赤外線追尾装置
【課題】 可及的に追尾精度を高めた赤外線追尾装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 赤外線追尾装置（１）は赤外線送信装置（３）と、赤外線受信装置（５）と、駆動装置（７）とにより概ね構成してある。駆動装置は、赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて各受光素子（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ）の受信方向を変更して赤外線送信装置の発光素子（１３）を追尾可能に構成してある。赤外線送信装置が、発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成することによって、減少しない均等レベルの赤外線パルスを用いたならば生じたであろう拡散による追尾精度の低下を有効抑制することができる。この結果、追尾精度を高く保つことが可能になる。
【解決手段】 赤外線追尾装置（１）は赤外線送信装置（３）と、赤外線受信装置（５）と、駆動装置（７）とにより概ね構成してある。駆動装置は、赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて各受光素子（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ）の受信方向を変更して赤外線送信装置の発光素子（１３）を追尾可能に構成してある。赤外線送信装置が、発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成することによって、減少しない均等レベルの赤外線パルスを用いたならば生じたであろう拡散による追尾精度の低下を有効抑制することができる。この結果、追尾精度を高く保つことが可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被追尾体である赤外線送信装置から送信される赤外線パルスを受信して被追尾体を追尾可能とする赤外線追尾装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検出体（被追尾体）が発光する赤外線を検出する装置として、特許文献１に記載された装置（以下、「従来装置」という）がある。従来装置は、平面状において十字状に配された４個の受光素子を備えていて、移動する被検出体から受ける光のレベルを十字方向に対向する受光素子間で比較し、その強弱に基づいて追尾可能に構成してある。すなわち、受光レベルの高い受光素子は、それが低い受光素子よりも被検出体に近い位置にあるわけであるから、受光レベルの高い受光素子の方向に両受光素子の受信方向を変更させれば、受光レベルの低かった受光素子は被検出体に近づき、その分、受光レベルの高かった受光素子が被検出体から遠のくことになる。両受光素子の受光レベルが等しくなれば、その時点で両受光素子から被検出体までの距離が等しいということになり、このような受光レベルの均等化を図ることによって被検出体を検出できるようになっている。上記原理の下、水平方向に位置する２個の受光素子と垂直方向に位置する２個の受光素子を用いれば、平面上で移動する被検出体を検出することが可能になる。従来装置に代表される赤外線検出装置（赤外線追尾装置）は、たとえば、カラオケの歌い手が持つマイクに発光素子を設けておき、その歌い手を撮影するビデオカメラの追尾装置に受光素子を設けておいて、歌い手が移動してもその移動にビデオカメラが追尾可能とする場合に使用される。
【特許文献１】実開昭６１−４２１６９号公報（８〜９頁、第５〜６図）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来装置が依拠する追尾原理だけでは、追尾精度に難点がある。追尾が受光レベルの均等化により実現することは前述した。他方、光が直進する性質を有していることはよく知られているが、それは理想状態における性質であって、空気中には、水蒸気、塵埃および煙草の煙等が浮遊しており、これらの浮遊物が光を拡散させその直進を妨げる。したがって、理想状態にあるときであれば複数の受光素子の各々が受光した光のレベル（受光レベル）が均等化し得ない場合であっても、空気中であれば複数の受光素子に均等レベルで到達することが起こり得る。つまり、発光素子と各受光素子との間の距離が均等でないにもかかわらず、均等と判断してしまう場合がある。これが、追尾精度を低下させる主要因である。このような追尾精度の低下は、特に受光レベルが高いとき、つまり、発光素子と各受光素子との間の距離が比較的短いときに生じやすい。受光レベルが高いときは、それが拡散させられた光の一部であっても一定レベルを保った状態で受光素子に到達する可能性が高いからである。本発明が解決しようとする課題は、上記した実情を改善するためになされたものであって、赤外線送信装置（被追尾体）が送信する赤外線信号の有効到達距離内において移動する赤外線受信装置との間の距離の遠近にかかわらず可及的に追尾精度を高めた赤外線追尾装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した目的を達成するために発明者は、発光素子と受光素子各々との間の距離（有効到達距離の範囲）が比較的長いときには、比較的短いときに比べて追尾精度の低下が少ない点に着目した。光の照度は光源と計測点間の距離の２乗に反比例するから、光源である発光素子と計測点である受光素子との間の距離が長くなれば長くなるほど照度（受光レベル）が急速に低下する。受光レベルが低い光から拡散した光は、そもそも受光素子各々に到達しないかしても検出されるに足りないレベルであることが多い。したがって、追尾精度に悪影響を与える可能性は少ない。発明者は、この点を積極的に活用することにより、上記目的を達成した。詳細は、項を改めて説明する。
【０００５】
（請求項１記載の発明の特徴）
請求項１記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項１の追尾装置」という）は、被追尾体となる発光素子から赤外線パルスを送信可能な赤外線送信装置と、当該赤外線送信装置が送信する赤外線パルスを、少なくとも２個の受光素子を介して受信可能、かつ、各受光素子が受信した各信号レベルの比較結果を出力可能な赤外線受信装置と、当該受光素子の受信方向を変更させるための駆動装置と、を含めて構成してある。この構成における駆動装置が、当該赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて当該各受光素子の受信方向を変更させることによって当該赤外線送信装置の発光素子を追尾可能に構成してあり、さらに、当該赤外線送信装置が、当該発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成してある。赤外線パルスには、各信号レベルの比較に直接寄与しないパルスを含めることを妨げない。たとえば、各周期の始期（終期）を赤外線受信装置に認識させるためのスタートパルス（エンドパルス）や、信号送受信のチャンネルを複数設定した場合のチャンネルを識別させるためのチャンネルパルス等を赤外線パルスに含めることができる。直線的追尾を行うのであれば２個の受光素子で足りるが、二次元的追尾を行うのであれば少なくとも３個の受光素子を追尾可能に相対配置するとよい。
【０００６】
請求項１の追尾装置によれば、赤外線送信装置が備える発光素子から送信された赤外線パルスが、当該赤外線パルスの有効到達範囲内にある少なくとも２個の受光素子を介して赤外線受信装置によって受信される。赤外線受信装置は、各受信装置が受信した赤外線パルスのレベルを比較して、その比較結果を駆動装置に伝える。駆動装置は、受けた比較結果に基づいて各受光素子の受信方向（受光方向）を変更させて送信装置を追尾させる。このとき、赤外線送信装置が当該発光素子から送信する赤外線パルスは、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返す。したがって、赤外線受信装置は、当初受信可能であった赤外線パルスが時間経過に伴い受信不能となる場合がある。発光素子と各受光素子との間の距離が近い場合であっても、赤外線パルスの信号レベルを段階的に減少するため遠い場合と同じようにレベル比較が可能になる。したがって、減少しない均等レベルの赤外線パルスを用いたならば生じたであろう拡散による追尾精度の低下を有効抑制することができ、この結果、赤外線受信装置による赤外線送信装置の追尾精度を高く保つことが可能になる。
【０００７】
（請求項２記載の発明の特徴）
請求項２記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項２の追尾装置」という）では、請求項１の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力可能に構成してある。
【０００８】
請求項２の追尾装置によれば、請求項１の追尾装置において、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力する。すなわち、赤外線パルスのレベルが段階的に減少するわけであるから、赤外線パルスを受信している赤外線受信装置（受光素子）は、その赤外線パルスを含む１周期内の何れかの地点でその受信が不能状態となる。ここで、各受光素子が何れの段階において受信不能になったかを検出することによって、何れの受光素子が最も発光素子に近いか（発光素子に遠いか）を判断することができる。具体的な検出は、各受光素子が受信不能に至るまでに受信した赤外線パルスの数をカウントすることにより行う。段階的にレベル減少する赤外線パルスをより多く受信できた受光素子のほうが、できなかった受光素子よりも発光素子に近い位置にあるからである。上記判断結果を受けた駆動装置は、受信赤外線パルスの数が多かった受光素子が発光素子から遠のき少なかった受光素子が近づく方向に各受光素子の受光面を変更する。受光面変更は、変更前に多く受信していた受光素子と少なく受信していた受光素子との間の赤外線パルス数が一致するまで行う。受光面の変更方向は、受光素子の数と各受光素子の相対位置により主として求められる。赤外線パルスのカウントは引き続き行い、カウント数に差が生じたら、上記手順によって受光面の変更を再度行う。たとえば、２個の受光素子が設けてある場合に、ある１周期の範囲内において一方と他方の受光素子が赤外線パルスの受信が不能となったときに、当該周期内において一方の受光素子の赤外線パルス数が他方の受光素子のそれより多いとするなら、一方の受光素子のほうが他方の受光素子よりも発光素子に近いという結果を得る。この判断結果を受けた駆動装置は、一方の受光素子と他方の受光素子とを通過する線上において一方の受光素子を発光素子から遠のけ、他方の受光素子を近づける方向に両受光素子の受光面を変更する。受光面の変更は、一方と他方の受光素子が受信する赤外線パルスの数が一致するまで行う。次いで、他方の受光素子の赤外線パルス数が一方のそれよりも多くなったことを検出したら、上記手順で受光面変更を行う。
【０００９】
（請求項３記載の発明の特徴）
請求項３記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項３の追尾装置」という）では、請求項２の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数が一致したとき（追尾完了したとき）に、当該パルス数に基づいて当該各受光素子と前記発光素子との間の距離を算出可能に構成してある。
【００１０】
請求項３の追尾装置によれば、請求項２の追尾装置の作用効果に加え、各受光素子と発光素子との間の距離を算出することができる。距離算出は自動追尾には必ずしも必要ではないが、距離算出を可能としておけば追尾装置の応用範囲が広くなる。
【００１１】
（請求項４記載の発明の特徴）
請求項４記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項４の追尾装置」という）では、請求項１乃至３何れかの追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記受光素子が４個設けてあり、当該４個の受光素子の各々を直交する仮想線上の交点から等距離の位置に設けてある。すなわち、４個の受光素子が、一方と他方の長さが等しい十字状に配してある。
【００１２】
請求項４の追尾装置によれば、請求項１乃至３何れかの追尾装置の作用効果に加え、４個の受光素子によって２次元的（平面的）追尾が可能になる。すなわち、たとえば、２個の受光素子を設けた場合は、直線的追尾のみが可能であるが、これら２個の受光素子にこれら２個の受光素子を通過する仮想線と直交する仮想線上に他の２個の受光素子を設けることによって２次元的追尾を実現する。しかも、各受光素子から仮想線交点までの距離を等しく設定してあるので、一方向の制御と他方向の制御を共通化することができる。すなわち、４個の受光素子を水平方向と垂直方向に配したとすると、水平方向の制御プログラムと垂直方向の垂直プログラムとは、共通したものを使用することができる。装置設計の上で極めて便利である。
【００１３】
（請求項５記載の発明の特徴）
請求項５記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項５の追尾装置」という）では、請求項４の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記仮想線上の交点から受信方向に向って突出する所定長さの遮蔽突起を設けてある。遮蔽突起は、遮蔽突起を挟んで対向する受光素子同士において、所望距離を隔てて存在する発光素子から送信される赤外線パルスを一方の受光素子で受信可能であるときに、他方の受光素子では受信できないように遮蔽可能に構成する。遮蔽突起の形状は、たとえば、円筒状、四角柱状に構成するとよい。
【００１４】
請求項５の追尾装置によれば、請求項４の追尾装置の作用効果に加え、遮蔽突起を挟んで対向する受光素子同士において、所望距離を隔てて存在する発光素子から送信される赤外線パルスを一方の受光素子で受信可能であるときに、他方の受光素子では受信できないように遮蔽可能となる。遮蔽によって、受信できる受光素子と受信できない受光素子を明確に区別することができる。すなわち、上記場合において、遮蔽突起が存在しなければ一方及び他方の受光素子の両者によって赤外線パルスを受信可能となるが、その際に、両受光素子が受信するパルスレベルに大きな差がないとき、すなわち、差が明確でないときは追尾装置が誤動作し易い状況にある。遮蔽突起は、この点を改善することにより追尾精度を高めることに貢献する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る赤外線追尾装置によれば、赤外線送信装置（被追尾体）が送信する赤外線信号の有効到達距離内において移動する赤外線受信装置との間の距離の遠近にかかわらず可及的に追尾精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
各図に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、赤外線追尾装置の使用例を示す図である。図２は、赤外線送信装置の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図３は、赤外線受信装置の正面図（ａ）及びＹ軸サーボユニットの平面図（ｂ）である。図４は、赤外線送信回路を示す図である。図５は、赤外線パルス信号を示す図である。図６は、赤外線受信回路を示す図である。図７は、遮蔽突起の動作原理を示す図である。図８は、赤外線送信回路の動作を示すフローチャートである。図９は、赤外線受信回路の動作を示すフローチャートである。図１０は、各受光素子が受信した赤外線パルスを示す図である。図１１及び１２は、赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【００１７】
（赤外線追尾装置の概略構造と使用例）
図１乃至３を参照する。赤外線追尾装置１（以下、単に「追尾装置１」と略称する）は、赤外線送信装置３（以下、単に「送信装置３」と略称する）と、赤外線受信装置５（以下、単に「受信装置５」と略称する）と、駆動装置７と、から概ね構成してある。追尾装置１は、たとえば、図１に示すように、送信装置３をテーブル１０１の上に置き、受信装置５を天井に取り付けて使用することができる。受信装置５には、送信装置３を追尾するライト９１を取り付けてあり、これにより、テーブル１０１の所望箇所に光を照射できるように構成してある。
【００１８】
（赤外線送信装置の構成）
図２に示すように送信装置３は、ケース状の送信装置本体１１と、送信装置本体１１の上面に設けられた発光素子１３、送信開始スイッチ１５、送信停止スイッチ１７、チャンネル選択スイッチ群１９，・・と、これらの電子部品群を含む赤外線送信回路２１（図４参照）と、から概ね構成してある。発光素子１３は、赤外線パルスを送信するための素子であって、たとえば、赤外ＬＥＤが好適である。発光素子１３は、被追尾体としての役割を担っている。本実施形態における発光素子１３は、送信装置本体１１と一体化させてあるが、別体として構成することもできる。つまり、発光素子１３を送信装置本体１１から分離して両者を有線又は無線で接続する方法もある。この方法によれば、被追尾体としたい装置や部材等にこの発光素子１３を取り付け、これらの装置や部材から離れたところから当該発光素子１３を制御するように構成することができる。送信開始スイッチ１５は赤外線パルスを送信する際の始動スイッチであり、送信停止スイッチ１７は同送信を停止する際のスイッチである。送信開始スイッチ１５と送信停止スイッチ１７は、これらを１個のスイッチにより構成して最初に操作したときに送信を開始し、次の操作により送信を停止するようにしてもよい。チャンネル選択スイッチ１９，・・は、送信する赤外線パルスのチャンネルを選択させるためのスイッチであって、複数の追尾装置を同時に使用するような場合に、各々を識別させるためのチャンネル選択である。赤外線送信回路２１は、送信装置本体１１内に収納してあり、次に述べる構成を備えている。
【００１９】
（赤外線送信回路の構成）
図４及び５を参照する。本実施形態では、ワンチップマイコン２３に接続したクリスタル２４によって２０ＭＨｚを発振させ、これを分割して３番ピンから４５５ｋＨｚ前後のキャリアパルス信号を取り出している。他方、６番から９番のピンから段階的に変化するデジタル電圧を抵抗群を介してアナログ電圧として取り出し、このアナログ電圧と上記４５５ｋＨｚのキャリアパルス信号とのアンドをとることによって、これを振幅変調する。この振幅変調によって、１個のスタートパルスＰｓ、３個のチャンネルパルスＰｃ及び１６個の段階的にレベルが減少する調査パルスＰｒを得る。その後、所定の停止期間Ｐｉを介してから次の周期のスタートパルスを立ち上げる。すなわち、スタートパルスＰｓとチャンネルパルスＰｃの後に所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少する調査パルスＰｒを送信した後、所定の停止期間Ｐｉを介して所定レベルに復帰するまでの周期を繰り返すように構成してある。これらのパルスが発光素子１３を点灯させ、赤外線パルスが送信される。なお、本実施形態におけるチャンネルパルスＰｃの数は３個としてあるが、これは設定しようとするチャンネルを３ビット８チャンネルとしたためである。チャンネル数の増減に応じて、パルス数を適宜増減可能であり、不要であれば省略も可能である。同様にして調査パルスＰｒの数は１６個としたが、追尾精度に悪影響を与えない範囲において適宜増減可能である。
【００２０】
（赤外線受信装置の構成）
受信装置５は、図３（ａ）に示すように、略正方形の素子支持板５１と、赤外線受信回路５７を、その主要部品とする。素子支持板５１には、その中心から突き出る円柱状の遮蔽突起５３と、遮蔽突起５３を囲むようにして十字状に配した４個の受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄを設けてある。受光素子５５ａと受光素子５５ｂは水平方向に、受光素子５５ｃと受光素子５５ｄは垂直方向に、それぞれ位置している。遮蔽突起５３の突き出る方向は各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄの受信方向（被追尾体である発光素子１３がある方向）と一致させてある。素子支持板５１は、駆動装置７によって支持させてあり、駆動装置７は赤外線受信回路５７の指令（後述する比較結果）に基づいて素子支持板５１の位置や方向を変更させ、これによって、各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄの受信方向を変更可能に構成してある。駆動装置については、後述する。なお、図３に示すライト９１は、素子支持板５１とともに駆動装置７により位置や方向を変更させられるように構成してあり、これにより、被追尾体に光を照射できるようにしてある。
【００２１】
（発光素子の指向性と遮蔽突起）
図７を参照する。図７では、水平方向に位置する受光素子５５ａ，５５ｂと遮蔽突起５３との相対位置及び受光素子５５ａ，５５ｂの指向感度特性を示している。指向感度特性は、受光素子の正面、すなわち、０°の方向において最大となり、０°のときの相対到達距離を１としたときのＸ軸（＋）又はＸ軸（−）方向６０°における相対到達距離は０°の時のほぼ半分の０．５となり、同じく９０°において同距離がゼロとなる。換言すると、何れの受光素子５５ａ，５５ｂの正面に発光素子がある場合に赤外線パルスを最も効率よく受信することができ、正面から６０°傾くと半分の効率にまで低下し、さらに、９０°まで傾くと受信不能となる。ここで、発光素子１３（１３´）と受光素子５５ａ，５５ｂとの距離が近い場合と遠い場合に分けた上で説明を続ける。まず、発光素子１３，１３´が近距離にある場合である。受光素子５５ａ，５５ｂの正面に（０°）の位置にある発光素子１３から送信される赤外線パルスは、受光素子５５ａ，５５ｂによって最も効率よく受信され、両受光素子５５ａ，５５ｂが受信する赤外線パルスのレベルは均等である。他方、発光素子１３´は、受光素子５５ｂから見ると略１０°の位置にあるが、受光素子５５ａからは遮蔽突起５３が邪魔をして見ることができない。すなわち、発光素子１３´が送信する赤外線パルスを、受光素子５５ｂに受信させることはできるが受光素子５５ａに受信させることはできない。ここで、仮に、遮蔽突起５３が存在しないとすると、受光素子５５ａに対して略−２０°の方向にある発光素子１３´は、受光素子５５ａからも見ることができるので、受光素子５５ｂと併せて受光素子５５ａにも赤外線パルスを受信させることが可能になる。このとき、受光素子５５ａの相対到達距離は０．７５前後であり、受光素子５５ｂのそれは０．９５前後である。両者間には０．２（０．９５−０．７５）の差があるにはあるが、この差は、遮蔽突起５３が存在する場合に比べて決して大きいとはいえない。つまり、受光素子５５ａ，５５ｂ間の受信レベルの差が明確に生じていないことになる。明確な差がなければ、環境次第では光の拡散によって追尾精度に問題が生じる場合があり得る。遮蔽突起５３が存在すれば、このような問題は生じない。これが、遮蔽突起５３を設ける理由である。
【００２２】
次は、発光素子１３，１３´が遠距離にある場合である。遠距離にある発光素子１３については、受光素子５５ａ，５５ｂの正面にあるので追尾精度の低下はほとんど問題とならない。他方、発光素子１３´は、受光素子５５ｂから見ると略−１５°の位置にあるが、遮蔽突起５３が邪魔をして見ることができない。ここで、仮に、遮蔽突起５３が存在しないとすると、受光素子５５ａに対して略１０°の方向にある発光素子１３´は、受光素子５５ｂからも見ることができるので、受光素子５５ａと併せて受光素子５５ｂにも赤外線パルスを受信させることが可能になる。このとき、受光素子５５ａの相対到達距離は１に限りなく近く、受光素子５５ｂのそれは０．９５前後である。両者間には０．０５（１．００−０．９５）の差があるにはあるが、この差は、遮蔽突起５３が存在する場合に比べてないに等しい。つまり、受光素子５５ａ，５５ｂ間の受信レベルの差が明確に生じていないことになる。発光素子が遠いところにある場合も、高い追尾精度を保つために遮蔽突起５３が極めて有効であることが分かる。なお、上述の説明は、受光素子５５ａ，５５ｂについて説明したが、受光素子５５ｃ，５５ｄについても水平方向・垂直方向が異なるだけで機能は同じである。
【００２３】
（赤外線受信回路の構成）
図６を参照する。赤外線受信回路５７は、ワンチップマイコン５８を主要部品として構成してあり、このワンチップマイコン５８に４個の受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ、チャンネル設定スイッチ群６０，・・、Ｘ軸サーボモータ７６、Ｙ軸サーボモータ８３及びライト９１等を接続してある。
【００２４】
（駆動装置の構成）
図３を参照する。駆動装置７は、ベース板７２と、Ｘ軸サーボユニット７４と、Ｙ軸サーボユニット８０と、から概ね構成してある。ベース板７２は、天井に固定してあり、ベース板７２の下面にＸ軸サーボユニット７４を固定してある。Ｘ軸サーボユニット７４は、固定フレーム７５によって支持されたＸ軸サーボモータ７６と、Ｘ軸サーボモータ７６によってＸ軸方向（ベース板７２に対して水平方向）に回転されるコの字状の回転フレーム７７と、を備えている。Ｙ軸サーボユニット８０はこの回転フレーム７７に固定してある。他方、Ｙ軸サーボユニット８０は、Ｌ字板８１と、Ｌ字板８１に固定フレーム８２を介して支持させたＹ軸サーボモータ８３と、Ｙ軸サーボモータ８３によってＹ軸方向（ベース板７２に対して垂直方向）に回転されるコの字状の回転フレーム８４と、回転フレーム８４に固定した支持板８５と、から概ね構成してある。支持板８５には、素子支持板５１を介した受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄとライト９１とを前者の受信方向と後者の照射方向を一致させた状態で取り付けてある。すなわち、Ｘ軸サーボモータ７６の回転は、回転フレーム７７を介して素子支持板５１及びライト９１を含むＹ軸サーボユニット８０全体をＸ軸方向に回転させ、Ｙ軸サーボモータ８３の回転は、素子支持板５１及びライト９１をＹ軸方向に回転させる。両者の回転が合わさって受信方向と照射方向の２次元的変更が可能になる。Ｘ軸サーボモータ７６の回転とＹ軸サーボモータ８３の回転は、各々赤外線受信回路５７の指令によって行われる。
【００２５】
（赤外線送信装置の動作）
図８を参照する。送信装置３の送信開始スイッチ１５（図２参照）が操作されると電源が投入されワンチップマイコン２３（図４参照）に格納されたプログラムが駆動して、まず、初期設定を行う（Ｓ１）。ここで、送信チャンネルが選択されているかを確認し、設定されている場合は次のＳ５へ進む。送信チャンネルが選択されていない場合は、選択されるまで待機する（Ｓ３）。Ｓ５において、図５に示す赤外線パルスを送信する（Ｓ５）。赤外線パルスの送信は、送信停止スイッチ１７（図２参照）が操作されるまで継続する（Ｓ７）。送信停止スイッチ１７が操作されると、その操作に係るチャンネルは終了し、次のチャンネルが選択されるのを待つ。次のチャンネルが選択されると、上記同様の手順を、電源が遮断されない限り繰り返す。
【００２６】
（赤外線受信装置の動作）
図９を参照する。電源投入によりワンチップマイコン５８に格納されたプログラムが駆動して、まず、初期設定を行う（Ｓ１１）。ここで、赤外線パルスを受信したら、次のＳ１５へ進み、受信しなかったら受信するまで待機する（Ｓ１３）。Ｓ１５では、受信した赤外線パルスを基に演算（後述）を行う。演算結果が出たら、位置データを更新するとともに（Ｓ１７）、駆動装置７へ指令を送りＸ軸サーボモータ７６，Ｙ軸サーボモータ８３を回転させて発光素子１３を追尾させる（Ｓ１９）。さらに、必要に応じて、発光素子１３（送信装置３）までの距離を受信した赤外線パルスの数を基に算出してもよい（Ｓ２１）。以上の動作が終了したらＳ１３に戻り、同じ動作を繰り返す。
【００２７】
（演算の具体的動作）
図２、３、７及び１０を参照する。まず、赤外線パルスをＸ軸方向に並ぶ受光素子５５ａ，５５ｂが受信した場合を説明する。図１０（ａ）に示すように、受光素子５５ｂ及び受光素子５５ａが受信した各々の調査パルスＰｒの数をカウントする。今回は、受光素子５５ｂの受信パルス数が１１個であり、受光素子５５ａの受信パルス数が９個であるから、両者を比較して受光素子５５ｂのほうが受光素子５５ａよりも２個のパルスを余計に受信したという結果を得る。すなわち、受光素子５５ａは受光素子５５ｂよりも、発光素子１３に対して遠い位置にある。そこで、駆動装置７に指令を送り、Ｘ軸サーボモータ７６を駆動させて、発光素子１３に対して受光素子５５ａを近づけ受光素子５５ｂを遠のける方向にＹ軸サーボユニット８０を回転（傾動）させる（図３参照）。次に、Ｙ軸方向に並ぶ受光素子５５ｃ，５５ｄが受信した場合を説明する。図１０（ｂ）に示すように、受光素子５５ｃ及び受光素子５５ｄが受信した各々の調査パルスＰｒの数をカウントする。今回は、受光素子５５ｃの受信パルス数が１１個であり、受光素子５５ｄの受信パルス数が９個であるから、両者を比較して受光素子５５ｃのほうが受光素子５５ｄよりも２個のパルスを余計に受信したという結果を得る。すなわち、受光素子５５ｃは受光素子５５ｄよりも、発光素子１３に対して近い位置にある。そこで、駆動装置７に指令を送り、Ｙ軸サーボモータ８３を駆動させて、発光素子１３に対して受光素子５５ｃを遠のけ受光素子５５ｄを近づける方向に素子支持板５１及びライト９１を回転（傾動）させる（図３参照）。
【００２８】
上記したＸ軸サーボモータ７６の回転とＹ軸サーボモータ８３の回転は、時間的に誤差があるわけではなく、両者がほぼ同時に行われる。すなわち、Ｘ軸サーボモータ７６の回転は、Ｙ軸サーボモータ８３を含めたＹ軸サーボユニット８０全体を回転させ、その回転するＹ軸サーボユニット８０の中でＹ軸サーボモータ８３が回転する。その結果、素子支持板５１（受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ）の受信方向が２次元的に変更されるのである。上記両モータの回転は、受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄが受信する赤外線パルス（調査パルス）の数が一致するまで行われ（すなわち、受信面の変更が行われ）、一致したときに追尾完了となる。追尾完了したときに、受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄのうち何れかが受信した赤外線パルスの数とパルス数に基づいて予め算出してある発光素子までの距離とを比較することによって、追尾完了したときの各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄと発光素子１３との間の距離を算出することができる。
【００２９】
（赤外線追尾装置の他の使用例）
図１１に示す他の使用例は、カラオケに用いた追尾装置である。すなわち、追尾装置１´を構成する送信装置３´をカラオケ用マイクに組み込み、ビデオカメラ１０５で撮影する歌い手を照明するためのライト９１を備えた受信装置５を天井に取り付けてある。また、図１２に示す他の使用例は、展示物照明用に用いた追尾装置である。すなわち、展示物１０７に送信装置３´を組み込み、この展示物１０７をビデオカメラ１０５で撮影するためにライト９１を備えた受信装置５を天井に取り付けてある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】赤外線追尾装置の使用例を示す図である。
【図２】赤外線送信装置の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図３】赤外線受信装置の正面図（ａ）及びＹ軸サーボユニットの平面図（ｂ）である。
【図４】赤外線送信回路を示す図である。
【図５】赤外線パルス信号を示す図である。
【図６】赤外線受信回路を示す図である。
【図７】遮蔽突起の動作原理を示す図である。
【図８】赤外線送信回路の動作を示すフローチャートである。
【図９】赤外線受信回路の動作を示すフローチャートである。
【図１０】各受光素子が受信した赤外線パルスを示す図である。
【図１１】赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【図１２】赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 赤外線追尾装置
３ 赤外線送信装置
５ 赤外線受信装置
７ 駆動装置
１１ 送信装置本体
１３，１３´ 発光素子
１５ 送信開始スイッチ
１７ 送信停止スイッチ
１９ チャンネル選択スイッチ群
２１ 赤外線送信回路
２３ ワンチップマイコン
２４ クリスタル
５１ 素子支持板
５３ 遮蔽突起
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ 受光素子
５７ 赤外線受信回路
５８ ワンチップマイコン
６０ チャンネル設定スイッチ群
７２ ベース板
７４ Ｘ軸サーボユニット
７５ 固定フレーム
７６ Ｘ軸サーボモータ
７７ 回転フレーム
８０ Ｙ軸サーボユニット
８１ Ｌ字板
８２ 固定フレーム
８３ Ｙ軸サーボモータ
８４ 回転フレーム
８５ 支持板
９１ ライト
１０１ テーブル
１０５ ビデオカメラ
１０７ 展示物
Ｐｃ チャンネルパルス
Ｐｉ 停止期間
Ｐｒ 調査パルス
Ｐｓ スタートパルス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被追尾体である赤外線送信装置から送信される赤外線パルスを受信して被追尾体を追尾可能とする赤外線追尾装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被検出体（被追尾体）が発光する赤外線を検出する装置として、特許文献１に記載された装置（以下、「従来装置」という）がある。従来装置は、平面状において十字状に配された４個の受光素子を備えていて、移動する被検出体から受ける光のレベルを十字方向に対向する受光素子間で比較し、その強弱に基づいて追尾可能に構成してある。すなわち、受光レベルの高い受光素子は、それが低い受光素子よりも被検出体に近い位置にあるわけであるから、受光レベルの高い受光素子の方向に両受光素子の受信方向を変更させれば、受光レベルの低かった受光素子は被検出体に近づき、その分、受光レベルの高かった受光素子が被検出体から遠のくことになる。両受光素子の受光レベルが等しくなれば、その時点で両受光素子から被検出体までの距離が等しいということになり、このような受光レベルの均等化を図ることによって被検出体を検出できるようになっている。上記原理の下、水平方向に位置する２個の受光素子と垂直方向に位置する２個の受光素子を用いれば、平面上で移動する被検出体を検出することが可能になる。従来装置に代表される赤外線検出装置（赤外線追尾装置）は、たとえば、カラオケの歌い手が持つマイクに発光素子を設けておき、その歌い手を撮影するビデオカメラの追尾装置に受光素子を設けておいて、歌い手が移動してもその移動にビデオカメラが追尾可能とする場合に使用される。
【特許文献１】実開昭６１−４２１６９号公報（８〜９頁、第５〜６図）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来装置が依拠する追尾原理だけでは、追尾精度に難点がある。追尾が受光レベルの均等化により実現することは前述した。他方、光が直進する性質を有していることはよく知られているが、それは理想状態における性質であって、空気中には、水蒸気、塵埃および煙草の煙等が浮遊しており、これらの浮遊物が光を拡散させその直進を妨げる。したがって、理想状態にあるときであれば複数の受光素子の各々が受光した光のレベル（受光レベル）が均等化し得ない場合であっても、空気中であれば複数の受光素子に均等レベルで到達することが起こり得る。つまり、発光素子と各受光素子との間の距離が均等でないにもかかわらず、均等と判断してしまう場合がある。これが、追尾精度を低下させる主要因である。このような追尾精度の低下は、特に受光レベルが高いとき、つまり、発光素子と各受光素子との間の距離が比較的短いときに生じやすい。受光レベルが高いときは、それが拡散させられた光の一部であっても一定レベルを保った状態で受光素子に到達する可能性が高いからである。本発明が解決しようとする課題は、上記した実情を改善するためになされたものであって、赤外線送信装置（被追尾体）が送信する赤外線信号の有効到達距離内において移動する赤外線受信装置との間の距離の遠近にかかわらず可及的に追尾精度を高めた赤外線追尾装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した目的を達成するために発明者は、発光素子と受光素子各々との間の距離（有効到達距離の範囲）が比較的長いときには、比較的短いときに比べて追尾精度の低下が少ない点に着目した。光の照度は光源と計測点間の距離の２乗に反比例するから、光源である発光素子と計測点である受光素子との間の距離が長くなれば長くなるほど照度（受光レベル）が急速に低下する。受光レベルが低い光から拡散した光は、そもそも受光素子各々に到達しないかしても検出されるに足りないレベルであることが多い。したがって、追尾精度に悪影響を与える可能性は少ない。発明者は、この点を積極的に活用することにより、上記目的を達成した。詳細は、項を改めて説明する。
【０００５】
（請求項１記載の発明の特徴）
請求項１記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項１の追尾装置」という）は、被追尾体となる発光素子から赤外線パルスを送信可能な赤外線送信装置と、当該赤外線送信装置が送信する赤外線パルスを、少なくとも２個の受光素子を介して受信可能、かつ、各受光素子が受信した各信号レベルの比較結果を出力可能な赤外線受信装置と、当該受光素子の受信方向を変更させるための駆動装置と、を含めて構成してある。この構成における駆動装置が、当該赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて当該各受光素子の受信方向を変更させることによって当該赤外線送信装置の発光素子を追尾可能に構成してあり、さらに、当該赤外線送信装置が、当該発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成してある。赤外線パルスには、各信号レベルの比較に直接寄与しないパルスを含めることを妨げない。たとえば、各周期の始期（終期）を赤外線受信装置に認識させるためのスタートパルス（エンドパルス）や、信号送受信のチャンネルを複数設定した場合のチャンネルを識別させるためのチャンネルパルス等を赤外線パルスに含めることができる。直線的追尾を行うのであれば２個の受光素子で足りるが、二次元的追尾を行うのであれば少なくとも３個の受光素子を追尾可能に相対配置するとよい。
【０００６】
請求項１の追尾装置によれば、赤外線送信装置が備える発光素子から送信された赤外線パルスが、当該赤外線パルスの有効到達範囲内にある少なくとも２個の受光素子を介して赤外線受信装置によって受信される。赤外線受信装置は、各受信装置が受信した赤外線パルスのレベルを比較して、その比較結果を駆動装置に伝える。駆動装置は、受けた比較結果に基づいて各受光素子の受信方向（受光方向）を変更させて送信装置を追尾させる。このとき、赤外線送信装置が当該発光素子から送信する赤外線パルスは、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返す。したがって、赤外線受信装置は、当初受信可能であった赤外線パルスが時間経過に伴い受信不能となる場合がある。発光素子と各受光素子との間の距離が近い場合であっても、赤外線パルスの信号レベルを段階的に減少するため遠い場合と同じようにレベル比較が可能になる。したがって、減少しない均等レベルの赤外線パルスを用いたならば生じたであろう拡散による追尾精度の低下を有効抑制することができ、この結果、赤外線受信装置による赤外線送信装置の追尾精度を高く保つことが可能になる。
【０００７】
（請求項２記載の発明の特徴）
請求項２記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項２の追尾装置」という）では、請求項１の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力可能に構成してある。
【０００８】
請求項２の追尾装置によれば、請求項１の追尾装置において、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力する。すなわち、赤外線パルスのレベルが段階的に減少するわけであるから、赤外線パルスを受信している赤外線受信装置（受光素子）は、その赤外線パルスを含む１周期内の何れかの地点でその受信が不能状態となる。ここで、各受光素子が何れの段階において受信不能になったかを検出することによって、何れの受光素子が最も発光素子に近いか（発光素子に遠いか）を判断することができる。具体的な検出は、各受光素子が受信不能に至るまでに受信した赤外線パルスの数をカウントすることにより行う。段階的にレベル減少する赤外線パルスをより多く受信できた受光素子のほうが、できなかった受光素子よりも発光素子に近い位置にあるからである。上記判断結果を受けた駆動装置は、受信赤外線パルスの数が多かった受光素子が発光素子から遠のき少なかった受光素子が近づく方向に各受光素子の受光面を変更する。受光面変更は、変更前に多く受信していた受光素子と少なく受信していた受光素子との間の赤外線パルス数が一致するまで行う。受光面の変更方向は、受光素子の数と各受光素子の相対位置により主として求められる。赤外線パルスのカウントは引き続き行い、カウント数に差が生じたら、上記手順によって受光面の変更を再度行う。たとえば、２個の受光素子が設けてある場合に、ある１周期の範囲内において一方と他方の受光素子が赤外線パルスの受信が不能となったときに、当該周期内において一方の受光素子の赤外線パルス数が他方の受光素子のそれより多いとするなら、一方の受光素子のほうが他方の受光素子よりも発光素子に近いという結果を得る。この判断結果を受けた駆動装置は、一方の受光素子と他方の受光素子とを通過する線上において一方の受光素子を発光素子から遠のけ、他方の受光素子を近づける方向に両受光素子の受光面を変更する。受光面の変更は、一方と他方の受光素子が受信する赤外線パルスの数が一致するまで行う。次いで、他方の受光素子の赤外線パルス数が一方のそれよりも多くなったことを検出したら、上記手順で受光面変更を行う。
【０００９】
（請求項３記載の発明の特徴）
請求項３記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項３の追尾装置」という）では、請求項２の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数が一致したとき（追尾完了したとき）に、当該パルス数に基づいて当該各受光素子と前記発光素子との間の距離を算出可能に構成してある。
【００１０】
請求項３の追尾装置によれば、請求項２の追尾装置の作用効果に加え、各受光素子と発光素子との間の距離を算出することができる。距離算出は自動追尾には必ずしも必要ではないが、距離算出を可能としておけば追尾装置の応用範囲が広くなる。
【００１１】
（請求項４記載の発明の特徴）
請求項４記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項４の追尾装置」という）では、請求項１乃至３何れかの追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記受光素子が４個設けてあり、当該４個の受光素子の各々を直交する仮想線上の交点から等距離の位置に設けてある。すなわち、４個の受光素子が、一方と他方の長さが等しい十字状に配してある。
【００１２】
請求項４の追尾装置によれば、請求項１乃至３何れかの追尾装置の作用効果に加え、４個の受光素子によって２次元的（平面的）追尾が可能になる。すなわち、たとえば、２個の受光素子を設けた場合は、直線的追尾のみが可能であるが、これら２個の受光素子にこれら２個の受光素子を通過する仮想線と直交する仮想線上に他の２個の受光素子を設けることによって２次元的追尾を実現する。しかも、各受光素子から仮想線交点までの距離を等しく設定してあるので、一方向の制御と他方向の制御を共通化することができる。すなわち、４個の受光素子を水平方向と垂直方向に配したとすると、水平方向の制御プログラムと垂直方向の垂直プログラムとは、共通したものを使用することができる。装置設計の上で極めて便利である。
【００１３】
（請求項５記載の発明の特徴）
請求項５記載の発明に係る赤外線追尾装置（以下、適宜「請求項５の追尾装置」という）では、請求項４の追尾装置の基本的構成を備えさせた上で、前記仮想線上の交点から受信方向に向って突出する所定長さの遮蔽突起を設けてある。遮蔽突起は、遮蔽突起を挟んで対向する受光素子同士において、所望距離を隔てて存在する発光素子から送信される赤外線パルスを一方の受光素子で受信可能であるときに、他方の受光素子では受信できないように遮蔽可能に構成する。遮蔽突起の形状は、たとえば、円筒状、四角柱状に構成するとよい。
【００１４】
請求項５の追尾装置によれば、請求項４の追尾装置の作用効果に加え、遮蔽突起を挟んで対向する受光素子同士において、所望距離を隔てて存在する発光素子から送信される赤外線パルスを一方の受光素子で受信可能であるときに、他方の受光素子では受信できないように遮蔽可能となる。遮蔽によって、受信できる受光素子と受信できない受光素子を明確に区別することができる。すなわち、上記場合において、遮蔽突起が存在しなければ一方及び他方の受光素子の両者によって赤外線パルスを受信可能となるが、その際に、両受光素子が受信するパルスレベルに大きな差がないとき、すなわち、差が明確でないときは追尾装置が誤動作し易い状況にある。遮蔽突起は、この点を改善することにより追尾精度を高めることに貢献する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る赤外線追尾装置によれば、赤外線送信装置（被追尾体）が送信する赤外線信号の有効到達距離内において移動する赤外線受信装置との間の距離の遠近にかかわらず可及的に追尾精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
各図に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、赤外線追尾装置の使用例を示す図である。図２は、赤外線送信装置の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図３は、赤外線受信装置の正面図（ａ）及びＹ軸サーボユニットの平面図（ｂ）である。図４は、赤外線送信回路を示す図である。図５は、赤外線パルス信号を示す図である。図６は、赤外線受信回路を示す図である。図７は、遮蔽突起の動作原理を示す図である。図８は、赤外線送信回路の動作を示すフローチャートである。図９は、赤外線受信回路の動作を示すフローチャートである。図１０は、各受光素子が受信した赤外線パルスを示す図である。図１１及び１２は、赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【００１７】
（赤外線追尾装置の概略構造と使用例）
図１乃至３を参照する。赤外線追尾装置１（以下、単に「追尾装置１」と略称する）は、赤外線送信装置３（以下、単に「送信装置３」と略称する）と、赤外線受信装置５（以下、単に「受信装置５」と略称する）と、駆動装置７と、から概ね構成してある。追尾装置１は、たとえば、図１に示すように、送信装置３をテーブル１０１の上に置き、受信装置５を天井に取り付けて使用することができる。受信装置５には、送信装置３を追尾するライト９１を取り付けてあり、これにより、テーブル１０１の所望箇所に光を照射できるように構成してある。
【００１８】
（赤外線送信装置の構成）
図２に示すように送信装置３は、ケース状の送信装置本体１１と、送信装置本体１１の上面に設けられた発光素子１３、送信開始スイッチ１５、送信停止スイッチ１７、チャンネル選択スイッチ群１９，・・と、これらの電子部品群を含む赤外線送信回路２１（図４参照）と、から概ね構成してある。発光素子１３は、赤外線パルスを送信するための素子であって、たとえば、赤外ＬＥＤが好適である。発光素子１３は、被追尾体としての役割を担っている。本実施形態における発光素子１３は、送信装置本体１１と一体化させてあるが、別体として構成することもできる。つまり、発光素子１３を送信装置本体１１から分離して両者を有線又は無線で接続する方法もある。この方法によれば、被追尾体としたい装置や部材等にこの発光素子１３を取り付け、これらの装置や部材から離れたところから当該発光素子１３を制御するように構成することができる。送信開始スイッチ１５は赤外線パルスを送信する際の始動スイッチであり、送信停止スイッチ１７は同送信を停止する際のスイッチである。送信開始スイッチ１５と送信停止スイッチ１７は、これらを１個のスイッチにより構成して最初に操作したときに送信を開始し、次の操作により送信を停止するようにしてもよい。チャンネル選択スイッチ１９，・・は、送信する赤外線パルスのチャンネルを選択させるためのスイッチであって、複数の追尾装置を同時に使用するような場合に、各々を識別させるためのチャンネル選択である。赤外線送信回路２１は、送信装置本体１１内に収納してあり、次に述べる構成を備えている。
【００１９】
（赤外線送信回路の構成）
図４及び５を参照する。本実施形態では、ワンチップマイコン２３に接続したクリスタル２４によって２０ＭＨｚを発振させ、これを分割して３番ピンから４５５ｋＨｚ前後のキャリアパルス信号を取り出している。他方、６番から９番のピンから段階的に変化するデジタル電圧を抵抗群を介してアナログ電圧として取り出し、このアナログ電圧と上記４５５ｋＨｚのキャリアパルス信号とのアンドをとることによって、これを振幅変調する。この振幅変調によって、１個のスタートパルスＰｓ、３個のチャンネルパルスＰｃ及び１６個の段階的にレベルが減少する調査パルスＰｒを得る。その後、所定の停止期間Ｐｉを介してから次の周期のスタートパルスを立ち上げる。すなわち、スタートパルスＰｓとチャンネルパルスＰｃの後に所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少する調査パルスＰｒを送信した後、所定の停止期間Ｐｉを介して所定レベルに復帰するまでの周期を繰り返すように構成してある。これらのパルスが発光素子１３を点灯させ、赤外線パルスが送信される。なお、本実施形態におけるチャンネルパルスＰｃの数は３個としてあるが、これは設定しようとするチャンネルを３ビット８チャンネルとしたためである。チャンネル数の増減に応じて、パルス数を適宜増減可能であり、不要であれば省略も可能である。同様にして調査パルスＰｒの数は１６個としたが、追尾精度に悪影響を与えない範囲において適宜増減可能である。
【００２０】
（赤外線受信装置の構成）
受信装置５は、図３（ａ）に示すように、略正方形の素子支持板５１と、赤外線受信回路５７を、その主要部品とする。素子支持板５１には、その中心から突き出る円柱状の遮蔽突起５３と、遮蔽突起５３を囲むようにして十字状に配した４個の受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄを設けてある。受光素子５５ａと受光素子５５ｂは水平方向に、受光素子５５ｃと受光素子５５ｄは垂直方向に、それぞれ位置している。遮蔽突起５３の突き出る方向は各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄの受信方向（被追尾体である発光素子１３がある方向）と一致させてある。素子支持板５１は、駆動装置７によって支持させてあり、駆動装置７は赤外線受信回路５７の指令（後述する比較結果）に基づいて素子支持板５１の位置や方向を変更させ、これによって、各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄの受信方向を変更可能に構成してある。駆動装置については、後述する。なお、図３に示すライト９１は、素子支持板５１とともに駆動装置７により位置や方向を変更させられるように構成してあり、これにより、被追尾体に光を照射できるようにしてある。
【００２１】
（発光素子の指向性と遮蔽突起）
図７を参照する。図７では、水平方向に位置する受光素子５５ａ，５５ｂと遮蔽突起５３との相対位置及び受光素子５５ａ，５５ｂの指向感度特性を示している。指向感度特性は、受光素子の正面、すなわち、０°の方向において最大となり、０°のときの相対到達距離を１としたときのＸ軸（＋）又はＸ軸（−）方向６０°における相対到達距離は０°の時のほぼ半分の０．５となり、同じく９０°において同距離がゼロとなる。換言すると、何れの受光素子５５ａ，５５ｂの正面に発光素子がある場合に赤外線パルスを最も効率よく受信することができ、正面から６０°傾くと半分の効率にまで低下し、さらに、９０°まで傾くと受信不能となる。ここで、発光素子１３（１３´）と受光素子５５ａ，５５ｂとの距離が近い場合と遠い場合に分けた上で説明を続ける。まず、発光素子１３，１３´が近距離にある場合である。受光素子５５ａ，５５ｂの正面に（０°）の位置にある発光素子１３から送信される赤外線パルスは、受光素子５５ａ，５５ｂによって最も効率よく受信され、両受光素子５５ａ，５５ｂが受信する赤外線パルスのレベルは均等である。他方、発光素子１３´は、受光素子５５ｂから見ると略１０°の位置にあるが、受光素子５５ａからは遮蔽突起５３が邪魔をして見ることができない。すなわち、発光素子１３´が送信する赤外線パルスを、受光素子５５ｂに受信させることはできるが受光素子５５ａに受信させることはできない。ここで、仮に、遮蔽突起５３が存在しないとすると、受光素子５５ａに対して略−２０°の方向にある発光素子１３´は、受光素子５５ａからも見ることができるので、受光素子５５ｂと併せて受光素子５５ａにも赤外線パルスを受信させることが可能になる。このとき、受光素子５５ａの相対到達距離は０．７５前後であり、受光素子５５ｂのそれは０．９５前後である。両者間には０．２（０．９５−０．７５）の差があるにはあるが、この差は、遮蔽突起５３が存在する場合に比べて決して大きいとはいえない。つまり、受光素子５５ａ，５５ｂ間の受信レベルの差が明確に生じていないことになる。明確な差がなければ、環境次第では光の拡散によって追尾精度に問題が生じる場合があり得る。遮蔽突起５３が存在すれば、このような問題は生じない。これが、遮蔽突起５３を設ける理由である。
【００２２】
次は、発光素子１３，１３´が遠距離にある場合である。遠距離にある発光素子１３については、受光素子５５ａ，５５ｂの正面にあるので追尾精度の低下はほとんど問題とならない。他方、発光素子１３´は、受光素子５５ｂから見ると略−１５°の位置にあるが、遮蔽突起５３が邪魔をして見ることができない。ここで、仮に、遮蔽突起５３が存在しないとすると、受光素子５５ａに対して略１０°の方向にある発光素子１３´は、受光素子５５ｂからも見ることができるので、受光素子５５ａと併せて受光素子５５ｂにも赤外線パルスを受信させることが可能になる。このとき、受光素子５５ａの相対到達距離は１に限りなく近く、受光素子５５ｂのそれは０．９５前後である。両者間には０．０５（１．００−０．９５）の差があるにはあるが、この差は、遮蔽突起５３が存在する場合に比べてないに等しい。つまり、受光素子５５ａ，５５ｂ間の受信レベルの差が明確に生じていないことになる。発光素子が遠いところにある場合も、高い追尾精度を保つために遮蔽突起５３が極めて有効であることが分かる。なお、上述の説明は、受光素子５５ａ，５５ｂについて説明したが、受光素子５５ｃ，５５ｄについても水平方向・垂直方向が異なるだけで機能は同じである。
【００２３】
（赤外線受信回路の構成）
図６を参照する。赤外線受信回路５７は、ワンチップマイコン５８を主要部品として構成してあり、このワンチップマイコン５８に４個の受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ、チャンネル設定スイッチ群６０，・・、Ｘ軸サーボモータ７６、Ｙ軸サーボモータ８３及びライト９１等を接続してある。
【００２４】
（駆動装置の構成）
図３を参照する。駆動装置７は、ベース板７２と、Ｘ軸サーボユニット７４と、Ｙ軸サーボユニット８０と、から概ね構成してある。ベース板７２は、天井に固定してあり、ベース板７２の下面にＸ軸サーボユニット７４を固定してある。Ｘ軸サーボユニット７４は、固定フレーム７５によって支持されたＸ軸サーボモータ７６と、Ｘ軸サーボモータ７６によってＸ軸方向（ベース板７２に対して水平方向）に回転されるコの字状の回転フレーム７７と、を備えている。Ｙ軸サーボユニット８０はこの回転フレーム７７に固定してある。他方、Ｙ軸サーボユニット８０は、Ｌ字板８１と、Ｌ字板８１に固定フレーム８２を介して支持させたＹ軸サーボモータ８３と、Ｙ軸サーボモータ８３によってＹ軸方向（ベース板７２に対して垂直方向）に回転されるコの字状の回転フレーム８４と、回転フレーム８４に固定した支持板８５と、から概ね構成してある。支持板８５には、素子支持板５１を介した受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ及び５５ｄとライト９１とを前者の受信方向と後者の照射方向を一致させた状態で取り付けてある。すなわち、Ｘ軸サーボモータ７６の回転は、回転フレーム７７を介して素子支持板５１及びライト９１を含むＹ軸サーボユニット８０全体をＸ軸方向に回転させ、Ｙ軸サーボモータ８３の回転は、素子支持板５１及びライト９１をＹ軸方向に回転させる。両者の回転が合わさって受信方向と照射方向の２次元的変更が可能になる。Ｘ軸サーボモータ７６の回転とＹ軸サーボモータ８３の回転は、各々赤外線受信回路５７の指令によって行われる。
【００２５】
（赤外線送信装置の動作）
図８を参照する。送信装置３の送信開始スイッチ１５（図２参照）が操作されると電源が投入されワンチップマイコン２３（図４参照）に格納されたプログラムが駆動して、まず、初期設定を行う（Ｓ１）。ここで、送信チャンネルが選択されているかを確認し、設定されている場合は次のＳ５へ進む。送信チャンネルが選択されていない場合は、選択されるまで待機する（Ｓ３）。Ｓ５において、図５に示す赤外線パルスを送信する（Ｓ５）。赤外線パルスの送信は、送信停止スイッチ１７（図２参照）が操作されるまで継続する（Ｓ７）。送信停止スイッチ１７が操作されると、その操作に係るチャンネルは終了し、次のチャンネルが選択されるのを待つ。次のチャンネルが選択されると、上記同様の手順を、電源が遮断されない限り繰り返す。
【００２６】
（赤外線受信装置の動作）
図９を参照する。電源投入によりワンチップマイコン５８に格納されたプログラムが駆動して、まず、初期設定を行う（Ｓ１１）。ここで、赤外線パルスを受信したら、次のＳ１５へ進み、受信しなかったら受信するまで待機する（Ｓ１３）。Ｓ１５では、受信した赤外線パルスを基に演算（後述）を行う。演算結果が出たら、位置データを更新するとともに（Ｓ１７）、駆動装置７へ指令を送りＸ軸サーボモータ７６，Ｙ軸サーボモータ８３を回転させて発光素子１３を追尾させる（Ｓ１９）。さらに、必要に応じて、発光素子１３（送信装置３）までの距離を受信した赤外線パルスの数を基に算出してもよい（Ｓ２１）。以上の動作が終了したらＳ１３に戻り、同じ動作を繰り返す。
【００２７】
（演算の具体的動作）
図２、３、７及び１０を参照する。まず、赤外線パルスをＸ軸方向に並ぶ受光素子５５ａ，５５ｂが受信した場合を説明する。図１０（ａ）に示すように、受光素子５５ｂ及び受光素子５５ａが受信した各々の調査パルスＰｒの数をカウントする。今回は、受光素子５５ｂの受信パルス数が１１個であり、受光素子５５ａの受信パルス数が９個であるから、両者を比較して受光素子５５ｂのほうが受光素子５５ａよりも２個のパルスを余計に受信したという結果を得る。すなわち、受光素子５５ａは受光素子５５ｂよりも、発光素子１３に対して遠い位置にある。そこで、駆動装置７に指令を送り、Ｘ軸サーボモータ７６を駆動させて、発光素子１３に対して受光素子５５ａを近づけ受光素子５５ｂを遠のける方向にＹ軸サーボユニット８０を回転（傾動）させる（図３参照）。次に、Ｙ軸方向に並ぶ受光素子５５ｃ，５５ｄが受信した場合を説明する。図１０（ｂ）に示すように、受光素子５５ｃ及び受光素子５５ｄが受信した各々の調査パルスＰｒの数をカウントする。今回は、受光素子５５ｃの受信パルス数が１１個であり、受光素子５５ｄの受信パルス数が９個であるから、両者を比較して受光素子５５ｃのほうが受光素子５５ｄよりも２個のパルスを余計に受信したという結果を得る。すなわち、受光素子５５ｃは受光素子５５ｄよりも、発光素子１３に対して近い位置にある。そこで、駆動装置７に指令を送り、Ｙ軸サーボモータ８３を駆動させて、発光素子１３に対して受光素子５５ｃを遠のけ受光素子５５ｄを近づける方向に素子支持板５１及びライト９１を回転（傾動）させる（図３参照）。
【００２８】
上記したＸ軸サーボモータ７６の回転とＹ軸サーボモータ８３の回転は、時間的に誤差があるわけではなく、両者がほぼ同時に行われる。すなわち、Ｘ軸サーボモータ７６の回転は、Ｙ軸サーボモータ８３を含めたＹ軸サーボユニット８０全体を回転させ、その回転するＹ軸サーボユニット８０の中でＹ軸サーボモータ８３が回転する。その結果、素子支持板５１（受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ）の受信方向が２次元的に変更されるのである。上記両モータの回転は、受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄが受信する赤外線パルス（調査パルス）の数が一致するまで行われ（すなわち、受信面の変更が行われ）、一致したときに追尾完了となる。追尾完了したときに、受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄのうち何れかが受信した赤外線パルスの数とパルス数に基づいて予め算出してある発光素子までの距離とを比較することによって、追尾完了したときの各受光素子５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄと発光素子１３との間の距離を算出することができる。
【００２９】
（赤外線追尾装置の他の使用例）
図１１に示す他の使用例は、カラオケに用いた追尾装置である。すなわち、追尾装置１´を構成する送信装置３´をカラオケ用マイクに組み込み、ビデオカメラ１０５で撮影する歌い手を照明するためのライト９１を備えた受信装置５を天井に取り付けてある。また、図１２に示す他の使用例は、展示物照明用に用いた追尾装置である。すなわち、展示物１０７に送信装置３´を組み込み、この展示物１０７をビデオカメラ１０５で撮影するためにライト９１を備えた受信装置５を天井に取り付けてある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】赤外線追尾装置の使用例を示す図である。
【図２】赤外線送信装置の正面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図３】赤外線受信装置の正面図（ａ）及びＹ軸サーボユニットの平面図（ｂ）である。
【図４】赤外線送信回路を示す図である。
【図５】赤外線パルス信号を示す図である。
【図６】赤外線受信回路を示す図である。
【図７】遮蔽突起の動作原理を示す図である。
【図８】赤外線送信回路の動作を示すフローチャートである。
【図９】赤外線受信回路の動作を示すフローチャートである。
【図１０】各受光素子が受信した赤外線パルスを示す図である。
【図１１】赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【図１２】赤外線追尾装置の他の使用例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ 赤外線追尾装置
３ 赤外線送信装置
５ 赤外線受信装置
７ 駆動装置
１１ 送信装置本体
１３，１３´ 発光素子
１５ 送信開始スイッチ
１７ 送信停止スイッチ
１９ チャンネル選択スイッチ群
２１ 赤外線送信回路
２３ ワンチップマイコン
２４ クリスタル
５１ 素子支持板
５３ 遮蔽突起
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ 受光素子
５７ 赤外線受信回路
５８ ワンチップマイコン
６０ チャンネル設定スイッチ群
７２ ベース板
７４ Ｘ軸サーボユニット
７５ 固定フレーム
７６ Ｘ軸サーボモータ
７７ 回転フレーム
８０ Ｙ軸サーボユニット
８１ Ｌ字板
８２ 固定フレーム
８３ Ｙ軸サーボモータ
８４ 回転フレーム
８５ 支持板
９１ ライト
１０１ テーブル
１０５ ビデオカメラ
１０７ 展示物
Ｐｃ チャンネルパルス
Ｐｉ 停止期間
Ｐｒ 調査パルス
Ｐｓ スタートパルス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被追尾体となる発光素子から赤外線パルスを送信可能な赤外線送信装置と、
当該赤外線送信装置が送信する赤外線パルスを、少なくとも２個の受光素子を介して受信可能、かつ、各受光素子が受信した各信号レベルの比較結果を出力可能な赤外線受信装置と、
当該受光素子の受信方向を変更させるための駆動装置と、を含み、
当該駆動装置が、当該赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて当該各受光素子の受信方向を変更させることによって当該赤外線送信装置の発光素子を追尾可能に構成してあり、
当該赤外線送信装置が、当該発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成してある
ことを特徴とする赤外線追尾装置。
【請求項２】
前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力可能に構成してある
ことを特徴とする請求項１記載の赤外線追尾装置。
【請求項３】
前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数が一致したときに、当該受信したパルス数に基づいて当該各受光素子と前記発光素子との間の距離を算出可能に構成してある
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線追尾装置。
【請求項４】
前記受光素子が４個設けてあり、当該４個の受光素子の各々を直交する仮想線上の交点から等距離の位置に設けてある
ことを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の赤外線追尾装置。
【請求項５】
前記仮想線上の交点から受信方向に向って突出する所定長さの遮蔽突起を設けてある
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線追尾装置。
【請求項１】
被追尾体となる発光素子から赤外線パルスを送信可能な赤外線送信装置と、
当該赤外線送信装置が送信する赤外線パルスを、少なくとも２個の受光素子を介して受信可能、かつ、各受光素子が受信した各信号レベルの比較結果を出力可能な赤外線受信装置と、
当該受光素子の受信方向を変更させるための駆動装置と、を含み、
当該駆動装置が、当該赤外線受信装置が出力した各信号レベルの比較結果に基づいて当該各受光素子の受信方向を変更させることによって当該赤外線送信装置の発光素子を追尾可能に構成してあり、
当該赤外線送信装置が、当該発光素子から送信する赤外線パルスを、所定レベルから時間経過に伴い段階的に減少させた後、所定レベルに復帰させるまでの周期を繰り返すように構成してある
ことを特徴とする赤外線追尾装置。
【請求項２】
前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数に基づいて各信号レベルの比較結果を出力可能に構成してある
ことを特徴とする請求項１記載の赤外線追尾装置。
【請求項３】
前記赤外線受信装置が、前記各受光素子が受信した赤外線パルス１周期内におけるパルス数が一致したときに、当該受信したパルス数に基づいて当該各受光素子と前記発光素子との間の距離を算出可能に構成してある
ことを特徴とする請求項２記載の赤外線追尾装置。
【請求項４】
前記受光素子が４個設けてあり、当該４個の受光素子の各々を直交する仮想線上の交点から等距離の位置に設けてある
ことを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の赤外線追尾装置。
【請求項５】
前記仮想線上の交点から受信方向に向って突出する所定長さの遮蔽突起を設けてある
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線追尾装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−３２９７９６（Ｐ２００６−３２９７９６Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５３２９０（Ｐ２００５−１５３２９０）
【出願日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【Ｆターム（参考）】
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