JP2013076707A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の周囲にわたる検出が可能であり、かつ３次元的な検出をも行いうるレーザレーダ装置を提供する。
【解決手段】レーザレーダ装置１は、レーザ光を発生するレーザダイオード１０と、レーザダイオード１０からレーザ光が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光の反射光を検出するフォトダイオード２０とを備え、さらに、所定の中心軸４２ａを中心として回動可能に構成された偏向部４１を備えるとともに、偏向部４１によりレーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向する回動偏向機構４０と、回動偏向機構４０を回転駆動するモータ５０とが設けられている。そして、偏向部４１に対するレーザ光の入射方向を相対的に変化させることで、偏向部４１からのレーザ光の向きを、中心軸４２ａの方向に関して変化させる揺動ミラー３１と、この揺動ミラー３１を制御する制御手段とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関するものである。

従来より、レーザ光を用いて検出物体までの距離や方位を検出する技術として例えば特許文献１のような装置が提供されている。この特許文献１の装置では、レーザ光発生手段からのレーザ光の光軸上に、レーザ光を透過させ、かつ検出物体からの反射光を検出手段に向けて反射する光アイソレータを設けている。さらに、光アイソレータを透過するレーザ光の光軸上において当該光軸方向の中心軸を中心として回動する凹面鏡を設け、この凹面鏡によってレーザ光を空間に向けて反射させると共に、検出物体からの反射光を光アイソレータに向けて反射させることで３６０°の水平走査を可能としている。

特許２７８９７４１号公報

ところで、特許文献１の技術では凹面鏡の回動により３６０°の水平走査を可能とし、検出領域（レーザ光による走査がなされる領域）を装置の周囲全体にまで拡大しているが、その一方で、検出領域が平面に限定されてしまうという問題がある。即ち、凹面鏡から空間に向けて反射されたレーザ光は所定平面（走査平面）内で走査がなされるため、その走査平面から外れた領域については検出が不能となる。従って、走査平面から外れた検出物体は検出することができず、また、走査平面内に検出物体が存在する場合であってもその検出物体を立体的に把握することはできなかった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、装置の周囲にわたる検出が可能であり、かつ３次元的な検出をも行いうるレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、レーザレーダ装置において、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する光検出手段と、所定の中心軸を中心として回動可能に構成された１又は複数の偏向手段を備えるとともに、当該偏向手段により前記レーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ前記反射光を前記光検出手段に向けて偏向する回動偏向手段と、前記回動偏向手段を回転駆動する駆動手段と、前記偏向手段に対する前記レーザ光の入射方向を相対的に変化させることで、前記偏向手段からの前記レーザ光の向きを、前記中心軸の方向に関して変化させる方向変更手段と、前記方向変更手段を制御する制御手段と、が設けられていることを特徴とする。
更に、前記方向変更手段は、前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光を前記回動偏向手段に向けて偏向する構成をなし、且つ揺動可能に構成されたレーザ光偏向手段からなり、前記制御手段は、前記レーザ光偏向手段の揺動を制御する揺動制御手段からなり、前記レーザ光偏向手段は、前記レーザ光を偏向させる偏向部材と、前記偏向部材を揺動可能に支持する揺動機構と、前記揺動機構に支持された前記偏向部材を駆動するアクチュエータと、
を備え、前記偏向手段は、前記中心軸に対して傾斜し且つ前記レーザ光を反射する面を備えたミラーであり、前記中心軸の方向をＹ軸方向とし、前記Ｙ軸方向と直交する所定方向をＸ軸方向とし、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向と直交する方向をＺ軸方向としたとき、前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光が前記Ｘ軸方向の一方側から前記偏向部材に入り込み、前記偏向部材により、前記偏向部材に対する前記Ｙ軸方向の一方側に配置された前記偏向手段に向けて偏向されるようになっており、前記揺動制御手段は、前記偏向手段の回動位置が所定の回動範囲に該当しない場合には、前記偏向部材から前記偏向手段へ向かう前記レーザ光の方向をＸＹ平面に沿って変化させ、前記偏向手段の回動位置が所定の回動範囲の場合には、前記偏向部材から前記偏向手段へ向かう前記レーザ光の方向を前記ＸＹ平面と交差する平面に沿って変化させるように、前記アクチュエータによる前記偏向部材の駆動状態を制御する構成をなし、前記所定の回動範囲は、前記Ｘ軸方向と平行な仮想直線と、前記偏向手段における前記レーザ光を反射する面と平行な仮想平面とのなす角度が予め定められた閾値以下となる範囲であることを特徴とする。

請求項２の発明は、前記偏向手段における前記反射光を偏向する偏向領域が、前記レーザ光偏向手段における前記レーザ光を偏向する偏向領域よりも大きく構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記回動偏向手段から前記光検出手段に至るまでの前記反射光の光路上に、前記光検出手段に向けて前記反射光を集光する集光手段が設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明は、前記回動偏向手段から前記光検出手段に至るまでの前記反射光の光路上に、前記反射光を透過させ、且つ前記反射光以外の光を除去する光選択手段が設けられていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ検出対象からの反射光を光検出手段に向けて偏向する偏向手段が所定の中心軸を中心として回動可能とされるため、装置の周囲にわたる検出が可能となる。また、偏向手段からのレーザ光の向きを、中心軸の方向に関して変化させる方向変更手段が設けられているため、レーザ光の向きを、中心軸と直交する平面方向だけでなく、中心軸の方向にも変化させることができるため、検出を三次元的に行うことができるようになる。

また、偏向手段からのレーザ光の向きを中心軸の方向に関して変化させうる構成を、レーザ光偏向手段によって好適に実現できる。

また、揺動機構に支持された偏向部材をアクチュエータによって駆動するように構成されており、さらに、揺動制御手段によりアクチュエータによる偏向部材の駆動状態を制御する構成としている。このようにすれば、レーザ光を偏向する部位を良好に揺動制御できる。

また、レーザ光偏向手段の揺動制御を、偏向手段の回動位置に応じた適切な制御とすることができる。

請求項２の発明では、偏向手段における反射光を偏向する偏向領域が、レーザ光偏向手段におけるレーザ光を偏向する偏向領域よりも大きく構成されているため、相対的に広範な領域の反射光を検出に用いることができ、検出精度を効果的に高めることができる。

請求項３の発明は、回動偏向手段から光検出手段に至るまでの反射光の光路上に、検出手段に向けて反射光を集光する集光手段が設けられているため、検出手段を大型化させることなく広範囲の反射光を検出に利用できるようになる。

請求項４の発明は、回動偏向手段から光検出手段に至るまでの反射光の光路上に、反射光を透過させ、且つ反射光以外の光を除去する光選択手段が設けられているため、ノイズ光を好適に除去できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図２は、揺動ミラーを変位させる変位機構を概略的に説明する説明図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。 図４は、図３のレーザレーダ装置に用いる揺動機構及びアクチュエータ等を概念的に説明する説明図である。 図５は、ピエゾアクチュエータが取り付けられたミラーを等を裏側（反射面の反対側）から概念的に説明する説明図であり、図５（ｂ）は、ピエゾアクチュエータが取り付けられたミラーを概念的に示す斜視図である。 図６は、図３のレーザレーダ装置における検出処理を例示するフローチャートである。

[第１実施形態]
以下、本発明のレーザレーダ装置を具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１は第１実施形態に係るレーザレーダ装置１を概略的に例示する断面図である。

図１に示すように、レーザレーダ装置１は、レーザダイオード１０と、検出物体からの反射光Ｌ２を受光するフォトダイオード２０とを備え、検出物体までの距離や方位を検出する装置として構成されている。レーザダイオード１０は、レーザ光発生手段の一例に相当するものであり、図示しない駆動回路からパルス電流を供給されてパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）を投光するものである。フォトダイオード２０は、検出手段の一例に相当するものであり、レーザダイオード１０からレーザ光Ｌ１が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を検出し電気信号に変換する構成をなしている。なお、検出物体からの反射光については所定領域のものが取り込まれる構成となっており、図１の例において、レーザ光Ｌ１が実線で示す経路を通過する場合には、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域の反射光が取り込まれるようになっている。

また、レーザ光Ｌ１の光軸上にはレンズ６０が設けられている。このレンズ６０は、コリメートレンズとして構成されるものであり、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１を平行光に変換する機能を有する。

レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１の光路上には、レーザ光偏向手段としての揺動ミラー３１が配置されている。揺動ミラー３１は、「方向変更手段」の一例に相当するものであり、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１を回動偏向機構４０に向けて偏向する構成をなし、且つ揺動可能に構成されている。この揺動ミラー３１は、偏向部４１に対するレーザ光の入射方向を相対的に変化させることで、偏向部４１からのレーザ光の向きを、中心軸４２ａの方向に関して変化させるように機能する。

また、この揺動ミラー３１を、多自由度をもって駆動するミラー駆動部が設けられている。このようにミラーを多自由度をもって駆動する技術はガルバノミラー等の分野において公知であるので詳細は省略するが、ミラー駆動部については、例えば、揺動ミラー３１をジンバル、ピボット軸受等で支持することにより、二方向へ回転運動させる構成とすることができる。図２ではその一例として、揺動ミラー３１を変位させる変位機構３３を例示しており、この変位機構３３は、ケース３内の所定位置に配置されるフレーム（図示略）と、このフレームに回転可能に保持されるミラー支持枠３４とを備えており、揺動ミラー３１を支持しつつ、この揺動ミラー３１に、第１軸３３ａ及び第２軸３３ｂ（第２軸３３ｂは第１軸３３ａと直交）を中心とした二方向の回転運動を行わせるように構成されている。このように構成することで、揺動ミラー３１の反射面３１ａの３次元的な位置関係が定まる。図１では、レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１の出射方向をＸ軸方向とし、回動変更機構４０の中心軸４２ａの方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向として説明している。このような定義において、反射面３１ａとＸＹ平面とのなす角をα、反射面３１ａとＹＺ平面とのなす角をβ、反射面３１ａとＸＺ平面とのなす角をγとした場合、制御回路７０によるアクチュエータ３６の制御により、α、β、γの値が自由に定まることとなる。

変位機構３３は、図１に概略的に示すアクチュエータ３６によって駆動されるようになっている。アクチュエータ３６は、装置本体に対するミラー支持枠３４の相対位置を設定するモータ等の第１アクチュエータと、ミラー支持枠３４に対する揺動ミラー３１の相対位置を設定するモータ等の第２アクチュエータとからなり、制御回路７０からの制御量に基づいて第１アクチュエータ（モータ等）がミラー支持枠３４を位置設定し、第２アクチュエータ（モータ等）がミラー支持枠３４に対する揺動ミラー３１の位置を設定することで、レーザ光Ｌ１に対する揺動ミラー３１の傾斜が設定される。なお、制御回路７０は、ＣＰＵを備えたマイクロコンピュータなどによって構成されており、本実施形態ではこの制御回路７０が「制御手段」の一例に相当している。

揺動ミラー３１で反射されたレーザ光Ｌ１の光軸上には、回動偏向機構４０が設けられている。この回動偏向機構４０は、回動偏向手段の一例に相当しており、平坦な反射面４１ａを備えたミラーからなる偏向部４１と、この偏向部４１を支持する支持台４３と、この支持台４３に連結された軸部４２と、この軸部４２を回転可能に支持する図示しない軸受とを備えてなり、偏向部４１によりレーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向するように機能する。回動偏向機構４０の一部を構成する偏向部４１は、中心軸４２ａを中心として回動可能とされており、偏向手段の一例に相当している。

なお、本実施形態に係るレーザレーダ装置１では、偏向部４１における反射光を偏向する偏向領域（偏向部４１における反射面４１ａの領域）が、揺動ミラー３１におけるレーザ光を偏向する偏向領域（揺動ミラー３１における反射面３１ａの領域）よりも大きく構成されている。

さらに、回動偏向機構４０を回転駆動するようにモータ５０が設けられている。このモータ５０は、駆動手段の一例に相当するものであり、軸部４２を回転させることで、軸部４２と連結された偏向部４１を回転駆動する構成となっている。モータ５０は、ここではステップモータによって構成されている。ステップモータは、種々のものを利用でき、１ステップ毎の角度が小さいものを使用すれば、緻密な回動が可能となる。また、モータ５０としてステップモータ以外の駆動手段を用いてもよい。例えばサーボモータ等を用いても良いし、定常回転するモータを用い、偏向部４１が測距したい方向を向くタイミングに同期させてパルスレーザ光を出力することで、所望の方向の検出を可能としてもよい。なお、本実施形態では、図１に示すように、モータ５０の軸部４２の回転角度位置（即ち偏向部４１の回転角度位置）を検出する回転角度位置センサ５２が設けられている。回転角度位置センサ５２は、ロータリーエンコーダなど、軸部４２の回転角度位置を検出しうるものであれば様々な種類のものを使用でき、また、検出対象となるモータ５０の種類も特に限定されず、様々な種類のものに適用できる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上には、フォトダイオード２０に向けて反射光を集光する集光レンズ６２が設けられ、その集光レンズ６２とフォトダイオード２０の間にはフィルタ６４が設けられている。集光レンズ６２は、偏向部４１からの反射光を集光してフォトダイオード２０に導くものであり、集光手段の一例に相当している。また、フィルタ６４は、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上において反射光を透過させ且つ反射光以外の光を除去するものであり、光選択手段の一例に相当している。具体的には、反射光Ｌ２に対応した特定波長の光（例えば一定領域の波長の光）のみを透過させそれ以外の光を遮断する波長選択フィルタによって構成することができる。

また、本実施形態では、レーザダイオード１０、フォトダイオード２０、レーザ光偏向部３０、レンズ６０、回動偏向機構４０、モータ５０等がケース３内に収容され、防塵や衝撃保護が図られている。ケース３における偏向部４１の周囲には、当該偏向部４１を取り囲むようにレーザ光Ｌ１及び反射光Ｌ２の通過を可能とする導光部４が形成されている。導光部４は、偏向部４１に入光するレーザ光Ｌ１の光軸を中心とした環状形態で、ほぼ３６０°に亘って構成されており、この導光部４を閉塞する形態でガラス板等からなるレーザ光透過板５が配され、防塵が図られている。なお、レーザ光透過板５は、偏向部４１に入光するレーザ光Ｌ１の光軸と直交する仮想平面に対し全周にわたり傾斜した構成となっている。即ち、偏向部４１から空間に向かうレーザ光Ｌ１に対して板面が傾斜した構成をなしている。従って、偏向部４１から空間に向かうレーザ光Ｌ１がレーザ光透過板５にて反射してもノイズ光となりにくくなっている。

次に、レーザレーダ装置１の作用について説明する。図１に示すレーザレーダ装置１では、レーザダイオード１０にパルス電流が供給されると、このレーザダイオード１０からはパルス電流のパルス幅に応じた時間間隔のパルスレーザ光（レーザ光Ｌ１）が出力される。このレーザ光Ｌ１は、ある程度の広がり角をもった拡散光として投光され、レンズ６０を通過することで平行光に変換される。レンズ６０を通過したレーザ光Ｌ１は、レーザ光偏向部３０に設けられた揺動ミラー３１で反射されて偏向部４１に入射し、この偏向部４１にて反射され空間に向けて照射される。

偏向部４１によって反射されたレーザ光Ｌ１は検出物体によって反射され、この反射光の一部（反射光Ｌ２参照）は再び偏向部４１に入射する。偏向部４１は、この反射光Ｌ２をフォトダイオード２０側へ反射する。偏向部４１にて反射された反射光Ｌ２は、集光レンズ６２で集光され、フィルタ６４を通過してフォトダイオード２０に入光する。

フォトダイオード２０は、受光した反射光Ｌ２に応じた電気信号（例えば受光した反射光Ｌ２に応じた電圧値）を出力する。この構成では、レーザダイオード１０によってレーザ光Ｌ１を出力してからフォトダイオード２０によってその反射光Ｌ２を検出するまでの時間を測定することにより検出物体までの距離を求めることができる。また、そのときの、揺動ミラー３１の変位、及び偏向部４１の変位によって方位をも求めることができる。つまり、揺動ミラー３１の反射面３１ａとＸＹ平面とのなす角α、反射面３１ａとＹＺ平面とのなす角β、反射面３１ａとＸＺ平面とのなす角γが定まり、偏向部４１の回転位置が定まると、偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方向が、一の方位に定まるため、検出物体の方位を的確に把握できることとなる。

なお、揺動ミラー３１の変位に伴うレーザ光の経路変化は以下の通りとなる。図１では、回動偏向機構４０が所定の回動状態となっている例を示しているが、この回動状態で、揺動ミラー３１が図１の揺動状態にあるときは、レーザ光Ｌ１が実線で示す経路を通過し、符号Ｌ２で示す２つのライン間の領域の反射光が取り込まれることとなる。一方、揺動ミラー３１の揺動状態が変化すると、破線Ｌ１'に示すように、偏向部４１に対するレーザ光Ｌ１の入射角度が相対的に変化する。即ち、揺動ミラー３１が変位することで、当該揺動ミラー３１でのレーザ光の反射角度が変化し、実線で示す経路から破線Ｌ１'で示す経路に変化する。これにより、偏向部４１から空間に向かうレーザ光が中心軸４２ａの方向に変化することとなる。この場合、反射光の経路も破線Ｌ２'のように変化し、偏向部４１で反射した後、集光レンズ６２、フィルタ６４を介してフォトダイオード２０に取り込まれることとなる。

以上のように、本実施形態に係るレーザレーダ装置１によれば、レーザ光Ｌ１を空間に向けて偏向させ、且つ検出対象からの反射光Ｌ２をフォトダイオード２０に向けて偏向する偏向部４１が所定の中心軸を中心として回動可能とされるため、装置の周囲にわたる検出が可能となる。また、偏向部４１からのレーザ光Ｌ１の向きを、中心軸４２ａの方向に関して変化させうる揺動ミラー３１が設けられているため、レーザ光Ｌ１の向きを、中心軸４２ａと直交する平面方向（ＸＺ平面方向）だけでなく、中心軸４２ａの方向（Ｙ方向）にも変化させることができるため、検出を三次元的に行うことができるようになる。

また、偏向部４１からのレーザ光Ｌ１の向きを中心軸４２ａの方向に関して変化させうる構成を、複雑な構成を用いずに揺動ミラー３１によって好適に実現できる。

また、偏向部４１における反射光Ｌ２を偏向する偏向領域が、揺動ミラー３１におけるレーザ光Ｌ１を偏向する偏向領域よりも大きく構成されているため、相対的に広範な領域の反射光を検出に用いることができ、検出精度を効果的に高めることができる。

さらに、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光Ｌ２の光路上に、フォトダイオード２０に向けて反射光Ｌ２を集光する集光レンズ６２が設けられているため、フォトダイオード２０を大型化させることなく広範囲の反射光を検出に利用できるようになる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光Ｌ２の光路上に、反射光Ｌ２を透過させ、且つ反射光以外の光を除去するフィルタ６４が設けられているため、ノイズ光を好適に除去できる。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザレーダ装置を概略的に例示する断面図である。図４は、図３のレーザレーダ装置に用いる揺動機構及びアクチュエータ等を概念的に説明する説明図である。図５は、ピエゾアクチュエータが取り付けられたミラーを等を裏側（反射面の反対側）から概念的に説明する説明図であり、図５（ｂ）は、ピエゾアクチュエータが取り付けられたミラーを概念的に示す斜視図である。図６は、図３のレーザレーダ装置における検出処理を例示するフローチャートである。

図３に示すように、本実施形態のレーザレーダ装置４００も一部について第１実施形態と同様の部品を用いている。即ち、ケース３、導光部４、レーザ光透過板５、レーザダイオード１０、レンズ６０、フォトダイオード２０、フィルタ６４、集光レンズ６２、回動偏向機構４０、モータ５０、回転角度位置センサ５２、制御回路７０等については、第１実施形態と同様の構成をなしかつ第１実施形態と同様の機能を有している。従って、第１実施形態と同様の構成をなす部品については第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、本実施形態では、回動偏向機構４０の中心軸４２ａの方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向と直交する所定方向をＸ軸方向とし、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とする。なお、本実施形態では、レーザダイオード１０からのレーザ光の出射方向がＸ軸方向となっている。

本実施形態でも、レーザダイオード１０（レーザ光発生手段）からレーザ光Ｌ１が発生したときに、検出物体によって反射されるレーザ光Ｌ１の反射光をフォトダイオード２０（光検出手段）によって検出する構成をなしている。また、回動偏向機構４０は、中心軸４２ａを中心として回動可能に構成された偏向部４１（偏向手段）を備えるとともに、当該偏向部４１によりレーザ光Ｌ１を空間に向けて偏向させ、且つ検出物体からの反射光をフォトダイオード２０に向けて偏向する構成をなしている。さらに、回動偏向機構４０は、モータ５０（駆動手段）によって駆動される構成となっている。

レーザ光偏向部４３０（レーザ光偏向部４３０は、「方向偏向手段」「レーザ光偏向手段」の一例に相当する）は、レーザダイオード１０からのレーザ光を回動偏向機構４０に向けて偏向する構成をなし、且つ揺動可能に構成されている。そして、偏向部４１に対するレーザ光Ｌ１の入射方向を相対的に変化させ、偏向部４１からのレーザ光の向きを、中心軸４２ａの方向（即ち、縦方向（Ｙ軸方向））に関して変化させる機能を有している。

レーザ光偏向部４３０は、図４、図５（ａ）（ｂ）に示すように、レーザ光を反射するミラー４３１と、ミラー４３１を揺動可能に支持する揺動機構４３５と、揺動機構４３５に支持されたミラー４３１を駆動するピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄとを備えている。なお、ミラー４３１は、レーザ光を偏向させる「偏向部材」の一例に相当する。また、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄは、「アクチュエータ」の一例に相当する。

４つのピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄは、いずれも印加電圧に応じて伸縮する公知のピエゾアクチュエータとして構成されており、それぞれが反射面４３１ａとは反対側において矩形状のミラー４３１の角部近傍（ミラー４３１の角部近傍は、「特定部位」の一例に相当する）に一端が取り付けられ、他端が保持部４３８に固定されている。保持部４３８は、ケース３に固定されてケース３内の所定位置に位置決めされるものであり、この保持部４３８に固定される各ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄは、印加電圧に応じて伸縮することで保持部４３８に対して相対的に変位するようになっており（即ち、ケース３に対して相対的に変位するようになっており）、それぞれがケース３内においてミラー４３１の角部近傍の位置を変化させうる構成となっている。

制御回路７０（制御回路７０は、「制御手段」「揺動制御手段」の一例に相当する）は、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄによるミラー４３１の駆動状態を制御することでレーザ光偏向部４３０の揺動を制御している。各ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄにはピエゾアクチュエータ駆動回路（以下、駆動回路ともいう）４３６ａ、４３６ｂ、４３６ｃ、４３６ｄがそれぞれ電気的に接続されている。これら駆動回路４３６ａ、４３６ｂ、４３６ｃ、４３６ｄは、それぞれが制御回路７０から制御量の指令を受ける構成をなしており、各駆動回路４３６ａ、４３６ｂ、４３６ｃ、４３６ｄから各ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄに対して制御回路７０からの制御量に応じた電圧が出力されるようになっている。このようにして制御回路７０がピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの伸縮を制御し、レーザ光Ｌ１に対するミラー４３１の姿勢を制御することとなる。

揺動機構４３５は、ミラー４３１とこのミラー４３１を保持する保持部４３８とを球面対偶構造にて連結するボールジョイントによって構成されており、ミラー４３１に連結される球部４３４と、保持部４３８に連結される球殻部４３３とを備えている。この構成では、球部４３４の中心４３４ａが常に一の位置に定まり、球部４３４は球殻部４３３内に収容された状態で多方向に回転しうることとなる。このように構成される揺動機構４３５は、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの伸縮に応じて、反射面４３１ａと球部４３４の中心４３４ａとの距離を常に一定に保ちながらレーザ光Ｌ１に対するミラー４３１の傾斜状態を変化させる。

次に、レーザレーダ装置４００における検出処理について説明する。
図６の検出処理は例えば電源投入や所定操作などによって開始されるものであり、まず、ミラー４３１及び偏向部４１を初期位置に設定する（Ｓ１）。本実施形態では、図３及び図４の実線にて示す位置が初期位置とされており、ミラー４３１が当該位置となるようにモータ５０及びピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄを制御する。なお、検出処理前の待機状態において偏向部４１及びミラー４３１が初期位置に設定されるようにも構成でき、このような構成の場合にはＳ１の処理を省略することができる。

次いで、現在の設定状態（検出処理開始直後の場合には初期位置に設定された状態）での物体の検出処理を行う（Ｓ２）。具体的には制御回路７０によってレーザダイオード１０にレーザ光を投光させる制御を行うと共に、フォトダイオード２０から出力される電気信号を制御回路７０によって読み取り、現在のピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの設定（即ち現在のミラー４３１の設定）に対応した方向に検出すべき物体が存在するか否かを確認する。フォトダイオード２０から一定レベル以上の電気信号が出力される場合には、レーザダイオード１０によるレーザ光の投光からフォトダイオード２０による反射光の受光までの時間に基づいて検出物体までの距離を算出する。また、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの現在の設定に基づいて偏向部４１からレーザ光Ｌ１が向かう方位を算出する。なお、算出された距離や方位は図示しない表示部等に出力することができる。

その後、ミラー４３１が予め定められた範囲分回転したかを判断する（Ｓ３）。本実施形態では、制御回路７０の制御により、モータ５０が偏向部４１を予め定められた一定角度（本実施形態の例では１°）ずつ回動させる構成をなしており、偏向部４１が一定角度（１°）ずつ回動する毎にミラー４３１が「定められた範囲」に亘って回転することで、モータ５０の一定角度（１°）毎に中心軸の方向（中心軸４２ａに沿った縦方向）の走査が行われるようになっている。Ｓ３の処理では、現在の偏向部４１の設定状態で、ミラー４３１が「定められた範囲」分だけ回転し終わったか否かを判断しており、回転し終わった場合には、現在の偏向部４１の設定状態での縦方向（即ち中心軸４２ａの方向）の走査が終了したことになるため、Ｓ３にてＹｅｓに進む。

一方、現在の偏向部４１の設定状態で、ミラー４３１が「定められた範囲」分だけ回転し終わっていない場合には、Ｓ３にてＮｏに進み、偏向部４１が「所定の回動範囲」にあるか否かを判断する。本実施形態では、レーザダイオード１０からのレーザ光の出射方向と平行な仮想直線と、偏向部４１の反射面４１ａと平行な仮想平面と、のなす角度αが予め定められた閾値以下となる回動範囲を「所定の回動範囲」の一例として用いており、偏向部４１がこのような関係となる回動範囲に該当する場合には、Ｓ４にてＹｅｓに進む。一方、偏向部４１が上記所定の回動範囲に該当しない場合にはＳ４にてＮｏに進む。

揺動制御を行う制御回路７０は、偏向部４１の回動位置に基づいて、レーザ光偏向部４３０の揺動制御を変化させている。即ち、偏向部４１が上記「所定の回動範囲」に該当しない場合（レーザダイオード１０からのレーザ光Ｌ１の出射方向と平行な仮想直線と、偏向部４１の反射面４１ａと平行な仮想平面と、のなす角度αが予め定められた閾値（例えば１０°）を超える場合）には、Ｓ４にてＮｏに進み、Ｚ軸方向の回転軸（第１軸４３７ａ）を中心としてミラー４３１を一定角度回転するように、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの伸縮を制御する。より具体的には、偏向部４１が「所定の回動範囲」に該当しない場合、反射面４３１ａをＸＹ平面と直交させた状態で、ミラー４３１をＺ軸方向の回転軸（第１軸４３７ａ）を中心として回転させ、ミラー４３１から偏向部４１へ向かうレーザ光Ｌ１の方向をＸＹ平面に沿って変化させるようにしている。図４では、実線位置から第１軸４３７ａを中心として回転させたミラー４３１の位置を二点鎖線にて示している。また、そのときのレーザ光の経路を破線Ｌ１'にて示している（図３、図４参照）。

第１軸４３７ａを中心としてミラー４３１を回転させる制御を行うには、例えば、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｃの伸縮量を同一とし、かつピエゾアクチュエータ４３２ｂ、４３２ｄの伸縮量を同一とすると共に、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｃが伸びた分だけ、ピエゾアクチュエータ４３２ｂ、４３２ｄを縮め、或いは、ピエゾアクチュエータ４３２ｂ、４３２ｄが伸びた分だけ、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｃを縮めるように制御を行えばよい。

一方、偏向部４１が「所定の回動範囲」の場合には（レーザダイオード１０からのレーザ光の出射方向と平行な仮想直線と、偏向部４１の反射面４１ａと平行な仮想平面とのなす角度αが予め定められた閾値以下の場合）には、Ｓ４にてＹｅｓに進み、ミラー４３１が第２軸４３７ｂ（第１軸４３７ａと交差する軸）を中心として一定角度回転するようにピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの伸縮を制御する。第２軸４３７ｂは、ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面のいずれとも交わる軸であり、本実施形態では、ミラー４３１の対角線に沿うように第２軸４３７ｂが設定されるようになっている。このような第２軸４３７ｂを中心として回転させ、ミラー４３１から偏向部４１へ向かうレーザ光の方向を、ＸＹ平面と交差する平面に沿って変化させる。

Ｚ軸方向に延びる第１軸４３７ａを中心としてミラー４３１を回転させる場合、レーザダイオード１０からのレーザ光の出射方向（Ｘ軸方向）と平行な仮想直線と、偏向部４１の反射面４１ａと平行な仮想平面と、のなす角度αが小さくなればなるほど、偏向部４１から空間に向かうレーザ光の中心軸４２ａの方向（縦方向）の変化が小さくなってしまう。従って、本実施形態では、偏向部４１が「所定の回動範囲」にある場合には、第１軸４３７ａを中心としてミラー４３１を回転させるのではなく、ミラー４３１の対角線に沿った第２軸４３７ｂを中心としてミラー４３１を回転させ、角度αが小さくなった場合であってもレーザ光が中心軸４２ａの方向（縦方向）に大きく変化するようにしている。なお、このような制御を行うには、例えば、ピエゾアクチュエータ４３２ｂｃ、４３２ｃの伸縮量を同一とし、ピエゾアクチュエータ４３２ａが伸びた分だけ、ピエゾアクチュエータ４３２ｄを縮め、或いは、ピエゾアクチュエータ４３２ｄが伸びた分だけ、ピエゾアクチュエータ４３２ａを縮めるように制御を行えばよい。

図６に戻り、Ｓ３にてＹｅｓに進む場合には、制御回路７０の制御により、偏向部４１をさらに一定角度（１°）回動させるようにモータ５０が駆動され（Ｓ７）、その回動後の偏向部４１の設定状態でＳ２以降の処理が繰り返される。即ち、偏向部４１が新たな位置に設定された状態で、再度縦方向の走査が行われることとなる。なお、上記例では、「一定角度」の例として「１°」を例示したが、偏向部４１の回転ステップとなる「一定角度」は、これよりも小さい角度であってもよく、大きい角度であってもよい。

本実施形態では、揺動機構４３５に支持されたミラー４３１をピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄによって駆動しており、さらに、ピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄによるミラー４３１の駆動状態を、制御回路７０によって制御している。このようにすれば、レーザ光を偏向する部位を精度高く良好に揺動制御できる。また、レーザ光偏向部４３０全体を小型化できる。

また、４つのピエゾアクチュエータ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄを制御することでミラー４３１の角部近傍（特定部位）の位置を変化させ、レーザ光に対するミラー４３１の姿勢を制御している。このようにすれば、ミラー４３１を揺動制御しうる構成を、簡易かつ小型構成にて実現できる。

また、ミラー４３１と、このミラー４３１を保持する保持部４３８と、を球面対偶構造にて連結するボールジョイントを設けている。このようにすれば、装置内においてミラー４３１を安定的に保持でき、かつ円滑に揺動できるようになる。

また、偏向部４１の回動位置に基づいて、レーザ光偏向部４３０の揺動制御を変化させている。このようにすれば、レーザ光偏向部４３０の揺動制御を、偏向部４１の回動位置に応じた適切な制御とすることができる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上に、フォトダイオード２０に向けて反射光を集光する集光レンズ６２（集光手段）が設けられているため、検出手段を大型化させることなく広範囲の反射光を検出に利用できるようになる。

また、回動偏向機構４０からフォトダイオード２０に至るまでの反射光の光路上に、反射光を透過させ、且つ反射光以外の光を除去するフィルタ６４（光選択手段）が設けられているため、ノイズ光を好適に除去できる。

［他の実施形態]
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

上記実施形態では、回動偏向手段から光検出手段に至るまでの反射光の光路上に、光検出手段に向けて反射光を集光する集光手段が設けられていたが、このような集光手段を省略すると共に比較的大型の光検出手段によって検出を行うようにしてもよい。

上記実施形態では、回動偏向手段から光検出手段に至るまでの反射光の光路上に、反射光を透過させ、且つ反射光以外の光を除去する光選択手段が設けられていたが、このような光選択手段を省略することもできる。

第２実施形態では、「アクチュエータ」が、偏向手段の特定部位の位置を変化させる４つのピエゾアクチュエータによって構成されていたが、４以外の複数であってもよく、１つのみであってもよい。

上記いずれの実施形態のレーザレーザ装置も、工場内のエリアセンサやセーフティセンサとして用いると極めて有用である。

１，４００…レーザレーダ装置
１０…レーザダイオード（レーザ光発生手段）
２０…フォトダイオード（光検出手段）
３１…揺動ミラー（レーザ光偏向手段、方向変更手段）
４０…回動偏向機構（回動偏向手段）
４１…偏向部（偏向手段）
５０…モータ（駆動手段）
６２…集光レンズ（集光手段）
６４…フィルタ（光選択手段）
７０…制御回路（制御手段、揺動制御手段）
２１０，３１０…アクチュエータ（傾動手段）
４３０…レーザ光偏向部（レーザ光偏向手段、方向変更手段）
４３１…ミラー（偏向部材）
４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄ…ピエゾアクチュエータ（アクチュエータ）
４３５…揺動機構

Claims (4)

1. レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
   前記レーザ光発生手段から前記レーザ光が発生したときに、検出物体によって反射される前記レーザ光の反射光を検出する光検出手段と、
   所定の中心軸を中心として回動可能に構成された１又は複数の偏向手段を備えるとともに、当該偏向手段により前記レーザ光を空間に向けて偏向させ、且つ前記反射光を前記光検出手段に向けて偏向する回動偏向手段と、
   前記回動偏向手段を回転駆動する駆動手段と、
   前記偏向手段に対する前記レーザ光の入射方向を相対的に変化させることで、前記偏向手段からの前記レーザ光の向きを、前記中心軸の方向に関して変化させる方向変更手段と、
   前記方向変更手段を制御する制御手段と、
   を備える構成であり、
   前記方向変更手段は、前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光を前記回動偏向手段に向けて偏向する構成をなし、且つ揺動可能に構成されたレーザ光偏向手段からなり、
   前記制御手段は、前記レーザ光偏向手段の揺動を制御する揺動制御手段からなり、
   前記レーザ光偏向手段は、
   前記レーザ光を偏向させる偏向部材と、
   前記偏向部材を揺動可能に支持する揺動機構と、
   前記揺動機構に支持された前記偏向部材を駆動するアクチュエータと、
   を備え、
   前記偏向手段は、前記中心軸に対して傾斜し且つ前記レーザ光を反射する面を備えたミラーであり、
   前記中心軸の方向をＹ軸方向とし、前記Ｙ軸方向と直交する所定方向をＸ軸方向とし、前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向と直交する方向をＺ軸方向としたとき、前記レーザ光発生手段からの前記レーザ光が前記Ｘ軸方向の一方側から前記偏向部材に入り込み、前記偏向部材により、前記偏向部材に対する前記Ｙ軸方向の一方側に配置された前記偏向手段に向けて偏向されるようになっており、
   前記揺動制御手段は、前記偏向手段の回動位置が所定の回動範囲に該当しない場合には、前記偏向部材から前記偏向手段へ向かう前記レーザ光の方向をＸＹ平面に沿って変化させ、前記偏向手段の回動位置が所定の回動範囲の場合には、前記偏向部材から前記偏向手段へ向かう前記レーザ光の方向を前記ＸＹ平面と交差する平面に沿って変化させるように、前記アクチュエータによる前記偏向部材の駆動状態を制御する構成をなし、
   前記所定の回動範囲は、前記Ｘ軸方向と平行な仮想直線と、前記偏向手段における前記レーザ光を反射する面と平行な仮想平面とのなす角度が予め定められた閾値以下となる範囲であることを特徴とするレーザレーダ装置。
2. 前記偏向手段における前記反射光を偏向する偏向領域が、前記レーザ光偏向手段における前記レーザ光を偏向する偏向領域よりも大きく構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザレーダ装置。
3. 前記回動偏向手段から前記光検出手段に至るまでの前記反射光の光路上に、前記光検出手段に向けて前記反射光を集光する集光手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザレーダ装置。
4. 前記回動偏向手段から前記光検出手段に至るまでの前記反射光の光路上に、前記反射光を透過させ、且つ前記反射光以外の光を除去する光選択手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザレーダ装置。

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