JP2019052850A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を軸方向に扁平化することで小型化し、投光側及び受光側の光学部品がコンパクトに組み付けられた光走査装置を提供する。【解決手段】光源部７より照射された光は反射ミラー６まで軸線方向に沿って平行に進み、反射ミラー６で反射されて回転子２の径方向外側に向かって投光され、被照射体から反射した回転子２の径方向内側に向かう反射光が反射ミラー６で回転子軸３の中空空間Ｓ内に軸方向に受光する当該回転子軸３の中空空間Ｓ内に投光用若しくは受光用の光学部品のうち少なくともいずれかを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光源から照射されたレーザー光を周囲に投光したり反射光を受光したりする光走査装置に関する。

例えば車両の自動運転を実現するためには、走行する車両の周囲の状況（歩行者や他の車両、障害物等の存在）を判断しながら運転制御を行う技術が開発されている。
この場合、運転者に代わって、車両の目となるセンサーが用いられる。このセンサーとしては、衝突予防システムとして実用化されているものに以下のもの存在する。例えば放射する電波としてミリ波を用いるミリ波レーダー方式、赤外線レーザーを放射して測距性を高めた赤外線レーザー方式、カメラを搭載して画像認識により障害物を認識するカメラ方式、或いはこれらの方式の併用などがある。

これらのセンサーを車載する場合、高さがあると、搭載し難くなるうえにデザイン性が低下する。また、複数箇所に設けるセンサー数が多くなると、デザイン性に影響するうえに、コスト高となる。

例えば図６に示す光走査装置のように、反射ミラー５１を回転子ヨーク５２に組み付けられたモータ５３、光学部品（投光部５４、反射レンズ５５，５６、受光素子５７等）が軸方向に直列配置されると、装置が大型化し搭載し難くなるうえにデザイン性も低下する。この不具合を解消するため、ステータの軸受ハウジングに挿入される中空回転子軸の内部を光路としてコリメータレンズを取り付け、固定子に半導体レーザーを取り付け、ロータに光偏向素子を配置して小型化した光走査装置が提案されている（特許文献１：特許２６９０５９１号公報参照）。

特許２６９０５９１号公報

車両の完全自動運転化を進めるにあたり、３６０度にわたってセンシングが必要になり、しかも製造コストを抑えるためにセンサー数を減らすことが求められる。また、車両部品として組み付けられるため、デザイン性を損なうことなく小型・軽量で低回転むらの無いセンサー装置が求められる。また、特許文献１の光走査装置は、レーザー光を投光して走査するための構成を備えているが、物体等からの反射光を受光する光学部品についてまで何ら開示がない。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、装置を軸方向に扁平化することで小型化し、投光側及び受光側の光学部品がコンパクトに組み付けられた光走査装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
中空構造の回転子軸を有し反射面を有する反射ミラーが回転子ヨークの回転中心部に一体に組み付けられた回転子と、前記回転子軸を回転可能に軸支する軸受ハウジングを備えた固定子と、を有するモータと、光源と、該光源より前記回転子軸の中空空間を光路として前記反射ミラーに軸方向にレーザー光を照射して反射光を前記回転子の径方向外側に向かって投光する発光部と、被照射体から反射した前記回転子の径方向内側に向かう反射光を前記反射ミラーで軸方向に反射させて前記回転子軸の中空空間を光路として受光素子に結像させる受光部を備えた光学部品と、を備え、前記光学部品のうち少なくともいずれかを前記回転子軸の中空空間内に備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、回転子軸の中空空間内を投光及び受光の光路として用いられかつ光学部品の少なくともいずれかを回転子軸の中空空間内に備えたことで、軸方向に扁平化を図り、光学部品をコンパクトに組み付けて装置の小型化を実現することができる。

前記発光部は前記回転子軸の中空空間の回転中心に前記光源の投光方向以外を遮光部材により遮光されて設けられていることが好ましい。
これにより、回転子軸の中空空間内で光源が遮光部材により投光方向以外を遮光されているので、投光と受光が互いに干渉するのを防いでセンシングの感度を維持することができる。

前記反射ミラーで反射された反射を集光する集光レンズと、該集光レンズにより結像される受光素子を備えた前記受光部が、前記回転子軸の中空空間内に設けられていてもよい。これにより、発光部のみならず受光部も回転子軸の中空空間内に収まるため、モータの軸方向高さ範囲内に光学部品をコンパクトに組み付けて小型化を促進することができる。

前記発光部は曲面レンズと共に前記回転子ヨークと一体に組み付けられ、前記回転子軸の中空空間内に前記受光部が配置されていてもよい。
これにより、発光部から回転子の径方向外側に向かって投光し、反射光を曲面レンズで軸方向に反射させて回転子軸の中空空間内に設けられた受光部に結像させることができる。よって、投光から受光するまでの光路が短くなるので、外乱の影響を受け難く、検出精度が向上する。また、遮光部材を設けなくても投光と受光が互いに干渉することが無くなる。

前記反射ミラーは、揺動軸を中心に揺動可能に支持されていてもよい。これにより、光源から照射された投光を軸方向に走査して走査範囲を径方向のみならず軸方向に広げることができる。

前記発光部の前記光源の照射角度が可変に設けられ、前記モータの前記回転子ヨークに傾斜角の異なる複数の反射面を有するチルトミラーが回転可能に組み付けられていてもよい。
これにより、チルトミラーを例えばモータ駆動力を伝達して回転駆動することにより光源から照射された投光を反射面で反射させて径方向及び軸方向に走査することができる。

上述したように装置を軸方向に扁平化することで小型化し、投光側及び受光側の光学部品がコンパクトに組み付けられた光走査装置を提供することができる。

第一実施例に係る光走査装置の軸方向断面図である。 第二実施例に係る光走査装置の軸方向断面図である。 第三実施例に係る光走査装置の軸方向断面図である。 第四実施例に係る光走査装置の軸方向断面図である。 第五実施例に係る光走査装置の軸方向断面図である。 従来例に係る光走査装置の軸方向断面図である。

［第一実施例］
以下、第一実施例に係る光走査装置について、図１を参照しながら説明する。尚、光走査装置は、車両搭載用として用いられ、モータと投光部及び受光部を有する光学部品を一体に備えている。
図１に示すように、駆動モータとして、アウターロータ型のＤＣブラシレスモータ１が用いられる。回転子２は、中空構造の回転子軸３を有している。回転子軸３としては、ＳＵＳ（ステンレススチール）、Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）等が用いられる。回転子軸３の軸端には、カップ状の回転子ヨーク４が一体に組み付けられている。回転子ヨーク４の内周面には周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁された回転子マグネット５が一体に組み付けられている。回転子ヨーク４の天面部には後述する反射ミラー６を固定する固定部品８が一体に組み付けられている。

また、回転子ヨーク４の回転中心部（回転子軸３の軸端上方）には、反射ミラー６が一体に組み付けられている。具体的には、反射ミラー６は、回転子ヨーク４の天面部にねじ止め等により設けられた固定部品８によって一体に支持されている。反射ミラー６は固定部品８によって鉛直軸に対して４５°の傾きをもって接着、弾性部材により支持固定されており、回転子ヨーク４と一体となって回転する。
回転子軸３内には光源７ａより反射ミラー６にレーザー光を照射して反射光を回転子２の径方向外側に向かって照射する発光部７が設けられている。具体的には、回転子軸３の中空空間Ｓ内が発光用及び受光用の光路として用いられ、発光部７を中空空間Ｓ内に備えたことで、軸方向に扁平化を図り、光学部品をコンパクトに組み付けて小型化を実現することができる。尚、発光部７は、単一の光源のみならず照射角度が異なる複数の光源７ａをアレイ状の光源であってもよい。

発光部７は例えば赤外線レーザーを照射するレーザー光源７ａを備えており、回転子軸３の中空空間Ｓの回転中心に配置される。光源７ａは投光方向以外を遮光部材９により遮光されている。遮光部材９は、樹脂製若しくは金属製の有底筒体が用いられ、例えば外周面より複数の梁を放射状に延設して回転子軸３の内周壁と一体に組み付けられる。光源７ａより回転子軸３内を鉛直上方に照射されたレーザー光は反射ミラー６に反射されて回転子２の径方向外側に向かって投光される。

これにより、光源７ａより照射されたレーザー光は遮光部材に９に遮光されて反射ミラー６に向かって軸線方向に沿って平行に進み、反射ミラー６で反射されて回転子２の径方向外側に向かって投光される。また、被照射体から反射した回転子２の径方向内側に向かう反射光が反射ミラー６で回転子軸３の中空空間Ｓ内に軸方向に受光する。具体的には、物体からの反射光は、反射ミラー６で反射されて、回転子軸３の内壁と遮光部材９の外壁との中空空間Ｓを光路として回転子軸３より鉛直下方に配置された受光部１７で受光される。これにより、回転子軸３の中空空間Ｓ内で遮光部材９により投光と受光が互いに干渉するのを防いでセンシングの感度を維持することができる。

また、固定子１０は、中心部に回転子軸３より大径の貫通孔１１ａが設けられたベース部１１の周囲に軸受ハウジング１２及びモータ基板１３が各支持されている。筒状の軸受ハウジング１２の内周面には一対の軸受部１４を介して回転子軸３が回転可能に支持されている。また、軸受ハウジング１２の外周面には固定子コア１５が一体に組み付けられている。固定子コア１５は、環状部より径方向外側に向かって突出形成されて極歯を有し、各極歯にはコイル１６が巻き付けられている。各極歯の先端面（磁束作用面）は、回転子マグネット５と対向配置されている。

また、回転子２の径方向内側に向かって受光した反射光は、反射ミラー６に反射されて回転子軸３の上端より鉛直下方に進入して回転子軸３の下端より出射する。この回転子軸３の下方空間に中空空間Ｓを経た反射光を受光する受光部１７が設けられている。受光部１７は、回転子軸３を出射した反射光を反射するレンズ１７ａ、レンズ１７ｂ及び受光素子１７ｃを含む。
このように、モータ１を起動すると回転子２共に反射ミラー６も回転子し、回転子軸３内に設けられた光源７ａより照射されたレーザー光は反射ミラー６に反射されて３６０°に渡って回転子２の径方向外側に向かって照射される。また、物体などの被照射体からの反射光は反射ミラー６を介して回転子軸３の中空空間Ｓ内を通過して受光部１７の受光素子１７ｃに結像し、被照射体の有無が検出される。

［第二実施例］
次に光走査装置の他例について図２を参照して説明する。第一実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、回転子軸３の中空空間内に、発光部７のみならずその周囲に反射ミラー６で反射された受光を集光する集光レンズ１８と、集光レンズ１８により結像される受光素子１７ｃを備えた受光部１７が設けられている。
これにより、発光部７のみならず受光部１７も回転子軸３の中空空間内に収まるため、モータの軸方向高さ範囲内に光学部品をコンパクトに組み付けて小型化を促進することができる。

［第三実施例］
次に光走査装置の他例について図３を参照して説明する。第一実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、回転子軸３の中空空間内に、投光方向以外を遮光部材９により遮光された発光部７が設けられる点は第一実施例と同様である。異なる構成としては、回転子軸３より鉛直下方に設けられる受光部１７の構成である。
受光部１７は、回転子軸３の下端部に設けられた反射ミラー１７ｄ（若しくはプリズム等のレンズ）と反射光が結像する受光素子１７ｃとで構成される。反射ミラー１７ｄは回転子軸３内を通過した反射光を４５°の角度で径方向外側に向けて反射させ、受光素子１７ｃに結像させるようになっている。
上記構成によっても、回転子軸３の中空空間内を投光用及び受光用の光路として用いられ、発光部７を中空空間内に備えたことで、軸方向に扁平化を図り、光学部品をコンパクトに組み付けて小型化を実現することができる。

［第四実施例］
次に光走査装置の他例について図４を参照して説明する。第一実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、回転子軸３の中空空間内に、発光部７を構成する光源７ａのみならず受光部１７を構成する受光素子１７ｃが設けられている。具体的には、回転子軸３の中空空間Ｓ内には鉛直上方に投光方向以外を遮光部材９により遮光された発光部７が設けられ、鉛直下端部に受光素子１７ｃが設けられている。また、回転子ヨーク４には回転子軸３の上方に曲面レンズ（シリンドリカルレンズ）１９が一体に保持されている。本実施例では、受光部１７として反射ミラーや集光レンズは省略されている。
これにより、発光部７のみならず受光部１７も回転子軸３の中空空間Ｓ内に収まるため、モータの軸方向高さ範囲内に光学部品をコンパクトに組み付けて小型化を促進することができる。

［第五実施例］
次に光走査装置の他例について図５を参照して説明する。第一実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。
本実施例では、発光部７は回転子軸３内ではなく、回転子ヨーク４の上方に一体に組み付けられている。また、回転子ヨーク４には回転子軸３の上方に曲面レンズ１９（シリンドリカルレンズ）が一体に保持されている。発光部７は曲面レンズ１９の高さ方向中心位置に径方向外側に向かって投光するように配置されている。回転子軸３の中空空間Ｓ内には鉛直下端部に受光素子１７ｃが設けられている。

光源７ａより照射されたレーザー光は、曲面レンズ１９を直線的に透過又は曲面レンズ１９に穿孔された貫通孔１９ａを通じて径方向外側に向かって照射され、回転子２の回転によって３６０度範囲で投光される。物体からの反射光は、曲面レンズ１９の凹面部で反射され、回転子軸３内の中空空間Ｓへ導入されて受光素子１７ｃで結像するようになっている。
これにより、光源７ａから回転子２の径方向外側に向かって投光し、反射光を曲面レンズ１９で軸方向に反射させて回転子軸３の中空空間Ｓ内に設けられた受光部１７に結像させることができる。よって、投光したから受光するまでの光路が短くなるので、外乱の影響を受け難く、検出精度が向上する。また、遮光部材９を設けなくても投光と受光が互いに干渉することが無くなる。

上述した各実施例は、発光部７に備えた光源７ａより照射された投光が、固定部品８により回転子ヨーク４に固定された反射ミラー６，曲面レンズ１９によって回転子２と共に回転しながら径方向外側に向けて照射する場合について説明したが、周囲の物体を幅広く検知するためには反射ミラー６，曲面レンズ１９による投光の角度を変えて走査範囲を拡大することが望ましい。具体的には、反射ミラー６，曲面レンズ１９は、回転子２の回転面と平行な軸を中心に揺動可能に設けられていることが望ましい。

例えば、特開２０１２−３７８３２号の図３乃至図１７に示す構成を適用し、反射ミラー６，曲面レンズ１９を金属プレートの一部で形成し、振動源として圧電素子（例えばＰＺＴ等）を設けて金属プレートを撓ませることでヒンジ部を揺動軸として反射ミラーを揺動させるようにしてもよい。

また、発光部７の光源７ａの照射角度が可変に設けられ、反射ミラー６としてモータ１の回転子ヨーク４に傾斜角の異なる複数の反射面を有するチルトミラーが回転可能に組み付けられていてもよい。チルトミラーは、傾斜角度が異なる複数（例えば４面若しくは４面以上）の反射面が形成された角錐台形状をしている。光源７ａは遮光部材９に対して揺動軸を中心に揺動可能に支持されていてもよいし、弾性部材等によりモータ軸方向に対して傾動可能に支持されていてもよい。
これにより、反射ミラー６を例えば回転子軸３よりギヤ列を介してモータ駆動を伝達して回転駆動することにより光源７ａから投光方向が変化して照射された投光を回転する反射ミラーの各反射面で反射させて径方向及び軸方向に走査することができる。

上述した実施例においては、モータ１としてはＤＣブラシレスモータを用いて説明したが、他のモータ、例えばブラシ付きモータであっても、ステッピングモータなどであってもよい。

１ ＤＣブラシレスモータ ２ 回転子 ３ 回転子軸 ４ 回転子ヨーク ５ 回転 子マグネット ６，１７ｄ 反射ミラー ７ 発光部 ７ａ 光源 ８ 固定部品 Ｓ 中空空間 ９ 遮光部材 １０ 固定子 １１ ベース部 １１ａ １９ａ 貫通孔 １２ 軸受ハウジング １３ モータ基板 １４ 軸受部 １５ 固定子コア １６ コイル １７ 受光部 １７ａ，１７ｂ レンズ １７ｃ 受光素子 １８ 集光レ ンズ １９ 曲面レンズ

Claims (6)

1. 中空構造の回転子軸を有し反射面を有する反射ミラーが回転子ヨークの回転中心部に一体に組み付けられた回転子と、前記回転子軸を回転可能に軸支する軸受ハウジングを備えた固定子と、を有するモータと、
   光源と、該光源より前記回転子軸の中空空間を光路として前記反射ミラーに軸方向にレーザー光を照射して反射光を前記回転子の径方向外側に向かって投光する発光部と、被照射体から反射した前記回転子の径方向内側に向かう反射光を前記反射ミラーで軸方向に反射させて前記回転子軸の中空空間を光路として受光素子に結像させる受光部を備えた光学部品と、を備え、
   前記光学部品のうち少なくともいずれかを前記回転子軸の中空空間内に備えたことを特徴とする光走査装置。
2. 前記発光部は前記回転子軸の中空空間の回転中心に前記光源の投光方向以外を遮光部材により遮光されて設けられている請求項１記載の光走査装置。
3. 前記反射ミラーで反射された反射を集光する集光レンズと、該集光レンズにより結像される受光素子を備えた前記受光部が、前記回転子軸の中空空間内に設けられている請求項１又は請求項２記載の光走査装置。
4. 前記発光部は曲面レンズと共に前記回転子ヨークと一体に組み付けられ、前記回転子軸の中空空間内に前記受光部が配置されている請求項１記載の光走査装置。
5. 前記反射ミラーは、揺動軸を中心に揺動可能に支持されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光走査装置。
6. 前記発光部の前記光源の照射角度が可変に設けられ、前記モータの前記回転子ヨークに傾斜角の異なる複数の反射面を有するチルトミラーが一体に組み付けられている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光走査装置。