(57)【要約】【課題】小型化、低コスト化を実現できるとともに、受光感度がよくて距離測定精度の高いレーザレーダ装置を提供する。【解決手段】レーザレーダ装置１０は、装置本体を構成するベースフレーム１２と、ベースフレーム１２の所定位置に固定され、レーザ光を出射する光源１４と、光源１４からの出射光を図示しない対象物に向けて走査する光走査装置１６とを有している。光走査装置１６はリコン基板から半導体微細加工法により可動板（反射ミラー）やトーションバー等が一体に形成されており、可動板の中央部にはフォトダイオードが一体に形成されている。対象物からの反射光２２は、光学部品を介することなく直接フォトダイオードにより受光される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板に揺動可能に支持され、光源からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材と、該可動部材を揺動させる駆動源とを有する光走査装置において、
前記可動部材が、前記反射面の面積よりも小さい開口部を備えた受光手段を一体に有していることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記可動部材がシリコン基板で形成され、前記受光手段は前記シリコン基板により前記可動部材内に直接形成されたフォトダイオードであることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光走査装置において、
前記シリコン基板はｎ型であることを特徴とする光走査装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光走査装置において、
前記フォトダイオードは、前記反射面の略中央部分に形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の光走査装置において、
前記反射面が矩形の形状を有し、前記フォトダイオードは、前記反射面の角部に形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光走査装置において、
前記フォトダイオードは、前記反射面の４つの角部にそれぞれ形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の光走査装置において、
前記受光手段の配線は、前記可動部材との間に電気的絶縁膜を介して形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光走査装置において、
前記受光手段の配線との間に電気的絶縁膜を介して、前記反射面の前記開口部を除く部分に反射膜が形成されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
パルス波または変調波からなる光を出射する光源と、前記光源からの出射光を、対象物に向けて走査する光走査装置と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、出射光と反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算器と、を有するレーザレーダ装置において、
前記光走査装置が、請求項１〜８のいずれか１つに記載の光走査装置であり、前記受光手段は前記光走査装置が一体に有する受光手段であることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザレーダ装置において、
前記光源は、前記可動部材の反射面に対して対象物と同一側に設置され、前記可動部材の非動作時において、入射光が前記可動部材の走査方向について前記反射面と略直角に入射する位置に前記光源が設置されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザレーダ装置において、
前記光源からの出射光が前記可動部材の反射面のほぼ全域で反射する位置に前記光源が設置されていることを特徴とするレーザレーダ装置。
【請求項１２】
光源からの出射光を、反射面を備えた揺動可能な可動部材を有する光走査装置により偏向走査し、対象物で反射した反射光を受光手段により検知して、対象物までの距離を測定する距離測定方法において、
前記受光手段を前記可動部材の反射面に一体に設け、対象物からの反射光を前記受光手段に直接入射させることを特徴とする距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置、該光走査装置を備えたレーザレーダ装置に関し、特に走査型のレーザレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザレーダ装置は、パルス波または変調波のレーザ光を対象物に向けて送信し、対象物で反射したレーザ光を受信し、パルス波の送信パルスと受信パルスの時間差、或いは変調波の送信波と受信波の位相差から、対象物までの距離値を算出する装置である。
特に走査型のレーザレーダは、送信するレーザ光を走査することにより広い範囲に存在する対象物の距離情報を算出することが可能になる。
従来における走査型のレーザレーダ装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
特許文献１に記載のレーザレーダ装置を図８に示す。
送信器１００は、パルス波または変調波からなる送信波１０１を対象物に向けて送信する。送信波１０１はパルスレーザ光であるのが好ましいが、変調された変調レーザ光であってもよい。送信器１００は、制御器１０２からの制御信号１０３により、パルス波の発振タイミングとパルス周期、又は変調波の変調周期と位相を自由に制御できるようになっている。
スキャナ装置１０４は、送信波１０１を対象物に向けて送信する。受信器１０５は、送信波１０１が対象物で反射した受信波１０６を受信する。受信波１０６のタイミング１０７は、距離値演算器１０８に通知される。距離値演算器１０８は、送信波１０１と受信波１０６の時間差または位相差から対象物までの距離値１０９を演算する。
【０００４】
この種の走査型レーザレーダのスキャナ装置としては、特許文献２に記載のものが知られており、その構成例を図９、図１０に示す。本例は、回転ミラーを使用して光軸を振るレーザレーダであり、いずれもミラーの光軸とミラーを回転させるモータの軸を一致させた構造である。
図９では、上下に共通の回転軸１１０ａ，１１０ｂを突出させた両軸のモータ１１１を使い、一方の軸１１０ａに投光ミラー１１２、他方の軸１１０ｂに受光ミラー１１３を互いに同位相で取付けた構造である。
この構造では、送信波（光）と受信波（光）双方に走査用のミラーを設けているため、装置が大きくなる。
図１０は、このミラーを減らす構成例を示している。
回転軸１１０ｃを上向きに突出させたモータ１１１を使い、この回転軸１１０ｃに投受光兼用ミラー１１５を取付けた構造である。投光器１１６から出た光はレンズ１１７を通りハーフミラー１１８で下方に反射され投受光兼用ミラー１１５に入る。反射光は投受光兼用ミラー１１５で上方に反射されハーフミラー１１８を透過しレンズ１１９を通り受光器１２０に入る。この構造は投光ミラーと受光ミラーを同軸にしているので投受光ミラーを1つにすることができ、小型化がはかれる。
【０００５】
特許文献３には、更に装置の小型化を図れる例が記載されている。その構成を図１１に示す。
本例では、走査用の反射ミラー部にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)による小型の走査ミラー１３０を用いている。
対象物からの反射光は光学フィルタ１３１、結像レンズ１３２を介して受光素子アレイ１３３に入る。
これにより、図９、図１０に示した例のようにミラーとモータとを組み合わせた走査系を用いないため小型化が図れる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３に記載の受光系は、固定された光学系で受光する構成をとっているため、送信系とは別個に大きな受光系を持たなければならず、装置の小型化を妨げるという問題がある。
また、レーザレーダは送信パルスと受信パルスの時間差、或いは変調波の送信波と受信波の位相差から対象物までの距離を算出するため、正確な距離を算出するためには、受信光の高精度の時間測定が必要になり、そのために、応答速度の速い受光器が必要となる。
一般に、受光器としてはフォトダイオードやフォトトランジスターが用いられるが、高速化のためセンサの電気容量を小さくする必要があり、センサを非常に小型化にする必要がある。一般的にセンサの受光部の開口窓は直径０．１から０．５ｍｍ程度である。
しかしながら、特許文献３に記載のような固定の光学系で受光する場合、入射光の入射角により入射光の結像位置が移動し、入射光量のばらつきが生じやすいという問題がある。
また、特許文献２に記載の例のようなハーフミラー等を備えた同軸の光学系を用いて組み合わせるという方法が考えられるが、その場合でもハーフミラー等の部品コストの上昇を来たすとともに装置の小型化阻害の原因となることを避けられない。
【０００７】
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、小型化、低コスト化を実現できるとともに、受光感度がよくて距離測定精度の高いレーザレーダ装置の提供を、その主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、該基板に揺動可能に支持され、光源からの出射光を偏向する反射面を備えた可動部材と、該可動部材を揺動させる駆動源とを有する光走査装置において、前記可動部材が、前記反射面の面積よりも小さい開口部を備えた受光手段を一体に有していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光走査装置において、前記可動部材がシリコン基板で形成され、前記受光手段は前記シリコン基板により前記可動部材内に直接形成されたフォトダイオードであることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光走査装置において、前記シリコン基板はｎ型であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の光走査装置において、前記フォトダイオードは、前記反射面の略中央部分に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項２または３に記載の光走査装置において、前記反射面が矩形の形状を有し、前記フォトダイオードは、前記反射面の角部に形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光走査装置において、前記フォトダイオードは、前記反射面の４つの角部にそれぞれ形成されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光走査装置において、前記受光手段の配線は、前記可動部材との間に電気的絶縁膜を介して形成されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光走査装置において、前記受光手段の配線との間に電気的絶縁膜を介して、前記反射面の前記開口部を除く部分に反射膜が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項９に記載の発明は、パルス波または変調波からなる光を出射する光源と、前記光源からの出射光を、対象物に向けて走査する光走査装置と、前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光手段と、出射光と反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する距離値演算器と、を有するレーザレーダ装置において、前記光走査装置が、請求項１〜８のいずれか１つに記載の光走査装置であり、前記受光手段は前記光走査装置が一体に有する受光手段であることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザレーダ装置において、前記光源は、前記可動部材の反射面に対して対象物と同一側に設置され、前記可動部材の非動作時において、入射光が前記可動部材の走査方向について前記反射面と略直角に入射する位置に前記光源が設置されていることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のレーザレーダ装置において、前記光源からの出射光が前記可動部材の反射面のほぼ全域で反射する位置に前記光源が設置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項１２に記載の発明は、光源からの出射光を、反射面を備えた揺動可能な可動部材を有する光走査装置により偏向走査し、対象物で反射した反射光を受光手段により検知して、対象物までの距離を測定する距離測定方法において、前記受光手段を前記可動部材の反射面に一体に設け、対象物からの反射光を前記受光手段に直接入射させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光源より対象物に向けて出射する出射光と受光手段で受光する反射光の光路を分離する光学系を用いず、直接素子容量が小さく応答速度の速い受光手段で反射光を受光できるため、光学部品の少ないレーザレーダの実現が可能であり、小型で安価なレーザレーダを提供することが可能になる。
また、反射光が光学部品を介さずに直接受光手段に入るため、受光感度（ひいては距離測定精度）を高めることができる。
光源が可動部材の反射面に対して対象物と同一側に設置され、且つ、可動部材の非動作時において、入射光が可動部材の走査方向について反射面と略直角に入射する位置にが設置されている構成では、光を走査する全領域において、受光手段で受光する反射光と受光部のなす角度を小さくでき、受光手段の受光感度を高くすることができ、レーザレーダ装置の受光感度を向上させ、性能を向上させることが可能となる。
出射光が可動板の反射面のほぼ全域で反射する位置に光源を設置する構成では、光走査装置の光の利用効率を向上させることができ、強い光を対象物に照射することが可能になり、それにより対象物からの反射光の強度を高くすることができ、レーザレーダ装置の受光感度を向上させ、性能を向上させることが可能となる。
また、本発明によれば、Ｂ拡散などの簡易な工程でフォトダイオードを可動板上に作製することが可能になり、レーザレーダ装置を安価にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザレーダ装置の概要斜視図である。
【図２】光走査装置の概要斜視図である。
【図３】光走査装置の断面図で、（ａ）は図２のＡラインでの断面図、（ｂ）は図２のＢラインでの断面図、（ｃ）は図２のＣラインでの断面図、（ｄ）は図２のＤラインでの断面図である。
【図４】光走査装置の製作工程を示す図である。
【図５】制御ブロック図である。
【図６】第２の実施形態に係る光走査装置の概要斜視図である。
【図７】第３の実施形態に係る光走査装置の概要斜視図である。
【図８】第１の従来例を示す制御ブロック図である。
【図９】第２の従来例を示す図である。
【図１０】第３の従来例を示す図である。
【図１１】第４の従来例を示す制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１乃至図５に基づいて第１の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るレーザレーダ装置の主要部を示す概要斜視図である。
レーザレーダ装置１０は、装置本体を構成するベースフレーム１２と、ベースフレーム１２の所定位置に固定され、レーザ光を出射する光源１４と、光源１４からの出射光を図示しない対象物に向けて走査する光走査装置１６とを有している。
光走査装置１６は、側面が台形状をなしベースフレーム１２に固定された支持ブロック１８の光源側前面に配置されている。図１において、符号２０は出射光を、２２は走査光及び反射光を示している。
【００１６】
光源１４は、後述する光走査装置１６の反射面に対して、対象物と同方向（同一側）に設置され、更に反射面を有する可動板（後述）の非動作時において、入射光（出射光）が可動板の走査方向について水平面内で可動板に対して直角に入射する位置に光源１４が設置されている。
光源１４にはレーザ発振器が用いられ、ビーム整形器とコリメートレンズにより、φ0.8mmのコリメート光が出射光として出るようになっている。
【００１７】
図２及び図３に基づいて光走査装置１６の構成を詳細に説明する。
光走査装置１６は、基板２４と、可動部材で且つ走査ミラーとしての矩形状の可動板２６と、可動板２６を基板２４に対し揺動可能に支持するトーションバー２８とを備え、可動板２６の一方の面には反射膜による反射面２９が形成され、可動板２６を図示しない駆動手段としての通電手段による静電力で駆動してトーションバー２８のねじり振動によって往復運動（揺動）させるようになっている。
可動板２６の両側部には櫛歯状の可動電極３０が設けられ、該可動電極３０に対向して基板２４には入れ子構造となる櫛歯状の固定電極３２が設けられている。
基板２４には可動板２６に対してその回転方向で対向する位置に固定電極３４が設けられている。各固定電極３２、３４は、走査ミラー駆動回路（図５参照）に接続されている。
【００１８】
可動板２６の中央部には、受光手段としてのフォトダイオード３６が一体に形成されている。
基板２４、可動板２６、トーションバー２８、櫛歯電極等は一体のシリコン基板から半導体微細加工法により形成している。フォトダイオード３６もシリコン基板によって形成され、かつその受光部の開口面積は反射面２９の面積より小さく設定されている。
基板２４の各トーションバー２８に対向する部位には、フォトダイオード３６を電気的に接続するための受光器用電極パッド３７が設けられている。
図３は、図２におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ位置での各断面の概要構成を示している。Ａラインでの断面は図３（ａ）に、Ｂラインでの断面は図３（ｂ）に、Ｃラインでの断面は図３（ｃ）に、Ｄラインでの断面は図３（ｄ）にそれぞれ対応している。
図３（ａ）に示すように、アルミニウムからなる受光器用電極パッド３７は、基板２４上に電気的絶縁膜としての絶縁膜３８を介して形成されている。
フォトダイオード３６の可動板２６における反射面領域の配線４０も、可動板２６と絶縁膜３８介して形成され、さらに図３（ｃ）に示すように、配線４０上と絶縁膜３８を介して、フォトダイオード３６の開口部以外の部分に金属の反射膜２９が形成されている。
図３（ｂ）に示すように、トーションバー２８上の配線４０は可動板２６の反射面と同一方向の面上に絶縁膜３８を介して形成されている。
【００１９】
上記のように、可動板２６上に絶縁膜３８を介して配線を設けているので、可動板が導電性であり、可動板が光走査装置の電気的な機能の一部を担っている場合でも、可動板内に置かれた受光手段の配線を可動板上に配置することができ、更に配線が配置された部分も、光反射機能を十分に持たせることができ、レーザレーダ装置の性能を向上させることが可能となる。勿論、可動板が導電性でない場合には、可動板と配線間の絶縁膜は不要である。
また、フォトダイオード３６を、反射面の概略中央部分に形成しているので、対象物で反射した反射光を効率よくフォトダイオード３６に導くことができ、光学部品の数を減らしても、レーザレーダ装置の受光感度を向上させ、性能を向上させることが可能となる。
すなわち、従来においては受光手段が固定配置されているため、反射光の角度によっては受光光量が不均一となるが、本発明ではフォトダイオード３６は可動板２６に一体に形成されているため、反射光の角度にかかわらず略均一な受光光量を得ることができる。
また、従来においては反射光が受光センサに到達するまでに結像レンズ等の光学部品を経由するが、本発明ではダイレクト受光となる。
【００２０】
図４に本実施形態に係る光走査装置１６の作製手順の概略を示す。
基板としては、SOI基板（ｎ型シリコン基板）を用いた。SOI基板の構成はｎ＋（100μm）/SiO2（1μm）/ｎ＋（300μm）とし、可動板はｎ＋（100μm）側に作製する。
（ａ）：SOI基板のｎ＋（100μm）側の所定の位置に、通常の半導体写真工程、マスクエッチング工程、不純物拡散工程を用いてフォトダイオードを形成する。不純物としてはB（硼素）を用いた。
（ｂ）：所定の位置に半導体加工工程を用いて、ｎ＋（100μm）およびｎ＋（300μm）側を加工し、可動板、トーションバー、櫛歯を形成する。
半導体加工工程としては、ＩＣＰエッチングによるドライエッチングを用いた。
（ｃ）：櫛歯への電極印加のための電極パッド、フォトダイオードからの信号を取り出すための配線および電極パッドを形成する。
静電櫛歯はｎ＋のシリコン層バルクをそのまま使い、分離溝で空間的の電気的絶縁をとる構造としているので、櫛歯電極の電極パッドはｎ＋（100μm）層に直接形成している。
それに対して、フォトダイオードの配線は、ｎ＋（100μm）層上に電気的絶縁膜を形成し、その上に写真工程、エッチング工程でアルミ配線を形成している。
（ｄ）：更に可動板上のフォトダイオードの領域を除く部分に、絶縁膜を介して、光反射膜を形成している。光反射膜として金を用い、メタルマスクによる部分成膜で形成した。
【００２１】
反射面２９は、一辺が１ｍｍの正方形をしており、レーザ光がほぼ反射部全域で反射するように光源１４と光走査装置１６を設置している。
上記のように作成された光走査装置１６を有するレーザレーダ装置１０では、図５に示すように、光源１２から出射した出射光が光走査装置６１で走査される。
走査光が対象物で反射した反射光のうち、光走査装置１６に戻ってきた反射光は直接フォトダイオード３６で受光され、その信号は距離値演算器としての距離算出回路５０へ送られる。距離算出回路５０は、光源１２につながる駆動回路及び可動板２６上のフォトダイオード３６につながる受光回路とつながっており、出射光と反射光の時間差または位相差から対象物までの距離値を演算する。
これにより、反射光の受光光路における受光センサの上流側に位置する従来の光学部品（結像レンズ等）をほぼ全廃できる。
また、受光センサ（フォトダイオード３６）も光走査装置１６の基板をそのまま利用し、作製工程も簡易で、光走査装置１６の加工工程の一部に組み込めるので、作製費用も低く抑えられ、非常に安価なレーザレーダ装置を提供することが可能になる。
【００２２】
図６に第２の実施形態を示す。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態では、レーザレーダ装置を構成する光走査装置６１において、フォトダイオード３６を正方形の反射面２９の角部に設置したことを特徴としている。
レーザ光の断面は一般的に、円形または楕円形であるので、正方形、または長方形の反射板（反射面２９）の角部へ入射する光は少ない。そこで、走査光の反射への影響の少ない角部にフォトダイオード３６を設置することにより、光走査装置１６における光の利用効率を上げることができる。
【００２３】
図７に第３の実施形態を示す。
本実施形態では、レーザレーダ装置を構成する光走査装置６１において、フォトダイオード３６を正方形の反射面２９の角部４箇所に設置したことを特徴としている。
対象物からの反射光波、対象物の形状等で不規則な反射となるため、反射光の反射板上での分布も不均一になる可能性がある、そこで反射板の４箇所にフォトダイオード３６を配置することで、反射光の強度に不均一があっても反射光の分布の強い部分を受光することができるようになり、反射光の条件にかかわらず光走査装置１６における光の利用効率を上げることができる。
【００２４】
上記各実施形態では可動板２６を静電力で駆動する構成としたが、電磁力や圧電素子で駆動する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、画像形成装置への適用例を示したが、車載用のレーザレーダ装置や、二足歩行を含む移動型ロボットの対物検知装置等としても利用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１４  光源
１６  光走査装置
２０  出射光
２４  基板
２６  可動部材としての可動板
２９  反射面
３６  受光手段としてのフォトダイオード
３８  電気的絶縁膜
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００５−５５２２６号公報
【特許文献２】特許３９０８２２６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５７０４４号公報
【図１】
2011179969.tif 000003
【図２】
2011179969.tif 000004
【図３】
2011179969.tif 000005
【図４】
2011179969.tif 000006
【図５】
2011179969.tif 000007
【図６】
2011179969.tif 000008
【図７】
2011179969.tif 000009
【図８】
2011179969.tif 000010
【図９】
2011179969.tif 000011
【図１０】
2011179969.tif 000012
【図１１】
2011179969.tif 000013