JP2008249412A - 物体検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ安全な物体検知装置を提供する。
【解決手段】物体検知装置１は、光を被検知領域に照射する発光素子２と、被検知領域にある被検知物Ｗから反射された反射光を受光する受光素子３と、受光素子３を回転させる回転駆動手段４と、受光素３子により受光された反射光の強度を検知する検知手段５とを備える。回転駆動手段４は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する空洞部を有する支持体と、圧電ユニモルフ振動板に弾性体を介して接続され、圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により空洞部内で回転振動する基板とで構成される。基板上に受光素子３が配置され、該基板の回転角度に対する反射光の強度分布から被検知物Ｗの位置を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の存在を検知する物体検知装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成された光偏向器が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

この光偏向器は、２対の圧電ユニモルフ振動板と、各圧電ユニモルフ振動板の一端を支持する空洞部を有する支持体と、各圧電ユニモルフ振動板に弾性体を介して接続され、前記圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により前記空洞部内で回転振動するミラーとで構成され、これらの構成要素を一体形成することで、小型かつ薄型に形成されている。そして、各圧電ユニモルフ振動板に対して１８０°位相の異なる２つの交流電圧を印加して駆動することにより、前記ミラーに回転トルクを与え、これと弾性体との接続部を支軸とする所定角度の回転運動に変換することにより、前記ミラーに入射する光を偏向することができる。

この光偏向器を利用して、自動車や障害物等の物体（被検知物）の存在を検知する物体検知装置を小型に形成することが考えられる。その場合、被検知領域に光を照射し、被検知領域に存在する物体で反射された光を前記ミラーで偏向することになるので、偏向された光を適宜の受光手段で受けるようにすれば、物体の存在とその方向を検知することができる。ここで、物体からの反射光を受けるミラーの面は微小であるから、その面に当たる光は充分に収束したスポット光であることが要求される。そのため、微小なスポット光を発生し得る光源としてレーザ源を使用することが考えられる。
特開２００５−１２８１４７号

しかし、レーザ源とこれを駆動するための装置は構造が複雑で高価であり、また、レーザ光はその高い指向性や収束性により、人の目に入ると網膜を傷つけるおそれもある。

これに対し、構造が簡単で安価であり、網膜を損傷するおそれが低い光源としては、例えば発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が知られているが、これで発生する光は、上記のような光偏向器のミラー面にのみ当てられる程の収束性を有しない。そこで、ＬＥＤを光源として使用する場合には、ＬＥＤの発光面側と上記ミラーの受光面側に光収束のための光学手段（具体的には収束レンズ）を設けることが必要になる。そのため、上記のようなＭＥＭＳ技術で超小型に形成された光偏向器を使用しても、検知装置としては小型化が困難である。

本発明は、以上の問題点を解決するものとして、超小型に形成することと、安価で安全な光源を使用するという、従来の技術では両立し得なかった２つの要請を満足する物体検知装置を提供することを目的とする。

本発明の物体検知装置は、光を被検知領域に照射する発光素子と、前記被検知領域にある被検知物から反射された反射光を受光する受光素子と、前記受光素子を回転させる回転駆動手段と、前記受光素子により受光された反射光の強度を検知する検知手段とを備え、前記回転駆動手段は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、前記圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する空洞部を有する支持体と、前記圧電ユニモルフ振動板に弾性体を介して接続され、前記圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により前記空洞部内で回転振動する基板とで構成され、前記基板上に前記受光素子が配置され、該基板の回転角度に対する前記反射光の強度分布から前記被検知物の位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、前記発光素子から被検知領域に照射された光は、前記被検知物により反射する。この反射光は、前記圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により回転振動する前記基板に配置された前記受光素子により受光され、前記検知手段により強度が検知される。前記受光素子により受光される前記反射光の強度が最大となるのは、該受光素子が前記被検知物に対向しているときであるので、前記基板の回転角度に対する前記反射光の強度分布から、被検知領域で被検知物が存在する方向が求められる。

本発明では、前記回転駆動手段が、圧電ユニモルフ振動板と支持体と基板とで構成され小型であるので、全体として装置を小型化することができる。また、前記発光素子から照射される光のスポットが大きい場合でも、前記受光素子が前記被検知物から反射された反射光を直接受光し、前記検知手段が該反射光の強度を検知するように構成されているので、前記発光素子及び前記被検知領域の間又は前記被検知領域及び前記受光素子の間に大きなレンズを設ける必要がなく、装置を小型化することができる。また、前記発光素子として指向性や収束性に優れていない光を照射する光源を利用することができるので、レーザ源を使用する場合と比較して安全である。したがって、本発明によれば、小型かつ安全な物体検知装置を実現することができる。

また、本発明において、前記受光素子を配置した前記回転駆動手段を同一平面上に複数備えたことが望ましい。各前記受光素子が配置された前記基板の回転角度に対する前記反射光の強度分布から各該受光素子に対する前記被検知物が存在する方向が求められ、この得られた方向と、各該受光素子間の距離とから、前記平面から該被検知物までの距離が求められ、結果として前記被検知物の位置が検知される。また、複数の前記受光素子により前記被検知物の位置を検知するので、検知精度を高めることができる。

また、本発明において、前記発光素子は発光ダイオードであることが好ましい。発光ダイオードは、安全で安価である上に駆動回路が簡単である。

また、本発明において、前記受光素子は受光面に集光レンズを備えることが好ましい。前記被検知領域から反射された反射光が前記集光レンズで集光されることにより、前記受光素子で受光される反射光の強度が強まるので、検知精度を高めることができる。また、前記集光レンズはフレネルレンズであることが好ましい。前記フレネルレンズは薄型であるので、装置の小型化を妨げない。

さらに、本発明において、前記受光素子が開口部を有する遮光板を備えることが好ましい。前記遮光板により前記受光素子におけるノイズを低減させることができる。

次に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態の物体検知装置と被検知物とを示す説明的斜視図である。図２は図１の物体検知装置の回転駆動手段を示す図であり、図２（ａ）は説明的斜視図であり、図２（ｂ）は図２のＡ−Ａ切断線における断面図である。図３は図１の物体検知装置による作動及び検知方法を示す図であり、図３（ａ）は検知原理を示す説明図であり、図３（ｂ）は基板の回転角度に対する受光素子により受光された反射光の強度分布を示す図である。図４は図１の物体検知装置の受光素子のバリエーションを示す図であり、図４（ａ）はフレネルレンズを備えた受光素子の図であり、図４（ｂ）は遮蔽板を備えた受光素子の図である。図５は回転駆動手段を２つ設けた物体検知装置による検知方法を示す図であり、図５（ａ）は検知原理を示す説明図であり、図５（ｂ）は基板の回転角度に対する受光素子により受光された反射光の強度分布を示す図である。図６は図１の物体検知装置の回転駆動手段のバリエーションを示す説明的斜視図である。

図１の物体検知装置１は、光を被検知領域に照射する発光ダイオードからなる発光素子２と、被検知領域にある被検知物Ｗから反射された反射光を受光する受光素子３と、受光素子３を回転させる回転駆動手段４と、受光素子３により受光された反射光の強度を検知する検知回路５とを備える。

図２に示すように、回転駆動手段４は、互いに対向するように配置された一対二組の圧電ユニモルフ振動板４１ａ〜４１ｄと、各圧電ユニモルフ振動板４１の一端を固定して支持する空洞部４２ａを有する支持体４２と、各圧電ユニモルフ振動板４１に弾性体４３を介して接続され、各圧電ユニモルフ振動板４１の圧電駆動により空洞部４２ａ内で回転振動する基板４４とで構成され、これらの構成要素を一体形成することで、小型かつ薄型に形成されている。また、基板４４上には受光素子３が配置されている。

圧電ユニモルフ振動板４１上には、下部電極４５と、圧電膜４６と、上部電極４７とがこの順に積層されることにより圧電アクチュエータ４８が構成されている。下部電極４５と上部電極４７との間に所定の交流電圧が印加されることにより圧電アクチュエータ４８が変位し、圧電ユニモルフ振動板４１の端部を図２の上下方向に振動させることにより弾性体４３を介して基板４４を振動させる。そして、一対二組の圧電ユニモルフ振動板４１ａ，４１ｂと４１ｃ，４１ｄとに位相が互いに１８０°異なる二つの交流電圧を印加することにより、基板４４は回転軸Ｒ−Ｒを中心に回転振動することとなる。

次に、実施形態の物体検知装置１の作動及び検知方法について説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、基板４４がＸ−Ｙ平面上に存在し且つ基板４４の回転軸Ｒ−ＲがＸ軸となるように物体検知装置１を設置する。次に、発光素子２から被検知領域に光を照射すると、照射された光は被検知領域にある被検知物Ｗにより反射される。次に、各圧電ユニモルフ振動板４１の圧電駆動により、基板４４はＸ軸を中心に回転角度θで回転振動し、基板４４上に配置された受光素子３が被検知物Ｗからの反射光を受光する。このとき、受光素子３により受光された反射光の強度は検知回路５により検知され、例えば図３（ｂ）の実線で示される基板４４の回転角度θに対する反射光の強度分布１０１が得られる。

ここで、図３（ａ）からわかるように、受光素子３により受光された反射光の強度は最大となるのは、受光素子３が被検知物Ｗに対向するときであり、これは、基板４４の法線方向が受光素子３に対する被検知物Ｗが存在する方向αに一致するときである。一方、図３（ｂ）の強度分布１０１において受光素子３により受光された反射光の強度が最大であるのはθ＝−１５°のときである。したがって、被検知物Ｗは受光素子３に対してα＝−１５°の方向に存在することが求められ、結果として被検知物Ｗの位置が検知される。

本実施形態の物体検知装置１は、回転駆動手段４が上記構成要素を一体形成することにより小型かつ薄型に形成されているので、全体として小型化することができる。また、発光ダイオードのように発光素子２から照射される光のスポットが大きい場合でも、受光素子３が被検知物Ｗから反射された反射光を直接受光し、検知手段５が該反射光の強度を検知するように構成されているので、発光素子２及び被検知領域の間又は被検知領域及び受光素子３の間に大きなレンズを設ける必要がなく、全体として小型化することができる。また、発光素子２として指向性や収束性に優れていない光を照射する光源を利用することができるので、レーザ源を使用する場合と比較して安全である。したがって、本実施形態の物体検知装置１は、小型かつ安全である。

本実施形態では、発光素子２として発光ダイオードを用いているので、安全で安価である上に駆動回路が簡単となっている。また、発光素子２として指向性や収束性に優れていない光を照射する他の光源を用いるようにしてもよい。

ところで、発光素子２から照射される光の強度や被検知物Ｗまでの距離等によっては、受光素子３で受光される反射光の強度が十分でないことがある。この場合には、図４（ａ）のように、受光素子３の受光面にフレネルレンズ５１を設けるようにしてもよい。被検知物Ｗから反射された反射光がフレネルレンズ５１で集光されることにより、図３（ｂ）の破線で示される強度分布１０２のように受光素子３で受光される反射光の強度が強まるので、検知精度を高めることができる。また、フレネルレンズ５１は薄型であるので、物体検知装置１の小型化を妨げない。

また、被検知領域の付近に発光素子２以外の光源が存在するために、受光素子３がこの光源から照射される光を受光することによりノイズが発生することがある。この場合には、図４（ｂ）のように、受光素子３に開口部５２ａを有する遮光板５２を備えることが好ましい。遮光板５２により発光素子２以外の光源から照射される光を遮光し、受光素子３におけるノイズを低減させることができる。

さらに、物体検知装置１は、受光素子３を配置した回転駆動手段４を同一平面上に複数備えるようにすることも可能であり、この場合の検知方法について説明する。

図５（ａ）の物体検知装置１は、受光素子３ａを配置した回転駆動手段４ａと、受光素子３ｂを配置した回転駆動手段４ｂとを備える。物体検知装置１は、受光素子３ａが配置された基板４４ａがＸ−Ｙ平面上に存在し且つ基板４４ａの回転軸Ｒ−ＲがＸ１軸となるように、また、受光素子３ｂが配置された基板４４ｂがＸ−Ｙ平面上に存在し且つ基板４４ｂの回転軸Ｒ−ＲがＸ２軸となるように設置されている。

物体検知装置１において、発光素子２から照射され被検知物Ｗにより反射された光は、受光素子３ａ，３ｂにより受光される。受光素子３ａにより受光された反射光の強度から、例えば図５（ｂ）の破線で示される基板４４ａの回転角度θ₁に対する反射光の強度分布１０３が得られる。受光素子３ａにより受光された反射光の強度が最大であるのがθ₁＝−１５°であることから、被検知物Ｗは受光素子３ａに対してα＝−１５°の方向に存在することが求められる。また、受光素子３ｂにより受光された反射光の強度から、例えば図５（ｂ）の実線で示される基板４４ｂの回転角度θ₂に対する反射光の強度分布１０４が得られる。受光素子３ｂにより受光された反射光の強度が最大であるのがθ₂＝２０°であることから、被検知物Ｗは受光素子３ｂに対してβ＝２０°の方向に存在することが求められる。

さらに、受光素子３ａ，３ｂ間の距離をＬ₁とする。また、受光素子３ａ，３ｂの厚さが基板４４ａ，４４ｂが配置されたＸ−Ｙ平面から被検知物Ｗまでの距離に比べて十分に小さい場合には、受光素子３ａ，３ｂから被検知物Ｗまでの距離はＸ−Ｙ平面から被検知物Ｗまでの距離とみなすことができる。この距離Ｌ₂は、Ｌ₂＝Ｌ₁／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）の式により求められ、結果として被検知物Ｗの位置が検知される。

以上、本発明の実施形態について図１〜５を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術思想の範囲内において種々の変形及び変更が可能である。例えば、図６に示されるような、弾性体４３として片持ち梁を用いた回転駆動手段４を備えたものであってもよい。

図６の回転駆動手段４は、互いに対向するように配置され、互いに対向するように配置された一対二組の圧電ユニモルフ振動板４１ａ〜４１ｄと、各圧電ユニモルフ振動板４１ａ〜４１ｄが搭載された片持ち梁４３ａ〜４３ｄと、互いに対向する各片持ち梁４３ａ，４３ｂの一端を固定して支持する空洞部４２ａを有する支持体と、互いに対向する各片持ち梁４３ａ，４３ｂの他端を固定して支持するとともに、各片持ち梁４３ｃ，４３ｄの一端を固定して支持する可動枠６１と、各片持ち梁４３ｃ，４３ｄの他端に支持された基板４４とを備え、圧電ユニモルフ振動板４１ａ〜４１ｄの圧電駆動により基板４４を可動枠６１内で回転振動させるように構成されている。基板４４上には受光素子３が設置されている。また、各圧電ユニモルフ振動板４１ａに交流電圧を印加するための電極６２が設けられている。

各圧電ユニモルフ振動板４１は、４枚を１セットとしている。基板４４に近い側から奇数番目の圧電ユニモルフ振動板４１と偶数番目の圧電ユニモルフ振動板４１とに、位相が互いに１８０°異なる二つの交流電圧を印加することにより、片持ち梁４３の奇数番目の圧電ユニモルフ振動板４１が搭載されている部分を上方向に屈曲変形させるとともに、片持ち梁４３の偶数番目の圧電ユニモルフ振動板４１が搭載されている部分を下方向に屈曲変形させる。これにより、片持ち梁４３には、上方向の屈曲変形と下方向の屈曲変形とを合算した大きさの角度変位が発生する。

外側の一対の圧電ユニモルフ振動板４３ａ，４３ｂに交流電圧を印加することにより、片持ち梁４３ａ，４３ｂの角度変位により、可動枠６１が回転軸Ｒ１−Ｒ１を中心に回転振動する。さらに、内側の一対の圧電ユニモルフ振動板４３ｃ，４３ｄに交流電圧を印加することにより、片持ち梁４３ｃ，４３ｄの角度変位により、基板４４が回転軸Ｒ２−Ｒ２を中心に回転振動することとなる。

実施形態の物体検知装置と被検知物とを示す説明的斜視図。 図１の物体検知装置の回転駆動手段を示す図。 図１の物体検知装置による作動及び検知方法を示す図。 図１の物体検知装置の受光素子のバリエーションを示す図。 回転駆動手段を２つ設けた物体検知装置による検知方法を示す図。 図１の物体検知装置の回転駆動手段のバリエーションを示す説明的斜視図。

符号の説明

１…物体検知装置、 ２…発光素子、 ３…受光素子、 ４…回転駆動手段、 ４１…圧電ユニモルフ振動板、 ４２…支持体、 ４３…弾性体、 ４４…基板、 ５…検知回路、 Ｗ…被検知物。

Claims (5)

1. 光を被検知領域に照射する発光素子と、
   前記被検知領域にある被検知物から反射された反射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子を回転させる回転駆動手段と、
   前記受光素子により受光された反射光の強度分布を得る検知手段とを備え、
   前記回転駆動手段は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、前記圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する空洞部を有する支持体と、前記圧電ユニモルフ振動板に弾性体を介して接続され、前記圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により前記空洞部内で回転振動する基板とで構成され、前記基板上に前記受光素子を配置し、
   前記検知手段は、前記基板の回転角度に対する前記反射光の強度分布から前記被検知物の存在とその方向を検知することを特徴とする物体検知装置。
2. 前記受光素子を同一平面上に複数備えたことを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
3. 前記発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２記載の物体検知装置。
4. 前記受光素子の受光側に集光レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物体検知装置。
5. 前記受光素子の受光側に開口部を有する遮光板を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の物体検知装置。

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