JP3765251B2 - 光スキャナ装置及び光スキャナ装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から照射された光を弾性変形部材を介して片持ち梁状に支持されたミラー部により反射して対象物に照射するとともに、前記ミラー部を振動させることによって前記対象物に照射する光を走査する光スキャナ装置、及びこのような光スキャナ装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光源から出射されたレーザ光を２次元方向に走査しながら対象物に照射させる光スキャナ装置が提案されており、例えば、車両用２次元レーザレーダに適用されている。車両用２次元レーザレーダは、光スキャナ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戻り光を検出して、光スキャナ装置からの出射レーザ光と対象物からの反射戻り光との関係に基づいて、対象物までの距離や水平方向及び水平方向の角度等を検出するものである。このような車両用２次元レーザレーダを車両に搭載すれば、車両周囲の状況を適切且つ確実に把握することができるので、車両の走行時における安全性を高める技術として注目を集めている。
【０００３】
従来の光スキャナ装置としては、例えば特開平９−１０１４７４号公報に開示されている構成が知られている。この従来例は、共振駆動による２次元光スキャナ装置に関するものであり、反射ミラーの周囲に互いに直交する２つの両持ち梁状の捩り振動梁が配設されている。そして、振動軸として機能するこれら２つの捩り振動梁の基底部に圧電アクチュエータを配設し、振動軸の曲げ及び捩りの共振周波数に応じた交流電圧を圧電アクチュエータに合成して印加することにより、曲げ及び捩りの振動を同時に反射ミラーに付与し、これによって２次元走査を可能としている。
【０００４】
また、この従来例は、捩り振動梁の基底部に圧電センサを配設した構成とされている。そして、この圧電センサによって反射ミラーの振れ角を応力信号として検出し、この応力信号を自励発振回路に印加して圧電アクチュエータに増幅して帰還することにより、圧電アクチュエータの発振周波数を各々の捩り振動梁の捩り固有振動数に一致させるとともに、発振振幅を一定の値に制御するようにしている。これにより、温度変化等によるダンピング係数や共振周波数の変化に対応して、反射ミラーを安定して振動させることができ、高精度の２次元走査を実現することが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例における光スキャナ装置は、曲げ及び捩りの２つの両持ち梁で反射ミラーを支持しており、これら２つの両持ち梁の捩れの振動を利用する構造とされている。このため、共振周波数の前後の周波数域において梁の振幅（すなわち振れ角）が均等に減衰し、良好な共振特性を得ることが容易である。したがって、梁の固有振動数に合わせた周波数を維持しながら反射ミラーの共振を継続させるに際して、自励発振回路等のような簡略な制御回路を用いることが可能である。
【０００６】
しかしながら、上述した従来例における光スキャナ装置は、反射ミラーを２つの両持ち梁で支持する構造とされていることから、装置構成が複雑であり、低コスト化を図ることに限界がある。
【０００７】
そこで、装置構成を簡素化して大幅な低コスト化を実現する方法として、例えば、反射ミラーを単独の片持ち梁で支持し、この片持ち梁を曲げ方向と捩り方向とにそれぞれ振動させることによって、２次元走査を行うようにする方法が考えられている。しかしながら、この場合には、広範囲の走査に対応して大きな捩れ振動を得ようとすると、図１６に示すように、いわゆるハードスプリング効果と称される現象が生じて、共振周波数の前後の周波数域において梁の振幅の減衰特性が非対称となり、極めて非線形性の強い振動形態となってしまうといった問題があった。このような非線形性の強い共振振動は、自励発振回路を用いた帰還制御により安定して動作させることが困難である。
【０００８】
したがって、従来例における光スキャナ装置は、高周波成分を含む振動などの外乱が生じた場合に、帰還制御系が発散してしまい、共振周波数よりも僅かでも高い周波数域で振動させるように制御回路が動作すると共振が停止してしまう虞があった。また、共振が停止した後に動作を再開させる場合に、帰還制御系の過度な応答により、不安定な共振形態となりがちである。
【０００９】
このため、従来例における光スキャナ装置は、例えば車両用２次元レーザレーダに適用した場合には、高周波成分を含む車両の振動などにより動作が不安定となり易く、また共振の停止が頻発するなどして、十分な信頼性を得ることが困難である。
【００１０】
一方、光スキャナ装置においては、例えば、反射ミラーを支持する梁を駆動するために、外部から印加される磁界に応じて変化する応力を発生する磁歪膜を梁の裏面に形成した構造とすることが考えられる。この場合には、図１７に示すように、磁歪膜に生じるヒステリシスによる影響が顕著となる。
【００１１】
具体的には、例えば、共振周波数よりも高い周波数域にずれて共振が停止した後で動作を再開するときに、本来の共振周波数よりも遙かに低い周波数から共振周波数まで反射ミラーを駆動する周波数を逐次スイープする手法、或いは直流磁界を印加することにより磁歪膜内部の磁気モーメントを共振が停止する前の状態に反転させた後に共振を再開する手法を採用することが必要となる。しかしながら、何れの手法によっても、一時的に反射ミラーの振動動作を停止させることとなってしまう。
【００１２】
したがって、このような光スキャナ装置は、車両の周囲の物体を常時検出することが要求される車両用２次元レーザレーダに適用することが困難となっている。
【００１３】
本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、装置構成を簡略化して大幅な低コスト化を実現するとともに、安定した走査を継続して行うことが可能な光スキャナ装置、及びこのような光スキャナ装置の駆動方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、光源から照射された光を弾性変形部材を介して片持ち梁状に支持されたミラー部により反射して対象物に照射するとともに、前記ミラー部を振動させることによって前記対象物に照射する光を走査し、前記ミラー部の振動状態が最適となるように前記ミラー部の振動周波数及び振動振幅を検出して帰還制御を行う光スキャナ装置において、前記弾性変形部材を変形させて前記ミラー部を振動させる駆動手段と、前記駆動手段の動作を制御する駆動制御手段と、前記弾性変形部材の変形量を検出する変形量検出手段と、前記変形量検出手段から出力される信号を処理して、前記ミラー部の振動周波数を検出する周波数検出手段とを備え、前記駆動制御手段が、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光スキャナ装置において、前記駆動制御手段が、前記駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光スキャナ装置において、少なくとも電源投入時において、前記駆動手段に対してパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を更に備え、前記駆動制御手段が、前記パルス電圧印加手段によるパルス電圧の印加が行われたときは、前記駆動手段にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて前記駆動手段の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記駆動手段を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させて、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光スキャナ装置において、前記駆動手段が、前記弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部と、前記弾性変形部材を曲げ方向に変形させる第２の駆動部とを備え、前記変形量検出手段が、前記弾性変形部材の捩り変形量を検出する捩り変形量検出部と、前記弾性変形部材の曲げ変形量を検出する曲げ変形量検出部とを備え、前記周波数検出手段が、前記捩り変形量検出部から出力される信号を処理して捩り振動周波数を検出する捩り周波数検出部と、前記曲げ変形量検出部から出力される信号を処理して曲げ振動周波数を検出する曲げ周波数検出部とを備え、前記駆動手段が前記弾性変形部材を捩り方向と曲げ方向とにそれぞれ変形させることにより、光源からの光を前記対象物に対して２次元走査することを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光スキャナ装置において、前記駆動制御手段が、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させ、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定するとともに、自励発振回路により生成される信号に基づいて前記第２の駆動部の動作を制御することを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の光スキャナ装置において、前記駆動制御手段が、前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６の何れかに記載の光スキャナ装置において、少なくとも電源投入時において、前記第１の駆動部に対してパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を更に備え、前記駆動制御手段が、前記パルス電圧印加手段によるパルス電圧の印加が行われたときは、前記第１の駆動部にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて前記第１の駆動部の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記第１の駆動部を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させて、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、光源から照射された光を弾性変形部材を介して片持ち梁状に支持されたミラー部により反射して対象物に照射するとともに、駆動手段の動作により前記弾性変形部材を変形させて前記ミラー部を振動させることによって前記対象物に照射する光を走査し、前記ミラー部の振動状態が最適となるように前記ミラー部の振動周波数及び振動振幅を検出して帰還制御を行う光スキャナ装置の駆動方法において、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の光スキャナ装置の駆動方法において、前記駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の光スキャナ装置の駆動方法において、少なくとも電源投入時において、前記駆動手段にパルス電圧を印加し、前記駆動手段にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて前記駆動手段の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記駆動手段を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させて、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８に記載の光スキャナ装置の駆動方法において、前記駆動手段が、前記弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部と、前記弾性変形部材を曲げ方向に変形させる第２の駆動部とを有し、前記ミラー部を２次元方向に振動させることで、光源からの光を前記対象物に対して２次元走査するとともに、前記弾性変形部材の捩り変形量と曲げ変形量とに基づいて、前記ミラー部の捩り振動周波数と曲げ振動周波数とをそれぞれ検出することを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光スキャナ装置の駆動方法において、前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定するとともに、自励発振回路により生成される信号に基づいて、前記第２の駆動部の動作を制御することを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１１又は１２に記載の光スキャナ装置の駆動方法において、前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２７】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１１乃至１３の何れかに記載の光スキャナ装置の駆動方法において、少なくとも電源投入時において、前記第１の駆動部にパルス電圧を印加し、前記第１の駆動部にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて前記第１の駆動部の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記第１の駆動部を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させて、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とするものである。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１に係る光スキャナ装置によれば、ミラー部の振動中に弾性変形部材を変形させる駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数に基づいて駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することにより、ミラー部を支持する弾性変形部材にハードスプリング効果が生じた場合であっても、例えばヒステリシスが比較的小さい磁歪膜を駆動手段として用いることで、温度変化に対応して常に安定した共振動作を維持することができる。また、ミラー部が片持ち梁状に支持された構造とされていることから、装置構成を簡略化して低コスト化を実現することができる。したがって、特に車両用レーザレーダに用いた場合に、車両の振動などに起因する走査動作の停止を有効に防止することができ、装置の信頼性を向上して、車両の走行時における安全性を十分に確保することができる。
【００２９】
また、請求項２に係る光スキャナ装置によれば、請求項１の効果に加えて、ヒステリシスが比較的小さい磁歪膜を駆動手段として用いることで急激な外乱振動が加わった場合であっても、駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数の値から所定の値を減算した周波数の値に基づいて駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することから、この外乱振動による影響を有効に抑制して、安定した共振動作を維持することができる。したがって、特に車両用レーザレーダに用いた場合において、車両の振動による影響を更に効果的に低減して、装置の動作が停止してしまう不都合を更に適切に防止することができる。
【００３０】
また、請求項３に係る光スキャナ装置によれば、請求項１又は２の効果に加えて、例えば装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いられる場合であっても、装置の信頼性を十分に確保することができる。
【００３１】
また、請求項４に係る光スキャナ装置によれば、請求項１の効果に加えて、ミラー部を捩り方向と曲げ方向とにそれぞれ駆動制御することができ、光源からの光を対象物に対して２次元走査することができる。
【００３２】
また、請求項５に係る光スキャナ装置によれば、請求項４の効果に加えて、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が顕著となる捩り振動に対してのみ、駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数に基づいた同調制御を行い、曲げ振動に対しては安価な自励発振回路による帰還制御を行うことができる。したがって、装置に搭載する回路規模を小さくすることができ、小型軽量化を図ることができるとともに、更なる低コスト化を実現することができる。
【００３３】
また、請求項６に係る光スキャナ装置によれば、請求項４又は５の効果に加えて、ヒステリシスが比較的小さい磁歪膜を駆動手段として用いることで急激な外乱振動が加わった場合であっても、弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の捩り振動周波数の値から所定の値を減算した周波数の値に基づいて第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することから、この外乱振動による影響を有効に抑制して、安定した共振動作を維持することができる。したがって、特に車両用２次元レーザレーダに用いた場合において、車両の振動による影響を効果的に低減して、装置の動作が停止してしまう不都合を更に適切に防止することができる。
【００３４】
また、請求項７に係る光スキャナ装置によれば、請求項４乃至６の何れかの効果に加えて、例えば装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いる場合であっても、装置の信頼性を十分に確保することができる。
【００３５】
また、請求項８に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、ミラー部の振動中に弾性変形部材を変形させる駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数に基づいて駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することにより、ミラー部を支持する弾性変形部材にハードスプリング効果が生じた場合であっても、例えばヒステリシスが比較的小さい磁歪膜によりミラー部を駆動することで、温度変化に対応して常に安定した共振動作を維持することができる。また、ミラー部が片持ち梁状に支持された構造とされていることから、装置構成を簡略化して低コスト化を実現することができる。したがって、特に光スキャナ装置を車両用レーザレーダに用いた場合に、車両の振動などに起因する走査動作の停止を防止することができ、車両の走行時における光スキャナ装置の信頼性及び安全性を十分に確保することができる。
【００３６】
また、請求項９に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項８の効果に加えて、ヒステリシスが比較的小さい磁歪膜によりミラー部を駆動することで急激な外乱振動が加わった場合であっても、駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数の値から所定の値を減算した周波数の値に基づいて駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することから、この外乱振動による影響を抑制して、安定した共振動作を維持することができる。したがって、特に光スキャナ装置を車両用レーザレーダに用いた場合において、車両の振動による影響を低減して、光スキャナ装置の動作が停止してしまう不都合を更に適切に防止することができる。
【００３７】
また、請求項１０に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項８又は９の効果に加えて、例えば装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、光スキャナ装置が例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いられる場合であっても、光スキャナ装置の信頼性を十分に確保することができる。
【００３８】
また、請求項１１に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項８の効果に加えて、ミラー部を捩り方向と曲げ方向とにそれぞれ駆動制御することができ、光源からの光を対象物に対して２次元走査することができる。
【００３９】
また、請求項１２に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項１１の効果に加えて、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が顕著となる捩れ振動に対してのみ、駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の振動周波数に基づいた同調制御を行い、曲げ振動に対しては安価な自励発振回路による帰還制御を行うことができる。したがって、光スキャナ装置に搭載する回路規模を小さくすることができ、光スキャナ装置の小型軽量化を図ることができるとともに、さらなる低コスト化を実現することができる。
【００４０】
また、請求項１３に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項１１又は１２の効果に加えて、ヒステリシスが比較的小さい磁歪膜によりミラー部を駆動することで急激な外乱振動が加わった場合であっても、弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出されるミラー部の捩り振動周波数の値から所定の値を減算した周波数の値に基づいて第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することから、この外乱振動による影響を有効に抑制して、安定した共振動作を維持することができる。したがって、特に光スキャナ装置を車両用２次元レーザレーダに用いた場合において、車両の振動による影響を効果的に低減して、光スキャナ装置の動作が停止してしまう不都合を更に適切に防止することができる。
【００４１】
また、請求項１４に係る光スキャナ装置の駆動方法によれば、請求項１１乃至１３の何れかの効果に加えて、例えば光スキャナ装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いる場合であっても、光スキャナ装置の信頼性を十分に確保することができる。
【００４２】
【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説明する。以下では、本発明を、車両用２次元レーザレーダ装置に適用した例について具体的に説明する。
【００４３】
（第１の実施形態）
第１の実施形態として示す２次元レーザレーダ装置は、図１に示すように、対象物１００に対して照射するレーザ光を出射するレーザダイオード１０と、このレーザダイオード１０を駆動するレーザダイオード駆動回路１１と、レーザダイオード駆動回路１１に対してレーザダイオード１０の発光タイミングを出力する制御回路１２とを備える。
【００４４】
また、この２次元レーザレーダ装置は、レーザダイオード１０から出射されたレーザ光が対象物１００により反射されて戻ってきた戻り光を受光するフォトディテクタ１３と、フォトディテクタ１３からの出力信号に対して各種信号処理を施す受光回路１４とを備える。受光回路１４は、フォトディテクタ１３からの出力信号に基づいて、所定の信号を制御回路１２に出力する。そして制御回路１２は、受光回路１４からの出力信号に応じて、レーザ光がレーザダイオード１０から出射されてから対象物１００に反射してフォトディテクタ１３によって検出されるまでの伝播遅延時間に基づいて、自車周囲に存在する対象物１００までの距離や水平方向及び垂直方向の角度等、対象物１００の位置情報を算出する。また、制御回路は、算出した対象物１００の位置情報に基づいて、レーザダイオード１０の発光タイミングをレーザダイオード駆動回路１１に出力する。
【００４５】
また、この２次元レーザレーダ装置は、レーザダイオード１０から出射されたレーザ光を水平方向及び垂直方向に反射して２次元状に走査するスキャナ部１５と、スキャナ部１５によって走査されたレーザ光を反射して、例えば車両の前方に照射する反射ミラー１６とを備える。
【００４６】
スキャナ部１５は、図１乃至図３に示すように、レーザ光を反射するミラー部２０と、このミラー部２０を捩り方向及び曲げ方向とに駆動する磁歪素子（図１乃至図３においては図示せず。）と、ミラー部２０の捩り変形量及び曲げ変形量をそれぞれ検出する第１のピエゾ抵抗素子２１ａ及び第２のピエゾ抵抗素子２１ｂと、磁歪素子に対して外部磁界を印加する磁界印加手段２２とを備える。
【００４７】
また、この２次元レーザレーダ装置は、第１のピエゾ抵抗素子２１ａ及び第２のピエゾ抵抗素子２１ｂからの出力信号に基づいてミラー部２０の捩り振動周波数及び曲げ振動周波数を検出し、この検出結果に応じて磁界印加手段２２により印加する外部磁界を制御する駆動制御回路２３を備えている。そして、この２次元レーザレーダ装置は、駆動制御回路２３が制御回路１２に接続されて、相互に各種信号の入出力を行うように構成されており、制御回路１２によって装置全体の動作が制御される構成とされている。
【００４８】
次に、スキャナ部１５の構成について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
【００４９】
スキャナ部１５は、図２及び図３に示すように、外形を略矩形平板状に形成されており、例えば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などによりコ字状に形成されたスリット部３０によって分断されてなるミラー部２０と、このミラー部２０を囲むフレーム部３１とを備える。ミラー部２０は、一端部がフレーム部３１と一体に形成されており、フレーム部３１に対して片持ち梁状に支持されている。このミラー部２０とフレーム部３１との境界部（以下、片持ち梁部３２と称する。）は、捩り方向と曲げ方向とに弾性変形自在とされている。
【００５０】
ミラー部２０は、例えばシリコンウエハの主面に対してアルミ蒸着により高反射コーティングを施すことにより形成されており、照射されるレーザ光に対して十分な反射率を有している。
【００５１】
また、片持ち梁部３２に位置して、ミラー部２０が形成された面とは反対側の面には、図示を省略する磁歪素子が薄膜状に形成されている。この磁歪素子は、所定の磁場の下で形成されることにより、例えば図２中に示す矢印Ａ方向に対して概ね２２．５度の傾斜角を有する方向に磁化容易軸が設定されている。
【００５２】
また、片持ち梁部３２には、図２中に示す矢印Ｄ方向に対するミラー部２０の曲げ方向及び捩り方向の変位量をそれぞれ検出する第１のピエゾ抵抗素子２１ａ及び第２のピエゾ抵抗素子２１ｂが形成されている。これら第１及び第２のピエゾ抵抗素子２１ａ，２１ｂからの出力信号は、フレーム部３１の端部に形成された電極部３３を介して外部に出力される。
【００５３】
また、スキャナ部１５は、図３に示すように、フレーム部３１が外フレーム部３４に取り付けられた状態で、この外フレーム部３４の周囲に磁界印加手段２２が配設されてなる。なお、図３（ａ）は、スキャナ部１５が外フレーム部３４に取り付けられた状態における平面図であり、図３（ｂ）は、この状態における側面図である。
【００５４】
磁界印加手段２２は、駆動制御回路２３による制御に応じて、図２中に示す矢印Ｄ方向に対するミラー部２０における曲げ方向及び捩り方向のそれぞれの共振周波数の２成分が重なった交番磁界を磁歪素子に対して印加する。
【００５５】
以上のように構成されたスキャナ部１５は、磁界印加手段２２によって交番磁界を印加されることにより磁歪素子が駆動し、片持ち梁部３２が図２中の矢印Ｂに示す曲げ方向、及び図２中の矢印Ｃに示す捩り方向に変形する。これにより、ミラー部２０は、曲げ方向と捩り方向とに振動動作することとなる。また、ミラー部２０の振動は、片持ち梁部３２に形成された第１及び第２のピエゾ抵抗素子２１ａ，２１ｂによって検出され、駆動制御回路２３に出力される。
【００５６】
ここで、スキャナ部１５の具体的な一構成例について説明する。片持ち梁部３２によって片持ち梁状に支持されるミラー部２０の外形形状は、例えば、長さが１０ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが約２０μｍとされる。また、このミラー部２０は、例えば、捩り共振周波数が２ｋＨｚとされ、曲げ共振周波数が２００Ｈｚとされる。また、各々の共振周波数におけるミラー部２０のフレーム部３１に対する変位角度は、例えば、捩り方向に５度、曲げ方向に２０度とされる。なお、これら変位角度は、磁界印加手段２２によって印加する交番磁界に応じて自在に制御可能である。
【００５７】
なお、上述の説明においては、磁歪素子の磁化容易軸の傾斜角を２２．５度としたが、この値に限定されるものではない。ただし、片持ち梁部３２の機械的特性から、捩り振動に対しては、磁歪素子の磁化容易軸の傾斜角を４５度とすることが望ましく、曲げ振動に対しては、傾斜角を０度とすることが望ましい。本例においては、ミラー部２０を捩り方向と曲げ方向との双方で振動させることから、０度と４５度との中間値である２２．５度を選択することが望ましい。
【００５８】
また、上述の説明においては、片持ち梁部３２に形成した磁歪素子と磁界発生手段２２とによりミラー部２０を振動させる構成としたが、ミラー部２０を振動駆動するに際しては、このような構成に限定されるものではなく、例えば、圧電素子を用いるようにしてもよいし、クーロン力などの各種駆動力を利用するようにしてもよい。
【００５９】
また、図３に示すようにしてスキャナ部１５を外フレーム部３４に取り付けるに際しては、所定の厚さの（例えば３ｍｍ）各種スペーサ等を配設することが望ましい。これにより、ミラー部２０が大きな振れ角で振動した場合であっても、このミラー部２０が外フレーム部３４や２次元レーザレーダ装置の他の各部材に干渉してしまうことを防止することができる。
【００６０】
また、上述した磁界印加手段２２としては、例えば、線径が０．１ｍｍのエナメル線が５００回巻回されてなるコイルなどを用いることができる。
【００６１】
次に、上述した駆動制御回路２３の具体的な回路構成の一例について以下に説明する。
【００６２】
駆動制御回路２３は、図４に示すように、スキャナ部１５に形成された第１及び第２のピエゾ抵抗素子２１ａ，２１ｂからの出力信号をそれぞれ増幅する第１及び第２のシグナルコンディショナ４１ａ，４１ｂと、これら第１及び第２のシグナルコンディショナ４１ａ，４１ｂによって増幅された信号がそれぞれ入力され、それぞれミラー部２０の曲げ振動周波数及び捩り振動周波数を検出する第１及び第２の周波数検出器４２ａ，４２ｂと、これら第１及び第２の周波数検出器４２ａ，４２ｂにより検出した振動周波数の値がそれぞれ入力端子ｃｈ１及び入力端子ｃｈ２に入力されるＣＰＵ４３とを備えている。ＣＰＵ４３には、後述する処理手順を示すプログラムが記憶されるメモリ部４４が接続されている。そして、ＣＰＵ４３は、メモリ部４４に記憶されたプログラムに従って、入力された振動周波数の値に応じて各種演算処理を行い、ミラー部２０の曲げ振動及び捩り振動を駆動する電圧値及び周波数値を、それぞれ出力端子ｃｈ３及び出力端子ｃｈ４から出力する。
【００６３】
また、駆動制御回路２３は、ＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ３及び出力端子ｃｈ４から出力される電圧値及び周波数値がそれぞれ入力され、この入力信号に応じた正弦波をそれぞれ出力する第１及び第２の発振器４５ａ，４５ｂを備え、さらに、第１及び第２の断続器４６ａ，４６ｂと、第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂと、加算器４８とを備えている。
【００６４】
第１及び第２の発振器４５ａ，４５ｂから出力された正弦波は、それぞれ第１及び第２の断続器４６ａ，４６ｂを介して第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂに入力される。第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂは、入力された正弦波をそれぞれ増幅して加算器４８に出力する。加算器４８は、第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂから入力された正弦波を加算した後、磁界印加手段２２に出力する。これにより、光スキャナ装置においては、磁界印加手段２２から交番磁界が磁歪素子に対して印加され、ミラー部２０が曲げ方向と捩り方向とにそれぞれ振動することとなる。
【００６５】
一方、第１及び第２のシグナルコンディショナ４１ａ，４１ｂから出力される信号は、制御回路１２にも出力される。そして、制御回路１２は、入力された信号に基づいて、フォトディテクタ１３により検出された戻り光がどの方向や距離から反射されたものかを検出する。これにより、２次元レーザレーダ装置は、対象物１００までの距離や水平方向及び垂直方向の角度などのような対象物１００に関する位置情報を検出することが可能とされている。
【００６６】
また、第１及び第２の断続器４６ａ，４６ｂは、ＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ５及び出力端子ｃｈ６から出力される信号がそれぞれ入力されており、このＣＰＵ４３からの制御に応じて、第１及び第２の発振器４５ａ，４５ｂから出力される正弦波の第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂに対する出力を適宜遮断することが可能とされている。
【００６７】
ここで、以上のように構成された２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路２３による処理の一例について、図５及び図６を参照しながら具体的に説明する。
【００６８】
２次元レーザレーダ装置の電源が投入されて動作が開始されると、図５中のステップＳ１０において、ＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ５から第１の断続器４６ａを遮断する信号を出力する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を、図６中において時刻Ｔ１で示す。この時刻Ｔ１以降、磁界印加手段２２からはミラー部２０を捩り方向のみに励起する磁場が磁歪素子に対して印加されることとなるが、ミラー部２０は、残響共振による影響によって時刻Ｔ１以前の周波数から徐々に曲げ固有振動周波数に漸近させつつ振幅を弱めながら、振動を継続する。
【００６９】
次に、ステップＳ１１において、ＣＰＵ４３は、時刻Ｔ１から所定の時間（例えば２０ｍｓｅｃ）が経過したか否かを判断する。この結果、所定の時間が経過している場合には次のステップＳ１２に進み、経過していなかった場合には、ステップＳ１１の判断処理を繰り返す。
【００７０】
ここで、ステップＳ１１からステップＳ１２に移行するまでの経過時間を２０ｍｓｅｃに設定するのは、本発明者が実験により経験的に決定した最適値である。具体的には、約２００Ｈｚの曲げ共振周波数においてミラー部２０の変位角を２０度に設定した場合に、時刻Ｔ１において曲げ方向の駆動を遮断してから２０ｍｓｅｃ経過した時点でのミラー部の振動振幅は約１６度であった。このように曲げ方向の駆動を遮断したときに、１６度の曲げ角が得られれば、レーザ光の水平スキャン角度として３２度を確保することができ、車両用のレーザレーダ装置としては十分な水平スキャン角度を確保することができる。
【００７１】
一方、本例におけるステップＳ１１からステップＳ１２への移行時間を２０ｍｓｅｃよりも短く設定すると、ミラー部２０における曲げ固有振動周波数への移行が完了せず、次のステップＳ１２において誤った振動周波数を計測してしまうといった不具合が生じる。また、本例における移行時間を２０ｍｓｅｃよりも長く設定すると、残響振動によるミラー部２０の曲げ角度が小さくなりすぎてしまい、レーザ光の水平スキャン角度が十分に確保されず、対象物１００の検知機能が制約されてしまう。
【００７２】
以上のような理由から、本例においては、次のステップＳ１２におけるミラー部２０の曲げ固有振動周波数の検出を正確に計測するための最適な経過時間として、２０ｍｓｅｃを設定した。なお、本例におけるミラー部２０の振動減衰率は、２０％であった。
【００７３】
次に、ステップＳ１２において、第１のピエゾ抵抗素子２１ａからの出力信号に基づいて、第１の周波数検出器４２ａによりミラー部２０の曲げ固有振動周波数と振動振幅とを検出する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を、図６中において時刻Ｔ２で示す。また、このとき検出された曲げ固有振動周波数及び振動振幅は、ＣＰＵ４３によってメモリ部４４に一時的に記憶される。
【００７４】
次に、ステップＳ１３において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ１２において検出された曲げ固有振動周波数及び振動振幅と、予めメモリ部４４に記録された初期値とを比較して差を算出し、この差に基づいて調整した最適振幅値を得る。
【００７５】
次に、ステップＳ１４において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ１２で検出した曲げ固有振動周波数とステップＳ１３で得た最適振幅値とを出力端子ｃｈ３を介して第１の発振器４５ａに出力する。この時点では、ミラー部２０は磁界印加手段２２によって印加される磁界によって捩り方向のみの振動をしている。
【００７６】
次に、ステップＳ１５において、ＣＰＵ４３は、出力端子ｃｈ５を介して第１の断続器４６ａを接続する要求を出力する。これにより、磁界印加手段２２からは、捩り振動とともに曲げ振動に対応した交番磁界が磁歪素子に印加されることとなり、ミラー部２０は、捩り方向と曲げ方向との２方向に振動する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を図６中において時刻Ｔ３で示す。
【００７７】
次に、ステップＳ１６において、ＣＰＵ４３は、出力端子ｃｈ６から第２の断続器４６ｂを遮断する信号を出力する。なお、以降で説明する第２の断続器４６ｂを遮断する動作においては、ミラー部２０の振動振幅の変化が、上述したようにして第１の断続器４６ａを遮断した場合と略々同等であることから、このステップＳ１６の時点におけるミラー部２０の振動振幅を便宜的に、図６中において上述の説明で用いた時刻Ｔ１で示す。この時刻Ｔ１以降、磁界印加手段２２からはミラー部２０を曲げ方向のみに励起する磁場が磁歪素子に対して印加されることとなるが、ミラー部２０は、残響共振による影響によって時刻Ｔ１以前の周波数から徐々に捩り固有振動周波数に漸近させつつ振幅を弱めながら、振動を継続する。
【００７８】
次に、ステップＳ１７において、ＣＰＵ４３は、時刻Ｔ１から所定の時間（例えば１０ｍｓｅｃ）が経過したか否かを判断する。この結果、所定の時間が経過している場合には次のステップＳ１８に進み、経過していなかった場合には、ステップＳ１７における判断を繰り返す。
【００７９】
ここで、ステップＳ１７からステップＳ１８に移行するまでの経過時間を１０ｍｓｅｃに設定するのは、本発明者が実験により経験的に決定した最適値である。具体的には、本例における外形形状とされたミラー部２０の捩り変位角が５度であり、時刻Ｔ１において捩り方向の駆動を遮断してから１０ｍｓｅｃ経過した時点でのミラー部の振動振幅は約４度であった。このように捩り方向の駆動を遮断したときに、４度の捩り角が得られれば、レーザ光のスキャン角度として垂直方向に８度を確保することができ、車両用のレーザレーダ装置としては十分な垂直スキャン角度を確保することができる。
【００８０】
一方、本例におけるステップＳ１７からステップＳ１８への移行時間を１０ｍｓｅｃよりも短く設定すると、ミラー部２０における捩り固有振動周波数への移行が完了せず、次のステップＳ１８において誤った振動周波数を計測してしまうといった不具合が生じる。また、本例における移行時間を１０ｍｓｅｃよりも長く設定すると、残響振動によるミラー部２０の捩り角度が小さくなりすぎてしまい、レーザ光の垂直スキャン角度が十分に確保されず、対象物１００の検知機能が制約されてしまう。
【００８１】
以上のような理由から、本例においては、次のステップＳ１７におけるミラー部２０の捩り固有振動周波数の検出を正確に計測するための最適な経過時間として、１０ｍｓｅｃを設定した。なお、本例におけるミラー部２０の振動減衰率は、２０％であった。
【００８２】
次に、ステップＳ１８において、第２のピエゾ抵抗素子２１ｂからの出力信号に基づいて、第２の周波数検出器４２ｂによりミラー部２０の捩り固有振動周波数と振動振幅とを検出する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を、図６中において時刻Ｔ２で示す。このとき検出された捩り固有振動周波数及び振動振幅は、ＣＰＵ４３によってメモリ部４４に一時的に記憶される。
【００８３】
次に、ステップＳ１９において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ１８において検出された捩り固有振動周波数及び振動振幅と、予めメモリ部４４に記録された初期値とを比較して差を算出し、この差に基づいて調整した最適振幅値を得る。
【００８４】
次に、ステップＳ２０において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ１８で検出した曲げ固有振動周波数とステップＳ１９で得た最適振幅値とを出力端子ｃｈ４を介して第２の発振器４５ｂに出力する。この時点では、ミラー部２０は磁界印加手段２２によって印加される磁界によって曲げ方向のみの振動をしている。
【００８５】
次に、ステップＳ２１において、ＣＰＵ４３は、出力端子ｃｈ６を介して第２の断続器４６ｂを接続する要求を出力する。これにより、磁界印加手段２２からは、曲げ振動とともに捩り振動に対応した交番磁界が磁歪素子に印加されることとなり、ミラー部２０は、曲げ方向と捩り方向との２方向に振動する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を図６中において時刻Ｔ３で示す。
【００８６】
次に、ステップＳ２２において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ２１の処理から所定の時間（例えば１００ｓｅｃ）が経過したか否かを判断する。この結果、所定の時間が経過している場合には処理をステップＳ１０に戻して、ミラー部２０の曲げ方向及び捩り方向の振動制御を繰り返す。なお、このようにして再び上述した処理を繰り返したときに、上述した時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に相当する時刻を、図６中においてそれぞれ時刻Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ３’として示す。また、判断の結果、所定の時間が経過していなかった場合には、ステップＳ２２における判断を繰り返す。
【００８７】
本例の２次元レーザレーダ装置は、駆動制御回路２３において以上のような処理が行われることにより、ミラー部２０における曲げ振動と捩り振動との共振状態を独立して検出し、検出結果に基づいてミラー部２０を曲げ方向と捩り方向とで双方に最適な振動制御を行うことが可能とされている。これにより、ミラー部２０を支持する弾性変形部材としての片持ち梁部３２ににハードスプリング効果が生じた場合であっても、例えばヒステリシスが比較的小さい磁歪膜を用いることにより、温度変化に対応して常に安定した共振動作を維持することができる。また、ミラー部２０が片持ち梁状に支持された構造とされていることから、装置構成を簡略化して低コスト化を実現することができる。したがって、特に車両に搭載して用いる場合に、車両の振動などに起因する走査動作の停止を防止することができ、装置の信頼性を向上して、走行時の安全性を十分に確保することができる。
【００８８】
なお、以上の例では、ミラー部２０が曲げ及び捩りの２方向に振動駆動される構成として、レーザ光を２次元状に走査する場合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、各種の光スキャナ装置に広く適用することができる。例えば、レーザ光を直線状に走査する１次元光スキャナ装置に本発明を適用してもよい。
【００８９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、第１及び／又は第２の周波数検出器４２ａ，４２ｂによって検出される振動周波数の値から所定の値を減算した周波数の値に基づいてミラー部２０の振動状態を制御する構成とされた２次元レーザレーダ装置について説明する。
【００９０】
本例に係る２次元レーザレーダ装置は、例えば、図４に示した駆動制御回路２３における第１及び／又は第２の周波数検出器４２ａ，４２ｂとＣＰＵ４３との間に、それぞれ例えば各種電子回路等により構成した減算回路を配設することにより実現することができる。また、ＣＰＵ４３における演算処理の中で、第１及び第２の周波数検出器４２ａ，４２ｂから入力される周波数の値から、ソフトウエア的に減算処理を行うことによっても実現することができる。なお、減算する値は、例えば、減算回路を構成する電子素子等を組み合わせることにより設定されていてもよいし、ＣＰＵ４３の処理手順を示すプログラム中に記述されていてもよい。
【００９１】
ここで、ソフトウエア的に減算処理を行う構成とされた第２の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路２３における処理の一例について、図７を参照しながら具体的に説明する。なお、この駆動制御回路２３における処理が上述した第１の実施形態で説明した処理と異なる点は、減算処理を行う点のみであるので、第１の実施形態で説明した処理と同様の処理については、ここでは詳細な説明は省略する。
【００９２】
この駆動制御回路２３による処理では、図７に示すように、ステップＳ１４の前段で、ステップＳ１２で検出した曲げ振動周波数から、ＣＰＵ４３によって所定の値（例えば３Ｈｚ）を減算処理するステップＳ３０を有する。そして、このステップＳ３０で減算した後の曲げ振動周波数を、ステップＳ１４において第１の発振器４５ａに出力する。また、ステップＳ２０の前段で、ステップＳ１８で検出した捩り振動周波数から、ＣＰＵ４３によって所定の値（例えば３０Ｈｚ）を減算処理するステップＳ３１を有する。そして、このステップＳ３１で減算した後の捩り振動周波数を、ステップＳ２０において第２の発振器４５ｂに出力する。
【００９３】
このようにして減算する値は、予めメモリ部４４に記憶しておくようにしてもよいし、また、ＣＰＵ４３の処理手順を示すプログラム中で適宜算出するようにしてもよい。
【００９４】
第２の実施形態の２次元レーザレーダでは、以上のようにして、ミラー部２０における振動周波数の検出値から所定の値を減算処理した周波数値に基づいて、このミラー部２０の振動制御を行う構成とされている。これにより、ミラー部２０の曲げ方向及び捩り方向の固有振動周波数よりも高い周波数の振動が外乱として印加された場合であっても、この外乱振動による影響を抑制して、安定した共振動作を維持することができる。したがって、特に車両に搭載して用いる場合において、車両の振動による影響を低減して、装置の動作が停止してしまうことを十分に防止することができる。
【００９５】
なお、上述の説明で挙げた減算値の具体例（３Ｈｚ及び３０Ｈｚ）は、搭載する車両に生じる振動などに基づいて、本発明者により実験的に求められた最適値である。すなわち、減算を行う値は、予め適宜設定しておけばよい。
【００９６】
また、ステップＳ３０及びステップＳ３１における減算処理は、常に行うようにしなくてもよく、例えば、第１及び第２のシグナルコンディショナ４１ａ，４１ｂからの出力信号をＣＰＵ４３によって監視し、この出力信号が所定の値を下回った場合についてのみ行うようにしてもよい。また、例えば、過度の外乱振動によって、ミラー部２０の共振動作が停止してしまった後で、この共振動作を再開する場合について行うようにしてもよい。
【００９７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、ミラー部２０を捩り方向のみについて上述と同様の振動制御を行い、曲げ方向については自励発振器による比較的簡略な帰還制御を行う構成とされた２次元レーザレーダ装置について、図８及び図９を参照しながら説明する。なお、この第３の実施形態の２次元レーザレーダ装置が、上述した第１の実施形態に係る２次元レーザレーダ装置と異なる点は、曲げ方向の振動制御のみであるので、第１の実施形態と同様な部分については、図中同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００９８】
この２次元レーザレーダ装置では、図８に示すように、駆動制御回路２３において、第１のシグナルコンディショナ４１ａからの出力信号が自励発振器５０に入力されており、第１の発振器４５ａ及び第１の断続器４６ｂが省略されている。そして、この２次元レーザレーダ装置は、ミラー部２０の曲げ方向の振動について、自励発振器５０による比較的単純な帰還制御が行われ、図９に示す駆動制御回路２３における処理手順のとおり、ミラー部２０の捩り方向の振動についてのみ第１のピエゾ抵抗素子２１ａにより検出した周波数に基づいて振動制御が行われる。
【００９９】
以上のように構成された２次元レーザレーダ装置では、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が顕著となる捩れ振動に対して、検出した振動周波数に基づいた同調制御を行いことができるとともに、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が比較的小さい曲げ振動に対しては安価な自励発振器５０による帰還制御を行うことができる。したがって、装置に搭載する回路規模を小さくすることができ、小型軽量化を図ることができるとともに、装置構成を簡略化して、さらなる低コスト化を実現することができる。
【０１００】
なお、この２次元レーザレーダ装置は、例えば、第１の周波数検出器４２ａや、ＣＰＵ４３における入出力端子ｃｈ１，ｃｈ５，ｃｈ３などをさらに省略することもでき、これによって、より一層の低コスト化・小型軽量化を達成することができる。
【０１０１】
また、この２次元レーザレーダ装置においては、図１０に示すように、第２の実施形態と同様にして、ステップＳ２０の前段で、ステップＳ１８で検出した捩り振動周波数から、ＣＰＵ４３によって所定の値（例えば３０Ｈｚ）を減算処理するステップＳ３１を有し、このステップＳ３１で減算した後の捩り振動周波数を、ステップＳ２０において第２の発振器４５ｂに出力するようにしてもよい。これにより、ミラー部２０に対する捩り方向の振動制御を行うに際して、外乱振動による影響を抑制して、安定した共振動作を維持することができる。
【０１０２】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態として、駆動制御回路２３が、磁界印加手段２２に対してパルス電圧を印加するパルスジェネレータを備える構成とされた２次元レーザレーダ装置について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。なお、この第４の実施形態の２次元レーザレーダ装置が、上述した第１の実施形態に係る２次元レーザレーダ装置と異なる点は、駆動制御回路２３にパルスジェネレータを備えた点のみであるので、第１の実施形態と同様な部分については、図中同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０３】
この２次元レーザレーダ装置では、図１１に示すように、駆動制御回路２３に、所定のパルス電圧をそれぞれ出力する第１及び第２のパルスジェネレータ６０ａ，６０ｂが設けられている。これら第１及び第２のパルスジェネレータ６０ａ，６０ｂは、ＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ７，ｃｈ８から出力されるタイミング信号がそれぞれ入力される構成とされており、このタイミング信号が入力されたときに、所定のパルス電圧をそれぞれ第１及び第２の出力アンプ４７ａ，４７ｂに出力する。
【０１０４】
また、この２次元レーザレーダ装置では、例えば、図１２に示すように、電源が投入されて動作が開始された直後に、駆動制御回路２３において一連のパルス駆動処理を行ってミラー部２０の振動駆動を安定させ、この後に、第１の実施形態と同様な処理を行うように構成されている。
【０１０５】
すなわち、この２次元レーザレーダ装置では、図１２に示すステップＳ４０において電源が投入されると、ステップＳ４１において、駆動制御回路２３のＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ７から第１のパルスジェネレータ６０ａに対してパルス電圧を印加する要求が出力される。
【０１０６】
次に、ステップＳ４２において、第１のパルスジェネレータ６０ａは、例えばメモリ部４４に予め記憶されている初期振幅値の５倍程度の電圧値で、５ｍｓｅｃ程度のパルス幅を有する矩形波状のパルス電圧を第１の出力アンプ４７ａに出力する。ここで、パルス電圧の電圧値を初期振幅値の５倍とし、パルス幅を５ｍｓｅｃとした理由は、ミラー部２０の曲げ方向の共振周波数が２００Ｈｚであることから、パルス幅を共振周期の１周期分の長さに相当する５ｍｓｅｃに設定し、このパルス幅のパルス電圧で通常の曲げ方向の振れ角をミラー部２０に発生させる電圧値として、初期振幅値の５倍を設定した。
【０１０７】
なお、第１及び第２のパルスジェネレータ６０ａ，６０ｂから出力するパルス電圧の電圧値やパルス幅は、ミラー部２０の共振特性などに応じて適宜設定すればよい。また、このステップＳ４２の時点でのミラー部２０の振動振幅を、図１３において時刻Ｔ４で示す。
【０１０８】
次に、ステップＳ４３において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ４２でパルス電圧を出力してから所定の時間（例えば２０ｍｓｅｃ）が経過したか否かを判断する。この結果、経過している場合には次のステップＳ４４に進み、経過していない場合にはステップＳ４３の判断を繰り返す。
【０１０９】
次に、ステップＳ４４において、第１のピエゾ抵抗素子２１ａからの出力信号に基づいて、第１の周波数検出器４２ａによりミラー部２０の曲げ固有振動周波数検出する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を、図１３において時刻Ｔ５で示す。また、このとき検出された曲げ固有振動周波数は、ＣＰＵ４３によってメモリ部４４に一時的に記憶される。
【０１１０】
次に、ステップＳ４５において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ４４において検出された曲げ固有振動周波数と、予めメモリ部４４に記録された初期振幅値とに基づき、出力端子ｃｈ３を介して所定の波形信号を第１の発振器４５ａに出力する。
【０１１１】
次に、ステップＳ４６において、ＣＰＵ４３は、出力端子ｃｈ８から第２のパルスジェネレータ６０ｂに対してパルス電圧を印加する要求を出力する。
【０１１２】
次に、ステップＳ４７において、第２のパルスジェネレータ６０ｂは、例えばメモリ部４４に予め記憶されている初期振幅値の２倍程度の電圧値で、２ｍｓｅｃ程度のパルス幅を有する矩形波状のパルス電圧を第２の出力アンプ４７ｂに出力する。ここで、パルス電圧の電圧値を初期振幅値の２倍とし、パルス幅を２ｍｓｅｃとした理由は、ミラー部２０の捩り方向の共振周波数が２ｋＨｚであることから、パルス幅を共振周期の１周期分の長さ（０．５ｍｓｅｃ）と、第２のパルスジェネレータ６０ｂを構成する回路の応答性とを考慮して、２ｍｓｅｃに設定した。また、このパルス幅のパルス電圧で通常の捩り方向の振れ角をミラー部２０に発生させる電圧値として、初期振幅値の２倍を設定した。なお、このステップＳ４７の時点でのミラー部２０の振動振幅を、図１３において便宜的に時刻Ｔ４で示す。
【０１１３】
次に、ステップＳ４８において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ４７でパルス電圧を出力してから所定の時間（例えば１０ｍｓｅｃ）が経過したか否かを判断する。この結果、経過している場合には次のステップＳ４９に進み、経過していない場合にはステップＳ４８の判断を繰り返す。
【０１１４】
次に、ステップＳ４９において、第２のピエゾ抵抗素子２１ｂからの出力信号に基づいて、第２の周波数検出器４２ｂによりミラー部２０の捩り固有振動周波数検出する。なお、この時点におけるミラー部２０の振動振幅を、図１３において時刻Ｔ５で示す。また、このとき検出された捩り固有振動周波数は、ＣＰＵ４３によってメモリ部４４に一時的に記憶される。
【０１１５】
次に、ステップＳ５０において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ４９において検出された捩り固有振動周波数と、予めメモリ部４４に記録された初期振幅値とに基づき、出力端子ｃｈ４を介して所定の波形信号を第１の発振器４５ａに出力する。
【０１１６】
このステップＳ５０以降は、図１２に示すように、上述した第２の実施形態と同様な処理であるので、ここでは説明を省略する。
【０１１７】
以上のような２次元レーザレーダ装置では、少なくとも電源投入時において、磁界印加手段２２に対してパルス電圧を印加し、このパルス電圧を印加してから所定時間経過後の時点でミラー部２０の振動周波数を検出して、この検出結果に基づいてミラー部２０に対する振動制御を行う。このため、例えば装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部２０の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いる場合であっても、装置の信頼性を十分に確保することができる。
【０１１８】
なお、この２次元レーザレーダ装置においては、例えば、図１２に示すステップＳ３０やステップＳ３１を省略するようにしてもよい。ただし、第２の実施形態で説明したように、ステップＳ３０やステップＳ３１において減算処理を行うようにした場合には、外乱振動による影響を抑制して、より安定して共振動作を維持することができる。
【０１１９】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態として、ミラー部２０を捩り方向のみについて上述と同様の振動制御を行い、曲げ方向については自励発振器による比較的簡略な帰還制御を行うとともに、駆動制御回路２３が、磁界印加手段２２に対してパルス電圧を印加するパルスジェネレータを備える構成とされた２次元レーザレーダ装置について、図１４及び図１５を参照しながら説明する。なお、この第５の実施形態の２次元レーザレーダ装置は、上述した第３の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせた場合に相当するものであるので、第３の実施形態及び第４の実施形態と同様な部分については、図中同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２０】
この２次元レーザレーダ装置では、図１４に示すように、駆動制御回路２３において、第１のシグナルコンディショナ４１ａからの出力信号が自励発振器５０に入力されており、第１の発振器４５ａ及び第１の断続器４６ｂが省略されている。そして、この２次元レーザレーダ装置は、ミラー部２０の曲げ方向の振動について、自励発振器５０による比較的単純な帰還制御が行われ、図１５に示す駆動制御回路２３における処理手順のとおり、ミラー部２０の捩り方向の振動についてのみ第１のピエゾ抵抗素子２１ａにより検出した周波数に基づいて振動制御が行われる。また、この２次元レーザレーダ装置では、駆動制御回路２３に、ＣＰＵ４３の出力端子ｃｈ８から出力される要求に応じて、所定のパルス電圧を第２の出力アンプ４７ｂに出力する第２のパルスジェネレータ６０ｂが設けられている。
【０１２１】
そして、この２次元レーザレーダ装置では、図１５に示すように、ステップＳ４０において電源が投入されると、駆動制御回路２３において、ステップＳ４６乃至ステップＳ５０の一連のパルス駆動処理を、ミラー部２０の捩り方向のみについて行う。そして、この一連のパルス駆動処理が終了して、ミラー部２０が安定した振動動作を行うようになると、第３の実施形態と同様にして、ミラー部２０の曲げ方向の振動について、自励発振器５０による比較的単純な帰還制御を行うとともに、図１５に示す処理手順のとおり、ミラー部２０の捩り方向の振動についてのみ第１のピエゾ抵抗素子２１ａにより検出した周波数に基づいた振動制御を行う。
【０１２２】
以上のような２次元レーザレーダ装置では、少なくとも電源投入時において、磁界印加手段２２に対してパルス電圧を印加し、このパルス電圧を印加してから所定時間経過後の時点でミラー部２０の振動周波数を検出して、この検出結果に基づいてミラー部２０に対する振動制御を行う。このため、例えば装置の周辺の環境温度が極めて高い場合、或いは極めて低い場合などのような極端な動作環境下においても、電源投入時にミラー部２０の共振動作を確実且つ安定して行うことができる。したがって、例えば熱帯地域や寒冷地域などに提供される車両に搭載して用いる場合であっても、装置の信頼性を十分に確保することができる。
【０１２３】
また、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が顕著となる捩れ振動に対して、検出した振動周波数に基づいた同調制御を行いことができるとともに、ハードスプリング効果及び磁気的なヒステリシスによる影響が比較的小さい曲げ振動に対しては安価な自励発振器５０による帰還制御を行うことができる。したがって、装置に搭載する回路規模を小さくすることができ、小型軽量化を図ることができるとともに、装置構成を簡略化して、さらなる低コスト化を実現することができる。
【０１２４】
したがって、この２次元レーザレーダ装置は、これらの相乗効果により、より安定して高精度にレーザ光を走査することが可能となるだけでなく、装置全体の低コスト化を一層進めるとともに、信頼性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の２次元レーザレーダ装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】前記２次元レーザレーダ装置が備えるスキャナ部を模式的に示す平面図である。
【図３】前記２次元レーザレーダ装置が備えるスキャナ部を示す図であり、（ａ）はミラー部が形成された側からみた平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図４】前記２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路を示す回路構成図である。
【図５】前記２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】前記駆動制御回路により制御されるミラー部の振動振幅と経過時間との関係を示す模式図である。
【図７】第２の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】第３の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路を示す回路構成図である。
【図９】第３の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】第３の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の他の例を示すフローチャートである。
【図１１】第４の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路を示す回路構成図である。
【図１２】第４の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の一例を示すフローチャートである。
【図１３】第４の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路により制御されるミラー部の振動振幅と経過時間との関係を示す模式図である。
【図１４】第５の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路を示す回路構成図である。
【図１５】第５の実施形態の２次元レーザレーダ装置が備える駆動制御回路における処理の一例を示すフローチャートである。
【図１６】従来の光スキャナ装置において問題となる、反射ミラーに生じるハードスプリング効果を説明する図であり、反射ミラーの振動周波数と振動振幅との関係を示す模式図である。
【図１７】従来の光スキャナ装置において問題となる、反射ミラーを駆動するための磁歪膜に生じるヒステリシスを説明する図であり、反射ミラーの振動周波数と振動振幅との関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ レーザダイオード
１１ レーザダイオード駆動回路
１２ 制御回路
１３ フォトディテクタ
１４ 受光回路
１５ スキャナ部
１６ 反射ミラー
２０ ミラー部
２１ ピエゾ抵抗素子
２２ 磁界印加手段
２３ 駆動制御回路
３０ スリット部
３１ フレーム部
３２ 片持ち梁部
３３ 電極部
３４ 外フレーム部
４１ シグナルコンディショナ
４２ 周波数検出器
４３ ＣＰＵ
４４ メモリ部
４５ 発振器
４６ 断続器
４７ 出力アンプ
４８ 加算器
５０ 自励発振回路
６０ パルスジェネレータ

Claims (14)

1. 光源から照射された光を弾性変形部材を介して片持ち梁状に支持されたミラー部により反射して対象物に照射するとともに、前記ミラー部を振動させることによって前記対象物に照射する光を走査し、前記ミラー部の振動状態が最適となるように前記ミラー部の振動周波数及び振動振幅を検出して帰還制御を行う光スキャナ装置において、
   前記弾性変形部材を変形させて前記ミラー部を振動させる駆動手段と、
   前記駆動手段の動作を制御する駆動制御手段と、
   前記弾性変形部材の変形量を検出する変形量検出手段と、
   前記変形量検出手段から出力される信号を処理して、前記ミラー部の振動周波数を検出する周波数検出手段とを備え、
   前記駆動制御手段が、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする光スキャナ装置。
2. 前記駆動制御手段は、前記駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ装置。
3. 少なくとも電源投入時において、前記駆動手段に対してパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を更に備え、
   前記駆動制御手段は、前記パルス電圧印加手段によるパルス電圧の印加が行われたときは、前記駆動手段にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて前記駆動手段の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記駆動手段を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させて、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に前記周波数検出手段により検出される振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光スキャナ装置。
4. 前記駆動手段は、前記弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部と、前記弾性変形部材を曲げ方向に変形させる第２の駆動部とを備え、
   前記変形量検出手段は、前記弾性変形部材の捩り変形量を検出する捩り変形量検出部と、前記弾性変形部材の曲げ変形量を検出する曲げ変形量検出部とを備え、
   前記周波数検出手段は、前記捩り変形量検出部から出力される信号を処理して捩り振動周波数を検出する捩り周波数検出部と、前記曲げ変形量検出部から出力される信号を処理して曲げ振動周波数を検出する曲げ周波数検出部とを備え、
   前記駆動手段が前記弾性変形部材を捩り方向と曲げ方向とにそれぞれ変形させることにより、光源からの光を前記対象物に対して２次元走査することを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ装置。
5. 前記駆動制御手段は、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させ、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定するとともに、自励発振回路により生成される信号に基づいて前記第２の駆動部の動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の光スキャナ装置。
6. 前記駆動制御手段は、前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項４又は５に記載の光スキャナ装置。
7. 少なくとも電源投入時において、前記第１の駆動部に対してパルス電圧を印加するパルス電圧印加手段を更に備え、
   前記駆動制御手段は、前記パルス電圧印加手段によるパルス電圧の印加が行われたときは、前記第１の駆動部にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて前記第１の駆動部の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記第１の駆動部を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させて、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に前記捩り周波数検出部により検出される捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の光スキャナ装置。
8. 光源から照射された光を弾性変形部材を介して片持ち梁状に支持されたミラー部により反射して対象物に照射するとともに、駆動手段の動作により前記弾性変形部材を変形させて前記ミラー部を振動させることによって前記対象物に照射する光を走査し、前記ミラー部の振動状態が最適となるように前記ミラー部の振動周波数及び振動振幅を検出して帰還制御を行う光スキャナ装置の駆動方法において、
   前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させ、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする光スキャナ装置の駆動方法。
9. 前記駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項８に記載の光スキャナ装置の駆動方法。
10. 少なくとも電源投入時において、前記駆動手段にパルス電圧を印加し、前記駆動手段にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて前記駆動手段の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記駆動手段を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記駆動手段の動作を一時的に停止させて、当該駆動手段の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の振動周波数に基づいて、前記駆動手段の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項８又は９に記載の光スキャナの駆動方法。
11. 前記駆動手段が、前記弾性変形部材を捩り方向に変形させる第１の駆動部と、前記弾性変形部材を曲げ方向に変形させる第２の駆動部とを有し、前記ミラー部を２次元方向に振動させることで、光源からの光を前記対象物に対して２次元走査するとともに、
    前記弾性変形部材の捩り変形量と曲げ変形量とに基づいて、前記ミラー部の捩り振動周波数と曲げ振動周波数とをそれぞれ検出することを特徴とする請求項８に記載の光スキャナ装置の駆動方法。
12. 前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定するとともに、自励発振回路により生成される信号に基づいて、前記第２の駆動部の動作を制御することを特徴とする請求項１１に記載の光スキャナ装置の駆動方法。
13. 前記第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数の値から所定の値を減算し、減算された周波数の値に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光スキャナ装置の駆動方法。
14. 少なくとも電源投入時において、前記第１の駆動部にパルス電圧を印加し、前記第１の駆動部にパルス電圧が印加されてから所定時間経過後の時点で検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて前記第１の駆動部の動作周波数を決定し、その後、決定した動作周波数で前記第１の駆動部を動作させ、前記ミラー部の振動中に前記第１の駆動部の動作を一時的に停止させて、当該第１の駆動部の動作が一時的に停止されている間に検出される前記ミラー部の捩り振動周波数に基づいて、前記第１の駆動部の動作を再開させるときの動作周波数を決定することを特徴とする請求項１１乃至１３の何れかに記載の光スキャナ装置の駆動方法。

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