JP4368429B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置に対する空間に存在する対象、特に搾乳動物の乳頭の位置を確定するためのセンサ装置に関し、該センサ装置は、少なくとも１つの送信素子と、対象から反射される輻射線または輻射線ビームを受けるように設計された少なくとも１つの受信素子と、さらに該送信素子から発する輻射線または輻射線ビームを上記空間の別の領域に向けるための、及び／または対象からの輻射線または輻射線ビームを受信素子に向けるための第１の指向素子とを備える。本発明はまた、対象の位置を確定する方法、動物搾乳機にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号は、空間に存在する対象、特に搾乳動物の乳頭の位置を確定するためのセンサ、並びに、空間に存在する対象の位置を確定する方法について開示している。上記公報によれば、レーザ光線によって該空間を走査するために、送信素子と受信素子がその中に固定配置されたセンサ装置のハウジングは、モータ駆動装置により所望の走査角度で往復運動するように枢着される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
第１の態様では、本発明は、コンパクトな寸法をもつセンサ装置を提供することを目的とする。第２の態様では、本発明は、好適には少なくとも約１００°の、より好適には約１２０°から１４０°の広い走査角度を得ることを目的とする。第３の態様では、本発明は、最少の移動部品を使用して走査を行うことを目的とする。第４の態様では、本発明は、操作の信頼性を目指す。第５の態様では、本発明は、低い製造コストを目指す。第６の態様では、本発明は、少ない保守を目的とする。第７の態様では、本発明は、長い耐用年数を目指す。第８の態様では、本発明は、迅速に作動する装置を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記及び他の１つまたはそれ以上の本発明の目的は、少なくとも２つの分割領域で実質的に同時に空間を走査する手段を特徴とする前記空間に存在する搾乳動物の乳頭の位置を確定するためのセンサにより達成される。したがって、本発明に係る装置は、幅が小さく、比較的広い走査角度と最少の移動マスを有効に備えた、特にコンパクトな実施例を生み出す。具体的に、本発明では、輻射線または輻射線ビームを放射する２つの送信素子（１３、１４）と、２つ以上の隣接した分割領域からなる空間に存在する搾乳動物の乳頭（２１）から反射される前記輻射線または輻射線ビーム（２６、２７）を受ける２つの受信素子（１７、１８）と、前記送信素子から放射された前記輻射線または輻射線ビームを前記空間に向けると共に、前記乳頭から放射された前記輻射線または輻射線ビームを前記受信素子に向ける第１の指向素子（３）と、を備えた搾乳動物の乳頭の位置を確定するためのセンサ装置であって、（イ）一部において重なるように設けられた前記２つ以上の分割領域が、実質的に同時に走査され、（ロ）前記第１の指向素子（３）における２つの面には、前記輻射線または輻射線ビームを受光して反射する輻射線反射素子が設けられ、そして、（ハ）前記送信素子から放射された２つの別個の前記輻射線または輻射線ビームを、引き続き前記２つの別々の分割領域にそれぞれ向けるように、前記第１の指向素子（３）が、前記第１の指向素子における前記面に平行に延びる長手方向の中心軸を中心に回転可能に設けられていることを特徴とするセンサ装置が記載されている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のセンサ装置によって、コンパクトな寸法をもち、少なくとも約１００°の、より好適には約１２０°から１４０°の広い走査角度を有し、最少の移動部品を使用して走査を行うことができ、そして、操作の信頼性に優れたものである。また、本発明によって、製造コストを低くすることができ、少ない保守を可能にし、長い耐用年数を可能にし、さらには、迅速に作動する装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の具体例に基づきさらに詳細に説明する。図１、２、３、４は、同じ縮尺で作成してある。図において機能的に対応する部材は、同じ参照番号で示す。
【０００７】
図１、２に示す実施例は、例えばレーザ（ＩＲ）光線に対し遮光性の材料等の、関連する輻射線または輻射線ビームに対し不透過の材料でなる壁を有するとともに、前面に開口または窓を設けたハウジング１を含み、該窓は関連する輻射線または輻射線ビームを透過可能な、ガラス板２等の板により閉じられる。この板は例えば、適当な合成材料で製造してもよい。窓は開けてもよいが、その場合、塵挨がハウジング１に容易に侵入し、これを汚染する。
【０００８】
板２の背後に、関連する輻射線または輻射線ビームをその２枚の基面で反射する、長方形の反射板３で構成された指向素子が配置されている。これに代えて該指向素子は、可動プリズムまたはガラス繊維ケーブルの可動束のような、光伝導性のものでもよく、或いは、空間に輻射線または輻射線ビームを向けるために、例えば電圧の変化によって屈折率が制御可能な固定スクリーンであってもよい。
【０００９】
ここで示す反射板３は、幅約２５ｍｍ、高さ約４０ｍｍ、厚さ約１ｍｍで、その反射面は好適には非常に平坦である。反射板３はその長手方向中心軸４を中心に回転可能であり、その目的のため、板の短辺側に設けた軸５により、底部７とハウジング１のカバー８内の軸受６内に軸支されている。
【００１０】
この実施例では、反射板３は、電動モータ９として設計された駆動素子により、ベルト１０を介して回転駆動される。このベルト１０は、電動モータ９と反射板３とにそれぞれ連結されたプーリ１１上を走行する。該無端駆動部材１０の緊張は、モータ９をカバー８に摺動可能に取り付けることにより調節出来る。このためカバー８にはこの場合、モータ９の基部９’を装着する凹部１２を設けてある。基部９’は平面図（図２）で見ると長方形であり、凹部１２は、矢印Ａ（図１）の方向ではモータ９の基部９’よりも長いが、矢印Ａに直交する方向では、モータの基部９’がきっちり収まるような寸法になっている。別の態様として、反射板３は駆動部材１０の仲介なしに駆動素子９によって直接駆動してもよく、そのため例えば軸５の一方を、モータ９の出力軸に同軸で連結する。好適には反射板３は、同一方向に少なくとも実質的に同一速度で連続して回転するので、駆動負荷が少なく、磨耗し難い。
【００１１】
図２に示すように、モータ９の両側に、レーザダイオード１３、１４の形態の送信素子が毎回配置されている。各送信素子１３、１４の真下に、それぞれの受信素子１７、１８が設けられ、この場合これらは、いわゆるＣＣＤとして設計されている。両ダイオード１３、１４の送信周波数は、好適には波長６００−９００ｎｍ、より望ましくは７８０−９００ｎｍの範囲にあり、送信素子１３、１４の送信周波数は、該送信素子１３、１４から発する輻射線または輻射線ビーム１５、１６が互いに交叉する時、干渉障害が起こらないような程度に、相互に相違している。さらにこの周波数の相違は、真上に位置する送信素子１３、１４からそれぞれ発する輻射線または輻射線ビーム１５、１６に合わせて、受信素子１７、１８の感度が確実に同調出来るようなものであり、こうして出来るだけ干渉を避けることが出来る。別の態様では、送信周波数の代わりに送信素子１３、１４間の送信振幅を同様に相違させてもよい。送信信号の変調の相違もまた可能である。
【００１２】
その上送信素子１３、１４からそれぞれ発する輻射線または輻射線ビーム１５、１６もまた、異なるレベルでハウジングから送ってもよいので、別の高さ範囲にある反射板３に当たり、こうして同時に干渉を避けることが出来る。外にも例えば、上記方法の２つまたはそれ以上を組み合わせることにより、干渉の障害影響を防ぐために、２本の輻射線または輻射線ビーム１５、１６の特性を相違させることも可能である。
【００１３】
この場合２つの輻射線または輻射線ビームは、指向素子３を共用している。別の態様として、各輻射線または輻射線ビームに対し別々の指向素子３を適用してもよい。この別々の指向素子３は、例えば約７５°の限定角度で往復運動するように枢着させてもよい。
【００１４】
互いに実質的に平行な輻射線または輻射線ビーム１５、１６は、それぞれの送信素子１３、１４から出て、それぞれの偏向素子１９、２０に当たり、該偏向素子１９、２０の間に配置された指向素子３に向けて偏向される。ここでは各偏向素子は、入力輻射線または輻射線ビーム１５、１６との間にそれぞれ約３０°の角度をなす、反射板１９、２０として構成されている。また代わりに、それぞれプリズムまたはガラス繊維ケーブルの束も使用してもよい。
【００１５】
偏向素子とそれぞれの受信素子１７、１８との間に、集光素子または集中素子が配置されるが、本発明の実施例ではこれはレンズ２４、２５で構成され、その機能については以下に説明する。
【００１６】
例えば空間にある搾乳動物の乳頭２１の位置を確定するために、指向素子は空間にあるそれぞれの分割領域（角度セクタとも称する）２２、２３を介して、角輻射線または輻射線ビーム１５、１６を指向させることが出来る。本実施例では、各分割領域の角度は７２°であり、分割領域２２、２３は互いに２°だけ重なっているので、空間が走査される全角度領域２９は、１４０°にのぼる。各輻射線または輻射線ビーム１５、１６がレーザ光線であるという事実から、分割領域はこれらの面に垂直であり、いくらかの分散放射は別として、少なくとも実質的に発散しない。
【００１７】
空間から反射または分散された各輻射線または輻射線ビーム１５、１６は、指向素子３によって反射ビーム２６、２７として捕らえれら、それぞれの偏向素子１９、２０を介して受信素子１７、１８に向けられる。反射ビーム２６、２７はそれぞれレンズ２４、２５を通過するので、比較的広い反射ビーム２６、２７は受信素子の局所に集中する。この実施例でレンズ２４、２５は固定焦点距離をもち、それぞれの受信素子１７、１８に対し固定位置にあるという事実により、乳頭２１が受信素子１７、１８に上に描かれる場所及びその画像のサイズが、空間における乳頭２１の位置と対応する。
【００１８】
受信素子１７、１８は対応する信号を、該信号の性質に応じて、また多分アナログ−デジタル変換器の仲介でさらに処理することにより、例えばマイクロプロセッサで構成される（図示しない）評価装置に供給する。
【００１９】
空間の別の領域に引き続き向けられる輻射線または輻射線ビームの助けにより、乳頭２１を走査する原理、並びにセンサ装置により得られた信号の処理は、本明細書で参照したヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号に、特に図７−１１に関して図示及び記載され、詳細に開示されている。該公報中の記載は、ここでは各個別の分割領域２２、２３に適用されることは明らかである。本明細書の図２に示す角度α１とα２は、上記公報の図８にも示したが、対象２１が受信素子１７、１８上に描かれた場所に基づき、評価装置（例えばヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号の図７参照）において確定してもよい。対象とセンサ装置との間の距離ｄは、受信素子１７、１８上の該対象の画像のサイズに基づき、評価装置において確定してもよい。
【００２０】
例えばモータ９を、回転セクション毎、例えば１°毎に１パルスを供給するパルス発生器に連結することにより、指向素子３の位置を更新することによって、輻射線または輻射線ビームが受信素子１７に当たった時の指向素子３の位置と、従って角度α１とα２とは、例えばマイクロプロセッサでの簡単な計算から引き出される。乳頭２１が他方の分割領域２３に位置している時には、輻射線または輻射線ビームは当然送信素子１４から発せられ、受信素子１８に当たる。
【００２１】
指向素子３を例えば同期させるかまたは再設定するために、指向素子３の所定位置において、輻射線または輻射線ビーム１５、１６が装置を離れることなく、指向素子３を介してそれぞれの送信素子または他方の送信素子１３、１４に帰還するように、輻射線または輻射線ビーム１５、１６の一方または両方を向けることが出来る。その結果該当する送信素子１３、１４が影響を受け、その影響は例えば送信素子１３、１４の電流消費量の変化に基づき測定される。
【００２２】
送信素子１３、１４から発する輻射線または輻射線ビーム１５、１６と、指向素子３から発する反射ビーム２６、２７との間の干渉を少なくするため、各送信素子または全送信素子１３、１４と、それぞれの受信素子１７、１８は、ハウジング１の垂直方向に見て（底部７からカバー８の方向に）出来るだけ多くの間隔をとってある。このため反射ビーム２６、２７はカバー８の表面に対し斜めに延びており、受信素子１７、１８は指向素子３の実質的に下方に位置する。輻射線または輻射線ビーム１５、１６は、カバー８の表面と実質的に平行に延びる。
【００２３】
図３、４は、輻射線または輻射線ビーム１５が１つだけ発せられる、本発明の１変形例を示す。ハウジング１は高さ８０ｍｍ、奥行き４０ｍｍ、幅１５０ｍｍである。後壁は取り外し可能である。指向素子３は１側で軸支されている。送信素子１３から発生する輻射線または輻射線ビーム１５は後壁２８と少なくとも実質的に平行に、即ち平面図（図３）で見て、角度領域２９の中心線に対し少なくとも実質的に垂直に延び、直接指向素子３に当たる。この配置により、１４０°の角度領域２９がカバーされるが、図１、２と比較してかなり大きいハウジング１を必要とする。モータ９の基部９’が固定手段（ねじ）を通すスロット孔を有し、該固定手段がハウジングの上部８に固定されているので、ベルト１０は伸張可能である。
【００２４】
図５は図３、４の実施例の別形を示し、それぞれ指向素子３と送信素子１３の間、また指向素子３と受信素子１７の間の、輻射線または輻射線ビーム１５及び反射ビーム２６は、前壁との間に約２０°の角度をとる。しかし空間で輻射線または輻射線ビームによってカバーされる角度領域は、ここでは約１２０°に制限される。図３、４のハウジング１と比較して（図５に仮想線で同じ比率で示すが）、図５の変形例のハウジングの方が小さくて奥行きがある。
【００２５】
図１、２、３、４、５において、ガラス板２は一方の側に湾曲しているが、ガラス板２の湾曲中心は、軸４と少なくとも実質的に一致する。従って、輻射線または輻射線ビームは少なくとも実質的に直角にガラス板２を通過するので、反射障害は可能な限り回避される。さらにハウジング１は、輻射線または輻射線ビーム１５、１６によりカバーされる所定量の領域の割には、出来るだけコンパクトに製造出来る。
【００２６】
図６は、同一角度走査において、ハウジング１のガラス板が湾曲している場合と平らな場合の、ハウジング１のサイズの相違を明確に説明するため、平らなガラス板２をもつ実施例を図解的に示す。湾曲したガラス板２を有するハウジング１の、前側と横側が仮想線で示してある。輻射線または輻射線ビームを通過させる窓のための平らな閉鎖手段２は、本発明のアイデアの１つである。
【００２７】
限定された寸法、広い走査角度、長い耐用年数、低価格、迅速かつ正確な機能の故に、本発明のセンサ装置は、搾乳機に使用するのに特に適している。例として、ヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号に記載された搾乳機に、このセンサ装置を組み込む方法を示す。この目的のため、上記公報の図４、５を、ここで図７、８として借用する。参照番号５１、５２、５３、５７によって示す部材以外は、図７、８はそれぞれヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号の図４、５の正確なコピーである。
【００２８】
図７、８において、本発明によるセンサ装置を参照番号１で示す。その他の参照番号はヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号に対応し、それらの意味と機能については上記公報を参照する。またはっきり理解してほしいことであるが、ヨーロッパ特許公開公報第０３６０３５４号の図１乃至３及びこれに対応する説明は、本願の図７、８の細部がいかにして搾乳機に組み込まれるかを示すものである。
【００２９】
以上、レーザ光線を応用する幾つかの好適実施例を基に、本発明を説明してきた。その他の輻射線として、音（超音波音または可聴音）または可視光線、または無線またはレーダー電波がある。２つまたはそれ以上の別々の望ましくは平行な輻射線または輻射線ビームを、１個の送信素子によって作り出してもよい。この場合、ビームはプリズムによって分割されるか、またはガラス繊維ケーブルを通過し、その後該ケーブルが分割される。
【００３０】
輻射線または輻射線ビームの間の特性の相違は、例えば１つまたは両方の輻射線または輻射線ビームに対し、それぞれのバンド−パスフィルタを用いることによっても得られるので、該フィルタを通過した後、各輻射線または各輻射線ビームについて特性が相違する。輻射線または輻射線ビームは、指向素子によって走査すべき空間を通過させられる。指向素子の機能は、往復運動するようにハウジング１を枢動させることによっても達成される。この場合、回転反射板３の位置に、例えば両方の輻射線または輻射線ビームを空間の別々の場所に向ける固定反射板を配置する。
【００３１】
送信素子により発信される輻射線または輻射線ビームは、好適にはレーザ光線が望ましいが、特定の実施例では、強度に発散する輻射線ビーム、例えば１度に走査すべき全空間をカバーする輻射線ビームを利用することも可能である。輻射線または輻射線ビームは、偏光させても偏光させなくてもよい。
【００３２】
別の変形例によれば、センサにより送信される輻射線または輻射線ビームの強度及び／または受信素子の感度、及び／または受信素子に供給される輻射線または輻射線ビームの量を、その位置を確定すべき対象の性質に適合させることを目的とする。この原理は一方では、例えば受信素子の過放射を避けるため、信号の強度と受信素子の感度を互いに適合させる必要があるという識見に基づく。他方ではこの原理は、例えばレーザ光線の拡散ロスを避けるために、信号の強度を指向素子の指向速度に合わせる必要があるという識見に基づく。この変形例の場合は、対象の性質（例えば乳頭の場合は色）に応じて、送信された輻射線または輻射線ビームの強度を調節することを決めたなら、それに従って指向素子３の指向速度（例えばその回転運動）を適合させることが可能である。その結果走査速度が高ければ高いほど輻射線または輻射線ビームが強くなり、従ってミラー３の回転速度が高くなる。受信素子に送られる信号の強度を制御することは、受信素子と反射板の間に配置された減衰素子によって可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるセンサ装置の第１の実施例の横断側面図である。
【図２】図１に示す装置の平面図である。
【図３】本発明によるセンサ装置の第２の実施例の横断平面図である。
【図４】図３に示す装置の横断後面図である。
【図５】図３に示す実施例に対する変形例の平面図である。
【図６】図３に示す実施例に対する別の変形例の平面図である。
【図７】図１及び図２のセンサ装置を搾乳機に適用したものの、内部を部分的に示す平面図である。
【図８】図７の側面図である。

Claims (10)

1. 輻射線または輻射線ビームを放射する２つの送信素子（１３、１４）と、
   ２つ以上の隣接した分割領域からなる空間に存在する搾乳動物の乳頭（２１）から反射される前記輻射線または輻射線ビーム（２６、２７）を受ける２つの受信素子（１７、１８）と、
   前記送信素子から放射された前記輻射線または輻射線ビームを前記空間に向けると共に、前記乳頭から放射された前記輻射線または輻射線ビームを前記受信素子に向ける第１の指向素子（３）と、
   を備えた搾乳動物の乳頭の位置を確定するためのセンサ装置であって、
   （イ）一部において重なるように設けられた前記２つ以上の分割領域が、実質的に同時に走査され、
   （ロ）前記第１の指向素子（３）における２つの面には、前記輻射線または輻射線ビームを受光して反射する輻射線反射素子が設けられ、そして、
   （ハ）前記送信素子から放射された２つの別個の前記輻射線または輻射線ビームを、引き続き前記２つの別々の分割領域にそれぞれ向けるように、前記第１の指向素子（３）が、前記第１の指向素子における前記面に平行に延びる長手方向の中心軸を中心に回転可能に設けられている
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記第１の指向素子が、前記２つの別個の輻射線または輻射線ビームを前記２つの分割領域に向けるように、回転可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記２つの輻射線または輻射線ビームのうち一方の輻射線または輻射線ビームの特性と他方の輻射線または輻射線ビームの特性とが互いに異なるように前記輻射線または輻射線ビームを生じさせる手段が、設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ装置。
4. 前記輻射線または輻射線ビームが、少なくとも実質的に平行に向けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
5. 前記センサ装置に対し固定された位置に偏向素子（１９、２０）を設けて、前記偏向素子に対し前記送信素子、及び／または、前記受信素子を向けると共に、前記輻射線または輻射線ビームの通路を前記第１の指向素子と前記送信素子との間、及び／または、前記第１の指向素子と前記受信素子との間、及び／または、前記送信素子と前記受信素子との間に偏向させるようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ装置。
6. 前記偏向素子が、約９０°以下の角度に渡って前記輻射線または輻射線ビームの通路を偏向させるように設けられていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ装置。
7. 一本の前記偏向素子が、前記送信素子、及び、前記受信素子に対して設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ装置。
8. 前記センサ装置を側面から見たときに、前記送信素子と、前記送信素子に対応する前記受信素子とが、所定の間隔をおいて上下に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
9. 前記受信素子から発せられた、前記輻射線または輻射線ビームが前記受信素子に当たる領域に関する情報を含む、信号を受信すると共に、前記受信された信号に基づいて前記乳頭に対する前記センサ装置の位置（α１、α２、ｄ）を決定する評価装置を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサ装置。
10. 前記輻射線反射素子が、前記第１の指向素子における対向する２つの面に設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ装置。

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