JP2010014903A - 光走査用アクチュエータ、光走査型センサおよび物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの自由度が高く、かつ良好な駆動効率を実現することができる光走査用アクチュエータ、光走査型センサおよび物体検出装置を提供する。
【解決手段】光を透過、屈折または反射する第１光学素子を保持する第１保持部材と、第１保持部材をベース部材に対して所定の方向へ駆動する第１駆動手段と、ベース部材と第１保持部材とを連結し、第１保持部材をベース部材に対して変位可能に支持する第１支持手段と、第１保持部材よりも第１光学素子が出射する光が進行する側に位置し、第１光学素子が透過、屈折または反射した光を受光し、この受光した光を透過、屈折または反射する第２光学素子を保持する第２保持部材と、第１駆動手段が第１保持部材を駆動する方向と異なる方向へ第２保持部材を駆動する第２駆動手段と、ベース部材と第２保持部材とを連結し、第２保持部材をベース部材に対して変位可能に支持する第２支持手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を走査する光走査用アクチュエータ、光走査型センサおよび物体検出装置に関する。

従来、レーザ光等の光を走査する光走査装置は、レーダ、スキャナ、プリンタ、印字マーカなど、様々な分野で利用されている。このような光走査装置として、走査光を通すレンズを保持するレンズホルダを取付対象に固定された固定ベースに対して上下左右方向に変位可能に片持ち支持することにより、走査光を２次元的に走査する光走査用アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この光走査用アクチュエータは、レンズホルダの上下左右の４箇所に一端部が各々結合された４本の左右方向変位用板バネと、各左右方向変位用板バネの他端部が結合された可動支持部と、可動支持部の上下左右の４箇所を固定ベースと各々連結する４本の上下方向変位用板バネと、レンズホルダを上下左右方向へ２次元的に駆動する駆動手段とを備えている。

特許第３８５３２０４号公報

しかしながら、上述した従来の光走査用アクチュエータでは、可動支持部が左右方向変位用板バネを介してレンズホルダを懸架する構成を有しているため、構成が複雑で部品点数が多く、レイアウトの自由度が少なかった。また、上下方向へは可動支持部のみならずレンズホルダも駆動することになるため、上下方向に対して左右方向よりも大きい駆動力を発生させなければならず、駆動効率が良好であるとは言い難かった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レイアウトの自由度が高く、かつ良好な駆動効率を実現することができる光走査用アクチュエータ、光走査型センサおよび物体検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光走査用アクチュエータは、投光手段によって投光された光を走査する光走査用アクチュエータであって、取り付け対象に固定されるベース部材と、前記投光手段によって投光された光を透過、屈折または反射する第１光学素子と、前記第１光学素子を保持する第１保持部材と、前記第１保持部材を前記ベース部材に対して所定の方向へ駆動する第１駆動手段と、前記ベース部材と前記第１保持部材とを連結し、前記第１保持部材を前記ベース部材に対して変位可能に支持する第１支持手段と、前記第１保持部材よりも前記第１光学素子が出射する光が進行する側に位置し、前記第１光学素子が出射した光を透過、屈折または反射する第２光学素子と、前記第２光学素子を保持する第２保持部材と、前記第１駆動手段が前記第１保持部材を駆動する方向と異なる方向へ前記第２保持部材を駆動する第２駆動手段と、前記ベース部材と前記第２保持部材とを連結し、前記第２保持部材を前記ベース部材に対して変位可能に支持する第２支持手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記第２保持部材によって保持され、前記第２光学素子が出射した光が外部で反射されて戻ってくる反射光を透過、屈折または反射する第３光学素子と、前記第１保持部材によって保持され、前記第３光学素子が出射した反射光を透過、屈折または反射する第４光学素子と、をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記第１保持部材が変位する方向を含む平面と前記第２保持部材が変位する方向を含む平面とは直交することを特徴とする。

また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記第１および第２支持手段の各々は板バネを有することを特徴とする。

また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記第１〜第４光学素子はレンズであることを特徴とする。

また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記第３光学素子の表面積は前記第２光学素子の表面積よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明に係る光走査型センサは、上記いずれかの発明に記載した光走査用アクチュエータと、前記投光手段と、前記投光手段が投光し、前記光走査用アクチュエータが走査した光の外部からの反射光を前記光走査用アクチュエータを介して受光する受光手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る物体検出装置は、上記発明に記載した光走査型センサと、前記第１および第２駆動手段の駆動を制御するとともに制御手段と、前記受光手段が受光した反射光に基づいて物体の検出を行う検出手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、投光手段によって投光された光の進行方向に沿って、光を透過、屈折または反射する二つの光学素子をそれぞれ保持する二つの保持部材を並べて配置し、この二つの保持部材を個別にベース部材に連結し、互いに異なる方向へ駆動する構成としているため、構成が単純であり部品点数が少なくて済み、レイアウトの自由度が高い。また、二つの保持部材の一方に対して構造上の理由から大きな駆動力を発生させる必要がないため、良好な駆動効率を実現することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る光走査型センサの構成を示す斜視図である。図２は、図１の分解斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線部分断面図である。

光走査型センサ１は、光を投光する投光素子２（投光手段）と、投光素子２が投光した光を走査光として外部へ出射する光走査用アクチュエータ３と、光走査用アクチュエータ３が出射した走査光が外部の物体によって反射されて戻ってくる反射光を受光する受光素子４（受光手段）とを備える。投光素子２はレーザダイオードであり、受光素子４はフォトダイオードである。以下の説明においては、投光素子２が投光するレーザ光の光線方向を前方とする。また、上下方向、左右方向については、投光素子２から見た前方を基準として図１および図３に示すように定める。

光走査用アクチュエータ３は、投光素子２が投光したレーザ光を透過または屈折することによって前方へ出射する投光用レンズ５（第１光学素子）、投光用レンズ５を保持するレンズホルダ６（第１保持部材）、投光用レンズ５よりも前方に位置し、投光用レンズ５が出射したレーザ光を透過または屈折することによって外部前方へ出射する投光用レンズ７（第２光学素子）、投光用レンズを保持するレンズホルダ８（第２保持部材）を備える。また、光走査用アクチュエータ３は、レンズホルダ８によって投光用レンズ７と左右に並べて保持され、投光用レンズ７が出射した走査光が外部から反射されて戻ってくる反射光を集光し、この集光した反射光を透過または屈折することによって後方へ出射する集光用レンズ９（第３光学素子）、レンズホルダ６によって投光用レンズ５と左右に並べて保持され、集光用レンズ９が出射した反射光を集光し、この集光した反射光を透過または屈折することによって後方へ出射する集光用レンズ１０（第４光学素子）、を備える。

投光用レンズ７の表面積は、投光用レンズ５の表面積よりも大きい方が好ましい。また、集光用レンズ９の表面積は、集光用レンズ１０の表面積よりも大きい方が好ましい。

レンズホルダ６の上下両端には、前後方向に延在する２枚の板バネ１２の端部が固定部材１１を介してそれぞれ取り付けられている。板バネ１２のもう一方の端部は、固定部材１１を介して、光走査型センサ１の取り付け対象に固定されるベース部材１３に取り付けられている。固定部材１１は、左右方向に並んだ２枚の板バネ１２をレンズホルダ６またはベース部材１３へ一括して固定している。板バネ１２は、たわんでいない状態（図１に示す状態）で主面が上下方向を向いているため、ベース部材１３に対して上下方向にたわむことができる。したがって、レンズホルダ６は、４枚の板バネ１２により、ベース部材１３に対して上下方向に変位可能に支持されている。このような４枚の板バネ１２は、第１支持手段を構成している。

レンズホルダ８の左右両端には、前後方向に延在する板バネ１５の端部が固定部材１４を介してそれぞれ取り付けられている。板バネ１５のもう一方の端部は固定部材１４を介してベース部材１３に取り付けられている。板バネ１５は、たわんでいない状態（図１に示す状態）で主面が左右方向を向いているため、ベース部材１３に対して左右方向にたわむことができる。したがって、レンズホルダ８は、２枚の板バネ１５により、ベース部材１３に対して左右方向に変位可能に支持されている。このような２枚の板バネ１５は、第２支持手段を構成している。

板バネ１２、１５は、ベリリウム銅、リン青銅またはステンレスなどの薄板バネ材からなり、プレス加工による打ち抜き成形やエッチング成形によって形成される。なお、板バネ１２、１５の表面に粘弾性を有するポリマーシート等の素材を貼付してもよい。これにより、ベース部材１３に対して適切にダンピングさせることができる。

レンズホルダ６は、左右方向の中央付近に、前後方向に貫通する中空部６１を有する。中空部６１の上下方向中間部には、中空部６１を横断して左右方向に延在し、背面側にコイル１６が取り付けられるコイル取付部６２が設けられている。コイル１６の開口面は、上下方向および左右方向と平行である。コイル１６の周囲には、鉄等の軟磁性材からなるヨーク１７が取り付けられている。ヨーク１７は前方を開口とするＵ字状の断面を有するメインヨーク１７ａと、メインヨーク１７ａの開口部分に嵌め合わされる平板状のバックヨーク１７ｂとからなり、閉じた形状をなしている。メインヨーク１７ａの内周面においてコイル１６と対向する位置には、板状の磁石１８が取り付けられている。磁石１８の磁極は、コイル１６に電流を流す時にその電流を介してレンズホルダ６に上下方向の力が働くように配列されている。メインヨーク１７ａは、その後方に位置するベース部材１３に固着されている。ヨーク１７および磁石１８は閉じた磁気回路を形成しており、コイル１６とともにレンズホルダ６をベース部材１３に対して所定の方向へ駆動する第１駆動手段を構成する。

レンズホルダ６の中空部６１は、メインヨーク１７ａの端部を挿通するために形成されている。このため、組み付けを行う際には、中空部６１にメインヨーク１７ａの端部を挿通した後、バックヨーク１７ｂをメインヨーク１７ａと嵌め合わせる。これにより、レンズホルダ６のコイル取付部６２がヨーク１７を貫通した状態となる。

ヨーク１７はベース部材１３に対して固定される一方、レンズホルダ６は板バネ１２を介してベース部材１３に対して上下方向に変位する。このため、中空部６１の上下方向の幅は、板バネ１２が変位してもレンズホルダ６とヨーク１７とが接触しない大きさに設定される。

レンズホルダ８の左右方向の中央付近の背面には、上下方向および左右方向と平行な開口面を有するコイル１９が設けられている。コイル１９の周囲には、ヨーク１７と同様の材料を用いて形成されるヨーク２０が設けられている。ヨーク２０は、前方を開口とするＵ字状の断面を有するメインヨーク２０ａと、メインヨーク２０ａの開口部分に嵌め合わされる平板状のバックヨーク２０ｂとからなり、閉じた形状をなしている。ヨーク２０の中空部には、レンズホルダ８が貫通している。メインヨーク２０ａの内周面においてコイル１９と対向する位置には、板状の磁石２１が取り付けられている。磁石２１の磁極は、コイル１９に電流を流す時にその電流を介してレンズホルダ８に左右方向の力が働くように配列されている。ヨーク２０および磁石２１は閉じた磁気回路を形成しており、コイル１９とともにレンズホルダ８をベース部材１３に対して駆動する第２駆動手段を構成する。第２駆動手段がレンズホルダ８を駆動する方向は、第１駆動手段がレンズホルダ６を駆動する方向と異なっている。

ヨーク１７のバックヨーク１７ｂの背面とヨーク２０のメインヨーク２０ａの前面との間には、板状をなしてヨーク１７とヨーク２０とを固着して連結する連結部材２２が設けられている。

ベース部材１３は、固定部材１１を介して板バネ１２の端部が取り付けられるとともに、ヨーク１７のメインヨーク１７ａが取り付けられる胴部１３１、胴部１３１から左方向に延在する左アーム１３２、胴部１３１から右方向に延在する右アーム１３３、レンズホルダ８の左端に取り付けられた板バネ１５の端部が固定部材１４を介して取り付けられるとともに、左アーム１３２の左端が連結された軸部１３４、レンズホルダ８の右端に取り付けられた板バネ１５の端部が固定部材１４を介して取り付けられるとともに、右アーム１３３の右端が連結された軸部１３５を有する。左アーム１３２は、前後方向に貫通し、投光素子２が投光したレーザ光を前方へ通す開口部１３２ａを有する。また、右アーム１３３は、前後方向に貫通し、集光用レンズ１０が出射した反射光を後方へ通す開口部１３３ａを有する。胴部１３１および軸部１３４、１３５は、取り付け対象に対して固定されている。

レンズホルダ６、８、ベース部材１３、連結部材２２は、例えば衝撃強度に優れたポリカーボネートなどの合成樹脂を用いて形成される。なお、レンズホルダ６、８を形成する際には、板バネ、コイル、レンズをインサート成形してもよい。このようなインサート成形を行うことにより、光走査用アクチュエータ３の組み付けを容易にかつ高精度で行うことが可能となる。

図４は、以上の構成を有する光走査型センサ１を含み、所定の範囲内における物体を検出する物体検出装置の機能構成を模式的に示す図である。同図に示す物体検出装置１００は、光走査型センサ１に加えて、投光素子２を発振させる発振回路３１と、受光素子４が受光した反射光を光電変換して出力する受光回路３２と、受光素子４が受光した反射光に基づく信号を用いて物体を検出する検出部３３（検出手段）と、各種情報が入力される入力部３４と、物体検出結果を含む情報を出力する出力部３５と、物体検出結果や検出条件等の情報を記憶する記憶部３６と、物体検出装置１００の動作を制御する制御回路３７（制御手段）と、を備える。

制御回路３７は、コイル１６、１９の各々と個別に回路を形成しており、コイル１６、１９に対して異なる電流を流す機能を有する。制御回路３７が所定の検出条件に基づく電流をコイル１６、１９に対してそれぞれ流すと、コイル１６、１９は磁石１８、２１がそれぞれ形成する磁界から力を受ける。その結果、レンズホルダ６には上下方向に変位する力が加わる一方、レンズホルダ８には左右方向に変位する力が加わる。

図５は、レンズホルダ６の変位の態様を模式的に示す図であり、図１の矢視Ｂ方向から見た図である。なお、図５では、下向き矢印を介して一つ上に記載された状態におけるレンズホルダ６と板バネ１２の位置を一点鎖線で記載している。図５に示すように、レンズホルダ６は板バネ１２のたわみに応じて上下方向だけでなく前後方向にも若干変位する。このため、レンズホルダ６の変位の途中でレンズホルダ６とベース部材１３との距離は変化するが、４枚の板バネ１２はレンズホルダ６の上下両端に均等に取り付けられているため、レンズホルダ６の前面（および背面）は常に前後方向と直交した状態を保つ。

図６は、レンズホルダ８の変位の態様を模式的に示す図であり、図１の矢視Ｃ方向から見た図である。図６においても、下向き矢印を介して一つ上に記載された状態におけるレンズホルダ８と板バネ１５の位置を一点鎖線で記載している。図６に示すように、レンズホルダ８は板バネ１５のたわみに応じて左右方向だけでなく前後方向にも若干変位する。このため、レンズホルダ６の変位の途中でレンズホルダ６とベース部材１３との距離は変化するが、２枚の板バネ１５はレンズホルダ８の左右両端に取り付けられているため、レンズホルダ８の前面（および背面）は常に前後方向と直交した状態を保つ。

レンズホルダ６とレンズホルダ８が独立に変位すると、投光素子２が投光したレーザ光は２次元領域を走査する。図７は、二つの投光用レンズ５、７を介して出射されるレーザ光の軌跡を図１の矢視Ｂ方向から見た模式図である。また、図８は、図７に示すレーザ光の軌跡を図１の矢視Ｃ方向から見た模式図である。これらの図に示す場合、投光用レンズ５は初期位置（１点鎖線で表示）から上後方に変位する一方、投光用レンズ７は初期位置から右後方に変位している。このため、投光素子２が投光したレーザ光は投光用レンズ５によって上方に屈折された後、投光用レンズ７によって右下方に屈折されている。このように、光走査用アクチュエータ３では、投光用レンズ５、７の位置に応じてレーザ光が外部へ出射される方向を２次元的に変化させることができる。

なお、集光用レンズ９は投光用レンズ７が出射した光の反射光を集光することに鑑み、集光用レンズ９の表面積を投光用レンズ７の表面積より大きくしておけば、反射光を一段と確実に集光することができる。

レンズホルダ６の変位量とレンズホルダ８の変位量は、物体検出装置１００の用途に応じて適当に設定することができる。例えば、物体検出装置１００を自動車等の車両に搭載し、車両の進行方向に存在する障害物を検出する場合には、上下方向よりも左右方向の変位の方が大きくなるように設定するのが好ましい。また、歩道橋などから交差点を通過する車両等を検出するような場合には、前方が交差点の中心部を指向するように斜め下向きに設置し、上下方向と左右方向の変位量がほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、投光素子２によって投光されたレーザ光の進行方向に沿って、レーザ光を透過または屈折する二つの投光用レンズ５、７をそれぞれ保持する二つのレンズホルダ６、８を並べて配置し、この二つのレンズホルダ６、８を個別にベース部材１３に連結し、互いに異なる方向へ駆動する構成としているため、構成が単純で部品点数が少なくて済み、レイアウトの自由度も高い。また、二つのレンズホルダ６、８の一方に対して構造上の理由から大きな駆動力を発生させる必要がないため、良好な駆動効率を実現することができる。この結果、光走査用アクチュエータ、光走査型センサおよび物体検出装置の製造コストを削減することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、レンズホルダ６が集光用レンズ９を保持する一方、レンズホルダ８が集光用レンズ１０を保持しているため、走査光の反射光を精度よく集光することができる。

また、本実施の形態によれば、レンズホルダ６が変位する方向を通過する平面とレンズホルダ８が変位する方向を通過する平面とが直交しているため、２次元方向へ満遍なくレーザ光を走査させることができる。

なお、二つのレンズホルダ６、８がそれぞれ変位する方向は異なっていればよく、各々が変位する方向を通過する平面同士が直交していなくてもよい。

また、第１〜第４光学素子の少なくとも一部はミラーでもよい。例えば、投光用レンズ５の代わりにミラーを設けてもよい。この場合には、投光素子２をミラーの斜め上前方に設ければよい。

また、レンズホルダ６を支持する第１支持手段やレンズホルダ８を支持する第２支持手段を板バネ以外の弾性部材（例えば線バネ）によって実現してもよい。

また、走査光としてレーザ光以外の光を用いることも可能である。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明は、走査型レーザレーダ装置、レーザスキャナ、レーザプリンタ、レーザマーカ、物体監視装置等に有用であり、特に車載用の走査型レーザレーダ装置に適している。

本発明の一実施の形態に係る光走査型センサの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る光走査型センサの構成を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線部分断面図である。 本発明の一実施の形態に係る物体検出装置の機能構成を示す図である。 上下方向に変位するレンズホルダの変位の態様を模式的に示す図である。 左右方向に変位するレンズホルダの変位の態様を模式的に示す図である。 二つの投光用レンズを介して出射されるレーザ光の軌跡を図１の矢視Ｂ方向から見た模式図である。 二つの投光用レンズを介して出射されるレーザ光の軌跡を図１の矢視Ｃ方向から見た模式図である。

符号の説明

１ 光走査型センサ
２ 投光素子
３ 光走査用アクチュエータ
４ 受光素子
５、７ 投光用レンズ
６、８ レンズホルダ
９、１０ 集光用レンズ
１１、１４ 固定部材
１２、１５ 板バネ
１３ ベース部材
１６、１９ コイル
１７、２０ ヨーク
１７ａ、２０ａ メインヨーク
１７ｂ、２０ｂ バックヨーク
１８、２１ 磁石
２２ 連結部材
３１ 発振回路
３２ 受光回路
３３ 検出部
３４ 入力部
３５ 出力部
３６ 記憶部
３７ 制御回路
６１ 中空部
６２ コイル取付部
１００ 物体検出装置
１３１ 胴部
１３２ 左アーム
１３２ａ、１３３ａ 開口部
１３３ 右アーム
１３４、１３５ 軸部

Claims (8)

1. 投光手段によって投光された光を走査する光走査用アクチュエータであって、
   取り付け対象に固定されるベース部材と、
   前記投光手段によって投光された光を透過、屈折または反射する第１光学素子と、
   前記第１光学素子を保持する第１保持部材と、
   前記第１保持部材を前記ベース部材に対して所定の方向へ駆動する第１駆動手段と、
   前記ベース部材と前記第１保持部材とを連結し、前記第１保持部材を前記ベース部材に対して変位可能に支持する第１支持手段と、
   前記第１保持部材よりも前記第１光学素子が出射する光が進行する側に位置し、前記第１光学素子が出射した光を透過、屈折または反射する第２光学素子と、
   前記第２光学素子を保持する第２保持部材と、
   前記第１駆動手段が前記第１保持部材を駆動する方向と異なる方向へ前記第２保持部材を駆動する第２駆動手段と、
   前記ベース部材と前記第２保持部材とを連結し、前記第２保持部材を前記ベース部材に対して変位可能に支持する第２支持手段と、
   を備えたことを特徴とする光走査用アクチュエータ。
2. 前記第２保持部材によって保持され、前記第２光学素子が出射した光が外部で反射されて戻ってくる反射光を透過、屈折または反射する第３光学素子と、
   前記第１保持部材によって保持され、前記第３光学素子が出射した反射光を透過、屈折または反射する第４光学素子と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の光走査用アクチュエータ。
3. 前記第１保持部材が変位する方向を含む平面と前記第２保持部材が変位する方向を含む平面とは直交することを特徴とする請求項１または２記載の光走査用アクチュエータ。
4. 前記第１および第２支持手段の各々は板バネを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光走査用アクチュエータ。
5. 前記第１〜第４光学素子はレンズであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項記載の光走査用アクチュエータ。
6. 前記第３光学素子の表面積は前記第２光学素子の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項記載の光走査用アクチュエータ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の光走査用アクチュエータと、
   前記投光手段と、
   前記投光手段が投光し、前記光走査用アクチュエータが走査した光の外部からの反射光を前記光走査用アクチュエータを介して受光する受光手段と、
   を備えたことを特徴とする光走査型センサ。
8. 請求項７記載の光走査型センサと、
   前記第１および第２駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
   前記受光手段が受光した反射光に基づいて物体の検出を行う検出手段と、
   を備えたことを特徴とする物体検出装置。

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