JP2619874B2

JP2619874B2 - 光ビーム走査用スキャナー

Info

Publication number: JP2619874B2
Application number: JP62195805A
Authority: JP
Inventors: 有貴依藤; 慎太郎山本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1987-08-05
Filing date: 1987-08-05
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPS6438715A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、測距光学系用の光ビーム走査用スキャナー
に関するものである。

［背景技術］第13図は従来の光ビームスキャン型測距方式の構成図
を示し、投光系１は、半導体レーザまたはLED等を光源
とし、投光レンズを通して光を細く絞って投光するもの
である。投光系１からの光を回転しながら反射させる走
査スキャナー２´は、ポリゴンミラー又はガルバノミラ
ーで構成されており、測距対象物３の表面に直線上に走
査し、その反射光を受光レンズ４とPSD（半導***置検
出素子）５で受光する。

測距原理は第14図に示すように、光学的三角測距であ
り、物体がＡにある時の結像点はPSD5上のａであり、Ｂ
のときはｂ、Ｃのときはｃとなり、PSD5でa,b,cを検出
すれば物体までの距離がわかる。このビームが紙面垂直
方向に走査しているので、走査スキャナー２´のミラー
の振り角θと、PSD5の出力より２次元変位が測定できる
ことになる。

PSD（半導***置検出素子）５は、光の位置を検出す
る受光素子であり、その構造を第15図に、等価回路を第
16図に夫々示す。図示するようにPSD5はpin構造のフォ
トダイオードに属する両端に出力電圧5₁,5₂を持つ光起
電力素子である。いま、表面に光スポットが照射される
と、高抵抗のｐ層が光の輝度重心位置と、両端電極まで
の距離に逆比例して分割され、光点位置ΔｘはPSD5の長
さをＬとすると、次式で示される。

したがって、，式より、となる。

光をスポットする装置としては、普通、ポリゴンミラ
ーやガルバノミラーが用いられる。前者は、６ないし12
面の多面鏡をモータで回転させるために、高速で又スキ
ャン角を大きくできるので広く用いられている。しかし
ながら、多面鏡を精度良く作るのは非常にコストがかか
り高価となる。また、モータにより多面鏡を回転させる
ため、モータの軸受寿命にも限度がある。また、形状も
大きいので、FA用光センサのスキャナーに使用するには
無理がある。後者は、一対の永久磁石のステータとロー
タを持ち、ロータの回転角を制御する一対の制御コイル
からなるもので、ポリゴンミラーよりは低コストである
が、前者と同じように軸受等の摺動部を持つため、寿命
はポリゴンミラーと同程度である。また、形状のポリゴ
ンミラーに比べて小さいが、寿命、価格の面でFA用光セ
ンサのスキャナーに使用するには無理があった。

もう一つの大きな問題点として、両端に共通すること
は、ポリゴンミラーやガルバノミラーで走査された光ビ
ームは、理想的には走査方向にのみ動くはずだが、実際
には軸受け部の精度により走査方向に直角のぶれ（Wobb
le）がある。このぶれは、角度にして数秒〜数十秒程度
の小さいものではあるが、本測距光学系には大きな測距
誤差の原因となる。具体的には第17図のごとくである。
同図において、走査スキャナー２´と反射面との間の距
離を150mmとし、前記ぶれ角が20秒とした場合に、測距
誤差をΔＲとし、反射角を10゜、θ≒10゜とし、測距誤
差は次式のようにして求められる。

Δｌ＝150×tan20“ θ≒10゜このように、ぶれがわずか20秒発生したとしても、同
図に示す光学系では、82μｍもの測距誤差が生じてしま
い、測距精度の向上に大きな妨げとなる。

［発明目的］本発明は、上述の点に鑑みて提供したものであって、
小型で安価なぶれが小さく、ポリゴンミラーやガルバノ
ミラーのような摺動部がない長寿命の光ビーム走査用ス
キャナーを提供することを目的としたものである。

［発明の開示］（構成）本発明は、投光ビームを反射させて走査光を作る反射
手段を設けた可動部材と、一端を上記可動部材に固定す
ると共に、他端を磁気回路を形成する一対のヨークで挟
持して支持され可動部材とヨークの間における長さで寸
法よりも幅寸法が長くなるように設定された板バネと、
上記磁気回路との作用で該板バネと、該板バネの平面と
略直交する方向に板バネをたわませて上記可動部材を回
転させる回動手段とを具備することにより、回動手段に
より板バネをたわませて可動部材に設けた反射手段を回
動させて、投光ビームを反射させて走査光を作るように
したことを特徴とするものである。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面により説明する。第１図
において、剛体は２つのＥ字型のヨーク6,6で構成さ
れ、ヨーク６の鉄心6aは、外周にコイル７を巻装した絶
縁材からなるコイルボビン８の挿通孔8aに遊嵌してい
る。そして、コイルボビン８は鉄心6aの突出方向に移動
自在としてある。ヨーク６の両側の突き合わせ部に弾性
を有する板バネ９の下部を支持して、板バネ９をヨーク
６でもって固定している。ヨーク６の突き合わせ面と平
行に可動部材であるハンガー10を配置し、ハンガー10の
中央部は第４図に示すように、コイルボビン８のフラン
ジ8b間で固定され、ハンガー10の両端に設けた溝内に上
記板バネ９の上端を挿入してハンガー10と板バネ９とを
連結している。樹脂成形品からなるハンガー10の中央部
の上面には反射手段を構成する反射ミラー11が配設して
ある。ヨーク６の開口部6b内には永久磁石12が配置され
ている。ここで、コイル７が挟持されると鉄心6aは固定
されているために、コイルボビン8aが移動することでハ
ンガー10が板バネ９を軸として回転するものであり、第
４図中の矢印のように円弧運動をする。従って、反射ミ
ラー11がその円弧運動に伴って同じ運動をし、光ビーム
を反射させて走査光を作るようになっている。そして、
ぶれ（Wobble）を小さくするために、ハンガー10が回転
する時にたわむ板バネ９のたわみ部9aは、その長さ寸法
ｙよりも幅寸法ｘの方が長くなるように設定してある。
本実施例では1.5倍程度としている。このように設計さ
れた２枚の板バネ９でハンガー10は支えられている。
尚、反射ミラー11は第13図の走査スキャナー２´に相当
し、ハンガー10の円弧運動によって、光ビームはスキャ
ンされる。尚、永久磁石12は第２図に示すように磁極は
対向するように配置してあり、図ではＮ極が対向してい
るが、Ｓ極が対向するように配置してもよい。

次に、スキャナーの動作原理を説明する。第２図に示
すように、永久磁石12とヨーク６により磁路が形成され
ている。尚、図中の破線の矢印は磁束の流れを示してい
る。そして、そのとき、磁気ギャップｇには第３図の矢
印に示すように磁束が流れている。そこで、第３図の破
線の矢印のようにコイル７に電流を流すと、フレミング
の左手の法則に従って、コイル７には紙面手前から奥に
向かう力が働く。コイル７の電流を逆にしてやれば、磁
束の向きは一定なので、コイル７には紙面奥から手前に
向かう力が働く。このようにコイル７に流す電流の方向
をある周期で、サインカーブ状、あるいは三角波状、あ
るいは矩形波状等に変化させてやれば、コイル７にはそ
の電流波形に比例した力が働く。その力の大きさはｆ＝
IBlの法則に従う。

ｎターン巻かれているコイル７の場合、長さｌの電線
が磁束密度Ｂの磁界中にｎ本存在することになり、それ
ぞれの電線には電流Ｉが流れることになるので、ｆ＝nI
Blとなる。さらに、本実施例の構造では、永久磁石12a
による磁気ギャップｇ及び永久磁石12bによる磁気ギャ
ップｇでそれぞれの磁束密度が同じなので、コイル７に
加わる力は次式のように前述の式の２倍となる。

ｆ＝2nIBl ここで、 n:コイル７巻数（ターン） I:コイル電流（Ａ） B:ギャップｇの磁束密度（Wb/m²） l:磁界を直交する導体の有効長さ（ｍ） f:コイル７（コイルボビン８）に加わる力（Ｎ）以上の力がコイルボビン８に加わると、第４図に示す
ように、コイルボビン８はハンガー10を介して板バネ９
でヨーク６に固定されているので、コイルボビン８は真
横に動くことはできず、ハンガー10の支持点ｐと板バネ
９の固定点ｑとの間に存在する回転軸を中心に図中の矢
印の如く回転することになる。故にハンガー10に固定さ
れている反射ミラー11は、コイルボビン８と同方向に円
弧運動をする。これによりスキャナーを構成することが
できる。

第５図及び第６図はスキャナーの動作状態を示し、第
５図はスキャナーの静止状態の光ビームの反射光の方向
を示し、第６図はスキャナーの回転状態の反射光を示し
ている。尚、図中のδは、スキャナーが回転したとき
に、その回動角に応じたスキャン角を示している。ここ
で、第６図のＳ点は回転中心を示している。また、コイ
ルボビン８が動いたときに、コイル７が磁界中を外れる
ことがないように、永久磁石12の長さは余裕を持って設
計してある。更に、ハンガー10、反射ミラー11、コイル
７、コイルボビン８等の可動部の質量は、できるだけ軽
量にする方が、スキャナーの応答性を上げるのに有利で
ある。そのためには、例えば、ボビンレスのコイルで構
成しても良い。また、本実施例において、２枚の板バネ
９間の距離を長くとるほど、ぶれ（Wobble）が小さくな
る結果が得られることは言うまでもない。

ところで、第７図は上記のスキャナーをヘッドケース
13内に組み込んだ状態を示し、ヘッドケース13内にはス
キャナーの他に、受光レンズ４、PSD5及びPSD5出力を演
算処理する電子回路部14等が配置してある。そして、ス
キャナーは上述のように反射ミラー11を中央に配置して
いるため、ヘッドケース13内に組み込込む際に、基線長
をできるだけ長く取るためには、スキャナーをヘッドケ
ース13内にすっきりと納められない。つまり、反射ミラ
ー11より端部の部分が全体より突出した形となる。そこ
で、反射ミラー11の配置の他の例としては第８図に示す
ように、反射ミラー11をハンガー10の中央部からずらし
て端部に配置したものである。従って、反射ミラー11を
ハンガー10の端部に配置することで、第７図に示すヘッ
ドケース13内に組み込みやすい構造とすることができる
ものである。

第９図は反射ミラー11の反射面をハンガー10の回転中
心軸上に配置させた実施例を示すものである。すなわ
ち、第６図に示す実施例では、回転の中心Ｓが反射ミラ
ー11の下方にあるため、第10図に示すように反射ミラー
11が円弧運動をするため、投光ビームが反射ミラー11に
当たる位置が動くことになる。そのため、反射ミラー11
の反射面積は大きいものが必要となる。尚、反射ミラー
11がａ角度で回転すると、反射光は2aの角度で反射す
る。そこで、第９図に示すように、ハンガー10の端部を
下方にＬ型に折曲した載置片15を形成し、この載置片15
の上に反射ミラー11を配置するようにしたものである。
この反射ミラーの表面の位置は、ハンガー10の回転中心
軸と一致させており、第11図に示すように、反射ミラー
11が回転しても、反射ミラー11が回転中心軸にあるため
に、入射光は反射ミラー11のほぼ同一面に当たるため、
反射ミラー11の反射面積を小さくすることができる。従
って、反射ミラー11を小さくすることができて、全体を
軽量化することができるものである。尚、図示しない
が、ハンガー10の中央部に反射ミラー11を置くタイプで
その面を落とし込んで、そこに反射ミラー11を配置し、
反射ミラー11の表面をハンガー10の回転中心軸と一致さ
せるようにしてもよい。

第12図はコイル７の端末7aと接続するコイル端子16a
を板バネ９に一体に形成した実施例を示すものである。
つまり、コイル７の巻線は通常0.1mm程度で細いため、
そのままスキャナーの外部に端末7aを引き出す場合、断
線の危険が高く、量産向きではないからである。本実施
例においては、図示するように板バネ９の上端よりハン
ガー10の上面にコイル端子16aを突設させ、このコイル
端子16aにコイル７の端末7aを接続するようにし、ま
た、板バネ９の下端よりヨーク６の側方に別のコイル端
子16bを突設し、このコイル端子16bに外部からのリード
線17を接続するようにしている。尚、ヨーク6,6と板バ
ネ９との間にはフィルム、塗料等の絶縁体をはさみ込
み、板バネ９とヨーク６との絶縁を図っている。このよ
うに構成することで、コイル端子16aはハンガー10と共
に可動することになり、コイル７の端末7aとハンガー10
との相対的な位置変化はなく、コイル７の端末7aにはス
トレスがかからず、断線の恐れはないものである。ま
た、板バネ９とコイル端子16aとを共用しているので、
コイル７の端末7aの処理のための新しい部材は不要とな
るものである。

［発明の効果］本発明は上述のように、投光ビームを反射させて走査
光を作る反射手段を設けた可動部材と、一端を上記可動
部材に固定すると共に、他端を磁気回路を形成する一対
のヨークで挟持して支持され可動部材とヨークの間にお
ける長さ寸法よりも幅寸法が長くなるように設定された
板バネと、上記磁気回路との作用で該板バネと、該板バ
ネの平面と８略直交する方向に板バネをたわませて上記
可動部材を回動させる回動手段とを具備したものである
から、回動手段により板バネをたわませて可動部材に設
けた反射手段を回動させて、投光ビームを反射させて走
査光を作るようにすることができ、しかも磁気回路を形
成する一対のヨークで挟持して板バネを支持したので、
回動手段に作用する磁気回路を形成するために設けた一
対のヨークを利用して板バネを挟持して支持することが
でき、部品の点数が少なくなって組み立て工程及び構造
を簡素化することができ、小型で安価なぶれの小さいス
キャナーを提供でき、また、従来のように、ポリゴンミ
ラー、ガルバノミラーのような摺動部がないため、長寿
命とすることができる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のスキャナーの斜視図、第２図
は同上の平面図、第３図及び第４図は同上の動作説明
図、第５図及び第６図は同上の動作説明図、第７図は同
上の配置構成図、第８図は同上の反射ミラーの配置の他
の実施例を示す斜視図、第９図は同上の反射ミラーの配
置の更に他の実施例を示す斜視図、第10図及び第11図は
動作説明図、第12図は同上の板バネにコイル端子を設け
た実施例を示す斜視図、第13図は従来例のビームスキャ
ン型測距方式を示す構成図、第14図は同上の動作説明
図、第15図はPSDの構造を示す図、第16図は同上の等価
回路図、第17図は従来例のぶれによる測距誤差を説明す
る動作説明図である。６はヨーク、6aは鉄心、７はコイル、7aはコイルの端
末、８はコイルボビン、９は板バネ、10はハンガー、11
は反射ミラー、12は永久磁石、16aはコイル端子であ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投光ビームを反射させて走査光を作る反射
手段を設けた可動部材と、一端を上記可動部材に固定す
ると共に、他端を磁気回路を形成する一対のヨークで挟
持して支持され可動部材とヨークの間における長さ寸法
よりも幅寸法が長くなるように設定された板バネと、上
記磁気回路との作用で該板バネの平面と略直交する方向
に設定された板バネをたわませて上記可動部材を回動さ
せる回動手段とを具備して成る光ビーム走査用スキャナ
ー。
【請求項２】上記反射手段をミラーで構成したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ビーム走査用ス
キャナー。
【請求項３】上記回動手段を、可動部材を取着したコイ
ルボビンとコイルボビンに巻装されたコイルと、磁路を
形成する永久磁石と、コイルボビン内に遊嵌しヨークの
一部より突設した鉄心とで構成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の光ビーム走査用スキャナー。
【請求項４】反射手段は可動部材の中央部に配置され、
可動部材の両側に板バネが設けられていることを特徴と
する特許請求の範囲第１記載の光ビーム走査用スキャナ
ー。
【請求項５】反射手段を可動部材の中央部からずらせて
可動部材の長手方向の端部に配置したことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の光ビーム走査用スキャナ
ー。
【請求項６】反射手段の反射面を可動部材の回転中心軸
上に配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の光ビーム走査用スキャナー。
【請求項７】回動手段を構成するコイルの端末を接続す
るコイル端子を板バネに一体に設けたことを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載の光ビーム走査用スキャナ
ー。