JP2021081320A - エリアセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造で広い検知領域において検知対象物を検知できるエリアセンサを提供する。【解決手段】エリアセンサ１０は、検知領域内の異なる位置に向かってそれぞれ光を照射する複数の発光ユニットＬ１〜Ｌ４と、それぞれの発光ユニットから照射され、検知領域内の検知対象物で反射した反射光を集光して受光する光位置検出ユニットＲ１〜Ｒ４と、複数の発光ユニットを異なるタイミングで発光させるとともに光位置検出ユニットの出力信号に基づき発光ユニットの照射方向ごとに検知対象物の有無を検知するマイコン１５と、を備えている。マイコン１５は、検知対象物があることを検知した際、対応する照射方向において当該検知対象物の位置を特定する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて検知領域内の検知対象物を検知するエリアセンサに関するものである。

従来より、光を照射して検知対象物にて反射した反射光を受光することにより前記検知対象物までの距離を測定する光学式測距センサが公知である（例えば特許文献１を参照。）。

この光学式測距センサは、より詳しくは、図６に示すように、光を照射する発光素子と、発光素子から照射された光をコリメートする照射用レンズと、検知対象物からの反射光を集光する受光用レンズと、受光用レンズにより集光された反射光を受光するＰＳＤ（光位置検出素子）と、を備えている。

図６の光学式測距センサは、同図に示す三角形Ａと三角形Ｂが相似関係にあるため、以下関係式が成り立つ。
ＹＡ：ＬＡ＝ＹＢ：ＬＢ
ＹＡ：検知対象物までの距離
ＬＡ：部品距離
ＹＢ：受光用レンズの焦点距離（固定値）
ＬＢ：ＰＳＤ基準から受光位置までの距離（測定値）

上記ＰＳＤにおいては、検知対象物までの距離ＹＡに応じて受光位置が変わる。よって、ＰＳＤ基準から受光位置までの距離ＬＢを特定することで、検知対象物までの距離ＹＡを求めることができる。

特開２００５−２２１３０１号公報

上述した従来の光学式測距センサにおいては、検知対象物の有無及び検知対象物までの距離を検知するにあたって、当該検知対象物がセンサの発光軸上に位置している必要があった。このため、より広範囲で検知対象物を検知するためには、複数の測距センサが必要となり、コストアップや製品組立性が悪くなるなどの問題があった。

そこで、本発明は、簡素な構造で広い検知領域において検知対象物を検知できるエリアセンサを提供することを目的としている。

本発明のエリアセンサは、検知領域内の異なる位置に向かってそれぞれ光を照射する複数の発光ユニットと、それぞれの発光ユニットから照射され、前記検知領域内の検知対象物で反射した反射光を集光して受光する光位置検出ユニットと、前記複数の発光ユニットを異なるタイミングで発光させるとともに前記光位置検出ユニットの出力信号に基づき前記発光ユニットの照射方向ごとに前記検知対象物の有無を検知する演算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の発光ユニットからの光（検知対象物で反射した反射光）を１つの光位置検出ユニットにて受光するので、発光ユニットと光位置検出ユニットが１対１で設けられた測距センサを複数用いる場合と比較して構造を簡素化できる。これにより、コストアップを抑制でき、製品組立性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかるエリアセンサの概略構成図である。 図１のエリアセンサの検知原理を説明するための説明図である。 図１の複数の発光素子の発光タイミングを示すタイミングチャートである。 図１のエリアセンサにおける検知対象物の動作特定方法を説明するための説明図である。 図１のエリアセンサにおける検知対象物の形状特定方法を説明するための説明図である。 従来の光学式測距センサの概略構成図である。

本発明の一実施形態にかかる「エリアセンサ」を図１〜５を参照して説明する。

図１は、本例のエリアセンサ１０の概略構成図である。図１に示すように、エリアセンサ１０は、基板１１と、複数の発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、複数の照射用レンズ１３と、１つのＰＳＤ（光位置検出素子）１２と、１つの受光用レンズ１４と、マイコン（演算部）１５と、基板１１及びレンズ１３，１４を保持する不図示のケースと、を備えている。複数の発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、ＰＳＤ１２、マイコン１５は、基板１１に搭載されている。

発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、本例では、表面実装型の赤外ＬＥＤである。これら発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、基板１１上に１列に配列されている。

照射用レンズ１３は、各発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ごとに設けられている。これら照射用レンズ１３は、対応する発光素子から照射された光をコリメートする。また、本例においては、組立性向上のため、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対応した４枚の照射用レンズ１３が一体成型され、発光素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に対応した４枚の照射用レンズ１３が一体成型されている。一体成型された照射用レンズ１３同士の境界には遮光部が形成されている。

上記１つの発光素子と上記１つの照射用レンズ１３のセットを、本明細書では「発光ユニット」と呼称する。即ち、本エリアセンサ１０は、検知領域内の異なる位置に向かってそれぞれ光を照射する複数の発光ユニットを備えている。なお、本例の発光ユニットの代わりに砲弾型ＬＥＤを用いてもよい。また、本例においては、検知領域をより広くするために、隣接した発光ユニット同士の照射方向に角度をつけている。

ＰＳＤ１２は、その受光面が基板１１と平行になる向きで基板１１に搭載されている。また、ＰＳＤ１２は、１列に配列された発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の中央（Ｌ４とＲ１の間）に配置されている。

受光用レンズ１４は、ＰＳＤ１２の受光面に対向して配置されている。

上記１つのＰＳＤ１２と上記１つの受光用レンズ１４のセットを、本明細書では「光位置検出ユニット」と呼称する。即ち、本エリアセンサ１０は、複数の発光ユニットに対して光位置検出ユニットを１つ備えている。この光位置検出ユニットは、それぞれの発光ユニットから照射され、検知領域内の検知対象物で反射した反射光を受光用レンズ１４で集光して、それをＰＳＤ１２で受光する。そして、ＰＳＤ１２は、受光位置に応じた信号をマイコン１５に出力する。

マイコン１５は、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の発光を制御する。また、マイコン１５は、ＰＳＤ１２からの出力信号に基づき検知対象物の有無、位置、動き、輪郭、等を検知する。

図２は、本エリアセンサ１０の検知原理を説明するための説明図である。なお、図２においては、１組の発光ユニットのみ図示しているが、図示していない発光ユニットにおいても検知原理は同じである。
Ｘ：検知対象物のＸ（左右）座標（不明値）
Ｙ：検知対象物のＹ（前後）座標（不明値）
θａ：受光角度（不明値）
ｘａ：ＰＳＤ基準から受光位置までの距離（測定値、検知対象物の位置に応じて変化）
ｘｎ：部品間距離（固定値）
ｙａ：受光用レンズの焦点距離（固定値）
θｎ：発光角度（固定値）

図２において、検知対象物の座標（Ｘ，Ｙ）は、以下の計算により求められる。
ｔａｎθａ＝Ｙ／Ｘ・・・（１）
ｔａｎθａ＝ｙａ／ｘａ・・・（２）
（１）、（２）より、
Ｙ＝Ｘ・（ｙａ／ｘａ）・・・（３）
また、
ｔａｎθｎ＝Ｙ／（Ｘ−（ｘｎ＋ｘａ））であることより、
Ｙ＝（Ｘ−（ｘｎ＋ｘａ））・ｔａｎθｎ・・・（４）
（３）、（４）より、
Ｘ・（ｙａ／ｘａ）＝（Ｘ−（ｘｎ＋ｘａ））・ｔａｎθｎ
Ｘ・（ｙａ／ｘａ）＝Ｘ・ｔａｎθｎ−（ｘｎ＋ｘａ）・ｔａｎθｎ
Ｘ・（ｙａ／ｘａ）−Ｘ・ｔａｎθｎ＝−（ｘｎ＋ｘａ）・ｔａｎθｎ
Ｘ・（（ｙａ／ｘａ）−ｔａｎθｎ）＝−（ｘｎ＋ｘａ）・ｔａｎθｎ
Ｘ＝（（ｘｎ＋ｘａ）・ｔａｎθｎ）／（ｔａｎθｎ−（ｙａ／ｘａ））・・・（５）
上記式（５）に固定値ｘｎ、θｎ、ｙａ及び測定値ｘａを代入することで、Ｘが求められる。そして、上記式（３）に求めたＸ、固定値ｙａ及び測定値ｘａを代入することで、Ｙが求められる。

図３は、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の発光タイミングを示すタイミングチャートである。このチャートの横軸は時間軸である。このタイミングチャートに示すように、マイコン１５は、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を所定間隔（本例では５ｍｓｅｃ間隔）で順次発光させ、この発光サイクルを繰り返す。

このように、マイコン１５は、発光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の発光タイミングを切り替えることで、発光ユニットの照射方向ごとに検知対象物の有無を検知する。また、マイコン１５は、検知対象物があることを検知した際、対応する照射方向において当該検知対象物の位置（座標Ｘ，Ｙ）を特定する。

さらに、マイコン１５は、前後する発光サイクルにおいて検知対象物の位置が変化した場合は、当該検知対象物の移動方向、移動量、及び移動速度を特定する。例えば、検知対象物が、図４中の位置Ａ（Ｘ１、Ｙ１）→位置Ｂ（Ｘ２、Ｙ２）→位置Ｃ（Ｘ３、Ｙ３）に移動した場合、まず発光素子Ｌ２の発光タイミング（図３参照）において検知対象物が検知され、その位置がＡ（Ｘ１、Ｙ１）と特定される。続いて、以降の発光サイクルの発光素子Ｌ３の発光タイミングにおいて検知対象物が検知され、その位置がＢ（Ｘ２、Ｙ２）と特定される。続いて、以降の発光サイクルの発光素子Ｌ４の発光タイミングにおいて検知対象物が検知され、その位置がＣ（Ｘ３、Ｙ３）と特定される。また、検知対象物が、図４中の位置Ｄ（Ｘ４、Ｙ４）→位置Ｅ（Ｘ５、Ｙ５）に移動した場合、まず発光素子Ｒ４の発光タイミングにおいて検知対象物が検知され、その位置がＤ（Ｘ４、Ｙ４）と特定される。続いて、以降の発光サイクルの発光素子Ｒ２の発光タイミングにおいて検知対象物が検知され、その位置がＥ（Ｘ５、Ｙ５）と特定される。このように前後する発光サイクルにおいて検知された検知対象物の位置及び検知タイミングを解析することで、マイコン１５は、検知対象物の移動方向、移動量、及び移動速度を特定することができる。

さらに、マイコン１５は、同サイクル内において特定された複数の位置があり、当該複数の位置が変化せずに所定サイクル継続した場合、検知対象物の発光ユニット側の輪郭を特定する。例えば、図５に示す検知対象物が検知領域内に静止している場合、同サイクル内における発光素子Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２の発光タイミングにおいて検知対象物が検知され、これら発光素子Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２の照射方向ごとの位置が特定される。そして、以降の発光サイクルにおいてもこの状態が継続する。マイコン１５は、これら発光素子Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２の照射方向ごとの位置を解析することで、検知対象物の発光ユニット側の輪郭（形状）や検知対象物の幅などを特定することができる。

上記構成のエリアセンサ１０は、複数の発光ユニットからの光（検知対象物で反射した反射光）を１つの光位置検出ユニットにて受光するので、発光ユニットと光位置検出ユニットが１対１で設けられた測距センサを複数用いる場合と比較して構造を簡素化できる。これにより、コストアップを抑制でき、製品組立性を向上させることができる。

本エリアセンサ１０は、各種の検知・計測機器に適用することができるが、近距離（例えば３０センチ以内）における手指の動きを検知するのに特に適している。

上述した実施形態では、複数の照射用レンズ１３が一体成型されていたが、各照射用レンズが別体で設けられていてもよい。また、上述した実施形態では、照射用レンズ１３と受光側レンズ１４が別体であったが、これらが一体成型されていてもよい。その場合、照射用レンズと受光側レンズの境界に遮光部が形成されていればよい。

上述した実施形態では、エリアセンサが、複数の発光ユニットと１つの光位置検出ユニットのセットを１セット備えていたが、本発明のエリアセンサは、複数の発光ユニットと１つの光位置検出ユニットのセットを複数セット備えていてもよい。

上述した実施形態では、複数の発光ユニットが二次元面内に配置されていたが、本発明のエリアセンサは、複数の発光ユニットが三次元空間に配置されていてもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子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。

１０ エリアセンサ
１１ 基板
１２ ＰＳＤ
１３ 照射用レンズ
１４ 受光用レンズ
１５ マイコン（演算部）
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 発光素子

Claims (5)

1. 検知領域内の異なる位置に向かってそれぞれ光を照射する複数の発光ユニットと、
   それぞれの発光ユニットから照射され、前記検知領域内の検知対象物で反射した反射光を集光して受光する光位置検出ユニットと、
   前記複数の発光ユニットを異なるタイミングで発光させるとともに前記光位置検出ユニットの出力信号に基づき前記発光ユニットの照射方向ごとに前記検知対象物の有無を検知する演算部と、を備えた
   ことを特徴とするエリアセンサ。
2. 前記演算部は、前記検知対象物があることを検知した際、対応する照射方向において当該検知対象物の位置を特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のエリアセンサ。
3. 前記演算部は、各発光ユニットを順次発光させるサイクルを繰り返し、前後するサイクルで前記検知対象物の位置が変化した場合は、当該検知対象物の移動方向及び移動速度を特定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のエリアセンサ。
4. 前記演算部は、各発光ユニットを順次発光させるサイクルを繰り返し、特定された複数の位置があり、当該複数の位置が変化せずに所定サイクル継続した場合、前記検知対象物の前記発光ユニット側の輪郭を特定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のエリアセンサ。
5. 前記発光ユニットは、発光素子と、該発光素子から照射された光をコリメートするレンズと、を備え、
   前記複数の発光ユニットの複数の前記レンズが一体成型され、かつ、これらレンズ同士の境界に遮光部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエリアセンサ。

Images