(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光部と、該投光部と上下方向で対向するように配置される受光部と、該受光部を内部に収容した状態で回転駆動されるキャップ部材と、該キャップ部材の遮光された端壁部の外面に固定され且つ前記投光部から出射された投光光を前記キャップ部材の半径方向外方空間に向けて走査する投光ミラーと、前記キャップ部材の周壁部に設けられた受光窓に固定され且つ前記半径方向外方空間からの反射光を前記キャップ部材の内部に導入する受光レンズと、前記キャップ部材の遮光された端壁部の内面に固定され且つ前記受光レンズによって前記キャップ部材の内部に導入された反射光を前記受光部に入射する受光ミラーと、前記投光ミラーで反射した前記投光部からの投光光を前記受光ミラーに向けて折り返す導光部材と、前記受光部に受光された反射光に基づいて前記半径方向外方空間の被投射体までの距離を演算する距離演算部とを、前記半径方向外方空間に走査される投光光および前記半径方向外方空間からの反射光が通過する透明窓を周壁部に有するアウターカバーの内部に収容した走査型レンジセンサであって、
前記アウターカバーの透明窓は、前記半径方向外方空間に走査される投光光が通過する第１透明窓と、前記半径方向外方空間からの反射光が通過する第２透明窓とが段部を介して連続すると共に、前記段部が前記キャップ部材の遮光された端壁部と同一平面上にあり、さらに前記段部によって前記第２透明窓が前記第１透明窓よりも外径側に位置することを特徴とする走査型レンジセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被投射体に対して光を走査し、その走査領域からの反射光に基づいて被投射体までの距離を検出する走査型レンジセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、例えば無人搬送台車（ＡＧＶ）に搭載して走行領域での障害物等を検知するセンサとしては、投光部から出射された光を回転ミラーで反射して周囲に光軸を振る走査型レンジセンサ（以下、単にレンジセンサともいう）が利用されている。
【０００３】
この種のレンジセンサとしては、例えば下記の特許文献１に記載のものが挙げられる。同文献に記載のレンジセンサ１００は、図３に示すように、上下に共通の回転軸１０１ａ、１０１ｂを突出させた両軸のモータ１０２を使い、一方の回転軸１０１ａに投光ミラー１０３、他方の回転軸１０１ｂに受光ミラー１０４を互いに同位相で取り付けた構造である。この構造は、投光光軸と受光光軸が完全に分離されるため、投光光学系から受光光学系への不要な光の回り込みが少ない。なお、図３中、１０５は投光部、１０６は受光部、１０７はハウジングを示している。
【０００４】
また、この種のレンジセンサの他の一例としては、下記の特許文献２に記載のものが挙げられる。同文献に記載のレンジセンサ２００は、図４に示すように、回転軸２０１を上向きに突出させたモータ２０２を使い、この回転軸２０１に投受光兼用ミラー２０３を取り付けた構造である。投光部２０４から出射された光は、レンズ２０５を通り反射ミラー２０６で下方に反射され投受光兼用ミラー２０３で被投射体２０７に向けて反射され、その被投射体２０７からの反射光は、投受光兼用ミラー２０３で上方に反射され、レンズ２０８を通り受光部２０９に入射される。この構造は、投光光軸と受光光軸が同軸上にあるため、近距離でも死角が生じない。なお、図中の２１０は、投受光窓を示している。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４６６８８５９号公報
【特許文献２】米国特許第５４５５６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１に記載のレンジセンサ１００は、投光ミラー１０３と受光ミラー１０４との間にモータ１０２が介在しているため、投光光軸と受光光軸との光軸間距離が必然的に大きくなる。そのため、近距離では反射光が受光部１０６に入らず死角が発生するという問題が生じる。
【０００７】
一方、上記の特許文献２に記載のレンジセンサ２００は、投受光兼用ミラー２０３よって投光光軸と受光光軸が同軸上にあるため、例えば投受光窓２１０の内面からの表面反射や投受光窓２１０に付着したごみ等で反射した反射光が投受光兼用ミラー２０３を介して受光部２０９に入射される等の受光部２０９へ不要な光の回り込みが発生する可能性が高く、結果として受光部２０９の受光感度を高くすることができないという問題がある。
【０００８】
また、この種のレンジセンサによって計測される距離の値は、温度変化等の測定環境の変化によって変動する場合がある。このような場合には、計測された距離値と実距離の間に誤差が生じて正確な距離測定を行うことができない。したがって、この誤差が実用上問題のない程度となる適正な距離演算を行うことが望まれる。
【０００９】
本発明の課題は、近距離での死角を可及的に減少させると共に、受光部へ不要な光が回り込むことを防止した上で、適正な距離演算を行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために創案された本発明は、投光部と、該投光部と上下方向で対向するように配置される受光部と、該受光部を内部に収容した状態で回転駆動されるキャップ部材と、該キャップ部材の遮光された端壁部の外面に固定され且つ前記投光部から出射された投光光を前記キャップ部材の半径方向外方空間に向けて走査する投光ミラーと、前記キャップ部材の周壁部に設けられた受光窓に固定され且つ前記半径方向外方空間からの反射光を前記キャップ部材の内部に導入する受光レンズと、前記キャップ部材の遮光された端壁部の内面に固定され且つ前記受光レンズによって前記キャップ部材の内部に導入された反射光を前記受光部に入射する受光ミラーと、前記投光ミラーで反射した前記投光部からの投光光を前記受光ミラーに向けて折り返す導光部材と、前記受光部に受光された反射光に基づいて前記半径方向外方空間の被投射体までの距離を演算する距離演算部とを、前記半径方向外方空間に走査される投光光および前記半径方向外方空間からの反射光が通過する透明窓を周壁部に有するアウターカバーの内部に収容した走査型レンジセンサであって、前記アウターカバーの透明窓は、前記半径方向外方空間に走査される投光光が通過する第１透明窓と、前記半径方向外方空間からの反射光が通過する第２透明窓とが段部を介して連続すると共に、前記段部が前記キャップ部材の遮光された端壁部と同一平面上にあり、さらに前記段部によって前記第２透明窓が前記第１透明窓よりも外径側に位置することを特徴とするものである。
【００１１】
上記の構成によれば、投光ミラーと受光ミラーは、キャップ部材の端壁部を介して相互に近接して固定される。そのため、投光ミラーの投光光軸と受光ミラーの受光光軸の光軸間距離も必然的に小さくなり、近距離での死角を実用上問題のない程度まで小さくすることができる。しかも、キャップ部材の端壁部によって投光ミラーと受光ミラーは光学的に分離されるため、不要な光が回り込んで受光部に入射されるという事態を可及的に防止することできる。
【００１２】
さらに、アウターカバーの透明窓形成領域のうち、投光ミラーで反射した投光部から出射された投光光が通過する第１透明窓と、被投射体からの反射光が通過する第２透明窓との間に段部が形成されることになるため、仮に、投光光が第１透明窓の表面或いは第１透明窓に付着したごみ等によって不当に反射して反射光が発生した場合であっても、その反射光が回り込んで受光部へ入射されるという事態を段部によってより確実に防止することができる。
【００１４】
被投射体までの距離演算は、投光部から出射された光を、キャップ部材の回転と連動して回転する投光ミラーによってキャップ部材の半径方向外方空間に走査し、被投射体からの反射光を受光ミラーで受光部に入射し、この入射された反射光に基づいて行われる。この際、キャップ部材の半径方向外方空間の一部領域には、導光部材が配置固定されている。そのため、導光部材の配置箇所に対応した領域では、投光ミラーで反射した投光部からの光は受光ミラーに向けて折り返した後、受光ミラーで反射して受光部へ入射される。したがって、導光部材によって、受光部に入射された光に基づいて演算を行えば、導光部材までの距離に対応した基準データを得ることができる。この基準データは、周囲の温度等の測定環境の変化や部品の長期間使用による特性変化（経年変化）に応じた変化を示すため、この基準データの変化量に基づいて走査領域での距離演算を校正すれば、周囲の測定環境の変化に依存しない適正な距離演算を行うことができる。
【００１５】
なお、投光部は、通常、出力される光量が内部で自動調整されるため、出力される光量が変動する場合が少なく、周囲の温度変化に影響を受けにくい。その一方で、受光部は、周囲の温度によって受光感度が変動する場合があり、周囲の温度変化に比較的影響を受けやすい。このような場合には、導光部材からの光が受光部で一定の光量として受光されるように、受光部の感度を調整するように構成することもできる。具体的な受光部の感度調整手法としては、例えば受光部に印加される電圧を調整することが挙げられる。
【００１６】
また、導光部材を通って受光部に入射される光が受光部の検出に最適な光量となるように、導光部材の形状を加工してもよい。具体的には、例えば、導光部材の中間部を絞って導光部材内部の光路を調整したり、導光部材に顔料を混ぜる等して着色して光の透過率を調整したり、或いは導光部材の背面に凹凸を付けて光を拡散させるなどにより、導光部材からの光を減衰することが挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明によれば、投光ミラーと受光ミラーを完全に分離しているため、不要な光の回り込みを防止することができる。また、投光ミラーの投光光軸と受光ミラーの受光光軸が、キャップ部材の端壁部を介して近接しているので、近距離での死角を実用上問題がない距離まで短くすることができる。更に、導光部材によって、演算された距離を適正に校正することが可能となるため、周囲の測定環境の変化や部品の経年変化に依存しない高精度な距離測定を行うレンジセンサを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係るレンジセンサの全体構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、このレンジセンサ１は、アウターカバー２の内部に、投光部３と、受光部４と、投光ミラー５と、受光ミラー６と、キャップ部材７と、導光部材８と、距離演算部９とを基本的な構成要素とするレンジセンサ本体を以下に説明する態様で組み付けてユニット化したものである。
【００２０】
アウターカバー２は、底板２ａと、底板２ａの周囲に立設された略円筒状の胴部２ｂと、胴部２ｂの上端開口を塞ぐ天板２ｃとを備えている。そして、アウターカバー２の胴部２ｂの高さ方向中央位置よりも上方位置に、水平円環状で上下方向に一定の幅を有する第１透明窓１０および第２透明窓１１が上下方向に段部１２を介して連続しており、この段部１２によって第２透明窓１１が第１透明窓１０に対して拡径されている。第１透明窓１０および第２透明窓１１は、例えばアウターカバー２の主材料とは別の透明部材を継ぎ目なく嵌合したり、或いはアウターカバー２全体を透明材料で形成するなどの方法によって形成される。なお、アウターカバー２全体を透明材料で形成した場合には、必要に応じて第１透明窓１０及び第２透明窓１１に対応する領域以外を遮光してもよい。
【００２１】
アウターカバー２の天板２ｃ内面の中心位置には、鉛直方向下向きに光を出射する投光部３が配設されている。この投光部３は、例えばレーザやＬＥＤ等を光源とするものである。投光部３の下端には、投光部３から出射された光のビーム径を一定にする光学レンズ１３が配設されている。
【００２２】
また、アウターカバー２の内部には、投光部３から鉛直下向きに出射される光の光軸と一致する回転軸線Ｘを中心として回転駆動されるキャップ部材７がアウターカバー２の内面から離隔して配設されている。このキャップ部材７は、円筒状の周壁部７ａと、周壁部７ａの上端開口を塞ぐ上端壁部７ｂとを備えている。この上端壁部７ｂの同一平面上には、アウターカバー２の段部１２が位置するようになっている。また、周壁部７ａには受光窓１４が形成され、この受光窓１４に光軸をキャップ部材７の半径方向に整合させた受光レンズ１５が嵌合されている。そして、キャップ部材７は、全体として例えば樹脂等の材料で形成されると共に、受光窓１４を除く全領域が例えば遮光材料で覆われる等の方法によって遮光されている。キャップ部材７の周壁部７ａの下部は縮径されて周壁部下端部７ａ1とされている。
【００２３】
一方、アウターカバー２の内部に水平に張り出すように形成された支持板１６には、キャップ部材７に回転駆動力を付与するモータ１７が配設されている。このモータ１７は、巻線コイルとコアからなるステータ１８と、このステータ１８を内周面に固定する円筒部１９と、この円筒部１９の内側底面を形成する底板部２０と、この底板部２０の中心に形成されたモータ静止軸２１と、このモータ静止軸２１の上端に固定された水平な円板部２２とで構成されている。なお、モータ静止軸２１の内部には上下に貫通する中空貫通穴２３が設けられている。
【００２４】
モータ静止軸２１の外周面には軸受２４の内周面が嵌合固定され、この軸受２４の外周面に周壁部下端部７ａ1の内径面が回転自在に嵌合されている。軸受２４は、例えばボー
ル軸受、滑り軸受または流体動圧軸受で構成する。更に、周壁部下端部７ａ1の外周面に
はステータ１８と僅かな隙間を空けて対向したマグネット２５が取り付けられている。このモータ１７は、ステータ１８により発生された回転磁界に、周壁部下端部７ａ1の外周
面に配置されたマグネット２５が誘引されることにより、回転駆動力を発生させる。
【００２５】
モータ１７のモータ静止軸２１の上端に固定された円板部２２の上面中央には受光部４が配設固定され、投光部３と受光部４がキャップ部材７の回転軸線Ｘ上に対向して配置されるようになっている。受光部４はフォトダイオードなどの光センサで構成されており、この受光部４に受光レンズ１５の焦点が合わされている。なお、本実施形態では、受光部４の受光面にバンドパスフィルタ２６が取り付けられており、仮にキャップ部材７内部に不要な光が入った場合であっても、受光部４にかかる不要な光が入らないようにしている。
【００２６】
更に、受光部４は、モータ静止軸２１内部の中空貫通穴２３に通された信号線２７を介して、アウターカバー２の支持板１６と底板２ａの間の空間に配設された距離演算部９に接続されている。この距離演算部９は、本実施形態では、複数（図示例では３つ）のプリント基板９ａを上下方向に積層して各層を電気的に接続した構造となっている。
【００２７】
キャップ部材７の外周には、キャップ部材７の回転角を検出する回転位置検出部２８が配置されている。この回転位置検出部２８は、キャップ部材７の外周面に固定されてキャップ部材７と協同して回転すると共に径方向に伸びる光学的スリットを周方向に複数配列してなるスリット板２９と、スリット板２９の回転経路上に配置固定されたフォトインタラプタ３０によって構成されており、このフォトインタラプタ３０が信号線３１を介して距離演算部９に接続されている。
【００２８】
キャップ部材７の上端壁部７ｂ中央の上下面には、投光ミラー５と受光ミラー６が取り付けられている。これら投光ミラー５と受光ミラー６は、上下鉛直方向に対して左約４５度および右約４５度で傾斜配置されている。キャップ部材７の回転軸線Ｘ上に沿って投光部３から鉛直方向下向きに出射された光が投光ミラー５で反射されてキャップ部材７の半径方向外方に向けてほぼ水平方向に向けられる。一方、受光窓１４の受光レンズ１５を通してキャップ部材７内にほぼ水平方向に導入された光は、受光ミラー６で鉛直下向きに反射され、受光部４へ入射される。
【００２９】
また、アウターカバー２の胴部２ｂ内面における一部領域には、図１および図２に示すように、導光部材８が固定配置されている。この導光部材８は、本実施形態では鉛直状に配置固定された断面台形状のプリズムミラーで構成されている。キャップ部材７が導光部材８に対応する位置まで回転すると、投光部３から照射された鉛直方向下向きの光は、図２に示すように、投光ミラー５で図中の右向き水平方向に反射され、導光部材８の上端部の第１反射面８ａで鉛直方向下向きに反射され、導光部材８の下端部の第２反射面８ｂで図中の左向き水平方向に反射される。この際、第１反射面８ａと第２反射面８ｂとの間で、投光ミラー５と受光ミラー６の光軸のずれ寸法分Ｌだけ光軸が上下方向にずれされるので、第２反射面８ｂで左向き水平方向に反射された光は、受光レンズ１５を通過して受光ミラー６で鉛直方向下向きに反射され受光部４へ入射される。この導光部材８には、キャップ部材７が１回転する毎に光が入射され、投光ミラー５で反射した投光部３からの光を受光ミラー６に向けて適正に折り返すようになっている。
【００３０】
次に、以上のように構成したレンジセンサ１の動作について説明する。投光ミラー５はキャップ部材７と共に高速回転しているので、投光部３から鉛直方向下方に出射されて投光ミラー５で水平方向に反射された投光光は、図１に示すように、アウターカバー２の第１透明窓１０を通して導光部材８の配設位置を除く、回転軸線Ｘを中心とする例えば周囲約２７０度の走査領域に連続的に走査される。そして、この走査領域の被投射体３２で反射された反射光は、第２透明窓１１を通してアウターカバー２の内部に導入され、キャップ部材７の受光レンズ１５を通して受光ミラー６にほぼ水平方向から入射する。その後、受光ミラー６で鉛直方向下方に反射されて受光部４に焦合する。
【００３１】
また、キャップ部材７の１回転毎に、投光部３から出射された光が、図２に示すように、投光ミラーで図中の右方向に反射され、導光部材８に光が入射する。導光部材８に入射した光は、導光部材８の第１反射面８ａ及び第２反射面８ｂで反射され、第１反射面８ａと第２反射面８ｂとの間で、投光部３と受光部４の光軸線のずれ寸法分Ｌだけ鉛直方向下向きにずらされて、受光レンズ１５を通して受光ミラー６に照射され後、受光ミラー６で鉛直下向きに反射されて受光部４に焦合する。
【００３２】
一方、受光部４で光を受光した時のキャップ部材７の回転角度に関する情報が回転位置検出部２８で検出され、この情報と受光部４の出力信号が信号線２７および信号線３１を介して距離演算部９に送られる。距離演算部９は、受光部４の出力信号に基づいて被投射体３２までの距離を演算すると共に、この距離と回転位置検出部２８からの回転位置情報とを組み合わせて被投射体３２の位置を検出する。この際、距離演算部９は、導光部材８によって光が入射したときの受光部４の出力信号に基づいて、導光部材８までの距離に対応する基準長さを演算し、この基準長さに基づいて、演算された被投射体３２までの距離を校正するようになっている。ここで、基準長さは、周囲の温度条件等の測定環境の変化や部品の経年変化に応じた所定量変化するので、この変化量に基づいて演算された被投射体３２までの距離を校正すれば、周囲の測定環境の変化によらず、常に適正な距離演算を行うことが可能となる。
【００３３】
更に、導光部材８によって誘導された光が受光部４で常に一定の光量として受光されるように受光部４に印加される電圧を調整するようになっている。
【００３４】
以上のように、本実施形態に係るレンジセンサ１によれば、投光ミラー５と受光ミラー６を完全に分離しているため、不要な光の回り込みが防止できるので受光部４の受光感度を上げることができる。特に投光部３から出射される光がレーザ光である場合には、人の目の安全を確保するために投光部３の光源パワーを安全基準で定められた規定値以上に大きくすることができないという事情があるため、同一パワーの光源でセンシング距離を長くできることは大きな意義がある。また、投光ミラー５の投光光軸と受光ミラー６の受光光軸が、キャップ部材７の上端壁部７ｂを介して近接しているので、近距離での死角を実用上問題がない距離まで短くすることができる。更に、アウターカバー２の胴部２ｂに固定配置された導光部材８によって、演算された距離を適正に校正することが可能となるため、周囲の測定環境の変化や部品の経年変化に依存しない高精度な距離測定を行うレンジセンサを提供することが可能となる。
【００３５】
なお、本発明の距離測定方式は特に限定されるものではないが、例えば、光をパルス状に強度変調して受光信号との時間差を計測することにより距離を求めるＴＯＦ方式や、光をある一定の周波数でＡＭ強度変調して受光信号との位相差から距離を求めるＡＭ方式や、光を三角波の形で波長変調し、受光信号と投光信号の干渉光の周波数信号から距離を求めるＦＭ方式などを問題なく適用することができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、導光部材８として断面台形状のプリズムミラーを例示したが、これに限定されるものではなく、投光ミラー５で反射した投光部３からの光を受光ミラー６に向けて適正に折り返す機能を有するものであればよい。具体的には、例えば断面三角形状のプリズムミラー、光ファイバー、内部に光を拡散する例えば細かい粒子状の拡散物の入った半透明のシート等も使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る走査型レンジセンサを示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る走査型レンジセンサの一部を示す概略縦断面図である。
【図３】従来の走査型レンジセンサの一例を示す概念図である。
【図４】従来の走査型レンジセンサの他の例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    走査型レンジセンサ
２    アウターカバー
３    投光部
４    受光部
５    投光ミラー
６    受光ミラー
７    キャップ部材
８    導光部材
９    距離演算部
【図１】
0004032061.tif 000002
【図２】
0004032061.tif 000003
【図３】
0004032061.tif 000004
【図４】
0004032061.tif 000005