JP6691650B2 - レーザー距離測定センサーおよびその距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー測定器の技術分野に属するレーザー距離測定センサーおよびその距離測定方法に関する。

従来の技術において、特許文献１には、異なる回転周期を有する２個の回転子を使用する回転位置検知装置が開示されている。各々の回転子には、１個またはそれ以上の爪と、回転角度と回転数とを検知するためのそれに対応する爪センサーが設けられている。その結果、検知装置の製造コストは、複数の回転子を備えたことにより増加し、その調整・維持管理コストは、部品数の増加により増加している。

中国公開特許第１０１８８５１１０号

従来の技術における欠点に鑑みて、本発明の技術目的は、レーザー距離測定センサーおよびその距離測定方法を提供することである。レーザー距離測定センサーは、コード化ディスクを同期して走査することにより走査データを取得し、回転速度フィードバック・調整ユニットを活用して、レーザー距離測定センサーが、光電式エンコーダーを介してリアルタイムの回転速度を自動的に計算し、制御ユニットにリアルタイムの回転速度を入力し、予め設定された回転速度閾値とリアルタイムの回転速度とを比較することにより、コード化ディスクの回転速度を精密に制御し、これにより、１回転における各々の角度の二次元断面に関する距離情報を得る。センサーは、単純な構造と高感度とを有している。

本発明の技術目的は、以下の技術的解決策により実現される。

レーザー距離測定センサーは、モーター、制御ボックス、およびコード化ディスクを備える。前記モーターの駆動を受けて、前記制御ボックスが前記コード化ディスクに対して回転し、前記コード化ディスクは、複数の距離測定用歯を備え、前記制御ボックスは、距離測定ユニット、検知部および制御ユニットを備え、前記検知部は、互いに対向して配設されている光送信器と光受信器とを備え、前記制御ボックスは、前記距離測定用歯が前記光送信器と前記光受信器との間を通過するように、前記コード化ディスクに対して回転し、前記制御ボックスは、前記モーターの駆動を受けて回転して走査と距離測定とを行い、前記制御ユニットに測定した距離の値を記録し、前記制御ユニットは、前記コード化ディスクが設定角度だけ回転した際に対応する局部的な回転速度を自動的に計算し、前記制御ユニットは、一定速度で前記制御ボックスを回転させるように前記モーターの回転速度を調整するように構成された回転速度フィードバック・調整ユニットに接続されている。

モーターの回転速度の監視と調整とを容易にするために、前記制御ボックスが反時計回りに回転する場合に、前記設定角度は、前記コード化ディスクの全長にわたる周囲に均一に設けられている複数の距離測定用歯のうち、隣接する２個の距離測定用歯毎の左縁がなす角度である。

コード化ディスクの固定を容易にするために、前記レーザー距離測定センサーは、前記コード化ディスクが固定されるベースを更に備える。

ベースに制御ボックスを回転可能に接続するために、前記モーターの出力端子には、モータープーリーが設けられ、Ｏリングが、前記モータープーリーと前記制御ボックスの外周に装着されている。前記ベースの中央部分が、前記ベースに固定される外側案内溝と前記制御ボックスに固定される内側案内溝とを有するベアリングに接続される。

感度と効率の両側面を考慮すると、前記コード化ディスクの周囲に設けられている前記距離測定用歯の数は、５〜１５個である。

レーザー走査の初期位置の識別を容易にするために、５〜１５個の距離測定用歯のうち、１個の距離測定用歯の歯幅は、他の距離測定用歯の歯幅よりも小さくても大きくてもよい。

具体的な実施形態において、前記コード化ディスクは、１５個の距離測定用歯を備え、そのうち、隣接する２個の距離測定用歯ごとの左縁間の間隔が２４度であり、１個の距離測定用歯の左右縁間の間隔が６度であり、前記１個の距離測定用歯の右縁と、前記１個の距離測定用歯に隣接してその右側にある前記距離測定用歯の左縁の間の間隔が１８度であり、その他の各々の距離測定用歯の左右側間の間隔が１２度である。

本発明は、上記距離測定センサーに関する距離測定方法を更に提供し、この方法は、
前記距離測定センサーにおいてモーターを用いて反時計回りにコード化ディスクを回転させ、モーターが初期回転速度Ｎ１を有するステップ１００と、
距離測定ユニットとして設定角度以内で距離の値を測定し、光電式エンコーダーにより、前記距離測定ユニット以内で前記モーターの局部的な回転速度Ｎ２を自動的に計算して制御ユニットに前記局部的な回転速度Ｎ２を送信するステップ２００と、
前記制御ユニットにおいて、前記モーターの回転速度の第一閾値Ｎ０を予め設定するステップ３００と、
前記局部的な回転速度Ｎ２が前記第一閾値Ｎ０の範囲内にあるかどうかを判定し、範囲内にあれば、ステップ５００に進み、範囲内になければ、前記制御ユニットにより回路電圧を調整することにより前記初期回転速度Ｎ１に前記モーターの回転速度を再設定してステップ１００に戻るステップ４００と、
前記制御ユニットにステップ２００における距離の値を記録するステップ５００と、を備える。
ステップ２００における設定角度は、コード化ディスクの全長にわたる複数の距離測定用歯のうち、隣接する２個の歯の同じ側の縁がなす角度である。
初期回転速度Ｎ１は、５〜１５回転／秒である。

結論として、本発明は、レーザー距離測定センサーおよびその距離測定方法を提供する。レーザー距離測定センサーは、コード化ディスクを同期して走査することにより走査データを取得し、回転速度フィードバック・調整ユニットを活用して、レーザー距離測定センサーが、光電式エンコーダーを介してリアルタイムの回転速度を自動的に計算し、制御ユニットにリアルタイムの回転速度を入力し、予め設定された回転速度閾値とリアルタイムの回転速度とを比較することによりコード化ディスクの回転速度を精密に制御し、これにより、１回転における各々の角度の二次元断面に関する距離情報が得られる。センサーは、単純な構造と高感度を有している。

以下、図面および特定の実施形態を参照して、本発明の技術的解決策を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザー距離測定センサーの全体構造の概略図である。 図２は、本発明に係るレーザー距離測定センサーの内部構造の図である。 図３は、本発明に係るレーザー距離測定センサーの平面図である。 図４は、本発明の第一の実施形態に係るコード化ディスクの概略図である。

［第一の実施形態］
図１は本発明に係るレーザー距離測定センサーの全体構造の概略図であり、図２は本発明に係るレーザー距離測定センサーの内部構造の図である。図２と共に図１に示すように、本発明は、モーター１２０、制御ボックス１３０およびコード化ディスク１５０を備えるレーザー距離測定センサー１００を提供する。モーター１２０の駆動を受けて、制御ボックス１３０がコード化ディスク１５０に対して回転する。コード化ディスク１５０は、複数の距離測定用歯１５１を備える。制御ボックス１３０は、距離測定ユニット１４２、検知部１４４、および制御ユニット１４０を備える。検知部１４４は、互いに対向して配設されている光送信器と光受信器とを備える。制御ボックス１３０は、距離測定用歯１５１が光送信器と光受信器のそれぞれの位置の間を通過するように、コード化ディスク１５０に対して回転する。制御ボックス１３０は、モーター１２０の駆動を受けて回転して走査と距離測定とを行い、制御ユニット１４０に測定した距離の値を記録する。その一方で、制御ユニット１４０は、コード化ディスク１５０が設定角度だけ回転した際に対応する局部的な回転速度Ｎ２を自動的に計算する。制御ユニット１４０は、一定速度で制御ボックス１３０を回転させるようにモーター１２０の回転速度を調整するように構成された回転速度フィードバック・調整ユニットに接続されている。

図３は、本発明に係るレーザー距離測定センサーの平面図である。図１〜２と共に図３に示すように、ベース１１０に制御ボックス１３０を回転可能に接続するために、モーター１２０の出力端子には、モータープーリー１２１が設けられ、Ｏリング１２２が、モータープーリー１２１と制御ボックス１３０の外周に装着されている。ベース１１０の中央部分が、ベース１１０に固定される外側案内溝と制御ボックス１３０に固定される内側案内溝とを有するベアリング１６０に接続されている。

モーター１２０の回転速度の監視と調整とを容易にするために、制御ボックス１３０が反時計回りに回転する場合に、設定角度は、コード化ディスクの全長にわたる周囲に均一に設けられている複数の距離測定用歯１５１のうち、隣接する２個の距離測定用歯ごとの左縁がなす角度である。感度と効率の両側面を考慮すると、コード化ディスクの周囲に設けられている距離測定用歯の数は、５〜１５個でよい。さらに、レーザー走査の初期位置の識別を容易にするために、５〜１５個の距離測定用歯のうちの１個の歯幅は、その他の距離測定用歯の歯幅よりも小さいか大きい。

図４は、本発明の第一の実施形態に係るコード化ディスクの概略図である。図４に示すように、第一の実施形態において、１５個の距離測定用歯１５１がコード化ディスク１５０の周囲に均一に設けられており、隣接する２個の距離測定用歯の左縁間の間隔が２４度である。さらに、１５個の距離測定用歯のうち、その左右縁間の間隔が６度でありその歯幅がその他の距離測定用歯の歯幅よりもわずかに小さい、１個の距離測定用歯１５１Ａがある。１個の距離測定用歯の右縁と、距離測定用歯に隣接してその右側にある距離測定用歯の左縁の間の間隔は１８度である。図３に示すように、コード化ディスク１５０の中心がＯ点である場合、角度∠ＡＯＢが６度であり、角度∠ＡＯＣが１８度であり、その他の距離測定用歯１５１の間隔が１２度である。コード化ディスク１５０が走査時に反時計回りの回転の場合、反時計回りの回転は、Ｂ点を起点０度とする。５５５．５マイクロ秒おきに角度１度の間隔の走査を行う。すなわち、１回転当たりの走査周期は０．２秒であり、各秒５回転の走査を行うことができる。

コード化ディスク１５０を使用して走査と距離測定とを同期して行う場合、まず、例えば、５回転／秒にモーター１２０の回転速度を設定する必要があり、これは、各々の１度角の間隔の走査時間に５５５．５マイクロ秒が必要であることを意味する。理想的な条件では、５５５．５マイクロ秒おきに角度１度の回転に相当する距離を測定することができる。しかしながら、現実に即した理由により、モーターの局部的な回転速度は均一ではなく、局部的な速度が早すぎたり遅すぎたりする状況が発生する場合があり、１度角の間隔の走査時間に、例えば、５５５．５マイクロ秒よりはむしろ２７７．７５マイクロ秒が必要となり、速度が２倍も速くなる。すなわち、５５５．５マイクロ秒の時間に実際に測定される距離は、角度１度の回転よりはむしろ角度２度の回転に相当する距離であり、これにより、走査の測定結果が不正確になる。

このような問題を解決するために、本発明では、制御ユニット１４０には、回転速度フィードバック・調整ユニットが設けられている。コード化ディスク１５０の周囲に均一に設けられている１５個の距離測定用歯は、１５個の均等な部分にコード化ディスクを分割し、このうち隣接する２個の距離測定用歯毎の左縁間の間隔は２４度である。設定角度は、角度２４度、つまり、隣接する２個の距離測定用歯１５１毎の左縁間の間隔に相当する角度として定義する。設定角度の各々の回転については、検知部１４４が、設定角度以内で対応する局部的な回転速度Ｎ２を自動的に計算して、制御ユニット１４０にこの回転速度を送信する。

制御ユニット１４０には、回転速度閾値Ｎ０の範囲が設けられている。局部的な回転速度Ｎ２が回転速度閾値Ｎ０（５回転／秒の場合、２９０〜３１０回転／分に設定されている）の範囲内にない場合、制御ユニット１４０は、設定角度以内には測定された距離の値を記憶しない（すなわち、距離の値は、未測定とみなす）が、回路電圧を調整することにより初期回転速度Ｎ１（例えば、５回転／秒）にモーター１２０の回転速度を再設定し、設定角度以内の各々の角度に相当する距離の値を再度測定する。

具体的には、本発明は、上記距離測定センサーに関する距離測定方法を更に提供し、この方法は、
距離測定センサーにおいてモーターを用いて反時計回りにコード化ディスクを回転させ、モーターが初期回転速度Ｎ１を有するステップ１００と、
距離測定ユニットとして設定角度以内で距離の値を測定し、光電式エンコーダーにより、距離測定ユニット以内でモーターの局部的な回転速度Ｎ２を自動的に計算して制御ユニットに局部的な回転速度Ｎ２を送信するステップ２００と、
制御ユニットにおいて、モーターの回転速度に関して第一閾値Ｎ０を予め設定するステップ３００と、
局部的な回転速度Ｎ２が第一閾値Ｎ０の範囲内にあるかどうかを判定し、範囲内にあれば、ステップ５００に進み、範囲内になければ、制御ユニットにより回路電圧を調整することにより初期回転速度Ｎ１にモーターの回転速度を再設定してステップ１００に戻るステップ４００と、
制御ユニットにおいて、ステップ２００における距離の値を記録するステップ５００と、を備える。
ステップ２００における設定角度は、コード化ディスクの全長にわたる複数の距離測定用歯のうち、隣接する２個の歯の同じ側の縁がなす角度である。初期回転速度Ｎ１は、５〜１５回転／秒である。

［第二の実施形態］
コード化ディスク１５０の周囲に均一に設けられている距離測定用歯１５１の数は、１５個、すなわち、第一の実施形態のように、測定単位として３６０度の１／１５を利用することに限定されないのは明らかである。第二の実施形態において、５個の距離測定用歯がコード化ディスク１５０の周囲に均一に設けられており、本実施形態における１個の測定単位は、角度７２度に相当し、それに対応して初期回転速度Ｎ１は１５回転／秒に設定される。本実施形態は、設けられている距離測定用歯の数が異なり、結果として測定単位が異なるという点のみが第一の実施形態と異なる。本発明のその他の技術的な特徴は、基本的には第一の実施形態と同じであり、その説明はここでは省略する。この詳細については、上記内容を参照。

上記２つの実施形態において説明したような距離測定用歯を設ける方法以外に、距離測定用歯の数は、３６個（コード化ディスク１５０の３６０度が更に細かく３６個の測定単位に分割される）またはそれ以上に設定することが可能であることは明らかである。理論的には、設けられている距離測定用歯の数が大きいほど、調整頻度が高くなり、それに応じて測定精度と精密度とが良くなる。しかしながら、その結果、装置の全体構造が更に複雑になる。これに対して、設けられている距離測定用歯の数が小さいほど、調整頻度は低くなり、それに応じて測定精度と精密度とが悪くなる。その結果、装置の全体構造を比較的簡易にすることができ、コストが低減する。実際には、精密度と製造コストとの間で妥協点を設けるために、第一の実施形態において１５個の距離測定用歯が均一に設けられている構造は、精度と精密度とを保証するだけではなく、あまり複雑ではない全体構造を有する装置も提供する。

結論として、本発明は、レーザー距離測定センサーおよびその距離測定方法を提供する。レーザー距離測定センサーは、コード化ディスクを同期して走査することにより走査データを取得し、回転速度フィードバック・調整ユニットを活用して、レーザー距離測定センサーが、光電式エンコーダーを介してリアルタイムの回転速度を自動的に計算し、制御ユニットにリアルタイムの回転速度を入力し、予め設定された回転速度の閾値とリアルタイムの回転速度とを比較することによりコード化ディスクの回転速度を精密に制御し、これにより、１回転における各々の角度の二次元断面に関する距離情報が得られる。レーザー距離測定センサーは、単純な構造と高感度とを有している。

Claims (10)

1. モーター（１２０）、制御ボックス（１３０）、およびエンコーダーディスク（１５０）を備えるレーザー距離測定センサーであり、
   前記モーターの駆動を受けて、前記制御ボックスが前記エンコーダーディスクに対して回転し、
   前記エンコーダーディスクは、複数の距離測定用歯（１５１）を備え、
   前記制御ボックスは、距離測定ユニット（１４２）、検知部（１４４）、および制御ユニット（１４０）を備え、前記検知部は、互いに対向して配設されている光送信器と光受信器とを備え、
   前記制御ボックスは、前記距離測定用歯が前記光送信器と前記光受信器との間を通過するように、前記エンコーダーディスクに対して回転し、
   前記制御ボックスは、前記モーターの駆動を受けて回転して走査と距離測定とを行い、前記制御ユニットに測定した距離の値を記録し、
   前記制御ユニットは、前記エンコーダーディスクが設定角度だけ回転した際に対応する局部的な回転速度を自動的に計算し、
   前記制御ユニットは、一定速度で前記制御ボックスを回転させるように前記モーターの回転速度を調整するように構成された回転速度フィードバック・調整ユニットに接続されていることを特徴とする、レーザー距離測定センサー。
2. 前記制御ボックス（１３０）が反時計回りに回転する場合に、前記設定角度は、前記エンコーダーディスク（１５０）の全長にわたる周囲に均一に設けられている複数の距離測定用歯のうち、隣接する２個の距離測定用歯毎の左縁がなす角度であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザー距離測定センサー。
3. 前記レーザー距離測定センサーは、前記エンコーダーディスク（１５０）が固定されるベース（１１０）を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載のレーザー距離測定センサー。
4. 前記モーター（１２０）の出力端子には、モータープーリー（１２１）が設けられ、Ｏリング（１２２）が、前記モータープーリー（１２１）と前記制御ボックス（１３０）の外周に装着されており、
   前記ベース（１１０）の中央部分が、前記ベース（１１０）に固定される外側案内溝と前記制御ボックス（１３０）に固定される内側案内溝とを有するベアリング（１６０）に接続されることを特徴とする、請求項３に記載のレーザー距離測定センサー。
5. 前記エンコーダーディスク（１５０）の周囲に設けられている前記距離測定用歯（１５１）の数が５〜１５個であることを特徴とする、請求項４に記載のレーザー距離測定センサー。
6. ５〜１５個の前記距離測定用歯（１５１）のうち、その歯幅がその他の前記距離測定用歯の歯幅よりも小さいか大きい、１個の歯距離測定用歯があることを特徴とする、請求項５に記載のレーザー距離測定センサー。
7. 前記エンコーダーディスク（１５０）は、１５個の距離測定用歯（１５１）を備え、そのうち、
   隣接する２個の距離測定用歯毎の左縁間の間隔が２４度であり、
   １個の距離測定用歯の左右縁間の間隔が６度であり、
   前記１個の距離測定用歯の右縁と、前記１個の距離測定用歯に隣接してその右側にある前記距離測定用歯の左縁の間の間隔が１８度であり、
   その他の各々の距離測定用歯の左右側間の間隔が１２度であることを特徴とする、請求項６に記載のレーザー距離測定センサー。
8. 請求項１に記載のレーザー距離測定センサーに関する距離測定方法であり、前記方法は、
   前記距離測定センサーにおいてモーターを用いて反時計回りにエンコーダーディスクを回転させ、前記モーターが初期回転速Ｎ１を有し、
   距離測定ユニットとして設定角度以内で距離の値を測定し、光電式エンコーダーにより、前記距離測定ユニット以内で前記モーターの局部的な回転速度Ｎ２を自動的に計算して、制御ユニットに前記局部的な回転速度Ｎ２を送信し、
   前記制御ユニットにおいて、前記モーターの回転速度の第一閾値Ｎ０を予め設定し、
   前記局部的な回転速度Ｎ２が前記第一閾値Ｎ０の範囲内にあるかどうかを判定し、範囲内にあれば、前記制御ユニットに距離の値を記録し、範囲内になければ、前記制御ユニットにより回路電圧を調整することにより前記初期回転速度Ｎ１に前記モーターの回転速度を再設定して前記モーターを用いて反時計回りに前記エンコーダーディスクを回転させる、
   ことを特徴とする、距離測定方法。
9. 前記設定角度が、前記エンコーダーディスクの全長にわたる前記複数の距離測定用歯のうち、隣接する２個の歯ごとの同じ側の縁がなす角度であることを特徴とする、請求項８に記載の距離測定方法。
10. 前記初期回転速度Ｎ１が５〜１５回転／秒であることを特徴とする、請求項９に記載の距離測定方法。