(57)【要約】【課題】近距離における誤動作を防ぎ、物体の検出距離範囲を十分に広く設定することのできる光電センサを提供する。【解決手段】監視領域に向けて光を照射する投光系と、前記監視領域からの反射光を受光する受光素子を備えて該受光素子の受光量に相当する信号を出力する受光系と、この受光系の出力信号のレベルを判定して前記監視領域での物体の有無を検出する検出手段とを備え、計測レンジが遠距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ高く設定し、前記計測レンジが近距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ低く設定し、前記計測レンジが中距離に設定されたときには前記投光量を低く設定すると共に前記受光ゲインを高く設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域に向けて光を照射する投光系と、前記監視領域から到来する光を受光する受光素子を備えて該受光素子の受光量に相当する信号を出力する受光系と、この受光系の出力信号のレベルを判定して前記監視領域における物体の有無を検出する検出手段と、設定された計測レンジに応じて前記投光系の投光量および前記受光系の受光ゲインをそれぞれ可変設定する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、前記計測レンジが遠距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ高く設定し、前記計測レンジが近距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ低く設定し、前記計測レンジが中距離に設定されたときには前記投光量を低く設定すると共に前記受光ゲインを高く設定することを特徴とする光電センサ。
【請求項２】
前記投光系は、選択設定された周期で駆動されてパルス光を発する発光素子を備え、この発光素子の駆動電圧を変えることで上記パルス光の発光強度を変化させて投光量を可変設定するものであって、
前記受光系は、受光量に応じた受光信号を出力する受光素子と、上記受光信号を増幅する増幅器とを具備し、該増幅器の増幅率を変えることで受光ゲインを可変設定するものである請求項１に記載の光電センサ。
【請求項３】
前記制御手段は、遠距離、中距離、および近距離の３段階に分けて手動設定される計測レンジに応じて前記投光系の投光量および前記受光系の受光ゲインをそれぞれ可変設定するものである請求項１に記載の光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の監視領域に投光した光の透過量、または物体による反射光量から上記監視領域における物体の有無を検出する光電センサに係り、特に近距離での誤動作を防止した光電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
反射形の光電センサ（いわゆる光電スイッチ）は、概略的には図３に示すように所定の監視領域に向けて光を照射する投光系１０と、前記監視領域における上記光の物体による反射光を受光してその受光量を検出する受光系２０とを備えて構成される。尚、透過形の光電センサは、監視領域を挟んで上記投光系１０と受光系２０とを対向させて配置し、投光系１０から投光されて前記監視領域に存在する物体により遮られることのなかった光を前記受光系２０にて受光するように構成される。
【０００３】
ちなみに前記投光系１０は、発光素子（例えば発光ダイオード；ＬＥＤ）１１とその駆動回路１２とを主体として構成される。また前記受光系２０は、受光素子（例えばフォトダイオード；ＰＤ）２１と、受光量に応じて上記受光素子２１が出力する電流をＩ／Ｖ変換するＩ／Ｖ変換器２２と、このＩ／Ｖ変換器２２の出力を増幅する増幅器２３とを主体として構成される。そしてこの受光系２０から出力される信号（電圧信号）を比較器３１に取り込み、その信号レベルを所定の閾値Ｖrefと比較することで、設定距離以内に存在する物体を検出するように構成される（例えば特許文献１を参照）。
【０００４】
尚、前記比較器３１は、一般的にはマイクロプロセッサにより構成される。そして前記受光系２０の出力はＡ／Ｄ変換器３２を介して上記マイクロプロセッサに取り込まれる。
【特許文献１】特開２００６−２１０９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところでこの種の光電センサ（光電スイッチ）における物体検出の距離範囲は、近距離から遠距離に至るまで、できるだけ広いことが望ましい。しかし反射形の光電センサから物体までの距離Ｌが長くなるに従って前記投光系１０（発光素子１１）から照射されて物体に到達する光量が低下し、またその反射光の前記受光系２０への入光量（受光素子２１での受光量）が少なくなることが否めない。また透過形の光電センサにおいては、投光系１０（発光素子１１）と前記受光系２０（受光素子２１）との離間距離が長くなるに従って、受光系２０に到達する光量が大きく減衰する。
【０００６】
そこで一般的には、光電センサに要求される最大検出距離Ｌmaxを見込んで前記投光系１０から照射する光の強度（投光量）を設定している。しかし反射形光電センサにおいては検出対象物（物体）が近距離に存在すると、また透過形光電センサにおいては発光素子１１と受光素子２１との離間距離Ｌを狭くすると前記受光系２０への入光量が過剰となり、図４に示すように受光素子２１が飽和することがある。即ち、受光素子２１への入光量（受光素子２１の受光量）が変化しても前記受光素子（フォトダイオード）の両端間の電圧変化が殆ど生じなくなり、前述したＩ／Ｖ変換器２２の出力が、ひいては増幅器２３の出力が低くなる。
【０００７】
また検出対象物が接近して更に入光量が増えると、これに伴って受光素子２１での出力電流が増加し、本来的には逆バイアス状態で用いられるべき前記受光素子（フォトダイオード）が順方向にバイアスされた状態となる。この結果、図４に示すように受光素子２１を介して得られる出力信号レベル（受光系の出力）が急激に小さくなると言う不具合が生じる。この為、近距離においては物体検出の誤判定が生じると言う不具合がある。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、近距離における誤動作を防ぎ、物体の検出距離範囲を十分に広く設定することのできる光電センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するべく本発明に係る光電センサは、監視領域に向けて光を照射する投光系と、前記監視領域から到来する光を受光する受光素子を備えて該受光素子の受光量に相当する信号を出力する受光系と、この受光系の出力信号のレベルを判定して前記監視領域での物体の有無を検出する検出手段と、前記投光系の投光量および前記受光系の受光ゲインをそれぞれ高／低の２段階に可変設定する制御手段とを具備したものであって、
特に前記制御手段においては、例えば遠距離、中距離、および近距離の３段階に分けて手動設定される計測レンジに応じて前記投光系の投光量および前記受光系の受光ゲインをそれぞれ可変設定するに際して、前記計測レンジが遠距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ高く設定し、前記計測レンジが近距離に設定されたときには前記投光量および受光ゲインをそれぞれ低く設定し、前記計測レンジが中距離に設定されたときには前記投光量を低く設定すると共に前記受光ゲインを高く設定することを特徴としている。
【００１０】
好ましくは前記投光系は、例えば選択設定された周期で駆動されてパルス光を発する発光素子を備え、この発光素子の駆動電圧を変えることで上記パルス光の発光強度を変化させて投光量を可変設定するように構成され、また前記受光系は、例えば受光量に応じた受光信号を出力する受光素子と、上記受光信号を増幅する増幅器とを具備し、該増幅器の増幅率を変えることで受光ゲインを可変設定するように構成される。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成の光電センサによれば、計測レンジが中距離に設定されたときには前記投光量を低く設定すると共に前記受光ゲインを高く設定するので、過大な入力光量による受光素子の飽和を抑え、且つ該受光素子が順方向バイアス状態となることを未然に防ぐことができる。そして投光量を低く設定したことに伴って受光系での受光量が低下する分、増幅器の増幅率を高く設定するので、受光信号のレベルを高くしてそのレベル判定を精度良く行うことが可能となる。従って受光素子の順方向バイアスに起因する受光信号レベルの低下がないので、中距離に設定した計測レンジの全距離範囲において物体検出を高精度に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る光電センサについて説明する。
図１は、この実施形態に係る光電センサの概略構成を示している。この光電センサは、基本的には監視領域に向けて光を照射する投光系１０と、前記監視領域から到来する光を受光する受光素子を備えて該受光素子の受光量に相当する信号を出力する受光系２０とを備えている。そして演算器（ＣＰＵ）にて前記受光系２０の出力信号レベルを判定して物体の有無を検出するように構成され、更に手動設定された計測レンジに応じて前記投光系１０の投光量および前記受光系２０の受光ゲインをそれぞれ可変設定するように構成される。
【００１３】
尚、反射形の光電センサの場合には、投光系１０から照射された光の物体による反射光を受光系２０にて受光して物体の有無を判定するように構成される。また透過型の光電センサの場合には対向配置された投光系１０と受光系２０との間に存在する物体によって、投光系１０から照射された光が遮られるか否かを受光系２０での受光量から検出して物体の有無を判定するように構成される。従って物体検出の判定ロジックは、反射形の場合と透過形の場合とで逆になることは言うまでもない。
【００１４】
前述した前記投光系１０は、具体的には発光素子（例えば発光ダイオード；ＬＥＤ）１１と、後述する駆動電圧に応じて上記発光素子１１の駆動電流を制御することで前記発光素子１１を発光駆動する駆動回路（トランジスタ）１２とを備える。ちなみに前記駆動回路１２には、スイッチドライバ１３によりオン・オフ制御される発光周期制御スイッチ１４を介して駆動電圧が印加される。また上記駆動電圧としては、前記発光素子１１を高輝度で発光させる（強く発光させる）第１の駆動電圧ＶＨ、または前記発光素子１１を低輝度で発光させる（弱く発光させる）第２の駆動電圧ＶＬが、発光量制御スイッチ１５を介して選択的に与えられるようになっている。
【００１５】
尚、前記スイッチドライバ１３は、前記発光量制御スイッチ１５を介して選択されて前記駆動回路（トランジスタ）１２に印加される駆動電圧をオン・オフ制御することで前記発光素子１１をパルス駆動し、これによってパルス光を発光させる役割を担う。このスイッチドライバ１３によって前記発光素子１１が発光するパルス光の発光周期Ｔが、例えば５０μs（高速）、２５０μs（中速）、１ｍs（低速）の３段階に選択設定し得るようになっている。
【００１６】
一方、前記受光系２０は、抵抗を介して逆バイアスされて電源Ｖccに接続された受光素子（例えばフォトダイオード；ＰＤ）２１と、この受光素子２１がその受光量に応じて出力する電流をＩ／Ｖ変換するＩ／Ｖ変換器２２と、結合コンデンサを介して上記Ｉ／Ｖ変換器２２に接続されて前記Ｉ／Ｖ変換器２２の出力（受光信号）を増幅する増幅器２３とを主体として構成される。
【００１７】
この増幅器２３は、例えば入力抵抗を介して上記受光信号を入力する反転入力端子（−端子）および基準電圧Ｖrefが加えられる非反転入力端子（＋端子）を備え、出力端子と前記反転入力端子との間に帰還回路を設けた演算増幅器からなる。そして前記反転入力端子に加えられた前記受光信号のレベル（電圧）Ｖinが前記基準電圧Ｖrefと等しくなるように負帰還を掛けることで前記受光信号を増幅するように構成される。またこの増幅器２３の増幅率は、前記帰還回路の帰還量を変えることで可変設定可能なものであり、ここでは後述するように高増幅率と低増幅率の２段階に選択設定可能に構成されている。この増幅器２３の増幅率の可変設定によって受光系２０の増幅ゲインが設定される。
【００１８】
そしてこの受光系２０から出力される信号（電圧信号）はＡ／Ｄ変換器３２を介してデジタル変換された後、演算器（例えばマイクロプロセッサ；ＣＰＵ）３１に取り込まれてその信号レベルが判定されるようになっている。この信号レベルの判定は、該信号のレベルが予め設定した物体検出距離に相当する閾値よりも大きいか否かを判定することによって行われ、例えば信号レベルが上記閾値を上回るとき、物体による反射光の受光量が大きく、物体がその検出距離以上に近接していると判定する。
【００１９】
尚、演算器（例えばマイクロプロセッサ；ＣＰＵ）３１に接続された設定器３４は、手動操作されるインターフェースであって、この設定器３４を用いて前記光電センサを用いた物体検出の応答速度、および計測レンジがそれぞれ設定される。上記物体検出の応答速度は、高速度に移動変位する物体を応答性良く確実に検出するか、物体の移動速度がさほど速くない場合には、前記ＣＰＵ３１での処理負担を増大させることなく物体検出を行うかを制御パラメータであって前述したパルス光の発光周期Ｔに相当する。
【００２０】
また前記計測レンジは物体検出の対象とする距離範囲を設定するものであり、例えば遠距離、中距離、近距離の３段階に設定される。具体的には、例えば遠距離レンジは光電センサの先端から１００ｍｍ〜３００ｍｍの距離範囲を、また中距離レンジは３０ｍｍ〜１００ｍｍの距離範囲を、そして近距離レンジは０ｍｍ〜３０ｍｍの距離範囲をそれぞれ検出対象として設定される。
【００２１】
さて基本的には上述した如く構成される光電センサにおいて本発明が特徴とするところは、前記設定器３４において手動設定された計測レンジに応じて、更には前述したパルス光の発光周期Ｔ（応答速度）に応じて前記ＣＰＵ３１の下で投光系１０から照射する光の投光量を可変設定すると共に、前記受光系２０での受光ゲインを可変設定するようにした点にある。例えば図２に示す処理手順に従い、設定された計測レンジに応じて、更には中距離レンジが設定された場合には、そのときに設定されている応答速度に応じて前述した投光量と受光ゲインとをそれぞれ可変設定するようにしたことを特徴としている。
【００２２】
即ち、その動作制御は、先ず遠距離レンジが設定されているか否かを判定し〈ステップＳ１〉、遠距離レンジが設定されている場合には、前記投光系１０の投光量を［高］に設定すると共に、前記受光系２０の受光ゲインを［高］に設定する〈ステップＳ２〉。つまり物体検出の対象領域が遠距離であり、光の大きな伝播減衰を伴うことから、当該対象領域への投光系１０から照射された光の減衰を補うべく前記投光系１０の投光量を［高］に設定し、また当該対象領域から到来する光の前記受光系２０への入光量の減衰を補うべく前記受光系２０の受光ゲインを［高］に設定する。
【００２３】
また遠距離レンジが設定されていない場合には〈ステップＳ１〉、次に近距離レンジが設定されているか否かを判定する〈ステップＳ３〉。そして近距離レンジが設定されている場合には、前記投光系１０の投光量を［低］に設定すると共に、前記受光系２０の受光ゲインを［低］に設定する〈ステップＳ４〉。即ち、物体検出の対象領域が近距離である場合には、投光系１０から照射する光量が少なくても比較的多くの光量を受光することができるので前記投光系１０の投光量を［低］に設定し、また前記受光系２０の受光ゲインを［低］に設定する。
【００２４】
これに対して設定された計測レンジが遠距離レンジでなく〈ステップＳ１〉、また近距離レンジでもない場合には〈ステップＳ３〉、これらの判定結果から残された中距離レンジが設定されていると判定する。そしてこの場合には、前述した発光周期Ｔ（応答速度）が高速に設定されているか否かを判定する〈ステップＳ５〉。そして高速応答モード（例えば５０μｓまたは２５０μｓ）が設定されている場合に、前記投光系１０の投光量を［低］に設定すると共に前記受光系２０の受光ゲインを［高］に設定する〈ステップＳ６〉。逆に通常の低速モード（１ｍｓ）が設定されている場合には、前記投光系１０の投光量を［高］に設定すると共に前記受光系２０の受光ゲインを［低］に設定する〈ステップＳ７〉。
【００２５】
即ち、前述した受光素子１１の飽和に伴う受光信号のレベル低下は前記受光素子１１が順方向バイアス状態となることに起因するものであり、パルス光を投光する周期が長い場合にはその反射光が受光素子２１に入光する周期も長くなるので、仮に前記受光素子１１が順方向バイアス状態となっても、次の受光時には逆バイアス状態に復帰する。従って前記受光素子１１の順方向バイアス状態が問題となるのは、物体検出の周期Ｔが短い５０μｓまたは２５０μｓの高速応答モードの設定時であると言える。
【００２６】
従ってこの場合には、受光系２０への過大な入光を防止するべく前記投光系１０の投光量を［低］に設定する。そして前記投光素子１１から照射するパルス光の投光量（光強度）を低くし、これによって受光系２０に到来する光量を低く抑えて受光素子２１が飽和状態となることを防止する。そして受光素子２１が飽和することなく、その受光量に応じたレベルの受光信号を出力している状態において、その信号レベルを相対的に高めて受光系２０から出力される信号のダイナミックレンジを十分に広く設定するべく前記増幅器２３の増幅率を高く設定する。この結果、Ａ／Ｄ変換器３２には、そのダイナミックレンジに見合う最大振幅の受光信号が与えられることになり、受光信号のレベルを精度良く検出してＣＰＵ３１に与えることが可能となる。
【００２７】
特にこの場合には、例えば近距離に存在する物体によってその反射光の強度（受光素子２１での受光量）が高くなっても受光素子２１が飽和することがないので、近距離において受光系２０の出力が急激に小さくなることがない。従って物体検出の閾値を受光信号の最大レベルの近傍に設定して近距離での物体検出を行う場合であっても、その検出距離における光電センサの誤動作を効果的に防止することができると言う効果が奏せられる。
【００２８】
これに対して通常の低速モード（１ｍｓ）の設定時には前述したように受光素子２１の飽和に起因する問題を殆ど生じることがない。つまり受光素子２１が順方向にバイアスされた状態に至っても、前述したパルス光の消滅、ひいては受光系２０に到来する光の消滅に伴って前記受光素子２１が逆バイアスされた状態に復帰するので、次の検出タイミングにおいては受光素子２１での受光量が大きくてもその変化に応じた出力を得ることができる。そこでこの場合には前述したように前記投光系１０の投光量を［高］に設定すると共に前記受光系２０の受光ゲインを［低］に設定する。
【００２９】
このように動作条件を決定すれば、検出対象領域に照射するパルス光の強度が高いのでその反射光をＳ／Ｎ良く受光検出することが可能となる。そして受光量が大きく、受光信号のレベルが高い分、増幅器２３の増幅率を低く設定するので、Ａ／Ｄ変換器３２のダイナミックレンジに見合う最大振幅の出力を得ることが可能となる。換言すれば受光系２０の出力によってＡ／Ｄ変換器３２が飽和することを効果的に防ぐことが可能となる。
【００３０】
このように本発明に係る光電センサにおいては、受光素子２１が飽和し、順方向バイアス状態となってその出力レベルが急激に小さくなるような状態を防ぎながら物体検出を行うことができるので、近距離における誤動作を確実に防止することができる。特に投光系１０からの投光量を小さくし（低くし）、その投光量に見合うように受光系２０での受光ゲインを高くしているので、簡単な制御だけで誤動作を未然に防ぐことができ、その実用的利点が絶大である。
【００３１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば計測レンジの区分については、光電センサの仕様と該光電センサに要求される検出特性に応じて定めれば良いものであり、また投光系１０の発光量および受光系２０の受光ゲインについては、その仕様に応じて設定すれば良いことは言うまでもない。またここでは投光系１０の発光量および受光系２０の受光ゲインをそれぞれ２段階に設定したが、３段階以上に可変設定可能に構成することも勿論可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電センサの概略構成図。
【図２】図１に示す光電センサにおける動作制御の判断アルゴリズムの例を示す図。
【図３】反射形の光電センサの一般的な構成例を示す図。
【図４】受光素子の出力特性の例を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１０  投光系
１１  投光素子
１２  駆動回路
１４  発光周期制御スイッチ
１５  発光量制御スイッチ
２０  受光系
２１  受光素子
２２  Ｉ／Ｖ変換器
２３  増幅器
３１  演算器（ＣＰＵ）
３２  Ａ／Ｄ変換器
３４  設定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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