JPH07103755A - 光電センサおよびその受光信号レベルの補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】受光素子の受光信号の距離依存性を除去し、検
出対象までの距離が変化する場合にも検出対象の反射率
のみに基づく受光信号レベルを出力できるようにする。 【構成】受光素子５の両端電流ｉ₁ ，ｉ₂ を加減算する
加算器１３および減算器１４を設け、両者の出力を除算
回路１６において除算し、検出対象までの距離信号を求
める。この距離信号の二乗値を求める二乗回路１７を備
え、二乗回路の出力を受光素子５の両端電流の加算値に
乗算する乗算回路１８およびその乗算結果に受光信号の
定数倍を加算する加算回路１９を設けた。この乗算回路
１８および加算回路１９において受光素子５の受光信号
は補正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、検出対象の有無また
は検出対象の色変化または濃淡の読取を行う光電センサ
およびその受光信号レベルの補正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンベア上を移動する物体の有無やこの
物体の色変化または濃淡の読取を行うものとして、投光
素子と受光素子とからなる光電センサが用いられてい
る。この光電センサは、投光素子から検出対象である物
体に対して光を照射し、物体における反射光を受光素子
において受光する。投光センサの光の照射位置に検出対
象が存在しない場合には受光素子は光を受光しないた
め、受光素子から出力される受光信号レベルによって検
出対象の有無を検出することができる。同様に、検出対
象に色変化または濃淡がある場合には、検出対象の濃淡
等による反射率の変化により受光素子の受光量が変わる
ため、受光素子から出力される受光信号レベルによって
検出対象の濃淡を判別することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光電セ
ンサを構成する受光素子が受光する検出対象からの反射
光量は、検出対象と受光レンズとの間の距離の二乗に反
比例するため、受光素子の受光信号レベルは、検出対象
の反射率が一定であっても、図１０の曲線９１または９
２に示すように、検出対象と受光レンズとの間の距離に
よって大きく変化する。このため、物体表面に表記され
たマークの有無を検出する場合などのように、物体から
の反射光量の差異によって検出対象を検出する場合に
は、図１０に示すように、マークからの反射光の受光信
号レベルの曲線９１と下地からの反射光の受光信号レベ
ルの曲線９２の関係においてしきい値レベルＣとした場
合に、検出対象と光電センサの前面との間の距離の許容
変動範囲はΔｘと狭く、受光信号の感度調整を厳格に維
持しなければならず、また検出対象の搬送位置を適正に
すべく搬送精度を高く維持する必要がある。特に、濃淡
を検出する場合、または、検出面に凹凸がある場合など
には誤動作を生じる問題がある。

【０００４】この発明の目的は、光電センサを構成する
受光素子の受光信号レベルを、検出対象と受光レンズと
の間の距離情報を用いて補正することにより、受光信号
の距離依存性を除去して検出対象の反射率の変化のみを
正確に検出できる光電センサおよびその受光信号レベル
の補正方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
に係る光電センサは、検出対象に対して光を照射する投
光素子と、投光素子から照射された光の検出対象におけ
る反射光を受光レンズを介して受光して受光レベルに応
じた信号を出力する受光素子と、受光素子から出力され
た受光信号を検出対象の検出信号に変換する信号変換手
段と、を備えた光電センサにおいて、前記受光素子が、
検出対象からの反射光の入射角に応じた受光信号を出力
する光電素子であって、受光素子から出力された受光信
号を距離信号に変換する距離信号変換手段と、距離信号
変換手段の出力を二乗する演算手段と、演算手段の演算
結果に基づいて受光信号の距離依存性を除去する距離依
存性除去手段と、を設けたことを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載した発明に係る光電センサ
は、前記距離依存性除去手段を、前記演算手段の出力を
受光信号に乗算する乗算手段およびその乗算結果に受光
信号の定数倍を加算する加算手段としたものである。

【０００７】請求項３に記載した発明に係る光電センサ
は、前記距離依存性除去手段を前記演算手段の出力が所
定距離に対応する距離信号の二乗値からある定数を減じ
た値に一致するように投光素子の投光量を調整する投光
量調整手段としたものである。

【０００８】請求項４に記載した発明に係る光電センサ
は、前記受光素子が、半導体位置検出素子によって構成
されたものである。

【０００９】請求項５に記載した発明に係る光電センサ
は、前記受光素子が、少なくとも２個のフォトダイオー
ドによって構成されたものである。

【００１０】請求項６に記載した発明に係る受光信号レ
ベルの補正方法は、投光素子から照射した光の検出対象
における反射光の入射角に応じて受光素子から出力され
る受光信号に基づいて受光レンズから検出対象までの距
離を測定し、この測定結果を二乗演算して受光素子の受
光信号に乗算した後に、前記受光信号の定数倍を加算す
ることを特徴とする。

【００１１】請求項７に記載した発明に係る受光信号レ
ベルの補正方法は、投光素子から照射した光の検出対象
における反射光の入射角に応じて受光素子から出力され
る受光信号に基づいて受光レンズから検出対象までの距
離を測定し、この測定結果を二乗演算した後に一定値と
比較し、この比較において両者が一致するように投光素
子の投光量を調整することを特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１に記載した発明においては、受光素子
から検出対象における反射光の入射角に応じた受光信号
が出力され、この受光信号が距離信号変換手段により距
離信号に変換される。更にこの距離信号の二乗値に受光
信号を乗算し、受光信号の定数倍を加算することによ
り、受光信号の距離依存性が除去される。このようにし
て、検出対象の反射率のみに基づく受光信号が得られ
る。

【００１３】請求項２および６に記載した発明において
は、距離信号の二乗値が受光素子の受光信号に乗算さ
れ、さらに受光信号の定数倍がこれに加算される。これ
は、検出対象と受光レンズとの間の距離の二乗に反比例
する反射光量の減少を除去した値となる。

【００１４】請求項３および７に記載した発明において
は、距離信号の二乗値が所定距離における受光信号レベ
ルに対応する値からある定数を減じた一定値に一致する
ように投光素子の投光量が調整される。したがって、距
離信号の二乗値に基づくフィードバック制御により、検
出対象と受光レンズとの間の距離の大小に応じて投光素
子の投光量が増減され、検出対象と受光レンズとの間の
距離変化に影響されない反射光が受光素子によって受光
される。

【００１５】請求項４に記載した発明においては、受光
素子が半導体位置検出素子であり、精度の高い検出が行
える。

【００１６】請求項５に記載した発明においては、受光
素子が少なくとも２個のフォトダイオードによって構成
される。したがって、位置検出用の比較的高価な光電素
子を用いる必要がなく、コストが低廉化される。

【００１７】

【実施例】図１は、この発明の実施例である光電センサ
の構成および検出対象からの反射光路の変化を示す図で
ある。光電センサ１はレーザダイオードなどによって構
成される投光素子２、投光レンズ３、受光レンズ４およ
びＰＳＤ（半導体位置検出素子）などの距離測定用の光
電素子である受光素子５を備えている。投光素子２から
照射された光はレンズ３により絞られ、検出対象に照射
される。検出対象からの反射光は受光レンズ４を透過し
て受光素子５上に集光される。受光素子５を構成するＰ
ＳＤは、長さ２ｘの範囲において検出対象からの反射光
を受光し、その集光位置に応じた両端電流ｉ_1,ｉ₂ を出
力する。

【００１８】図１に示す位置関係において、同位角の関
係に基づいて下記(1) 式が得られる。ここに、距離Ｒ
は、光電センサ１の本体前面から受光素子５の中心Ｓ_O
に反射光が集光する検出対象の位置Ｐ_O から距離ｒだけ
遠方の基準位置Ｐ_r までの距離である。この距離Ｒは
(1) 式より(2) 式で表される。同様に、この基準位置Ｐ
_rから距離ΔＲだけ遠方の位置Ｐ₁ までの距離Ｒ＋ΔＲ
は(3) 式によって表すことができ、距離ΔＲは(2) 式お
よび(3) 式から(4) 式で表すことができる。

【００１９】上記位置Ｐ₁ における検出対象からの反射
光が受光素子５の受光位置Ｓ₁ に集光すると、受光素子
の両端電流ｉ_1,ｉ₂ の比は、(5) 式で表される。この
(5) 式から(6) 式が得られ、基準位置Ｐ_r に位置する検
出対象からの反射光の受光位置Ｓ_r から受光位置Ｓ₁ ま
での受光素子５における距離Δｘは、(6) 式から(7) 式
で表すことができる。この(7) 式を(4) 式に代入するこ
とにより(8) 式を得ることができる。このようにして、
基準位置Ｐ_r から検出対象までの距離ΔＲを受光素子５
の両端電流ｉ_1,ｉ₂ から求めることができる。しかし、
ここで問題となるのは、検出対象から受光レンズ４まで
の距離である。したがってＰｒから受光レンズ４までの
距離をＴ，Ｐ₁ から受光レンズ４までの距離をＴ＋ΔＴ
とすると(9) 式、(10)式となる。

【００２０】 以上のようにして距離信号を得ることができる受光素子
５において、検出対象からの反射光の受光量は検出対象
からレンズ４までの距離の二乗に反比例する。

【００２１】したがって、基準の受光位置Ｓ_r における
受光量Ｗ_r と受光位置Ｓ₁ における受光量Ｗ₁ との比は
下記(11)式によって表すことができ、この(11)式は(12)
式のように表すことができる。ここで、受光位置Ｓ₁ に
おける受光量Ｗ₁ は受光素子５の両端電流ｉ_1,ｉ₂ を用
いて(13)式のように表すことができる。ここに、Ｋ² は
定数である。この受光位置Ｓ₁ における受光量Ｗ₁ が基
準の受光位置Ｓ_r における受光量Ｗ_r に一致するように
補正するのであるから、補正後の受光位置Ｓ₁ の受光出
力ＣＷ₁ は(14)式に示すように受光量Ｗ_r に等しくな
る。この(14)式を(12)式に代入して(15)式を得、この(1
5)式に(13)式を代入して整理することにより(20)式を得
る。この(20)式から明らかなように、補正後の受光出力
ＣＷ₁ として検出物体までの距離に依存することのない
値を得ることができる。

【００２２】 図２は、上記光電センサの信号変換回路の構成を示す図
である。受光素子５の両端電流ｉ_1,ｉ₂ はアンプ１１，
１２を介して加算器１３，１５および減算器１４に入力
される。加算器１３にはアンプ１１の出力が抵抗比１の
抵抗ｒ₁ を介して入力されるとともに、アンプ１２の出
力が抵抗比Ａの抵抗ｒ_A を介して入力される。この結
果、加算器１３からは（ｉ₁ ＋Ａｉ₂ ）の信号が出力さ
れる。減算器１４にはアンプ１１の出力が抵抗比Ｂの抵
抗ｒ_B を介して入力されるとともに、アンプ１２の出力
が抵抗比Ｃの抵抗ｒ_C を介して入力される。したがっ
て、減算器１４からは（Ｂｉ₁ −Ｃｉ₂ ）の信号が出力
される。更に、加算器１５にはアンプ１１および１２の
出力がそれぞれ抵抗比１の抵抗ｒ₁ を介して入力され
る。したがって、加算器１５からは（ｉ₁ ＋ｉ₂ ）の信
号が出力される。

【００２３】加算器１３および減算器１４の後段には除
算器１６および二乗演算回路１７が接続されている。加
算器１３および減算器１４の出力信号は除算器１６に入
力され、除算器１６からは（Ｂｉ₁ −Ｃｉ₂ ）／（ｉ₁
＋Ａｉ₂ ）の信号が出力される。この除算器１６の出力
信号は二乗演算回路１７を経て乗算器１８に入力され
る。二乗演算回路１７の出力は、(20)式の右辺第１項に
おける二乗部分に一致する。この乗算器１８には加算器
１５の出力信号も入力される。これによって乗算器１８
の出力信号は上述の(20)式の右辺第１項に一致する。さ
らに乗算器１８の出力信号は、抵抗比１の抵抗ｒ₁ を介
して加算器１９に入力され、また加算器１５の出力信号
も抵抗比Ｍの抵抗ｒ_M を介して加算器１９に入力され
る。この加算器１５から加算器１９への入力は、(20)式
の右辺第二項に一致する。したがって、加算器１９への
出力は(20)式の右辺に一致する。この(20)式の右辺にお
いてＡ〜ＣおよびＭは定数Ｋ、基準距離Ｒおよびα、β
およびγによって定まる値であり、α，βおよびγの各
数値は(8) 式に示すように焦点距離ｆ、レンズ４の配置
間隔Ｄ、受光素子５の受光範囲の長さの１／２の長さ
ｘ、受光素子５における中央の受光位置Ｓ_o から基準の
受光位置Ｓ_r までの距離ｘ′、および、レンズ４の中心
から受光素子５の中央の受光位置Ｓ_o までの垂直方向の
距離ｘ_o によって定まる値であり、いずれも光電センサ
１の配置状態に依存する固定された値である。

【００２４】このようにして加算器１５から出力された
受光素子５の両端電流の加算値を二乗演算回路１７から
出力された距離情報により補正し、さらに前記加算値の
定数倍を前記補正値に加えることにより、受光レンズ４
から検出対象までの距離に関わらず検出対象の反射率の
みに依存する受光信号レベルを出力することができる。
即ち、光電センサ１から出力される受光信号レベルは図
３に示すように、マークからの反射光の受光信号レベル
５１と下地からの反射光の受光信号レベル５２の関係に
おいてしきい値レベルＣとした場合に、検出対象と光電
センサの前面との距離の許容変動範囲はΔＸとなり広範
囲にわたって一定になり、検出対象までの距離に影響さ
れることなく、検出対象の反射率のみに依存する値とす
ることができる。

【００２５】図４は、請求項３に記載した発明に係る光
電センサの実施例の信号変換回路を示す図である。図２
に示した回路において二乗演算回路１７の出力を誤差検
出回路２１において一定電圧Ｖ₀ との誤差を検出し、こ
の誤差信号を投光素子２の駆動回路２２に供給する。誤
差検出回路２１において二乗演算回路１７の出力と比較
される電圧Ｖ₀ は、基準位置における二乗演算回路１７
の出力をＶ₁ とすると、これは基準位置における(20)式
の右辺第一項の二乗部分に相当する。したがって、同第
二項の定数Ｍに相当する電圧をＶ_r とすると(21)式より
(22)式のようになる。

【００２６】Ｖ_r ＝Ｖ₁ ＋Ｖ_M (21) Ｖ₀ ＝Ｖ₁ ＝Ｖ_r −Ｖ_M (22) 前述のように二乗演算回路１７から出力される電圧は、
検出対象までの距離のみによって変化し、検出対象の反
射率に影響されない値であるため、誤差検出回路２１に
おいては基準位置に対する検出対象の位置の距離的な誤
差が求められる。この距離的誤差を補正するように駆動
回路２２における投光素子２の駆動電圧が制御されるた
め、検出対象までの距離が基準位置までの距離より遠い
場合には投光素子２の駆動電圧が大きくされて投光量が
増加し、検出対象までの距離が基準位置までの距離より
近い場合には投光素子２の駆動電圧が小さくされて投光
量が減少する。このように投光素子２の投光量を検出対
象までの距離に応じて増減することにより、加算器１５
の出力である光電センサ１の受光信号から検出対象まで
の距離的誤差を除去して検出対象の反射率のみに依存す
る値を出力することができる。

【００２７】図５は、受光素子の出力信号の補正をディ
ジタル回路を用いて行う場合を示すブロック図である。
受光素子５の両端出力ｉ₁ ，ｉ₂ のそれぞれはアンプ１
１，１２を介してＡ／Ｄコンバータ３１を介して二値化
され、ＣＰＵ３２に入力される。ＣＰＵ３２は図６に示
す処理を実行する。すなわち、ＣＰＵ３２はＡ／Ｄコン
バータ３１から所定のタイミングで受光素子５の両端電
流データを読み出し（ｎ１）、予め記憶されている定数
Ａ〜Ｃを用いて距離データＤの演算を行う（ｎ２）。更
に、距離データＤの二乗値を演算し（ｎ３）、この距離
データの二乗値Ｄ² に受光素子５の両端出力の加算値
（ｉ₁ ＋ｉ₂ ）を乗算し（ｎ４）、これに両端出力の加
算値（ｉ₁ ＋ｉ₂ ）のＭ倍を加算し（ｎ５）、この値を
Ｄ／Ａコンバータ３３を介してアナログ信号として出力
する（ｎ６）。

【００２８】図７は、受光素子５の受光信号に基づいて
投光素子２の投光量を変えることにより、受光信号の距
離依存性を除去する場合の構成を示すブロック図であ
る。ＣＰＵ３２には誤差増幅回路３４を介して投光素子
２を構成するレーザダイオードＬＤの駆動回路３５が接
続されている。この構成においてＣＰＵ３２は図８に示
すように、Ａ／Ｄコンバータ３１から受光素子５の両端
電流のディジタルデータを読み出し（ｎ１１）、距離デ
ータＤの算出および距離データの二乗値の演算を行う
（ｎ１２，ｎ１３）。ＣＰＵ３２はこの距離データの二
乗値Ｄ² を基準値Ｖ₀ と比較し、その誤差を誤差増幅回
路３４に出力する（ｎ１５）。この後一定時間後に再び
Ａ／Ｄコンバータ３１から両端信号のディジタルデータ
を読み出し（ｎ１６）、両端出力の加算値（ｉ₁ ＋
ｉ₂ ）を受光素子５における受光量に応じた出力データ
ＣＷとして演算し、これを出力する（ｎ１７，ｎ１
８）。以上のようにして、投光素子２からの投光量を調
整した後における受光素子５の受光信号に基づいて受光
量を決定する。

【００２９】以上のように、ディジタル回路を用いても
図２および図４に示した構成と同様の効果を得ることが
できる。

【００３０】なお、図９に示すように、図２に示す受光
素子５をＰＳＤに代えて２個のフォトダイオード５１
ａ，５１ｂによって構成することもできる。これは、図
４、図５および図７においても同様であり、ＰＳＤを用
いた場合に比較してこの発明の光電センサを安価に構成
することができる。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に記載した発明によれば、受光
素子の受光信号に基づいて検出対象までの距離を表す距
離信号を求め、距離信号を用いて受光信号の距離依存性
を除去することができるため、検出対象の反射率のみに
基づく受光信号を得ることができ、検出対象までの距離
を厳格に規定する必要がなく、検出対象の反射面の変形
等によっても誤動作を生じることがない。

【００３２】請求項２に記載した発明によれば、受光素
子から出力された受光信号に基づく距離信号の二乗値を
受光信号に乗算し、受光信号の定数倍をそれに加算する
ことにより、任意の位置にある検出対象からの受光信号
を光電センサから一定の距離に位置する検出対象から反
射された光の受光信号レベルに補正することができる。

【００３３】請求項３に記載した発明によれば、受光素
子から出力された受光信号に基づく距離信号が一定にな
るように投光素子の投光量をフィードバック制御するこ
とができ、光電センサから検出対象までの距離が変化し
た場合にも、この変化に応じた投光量の光を検出対象に
照射することにより、検出対象までの距離によらない受
光信号を得ることができる。

【００３４】請求項４に記載した発明によれば、受光素
子として半導体位置検出素子を用いることにより、検出
精度を高くすることができる。

【００３５】請求項５に記載した発明によれば、受光素
子として比較的安価なフォトダイオードを用いることが
でき、この発明の光電センサを安価に構成できる利点が
ある。

【００３６】請求項６および請求項７に記載した発明に
よれば、受光信号の距離依存性を除去するための補正を
ディジタル回路によって実行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である光電センサの構成を示
す概略図である。

【図２】請求項２に記載した発明に係る光電センサの要
部の構成を示す回路図である。

【図３】この発明の実施例に係る光電センサの受光信号
レベルと検出対象までの距離との関係を示す図である。

【図４】請求項３に記載した発明の実施例に係る光電セ
ンサの要部の構成を示す回路図である。

【図５】請求項４に記載した発明の実施例に係る受光信
号レベルの補正方法が適用される光電センサの構成を示
すブロック図である。

【図６】同光電センサの制御部における処理手順を示す
フローチャートである。

【図７】請求項５に記載した発明の受光信号レベルの補
正方法が適用される光電センサの制御部の構成を示すブ
ロック図である。

【図８】同制御部の処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図９】この発明の別の実施例に係る光電センサの要部
の構成を示す回路図である。

【図１０】従来の光電センサにおける受光信号レベルと
検出対象までの距離との関係を示す図である。

【符号の説明】

１−光電センサ ２−投光素子 ４−レンズ ５−受光素子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出対象に対して光を照射する投光素子
   と、投光素子から照射された光の検出対象における反射
   光を受光レンズを介して受光して受光レベルに応じた信
   号を出力する受光素子と、受光素子から出力された受光
   信号を検出対象の検出信号に変換する信号変換手段と、
   を備えた光電センサにおいて、 前記受光素子が、検出対象からの反射光の入射角に応じ
   た受光信号を出力する光電素子であって、受光素子から
   出力された受光信号を距離信号に変換する距離信号変換
   手段と、距離信号変換手段の出力を二乗する演算手段
   と、演算手段の演算結果に基づいて受光信号の距離依存
   性を除去する距離依存性除去手段と、を設けたことを特
   徴とする光電センサ。
2. 【請求項２】前記距離依存性除去手段が、前記演算手段
   の出力を受光信号に乗算する乗算手段およびその乗算結
   果に受光信号の定数倍を加算する加算手段である請求項
   １に記載の光電センサ。
3. 【請求項３】前記距離依存性除去手段が、前記演算手段
   の出力が所定距離に対応する距離信号の二乗値からある
   定数を減じた値に一致するように投光素子の投光量を調
   整する投光量調整手段である請求項１に記載の光電セン
   サ。
4. 【請求項４】前記受光素子が半導体位置検出素子である
   請求項１、２または３に記載の光電センサ。
5. 【請求項５】前記受光素子が、少なくとも２個のフォト
   ダイオードによって構成された請求項１、２または３に
   記載の光電センサ。
6. 【請求項６】投光素子から照射した光の検出対象におけ
   る反射光の入射角に応じて受光素子から出力される受光
   信号に基づいて受光レンズから検出対象までの距離を測
   定し、この測定結果を二乗演算して受光素子の受光信号
   に乗算した後に、前記受光信号の定数倍を加算すること
   を特徴とする光電センサの受光信号レベルの補正方法。
7. 【請求項７】投光素子から照射した光の検出対象におけ
   る反射光の入射角に応じて受光素子から出力される受光
   信号に基づいて受光レンズから検出対象までの距離を測
   定し、この測定結果を二乗演算した後に一定値と比較
   し、この比較において両者が一致するように投光素子の
   投光量を調整することを特徴とする光電センサの受光信
   号レベルの補正方法。