| 【発明の名称】 |
距離測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】中川 哲哉
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| 【要約】 |
【課題】レーザ光を走査する構造及び制御方法を簡略化し、制御性能向上及び小型化を図る距離測定装置を得る。
【解決手段】発光されたレーザ光を走査するミラー４と、このミラーを揺動する中心となる揺動軸５と、この揺動軸の付近に付設され、ミラーと一体で揺動する永久磁石６と、この永久磁石と一定の間隙を有し配設されたコア７と、このコアに巻着されたコイル８と、このコイルに交番電流を流すアクチュエータ駆動手段１６とを備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 レーザ光を発光する発光部、所定の範囲ミラーを揺動させ前記レーザ光を走査する走査部、対象物からの反射光を受光する受光部、及び発光時刻と受光時刻との伝搬遅延時間に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部はレーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置された電磁コイル、及びこの電磁コイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】 レーザ光を発光する発光部、所定の範囲ミラーを揺動させ前記レーザ光を走査する走査部、対象物からの反射光を受光する受光部、及び発光時刻と受光時刻との伝搬遅延時間に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部はレーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置されたコア、このコアの外周に巻着させたコイル、このコイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段、前記ミラーの位置を検出する位置検出手段、及びこの検出位置から前記ミラーの揺動量を算出し、この揺動量が所望の揺動量になるようにコイル電流を算出するアクチュエータ制御手段を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】 コアにおいて、コイルに印加する電流に比例する揺動量を得るため、揺動する永久磁石と絶えず一定の間隙を保持し、永久磁石の初期位置に対向して溝を有するように形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の距離測定装置。
【請求項４】 ミラーの揺動可能範囲を規制するように形設部を揺動する部材の一部に付設、又は非揺動部の部材の一部に付設することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項５】 揺動軸を保持する軸受け部材において、ミラー揺動中発生する振動を減衰させるため、所定の粘度を有する潤滑剤を挿入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項６】 アクチュエータ駆動手段において、レーザ光を発光する以前に、軸受け部材内の潤滑剤を潤滑させるように、コイルに電流を流しミラーを揺動させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の距離測定装置。
【請求項７】 コアにコイルを巻着するためのボビンと、揺動軸用軸受け部材を保持する保持部とを一体成形品で構成することを特徴とする請求項５又は請求項６記載の距離測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光を発光及び走査し対象物による反射光を受光し、対象物までの距離を検出する距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりレーザ光を発光させ、所定角度走査し対象物までの距離を測定する装置は種々の提案がされている。例えば、従来装置として実開平３ー９５９７９号公報に記載された装置があり、図１０にミラーの揺動機構の概念図を示す。図１０において、４はレーザ光を反射するミラーで、回転軸５に付設されている。４０はＮ、Ｓ極を有する永久磁石で、コア４１に巻かれた可動コイル４２の周囲に配設されている。４３ａ，ｂは導電性渦巻きばねで、互いに反対方向の回転力を付勢し、一端はコア４１の両端付近にそれぞれ固着され、他端は駆動回路４４に接続されている。駆動回路４４により矢印４５の方向に電流を流すとミラー４が右方向に回転し、逆方向に電流を流すとミラーは左方向に回転する。このミラーの回転によりレーザ光を走査できる構造になっている。
【０００３】この従来装置ではミラーを揺動させる場合、永久磁石を固定しコイル部に通電し、コイル部を回転する方式となっている。そのため可動部が大きく、またコイル部に接続されているリード線が可動し、断線が発生する可能性があった。
【０００４】さらに特開平７ー９２２５６号公報記載の走査式レーダ装置が、本出願人から提示されている。これは送光及び受光方向をともに走査するものであり、図１１に受光部周辺の構成を示している。走査ミラー４で反射された反射光４６は、集光レンズ１１を通過し受光素子１２で受光する。ミラー４は回転軸５を中心に揺動する。走査機構としては、ミラー４の裏に設置された略半円筒形ロータ５１とこのロータ５１と一定の空隙を有して配設されたステータ５２からなっている。ロータ５１は上下の磁極板に挟まれた永久磁石の３層構造で、磁極板の先端には凹凸部５１ａが上下で半ピッチずらして形成されている。磁極板は永久磁石のため、一方がＮ極で他方はＳ極に着磁されている。ステータ５２はこの凹凸部５１ａに対向して凹凸部を有する電磁コイル５２ａ、５２ｂ、５２ｃが配設されている。
【０００５】次にミラー４の揺動手順を説明する。コイル部５２ａ〜５２ｃは無通電状態では初期位置にある。まずコイル５２ａに通電しＳ極に着磁すると、磁極板のＮ、Ｓ極が初期位置より移動し、磁極板凸部がＮ極、一方の凹部がＳ極でコイル５２ａの凸部Ｓ極と釣り合った位置となる。次にコイル５２ａ及び５２ｂに通電すると、磁極板凸部Ｎ極は引き合い、Ｓ極はコイルの凸部Ｓ極とは反発し、所定値θだけ移動した位置で釣り合う。次にコイル５２ａは無通電、５２ｂ、５２ｃを通電すると同様にさらにθ移動する。逆にコイルをＮ極に通電することにより、逆回転が可能となる。こうしてコイルに順に通電することにより、所定値θの回転ができるものである。この従来装置では所定値θ毎のミラー揺動しかできず、また電磁コイルも複数必要であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来装置では、ミラー及び揺動機構が複雑、部品点数が多い、揺動の制御方法が複雑、連続揺動ができないという問題点があった。この発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、ミラー及び揺動機構部を簡単な機構で構成し、部品点数削減、ミラー揺動の制御方法を簡略化、連続揺動制御可能とし、ひいては小型化する装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係る距離測定装置では、レーザ光を発光する発光部、所定の範囲ミラーを揺動させ前記レーザ光を走査する走査部、対象物からの反射光を受光する受光部、及び発光時刻と受光時刻との伝搬遅延時間に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部はレーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置された電磁コイル、及びこの電磁コイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段を備えるようにしたものである。
【０００８】また、この発明に係る距離測定装置では、レーザ光を発光する発光部、所定の範囲ミラーを揺動させ前記レーザ光を走査する走査部、対象物からの反射光を受光する受光部、及び発光時刻と受光時刻との伝搬遅延時間に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部はレーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置されたコア、このコアの外周に巻着させたコイル、このコイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段、前記ミラーの位置を検出する位置検出手段、及びこの検出位置から前記ミラーの揺動量を算出し、この揺動量が所望の揺動量になるように前記コイル電流を算出するアクチュエータ制御手段を備えるようにしたものである。
【０００９】また、この発明に係る距離測定装置では、コアにおいて、コイルに印加する電流に比例する揺動量を得るため、揺動する永久磁石と絶えず一定の間隙を保持し、永久磁石の初期位置に対向して溝を有するように形成するようにしたものである。
【００１０】また、この発明に係る距離測定装置では、ミラーの揺動可能範囲を規制するように形設部を揺動する部材の一部に付設、又は非揺動部の部材の一部に付設するようにしたものである。
【００１１】また、この発明に係る距離測定装置では、揺動軸を保持する軸受け部材において、ミラー揺動中発生する振動を減衰させるため、所定の粘度を有する潤滑剤を挿入するようにしたものである。
【００１２】また、この発明に係る距離測定装置では、アクチュエータ駆動手段において、レーザ光を発光する以前に、軸受け部材内の潤滑剤を潤滑させるように、コイルに電流を流しミラーを揺動させるようにしたものである。
【００１３】さらにまた、この発明に係る距離測定装置では、コアにコイルを巻着するためのボビンと、揺動軸用軸受け部材を保持する保持部とを一体成形品で構成するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による距離測定装置全体を示す構成図である。図１において、１はレーザ光を発光する発光素子で、２はこの発光されたレーザ光を平行光に変えるコリメータレンズである。３は第１の固定ミラーで、所定角度にレーザ光を反射する。４はこの反射されたレーザ光を外部に向かい照射させる第２のミラーで、矢印１５のようにレーザー光は照射される。前方の空間の対象物（図示せず）に反射したレーザ光は、受光レンズ１１を通過集光され、受光素子１２に入射される。発光時刻と受光時刻との伝搬遅延時間から対象物までの距離を演算する距離演算手段は、基板９に配設されており図１には示していない。５は揺動軸で、ここを中心に第２のミラー４は揺動することによりレーザ光を走査させる。６は揺動軸５の付近に配設され、揺動方向に着磁された永久磁石であり、これも揺動軸５を中心に揺動可能である。７は例えば鉄製のコアで、永久磁石６の揺動に対して一定の間隙を有して配設されている。このコア７の周囲にはコイル８が巻かれており、コア７とコイル８で電磁コイルを構成している。このコイル８に正逆両方向に電流を流すことができるアクチュエータ駆動手段１６は、基板９に配設されており図示していない。以上の部材・手段はフロントカバー１３とリアカバー１４からなるハウジングに収納されている。なお、発光素子１を第１のミラー３付近に配置すると、第１のミラー３は不要となる。
【００１５】次に図２を用いて、この発明の距離測定機能ブロックについて説明する。この実施の形態は、レーザ光を発光させる発光部１８と、第２のミラー４を揺動させる走査部１９と、対象物に反射したレーザ光を受光する受光部２０と、対象物までの距離及びその方向を算出する距離演算手段２１とから構成されている。
【００１６】発光部１８は発光素子１、この発光素子を駆動する発光手段２２、コリメータレンズ２、及び第１のミラー３からなり、発光手段２２は距離演算手段からの指示により発光させるようになっている。走査部１９は第２のミラー４、永久磁石６、コイル８を巻着したコア７、位置検出素子１０、アクチュエータ駆動手段１６、アクチュエータ制御手段１７、及び位置検出素子１０からなり、この位置検出素子１０により検出した第２のミラー位置は、距離演算手段２１にも伝達される。なお走査方法の詳細については後述する。受光部２０は受光レンズ１１、受光素子１２、及び受光した微小信号を増幅する増幅手段２３からなり、受光信号は距離演算手段２１に伝達される。
【００１７】距離演算手段２１は、発光時刻と対象物に反射し受光した時刻との遅延時間から下式にて、対象物までの距離を直接算出する方法がある。
Ｄ＝Ｃ＊（Ｔ２ーＴ１）／２ （１）
ここでＣは光速で３＊１０8ｍ／ｓ、Ｔ２は受光時刻、Ｔ１は発光時刻である。またレーザ光は送光し受光するため、対象物までの距離は１／２となる。また位置検出素子からのデータにより走査角度が判明し、対象物は前方のどの方向にいるか検知できる。さらにはこの方向データから対象物の概略の大きさも把握できる。
【００１８】次に第２のミラーの揺動方法について図３の拡大図を用いて説明する。図３（ａ）はコイル８に通電していない場合を示している。永久磁石６とコア７とは一定の間隙を有して配設されている。永久磁石６は揺動軸５を中心に半径Ｒ２の円弧上を移動し、コア７は揺動軸５から半径Ｒ１だけ離れている。そのためコアの一部は円弧状の形状をなしている。またコアの中央に凹部７ａを形成している。これは永久磁石の両極に対向させる目的と、コイル無通電時、永久磁石６の吸引力により平衡され、第２のミラー４のセンター位置保持を確実にするためである。またこのくぼみ幅を変えるとコイル電流と揺動角の比例関係を可変できる。永久磁石６の厚みに対し、くぼみ幅の大きい方が狭い又は同程度よりコイル電流効率が上がる。次にアクチュエータ駆動手段１６によりコイル８に電流を流し、図３（ｂ）のようにコアをＮ極に着磁した場合を考える。永久磁石６のＳ極とコアのＮ極の吸引、及び永久磁石のＮ極とコアのＮ極の反発により、揺動軸５を中心に永久磁石６が移動することになる。この移動は第２のミラー４がθ回転したことにほかならない。
【００１９】コイル８に流す電流Ｉの大きさによりコア７の着磁力は増加する。永久磁石６とコア７とが一定の間隙を有しているため、コイル電流Ｉと揺動角ｄｅｇは図４に示すように比例関係を示すことができる。無通電時θ＝０で第２のミラーはセンター位置にいる。コアにＮ極着磁する方向を＋とすると、電流を＋方向に増加させてゆくほど、揺動角は増加する。逆に電流をー方向に流すことにより、図３（ｃ）のように第２のミラーは逆方向に揺動する。つまり電流の向きと大きさを制御することにより、連続的にミラー４を揺動させることができる。また揺動部は揺動軸５、ミラー４、永久磁石６、及びそれらの保持部材で構成可能で、小型化が図れる。
【００２０】位置検出素子１０は、例えば永久磁石６の磁束密度を検出する磁気検出素子を利用している。アクチュエータ制御手段１７は、この検出された磁束密度から第２のミラー４の揺動角を算出し、次の所望の揺動角に第２のミラー４を回転させるためのコイル８の電流を算出する。位置検出素子１０は例えばホール素子を利用すると、図５に示すように検出磁気つまり電圧Ｖと揺動角ｄｅｇは比例関係となる。コイル無通電時は所定の電圧Ｖ１を示し、＋θに向かうに従い電圧Ｖは増加し、逆にーθに向かうほど検出素子１０から離れるため、検出電圧Ｖは小さくなる。この検出電圧Ｖからアクチュエータ制御手段１７では、次のコイル制御電流を算出し、アクチュエータ駆動手段１６に伝達する。また距離演算手段２１にこの電圧を送り、送現在測定している揺動角θを知ることができる。
【００２１】以上説明した実施の形態では、揺動すべきミラー及びその周辺の部材が簡単な構成で実現でき、揺動角はコイルに流す電流の向きと大きさで制御可能である。また、揺動角は磁気検出素子により非接触・小型かつ簡単に検出できる。なお、揺動角検出は１周期毎に複数回検出して、コイル電流をそのたびに制御してもよいが、所定角度揺動した時点で１回検出により、コイル電流を制御する方法でもよい。
【００２２】実施の形態２．次に実施の形態２について説明する。図３（ｃ）で永久磁石６の保持部材の一部の凸部２４ａ、ｂはストッパの役目をしている。コイル電流を異常に増加させたり、衝撃等により制御不能範囲に永久磁石が移動することを、このストッパ２４は機械的に規制している。図３では永久磁石の保持部材にストッパ用の突起を付加したが、非可動部材２８に付加しても同一の効果が発揮できる。
【００２３】実施の形態３．次に実施の形態３について説明する。図６はこの発明のミラーの揺動角とレーザ光発光つまり距離測定との関係を示すグラフである。第２のミラー４の揺動中連続でレーザ光を発光してもよいが、ミラー揺動の片道のみレーザ光を発光して、距離測定をする場合を示している。ーθから＋θに揺動する間のみレーザ光を発光し、距離を測定する。＋θからーθに戻る時間は発光させないため、すばやくミラーを戻すことが可能でリニアリティも不要である。
【００２４】図７は第２のミラー４の動きを示したグラフであり、揺動する場合理想的には直線的に揺動していくが、２５のように振動しながら揺動することがある。そのための予防方法について図８を用いて説明する。図８は図１の揺動軸５、コア７、コイル８等の周辺を揺動軸５の中心でカットした断面図である。揺動軸５は２６の軸受け部材例えばボールベアリングで支持されている。この実施例では２６ａ、ｂの２個の軸受けを利用した場合を示している。２６のボールベアリングには、２７の潤滑剤例えばシリコンオイルが挿入されている。このオイル粘度を選択し粘度がある程度高いものを利用することにより、揺動時の振動を減衰させることが可能となる。このように非常に簡単な方法で揺動振動を減衰させることが可能である。
【００２５】さらに、距離測定を開始する前にこの潤滑剤２７を潤滑させると、揺動振動を前もって抑制できる。そのためレーザ光を発光させる以前に、コイル８に電流を正逆に数回流すようにアクチュエータ駆動手段を作動させる。この際電流の精度・リニアリティは不要で、過電流であってもよい。またレーザ光は発光していないので、すばやく電流を正逆に切換ることも可能である。
【００２６】実施の形態４．次に実施の形態４について説明する。図８において、コア７にコイル８を巻くために２８ａのボビンを利用している。一方前記軸受け２６を保持している部材２８ｂは、コア７の中心に揺動軸５を配置することにより、ボビン２８ａと一体化することが可能ある。一体成型品にすることにより、装置の小型化が図れ、また寸法精度も向上する効果がある。
【００２７】次に図９を用いて第１のミラー３の微調整方法を説明する。図９は図８をＢ視したものである。第１のミラー３の役目はレーザ光の光軸の向きを決定するものである。各部品の寸法精度から、図１のようにレーザ光１５がフロントカバーから直角に照射されない場合、第１のミラー３を微調整する必要が生じる。第１のミラー３を固定する部材２９は、例えばねじ３０で固定されている。そのため、第１のミラー３はねじ３０を中心に回転できる。固定部材２９の一部にツールが挿入できるような切り欠き、又は穴３１を設けている。また一体化ボビン２８には逃がし穴３２があいている。第１のミラー３を微調整する手順は、まずねじ３０を緩め、ツール例えばプラスドライバーのような道具を切り欠き３１と逃がし穴３２に挿入し、ミラーを回転したい方向にツールを回転させることにより、固定部材２９をねじ３０を中心に回転させる。光軸が所望の方向になった時点で、ねじ３０を締める。この手順で光軸の微調整が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】この発明の距離測定装置は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００２９】この発明に係る距離測定装置によれば、レーザ光を走査する走査部は、レーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置された電磁コイル、及びこの電磁コイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段を備えるようにしたので、揺動機構を簡素化でき、装置の小型化を図ることができる効果がある。
【００３０】また、この発明に係る距離測定装置によれば、レーザ光を走査する走査部は、レーザ光を走査するミラー、このミラーを揺動する中心となる揺動軸、この揺動軸付近に付設されミラーと一体で揺動し、揺動方向に着磁された永久磁石、この永久磁石と所定位置に対向配置されたコア、このコアの外周に巻着させたコイル、このコイルに交番電流を流すことにより、前記ミラーを揺動させるアクチュエータ駆動手段、前記ミラーの位置を検出する位置検出手段、及びこの検出位置から前記ミラーの揺動量を算出し、この揺動量が所望の揺動量になるようにコイル電流を算出するアクチュエータ制御手段を備えることしたので、揺動機構を簡素化でき装置の小型化を図ることができる効果がある。
【００３１】また、この発明に係る距離測定装置によれば、コアにおいて、コイルに印加する電流に比例する揺動量を得るため、揺動する永久磁石と絶えず一定の間隙を保持し、永久磁石の初期位置に対向して溝を有するように形成したので、揺動制御の単純化、連続揺動制御ができ、制御性能を向上できる効果がある。
【００３２】また、この発明に係る距離測定装置によれば、ミラーの揺動可能範囲を規制するように形設部を揺動する部材の一部に付設、又は非揺動部の部材の一部に付設するようにしたので、揺動制御不能となるミラーの異常移動を排除できる効果がある。
【００３３】また、この発明に係る距離測定装置によれば、揺動ミラーの振動を減衰するように所定の粘度を有する潤滑剤を挿入した軸受けを備えたので、簡単な構成でミラーの振動を減衰でき、装置の小型化を図る効果がある。
【００３４】また、この発明に係る距離測定装置によれば、前もって走査ミラーを揺動させるようにしたので、軸受けの潤滑剤を潤滑させ、ミラー振動の減衰を早めることができる効果がある。
【００３５】また、この発明に係る距離測定装置によれば、ボビンと揺動軸用軸受けの保持部材を一体成形したので、装置の小型化及び寸法精度の向上できる効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１１月２６日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１６０４３３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）６月１８日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３２４５００ |
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