距離測定装置

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【発明の名称】	距離測定装置
【発明者】	【氏名】田中正一【氏名】福島行雄【氏名】赤須雅平
【要約】	【課題】レーザ光を走査する構造及びその制御方法を簡略化することにより、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、この永久磁石と対向配置されたコア７と、このコアに周設されたコイル８と、前記ミラーの揺動角を検出する揺動位置検出手段１０と、前記コイルの電流を制御するために、予め決められた所定の波形で形成された揺動波形と、ミラーの所定位置と検出位置との偏差から演算される制御量で形成された制御信号とから決定される揺動制御信号で構成された揺動制御手段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て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算出する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部は揺動ミラーと、このミラーと一体で揺動する永久磁石と、この永久磁石に対向配置された電磁コイルと、前記ミラーの揺動角を検出する揺動位置検出手段と、この検出された揺動位置が所定の位置になるように前記電磁コイルを制御する揺動制御手段とを備え、この揺動制御手段は、予め決められた所定の波形で形成された揺動信号と、前記ミラーの所定位置と検出位置との偏差から演算される制御量で形成された制御信号とから決定される揺動制御信号で、前記電磁コイルを制御するよう構成されることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】走査部近傍に付設され温度を検出する温度検出手段と、揺動制御手段に組み込まれ、この検出された温度に依存して制御量を補正する温度補正手段とを有することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】揺動制御手段における揺動信号は、少なくとも距離測定中は直線部を有する波形である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】揺動信号の形成された波形において、揺動方向を変更する付近は滑らかな曲線を有する波形であ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】揺動制御手段において、揺動制御開始する際電磁コイルを制御する揺動制御信号は、所定の揺動制御信号に徐々に接近させるように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】揺動制御手段において、揺動制御開始初期は揺動位置検出手段の検出位置に無関係に制御され、制御安定後揺動位置検出による所定の制御に戻すことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
【請求項７】揺動制御手段において、安定揺動制御中の制御量を記憶する制御量記憶手段を有し、改めて揺動開始する際、この記憶した制御量を初期値として制御を開始するように構成されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の距離測定装置。

【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させ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６にミラーの揺動機構の概念図を示す。図６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は導電性の渦巻きばねで、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。ここで矢印４５の方向に駆動回路４４から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。車速に応じてミラー４の揺動角を可変させるため、駆動回路４４は可動コイル４２に電流を流すようになっている。
【０００３】このミラーを揺動させる場合永久磁石を固定し、コイル部に通電してこのコイル部を回転させる方式を利用しているため、構造的に大きく、小型化が困難であるばかりでなく、その制御のオープン制御のため走査精度がよくないという問題点があった。
【０００４】さらに、従来装置として特開平６ー１３７８６７号公報に記載された装置があり、図７にその構成を示す。図７において１はレーザ光発光素子で、２はレーザ光を平行光にするコリメータレンズである。３はレーザ光を所定角反射させる固定ミラーである。１１は受光用レンズで、１２は受光素子である。４は走査用揺動ミラーでモータ４６で駆動される。４７～４９はこの揺動ミラー４の揺動角を検出するための手段であり、４７はレーザダイオード、４８は集光レンズである。レーザダイオード４７から発光されたレーザ光は、両面ミラー構造のミラー４の裏面に当たって反射する。４９は位置検出素子（以下ＰＳＤという）で、この反射されたレーザ光をアナログ信号に変換して位置を検出するものである。
【０００５】この従来装置では、レーザ発光素子１のレーザ光は固定ミラーで反射し、さらに揺動ミラー４で反射し外部に出射される。一方走査位置検出用レーザダイオード４７も同時に発光され、ミラー４で反射されＰＳＤに入射する。この位置情報を用いてモータ４６のフィードバック制御が行われるが、走査位置偏差のみならず走査速度偏差が零に近づくように制御する必要がある。そのため、位置検出用の発光素子、ＰＳＤ、レーザ光を絞るレンズ、それらの制御回路及び高度な分解能等が必要で、さらにこれら素子を用いるため揺動ミラー４と所定の空間も必要であり、高価かつ小型化が困難という問題点があった。さらにフィードバック制御量は走査位置及び走査速度の２つの偏差項を包含した制御が必要であり、制御方法が複雑であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来装置では、以上のように揺動機構及び揺動の制御性が複雑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、第１の目的は揺動機構部を簡単な機構で構成し、またミラー揺動の制御方法を簡略化し、制御性能を向上し小型化する装置を提供するものである。また第２の目的は温度変化の影響を受けない制御装置を提供するものである。また第３の目的は走査するための揺動動作を滑らかにして、ハンチングを発生させないような装置を提供するものである。さらにまた第４の目的は揺動動作を早期に安定させるものである。
【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て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算出する距離演算手段を有するものにおいて、前記走査部は揺動ミラーと、このミラーと一体で揺動する永久磁石と、この永久磁石に対向配置された電磁コイルと、前記ミラーの揺動角を検出する揺動位置検出手段と、この検出された揺動位置が所定の位置になるように前記電磁コイルを制御する揺動制御手段とを備え、この揺動制御手段は、予め決められた所定の波形で形成された揺動信号と、前記ミラーの所定位置と検出位置との偏差から演算される制御量で形成された制御信号とから決定される揺動制御信号で、前記電磁コイルを制御するよう構成され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、走査部近傍に付設され温度を検出する温度検出手段と、揺動制御手段に組み込まれ、この検出された温度に依存して制御量を補正する温度補正手段とを有す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、揺動制御手段における揺動信号は、少なくとも距離測定中は直線部を有する波形であ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、揺動信号の形成された波形において、揺動方向を変更する付近は滑らかな曲線を有する波形であ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、揺動制御手段において、揺動制御開始する際電磁コイルを制御する揺動制御信号は、所定の揺動制御信号に徐々に接近させ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、揺動制御手段において、揺動制御開始初期は揺動位置検出手段の検出位置に無関係に制御され、制御安定後揺動位置検出による所定の制御に戻す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、揺動制御手段において、安定揺動制御中の制御量を記憶する制御量記憶手段を有し、改めて揺動開始する際、この記憶した制御量を初期値として制御を開始するように構成されるものである。
【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するコリメータレンズである。３は第１のミラーで、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、厚み方向に着磁され配向して配設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が周設されている。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揺動制御手段１６は、基板９に配設されており図示していない。１０は第２のミラー４の揺動位置を検出する揺動位置検出手段である。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の位置に配置すると、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位置を算出する距離演算手段１７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１７からの指示で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を周設したコア７、揺動位置検出素子１０、及び揺動制御手段１６からなり、揺動位置検出素子１０により検出した第２のミラー位置は、距離演算手段１７にも伝達される。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１７に伝達される。
【００１７】距離演算手段１７は、発光時刻と受光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。またレーザ光は往復するため、対象物までの距離は１／２となる。次に揺動方法を説明する。コア７と永久磁石６とは一定の間隙を有しているため、コイルに流す電流に比例した磁力を生むことができる。例えばコイルの一方向に電流を流し、コアがＮ極に励磁したとすると永久磁石のＳ極とは吸引し、Ｎ極とは反発するため、永久磁石６は揺動軸５を中心に回転する力を受ける。この回転角はコイル電流に比例するため、揺動角はコイル電流の向きと大きさで制御できることになる。
【００１８】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である。この磁束密度を検出することにより、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の電流を算出することができる。磁気検出素子１０は例えばホール素子を利用している。コイル無通電時は所定の電圧を示し、永久磁石が接近するに従い電圧は増加し、逆に検出素子１０から離れるほど検出電圧は小さくなる。つまり検出電圧は揺動角と比例関係にある。揺動制御手段１６はこの検出電圧から揺動角を演算し、次に所望の揺動角を得るためのコイル電流を算出し、コイル８に供給する。また距離演算手段１７に揺動角を送信し、現在測定している方向を知らせることができる。
【００１９】この検出電圧の変化を図３に示す。図中横軸は時間で、縦軸は検出電圧であり、揺動角にも対応している。第２のミラー４が永久磁石６とコイル８の電流により、連続的に揺動している様子を示している。Ａ部は揺動角が直線状に変化しており、この間距離測定をしている。前記レーザ光発光素子１は定期的に発光を続け、受光素子１２で受光することにより対象物までの距離を演算する。この間検出電圧範囲又は揺動角範囲Ｐの一定幅を確保するように、揺動制御手段１６はコイル８の電流を制御している。なお図３では一方向のみ距離測定を行っているが、揺動の往復とも直線にし、距離測定することも可能である。
【００２０】さらに詳細に揺動制御方法について、図４を用いて説明する。揺動位置検出素子１０からの検出信号ｐと目標値Ｐｍとの差を下式にて制御信号を演算する。
ε＝Ｐｍ－ｐ（２）
制御量ＧＦはさらに下式にて演算する。
ＧＦ＝Ｋｐ＊ε＋Ｋｉ＊Σε （３）
ここでＫｐは比例項の定数で、Ｋｉは積分項の定数である。この制御量ＧＦはゲインを示しており、前記揺動信号波形２４とこの制御信号ＧＦによりコイル電流が決定される。ここで例えばＡは約１００ｍｓ、Ｐｍは約１００ｍｒａｄで距離測定を実施している。つまり波形と偏差から電磁コイルを制御する電流を決定しており、所望の揺動制御を行うために、所定の波形を確保できるように予め決められた揺動信号と、これに時々刻々変化する制御信号によるフィードバック偏差を付加するものである。従って、この偏差項を示す制御信号のみを演算することで揺動制御が行え、制御方法は単純化されたことになる。
【００２１】以上走査用ミラーを揺動させる制御は、揺動信号と制御信号とから構成され、しかも揺動信号は所定信号で任意の波形が形成可能であり、制御信号のみフィードバックすることで達成できるものである。またフィードバック制御するための信号として、ミラーの揺動角はホール素子により、安価で非接触で検出できる。これらにより制御方法が簡略になり、かつ制御精度・性能が向上できる。また図４では目標値を必要揺動角範囲Ｐｍとしたが、制御時間的に余裕がある場合、揺動位置検出手段１０の検出値から時々刻々目標値を変化させ、最終的にＰｍとなるよう制御してもよい。
【００２２】実施の形態２．図２を用いて実施の形態２について説明する。温度検出手段２１を走査部１９近傍に設置し、検出温度により前記制御量を補正する温度補正手段を揺動制御手段１６に組み込んだものである。温度が高くなるとコイル抵抗大→コイル電流小→揺動角小、磁石の着磁力減→揺動角小、位置検出電圧小→揺動角小のように変化する。そのため温度の影響は大きく、前記フィードバック制御においては実際より偏差εが大きくなるため、制御量が増加する傾向を示す。そこでこの温度補正手段は、温度上昇に従い制御量の増加を抑制する方向に補正するものである。具体的には、目標値Ｐｍ、制御量ＧＦの算出用定数Ｋｐ又はＫｉを変更することで対応できる。
【００２３】実施の形態３．次に実施の形態３について説明する。揺動制御手段１６に含まれる揺動信号２５は、図５に示すように一部は直線で、残り部分は滑らかな曲線で形成されている。ｔ１～ｔ２は直線で一定角速度でミラー４を揺動させる。この間は距離測定をするため、レーザ光を発光している。このリニアリティを利用すると、レーザ光の発光も所定周期で発光でき、対象物の方位も発光又は受光時刻から得られ、制御が簡単になる効果がある。ｔ３～ｔ４は例えば正弦波形であり、この間は移動したミラーを初期位置にすばやく戻しており、距離測定は行っていない。また正弦波は一定周波数で信号出力できる効果がある。ｔ２～ｔ３及びｔ４～ｔ５は直線部と正弦波部を滑らかに接続しており、例えば２次曲線である。この曲線付近はミラー４の走査方向の変更期間であり、曲線にすることによりミラー４のハンチングを抑制する効果がある。
【００２４】実施の形態４．次に実施の形態４について説明する。揺動制御開始する際、目標の揺動制御信号をコイル８にすぐに印加するのではなく、初期は揺動角を小さなものとするよう出力し、徐々に図３の波形に近づけてゆくように制御する。図４で言い換えると制御信号のＧＦを徐々に大きくすることである。これにより揺動の起動を容易にし、揺動が安定するまでの時間を短縮する効果がある。これにより距離測定開始を早くすることができる。
【００２５】実施の形態５．次に実施の形態５について説明する。揺動制御開始する際、図４で示したようなフィードバック制御は行わず、まず揺動位置に無関係にオープン制御を行い、制御が安定になってから図４のようなフィードバック制御を行うものである。オープン制御では例えば制御量ＧＦ一定で開始し、偏差εが小さくなるとつまり揺動が安定してくると、比例項のみの制御とし、さらに安定になった時点で積分項も加味したフィードバック制御とすることができる。これにより、揺動開始から安定したフィードバック制御状態になるまでの時間が短縮できる効果がある。
【００２６】実施の形態６．さらに、実施の形態６について説明する。揺動制御中前記フィードバック制御が安定している時点の制御量、図４の例ではＧＦ、ε又はΣεを記憶しておき、改めて揺動開始した際、この記憶した制御量を初期値として利用する。これにより、揺動開始から安定したフィードバック制御状態になるまでの時間が短縮できる。また、この記憶制御量は温度によって数種類記憶することも考えられる。
【００２７】
【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。
【００２８】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、揺動ミラーと、このミラーと一体で揺動する永久磁石と、この永久磁石に対向配置された電磁コイルと、前記ミラーの揺動角を検出する揺動位置検出手段と、この検出された揺動位置が所定の位置になるように前記電磁コイルを制御する揺動制御手段とを備え、この揺動制御手段は、予め決められた所定の波形で形成された揺動信号と、前記ミラーの所定位置と検出位置との偏差から演算される制御量で形成された制御信号とから決定される揺動制御信号で、前記電磁コイルを制御するよう構成されるので、制御対象が単純になり、揺動位置偏差項のみの簡単なフィードバック制御で制御性能が向上できる効果がある。
【００２９】また、この発明に係る距離測定装置によれば、走査部近傍に付設され温度を検出する温度検出手段と、揺動制御手段に組み込まれ、この検出された温度に依存して制御量を補正する温度補正手段とを有するようにしたので、温度の影響を受けずに安定した揺動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、揺動信号波形において少なくとも距離測定中は直線部を有するようにしたので、周期的な発光タイミングの設定ができ、発光手段が簡略化可能となり、対象物の方位の判断も容易にできる効果がある。
【００３１】また、この発明に係る距離測定装置によれば、揺動信号波形において揺動方向変更付近を滑らかな曲線にしたので、揺動ミラーのハンチングを抑制でき、高速揺動ができる効果がある。
【００３２】また、この発明に係る距離測定装置によれば、揺動制御開始する際所定の揺動制御信号に徐々に接近させるよう揺動制御手段を構成したので、揺動制御安定に要する時間を短縮できる効果がある。
【００３３】また、この発明に係る距離測定装置によれば、揺動制御開始する際揺動位置に無関係に制御し、制御が安定した時点で所定のフィードバック制御を行うようにしたので、揺動制御安定に要する時間を短縮できる効果がある。
【００３４】また、この発明に係る距離測定装置によれば、揺動制御安定中の制御量を記憶し、改めて揺動制御開始する際この制御量を初期値とするようにしたので、揺動制御安定に要する時間を短縮できる効果がある。

【出願人】	【識別番号】０００００６０１３【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【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）
【公開番号】	特開平１１－１６０４３４
【公開日】	平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】	特願平９－３２４５０１