(57)【要約】【課題】ミラーを２軸駆動してレーザ光を走査させる場合に、ミラーの駆動制御を精度よく行うことができるビーム照射装置を提供する。【解決手段】レーザ光を水平方向斜めからミラー１１３に入射させた状態で、ミラー１１３を支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５の回りに回動させて、レーザ光を水平方向に走査させる。このとき、支軸１１１、１１２の回りの前記ミラー１１３の回動位置に応じて、支軸１２４、１２５の回りの前記ミラー１１３の制御量を変化させる。具体的には、支軸１２４、１２５の回りにおいて前記ミラー１１３を制御するためのＰＩＤ制御回路２８からの制御信号の大きさを、ゲイン調整回路２９におけるゲインを調整することで変化させる。【選択図】図９
2011095474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光を反射するミラーを水平方向に平行な第１の軸と鉛直方向に平行な第２の軸の回りに駆動するアクチュエータと、
前記ミラーの駆動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させるサーボ光学系と、
前記サーボ光を受光して受光位置に応じた検出信号を出力する光検出器と、
前記光検出器上における前記サーボ光の前記受光位置と理想の受光位置との差分に基づいて前記アクチュエータを制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて、前記第１の軸の回りの前記ミラーの前記差分に基づく制御量を変化させる、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項２】
請求項１に記載のビーム照射装置において、
前記制御回路は、前記第１の軸の回りに前記ミラーを回動させるための制御信号のゲインを、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて変化させることにより、前記第１の軸の回りの前記ミラーの前記差分に基づく制御量を変化させる、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項３】
請求項２に記載のビーム照射装置において、
前記制御回路は、前記第１の軸の回りに前記ミラーを回動させるための制御信号のゲインを、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて直線状に変化させる、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載のビーム照射装置において、
前記制御回路は、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置と前記制御量を規定するための値とを対応づけたテーブルを有し、前記テーブルに保持された値に基づいて、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて前記制御量を変化させる、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項５】
請求項４に記載のビーム照射装置において、
前記制御回路は、前記レーザ光の走査領域に応じて前記テーブルを生成し、生成した前記テーブルに基づいて、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて前記制御量を変化させる、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか一項に記載のビーム照射装置において、
前記制御回路は、前記レーザ光が水平に走査するよう前記アクチュエータを制御する、
ことを特徴とするビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標領域にレーザ光を照射するビーム照射装置に関し、特に、目標領域にレーザ光を照射したときの反射光をもとに、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出する、いわゆるレーザレーダに搭載されるビーム照射装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、走行時の安全性を高めるために、走行方向前方にレーザ光を照射し、その反射光の状態から、目標領域内における障害物の有無や障害物までの距離を検出するレーザレーダが、家庭用乗用車等に搭載されている。一般に、レーザレーダは、レーザ光を目標領域内でスキャンさせ、各スキャン位置における反射光の有無から、各スキャン位置における障害物の有無を検出する。さらに、各スキャン位置におけるレーザ光の照射タイミングから反射光の受光タイミングまでの所要時間をもとに、そのスキャン位置における障害物までの距離が検出される。
【０００３】
目標領域においてレーザ光をスキャンさせるための構成として、ミラーを２軸駆動する構成を用いることができる（特許文献１）。このスキャン機構では、レーザ光を水平方向斜めからミラーに入射させる。ミラーを水平方向と鉛直方向に２軸駆動することにより、レーザ光が目標領域を走査する。
【０００４】
ミラーの駆動制御は、たとえば、レーザ光の動きを反映したサーボ光を、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）等の光検出器で受光することによって行われる。この場合、予め設定された理想の受光位置とサーボ光の実際の受光位置とが比較され、両者の差分に応じて、ミラーが２軸駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記スキャン機構において、レーザ光が水平から一定の振り角をもったまま、レーザ光を目標領域内で水平方向にスキャンさせるには、ミラーを、水平方向のみならず鉛直方向にも駆動する必要がある。この場合、ミラーの鉛直方向の傾き角度は、ミラーの水平方向の回転に伴って２次関数状に変化する。このため、上記のように、サーボ光の理想の受光位置と実際の受光位置との差分からミラーを駆動制御する場合に、当該差分に応じて一様に鉛直方向におけるミラーの制御量を設定すると、ミラーを適正な角度に調整し難くなる。
【０００７】
本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、ミラーを２軸駆動してレーザ光を走査させる場合に、ミラーの駆動制御を精度よく行うことができるビーム照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るビーム照射装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光を反射するミラーを水平方向に平行な第１の軸と鉛直方向に平行な第２の軸の回りに駆動するアクチュエータと、前記ミラーの駆動に伴ってサーボ光の進行方向を変化させるサーボ光学系と、前記サーボ光を受光して受光位置に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記光検出器上における前記サーボ光の前記受光位置と理想の受光位置との差分に基づいて前記アクチュエータを制御する制御回路とを備える。ここで、前記制御回路は、前記第２の軸の回りの前記ミラーの回動位置に応じて、前記第１の軸の回りの前記ミラーの前記差分に基づく制御量を変化させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ミラーを２軸駆動してレーザ光を走査させる場合に、ミラーの駆動制御を精度よく行うことができるビーム照射装置を提供することができる。
【００１０】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係るミラーアクチュエータの構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図である。
【図３】実施の形態に係るビーム照射装置の光学系を示す図である。
【図４】実施の形態に係るＰＳＤの構成を示す図である。
【図５】実施の形態に係る位置検出信号の生成方法を説明する図である。
【図６】実施の形態に係るミラーの駆動状態と目標領域における走査用レーザ光の軌道およびＰＳＤ上におけるサーボ光の軌道との関係を示す図である。
【図７】実施の形態に係るビーム照射装置の回路構成を示す図である。
【図８】実施の形態に係るミラーアクチュエータの制御方法を説明する図である。
【図９】実施の形態に係るマイコンの要部構成を示す図である。
【図１０】実施の形態に係るゲインテーブルの生成方法を示す図である。
【図１１】実施の形態に係るミラーアクチュエータの制御に用いる目標軌道テーブルとゲインテーブルの構成を示す図である。
【図１２】変更例に係る目標軌道テーブルの生成方法を説明する図である。
【図１３】変更例に係るゲインテーブルの生成方法を説明する図である。
【図１４】変更例に係る光検出器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に、本実施の形態に係るミラーアクチュエータ１００の構成を示す。なお、同図（ａ）はミラーアクチュエータ１００の分解斜視図、同図（ｂ）はアセンブル状態にあるミラーアクチュエータ１００の斜視図である。
【００１３】
同図（ａ）において、１１０は、ミラーホルダである。ミラーホルダ１１０には、端部に抜け止めを有する支軸１１１と、端部に受け部１１２ａを有する支軸１１２が形成されている。受け部１１２ａには透明体２００の厚みと略同じ寸法の凹部が配され、この凹部に透明体２００の上部が装着される。さらに、ミラーホルダ１１０の前面には平板状のミラー１１３が装着されており、背面にはコイル１１４が装着されている。なお、コイル１１４は、方形状に巻回されている。
【００１４】
支軸１１２には、上記の如く、受け部１１２ａを介して平行平板状の透明体２００が装着される。ここで、透明体２００は、２つの平面がミラー１１３の鏡面に平行となるようにして支軸１１２に装着される。
【００１５】
１２０は、ミラーホルダ１１０を支軸１１１、１１２を軸として回動可能に支持する可動枠である。可動枠１２０には、ミラーホルダ１１０を収容するための開口１２１が形成されており、また、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２と係合する溝１２２、１２３が形成されている。さらに、可動枠１２０の側面には、端部に抜け止めを有する支軸１２４、１２５が形成され、背面には、コイル１２６が装着されている。コイル１２６は、方形状に巻回されている。
【００１６】
１３０は、支軸１２４、１２５を軸として可動枠１２０を回動可能に支持する固定枠である。固定枠１３０には、可動枠１２０を収容するための凹部１３１が形成され、また、可動枠１２０の支軸１２４、１２５と係合する溝１３２、１３３が形成されている。さらに、固定枠１３０の内面には、コイル１１４に磁界を印加するマグネット１３４と、コイル１２６に磁界を印加するマグネット１３５が装着されている。なお、溝１３２、１３３は、それぞれ固定枠１３０の前面から上下２つのマグネット１３５間の隙間内まで延びている。
【００１７】
１４０は、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２が可動枠１２０の溝１２２、１２３から脱落しないよう、支軸１１１、１１２を前方から押さえる押さえ板である。また、１４１は、可動枠１２０の支軸１２４、１２５が固定枠１３０の溝１３２、１３３から脱落しないよう、支軸１２４、１２５を前方から押さえる押さえ板である。
【００１８】
ミラーアクチュエータ１００をアセンブルする際には、ミラーホルダ１１０の支軸１１１、１１２を可動枠１２０の溝１２２、１２３に係合させ、さらに、支軸１１１、１１２の前面を押さえるようにして、押さえ板１４０を可動枠１２０の前面に装着する。これにより、ミラーホルダ１１０が、可動枠１２０によって、回動可能に支持される。
【００１９】
このようにしてミラーホルダ１１０を可動枠１２０に装着した後、可動枠１２０の支軸１２４、１２５を固定枠１３０の溝１３２、１３３に係合させ、さらに、支軸１３２、１３３の前面を押さえるようにして、押さえ板１４１を固定枠１３０の前面に装着する。これにより、可動枠１２０が、回動可能に固定枠１３０に装着され、ミラーアクチュエータ１００のアセンブルが完了する。
【００２０】
ミラーホルダ１１０が可動枠１２０に対し支軸１１１、１１２を軸として回動すると、これに伴ってミラー１１３が回動する。また、可動枠１２０が固定枠１３０に対し支軸１２４、１２５を軸として回動すると、これに伴ってミラーホルダ１１０が回動し、ミラーホルダ１１０と一体的にミラー１１３が回動する。このように、ミラーホルダ１１０は、互いに直交する支軸１１１、１１２と支軸１２４、１２５によって回動可能に支持され、ミラーホルダ１１０の回動に伴って、ミラー１１３が回動する。このとき、支軸１１２に装着された透明体２００も、ミラー１１３の回動に伴って回動する。
【００２１】
なお、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３４は、コイル１１４に電流を印加することにより、ミラーホルダ１１０に支軸１１１、１１２を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１１４に電流を印加すると、コイル１１４に生じる電磁駆動力によって、ミラーホルダ１１０が、支軸１１１、１１２を軸として回動する。
【００２２】
また、同図（ｂ）に示すアセンブル状態において、２つのマグネット１３５は、コイル１２６に電流を印加することにより、可動枠１２０に支軸１２４、１２５を軸とする回動力が生じるよう配置および極性が調整されている。したがって、コイル１２６に電流を印加すると、コイル１２６に生じる電磁駆動力によって、可動枠１２０が、支軸１２４、１２５を軸として回動し、これに伴って、透明体２００が回動する。
【００２３】
図２は、ミラーアクチュエータ１００が装着された状態の光学系の構成を示す図である。
【００２４】
図２において、５００は、光学系を支持するベースである。ベース５００には、ミラーアクチュエータ１００の設置位置に開口５１０ａが形成され、この開口に透明体２００が挿入されるようにして、ミラーアクチュエータ１００がベース５００上に装着されている。
【００２５】
ベース５００の上面には、ミラー１１３にレーザ光を導くための光学系４００が装着されている。この光学系４００は、レーザ光源４０１と、ビーム整形用のレンズ４０２、４０３からなっている。レーザ光源４０１は、ベース５００の上面に配されたレーザ光源用の基板４０１ａに装着されている。
【００２６】
レーザ光源４０１から出射されたレーザ光（以下、「走査用レーザ光」という）は、レンズ４０２、４０３によって、それぞれ、水平方向および鉛直方向の収束作用を受ける。レンズ４０２、４０３は、目標領域（たとえば、ビーム照射装置のビーム出射口から前方１００ｍ程度の位置に設定される）におけるビーム形状が、所定の大きさ（たとえば、縦２ｍ、横１ｍ程度の大きさ）になるよう設計されている。
【００２７】
レンズ４０２は、鉛直方向にレンズ効果があるシリンドリカルレンズであり、レンズ４０３は、走査用レーザ光を略平行光とするための非球面レンズである。レーザ光源から出射されたビームは、鉛直方向と水平方向で広がり角が異なる。１つ目のレンズ４０２は、鉛直方向と水平方向におけるレーザ光の広がり角の比率を変える。２つ目のレンズ４０３は、出射ビームの広がり角(鉛直方向と水平方向の両方）の倍率を変える。
【００２８】
レンズ４０２、４０３を透過した走査用レーザ光は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３に入射し、ミラー１１３によって目標領域に向かって反射される。ミラーアクチュエータ１００によってミラー１１３が２軸駆動されることにより、走査用レーザ光が目標領域内において二次元方向にスキャンされる。
【００２９】
ミラーアクチュエータ１００は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、レンズ４０３からの走査用レーザ光がミラー１１３のミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するよう配置されている。なお、「中立位置」とは、ミラー面が鉛直方向に対し平行で、且つ、走査用レーザ光がミラー面に対し水平方向において４５度の入射角で入射するときのミラー１１３の位置をいう。
【００３０】
ベース５００の下面には、回路基板３００が配されている。さらに、ベース５００の裏面と側面にも回路基板３０１、３０２が配されている。
【００３１】
図３（ａ）は、ベース５００を裏面側から見たときの一部平面図である。同図（ａ）には、ベース５００の裏側のうちミラーアクチュエータ１００が装着された位置の近傍が示されている。
【００３２】
図示の如く、ベース５００の裏側周縁には、壁５０１、５０２が形成されており、壁５０１、５０２よりも中央側は、壁５０１、５０２よりも一段低い平面５１０となっている。壁５０１には、半導体レーザ３１０を装着するための開口が形成されている。この開口に半導体レーザ３１０を挿入するようにして、半導体レーザ３１０が装着された回路基板３０１が壁５０１の外側面に装着されている。他方、壁５０２の近傍には、ＰＳＤ３１５が装着された回路基板３０２が装着されている。
【００３３】
ベース５００裏側の平面５１０には、取り付け具３１４によって集光レンズ３１１と、アパーチャ３１２と、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ３１３が装着されている。さらに、この平面５１０には開口５１０ａが形成されており、この開口５１０ａを介して、ミラーアクチュエータ１００に装着された透明体２００がベース５００の裏側に突出している。ここで、透明体２００は、ミラーアクチュエータ１００のミラー１１３が中立位置にあるときに、２つの平面が、鉛直方向に平行で、且つ、半導体レーザ３１０の出射光軸に対し４５度傾くように位置づけられる。
【００３４】
半導体レーザ３１０から出射されたレーザ光（以下、「サーボ光」という）は、集光レンズ３１１を透過した後、アパーチャ３１２によってビーム径が絞られ、さらにＮＤフィルタ３１３によって減光される。その後、サーボ光は、透明体２００に入射され、透明体２００によって屈折作用を受ける。しかる後、透明体２００を透過したサーボ光は、ＰＳＤ３１５によって受光され、ＰＳＤ３１５から、受光位置に応じた位置検出信号が出力される。
【００３５】
図３（ｂ）は、透明体２００の回動とサーボ光の進行状態との関係を模式的に示す図である。
【００３６】
サーボ光は、レーザ光軸に対し傾いて配置された透明体２００の屈折作用により、入射前と入射後とで、Ｘ−Ｙ平面内での出射位置が異なる。ここで、透明体２００が破線矢印のように回動すると、サーボ光の光路が図中の点線のように変化し、光検出器３１５上におけるサーボ光の受光位置が変化する。これにより、光検出器３１５にて検出されるサーボ光の受光位置によって、透明体２００の回動位置を検出することができる。
【００３７】
図４（ａ）は、ＰＳＤ３１５の構成を示す図（側断面図）、図４（ｂ）はＰＳＤ３１５の受光面を示す図である。
【００３８】
図４（ａ）を参照して、ＰＳＤ３１５は、Ｎ型高抵抗シリコン基板の表面に、受光面と抵抗層を兼ねたＰ型抵抗層を形成した構造となっている。抵抗層表面には、同図（ｂ）の横方向における光電流を出力するための電極Ｘ１、Ｘ２と、縦方向における光電流を出力するための電極Ｙ１、Ｙ２（同図（ａ）では図示省略）が形成されている。また、裏面側には共通電極が形成されている。
【００３９】
受光面にレーザ光が照射されると、照射位置に光量に比例した電荷が発生する。この電荷は光電流として抵抗層に到達し、各電極までの距離に逆比例して分割されて、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される。ここで、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流は、レーザ光の照射位置から各電極までの距離に逆比例して分割された大きさを有している。よって、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流値をもとに、受光面上における光の照射位置を検出することができる。
【００４０】
たとえば、図５の位置Ｐにサーボ光が照射されたとする。この場合、受光面のセンターを基準点とする位置Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流量をそれぞれＩｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２、Ｘ方向およびＹ方向における電極間の距離をＬｘ、Ｌｙとすると、たとえば、以下の式によって算出される。
【００４１】
【数１】
2011095474.tif 000003
【００４２】
図６は、ミラーの駆動状態と目標領域における走査用レーザ光の軌道およびＰＳＤ上におけるサーボ光の軌道との関係を模式的に示す図である。なお、本実施の形態では、走査用レーザ光の走査は、目標領域において水平方向に伸びた３つの走査軌道に沿って行われる。以下では、支軸１１１、１１２を軸とするミラーの１１３の回動方向をＰａｎ方向といい、支軸１２４、１２５を軸とするミラーの１１３の回動方向をＴｉｌｔ方向という。
【００４３】
各図の中段のラインは、ミラー１１３を、中立位置から水平方向にのみ回動させた場合を示している。また、図中の破線は、Ｐａｎ方向のミラーの回動位置が中立位置と同じ位置にある場合を示している。各図の中段のラインよりも上の領域では、ミラー１１３が水平方向よりも上を向いており、中段のラインよりも下の領域では、ミラー１１３が水平方向よりも下を向いている。
【００４４】
たとえば、同図（ｂ−１）のように、Ｔｉｌｔ方向の角度がＬｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３に固定された状態で、ミラー１１３をＰａｎ方向に回動させると、目標領域における走査用レーザ光の軌道（以下、「走査軌道」という）は、角度Ｌｂ１〜Ｌｂ３に対応して、同図（ａ−１）中のＬａ１〜Ｌａ３のようになる。また、このようにミラー１１３が駆動されると、ＰＳＤ３１５の受光面上におけるサーボ光の軌道（以下、「照射軌道」という）は、角度Ｌｂ１〜Ｌｂ３に対応して、同図（ｃ−１）中のＬｃ１〜Ｌｃ３のようになる。
【００４５】
同図（ａ−１）のように走査軌道Ｌａ１、Ｌａ３が曲線状になると、目標領域内における障害物の検出精度が低下する惧れがある。目標領域における走査軌道Ｌａ１〜Ｌａ３は、同図（ａ−２）に示すように、それぞれ、水平方向に直線状になるのが望ましい。
【００４６】
このように走査軌道Ｌａ１〜Ｌａ３を水平方向に直線状とするには、ミラー１１３を、同図（ｂ−２）に示すように駆動する必要がある。すなわち、Ｐａｎ方向の回動に伴い、ミラー１１３を、Ｔｉｌｔ方向にも駆動する必要がある。この場合、ＰＳＤ３１５上における照射軌道Ｌｃ１〜Ｌｃ３は、同図（ｃ−２）のようになる。
【００４７】
換言すれば、ＰＳＤ３１５上におけるサーボ光の照射位置が、同図（ｃ−２）に示す照射軌道Ｌｃ１〜Ｌｃ３を追従するように、ミラーアクチュエータ１００を制御することで、目標領域における走査軌道Ｌａ１〜Ｌａ３は、同図（ａ−２）に示す如く水平方向に直線状となる。
【００４８】
本実施の形態では、ＰＳＤ３１５上におけるサーボ光の照射位置が、同図（ｃ−２）に示す照射軌道Ｌｃ１〜Ｌｃ３を追従するように、ミラーアクチュエータ１００が制御される。この制御によって、ミラー１１３は、同図（ｂ−２）のように、Ｐａｎ方向とＴｉｌｔ方向に駆動される。
【００４９】
図７は、本実施の形態に係るビーム照射装置の回路構成を示す図である。なお、同図には、便宜上、図３（ａ）に示すサーボ光学系１の主要な構成が示されている。
【００５０】
図示の如く、ビーム照射装置は、Ｉ／Ｖ変換回路２〜５と、位置信号生成回路６と、マイコン７と、アクチュエータ駆動回路８と、サーボレーザ駆動回路９と、走査レーザ駆動回路１０とを備えている。
【００５１】
サーボ光学系１において、半導体レーザ３１０から出射されたサーボ光は、上記の如く、透明体２００によって屈折された後、ＰＳＤ３１５の受光面に入射される。これにより、サーボ光の照射位置に応じた電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２（図５中の電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号）がＰＳＤ３１５から出力され、それぞれ、Ｉ／Ｖ変換回路２〜５に入力される。
【００５２】
Ｉ／Ｖ変換回路２〜５は、電極Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２から出力される電流信号Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１、Ｉｙ２を電圧信号に変換し、位置信号生成回路６に出力する。位置信号生成回路６は、Ｉ／Ｖ変換回路２〜５から出力される電圧信号をデジタル信号に変換し、さらに、図５を参照して説明した式（１）、（２）に基づき、Ｘ軸およびＹ軸方向の照射位置を示す信号を生成する。かかる照射位置信号は、マイコン７に出力される。
【００５３】
マイコン７は、位置信号生成回路６から出力される信号に基づき、目標領域における走査用レーザ光の走査位置を検出し、ミラーアクチュエータ１００の駆動制御や、半導体レーザ３１０とレーザ光源４０１の駆動制御等を実行する。
【００５４】
すなわち、マイコン７は、走査位置が所定の位置に到達したタイミングで、パルス駆動信号を、走査レーザ駆動回路１０に出力する。これにより、レーザ光源４０１がパルス発光され、目標領域にレーザ光が照射される。
【００５５】
また、マイコン７は、走査位置を所期の軌道に追従させるためのサーボ信号（Ｐａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の駆動信号）を、アクチュエータ駆動回路８に出力する。これを受けてアクチュエータ駆動回路８はミラーアクチュエータ１００を駆動し、走査用レーザ光が所期の軌道に追従するよう目標領域を走査する。さらに、マイコン７は、サーボレーザ駆動回路９に制御信号を出力する。これにより、サーボ光学系１内の半導体レーザ３１０が、一定パワーレベルにて発光される。
【００５６】
本実施の形態では、一定周期Ｔ毎に、ミラーアクチュエータ１００の制御が行われる。マイコン７には、各制御タイミングにおけるＰＳＤ３１５上の理想の照射位置（以下、「目標照射位置」という）が保持されている。かかる目標照射位置は、走査用レーザ光が適正な走査軌道上に沿って水平方向に走査されるときのサーボ光の照射軌道（図６（ｃ−２）参照）上に位置している。マイコン７は、かかる照射軌道に沿ってサーボ光の照射位置が進むよう、ミラーアクチュエータ１００を駆動する。
【００５７】
図８は、ミラーアクチュエータ１００の制御方法を説明する図である。図中、Ｐｎ〜Ｐｎ＋２は、それぞれ、制御タイミングｔｎ〜ｔｎ＋２における目標照射位置であり、Ｑｎ〜Ｑｎ＋２は、それぞれ、制御タイミングｔｎ〜ｔｎ＋２におけるサーボ光の実際の照射位置である。
【００５８】
ある制御タイミングｔｎにおけるサーボ光の実際の照射位置Ｑｎが、目標照射位置ＰｎからＸ軸方向にＸｎ、Ｙ軸方向にＹｎずれていると、マイコン７は、ずれ量Ｘｎ、Ｙｎに基づき、次の制御タイミングにおいて照射位置Ｑｎ＋１を目標照射位置Ｐｎ＋１により接近させるためのＰａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の制御信号を生成し、生成した制御信号をアクチュエータ駆動回路８に出力する。同様に、制御タイミングｔｎ＋１において、マイコン７は、ずれ量Ｘｎ＋１、Ｙｎ＋１に基づいてＰａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の制御信号を生成し、生成した制御信号をアクチュエータ駆動回路８に出力する。このように、マイコン７は、制御タイミングごとに、Ｐａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の制御信号を生成して、アクチュエータ駆動回路８に出力する。アクチュエータ駆動回路８は、入力されたＰａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の制御信号に応じて、ミラー１１３を、Ｐａｎ方向およびＴｉｌｔ方向に駆動する。これにより、ミラー１１３は、図６（ｂ）のように駆動される。
【００５９】
図９は、ミラーアクチュエータ１００の駆動制御に関するマイコン７内の構成を示す図である。
【００６０】
図示の如く、マイコン７は、状態管理部２１と、目標値生成回路２２と、バッファ２３、２４と、減算回路２５、２６と、ＰＩＤ制御回路２７、２８と、ゲイン調整回路２９と、ゲイン生成回路３０とを備える。
【００６１】
状態管理部２１は、タイマ２１ａと、ステップカウンタ２１ｂを含んでいる。ステップカウンタ２１ｂは、タイマ２１ａが１００μｓｅｃを計測するごとに、目標値生成回路２２とゲイン生成回路３０に、制御タイミングを規定する信号を出力する。
【００６２】
目標値生成回路２２は、図１１（ａ）に示す目標軌道テーブルを有している。かかる目標軌道テーブルには、各制御タイミングにおけるＸ軸方向およびＹ軸方向の目標照射位置が格納されている。目標軌道テーブルは、図６（ｃ−２）の３つの目標軌道Ｌｃ１〜Ｌｃ３について準備されている。目標値生成回路２２は、ステップカウンタ２１ｂから指定された各制御タイミングにおけるＸ軸方向およびＹ軸方向の目標照射位置を、それぞれ、目標軌道テーブルから読み出してバッファ２３、２４に出力する。
【００６３】
バッファ２３、２４は、それぞれ、目標値生成回路２２から出力されるＸ軸方向およびＹ軸方向の目標照射位置を格納する。減算回路２５は、バッファ２３から読み出したＸ軸方向の目標照射位置から、位置信号生成回路６から出力されるＸ軸方向の照射位置を減算した差分信号を、ＰＩＤ制御回路２７に出力する。減算回路２６は、バッファ２４から読み出したＹ軸方向の目標照射位置から、位置信号生成回路６から出力されるＹ軸方向の照射位置を減算した差分信号を、ＰＩＤ制御回路２８に出力する。
【００６４】
ＰＩＤ制御回路２７は、減算回路２５から出力される差分信号に基づいて、ＰＩＤ制御の演算により、ミラーアクチュエータ１００をＰａｎ方向に制御するための制御信号を生成する。かかるＰａｎ方向の制御信号は、アクチュエータ駆動回路８に出力される。ＰＩＤ制御回路２８は、減算回路２６から出力される差分信号に基づいて、ＰＩＤ制御の演算により、ミラーアクチュエータ１００をＴｉｌｔ方向に制御するための制御信号を生成する。かかるＴｉｌｔ方向の制御信号は、ゲイン調整回路２９に出力される。
【００６５】
ゲイン調整回路２９は、ＰＩＤ制御回路２８から出力されるＴｉｌｔ方向の制御信号を、ゲイン生成回路３０から出力されるＴｉｌｔゲイン値によって増幅させ、増幅後のＴｉｌｔ方向の制御信号をアクチュエータ駆動回路８に出力する。アクチュエータ駆動回路８は、Ｐａｎ方向およびＴｉｌｔ方向の制御信号に基づいて、ミラーアクチュエータ１００をＰａｎ方向およびＴｉｌｔ方向に駆動する。
【００６６】
ゲイン生成回路３０は、図１１（ｂ）に示すゲインテーブルを有している。かかるゲインテーブルには、各制御タイミングにおけるＴｉｌｔゲイン値が格納されている。かかるゲインテーブルを参照して、ゲイン生成回路３０は、各制御タイミングのときのＴｉｌｔゲイン値を、ゲイン調整回路２９に出力する。
【００６７】
ここで、ゲインテーブルに格納された各制御タイミングにおけるＴｉｌｔゲイン値は、以下のように設定される。
【００６８】
図１０（ａ）は、図６（ｂ−２）に対応する特性図である。なお、図１０（ａ）では、横軸が、走査用レーザ光の水平方向の角度になっている。横軸の“０”は、ミラー１１３のＰａｎ方向の回転位置が中立位置と同じ位置にあるときに対応する。なお、走査用レーザ光の水平方向の角度は、図６（ｂ−２）の横軸に示すＰａｎ方向のミラー１１３の回転角度の２倍になる。
【００６９】
図１０（ａ）中の３つのグラフは、上から順に、水平に対する走査用レーザ光の鉛直方向の角度を、それぞれ、２．０度、０．０度、−２．０度に保ったまま、走査用レーザ光を水平方向に走査させる際の、ミラー１１３のＴｉｌｔ方向の回転角度を表している。上段と下段のグラフでは、走査用レーザ光の水平方向の角度（ミラー１１３のＰａｎ方向の角度）の変化に伴って、ミラー１１３のＴｉｌｔ方向の回転角度が２次関数状に変化する。
【００７０】
このような特性がある場合、制御タイミングの周期Ｔ毎の、ミラー１１３のＴｉｌｔ方向の回転角の変化量は、走査用レーザ光の水平方向の角度に伴って次第に大きくなる。つまり、上記のように、水平に対する走査用レーザ光の鉛直方向の角度を、それぞれ、２．０度、０．０度、−２．０度に保ったまま、走査用レーザ光を水平方向に走査させるためには、ミラー１１３のＴｉｌｔ方向の回転角の変化量を、周期Ｔ毎、すなわち、走査用レーザ光の水平方向の角度が周期Ｔの間に変化する毎（ミラー１１３のＰａｎ方向の回転角が周期Ｔの間に変化する毎）に、所定の割合だけ大きくする必要がある。
【００７１】
ここで、周期Ｔ毎のＴｉｌｔ方向の回転角の変化量は、図１０（ａ）の上段と下段のグラフ上の各制御タイミングにおける傾き（微分値）と等価である。図１０（ａ）の３つのグラフ上の傾き（微分値）は、走査用レーザ光の水平方向の角度の変化に伴って、図１０（ｂ）のように変化する。よって、上記のように鉛直方向の角度を２．０度、０．０度、−２．０度に保ったまま、走査用レーザ光を水平方向に走査させるには、周期Ｔ毎のＴｉｌｔ方向の回転角の変化量を、図１０（ｂ）の３つのグラフ上の各制御タイミングにおける値に応じて設定する必要がある。
【００７２】
このように、Ｔｉｌｔ方向におけるミラー１１３の回転角の変化量は、走査用レーザ光の水平方向の角度が大きくなるに従って大きくする必要がある。したがって、図８を参照して説明したように、サーボ光の実際の照射位置と目標照射位置と間のＹ軸方向のずれ量に応じてミラー１１３をＴｉｌｔ方向に制御する場合にも、その制御量は、走査用レーザ光の水平方向の角度の変化に伴って次第に大きくなるように変化させる必要がある。
【００７３】
たとえば、図１０（ａ）の上段のグラフの左端の領域Ａと右端の領域Ｂにおいて、図８におけるＹ軸方向のずれ量が同じである場合、ミラー１１３のＴｉｌｔ方向の制御量は、領域Ａよりも領域Ｂの方を大きくする必要がある。この場合、制御量を領域Ａに適するように設定すると、領域Ｂでは、制御量が適正量よりも少なくなる。このため、領域Ｂでは、サーボ光の照射位置を目標軌道に追従させ難くなり、Ｔｉｌｔ方向におけるミラー１１３の制御の精度が低下する惧れがある。
【００７４】
そこで、本実施の形態では、このような問題を解消するために、図９に示すゲイン調整回路２９とゲイン生成回路３０を配し、Ｔｉｌｔ方向における制御量を、制御タイミングに応じて変化させている。具体的には、ＰＳＤ３１５上における３つの目標軌道について、図１０（ｂ）に示すＴｉｌｔ方向の角度の変化量を表すグラフを求め、このグラフ上の各制御タイミングにおける変化量を反映した値を、図１１（ｂ）に示すゲインテーブルにチルトゲイン値として保持させる。そして、各制御タイミングに対応するチルトゲイン値がゲインテーブルから読み出されてゲイン調整回路２９に設定され、ＰＩＤ制御回路２８からの制御信号が、こうして設定されたチルトゲイン値により増幅されて、アクチュエータ駆動回路８に供給される。
【００７５】
このようにチルト方向の制御信号のゲインを調整することにより、チルト方向におけるミラー１１３の制御量が、走査用レーザ光の水平方向の角度の変化に伴って、図１０（ｂ）と同様、略直線状に変化する。これにより、サーボ光の照射位置を、目標軌道上のどの領域においても目標軌道に追従させ易くなり、Ｔｉｌｔ方向におけるミラー１１３の制御の精度を高めることができる。
【００７６】
以上、本実施の形態によれば、ミラー１１３のＰａｎ方向の制御量を、各制御タイミングにおけるＴｉｌｔゲイン値によりに変化させたため、Ｔｉｌｔ方向におけるミラー１１３の制御の精度を高めることができる。
【００７７】
なお、上記実施の形態では、３つの走査軌道のうち、中央の走査軌道のＴｉｌｔ方向の角度が０とされたが、これに限らず、走査軌道のＴｉｌｔ方向の角度は、目標領域内においてどのように設定されても良い。また、走査軌道のＰａｎ方向の角度範囲についても、目標領域内においてどのように設定されても良い。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記以外に種々の変更が可能である。
【００７９】
たとえば、上記実施の形態では、目標領域がビーム照射装置の前方に予め固定されていることを前提としたが、たとえば、図１２（ａ）に示すように、ミラーアクチュエータ１００による走査可能領域内において、目標領域が、適宜変更可能とされても良い。この場合、ＰＳＤ３１５の受光面は、走査可能領域内の任意の領域で走査用レーザ光を走査させたときのサーボ光の走査領域を全てカバーする広さとされる。
【００８０】
この場合、たとえば、同図（ａ）に示す各走査軌道に対応して、同図（ｂ）に示す如く、ＰＳＤ３１５の受光面上に目標軌道が設定される。たとえば、図１２（ａ）に示す領域Ａ、Ｂ、Ｃが目標領域に設定されると、図１２（ｂ）に示すように、これら領域に対応して領域Ａ、Ｂ、Ｃが設定される。こうして受光面上に設定された領域Ａ、Ｂ、Ｃについて、図１１（ａ）に示す目標軌道テーブルが作成される。
【００８１】
具体的には、図９に示す目標値生成回路２２は、このように領域Ａ、Ｂ、Ｃが目標領域に設定されると、図１２（ｂ）に示す領域Ａ、Ｂ、Ｃにおける目標軌道を近似演算により求める。そして、求めた目標軌道上の、制御タイミング毎の目標照射位置を算出し、算出した目標照射位置をそれぞれの制御タイミングに対応づけて目標軌道テーブルに記述する。
【００８２】
また、図１２（ａ）に示す走査軌道に沿って走査用レーザ光を走査させる場合のＴｉｌｔ方向におけるミラー１１３の回転角度を規定するグラフは、図１３（ａ）のようになる。また、このときのＴｉｌｔ方向のミラーの角度の変化量は、上記実施の形態にて説明したと同様、図１３（ａ）のグラフの微分値から、図１３（ｂ）のようになる。
【００８３】
たとえば、図１２（ａ）に示す領域Ａ、Ｂ、Ｃが目標領域に設定されると、これら領域に対応する図１３（ａ）および図１３（ｂ）のグラフ上の領域は、それぞれ、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に重ねて模式的に示す領域Ａ、Ｂ、Ｃのようになる。このうち、図１３（ｂ）の領域Ａ、Ｂ、Ｃから、上記実施の形態にて説明したと同様に、図１１（ｂ）に示すゲインテーブルが作成される。
【００８４】
具体的には、図９に示すゲイン生成回路３０は、上記のように領域Ａ、Ｂ、Ｃが目標領域に設定されると、図１３（ｂ）に示す領域Ａ、Ｂ、Ｃのグラフに対応するＴｉｌｔゲイン値の１次関数式を、近似演算により求める。そして、求めた一次関数式から、制御タイミング毎のＴｉｌｔゲイン値を算出し、算出したＴｉｌｔゲイン値を、各制御タイミングに対応づけてゲインテーブルに記述する。
【００８５】
目標領域Ａ、Ｂ、Ｃにおける走査用レーザ光の走査時には、こうして目標領域Ａ、Ｂ、Ｃに対応して設定された目標軌道テーブルとゲインテーブルを用いて、上記実施の形態と同様に、ミラーアクチュエータ１００に対する制御が行われる。
【００８６】
なお、図１２および図１３では、便宜上、走査軌道を８本示し、これに応じて、目標軌道、Ｔｉｌｔ方向の角度を示すグラフおよびＴｉｌｔ方向の角度の変化量を示すグラフをそれぞれ８本示したが、走査軌道は、８本に限られず、ミラーアクチュエータ１００による走査可能範囲内であれば、目的に応じて適宜に設定可能であり、これに応じて、目標軌道、Ｔｉｌｔ方向の角度を示すグラフおよびＴｉｌｔ方向の角度の変化量を示すグラフも設定され得る。
【００８７】
なお、上記実施の形態では、制御タイミング毎にＴｉｌｔゲイン値を更新するようにしたが、たとえば、制御タイミングの周期ＴがＮ回（Ｎは２以上の整数）経過する毎に、Ｔｉｌｔゲイン値を更新するようにしても良く、これ以外のタイミングでＴｉｌｔゲイン値を更新するようにしても良い。この場合、ゲインテーブルには、更新タイミングに関連付けてＴｉｌｔゲイン値が記述される。
【００８８】
また、上記実施の形態では、Ｔｉｌｔゲイン値を略直線状に変化させたが、必ずしもこのように変化させなくとも良く、Ｔｉｌｔ方向のミラー１１３の振り角の変化に対応できるような形態で、Ｔｉｌｔゲイン値が変化されれば良い。たとえば、Ｐａｎ方向のミラー１１３の回転が進むにつれて、Ｔｉｌｔゲイン値をステップ状に高めるようにしても良い。
【００８９】
また、上記実施の形態では、サーボ光の光源として半導体レーザを用いたが、これに替えて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることもできる。
【００９０】
また、上記実施の形態では、透明体２００を用いてサーボ光の進行方向を変化させるようにしたが、透明体２００に替えてサーボ用のミラーをミラーアクチュエータ１００の支軸１１２に装着し、かかるサーボ用のミラーによってサーボ光を反射させることによりサーボ光の進行方向を変化させるようにしても良い。この他、ミラーホルダ１１０、支軸１１１または支軸１１２にサーボ光を発光する光源を配置するようにしても良い。
【００９１】
なお、上記実施の形態では、サーボ光を受光する光検出器としてＰＳＤ３１５を用いたが、これに替えて、４分割センサを用いることもできる。
【００９２】
図１４は、サーボ光を受光する光検出器として４分割センサ３２０を用いる場合の構成を示す図である。サーボ光は、ミラー１１３が中立位置にあるときに、４分割センサ３２０の中央位置に照射される。サーボ光が４分割センサ３２０に照射されると、各センサは、図示の如く、電流信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を出力する。
【００９３】
電流信号Ｓ１〜Ｓ４は、それぞれ、Ｉ／Ｖ変換回路２〜５に出力された後、上記実施の形態と同様の信号処理がなされる。すなわち、電流信号Ｓ１〜Ｓ４は、まず、Ｉ／Ｖ変換回路２〜５によって電圧信号に変換され、電圧信号Ｓｖ１、Ｓｖ２、Ｓｖ３、Ｓｖ４となる。続いて、位置信号生成回路６は、電圧信号Ｓｖ１〜Ｓｖ４に基づき、サーボ光のＸ方向の入射位置ｘとＹ方向の入射位置ｙを、たとえば次式によって求める。
【００９４】
【数２】
2011095474.tif 000004
【００９５】
こうして得られたサーボ光の入射位置を示す位置信号が、マイコン７に出力される。マイコン７は、かかる位置信号に基づき、後段のアクチュエータ駆動回路８と、サーボレーザ駆動回路９と、走査レーザ駆動回路１０を制御する。
【００９６】
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００９７】
７  …  マイコン（制御回路）
１００  …  ミラーアクチュエータ（アクチュエータ）
１１１、１１２  …  支軸（第２の軸）
１２４、１２５  …  支軸（第１の軸）
２００  …  透明体（サーボ光学系）
３１０  …  半導体レーザ（サーボ光学系）
３１５  …  ＰＳＤ（光検出器）
３２０  …  ４分割センサ（光検出器）
４０１  …  レーザ光源
【図１】
2011095474.tif 000005
【図２】
2011095474.tif 000006
【図３】
2011095474.tif 000007
【図４】
2011095474.tif 000008
【図５】
2011095474.tif 000009
【図６】
2011095474.tif 000010
【図７】
2011095474.tif 000011
【図８】
2011095474.tif 000012
【図９】
2011095474.tif 000013
【図１０】
2011095474.tif 000014
【図１１】
2011095474.tif 000015
【図１２】
2011095474.tif 000016
【図１３】
2011095474.tif 000017
【図１４】
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