JP2012068243A - レーザスキャナ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザスキャナにおいて角度の監視を簡単且つ確実に行うことができるようにする。
【解決手段】監視領域２０にある物体を検出するためのレーザスキャナ１０であって、発射光線１６を出射するための発光器１２、前記発射光線１６を前記監視領域２０へ向けて周期的に偏向させるための回転可能な偏向ユニット１８、監視領域２０にある物体により拡散反射された光線２２から検出信号を生成するための受光器２６、及び、角度単位形成体３２を有し、前記偏向ユニット１８の角度位置を検出できる角度測定ユニット３２、３４、３８を備えるレーザスキャナ１０において、前記偏向ユニット１８を前記角度単位形成体３２と一体的に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏向ユニットの角度位置を測定することができる角度測定ユニットを備える請求項１のプレアンブルに記載のレーザスキャナ、及び、そのようなレーザスキャナの製造方法に関する。

レーザスキャナは、物体の位置を求めたりその輪郭を確定したりするために、多くの分野で物体認識に利用されている。レーザスキャナの一例として、光源から出射されたレーザ光線の方向を偏向ユニットによって変化させることにより監視領域を周期的に走査するものがある。レーザ光線は監視領域内にある物体の表面で拡散反射され、スキャナ内で解析される。偏向ユニットの角度位置から物体の角度位置が推定され、更に光の通過時間と光の速度に基づいてレーザスキャナから物体までの距離が推定される。光の通過時間の算出については、位相に基づく方法（以下、位相方式）とパルスに基づく方法（パルス方式）という２つの基本原理が知られている。位相方式では、発射光が変調され、その発射光に対する受信光の位相のずれが評価される。パルス方式では、レーザスキャナから発射された光パルスが再び受信されるまでの経過時間が測定される。

こうして角度と距離が分かれば、監視領域における物体の場所を２次元極座標で検出できる。更に、その２次元座標系に交差する方向への相対移動があれば、第３の空間座標も把握できる。それは、例えば偏向ユニットにレーザスキャナの内部における更に別の運動の自由度を与えたり、物体をレーザスキャナに対して移動させたりすることで実現できる。従って、３次元的な輪郭の測定も可能である。

レーザスキャナは、以上のような測定の分野だけでなく、危険の発生源（例えば危険な機械）を監視するための安全技術の分野でも用いられる。このような安全装置用レーザスキャナの例が特許文献１に開示されている。この装置では、機械の運転中に操作担当者が侵入してはならない防護領域が監視される。このレーザスキャナは、例えば操作担当者の足など、何かが許可なく防護領域へ侵入したことを認識すると、機械を緊急停止させる。それ以外のもの（例えば機械の固定部分）の防護領域への侵入は許可すべきものとして事前に学習させておくことができる。防護領域の手前に警告領域を設けることも多い。この場合、警告領域に何物かが侵入すると、まず警報が発せられる。こうして防護領域への侵入及びそれに起因する防護動作を早めに防止することで、機械設備の可用性を高めることが狙いである。安全装置用レーザスキャナの動作方式は通例、パルス方式である。

安全技術の分野で利用されるセンサは、特に信頼性の高い動作が要求されるため、例えば欧州規格ＥＮ１３８４９（機械の安全に関する規格）やＥＮ６１４９６（非接触動作型防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen; ＢＷＳ）に関する装置規格）に規定された高度の安全要件を満たさなければならない。これらの安全規格に装置を適合させるため、様々な対策が講じられる。例えば、冗長で異なる電子装置による確実な電子的判定、機能の監視（特に前面ガラス等の光学部品の汚染状態の監視）、並びに／若しくは、規定の反射率を有し、それぞれ異なる走査角度において認識されるべき個々のテスト用標的の設置などである。

従来のほとんどのレーザスキャナでは、偏向ユニットとして平面的な回転鏡が用いられ、これにより走査対象の平面が離散的な角度間隔で走査される。このレーザスキャナには、物体の検出される角度を知るために、回転鏡又はそれを駆動するモータの角度又は回転数を測定するためのエンコーダが設けられている。このエンコーダは、例えばエッチングされた金属又はレーザ加工された樹脂からなる目盛り板を備える。鏡の回転中、目盛り板のマークがフォーク状の光遮断機の間を巡回的に通過して信号を生成する。この信号が角度又は回転数の情報の解析に利用される。

このような目盛り板は別個の製造工程を必要とする追加的な部品である。従って、その使用によりレーザスキャナの製造コストや組み立てコストが増大する。また、目盛り板を取り付けたモータと回転鏡との結合が緩む可能性があるという問題もある。この緩みが生じると、モータとともに回転する目盛り板と回転鏡との間に滑りが生じ、その結果、エンコーダにより測定される回転運動が、走査中の回転鏡の向きと全く一致しなくなる。そうなると測定精度が損なわれるが、問題はそれだけではない。レーザ式の防護装置では、信頼性を保証するために鏡の回転を監視することが多い。安全装置用レーザスキャナにおいて角度位置情報の信頼性の低下はまずもって許されない。従って、目盛り板と回転鏡の回転を一致させるか、少なくとも両者の間の滑りの大きさを検出するために、コストのかかる特別な対策を講じなければならない。

光学的に走査される目盛り板の代わりとして、モータ組み込み型のホールセンサが知られている。しかしこの方法では、角度の絶対測定ができないか、少なくとも困難である。また、特に温度が変動する場合に測定精度が問題となる。

DE 43 40 756 A1

従って、本発明の課題は、レーザスキャナにおいて角度の監視を簡単且つ確実に行うことができるようにすることである。

この課題は、請求項１に記載のレーザスキャナ及び請求項１２に記載のレーザスキャナの製造方法により解決される。本発明の基礎を成す技術思想は、角度位置を普通に行われるやり方で検出するということにある。つまり、本発明では、偏向ユニットの角度位置を検出するための角度測定ユニットに含まれる角度単位形成体を偏向ユニットと一体的に形成することにより、両者が緩み無く結合される。ここで「一体的に」とは、広い意味で言えば、レーザスキャナの本来の組み立て工程より前の段階で角度単位形成体が少なくとも直接的に偏向ユニットに強固に結合され、動く余地が無いということである。また、狭い意味で言えば、角度単位形成体と偏向ユニットを別々に作製した後で相互に結合又は接合するのではなく、両者をまとめて１つの部品として形成する（例えば同一の製造工程において一緒に又は統合的に作り出す）ということである。また、いずれの意味においても、偏向ユニットの取り付け部品又はソケットに角度単位形成体が一体的に結合され、光学的作用を有する偏向素子（鏡等）が前記取り付け部品に搭載される、という場合が含まれる。

本発明には、偏向ユニットそのものの回転数又は角度の情報を確実に取得できる設計になっているという利点がある。また、偏向ユニットと角度単位形成体を結合することは明らかにコスト削減につながる。なぜなら、製造する部品が１つしかなく、偏向ユニットと角度単位形成体をモータに固定する作業も１工程で済むからである。偏向ユニットと角度単位形成体を一体に成形すれば、前者が停止した時に後者だけが回転することはもはやあり得ない。従って、滑りを監視したり、それを回避するための特別な構造上の措置を講じたりする必要はない。更に、角度単位形成体や偏向ユニットにモータへの固定面を設ける必要がないため、構造が非常にコンパクトになる。

角度単位形成体は、コード板、特に目盛り板又は歯車を含むことが好ましい。コード板には回転用モータの軸を通すための中心開口を設ける。目盛り又は歯は通例、規則的な間隔で形成され、１つの角度に対応する符号マークを構成する。このようなマークは簡単なセンサで光学的に認識可能である。

角度単位形成体は数度程度の角度分解能を持つ符号マークを備えることが好ましい。歯車の場合がまさにそれに当たる。この場合、簡単に達成可能な角度分解能は、その製造方法（例えば射出成形法）により数度、つまり１〜５度程度に制限される。ただし、それより大きな角度、例えば８度又は１０度も考えられる。他の製造方法であれば、より小さな角度分解能も可能である。

角度測定ユニットは、符号マークを複数回走査した結果に基づいて角度位置の補間又は平均計算を行うことが特に好ましい。補間の場合、回転運動の速度が一定であれば、たとえ符号マークの間隔が比較的粗くても正確な角度測定が可能である。また、平均計算の場合、順次認識される複数の符号マークに基づく平均計算により、角度単位形成体の製造上の公差を補うことができる。

角度単位形成体は、同一の中心を有する一又は複数の符号軌道を備えることが好ましい。符号軌道とは、全体で所望の測定範囲にわたる角度測定器を形成する、複数のグループ化された符号マークのことを言う。個々の符号軌道では、特に簡単に増分方式の（インクリメンタルな）符号化を行うことができる。この場合、角度測定ユニットは相対的な角度変化を、例えばその上を通過した符号マークの数に基づいて求める。この情報と角度位置の初期値から絶対的な角度が求められる。真の絶対測定では、各符号マークに角度位置の完全な情報を保持させることが必要となる。そのためには、それに応じた長大な符号を複数の符号軌道に設けることが有利である。この場合、角度測定ユニットにもそれに応じた数の走査ヘッドを設ける。

偏向ユニット及び角度単位形成体は樹脂製部品、特に射出成形部品として構成されることが好ましい。この場合、単一の要素が統一的な製造工程により前方から内側へと形成される。これにより製造及び組み立てを簡単に、低コストで行うことができる。

偏向ユニットは、モータの軸又はロータへの取り付けに用いられる空洞を有するソケットを備えることが好ましい。このソケットは軸又はロータの周囲を完全に囲うものでもよいし、例えば数個の弓状の脚部や多数の細い脚部を有し、一部の角度範囲だけを囲うものでもよい。

角度単位形成体は前記ソケットの外周に配置されることが好ましい。特にこの角度単位形成体はソケットの周囲の歯車リムとして構成することができる。これにより、単体の部品を特に簡単に製造することができる。

偏向ユニットは回転鏡として構成されることが好ましい。これは、広い角度範囲をカバーするために、レーザスキャナにおいて最も多く採用される鏡の形態である。また、回転多面鏡を用いるもの等、他の形態の偏向ユニットも考えられる。偏向ユニットは回転軸に対して斜めに向いた鏡面を有することが特に好ましい。このような回転鏡は、例えば、回転軸に対して垂直な平面を走査するために、発光素子及び受光素子に対して４５度の角度で配置される。あるいは、双曲面鏡のように輪郭のある鏡も知られている。このような鏡は発光光学系又は受光光学系に追加的な特性を与えるために利用できる。

本発明のレーザスキャナは、角度単位形成体を走査するためのフォーク状の光遮断機を備えることが好ましい。この形態によれば、目盛り板又は歯車リムの通過に伴う明暗の変化を数えることにより角度情報を取得するセンサを簡単且つ低コストで構成できる。フォーク状の光遮断機は一方向型光遮断機あるいは反射型光遮断機のいずれとして構成してもよい。

本発明のレーザスキャナは、発射光線の出射から受信光線の受光までの経過時間に基づいて対象物までの距離を測定するように構成された距離測定ユニットを備えることが好ましい。この距離測定ユニットは例えばパルス方式又は位相方式で作動する。それに加えて、複数のパルスの評価を行うことも可能である。この場合、測定点毎に一続きの光パルスをまとめて出射し、受信信号から平均計算又は回帰計算により光の通過時間を値を計算する。こうして角度だけでなく距離情報も取得すれば、検出された物体の位置の２次元極座標が利用できる。これにより、用途に応じて物体の位置及び／又は輪郭を確定することができる。

本発明のレーザスキャナは、防護ユニットと安全な出力部を備える安全装置用レーザスキャナとして構成され、前記防護ユニットは、監視領域内の防護領域に物体が許可なく侵入したことを認識すると前記安全な出力部を通じて防護信号を出力するように構成されることが好ましい。これにより、危険領域を防護するための防護領域監視システムという、安全技術の分野における典型的な用途への応用が可能になる。このような安全装置用スキャナは通例、全ての機能的に重要な要素において、冒頭で述べた安全に関する要求事項を満たす。

本発明に係るレーザスキャナの製造方法では、回転可能な偏向ユニットが角度単位形成体と一体的に作製され、両者が１つの共通部品としてモータの軸又はロータに取り付けられる。従って、それらを別々に製造して組み立てる工程はない。

偏向ユニットと角度単位形成体が射出成形法により共通の樹脂製部品として製造されるようにすると特に有利である。射出成形法は、低コストでありながら、一体成形された部品において所望の特性を正確に実現することができる方法である。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照ながら詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。

本発明に係るレーザスキャナの一実施例の概略断面図。 図１に示したレーザスキャナに使用されている、角度単位形成体と一体成形された偏向ユニットの立体図。 図２ａに示した偏向ユニットを、角度単位形成体が上に向けた状態で描いた立体図。 図２ａ及び２ｂに示した偏向ユニット及び角度単位形成体を駆動モータのロータに取り付け、更に角度単位形成体を走査するフォーク状の光遮断機を設けて成る装置の立体図。

図１は本発明に係るレーザスキャナ１０の概略断面図である。発光器１２は、例えばレーザ光源を備えており、発光光学系１４を用いて発射光線１６を生成する。発射光線１６は偏向ユニット１８を介して監視領域２０へ出射される。この監視領域２０に何か物体が存在すれば、発射光線１６はその物体により拡散反射される。この反射光２２は再びレーザスキャナ１０へと戻り、偏向ユニット１８により偏向された後、受光光学系２４により収束され、フォトダイオード等の受光器２６により検出される。

図示したレーザスキャナ１０では、発光器１２と発光光学系１４が受光光学系２４の中央に設けられた開口の中に配置されているが、この配置は単なる一例に過ぎない。例えば、発光光線１６のための専用の鏡領域を設けたり、分割鏡を用いたりする等、他の方法を用いる形態も本発明に含まれる。

偏向ユニット１８はモータ３０のロータ２８又は軸に取り付けられており、このモータ３０が偏向ユニット１８を連続的に回転させる。偏向ユニット１８の外周には、コード板の形状を有する角度単位形成体３２が偏向ユニット１８と一体に形成されている。この角度単位形成体３２をエンコーダセンサ３４で走査することにより、その時点における偏向ユニット１８の角度位置が検出される。偏向ユニット１８及び角度単位形成体３２から成る部品１００の全体構成、並びに角度測定方法については、後で図２ａ〜図３を用いて詳しく説明する。

発光器１２、受光器２６、モータ３０及びエンコーダセンサ３４は解析ユニット３６に接続されている。本実施例の解析ユニット３６は３つの機能ブロックに分割されているが、これとは異なる形で機能ブロックを分割してもよい。また、少なくともその一部をレーザスキャナの外部で実現してもよい。

発光器１２により生成された発射光線１６は、偏向ユニット１８の回転運動により生じる監視領域２０を走査する。この監視領域２０から来る反射光２２が受光器２６により受信されると、まず角度解析ブロック３８が、エンコーダセンサ３４のデータを利用して、物体が検出された方向の角度を特定する。

更に、距離解析ブロック４０では、発射光線１６の出射から反射光２２の受光までの経過時間が、例えばパルス通過時間法、位相法、又は複数パルス法により算出される。光の通過時間と光の速度から、レーザスキャナ１０と検出された物体との間の距離が推定される。

このように、偏向ユニット１８が１回転するたびに、監視領域２０に存在する物体の全ての点の２次元極座標（角度及び距離）が分かる。物体認識ブロック４２では、その座標情報に基づいて監視領域２０にある物体の位置又は輪郭が確定される。更に、レーザスキャナ１０が特に安全装置用レーザスキャナとして構成されている場合は、防護領域内に物体が許可無く侵入していないかどうかを確認する防護領域分析が行われる。

物体認識の結果は出力部４４から出力される。出力の内容はレーザスキャナ１０の実施形態によるが、例えばフォーク状光遮断機及び受光素子により得られる生データ、最終的に得られる物体の位置及び輪郭、物体の有無を示す２値信号などである。安全装置用レーザスキャナの場合、安全確保のための電源遮断信号が出力部４４から出力される。そのためには、例えば定期的な検査又は二重チャンネル化（Output Signal Switching Device, OSSD）により出力部４４の安全性を確保する。

図２ａ及び図２ｂは偏向ユニット１８と角度単位形成体３２からなる共通の部品１００の立体図であり、図２ａでは鏡面が上向き、図２ｂでは下向きになっている。以下、同一の符号は同一の特徴部分を示している。偏向ユニット１８及び角度単位形成体３２は共通の樹脂部品として互いに一体に結合されている。その製造にはコスト的に有利な射出成形法が好適である。なお、図には部品１００の機械的構造が比較的詳しく描かれているが、これはあくまで例に過ぎない。

本実施例では平面的な回転鏡が偏向ユニット１８として機能する。そのソケット４６は、傾斜した回転鏡の最も低い部分において約１２０度の角度範囲にわたって延在する接続部５０により接続された２本の短い脚部４８と、回転鏡の最も高い部分において数度程度の角度範囲にだけ延在する長い脚部５２からなる。こうして形成された３本脚の構造体の内側にロータ２８を嵌め込むことにより、部品１００をモータ３０に取り付けることができる。

角度単位形成体３２は、脚部５０及び５２の外周から歯車のような形で突き出ている。隣接する歯の角度間隔（角度分解能）は約８度である。角度測定の精度を高めるには、角度解析ブロック３８において補間処理を行うことにより中間の値を求めればよい。同様に、射出成形部品１００の製造上の公差を補償するために、複数回の測定の結果を平均することも考えられる。

図３は共通部品１００をモータ３０のロータ２８に取り付けた状態を示す立体図である。エンコーダセンサ３４は、フォーク状光遮断機のように角度単位形成体３２の周縁部を両側から挟み込んでおり、このセンサで歯と間隙の入れ替わりを検出することにより角度位置が測定される。角度単位形成体３２及び偏向ユニット１８の取り付けは一つの作業工程だけで済む。共通部品１００が一体的な構造を有しているため、部品間の調整ずれや滑りはそもそも起こらない。

角度単位形成体３２は、脚部５０及び５２の外周において歯車のような形に作られている。隣接する歯の角度間隔（角度分解能）は約８度である。角度測定の精度を高めるには、角度解析ブロック３８において補間処理を行うことにより中間の値を求めればよい。同様に、射出成形部品１００の製造上の公差を補償するために、複数回の測定の結果を平均することも考えられる。

Claims (13)

1. 監視領域（２０）にある物体を検出するためのレーザスキャナ（１０）であって、発射光線（１６）を出射するための発光器（１２）、前記発射光線（１６）を前記監視領域（２０）へ向けて周期的に偏向させるための回転可能な偏向ユニット（１８）、監視領域８２０）にある物体により拡散反射された光線（２２）から検出信号を生成するための受光器（２６）、及び、角度単位形成体（３２）を有し、前記偏向ユニット（１８）の角度位置を検出できる角度測定ユニット（３２、３４、３８）を備えるものにおいて、
   前記偏向ユニット（１８）が前記角度単位形成体（３２）と一体的に構成されていることを特徴とするレーザスキャナ（１０）。
2. 前記角度単位形成体（３２）が、コード板、特に目盛り板又は歯車を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザスキャナ（１０）。
3. 前記角度単位形成体（３２）が数度程度の角度分解能を持つ符号マークを備え、前記角度測定ユニット（３８）が、前記符号マークを複数回走査した結果に基づいて角度位置の補間又は平均計算を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザスキャナ（１０）。
4. 前記角度単位形成体（３２）が、同一の中心を有する一又は複数の符号軌道を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
5. 前記偏向ユニット（１８）及び前記角度単位形成体（３２）が樹脂製部品、特に射出成形部品として構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
6. 前記偏向ユニット（１８）が、モータ（３０）の軸又はロータ（２８）への取り付けに用いられる空洞を有するソケット（４６）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
7. 前記角度単位形成体（３２）が前記ソケット（４６）の外周に配置されてることを特徴とする、請求項６に記載のレーザスキャナ（１０）。
8. 前記偏向ユニット（１８）が回転鏡として構成され、特に回転軸に対して斜めに向いた鏡面を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
9. 前記角度単位形成体（３２）を走査するためのフォーク状の光遮断機（３４）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
10. 前記発射光線（１６）の出射から受信光線（２２）の受光までの経過時間に基づいて対象物までの距離を測定するように構成された距離測定ユニット（３６、４０）を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
11. 防護ユニット（３６、４２）と安全な出力部（４４）を備える安全装置用レーザスキャナとして構成され、前記防護ユニット（３６、４２）は、監視領域（２０）内の防護領域に物体が許可なく侵入したことを認識すると前記安全な出力部（４４）を通じて防護信号を出力するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザスキャナ（１０）の製造方法であって、前記回転可能な偏向ユニット（１８）が前記角度単位形成体（３２）と一体的に作製され、両者が１つの共通部品（１００）としてモータ（３０）のロータ（２８）又は軸に取り付けられることを特徴とするレーザスキャナの製造方法。
13. 前記偏向ユニット（１８）と前記角度単位形成体（３２）が射出成形法により共通の樹脂製部品（１００）として作製されることを特徴とする、請求項１２に記載のレーザスキャナの製造方法。

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