JP2015215282A - 物体検出装置及びセンシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を低下させることなく、検出速度を高速化することができる物体検出装置を提供する。
【解決手段】 レーザレーダ２０は、光射出系、折り返しミラー２０５、光偏向器２０４、光検出系、及び物体情報取得部などを有している。光射出系は、光源２１、及びカップリングレンズ２２などを有している。光検出系は、集光レンズ２８、及び光検出器２９などを有している。光偏向器２０４は、回転軸まわりに回転する複数の反射面を有し、該複数の反射面は、回転軸に対して傾斜しており、かつ回転軸を中心とする回転対称の関係にある。そして、光源２１から射出された光は、回転軸に平行な方向から光偏向器２０４に入射する。この場合は、光偏向器２０４の回転部の動的な釣り合わせが容易であり、検出精度を維持しつつ、回転部を高速で回転させることができる。
【選択図】図１６

Description

本発明は、物体検出装置及びセンシング装置に係り、更に詳しくは、物体を検出対象とする物体検出装置、及び該物体検出装置を備えるセンシング装置に関する。

近年、物体の有無や、その物体までの距離を検出するための物体検出装置の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、投光部と、該投光部と上下方向で対向するように配置される受光部と、該受光部を内部に収容した状態で回転駆動されるキャップ部材と、該キャップ部材の遮光された端壁部の外面に固定され且つ投光部から出射された投光光をキャップ部材の半径方向外方空間に向けて走査する投光ミラーと、キャップ部材の周壁部に設けられた受光窓に固定され且つ半径方向外方空間からの反射光をキャップ部材の内部に導入する受光レンズと、キャップ部材の遮光された端壁部の内面に固定され且つ受光レンズによってキャップ部材の内部に導入された反射光を受光部に入射する受光ミラーと、投光ミラーで反射した投光部からの投光光を受光ミラーに向けて折り返す導光部材と、受光部に受光された反射光に基づいて半径方向外方空間の被投射体までの距離を演算する距離演算部とを、半径方向外方空間に走査される投光光および半径方向外方空間からの反射光が通過する透明窓を周壁部に有するアウターカバーの内部に収容した走査型レンジセンサが開示されている。

また、特許文献２には、レーザ光を発生させるレーザ光源を備え、所定方向を高さ方向とした場合において、レーザ光源から出射されたレーザ光が高さ方向の投光経路を通るように導く投光手段と、レーザ光が導かれる高さ方向の投光経路と平行な回転軸を中心として複数の偏向部が一体的に回転可能とされた回転構造体と、回転構造体を回転駆動する駆動手段と、駆動手段によって回転構造体を回転させつつレーザ光を各偏向部によって順番に偏向させる回転偏向手段と、レーザ光が外部空間の物体で反射して生じる反射光を受光経路に導く誘導手段と、誘導手段によって導かれた反射光を受光する受光手段と、回転構造体の回転角度に基づいて少なくとも物体の方位を検出する方位検出手段と、を備えたレーザレーダ装置が開示されている。

また、特許文献３には、少なくとも１つの発光部を有する光源装置と、所定の軸線周りに回転可能に設けられ、光源装置からの光を対象物に向けて反射する複数の偏向面を有する偏向部と、軸線周りに偏向部と一体に回転可能に設けられ、複数の偏向面に個別に対応し、対応する偏向面で反射され対象物で反射された光の一部を反射する複数の反射面を有する反射部と、反射部で反射された光を受光する少なくとも１つの受光素子を有する受光手段とを備えている距離測定装置が開示されている。

また、特許文献４には、回転軸に対する倒れ角が異なる複数の反射面を外周部に備えた回転多面鏡と、パルス光を発生させる光源を有し、該パルス光を回転多面鏡に所定方向から入射させるパルス光入射手段と、回転多面鏡の反射面から前方の測定エリアに向けて出射され、測定エリア内の物体で反射されて戻って来るパルス光を受光する受光手段とを備える反射測定装置が開示されている。

近年、物体検出装置の移動体への利用が盛んに検討されており、物体検出装置における検出速度の高速化の要求が高くなっている。しかしながら、従来の物体検出装置では、検出精度を低下させることなく、検出速度を高速化するのは困難であった。

本発明は、光源と、該光源から射出された光を偏向する光偏向器と、該光偏向器で偏向され、物体で反射された光を検出する光検出器とを備え、前記光偏向器は、回転軸まわりに回転する複数の反射面を有し、該複数の反射面は、前記回転軸に対して傾斜しており、かつ前記回転軸を中心とする回転対称の関係にあり、前記光源から射出された光は、前記回転軸に平行な方向から前記光偏向器に入射する物体検出装置である。

本発明の物体検出装置によれば、検出精度を低下させることなく、検出速度を高速化することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザレーダ２０を搭載した車両の外観図である。 本発明の一実施形態に係る監視装置１０の構成を説明するためのブロック図である。 レーザレーダ２０の構成を説明するための図である。 光射出系２０１を説明するための図である。 発光時間及び発光周期を説明するための図である。 折り返しミラー２０５を説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ光偏向器２０４を説明するための図である。 図７（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 折り返しミラー２０５と光偏向器２０４の位置関係を説明するための図である。 光射出系２０１と光偏向器２０４の位置関係を説明するための図である。 走査開始タイミングでの検出光の投光角度を説明するための図である。 走査終了タイミングでの検出光の投光角度を説明するための図である。 同期検知を説明するための図である。 光源の駆動信号を説明するためのタイミングチャートである。 光検出系２０２を説明するための図である。 光射出系２０１、折り返しミラー２０５、光偏向器２０４、光検出系２０２が筐体内に収容されている状態を説明するための図である。 音声・警報発生装置６０の構成を説明するためのブロック図である。 回転部４００の回転数と投光角度の分解能をパラメータとして算出された発光周期及び発光周波数の一例を説明するための図である。 レーザレーダの変形例１を説明するための図（その１）である。 変形例１のレーザレーダにおける走査軌跡を説明するための図である。 変形例１のレーザレーダにおけるカバー部材６０２を説明するための図である。 図２１のＡ−Ａ断面図である。 図２１のＢ−Ｂ断面図である。 レーザレーダの変形例２を説明するための図である。 変形例２のレーザレーダにおける走査軌跡を説明するための図である。 変形例２のレーザレーダにおけるカバー部材６０２を説明するための図である。 図２６のＡ−Ａ断面図である。 図２８（Ａ）〜図２８（Ｃ）は、それぞれレーザレーダの変形例３を説明するための図（その１）である。 図２９（Ａ）〜図２９（Ｃ）は、それぞれレーザレーダの変形例３を説明するための図（その２）である。 変形例３のレーザレーダで用いられる面発光レーザアレイの一例を説明するための図である。 面発光レーザアレイにおける複数の発光部群の中心の位置関係を説明するための図である。 検出領域のレイヤ１〜レイヤ３を説明するための図である。 選択される発光部群とレイヤとの関係を説明するための図である。 保持部材を説明するための図（その１）である。 保持部材を説明するための図（その２）である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１８に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る物体検出装置としてのレーザレーダ２０を搭載した車両１の外観が示されている。

レーザレーダ２０は、一例として、車両１の前方のナンバープレート近傍に取り付けられている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、車両１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

車両１の車内には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、監視制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、レーザレーダ２０、表示装置３０、監視制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０によって、センシング装置としての監視装置１０が構成されている。すなわち、監視装置１０は、車両１に搭載されている。また、監視装置１０は、車両１のメインコントローラに電気的に接続されている。

レーザレーダ２０は、一例として図３に示されるように、光射出系２０１、光偏向器２０４、光検出系２０２、物体情報取得部２０３、及び折り返しミラー２０５（図３では不図示、図５参照）などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。ここでは、光射出系２０１は、光検出系２０２の−Ｚ側に配置されている。また、レーザレーダ２０は、対象物が検出可能な最大距離を２００ｍに設定されている。なお、以下では、便宜上、対象物が検出可能な最大距離を「検出可能最大距離」ともいう。

光射出系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１、及びカップリングレンズ２２などを有している。

光源２１は、端面発光レーザを有し、光源駆動回路を含む回路基板に実装されている。ここでは、光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。

光源２１は、物体情報取得部２０３によって点灯及び消灯される。物体情報取得部２０３は、物体を検出する際、光源２１からパルス光を射出させる。ここでは、光源２１の１パルス当たりの発光時間を１０ｎ秒としているが、これに限定されるものではない。なお、以下では、１パルスにおいて、光源２１が点灯状態にある時間を「発光時間」ともいう（図５参照）。また、連続する２つのパルスの時間間隔を「発光周期」ともいう（図５参照）。

ところで、光源２１から光パルスを射出した時間と該光パルスの反射光を検出した時間との差をΔｔ、光速をＣとすると、対象物までの距離Ｌは、Ｌ＝Δｔ×Ｃ÷２で与えられる。ここでは、レーザレーダ２０の検出可能最大距離が２００ｍに設定されているため、Ｌ＝２００ｍとおくと、Δｔは約１．３μ秒となる。

例えば、２００ｍ先と４００ｍ先の両方に対象物がある場合に、１．３μ秒の発光周期で光源２１を点灯させると４００ｍ先の対象物からの反射光が、２００ｍ先の対象物からの反射光と認識される可能性がある。そこで、発光周期として、検出可能最大距離の２倍の距離に対応するΔｔ以上の値を設定すれば、誤検出することがない。すなわち、検出可能最大距離が２００ｍの場合は、発光周期を２．７μ秒以上に設定すれば良い。また、発光周期が短かくなるとレーザ素子の発熱が大きくなり、寿命が低下するおそれがあるため、寿命も考慮して発光周期を設定すると良い。

カップリングレンズ２２は、光源２１の＋Ｘ側に配置され、光源２１から射出された光を平行光あるいは、わずかに発散した発散光とする。ここでは、カップリングレンズ２２として平凸レンズが用いられている。カップリングレンズ２２を介した光が、光射出系２０１から射出される光である。

折り返しミラー２０５は、光射出系２０１及び光検出系２０２の＋Ｘ側に配置されている。そして、図６に示されるように、折り返しミラー２０５のミラー面は、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜するように設定されている。そこで、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５のミラー面で反射された光の進行方向は、−Ｚ方向となる。

光偏向器２０４は、図７（Ａ）〜図８に示されるように、回転部４００及び駆動部５００を有している。なお、図８は、図７（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

回転部４００は、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜した２つの反射面（４０１ａ、４０１ｂ）を有している。回転部４００は、中心に、Ｚ軸方向に延びる貫通孔を有している。この貫通孔の中心を通りＺ軸に平行な軸が、回転部４００の回転軸である。また、２つの反射面は、回転軸を中心とする回転対称の関係にある。

反射面４０１ａと反射面４０１ｂは、＋Ｚ側の端部が互いに接している。そして、反射面４０１ａと反射面４０１ｂの境界線は、回転部４００の回転軸に直交する稜線（図７（Ｂ）参照）を形成している。

回転部４００は、アルミニウム合金の切削加工品である。特に、各反射面は、超精密切削加工によって形成され、透明な膜によって保護されている。

また、回転部４００は、内部に上記貫通孔と繋がっている空間を有している。そして、この空間内に、駆動部５００の主要部分が配置されている。

駆動部５００は、軸部材５１５、軸受ハウジング５２１、スラスト軸受部材５２２、軸受部材５２３、シール部材５２４、ロータ磁石５３１、ステータコア５３２、巻き線コイル５３３、回路基板５４１、ホール素子５４２、駆動ＩＣ（図示省略）、コネクタ（図示省略）などを有している。

軸部材５１５は、Ｚ軸方向を長手方向とする棒状の部材であり、＋Ｚ側の部分が回転部４００の貫通孔に焼きばめされている。そこで、回転軸は、軸部材５１５の中心を通ることとなり、軸部材５１５が回転すると、回転部４００はＺ軸まわりに回転する。軸部材５１５の素材としては、焼入れが可能で表面硬度を高くでき、耐磨耗性が良好なマルテンサイト系のステンレス鋼（例えばＳＵＳ４２０Ｊ２）が好適である。軸部材５１５の外周には、高速回転での安定性を確保するため、不図示の動圧発生溝が設けられている。

軸受ハウジング５２１は、外形がＺ軸方向を高さ方向とする略円柱状の部材であり、＋Ｚ側の面の中央に−Ｚ方向に延びる穴が形成されている。そして、該穴の底面にスラスト軸受部材５２２が配置され、該穴の壁面に軸受部材５２３が配置されている。また、該穴の開口位置近傍に、シール部材５２４が配置されている。

軸受部材５２３は含油動圧軸受であり、軸受隙間は直径で１０μｍ程度に設定されている。なお、前記動圧発生溝は、軸受部材５２３の内周面に設けても良いが、軸部材５１５の外周に設けるほうが加工性の点から好適である。軸受部材５２３によって囲まれた部分に軸部材５１５の−Ｚ側の部分が挿入されている。

軸部材５１５のスラスト方向の軸受は、いわゆるピボット軸受であり、軸部材５１５の−Ｚ側端部に形成された凸曲面とスラスト軸受部材５２２とが接触している。

スラスト軸受部材５２２には、マルテンサイト系ステンレス鋼、セラミックス、表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理等の硬化処理を施した金属部材、及び樹脂材料等が用いられ、良好な潤滑性を有し、磨耗粉の発生を抑えている。

シール部材５２４は、油の流出を防止している。

ロータ磁石５３１は、樹脂をバインダに使用したリング形状のボンド磁石であり、回転部４００の内面に取り付けられている。このロータ磁石５３１は、周方向１２極（６極対）となるように着磁されている。

ステータコア５３２は、軸受ハウジング５２１に取り付けられている。そして、ステータコア５３２には周方向に９つの巻き線コイル５３３が配置されている。そこで、ロータ磁石５３１は、ステータコア５３２の外周部とで回転トルクを発生し回転する。

すなわち、ロータ磁石５３１と、ステータコア５３２と、巻き線コイル５３３とによって、１２極９スロット型のブラシレスモータが構成されている。

回路基板５４１には、巻き線コイル５３３と駆動ＩＣとを電気的に接続する配線パターン、ホール素子５４２と駆動ＩＣとを電気的に接続する配線パターン、コネクタとホール素子５４２及び駆動ＩＣとを電気的に接続する配線パターンなどが形成されている。また、回路基板５４１には、軸受ハウジング５２１が取り付けられている。

ホール素子５４２は、ロータ磁石５３１の１２極の着磁に対応して、ＮＳの磁極境界を検出するための信号を出力する。この信号には、回転部４００の位置情報と、回転速度情報とが含まれている。

駆動ＩＣは、ホール素子５４２の出力信号を回転部４００の位置信号として参照し、巻き線コイル５３３の励磁切り替えを行う。これにより、回転部４００の回転が継続される。

また、駆動ＩＣは、ホール素子５４２の出力信号を波形整形して得られた回転速度検出信号と不図示のコントローラより供給される基準クロック信号の位相を比較する、いわゆる位相比較制御（ＰＬＬ制御）により、回転部４００が一定の速度で回転するように制御する。

コネクタには不図示のハーネスが接続され、物体情報取得部２０３からの電力供給、上記モータの起動、停止、回転数等の制御信号の入出力が行われる。すなわち、回転部４００の回転制御は、物体情報取得部２０３によって行われる。

光偏向器２０４は、一例として図９に示されるように、折り返しミラー２０５の−Ｚ側に配置されている。そこで、光源２１から射出された光は、カップリングレンズ２２でカップリングされ、折り返しミラー２０５で反射されて光偏向器２０４の反射面に入射する。ここでは、折り返しミラー２０５で反射されて光偏向器２０４の反射面に入射する光の進行方向は、光偏向器２０４の回転軸に平行である。

光偏向器２０４の反射面で反射された光がレーザレーダ２０から射出される検出光である。この検出光の進行方向は、Ｚ軸方向に直交している。また、検出光のＺ軸方向に関する位置は、他の車両が検出できる位置に設定されている。

図１０には、＋Ｚ側からみたときの、光射出系２０１と光偏向器２０４との位置関係が示されている。ＸＹ面に正射影すると、光射出系２０１から射出される光は、光偏向器２０４の軸部材５１５の中心を通るように設定されている。

回転部４００が回転すると、Ｚ軸方向に直交する平面内において、検出光の進行方向が変化する（図１１及び図１２参照）。すなわち、検出光は、光偏向器２０４の反射ミラーの回転に伴って、Ｙ軸方向に沿って走査される。ここでは、検出光の進行方向がＸ軸方向に対して−８０°となるタイミング（図１１参照）が走査開始タイミングであり、検出光の進行方向がＸ軸方向に対して＋８０°となるタイミング（図１２参照）が走査終了タイミングである。このように、検出光は、＋Ｙ方向に走査される。そして、検出光によって走査される領域が検出領域である。

なお、以下では、検出光の進行方向のＸ軸方向に対する傾斜角を「投光角度」ともいう。また、走査開始タイミングでの検出光の進行方向と走査終了タイミングでの検出光の進行方向とのなす角度を「走査角」ともいう。ここでは、走査角は１６０°である。

図１３には、光射出系２０１及び光偏向器２０４が筐体６０１内に収納されている状態が示されている。筐体６０１は、＋Ｘ側に開口を有し、該開口にカバー部材６０２が取り付けられている。このカバー部材６０２は、光射出系２０１から射出された光の大部分を透過させ、一部を反射する特性を有している。

光源２１は、回路基板２３に実装された状態で、筐体６０１に取り付けられている。この回路基板２３には、同期用受光素子２５も実装されている。ここでは、投光角度が−８５°近傍のときに、カバー部材６０２で反射された光が同期用受光素子２５で受光されるように設定されている。同期用受光素子２５は、受光光量に対応した信号を物体情報取得部２０３に出力する。なお、以下では、便宜上、カバー部材６０２で反射された光が同期用受光素子２５で受光されるタイミングを「同期タイミング」ともいう。

ところで、回転部４００の回転数毎に、同期タイミングから走査開始タイミングまでの時間ｔ１、走査開始タイミングから走査終了タイミングまでの時間ｔ２、走査終了タイミングから同期検知開始タイミングまでの時間ｔ３に関する情報が予め取得され、物体情報取得部２０３のメモリ（図示省略）に保存されている。

そこで、物体情報取得部２０３は、同期用受光素子２５の出力に基づいて同期タイミングを検知すると、時間ｔ１の経過後に光源２１のパルス発光を開始する。そして、物体情報取得部２０３は、更に時間ｔ２の経過後に光源２１のパルス発光を停止する。そして、物体情報取得部２０３は、更に時間ｔ３の経過後に光源２１を点灯させ同期タイミングの検知を開始する。図１４には、光源２１の駆動信号のタイミングチャートが示されている。

なお、光源２１から射出される光がカップリングレンズ２２で発散光になる場合、検出領域のＺ軸方向に関する大きさは、レーザレーダ２０からの距離が大きくなるにつれて大きくなる。

検出領域内に物体があると、レーザレーダ２０から射出され物体で反射された光の一部は、レーザレーダ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射されレーザレーダ２０に戻ってくる光を「物体からの反射光」ともいう。

なお、検出光が反射面４０１ａで反射された光である場合は、物体からの反射光は反射面４０１ａに入射する。一方、検出光が反射面４０１ｂで反射された光である場合は、物体からの反射光は反射面４０１ｂに入射する。

物体からの反射光であって、光偏向器２０４により折り返しミラー２０５に向かう方向に偏向された光は、折り返しミラー２０５で反射され、光検出系２０２に入射する。

光検出系２０２は、一例として図１５に示されるように、集光レンズ２８、及び光検出器２９などを有している。

集光レンズ２８は、折り返しミラー２０５で反射された光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、集光レンズ２８として平凸レンズが用いられている。

光検出器２９は、集光レンズ２８を介した光を受光し、受光光量に対応した信号を物体情報取得部２０３に出力する。ここでは、一例として図１６に示されるように、光検出器２９は、回路基板２３に実装されている。

光検出器２９の受光素子として、ＡＰＤ（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）のような高感度のフォトダイオードが用いられている。この受光素子は、集光レンズ２８の焦点位置近傍に配置されている。この場合は、受光素子の小型化を図ることができる。

ここでは、光偏向器２０４の反射面において、物体からの反射光の入射位置が、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５で反射された光の入射位置よりも、光偏向器２０４の回転軸に近くなるように設定されている。

物体情報取得部２０３は、光検出器２９の出力レベルが予め設定されている閾値以上のとき、光検出器２９が物体からの反射光を受光したと判断する。そして、物体情報取得部２０３は、光検出器２９が物体からの反射光を受光すると、光源２１での発光タイミングと光検出器２９での受光タイミングとから物体までの距離を求める。さらに、物体情報取得部２０３は、物体の位置、物体の大きさ及び物体の形状などの物体情報を求め、メモリ５０に保存する。

図２に戻り、監視制御装置４０は、所定のタイミング毎に、メモリ５０に格納されている物体情報などに基づいて、車両１の前方に物体があるときにその物体の移動の有無を求めるとともに、該物体が移動しているときにはその移動方向及び移動速度を含む移動情報を求める。そして、物体情報及び移動情報を表示装置３０に表示する。

また、監視制御装置４０は、物体情報及び移動情報に基づいて、危険の有無を判断し、危険があると判断すると、車両１のメインコントローラ及び音声・警報発生装置６０に通知する。

音声・警報発生装置６０は、一例として図１７に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、監視制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。

警報信号生成装置６２は、監視制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。

ところで、回転部４００の回転数は、数１００ｒｐｍ〜数１０００ｒｐｍの範囲で一定の回転数に設定されている。そして、適切な発光周期は、回転部４００の回転数、投光角度の分解能、及び検出可能最大距離によって異なる。

図１８には、検出可能最大距離が２００ｍのときに、回転部４００の回転数と投光角度の分解能をパラメータとして算出された発光周期及び発光周波数の例が示されている。図１８によると、回転部４００の回転数が高くなるほど、あるいは、投光角度の分解能の値が小さくなるほど、適切な発光周期は短くなる。

例えば、回転部４００の回転数が５００ｒｐｍ、投光角度の分解能が１°のとき、適切な発光周期は３３３μ秒、発光周波数は３ｋＨｚである。投光角度が−８０°〜＋８０°の範囲を走査する際に、３３３μ秒毎にパルス発光させれば、１°毎に１６１個の測定データを得ることができる。

また、例えば、回転部４００の回転数が６０００ｒｐｍ、投光角度の分解能が０．２５°のとき、適切な発光周期は６．９μ秒、発光周波数は１４４ｋＨｚである。投光角度が−８０°〜＋８０°の範囲を走査する際に、６．９μ秒毎にパルス発光させれば、０．２５°毎に６４１個の測定データを得ることができる。

回転部４００の回転数、及び投光角度の分解能は、用途に応じた値に適宜設定することができる。

ところで、同期タイミングを基準にして、光源２１の発光制御を行い、時系列に取得される測定データを投光角度と対応させるためには、回転部４００は目標とする一定の回転数で回転する必要がある。

例えば、投光角度が−８０°〜＋８０°の範囲、すなわち１６０°の範囲を０．２５°の分解能で物体を検出する場合、０．２５°は１６０°の０．１５６％（＝０．２５／１６０×１００）に相当する。

このとき、投光角度の誤差を位置分解能の半分程度に抑える必要があるため、回転むらは少なくとも０．０７８％以下にする必要がある。回転数が低すぎると回転むらが大きくなる傾向があり、回転むらを小さく抑えるには、ある程度回転数を高くしてイナーシャ効果が得やすい方が良く、２０００ｒｐｍ以上で使用するのが好適である。

また、回転部４００の回転数が高い方が、単位時間当たりの検出回数を多くでき、検出精度を上げることができる。検出精度を上げる点でも、回転部４００の回転数は、２０００ｒｐｍ以上が好適である。

一方で、回転数を高めれば、従来は、不釣合い振動が大きくなるという不都合があった。これに対し、本実施形態における回転部４００は、複数の反射面が、回転軸に対して傾斜し、Ｚ軸方向に関する位置が同じで回転対称となるように形成されているので、回転部４００の動的な釣り合わせが容易で高速で回転させることができる。

例えば、回転部４００を、回転軸方向に沿って分割された薄肉の回転板の集合体として考える。このとき、分割された各薄肉板は、その重心が回転軸と一致していることが重要である。仮に、重心が回転軸と一致しない薄肉板が存在すると、回転したときに不釣合い振動が発生することになる。不釣合い振動が発生しないように、回転部４００の質量バランスを修正するのが「動的な釣り合わせ」である。

この「動的な釣り合わせ」の詳細については、ＪＩＳ規格書（「回転機械−剛性ロータの釣合い良さ」（ＪＩＳ Ｂ０９０５−１９９２））に記載されている。

通常、「動的な釣り合わせ」では、軸方向に関して離れている２つの修正面を設定し、不釣合い振動の元になる質量アンバランスが解消されるように、２つの修正面上で質量を付加または削除する。回転軸方向に沿って分割された複数の薄肉板において、その重心が回転軸と一致しない薄肉板が多ければ、大きな修正質量の付加または削除が必要になる。

本実施形態の回転部４００は、回転軸方向に沿って分割したときに重心が回転軸と一致しない薄肉板が存在しないため、大きな修正質量の付加または削除は不要で動的な釣り合わせが容易である。

また、本実施形態では、２０００ｒｐｍ以上で回転部４００を回転させた場合でも、反射面を回転軸に平行にして光を水平入射させる場合に比べて、光偏向器２０４を小型にできるので、風損と周辺の乱流を小さく抑えることが可能となり、消費電力、及び回転むらを小さく抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザレーダ２０は、光射出系２０１、折り返しミラー２０５、光偏向器２０４、光検出系２０２、及び物体情報取得部２０３などを有している。

光射出系２０１は、光源２１、及びカップリングレンズ２２などを有している。光検出系２０２は、集光レンズ２８、及び光検出器２９などを有している。

光偏向器２０４は、回転軸まわりに回転する複数の反射面を有し、該複数の反射面は、回転軸に対して傾斜しており、かつ回転軸を中心とする回転対称の関係にある。

この場合は、光偏向器２０４の回転部４００の動的な釣り合わせが容易であり、検出精度を維持しつつ、回転部４００を高速で回転させることができる。そこで、１回の走査に要する時間を短縮することが可能となる。

また、回転部４００の複数の反射面を回転軸に対して傾斜させることで、複数の反射面を回転軸に対して平行にして光を水平入射させる場合に比べて、光偏向器２０４を小型にすることができる。その結果、風損と周辺の乱流が小さくなり、消費電力、及び回転むらを小さくすることができる。

また、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５で反射された光は、回転軸に平行な方向から光偏向器２０４に入射するように設定されている。この場合、全ての投光角度においてＸＹ面に平行な検出光をレーザレーダ２０から射出することができ、Ｚ軸方向に関する検出精度を高くすることができる。

そこで、本実施形態に係るレーザレーダ２０によると、検出精度を低下させることなく、検出速度を高速化することができる。

また、光偏向器２０４の反射面において、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５で反射された光の入射位置が、物体で反射された光の入射位置よりも−Ｚ側に位置するように設定されている。この場合は、光偏向器２０４に入射した光源２１からの光が、一つの反射面で反射可能な回転部４００の回転角範囲を大きくすることができ、その結果、走査角を広くすることができる。

さらに、光偏向器２０４の複数の反射面における隣り合う２つの反射面の交線は、回転軸と直交している。この場合も、光偏向器２０４に入射した光源２１からの光が、一つの反射面で反射可能な回転部４００の回転角範囲を大きくすることができ、その結果、走査角を広くすることができる。

そして、物体情報取得部２０３は、光源２１での発光タイミングと光検出器２９での受光タイミングとに基づいて、物体までの距離を含む物体情報を取得する。ここでは、物体情報を短時間で精度良く取得することができる。

さらに、本実施形態に係る監視装置１０によると、レーザレーダ２０を備えているため、高速で物体情報及び移動情報を精度良く求めることができる。

《変形例１》
図１９に変形例１のレーザレーダ２０Ａが示されている。このレーザレーダ２０Ａは、上記実施形態におけるレーザレーダ２０に対して、光検出系２０２の構成及びカバー部材６０２が異なる点に特徴を有している。

レーザレーダ２０Ａでは、カバー部材６０２は、集光機能を有する部分と、集光機能を有さない部分とを含んでいる。

図２０には、カバー部材６０２における検出光の入射位置の軌跡（以下では、「走査軌跡」ともいう。）が示されている。そして、一例として図２１に示されるように、カバー部材６０２における集光機能を有さない部分を検出光が通過するように設定されている。この場合は、検出光がカバー部材６０２によって発散されたり、想定外の方向に屈折されるのを防止することができる。図２１のＡ−Ａ断面図が図２２に示され、Ｂ−Ｂ断面図が図２３に示されている。

集光機能を有する部分は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に関して偏肉な形状である。また、集光機能を有さない部分は、ほぼ一様な肉厚である。このカバー部材６０２は、樹脂材料を用いて一体成型により形成されている。

そして、集光機能を有する部分を、物体からの反射光の大部分が通過するように設定されている。そこで、光検出系２０２では、前記集光レンズ２８が不要となる。また、この場合、光偏向器２０４で偏向された物体からの反射光は、折り返しミラー２０５を介さずに光検出器２９で受光することが可能なため、折り返しミラー２０５の小型化を図ることができる。そして、その結果、筐体６０１の小型化を図ることができる。

《変形例２》
図２４に変形例２のレーザレーダ２０Ｂが示されている。このレーザレーダ２０Ｂは、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５で反射された光の、光偏向器２０４の反射面における入射位置が、上記レーザレーダ２０Ａに対して異なる点に特徴を有している。

レーザレーダ２０Ｂでは、光偏向器２０４の反射面において、光射出系２０１から射出され、折り返しミラー２０５で反射された光の入射位置が、物体で反射された光の入射位置よりも＋Ｚ側に位置するように設定されている。

このときの、カバー部材６０２における検出光の走査軌跡が図２５に示されている。このように、Ｚ軸方向に関する検出光の位置変動を小さく抑えることができる。

そして、カバー部材６０２における集光機能を有さない部分、及び集光機能を有する部分が、図２６に示されている。また、図２６のＡ−Ａ断面図が図２７に示されている。このように、カバー部材６０２の形状を単純なものにすることができる。

この場合、カバー部材６０２において、物体で反射された光が通過する領域と検出光が通過する領域とを容易に分離することができるので、光検出器２９に到達する物体検出光の光量低下を小さく抑えることができる。

なお、レーザレーダ２０Ｂでは、レーザレーダ２０及びレーザレーダ２０Ａよりも走査角が若干小さくなる。

《変形例３》
変形例３のレーザレーダ（レーザレーダ２０Ｃという）は、上記レーザレーダ２０に対して、光源２１が異なる点に特徴を有している。このレーザレーダ２０Ｃの光源２１では、前記端面発光レーザに代えて、２次元配列された複数の発光部を有する面発光レーザアレイが用いられている。

面発光レーザアレイでは、数平方ミリメートルの領域内に数百から数千の発光部（面発光レーザ）が集積されている。ここでは、複数の発光部をグループ分けし、各グループを「発光部群」ともいう。すなわち、光源２１は、複数の発光部群を有している。そして、発光部群単位で点灯及び消灯される。

先ず、Ｙ軸方向に関して異なる位置に存在する複数の発光部群について考える。

図２８（Ａ）に示されるように、Ｙ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸よりも−Ｙ側に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して傾斜する。

図２８（Ｂ）に示されるように、Ｙ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸上に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して平行となる。

図２８（Ｃ）に示されるように、Ｙ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸よりも＋Ｙ側に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して図２８（Ａ）とは反対側に傾斜する。

次に、Ｚ軸方向に関して異なる位置に存在する複数の発光部群について考える。

図２９（Ａ）に示されるように、Ｚ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸よりも−Ｚ側に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して傾斜する。

図２９（Ｂ）に示されるように、Ｚ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸上に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して平行となる。

図２９（Ｃ）に示されるように、Ｚ軸方向に関して、カップリングレンズ２２の光軸よりも＋Ｚ側に位置する発光部群を点灯させると、カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向はＸ軸方向に対して図２９（Ａ）とは反対側に傾斜する。

カップリングレンズ２２を通過した光の進行方向のＸ軸方向に対する傾斜角の大きさ（絶対値）は、点灯される発光部群の位置がカップリングレンズ２２の光軸から離れるにつれて大きくなる。

なお、発光部群の位置による上記傾斜角の変化はカップリングレンズ２２の焦点距離により、ある程度調整することが可能であり、傾斜角の変化としては１〜２°程度にしている。

物体情報取得部２０３は、回転部４００の回転に同期して、複数の発光部群の中の一部を選択的に点灯させる。

一例として、図３０に示される面発光レーザアレイが用いられる場合について説明する。この面発光レーザアレイは、１１個の発光部群（群１〜群１１）を有している。そして、各発光部群の中心の位置関係が図３１に示されている。群６は、全発光部群の配列中心であって、カップリングレンズ２２の光軸上に位置している。また、検出領域は、一例として図３２に示されるようにＺ軸方向に関して３層（レイヤ１、レイヤ２、レイヤ３）からなるものとする。

例えば、検出領域がレイヤ１のときは、投光角度が−８０°、−４５°、０°、＋４５°、＋８０°と変化するにつれて、点灯させる発光部群を、群１、群２、群３、群４、群５と変化させる（図３３参照）。すなわち、カップリングレンズ２２の光軸よりも−Ｚ側にある複数の発光部群を、全発光部群の配列中心を中心にして、反時計まわりに順に点灯させている。

また、検出領域がレイヤ２のときは、投光角度が−８０°、−４５°、０°、＋４５°、＋８０°と変化しても、点灯させる発光部群は群６のみとする（図３３参照）。すなわち、常に全発光部群の配列中心に位置する発光部群を点灯させる。

また、検出領域がレイヤ３のときは、投光角度が−８０°、−４５°、０°、＋４５°、＋８０°と変化するにつれて、点灯させる発光部群を、群７、群８、群９、群１０、群１１と変化させる（図３３参照）。すなわち、カップリングレンズ２２の光軸よりも＋Ｚ側にある複数の発光部群を、全発光部群の配列中心を中心にして、反時計まわりに順に点灯させている。

なお、ここでは、分かりやすくするため、面発光レーザアレイが１１個の発光部群を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

ところで、仮に、検出領域がレイヤ１のときに群３のみを点灯させ、検出領域がレイヤ２のときに群６のみを点灯させ、検出領域がレイヤ３のときに群９のみを点灯させる場合を考える。この場合、投光角度が約０°のときは、レイヤ１、レイヤ２、レイヤ３での検出光の照射位置は分離され、Ｚ軸方向に関して異なる位置の物体検出が可能となる。

しかしながら、投光角度の絶対値が大きくなるにつれて、レイヤ１での検出光の照射位置はレイヤ２での検出光の照射位置に近づくようになり、投光角度の絶対値が８０°のときは、レイヤ１での検出光の照射位置はレイヤ２での検出光の照射位置と重なってしまう。同様に、投光角度の絶対値が大きくなるにつれて、レイヤ３での検出光の照射位置はレイヤ２での検出光の照射位置に近づくようになり、投光角度の絶対値が８０°のときは、レイヤ３での検出光の照射位置はレイヤ２での検出光の照射位置と重なってしまう。このときは、Ｚ軸方向に関して異なる位置の物体検出は困難である。

すなわち、回転部４００の回転に同期して、点灯させる発光部群を変更することにより、Ｚ軸方向に関する複数の位置で検出が可能な、いわゆるマルチレイヤに対応した物体検出が可能である。

なお、上記実施形態では、回転部４００が２つの反射面を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。回転部４００が３つ以上の反射面を有していても良い。要するに、複数の反射面が、回転軸に対し傾斜し、回転軸方向の高さが同じで、回転軸を中心とする回転対称の関係にあれば良い。

なお、上記実施形態では、回転部４００の２つの反射面が回転軸に対して４５°傾斜している場合について説明したが、これに限定されるものではない。回転部４００が複数の反射面を有するとき、複数の反射面の全てを４５°以外の角度にしても良いし、複数の反射面の一部を４５°以外の角度にしても良い。

そして、複数の反射面の傾斜角を異なる角度にした場合は、光源２１における発光部あるいは発光部群の数が１つであっても、回転軸方向に関する複数の位置で物体の検出が可能である。

また、上記実施形態では、２つの反射面の＋Ｚ側の端部が直接、接している場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図３４に示されるように、２つの反射面の＋Ｚ側の端部が保持部材を介して接していても良い。但し、図３５に示されるように、保持部材の幅が大きいと、走査角が小さくなるので、保持部材の幅はできるだけ小さいほうが良い。

また、上記実施形態において、物体情報取得部２０３での処理の一部を監視制御装置４０が行っても良いし、監視制御装置４０での処理の一部を物体情報取得部２０３が行っても良い。

また、上記実施形態では、監視装置１０が１つのレーザレーダ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。車両の大きさ、監視領域などに応じて、複数のレーザレーダ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、レーザレーダ２０が車両の進行方向を監視する監視装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、車両の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

さらに、レーザレーダ２０は、車載用以外のセンシング装置にも用いることができる。この場合には、監視制御装置４０は、センシングの目的に応じたアラーム情報を出力する。

また、レーザレーダ２０は、物体の有無のみを検出する用途にも用いることができる。

また、レーザレーダ２０は、センシング装置以外の用途（例えば、距離計測装置や形状測定装置）にも用いることができる。

１…車両、１０…監視装置（センシング装置）、２０…レーザレーダ（物体検出装置）、２０Ａ…レーザレーダ（物体検出装置）、２０Ｂ…レーザレーダ（物体検出装置）、２１…光源、２２…カップリングレンズ、２８…集光レンズ、２９…光検出器、４０…監視制御装置、５０…メモリ、６０…音声・警報発生装置、２０１…光射出系、２０２…光検出系、２０３…物体情報取得部、２０４…光偏向器、２０５…折り返しミラー、４００…回転部、４０１ａ，４０１ｂ…反射面、５００…駆動部、５１５…軸部材、５２１…軸受ハウジング、５２２…スラスト軸受部材、５２３…軸受部材、５２４…シール部材、５３１…ロータ磁石、５３２…ステータコア、５３３…巻き線コイル、５４１…回路基板、５４２…ホール素子、６０１…筐体、６０２…カバー。

特許第４０３２０６１号公報 特開２０１３−２０５０９５号公報 特開２０１３−１７０９６２号公報 特開平９−２７４０７６号公報

Claims (10)

1. 光源と、
   該光源から射出された光を偏向する光偏向器と、
   該光偏向器で偏向され、物体で反射された光を検出する光検出器とを備え、
   前記光偏向器は、回転軸まわりに回転する複数の反射面を有し、該複数の反射面は、前記回転軸に対して傾斜しており、かつ前記回転軸を中心とする回転対称の関係にあり、
   前記光源から射出された光は、前記回転軸に平行な方向から前記光偏向器に入射する物体検出装置。
2. 前記複数の反射面における隣り合う２つの反射面の交線の方向は、前記回転軸の方向と直交することを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記物体で反射された光は、前記光偏向器で偏向されてから前記光検出器で検出され、
   前記物体で反射された光の前記光偏向器に入射する位置は、前記光源から射出された光の前記光偏向器に入射する位置よりも、前記複数の反射面の回転中心に近いことを特徴とする請求項１又は２に記載の物体検出装置。
4. 前記物体で反射された光は、前記光偏向器で偏向されてから前記光検出器で検出され、
   前記光源から射出された光の前記光偏向器に入射する位置は、前記物体で反射された光の前記光偏向器に入射する位置よりも、前記複数の反射面の回転中心に近いことを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
5. 前記光源、前記光偏向器、及び前記光検出器は、光透過性を有するカバー部材で覆われた窓を有する筐体内に収納され、
   前記カバー部材は、前記物体で反射された光が通過する部分が集光機能を有し、前記光源から射出され前記光偏向器で偏向された光が通過する部分が集光機能を有していないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の物体検出装置。
6. 前記複数の反射面は、回転部材の表面に形成され、
   前記回転体は、その内部に前記回転体を回転させるための駆動手段が収容される空間を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の物体検出装置。
7. 前記光源は２次元配列された複数の発光部を有し、前記複数の反射面の回転に同期して点灯対象の発光部が選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の物体検出装置。
8. 前記複数の反射面の前記回転軸に対する傾斜角は４５°であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の物体検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の物体検出装置と、
   前記物体検出装置の出力に基づいて、物体の有無や、物体の移動方向及び移動速度の少なくともいずれかを含む移動情報を求める監視制御装置と、を備えるセンシング装置。
10. 車両に搭載され、
    前記監視制御装置は、前記物体の位置情報及び移動情報の少なくとも一方に基づいて危険の有無を判断することを特徴とする請求項９に記載のセンシング装置。