特開 2025-32499 距離設定形光電センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025032499

(43)【公開日】2025-03-12

(54)【発明の名称】距離設定形光電センサ

(51)【国際特許分類】

   G01V 8/12 20060101AFI20250305BHJP

【ＦＩ】

G01V8/12 A

G01V8/12 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023137791

(22)【出願日】2023-08-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 永幸

(72)【発明者】

【氏名】高宮 知広

【テーマコード（参考）】

2G105

【Ｆターム（参考）】

2G105AA01

2G105BB17

2G105CC01

2G105DD02

2G105EE02

2G105GG01

2G105GG02

2G105HH04

(57)【要約】

【課題】割り算を使用することなく、検出性能を向上させる。
【解決手段】距離設定形光電センサは、投光部１１４と、設定距離よりも近い位置に存在する物体を検出するためのＮ側受光面と設定距離よりも遠い位置に存在する物体を検出するためのＦ側受光面まで延伸配置された受光素子１０５を有し、投光部１１４により投光された光に対する反射光を受光する受光部１１５と、Ｎ側受光面によって得られた受光量ＮとＦ側受光面によって得られた受光量Ｆとの受光量差（Ｎ－Ｆ）を算出する演算部１０７と、受光量Ｎと受光量Ｆとの受光量和（Ｎ＋Ｆ）を算出する演算部１０９と、（Ｎ＋Ｆ）に０より大きく１より小さい正の実数である係数を掛けてしきい値を生成するしきい値生成部１１０と、（Ｎ－Ｆ）としきい値との比較結果である２値信号を出力する比較部１１１とを備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を投光するように構成された投光部と、
設定距離よりも近い位置に存在する物体を検出するためのＮ側受光面と前記設定距離よりも遠い位置に存在する物体を検出するためのＦ側受光面まで延伸配置された受光素子を有し、前記投光部により投光された光に対する反射光を受光するように構成された受光部と、
前記Ｎ側受光面によって得られた受光量Ｎと前記Ｆ側受光面によって得られた受光量Ｆとの受光量差（Ｎ－Ｆ）または受光量差（Ｆ－Ｎ）を算出するように構成された第１の演算部と、
前記受光量Ｎと前記受光量Ｆとの受光量和（Ｎ＋Ｆ）を算出するように構成された第２の演算部と、
前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）に０より大きく１より小さい正の実数である係数を掛けて第１のしきい値を生成するように構成されたしきい値生成部と、
前記受光量差（Ｎ－Ｆ）または前記受光量差（Ｆ－Ｎ）と前記第１のしきい値との比較結果である第１の２値信号を出力するように構成された第１の比較部とを備えることを特徴とする距離設定形光電センサ。

【請求項2】

請求項１記載の距離設定形光電センサにおいて、
前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）と０または０近傍の正の実数である第２のしきい値との比較結果である第２の２値信号を出力するように構成された第２の比較部と、
前記第１の２値信号と前記第２の２値信号との演算結果である第３の２値信号を出力するように構成された判定部とをさらに備えることを特徴とする距離設定形光電センサ。

【請求項3】

請求項２記載の距離設定形光電センサにおいて、
前記第１の比較部は、前記受光量差（Ｎ－Ｆ）が前記第１のしきい値より大きい場合に前記第１の２値信号をＯＮにし、前記受光量差（Ｎ－Ｆ）が前記第１のしきい値以下の場合に前記第１の２値信号をＯＦＦにし、
前記第２の比較部は、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値より大きい場合に前記第２の２値信号をＯＮにし、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値以下の場合に前記第２の２値信号をＯＦＦにし、
前記判定部は、前記第２の２値信号がＯＮの場合に前記第１の２値信号を前記第３の２値信号として出力し、前記第２の２値信号がＯＦＦの場合に前記第３の２値信号をＯＦＦにすることを特徴とする距離設定形光電センサ。

【請求項4】

請求項２記載の距離設定形光電センサにおいて、
前記第１の比較部は、前記受光量差（Ｆ－Ｎ）が前記第１のしきい値より大きい場合に前記第１の２値信号をＯＮにし、前記受光量差（Ｆ－Ｎ）が前記第１のしきい値以下の場合に前記第１の２値信号をＯＦＦにし、
前記第２の比較部は、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値より大きい場合に前記第２の２値信号をＯＮにし、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値以下の場合に前記第２の２値信号をＯＦＦにし、
前記判定部は、前記第２の２値信号がＯＮの場合に前記第１の２値信号を前記第３の２値信号として出力し、前記第２の２値信号がＯＦＦの場合に前記第３の２値信号をＯＮにすることを特徴とする距離設定形光電センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、設定距離範囲内の物体の有無を検出する距離設定形光電センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、設定距離範囲内の物体の有無を検出する距離設定形光電センサが知られている（例えば特許文献１参照）。距離設定形光電センサは、三角測距の原理を用いて物体を検出する。図４に従来の距離設定形光電センサの構成を示す。投光回路１０１は、ＬＥＤ等の投光素子１０２を駆動して発光させる。投光光学系１０３は、投光素子１０２からの光を集光して検出領域に光を投光する。検出領域に物体１００が存在する場合に、物体１００によって光が反射される。

【0003】

受光光学系１０４は、物体１００によって反射された光を集光する。受光素子１０５は、受光光学系１０４によって集光された光を受光して電気信号に変換する。受光素子１０５としては、２分割フォトダイオード、多分割フォトダイオード、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、一次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などを用いることができる。受光素子１０５の受光面のうち、検出領域から遠い方の受光面を、設定距離よりも近い位置に存在する物体１００を検出するためのＮ側（Ｎｅａｒ側）受光面と呼び、検出領域に近い方の受光面を、設定距離よりも遠い位置に存在する物体１００を検出するためのＦ側（Ｆａｒ側）受光面と呼ぶ。

【0004】

増幅部１０６－Ｎは、受光素子１０５のＮ側受光面１０５－Ｎによって得られた受光量信号を増幅し、増幅部１０６－Ｆは、受光素子１０５のＦ側受光面１０５－Ｆによって得られた受光量信号を増幅する。演算部１０７は、増幅部１０６－Ｎによって増幅されたＮ側受光量信号が示す受光量Ｎと増幅部１０６－Ｆによって増幅されたＦ側受光量信号が示す受光量Ｆとの差（Ｎ－Ｆ）を算出する。設定距離より遠い位置に物体１００が存在する場合、受光素子１０５の受光面上の受光スポットがＦ側受光面１０５－Ｆの方に偏るので、受光量Ｆが受光量Ｎよりも大きくなる（Ｎ＜Ｆ）。設定距離より近い位置に物体１００が存在する場合、受光素子１０５の受光面上の受光スポットがＮ側受光面１０５－Ｎの方に偏るので、受光量Ｎが受光量Ｆよりも大きくなる（Ｎ＞Ｆ）。

【0005】

比較部１０８は、演算部１０７によって算出された受光量差（Ｎ－Ｆ）を所定のしきい値ＴＨと比較する。比較部１０８は、受光量差（Ｎ－Ｆ）がしきい値ＴＨより大きい場合に出力をＯＮにし、受光量差（Ｎ－Ｆ）がしきい値ＴＨ以下の場合に出力をＯＦＦにする。出力ＯＮは設定距離範囲内に物体１００が存在することを示し、出力ＯＦＦは設定距離範囲内に物体１００が存在しないことを示す。

【0006】

図４に示した距離設定形光電センサでは、絶対光量が変わると、受光量差（Ｎ－Ｆ）も変わる。このため、物体１００の反射率によって検出性能が大きく変わってしまうという問題があった。例えば物体１００の反射率が低い場合、設定距離範囲内に物体１００が存在する場合でも比較部１０８の出力がＯＮにならない可能性がある。

【0007】

そこで、受光量Ｎと受光量Ｆとの和（Ｎ＋Ｆ）で受光量差（Ｎ－Ｆ）を割ることによって、物体１００の反射率の影響を除くことが提案されている（特許文献２～４参照）。特許文献２～４に開示された技術では、（Ｎ－Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）に基づいて基準距離（しきい値）を設定することにより、検出性能の向上が期待できる。

【0008】

しかしながら、特許文献２～４に開示された技術では、（Ｎ－Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）を演算するために、割り算が必要になるという課題があった。割り算をハードウェアで実現する場合、割り算回路の面積が大きくなり、光電センサの小型化を実現できない。割り算をソフトウェアで行う場合、演算に時間がかかる。また、（Ｎ＋Ｆ）が０、すなわち反射光量が全くない場合に、（Ｎ－Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の演算を行うことができないという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第６７６７０７２号公報

【特許文献2】特開２００６－２２６８５１号公報

【特許文献3】特開２００６－２２６８５３号公報

【特許文献4】特開２００６－２２６８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、割り算を使用することなく、検出性能を向上させることができる距離設定形光電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】

【0011】

本発明の距離設定形光電センサは、光を投光するように構成された投光部と、設定距離よりも近い位置に存在する物体を検出するためのＮ側受光面と前記設定距離よりも遠い位置に存在する物体を検出するためのＦ側受光面まで延伸配置された受光素子を有し、前記投光部により投光された光に対する反射光を受光するように構成された受光部と、前記Ｎ側受光面によって得られた受光量Ｎと前記Ｆ側受光面によって得られた受光量Ｆとの受光量差（Ｎ－Ｆ）または受光量差（Ｆ－Ｎ）を算出するように構成された第１の演算部と、前記受光量Ｎと前記受光量Ｆとの受光量和（Ｎ＋Ｆ）を算出するように構成された第２の演算部と、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）に０より大きく１より小さい正の実数である係数を掛けて第１のしきい値を生成するように構成されたしきい値生成部と、前記受光量差（Ｎ－Ｆ）または前記受光量差（Ｆ－Ｎ）と前記第１のしきい値との比較結果である第１の２値信号を出力するように構成された第１の比較部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の距離設定形光電センサの１構成例は、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）と０または０近傍の正の実数である第２のしきい値との比較結果である第２の２値信号を出力するように構成された第２の比較部と、前記第１の２値信号と前記第２の２値信号との演算結果である第３の２値信号を出力するように構成された判定部とをさらに備えることを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明の距離設定形光電センサの１構成例において、前記第１の比較部は、前記受光量差（Ｎ－Ｆ）が前記第１のしきい値より大きい場合に前記第１の２値信号をＯＮにし、前記受光量差（Ｎ－Ｆ）が前記第１のしきい値以下の場合に前記第１の２値信号をＯＦＦにし、前記第２の比較部は、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値より大きい場合に前記第２の２値信号をＯＮにし、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値以下の場合に前記第２の２値信号をＯＦＦにし、前記判定部は、前記第２の２値信号がＯＮの場合に前記第１の２値信号を前記第３の２値信号として出力し、前記第２の２値信号がＯＦＦの場合に前記第３の２値信号をＯＦＦにすることを特徴とするものである。
また、本発明の距離設定形光電センサの１構成例において、前記第１の比較部は、前記受光量差（Ｆ－Ｎ）が前記第１のしきい値より大きい場合に前記第１の２値信号をＯＮにし、前記受光量差（Ｆ－Ｎ）が前記第１のしきい値以下の場合に前記第１の２値信号をＯＦＦにし、前記第２の比較部は、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値より大きい場合に前記第２の２値信号をＯＮにし、前記受光量和（Ｎ＋Ｆ）が前記第２のしきい値以下の場合に前記第２の２値信号をＯＦＦにし、前記判定部は、前記第２の２値信号がＯＮの場合に前記第１の２値信号を前記第３の２値信号として出力し、前記第２の２値信号がＯＦＦの場合に前記第３の２値信号をＯＮにすることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、第１の演算部と第２の演算部としきい値生成部と第１の比較部とを設けることにより、割り算を使用することなく、物体の反射率の影響を除くことができ、物体の反射率によって検出距離が変わってしまうという課題を解決することができる。本発明では、割り算回路を使用する必要がないので、光電センサの小型化を実現することができる。また、本発明では、割り算をソフトウェアで行う場合と比べて光電センサの応答速度を高速化できる。

【0014】

また、本発明では、第２の比較部と判定部とを設けることにより、光電センサの動作の不安定化を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例に係る距離設定形光電センサの構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の第２の実施例に係る距離設定形光電センサの構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、本発明の第１、２の実施例に係る距離設定形光電センサを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【図4】図４は、従来の距離設定形光電センサの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る距離設定形光電センサの構成を示すブロック図であり、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。距離設定形光電センサは、投光回路１０１と、投光素子１０２と、投光光学系１０３と、受光光学系１０４と、受光素子１０５と、増幅部１０６－Ｎ，１０６－Ｆと、演算部１０７，１０９と、しきい値生成部１１０と、比較部１１１，１１２と、判定部１１３とを備えている。

【0017】

投光素子１０２と受光素子１０５とは、所定の間隔で配設されている。受光素子１０５は、物体１００からの反射光の光軸方向と交差する方向に沿ってＮ側受光面１０５－ＮとＦ側受光面１０５－Ｆとが延伸するように配設されている。投光回路１０１と投光素子１０２と投光光学系１０３とは、投光部１１４を構成している。受光光学系１０４と受光素子１０５と増幅部１０６－Ｎ，１０６－Ｆとは、受光部１１５を構成している。

【0018】

従来と同様に、投光回路１０１は、投光素子１０２を駆動して発光させる。投光光学系１０３は、投光素子１０２からの光を集光して検出領域に光を投光する。受光光学系１０４は、物体１００によって反射された光を集光する。受光素子１０５は、受光光学系１０４によって集光された光を受光して電気信号に変換する。増幅部１０６－Ｎは、受光素子１０５のＮ側受光面１０５－Ｎによって得られた受光量信号を増幅し、増幅部１０６－Ｆは、受光素子１０５のＦ側受光面１０５－Ｆによって得られた受光量信号を増幅する。

【0019】

演算部１０７は、増幅部１０６－Ｎによって増幅されたＮ側受光量信号が示す受光量Ｎと増幅部１０６－Ｆによって増幅されたＦ側受光量信号が示す受光量Ｆとの差（Ｎ－Ｆ）を算出する。一方、演算部１０９は、受光量Ｎと受光量Ｆとの和（Ｎ＋Ｆ）を算出する。しきい値生成部１１０は、演算部１０９によって算出された受光量和（Ｎ＋Ｆ）に所定の係数αを掛けてしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）を生成する。係数αは、０より大きく１より小さい正の実数である。

【0020】

比較部１１１は、演算部１０７によって算出された受光量差（Ｎ－Ｆ）をしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）と比較する。比較部１１１は、受光量差（Ｎ－Ｆ）がしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）より大きい場合に出力Ｙ（第１の２値信号）をＯＮにし、受光量差（Ｎ－Ｆ）がしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）以下の場合に出力ＹをＯＦＦにする。

【0021】

一方、比較部１１２は、演算部１０９によって算出された受光量和（Ｎ＋Ｆ）を所定のしきい値ＴＨ０と比較する。しきい値ＴＨ０は、０または０近傍の正の実数である。比較部１１２は、受光量和（Ｎ＋Ｆ）がしきい値ＴＨ０より大きい場合に出力Ｘ（第２の２値信号）をＯＮにし、受光量和（Ｎ＋Ｆ）がしきい値ＴＨ０以下の場合に出力ＸをＯＦＦにする。

【0022】

判定部１１３は、比較部１１１の出力Ｙと比較部１１２の出力Ｘとに基づいて、距離設定形光電センサの最終的な検出結果を示す出力Ｚ（第３の２値信号）を出力する。判定部１１３は、比較部１１２の出力ＸがＯＦＦの場合、比較部１１１の出力Ｙの結果にかかわらず、出力ＺをＯＦＦにする。判定部１１３は、比較部１１２の出力ＸがＯＮの場合、比較部１１１の出力Ｙをそのまま出力Ｚとして出力する。出力ＺのＯＮは設定距離範囲内に物体１００が存在することを示し、出力ＺのＯＦＦは設定距離範囲内に物体１００が存在しないことを示す。判定部１１３の入力Ｘ，Ｙと出力Ｚとの関係を表した真理値表を表１に示す。

【0023】

【表1】

【0024】

比較部１１１における判定式（Ｎ－Ｆ）＞α×（Ｎ＋Ｆ）を変形すると、（Ｎ－Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）＞αとなるので、本実施例では、割り算を使用することなく、物体１００の反射率の影響を除くことができ、物体１００の反射率によって検出距離が変わってしまうという課題を解決できることが分かる。

【0025】

本実施例では、演算部１０７（減算回路）と演算部１０９（加算回路）としきい値生成部１１０（乗算回路）と比較部１１１（比較回路）と比較部１１２（比較回路）と判定部１１３（ＡＮＤ回路）とを使用すればよく、割り算回路を使用する必要がないので、割り算回路を使用する場合と比べて回路面積を削減することができ、光電センサの小型化を実現することができる。また、本実施例では、演算部１０７，１０９以降の処理をソフトウェアで行う場合、（Ｎ－Ｆ）／（Ｎ＋Ｆ）の割り算を行う必要がないので、割り算を行う場合と比べて光電センサの応答速度を高速化できる。

【0026】

また、本実施例では、反射光量が０または０に近い値になると、しきい値α×（Ｎ＋Ｆ）が０または０に近い値になり、比較部１１１における（Ｎ－Ｆ）＞α×（Ｎ＋Ｆ）の判定動作が不安定になる。そこで、本実施例では、比較部１１２と判定部１１３とを設けることにより、受光量和（Ｎ＋Ｆ）が０または０に近い値の場合に、判定部１１３の出力ＺをＯＦＦにすることができるので、光電センサの動作の不安定化を回避することができる。

【0027】

［第２の実施例］
第１の実施例では、受光量差（Ｎ－Ｆ）を算出してしきい値と比較していたが、（Ｎ－Ｆ）でなく（Ｆ－Ｎ）を算出するようにしてもよい。このような光電センサのタイプをＦＧＳ（Foreground Suppression）と呼ぶ。

【0028】

図２は本発明の第２の実施例に係る距離設定形光電センサの構成を示すブロック図であり、図１、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の距離設定形光電センサは、投光回路１０１と、投光素子１０２と、投光光学系１０３と、受光光学系１０４と、受光素子１０５と、増幅部１０６－Ｎ，１０６－Ｆと、演算部１０７ａと、演算部１０９と、しきい値生成部１１０と、比較部１１１，１１２と、判定部１１３ａとを備えている。

【0029】

演算部１０７ａは、増幅部１０６－Ｆによって増幅されたＦ側受光量信号が示す受光量Ｆと増幅部１０６－Ｎによって増幅されたＮ側受光量信号が示す受光量Ｎとの差（Ｆ－Ｎ）を算出する。比較部１１１は、演算部１０７ａによって算出された受光量差（Ｆ－Ｎ）をしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）と比較する。比較部１１１は、受光量差（Ｆ－Ｎ）がしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）より大きい場合に出力Ｙ（第１の２値信号）をＯＮにし、受光量差（Ｆ－Ｎ）がしきい値α×（Ｎ＋Ｆ）以下の場合に出力ＹをＯＦＦにする。

【0030】

判定部１１３ａは、比較部１１２の出力ＸがＯＦＦの場合、比較部１１１の出力Ｙの結果にかかわらず、出力Ｚ（第３の２値信号）をＯＮにする。判定部１１３ａは、比較部１１２の出力ＸがＯＮの場合、比較部１１１の出力Ｙをそのまま出力Ｚとして出力する。判定部１１３ａの出力ＺのＯＦＦは設定距離範囲内に物体１００が存在することを示し、出力ＺのＯＮは設定距離範囲内に物体１００が存在しないことを示す。判定部１１３ａの入力Ｘ，Ｙと出力Ｚとの関係を表した真理値表を表２に示す。他の構成は第１の実施例と同じである。

【0031】

【表2】

【0032】

第１、第２の実施例で説明したとおり、演算部１０７，１０７ａ，１０９以降の処理はハードウェアで実現してもよいし、ソフトウェアで実現してもよい。ソフトウェアで行う場合、演算部１０７，１０７ａと演算部１０９としきい値生成部１１０と比較部１１１，１１２と判定部１１３，１１３ａとは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図３に示す。

【0033】

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インターフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、増幅部１０６－Ｎ，１０６－Ｆ等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の検出方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明は、光電センサに適用することができる。

【符号の説明】

【0035】

１０１…投光回路、１０２…投光素子、１０３…投光光学系、１０４…受光光学系、１０５…受光素子、１０６－Ｎ，１０６－Ｆ…増幅部、１０７，１０７ａ，１０９…演算部、１１０…しきい値生成部、１１１，１１２…比較部、１１３，１１３ａ…判定部、１１４…投光部、１１５…受光部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】