(57)【要約】【課題】  面積の大きい反射鏡を用いずに、回転角度によって対象物からの反射光の受光面積を小さくならないようにして、計測精度が低下しないようにできる光走査装置を提供する。【解決手段】  電動機３２と、鉛直方向を軸線とする鉛直回転軸Ｚを中心に回転可能、且つ水平方向を軸線とする水平回転軸Ｙを中心に回転可能であって、水平回転軸Ｙと平行な方向に沿って走査光が反射面に入射する位置に配置された反射鏡３４と、電動機３２の回転駆動を鉛直回転軸Ｚ及び水平回転軸Ｙに伝達する駆動伝達部５２と、を具備し、水平回転軸Ｙは、反射鏡３４の反射面に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有する。【選択図】図３
2017134293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、
鉛直方向を軸線とする鉛直回転軸を中心に回転可能、且つ水平方向を軸線とする水平回転軸を中心に回転可能であって、水平回転軸と平行な方向に沿って走査光が反射面に入射する位置に配置された反射鏡と、
前記電動機の回転駆動を前記鉛直回転軸及び前記水平回転軸に伝達する駆動伝達部と、を具備し、
前記水平回転軸は、前記反射鏡の反射面に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記反射鏡は、
前記水平回転軸方向に沿って延びる円柱状のロッドの先端が、前記水平回転軸に対して直角又は平行な角度以外の所定角度で形成された反射面を有するロッドミラーであることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
前記水平回転軸は、前記反射鏡の反射面の中心を通り、
前記走査光は、前記反射鏡の反射面の中心に入射することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光走査装置。
【請求項４】
前記所定角度は４５度であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元距離測定を行うためにレーザ光を用いた光走査装置が従来より提案されており、例えば特許文献１及び特許文献２のような構成が開示されている。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に開示されている光走査装置の概略構成図を図７に示す。
光走査装置２は、平板反射鏡１０が、鉛直回転軸Ｚを中心に回転可能であり、且つ水平回転軸Ｙを中心に回転可能に設けられている。
光走査装置２には、平板反射鏡１０を鉛直回転軸Ｚ及び水平回転軸Ｙを中心に回転させるための、電動機（図示せず）が設けられている。電動機は、平板反射鏡１０の下方に配置されており、その電動機の中心は中空軸３となっている。
【０００４】
電動機の中空軸３の下方には、ミラー５が配置されている。また、ミラー５に走査光を入射させるレーザ発光装置６が、中空軸３の下方から外れた位置に配置されている。
さらに、ミラー５の下方には、受光光学系７が設けられており、受光光学系７の下方にはレーザ受光装置８が設けられている。
【０００５】
レーザ発光装置６から水平方向に向けて出射した走査光は、ミラー５で反射して上方へ向かう。ミラー５で反射した走査光は、中空軸３内を通過し、平板反射鏡１０で反射する。
平板反射鏡１０で反射した走査光は、対象物１１へ照射される。
【０００６】
対象物１１で反射した反射光は、散乱光として平板反射鏡１０に戻る。このとき反射光は対象物１１で反射する際に散乱しているので、平板反射鏡１０全体で反射光を受光することとなる。
反射光は、平板反射鏡１０で反射して下方に向かう。平板反射鏡１０で反射した反射光は、中空軸３内を通過して受光光学系７に入射する。そして反射光は受光光学系７を経てレーザ受光装置８に入射する。レーザ受光装置８には、図示しないデータ処理装置が接続されている。このデータ処理装置へ、レーザ発光装置６及びレーザ受光装置８から走査光に関する情報が入力され、さらに図示しないロータリーエンコーダ等から平板反射鏡１０の反射面が正対している方向に関する情報が入力される。これによりデータ処理装置が反射光を三次元座標データとして算出することが可能となる。この三次元座標データを複数取得して得られる点群データを処理し、対象物１１の形状を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−５２７０２４号公報
【特許文献２】特許第５６２０６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８に、図７で示した従来の光走査装置において平板反射鏡１０が水平回転軸Ｙを中心に回転し、平板反射鏡１０の反射面の角度が変化したところを示す。
図８の状態は、図７の状態と比較すると、平板反射鏡１０の反射面が鉛直面に近い角度になっている。この状態では、対象物１１の反射点から見た平板反射鏡１０の投影面積が減少することにより、受光できる面積が小さくなる。
【０００９】
平板反射鏡１０による反射光の受光面積が小さくなると、受光できる反射光の光量が減少するので対象物１１の計測精度が低くなったり、計測そのものができなくなるという課題がある。言い換えると、平板反射鏡の長さによって計測可能な範囲が決まるということである。
また、計測可能な範囲を増加させるためには、平板反射鏡の水平回転軸と直角方向の長さを大きくすることも考えられるが、水平回転軸と直角方向に長い平板反射鏡を回転させるためには、軸受等の負荷が大きくなるため構造的に高コスト化し、空気抵抗も大きくなるため高速回転が困難であり、騒音や振動の発生が懸念されるという課題がある。
【００１０】
そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、水平回転軸と直角方向に長く面積の大きい反射鏡を用いずに、回転角度によって対象物からの反射光の受光面積が変化しないようにすることで、計測可能範囲が狭くならないようにできる光走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる光走査装置によれば、電動機と、鉛直方向を軸線とする鉛直回転軸を中心に回転可能、且つ水平方向を軸線とする水平回転軸を中心に回転可能であって、水平回転軸と平行な方向に沿って走査光が反射面に入射する位置に配置された反射鏡と、前記電動機の回転駆動を前記鉛直回転軸及び前記水平回転軸に伝達する駆動伝達部と、を具備し、前記水平回転軸は、前記反射鏡の反射面に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有することを特徴としている。
この構成を採用することによって、水平回転軸を中心に回転する反射鏡の反射面の反射光が受光できる範囲を回転角度によらず同じ面積とすることができ、受光できる反射光の光量を少なくならないようにできる。
【００１２】
また、前記反射鏡は、前記水平回転軸方向に沿って延びる円柱状のロッドの先端が、前記水平回転軸に対して直角又は平行な角度以外の所定角度で形成された反射面を有するロッドミラーであることを特徴としてもよい。
この構成によれば、反射面と回転軸が１本のロッドで構成されているので、水平回転軸を中心に回転させた場合、空気抵抗を小さくすることができ、また風切り音の発生などを防止することができる。
【００１３】
また、前記水平回転軸は、前記反射鏡の反射面の中心を通り、前記走査光は、前記反射鏡の反射面の中心に入射することを特徴としてもよい。
この構成によれば、反射光も反射面の中心の周囲に反射してくるため、反射鏡の反射面における受光可能な面積を広げ、反射光の光量を上げることができる。
【００１４】
また、前記所定角度は４５度であることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水平回転軸を中心に回転する反射鏡として、水平回転軸と直角方向に長く面積の大きい反射鏡を用いなくても、計測可能範囲が狭くならないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光走査装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】光走査装置の斜視図である。
【図３】光走査装置の側面図である。
【図４】反射鏡の説明図である。
【図５】図４に示した反射鏡を、水平回転軸を中心に回転させたところを示す説明図である。
【図６】反射鏡の他の実施形態を示す説明図である。
【図７】従来の光走査装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】図７に示した光走査装置における反射鏡の反射面の角度が鉛直面に近い角度になった場合を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態の光走査装置の概略構成を示し、最初に主として光学系について説明する。
光走査装置３０は、走査光を光走査装置３０の周囲の対象物に照射し、周囲からの反射光によって周囲の空間の形状を点群データとして取得し、対象物の形状を計測するものである。走査光としては、一般的にはレーザ光が用いられる。
【００１８】
光走査装置３０は、電動機３２と、電動機３２の上部に配置される反射鏡３４とを備えている。反射鏡３４は、対象物（図示せず）に走査光を照射し、且つ対象物からの反射光を受光する。この反射鏡３４は、水平回転軸Ｙを中心に回転可能であり、且つ後述する回転部３８と一体となって鉛直回転軸Ｚを中心に回転可能に設けられている。また、水平回転軸Ｙは、反射鏡３４の反射面の中心を通るように設けられており、また鉛直回転軸Ｚも反射鏡３４の反射面の中心を通るように設けられている。このため、周囲の空間に対して照射される走査光は、反射鏡３４を中心とした一定半径の球体の表面を仮想した際に、走査光の軌跡が球体表面に網目状の模様を描く。
【００１９】
電動機３２の回転軸は、中心が中空である中空軸３６である。中空軸３６の上端部には、中空軸３６と一体になって水平面上で回転する回転部３８（図２、図３参照）が固定されている。この回転部３８に反射鏡３４が取り付けられている。
【００２０】
電動機３２の中空軸３６の下方には、下部反射鏡４５が配置されている。下部反射鏡４５は、中空軸３６へ走査光を導入し、且つ中空軸３６内を通過した反射光を横方向へ反射させる機能を有する。
走査光を出力するレーザ発光装置２６は、電動機３２の直下ではなく、横方向にずれた位置に設けられている。レーザ発光装置２６は、複数のミラー２５を介して下部反射鏡４５に走査光を入射する。
【００２１】
また、中空軸３６内を鉛直下向きに通過した反射光は、下部反射鏡４５によって反射され、受光光学系２７を介してレーザ受光装置２８に入射される。レーザ受光装置２８にはデータ処理装置（図示せず）が接続されており、レーザ受光装置２８で受光した反射光から測定対象までの距離が算出でき、また、図示していないロータリーエンコーダ等により各回転軸の角度を検出することにより、走査光が照射された方向が算出できる。これらの距離と方向の情報に基づいて三次元座標データを算出することが可能となる。
データ処理装置としては通常のパーソナルコンピュータ等であってもよいし、データ処理用の専用機であってもよい。
【００２２】
中空軸３６の上端部から出た走査光は、複数の反射鏡を有する光路を経て反射鏡３４の反射面に入射される。走査光は、反射鏡３４に対して、水平方向に沿った回転軸である水平回転軸Ｙと平行に入射される。
このとき、走査光は水平回転軸Ｙに対して同一直線上に入射すること、すなわち反射鏡３４の反射面の中心に入射することが好ましい。走査光を反射鏡３４の反射面の中心に入射することにより、反射鏡３４の回転による反射面の位置が水平回転軸Ｙのどの角度であっても同一の面積の反射面を対象物の方向へ向けさせることができ、常に一定の光量を受光することが可能となる。
【００２３】
以下、上述した複数の反射鏡を有する光路について説明する。
中空軸３６の直上に第１反射鏡４８が配置されている。第１反射鏡４８は、その反射面が中空軸３６の鉛直方向に延びる軸線に対して４５度下向きに傾斜した角度となるように配置されている。中空軸３６を通って下方から入射された走査光は、第１反射鏡４８によって水平方向に反射される。
【００２４】
走査光が第１反射鏡４８によって水平方向に反射された後に鉛直方向に反射させる第２反射鏡４９が設けられている。第２反射鏡４９の反射面は、水平方向に対して４５度上向きに傾斜した角度となるように配置されている。第２反射鏡４９は、第１反射鏡４８から反射されて水平方向に入射する走査光を鉛直上向きに反射する。
【００２５】
第２反射鏡４９の上方には、第３反射鏡５０が配置されている。第３反射鏡５０は、第２反射鏡４９で反射されて鉛直上向きに入射してくる走査光を水平方向に反射する。第３反射鏡５０の反射面は、鉛直方向に延びる軸線に対して４５度下向きに傾斜した角度となるように配置されている。
第３反射鏡５０で反射された走査光は、反射鏡３４の水平回転軸の軸線と同一線上にあり、反射鏡３４の反射面に入射される。
【００２６】
これらの第１反射鏡４８、第２反射鏡４９、第３反射鏡５０は、回転部３８に固定されており、回転部３８と一体となって鉛直回転軸Ｚを中心に回転する。
【００２７】
対象物で反射した反射光の光路について説明する。
走査光が対象物に入射されると走査光は対象物で散乱して反射される。この反射光は、反射鏡３４の反射面で反射して第３反射鏡５０に入射する。第３反射鏡５０は、反射光を鉛直下向きに反射する。第３反射鏡５０で反射した反射光は、第２反射鏡４９で水平方向に反射されて第１反射鏡４８に入射する。第１反射鏡４８は、反射光を鉛直下向きに反射する。第１反射鏡４８で反射した反射光は、中空軸３６内を通過して受光光学系２７を通過し、集光されてレーザ受光装置２８に入射する。受光光学系２７は、反射光を集光する凸レンズ等から構成される。
【００２８】
次に、図２に本実施形態にかかる光走査装置の斜視図を、図３に側面図を示し、本実施形態にかかる光走査装置の機械的構成について説明する。
上述したように反射鏡３４は、水平方向を向く回転軸である水平回転軸Ｙを中心に回転し、走査光を上下方向に走査する。
また、反射鏡３４は回転部３８と一体になって、鉛直方向を向く回転軸である鉛直回転軸Ｚを中心に回転し、走査光を水平方向に走査する。本実施形態の鉛直回転軸は中空軸３６である。
【００２９】
光走査装置３０は、最下部に土台部３９が設けられ、土台部３９が地面又は床面等への設置面として構成されている。
電動機３２は、土台部３９から所定距離離れた上方に設けられた基台４０に配置されている。土台部３９の上面の四隅には、基台４０を支持するための支持柱４１がそれぞれ配置されている。
【００３０】
光走査装置３０には、１つの電動機３２の回転駆動を鉛直回転軸Ｚ及び水平回転軸Ｙの双方に伝達する駆動伝達部５２が設けられている。
駆動伝達部５２は、固定歯車５４と、回転歯車５５とを有している。固定歯車５４と回転歯車５５は双方が噛み合う傘歯車である。固定歯車５４は、リング状の傘歯車であり中空軸３６の周囲に配置されている。固定歯車５４は、電動機３２の上面に固定されており、回転しない。
なお、図面において、固定歯車５４を透明な部材として図示しているが、実際には透明である必要はない。
【００３１】
回転歯車５５は、固定歯車５４の歯の上方において、軸５７によって回転自在となるように回転部３８に取り付けられている。回転歯車５５の軸５７の軸線が水平回転軸Ｙと一致する。
回転歯車５５は固定歯車５４と噛合して、鉛直面内で回転する。
【００３２】
回転部３８は、中空軸３６に固定されており、電動機３２が駆動して中空軸３６を回転させることによって中空軸３６とともに、鉛直方向を回転軸として回転する。
回転部３８が鉛直回転軸Ｚを中心に回転すると、固定歯車５４に噛合している回転歯車５５は、水平回転軸Ｙを軸心とする軸５７を中心に回転する。
【００３３】
軸５７は、反射鏡３４の反射面が形成されている側と反対側の端部と連結している。このため、反射鏡３４は、回転歯車５５の回転に伴って水平回転軸Ｙを軸心とする軸５７を中心に回転する。
【００３４】
なお、回転部３８は、中空軸３６を挟んで対向する位置に配置されてそれぞれ上方に向けて突出する２本の柱部５８，５９と、２本の柱部５８，５９の上端部を連結している梁部６０とを有している。
柱部５９には、上述したように、回転歯車５５が軸５７を回転させるように取り付けられている。
【００３５】
上述した第１反射鏡４８は柱部５９の下部側に取り付けられており、第２反射鏡４９は、柱部５８の第１反射鏡４８と水平方向に対向する位置に取り付けられている。
また、第３反射鏡５０は、柱部５８における軸５７の軸線上すなわち反射鏡３４の回転軸線上であって、第２反射鏡４９の上方に取り付けられている。
【００３６】
また梁部６０における、反射鏡３４の直上位置では、他の部位よりもその幅が狭くなっている幅狭部６２として形成されている。これは、梁部６０によるケラレを小さくするためである。
【００３７】
図４及び図５に反射鏡３４の拡大図を示す。
本実施形態の反射鏡３４は、円柱状のロッドの先端をロッドの軸線方向（水平回転軸Ｙ）に対して垂直又は平行以外の角度である所定角度に傾斜させた反射面を有するロッドミラーを採用している。ロッドミラーとは、ガラス等で形成されたロッドの先端を所定角度に切断し、この切断面に金属等の反射膜を蒸着させるなどして形成することで反射面としたものである。
本実施形態では、所定角度として４５°となるようにしているが、所定角度としては４５°に限定するものではない。
【００３８】
反射鏡３４の水平回転軸Ｙは、ロッドの軸線と同一軸線となるように一致させ、且つ反射面の中心を通るように設けられている。
反射鏡３４を、水平回転軸Ｙ（ロッドの中心軸線）を中心に回転させることによって、水平回転軸Ｙと平行に入射する走査光は、その水平回転軸Ｙの回転角度に拘わらず、真下を除いて均等に走査できる。特に天頂方向付近については、従来技術で説明した構成では測定できなかったが、本発明では天頂方向についても測定が可能である。
【００３９】
そして、本実施形態の反射鏡３４によれば、対象物から反射された反射光は、反射鏡３４が水平回転軸Ｙを中心に回転しても角度によって反射光の受光面積が変動しないようにできる。このため、反射光に基づく点群データを確実に取得できる。
また、反射鏡の反射面の面積を大きくしなくても、回転角度によって受光面積が変動せず一定となるようにできるので、構造的に低コストで実現可能であり、空気抵抗を大きくしないようにでき、騒音や振動の発生を防止できる。
【００４０】
なお、上述した実施形態では、反射鏡としてロッドミラーを採用した場合について説明したが、反射鏡としてはロッドミラーに限定されない。
例えば図６に示すように、水平方向に向かう水平回転軸に対して所定の角度の反射面を有する平板反射鏡６４に、水平回転軸と同一直線上に配置された回転軸６６が取り付けられた構成であってもよい。
【００４１】
また、本発明の光走査装置としては、その走査光としてレーザ光に限定するものではなく、他の発光素子によって発光した光を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２５    ミラー
２６    レーザ発光装置
２７    受光光学系
２８    レーザ受光装置
３０    光走査装置
３２    電動機
３４    反射鏡
３６    中空軸
３８    回転部
３９    土台部
４０    基台
４１    支持柱
４５    下部反射鏡
４８    第１反射鏡
４９    第２反射鏡
５０    第３反射鏡
５２    駆動伝達部
５４    固定歯車
５５    回転歯車
５７    軸
５８，５９       柱部
６０    梁部
６２    幅狭部
６４    平板反射鏡
６６    回転軸
Ｙ      水平回転軸
Ｚ      鉛直回転軸
【図１】
2017134293.tif 000003
【図２】
2017134293.tif 000004
【図３】
2017134293.tif 000005
【図４】
2017134293.tif 000006
【図５】
2017134293.tif 000007
【図６】
2017134293.tif 000008
【図７】
2017134293.tif 000009
【図８】
2017134293.tif 000010