JPH09284116A - 検出スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力レベルを弁別する検出スイッチにおい
て、環境変化等によってレベルが変動した場合にもこれ
に追従した閾値を設定できるようにすること。 【解決手段】 一定周期毎に投光部２より光を照射し、
その反射光を受光部３によって受光する。受光信号をＡ
／Ｄ変換して判別手段１３によって判別する。このとき
判別結果と入力レベルとをデータ蓄積手段１４に蓄積す
る。所定数のデータが蓄積されれば、閾値算出手段１５
により判別結果の夫々の分布を判別し、その分布の中間
となるように閾値を算出する。こうすれば環境の変化に
より入力レベルが変動しても、これに追従した閾値が設
定できることとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電スイッチや近接
スイッチ等の検出スイッチにおいて、環境変化に対応し
た閾値を設定する方式に特徴を有する検出スイッチに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来例えば光電スイッチは投光部より光
を物体検知領域に照射し、その透過光又は反射光を受光
する。そして受光レベルが閾値を越えているかどうかで
物体検知領域の物体の有無を判別するようにしている。
このような従来の光電スイッチでは、閾値設定モードで
所定の方式で閾値を設定すると、それ以降は設定された
閾値に基づいて物体の有無を判別している。この閾値設
定方法には、物体がない背景での受光レベルと、物体を
検出位置に配置した状態での受光レベルとを検出し、そ
の中間のレベルに閾値を設定する等の、種々の手法が従
来より提案され用いられている。図９（ａ）は反射型光
電スイッチにおいて、閾値Ｔｈ１を設定した時点での受
光レベルの分布を示すグラフであり、光電スイッチが背
景と判断したときと物体を検出したときの受光感度毎の
分布状況を示している。このように分布している場合に
は、双方の分布の中間の受光レベルに閾値Ｔｈ１を設定
することができれば、誤動作なく物体が検出できること
となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の検出スイッチによれば、一旦設定された閾値は
変化させることがないため、使用中に使用環境の変化や
投光レベル，受光感度の変動等によって検出状態が変わ
った場合には、安定した検出を行うことができなくな
る。例えば環境変化や光量変動によって図９（ｂ）に示
すように全体の受光レベルが低下したものとすると、物
体検知時に物体が検知領域に位置しているにもかかわら
ず、受光レベルが低い場合には閾値Ｔｈ１が固定されて
いるため、誤判定を生じることがある。図９（ｂ）に示
すハッチングはこの誤判定を生じる領域を示している。
このような誤動作を避けるためには、閾値自体を図９
（ｂ）のＴｈ２のように変化させる必要がある。又閾値
の設定の際、何らかの異常により物体検出時の受光レベ
ルや背景の受光レベルが正常な値とは大きく異なった値
が得られ、これをその受光レベルとして検出した場合に
は、設定される閾値が図９（ａ）に示すものとならず、
正確な閾値の設定が難しくなるという欠点があった。

【０００４】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたものであって、環境の変化があっても閾値を
これに追従させて自動的に最適な閾値を設定できるよう
にすることを技術的課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、物理状態に対応した入力レベルを検出する検出手段
と、前記検出手段の出力を閾値によって弁別して検知信
号を出力する判別手段と、前記判別手段により検知信号
を出力したときの入力レベル及び判別結果を蓄積するデ
ータ蓄積手段と、前記データ蓄積手段に蓄積された夫々
の検出結果毎に入力レベルの分布を検出し、各分布の間
に閾値を設定する閾値算出手段と、を具備することを特
徴とするものである。

【０００６】本願の請求項２の発明では、前記閾値算出
手段は、外部からのトリガ入力が入力される毎に閾値を
算出することを特徴とするものである。

【０００７】本願の請求項３の発明では、前記閾値算出
手段は、物体の検知状態が判別された入力レベルの平均
値ＡＶ１及びその標準偏差σ１を算出する第１の算出手
段と、物体の非検知状態が判別された入力レベルの平均
値ＡＶ２とその標準偏差σ２を算出する第２の算出手段
と、前記第１，第２の平均値ＡＶ１，ＡＶ２に所定係数
値を夫々の標準偏差σ１，σ２に乗じた値を加算又は減
算することにより、夫々他方の平均値に近づけた第１，
第２の基準値を算出する第３の算出手段と、前記第１，
第２の基準値の平均値に基づいて閾値を算出する第４の
算出手段と、を具備することを特徴とするものである。

【０００８】本願の請求項４の発明では、前記閾値算出
手段は、前記判別手段により判別される元の閾値と算出
された新たな閾値との差を算出し、その閾値の差が所定
値以下のときにのみ新たな閾値を前記判別手段の閾値と
して設定することを特徴とするものである。

【０００９】本願の請求項５の発明では、前記閾値算出
手段は、算出された閾値にあらかじめ設定されたオフセ
ット値を加算して新たな閾値として設定することを特徴
とするものである。

【００１０】本願の請求項６の発明では、前記閾値算出
手段は、前記データ蓄積手段により蓄積された夫々の検
出及び非検出状態のデータ数の比率が所定値以下のとき
にのみ閾値を算出することを特徴とするものである。

【００１１】このような特徴を有する本願の請求項１の
発明によれば、検出手段により入力された入力レベルを
判別手段によって判別する。そしてその判別結果と入力
レベルとをデータ蓄積手段によって蓄積する。そして所
定数を越えるデータが蓄積されたときには、そのデータ
に基づいて新たな閾値を算出する。閾値の算出は夫々の
検出結果毎に入力レベルの分布を検出し、この分布の間
に新たな閾値を算出するようにしている。

【００１２】又請求項２の発明は、外部からトリガ入力
があったときに閾値の算出を行うものである。又請求項
３の発明は、閾値算出手段において夫々の検出結果毎の
分布の平均値と標準偏差を算出し、平均値から標準偏差
に基づいて得られる第１，第２の基準値を算出する。そ
して第１，第２の基準値の間に閾値を設定するようにし
ている。請求項４では、算出された閾値が元の閾値と大
幅に異なる場合には閾値の設定を行わないようにしてお
り、請求項５では、算出された閾値にユーザによって設
定されたオフセット値を加算して新たな閾値として設定
するようにしている。又請求項６では、各判別結果毎の
入力レベルと判別結果のデータ数の比が大きければ正確
な分布が得られなくなる可能性が高いので、比が所定数
以下のときにのみ閾値算出を行うようにしている。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態による
反射型光電スイッチの全体構成を示すブロック図であ
る。本図においてマイクロコンピュータ１には投光部２
が接続される。マイクロコンピュータ１は投光処理手段
１１により一定周期毎に投光パルスを投光部２に与え
る。投光部２は投光パルスに応じてＬＥＤ等の発光素子
を駆動して光を物体検知領域に照射するものであり、そ
の反射光が受光部３により受光される。受光部３の出力
は受光信号を増幅するアンプ部４を介してマイクロコン
ピュータ１に入力される。マイクロコンピュータ１には
投光処理手段１１に加えて、アンプ部４から入力された
受光レベルの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１２、
Ａ／Ｄ変換部１２により変換された受光レベルを閾値に
よって弁別し、物体の検知又は非検知を判別する判別手
段１３を有している。更に本発明ではＡ／Ｄ変換部１２
の受光レベルを判別結果毎に蓄積するデータ蓄積手段１
４、及び蓄積されたデータに基づいて閾値を算出する閾
値算出手段１５を有している。マイクロコンピュータ１
により判別された判別結果は出力部５により外部に物体
検知又は非検知の信号として出力される。表示部６は後
述するように受光レベルや閾値及びオンオフ出力が表示
される。又計測モードと閾値設定モードとを切換えると
共に、閾値のオフセットＵoff の上昇，下降を入力する
入力部７が設けられている。

【００１４】データ蓄積手段１４は、判別手段１３で判
別された判別結果とそのとき入力されたオンレベルとオ
フレベル、例えば物体が存在するときの受光レベルと背
景と判断されたときの受光レベルのデータを判別結果と
共に蓄積するものである。閾値算出手段１５はこのデー
タに基づいて統計処理によって閾値を算出して設定する
ものである。

【００１５】次に本実施形態の閾値設定処理について詳
細に説明する。図２は本実施形態の動作時のタイムチャ
ートであり、図３はその動作を示すフローチャートであ
る。まず最初の閾値の設定では従来から用いられている
何らかの方法によってティーチングを行い、最初の閾値
を設定しておくものとして計測処理モードに切換える。
計測処理モードではまず図３に示すルーチン２１におい
て投光処理手段１１により一定周期毎に投光パルスを発
生し、投光処理を行う。図２（ａ）はこの投光パルスを
示している。投光パルスの出力毎に投光部２の発光素子
が駆動され、投光パルスに対応して受光部３より得られ
る受光信号をアンプ部４によって増幅する。そして増幅
出力はマイクロコンピュータ１のＡ／Ｄ変換部１２に入
力される。ルーチン２２ではＡ／Ｄ変換部１２によるＡ
／Ｄ変換処理を行い、ルーチン２３に進んでそのとき設
定されている閾値によって物体の有無を判別する。オン
オフ判定処理ルーチン２３は判別手段１３の機能を実現
するルーチンであり、判別結果は出力部５，表示部６に
出力される。そしてステップ２４に進んでデータ蓄積期
間かどうかをチェックする。本実施形態では投光パルス
の出力毎にそれに対応する受光レベルと物体の判別信号
のデータをマイクロコンピュータ１内のデータ蓄積手段
１４に蓄積している。データは物体の検出時と物体がな
く背景のみの場合のいずれかである。従ってベルトコン
ベア上を同一種類の物品が搬送される場合のように、同
じ状態で物品検知に用いられる場合には、所定数データ
が蓄積されれば、その分布は例えば図４に示すように、
正規分布又はこれに近い分布が得られる。

【００１６】こうして所定数の受光データが蓄積される
と、閾値の算出演算処理を行う。算出演算処理は図３に
示す本実施形態では複数の段階に分けて行っており、ま
ずルーチン２６で演算段階の選択を行う。そして演算段
階に応じてルーチン２７〜２９の閾値算出演算１〜Ｎの
いずれかの処理を行う。そして閾値の演算処理が終われ
ば閾値の更新処理を行って投光処理ルーチン２１に戻
る。こうして新しい閾値を設定すると、その閾値に応じ
た判別処理が以後のルーチン２３によって行われる。こ
のように閾値の算出演算処理を複数の段階に分けておけ
ば、夫々の段階での演算処理時間を十分短くすることが
でき、図２（ａ），（ｃ）に示すように閾値演算処理中
も一定周期毎に投光パルスを出力し、物体の判別処理を
そのまま継続することができる。従って使用者は閾値算
出処理中かデータ蓄積中かを意識することなく、一定周
期の投光パルス毎に判別結果が得られる。

【００１７】又ルーチン２９の最後の閾値算出演算処理
の際に自動追従モードかどうかを判別し、自動追従モー
ドであれば閾値を更新し、自動追従モードでなければ閾
値の算出に留めて閾値の更新処理を行わないようにして
もよい。こうすれば使用者が必要なときにのみ閾値の自
動追従が可能となる。又ルーチン２３による判定処理の
後でトリガ入力がある場合にのみデータの蓄積を行い、
トリガ入力がなければデータの蓄積を行わないようにし
てもよい。これは例えば光電スイッチの通常の使用位置
にない場合や背景に通常とは異なった物体を配置した場
合等に、誤ったデータを取り込まないようにするためで
あり、外部から例えばプログラマブルコントローラを通
じてトリガ信号を入力したときにのみデータを蓄積する
ことが考えられる。

【００１８】次に閾値演算処理の詳細について説明す
る。図５は閾値演算処理を分割せずにまとめて示したフ
ローチャートであり、実際には図３のように動作時間に
応じて分割して行われる。さて閾値算出処理は図５に示
すようにまずステップ３１において閾値の算出条件を満
たし、算出が可能かどうかを判別する。ここで図４に示
す背景を検出したデータ数と物体を検出したデータ数の
双方について閾値を算出できるに十分なデータ数かどう
かを判別する。これ以下であれば閾値算出処理は行わ
ず、受光データ蓄積処理を続ける。又いずれか一方のデ
ータが多い場合も正確な閾値を算出できないので、デー
タ数の比が所定数以上のときは閾値を算出しない。双方
のデータが所定数を越え、その比が所定値以下であれば
算出条件を満たすので、ステップ３２に進んでまず物体
の検出出力が得られた場合の物体検出受光レベルの平均
値ＡＶ１を算出する。次いでステップ３３に進んで物体
検出の受光レベルの標準偏差σ１を算出する。次いでス
テップ３４において第１の基準値Ｌ１を算出する。第１
の基準値Ｌ１は反射型光電センサでは図４に示すように
閾値より物体検出時の受光レベルの方が高いので、閾値
は物体受光レベルの平均値ＡＶ１以下に設定されること
となり、第１の基準値もこれに近づくように決める。即
ちこの場合はＡＶ１−ｋσ１を第１の基準値Ｌ１とす
る。係数ｋは例えば２又は３の値を用いるものとする
が、整数である必要はない。図４ではｋを２とした場合
の基準値Ｌ１を示している。

【００１９】次いでステップ３５に進んで背景と判断さ
れた場合の受光レベルの平均値ＡＶ２を算出する。そし
てステップ３６において背景受光レベルの標準偏差σ２
を算出する。更にステップ３７において背景受光レベル
の第２の基準値Ｌ２を算出する。この場合も図示のよう
に背景の平均受光レベルＡＶ２より高いレベルに閾値が
設定されるので、ＡＶ２＋ｋσ２を第２の基準値Ｌ２と
する。そしてステップ３８に進んでこれらの２つの基準
値Ｌ１，Ｌ２を用いてこれらの間に新しい閾値Ｔｈｎを
算出する。この新閾値Ｔｈｎは例えば基準値Ｌ１，Ｌ２
の相加平均値を用いるものとする。次いでステップ３９
に進んで現在設定されている閾値Ｔｈと新たな閾値Ｔｈ
ｎとの差が所定値εを越えているかどうかを判別する。
新閾値Ｔｈｎが現在の閾値Ｔｈより大幅に変化した場合
には何らかの異常、例えばセンサの破損や装置の異常に
よる影響が考えられる。従って閾値の変更処理を行わ
ず、外部に追従限界出力を出し、エラー表示を行う（ス
テップ４０）。閾値の変化がそれほど大きいものでなけ
れば、こうして算出された新しい閾値Ｔｈｎをこの光電
スイッチの推奨閾値Ｔｈｎとする。次にステップ４１に
進んでこの推奨閾値に後述するユーザオフセットＵoff
を加えて新たな閾値Ｔｈｕとする。次いでステップ４２
に進んで新たな閾値Ｔｈｕを閾値Ｔｈに置き換える更新
処理を行い、更新した閾値やユーザオフセット値を表示
して処理を終える（ステップ４３）。こうすれば閾値が
大幅に変化しなければ、受光レベルの変動に応じて最適
の閾値が設定されることとなる。

【００２０】そして閾値の算出設定処理を終えると、図
２に示すように再び受光データの蓄積処理を行い、一定
時間蓄積を終えると更に新たな閾値を算出し設定する。
このようにデータの蓄積とそのデータに基づいた閾値の
算出，設定を繰り返すことにより、環境の変化や受光
量，投光レベルの低下等の変動があってもその変化を含
んだ最適の閾値が自動的に設定されることになる。又入
力部７からトリガ信号を入力するとデータ蓄積を行い、
データ蓄積後に閾値を算出し設定する処理を行うように
してもよい。この場合には使用者が環境変化等があった
ときに手動で閾値更新のタイミングを入力することがで
きる。

【００２１】図６は動作時における表示部６のパネル面
を示す図、図７はその表示範囲を示す概念図である。本
実施形態による表示部は左右に２本のバーグラフ表示器
が設けられる。左側のバーグラフ表示器は受光量表示部
５１である。そして左側の受光量表示部５１の中央の位
置を閾値レベルとしている。中央の閾値Ｔｈは光電スイ
ッチのパネル面に固定的に描かれている。受光量表示部
５１では閾値の上下に夫々５つの表示素子が配列され、
受光レベルを表示する。この表示例では図７に示すよう
に受光部３のダイナミックレンジの全範囲をそのまま受
光量表示部５１の受光量として表示する。そして受光レ
ベル表示部５１は受光量の受光範囲全体を閾値レベルで
上下に２分し、これを各１／５に等分して夫々の表示素
子に対応させる。この場合には閾値を中心とした上下で
１表示素子分の受光量が異なることとなる。又右側のバ
ーグラフ表示器は閾値付近の１表示素子分の受光レベル
を拡大した拡大表示部５２である。この場合には閾値を
中心としてその閾値の１素子分を拡大表示部５２で拡大
しているため、光電スイッチが算出した新たな閾値が推
奨閾値Ｔｈｎとして表示される。又この拡大表示部５２
にはユーザが設定するオフセット値Ｕoff が推奨閾値Ｔ
ｈｎとの差として表示される。推奨閾値Ｔｈｎは常に拡
大表示部５２の中央にあり、それに対するユーザオフセ
ットを加えた値が閾値Ｔｈｕとなる。このユーザオフセ
ットは押ボタンスイッチ５４ａ，５４ｂで上下に変更す
ることができる。図６（ａ）は受光レベルが設定された
閾値Ｔｈｕを越えているので、物体検知信号を外部に出
力しており、動作表示灯５３が点灯している。又図６
（ｂ）は受光レベルが閾値Ｔｈｕ以下であるため、物体
検知信号が出力されず動作表示灯５３が消灯している状
態を示している。こうすれば常に閾値が中央に表示され
るため、受光レベルの余裕度が認識し易くなる。尚ここ
では表示素子数は上下夫々５素子としたが、これに限ら
ず任意の数でよい。又閾値を中心として受光レベルを２
分割し、夫々を５等分としたが、必ずしも等分に分割す
る必要はない。

【００２２】又表示部６のうちの受光量表示部５１は受
光レベルの受光範囲全体でなく、図８に示すように閾値
を中心とした上下の一定範囲を受光量表示部５１に表示
することも考えられる。この場合には閾値の上下の一定
範囲を等間隔、この場合は５つに分割し、夫々を各表示
素子に対応させてバーグラフ表示を行う。受光量表示部
５１ではこのレベルに受光量が達した時に光量表示をバ
ーグラフ表示するものであり、拡大表示部５２は閾値レ
ベル近傍の１表示素子分を拡大して推奨閾値Ｔｈｎと使
用者が設定したユーザオフセットＵoff を加えた閾値Ｔ
ｈｕとを同様に表示する。この場合には常に閾値が受光
量表示部５１の中央となるため、閾値付近の受光レベル
を詳細に認識することができる。又使用時の余裕度もよ
り正確に認識することができる。

【００２３】尚前述した実施形態では反射型光電スイッ
チについて説明しているが、透過型光電スイッチに適用
することも可能である。この場合には物体が検知された
ときにはその入力レベルが低下し、通常の物体のない状
態では高いレベルの受光信号が得られているため、図４
に示す分布状態は逆転している。この場合にも夫々の平
均値をその中間の閾値側に近づくように標準偏差の係数
倍を加算又は減算して第１，第２の基準値とする。又本
実施形態は光電スイッチについて説明しているが、本発
明は光電スイッチだけでなく高周波発振型の近接スイッ
チや超音波スイッチ等、外部の物理状態を検出し、これ
を閾値で弁別して出力を出す種々の形態の検出スイッチ
に適用することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本願の請求項
１〜６の発明によれば、判別結果の分布状態によって最
適な閾値を算出することができる。そして周囲環境の変
化によって入力レベル等が変化した場合にも、これに追
従して常に最適な閾値を設定することができるという優
れた効果が得られる。又請求項４では、算出した閾値が
元の閾値と大幅に異なっている場合には閾値として設定
しないため、検出手段の異常等による誤った閾値の設定
を未然に防止することができる。又請求項５では、算出
された閾値にオフセットを設定することにより、使用状
態に応じた閾値が設定できる。又請求項６では、データ
数が大きく異なっている場合に閾値を算出しないので、
精度が低い恐れのある閾値の算出，設定が未然に防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光電スイッチの構成
を示すブロック図である。

【図２】本実施形態の動作を示すタイムチャートであ
る。

【図３】本実施形態の動作を示すフローチャートであ
る。

【図４】閾値設定時の受光レベルとその頻度を示す分布
図である。

【図５】本実施形態の閾値算出処理を示すフローチャー
トである。

【図６】本実施形態の表示部の状態を示す表示例であ
る。

【図７】受光レベルと表示部の関係を示す図である。

【図８】他の実施形態による表示器の表示例と受光レベ
ルとの関係を示す図である。

【図９】従来の光電スイッチの受光レベルと閾値を示す
図である。

【符号の説明】

１ マイクロコンピュータ ２ 投光部 ３ 受光部 ４ アンプ部 ５ 出力部 ６ 表示部 ７ 入力部 １１ 投光処理手段 １２ Ａ／Ｄ変換部 １３ 判別手段 １４ データ蓄積手段 １５ 閾値算出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｇ０１Ｖ 3/08 Ｇ０１Ｖ 3/08 Ｅ 8/12 9/04 Ｊ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物理状態に対応した入力レベルを検出す
   る検出手段と、 前記検出手段の出力を閾値によって弁別して検知信号を
   出力する判別手段と、 前記判別手段により検知信号を出力したときの入力レベ
   ル及び判別結果を蓄積するデータ蓄積手段と、 前記データ蓄積手段に蓄積された夫々の検出結果毎に入
   力レベルの分布を検出し、各分布の間に閾値を設定する
   閾値算出手段と、を具備することを特徴とする検出スイ
   ッチ。
2. 【請求項２】 前記閾値算出手段は、外部からのトリガ
   入力が入力される毎に閾値を算出するものであることを
   特徴とする請求項１記載の検出スイッチ。
3. 【請求項３】 前記閾値算出手段は、 物体の検知状態が判別された入力レベルの平均値ＡＶ１
   及びその標準偏差σ１を算出する第１の算出手段と、 物体の非検知状態が判別された入力レベルの平均値ＡＶ
   ２とその標準偏差σ２を算出する第２の算出手段と、 前記第１，第２の平均値ＡＶ１，ＡＶ２に所定係数値を
   夫々の標準偏差σ１，σ２に乗じた値を加算又は減算す
   ることにより、夫々他方の平均値に近づけた第１，第２
   の基準値を算出する第３の算出手段と、 前記第１，第２の基準値の平均値に基づいて閾値を算出
   する第４の算出手段と、を具備することを特徴とする請
   求項１記載の検出スイッチ。
4. 【請求項４】 前記閾値算出手段は、前記判別手段によ
   り判別される元の閾値と算出された新たな閾値との差を
   算出し、その閾値の差が所定値以下のときにのみ新たな
   閾値を前記判別手段の閾値として設定するものであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の検出スイッチ。
5. 【請求項５】 前記閾値算出手段は、算出された閾値に
   あらかじめ設定されたオフセット値を加算して新たな閾
   値として設定するものであることを特徴とする請求項１
   記載の検出スイッチ。
6. 【請求項６】 前記閾値算出手段は、前記データ蓄積手
   段により蓄積された夫々の検出及び非検出状態のデータ
   数の比率が所定値以下のときにのみ閾値を算出するもの
   であることを特徴とする請求項１記載の検出スイッチ。