WO2000031498A1 - Unite de projection/reception et dispositif de recherche d'une plage omnidirectionnelle - Google Patents

Description

明糸田書

投受光ュニットおよび全方位距離検出装置 技術分野

本発明は、 走査系を備えた投受光ユニットに関し、 特に、 このような投受光ュ ニットを備え、 周囲 3 6 0度にわたって物体の有無、 物体までの距離及び物体の ある角度を検出可能な全方位距離検出装置に関する。 背景技術

従来、 例えば無人搬送車に搭載する距離センサシステムとして、 外部に出射さ れる照射光を発生させるレーザや発光ダイォードなどを用いた投光器と、 物体か らの反射光を検出するフォトダイォ一ドなどを用いた受光器とを有して構成され て、 受光の有無によって検出方向における物体の有無を、 また、 投光と受光との 時間差などから物体までの距離を検出する距離検出装置が知られている。

このような装置における検出方向は、 外部への照射光の投光及び外部からの反 射光の受光が行われる方向である。 この検出方向は、 例えば投光器から出射され る照射光、 及び受光器へ入射される反射光の光路を光路変換手段である反射ミラ —などの反射手段によつて所定の方向に変換することによって、 選択することが できる。 ここで、 光路変換手段を所定の回転軸によって回転可能な回転機構に固 定 ·設置される構成として検出方向の連続的な変更を可能にし、 光路変換手段が 回転される周囲の側壁を外部に向けて光学的に開放された構成とすることによつ て、検出方向を周囲ほぼ 3 6 0度にわたって回転 '変更させることが可能である。 これによつて、 全方位について物体までの距離の検出を行うことができる全方位 型の距離検出装置とすることができる。

上記したような全方位距離検出装置においては、 投光 ·受光による物体までの 距離の検出に加えて、 物体のある角度 （方向） を検出することによって、 検出さ れた物体の位置を特定することができる。 すなわち、 物体からの反射光の受光の 有無によって物体の有無を検出するとともに、 反射光が受光され物体が存在する 場合には、 投光 ·受光の時間差などによって物体までの距離を、 また、 検出方向 の回転角度を測定可能なように回転機構に対して設置された透過型光学式ェンコ —ダなどの角度検出手段によって物体のある角度を検出する。 このような装置と しては、 例えば特開平 7— 1 9 1 1 4 2号及び特開平 1 0— 1 0 2 3 3号に開示 された装置がある。 発明の開示

上記した従来の全方位距離検出装置においては、 回転軸上に固定されている光 路変換手段に対して投光器及び受光器はその回転軸上に対向して、 光路変換手段 の所定の反射面にそれそれ面するように配置されている。 すなわち、 回転軸の一 方の端部には投光器が配置されて、 回転軸に沿って照射光が出射され投光ミラー などの光路変換手段によって回転軸に対して垂直な方向である検出方向に光路が 変換されて、 外部に出射される。 一方、 回転軸の他方の端部には受光器が配置さ れて、 検出方向から入射される物体からの反射光が受光ミラ一などの光路変換手 段によって回転軸に沿った方向に光路が変換されて、 受光器に入射される。

このような構成による装置においては、投光器及び受光器が回転軸のほぼ両端、 したがって装置の両端に設置されるために信号線等の配線が長くなり、 この配線 によって回転機構等の設計上の自由度が制限されてしまうという問題があつた。 また、 外部への照射光の投光及び外部からの反射光の受光が行われる領域内をこ の配線が通過する必要があるため、 完全な 3 6 0度の全方位距離検出が不可能で あった。 さらに、 このような長い配線は、 回転機構の回転駆動系等からの電気的 ノイズの影響を増大させて、 距離検出の精度を劣化させる原因ともなる。

本発明は、 上記の問題点に鑑みてなされたものであり、 3 6 0度にわたって高 精度での距離検出が可能な全方位距離検出装置を提供することを目的とする。 このような目的を達成するために、 本全方位距離検出装置は、 ハウジング内部 に投光器と受光器とを備え、 投光器からの照射光を投光光路変換手段を介してハ ゥジング外部の所定の検出方向に出射し、 検出方向の物体からの反射光を受光光 路変換手段を介して受光器に入射して、 物体の有無及び物体までの距離を検出す る距離検出装置において、 ハウジング内部の所定の軸を回転軸として回転可能に 設置された回転部と、 回転部を駆動させる回転駆動部とを有して構成され、 投光 光路変換手段及び受光光路変換手段が回転軸上に固定 ·設置される回転機構と、 回転部の回転角度を検出する角度検出手段と、 投光器及び受光器からの信号によ る物体までの距離の検出と、 角度検出手段からの信号による物体のある角度の検 出と、 を行う信号処理回路と、 を備えるとともに、 ハウジング内部の領域は、 回 転軸の方向に沿って、 光学系領域と、 投光器、 受光器及び信号処理回路が内部に 配置されている駆動系領域と、 に分割されるとともに、 光学系領域の側壁は、 光 を透過する透明筒体で構成され、 光学系領域は、 回転軸の方向に沿って、 投光光 路変換手段を内部に含んで照射光が検出方向へと出射される投光領域と、 駆動系 領域に隣接し、 受光光路変換手段を内部に含んで反射光が検出方向から入射され る受光領域と、 にさらに分割されるとともに、 投光領域と受光領域とは、 透明筒 体に対して固定されて設置され光路からはずれた迷光を遮光する遮光手段によつ て光学的に分割され、 受光器は、 回転軸上に受光光路変換手段に対向して配置さ れ、 投光領域内部に設置されて、 投光器からの照射光を投光光路変換手段に導光 する照射光導光手段を有することを特徴とする。

また、 ハウジング内部に投光器と受光器とを備え、 投光器からの照射光を投光 光路変換手段を介してハウジング外部の所定の検出方向に出射し、 検出方向の物 体からの反射光を受光光路変換手段を介して受光器に入射して、 物体の有無及び 物体までの距離を検出する距離検出装置において、 ハウジング内部の所定の軸を 回転軸として回転可能に設置された回転部と、 回転部を駆動させる回転駆動部と を有して構成され、 投光光路変換手段及び受光光路変換手段が回転軸上に固定 · 設置される回転機構と、 回転部の回転角度を検出する角度検出手段と、 投光器及 び受光器からの信号による物体までの距離の検出と、 角度検出手段からの信号に よる物体のある角度の検出と、 を行う信号処理回路と、 を備えるとともに、 ハウ ジング内部の領域は、 回転軸の方向に沿って、 光学系領域と、 投光器、 受光器及 び信号処理回路が内部に配置されている駆動系領域と、 に分割されるとともに、 光学系領域の側壁は、 光を透過する透明筒体で構成され、 光学系領域は、 回転軸 の方向に沿って、 駆動系領域に隣接し、 投光光路変換手段を内部に含んで照射光 が検出方向へと出射される投光領域と、 受光光路変換手段を内部に含んで反射光 が検出方向から入射される受光領域と、 にさらに分割されるとともに、 投光領域 と受光領域とは、 透明筒体に対して固定されて設置され光路からはずれた迷光を 遮光する遮光手段によって光学的に分割され、 投光器は、 回転軸上に投光光路変 換手段に対向して配置され、 受光領域内部に設置されて、 受光光路変換手段から の反射光を受光器に導光する反射光導光手段を有することを特徴とする。

上記の構成においては、 回転機構の回転軸に沿った方向に関して、 投光器及び 受光器がともに光路変換手段である投光光路変換手段及び受光光路変換手段に対 して同じ側にある駆動系領域に設置される。 これによつて、 投光領域及び受光領 域を含む光学系領域内における信号線などの配線をなくして、 完全な 3 6 0度の 全方位距離検出を可能にし、 設計上の自由度等を確保して装置の機能性を高める とともに、 信号処理回路への配線を短くして、 受光信号等への電気的ノイズの影 響を低減して距離の検出精度の劣化を抑制することができる。

また、 このような装置構成においては、投光器及び受光器の少なくとも一方は、 回転機構の回転軸から外れた位置に配置される必要がある。 この場合、 投光器か らの照射光を導光する照射光導光手段、 または受光器への反射光を導光する反射 光導光手段を設けることが必要となる。

すなわち、 受光器を回転軸上に配置する構成とした場合には、 投光器は回転軸 から外れた位置に配置されるが、 上記したように投光器から投光光路変換手段へ と照射光を導光する反射プリズムなどによる照射光導光手段を備えた構成とする ことによって、 投光及び受光が可能となる。

また、 投光器を回転軸上に配置する構成とし、 受光器を回転軸から外れた位置 に配置した場合には、 受光光路変換手段から受光器へと反射光を導光する反射プ リズムなどによる反射光導光手段を備えた構成とすることによって、 投光及び受 光が可能となる。

さらに、 角度検出手段は、 回転部の外周に固定され、 回転軸を中心とする所定 の円上に等間隔に設けられた複数のスリツトからなる角度検出スリツ ト群を有す る角度検出円盤と、 スリッ卜の通過を光電的に検出する光電ュニッ卜と、 所定の 周波数を有する高速パルス状の電気信号を発生するクロック回路と、 光電ュニッ トによるスリットの検出と、 クロック回路による電気信号のパルス数とを用いて 物体のある角度を演算する角度演算手段と、 を備えることを特徴としても良い。 上記のような装置においては、 円盤及び光電ュニッ トを有する透過型光学式ェ ンコーダによって物体のある角度を検出することが可能であるが、 この場合、 角 度検出スリツト群のスリツ 卜の配置間隔によって角度分解能が決まってしまうた め、 高分解能での角度検出を行うことができない。 これに対して、 高速パルスの 電気信号による角度検出を併用することによって、 スリツ 卜の配置間隔を変える ことなく高分解能での角度検出が可能となる。

上記装置においては、 回転機構の回転軸に沿った方向に関して、 投光器及び受 光器がともに光路変換手段である投光光路変換手段及び受光光路変換手段に対し て同じ側にある駆動系領域に設置することによって、 投光領域及び受光領域を含 む光学系領域内における信号線などの配線をなくして、 完全な 3 6 0度の全方位 距離検出を可能とするが、 全方位距離検出装置に用いられる投受光装置として、 光出射位置と入射位置とが同一となるような光軸構造も考えられる。

しかしながら、 このような場合には、 透明筒体の光出射位置上に水滴等が付着 すると、 光入射時においても乱反射が生じ、 検出誤差が拡大する。 本投光ュニッ トは、 このような検出誤差を抑制するため、 透明筒体内部から透明筒体上の光出 射位置を介して外部に光を出射し、 この光の外部からの反射光を透明筒体上の光 入射位置を介して内部に入射させる投受光ュニッ卜において、 光出射及び光入射 位置が透明筒体上の異なる位置となるように光出射及び光入射位置にそれそれ対 応して配置された発光素子及び受光素子と、 光出射及び光入射位置が分離される ように透明筒体に設けられた遮光用隔壁と、 発光素子から出射された光の経路及 び受光素子に入射する光の経路上に配置され、 光出射及び光入射位置を移動させ る走査光学系とを備えることを特徴とする。

なお、 透明筒体とは、 発光素子からの出射光及び受光素子への入射光に対して 透明な筒体であり、 これらの光が可視光である場合には、 可視域において透明な 筒体を意味し、 これらの光が例えば赤外光である場合には、 赤外域において透明 である筒体であれば、 可視域において不透明であってもよい。

本ユニットによれば、走査光学系によつて光出射及び入射位置が走査されるが、 透明筒体に水滴等が付着した場合においても、その乱反射を抑制することができ、 また、 遮光用隔壁が一方の位置において生じる乱反射をも抑制するため、 高精度 な光走査を行うことができる。

この走査光学系は、 発光素子からの光を光出射位置へ、 光入射位置からの光を 受光素子へそれそれ反射する第 1及び第 2反射面を備え、第 1及び第 2反射面は、 透明筒体の中心軸上に配置され、 この中心軸の回りを回転することが好ましい。 この走査光学系においては、 中心軸が回転中心となるため、 反射面と各素子との 間の光路を偏向することなく走査を行うことができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 全方位距離検出装置の第 1の実施形態の構成を示す断面図である。 図 2は、図 1に示す全方位距離検出装置の光学系を概略的に示す斜視図である。 図 3は、 図 1に示す全方位距離検出装置による物体のある角度の検出方法を説 明するタイミング図である。

図 4は、 全方位距離検出装置の第 2の実施形態の構成を示す断面図である。 図 5は、 全方位距離検出装置の第 3の実施形態の構成を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面と共に本発明による全方位距離検出装置の好適な実施形態について 詳細に説明する。 なお、 図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、 重 複する説明を省略する。

図 1は、 本発明に係る全方位距離検出装置の第 1の実施形態の構成を示す断面 図である。 また、 図 2は、 本実施形態の光学系の要素及び光路を概略的に示す斜 視図である。 なお、 図 2においては、 後述する回転円筒 4 1及び遮光板 4 2を一 部破断して示している。

本実施形態におけるハウジング 1は、 駆動系カバ一 1 1、 区分板 1 2、 透明円 筒 1 3及び光学系カバ一 1 4から構成されている。 このハウジング 1の内部領域 は区分板 1 2によって、駆動系カバー 1 1を側壁とする下方の駆動系領域 R 1と、 透明円筒 1 3を側壁として外部に対して光学的に開放された上方の光学系領域 R 2とに分割されている。

区分板 1 2の中央部分には、 鉛直方向を回転軸として回転駆動する回転部 4 0 が、 区分板 1 2に対して回転可能であるように接続されて設置されている。 回転 部 4 0の下部を構成し、 区分板 1 2に接続されている回転支持部 4 0 aには、 そ の外周の駆動系領域 R 1内に位置する所定の部位に円盤状の回転リング 4 5が設 けられている。 一方、 回転部 4 0を駆動するためのモー夕を有して構成され、 駆 動系領域 R 1内の回転軸から外れた所定の位置に設置されている回転駆動部 4 3 には、 回転駆動軸 4 4を介して回転リング 4 6が設置されている。 この回転リン グ 4 5及び 4 6が回転ベルト 4 7により接続されることによって回転機構が構成 され、 回転駆動部 4 3による回転部 4 0の回転駆動及びその制御が行われる。 な お、 回転支持部 4 0 aの内側には、 所定の内径を有する円筒状の導光路 4 0 が 形成されている。

回転部 4 0の光学系領域 R 2内に位置する上部は、 回転円筒 4 1によって構成 されている。 この回転円筒 4 1の内部には光路変換手段である光路変換プリズム 4が、 回転円筒 4 1に対して固定されて設置されている。 この光路変換プリズム 4は、 その中心軸を回転部 4 0の回転軸と一致させて配置された四角柱形の上下 の端面を 4 5度の角度で切除して得た形状を有している。

これら 2つの切除面は、 上方の切除面が投光光路変換手段である投光反射面 4 a、 また、 下方の切除面が受光光路変換手段である受光反射面 4 bを構成し、 こ れによって本実施形態における投光 ·受光の主光路系が決定される。 すなわち光 学系領域 R 2は、 光路変換プリズム 4の投光反射面 4 a及び受光反射面 4 bに挟 まれた水平面を境界面として、 上方の投光領域 R 2 aと下方の受光領域 R 2 bと に区分される。

投光領域 R 2 aは投光反射面 4 aを含み、 物体への照射光は、 回転部 4 0の回 転軸に沿った鉛直上方の投光入射光路 L a 1によって投光反射面 4 aに入射して、 光路変換されて投光出射光路 L a 2に導かれる。 一方、 受光領域 R 2 bは受光反 射面 4 bを含み、 物体からの反射光は、 受光入射光路 L b 2によって受光反射面 4 bに入射して、 光路変換されて回転軸に沿った鉛直下方の受光出射光路 L b 1 に導かれる。

このとき、 投光出射光路 L a 2及び受光入射光路 L b 2は水平かつ互いに平行 であり、 これによつて投光出射光路 L a 2からの照射光による物体からの反射光 を受光入射光路 L b 2から取り込むことができる。

回転円筒 4 1の上端及び下端は、 それそれ投光入射光路 L a 1が通過する上端 開口部 4 1 a、 及び受光出射光路 L b 1が通過する下端開口部 4 1 bであり、 ま た、 側面のうち投光出射光路 L a 2及び受光入射光路 L b 2との交点を含む所定 の領域には側面開口部 4 1 cが形成されている。 これらの上端開口部 4 1 a、 下 端開口部 4 1 b、 及び側面開口部 4 1 cにはそれそれ光を透過する透明部材によ つて形成された光透過窓 （図示していない） が設置される。 なお、 これらについ ては光透過窓を設置せずに開放された状態としても良い。

また、 投光出射光路 L a 2及び受光入射光路 L b 2が通過する、 投光領域 R 2 a及び受光領域 R 2 bからなる光学系領域 R 2の側壁は、 光を透過する透明円筒 1 3である。 ここで、 各光路は 3 6 0度にわたって回転するため、 光路とともに 回転する回転円筒 4 1の一部領域に形成されている側面開口部 4 1 cと異なり、 側壁においてはこの透明円筒 1 3によって 3 6 0度全方位が光学的に開放されて いる。 なお、 本実施形態においては、 透明円筒 1 3の中心軸は回転部 4 0の回転 軸と一致している。

なお、 光路変換プリズム 4については、 他の形状、 例えばその中心軸を回転軸 と一致させて配置された円柱形の上下の端面を 4 5度の角度で切除して得た形状 のものを用いても良い。 また、 投光光路変換手段及び受光光路変換手段として、 それぞれ別個に形成された反射ミラ一等を用いる構成としても良い。

投光領域 R 2 a及び受光領域 R 2 bの境界面には、 中央に回転円筒 4 1が貫通 する中央開口部 4 2 aを有する円盤状の遮光板 4 2が設置されている。 遮光板 4 2は、 その外周部の複数箇所において遮光板固定部 4 2 c (図 1にはそのうちの 1箇所が示されている） によって透明円筒 1 3に対して固定されている。 これに よって、 照射光のハウジング 1の内壁、 透明円筒 1 3に付着したゴミ及び水滴な どによる散乱 ·反射光である光路からはずれた迷光が受光領域 R 2 bに入射する のを防いで、 距離検出の精度低下を抑制することができる。

本装置における照射光の投光及び反射光の受光はそれそれ、 好ましくは半導体 レ一ザである投光器 2、 及び好ましくは半導体受光素子である受光器 3によって 行われる。 これらの投光器 2及び受光器 3は、 いずれも駆動系領域 R 1内に設置 されている。 このような構成とした場合、 投光器 2及び受光器 3がいずれも光学 系領域 R 2に対して下方に、 特に遮光板 4 2が設置されている投光領域 R 2 aと 受光領域 R 2 bとの境界面に対して下方 （同じ側） に配置されているため、 投光 器 2及び受光器 3の少なくとも一方は、 回転部 4 0の回転軸から外れた位置に配 置される必要がある。

本実施形態においては受光領域 R 2 bが駆動系領域 R 1に隣接しており、 投光 器 2は回転軸から外れた所定の位置に、 鉛直上方を光の出射軸として設置されて いる。 区分板 1 2の投光器 2に対向する部位には導光部 2 3が設置されている。 また、遮光板 4 2の投光器 2に対向する部位には開口部 4 2 bが設けられており、 これによつて、 投光器 2から鉛直上方に出射された照射光は、 導光部 2 3、 受光 領域 R 2 b及び開口部 4 2 b内を通過して投光領域 R 2 aに入射される。 なお、 開口部 4 2 bには、 投光領域 R 2 a側の各部位からの散乱光等が開口部 4 2 bを 介して受光領域 R 2 b側に入射することを防ぐために、 遮光板 4 2よりも厚い散 乱光制限リング 2 4が設置されている。

上記したように回転軸から外れた位置にある投光器 2から鉛直上方に向けて出 射された照射光は、 投光領域 R 2 aの上端を形成する光学系カバ一 1 4の下面側 に固定された照射光導光手段であるプリズム 2 1及び 2 2によって反射され、 そ の光路を回転軸に沿った鉛直下方に向かう投光入射光路 L a 1に変換されて、 投 光反射面 4 aに入射される。

一方、 受光器 3は回転軸上に設置されており、 これによつて、 受光反射面 4 b によって受光出射光路 L b 1に光路変換された反射光は、 受光レンズ 3 1を介し て受光器 3に入射される。 なお、 照射光の投光についても、 例えば導光部 2 3内 に投光レンズを設置する構成としても良い。

これらの投光器 2及び受光器 3は、 それそれ投光制御回路 2 0及び受光制御回 路 3 0によってその投光及び受光を駆動制御されている。 投光器 2及び受光器 3 は、 さらに信号処理回路 5に接続されている （ただし、 接続の配線は図示してい ない）。 これによつて、 投光器 2の駆動信号と、 受光器 3の受光信号とが信号処 理回路 5に入力されて、 受光の有無から検出方向における物体の有無が、 また、 投光及び受光の時間差等から物体までの距離が信号処理回路 5において演算され て求められる。

従来の全方位距離検出装置においては、 投光器及び受光器は光路変換手段に対 してそれそれ投光領域側及び受光領域側に、 いずれも回転軸上に対向して配置さ れている。 この場合、 投光器及び受光器が回転軸のほぼ両端、 したがって装置の 両端に設置されるために信号線等の配線が長くなり、 回転駆動を行う上での制限 となるとともに、 長い配線によって回転駆動系等からの電気的ノイズの影響を受 けやすいという問題があった。

これに対して、 本発明による装置においては、 投光領域 R 2 a及び受光領域 R 2 bからなる光学系領域 R 2とは別に、 投光領域 R 2 a側または受光領域 R 2 b 側のどちらか一方 （図 1に示す実施形態においては受光領域 R 2 b側） に駆動系 領域 R 1を設けて、 投光器 2、 受光器 3、 及びそれらからの信号が入力される信 号処理回路 5をともにこの駆動系領域 R 1内に設置している。 これによつて、 そ れら相互間の配線を短くして装置設計の自由度を確保し、 かつ光学系領域 R 2内 に配線が存在しないようにすることによって完全な 3 6 0度にわたる全方位距離 検出が可能となる。 さらに、 このように配線を短くすることによって、 受光信号 等への電気的ノイズの影響を抑制して距離検出の精度が向上された全方位距離検 出装置を実現することができる。 また、 このように投光器 2及び受光器 3を同じ 領域に配置することによって、 装置の小型化も実現できる。

さらに、 本実施形態に示すように、 投光器 2、 受光器 3、 回転駆動部 4 3等が 設置されている駆動系領域 R 1が装置下方に位置する場合、 光学系領域 R 2の側 壁である透明円筒 1 3によって支える装置部分の重量が低減されるので、 透明円 筒 1 3の厚さを薄くした場合においても充分な強度を得ることができる。 これに よって、 照射光の投光出射光路 L a 2による出射及び反射光の受光入射光路 L b 2による入射時において、 透過光量の減少及び像の歪みを抑制することができ、 より精度の高い距離検出が可能となる。 また、 本装置においては、 遮光板 4 2がハウジング 1の側壁である透明円筒 1 3に対して固定されている。 投光領域及び受光領域を分離する遮光手段が回転部 に対して固定されている場合には、 遮光手段をも回転させる構造となるため、 回 転駆動の負荷が増加する。 これに対して、 遮光板 4 2をハウジング 1に対して固 定する構造とすることによって、 回転駆動の機能性をより高めることができる。 このような遮光板 4 2の固定配置は、 投光器 2、 受光器 3及びプリズム 2 1、 2 2等が固定配置されていることによって可能となる。 同時にこれらの固定配置に よって、 装置における光軸調整等を容易化することができる。

また、 投光領域 R 2 a及び受光領域 R 2 bが遮光板 4 2のみを介して隣接して いることによって、 近距離測定においても受光見込み角から外れることによる受 光効率の低下が抑制される。

次に、 本装置における角度検出手段と、 それによる物体のある角度の検出につ いて説明する。 回転支持部 4 0 aの光学系領域 R 2内に位置する部位には、 ェン コーダ円盤 5 1が取り付けられており、 その外周上の所定の位置には、 ェンコ一 ダ円盤 5 1の外周の一部を挟み込むように光電ュニット 5 2が区分板 1 2に固定 されて設置されている。 このエンコーダ円盤 5 1、 光電ユニット 5 2、 及びこれ らを制御するエンコーダ制御回路 5 3によって、 角度検出のための透過型光学式 エンコーダが構成されている。

エンコーダ円盤 5 1には、 回転部 4 0の回転軸を中心とし、 回転時に光電ュニ ット 5 2の内側を通過する領域内にある所定の円上に、 所定の角度間隔で配置さ れた複数のスリッ トからなる角度検出スリット群が形成されている。 また、 同様 に回転時に光電ュニッ ト 5 2の内側を通過する領域内にあって上記の角度検出ス リット群とは異なる同心円上に、 基準角度検出スリットが形成されている。 この 基準角度検出スリツトは、 角度検出スリツト群による角度検出の基点となる角度 位置を決定するために設けられるものであり、 回転部 4 0の回転速度などの諸条 件に応じて単一のスリットからなるか、 または、 1 8 0度間隔の 2つのスリッ ト もしくは 9 0度間隔の 4つのスリヅ トなどの複数のスリットから構成される。 光電ュニット 5 2には、 エンコーダ円盤 5 1を挟んで一方に発光素子が、 他方 に受光素子が配置されており、 これによつて角度検出スリット群の各スリット、 及び基準角度検出スリットを透過した発光素子からの光を受光素子によって検出 して、 角度情報を得ることができる。 なお、 このような光による角度検出を行う ため、 光電ュニッ ト 5 2を含む領域を囲むように遮光ケース 5 4が設置されてい る。

この透過型光学式エンコーダからの信号は、 信号処理回路 5に入力されて、 物 体のある角度の演算が行われる。 この場合においても、 光電ュニット 5 2等は駆 動系領域 R 1に隣接して設置されており、 したがって、 その信号線等の配線はす ベて駆動系領域 R 1内において行われる。 これによつて、 距離検出に関する信号 線と同様に、 角度検出に関する信号線を短くして電気的ノイズの影響による分解 能の劣化を低減することができる。 なお、 図示していないが、 区分板 1 2の遮光 ケース 5 4によって覆われた領域内の所定の部位には、 透過型光学式エンコーダ からの信号線を配線するための配線路が設けられている。

上記したような透過形光学式エンコーダを用いた場合、 角度検出スリツ ト群の スリツトの配置間隔によって角度検出の分解能が決定される。 より高分解能での 角度検出を行うにはスリッ 卜の配置間隔を小さくする必要があるが、 スリット配 置の高密度化は限界があり、 また、エンコーダ円盤 5 1の径を大きくしたのでは、 装置自体が大型化してしまう。 そこで発明者らは、 透過型光学式エンコーダによ る角度検出と、 電気クロックによる検出とを併用することによって、 角度分解能 を高くする角度検出方法を採用した （例えば特開平 5— 6 0 5 7 5号）。

図 3は、 上記した角度検出方法を説明するためのタイミング図であり、 角度検 出スリツト群に対応する光学信号、 及び角度検出に併用される所定の周波数によ る電気信号を示してある。 本実施形態においては、 信号処理回路 5は所定の周波 数を有する高速パルス状の電気信号を発生するクロック回路と、 この電気信号を 併用して角度の演算を行う角度演算回路を含んで構成されている。 クロック回路 によって発生される電気信号の周波数は、 角度検出スリット群のスリッ ト配置間 隔及び回転部 4 0の回転速度によって決まる光学信号の信号パルス間隔に対して その信号パルス間隔が小さくなるように設定されている。 また、 例えば光学信号 における信号パルス S _nは、 基準角度検出スリツトによって検出された基準角度 から n番目のスリットによる信号パルスを示し、 角度検出スリット群のスリッ ト 配置間隔を 0。として、 角度 。に相当している。

ここで、 回転部 4 0が一定速度で回転している場合を考えると、 隣接するスリ ットに対応する 2つの信号パルス S間の電気信号パルスの個数は一定である。 こ の個数は、 例えば信号パルス S _n〜S _{n + 1}間において N。個と測定によって求めら れる。 このとき、 電気信号パルス 1個当たりの角度間隔は 0。/N。であり、 こ れによって、 この角度間隔 0。/N _Dを角度分解能とした高分解能での測定が可 能となる。 すなわち、 例としてタイミング Tにおいて物体からの反射光を受光し たとし、 そのときの信号パルス S _{n + 1}からの電気信号パルスの個数が 個であ つたとすると、 検出された物体の角度は （n + 1 + Ν ! Ν ₀ ) 0。と求められる。 特に、 このような電気信号パルスを併用した角度検出方法を用いることによつ て、 上記したようにスリツト配置間隔よりも高い角度分解能による測定が可能に なる。 また、 電気信号パルスの周波数を変更することによって、 スリット配置間 隔を変更することなくその角度検出の分解能を変更することが可能となる。

本発明による全方位距離検出装置は、 上記した実施形態に限られるものではな く、 様々に変形が可能である。

図 4は、 本発明に係る全方位距離検出装置の第 2の実施形態の構成を示す断面 図である。 本実施形態においては、 光学系領域 R 2の側壁である透明円筒は、 2 つの透明円筒、 すなわち投光領域 R 2 aの側壁である透明円筒 1 3 a及び受光領 域 R 2 bの側壁である透明円筒 1 3 bによって構成され、 遮光板 4 2はこれらの 透明円筒 1 3 a及び 1 3 bに挟まれて設置されている。 このような構成によって も、 第 1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 なお、 本実施形態におい ては、遮光板 4 2の厚さが第 1の実施形態によるものよりも厚く形成されており、 そのため、 開口部 4 2 bには散乱光制限リングは設置されていない。

図 5は、 本発明に係る全方位距離検出装置の第 3の実施形態の構成を示す断面 図である。 本実施形態においては、 投光器 2及び導光部 2 3は鉛直軸に対して所 定の角度傾けて設置されており、 これによつて光学系カバー 1 4に固定された単 一のプリズム 2 1を照射光導光手段として、照射光の導光が行われる。この場合、 プリズム 2 1が単一であることによって、 光軸調整が簡単化される。

上記した第 1〜第 3の実施形態は、 すべて受光器を回転機構の回転軸上に配置 しているが、 逆に投光領域が駆動系領域に隣接するように光学系領域の分割を行 い、 投光器を回転軸上に投光光路変換手段に対向するように配置する構成とする ことも可能である。 このとき、 受光器は回転軸から外れた位置に配置されて、 受 光光路変換手段から受光器へ向けて反射光を導光する単一または複数の反射プリ ズムなどからなる反射光導光手段を備えることによつて投光及び受光が行われる。 この場合、 反射光は照射光に比べてスポッ ト径が大きいため、 導光手段における 光軸調整が比較的容易である。 また、 反射光を通過させる遮光板上の開口部につ いては、 照射光の場合に比べて、 反射光を充分に取り入れるために大きくする必 要がある。

以上詳細に説明したように、 上記全方位距離検出装置は、 次のような効果を得 る。 すなわち、 投光領域及び受光領域からなる光学系領域の一方側に、 投光器、 受光器及び信号処理回路がともに設置される領域である駆動系領域を設けた構成 とすることによって、 それら相互間の信号線等の配線が光学系領域内を通過しな いようにして完全な 3 6 0度の全方位距離検出が可能な全方位距離検出装置とす ることができる。 なお、 円筒 1 3は、 角筒であってもよい。

また、 これによつて配線の距離が短縮されるので、 回転機構の駆動系等に起因 する受光信号等への電気的ノイズの影響が抑制され、 距離検出の精度を向上させ ることができる。

なお、 装置においては、 回転機構の回転軸に沿った方向に関して、 投光器及び 受光器がともに光路変換手段である投光光路変換手段及び受光光路変換手段に対 して同じ側にある駆動系領域に設置することによって、 投光領域及び受光領域を 含む光学系領域内における信号線などの配線をなくして、 完全な 3 6 0度の全方 位距離検出を可能とするが、全方位距離検出装置に用いられる投受光装置として、 光出射位置と入射位置とが同一となるような光軸構造も考えられる。

しかしながら、 このような場合には、 透明筒体の光出射位置上に水滴等が付着 すると、 光入射時においても乱反射が生じ、 検出誤差が拡大する。 上記全方位距 離検出装置は投光ユニッ トを備えているが、 この投光ユニットは、 このような検 出誤差を抑制する。 すなわち、 透明筒体 1 3 ( 1 3 a , 1 3 b ) 内部から透明筒 体 1 3上の光出射位置を介して外部に光 L a 2を出射し、 この光の外部からの反 射光 L b 2を透明筒体 1 3上の光入射位置を介して内部に入射させる投受光ュニ ッ卜において、 光出射及び光入射位置が透明筒体上の異なる位置となるように光 出射及び光入射位置にそれそれ対応して配置された発光素子 2及び受光素子 3と、 光出射及び光入射位置が分離されるように透明筒体に設けられた遮光用隔壁 4 2 と、 発光素子 2から出射された光の経路 L a 2及び受光素子 3に入射する光の経 路 L b 2上に配置され、 光出射及び光入射位置を移動させる走査光学系 4とを備 えている。

なお、 透明筒体 1 3とは、 発光素子 2からの出射光及び受光素子 3への入射光 に対して透明な筒体であり、 これらの光が可視光である場合には、 可視域におい て透明な筒体を意味し、 これらの光が例えば赤外光である場合には、 赤外域にお いて透明である筒体であれば、 可視域において不透明であってもよい。

本ュニットによれば、 走査光学系 4によって光出射及び入射位置が走査される せ、 透明筒体 1 3に水滴等が付着した場合においても、 その乱反射を抑制するこ とができ、 また、 遮光用隔壁 4 2がー方の位置において生じる乱反射をも抑制す るため、 高精度な光走査を行うことができる。

走査光学系 4は、 発光素子 2からの光を光出射位置へ、 光入射位置からの光を 受光素子 3へそれそれ反射する第 1及び第 2反射面 4 a， 4 bを備え、 第 1及び 第 2反射面 4 a , 4 bは、 透明筒体 1 3の中心軸上に配置され、 この中心軸の回 りを回転する。 この走査光学系 4においては、 中心軸が回転中心となるため、 反 射面 4 a , 4 bと各素子 2 , 3との間の光路を偏向することなく走査を行うこと ができる。 産業上の利用可能性

本発明は、 投受光ュニット及び全方位距離検出装置に利用することができる。

Claims

言青求の範囲

1 . 透明筒体内部から前記透明筒体上の光出射位置を介して外部に光を出射 し、 この光の外部からの反射光を前記透明筒体上の光入射位置を介して内部に入 射させる投受光ュニヅ卜において、 前記光出射及び光入射位置が前記透明筒体上 の異なる位置となるように前記光出射及び光入射位置のそれそれに対応して配置 された発光素子及び受光素子と、 前記光出射及び光入射位置が分離されるように 前記透明筒体に設けられた遮光用隔壁と、 前記発光素子から出射された光の経路 及び前記受光素子に入射する光の経路上に配置され、 前記光出射及び光入射位置 を移動させる走査光学系とを備えることを特徴とする投受光ュニット。

2 . 前記走査光学系は、 前記発光素子からの光を前記光出射位置へ、 前記光 入射位置からの光を前記受光素子へそれそれ反射する第 1及び第 2反射面を備え、 前記第 1及び第 2反射面は、 前記透明筒体の中心軸上に配置され、 この中心軸の 回りを回転することを特徴とする特許請求の範囲第 1項に記載の投受光ュニット。

3 . ハウジング内部に投光器と受光器とを備え、

前記投光器からの照射光を投光光路変換手段を介して前記ハゥジング外部の所 定の検出方向に出射し、 前記検出方向の物体からの反射光を受光光路変換手段を 介して前記受光器に入射して、 前記物体の有無及び前記物体までの距離を検出す る距離検出装置において、

前記ハウジング内部の所定の軸を回転軸として回転可能に設置された回転部と、 前記回転部を駆動させる回転駆動部とを有して構成され、 前記投光光路変換手段 及び前記受光光路変換手段が前記回転軸上に固定 ·設置される回転機構と、 前記回転部の回転角度を検出する角度検出手段と、

前記投光器及び前記受光器からの信号による前記物体までの距離の検出と、 前 記角度検出手段からの信号による前記物体のある角度の検出と、 を行う信号処理 回路と、 を備えるとともに、

前記ハウジング内部の領域は、 前記回転軸の方向に沿って、 光学系領域と、 前 記投光器、 前記受光器及び前記信号処理回路が内部に配置されている駆動系領域 と、 に分割されるとともに、 前記光学系領域の側壁は、 光を透過する透明筒体で 構成され、

前記光学系領域は、 前記回転軸の方向に沿って、 前記投光光路変換手段を内部 に含んで前記照射光が前記検出方向へと出射される投光領域と、 前記駆動系領域 に隣接し、 前記受光光路変換手段を内部に含んで前記反射光が前記検出方向から 入射される受光領域と、 にさらに分割されるとともに、 前記投光領域と前記受光 領域とは、 前記透明筒体に対して固定されて設置され光路からはずれた迷光を遮 光する遮光手段によって光学的に分割され、

前記受光器は、前記回転軸上に前記受光光路変換手段に対向して配置され、 前 記投光領域内部に設置されて、 前記投光器からの前記照射光を前記投光光路変換 手段に導光する照射光導光手段を有することを特徴とする全方位距離検出装置。

4 . ハウジング内部に投光器と受光器とを備え、

前記投光器からの照射光を投光光路変換手段を介して前記ハウジング外部の所 定の検出方向に出射し、 前記検出方向の物体からの反射光を受光光路変換手段を 介して前記受光器に入射して、 前記物体の有無及び前記物体までの距離を検出す る距離検出装置において、

前記ハウジング内部の所定の軸を回転軸として回転可能に設置された回転部と、 前記回転部を駆動させる回転駆動部とを有して構成され、 前記投光光路変換手段 及び前記受光光路変換手段が前記回転軸上に固定 ·設置される回転機構と、 前記回転部の回転角度を検出する角度検出手段と、

前記投光器及び前記受光器からの信号による前記物体までの距離の検出と、 前 記角度検出手段からの信号による前記物体のある角度の検出と、 を行う信号処理 回路と、 を備えるとともに、

前記ハウジング内部の領域は、 前記回転軸の方向に沿って、 光学系領域と、 前 記投光器、 前記受光器及び前記信号処理回路が内部に配置されている駆動系領域 と、 に分割されるとともに、 前記光学系領域の側壁は、 光を透過する透明筒体で 構成され、

前記光学系領域は、 前記回転軸の方向に沿って、 前記駆動系領域に隣接し、 前 記投光光路変換手段を内部に含んで前記照射光が前記検出方向へと出射される投 光領域と、 前記受光光路変換手段を内部に含んで前記反射光が前記検出方向から 入射される受光領域と、 にさらに分割されるとともに、 前記投光領域と前記受光 領域とは、 前記透明筒体に対して固定されて設置され光路からはずれた迷光を遮 光する遮光手段によって光学的に分割され、

前記投光器は、 前記回転軸上に前記投光光路変換手段に対向して配置され、 前記受光領域内部に設置されて、 前記受光光路変換手段からの前記反射光を前 記受光器に導光する反射光導光手段を有することを特徴とする全方位距離検出装 置。

5 . 前記角度検出手段は、

前記回転部の外周に固定され、 前記回転軸を中心とする所定の円上に等間隔に 設けられた複数のスリツ卜からなる角度検出スリツ ト群を有する角度検出円盤と、 前記スリツ 卜の通過を光電的に検出する光電ュニットと、

所定の周波数を有する高速パルス状の電気信号を発生するク口ック回路と、 前記光電ュニッ トによる前記スリツ 卜の検出と、 前記クロック回路による前記 電気信号のパルス数とを用いて物体のある角度を演算する角度演算手段と、 を備 えることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の全方位距離検出装置。

6 . 前記角度検出手段は、

前記回転部の外周に固定され、 前記回転軸を中心とする所定の円上に等間隔に 設けられた複数のスリットからなる角度検出スリッ ト群を有する角度検出円盤と、 前記スリッ 卜の通過を光電的に検出する光電ュニッ 卜と、

所定の周波数を有する高速パルス状の電気信号を発生するクロック回路と、 前記光電ュニットによる前記スリッ 卜の検出と、 前記クロック回路による前記 電気信号のパルス数とを用いて物体のある角度を演算する角度演算手段と、 を備 えることを特徴とする請求の範囲第 ₄項に記載の全方位距離検出装置