JP7611643B2 - 試験送信機を備えたｔｏｆセンサ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、監視領域を監視し、自身をチェックするための試験送信機を有するセンサに関する。
引用した種類のセンサは、先行技術から公知である。本出願人による欧州特許第２４５３２６０号明細書は、第２の送信機がセンサの受信機に試験信号を印加し、センサが受信された放射強度を用いて自身の状態をチェックするようなセンサを開示している。

本発明の目的は、引用した種類の改良型センサを提供することである。
本目的は、冒頭で引用した種類のセンサに基づき、請求項１に記載のセンサによって達成される。有利な構成は、さらなる従属請求項に明記されている。

本発明によるセンサは、送信機、試験送信機、受信機、評価装置、メモリを備え、また比較装置を備える、監視領域を監視するためのセンサである。
引用したユニットは機能ユニットである。センサの各装置は、互いに区分けされているか、互いに一体化しているか、または、互いを包含していてもよい。各装置、または各装置の各部品は、センサのハウジングの内側または外側にて実現可能である。

送信機は、監視領域内に放射線を送信するように設計され、この放射線は、監視領域にあるオブジェクトにて反射した後、部分的に再びセンサに反射される。試験送信機は、放射線を含む試験信号を送信するように構成されている。受信機は、監視領域において１つまたは複数のオブジェクトにて反射される送信機の放射線を受信するように構成され、また、試験送信機の放射線を受信するように構成されている。この場合、送信機は、受信される信号を所定の方法で予め調整または処理しておくように設計されていてもよい。評価装置は、送信機または試験送信機によって送信される放射線と、受信機によって受信される放射線との間の、通過時間の遅延または変調の位相遅延に基づいて、距離値を確定するように構成されている。メモリは、受信される試験信号の予期される距離値についての期待値を記憶するように構成されている。比較装置は、受信機によって受信される試験信号に基づく距離値を期待値と比較し、この比較に基づいてセーフティ信号を出力するように構成されている。

比較装置は、受信される試験信号による距離値が許容値以上の差異で期待値と異なる場合にセーフティ信号を出力するように構成され得る。
比較装置は、評価装置から受信する試験信号による距離値を取得するように、または受信機自体の出力信号に基づいてこの値を生成するように設計され得る。試験送信機、メモリ、および／または比較装置は、一体化された自己試験装置の形態であり得る。

本センサは、自身がその機能ユニットの幾つかをチェックできるという利点を提供し得る。本センサは、受信機の正しい動作、および／または評価装置の正しい動作をチェックできるという利点を提供し得る。

試験送信機は、不変距離で受信機に放射線照射するために配置されていることが好ましい。換言すれば、ビーム経路を変える可能性がある移動体では反射はない。これにより、受信機は試験送信機によって常に同じ放射線照射を受け、この同じ放射線照射を期待値とより容易に比較できる、という利点が得られる。

試験送信機は、受信機に直接放射線照射するために、または不変反射による放射線照射のために配置されていることが好ましい。試験送信機は、センサのハウジング内の１つまたは複数の表面での反射によって受信機に放射線照射するために配置されていることが好ましい。試験送信機、受信機、および受信機光学系は、試験送信機の放射線が、受信機光学系と受信機との間の境界面（インターフェイス）によって、具体的には受信機に面する受信機光学系の外側レンズ面によって反射されるように配置されていることが好ましい。試験送信機および受信機は、ハウジングおよびこのハウジングを遮断する要素によって完全に包囲されていることが好ましい。

送信機および／または試験送信機の放射線は、変調され、具体的には強度変調され、具体的には２０ＭＨｚで変調されることが好ましい。これにより、受信機および評価装置は、送信機および／または試験送信機と、受信機とによる送信の間の変調強度の位相遅延を受信および評価できる、という利点が得られる。この原理は、飛行時間（ＴＯＦ）とも称される。

放射線は、赤外放射線であることが好ましい。その結果、放射線は目に見えず、それゆえ人々にとって不愉快なものではない。
センサは、送信機および／または試験送信機と、受信機との間の同期用の装置を備え、この装置は、変調、変調のパターン、ならびに／または送信機および／もしくは試験送信機の放射線の別のパターンを、受信機と同期させるか、または、それ／それらを特定の時間遅延と同期させるように設計されていることが好ましい。これにより、送信される光と受信される光との間の位相遅延をより容易に確定できる、という利点が得られる。放射の別のパターンは、放射開始の時間であってもよい。

センサは、試験送信機と受信機との間の同期用の装置を備え、この装置は、変調、変調のパターン、および／または試験送信機の放射線の別のパターンを、送信機と受信機との間の同期とは異なる特定の時間遅延を有する受信機と同期させるように設計されていることが好ましい。具体的には、試験送信機と受信機との間の同期の時間遅延は、送信機と受信機との間の時間遅延よりも長くなり得る。このことは、試験送信機用の作動電子回路のアセンブリの他のスイッチング時間によっても簡単に生じ得る。具体的には、同期のトリガは受信機よりも遅れて試験送信機に到達し得る。これは、時間遅延の分だけ長い、試験送信機から受信機への放射線の飛行時間をシミュレーションする。これにより、期待値は、処理がより容易な値で提供され、具体的には監視領域に対して平均距離のところにある表面に対応する、という利点が得られる。

受信機は、個々の画像要素点を受信するための、具体的には３Ｄ画像を記録するための受信機マトリクス要素を有する受信機マトリクスの形態であることが好ましい。これにより、監視領域を詳細に監視できる、という利点が得られる。

評価装置は、具体的には３Ｄ画像を確定するために、個々の受信機要素、全ての受信機要素、または各場合における受信機要素群について、値を確定するように設計されていることが好ましい。これにより、監視領域を詳細に監視できる、という利点が得られる。

センサは、期待値が、試験送信機の放射線の１回または複数回の受信によって確定され、具体的には評価装置によって確定され、具体的には、受信機による１つまたは複数の試験信号の受信時における評価装置の値または複数の値の関数に対応し、具体的には平均化したものに対応するように設計されていることが好ましい。これにより、期待値を規定することが容易になる、かつ／またはその精度が向上する、という利点が得られる。

センサは、期待値が、最小値および最大値、または差分値（閾値）を伴う平均値を有し、具体的には、受信機マトリクス要素の、幾つか、それぞれ、または群に対して、単一の値を有し、具体的には表面の形状、具体的には２つの表面または平面によって囲まれた空間の平面または断面の形状を表すように設計されていることが好ましい。これにより、期待値は、評価装置が試験信号により出力する値または画像に対応する種類のものである、という利点が得られる。これにより、期待値が、受信する試験信号による値とより容易に比較できる、という利点が得られる。

センサは、送信機に代わって試験送信機を起動するように設計されていることが好ましい。これにより、受信機が試験送信機の試験信号を受信している時に、送信機が受信機の妨げとならない、という利点が得られる。

センサは、起動信号によって試験送信機を起動するように設計されていることが好ましい。
センサは、試験送信機を周期的に、具体的には１００ミリ秒ごとに、起動するように設計されていることが好ましい。これにより、センサが常に正しく動作する、またはセーフティ信号に従って作動停止される、という利点が得られる。

センサは、ドアまたはゲートの開口領域または周辺領域を監視するように設計されていることが好ましい。
本発明のさらなる特徴は、図面に明示されている。

［図面の概要］
本発明の例示的な実施形態は図面に描かれ、より詳細に以下に説明される。それぞれの図における同一の参照符合は、この場合に互いに対応する要素を示す。各図は以下の通りである。

本発明によるセンサの立体図を示す。 図１のセンサの断面を示す。 図２の断面の詳細を示す。

［図面の詳細な説明］
図１は、本発明によるセンサ１０の、部分的に切り取られた立体図を示す。
センサはハウジング１１を有し、その内部には回路基板１２がある。このハウジングの内部に配置されているのは、送信機２０、試験送信機３０、受信機４０、評価装置５０、メモリ６０、比較装置７０、および同期装置８０である。

送信機２０は、回路基板１２のうちの１つに１つまたは３つのＶＣＳＥＬ半導体レーザ２２を備え、このレーザは、回路基板１２上の図示しない送信電子回路２１によって作動され、その放射線を、送信機光学系２２を介してセンサ前方の監視空間中に放射する。

送信機電子回路は、２０ＭＨｚの変調周波数で強度変調放射線を送信するように、ＶＣＳＥＬ半導体レーザを作動させる。ＶＣＳＥＬ半導体レーザの光波長は赤外である。

試験送信機３０は、回路基板１２のうちの１つにＬＥＤ３２を備え、このＬＥＤ３２は、回路基板１２のうちの１つの図示しない試験送信機電子回路３１によって作動される。この試験送信機電子回路は、送信機の場合と同じ変調周波数でＬＥＤが強度変調放射線を試験信号として送信するように、ＬＥＤを作動させる。ＶＣＳＥＬの光波長と同様に、ＬＥＤの光波長は赤外である。

同期装置８０は、回路基板１２のうちの１つに配置され、符号のみで図示されている。この同期装置は、受信機を送信機の放射線の変調と同期させるために、送信機または試験送信機、および受信機に対して、信号または信号列を出力するように設計されており、このため受信機は、送信機と受信機との間の放射線における位相シフトを確定することが可能である。作動電子回路のアセンブリの他のスイッチング時間の結果として、同期信号は、時間遅延の分だけ受信機よりも遅れて試験送信機に到達する。

受信機４０は、回路基板１２のうちの１つにセンサチップ４１を備え、このセンサチップは、図示しない受信機電子回路４２によって作動されるとともに読み取られ、センサ前方の監視空間から受信機光学系４３を通して送信機の反射放射線を受信する。センサチップ４１は、センサ画素がマトリクス状に配置されたセンサマトリクスである。センサ画素は、２タップ復調画素である。受信機は、同期装置８０の信号を受信し、センサ画素を、送信機または試験送信機によって送信される放射線の変調と同期させる。このようにして、センサチップは、送信機または試験送信機によって出力される放射線と、受信機によって受信される放射線との間の位相差に対応する出力信号を、各センサ画素について出力するように設計されている。

評価装置５０は、回路基板１２のうちの１つに配置され、符号のみで図示されている。この評価装置は、各センサ画素について受信機の出力信号を受け付け、それに基づき各画素について距離値を計算する。この距離値は、送信機の放射線を受信機に反射し返す、監視空間において画素によりマッピングされたそのオブジェクトの距離に対応する。このように、評価装置は監視空間の３Ｄマップを計算し、この３Ｄマップは、目盛り部において、またはミリメートル単位で、マッピングされたオブジェクトの距離を表す。試験送信機による放射線照射の場合、送信機は停止し、評価装置は、時間遅延に基づいて監視空間内の平均間隔に実質的に対応する、３Ｄ表面を計算する。この３Ｄマップは、センサによって検出された表面、すなわち３Ｄ表面である。センサマトリクスの場合、この表面は、評価装置が確定する距離値であり得る。

評価装置は、センサ画素に関連する距離値のうちの１つが特定の閾値を下回る場合に制御信号を出力するように設計されている。
メモリ６０は、回路基板１２のうちの１つに配置され、符号のみで図示されている。このメモリは、特定の距離値を含む。期待値は、距離、特定の距離をおいた表面、または３Ｄマップであり得る。

比較装置７０は、回路基板１２のうちの１つに配置され、符号のみで図示されている。この比較装置は、受信機によって測定され評価装置によって計算された距離値を、試験送信機による試験信号を用いた放射線照射中のメモリの期待値と比較し、この比較に基づいてセーフティ信号を出力するように設計されている。具体的には、評価装置が、試験信号の場合、特定の閾値内で、期待値の３Ｄマップに対応する３Ｄマップを出力しない場合に、比較装置はセーフティ信号を出力する。

図２は、試験送信機３０および受信機４０の領域における図３の詳細をより容易に連想できるようにするための、図１のセンサの断面を示す。
図３は、試験送信機３０のＬＥＤ３１のビーム経路３３を含む、図２の断面の詳細を示す。

試験送信機３０のＬＥＤ３１は、受信機４０のセンサチップ４１と同じ回路基板１２に、このセンサチップに物理的に近接して配置されている。受信機４０の受信機光学系４３は、センサ１０のハウジング１１を外部から遮断する。試験送信機３０のＬＥＤ３１と受信機のセンサチップとは、互いに物理的に遮断されておらず、ハウジングおよびこのハウジングを遮断する受信機光学系によって、堅固に完全包囲されている。

試験送信機３０のＬＥＤ３１は試験信号のための放射線を送信し、この放射線は、ビーム経路３３に図示されるように、センサチップ４１の方向を指す送信機光学系４３の表面で、受信機４０のセンサチップ４１の方向に反射される。ＬＥＤ、送信機光学系、およびセンサチップは、互いに堅固に連結されているが、これは、ＬＥＤとセンサチップとの間のビーム経路が変化しないことを意味する。

同期装置８０は、送信機の場合と同様に、受信機を試験送信機と同期させるが、試験送信機の同期は、送信機と比較して常に幾分遅延している。その結果、受信機は、各センサ画素について、試験送信機のＬＥＤとセンサチップとの間のビーム経路の長さより長い距離に対応する、具体的には監視領域の範囲の中央領域内の距離に対応する、出力信号を生成する。試験送信機によって生成される３Ｄマップは、したがって実際と比較して実質的により遠隔の３Ｄマップである。その結果、センサによる距離値の処理はより平易になり得る。

期待値を生成するために、試験送信機は、受信機によって受信され評価装置によって評価される試験信号を送信する。この過程で受信される３Ｄマップは、一定間隔をおいた平面とほぼ同じであり、期待値として、メモリに間隔値として記憶される。期待値はセンサから読み取ることが可能であり、外部に記憶されてこの方法で生成される複数の期待値と平均化されて、平均期待値を生成することが可能である。同じ種類の本発明によるセンサには、この平均期待値が外部からロードされるが、これは、これらのセンサにおける期待値の生成が中止する可能性があることを意味する。

センサの動作中、送信機は約１００ミリ秒ごとに遮断され、送信機による休止中に、試験送信機は持続時間が１ミリ秒未満の試験信号を送信する。受信機および評価装置は、上述したように、受信機によって検出される実質的により遠隔の３Ｄマップの検出および計算を行う。

比較装置７０はここで、試験信号の実質的により遠隔の３Ｄマップを受け入れ、その３Ｄ表面を期待値の間隔値と比較する。ここで、試験信号の３Ｄマップの３Ｄ表面が、特定の数のセンサ画素について予め定められた閾値を上回る差異で期待値と異なる場合、比較装置はセーフティ信号を出力する。セーフティ信号は、センサがセーフモードに切り替わり、そのエラーステータスを外部識別のために出力し、リセットがあるまで測定値または測定値に基づくコマンドを出力しない、という作用をもたらす。

［参照符合一覧］
１０…センサ、１１…ハウジング、１２…回路基板、２０…送信機、２１…送信機電子回路、２２…ＶＣＳＥＬ、２３…送信機光学系、３０…試験送信機、３１…試験送信機電子回路、３２…ＬＥＤ、３３…試験信号のビーム経路、４０…受信機、４１…センサチップ、４２…受信機電子回路、４３…受信機光学系、５０…評価装置、６０…メモリ、７０…比較装置、８０…同期装置。

Claims (8)

1. 監視領域を監視するためのセンサであって、
   前記監視領域にあるオブジェクトに反射させるために、前記監視領域内に放射線を送信するための送信機（２０）と、
   放射線を含む試験信号を送信するための試験送信機（３０）と、
   前記オブジェクトにて反射される前記送信機の前記放射線、または前記試験送信機の前記放射線を受信するための受信機（４０）と、
   前記センサの送信される前記放射線と受信される前記放射線との間の、通過時間または変調位相の遅延に基づいて距離値を確定するための評価装置（５０）と、
   を備え、
   さらに、
   受信される前記試験信号の予期される前記距離値についての期待値を記憶するためのメモリ（６０）と、
   受信される前記試験信号に基づく距離値を前記期待値と比較し、この比較に基づいてセーフティ信号を出力するための比較装置（７０）と、
   前記送信機および／または前記試験送信機と、前記受信機との間の同期用の装置（８０）と、
   を備えるように設計され、
   前記期待値は、
   前記試験送信機の放射線の１回または複数回の受信によって確定され、
   前記評価装置によって確定され、
   前記受信機による１つまたは複数の試験信号の受信時における前記評価装置の値、複数の値の関数、または前記複数の値を平均化したものに対応し、
   前記同期用の装置は、前記変調、前記変調のパターン、および／または前記試験送信機の前記放射線の別のパターンを、特定の時間遅延と同期させ、前記時間遅延が無い場合と比較して前記時間遅延の分だけ長い、前記試験送信機から前記受信機への前記放射線の飛行時間をシミュレーションするために、同期トリガを前記時間遅延の分だけ前記受信機よりも遅れて前記試験送信機に転送することを特徴とするセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサであって、
   前記試験送信機は、
   不変距離（３３）で前記受信機に放射線照射するために配置されており、
   前記受信機に直接放射線照射するために、または不変反射による放射線照射のために配置されていることを特徴とするセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサであって、
   前記送信機および／または前記試験送信機の前記放射線は、変調されることを特徴とするセンサ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセンサであって、
   前記受信機は、個々の画像要素点を受信するための、３Ｄ画像を記録するための受信機マトリクス要素を有する受信機マトリクスとして設計されていることを特徴とするセンサ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセンサであって、
   前記受信機は、受信機マトリクスの形態であり、
   前記評価装置は、３Ｄ画像を確定するために、個々の受信機要素、全ての受信機要素、または受信機要素群について、値を確定するように設計されていることを特徴とするセンサ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセンサであって、
   前記期待値は、
   最小値および最大値、または差分値を伴う平均値を有し、
   受信機マトリクス要素の、幾つか、それぞれ、または群に対して、単一の値を有することを特徴とするセンサ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセンサであって、
   前記送信機に代わって起動信号によって前記試験送信機を起動するように設計されていることを特徴とするセンサ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のセンサであって、
   ドアまたはゲートの開口領域または周辺領域を監視するように設計されていることを特徴とするセンサ。