(57)【要約】      （修正有）【課題】近距離に位置する測定対象物からの反射光量が過大となることを抑制し、距離の検出において信号が飽和するのを抑制する光電センサを提供する。【解決手段】受光素子４を複数のフォトダイオードを配置して構成し、測定対象物１００によって反射された光が飽和する可能性のあるフォトダイオードの感度を、光が飽和する可能性のないフォトダイオードの感度よりも低く設定した。【選択図】図１
2017120196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光レンズを介して測定対象物に光を投光する投光素子と、受光レンズを介して前記測定対象物で反射された前記光を受光する受光素子とを有し、前記受光素子における前記光の受光位置に基づいて前記測定対象物までの距離を測定または判定する光電センサにおいて、
前記受光素子は、複数のフォトダイオードを配置して構成し、前記測定対象物によって反射された前記光が飽和する可能性のある前記フォトダイオードの感度を、前記光が飽和する可能性のないフォトダイオードの感度よりも低く設定したことを特徴とする光電センサ。
【請求項２】
前記受光素子は、前記測定対象物によって反射された前記光が飽和する可能性のある前記フォトダイオードの密度を低く設定したことを特徴とする請求項１記載の光電センサ。
【請求項３】
前記受光素子は、縞状のパターンを有するフォトダイオードであることを特徴とする請求項２記載の光電センサ。
【請求項４】
前記受光素子は、格子状のパターンを有するフォトダイオードであることを特徴とする請求項２記載の光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、三角測距の原理に従った距離設定形光電センサであって、投光した光の物体による反射光から物体までの距離を検出する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
距離設定形光電センサは、光を用いた三角測距によって検出対象物までの距離と設定した距離との大小を判定するものであり、図１０に示すように、投光素子９１から投光された光が投光レンズ９２により集光され、測定対象物１００上で反射され、反射された光が受光レンズ９３で集光され、受光部９４の受光面に入射するように構成されている。受光部９４として、入射光の受光面におけるスポット位置または光量分布の重心位置を検出可能な多分割フォトダイオードなどが使用される。
【０００３】
図１０で示した構成において、測定対象物１００が位置Ｘから位置Ｙに移動、すなわち測定対象物１００が光電センサに近接する方向に移動すると、受光部９４に入射する反射光が線分ｘから線分ｙに変化する。これにより、受光部９４の受光面における受光スポットの位置が位置ＺｘからＺｙに移動する。従って、受光部９４の受光面における受光スポットの位置を検出することにより、光電センサから測定対象物までの距離を検出することができる。なお、距離の検出では、受光部９４の受光面で検出した受光量分布の重心位置を用いて検出することも可能である。
【０００４】
距離設定形光電センサが測定対象物を検出する距離範囲は、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。光電センサから測定対象物までの距離が長くなるに従って、測定対象物から受光部に戻ってくる反射光量が低下する。遠距離まで検出可能な構成とするためには、受光部の検出感度を高く設定する必要がある。しかし、距離設定形の光電センサでは、受光部の検出感度を高く設定すると、測定対象物が近距離に存在する場合には受光部への入光量が過大となり、距離の検出のための信号が飽和し正しく検出できないという問題があった。
【０００５】
この問題を解決する光電センサとして、特許文献１には、計測レンジが遠距離に設定されたときには投光素子の投光量および受光部の受光ゲインをそれぞれ高く設定し、計測レンジが近距離に設定されたときには投光量および受光ゲインをそれぞれ低く設定し、計測レンジが中距離に設定されたときには投光量を低く設定すると共に受光ゲインを高く設定する光電センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８６２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した特許文献１に開示された技術では、投光素子の投光量および受光部の受光ゲインを可変に設定する制御手段を設ける必要があり、光電センサの回路構成および信号処理が複雑となるという課題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光電センサの回路構成および信号処理を複雑化させることなく、光電センサと測定対象物とが近距離に存在する場合にも、近距離に位置する測定対象物からの反射光量が過大となることを抑制し、距離の検出において信号が飽和するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る光電センサは、投光レンズを介して測定対象物に光を投光する投光素子と、受光レンズを介して測定対象物で反射された光を受光する受光素子とを有し、受光素子における光の受光位置に基づいて測定対象物までの距離を測定または判定する光電センサであって、受光素子は複数のフォトダイオードを配置して構成し、測定対象物によって反射された光が飽和する可能性のあるフォトダイオードの感度を、光が飽和する可能性のないフォトダイオードの感度よりも低く設定したものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、光電センサの回路構成および信号処理を複雑化させることなく、測定対象物からの反射光量が過大となることを抑制し、距離の検出において信号が飽和するのを抑制することができる。これにより、測定対象物の検出範囲を近距離から遠距離まで広く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る光電センサの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る光電センサの受光部の構成を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る光電センサの距離と受光量の関係を示す図である。
【図４】図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃは、実施の形態１に係る光電センサの距離と受光位置の関係を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る光電センサの距離と反射光の入射位置の関係を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る光電センサの受光部の各受光面に配置するフォトダイオードの密度を示す図である。
【図７】図７Ａ、図７Ｂ，図７Ｃは、実施の形態１に係る光電センサの受光部の各受光面におけるフォトダイオードの配置例を示す図である。
【図８】実施の形態１に係る光電センサの受光部のその他の構成例を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る光電センサの受光部のその他の構成例を示す図である。
【図１０】三角測距式の光電センサの概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光電センサの構成を示す図である。
光電センサ１０は、投光素子１、投光レンズ２、受光レンズ３、受光部４、位置検出部５、判定部６および出力部７を備えて構成されている。
投光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などで構成され、光を投光する。投光レンズ２は、投光素子１により投光された光を集光するレンズである。受光レンズ３は、投光素子１により投光された光に対して測定対象物１００により反射された光を集光するレンズである。
【００１３】
受光部４は、受光レンズ３により集光された光を受光し、電気信号に変換する受光素子を備える。受光素子は、例えば受光面を複数の受光領域に分割した多分割フォトダイオードアレイなどで構成される。位置検出部５は、受光素子が変換した電気信号から、分割された各受光領域における受光スポットの位置または受光量分布の重心位置から光の受光位置を算出する。さらに、位置検出部５は、算出した光の受光位置から光電センサ１０から測定対象物１００までの距離を算出する。なお、図１では、説明の都合上、受光部４の分割された受光領域が紙面上で認識可能となるように記載しているが、実際の測定では受光領域は測定対象物１００方向に向けて配置されている。判定部６は、位置検出部５の算出結果に基づいて、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離と設定した距離との大小を判定する。出力部７は判定部６の判定結果に従い、例えば出力トランジスタをオンオフする。
【００１４】
図２は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１０の受光部４の詳細な構成を示す図である。
受光部４は、受光領域を６分割した多分割フォトダイオードアレイ（図２では紙面の上下方向に分割）で構成され、第１の受光領域４ａ、第２の受光領域４ｂ、・・・、第６の受光領域４ｆを備える。そして各受光領域から個別の電気信号が得られる。６分割した受光領域において、光電センサ１０に対してより近接した測定対象物１００で反射された反射光が入力される側の受光領域をＮ（ＮＥＡＲ）側受光領域とし、他方側の受光領域をＦ（ＦＡＲ）側受光領域とする。測定対象物１００で反射された反射光は受光レンズ３で集光されて、受光領域上に照射されて受光スポットＰとなる。図２では受光スポットＰの大きさおよび位置を模式的に円で示している。
【００１５】
次に、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離と、受光部４の受光量および受光部４の受光位置の関係について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１０の距離と受光量の関係を示す図である。
図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃは、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１０の距離と受光位置の関係を示す図である。
まず、図３は、横軸が光電センサ１０から測定対象物１００までの距離、縦軸が受光部４の受光量を示している。受光部４の受光量は、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離によって変化する。図３において、測定対象物１００が光電センサ１０から近距離（８０ｍｍ）に位置しているときに、受光量が最大値を示す。当該近距離の位置から、測定対象物１００が光電センサ１０から離れるに従って、受光量が減少していく。
なお、図３において、測定対象物１００が光電センサ１０から近距離であっても、８０ｍｍよりも短くなると、測定対象物１００で反射された反射光の一部が受光部４から外れるため、受光量が減少している。さらに測定対象物１００が光電センサ１０に近づくと、反射光が受光部４から完全に外れ、ほぼゼロとなる。また、図３で示した受光量および距離の数値は一例であり、本願発明の光電センサ１０は当該数値に限定されるものではない。実際の光電センサの距離と受光量の関係は、シミュレーションや実機測定などで求めることができる。
【００１６】
次に、図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃを参照し、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離と受光スポットの位置との関係を示す図である。図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃでは、受光スポットの色の濃淡により受光量の強度を表している。
図４Ａは、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約８０ｍｍの場合を示し、Ｎ側受光領域である第１の受光領域４ａに受光スポットＰａが照射されることを示している。図３で示したように光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約８０ｍｍの場合、受光量が最大値を示し、受光スポットＰａにおける受光量が大きい。
【００１７】
図４Ｂは、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約２００ｍｍの場合を示し、第３の受光領域４ｃと第４の受光領域４ｄとの中間位置に受光スポットＰｂが照射されることを示している。図３で示したように光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約２００ｍｍの場合、距離が約８０ｍｍの場合と比較して受光スポットＰｂにおける受光量が低下する。
【００１８】
図４Ｃは、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約１０００ｍｍの場合を示し、Ｆ側受光領域である第５の受光領域４ｅに受光スポットＰｃが照射されることを示している。図３で示したように光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が約１０００ｍｍの場合、距離が約８０ｍｍあるいは約２００ｍｍの場合と比較して受光スポットＰｂにおける受光量が低下する。
【００１９】
図５は、光電センサ１０と測定対象物１００との距離と、受光部４の各受光領域への反射光の入射位置の関係を示す図である。なお、図５では、説明のため投光素子１、測定対象物１００および受光部４のみを示している。
光電センサ１０からそれぞれ異なる距離に測定対象物１００ａ，１００ｂ，１００ｃが配置されている。投光素子１が投光した光２００が測定対象物１００ａで反射され、反射光２０１ａが受光部４の位置２０２ａに入射する。次に、投光素子１が投光した光２００が、測定対象物１００ｂで反射され、反射光２０１ｂが受光部４の位置２０２ｂに入射する。同様に、投光素子１が投光した光２００が、測定対象物１００ｃで反射され、反射光２０１ｃが受光部４の位置２０２ｃに入射する。このように、光電センサ１０から測定対象物１００までの距離が近いほど、投光素子１から離間したＮ側の受光領域で受光される。すなわち投光素子１と、反射光２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの受光スポットとを結ぶ線分の距離２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃは、２０３ａ＞２０３ｂ＞２０３ｃの関係を満たしている。そして、Ｎ側の受光領域で受光されると、図４Ａで示したように受光量が増加する。
【００２０】
図３から図５で示したように、光電センサ１０と測定対象物１００が近接しているほど、受光スポットＰの位置がＮ側の受光領域に偏り、受光領域での受光量が増大する。受光量が増大すると、位置検出部５もしくは判定部６で信号が飽和する場合がある。そこで、この実施の形態１に係る光電センサ１０は、光電センサ１０に近接する測定対象物１００によって反射された反射光を受光した場合にも、受光量の増大を抑制し、位置検出部５もしくは判定部６で信号が飽和するのを抑制する構成を備える。
【００２１】
まず、光電センサ１０と測定対象物１００との距離が設定された距離よりも小さい場合に、受光部４の各受光領域に配置するフォトダイオードの密度を変化させる構成について示す。まず、光電センサ１０において、入射した反射光が飽和する可能性のある領域を特定する。例えば図３に示したように、距離と受光量の関係から、ある距離に位置する測定対象物１００によって反射された反射光の受光量が分かる。さらに、位置検出部５において飽和が発生する受光電流値は回路で決定される。これらにより、受光電流値の上限を上回る測定対象物１００の配置位置が分かることから、受光電流値の上限を上回る距離に位置する測定対象物１００によって反射される反射光が入射すると特定された領域ではフォトダイオードの感度を下げる。具体的には、特定した領域に配置するフォトダイオードの密度がその他の領域の密度よりも低くなるように設定する。
【００２２】
図５に示した例を参照して説明すると、図３に示した距離と受光量の関係と回路とにより、領域Ｒに反射光が入射した場合に受光電流値が上限を上回ると判断される場合に、当該領域Ｒに配置するフォトダイオードの密度を、その他の領域に配置するフォトダイオードの密度よりも低く設定する。
【００２３】
図６は、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１０の受光部４の各受光領域におけるフォトダイオードの密度の設定を示す図である。図６で示した密度「１００」とは、受光しない領域を備えず、一面がフォトダイオードである場合を示している。
【００２４】
入射した反射光が飽和する可能性のある領域が第１の受光領域４ａおよび第２の受光領域４ｂであると特定された場合に、当該第１の受光領域４ａおよび第２の受光領域４ｂに配置するフォトダイオードの密度を、第３の受光領域４ｃから第６の受光領域４ｆに配置するフォトダイオードの密度よりも低く設定する。まず、最もＮ側に位置する第１の受光領域４ａでは最も受光量が大きくなることから、配置するフォトダイオードの密度を「１０」とする。次に、第１の受光領域４ａに隣接する第２の受光領域４ｂでは、第１の受光領域４ａに次いで受光量が大きくなることから、配置するフォトダイオードの密度を「５０」とする。
【００２５】
第３の受光領域４ｃから第６の受光領域４ｆでは、受光量の増大は発生しないことから、配置するフォトダイオードの密度は「１００」のままとする。このように、光電センサ１０に近接する測定対象物１００によって反射された反射光を受光する受光領域であって、受光量が増加する受光領域のみ配置するフォトダイオードの密度を低減させる。
【００２６】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、この発明の実施の形態１に係る光電センサ１０の受光部４の各受光領域におけるフォトダイオードの配置例を示す図である。
図７Ａは、全面で受光するフォトダイオードであり、上述した密度「１００」のフォトダイオードに相当する。図７Ａの場合、受光しない領域は存在しない。一方、図７Ｂは、縞状に受光しない領域を有するフォトダイオードであり、白い領域が受光しない領域である。図７Ｃは、格子状に受光しない領域を有するフォトダイオードであり、白い領域が受光しない領域である。図７Ｄは、点状に受光する領域を有するフォトダイオードであり、白い領域が受光しない領域である。図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄの配置では、受光領域に偏りが生じないように、受光する領域と受光しない領域とを均一に配置する。
【００２７】
図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄで示したフォトダイオードは、図７Ａのフォトダイオードと比較して、密度が低下し、反射光を受光しない領域が形成される。このように、反射光を受光しない領域が形成されることにより、設定された受光領域における受光量を減少させることができ、位置検出部５もしくは判定部６で信号の出力が飽和するのを抑制することができる。
なお、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄのフォトダイオードにおいて受光しない領域をどのようなパターンで配置するか、あるいは受光しない領域をどの程度形成するかは、例えば図６で示したように各受光領域に設定されたフォトダイオードの密度に基づいて決定する。
また、フォトダイオードにおいて受光しない領域の配置パターンは、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄで示した配置パターンに限定されるものではなく、各フォトダイオード内で均一な受光が行われ、且つ受光しない領域が形成されればよく、当該条件を満たす配置パターンであれば種々適用可能である。
【００２８】
以上のように、この実施の形態１によれば、受光部４を多分割フォトダイオードで構成し、光電センサ１０と測定対象物１００との距離が設定された距離よりも大きい場合に反射光を受光するフォトダイオードの密度よりも、光電センサ１０と測定対象物１００との距離が設定された距離よりも小さい場合に反射光を受光するフォトダイオードの密度を減少させるように構成したので、光電センサに近接する測定対象物で反射された反射光の受光量を抑制することができ、受光部の出力が飽和するのを防止することができる。これにより、光電センサ１０に近接する測定対象物までの距離を正確に測定または判定することができる。
【００２９】
また、この実施の形態１によれば、光電センサ１０と測定対象物１００との距離が設定された距離よりも小さい場合に、当該測定対象物１００によって反射された反射光が入射する受光領域において、受光量を抑制し、受光部４の出力の飽和を防止する構成としたことにより、受光部４の受光領域に対して斜め方向から入射する外乱光により、受光部４の出力が飽和するのも防止することができる。これにより太陽光などの外乱光の影響を低減することができる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態１では、受光部４の受光領域を均等に分割した例を示したが、分割された受光領域は必ずしも均等である必要はない。例えば、図８に示すように、最もＦ側の第１の受光領域４ａの面積を最も広く設定し、次に隣接する第２の受光領域４ｂの面積が２番目に広くなるように設定し、次に隣接する第３の受光領域４ｃの面積が３番目に大きくなるように設定する。その他の第４の受光領域４ｄから第６の受光領域４ｆは同一の面積となるように設定してもよい。
【００３１】
また、上述した実施の形態１では、受光部４の受光領域を６分割する場合を例に示したが、分割数は適宜変更可能である。
【００３２】
また、図７では、受光領域に偏りが生じないように、受光する領域と受光しない領域とを均一に配置する例を示したが、図９に示すように、受光部４の密度を受光領域の中央からＮ側に向けて徐々に減少するように決定してもよい。密度を減らす方法は、図７に示した縞状、格子状、点状などで行えば良い。
【００３３】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  投光素子
２  投光レンズ
３  受光レンズ
４  受光部
４ａ  第１の受光領域
４ｂ  第２の受光領域
４ｃ  第３の受光領域
４ｄ  第４の受光領域
４ｅ  第５の受光領域
４ｆ  第６の受光領域
５  位置検出部
６  判定部
７  出力部
１０  光電センサ
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ  測定対象物
【図１】
2017120196.tif 000003
【図２】
2017120196.tif 000004
【図３】
2017120196.tif 000005
【図４】
2017120196.tif 000006
【図５】
2017120196.tif 000007
【図６】
2017120196.tif 000008
【図７】
2017120196.tif 000009
【図８】
2017120196.tif 000010
【図９】
2017120196.tif 000011
【図１０】
2017120196.tif 000012