(57)【要約】      （修正有）【課題】単純な技術的手段によって、３６０°の走査範囲を実現する。【解決手段】走行時間原理に基づいた光センサは、観察領域内に放射光パルスを放出する光源２０と、前記放射光パルスのビーム方向を、当該ビーム方向に対して直角に配置される回転軸を中心に回転させる回転装置と、前記観察領域内の物体から反射された光パルスを検出する検出器５０と、前記光源２０を制御し、前記検出器５０によって検出された前記光パルスを評価し、更に、前記光パルスについて測定された走行時間に基づいて物体の離隔距離を特定する制御評価ユニット９０と、を含む。前記光センサは、前記回転装置がロータ４０およびステータ３０を有することと、光源２０、検出器５０、および制御評価ユニット９０の一部を構成する電子アセンブリが、ロータ４０上に配設されて、ロータと共に回転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察領域（１２）内に放射光パルス（２２）を放出する光源（２０）と、
前記放射光パルス（２２）のビーム方向（２４）を、当該ビーム方向（２４）に対して垂直に位置する回転軸（４６）を中心に回転させる回転装置と、
前記観察領域（１２）内の物体（１０）によって反射された光パルス（２６）を検出する検出器（５０）と、
前記光源（２０）を制御し、前記検出器（５０）によって検出された前記光パルス（２６）を評価し、更に、前記光パルス（２６）について測定された走行時間に基づいて、物体の離隔距離を測定する制御評価ユニット（９０）と、を含む、走行時間原理に基づく光センサであって、
前記回転装置は、ロータ（４０）およびステータ（３０）を有し、
前記光源（２０）、前記検出器（５０）、および前記制御評価ユニット（９０）の一部を構成する電子アセンブリ（９２）は、前記ロータ（４０）に配設されて前記ロータ（４０）と共に回転する、センサ。
【請求項２】
前記ロータ（４０）に配設されるミラー（２８）は、前記観察領域（１２）内の物体（１０）によって反射された光パルス（２６）を前記検出器（５０）まで案内することを目的として設けられる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記ロータ（４０）には、前記ステータ（３０）に配置されたコイル（３８）によって駆動できる永久磁石（４８）が設けられる、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記ステータ（３０）と前記ロータ（４０）の間に、トランスフォーマリンク（７２，７４）を設けて、前記ステータ（３０）から前記ロータ（４０）にエネルギを送る、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記ロータ（４０）から前記ステータ（３０）にデータを転送するために、前記ロータ（４０）と前記ステータ（３０）の間に光伝送路（７６，７８）が設けられる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記光伝送路（７６，７８）は、前記ロータ（４０）の回転軸（４６）上に形成される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ミラー（２８）は、凹面鏡（２８）であり、より具体的には放物面鏡である、請求項２乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ミラー（２８）は、コーティング（２９）が施された成型プラスチック部品（２７）である、請求項２乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ロータ（４０）および前記ステータ（３０）は、前記ステータ（３０）に対して固定されるハウジング（６０）内に収容され、
前記ハウジング（６０）は、仕切遮蔽板（６６）、より具体的には、全周を囲繞する仕切遮蔽板（６６）を含み、前記遮蔽板は、前記放射光パルス（２２）および前記反射された光パルス（２６）に対して透明である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記仕切遮蔽板（６６）の光学的透光性を検査することを目的として、前記ロータ（４０）に配設される少なくとも一つの検査用検出器（５２）が設けられ、前記検査用検出器（５２）は、前記放射光パルス（２２）および前記反射された光パルス（２６）の少なくともいずれかが通過する、前記仕切遮蔽板（６６）の処理領域（６１，６２，６４）に向けて位置決めされ、
検査光（５３）を提供するために、検査用光源（５４）が設けられて、前記ロータ（４０）に同様に搭載され、
前記ハウジング（６０）の外部に、少なくとも一つの反射素子（８０）を設け、前記反射素子（８０）に向けて、前記検査光（５３）が送られ、
前記検査用検出器（５２）は、前記反射素子（８０）から反射された検査光（５５）を検出できるように配置される、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記検査光（５３）は、前記仕切遮蔽板（６６）の第１領域（６４）内で前記仕切遮蔽板（６６）を通り抜けて、センサ内部（６８）から外部に向かい、
前記反射素子（８０）によって反射された前記検査光（５５）は、前記仕切遮蔽板（６６）の第２領域（６２）内で前記仕切遮蔽板（６６）を通り抜けて、センサ内部（６８）に向かう、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記検査用光源（５４）は、パルス状の動作に適合する、請求項１０または１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記反射素子（８０）は、円環状ミラー、または三角形の断面を有する円環状の形材（８２）であり、特に、透明プラスチック材料から成る、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記反射素子（８０）は、前記ハウジング（６０）の張り出し部（６３）の下に取り付けられる、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記成型プラスチック部品（２７）内に、収容手段を設けて、前記光源（２０）、前記検出器（５０）、前記検査用光源（５４）、前記検査用検出器（５２）、および前記電子アセンブリのうちの少なくともいずれかを収容する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記電子アセンブリ（９２）の回路基板（９３）を保持する成型プラスチック部品（２７，２００）が設けられて、前記ロータ（４０）に取り付けられる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記成型プラスチック部品（２７，２００）に、凹面鏡（２８）の輪郭部（２４０）が形成される、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記成型プラスチック部品（２７，２００）に、チューブ（２１）が形成され、前記チューブ内に、埋め込み方式で前記光源（２０）が配置される、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記成型プラスチック部品（２７，２００）は、特に矩形である上部プレート（２１０）、および特に矩形である下部プレート（２２０）を含む、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記チューブ（２１）は、前記上部プレート（２１０）または前記下部プレート（２２０）に形成される、請求項１６および１８に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記チューブ（２１）内に、前記光源（２０）からの光を集束させるレンズが配置される、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記ロータ（４０）の回転軸（４６）は、均衡がとれた回転を実現するために、前記成型プラスチック部品（２７，２００）から中央に突き出し、特に、前記凹面鏡（２８）から中央に突き出す、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記上部プレート（２１０）および前記下部プレート（２２０）の少なくともいずれかに、前記回路基板（９３）の少なくとも一つを取り付けるための取り付け手段（９４）が配設される、請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記成型プラスチック部品（２７，２００）に取り付けられた前記回路基板（９３）は、他の回路基板にはんだ付けされる、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記成型プラスチック部品（２７，２００）と、当該成型プラスチック部品（２７，２００）に取り付けられた前記回路基板（９３）とによって、立方体構造が形成される、請求項１６に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行時間原理で動作する光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な光センサは、たとえば、欧州特許出願公開第１３７８７６３号明細書に記載されており、この光センサが含む構成要素は、観察領域内に放射光パルスを放出する光源、放射光パルスのビームを横断する方向に配置される回転軸を中心として、前記ビームの経路を回転させる回転装置、観察領域内の物体によって反射された光パルスを検出する検出器、および前記光源を制御し、前記検出器によって検出された光パルスを評価し、更に光パルスについて測定された走行時間に基づいて目標物の離隔距離を特定する制御評価ユニットである。
【０００３】
放射光ビームが回転することに加え、通常、レーザが光源として採用されるため、このような装置は、レーザスキャナ、レーザレーダ、または二次元レーザ測定装置とも呼ばれる。このタイプのセンサは、これまで主に、異なる複数の業務に関する産業用途に利用されている。極端に高レベルの汚染、埃、または雨や雪などの天候状態によって、センサが測定不能なものになるため、前述の目的に対応する基本的な前提条件は比較的クリーンな環境である。
【０００４】
一般的な装置は、たとえば、フォークリフトトラックの運行指示に利用され、この運行指示は、環境内の規定の位置に配設された反射器または吸収器を用いて実行されることが多い。運行指示は、基本的に、反射器なしでも実行可能であるが、その場合も環境の個々の状態は、教示段階において、評価に取り込まれなければならない。
【０００５】
他の利用可能な用途は、障害物検出、建物の安全策、個人保護、および物体の容積測定の分野の業務に存在するため、基本的には、物体の輪郭の検出に何らかの関わりがあるすべての課題に存在する。
【０００６】
前述したタイプのセンサは、それ自体既に知られているが、これらのセンサは、動作範囲、走査範囲、および測定データの処理に用いられる個々の方法において互いに異なっている。特に重要な違いの一つは、既知の装置における走査範囲が約１８０°であるのか、または約３６０°であるのかという点である。
【０００７】
欧州特許出願公開第１３７８７６３号明細書に記載されたタイプの二次元光センサでは、測定平面内にレーザビームを反射させるために回転ミラーが利用されている。レーザは、回転軸に沿って放射され、レシーバは、その同一軸内で、物体から反射されたレーザ光を受け取る。理想的な状態において、光は、観察領域、すなわち測定平面に対する正確な直角から４５°傾斜したミラーによって、観察領域からレシーバに向けてそれぞれ反射される。
【０００８】
ただし、これらの装置は、残余光学誤差と呼ばれる若干の機械的心ずれを常に提示するため、ミラー上のレーザ光の入射角度は、ミラーの回転位置のすべてについて同一にはならない。したがって、回転するレーザビームは、ミラーの回転軸に対して直角に延びる平面の周りで旋動する。このとき、ビームは、旋動誤差を呈すると言える。ミラーの取り付けは、一般に、この問題を解決する際の最も大きな障害である。機械アセンブリの底部にミラーを取り付けたとしても、ミラーに向かってレーザ光を回転軸に沿って放射させることは依然として困難である。一方、最上部にミラーを取り付けて懸架した場合、この取り付けは、一般にブーム状のアセンブリを利用して行わなければならないため、駆動システム全体の取り付けおよび配置に関して問題が生じる。この方式では、モータの給電線および機械的保持手段が上方に向かって垂直方向に延びるブーム状のシステムの位置に盲点が生じ、この設計のセンサは、全周測定を行うことができない。換言すると、これらのセンサで、３６０°の全範囲に亘って環境を走査することは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３７８７６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、走行時間原理で動作する光センサを提供し、この光センサにおいて、単純な技術的手段によって３６０°の走査範囲を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的は、請求項１の特徴を有する光センサによって達成される。
【００１２】
本発明の光センサの好ましい実施形態については、特に従属請求項および図面を参照しながら下記で説明する。
【００１３】
本発明に係る、前述したタイプの光センサは、回転装置がロータおよびステータを含み、光源、検出器、および制御評価ユニットの一部を形成する電子アセンブリは、共に回転するように、ロータに取り付けられる。
【００１４】
従来技術とは異なり、光源および検出器が互いに固定された関係で、一緒に回転できるように光源および検出器を配置することは、本発明の基本概念であると考えることができる。光源および検出器は、固定システム内で同時に回転するため、旋動誤差は生じ得ない。このことは、本発明の第１の重要な利点を構成する。
【００１５】
他の重要な利点は、駆動装置に関してこれまで存在していた問題が生じなくなることである。測定システムの上部に電気的または機械的構成要素を取り付ける必要がないため、ロータが駆動される場所に関わりなく、どのような形式であれロータが測定システムを妨害することはなく、盲点が生じる可能性もなくなる。
【００１６】
更に重要な改良は、光源および検出器が両方ともロータ上に配置されるため、極めて小型の上部構造を実現することができ、特に、長い光路が排除される。独立して回転するミラー、ならびに空間的に固定されるトランスミッタおよびレシーバを含む既知のシステムと比べて、光路を大幅に短縮することができる。また、必要とする全体的な取り付け空間がより小さくなるため、装置全体をより小さい寸法で作製することができる。
【００１７】
小型の構成の結果として、回転中の空気の乱流も抑制されるため、より高速の回転を行うことができる。
【００１８】
原則的に、レンズを用いて、観察領域から反射された光パルスを案内して、検出器上に集束させることができる。本発明のセンサの特に好ましい変形例において、同様にロータに取り付けられるミラーが、観察領域内の物体によって反射された光パルスを検出器に案内する光学手段として存在する。
【００１９】
この方式は、一方では、非常に軽量の構成要素を利用して実現でき、他方では、ミラーを用いることで、重量を抑制しながら、大開口数と、その結果得られる良好な光強度とを実現することができる。
【００２０】
前述のミラーとしては、凹面鏡が好ましく用いられ、特に、方物面鏡を利用することで、優れた集束特性を実現できる。このため、凹面鏡が、コーティングを施した成型プラスチック部品であれば、低重量の構成要素を得ることができる。
【００２１】
一般に、本発明の光センサにおいて、構成要素は、可能な限り軽量であることに加え、可能な限り回転軸に近接して配設される、すなわち、最小の慣性モーメントになるように形成されることが好ましい。この場合、高速の回転、ひいては高速の環境走査をより容易に実現することができる。
【００２２】
５０Ｈｚを大きく上回る回転数、すなわち、３０００ｒｐｍより速い速度は、本明細書に記載する装置を用いることで達成できる。
【００２３】
回転駆動装置を実現するために、ロータに永久磁石を配置すると有利であり、この永久磁石は、ステータに配設されたコイルによって駆動することができる。ここで、ロータ上の永久磁石は、電動機のロータの方式で動作する。
【００２４】
原理的には、滑り接点を介して、ステータからロータに電気エネルギを送ることができる。ただし、光源、検出器、および制御評価ユニットの駆動に必要なエネルギは、ステータからロータに非接触方式で送られるとより好ましい。この方式は、本発明の光センサの他の好ましい変形例において、ステータとロータの間にトランスフォーマリンクを設けて、ステータからロータにエネルギを送ることによって、特に有利に実現できる。原則的に、このトランスフォーマリンクは、情報の伝送用に実装することもできる。たとえば、固定部すなわちステータから、制御評価ユニットの構成要素が既に存在している可動部すなわちロータに、構成データおよび制御データの少なくともいずれかを送ることができる。基本的に、低いデータ速度でも十分にこの目的に対応する。
【００２５】
原理的には、検出器によって特定される測定データも、電気的手段によって外部に転送することができる。ただし、このようにすると大量のデータが累積するので、ロータとステータの間に光伝送路を形成して、ロータからステータにデータを伝送すると特に有利である。原則的に、伝送路は、本明細書の文脈において、一方向のみ、すなわちロータからステータへのデータ伝送が可能なものであればよい。このため、発光ダイオードなど、少なくとも一つの適切な光源をステータに設け、この発光ダイオードの変調信号を、ステータに適切に配置された一つ以上のフォトダイオードで検出する。原則的に、この光伝送路は、双方向のデータ交換用に形成することもでき、この場合は、少なくとも一つの光源と、少なくとも一つの光検出器とを、前記伝送路の両側に設けなければならない。
【００２６】
このような光伝送路は、ロータの回転軸上で、特に洗練された安価な方式で実現することができる。
【００２７】
動作中に非常に高速で回転し、かつ、光学部品および電子部品を含むロータと、ステータとを、外部の影響、特に汚染および機械的衝撃から保護し、更に、回転部品によって人に危険が及ぶことを避けるために、ロータおよびステータは、ステータに対して固定関係にあるハウジング内に収容されると有利である。
【００２８】
理論的には、放射光パルスが外部に向かって進む際に通過し、かつ、観察領域内の物体によって反射された光パルスが検出器に戻る際に通過する領域を解放したまま残し、光がその領域を通って両方向に、妨害されることなく移動できるようにすることも可能である。ただし、このような開放した領域からセンサ内部に汚染物質が到達する可能性があり、また、この開放した領域は、作業者に危険をもたらす原因ともなるため、ハウジングは、仕切遮蔽板、具体的には、３６０°の角度を取り囲む遮蔽板を備えるなど、主に閉じられていることが好ましい。本明細書において、「透明」という用語は、各領域が、光源によって放射された光にとって透明であることを意味する。このことは、センサ内部が外側から可視である状態を意味する必要はない。たとえば、利用する光源が赤色レーザである場合、透明領域は、前記レーザの波長に対して透明である赤色プラスチック材料で取り囲まれた領域であってよい。
【００２９】
このタイプの光センサでは、光源から出たビーム、たとえば、レーザビームが、検出すべき物体に実際に到達したことを確認する必要がある。レーザビームが過度に減衰するか、または完全に消失するような事態が生じた場合、このことは、必ず検出器によって検出されて、作業者または高次の制御システムに通知されなければならない。そうでないと、実際には一つ以上の物体が観察領域に存在するにも関わらず、何の物体も検出されないという間違いが生じることになる。レーザ自体の機能的有効性は、効果的に監視することができる。他の課題は、レーザ光が、前述したように、ハウジングの前記仕切遮蔽板のような光学窓を通過する必要があり、透明領域とも呼ばれるこの仕切遮蔽板または光学窓が、透光性についての必要な特性を備えていないという状態に関するものである。この状態は、たとえば、仕切遮蔽板が汚れていたり、損傷していたりする場合、特に、傷またはひび割れが存在する場合に生じ得る。光センサが正常に機能することを保証するためには、仕切遮蔽板に十分な透光性があることを確認する必要がある。このことは、透光性モニタリングとも呼ばれる。
【００３０】
従来のセンサでは、湾曲した遮蔽板が仕切遮蔽板として利用され、光源の適切な向きおよび曲率により、検査光ビームは前記遮蔽板を二度通過する。このビームは、たとえば、発光ダイオードによって提供される。可能な限り完全な仕切遮蔽板の検査を行うために、検査光は、複数の位置において仕切遮蔽板を通過するように送られる。それでもなお、全体の検査、特に、全透明領域または仕切遮蔽板全体を網羅する検査を実現することはできない。
【００３１】
このような透光性モニタリングは、信頼できる測定にとって必要不可欠である。これを行わないと、光センサは、検出する物体が実際に存在しないのか、または、仕切遮蔽板の汚れによって光が完全に吸収されてしまい、実際には存在する物体の検出に失敗したのかを特定することができない。
【００３２】
仕切遮蔽板は、特に、包囲要素であってよい。すなわち、仕切遮蔽板は、３６０°の回転または走査範囲全体に亘って延びる。
【００３３】
したがって、本発明の光センサの特に好ましい変形例において、仕切遮蔽板の透光性を検査するために、少なくとも一つの検査用検出器がロータに配設される。この検査用検出器は、放射光パルスおよび反射された光パルスの少なくともいずれかが通過する、仕切遮蔽板の処理（throughput）領域に向けて方向決めされる。検査光を提供する検査用光源が存在し、この検査用光源も同様に、検査装置の追加部品としてロータに搭載される。また、ハウジングの外部には、検査光が送り込まれる少なくとも一つの反射素子が設けられ、検査用検出器は、反射素子によって反射された検査光を検出する位置に適切に配置される。
【００３４】
この開発の第１の中心的考えは、検査用検出器は、従来技術で行われているように固定式に配置されるのではなく、センサの内部で回転可能なロータに搭載されることであると言える。
【００３５】
回転する検査用検出器を用いて、仕切遮蔽板の処理領域について、連続的で、特に、回転方式の制御およびモニタリングを行えることは、本実施形態の重要な利点であると見なすことができる。
【００３６】
本発明の光センサの特に好ましい変形例において、前部の遮蔽板の非常に広い領域で、透光性を検査することができる。この変形例において、検査光は、センサの内部から外に、仕切遮蔽板の第１領域を通って放射され、反射素子によって反射された検査光は、前述の第１領域とは異なる、仕切遮蔽板の第２領域を通って前記センサの内部に戻る。ここで、仕切遮蔽板の第１領域の特性および仕切遮蔽板の第２領域の特性の両方が、検査用検出器によって実際に測定された信号に組み込まれるため、この測定方法では、両方の領域が感知される。第１および第２領域の高さは、たとえば、各ビームが、回転軸、すなわち回転中心から異なる距離で位置するように、互いにオフセットさせることができる。この方式は、中心オフセットと呼ぶこともできる。
【００３７】
前述した方式により、本発明の光センサの動作信頼性を大きく改善することができる。
【００３８】
円環ミラー、または円環ミラーの複数の区画を反射素子として利用することができる。
【００３９】
前述した中心オフセットは、透明材料で形成され、特に、三角形の断面を有する円環状の形材、またはその形材の区画で構成される反射素子を用いることによって、極めて洗練された方式で実現することができる。検査光ビームは、光学の分野で基本的に知られているビーム偏向器の場合と同様、内部反射によって、前述した三角形の形材で屈折される。
【００４０】
反射素子によって反射された検査光の部分を外部光部分から区別するために、検査用光源はパルス化されることが好ましい。
【００４１】
原則的に、仕切遮蔽板の透光性の最も完全な検査を実現するために、複数の検査用光源およびその光源に割り当てられた複数の検査用検出器の少なくともいずれかを、たとえば、ロータの対称的に対向する領域に設けることができる。
【００４２】
仕切遮蔽板の実現可能な最良の透光性を達成するために、検査用光源から放出されるビームの幅を広げる手段を設けると有利である。検査用光源および検査用検出器はいずれも回転するので、検査用光源からのビームを回転方向に広げるまたは拡散させる必要はなく、回転方向に対して直角に延びる方向にのみ拡散すればよい。したがって、この目的については、非対称または円筒状のレンズを利用すると有利である。
【００４３】
本発明の光センサの更に他の好ましい変形例において、反射素子は、ハウジングの張り出し部の下に取り付けられ、これにより、反射素子は、機械的損傷もしくは埃による汚染、またはその両方から特に効果的に保護される。
【００４４】
本発明の追加の実施形態において、光源、検出器、検査用光源、検査用検出器、および制御評価ユニットの一部である少なくとも一つの電子アセンブリのうちの少なくともいずれかが保持される収容手段が、成型プラスチック部品内に形成され、この部品内にミラーが形成されると、極めて小型の構造と、異なる構成要素の非常に良好な近軸の配置を実現することができる。
【００４５】
回転部品の極めて小型の構成は、電子アセンブリの回路基板を保持するために、ロータに取り付けられる成型プラスチック部品を設けることで実現する。
【００４６】
凹面鏡の輪郭部は、前記成型プラスチック部品に形成されると特に好ましい。
【００４７】
センサハウジング内部の迷光または散乱光を可能な限り低減する目的で、成型プラスチック部品にチューブを好ましく形成でき、このチューブ内に、埋め込み方式で光源が配置される。
【００４８】
前記成型プラスチック部品が、上部プレートおよび下部プレートを有すると、機械的により安定すると同時に、より簡単な構成を実現できる。
【００４９】
前記光源が収容される前記チューブは、簡単な方式で、前記上部プレートまたは下部プレートに形成することができる。
【００５０】
光源の光を集束させる目的で、前記チューブ内にレンズを配置することができる。
【００５１】
ロータ上の前記成型プラスチック部品の幾何学的配置または空間的位置については、ロータの回転軸が、均衡のとれた回転を実現するために、前記成型プラスチック部品から中心に突き出る、特に、前記凹面鏡から中心に突き出るように、ロータ上で前記成型プラスチック部品が配置されると特に好ましい。均衡をとることを目的として、はんだパッドが存在してもよく、このはんだパッド上に、必要に応じて、はんだを載置することができる。
【００５２】
前記上部プレートおよび下部プレートの少なくともいずれかに、少なくとも一つの回路基板を取り付けるための取り付け手段が設けられると、機械部の構成を容易に行うことができる。この取り付け手段は、たとえば、成型プラスチック部品に形成され、かつ、取り付け状態において、回路基板内の対応する穴に係合するピンであってよい。これらのピンは、アセンブリを完成するために、熱圧縮および厚み付けすることができる。これにより、全体で一纏まりの構成が実現し、この構成は、破壊的方式でのみ分解することができる。たとえば、各回路基板は、４つのピンを用いて固定することができる。
【００５３】
成型プラスチック部品に取り付けられた回路基板が、他の回路基板にはんだ付けされると、簡単な手段で良好な安定性を得ることができる。
【００５４】
機械的安定性に関して、回路基板を取り付けた成型プラスチック部品によって立方体構造が形成されるアセンブリも好ましい。回転によって生じる遠心力は、重力の３００倍に達し得るが、この遠心力は、立方体構造を用いることで特によく吸収される。これに関連して、上部プレートおよび下部プレートの少なくともいずれかは、長方形の形状を有することが好ましい。
【００５５】
また、光学部品は、成型プラスチック部品によって機械的に安定化され、特に、立方体構造が実現されることで、センサの機能的信頼性が向上する。
【００５６】
本発明の光センサの更なる利点および特徴は、下記において付属の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の光センサの例示的実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る、センサの成型プラスチック部品の側面図である。
【図３】図２の成型プラスチック部品の前面図である。
【図４】図２の成型プラスチック部品の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明の光センサ１００の例示的実施形態について、図１を参照しながら詳しく説明する。図面に模式的に示されている本発明の光センサ１００の基本的な構成要素は、光源２０、検出器５０、および制御評価ユニット９０の一部である電子アセンブリ９２である。また、成型プラスチック部品２７上のコーティングによって形成される凹面鏡２８が設けられている。光源２０、検出器５０、および電子アセンブリ９２も、図１には詳細に示されていない適切な保持手段を用いて、成型プラスチック部品２７内に収容される。
【００５９】
前記構成要素が配設された成型プラスチック部品２７は、ステータ３０に対して回転するように構成されるロータ４０に搭載される。この構造全体が、ボトル状の外形を有するハウジング６０内に収容され、ロータ４０は、転がり軸受４２，４４上で、回転軸４６に対して回転することができる。ロータ４０には、永久磁石４８も固定され、この永久磁石４８は、ステータ３０に設けられたコイル３８を利用して、電動機方式で駆動することができる。ステータ３０からロータ４０にエネルギを送るために、コイル７２，７４によってトランスフォーマリンクが形成される。基本的には、たとえば、構成データおよび制御データの少なくともいずれかは、比較的低いデータ転送速度ではあるが、このトランスフォーマリンクを介して、光源２０、検出器５０、および電子アセンブリ９２の少なくともいずれかに伝送することができる。
【００６０】
フードと見なされてもよいハウジング６０は、第１に、センサ内部チャンバ６８を周囲から隔絶された状態に維持する、特に、同チャンバ６８を汚染および機械的損傷から保護する目的で用いられる。ハウジング６０の他の目的は、高速、たとえば、３０００回転／分を上回る速度で回転するロータ４０によってもたらされる危険から作業者を守ることである。
【００６１】
軸方向、すなわち、回転軸４６に沿って設けられる光伝送路は、発光ダイオード７８およびフォトダイオード７６によって形成されて、回転部品からステータにデータを伝送する。光伝送路を通ってロータからステータに送られるデータの速度は、たとえば、１００メガボーである。
【００６２】
ハウジング６０は、透明領域と見なされてもよい仕切遮蔽板６６を含む。仕切遮蔽板６６は、独立した構成要素である必要はなく、図示した例のように、ハウジング６０の一体部品として形成することができる。この目的についての唯一の基本的な要件は、ハウジング６０が、少なくとも、光源２０からの光パルス２２が外に向かう方向で通過しなければならない出口領域６１において、加えて、物体１０によって反射された光パルス２６がセンサ内部６８に戻る際に通過しなければならない領域６２，６４において、利用される波長に対して透明であることである。図示した例では、６６０ｎｍ、すなわち、暗赤色の範囲で発光するレーザダイオードが用いられる。
【００６３】
仕切遮蔽板６６が十分にクリーンである、すなわち、仕切遮蔽板６６が十分な透光性を提供することを確認するために、図示した例では発光ダイオードである検査用光源５４および検査用検出器５２が、ロータ４０に更に設けられる。検査用光源５４および検査用検出器５２は、具体的には、成型プラスチック部品２７に形成された保持手段に同様に収容することができる。原則的に、検査用検出器５２上に検査光を集束させるために、レンズなどの適切な光学手段を設けることができる。
【００６４】
検査用光源５４は、放射した検査光５３が、第１領域６４内で仕切遮蔽板６６を通過して反射素子８０に衝突するように配置され、検査光５３は、反射素子８０によって反射されてハウジング６０に送り返される。図示した例において、反射素子は、三角形の断面を有し、かつ、透明なプラスチック材料で作製される円環状の形材８２である。図１に模式的に示すように、検査光５３は、二重内部反射によって反射素子８０から１８０°偏向され、反射された検査光５５は、反射素子８０の幾何形状に従って、中心より外側に若干オフセットされる。反射された検査光５５は、第２領域６２を通ってセンサ内部６８に再進入し、その後、検査用検出器５２まで進む。検査用検出器５２は、この目的に合わせて適切に配置されて、前述の検査光５５を検出する。
【００６５】
仕切遮蔽板６６の表面が汚れている場合、または、仕切遮蔽板６６に、損傷、たとえば、ひび割れや疵がある場合、この状態は、検査光の低下した光度に基づいて、検査用検出器５２によって検出される。検査用検出器５２によって測定される検査光５３，５５の光度は、制御評価ユニット９０によって評価され、測定された光度が指定の閾値より低い場合、取得した測定データは、評価に考慮されなくなる。
【００６６】
放射光パルス２２が、物体１０による反射以外の方法で検出器５０に衝突することを避けるために、光源２０は、成型プラスチック部品２７に同様に成型されるチューブ２１内に埋め込まれる。
【００６７】
本発明の光センサの重要な利点は、光源、ミラー、検出器、および評価電子機器が共にロータに配設された結果として、小型、特に、近軸の配置を設定できることである。実現できる最高回転速度を制限する要因である空気乱流は、トランスミッタ、ミラー、レシーバ、および電子アセンブリを含むこのユニットによって大幅に削減できる。
【００６８】
本明細書に記載した、本発明の光センサ１００の変形例の他の特別な利点は、検査用光源５４が、検査用検出器５２と同様にロータ４０上に配設され、この両方がセンサ１００の動作中に同時に回転するため、原則的に３６０°の全角度範囲に亘って、前部の遮蔽板６６の全周を監視できることである。したがって、第１領域６４および第２領域６２は、ロータ４０の回転位置に応じて、前部の遮蔽板６６の異なる領域にそれぞれ位置する。他の重要な利点は、第１領域６４および第２領域６２が一致することはなく、その結果、埃によって生じ得る汚染に関する評価において、仕切遮蔽板６６の極めて大きい領域が網羅されることである。
【００６９】
最後に、本明細書に記載した、本発明の光センサの実施形態の利点は、仕切遮蔽板６６に、湾曲形状を設ける必要がないことである。光源２０は、実質的に、ハウジング６０の出口領域６１に非常に近接して配置できるため、前記出口領域６１において、事実上、放射光パルス２２からの内部反射は生じ得ない。したがって、バックグレアが生じる可能性が排除される。特に、仕切遮蔽板６６は、単純な円筒形に形成することができる。
【００７０】
図１に示した光センサの更なる細部について説明すると、反射素子８０によって形成される円環状の形材８２は、ハウジング６０の張り出し部６３の下に取り付けられるため、機械的衝撃、ひいては外部からもたらされる損傷に対して特に効果的に保護される。
【００７１】
原則的に、本明細書に記載した透光性モニタリングプロセスにおいて、検査光ビームは、ロータの底面または上面から、透明領域とも言える、略円筒の外側仕切遮蔽板を通って斜めに送出される。このビームは、円環ミラーまたは円環状の形材などの反射手段の上部または下部に衝突し、平行にオフセットした状態で反射される。これにより、仕切遮蔽板は、埃によって生じ得る汚染について、２つの領域で検査される。すなわち、測定される距離データは、検査光が通過する両方の領域が十分にクリーンな場合にのみ、有効であると評価される。
【００７２】
本発明の光センサは次のように動作する。光源２０は、基本的に、既知のレーザポインタと同様に動作し、たとえば、６６０ｎｍの波長、すなわち、暗赤色スペクトル領域の放射光パルス２２を、たとえば、毎秒２５０，０００パルス放出する。放射光パルス２２は、詳細には示されていないコリメータ光学部品を用いてコリメートされて、平行な光線束を形成する。図示した例において、放射光パルス２２は、光センサ１００の回転軸４６に対して垂直なビーム方向２４に放射される。放射光パルス２２が、観察領域１２内の物体１０に衝突すると、放射光パルス２２は、この物体１０から光パルス２６の形で反射され、光パルス２６は、前部の遮蔽板６６を通ってセンサ内部６８に戻り、その中に設けられた凹面鏡２８に衝突する。検出器５０は、反射された光パルス２６のほぼすべてを検出器５０で検出できるように、凹面鏡２８に対して位置決めされる。
【００７３】
評価制御ユニット９０は、図１には詳細には示されておらず、特に、その一部は、ハウジング６０の外部に配置することもできる。この制御評価ユニット９０は、光源２０の制御と、検出器５０によって検出された光パルス２６の評価と、測定された走行時間から、検出された物体１０の離隔距離を算出することとを行う。放射光パルス２２のビーム方向２４を回転することによって、ビーム方向２４が平面内で移動する。この方式で、本発明の光センサ１００は、環境の概要を記録することができる。
【００７４】
これにより、より高速の回転を実現できるため、運行指示の用途において、より速い測定速度で各環境を検出することができる。このことは、運行指示または制御の対象である装置や車両が比較的高速で移動する適用先にとって特に重要である。環境から得られる走査データが低速でのみ供給された場合、運行指示の対象である車両の位置は、２つの測定値の間で大きく変化することになる。その結果生じる効果は、空間歪としても知られている。理論的には、後者は計算で割り出すことができるが、そのためには、速度センサや角度測定センサなど、コンパス方式の追加のセンサが必要になる。
【００７５】
本発明の光センサを利用すると、向上した回転速度により、多数の用途で前述の追加のセンサが不要になり、その結果、コストをかなり節約することができる。
【００７６】
本発明のセンサを利用できる他の用途は、交通モニタリングの分野における通行料計算である。本発明の光センサは、たとえば、橋に設置することができ、その橋の下を通る車両の外形または輪郭を特定することができる。多くの場合、異なる車種の外形はそれぞれ特徴的であるため、特定の車種が、該当する橋の下を通過した時点を割り出すことができる。
【００７７】
本発明は、走行時間方式で動作する、斬新な二次元光学測定センサを開示するものであり、このセンサにおいて、３６０°の全回転範囲のモニタリングが、特に洗練された方式で実現する。このことは、光センサ内に、盲点を形成することになる保持手段を要する、独立した回転ミラーが設けられていないことによって実現する。本明細書に記載した光センサにおいて、全走査ユニット、すなわち、光源、検出器、ミラー、および電子測定装置の部品を含むユニットの回転が行われる。光源、検出器、および電子装置に必要なエネルギは、ステータから、測定ヘッドとも言えるロータに非接触方式で送達される。同様に、データは、ロータから、ステータとも言えるセンサの固定部に、特に、光伝送路を通って非接触方式で伝送される。
【００７８】
本発明に係るセンサに利用できる成型プラスチック部品の実施形態について、図２〜図４を参照して説明する。
【００７９】
図には、成型プラスチック部品２００が示され、この成型プラスチック部品２００は、取り付けられた状態において、電子アセンブリ９２の回路基板９３と共に立方体構造を形成する。
【００８０】
すべての図において、同様の構成要素には同一の参照番号が付されている。
【００８１】
基本的な構成要素として、成型プラスチック部品２００は、上部プレート２１０、下部プレート２２０、および前記上部プレート２１０と下部プレート２２０の間に形成される凹面鏡の輪郭部２４０を含む。凹面鏡２８は、前記輪郭部２４０上のコーティング２９によって形成される。
【００８２】
上部プレート２１０には、チューブ２１が形成され、このチューブ２１内に、光源２０が配置される。チューブ２１内への光源２０の埋め込み配置によって、本発明に係るセンサ内部における迷光または散乱光の量が大幅に低減される。
【００８３】
上部プレート２１０および下部プレート２２０には、それぞれ、横方向に突出するピン９４が形成される。このピン９４は、電子アセンブリ９２の回路基板９３を取り付ける役割を担う。この構成は、図４に模式的に示されている。図において、２つの回路基板９３は、成型プラスチック部品２００上で互いに向かい合って固定され、ピン９４は、各位置において回路基板９３に形成された穴と係合する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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