JPH09318331A - 角度センサ、並びに、車載用レーザレーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 上下方向に多少の光軸ずれが生じても、一次
元ＰＳＤ４に入射できないことがあった。 【解決する手段】 反射板２２に投射する光を出射する
ためのＬＥＤ３０と、ＬＥＤ３０の前方に配置されたレ
ンズ４６と、レンズ４６からの出射光が前記反射板２２
で反射されて得られる反射光を受光するとともに、反射
光のふれ方向に沿って受光面を長手方向に配置した一次
元ＰＳＤ３２と、一次元ＰＳＤ３２から出力した受光位
置情報を用いて前記反射板２２の角度を算出して出力す
る処理部とを具備した角度センサにおいて、前記レンズ
４６はトーリックレンズであって、トーリックレンズ４
６から出光し、前記反射板２２で反射した板状の光束が
前記一次元ＰＳＤ３２の長手方向に直交して交線を結ぶ
光学配置とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばＰＳＤ
（一次元位置検出素子）やＣＣＤ等の一次元受光素子を
用いた角度センサ、並びに、この角度センサを備えた車
載用レーザレーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】車載用スキャニングレーザレーダは、車
体前部にレーザ投光器並びに受光器を備え、レーザ投光
器を左右に所定角度ずつ掃引しながら送信パルスを投光
して、前方障害物からの反射パルスを受光器に受光さ
せ、両パルスの時間差並びに角度センサで得られたスキ
ャン角度により、障害物に対する自車の距離、角度を演
算することによって、定車間制御などに供せられるもの
である。

【０００３】このレーザレーダに用いられる角度センサ
は、図７に断面で示すように、前記レーザ投光器の光路
上に配置され、かつモータにより回転駆動される反射板
１の裏面側に配置されたセンサケーシング２に設けられ
ている。

【０００４】センサケーシング２の一端側には、光源と
なるＬＥＤ３が取付けられ、他端側には一次元ＰＳＤ４
が取付けられ、ＬＥＤ３から投光した光を反射板１に照
射し、その反射光を一次元ＰＳＤ４で受光し、一次元Ｐ
ＳＤ４上の受光位置によって反射板１のふれ角度を検出
するような構成となっている。そのため、ＰＳＤ４は、
その受光面の長手方向が反射板１のふれ方向に一致する
ような向きで配置されている。

【０００５】また、ケーシング２の一端側には、所定の
内径に設定された鏡胴部５が一体化されており、その後
端基部には前記ＬＥＤ３が、その前部出口端側にはレン
ズ６がそれぞれ配置されている。ＬＥＤ３から発せられ
た光は、鏡胴部５の筒状の中空光路を通ってレンズ６に
達し、これを通過することでビーム状の光束に整形され
る。このビーム状の光束は、次いで反射板１の裏面で反
射された後、一次元ＰＳＤ４の受光面上にピンスポット
状に照射される。その状態にて、ＰＳＤ４の出力信号を
適宜に演算処理することによりスポット照射された位置
が求められ、その検出位置と反射板１の回転角度との相
関を用いて、最終的に反射板１の回転角度が求められ
る。このようにして検出された角度は、反射板１を掃引
操作するためのモータに与えられ、これにより反射板１
の回転角度は所望の値にサーボ制御される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の角度検出センサ
では、点対称な集光特性を有する一般的なレンズが用い
られており、光束は反射板１にピンスポット的に照射さ
れた後、反射して一次元ＰＳＤ４の受光面上にピンスポ
ット的に照射されるため、図８に矢印で示すように、上
下方向に僅かな光軸ずれが生じても、一次元ＰＳＤ４に
入射できないことがあり、その光軸合わせに精度を要求
される。しかも、高精度に組立てたとしても、特に車載
用に用いる場合には、振動などによって光軸ずれを生ず
る場合もあり、信頼性の低下要因となっていた。

【０００７】また、一次元ＰＳＤ４の受光面上で正しく
ピンスポット照射されるためには、光源から出た光を直
接レンズに入射させ、集光させた状態で反射板に当てる
ことが大切であるが、従来では図７の矢印で示すよう
に、ＬＥＤ３から出た光が直接レンズ６に入射する以外
に、鏡胴部５の筒状の内側面５ａからの反射光もレンズ
６に入射し、この散乱光によりピンスポット位置がぼや
け、精度低下要因となっていた。

【０００８】従って、この反射光をなくすため、従来で
は鏡胴部５の内側面５ａに艶消しの塗料を塗ったり、ね
じ山を付けたりしているが、艶消しの塗料を付けるだ
け、あるいはねじ山形成の一方だけでは、反射光を完全
になくすことは出来ず、ＰＳＤ面上でのピンスポットが
ぼやけてしまい、センサの精度が低下していた。

【０００９】なお、ねじ山を形成した上で艶消し塗料を
塗れば反射光をなくすことは出来るが、その分製作コス
トがアップするものとなる。

【００１０】この発明は以上の問題点に鑑みなされたも
のであって、その目的とするところは、この種の角度セ
ンサにおいて、格別のコストアップを来すことなく、そ
の精度並びに信頼性を向上させることにある。

【００１１】この発明の他の目的とするところは、この
ような角度センサを備えた車載用スキャニングレーザレ
ーダにおけるレーザビーム掃引精度を向上させ、これに
より障害物検出精度を向上させることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この出願の請求項１に記
載の発明は、反射板に投射する光を出射するための光源
と、前記光源の前方に配置されたレンズと、前記レンズ
からの出射光が前記反射板で反射されて得られる反射光
を受光するとともに、前記反射板の回転に伴なう反射光
のふれ方向に沿って受光面を長手方向に配置した一次元
受光素子と、前記一次元受光素子から出力した受光位置
情報を用いて前記反射板の角度を算出して出力する処理
部とを具備した角度センサにおいて、前記レンズは板状
の光束を出射する光学特性を有するものであって、該レ
ンズは、前記反射板で反射した板状の光束が前記一次元
受光素子の長手方向に直交して交線を結ぶように光学配
置されていることを特徴とする角度センサにある。

【００１３】ここで、『板状の光束』とは、換言すれ
ば、その断面が所定長さの線状をなす光束のことであ
り、またその線幅は受光素子の分解能に整合すべく十分
に細幅であることを要する。そして、このような『板状
光束は』、光源からの光をトーリックレンズやシリンド
リカルレンズ等のような、非点対称な光学特性を有する
レンズに通過させることにより得ることができる。この
ようなレンズを通過した光は、板状の光束となって一次
元受光素子の受光面上に線状の光像結ぶ。

【００１４】そして、この請求項１に記載の発明によれ
ば、線状の光像が一次元受光素子の受光面に互いに直交
する関係となって照射されるため、多少光軸がずれたと
しても、確実に一次元受光素子の受光面上に光像を結ば
せることができる。

【００１５】この出願の請求項２に記載の発明は、反射
板に投射する光を出射するための光源と、前記光源の前
方に配置されたレンズと、前記レンズからの出射光が前
記反射板で反射されて得られる反射光を受光するととも
に、前記反射板の回転に伴なう反射光のふれ方向に沿っ
て受光面を長手方向に配置した一次元受光素子と、前記
一次元受光素子から出力した受光位置情報を用いて前記
反射板の角度を算出して出力する処理部とを具備した角
度センサにおいて、前記光源とレンズとは、鏡胴内に対
向配置されているとともに、前記光源とレンズとの間の
光路を結ぶ鏡胴の内径を、前記レンズの有効径よりも大
きくとったことを特徴とする角度センサにある。

【００１６】そして、この請求項２記載の発明によれ
ば、鏡胴内壁面からの反射光が、前記レンズの有効径内
に入射せず、前記光源からの直接光のみが前記レンズに
入射するので反射光による光像のぼやけがなく、高精度
の角度計測が可能となる。

【００１７】この出願の請求項３に記載の発明は、前記
レンズは板状の光束を出射する光学特性を有するもので
あって、該レンズは、前記反射板で反射した板状の光束
が前記一次元受光素子の長手方向に直交して交線を結ぶ
ように光学配置されていることを特徴とする請求項２記
載の角度センサにある。

【００１８】そして、請求項３に記載の発明によれば、
請求項２記載の発明の効果に加え、請求項１の効果を得
ることが出来る。

【００１９】この発明のうち請求項４記載の発明は、前
記レンズはトーリックレンズであることを特徴とする請
求項１若しくは請求項３に記載の角度センサにある。

【００２０】ここで、『トーリックレンズ』とは、当業
者にはよく知られているように、レンズの一面が円環面
で、他の面が球面または平面のレンズを言い、このレン
ズを通過した光は、板状の光束となって照射面に線状の
光像を結ぶ。特に、このトーリックレンズにより板状に
整形された光束は、その面方向については延伸されてい
ても、その板幅方向については効率よく収束されている
ため、一次元受光素子としてＰＳＤ等の静止型素子が採
用されて場合にも、線状の光像の輝度がピンスポットの
場合に比べてさほど低下しすることがなく、そのため十
分な出力レベルを得ることができる。

【００２１】この出願の請求項５に記載の発明は、前記
レンズはシリンドリカルレンズであることを特徴とする
請求項１若しくは請求項３に記載の角度センサにある。

【００２２】ここで、『シリンドリカルレンズ』とは、
当業者にはよく知られているように、一般には半割り円
筒形状のレンズであり、このレンズにも同様な板状光に
整形する能力がある。

【００２３】この出願の請求項６に記載の発明は、前記
一次元受光素子はＰＳＤ等の静止型素子であることを特
徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の角度セン
サにある。

【００２４】ここで、『ＰＳＤ』とは、当業者にはよく
知られているように、位置検出素子等と称されるもので
あり、一対の出力端子から得られる電流値を適宜演算す
ることにより、受光面上における輝点位置に対応した検
出出力を得るものであり、走査型素子に比べて検出応答
性が高い。

【００２５】そして、この請求項６に記載の発明によれ
ば、検出対象となる角度を高速に検出することができ、
特に、車載用スキャニングレーザレーダ等の用途に好適
なものとなる。

【００２６】この出願の請求項７に記載の発明は、前記
一次元受光素子はＣＣＤ等の走査出力型素子であること
を特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の角度
センサにある。

【００２７】一般に、この種の角度センサに用いられる
受光素子としては、前述したＰＳＤ等の静止型素子が通
例である。しかし、昨今高速なＣＣＤ等が出現している
ことを考慮すると、そのようなＣＣＤを用いても、角度
センサを実現できると考えられる。しかも、このような
走査型素子を用いれば、受光面上の輝点位置を走査情報
から直ちに得ることができるため、ＰＳＤのような演算
処理が不要となるであろう。

【００２８】この出願の請求項８に記載の発明は、前記
反射板が測距用のレーザ光を走査するための回転反射板
の裏面に装着されたものであることを特徴とする請求項
１〜請求項７のいずれかに記載の角度センサにある。

【００２９】この出願の請求項９に記載の発明は、前記
反射板の回転角度が微小な場合に、前記一次元ＰＳＤの
片方のチャネルの出力のみで角度を測定することを特徴
とする請求項６若しくは請求項８に記載の角度センサに
ある。

【００３０】この請求項９に記載の発明によれば、取扱
う信号が片方のチャンネルのみで良いため回路が簡素化
され、コストダウンが可能となる。

【００３１】この出願の請求項１０に記載の発明は、前
記請求項１〜請求項９のいずれかに記載の角度センサを
有することを特徴とする車載用レーザレーダにある。

【００３２】そして、この請求項１０に記載の発明によ
れば、障害物に対する距離分布を高精度に検出でき、こ
の検出結果に基づきさらに正確な走行制御等を行うこと
が出来る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は
この発明が適用される車載用スキャニングレーザレーダ
の基本原理を示すものである。

【００３４】図において、車体前部に配置されたレーザ
投光手段１０は、制御回路１２からの発光信号及び角度
信号に基づき、所定角度ずつ掃引しながら外部に送信パ
ルスを投光する。スキャン範囲内において前方に障害物
があると、送信パルスはこれに反射し、レーザ受光手段
１４に入光する。これら送信パルス及び受信パルスは、
信号処理手段１６に入力され、その時間差をとられる。

【００３５】信号処理手段１６からの出力信号は距離算
出手段１８により、前方障害物に対する距離に換算さ
れ、さらにこの距離信号は定車間制御手段２０に入力さ
れ、定車間制御手段２０はこの距離信号に基づき、走行
中に車間を一定距離に保つための速度制御などを行う。

【００３６】送信パルス光の掃引処理は、図２に示す制
御駆動系により行われる。図において掃引処理は、レー
ザ投光手段１０を構成するＬＤ（レーザダイオード）１
０ａの光路上におかれた反射板２２の角度制御によって
なされ、反射板２２を送信パルスと同期して所定角度ず
つ振るための制御系が採用されており、反射板２２の裏
面に配置されたこの発明にかかる角度センサ２４の検出
値と目標角度との差によりドライバを駆動して反射板回
転用のモータ２６を目標角度に一致すべくサーボ制御す
る。

【００３７】角度センサ２４は、反射板２２の裏面側に
これとほぼ平行に配置された潜望鏡形のセンサケーシン
グ２８に設けられており、センサケーシング２８の一端
側には、光源となるＬＥＤ３０が取付けられ、他端側に
は一次元ＰＳＤ３２が取付けられ、ＬＥＤ３０から投光
した光を反射板２２に当て、その反射光を一次元ＰＳＤ
３２で受光し、一次元ＰＳＤ３２上の受光位置によって
反射板２２のふれ角度を検出する。

【００３８】この検出値をＩ／Ｖ変換回路３４に入力し
て電流／電圧変換し、角度位置データに基づきモータ制
御部３６、モータ駆動部３８を介してモータ２６を駆動
し、また検出出力に基づき光量制御部４０、ＬＥＤ駆動
部４２を介してＬＥＤ３０の輝度調整を行うほか、前述
の制御回路１２に角度位置データを送出する。

【００３９】センサケーシング２８の一端側には、図
３、４に示すように、所定の内径に設定された鏡胴部４
４が一体化され、その後端基部側に前記ＬＥＤ３０を取
付け、鏡胴部４４の前部出口端側にＬＥＤ３０の光路に
一致するレンズ４６を配置している。

【００４０】このレンズ４６は、トーリックレンズであ
って、前述したように、レンズの一面が円環面で、他の
面が球面または平面のレンズを言い、このレンズを通過
した光は、図５に縦のハッチングで囲って示すように、
ある程度の幅の板状の光束となって反射板２２の照射面
に縦の線状の光像を結ぶ。

【００４１】そして、線状の反射光像が一次元ＰＳＤ３
２の長手方向と直交する交線となる光学配置となってい
るため、多少光軸が上下にぶれても、確実に一次元ＰＳ
Ｄの受光面の特定位置に線状に照射され、反射板２２の
角度位置に対応するＰＳＤ３１の位置全体が線状に検出
されることになり、精度の高い検出を行うことが出来
る。

【００４２】また、前記鏡胴部４４の内壁は、特に図４
に示すように、前記ＬＥＤ３２の投光位置及びレンズ４
６の受光位置で小径部４４ａに形成され、両小径部４４
ａの間の大部分を、前記トーリックレンズ４６の有効径
より大径な大径部４４ｂに形成されており、従って、Ｌ
ＥＤ３０から出光した前記レンズ４６に直接入射する光
以外であって大径部４４ｂの内壁で反射する光は、レン
ズ４６に入射することがなく、この散乱による光像のぼ
けや、これに伴う検出精度の低下も未然に防止できる。
すなわち、図４に示されるように、鏡胴内の空間を、Ｌ
ＥＤ３０の出口直後の小径部４４ａと、トーリックレン
ズ４６の入口直前の小径部４４ａと、それらの間に位置
する長大な大径部４４ｂとに段状に分割し、ＬＥＤ３０
から発せられてトーリックレンズ４６へ直接に到達する
光以外の、大径部４４ｂの内周で反射する光は、トーリ
ックレンズ４６の有効径内には到達しないように、大径
部４４ｂと小径部４４ａとの径差が設定されているので
ある。

【００４３】なお、以上の小径部と大径部とを設けて散
乱光による影響を回避する鏡胴部の構造は、前記トーリ
ックレンズ４６の場合のみでなく、シリンドリカルレン
ズ等の他の板状光整形レンズ、更には、ピンスポット状
の光像を結ぶ、従来のレンズの場合にも適用できること
は勿論である。

【００４４】次に、以上の角度センサ２４の検出原理
を、図６を参照しつつ説明する。一般に反射板の回転角
度が大きい場合には、一次元ＰＳＤの両極から出力され
る電流値の差分の演算によって検出角度を求めている
が、微小角度ずつ反射板を回動変位させる場合には、片
チャンネルの出力のみによって求めることができる。こ
れは、次のように説明される。

【００４５】図において、基準位置（４５°）に反射体
が存在するときの入射ビームによるＰＳＤの両極の電流
値をＩ1r，Ｉ2rとし、反射体が角度θ回転したときのＰ
ＳＤの両極の電流値をＩ1θ，Ｉ2θとすると、 Ｌｒ＝Ｉ2r／（Ｉ1r＋Ｉ2r）・・・・（１） Ｌθ＝Ｉ2θ／（Ｉ1θ＋Ｉ2θ）・・・・（２） 光量制御を行うようにすれば、Ｉ1r＋Ｉ2r=Ｉ1θ＋Ｉ2
θ=Ｉ0となり、 Ｋtan２θ＝Ｌθ−Ｌｒ ・・・・（３） 但し：Ｋは反射体と一次元ＰＳＤとの距離 θが微小角度ならば ｋ・２θ＝Ｌθ−Ｌｒ ・・・・（４） θ＝Ｌ／２ｋＩ０＊（Ｉ2θ −Ｉ2r)・・（５） 以上により、反射体の角度θを一次元ＰＳＤの片側チャ
ンネルの電流値により求めることができ、その分だけ回
路構成を簡素化することにより、コストダウンが可能と
なる。

【００４６】尚、以上の実施の形態においては、一次元
受光素子として、静止型素子である一次元ＰＳＤを用い
たが、これに代えて走査型素子であるＣＣＤを用いるこ
ともできると考えられる。しかも、ＣＣＤの場合には、
受光面上の輝度はＰＳＤの場合ほどには問題とされない
ことに加え、受光位置をそのアドレスから直読できるた
め、複雑な演算処理が不要になる。

【００４７】すなわち、車間距離センサにＣＣＤを用い
る場合における要求される応答速度について検討する
と、ＣＣＤセンサ出力を角度情報としてフイードバック
制御に用いる場合、レーザビームのスキャン周期（方掃
引）を１００ｍｓ、スキャン分解能を８０分解とする
と、１．２５ｍｓ毎にデータが必要になる。ここで、フ
ィードバック制御に用いる場合、最小分解能（１．２５
ｍｓ）の１／５程度（０．２５ｍｓ）毎に、データがあ
れば制御を実現できると考えられる。このことからする
と、現在角度のデータが０．２５ｍｓ後に出力されるに
は、ＣＣＤセンサの出力は１走査前のデータが出力され
るので、０．１２５ｍｓ毎にデータが必要になることが
わかる。ところで、現在、市場に存在するＣＣＤセンサ
の中には、５０００ビットの分解能で、２４ＭＨｚのデ
ータレートを持つものがある。従って、このようなＣＣ
Ｄリニアセンサを用いてデータレートを２０ＭＨｚとす
れば、０．１２５ｍｓの間に２５００のパルスを入力す
ることができ、このことから現行の製品においても、Ｐ
ＳＤの代わりに、ＣＣＤを用いることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上の実施の形態からも明らかなよう
に、この発明によれば、この種の角度センサにおいて、
格別のコストアップを来すことなく、その精度並びに信
頼性を向上させることができると言う効果がある。

【００４９】さらに、この発明によれば、このような角
度センサを備えた車載用スキャニングレーザレーダにお
けるレーザビーム走査精度を向上させ、これにより障害
物検出能力を向上させることができると言う効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明が適用される車載用スキャニングレー
ザレーダの基本原理を示すブロック図である。

【図２】同スキャニングレーザレーダにおけるスキャン
制御駆動系を示すブロック図である。

【図３】この発明にかかる角度センサのケーシング構造
を示す斜視図である。

【図４】同断面説明図である。

【図５】同角度センサの光の経路を示す説明図である。

【図６】同角度センサの幾何学的説明図である。

【図７】従来の角度センサの実装構造を示す断面説明図
である。

【図８】従来の角度センサの不具合を示す説明図であ
る。

【符号の説明】 １０ レーザ投光手段 １４ レーザ受光手段 ２２ 反射板 ２４ 角度センサ ２６ ケーシング ３０ ＬＥＤ（光源） ３２ 一次元ＰＳＤ ４４ 鏡胴 ４４ａ 小径部 ４４ｂ 大径部 ４６ トーリックレンズ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射板に投射する光を出射するための光
   源と、前記光源の前方に配置されたレンズと、前記レン
   ズからの出射光が前記反射板で反射されて得られる反射
   光を受光するとともに、前記反射板の回転に伴なう反射
   光のふれ方向に沿って受光面を長手方向に配置した一次
   元受光素子と、前記一次元受光素子から出力した受光位
   置情報を用いて前記反射板の角度を算出して出力する処
   理部とを具備した角度センサにおいて、 前記レンズは板状の光束を出射する光学特性を有するも
   のであって、該レンズは、前記反射板で反射した板状の
   光束が前記一次元受光素子の長手方向に直交して交線を
   結ぶように光学配置されていることを特徴とする角度セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 反射板に投射する光を出射するための光
   源と、前記光源の前方に配置されたレンズと、前記レン
   ズからの出射光が前記反射板で反射されて得られる反射
   光を受光するとともに、前記反射板の回転に伴なう反射
   光のふれ方向に沿って受光面を長手方向に配置した一次
   元受光素子と、前記一次元受光素子から出力した受光位
   置情報を用いて前記反射板の角度を算出して出力する処
   理部とを具備した角度センサにおいて、 前記光源とレンズとは、鏡胴内に対向配置されていると
   ともに、前記光源とレンズとの間の光路を結ぶ鏡胴の内
   径を、前記レンズの有効径よりも大きく設定したことを
   特徴とする角度センサ。
3. 【請求項３】 前記レンズは板状の光束を出射する光学
   特性を有するものであって、該レンズは、前記反射板で
   反射した板状の光束が前記一次元受光素子の長手方向に
   直交して交線を結ぶように光学配置されていることを特
   徴とする請求項２に記載の角度センサ。
4. 【請求項４】 前記レンズはトーリックレンズであるこ
   とを特徴とする請求項１若しくは請求項３に記載の角度
   センサ。
5. 【請求項５】 前記レンズはシリンドリカルレンズであ
   ることを特徴とする請求項１若しくは請求項３に記載の
   角度センサ。
6. 【請求項６】 前記一次元受光素子はＰＳＤ等の静止型
   素子であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れ
   かに記載の角度センサ。
7. 【請求項７】 前記一次元受光素子はＣＣＤ等の走査型
   素子であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れ
   かに記載の角度センサ。
8. 【請求項８】 前記反射板が測距用のレーザ光を掃引す
   るための回転反射板の裏面に装着されたものであること
   を特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の角
   度センサ。
9. 【請求項９】 前記反射板の回転角度が微小な場合に、
   前記一次元ＰＳＤの片方のチャネルの出力のみで角度を
   測定することを特徴とする請求項６若しくは請求項８に
   記載の角度センサ。
10. 【請求項１０】前記請求項１〜請求項９のいずれかに記
    載の角度センサを有することを特徴とする車載用レーザ
    レーダ。