JP2013238440A - ビームスキャン式対象物検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で光軸調整可能なビームスキャン式対象物検知装置の光送受信部の光軸調整機構を提供する。
【解決手段】送信ヘッド部と受信部からなるビームスキャン式対象物検知装置の光送受信部において、θＺ方向（首振り方向）調整は、送信ヘッド部と受信部との間で、ピンを支点として、送信ヘッド部を回動させることにより行う。また、θＸ方向（うなずき方向）調整は、送信ヘッド部内に設けた板ばね調整機構により、調整ねじを押引きしすることにより行う。あるいは、上記θＸ方向調整に代えて、送信ヘッド部にさらにマスク部を備え、このマスク部を移動し、もしくはマスク部の上下をカバー体でカバーして、上下方向の連続的なビーム位置調整を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、道路の適所に設置され、通過する車両などの対象物を検出する装置に関して、特に、ビーム光をスキャンさせ、対象物を検出する装置に関する。

通行する車両などの対象物を検出し、検出した車両の車種を判定して、自動的に課金を行うシステムがある。このようなシステムにおいては、車両の料金区分を判定するため、車長、車幅、車高、牽引の有無等を検出する必要がある。

このような車両検知装置として道路の片側に投光ユニット部、他方の側に受光ユニット部を設置した、投受光式の車両検知装置が広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。

このような車両検知装置は、大掛かりで、投光ユニットと受光ユニットを道路の両側に設置する必要があり、車両検知装置の製造・設置・保守にかかる費用が高くなる。そのため、ビームスキャン方式による車両検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、ビームスキャン方式による車両検出装置において、ビームを走査する走査ミラーを用いてビームの位置ずれを調整し、より歪の少ない画像を得るため、走査ミラーの角度調整を行うものがある。この角度調整方法として、走査ミラー保持部にシムを挿入して走査ミラーの出射光角度を調整する方法が提案されている。（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−２１０４７３号公報（図１） 特許第３７１４０４７号公報（図６） 特開２００６−２５９２４２号公報（図４）

このようなビームスキャン方式の車両検知装置においては、送信ビーム光（ビームスキャン光）を車両等の対象物に当て、対象物からの反射光を受光素子に取り込むことで、対象物の検出を行う。そのため、ビームスキャン光を対象物に正確に投写し、その送信ビーム光を受信部（受光部と同じ）に有効に取り込む必要がある。

送信ビーム光（ビームスキャン光）の位置は、レーザ等の発光素子とスキャン光に変換する走査ミラーとの位置関係により決定されるため、製造時には、双方の位置ずれ（角度ずれ）を最小限にとどめる必要がある。送信ビーム光に対する受光素子の面積マージンにもよるが、受光素子に送信ビーム光が取り込まれない場合、対象物を検出できないため、注意する必要がある。

特許文献２では、対象物（車両）の位置に送信ビーム光（ビームスキャン光）を効率よく当てるため、ボリューム等を調整することにより、走査ミラー駆動部への印加電圧を調整、ビーム中心位置のオフセット調整と振幅調整を実施している。この調整は、製造時に発光素子と走査ミラーとの位置ずれをオフセットさせて調整しているだけのものであり、
その後にボリューム等での調整を予定していて、製造時において発光素子と走査ミラーとの位置調整がなされているわけではない。従って、本来の受光素子に対する送信ビームの位置ずれの補正ができているわけではないため、かえって受光効率が悪くなるおそれがある。

ここで、上記特許文献３のように、走査ミラーの角度調整方法として、走査ミラー保持部にシムを挿入して、走査ミラーの出射光角度を調整する方法もある。しかしながら、走査ミラーの位置ずれをシムにより光軸調整する場合、シム厚みの最適化が必要であり、離散的な調整となるため調整に多くの時間を要するという問題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、走査ミラーから出射されるビームスキャン光の位置を正確にかつ短時間で調整する方法を得ることを目的としている。

この発明に係るビームスキャン式対象物検知装置は、ビームスキャン光を対象物に放射し、当該対象物から反射した反射光を受信部で検出することにより対象物を検知するビームスキャン式対象物検知装置において、前記ビームスキャン光を前記対象物に放射する送信ヘッド部と前記対象物から反射したビーム光を検出する受信部とを持つ光送受信部と、レーザ光源が設置され、当該レーザ光源を所望のタイミングと強度で放射するべく制御する制御部と、前記対象物に放射されたビームスキャン光をリファレンスするためのリファレンス光を形成するためのリファレンス板を備えたヘッド部と、を有し、前記ビームスキャン光の対象物への放射位置を調整する際に基準となる基準線および上限、下限の目印を持つ光軸調整治具に配置された上記光送受信部が、上記光軸調整治具の上記基準線および目印を基準として、前記送信ヘッド部を受信部に対して回動させて行う、前記受信部のＺ軸回りの回転方向の連続的なビーム角度調整と、前記送信ヘッド部内の走査ミラーを回動させて行う、前記受信部のＸ軸回りの回転方向の連続的なビーム角度調整と、を予め行う光軸調整機構を備えたものである。

この発明によれば、ビームスキャン式対象物検知装置において、首振り方向のビーム角度調整を、送信ヘッド部を受信部に対して調整するようにしたこと、うなずき方向のビーム角度調整を、送信ヘッド部内で連続的に調整可能な光軸調整機構を設けたことで、首振り方向とうなずき方向のビーム角度調整を互いに他の影響を受けることなく独立してできる。また、シムを用いた調整とは異なり、ビーム角度調整を離散的でなく、連続的にできるため、光軸調整時間を大幅に短縮することが可能となる。

本発明の実施の形態１におけるビームスキャン対象物検知装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるビームスキャン対象物検知装置の光送受信部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における対象物検知装置の光送受信部における光軸調整機構の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における対象物検知装置の光送受信部における送信ヘッド部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における対象物検知装置の光軸調整装置を示す図である。 本発明の実施の形態１における対象物検知装置の光送受信部の光軸調整フローを示す図である。 本発明の実施の形態２における対象物検知装置の光送受信部における送信ヘッド部の構造を示す図である。 本発明の実施の形態２における対象物検知装置の光送受信部における光軸調整フローを示す図である。

以下、本発明のビームスキャン式対象物検知装置の実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による対象物検知装置１００の構成を示す図である。以下、まず、この対象物検知装置について説明する。
この対象物検知装置１００は、ヘッド部１０と制御部２０とを備え（図１（ａ）参照）、ヘッド部１０には、ビームスキャン光を送受信する光送受信部３０が設置されている（図１（ｂ）参照）。制御部２０には、図示しないレーザ光源が設置され、レーザ光源からのビーム光はファイバ３を介して、光送受信部３０に取り込まれる。

図２は、光送受信部３０の構成を示す図である。光送受信部３０は、送信ヘッド部１及び受信部２から構成される。ファイバ３を介して、送信ヘッド部１に取り込まれたビーム光は、コリメートレンズ部４にて集光され、走査ミラー５によって反射される。ここで、走査ミラー５には、駆動源としてガルバノやMEMSスキャナ等が用いられており、走査ミラーは高速で、例えば２０度程度の角度範囲で揺動している。したがって、走査ミラー５によって反射したビームスキャン光は、例えば４０度程度の角度範囲内を一次元的、かつ周期的に走査される。

光送受信部から放射されたビームスキャン光は、対象物等の対象物（反射物体）に当たって反射する。対象物（反射物体）にて反射した反射光は、受光レンズ６で集光されて、受光素子７に入射される。受光素子７には、受光した光の強さに比例する電流が流れ、この電流値を信号処理することにより、対象物（反射物体）を検出する。なお、ここで、リファレンス板８を用いて、ビームスキャン光の一部を、車両等の対象物に当てず、リファレンス光として、直接、受光素子７に取り込むことで、同期をとっている。

なお、図２において示した座標の意味は以下の通りである。X軸とは受信部２の左右方
向の軸（図１（ａ）の紙面に垂直方向の軸）、Y軸とは受光レンズの光軸方向の軸、Z軸とは受信部２の上下方向の軸を示している。また、θXは、X軸の軸周りの回転方向、θYはX軸の軸周りの回転方向、θZはZ軸の軸周りの回転方向をそれぞれ示している。また、以下においては、θX方向をうなずき方向、θZ方向を首振り方向とも称する。

ここで、上述の光送受信部３０では、送信光（ビームスキャン光）と受信部（受光レンズ、受光素子）との位置合わせが重要となるが、本発明においては、対象物の位置も含み、特に、上記のX、Y、Zの３軸の周りの回転方向（上述のθX、θY、θZ方向）に精度よく設置する必要がある。すなわち、送信光と受信部の間で、角度ズレ（θX、θY、θZ方向へのズレ）が生じている場合、結果として、送信光と受信部の間の大きな位置ズレにつながるため、ここの角度精度を確保することは重要となる。そのため、光送受信部３０に、図３に示すような光軸調整機構９を設けている。

そこで、まず、θZ方向（首振り方向）の調整について、図３を用いてより詳しく説明
する。受信部２の上下方向の軸であるZ軸の回転方向であるθZ方向の調整は、送信ヘッド部１と受信部２との間で、ピン１１を支点として、送信ヘッド部１を回動させることにより行う。回動後は、送信ヘッド部１の下方に設置した２箇所の固定ねじ１２によって、送
信ヘッド部１を受信部２に対して固定する。以上で説明した方法により、θZ方向の調整
を行う（図３（ａ）参照）。

また、受信部２の左右方向の軸であるX軸の回転方向であるθX方向（うなずき方向）の調整は、送信ヘッド部１内に設けた板ばね１６と調整ねじ１３により行う。図４に、この送信ヘッド部の構成の詳細を示す（図３（ｂ）参照）。以下、図４を用いて、この詳細内容について説明する。

図４中に矢印で示したように、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）の順に、送信ヘッド部１の各構成部品は組み立てられる。
走査ミラー５を送信ヘッド部に設置するため、まず、図４（ａ）に示すように、この走査ミラーを保持する走査ミラー保持板を支持する保持ブロック１７が、組み込まれる。
次に、図４（ｂ）に示すように、走査ミラー５を走査ミラー保持板１５を介して保持ブロック１７に取り付けるため、走査ミラー保持板の軸部１５ａを保持ブロック１７に設けられた切欠き部１７ａに挿入する。
次いで、図４（ｃ）に示すように、走査ミラー保持板の軸部１５ａは、保持ブロック１７に設けられた切欠き部１７ａと板ばね１６によって、該板ばねの両側各２箇所に設けたねじ部で挟み込まれ、回動できるようになっている。上記板ばね１６は、板ばね１６の上部に設けられた２箇所の押さえ部１６ａで、走査ミラー保持板１５を同時に抑える。
最後に、図４（ｄ）に示すように、保持ブロック１７にカバー１４を締結させる。ここで、カバー１４には、調整ねじ１３が備え付けられており、調整ねじにて、走査ミラー保持板を押し引きすることで、走査ミラーのθX方向（うなずき方向）の位置を調整する。
調整後、調整ねじをナット等の締結部材で固定する。さらに、図示しない固定ボルトでカバー１４と走査ミラー保持板１５とを締結させ、完全に固定させることも可能である。

なお、ここで、θY方向に関しては、位置決め基準を基に組み立てることで必要精度を
確保する。まず、走査ミラー５に設けられた位置決め基準となる穴部に走査ミラー保持板１５に設けられたピンを挿入、嵌合させ、位置決めする。送信ヘッド部１へ組み込む際は、保持ブロックの切欠き部１７ａに走査ミラー５と一体となった走査ミラー保持板の軸部１５ａを当接させて組み立てる。すなわち、ビームがθY方向には、多少回転していても、ビームの受信視野内に入り、検知性能への影響は少ないため、このように、位置決め基準を基に組み立てるだけで、精度を確保できる。また、光送受信部組立後、ビームを発光、検出しながらの光軸調整作業はしない。

次に、ビーム調整作業の手順に関して順を追って説明する。ビーム位置調整は、図５に示す光軸調整治具２００を使用して実施される。光軸調整治具２００は、光送受信部３０の設置部２０１、設計上の基準線及びビームの上限及び下限位置にけがき線等の目印が設けられたビーム確認用アングル部２０３及びそれらをつなぐベース部２０４から構成される。すなわち、ビームが、基準線及び上下限位置からずれている場合、受信部の受信視野内に、検知対象物から反射したビームを検出できないため、以下、この基準位置にビーム位置を合わせる作業について説明する。

図６に本実施の形態におけるビーム位置調整手順のフローチャートを示す。まず、光軸調整治具２００に、光送受信部３０を設置部２０１上に設けられた位置決め部２０２を基準に設置する。これにより、光送受信部３０の受信部２が、光軸調整治具２００に対して、位置決めされる。以下、送信ヘッド部１からのビームスキャン光を光軸調整治具２００のビーム確認用アングル部２０３上で確認、アングル部２０３に投写されたビーム位置が、アングル部２０３に描画している基準線もしくは、上下位置からずれている場合、ビーム位置調整を実施する。

ここで、先に基準線を合わせるか、上下位置を合わせるかは、調整機構が独立しているため、任意であり、どちらから調整を開始してもよい。以下、仮に、先に基準線を合わせるとして、調整手順を説明する。

アングル部２０３に投写されたビーム位置が基準軸からずれていた場合、θZ方向（首
振り方向）位置調整を行う。すなわち、送信ヘッド部１と受信部２との間でピン１１を支点として、送信ヘッド部１を回動させ、ビーム位置と基準けがき線位置を合わせる。双方を合わせた後、２箇所の固定ねじ１２によって、送信ヘッド部１を受信部２に対して固定する。これにより、θZ方向の調整が完了する。

次に、アングル部２０３に投写されたビーム位置が上下方向にずれていた場合、θX方
向（うなずき方向）のビーム位置調整を行う。すなわち、アングル部２０３に投写されたビーム位置が、上限と下限のけがき線の位置とずれていた場合、送信ヘッド部のカバー１４に設けられた調整ねじ１３を工具（ドライバ）にて動かし、走査ミラーの角度を調整し、けがき線の上限、下限位置とビーム位置とを合わせる。双方の位置を合わせた後、調整ねじをナット等の締結部材で固定する。

最後に、アングル部２０３に投写されたビーム位置が、規定の基準線、上限及び下限のけがき線の位置内におさまっていることを確認し、調整作業を終了する。

なお、ここで、ビーム光として、1.5μｍ帯の赤外光を用いた場合は、光軸調整治具の
アングル部２０３上のビーム位置を目視では確認できないため、ビーム検出に、赤外カメラを用いる、もしくは赤外光を可視光に変換する蛍光体を埋め込んだ赤外センサカードを用いて、ビーム位置を検出する。

赤外センサカードは、ビーム光を一定時間、一定位置に、連続で照射されていると、蛍光体が飽和し、可視光に変換できなくなり、ビーム位置を目視では確認できなくなる。そのため、ビーム光を連続照射させず、周期的にオンオフさせる、もしくは、赤外センサカードを動かし、一定位置にビーム光が照射されないようにする。

以上のように、実施の形態１によれば、ビームスキャン光の位置が基準線からずれている場合は、送信ヘッド部全体を受信部に対して回動し調整するようにしたこと、ビーム光位置が上下方向にずれている場合は、送信ヘッド部内に設けた板ばね調整機構により、調整ねじを押引きしすることにより調整するようにしたこと、これら調整機構では調整軸が独立化しているため、連続的に調整できることより、調整時間の短縮効果を奏することが可能になる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２による対象物検出機器の光送受信部５０を示す図である。図7中、図７（ａ）は光送受信部５０の全体図を示し、図７（ｂ）は送信ヘッド部のマスク板５１の拡大図を示す。本実施の形態２の光送受信器の送信ヘッド部のマスク板５１には、そのピン挿入用穴５１ａ及び穴部として、長穴部５１ｂが設けられ、図中の矢印の方向（上下方向）に移動可能に設置されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。但し、送信ヘッド部１内のθX方向（うなずき方向）調整機構は、上記マスク板５１を上下方向に移動して調整することで代替するため、必要としない。また、その他の光軸調整治具については、実施の形態１と同様である。

図８に、本実施の形態におけるビーム位置調整手順のフローチャートを示す。まず、光軸調整治具２００に、光送受信部５０を、設置部２０１上に設けられた位置決め部２０２を基準に設置する。これにより、光送受信部５０の受信部２が、光軸調整治具２００に対
して、位置決めされる。以下、送信ヘッド部からのビームスキャン光を光軸調整治具２００のビーム確認用アングル部２０３上で基準線、及び上限または下限のけがき線を基にして確認する。
アングル部２０３に投写されたビーム位置が、アングル部２０３に描画している基準線もしくは、上下位置からずれている場合、ビーム位置調整を実施する。

ここで、先に基準線を合わせるか、上下位置を合わせるかは、調整機構が独立しているため、任意であり、どちらから調整を開始してもよい。以下、仮に、先に基準線を合わせるとして、調整手順を説明する。

アングル部２０３に投写されたビーム位置が基準軸からずれていた場合、θZ方向（首
振り方向）位置調整を行う。すなわち、送信ヘッド部１と受信部２との間でピン１１を支点として、送信ヘッド部１を回動させ、ビーム位置と基準けがき線位置を合わせる。双方を合わせた後、２箇所の固定ねじ１２によって、送信ヘッド部１を受信部２に対して固定する。これにより、θZ方向の調整が完了する

次に、アングル部２０３に投写されたビーム位置が上下方向にずれていた場合、マスク板５１を上下に動かすことにより位置を調整する。または、上限もしくは下限位置にテープを貼ることにより位置調整する。

最後に、アングル部２０３に投写されたビーム位置が、規定の基準線、上限および下限のけがき線の位置におさまっていることを確認し、調整作業を終了する。

以上のように、実施の形態２によれば、ビームスキャン光の位置が基準線からずれている際は、送信ヘッド部全体を受信部に対して回動し調整するようにしたこと、ビームスキャン光位置が上下方向にずれている場合は、光送受信部に設けられたマスク板を上下に調整、もしくはマスク上にテープを貼ることにより、ビームスキャン光位置を調整することで、調整機構における調整軸を独立化でき、調整時間を短縮することが可能になる。
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 送信ヘッド部、２ 受信部、３ ファイバ、４ コリメートレンズ部、５ 走査ミラー、６ 受光レンズ、７ 受光素子、８ リファレンス板、９ 光軸調整機構、１０ ヘッド部、１１ ピン、１３ 調整ねじ、１５ 走査ミラー保持板、１６ 板ばね、２０
制御部、３０、５０ 光送受信部、５１ マスク板、１００ 対象物検知装置、２００
光軸調整治具。

Claims (4)

1. ビームスキャン光を対象物に放射し、当該対象物から反射した反射光を受信部で検出することにより対象物を検知するビームスキャン式対象物検知装置において、
   前記ビームスキャン光を前記対象物に放射する送信ヘッド部と前記対象物から反射したビーム光を検出する受信部とを持つ光送受信部と、
   レーザ光源が設置され、当該レーザ光源を所望のタイミングと強度で放射するべく制御する制御部と、
   前記対象物に放射されたビームスキャン光をリファレンスするためのリファレンス光を形成するリファレンス板を備えたヘッド部と、を有し、
   前記ビームスキャン光の対象物への放射位置を調整する際に基準となる基準線および上限、下限の目印を持つ光軸調整治具に配置された上記光送受信部が、上記光軸調整治具の上記基準線および目印を基準として、
   前記送信ヘッド部を受信部に対して回動させて行う、前記受信部のＺ軸回りの回転方向の連続的なビーム角度調整と、
   前記送信ヘッド部内の走査ミラーを回動させて行う、前記受信部のＸ軸回りの回転方向の連続的なビーム角度調整と、を予め行う光軸調整機構を備えたことを特徴とするビームスキャン式対象物検知装置。
2. 前記Ｘ軸回りの回転方向のビーム角度調整は、前記送信ヘッド部内に設けられた走査ミラーの角度調整機構にて行うことを特徴とする請求項1に記載のビームスキャン式対象物検知装置。
3. 前記光軸調整機構は、Ｚ軸回りの回転方向のビーム角度調整を、前記送信ヘッド部と受信部との間で受信部に設けたピンを支点として、送信ヘッド部を回動させることにより行う機構と、Ｘ軸回りの回転方向のビーム角度調整を、前記送信ヘッド部内に設けた板ばねと調整ねじにより、前記走査ミラーを保持する走査ミラー保持板を押し引きして行う機構とを含むことを特徴とする請求項1に記載のビームスキャン式対象物検知装置。
4. ビームスキャン光を対象物に放射し、当該対象物から反射した反射光を受信部で検出することにより対象物を検知するビームスキャン式対象物検知装置において、
   前記ビームスキャン光を前記対象物に放射する送信ヘッド部と前記対象物から反射したビーム光を検出する受信部とを持つ光送受信部と、
   レーザ光源が設置され、当該レーザ光源を所望のタイミングと強度で放射するべく制御する制御部と、
   前記送信ヘッド部に設置したビームスキャン光の一部をマスクするマスク部と
   前記対象物に放射されたビームスキャン光をリファレンスするためのリファレンス光を形成するリファレンス板を備えたヘッド部と、を有し、
   前記ビームスキャン光の対象物への放射位置を調整する際に基準となる基準線および上限、下限の目印を持つ光軸調整治具に配置された上記光送受信部が、上記光軸調整治具の上記基準線および目印を基準として、
   前記送信ヘッド部を受信部に対して回動させて行う、前記受信部のＺ軸回りの回転方向の連続的なビーム角度調整と、
   前記マスク部を移動し、もしくはマスク部の上下をカバー体でカバーして、上下方向の連続的なビーム位置調整と、を予め行う光軸調整機構を備えたことを特徴とするビームスキャン式対象物検知装置。

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