JP2003287693A

JP2003287693A - 光ビームスキャン機構

Info

Publication number: JP2003287693A
Application number: JP2002218837A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Maeda; 裕史前田; Shigeki Fujiwara; 茂喜藤原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】小型ながらも２次元走査範囲を広くとること
ができる。【解決手段】姿勢変化が可能な少なくとも一つの光ビ
ームスキャン用のミラー１と、該ミラー１の姿勢を変化
させる駆動手段と、該駆動手段を制御してミラーを所定
の姿勢に制御する制御手段とを備える。ミラー１は強磁
性体もしくは永久磁石からなる被駆動部２を備えて入射
ビームの光軸と直交する回転軸３の回りに揺動可能に軸
支されている。駆動手段は上記回転軸３をその軸方向と
直交する軸回りに回転させるモータ４と、対の磁極を備
えてミラー１の被駆動部２に磁力を及ぼしてミラー１に
上記回転軸３の軸回りの回転力を与える電磁部材６とか
らなる。モータ４による回転と、電磁部材６による磁気
力とによってミラーの２軸回りの姿勢制御を行うように
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光ビームの２次元ス
キャンを行う光ビームスキャン機構に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自律走行型の移動ロボットなどにおい
て、走行経路中の壁や障害物の検出には光ビームの２次
元スキャンを行う光ビームスキャン機構を備えた光レー
ダ装置を好適に用いることができるが、このような２次
元スキャンを行うスキャン機構としては、走査ミラーを
捻りばね軸受けで２軸回りに回動可能に構成したもの
（特開昭６４−８８４１９号公報参照）や、光偏向部材
（ミラー）の外形を球体の外周面の一部を構成するもの
とし、磁力を利用してミラーの２軸方向の姿勢を制御す
るもの（特開平１０−２１３７６６号公報参照）や、２
枚の１軸ミラーを用いて２軸走査するもの（特開平０２
−２８４１０号公報参照）や、回転ミラーを反射角度が
異なる複数の反射面で形成したもの（特開平８−３６０
５７号公報参照）などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例のうち、最
初のものは捻りばね軸受けを利用する関係上、走査範囲
を広くすることが難しい。また２番目のものはミラーの
外形とその駆動部の配置のために、走査範囲を広くする
ことが難しい。３番目の２枚の１軸ミラーを用いて走査
するものにおいても、光ビームが２枚のミラーで順次反
射する関係を保たねばならないことから、ミラーをかな
り大きくしないと走査範囲を広くすることができない。
さらに４番目の従来例では、一軸方向（たとえば上下方
向）の分解能を上げると、他軸方向（水平方向）の走査
範囲が狭くなってしまうものであり、この場合も分解能
を高くしつつ走査範囲を広くするにはミラーとして大き
なものを用いるほかはない。

【０００４】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは小型ながらも２次元
走査範囲を広くとることができる光ビームスキャン機構
を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、姿勢
変化が可能な少なくとも一つの光ビームスキャン用のミ
ラーと、該ミラーの姿勢を変化させる駆動手段と、該駆
動手段を制御してミラーを所定の姿勢に制御する制御手
段とを備えた光ビームスキャン機構であって、上記ミラ
ーは強磁性体もしくは永久磁石からなる被駆動部を備え
て入射ビームの光軸と直交する回転軸の回りに揺動可能
に軸支されており、駆動手段は上記回転軸をその軸方向
と直交する軸回りに回転させるモータと、対の磁極を備
えてミラーの被駆動部に磁力を及ぼしてミラーに上記回
転軸の軸回りの回転力を与える電磁部材とからなること
に特徴を有している。モータによる回転と、電磁部材に
よる磁気力とによってミラーの２軸回りの姿勢制御を行
うようにしたものである。

【０００６】そして、光ビームのミラーへ向けての投射
とミラーを介して投射した光ビームの対象物からの反射
光をミラーを介して受ける投受光部と、光ビームの投光
から反射光の受光までの時間から対象物までの距離を演
算する演算手段と、ミラーの姿勢を検出する検出手段
と、検出手段から得られたミラーの姿勢情報と演算手段
から得られた距離情報とから対象物の相対位置を求める
位置演算手段とを備えたものとすることで、光レーダー
装置を構成することができる。

【０００７】上記電磁部材はその発生磁力が可変のもの
を用いるほか、被駆動部に及ぼす磁力が異なるものを複
数備えたものとしてもよい。

【０００８】また、電磁部材はモータによる回転軸の回
転に際してそのオンオフで回転軸回りのミラーの揺動位
相を変化させるものを好適に用いることができ、この場
合、ミラーの揺動角が最大の時にミラーの被駆動部に磁
力を及ぼして揺動位相を変化させるものとするのが好ま
しい。

【０００９】ミラーに対して所要の角度をなしてミラー
と一体に回転するバランサーを設けてもよく、この時、
バランサーを強磁性体もしくは永久磁石で形成して被駆
動部としてもよい。

【００１０】そして制御手段は、電磁部材を作動させて
ミラーを所定の揺動角度にセットした後にモータによる
回転軸及びミラーの回転を行わせるものが好ましい。

【００１１】また、ミラーの回転及び揺動による光ビー
ムの投射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところ
に光ビームの入射位置を検出することができる光学的位
置検出デバイスを配置し、制御手段は光学的位置検出デ
バイスの出力に基づいて光ビームの投射位置を推定して
駆動手段を制御するものとしたり、モータによるミラー
の回転位置を検出するオンオフセンサを備えるととも
に、制御手段はオンオフセンサの出力に基づいて光ビー
ムの投射位置を推定して駆動手段を制御するものとする
のが好ましく、上記オンオフセンサとして、光ビームの
入光タイミングの検出機能を備えた光学的位置検出デバ
イスを用いるようにしてもよい。

【００１２】このほか、モータによるミラーの回転速度
を検出する検出手段を備えて、制御手段は検出手段で検
出された回転速度を基に駆動手段を制御するものであっ
てもよく、この場合、制御手段は、検出手段で検出され
た回転速度と、駆動手段における電磁部材のオンオフに
ついての補正用であって予め設定されている補正係数と
に基づいて駆動手段を制御するものがより好ましい。

【００１３】ミラーの回転及び揺動による光ビームの投
射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところに光ビ
ームを反射させる反射部を設け、制御手段はミラーを介
して投射した光ビームの対象物からの反射光をミラーを
介して受ける受光部の出力に基づいて光ビームの投射位
置を推定して駆動手段を制御するものであってもよく、
この場合、制御手段は、受光部の出力から得られる距離
出力の微分値から距離出力の変化を検出して反射部を検
知するものや、反射部での距離出力を基にミラーの揺動
角度も検知するものを好適に用いることができる。

【００１４】そして、このような光ビームスキャン機構
は、自律走行型移動ロボットの障害物検出用に好適に用
いることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図１に示すように、この光ビーム
スキャン機構は、背面に強磁性体からなる被駆動部２を
備えている光ビームスキャン用のミラー１を２軸回りに
動かすことで２次元スキャンを行うもので、円形をして
いるミラー１は回転軸３の軸回りに回転自在（揺動自
在）に支持されており、さらに回転軸３はその軸方向と
直交する軸のまわりにモータ４によって回転駆動される
ものとなっている。

【００１６】ここで、被駆動部２を含むミラー１の重心
位置は、回転軸３から少しずらしており、このためにミ
ラー１はその自重により図１に示すようにモータ４の出
力軸と直交する平面に対して所要の角度θoだけ傾いた
状態で安定する。

【００１７】そして上記ミラー１の上下には、断面がコ
字形のヨーク６１とコイル６０とからなる電磁石６にお
ける一対の磁極６２，６２が位置している。これら磁極
６２，６２は図１(c)に示すように、リング状に形成さ
れており、モータ４の配置や光ビームのミラー１への入
射に支障が生じないようにしてある。

【００１８】電磁石６のコイル６０に通電すれば、磁極
６２，６２がミラー１の背後の被駆動部２に及ぼす磁力
により、ミラー１は揺動角度θを大きくする方向に回転
軸３回りに揺動する。図中３０は回転軸３回りのミラー
３の揺動角度θを検出するためのエンコーダ、４０は回
転モータ４の駆動回路、６６は電磁石６の駆動回路、８
はこれら駆動回路４０，６６を介してモータ４と電磁石
６とを駆動する制御回路である。

【００１９】このスキャン機構においては、図２に示す
ように、モータ４の出力軸の軸方向である上方から入射
した光ビームＬは、回転軸３回りのミラー１の揺動によ
って投射方向を鉛直面内において変化させ、モータ４に
よる回転軸３の回転により、図３に示すように、水平方
向における光の投射方向を変化させる。

【００２０】図４は上記光ビームスキャン機構で光レー
ダ装置を構成する場合の例を示しており、投光部８０か
らミラー８１，１を通じて投射された光ビームＬが対象
物で反射すれば、その反射光はミラー１と集光レンズ８
２とを介して受光素子８３で検出される。この時、光ビ
ームの投射から反射光の受光までの時間をタイマー８４
でカウントすれば、その時間から対象物までの距離を演
算することができる。図中８５はこの演算のための距離
演算装置である。一方、上記エンコーダ３０とモータ４
の回転角度とからミラー１の姿勢を姿勢計測装置８６で
演算すれば、光ビームの投射方向を知ることができるこ
とから、相対位置演算装置８７において上記対象物まで
の距離の演算結果と併せることで、対象物の相対位置を
知ることができる。

【００２１】ここで、電磁石６としては、通常、コイル
６０に流す電流を制御することで発生する磁力を変化さ
せるものを用いるが、図５に示すように、複数の電磁石
６ａ，６ｂ，６ｃを配置し、図６に示すように、いずれ
の電磁石６ａ，６ｂ，６ｃに通電するかによって、ミラ
ー１の背後の被駆動部２に及ぶ磁気力が変化するように
しておくことで、ミラー１の揺動角度を変化させるよう
にしてもよい。この場合、複数の電磁石６ａ，６ｂ，６
ｃの組合せに対して同時に通電するようにすると、ミラ
ー１の揺動角度の変化を更に多段とすることができる。

【００２２】また、電磁石６によってミラー１の角度を
常時制御する場合、電磁石６の磁力によってミラー１を
必要な角度にセットすることができるため、被駆動部２
を含むミラー１の重心位置を回転軸３から少しずらした
りすることで、所要の角度θoで安定させておかなくて
もよい。

【００２３】ところで、この光ビームスキャン機構にお
いては、モータ４によって回転軸３をその軸と直交する
軸回りに回転させる時、ミラー１には遠心力が作用す
る。このためにミラー１が回転している時のミラー１の
傾きの角度は、ミラー１に働く重力と遠心力、そして電
磁石６がミラー１の被駆動部２に及ぼす磁気力が釣り合
った位置となる。

【００２４】そして、上記の傾きの角度でミラー１が回
転していると、直線的走査だけとなって２次元走査とは
ならないが、上記回転中にミラー１の揺動角度θを電磁
石６で変化させることにより、２次元走査を行わせるこ
とができる。もっとも、電磁石６に流す電流を常時変化
させて揺動角度θが刻々と変わるように制御する場合、
消費電力が大きくなる上に制御も容易ではないことか
ら、ここでは次のようにして２次元走査を行っている。

【００２５】すなわち、ミラー１の重心位置を回転軸３
からずらすことで傾けているミラー１に所定の回転数の
回転を与えた時のミラー１の安定揺動角度（遠心力と重
力とが釣り合っている角度）をθｃとする時、ミラー１
に初期角度θ０（＝θｃ＋θｗ）を与えた状態でミラー
１に上記回転数の回転を行わせると、ミラー１は角度θ
ｃを中心とする揺動を行う。この揺動は、外力を加えな
ければ軸支部の摩擦との影響で振幅が初期のθｗから徐
々に減衰し、最終的には安定揺動角度θｃで止まってし
まう。また、電磁石６で外力を加えることによって、上
記揺動を保つことができるが、その揺動周期が回転速度
と同期している場合、たとえば振幅θｗ[rad]、周期４
π／ω[s]の揺動を行う場合、回転の周期はその半分の
２π／ω[s]であるために、図７(a)(b)に示すように、
同じ回転角度位置では同じ揺動角度（上下スキャン角
度）を持つことになり、同一線上しかスキャンしない。

【００２６】しかし、図８に示すように、振幅が最大に
なる位置、すなわち被駆動部２が最も磁極６２，６２に
近づくタイミングで電磁石６のコイルに短時間だけ通電
して被駆動部２に磁気力を働かせ、揺動を短時間だけ停
止させれば、この停止の分だけ回転と揺動変化との位相
をずらすことができる。今、図８に示すように、上記タ
イミング毎に電磁石６でミラー１の短時間の揺動停止を
行って、位相を所定角度ずらしたならば、図９に示すよ
うな２次元スキャンを行うことができる。なお、図９で
は位相を４０°ずらしている。電磁石６を常時制御して
揺動角度を変化させることで２次元スキャンを行う場合
に比して、所要のタイミングで電磁石６に短時間通電す
るだけでよく、制御が容易な上に、消費電力も少なくて
すむ。図１０に電磁石６の制御フローを示す。

【００２７】図１１に他例を示す。前述のように、被駆
動部２を含むミラー１の重心位置を回転軸３から少しず
らしている場合、ミラー１をモータ４で回転させた時、
回転ぶれが生じて回転軸３に負荷がかかるために、回転
軸３やモータ４から回転軸３に至る軸を太くしなくては
ならない上に軸受けも耐荷重の大きいものを使用しなく
てはならない。図１１に示したものはこの点に対処した
もので、ミラー１と所定の角度をなすとともにミラー１
と一体に揺動するバランサー７を設けて、ミラー１とほ
ぼ同じ質量及び長さであるバランサー７を回転軸３の両
端に分散配置している。なお、重心位置をずらすことは
していない。

【００２８】この場合、電磁石６を励磁せず、またミラ
ー１及びバランサー７を回転させていない状態ではミラ
ー１の揺動角度は不定であるが、ミラー１及びバランサ
ー７を回転させたならば、電磁石６を励磁していない
時、ミラー１に加わる遠心力とバランサー７に加わる遠
心力とがほぼ釣り合う状態を保とうとするために、ミラ
ー１は図に示すような揺動角度を保持する。従って回転
ぶれを招くことなく、ミラー１に初期揺動角度を与える
ことができる。

【００２９】このほか、バランサー７を強磁性体もしく
は永久磁石で構成して、バランサー７が被駆動部２を兼
ねるようにしてもよい。バランサー７を備えたものにお
ける部品数を少なくすることができるとともに、軽量化
を図れることから、消費電力の軽減となる。

【００３０】また、モータ４でミラー１を回転させるに
あたっては、予め電磁石６に通電して強磁性体もしくは
永久磁石からなるバランサー７を磁極６２，６２に引き
つけておき、その後、モータ４を始動させたならば、回
転による遠心力でバランサー７に磁極６２，６２から離
れる方向の力が加わるので、回転しているために遠心力
がかかっているバランサー７を遠心力に抗して引きつけ
て前記初期角度を与える場合よりも消費電力を低減する
ことができ、また必要出力の減少により、小型が可能と
なる。始動後は図１３に示すようにモータ４の回転を確
認した後、前述の所定タイミング毎に電磁石６を短時間
だけオンにして位相をずらす制御をすればよい。なお、
図１２中の７５はバランサー７が電磁石６に当たること
がないように揺動角度を規制しているストッパーであ
る。

【００３１】光ビームの投射位置の検出は、前述のエン
コーダ３０によるミラー１の揺動角度の検出を利用する
のではなく、図１４に示すように、ミラー１の回転及び
揺動による光ビームの投射範囲内であり且つ対象物の検
出範囲外のところに配置した複数の光学的位置検出デバ
イスＰＳＤ１，ＰＳＤ２の出力を利用するようにしても
よい。光学的位置検出デバイスＰＳＤ１，ＰＳＤ２は、
その表面に受光部を備えて該受光部にスポット光が当た
った場合、その当たった位置に応じて出力電流を変化さ
せるものであり、出力電流から光ビームが当たった位置
を検出することができる。この光学的位置検出デバイス
ＰＳＤ１，ＰＳＤ２をミラー１の回転及び揺動による光
ビームの投射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のと
ころに配置してミラー１で反射して出ていく光ビームが
ミラー１の回転によって光学的位置検出デバイスＰＳＤ
１，ＰＳＤ２に当たるようにしておけば、図１５(a)に
示すように、ミラー１の回転角度の所要位置における光
ビームのミラー１の揺動角度で定まる上下スキャン角度
を出力電流値から求めることができる。

【００３２】また、ミラー１の前記揺動は、振り子運動
と仮定することができることから、揺動による角度遷移
は余弦カーブを描くことになるとともに、その揺動はミ
ラー１の二回転に一回である。従って、図１５(b)に示
すように、光学的位置検出デバイスＰＳＤ１，ＰＳＤ２
の出力から得ることができた所定の回転角度と上下スキ
ャン角度のところを通る余弦カーブを導くことで、ミラ
ー１の回転角度と上下スキャン角度とを１：１で対応さ
せることができる。

【００３３】今、ミラー１の一回転毎に位相を４０°ず
らすように電磁石６を制御するとともに、図１６に示す
ように、光学的位置検出デバイスＰＳＤ１，ＰＳＤ２を
対象物の検出範囲の４５°手前と１３５°手前に配置
（ミラー１は上方から見て時計回りに回転）し、さらに
上下スキャン角度を決めるために９４１個の要素を持つ
データベースφ[n]（０≦ｎ≦９４０）を予め与えてお
く。式で表すと、 φ[0]〜φ[720] ：φ[n]＝θｗ・cos（ｎ／２）°＋θ
ｃ φ[721]〜φ[799]：φ[n]＝θｗ＋θｃ φ[800]〜φ[899]：φ[n]＝θｗ・cos（（ｎ−８００）
／２）°＋θｃとする。この場合のグラフを図１７に示す。光学的位置
検出デバイスＰＳＤ１の位置出力から求めたスキャン角
度がθｃ、光学的位置検出デバイスＰＳＤ２の位置出力
から求めたスキャン角度が（θｃ−０．７・θｗ）であ
った場合、各々の点は図１７中のＰＳＤ１，ＰＳＤ２に
相当する。すなわち、各々φ[180]，φ[270]に等しいと
判断される。そうすると、検出範囲中のスキャン角度は
図１７中の黒太線で囲んだφ[315]〜φ[495]の値をとる
と推定することができる。

【００３４】同様に、光学的位置検出デバイスＰＳＤ１
の位置出力から求めたスキャン角度がθｃ、光学的位置
検出デバイスＰＳＤ２の位置出力から求めたスキャン角
度が（θｃ＋０．７・θｗ）であった場合、各々の点は
図１８中のＰＳＤ１，ＰＳＤ２に相当する。すなわち、
各々φ[540]，φ[630]に等しいと判断される。そうする
と、検出範囲中のスキャン角度は図１８中の黒太線で囲
んだφ[675]〜φ[855]の値をとると推定することができ
る。

【００３５】このようにして光ビームの投射位置を推定
する場合、エンコーダ３０が不要となるために、ミラー
１の揺動及び回転に関する慣性を小さくすることができ
て消費電力を低減することができる。また、回転軸３に
設けたエンコーダ３０からの信号を取り出すにはミラー
１及び回転軸３をモータ４で回転させる関係で、ノイズ
が乗りやすいスリップリングを用いなくてはならない
が、これが不要となるために、検出信頼性も向上する。

【００３６】図１９に示すように、モータ４によるミラ
ー１の回転位置を検出するオンオフセンサ３３を１個
（もしくは複数個）設けて、このオンオフセンサ３３の
出力を基に投射位置の推定を行うようにしてもよい。図
１９中の３４はセンサドグである。この場合、オンオフ
センサ３３の入力とともに揺動の開始（電磁石６のオ
フ）を行う。上述の場合と同様に、上下スキャン角度を
決めるために９４１個の要素を持つデータベースφ[n]
（０≦ｎ≦９４０）を予め与えておくと、図２０に示す
ように、次の検出範囲でのスキャン角度はφ[45]〜φ[2
25]の値をとると推定することができ、次の周回では前
回の３６０°分遅れたデータと推定し、φ[405]〜φ[58
5]の値をとることが推定できる。このように推定してい
くと、ｍ回目のスキャン角度の値は剰余演算子をＭＯＤ
とすると、ＭＯＤ（９４０，ｍ×３６０−３１５）≦７６０の場合 φ[ＭＯＤ（９４０，ｍ×３６０−３１５）]〜φ[ＭＯ
Ｄ（９４０，ｍ×３６０−３１５）＋１８０] ＭＯＤ（９４０，ｍ×３６０−３１５）＞７６０の場合 φ[ＭＯＤ（９４０，ｍ×３６０−３１５）−１８０]〜
φ[ＭＯＤ（９４０，ｍ×３６０−３１５）−５８０] で推定することができる。

【００３７】上記オンオフセンサ３３に代えて、光学的
位置検出デバイスＰＳＤを用いてもよい。つまり、ミラ
ー１の回転で光ビームが光学的位置検出デバイスＰＳＤ
を通るタイミングで電磁石６をオンオフするようにして
もよい。この場合、光ビームが光学的位置検出デバイス
ＰＳＤを通る時の上下スキャン角度を特定することがで
きるために、図２１に示すように、推定位置と実位置と
が違っていないかどうかを検定することができることに
なり、揺動運動にエラーが生じていた場合、これを検出
することができることになる。

【００３８】上記オンオフセンサ３３（図２２中での回
転センサ：光学的位置検出デバイスＰＳＤであってもよ
い）の出力からミラー１の回転速度を検出するととも
に、モータ４に所定電流を流した時の回転速度を記憶す
る記憶手段を設けておき、この記憶した回転速度を基準
に電磁石のオンオフ制御を行うようにしてもよい。つま
り、前述のようにまず電磁石６に通電した状態でモータ
４を始動させ、次いで図２２に示すように、オンオフセ
ンサ（回転センサ）３３の出力からモータ４の回転速度
が安定したかどうかを判定し、安定したならば、その回
転時間ｔｎを記憶して、この回転時間ｔｎを基にミラー
１が１°回転する時間を求め、この時間を単位時間samp
letimeとして電磁石６のオンオフタイミング制御や光ビ
ームの投射方向と距離データとの整合を行うのである。

【００３９】単位時間の導出のために測定した回転速度
をそのまま利用するのではなく、指定した補正係数ａｄ
ｊを用いて補正した回転速度を用いるようにしてもよ
い。測定した一回転当たりの回転時間をＴとすると、図
２３に示すように、単位時間sampletimeを sampletime＝Ｔ／ａｄｊ／３６０で求める。この場合の補正係数ａｄｊは、電磁石６のオ
ンオフ制御を行わない状態での回転速度と、オンオフ制
御を行う時の回転速度とから実験的に求めて定めてお
く。

【００４０】光レーダ装置用であってミラー１を通じて
投射された光ビームＬの対象物による反射光をミラー１
で受光素子８３に導くものにおいては、受光素子８３の
出力を用いてミラー１の回転位置を検出するようにして
もよい。図２４に示すように、対象物の検知方向以外の
部分の外周を半円筒状のハウジング１５で覆っている場
合、このハウジング１５の内周面にマーク用の反射部と
して段差（図示例では突部）１６を設けて、受光素子８
３の出力から得られる距離出力が、図２５に示すものと
なるようにしている。図中イの区間がハウジング１５内
面にミラー１が対向している区間、ロがハウジング１５
内面における段差１６にミラー１が対向している区間で
ある。従って、距離変化から段差１６に対向している区
間ロを検出することによって、ミラー１の回転位置を検
出してミラー１の回転駆動用のモータ４の回転を制御す
ることができる。

【００４１】この場合、距離出力r_nが所定値R_out_max
以下かどうかで区間イにあるかどうかを判断し、さらに
図２６及び図２７に示すように、微少時間毎に得られる
距離出力r_nとその直前の距離出力r_n-1との差を取っ
て、その値が予め定めた閾値DR_stepより大きくなった
かどうかで区間ロに達したかどうかを判断すると、つま
りは距離出力r_nの微分値から区間ロに達したかどうか
を判断すると、ミラー１の回転位置検出を簡便に行うこ
とができる。

【００４２】また、ミラー１は揺動していることから、
ハウジング１５内面に対向している区間イにおいても距
離出力は変化しているわけであるが、今、ミラー１の中
心から段差１６までの距離をＭ，検出された段差１６ま
での距離をｚとすると、そのその時の光ビームの上下ス
キャン角度（ミラー１の揺動角度）θは θ＝ｃｏｓ^-1（Ｍ−ｚ）で与えられる。従って、２つの段差１６，１６までの距
離出力が図２８(a)に示すように夫々ｚ１，ｚ２である
と、各段差１６，１６に光ビームが当たる時の各上下ス
キャン角度θ１，θ２（図２８(b)参照）を θ１＝ｃｏｓ^-1（Ｍ−ｚ１） θ２＝ｃｏｓ^-1（Ｍ−ｚ２）で求めることができる。従って、これらの値を基に図１
５に示した場合と同様の制御を行うこともできる。

【００４３】なお、ハウジング１５の内面に設けた段差
１６を利用したが、段差１６にはヨーク６１を利用して
もよい。

【００４４】図２９は上述のような光ビームスキャン機
構を主体とする光レーダー装置Ｒを自律移動型の自走ロ
ボット９に装備させて、障害物検出を担わせたものを示
しており、図中９０は制御装置、９１はバッテリー、９
２は駆動輪、９３は補助輪（キャスター）、９４はタッ
チパネルである。

【００４５】ミラー１の揺動を前述のように行わせてい
る場合、障害物Ｓの上下検出間隔が粗くなってしまい、
図３０(a)に示すように、本来ならば検出できる範囲内
にある障害物Ｓを検知できない場合があるが、自律移動
型の自走ロボット９の移動に伴って図３０(b)に示すよ
うに前回のスキャンでは隙間部分であったところをスキ
ャンして障害物Ｓを検出することになるために、上下ス
キャン間隔が粗いことが問題となることはない。

【００４６】被駆動部２やバランサー７を強磁性体で構
成した例をあげたが、これらは永久磁石で構成してもよ
く、この場合、磁気反発力も利用することができるため
にミラー１の揺動角度変化、つまりはスキャン範囲をさ
らに大きくすることができる。

【００４７】また、バランサー７は、ミラー１に対して
所要の角度で固定されたものであってもよい。この場
合、強磁性体または永久磁石でバランサー７を構成すれ
ば、バランサー７を被駆動部２として利用することがで
きるために、ミラー１の背後に被駆動部２を設けなくて
も済む。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明においては、姿勢変
化が可能な少なくとも一つの光ビームスキャン用のミラ
ーと、該ミラーの姿勢を変化させる駆動手段と、該駆動
手段を制御してミラーを所定の姿勢に制御する制御手段
とを備えた光ビームスキャン機構において、上記ミラー
は強磁性体もしくは永久磁石からなる被駆動部を備えて
入射ビームの光軸と直交する回転軸の回りに揺動可能に
軸支されており、駆動手段は上記回転軸をその軸方向と
直交する軸回りに回転させるモータと、対の磁極を備え
てミラーの背面に位置する被駆動部に磁力を及ぼしてミ
ラーに上記回転軸の軸回りの回転力を与える電磁部材と
からなるものとしているために、つまりはモータによる
回転と、電磁部材による磁気力とによってミラーの２軸
回りの姿勢制御を行うようにしたものであるために、２
次元走査範囲を広くとることができるものであり、しか
もギアやカムなどの機構部品を使用して揺動させる場合
に比して小型軽量且つ安価なものとなっている。

【００４９】そして、光ビームのミラーへ向けての投射
とミラーを介して投射した光ビームの対象物からの反射
光をミラーを介して受ける投受光部と、光ビームの投光
から反射光の受光までの時間から対象物までの距離を演
算する演算手段と、ミラーの姿勢を検出する検出手段
と、検出手段から得られたミラーの姿勢情報と演算手段
から得られた距離情報とから対象物の相対位置を求める
位置演算手段とを備えたものとすることで、光レーダー
装置を構成することができる。

【００５０】上記電磁部材はその発生磁力が可変のもの
を用いるほか、被駆動部に及ぼす磁力が異なるものを複
数備えたものとしてもよい。構造が簡単ですむ上に、重
心位置をずらさなくてもよいので回転ぶれを防ぐことが
できる。

【００５１】また、電磁部材はモータによる回転軸の回
転に際してそのオンオフで回転軸回りのミラーの揺動位
相を変化させるものであってもよい。電磁部材で揺動角
度を強制的に変化させる場合に比して、制御が簡単であ
る上に消費電力を低減させることができる。この時、ミ
ラーの揺動角が最大の時にミラーの被駆動部に磁力を及
ぼして揺動位相を変化させるものとするのが消費電力を
より低減させることができる点並びに制御がより簡単に
なる点で好ましい。

【００５２】ミラーに対して所要の角度をなしてミラー
と一体に回転するバランサーを設けたならば、回転振れ
を招くことなくミラーに所要の揺動角度を与えることが
でき、回転振れ対策に要するコストを削減することがで
きる。

【００５３】この時、バランサーを強磁性体もしくは永
久磁石で形成して被駆動部としておくと、バランサーの
追加による重量増や部品増を抑えることができる。

【００５４】そして制御手段は、電磁部材を作動させて
ミラーを所定の揺動角度にセットした後にモータによる
回転軸及びミラーの回転を行わせるものが好ましい。遠
心力に抗して被駆動部を吸引しなくてもすむために、消
費電力を抑えることができると同時に電磁部材が小出力
のものですむために小型化も図ることができる。

【００５５】また、ミラーの回転及び揺動による光ビー
ムの投射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところ
に光ビームの入射位置を検出することができる光学的位
置検出デバイスを配置し、制御手段は光学的位置検出デ
バイスの出力に基づいて光ビームの投射位置を推定して
駆動手段を制御するものとすれば、ミラーの揺動角度を
直接検出する必要がなく、これに伴ってスリップリング
等を設ける必要もなくなる。

【００５６】モータによるミラーの回転位置を検出する
オンオフセンサを備えるとともに、制御手段はオンオフ
センサの出力に基づいて光ビームの投射位置を推定して
駆動手段を制御するものとしてもよく、この場合、光ビ
ームの投射位置の推定をより簡便に行うことができる。
また、オンオフセンサとして、光ビームの入光タイミン
グの検出機能を備えた光学的位置検出デバイスを用いた
ならば、推定位置と実位置とのずれを検証することがで
きるものとなる。

【００５７】このほか、モータによるミラーの回転速度
を検出する検出手段を備えて、制御手段は検出手段で検
出された回転速度を基に駆動手段を制御するものであっ
てもよく、この場合も光ビームの投射位置の推定をより
簡便に行うことができる。この時、制御手段は、検出手
段で検出された回転速度と、駆動手段における電磁部材
のオンオフについての補正用であって予め設定されてい
る補正係数とに基づいて駆動手段を制御するものである
と、電磁部材が回転に及ぼす影響を除くことができて、
より高精度な制御が可能となる。

【００５８】ミラーの回転及び揺動による光ビームの投
射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところに光ビ
ームを反射させる反射部を設け、制御手段はミラーを介
して投射した光ビームの対象物からの反射光をミラーを
介して受ける受光部の出力に基づいて光ビームの投射位
置を推定して駆動手段を制御するものであってもよい。
この場合、ミラーを介して投受光を行う機器の受光部の
出力を利用するために、上記オンオフセンサなどを別途
設けなくても、ミラーの駆動制御を行うことができる。

【００５９】特に、制御手段が受光部の出力から得られ
る距離出力の微分値から距離出力の変化を検出して反射
部を検知するものであると、反射部との対向位置にミラ
ーがあるかどうかを簡便に検知することができる。

【００６０】また、反射部での距離出力を基にミラーの
揺動角度も検知するものであれば、ミラーの制御を簡便
に且つ高精度に行うことが出来る。

【００６１】そして、このような光ビームスキャン機構
は、自律走行型移動ロボットの障害物検出用に好適に用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)
は断面図、(b)は正面図、(c)は平面図である。

【図２】(a)(b)は同上のミラーの揺動角度変化を示す断
面図である。

【図３】(a)(b)(c)は同上のミラーの回転を示す平面図
である。

【図４】同上の光レーダー装置を構成する場合のブロッ
ク図である。

【図５】他例の断面図である。

【図６】(a)(b)(c)は同上の動作を示す断面図である。

【図７】(a)(b)は同上の位相制御無しの場合の動作を示
す説明図である。

【図８】同上の位相制御についての動作を示す説明図で
ある。

【図９】同上の位相制御有りの場合の動作を示す説明図
である。

【図１０】同上の位相制御に関するフローチャートであ
る。

【図１１】別の例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は側
面図である。

【図１２】同上の側面図である。

【図１３】同上のモータの回転始動時の動作を示すフロ
ーチャートである。

【図１４】他の例を示す斜視図である。

【図１５】(a)(b)は同上の位置推定動作についての説明
図である。

【図１６】同上の平面図である。

【図１７】同上の位置推定動作についての説明図であ
る。

【図１８】同上の位置推定動作についての説明図であ
る。

【図１９】別の例を示しており、(a)は斜視図、(b)は平
面図である。

【図２０】同上の位置推定動作についての説明図であ
る。

【図２１】同上の他例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図２２】同上の別の例の動作を示すフローチャートで
ある。

【図２３】同上の更に別の例の動作を示すフローチャー
トである。

【図２４】他の実施の形態の一例を示すもので、(a)は
斜視図、(b)は平面図である。

【図２５】同上の受光部（受光素子）による距離出力の
一例の説明図である。

【図２６】同上の距離出力の微分値の一例の説明図であ
る。

【図２７】同上の要部のフローチャートである。

【図２８】同上の他例を示すもので、(a)は距離出力の
説明図、(b)は上下スキャン角度の説明図である。

【図２９】(a)(b)は自律移動型自走ロボットの側面図と
平面図である。

【図３０】(a)(b)は障害物検知動作を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１ミラー２被駆動部３回転軸４モータ６電磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H045 AB06 AB08 AB16 AB34 AB44 AB54 BA12 CA82 DA02 5J084 AA04 AA05 AA10 AB16 AC07 AD01 BA47 BA50 BB28 DA01 DA02 DA03 DA04 EA04 EA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】姿勢変化が可能な少なくとも一つの光ビ
ームスキャン用のミラーと、該ミラーの姿勢を変化させ
る駆動手段と、該駆動手段を制御してミラーを所定の姿
勢に制御する制御手段とを備えた光ビームスキャン機構
であって、上記ミラーは強磁性体もしくは永久磁石から
なる被駆動部を備えて入射ビームの光軸と直交する回転
軸の回りに揺動可能に軸支されており、駆動手段は上記
回転軸をその軸方向と直交する軸回りに回転させるモー
タと、対の磁極を備えてミラーの被駆動部に磁力を及ぼ
してミラーに上記回転軸の軸回りの回転力を与える電磁
部材とからなることを特徴とする光ビームスキャン機
構。
【請求項２】光ビームのミラーへ向けての投射とミラ
ーを介して投射した光ビームの対象物からの反射光をミ
ラーを介して受ける投受光部と、光ビームの投光から反
射光の受光までの時間から対象物までの距離を演算する
演算手段と、ミラーの姿勢を検出する検出手段と、検出
手段から得られたミラーの姿勢情報と演算手段から得ら
れた距離情報とから対象物の相対位置を求める位置演算
手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載の光
ビームスキャン機構。
【請求項３】電磁部材はその発生磁力が可変のもので
あることを特徴とする請求項１または２記載の光ビーム
スキャン機構。
【請求項４】電磁部材は被駆動部に及ぼす磁力が異な
るものを複数備えていることを特徴とする請求項１また
は２記載の光ビームスキャン機構。
【請求項５】電磁部材はモータによる回転軸の回転に
際してそのオンオフで回転軸回りのミラーの揺動位相を
変化させるものであることを特徴とする請求項１または
２記載の光ビームスキャン機構。
【請求項６】電磁部材はその揺動角が最大の時にミラ
ーの被駆動部に磁力を及ぼして揺動位相を変化させるも
のであることを特徴とする請求項５記載の光ビームスキ
ャン機構。
【請求項７】ミラーに対して所要の角度をなしてミラ
ーと一体に回転するバランサーを設けていることを特徴
とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の光ビームス
キャン機構。
【請求項８】バランサーを強磁性体もしくは永久磁石
で形成して被駆動部としていることを特徴とする請求項
７記載の光ビームスキャン機構。
【請求項９】制御手段は、電磁部材を作動させてミラ
ーを所定の揺動角度にセットした後にモータによる回転
軸及びミラーの回転を行わせるものであることを特徴と
する請求項５〜８のいずれかの項に記載の光ビームスキ
ャン機構。
【請求項１０】ミラーの回転及び揺動による光ビーム
の投射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところに
光ビームの入射位置を検出することができる光学的位置
検出デバイスを配置し、制御手段は光学的位置検出デバ
イスの出力に基づいて光ビームの投射位置を推定して駆
動手段を制御するものであることを特徴とする請求項１
〜９のいずれかの項に記載の光ビームスキャン機構。
【請求項１１】モータによるミラーの回転位置を検出
するオンオフセンサを備えるとともに、制御手段はオン
オフセンサの出力に基づいて光ビームの投射位置を推定
して駆動手段を制御するものであることを特徴とする請
求項１〜９のいずれかの項に記載の光ビームスキャン機
構。
【請求項１２】オンオフセンサとして、光ビームの入
光タイミングの検出機能を備えた光学的位置検出デバイ
スを用いていることを特徴とする請求項１１記載の光ビ
ームスキャン機構。
【請求項１３】モータによるミラーの回転速度を検出
する検出手段を備えており、制御手段は検出手段で検出
された回転速度を基に駆動手段を制御するものであるこ
とを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の光
ビームスキャン機構。
【請求項１４】制御手段は、検出手段で検出された回
転速度と、駆動手段における電磁部材のオンオフについ
ての補正用であって予め設定されている補正係数とに基
づいて駆動手段を制御するものであることを特徴とする
請求項１３記載の光ビームスキャン機構。
【請求項１５】ミラーの回転及び揺動による光ビーム
の投射範囲内であり且つ対象物の検出範囲外のところに
光ビームを反射させる反射部を設けるとともに、制御手
段はミラーを介して投射した光ビームの対象物からの反
射光をミラーを介して受ける受光部の出力に基づいて光
ビームの投射位置を推定して駆動手段を制御するもので
あることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記
載の光ビームスキャン機構。
【請求項１６】制御手段は、受光部の出力から得られ
る距離出力の微分値から距離出力の変化を検出して反射
部を検知するものであることを特徴とする請求項１５記
載の光ビームスキャン機構。
【請求項１７】制御手段は反射部での距離出力を基に
ミラーの揺動角度も検知するものであることを特徴とす
る請求項１５または１６記載の光ビームスキャン機構。
【請求項１８】自律走行型移動ロボットの障害物検出
用であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかの
項に記載の光ビームスキャン機構。