JP4619180B2 - 光走査用アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、光走査用アクチュエータに関するものである。

従来、レーザ光等の走査装置を利用した装置として、走査型レーザレーダ装置、レーザスキャナ、レーザプリンタ、レーザマーカ、物体監視装置等が知られている。これらの装置の中で、例えば、車両の衝突防止のための走査型レーザレーダ装置で使用する走査装置には、基端が固定され、先端が電磁駆動手段によって揺動される板ばね部材に取り付けた反射鏡等の光学素子に、板ばね部材とは異なる所定位置に固定された光源から光を照射し、前記光学素子によって前記光を屈折或いは反射させることにより前記光を走査させる板ばね式の光走査用アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。この板ばね式の光走査用アクチュエータは、モータによって反射鏡を回転させることで光を揺動させるモータ式の光走査用アクチュエータに比べ、構造が簡単で、小型であり、耐久性に優れると共に、安価であるという利点を有している。

国際公開第０２／００８８１８号パンフレット

ところで、特許文献１に開示された光走査用アクチュエータは、例えば、図１４に示すように、固定部材１に基端が固定された板ばね部材２の先端に反射鏡３を取り付け、固定部材１以外の所定位置に固定された光源４から光を出射する。そして、板ばね部材２を揺動させることにより、中立位置Ｐ1にあった反射鏡３で反射した光Ｌ1を、揺動位置Ｐ2に移動した反射鏡３によって光Ｌ2として反射させることで、角度（＝走査角）θ1だけ走査させている。

このとき、特許文献１の光走査用アクチュエータは、例えば、車両の低速追従装置のように非常に広い角度範囲を走査するには、板ばね部材２が揺動したときに、光源４から出射された光を板ばね部材２の揺動範囲内で受け、かつ、反射させなければならない。このため、広い角度範囲を走査する光走査用アクチュエータは、図１５に示すように、反射鏡３よりも大きい反射鏡５を用いる必要があった。即ち、図１５に示すように、中立位置Ｐ1にあった反射鏡５で反射した光Ｌ1を、板ばね部材２の揺動によって揺動位置Ｐ3に移動した反射鏡５によって光Ｌ3の方向に反射させることで走査角θ1を超える角度（＝走査角）θ2（＞θ1）を実現する必要があった。しかし、大型の反射鏡５を使用すると、光走査用アクチュエータは、揺動する板ばね部材２が支える反射鏡５の重量と寸法の増加により、高速での走査や板ばね部材２の安定した揺動動作を維持すること等が難しくなり、応答性等の走査性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、板ばね式光走査用アクチュエータの利点を生かしつつ、走査角を簡易に拡大することが可能な光走査用アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光走査用アクチュエータは、基端が固定され、先端が電磁駆動手段によって揺動される板ばね部材に取り付けた光学素子に光源から出射される光を照射し、前記光学素子によって前記光を屈折或いは反射させることにより前記光を走査させる光走査用アクチュエータであって、前記光源は、前記板ばね部材に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記光学素子は、前記光源から出射される光の出射方向と直交させて前記板ばね部材の先端に取り付けられ、前記光源から出射される光を屈折させるレンズであることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記光学素子は、前記光源から出射される光の出射方向に対して傾斜させて前記板ばね部材の先端に取り付けられ、前記光源から出射される光を反射させる反射鏡であることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記光源は、前記板ばね部材の先端から基端に向かう方向に沿って形成されたスリットの基部に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記光源は、前記板ばね部材の幅方向一方の縁部に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記光源は、前記板ばね部材の側面に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前記板ばね部材は、複数の板ばねを接合すると共に、前記複数の板ばねの接合部に前記光源が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前方車両、歩行者を含む障害物の検出に用いる車載用レーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、前方車両、歩行者を含む障害物の検出に用いるインフラ用レーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする。

また、本発明の光走査用アクチュエータは、上記の発明において、室内状況の変化、室内に存在する人間の動作を含む室内状況の検出に用いられる防犯又は介護用のレーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする。

本発明の光走査用アクチュエータは、光源を板ばね部材に設けることにより、走査光が板ばね部材の揺動に伴う光学素子の動きに追従することを可能とし、光学素子の大型化による走査性能の低下を招くことなく、板ばね式光走査用アクチュエータの利点を生かしつつ、走査角を簡易に拡大することができるという効果を奏する。

（実施の形態１）
以下に、本発明の光走査用アクチュエータにかかる実施の形態１について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の光走査用アクチュエータにかかる実施の形態１を示す斜視図である。図２は、図１の光走査用アクチュエータによる光の走査原理を説明する模式図である。

光走査用アクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」という）１０は、図１に示すように、板ばね部材１３、コイル１４、光源１８及びレンズ１９を備えている。

板ばね部材１３は、図１に示すように、基部フレーム１３ａと先端フレーム１３ｂとによって板ばね１３ｃが支持されており、基部フレーム１３ａが台座１１に立設した支持部材１２に固定されている。板ばね１３ｃは、先端から基端に向かう方向に沿ってスリット１３ｄが形成され、スリット１３ｄの基部に光源１８が設けられている。板ばね１３ｃは、ベリリウム銅，りん青銅或いはステンレス等のばね材の薄板からなり、板面に直交する方向に可撓性を有している。ここで、板ばね１３ｃは、光源１８とコイル１４に電力を給電する導体パターンを形成したフレキシブルプリント基板が接着されているが、銅の薄板から形成した場合には、板ばね１３ｃをグランド用と給電用に分割し、絶縁体を介して接続することで、板ばね１３ｃ自体を電力の給電に使用してもよい。

コイル１４は、図１に示すように、先端フレーム１３ｂの上部に設置され、ヨーク１６に設けた永久磁石１５と協働して電磁駆動手段を構成している。永久磁石１５は、ヨーク１６の内側下部にヨーク１６の円弧方向に沿って配置されている。ヨーク１６は、コイル１４を貫通する扁平円弧状の純鉄等からなる軟磁性材からなる部材であり、ブラケット１７によって一端が支持部材１２の上縁に支持されている。従って、アクチュエータ１０は、コイル１４に通電すると電流の向きによって、永久磁石１５とヨーク１６との間に生ずる磁束を横切るヨークの円弧方向に沿った左方向或いは右方向に生ずるローレンツ力によりコイル１４が移動し、板ばね部材１３が揺動される。このとき、板ばね部材１３は、前記ローレンツ力と板ばね１３ｃの撓みの反力とが釣り合う範囲が揺動範囲となる。また、コイル１４には、１０〜１００Ｈｚの交流電流が通電される。

光源１８は、ＬＤやＬＥＤ等のスポット状の平行光束を出射する発光素子が用いられ、図１に示すように、板ばね１３ｃに形成したスリット１３ｄの基部に設けられている。光源１８は、板ばね部材１３の揺動に伴うレンズ１９の動きに追従する。このとき、光源１８の動作量は、レンズ１９の動作量に比例し、板ばね１３ｃの形状や板ばね１３ｃへの取付位置等によって任意に設定可能である。

レンズ１９は、図１に示すように、板ばね部材１３先端の先端フレーム１３ｂに取り付けられ、光源１８から出射された光を屈折させる。このとき、レンズ１９は、光源１８から出射される光の出射方向と直交させて板ばね部材１３の先端に取り付けるが、光源１８から出射された光を広角度走査することができれば、直交配置に限定されるものではない。レンズ１９は、板ばね部材１３の揺動を妨げることがないように、軽量なフレネルレンズを使用している。

以上のように構成されるアクチュエータ１０は、光源１８が出射した光を走査するときには、コイル１４に通電して板ばね部材１３を揺動させる。このとき、板ばね部材１３には、光源１８が板ばね１３ｃ、即ち、スリット１３ｄの基部に設けられている。このため、図２に示すように、板ばね部材１３を揺動方向の中立位置Ｐ1から揺動させるとき、中立位置Ｐ1にあった光源１８から出射した光Ｌ1は、中立位置Ｐ1のレンズ１９を透過して直進する。一方、板ばね部材１３が揺動した場合、光源１８は、板ばね部材１３の揺動に伴うレンズ１９の動きに追従する。

しかし、板ばね１３ｃは、図２に示すように、先端側程撓み、光源１８を設けた位置では撓み量が小さい。このため、光源１８から出射した光Ｌ2は、図２に示すように、揺動位置Ｐ2に移動したレンズ１９の外縁に入射し、レンズ１９によって大きく屈折された光Ｌ3となって出射される。このため、アクチュエータ１０は、光源１８を揺動する板ばね部材１３に設けたことにより、光源１８から出射した光を走査角θ10まで走査させることができる。

このとき、光源を支持部材に固定されている従来のアクチュエータは、図３に示すように、板ばね部材２の先端にレンズ１９と同じレンズ７を取り付けた場合、板ばね部材２を揺動していないときに光源４から出射した光は、中立位置Ｐ1のレンズ７を透過して直進し、光Ｌ1となって出射する。これに対し、板ばね部材２が揺動して揺動位置Ｐ2にレンズ７が移動した場合、図３に示すように、揺動位置Ｐ2に移動したレンズ７の外縁に入射する。このため、レンズ７の外縁に入射した光は、屈折された光Ｌ4となって出射され、レンズ７に対する揺動範囲の制限により光の走査角は走査角θ10に比べて小さいθ3（＜θ10）となる。

このとき、従来のアクチュエータにおいて、レンズ７よりも大きいレンズ９を使用し、板ばね部材２を図３よりも大きく揺動させれば、走査角θ3を超える走査角θ4（＝θ10）を達成することは可能である。しかし、レンズ９の如く大型化すると、重量の増加により、応答性等の走査性能が低下するという問題が生じてしまう。

このように、光源１８を板ばね部材１３に設けることにより、本発明のアクチュエータ１０は、光源１８が板ばね部材１３の揺動に伴うレンズ１９の動きに追従し、出射光の光軸がレンズ１９の面から外れ難くなるので、板ばね式アクチュエータの利点を生かしつつ、簡易な構成変更によって光源１８から出射した光の走査角を従来のアクチュエータ以上に拡大することができる。

ここで、アクチュエータ１０は、図５に示すように、複数の板ばね１３ｃを接合部１３ｅで接合し、接合部１３ｅに光源１８を設けてもよい。尚、図５を含め、以下の説明で使用する図６，７、図１０，１１、図１２に示すアクチュエータは、コイル１４，永久磁石１５及びヨーク１６を図示することなく省略している。

また、アクチュエータ１０は、図６に示すように、板ばね１３ｃの幅方向一方の上縁に形成した突縁１３ｆに光源１８を設け、或いは、図７に示すように、板ばね１３ｃの側面に形成したブラケット１３ｇに光源１８を設けてもよい。このとき、アクチュエータ１０は、突縁１３ｆやブラケット１３ｇの板ばね１３ｃの長手方向における取付位置を変更することにより、板ばね部材１３の揺動に伴う光源１８の動作量を任意に設定することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明のアクチュエータにかかる実施の形態２について、図面を参照しつつ詳細に説明する。実施の形態１のアクチュエータは、板ばね部材に取り付ける光学素子がレンズであったのに対し、実施の形態２のアクチュエータは、光学素子が反射鏡である。図８は、本発明の光走査用アクチュエータにかかる実施の形態２を示す斜視図である。図９は、図８の光走査用アクチュエータによる光の走査原理を説明する模式図である。ここで、以下に説明するアクチュエータは、実施の形態１のアクチュエータ１０と同一の構成部分には、同一の符号を使用している。

アクチュエータ２０は、板ばね部材１３先端の先端フレーム１３ｂに、光源１８から出射された光を反射させる反射鏡２１が取り付けられている。このとき、反射鏡２１は、光源１８から出射される光の出射方向に対して４５°傾斜させて板ばね部材１３の先端に取り付けられる。ここで、反射鏡２１は、光源１８から出射された光を反射させて広角度走査することができれば、傾斜角度は４５°に限定されるものではない。

従って、アクチュエータ２０は、光源１８が出射した光を走査するときには、コイル１４に通電して板ばね部材１３を揺動させる。すると、板ばね部材１３は、光源１８が板ばね１３ｃ、即ち、スリット１３ｄの基部に光源１８が設けられているため、図９に示すように、板ばね部材１３を揺動方向の中立位置Ｐ1から揺動させるとき、中立位置Ｐ1にあった光源１８から出射した光Ｌ1は、中立位置Ｐ1の反射鏡２１によって反射されて９０°進行方向が曲げられる。一方、板ばね部材１３の揺動によって揺動位置Ｐ2に移動した光源１８から出射した光Ｌ2は、図９に示すように、板ばね１３ｃの先端側が撓み、光源１８を設けた位置Ｐ2では撓み量が小さいため、揺動位置Ｐ2に移動した反射鏡２１の外縁で光Ｌ3として反射される。

このため、アクチュエータ２０は、光源１８を揺動する板ばね部材１３に設けたことにより、光源１８から出射した光を走査角θ11まで走査させることができる。走査角θ11は、大きい反射鏡５を用いた図１５に示す従来のアクチュエータの走査角θ2と同じ大きさである（θ11＝θ2）。すなわち、本発明のアクチュエータ２０は、板ばね部材１３に光源１８を設けることにより、光源１８が板ばね部材１３の揺動に追従するので、大型の反射鏡５を使用することなく大きな走査角を実現することができる。

ここで、アクチュエータ２０は、図１０に示すように、板ばね１３ｃの幅方向一方の上縁に形成した突縁１３ｆに光源１８を設け、或いは、図１１に示すように、板ばね１３ｃの側面に形成したブラケット１３ｇに光源１８を設けてもよい。このとき、アクチュエータ２０は、突縁１３ｆやブラケット１３ｇの板ばね１３ｃの長手方向における取付位置を変更することにより、板ばね部材１３の揺動に伴う光源１８の動作量を任意に設定することができる。また、アクチュエータ２０は、図５に示すアクチュエータ１０のように、複数の板ばね１３ｃを接合部１３ｅで接合し、接合部１３ｅに光源１８を設けてもよい。

尚、実施の形態１，２のアクチュエータ、例えば、実施の形態１のアクチュエータ１０は、図１２に示すように、板ばね１３ｃを先端側の切除量が多くなるように切除してもよい。このように板ばね１３ｃを切除すると、板ばね１３ｃは、先端側に向かって断面係数が小さくなるため、先端側が大きく撓むようになる。また、板ばね部材１３は、図１３に示すように、板ばね１３ｃが基部フレーム１３ａから先端フレーム１３ｂに向かって厚さが薄くなるように成型することで、先端側に向かって断面係数が小さくなるようにし、先端側が大きく撓むようにしてもよい。

また、実施の形態１，２のアクチュエータは、光学素子としてレンズや反射鏡を使用したが、光学素子はこれらの他に、例えば、ホログラム素子やプリズム等を用いることができる。

本発明の光走査用アクチュエータにかかる実施の形態１を示す斜視図である。 図１の光走査用アクチュエータによる光の走査原理を説明する模式図である。 従来の光走査用アクチュエータによる光の走査原理を説明する模式図である。 図３の光走査用アクチュエータにおいて走査角を大きくするため大型のレンズを用いた場合の光の走査原理を説明する模式図である。 実施の形態１に係る光走査用アクチュエータの第１の変形例を示す斜視図である。 実施の形態１に係る光走査用アクチュエータの第２の変形例を示す斜視図である。 実施の形態１に係る光走査用アクチュエータの第３の変形例を示す斜視図である。 本発明の光走査用アクチュエータにかかる実施の形態２を示す斜視図である。 図８の光走査用アクチュエータによる光の走査原理を説明する模式図である。 実施の形態２に係る光走査用アクチュエータの第１の変形例を示す斜視図である。 実施の形態２に係る光走査用アクチュエータの第２の変形例を示す斜視図である。 本発明の光走査用アクチュエータで用いる板ばねの第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の光走査用アクチュエータで用いる板ばねの第２の変形例を示す斜視図である。 従来の光走査用アクチュエータの概略構成と、光の走査原理を説明する模式図である。 図１４のアクチュエータにおいて反射鏡が大型化して操作角を広げる問題点を説明する模式図である。

符号の説明

１０ アクチュエータ
１１ 台座
１２ 支持部材
１３ 板ばね部材
１３ａ 基部フレーム
１３ｂ 先端フレーム
１３ｃ 板ばね
１３ｄ スリット
１３ｅ 接合部
１３ｆ 突縁
１３ｇ ブラケット
１４ コイル
１５ 永久磁石
１６ ヨーク
１７ ブラケット
１８ 光源
１９ レンズ
２０ アクチュエータ
２１ 反射鏡

Claims (10)

1. 基端が固定され、先端が電磁駆動手段によって揺動される板ばね部材に取り付けた光学素子に光源から出射される光を照射し、前記光学素子によって前記光を屈折或いは反射させることにより前記板ばね部材の揺動方向に沿って前記光を走査させる光走査用アクチュエータであって、
   前記光源は、光の照射方向を前記光学素子の光を屈折又は反射する面と対向させて前記板ばね部材に設けられることを特徴とする光走査用アクチュエータ。
2. 前記光学素子は、前記光源から出射される光の出射方向と直交させて前記板ばね部材の先端に取り付けられ、前記光源から出射される光を屈折させるレンズであることを特徴とする請求項１に記載の光走査用アクチュエータ。
3. 前記光学素子は、前記光源から出射される光の出射方向に対して傾斜させて前記板ばね部材の先端に取り付けられ、前記光源から出射される光を反射させる反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の光走査用アクチュエータ。
4. 前記光源は、前記板ばね部材の先端から基端に向かう方向に沿って形成されたスリットの基部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
5. 前記光源は、前記板ばね部材の幅方向一方の縁部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
6. 前記光源は、前記板ばね部材の側面に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
7. 前記板ばね部材は、複数の板ばねを接合すると共に、前記複数の板ばねの接合部に前記光源が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
8. 前方車両、歩行者を含む障害物の検出に用いる車載用レーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
9. 前方車両、歩行者を含む障害物の検出に用いるインフラ用レーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。
10. 室内状況の変化、室内に存在する人間の動作を含む室内状況の検出に用いられる防犯又は介護用のレーザレーダスキャン機構に利用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光走査用アクチュエータ。

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