JPH05257072A - 二次元光スキャニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二次元光スキャニング装置の高速化及び小型
化を図る。 【構成】 スキャニング専用の平面鏡１２は第一の軸４
を中心にして双方向に回転振動しスキャン光１４をＹ−
Ｚ平面に沿って角的に走査する。平面鏡１２は同時に第
一の軸４に対して傾斜変位しスキャン光１４をＸ−Ｚ平
面に沿って角的に走査する。スキャン光１４と平行な戻
り光１５は固定配置された凹面鏡１により反射集光され
受光素子９により受光される。球中心点５と受光素子９
を結ぶ第三の軸１０は常にスキャン光１４と平行になる
様に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光線を二次元的に
スキャニング投光し標的から反射された散乱光あるいは
戻り光を受光検出する二次元光スキャニング装置に関す
る。かかる装置は物品に付されたバーコードを読み取る
為のバーコードリーダや遠隔物を識別する為のレーザレ
ーダ等に組み込まれる。

【０００２】

【従来の技術】従来の二次元光スキャニング装置として
は、平面ミラーを取り付けた一対のガルバノメータをレ
ーザ光路に配置し、一方を水平方向に回転振動させ他方
を垂直方向に回転振動させる事によりレーザ光を二次元
的にスキャニングする方式がある。

【０００３】別の従来方式として、１枚の平面ミラーを
２個のガルバノメータで水平方向及び垂直方向に回転さ
せ二次元スキャニングを行なう構造が知られている。本
発明の背景を明らかにする為に、図８を参照して後者の
従来構造を簡潔に説明する。略コの字型の振動部材１０
１は図示しないガルバノメータにより水平軸１０２を中
心として回転振動する。振動部材１０１にはガルバノメ
ータ１０３が取り付けられている。ガルバノメータ１０
３のシャフトには平面ミラー１０４が固着されており垂
直軸１０５を中心として回転振動する。レーザ光源１０
６から放射されたレーザ光１０７は集光ミラー１０８の
中央部に設けられた開口１０９を介して、水平方向及び
垂直方向に回転振動する平面ミラー１０４に入射し反射
されて二次元的にスキャニングされた投光１１０が得ら
れる。標的からの戻り光１１１は平面ミラー１０４を介
して集光ミラー１０８まで逆進し、レンズ１１２で集光
された後受光素子１１３で受光検出される。この後者の
従来方式は前者の従来方式に比べて平面ミラーが１枚で
済み構造が簡略化されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】いずれの従来例におい
ても平面ミラーは出射用と受光用を兼ねている。平面ミ
ラーの面積寸法が大きい程受光量が増加し検出感度が向
上する。出射用としては大面積を必要としないにもかか
わらず、所定の受光量を確保する為平面ミラーの面積寸
法は大きくせざるを得ない。一方、高性能化を図る為に
平面ミラーの高速駆動が要求されている。高速回転振動
によって生じる平面ミラーの機械的な歪みを抑制する為
に厚み寸法を大きくして剛性を持たせなければならな
い。所定の面積寸法及び厚み寸法を確保すると平面ミラ
ーの質量が必然的に増加し、高出力のガルバノメータが
必要になる為小型化に限界が生じる。

【０００５】この様に、ガルバノメータと出射用及び受
光用を兼ねた平面ミラーとの組み合わせからなる従来の
二次元光スキャニング装置では受光量を確保する為に面
積寸法を縮小できず、高速化と小型化を同時に達成する
事が困難であるという課題がある。高速化の為には平面
ミラーの厚み寸法を増やし且つ高出力のガルバノメータ
を用いなければならず小型化に相反する事となる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は二次元光スキャニング装置の高速化
及び小型化を同時に達成可能な構造を提供する事を目的
とする。かかる目的を達成する為にミラーを分割し、ス
キャニング専用の平面鏡と受光専用の球面凹面鏡とを用
いる構造とした。これによりスキャニング専用の平面鏡
を極力小型化するとともに、受光専用の凹面鏡で戻り光
を集光し十分な受光量を確保する様にした。又、集光が
常に受光面に当る様に、受光素子をスキャニング専用の
平面鏡と連動させる様にしている。

【０００７】あるいは上述した構造の変形として、平面
鏡を回転振動させる代りに、レーザ光源自体を回転振動
駆動する様にしても良い。

【０００８】図１を参照して本発明にかかる二次元光ス
キャニング装置の基本的な構成を説明する。固定配置さ
れた凹面鏡１は球面の一部を切り取った形状の反射面２
を有する。凹面鏡１の上方には第一の振動部材３が配置
されている。この振動部材３は第一の軸４（Ｘ軸）を中
心として双方向に回転振動する。第一の軸４は球中心点
５を含み凹面鏡１と対向した平面上にある球直径に一致
している。

【０００９】第一の振動部材３には第二の振動部材６が
取り付けられている。この振動部材６は第二の軸７（Ｙ
軸）を中心として双方向に回転振動可能である。第二の
軸７は前述した球中心点５で第一の軸４（Ｘ軸）に直交
し、紙面に対して垂直である。第二の振動部材６には腕
部８を介して受光素子９が取り付けられており、その受
光面は凹面鏡の反射面２に対面している。この受光素子
９は第三の軸１０上において球半径の略中点部分に配置
されている。第三の軸１０は第二の振動部材６に固定さ
れており、球中心点５で第二の軸７に直交する球半径に
一致している。従って、第三の軸１０は第二の振動部材
６の回転振動に伴なって移動する。

【００１０】第一の振動部材３と第二の振動部材６との
間に変換機構１１が介在している。この変換機構１１は
第二の振動部材６の角変位の１／２に相当する角変位を
生み出す為のものである。この変換機構１１上には平面
鏡１２が搭載されている。平面鏡１２は第一の軸４に沿
って入射されたレーザ光線１３を前述した第三の軸１０
に平行に反射する様に設置されている。反射された光は
スキャン光１４として標的に向って投光される。スキャ
ン光１４とＺ軸とのなす角φは変換機構１１の減速され
た角変位に依存して変化する。なお図示しないが、第一
の振動部材３を第一の軸４を中心にして回転振動駆動す
る為の第一の駆動部と、前記第二の振動部材６を第二の
軸７を中心にして回転振動駆動する第二の駆動部とを備
えている。第二の駆動部は第一の振動部材の上に搭載さ
れる。第三の軸１０に平行な戻り光１５は凹面鏡１によ
り反射された後集光されて受光素子９により受光検出さ
れる。

【００１１】

【作用】引き続き図１を参照して本発明の作用を詳細に
説明する。変換機構１１に搭載された平面鏡１２は第一
の軸４に対して傾斜配置されておりその傾斜角が変化す
る。従って、スキャン光１４はＸ−Ｚ平面に沿って角的
に走査される。一方、標的から反射した光のうち第三の
軸１０に平行な戻り光１５は凹面鏡１により反射集光さ
れる。この集光が受光素子９によって受光される為の幾
何学的な条件は第三の軸１０とスキャン光１４が常に平
行を保つ事である。ところで、入射光即ちレーザ光線１
３と平面鏡１２の法線とを含む平面即ちＸ−Ｚ平面内で
法線が角変位すると、出射光即ちスキャン光１４の角変
位は二倍に増幅される。そこで、機械的角変位を逓倍す
る機構即ち変換機構１１を用いて受光素子９の角変位と
スキャン光１４の角変位が同一になる様に設定する。こ
の様にして、スキャン光１４と第三の軸１０との平行度
が常に保たれる。

【００１２】図示の例では第二の振動部材６は扇歯車か
らなりその回転軸は第一の振動部材３に固着されており
第二の軸７と一致する。この扇歯車に腕部８を介して受
光素子９が取り付けられている。一方、変換機構１１も
扇歯車からなりその回転軸１６は第一の振動部材３に固
着されている。この外側の扇歯車（１１）の内周に形成
された歯は前述した内側の扇歯車（６）の外周に形成さ
れた歯と噛み合っている。外側の歯車は内側の歯車に比
べて２倍の歯数を有する。なお外側の歯車には逃げ溝１
７が形成されている。平面鏡１２は外側の歯車即ち変換
機構１１に取り付けられており、第一の軸４（Ｘ軸）に
平行なレーザ光線１３を反射して、スキャン光１４が球
中心点５と受光素子９を通る第三の軸１０に平行になる
様に設置されている。第二の振動部材６即ち内側の扇歯
車を第二の軸７を中心として回転振動させると、平面鏡
１２の角変位は常に受光素子９の角変位の１／２とな
り、スキャン光１４と第三の軸１０は常に平行を保つ。
従って、戻り光１５は常に受光素子９の受光面に集光す
る。

【００１３】以上はＸ−Ｚ平面に沿った光スキャニング
であるが、次にこれと直交するＹ−Ｚ平面に沿った光ス
キャニングを説明する。図２は図１に示す二次元光スキ
ャニング装置の斜視図である。但し図面を見易くする為
に第二の振動部材及び変換機構は図示を省略している。
前述した平面鏡１２は第一の振動部材３の端面部におい
て第一の軸４即ちＸ軸に例えば４５°の傾斜姿勢で配置
されている。第一の振動部材３は第一の駆動手段即ちガ
ルバノメータ１９によりＸ軸を中心にして双方向に回転
振動駆動される。レーザ光源１８からＸ軸に沿って放射
されたレーザ光線１３は回転振動する平面鏡１２で反射
されＹ−Ｚ平面内で角的に走査される。スキャン光１４
の走査角θはガルバノメータ１９の回転角と等しい。こ
の時第三の軸１０上に位置する受光素子９も同一の回転
角で変位する。従ってスキャン光１４と腕部８の平行度
は常に保たれており、戻り光１５は凹面鏡１により反射
集光された後受光素子９により受光される。この様に、
スキャン光１４はＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｚ平面に沿って同
時に走査されるので二次元スキャニングが可能になる。
なお、Ｙ−Ｚ平面に沿ってスキャニングする場合には、
平面鏡１２の法線は第一の軸４即ちＸ軸に対して一定に
保たれているので、Ｘ−Ｚ平面におけるスキャニングと
異なり何ら角変位変換機構を必要としない。

【００１４】図３はＺ軸を含む任意の平面上における幾
何光学図である。図において外側の円２０は凹面鏡の球
反射面に沿って描かれたものである。又、内側の円２１
は受光素子９の移動軌跡に沿って描かれたものである。
球中心点５を通る第三の軸１０に平行な戻り光１５は凹
面鏡により反射され第三の軸１０上において球半径の中
点に位置する受光素子９に集光される。この幾何光学的
な関係は戻り光１５が第三の軸１０の近傍にある場合に
成立する。戻り光１５が第三の軸１０から離れるに従っ
て集光点は受光素子９より凹面鏡の反射面に近い方へず
れていく。しかしながら、この誤差は実際上問題にはな
らず、受光素子９の受光面積寸法に余裕をもたせる事に
より解決できる。

【００１５】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図４は本発明にかかる二次元光スキャ
ニング装置の第一実施例を示す模式図である。球状の反
射面３１を有する凹面鏡３２が固定設置されている。凹
面鏡３２に対向した球直径軸即ち第一の軸３３を中心と
して回転振動する板状の振動部材３４が設けられてい
る。この第一の振動部材３４はシャフト３５を介して図
示しない第一の駆動部例えばガルバノメータに連結され
ている。板状振動部材３４の表面には第二の振動部材３
６が搭載されている。この第二の振動部材３６は、第一
の振動部材３４に固定され且つ球中心点で第一の軸３３
に直交する第二の軸３７（紙面に垂直）を中心として回
転振動する。この振動部材３６は扇型の外歯を有する。
さらに、角変位変換部材３８が搭載されている。この変
換部材３８は第一の振動部材３４に固定された回動軸３
９を中心として回転可能である。この変換部材３８は扇
型の内歯を備えており、前述した第二の振動部材３６の
外歯と噛み合っている。内歯は外歯の２倍の歯数を有す
る。受光素子４０は腕部４１を介して第二の振動部材３
６に取り付けられている。この受光素子４０は、球中心
において第二の軸３７と直交する第三の軸４２上で球半
径の中点位置に配置されている。その受光面は凹面鏡３
２に対面している。平面鏡４３が変換部材３８に取り付
けられており、発光源４４から第一の軸３３に平行に放
射されたレーザ光４５を反射して、第三の軸４２に平行
なスキャン光４６を生成できる様に調節配置されてい
る。標的からの戻り光４７は第三の軸４２に略平行にな
るので、常時受光素子４０の受光面に集光される。受光
素子４０からの電気出力はフレキシブルなリード線を介
して電子回路（図示せず）へ導かれる。

【００１６】角変位変換部材３８には中空コイル４８が
固着されており、第一の振動部材３４にはフォーク型マ
グネット４９が固着されている。マグネット４９の一方
の極が中空コイル４８の内部に挿入されており、第二の
駆動部を構成する。コイル４８の端末はフレキシブルな
リード線を介して電子回路に結線されている。

【００１７】中空コイル４８に交番電流を流すとフォー
ク型マグネット４９の極ギャップ間に生じる磁束とコイ
ル４８の電流との作用でコイル４８は上下方向の駆動力
を受ける。従って、角変位変換部材３８は上下方向に回
転振動しトルクを第二の振動部材３６に伝達する。第二
の振動部材３６の角変位は変換部材３８の角変位の２倍
に設定されており、スキャン光４６と第三の軸４２は常
に平行を保つ。同時に、第一の振動部材３４は第一の軸
３３を中心にして双方向に回転振動される。この様にし
て、スキャン光４６の二次元的な走査が行なわれる。な
お、図４においては第一の振動部材３４に搭載された各
構成要素が戻り光４７を部分的に遮っている様に描かれ
ているが、実際は小型且つ薄型に作成されており且つ各
構成要素の配置を工夫する事により、遮光面積を十分小
さくできる。

【００１８】上述した実施例に加えて、角変位変換機構
には様々な構造のものがあり、以下に例示する。図５は
梃子の原理を応用した構成である。ガルバノメータのシ
ャフト５１には板状の第一の振動部材５２が取り付けら
れている。この第一の振動部材５２の上にＬ字型の第二
の振動部材５３が搭載されている。このＬ字型振動部材
５３は板状振動部材５２に固着された第二の軸５４を中
心にして双方向に回転可能である。Ｌ字型振動部材５３
の先端部には作動ピン５５が植設されている。又、板状
振動部材５２の先端部には支点ピン５６が植設されてい
る。作動ピン５５及び支点ピン５６は第二の軸５４と平
行に植設されており且つ第二の軸５４を中心とする同一
円周上に配置されている。レバー部材５７が組み込まれ
ており、支点ピン５６を回転中心とする。このレバー部
材５７の先端には滑動スリット５８が設けられており作
動ピン５５と係合してこの動きに従動する。レバー部材
５７の角変位は梃子の原理に従いＬ字型振動部材５３の
角変位の１／２になる。レバー部材５７の頂部に平面ミ
ラー５９が搭載されている。

【００１９】図６はプーリを用いた角変位変換機構を示
す。ガルバノメータのシャフト６１には板状の第一の振
動部材６２が取り付けられている。振動部材６２は第一
の軸６３を中心にして双方向に回転振動する。振動部材
６２に固着された第二の軸６４に小径プーリ６５が固着
されている。これに隣接して大径プーリ６６も搭載され
ている。大径プーリ６６の半径は小径プーリ６５の２倍
である。これら一対のプーリはベルト６７を介して連結
されている。小径プーリ６５には第三の軸６８に沿って
受光素子６９が取り付けられている。一方、大径プーリ
６６には平面鏡７０が取り付けられている。スキャン光
７１と第三の軸６８は互いに平行であるとともに、角変
位量も等しい。

【００２０】図７は本発明にかかる二次元光スキャニン
グ装置の第二実施例を示す模式図であり、スキャニング
用平面鏡を用いず直接レーザダイオード等の発光源自体
を回転振動させて二次元スキャニングを行なう構造とな
っている。ガルバノメータのシャフト７３の先端には板
状の第一の振動部材７４が取り付けられている。この振
動部材７４は第一の軸７５を中心にして双方向に回転振
動する。第一の振動部材７４に固着された第二の軸７６
には第二の振動部材７７が回転可能に取り付けられてい
る。第二の振動部材７７の頂部には直接発光源７８が搭
載されている。この発光源７８はレーザダイオード７９
とコリメータレンズ８０とこれらを収納する鏡筒８１と
から構成されており、フレキシブルなリード線８２を介
して外部の駆動回路へ接続される。第二の振動部材７７
の側部には中空コイル８３が固着されている。又、第一
の振動部材７４の上にはＵ字型のマグネット８４が固着
されている。これらコイル８３とマグネット８４の相互
作用により、第二の振動部材７７は第二の軸７６を中心
として回転振動する。発光源７８からの出力光８５が第
三の軸８６と平行になる様に調節すると、戻り光８７は
凹面鏡８８の反射面８９により反射集光され常時受光素
子９０によって受光検出される。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ス
キャニング用平面鏡と受光用凹面鏡を分離して設け、ス
キャニング用平面鏡を小型化する事により二次元光スキ
ャニングを高速化する事ができるという効果がある。
又、受光用として集光効率に優れた凹面鏡を用いている
ので、従来の様に集光レンズを用いる必要がなくなると
いう効果がある。さらには、レーザダイオードとコリメ
ータレンズ等からなる発光源自体を回転振動させる事に
より、スキャニング用平面ミラーも不要とする事がで
き、構造の簡略化が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる二次元光スキャニング装置の基
本的な構造を示す模式図である。

【図２】図１に示す二次元光スキャニング装置の動作を
説明する為の斜視図である。

【図３】同じく動作を説明する為の幾何光学図である。

【図４】本発明にかかる二次元光スキャニング装置の一
実施例を示す模式図である。

【図５】図４に示す実施例に用いられる角変位変換機構
の変形例を示す模式図である。

【図６】同じく別の変形例を示す模式図である。

【図７】本発明にかかる二次元光スキャニング装置の第
二実施例を示す模式図である。

【図８】従来の二次元光スキャニング装置の一例を示す
模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１ 凹面鏡 ２ 球反射面 ３ 第一の振動部材 ４ 第一の軸 ５ 球中心点 ６ 第二の振動部材 ７ 第二の軸 ９ 受光素子 １０ 第三の軸 １１ 変換機構 １２ 平面鏡 １３ レーザ光線 １４ スキャン光 １５ 戻り光 １８ レーザ光源 １９ ガルバノメータ ４８ 中空コイル ４９ フォーク型マグネット ７８ 発光源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １個の平面鏡を二次元的に回転振動させ
   て光線をスキャニング投光し標的から反射された散乱光
   を受光検出する二次元光スキャニング装置において、 球面の一部を切り取った形状の反射面を持つ凹面鏡と、 球中心点を含み前記凹面鏡と対向した平面上にある球直
   径を第一の軸とし、該第一の軸の周りを回転振動する第
   一の振動部材と、 該第一の振動部材に固定され、前記球中心点で前記第一
   の軸に直交する第二の軸を有し、該第二の軸の周りを回
   転振動する第二の振動部材と、 該第二の振動部材に固定され、前記球中心点で前記第二
   の軸に直交する球半径を第三の軸とし、該第三の軸上に
   おいて前記球半径の略中点で前記第二の振動部材に取り
   付けられ、その受光面を前記凹面鏡の方向に向けて設置
   された受光素子と、 前記第一の振動部材と前記第二の振動部材との間に連結
   して設けられ、前記第二の振動部材の角変位の１／２の
   角変位を得る変換機構と、 該変換機構上に設けられ、前記第一の軸に沿って入射さ
   れた光線を前記第三の軸に平行に反射する様に設置され
   た平面鏡と、 前記第一の振動部材を前記第一の軸を中心にして回転振
   動駆動する第一の駆動部と、 前記第二の振動部材を前記第二の軸を中心にして回転振
   動駆動する第二の駆動部とからなる事を特徴とする二次
   元光スキャニング装置。
2. 【請求項２】 光線を二次元的にスキャニング投光し標
   的から反射された散乱光を受光検出する二次元光スキャ
   ニング装置において、 球表面の一部を切り取った形状の反射面を持つ凹面鏡
   と、 球中心点を含み前記凹面鏡と対向した平面上にある球直
   径を第一の軸とし、該第一の軸の周りを回転振動する第
   一の振動部材と、 該第一の振動部材に固定され、前記球中心点で前記第一
   の軸に直交する第二の軸を有し、該第二の軸の周りを回
   転振動する第二の振動部材と、 該第二の振動部材に固定され、前記球中心点で前記第二
   の軸に直交する球半径を第三の軸とし、該第三の軸上に
   おいて前記球半径の略中点で前記第二の振動部材に取り
   付けられ、その受光面を前記凹面鏡の方向に向けて設置
   された受光素子と、 前記第二の振動部材に取り付けられ、その出射光軸が前
   記第三の軸に平行に設定され且つ受光素子と反対の方向
   へスキャニング光を出射する様に設置された発光部と、 前記第一の振動部材を前記第一の軸を中心として回転駆
   動する第一の駆動部と、 前記第二の振動部材を前記第二の軸を中心にして回転駆
   動する第二の駆動部とからなる事を特徴とする二次元光
   スキャニング装置。