
照明光の発光波長を選択的に透過する光学フィルター５
１を受光部分に設けることにより、受光視野エリアを限
定することができ、微小物体の検知も容易に行えるよう
になる。

【００６５】なお図１７に示すように、図１１に示す高
出力ＬＥＤ２２を赤外出力ＬＥＤとし、ＣＣＤ２に入射
する光路中に可視光カットフィルタ２３を設けることに
より、照明光の発光波長を選択的に設定することができ
る。

【００６６】次に、図１８に示したような、検知領域が
分かるように可視光発光素子によるガイドスポット５１
が設けられていることを特徴とする光電スイッチの実施
例について説明する。本発明による光電スイッチは基本
的には、パッシブ型であるため投光素子はなくても動作
するが、使用者に検知エリアが分かるように、可視光発
光素子２により検出領域を指示したものである。こうす
ることで使用者が検知エリアを認知することができ、ス
イッチ取付など光軸の調整が容易になる。ここでも図１
６に示したような発光径が１５０μｍ以下である可視光
ＬＥＤ２を用いてガイドスポット５１を形成することが
有効となる。発光点が小さいためにレンズを通じて得ら
れるビームも細くできるため、被検知エリアを示すスポ
ット５１ａも小さくできる。その結果光密度も高くなり
人の目に見やすくなる。

【００６７】次に、検知領域を示す別の方法として、図
１９に示したように線状のまたは矢印状のガイド光スポ
ット６１により検出領域６２を指示した実施例について
示す。前例のように直接スポット位置で示すのではなく
て、矢印など先端の尖った形状で指し示す方法である。
そのガイド光スポット６１を作製する投光装置の構成と
して、半導体発光素子２からの出射光を光学マスク７１
により明暗化し、その像を投光レンズ３により投射した
実施例を図２０に示す。また、別の方法として、図２１
に示したように、半導体発光素子２の光出射面上を電極
金属５１などで覆うなどして、半導体発光素子２の発光
形状そのものを線状または矢印状とし、その像を投光レ
ンズ３により投射することによって検出領域を指示する
方法も考えられる。このような構成では、光の利用効率
が高いためガイド光が良く見えるという効果が得られ
る。さらに、線状または矢印状のガイド光スポットを作
製する投光装置の光軸を、その投光装置からの光ビーム
の広がり角分だけ、距離測定用の受光レンズ５の光軸か
らずらした実施例を図２２に示す。前例の様なガイドス
ポットの位置そのもので、検出領域を示す構成において
は、受光の光軸８１と投光の光軸８２がずれるため検知
物体４までの距離が遠くなると、検出領域とガイドスポ
ット位置がずれてしまう。しかしながら本実施例のよう
な構成とすることで検出物体４までの距離が遠い場合に
おいても位置ズレをおこすことなく、検知領域を指示す
ることができる。

【００６８】次に、相関演算に要する時間を短縮するこ
とにより、光電スイッチの応答速度を高めた実施例につ
いて示す。距離設定時に距離データを相関演算により求
め、そのデータをもとに大小判別を行い制御出力を出力
する前記記載の光電スイッチにおいて、スイッチ動作時
（検出時）に距離データを求めるための相関演算におい
て、演算回数が距離設定時の演算回数より少なくしたこ
とにより、相関演算時間を短縮するもので、スイッチ動
作時に用いるウィンドウずらし画素数を距離設定時より
も少なくすることにより演算回数を少なくするものであ
る。

【００６９】具体的にウィンドウずらし画素数を少なく
する方法として、距離設定時に最も相関の高かったウィ
ンドウを中心として、その前後である任意画素分だけず
らすという方法により、演算回数を少なくする方法があ
る。図２３に距離設定時に相関演算を行ったウィンドウ
とそのとき最も相関の高かったウィンドウ（Ａ）につい
て示す。このような場合、実際光電スイッチとして動作
させるときには、図２４に示すようにＡのウィンドウを
中心に任意画素分だけずらして相関演算を行うようにす
るものである。その結果、演算回数が少なくなり、高速
応答につながる。また同様に、図２５に示すように、距
離設定時に最も相関の高かった一方のウィンドウを基準
ウィンドウとし、もう一方のウィンドウについては相関
の高かったウィンドウを中心として、その前後である任
意画素分だけずらすという方法により、演算回数を少な
くすることも可能である。

【００７０】演算回数を少なくする別の方法として、距
離設定時に用いたウィンドウよりも画素数の少ないウィ
ンドウを用いることにより演算回数を少なくすることも
可能である。図２６に距離設定時に最も相関の高かった
左右のウィンドウの内部で、画素数を少なくしたウィン
ドウを前記ウィンドウ内でずらすことにより、スイッチ
動作時の相関演算を行い、距離設定時よりも演算回数を
少なくした実施例について示す。また別の方法として、
距離設定時に最も相関の高かったウィンドウの一方につ
いてその内の一部分を基準画素とし、もう一方のウィン
ドウを順次ずらしていくことによりスイッチ動作時の相
関演算を行い、距離設定時よりも演算回数を少なくした
実施例を図２７に示す。この実施例では、基準画素とし
て、距離設定時において最も入射光強度の高かった画素
を中心とした一連の画素を基準画素としたことを特徴と
している。また図２８には、基準画素として、距離設定
時において最もコントラストの高かった一連の画素を基
準画素とした実施例について示している。このような画
素を選ぶことにより少ない画素数においても、十分精度
の高い相関演算が行えるようになる。

【００７１】また、複数個の距離設定入力を有する光電
スイッチにおいて、最も遠い設定距離と最も近い設定距
離に応じたそれぞれの相関の高いウィンドウを抽出し、
そのウィンドウの位置をもとに比較ウィンドウ領域を決
定し、相関演算を行うことにより、必要なだけの領域に
ついてのみの計算で済むため、演算回数を大幅に少なく
することができる。図２８にその実施例を示す。この場
合は、最遠、最近距離における最も相関の高かったウィ
ンドウをもとにさらに１画素分よけいにずらせることに
している。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電スイ
ッチによれば、２個の検出器アレイにより被検知物体の
像を取り込み、相関演算により被検知物体までの距離を
演算し、この演算結果に基づいて制御出力を出力するよ
うにしたので、光電スイッチを小型化し、対象物体の色
柄や背景の影響を受けることなく、制御出力を高精度化
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電スイッチの一実施例の距離測定原
理を示す説明図である。

【図２】本発明の光電スイッチの構成を示すブロック図
である。

【図３】図２に示す光電スイッチにより２つの距離設定
入力によりＯＮ信号の出力を限定した場合の作用を示す
説明図である。

【図４】図２に示す光電スイッチにより複数の距離設定
入力により制御出力を出力する場合の作用を示す説明図
である。

【図５】図２に示す光電スイッチにより、被検知物体を
検出領域内に配置して測定を行う場合の作用を示す説明
図である。

【図６】図２に示す光電スイッチにより、被検知物体を
検出領域内に配置しないで測定を行う場合の作用を示す
説明図である。

【図７】図２に示す光電スイッチに、合焦状態を表示す
る機構と、受光レンズの焦点位置調整機構とを備えた場
合の構成を示す外観斜視図である。

【図８】図７の受光レンズの合焦状態を判別する方法を
示す説明図である。

【図９】図７の受光レンズの合焦状態を判別するための
センサずらし量と相関値との関係を示す線図である。

【図１０】図２に示す光電スイッチに被検知物体を照明
する投光手段を設けた場合の構成を示す外観斜視図であ
る。

【図１１】図２に示す光電スイッチにコントラストパタ
ーンを投射する投光手段を設けた場合の構成を示す説明
図である。

【図１２】図１１に示すコントラストパターンを作製す
る投光装置の第１の例の構成を示す説明図である。

【図１３】図１１に示すコントラストパターンを作製す
る投光装置の第２の例の構成を示す斜視図である。

【図１４】図１１に示すコントラストパターンを作製す
る投光装置の第３の例の構成を示す斜視図である。

【図１５】図１１に示すコントラストパターンを作製す
る投光装置の第４の例の構成を示す斜視図である。

【図１６】図１０に示す投光手段の照明光に強度分布を
つける方法を示す斜視図である。

【図１７】図１１に示す光源の発光波長を設定する方法
を示す斜視図である。

【図１８】図５に示す被検知物体の受光視野エリアを限
定する方法の一例を示す斜視図である。

【図１９】図１８に示す受光視野エリアを限定する方法
の他の一例を示す斜視図である。

【図２０】図１８に示す受光視野エリアを限定する方法
のさらに他の一例を示す斜視図である。

【図２１】図１８に示す受光視野エリアを限定する方法
の別の一例を示す斜視図である。

【図２２】図１１に示す投光手段の他の一例の作用を示
す説明図である。

【図２３】乃至

【図２９】本実施例のスイッチ動作時に用いるウィンド
ウの位置を示す説明図である。

【図３０】従来の光電スイッチの一例の距離測定原理を
示す説明図である。

【図３１】従来の光電スイッチにより色柄のある被検知
物体までの距離を測定する場合の誤動作を示す説明図で
ある。

【図３２】従来の光電スイッチによる、設定距離範囲内
に被検知物体がない場合の誤動作を示す説明図である。

【図３３】従来の３眼式光電スイッチの一例の構成を示
す説明図である。

【図３４】図３１に示す場合に対応する本実施例におけ
る像のシフトを示す説明図である。

【図３５】図３２に示す場合に対応する本実施例におけ
る像のシフトを示す説明図である。

【符号の説明】

１検出器アレイ２ＬＥＤ（半導体発光素子）３、５レンズ４被検知物体１１相関演算装置（回路装置）１２入力装置１３大小判別装置（信号処理回路）１４出力装置２１コントラストパターン２２ａＬＥＤ（合焦判別機能）２２ｂＬＥＤ（投光手段）３１アキシコレンズ４２回折格子５１光学フィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検知物体までの距離データをもとに制
御信号を出力する光電スイッチにおいて、空間的に隔て
られた第１及び第２の光路に沿って被検知物体から入射
する光を受け伝達し得る、所定の距離に離された第１及
び第２レンズと、前記第１レンズから前記第１光路に沿って伝達された光
を受け、その光の強度分布を表す複数の電気信号を供給
する検出器であって、前記第１レンズから距離ｆの位置
に固定された複数個の光応答素子を有する第１検出器ア
レイと、前記第２レンズから前記第２光路に沿って伝達された光
を受け、その光の強度分布を表す複数の電気信号を供給
する検出器であって、前記第２レンズから距離ｆの位置
に固定された複数個の光応答素子を有する第２検出器ア
レイと、前記第１及び第２検出器アレイに接続された前記電気信
号を受信し、前記第１検出器アレイのうち連続したａ個
の光応答素子からなるあるグループの電気信号と前記第
２検出器アレイのうち連続したａ個の光応答素子からな
る複数のグループからの電気信号とを比較して、前記第
２検出器アレイのうちどのグループが前記第１検出器ア
レイのあるグループからの電気信号に最も類似するかを
決定し、前記第１検出器アレイのあるグループの光応答
素子によって検出された強度分布の位置と前記第２検出
器アレイの前記決定されたグループの強度分布の位置と
の変位を光応答素子の数で表した出力信号を、被検知物
体までの距離を指示する信号として出力する回路装置
と、スイッチを動作させたい距離データを入力する事のでき
る入力装置と、前記回路装置からの出力信号と前記入力装置からの入力
信号とを比較し、大小判別を行う信号処理回路と、前記信号処理回路からの出力信号をもとに制御信号を出
力する出力回路と、から構成されることを特徴とする光電スイッチ。
【請求項２】前記スイッチを動作させたい範囲を複数
個の距離設定入力により限定したことを特徴とする請求
項１記載の光電スイッチ。
【請求項３】複数個の距離設定を入力可能な入力装置
を有し、その入力値と前記被検知物体までの距離データ
を比較、大小判別することにより、前記被検知物体の存
在領域を検知し、それに応じた制御信号を出力すること
を特徴とする請求項１または２記載の光電スイッチ。
【請求項４】動作距離設定手段として、前記スイッチ
を動作させたい位置に前記被検知物体を配置させて、そ
のときの距離を前記請求項１記載の方法で測定し、その
距離データをもとに動作距離を設定することを特徴とす
る請求項３記載の光電スイッチ。
【請求項５】動作距離設定手段として、検出領域から
前記被検知物体を除去して、そのときの距離を前記請求
項１記載の方法で測定し、その距離データをもとに動作
距離を設定することを特徴とする請求項３記載の光電ス
イッチ。
【請求項６】動作距離設定手段として、検出領域内に
前記被検知物体を配置させて、そのときの距離を前記請
求項１記載の方法で測定し、また、前記被検知物体を検
出領域から除去した状態での距離を前記請求項１記載の
方法で測定し、その両方の距離データの間に位置する距
離データをもって動作距離と設定することを特徴とする
請求項３記載の光電スイッチ。
【請求項７】前記検出器アレイ上での前記被検知物体
の結像状態を判別する合焦判別機能を有し、前記合焦判
別機能からの信号をもとに前記受光レンズを動かせるこ
とができることを特徴とする請求項１記載の光電スイッ
チ。
【請求項８】前記合焦判別の方法として、左右の前記
検出器アレイ上での像が最も類似している状態を決定す
る相関演算において、その相関値が最小となる付近での
相関値の傾きが最も大きくなるレンズ位置をもって合焦
であると判別する合焦判別機能を持つことを特徴とする
請求項７記載の光電スイッチ。
【請求項９】前記合焦判別の方法として、左右の前記
検出器アレイ上での像が最も類似している状態を決定す
る相関演算において、その最小相関値が最小となるレン
ズ位置をもって合焦であると判別する合焦判別機能を持
つことを特徴とする請求項７記載の光電スイッチ。
【請求項１０】前記合焦判別の方法として、前記検出
器アレイ上での前記被検知物体からの像の強度分布を表
す連続した光応答素子からの電気信号のうち隣接する電
気信号の差分の合計を計算し、その合計が最も大きくな
るレンズ位置をもって合焦であると判別する合焦判別機
能を持つことを特徴とする請求項７記載の光電スイッ
チ。
【請求項１１】被検知領域を照明する投光手段を有す
ることを特徴とする請求項１記載の光電スイッチ。
【請求項１２】前記投光手段の照明光が強度分布を持
つコントラストパターンとなっていることを特徴とする
請求項１１記載の光電スイッチ。
【請求項１３】前記コントラストパターンが周期性の
ないことを特徴とする照明光であることを特徴とする請
求項１２記載の光電スイッチ。
【請求項１４】前記コントラストパターンを作製する
投光装置の構成として、半導体発光素子からの出射光を
アキシコンレンズにより投射することにより照明光に強
度分布を持たせたことを特徴とする請求項１２記載の光
電スイッチ。
【請求項１５】前記コントラストパターンを作製する
投光装置の構成として、半導体発光素子からの出射光を
光学マスクにより明暗化し、その像を投光レンズにより
投射することを特徴とする請求項１２記載の光電スイッ
チ。
【請求項１６】前記コントラストパターンを作製する
投光装置の構成として、半導体発光素子からの出射光を
レンズで回折格子上に集光し、その回折パターンにより
コントラストを形成するという構成にしたことを特徴と
する請求項１２記載の光電スイッチ。
【請求項１７】前記コントラストパターンを作製する
投光装置の構成として、半導体発光素子の光出射面上を
電極金属で覆い、前記半導体発光素子の発光形状をコン
トラストパターンとし、その像を前記投光レンズにより
投射することを特徴とする請求項１２記載の光電スイッ
チ。
【請求項１８】前記照明光は、発光径が１５０μｍ以
下の微小発光素子から発することを特徴とする請求項１
１記載の光電スイッチ。
【請求項１９】前記照明光の発光波長を選択的に透過
する光学フィルタを受光部分に設けたことを特徴とする
請求項１１記載の光電スイッチ。
【請求項２０】検知領域を判別するための可視光発光
素子によるガイドスポットを設けたことを特徴とする請
求項１１記載の光電スイッチ。
【請求項２１】前記可視発光素子の発光径が１５０μ
ｍ以下であるＬＥＤを用いてガイドスポットを形成した
ことを特徴とする請求項２０記載の光電スイッチ。
【請求項２２】前記ガイドスポットを検出領域を指示
する線状または矢印状に形成したことを特徴とする請求
項２０記載の光電スイッチ。
【請求項２３】前記ガイドスポットを作製する投光装
置の構成として、前記半導体発光素子からの出射光を光
学マスクにより明暗化し、その像を前記投光レンズによ
り投射することを特徴とする請求項２０記載の光電スイ
ッチ。
【請求項２４】前記ガイドスポットを作製する投光装
置の構成として、前記半導体発光素子の光出射面上を電
極金属で覆い、前記半導体発光素子の発光形状を線状ま
たは矢印状とし、その像を前記投光レンズにより投射す
ることを特徴とする請求項２０記載の光電スイッチ。
【請求項２５】前記線状または矢印状のガイドスポッ
トを作製する投光装置の光軸を前記投光装置からの光ビ
ームの広がり角分だけ距離測定用の受光レンズの光軸か
らずらしたことを特徴とする請求項２０記載の光電スイ
ッチ。
【請求項２６】前記スイッチ動作時に距離データを求
めるための相関演算の演算回数を、距離設定時の演算回
数より少くしたことを特徴とする請求項１または２また
は３記載の光電スイッチ。
【請求項２７】スイッチ動作時に用いるウィンドウを
ずらし、画素数を距離設定時より少くすることにより、
演算回数を少くしたことを特徴とする請求項２６記載の
光電スイッチ。
【請求項２８】距離設定時に最も高かったウィンドウ
を中心として、その前後のウィンドウを任意の画素分ず
らすことにより演算回数を少くしたことを特徴とする請
求項２７記載の光電スイッチ。
【請求項２９】前記ウィンドウをずらし前記画素数を
少なくする方法として、距離設定時に最も相関の高かっ
た一方のウィンドウを基準ウィンドウとし、もう一方の
ウィンドウについては相関の高かったウィンドウを中心
として、その前後である任意画素分だけずらす方法によ
り、演算回数を少なくしたことを特徴とする請求項２７
記載の光電スイッチ。
【請求項３０】前記演算回数を少なくする方法とし
て、距離設定時に用いた前記ウィンドウよりも画素数の
少ないウィンドウを用いることにより演算回数を少なく
したことを特徴とする請求項２９記載の光電スイッチ。
【請求項３１】距離設定時に最も相関の高かった左右
の前記ウィンドウの内部で、前記画素数を少なくしたウ
ィンドウを前記ウィンドウ内でずらすことにより、スイ
ッチ動作時の相関演算を行い、距離設定時よりも演算回
数を少なくしたことを特徴とする請求項２７記載の光電
スイッチ。
【請求項３２】距離設定時に最も相関の高かった前記
ウィンドウの一方についてその内の一部分を基準画素と
し、もう一方のウィンドウを順次ずらしていくことによ
りスイッチ動作時の相関演算を行い、距離設定時よりも
演算回数を少なくしたことを特徴とする請求項２７記載
の光電スイッチ。
【請求項３３】前記基準画素として、距離設定時にお
いて最も入射光強度の高かった画素を中心とした一連の
画素を基準画素としたことを特徴とする請求項３２記載
の光電スイッチ。
【請求項３４】前記基準画素として、距離設定時にお
いて最もコントラストの高かった一連の画素を基準画素
としたことを特徴とする請求項３２記載の光電スイッ
チ。
【請求項３５】最も遠い設定距離と最も近い設定距離
に応じたそれぞれの相関の高いウィンドウを抽出し、そ
のウィンドウの位置をもとに比較ウィンドウ領域を決定
し、相関演算を行うことを特徴とする請求項２または３
記載の光電スイッチ。