CN1712998A

CN1712998A - 光学测距传感器和自动推进式清洁器

Info

Publication number: CN1712998A
Application number: CN200510081017.5A
Authority: CN
Inventors: 水尾和洋; 山口阳史; 川西信也; 藤川淳雄
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: US20060050263A1; JP2006010506A; US7119887B2; CN100344998C

Abstract

本发明涉及一种光学测距传感器，具有多个发光元件(51－55)、发光透镜(1)、具有光接收面的光电检测器(4)、顺序地驱动所述发光元件的发光驱动部分(31)、和距离信号输出部分(31)。从每个发光元件发射的光穿过发光透镜，然后被检测物体(32)反射，再入射到所述光电检测器的光接收面，其输出与在所述光接收面中的入射光的位置相对应的信号。当接收到该信号时，所述距离信号输出部分输出代表到该物体距离的距离信号。

Description

光学测距传感器和自动推进式清洁器

技术领域

本发明涉及一种光学测距传感器，该光学测距传感器检测在指定范围内的物体的存在和该物体所位于的方向，并测量到该物体的距离。本发明还涉及结合这样一种传感器的自动推进式清洁机。

背景技术

按照惯例，热电型传感器、超声波传感器、反射型红外传感器、红外测距传感器等已经被用作用来检测人体和物体传感器，也用到了多个这些不同的传感器的组合。

作为这种传感器，提出了一种包括热电型传感器和红外传感器的传感器设备。该传感器设备通过热电型传感器检测人体，然后通过红外传感器检测人体所位于的方向并测量到该人体的距离(例如参考JP 2002-350555A)。在这种传感器设备中，因为红外传感器具有比热电型传感器更窄的检测范围，已经提出通过使红外传感器机械地扫描检测范围，来检测人体的方向和距离。而且，已经提出利用多个红外传感器，以便覆盖与热电型传感器的检测范围粗略相等的检测范围。

然而，使红外传感器机械地扫描所述范围，导致了由于机械扫描运动而产生噪声的问题，以及由于机械扫描所以响应度相对较低的问题。这种配置还有进一步的问题，由于扫描机械装置所需的维护，该传感器设备的长期稳定性相对较差。

利用多个红外传感器会有传感器设备的尺寸增加的问题，所以将要装备该传感器设备的装置是有限的。这种配置还有进一步的问题，制造成本由于零件计数的增加而增加。而且，在依赖于多个红外传感器的安装状态的平行光发射中，还可能出现散射光和困难。这些问题造成了一个缺点，即降低了测量值的精度。这种配置还有一个问题，每当光源被切换到另一个以便切换红外线发射时，就会产生一段不规则的输出，以致总体上测距操作花费大量的时间。而且，还有另一个问题，由于容易受到电磁波的影响，测量精度倾向于被降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光学测距传感器，其产生很少或不产生噪声，具有相对满意的长期稳定性和相对较高的测量精度，并且能够减小尺寸和减少成本，还提供了一种装备这样的传感器的自动推进式清洁器。

为了实现上述目的，根据本发明的一种光学测距传感器包括：

多个发光的发光元件；

一个透镜，传输从所述多个发光元件发射的光；

具有光接收面的光电检测器，在所述光接收面上入射了穿过透镜并反射在检测物体上的光，该光电检测器输出与入射光在所述光接收面中的位置相对应的信号；

发光驱动部分，驱动多个发光元件；和

距离信号输出部分，接收来自所述光电检测器的信号，并输出代表到检测物体的距离的距离信号。

根据上述结构，离开多个发光元件的光束被引导通过一个透镜到达检测物体。反射到检测物体上的反射光被入射到光电检测器的光接收面上。当接收到来自光电检测器的信号时，距离信号输出部分输出代表到检测物体的距离的距离信号。光学测距传感器使离开多个发光元件的光束穿过一个透镜，并且由此，与提供了与发光元件相同数量的透镜的情况相比，能够实现尺寸和成本的减少。

在一个实施例中，光学测距传感器具有一个由发光元件数量确定的检测范围。

根据该实施例，通过设置发光元件的数量可以将检测范围设置到一个指定区域。

“检测范围”是指检测对象可以位于其中的范围，并且光学测距传感器能够从该传感器检测该对象的距离和方向。

在一个实施例中，光学测距传感器具有一个由发光元件之间的距离确定视角。

“视角”是指一个覆盖了光束离开透镜的角度。

在一个实施例中，光学测距传感器具有一个由在发光元件和光电检测器之间的距离所确定的检测范围。

根据该实施例，通过设置在发光元件和光电检测器之间的距离可以将该检测范围设置到一个指定区域。例如，在透镜的轴向上到检测范围的边界的距离可以被设置到一个预定值。

在一个实施例中，光学测距传感器还包括：

光透过性第一密封部分，其密封所述多个发光元件；和

光非透过性第二密封部分，其覆盖第一密封部分表面的一部分，而不是光路从所述多个发光元件延伸到透镜，到达第一密封部分的表面的部分。

根据该实施例，在来自被第一密封部分密封的所述多个发光元件的光束中，沿着与从发光元件延伸到透镜的路径不同的路径传播的光被第二密封部分阻挡。利用这种配置，从发光元件发出但是对测距操作没有帮助的散射光被有效地防止泄漏到所述透镜。

第二密封部分最好在第一密封部分的表面上定义一个狭缝状的开口。

在一个实施例中，第一密封部分具有透镜状的部分，通过该透镜状的部分，来自相应的多个发光元件的光束射出。

根据该实施例，来自所述多个发光元件的光束被第一密封部分的各个透镜状的部分聚集。从而，足够强度的光进入一个透镜，因而获得了对所述检测物体的距离的提高的检测精度。

在一个实施例中，光学测距传感器包括输出具有指定周期定时信号的定时信号输出部分。发光驱动部分驱动选择的一个发光元件与该定时信号同步发光，并且距离信号输出部分与该定时信号同步输出距离信号。

根据该实施例，距离信号和从其获得距离信号的作为反射光的光源的发光元件可以互相链接。从而，检测物体的位置可以在来自发光元件的其方向和从距离信号获得的距离的基础上被确定。

在一个实施例中，光学测距传感器包括初始化信号输出部分，其在用于在发光元件中切换发光的定时输出初始化信号。当接收到初始化信号时，定时信号输出部分初始化定时信号的输出，而当接收初始化信号时，发光驱动部分在发光元件中切换应当被驱动以发光的发光元件。

当从初始化信号输出部分接收初始化信号时，定时信号输出部分初始化定时信号的输出。结果，与在接收初始化信号之前产生的前一个定时信号不同的定时信号，是根据与该定时信号不同的定时而新输出的。而且，当接收到初始化信号时，发光驱动部分将被驱动的发光元件切换到下一个。新选择的发光元件与新输出的定时信号同步被发光驱动部分驱动以发光。从而，新选择的发光元件可以迅速地在指定周期发光。另一方面，与新选择的发光元件相对应的距离信号与新输出的定时信号同步地被从距离信号输出部分输出。因此，从切换要被驱动以用于发光的发光元件到对应新选择的发光元件的距离信号的输出的不确定输出周期要比传统情况下短。结果，切换发光元件所需的时间可以被缩短，并且能够以更高的速度由多个发光元件执行测距操作。

在一个实施例中，光学测距传感器具有由导电材料形成的外壳，并且其中至少包含了发光元件、光电检测器、发光驱动部分和距离信号输出部分。

根据该实施例，外部电磁波对发光元件、光电检测器、发光驱动部分和距离信号输出部分的影响被降低，并且能够防止电磁噪声的产生。结果，获得了光学测距传感器的高精度和高可靠性。

在一个实施例中，光学测距传感器具有一个基板，该基板具有接地电极，并且其上至少安装了发光元件、光电检测器、发光驱动部分和距离信号输出部分。该基板的接地电极被电连接到所述外壳。

根据该实施例，关于其上安装了发光元件、光电检测器、发光驱动部分和距离信号输出部分的基板，该基板的接地电极被允许具有与外壳相同的电势。因此，可有效抑制电磁噪声的产生。

在一个实施例中，光学测距传感器包括热电型传感器。

根据该实施例，通过依靠热电型传感器检测一个物体，能够区别该检测的物体是人体或是物品。

根据本发明的自动推进式清洁器包括上述光学测距传感器。

根据这种结构，由于具备上述光学测距传感器，所述自动推进式清洁器能够减小尺寸和降低成本。

附图说明

通过下面给出的具体描述和附图，能够有对本发明的更加充分的理解，所述附图仅仅是为了说明而给出的，因此不是为了对本发明进行限制，并且其中：

图1A是示出作为根据本发明的一个实施例的光学测距传感器的多光束测距传感器的横截面图；

图1B是沿着图1A的1B-1B线的截面图；

图2A、2B和2C是用于解释测量到检测物体的距离的原理的示意图；

图3A是示出多个LED的支架结构的俯视图；

图3B是示出多个LED的支架结构的截面图；

图4A和4B是示出LED支架结构的比较示例的视图；

图4C是示出本实施例的LED支架结构的视图；

图5是示出多光束测距传感器的电路的框图；

图6是示出多光束测距传感器的测距操作的时间图；

图7是示出比较示例的测距操作的时间图；和

图8是示出装备有多光束测距传感器的自动推进式清洁器的图。

具体实施方式

本发明将通过附图中所述的其实施例进行具体的描述。

图1A是示出作为本发明的光学测距传感器的多光束测距传感器的横截面图。图1B是沿着图1A的1B-1B线的截面图。多光束测距传感器10包括5个LED(发光二极管)51、52、53、54和55，作为发射红外线的发光元件，和PSD(位置灵敏检测器)4，作为光电检测器。在接收来自LED 51-55的入射光并发射平行光的一个发光透镜1被提供在与LED 51-55相对的位置。发光透镜1由圆形的透镜组成。用于将来自检测物体32的光聚集到PSD 4上的光接收透镜2被提供在与PSD 4粗略相对的位置。光接收透镜2由环形透镜组成。LED 51-55和PSD 4被电连接到IC(集成电路)31。

多光束测距传感器10将来自LED 51…54或55的近红外光束L1，经由发光透镜1施加到检测物体32上，并通过PSD 4接收通过光接收透镜2从检测物体32传来的反射光L2，和使用三角形测量法的传统光学测距传感器一样。基于接收反射光的PSD 4的光接收部分中的光接收位置，测量到检测物体32的距离。

图2A、2B和2C是用于解释测量到检测物体32的距离的原理的示意图。

所述5个LED 51-55被排列在与其中光发射透镜1的中心与光接收透镜2的中心被排列成一直线的方向粗略垂直的方向上。中心LED 53被这样定位，以致LED 53的光轴与发光透镜1的中心轴大致重合。利用这种配置，如图2A中所示，例如近红外光束L1可以在除了光发射透镜1的轴向的、相对光发射透镜1的轴α1角度的方向上发射。此外，利用用于光接收透镜2的环形透镜，来自除了光接收透镜2的前面的任何部分的反射光L2被入射到单个PSD 4的光接收部分。

虽然针对图2A中的一个发光透镜1提供了5个LED 51-55，但是LED的数量可以增加或减少。通过将LED的数量设置为一个指定数量，多个近红外光束L1可以在发光透镜1的轴向上发射，而且还可以在与该轴向呈一个角度的方向上发射。从而，施加近红外光束L1和能够检测到检测物体32的方向的检测范围可以通过调整LED的数量而被设置到一个期望区域。

在从发光透镜1发射的相邻(adjoining)近红外光束L1形成的角度α1可以根据LED 51-55和发光透镜1之间的位置关系来设置。例如，当图2A中相邻LED 51-55之间的距离(间距)为d1时，来自发光透镜1的相邻近红外光束L1间的角度为α1。如图2B所示，通过将LED 51-55之间的距离从d1减少到d2，而不改变从LED 51-55的队列到发光透镜1的距离(也就是，在中心LED 53和透镜1的中心之间的距离)，相邻近红外光束L1间的角度可以从α1减少到α2。从而，通过设置在多个LED 51-55之间的距离，可以设置多光束测距传感器10的视角的尺寸。而且，多光束测距传感器10的视角的尺寸也可以通过改变从LED 51-55队列到发光透镜1的距离，而使得LED 51-55的间距一定来改变。而且，相邻LED 51-55时间的距离可以被个别地设置。

图2C是示出一个示例的视图，其中2个PSD 41和42被排列在与LED 51-55的排列方向粗略地垂直的方向上。如图2C所示，位于接近发光透镜1的第一检测物体321的反射光，入射到位于远离LED 51一侧的PSD 42上。位于比第一检测物体321还远离发光透镜1距离D2的第二检测物体322的反射光，入射到PSD 42上比第一物体321的反射光入射到PSD 42的位置还接近LED 51的位置。此外，位于比第二检测物体322还远离发光透镜1距离D1的第三检测物体323的反射光，入射到位于接近LED 51一侧的PSD 41上。因此，通过设置LED 51和PSD 41、42之间的距离，根据三角测量法则可以设置在检测范围内的到发光透镜功能1的距离。不用说三角测量只能对PSD 41和42中的一个执行。

图3A和3B是示出LED 51-55的支架结构的视图。图3A是从发光侧看到的LED 51-55的支架结构的俯视图，而图3B是在LED 51-55排列的方向上得到的支架结构的截面图。所述5个LED 51-55被作为第一密封部分的初级铸模21和作为第二密封部分的次级铸模22所覆盖。初级铸模21由传输来自LED 51-55的出射光束的透明(translucent)、或光透过性材料形成。次级铸模22由不传输出射光束的光非透过性材料(为了容易理解，次级铸模22在图3A的俯视图中用阴影线表示)。非透明的次级铸模22覆盖初级铸模21，除了其中从LED 51-55发射出的光束所穿过的部分。这种配置在出射光束上产生了一种狭缝效应，由此允许散射光L4如图3B所示被限制在初级铸模21中。

图4A和4B是示出LED支架结构的比较示例的视图。如图4A所示，当初级铸模21的发光表面被形成为一个平坦表面，并且未提供次级铸模时，散射光L4不利地泄漏出LED支架结构。

另一方面，如图4B所示，在除了形成为平坦表面的发光表面的初级铸模21的其他部分上提供了次级铸模，虽然可以抑制在图4A的情况下出现的散射光L4的泄漏，但是由于来自初级铸模21的出射光束的方向性相对较小，来自透镜1的光束L6的方向性角度变得相对较大。

与此相比，在图4C所示的本发明的多光束测距传感器10的LED支架结构，初级铸模21的发光部分被形成为透镜61到65(见图3B，图4C中只示出了61)，并且初级铸模21的表面除了透镜形状的部分61到65，一般来说整体上由次级铸模22覆盖。利用这种配置，来自LED 51-55的出射光束被有效地聚集，所以具有相对较小的方向性角度和较大光量的光束L7被导入发光透镜1。从而，粗略平行并具有较大光量的光束L8可以从发光透镜1发射。在图4C，依照所增加的光量，用粗线画出了指示光束L7和L8的箭头。

如上所述，利用具有透镜形状的部分61到65的半透明的初级铸模21和具有狭缝的次级铸模22，本实施例的多光束测距传感器10能够获得具有较大光量的粗略平行的光束L8。结果，测距精度被有效地提高了。

图5是示出多光束测距传感器10的电路的框图。在图5中忽略了热电型传感器30。

多光束测距传感器10包括作为驱动LED 51-55的发光驱动部分的LED驱动电路25和作为处理PSD 4输出的距离信号输出部分的信号处理电路29。LED驱动电路25和信号处理电路29构成IC 31。由信号处理电路29处理的信号通过输出电路28输出。

LED驱动电路25连接到作为用于给LED 51-55通电的开关的5个晶体管，并且用通过相应LED选择信号输入端子71-75输入的选择信号SEL来开启和关闭每个晶体管。LED选择信号输入端子71-75连接到位于外壳3外侧的控制器40，而选择信号SEL从控制器40输入。

由从外部经由电源端子Vcc提供电源并输出驱动功率的恒定电压电路26，向信号处理电路29、PSD 4和LED驱动电路25提供电源。

信号处理电路29和LED驱动电路25连接到作为定时信号输出部分的振荡电路27，并且以与振荡电路27产生的信号同步地操作。

LED 51-55、LED驱动电路25、PSD 4、信号处理电路29、恒定电压电路26、振荡电路27、输出电路28和晶体管被包含在由导电材料形成的外壳3中。而且，LED驱动电路25、信号处理电路29、恒定电压电路26、振荡电路27和输出电路28被装载在一个基板上，该基板用导电螺丝钉固定在外壳3。该螺丝钉与该基板的GND(地)电极相接触。

放置在外壳3外侧的控制器40将初始化信号Vin提供到振荡电路27，并且在另一方面，从输出电路28接收代表从传感器到检测物体32的距离的距离信号Vo。控制器40由其中安装了多光束测距传感器10的装置的CPU(中央处理单元)构成。

用于检测人体的热电型传感器30放置在外壳3外侧。

如上所述构成的多光束测距传感器10的测距操作将参考图6的时间图在下面进行描述。请注意在图6中由LED 51-55指示的信号波形是从控制器40提供到相应的LED选择信号输入端子71-75的选择信号SEL。首先，一旦通过电源Vcc提供端子从外部提供电源，恒定电压电路26开始供电操作，以便IC 31开始操作。具体来讲，IC 31中的LED驱动电路25驱动通过选择信号SEL从LED 51-55中选择的一个LED(图6中的LED 51)发光，开始测距操作。随后，另一个LED(图6中的LED 52)被驱动发光，以便开始在与第一发光的方向不同的方向上的测距。随后，其他LED 51-55被连续切换以发光，并通过来自LED 51-55的出射光束执行在每个方向上的测距操作。

在利用来自LED 51-55的出射光束的测距中，LED 51-55的发光定时与从PSD 4输出信号的定时互相同步。通过这样，用于测距的出射光束被识别为从LED 51-55中的哪个发射出。在被识别的LED 51…54或55发光的方向以及来自PSD 4的输出的基础上，IC 31执行所述操作。这样，从来自多光束测距传感器10的检测物体32的方向和距离，确定了该检测物体32的位置。

更具体地讲，LED驱动电路25驱动用于执行测距的LED 51、52、53、54或55，以便在指定的测距时期或周期中，与振荡电路27周期地产生的脉冲信号同步地发射n次脉冲光(n为自然数)。信号处理电路29与振荡电路27的脉冲信号同步地在与LED 51、52、53、54或55的发光定时一致的定时从PSD 4读出信号。通过比较在LED 51-55发光时获得的接收光信号和LED51-55不发光时获得的接收光信号，可以去除归咎于入射到PSD 4的扰动光的信号。

当在切换LED 51-55的发光中接收到IC控制信号Vin作为来自控制器40的初始化信号时，测距IC 31的测距操作被初始化。即，LED选择信号SEL被输入到LED选择信号输入端子71-75，并且IC控制信号Vin被输入到振荡电路27。结果，振荡电路27结束在切换之前所用的脉冲信号的产生，并开始一个新的脉冲信号的振荡。另一方面，信号处理电路29与新的脉冲信号同步地从PSD 4读取信号，并产生输出信号。而且，LED驱动电路25与新脉冲信号同步地开始驱动下一个LED 51-55。因此，可以缩短测距所需的时间。从上面显然可见，控制器40担当初始化信号输出部分。

图7是示出比较示例的测距操作的时间图，其中测距操作是在没有IC控制信号Vin输入的情况下执行的。如图7所示，当没有输入IC控制信号Vin而执行LED切换时，延长了输出不确定的时间周期(图7中的2A ms)，所以测距操作所需的时间也变得延长了。与此相反，在本实施例中，由于IC控制信号Vin，即使包括了初始化时间B ms的输出不确定的时间周期也被缩短了(从2A ms缩短到1A ms)，如图6所示，LED 51-55可以被迅速地切换。从而，在很短时间内实现了测距操作。

而且，本实施例的多光束光学测距传感器采用由导电材料形成的外壳3，外壳3用导电螺丝钉被电连接到基板。利用这种配置，基板电路的GND和外壳3被允许具有等同的电势。结果，防止了从外界引入电磁波，并且防止了电磁噪声的产生。

而且，本实施例的多光束光学测距传感器包括热电型传感器30。从而，不仅能够检测检测物体32的距离和方向，还能够检测来自检测物体32的远红外线L10。从而，检测物体32是否为人体或物品能够被精确地区别开，而不受来自外界的噪声的影响。

图8是表示装备有多光束测距传感器10的自动推进式清洁器的图解。自动推进式清洁器33能够以高精度和很小受噪声影响地检测要清洁的房间的形状、在清洁器周围的障碍物的位置和方向、存在或不存在人体等。从而，该清洁器能够在有效地在房间中行进，而避免了与障碍物32发生碰撞。而且，由于能够检测到房间内的墙壁和障碍物的位置和方向，能够有效地执行清洁工作。

发明的实施例已经这样进行了描述，应当看到相同的实施例可以以许多方式进行改变。这样的改变不应被认为是脱离发明的精神和范围，所有这样的修改将被本领域的技术人员看作包含在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种光学测距传感器，包括：

多个发光的发光元件；

一个透镜，其传输从所述多个发光元件发射的光；

发光驱动部分，其驱动所述多个发光元件；和

距离信号输出部分，其接收来自所述光电检测器的信号，并输出代表到所述检测物体的距离的距离信号。

2.如权利要求1所述的光学测距传感器，其具有由所述发光元件的数量确定的检测范围。

3.如权利要求1所述的光学测距传感器，其具有由所述发光元件之间的距离确定的视角。

4.如权利要求1所述的光学测距传感器，其具有由所述发光元件和所述光电检测器之间的距离确定的检测范围。

5.如权利要求1所述的光学测距传感器，还包括：

光透过性第一密封部分，其密封所述多个发光元件；和

光非透过性第二密封部分，其覆盖第一密封部分表面的一部分，而不覆盖光路从所述多个发光元件延伸到透镜，到达第一密封部分的表面的部分。

6.如权利要求5所述的光学测距传感器，其中

所述第一密封部分具有透镜状的部分，通过该透镜状的部分，来自相应发光元件的光束射出。

7.如权利要求1所述的光学测距传感器，包括：

定时信号输出部分，其输出具有指定周期的定时信号，

其中所述发光驱动部分驱动所述发光元件中选择的一个，以便与该定时信号同步地发光，并且

其中所述距离信号输出部分与该定时信号同步地输出距离信号。

8.如权利要求7所述的光学测距传感器，包括：

初始化信号输出部分，其在用于在所述发光元件中切换发光的定时输出初始化信号，

其中当接收初始化信号时，所述定时信号输出部分初始化定时信号的输出，并且

其中当接收初始化信号时，所述发光驱动部分在所述发光元件中切换应当被驱动以发光的发光元件。

9.如权利要求1所述的光学测距传感器，包括：

由导电材料形成的外壳，并且其中至少包含了所述发光元件、所述光电检测器、所述发光驱动部分和所述距离信号输出部分。

10.如权利要求9所述的光学测距传感器，包括：

基板，其具有接地电极，并且其上至少安装了所述发光元件、所述光电检测器、所述发光驱动部分和所述距离信号输出部分，

其中所述基板的接地电极被电连接到所述外壳。

11.如权利要求1所述的光学测距传感器，包括：

热电型传感器。

12.一种自动推进式清洁器，包括如权利要求1所述的光学测距传感器。