(57)【要約】【課題】光の走査範囲を広くしても光の走査範囲の歪みを少なくでき、且つ、装置のコンパクト化および薄型化を図ることのできる光走査装置を提供すること。【解決手段】光走査装置１０は、第１軸ａ１を中心に回転する可動フレームと、第２軸ａ２を中心に回転可能な状態で可動フレームに支持され回転する可動部と、可動部に配置されるミラー１４と、出力光を生成する光出力部１１と、を備え、ミラー１４は第２軸ａ２に対して傾斜した反射面を有し、反射面に出力光が入射する光軸ａ０は、第２軸ａ２の方向成分の大きな方向を向き、反射面を反射した出力光の照射方向が、可動フレームの回転と可動部の回転とにより２つの方向に変化する構成を採る。【選択図】図１
2016080899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸を中心に回転可能に支持され、前記第１軸を中心に回転する可動フレームと、
第２軸を中心に回転可能な状態で前記可動フレームに支持され、且つ、前記可動フレームよりも大きな回転角度で回転する可動部と、
前記可動部に配置されるミラーと、
出力光を生成する光出力部と、
を備え、
前記ミラーは前記第２軸に対して傾斜した反射面を有し、
前記反射面に入射する前記出力光の光軸は、前記第１軸の方向成分、並びに、前記第１軸と前記第２軸との両方に垂直な方向成分よりも、前記第２軸の方向成分の大きな方向を向き、
前記反射面を反射した前記出力光の照射方向が、前記可動フレームの回転と前記可動部の回転とにより２つの方向に変化する、
光走査装置。
【請求項２】
前記反射面は、前記第２軸に対して４５°±１５°の傾斜を有する、
請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
前記反射面に入射する前記出力光の光軸に対して、前記反射面が垂直に近づく方向をプラス方向、垂直から離れる方向をマイナス方向として、
前記第２軸の向きは、前記光軸に対して＋１５°から−５°の範囲に含まれる、
請求項１または２記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第１軸の向きは、水平方向±１５°の範囲に含まれ、
前記第２軸の向きは、鉛直方向±１５°の範囲に含まれる、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記可動フレームは、第１線状バネにより支持され、前記第１線状バネがねじれることで前記第１軸を中心に回転するように構成され、
前記可動部は、第２線状バネにより前記可動フレームと接続され、前記第２線状バネがねじれることで前記第２軸を中心に回転するように構成され、
前記光走査装置は、
電磁力により前記可動フレームにモーメントを与えて前記可動フレームを回転させる第１駆動部と、
電磁力により前記可動部にモーメントを与えて前記可動部を回転させる第２駆動部と、
を備える、
請求項１記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射先を２方向に移動させる光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばレーザレーダ、或いは走査型プロジェクタにおいて、光の照射先を２方向に移動させる光走査装置が用いられる。一般的な光走査装置においては、レーザ光をミラーで反射して外部に照射し、ミラーの角度を変えることで光の照射先を移動させる構成が利用される（例えば特許文献１を参照）。以下、光の照射先が移動することを走査、光の照射先の移動範囲のことを走査範囲と呼ぶ。
【０００３】
光走査装置においては、ミラーの回転角度を大きくして、光の走査範囲を広くしたときに、光の走査範囲に歪みが生じるという課題が生じることがある。すなわち、ミラーを水平方向に−９０°〜＋９０°の角度範囲で回転し、光を水平方向に走査させる場合、ミラーが０°近傍にあるときと、ミラーが−９０°の近傍又は＋９０°の近傍にあるときとで、光の照射先が鉛直方向にずれてしまい、同一高さの走査が行えなくなる場合がある。
【０００４】
このような課題に対して、特許文献２には、反射面の角度と回転軸の角度との適宜に設定することで、光の走査範囲の歪みを低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１５４８０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９７５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、光走査装置のコンパクト化、特に薄型化が求められている。例えば、車載用のレーザレーダでは、車両のフロンド部又はリア部の小さなスペースに配置されることが要求されるため、装置を前後方向に薄くする必要がある。
【０００７】
しかしながら、光の走査範囲を広くし、且つ、光の走査範囲の歪みを低減した上記従来の構成では、光出力部の配置を確保するために装置の前後方向の厚みが増すという課題がある。また、光の走査範囲を広くし、且つ、光の走査範囲の歪みを低減した上記従来の構成では、ミラーを回転させる機構が複雑且つ大型化して、装置全体が大型化するという課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、光の走査範囲を広くしても光の走査範囲の歪みを少なくでき、且つ、装置のコンパクト化および薄型化を図ることのできる光走査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る光走査装置は、第１軸を中心に回転可能に支持され、前記第１軸を中心に回転する可動フレームと、第２軸を中心に回転可能な状態で前記可動フレームに支持され、且つ、前記可動フレームよりも大きな回転角度で回転する可動部と、前記可動部に配置されるミラーと、出力光を生成する光出力部と、を備え、前記ミラーは前記第２軸に対して傾斜した反射面を有し、前記反射面に入射する前記出力光の光軸は、前記第１軸の方向成分、並びに、前記第１軸と前記第２軸との両方に垂直な方向成分よりも、前記第２軸の方向成分の大きな方向を向き、前記反射面を反射した前記出力光の照射方向が、前記可動フレームの回転と前記可動部の回転とにより２つの方向に変化する構成を採る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第２軸を中心とした回転方向に光の走査範囲を広くした場合でも、光の走査範囲の歪みを少なくでき、且つ、装置をコンパクト化および薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の光走査装置を示す構成図
【図２】ミラーとアクチュエータとを示す斜視図
【図３】アクチュエータの内部を示す側方図
【図４】実施の形態１の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図
【図５】本発明の実施の形態２の光走査装置を示す構成図
【図６】実施の形態２の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図
【図７】比較例の光走査装置を示す構成図
【図８】比較例の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の光走査装置を示す構成図である。
【００１４】
実施の形態１の光走査装置１０は、レーザ光を外部に出力して走査を行い、戻ってきた反射光を検出して、周囲にある物体（例えば障害物）を検出するレーザレーダ装置である。光走査装置１０は、光出力部１１と、コリメートレンズ１２と、ビームスプリッタ１３と、ミラー１４と、光フィルタ１５と、集光レンズ１６と、光センサ１７と、モニタ用光センサ１８と、アクチュエータ２０とを備えている。
【００１５】
なお、光走査装置１０として必要な構成は、光出力部１１と、コリメートレンズ１２と、ミラー１４と、アクチュエータ２０とである。光走査装置１０が光を走査するだけでよければ、他の構成を省略してもよいし、他の構成を別装置として併設してもよい。
【００１６】
光出力部１１は、例えばレーザダイオードであり、出力光としてレーザ光を生成する。
【００１７】
コリメートレンズ１２は、光出力部１１の出力光を平行光にする。
【００１８】
ビームスプリッタ１３は、出力光と戻り光とを分離する。戻り光とは、距離等を測定する対象物において出力光が反射して戻ってきた光を示す。ビームスプリッタ１３は、光出力部１１の出力光を透過させてミラー１４へ送る一方、外部からミラー１４を経て戻ってくる戻り光を反射して光センサ１７へ送る。ビームスプリッタ１３は、具体的には、光出力部１１の光ビームが通過する部分に透過部（例えば透過窓など）を有し、その他の範囲がミラーとなった構成を適用すればよい。
【００１９】
ミラー１４は、光出力部１１の出力光を反射して、装置外部へ照射する。ミラー１４は、アクチュエータ２０により、２軸を中心とした２つの回転方向に回転し、出力光を照射する方向を２つの方向に変化させる。ミラー１４の傾斜角度と光出力部１１の光軸の方向とについては後述する。
【００２０】
光フィルタ１５は、光出力部１１の出力光（例えば赤外光）を透過させ、他の波長（例えば可視光波長）の光を吸収する。
【００２１】
集光レンズ１６は、ビームスプリッタ１３により分離された戻り光を集光する。
【００２２】
光センサ１７は、例えばフォトダイオードであり、集光レンズ１６により集光された光の強度を検出する。
【００２３】
モニタ用光センサ１８は、光出力部１１の出力強度を調整するために、光出力部１１の出力光の強度をモニタする。モニタ用光センサ１８は、例えばフォトダイオードであり、光出力部１１の漏れ光が当たる位置に設けられる。
【００２４】
図２は、ミラーとアクチュエータとを示す斜視図である。図３は、アクチュエータの内部を示す側方図である。
【００２５】
アクチュエータ２０は、電磁力を利用して、ミラー１４を２つの回転方向に駆動する装置である。アクチュエータ２０は、可動部２３と、可動フレーム２１と、１対２組の線状バネ２２、２２、２４、２４と、一対の磁石２７ａ、２７ａと、１個の磁石２７ｂと、電磁石２８、２９とを備えている。
【００２６】
可動フレーム２１は、線状バネ２２によりアクチュエータ２０の機枠に支持され、線状バネ２２がねじれることで、第１軸ａ１を中心に回転する。可動フレーム２１が回転する角度範囲は、比較的に小さく、具体的には、−３０°〜＋３０°より狭く、さらに具体的には、−２０°〜＋２０°より狭く、且つ、−１５°〜＋１５°より広い角度範囲に設定されている。
【００２７】
可動部２３は、線状バネ２４により可動フレーム２１に接続され、線状バネ２４がねじれることで、線状バネ２４に沿った第２軸ａ２を中心に回転する。可動部２３が回転する角度範囲は、可動フレーム２１の回転角度範囲よりも大きく、具体的には、−７０°〜＋７０°より広く、且つ、−９０°〜＋９０°より狭い角度範囲に設定されている。
【００２８】
可動部２３には、ミラー１４が設けられている。可動部２３とミラー１４とは一体的に形成された構成としてもよいし、別体の構成を接着或いは機械的に接続した構成としてもよい。
【００２９】
磁石２７ａは、駆動力を発生するための永久磁石であり、可動フレーム２１に固定されている。磁石２７ａは、可動フレーム２１の回転軸（第１軸ａ１）の後方（図３の左方）に突出して固定されている。
【００３０】
磁石２７ｂは、駆動力を発生するための永久磁石であり、可動部２３に固定されている。磁石２７ｂは、可動部２３の回転軸（第２軸ａ２）から離れた位置に固定されている。
【００３１】
電磁石２８は、ヨークと電磁コイルとを有し、磁石２７ａに電磁力を及ぼす。電磁石２８は、回転軸（第１軸ａ１）を中心に、可動フレーム２１を所定の角度範囲で回転させる。電磁石２８は、可動フレーム２１を、右巻の回転と左巻の回転とをほぼ一定の周期で交互に繰り返すように回転させることができる。
【００３２】
電磁石２９は、ヨークと電磁コイルとを有し、磁石２７ｂに電磁力を及ぼす。電磁石２９は、回転軸（第２軸ａ２）を中心に、可動部２３を所定の角度範囲で回転させる。電磁石２９は、可動部２３を、右巻の回転と左巻の回転とをほぼ一定の周期で交互に繰り返すように回転させることができる。
【００３３】
＜ミラー等の傾斜角＞
続いて、ミラー１４の反射面の傾斜角、アクチュエータ２０の駆動方向、および、出力光の光軸方向の関係について説明する。以下では、可動フレーム２１が可動フレーム２１の回転範囲の中央の位置にあるとき、すなわち、−２０°〜＋２０°の範囲で回転するのであれば、０°の位置にあるときを、アクチュエータ２０の基準状態と呼ぶ。
【００３４】
ミラー１４の反射面は、アクチュエータ２０が基準状態のときに、第２軸ａ２に対して４５°傾斜するように設定されている。さらに、ミラー１４の反射面は、第１軸ａ１に平行となるように設定されている。
【００３５】
なお、ミラー１４の反射面の第２軸ａ２に対する傾斜および第１軸ａ１に対する向きは、誤差として±１５°を含んでいてもよい。この程度の誤差が含まれていても、本実施の形態の作用効果が同様に奏される。
【００３６】
アクチュエータ２０は、基準状態で、第１軸ａ１がほぼ水平に配置され、第２軸ａ２がほぼ鉛直に配置される。ほぼ水平とは、完全に水平な向きから±１５°の範囲を含むものとする。また、ほぼ鉛直とは、完全に鉛直な向きから±１５°の範囲を含むものとする。
【００３７】
ミラー１４の反射面に入射する出力光の光軸ａ０は、第２軸ａ２と平行になるように設定されている。
【００３８】
光軸ａ０の角度は、誤差として±５°を含んでいてもよい。この程度の誤差が含まれていても、本実施の形態の作用効果が同様に奏される。
【００３９】
以上の構成により、光走査装置１０では、アクチュエータ２０を、前後方向（図１の左右方向）に薄型にできる。また、光走査装置１０によれば、光出力部１１を、アクチュエータ２０から第２軸ａ２の方向（例えば図１の上方）に離して配置することで、光出力部１１をアクチュエータ２０の前方（図１の右方）に大きく離す必要がない。よって、実施の形態１の光走査装置１０は、前後方向（図１の左右方向）に薄いコンパクトな構成とすることができる。
【００４０】
＜走査範囲＞
図４は、実施の形態１の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図である。
【００４１】
光走査装置１０は、第１軸ａ１を中心にミラー１４を−１７°〜＋１７°に傾斜させ、第２軸ａ２を中心にミラー１４を−８０°〜８０°の範囲で回転させた場合に、図４の実線に示すような出力光の走査範囲が得られる。図４の破線は、可動フレーム２１と可動部２３との回転範囲を示す。図４に示すように、光走査装置１０の走査範囲は、水平方向の回転角度が大きいときに、走査範囲に鉛直方向の縮小が僅かに見られるが、全体的に歪みの少ない走査範囲となる。
【００４２】
＜比較例＞
図７は、比較例の光走査装置を示す構成図である。図８は、比較例の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図である。
【００４３】
比較例の光走査装置１１０は、アクチュエータ１２０の第２軸ａ２に対して、反射面を傾斜させずにミラー１１４を配置した例である。
【００４４】
比較例の光走査装置１１０において、光出力部１１１と、コリメートレンズ１１２と、ビームスプリッタ１１３と、ミラー１１４と、光フィルタ１１５と、集光レンズ１１６と、光センサ１１７と、モニタ用光センサ１１８と、アクチュエータ１２０とは、実施の形態１の対応する構成と同様のものであり、配置および向きのみが異なる。比較例の光走査装置１１０は、装置の奥行を小さくするために、ミラー１１９を加えて、光出力部１１１の出力光の折り返しを１段増やしている。
【００４５】
比較例の光走査装置１１０では、アクチュエータ１２０の駆動により、第１軸ａ１を中心にミラー１１４を−１７°〜＋１７°に傾斜させ、第２軸ａ２を中心にミラー１１４を−８０°〜８０°に回転させた場合、図８の実線に示すような出力光の走査範囲が得られる。この走査範囲は、第２軸ａ２を中心とする回転角度が大きいときに、光の走査位置が低い方に大きく歪んだ走査範囲となる。図８の破線は、可動フレーム２１と可動部２３との回転範囲を示す。比較例の走査範囲では、水平方向の回転角度が大きいときに、実際の光の走査範囲（図８の実線）がミラーの回転範囲（図８の波線）よりも低くなってしまう。
【００４６】
また、比較例の光走査装置１１０では、水平方向に出力光を照射させるために、アクチュエータ１２０の回転軸（第２軸ａ２）を傾斜して配置し、光出力部１１１もアクチュエータ１２０より前方（図７の右方）に離して配置しなければならない。よって、光走査装置１１０が大型化し、特に前後方向（図７の左右方向）の薄型化を図ることができない。
【００４７】
以上のように、実施の形態１の光走査装置１０によれば、比較例との対比から分かるように、出力光の走査範囲を水平な回転方向に大きくしても、光の走査範囲の歪みを小さくできる。さらに、上述したように、光走査装置１０のコンパクト化、および、光走査装置１０の薄型化を図ることができる。
【００４８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の光走査装置を示す構成図である。
【００４９】
実施の形態２の光走査装置１０Ａは、アクチュエータ２０を実施の形態１と異なる向きに配置した例であり、その他の構成は、実施の形態１と同様である。実施の形態１において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５０】
アクチュエータ２０は、標準状態における第２軸ａ２の向きが、ミラー１４の反射面へ入射する出力光の光軸ａ０に対して、＋１０°傾斜している。傾斜方向は、ミラー１４の反射面が出力光の光軸ａ０に対して垂直に近づく方向を、プラスの方向としている。
【００５１】
光軸ａ０に対する第２軸ａ２の傾斜角は、誤差として±５°を含んでいてもよい。この程度の誤差が含まれていても、本実施の形態の作用効果が同様に奏される。
【００５２】
図６は、実施の形態２の光走査装置の出射ビームの軌跡を示す図である。
【００５３】
実施の形態２の光走査装置１０Ａは、第１軸ａ１を中心にミラー１４を−１７°〜＋１７°に傾斜させ、第２軸ａ２を中心にミラー１４を−８０°〜８０°に回転させた場合に、図６の実線に示すような出力光の走査範囲が得られる。図６の破線は、可動フレーム２１と可動部２３との回転範囲を示す。実施の形態２の走査範囲は、水平方向の回転角度が大きいときに、走査範囲が鉛直方向に低くなる歪みが生じる。しかし、実施の形態２では、水平方向の回転角度が大きいときでも、実際の光の走査範囲（図６の実線）が、ミラー１４の回転範囲（図６の破線）から外れることはない。
【００５４】
以上のように、実施の形態２の光走査装置１０Ａによれば、実施の形態１とほぼ同様に、アクチュエータ２０を、前後方向（図５の左右方向）に薄型にできる。また、光走査装置１０Ａによれば、光出力部１１を、アクチュエータ２０から第２軸ａ２の方向に離して配置することで、光出力部１１をアクチュエータ２０の前方に大きく離す必要がない。よって、光走査装置１０Ａを、実施の形態１とほぼ同様に、前後方向に薄いコンパクトな構成とすることができる。
【００５５】
また、実施の形態２の光走査装置１０Ａによれば、出力光の走査範囲を、第２軸ａ２を中心とする回転方向に大きくしても、光の走査範囲の歪みを許容できる範囲に収めることができる。
【００５６】
以上、本発明の各実施の形態について説明した。
【００５７】
なお、上記実施の形態では、光出力部１１の出力光をミラー１４の反射面に直接に入射する構成を一例として説明した。しかしながら、光出力部１１の出力光を別のミラー等の光学素子で方向を変えてからミラー１４に入射する構成としてもよい。このような構成により、光出力部１１の配置を前後左右にずらすことができ、また、光出力部１１からの光の出射方向を様々な方向に変更することができる。
【００５８】
また、上記実施の形態では、ミラー１４の反射面を、上方から入射する出射光を水平方向へ反射するように傾斜させているが、下方から入射する出射光を水平方向へ反射するように傾斜させてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態では、アクチュエータの可動枠と可動部とを線状バネにより支持する構成を一例として説明したが、回転軸により支持する構成を採用してもよい。また、アクチュエータは、可動枠および可動部の何れか又は両方に電磁コイルを設けたムービングコイル方式のアクチュエータとしてもよい。また、電磁力でなく、モータ等の駆動力を利用して、可動枠と可動部とを回転させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、レーザレーダ、走査型プロジェクタ装置、レーザプリンタ等の光走査装置に利用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０Ａ  光走査装置
１１  光出力部
１２  コリメートレンズ
１３  ビームスプリッタ
１４  ミラー
１５  光フィルタ
１６  集光レンズ
１７  光センサ
１８  モニタ用光センサ
２０  アクチュエータ
２１  可動フレーム
２２、２４  線状バネ
２３  可動部
２７ａ、２７ｂ  磁石
２８、２９  電磁石
ａ０  光軸
ａ１  第１軸
ａ２  第２軸
【図１】
2016080899.tif 000003
【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】
2016080899.tif 000008
【図７】
2016080899.tif 000009
【図８】
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