JP2019128231A - ライダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライダー装置において小型化及び電気的ノイズの低減を両立させる技術を提供する。【解決手段】スキャン部２０は、投光部１０から入射される光を反射する１つ以上の反射面を有し、反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、投光部１０から入射される光の出射方向を、回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させる。また、スキャン部２０は、走査範囲内から到来する到来光を反射して、投光部１０からの光が入射してくる方向に向けて出射する。受光部３０は、スキャン部２０にて反射された到来光を受光する。受光部３０では、受光折返ミラー３３が、スキャン部２０から出射される到来光の経路を、光源１１，１２が発する光の出射方向とは異なる方向に屈曲させる。受光素子３１は、受光折返ミラー３３を介して到来光を受光する。【選択図】図５

Description

本開示は、光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。

ライダー装置では、光を偏向して走査を実現する光偏向デバイスの一つとして、回転駆動される偏向ミラーが用いられている。なお、ライダーは、ＬＩＤＡＲとも表記され、Light Detection and Rangingの略語である。

下記特許文献１には、偏向ミラーに入射する光を発生させる光源が設けられた発光基板と、対象物からの反射光を、偏向ミラーを介して受光する受光素子が設けられた受光基板とを、いずれも偏向ミラーから見て同一方向に配置した構造が開示されている。

特開平７−９２２７０号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載の従来技術には、以下の課題があることが見出された。
即ち、従来装置では、装置の小型化のために、発光基板と受光基板とは、その一部の実装面が互いに重なり合うように近接して配置されるため、それぞれの基板上で発生する電気的ノイズの影響を互いに受け易い。また、装置サイズが、両基板の重なり合う方向へ増大する。

本開示の１つの局面は、ライダー装置において小型化及び電気的ノイズの低減を両立させる技術を提供することにある。

本開示の一態様によるライダー装置は、投光部（１０）と、スキャン部（２０）と、受光部（３０）とを備える。
投光部は、光を出力する１つ以上の光源（１１，１２）を有する。なお、ここでいう光源は、レンズやミラー等の光学部材を含んでいてもよい。スキャン部は、投光部から入射される光を反射する１つ以上の反射面を有し、反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、投光部から入射される光の出射方向を、回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させると共に、走査範囲内から到来する到来光を反射して、投光部からの光が入射してくる方向に向けて出射する。受光部は、スキャン部にて反射された到来光を受光する。受光部は、受光折返ミラー（３３）と、受光素子（３１）とを備える。受光折返ミラーは、スキャン部から出射される到来光の経路を、光源が発する光の出射方向とは異なる方向に屈曲させる。受光素子は、受光折返ミラーを介して到来光を受光する。

このような構成によれば、光源が発する光の出射方向と、受光素子に入射する光の入射方向とを異ならせることができる。その結果、光源が設けられる発光基板と、受光素子が設けられる受光基板とが、互いの実装面が平行に重なり合った状態となる位置関係で配置されることがなく、両基板間で電気的ノイズが影響し合うことを抑制できる。また、両基板が重なりあった状態で配置されることによる重なり方向への装置サイズの増大を回避できる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

ライダー装置の外観を示す斜視図である。 ライダー装置の筐体内に収納される光検出モジュールの構成を示す斜視図である。 光検出モジュールの構成部品を一体化するフレームの一部を除いて示した光検出モジュールの正面図である。 ライダー装置の筐体を除いて示した平面図である。 ライダー装置を構成する各部品の配置を示す模式図である。 投光時の光の経路、及び光の経路と投光折返ミラーとの位置関係を示す説明図である。 受光時の光ビームの経路を示す説明図である。 光検出モジュールの変形例における各部品の配置を示す模式図である。 光検出モジュールの変形例における各部品の配置を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．構成］
図１に示す本実施形態のライダー装置１は、車両に搭載して使用され、車両の周囲に存在する様々な物体の検出等に用いられる。ライダーは、ＬＩＤＡＲとも表記される。ＬＩＤＡＲは、Light Detection and Rangingの略語である。

ライダー装置１は、図１に示すように、筐体１００と光学窓２００とを備える。
筐体１００は、１面が開口された直方体状に形成された樹脂製の箱体であり、後述する光検出モジュール２が収納される。

光学窓２００は、筐体１００の開口部を覆うように筐体１００に固定され、筐体１００の内部に設置される光検出モジュール２から照射されるレーザ光を透過する樹脂性の蓋体である。

以下、筐体１００の略長方形を有した開口部の長手方向に沿った方向をＸ軸方向、開口部の短手方向に沿った方向をＹ軸方向、Ｘ−Ｙ平面に直行する方向をＺ軸方向とする。なお、Ｘ軸方向における左右及びＹ軸方向における上下は、筐体１００の開口部側から見て定義する。また、Ｚ軸方向における前後は、筐体１００の開口部側を前、奥行き側を後と定義する。

光検出モジュール２は、図２〜図５に示すように、投光部１０と、スキャン部２０と、受光部３０とを備える。光検出モジュール２は、フレーム４０を介して筐体１００に組みつけられる。

［１−１−１．スキャン部］
スキャン部２０は、ミラーモジュール２１と、仕切板２２と、モータ２３とを備える。
ミラーモジュール２１は、一対の偏向ミラー２１１，２１２と、ミラーフレーム２１３とを備える。

一対の偏向ミラー２１１，２１２は、いずれも、光を反射する反射面を有する平板状の部材である。ミラーフレーム２１３は、円板部２１３ａと、被固定部２１３ｂとを備える。円板部２１３ａは、円形かつ板状の部位であり、その円の中心がモータ２３の回転軸に固定される。被固定部２１３ｂは、両面に偏向ミラー２１１，２１２が固定される板状の部位であり、円板部２１３ａの円形面上に立設される。

なお、一対の偏向ミラー２１１，２１２及び被固定部２１３ｂは、いずれも、長手方向の幅が異なる二つの長方形を一体化した形状を有する。具体的には、二つの長方形を、短手方向に沿った中心軸を合わせて、その中心軸に沿って並べて一体化した形状を有する。以下、ミラーモジュール２１において、一対の偏向ミラー２１１，２１２及び被固定部２１３ｂが一体化された部位のうち、長手方向の狭い長方形の部位を幅狭部、長手方向の広い長方形の部位を幅広部という。

ミラーフレーム２１３を介して一体化された一対の偏向ミラー２１１，２１２は、幅広部を下にして、中心軸の位置が円板部２１３ａの円の中心と一致するようにして円板部２１３ａに立設される。これにより、一対の偏向ミラー２１１，２１２は、モータの駆動に従って、モータ２３の回転軸を中心とする回転運動をする。つまり、ミラーフレーム２１３の中心軸が、ミラーモジュール２１の回転軸となる。また、一対の偏向ミラー２１１，２１２の反射面は、モータ２３の回転位置によらず、常に、モータ２３の回転軸に対して平行となる。

仕切板２２は、ミラーモジュール２１の幅広部の長手方向の幅と同じ直径を有する円形かつ板状の部材である。仕切板２２は、半円状の２つの部位に分割されており、ミラーモジュール２１の幅狭部を両側から挟み込んだ状態、かつ、ミラーモジュール２１の幅広部と幅狭部との段差部分に当接した状態で固定される。

以下、一対の偏向ミラー２１１，２１２のうち、仕切板２２より上側の部位、即ち幅狭部側の部位を投光偏向部２０ａ、仕切板２２より下側の部位、即ち幅広部側の部位を受光偏向部２０ｂという。

［１−１−２．発光部］
投光部１０は、一対の光源１１，１２を備える。投光部１０は、一対の投光レンズ１３，１４と、投光折返ミラー１５とを備えてもよい。

以下、投光偏向部２０ａにおいて、一対の光源１１，１２からの光ビームが入射される点を反射点という。また、ミラーモジュール２１の回転軸に直交し反射点を含む面を基準面という。

光源１１，１２には、いずれも半導体レーザが用いられる。
光源１１は、反射点からＸ軸に沿って左側に離れた位置に、発光面を投光偏向部２０ａに向けた状態で配置される。光源１２は、反射点から光源１１に至る経路の中心付近の折返点からＺ軸に沿って後側に離れた位置に、発光面をＺ軸の前側に向けた状態で配置される。但し、一対の光源１１，１２のＹ軸方向の位置である縦位置は、光源１１は基準面より低い位置に設定され、光源１２は基準面より高い位置に配置される。つまり、一対の光源１１，１２は、縦位置が異なるように配置される。

投光レンズ１３は、光源１１の発光面に対向して配置されたレンズである。同様に、投光レンズ１４は、光源１２の発光面に対向して配置されたレンズである。なお、光源１１，１２は、投光レンズ１３，１４の焦点付近に配置される。

投光折返ミラー１５は、上述の折返点に配置され、光源１２から出力され投光レンズ１４を透過した光を反射して反射点に導くように配置されている。なお、図５において、投光折返ミラー１５は図示が省略されている。また、投光折返ミラー１５は、図６に示すように、光源１１から出力され投光レンズ１３を透過して反射点に向かう光の経路を遮ることがないように、この経路より上側に配置される。また、光源１１から反射点に至る光の経路と、光源１２から投光折返ミラー１５を介して反射点に至る光の経路とは同じ長さとなるように設定される。

［１−１−３．受光部］
受光部３０は、図２〜図５に示すように、受光素子３１を備える。受光部３０は、受光レンズ３２と、受光折返ミラー３３とを備えてもよい。

受光素子３１は、受光折返ミラー３３の下部に配置される。なお図３及び図５では、各部の配置を見やすくするため、フレーム４０の一部が省略されている。受光素子３１は、図７に示すように、複数のＡＰＤを１列に配置したＡＰＤアレイ３１１を有する。ＡＰＤは、アバランシェフォトダイオードである。受光素子３１は、受光面をＹ軸に沿った上側に向け、且つ、ＡＰＤアレイ３１１におけるＡＰＤの配列方向がＸ軸方向と一致するように配置される。

図２〜図５に戻り、受光折返ミラー３３は、受光偏向部２０ｂに対してＸ軸に沿って左側に配置され、受光偏向部２０ｂから、受光レンズ３２を介して入射する光が受光素子３１に到達するように、光の経路をＹ軸方向の下側に略９０°屈曲させるように配置される。

受光レンズ３２は、受光偏向部２０ｂと受光折返ミラー３３との間に配置されるレンズである。受光レンズ３２は、受光素子３１に入射する光ビームのＺ軸方向に沿ったビーム幅が、ＡＰＤの素子幅程度となるように絞る。

［１−１−４．フレーム］
フレーム４０は、投光部１０、スキャン部２０、及び受光部３０が有する各部品を１体に組みつけることで、これら部品間の位置関係が確定された状態で、筐体１００内に組み付けるための部材である。

フレーム４０は、図２〜図５に示すように、フレーム下部４１と、フレーム側面部４２と、フレーム背面部４３と、仕切部４４とを有する。
フレーム下部４１には、その下側から、受光素子３１が組み付けられた受光基板５１と、スキャン部２０が組み付けられたモータ基板５２とが取り付けられる。このため、フレーム下部４１には、受光折返ミラー３３から受光素子３１に至る光の経路となる部位、及びスキャン部２０のモータ２３が配置される部位に、孔が設けられている。また、フレーム下部４１に取り付けられた受光基板５１及びモータ基板５２において、受光素子３１及びモータ２３が組み付けられた各実装面は、略同一平面となる。

フレーム側面部４２には、スキャン部２０に対向する側の面を表面として、その表面に、円筒状のホルダ４２１が突設される。ホルダ４２１の表面側端（即ち、Ｘ軸方向の右側端）には、その開口部を塞ぐように投光レンズ１３が組み付けられる。また、フレーム側面部４２の裏面には、光源１１が組みつけられた発光基板５３が取り付けられる。フレーム側面部４２に発光基板５３が取り付けられると、光源１１はホルダ４２１の裏面側端（即ち、Ｘ軸方向の左側端）に位置する。

フレーム背面部４３には、フレーム側面部４２と同様に、ホルダ４３１が突設され、ホルダ４３１の表面側端（即ち、Ｚ軸方向の前側端）には、投光レンズ１４が組み付けられる。また、フレーム背面部４３の裏面には、光源１２が組み付けられた発光基板５４が取り付けられる。フレーム背面部４３に発光基板５４が取り付けられると、光源１２はホルダ４３１の裏面側端（即ち、Ｚ軸方向の後側端）に位置する。

仕切部４４は、投光部１０に属する各部品が配置される空間と、受光部３０に属する各部品が配置される空間とを仕切る位置に設けられる。仕切部４４には、投光折返ミラー１５、受光折返ミラー３３及び受光レンズ３２が組み付けられる。

なお、受光基板５１及び一対の発光基板５３，５４は、それぞれネジ止めによりフレーム４０に取り付けられる。これら受光基板５１及び一対の発光基板５３，５４の取付位置および角度を調整することにより、受光素子３１及び一対の光源１１，１２の取付位置および角度を、それぞれ個別に、３次元的に微調整できるように構成されている。
ここでは、ホルダ４２１，４３１が、フレーム側面部４２及びフレーム背面部４３と一体に設けられるが、これらは発光基板５３，５４と一体に設けられてもよい。

［１−２．動作］
図６に示すように、光源１１から出力された光は、投光レンズ１３を介して投光偏向部２０ａの反射点に入射される。また、光源１２から出力された光は、投光レンズ１４を透過後、投光折返ミラー１５で進行方向が略９０°曲げられて投光偏向部２０ａの反射点に入射される。但し、光源１１と光源１２とでは、投光偏向部２０ａの異なる面が使用される。反射点Ｐに入射された光は、ミラーモジュール２１の回転位置に応じた方向に向けて出射される。ミラーモジュール２１を介して光が照射される範囲が走査範囲である。

図７に示すように、ミラーモジュール２１の回転位置に応じた所定方向（即ち、投光偏向部２０ａからの光の出射方向）に位置する被検物からの反射光（以下、到来光）は、受光偏向部２０ｂで反射し、受光レンズ３２及び受光折返ミラー３３を介して受光素子３１で受光される。なお、被検物は、ライダー装置１の検出対象となる様々な物標である。

つまり、ライダー装置１では、Ｘ軸方向に沿った水平方向の走査（以下、主走査）は、ミラーモジュール２１の回転によりメカ的に実現される。また、Ｙ軸方向に沿った垂直方向の走査（以下、副走査）は、垂直方向に並ぶ４つのビームを出力する光源１１，１２と、これを受光するＡＰＤアレイ３１１とにより電子的に実現される。

［１−３．効果］
以上詳述したライダー装置１によれば、以下の効果を奏する。
（１ｂ）ライダー装置１では、投光部１０及び受光部３０がスキャン部２０から見て同一方向（即ち、図２〜５でにおけるＸ軸方向左側）に配置され、投光折返ミラー１５及び受光折返ミラー３３によって光の経路を屈曲させることにより、光源１１，１２が発する光の出射方向、及び受光素子３１に入射する到来光の入射方向が互いに略直交するようにされている。これにより、ライダー装置１では、発光基板５３，５４、及び受光基板５１を、それぞれの実装面が互いに直交した状態に配置することができる。ここでの実装面とは、発光基板５３，５４では光源１１，１２が実装された面であり、受光基板５１では受光素子３１が実装された面である。その結果、ライダー装置１によれば、互いの実装面が平行に重なり合うように配置される従来装置と比較して、各基板間で電気的ノイズが影響し合うことを抑制できる。

（１ｂ）ライダー装置１では、受光折返ミラー３３により、スキャン部２０で反射された到来光の経路をＹ軸方向下側に屈曲させることで、受光基板５１を、互いの実装面がモータ基板５２と略同一平面となる位置に配置している。これにより、従来、デッドスペースとなっていた筐体１００内下部におけるモータ２３の厚さ（即ち、Ｙ軸方向の幅）分の空間を、有効利用することができ、装置サイズを小型化できる。また、受光基板５１及びモータ基板５２が組み付けられるフレーム下部４１の形状も簡素化されるため、フレーム４０の製造、並びにフレーム４０に対する受光基板５１及びモータ基板５２の組み付け作業の負荷を軽減できる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（２ａ）上記実施形態では、光検出モジュール２の投光部２０は、２つの発光基板５３，５４を備えているが、これらのうち、いずれか一方が省略されていてもよい。これらの場合、一つの発光基板上に２つの光源１１，１２を組み付けてもよい。そして、図８に示す光検出モジュール２ａの投光部２０ａのように、発光基板５４を省略した場合、奥行き方向（即ち、Ｚ軸方向）の装置サイズを小型化することができると共に、投光折返ミラー１５も省略することができる。また、図９に示す光検出モジュール２ｂの投光部２０ｂのように、発光基板５３を省略した場合、幅方向（即ち、Ｘ軸方向）の装置サイズを小型化することができる。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（２ｃ）上述したライダー装置の他、当該ライダー装置を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…ライダー装置、２…光検出モジュール、１０…投光部、１１，１２…光源、２０…スキャン部、３０…受光部、４０…フレーム、５１…受光基板、５２…モータ基板、５３，５４…発光基板。

Claims (6)

1. 光を出力する１つ以上の光源（１１，１２）を有する投光部（１０）と、
   前記投光部から入射される光を反射する１つ以上の反射面を有し、前記反射面を予め設定された回転軸に対して回転させることにより、前記投光部から入射される光の出射方向を、前記回転軸の軸方向に直交する主走査方向に沿って変化させると共に、走査範囲内から到来する到来光を反射して、前記投光部からの光が入射してくる方向に向けて出射するように構成されたスキャン部（２０）と、
   前記スキャン部にて反射された前記到来光を受光するように構成された受光部（３０）と、
   を備え、
   前記受光部は、
   前記スキャン部から出射される前記到来光の経路を、前記光源が発する光の出射方向とは異なる方向に屈曲させるように構成された受光折返ミラー（３３）と、
   前記受光折返ミラーを介して前記到来光を受光するように構成された受光素子（３１）と、
   を備えるライダー装置。
2. 請求項１に記載のライダー装置であって、
   前記スキャン部は、同一の偏向ミラーを用いて、前記投光部からの入射光及び外部からの到来光を反射するように構成された、
   ライダー装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のライダー装置であって、
   前記スキャン部は、
   前記反射面を有するミラーモジュール（２１）と、
   前記ミラーモジュールの回転軸に取り付けられたモータ（２３）と、
   を備え、前記回転軸の軸方向に沿って、前記モータから遠い側が前記投光部から入射される光の出射方向を変化させる投光偏向部（２０ａ）とされ、前記モータに近い側が前記到来光を前記受光折返ミラーに向けて出射する受光偏向部（２０ｂ）とされるように構成された
   ライダー装置。
4. 請求項３に記載のライダー装置であって、
   前記受光折返ミラーは、前記回転軸の軸方向において前記モータが配置される側に前記到来光の経路を屈曲させるように構成された、
   ライダー装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のライダー装置であって、
   前記光源が実装される発光基板（５３，５４）と、前記受光素子が実装される受光基板（５１）とは、それぞれの実装面が互いに直交するように配置された、
   ライダー装置。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のライダー装置であって、
   前記受光素子が実装される受光基板（５１）と、前記モータが実装されるモータ基板（５２）とは、それぞれの実装面が同一平面となるように配置された、
   ライダー装置。