JP6372820B2 - レーザレンジファインダ及び揺動ミラーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダ及び揺動ミラーの製造方法に関する。

ロボットが自律移動する時の障害物を検知するためのセンサ、あるいは、人物を検知するためのセンサには、例えば、レーザレンジファインダ（Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ、ＬＲＦ）がある。

レーザレンジファインダは、レーザ光が出射されてから、レーザ光が対象物に当たって反射した反射光が返ってくるまでの時間の測定を行い、測定結果から対象物までの距離を算出する。レーザレンジファインダは、レーザ光を出射する方向を水平方向および垂直方向に変化させることで、距離の測定を行う範囲（以下、「走査範囲」と称する）の全体において対象物までの距離の測定を行う。

具体的には、レーザレンジファインダは、例えば、レーザ光を出射するレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）と、レーザ光の出射方向を調整する揺動ミラーと、対象物からの反射光を受光する受光素子と、信号処理部とを備えている。レーザ光の出射方向を調整する揺動ミラーには、例えば、回転機構に取り付けられたミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー等がある。信号処理部は、レーザダイオードにレーザ光を出射させる出力信号を出力し、受光素子からの受光信号を受け付ける。信号処理部は、レーザダイオードから出射されるレーザ光の位相と受光素子が受光した反射光の位相との差から、対象物までの距離を測定する。

ここで、このようなレーザレンジファインダを用いて、対象物の形状を測定する形状測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この形状測定装置は、レーザ光を出射した方向と、出射したレーザ光と受光したレーザ光との位相差から測定される距離とを用いて、対象物の形状を推定することができる。

このようなレーザレンジファインダでは、測距に用いられるレーザ光のスキャン軌道上の一部にレーザ光を反射する基準反射板を設けて、当該基準反射板で反射されたレーザ光を受光部が受光した時刻に基づいて、当該方向の基準となる揺動ミラーの振れ角を測定する。そして、この基準となる揺動ミラーの振れ角を用いることにより、レーザ光を出射した方向を求めることができる。

特開２０１３−１６０５４５号公報

しかしながら、このような構成の場合、測距に用いられるレーザ光のスキャン軌道上の一部に、揺動ミラーの振れ角を測定するための基準反射板又は受光部を設けることが必要である。つまり、基準反射板又は受光部を設けた箇所を通過するスキャン軌道は、測距のために用いることができない。言い換えると、揺動ミラーの振れ角を検出するために、測定エリアが狭くなるという問題がある。また、スキャン端点の検出によるミラー振れ角検出のみではスキャンエリアを意図的に狭くした場合、または故障等でミラー振れ角が小さくなってしまった場合に対応できない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、測定エリアを広く確保しつつ、揺動ミラーの振れ角を検出でき、また、走査角をリアルタイムで検出可能なレーザレンジファインダ及び揺動ミラーの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザレンジファインダは、対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光のうち一部を第１方向に反射し、前記レーザ光のうち他の少なくとも一部を前記第１方向と異なる第２方向に反射する揺動ミラーと、前記揺動ミラーによって前記第１方向に反射されたレーザ光の前記対象物からの反射光が前記揺動ミラーによって反射された光を受光する第１受光部と、前記揺動ミラーによって前記第２方向に反射されたレーザ光を受光する第２受光部とを備える。

これにより、対象物までの距離を測定するためのレーザ光の光路と、揺動ミラーの振れ角を検知するためのレーザ光の光路とを、分離することができる。よって、測定エリアを広く確保しつつ、揺動ミラーの振れ角を検出できる、また、走査角をリアルタイムで検出することが可能となる。

ここで、比較例として、計測スキャン軌道上の一部（例えば、両端部）に、揺動ミラーの振れ角を検出するための反射板又は受光部を設ける構成では、次のような問題がある。具体的には、周囲の環境変化や故障により、レーザレンジファインダの測定エリアを意図的又は故意に制限する場合、つまり揺動ミラーの振れ角を制限する場合には、当該反射板又は受光部に揺動ミラーからのレーザ光が到達しない恐れがある。このような場合には揺動ミラーの振れ角を検出することができない。これに対して、本態様では、対象物までの距離を測定するためのレーザ光の光路と、揺動ミラーの振れ角を検知するためのレーザ光の光路とを、分離するので、揺動ミラーの振れ角を制限する場合であっても、揺動ミラーの振れ角を検出することが可能となる。

例えば、前記揺動ミラーは、前記レーザ光のうち一部を前記第１方向に反射する第１反射面と、前記レーザ光のうち他の少なくとも一部を前記第２方向に反射する第２反射面とを有し、前記第１反射面に対して前記第２反射面は傾斜して設けられていてもよい。

これにより、光源から揺動ミラーに入射したレーザ光を、対象物までの距離を測定するためのレーザ光と、揺動ミラーの振れ角を検知するためのレーザ光とに分離することができる。

また、例えば、前記揺動ミラーは、単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板を備え、前記第１反射面と前記第２反射面とは、前記シリコン基板において、前記単結晶シリコンの互いに異なる面方位に形成されていてもよい。

これにより、第１反射面に対する第２反射面の角度を精度良く出すことができる。例えば、第１反射面がシリコン基板の（１００）面に形成され、第２反射面が当該シリコン基板の（１１１）面に形成されている場合、当該角度として５４．７°を精度良く出すことができる。このように第１反射面に対する第２反射面の角度を精度良く出すことにより、レーザレンジファインダの光学部品を組み付ける際の位置合わせを容易にすることができる。

また、例えば、前記揺動ミラーは、前記第１反射面を表面とする略平板形状であり、前記第２反射面は、前記揺動ミラーの表面側に形成された凹部の壁面の少なくとも一部であってもよい。

これにより、光源から出射されたレーザ光を第２方向へ反射する第２反射面を容易に形成することができる。

また、例えば、前記凹部は、当該凹部の開口端部において、開口の中央へ向かって突出する凸部を有してもよい。

これにより、凹部の開口端部で生じる不要光を抑制することができる。ここで、レーザレンジファインダでは、対象物からの反射光は非常に微弱であるため、このような反射光を用いて対象物までの距離を測定するためには、第１受光部に光源から出射されたレーザ光が入射しないようにすることが重要である。すなわち、レーザレンジファインダ内部での不要光及び迷光の発生を抑制することが重要である。本態様では、凹部の開口端部において庇状の凸部を設けることにより不要光を抑制することができるので、レーザレンジファインダ内部での不要光及び迷光の発生を抑制することができる。よって、第１受光部で受光する光のＳ／Ｎ比を向上することができるので、測距離精度を向上することができる。

また、例えば、前記揺動ミラーは、揺動することにより、前記レーザ光のうち一部を第１走査範囲で走査し、前記レーザ光のうち他の少なくとも一部を前記第１走査範囲外の第２走査範囲で走査してもよい。

つまり、対象物の測定エリアである第１走査範囲とは異なる第２走査範囲で走査されるレーザ光を用いて揺動ミラーの振れ角を検出する。よって、対象物の測定エリアを広く確保することができる。

なお、本発明は、このようなレーザレンジファインダとして実現することができるだけでなく、揺動ミラーの製造方法として実現することができる。すなわち、本発明の一態様に係る揺動ミラーの製造方法は、単結晶シリコンの第１の面方位が表面に露出したシリコン基板を準備する工程と、前記第１の面方位と異なる前記単結晶シリコンの第２の面方位が露出するように、前記シリコン基板の一部に対して異方性エッチングを行う工程とを含み、前記第１の面方位の面は、所定方向から入射するレーザ光を第１方向に反射し、前記第２の面方位の面は、前記レーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に反射する。

このような異方性エッチングによるエッチング角度は、結晶面方向で規定される。よって、異方性エッチングによって、第１反射面と第２反射面との角度を精度良く出すことができる。つまり、揺動ミラーを高い加工精度で製造することができる。

例えば、前記揺動ミラーの製造方法は、さらに、前記シリコン基板の一部に対して等方性エッチングを行う工程を含み、前記異方性エッチングを行う工程では、当該一部に対して前記異方性エッチングを行ってもよい。

本発明によれば、測定エリアを広く確保しつつ、揺動ミラーの振れ角を検出することができる。

実施の形態１におけるレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。 実施の形態１におけるレーザレンジファインダの機能構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１におけるスキャンミラーの構成の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の揺動軸Ｊにおける凹部の断面図である。 実施の形態１におけるスキャンミラーの反射面の角度を模式的に示す図である。 実施の形態１におけるスキャンミラーによる反射の様子を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１におけるレーザレンジファインダの走査範囲を示す図である。 実施の形態１におけるスキャンミラーの製造工程を模式的に示す図である。 実施の形態１の変形例１におけるレーザレンジファインダの走査範囲を模式的に示す図である。 実施の形態１の変形例２におけるスキャンミラーの製造工程を模式的に示す図である。 実施の形態２におけるスキャンミラーの構成の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の揺動軸Ｊに垂直な面における凹部の断面図である。 実施の形態２におけるスキャンミラーによる反射の様子を模式的に示す斜視図である。 実施の形態２におけるレーザレンジファインダの走査範囲を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１のレーザレンジファインダについて、図１〜図７を用いて説明する。

［１．レーザレンジファインダの構成］
まず、本実施の形態に係るレーザレンジファインダの構成について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、実施の形態１におけるレーザレンジファインダの概略構成の一例を示す斜視図である。なお、図１にはレーザレンジファインダ１による測定対象物２も示されている。また、図１は、レーザレンジファインダ１の筐体１１を透視して筐体１１内方を示した図となっている。図２は、実施の形態１におけるレーザレンジファインダ１の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、図２では、電気信号の経路を実線の矢印で示し、光の進路を一点鎖線の矢印で示している。

また、図１では、Ｚ軸方向をレーザレンジファインダ１の走査軸（基準方向）に平行な軸として示しており、Ｙ軸を上下方向（設置状態での重力の作用する方向）として示している。以下ではＹ軸方向を上下方向として説明するが、使用態様によってはＹ軸方向が上下方向にならない場合も考えられるため、Ｙ軸方向は上下方向となることには限定されない。以下の図においても、同様である。

また、以下において、例えば、Ｘ軸方向プラス側とは、Ｘ軸の矢印方向側を示しており、Ｘ軸方向マイナス側とは、Ｘ軸方向プラス側とは反対側を示す。Ｙ軸方向やＺ軸方向についても同様である。

図１に示すように、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１は、筐体１１の内部に配置されたＬＤ１０と、スキャンミラー２０と、フォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）３０と、ＰＤ４０とを備える。なお、フォトダイオード３０は、より高感度なアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）でもよい。また、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１は、さらに、有孔ミラー５０と、集光レンズ６０とを備える。また、本実施の形態におけるレーザレンジファインダ１は、さらに、図２に示すように、変調信号出力部７０と、ミラー駆動部８０と、信号処理部９０とを備える。ここで、信号処理部９０は、測定対象物２までの距離を算出する距離算出部９１、及び、測定対象物２が存在する角度を算出するスキャン位置算出部９２を有する。

ＬＤ１０は、レーザ光を出射する光源の一例であり、変調信号出力部７０から出力される変調信号に従ってレーザ光を出射する。ＬＤ１０は、筐体１１の内部に配置され、レーザ光をスキャンミラー２０に向けて出射する。

スキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光のうち一部を第１方向に反射し、ＬＤ１０から出射されたレーザ光のうち他の少なくとも一部を第１方向と異なる第２方向に反射する揺動ミラーの一例であり、ミラー部材２１と、当該ミラー部材２１を支持する支持体２２とを有する。スキャンミラー２０は、ミラー部材２１が揺動軸Ｊを中心に揺動することにより、ＬＤ１０から出射されたレーザ光のうち一部を測定対象物２の測定エリア（第１走査範囲）で走査し、当該レーザ光のうち他の一部を上記測定エリア外の走査範囲（第２走査範囲）で走査する。ここで、ＬＤ１０から出射されたレーザ光のうち一部が走査される測定エリアはレーザレンジファインダ１外の領域を含み、他の一部が走査される走査範囲はレーザレンジファインダ１内の領域である。

このスキャンミラー２０は、例えば、電子回路を形成するシリコン基板上に、微小な機械部品であるミラー部材２１を形成して構成されるＭＥＭＳミラーである。なお、スキャンミラー２０の詳細な構成については後述する。また、スキャンミラー２０の揺動軸Ｊとは、具体的には、後述するスキャンミラー２０のミラー部材２１の揺動軸である。

ＰＤ３０は、スキャンミラー２０によって第１方向に反射されたレーザ光の測定対象物２からの反射光がスキャンミラー２０によって反射された光を受光する第１受光部の一例であり、受光量を示す電気信号を距離算出部９１へ出力する。つまり、ＰＤ３０は、測定対象物２からの反射光を、スキャンミラー２０を介して受光する。このＰＤ３０で受光された反射光は、測定対象物２までの距離を測定するために用いられる。

ＰＤ４０は、スキャンミラー２０によって第２方向に反射されたレーザ光を受光する第２受光部の一例であり、受光量を示す電気信号をスキャン位置算出部９２へ出力する。このＰＤ４０で受光された反射光は、スキャンミラー２０の振れ角を検知するために用いられ、より具体的には、測定対象物２が位置する方向を算出するために用いられる。またはスキャンミラー２０の動作確認（例えば、故障判別等）のために用いられる。このＰＤ４０は、第２走査範囲上にあり、検出したい角度に対応した位置に配置して、スキャンミラー２０の角度が走査軸に対して所定角となっている場合に、ＬＤ１０から出射されたレーザ光の当該スキャンミラー２０による反射光を受光する。

有孔ミラー５０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光をそのまま通過させ、スキャンミラー２０からの光（スキャンミラー２０によって第１方向に反射されたレーザ光の測定対象物２からの反射光が、スキャンミラー２０によって反射された光）を反射させる部材である。有孔ミラー５０は、ＬＤ１０とスキャンミラー２０との間のレーザ光の光路上に配置されている。

より詳細には、有孔ミラー５０は、スキャンミラー２０からの光をＰＤ３０に向けて反射させる反射面を備える板状部材を備えて構成されている。当該板状部材には、ＬＤ１０から出力されたレーザ光をそのまま通過させる孔が形成されている。有孔ミラー５０を通過するレーザ光は集束された光であるため、孔の直径は非常に小さく形成することが可能である。測定対象物２からの反射光はレーザ光に比べて強度が弱いことから、反射面の面積を確保するため、孔の直径は小さくすることが好ましい。

なお、ＬＤ１０から出射されたレーザ光をそのまま通過させ、スキャンミラー２０からの光を反射させる部材であれば、有孔ミラー５０でなくてもよく、例えば、ハーフミラーであってもよい。

集光レンズ６０は、有孔ミラー５０で反射されたスキャンミラー２０からの光を集光してＰＤ３０に導く、例えば凸レンズである。すなわち、スキャンミラー２０からのレーザ光は測定対象物２において反射散乱されるため、レーザレンジファインダ１内に戻ってくる反射光は、光強度の小さな散乱光となる。このため、集光レンズ６０を設けることにより、ＰＤ３０における受光感度を向上することができる。

変調信号出力部７０は、ＬＤ１０に出射させるレーザ光に含まれる変調信号を生成する。また、当該変調信号を距離算出部９１へ出力する。

ミラー駆動部８０は、信号処理部９０の出力に従って、スキャンミラー２０を駆動するための駆動電流を生成し、スキャンミラー２０に対して出力する。具体的には、ミラー駆動部８０は、信号処理部９０から出力されるスキャンミラーの振れ角を示す信号に基づいて、当該振れ角が所定の振れ角になるように駆動電流を調整する。

信号処理部９０は、上述のように距離算出部９１及びスキャン位置算出部９２を備え、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）、あるいは、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いて構成されていてもよい。あるいは、信号処理部９０は、マイクロコントローラにより構成されていても構わない。

距離算出部９１は、ＰＤ３０が受光した反射光と変調信号出力部７０で生成された変調信号との位相差を用いて、レーザレンジファインダ１から測定対象物２までの距離を算出する。つまり、距離算出部９１は、当該位相差を用いて、レーザ光がＬＤ１０から出射されてからＰＤ３０で受光されるまでの時間を算出する。この時間は、レーザ光がＬＤ１０から測定対象物２までを往復するのにかかる時間である。したがって、距離算出部９１は、当該時間の１／２に光の速さを乗算することにより、当該距離を求めることができる。

スキャン位置算出部９２は、ＰＤ４０がレーザ光を受光したタイミングを用いて、Ｚ軸のプラス方向に対して当該測定対象物２が位置する方向がなす角を算出する。具体的には、スキャン位置算出部９２は、ＰＤ４０のレーザ光の受光タイミングと、スキャンミラー２０に対してＰＤ４０が配置された方向とから、スキャンミラー２０の振れ角を算出し、算出した振れ角を示す信号をミラー駆動部８０へ出力する。さらに、算出した当該振れ角と、ＰＤ３０の反射光の受光タイミングとから、測定対象物２が位置する方向を算出する。

以上のように構成されたレーザレンジファインダ１は、スキャンミラー２０によってレーザ光を走査し、測定対象物２によるレーザ光の反射光を受光することにより、当該測定対象物２までの距離及び当該測定対象物２の方向を測定することができる。

また、本実施の形態では、スキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光の一部を第１方向に反射し、他の少なくとも一部を第１方向と異なる第２方向に反射する。つまり、本実施の形態では、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光の光路と、スキャンミラーの振れ角を検知するためのレーザ光の光路とが、分離されている。よって、本実施の形態では、測定エリアを広く確保しつつ、スキャンミラー２０の振れ角を検出することができる。このように光路が分離されるメカニズムについては、後述するスキャンミラー２０の詳細な構成で説明する。

なお、以下、本実施の形態では、図１に示すように、ＬＤ１０及びＰＤ４０の各々は、ＬＤ１０、ＰＤ４０及びスキャンミラー２０を含むＹＺ平面において、スキャンミラー２０に対して互いに異なる方向に配置されているとして、説明する。

［２．スキャンミラー］
次に、上述したスキャンミラー２０について、図３〜図６を用いて詳述する。

［２−１．構成］
まず、スキャンミラー２０の構成について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１におけるスキャンミラー２０の構成の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の揺動軸Ｊにおける凹部の断面図である。なお、同図では、Ｘ’軸方向を図１に示すＸ軸方向と同一方向として示し、Ｙ’軸方向をスキャンミラー２０の揺動軸Ｊの延伸方向、Ｚ’軸方向をＸ’軸方向及びＹ’軸方向に直交する方向として示している。以下、本実施の形態において、他の図も同様である。

図３の（ａ）に示すように、スキャンミラー２０は、ミラー部材２１と、ミラー部材２１を支持する支持体２２とを備え、ミラー部材２１と支持体２２とは、架橋部材２３によって互いに機械的に接続されている。また、ミラー部材２１には、中央部に凹部１２１が形成されている。

凹部１２１は、略平板形状のミラー部材２１に形成され、かつ、ＬＤ１０から出射されたレーザ光が照射される範囲内に配置されている、例えば、略台形形状である。ここで、当該凹部１２１の開口径は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光のスポット径よりも十分小さく、例えば、当該開口径は１００μｍ、当該スポット径は０．５ｍｍである。これにより、ＬＤ１０から出射されたレーザ光は、ミラー部材２１において、凹部１２１を形成する面の少なくとも一部と、ミラー部材２１の表面のうち凹部１２１が形成された領域以外の面とで反射される。

ミラー部材２１は、図３の（ｂ）に示すように、シリコン基板１３０と、当該シリコン基板１３０を被覆する熱酸化膜１３１との積層構造を有する。

シリコン基板１３０は、単結晶シリコンによって形成されている。ここで、シリコン基板１３０は、例えば、（１００）面が上面（図３の（ｂ）中のＺ’軸方向プラス側の面）となるようにされている。つまり、図３の（ｂ）中において、シリコン基板１３０と熱酸化膜１３１との界面２１ａにおけるシリコン基板１３０の面方位は、（１００）面となっている。また、図３の（ｂ）中において、凹部１２１の壁面を形成するシリコン基板１３０の面方位は、（１１１）面となっている。

なお、シリコン基板１３０の面方位は、これに限らず、当該シリコン基板１３０の上面の面方位と、凹部１２１の壁面を形成する面の面方位とが異なっていればよい。

熱酸化膜１３１は、シリコン基板１３０を熱酸化処理することにより形成された膜であり、例えば、ＳｉＯ_２である。ここで、この熱酸化膜１３１は、（１００）面を上面とするシリコン基板１３０を被覆するように形成されているので、当該熱酸化膜１３１の上面は、シリコン基板１３０の（１００）面と略同一である。すなわち、凹部１２１以外のミラー部材２１の表面（以下、ミラー表面２１ｂと記載）は、シリコン基板１３０の（１００）面に形成されている。

したがって、ＬＤ１０から出射されたレーザ光は、ミラー部材２１において、凹部１２１を形成する面の少なくとも一部と、ミラー表面２１ｂとで反射される。

なお、ミラー部材２１は、少なくともシリコン基板１３０を備えていればよく、熱酸化膜１３１を備えていなくてもよい。ただし、熱酸化膜１３１は単結晶シリコンによって形成されているシリコン基板１３０よりも高い耐変性及び高硬度を有することから、ミラー部材２１は、当該ミラー部材２１の反射特性等の長期信頼性を保つために、熱酸化膜１３１を備えることが好ましい。また、ミラー部材２１は、熱酸化膜１３１に代わり、シリコン基板１３０の表面が窒化処理されることにより形成された窒化膜（例えば、ＳｉＮ）を備えてもよい。このようなシリコンの窒化膜は、熱酸化膜１３１よりもさらに高硬度を有するため、ミラー部材２１の長期信頼性を一層保つことができる。

このように構成されたスキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光を、凹部１２１を形成する面の少なくとも一部である壁面１２１ａと、ミラー表面２１ｂとで反射する。

［２−２．光路分離のメカニズム］
次に、以上のように構成されたスキャンミラー２０によって、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光の光路と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光の光路とが分離されるメカニズムについて、図４〜図６を用いて説明する。

図４は、実施の形態１におけるスキャンミラー２０の反射面の角度を模式的に示す図である。具体的には、同図には、ミラー表面２１ｂと凹部１２１の壁面１２１ａと、これら各面の法線Ｎ１、Ｎ２と、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１、レーザ光Ｌ１のミラー表面２１ｂによって反射されたレーザ光Ｌ２、及び、レーザ光Ｌ１の壁面１２１ａによって反射されたレーザ光Ｌ３とが示されている。図５は、実施の形態１におけるスキャンミラー２０による反射の様子を模式的に示す斜視図である。なお、同図には、上記法線Ｎ１、Ｎ２と、レーザ光Ｌ１〜Ｌ３とが示されている。図６は、実施の形態１におけるレーザレンジファインダ１の走査範囲を示す図である。具体的には、同図には、スキャンミラー２０が揺動軸Ｊを中心に揺動した場合に、上記レーザ光Ｌ２が走査される走査範囲Ｄ１（第１走査範囲）と、上記レーザ光Ｌ３が走査される走査範囲Ｄ２（第２走査範囲）とが示されている。

上述したように、スキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１を、凹部１２１を形成する面の少なくとも一部である壁面１２１ａと、ミラー部材２１のミラー表面２１ｂとで反射する。また、上述したように、ミラー表面２１ｂはシリコン基板１３０の（１００）面に設けられ、壁面１２１ａはシリコン基板１３０の（１１１）面に設けられている。

つまり、図４に示すように、壁面１２１ａはミラー表面２１ｂに対して傾斜して設けられており、この傾斜角は、例えば５４．７°である。したがって、図４及び５に示すように、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１のうち、ミラー表面２１ｂで反射されたレーザ光Ｌ２の進行方向は、当該レーザ光Ｌ１のうち壁面１２１ａで反射されたレーザ光Ｌ３の進行方向とは異なる。

言い換えると、本実施の形態におけるスキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１のうち一部を第１方向に反射し、当該レーザ光Ｌ１のうち他の少なくとも一部を当該第１方向と異なる第２方向に反射する。これにより、本実施の形態では、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光Ｌ２の光路と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３の光路とを、分離することができる。

また、図６に示すように、本実施の形態におけるスキャンミラー２０は、揺動することにより、レーザ光Ｌ２を走査範囲Ｄ１で走査し、上記レーザ光Ｌ３を走査範囲Ｄ２で走査する。つまり、本実施の形態では、測定対象物２の測定エリアである走査範囲Ｄ１とは異なる走査範囲Ｄ２で走査されるレーザ光Ｌ３を用いてスキャンミラー２０の振れ角を検出する。よって、本実施の形態では、測定対象物２の測定エリアを広く確保することができる。

また、本実施の形態では、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのＰＤ４０を、レーザ光Ｌ３のスキャン軌道（図６における走査範囲Ｄ２内の白抜き矢印）上の任意の位置に配置することが可能となる。よって、スキャンミラー２０とＰＤ４０との位置合わせを線で行うことが可能となるので、レーザレンジファインダ１の光学部品を組み付ける際の位置合わせを容易にすることができる。

［２−３．製造工程］
次に、上述のスキャンミラー２０の製造方法について、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態１におけるスキャンミラーの製造工程を模式的に示す図である。

まず、単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板１３０を準備する（図７の（ａ））。ここで、このシリコン基板１３０は、上面（図７の紙面上方の面）の面方位が、例えば（１００）面である。

次に、シリコン基板１３０を熱酸化処理することにより、シリコン基板１３０の上面を被覆する熱酸化膜１３１を形成する（図７の（ｂ））。

次に、凹部１２１に対応する位置に開口するようなレジスト１５１を塗布し（図７の（ｃ））、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等で熱酸化膜１３１に開口を形成する（図７の（ｄ））。

次に、ＫＯＨ、ヒドラジン等の溶液１５２を用いて、シリコン異方性エッチングを行う（図７の（ｅ））。ここで、この異方性エッチングを行う工程では、（１００）面と異なる単結晶シリコンの面方位（本実施の形態では（１１１）面）が露出するように、シリコン基板１３０に対して異方性エッチングを行う。つまり、（１１１）面が（１００）面よりエッチングされにくい（エッチング速度が遅くなる）ようにエッチングを行う。

このような工程により、壁面１２１ａが（１１１）面である凹部１２１が形成されて（図７の（ｆ））、上述したようなスキャンミラー２０が製造される。すなわち、このように製造されたスキャンミラー２０は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１のうち一部を第１方向に反射し、当該レーザ光Ｌ１のうち他の少なくとも一部を第１方向と異なる第２方向に反射することができる。

なお、本実施の形態では、溶液１５２を用いたウエットエッチングによりシリコン異方性エッチングを行ったが、ＲＩＥ等を用いたドライエッチングにより異方性エッチングを行ってもよい。

［３．まとめ］
以上のように、本実施の形態に係るレーザレンジファインダ１は、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１のうち一部を第１方向に反射し、レーザ光Ｌ１のうち他の少なくとも一部を第１方向と異なる第２方向に反射するスキャンミラー２０と、スキャンミラー２０によって第１方向に反射されたレーザ光の測定対象物２からの反射光がスキャンミラー２０によって反射された光を受光するＰＤ３０と、スキャンミラー２０によって第２方向に反射されたレーザ光を受光するＰＤ４０とを備える。

これにより、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光Ｌ２の光路と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３の光路とを、分離することができる。よって、測定エリアを広く確保しつつ、スキャンミラー２０の振れ角を検出できる。つまり、測定対象物２の測定エリアである走査範囲Ｄ１の犠牲を抑制しつつ、スキャンミラー２０の振れ角を検出できる。言い換えると、レーザ光Ｌ２のスキャン軌道を可能な限り測距に用いることができるので、測定対象物２までの距離を測定できる角度を大きく確保することができる。

ここで、比較例として、計測スキャン軌道上の一部（例えば、両端部）に、スキャンミラーの振れ角を検出するための反射板又は受光部を設ける構成では、次のような問題がある。具体的には、周囲の環境変化や故障により、レーザレンジファインダの測定エリアを意図的又は故意に制限する場合、つまりスキャンミラーの振れ角を制限する場合には、当該反射板又は受光部にスキャンミラーからのレーザ光が到達しない恐れがある。このような場合にはスキャンミラーの振れ角を検出することができない。これに対して、本実施の形態では、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光Ｌ２の光路と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３の光路とを、分離するので、スキャンミラー２０の振れ角を制限する場合であっても、スキャンミラー２０の振れ角を検出することが可能となる。

また、本実施の形態において、スキャンミラー２０は、レーザ光Ｌ１のうち一部を第１方向に反射するミラー表面２１ｂと、レーザ光Ｌ１のうち他の少なくとも一部を第２方向に反射する壁面１２１ａとを有し、ミラー表面２１ｂに対して壁面１２１ａは傾斜して設けられている。

これにより、ＬＤ１０からスキャンミラー２０に入射したレーザ光Ｌ１を、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光Ｌ２と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３とに分離することができる。

具体的には、本実施の形態において、スキャンミラー２０は、単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板１３０を備え、ミラー表面２１ｂと壁面１２１ａとは、シリコン基板１３０において、単結晶シリコンの互いに異なる面方位に形成されている。

これにより、ミラー表面２１ｂに対する壁面１２１ａの角度を精度良く出すことができる。例えば、ミラー表面２１ｂがシリコン基板１３０の（１００）面に形成され、壁面１２１ａが当該シリコン基板１３０の（１１１）面に形成されている場合、当該角度として５４．７°を精度良く出すことができる。このようにミラー表面２１ｂに対する壁面１２１ａの角度を精度良く出すことにより、レーザレンジファインダ１の光学部品を組み付ける際の位置合わせを容易にすることができる。

なお、スキャンミラー２０は、単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板１３０を備える構成に限らず、例えば、サファイア基板等の他の単結晶材料によって形成された基板を備えてもよい。

また、本実施の形態において、スキャンミラー２０は、ミラー表面２１ｂを表面とする略平板形状であり、壁面１２１ａは、スキャンミラー２０の表面側に形成された凹部の壁面の少なくとも一部である。

これにより、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１を第２方向へ反射する面を容易に形成することができる。

なお、本実施の形態では、凹部１２１の形状を、略台形形状としたが、これに限らない。凹部１２１は、入射したレーザ光Ｌ１をミラー表面２１ｂと異なる方向に反射する壁面１２１ａを有していればよく、例えば、ピラミッド形状やトレンチ形状であってもよい。つまり、凹部１２１は、ミラー表面２１ｂの法線Ｎ１と異なる角度の法線Ｎ２を有する壁面１２１ａを含んでいればよい。また、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１を第２方向へ反射する面は、凹部１２１の壁面でなくてもよく、平板形状に形成されたスキャンミラー２０から外方に突出するように設けられた凸部を形成する面の少なくとも一部であってもよい。

また、本実施の形態において、スキャンミラー２０は、揺動することにより、レーザ光Ｌ２を走査範囲Ｄ１で走査し、レーザ光Ｌ３を走査範囲Ｄ２で走査する。

つまり、本実施の形態では、測定対象物２の測定エリアである走査範囲Ｄ１とは異なる走査範囲Ｄ２で走査されるレーザ光Ｌ３を用いてスキャンミラー２０の振れ角を検出する。よって、測定対象物２の測定エリアを広く確保することができる。

なお、レーザ光Ｌ２の走査位置とレーザ光Ｌ３の走査位置とは、同じ位置を同時に走査していなければよく、同じ位置を互いに異なる時間で走査することがあってもよい。つまり、走査範囲Ｄ１の一部（一箇所）が走査範囲Ｄ２の一部（一箇所）と同じであってもよい。

また、本実施の形態において、スキャンミラー２０の製造方法は、（１００）面と異なる単結晶シリコンの面方位（本実施の形態では（１１１）面）が露出するように、シリコン基板１３０の一部に対して異方性エッチングを行う工程を含む。

このような異方性エッチングによるエッチング角度は、結晶面方向で規定される。よって、異方性エッチングによって、ミラー表面２１ｂと壁面１２１ａとの角度を精度良く出すことができる。つまり、スキャンミラー２０を高い加工精度で製造することができる。

（実施の形態１の変形例１）
次に、実施の形態１の変形例１のレーザレンジファインダについて、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態１の変形例１におけるレーザレンジファインダの走査範囲を模式的に示す図である。

同図に示すレーザレンジファインダ１Ａは、実施の形態１におけるレーザレンジファインダ１とほぼ同様であるが、ＰＤ４０に代わりＰＤ４０Ａを備える。

ＰＤ４０Ａは、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３が走査される走査範囲Ｄ２のスキャン軌道の全てを包含するように配置された、一次元光位置センサ（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。

これにより、スキャンミラー２０の角度をリアルタイムで検出することができる。つまり、レーザレンジファインダの走査角（走査方向）をリアルタイムで検出することができる。

また、計測スキャン軌道上の一部（例えば、両端部）に、スキャンミラーの振れ角を検出するための反射板又は受光部を設ける構成では、スキャンミラーの振れ角を任意に設定することはできない。これは、当該振れ角を任意に設定した場合、当該反射板又は受光部にスキャンミラーからのレーザ光が到達しない場合があるからである。

これに対して、本変形例では、ＰＤ４０ＡとしてＰＳＤを用いることにより、スキャンミラー２０の振れ角を制限した場合であっても、ＰＤ４０Ａがレーザ光Ｌ３を受光することができる。つまり、任意の振れ角に設定されたスキャンミラー２０の振れ角を検知することができる。したがって、レーザ光Ｌ２が走査される走査範囲Ｄ１を小さくして、所定の範囲で測定対象物２までの距離を検出する場合であっても、スキャンミラー２０の振れ角を検知することができる。

（実施の形態１の変形例２）
次に、実施の形態１の変形例２のレーザレンジファインダについて、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態１の変形例２におけるスキャンミラーの製造工程を模式的に示す図である。

同図に示す本変形例における製造工程は、実施の形態１における製造工程とほぼ同じであるが、ＲＩＥ等で熱酸化膜１３１に開口を形成した後（図９の（ｄ）の後）に、等方性エッチングを行い（図９の（ｄ’））、その後に、シリコン異方性エッチングを行う（図９の（ｅ））点が異なる。

このように、本変形例における製造工程は、実施の形態１における製造工程と比較して、さらに、シリコン基板１３０の一部に対して等方性エッチングを行う工程（図９の（ｄ’））を含み、異方性エッチングを行う工程（図９の（ｅ））では、等方性エッチングを行う工程（図９の（ｄ’））において等方性エッチングを施した領域に対して異方性エッチングを行う。

このように製造された本変形例におけるスキャンミラーは、実施の形態１におけるスキャンミラー２０と同様に、凹部２２１が形成される。この凹部２２１は、例えば、略ピラミッド形状である。よって、ＬＤ１０から出射されたレーザ光Ｌ１の一部はミラー表面２１ｂで反射され、他の少なくとも一部は凹部２２１の壁面２２１ａで反射される。よって、本変形例におけるスキャンミラーは、実施の形態１におけるスキャンミラー２０と同様の効果を奏する。

また、本変形例におけるスキャンミラーは、当該スキャンミラーの製造工程において、シリコン基板１３０に対して等方性エッチングを行った後に異方性エッチングを行うことにより、次のような構成を有する。具体的には、本変形例におけるスキャンミラーは、実施の形態１におけるスキャンミラーと比較して、図９の（ｆ）に示すように、凹部２２１の開口端部において、開口の中央へ向かって突出する凸部２２１Ａを有する。

このように、凹部２２１の開口端部が庇状の凸部２２１Ａを有することにより、凹部２２１の開口端部で生じる不要光を抑制することができる。

ここで、レーザレンジファインダでは、測定対象物２からの反射光は非常に微弱であるため、このような反射光を用いて測定対象物２までの距離を測定するためには、ＰＤ３０にＬＤ１０から出射されたレーザ光が入射しないようにすることが重要である。すなわち、レーザレンジファインダ内部での不要光及び迷光の発生を抑制することが重要である。

本変形例では、凹部２２１の開口端部において庇状の凸部２２１Ａを設けることにより不要光を抑制することができるので、レーザレンジファインダ内部での不要光及び迷光の発生を抑制することができる。よって、ＰＤ３０で受光する反射光のＳ／Ｎ比を向上することができるので、測距離精度を向上することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２のレーザレンジファインダについて、図１０〜図１２を用いて説明する。図１０は、実施の形態２におけるスキャンミラーの構成の一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の揺動軸Ｊに垂直な面における凹部の断面図である。図１１は、実施の形態２におけるスキャンミラーによる反射の様子を模式的に示す斜視図である。図１２は、実施の形態２におけるレーザレンジファインダの走査範囲を模式的に示す図である。

本実施の形態におけるレーザレンジファインダは、実施の形態１におけるレーザレンジファインダ１とほぼ同様であるが、ＬＤ１０から出射されるレーザ光の光軸が水平方向である点が異なる。具体的には、実施の形態１では、ＬＤ１０及びＰＤ４０の各々は、ＬＤ１０、ＰＤ４０及びスキャンミラー２０を含むＹＺ平面において、スキャンミラー２０に対して互いに異なる方向に配置されているとしたが、本実施の形態では、ＬＤ１０及びＰＤ４０の各々は、ＬＤ１０、ＰＤ４０及びスキャンミラー２２０を含むＸＺ平面において、スキャンミラー２２０に対して互いに異なる方向に配置されている。

また、実施の形態１におけるスキャンミラー２０は、揺動軸ＪがＹ軸に対して傾いて配置されていたが、本実施の形態におけるスキャンミラー２２０は、当該揺動軸ＪがＹ軸と平行に配置されている。

また、図１０に示すように、本実施の形態のスキャンミラー２２０では、実施の形態１のスキャンミラー２０と比較して、凹部１２１がＺ’軸方向プラス側から見て左方向に９０°回転した状態で形成されている。

このように、ＬＤ１０及びＰＤ４０の各々が、ＬＤ１０、ＰＤ４０及びスキャンミラー２２０を含むＸＺ平面において、スキャンミラー２２０に対して互いに異なる方向に配置されている構成であっても、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

つまり、図１１に示すように、測定対象物２までの距離を測定するためのレーザ光Ｌ２の光路と、スキャンミラー２０の振れ角を検知するためのレーザ光Ｌ３の光路とを、分離することができる。よって、測定エリアを広く確保しつつ、スキャンミラー２２０の振れ角を検出できる。

また、図１２に示すように、スキャンミラー２２０は、揺動することにより、レーザ光Ｌ２を走査範囲Ｄ１で走査し、レーザ光Ｌ３を走査範囲Ｄ２で走査する。

つまり、本実施の形態におけるレーザレンジファインダは、実施の形態１におけるレーザレンジファインダ１と同様に、測定対象物２の測定エリアである走査範囲Ｄ１とは異なる走査範囲Ｄ２で走査されるレーザ光Ｌ３を用いてスキャンミラー２２０の振れ角を検出する。よって、測定対象物２の測定エリアを広く確保することができる。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態及び変形例に係るレーザレンジファインダについて説明したが、本発明は、これら実施の形態及び変形例に限定されるものではない。

例えば、上記説明では、スキャンミラーはエッチングにより作成されているとしたが、これに限らない。例えば、スキャンミラーは切削やインプリント技術によって作成されていてもよい。

また、スキャンミラーは、さらに、熱酸化膜１３１を覆う鏡面用金属（例えば、アルミニウム）が蒸着されていてもよい。

また、ＬＤ１０からスキャンミラーに入射するレーザ光Ｌ１の入射ベクトルは上記説明に限らず、任意でよい。このような場合であっても、凹部の壁面（第２反射面）の向きを適宜調整することにより、レーザ光Ｌ２を走査範囲Ｄ１で走査させつつ、レーザ光Ｌ３を当該スキャンミラーの振れ角を検知するためのＰＤ４０に入射させることができる。

また、上記説明では、レーザ光Ｌ２を一次元走査するレーザレンジファインダについて説明したが、レーザレンジファインダは、上記説明したスキャンミラーを用いて、レーザ光Ｌ２を二次元走査してもよい。

さらに、上記実施の形態及び変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。

上記実施の形態は、物体の距離を検出するレーザレンジファインダに適用可能である。

１、１Ａ レーザレンジファインダ
２ 測定対象物
１０ ＬＤ（レーザダイオード）
１１ 筐体
２０、２２０ スキャンミラー（揺動ミラー）
２１ ミラー部材
２１ａ 界面
２１ｂ ミラー表面
２２ 支持体
２３ 架橋部材
３０、４０、４０Ａ ＰＤ（フォトダイオード）
５０ 有孔ミラー
６０ 集光レンズ
７０ 変調信号出力部
８０ ミラー駆動部
９０ 信号処理部
９１ 距離算出部
９２ スキャン位置算出部
１２１、２２１ 凹部
１２１ａ、２２１ａ 壁面
１３０ シリコン基板
１３１ 熱酸化膜
１５１ レジスト
１５２ 溶液
２２１Ａ 凸部
Ｄ１、Ｄ２ 走査範囲
Ｊ 揺動軸
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ レーザ光
Ｎ１、Ｎ２ 法線

Claims (5)

1. 対象物までの距離を測定するレーザレンジファインダであって、
   レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射されたレーザ光のうち一部を第１方向に反射する第１反射面と、前記レーザ光のうち他の少なくとも一部を前記第１方向と異なる第２方向に反射する第２反射面とを有する揺動ミラーと、
   前記揺動ミラーによって前記第１方向に反射されたレーザ光の前記対象物からの反射光が前記揺動ミラーによって反射された光を受光する第１受光部と、
   前記揺動ミラーによって前記第２方向に反射されたレーザ光を受光する第２受光部とを備え、
   前記揺動ミラーは、前記第１反射面を表面とする略平板形状であり、
   前記第２反射面は、前記揺動ミラーの表面側に形成された凹部の壁面の少なくとも一部であり、且つ、前記第１反射面に対して傾斜して設けられており、
   前記凹部は、当該凹部の開口端部において、開口の中央へ向かって突出する凸部を有する
   レーザレンジファインダ。
2. 前記揺動ミラーは、単結晶シリコンによって形成されたシリコン基板を備え、
   前記第１反射面と前記第２反射面とは、前記シリコン基板において、前記単結晶シリコンの互いに異なる面方位に形成されている
   請求項１に記載のレーザレンジファインダ。
3. 前記揺動ミラーは、揺動することにより、
   前記レーザ光のうち一部を第１走査範囲で走査し、
   前記レーザ光のうち他の少なくとも一部を前記第１走査範囲外の第２走査範囲で走査する
   請求項１又は２に記載のレーザレンジファインダ。
4. 単結晶シリコンの第１の面方位が表面に露出したシリコン基板を準備する工程と、
   前記第１の面方位と異なる前記単結晶シリコンの第２の面方位が露出するように、前記シリコン基板の一部に対して異方性エッチングを行う工程とを含み、
   前記第１の面方位の面は、所定方向から入射するレーザ光を第１方向に反射し、
   前記第２の面方位の面は、前記レーザ光を前記第１方向と異なる第２方向に反射し、
   
   前記シリコン基板は、前記第１の面方位の面を表面とする略平板形状であり、
   前記異方性エッチングを行う工程において、前記第２の面方位の面は、前記シリコン基板の表面側に形成された凹部の壁面の少なくとも一部であり、且つ、前記第１の面方位の面に対して傾斜するように形成され、
   前記異方性エッチングを行う工程において、前記凹部は、当該凹部の開口端部において、開口の中央へ向かって突出する凸部を有するように形成される
   揺動ミラーの製造方法。
5. 前記揺動ミラーの製造方法は、さらに、前記シリコン基板の一部に対して等方性エッチングを行う工程を含み、
   前記異方性エッチングを行う工程では、当該一部に対して前記異方性エッチングを行う
   請求項４に記載の揺動ミラーの製造方法。

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