JP2003329961A - 反射型走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 揺動によって操作を行う反射型走査装置にお
いて、大きな走査角度を得る。 【解決手段】 複数のレーザダイオードＬＤ１，ＬＤ
２，ＬＤ３を、可動子１に形成されたミラー２に対する
入射角度を可動子１の揺動の方向に互いに異にして設置
する。レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３の個数
や設置される角度間隔に応じて大きな走査角度を得るこ
とができる。具体的には、本発明による改良前の構成に
よる最大走査角度が可動子１の揺動角度の２倍であった
のに対し、これにレーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，Ｌ
Ｄ３の個数を乗じた走査角度を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、揺動可能に保持さ
れた可動子に一体的に形成されたミラーを備えた反射型
走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ式の測距装置などにおける
走査機構として、磁界中のコイルへの通電によって生ず
る電磁力を利用して動作する反射型走査装置が提案され
ている。

【０００３】この反射型走査装置は、図８に示されるよ
うに、機構部１０と、図示しない制御部とから構成され
ている。機構部１０は、コイルが形成された平板状の可
動子１の上面にミラー２を形成し、この可動子１をトー
ションバー３により揺動自在に保持すると共に、永久磁
石４による磁界中に配置したものである。

【０００４】可動子１のコイルに電流ＩＡを流すと、永
久磁石４による磁界とコイルによる磁界との相互作用に
よって電流値に応じた力ＦＡが生じ、可動子１をトーシ
ョンバー３のねじり方向の弾性変形に対する復元力（弾
性力）に釣り合う位置まで旋回させる。

【０００５】ところで、この揺動の周波数を、可動子１
の質量・形状やトーションバー３の弾性率などによって
定まる可動子１の固有振動周波数に等しく設定する場合
には、可動子１の共振により、小電力で大きい運動が得
られるため特に好適である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、コイルに流す
電流値に限界があるため、力ＦＡに限界が生じる。した
がって、走査角度を大きくとることが困難であった。

【０００７】そこで本発明の目的は、揺動によって操作
を行う反射型走査装置において、大きな走査角度を得る
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、請求項
１に記載のとおり、揺動可能に保持された可動子と、前
記可動子に一体的に形成されたミラーとを備えた反射型
走査装置において、前記ミラーに対する入射角度を前記
揺動の方向に互いに異にして設置された複数の光源を備
えたことを特徴とする反射型走査装置である。

【０００９】第１の本発明では、複数の光源が、ミラー
に対する入射角度を可動子の揺動の方向に互いに異にし
て設置されているので、光源の個数や角度間隔に応じて
大きな走査角度を得ることができる。このため第１の本
発明は、トーションバーのような弾性変形部材によって
可動子が支持されかつ可動子の変位の許容と復元動作と
が行われる形式の走査装置において、特に好適に適用で
きる。なお、本発明における複数の光源は、それぞれが
複数の発光素子からなる１組の光源群であってもよい。

【００１０】第２の本発明は、請求項２に記載のとお
り、請求項１に記載の反射型走査装置であって、前記複
数の光源の動作を個別に制御する光源制御部を備え、前
記光源制御部は、前記複数の光源を順次周期的に点灯さ
せると共に、前記複数の光源をそれらの照射領域が互い
に重ならないように制御することを特徴とする反射型走
査装置である。

【００１１】第２の本発明では、光源制御部が、複数の
光源を順次周期的に点灯させると共に、複数の光源をそ
れらの照射領域が互いに重ならないように制御するの
で、照射領域が重なる場合の重複した信号処理を回避で
きる。

【００１２】第３の本発明は、請求項３に記載のとお
り、請求項２に記載の反射型走査装置であって、前記可
動子の現在角度を検出する角度検出手段をさらに備え、
前記光源制御部は、前記角度検出手段が検出した角度に
基づいて前記複数の光源を制御することを特徴とする反
射型走査装置である。

【００１３】第３の本発明では、角度検出手段が検出し
た角度に基づいて、光源制御部が複数の光源を制御する
ので、可動子の現在角度に基づいた正確な制御を実行で
きる。

【００１４】第４の本発明は、請求項４に記載のとお
り、請求項１ないし３のいずれか１に記載の反射型走査
装置であって、照射対象からの反射光を受信する受光素
子と、受光素子からの信号を処理する信号処理部とをさ
らに備え、前記信号処理部は、前記照射対象における各
光源の照射領域が互いに重ならないように、前記受光素
子からの信号を選択することを特徴とする反射型走査装
置である。

【００１５】第４の本発明では、照射対象からの反射光
を受光素子が受信し、受光素子からの信号を信号処理部
が処理する。そして信号処理部は、照射対象における各
光源の照射領域が互いに重ならないように、受光素子か
らの信号を選択する。したがって第４の本発明では、簡
易な構成により照射領域の重複を回避でき、信号処理と
くに受信情報の領域ごとのマッピングを簡易化できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態につい
て、以下に図面に従って説明する。図１において、本発
明の実施形態に係る反射型走査装置は、照射対象５０を
レーザで線方向に照射するものであり、機構部１０と、
制御部２０と、光源としてのレーザダイオードＬＤ１，
ＬＤ２，ＬＤ３とを含んで構成されている。

【００１７】機構部１０は、上記従来例のものと同様で
あり、揺動する平板状の可動子１を備えている。レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３は、可動子１の図中
上面側に形成された平板状のミラー２に対する入射角度
を、可動子１の揺動の方向に互いに異にして、図示しな
い筐体の適宜箇所に固定されており、これによって機構
部１０との位置関係が相対的に固定されている。レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３の光軸は、ミラー２
の中心点に向けられている。

【００１８】制御部２０は、ミラー駆動回路２１、角度
検出回路２２、タイミング信号発生回路２３，レーザ駆
動回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、およびレーザ制御回路
２５を含んで構成されている。

【００１９】ミラー駆動回路２１は、機構部１０の可動
子１のコイルに電流ＩＡを供給することで機構部１０を
制御する。角度検出回路２２は、機構部１０への給電が
オフされた際の各コイルの姿勢の復帰に伴う各コイルか
らの誘起起電力を検出することで、機構部１０の現在の
旋回角度を算出し、これをフィードバック信号としてミ
ラー駆動回路２１に出力する。

【００２０】レーザ駆動回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ
は、レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３へのパル
ス信号の給電によりこれらを駆動する。レーザ制御回路
２５は、レーザ駆動回路２４ａ、２４ｂ、２４ｃにＯＮ
／ＯＦＦ信号を与えることで、レーザダイオードＬＤ
１，ＬＤ２，ＬＤ３の点滅動作を個別かつ周期的に制御
する。タイミング信号発生回路２３は、角度検出回路２
２からの角度信号に基づいて、レーザ制御回路２５にタ
イミング信号を出力する。

【００２１】なお制御部２０は、ハードウェア的にはＣ
ＰＵ（中央処理装置）を中心としたワンチップマイクロ
プロセッサとして構成されており、動作プログラムや処
理プログラムを記憶させたＲＯＭと、データやプログラ
ムを一時的に保持するＲＡＭと、入出力インターフェイ
スとを含んでいる。

【００２２】以上のとおり構成された実施形態の動作に
ついて説明する。本実施形態では、ミラー駆動回路２１
からの駆動信号として、ＩＡ＝Ａｃｏｓ（２πｎｔ）の
正弦波電流が機構部１０に出力され、これによって可動
子１が揺動する。ここでＡは振幅、ｎは周波数、ｔは時
間である。周波数ｎは、可動子１の固有振動周波数に等
しくする。可動子１の揺動に対応して、レーザダイオー
ドＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３が点灯され、これによって照
射対象５０における照射領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が、図中
左右方向に走査される。

【００２３】ここで、本実施形態では、可動子１の位置
（回動角度）に応じて、各レーザダイオードＬＤ１，Ｌ
Ｄ２，ＬＤ３の発光タイミングを個別に制御することに
よって、図２に示される４つの運転モードで走査を行う
ことができる。

【００２４】モード１は、図２（ａ）のとおり、レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３を順次周期的に点灯
させ、かつ点灯時間を往路（可動子１の姿勢変化におけ
る略半周期）のみとするものであり、この場合には照射
領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の往路の走査が、例えば左から右
に断続的に行われる。

【００２５】モード２は、図２（ｂ）のとおり、レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３を順次周期的に点灯
させ、かつ点灯時間を往路から復路までの一連の時間
（可動子の姿勢変化における略１周期）とするものであ
り、この場合には照射領域Ｓ１の往復走査、照射領域Ｓ
２の往復走査、および照射領域Ｓ３の往復走査が、この
順に周期的に行われる。

【００２６】モード３は、図２（ｃ）のとおり、レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３を互いに等しいタイ
ミングで周期的に点滅させ、かつ点灯時間を往路のみと
するものであり、この場合には照射領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ
３の同時一斉の往路の走査が、可動子１の動作の１周期
ごとに繰り返し行われる。

【００２７】モード４は、図２（ｄ）のとおり、レーザ
ダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３を全て常時点灯させ
るものであり、この場合には照射領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３
の同時一斉の往復走査が、可動子１の動作の１周期ごと
に繰り返し行われる。

【００２８】以上のとおり、第１実施形態では、複数の
レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３が、ミラー２
に対する入射角度を可動子１の揺動の方向に互いに異に
して設置されているので、レーザダイオードの個数や設
置される角度間隔に応じて大きな走査角度を得ることが
できる。具体的には、本発明による改良前の構成による
最大走査角度が可動子１の揺動角度の２倍であったのに
対し、第１実施形態ではこれに光源の個数を乗じた走査
角度を実現することができる。

【００２９】また、走査範囲を拡大するためには、ミラ
ー２からの反射光の光路中に凸レンズを設置したり、ミ
ラー２に凹面鏡を用いることで走査角度を拡大する方法
もあるが、本発明ではこのような構成に代えて、互いに
入射角度を異にして配置された複数のレーザダイオード
ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３を用いることとしたので、これ
ら光学部材による場合に比して信号の空間的密度ないし
空間的解像度を高めることができる。なお、本発明に係
る構成と、これら凸レンズや凹面鏡などの光学部材によ
る構成とを併用することもでき、かかる構成も本発明の
範疇に属するものである。

【００３０】また、第１実施形態では、角度検出手段と
して誘起起電力を利用した角度検出回路２２を利用した
ので、検出した角度に基づいて複数の光源を精度良く制
御できる。

【００３１】また、第１実施形態におけるモード１およ
びモード２では、照射領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の全領域を
走査するのに可動子１の動作の３周期を要するのに対
し、モード３およびモード４では全照射領域を半周期で
走査できる。また、モード２およびモード４では、走査
が往路と復路との二方向であって走査の頻度ないし時間
的解像度が高い一方、例えば画像信号のように位置に応
じて異なる信号を発信する場合にデータの配列順序を半
周期ごとに逆転させる処理が必要であるが、モード１お
よびモード３では走査が一方向のみであるため、送信す
る信号に所定の変調を加える場合にも、データの処理が
簡易なもので済む。

【００３２】次に、第２実施形態について説明する。上
記第１実施形態では、照射領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の相互
の境界部における重複を特に考慮しない構成について説
明したが、第２実施形態は、この境界部についての重な
り防止処理を行うものである。また第２実施形態では、
第１実施形態における可動子１の裏面側に平板状の裏面
ミラー１ａを更に形成し、この裏面ミラー１ａを利用し
て可動子１の位置（回動角度）を検出する。

【００３３】図３において、可動子１の裏面ミラー１ａ
の中心点に向けて、レーザダイオードＬＤ４を設置し、
また裏面ミラー１ａからの反射側に、受光素子３１Ａ，
３１Ｃを設置する。受光素子３１Ａ，３１Ｃは、可動子
１の動作範囲の両端部の近傍にそれぞれ設置されてお
り、可動子１が一方の死点の近傍に到達すると、レーザ
ダイオードＬＤ４から裏面ミラー１ａを経由した反射光
が受光素子３１Ａに入射し、他方の死点の近傍に到達す
ると反射光が受光素子３１Ｂに入射する。レーザダイオ
ードＬＤ４は適宜のレーザ駆動回路およびレーザ制御回
路に、また受光素子３１Ａ，３１Ｂは適宜の角度検出回
路に接続する。また制御部２０のＲＯＭの所定のアドレ
スには、機構部１０の動作の定常状態における時刻と可
動子１の角度とを互いに関連づけて記憶させた時間テー
ブルを、予め格納しておく。なお、第２実施形態におけ
る残余の構成は上記第１実施形態のものと同様であるた
め、その細部の説明は省略する。

【００３４】図４において、いま、反射光が受光素子３
１Ａにより検出されると、可動子１がａ位置にあるとし
て（Ｓ１）、レーザダイオードＬＤ１が発光状態に制御
される（Ｓ２）。次に、反射光が受光素子３１Ｃに検出
されると、可動子１がｃ位置にあるとして（Ｓ３）、レ
ーザダイオードＬＤ１が消灯される（Ｓ４）。

【００３５】次に、可動子１がａ位置に到達し（Ｓ
５）、かつ、ＲＯＭの時間テーブルの参照により可動子
１がｂ位置に到達したと判定されると（Ｓ６）、レーザ
ダイオードＬＤ２が発光状態に制御される（Ｓ７）。次
に、可動子１がｃ位置に到達すると（Ｓ８）、レーザダ
イオードＬＤ２が消灯される（Ｓ９）。

【００３６】ステップＳ１０〜Ｓ１４の処理は、点灯さ
れる発光素子がレーザダイオードＬＤ２でなく同ＬＤ３
である点を除いて、ステップＳ５からＳ９と同様であ
る。

【００３７】これらステップＳ１〜Ｓ１４の処理は、ユ
ーザの入力操作などに基づく所定の終了入力があるまで
の間（Ｓ１５）繰り返し実行され、終了入力があったこ
とを条件に、本ルーチンが終了する。

【００３８】以上の処理の結果、図３に示すとおり、レ
ーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３による照射領域
が、互いに重ならないように分離される。すなわち、レ
ーザダイオードＬＤ１による走査範囲が揺動位置ａ〜ｃ
に対応する走査位置１ａからｃであるのに対し、レーザ
ダイオードＬＤ２・ＬＤ３による走査範囲は揺動位置ａ
〜ｃに対応する走査範囲のうち走査位置２ａ〜２ｂ，３
ａ〜３ｂの領域がキャンセルされる。

【００３９】以上のとおり構成された第２実施形態で
は、このような重なり防止処理が実行される結果、照射
領域が重なる場合の重複した信号処理を回避できる。

【００４０】また第２実施形態では、可動子１に一体的
に形成された裏面ミラーに発光素子からの光を入射さ
せ、その反射光の位置を受光素子によりリアルタイムで
検出する構造を位置検出手段として採用したので、可動
子１の現在位置を精度良く検出できる。

【００４１】なお、第２実施形態の機械的構成を利用し
て、上記モード３に対応する運転モードを実行すること
も可能であり、この場合には、図５に示すような重なり
防止処理を行うのが好適である。

【００４２】すなわち、図５において、いま、反射光が
受光素子３１Ａにより検出されると、可動子１がａ位置
にあるとして（Ｓ２１）、レーザダイオードＬＤ１が発
光状態に制御される（Ｓ２２）。次に、反射光が受光素
子３１Ｃに検出され（Ｓ２３）、その後受光素子３１Ａ
に検出されると（Ｓ２４）、レーザダイオードＬＤ１が
消灯される（Ｓ２５）。

【００４３】次に、ＲＯＭの時間テーブルの参照によっ
て可動子１がｂ位置に到達したと判定されると（Ｓ２
６）、レーザダイオードＬＤ２が発光状態に制御される
（Ｓ２７）。次に、可動子１がｃ位置に到達し（Ｓ２
８）、その後ａ位置に到達すると（Ｓ２９）レーザダイ
オードＬＤ２が消灯される（Ｓ３０）。

【００４４】ステップＳ３１〜Ｓ３４の処理は、点灯さ
れる発光素子がレーザダイオードＬＤ２でなく同ＬＤ３
である点を除いて、ステップＳ２６からＳ３０と同様で
ある。

【００４５】これらステップＳ２１〜Ｓ３４の処理は、
ユーザの入力操作などに基づく所定の終了入力があるま
での間（Ｓ３５）繰り返し実行され、終了入力があった
ことを条件に、本ルーチンが終了する。以上の処理の結
果、図３に示すとおり、レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ
２，ＬＤ３による照射領域が、互いに重ならないように
分離される。

【００４６】このような重なり防止処理が実行される結
果、照射領域が重なる場合の重複した信号処理を回避で
きる。なお、第２実施形態では可動子１がｂ位置にある
ことを時間テーブルの参照によって判定する構成とした
が、これを所定の関数によって判定してもよく、また可
動子１がｂ位置にあることを検出するための受光素子を
設けてこれを直接検出することとしてもよい。

【００４７】次に、第３実施形態について説明する。図
６に示される第３実施形態は、測距装置であり、上記第
１実施形態と同様の構成に加え、照射対象５０からの反
射光を受信する受光素子４１と、受光素子４１からの信
号を処理する信号処理部としての方向別距離算出回路４
２とを更に備えたものである。

【００４８】受光素子４１は周知の光電変換素子であ
り、例えばＣＣＤアレイや、単独のＣＣＤ素子とレンズ
光学系との組み合わせなどを用いるのが好適である。方
向別距離算出回路４２は、受光素子４１からの受光素子
信号と、タイミング信号発生回路２３から入力されるタ
イミング信号とを比較し、後者から現在の方向を算出す
ると共に、受光素子信号とレーザダイオードＬＤ１，Ｌ
Ｄ２，ＬＤ３の送信タイミングとの位相差に所定の係数
を乗ずることで、測定対象までの距離を方向別（角度
別）に算出して外部に出力する。

【００４９】ここで方向別距離算出回路４２では、照射
領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の相互の境界部における重なり防
止処理が必要な運転モード、例えば上述したモード１お
よびモード２の場合に、図７（ａ）（ｂ）に示されるマ
スク信号を生成する。このマスク信号は、それがオンさ
れている間における受光素子信号を採用せず無視するた
めの信号であり、そのオン時間には、ミラー２の反射光
が図３における照射領域相互の重複部分、つまり走査位
置２ａ〜２ｂ，３ａ〜３ｂの領域についての受光素子信
号が無効化される。なお、マスク信号におけるＯＮ／Ｏ
ＦＦのタイミングは、上記第２実施形態で行われたもの
と同様の可動子１の位置検出（受光素子３１Ａ，３１Ｃ
および時間テーブルの参照によるもの）に基づいて決定
される。

【００５０】しかして第３実施形態では、方向別距離算
出回路４２によりマスク信号を生成し、このマスク信号
により、照射対象５０における各光源の照射領域が互い
に重ならないように、受光素子４１からの信号を選択す
る。したがって第３実施形態では、簡易な構成により照
射領域の重複を回避でき、信号処理とくに受信データの
領域ごとのマッピングを簡易化することができる。

【００５１】なお、本発明における複数の光源は、その
それぞれが複数の発光素子からなる１組の光源群であっ
てもよい。また上記各実施形態では、可動子１またはミ
ラー２の揺動をいずれも単振動としたが、本発明におけ
る可動子の運動は、揺動であれば正弦波振動である必要
はない。

【００５２】また、本発明は、トーションバー３のよう
な弾性変形部材によって可動子１の支持・可動子１の変
位の許容と復元動作とが行われる形式の走査装置におい
て特に好適に適用できるが、同様の構成を、弾性変形部
材によらずに可動子を支持する構造の反射型走査装置
や、可動子をその共振周波数とは無関係に動作させる形
式の非共振型の機構部（ガルバノミラー機構）について
適用することも可能である。

【００５３】また上記各実施形態では、可動子１を一方
向に揺動させる構成としたが、本発明における可動子は
２以上の複数方向に揺動するものであってもよい。特
に、互いに直交する２方向に可動子が揺動する形式の機
構部について本発明を適用することも可能であり、この
場合には２次元の走査が可能であることから、本発明に
よる効果を画像再生装置や、３次元の測距装置・形状測
定装置などにおいて実現できる。

【００５４】また上記各実施形態では、レーザ式の照射
装置や測距装置に本発明を適用した例について説明した
が、本発明は他の方式の測距装置や、画像入力装置、画
像再生装置、複写機、レーザ加工装置など、走査動作を
必要とするどのような装置にも適用でき、かかる構成も
本発明の範疇に属するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態の概略構成を示すブロ
ック図である。

【図２】 （ａ）ないし（ｄ）は運転モードを示すタイ
ミング図である。

【図３】 第２・第３実施形態における機構部の動作を
示す説明図である。

【図４】 第２実施形態における処理の一例を示すフロ
ー図である。

【図５】 第２実施形態における処理の他の一例を示す
フロー図である。

【図６】 第３実施形態の概略構成を示すブロック図で
ある。

【図７】 （ａ）ないし（ｂ）は第３実施形態における
運転モードを示すタイミング図である。

【図８】 本発明および従来例に係る機構部を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１ 可動子、１ａ 裏面ミラー、２ ミラー、３ トー
ションバー、４ 永久磁石、１０ 機構部、２０ 制御
部、２２ 角度検出回路、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ レ
ーザ駆動回路、ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３ レーザダイオ
ード、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 照射領域。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 揺動可能に保持された可動子と、前記可
   動子に一体的に形成されたミラーとを備えた反射型走査
   装置において、 前記ミラーに対する入射角度を前記揺動の方向に互いに
   異にして設置された複数の光源を備えたことを特徴とす
   る反射型走査装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の反射型走査装置であっ
   て、 前記複数の光源の動作を個別に制御する光源制御部を備
   え、 前記光源制御部は、前記複数の光源を順次周期的に点灯
   させると共に、前記複数の光源をそれらの照射領域が互
   いに重ならないように制御することを特徴とする反射型
   走査装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の反射型走査装置であっ
   て、 前記可動子の現在角度を検出する角度検出手段をさらに
   備え、 前記光源制御部は、前記角度検出手段が検出した角度に
   基づいて前記複数の光源を制御することを特徴とする反
   射型走査装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１に記載の
   反射型走査装置であって、 照射対象からの反射光を受信する受光素子と、 受光素子からの信号を処理する信号処理部とをさらに備
   え、 前記信号処理部は、前記照射対象における各光源の照射
   領域が互いに重ならないように、前記受光素子からの信
   号を選択することを特徴とする反射型走査装置。