JP2020165930A - 表示機能付き検出装置および表示・検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 検出エリアのエリア情報を可視化して表示しつつ検出対象物を検出する。【解決手段】 レーザスキャナ１であって、検出光である不可視レーザ光Ｌ２を出射するレーザ２と、検出エリアのエリア情報を表示するための表示光である可視レーザ光Ｌ３を出射するレーザ３と、表示光が検出エリアに対応した表示面Ｄに照射されるように、表示光の進路を偏向するガルバノミラー（光学素子）５とを設ける。表示光は、ガルバノミラー５により進路を偏向されていない状態で検出光の進路と一致する方向に進んでおり、その状態からガルバノミラー５により検出光の進路に対して所定角度θをなす方向に進路を偏向されている。【選択図】 図３

Description

本発明は、検出エリアのエリア情報を可視化して表示しつつ検出対象物を検出するための表示機能付き検出装置に関する。

特開２０１６−１０５０４９号公報には、監視エリア内に侵入した侵入物を検知して工作機械やロボット等の動作を停止させる安全装置として、エリア監視センサが記載されている（同公報の段落［０００１］、［０００２］、［０００４］参照）。エリア監視センサは、外部に向かって周方向に検出光を走査させつつ、対象物で反射した反射光を受光して処理を行うことにより、侵入物を検知している（同公報の段落［０００２］参照）。

上記公報に示すエリア監視センサにおいては、検出光として、波長が赤外領域のレーザ光を用いると記載されており（同公報の段落［００３１］参照）、検出光は人の目には見えない。ところが、人と協働して作業を行う協働ロボットや、工場内で人のいる中を走行する無人搬送車（ＡＧＶ：Automatic guided vehicle）の場合、監視エリアが人の目に見えないままだと、人が不用意に機械に接近した際にエリア監視センサが人を検知することで、機械が頻繁に停止する（いわゆる「チョコ停」が発生する）といったことが起こり得る。このような作業者による不用意なチョコ停によって、生産性は低下する。

その一方、レーザ加工の分野においては、可視光レーザビームを加工用の非可視光レーザビームの光路に合致するように照射することにより、非可視光レーザビームの照準を目視で加工開始点に合わせることができるようにしたものが提案されている（特開昭５３−１４４９５号公報、特公昭６３−３４７４号公報、特開２０１７−５４０３２号公報参照）。

そこで、レーザ加工分野における、可視レーザ光を非可視レーザ光の光路に合致するように照射する技術を上述のエリア監視センサにそのまま適用することも考えられるが、エリア監視センサにおいては、検出用の非可視光は空間内に向かって照射されており、そのため、可視光を非可視光の光路に合致するように照射しても、可視光が同様に空間内に照射されるだけなので、人が監視エリアを明確に認知することは困難である。

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、検出エリアのエリア情報を可視化して表示しつつ検出対象物を検出できるようにすることにある。

本発明に係る表示機能付き検出装置は、検出対象物を検出するための検出光を出射する検出光源と、検出光による検出エリアのエリア情報を表示するための表示光を出射する表示光源と、表示光が検出エリアに対応した表示面に照射されるように、表示光の進路を偏向する光学素子とを備えており、表示光は、光学素子により進路を偏向されていない状態で検出光の進路と一致する方向に進んでおり、その状態から光学素子により検出光の進路に対して所定角度をなす方向に進路を偏向されている。

本発明においては、検出光源から対象物検出用の検出光が出射されるとともに、表示光源から検出エリアのエリア情報の表示用の表示光が出射される。表示光は、光学素子により進路が偏向されていない状態では、検出光の進路と一致する方向に進んでいる。その状態から、表示光は、光学素子により検出光の進路に対して所定角度をなす方向に進路を偏向されており、これにより、表示光が検出エリアに対応した表示面に照射される。

本発明によれば、表示光を検出光の検出エリアに対応した表示面（たとえば地面等）に照射することができるので、人は検出エリアの位置情報を表示面上に照射される表示光によって認知することが可能になる。このとき、表示光で文字や図形等も表示するようにすれば、検出エリアの特性（たとえば防護領域であるか警告領域であるか等）をも認知できるようになる。

本発明では、表示光の進路が光学素子により偏向されるように、光学素子に作用する作用手段を有している。ここでいう「作用手段」とは、たとえば、光学素子がミラーの場合には、ミラーを回転等させる駆動手段であり、光学素子が音響光学素子の場合には、超音波発生手段である。

本発明に係る表示・検出システムは、表示機能付き検出装置を備えており、検出光による検出エリアの位置、および、表示光源の光軸の表示面からの高さ位置に基づいて、表示光を表示面に照射するための所定角度を算出している。

本発明によれば、検出光による検出エリアの位置および表示光源の光軸の表示面からの高さ位置に基づいて、表示光が光学素子により偏向される所定角度が算出されるので、検出エリアの位置および表示光源の光軸の高さ位置が分かれば、表示面上において検出エリアに対応した位置に表示光を正確に照射できるようになる。また、検出エリアの設定位置や表示光源の光軸の高さ位置が変更された場合でも、表示光の照射角度の設定を容易に行える。

以上のように本発明によれば、表示光を検出光の検出エリアに対応した表示面に照射することができるので、表示面上に照射される表示光によって、検出エリアの位置情報や検出エリアの特性を含むエリア情報を人が認知できるようになる。

本発明の一実施例による表示機能付き検出装置としてのレーザスキャナにおいて、その光学系のレイアウトの一例を示す平面概略図である。 図１の正面概略図であって、表示光の進路がミラーによって偏向されていない状態を示している。 図１の正面概略図であって、表示光の進路がミラーによって偏向された状態を示している。 前記レーザスキャナ（図１）の概略ブロック構成図である。 前記レーザスキャナ（図１）において表示光の偏向角および照射角について説明するための図である。 前記レーザスキャナ（図１）において表示光の照射角について説明するための図である。 前記レーザスキャナ（図１）において、その光学系のレイアウトの第１の変形例を示す平面概略図である。 図７の正面概略図であって、表示光の進路がミラーによって偏向されていない状態を示している。 図７の正面概略図であって、表示光の進路がミラーによって偏向された状態を示している。 前記レーザスキャナ（図１）において、その光学系のレイアウトの第２の変形例を示す平面概略図である。 前記レーザスキャナ（図１）がロボットとともに使用された例を示す斜視概略図である。 前記レーザスキャナ（図１）が無人搬送車に搭載された例を示す斜視概略図である。 図１２において検出エリアの一例を示す平面概略図である。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図６は、本発明の一実施例による表示機能付き検出装置としてのレーザスキャナ（ＬＳ）を説明するための図である。

図１ないし図３に示すように、レーザスキャナ１は、検出光としての不可視レーザ光Ｌ_２を出射するレーザ（検出光源）２と、表示光としての可視レーザ光Ｌ_３を出射するレーザ（表示光源）３と、可視レーザ光Ｌ_３を透過するとともに、不可視レーザ光Ｌ_２を反射するハーフミラー４と、レーザ３とハーフミラー４の間に配置され、レーザ３から出射された可視レーザ光Ｌ_３を反射してその進路を所定角度偏向するために傾動可能に設けられたガルバノミラー（光学素子）５と、レーザ２から出射された不可視レーザ光Ｌ_２により検出エリアを走査するように揺動可能に設けられたガルバノミラー等の光走査デバイス６とを備えている。

図1（平面図）および図２（正面図）に示すように、ガルバノミラー５が可視レーザ光Ｌ_３の進路に進入しておらず、可視レーザ光Ｌ_３の進路がガルバノミラー５により偏向されていない状態では、可視レーザ光Ｌ_３は、ハーフミラー４で反射して進む不可視レーザ光Ｌ_２の進路（光路）Ｌと一致する方向に進んでいる。このとき、進路Ｌに沿って進む不可視レーザ光Ｌ_２および可視レーザ光Ｌ_３は、いずれも走査デバイス６の反射面上の点Ａに集束する。光走査デバイス６の点Ａに入射した不可視レーザ光Ｌ_２および可視レーザ光Ｌ_３は、反射面で反射していずれも反射光Ｌｒとなる。なお、図１中、実線で示した光走査デバイス６での反射光Ｌｒは一点鎖線で示されており、二点鎖線で示された光走査デバイス６での反射光Ｌｒは二点鎖線で示されている。

図３（正面図）に示すように、ガルバノミラー５が図２の位置から傾動して可視レーザ光Ｌ_３の進路に進入すると、可視レーザ光Ｌ_３がガルバノミラー５の表面で反射することにより、可視レーザ光Ｌ_３の進路がガルバノミラー５で偏向される。これにより、可視レーザ光Ｌ_３は、不可視レーザ光Ｌ_２の進路Ｌに対して下方に角度（偏向角）θだけ偏向された進路Ｌ’を進み、そのままハーフミラ−４を透過して、光走査デバイス６の反射面上において点Ａの下方の点Ｂに入射する。このとき、光走査デバイス６での反射光はＬ’ｒで示されている。反射光Ｌ’ｒは反射光Ｌｒに対して角度（照射角）（後述）をなして下方の地面（表示面）に向かって進む。反射光Ｌｒは、検出エリアの検出対象物を検出するための検出光であり、反射光Ｌ’ｒは、検出エリアに対応した表示面に照射され、検出エリアのエリア情報（たとえば、検出エリアの境界や検出エリアの特性（防護領域であるか警告領域であるか等））を表示するための表示光である。なお、図３を平面側から見たとき、図２の場合と同様に、可視レーザ光Ｌ_３の進路Ｌ’および反射光Ｌ’ｒの進路は、不可視レーザ光Ｌ_２の進路Ｌおよび反射光Ｌｒの進路と一致して見える。

レーザスキャナ１は、図４に示すようなＬＳコントローラ１０を有している。ＬＳコントローラ１０には、レーザスキャナ１に対して検出エリアの設定やレーザの光軸の高さ位置の設定を含む各種設定等を行うための入出力部１１と、レーザスキャナ１に対して各種通信を行うための送受信部と、受光した検出光を処理するための受光信号処理部１３と、各種表示を行う表示部１４と、レーザ２を駆動するレーザドライバ１５と、レーザ３を駆動するレーザドライバ１６と、光走査デバイス６を駆動する光走査デバイス駆動部１７と、ガルバノミラー５を駆動するミラー駆動部（作用手段）１８とが接続されている。

次に、可視レーザ光Ｌ_３の偏向角θと照射角αの関係について、図５および図６を用いて説明する。
図５は、図３に示した状態を三次元的に見た図であり、図６は、図５中から照射角α、検出光Ｌｒおよび表示光Ｌ’ｒに着目してこれらを取り出して示す図である。

図５中、点Ｏは、レーザ３から出射された可視レーザ光Ｌ_３がガルバノミラー５に入射した入射点である。また、同図において、ガルバノミラー５の点Ｏで反射して進路を偏向された可視レーザ光Ｌ_３の進路Ｌ’は線分ＯＢで表されており、光走査デバイス６の反射面上の点Ｂに入射する。その一方、線分ＯＡは、ガルバノミラー５で進路を偏向されていない場合の可視レーザ光Ｌ_３の進路Ｌを表しており、これは、レーザ２から出射され、ハーフミラー４で反射して進む不可視レーザ光Ｌ_２の進路Ｌと一致しており、光走査デバイス６の反射面上の点Ａに入射する。

ここで、図５において、三角形ＯＡＢを含む平面をＰ、線分ＡＢ、検出光Ｌｒおよび表示光Ｌ’ｒを含む平面をＱとすると、平面Ｐ、Ｑは、光走査デバイス６の反射面に対してなす角度が相等しい。また、同図中、平面Ｑを光走査デバイス６の裏面側まで延長した平面をＴとする。このとき、平面Ｐを線分ＡＢの回りに回転させて平面Ｔに重ねると、点Ｏは平面Ｔ上の点Ｏ’に重なる。平面Ｔ上において、線分Ｏ’Ａと線分Ｏ’Ｂがなす角度をα、線分Ｏ’Ａの長さをｍとし、平面Ｐ上において、線分ＯＡの長さをｋとするとき、
α＝θ
ｍ＝ｋ
である。

図６中、高さＨは、表示面（地面）Ｄから点Ｏ’までの距離を示し、これはレーザ３の光軸の表示面Ｄからの高さに相当しており、距離Ｒは、走査デバイス６の反射面からの距離を示している。表示光Ｌ’ｒの表示面Ｄへの入射点Ｅを距離Ｒの位置に一致させるようにすれば、可視光である表示光Ｌ’ｒにより、検出光Ｌｒによる検出エリア（およびその境界）が表示されることになる。同図から明らかなように、
ｔaｎα＝Ｈ／（ｍ＋Ｒ）＝Ｈ／（ｋ＋Ｒ）［∵ｍ＝ｋ］・・・（１）
ｔaｎα＝ｔaｎθ［∵α＝θ］・・・（２）
（１）、（２）式より、
Ｈ／（ｋ＋Ｒ）＝ｔaｎθ
よって、
θ＝ｔaｎ^-1［Ｈ／（ｋ＋Ｒ）］・・・（３）
となる。ここで、距離ｋ、高さＨは既知であるから、距離Ｒを特定することにより、たとえば、レーザスキャナ１の防護領域として距離Ｒ＝２ｍと設定することにより、（３）式から可視レーザ光Ｌ_３の偏向角θを容易に算出することができる。

〔第１の変形例〕
図７ないし図９は、レーザスキャナの光学系のレイアウトの第１の変形例を示している、図７は平面図であり、図８および図９は正面図であって、図８は可視レーザ光Ｌ_３の進路がミラーによって偏向されていない状態を、図９は可視レーザ光Ｌ_３の進路がミラーによって偏向された状態をそれぞれ示している。これらの図は、前記実施例の図１ないし図３にそれぞれ対応しており、各図において、前記実施例と同一符号は同一または相当部分を示している。

この第１の変形例では、ガルバノミラー５の位置が前記実施例と異なっている。前記実施例では、ガルバノミラー５はレーザ３とハーフミラー４の間に配置されていたが、第１の変形例では、ガルバノミラー５はハーフミラ−４と光走査デバイス６の間に配置されている。その他の点は前記実施例と同様である。

図９と前記実施例の図３を対比すると分かるように、第１の変形例では、可視レーザ光Ｌ_３のガルバノミラー５への入射点Ｏと走査デバイス６との距離が接近しているので、可視レーザ光Ｌ_３の偏向角を前記実施例と同じθに設定しても、可視レーザ光Ｌ_３の光走査デバイス６への入射点Ｂが不可視レーザ光Ｌ_２の走査デバイス６への入射点Ａと接近した位置に配置されている。そのため、表示光Ｌ’ｒの表示面Ｄへの入射点Ｅを前記実施例と同様の距離Ｒの位置に一致させるためには、ガルバノミラー５の傾動角を前記実施例の場合よりも大きくして、偏向角をθよりも大きく設定する必要がある。

〔第２の変形例〕
前記実施例および前記第１の変形例では、可視レーザ光を出射するレーザとして単一のレーザ３が設けられた例を示したが、本発明の適用はこれに限定されない。可視レーザ光を出射するレーザとして複数のレーザを設けるようにしてもよい。

図１０に示す例では、可視レーザ光を出射するレーザとして３つのレーザ３、３０、３１が設けられている。たとえば、レーザ３は赤色のレーザ光を出射するレーザであり、レーザ３０は緑色のレーザ光を出射するレーザであり、レーザ３１は青色のレーザ光を出射するレーザである。各レーザはそれぞれ専用のレーザドライバにより駆動されるようになっている。また、ハーフミラ−４０は緑色のレーザ光のみを反射して赤色のレーザ光を透過させるミラーであり、ハーフミラ−４１は青色のレーザ光のみを反射して赤色および緑色のレーザ光を透過させるミラーである。

このような構成により、表示面に照射される表示光をフルカラーにできるとともに、たとえば、検出エリアが防護領域の場合には、エリア全体を赤色で表示したり、エリア内に赤色の文字で「ＤＡＮＧＥＲ」と表示したりすることができ、また検出エリアが警告領域の場合には、エリア全体を黄色で表示したり、エリア内に黄色の文字で「ＣＡＵＴＩＯＮ」と表示したりすることができるようになる。

なお、図示していないが、レーザおよびガルバノミラー等を含むすべての光学素子をメムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）化するようにしてもよい。メムスとは、機械要素部品や電子回路、光学素子等を一つの基板上に微細加工技術によって集積化したデバイスのことである。これにより、レーザスキャナの小型・コンパクト化が可能になる。

〔第３の変形例〕
前記実施例および前記第１、第２の変形例では、レーザ２として不可視レーザ光を出射するレーザを例にとって説明したが、レーザ２としては、可視レーザ光を出射するレーザであってもよい。この場合でも、レーザ２から出射されるレーザ光は検出エリアの空間に向かって出射されるので、人が検出エリアを認知できるようにするためには、表示面上に可視レーザ光である表示光を照射する必要がある。また、レーザ３として可視レーザ光を出射するレーザを例にとって説明したが、レーザ３としては、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源を用いるようにしてもよい。

〔第４の変形例〕
前記実施例および前記第１、第２の変形例では、表示光の進路を偏向する光学素子５として、ガルバノミラーを用いた例を示したが、ガルバノミラーの代わりに、超音波を当てると光を偏向させる性質を有する音響光学素子を用いるようにしてもよい。この場合、超音波発生手段が音響光学素子に作用する作用手段として機能する。また、光学素子５として、ホログラムデバイスを用いたり、その他の反射デバイスや屈折デバイスを用いるようにしてもよい。光走査デバイス６についても、ガルバノミラー以外に、ポリゴンミラーやその他の光走査デバイスを用いるようにしてもよい。ハーフミラ−４としては、特定の波長の光を反射してその他の波長の光を透過するダイクロイックミラーや、プリズム等の反射デバイス、さらには回折光学素子（ホログラム）を用いるようにしてもよい。

〔その他の変形例〕
上述した実施例および各変形例はあらゆる点で本発明の単なる例示としてのみみなされるべきものであって、限定的なものではない。本発明が関連する分野の当業者は、本明細書中に明示の記載はなくても、上述の教示内容を考慮するとき、本発明の精神および本質的な特徴部分から外れることなく、本発明の原理を採用する種々の変形例やその他の実施例を構築し得る。

〔適用例〕
図１１ないし図１３は、本発明による表示機能付き検出装置としてのレーザスキャナの適用例を示している。図１１はレーザスキャナがロボットに適用された例を、図１２および図１３はレーザスキャナが無人搬送車（ＡＧＶ：Automatic Guided Vehicle）に適用された例をそれぞれ示している。

図１１に示すように、ロボットＲは、先端にエンドエフェクタＥを有する複数のロボットアームＲａを備えている。ロボットＲの基台の周囲には、一対のレーザースキャナＬＳが１８０度間隔で配置されている（図１１では一方のみ図示）。各レーザースキャナＬＳの検出光による検出エリアＬＡは、ロボットＲの周りに環状領域として配置されており、検出エリアＬＡの境界がレーザスキャナＬＳの表示光により表示されている。これにより、レーザスキャナＬＳの検出エリアＬＡを可視光で表示でき、作業者ＰとロボットＲが協調する作業環境において、作業者ＰがロボットＲに不用意に接近するのを防止でき、その結果、ロボットＲのチョコ停等を防止して生産性を向上できるとともに、作業環境の安全性を向上できる。

図１２および図１３に示すように、無人搬送車ＡＧＶの前後左右の各側面にそれぞれレーザースキャナＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３、ＬＳ_４（各図ではその一部のみ図示）が設けられている。各レーザースキャナＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３、ＬＳ_４の矩形状の検出エリアＬＡ_１、ＬＡ_２、ＬＡ_３、ＬＡ_４の各境界が各レーザースキャナＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３、ＬＳ_４の表示光により表示されている。これにより、レーザスキャナＬＳ_１、ＬＳ_２、ＬＳ_３、ＬＳ_４の検出エリアＬＡ_１、ＬＡ_２、ＬＡ_３、ＬＡ_４を可視光で表示でき、作業者と無人搬送車ＡＧＶが協調する作業環境において、作業者が無人搬送車ＡＧＶに不用意に接近するのを防止でき、その結果、作業者が意図しない無人搬送車ＡＧＶの停止を防止して生産性を向上できるとともに、作業環境の安全性を向上できる。

〔他の適用例〕
本発明は、上述したロボットやＡＧＶに限らず、ライトカーテンやエリアセンサ、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Laser Imaging Detection and Ranging）等の検出装置にも適用可能である。また、本発明が適用される分野としては、ＦＡ（ファクトリーオートメーション）には限定されず、本発明は、製造業以外の分野、たとえば、飲食業や食品業、建設業、土木業、運輸業、運送業、医療業、流通業等の分野にも同様に適用できる。

本発明は、対象物検出用の検出光による検出エリアのエリア情報を可視化して表示しつつ検出対象物を検出するための表示機能付き検出装置に有用である。

１： レーザスキャナ（表示機能付き検出装置）

２： レーザ（検出光源）

３： レーザ（表示光源）

５： ガルバノミラー（光学素子）
１８： ミラー駆動部（作用手段）

Ｌ_２、Ｌｒ： 不可視レーザ光（検出光）
Ｌ： 不可視レーザ光の進路
Ｌ_３、Ｌ’ｒ： 可視レーザ光（表示光）
Ｌ’： 可視レーザ光の進路

θ： 所定角度

Ｄ： 表示面
Ｈ： レーザ（表示光源）の光軸の高さ
Ｒ： 検出エリアの境界までの距離

特開２０１６−１０５０４９号公報（段落［０００１］、［０００２］、［０００４］、［０００３１］参照） 特開昭５３−１４４９５号公報（第１図参照） 特公昭６３−３４７４号公報（第３図参照） 特開２０１７−５４０３２号公報（図２参照）

Claims (3)

1. 表示機能付き検出装置であって、
   検出対象物を検出するための検出光を出射する検出光源と、
   前記検出光による検出エリアのエリア情報を表示するための表示光を出射する表示光源と、
   前記表示光が前記検出エリアに対応した表示面に照射されるように、前記表示光の進路を偏向する光学素子とを備え、
   前記表示光は、前記光学素子により進路を偏向されていない状態で前記検出光の進路と一致する方向に進んでおり、その状態から前記光学素子により前記検出光の進路に対して所定角度をなす方向に進路を偏向されている、
   ことを特徴とする表示機能付き検出装置。
2. 請求項１において、
   前記表示光の進路が前記光学素子により偏向されるように、前記光学素子に作用する作用手段を有している、
   ことを特徴とする表示機能付き検出装置。
3. 請求項１に記載の表示機能付き検出装置を備え、
   前記検出光による前記検出エリアの位置、および、前記表示光源の光軸の前記表示面からの高さ位置に基づいて、前記表示光を前記表示面に照射するための前記所定角度を算出するようにした、
   ことを特徴とする表示・検出システム。