偏轉裝置、光掃描裝置以及掃描式測距裝置制造方法

偏轉裝置、光掃描裝置以及掃描式測距裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種偏轉裝置。掃描式測距裝置(10)由投受光部(20)和將從投受光部(20)射出的測定光從光學窗(12)向外部進行偏轉反射的偏轉裝置構成，偏轉裝置具備：第一偏轉機構(30)，該第一偏轉機構(30)具備能夠環繞第一軸心(P1)進行搖擺的可動部(3)、和搖擺驅動可動部(3)的驅動部；第二偏轉機構(40)，其按照環繞與第一軸心(P1)正交的第二軸心(P2)的方式對第一偏轉機構(30)進行旋轉驅動；以及非接觸供電部(50)，該非接觸供電部具備配置為伴隨第二偏轉機構(40)的旋轉而環繞第二軸心(P2)進行旋轉的第二線圈(54)、和在與第二線圈(54)共用的軸心上相對配置的第一線圈(52)。
【專利說明】偏轉裝置、光掃描裝置以及掃描式測距裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及偏轉裝置、光掃描裝置以及掃描式測距裝置，例如涉及為了三維地掃描測定光而使用的偏轉裝置、光掃描裝置、以及掃描式測距裝置。
【背景技術】
[0002]在專利文獻I (JP特開昭60-12527號公報)中，公開了以下的紅外光束掃描裝置，該紅外光束掃描裝置具備環繞水平軸心而搖擺支撐反射鏡的齒輪機構、和環繞垂直軸心而旋轉驅動設置在支軸上的投受光部的電動機，使電動機進行驅動來使反射鏡環繞支軸旋轉，并且經由與電動機聯動的齒輪機構使反射鏡的姿勢發生變化，由反射鏡反射從投受光部輸出的光束，來進行三維掃描。
[0003]在專利文獻2 (JP特開2001-50723號公報)中，公開了以下的TOF方式的距離測定裝置，該距離測定裝置具備環繞水平軸心而搖擺支撐反射鏡的垂直偏轉用的電動機、和環繞垂直軸心而旋轉驅動反射鏡的水平偏轉用的電動機。
[0004]在專利文獻3 (JP特開2003-287693號公報)中，公開了以下的光束掃描機構，該光束掃描機構具備使具有強磁性體或永磁鐵的反射鏡、和環繞水平軸心使反射鏡發生姿勢偏轉的電磁鐵環繞垂直軸心旋轉的電動機。
[0005]但是，專利文獻I公開的紅外光束掃描裝置采用經由齒輪機構使反射鏡環繞水平軸心搖擺的機械式的搖擺機制，所以不能高速搖擺反射鏡，并且不能精密地控制其搖擺角度，所以不能得到測定精度。會進一步存在裝置大型化這樣的問題。
[0006]此外，在專利文獻2公開的距離測定裝置中，由于由垂直偏轉用的電動機來驅動反射鏡，所以不能高速搖擺反射鏡，存在裝置大型化這樣的問題。
[0007]進一步地，在專利文獻3公開的距離測定裝置中，由電磁鐵進行驅動，所以需要使用具備強磁性體或永磁鐵的特殊的反射鏡，成本增加，并且不能高速驅動，進一步存在裝置大型化這樣的問題。
[0008]此外，在專利文獻2、3所記載的裝置中，由于構成為使用環繞水平軸心而旋轉的電動機或電磁鐵來使環繞垂直軸心旋轉的反射鏡進行搖擺，所以為了向該環繞水平軸心旋轉的電動機或電磁鐵輸入驅動用的電信號，例如需要在反射鏡的垂直旋轉軸上具備信號傳遞用的滑動元件構造，存在由于接觸部的機械磨損而裝置的壽命變短的問題。

【發明內容】

[0009]本發明的目的在于，鑒于上述問題點，提供一種能夠按照非接觸方式從外部向搖擺部側傳遞信號、小型且輕量的偏轉裝置、光掃描裝置以及掃描式測距裝置。
[0010]為了達成上述目的，本發明的偏轉裝置的特征在于，具備:第一偏轉機構，該第一偏轉機構具備能夠環繞第一軸心進行搖擺的可動部、和搖擺驅動上述可動部的驅動部；第二偏轉機構，其環繞與上述第一軸心不同的第二軸心對上述第一偏轉機構進行旋轉驅動；以及非接觸供電部，該非接觸供電部與上述驅動部電連接，具備配置為伴隨上述第二偏轉機構的旋轉而環繞上述第二軸心進行旋轉的第二線圈、和在與上述第二線圈共用的軸心上相對配置的第一線圈，該非接觸供電部通過電磁感應方式從上述第一線圈向上述第二線圈供電。
[0011]優選地，上述第一偏轉機構具備由上述第二偏轉機構可旋轉地支撐的固定部、和在上述固定部支撐上述可動部的梁部，上述梁部由上述驅動部進行扭轉旋轉驅動或彎曲搖擺驅動，并作為上述第一軸心發揮作用。
[0012]優選地，具備:投受光部，其配置在上述第二軸心上；光偏轉部，其設置在上述可動部，對從上述投受光部沿上述第二軸心射出的測定光進行偏轉反射，將偏轉反射后的測定光之中由物體反射的反射光導向上述投受光部；基準反射構件，其照射從上述投受光部射出、并由上述光偏轉部進行偏轉反射后的測定光；以及搖擺控制部，其基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光，來控制上述驅動部；來自上述搖擺控制部的控制信號經由上述非接觸供電部傳遞至上述驅動部。
[0013]優選地，上述基準反射構件具備反射率沿著上述第二軸心而不同的區域，上述搖擺控制部具備:振幅檢測部，其基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光來檢測上述第一偏轉機構的搖擺振幅；以及振幅控制部，其控制上述驅動部，以便使由上述振幅檢測部檢測到的搖擺振幅成為規定的搖擺振幅。
[0014]優選地，上述驅動部包括形成于上述可動部的驅動用的線圈，上述振幅控制部對經由上述非接觸供電部施加于上述線圈的電流的頻率進行控制。
[0015]優選地，驅動部包含形成于上述可動部的驅動用的線圈、和生成施加于上述線圈的電流的電源電路，上述振幅控制部將經由上述非接觸供電部施加于上述線圈的電流的頻率控制信息疊加于高頻后傳送至上述電源電路，上述電源電路基于上述頻率控制信息來控制施加于上述線圈的電流的頻率。
[0016]優選地，進一步具備同步控制部，該同步控制部與上述可動部的搖擺周期同步地對上述第二偏轉機構的旋轉周期以及/或者從上述投受光部射出的測定光的測定周期進行調整。
[0017]優選地，進一步具備調光部，該調光部基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光對從上述投受光部射出的測定光的強度或者發光時間間隔(interval)進行調整。
[0018]優選地，上述非接觸供電部具備分別地各個卷繞上述第一線圈以及第二線圈并進行支撐的一對環狀的線圈支撐部，在形成于各線圈支撐部的中心部的空間中配置非接觸信號傳送部，該非接觸信號傳送部與上述第一偏轉機構之間傳送信號。
[0019]本發明的掃描裝置、偏轉裝置以及掃描式測距裝置的特征構成通過參照以下的實施例而明確示出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是構成本發明的偏轉裝置的主要部件的微小機械裝置的立體圖。
[0021 ] 圖2是微小機械裝置的分解立體圖。
[0022]圖3的(a)是本發明的偏轉裝置的剖面圖。
[0023]圖3的(b)是本發明的偏轉裝置的剖面圖。[0024]圖4A是投受光部的說明圖。
[0025]圖4B是由環繞第一軸心搖擺的可動部掃描的測定光的說明圖。
[0026]圖5A是第一偏轉機構的剖面圖。
[0027]圖5B是非接觸供電部(第二線圈)的俯視圖。
[0028]圖5C是非接觸供電部(第一線圈)的俯視圖。
[0029]圖6是通過本發明的掃描式測距裝置射出至三維空間的測定光的軌跡的說明圖。
[0030]圖7A是射向基準反射構件的測定光的掃描說明圖。
[0031]圖7B是測定光的軌跡的說明圖。
[0032]圖8是對可動部進行搖擺控制的搖擺控制裝置的說明圖。
[0033]圖9是可動部的搖擺振幅的變動和標準反射構件之間的關系的說明圖。
[0034]圖1OA是搖擺控制的原理的說明圖。
[0035]圖1OB是相對于諧振頻率的變動的施加電流的頻率控制的說明圖。
[0036]圖1lA是相對于偏轉角等間隔地進行發光控制的情況下的測距定時以及頻率變動時的測距定時控制的說明圖。
[0037]圖1lB是相對于相位方向等間隔地進行發光控制的情況下的測距定時控制的說明圖。
[0038]圖12A、圖12B、圖12C表示本發明的其他實施方式，分別是第一偏轉機構和非接觸供電部的構成的說明圖。
[0039]圖13A、圖13B、圖13C表示本發明的其他實施方式，分別是第一偏轉機構和非接觸供電部的構成的說明圖。
[0040]圖14表本發明的其他實施方式,是投受光部、第一偏轉機構、和非接觸供電部的構成的說明圖。
[0041]圖15表示本發明的其他實施方式，是本發明的偏轉裝置的剖面圖。
【具體實施方式】
[0042]以下，基于附圖來說明組裝了本發明的偏轉裝置的掃描式測距裝置。
[0043]在圖3的(a)、圖3的(b)中示出本發明的掃描式測距裝置10。該掃描式測距裝置10米用TOF方式,具備:具有光學窗12的圓筒狀的外殼11、容納于外殼11中的投受光部20、第一偏轉機構30、第二偏轉機構40、非接觸供電部50、以及信號處理部70等。
[0044]第一偏轉機構30具備能夠環繞與圖3的(a)的紙面垂直的第一軸心Pl搖擺的可動部3、和搖擺驅動可動部3的驅動部(未圖示)。此外，第二偏轉機構40是環繞與第一軸心Pl不同的、與圖3的(a)的紙面平行的第二軸心P2而旋轉驅動第一偏轉機構30的機構。
[0045]非接觸供電部50構成為具備按照微小的間隙而相對配置的第一線圈52和第二線圈54。第二線圈54與第一偏轉機構30的驅動部電連接，并且伴隨第二偏轉機構40的旋轉而環繞第二軸心P2進行旋轉。第一線圈52在與第二線圈54共用的軸心P2上相對配置。通過在第二線圈54中產生電動勢的電磁感應方式而從施加于第一線圈52的交流電流供電。
[0046]如果在與第二線圈相對配置的第一線圈中流通電流，則通過電磁感應而在與第一線圈相對配置的第二線圈中產生電動勢，能夠從第二線圈向與第二線圈一起環繞第二軸心旋轉的第一偏轉機構的驅動部提供電力。并且，由于從第一線圈向第二線圈按照非接觸的方式來供電，所以不需要采用在機械壽命上具有限制的滑動元件構造。
[0047]第一軸心Pl和第二軸心P2按照正交的方式來配置，在靜止狀態下，可動部3的平坦面按照相對于與第二軸心P2垂直的面呈45°的傾斜姿勢來進行配置。由上述第一偏轉機構30、第二偏轉機構40、和非接觸供電部50構成本發明的偏轉裝置。另外，第二軸心P2也是外殼11的軸心。
[0048]以下，詳述各個部件。
[0049]如圖1以及圖2所示，第一偏轉機構30具備:成為固定部2的框體；成為可動部3的平坦的板狀體；相對于固定部2按照能夠環繞第一軸心Pl進行搖擺的方式來支撐可動部3的一對梁部4、4 ;夾著梁部4、4配置在可動部3的兩側的永磁鐵5、6 ;以及上部蓋體8
坐寸ο
[0050]固定部2由聚碳酸酯等樹脂制的長方體構件構成，其中央部在俯視下是比可動部3稍稍大一些的面積，在厚度方向上形成挖開的開口空間，在其開口空間中配置可動部3。
[0051]梁部4、4由金屬彈性構件構成，具備:規定長度的金屬棒狀部4a;形成于金屬棒狀部4a的一端側并固定于固定部2的固定側襯墊4b ;以及形成于金屬棒狀部4a的另一端并固定于可動部3的可動側襯墊4c。
[0052]在剖面為“〕”字形、由高導磁率的構件構成的磁性體保持部7中按照永磁鐵5、6之中一個永磁鐵5為N極、另一個永磁鐵6為S極的方式而相對配置永磁鐵5、6，并在固定部2的開口空間中按照夾著可動部3的方式從下方插入并固定永磁鐵5、6。
[0053]可動部3具備:在玻璃基板、或硅基板上蒸鍍金或鋁等而成的偏轉反射鏡3a ;在玻璃環氧基板上印刷形成有銅線的線圈C和電極襯墊E的線圈基板3c ;以及配置在它們間的相同的玻璃環氧制的間隔物3b。
[0054]按照與電極襯墊E相接觸的方式來決定一對梁部4、4的各可動側襯墊4c的位置，并使用導電性粘接劑在偏轉反射鏡3a和線圈基板3c之間粘接固定梁部4、4的各可動側襯墊4c。另外，可以由在使用了環氧樹脂等的各基板層上形成線圈圖案、并由以通孔導體連接各基板層的線圈而成的多層基板來構成線圈基板3c。
[0055]如果經由一對梁部4、4向驅動用的線圈C施加交流電流，則通過在線圈C中流動的交流電流和由固定部2所具備的永磁鐵5、6形成的磁場作用于線圈C而產生的洛倫茲力，反復搖擺由梁部4、4支撐的可動部3。由線圈基板3c和永磁鐵5、6構成驅動部。
[0056]即，第一偏轉機構30構成為，包括至少一個可動部3、固定部2、從兩側在固定部2支撐可動部3的一對梁部4、4，可動部3能夠環繞將梁部4作為扭轉旋轉軸的第一軸心Pl進行搖擺。
[0057]并且，梁部4、4具有支撐可動部3的功能、作為向線圈C通電的導電體的功能、以及作為將可動部3返回至基準位置的彈簧的功能。進一步地，在可動部3中形成反射入射光并進行偏轉掃描的光偏轉面(偏轉反射鏡)3a。
[0058]構成梁部4、4的材料不限制為金屬，能夠選擇硅和樹脂等可以采用MEMS技術進行加工的材料，并基于作為目標的搖擺頻率適當選擇。
[0059]經由由驅動部進行扭轉旋轉驅動的梁部在固定部中支撐可動部的第一偏轉機構是梁部作為平衡環構造的扭轉梁發揮作用的機構，例如能夠通過MEMS (Micro ElectroMechanical Systems ;微機電系統)技術而構成為極小型且輕量,并且能夠被高速搖擺。
[0060]例如，在可動部形成平面狀的線圈，通過流過線圈的交流電流和由固定部所具備的永磁鐵而形成的磁場，洛倫茲力在線圈中進行作用，反復搖擺由梁部支撐的可動部。
[0061]此外，除了利用洛倫茲力搖擺可動部以外，也提出有利用在線圈中施加交流電流而產生的靜電力、在壓電體中施加電壓而產生的壓電力來搖擺可動部的微小機械裝置、和在前后對由懸臂梁支撐的可動部進行彎曲搖擺驅動的微小機械裝置。如果使用這樣的微小機械裝置，則能夠實現小型且輕量、高速的偏轉裝置。
[0062]如圖5A所示，第二偏轉機構40具備:由具有線圈的定子41和具有永磁鐵的轉子42構成的電動機M ;與轉子42連接的旋轉軸44 ;和與旋轉軸44 一體連接的圓盤狀的支撐部43以及配置在該支撐部43的外周的筒狀的支撐部45。由該支撐部43、45按照自由旋轉的方式來支撐第一偏轉機構30的固定部2。
[0063]與支撐部43、45連接的第一偏轉機構30由電動機M環繞第二軸心P2進行旋轉驅動。在旋轉軸44設置編碼器，其輸出被輸入至信號處理部70，由信號處理部70來掌握其旋轉速度以及旋轉位置(旋轉相位)。作為電動機M，能夠優選使用DC無刷電動機和步進電動機。
[0064]如圖5A、圖5B、圖5C所示，非接觸供電部50由以下構成:由硅鋼構成的一對環狀的線圈支撐部51、53 ;以及卷繞在形成于各線圈支撐部51、53的一端面的剖面-字形狀的圓環狀的溝中的銅線的線圈52、54。
[0065]第一線圈支撐部51以及第二線圈支撐部53以第二軸心P2為中心按照各溝相對的方式隔開微小的間隙來配置，通過電磁感應方式從第一線圈52向第二線圈54供電。
[0066]第一線圈支撐部51為了節省空間而嵌入固定在定子41的周圍，其面位置配置為與定子41的面位置相一致的高度。此外，第二線圈支撐部53嵌入固定在圓盤狀的支撐部43的周圍，兩者51、53的間隙由旋轉軸44的長度來規定。
[0067]用于搖擺驅動可動部3的規定頻率的交流電流由信號處理部70生成并施加于第一線圈52。進一步地，該交流電流在與第一線圈52相對旋轉的第二線圈54中被電磁感應，并被施加于形成在與第二線圈54 —體旋轉的線圈基板3c上的線圈C。其結果，可動部3環繞第一軸心Pl而搖擺。
[0068]在外殼11的底面配置信號處理部70，在形成于其上部的支撐部13上設置偏轉裝置。形成于支撐板13的孔部13a是用于配置信號處理部70與第一線圈52或投受光部20之間的信號線的開口。
[0069]信號處理部70由包括微型計算機等在內的電子電路構成，至少構筑針對第一偏轉機構30的控制塊、針對第二偏轉機構40的控制塊、針對投受光部20的控制塊、以及進行測距運算的運算塊等。
[0070]圖4A中示出投受光部20的構成。投受光部20具備:作為光源的激光二極管21、作為受光部的雪崩光電二極管26等。
[0071]從激光二極管21放射的測定光導入準直透鏡22，由準直透鏡22成形為平行光的測定光沿著軸心P2入射至第一偏轉機構30的偏轉反射鏡3a (參照圖4B)。準直透鏡22容納于導光構件23中，導光構件23容納于圓錐臺狀的暗箱24中。[0072]暗箱24的下端開放，按照包圍導光構件23的周圍的方式來設置聚焦透鏡25，并且在暗箱24的盒頂部在導光構件23的正上方配置雪崩光電二極管26。從第一偏轉機構30沿著第二軸心P2入射的反射光由聚焦透鏡25聚焦并入射至雪崩光電二極管26后被進行光電變換。
[0073]在圖4B中示出，通過由上述的驅動部3c、5、6環繞第一軸心Pl而搖擺驅動的偏轉反射鏡3a，從投受光部20射出的測定光在上下被偏轉反射的樣子。在該例子中，通過按照±11.25°的機械角度搖擺的偏轉反射鏡3a，在±22.5° (45° )的范圍中對測定光進行偏轉反射。
[0074]由偏轉反射鏡3a進行偏轉反射后的測定光從外殼11的光學窗12射出至外部空間，從外部空間的物體反射的反射光由偏轉反射鏡3a向投受光部20偏轉反射，并由作為受光部的雪崩光電二極管26檢測。
[0075]通過信號處理部70所具備的測距運算部，來求取測定光的射出時期與反射光的受光時期的時間差，基于該時間差計算從掃描式測距裝置10至物體的距離。
[0076]由第二偏轉機構40環繞第二軸心P2來旋轉驅動環繞第一軸心Pl被搖擺驅動的偏轉反射鏡3a的結果是，測定光被二維掃描。
[0077]圖6中例示出，使環繞第一軸心Pl的偏轉反射鏡3a的搖擺周期與環繞第二軸心P2旋轉的偏轉反射鏡3a的旋轉周期一致，對測定光連續點亮的情況下的測定光的軌跡。
[0078]如果各周期的相對的相位發生偏離，則伴隨于此，測定光的軌跡發生轉移。該軌跡成為利薩茹(Lissajous)形狀。實際上，將偏轉反射鏡3a的搖擺周期設定為比旋轉周期大一位數以上的較大的值，按照從比搖擺周期大一位數至兩位數的較大的值的周期來閃爍驅動光源。
[0079]為了以足夠的振幅來搖擺偏轉反射鏡3a，通常，施加于線圈C的交流電源的頻率設定為包括可動部3在內的梁部4、4的諧振頻率的附近頻率。但是，如果由于溫度變動等主要原因，包括可動部3在內的梁部4、4的諧振頻率發生變動，則伴隨于此，可動部3的搖擺振幅會發生變動。
[0080]為了維持為固定的搖擺振幅，需要測量搖擺振幅的變動來控制施加于線圈C的電流。由此，如果在第一偏轉機構30中具備測量可動部3的搖擺振幅的傳感器，則為了將該傳感器的信號輸出從第一偏轉機構30輸入至信號處理部70，如果進一步具備采用了其他電磁感應方式的線圈，則會導致成本上升。
[0081]因此，如圖3的(a)、圖3的(b)、以及圖7A所示，在外殼11之中未形成光學窗12的區域中，沿內周面來配置對由偏轉反射鏡3a偏轉反射后的測定光進行反射的基準反射構件60。在該例子中，在測定區域中環繞第二軸心P2來設定270°的范圍，在該范圍中形成光學窗12，在非測定區域中設定剩余的90°的范圍，在該一部分區域中配置基準反射構件60。
[0082]圖7B中示出平坦地延伸的基準反射構件60。在圖7B中，由虛線所示的正弦波是測定光的軌跡，沿著該軌跡按照規定的周期來使光源閃爍。基準反射構件60由反射薄片構成，該反射薄片形成為，沿著第二軸心P2的方向的長度比與偏轉反射鏡3a的目標搖擺振幅相對應的目標振幅A長一些，該基準反射構件60按照在偏轉反射鏡3a的停止時測定光經過上下方向中心位置的方式來決定位置并固定在外殼11的內壁上。[0083]進一步地，在基準反射構件60的下緣側，形成反射率比其他的區域(高反射率區域)60A低的低反射率區域60B。低反射率區域60B至少按照覆蓋從下端至目標振幅A的十分之二的長度為止的寬度來形成。
[0084]如圖8所示，在信號處理部70中具備由振幅檢測部71和振幅控制部72構成的搖擺控制部。來自基準反射構件60的反射光由投受光部20檢測，并經由信號線輸入至振幅檢測部71來檢測振幅。
[0085]將由振幅檢測部71檢測到的振幅輸入至振幅控制部72，一面將交流電流的電流值維持為固定一面調整頻率，以便使該振幅成為目標振幅。從振幅控制部72輸出的交流信號經由非接觸供電部50施加于可動部3的線圈C。
[0086]振幅檢測部71將與低反射率區域60B相對應的檢測間隔、和與高反射率區域60A相對應的檢測間隔的總計時間檢測為可動部的I周期。具體來說，振幅檢測部71具備:按照規定的閾值對來自基準反射構件60的反射光進行二值化的比較器；將由比較器檢測到的信號邊緣(signal edge)設為觸發對各區間的時間進行計數的定時器電路；以及存儲定時器電路的值的存儲部等。
[0087]在圖9的上部示出，偏轉反射鏡3a (可動部3)成為目標振幅-A (此時，搖擺角度為-11.25° )時的振幅特性曲線(實線)、成為比目標振幅-A大的振幅-A’(此時，搖擺角度比-11.25。大)時的振幅特性曲線(虛線)、成為比目標振幅-A小的振幅A” (此時，搖擺角度比-11.25°小)時的振幅特性曲線(點劃線)、與基準反射構件60之間的關系。
[0088]在圖9的下部，示出由投受光部20檢測來自基準反射構件60的反射光的定時。理想情況下，優選按照目標振幅士A來連續搖擺可動部3，但是如果起因于環境溫度的變動等，包括可動部3在內的梁部4、4的諧振頻率發生變化，則振幅會從目標振幅士A偏離。如果諧振頻率接近向線圈C的施加電流的頻率，則可動部3的振幅變大，諧振頻率從向線圈C的施加電流的頻率遠離，可動部3的振幅變小。
[0089]在可動部3為目標振幅土A時，由振幅檢測部71檢測與低反射率區域60B相對應的黑等級區域的區間TH、和與高反射率區域60A相對應的白等級的區間T12，將區間Tll和區間T12的總計時間檢測為可動部3的I周期。
[0090]在可動部3是比目標振幅A大的振幅A’時，由振幅檢測部71檢測與低反射率區域60B相對應的黑等級區域的區間T21、和與高反射率區域60A相對應的白等級的區間T22，將區間T21和區間T22的總計時間T2( = Tl)檢測為可動部3的I周期。
[0091]同樣地，在可動部3是比目標振幅A小的振幅Α”時，由振幅檢測部71檢測與低反射率區域60Β相對應的黑等級區域的區間Τ31、和與高反射率區域60Α相對應的白等級的區間Τ32，將區間Τ31和區間Τ32的總計時間Τ3 ( = Tl)檢測為可動部3的I周期。
[0092]振幅控制部72在由振幅檢測部71檢測到的白等級區域的區間和黑等級區域的區間的時間比從目標值(Τ11/Τ12)偏離時，一面將向線圈C的施加電流的電流值維持為固定，一面對頻率f進行可變控制，以便該時間比成為目標值(T11/T12)。其結果，可動部3的振幅維持固定在成為目標的振幅A。
[0093]如果采用上述構成，則由投受光部來接受從設置在所謂第一偏轉機構的旋轉系統的外部的投受光部射出的測定光之中由基準反射構件反射的反射光，所以能夠基于該反射光檢測可動部的搖擺振幅。即，不需要從第一偏轉機構將測量到的可動部的搖擺振幅取出至外部。
[0094]具體來說，振幅控制部72具備:計算白等級區域的區間和黑等級區域的區間的時間比以及與時間比的目標值之間的偏差的運算電路；由基于偏差計算施加電流的頻率的控制值的PID運算等例示的反饋運算部；以及具備與由反饋運算部計算出的控制值相對應地調整施加電流的頻率的PLL電路的交流電源電路。另外，所謂將向線圈C的施加電流的電流值維持為固定的意思是將交流電流的有效值維持為固定。
[0095]即，在振幅檢測部71中，根據基于旋轉軸44所具備的編碼器的輸出的電動機的轉速和旋轉位置，來檢測相對于基準反射構件60的白等級區域的區間和黑等級區域的區間，在振幅控制部72中，根據白等級區域的區間與黑等級區域的區間的總計時間和它們的時間比來求取可動部3的搖擺頻率以及振幅。
[0096]如圖1OA所示，設想為以下情況，即，對于搖擺振幅同為A、搖擺頻率為H、f2 (Π< f2)的可動部3，以成為振幅a A的位置為邊界由振幅檢測部71來檢測黑等級區間和白等級區間。
[0097]搖擺頻率fI的可動部3按照Al (t) = A s i η2 π fit進行搖擺，搖擺頻率f2的可動部3按照A2(t) =Asi n2iif2t進行搖擺。振幅成為a A的時間tll、tl2、tl3按照以下式子求取。
[0098]aA = A s i n2 Ji fit
[0099]αΑ = Α s i n2 Ji f2t
[0100]根據上式，求得
[0101]til = {I/ (2 π f I)} X s i rf1 ( α )
[0102]tl2 = {I/ (2 π f I)} X { π -s i rT1 ( α )}
[0103]tl3 = {1/(2 π Π)} X {2 π-s i rT1 ( α )}
[0104]其中，0< s i rT1 ( α ) < Ji /2。因此，
[0105]Tll = tl2-tll = {1/(2 π fl)} X { π -2s i rT1 ( α )}
[0106]T12 = tl3-tl2 = {1/(2 Ji fl)} X {Ji +2s i rT1 ( a )}
[0107]Tll/T12={ π -2s i rT1 ( a )} / {>+2s i rT1 ( a )}同樣地，得至
[0108]T21/T22 = {>-2s i rT1 ( a )} / {>+2s i rT1 ( a )}
[0109]即，如果振幅相同，則即使頻率發生變化，Tl/T2( = Τ11/Τ12 = Τ21/Τ22)也成為固定,反之,如果調整頻率，以使Τ1/Τ2成為固定，則振幅維持為固定。
[0110]如圖1OB所示，在包括可動部3在內的梁部4、4的最初的諧振頻率為Qb的情況下，振幅控制部72 —面在初期將向線圈C的施加電流維持為固定，一面使電流的頻率從比諧振頻率Qb充分高的頻率fmax開始朝向比諧振頻率Qb充分低的頻率fmin連續或階段性地發生變化。
[0111]振幅控制部72在每次使電流的頻率從比諧振頻率Qb充分高的頻率fmax開始朝向比諧振頻率Qb充分低的頻率fmin連續或階段性地發生變化時，判定由振幅檢測部71檢測到的白等級區間和黑等級區間的時間比是否成為目標值，如果時間比收容于規定的容許范圍，則維持為該頻率(在圖1OB中，標記為fb的頻率)。在圖1OB中，可動部3的動作點由諧振頻率Qb的諧振特性的Pb點示出。
[0112]之后，如果諧振頻率Ql降低，則動作點變化為諧振頻率Ql的諧振特性的Pl點，振幅變小，如果諧振頻率上升為Qh，則變化為諧振頻率Qh的諧振特性的Ph點，振幅變大。
[0113]例如，在諧振頻率上升為Qh的情況下，振幅控制部72將向線圈C的施加電流的頻率調整為比諧振頻率Qh高的fhl或者比諧振頻率Qh低的fh2，以使得長周期區間和短周期區間的時間比成為目標值。
[0114]其結果，可動部3在諧振頻率Qh的諧振特性的Phl點或Ph2點進行動作。Phl點或Ph2點之中在動作的穩定性方面呈現差異的情況下，調整為動作的穩定性較高的一方的動作點即可。
[0115]例如，如果將第二偏轉機構40所具備的電動機M的旋轉速度設為20Hz，將第一偏轉機構30的搖擺頻率設為200Hz，則電動機M的每一次旋轉，可動部3進行10次搖擺。
[0116]此時，如果在90°的非測定區域中設置基準反射構件60，則至少可動部3搖擺2周期，所以電動機M的每一次旋轉能夠測量2次搖擺振幅。此時，如果將光源的閃爍周期設定得充分短，則能夠以足夠的分辨率來測量白區域和非區域。
[0117]相對于電動機M的旋轉速度，第一偏轉機構30的可動部3的搖擺頻率較低，在電動機M旋轉一次的時間內，不能對于基準反射構件60進行一周期以上的搖擺驅動的情況下，不能在電動機M旋轉一次的時間內測量可動部3的振動振幅。
[0118]但是，在該情況下，在存儲部中預先存儲與在第二偏轉機構40的電動機M進行多次旋轉的期間測量的來自基準反射構件60的反射光相對應的信號、和此時的由編碼器檢測的旋轉位置，之后，通過合成為與由編碼器檢測的旋轉位置建立了對應的一周期的信號，能夠計算可動部3的振動振幅，能夠基于該值來控制搖擺振幅。
[0119]進一步地，優選地，在信號處理部70中具備調光部，該調光部基于由投受光部20接受到的來自基準反射構件60的反射光來調整從投受光部20射出的測定光的強度或發光時間間隔。
[0120]如果從投受光部20射出的測定光的強度發生變動，則擔心測定精度會降低，也擔心在光源中使用的激光的強度會脫離安全基準。即使在該情況下，由于通過調光部基于來自振幅調整用的基準反射構件60的反射光來調整測定光的強度或發光時間間隔，所以也沒有必要另外設置光量調整用的專用的基準反射構件。
[0121]例如，能夠根據基于來自基準反射構件60的反射光和檢測電動機M的旋轉相位的編碼器的信號而計算出的可動部3的振幅和相位來求取可動部3的搖擺角度，并基于搖擺角度來控制激光的發光定時。
[0122]如果將電動機M的旋轉速度和發光時間間隔設為固定，則可動部3的最大振幅附近的激光的密度變高。即，有時在可動部3的最大振幅附近滿足激光器級別的安全基準會變嚴格。即使在這樣的情況下，如果進行控制以使得在最大振幅附近激光二極管的發光時間間隔變長，則能夠確保激光器的安全級別。最大振幅定時以相對于基準反射構件60的反射信號的白等級區間和黑等級區間的各個中間時間點為基準來求取。
[0123]此外，例如，在基準反射構件60中，如果具備沿著第二軸心P2方向的多段濃淡的條紋狀的反射區域，或者具備沿著電動機M的旋轉方向的多段濃淡的條紋狀的反射區域，則得到來自基準反射構件60的各反射區域的反射光的強度發生變化的情況下的距離運算特性，能夠構筑基于該距離運算特性來對與經由光學窗12的來自對象物的反射光相對應的計算距離進行校正的校正電路。[0124]在通過對由投受光部進行了光電變換后的反射信號的上升進行二值化的比較器等的輸出來決定反射光的檢測定時的情況下，即使是存在于相同位置的對象物，由于反射光的光量不同，反射光的檢測定時不同，對由此產生的誤差進行校正。
[0125]優選地，在信號處理部70中具備同步控制部，該同步控制部與可動部3的搖擺周期同步地對第二偏轉機構40的旋轉周期以及/或者與從投受光部20射出的測定光相對應的反射光的測定周期(具體來說，測定光(激光二極管)的發光定時)進行調整。
[0126]同步控制部與上述的可動部3的搖擺相位同步地，對電動機M的轉速、旋轉相位和測定光的點亮時期進行調整，以便向預先設定的規定的測定方向射出測定光。
[0127]信號處理部70具備測距運算部，該測距運算部以來自投受光部20所具備的光源的測定光的射出時期為基準，基于與之后檢測到的反射光的時間差和相位差，來計算至測定光的反射位置(物體)為止的距離。例如，采用TOF方式的測距運算部以規定周期來對光源進行點亮控制，計算至物體為止的距離，根據此時的距離和測定光的射出方向來確定物體的坐標。
[0128]但是，如果由振幅控制部72來對可動部3的搖擺周期進行變更控制，則由于電動機M的旋轉周期或相位、以及與測定光的射出時期的失步，所以與預先設定的規定的測定方向相對應的測距變得困難。
[0129]S卩，在將電動機M的旋轉速度和光源的點亮周期維持為固定的狀態下，為了將可動部3的振幅控制為固定，如果可動部的搖擺周期發生變化，則測定方向發生變化，擔心不能得到與本來必要的測定方向相對應的測定值。此外，也擔心在可動部3的I搖擺周期內會發生必要的測定值的數目的增減。
[0130]即使在這樣的情況下，同步控制部通過控制電動機M的旋轉速度或旋轉相位并且控制光源的發光定時，以便與可動部3的周期以及搖擺相位同步，由此能夠得到與本來必要的測定方向相對應的測定值。
[0131]如圖1OA所示，例如，在成為由振幅檢測部71檢測到的白等級區間T12和黑等級區間Tll的各區間的1/2的時期，振幅成為最大。從白等級區間T12以及/或者黑等級區間Tll的各開始時期開始對時間進行計數，由此能夠檢測成為各區間的1/2的時間。
[0132]S卩，成為黑等級區間Tll的1/2的時間能夠檢測為成為相位π/2的時間，并且成為白等級區間Τ12的1/2的時間能夠檢測為成為相位3 π /2的時間。此外，從成為相位π /2的時間回溯(1/4) XTl時間后的時間能夠檢測為成為相位O的時間。
[0133]同步控制部基于可動部3的搖擺相位來控制電動機的旋轉速度和相位，按照與規定的搖擺相位相應的同步定時來對發光部進行點亮控制，由此，即使可動部3的搖擺周期發生變動，也能夠始終對應于規定的搖擺相位來點亮用于測距的測定光并進行測距運算。作為例子，限定于可動部3和發光部的點亮定時之間的同步來進行說明。
[0134]如圖1lA所示，將需要以頻率fl搖擺的可動部3在搖擺角An的方向上進行測距的情況下的相位設為Φη，則以滿足
[0135]A n = AX s i η ( Φ η)
[0136]的相位角來進行測距即可。在頻率fl的情況下，該時間tin成為
[0137]tin = (Φη/2 π ) XTl
[0138]在該時間測距即可。[0139]在諧振頻率發生變動而以頻率f2進行搖擺的情況下，如果照原樣按照tin來測距，則測定光成為搖擺角An’的方向，不能進行有意圖的方向的測距。在該情況下應當測距的相位Φη相同，所以頻率f2的情況下的測定時間t2n按照下式來求取:
[0140]t2n = (Φη/2 31) XT2
[0141]這樣，基于可動部3的相位O的時間和一周期的時間，能夠計算與頻率fI的情況下的相位Φη相對應的時間tin并對測定光進行點亮控制。并且，在頻率變動為f2的情況下，也能夠通過在與相位Φ η相對應的時間t2n對測定光進行點亮控制，來按照規定的相位Φη、搖擺角An進行測距。
[0142]即，雖然如果由振幅控制部72控制為頻率f2，則可動部3的偏轉角變動為An’，但是此時，如果由同步信號輸出部在可動部3成為相位Φ η的時期t2n輸出同步信號，則能夠在可動部3的偏轉角成為An的時期t2n使測定光點亮。
[0143]這里，圖1lA是表示對于偏轉角方向或掃描方向等間隔地進行發光控制的情況下的測距定時的圖，圖1lB是表示在相位方向或時間軸上等間隔地進行發光控制的情況下的測距定時的圖。
[0144]以什么樣的相位或時間來進行發光控制按照用途來適當決定，不限定為該事例。此外，發光定時可以作為應發光的相位信息或者與其對應的信息而預先在控制裝置內部的存儲裝置中進行設定，也可以從外部的控制裝置等輸入。
[0145]以下，說明其他實施方式。
[0146]在上述實施方式中，說明了以下構成的直接驅動類型的構成，即，經由非接觸供電部50將與向線圈C的施加信號相同頻率的交流信號作為供電信號施加于第一線圈52，將在第二線圈54中電磁感應出的供電信號施加于線圈C。
[0147]在該情況下，例如，頻率200?400Hz的驅動信號經由非接觸供電部50而施加于第一線圈52。該類型的電路構成簡單，但是頻率低，所以包含線圈支撐部51、53在內的非接觸供電部50大型化。
[0148]此外，在需要在信號處理部70和第一偏轉機構30之間交換其他種類的控制信號的情況下，需要具備與控制信號相對應的其他的非接觸供電部。
[0149]因此，在組裝入第一偏轉機構30的驅動部中，具備形成于可動部3的線圈C、和生成施加于線圈C的電流的電源電路，振幅控制部72如果構成為將經由非接觸供電部50施加于線圈C的電流的頻率控制信息疊加于高頻而傳送至驅動部，則能夠經由一個非接觸供電部50來傳遞多個種類的信號。
[0150]例如，能夠經由非接觸供電部50以13MHz等的頻率向第二線圈54供電，由第一偏轉機構30所具備的電源電路進行平滑并生成恒定電壓，以該電源為基礎來進行驅動部的振幅控制等的各種控制。在該情況下，在電源電路中，具備基于接收到的頻率控制信息來控制施加于線圈C的電流的頻率的頻率調整電路即可。
[0151]作為傳送頻率控制信息的方式，能夠采用對向第二線圈54供電的高頻的頻率進行切換的方式。例如，將13MHz和13.5MHz這兩個頻率與邏輯值O或I建立對應來切換頻率，由此能夠將頻率控制信息作為數字信號來傳遞。
[0152]此外，能夠將向第二線圈54供電的高頻作為載波來使用，按照頻率控制信息來對載波進行調制，在接收側對頻率控制信息進行解調。[0153]如果采用這樣的構成，則組裝入第一偏轉機構30的電路多少變得復雜，但是通過采用高頻信號進行供電，非接觸供電部50的小型化成為可能。此外，如果作為電源電路來設置穩定化電源電路，則在第一偏轉結構30內部能夠進行可動部3的自主的控制。例如，具備檢測可動部3的搖擺振幅的傳感器，能夠基于該傳感器的輸出自主地進行振幅控制。
[0154]在上述實施方式中，說明了使用內部轉子類型的電動機M，在定子的周圍配置第一線圈的例子，但是如圖12A至C所示，也可以使用相同的內部轉子類型的電動機M，在定子41的上端面配置非接觸供電部50，由與轉子42連接的旋轉軸44來支撐第一偏轉機構30。
[0155]如圖13A、圖13B、圖13C所示，也可以使用外部轉子類型的電動機M，由與轉子42連接的支撐部45支撐第一偏轉機構30，并且在定子41的上端面配置與上述相同的非接觸供電部50。
[0156]在該情況下，能夠在形成于各線圈支撐部51、53的中心部的空間中配置在與第一偏轉機構30之間傳送信號的非接觸信號傳送部80。作為非接觸信號傳送部80，能夠使用光耦合器、靜電感應電路、無線發送電路等。即，能夠經由非接觸供電部50向第一偏轉機構30供電，并且經由非接觸信號傳送部80在信號處理部70和第一偏轉機構30之間交換多個控制信號。
[0157]例如，信號處理部70經由非接觸供電部50向第一偏轉結構30提供電力，經由非接觸信號傳送部80來接收第一偏轉機構30所具備的搖擺振幅傳感器的信號，并且經由非接觸信號傳送部80向第一偏轉結構30所具備的電源電路發送控制搖擺振幅的頻率信息。
[0158]如圖14所示，可以構成為，在使用外部類型的電動機M，由與轉子42連接的支撐部45支撐第一偏轉機構30，并且在定子41的上端面配置與上述相同的非接觸供電部50的情況下，能夠將定子41形成為中空，并且在可動部3的上下兩面形成偏轉反射鏡3a，在定子41以及非接觸供電部50的中空部形成光路。通過沿著第二軸心P2在上下分別配置投受光部20，能夠同時進行兩個方向的測距。
[0159]如圖15所示，如果在由偏轉反射鏡3a進行了偏轉反射后的測定光中在上緣側以及/或者下緣側的一部分中具備2次偏轉板90，則能夠在具備2次偏轉板90的區域中擴大測距范圍。如果在起重機和在路面有高低不平的地方行駛的AGV等中進行設置，則能夠一面掃描周圍一面檢測天井的高度和地面的高低不平。例如，能夠以正面方向為中心在±2.5°的范圍內具備2次偏轉板90。
[0160]在上述的實施方式中，均是說明了靜止時的偏轉反射鏡3a的傾斜角度相對于水平面設定為45°的例子，但是也可以將偏轉反射鏡3a的傾斜角度相對于水平面設定為比45°大，或者相對于水平面設定為比45°小。按照必要的區域來適當設定測距即可。此夕卜，在第二偏轉機構40中也可以具備自動變更第一偏轉機構30的安裝角度的電動機。
[0161]在上述實施方式中，說明了利用洛倫茲力來搖擺可動部3的類型的第一偏轉機構30，但是也可以采用利用在線圈中施加交流電流而產生的靜電力、在由壓電體構成的梁部4中施加電壓而產生的壓電力來搖擺可動部3的構成。此外，也可以采用僅僅在可動部的一方形成彈性梁部并以梁部為軸來搖擺驅動可動部的構成。
[0162]在上述實施方式中，說明了使用本發明的偏轉裝置的掃描式測距裝置，但是對偏轉裝置不特別限制用途，例如，也可以使用于投影機等的對影像光進行掃描的光掃描裝置。
【權利要求】
1.一種偏轉裝置，其特征在于，具備: 第一偏轉機構，該第一偏轉機構具備能夠環繞第一軸心進行搖擺的可動部、和搖擺驅動上述可動部的驅動部； 第二偏轉機構，其環繞與上述第一軸心不同的第二軸心對上述第一偏轉機構進行旋轉驅動；以及 非接觸供電部，該非接觸供電部與上述驅動部電連接，具備配置為伴隨上述第二偏轉機構的旋轉而環繞上述第二軸心進行旋轉的第二線圈、和在與上述第二線圈共用的軸心上相對配置的第一線圈，該非接觸供電部通過電磁感應方式從上述第一線圈向上述第二線圈供電。
2.根據權利要求1所述的偏轉裝置，其特征在于， 上述第一偏轉機構具備由上述第二偏轉機構可旋轉地支撐的固定部、和在上述固定部支撐上述可動部的梁部， 上述梁部由上述驅動部進行扭轉旋轉驅動或彎曲搖擺驅動，并作為上述第一軸心發揮作用。
3.根據權利要求2所述的偏轉裝置，其特征在于， 該偏轉裝置具備: 投受光部，其配置在上述第二軸心上； 光偏轉部，其 設置在上述可動部，對從上述投受光部沿上述第二軸心射出的測定光進行偏轉反射，將偏轉反射后的測定光之中由物體反射的反射光導向上述投受光部； 基準反射構件，其照射從上述投受光部射出、并由上述光偏轉部進行偏轉反射后的測定光；以及 搖擺控制部，其基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光，來控制上述驅動部， 來自上述搖擺控制部的控制信號經由上述非接觸供電部傳遞至上述驅動部。
4.根據權利要求3所述的偏轉裝置，其特征在于， 上述基準反射構件具備反射率沿著上述第二軸心而不同的區域， 上述搖擺控制部具備: 振幅檢測部，其基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光來檢測上述第一偏轉機構的搖擺振幅；以及 振幅控制部，其控制上述驅動部，以便使由上述振幅檢測部檢測到的搖擺振幅成為規定的搖擺振幅。
5.根據權利要求4所述的偏轉裝置，其特征在于， 上述驅動部包括形成于上述可動部的驅動用的線圈，上述振幅控制部對經由上述非接觸供電部施加于上述線圈的電流的頻率進行控制。
6.根據權利要求4所述的偏轉裝置，其特征在于， 驅動部包括形成于上述可動部的驅動用的線圈、和生成施加于上述線圈的電流的電源電路， 上述振幅控制部將經由上述非接觸供電部施加于上述線圈的電流的頻率控制信息疊加于高頻后傳送至上述電源電路，上述電源電路基于上述頻率控制信息來控制施加于上述線圈的電流的頻率。
7.根據權利要求4~6中任一項所述的偏轉裝置，其特征在于， 該偏轉裝置具備同步控制部，該同步控制部與上述可動部的搖擺周期同步地對上述第二偏轉機構的旋轉周期以及/或者從上述投受光部射出的測定光的測定周期進行調整。
8.根據權利要求3~7中任一項所述的偏轉裝置，其特征在于， 該偏轉裝置具備調光部，該調光部基于由上述投受光部接受的來自上述基準反射構件的反射光對從上述投受光部射出的測定光的強度或者發光時間間隔進行調整。
9.根據權利要求1~8中任一項所述的偏轉裝置，其特征在于， 上述非接觸供電部具備分別地各個卷繞上述第一線圈以及第二線圈并進行支撐的一對環狀的線圈支撐部，在形成于各線圈支撐部的中心部的空間中配置非接觸信號傳送部，該非接觸信號傳送部與上述第一偏轉機構之間傳送信號。
10.一種光掃描裝置，具備權利要求1~9中任一項所述的偏轉裝置。
11.一種掃描式測距裝·置，具備權利要求1~9中任一項所述的偏轉裝置。
【文檔編號】G01S7/481GK103852888SQ201310628540
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2012年12月3日
【發明者】森利宏, 淺田規裕, 高井和夫 申請人:北陽電機株式會社