JP5773067B2 - 光センサ - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子と受光素子を用いて被検出物体の存在や移動を検知する光センサに関する。
一般に、発光素子と受光素子を用いて指や手等の被検出物体の移動を検知する光センサが知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。特許文献1に記載された光センサは、1個の受光素子の周囲を取囲んで9個の発光素子を設け、9個の発光素子のうち被検出物体からの反射光が生じた発光素子を特定することによって、被検出物体の移動を検知する。特許文献2に記載された光センサは、発光素子および受光素子を複数対設け、発光素子からの光をセンサ内に設けた鏡と被検出物体とによって反射させ、これら2つの反射光のドップラー偏移を用いて被検出物体の移動を検知する。特許文献3に記載された光センサは、1個の受光素子の周囲を取囲んで3個の発光素子を設け、3個の発光素子毎に被検出物体からの反射光を受光して、3つの反射光の位相差に基づいて被検出物体の移動を検知する。
特許文献1に記載された光センサでは、検出可能な被検出物体の移動方向を増やすためには、発光素子の増やす必要があり、製造コストが増加する。特許文献2に記載された光センサでは、発光素子と受光素子とを互いに近付けて配置しているため、センサ内で発生した迷光が受光素子に入射され易く、S/N(Signal to Noise ratio)が低下する。特許文献3に記載された光センサでは、一般的に発光素子は基板に対して垂直方向に光を出射する。このため、3つの反射光の位相差は3個の発光素子の間隔寸法に応じて決まるため、光センサを小型化すると、位相差が小さくなって検知精度が低下するという問題がある。
本発明は前述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、S/Nと検知精度を高めることができる光センサを提供することにある。
(1).上記課題を解決するために、本発明は、基板と、該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域内に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなることを特徴としている。
本発明によれば、少なくとも3個の発光素子を用いるから、例えば3個の発光素子の光を被検出物体が反射したときに、各々の反射光の位相差を検出することによって、基板の表面に平行な直交するX軸方向およびY軸方向の動作を検知することができる。また、反射光の強度を検出することによって、基板に垂直なZ軸方向の動作も検知することができる。
これに加え、3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、3個の発光素子を結ぶ三角形に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなる構成とした。このため、垂直投影した長方形が大きくなる分だけ、3つの反射光の位相差を広げることができ、被検出物体の動作検知精度を向上させることができる。
また、発光素子から出射される光束の光軸は、3個の発光素子を結ぶ三角形の領域外に向かう。このため、発光素子から出射された光が、被検出物体から反射されず迷光となって受光素子に入射するのを抑制することができ、S/Nを向上して誤検知を低減することができる。
(2).本発明は、基板と、該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域外に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きく、前記受光素子は、前記発光素子から出射される光束の光軸の延長線上以外の領域に配置したことを特徴としている。
本発明でも、被検出物体のX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の動作を検知することができる。また、3つの反射光の位相差を広げることができ、被検出物体の動作検知精度を向上させることができる。さらに、受光素子は、発光素子から出射される光束の光軸の延長線上以外の領域に配置したから、迷光を抑制することができ、S/Nを向上して誤検知を低減することができる。
(3).本発明では、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形を二等辺三角形とし、該二等辺三角形の底辺と高さの比を1:1としたときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が略等しくしている。
本発明によれば、3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が略等しくなる。このため、検知に必要なS/Nが得られる範囲であれば、Z軸方向のどの位置でもX軸とY軸の両方向の検知精度を同等にすることができ、安定した検知が可能となる。
(4).本発明は、基板と、該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域内に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させ、前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなることを特徴としている。
本発明でも、被検出物体のX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の動作を検知することができる。また、3つの反射光の位相差を広げることができ、被検出物体の動作検知精度を向上させることができると共に、迷光を抑制することができる。これに加えて、発光制御手段は少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させるから、1個の受光素子によって、各々の発光素子による反射光を検出することができる。このため、受光素子の個数を低減することができ、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。
(5).本発明は、基板と、該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域外に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させ、前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きく、前記受光素子は、前記発光素子から出射される光束の光軸の延長線上以外の領域に配置したことを特徴としている。
本発明でも、被検出物体のX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の動作を検知することができる。また、3つの反射光の位相差を広げることができ、被検出物体の動作検知精度を向上させることができると共に、迷光を抑制することができる。これに加えて、発光制御手段は少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させるから、1個の受光素子によって、各々の発光素子による反射光を検出することができる。
(6).本発明では、前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々に係るパルス発光の発光間隔を変化可能とし、前記受光素子は、前記少なくとも3個の発光素子の各々のパルス光に同期して前記被検出物体によって反射された光を受光している。
本発明によれば、発光制御手段は少なくとも3個の発光素子の各々に係るパルス発光の発光間隔を変化可能としたから、例えば被検出物体の移動速度が速いときには発光間隔を短くし、移動速度が遅いときには発光間隔を長くすることができる。このため、被検出物体の移動速度に応じた検知が可能になる。
(7).本発明では、前記少なくとも3個の発光素子による光が前記被検出物体によって反射された光を前記受光素子によって受光し、前記受光素子に流れる3個の電流値の波形全体を使用して各々の位相差を求め、2つの位相差に基づいて前記被検出物体の移動方向を判定する信号処理手段を備えている。
本発明によれば、信号処理手段は、受光素子に流れる3個の電流値の波形全体を使用して各々の位相差を求め、2つの位相差に基づいて被検出物体の移動方向を判定する。このため、受光素子に流れる3個の電流値の波形が相互に異なるときでも、これらの波形全体の相関を考慮して各々の位相差を求めることができ、移動方向の誤検知を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態による光センサについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1ないし図7に、第1の実施の形態による光センサ1を示す。光センサ1は、基板2、発光素子3〜5、受光素子6等を備える。
基板2は、絶縁材料を用いて形成された平板である。基板2としては、例えばプリント配線基板が用いられる。基板2の表面2Aには、発光素子3〜5と受光素子6とが実装される。
発光素子3〜5は、基板2の表面2Aに実装され、赤外線や可視光線の光を出射する。発光素子3〜5の光軸は通常、例えば基板2の表面2Aに対して垂直方向(Z軸方向)である。発光素子3〜5としては、例えば発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)、面発光レーザ(VCSEL)が用いられる。検知分解能を上げ、S/Nを向上させるためには、素子として元々出射角の小さいVCSELを発光素子3〜5として用いるのが好ましい。
3個の発光素子3〜5は、基板2の表面2A上で一直線に並ばない位置に配置される。このため、基板2の表面2Aには、3個の発光素子3〜5の内部に三角形領域TA1が形成される。
受光素子6は、基板2の表面2Aに実装され、赤外線や可視光線の光を受光する。受光素子6としては、例えばフォトダイオード(PD)、フォトトランジスタ等が用いられる。受光素子6は、基板2の表面2Aの三角形領域TA1の範囲内に配置される。
基板2の表面2Aには、透明樹脂層7が形成される。透明樹脂層7は、基板2の表面2Aを全面に亘って覆い、発光素子3〜5および受光素子6を封止する。透明樹脂層7には、各発光素子3〜5と対応した位置に発光素子用レンズ7A〜7Cが形成される。発光素子用レンズ7A〜7Cは、上方に突出した略半球形状に形成される。
発光素子用レンズ7A〜7Cの中心と発光素子3〜5の実装位置とは、ずれている。このため、発光素子3〜5からの光束の光軸は、発光素子用レンズ7A〜7Cによって曲げられ、Z軸方向から傾斜した方向に向けて出射される。
ここで、図4に示すように、3個の発光素子3〜5に対して、基板2の表面2Aに平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定する。3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形(三角形領域TA1)に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形RA1を形成する。また、3個の発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3と仮想的に設定したXY平面Sxyとの交点を基板2の表面2Aに垂直投影したときに形成される投影三角形TA0に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形RA0を形成する。このとき、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0が、長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなるように、3個の発光素子3〜5から出射される光の方向は設定される。即ち、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0は、長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、以下の数1ないし数3のうちいずれか1つの条件を満足する。
なお、3個の発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3と交わる点が含まれる平面を、仮想的に設定したXY平面Sxyとしたが、実際には被検出物体Objが移動する平面となり、必ずしも基板2の表面2Aに平行な面(XY平面Sxy)とは限らない。被検出物体Objが移動する移動面は基板2の表面2Aから傾斜した傾斜面でもよい。また、移動面は、平面に限らず、凸湾曲面や凹湾曲面でもよい。
被検出物体Objが基板2の上方に大きく離れると、発光素子3〜5からの光が弱くなり、被検出物体Objからの反射光を受光素子6によって検出できなくなる。このため、仮想的なXY平面Sxyは、被検出物体Objからの反射光が受光素子6によって検出可能となるような高さの範囲内に配置される。
また、透明樹脂層7には、受光素子6と対応した位置に受光素子用レンズ7Dが形成される。受光素子用レンズ7Dも、発光素子用レンズ7A〜7Cと同様に半球形状に形成される。受光素子用レンズ7Dは、外部から入射される光を受光素子6に集光する。
なお、発光素子用レンズ7A〜7Cおよび受光素子用レンズ7Dは、発光素子3〜5および受光素子6を封止する透明樹脂層7に一体的に形成したが、透明樹脂層7とは別個に設けてもよい。また、発光素子3〜5からの光は発光素子用レンズ7A〜7Cによって基板2の鉛直方向から傾斜させる構成としたが、発光素子3〜5を基板2の表面2Aに対して傾斜した状態で取付けて、発光素子3〜5から出射する光を直接的に基板2の鉛直方向から傾斜させる構成としてもよい。
次に、発光素子3〜5および受光素子6に接続された信号処理回路11について説明する。
図7に示すように、信号処理回路11は、発光素子駆動部12、光検出信号増幅部13、フィルタ部14および演算処理部15を備える。
発光素子駆動部12は、演算処理部15と協働して発光制御手段を構成する。発光素子駆動部12は、発光素子3〜5に接続され、演算処理部15からの制御信号に基づいて発光信号St1〜St3を出力する。具体的には、発光素子駆動部12は、発光素子3〜5を発光させるための駆動電流を、発光素子3〜5に供給する。
光検出信号増幅部13は、受光素子6に接続され、受光素子6から供給された光検出信号S0に対して電流−電圧変換を行い、電流−電圧変換された光検出信号S0を増幅する。フィルタ部14は、光検出信号増幅部13の後段に接続され、光検出信号増幅部13から出力された光検出信号S0からノイズを除去する。
そして、信号処理回路11は、発光素子駆動部12を用いて発光素子3〜5を駆動し、光検出信号増幅部13およびフィルタ部14を用いて被検出物体Objからの反射光に応じた光検出信号S0を演算処理部15に向けて出力する。
演算処理部15は例えばマイクロプロセッサであり、発光素子3〜5の発光を制御する処理、光検出信号S0から発光素子3〜5に対応した3つの反射光信号Sr1〜Sr3に分離する処理、3つの反射光信号Sr1〜Sr3に基づいて被検出物体Objの存在や移動を検知する処理、光センサ1の全体的な制御等を行う。
具体的には、演算処理部15は、発光素子3〜5の検出光の強度やタイミングを制御するための制御信号を発光素子駆動部12に供給し、この制御信号に対応するように発光素子3〜5を発光させる。ここで、発光素子駆動部12は、発光信号St1〜St3としてパルス状の駆動電流を発光素子3〜5にそれぞれ供給する。発光信号St1〜St3のパルスは、一定の発光間隔T0を有すると共に、発光素子3〜5毎に異なるタイミングで出力される。これにより、発光素子3〜5は、各々をパルス発光で、かつ時分割発光する(図8参照)。
なお、発光素子3〜5は、時分割でパルス発光すればよい。このため、例えば発光素子3の発光が停止するのと同時に、次なる発光素子4の発光を開始してもよい。
また、演算処理部15は、受光素子6から光検出信号増幅部13およびフィルタ部14を介して供給された光検出信号S0から3つの反射光信号Sr1〜Sr3に分離する。ここで、発光素子3〜5は互いに異なるタイミングで時分割発光するから、発光素子3〜5の発光タイミング毎に、それぞれの発光素子3〜5からの光を被検出物体Objが反射した反射光が受光される。このため、光検出信号S0から発光信号St1〜St3と同期した3つの信号を取り出すことによって、それぞれの発光素子3〜5からの光に基づく反射光の信号を分離することができる。
そこで、演算処理部15は、光検出信号S0を発光素子3〜5の発光タイミング毎に取り出し、発光素子3〜5の反射光に応じた3つの反射光信号Sr1〜Sr3に分離する。このとき、反射光信号Sr1〜Sr3は、発光タイミング毎に抽出したパルス状の光検出信号S0を包絡線検波したものに相当する。
この場合、1個の受光素子6によって各々の発光素子3〜5による反射光を検出することができるから、受光素子6の個数を低減することができ、部品点数を削減して製造コストを低減することができる。
演算処理部15は、3つの反射光信号Sr1〜Sr3に基づいて、2つの位相差T21,T32を演算する。具体的には、例えば発光素子3による反射光信号Sr1と発光素子4による反射光信号Sr2との位相差T21を求める場合、反射光信号Sr1のピークと反射光信号Sr2のピークとの時間差を演算し、この時間差を位相差T21とする。同様に、発光素子4による反射光信号Sr2と発光素子5による反射光信号Sr3との位相差T32は、これらの反射光信号Sr2,Sr3のピーク間の時間差によって求める。演算処理部15は、2つの位相差T21,T32に基づいて、被検出物体Objの移動方向を特定する。また、演算処理部15は、3つの反射光信号Sr1〜Sr3の強度(大きさ)からZ軸方向に対する被検出物体Objの位置や移動方向を検出する。
なお、位相差T21,T32は、反射光信号Sr1〜Sr3のピークの時間差に基づいて求めた。しかし、本発明はこれに限らず、例えば反射光信号Sr1〜Sr3が所定の閾値よりも大きくなる立上り時の時間差に基づいて位相差T21,T32を求めてもよく、反射光信号Sr1〜Sr3が所定の閾値よりも小さくなる立下り時の時間差に基づいて位相差T21,T32を求めてもよい。
また、反射光信号Sr1,Sr2間の位相差T21と反射光信号Sr2,Sr3間の位相差T32を用いて被検出物体Objの移動方向等を特定する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば位相差T21,T32のいずれかに代えて、反射光信号Sr1,Sr3間の位相差T31を用いてもよく、これら3つの位相差T21,T32,T31を用いてもよい。
次に、図9ないし図15を用いて、光センサ1による被検出物体Objの検出動作について説明する。
光センサ1が駆動すると、発光素子3〜5は基板2の上方に向けて光を出射する。この状態で基板2の上方を手や指等の被検出物体Objが通過すると、発光素子3〜5の光路を被検出物体Objが遮る。これにより、被検出物体Objは発光素子3〜5からの光を反射する。この反射光は受光素子6によって受光され、受光素子6は、反射光の強度に応じた電流を光検出信号S0として出力する。
演算処理部15は、受光素子6からの光検出信号S0から3つの反射光信号Sr1〜Sr3を分離し、これらの位相差T21,T32を演算する。そして、演算処理部15は、2つの位相差T21,T32に基づいて、被検出物体Objの移動方向、位置、移動速度等を特定する。
移動方向等の特定方法は、以下に示す通りである。図9および図10に示すように、X軸方向に沿って被検出物体Objが移動したときには、発光素子3,4,5の順番で、これらの上方を被検出物体Objが通過する。このため、反射光信号Sr1,Sr2,Sr3の順番でこれらのピークが発生するから、位相差T21,T32もこのようなピークの発生順序に応じた値になる。この結果、位相差T21,T32に基づいて、被検出物体ObjがX軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Objの移動速度を検出することができる。
一方、図11および図12に示すように、Y軸方向に沿って被検出物体Objが移動したときには、発光素子5,3,4の順番で、これらの上方を被検出物体Objが通過する。このとき、位相差T21,T32もこのような通過順序に応じた値になるから、位相差T21,T32に基づいて、被検出物体ObjがY軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Objの移動速度を検出することができる。
また、図13ないし図15に示すように、反射光信号Sr1〜Sr3の大きさは、被検出物体ObjのZ軸方向の位置に応じて変化する。即ち、被検出物体Objが光センサ1に近い位置に配置されたときには、反射光が強くなり、反射光信号Sr1〜Sr3も大きくなる。一方、被検出物体Objが光センサ1から離れた位置に配置されたときには、反射光が弱くなり、反射光信号Sr1〜Sr3も小さくなる。このため、反射光信号Sr1〜Sr3の大きさに応じて、Z軸方向の位置を検出できると共に、反射光信号Sr1〜Sr3の大きさの変化に応じて、被検出物体ObjがZ軸方向に沿って移動していること、および被検出物体Objの移動速度を検出することができる。
ところで、図16ないし図18に示すように、発光素子22〜24が基板2の鉛直方向に向けて光を出射した第1の比較例では、位相差T21′,T32′は、発光素子22〜24の離間寸法だけで決まる。このため、第1の比較例による光センサ21を小型化したときには、位相差T21′,T32′が小さくなるから、被検出物体Objの移動方向や移動速度を検出したときに、これらの検出精度が低下する傾向がある。
これに対し、第1の実施の形態による光センサ1では、発光素子3〜5は、三角形領域TA1の外側に向けて光を出射する。このとき、3個の発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3と仮想的に設定したXY平面Sxyとの交点を基板2の表面2Aに垂直投影したときに形成される投影三角形TA0に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0は、三角形領域TA1と接する長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなる。
このため、図10に示すように、第1の比較例による位相差T21′,T32′に比べて、第1の実施の形態による位相差T21,T32は大きくなる。この結果、被検出物体Objの移動方向や移動速度を検出したときに、これらの検出精度を高めることができる。
また、受光素子6を三角形領域TA1の範囲内に配置すると共に、発光素子3〜5は三角形領域TA1の外側に向けて光を出射する。このため、迷光を抑制することができるから、S/Nを向上して誤検知を低減することができる。
なお、図4ないし図6では、三角形領域TA1と接する長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0の両方が大きくなる場合、即ち数1の条件を満たす場合を例に挙げて説明した。
しかし、本発明はこれに限らず、図19ないし図21に示す第1の変形例の光センサ31のように、三角形領域TA1と接する長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0のうち寸法Y0だけが、寸法Y1よりも大きくなる構成としてもよい。第1の変形例では、数2の条件を満足する。
また、図22ないし図24に示す第2の変形例の光センサ32のように、三角形領域TA1と接する長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0のうち寸法X0だけが、寸法X1よりも大きくなる構成としてもよい。第2の変形例では、数3の条件を満足する。
さらに、図4ないし図6では、発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3と仮想的に設定したXY平面Sxyとの交点に基づく長方形RA0は、三角形領域TA1と接する長方形RA1を取囲む構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図25ないし図27に示す第3の変形例の光センサ33のように、長方形RA0および長方形RA1は部分的に重なり合う構成としてもよく、両者が全く重ならない構成としてもよい。
但し、発光素子3〜5は、三角形領域TA1よりも外側に向けて光を出射すればよいだけではなく、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0が前述した数1ないし数3のうちいずれかの1つの条件を満足する必要がある。
図28ないし図30に示す第2の比較例では、光センサ41の発光素子42〜44が基板2の鉛直方向から傾斜した方向で、かつ三角形領域TA1よりも外側に向けて光を出射している。しかし、第2の比較例では、発光素子42〜44の光軸V1′〜V3′は長方形RA1の内側に向けて延びている。このため、3個の発光素子42〜44から出射される光束の光軸V1′〜V3′と仮想的に設定したXY平面Sxyとの交点を基板2の表面2Aに垂直投影したときに形成される投影三角形TA0′に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形RA0′の縦横の寸法X0′,Y0′は、三角形領域TA1と接する長方形RA1の縦横の寸法X1,Y1に対して、少なくともいずれか一方が小さくなっている。このため、第2の比較例の構成は、本発明には含まれない。
次に、図31ないし図33を用いて、本発明の第2の実施の形態について説明する。第2の実施の形態では、3個の発光素子を結ぶ三角形領域が二等辺三角形を形成する。なお、第2の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第2の実施の形態による光センサ51では、3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1が二等辺三角形を形成する。このとき、発光素子3と発光素子5は、例えば底辺の両端にそれぞれ配置され、発光素子4は頂点の位置に配置される。従って、発光素子3と発光素子4との間の距離寸法は、発光素子5と発光素子4との間の距離寸法と同じである。
発光素子3,5は、Y軸方向に対して同じ位置に配置され、X軸方向に離間している。ここで、三角形領域TA1は、そのX軸に沿った底辺の長さ寸法がY軸に沿った高さの長さ寸法に比べて大きく、例えば2:1程度の比率に設定される。三角形領域TA1の範囲内には、受光素子6が配置される。受光素子6は、発光素子3および発光素子5の中間位置に配置される。
発光素子3〜5による光の出射方向は、三角形領域TA1から離れる方向である。例えば発光素子3,5は、X軸方向に対して互いに離れる方向に向けて光を出射し、発光素子4は、Y軸方向に対して発光素子3,5から離れる方向に向けて光を出射する。
発光素子3〜5からの光束の光軸V1〜V3は、互いになす角度θ12,θ23,θ31が基板2の表面2A上でいずれも120°とした場合の方が、角度θ12,θ23が90°で角度θ31が180°とした場合に比べて、被検出物体ObjがY軸方向に移動するときの検出精度が向上する。ここで、角度θ12は、光軸V1と光軸V2とがなす角度であり、角度θ23は、光軸V2と光軸V3とがなす角度であり、角度θ31は、光軸V3と光軸V1とがなす角度である。
例えば角度θ12,θ23,θ31をいずれも120°とした場合と、角度θ12,θ23を90°とした場合とについて、被検出物体Objとして直径10mmの木製の棒を用い、センサからZ軸方向に2cm離れた位置を10cm/secの一定速度でY軸方向に通過させる実験を行った。この結果、角度θ12,θ23,θ31をいずれも120°とした場合の方が、角度θ12,θ23を90°とした場合に比べて、位相差T21,T31が1.7倍程度まで大きくなった。
かくして、第2の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。
次に、図34を用いて、本発明の第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態では、受光素子は3個の発光素子を結ぶ三角形領域の範囲外に配置される。なお、第3の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第3の実施の形態による光センサ61では、受光素子6は3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1の範囲外に配置される。このとき、発光素子3〜5は、三角形領域TA1の外側であって、前述した数1ないし数3のうちいずれか1つの条件を満たす方向に向けて光を出射する。また、受光素子6は、発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3の延長線上以外の領域に配置される。
かくして、第3の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。なお、図34では、受光素子6は三角形領域TA1の範囲外で発光素子3,4の間に配置した場合を示した。しかし、本発明はこれに限らず、図34中に点線で示すように、受光素子6を発光素子4,5の間に配置してもよく、発光素子3,5の間に配置してもよく、三角形領域TA1の範囲外で、かつ光軸V1〜V3の延長線上以外の領域であれば、基板2の任意の位置に配置することができる。また、第3の実施の形態は、第2の実施の形態にも適用することができる。
次に、図35を用いて、本発明の第4の実施の形態について説明する。第4の実施の形態では、3個の発光素子に対応して3個の受光素子を備える。なお、第4の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第4の実施の形態による光センサ71では、基板2には3個の受光素子72〜74が実装される。3個の受光素子72〜74は、3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1の範囲内に配置される。受光素子72は、発光素子3の近傍に位置して発光素子3からの光に基づく反射光を受光する。受光素子73は、発光素子4の近傍に位置して発光素子4からの光に基づく反射光を受光する。受光素子74は、発光素子5の近傍に位置して発光素子5からの光に基づく反射光を受光する。
この場合、発光素子3〜5はパルス発光で時分割発光する必要はなく、連続発光してもよい。
かくして、第4の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。なお、第4の実施の形態では、3個の受光素子72〜74は、3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1の範囲内に配置される構成としたが、3個の受光素子72〜74を3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1の範囲外に配置してもよい。この場合、第3の実施の形態と同様に、3個の受光素子72〜74は、発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3の延長線上以外の領域に配置される。
また、第4の実施の形態では、3個の受光素子72〜74を備える場合を例に挙げて説明したが、2個の受光素子を備える構成としてもよく、4個以上の受光素子を備える構成としてもよい。
次に、図36を用いて、本発明の第5の実施の形態について説明する。第5の実施の形態では、3個の発光素子から出射される光束の光軸とXY平面との交点に基づいて長方形を形成したときに、該長方形の縦横の寸法が略等しくなる。なお、第5の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第5の実施の形態による光センサ81では、3個の発光素子3〜5を結ぶ三角形領域TA1が二等辺三角形を形成する。このとき、三角形領域TA1は、底辺と高さの比を1:1とした二等辺三角形を形成する。また、発光素子3と発光素子5は、例えば底辺の両端にそれぞれ配置され、発光素子4は頂点の位置に配置される。受光素子6は、三角形領域TA1の範囲内に配置される。
3個の発光素子3〜5から出射される光束の光軸V1〜V3と仮想的に設定したXY平面Sxyとの交点を基板2の表面2Aに垂直投影したときに形成される投影三角形TA0に接するX軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形RA0を形成する。このとき、長方形RA0の縦横の寸法X0,Y0が互いに略等しくなるように、発光素子3〜5による光の出射方向が決められる。
この結果、光軸V1,V2がなす角度θ12と光軸V2,V3がなす角度θ21は、いずれも127°になる。光軸V1,V3がなす角度θ31は、106°になる。また、受光素子6は、長方形RA0の中心位置に配置される。
かくして、第5の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。これに加え、第5の実施の形態では、検知に必要なS/Nが得られる範囲であれば、Z軸方向のどの位置でもX軸とY軸の両方向の検知精度を同等にすることができ、安定した検知が可能になる。なお、第5の実施の形態は、第3または第4の実施の形態にも適用することができる。
次に、図7および図37を用いて、本発明の第6の実施の形態について説明する。第6の実施の形態では、信号処理回路は、受光素子に流れる3個の電流値の波形全体を使用して各々の位相差を求め、2つの位相差に基づいて被検出物体の移動方向を判定する。なお、第6の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第6の実施の形態による光センサ91は、第1の実施の形態による光センサ1とほぼ同様に構成される。このため、基板2には、3個の発光素子3〜5と受光素子6が設けられると共に、信号処理回路92が実装される。信号処理回路92は、第1の実施の形態による信号処理回路11とほぼ同様に構成され、発光素子駆動部12、光検出信号増幅部13、フィルタ部14および演算処理部15を備える。
第6の実施の形態による演算処理部15は、図37に示すプログラムを実行する。このプログラムでは、以下に示す手順によって、被検出物体Objの移動方向を特定する。
ステップ1で、光検出信号S0を読込み、ステップ2で、光検出信号S0から3つの反射光信号Sr1〜Sr3を分離する。続くステップ3では、反射光信号Sr1,Sr2間の位相差T21を演算し、ステップ4では、反射光信号Sr2,Sr3間の位相差T32を演算する。そして、ステップ5では、これらの位相差T21,T32に基づいて、被検出物体Objの移動方向を特定する。具体的には、位相差T21,T32の正負や大きさに基づいて、被検出物体Objの移動方向を特定する。このとき、事前に作成したマップに、位相差T21,T32の正負や大きさを当てはめることによって、移動方向を特定してもよく、位相差T21,T32に各種の演算処理を施すことによって移動方向を特定してもよい。
第6の実施の形態では、位相差T21,T32は、反射光信号Sr1〜Sr3の波形全体を用いて演算する。具体的には、以下の数4に示す関数Z1(x)を導入し、関数Z1(x)が最小となるシフト量xを位相差T21とする。同様に、以下の数5に示す関数Z2(x)を導入し、関数Z2(x)が最小となるシフト量xを位相差T32とする。
位相差T21,T32の精度を高めるためには、積分の範囲とシフト量xの範囲はできるだけ大きな値に設定した方がよい。しかし、積分の範囲とシフト量xの範囲が大きくなるに従って、演算量の増大や処理速度の低下が発生する。このため、位相差T21,T32の精度が許容できる範囲で、積分の範囲とシフト量xの範囲はできるだけ小さい値に設定される。
第6の実施の形態による光センサ91は上述のように構成されるもので、次に、被検出物体Objを検知するときの具体例について説明する。
図38に示すように、例えば被検出物体Objとして手を用いたときには、発光素子3〜5からの光が照射される部分の形状が発光素子3〜5毎に異なることがある。図38に示す例では、発光素子3,5からの光は5本の指に照射されるが、発光素子4からの光は、人差し指、中指、薬指の3本の指にしか照射されない。この場合、図39に示すように、反射光信号Sr1,Sr3と反射光信号Sr2は互いのピークの数が異なる。このため、反射光信号Sr1〜Sr3のピーク、立上り、立下り等を用いたときには、正確な位相差T21,T32を求めることができないことがある。
これに対し、第6の実施の形態では、反射光信号Sr1〜Sr3の波形全体を用いてこれらの位相差T21,T32を求めたから、反射光信号Sr1〜Sr3の波形が相互に異なる場合でも、正確な位相差T21,T32を求めることができる。この結果、X軸方向やY軸方向に限らず、X軸方向やY軸方向から斜めに傾斜した移動方向でも正確に検出することができる。
なお、関数Z1(x),Z2(x)は連続値の積分に限らない。例えば反射光信号Sr1〜Sr3が所定のサンプリング周期で離散化したものであれば、関数Z1(x),Z2(x)は離散値の総和でもよい。また、位相差T21,T32は、数4および数5に示すように、2つの波形の差分の二乗を積分した値が最も小さくなるシフト量によって求めた。しかし、本発明はこれに限らず、例えば2つの波形の相互相関が最も大きくなるシフト量によって、位相差を求めてもよい。
かくして、第6の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。なお、第6の実施の形態は、第2ないし第5の実施の形態にも適用することができる。
次に、図7および図40を用いて、本発明の第7の実施の形態について説明する。第7の実施の形態では、発光素子駆動部は、3個の発光素子の各々に係るパルス発光の発光間隔を変化させる。なお、第7の実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。
第7の実施の形態による光センサ101は、第1の実施の形態による光センサ1とほぼ同様に構成される。このため、基板2には、3個の発光素子3〜5と受光素子6が設けられると共に、信号処理回路102が実装される。信号処理回路92は、第1の実施の形態による信号処理回路11とほぼ同様に構成され、発光素子駆動部12、光検出信号増幅部13、フィルタ部14および演算処理部15を備える。
発光素子3〜5は、各々をパルス発光で、かつ時分割発光する。また、演算処理部15は、図40に示す発光間隔の調整処理を実行する。具体的には、ステップ11で、反射光信号Sr1〜Sr3の位相差T23,T31に基づいて被検出物体Objの移動速度を演算する。続くステップ12では、ステップ11で演算した移動速度に応じて発光素子駆動部12から出力する発光信号St1〜St3のパルス間隔(発光間隔T0)を変化させる。
これにより、発光素子3〜5のパルス発光の発光間隔T0は被検出物体Objの移動速度に応じて変化する。例えば、被検出物体Objの移動速度が速いときには、発光素子3〜5のパルス発光の発光間隔T0は短くなり、被検出物体Objの移動速度が遅いときには、発光素子3〜5のパルス発光の発光間隔T0は長くなる。これにより、被検出物体Objの移動速度に応じた検知が可能になる。また、不必要な発光素子3〜5の発光を抑制することができ、消費電力の低減を図ることができる。
かくして、第7の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様な作用効果を得ることができる。なお、第7の実施の形態は、第2ないし第6の実施の形態にも適用することができる。
前記各実施の形態では、3個の発光素子3〜5を備える場合を例に挙げて説明したが、4個以上の発光素子を備える構成としてもよい。この場合、4個以上の発光素子のうち任意の3個の発光素子が数1ないし数3のいずれか1つの条件を満たす方向に光を出射すればよい。
また、X軸方向およびY軸方向は前記各実施の形態に例示したものに限らず、基板2の表面2Aに平行で互いに直交した任意の2軸方向に設定することができる。
また、前記各実施の形態では、信号処理手段としての信号処理回路11,92,102は基板2に実装する構成としたが、基板2と別個に設けてもよい。
1,31〜33,51,61,71,81,91,101 光センサ
2 基板
2A 表面
3〜5 発光素子
6,72〜74 受光素子
11,92,102 信号処理回路(信号処理手段)
12 発光素子駆動部(発光制御手段)
15 演算処理部
2 基板
2A 表面
3〜5 発光素子
6,72〜74 受光素子
11,92,102 信号処理回路(信号処理手段)
12 発光素子駆動部(発光制御手段)
15 演算処理部
Claims (7)
- 基板と、
該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、
該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、
前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域内に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、
前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、
前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなることを特徴とする光センサ。 - 基板と、
該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、
該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、
前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域外に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、
前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、
前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きく、
前記受光素子は、前記発光素子から出射される光束の光軸の延長線上以外の領域に配置したことを特徴とする光センサ。 - 前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形を二等辺三角形とし、該二等辺三角形の底辺と高さの比を1:1としたときに、
前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が略等しくなる請求項1または2に記載の光センサ。 - 基板と、
該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、
該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、
前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域内に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、
前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、
前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させ、
前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きくなることを特徴とする光センサ。 - 基板と、
該基板の表面に実装された少なくとも3個の発光素子と、
該少なくとも3個の発光素子の発光動作を制御する発光制御手段と、
前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ三角形の領域外に位置して前記基板の表面に実装された少なくとも1個の受光素子とを備え、
前記発光素子から出射された光が、被検出物体によって反射された光を前記受光素子で受光することによって該被検出物体の存在および移動を検知する光センサにおいて、
前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々をパルス発光で、かつ時分割発光させ、
前記少なくとも3個の発光素子に対して、前記基板の表面に平行な直交するX軸とY軸を仮想的に設定したときに、前記少なくとも3個の発光素子から出射される光束の光軸と仮想的に設定したXY平面との交点を前記基板の表面に垂直投影したときに形成される投影三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法が、前記少なくとも3個の発光素子を結ぶ前記三角形に接する前記X軸およびY軸に略平行な辺を有する長方形の縦横の寸法に対して、少なくとも縦横いずれか一方が大きく、
前記受光素子は、前記発光素子から出射される光束の光軸の延長線上以外の領域に配置したことを特徴とする光センサ。 - 前記発光制御手段は、前記少なくとも3個の発光素子の各々に係るパルス発光の発光間隔を変化可能とし、
前記受光素子は、前記少なくとも3個の発光素子の各々のパルス光に同期して前記被検出物体によって反射された光を受光してなる請求項4または5に記載の光センサ。 - 前記少なくとも3個の発光素子による光が前記被検出物体によって反射された光を前記受光素子によって受光し、前記受光素子に流れる3個の電流値の波形全体を使用して各々の位相差を求め、2つの位相差に基づいて前記被検出物体の移動方向を判定する信号処理手段を備えてなる請求項1,2,4または5に記載の光センサ。
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