特許 7620181 光走査装置及び測距装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-15

(45)【発行日】2025-01-23

(54)【発明の名称】光走査装置及び測距装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20250116BHJP

   G02B 26/12 20060101ALI20250116BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

G02B26/12

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020218902

(22)【出願日】2020-12-28

(65)【公開番号】P2022103971

(43)【公開日】2022-07-08

【審査請求日】2023-11-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】山田 健介

(72)【発明者】

【氏名】西山 隆彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 豊樹

(72)【発明者】

【氏名】木村 祐司

【審査官】梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１８０１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１６６９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６９９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３２５９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － １７／９５

Ｇ０２Ｂ ２６／１０ － ２６／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を発する発光部と、
前記光を走査させる光走査部と、
前記光走査部による走査光が物体で反射又は散乱された戻り光を受光する受光部と、
前記光走査部を制御する光走査制御部と、
基台部と、
前記発光部と前記受光部とを保持する保持部と、を有し、
前記光走査部は、
複数の反射面を含み、第１軸周りに回転しながら前記反射面で前記光を反射することで、前記第１軸周りに前記光を走査させる回転多面体と、
前記回転多面体を支持する支持部と、
前記第１軸に交差する第２軸周りに前記支持部を回転させることで、前記反射面で反射された前記光を前記第２軸周りに走査させる回転機構と、を有し、
前記発光部が発する光は、前記発光部が発する光の光軸と前記第２軸とが同軸となるように前記回転多面体の前記反射面に入射し、
前記戻り光は、前記戻り光の光軸と前記第２軸とが同軸となるように、前記回転多面体の前記反射面により反射され、
前記保持部と前記回転機構は、前記基台部の異なる領域に設けられており、
前記第１軸は、前記第１軸及び前記第２軸の両方に交差する方向に、前記第２軸に対して離間した位置に設けられており、
前記回転多面体は、前記第１軸を中心軸とする正多角柱であり、
前記第１軸の前記第２軸から離間した位置までの軸間距離ｄは、前記正多角柱における正多角形の内接円半径以下で、且つ下記の式で表される条件に従い、
前記回転多面体は、前記第１軸及び前記第２軸の両方に交差する方向に沿って、前記軸間距離ｄの取り得る範囲で位置が可変である光走査装置。

【数1】

（θは、前記回転多面体による前記第１軸周りの走査角度範囲の中央値となる角度方向と、前記第１軸及び前記第２軸の両方に交差する方向と、のなす角度を表し、Ｑは前記正多角形の外接円半径を表す。）

【請求項2】

前記回転多面体は、第１軸ドライバ基板によって前記回転多面体の回転数が制御され、前記光走査制御部の非制御対象であり、
前記回転機構は、前記光走査制御部によって制御される第２軸ドライバ基板によって回転駆動され、
前記回転機構の回転数は、前記光走査制御部の制御対象である請求項１に記載の光走査装置。

【請求項3】

前記受光部は、前記回転多面体に含まれる前記複数の反射面のうち、所定の面で反射された前記走査光が前記物体で反射又は散乱された後、再び前記所定の面で反射された前記戻り光を受光する請求項１又は２に記載の光走査装置。

【請求項4】

前記戻り光を偏向させる光偏向部を有し、
前記光偏向部は、前記発光部が発する光を通過させる開口部を含む請求項１乃至３の何れか１項に記載の光走査装置。

【請求項5】

前記回転多面体を回転させる回転駆動部は、前記回転機構に設けられている請求項１乃至４の何れか１項に記載の光走査装置。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れか１項に記載の光走査装置と、
前記光走査装置による前記走査光が前記物体で反射又は散乱された前記戻り光に基づき取得される前記物体までの距離情報を出力する出力部と、を有する測距装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光走査装置及び測距装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、発光部が発する光を走査させた走査光が、物体により反射又は散乱された戻り光を受光する光走査装置が知られている。

【0003】

また、第１軸心周りに揺動可能な可動部と、該可動部を揺動駆動する駆動部とを備えた第１偏向機構と、第１偏向機構を第１軸心とは異なる第２軸心周りに回転駆動する第２偏向機構と、可動部に設置され、投受光部から第２軸心に沿って出射された測定光を偏向反射する光偏向部と、上記駆動部を制御する揺動制御部とを有する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許６０６９６２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の構成では、可動部の揺動を制御するため、制御が複雑になる場合がある。

【0006】

本発明は、制御を簡素化可能な光走査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】

【0007】

本発明の一態様に係る光走査装置は、光（Ｌ１）を発する発光部（３）と、前記光を走査させる光走査部（１２０）と、前記光走査部による走査光（Ｌ２）が物体（２００）で反射又は散乱された戻り光（Ｒ）を受光する受光部（８）と、前記光走査部を制御する光走査制御部（１５０）と、基台部（１）と、発光部（３）と受光部（８）とを保持する保持部（２）と、を有し、前記光走査部は、複数の反射面（５１）を含み、第１軸（Ａ１）周りに回転しながら反射面（５１）で光（Ｌ１）を反射することで、第１軸（Ａ１）周りに光（Ｌ１）を走査させる回転多面体（５）と、回転多面体（５）を支持する支持部（９）と、第１軸（Ａ１）に交差する第２軸（Ａ２）周りに支持部（９）を回転させることで、反射面（５１）で反射された光（Ｌ１）を第２軸（Ａ２）周りに走査させる回転機構（１０）と、を有し、発光部（８）が発する光（Ｌ１）は、発光部（８）が発する光（Ｌ１）の光軸と第２軸（Ａ２）とが同軸となるように、回転多面体（５）の反射面（５１）に入射し、戻り光（Ｒ）は、戻り光（Ｒ）の光軸と第２軸（Ａ２）とが同軸となるように、回転多面体（５）の反射面（５１）により反射され、保持部（２）と回転機構（１０）は、基台部（１）の異なる領域に設けられており、第１軸（Ａ１）は、第１軸（Ａ１）及び第２軸（Ａ２）の両方に交差する方向に、第２軸（Ａ２）に対して離間した位置に設けられており、回転多面体（５）は、第１軸（Ａ１）を中心軸とする正多角柱であり、第１軸（Ａ１）の第２軸（Ａ２）から離間した位置までの軸間距離ｄは、正多角柱における正多角形の内接円半径以下で、且つ下記の式で表される条件に従い、回転多面体（５）は、第１軸（Ａ１）及び第２軸（Ａ２）の両方に交差する方向に沿って、軸間距離ｄの取り得る範囲で位置が可変である。

【数1】

（θは、回転多面体（５）による第１軸（Ａ１）周りの走査角度範囲の中央値となる角度方向と、第１軸（Ａ１）及び第２軸（Ａ２）の両方に交差する方向と、のなす角度を表し、Ｑは正多角形の外接円半径を表す。）

【0008】

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、制御を簡素化可能な光走査装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る測距装置の全体構成例を示す斜視図である。

【図2】図１のＬＤ及びＡＰＤ周辺の構成例を示す部分拡大斜視図である。

【図3】図１のポリゴンミラー周辺の構成例を示す部分拡大斜視図である。

【図4】実施形態に係る測距装置の全体構成例を示すブロック図である。

【図5】実施形態に係る測距装置が有する制御部の機能構成例のブロック図である。

【図6】実施形態に係る測距装置の動作例を示すフローチャートである。

【図7】実施形態に係る測距装置による光走査例を示す図であり、図７（ａ）は測距装置を側方から視た図、図７（ｂ）は測距装置を上方から視た図である。

【図8】走査線の軌跡の一例を示す図である。

【図9】走査線の軌跡の他の例を示す図であり、図９（ａ）は比較例を示す図、図９（ｂ）は実施形態を示す図である。

【図10】第１軸と第２軸の軸間距離の第１例を示す図である。

【図11】第１軸と第２軸の軸間距離の第２例を示す図である。

【図12】第１軸と第２軸の軸間距離の第３例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0012】

また以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光走査装置及び測距装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。

【0013】

実施形態に係る光走査装置は、光を発する発光部と、該光を走査させる光走査部と、光走査部による走査光が物体で反射又は散乱された戻り光を受光する受光部と、光走査部を制御する光走査制御部とを有するものである。

【0014】

このような光走査装置は、物体で反射又は散乱された戻り光に基づき、物体までの距離を測定する測距装置等に搭載され、走査光を物体が存在する側に投光するために使用される。なお、物体までの距離は、物体と測距装置との間の距離と言い換えることもできる。

【0015】

ここで、例えば反射面を有する可動部を往復揺動させて光を走査させる構成を光走査部が含むと、可動部の揺動速度の変動を抑制する制御や、可動部の共振周波数の制御等で制御が複雑になる場合がある。

【0016】

実施形態では、光走査部は、複数の反射面を含み、第１軸周りに回転しながら発光部が発する光を反射面で反射することで、第１軸周りに該光を走査させる回転多面体を有する。また光走査部は、回転多面体を支持する支持部と、第２軸周りに支持部を回転させることで、回転多面体の反射面で反射された光を第２軸周りに走査させる回転機構とを有する。

【0017】

例えば、回転多面体はポリゴンミラーである。また回転機構はポリゴンミラーとその支持部を載置して回転可能な回転ステージである。回転多面体及び回転機構はそれぞれ一定の回転方向に連続回転するため、可動部の揺動速度の変動を抑制する制御や共振の制御等を行わなくてもよい。これにより、制御を簡素化可能な光走査装置を提供可能にする。

【0018】

以下、サービスロボットに搭載され、サービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体までの距離を測定可能な測距装置が備える光走査装置を一例として、実施形態を説明する。

【0019】

ここで、サービスロボットとは、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬及び案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で使用される自律移動型の移動体をいう。また移動体とは移動可能な物体をいう。

【0020】

サービスロボットに搭載される測距装置は、サービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために使用される。また測距装置は、例えばＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）装置である。

【0021】

なお、以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｘ軸に沿うＸ方向は、実施形態に係る測距装置が備えるポリゴンミラーの回転軸である第１軸に沿う方向を示す。Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る測距装置が備える回転ステージの回転軸である第２軸に沿う方向を示す。Ｘ軸とＺ軸は交差する。Ｙ軸に沿うＹ方向は、Ｘ軸及びＺ軸の両方に交差する方向を示す。

【0022】

また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。但し、これらは測距装置及び光走査装置の使用時における向きを制限するものではなく、測距装置及び光走査装置は任意の向きで配置可能である。

【0023】

＜測距装置１００の構成例＞
まず、図１乃至図３を参照して、実施形態に係る測距装置１００の全体構成例を説明する。図１は、測距装置１００の全体構成の一例を説明する斜視図である。また図２は、ＬＤ及びＡＰＤの周辺の構成の一例を説明する部分拡大斜視図である。図３はポリゴンミラーの周辺の構成の一例を説明する部分拡大斜視図である。

【0024】

図１乃至図３に示すように、測距装置１００は、ベース板１と、保持部２と、ＬＤ（Laser Diode）３と（図２参照）、コリメートレンズ４と、ポリゴンミラー５と、穴あきミラー６と、受光レンズ７と、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode）８と、イケール９と、回転ステージ１０とを有する。

【0025】

ベース板１は、保持部２と回転ステージ１０が設けられた基台部の一例である。但し、基台部はベース板１等の平板状の部材に限定されるものではなく、回転ステージ１０と保持部２が設けられる構成部であれば如何なるものであってもよい。例えば後述するサービスロボットの筐体に保持部２と回転ステージ１０を設ける場合には、サービスロボットの筐体が基台部に対応する。

【0026】

ベース板１は平板状の部材であり、平板の＋Ｚ方向側の面上の異なる領域に保持部２と回転ステージ１０を固定して設けている。より詳しくは、ベース板１は、ベース板１の＋Ｙ方向側の領域に回転ステージ１０をネジ等で固定し、また回転ステージ１０の－Ｙ方向側の領域に結合部材１１を介して保持部２をネジ等で固定している。

【0027】

ベース板１の材質に特段の制限はないが、回転ステージ１０は重量が大きい場合があるため、金属材料等の剛性が高い材料を含んでベース板１を構成すると好適である。

【0028】

保持部２は、天井パネル２１と、背面パネル２２とを組み合わせて構成されたで逆Ｌ字型の部材ある。天井パネル２１及び背面パネル２２はそれぞれ平板状の部材であり、天井パネル２１と背面パネル２２が結合することで保持部２を構成している。天井パネル２１及び背面パネル２２の材質に特段の制限はないが、例えば金属材料又は樹脂材料等を適用可能である。

【0029】

天井パネル２１の－Ｚ方向側の面には、ＬＤ３と、コリメートレンズ４と、穴あきミラー６とが固定されている。背面パネル２２の＋Ｙ方向側の面には、受光レンズ７と、ＡＰＤ８とが固定されている。保持部２は、天井パネル２１にＬＤ３を固定して保持し、また背面パネル２２にＡＰＤ８を固定して保持している。

【0030】

ＬＤ３は光を発する発光部の一例である。ＬＤ３はレーザ光を－Ｚ軸方向側に発することができる。但し、発光部はＬＤに限定されるものではない。光を発することができれば、ＬＥＤ（light emitting diode）等のＬＤ以外の発光部を用いてもよい。

【0031】

発光部が発する光は、ＣＷ（Continuous Wave）光であってもパルス光であってもよい。発光部が発する光の波長は特に制限されないが、近赤外波長領域等の非可視の波長領域のレーザ光を用いると、人間にレーザ光を視認させずに測距できるため、より好適である。

【0032】

コリメートレンズ４は、ガラス材料又は樹脂材料を含んで構成され、ＬＤ３が発するレーザ光を略コリメート（略平行化）する。コリメートレンズ４を必ずしも設けなくてもよいが、コリメートレンズ４を設けることで、ＬＤ３が発するレーザ光の広がりを抑制し、光利用効率を向上させることができる。

【0033】

コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ１は、穴あきミラー６に設けられた貫通孔６１を通過してポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。

【0034】

ポリゴンミラー５は、複数の反射面５１を含み、第１軸Ａ１周りに回転しながら反射面５１でレーザ光Ｌ１を反射することで、レーザ光Ｌ１の反射光に対応する走査レーザ光Ｌ２を第１軸Ａ１周りに走査させる回転多面体の一例である。なお、反射面５１は複数の反射面の総称表記である。

【0035】

ポリゴンミラー５は、回転により第１軸Ａ１を中心にした円の一部を描くようにして、反射面５１による反射光を走査させる。第１軸Ａ１周りに走査される光は、換言すると第１軸Ａ１を中心にした円の円周方向に沿って走査される光である。

【0036】

ポリゴンミラー５は正六角柱状の部材である。正六角柱における正六角形の各辺に対応する外周面に、６つの反射面５１が形成されている。ポリゴンミラー５は、アルミニウム等の金属材料で形成した略正六角柱状の部材の外周面を、切削又は鏡面研磨することで製作できる。但し、これに限定されるものではなく、例えば金属材料又は樹脂材料等で形成した略正六角柱状の部材の外周面に、アルミニウム等を鏡面蒸着してポリゴンミラー５を製作してもよい。

【0037】

なお、図１では、正六角柱状で反射面５１の面数が６面であるポリゴンミラー５を例示するが、回転多面体はこれに限定されるものではない。例えば、正三角柱状で３面の反射面を有する回転多面体であってもよいし、正五角柱状で５面の反射面を有する回転多面体であってもよい。

【0038】

回転多面体の面数に応じて、回転多面体による光の走査角度範囲が異なる。例えば、面数が多いほど走査角度範囲は狭くなり、面数が少ないほど走査角度範囲は広くなる。要求される走査角度範囲に応じて回転多面体の面数を適宜決定することができる。

【0039】

ポリゴンミラー５には、ポリゴンミラー５の中心軸と回転軸が略一致するように第１軸モータが取り付けられている。ポリゴンミラー５は第１軸モータを駆動源にして第１軸Ａ１周りに回転する。

【0040】

ポリゴンミラー５の回転方向は一定であり、例えば図１における第１軸回転方向Ａ１１に沿って連続回転する。但し、第１軸回転方向Ａ１１とは反対方向である一定の回転方向にポリゴンミラー５を連続回転させてもよい。

【0041】

ポリゴンミラー５の反射面５１に入射したレーザ光Ｌ１は、反射面５１で反射され、＋Ｙ方向側に照射される。ポリゴンミラー５の回転により、レーザ光Ｌ１の入射方向に対する反射面５１の角度が連続的に変化することで、反射面５１による反射光は第１軸Ａ１周りに走査され、走査レーザ光Ｌ２として＋Ｙ方向側に照射される。

【0042】

なお、図１は、第１軸Ａ１周りに走査される走査レーザ光Ｌ２のうち、任意のタイミングに＋Ｙ方向側に照射される１つのレーザビームである走査レーザ光Ｌ２を例示している。

【0043】

測距装置１００の＋Ｙ方向側に物体が存在すると、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光が測距装置１００に戻される。戻り光は、再びポリゴンミラー５の反射面５１に入射し、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１周りに走査される。この走査される戻り光のうち、穴あきミラー６に到達する戻り光は、穴あきミラー６によって－Ｙ方向側に反射されて偏向される。

【0044】

本実施形態では、ポリゴンミラー５でレーザ光Ｌ１が反射される反射面５１と、ポリゴンミラー５で戻り光が反射される反射面５１は同じ反射面である。同じ反射面で反射された戻り光がＡＰＤ８で受光される。

【0045】

換言すると、ＡＰＤ８は、ポリゴンミラー５に含まれる複数の反射面５１のうち、所定の面で反射された走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された後、再び所定の面で反射された戻り光を受光する。

【0046】

穴あきミラー６は、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光を偏向させる光偏向部の一例である。この穴あきミラー６は貫通孔６１を含む。貫通孔６１は、ＬＤ３が発する光を通過させる開口部の一例であり、穴あきミラー６における反射面が設けられた領域の一部に形成されている。穴あきミラー６に入射する光のうち、反射面に入射する光は反射され、貫通孔６１に入射する光は通過するようになっている。

【0047】

なお、本実施形態では、光偏向部が開口部としての貫通孔を有する構成を例示するが、これに限定されるものではない。光偏向部における反射面が設けられた領域の一部を透明にし、この透明な領域を透過させることで開口部として機能させてもよい。また、光偏向部としてビームスプリッターやハーフミラー等を用いることもできる。

【0048】

コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ１は、穴あきミラー６の貫通孔６１を通過してポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。一方、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光は、穴あきミラー６の反射面によりＡＰＤ８に向けて反射される。

【0049】

穴あきミラー６で反射された光は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。受光レンズ７は必ずしも設けなくてもよいが、受光レンズ７を設けると、ＡＰＤ８に入射するレーザ光の入射効率が向上する点で好適である。

【0050】

ＡＰＤ８は、走査レーザ光Ｌ２が物体で反射又は散乱された戻り光を受光する受光部の一例である。ＡＰＤ８は、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を向上させたフォトダイオードの一種である。但し、受光部はＡＰＤに限定されるものではなく、ＡＰＤ以外のＰＤ（Photodiode）や、光電子増倍管等を用いてもよい。

【0051】

イケール９は、Ｌ字形に形成された部材であり、ポリゴンミラー５を支持する支持部の一例である。イケール９は、底面（－Ｚ方向側の面）が回転ステージ１０の載置面１０１に接触し、ネジ等により載置面１０１上に固定される。またイケール９は基板９１を介し、底面に交差する前面（＋Ｘ方向側の面）にポリゴンミラー５を固定する。イケール９の材質に特段の制限はないが、剛性を高く確保するために金属等の高剛性の材料を含んで構成されると好適である。

【0052】

回転ステージ１０は、第２軸Ａ２周りにイケール９を回転させることで、イケール９に固定されたポリゴンミラー５の反射面５１で反射された走査レーザ光Ｌ２を、第２軸Ａ２周りに走査させる回転機構の一例である。

【0053】

回転ステージ１０は、ベース板１上で、保持部２が設けられた領域とは異なる領域に設けられている。従って回転ステージ１０が回転しても、保持部２、並びに保持部２が保持するＬＤ３及びＡＰＤ８はそれぞれ不動であり、ベース板１に固定された状態が維持される。

【0054】

回転ステージ１０は、回転により第２軸Ａ２を中心にした円の一部を描くようにして、ポリゴンミラー５の反射面５１による反射光を走査させる。第２軸Ａ２周りに走査される光は、換言すると第２軸Ａ２を中心にした円の円周方向に沿って走査される光である。

【0055】

図３に示すように、回転ステージ１０は、載置面１０１と、ベアリング１０２と、マグネット１０３と、モータコア１０４とを有する。

【0056】

載置面１０１は、第２軸Ａ２（図１参照）周りに回転可能な面である。載置面１０１はイケール９を載置する。ベアリング１０２は、載置面１０１の回転を滑らかにする部材である。ボールベアリング又はクロスローラベアリング等の各種のものを適用できる。

【0057】

マグネット１０３は永久磁石である。モータコア１０４はモータを構成するステータの鉄心に該当する部材である。マグネット１０３とモータコア１０４とを含んでモータが構成されている。電流に応じてマグネット１０３が回転することで、ベアリング１０２を介して載置面１０１が回転可能になっている。

【0058】

回転ステージ１０の回転方向は一定である。例えば図１における第２軸回転方向Ａ２１に沿って連続回転する。但し、第２軸回転方向Ａ２１とは反対方向である一定の回転方向に連続回転させてもよい。

【0059】

図１に示すように、ＬＤ３が発し、コリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ１は、第２軸Ａ２に沿ってポリゴンミラー５の反射面５１に入射するように、ＬＤ３、コリメートレンズ４及び回転ステージ１０の位置及び角度が調整されている。

【0060】

例えば、測距装置１００は、レーザ光Ｌ１の光軸と第２軸Ａ２が同軸になるように構成されている。ここで、レーザ光Ｌ１の光軸はレーザビームの中心を通る軸を意味する。また同軸は複数の軸が略一致していることを意味する。

【0061】

走査レーザ光Ｌ２は、ポリゴンミラー５の回転により第１軸Ａ１周りに走査されるとともに、回転ステージ１０の回転により第２軸Ａ２周りに走査される。測距装置１００は、交差する２つの軸周りにレーザ光を走査させることができる。

【0062】

なお、本実施形態では、第１軸Ａ１と第２軸Ａ２が略直交する構成を例示するが、これに限定されるものではなく、第１軸Ａ１に対して第２軸Ａ２が傾いて配置されてもよい。

【0063】

また、図１乃至図３では、測距装置１００が外装カバーを備えない構成を例示したが、測距装置１００は、ＬＤ３、ポリゴンミラー５、ＡＰＤ８又は回転ステージ１０等の構成部の一部又は全部を覆うための外装カバーを備えてもよい。

【0064】

外装カバーを備えると、測距装置１００の内部へのゴミや埃等の侵入を防ぎ、ポリゴンミラー５等にゴミや埃等が付着することを防止できる。またポリゴンミラー５や回転ステージ１０が高速回転すると、回転に伴う音が大きくなる場合があるが、外装カバーを設けることで音が周囲に伝わることを抑制できる。外装カバーの材質には、金属又は樹脂材料等を適用可能である。

【0065】

一方で、外装カバーを設けると、外装カバーにおける走査レーザ光Ｌ２が出射する出射窓以外の部分が走査レーザ光Ｌ２を遮るため、走査角度範囲が制限され、測距装置１００による物体２００の検出範囲又は測距範囲が制限される場合がある。走査レーザ光Ｌ２の波長に対して光透過性を有する透明な樹脂材料で外装カバーを構成すると、このような走査角度範囲の制限を緩和できるため、好適である。

【0066】

次に図４は、測距装置１００の全体構成の一例を示すブロック図である。図１乃至図３を用いて既に説明した構成については適宜説明を省略する。なお、図４における太い実線で示した矢印は光の流れを示し、太い破線で示した矢印は電気信号の流れを示している。

【0067】

図４に示すように、測距装置１００は、受発光部１１０と、光走査部１２０と、出射窓１３０と、制御部１４０とを有する。

【0068】

制御部１４０は、外部コントローラ３００、受発光部１１０及び光走査部１２０のそれぞれに電気的に接続し、信号及びデータを相互に送受可能である。また制御部１４０は、光走査部１２０を制御する光走査制御部１５０を含む。

【0069】

制御部１４０は、電気回路又は電子回路等を有する制御回路基板を含み、例えば背面パネル２２（図１参照）等に設置されている。従ってポリゴンミラー５及び回転ステージ１０が回転しても、制御部１４０を構成する制御回路基板は不動である。

【0070】

外部コントローラ３００は、サービスロボットを制御するためのコントローラであり、ＲＯＳ (Robot Operating System)を搭載するＢｏａｒｄ ＰＣ（Personal Computer）等で構成されている。

【0071】

受発光部１１０は、ＬＤ基板１１１と、発光ブロック１１２と、穴あきミラー６と、穴あきミラーホルダ６２と、受光ブロック１１３と、ＡＰＤ基板１１４とを有する。

【0072】

ＬＤ基板１１１は、制御部１４０からの発光制御信号に応じてＬＤ３を発光させる電気回路を含む。

【0073】

発光ブロック１１２は、ＬＤ３と、ＬＤホルダ３１と、コリメートレンズ４と、コリメートレンズホルダ４１とを含む。ＬＤホルダ３１はＬＤ３を保持する部材である。コリメートレンズホルダ４１はコリメートレンズ４を保持する部材である。穴あきミラーホルダ６２は、穴あきミラー６を保持する部材である。

【0074】

受光ブロック１１３は、受光レンズ７と、受光レンズホルダ７１と、ＡＰＤ８と、ＡＰＤホルダ８１とを含む。受光レンズホルダ７１は受光レンズ７を保持する部材である。ＡＰＤホルダ８１はＡＰＤ８を保持する部材である。

【0075】

ＡＰＤ基板１１４は、ＡＰＤ８が受光した光強度に応じた電気信号である受光信号を制御部１４０に出力する電気回路を含む。

【0076】

光走査部１２０は、基板９１と、回転ステージ１０とを含む。基板９１には、ポリゴンミラー５と、第１軸モータ１６１と、第１軸エンコーダ１６２と、第１軸ドライバ基板１６３と、同期検知ＬＥＤ１６４と、発電コイル１６５とが設けられている。また回転ステージ１０には、第２軸モータ１７１と、第２軸エンコーダ１７２と、第２軸ドライバ基板１７３と、同期検知ＰＤ１７４と、給電コイル１７５とが設けられている。

【0077】

発電コイル１６５と給電コイル１７５の組は、給電部１７０を構成している。給電部１７０は、電磁誘導により第１軸モータ１６１等に非接触で給電できる。なお、給電とは電力を供給することをいう。

【0078】

第１軸モータ１６１は、ポリゴンミラー５を回転させる回転駆動部の一例である。第１軸モータ１６１には、ＤＣ（Direct Current）モータ又はＡＣ（Alternating Current）モータ等を適用できる。

【0079】

第１軸エンコーダ１６２はロータリエンコーダであり、ポリゴンミラー５の回転角度を検出する検出部の一例である。

【0080】

第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸モータ１６１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第１軸ドライバ基板１６３は、第１軸エンコーダ１６２による検出信号に基づき、所定の回転数で回転するようにポリゴンミラー５を制御することができる。

【0081】

ここで、ポリゴンミラー５の回転数は、第１軸ドライバ基板１６３により制御され、光走査制御部１５０によっては制御されない。換言すると、ポリゴンミラー５の回転数は、光走査制御部１５０の非制御対象である。但し、ポリゴンミラー５の回転の開始及び停止は、光走査制御部１５０からの走査制御信号に基づいて行われる。なお、回転数の制御は、回転速度の制御と換言することもできる。

【0082】

同期検知ＬＥＤ１６４は、ポリゴンミラー５の回転角度に基づき、ポリゴンミラー５の回転に同期する同期信号を出力する同期出力部の一例である。

【0083】

具体的には、同期検知ＬＥＤ１６４は、第１軸エンコーダ１６２によるポリゴンミラー５の回転角度の検出信号に基づきパルス光を発する。同期検知ＬＥＤ１６４が発するパルス光はポリゴンミラー５の回転に同期する同期信号に対応し、同期検知ＬＥＤ１６４はパルス光を発することで同期信号を出力できる。

【0084】

発電コイル１６５は、電磁誘導により逆起電力を発生し、第１軸モータ１６１、第１軸エンコーダ１６２及び第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに給電するコイルである。

【0085】

第２軸モータ１７１は、回転ステージ１０を回転させるモータである。第２軸モータ１７１には、ＤＣモータ、ＡＣモータ又はステッピングモータ等の各種モータを適用可能である。第２軸エンコーダ１７２は、回転ステージ１０の回転角度を検出するロータリエンコーダである。

【0086】

第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸モータ１７１に駆動信号を供給する電気回路等を含む基板である。第２軸ドライバ基板１７３は、光走査制御部１５０からの走査制御信号に基づき、回転ステージ１０を回転させる。

【0087】

また、第２軸ドライバ基板１７３は、第２軸エンコーダ１７２が検出した回転ステージ１０の回転角度を、第２軸回転角度信号として光走査制御部１５０にフィードバックする。光走査制御部１５０は、第２軸回転角度信号に基づき、回転ステージ１０を制御できる。

【0088】

ここで、回転ステージ１０の回転数は、光走査制御部１５０により制御され、光走査制御部１５０の制御対象である。

【0089】

同期検知ＰＤ１７４は、同期検知ＬＥＤ１６４が発するパルス光を受光した受光信号を、第２軸ドライバ基板１７３に出力する。例えば、同期検知ＬＥＤ１６４は、第１軸エンコーダ１６２がポリゴンミラー５の回転原点に対応する角度を検出したタイミングでパルス光を発する。

【0090】

同期検知ＰＤ１７４は、同期検知ＬＥＤ１６４が発したパルス光を受光することで、ポリゴンミラー５の回転への同期タイミングを検知する。第２軸ドライバ基板１７３は、同期検知ＰＤ１７４からの入力信号に基づき、ポリゴンミラー５の回転への同期タイミングを示す同期信号を制御部１４０に出力する。

【0091】

給電コイル１７５は、発電コイル１６５に対向配置され、第２軸ドライバ基板１７３から通流される電流に応じて、電磁誘導により発電コイル１６５に逆起電力を発生させるコイルである。

【0092】

例えば給電コイル１７５に電流を通流すると、電磁誘導により非接触で発電コイル１６５に逆起電力が発生する。発電コイル１６５は、発生した逆起電力を、第１軸モータ１６１、第１軸エンコーダ１６２及び第１軸ドライバ基板１６３のそれぞれに電力として供給できる。

【0093】

なお、本実施形態では、給電部１７０が電磁誘導により非接触給電する構成を例示するが、これに限定されるものではない。例えば給電部１７０は、回転接点により給電することもできる。ここで回転接点とは、回転体に配置された金属製リングとブラシを介して、回転体に電気的に接続する構成をいう。このような回転接点を用いて、外部から第１軸モータ１６１等に給電することもできる。

【0094】

図４に示すように、制御部１４０は、外部コントローラ３００からの測距制御信号に応答して発光制御信号を出力し、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３を発光させる。ＬＤ３が発してコリメートレンズ４でコリメートされたレーザ光Ｌ１は、ポリゴンミラー５の反射面５１で反射され、出射窓１３０を透過して、測距装置１００から外部に向けて走査レーザ光Ｌ２として照射される。

【0095】

出射窓１３０は、ＬＤ３が発するレーザ光の波長に対して光透過性を有するガラス材料又は樹脂材料を含んで構成されている。出射窓１３０は、測距装置１００が装置全体を覆う不透明な外装カバーを備える場合に、走査レーザ光Ｌ２を透過して出射させる窓として機能する部材である。

【0096】

走査レーザ光Ｌ２が物体２００により反射又は散乱された戻り光Ｒは、出射窓１３０を透過してポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。そして反射面５１で反射され、穴あきミラー６によりＡＰＤ８に向けて反射される。

【0097】

穴あきミラー６による反射光は、受光レンズ７により集光されながらＡＰＤ８に入射する。ＡＰＤ８がこの入射光を受光した受光信号は、ＡＰＤ基板１１４を介して制御部１４０に出力される。制御部１４０は、受光信号に基づき、物体２００までの距離を示す距離情報を演算により取得し、この距離情報を外部コントローラ３００に出力することができる。

【0098】

ここで、図４において、測距装置１００が備える光走査装置４００は、ＬＤ３（発光部）と、光走査部１２０と、ＡＰＤ８（受光部）と、光走査制御部１５０とを含んで構成されている。

【0099】

また、測距装置１００は、サービスロボットが搭載するバッテリから供給される電力により動作可能である。但し、これに限定されるものではなく、測距装置１００自身が搭載するバッテリから電力供給されてもよい、またサービスロボットの動作範囲が広くない場合等には、商用電源からケーブルを用いて給電されるように構成してもよい。

【0100】

＜制御部１４０の機能構成例＞
次に図５を参照して、測距装置１００が有する制御部１４０の機能構成について説明する。図５は、制御部１４０の機能構成の一例を説明するブロック図である。

【0101】

図５に示すように、制御部１４０は、光走査制御部１５０と、発光制御部１４１と、距離情報取得部１４２と、距離情報出力部１４３とを有する。また光走査制御部１５０は、給電制御部１５１と、ポリゴンミラー制御部１５２と、回転ステージ制御部１５３とを有する。

【0102】

これらの機能は電気回路で実現される他、これらの機能の一部をソフトウェア（ＣＰＵ；Central Processing Unit）によって実現することもできる。また複数の回路又は複数のソフトウェアによってこれらの機能が実現されてもよい。

【0103】

給電制御部１５１は、給電部１７０による給電の開始及び停止を制御する。ポリゴンミラー制御部１５２は、第１軸ドライバ基板１６３を介してポリゴンミラー５の回転の開始及び停止を制御する。

【0104】

回転ステージ制御部１５３は、同期検知ＰＤ１７４が出力する同期信号と、第２軸エンコーダ１７２が出力する第２軸回転角度信号とを入力し、これらに基づき、第２軸ドライバ基板１７３を介して回転ステージ１０の回転を制御する。

【0105】

発光制御部１４１は、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３による発光を制御する。また発光制御部１４１は、ＬＤ３が発光した時刻を示す情報を距離情報取得部１４２に提供する。

【0106】

距離情報取得部１４２は、光走査装置４００による走査レーザ光Ｌ２が物体２００で反射又は散乱された戻り光Ｒに基づき、物体２００までの距離情報を取得する。

【0107】

具体的には、距離情報取得部１４２は、物体２００側に照射するレーザ光をＬＤ３が発した発光時刻と、ＡＰＤ基板１１４を介して入力したＡＰＤ８が戻り光Ｒを受光した受光時刻との時間差に基づき、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式で距離情報を取得する。

【0108】

但し、これに限定されるものではない。測距装置１００は、振幅変調したレーザ光を照射し、物体で反射又は散乱された戻り光と照射したレーザ光との位相差に基づき、距離情報を取得する位相差検出方式等を用いることもできる。

【0109】

距離情報取得部１４２は、距離情報出力部１４３を介して外部コントローラ３００に距離情報を出力できる。

【0110】

＜測距装置１００の動作例＞
次に、測距装置１００の動作について説明する。図６は、測距装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図６は、測距装置１００が起動した時点をトリガーにした動作を示している。

【0111】

測距装置１００が起動すると、まずステップＳ６１において、給電制御部１５１は、給電部１７０に給電を開始させる。

【0112】

続いて、ステップＳ６２において、ポリゴンミラー制御部１５２は、第１軸ドライバ基板１６３を介してポリゴンミラー５の回転を開始させる。

【0113】

続いて、ステップＳ６３において、回転ステージ制御部１５３は、同期検知ＰＤ１７４からの同期信号の入力を開始し、また第２軸エンコーダから第２軸回転角度信号の入力を開始する。そして回転ステージ制御部１５３は、同期信号と、第２軸回転角度信号とに基づき、第２軸ドライバ基板１７３を介して回転ステージ１０の制御を開始する。

【0114】

続いて、ステップＳ６４において、発光制御部１４１は、ＬＤ基板１１１を介してＬＤ３にレーザ光を発光させる。

【0115】

続いて、ステップＳ６５において、距離情報取得部１４２は、ＡＰＤ基板１１４を介してＡＰＤ８による受光信号を入力する。

【0116】

続いて、ステップＳ６６において、距離情報取得部１４２は、物体２００側に照射するレーザ光をＬＤ３が発した発光時刻と、ＡＰＤ８が戻り光Ｒを受光した時刻とに基づき、物体２００までの距離情報を取得する。

【0117】

続いて、ステップＳ６７において、距離情報取得部１４２は、距離情報出力部１４３を介して距離情報を外部コントローラ３００に出力する。

【0118】

続いて、ステップＳ６８において、制御部１４０は、測距を終了するか否かを判定する。

【0119】

ステップＳ６８で終了すると判定された場合には、動作はステップＳ６９に進む。一方、終了しないと判定された場合には、ステップＳ６４以降の動作が再度行われる。

【0120】

続いて、ステップＳ６９において、回転ステージ制御部１５３は、第２軸ドライバ基板１７３を介して回転ステージ１０の回転を停止させる。

【0121】

続いて、ステップＳ７０において、ポリゴンミラー制御部１５２は、第１軸ドライバ基板１６３を介してポリゴンミラー５の回転を停止させる。

【0122】

続いて、ステップＳ７１において、給電制御部１５１は、給電部１７０に給電を停止させる。

【0123】

このようにして、測距装置１００は、走査レーザ光Ｌ２を走査させ、物体２００による戻り光を用いて測距を行うことができる。

【0124】

次に図７は、測距装置１００による光走査の一例を示す図である。図７（ａ）は測距装置１００を側方から視た図、図７（ｂ）は測距装置１００を上方から視た図である。図７は、サービスロボット５００に搭載された測距装置１００がレーザ光を走査させる様子を示している。

【0125】

図７に示すように、サービスロボット５００は、タイヤ５０１を有し、道路や床等の経路上を移動可能に構成された移動体である。測距装置１００は、サービスロボット５００が有する筐体の＋Ｚ方向側の面上に固定され、サービスロボット５００とともに移動する。

【0126】

図７（ａ）に示すように、測距装置１００は、第１軸Ａ１に対応するＸ軸周りの走査角度範囲φｚで走査レーザ光Ｌ２を走査させる。走査角度範囲φｚ内に存在する物体２０１により走査レーザ光Ｌ２が反射又は散乱された戻り光Ｒ１は、測距装置１００に戻り、ＡＰＤ８により受光される。同様に走査角度範囲φｚ内に存在する物体２０２により走査レーザ光Ｌ２が反射又は散乱された戻り光Ｒ２は、測距装置１００に戻り、ＡＰＤ８により受光される。

【0127】

また、図７（ｂ）に示すように、測距装置１００は、第２軸Ａ２に対応するＺ軸周りの走査角度範囲φｘｙで走査レーザ光Ｌ２を走査させる。走査角度範囲φｘｙ内に存在する物体２０３により走査レーザ光Ｌ２が反射又は散乱された戻り光Ｒ３は、測距装置１００に戻り、ＡＰＤ８により受光される。同様に走査角度範囲φｘｙ内に存在する物体２０４により走査レーザ光Ｌ２が反射又は散乱された戻り光Ｒ２は、測距装置１００に戻り、ＡＰＤ８により受光される。

【0128】

＜走査線の軌跡例＞
次に、測距装置１００による走査レーザ光Ｌ２による走査線の軌跡について説明する。なお、本実施形態の用語における走査線とは、走査レーザ光Ｌ２の走査に伴い、伝搬方向における走査レーザ光Ｌ２の先端が描く線状のパターンをいう。

【0129】

図８は、測距装置１００による走査線の一例を説明する図である。

【0130】

ここで、本実施形態では、回転ステージ制御部１５３は、回転ステージ１０の回転数がポリゴンミラー５の回転数より速くなるように回転ステージ１０を制御する。且つ、回転ステージ制御部１５３は、ポリゴンミラー５の回転数とポリゴンミラー５に含まれる反射面５１の面数との積を、回転ステージ１０の回転数で除算した商が非整数になるように、回転ステージ１０を制御する。

【0131】

本実施形態では回転ステージ１０の回転数を１２００ｒｐｍ、ポリゴンミラー５の回転数を１８０ｒｐｍとしている。

【0132】

また、本実施形態では回転ステージ１０の回転数がポリゴンミラー５の回転数より速い構成としているが、ポリゴンミラー５の回転数が回転ステージ１０の回転数よりも速くてもよい。

【0133】

換言すると、回転ステージ制御部１５３は、ポリゴンミラー５の回転数とポリゴンミラー５に含まれる反射面５１の面数との積を回転ステージ１０の回転数で除算した際に、割り切れなくなる（剰余が生じる）ように、回転ステージ１０の回転数を決定する。

【0134】

このようにすることで、回転ステージ１０を第２軸Ａ２周りに１回転させるたびに、第２軸Ａ２に沿う方向（例えば図８のＺ軸方向）における第２軸Ａ２周りの走査線の位置をずらすことができる。Ｚ軸方向に位置をずらしながら、第２軸Ａ２周りに複数回だけ走査線を描くことで、例えば、Ｚ軸方向と、Ｚ軸に直交する方向（例えば図８のＸ軸方向）とを含む所定面積の平面全体に走査線を描くことができる。

【0135】

図８において、走査線８０１乃至８０６は、回転ステージ１０を第２軸Ａ２周りに回転させた際の回転ごとの走査線を示している。走査線８０１は１回目の回転、走査線８０２は２回目の回転、走査線８０３は３回目の回転、走査線８０４は４回目の回転、走査線８０５は５回目の回転、走査線８０６は６回目の回転のそれぞれによる走査線を示している。

【0136】

回転ステージ１０の回転の回数ごとに、第２軸Ａ２周りの走査線の位置がＺ軸方向にずれている。図８の例では、７回目の回転による走査線は、元の位置に戻って走査線８０１に重なり、８回目以降の回転による走査線も同様に、走査線８０２以降の走査線に重なるようになっている。

【0137】

回転ステージ１０の回転に並行してポリゴンミラー５も回転しているため、図８に示すように各走査線は傾いている。また回転ステージ１０の回転数がポリゴンミラー５の回転数より速いため、Ｚ軸に対する走査線の傾きと比較して、Ｘ軸に対する傾きが小さくなっている。

【0138】

ポリゴンミラー５の回転数が回転ステージ１０の回転数より速い場合には、Ｘ軸に対する走査線の傾きと比較して、Ｚ軸に対する傾きが小さくなる。

【0139】

走査線が元に戻る周期と走査線の傾きは、回転ステージ１０の回転数とポリゴンミラー５の回転数の比によって決定できる。換言すると、光走査制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転数に対して所定の比率になるように、回転ステージ１０の回転数を決定し、制御することができる。

【0140】

なお、回転ステージ１０の回転数と比較してポリゴンミラー５の回転数が十分に速く、回転ステージ１０が１回転する間にポリゴンミラー５の回転で十分な本数の走査線を描ける場合には、１回転ごとに走査線の位置がＺ軸方向にずれないように制御してもよい。この制御によっても、Ｚ軸方向とＸ軸方向とを含む所定面積の平面全体に走査線を描くことができる。

【0141】

この場合には、回転ステージ制御部１５３は、ポリゴンミラー５の回転数とポリゴンミラー５に含まれる反射面５１の面数との積を回転ステージ１０の回転数で除算した商が整数になる、つまり割り切れる（剰余が生じない）ように回転ステージ１０を制御する。これにより、回転ステージ１０の第２軸Ａ２周りの１回転ごとに、第２軸Ａ２周りの走査線の位置はＺ軸方向にずれなくなる。

【0142】

次に、図９は走査線の軌跡の他の例を示す図である。図９（ａ）は比較例を示す図、図９（ｂ）は本実施形態を示す図である。図９（ａ）及び（ｂ）におけるグラフの丸プロットは、走査レーザ光Ｌ２のビームスポット９２を意味する。走査レーザ光Ｌ２の走査に応じてビームスポット９２が走査され、走査線が描かれている。

【0143】

比較例は、揺動ミラーによりレーザ光を第２軸Ａ２周りに往復走査させる構成による走査線９０Ｘを示している。揺動ミラーは正弦波状の駆動波形で往復揺動している。正弦波状の駆動波形を用いる場合には、揺動ミラーの揺動速度が一定でないため、走査レーザ光Ｌ２における隣接するビームスポット間の間隔に粗密が生じる。

【0144】

走査線９０Ｘにおける領域９０１ａは、Ｚ軸方向でビームスポットの間隔が密な領域を示し、領域９０１ｂは、Ｚ軸方向でビームスポットの間隔が粗な領域を示している。また領域９０２ａは、Ｘ軸方向でビームスポットの間隔が密な領域を示し、領域９０２ｂは、Ｘ軸方向でビームスポットの間隔が粗な領域を示している。図９（ａ）に示すように揺動ミラーによる光走査ではビームスポットに粗密が生じる。

【0145】

測距装置でビームスポットの間隔に粗密があると、距離の測定領域ごとで空間分解能が異なるものとなるため、好ましくない。ビームスポットの間隔の粗密をなくすためには、発光部の発光タイミング又は揺動ミラーの揺動速度の少なくとも一方を測定領域ごとで変化させる必要があり、制御が複雑になる。

【0146】

また往復揺動における往路と復路の両方で光走査する場合には、Ｚ軸方向における位置によって、ビームスポットを照射したＸ軸方向における位置が往路と復路で異なるものとなる。これによりビームスポットの間隔の粗密が生じるため、粗密をなくすためにさらに複雑な制御が要求される。

【0147】

これに対し、本実施形態では、第２軸Ａ２周りに略一定速度で回転させているときにポリゴンミラー５を略一定速度で回転させることで、走査レーザ光Ｌ２をラスタ走査できる。図９（ｂ）に示すように、走査線９０を形成するビームスポット９２間の間隔は略一定で、Ｘ軸方向に沿う走査線９０同士の間隔も略一定である。このように、本実施形態ではビームスポット９２同士の間隔に粗密が生じない。従って、ビームスポット９２同士の間隔の粗密をなくすための複雑な制御も不要となる。

【0148】

＜測距装置１００の作用効果＞
次に、測距装置１００の作用効果について説明する。なお、以下では測距装置１００の作用効果として説明するが、測距装置１００の用語を光走査装置４００に置き換え、光走査装置４００の作用効果ということもできる。

【0149】

近年、工場内での資材運搬、接客施設での商品運搬及び案内業務、施設内警備、或いは清掃等の主に役務の目的で、自律移動型のサービスロボットの開発及び導入が進んでいる。また、このようなサービスロボットの進行方向又は周囲に存在する物体を検出したり、サービスロボットが動作する施設の施設内地図等を作成したりするために、ＬｉＤＡＲ装置等の測距装置が使用されることが多くなっている。

【0150】

測距装置には、例えば重力方向に交差する平面内で光を走査し、該平面内に存在する物体までの距離を測定する２次元測距装置が知られている。また重力方向に交差する平面内に加えて重力に沿う方向にも光を走査し、３次元空間に存在する物体までの距離を測定する３次元測距装置が知られている。

【0151】

３次元測距装置は、３次元的な広い範囲に存在する物体を検出し、測距を行える点で好適であるが、その反面で、装置の構造及び制御が複雑になり、また装置が高価になる場合がある。例えば２次元測距装置に対して３次元測距装置は２０倍乃至３０倍程度の価格が想定される。装置の構造及び制御の複雑さ、並びに装置の価格は、ロボットの中では比較的廉価なサービスロボットに測距装置を搭載するための制約の一つになり得る。

【0152】

また、３次元測距装置では、第１軸心周りに揺動可能な可動部と、該可動部を揺動駆動する駆動部とを備えた第１偏向機構と、第１偏向機構を第１軸心とは異なる第２軸心周りに回転駆動する第２偏向機構と、可動部に設置され、投受光部から第２軸心に沿って出射された測定光を偏向反射する光偏向部と、上記駆動部を制御する揺動制御部とを有する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【0153】

しかしながら、特許文献１の構成では、可動部を往復揺動させて光を走査するため、可動部の揺動速度の変動を抑制する制御等の複雑な制御が求められる。可動部を共振駆動させる場合には、共振周波数の制御も要求されるため、制御がさらに複雑化する。また光走査の走査角度範囲を広くすると、可動部の変形に対応するための制御等のより高度な制御が必要になる。

【0154】

また、揺動する可動部で光をラスタ走査するために鋸波状の駆動波形で可動部を駆動させる場合には、駆動波形を記憶する記憶装置や、不要な共振を抑制するための制御装置が必要になり、制御の複雑性と装置コストがさらに増大する。

【0155】

これに対し、本実施形態では、測距装置１００が含む光走査部１２０は、複数の反射面５１を含み、第１軸Ａ１周りに回転しながら、ＬＤ３（発光部）が発するレーザ光を反射面５１で反射することで、第１軸Ａ１周りにレーザ光を走査させるポリゴンミラー５（回転多面体）を有する。また光走査部１２０は、ポリゴンミラー５を支持するイケール９（支持部）と、第２軸Ａ２周りにイケール９を回転させることで、ポリゴンミラー５の反射面５１で反射されたレーザ光を第２軸Ａ２周りに走査させる回転ステージ１０（回転機構）とを有する。

【0156】

ポリゴンミラー５及び回転ステージ１０は、それぞれ一定の回転方向に連続回転するため、可動部の揺動速度の変動を抑制する制御や共振周波数の制御等の複雑な制御を行わなくてもよい。これにより、制御を簡素化可能な光走査装置を提供することができる。また、制御を簡素化することで、制御回路基板を小型化し、測距装置１００をコストダウンさせることができる。

【0157】

さらに回転による光走査であるため、光走査の走査角度範囲を容易に広げることができる。光走査の走査角度範囲が狭い場合には、所望の走査角度範囲を確保するために発光部と受光部の組を複数設ける構成にすることも考えられる。しかし、発光部と受光部の組を複数設けると、その分だけコストが増大し、また測距装置１００の構成も複雑化する。本実施形態では、回転による光走査を行うことで、このようなコスト増大及び構成の複雑化を防止することができる。

【0158】

また、回転ステージ１０を略一定速度で回転させながら、ポリゴンミラー５を略一定速度で回転させることでレーザ光を容易に等速でラスタ走査できる。これにより、走査されるレーザ光のビームスポット間の間隔を簡単な制御で略一定にし、測定領域ごとでの空間分解能を均一化できる。

【0159】

また本実施形態では、光走査制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転数を非制御対象とする。

【0160】

ここで、ポリゴンミラー５は回転ステージ１０によるイケール９の回転に伴って第２軸Ａ２周りにも回転する。光走査制御部１５０を構成する制御回路基板からポリゴンミラー５に制御のための配線を接続すると、ポリゴンミラー５の第２軸Ａ２周りの回転に応じて配線が回転又は移動するため、配線の回転又は移動への配慮が必要になる。

【0161】

仮に制御回路基板を回転ステージ１０上に設けたとしても、外部コントローラ３００等と制御回路基板とを接続する配線が必要になり、ポリゴンミラー５の第２軸Ａ２周りの回転に応じた配線等の回転又は移動への配慮が必要になる。

【0162】

ポリゴンミラー５の回転数を非制御対象とすることで、ポリゴンミラー５を制御するために光走査制御部１５０とポリゴンミラー５とを接続する配線が不要になる。その結果、ポリゴンミラー５の第２軸Ａ２周りの回転に応じた配線等の回転又は移動への配慮が不要になり、測距装置１００の構成をより簡素化することができる。

【0163】

また、ポリゴンミラー５は、一定の回転方向に略一定の回転数で回転するため、複雑な制御は要求されない。これにより、回転ステージ１０上に設けられた第１軸ドライバ基板１６３に設けた、簡素化した制御回路をポリゴンミラー５の回転数の制御に適用可能とし、光走査制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転数を非制御対象とすることができる。

【0164】

また本実施形態では、測距装置１００は、ベース板１（基台部）と、保持部２とを有し、保持部２と回転ステージ１０は、ベース板１上の異なる領域に設けられている。これにより、保持部２並びに保持部２が保持するＬＤ３及びＡＰＤ８（受光部）は、回転ステージ１０が回転してもそれぞれ不動であり、ベース板１に固定された状態を維持できる。

【0165】

例えば、ＬＤ３及びＡＰＤ８が回転ステージ１０により回転する構成にすると、ＬＤ３及びＡＰＤ８を制御するための配線等がＬＤ３及びＡＰＤ８の回転に応じて回転又は移動することへの配慮が必要になる。

【0166】

これに対し、回転ステージ１０が回転してもＬＤ３及びＡＰＤ８を不動にすることで、配線等の回転又は移動への配慮を不要とし、測距装置１００の構成を簡素化できる。また、ＬＤ３及びＡＰＤ８が回転ステージ１０により回転する構成と比較して、ＬＤ３及びＡＰＤ８と制御部１４０との間でのデータの通信量を削減でき、通信量の削減に応じて測距装置１００をコストダウンできる。

【0167】

なお、本実施形態では、ベース板１と保持部２が分離しており、ベース板１に保持部２を固定する構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えばベース板１と保持部２が一体に形成された構成にすることもできる。

【0168】

また保持部２が天井パネル２１と背面パネル２２とを含む構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、天井パネル２１と背面パネル２２等が一体化された１つの部材で保持部２を構成することもできる。

【0169】

また天井パネル２１がＬＤ３を保持し、背面パネル２２がＡＰＤ８を保持する構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、天井パネル２１又は背面パネル２２の何れか一方がＬＤ３及びＡＰＤ８の両方を保持する構成にしてもよい。

【0170】

ここで、測距装置１００が外装カバーを備えない場合には、回転ステージ１０は、第２軸Ａ２周りにより広くレーザ光を走査させることができる。但し、背面パネル２２のサイズに対応する第２軸Ａ２周りの走査角度範囲では、背面パネル２２で走査レーザ光Ｌ２が遮られて走査レーザ光Ｌ２を照射することができない。つまり、背面パネル２２のサイズに対応する第２軸Ａ２周りの走査角度範囲は、物体検出及び測距ができない死角範囲になる。

【0171】

そのため、背面パネル２２、或いは背面パネル２２に代えて回転ステージ１０の－Ｙ方向側に設ける構造物の第２軸Ａ２周りの円周方向に沿うサイズをできるだけ小さくすると、上記の死角範囲を小さくできる点で好適である。

【0172】

例えば、受光レンズ７、ＡＰＤ８及び制御部１４０等を天井パネル２１に固定し、背面パネル２２に代えて天井パネル２１を支持する支柱を保持部２が備える構成とする。この構成では、死角範囲は支柱の太さに対応する走査角度範囲のみとなるため、死角範囲がより小さくなる。これにより、第２軸Ａ２周りのより広い走査角度範囲で、物体検出及び測距を行うことができる。

【0173】

また本実施形態では、ＡＰＤ８は、ポリゴンミラー５に含まれる複数の反射面５１のうち、所定の面で反射された走査レーザ光Ｌ２（走査光）が物体２００で反射又は散乱された後、再び上記の所定の面で反射された戻り光Ｒを受光する。この構成により、レーザ光Ｌ１及び走査レーザ光Ｌ２の光路と戻り光Ｒの光路の間で共通する光路が多くなる。その結果、これらを別々に設けた場合と比較して、測距装置１００の構成を簡素化することができる。

【0174】

また本実施形態では、測距装置１００は、走査レーザ光Ｌ２が物体２００で反射又は散乱された戻り光Ｒを偏向させる穴あきミラー６（光偏向部）を有し、穴あきミラー６は、ＬＤ３が発したレーザ光Ｌ１を通過させる貫通孔６１（開口部）を含む。

【0175】

この構成により、レーザ光Ｌ１の光路と戻り光Ｒの光路の間で共通する光路が多くなり、測距装置１００の構成を簡素化することができる。また、貫通孔６１はＬＤ３が発するレーザ光Ｌ１を通過させるため、ビームスプリッター等を用いてレーザ光を透過させる場合と比較して、光透過面での多重反射等による光利用効率の低下や迷光を抑制し、測距精度をより向上させることができる。

【0176】

また本実施形態では、ＬＤ３が発したレーザ光Ｌ１は、第２軸Ａ２に沿ってポリゴンミラー５の反射面５１に入射する。例えば、レーザ光Ｌ１の光軸と第２軸Ａ２が同軸になるように構成されている。

【0177】

この構成により、回転ステージ１０が回転しても反射面５１へのレーザ光Ｌ１の入射位置は変わらなくなる。そのため、第１軸Ａ１周りの光走査及び第２軸Ａ２周りの光走査を簡単な構成で行うことができる。

【0178】

また本実施形態では、ポリゴンミラー５を回転させる第１軸モータ１６１（回転駆動部）は、回転ステージ１０に設けられている。

【0179】

ここで、例えばポリゴンミラー５と第１軸モータ１６１とをプーリ等の連結部材を介して連結させ、第１軸モータ１６１をベース板１等の回転ステージ１０上以外の領域に設けた構成にすると、回転ステージ１０の回転に伴う連結部材の回転又は移動への配慮が必要になる。

【0180】

これに対し、第１軸モータ１６１を回転ステージ１０上に設けることで、このような連結部材の回転又は移動への配慮が不要になり、測距装置１００の構成を簡素化することができる。

【0181】

また本実施形態では、測距装置１００は、電磁誘導により第１軸モータ１６１に非接触で電力を供給する給電部１７０を有する。これにより、第１軸モータ１６１等に電力を供給するための配線を接続しなくてもよいため、回転ステージ１０による第２軸Ａ２周りの回転に応じた配線等の回転又は移動への配慮が不要になる。その結果、測距装置１００の構成を簡素化することができる。

【0182】

また本実施形態では、測距装置１００は、ポリゴンミラー５の回転角度を検出する第１軸エンコーダ１６２（検出部）と、ポリゴンミラー５の回転角度に基づき、ポリゴンミラー５の回転に同期する同期信号に対応する光を発するＬＥＤ１６４（同期出力部）を有する。光走査制御部１５０は、ＬＥＤ１６４が発する光（同期信号）に基づき、回転ステージ１０による回転を制御する。

【0183】

ポリゴンミラー５の回転に同期する同期信号を、パルス光を用いて非接触で回転ステージ１０に供給することで、同期信号を供給するための配線の接続が不要になる。これにより、回転ステージ１０による第２軸Ａ２周りの回転に応じた配線等の回転又は移動への配慮を不要にできる。その結果、測距装置１００の構成を簡素化することができる。

【0184】

但し、同期出力部は同期検知ＬＥＤ１６４を用いる構成に限定されるものではない。回転接点を用いてポリゴンミラー５から回転ステージ１０に同期信号を供給することもできる。この場合にもパルス光を用いる場合と同等の作用効果を得ることができる。

【0185】

また本実施形態では、光走査制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転数に対して所定の比率になるように、回転ステージ１０の回転数を制御する。例えば、光走査制御部１５０は、ポリゴンミラー５の回転数とポリゴンミラー５に含まれる反射面５１の面数との積を回転ステージ１０の回転数で除算した商が、非整数になるように制御する。

【0186】

これにより、回転ステージ１０を第２軸Ａ２周りに１回転させるたびに、第２軸Ａ２に沿う方向（Ｚ軸方向）における第２軸Ａ２周りの走査線の位置をずらすことができる。Ｚ軸方向に位置をずらしながら、第２軸Ａ２周りに複数回だけ走査線を描くことで、例えば、Ｚ軸方向とＺ軸に直交する方向（Ｘ軸方向）とを含む所定面積の平面全体に、複雑な制御を行うことなく、走査線を描くことができる。そして、測距装置１００における制御を簡素化することができる。

【0187】

なお、光走査制御部１５０は、回転ステージ１０の回転数がポリゴンミラー５の回転数より速くなるように制御することもできるし、反対にポリゴンミラー５の回転数が回転ステージ１０の回転数より速くなるように制御することもできる。

【0188】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る測距装置１００ａについて説明する。なお、第１実施形態で既に説明した構成部と同一の構成部には、同一の部品番号を付し、重複する説明を適宜省略する。

【0189】

本実施形態では、第１軸Ａ１は、第１軸及Ａ１及び第２軸Ａ２の両方に交差する方向に沿って、第２軸Ａ２に対して離間した位置に設けられている。またポリゴンミラー５は、第１軸Ａ１及び第２軸Ａ２の両方に交差する可変方向Ｂに沿って位置が可変である。可変方向Ｂにおけるポリゴンミラー５の位置が変化すると、可変方向Ｂに沿う、第１軸Ａ１の第２軸Ａ２から離間した位置までの軸間距離ｄが変化し、ポリゴンミラー５による第１軸Ａ１周りの走査角度範囲の中央値となる角度方向Ｃが変化する。

【0190】

そのため、３次元空間内で物体２００が存在しやすい方向等に応じて、軸間距離ｄを変化させ、角度方向Ｃを変化させることで、物体２００をより検出しやすくする。

【0191】

ここで、図１０乃至図１２のそれぞれは、軸間距離ｄの一例を説明する図である。図１０は第１例を示す図、図１１は第２例を示す図、図１２は第３例を示す図である。

【0192】

正多角柱のポリゴンミラー５を用いた場合、軸間距離ｄは、正多角柱における正多角形の内接円半径Ｐ以下で、且つ以下の（１）式で表される条件に従う。

【数1】

（１）式におけるθは角度方向Ｃと可変方向Ｂとのなす角度を表し、Ｑはポリゴンミラー５における正多角形の外接円半径を表す。

【0193】

図１０において、軸間距離ｄ１は、可変方向Ｂに沿う、第１軸Ａ１の第２軸Ａ２から離間した位置までの軸間距離を示している。Ｐは内接円５２の内接円半径を示し、Ｑは外接円５３の外接円半径を示している。角度方向Ｃ１は、第１軸Ａ１周りの走査角度範囲φｚの中央値となる角度に沿う方向である。角度方向Ｃ１と可変方向Ｂとのなす角度θ１は、軸間距離ｄ１に応じ、（１）式から０［度］となり、角度方向Ｃ１と可変方向Ｂは略一致する。

【0194】

次に、図１１に示す第２例では、図１０に示した第１例と比較して、ポリゴンミラー５は＋Ｙ方向側に移動しており、軸間距離ｄ２は軸間距離ｄ１より小さくなっている。角度方向Ｃ２と可変方向Ｂとのなす角度θ２は、軸間距離ｄ２に応じ、（１）式から＋Ｚ方向側に傾いた角度になり、角度方向Ｃ２は可変方向Ｂに対して＋Ｚ方向側に傾く。

【0195】

この構成では、測距装置１００ａは、第１例と比較して＋Ｚ方向側にややずれた走査角度範囲で第１軸Ａ１周りの光走査を行うことができ、第１例と比較して＋Ｚ方向側に存在する物体２００を検出しやすくなる。

【0196】

次に、図１２の第３例では、図１０示した第１例と比較して、ポリゴンミラー５は－Ｙ方向側に移動しており、軸間距離ｄ３は軸間距離ｄ１より大きくなっている。角度方向Ｃ３と可変方向Ｂとのなす角度θ３は、軸間距離ｄ３に応じ、（１）式から－Ｚ方向側に傾いた角度になり、角度方向Ｃ３は可変方向Ｂに対して－Ｚ方向側に傾く。

【0197】

この構成では、測距装置１００ａは、第１例と比較して－Ｚ方向側にややずれた走査角度範囲で第１軸Ａ１周りの光走査を行うことができ、第１例と比較して－Ｚ方向側に存在する物体２００を検出しやすくなる。

【0198】

なお、測距装置１００ａでは、ポリゴンミラー５の可変方向Ｂにおける位置を予め定めることで、軸間距離ｄを設定することができる。

【0199】

以上説明したように、本実施形態では、第１軸Ａ１は、第１軸及Ａ１及び第２軸Ａ２の両方に交差する方向に沿って、第２軸Ａ２に対して離間した位置に設けられている。可変方向Ｂに沿う、第１軸Ａ１の第２軸Ａ２から離間した位置までの軸間距離を選択することで、３次元空間内で物体２００が存在しやすい方向等に応じて角度方向Ｃを異ならせ、物体２００をより検出しやすくすることができる。

【0200】

また本実施形態では、可変方向Ｂにおけるポリゴンミラー５の位置に応じて軸間距離ｄを変化させることもできる。軸間距離ｄに応じて角度方向Ｃが変化する。そのため、３次元空間内で物体２００が存在しやすい方向等に応じて軸間距離ｄを変化させて角度方向Ｃを変化させることで、物体２００をより検出しやすくすることができる。

【0201】

なお、これ以外の効果は、第１実施形態で説明したものと同様である。

【0202】

以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0203】

例えば、測距装置１００又は１００ａが搭載される移動体は、サービスロボットに限定されるものではない。例えば移動体は、自動車、車両、電車、汽車又はフォークリフト等の陸上を移動可能なものや、飛行機、気球又はドローン等の空中を移動可能なもの、船、船舶、汽船又はボート等の水上を移動可能なものであってもよい。

【0204】

また、光走査装置４００により走査される光は、レーザ光に限定されるものではなく、指向性を有さない光であってもよい。またレーダー等の波長の長い電磁波等を光の一種として用いることもできる。

【0205】

実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。

【0206】

また、機能ブロック図におけるブロックの分割は一例であり、複数のブロックを一つのブロックとして実現する、一つのブロックを複数に分割する、及び／又は、一部の機能を他のブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数のブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。

【符号の説明】

【0207】

１…ベース板（基台部の一例）、２…保持部、２１…天井パネル、２２…背面パネル、３…ＬＥＤ（発光部の一例）、４…コリメートレンズ、５…ポリゴンミラー（回転多面体の一例）、５１…反射面、５２…内接円、５３…外接円、６…穴あきミラー（光偏向部の一例）、６１…貫通孔（開口部の一例）、７…受光レンズ、８…ＡＰＤ（受光部の一例）、９…イケール（支持部の一例）、９１…基板、１０…回転ステージ（回転機構の一例）、１０１…載置面、１０２…ベアリング、１０３…マグネット、１０４…モータコア、１１０…受発光部、１２０…光走査部、１３０…出射窓、１４０…制御部、１４１…発光制御部、１４２…距離情報取得部、１４３…距離情報出力部（出力部の一例）、１５０…光走査制御部、１５１…給電制御部、１５２…ポリゴンミラー制御部、１５３…回転ステージ制御部、１６１…第１軸モータ（回転駆動部の一例）、１６２…第１軸エンコーダ（検出部の一例）、１６３…第１軸ドライバ基板、１６４…同期検知ＬＥＤ（同期出力部の一例）、１６５…発電コイル、１７０…給電部、１７５…給電コイル、２００…物体、３００…外部コントローラ、４００…光走査装置、５００…サービスロボット、８０１乃至８０６…走査線、９２…ビームスポット、Ａ１…第１軸、Ａ１１…第１軸回転方向、Ａ２…第２軸、Ａ２１…第２軸回転方向、Ｂ…可変方向、Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…角度方向、ｄ、ｄ１、ｄ２、ｄ３…軸間距離、Ｌ１…レーザ光（光の一例）、Ｌ２…走査レーザ光（走査光の一例）、Ｐ…内接円半径、Ｑ…外接円半径、Ｒ、Ｒ１、Ｒ２…戻り光、φｘｙ、φｚ…走査角度範囲、θ１、θ２、θ３…角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】