JP4989988B2 - 光学系駆動装置およびレーザスキャン装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子を電磁力により動かす光学系駆動装置に関し、またレーザスキャン装置に関する。

特開２００３−１７７３４８号は、車載用レーダのレーザ光を走査するアクチュエータにおいて、走査用レンズを備えたレンズホルダを複数枚の板バネで支持した装置を開示している。この装置では、走査用レンズを板バネで支持することによって、装置構成を簡単にして低価格化を図っている。

この装置では、板バネおよび磁気回路を構成するヨークの固定ベースへの固定は、凹凸のはめあいによって行われている。板バネとヨークは、インサート成形によって固定されてもよい。

また、光軸の側方にレンズ支持手段および駆動手段を配している。光軸上に部材を配置しないため、組立性に優れる。また、光軸の側方にアクチュエータの構成部品を配置することにより、小型化も図れる。
特開２００３−１７７３４８号公報

固定ベースへの固定が凹凸のはめあいだけの場合、長期間の使用で熱や湿度が加わると、はめあい部分が変形し、外れる恐れがある。固定ベースは形状が複雑なので合成樹脂で作られるが、クリープ現象により、クラックが発生して、外れてしまうこともある。特に、車載用に用いる場合は、温度や湿度の環境が厳しく、その可能性が増す。

インサート成形を行えば、外れる恐れは減少するが、成形するための型が高価である。成形サイクルも長くなったり、インサート部品をセットする工数が発生したりして、成形費用も高くなり、コストがアップしてしまうという問題がある。

近年、測距の精度を高めるため、投光位置の制御、すなわち、投光用レンズの位置制御をかけることが求められている。投光レンズの位置制御をするには、フィードバック制御をかける必要があり、応答速度を高めるには、制御の帯域を高城まで広くする必要がある。

特開２００３−１７７３４８号の装置では、レンズの片側に支持手段および駆動手段が配されているため、駆動力の働く駆動点と、可動部の重心を一致させることが難しい。駆動点と可動部の重心が一致していないと、バネなどの支持手段の共振モードが現れ、制御の帯域を十分広く取ることができず、装置の性能が悪くなってしまう。バランサなどを設け、重心と駆動点を一致させることもできるが、バランサを設けると可動部が大型化し、装置も大型化してしまう。

これを避けるには、レンズの両側に支持手段や駆動手段を設ければよい。それにより、重心と駆動点を容易に一致させ、特性を向上させることができる。ところで、光の形状などを所望の特性とするためには、移動させるレンズの他に、さらにレンズや導波路などの光学素子が必要となることが多い。このとき、小型化を図ろうとすると、固定ベースにそれら光学素子も固定する必要がある。

固定ベースヘの光学素子の固定についても、板バネおよび磁気回路を構成するヨークの固定のようにはめあいでは、長期間の使用で熱や湿度が加わると、はめあい部分が変形し、外れる恐れがある。固定ベースは形状が複雑なので合成樹脂で作られるが、クリープ現象により、クラックが発生して、外れてしまうこともある。特に、車載用に用いる場合は、温度や湿度の環境が厳しく、その可能性が増す。

インサート成形としても、板バネおよび磁気回路を構成するヨークの固定のように、外れる恐れは減少するが、成形するための型が高価である。成形サイクルも長くなったり、インサート部品をセットする工数が発生したりして、成形費用も高くなり、コストがアップしてしまうという問題がある。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、小型化されながらも部品が高い信頼性と低いコストで固定された光学系駆動装置を提供することである。

本発明は、ひとつには、車載用測距装置に用いられる光学系駆動装置である。本発明による光学系駆動装置は、第１の光学素子と、第２の光学素子と、前記第１の光学素子を備えた第１のホルダと、前記第１のホルダを光軸に垂直に移動可能に支持する支持部材と、前記支持部材が固定された固定側の第２のホルダと、前記第１のホルダを駆動するための磁石と、前記磁石と共同して磁気回路を形成する金属製ヨークとを少なくとも備えており、前記第２の光学素子が前記第２のホルダと前記金属製ヨークとで挟み込まれ固定されていることを特徴とする。

本発明は、ひとつには、車載用測距装置に用いられるレーザスキャン装置である。本発明によるレーザスキャン装置は、上記の光学系駆動装置を備えており、前記第１の光学素子によりレーザ光を走査する。

本発明によれば、小型化されながらも部品が高い信頼性と低いコストで固定された光学系駆動装置が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１〜図１４は本発明の第１の実施の形態による光学系駆動装置の一例であるレーザスキャン装置を示している。図１〜図３は、それぞれ別の角度から見た、レーザスキャン装置の斜視図、図４と図５は、それぞれ、図６のＡ−Ａ線で切ったレーザスキャン装置全体の断面斜視図と断面図、図６は図５のＢ−Ｂ線で切ったレーザスキャン装置全体の断面図、図７はレーザスキャン装置の分解斜視図、図８と図９は、それぞれ別の角度から見た、レーザスキャン装置の一部を構成する二軸アクチュエータ部組の斜視図、図１０は図５のＣ−Ｃ線で切った二軸アクチュエータ部組全体の断面図、図１１と図１２は、それぞれ別の角度から見た、二軸アクチュエータ部組の分解斜視図、図１３は二軸アクチュエータ部組の一部を構成するバネ受け部組の分解斜視図、図１４はレーザスキャン装置を使用した車載用測距装置の例を説明する図である。

図５と図１０に示すように、ホルダ７の段状部８にＺ方向に当てつけ、レンズ５が接着固定されている。ホルダ７は、ガラス入りのポリフェニレンサルファイド樹脂で製作されている。ホルダ７の＋Ｘ側の端部には凸部９が設けられている。アジマスコイル１５は銅クラッドアルミ線で巻線された空芯で、その中央の空芯部分が凸部９に勘合する形で、ホルダ７に接着固定されている。ホルダ７のＹ方向の両端部には凸部１０ａ、１０ｂが設けられている。エレベーションコイル１６ａ、１６ｂは銅クラッドアルミ線で巻線された空芯で、その中央の空芯部分が凸部１０ａ、１０ｂに勘合する形で、ホルダ７に接着固定されている。

ホルダ７には基板１７も接着固定されている。図示していないが、アジマスコイル１５とエレベーションコイル１６ａ、１６ｂは末端が基板１７に半田付けされている。

ホルダ７の−Ｚ側にはホルダ２０が、ホルダ２０の段状部２１がホルダ７の先端部１４に当てつけられ、接着固定されている。ホルダ２０は、カーボン繊維入りの液晶ポリマーで製作されている。ホルダ２０の段状部２３とリブ状部２２は、それぞれ、０．０５ｍｍ程度のごく僅かな隙間を持って、レンズ５と基板１７に対向している。この隙間部分に接着剤を塗布することにより、隙間は接着剤により埋まり、レンズ５と基板１７は、ホルダ７に接着固定されるだけでなく、ホルダ７とホルダ２０に挟まれる形でも固定されることになり、より強固に固定される。さらに、ホルダ７とホルダ２０の固定に熱かしめを併用すれば、より耐久性を向上させることができる。

ホルダ２０には、図１１に示すように、スリット２４ａ、２４ｂが設けられている。スリット２４ａはＹ方向に延び、スリット２４ｂはＸ方向に延びている。つまり、スリット２４ａの長手方向はＹ方向、スリット２４ｂの長手方向はＸ方向となっている。スリット２４ａ、２４ｂへの光を通すため、図５と図１３に示すように、ホルダ７には穴１２が設けられ、基板１７には穴１９が設けられている。

以上、ホルダ７およびホルダ７に固定された部品よりなる部組を可動部２７と呼ぶ。

図１１に示すように、基板１７には、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを通す穴１８ａ〜１８ｈ（１８ａ、１８ｅ〜１８ｈは影で図示せず）が設けられている。ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈは金属製であり、例えばベリリウム銅製である。ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈは基板１７の穴１８ａ〜１８ｈに挿入され、一端が半田付けにより基板１７に固定されている（半田は図示していない）。ホルダ７にも、図１２に示すように、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを通す穴１３ａ〜１３ｈが設けられている。ホルダ２０にも、図１１に示すように、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを通す穴２５ａ〜２５ｄが設けられている。基板１７へのワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの半田付けは、可動部２７の組立が終了してから、穴２５ａ〜２５ｄを用いて行われる。これにより、ホルダ７とホルダ２０の接着作業などは、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈのない状態で行われ、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの曲がりや折れなどが防止され、作業性が向上する。

ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈは、基板１７を介して、アジマスコイル１５およびエレベーションコイル１６ａ、１６ｂと電気的に接続されている。アジマスコイル１５の一端にはワイヤバネ２８ｃと２８ｄが、他端にはワイヤバネ２８ｇと２８ｈが接続されている。すなわち、アジマスコイル１５に２本のワイヤバネが並列接続されている。エレベーションコイル１６ａ、１６ｂは基板１７を介して直列に接続され、同様に、一端にはワイヤバネ２８ａと２８ｂが、他端にはワイヤバネ２８ｅと２８ｆが接続されている。

次に、バネ受け部組２９を説明する。図５と図１３に示すように、バネ受け３０の穴３６の段状部３７にレンズ６が挿入されている。バネ受け３０は、ガラス入りのポリフェニレンサルファイド樹脂で製作されている。レンズ６の−Ｚ側には、弾性部材である押さえバネ４５が段状部３８にはめられ、さらに−Ｚ側には、押さえ環４６が段状部３９にはめられている。押さえバネ４５はシリコーンゴムで形成されている。押さえ環４６はガラス入りのポリフェニレンサルファイド樹脂で製作されている。

バネ受け３０の＋Ｚ側には基板４８が、バネ受け３０の−Ｚ側には鉄製のヨーク５５が配置されている。ヨーク５５はバネ受け３０にネジ５４ａ、５４ｂで固定されている。基板４８には、ネジ５４ａ、５４ｂを通す穴５２ａ、５２ｂが設けられ、バネ受け３０には、ネジ５４ａ、５４ｂを通す穴３３ａ、３３ｂが設けられている。ヨーク５５には、ネジ５４ａ、５４ｂを受ける雌ネジ部に相当するネジ穴５７ａ、５７ｂが設けられている。基板４８とヨーク５５は、ネジ５４ａ、５４ｂを基板４８の穴５２ａ、５２ｂとバネ受け３０の穴３３ａ、３３ｂに通し、ヨーク５５のネジ穴５７ａ、５７ｂにねじ込むことによりバネ受け３０に密着して固定されている。すなわち、２本のネジ５４ａ、５４ｂの頭とヨーク５５とで基板４８とバネ受け３０を挟み込む形で固定している。

基板４８は、図９に示すように、基板４８の穴５３ａ、５３ｂとバネ受け３０の凸部４０ａ、４０ｂの係合によって位置決めされている。穴５３ａは長穴となっており、公差による寸法ずれで組み立てられなくなることを防いでいる。基板４８の中央には、光を通すための穴５０が設けられている。

一方、ヨーク５５は、図１０と図１３に示すように、Ｙ方向については、バネ受け３０の−Ｙ側の面６５とヨーク５５の−Ｙ側の端６１とを揃える形で位置決めする。Ｘ方向については、バネ受け３０の凸部３４とヨーク５５の穴６０の係合によって位置決めする。

先に述べた押さえ環４６は、押さえバネ４５の弾性により、何もなければ、−Ｚ方向にバネ受け３０より突出する。図５に示すように、押さえ環４６はヨーク５５によって＋Ｚ方向に押さえられ、押さえ環４６の−Ｚ側の端面がバネ受け３０の−Ｚ側の面と同一の位置となり、押さえバネ４５の弾性によりレンズ６は固定されている。２本のネジ５４ａ、５４ｂによって、基板４８とヨーク５５に加えて、レンズ６をも固定している。

バネ受け３０には、発光ダイオード４７が、穴３１の奥の円筒状穴３２にはめられ、脚を基板４８の穴５１ａ、５１ｂに通し、半田付けされている。発光ダイオード４７は、発光ダイオード４７の発光部と基板４８でバネ受け３０を挟むような形で、バネ受け３０に固定される。

以上、バネ受け３０およびバネ受け３０に固定された部品よりなる部組をバネ受け部組２９と呼ぶ。

ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの可動部２７に半田付けした反対側は、ヨーク５５の穴５６ａ〜５６ｄを通し、バネ受け３０の穴４１ａ〜４１ｄに挿入されている。

バネ受け３０の穴４１ａ〜４１ｄの内部を、ワイヤバネ２８ｇで代表して、図１０のＤ部に示す。穴４１ｄは＋Ｚ側で傾斜部４４ｄを介して細い穴４３ｇとなり、さらに＋Ｚ側でワイヤバネ２８ｇより僅かに大きい径を持つ穴４２ｇとなる。穴４１ｄには、２本のワイヤバネ２８ｇ、２８ｈが挿入されているが、穴４１ｄは２本分で１個となっている。一方、穴４３ｇ、４３ｈ、４２ｇ、４２ｈ（４３ｈ、４２ｈは図示せず）は１本のワイヤバネにつき１個ずつ設けられ、穴４１ｄは奥で２個に分かれている形となっている。穴４３ｇ、４３ｈは穴４１ｄから円錐側面のような形状で接続されている。

穴４３ｇ、４３ｈには、紫外線硬化形のシリコーンゲル６７が充填されている。充填はヨーク５５の穴５６ｄ、バネ受け３０の穴４１ｄから行われる。充填作業は、−Ｚ側を上にして行われ、シリコーンゲル６７は円錐側面のような形状の傾斜部４４ｄによって穴４３ｇ、４３ｈに誘導される。そして、シリコーンゲル６７が円錐側面のような形状の傾斜部４４ｄにはみ出てきたところで作業を終える。このとき、正確には、穴４２ｇ、４２ｈにもシリコーンゲルが流れていくが、シリコーンゲルは硬化前でも粘度が高く狭いすきまには流れにくい。そこで、手早く作業を行い、紫外線により硬化させることにより、穴４２ｇ、４２ｈへのシリコーンゲルの流れこみを防ぐ。

他のワイヤバネ２８ａ〜２８ｆ、バネ受け３０の穴４１ａ〜４１ｃについても、同様の構成となっている。シリコーンゲルにより、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの振動のダンピングが取られている。

ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈは＋Ｚ方向にバネ受け３０から突出し、基板４８の穴４９ａ〜４９ｈに挿入され、半田付けにより固定されている。基板４８は図示しない制御基板に接続されている。アジマスコイル１５とエレベーションコイル１６ａ、１６ｂはワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを介して制御基板に接続されている。発光ダイオード４７もまた制御基板に接続されている。

可動部２７は、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈによってＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持されている。つまり、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈによって、可動部２７は光軸に垂直方向に移動可能に支持されている。可動部２７を単純にＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持するだけであれば、ワイヤバネの本数は４本で十分である。ワイヤバネの本数が８本となっているのは、アジマスコイル１５の配線とエレベーションコイル１６ａ、１６ｂの配線とを２本並列とするためであり、ワイヤバネ部の電気的な抵抗値を小さくしている。

次に、図１２に示すように、アジマス磁石７８とエレベーション磁石７９ａ、７９ｂが接着された鉄製のヨーク６８が、図１０のように−Ｚ方向から可動部２７を覆うような形で、バネ受け部組２９に固定される。ヨーク６８は、アジマス磁石７８とエレベーション磁石７９ａ、７９ｂの吸引力により、ヨーク５５に吸い付く。このとき、図８に示すように、ヨーク６８の角部７６ａ、７６ｂとヨーク５５の凸部６３を組み合わせるとともに、図９に示すように、ヨーク６８の角部７４ａ、７４ｂとヨーク５５の凸部６２ａ、６２ｂを組み合わせて位置決めを行う。ヨーク５５とヨーク６８はアジマス磁石７８とエレベーション磁石７９ａ、７９ｂと共同して磁気回路を形成する。

ヨーク６８が取り付くヨーク５５の部分のＹ寸法（−Ｙ側の端６１と＋Ｙ側の端６４ａ、６４ｂの距離）は、バネ受け３０のＹ寸法（−Ｙ側の面６５と＋Ｙ側の面６６の距離）よりも０．１ｍｍ程度大きい。図１０に示すように、−Ｙ側では、バネ受け３０の−Ｙ側の面６５とヨーク５５の−Ｙ側の端６１、ヨーク６８の接触部７５はＹ方向に関して同じ位置にあるが、＋Ｙ側では、バネ受け３０の＋Ｙ側の面６６よりヨーク５５の＋Ｙ側の端６４ａ、６４ｂとヨーク６８の接触部７７ａ、７７ｂが外側となっている。これにより、公差によるずれによって、ヨーク６８の接触部７７ａ、７７ｂがバネ受け３０の＋Ｙ側の面６６と接してヨーク５５の＋Ｙ側の端６４ａ、６４ｂと接しなくなることを防ぎ、ヨーク５５とヨーク６８が接触して効率の良い磁気回路が形成される。

ヨーク６８はアジマス磁石７８とエレベーション磁石７９ａ、７９ｂの吸引力だけでも、ヨーク５５に吸い付くが、振動などで外れることがないように、図９と図１２に示すように、ネジ８４ａ、８４ｂによって、バネ受け３０にネジ止めされている。ネジ８４ａ、８４ｂは、バネ受け３０に設けられた穴３５ａ、３５ｂに挿入され、ヨーク６８のネジ穴７０ａ、７０ｂに締め付けられている。穴３５ａ、３５ｂは、ネジ８４ａ、８４ｂの頭が入る大きさとなっているが、奥でネジ部だけが通るように径が細くなっている。

図８と図１１に示すように、ヨーク６８には、基板８０が、ヨーク６８のネジ穴７１ａ、７１ｂと基板８０の穴８２ａ、８２ｂとネジ８３ａ、８３ｂによって、ネジ止めされている。

基板８０には、図１２に示すように、光の入射位置により出力電流が変化するポジションセンサ８１ａ、８１ｂが半田付けされている。図５に示すように、ポジションセンサ８１ａ、８１ｂはヨーク６８の穴７２部に＋Ｚ側に突出する形となっている。ポジションセンサ８１ａ、８１ｂの受光面８５ａ、８５ｂは、発光ダイオード４７の方を向いている。

図示していないが、基板８０は電線を介して図示せぬ制御基板に接続されており、ポジションセンサ８１ａ、８１ｂは制御基板に接続されている。

図４で明らかなように、ポジションセンサ８１ａはスリット２４ａに、ポジションセンサ８１ｂはスリット２４ｂに対向する位置に配置されている。発光ダイオード４７からの光は広がり、スリット２４ａ、２４ｂの両方に入射する。途中のヨーク５５には、光を通すため穴５８が設けられている。可動部２７の移動に伴って、スリット２４ａ、２４ｂは動くが、その移動範囲に発光ダイオード４７からの光は十分に広がっており、スリット２４ａ、２４ｂを通った光が、ポジションセンサ８１ａ、８１ｂに至る。可動部２７の移動に伴ってスリット２４ａ、２４ｂを通った光が動くことにより、ポジションセンサ８１ａ、８１ｂ上の光の入射位置が動き、可動部２７の位置が検出される。

なお、発光ダイオード４７は赤外線を発し、光は実際には目視では見えない。ポジションセンサ８１ａ、８１ｂは７６０〜１１００ｎｍの赤外域に感度を持つものを使用する。

ポジションセンサ８１ａ、８１ｂは各々１方向の位置を検出する１次元のセンサで、Ｙ方向が長手方向のスリット２４ａに対向するポジションセンサ８１ａは、検出方向がＸ方向に、Ｘ方向が長手方向のスリット２４ｂに対向するポジションセンサ８１ｂは、検出方向がＹ方向になっている。

可動部２７に搭載されたレンズ５を移動させることにより、後述するレーザダイオード１からの光の照射位置を移動させるが、照射位置がレンズ５の光軸に対して傾き０の位置になるなどの所望の位置となったときにポジションセンサ８１ａ、８１ｂの出力が０位置を示す出力となるように、基板８０はＸＹ平面内での位置調整がされ、固定されている。このため、基板８０の穴８２ａ、８２ｂは調整代分を見て大きめとなっている。

図１２に示すように、ホルダ７には凸部１１ａ〜１１ｄが、図８に示すように、ホルダ２０には凸部２６ａ〜２６ｄが設けられている。可動部２７が移動したとき、前者はヨーク５５の穴５９に、後者はヨーク６８の穴７３に当たり、移動量を制限するストッパとなっている。凸部は四隅にあり、穴も四角であるので、Ｘ方向、Ｙ方向、両方向の動きを制限できる。Ｚ方向両側に設けられているのは、片側だと可動部２７がＸ方向の動きではＹ軸周りに、Ｙ方向の動きではＸ軸周りに回転し、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの曲がりが発生する可能性があるためである。

以上のように構成された部組を二軸アクチュエータ８７と呼ぶ。

図３と図７に示すように、二軸アクチュエータ８７は、ネジ８８ａ〜８８ｃによって、本体８９にネジ止めされている。本体８９は、ガラス入りのポリフェニレンサルファイド樹脂で製作されている。ネジ８８ａ〜８８ｃは二軸アクチュエータ８７のヨーク６８のネジ穴６９ａ〜６９ｃにねじ込まれている。図示していないが、バネ受け３０には、ネジ８８ａ〜８８ｃの先を逃げるための凹部が設けられている。本体８９には、ネジ８８ａ〜８８ｃに対応して、穴が開けられている。

本体８９には、＋Ｙ方向に凸部９０が設けられている。二軸アクチュエータ８７の基板８０の位置調整は、二軸アクチュエータ８７が本体８９に取り付けられてから行われる。図２と図６に示すように、ネジ８３ｂは、凸部９０に覆われていないので、二軸アクチュエータ８７が本体８９に取り付けられてからでも、普通に締めることができる。一方、ネジ８３ａが凸部９０に隠れてしまうのを避けるため、凸部９０に穴９１が設けられている。この穴９１にドライバを通して、ネジ８３ａを締めることができる。

本体８９には、ＸＹ平面およびＹＺ平面に４５度の角度をなす面９２に開口した穴９５が設けられており、面９２には、ミラー４が接着されている。図５に示すように、ミラー４は、穴９５側の面９６が反射面となっている。

図６と図７に示すように、本体８９には、鏡枠９８がネジ１０３によって、固定されている。ネジ１０３は、本体８９の穴１２６に通され、先端が鏡枠９８のネジ穴１０２にねじ込まれており、鏡枠９８は、いわゆる引きビスで、本体８９に固定されている。鏡枠９８の穴９９の段状部１００にはレンズ２が、段状部１０１にはレンズ３が接着固定されている。

鏡枠９８は本体８９の穴９３に挿入されている。穴９３の径は、鏡枠９８の径より僅かに大きくされている。穴９３に沿って、鏡枠９８をＸ方向に動かし、レンズ２、レンズ３を動かすと、本装置から照射される光のスポットの大きさが変化する。そこで、鏡枠９８をＸ方向に移動させ、スポットの大きさが所定の大きさとなるように調整される。この調整のため、本体８９の穴１２６はＸ方向に延びた長穴となっている。

図１と図７に示すように、本体８９の穴９３には、さらに、レーザダイオード１が固定されている。レーザダイオード１は真鍮製の板１０４に圧入されている。ネジ１０６ａ、１０６ｂが、板１０４の穴１０５ａ、１０５ｂに通され、本体８９のネジ穴９４ａ、９４ｂにねじ込まれて、板１０４は本体８９にネジ止めされている。このとき、レーザダイオード１とレンズ２、３の光軸とが一致するように、板１０４はＹＺ平面内で位置調整される。レーザダイオード１は、図示していないが、レーザドライバー基板に接続されている。

図４と図５に示すように、レーザダイオード１から発射されたレーザ光は、レンズ２、３を通り、ミラー４で光路を９０度曲げられ、レンズ５に至り、さらにレンズ６を通る。このとき、レーザダイオード１から発射した光は、本体８９の凸部９０内で、初め穴９３を通り、鏡枠９８内の穴９９を通った後、再び穴９３に出、その先の細い穴１０７を通って穴９５に入り、ミラー４で方向を変えて、穴９５を進む。光は本体８９から穴９５の出口１０８で初めて外に出る。本体８９の凸部９０が、＋Ｚ方向に凸部９７を持っており、出口１０８からレンズ５の入射面８６までの距離が小さくなるようになっている。また、凸部９７の壁１２８は、表面を粗面とされている。これはレーザダイオード１からの光が漏れないようにするとともに、もれても反射しないようにするためである。なお、レーザダイオード１の波長は８７０ｎｍと赤外線で、実際にはその光は目に見えない。

次に以上のように構成された本実施の形態のレーザスキャン装置について、その動作を説明する。

図１４に本実施の形態のレーザスキャン装置が用いられる車載用測距装置を簡略に示す。

レーザダイオード１から発射したレーザ光は、レンズ２、３を介し、ワイヤバネ２８に支持されたホルダ７のレンズ５に至る。レンズ５は、ホルダ７を矢印１０９のように左右に動かすことにより矢印１１０のように左右に振られる。なお、図１４ではミラー４は省略した。さらに、光はレンズ６を通ることで最終的には所望のビーム形状に形成されて矢印１１１に示す範囲に照射される。照射された光１１２が障害物１１３に当たって反射した光１１４は受光レンズ１１５を介してフォトディテクタ１１６に至り、電気回路により障害物１１３までの距離が計算される。なお、実際にはレンズ５は左右だけでなく、上下にも振られ、光も上下にも振られる。

レンズ５を上下左右に動かす仕組みについて、さらに詳細に説明する。

図１０に示すように、エレベーションコイル１６ａ、１６ｂは、ヨーク６８に固定されたエレベーション磁石７９ａ、７９ｂとヨーク５５に挟まれている。エレベーションコイル１６ａとエレベーション磁石７９ａにおける動作の仕組み、エレベーションコイル１６ｂとエレベーション磁石７９ｂにおける動作の仕組みは同じなので、ここでは、エレベーションコイル１６ａとエレベーション磁石７９ａについて説明する。

エレベーション磁石７９ａの極性は図１０に示す通りである。磁極の境は分かりやすいように破線で示す。実際の磁石で境の部分は幅０．２〜０．４ｍｍの磁極のないニュートラル領域である。

エレベーションコイル１６ａの辺１１７、１１８には、矢印１１９、１２０の向きの磁界が作用する。矢印１１９のようにエレベーション磁石７９ａから出た磁束は、ヨーク５５に入り、ヨーク５５内を矢印１２１のように進み、矢印１２０のようにエレベーション磁石７９ａに戻る。また、一部は矢印１２２のようにヨーク５５まで行かずに、エレベーション磁石７９ａに戻る。

エレベーションコイル１６ａの辺１１７、１１８に流れる電流の向きは逆であり、作用する磁界の向きも矢印１１９、１２０で示されるように逆であるので、発生する力の向きは同じである。力の向きは、電流の向きと磁界の向きに垂直なＹ方向となる。

エレベーションコイル１６ａの残りの辺１２３、１２４（図１１参照）には、Ｘ方向の力が発生するが、矢印１１９と矢印１２０の磁界から受ける力の向きが逆向きとなり打ち消し合うので、エレベーションコイル１６ａがＸ方向に動くことはない。

エレベーションコイル１６ａのエレベーション磁石７９ａ側には、ホルダ２０が覆い被さっていない。これは、ホルダ２０を配置するスペースを削って、エレベーションコイル１６ａをエレベーション磁石７９ａに近づけ、その間の距離１２５を小さくするためである。エレベーションコイル１６ａの＋Ｚ側にヨーク５５は配置されているが、エレベーション磁石７９ａは配置されていないため、エレベーション磁石７９ａに近い側、−Ｚ側の方が磁界の強さが大きい。距離１２５を小さくした方が、同じ電流に対してより大きな力を磁界から受けるので、消費電力を小さくできる。

エレベーションコイル１６ｂについても、同様にＹ方向の力が発生する。エレベーションコイル１６ａ、１６ｂで発生するＹ方向の力が同じ向きになるように直列接続されている。これによりエレベーションコイル１６ａ、１６ｂに電流を流すことにより、可動部２７およびそれに取り付けられたレンズ５をＹ方向に動かせる。

また、アジマスコイル１５、アジマス磁石７８についても、Ｙ方向がＸ方向となるだけで同様であり、アジマスコイル１５に電流を流すことで可動部２７およびそれに取り付けられたレンズ５をＸ方向に動かせる。

可動部２７の位置は、既に述べたように、可動部２７のスリット２４ａ、２４ｂを通った光をポジションセンサ８１ａ、８１ｂで受光して検出され、その位置情報を基づいて可動部２７が移動される。

本実施の形態によれば、レンズ６は、押さえバネ４５と押さえ環４６を介して、ネジ５４ａ、５４ｂにより、バネ受け３０とヨーク５５とで挟み込まれる形でバネ受け３０に固定されている。

レンズ６をバネ受け３０に配することにより装置の小型化を実現するとともに、単に接着するだけでなく、挟み込んで固定することにより、強固に固定でき、長期間の使用に対しても外れる心配がなく、信頼性が向上する。レンズ６を挟み込む部材に、磁気回路を形成するヨーク５５と、バネ受け３０とを用いることにより、部品の増加を防ぎ、価格も抑えられる。部品の増加を防ぐことでも、さらに小型化に貢献している。

また、本実施の形態では、ヨーク５５にネジ穴５７ａ、５７ｂを設け、ネジ５４ａ、５４ｂをねじ込んでいるので、雌ネジ部を持つ部品を別に設ける必要がなく、さらに低価格化が図られている。

ヨーク５５を利用しない場合、例えば、押さえ環４６を大型化し、ネジ５４ａ、５４ｂがねじ込まれる雌ネジ部を設けることになる。押さえ環が合成樹脂製の場合は、大きな力が加わり続ける雌ネジ部がクリープにより破壊するのを防ぐため、ナットをインサートする必要があり、部品価格が高くなってしまう。押さえ環が金属製の場合は、ナットをインサートする必要はないが、形状的にプレスでなく削り加工で作る必要があり、高い部品となってしまう。

本実施の形態では、バネ受け３０にヨーク５５をネジ５４ａ、５４ｂによって固定しているが、ネジを使用する代わりに、かしめピンによって固定してもよい。その場合、ヨーク５５にかしめピンを設け、ヨーク５５とかしめピンの頭とでバネ受け３０を挟み込む形で固定する。これにより、ネジ同様に、高い信頼性でレンズ６を固定できる。

ヨーク５５とレンズ６の間に、押さえバネ４５を配している。既に述べたように、ヨーク５５がなければ、押さえ環４６がヨーク５５取り付け面よりＺ方向に凸となっており、固定時は押さえバネ４５が圧縮され、その弾性によりレンズ６が固定されるようになっている。これにより、各部品のＺ方向の寸法がばらついてもレンズ６を安定に固定できる。寸法のばらつきによらず、より確実に固定でき、ばらつきを許容できるので、各部品への要求精度が落ち、低価格化も図れる。

押さえバネ４５は、シリコーンゴムで製作しているが、金属や合成樹脂で製作してもよい。本実施の形態のようなパッキン形状の押さえバネは形状が単純で安価に製作しやすい。しかし、全体に力が加わり続けるので、長期間の使用により弾性がへたる可能性が若干ある。たわむ部分を持つバネ形状の場合は、その部分にかかる応力を許容内に適切に設定すれば、長期間の使用に対しても安定して弾性を保て、信頼性を高めることができる。バネ形状の場合、これらの値を計算で求めることが容易で、理論的な裏付けもとりやすい。金属製バネであれば、特性的に優れ、より信頼性を高められる。合成樹脂製バネは、金属製バネに比べて、製作が容易で、価格化を図れる。

本実施の形態では、可動部２７を支持するワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの一端は基板４８に半田付けされており、基板４８はバネ受け３０の＋Ｚ側にネジ５４ａ、５４ｂによって固定されている。バネ受け３０の−Ｚ側には、前述したように、ヨーク５５がネジ５４ａ、５４ｂによって固定されている。ヨーク５５およびバネ受け３０には、それぞれ、光を通すための穴５９および３６と、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを通すための穴５６ａ〜５６ｄおよび４１ａ〜４１ｄとが設けられている。

ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈは半田付けにより基板４８に取り付けられているので、接着に比べて取り付けの信頼性が高い。さらに、基板４８は、ヨーク３３とでバネ受け３０を挟み込むように、ネジ５４ａ、５４ｂによってバネ受け３０に密着して固定されているので、やはり、単なる接着に比べて長期間の使用に対しても外れにくく、信頼性が高い。

ところで、バネ受け３０に穴３６を設け、ここに光を通すことにより、小型を図れている。しかし、バネ受け３０に穴３６が、さらにワイヤバネ２８ａ〜２８ｈを通すための４１ａ〜４１ｄが開いているため、バネ受け３０の剛性が落ちている。長期間の使用に対して、へたりが発生し、ワイヤバネ２８ａ〜２８ｈの固定部の強度が低下して、特性が劣化してしまう可能性がある。

本実施の形態では、ヨーク５５に穴５９および５６ａ〜５６ｄを設け、バネ受け３０をヨーク５５に密着させることにより、バネ受け３０の剛性を補強している。これにより、長期間の使用に対しても強度の低下が抑えられ、小型化を図りつつ、信頼性を向上させている。

本実施の形態のように、車載用測距装置に用いられるレーザスキャン装置は、車載用であるため、特に長期間にわたって安定した性能を保つ必要がある。そのため、高い信頼性を確保することが重要となる。

＜第２の実施の形態＞
図１５と図１６は本発明の第２の実施の形態によるレーザスキャン装置を示すもので、図１５は図５に相当する断面図、図１６は図１５に示したバネの三面図である。図１５において、第１の実施の形態と同様の部品は同一の参照符号で示されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態とレンズ６の取り付け部が異なる。本実施の形態では、レンズ６は、バネ受け３０に直接固定されるのでなく、ホルダ１３１に接着されて、バネ受け３０の穴３６に挿入されている。レンズ６の−Ｚ側には金属製のバネ１３２が配され、さらに−Ｚ側に押さえ環４６が配置されている。

押さえ環４６は、バネ１３２の弾性により、何もなければ、−Ｚ方向にバネ受け３０より突出する。図１５に示すように、押さえ環４６はヨーク５５によって＋Ｚ方向に押さえられ、押さえ環４６の−Ｚ側の端面がバネ受け３０の−Ｚ側の面と同一の位置となり、バネ１３２の弾性によりレンズ６は固定されている。

バネ１３２は、図１６に示すように、ステンレスをプレス加工して作製されたもので、頂部１３４が−Ｚ方向に移動してたわむ。押さえ環４６にはバネ１３２が収まる凹部１３３が設けられている。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態で変形例として述べたように、バネ１３２を金属としているので、バネ１３２の信頼性が向上し、レンズ６の取り付け信頼性が増す。

また、レンズ６がホルダ１３１を介してバネ受け３０に固定されている。バネ受け３０はさまざまな部品が固定されるので、複雑な形状になりがちであるが、ホルダ１３１はレンズ６の固定に最適化された単純な形状のままである。取り付ける際の作業性が改善され、その結果、作業ミスなどが防止され、固定の信頼性も向上する。

本発明は上述した実施の形態に制限されることなく、さまざまに変形されてよい。磁石とコイルの配置はさまざまなものが考えられる。例えば、アジマスコイル、エレベーションコイルの片側に磁石が対向しているが、磁石を両側に配し、磁石でコイルを挟み込むようにしてもよい。１つの発光ダイオードからの光を２つのスリットに入れているが、１つのスリットに対して１つの発光ダイオードを配置してもよい。また、発光ダイオードを小型なものとし、可動部に発光ダイオードを搭載してもよい。

光学系についても、上述した実施の形態に制限されるものではなく、さまざまな光学系が適用されてよい。実施の形態では、レンズから射出されたレーザ光がこれと異なる別のレンズにより受光される装置構成であるが、レンズから射出されたレーザ光が再び同じレンズにより受光し、受光した光を例えば光路分割素子で分離して検出する、レーザスキャン装置と受光装置を兼ねた装置構成としてもよい。

ヨークとバネ受けで挟み込み固定したレンズは、光を走査するためのレンズよりもレーザダイオードから遠い側のレンズであったが、レーザダイオードに近い側のレンズに対して本発明を適用してもよい。また、レンズでなく、導波路などの光学素子を固定してもよい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の第１の実施の形態によるレーザスキャン装置の斜視図である。 図１とは異なる角度から見たレーザスキャン装置の斜視図である。 図１とも図２とも異なる角度から見たレーザスキャン装置の斜視図である。 図６のＡ−Ａ線で切ったレーザスキャン装置全体の断面斜視図である。 図６のＡ−Ａ線で切ったレーザスキャン装置全体の断面図である。 図５のＢ−Ｂ線で切ったレーザスキャン装置全体の断面図である。 図１〜図３に示したレーザスキャン装置の分解斜視図である。 図７に示した二軸アクチュエータ部組の斜視図である。 図８とは異なる角度から見た二軸アクチュエータ部組の斜視図である。 図５のＣ−Ｃ線で切った二軸アクチュエータ部組全体の断面図である。 図８と図９に示した二軸アクチュエータ部組の分解斜視図である。 図１１とは異なる角度から見た二軸アクチュエータ部組の分解斜視図である。 図１１と図１２に示したバネ受け部組の分解斜視図である。 図１〜図３に示したレーザスキャン装置を使用した車載用測距装置の例を説明する図である。 図５に相当する、本発明の第２の実施の形態によるレーザスキャン装置の断面図である。 図１５に示したバネの三面図である。

符号の説明

１…レーザダイオード、２…レンズ、３…レンズ、４…ミラー、５…レンズ、６…レンズ、７…ホルダ、８…段状部、９…凸部、１０ａ，１０ｂ…凸部、１１ａ〜１１ｄ…凸部、１２…穴、１３ａ〜１３ｈ…穴、１４…先端部、１５…アジマスコイル、１６ａ，１６ｂ…エレベーションコイル、１７…基板、１８ａ〜１８ｈ…穴、１９…穴、２０…ホルダ、２１…段状部、２２…リブ状部、２３…段状部、２４ａ，２４ｂ…スリット、２５ａ〜２５ｄ…穴、２６ａ〜２６ｄ…凸部、２７…可動部、２８…ワイヤバネ、２８ａ〜２８ｈ…ワイヤバネ、２９…バネ受け部組、３０…バネ受け、３１…穴、３２…円筒状穴、３３…ヨーク、３３ａ，３３ｂ…穴、３４…凸部、３５ａ，３５ｂ…穴、３６…穴、３７…段状部、３８…段状部、３９…段状部、４０ａ，４０ｂ…凸部、４１ａ〜４１ｄ…穴、４２ｇ，４２ｈ…穴、４３ｇ，４３ｈ…穴、４４ｄ…傾斜部、４５…押さえバネ、４６…押さえ環、４７…発光ダイオード、４８…基板、４９ａ〜４９ｈ…穴、５０…穴、５１ａ，５１ｂ…穴、５２ａ，５２ｂ…穴、５３ａ，５３ｂ…穴、５４ａ，５４ｂ…ネジ、５５…ヨーク、５６ａ，５６ｄ…穴、５７ａ，５７ｂ…ネジ穴、５８…穴、５９…穴、６０…穴、６１…端、６２ａ，６２ｂ…凸部、６３…凸部、６４ａ，６４ｂ…端、６５…面、６６…面、６７…シリコーンゲル、６８…ヨーク、６９ａ〜６９ｃ…ネジ穴、７０ａ，７０ｂ…ネジ穴、７１ａ，７１ｂ…ネジ穴、７２…穴、７３…穴、７４ａ，７４ｂ…角部、７５…接触部、７６ａ，７６ｂ…角部、７７ａ，７７ｂ…接触部、７８…アジマス磁石、７９ａ，７９ｂ…エレベーション磁石、８０…基板、８１ａ，８１ｂ…ポジションセンサ、８２ａ，８２ｂ…穴、８３ａ，８３ｂ…ネジ、８４ａ，８４ｂ…ネジ、８５ａ，８５ｂ…受光面、８６…入射面、８７…二軸アクチュエータ、８８ａ〜８８ｃ…ネジ、８９…本体、９０…凸部、９１…穴、９２…面、９３…穴、９４ａ，９４ｂ…ネジ穴、９５…穴、９６…面、９７…凸部、９８…鏡枠、９９…穴、１００…段状部、１０１…段状部、１０２…ネジ穴、１０３…ネジ、１０４…板、１０５ａ，１０５ｂ…穴、１０６ａ，１０６ｂ…ネジ、１０７…穴、１０８…出口、１０９…矢印、１１０…矢印、１１１…矢印、１１２…光、１１３…障害物、１１４…光、１１５…受光レンズ、１１６…フォトディテクタ、１１７…辺、１１８…辺、１１９…矢印、１２０…矢印、１２１…矢印、１２２…矢印、１２３…辺、１２４…辺、１２５…距離、１２６…穴、１２８…壁、１３１…ホルダ、１３２…バネ、１３３…凹部、１３４…頂部。

Claims (10)

1. 第１の光学素子と、
   第２の光学素子と、
   前記第１の光学素子を備えた第１のホルダと、
   前記第１のホルダを光軸に垂直に移動可能に支持する支持部材と、
   前記支持部材が固定された固定側の第２のホルダと、
   前記第１のホルダを駆動するための磁石と、
   前記磁石と共同して磁気回路を形成する金属製ヨークとを少なくとも備えた車載用測距装置に用いられる光学系駆動装置において、
   前記第２の光学素子が前記第２のホルダと前記金属製ヨークとで挟み込まれる形で固定されていることを特徴とする光学系駆動装置。
2. 前記第２の光学素子が第３のホルダを介して前記第２のホルダに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系駆動装置。
3. 前記第２の光学素子が弾性部材を介して前記第２のホルダに固定されていることを特徴とする特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学系駆動装置。
4. 前記弾性部材がシリコーンゴムで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学系駆動装置。
5. 前記弾性部材が金属製バネで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学系駆動装置。
6. 前記弾性部材が合成樹脂製バネで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学系駆動装置。
7. 前記金属製ヨークは前記第２のホルダにネジで固定され、前記金属製ヨークには雌ネジ部が設けられ、前記金属製ヨ一クと前記ネジの頭で前記第２のホルダを挟み込む形で固定していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかひとつに記載の光学系駆動装置。
8. 前記金属製ヨークは前記第２のホルダにかしめピンで固定され、前記金属製ヨークには前記かしめピンが設けられ、前記金属製ヨークと前記かしめピンの頭とで前記第２のホルダを挟み込む形で固定していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかひとつに記載の光学系駆動装置。
9. 前記第１の光学素子によりレーザ光を走査する請求項１〜請求項８のいずれかひとつに記載の光学系駆動装置を備えた車載用測距装置に用いられるレーザスキャン装置。
10. 前記第１および第２の光学素子はレンズ機能を有する光学素子であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかひとつに記載の光学系駆動装置またはレーザスキャン装置。

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