(57)【要約】      （修正有）【課題】共動する走査ユニットを備えた、構造が簡素化された光電センサを提供する。【解決手段】発射光線２６を送出するための発光器と、監視領域２０内の物体によって拡散反射された光３０から受光信号を生成するための受光器３４と、ベースユニット１４と、ベースユニット１４に対して可動な走査ユニット１２と、受光信号に基づいて監視領域２０内の物体を検出するための評価ユニット４６と、を備えた光電センサ１０において、ベースユニット１４と走査ユニット１２との間の非接触的なエネルギー伝送とデータ伝送のために、ベースユニット１４が第１の伝送ユニットが設けられた第１のプリント基板を備えており、走査ユニット１２が第２の伝送ユニットが設けられた第２のプリント基板を備えており、第２のプリント基板が走査ユニット１２とともに第１のプリント基板に対して可動である。また、各プリント基板内に一体化されたコイルを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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と、前記監視領域（２０）内の物体によって拡散反射された光（３０）から受光信号を生成するための受光器（３４）と、ベースユニット（１４）と、前記監視領域（２０）を周期的に走査するための、前記ベースユニット（１４）に対して可動な走査ユニット（１２）と、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検出するための評価ユニット（４６）と、を備えており、
前記ベースユニット（１４）と前記走査ユニット（１２）との間の非接触的なエネルギー伝送のために、前記ベースユニット（１４）が第１の伝送ユニット（４４、５４、５６）を備えており、前記走査ユニット（１２）が第２の伝送ユニット（４４、５４、５８）を備えている、光電センサにおいて、
前記ベースユニット（１４）が前記第１の伝送ユニット（４４、５４、５６）が設けられた第１のプリント基板（５０）を備えており、前記走査ユニット（１２）が前記第２の伝送ユニット（４４、５４、５８）が設けられた第２のプリント基板（５２）を備えていること、
両方の前記プリント基板（５０、５２）が平面的に重ねられて配置されており、前記第２のプリント基板（５２）が前記走査ユニット（１２）とともに前記第１のプリント基板（５０）に対して可動であること、および
前記伝送ユニット（４４、５４、５６、５８）が、誘導結合によって前記走査ユニット（１２）に供給するための、それぞれ前記プリント基板（５０、５２）内に一体化されたコイル（５６、５８）を備えていることを特徴とする、光電センサ。
【請求項２】
前記第１のプリント基板（５０）が前記ベースユニット（１４）に固定されており、前記第２のプリント基板（５２）が前記走査ユニット（１２）用の駆動部（１６）のシャフト（３８）に固定されている、請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記発光器（２２）および前記受光器（３４）が前記走査ユニット（１２）に配置されている、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記第１のプリント基板（５０）がロイヤー発振回路を備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記第２のプリント基板（５２）が円形状に形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記コイルが、前記走査ユニット（１２）の回転軸（１８）を囲んで中央に配置された巻線（５６、５８）として前記プリント基板（５０、５２）上に形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記コイル（５６、５８）が逆方向の巻線を備えており、特に前記コイル（５６、５８）が、一方向の内側の巻線と他方向の外側の巻線とを備えた自己補正型の二重巻線を備えている、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記伝送ユニットが、一次側の補助巻線および中心タップの無い共振変圧器を備えている、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記伝送ユニット（４４、５４、５６、５８）が、互いに対向配置された、特に円環として形成された導体構造（６２、６４）をそれぞれ前記プリント基板（５０、５２）上に備えており、前記導体構造（６２、６４）が、容量性の非接触的なデータ伝送部（６０）用の少なくとも１つのコンデンサを形成する、請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
双方向および／または差動データ伝送部（６０）用の複数のコンデンサを形成するために、互いに同心の複数の円環（６２ａ〜ｂ）が設けられている、請求項９に記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
前記複数の円環（６２、６４）の面積が互いに等しい、請求項１０に記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
前記円環（６２、６４）および前記巻線（５６、５８）が前記回転軸（１８）周りに同心状に配置され、前記円環（６２、６４）が前記巻線（５６、５８）を囲繞している、請求項６または７、若しくは請求項９から１１のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１３】
前記伝送ユニット（４４、５４、５６、５８）が、少なくとも部分的にフェライト外被（６８、７０）によって包まれている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１４】
前記プリント基板（５０、５２）が、導電性の低い磁気遮蔽部（６８、７０）によって少なくとも部分的に囲繞されており、
前記遮蔽部（６８、７０）が、底板と、カバー板と、内側筒部および／または外側筒部を備えており、前記走査ユニット（１２）の前記回転軸（１８）が、前記筒部の内部に配置され、前記プリント基板（５０、５２）が前記筒部に対して同心状に前記底板と前記カバー板との間に配置されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１５】
監視領域（２０）内の物体を検出するための方法であって、
ベースユニット（１４）に対して回転可能な走査ユニット（１２）から発射光線（２６）が送出されて受信され、受光された発射光線（３０）から生成された受光信号が前記監視領域（２０）内の物体に関する情報を検出するために評価され、
前記ベースユニット（１４）の第１の伝送ユニット（４４、５４、５６）と前記走査ユニット（１２）の第２の伝送ユニット（４４、５４、５８）との間でエネルギーが非接触的に伝送される、方法において、
前記伝送ユニット（４４、５４、５６、５８）が、前記ベースユニット（１４）の第１のプリント基板（５０）と、前記第１のプリント基板（５０）に平面的に対向配置された前記走査ユニット（１２）の第２のプリント基板（５２）と、にそれぞれ一体化されている平面コイル（５６、５８）の間でエネルギーを誘導的に伝送することを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１あるいは１５のプリアンブルに記載の、監視領域内の物体を検出するための光電センサおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広い水平方向の角度範囲を持つ測定システムを必要とするような距離測定には、光電システム、特にレーザスキャナが適している。レーザスキャナでは、レーザから生成された光線が偏向ユニットによって周期的に監視領域上をなぞる。光は監視領域内の物体に当たって拡散反射され、スキャナにおいて評価される。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、加えて、光伝播時間から光速度を使用してレーザスキャナから物体までの距離が推定される。
【０００３】
前記角度および距離のデータを用いて、監視領域内の物体の場所が２次元極座標に検出される。これにより、各物体の位置を特定することができ、または同一の物体の異なる部位を複数回走査することによって、物体の輪郭を決定することができる。例えば、レーザスキャナ内における偏向ユニットの運動に追加の自由度を与える、または物体をレーザスキャナに対して移動させることにより、走査方向に交差する方向の相対運動を生じさせることによって、第３の空間座標を同様に検出することができる。これにより、３次元の輪郭をも測定することができる。
【０００４】
このような測定用途の他に、レーザスキャナは安全技術において、例えば危険な機械に代表されるような危険源を監視するためにも使用される。この種の安全対策レーザスキャナが、DE 43 40 756 A1より知られている。この場合、機械の運転中に操作者が踏み入ってはならない保護区域が監視される。操作者の脚等、保護区域へ入ってはならない物体の侵入を認識すると、レーザスキャナは機械の非常停止を発動させる。安全技術において使用されるセンサは特に確実に機能しなければならず、そのため、高度な安全要件、例えば機械安全性の規格ＥＮ１３８４９および非接触型保護装置（beruerungslos wirkende Schutzeinrichtungen; BWS）の機器規格ＥＮ６１４９６を満たさなければならない。
【０００５】
レーザスキャナにおける監視領域の走査は、通常、発射光線が回転中の回転ミラーに当たることによって行われる。発光器、受光器、およびそれらに付属の電子機器ならびに光学系は装置に固定的に取り付けられており、ミラーと共に回転はしない。ミラーがあることにより、回転軸に対する発光器および受光器の位置合わせに対する要求が非常に高くなる。この位置合わせから外れると、監視平面が歪んでしまう。さらに、物体距離の一部がミラーを経て受光光学系に至るまで装置内へ常に延在しているので、このような光学ユニットは大型である。前面ガラス自体、またはその汚染による前面ガラス面での散乱光の影響によって、センサ機能が損なわれる。
【０００６】
また、回転ミラーの代わりに、一体駆動型の走査ユニットを使用することも知られている。例えば、DE 197 57 849 B4では発光器および受光器を有する測定ヘッド全体が回転する。同様に、EP 2 388 619 A1では回転可能な発光／受光ユニットを設けている。この走査ユニットには、例えばトランスの原理により、センサの非回転領域からエネルギーが供給され、一方、データ伝送は無線電信を介して、または光学経路上でワイヤレスに行われる。しかし、このような無線インターフェースはコストが高く、また干渉放射の原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】DE 43 40 756 A1
【特許文献２】DE 197 57 849 B4
【特許文献３】EP 2 388 619 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、一体駆動型の走査ユニットを備えたセンサの構造を簡素化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１あるいは１５に記載の、監視領域内の物体を検出するための光電センサおよび方法によって解決される。その際、本発明は、センサをベースユニットと走査ユニットとの２部分から構成するという基本思想を起点としている。走査ユニットは、監視領域を周期的に走査するためにベースユニットに対して動かされ、特に回転運動させられる。ベースユニットは不動であり、センサのその他全ての静止要素、例えばケーシングを含んでいる。その際、「不動」または「静止」とはセンサの通例の基準系との関係をいうが、例えば車載用の移動式センサの場合は全体として動かすことができ、その場合はその車両がここで「不動」と形容される基準系を形成する。そして、本発明は、ベースユニットと走査ユニットとの間のインターフェースを２つのプリント基板内に一体化し、その内の一方のプリント基板をベースユニットとともに静止させ、他方のプリント基板を走査ユニットと共に動かす、という基本思想を起点としている。これらのプリント基板は平面的に重ねて配置されており、好適には、走査ユニットを動作させる駆動シャフトに対して垂直である。インターフェースまたは伝送ユニットの第１の機能は、走査ユニットにエネルギー、つまり電流または電圧を供給することである。このために、コイル、特に平面コイルを、巻き線構造の形でプリント基板の両方の外面上に、場合によっては内層にも一体化することにより、走査ユニットに非接触で誘導的に給電する。
【００１０】
本発明には、機械的に脆弱な滑り接触、または非常に高コストな無線インターフェースを必要とせずに、従来の偏向ミラーまたはミラーホイールを一体駆動型の走査ユニットで置き換えることができるという利点がある。非常にコンパクトで低コストかつ頑健なセンサが実現される。
【００１１】
有利には、第１のプリント基板がベースユニットに固定され、第２のプリント基板が走査ユニット用の駆動部のシャフトに固定されている。これにより、プリント基板が確実に固定され、要求通りに第１のプリント基板がベースユニットに静止する一方、第２のプリント基板が走査ユニットとともに回転する。
【００１２】
発光器および受光器は、好ましくは走査ユニットに配置されている。これにより、走査ユニットはかなりの程度まで自立した測定ヘッドとなる。発光器および受光器とともに、好適には、付属の発光・受光光学系、および発光・受光用電子機器の少なくとも一部が走査ユニット内に収容されている。発光器、受光器、および／またはこれらの電子機器は、光学構造によっては、走査ユニット内部の第２のプリント基板上に配置されていてもよい。あるいは、第２のプリント基板と接続された少なくとも１つの他のプリント基板が走査ユニットに配置される。
【００１３】
第１のプリント基板は好ましくはロイヤー発振回路を備えている。それによって、安定した、かなりの程度まで高調波の無い振動がコイルの共振範囲内で生成される。これにより、スイッチング損失および電磁放射が最低限に抑えられ、エネルギー伝送の高効率が確保される。
【００１４】
第２のプリント基板は好ましくは円形状に形成されている。それによって、バランスのよい回転が容易になる。静止している第１のプリント基板は、少なくとも第２のプリント基板の円形状の広がりを有しており、このため、両方のプリント基板の互いに向けられた外面が平面的に完全に対向する。しかし、第１のプリント基板は、例えば他の電子部品または固定要素を中に配置するために、この広がりから突出していてもよい。
【００１５】
コイルは好ましくは、走査ユニットの回転軸を囲んで中央に配置された巻線として、プリント基板上に形成されている。つまり、コイルは回転軸、特に駆動部のシャフト周りに、内側に密に巻かれている。コイルを中央に配置することによって、コイルを特に効果的に遮蔽することができる。
【００１６】
コイルは好ましくは、逆方向の巻線を備えている。つまり、少なくとも１つの巻線が時計回りに延在し、１つの巻線が反時計回りに延在している。しかし、可能であれば巻線はほぼ３６０°を、つまり短絡せずに可能な限り完全に囲んでいる。特に好ましい形状は、一方向の内側の巻線と他方向の外側の巻線とを備えた自己補正型の二重巻線である。この互いに逆方向の巻線によって、導電性の物体（例えばここではモータ軸）が内側に存在する場合に、最適な磁場パターンを有する対称構造が実現される。
【００１７】
伝送ユニットは好ましくは、一次側の補助巻線および中心タップを備えていない共振変圧器である。共振変圧器は機能的にロイヤー発振器に相当する。すなわち、可能な限り高調波を伴わずに振動する。しかし、ロイヤー発振器には補助巻線およびコイルの中心タップが必要である。これは特に、前段落に記載の有利なコイル構造の場合には難しいか、または完全に不可能である。適切な回路によって、ロイヤー発振器および前述のコイル構造の利点を互いに組み合わせることができる。
【００１８】
伝送ユニットは好ましくは、容量性の非接触的なデータ伝送用の少なくとも１つのコンデンサを形成する互いに対向配置された導体構造を、それぞれプリント基板上に備えている。導体構造は好適には両方のプリント基板上に２つ一対で設けられ、一対の内ではそれらが同様の構成となっている。そして、互いに対向する導体構造の各対は、プリント基板間に空隙を開けて、あるいは場合によってそこに封入されるプリント基板材料またはその他の誘電体を挟んで、コンデンサを形成している。その同じプリント基板、あるいはそのプリント基板上に配置された伝送ユニットは、誘導的な給電に加えて、非接触的な容量性のデータ伝送という第２の機能を有している。物理的伝送原理が異なっているので、相互の干渉を防止することが容易である。
【００１９】
導体構造は好ましくは円環として形成されている。円環の中心は回転軸である。したがって、２つのプリント基板の導体構造は、ベースユニットに対する走査ユニットの回転位置に関係なく、常に同じように互いに対向する。つまり、容量が走査動作中に一定である。
【００２０】
好ましくは、双方向および／または差動データ伝送用の複数のコンデンサを形成するために、互いに同心の複数の円環が設けられている。これにより、双方向データ伝送用の２つのコンデンサ、より頑健な差動データ伝送用の２つのコンデンサ、さらには双方向差動データ伝送用の４つのコンデンサをも設けることができる。
【００２１】
複数の円環は好ましくは互いに面積が等しい。この場合、形成されるコンデンサの容量が互いに等しく保たれるように、内径の差異による円周の違いが厚さ（つまり円環の径方向の寸法）の差異によって調整される。
【００２２】
コンデンサとなる円環およびインダクタとなる巻線は、好ましくは回転軸周りに同心状に、円環が巻線を囲繞するように配置されている。それによって、一つには、エネルギー伝送とデータ伝送とが空間的に切り離される。さらに、内側に配置されたエネルギー伝送部による干渉放射が、外側に位置するデータ伝送部により遮蔽される。
【００２３】
伝送ユニットは好適には、少なくとも部分的にフェライト外被によって包まれている。フェライト外被またはフェライト磁心は、エネルギー供給部の磁石回路を回転動作に必要な空隙を除いて囲むことによって伝送効率を高める。エネルギー供給よりはるかに高い周波数を利用するデータ伝送の範囲では、フェライト外被が遮蔽部として機能する。同時にフェライト外被を、伝送ユニットの機械的な保持部として利用することもできる。
【００２４】
プリント基板は好ましくは、少なくとも部分的に、導電性の低い磁気遮蔽部によって囲繞されている。これにより、起こり得る干渉放射が双方向で低減される（電磁両立性）。
【００２５】
遮蔽部は好ましくは、底板、カバー板、および内側筒部を備えており、走査ユニットの回転軸が筒部の内部に配置され、プリント基板が筒部と同心状に底板とカバー板との間に配置される。この形状は伝送ユニットを包み込み、それによって伝送部を外側に対しておよび外側から効果的に遮蔽する。内側の筒部が設けられているだけなので、外側の外被面は空いており、そこにプリント基板を固定したり、自由に装着および接触させたりすることができる。同じ目的のために、底板あるいはカバー板の半径はプリント基板の半径より小さいことが好ましい。
【００２６】
本発明による方法は、同様にさらなる特徴によって構成することができ、その際も同様の利点を発揮する。そのようなさらなる特徴は、独立請求項に続く下位請求項に、完結的にではなく例示的に記載されている。
【００２７】
以下では本発明を、さらなる利点および特徴に関して、添付図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光電センサの概略断面図。
【図２】図１に示したセンサの非接触接続部の拡大図。
【図３】図２に示した非接触接続部のプリント基板の平面図。
【図４】容量性の双方向および差動データ伝送のための回路図の一部。
【図５】非接触接続のためのコイル配置の別の実施形態の平面図。
【図６】図５に示したコイル配置に遮蔽部を追加した場合における磁場パターンを説明するための断面図。
【図７】特に図５のコイルを用いた非接触接続のための共振変圧器回路の図。
【図８】図７の回路についての例示的な電圧曲線および制御曲線の図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、レーザスキャナ１０としての一実施形態における光電センサの概略断面図である。レーザスキャナ１０は、大きく分けて、可動走査ユニット１２とベースユニット１４とを含んでいる。走査ユニット１２は光学測定ヘッドであり、一方、ベースユニット１４には、給電部、評価電子機器、接続部等のその他の要素が収容されている。運転時には、ベースユニット１４の駆動部１６によって、走査ユニット１２が回転軸１８周りに回転運動させられることにより、監視領域２０が周期的に走査される。
【００３０】
走査ユニット１２では、発光器２２が発光光学系２４によって、監視領域２０内へ送出される発射光線２６を生成する。レーザスキャナ１０内部の散乱光を回避するために、発射光線２６の内部光路は、光を通さない鏡筒２８によって遮蔽されている。発射光線２６が監視領域２０内で物体に当たると、対応する光線が拡散反射光３０としてレーザスキャナ１０に戻ってくる。拡散反射光３０は受光光学系３２によって受光器３４へ導かれ、そこで電気的な受光信号に変換される。
【００３１】
本実施形態では、受光器３４はプリント基板３６上に配置されており、このプリント基板３６は回転軸１８上に位置しており、駆動部１６のシャフト３８に接続されている。受光光学系３２は脚部４０によってプリント基板３６上に支持されており、発光器２２の別のプリント基板４２を保持している。両方のプリント基板３６、４２は互いに接続されており、共通のフレキシブルプリント基板として形成されていてもよい。
【００３２】
図１に示された、互いに重ねられた２つのプリント基板３６、４２またはプリント基板領域と、受光光学系３２内部の中心に配置された発光光学系２４とを備えた光学構造は、純粋に例示的なものとして理解すべきである。したがって、二重眼配置または光線分割ミラーの使用といった、それ自体は単一光線の光電センサまたはレーザスキャナに関して公知である他の配置を代わりに採用してもよい。本発明は、発光器、受光器、およびこれらの光学系ならびに電子機器の具体的な構成より、むしろエネルギー伝送および／またはデータ伝送のためのベースユニット１４と可動走査ユニット１２との非接触接続部４４に関わっている。非接触接続部４４については、さらに以下で図２から図４を用いてより詳しく説明する。
【００３３】
非接触接続部４４は、走査ユニット１２においてプリント基板３６と接続され、ベースユニット１４において制御兼評価ユニット４６と接続されている。これにより、制御兼評価ユニット４６は、発光器２２を制御することができ、さらなる評価のために受光器３４の受光信号を受け取ることができる。さらに、制御兼評価ユニット４６は駆動部１６を制御し、レーザスキャナに関して一般に知られている、走査ユニット１２のその都度の角度位置を測定する不図示の角度測定ユニットの信号を受け取る。
【００３４】
評価のために好適には、走査される物体までの距離が光伝播時間法を用いて測定される。このために、位相に基づくシステムでは、発光器２２の発射光が変調され、受光器３４の受光信号に対する位相関係が評価される。一方、パルスに基づくシステムでは、短い光パルスが発射光として発射時点に送出され、受光信号から光パルスの受光時点が特定される。その際、その都度個別の発光パルスから距離を測定する個別パルス法だけでなく、多数の連続的な発光パルスの発射後に受光信号を収集して統計的に評価するパルス平均法も考えられる。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、角度測定ユニットから同様に分かる。したがって、各スキャン周期の後には、角度および距離を介して、走査平面内の全ての物点の２次元極座標が利用可能になる。さらに走査ユニット１４を傾ける動作を追加すれば３次元の監視領域２０を検出することも可能になる。
【００３５】
これにより、物体の位置あるいは輪郭が分かり、センサインターフェース４８を介してこれらを出力することができる。センサインターフェース４８または不図示の別の接続部は、逆にパラメータ設定インターフェースとして機能する。安全技術における用途では、監視領域２０内に構成することが可能な保護区域が、禁止された侵入の有無について監視され、その結果によっては安全確保のための停止信号が、安全に構成されたインターフェース４８（出力信号切替装置; Output Signal Switching Device (OSSD)）を介して出力される。
【００３６】
発光器２２は簡素な光源として、例えば半導体ダイオードの形で構成されていてもよいが、例えば多数の光源の列状またはマトリクス状の配置として構成されていてもよい。これに応じて、受光器３４は、フォトダイオードのような簡素な受光面、または例えばＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップのような受光素子の列状またはマトリクス状の配置であってもよい。これにより、単一の走査光線だけでなく、２次元の画像データの記録または光伝播時間法をも用いた３次元の画像データの記録に対応した多数の走査光線が得られる。原理上は、ほぼ任意のセンサユニットを走査ユニット１２内で回転させ、それにより監視領域２０を検出することができ、例えば、同一のまたは異なる物理的測定原理で互いに補足し合う、異なる角度位置にある複数のセンサユニットをも回転させることができる。また、走査ユニットを追加的に傾けることによって、あるいは複数の互いに上下に配置された発光器２２もしくは受光器３４、または特に距離測定用のカメラ列を回転させることによって、３次元の空間領域を走査することも可能になる。
【００３７】
図２は、図１の非接触接続部４４の左側の領域の部分拡大図である。図２では不図示の非接触接続部の右側の領域は、全体として筒状の非接触接続部４４の他方の断面にすぎず、図１からも分かるように、鏡像である点を除けば外観は同一である。
【００３８】
非接触接続部４４は、ベースユニット１４内にある第１のプリント基板５０を有する下部と、走査ユニット１２内にある第２のプリント基板５２を有する上部とを備えている。例えば、第１のプリント基板５０はレーザスキャナ１０のケーシングに固定され、第２のプリント基板５２はシャフト３８に固定されている。したがって、第２のプリント基板５２は走査ユニット１２とともに、不動のベースユニット１４内の第１のプリント基板５０に対して回転し、その際プリント基板５０、５２はいずれの角度位置においても平面的に互いに重ねられて配置されており、小さい隙間のみによって隔てられている。
【００３９】
プリント基板５０、５２は、中央領域、つまり回転軸１８の近傍に非接触エネルギー供給部５４を備えている。このために、プリント基板５０、５２には、コイル５６、５８が好適には回転軸１８周りの巻線を備えた多層平面コイルとして一体化されている。コイル５６、５８を介して、走査ユニット１２に誘導的に非接触で電力を供給することができる。磁力線は回転軸１８に対して垂直に延びているので、誘導結合が回転モーメントに影響を与えることはない。図３は、第１のプリント基板５０の補足的な平面図であるが、第２のプリント基板５２の底面図を描けば同様の構造が見られよう。
【００４０】
コイル５６、５８の電磁放射を低く抑えるとともにスイッチング周波数を最適化するために、好適には第１のプリント基板５０上に不図示のロイヤー発振回路が配置されている。それ自体は公知であるこの回路によって、共振範囲において高調波を伴うことなくコイル５６，５８が制御される。さらに、この回路のトランジスタは信号を素早く確実に０Ｖにするという有利なスイッチング特性を有している。それによって、スイッチング損失または干渉的な高調波が生じることがなく、整った正弦波信号がもたらされる。
【００４１】
非接触給電部に加えて、非接触接続部４４は好適には、非接触データ伝送部６０の役割も担っている。このために、プリント基板５０、５２の外側の領域、つまり、回転軸１８からさらに離れた位置に、コイル５６、５８の巻線を囲繞する導体円環６２、６４が設けられている。両方のプリント基板５０、５２の互いに対向する円環６２、６４はそれぞれ、容量性データ伝送に使用される平板コンデンサを形成している。円環６２、６４は同心であるため、円環６２、６４は走査ユニット１２のいずれの回転位置においても対向し続けるので、容量結合が回転動作によって阻害されることがない。
【００４２】
図３に示した平面図には、それぞれ２つの円環６２ａ〜ｂを備えた実施形態が示されており、図２にはそれぞれ４つもの円環を備えた実施形態が示されている。したがって、データを双方向および／または差動伝送するために使用される複数の平板コンデンサが形成される。差動伝送はコモンモード干渉の影響を受けにくい。直流電圧の無いデータ信号が、例えば８Ｂ１０Ｂ符号化によって得られる。
【００４３】
図４は、対応する円環対によって形成された４つのコンデンサ６６ａ〜ｄを備えた容量性の双方向および差動データ伝送のための回路図の一部を示す。容量性差動データ伝送の利点は、その挙動が照射だけでなく放射に関しても干渉に強いということである。例えば、２．５ＧＢｉｔのデータ転送速度を達成することができる。コンデンサ６６ａ〜ｄの容量は同一であるべきであり、円環の面積が互いに等しくなるように円環６２、６４の幅を適合させることによってこれを達成することができる。データ伝送を二重に構成することによって、例えば安全用途のために、帯域幅の拡大や冗長なデータ伝送を実現することができる。
【００４４】
図２から分かるように、非接触接続部４４は、２つの部分からなる遮蔽部６８、７０、例えばフェライト外被で包まれている。これにより、誘導結合が向上し、干渉放射に対する遮蔽が確保される。遮蔽部は底板あるいはカバー板から構成されており、これらは回転軸１８に対する径方向の特定の距離までプリント基板５０、５２を覆っており、またそれぞれ内側の筒部が終端となっている。遮蔽部６８、７０を少なくとも部分的にプリント基板５０、５２に一体化することが考えられる。
【００４５】
図５は、巻線５６、５８の構成が異なっている、コイル配置の別の実施形態の平面図である。つまり、巻線５６，５８は互いに逆方向に、すなわち時計回りおよび反時計回りに延在しており、図５には、まさにこの種の自己補正型の二重巻線を備えた特に有利な最小構成が示されている。その有利な効果は、巻線５６、５８の内側で磁場が少なくとも部分的に打ち消されることである。これにより、損失が最も少ない対称な構造が導電性の物体の周りで実現される。なお、そのような内部の物体として、ここでは当然ながら駆動部１６のシャフト３８がまず考えられる。
【００４６】
図６は、自己補正型の二重巻線５６、５８を備えた図５のようなコイルの磁場パターンの簡略化された断面図である。シャフト３８の領域には少なくとも磁場が無い。さらに任意の構成として、ここでは、巻線５６、５８の真上に設けられたフェライト層６８ａ、７０ａと、その上に設けられた例えば銅製の別の導電性遮蔽層６８ｂ、７０ｂとを有する二層の遮蔽部が設けられている。フェライト層６８ａ、７０ａあるいはフェライト板は磁場の方向を変える。それによって、磁場がエネルギー伝送の領域に集中され、放射が低く抑えられる。追加的な任意の銅層６８ｂ、７０ｂがさらに放射を低減させる。遮蔽する銅層６８ｂ、７０ｂに到達する磁場は、渦電流損失によって吸収されて熱に変換される。
【００４７】
図６に示された二層の遮蔽部の枠を越えて、巻線５６、５８および場合によっては円環６２、６４をも、フェライト層で覆うだけでなく、かなりの範囲までフェライト外被で覆うことが目的に適っている。それによって、磁石回路が回転動作に必要な空隙を除いて包まれる。空隙を介した結合を、誘電率が高い適宜の絶縁材によって改善することができる。同時に、この遮蔽技術を利用して一次回路あるいは二次回路を機械的に保持することができる。
【００４８】
既述の容量性差動データ伝送に加えてさらなる対策は、コイルの分離、つまり、コイル５６、５８の巻線または二重巻線の間に径方向の隙間を設けることである。同様のことが、容量性データ伝送の円環６２、６４についても考えられる。コイルの分離は、活性領域へより良好に磁場を集中させるために誘導的に利用される。さらに、外側への磁場の漏れを低減することができる。
【００４９】
エネルギー伝送およびデータ伝送の周波数範囲は、有利には互いに大きく異なっており、この差は１０の３乗程度であり得る。これらの両方の周波数範囲において、フェライト外被は非常に異なる特性を有している。エネルギー伝送のためにはより高い効率を使用することができ、データ通信については減衰による外部への放射を大幅に減少させることができる。
【００５０】
図７は、エネルギーをベースユニット１４からコイル５６、５８を介して誘導的に走査ユニット１２に伝送するために用いられる共振変圧器回路を示す。この回路の上側部分は、例えばプリント基板５２の上、あるいはプリント基板５２の前方または上に配置され、回路の下側部分は、プリント基板５０の上、あるいは制御兼評価ユニット４６の前方または上に配置されている。ベースユニット１４の静止系から走査ユニット１２の回転系への移行部は、コイル５６に対応するインダクタンスＬ３およびコイル５８に対応するインダクタンスＬ４によって形成されている。この回路を構成するために、それ自体は公知であるロイヤー発振器またはロイヤー変換器を代わりに用いることも考えられる。しかし、ロイヤー発振器には補助巻線および中心タップが必要なので、図５に示された特殊なコイル形状では容易に機能させることができないという欠点がある。
【００５１】
図７に示された回路は共振変圧器として機能する。スイッチＳ１、Ｓ２を介した制御は、外部のクロック源を介して目標を定めて行われるか、または常に存在する小さいノイズの増幅によっていわば自然発生的に行われる。フィードバック線は、ちょうど電圧のゼロ交差の際に、スイッチＳ１、Ｓ２にスイッチング損失が生じないようにスイッチング時点を確定するために使用することができる。スイッチＳ１、Ｓ２として、例えばバイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタが使用される。
【００５２】
回路の基本周波数は、通常の公式ｆ＝１／（２π√ＬＣ）によるＬ３、Ｃ３およびＬ４、Ｃ４の共振周波数である。供給電圧から発振回路を切り離すためにインダクタンスＬ１、Ｌ２が必要である。エネルギー伝送はＬ３からＬ４へ行われ、Ｒ１は負荷、つまり回転する走査ユニット１２内でともに回転する要素のうち電力を消費するものに相当する。Ｌ４、Ｃ４からなる直列発振回路の後方に配置された整流器は、伝送された交流電圧を、走査ユニット１２内のともに回転する系が通常必要とする直流電圧へ変換する役割を、キャパシタンスＣ１とともに担っている。
【００５３】
従来のロイヤー発振器と比べて、この回路には、一次巻線の中心タップおよび一次巻線の補助巻線が必要ではないという利点がある。このため、図７の回路は、図５に基づいて説明した自己補正型コイル５６、５８に特に適している。
【００５４】
図８には、説明したばかりの図７の回路についての例示的な電圧曲線および制御曲線が示されている。図８において、上方の曲線７４は、例えばＳ１における制御であり、下方の曲線７６はそれに応じて生じる電圧曲線である。このように、回路は全体として、高調波を伴わずに非常にきれいな正弦波の電流をインダクタンスＬ３によって生成し、それに応じてその電流が、正しい配置で近接して置かれたインダクタンスＬ４に誘導される。
【００５５】
以上の実施形態では、追加的な駆動部１６を備えたプリント基板５０、５２上のエネルギー伝送およびデータ伝送について説明した。しかし、モータを一体化することも考えられ、しかもそれには２つの代替方法がある。一実施形態では、モータの回転子コイルおよび固定子コイルが巻線５６、５８および円環６２、６４のように形成され、上記と同様にプリント基板５０、５２に一体化される。その際、遮蔽部６８、７０および特にフェライト磁心を用いることができる。別の実施形態では一体化が逆に行われる。この場合、プリント基板５０、５２が駆動部１６に一体化される。そうすれば、駆動部自体を一体駆動型の給電接続部およびデータ接続部として利用することが可能になる。その場合、レーザスキャナ１０自体を構成する際に、もはやワイヤレス伝送部を設ける必要は無く、単純に既存の駆動部１６の接続部を利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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