(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
背景を抑制して調節可能な距離にある物体の存在を検知する電気光学的装置であって、
ａ）直接光ビームの光源（４）と、個々の焦点を有する透過レンズ（７）を設け、前記直接光のビームを前記物体の方に向けることができる光透過チャンバ（５；１０５）とを具える光ビーム発光器（１；１０１）と、
ｂ）前記物体によって反射された光ビームを受光するのに適し、個々の焦点を有する受光レンズ（１５）を設けた前記反射光ビームの受光チャンバ（１０；２１０）と、光電気センサ手段とを具える受光器（２；２０２）と、
ｃ）前記発光器（１；１０１）および受光器（２；２０２）を保持する構造（３）と、
ｄ）前記光電気センサに動作的に接続され、前記センサからの信号を処理することができる制御回路（２８）とを具え、
ｅ）前記受光チャンバ（１０；２１０）を、前記保持構造（３）に対して可動にし、前記受光チャンバ（１０；２１０）の位置を調節する調節手段（２３）に動作的に接続した電気光学的装置において、
ｆ）前記光電気センサ手段が、間に分離領域（１３）を置いた１対の並んだ光電気センサ（１１，１２）を具え、
ｇ）前記光源（４）および１対の光電気センサ（１１，１２）を、前記保持構造（３）と一体とし、
ｈ）前記受光チャンバ（１０；２１０）を、前記光電気センサ（１１，１２）間に置かれた分離領域（１３）にほぼ一致する回転軸を有する第１ピボット手段（１６；２１６）によって回転可能なように前記保持構造によって保持し、前記受光レンズ（１５）の焦点は、前記受光チャンバ（１０；２１０）が取り得るどのような位置に対しても前記分離領域（１３）と一致し、これにより、当該距離を越えると物体が検知されない最長検知距離が決まることを特徴とする電気光学的装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気光学的装置において、前記透過チャンバ（１０５）も可動にし、前記調節手段（２３）に動作的に接続し、前記透過チャンバ（１０５）を、前記透過レンズ（７）の焦点と交差する回転軸を有する第２ピボット手段（１１６）によって回転可能なように前記保持構造（３）によって保持し、前記透過レンズ（７）の焦点は、前記透過チャンバ（１０５）が取り得るどのような位置に対しても前記第２ピボット手段（１１６）の回転軸にほぼ位置し、これにより前記最長検知距離が決まることを特徴とする電気光学的装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電気光学的装置において、前記透過チャンバ（１０５）を可動にし、前記調節手段（２３）に動作的に接続し、前記透過チャンバ（１０５）に、前記保持構造（３）のスロット（３５）においてスライド可能に保持された第３ピボット手段（３４）を設け、回転並進運動を行うようにしたことを特徴とする電気光学的装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電気光学的装置において、前記可動受光チャンバ（１０；２１０）を、第１ロッド（１９；２１９）と、第１ピボット手段（２０，２１；２２０，２２１）と、第１アーム（３０；２３０）とによって、前記保持構造（３）によって回転可能に保持されたネジ山を付けたシャフト（２３）とかみ合うネジ山を付けたスリーブ（１８）に動作的に接続したことを特徴とする電気光学的装置。
【請求項５】
請求項２または４に記載の電気光学的装置において、前記透過チャンバ（１０５）を、第２ロッド（１１９）と、第２ピボット手段（１２０，１２１）と、第２アーム（１３０）とによって、前記ネジ山を付けたシャフト（２３）とかみ合う前記ネジ山を付けたスリーブ（１８）に動作的に接続したことを特徴とする電気光学的装置。
【請求項６】
請求項３または４に記載の電気光学的装置において、前記可動透過チャンバ（１０５）を、第３アーム（３２，３３０）と、第３ピボット手段（３２１）とによって、前記ネジ山を付けたシャフト（２３）とかみ合う前記ネジ山を付けたスリーブ（１８）に動作的に接続し、前記保持構造（３）の壁の曲線状スロット（３５）にはめ合わせたローラ（３４）を設けた第４アーム（３３）を設けたことを特徴とする電気光学的装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電気光学的装置において、前記光源（４）および光電気センサ（１１，１２）を、プリント回路ボード（８）に固定したことを特徴とする電気光学的装置。
【請求項８】
請求項１に記載の電気光学的装置において，前記光電気センサ（１１，１２）が、光に感応しない材料のストリップによって形成される前記分離領域（１３）によって分離された２つの並んだ領域を具える１対の非対称フォトダイオードから成り、前記光源（４）からより離れた前記領域を、前記光源（４）により近い前記領域より長くしたことを特徴とする電気光学的装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、背景を抑制して調節可能な距離において物体の存在を検知する電気光学的装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
背景を抑制して所定の領域における物体の存在または不在を示すことができる電気光学的装置は、既知である。これは、検知を行う距離を手動の設定によって調節でき、したがって、このような距離を越える他の物体または背景の見せ掛けの影響を排除する、光電セル形式の電気光学的装置である。
【０００３】
これらの装置は、実際的には、直接光のビームの発光器と、反射光のビームの受光器とを具える。前記直接光のビームの発光器は、電場発光ダイオードから成る前記光のビームの光源と、前記光のビームを検知すべき物体に向けて放射することができる透過レンズを含む光透過チャンバとを具える。前記反射光のビームの受光器は、受光レンズと、いくつかの並んだ光電気センサとを具える。前記光電気センサを、前記光源から物体までの距離に比例した電気信号を発生することができる電気測定回路に動作的に接続する。
【０００４】
これらの装置の動作は、三角測量の原理を基礎としている。前記光源によって放射された光のビームは、確認すべき物体（目標）に向かい、前記物体が受けた光の一部が反射し、前記受光レンズを通過し、前記受光器の光電気センサに向かう。直角三角形を規定し、その斜辺以外の辺を、前記光源および物体間の距離と、前記光源および光電気センサ間の距離とによって形成し、斜辺を、前記物体および光電気センサ間の距離によって形成する。この三角形は、前記物体の最長手検知距離、すなわち、それを越えると、前記装置が存在するかもしれない物体（背景）によってトリガされない距離を幾何学的に規定する。
【０００５】
日本国公開特許公報第０６１６８６５２号明細書は、電場発光ダイオードとレンズを具える透過チャンバとをハウジングに固定した、距離の調節を行う形式の光電気スイッチを記載している。レンズおよび光感応素子を含む受光チャンバを含むシャーシを、前記ハウジングに回転可能に搭載する。前記シャーシを、ウォームねじおよびカムによって駆動して回転させ、前記光の放射軸と前記光の受光軸との角度を変化させる。
【０００６】
この光電気スイッチの主な欠点は、前記シャーシが回転可能であることから前記光感応素子が可動であることと、電気エネルギ源と電気制御回路とを接続する電気接続も可動であることから発する。可動電気接続が、構造的な困難を含み、動作において重要であるため、該装置の信頼性において悪影響を有することは周知である。
【０００７】
これらの欠点は、直接光ビームの発光器と反射光ビームの受光器とを並べて配置したハウジングを具え米国特許明細書第４７８２２２４号に記載のような電気光学的センサにおいは存在しない。個々の発光ダイオードを有する透過レンズと、受光レンズと、２個の光変換器によって形成された光電気変換装置とが、ハウジングと一体である。前記センサは、前記受光レンズまたは透過レンズのいずれかに関して前記ハウジングに隠れる偏向ミラーを具える。この回転ミラーによって、前記受光レンズを通過する反射光ビームが前記光電気変換装置の方に偏向されるか、前記直接光ビームが前記透過レンズを通過して検知すべきものの方に向けられるため、検知距離を前記偏向ミラーの回転によって変化させることができる。
【０００８】
しかしながら前記センサは、他の欠点を示す。
【０００９】
このセンサの主な欠点は、前記回転偏向ミラーと固定レンズの存在から発する。
【００１０】
要するに、前記ミラーは、適切に組み立てられているとしても、回折、前記信号の減衰および焦点合わせの悪化を引き起こす。
【００１１】
さらに、前記ミラーが前記受光レンズに関係する場合において、前記反射光ビームの受光の軸は、前記受光レンズの光軸と、検知すべき物体の長い距離に関してのみ一致し、限定された距離に関しては、前記２つの軸は異なり、同じことが、前記回転ミラーが前記透過レンズに関する場合において、前記直接光ビームの放射の軸と、前記透過レンズの光軸とに関して起こる。
【００１２】
最後に、前記ミラーは、前記センサの製造コストの増加をもたらす追加の光学的構成部分を構成する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した欠点を、背景を抑制して調節可能な距離において物体の存在を検知する電気光学的装置であって、
ａ）直接光ビームの光源と、個々の焦点を有する透過レンズを設け、前記直接光のビームを前記物体の方に向けることができる光透過チャンバとを具える光ビーム発光器と、
ｂ）前記物体によって反射された光ビームを受光するのに適切で、個々の焦点を有する受光レンズを設けた前記反射光ビームの受光チャンバと、光電気センサ手段とを具える受光器と、
ｃ）前記発光器および受光器を保持する構造と、
ｄ）前記光電気センサに動作的に接続され、前記センサからの信号を処理することができる、制御回路とを具え、
ｅ）前記受光チャンバを、前記保持構造に関して可動にし、前記受光チャンバの位置を調節する調節手段に動作的に接続した電気光学的装置において、
ｆ）前記光電気センサ手段が、間に分離領域を置いた１対の並んだ光電気センサを具え、
ｇ）前記光源および１対の光電気センサを、前記保持構造と一体とし、
ｈ）前記受光チャンバを、前記光電気センサ間に置かれた分離領域にほぼ一致する回転軸を有する第１ピボット手段によって、前記保持構造によって回転可能に保持し、前記受光レンズの焦点が、越えると物体が検知されない最長検知距離を決定するために前記受光チャンバによってとられるどのような位置に対しても、前記分離領域と一致するようにしたことを特徴とする電気光学的装置によって克服できることが分かった。
【００１４】
本発明の好適実施形態によれば、前記透過チャンバも可動にし、前記調節手段に動作的に接続し、前記透過チャンバを、前記透過レンズの焦点と交差する回転軸を有する第２ピボット手段によって、前記保持構造によって回転可能に保持し、前記透過レンズの焦点が、前記最長検知距離を決定するために前記透過チャンバによってとられるどのような位置に対しても、前記第２ピボット手段の回転軸にほぼ位置するようにする。
【００１５】
本発明の他の好適実施形態によれば、前記透過チャンバを可動にし、前記調節手段に動作的に接続し、前記透過チャンバに、前記保持構造のスロットにおいてスライド可能に保持された第３ピボット手段を設け、回転並進運動を行うようにする。
【００１６】
本発明の電気光学的装置において、前記光源と１対の光電気センサの双方を固定した。これは、これらを電気エネルギ源と電気制御回路とに固定電気接続によって接続することを可能にする。
【００１７】
したがって、前記可動接続が直面する構造的困難のすべてが取り除かれ、該装置の信頼性が向上する。
【００１８】
さらに、設定距離がいくらであっても、前記受光レンズの焦点がフォトダイオードの分離領域と常に一致する、すなわち、前記反射光ビームの受光軸が、前記受光チャンバによってとられるどのような位置に関しても、前記受光レンズの光軸と常に一致する。
【００１９】
同様に、回転透過チャンバの場合において、前記透過レンズの焦点が前記透過チャンバの回転軸上に常に位置する、すなわち、前記直接光ビームの放射軸も、前記最長検知距離を決定するために前記透過チャンバおよび受光チャンバによってとられるどのような相対位置に関しても、前記透過レンズの光軸と常に一致する。
【００２０】
したがって、前記受光および透過レンズは、常に最良に使用される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１および２において、１によって示す直接光ビーム発光器と、２によって示す反射光ビームの受光器と、保持構造３とを具える、本発明によって形成される、背景を抑制して調節可能な距離において物体の存在を検知する電気光学的装置を示す。
【００２２】
発光器１は、光源４および固定光透過チャンバ５を具える。光源４は、保持構造３に固定した印刷回路ボード８に搭載した発光ダイオードから成る。発光ダイオード４は、ボード８に直交する軸を有する光ビームを発光する。光透過チャンバ５に、構造３において得られる光学的円錐６と、透過レンズ７とを設ける。
【００２３】
受光器２は、可動受光チャンバ１０と、１対の並んだ光電気センサ１１および１２とを具える。センサ１１および１２は、印刷回路ボード８に搭載した２つのフォトダイオードから成り、その間には、不感光性材料のストリップから成る分離領域１３を置く。受光チャンバ１０に、光学的円錐１４および受光レンズ１５を設け、構造３において回転可能に保持する。光学的円錐１４は、構造３において、受光チャンバの支点を構成する、分離ストリップ（図２）とほぼ一致する回転軸を有するピボット１６によって取り付ける。特に、ピボット１６の回転軸は、ストリップ１３上を正確に通過するため、受光レンズ１５の焦点は、フォトダイオード１１および１２間の分離領域１３と一致する。さらに光学的円錐１４を、スリーブ１８に、ロッド１９と、ピボット２０および２１と、アーム３０とによって接続する。
【００２４】
スリーブ１８に内ネジ山２２を設け、これによって、外ネジ山２４を設けられたシャフト２３とかみ合わせる。シャフト２３を、保持構造３に固定した保持ブッシュ３１において回転可能に搭載し、ノブ４０によって手動で操作できるようにすると共に、軸２５の周囲を、２重矢印２６によって示すように、ある回転方向または逆方向において回転できるようにする。シャフト２３は自由に回転できるが、その軸の動きは抑制される。回転するシャフト２３は、２重矢印２７によって示すような、スリーブ１８の軸２５の方向における変位を引き起こす。
【００２５】
フォトダイオード１１および１２を、ブロック２８によって表す電子制御回路に動作的に接続する。詳細を図示しない制御回路２８は、例えば、差動増幅器と、該装置が物体の存在を検知した場合、測定信号を発生することができる、可視光を発光するダイオード（ＬＥＤ）を駆動する比較器増幅器とを具える。
【００２６】
図１の装置を調節し、物体の最長検知距離を予め決めるために、電場発光ダイオード４によって発光された光ビームを前記物体の方に向け、シャフト２３を矢印２６の２つの方向の一方において手動で回転させる。そのようにして、前記物体に反射され、受光レンズ１５によって収束された光ビームの受光軸が分離ストリップ１３の中心に位置し、フォトダイオード１１および１２が同じ程度に照射されるまで、スリーブ１８をシャフト２３に沿って軸２５（矢印２６）の方向にスライドさせ、アーム３０およびロッド１９を経て光学的円錐１４および受光レンズ１５を駆動し、ピボット１６において２重矢印２９によって示すように時計方向または反時計方向に回転させる。チャンバ１０がとることができるすべての位置において、ピボット１６の回転軸は、ストリップ１３およびレンズ１５の焦点と一致し続ける。ノブ４０およびシャフト２３回転して、フォトダイオード１１がフォトダイオード１２よりわずかに多く照射された時、回路２８は、前記ＬＥＤをスイッチオンする。これによって、前記越えると物体が検知されない最長検知距離に対応する、前記直接光ビームの放射軸と前記反射光ビームの受光軸との交点を確認することができる。例えば、スリーブ１８およびピボット２１は、図１に関して下向きに動き（破線位置）、光学的円錐１４およびレンズ１５は、時計方向に回転する（破線位置）。
【００２７】
前記最長距離より短い距離において前記直接光ビームの放射軸に沿って位置するすべての物体は、前記反射光ビームがフォトダイオード１１に衝突し、フォトダイオード１１が制御回路２８をトリガし、前記ＬＥＤをスイッチオンするため、確実に検知される。前記物体が、前記直接光ビームの放射軸に沿って、前記最長距離から前記装置の方に動く場合、受光スポットは、分離ストリップ１３から離れてダイオード１１に移る。前記物体が光源４（電場発光ダイオード）により近づくにつれて、この移動は、より大きくなる。この理由のため、前記ＬＥＤを前記物体の距離がゼロに近づくまで活性のままにしたい場合、フォトダイオードを極めて長くする必要がある。フォトダイオード１１のコストを抑えるため、異なった長さの２つのダイオードを使用し、フォトダイオード１１をフォトダイオード１２より長くすることができ、光源４からより離れた前記領域が、前記光源により近い領域より長い場合、分離ストリップ１３によって分離された２つの並んだ領域を具える１対の非対称ダイオードとすることができる。
【００２８】
前記最大距離より長い距離において位置するすべての物体は、前記反射光ビームがフォトダイオード１２に衝突し、フォトダイオード１２が、制御回路２８の活性化を抑制し、前記ＬＥＤをスイッチオフする電気信号を発生するため、検知されない。
【００２９】
受光チャンバ１０の支点がフォトダイオード１１および１２の分離ストリップ１３と一致する配置は、フォトダイオード１１および１２の分離ストリップ１３の受光レンズからの距離が、その焦点距離に等しくなり、前記レンズの回転中、一定に保持されることを保証する。したがって、フォトダイオード１１において、前記物体が該電気光学的装置から離れている場合、できるかぎり最小の受光スポットが存在し、この選択は、長い距離における分解能を向上し、前記物体の距離が増加するにつれて前記反射光ビームの強度が低下することによる性能の低下を補償する。
【００３０】
さらに、どのような最長設定距離であっても、前記直接光ビームおよび反射光ビームの軸は、発光レンズ７および受光レンズ１５の光軸と常に一致し、したがって、前記レンズは、常に最良に使用される。
【００３１】
図３において、直接光ビームの発光器１０１の光透過チャンバ１０５と、反射光ビームの受光器２０２の受光チャンバ２１０とを可動にした、図１および２の電気光学的装置の変形例を示す。光透過チャンバ１０５に、レンズ７と、レンズ７の焦点と交差する回転軸を有するピボット１１６によって構造３に取り付けた光学的円錐１０６とを設け、前記レンズの焦点が前記透過チャンバの回転軸上にあるようにする。光学的円錐１０６を、ネジ山を付けたシャフト２３によって駆動されるスリーブ２３に、ロッド１１９と、ピボット１２０および１２１と、アーム１３０とによって動作的に接続する。受光チャンバ２１０に、レンズ１５と、分離ストリップ１３と一致する回転軸を有するピボット２１６によって構造３に取り付けた光学的円錐２１４とを設ける。受光チャンバ２１０を、スリーブ１８に、ロッド２１９と、ピボット２２０および２２１と、アーム２３０とによって接続する。
【００３２】
この場合において、ノブ４０と、したがってシャフト２３とを回転することによって、発光チャンバ１０５および受光チャンバ２１０の双方が、個々のピボット１１６および２１６の周囲を回転し（矢印２９および２２９）、前記直接光ビームの放射軸および反射光ビームの受光軸の交点は、２つの運動の組み合わせによって調節され、図１の装置と比べてより広範囲な距離における正確な測定が可能になる。
【００３３】
図３に示すロッド１１９および２１９は、同じ長さを有するが、異なった長さを有してもよい。
【００３４】
図１および２の装置と、図３の装置とにおいて、光源４を透過レンズ７の焦点に配置するため、平行光線による直接光ビームが発生される。このように、検知すべき物体に衝突するスポットは、前記物体の光源４からの距離が、検知可能な最短距離から最長距離までのどのような距離であっても、常に同じ寸法を有する。
【００３５】
図４において、光学的円錐１０６を、構造３の壁において得られる曲線状スロット３５にはめ合わせたローラ３４を設けたアーム３３と一体化した、図３の電気光学的装置の変形例を示す。さらに、光学的円錐１０６を、ネジ山を付けたシャフト２３によって駆動されるスリーブ１８に、３２１においてアーム３３０に取り付けたアーム３２によって、動作的に接続する。
【００３６】
この場合において、ノブ４０およびシャフト２３による光透過チャンバ１０５の位置の調節を行うことによって、光学的円錐１０６は、自身の軸において回転すると共にスロット３５に沿って動く（２重矢印３６）によって導かれる回転並進運動を行う（破線位置）。光透過チャンバ１０５の回転並進運動は、電場発光ダイオード４によって発光される光ビームを検知すべき物体に向ける性能を向上させる。
【００３７】
図４の装置において、透過チャンバ１０５は、光源４から離れ、したがって、前記光源がもはやレンズ７の焦点において位置しなくなるように回転並進運動を行う。これらの状況の下で、透過チャンバ１０５からの光ビームは、もはや平行光線によるものではなく、収束光線によるものである。この解決法によって、検知すべき物体が前記光源に対してより近くを動くため、できるかぎり小さいスポットを発生することができるという利点がある。これは、特に短い距離における、図１、図２および図３の装置によって検知することができる物体よりも小さい物体の″識別力″を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、背景を抑制して調節可能な距離において物体の存在を検知する電気光学的装置の部分的な横断面図である。
【図２】図１の電気光学的装置の上から見た平面図である。
【図３】図１の電気光学的装置の変形例の部分的な横断面図である。
【図４】図１の電気光学的装置の変形例の部分的な横断面図である。
【符号の説明】
１、１０１  発光器
２、２０２  受光器
３  保持構造
４  光源
５、１０５  光透過チャンバ
６、１４、１０６、２１４  光学的円錐
７  透過レンズ
８  印刷回路ボード
１０、２１０  受光チャンバ
１１、１２  光電気センサ
１３  分離ストリップ
１５  受光レンズ
１６、２０、２１、１１６、１２０、１２１、２１６、２２０、２２１、３２１  ピボット
１８  スリーブ
１９、１１９、２１９  ロッド
２２  内ネジ山
２３  シャフト
２４  外ネジ山
２５  軸
２６、２７、２９、３６、２２９  ２重矢印
２８  制御回路
３０、３２、３３、１３０、２３０、３３０  アーム
３１  保持ブッシュ
３４  ローラ
３５  曲線状スロット
４０  ノブ
【図１】
0003960653.tif 000002
【図２】
0003960653.tif 000003
【図３】
0003960653.tif 000004
【図４】
0003960653.tif 000005