(57)【要約】  【課題】高価な障害物センサを用いることなく、掃除されない範囲を小さくすることのできる自走式掃除機を提供する。  【解決手段】自走式掃除機の赤外線センサ１１から障害物１００までの距離が短くなっていくときに、フォトトランジスタ５２で受光される障害物１００からの反射光の受光量が限界距離を境として増加から減少に転じるように、ＬＥＤ５１とフォトトランジスタ５２とが配置され、且つ反射光を遮る遮光筒５７がフォトトランジスタ５２に取り付けられている。掃除機を制御するマイコンは、フォトトランジスタ５２の出力レベルが増加から減少に転じたことを検出した後に掃除機の移動を停止するなどの措置をとる。この限界距離が短い距離（例えば１ｃｍ）となるように赤外線センサ１１を構成することにより、掃除されない範囲が小さくなる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被掃除面の塵埃を吸引する吸引手段を有する本体と、本体を移動させる移動手段と、障害物を検知する反射型の赤外線センサと、当該赤外線センサの出力レベルに基づいて移動手段を制御する制御手段とを備えた自走式掃除機において、
前記赤外線センサから障害物までの距離が短くなっていくときに、赤外線センサの受光部が受光する障害物からの反射光の受光量が所定距離を境にして増加から減少に転じるように、赤外線センサの発光部および受光部の少なくとも一方に、発光部から障害物に照射される光量を制限する遮光部材、または受光部が受光する障害物からの反射光の光量を制限する遮光部材が設けられ、
前記制御手段は、パルス信号によって前記発光部をオン／オフさせるとともに、本体が一定の方向に移動しているときに、前記受光部の出力レベルが増加から減少に転じたことを検出した後に、前記移動手段を制御することにより本体を停止させ、本体の向きを変えさせ、または本体を後退させることを特徴とする自走式掃除機。
【請求項２】
被掃除面の塵埃を吸引する吸引手段を有する本体と、本体を移動させる移動手段と、障害物を検知する反射型の光センサと、当該光センサの出力レベルに基づいて前記移動手段を制御する制御手段とを備えた自走式掃除機において、
前記光センサの発光部と受光部とは、光センサから障害物までの距離が短くなっていくときに、受光部が受光する障害物からの反射光の受光量が所定距離を境にして増加から減少に転じるように構成され、
前記制御手段は、本体が一定の方向に移動しているときに、前記受光部の出力レベルが増加から減少に転じたことを検出した後に、前記移動手段を制御することにより本体を停止させ、本体の向きを変えさせ、または本体を後退させることを特徴とする自走式掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、障害物を検知する機能を備えた自走式掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の自走式掃除機（以下、掃除機という）は、モータで走行輪を回転させて室内を移動しながら、送風機によって発生する空気流により床面の塵埃を吸い込んで集塵容器に集塵する。また、本体ケースの前面などには、家具や壁などの障害物を検知する障害物センサとしての赤外線センサが設けられている。図７（ａ）は赤外線センサを示す。図７（ｂ）は障害物までの距離と赤外線センサの出力レベルとの関係を示す。赤外線センサ６０の発光器６１が発光する赤外線が障害物１００で反射し、反射光が受光器６２で受光される。赤外線センサ６０（受光器６２）の出力レベルは、障害物１００に近づくにしたがって徐々に大きくなり、ある距離まで近づくと飽和状態となる。この出力レベルは障害物１００の赤外線反射率（白・黒などの色）によって異なるため、障害物１００までの距離を出力レベルからは決定できない。このため、掃除機を制御するマイコンは、本体ケースの前面に設けられた赤外線センサ６０の出力レベルが閾値Ｖａを超えたことを検出すると、障害物１００を回避するために掃除機の向きを変える。
【０００３】
尚、自走式掃除機の障害物センサに関するものではないが、下記の特許文献１には、カメラのオートフォーカス／シャッタボタン内の空洞部の下部に光センサを設け、この光センサでボタンの上面にユーザの指が接近したことを検知することが示されている。また、ボタンの上面に対して互いに異なる向きに傾斜した円筒状の空洞部をボタン内に形成し、各空洞部の底部に発光器と受光器とをそれぞれ配置することで、外来光の影響を低減することも示されている。下記の特許文献２，３には、発光ダイオードから投光レンズを介して人物に光を照射し、受光レンズを通過した反射光を位置検出素子で受け、位置検出素子上の光スポットの位置に基づいて人物までの距離を測定する測距センサが示されている。また、測定可能な範囲を広げるために、受光レンズを前後あるいは左右に移動させることも示されている。
【特許文献１】特開２００２−２５８１４９号公報（要約、図１１）
【特許文献２】特開２００５−０１７３８２号公報（段落０００１〜０００９、段落００２９〜００５５、図１〜図５）
【特許文献３】実開平５−０５７６８７号公報（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のものにおいては、障害物１００を確実に回避すべく閾値Ｖａを決めると、障害物１００の赤外線反射率にもよるが、障害物までの距離が１５ｃｍ程度のところで掃除機が向きを変えてしまい、掃除されない範囲が大きいという問題があった。尚、特許文献１〜３は、上記の問題を解決するものではない。また、高性能レンズや位置検出素子を必要とする測距センサは、多数の障害物センサを備える自走式掃除機では、コスト面からも採用できない。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、高価な障害物センサを用いることなく、掃除されない範囲を小さくすることのできる自走式掃除機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、被掃除面の塵埃を吸引する吸引手段を有する本体と、本体を移動させる移動手段と、障害物を検知する反射型の光センサと、当該光センサの出力レベルに基づいて移動手段を制御する制御手段とを備えた自走式掃除機において、光センサの発光部と受光部とは、光センサから障害物までの距離が短くなっていくときに、受光部が受光する障害物からの反射光の受光量が所定距離を境にして増加から減少に転じるように構成され、制御手段は、本体が一定の方向に移動しているときに、受光部の出力レベルが増加から減少に転じたことを検出した後に、移動手段を制御することにより本体を停止させ、本体の向きを変えさせ、または本体を後退させる。
【０００７】
ここで、上記の所定距離は、実施形態に示す限界距離に相当するものである。
【０００８】
このようにすることで、自走式掃除機が一定の方向に移動しているときに、障害物までの距離が上記の所定距離に達したことが検出され、本体を停止するなどの措置がとられるので、障害物との衝突を回避することができる。そして、上記の所定距離が短い距離（例えば１ｃｍ）となるように光センサを構成することにより、障害物まで極めて近い位置まで自走式掃除機が進むことが可能になり、掃除されない範囲を従来のものよりも小さくすることができる。しかも、特許文献２、３に示される高性能レンズや位置検出センサを用いずに上記のことが実現されるので、製造コストの上昇を抑えることもできる。
【０００９】
本発明の実施形態においては、上記の光センサは赤外線センサであり、赤外線センサから障害物までの距離が短くなっていくときに、赤外線センサの受光部が受光する障害物からの反射光の受光量が所定距離を境にして増加から減少に転じるように、赤外線センサの発光部および受光部の少なくとも一方に、発光部から障害物に照射される光量を制限する遮光部材、または受光部が受光する障害物からの反射光の光量を制限する遮光部材が設けられるとともに、制御手段は、パルス信号によって発光部をオン／オフさせる。上記のように赤外線センサを用いているので、外来光の影響を受けにくくなり、障害物近くの所望の位置で本体の停止などをより確実に行なうことができる。また、上述のように移動手段を制御するためには、発光部および受光部の少なくとも一方に安価な遮光部材を設けるだけでよいので、製造コストの上昇が抑えられる。さらに、発光部が直流信号ではなくパルス信号でオン／オフされるので、電池の消費量が低減され、電池の寿命を長くすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、製造コストを上昇させることなく、掃除されない範囲を従来のものよりも小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明に係る自走式掃除機（以下、掃除機という）を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は中央縦断面図、（ｃ）は底面図である。図の白抜き矢印は掃除機１の進行方向（前進方向）を示す。掃除機１は本体である中空の本体ケース１０を備えており、本体ケース１０は開閉可能なカバー１０ａと筐体部１０ｂとからなる。このカバー１０ａを開けて本体ケース１０内の集塵容器１６を取り出すことができる。一対の走行輪１９は掃除機１を走行（移動）させるものであり、筐体部１０ｂに取り付けられた２つのモータ２３で左右独立に駆動される。モータ２３および走行輪１９が本発明の移動手段に相当し、モータ２３の回転を制御することにより、掃除機１が前進／後退／停止を行い、向きを変える。モータ２３および後述する送風機１７には電池１８から電力が供給される。電池１８は複数の二次電池からなり、図示しない充電回路によって充電される。また、走行輪１９の前側および後側には、それぞれ一対の紡錘形状の従動輪２０が設けられており、この従動輪２０で本体ケース１０の重量バランスが維持される。
【００１２】
筐体部１０ｂの底面には吸入口１５が設けられており、吸引手段である送風機１７によって発生する空気流により床面（被掃除面）の塵埃が吸入口１５から吸い込まれて集塵容器１６に集塵される。この集塵容器１６の送風機１７側には上記の空気流が通過するフィルタ（図示せず）が取り付けられている。また、絨毯から塵埃を掻き出すために、モータの力で回転する回転ブラシが吸入口１５に設けられるが、本発明の直接的事項ではないので、説明および図示を省略する。本体ケース１０の上面には、表示部１３と複数のキー１４とを備えた操作パネル１２が設けられている。例えば、スタートキー１４ａが押されると掃除機１が掃除を開始し、ストップキー１４ｂが押されると掃除を終了する。また、表示部１３には掃除機１の動作状態やエラーメッセージなどが表示される。
【００１３】
本体ケース１０の前面、上面の先端部、左側面および図示されていない右側面には、それぞれ前方の障害物を検知する反射型の赤外線センサ１１ａ，１１ｂ、前上方の障害物を検知する赤外線センサ１１ｃ、１１ｄ、左側方の障害物を検知する赤外線センサ１１ｅ，１１ｆ、および右側方の障害物を検知する赤外線センサ（図示せず）が取り付けられている。つまり、８個の反射型の赤外線センサ１１が取り付けられている。赤外線センサ１１ａ〜１１ｄは本体ケース１０の左右方向での中心線に対して対称な位置に取り付けられ、赤外線センサ１１ｅ〜１１ｆおよび右側面の赤外線センサは前後方向での中心線に対して対称な位置に取り付けられている。
【００１４】
図２は掃除機１の電気的構成を示す。制御手段であるマイコン２２は、周辺回路などと一緒にプリント基板２１（図１）に搭載されており、ＣＰＵ２２ａ、ＲＯＭ２２ｂ、ＲＡＭ２２ｃ、およびＡ／Ｄ変換器２２ｄを備えている。キー１４および赤外線センサ１１ａ，１１ｂからの信号がマイコン２２に入力され、マイコン２２から出力される信号が赤外線センサ１１のドライブ回路５３、モータ２３、送風機１７および表示部１３に送られる。実際にはモータ２３などは図示しない駆動回路で駆動されるが、以下ではマイコン２２がモータ２３などを制御・駆動するものとして説明する。また、ＲＯＭ２２ｂに格納されているプログラムをＣＰＵ２２ａが実行することにより、キー１４および赤外線センサ１１からの信号に応じて、送風機１７やモータ２３の制御が行われる。図２には８個の赤外線センサ１１のうち赤外線センサ１１ａ，１１ｂだけが図示されているが、他の赤外線センサ１１も同様にマイコン２２に接続されている。
【００１５】
赤外線を発光する発光部であるＬＥＤ５１は、ドライブ回路５３の出力信号によってオン／オフされ、ドライブ回路５３にはマイコン２２から８００Ｈｚのパルス信号が供給される。このパルス信号は一定の個数（例えば８個）のパルスからなる。このようにＬＥＤ５１をパルス信号で点灯させることで、発光強度を所定レベル以上にしつつ、電池１８の消費量を低減することができる。一方、障害物からの反射光は受光部であるフォトトランジスタ５２で受光される。フォトトランジスタ５２の出力信号はアンプ５４で増幅された後、積分回路５５で積分される。積分回路５５の出力電圧は、上記のパルス数にしたがって徐々に上昇し、一定の個数のパルスが出力された時点では安定する。マイコン２２は、この時点で切換回路５６を介して所定の積分回路５５の出力信号を取り込み、さらにＡ／Ｄ変換器２２ｄでデジタルデータに変換してＲＡＭ２２ｃに保存する。以下では、このデジタルデータを赤外線センサ１１の検出データとよぶ。尚、マイコン２２がＡ／Ｄ変換可能なアナログ入力端子を８つ備えていれば、切換回路５６は不要である。また、ここではパルス信号でＬＥＤ５１を駆動しているが、直流信号で駆動してもよい。
【００１６】
図３は赤外線センサ１１の動作タイミングを示す。掃除機１が掃除しているとき、すなわち移動しているときに、マイコン２２は、８個の赤外線センサ１１（図３では＃１〜＃８で表す）を＃１，＃２，・・・，＃８，＃１，＃２，・・・の順番で作動させる。例えば、赤外線センサ＃１の作動中は、マイコン２２は赤外線センサ＃１に対してだけ上記のパルス信号を送り、赤外線センサ＃１の出力信号をＡ／Ｄ変換する。このようにして８個の赤外線センサ１１の検出データがＲＡＭ２２ｃに保存される。ＲＡＭ２２ｃには最新の検出データだけでなく、直近の所定個数の検出データが赤外線センサ１１ごとに保存されている。つまり、ＲＡＭ２２ｃには検出データの履歴が保存されている。
【００１７】
図４は反射型の赤外線センサ１１の構成例を示す。フォトトランジスタ５２およびＬＥＤ５１は、直径が２ｍｍ程度であり、先端部がレンズとなっている。両者５１，５２は、３ｍｍ程度の間隔で中心線が平行となるように配置されており、フォトトランジスタ５２の前面はＬＥＤ５１の前面よりも３ｍｍ程度だけ前方に位置する。また、フォトトランジスタ５２の周囲には、斜め方向からの反射光を遮る遮光部材としての遮光筒５７が取り付けられている。この遮光筒５７の先端はフォトトランジスタ５２の前面よりも１ｍｍ程度だけ突出している。図４（ａ）に示すように、赤外線センサ１１から障害物１００までの距離が限界距離よりも長いときは、反射光が遮光筒５７で遮られることなくフォトトランジスタ５２で受光されるため、障害物１００までの距離が短くなるにしたがってフォトトランジスタ５２の受光量は増加していく。図４（ｂ）に示すように、障害物１００までの距離が限界距離よりも短くなると、反射光が遮光筒５７で遮られるため、障害物１００までの距離が短くなるにしたがってフォトトランジスタ５２の受光量が減少していく。
【００１８】
上記の限界距離とは、赤外線センサ１１が障害物１００に近づいていくときに、フォトトランジスタ５２の受光量が増加から減少に転じる距離である。本発明では、障害物１００までの距離が限界距離になると、掃除機１の移動を停止させるなどの措置がとられる。ここでは、限界距離が１ｃｍとなるように赤外線センサ１１が構成されているが、例えば遮光筒５７の突出量を増・減することにより、限界距離を長くまたは短くすることができる。また、限界距離は、赤外線センサ１１の取り付け面の形状も考慮して決められる。本実施形態では、赤外線センサ１１ａ，１１ｂは平面上に取り付けられているので、限界距離を１ｃｍとしているが、例えば、赤外線センサ１１ａ，１１ｂの間に２ｃｍの凸部がある場合には、限界距離を３ｃｍとする。
【００１９】
また、図４の構成に代えて、例えば、フォトトランジスタ５２およびＬＥＤ５１の双方に遮光筒５７を取り付けるようにしてもよいし、ＬＥＤ５１だけに遮光筒５７を取り付けてＬＥＤ５１をフォトトランジスタ５２よりも前方に配置するようにしてもよいし、フォトトランジスタ５２およびＬＥＤ５１を前後方向で同位置に配置するとともに、より長い遮光筒５７を双方５１，５２に取り付けるようにしてもよい。
【００２０】
図５は、赤外線センサ１１から障害物１００までの距離とフォトトランジスタ５２の出力レベルとの関係を示す。まず、掃除機１の移動中に障害物１００までの距離が短くなっていくときに、フォトトランジスタ５２の受光量が増加し、出力レベルも徐々に増加する（Ｄ１〜Ｄ２）。さらに障害物１００に近づいて距離がＤ２になると、出力レベルが飽和する。さらに距離が短くなって距離がＤ３になると、出力レベルが急勾配で減少し始め、距離Ｄ４で出力レベルが０になる。距離Ｄ３とＤ４との差は僅かである。障害物１００の赤外線反射率が低い場合は、出力レベルが飽和することなく増加から減少に転じることがあるが、減少に転じる距離Ｄ３は障害物１００の赤外線反射率に関係なく略一定であることが実験で確かめられている。
【００２１】
次に、上記のように構成された掃除機１の動作について説明する。マイコン２２は、操作パネル１２のスタートキー１４ａが押されたことを検出すると、モータ２３および送風機１７を作動させて掃除を開始する。そして、移動中は赤外線センサ１１を作動させて上述のように赤外線センサ１１ごとに検出データをＲＡＭ２２ｃに格納する。この検出データの履歴を調べることにより、赤外線センサ１１の出力レベルが増加しつつあるのか、あるいは減少し始めているのかなどが分かる。以下では、前方の障害物１００を探知する赤外線センサ１１ａについて説明する。
【００２２】
マイコン２２は、赤外線センサ１１ａの検出データの値が増加した後に飽和状態になり（あるいは飽和状態になることなく）、減少に転じたことを検出した後に、モータ２３の電流を切る。上述のように距離Ｄ３とＤ４との差は僅かであるので、出力レベルが減少に転じた後であれば、出力レベルが減少に転じた直後や、出力レベルが最大値から４０％だけ減少した時点、あるいは出力レベルが０になった時点のいずれのタイミングで電流を切っても実質的に同じである。モータ２３の電流が切れると走行輪１９にブレーキがかかり、掃除機１が直ちに停止する。このときの赤外線センサ１１ａから障害物１００までの距離（掃除機１の前面から障害物１００までの距離）は限界距離（１ｃｍ）であり、掃除機１の形状から停止位置で向きを変えようとすると障害物１００に衝突するので、マイコン２２はモータ２３を逆転させて掃除機１を後退させた後に向きを変えて再び前進させる。
【００２３】
以上では赤外線センサ１１ａについて説明したが、他の赤外線センサ１１の検出データにも基づいて、マイコン２２が同様な処理を行う。例えば、本体ケース１０の左側面の赤外線センサ１１ｅの検出データから、障害物１００までの距離が限界距離に達したことが検出されると、マイコン２２はモータ２３を制御して進行方向を僅かに右方向に変える。尚、全ての赤外線センサ１１の検出データによって限界距離に達したことを検出する必要はなく、例えば、本体ケース１０の上面の赤外線センサ１１ｃの検出データの値が増加中にその値が所定値（例えば図５のＶ１）なったことを検出したら、マイコン２２がモータ２３を制御して掃除機１を後退させるようにしてもよい。
【００２４】
以上述べたように、障害物１００までの距離が限界距離になったらフォトトランジスタ５２の受光量が減少し始めるように赤外線センサ１１が構成されており、しかもマイコン２２が当該受光量に相当する検出データの値が増加から減少に転じたことに基づいて障害物１００までの距離が限界距離に達したことを検出する。そして、限界距離に達した場合は、マイコン２２がモータ２３を制御して掃除機１を停止させたり、進行方向を変えたりする。したがって、限界距離が短い距離（例えば１ｃｍ）となるように赤外線センサ１１を構成することにより、障害物１００に極めて近い位置まで掃除機１が進むことが可能になり、掃除されない範囲を従来のものよりも小さくすることができる。しかも、特許文献２、３に示される高性能レンズや位置検出センサを用いずに上記のことが実現されるので、掃除機１の製造コストの上昇を抑えることもできる。
【００２５】
以上述べた実施形態においては、赤外線センサ１１は図４に示すように構成されたが、例えば図６に示すように構成してもよい。ここでは、フォトトランジスタ５２とＬＥＤ５１とは、１０ｍｍ程度の間隔で共に中央に向かって斜めに配置されており、両者５１，５２の前面は障害物１０に平行な直線上に位置する。また、斜め方向からの反射光を遮るようにフォトトランジスタ５２の周囲には遮光筒５７が取り付けられており、遮光筒５７の先端はフォトトランジスタ５２の前面よりも１ｍｍ程度だけ突出している。図６（ａ）に示すように、赤外線センサ１１から障害物１００までの距離が上述の限界距離よりも長いときは、障害物１００までの距離が短くなるにしたがってフォトトランジスタ５２の受光量が大きくなっていく。図６（ｂ）に示すように、障害物１００までの距離が限界距離よりも短くなると、障害物１００までの距離が短くなるにしたがって受光量が小さくなっていく。尚、フォトトランジスタ５２とＬＥＤ５１との間隔をさらに大きくすれば、フォトトランジスタ５２に遮光筒５７を設けなくても同様の特性が得られる。
【００２６】
また、上記実施形態では、障害物センサとして赤外線センサ１１を用いたが、可視光センサなどの赤外線センサ以外の光センサを用いても本発明を実施することができる。但し、可視光センサを用いると外来光の影響を受けやすくなるので、例えば、以下のようにして外来光の影響を除去する。まず、積分回路５５を介さずにアンプ５４の出力信号をマイコン２２に入力する。そして、マイコン２２が８００Ｈｚのパルス信号を出しているときに、入力信号を例えば４ｋＨｚのサンプリングレートでサンプリングし、サンプル値の最大値と最小値との差を上記の検出データの値とする。この方法は赤外線センサ１１を用いる場合でも使用可能である。さらに、上記実施形態では、遮光筒５７の突出量や限界距離などの数値例を示したが、他の数値を用いても本発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る自走式掃除機を示す図である。
【図２】自走式掃除機の電気的構成を示す図である。
【図３】赤外線センサの動作タイミングを示す図である。
【図４】赤外線センサの構成例を示す図である。
【図５】赤外線センサから障害物までの距離とフォトトランジスタの出力レベルとの関係を示す図である。
【図６】赤外線センサの他の構成例を示す図である。
【図７】従来の赤外線センサを示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    自走式掃除機（掃除機）
１１，１１ａ〜１１ｆ  赤外線センサ（障害物センサ）
１７  送風機（吸引手段）
１９  走行輪（移動手段）
２２  マイコン（制御手段）
２３  モータ（移動手段）
５１  ＬＥＤ（発光部）
５２  フォトトランジスタ（受光部）
５７  遮光筒（遮光部材）
１００  障害物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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