物体検出装置

【課題】検出精度及び分解能に優れて小型化可能な検出装置を低コストで提供する。
【解決手段】基準面に基づいて対象物の厚さ又は一定方向の移動量を検出する装置であって、一端が回転軸３に支持され、基準面又は対象物と当接可能な曲面を他端に有し、対象物の当接に伴って揺動するレバー部１と、前記回転軸３に支持され、レバー部１の揺動に応じて変位可能な変位量伝達部２とを備えるものにおいて、前記曲面が、想定範囲の対象物の当接に伴って揺動する間は基準面と直交する一つの直線Ｖ上にほぼ一致する点で対象物と当接するように加工されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、対象物の厚さ又は一定方向の移動量を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
印刷機、スキャナ、自動改札機、自動販売機、ＡＴＭなどの機械においては、用紙、切符、紙幣などの取り扱い対象物の厚さ又は一定方向の移動量を供給または排出の過程で検出することが要請される。
【０００３】
この種の検出装置として、用紙の供給路に対向して配置された上下のローラとＬＥＤ及びＰＳＤを備えたもの、並びにＬＥＤ及びＰＳＤに代えてレバーと、レバーの後端に取り付けられた反射板と、反射板に向かって発光するとともに反射光を受光するフォトセンサとを備えたものが知られている（特許文献１［従来技術］欄）。前者は、図１６に示すように常時はバネ１０３によって上ローラ１０１が下ローラ１０２に近づく方向に付勢されており、用紙の通過時にバネ１０３の復元力に抗して用紙の厚み分だけ上ローラ１０１が下ローラ１０２から遠ざかり、上ローラ１０１の変位量をＬＥＤとＰＳＤとで光学的に検知するものである。後者は、図１７に示すようにレバー１０４が支点に揺動可能に固定されていて、レバー１０４の先端が上ローラ１０１の軸に連結されており、常時はバネ１０３によってレバー１０４が上ローラ１０１を下ローラ１０２に近づける方向に付勢されており、用紙の通過に伴って揺動するレバー１０４後端の変位量をフォトセンサ１０５で検知するものである。
【０００４】
また、これを改良し、図１８に示すようにレバー１０４後端を複数の枝１０６に分岐させたり、レバー後端を扇形にして放射状のスリットを設けたりして、フォトインタラプタの光が通過する枝やスリットの数をもって検知するようにしたものも知られている（特許文献１［実施形態］）。図１７の装置にしても図１８の装置にしても対象物の微小な変化を検出するためには、支点からレバー後端までの長さｂと支点からレバー先端までの長さａの比ｂ／ａを大きくする必要がある。この比を大きくするにはｂを大きくするかａを小さくするかのいずれかであり、装置の小型化を達成するためにはａを小さくすることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９４４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図１６の装置は、ＰＳＤ自体が高価であるうえに、上ローラに反りが生じないように高い精度で加工する必要があることから、製造コストが著しく高い。一方、図１７の装置や図１８の装置は、装置の小型化を達成しようとａを小さくすると、レバー先端における変位量の円周方向成分が本来検出したい鉛直方向成分に対して大きくなってしまい、これが比ｂ／ａを大きくして検出精度を上げることの妨げとなっている。
それ故、この発明の課題は、検出精度に優れて小型化可能な検出装置を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の検出装置は、
基準面に基づいて対象物の厚さ又は一定方向の移動量を検出する装置であって、
一端が回転軸Ｃに支持され、基準面又は対象物と当接可能な曲面を他端に有し、対象物の当接に伴って揺動するレバー部と、
前記回転軸Ｃに支持され、レバー部の揺動に応じて変位可能な変位量伝達部とを備えるものにおいて、
前記曲面が、想定範囲の対象物の当接に伴って揺動する間は基準面と直交する一つの直線Ｖ上にほぼ一致する点で対象物と当接するように加工されていることを特徴とする。
【０００８】
図１は、この発明の検出装置の作用を示す図である。用紙が存在せずレバー部１の最高位が基準面と接しているとき（図中、実線の位置）から、供給されてくる用紙に押されてレバー部１の最高位がΔｔ低下したとする（図中、破線の位置）。レバー部１の最高位から回転軸３の中心までの長さをＬ、そのときのレバー部１の水平に対する角度をそれぞれθ、回転軸３の中心から変位量伝達部であるスケール部２の光軸中心までの長さをＪ、レバー部１の変位に伴うスケール部２の微小変位量をΔｄとする。レバー部１の最高位が常に基準面と直交する一つの垂線Ｖ上に存在するように設計することにより、相似の関係から、Ｌ：Δｔ／ｃｏｓθ＝Ｊ：Δｄとなり、Δｔ＝Δｄ（１／Ｊ）Ｌｃｏｓθが導かれる。レバー部１の最高位から回転軸３の中心までの長さ及びレバー部１の水平に対する角度は、いずれも変数であるが、レバー部１の最高位の低下に伴うＬの減少とともにｃｏｓθが増加するから、互いに相殺しあう。従って、（１／Ｊ）Ｌｃｏｓθはほぼ一定値を保つ。その結果、ΔｔとΔｄが比例する。
【０００９】
前記曲面が、想定範囲の対象物の当接に伴って揺動する間は基準面と直交する一つの直線Ｖ上にほぼ一致する点で対象物と当接するように加工されている一つの基本的な構成は、次の通りである。即ち、図２に示すように前記レバー部が基準面と当接する接点をＰ、想定検出限界とする最大厚さもしくは最大移動量の特定対象物と当接する接点をＱ、接点Ｐと当接する基準面上の点をＳ、接点Ｐ及びＱにおける前記曲面の曲率半径をそれぞれＲｐ及びＲｑとするとき、基準面と当接しているときの接点Ｐ及び前記特定対象物と当接しているときの接点Ｑにおける前記曲面の曲率中心Ｏp及びＯqが、前記直線Ｖ上に位置し、且つＲｐがＲｑよりも小さくならないように前記曲面が加工されたものである。
【００１０】
このように接点によって曲率半径の異なる複数の円弧からなる曲面とすることにより、ほぼ直線Ｖ上でレバー部が常に最高点に位置するようになる。そして、接点ＰＱ間の前記曲面については、例えば接点Ｐ及びＱにおけるＲｑとＲｐの半径の各円弧を直接つないでも良いし、ＲｑとＲｐの中間の半径の円弧でつないでも良い。あるいはＲｑ以上Ｒｐ以下で接点Ｑに近づくほど曲率半径が小さくなる複数の微小円弧からなり、それらの微小円弧が前記直線Ｖ上の定位置もしくは接点Ｑに近づくほど基準面から遠ざかる前記直線Ｖ上の位置に曲率中心を有するようにしてもよい。尚、曲率中心Ｏp及びＯqの位置は一致していてもしなくても良い。
【００１１】
前記曲面が、想定範囲の対象物の当接に伴って揺動する間は基準面と直交する一つの直線Ｖ上にほぼ一致する点で対象物と当接するように加工されているもう一つの基本的な構成は、図３に示すように前記特定対象物の最大厚さもしくは最大移動量をｗ、接点Ｐが基準面と当接しているときのレバー部と基準面とのなす角度をθ、回転軸Ｃの中心から接点Ｐまでの長さをＬとするとき、前記曲面を、前記直線Ｖ上に曲率中心を有し、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−ｎｗ（ｎ＝０．３±０．１）を充足する曲率半径を有する単一の円弧で構成したものである。種々の条件でシミュレーションしたところ、上記式を充足する範囲でΔｔとΔｄとが最も比例に近い関係を有するからである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、この発明の検出装置によれば、レバー部の長さに関わらずΔｔとΔｄが比例することから、レバー部の長さを短くして検出精度向上と小型化を同時に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の検出装置の作用を示す図である。
【図２】この発明の検出装置の一つの基本的構成を示す図である。
【図３】この発明の検出装置のもう一つの基本的構成を示す図である。
【図４】実施形態１の検出装置を示す断面図である。
【図５】同検出装置に適用されているスケール一体型レバーを示す正面図である。
【図６】図５のＸＸ断面図である。
【図７】（ａ）は実施形態１の検出装置に用いられるレバー部の設計方法を示す図、（ｂ）はその拡大図である。
【図８】実施形態２の検出装置に用いられるレバー部の設計方法を示す図である。
【図９】実施形態３の検出装置に用いられるレバー部の設計方法を示す図である。
【図１０】種々の曲率半径についての実施形態４における接点ＰＱ間の曲面の軌道を示す図である。
【図１１】曲率半径をパラメータとしてスケール部の微小変位Δｄに対するレバー部の微小変位Δｔの値をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１２】θをパラメータとしてスケール部の微小変位Δｄに対するレバー部の微小変位Δｔの値をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１３】θをパラメータとしてスケール部の微小変位Δｄに対するレバー部の微小変位Δｔの値をシミュレーションした結果を示すもう一つのグラフである。
【図１４】実施形態５の検出装置を示す正面図である。
【図１５】実施形態６の検出装置を示す正面図である。
【図１６】従来の検出装置を示す断面図である。
【図１７】従来のもう一つの検出装置を示す断面図である。
【図１８】従来の更にもう一つ検出装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
−実施形態１−
以下、この発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。図４は第一の実施形態の検出装置の回転軸に平行な鉛直方向断面図、図５は同検出装置に適用されているスケール一体型レバーを示す正面図である。
【００１５】
検出装置１１は、用紙の厚みを検出する装置であって、ホルダー１２、受光素子１３、コリメートレンズ１４、発光素子１５及びスケール一体型レバー１０を備える。
スケール一体型レバー１０は、全体が光透過性樹脂からなり、図５に示すようにレバー部１６、スケール部１７、回転軸１８及びストッパー１９が回転軸１８部分を除いて厚さ１．３ｍｍ程度の板状に一体成形されたものである。スケール一体型レバー１０の輪郭は、正面視で互いに直交する二辺ａ、ｂ、これらの二辺のうち一辺ａと平行で辺ａよりも短い辺ｃ、及び辺ａと辺ｃとを結ぶ斜めの辺ｄとからなる略台形をなす。そして、辺ａと辺ｄとが交差する角にほぼ辺ｄに沿って延びるようにレバー部１６が形成され、辺ｂと辺ｃとが交差する角に辺ｃに沿って延びるようにストッパー１９が形成されている。レバー部１６の周面は、先端に向かうほどに辺ｄの延長線から離れて辺ｂに近づくように滑らかに曲がっており、検出対象となる用紙との接点を形成している。この曲面の形状については後述する。
【００１６】
回転軸１８は、辺ｄの中間部に前記板状部分の両面に直交するように突出した円柱状をなしている。従って、レバー部１６とストッパー１９とは回転軸１８を間にして互いにほぼ対角位置にある。また、辺ａと辺ｂとが交差する角の付近には、回転軸１８を中心とする周方向に等間隔に交互に配列した多数の遮光領域と透光領域とからなるスケール部１７が形成されている。スケール部１７を設ける手段としては、図６に図５のＸＸ断面図として示すように、前記板状部分の一方の主面に形成された透光領域１７ａとしての水平の滑面と遮光領域１７ｂとしての非水平の滑面とからなるプリズム（図６（ａ）及び（ｂ））でもよいし、透光領域１７ａとしての水平の滑面の隣に遮光材料を印刷するか粗面処理をするかして遮光領域１７ｂ（図６（ｃ））としてもよい。
【００１７】
回転軸１８は、ホルダー１２の上端にある軸受け部にレバー部１６が上でスケール部１７が下になるように支持されている。回転軸１８の外周面にはレバー部１６が上に付勢される方向に復元力が働くコイルバネ５が取り付けられている。そして、その復元力はストッパー１９がホルダー１２と係り合うことにより抑制されて、レバー部１６の前記接点と回転軸１８とを結ぶ線が水平に対してほぼ３０度の傾きとなるように保たれている。スケール部１７の両端の透光領域１７ａまたは遮光領域１７ｂは、この線から１００〜１５０度回転した位置にある。
【００１８】
レバー部１６における用紙との接点を構成する前記曲面は、次の通りに加工されている。即ち、図７（ａ）に示すように前記レバー部が基準面と当接する接点をＰ、想定検出限界とする最大厚さもしくは最大移動量の特定対象物Ｋと当接する接点をＱ、接点Ｐと当接する基準面上の点をＳ、前記特定対象物Ｋの最大厚さもしくは最大移動量をｗ、接点Ｐ及びＱにおける前記曲面の曲率半径をそれぞれＲｐ及びＲｑとする。このとき、接点Ｐ及びＱ近辺においては、基準面と当接しているときの接点Ｐ及び前記特定対象物と当接しているときの接点Ｑにおける前記曲面の曲率中心Ｏp及びＯqが、いずれも前記直線Ｖ上に位置し、且つＲｐ＝Ｒｑ＋０．５ｗとなるように加工されている。
【００１９】
そして、接点ＰＱ間の前記曲面については、例えばＲｑとＲｐの中間の半径の円弧でつないでも良いし、あるいは図７（ｂ）に図７（ａ）の拡大図として示すようにＲｑ以上Ｒｐ以下で接点Ｑに近づくほど曲率半径が小さくなる複数（図示は３つ）の微小円弧からなり、それらの微小円弧が前記直線Ｖ上の定位置もしくは接点Ｑに近づくほど基準面から遠ざかる前記直線Ｖ上の位置Ｏa、Ｏb、Ｏc・・・に曲率中心を有するようにしてもよい。このように接点によって曲率半径の異なる複数の円弧からなる曲面とすることにより、ほぼ直線Ｖ上でレバー部が常に最高点に位置するようになる。その結果、対象物の厚さ又は移動量Δｔとスケール部１７の変位量Δｄとが比例することとなり、検出精度に優れる。この比例関係は、レバー部１６の長さにあまり依存しないうえ、レバー部１６とスケール部１７とが回転軸１８を中心として１８０°でない角度をなしているので、スケール一体型レバー１０を小型化し、装置全体の小型化を達成することができる。
【００２０】
−実施形態２−
実施形態１における接点ＰＱ間の前記曲面を、前記直線Ｖ上に曲率中心Ｏｐ（＝Ｏｑ）を有し、接点Ｐを通る半径Ｒｐの円弧と、接点Ｑを通る半径Ｒｑ（＝Ｒｐ−０．５ｗ）の円弧とからなる二つの円弧で形成すること以外は、実施形態１と同一構成としてレバー部１６を設計し、その動作をシミュレーションした。図８は、接点ＰＱ間の曲面の設計方法及び軌道を示す図である。尚、接点ＰＱ間の両側部分については、接点Ｑから離れる方向に接点Ｐより延びる曲率半径Ｒpの微小円弧と、接点Ｐから離れる方向に接点Ｑより延びる曲率半径Ｒqの微小円弧とでそれぞれ形成されている。
【００２１】
図８に示されるように、対象物が存在せずレバー部１６が上昇しているときは接点Ｐが直線Ｖ上で最高位となり、他方厚さｗの対象物が存在してレバー部１６が下降しているときは接点Ｑが直線Ｖ上で最高位となっている。その結果、実施形態１におけると同様にΔｔとΔｄとが比例することとなり、検出精度に優れ、且つ装置全体の小型化を達成することができる。また、接点ＰＱ間の両側部分も接点ＰＱ間に連なる所定の微小円弧で形成されているから、回転軸１８の取り付け位置が少々誤差を生じていたり、対象物の厚さがｗを少し超えていたりしても、ΔｔとΔｄとの比例関係は成立する。
【００２２】
−実施形態３−
実施形態１における接点ＰＱ間の前記曲面を、前記直線Ｖ上に曲率中心Ｏｐ（＝Ｏｑ＝Ｏｄ＝Ｏｅ）を有し、接点Ｐを通る半径Ｒｐの円弧と、接点Ｑを通る半径Ｒｑ（＝Ｒｐ−０．７５ｗ）の円弧と、これら二つの円弧をつなぐ半径Ｒｄ（＝Ｒｐ−０．２５ｗ）の円弧及び半径Ｒｅ（＝Ｒｐ−０．５０ｗ）の円弧の合計四つの円弧で形成すること以外は、実施形態１と同一構成としてレバー部１６を設計し、その動作をシミュレーションした。図９は、接点ＰＱ間の曲面の設計方法及び軌道を示す図である。レバー部１６の角度に関わらず、レバー部１６の最高点の位置がますます直線Ｖに近くなり、実施形態２よりも検出精度が更に優れる。
尚、これとは逆に設計を簡易にするために、検出精度は実施形態２よりも若干劣るが、接点ＰＱ間の前記曲面をＲｍ＝Ｒｐ−ｎＷ（ｎ＝０．３±０．１）を充足する半径Ｒｍの単一の円弧で形成しても良い。
【００２３】
−実施形態４−
実施形態１における接点ＰＱ間の前記曲面を、前記直線Ｖ上に曲率中心を有し、曲率半径がＲｍ＝Ｌｓｉｎθ−ｎｗ（ｎ＝０．３±０．１）である単一の円弧で形成したこと以外は、実施形態１と同一構成としてレバー部１６の動作をシミュレーションした。ここで、ｗは用紙の最大厚さ、θは接点Ｐが基準面と当接しているときのレバー部と基準面とのなす角度、Ｌは回転軸Ｃの中心から接点Ｐまでの長さである。比較のためにＲｍが上記範囲に属さない条件でもシミュレーションした。
【００２４】
Ｌ＝８ｍｍ、ｗ＝２ｍｍ、θ＝３０°であるときの、種々のＲｍについての前記曲面の軌道を図１０、Δｄに対するΔｔの値をシミュレーションした結果を表１に示す。表２は、Δｄ＝Δｔとなる理想値に対するシミュレーション値の誤差の程度を示し、図１１はこれをグラフ化したものである。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【表２】

【００２７】
シミュレーションから示されるように、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−０．３ｗを満たすように設計することで理想値とのずれが最小となり、次いでＲｍ＝Ｌｓｉｎθ±０．５ｗのときが小さく、実際の使用における許容範囲となる。
【００２８】
次に、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−０．３ｗであるときのθを変化させてシミュレーションしたときの、Δｄ＝Δｔとなる理想値に対するシミュレーション値の誤差の程度を表３に示し、これをグラフ化したものを図１２に示す。
【００２９】
【表３】

【００３０】
表３及び図１２に示されるように、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−０．３ｗを充足すればθが異なっていても支障ないことが明らかである。
次に、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−０．３ｗであってｗ＝４ｍｍに変えてθを変化させてシミュレーションしたときの、Δｄ＝Δｔとなる理想値に対するシミュレーション値の誤差の程度を表４に示し、これをグラフ化したものを図１３に示す。
【００３１】
【表４】

【００３２】
表４及び図１３に示されるように、θ＝６０°でシミュレーション値が理想値から大きくずれており、θ＝４５°でも無視できないずれが生じている。従って、Ｌ≧２ｗとなるようにＬを設計するか又はｗを設定するのが好ましい。
【００３３】
−実施形態５−
第五の実施形態の検出装置では、図１４に示すようにレバー部１６とスケール部１７との角度を１８０°より大きくすることにより、鉛直方向に移動する対象物の検出も可能とされている。この場合、スケール一体型レバー１０を実施形態１又は２のものと交換するだけでよい。
【００３４】
−実施形態６−
第六の実施形態の検出装置は、図１５に示すように対象物の移動方向をレバー部１６の変位方向とほぼ一致させたもので、対象物の移動速度の検出に好適である。
【符号の説明】
【００３５】
１１検出装置
１２ホルダー
１３受光素子
１４レンズ
１５発光素子
１０スケール一体型レバー
１，１６レバー部
２，１７スケール部
３，１８回転軸
１９ストッパー
５コイルバネ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面に基づいて対象物の厚さ又は一定方向の移動量を検出する装置であって、
一端が回転軸Ｃに支持され、基準面又は対象物と当接可能な曲面を他端に有し、対象物の当接に伴って揺動するレバー部と、
前記回転軸Ｃに支持され、レバー部の揺動に応じて変位可能な変位量伝達部とを備えるものにおいて、
前記曲面が、想定範囲の対象物の当接に伴って揺動する間は基準面と直交する一つの直線Ｖ上にほぼ一致する点で対象物と当接するように加工されていることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記レバー部が基準面と当接する接点をＰ、想定検出限界とする最大厚さもしくは最大移動量の特定対象物と当接する接点をＱ、接点Ｐと当接する基準面上の点をＳ、接点Ｐ及びＱにおける前記曲面の曲率半径をそれぞれＲｐ及びＲｑとするとき、基準面と当接しているときの接点Ｐ及び前記特定対象物と当接しているときの接点Ｑにおける前記曲面の曲率中心Ｏp及びＯqが、前記直線Ｖ上に位置し、且つＲｐがＲｑよりも小さくならないように前記曲面が加工されている請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記曲面が、接点Ｑから離れる方向に接点Ｐより延びる曲率半径Ｒpの微小円弧と、接点Ｐから離れる方向に接点Ｑより延びる曲率半径Ｒqの微小円弧とを含む輪郭を有する請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
前記特定対象物の最大厚さもしくは最大移動量をｗとするとき、Ｒｐ＝Ｒｑ＋１／２ｗである請求項２または３に記載の検出装置。
【請求項５】
接点ＰＱ間の前記曲面が、Ｒｑ以上Ｒｐ以下で接点Ｑに近づくほど曲率半径が小さくなる複数の微小円弧からなり、それらの微小円弧が前記直線Ｖ上の定位置もしくは接点Ｑに近づくほど基準面から遠ざかる前記直線Ｖ上の位置に曲率中心を有する請求項２〜４のいずれかに記載の検出装置。、
【請求項６】
接点ＰＱ間の前記曲面が、Ｒｍ＝Ｒｐ−ｎＷ（ｎ＝０．３±０．１）を充足する曲率半径Ｒｍを有する単一の円弧からなる請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記特定対象物の最大厚さもしくは最大移動量をｗ、接点Ｐが基準面と当接しているときのレバー部と基準面とのなす角度をθ、回転軸Ｃの中心から接点Ｐまでの長さをＬとするとき、前記曲面が、前記直線Ｖ上に曲率中心を有し、Ｒｍ＝Ｌｓｉｎθ−ｎｗ（ｎ＝０．３±０．１）を充足する曲率半径を有する単一の円弧からなる請求項１に記載の検出装置。
【請求項８】
前記変位量伝達部が、周方向に周期的な加工が施されたスケール部である請求項１〜７のいずれかに記載の検出装置。

【図１】