JP2015132600A - 光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触のエネルギー伝送により構造を簡素化した光電センサを提供する。【解決手段】監視領域２０内の物体を検出するための光電センサ１０、特にレーザスキャナであって、発射光線２６を送出するための発光器２２、監視領域２０内の物体により拡散反射された光２８から受光信号を生成するための受光器３２、受光信号に基づいて監視領域２０内の物体に関する情報を取得するための評価ユニット３４、４８、駆動部１６を有する台座ユニット１４、監視領域２０を周期的に走査するために駆動部１６を用いて台座ユニット１４に対して回転させることができる走査ユニット１２、及び台座ユニット１４と走査ユニット１２の間で非接触のエネルギー伝送を行うための給電ユニット３８を備えるセンサ１０において、給電ユニット３８が駆動部１６に統合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の光電センサ及び請求項１０のプレアンブルに記載の監視領域内の物体の検出方法に関する。

水平方向に広い角度範囲を測定できるシステムが必要な距離測定には光電式のシステム、特にレーザスキャナが好適である。レーザスキャナでは、レーザにより生成された光線が偏向ユニットの作用により周期的に監視領域を塗りつぶすように掃引される。この光は監視領域内の物体により拡散反射され、スキャナ内で評価される。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速から、レーザスキャナから物体までの距離が推定される。

これら角度と距離の情報から、監視領域における物体の場所が二次元極座標で検出される。これにより、各物体の位置を求めたり、また複数の位置で同一の物体を検知する場合にはその物体の輪郭を特定したりすることができる。更にまた、レーザスキャナ内で偏向ユニットに更なる運動の自由度を与えたり、レーザスキャナに対して物体を相対移動させたりする等の方法により、走査方向に交差する方向の相対移動を行うことで、第３の空間座標を検出することも可能である。このようにすれば三次元的な輪郭も計測できる。

このような測定への応用の他、レーザスキャナは、例えば危険な機械に代表されるような、危険の発生源を監視するための安全技術にも用いられる。このような安全用レーザスキャナが特許文献１から知られている。そのレーザスキャナでは、機械の稼働中に操作者の進入が禁止された防護領域が監視される。例えば操作者の脚等、許可されない物の該領域への侵入を認識すると、レーザスキャナは機械の緊急停止を作動させる。安全技術用のセンサは特に確実に機能しなければならず、そのため、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）等の高い安全要件を満たさなければならない。

レーザスキャナにおける監視平面の走査は通常、発射光線を回転鏡に当てることにより行われる。発光器、受光器及びそれらに付随する電子機器及び光学系は装置内で固定されており、鏡と共に回転はしない。このように回転鏡を用いる場合、その回転軸に対して発光器と受光器の向きを非常に高い精度で決める必要がある。その向きがずれると監視平面が曲がってしまう。また、そのような光学ユニットはサイズが大きくなる。なぜなら、物体距離のうち鏡を介して受光光学系へと至る部分が必ず機器の内部まで延びるからである。また、前面ガラス自体やその汚れに起因して該前面ガラス上に生じる迷光の効果によりセンサ機能が損なわれることになる。

回転鏡の代わりに一体駆動型の走査ユニットを用いることも知られている。例えば特許文献２に記載の装置では発光器と受光器を含む測定ヘッド全体が回転する。特許文献３の装置も同様に回転可能な発光・受光ユニットを備えている。この走査ユニットには、センサのうち回転しない領域から、例えば変圧の原理により電力が供給される。

このように、回転する測定ヘッドに非接触で電力を供給するという抽象的な考えは公知であるが、それを実用化するには大きな問題がある。まず、高価な機械装置を使用したり、測定ヘッドをモータに接続したりするため、組み立てコストが高く、多大な製造コストがかかる。加えて、大きな直径の領域でエネルギーを伝送するには通例、回転式の鉄製部品が必要であり、そのために相当な駆動出力が必要となって、シャフトに負荷がかかる。

DE 43 40 756 A1 DE 197 57 849 B4 EP 2 388 619 A1

従って、本発明の課題は、一体駆動型の走査ユニットを備えるセンサの構造を簡素化することにある。

この課題は、請求項１に記載の光電センサ及び請求項１０に記載の監視領域内の物体の検出方法により解決される。本発明の光電センサは、台座ユニットと走査ユニットという２つの部分から成る。監視領域を周期的に走査するため、走査ユニットは台座ユニットに対して回転駆動される。台座ユニットは静止しており、センサのうち他の全ての動かない要素（例えばケーシング）を含む。ここで「静止している」又は「動かない」とは、センサの通常のカバー装置に対する関係を指しているが、例えば車両等の乗り物に搭載される移動可能なセンサ装置のように、センサ全体は動いてもよい。この場合、その乗り物が本発明に言う「静止した」カバー装置となる。本発明の基礎を成す技術思想は、走査ユニットに非接触で給電を行うために追加の要素を用いず、代わりに、非接触の給電部を予め備えている特別な駆動部を用いることにある。

本発明には、非接触のエネルギー伝送が極めて簡単になるという利点がある。駆動部に給電ユニットが統合されているため、非接触の給電に関係するあらゆる対策を予め駆動部の設計の段階で考慮することができる。従って、モータ製造業者の広範にわたる経験と解決策が利用可能である。給電のために駆動される部分の質量が非常に小さいので、駆動部内の始動時の慣性が小さく、モータの軸受けに追加的な負荷がほとんどかからない。この高度な統合により、本発明の装置は非常にサイズが小さく、個別の部分から成る従来の給電ユニットの構造と違って、明らかに製造や組み立てのコストが安い。まとめて言えば、非常にコンパクトで安価であり、しかも頑強なセンサが得られる。

本発明において、発光器及び受光器は走査ユニット内に配置されていることが好ましい。これにより、走査ユニットが非常に自立的な測定ヘッドとなる。発光器及び受光器の他、それらに付随する発光光学系及び受光光学系、並びに発光用電子機器及び受光用電子機器の少なくとも一部も走査ユニット内に収容することが好ましい。

前記駆動部は、そのシャフト上に、該シャフトにより一体駆動される前記走査ユニットへ給電を行うための給電用接続部を備えることが好ましい。これにより、エネルギー伝送が統合的且つ非接触な形でシャフト上にて行われる。つまり、駆動部はシャフトにより回転駆動される装置のために直接利用できる接続部を自ら備えており、その接続部がここでは走査ユニットへの給電に利用される。

前記給電ユニットは、前記台座ユニットに対して固定された少なくとも１つの一次コイルと、前記走査ユニットと共に回転する少なくとも１つの二次コイルとを有するトランスを備えることが好ましい。こうして、一次コイルをセンサ内部の静止部分に配置する一方、二次コイルを走査ユニットと共に回転させることにより、非接触でエネルギーが伝送される。コイルの設計、すなわちコイルの高さ、直径、位置、巻き方等のパラメータを通じて、走査ユニットへの電力の伝送効率等の特性を決めることができる。原理的には、トランスの原理による伝送の代わりに、ダイナモの原理による伝送も考えられる。この場合、二次コイルは回転運動からエネルギーを生み出す。

前記一次コイル及び二次コイルは共通のコイル芯を有することが好ましい。ここで、「コイル芯」とはその機能を指す概念であり、芯が幾何学的にコイルの内側にある必要はない。コイル芯は鉄などの磁性体から成ることが好ましい。

前記コイル芯は中空状の横断面を有するリングとして構成され、その中空部の中に前記一次コイル及び二次コイルが収容されていることが好ましい。このようなリングは、例えば金属薄板を積層して成る簡単な回転部品として製造できる。このリングは安価に製造及び取り付けを行うことができる。中空形状の一例はＵ字形状であって、更に上方へ張り出し部を設けてＵ字をほぼ円形に閉じてもよい。

前記リングは前記駆動部を取り囲んでいることが好ましい。そのために該リングは、例えば樹脂製のホルダで駆動部に固定される。このようにすれば、センサの高さを変えることなく、給電ユニットの直径をより大きくすることが可能になる。

前記二次コイルは芯なしで巻回されていることが好ましい。言い換えれば、これはコイルの内側にコイル芯がないということであり、共通のコイル芯が円周状のリングとして構成されている場合に特に効率よく機能する。芯なしでコイルを巻くことにより、走査ユニットに非接触で給電を行うために動かすべき質量が非常に小さくなる。一次コイルも芯なしで巻回してもよいが、このコイルは動かされないから、その軽量化よりもエネルギー伝送効率の向上の方が重要である。従って、一次コイルについては普通に内側にコイル芯を備えるべきである。

好ましい一実施形態においては、前記シャフトが中空シャフトとして構成され、前記給電ユニットが前記駆動部に対して前記走査ユニットの反対側に配置され、給電線が前記シャフトを通じて前記走査ユニットまで引かれている。この形態では、給電ユニットが本来の駆動部の下に収納されるため、高さがやや大きくなる代わりに直径が小さくなるが、それがセンサ及びその要求条件にとって好都合であるならば、このような配置を採用してもよい。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。

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、模範的な実施例に基づき、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。

光電センサの概略断面図。 光電センサの別の実施形態の概略断面図。 光電センサ内で用いられる、共に回転する給電用接続部を有する駆動部の非常に簡略化した概略断面図。

図１は光電センサの一実施形態であるレーザスキャナ１０の概略断面図である。レーザスキャナ１０は、大きく分けて、動かすことができる走査ユニット１２と、台座ユニット１４とを含んでいる。走査ユニット１２は光学的な測定ヘッドであり、台座ユニット１４にはその他の要素（給電部、評価用電子機器、接続部等）が収納されている。監視領域２０を周期的に走査するため、運転中は、走査ユニット１２が台座ユニット１４の駆動部１６によって回転軸１８のまわりに回転駆動される。

走査ユニット１２では発光器２２が発光光学系２４を用いて発射光線２６を生成する。この光線は監視領域２０へと発射される。発射光線２６が監視領域２０内で物体に当たると、それに対応する光線が拡散反射光２８としてレーザスキャナ１０へ戻ってくる。拡散反射光２８は受光光学系３０により受光器３２へ導かれ、そこで電気的な受光信号に変換される。発光器２２及び受光器３２は回路基板３４上に配置されている。この基板３４は回転軸１８上にあり、駆動部１６のシャフト３６に結合されている。

図１に示した走査ユニット１２の構造は概略的なものであり、いずれにせよ模範例に過ぎないと理解すべきである。例えば、図のように発光器２２と受光器３２を並べて配置する（二重眼配置）代わりに発光器２２を受光器３２の手前に配置したり、ビームスプリッタを用いたりする等、単一ビームの光電センサ又はレーザスキャナの分野で知られているいかなる配置でも代用可能である。本発明は走査ユニット１２へ非接触でエネルギーを供給する手段に関するものであって、発光器、受光器、並びにそれらの光学系及び電子機器の具体的な形態はさほど重要ではない。

詳しく言うと、本実施例では給電ユニット３８がモータすなわち駆動部１６に統合されている。該ユニット３８は、トランスの原理により非接触でエネルギーを走査ユニット１２へ伝送するという好ましい構成を有している。鉄製リング４２がホルダ４０を介して取り付けられ、駆動部１６を取り囲んでいる。鉄製リング４２の中には少なくとも１つの一次コイル４４と少なくとも１つの二次コイル４６がある。リング４２に固定された一次コイル４４は台座ユニット１４に対して静止しており、従ってレーザスキャナ１０内で静止している。これに対して、二次コイル４６はシャフト３６に固定されており、走査ユニット１６と共に回転する。これにより、何ら追加の特別な手段を用いなくても、一次コイル４４から二次コイル４６へ伝送されるエネルギーを、回転中の走査ユニット１２において直接取り込み、それを例えば発光器２２と受光器３２を有する回路基板３４に供給することができる。なお、図１では台座ユニット１４の台枠も二次コイル４６を取り囲んでいるが、これは図を簡略化したために過ぎない。何度も強調したように、二次コイル４６は走査ユニット１２と共に回転するのであって、レーザスキャナ１０の静止部分には属していない。

こうしてトランスの回転部を成す二次コイル４６は、一体で運動する質量を最小限にするために、芯なしの釣り鐘状コイルにすることが好ましい。鉄製リング４２（好ましくは単体の部品）はコイル芯として機能するが、台座ユニット１４内で静止しているため、走査ユニット１２の慣性に寄与することはない。

以上の構成では駆動部１６及び給電ユニット３８が一緒になって単一の構造を形成しているため、レーザスキャナ１０の製造及び組み立てコストが削減される。給電ユニット３８及び特にトランスの回転部（つまり二次コイル４６）は駆動部１６の表面またはその内部にまで直接統合される。

可能であれば走査ユニット１２の別の回路基板と共通化される電子回路カード３４には、発光器２２及び受光器３２の他、それらに付随する電子機器、並びにセンサの制御及び評価用電子装置の少なくとも一部を含めることができる。別の制御及び評価ユニット４８が台座ユニット１４内に静的に収納されている。回路基板３４と制御及び評価ユニット４８は例えば図示せぬ無線インターフェイスにより互いに接続されており、その機能に注目すれば、結局共通の制御及び評価部としての役割を果たす。この点に関しては、本発明の様々な実施形態において走査ユニット１２と台座ユニット１４の間の機能配分をほぼ任意に変えることができる。

制御及び評価ユニット４８は回路基板３４と協働して発光器２２に光を発生させ、受光器３２から受光信号を受け取り、更にそれを評価する。とりわけ同ユニット４８は駆動部１６を制御し、角度測定ユニット（図示せず）から信号を受け取る。角度測定ユニットは各時点における走査ユニット１２の角度位置を特定するものであり、レーザスキャナの分野では周知である。

評価のために、検知された物体までの距離を光通過時間法により測定することが好ましい。そのために、位相ベースのシステムでは、発光器２２の出力する発射光が変調され、受光器３２の出力する受光信号との位相関係が評価される。あるいはパルスベースのシステムの場合、幅の狭い光パルスが発射光として所定の発光時点に送出され、受光信号からその受光時点が算出される。後者の場合、単発の発射パルスからその都度距離を求める個別パルス法と、多数回にわたり連続的に発射光を送出した後、受光信号を累積して統計的に評価するパルス平均法が考えられる。発射光線２６がそれぞれ送出されたその都度の角度位置は、前記角度測定ユニットにより同様に分かる。こうして、各走査周期が終わる度に、走査平面内における全ての対象点の２次元極座標が前記角度及び距離を通じて分かる。更に、走査ユニット１２を傾動させれば監視領域の３次元的な認識も可能である。

こうして判明した物体の位置又は輪郭は、センサのインターフェイス５０を通じて出力することができる。センサのインターフェイス５０又は別の図示せぬ接続部は、逆にパラメータ設定用のインターフェイスとしても機能する。安全技術に応用する場合は、監視領域２０内に設定可能な防護域への不許可の侵入を監視し、その結果から、必要に応じて、安全確保のための電源遮断信号を安全に構成されたインターフェイス５０（Output Signal Switching Device；ＯＳＳＤ）を通じて出力する。

発光器２２は、例えば可視、紫外又は赤外領域内に波長を持つ光を発する半導体ダイオードのような簡単な光源として構成することができるが、例えば複数の光源を一列又は行列状に配置したものであってよい。それに対応して受光器３２も、フォトダイオードのように単純な受光面を持つものや、ＣＣＤやＣＭＯＳチップのように多数の受光素子を一列又は行列状に配列したものとすることができる。後者の場合、個別の走査光線だけでなく多数の受光光線が生じるから、それを用いて光通過時間法により２次元又は３次元画像データを取得することができる。原理的には走査ユニット１２内でほぼ任意の形態のセンサユニットを回転させ、監視領域２０を認識することができる。例えば、同一又は異なる物理的な測定原理で互いに補い合う複数のセンサユニットを異なる角度位置で配置してもよい。

本発明によれば、一体で回転する走査ユニット１２を有するレーザスキャナ１０において、ステータとロータの間で非接触のエネルギー伝送を行う手段が組み込まれた駆動部１６が用いられる。このような駆動部１６は、何ら別の対策を講じなくても、共に回転する給電用接続部をそのシャフト３６上に備えているから、ユーザは、レーザスキャナ１０の静止した部分と運動する部分との接続を気にすることなく、両者をはっきり区別することができる。それゆえ、特段の配慮がなくても、回転する走査ユニット１２への給電が確実に行われる。全く同じ原理に基づき、給電用接続部に加えて又はその代わりにデータ用インターフェイスをシャフト３６上に備える駆動部を用いることも考えられる。この場合、駆動部に統合された非接触のデータ伝送部を通じて、ステータとロータの間でデータ交換が行われる。

図２はレーザスキャナ１０の別の実施形態を図１と同様に概略断面図で示している。ここで、同一の符号は、同一又は相互に対応する特徴部分を示している。図１の実施形態とは異なり、図２では給電ユニット３８が駆動部１６の下に配置されている。この配置によれば、給電ユニット３８の直径、特に鉄製リング４２の直径を小さくできる。そして、駆動部１６が上から下へ、（有効）シャフト３６、本来の駆動部１６及び給電部３８という３つの部分にはっきり分かれる。更に給電ユニット３８が駆動部１６の表面又はその内部にまで統合される。下に配置された給電ユニット３８からエネルギーを上の有効シャフト３６まで、ひいては走査ユニット１２まで届けるために、本実施形態のシャフト３６は、内部に必要な配線を収納できる中空シャフトとして構成されている。

図３は、一体で回転する統合型の給電用接続部５２をシャフト３６上に備える駆動部１６の原理を非常に簡略化した図で再度示している。給電ユニット３８の駆動部１６への統合を象徴的に示すため、駆動部１６のブロックに給電ユニット３８の符号が一緒に付されている。給電用接続部５２には、何ら別の対策を講じなくても、共に回転するユニット（走査ユニット１２等）のケーブルを接続することができる。

Claims (10)

1. 監視領域（２０）内の物体を検出するための光電センサ（１０）、特にレーザスキャナであって、発射光線（２６）を送出するための発光器（２２）、前記監視領域（２０）内の物体により拡散反射された光（２８）から受光信号を生成するための受光器（３２）、前記受光信号に基づいて前記監視領域（２０）内の物体に関する情報を取得するための評価ユニット（３４、４８）、駆動部（１６）を有する台座ユニット（１４）、前記監視領域（２０）を周期的に走査するために前記駆動部（１６）を用いて前記台座ユニット（１４）に対して回転させることができる走査ユニット（１２）、及び前記台座ユニット（１４）と前記走査ユニット（１２）の間で非接触のエネルギー伝送を行うための給電ユニット（３８）を備えるセンサ（１０）において、
   前記給電ユニット（３８）が前記駆動部（１６）に統合されていることを特徴とするセンサ（１０）。
2. 前記発光器（２２）及び前記受光器（３２）が前記走査ユニット（１２）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記駆動部（１６）が、そのシャフト（３６）上に、該シャフト（３６）により一体駆動される前記走査ユニット（１２）のための給電用接続部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記給電ユニット（３８）が、前記台座ユニット（１４）に対して固定された少なくとも１つの一次コイル（４４）と、前記走査ユニット（１２）と共に回転する少なくとも１つの二次コイル（４６）とを有するトランス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センサ（１０）。
5. 前記一次コイル（４４）及び前記二次コイル（４６）が共通のコイル芯（４２）を有することを特徴とする請求項４に記載のセンサ（１０）。
6. 前記コイル芯は中空状の横断面を有するリング（４２）として構成され、その中空部の中に前記一次コイル（４４）及び前記二次コイル（４６）が収容されていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ（１０）。
7. 前記リング（４２）が前記駆動部（１６）を取り囲んでいることを特徴とする請求項６に記載のセンサ（１０）。
8. 前記二次コイル（４６）が芯なしで巻回されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
9. 前記シャフト（３６）が中空シャフトとして構成され、前記給電ユニット（３８）が前記駆動部（１６）に対して前記走査ユニット（１２）の反対側に配置され、給電線が前記シャフト（３６）を通じて前記走査ユニット（１２）まで引かれていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ（１０）。
10. 監視領域（２０）内の物体を検出するための方法であって、発射光線（２６）が送出され、前記監視領域（２０）内の物体により拡散反射された光（２８）が受光され、前記監視領域（２０）内の物体に関する情報を取得するために前記光（２８）が評価され、前記発射光線（２６）を送出する走査ユニット（１２）が駆動部（１６）により回転駆動されることにより前記発射光線（２６）が前記監視領域（２０）を周期的に走査し、エネルギーが前記走査ユニット（１２）へ非接触で伝送される方法において、
    前記エネルギーが、前記駆動部（１６）に統合された給電ユニット（３８）から伝送されることを特徴とする方法。

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