(57)【要約】【課題】非共振型の利点と共振型の利点とを兼ね備えた新規な構造の光走査装置、及びこれを用いた物体検出装置、描画装置を提供する。【解決手段】シリコンウエハをマイクロマシニング加工技術によって加工して、シリコンプレート１３を形成する。このシリコンプレート１３では、ミラー部１８が第１及び第２の弾性梁２０，２４によって水平方向に揺動可能に支持され、第３の弾性梁２２によって垂直方向に揺動可能に支持されている。そして、このようなシリコンプレート１３を用いて２次元光スキャナ１０を構成し、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４を捩り振動させることでミラー部１８を揺動操作して、レーザ光を所定の走査範囲に走査させる。このとき、第２の弾性梁２４は共振駆動させる一方で、第１の弾性梁２０は非共振駆動させる。【選択図】  図３
2004226548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動操作されるミラー部で光源からの光を反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置において、
前記光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、前記第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、前記第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第１のスキャナ手段は前記ミラー部を非共振振動により揺動させる非共振梁により形成されていると共に、前記第２のスキャナ手段は前記ミラー部を共振振動により揺動させる共振梁により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第１のスキャナ手段及び第２のスキャナ手段は、同一の製造プロセスにより前記ミラー部と一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記光源からの光を垂直方向に走査する機構として第３のスキャナ手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光走査装置。
【請求項５】
前記第３のスキャナ手段は前記ミラー部を共振振動により揺動させる共振梁により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記第３のスキャナ手段は、前記第１のスキャナ手段及び第２のスキャナ手段と同一の製造プロセスにより前記ミラー部と一体に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
【請求項７】
照射対象が特定されたときに、前記第１のスキャナ手段により前記ミラー部の向きを前記照射対象の方向に維持させると共に、前記第２のスキャナ手段の共振振動により前記ミラー部を前記照射対象の方向で揺動させる照射制御手段を更に備えることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の光走査装置。
【請求項８】
前記第２のスキャナ手段及び第３のスキャナ手段相互の共振周波数の比に従い照射欠損部が生じるか否かを判定し、その判定結果に基づいて前記第１のスキャナ手段の非共振振動を制御する照射制御手段を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の光走査装置。
【請求項９】
光源と、
前記光源からの光を揺動操作されるミラー部で反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置と、
照射対象からの反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段からの出力をもとに、前記照射対象までの距離及び方位を算出する距離算出手段とを備え、
前記光走査装置が、前記光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、前記第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、前記第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とする物体検出装置。
【請求項１０】
光源と、
前記光源からの光を揺動操作されるミラー部で反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置と、
所定の位置に所定の情報が描画されるように前記光源及び光走査装置の動作を制御する描画制御手段とを備え、
前記光走査装置が、前記光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、前記第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、前記第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とする描画装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揺動操作されるミラー部で光源からの光を反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置及びこれを用いた物体検出装置、描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光源からの光を走査して対象物に照射させる光走査装置が提案されており、例えば、車両用レーザレーダ等に利用されている。車両用レーザレーダは、光走査装置を用いて車両周囲の対象物にレーザ光を照射させ、この対象物からの反射レーザ光を検出して、光走査装置からの出射レーザ光と対象物からの反射レーザ光との関係に基づいて、対象物までの距離や方位等を検出するものである。
【０００３】
このような車両用レーザレーダでは、例えば車両前方の障害物等を確実に検出して車両の安全な走行を有効に支援できるように、高い検出性能が求められており、このような要求を実現するための様々な研究開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１には、揺動操作される単体のミラーで出射レーザ光を反射させて所定の範囲に走査させる構造のものにおいて、出射レーザ光を反射させるミラーの振れ角を、障害物検出信号の状態に応じて選択的に調整することにより、不要反射光等の外乱を排除して、検出精度を向上させる技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１５２４７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような車両用レーザレーダ、とりわけ出射レーザ光を２次元方向に走査して対象物に照射させる２次元レーザレーダの検出精度を向上させるためには、これに用いる光走査装置の性能として、以下のような性能が要求される。先ず第１に、高速スキャン性能である。これは、自車前方の障害物を迅速に発見するために特に求められる性能である。第２に、高速応答性能である。これは、自車前方への割り込み車や歩行者を確実に検出するために、検出領域を急峻に変更することが求められるからである。第３に、広い水平検出領域対応性能である。これは、自車前方の割り込み車をいち早く検出するために、水平方向に広い範囲で検出領域を設定することが求められるからである。そして、車両搭載用として、以上のような性能を小型且つ低コストで実現できることが求められる。
【０００７】
ミラーを揺動させて光を走査させる構造の光走査装置では、その駆動方式として、非共振周波数領域を用いる方式と共振周波数領域を用いる方式とが一般的である。これらのうち、非共振周波数領域を用いてミラーを駆動する非共振型の光走査装置は、ステップ状の急激な入力に対する高速応答性能、広い水平検出領域対応性能は優れるものの、共振周波数が比較的低いことに起因する高速スキャン性能の不十分、エネルギー効率の悪い非共振領域で動作することに起因する駆動装置の大型化、高コスト化といった課題があり、２次元レーザレーダに適用するには、これらの課題を解決することが求められる。
【０００８】
一方、共振周波数領域を用いてミラーを駆動する共振型の光走査装置は、共振周波数を高く設定できることによる高速スキャン性能、及び少ないエネルギで動作可能なことから小型、低コスト化が達成できる反面、共振Ｑが高い程、少ない振動エネルギで大きな振幅を得られ高性能であるが、共振Ｑが高いと、急激に振幅を変化させるよう制御を行っても、残響振動もまた大きいため、急激な振幅変化不能であるといった効率と応答性の同時達成が困難であること、また共振周波数が高いことに起因して広い水平検出領域の確保が困難であるといった課題があり、こちらのタイプの光走査装置も、そのまま２次元レーザレーダに適用するのは困難である。
【０００９】
上述した特許文献１にて開示される技術は、ミラーの駆動方法に関しては詳細な記述がなされていないものの、単独のミラー駆動部によってミラーの振れ角を状況に応じて変更する構成であり、以上のような課題を根本的に解決するには至っていない。
【００１０】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、非共振型の利点と共振型の利点とを兼ね備えた新規な構造の光走査装置を提供し、また、これを用いた物体検出装置及び描画装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光走査装置は、揺動操作されるミラー部で光源からの光を反射させて所定の範囲に走査させるものであり、光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る物体検出装置は、光源と、この光源からの光を揺動操作されるミラー部で反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置と、照射対象からの反射光を受光する受光手段と、この受光手段からの出力をもとに照射対象までの距離及び方位を算出する距離算出手段とを備え、光走査装置が、光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係る描画装置は、光源と、この光源からの光を揺動操作されるミラー部で反射させて所定の範囲に走査させる光走査装置と、所定の位置に所定の情報が描画されるように光源及び光走査装置の動作を制御する描画制御手段とを備え、光走査装置が、光源からの光を水平方向に走査する機構として第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを備え、第１のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とが、第２のスキャナ手段による走査速度と走査範囲とに比べて、低速且つ広域であることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、第１のスキャナ手段と第２のスキャナ手段とを併用してミラー部を揺動操作することで、共振型の利点と非共振型の利点との両立が実現され、良好な高速スキャン性能、高速応答性能、広い水平検出領域対応性能を兼ね備えた、小型化で低コストな光走査装置を実現することができる。また、このような光走査装置を用いることで、物体検出装置や描画装置の性能を極めて良好なものとすることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
先ず、車両用２次元レーザレーダに本発明を適用した例について具体的に説明する。
【００１７】
本発明を適用した車両用２次元レーザレーダの全体構成を図１に示す。この図１に示す車両用２次元レーザレーダは、レーザダイオード（以下、ＬＤと略称する。）１及びＬＤ駆動回路２を有する照射系と、フォトディテクタ（以下、ＰＤと略称する。）３及び受光回路４を有する受光系と、２次元スキャナ１０、第１乃至第３の走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃ、第１乃至第３の走査位置検出部６ａ，６ｂ，６ｃ、反射ミラー７を有する走査系とを備えており、これらの各部が制御部８による制御のもとで動作するようになっている。また、制御部８には障害物判定部９が接続されており、この障害物判定部９によって車両周囲の物体１００までの距離及び方位が算出されるようになっている。
【００１８】
制御部８は、所定のタイミング毎に、ＬＤ駆動回路２にＬＤ１を発光させる旨の発光司令を出力する。ＬＤ駆動回路２は、この制御部８からの発光司令を受けて、所定のタイミング毎にＬＤ１を発光させる。これにより、ＬＤ１からレーザ光が出射されることになる。ＬＤ１から出射されたレーザ光は、２次元スキャナ１０及び反射ミラー７により順次反射されて、車両周囲の物体１００に照射されることになる。
【００１９】
２次元スキャナ１０は、制御部８による制御のもとで、第１乃至第３の走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃによって駆動されて、ミラー部を水平方向及び垂直方向の互いに直交する２方向に同時に揺動させ、ＬＤ１から出射されたレーザ光を車両周囲の路面に水平な方向と垂直な方向との２次元方向に走査させる。この２次元スキャナ１０によるレーザ光の走査位置は、第１乃至第３の走査位置検出部６ａ，６ｂ，６ｃにより検出されるようになっている。２次元スキャナ１０により２次元方向に走査されて車両周囲の物体１００に照射されたレーザ光は、この物体１００によって反射され、この物体１００からの反射レーザ光が、ＰＤ３により受光されることになる。
【００２０】
ＰＤ３は、受光した物体１００からの反射レーザ光を光電変換し、この反射レーザ光の光量に応じた電気信号を受光回路４に出力する。受光回路４は、ＰＤ３からの信号強度を所定の基準値と比較して、その比較結果を制御部８に出力する。
【００２１】
障害物判定部９は、制御部８からの情報に基づいて、車両周囲の物体１００までの距離及び方位を算出する。具体的には、障害物判定部９は、ＬＤ１によるレーザ光の発光からＰＤ３による反射レーザ光の受光までの時間、すなわち、ＬＤ１から出射され車両周囲の物体１００により反射されてＰＤ３に受光されるまでのレーザ光の伝播遅延時間に基づいて、車両周囲の物体１００までの距離を算出すると共に、走査位置検出部６ａ，６ｂ，６ｃにより検出されたレーザ光の走査位置に基づいて、物体１００が存在する方向を検出する。
【００２２】
ここで、以上のような車両用２次元レーザレーダに用いられる２次元スキャナ１０について、更に詳しく説明する。図２はこの２次元スキャナ１０を模式的に示す側面図、図３はこの２次元スキャナ１０の平面図である。
【００２３】
２次元スキャナ１０は、図２に示すように、剛性を有するベースプレート１１上にスペーサ１２を介してシリコンプレート１３が配置された構造となっている。シリコンプレート１３は、シリコンウエハを各種マイクロマシニング加工技術によって加工することで形成され、その外周部分がスペーサ１２上に支持されて、スペーサ１２及びベースプレート１１に固定されている。また、このシリコンプレート１３の裏面側（ベースプレート１１と対向する面側）には、強磁歪材料よりなる機能薄膜１４が形成されている。
【００２４】
このシリコンプレート１３は、ＬＤ１からの出射レーザ光を反射させるミラー部としての機能と、ミラー部を揺動させるスキャナ手段としての機能とを併せ持つものであり、図３に示すように、その最外周から内周側へ向かって順に同心円状に配置された固定フレーム部１５、第１の可動フレーム部１６、第２の可動フレーム部１７、ミラー部１８を有している。
【００２５】
固定フレーム部１５と第１の可動フレーム部１６とは、スリット１９によって区分けされることで互いに独立した部材とされており、第１のスキャナ手段として機能する一対の弾性梁（第１の弾性梁）２０を介して連結されている。また、第１の可動フレーム部１６と第２の可動フレーム部１７とは、スリット２１によって区分けされることで互いに独立した部材とされており、第３のスキャナ手段として機能する一対の弾性梁（第３の弾性梁）２２を介して連結されている。また、第２の可動フレーム部１７とミラー部１８とは、スリット２３によって区分けされることで互いに独立した部材とされており、第２のスキャナ手段として機能する一対の弾性梁（第２の弾性梁）２４を介して連結されている。
【００２６】
なお、シリコンプレート１３における以上の各部は、同一の製造プロセスにより一体に形成されるものであり、近年のマイクロマシニング加工技術によれば、これらの各部の形成は、極めて高精度且つ簡便に行うことができる。
【００２７】
一対の第１の弾性梁２０及び一対の第２の弾性梁２４は、強磁歪材料よりなる機能薄膜１４の磁化容易軸が設定される方向（図３中矢印Ａ方向）に対して概ね４５度で、ミラー部１８の中心を通る直線上にそれぞれ配置されている。また、一対の第３の弾性梁２２は、ミラー部１８の中心を通り、一対の第１の弾性梁２０及び一対の第２の弾性梁２４が並ぶ直線と直交する直線上に配置されている。
【００２８】
ミラー部１８には、その表面に例えばアルミ蒸着等により高反射コーティングが施されることで反射面が形成されており、ＬＤ１から出射されたレーザ光を十分な反射率で反射ミラー７側へと反射するようになっている。そして、このミラー部１８は、一対の第２の弾性梁２４によって第２の可動フレーム部１７に対して両持ち梁状に支持され、これら一対の第２の弾性梁２４が図３中矢印Ｂで示す捩り方向に振動することによって、一対の第２の弾性梁２４が配置された直線を揺動中心として、ミラー部１８が第２の可動フレーム部１７に対して揺動するようになっている。
【００２９】
また、第２の可動フレーム部１７は、一対の第３の弾性梁２２によって第１の可動フレーム部１６に対して両持ち梁状に支持され、これら一対の第３の弾性梁２２が図３中矢印Ｃで示す捩り方向に振動することによって、一対の第３の弾性梁２２が配置された直線を揺動中心として、第２の可動フレーム部１７が第１の可動フレーム部１６に対して揺動するようになっている。更に、第１の可動フレーム部１６は、一対の第１の弾性梁２０によって固定フレーム部１５に対して両持ち梁状に支持され、これら一対の第１の弾性梁２０が図３中矢印Ｂで示す捩り方向（第２の弾性梁２４と同一方向）に振動することによって、一対の第１の弾性梁２０が配置された直線を揺動中心として、第１の可動フレーム部１６が固定フレーム部１５に対して揺動するようになっている。
【００３０】
以上のような構造によって、ミラー部１８は、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４が捩り方向に振動することにより、固定フレーム部１５に対して２次元方向に揺動し、このミラー部１８で反射されたレーザ光が２次元方向に走査されるようになっている。具体的には、第１の弾性梁２０及び第２の弾性梁２４の捩り振動によりミラー部１８が揺動操作されることで、ＬＤ１からのレーザ光が水平方向に走査され、第３の弾性梁２２の捩り振動によりミラー部１８が揺動操作されることで、ＬＤ１からのレーザ光が垂直方向に走査されることになる。
【００３１】
また、第１の弾性梁２０の近傍には、この第１の弾性梁２９の捩れ角度を検出するための第１の角度検出器２５が設けられている。同様に、第２の弾性梁２４の近傍には、この第２の弾性梁２４の捩れ角度を検出するための第２の角度検出器２６が設けられ、第３の弾性梁２２の近傍には、この第３の弾性梁２２の捩れ角度を検出するための第３の角度検出器２７が設けられている。これら第１乃至第３の角度検出器２５，２６，２７は、例えばピエゾ抵抗素子の原理を用いて捩れ角度の検出を行うように形成される。そして、これら第１乃至第３の角度検出器２５，２６，２７からの出力は、図示を省略する信号線によって固定フレーム部１５に形成されたコンタクトパッド２８に導かれ、ここから、第１乃至第３の走査位置検出部６ａ，６ｂ，６ｃ（図１参照）へと送られるようになっている。
【００３２】
第１の走査位置検出部６ａは、第１の角度検出器２５からの出力に基づいて、第１の弾性梁２０によるミラー部２５の振れ角を検出する。同様に、第２の走査位置検出部６ｂは、第２の角度検出器２６からの出力に基づいて第２の弾性梁２によるミラー部２５の振れ角を検出し、第３の走査位置検出部６ｃは、第３の角度検出器２７からの出力に基づいて第３の弾性梁２２によるミラー部２５の振れ角を検出する。これにより、２次元スキャナ１０によるレーザ光の走査位置が検出されることになる。
【００３３】
また、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４の近傍には、図２に示すような一対の磁界発生器２９がそれぞれ配設されている。なお、図２においては、図を分かり易く表示するために、第３の弾性梁２２近傍に配設された一対の磁界発生器２９のみを図示している。各磁界発生器２９は、それぞれエアギャップ部を有するヨーク２９ａにコイル２９ｂが巻回された構造となっている。そして、一対の磁界発生器２９同士では、各コイル２９ｂの巻回方向が逆向きとされ、これらコイル２９ｂが連結線３０によって導通されている。したがって、駆動信号線３１，３２の両端に電流を印加すると、一対の磁界発生器２９では、各ヨーク２９ａのエアギャップ部において互いに逆向き（図２中矢印Ｄ方向）の磁界が発生することになる。これにより、磁界発生器２９からの局所的磁場が第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４にそれぞれ作用して、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４がそれぞれ捩り振動することになる。
【００３４】
第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４の近傍に配設された各磁界発生器２９の駆動は、第１乃至第３の走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃ（図１参照）によって行われる。すなわち、第１の走査駆動部５ａは、制御部８からの指令振れ角に基づいた駆動電流を設定し、この駆動電流が第１の弾性梁２０近傍に配設された磁界発生器２９に供給されて、磁界発生器２９が駆動される。そして、この磁界発生器２９からの局所的磁場が第１の弾性梁２０に作用して、第１の弾性梁２０が指令振れ角に応じた捩り振動を行う。同様に、第２の走査駆動部５ｂにより設定された駆動電流が第２の弾性梁２４近傍に配設された磁界発生器２９に供給され、この磁界発生器２９からの局所的磁場が第２の弾性梁２４に作用することで、第２の弾性梁２４が指令振れ角に応じた捩り振動を行う。更に、第３の走査駆動部５ｃにより設定された駆動電流が第３の弾性梁２２近傍に配設された磁界発生器２９に供給され、この磁界発生器２９からの局所的磁場が第３の弾性梁２２に作用することで、第３の弾性梁２２が指令振れ角に応じた捩り振動を行う。
【００３５】
なお、第１の走査駆動部５ａと第１の走査位置検出部６ａ、第２の走査駆動部５ｂと第２の走査位置検出部６ｂ、第３の走査駆動部５ｃと第３の走査位置検出部６ｃは、それぞれ一対で同一筐体内に配設される。そして、各走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃにおける駆動電流の設定には、各走査位置検出部６ａ，６ｂ，６ｃの検出値がフィードバックされ、制御部８からの指令振れ角に実際の振れ角が加味されて、駆動電流に補正が加えられる。
【００３６】
次に、以上のように構成される２次元スキャナ１０の動作について、具体的な例を挙げて説明する。
【００３７】
２次元スキャナ１０において、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４は、それぞれ５Ｈｚ、２００Ｈｚ、２ＫＨｚの捩り振動周波数を有している。第１の弾性梁２０近傍に配設された磁界発生器２９は、第１の走査駆動部５ａにより設定された駆動電流に応じて、１０Ｈｚ程度の交流磁界を発生する。また、第２の弾性梁２４近傍に配設された磁界発生器２９は、第２の走査駆動部５ｂにより設定された駆動電流に応じて、２００Ｈｚの交流磁界を発生する。また、第３の弾性梁２２近傍に配設された磁界発生器２９は、第３の走査駆動部５ｃにより設定された駆動電流に応じて、２ＫＨｚの交流磁界を発生する。
【００３８】
これにより、第１の弾性梁２０及び第２の弾性梁２４には、図３中上下方向での局所的磁場がそれぞれ印加され、第３の弾性梁２２には、図３中左右方向での局所的磁場が印加されることになる。そして、各弾性梁２０，２２，２４は、それぞれの裏面側に形成された強磁歪材料よりなる機能薄膜１４の磁歪効果により、機能性薄膜１４の磁化容易軸の方向（図３中矢印Ａ方向）に伸縮する磁歪応力が発生し、それぞれ磁界発生器２９からの交流磁界に応じた捩り振動を行う。
【００３９】
第１の弾性梁２０が捩り振動を行うことによって、固定フレーム部１５を固定端として、第１の可動フレーム部１６と第２の可動フレーム部１７とミラー部１８とが一体となって、図３中矢印Ｂ方向に周波数１０Ｈｚ、振れ角１５度で揺動操作されることになる。同様に、第３の弾性梁２２が捩り振動を行うことによって、第１の可動フレーム部１６を固定端として、第２の可動フレーム部１７とミラー部１８とが一体となって、図３中矢印Ｃ方向に周波数２ＫＨｚ、振れ角５度で揺動操作されることになる。更に、第２の弾性梁２４が捩り振動を行うことによって、第２のフレーム部１６を固定端として、ミラー部１８が、図３中矢印Ｂ方向に周波数２００Ｈｚ、振れ角５度で揺動操作されることになる。
【００４０】
ここで、第１の弾性梁２０の共振周波数は上述したように５Ｈｚであるが、電気的サーボ帰還制御により、例えば周波数１０Ｈｚの交流磁界を印加して制限振動を行っている。すなわち、この第１の弾性梁２０は非共振振動を行う非共振梁とされている。これに対して、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２は、それぞれ共振振動を行う共振梁とされている。したがって、２次元スキャナ１０においては、第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４とはミラー部１８を同一方向に揺動させるが、非共振振動によりミラー部１８を揺動させる第１の弾性梁２０による走査速度と走査範囲は、共振振動によりミラー部１８を揺動させる第２の弾性梁２４の走査速度と走査範囲に比べて、低速且つ広域となっている。
【００４１】
次に、以上のような２次元スキャナ１０を備える車両用２次元レーザレーダを用いて自車両前方の障害物を検出する動作について、図４乃至図７を参照して具体的に説明する。
【００４２】
図４は、自車両４０の前方に障害物が存在しない場合の様子を示している。この図４において、自車両４０は、走行車線Ｌ１と追い越し車線Ｌ２の片側２車線の道路の走行車線Ｌ１を走行している。そして、自車両４０に搭載された車両用２次元レーザレーダでは、自車両前方に今後現れることが予測される障害物を確実に検出できるように、レーザ光の水平方向の照射領域（水平方向走査範囲）Ｓ１を比較的広い範囲、例えば自車両４０からその前方に４０度の範囲に設定している。水平方向走査範囲Ｓ１を４０度とした場合、２次元スキャナ１０におけるミラー部１８の水平方向における振れ角は、その半分の２０度となる。また、図４においては図示をしないが、車両用２次元レーザレーダでは、レーザ光の垂直方向の照射領域（垂直方向走査範囲）が自車両４０からその前方に１０度の範囲に設定されており、２次元スキャナ１０におけるミラー部１８の垂直方向における振れ角は、その半分の５度となる。
【００４３】
このときの２次元スキャナ１０における第１及び第２の弾性梁２０，２４の振れ角を時間的に記録したグラフを図５に示す。図５（ａ）に示すように、第１の弾性梁２０は、最大振れ角（片振幅）Ｗ１が７．５度、振動周期Ｒ１が１００ｍｓｅｃの正弦振動を行っている。また、図５（ｂ）に示すように、第２の弾性梁２４は、最大振れ角（片振幅）Ｗ２が２．５度、振動周期Ｒ２が５ｍｓｅｃの正弦振動を行っている。なお、図５（ｂ）は図５（ａ）における時間ｔ０からｔ１を時間軸方向に拡大して示したグラフである。
【００４４】
２次元スキャナ１０における第１の弾性梁２０は、上述したように非共振振動によりミラー部１８を揺動させる非共振梁として構成されており、大振幅は容易である反面、振動周期（移動角速度）は遅く、車両用２次元レーザレーダとしての距離測定頻度を十分に取れない、すなわち、多くのレーザ光パルスを均一に照射できない。このため、２次元スキャナ１０では、振動周期（移動角速度）が早い共振梁として構成された第２の弾性梁２４も同時に正弦振動を行うようにして、第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４との連成振動により、大振幅且つ高速な振動を実現している。これら第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４とが連成振動を行う結果、２次元スキャナ１０の水平方向におけるミラー部１８の振れ角は、片振幅あたり第１の弾性梁２０の７．５度に第２の弾性梁２４の２．５度を加えた１０度となり、全振幅で２０度となる。その結果、車両用２次元レーザレーダの水平方向走査範囲は４０度となる。
【００４５】
また、車両用２次元レーザレーダでは、垂直方向に関してはレーザ光の照射範囲が比較的狭くてもよいため、２次元スキャナ１０におけるミラー部１８は、垂直方向に関して、第３の弾性梁２２による高速共振振動を行っている。具体的には、第３の弾性梁２２は、図示しないが、例えば最大振れ角（片振幅）が２．５度、振幅周期が０．５ｍｓｅｃの正弦振動を行っている。
【００４６】
図６は、自車両４０の前方に障害物である先行車両４１が存在する場合の様子を示している。このような場合、車両用２次元レーザレーダとしては、障害物判定手段９（図１参照）において、自車両４０の前方に存在する物体が先行車両４１であるか否かを早急に判別し、且つ先行車両４１である場合には、その先行車両４１までの距離及び方位を高精度に検出する必要がある。このため、車両用２次元レーザレーダでは、自車両４０の前方に先行車両４１等の物体が存在することを検知した場合には、その物体が存在する領域に集中的にレーザ光を照射して、一般的に追従測距或いはトラッキング測距と呼ばれる方法で、その物体までの距離及び方位を検出するようにしている。
【００４７】
図６において、自車両４０は、走行車線Ｌ１と追い越し車線Ｌ２の片側２車線の道路の走行車線Ｌ１を走行しており、自車両４０前方の右４度の方向に先行車両４１が位置している。そして、自車両４０に搭載された車両用２次元レーザレーダでは、先行車両４１の存在を検知した段階で、先行車両４１が存在する領域に集中的にレーザ光を照射させるために、水平方向走査範囲Ｓ２を先行車両４１を中心とした狭い範囲、例えば先行車両４１を中心として１０度の範囲に設定する。水平方向走査範囲Ｓ２を１０度とした場合、２次元スキャナ１０におけるミラー部１８の水平方向における振れ角は、その半分の５度となる。また、図６においては図示をしないが、垂直方向走査範囲は１０度の範囲に設定されており、２次元スキャナ１０におけるミラー部１８の垂直方向における振れ角は、その半分の５度となる。
【００４８】
このときの２次元スキャナ１０における第１及び第２の弾性梁２０，２４の振れ角を時間的に記録したグラフを図７に示す。時間ｔ０において、障害物判定部９によって自車両４０前方の右４度の方向に先行車両４１が存在することが検知されると、制御部８（照射制御手段）による制御のもとで、第１の弾性梁２０は、振れ角Ｗ３が右側４度で固定され、ミラー部１８の向きを先行車両４１の方向に維持させる。また、第２の弾性梁２４は、最大振れ角（片振幅）が２．５度、振動周期が５ｍｓｅｃの正弦振動を行い、ミラー部１８を先行車両４１の方向で揺動させる。
【００４９】
ここで、仮に時間ｔ１において先行車両４１の位置が自車両４０前方０度の位置に急変した場合には、制御部８による制御のもとで先行車両４１への追従が行われ、第１の弾性梁２０の振れ角が０度に固定される。そして、この位置で第２の弾性梁２４が同様の正弦振動を行って、ミラー部１８を先行車両４１の方向で揺動させる。これにより、追従測距による先行車両４１までの距離や方位の検出が高精度に行われることになる。
【００５０】
なお、以上は、先行車両４１の存在領域が急変した場合を例に挙げて説明したが、先行車両４１が緩慢な動きをしている場合も同様に、追従測距による距離や方位の検出を有効に行うことができる。また、先行車両４１以外にも、例えば歩行者や自転車、対向車等の検出を行う場合にも、高精度な検出が可能である。
【００５１】
以上説明したように、本発明を適用した車両用２次元レーザレーダでは、２次元スキャナ１０が非共振梁である第１の弾性梁２０と共振梁である第２の弾性梁２４とを併用してＬＤ１からのレーザ光を水平方向に走査させるようにしており、共振型スキャナの利点と非共振型スキャナの利点との両立が図られている。すなわち、２次元スキャナ１０は、良好な高速スキャン性能、高速応答性能、広い水平検出領域対応性能を兼ね備えた、小型化で低コストな光走査装置として構成されており、したがって、このような２次元スキャナ１０を備える車両用２次元レーザレーダは、先行車両等の障害物を極めて高精度に検出することができる。また、この車両用２次元レーザレーダでは、２次元スキャナ１０が以上のような構成とされていることによって、先行車両等の障害物までの距離や方位を追従測距により極めて迅速且つ高精度に検出することができる。
【００５２】
なお、以上説明した例では、２次元スキャナ１０における第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４とが、それぞれ非共振梁と共振梁とで構成されているが、これらの共振周波数を適切に選択すれば、双方を共振梁で構成した場合、或いは双方を非共振梁で構成した場合であっても、同様の効果を達成することが可能である。
【００５３】
また、以上は、レーザ光を水平方向及び垂直方向に走査させる２次元スキャナ１０に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、レーザ光を水平方向にのみ走査させる１次元のスキャナ装置に対しても有効に適用可能である。
【００５４】
また、以上は、車両用２次元レーザレーダに用いられる２次元スキャナ１０に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、以上の例に限定されるものではなく、揺動操作されるミラー部で光源からの光を反射させて所定の範囲に走査させる各種の光走査装置に対して広く適用可能である。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した車両用２次元レーザレーダの他の例について説明する。
【００５６】
本実施形態の車両用２次元レーザレーダは、上述した第１の実施形態の車両用２次元レーザレーダと同様の構成を有し、２次元スキャナ１０によってレーザ光を走査させる具体的な制御内容が、上述した第１の実施形態と異なるものである。以下、車両用２次元レーザレーダの各構成要素に対しては、第１の実施形態と同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態において特徴的な部分についてのみ説明する。
【００５７】
本実施形態の車両用２次元レーザレーダでは、制御部８（照射制御手段）が、２次元スキャナ１０における第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２の相互の共振周波数の比に従い、第２の弾性梁２４の捩り振動及び第３の弾性梁２２の捩り振動のみによりミラー部１８を揺動させたときに、所定の走査範囲内においてレーザ光が照射されない照射欠損部が生じるか否かを判定するようにしている。そして、このような照射欠損部が生じると判定されたときは、制御部８がその判定結果に基づいて第１の弾性梁２０による捩り振動（非共振振動）を制御することで、照射欠損部の発生を抑制するようにしている。これによって、車両用２次元レーザレーダとしての信頼性が更に向上することになる。
【００５８】
図８は、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２のみによりミラー部１８を揺動操作した様子を、水平方向及び垂直方向の２次元にて表示したものであり、第２の弾性梁２４の捩り振動及び第３の弾性梁２２の捩り振動によりミラー部１８を揺動操作したときのレーザ光の軌跡Ｔ１を前方のスクリーン上に投影したものである。この図８において、図中左右方向には、第２の弾性梁２４の捩り振動によってレーザ光が走査され、図中上下方向には、第３の弾性梁２２の捩り振動によってレーザ光が走査されている。ここで、第２の弾性梁２４は、周波数２００Ｈｚ、振れ角１５度の共振振動でミラー部１８を図中左右方向に揺動させている。また、第３の弾性梁２２は、周波数１ＫＨｚ、振れ角５度の共振振動でミラー部１８を図中上下方向に揺動させている。
【００５９】
この図８に示す例では、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２の周波数比が整数（１ＫＨｚ／２００Ｈｚ＝５）となっているため、照射欠損部Ｂが定常的に生じ、レーザ光の軌跡Ｔ１もまた定常的な軌跡を描いている。このように、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２の周波数比が整数となっているときは、定常的に照射欠損部Ｂが生じて、レーザ光を所定の走査範囲に均一に照射させることができない。このような照射欠損部Ｂを生じさせないために、通常は、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２４の周波数比が整数とならないように、それぞれの共振周波数を設定するが、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２４の共振周波数は、周囲温度等の環境変化に応じて変化することも多く、照射欠損部Ｂを完全に生じさせないようにすることは困難である。
【００６０】
そこで、本実施形態の車両用２次元レーザレーダでは、制御部８が第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２の周波数比に応じて第１の弾性梁２０による捩り振動（非共振振動）を制御することによって、以上のような照射欠損部Ｂの発生を抑制するようにしている。
【００６１】
図９は、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２に第１の弾性梁２０を加えてミラー部１８を揺動操作した様子を水平方向及び垂直方向の２次元にて表示したものであり、第１乃至第３の弾性梁２０，２２，２４の捩り振動によりミラー部１８を揺動操作したときのレーザ光の軌跡Ｔ２を前方のスクリーン上に投影したものである。この図９において、図中左右方向には、第１の弾性梁２０の捩り振動及び第２の弾性梁２４の捩り振動によってレーザ光が走査され、図中上下方向には、第３の弾性梁２２の捩り振動によってレーザ光が走査されている。ここで、第１の弾性梁２０は、周波数１０Ｈｚ、振れ角１５度の非共振振動でミラー部１８を図中左右方向に揺動させている。また、第２の弾性梁２４は、周波数２００Ｈｚ、振れ角５度の共振振動でミラー部１８を図中左右方向に揺動させている。また、第３の弾性梁２２は、周波数１ＫＨｚ、振れ角５度の共振振動でミラー部１８を図中上下方向に揺動させている。
【００６２】
この図９に示す例では、図中左右方向（水平方向）に関し、第１の弾性梁２０が振れ角１５度の非共振振動でミラー部１８を揺動させて、レーザ光を水平走査範囲の全域に亘り走査させている間に、第２の弾性梁２４が振れ角５度の共振振動でミラー部１８を揺動させて、レーザ光を微小区間にて細かく走査させている。したがって、この例では、このような第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４とによる連成振動によってレーザ光が満遍なく走査されることになり、照射欠損部Ｂの発生が抑制される。
【００６３】
なお、以上の例のように、第２の弾性梁２４及び第３の弾性梁２２の周波数比が整数となっているときは、実際には微小な照射欠損部Ｂが生じているが、このような微小な照射欠損部Ｂは、自車両前方に均一にレーザ光を照射するという車両用２次元レーザレーダとしての本来の目的からすれば、問題とならないものである。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に、車両前方の所定の位置にレーザ光を走査させて所定の情報を描画する車両用描画装置に本発明を適用した例について具体的に説明する。
【００６５】
本発明を適用した車両用描画装置の全体構成を図１０に示す。この図１０に示す車両用描画装置は、自車両前方に障害物が存在する場合にその近傍にマークを描画表示させることで、運転者に注意を促す描画警告ディスプレイとして構成されるものであり、上述した車両用２次元レーザレーダと同様の照射系及び走査系を有している。そして、この車両用描画装置では、上述した車両用２次元レーザレーダにおける受光系の代わりに、前方センサ５０を備えており、前方センサ５０からの情報をもとに障害物判定部９において自車両前方に障害物が存在することが検出されたときに、制御部８による制御のもとで照射系及び走査系を駆動して、障害物の近傍に所定のマークを描画表示させるようになっている。以下、この車両用描画装置の説明において、上述した車両用２次元レーザレーダと同一の構成要素に対しては同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００６６】
前方センサ５０としては、例えば、可視カメラや赤外線カメラ、レーザレーダ、電磁波レーダ等が有効に適用可能である。この前方センサ５０からの情報は、制御部８を介して障害物判定部９に送られる。障害物判定部９は、前方センサ５０からの情報に基づいて、自車両前方に自車両の走行の妨げとなる障害物が存在するかどうかを判定する。
【００６７】
障害物判定部９によって自車両前方に障害物が存在すると判定された場合、制御部８は、照射系のＬＤ駆動回路２にＬＤ１を発光させる旨の発光司令を出力すると共に、走査系の第１乃至第３の走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃに２次元スキャナ１０を駆動させる指令を出力する。そして、ＬＤ駆動回路２が、制御部８からの発光司令を受けてＬＤ１を発光させ、第１乃至第３の走査駆動部５ａ，５ｂ，５ｃが、制御部８からの指令振れ角に応じて２次元スキャナ１０のミラー部１８を揺動させる。これにより、ＬＤ１から出射されたレーザ光が、２次元スキャナ１０及び反射ミラー７により順次反射されて、自車両前方に存在する障害物の近傍に照射され、この位置に、制御部８による制御に応じた所定のマークが描画表示されることになる。
【００６８】
以上のように構成される車両用描画装置において、２次元スキャナ１０は、上述した車両用２次元レーザレーダにおける２次元スキャナ１０と同様の構造となっている。すなわち、この２次元スキャナ１０では、第１の弾性梁２０及び第２の弾性梁２４の捩り振動によりミラー部１８を揺動操作して、ＬＤ１からのレーザ光を水平方向に走査させると共に、第３の弾性梁２２の捩り振動によりミラー部１８が揺動操作して、ＬＤ１からのレーザ光を垂直方向に走査させるようになっている。そして、レーザ光を水平方向に走査させる第１の弾性梁２０と第２の弾性梁２４とでは、第１の弾性梁２０が非共振梁で構成されているのに対して、第２の弾性梁２４が共振梁で構成され、第１の弾性梁２０による走査速度と走査範囲が、第２の弾性梁２４の走査速度と走査範囲に比べて低速且つ広域となっている。
【００６９】
次に、以上のような車両用描画装置の動作について、図１１を参照して具体的に説明する。なお、図１１は、自車両４０の前方に自車両４０の走行の妨げとなる歩行者４２が存在する場合の様子を示している。
【００７０】
図１１において、自車両４０は、走行車線Ｌ１と追い越し車線Ｌ２の片側２車線の道路の走行車線Ｌ１を走行しており、自車両４０前方の左１５度の方向に歩行者４２が位置している。そして、自車両４０に搭載された車両用描画装置では、自車両４０前方の様子が前方センサ５０によって検出され、障害物判定部９によって歩行者４２の存在が検知された段階で、歩行者４２の近傍にマーク５１を滑らかに描画表示するために、２次元スキャナ１０の水平方向走査範囲Ｓ３を歩行者４２近傍の比較的狭い範囲、例えば１０度の範囲に設定する。また、図９においては図示をしないが、垂直方向走査範囲は１０度の範囲に設定される。
【００７１】
２次元スキャナ１０の走査範囲が以上のように設定されると、制御部８（描画制御手段）による制御のもとで、２次元スキャナ１０の第１の弾性梁２０が、振れ角が左側１５度で固定され、ミラー部１８の向きが歩行者４２の近傍、例えば歩行者４２直前の路面の方向に維持される。また、２次元スキャナ１０の第２の弾性梁２４は、例えば最大振れ角が２．５度、振動周期が５ｍｓｅｃの正弦振動を行い、第３の弾性梁２２は、例えば最大振れ角が２．５度、振幅周期が０．５ｍｓｅｃの正弦振動を行って、ミラー部１８を歩行者４２直前の路面に向かう方向にて揺動させる。
【００７２】
また、これと同時に、ＬＤ１からレーザ光が出射され、このレーザ光が２次元スキャナ１０及び反射ミラー７により反射されることで、歩行者４２直前の路面上にて走査される。これにより、歩行者４２直前の路面上に、例えば三角形のマーク５１が描画表示され、このマーク５１の描画表示によって、自車両４０の前方に歩行者４２が存在することが運転者に報知される。
【００７３】
なお、以上の例では、歩行者４２直前の路面上に三角形のマーク５１を描画表示することで、自車両４０の前方に歩行者４２が存在することを運転者に報知するようにしているが、マーク５１を描画表示する位置やそのマーク５１の形状等は以上の例に限定されるものではなく、その状況に応じて最適な表示位置や形状等を適宜選択すればよい。また、歩行者４２以外にも、例えば先行車両や自転車、対向車等が存在する場合にも、以上の例と同様に所定のマーク５１を描画表示して、運転者に注意を促すことが可能である。
【００７４】
以上説明したように、本発明を適用した車両用描画装置では、２次元スキャナ１０が非共振梁である第１の弾性梁２０と共振梁である第２の弾性梁２４とを併用してＬＤ１からのレーザ光を水平方向に走査させるようにしており、共振型スキャナの利点と非共振型スキャナの利点との両立が図られている。したがって、このような２次元スキャナ１０を備える車両用描画装置は、自車両前方に障害物が存在する場合に、それを運転者に報知するためのマークを所定の位置に適切且つ滑らかに描画表示することができ、運転者に注意を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した車両用２次元レーザレーダの全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】前記車両用２次元レーザレーダが備える２次元スキャナを模式的に示す側面図である。
【図３】前記２次元スキャナの平面図である。
【図４】前記車両用２次元レーザレーダを用いて自車両前方の障害物を検出する動作を説明する図であり、自車両前方に障害物が存在しない場合の様子を示す図である。
【図５】前記２次元スキャナにおける第１及び第２の弾性梁の振れ角を時間的に記録したグラフを示す図である。
【図６】前記車両用２次元レーザレーダを用いて自車両前方の障害物を検出する動作を説明する図であり、自車両前方に先行車両が存在する場合の様子を示す図である。
【図７】先行車両に対して追従測距を行う際の前記２次元スキャナにおける第１及び第２の弾性梁の振れ角を時間的に記録したグラフを示す図である。
【図８】第２の弾性梁及び第３の弾性梁のみによりミラー部を揺動操作した際のレーザ光の軌跡を水平方向及び垂直方向の２次元にて示した図である。
【図９】第２の弾性梁及び第３の弾性梁に第１の弾性梁を加えてミラー部を揺動操作した際のレーザ光の軌跡を水平方向及び垂直方向の２次元にて示した図である。
【図１０】本発明を適用した車両用描画装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図１１】前記車両用描画装置を用いて自車両前方の障害物の近傍に所定のマークを描画表示する動作を説明する図であり、自車両前方に歩行者が存在する場合の様子を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザダイオード（ＬＤ）
２  ＬＤ駆動回路
３  フォトディテクタ（ＰＤ）
４  受光回路
５ａ，５ｂ，５ｃ  走査駆動部
６ａ，６ｂ，６ｃ  走査位置検出部
８  制御部
９  障害物判定部
１０  ２次元スキャナ
１８  ミラー部
２０  第１の弾性梁
２２  第３の弾性梁
２４  第２の弾性梁
５０  前方センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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