JP5545920B2 - 反射型光電スイッチおよび物体検出方法 - Google Patents
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Description
L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、測定対象1004からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器1001内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
また、本発明の反射型光電スイッチの1構成例は、さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて、前記レーザ光の放射方向に物体が存在するか否かを判定する物体検知手段を備え、前記搬送波調整手段は、前記物体検知手段で物体が検知されていないときに、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電スイッチの1構成例において、前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面である。
また、本発明の反射型光電スイッチの1構成例において、前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない何れか1つの面である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係るBGS光電スイッチ(反射型光電スイッチ)の構成を示すブロック図である。図1のBGS光電スイッチは、レーザ光を放射する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して放射すると共に、反射壁面11又は物体12からの戻り光を集光して半導体レーザ1に入射させるレンズ3と、半導体レーザ1を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部5と、電流−電圧変換増幅部5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部6と、フィルタ部6の出力電圧に含まれるMHPの周期を測定し、MHPの周期の度数を周期しきい値に基づく値で分別する周期分別部7と、周期分別部7の分別結果から物体12が所定の距離しきい値よりも近距離にあるか遠距離にあるかを判定する判定部8と、判定部8の判定結果を表示する表示部9と、半導体レーザ1の発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整部10とを有する。
図4は周期分別部7の構成を示すブロック図である。周期分別部7は、周期測定部70と、計数部71とから構成される。周期測定部70は、立ち上がり検出部72と、時間測定部73とから構成される。
表示部9は、判定部8の判定結果を表示する。
一方、周期の測定時にノイズをMHPとして誤って検出してしまうと、MHPの周期はランダムな割合で2分割される。このとき、ノイズを過剰に数えた結果として2分割されたMHPの周期の度数分布は、0.5T0に対して対称な分布になる(図7のc)。
ただし、前述のように環境温度の変化などによって距離とMHPの周波数との関係が変化すると、MHPの周期しきい値(距離しきい値)が規定値Thからずれるため、誤った判定をしてしまう。そこで、本実施の形態では、調整部10により、規定値Thが示す周期(距離)が本来の周期しきい値(距離しきい値)と常に一致するように調整する。
記憶部100は、周期分別部7の周期測定部70の測定結果を記憶する。度数分布作成部101は、周期測定部70によって測定されたMHPの周期Tの度数分布を作成する。図9は度数分布作成部101によって作成される周期Tの度数分布の例を示す図である。
なお、搬送波調整部103は、度数の総和NaとNbとが等しくなるように、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の周波数を調整してもよい。
第1の実施の形態では、調整部10が初期設定時に三角波駆動電流の振幅または周波数を調整するようになっているが、BGS光電スイッチの動作中であっても、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在しないときであれば調整が可能である。
本実施の形態においても調整部10を除くBGS光電スイッチの構成および動作は第1の実施の形態と同様であるので、図1、図4の符号を用いて説明する。
図12は物体検知部104の構成を示すブロック図である。物体検知部104は、代表値算出部1040と、個数導出部1041と、物体判定部1042とから構成される。
2T0’<T ・・・(2)
また、個数導出部1041は、周期測定部70によって上記検知期間d中に周期が測定されたMHPの全個数Nallを求める。
なお、物体判定部1042が判定に用いるしきい値は、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在しない初期状態において求めた割合N/Nallから予め定められた値である。例えば、初期状態の検知期間dにおいて、Nallが100、Nが5とすると、N/Nall=5%となる。例えばその2倍の値10%をしきい値とすると、N/Nallが10%以上の場合、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在すると判定する。
第1の実施の形態では、反射壁面11を三角波駆動電流の振幅または周波数の調整の基準面として用いたが、半導体レーザ1からのレーザ光の入出射部を形成する透明体の片面にだけ無反射防止処理を施し、透明体の無反射防止処理を施していない面を基準面としてもよい。
図15は本実施の形態に係る半導体レーザの入出射部の要部概略構成を示す図である。図15において、130は半導体レーザ1を収納する密閉ケース、131は半導体レーザ1の前面に設けられて半導体レーザ1を保護するガラス等の透明カバー(透明体)、132は透明カバー131の表面に設けられた反射防止膜(ARコート)である。
こうして、透明カバー131の一方の面を調整の基準面とする場合でも本発明を適用することができ、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
第2の実施の形態では、反射壁面11を物体検知の基準面として用いたが、第3の実施の形態と同様に透明カバー131の無反射防止処理を施していない面を基準面としてもよい。
本実施の形態においても半導体レーザ1の入出射部を除くBGS光電スイッチの構成および動作は第2の実施の形態と同様であり、半導体レーザ1の入出射部の構成は第3の実施の形態と同様であるので、図1、図4、図11、図15の符号を用いて説明する。本実施の形態と第2の実施の形態との大きな違いは、反射壁面11がないことである。
0.5T0’>T ・・・(3)
検知期間dについては第2の実施の形態で説明したとおりである。また、個数導出部1041は、周期測定部110によって上記検知期間d中に周期が測定されたMHPの全個数Nallを求める。
第2の実施の形態と異なるのは、半導体レーザ1から透明カバー131の外面までの距離が半導体レーザ1から反射壁面11までの距離よりも短いために、MHPの周波数が低く、周期の中央値または最頻値T0’が大きくなることである。
その他の動作は、第2の実施の形態で説明したとおりである。以上のように、本実施の形態によれば、透明カバー131の一方の面を物体検知の基準面とする場合でも物体検知を行うことができ、第2の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
第1〜第4の実施の形態では、受光器であるフォトダイオードの出力信号からMHP波形を抽出していたが、フォトダイオードを使用することなくMHP波形を抽出することも可能である。図18は本発明の第5の実施の形態に係るBGS光電スイッチの構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のBGS光電スイッチは、第1〜第4の実施の形態のフォトダイオード2と電流−電圧変換増幅部5の代わりに、電圧検出部13を用いるものである。
半導体レーザ1、レーザドライバ4、周期分別部7、判定部8、表示部9、調整部10の動作は、第1〜第4の実施の形態と同じである。
また、発明者が特願2007−015020号で提案した手法を用い、MHPの周期の度数分布を求めて、中央値または最頻値等の分布の代表値を求め、この周期の分布の代表値と周期の度数分布に基づいて物体12までの距離を算出し、この算出した距離を距離しきい値と比較する判定方法もある。
Claims (12)
- レーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記レーザ光の放射方向に存在する物体までの距離が所定の距離しきい値より遠いか近いかを判定する距離判定処理手段と、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
静止している基準面との距離に対応する前記干渉波形の周期の規定値をTbとしたとき、前記度数分布から、規定値Tb以下の所定の範囲にある周期の度数の総和Naと規定値Tb以上の所定の範囲にある周期の度数の総和Nbとを求める度数計数手段と、
前記度数の総和NaとNbとが等しくなるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手段とを備えることを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 請求項1記載の反射型光電スイッチにおいて、
前記搬送波調整手段は、初期設定時に、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 請求項1記載の反射型光電スイッチにおいて、
さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて、前記レーザ光の放射方向に物体が存在するか否かを判定する物体検知手段を備え、
前記搬送波調整手段は、前記物体検知手段で物体が検知されていないときに、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の反射型光電スイッチにおいて、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であることを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の反射型光電スイッチにおいて、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない何れか1つの面であることを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の反射型光電スイッチにおいて、
前記距離判定処理手段は、
前記物体が前記距離しきい値の位置にあるときの前記干渉波形の周期を周期しきい値としたときに、前記周期測定手段によって測定された干渉波形の周期の度数を、前記周期しきい値の第1の所定数倍未満の周期の度数N1と、前記周期しきい値の第1の所定数倍以上かつ周期しきい値未満の周期の度数N2と、前記周期しきい値以上かつ周期しきい値の第2の所定数倍未満(第1の所定数<第2の所定数)の周期の度数N3と、前記周期しきい値の第2の所定数倍以上の周期の度数N4の4つに分別する計数手段と、
前記度数N1とN4と度数の和(N2+N3)の大小を比較し、前記度数N1が最も大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも遠距離に存在すると判定し、前記度数N4が最も大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも近距離に存在すると判定し、前記度数の和(N2+N3)が最も大きい場合は、前記度数N2とN3の大小を比較し、前記度数N2が大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも遠距離に存在すると判定し、前記度数N3が大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも近距離に存在すると判定する判定手段とからなることを特徴とする反射型光電スイッチ。 - 発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光とこのレーザ光の戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記レーザ光の放射方向に存在する物体までの距離が所定の距離しきい値より遠いか近いかを判定する距離判定処理手順と、
前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
静止している基準面との距離に対応する前記干渉波形の周期の規定値をTbとしたとき、前記度数分布から、規定値Tb以下の所定の範囲にある周期の度数の総和Naと規定値Tb以上の所定の範囲にある周期の度数の総和Nbとを求める度数計数手順と、
前記度数の総和NaとNbとが等しくなるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手順とを備えることを特徴とする物体検出方法。 - 請求項7記載の物体検出方法において、
前記搬送波調整手順は、初期設定時に、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物体検出方法。 - 請求項7記載の物体検出方法において、
さらに、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報に基づいて、前記レーザ光の放射方向に物体が存在するか否かを判定する物体検知手順を備え、
前記搬送波調整手順は、前記物体検知手順で物体が検知されていないときに、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物体検出方法。 - 請求項7乃至9のいずれか1項に記載の物体検出方法において、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であることを特徴とする物体検出方法。 - 請求項7乃至9のいずれか1項に記載の物体検出方法において、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち無反射防止処理が施されていない何れか1つの面であることを特徴とする物体検出方法。 - 請求項7乃至11のいずれか1項に記載の物体検出方法において、
前記距離判定処理手順は、
前記物体が前記距離しきい値の位置にあるときの前記干渉波形の周期を周期しきい値としたときに、前記周期測定手順によって測定された干渉波形の周期の度数を、前記周期しきい値の第1の所定数倍未満の周期の度数N1と、前記周期しきい値の第1の所定数倍以上かつ周期しきい値未満の周期の度数N2と、前記周期しきい値以上かつ周期しきい値の第2の所定数倍未満(第1の所定数<第2の所定数)の周期の度数N3と、前記周期しきい値の第2の所定数倍以上の周期の度数N4の4つに分別する計数手順と、
前記度数N1とN4と度数の和(N2+N3)の大小を比較し、前記度数N1が最も大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも遠距離に存在すると判定し、前記度数N4が最も大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも近距離に存在すると判定し、前記度数の和(N2+N3)が最も大きい場合は、前記度数N2とN3の大小を比較し、前記度数N2が大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも遠距離に存在すると判定し、前記度数N3が大きい場合は、前記物体が前記距離しきい値よりも近距離に存在すると判定する判定手順とからなることを特徴とする物体検出方法。
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