(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
防護領域（４）を用いて可動機械部品（３）上の危険領域（２）を監視するための保安用光電式距離センサであって、該保安用距離センサ（１）は前記可動機械部品（３）上に配置され、該可動機械部品（３）には工具（５）が配置され、前記防護領域（４）は、該保安用距離センサ（１）の応答時間及び前記可動機械部品（３）の動きを停止するための時間に依存した距離を空けて前記工具（５）を包み込むセンサにおいて、
多数の距離センサ（１）がモジュール式に配置され、
前記防護領域（４）が前記工具（５）の輪郭乃至空間的な広がりに対して適合化されていること、及び
前記距離センサ（１）の受光器（１３）が、シングルフォトンアバランシェダイオード（１４）から成る少なくとも１つのアレイ（１８）を備えていること
を特徴とする保安用光電式距離センサ。
【請求項２】
前記危険領域内に参照標的が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。
【請求項３】
前記工具（５）が交換可能に構成され、前記保安用距離センサ（１）が該工具（５）上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記距離センサ（１）が高度集積型センサモジュール（６）を備えてい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。
【請求項５】
各距離センサ（１）が前解析ユニット（７）を備え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センサ。
【請求項６】
前記距離センサ（１）がバスライン（８）を通じて相互に接続され、該バスライン（８）上で保安用データを伝送することができることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】
前記バスライン（８）上で保安用スイッチ信号及び／又は保安用距離データを伝送することができることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
複数の距離センサ（１）が共通の制御及び解析ユニット（１０）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記距離センサ（１）が補助光学系（１１）を備え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。
【請求項１０】
個々の距離センサ（１）の防護領域（４）が線状又は面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１】
前記防護領域（４）が、組み合わされた複数の距離センサ（１）により格子状又は多面状に形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センサ。
【請求項１２】
個々又は複数の距離センサ（１）の防護領域（４）が部分毎に平らに及び／又は弓形に形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記距離センサ（１）が光伝播時間型センサ（１２）であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
前記距離センサ（１）が三角測量センサであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の距離センサ（１）を少なくとも２つの備える可動機械部品（３）。
【請求項１６】
少なくとも１つの保安用光電式距離センサ（１）を備える可動機械部品（３）上で防護領域（４）を用いて危険領域（２）を監視する方法であって、前記保安用距離センサ（１）は前記可動機械部品（３）上に配置され、該可動機械部品（３）には工具（５）が配置され、前記防護領域（４）は、前記保安用距離センサ（１）の応答時間及び前記可動機械部品（３）の動きを停止するための時間に依存した距離を空けて前記工具（５）を包み込む方法において、
多数の距離センサ（１）がモジュール式に配置され、
前記防護領域（４）が前記工具（５）の輪郭乃至空間的な広がりに対して適合化されること、及び
前記距離センサ（１）の受光器（１３）が、シングルフォトンアバランシェダイオード（１４）から成る少なくとも１つのアレイ（１８）を備えていること
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のプレアンブルに記載の保安用光電式距離センサ及び請求項１７のプレアンブルに記載の防護区域の監視方法に関する。更に本発明は、請求項１６のプレアンプルに記載の、保安用光電式距離センサを備える可動機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の製造環境では、人間が狭い空間でロボットと協力して共同作業を行わなければならない仕事が増えつつある。その場合、柵や遮断機のような機械的な防護装置によりロボットから人間を防護することはできず、防護装置をロボットのすぐ近くに持ってこなければならない。
【０００３】
このような共同作業を原則的に可能にするために、ロボットメーカーはパワー制限付きのロボットを開発している。このロボットでは、該ロボットが自動停止することなく発揮できる最大のパワーを、人間とロボットが衝突しても該パワーの作用によって重大な負傷事故が起きないように調整できる。そのモータ制御装置やロボットアームの位置決めを行う回転エンコーダは、適切な認証が付いた保安用構成要素である。
【０００４】
また、ロボットの機械的な構成要素の設計に際し、その外形を角や稜線のない形、丸みを帯びた形又は柔らかいものにするように留意することにより、想定される衝突のパワーをできるだけ広い面積に分散させ、切り傷等の恐れがないようにする。
【０００５】
安全な運動制御とパワー制限式の駆動部とを備える安全な小型ロボットとが普及すれば、危険の発生源はロボットアームの先端にある工具把持部にまで縮減される。ここでまだ十分に解決されていない問題に、ロボットに装着された工具そのものに対する防護がある。工具には、そもそもその仕事を遂行できるようにするために、鋭利な又はとがった部品、回転したり熱くなったりする部品等から成るものが多い。例えば、ドリル、ねじ回し、フライス、刃、金銀線細工部品用の鋭利なつかみ機、溶接棒ホルダ、半田ごての先端などである。
【０００６】
従って、ロボットのパワーを安全に制限したとしても、工具本来の動きや鋭利な部品があるため、該工具による負傷の危険性は高い。工具把持部は通常、寸法が小さいため良好に場所を特定できる。一方、取り付け可能な工具の形状が多様であること、その動きが高速で自由度が高いこと、そして工具把持部の形状の素早い適合及び変更が求められることから、防護のための新たな解決策が求められているが、既存の安全センサではその要求の充足は不可能又は不十分である。
【０００７】
今日存在する安全センサ（レーザスキャナや光格子等）では工具の周囲の領域を満足に防護することができない。なぜなら利用可能な安全センサは、ロボットアームに固定するには大きすぎるか重すぎるうえ、防護領域の形状に関して柔軟性が低すぎるからである。
【０００８】
また、例えばレーザスキャナやカメラシステムの場合のように単一のセンサ源から放射状に防護動作を行う場合、別の問題がしばしば起きる。つまりこの場合、工具の背後に死角が生じるため、費用をかけて複数のセンサでそれをカバーしなければならない。
【０００９】
今日利用可能な安全センサは、平面、直方体又は線のような簡単な形状を持つ広くて開放的な監視領域への適応を優先しており、その構造の大きさ及び柔軟性のいずれを考慮しても、工具先端面の複雑な形状に対応する適切な解決策ではない。
【００１０】
加えて、既存の防護の考え方では、例えば３Ｄカメラ（特にステレオ式３Ｄカメラ）のデータの複雑な解析や、データ及び信号伝送の待ち時間から生じる、安全センサの応答時間がしばしば問題となる。防護区域の境界と危険箇所との間の距離が短い場合、センサ並びにロボットの素早い反応が不可欠である。
【００１１】
現存の欠陥を解消せず、危険箇所を十分に防護できなければ、人間とロボットが協力して共同作業を行うことができるような応用が著しく制限される。
【００１２】
特許文献１は、１つの駆動領域に対して複数の次元を監視するために複数の所要時間センサを用いる例を開示している。更に、複数の所要時間センサが装置の複数の可動部分に取り付けられている。この装置では、安全領域が可動部分の速度に応じて調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】EP 2 395 274 B1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明の課題は、可動機械部品に装着された工具、特にロボット（特にロボットアーム）に装着された工具を、柔軟に、省スペースで、頑強に、素早い反応で、且つ低コストで防護することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題は、請求項１に記載の、防護領域を用いて可動機械部品上の危険領域を監視するための保安用光電式距離センサにより解決される。この保安用距離センサは可動機械部品上に配置され、該可動機械部品には工具が配置され、多数の距離センサがモジュール式に配置され、防護領域が工具に対して適合化されている。
【００１６】
また、前記課題は、請求項１６に記載の、少なくとも１つの保安用光電式距離センサを備える可動機械部品上で防護領域を用いて危険領域を監視する方法により解決される。前記保安用距離センサは可動機械部品上に配置され、該可動機械部品には工具が配置され、多数の距離センサがモジュール式に配置され、防護領域が工具に対して適合化される。
【００１７】
更に、前記発明は、請求項１５に記載の、本発明に係る距離センサを少なくとも２つ備える可動機械部品により解決される。
【００１８】
本発明は、人間と、可動機械部品（特にロボット、なかでもロボットアーム）と、保安用光電式距離センサとの共同作業のための局所的な防護という考え方を含む。
【００１９】
防護のために保安用光電式距離センサ乃至保安用光電式スキャナが用いられる。なお、本願では「光電式距離センサ」乃至「光スキャナ」という概念を類義語として用いる。
【００２０】
本発明において、「安全」とは「機械の安全」を意味する。例えば、ＥＮ／ＩＥＣ６１４９６規格には、危険領域の防護用の安全センサ乃至保安用非接触動作防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtung；BWS）に対する要求事項が規定されている。機械の安全はＥＮ１３８４９規格に規定されている。安全は、例えばエラー発見用及び機能検査用の解析ユニットを２チャンネル構成又は２チャンネル的な多様性を持つ構成にすることで保証される。本発明に係る保安用距離センサは、例えばフェールセーフに構成され、内部のエラーを認識する。エラーが検出されると、例えばエラー信号が生成される。更に、保安用距離センサはセンサ試験機能を有していてもよい。
【００２１】
本発明では、多数の距離センサがモジュラー式に配置される。複数のコンパクトで安価な距離センサが全体のシステムの中に統合され、可動機械部品上に任意の個数且つ任意の方向に配置できる。
【００２２】
更に本発明によれば、光スキャナの数及び配置がほぼ任意であるので、高いモジュラー性が得られる。また、様々な光学的変形によって距離センサの射程距離及び視野角を変えることにより、大きな変形を作り出すことができる。更にまた、測定データの安全技術的な妥当性確認のための様々な機能が実現可能となる。
【００２３】
防護領域は、例えば工具の輪郭乃至空間的な広がりに対して適合化される。防護領域は一定の距離を空けて工具を包み込む。この距離は、センサの応答時間及び可動機械部品の動きを停止するための時間に依存する。
【００２４】
複数の距離センサ乃至それら距離センサから成るセンサ系は、可動機械部品上乃至ロボットアーム上に、それと一緒に動く形で、危険箇所の近くに取り付けられ、好ましくはロボット乃至可動機械部品の工具受け部の表面に直接又はその上方に取り付けられる。この構成によれば、防護領域が、危険箇所に対して固定的に、乃至危険箇所としての工具上の固定した位置に形成される。危険箇所への直接配置と、相互に対する柔軟な位置決めが可能な複数の距離センサ乃至部分モジュールの使用により、監視領域に死角が生じることを回避し、防護領域の輪郭を危険箇所の形状に良好に適合させることができる。
【００２５】
光を良好に収束させることにより、非常に良好な位置分解能が達成される。これにより、複数の距離センサ乃至それら距離センサから成るセンサ系をスペースの限られた場所にもうまく設置し、外光や多重反射のような外部の影響から仕切ることができる。
【００２６】
距離センサは距離の測定値乃至間隔の測定値を出力する。これにより、加工品の測定若しくはその位置及び向きの認識を行うことができ、また工具の送りを制御することもできる。
【００２７】
防護領域乃至防護区域は、例えば加工品の十分近くに達するために、その深さを工具の動き及び加工品の形状に動的に適合させることができる。例えば、上方から加工品へ接近する場合、短くなる距離に合わせて安全機能の発動のための閾値が引き下げられる。
【００２８】
防護領域乃至防護区域がロボットの現在位置に従って適合化されるようにしてもよい。その際、ロボットには自身の姿勢が確実に分かっている、ということを利用できる。更に、防護領域を現在位置に応じて拡大又は縮小したり、特定の方向にのみ拡大又は縮小したりできる。
【００２９】
同様に、距離センサはロボット自身の姿勢又はロボットの個々の関節を監視乃至防護するために利用することもできる。
【００３０】
このようなモジュール式の防護という考え方の導入は、例えば操作者による接近を許可するために、危険箇所の複雑な形状を僅かな数の測定でできるだけ輪郭通りに防護しなければならない場合全般に有意である。特に、複雑な運動プロファイルを持つ機械の場合、危険箇所に対するセンサの位置が固定されていることは有利である。
【００３１】
安全なロボット制御と危険箇所に対する距離センサの固定的な取り付けに基づいて、ロボットの姿勢のデータを他の手段無しで保安用入力データとして保安用センサのために利用すること、例えば、防護領域乃至防護区域の切り替え又はミューティング機能やブランキング機能の実現のため、すなわち危険回避機能乃至フェードダウン機能の実現のために利用することができる。
【００３２】
本発明の距離センサ乃至光スキャナには、コンパクトな構成であるため小型のケーシングに収納できるという利点がある。また、該距離センサは機械的な防護システムや超音波センサに対する安価な代替品である。該距離センサはその使用乃至応用において様々な形状乃至状況に対して非常に柔軟な防護を提供し、例えば、長方形ではない防護区域を実現できる。また、単独の光線を用いた防護も実現できるし、全周の防護も本発明により実現できる。使用する距離センサの数は、単独のセンサから、中央制御装置、安全制御装置、運転装置乃至安全運転装置を有する多数の距離センサの系まで、柔軟に変えられる。
【００３３】
本発明の発展形態では、危険領域内に参照標的が配置される。
【００３４】
ロボット上の複数の距離センサ乃至センサ系の使用により、安全技術の観点から、１又は複数の既知の標的又は参照標的に基づく参照運転乃至参照測定の形で刺激試験を実施することが可能になる。これにより一連の測定及び解析全体を通した試験ができ、一層高い安全水準を達成できる。この試験は周期的に実施可能であり、試験速度は要求速度に応じて適合化できる。
【００３５】
距離センサを上位の制御装置へ含めることにより、該センサを例えば参照標的乃至参照目標に対して既知の位置（例えば危険領域内の一部）に配置し、それにより距離センサの実際の測定値乃至距離値を期待される値と合わせることができる。
【００３６】
このような参照運転は、例えば工具の受け入れ又は移動運転と組み合わせることにより、時間を節約して生産工程の中に含めることができる。参照標的は、例えばロボット自身の上、作業領域上、あるいは周囲の他の輪郭上に取り付けることができる。
【００３７】
用途によっては、上位制御装置への距離センサの統合により、作業領域を対象として測定を行うことが可能になる。なぜなら、各時点の距離はロボットの制御から分かり、それを実際の測定値と合わせることができるからである。これにより定常的な基準参照が可能となる。これは保持電流の原理に相当し、より高い安全水準の達成を可能にする。更に、基準参照のない自由スキャン方式の測定システムに比べて応答時間が大幅に短くなる。
【００３８】
ある発展形態では、工具が交換可能に構成され、保安用距離センサが該工具乃至工具受け部上に配置される。工具は、工具受け部と呼ばれる部分を含む。例えば、この距離センサは機械の工具交換部に配置される。
【００３９】
ユーザ又は顧客は、センサ系の個々の距離センサ用に独自の取り付け具を設計し、該距離センサをその中に収納してケーブルで接続することができる。その際ユーザは、軸合わせと、幾何的な分解能を規定する距離センサ間の間隔とに留意するだけでよい。このような取り付け具はフライス部品として簡単且つ個別に製造できる。
【００４０】
防護用の複数の距離センサ乃至センサ系は工具乃至工具取り付け具の上に残り、様々な工具を用いた作業工程を遂行するためにロボットによって自動的に工具と一緒に交換できる。この構成では、各工具がその特別な形状に適合した独自の安全システムを有する。
【００４１】
本発明の発展形態では、距離センサが高度集積型センサモジュールを備える。例えば該高度集積型センサモジュールは、レーザ方式の発光器と、信号解析のための集積型解析ユニットとを備える。これによりセンサモジュールを小型化できる。
【００４２】
高度集積型センサモジュールは標準のプロセスで製造することができる。これによりセンサモジュールを安価に製造できる。
【００４３】
高度集積型センサモジュールは、処理され、圧縮されたデータを非常に高速に供給し、それにより、高速データ伝送と、複数の距離センサに対応する中央解析ユニット等における高速データ解析とを可能にする。また、解析ユニットはデータ伝送による待ち時間を避けるために距離センサの近くに配置される。これにより、短い、改善された反応時間を有する１つの距離センサ、乃至は複数の距離センサから成るセンサ系が得られる。応答時間が短いため、危険箇所と外側の防護区域の境界との間隔を狭めて高い処理速度を得ることができる。
【００４４】
本発明の発展形態では、各距離センサが前解析ユニットを備えている。前解析ユニットは、好ましくは、センサの距離データを特定のデータ形式に変換して供給したり、距離データのフィルタリングを行ったりするために設けられる。
【００４５】
好ましい一実施形態では、距離センサがバスラインを通じて相互に接続され、該バスライン上で保安用データを伝送することができる。
【００４６】
防護用のセンサ系は通例、１又は複数の同種又は異種の距離センサ乃至光スキャナから成り、それらが適宜のバスシステム又は他のデータ接続を通じて相互に結合される。
【００４７】
各センサモジュールは自身の視野から距離データ乃至間隔データを取得し、最初のデータ処理とデータ圧縮を行う。
【００４８】
本発明の更に好ましい実施形態では、バスライン上で保安用スイッチ信号及び／又は保安用距離データを伝送することができる。
【００４９】
解析ユニットは、防護区域への侵入を認識すると、工具の危険な動きを止めたり適切に迂回させたりするために、安全確保のためのスイッチ信号を出力することができる。これは例えば保安用スイッチ信号、例えばＯＳＳＤ（Output Safety Switching Device）信号、又は侵入事象の保安用距離データ、間隔データ乃至保安用位置データを通じて実現できる。
【００５０】
あるいは、解析ユニットが、処理された測定値乃至距離データを、適宜のインターフェイスを通じて後段の安全制御部へ渡すようにしてもよい。センサモジュールのデータは、例えば上位のロボット制御部や蓄積プログラマブル制御装置（speicherprogrammierbaren Steuerung；SPSと略される）が有するプロセス制御のための自動化機能において活用するために自由に利用できる。
【００５１】
あるいは、集積を更に進めて、既に非常に高度に集積されたセンサモジュール上で安全技術的な自己検査とデータ処理をも実行し、単に電源オフ信号と、場合によっては測定値とを出力することもできる。例えば解析ユニットを２チャンネル型に構成できる。
【００５２】
あるいは、距離センサが自ら保安用出力、特に保安用半導体出力を備えるようにしてもよい。これらの保安用出力は、冗長なスイッチング情報を供給するように２チャンネル型で構成される。この保安用出力、例えばＯＳＳＤ（Output Safety Switching Device）出力を通じて、ＯＳＳＤ信号等のスイッチング信号が出力される。
【００５３】
本発明の発展形態では、複数の距離センサが共通の制御及び解析ユニットを備える。この共通の制御及び解析ユニットは例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やプロセッサにより構成できる。
【００５４】
共通の解析ユニット、例えばマイクロコントローラ、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣは、複数の距離センサから成るこのセンサ系のマスタである。
【００５５】
この解析ユニットは安全性の自己検査をも引き受け、場合によっては個々のセンサの測定値の補償、妥当性確認及び／又は補正を行う。
【００５６】
本発明の発展形態では、距離センサが補助光学系を備えている。補助光学系により様々な防護区域の形状が実現できる。一次元的な監視領域用のコリメータレンズや平面的な防護領域用の円柱レンズの他、任意の形状の監視領域を作り出すための回折光学素子や自由形状の光学系を使用することもできる。モジュール型の構造と分散型の取り付けにより、死角の発生を避けることができる。
【００５７】
特に個数が多い場合に安価でコンパクトな解決策を実現するために、補助光学系、距離センサの光学系、乃至受光光学系はチップ上又はチップのケーシング内に集積してもよい。
【００５８】
背景光を弱めるため、光学的なバンドパスフィルタをチップ又は受光器上に直接、特に蒸着により設けてもよい。
【００５９】
受光光学系乃至距離センサ光学系の高度な集積と小型化により、光スキャナ乃至距離センサが非常にコンパクトになる。
【００６０】
異なる受光光学系乃至距離センサ光学系により、様々な監視角と様々な射程距離を実現することができる。
【００６１】
様々な光線形成用光学素子の使用により、光路が形成され、使用の形状に応じて適合化される。例えば、回折光学素子と自由形状レンズを用いれば、点格子状、枠状又は曲がった構造等、複雑な防護領域を作り出すことができる。
【００６２】
本発明の発展形態では、個々の距離センサの防護領域が線状又は面状に形成される。本発明の発展形態では、防護領域が、組み合わされた複数の距離センサにより格子状又は多面状に形成される。本発明の発展形態では、個々又は複数の距離センサの防護領域が部分毎に平らに及び／又は弓形に形成される。
【００６３】
それぞれ必要に応じて作動状態となる複数の組み合わされた防護領域又は防護容量も考えられる。この構成によれば、工具の様々な動作を防護したり、ある方向への高速の運動の際に防護容量を拡大したりできる。
【００６４】
本発明の特に好ましい実施形態では、距離センサが光伝播時間型センサである。
【００６５】
光伝播時間型センサは、例えば変調光の位相関係の測定に基づいて距離測定を行うＰＭＤ法による飛行時間型チップ（time-of-flight chip）を基礎とする。
【００６６】
光伝播時間原理による距離センサ乃至光スキャナは、相前後する光インパルスを測定領域へ送出する少なくとも１つの発光器と、測定領域内の物体に当たって戻ってくる光インパルスを受信して電気的な受信信号の形で制御及び解析ユニットへ送る受光器とを備え、該制御及び解析ユニットは、光の速度を考慮しつつ、光インパルスの送出から受信までの時間から、光スキャナに対する物体の距離を表す距離信号を求める。
【００６７】
好ましい実施形態では、距離センサの受光器が、シングルフォトンアバランシェダイオードから成る少なくとも１つのアレイを備える。
【００６８】
シングルフォトンアバランシェダイオード（以下、ＳＰＡＤと略す）は、他にも一般にシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）、ガイガーモードアバランシェフォトンダイオード、シングルフォトンカウンティングダイオードとも呼ばれる。ＳＰＡＤは標準のＣＭＯＳ技術で実現可能な感光性の検出器であって、アバランシェフォトダイオードと同様、入射光子を電流パルスに変換する。しかし、アバランシェフォトダイオードとは違って、ＳＰＡＤは降伏電圧より高い電圧で駆動される。そのため、わずか１個の入射光子によってもアバランシェ効果が誘発され、それが電流パルスとして検出される。増幅率１０６倍という高い感度により、光子数個分という極めて低い受光エネルギーまで検出できる。
【００６９】
光伝播時間型センサの使用、特にＳＰＡＤをパルスレーザと組み合わせて使用することにより、例えば最高で約１ｍｍの精度で距離情報が得られる。同時に、簡素な補助光学系で集光を行うことで外乱光に対する場所選択性と仕切りを良好に実現できる。
【００７０】
距離測定のために様々な光伝播時間法を適宜の解析法とともに実行することができる。
【００７１】
それはパルス法とすることができる。例えば、パルス法のために１つ又は複数の時間デジタル変換器（time-to-digital converter）が設けられ、各シングルフォトン事象にタイムスタンプが付けられる。従って、１つの有効信号に複数のタイムスタンプが関連付けられて生成される。測定値の発生は統計的に起きる。これに対して背景光はランダムに分布するタイムスタンプを生み出す。
【００７２】
また、ＣＷ法（continuous wave）つまり持続波法を用いることもできる。この場合、時間的にずっと同じように変調された光信号が用いられる。この方法では、ゲート信号を介してシングルフォトン事象が２つのカウンタに分配され、そのカウント数の比から位相が計算される。
【００７３】
また、シングルフォトンダイオードアレイのアナログ信号を解析することもできる。各信号が閾値と比較され、サンプリングされ、あるいは統計的な方法で解析される。
【００７４】
光伝播時間法による解析では、距離値に加えて、例えばタイムスタンプのヒストグラム、カウントレート、あるいは電圧振幅（アナログ解析の場合）から、振幅値も生成できる。この振幅値を用いて妥当性検査（特に安全技術的な用途の場合）を実施できる。
【００７５】
ＳＰＡＤの使用には次のような利点がある。ＳＰＡＤは標準のＣＭＯＳプロセスで製造できる。従って、例えばＡＳＩＣとして、光スキャナを高度に集積できる。同様に、ＶＳＣＥＬ、レーザダイオード又は発光ダイオード等の発光器や、制御及び解析ユニット乃至は別個の発光器制御部も、チップ上又はケーシング内に集積できる。
【００７６】
距離センサ乃至光スキャナは、これまで安全技術で通常に用いられている感光性受光器よりも安価である。光スキャナの多重配置により非常にコンパクトなシステムを構成できる。ＳＰＡＤの使用により光子数個程度の高い感度が得られる。これにより、オプションの光学系を非常にコンパクトに構成できる。
【００７７】
更に、光伝播時間の温度補償や光スキャナ乃至距離センサにおけるＳＰＡＤバイアス電圧の温度制御を行うことも可能である。各ＳＰＡＤのバイアス電圧は、該ＳＰＡＤをガイガーモードでの動作範囲に維持するために、温度に応じて制御することが好ましい。制御用のロジックも一緒に集積することが好ましい。また、光スキャナのＳＰＡＤ受信器の駆動電圧は７０Ｖ未満、例えば５０Ｖ〜６５Ｖでよく、高い電圧は必要ない。また、距離と信号レベルの解析により妥当性確認を行うことができる。
【００７８】
また、発光器を第１のケーシング室に、受光器をそれに隣接した第２のケーシング室に配置してもよい。これらケーシング室は光学的に分離されているため、発光器と受光器の間に直接の光学的な結合はない。物体により直反射又は拡散反射された発光器の光だけが受光器に達する。
【００７９】
本発明の発展形態では、距離センサの受光器が、ＳＰＡＤから成る少なくとも１つのアレイを備える。
【００８０】
少なくとも１つのＳＰＡＤを有する受光器が例えば外光により数個の光子だけで飽和してしまわないように、多数のＳＰＡＤが配置され、まとめて解析される。その際、原理的にはＳＰＡＤピクセル乃至ＳＰＡＤ素子のアナログ信号を加算することができる。また、各ＳＰＡＤのアバランシェを比較器又はＡＤ変換器等を通じてデジタル化し、デジタル的に評価してもよい。もっとも、各ＳＰＡＤのアバランシェを直ちにデジタル的にすることもできる。
【００８１】
距離センサ乃至光スキャナによって一層広い角度範囲をカバーできるようにしつつ、手やアーム等の検出に必要な空間分解能を得るために、ＳＰＡＤアレイをいわゆるマクロピクセルに分割してもよい。この場合、空間的に隣接する複数のＳＰＡＤセルが１つの共通の解析部に付属し、適宜の光学系を通じて特定の角度範囲からの光を受光し、評価する。その配置は線状又は面状とすることができる。
【００８２】
動的応答及び／又は外光の状態を、様々なＳＰＡＤ乃至ＳＰＡＤアレイを介して等級分けすることができる。
【００８３】
ある発展形態では、保安用距離センサが、距離信号乃至受光信号をヒストグラムに加算して統計的に解析する距離センサである。
【００８４】
例えば、単独パルス解析の代わりに、それぞれ１つの発信パルスを用いて多数の個別測定を行い、各受光信号をヒストグラムに加算する。この統計解析により、有効信号は加算される一方、ランダムなノイズの影響は平均化されるため、信号雑音比が非常に良くなる。この方法の特徴は、この複雑な解析を非常に安価なハードウエア上で実行するための様々な手段があるということである。例えば、高価な高速のＡＤ変換器の代わりに、個々の信号をわずか１ビットの分解能でデジタル化（つまり２値化）するゼロ閾値の比較器さえあればよい。加えて、このような統計的な方法の実効スキャンレートが、受光時点ひいては光伝播時間をより高い時間精度で認識するために、様々な手段で大幅に高められる。１ビットの分解能には、単純な部品で実装できる等の利点もある。例えば、各距離測定はそれぞれ多数の単独パルスに基づいて行われる。
【００８５】
本発明の発展形態では、距離センサが三角測量センサである。その一例に光切断センサがある。このセンサでは、例えば直線乃至直線パターン、又は点乃至点パターンが危険箇所へ投影され、三角測量センサの位置分解型受光器で解析される。投影パターンは一定でもよいし、時間とともに変化させてもよい。
【００８６】
本発明の距離センサには、例えば偏向鏡のような機械的に動く部分がない。
【００８７】
以下、本発明について、更なる利点及び特徴をも考慮しつつ、実施例に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。図の内容は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】可動機械部品上の少なくとも１つの保安用光電式距離センサ。
【図２】工具上の多数の距離センサ。
【図３】ロボットアーム上の少なくとも１つの保安用光電式距離センサ。
【図４】１つの距離センサ。
【図５】バスライン上の複数の距離センサ。
【図６】ＳＰＡＤから成る少なくとも１つのアレイを有する距離センサの受光器。
【図７】楕円形の防護領域。
【図８】円形の防護領域。
【図９】円形の防護領域。
【図１０】多面状の防護領域。
【図１１】異なる領域が活性化された多面状の防護領域。
【図１２】異なる領域が活性化された多面状の防護領域。
【図１３】異なる領域が活性化された多面状の防護領域。
【図１４】ロボットアーム上の少なくとも１つの保安用光電式距離センサ。
【発明を実施するための形態】
【００８９】
以下の図面において同一の部分には同一の符号が付されている。
【００９０】
図１は、防護領域４を用いて可動機械部品３上の危険領域２を監視するための保安用光電式距離センサ１を示している。この保安用距離センサ１は可動機械部品３に配置され、該可動機械部品３には工具５が配置され、多数の距離センサ１がモジュール式に配置され、防護領域４は工具５に対して適合化されている。
【００９１】
複数のコンパクトで安価な距離センサ１が全体のシステムに統合されており、可動機械部品３上に任意の個数且つ任意の方向に配置できる。
【００９２】
防護領域４は、例えば工具５の輪郭乃至空間的な広がりに対して適合化される。防護領域４は一定の距離を空けて工具５を包み込む。この距離は、距離センサ１の応答時間及び可動機械部品３の動きを停止するための時間に依存する。
【００９３】
複数の距離センサ１乃至それら距離センサ１から成るセンサ系は、可動機械部品上３乃至ロボットアーム１６上に、それと一緒に動く形で、危険箇所の近くに取り付けられ、好ましくはロボット乃至可動機械部品３の工具受け部の表面に直接又はその上方に取り付けられる。この構成によれば、防護領域４が、危険箇所に対して固定的に、乃至危険箇所としての工具５上の固定した位置に形成される。
【００９４】
図２に示したように、複数（ここでは４個）の距離センサ１がモジュール式に配置されている。各距離センサ１はそれぞれ平面的な防護領域４を有している。個々の防護領域４の面はこれらの防護領域４により工具が包まれるように互いに直角に配置されている。
【００９５】
図３は、危険領域２への侵入を早めに認識するために外方へ傾けられた防護領域４を示している。
【００９６】
距離センサ１を上位の制御装置へ含めることにより、該センサを例えば参照標的又は参照目標に対して既知の位置（つまり例えば危険領域２内の一部）に配置し、それにより距離センサ１の実際の測定値乃至距離値を期待される値に合わせることができる。
【００９７】
参照標的は、例えばロボット自身の上、作業領域上、あるいは周囲の他の輪郭上に取り付けることができる。
【００９８】
距離センサ１は距離の測定値乃至間隔の測定値を出力する。
【００９９】
図３及び図１に示したように、防護領域４は、例えば加工品１９の十分近くに達するために、その深さを工具の動き及び加工品の形状に動的に適合させることができる。
【０１００】
図３及び図２に示したように、工具５は交換可能に構成されており、保安用距離センサ１は該工具５上に配置されている。
【０１０１】
図３に示したように、個々の距離センサの防護領域は線状又は面状に形成されている。
【０１０２】
ユーザ又は顧客は、センサ系の個々の距離センサ１用に独自の取り付け具を設計し、該距離センサ１をその中に収納してケーブルで接続することができる。その際ユーザは、軸合わせと、幾何的な分解能を規定する距離センサ１間の間隔とに留意するだけでよい。このような取り付け具はフライス部品として簡単且つ個別に製造できる。
【０１０３】
防護用の複数の距離センサ１乃至センサ系は工具５上に残り、様々な工具５を用いた作業工程を遂行するためにロボットによって自動的に工具５と一緒に交換できる。
【０１０４】
図４に示したように、距離センサ１は光伝播時間型センサ１２である。
【０１０５】
光伝播時間原理による図４の距離センサ１乃至光スキャナは、相前後する光インパルスを測定領域へ送出する少なくとも１つの発光器１７と、測定領域内の物体に当たって戻ってくる光インパルスを受信して電気的な受信信号の形で制御及び解析ユニット１０へ送る受光器１３とを備え、該制御及び解析ユニット１０は、光の速度を考慮しつつ、光インパルスの送出から受信までの時間から、光スキャナに対する物体の距離を表す距離信号を求める。
【０１０６】
図５に示したように、各距離センサ１は高度集積型センサモジュール６を備える。
【０１０７】
例として、高度集積型センサモジュール６はレーザ方式の発光器１７と、信号解析のための集積型の前解析ユニット７乃至解析ユニット１０とを備える。
【０１０８】
前解析ユニット７乃至解析ユニット１０は、データ伝送による待ち時間を避けるために距離センサ１の近くに配置されている。
【０１０９】
図５に示したように、各距離センサ１は前解析ユニット７を備えている。前解析ユニット７は、好ましくは、センサの距離データを特定のデータ形式に変換して供給したり、距離データのフィルタリングを行ったりするために設けられる。
【０１１０】
図５に示したように、各距離センサ１がバスライン８を通じて相互に接続され、該バスライン８上で保安用データを伝送できる。
【０１１１】
防護用のセンサ系は通例、１又は複数の同種又は異種の距離センサ１乃至光スキャナから成り、それらが適宜のバスシステム又は他のデータ接続を通じて相互に結合される。
【０１１２】
各センサモジュール乃至各距離センサ１は自身の視野から距離データ乃至間隔データを取得し、最初のデータ処理とデータ圧縮を行う。バスライン８上で保安用スイッチ信号及び／又は保安用距離データを伝送できる。
【０１１３】
制御及び解析ユニット１０は、防護区域への侵入を認識すると、工具の危険な動きを止めたり適切に迂回させたりするために、安全確保のためのスイッチ信号を出力することができる。これは例えば保安用スイッチ信号、例えばＯＳＳＤ（Output Safety Switching Device）信号、又は侵入事象の保安用距離データ、間隔データ乃至保安用位置データを通じて実現できる。
【０１１４】
あるいは、制御及び解析ユニット１０が、処理された測定値乃至距離データを、適宜のインターフェイスを通じて後段の安全制御部へ渡すようにしてもよい。センサモジュールのデータは、例えば上位のロボット制御部や蓄積プログラマブル制御装置（speicherprogrammierbaren Steuerung；SPSと略される）が有するプロセス制御のための自動化機能において活用するために自由に利用できる。
【０１１５】
あるいは、集積を更に進めて、既に非常に高度に集積されたセンサモジュール上で安全技術的な自己検査とデータ処理をも実行し、単に電源オフ信号と、場合によっては測定値とを出力することもできる。例えば制御及び解析ユニット１０を２チャンネル型に構成できる。
【０１１６】
あるいは、図５に示したように、距離センサ１が自ら保安用出力９、特に保安用半導体出力を備えるようにしてもよい。これらの保安用出力９は、冗長なスイッチング情報を供給するように２チャンネル型で構成される。この保安用出力、例えばＯＳＳＤ（Output Safety Switching Device）出力を通じて、ＯＳＳＤ信号等のスイッチング信号が出力される。
【０１１７】
図５に示したように、複数の距離センサ１に共通の制御及び解析ユニット１０を設けることができる。共通の制御及び解析ユニット１０は、複数の距離センサ１から成るこのセンサ系のマスタである。
【０１１８】
この制御及び解析ユニット１０は安全性の自己検査をも引き受け、場合によっては個々の距離センサ１の測定値の補償、妥当性確認及び／又は補正を行う。
【０１１９】
図４に示したように、距離センサ１は補助光学系１１を備えている。補助光学系１１により様々な防護区域の形状が実現できる。一次元的な監視領域用のコリメータレンズや平面的な防護領域用の円柱レンズの他、任意の形状の監視領域を作り出すための回折光学素子や自由形状の光学系を使用することもできる。
【０１２０】
異なる補助光学系１１乃至受光光学系乃至距離センサ光学系により、様々な監視角と様々な射程距離を実現することができる。
【０１２１】
図７では、防護領域４が多面状に形成されている。この防護領域４は、２つの平面状の防護領域４を介して相互に結びつけられた２つの半円筒形の防護領域４から成り、その結果、チューブ状の防護領域４が形成されている。
【０１２２】
図８及び９では、防護領域４が、組み合わされた複数の距離センサ１により格子状に形成されており、それにより円柱状の防護領域４が形成されている。
【０１２３】
図７及び１０では、個々又は複数の距離センサ１の防護領域４が部分毎に平らに及び／又は弓形に形成されている。
【０１２４】
図１１〜１３に示したように、それぞれ必要に応じて作動状態となる複数の組み合わされた防護容量乃至防護領域４を取り付け具上に設けることも考えられる。この構成によれば、工具の様々な動作を防護したり、ある方向への高速の運動の際に防護容量乃至防護領域４を拡大したりできる。図１１〜１３では、それぞれ作動状態となった防護領域４が、個々の作動状態の光線で描かれている。各光線は防護領域を表す線上の点として描かれている。従って光線は紙面に垂直に走っている。まず図１１では長方形の防護領域４が作動状態になっている。図１２では、図１１の長方形の防護領域４が半円形の防護領域４の分だけ拡大されている。図１３では、図１１の長方形の防護領域４が、隣接する別の長方形の防護領域４の分だけ拡大されている。
【０１２５】
図６では、距離センサ１の受光器１３が、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）１４から成る少なくとも１つのアレイ１８を備える。
【０１２６】
距離センサ１乃至光スキャナによって一層広い角度範囲をカバーできるようにしつつ、手やアーム等の検出に必要な空間分解能を得るために、ＳＰＡＤアレイ１８をいわゆるマクロピクセルに分割してもよい。この場合、空間的に隣接する複数のＳＰＡＤセルが１つの共通の解析部に付属し、適宜の光学系を通じて特定の角度範囲からの光を受光し、評価する。その配置は線状又は面状とすることができる。
【０１２７】
図示せぬ別の実施形態では、距離センサが三角測量センサである。その一例に光切断センサがある。このセンサでは、例えば直線乃至直線パターン、又は点乃至点パターンが危険箇所へ投影され、三角測量センサの位置分解型受光器で解析される。投影パターンは一定でもよいし、時間とともに変化させてもよい。
【０１２８】
図１４はロボットアーム１６上に配置された少なくとも１つの保安用光電式距離センサ１を示している。距離センサ１乃至防護領域４は、別の方向に向けたり、機械上乃至ロボットアーム上の別の位置に取り付けたりすることもできる。
【符号の説明】
【０１２９】
１…距離センサ
２…危険領域
３…可動機械部品
４…防護領域
５…工具
６…センサモジュール
７…前解析ユニット
８…バスライン
９…保安用出力
１０…制御及び解析ユニット
１１…補助光学系
１２…光伝播時間型センサ
１３…受光器
１４…シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）
１６…ロボットアーム
１７…発光器
１８…アレイ
１９…加工品
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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