JP2019039721A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成により、検出信号に対する迷光の影響を抑制することが可能な距離測定装置を提供する。
【解決手段】距離測定装置１は、固定部１０と、固定部１０に回転可能に配置された回転部２０と、固定部１０に配置され、測距用の投射光を出射するレーザ光源３１と、固定部１０に配置され、測距領域で反射された反射光を受光する光検出器３７と、固定部１０に配置され、測距領域に向かう投射光の光路と光検出器３７に向かう反射光の光路とを分離するビームスプリッタ３３と、投射光と反射光の共通光路に対し傾くように回転部２０に配置され、ビームスプリッタ３３を経由した投射光を測距領域に導くとともに、測距領域で反射された反射光を光検出器３７に集光するフレネルレンズミラー３４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、光を用いて物体との距離を測定する距離測定装置が、種々の機器に搭載されている。光を用いた距離の測定方式として、たとえば、三角測量法を利用した方式が知られている。この方式では、光の出射方向と、この光が物体で反射された反射光の進行方向との間の角度に基づいて、物体までの距離が計測される。しかし、この方式では、物体までの距離が長い場合に、距離を正確に計測することが困難となる。この問題を抑制し得る方式として、光を出射してから反射光を受光するまでの時間（ランタイム）に基づいて、物体までの距離を測定する方式を用いることができる。

以下の特許文献１には、ランタイムに基づいて物体までの距離を測定する距離測定装置が記載されている。この距離測定装置では、撮像レンズが装置の固定側に配置され、撮像レンズの光軸周りに回転するミラーが装置の回転側に配置されている。ミラーは、撮像レンズの光軸に対して所定の角度で傾くように配置されている。また、撮像レンズの中央に発光素子とコリメータレンズが埋め込まれている。発光素子から出射された光は、コリメータレンズによって平行光に変換された後、撮像レンズの光軸に沿って進む。この光がミラーで反射されて測距領域に投射される。測距領域からの反射光が撮像レンズによって取り込まれる。撮像レンズで取り込まれた反射光は、装置の固定側に配置された光検出器に集光される。

中国特許出願公開第１０５４６７３９８号明細書

特許文献１の構成では、撮像レンズに発光素子が埋め込まれているため、撮像レンズに対する発光素子およびコリメータレンズの設置作業が必要となり、且つ、発光素子と回路基板とを電気的に接続する作業が必要となる。これらの作業は繁雑である。

これに対し、光源と撮像レンズとを個別に配置するよう光学系を調整することにより、このような煩雑な作業を無くすことができる。しかし、この場合は、光源から出射された光の一部が撮像レンズの入射面で反射して迷光となり、この迷光が光検出器に入射することが起こり得る。測距領域から反射され光検出器へと導かれる反射光は微弱であるため、このような迷光は、光検出器の検出信号に大きな影響を及ぼす。

かかる課題に鑑み、本発明は、簡素な構成により、検出信号に対する迷光の影響を抑制することが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様は、距離測定装置に関する。この態様に係る距離測定装置は、固定部と、前記固定部に回転可能に配置された回転部と、前記固定部に配置され、測距用の投射光を出射する光源と、前記固定部に配置され、測距領域で反射された反射光を受光する光検出器と、前記固定部に配置され、前記測距領域に向かう前記投射光の光路と前記光検出器に向かう前記反射光の光路とを分離するビームスプリッタと、前記投射光と前記反射光の共通光路に対し傾くように前記回転部に配置され、前記ビームスプリッタを経由した前記投射光を前記測距領域に導くとともに、前記測距領域で反射された前記反射光を前記光検出器に集光するフレネルレンズミラーと、を備える。

本態様に係る距離測定装置によれば、フレネルレンズミラーによって反射光が集光されるため、撮像レンズを光学系に配置する必要がない。よって、撮像レンズで生じる迷光の影響を回避できる。また、フレネルレンズミラーが、投射光と反射光の共通光路に対し傾くように配置されているため、フレネルレンズミラーで反射された投射光の一部が迷光となって光検出器に向かうこともない。よって、検出信号に対する迷光の影響を防ぐことができる。さらに、フレネルレンズミラーが、投射光を測距領域に向けて反射するとともに、測距領域からの反射光を光検出器に向かう方向へと反射するミラーの機能と、反射光を光検出器に集光させるレンズの機能の両方を兼備するため、光学系に配置されるべき光学部品の点数を削減できる。よって、距離測定装置の構成を簡素化できる。

以上のとおり、本発明に係る距離測定装置によれば、簡素な構成により、検出信号に対する迷光の影響を抑制することが可能な距離測定装置を提供できる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態に係る固定部と回転部とを分離させた状態の距離測定装置の構成を示す斜視図である。 図３は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係るビームスプリッタの構成を示す平面図および側面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係るフレネルレンズミラーの構成を模式的に示す断面図および平面図である。 図６は、実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す回路ブロック図である。 図７は、変更例に係る距離測定装置の構成を示す断面図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、変更例に係るビームスプリッタの構成を示す平面図および側面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、変更例に係るフレネルレンズミラーの構成を模式的に示す断面図および平面図である。 図１０は、変更例に係る、ビームスプリッタ付近におけるレーザ光および反射光の光線領域を模式的に示す図である。 図１１は、他の変更例に係る距離測定装置の構成を示す断面図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、他の変更例に係るフレネルレンズミラーの構成を模式的に示す断面図および平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向は、距離測定装置１の高さ方向である。

図１は、距離測定装置１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、距離測定装置１は、円柱状の固定部１０と、固定部１０に回転可能に配置された回転部２０とを備える。回転部２０は、固定部１０と略同径の大径部２０ａと、大径部２０ａよりも径が小さい小径部２０ｂと、大径部２０ａと小径部２０ｂとを繋ぐ傾斜部２０ｃからなっている。大径部２０ａおよび小径部２０ｂは、何れも、円柱形状である。固定部１０と、回転部２０の大径部２０ａおよび小径部２０ｂとは、互いに同軸に配置されている。小径部２０ｂの側面に開口２１ｅが設けられている。開口２１ｅから測距領域に向かってレーザ光（投射光）が投射され、測距領域で反射されたレーザ光の反射光が開口２１ｅから内部に取り込まれる。

回転部２０は、Ｚ軸に平行、且つ、小径部２０ｂの中心を貫く回転軸Ｒ１０を中心に回転する。回転部２０の回転に伴い、開口２１ｅから投射されるレーザ光の光軸が回転軸Ｒ１０を中心に回転する。これに伴い、測距領域も回転する。後述のように、距離測定装置１は、測距領域にレーザ光を投射したタイミングと、測距領域からレーザ光の反射光を受光したタイミングとの間の時間差（ランタイム）に基づいて、測距領域に存在する物体までの距離を計測する。具体的には、この時間差に光の速度を乗じて物体までの距離を求める。上記のように回転部２０が回転軸Ｒ１０の周りに１回転することにより、距離測定装置１は、周囲３６０度の範囲に存在する物体までの距離を計測できる。

図２は、固定部１０と回転部２０とを分離させた状態の距離測定装置１の構成を示す斜視図である。

図２に示すように、固定部１０は、円柱状の支持ベース１１と、コイル１２と、ヨーク１３と、ベアリングボール１５と、を備えている。支持ベース１１は、たとえば樹脂で形成されている。支持ベース１１の上面には、回転軸Ｒ１０を中心とする周方向に沿って、凹部１１ａが形成されている。この凹部１１ａに、薄板状のヨーク１３が嵌め込まれている。ヨーク１３は、円板の中央部が抜き取られた形状である。ヨーク１３は、ネジ１４で支持ベース１１に固着されている。

さらに、ヨーク１３の上面に複数のコイル１２が周方向に並ぶように配置されている。ここでは、１２個のコイル１２が、ヨーク１３の上面に装着されている。これらヨーク１３は、回転部２０側の磁石２２とともに、回転部２０を回転させるためのリニアモータを構成する。

支持ベース１１の上面には、凹部１１ａの内側に深さ一定の案内溝１１ｂが周方向に延びるように形成されている。周方向に垂直な平面で切断した案内溝１１ｂの形状はＶ字状である。案内溝１１ｂは、周方向に繋がっている。案内溝１１ｂは、ベアリングボール１５を周方向に案内するためのものである。案内溝１１ｂに複数のベアリングボール１５が嵌められる。ベアリングボール１５間の距離を保つためのスペーサが、さらに案内溝１１ｂに嵌められてもよい。

支持ベース１１の中央部に円柱状の突部１１ｃが設けられ、さらに、この突部１１ｃに凹部１１ｄが設けられている。この凹部１１ｄに、後述の光学系を構成する光学部材が配置される。図２には、光学部材として、ビームスプリッタ３３と、ミラー３５が示されている。

図２には、回転部２０が上下に反転した状態で示されている。回転部２０は、支持部材２１と、磁石２２とを備える。図２には示されていないが、回転部２０には、さらに、ヨーク２３（図３参照）が設置されている。図２の状態において、ヨーク２３は、磁石２２によって覆われている。

回転部２０の大径部２０ａには、回転軸Ｒ１０を中心とする周方向に沿って、凹部２１ａが形成されている。この凹部２１ａに、薄板状のヨーク２３（図３参照）が嵌め込まれている。ヨーク２３は、円板の中央部が抜き取られた形状である。ヨーク２３は、熱硬化接着剤または金属と樹脂の一体成形などの手段で大径部２０ａに固着されている。

さらに、ヨーク２３を覆うようにして、複数の磁石２２が周方向に並ぶように配置されている。これら磁石２２は、隣り合う磁石２２の極性が互いに反転するように配置されている。ここでは、１６個の磁石２２が、ヨーク２３を覆うように装着されている。これら磁石２２は、上記のように、固定部１０側のコイル１２とともに、回転部２０を回転させるためのリニアモータを構成する。

支持部材２１には、凹部２１ａの内側に深さ一定の案内溝２１ｂが周方向に延びるように形成されている。周方向に垂直な平面で切断した案内溝２１ｂの形状はＶ字状である。案内溝２１ｂは、周方向に繋がっている。案内溝２１ｂは、固定部１０側の案内溝１１ｂとともに、ベアリングボール１５を周方向に案内するためのものである。図１に示すように回転部２０が固定部１０に重ねられると、ベアリングボール１５が、固定部１０側の案内溝１１ｂと、回転部２０側の案内溝２１ｂとによって挟まれる。これにより、回転部２０が、回転軸Ｒ１０を中心に回転可能に、固定部１０に支持される。

支持部材２１の中央部に円筒状の壁部２１ｃが設けられ、さらに、この壁部２１ｃの内側に開口２１ｄが設けられている。この開口２１ｄに、後述のフレネルレンズミラー３４（図３参照）が設置される。開口２１ｄは、小径部２０ｂの側面に形成された開口２１ｅに繋がっている。なお、壁部２１ｃには、周方向に一定間隔で切欠き２１ｆが形成されている。切欠き２１ｆは、回転部２０の回転状態を検出するためのものである。

上記のように、回転部２０が固定部１０に重ねられると、ベアリングボール１５を介して、回転部２０が、回転軸Ｒ１０を中心に回転可能に、固定部１０に支持される。この状態において、回転部２０側に配置された複数の磁石２２が、固定部１０側に配置された複数のコイル１２に向き合う。こうして、回転部２０を回転方向に駆動するためのリニアモータが構成される。

また、この状態において、回転部２０側の磁石２２と、固定部１０側のヨーク１３との間に磁気吸着力が生じる。この磁気吸着力によって、回転部２０が固定部１０に吸着され、固定部１０に対する回転部２０の支持状態が維持される。すなわち、ヨーク１３は、磁石２２との間で、回転部２０の脱落を規制するための磁気吸着力を生じさせるための磁性部を構成する。なお、支持ベース１１を磁性体で構成することにより、この磁気吸着力を生じさせてもよい。

図３は、距離測定装置１の構成を示す断面図である。図３には、図１に示した距離測定装置１を、Ｘ−Ｚ平面に平行な平面により、Ｙ軸方向の中央位置で切断したときの断面図が示されている。図３では、レーザ光源３１から出射され、測距領域へと向かうレーザ光（投射光）が実線で示され、測距領域から反射された反射光が破線で示されている。光学系に付された一点鎖線は、光学系の光軸である。

図３に示すように、距離測定装置１は、光学系の構成として、レーザ光源３１と、リレーレンズ３２と、ビームスプリッタ３３と、フレネルレンズミラー３４と、ミラー３５と、フィルタ３６と、光検出器３７と、を備えている。レーザ光源３１および光検出器３７は、回路基板４１に設置されている。リレーレンズ３２、ビームスプリッタ３３、ミラー３５およびフィルタ３６は、固定部１０側の支持ベース１１に設置されている。フレネルレンズミラー３４は、回転部２０の支持部材２１に設置されている。

レーザ光源３１は、所定波長のレーザ光を出射する。レーザ光源３１は、たとえば半導体レーザである。レーザ光源３１の出射光軸は、Ｚ軸に平行である。レーザ光源３１は、支持ベース１１の下面に設置された回路基板４１に設置されている。回路基板４１は、ネジ４２によって、支持ベース１１の下面に設置されている。レーザ光源３１から出射されたレーザ光は、リレーレンズ３２によって、放射角が絞られた後、ビームスプリッタ３３に入射する。レーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過して、フレネルレンズミラー３４へと向かう。ビームスプリッタ３３は、レーザ光源３１から出射されたレーザ光（投射光）の光路と測距領域で反射された反射光の光路とを分離する。

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ビームスプリッタ３３の構成を示す平面図および側面図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ３３は、厚みが一定の透明な基板３３ａの片面に反射膜３３ｂが形成された構成となっている。反射膜３３ｂは、円形の孔部３３ｃ以外の領域全てに設けられている。孔部３３ｃは、リレーレンズ３２側から入射したレーザ光が通過する領域よりもやや広めに設定されている。したがって、リレーレンズ３２側から入射したレーザ光は、略全てが、ビームスプリッタ３３を透過し、フレネルレンズミラー３４へと向かう。ビームスプリッタ３３は、Ｚ軸に対して４５度傾くように配置されている。

図３に戻り、フレネルレンズミラー３４は、投射光および反射光の共通光路に配置されている。図３において、ビームスプリッタ３３から開口２１ｅまでの間の光路が共通光路である。フレネルレンズミラー３４は、入射面がビームスプリッタ３３に向き合うように、支持部材２１に設置される。フレネルレンズミラー３４の入射面は、平面である。フレネルレンズミラー３４は、入射面が投射光および反射光の共通光路の中心軸（Ｚ軸）に対して４５度傾くように配置されている。ビームスプリッタ３３を透過したレーザ光は、フレネルレンズミラー３４によって光軸が９０度曲げられる。すなわち、レーザ光は、フレネルレンズミラー３４によって、開口２１ｅに向かう方向に反射される。

より詳細には、レーザ光は、フレネルレンズミラー３４の入射面を透過して、入射面の奥に配置された反射面で反射される。反射面には、反射型のフレネルレンズが形成されている。フレネルレンズミラー３４の入射面を透過したレーザ光は、反射面で反射される際に、反射面に形成されたフレネルレンズによって収束作用を受けて、平行光に変換される。こうして平行光に変換されたレーザ光が、フレネルレンズミラー３４の入射面からＸ軸正方向に出射され、開口２１ｅを通って、測距領域へと投射される。

図５（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るフレネルレンズミラー３４の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図５（ａ）は、フレネルレンズミラー３４を入射面Ｐ１に垂直な平面でフレネルレンズミラー３４の１つの直径に沿って切断したときの断面を模式的に示し、図５（ｂ）は、フレネルレンズミラー３４を入射面側から見たときの反射面Ｐ２の状態を模式的に示している。

なお、図５（ａ）では、レンズパターンが鋸形状の段差により模式的に示され、図５（ｂ）では、レンズパターンがリング状の縞により模式的に示されている。図５（ａ）、（ｂ）は、あくまで、レンズパターンを模式的に示すものであって、実際のフレネルレンズミラー３４では、径方向におけるレンズパターンの細かさ（ピッチ）が顕著に細かくなっている。また、図示の便宜上、図５（ａ）では、図５（ｂ）に比べて、レンズパターンの数が少なく示されている。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、フレネルレンズミラー３４は、平面視において円形である。フレネルレンズミラー３４のレンズ領域は、半径Ｒ１の円形の領域である。フレネルレンズミラー３４は、樹脂等の光透過性の材料で構成され、入射面Ｐ１と反対側の面にフレネルレンズを構成するレンズパターンが形成されている。さらに、入射面Ｐ１と反対側の面に反射膜が形成され、これにより反射面Ｐ２が構成されている。反射面Ｐ２は、入射面Ｐ１を透過して反射面Ｐ２に到達する光を反射する。このとき、反射面Ｐ２は、フレネルレンズを構成するレンズパターンによって、光に収束作用を付与する。

フレネルレンズミラー３４のレンズパターンは、図３のようにフレネルレンズミラー３４がレーザ光源３１の光軸に対し４５度傾いて配置された状態において、測距領域から反射されて開口２１ｅを通過した反射光（平行光）を、光検出器３７の受光面の収束させるように調整されている。すなわち、開口２１ｅを通過した反射光（平行光）が、フレネルレンズミラー３４の全領域において、光検出器３７の受光面の収束する収束作用を受けるように、フレネルレンズミラー３４のレンズパターンが設定されている。フレネルレンズミラー３４と光検出器３７との間の光路長は、フレネルレンズミラー３４の焦点距離と略同じある。

ビームスプリッタ３３側から入射面Ｐ１に入射したレーザ光（投射光）は、入射面Ｐ１から平行光の状態でＸ軸正方向に出射される。すなわち、レーザ光源３１から出射されたレーザ光は、フレネルレンズミラー３４で反射されると平行光になるように、リレーレンズ３２によって発散角が調整されている。

図３に戻り、測距領域に物体が存在する場合、開口２１ｅから測距領域に投射されたレーザ光は、物体で反射されて、再び、開口２１ｅへと向かう。こうして物体から反射された反射光が、開口２１ｅから取り込まれ、フレネルレンズミラー３４に導かれる。反射光は、フレネルレンズミラー３４で反射される際に、上記のように、フレネルレンズミラー３４から収束作用を受ける。こうして、反射光は、フレネルレンズミラー３４で反射され、ビームスプリッタ３３に入射する。

図４（ｂ）を参照して、ビームスプリッタ３３に入射した反射光は、反射膜３３ｂによってＸ軸負方向に反射される。図４（ｂ）には、破線で反射光が示されている。孔部３３ｃに入射した反射光は、反射されずに、ビームスプリッタ３３を透過する。孔部３３ｃ以外の反射膜３３ｂの領域に入射した反射光は、反射膜３３ｂによって、Ｘ軸負方向に反射され、ミラー３５に向かう。なお、図４（ｂ）には、便宜上、反射光が平行光であるかのように図示されているが、実際は収束光となっている。

図３に戻り、ビームスプリッタ３３によって反射された反射光は、ミラー３５によってＺ軸負方向に反射される。ミラー３５は、片面に反射面を有する全反射ミラーである。ミラー３５は、反射面がＺ軸に対して４５度傾くように設置されている。ミラー３５で反射された反射光は、フィルタ３６を透過して、光検出器３７に収束される。

フィルタ３６は、レーザ光源３１から出射されるレーザ光の波長帯の光を透過し、その他の波長帯の光を遮光するよう構成されている。フィルタ３６の入射面または出射面に、フィルタ３６に入射する反射光のビーム径と略同径のピンホールが設けられてもよい。これにより、迷光がさらに除去され得る。光検出器３７は、受光光量に応じた検出信号を出力する。なお、フィルタ３６にピンホールが設けられる場合、フレネルレンズミラー３４の焦点位置にピンホールが位置づけられるように光学系が調整されてもよい。

図３に示した光学系は、上記のように、フレネルレンズミラー３４から光検出器３７までの光路長がフレネルレンズミラー３４の焦点距離に略一致するようにレイアウトされている。また、リレーレンズ３２は、レーザ光源３１から出射されたレーザ光が、フレネルレンズミラー３４によって平行光に変換されるように、レーザ光の広がり角を調整する。これにより、図３に示すように、フレネルレンズミラー３４からレーザ光源３１までの光路長と、フレネルレンズミラー３４から光検出器３７までの光路長とが相違する構成であっても、レーザ光源３１と光検出器３７を同一の回路基板４１上に設置することが可能となる。

なお、図３の構成では、回路基板４１の他に、サブ基板４３が支持ベース１１に設置され、このサブ基板４３に、検出器１６が設置されている。検出器１６は、発光部と、発光部に対向する受光部とを備えている。検出器１６は、発光部と受光部との間の隙間に、図２に示した回転部２０側の壁部２１ｃが位置付けられるように配置されている。

回転部２０の回転に伴い、壁部２１ｃに形成された切欠き２１ｆが検出器１６の発光部と受光部との間に位置付けられると、発光部からの光が受光部により受光され、検出器１６からハイレベルの信号が出力される。切欠き２１ｆが通過すると、発光部からの光が壁部２１ｃで遮光され、検出器１６の信号がローレベルに立ち下がる。したがって、回転部２０が回転すると、検出器１６から、回転速度に応じた周期のパルス信号が出力される。この信号によって、回転部２０の回転状態が検出可能となる。サブ基板４３は、図示しない信号線によって、回路基板４１に電気的に接続されている。

図６は、距離測定装置１の構成を示す回路ブロック図である。

図６に示すように、距離測定装置１は、回路部の構成として、コントローラ１０１と、レーザ駆動回路１０２と、回転駆動回路１０３と、信号処理回路１０４とを備えている。

コントローラ１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理回路と、メモリとを備え、所定の制御プログラムに従って各部を制御する。レーザ駆動回路１０２は、コントローラ１０１からの制御に応じて、レーザ光源３１を駆動する。回転駆動回路１０３は、コントローラ１０１からの制御に応じて、コイル１２に電流を導通させる。たとえば、コントローラ１０１は、検出器１６から入力されるパルス信号に基づいて、回転部２０が所定の回転速度で回転するように、回転駆動回路１０３を制御する。これに応じて、回転駆動回路１０３は、コイル１２に導通させる電流量と導通タイミングとを調節する。

信号処理回路１０４は、光検出器３７から入力される検出信号に対し、増幅およびノイズ除去の処理を施して、コントローラ１０１に出力する。通信インタフェース１０５は、距離測定装置１が設置される機器との間で通信を行うためのインタフェースである。

測距動作において、コントローラ１０１は、回転駆動回路１０３を制御して回転部２０を回転させつつ、レーザ駆動回路１０２を制御して、所定のタイミングごとに、所定パルスのレーザ光をレーザ光源３１から出力させる。コントローラ１０１は、信号処理回路１０４から入力される光検出器３７の検出信号に基づいて、各出射タイミングにおいて出射されたレーザ光パルスの受光タイミングを検出する。そして、コントローラ１０１は、レーザ光の出射タイミングと受光タイミングとの間の時間差（ランタイム）に基づいて、各出射タイミングにおいて測距領域に存在した物体までの距離を計測する。

具体的には、コントローラ１０１は、時間差（ランタイム）に光の速度を乗じて物体までの距離を算出する。コントローラ１０１は、こうして算出した距離のデータを、随時、通信インタフェース１０５を介して、距離測定装置１が設置された機器に送信する。機器は、受信した距離データに基づき、周囲３６０度に存在する物体までの距離を把握し、所定の制御を実行する。

＜実施形態の効果＞
以上、本実施形態によれば、以下の効果が奏される。

フレネルレンズミラー３４によって反射光が集光されるため、反射光を集光させるための撮像レンズを光学系に配置する必要がない。よって、撮像レンズで生じる迷光の影響を回避できる。また、図３に示したように、フレネルレンズミラー３４が、レーザ光（投射光）と反射光の共通光路に対して傾くように配置されているため、フレネルレンズミラー３４で反射されたレーザ光（投射光）の一部が迷光となって光検出器３７に向かうことがない。よって、検出信号に対する迷光の影響を防ぐことができる。さらに、フレネルレンズミラー３４が、レーザ光（投射光）を測距領域に向けて反射するとともに、測距領域からの反射光を光検出器３７に向かう方向へと反射するミラーの機能と、反射光を光検出器３７に集光させるレンズの機能の両方を兼備するため、光学系に配置されるべき光学部品の点数を削減できる。よって、距離測定装置１の構成を簡素化できる。このように、本実施の形態によれば、簡素な構成により、検出信号に対する迷光の影響を抑制することができる。

図３に示したように、フレネルレンズミラー３４が回転部２０の回転軸Ｒ１０に対して４５度傾いて配置され、レーザ光（投射光）と反射光の共通光路が、固定部１０とフレネルレンズミラー３４との間の範囲において、回転軸Ｒ１０と同軸になっている。これにより、フレネルレンズミラー３４の回転位置に拘わらず、フレネルレンズミラー３４に対するレーザ光（投射光）の入射方向および入射領域を同じにでき、また、フレネルレンズミラー３４により反射された反射光の反射方向を同じにできる。よって、レーザ光（投射光）を周囲３６０度の測距領域に適切に導くことができ、且つ、周囲３６０度の測距離領域からの反射光を光検出器３７に適切に集光させることができる。

図４（ａ）、（ｂ）に示したように、ビームスプリッタ３３は、反射光を反射する反射領域（反射膜３３ｂ）と、レーザ光（投射光）を透過する透過領域（孔部３３ｃ）と、を備えている。これにより、なるべく多くの反射光を光検出器３７に導くことができ、反射光の検出を良好に行い得る。

図３に示したように、レーザ光源３１と光検出器３７が共通の回路基板４１に配置され、ビームスプリッタ３３を経由した反射光を反射して回路基板４１に導くミラー３５が、固定部１０に配置されている。このように電力供給が必要なレーザ光源３１および光検出器３７が共通の回路基板４１に設置されることにより、構成の簡素化およびコストの低減を図り得る。また、ミラー３５で反射光の光路を折り曲げることにより、回路基板４１に設置された光検出器３７に対して反射光を円滑に導くことができる。

図３に示したように、レーザ光源３１とビームスプリッタ３３との間にリレーレンズ３２が配置されている。レーザ光源３１から出射されたレーザ光をリレーレンズ３２で絞ることにより、ビームスプリッタ３３を透過するレーザ光の領域を狭くでき、これに伴い、ビームスプリッタ３３における反射光の反射領域を広くできる。よって、より多くの反射光を光検出器３７に導くことができる。

図２に示したように、距離測定装置１は、固定部１０の回転部２０側の面に、回転部２０の回転軸Ｒ１０周りに並ぶコイル群（１０個のコイル１２）を備え、回転部２０の固定部１０側の面に、回転軸Ｒ１０周りに並びコイル群に対向する磁石群（１６個の磁石２２）を備える。このように、コイル群と磁石群とからなる非接触のリニアモータで回転部２０を駆動することにより、中央部に光学系の光路および配置スペースを確保しながら、図１に示すように、距離測定装置１の形状をコンパクトに収めることができる。

図２に示したように、距離測定装置１は、固定部１０の回転部２０側の面に回転軸Ｒ１０周りに配置された案内溝１１ｂ（第１の溝）と、回転部２０の固定部１０側の面に案内溝１１ｂ（第１の溝）に対向して配置された案内溝２１ｂ（第２の溝）と、案内溝１１ｂ（第１の溝）に嵌められ案内溝１１ｂ（第１の溝）と案内溝２１ｂ（第２の溝）とで挟まれる複数のベアリングボール１５と、固定部１０の磁石２２に対向する位置に配置され、磁石２２との間で磁気吸着力が生じるヨーク１３（磁性部）とを備える。この構成によれば、リニアモータの一部を構成する磁石２２とヨーク１３との間の磁気吸着力を用いて固定部１０に対する回転部２０の支持状態が維持される。よって、固定部１０に対する回転部２０の支持機構を簡素化でき、距離測定装置１全体の形状をコンパクトに収めることができる。また、回転部２０を固定部１０に重ねるだけで、回転部２０を固定部１０に対し回転可能に支持させることができる。

＜変更例＞
距離測定装置１の構成は、上記実施の形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、図７に示すように、レーザ光源３１から出射されたレーザ光がビームスプリッタ３３で反射され、測距領域からの反射光がビームスプリッタ３３を透過して光検出器３７に導かれる構成であってもよい。図７は、図３と同様、図１に示した距離測定装置１を、Ｘ−Ｚ平面に平行な平面により、Ｙ軸方向の中央位置で切断したときの断面図である。

この場合、レーザ光源３１から出射されたレーザ光は、ミラー３５で反射されてビームスプリッタ３３に導かれる。また、ビームスプリッタ３３は、図８（ａ）、（ｂ）の構成に変更される。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ３３のＺ軸正側の面には、レーザ光（投射光）の入射領域に反射膜３３ｄが形成され、その他の領域には、反射膜が形成されない。

なお、この構成では、図７に示すように、リレーレンズ３２に代えて、レーザ光源３１から出射されたレーザ光をビームスプリッタ３３のミラー３５側の面に収束させる集光レンズ３８が配置されてもよい。この場合、フレネルレンズミラー３４は、レーザ光（投射光）が入射する中央部に、レーザ光（投射光）を平行光に変換するための第１のフレネルレンズ部を備え、中央部の外側に、反射光を光検出器３７に集光するための第２のフレネルレンズ部を有する構成とされ得る。

図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、変更例に係るフレネルレンズミラー３４の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図９（ａ）では、図５（ａ）と同様、レンズパターンが鋸形状の段差により模式的に示されている。また、図９（ｂ）では、図５（ｂ）と同様、レンズパターンがリング状の縞により模式的に示されている。

フレネルレンズミラー３４には、レーザ光源３１から出射されたレーザ光が入射する中央部に第１のフレネルレンズ部Ｐ２１が形成され、第１のフレネルレンズ部Ｐ２１の外側に第２のフレネルレンズ部Ｐ２２が形成されている。上記実施の形態と同様、入射面Ｐ１の反対側の面にフレネルレンズを構成するレンズパターンが形成され、この面に反射膜を形成することにより反射面Ｐ２が形成されている。

上記実施の形態と同様、フレネルレンズミラー３４のレンズ領域は、半径Ｒ１の円形の領域である。このうち、中央の半径Ｒ２の領域が第１のフレネルレンズ部Ｐ２１となっており、残りの領域が第２のフレネルレンズ部Ｐ２２となっている。第１のフレネルレンズ部Ｐ２１による光の収束パワーは、第２のフレネルレンズ部Ｐ２２による光の収束パワーよりも大きい。

第１のフレネルレンズ部Ｐ２１のレンズパターンは、図３のようにフレネルレンズミラー３４がレーザ光源３１の光軸に対し４５度傾いて配置された状態において、ビームスプリッタ３３側から入射面Ｐ１に入射したレーザ光（投射光）は、入射面Ｐ１から平行光の状態でＸ軸正方向に出射されるように調整されている。すなわち、フレネルレンズミラー３４の焦点距離は、フレネルレンズミラー３４とビームスプリッタ３３との間の光路長と略同じとなっている。

第２のフレネルレンズ部Ｐ２２のレンズパターンは、図３のようにフレネルレンズミラー３４がレーザ光源３１の光軸に対し４５度傾いて配置された状態において、測距領域から反射されて開口２１ｅを通過した反射光（平行光）を、光検出器３７の受光面の収束させるように調整されている。すなわち、フレネルレンズミラー３４の焦点距離は、フレネルレンズミラー３４と光検出器３７との間の光路長と略同じとなっている。

図７に示した変更例のその他の構成は、上記実施の形態の構成と同様である。

図７の変更例においても、上記実施の形態と同様の効果が奏され得る。ただし、変更例の構成では、反射光の光路がビームスプリッタ３３およびミラー３５で折り曲げられないため、上記実施の形態に比べて、フレネルレンズミラー３４から光検出器３７までの光路長が短くなる。このため、上記実施の形態に比べて、フレネルレンズミラー３４の焦点距離を短くする必要があり、その結果、ビームスプリッタ３３における反射光の入射領域が狭くなる。

これに対し、図７の変更例では、集光レンズ３８によってレーザ光がビームスプリッタ３３の入射面に集光されるため、このようにビームスプリッタ３３における反射光の入射領域が狭くなったとしても、ビームスプリッタ３３の開口精度や組立上の位置ずれ等による影響が、光検出器３７に対する反射光の取り込み量の変動に大きく現れることが抑制され得る。

図１０は、ビームスプリッタ３３の付近におけるレーザ光（投射光）および反射光の光線領域を模式的に示す図である。

図１０に示すように、第１のフレネルレンズ部Ｐ２１による収束作用と、第２のフレネルレンズ部Ｐ２２による収束作用とが異なるため、第１のフレネルレンズ部Ｐ２１を経由するレーザ光（投射光）および反射光の光線領域と、第２のフレネルレンズ部Ｐ２２を経由する反射光の光線領域とが、ビームスプリッタ３３の入射面において分離する。ここで、ビームスプリッタ３３の反射膜３３ｄは、反射光が入射する領域の内側に、反射光が入射する領域との間で所定の隙間が空くようにして配置される。こうして配置された反射膜３３ｄに、ミラー３５で反射されたレーザ光（投射光）が収束される。

したがって、ビームスプリッタ３３と、フレネルレンズミラー３４およびミラー３５との間の位置関係が多少ずれたとしても、反射光の光線領域に反射膜３３ｄが掛かることがなく、また、レーザ光（投射光）の収束位置が反射膜３３ｄから外れることもない。よって、第２のフレネルレンズ部Ｐ２２を経由した反射光を確実に光検出器３７に導くことができ、また、レーザ光（投射光）を確実に測距領域へと導くことができる。

本変更例では、フレネルレンズミラー３４が、中央部に、レーザ光（投射光）を平行光に変換するための第１のフレネルレンズ部Ｐ２１を備え、中央部の外側に、反射光を光検出器３７に集光するための第２のフレネルレンズ部Ｐ２２を有する構成であるため、光学系のレイアウトやレーザ光および反射光の収束状態に拘わらず、レーザ光（投射光）を測距領域に円滑に導くことができ、且つ、測距領域からの反射光を光検出器３７に円滑に導くことができる。

また、レーザ光源３１から出射されたレーザ光（投射光）をビームスプリッタ３３による共通光路の分岐位置において収束させる集光レンズ３８を備えるため、図１０を参照して説明したとおり、ビームスプリッタ３３等に位置ずれが生じたとしても、レーザ光（投射光）測距領域に確実に導くことができ、且つ、測距領域からの反射光を光検出器３７に確実に導くことができる。

なお、図３に示した実施の形態に係る構成においても、リレーレンズ３２を集光レンズに置き換えて、レーザ光源３１から出射されたレーザ光をビームスプリッタ３３のＺ軸正側の面に収束させてもよい。この場合、フレネルレンズミラー３４は、本変更例と同様、レーザ光を平行光に変換する第１のフレネルレンズ部と、測距領域からの反射光を光検出器３７に収束させる第２のフレネルレンズ部とを備える構成に変更される。

＜他の変更例＞
図１１に示すように、図３の構成においてリレーレンズ３２がコリメータレンズ３９に置き換えられてもよい。この場合、レーザ光は、コリメータレンズ３９によって平行光に変換される。また、フレネルレンズミラー３４は、レーザ光を平行光のまま測距領域に導き、且つ、測距領域からの反射光を光検出器３７に収束させるよう構成される。その他の構成は、図３の構成と同様である。

図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本変更例に係るフレネルレンズミラー３４の構成を模式的に示す断面図および平面図である。

本変更例では、フレネルレンズミラー３４の反射面Ｐ２のうち、レーザ光（投射光）が入射する領域Ｐ２３が、入射面Ｐ１に平行な平面となっている。したがって、レーザ光（投射光）は、フレネルレンズミラー３４からレンズ作用を受けることなく、平行光のまま測距領域に向けて反射される。第２のフレネルレンズ部Ｐ２２は、測距領域からの反射光を光検出器３７に収束させるように構成される。

本変更例によっても、上記実施の形態と同様の効果が奏され得る。また、本変更例によれば、上記実施の形態に比べて、領域Ｐ２３にフレネルレンズ機能が配置されず、領域Ｐ２３は単純な平面状となっているため、レーザ光（投射光）の利用効率を向上させることができる。よって、本変更例によれば、上記実施の形態に比べて、より多くの反射光を光検出器３７に導くことができる。

なお、上記実施の形態では、コイル群と磁石群とからなるリニアモータによって回転部２０が駆動されたが、回転部２０が他の駆動機構によって駆動されてもよい。たとえば、回転部２０の外周面に、全周に亘ってギアが設けられ、このギアにモータの駆動軸に設置されたギアが噛み合うように駆動機構が構成されてもよい。

また、光源は、レーザ光源３１に限らず、ＬＥＤ等でもあってもよい。案内溝１１ｂ、２１ｂの形状は、Ｖ字状に限らず、ベアリングボール１５を案内可能な他の形状であってもよい。また、レーザ光（投射光）の投射方向は、必ずしも、回転軸Ｒ１０に垂直な方向でなくてもよく、回転軸Ｒ１０に垂直な方向に対して所定角度傾いていてもよい。コイル１２の配置数や、磁石２２の配置数、および、ベアリングボール１５の数も、適宜変更可能である。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 距離測定装置
１０ … 固定部
１１ｂ … 案内溝（第１の溝）
１２ … コイル（コイル群）
１３ … ヨーク（磁性部）
１５ … ベアリングボール
２０ … 回転部
２１ｂ … 案内溝（第２の溝）
２２ … 磁石（磁石群）
３１ … レーザ光源（光源）
３２ … リレーレンズ
３３ … ビームスプリッタ
３３ｂ、３３ｄ … 反射膜（反射領域）
３３ｃ …孔部（透過領域）
３４ … フレネルレンズミラー
３５ … ミラー
３７ … 光検出器
３８ … 集光レンズ
４１ … 回路基板
Ｒ１０ … 回転軸
Ｐ２１ … 第１のフレネルレンズ部
Ｐ２２ … 第２のフレネルレンズ部

Claims (9)

1. 固定部と、
   前記固定部に回転可能に配置された回転部と、
   前記固定部に配置され、測距用の投射光を出射する光源と、
   前記固定部に配置され、測距領域で反射された反射光を受光する光検出器と、
   前記固定部に配置され、前記測距領域に向かう前記投射光の光路と前記光検出器に向かう前記反射光の光路とを分離するビームスプリッタと、
   前記投射光と前記反射光の共通光路に対し傾くように前記回転部に配置され、前記ビームスプリッタを経由した前記投射光を前記測距領域に導くとともに、前記測距領域で反射された前記反射光を前記光検出器に集光するフレネルレンズミラーと、を備える、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 請求項１に記載の距離測定装置において、
   前記フレネルレンズミラーが前記回転部の回転軸に対して４５度傾いて配置され、
   前記投射光と前記反射光の共通光路が、前記固定部と前記フレネルレンズミラーとの間の範囲において、前記回転軸と同軸になっている、
   ことを特徴とする距離測定装置。
3. 請求項２に記載の距離測定装置において、
   前記フレネルレンズミラーは、中央部に、前記投射光を平行光に変換するための第１のフレネルレンズ部を備え、前記中央部の外側に、前記反射光を前記光検出器に集光するための第２のフレネルレンズ部を有する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記ビームスプリッタは、前記投射光および前記反射光のうち一方を反射する反射領域と、前記投射光および前記反射光のうち他方を透過する透過領域と、を備える、
   ことを特徴とする距離測定装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記光源から出射された前記投射光を前記ビームスプリッタによる前記共通光路の分岐位置において収束させる集光レンズを備える、
   ことを特徴とする距離測定装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記光源と前記光検出器が共通の回路基板に設置され、
   前記ビームスプリッタに向かう前記投射光および前記ビームスプリッタを経由した前記反射光の少なくとも一方を反射するミラーが、前記固定部に配置されている、
   ことを特徴とする距離測定装置。
7. 請求項６に記載の距離測定装置において、
   前記光源と前記ビームスプリッタとの間にリレーレンズが配置されている、
   ことを特徴とする距離測定装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の距離測定装置において、
   前記固定部の前記回転部側の面に、前記回転部の回転軸周りに並ぶコイル群を備え、
   前記回転部の前記固定部側の面に、前記回転軸周りに並び前記コイル群に対向する磁石群を備える、
   ことを特徴とする距離測定装置。
9. 請求項８に記載の距離測定装置において、
   前記固定部の前記回転部側の面に前記回転軸周りに配置された第１の溝と、
   前記回転部の前記固定部側の面に前記第１の溝に対向して配置された第２の溝と、
   前記第１の溝に嵌められ前記第１の溝と前記第２の溝とで挟まれる複数のベアリングボールと、
   前記固定部の前記磁石に対向する位置に配置され、前記磁石との間で磁気吸着力が生じる磁性部と、を備える、
   ことを特徴とする距離測定装置。

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