JP2002511928A - エネルギーに基づいて距離検出センサーを方向づける方法及び装置 - Google Patents

エネルギーに基づいて距離検出センサーを方向づける方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 方向づけを行なう装置(10)であって、該装置は、指向性エネルギーを発生するエネルギー発生機構(12)と、エネルギー発生機構(12)で発生したエネルギーに指向性をもたらすための指向機構(14)とを具えている。指向機構(14)は、エネルギー発生機構(12)と通信可能である。一実施例において、指向機構(14)は任意の方向に動作可能なスキャニング機構(20)を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 エネルギーに基づいて距離検出センサーを方向づける方法及び装置 ［０００１］発明の分野 本発明は方向づけとスキャニングを行なう機構に関する。より具体的には、本 発明は、さえぎるものがない視野を有するスキャニング機構に関し、一方向に連 続的に動くことができ、任意の方向に動くことができるスキャニング機構に関す る。 ［０００２］発明の背景 三次元の表面及び物体を測定できる機構は、多くの分野、例えば自走車のナビ ゲーション及び障害物検出、採石場(quarry)の地図作成、埋立地の測量、ハザー ド環境の調査等において、その重要性が増してきている。現在利用されているス キャニング機構では、これら分野における多くの要望に対して応えることができ ない。一般的なスキャナーは、走査速度が遅く、障害物のない視野での測定を行 なうことができず、フレキシビリティに乏しいため、種類の異なる距離センサー (range sensors)を用いることができない。本発明はこれらの制約を解消する ものであり、より先進的なスキャニング機構に対するこれまでの要請に応えるも のである。 ［０００３］発明の概要 本発明は方向づけ装置(directing apparatus)に関する。方向づけ装置は、指 向性エネルギー(steerable energy)を発生するエネルギー発生機構を具えている 。方向づけ装置はまた、エネルギー発生機構で発生したエネルギーに指向性をも たせる指向機構を具えている。指向機構はエネルギー発生機構と通信可能である 。 ［０００４］ 本発明は、方向づけ装置に関する。方向づけ装置は、指向性エネルギーを発生 するエネルギー発生機構を具えている。方向づけ装置はまた、エネルギー発生機 構で発生した指向性エネルギーをスキャンするスキャニング機構を具えている。 スキャニング機構はエネルギー発生機構と通信可能であり、どの方向にも動作可 能である。 ［０００５］ 本発明は、方向づけ装置に関する。方向づけ装置は、指向性エネルギーを発生 するエネルギー発生機構を具えている。方向づけ装置はまた、エネルギー発生機 構で発生した指向性エネルギーをスキャンするスキャニング機構を具えている。 スキャニング機構はエネルギー発生機構と通信可能であり、所定の調節可能な角 度で線形スキ ャン(line scan)を実行する。 ［０００６］ 本発明は方向づけ装置に関する。方向づけ装置は、指向性エネルギーを発生す るエネルギー発生機構を具えている。方向づけ装置はまた、エネルギー発生機構 で発生した指向性エネルギーをスキャンするスキャニング機構を具えている。ス キャニング機構はエネルギー発生機構と通信可能であり、第１の位置と少なくと も第２の位置で停止されることができるようになっているので、エネルギーは、 所望により、各位置で一定の方向に固定されることができる。 ［０００７］ 本発明は方向づけ装置に関する。方向づけ装置は、指向性エネルギーを発生す るエネルギー発生機構を具えている。方向づけ装置はまた、発生機構で発生した 指向性エネルギーをスキャンするスキャニング機構を具えている。スキャニング 機構はエネルギー発生機構と通信可能であり、装置自体が障害物になることなく 、周囲環境をスキャンするために用いられる指向性エネルギーに対して、３６０ 度回転可能である。 ［０００８］ 本発明は方向づけ装置に関する。方向づけ装置は、指向性エネルギーを発生す るエネルギー発生機構を具えている。方向づけ装置はまた、エネルギー発生機構 で発生 した指向性エネルギーをスキャンするスキャニング機構を具えている。スキャニ ング機構はエネルギー発生機構と通信可能であり、ノッド角度は、第１の設定角 度と第２の設定角度との間で調節可能である。 ［０００９］ 本発明は方向づけを行なう方法に関する。本発明の方法は、指向性エネルギー を発生するエネルギー発生ステップを有している。次に、周囲環境を、指向性エ ネルギーにより、第１の方向に連続的にスキャンするスキャニングステップがあ る。 ［００１０］図面の簡単な説明 添付の図面において、発明の望ましい実施例及び発明を実施するための望まし い方法が示されている。 図１は、本発明の装置の主たる要素及びそれらの相互関係を示すブロック図で ある。 図２は、本発明の第１の実施例について、システムプロセスのフローチャート 図である。 図３は、本発明の第１の実施例について、第２レベルのシステムプロセスのフ ローチャート図である。 図４は、機構の斜視図であって、本発明の第１の実施例について、発明を構成 する要素の回転と並進運動の方向を説明する図である。 図５は、カム機構の概要を示す略図である。 図６は、速度差動リング機構の概要を示す側部断面図である。 図７は、ヨークアッセンブリの概要を示す略図である。 図８は、ミラーアッセンブリの概要を示す略図である。 図９は、本発明の使用中におけるミラーアッセンブリの動きに関するグラフで ある。 ［００１１］望ましい実施例の説明 図面を参照すると、同一又は類似の要素については、幾つかの図の中で同じ引 用符号を付している。 図４を参照すると、方向づけ装置(10)が示されている。方向づけ装置(10)は、 指向性エネルギーを発生するエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装 置(10)はまた、エネルギー発生機構(12)で発生させたエネルギーに指向性をもた せる指向機構(14)を具えている。指向機構(14)はエネルギー発生機構(12)と通信 可能である。 ［００１２］ 指向性エネルギーを発生するエネルギー発生機構は、電磁放射を発生する電磁 放射発生機構(16)を含んでいる。電磁放射発生機構(16)は、レーザエネルギーを 発生するレーザエネルギー発生機構(18)を含むことが望ましい。 ［００１３］ 指向機構(14)は、周囲環境を第１の方向に連続的にスキャンするスキャニング 機構(20)を含むことが望ましい。 スキャニング機構(20)は、調節可能な速度で第１の方向へ連続的にスキャンする ことが望ましい。スキャニング機構(20)は、１０〜４０００rpmの間で調節可能 な速度で第１の方向へ連続的にスキャンすることが望ましい。スキャニング機構 (20)は、レーザエネルギーのような電磁放射を、周囲環境から受け取り、周囲環 境がエネルギーからどのように見えるかを決定するるセンサー機構(58)を含むこ とが望ましい。 ［００１４］ スキャニング機構(20)は、放射を誘導するガイド機構(22)を含むことが望まし い。ガイド機構(22)は、望ましくはノッド速度(nod rate)の調節が可能である。 ガイド機構(22)は、望ましくは０．０１〜８Hzの範囲でノッド速度の調節が可能 である。 ［００１５］ スキャニング機構(20)は、ガイド機構(22)を保持するヨークアッセンブリ(24) を含むことが望ましい。スキャニング機構(20)は、第１の方向に連続的に回転す るスピンドルアッセンブリ(26)を含むことが望ましく、該スピンドルアッセンブ リにはヨークアッセンブリが搭載される。スキャニング機構(20)は、スピンドル アッセンブリ(26)を調節するコントローラ(28)を含むことが望ましい。さらにま た、スキャニング機構は、スピンドルアッセンブリ(26)の角度位置を測定するエ ンコーダ機構(30)を含 むことが望ましい。スキャニング機構(20)は、ガイド機構(22)及びスピンドル機 構に接続され、第１の方向と直交する第２の方向へガイド機構を移動させるカム 機構(32)を含むことが望ましい。 ［００１６］ ガイド機構(22)は、図８に示されるように、ミラーアッセンブリ(36)を含むこ とが望ましい。ヨークアッセンブリ(24)は、望ましくは、上部(40)と下部(42)を 有するヨーク(34)を含んでおり、レーザエネルギーの如き電磁放射を行なうため の光学孔(38)が、図７に示されるように、ヨーク(34)を貫通して設けられる。光 学孔(38)は、ミラーアッセンブリ(36)と同一線上にある。 さらにまた、ミラーアッセンブリ(36)は、望ましくは、ミラーアッセンブリ(3 6)をヨーク(34)へ接続する軸(44)を含んでおり、軸(44)は、ヨーク(34)の上部(4 0)に収容されている。レーザエネルギー発生機構(18)は、望ましくは、ヨーク(3 4)の下部に配備され、光学孔(38)と同一線上にある。従って、レーザエネルギー 発生機構(18)で発生したレーザエネルギーは、光学孔(38)に沿って伝送すること ができ、ミラーアッセンブリ(36)によって反射される。 ［００１７］ スキャニング機構(20)は、ヨーク(34)と同軸上に軸承されて回転する速度差動 リング機構(speed differentia l mechanism)(46)を含むことが望ましい。カム機構(32)は、速度差動リング機構 (46)に沿って移動し、これにより、ミラーアッセンブリ(36)は、速度差動リング 機構(46)とスピンドルアッセンブリ(26)との間の回転速度の相対差の関数として 、第２の方向へ回転させられる。速度差動リング機構(46)は、望ましくは、垂直 面が三角形の波形パターンを有している。 ［００１８］ 図５に示されるように、カム機構(32)は、速度差動リング機構(46)の垂直面に 沿って移動し、該垂直面に追従するカム従動輪(50)を具えることが望ましい。カ ム機構(32)はまた、カム従動輪(50)に取り付けられた歯付きラック(48)を具えて いる。カム機構(32)は、歯付きラック(48)を収容する線形ベアリング(54)を具え ている。ガイド機構(22)は、望ましくは、軸(44)の各端部に同軸上に取り付けら れたスプールギア(52)を含んでいる。スプールギア(52)は、歯付きラック(48)と 噛合し、軸(44)を作動させることにより、ミラーアッセンブリ(36)は、歯付きラ ック(48)とスプールギア(52)との間のギア歯比率の関数として、第２の方向へ移 動する。カム機構(32)はまた、スプリング機構(56)を具えるのが望ましく、該ス プリング機構(56)は、カム従動輪(50)と歯付きラック(48)との間に配置され、連 結されており、前記歯付きラック(48)により、ミラーアッセンブリ(36)のバック ラッシュ を減少させることができ、回転中も、ミラーアッセンブリ(36)を安定した状態に 維持すうることができる。ミラーアッセンブリ(36)が、その回転速度の関数であ る遠心力によって回転する際、カムホィール(50)のフォロアを速度差動リング機 構(46)の上で保持するために、ウエイトを分配して負荷し、後方へ傾けるように することが望ましい。 ［００１９］ 本発明は、方向づけ装置(10)に関する。方向づけ装置(10)は、指向性エネルギ ーを発生するためのエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装置(10)は また、エネルギー発生機構(12)で発生した指向性エネルギーをスキャンするため のスキャニング機構(20)を具えている。スキャニング機構(20)は、エネルギー発 生機構(12)と通信可能であり、どの方向にも動作可能である。 ［００２０］ 本発明は、方向づけ装置(10)に関する。方向づけ装置(10)は、指向性エネルギ ーを発生するためのエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装置(10)は また、エネルギー発生機構(12)で発生した指向性エネルギーをスキャンするため のスキャニング機構を具えている。スキャニング機構(20)は、エネルギー発生機 構(12)と通信可能であり、調節可能な所定の角度で線形キャンを実行する。線形 スキャンは、当該分野において周知の如く、 例えば、モータ機構によりミラー機構を所望位置へ移動させたり、或いはウィン ドウ技術を用いて行なうことが出来る。 ［００２１］ 本発明は、方向づけ装置(10)に関する。方向づけ装置(10)は、指向性エネルギ ーを発生するためのエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装置(10)は また、エネルギー発生機構(12)から指向性エネルギーをスキャンするためのスキ ャニング機構(20)を具えている。スキャニング機構(20)は、エネルギー発生機構 (12)と通信可能であり、第１の位置及び少なくとも第２の位置で停止することが できるため、エネルギーは、所望により、各位置で一定の方向に固定されること ができる。これは、例えば、モータ機構を制御することにより達成出来るため、 ミラー機構は所望の位置で保持される。 ［００２２］ 本発明は、方向づけ装置(10)に関する。方向づけ装置(10)は、指向性エネルギ ーを発生するためのエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装置(10)は また、エネルギー発生機構(12)で発生した指向性エネルギーをスキャンするため のスキャニング機構(20)を具えている。スキャニング機構(20)は、エネルギー発 生機構(12)と通信可能であり、周囲環境をスキャンするのに用いられる指向性エ ネルギーに対して、装置自体から何の障害を受 けることなく３６０度回転可能である。 ［００２３］ 本発明は、方向づけ装置(10)に関する。方向づけ装置(10)は、指向性エネルギ ーを発生するためのエネルギー発生機構(12)を具えている。方向づけ装置(10)は また、エネルギー発生機構(12)から指向性エネルギーをスキャンするためのスキ ャニング機構(20)を具えている。スキャニング機構(20)は、エネルギー発生機構 (12)と通信可能であり、第１の所定角度と第２の所定角度の間でノッド角度の調 節が可能である。 ［００２４］ 本発明は、方向づけを行なう方法に関するものである。本発明の方法は、指向 性エネルギーを発生させるステップを有している。次に、指向性エネルギーを用 いて、周囲環境を第１の方向に連続的にスキャンするスキャニングステップを有 している。 ［００２５］ スキャニングステップは、ミラーアッセンブリ(36)のガイド機構(22)を第１の 方向に連続的に回転させるステップを含むことが望ましい。次に、ミラーアッセ ンブリ(36)が回転する際、ミラーアッセンブリ(36)により、エネルギーを周囲環 境に反射させるステップがある。次に、ミラーアッセンブリ(36)で周囲環境から エネルギーを受け取るステップがある。次に、ミラーアッセンブリ(36) によりエネルギーをセンサー機構(58)へ反射させるステップがある。次に、セン サー機構(58)で受け取ったエネルギーから周囲環境がどの様に見えるかを決定す るステップがある。 ［００２６］ 回転ステップは、スピンドルアッセンブリ(26)を第１の方向へ回転するステッ プを含むことが望ましい。スピンドルアッセンブリ(26)の上には、ミラーアセン ブリ(36)を収容するヨークアセンブリ(24)が配備されている。次に、速度差動機 構を回転させるステップがある。この速度差動機構は、ヨークアッセンブリ(24) と同軸上に軸承されており、ガイド機構(22)に接続されたカム機構(32)は、速度 差動リング機構(46)に沿って移動し、これにより、ミラーアッセンブリ(36)は、 速度差動リング機構(46)とスピンドルアッセンブリ(26)との間の回転速度の相対 差の関数として、第２の方向へ回転させられる。 ［００２７］ 望ましい実施例の実施形態を図４、図５、図６、図７及び図８に示しており、 スキャニング機構(20)の周囲全体環境からのデータを作成するために、２次元の スキャニング機構(20)を用いて、レーザ発生機構(18)のレーザからのエネルギー をセンサー機構(58)のセンサーへ指向性をもたせるようにする。 スキャニング機構(20)は、ミラーアッセンブリ(36)の 金メッキのアルミニウムミラーを有するガイド機構(22)と、ミラーアセンブリ(3 6)を垂直方向に回動可能ならしめるヨークアセンブリ(24)と、ヨークアセンブリ (24)を水平方向に回転させるスピンドルアセンブリ(26)と、垂直方向のスキャン 運動を発生させる速度差動リング機構(36)と、２つのブラシレスＤＣモータ(60) と、エンコーダ機構(30)の２つのインクリメンタルエンコーダと、２つの光学ス イッチ(62)と、モータ速度を制御する電子回路と、ミラーアセンブリ(36)の位置 を空間に設定する電子回路と、距離データを収集し格納する電子回路と、センサ ー機構(58)の距離検出センサーを装備するのに用いられる機械的ハウジングと、 センサー機構(58)の距離検出デバイスとを具えている。なお、距離検出デバイス は、現在、リーグル(Riegl)レーザスポットセンサー、及びＺ＆Ｆインコーポレ イテッドによる振幅変調連続波(AMCW)用レーザ距離ファインダーとして市販され ている。 ［００２８］ Rieglレーザスポットセンサーは、レーザダイオードと一組のレンズを使用し て、赤外線レーザエネルギーの平行パルス(collimated pulse)を発生させる。こ のエネルギーのビームは、面即ち物体に当たるまで、センサーから遠ざかる方向 に進行する。エネルギーは、物体から反射し、センサー内の受信部は、反射した エネルギーを検出する。パルスの最初と、反射したエネルギーが受信部 へ戻る間に経過した時間を測定することにより、物体までの距離は、光速を定数 として用いることによって計算できる。 ［００２９］ Z&F AMCWレーザセンサーは、２つのレーザダイオードによって生成された２つ の連続光線の周波数を変調する。広い操作範囲に亘って、システムの性能を向上 するために、２つのダイオードが用いられる。センサー内の受信部は、周りのも のに反射した光を検出し、また、反射波形を出力変調(output modulation)に適 合させることによって、飛行時間を計算する。これは、次に、物体までの距離の 計算に用いられる。 ［００３０］ センサーを取り囲む多くのものに対する、多数の異なる位置から距離を生成す るために、レーザエネルギーは、関係のある多くのものに対して夫々の位置まで の指向性を有していなければならない。 金メッキされたアルミニウムミラーは、エネルギーパルス／光線を方向付ける ために使用される。レーザは、ミラーに当たる角度と同じ角度で、ミラー表面か ら反射する。ミラーを有するミラーアッセンブリ(36)が動き続けている場合でさ え、レーザエネルギーが光速で伝わるという事実に拠り、反射した光は、依然と してミラーに受け取られる。これにより、ミラーの位置は殆んど変化 せず、センサーの受信部が反射したエネルギーを収集できる。距離検知速度の限 界は、レーザエネルギーの飛行時間と並んで、一般的に処理時間によって導くこ とができる。 ［００３１］ ミラーは、回転軸(44)へ取り付けられており、該軸はベアリング上のヨーク(3 4)に収容されているので、ミラーは、垂直軸上で回転することができる。ミラー アッセンブリ(36)は、精密に機械加工されたカウンターウェイト(64)を有してお り、ミラーの垂直軸のバランスを動的に保つ。 ［００３２］ ヨーク(34)は、垂直軸上で回転するスピンドルアッセンブリ(26)へ接続されて いる。スピンドルアッセンブリ(26)は、ベルトでブラシレスＤＣスピンドルモー タ(60)に接続されたスピンドルプーリを有している。 スピンドルモータ(60)の速度は、商業的に入手可能なモータ制御用電子回路を 用いて調節される。モータ調節電子回路は、モータの内部に取り付けられたホー ル効果センサーを用いて、フィードバックループを実行する。 ［００３３］ エンコーダ機構(30)のインクリメンタルエンコーダは、スピンドルモータ(60) へ取り付けられており、インデックス位置に関して、スピンドルアッセンブリ(2 6)の角度 位置を測定する。インデックス位置は、当該分野において周知な様に、光学スイ ッチ(62)を使用することによって決定される。スキャニング機構(20)の絶対的方 位角は、下記の式によって決定される。 Θyph＝Ny x Sy−offset ここで、 Θyph＝ヨークの方位(azimuth) Ny＝ヨークエンコーダのカウントの読み Sy＝度／カウント GRy＝ヨークのギア比 Offset＝光学スイッチのオフセット である。 ［００３４］ ミラーの軸(44)は、軸(44)へ同軸状に取り付けられたスプールギア(52)によっ て駆動される。スプールギア(52)は、スピンドルアッセンブリ(26)へ取り付けら れた線形ベアリング(54)に収容された歯付きラック(48)と噛合している。ラック (48)の下端部は、カム従動輪(50)へ取り付けられており、カム従動輪(50)は、速 度差動リング機構(46)の縁部に沿って回転する。 ［００３５］ 速度差動リング機構(46)は、ヨーク(34)と同軸に軸承 され、タイミングベルトを用いてブラシレスＤＣモータに接続された速度差動プ ーリによって駆動される。速度差動リング機構(46)は、三角形の波形パターンに 機械加工された垂直面を有している。リング機構(46)が回転するとき、カム従動 輪(50)は、三角波形の形状を辿り、ラック(48)を上下に押しやって、スプールギ ア(52)を駆動する。スプールギア(52)は、ミラーを垂直軸上で回転させる。 ［００３６］ ラックベアリングアッセンブリは、スピンドルアッセンブリハウジングへ取り 付けられているので、垂直なミラー回転速度は、速度差動リング機構(46)とスピ ンドルアッセンブリ(26)との間の回転速度における、相対的な差異の関数となる 。 ［００３７］ ミラーの垂直方向の移動量は、ラック(48)とスプールギア(52)との間の歯数比 の関数であり、また、速度差動リング機構(46)に機械加工が施された三角形の波 形パターンの振幅の関数である。 ここで、 Alpha Mechanical＝ミラー軸の機械的角度の変化 Zs＝ラックの位置変化 Rg＝スプールギアの半径 である。 ［００３８］ ミラーの垂直角度位置は、速度差動リング上のカム従動輪の角度位置を計算す ることにより決定される。これは、速度差動モータのインタリメンタルエンコー ダと、スキャナグラウンドハウジング(scanner ground housing)に配備された光 学スイッチを用いることによって達成される。なお、光学スイッチは、速度差動 リング機構(46)の側部に挿入されたスイッチピン(72)によって作動する。 図９を参照すると、 Θsph＝NS x Ss Θxs＝Θyph−Θsph ここで、 GRs＝SDRのギア比 Ns＝SDRエンコーダのカウントの読み Ss＝度／カウント数 Θsph＝SDRの方位 Θcs＝ヨークに対するSDRの相対位置 である。 もし、次の条件の場合： ここで、 Zs＝ラック位置の変化 である。 ［００３９］ 電子回路は、当該分野で知られているように、スキャニング機構(20)のユーザ が、水平方向と垂直方向のスキャン速度を特定するために用いられる。速度制御 回路は、各モータ(60)の速度を調整し、速度の差異を監視するので、結果として 生じるスキャン動作は、非常に正確である。 ［００４０］ 第２のバージョンのスキャニング機構(20)は、２つの出力プーリを有する１基 のブラシレスＤＣモータを用いて、スピンドルアッセンブリ(26)と速度差動リン グ機構(46)を作動させる。このバージョンは、垂直スキャン速度を決定する出力 プーリ間のギア比に信頼がある。このバージョンのスキャニング機構(20)は、電 気回路を少な くすることができ、また、モータを１基減らせることができるが、ユーザが、速 度制御でのフレキシビリティと同様のフレキシビリティを持つことはできない。 ［００４１］ １基モータのバージョンは、所定のrpmでの固定スキャンパターンを有するス キャナーを作り出すために用いることができる。これは、ヨーク(34)と速度差動 リング機構(46)の両方を、異なるギア比で同じ駆動モータにベルトで連繋するこ とにより行なうことができる。 ［００４２］ スキャニング機構(20)は、適当な動作を考慮してバランスが取れていなければ ならない。特に、ミラーアッセンブリ(36)は、質量の中心が、ミラー面上のミラ ー層の中央に位置するようにバランスが取られている。ミラーアッセンブリ(36) は、慣性に関してもバランスが保たれている。ミラーの位置が変化しても、スキ ャニング機構(20)の慣性は一定のままである。これは、システムが、動的に変化 したとしても、これにより、スキャニング機構(20)は一定の荷重を受けることが できる。 ［００４３］ ミラーにはまた、ミラーを後方に傾けて、速度差動リング機構(46)上のカム従 動輪(50)を保持するように僅かに荷重がかけられている。この荷重は、回転速度 が増加するにつれて増加する。これによって、スキャニング機 構(20)は、如何なる向きでも、更に高レベルの振動状況下でも操作できる。ミラ ーアッセンブリ(36)には、２つの方法で荷重をかけることができる。第１の方法 は、カム機構(32)上のバネ機構(56)によるものである。これは、スキャニング機 構(20)中のどのバックラッシュからも取り出すことができ、ミラーアッセンブリ (36)に予荷重力を加える。第２の方法は、ミラーアッセンブリ(36)の質量の中心 を、0.0025インチだけ後方に動かすことによるものである。これは、ミラーの低 位部分を、ミラー回転軸(44)の中心の下方に吊す必要がある。その力はまた、回 転中に生じる遠心力に基づくスキャン速度の作用でもある。オートキャド３−Ｄ モデルは、スキャニング機構(20)のバランスを保つために用いることができる。 その処理は、当業者には容易である。最初に、全ての構成部品を作り、組み立て る。次に、各構成部品の密度(density)が、システムに入力され、オートキャド により、質量と慣性の中心が計算される。設計者は、次に、構成部品の寸法と位 置を調整し、所望のバランスと慣性の結果を受け取る。バネ機構(56)の力は、ス キャニング機構(20)をひっくり返して操作できるようにするための主要な要素で ある。しかしながら、ミラーアッセンブリ(36)の後方への荷重は、重力ではなく 、スキャニング機構(20)の動きにより生じる遠心力によって引き起こされる。そ れ故、ミラーアッセンブリ(36)は、ミラーアッセンブリ(3 6)が向きに関係なく回転するときに、ミラーアッセンブリ(36)に負荷が加えられ る方向に回転しようとする。これにより、スキャニング機構(20)がまた、スキャ ニング機構(20)中のバネ機構(56)なしでひっくり返る動作をする理由が説明され る。 ［００４４］ 図１は、スキャニング機構中の物理的な構成部品と、互いの接続を示す図であ る。スキャニング機構(20)は、エネルギー装置とスキャニングヘッドを含んでい る。当業者に公知のレーザ又はエネルギー発生装置の電子装置(2)を有する。当 業者に公知のデジタル入力／出力装置(3)を前記電子装置に接続している。エン コーダカード(4)は、スキャニング機構の位置決定のために、エンコーダに読み 込まれるように配備される。モータ制御装置(5)は、当業者によく知られている ように、ＣＰＵからの命令に基づいて、駆動機構の速度、位置及び加速度を制御 する。ＣＰＵ(6)は、スキャニング機構(20)のメインプロセッサである。通信装 置(7)は、シリアルポートからSCSI-2ポートまでの何れか、又は装置とホスト機 との間の通信用装置とすることができる。ホスト機(8)は、ユーザが全ての命令 を入力し、データを見る部分である。 図２は、現在のユーザ用のソフトウェアの一般的なフローを示すチャート図で ある。図３は、詳細な制御ソフトウェアのフローチャート図であり、図２は、ユ ーザレ ベルであるため、１レベル高いものである。 図３は、異なったソフトウェアの制御モジュールの連関を示すフローチャート 図である。スキャニング機構(20)を制御し、生の位置のフィードバック信号から ３−Ｄデータを計算する可能な実現方法を明示したものである。 ［００４５］ 装置(10)の主要な制御レベルは３種類あり、高レベル制御、モータ制御及びデ ータ制御である。高レベル制御は、ユーザの接続命令、タイミング(レーザの発 射)、及びモータとデータ制御モジュールの高レベルの制御の全てを処理するも のである。高レベル制御は、ユーザの入力に基づいてスキャニング機構(20)を立 ち上げるために用いられ、モータ制御モジュールに必要なモータ速度をダウンロ ードし、所望のデータ速度に発射速度を設定する。モータ制御モジュールは、高 レベル制御で要求された速度に関して、モータの加速度と速度を制御する入手可 能なモータ制御装置である。データ制御モジュールは、スキャナーの物理的な位 置に基づいて球面座標を形成し、距離測定システムによって返される距離(range )と振幅(amplitude)でこのデータを結合する。このデータは全て、データが送り 戻されたホスト機にあるFIFO(First In First Out;ファーストインファーストア ウト)を通過する。丸囲み部は、丸囲み部で示されたタスクを行なうソフトウェ アモジュールである。矢印は、スキャニング機構の 制御ソフトウェア内でのデータパスである。例えば、モータセットポイントジェ ネレータの場合、このモジュールは、モータ管理制御モジュールの出力に基づい て速度、加速度及び位置のモータセットポイントを設定し、モータ制御装置にそ の情報を送信する。 ［００４６］ スキャニング機構(20)の構成部分の詳細は、次の通りである。 (32) カム機構(図５参照) (50) カム従動輪−ＳＤＲの頂部に沿う機構の滑らかな動きを許容する。ホイー ルは、ＳＤＲの頂部のカーブにならう。 (56) バネ機構−バネは、機構に予め装填され、バックラッシュと、高rpmにお けるバネの力学的影響を減少する。 (48) 線形歯車ラック−ラックギアは、ミラーの回転軸上のスプールギアと噛み 合い、線形動を回転動に変える。 (54) 線形ベアリング−ラックギアのベアリング表面である。 (66) カム取付台−取付台アッセンブリにより、カム機構の構成品をヨークに取 り付けることができる。 (46) 速度差動リング(ＳＤＲ)機構−ＳＤＲにより、アッセンブリ構成品と、カ ム機構を動かすカーブを取 り付けることができる(図６参照)。 (68) ＳＤＲプーリ−ＳＤＲをタイミングベルトで駆動モータに接続するプーリ 面である。 (70) ベアリング面−ヨークアッセンブリに取り付ける高速ベアリングの取付位 置である。 (72) ピン取付部−光学スイッチを動かす機械的ピンの位置である。 (62) 光学スイッチ−ピンを検出し、スキャニング機構の位置を決定する。 (76) 外部ベアリング−スキャンアッセンブリをハウジング面に接続するための 外部の高速ベアリングである。 (78) スキャニングアッセンブリのハウジング面への取付具 (24) ヨークアッセンブリ(図７参照) (34) ヨーク−アッセンブリ構成部品と、機構を通してミラーにエネルギーを移 動させるための光学孔(optical bore)を取り付けることができる。 (80) ベアリング−ＳＤＲにアッセンブリを接続するヨーク高速ベアリングであ る。 (82) ミラーアッセンブリを取り付ける位置である。 (84) ヨークプーリ−駆動モータにタイミングベルトで接続されるヨークのプー リ面を有する。 (36) ミラーアッセンブリ(図８参照) (64) カウンターウェイト−アッセンブリの質量と慣性のバランスを取る。 (52) スプールギア−スプールギアは、カム機構の線形ラックに噛み合い、カム の線形動を回転動に変える。 (44) ミラー回転軸−アッセンブリの部品を取り付け、ミラー基層を配置する。 (86) ミラー基層−アルミニウム基層は、金被覆面を有し、ミラー面は、エネル ギービームを反射する。 (88) ヨークカウンターウェイト−カム機構の質量のバランスを取る。 ［００４７］ 本発明は、例示を目的とした上述の実施例で詳細に説明されているが、これら 説明は、単にその目的のためのものであり、次の請求の範囲の記載された事項を 除いて、本発明の精神と範囲から離れることなく、当業者が変形を加え得ること は理解されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 インギマーソン，ウィリアム ダリン アメリカ合衆国 15025 ペンシルベニア, クレートン，ビレッジ グリーン ドライ ブ 1466

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．方向づけを行なう装置であって、 指向性エネルギーを発生するエネルギー発生機構と； エネルギー発生機構と通信可能であり、エネルギー発生機構で発生したエネ ルギーに指向性をもたらすための指向機構と、 を具えている方向づけ装置。 ２．指向性エネルギーを発生するエネルギー発生機構は、電磁放射を発生する電 磁放射発生機構を含んでいる請求項１に記載の方向づけ装置。 ３．指向機構は、周囲環境を第１の方向に連続的にスキャンするスキャニング機 構を含んでいる請求項２に記載の方向づけ装置。 ４．スキャニング機構は放射を誘導するガイド機構を含んでいる請求項３に記載 の方向づけ装置。 ５．スキャニング機構はガイド機構を収容するヨークアッセンブリを含んでいる 請求項４に記載の方向づけ装置。
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