JP2003107389A - スキャナ駆動装置、スキャナ及び三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ミラーの走査角度を大きくとることができる
とともに、微小送り・微小往復動ができ、比較的安価な
スキャナを提供する。 【解決手段】 本発明に係るスキャナ２は、ミラー４と
ともに軸８周りに回転可能なロータ（被駆動体）６を備
える。ロータ６の円筒面には圧電アクチュエータ１２の
チップ部（接触部）１６が接触している。チップ部１６
が楕円運動を行うように圧電アクチュエータ１２を駆動
させ、これによりロータ６したがってミラー４を回転さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミラーの回転駆動
に圧電アクチュエータを用いたスキャナ駆動装置、これ
を備えたスキャナ、さらに、該スキャナを備えた三次元
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体に光を照射して物体形状を非接触で
計測する三次元計測装置や、レーザ加工装置などには、
回転するミラーに対しレーザ光を入射させ、ミラーの角
度により出射光の方向を変えるスキャナが設けてある。
このスキャナのミラーを駆動する駆動装置として、従来
よりコアレスモータ、ブラシレスモータ、ガルバノメー
タなどが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】コアレスモータ、ブラ
シレスモータは、減速機が必要であり、したがって、装
置の大型化、バックラッシュによる精度の低下、応答性
の低下などの問題が生じる。

【０００４】また、ガルバノメータは、その構成上、ミ
ラーの走査可能な範囲が小さく（例えば走査角度が２０
度程度）、また、ノイズレベル以下の微小送り・微小往
復動が不可能である。さらに、ガルバノメータは一般に
高価である。

【０００５】そこで、本発明は、ミラーの走査角度を大
きくとることができるとともに、微小送り・微小往復動
ができ、比較的安価なスキャナ駆動装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】本発明は、上述の利点を有するスキャナ駆
動装置を備えたスキャナを提供することを別の目的とす
る。

【０００７】本発明は、上記スキャナを備えた三次元計
測装置を提供することをさらに別の目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係るスキャナ駆動装置は、スキャナの光
反射部（例えばミラー）を、圧電アクチュエータを用い
て回転駆動するためのスキャナ駆動装置において、圧電
アクチュエータは、所定の軸周りに回転可能な被駆動体
に接触する接触部を有し、光反射部は、被駆動体の回転
に従動して所定の軸周りに回転するようになっており、
光反射部の回転駆動は、接触部が楕円運動を行うように
圧電アクチュエータを駆動させ、これにより被駆動体を
回転させることにより行われることを特徴とする。

【０００９】請求項２に係るスキャナは、圧電アクチュ
エータを用いて光反射部を回転駆動することにより光を
偏向走査するスキャナにおいて、所定の軸周りに回転可
能な被駆動体であって、該被駆動体の回転に従動して光
反射部が所定の軸周りに回転するようにしたものを備
え、圧電アクチュエータは、所定軸周りに回転可能な被
駆動体に接触する接触部を有し、光反射部の回転駆動
は、前記接触部が楕円運動を行うように圧電アクチュエ
ータを駆動させ、これにより被駆動体を回転させること
により行われることを特徴とする。

【００１０】請求項３に係るスキャナは、請求項２に係
るスキャナにおいて、被駆動体はロータであり、該ロー
タの円筒面に圧電アクチュエータの接触部が接触し、ロ
ータの回転軸と光反射部の回転軸が一致することを特徴
とする。

【００１１】請求項４に係るスキャナは、請求項２又は
３に係るスキャナにおいて、光反射部の位置を検出しパ
ルス信号を出力する位置検出部と、位置検出部からパル
ス信号を受けるとアクチュエータを停止し、所定の時間
経過後にアクチュエータを起動する制御回路とをさらに
備えることを特徴とする。

【００１２】請求項５に係る三次元計測装置は、物体に
光を照射して物体を光学的に走査し物体形状を計測する
三次元計測装置において、請求項４のスキャナを利用し
て走査を行うことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
に係る実施の形態を説明する。図１、２は、本発明に係
るスキャナの一実施形態を示す概略斜視図及び上面図で
ある。全体を符号２で表わすスキャナは、スリット状又
はスポット状のレーザ光を所定の方向に偏向させるため
の走査ミラー４を有する。ミラー４は、ロータ６の回転
軸８の一端に、ミラー反射面がロータ６の回転面と垂直
となるように配置されている。ロータ６の回転軸８の他
端には、ロータ６の回転角、したがってミラー４の位置
を検出するための位置検出センサとして、エンコーダ１
０が設けてある。位置検出センサとして、代わりに、例
えば、ポテンショメータや、ホール素子、ＭＲ（Magnet
o-Resistance）素子などを用いた磁気センサ、あるいは
ＰＳＤ（PositionSensitive Detector）を用いた光セン
サを利用してもよい。

【００１４】ロータ６の円筒面に対向して、ロータ６を
回転駆動するためのトラス型アクチュエータ１２が設け
てある。具体的に、アクチュエータ１２は、変位素子で
ある２つの圧電素子１４、１４’を略直角に交差させて
配置し、それらの交差側端部にチップ部１６を接着剤に
より接合している。チップ部１６は、ばね１７などの加
圧部材により、ロータ６の円筒面に押圧されている。一
方、圧電素子１４、１４’の他端部は、ベース部１８に
接着剤により接合している。チップ部１６の材料として
は、安定して高い摩擦係数が得られ、かつ耐摩耗性に優
れたタングステン等が好ましい。ベース部１８の材料と
しては、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼
等が好ましい。また、接着剤としては、接着力及び強度
に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。

【００１５】圧電素子１４と圧電素子１４’は実質的に
同一であり、以下、圧電素子１４について説明する。圧
電素子１４は、図３に示すように、ＰＺＴ（チタン酸ジ
ルコン酸鉛）など圧電効果を有するセラミックス材料を
薄く伸ばしてなる板１６と、電極１８、２０とを交互に
積層して形成された積層型圧電素子である。セラミック
ス板１６と電極１８、２０は接着剤などで接合されてい
る。１つおきに配置された電極群１８、２０は、それぞ
れ配線２２、２４を介して駆動回路２６に接続されてお
り、その結果、駆動回路２６により所定の電圧が電極１
８、２０に印加されると、電極１８、２０に挟まれたセ
ラミックス板１６の分極の方向が、積層方向に沿って上
向き下向きを交互に繰り返すようになっている。なお、
圧電素子１４の長手方向に関する両端部に設けた部材２
８、３０は、保護層であり、一方はチップ部１６、他方
はベース部１８と接続するためのものである。

【００１６】駆動回路２６により直流の駆動電圧を各電
極１８と２０の間に印加すると、全てのセラミック板１
６が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１４全体として伸
縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる領
域では、各電極１８と２０の間に発生する電界と圧電素
子１４の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことができ
る。この様子を図４に示す。図中、横軸は電界強度を、
縦軸は歪み率を表す。

【００１７】駆動回路２６により交流の駆動電圧（交流
信号）を各電極１８と２０の間に印加すると、その電界
に応じて各セラミック板１６は同方向に伸縮を繰り返
し、圧電素子１４全体として伸縮を繰り返す。圧電素子
１４には、その構造や電気的特性により決定される固有
の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧
電素子１４の共振周波数と一致すると、インピーダンス
が低下し、圧電素子１４の変位が増大する。圧電素子１
４は、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電
圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが
望ましい。

【００１８】本実施形態では、駆動回路２６は、後述す
るように、圧電素子１４、１４’のいずれか一方を選択
して駆動電圧を印加できるように構成されており、圧電
素子１４と圧電素子１４’のいずれか一方、例えば圧電
素子１４のみを駆動し、その振動をベース部１８を介し
て圧電素子１４’に伝達し、圧電素子１４’を所定の位
相差を持って共振させることができる。その結果、圧電
素子１４と圧電素子１４’の交点に設けられたチップ部
１６は、楕円振動の式（リサージュの式）に従った楕円
（円を含む）軌跡を描くように駆動される（位相差が９
０度のとき軌跡は円形となる。）。

【００１９】チップ部１６は、ロータ６の円筒面に押圧
されているので、チップ部１６の楕円運動（円運動を含
む）をロータ６の回転運動に変換することができる。ロ
ータ６の円筒面には、チップ部１６との摩擦による摩耗
を防止するため、アルマイト処理、タフトライド処理な
どを施すことが好ましい。このように一方の圧電素子の
みに電圧を印加して振動させ、この振動を他方の圧電素
子に伝達させることにより被駆動体を駆動する方法は、
本出願人による例えば特開２００１−５４２９１号に詳
述されている。

【００２０】本発明に係るスキャナ駆動装置である圧電
アクチュエータ１２は、コアレスモータ、ブラシレスモ
ータなどと異なり、ダイレクトドライブであり、したが
って、スキャナ駆動装置の小型化が実現できるととも
に、高精度且つ高応答の駆動が行える。

【００２１】圧電アクチュエータ１２として、チップ部
１６の楕円運動の振幅が例えば１μｍ程度の高分解能の
ものを作製できることが本発明者らにより確認されてい
る。したがって、ロータ６の回転駆動を、ステッピング
モータを利用する場合と比べて極めて小さい送りピッチ
で行うことができる。

【００２２】本発明に係るスキャナ駆動装置は、被駆動
体であるロータ６に接触する接触部１６が楕円運動をす
る構成であれば、図１、２に示す構成を有する圧電アク
チュエータ１２に限定されない。また、ミラー４は、図
１に示すようにロータ６に対し回転軸が一致するように
設ける必要はなく、被駆動体であるロータ６の回転駆動
が伝達されてミラー４が回転するものであればどのよう
な構成でもよい。但し、ミラー４を高精度・高応答で駆
動する点で、ロータ６の回転運動をミラー４に直接伝達
するように構成するのが好ましい。

【００２３】（圧電素子の制御方法の例）図５は、一方
の圧電素子１４又は１４’のみを駆動する場合における
駆動周波数と両圧電素子１４、１４’の振動の位相差の
関係を示す図である。図５（ａ）は、駆動側の圧電素子
の変位に対し、従動側の圧電素子が進む場合であり、図
５（ｂ）は、従動側の圧電素子が遅れる場合である。こ
の図５のデータは実験により確認されている。

【００２４】図５により理解されるように、圧電素子１
４、１４’の位相差は、駆動周波数により変化し、駆動
周波数と位相差との関係はほぼ線形関係にある。具体的
には、例えば図５（ａ）の場合、駆動周波数を減少させ
ると位相差が大きくなり、駆動周波数を増加させると位
相差が小さくなる。なお、従動側の圧電素子の位相が進
むか遅れるかは、例えばチップの質量などアクチュエー
タ１２の設計パラメータにより決定される。

【００２５】本実施形態では、駆動回路２６（図３参
照）は、図５に示す駆動周波数と圧電素子の位相差との
関係を利用して制御を行う。すなわち、駆動周波数を変
更することで圧電素子の位相差を変え、これによりアク
チュエータ１２のチップ部１６の描く軌跡の形状を変化
させる。

【００２６】図６は、駆動回路２６の一構成例を示すブ
ロック図である。この駆動回路２６は、圧電素子１４、
１４’に対し正弦波の駆動信号を供給するものであり、
ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）４０、ＶＣＯ（電圧制御
発振器）４２、スイッチ部４４、パワーオペアンプ４
６、４６’、電流検出部４８、４８’、及び位相差検出
部５０を含む。

【００２７】ＶＣＯ４２は、ＭＰＵ４０のＤ／Ａ変換器
５２から信号が入力されると、所定の周波数の駆動信号
を生成する。駆動信号の波形は正弦波である。スイッチ
部４４は、圧電素子１４を駆動する場合にオンとなる第
１のスイッチ５４と、圧電素子１４’を駆動する場合に
オンとなる第２のスイッチ５４’とからなり、ＭＰＵ４
０のＩ／Ｏ５６から第１又は第２のスイッチ５４、５
４’の一方に選択信号が入力される。これは、アクチュ
エータ１２のチップ部１６（図１参照）の軌道の方向を
切換えるためのものである。パワーオペアンプ４６、４
６’はそれぞれ第１及び第２のスイッチ５４、５４’の
出力側に設けてあり、ＶＣＯ４２により生成された駆動
信号が、スイッチ部４４の切換えにより、パワーオペア
ンプ４６により振幅が増幅されて圧電素子１４へ入力さ
れるか、あるいはパワーオペアンプ４６’により振幅が
増幅されて圧電素子１４’へ入力される。

【００２８】電流検出部４８、４８’はそれぞれ、圧電
素子１４、１４’に直列接続された抵抗５７、５７’に
よる電圧降下に伴う電流値を検出する。電流値が検出で
きれば、圧電素子の変位は電流にほぼ比例しているた
め、圧電素子の変位状態を検出できることになる。位相
差検出部５０は、電流検出部４８、４８’からの出力信
号に基づいて圧電素子１４、１４’の位相差を検出す
る。

【００２９】電流検出部４８、４８’は、これに限らな
いが、例えば、電流増幅器及びゼロクロスコンパレータ
を含み、正弦波の検出信号を方形波に波形整形する。位
相差検出部５０は、これに限らないが、論理回路（例え
ばＥＸ−ＯＲ回路）と、平滑化回路（例えばローパスフ
ィルタ回路）を含む。論理回路は、電流検出部４８から
のパルス信号と電流検出部４８’からのパルス信号か
ら、これらパルス信号の位相差に対応したデューティ比
のパルス信号に変換する。平滑化回路は、論理回路から
出力された方形波のパルス信号を、平均化してＭＰＵ４
０のＡ／Ｄ変換器５８に出力する。

【００３０】ＭＰＵ４０のＡ／Ｄ変換器５８から出力さ
れたデジタル信号は、ＭＰＵ４０のコンパレータ６０に
より、目標位相差に対応する信号と比較される。この比
較結果に基づき、ＭＰＵ４０のＤ／Ａ変換器５２は、Ｖ
ＣＯ４２の発振周波数を制御する駆動信号を出力し、こ
れにより、チップ部１６が所望の軌道を描く駆動周波数
で圧電素子１４、１４’のいずれか一方を駆動する。

【００３１】図７は、駆動回路２６の別の構成例を示す
ブロック図である。この駆動回路２６は、圧電素子１
４、１４’に対し方形波の駆動信号を供給するものであ
る。この図７では図６と同一の要素には同一の符号を用
いる。方形波による駆動は、周波信号をデジタルで扱え
るので、駆動回路の簡単化、低価格化に適している。駆
動回路２６は、ＭＰＵ４０、ＶＣＯ４２、Ｈブリッジド
ライバ制御回路７０、Ｈブリッジドライバ７２、７
２’、電流検出部４８、４８’、及び位相差検出部５０
を含む。

【００３２】ＶＣＯ４２は、ＭＰＵ４０のＤ／Ａ変換器
５２から信号が入力されると、所定の周波数の駆動信号
を生成する。駆動信号の波形は方形波である。Ｈブリッ
ジドライバ制御回路７０は、ＶＣＯ４２の出力側に設け
られたスイッチング回路であり、ＭＰＵ４０のＩ／Ｏ５
６からの信号に基づいて、圧電素子１４、１４’をそれ
ぞれ駆動するＨブリッジドライバ７２、７２’のいずれ
か一方を選択する。選択されたＨブリッジドライバ７２
又は７２’は、駆動信号の周波数で電源電圧Ｖｃｃのオ
ン・オフを行い、これにより、対応する直列に接続され
た圧電素子１４及び抵抗５７又は圧電素子１４’及び抵
抗５７’には、電源電圧Ｖｃｃの２倍の電圧が駆動信号
の周波数で印加される。

【００３３】図６の駆動回路と同様に、電流検出部４
８、４８’はそれぞれ、圧電素子１４、１４’に直列接
続された抵抗５７、５７’による電圧降下に伴う電流値
を検出する。位相差検出部５０は、電流検出部４８、４
８’からの出力信号に基づいて圧電素子１４、１４’の
位相差を検出する。なお、図６の駆動回路と異なり、Ｈ
ブリッジドライバ７２、７２’による電源電圧Ｖｃｃの
オン・オフの切換により、圧電素子１４、１４’に対し
てＧＮＤが入れ替わるので、電流検出部４８、４８’に
よる電流検出は差動で行われる。図６の駆動回路のよう
にパワーオペアンプ４６、４６’を使用する場合、圧電
素子１４、１４’の一端はＧＮＤに固定されているため
に、差動でなくても電流の検出は可能である。但し、差
動検出を行うと同相ノイズが除去されるので、パワーオ
ペアンプを使用する場合においても差動検出を行っても
よい。

【００３４】圧電素子の共振を利用する観点から、駆動
周波数は、圧電素子の固有の共振周波数又はその近傍に
設定される。このとき、各圧電素子１４、１４’の振動
の波形は正弦波的になる（ここで、「正弦波的」とは、
理論的には、共振状態における圧電素子の振動は正弦波
になるが、実際には駆動周波数の共振点からのずれや圧
電素子の特性などから正弦波がやや歪んだ形状となるこ
とを意味する。）。抵抗５７、５７’を流れる電流波形
も正弦波的になるが、駆動側の圧電素子の電流には突入
電流によるノイズが重畳するため、検出した電流波形は
ローパスフィルタ処理をする必要がある。電流検出部４
８、４８’は、これに限らないが、例えば、ローパスフ
ィルタ回路、電流増幅器及びゼロクロスコンパレータを
含み、検出信号を方形波に波形整形する。位相差検出部
５０は、これに限らないが、論理回路（例えばＥＸ−Ｏ
Ｒ回路）と、平滑化回路（例えば低域フィルタ回路）を
含む。論理回路は、電流検出部４８からのパルス信号と
電流検出部４８’からのパルス信号から、これらパルス
信号の位相差に対応したデューティ比のパルス信号に変
換する。平滑化回路は、論理回路から出力された方形波
のパルス信号を、正弦波に波形整形してＭＰＵ４０のＡ
／Ｄ変換器５８に出力する。

【００３５】ＭＰＵ４０のＡ／Ｄ変換器５８から出力さ
れたデジタル信号は、ＭＰＵ４０のコンパレータ６０に
より、目標位相差に対応する信号と比較される。この比
較結果に基づき、ＭＰＵ４０のＤ／Ａ変換器５２は、Ｖ
ＣＯ４２の発振周波数を制御する駆動信号を出力し、こ
れにより、チップ部１６が所望の軌道を描く駆動周波数
で圧電素子１４、１４’のいずれか一方を駆動する。

【００３６】(スキャナの制御方法の例）以下、図１及
び図８、９を参照して、アクチュエータ１２の一方の圧
電素子を方形波の駆動信号で駆動する場合における、ス
キャナ２の制御方法の例を説明する。図８は、スキャナ
２の制御回路の一構成例を示すブロック図である。図８
において、発振器８０から方形波の駆動信号が出力され
ると、スイッチ８２がオンの場合、駆動信号はパワーオ
ペアンプ８４により振幅が増幅され、その結果、一方の
圧電素子が駆動、したがってアクチュエータ１２が駆動
され、ロータ６（ミラー４）が回転するようになってい
る。なお、図７の駆動回路２６を用いてアクチュエータ
を駆動する場合、発振器８０、スイッチ８２、パワーオ
ペアンプ８４は、それぞれＶＣＯ４２、Ｈブリッジドラ
イバ制御回路７０、一方のＨブリッジドライバ７２又は
７２’に対応する。

【００３７】以下に説明するように、スイッチ８２のオ
ン・オフを繰り返し行うことで、ミラー４を微小送りで
きる。図８の例では、スイッチ８２のオン・オフにはＤ
フリップフロップ８６を用いる。具体的に、Ｄフリップ
フロップ８６は、クロック８８から基準信号９０を受け
ると、スイッチ８２をオンにするための信号を生成す
る。基準信号９０は、スキャン速度（巨視的に見るとミ
ラー４は等速で回転しており、スキャン速度はこの回転
速度Ｖ_０に対応する。）に応じて決定される周期Ｔを有
するパルス列である。一方、Ｄフロップフロップ８６
は、ロータ６が回転しエンコーダ１０から検出信号９２
を受けると、スイッチ８２をオフにするための信号を生
成する。

【００３８】図９に示す移動軌跡は、ミラー４が移動・
停止を繰り返す様子を模式的に示したものである。動作
中、Ｄフリップフロップ８６は、時刻Ｔ_０においてクロ
ック８８から１つのパルス信号を受けると、スイッチ８
２に対し”ＬＯＷ”レベルの信号を送りスイッチ８２を
オンにしてアクチュエータ１２を起動し、これにより所
定の速度Ｖ_１でミラー４（ロータ６）を回転させる。Ｄ
フリップフロップ８６は、時刻Ｔ_１においてエンコーダ
１０から１つのパルス信号９２を受けると、スイッチ８
２に対し”ＨＩＧＨ”レベルの信号を送りスイッチ８２
をオフにしてアクチュエータ１２を停止させる。Ｄフリ
ップフロップ８６は、時刻Ｔ_０＋Ｔにおいてクロック８
８から別のパルス信号を受けると、スイッチ８２に対
し”ＬＯＷ”レベルの信号を送りスイッチ８２をオンし
てアクチュエータ１２を再起動する。このようなアクチ
ュエータ１２の起動・停止を周期Ｔで繰り返すことによ
り、ロータ６したがってミラー４を一定時間毎に等間隔
で位置決めさせる。

【００３９】アクチュエータ１２を停止する時間（例え
ばＴ_１〜Ｔ_０＋Ｔ）を設けるために、アクチュエータ１
２を駆動する時間（例えばＴ_０〜Ｔ_１）におけるミラー
４の回転速度Ｖ_１（例えばＴ_０〜Ｔ_１における移動軌跡
の傾き）は、巨視的に見たときのミラー４の回転速度Ｖ
_０（図の点線の傾き）よりも大きく設定されている。ま
た、アクチュエータ１２を停止する時間を設ける理由は
後述する。一方、Ｖ_１とＶ_０の差はできるだけ小さくし
た方が制御の精度は高い。その理由は、Ｖ_１が大きい
と、アクチュエータ１２の停止時に、ロータ６の円筒面
とアクチュエータ１２のチップ部１６との間にすべりが
生じ、位置決め精度が下がるためである。

【００４０】アクチュエータ１２を駆動する時間でのロ
ータ６の回転速度は、駆動電圧値や駆動周波数を調整し
たり、駆動信号を間欠的に出力させる間欠駆動を行った
り、あるいはロータ６径を調整するなどして、所定の値
に設定することができる。但し、圧電素子は、駆動電圧
値が低電圧だと動作が不安定となり、駆動周波数が圧電
素子の共振周波数から大きく離れると動作が不安定とな
る特性を有する。また、ロータ径に関してはスキャナ２
の外形寸法が大きくなるという問題がある。そこで、圧
電素子の動作安定性から間欠駆動が好ましい。図８の構
成では、発振器８０を制御して直接バースト信号（間欠
信号）を出力させるが、発振器８０で連続的にパルス列
を生成させた後で、これを間欠信号に変換するようにし
てもよい。

【００４１】なお、本発明に係るスキャナは、上記のよ
うにデジタル制御（エンコーダを用いた位置決め制御）
が可能であるため、スキャナの制御回路の簡略化、低価
格化が行える。

【００４２】図１０は、スキャナ２の制御回路の別の例
を示すブロック図である。この図１０では図８と同一の
要素には同一の符号を用いる。

【００４３】図１０の例では、ミラー４の位置を検出す
るセンサとして、アナログセンサ９４（例えばポテンシ
ョメータ、光センサ、磁気センサなど）が用いてあり、
アナログセンサ９４からアナログ信号がコンパレータ９
６に入力される。また、目標位置を表わす信号は、制御
回路のＤ／Ａ変換器９８を介してコンパレータ９６に入
力される。なお、高精度なミラー位置決め制御を行うた
めに、Ｄ／Ａ変換器９８の分解能はできる限り高い方が
望ましい。コンパレータ９６は、２つの入力信号の差に
基づいてスイッチ８２のオン・オフを行う。発振器８０
から出力される駆動信号は連続的であるが、スイッチ８
２のオン・オフによりアクチュエータ１２は間欠的に駆
動される。

【００４４】図１１は、図１０の制御回路の変形例を示
すブロック図である。図１０の制御回路は、アクチュエ
ータ１２を間欠的に駆動するために、スイッチ８２とコ
ンパレータ９６の間にＤフリップフロップ１０４を含
む。Ｄフリップフロップ１０４にはコンパレータ９６か
らの出力信号と、発振器８０からの駆動信号とが入力さ
れる。この構成によれば、発振器８０で生成された駆動
信号に同期して、コンパレータ９６はスイッチ８２のオ
ン・オフを行う。

【００４５】ところで、図１０の構成では、コンパレー
タ９６で生成されるオン・オフ信号は、発振器８０から
の駆動信号に同期して出力されないため、所望の間欠信
号が生成されない可能性がある。アクチュエータ１２の
圧電素子は共振周波数又はその近傍の周波数で機械的に
振動するため、所望の間欠信号が生成されないとアクチ
ュエータ１２が誤作動を起こすことがある。これに対
し、図１１の構成では、コンパレータ９６からのオン・
オフ信号は、発振器８０からの駆動信号に同期して出力
されるため、所望の間欠信号を確実に生成することがで
きる。

【００４６】図１０又は１１の構成に加えて、あるいは
代わりに、ミラー４（ロータ６）の速度偏差又は位置偏
差（目標信号とセンサによる検出信号の差）に基づい
て、アクチュエータ１２を駆動するための駆動信号を調
整するようにしてもよい。駆動信号の調整は、例えばパ
ワーオペアンプ８４を制御して駆動電圧値を変更した
り、発振器８０を制御して駆動周波数を変更することに
より行う。また、間欠駆動の変調周波数（デューティ
比）を変更することにより駆動信号の調整を行ってもよ
い。

【００４７】図１２に間欠駆動の変調周波数（デューテ
ィ比）を変更する方法の一例を示す。具体的に、発振器
８０で生成したパルス信号Ａと、間欠駆動信号生成部１
１０で生成した信号ＢをＡＮＤゲート１１２に入力し、
アクチュエータ１２を駆動するための駆動信号Ｃを間欠
的に出力させる。そして、間欠駆動信号Ｂの変調周波数
（デューティ比）の変更を行う。ここで、間欠駆動信号
Ｂにおける変調周波数は１／（Ｔ_１＋Ｔ_２）（Ｈｚ）、
デューティ比はＴ_１／（Ｔ_１＋Ｔ_２）×１００（％）で
ある。

【００４８】アクチュエータ１２との接触部であるロー
タ６部分（図１に示す実施形態では円筒面）が場所によ
り摩擦係数が異なることが原因で、ロータ６の回転速度
のむらが生じる場合がある。そこで、ミラーの各走査位
置での最適なアクチュエータ駆動条件（例えば、駆動電
圧値、駆動周波数、間欠駆動の変調周波数（デューティ
比）など）を予め記憶しておき、ミラーの各走査位置に
おいて該当する駆動条件でアクチュエータ１２を駆動す
るようにしてもよい。

【００４９】（スキャナの適用例）以下、本発明に係る
スキャナを適用した装置の例を説明する。なお、本発明
に係るスキャナは、以下に示す装置以外にもレーザを用
いた表示機など種々の装置に適用できることは言うまで
もない。

【００５０】図１３は、本発明に係るスキャナを備えた
三次元計測装置の一実施形態を示す概略斜視図である。
この装置２００は、スリット状の検出光２０２を照射し
て物体２０４を光学的に走査する投光部２０６と、物体
２０４に反射した光２０８を受光する受光部２１０とを
備える。

【００５１】投光部２０６は、図１に示すスキャナ２
と、光源（図示せず）と、光源からの光をスリット状に
してスキャナ２のミラー４に照射するためのレンズ系
（図示せず）とを備え、スキャナ２のロータ６が矢印２
１２方向に回転することにより、物体２０４上をスリッ
ト光が矢印２１４方向に走査するようになっている。

【００５２】受光部２１０は、物体２０４からの反射光
２０８を受光する、例えばマトリックス状に配置された
撮像素子（ＣＣＤ又はＣＭＯＳ）（図示せず）と、反射
光２０８を撮像素子からなる撮像面に結像するレンズ系
（図示せず）とを備える。

【００５３】装置２００は、物体２０４の走査を行い、
撮像素子での出力結果に基づき、三角測量法を用いて物
体２０４上のサンプリング点の三次元位置を計測、した
がって物体２０４の三次元形状を特定する。

【００５４】具体的には、例えば、特定の撮像素子に入
射する反射光２０８の光量を周期的にサンプリングす
る。次に上記光量が最大となるときの照射タイミングを
求める。そして、物体２０４上の上記特定の撮像素子に
対応した部位の位置を、上記照射タイミングにおける照
射方向、及び上記特定の撮像素子で受光する光２０８の
受光方との関係に基づいて求める。なお、三次元計測装
置のさらに詳しい構成・動作は、例えば、本出願人によ
る特開平９−１４５３１９号などに記載されている。

【００５５】走査ピッチが撮像面での画素ピッチと同程
度かそれ以下になるように、スキャナ２のミラー４の回
転ピッチを設定するのが、撮像素子を有効利用する点で
望ましい。

【００５６】ところで、従来のようにスキャナをガルバ
ノメータで駆動させた場合、ミラーは等速回転するよう
に制御される。撮像素子の出力は受光した光の積分値で
あるので、積分時間中にもミラーは回転しており、各撮
像素子で受光した光量は、厳密には特定のサンプリング
点に対するものではない。これに対し、本発明に係るス
キャナ駆動装置を備えたスキャナを用いれば、図８、９
を用いて上述したように、計測中にはスキャナを停止さ
せることができ、したがって特定のサンプリング点から
の反射光は全て、対応する撮像素子に入射するのでより
精密な計測が可能となる。このように、本発明に係るス
キャナを三次元計測装置に適用した場合、受光部の撮像
素子の仕様（画素ピッチ、積分時間）に対応させてミラ
ーの最適な位置決め制御を行うことができる。

【００５７】図１４は、本発明に係るスキャナを備えた
レーザ加工装置の一実施形態の構成を示す概略斜視図で
ある。この装置３００は、レーザ発振器（図示せず）、
及びこのレーザ発振器で発振されたレーザ光を必要なビ
ーム形状及びエネルギ密度を有するように整形する光学
系（図示せず）とからなるレーザ照射装置３０２と、出
射したレーザ光３０４を走査し、被加工物３０６上の所
望の位置に集光させ、これにより被加工物３０６を加工
するための照射位置制御部３０８とを備える。以下の説
明では、被加工物３０６はＸＹ平面上に載置されている
とする。

【００５８】照射位置制御部３０８は、レーザ光３０４
をＸ方向及びＹ方向に偏向させるためそれぞれロータ６
Ｘ、６Ｙとともに回転される１対の走査ミラー４Ｘ、４
Ｙを有する。これらの走査ミラー及びロータを駆動する
スキャナ駆動装置は、図１に示すスキャナ駆動装置１２
と同様の構成を有する。

【００５９】ガルバノメータを用いたスキャナをレーザ
加工装置３００に適用した場合、上述したようにその構
成上走査角度が小さいため、被加工物３０６全体を加工
するためには、被加工物３０６と照射位置制御部３０８
との距離を長くする必要があり、したがって装置が大型
化する。これに対し、本発明に係るスキャナは走査角度
が大きく（原理的に３６０度が可能）、したがって被加
工物３０６と照射位置制御部３０８との距離を短くで
き、装置を小型化できる。

【００６０】また、本発明に係るスキャナはミラーを微
小送り、微小往復させることができ、したがって、この
スキャナを備えたレーザ加工装置の加工精度を高めるこ
とができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、比較的安価なスキャナ
を提供することができる。また、光反射部であるミラー
の走査角度を大きくとることができ、したがって、スキ
ャナを備えた装置を小型化できる。さらに、ミラーの微
小送り・微小往復動を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るスキャナの一実施形態を示す斜
視図。

【図２】 本発明に係るスキャナの一実施形態を示す上
面図。

【図３】 図１、２の圧電アクチュエータに用いる積層
型圧電素子の断面図。

【図４】 図３の積層型圧電素子において各電極の間に
発生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図。

【図５】 一方の圧電素子を駆動する場合の駆動周波数
と両圧電素子の位相差の関係を示す図であり、（ａ）
は、駆動側の圧電素子の変位に対し、従動側の圧電素子
の変位が進む場合であり、（ｂ）は、従動側の圧電素子
の変位が遅れる場合である。

【図６】 本発明に係るスキャナ駆動装置の駆動回路の
一構成例を示すブロック図。

【図７】 本発明に係るスキャナ駆動装置の駆動回路の
別の構成例を示すブロック図。

【図８】 本発明に係るスキャナの制御回路の一構成例
を示すブロック図。

【図９】 図８に示す制御回路を用いて制御したミラー
の移動軌跡を模式的に示す図であり、この移動軌跡と、
クロックからＤフリップフロップに入力される基準信号
と、エンコーダからＤフリップフロップに入力される検
出信号との関係を示す。

【図１０】 本発明に係るスキャナの制御回路の別の構
成例を示すブロック図。

【図１１】 図１０の制御回路の変形例を示すブロック
図。

【図１２】 間欠駆動の変調周波数（デューティ比）を
変更して、駆動信号を調整する方法の一例を示す図であ
り、（ａ）は駆動回路を示し、（ｂ）は（ａ）の駆動回
路の各要素で生成する信号を示す。

【図１３】 本発明に係るスキャナを適用した三次元計
測装置の一実施形態を示す概略斜視図。

【図１４】 本発明に係るスキャナを適用したレーザ加
工装置の一実施形態を示す概略斜視図。

【符号の説明】

２：スキャナ、４：ミラー、６：ロータ、１０：エンコ
ーダ（ミラー位置検出部）、１２：圧電アクチュエー
タ、１４：圧電素子、１６：チップ部（接触部）、１
８：ベース部、２００：三次元計測装置、２０２：検出
光、２０４：物体、２０６：投光部、２０８：反射光、
２１０：受光部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スキャナの光反射部を、圧電アクチュエ
   ータを用いて回転駆動するためのスキャナ駆動装置にお
   いて、 前記圧電アクチュエータは、所定の軸周りに回転可能な
   被駆動体に接触する接触部を有し、 前記光反射部は、前記被駆動体の回転に従動して所定の
   軸周りに回転するようになっており、 前記光反射部の回転駆動は、前記接触部が楕円運動を行
   うように圧電アクチュエータを駆動させ、これにより被
   駆動体を回転させることにより行われることを特徴とす
   るスキャナ駆動装置。
2. 【請求項２】 圧電アクチュエータを用いて光反射部を
   回転駆動することにより光を偏向走査するスキャナにお
   いて、 所定の軸周りに回転可能な被駆動体であって、該被駆動
   体の回転に従動して前記光反射部が所定の軸周りに回転
   するようにしたものを備え、 前記圧電アクチュエータは、所定軸周りに回転可能な被
   駆動体に接触する接触部を有し、 前記光反射部の回転駆動は、前記接触部が楕円運動を行
   うように圧電アクチュエータを駆動させ、これにより被
   駆動体を回転させることにより行われることを特徴とす
   るスキャナ。
3. 【請求項３】 前記被駆動体はロータであり、該ロータ
   の円筒面に圧電アクチュエータの接触部が接触し、ロー
   タの回転軸と光反射部の回転軸が一致することを特徴と
   する請求項２のスキャナ。
4. 【請求項４】 前記光反射部の位置を検出しパルス信号
   を出力する位置検出部と、 前記位置検出部からパルス信号を受けるとアクチュエー
   タを停止し、所定の時間経過後にアクチュエータを起動
   する制御回路とをさらに備えた請求項２又は３のスキャ
   ナ。
5. 【請求項５】 物体に光を照射して物体を光学的に走査
   し物体形状を計測する三次元計測装置において、請求項
   ４のスキャナを利用して走査を行うことを特徴とする三
   次元計測装置。