JP2981600B2 - 光スキャナおよびそれを用いた光センサ装置 - Google Patents
光スキャナおよびそれを用いた光センサ装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，光スキャナおよび光ス
キャナを利用した光センサ装置に関する。
キャナを利用した光センサ装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】曲げ変形モードとねじれ変形
モードの２つの弾性変形モードをもつ振動子の一面をミ
ラー面とし，この振動子を２つのモードのそれぞれの共
振周波数で振動させ，振動子のミラー面に向けて投射さ
れた光ビームをそのミラー面で反射させて２方向に光を
走査する光スキャナを出願人は既に提案した（特開平4-
95917 号公報）。振動子を一方のモードで振動させれば
一次元走査光スキャナとなる。
モードの２つの弾性変形モードをもつ振動子の一面をミ
ラー面とし，この振動子を２つのモードのそれぞれの共
振周波数で振動させ，振動子のミラー面に向けて投射さ
れた光ビームをそのミラー面で反射させて２方向に光を
走査する光スキャナを出願人は既に提案した（特開平4-
95917 号公報）。振動子を一方のモードで振動させれば
一次元走査光スキャナとなる。
【０００３】このような振動子の共振振動を利用した光
スキャナの性能（光走査角度，光走査速度，光走査軌跡
等）は，振動子の共振特性に大きく依存する。振動子の
共振特性のうち，特に共振周波数，位相および振幅が光
スキャナから出射される光ビームの光走査角度や光走査
線の軌跡に大きな影響を与える。
スキャナの性能（光走査角度，光走査速度，光走査軌跡
等）は，振動子の共振特性に大きく依存する。振動子の
共振特性のうち，特に共振周波数，位相および振幅が光
スキャナから出射される光ビームの光走査角度や光走査
線の軌跡に大きな影響を与える。
【０００４】たとえば円形軌跡を描かせる場合には，振
動子の２つの弾性変形モードの共振周波数が一致しかつ
それらの位相差がπ／２であるという条件を満たさなけ
ればならない。
動子の２つの弾性変形モードの共振周波数が一致しかつ
それらの位相差がπ／２であるという条件を満たさなけ
ればならない。
【０００５】しかしながら，通常シリコン基板を加工す
ることによって振動子を作製するので，振動子を作製す
るプロセス（たとえばシリコン・エッチング，メタル・
エッチング等）において，振動子の形状に加工時のばら
つきが生じやすい。振動子の形状のばらつきは，振動子
の共振特性のばらつきの原因となる。
ることによって振動子を作製するので，振動子を作製す
るプロセス（たとえばシリコン・エッチング，メタル・
エッチング等）において，振動子の形状に加工時のばら
つきが生じやすい。振動子の形状のばらつきは，振動子
の共振特性のばらつきの原因となる。
【０００６】振動子の特定の位置にウエイトを付加した
り，振動子の一部に櫛歯をあらかじめ形成しておき，櫛
歯を１つずつ削除することにより，振動子の共振特性を
調整することが考えられる。
り，振動子の一部に櫛歯をあらかじめ形成しておき，櫛
歯を１つずつ削除することにより，振動子の共振特性を
調整することが考えられる。
【０００７】しかしながらウエイトを付加する位置にば
らつきが生じやすい，櫛歯を形成するためには微細加工
が必要である等の問題がある。この調整によって振動子
に変形，破損が起こりやすく，共振特性の調整を繰り返
し行うことが困難である。なによりも，ウエイトの付加
や櫛歯の削除では，調整量が大きすぎて細かい調整が困
難ないしは不可能である。
らつきが生じやすい，櫛歯を形成するためには微細加工
が必要である等の問題がある。この調整によって振動子
に変形，破損が起こりやすく，共振特性の調整を繰り返
し行うことが困難である。なによりも，ウエイトの付加
や櫛歯の削除では，調整量が大きすぎて細かい調整が困
難ないしは不可能である。
【０００８】光スキャナの光走査性能を微調整するため
に，光スキャナの駆動回路や受光信号処理回路において
回路定数の補正を行う必要があり，その調整のために費
用がかかってしまう。
に，光スキャナの駆動回路や受光信号処理回路において
回路定数の補正を行う必要があり，その調整のために費
用がかかってしまう。
【０００９】
【発明の開示】この発明は，振動子の共振特性を簡単か
つ微細に調整できるようにするものである。
つ微細に調整できるようにするものである。
【００１０】この発明は，一面に鏡面をもつ振動部と，
振動が加えられる固定部と，上記振動部を上記固定部に
連結し，少なくとも一方向に弾性的に変形する弾性変形
部，とを有する振動子，上記固定部に振動を加える加振
装置，および上記振動部の鏡面に光を投射する光源とを
備え，上記光源から上記振動部の鏡面に投射される光の
反射光の方向が上記振動部の振動に応じて変化する光ス
キャナにおいて，上記弾性変形部にばね定数可変素子が
設けられていることを特徴とする。
振動が加えられる固定部と，上記振動部を上記固定部に
連結し，少なくとも一方向に弾性的に変形する弾性変形
部，とを有する振動子，上記固定部に振動を加える加振
装置，および上記振動部の鏡面に光を投射する光源とを
備え，上記光源から上記振動部の鏡面に投射される光の
反射光の方向が上記振動部の振動に応じて変化する光ス
キャナにおいて，上記弾性変形部にばね定数可変素子が
設けられていることを特徴とする。
【００１１】上記ばね定数可変素子は一実施態様では，
上記弾性変形部の少なくとも一箇所に設けられた発熱源
である。発熱源は，たとえば電気抵抗素子によって作成
され，この電気抵抗素子に通電することにより発熱す
る。
上記弾性変形部の少なくとも一箇所に設けられた発熱源
である。発熱源は，たとえば電気抵抗素子によって作成
され，この電気抵抗素子に通電することにより発熱す
る。
【００１２】他の実施態様では，上記ばね定数可変素子
は上記弾性変形部の少なくとも一箇所に設けられたひず
み発生源である。ひずみ発生源は，一例としては，圧電
素子により作成され電圧が印加されることにより変形す
る。
は上記弾性変形部の少なくとも一箇所に設けられたひず
み発生源である。ひずみ発生源は，一例としては，圧電
素子により作成され電圧が印加されることにより変形す
る。
【００１３】弾性変形部の温度の変化または変形によっ
て弾性変形部のばね定数が変化する。これにより振動子
の共振特性を調整することができる。
て弾性変形部のばね定数が変化する。これにより振動子
の共振特性を調整することができる。
【００１４】ばね定数可変素子を用いて，弾性変形部の
ばね定数を連続的かつ微細に変化させることができるの
で，振動子の共振特性の調整を連続的かつ微細に行うこ
とができる。
ばね定数を連続的かつ微細に変化させることができるの
で，振動子の共振特性の調整を連続的かつ微細に行うこ
とができる。
【００１５】振動子は，好ましくは単結晶シリコンによ
って形成される。単結晶シリコンは共振感度（Ｑ値）が
優れた材料として知られており，少ない励起振動でも大
きな共振振動を生じる。また，シリコン基板はバッチ加
工が可能なため，振動子の形状加工プロセスにおけるコ
ストが削減される。
って形成される。単結晶シリコンは共振感度（Ｑ値）が
優れた材料として知られており，少ない励起振動でも大
きな共振振動を生じる。また，シリコン基板はバッチ加
工が可能なため，振動子の形状加工プロセスにおけるコ
ストが削減される。
【００１６】好ましくは，上記ばね定数可変素子は上記
弾性変形部の最大応力が生じる箇所に設けられる。
弾性変形部の最大応力が生じる箇所に設けられる。
【００１７】一実施態様では，弾性変形部は，曲げ変形
モードとねじれ変形モードの互いに直交する２つのモー
ドで共振振動する。曲げ変形モードの振動では，弾性変
形部と固定部との境目部分において弾性変形部の応力が
最大となる。ねじれ変形モードの振動では，弾性変形部
の長手方向の中央部分においてその応力が最大となる。
各モードにおいて最大応力が生じる箇所にばね定数可変
素子が設けられることによって，最大の共振特性調整の
効果をあげることができる。
モードとねじれ変形モードの互いに直交する２つのモー
ドで共振振動する。曲げ変形モードの振動では，弾性変
形部と固定部との境目部分において弾性変形部の応力が
最大となる。ねじれ変形モードの振動では，弾性変形部
の長手方向の中央部分においてその応力が最大となる。
各モードにおいて最大応力が生じる箇所にばね定数可変
素子が設けられることによって，最大の共振特性調整の
効果をあげることができる。
【００１８】振動子の共振周波数が所定の周波数に自動
的に調整できるようにするために，上記振動子の共振周
波数を検出する手段，および上記検出手段によって検出
された共振周波数が所定の共振周波数に一致するように
上記ばね定数可変素子を制御する手段が設けられる。
的に調整できるようにするために，上記振動子の共振周
波数を検出する手段，および上記検出手段によって検出
された共振周波数が所定の共振周波数に一致するように
上記ばね定数可変素子を制御する手段が設けられる。
【００１９】この発明はまた上記の光スキャナを利用し
た，光センサ装置を提供している。
た，光センサ装置を提供している。
【００２０】この光センサ装置は，上記の光スキャナに
加えて，対象物に投射された光の反射光を受光し，受光
信号を出力する受光素子と，上記受光素子から出力され
る受光信号を処理して対象物に関する信号を生成する信
号処理回路とを備えている。
加えて，対象物に投射された光の反射光を受光し，受光
信号を出力する受光素子と，上記受光素子から出力され
る受光信号を処理して対象物に関する信号を生成する信
号処理回路とを備えている。
【００２１】この光センサ装置によると，投射光を直線
状，楕円形状，円形状に走査することができるので，種
々の形をもつ対象物の検出，調査，計測，認識が可能と
なる。
状，楕円形状，円形状に走査することができるので，種
々の形をもつ対象物の検出，調査，計測，認識が可能と
なる。
【００２２】
第１実施例 図１は，光スキャナの斜視図，図２は図１に示す光スキ
ャナの弾性変形部付近の拡大斜視図，図３は図２の III
−III 線に沿う拡大断面図である。
ャナの弾性変形部付近の拡大斜視図，図３は図２の III
−III 線に沿う拡大断面図である。
【００２３】光スキャナは，単結晶シリコン等から形成
される振動子１と，振動子１に高周波振動を印加するた
めの加振装置２とを含む。振動子１は，振動部11と，加
振装置２に固定された固定部12と，これらを連結する細
長い弾性変形部（トーションばね）13とから構成され，
好ましくはアルカリ系エッチング液による高精度な垂直
エッチングによって一体的に形成される。単結晶シリコ
ンは共振振動（Ｑ値）が優れている。
される振動子１と，振動子１に高周波振動を印加するた
めの加振装置２とを含む。振動子１は，振動部11と，加
振装置２に固定された固定部12と，これらを連結する細
長い弾性変形部（トーションばね）13とから構成され，
好ましくはアルカリ系エッチング液による高精度な垂直
エッチングによって一体的に形成される。単結晶シリコ
ンは共振振動（Ｑ値）が優れている。
【００２４】加振装置２による振動方向をＸとする。振
動子１の弾性変形部13はＸ方向と直交する方向にのびて
いる。この弾性変形部13の長手方向をＺ方向とする。Ｘ
およびＺ方向にそれぞれ直交する方向をＹ方向とする。
動子１の弾性変形部13はＸ方向と直交する方向にのびて
いる。この弾性変形部13の長手方向をＺ方向とする。Ｘ
およびＺ方向にそれぞれ直交する方向をＹ方向とする。
【００２５】振動部11は弾性変形部13の中心（Ｚ軸）に
関して非対称な形状をしている。したがって振動部11の
重心はＺ軸からＹ方向に外れた位置にある。
関して非対称な形状をしている。したがって振動部11の
重心はＺ軸からＹ方向に外れた位置にある。
【００２６】振動部11のミラー（後述する）が形成され
ていない面（裏面）のＺ軸上からＹ方向にずれた位置に
重りを設けておくことにより，振動部11の重心をＺ軸上
からずれさせてもよい。この場合には，振動部11をＺ軸
に関して非対称に形成する必要は必ずしもない。
ていない面（裏面）のＺ軸上からＹ方向にずれた位置に
重りを設けておくことにより，振動部11の重心をＺ軸上
からずれさせてもよい。この場合には，振動部11をＺ軸
に関して非対称に形成する必要は必ずしもない。
【００２７】加振装置２によって振動が加えられること
により，弾性変形部13はＸ方向に曲がる（曲げ振動を起
こす）とともに，振動部11がＺ軸に関して非対称となっ
ているのでＺ軸を中心にねじれる（ねじれ振動を起こ
す）。すなわち，弾性変形部13はＹ軸（第１の回転軸）
回りに曲がる曲げ変形モード（θB 方向）と，Ｚ軸方向
（第２の回転軸）回りにねじれるねじれ変形モード（θ
T 方向）の２つの共振振動モードを有している。曲げ変
形モードにおける共振周波数をｆB ，ねじれ変形モード
における共振周波数をｆT とする。
により，弾性変形部13はＸ方向に曲がる（曲げ振動を起
こす）とともに，振動部11がＺ軸に関して非対称となっ
ているのでＺ軸を中心にねじれる（ねじれ振動を起こ
す）。すなわち，弾性変形部13はＹ軸（第１の回転軸）
回りに曲がる曲げ変形モード（θB 方向）と，Ｚ軸方向
（第２の回転軸）回りにねじれるねじれ変形モード（θ
T 方向）の２つの共振振動モードを有している。曲げ変
形モードにおける共振周波数をｆB ，ねじれ変形モード
における共振周波数をｆT とする。
【００２８】加振装置２は振動子１をあらかじめ定めら
れた一方向（Ｘ方向）に加振するものであり，好ましく
は積層型の圧電素子（圧電アクチュエータ）が用いられ
る。加振装置２は駆動装置31によって駆動される。弾性
変形部13はＹ軸回りに曲がる曲げ変形モード（θB 向）
とＺ軸回りにねじれるねじれ変形モード（θT 方向）の
２つの共振振動モードを有しているので，これらの共振
振動モードの共振周波数ｆB ，ｆT の両方の周波数成分
を含む振動を加振装置２で発生させることにより，弾性
変形部13がこれらの共振周波数に共振する。
れた一方向（Ｘ方向）に加振するものであり，好ましく
は積層型の圧電素子（圧電アクチュエータ）が用いられ
る。加振装置２は駆動装置31によって駆動される。弾性
変形部13はＹ軸回りに曲がる曲げ変形モード（θB 向）
とＺ軸回りにねじれるねじれ変形モード（θT 方向）の
２つの共振振動モードを有しているので，これらの共振
振動モードの共振周波数ｆB ，ｆT の両方の周波数成分
を含む振動を加振装置２で発生させることにより，弾性
変形部13がこれらの共振周波数に共振する。
【００２９】振動部11の表面は鏡面（ミラー）となって
いる。振動部11の鏡面は，たとえば金属を振動部表面に
蒸着またはスパッタすることによって形成される。レー
ザ光源41からの光ビームが振動部11の鏡面に斜めに投射
される。入射した光ビームは鏡面によって反射される。
振動部11が振動すると光ビームの入射角および反射角が
変化する。振動部11が直交する二方向に振動しているの
で，反射光は二次元的に走査されることになる。
いる。振動部11の鏡面は，たとえば金属を振動部表面に
蒸着またはスパッタすることによって形成される。レー
ザ光源41からの光ビームが振動部11の鏡面に斜めに投射
される。入射した光ビームは鏡面によって反射される。
振動部11が振動すると光ビームの入射角および反射角が
変化する。振動部11が直交する二方向に振動しているの
で，反射光は二次元的に走査されることになる。
【００３０】上記の２つの共振周波数のうちのいずれか
一方の周波数成分のみを加振装置２によって発生させる
ようにすれば，または振動子１がいずれか一方の共振振
動モードのみをもつ構造とすれば，振動部11は一方向の
み（一軸のまわりでのみ）振動する。これにより，光ビ
ームの一次元的な走査が達成される。加振装置２の振動
の強さを調整し，振動部11の振動の振幅を変化させるこ
とにより光ビームの走査角度の調整も可能である。
一方の周波数成分のみを加振装置２によって発生させる
ようにすれば，または振動子１がいずれか一方の共振振
動モードのみをもつ構造とすれば，振動部11は一方向の
み（一軸のまわりでのみ）振動する。これにより，光ビ
ームの一次元的な走査が達成される。加振装置２の振動
の強さを調整し，振動部11の振動の振幅を変化させるこ
とにより光ビームの走査角度の調整も可能である。
【００３１】弾性変形部13の一表面には電気抵抗素子
（発熱素子）６が設けられている。振動子１は上述のよ
うに好ましくは単結晶シリコンによって形成されてい
る。このシリコン基板上にＩＣプロセス技術によってイ
オンを拡散することにより電気抵抗素子６が形成され
る。
（発熱素子）６が設けられている。振動子１は上述のよ
うに好ましくは単結晶シリコンによって形成されてい
る。このシリコン基板上にＩＣプロセス技術によってイ
オンを拡散することにより電気抵抗素子６が形成され
る。
【００３２】電極５を形成すべき部分を除いて，少なく
とも弾性変形部13および固定部12の表面には絶縁膜（た
とえばＳｉＯ2 酸化膜）８が形成されている。電気抵抗
素子６の両端部に電極５が形成されている。電極５は配
線パターン７によって固定部12上（絶縁膜８上）に形成
された外部接続電極17に接続されている。さらに外部接
続電極17は外部の電流源30に接続されている。電極５お
よび配線パターン７は金，アルミ等による金属薄膜によ
って形成される。
とも弾性変形部13および固定部12の表面には絶縁膜（た
とえばＳｉＯ2 酸化膜）８が形成されている。電気抵抗
素子６の両端部に電極５が形成されている。電極５は配
線パターン７によって固定部12上（絶縁膜８上）に形成
された外部接続電極17に接続されている。さらに外部接
続電極17は外部の電流源30に接続されている。電極５お
よび配線パターン７は金，アルミ等による金属薄膜によ
って形成される。
【００３３】配線パターン７を設ける代わりに，電極５
にワイヤをボンディングし，そのワイヤの他端を電流源
30に接続してもよい。この場合，ワイヤのボンディング
箇所を樹脂でモールドし，その接続強度を高めておくこ
とが好ましい。
にワイヤをボンディングし，そのワイヤの他端を電流源
30に接続してもよい。この場合，ワイヤのボンディング
箇所を樹脂でモールドし，その接続強度を高めておくこ
とが好ましい。
【００３４】図４は電気抵抗素子の他の例を示し，図３
に相当する断面図である。
に相当する断面図である。
【００３５】弾性変形部13を含めて振動子１がベリリウ
ム銅でつくらている。少なくとも弾性変形部13および固
定部12の一表面には絶縁層８が形成され，その上に電気
抵抗素子６が設けられている。この電気抵抗素子６はイ
オン拡散を施したポリシリコン薄膜によって形成され
る。電気抵抗素子６の両端に電極５が形成され，この電
極５が配線パターン７によって外部接続電極17に接続さ
れている。
ム銅でつくらている。少なくとも弾性変形部13および固
定部12の一表面には絶縁層８が形成され，その上に電気
抵抗素子６が設けられている。この電気抵抗素子６はイ
オン拡散を施したポリシリコン薄膜によって形成され
る。電気抵抗素子６の両端に電極５が形成され，この電
極５が配線パターン７によって外部接続電極17に接続さ
れている。
【００３６】電気抵抗素子６に電流源30から電流を流す
ことにより，電気抵抗素子６が発熱する。これにより弾
性変形部13の温度が変化し，そのばね定数が変化する。
振動子１の共振特性（特に，共振周波数）の調整が可能
である。
ことにより，電気抵抗素子６が発熱する。これにより弾
性変形部13の温度が変化し，そのばね定数が変化する。
振動子１の共振特性（特に，共振周波数）の調整が可能
である。
【００３７】振動子１において，弾性変形部13のばね定
数をｋ，回転軸（Ｙ軸またはＺ軸）のまわりのモーメン
トをＩとすると，振動子１における共振周波数ｆは次式
で表される。
数をｋ，回転軸（Ｙ軸またはＺ軸）のまわりのモーメン
トをＩとすると，振動子１における共振周波数ｆは次式
で表される。
【００３８】
【数１】
【００３９】弾性変形部13の曲げ変形モード（θB 方
向）におけるばね定数をｋB ，ねじれ変形モード（θT
方向）におけるばね定数をｋT とする。これらのばね定
数ｋB，ｋT を式１のばね定数ｋと置きかえると，式１
は曲げ変形モードにおける共振周波数ｆB ，ねじれ変形
モードにおける共振周波数ｆT を表すものとなる。
向）におけるばね定数をｋB ，ねじれ変形モード（θT
方向）におけるばね定数をｋT とする。これらのばね定
数ｋB，ｋT を式１のばね定数ｋと置きかえると，式１
は曲げ変形モードにおける共振周波数ｆB ，ねじれ変形
モードにおける共振周波数ｆT を表すものとなる。
【００４０】曲げ変形モードにおけるばね定数ｋB は次
式で表される。
式で表される。
【００４１】
【数２】
【００４２】ここでＥはヤング率，ｗは弾性変形部13の
幅（Ｙ方向の長さ），ｔは弾性変形部13の厚さ（Ｘ方向
の長さ），Ｌは弾性変形部13の長さ（Ｚ方向の長さ）で
ある。
幅（Ｙ方向の長さ），ｔは弾性変形部13の厚さ（Ｘ方向
の長さ），Ｌは弾性変形部13の長さ（Ｚ方向の長さ）で
ある。
【００４３】ねじれ変形モードにおけるばね定数ｋT は
次式で表される。
次式で表される。
【００４４】
【数３】
【００４５】ここでＧは横弾性係数，βは断面形状に関
する係数である。式３において，より一般的にはｗは弾
性変形部13の断面の長辺の長さを，ｔは同断面の短辺の
長さを表す。
する係数である。式３において，より一般的にはｗは弾
性変形部13の断面の長辺の長さを，ｔは同断面の短辺の
長さを表す。
【００４６】ばね定数ｋを変化させることにより，振動
子の共振周波数を調整できることが式１から分かる。し
かも，弾性変形部13のばね定数の変化により，振動子１
の共振周波数をアナログ的に微細に調整できる。
子の共振周波数を調整できることが式１から分かる。し
かも，弾性変形部13のばね定数の変化により，振動子１
の共振周波数をアナログ的に微細に調整できる。
【００４７】電気抵抗素子６の発熱によって弾性変形部
13に熱を加えることにより，式２のヤング率Ｅおよび式
３の横弾性係数Ｇが変化する。これらのヤング率Ｅおよ
び横弾性係数Ｇは材料定数ともいわれる。外部温度環境
の変化に応じ，弾性変形部の原子間力や形状が熱膨張に
より変化するため上記材料定数が変化する。
13に熱を加えることにより，式２のヤング率Ｅおよび式
３の横弾性係数Ｇが変化する。これらのヤング率Ｅおよ
び横弾性係数Ｇは材料定数ともいわれる。外部温度環境
の変化に応じ，弾性変形部の原子間力や形状が熱膨張に
より変化するため上記材料定数が変化する。
【００４８】図５は，弾性変形部13上に形成された電気
抵抗素子６に電流を流したときの電流値と２つの共振振
動モードの共振周波数ｆB ，ｆT との関係を示すグラフ
である。縦軸は，電気抵抗素子６に電流を流していない
ときの曲げ変形モードの共振周波数ｆB およびねじれ変
形モードの共振周波数ｆT を基準（１．００）とし，電
流を流したときの各モードの共振周波数の基準周波数に
対する比を表している。
抵抗素子６に電流を流したときの電流値と２つの共振振
動モードの共振周波数ｆB ，ｆT との関係を示すグラフ
である。縦軸は，電気抵抗素子６に電流を流していない
ときの曲げ変形モードの共振周波数ｆB およびねじれ変
形モードの共振周波数ｆT を基準（１．００）とし，電
流を流したときの各モードの共振周波数の基準周波数に
対する比を表している。
【００４９】弾性変形部13上に形成された電気抵抗素子
６に電流を流し，弾性変形部13の温度を高めていくと，
電流値の増加に伴って２つの弾性変形モードの共振周波
数ｆB ，ｆT はともに減少する。これらの共振周波数ｆ
B ，ｆT は約２〜３％程度減少する。
６に電流を流し，弾性変形部13の温度を高めていくと，
電流値の増加に伴って２つの弾性変形モードの共振周波
数ｆB ，ｆT はともに減少する。これらの共振周波数ｆ
B ，ｆT は約２〜３％程度減少する。
【００５０】したがって，電気抵抗素子６に流す電流を
調整し，弾性変形部13の温度を所望の共振周波数が得ら
れる値に保つことにより，この所望の共振周波数におけ
る振動を実現できる。
調整し，弾性変形部13の温度を所望の共振周波数が得ら
れる値に保つことにより，この所望の共振周波数におけ
る振動を実現できる。
【００５１】第２実施例 図６は第２実施例を示すものであり，振動子の弾性変形
部を表す斜視図である。振動子１の他の構成，ならびに
加振装置２およびレーザ光源41の構成は第１実施例のも
のと同じである。
部を表す斜視図である。振動子１の他の構成，ならびに
加振装置２およびレーザ光源41の構成は第１実施例のも
のと同じである。
【００５２】図６（ａ）において，弾性変形部13には電
気抵抗素子６に代えて圧電素子９が形成されている。圧
電素子９は圧電薄膜層を弾性変形部13表面上に形成する
ことにより，または拡散によって形成されるピエゾ抵抗
素子を弾性変形部13につくることによって得られる。圧
電素子９（たとえば圧電薄膜層）の材料にはたとえば，
チタン酸バリウム（ＢａＴｉ3 ）磁器，チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）磁器等が使用される。圧電素子９の両
端部には電極５が設けられ，この電極５は配線パターン
７によって電圧源に接続されている。
気抵抗素子６に代えて圧電素子９が形成されている。圧
電素子９は圧電薄膜層を弾性変形部13表面上に形成する
ことにより，または拡散によって形成されるピエゾ抵抗
素子を弾性変形部13につくることによって得られる。圧
電素子９（たとえば圧電薄膜層）の材料にはたとえば，
チタン酸バリウム（ＢａＴｉ3 ）磁器，チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）磁器等が使用される。圧電素子９の両
端部には電極５が設けられ，この電極５は配線パターン
７によって電圧源に接続されている。
【００５３】圧電素子９に外部の電圧源から電圧が加え
られると，電わい効果によって圧電素子９は電界方向に
伸び，かつこれと直交方向に縮む。圧電素子９は弾性変
形部13上に固定されているため，弾性変形部13も図６
（ｂ）に示すように変形する。
られると，電わい効果によって圧電素子９は電界方向に
伸び，かつこれと直交方向に縮む。圧電素子９は弾性変
形部13上に固定されているため，弾性変形部13も図６
（ｂ）に示すように変形する。
【００５４】弾性変形部13が変形することは，式２およ
び式３のｗ，ｔ，Ｌのいずれか，またはいくつかが変化
することを意味する。これらの定数は形状定数といわれ
るものである。
び式３のｗ，ｔ，Ｌのいずれか，またはいくつかが変化
することを意味する。これらの定数は形状定数といわれ
るものである。
【００５５】したがって弾性変形部13に設けた圧電素子
９に印加する電圧を制御し，弾性変形部13の変形量を調
整することにより，曲げ変形モードおよびねじれ変形モ
ードの共振周波数ｆB ，ｆT を微細に調整することがで
きる。
９に印加する電圧を制御し，弾性変形部13の変形量を調
整することにより，曲げ変形モードおよびねじれ変形モ
ードの共振周波数ｆB ，ｆT を微細に調整することがで
きる。
【００５６】上述した実施例では弾性変形部に一つの電
気抵抗素子または一つの圧電素子が設けられている。複
数の電気抵抗素子または圧電素子を設けてもよいことは
いうまでもない。また，電気抵抗素子と圧電素子の両方
を一つの弾性変形部に形成してもよい。
気抵抗素子または一つの圧電素子が設けられている。複
数の電気抵抗素子または圧電素子を設けてもよいことは
いうまでもない。また，電気抵抗素子と圧電素子の両方
を一つの弾性変形部に形成してもよい。
【００５７】図７に示すように，共振振動に伴う弾性変
形部13の応力は，曲げ変形モード（θB 方向）において
は弾性変形部13と固定部12との境目付近（符号ａで示
す）において，またねじれ変形モード（θT 方向）にお
いては弾性変形部13の長手方向の中心線上（符号ｂで示
す）においてそれぞれ最大値を示す。これらの位置では
２つの共振振動モードにおける慣性モーメントがそれぞ
れ最大となる。
形部13の応力は，曲げ変形モード（θB 方向）において
は弾性変形部13と固定部12との境目付近（符号ａで示
す）において，またねじれ変形モード（θT 方向）にお
いては弾性変形部13の長手方向の中心線上（符号ｂで示
す）においてそれぞれ最大値を示す。これらの位置では
２つの共振振動モードにおける慣性モーメントがそれぞ
れ最大となる。
【００５８】電気抵抗素子６または圧電素子９を，弾性
変形部13上の慣性モーメントが最大となる位置ａおよび
ｂに設けることにより，効果的に共振周波数の制御を達
成することができる。
変形部13上の慣性モーメントが最大となる位置ａおよび
ｂに設けることにより，効果的に共振周波数の制御を達
成することができる。
【００５９】第３実施例 図８は上述した光スキャナを用いた光センサ装置の構成
を示している。
を示している。
【００６０】レーザ光源41が駆動回路42によって駆動さ
れ，レーザ光源41からレーザ光が発生する。レーザ光は
パルス光でも連続光でもよい。いずれにしても，検出す
べきまたは測定すべき対象物の性質，検出すべき項目等
に応じてレーザ光の波形を定めればよい。
れ，レーザ光源41からレーザ光が発生する。レーザ光は
パルス光でも連続光でもよい。いずれにしても，検出す
べきまたは測定すべき対象物の性質，検出すべき項目等
に応じてレーザ光の波形を定めればよい。
【００６１】レーザ光は，必要に応じて設けられた投光
光学系45によって所定のレーザ・ビームに変換され（た
とえば，コリメートされる，またはスリット光に変換さ
れる等），光スキャナの振動子１の鏡面に向けて投射さ
れる。
光学系45によって所定のレーザ・ビームに変換され（た
とえば，コリメートされる，またはスリット光に変換さ
れる等），光スキャナの振動子１の鏡面に向けて投射さ
れる。
【００６２】振動子１の鏡面によって反射した光は対象
物Ｓb に向けて投射される。振動子１の振動に応じて投
射光は二次元（円形，楕円形等）または一次元に走査さ
れる。
物Ｓb に向けて投射される。振動子１の振動に応じて投
射光は二次元（円形，楕円形等）または一次元に走査さ
れる。
【００６３】対象物Ｓb からの反射光は，必要に応じて
設けられた受光光学系46を経て受光素子43に入射する。
受光素子43の受光信号は信号処理回路44で所定の受光信
号に変換され（たとえば，ディジタル・データに変換さ
れて）処理装置40に入力する。
設けられた受光光学系46を経て受光素子43に入射する。
受光素子43の受光信号は信号処理回路44で所定の受光信
号に変換され（たとえば，ディジタル・データに変換さ
れて）処理装置40に入力する。
【００６４】処理装置40は駆動装置42の制御，後述する
振動子１の共振周波数制御等を行うとともに，信号処理
回路44から入力する受光信号に基づいて，対象物の検
出，測定等に関する処理を行う。たとえば，対象物の有
無の検出，対象物の形状認識，バーコードの読み取り，
その他の処理が行われる。
振動子１の共振周波数制御等を行うとともに，信号処理
回路44から入力する受光信号に基づいて，対象物の検
出，測定等に関する処理を行う。たとえば，対象物の有
無の検出，対象物の形状認識，バーコードの読み取り，
その他の処理が行われる。
【００６５】上述したように，振動子１は曲げ変形モー
ドとねじれ変形モードとをもつが，簡単のために曲げ変
形モードの駆動および共振周波数制御について説明す
る。
ドとねじれ変形モードとをもつが，簡単のために曲げ変
形モードの駆動および共振周波数制御について説明す
る。
【００６６】駆動装置31には曲げ共振周波数をもつ信号
を発生する発振器（電圧制御発振器）21が備えられてい
る。発振器21の発生する信号に基づいて駆動装置31が曲
げ共振周波数を含む駆動信号によって加振装置２を連続
的に駆動する。
を発生する発振器（電圧制御発振器）21が備えられてい
る。発振器21の発生する信号に基づいて駆動装置31が曲
げ共振周波数を含む駆動信号によって加振装置２を連続
的に駆動する。
【００６７】一方，振動子１の弾性変形部には曲げ振動
の周波数を検出するための歪み検出素子23が設けられて
いる。この歪み検出素子23の抵抗は実際に生じている曲
げ振動の周波数に応じて変化する。この抵抗変化を表す
電気信号は実際の曲げ振動周波数成分を含んでいる。
の周波数を検出するための歪み検出素子23が設けられて
いる。この歪み検出素子23の抵抗は実際に生じている曲
げ振動の周波数に応じて変化する。この抵抗変化を表す
電気信号は実際の曲げ振動周波数成分を含んでいる。
【００６８】制御回路22は歪み検出素子23の抵抗変化を
表す電気信号の曲げ共振振動周波数と等しい周波数をも
ち，かつこの電気信号よりも位相がπ／２遅れる信号を
発生するように発振器21を制御する。
表す電気信号の曲げ共振振動周波数と等しい周波数をも
ち，かつこの電気信号よりも位相がπ／２遅れる信号を
発生するように発振器21を制御する。
【００６９】制御回路22はまた，発振器21の発振周波数
に基づいて振動子１の実際の曲げ振動周波数を検出す
る。他方，処理装置40から制御回路22に曲げ振動周波数
の目標値が与えられている。制御回路22は，検出した曲
げ振動周波数が処理装置40から与えられる目標値に一致
するように，電流源または電圧源30が制御される。この
電流源または電圧源30によって振動子１の弾性変形部13
に設けられた電気抵抗素子６または圧電素子９に電流が
流され，または電圧が印加される。このようにして，振
動子１の曲げ共振周波数が所望の目標値に一致するよう
に調整される。
に基づいて振動子１の実際の曲げ振動周波数を検出す
る。他方，処理装置40から制御回路22に曲げ振動周波数
の目標値が与えられている。制御回路22は，検出した曲
げ振動周波数が処理装置40から与えられる目標値に一致
するように，電流源または電圧源30が制御される。この
電流源または電圧源30によって振動子１の弾性変形部13
に設けられた電気抵抗素子６または圧電素子９に電流が
流され，または電圧が印加される。このようにして，振
動子１の曲げ共振周波数が所望の目標値に一致するよう
に調整される。
【００７０】ねじれ共振周波数の調整も上記と全く同じ
ように行われる。ねじれ振動の発生およびその共振周波
数の調整のために，ねじれ振動用の発振器，歪み検出素
子，電気抵抗素子または圧電素子，電流源または電圧
源，および制御回路が設けられる。
ように行われる。ねじれ振動の発生およびその共振周波
数の調整のために，ねじれ振動用の発振器，歪み検出素
子，電気抵抗素子または圧電素子，電流源または電圧
源，および制御回路が設けられる。
【００７１】曲げ振動のための発振器21の出力とねじれ
振動のための発振器21の出力とが加算されて，駆動装置
31から加振装置２に与えられることになる。
振動のための発振器21の出力とが加算されて，駆動装置
31から加振装置２に与えられることになる。
【００７２】この光センサ装置は，振動子１の弾性変形
部13に電気抵抗素子または圧電素子が設けられた光スキ
ャナを含んでいる。振動子１の共振特性の調整が容易に
かつ微細に行なわれ，走査される光の軌跡の調整が細か
く可能であるため，対象物の大きさや設置状態に合わせ
た光走査が可能である。
部13に電気抵抗素子または圧電素子が設けられた光スキ
ャナを含んでいる。振動子１の共振特性の調整が容易に
かつ微細に行なわれ，走査される光の軌跡の調整が細か
く可能であるため，対象物の大きさや設置状態に合わせ
た光走査が可能である。
【００７３】たとえば，円形に光を走査するときに，外
部環境温度等の変化に起因して光走査軌跡が円形からは
ずれようとした場合にも，上述した制御回路による共振
周波数の制御により常に円形光走査を実現することがで
きる。
部環境温度等の変化に起因して光走査軌跡が円形からは
ずれようとした場合にも，上述した制御回路による共振
周波数の制御により常に円形光走査を実現することがで
きる。
【００７４】光ビームを円形に走査する点についてより
詳しく説明する。
詳しく説明する。
【００７５】円形の光走査を行うには次の条件を満たす
必要がある。 （１）曲げ変形モードの共振周波数ｆB とねじれ変形モ
ードの共振周波数ｆT とが等しいこと（ｆB ＝ｆT ） （２）これらのモードの共振振動の位相差がπ／２であ
ること （３）これらのモードにおける共振振動の振幅が等しい
こと
必要がある。 （１）曲げ変形モードの共振周波数ｆB とねじれ変形モ
ードの共振周波数ｆT とが等しいこと（ｆB ＝ｆT ） （２）これらのモードの共振振動の位相差がπ／２であ
ること （３）これらのモードにおける共振振動の振幅が等しい
こと
【００７６】上記３つの条件のうち（３）については，
加振装置において各共振周波数を表す電気信号の振幅を
調整することによって容易に満たすことができる。
加振装置において各共振周波数を表す電気信号の振幅を
調整することによって容易に満たすことができる。
【００７７】図９（ａ）は振動子の弾性変形部に形成さ
れた電気抵抗素子に電流を流し，弾性変形部を加熱させ
たときの共振周波数の変化と走査角度との関係を示すグ
ラフ，図９（ｂ）はそのときの共振周波数の変化と位相
の変化との関係を示すグラフである。これらのグラフは
図５に示すグラフと対応するものである。図５および図
９（ａ），（ｂ）のグラフは全く同じ条件の下で得られ
たデータである。
れた電気抵抗素子に電流を流し，弾性変形部を加熱させ
たときの共振周波数の変化と走査角度との関係を示すグ
ラフ，図９（ｂ）はそのときの共振周波数の変化と位相
の変化との関係を示すグラフである。これらのグラフは
図５に示すグラフと対応するものである。図５および図
９（ａ），（ｂ）のグラフは全く同じ条件の下で得られ
たデータである。
【００７８】図５に示すグラフは，電気抵抗素子に電流
を流して加熱することによって２つのモードの共振周波
数がともに減少することに加えて，両モードの共振周波
数間に周波数比で約１％の差が生じていることを示して
いる。この１％の差は，図９の横軸においては５Ｈｚの
違いに相当する。２つのモードの共振周波数ｆB ，ｆT
はその減少の度合いが異なっている。また，共振周波数
の変化に応じてこれらの２つの共振振動の位相差も変化
している。
を流して加熱することによって２つのモードの共振周波
数がともに減少することに加えて，両モードの共振周波
数間に周波数比で約１％の差が生じていることを示して
いる。この１％の差は，図９の横軸においては５Ｈｚの
違いに相当する。２つのモードの共振周波数ｆB ，ｆT
はその減少の度合いが異なっている。また，共振周波数
の変化に応じてこれらの２つの共振振動の位相差も変化
している。
【００７９】したがって，２つのモードの共振周波数ｆ
B とｆT が上記条件（１）を満足するように，それらの
位相差が上記条件（２）を満足するように調整して円形
光走査を実施することができる。電気抵抗素子は共振特
性の微調整に適しているといえる。振動子に重りを付加
したり，削除したりすることによってあらかじめ共振周
波数ｆB ，ｆT をほぼ等しくしておき，その後の電気抵
抗素子へ電流を流すことによって共振振動の位相および
共振周波数の微調整を行うことが好ましいといえる。
B とｆT が上記条件（１）を満足するように，それらの
位相差が上記条件（２）を満足するように調整して円形
光走査を実施することができる。電気抵抗素子は共振特
性の微調整に適しているといえる。振動子に重りを付加
したり，削除したりすることによってあらかじめ共振周
波数ｆB ，ｆT をほぼ等しくしておき，その後の電気抵
抗素子へ電流を流すことによって共振振動の位相および
共振周波数の微調整を行うことが好ましいといえる。
【００８０】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は，光ス
キャナによる二次元の光走査線の軌跡の例を示してい
る。図１０（ａ）は曲げ変形モード（θB 方向）の共振
周波数ｆB とねじれ変形モード（θT 方向）の共振周波
数ｆT との比を１：６としたときの光走査線の軌跡を，
図１０（ｂ）はその比を１：３としたときの光走査線の
軌跡を示している。このように２つのモードの共振周波
数の比を変えることにより光走査の軌跡を変えることが
できる。
キャナによる二次元の光走査線の軌跡の例を示してい
る。図１０（ａ）は曲げ変形モード（θB 方向）の共振
周波数ｆB とねじれ変形モード（θT 方向）の共振周波
数ｆT との比を１：６としたときの光走査線の軌跡を，
図１０（ｂ）はその比を１：３としたときの光走査線の
軌跡を示している。このように２つのモードの共振周波
数の比を変えることにより光走査の軌跡を変えることが
できる。
【００８１】図１１（ａ）および図１１（ｂ）は，上述
の光センサ装置をバーコード・リーダとして用いた場合
において，光センサ装置の光走査線の軌跡と読み取られ
るべきバーコードとの対応関係を示している。
の光センサ装置をバーコード・リーダとして用いた場合
において，光センサ装置の光走査線の軌跡と読み取られ
るべきバーコードとの対応関係を示している。
【００８２】これらの図に示されるように，バーコード
が多少傾いていたとしてもバーコードの配列方向に光を
走査することができるので，読み取りの信頼性が高ま
る。また，二列状に配列されたバーコード，二次元バー
コードの読み取りも可能となる。
が多少傾いていたとしてもバーコードの配列方向に光を
走査することができるので，読み取りの信頼性が高ま
る。また，二列状に配列されたバーコード，二次元バー
コードの読み取りも可能となる。
【００８３】円形の走査を行う光センサ装置を用いる
と，図１２に示すように，円形に走査された光ビームを
円筒管50の内壁に照射することができる。これにより，
円筒管50に付着する異物や内壁の亀裂等を調べることが
できる。
と，図１２に示すように，円形に走査された光ビームを
円筒管50の内壁に照射することができる。これにより，
円筒管50に付着する異物や内壁の亀裂等を調べることが
できる。
【００８４】図１３は，円筒管50の縦断面と光センサ装
置から円筒管内に投射された円形光とを示すものであ
る。
置から円筒管内に投射された円形光とを示すものであ
る。
【００８５】光走査角度は，振動子に与える共振振動の
振幅を加振装置によって変化させて調整することができ
る。共振振動の振幅を大きくするにしたがい，光センサ
装置から投射される光ビームの走査角度はθ1 ，θ2 ，
θ3 と大きくなる。これに伴い円筒管50内に投射された
円形光走査線は，円筒管50の奥のほうから手前（光セン
サ装置）のほうに，その距離がｄ（θ1 ），ｄ（θ
2 ），ｄ（θ3 ）と近づいてくる。
振幅を加振装置によって変化させて調整することができ
る。共振振動の振幅を大きくするにしたがい，光センサ
装置から投射される光ビームの走査角度はθ1 ，θ2 ，
θ3 と大きくなる。これに伴い円筒管50内に投射された
円形光走査線は，円筒管50の奥のほうから手前（光セン
サ装置）のほうに，その距離がｄ（θ1 ），ｄ（θ
2 ），ｄ（θ3 ）と近づいてくる。
【００８６】このようにして，光走査位置を円筒管内の
奥行き方向に移動させ，円筒管内の様子を立体的に検知
することが可能となる。
奥行き方向に移動させ，円筒管内の様子を立体的に検知
することが可能となる。
【図１】光スキャナの斜視図である。
【図２】電気抵抗素子が設けられた第１実施例による弾
性変形部の拡大斜視図である。
性変形部の拡大斜視図である。
【図３】図２の III―III 線に沿う拡大断面図である。
【図４】変形例を示す図３相当の拡大断面図である。
【図５】電気抵抗素子に流される電流と共振周波数比と
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
【図６】弾性変形部に圧電素子が設けられた第２の実施
例による弾性変形部の拡大斜視図であり，（ａ）は電圧
を印加しない状態，（ｂ）は電圧を印可した状態をそれ
ぞれ示している。
例による弾性変形部の拡大斜視図であり，（ａ）は電圧
を印加しない状態，（ｂ）は電圧を印可した状態をそれ
ぞれ示している。
【図７】応力が最大となる位置に電気抵抗素子または圧
電素子が設けられた弾性変形部の拡大斜視図である。
電素子が設けられた弾性変形部の拡大斜視図である。
【図８】光センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図９】（ａ）は共振周波数と走査角度との関係を示す
グラフ，（ｂ）は共振周波数と位相との関係を示すグラ
フである。
グラフ，（ｂ）は共振周波数と位相との関係を示すグラ
フである。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は楕円形に光を走査した
ときの軌跡を示す。
ときの軌跡を示す。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は光線の軌跡とバーコー
ドの配列方向との対応関係を示す。
ドの配列方向との対応関係を示す。
【図１２】光センサ装置によって円筒管の内部を検出す
る様子を示す斜視図である。
る様子を示す斜視図である。
【図１３】円筒管内を立体的に走査する様子を示す断面
図である。
図である。
１ 振動子 ２ 加振装置 ５ 電極 ６ 電気抵抗素子 ７ 配線パターン ８ 絶縁膜 ９ 圧電素子 11 振動部 12 固定部 13 弾性変形部 17 外部接続電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−63999（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−349093（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 26/10 104 G01J 1/04 G01V 8/12
Claims (6)
- 【請求項１】 一面に鏡面をもつ振動部と，振動が加え
られる固定部と，上記振動部を上記固定部に連結し，少
なくとも一方向に弾性的に変形する弾性変形部とを有す
る振動子，上記固定部に振動を加える加振装置，および
上記振動部の鏡面に光を投射する光源を備え，上記振動
子は上記加振装置によって上記固定部に加えられる振動
に応じて共振振動し，上記光源から上記振動部の鏡面に
投射される光の反射光の方向が上記振動部の振動に応じ
て変化する光スキャナにおいて， 上記弾性変形部に上記共振の共振特性を調整するための
ばね定数可変素子を設けたことを特徴とする光スキャ
ナ。 - 【請求項２】 上記ばね定数可変素子が上記弾性変形部
の最大応力が生じる箇所に設けられている，請求項１に
記載の光スキャナ。 - 【請求項３】 上記振動子が曲げ変形振動モードとねじ
れ変形振動モードとを有し，これらの２つのモードに応
じて少なくとも２つのばね定数可変素子が設けられてい
る， 請求項１または２に記載の光スキャナ。 - 【請求項４】 上記振動子の共振周波数を検出する手
段，および上記検出手段によって検出された共振周波数
が所与の共振周波数に一致するように上記ばね定数可変
素子を制御する手段， をさらに備えた請求項１から３のいずれか一項に記載の
光スキャナ。 - 【請求項５】 一面に鏡面をもつ振動部，振動が加えら
れる固定部，および上記振動部と上記固定部とを連結
し，少なくとも一方向に弾性的に変形する弾性変形部を
備え，固定部に振動が加えられることにより共振振動す
る振動子において， 上記弾性変形部に上記共振の共振特性を調整するための
ばね定数可変素子を設けたことを特徴とする振動子。 - 【請求項６】 少なくとも，請求項１から４のいずれか
一項に記載の光スキャナを備え，上記振動子からの反射
光が対象物に投射される光センサ装置であり， 対象物に投射された光の反射光を受光し，受光信号を出
力する受光素子と， 上記受光素子から出力される受光信号を処理して対象物
に関する信号を生成する信号処理装置とをさらに備えた
光センサ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8023023A JP2981600B2 (ja) | 1996-01-17 | 1996-01-17 | 光スキャナおよびそれを用いた光センサ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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