JP2004177287A - アクチュエータ及び変位検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】可動部の変位検出を高速度且つ高精度に行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータ及びその変位検出方法を提供する。
【解決手段】光ビームを発射する発光部1と、光ビームの発射方向に設けられ、往復動作する可動部2と、可動部2の外表面のいずれかの部位に備えられ、発光部1より発射された光ビームを可動部2の変位に応じて強度変調を与えて出射する符号化手段3と、強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部2の変位検出を行う検出部4と、を備えて構成したものである。
【選択図】 図1
【解決手段】光ビームを発射する発光部1と、光ビームの発射方向に設けられ、往復動作する可動部2と、可動部2の外表面のいずれかの部位に備えられ、発光部1より発射された光ビームを可動部2の変位に応じて強度変調を与えて出射する符号化手段3と、強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部2の変位検出を行う検出部4と、を備えて構成したものである。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動作する可動部の変位検出機能を備えたアクチュエータ及び変位検出方法に関し、特に、可動部の変位検出を高速度且つ高精度に行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータ及びその変位検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、従来の往復回動する可動部を備えたアクチュエータの可動部の変位(例えば角度)検出機構には、図21(a)に示すように、検出部4にPD(Photo Diode)等の受光素子を備えて、発光部1より発射し可動部2で反射する反射光を1点で検出し、これを基準とする経過時間と角度の関数を演算して可動部の振れ角θを求めるようにしたものがある。これは、同図(b)に示すように、可動部2が変位角ゼロ(θ=0)の変位から回動して可動部2における反射光が検出部4によって検出される基準位置(θ=θp)に達するまでに要する時間をtpとし、該基準位置からさらに可動部2が時間tだけ回動したときの角度θtについて、θ=Θ(t,tp)の関数を演算して求めるものである。
【0003】
また、図22に示すように、検出部4にCCDやPDアレイ等、複数の受光点を区別できる一次元受光手段を用いて発光部1より発射し可動部2で反射する反射光を全走査範囲において受光し、各受光素子の受光レベルを出力または受光レベルの最も高い素子の位置番号を出力し、基準位置からの変位を求め可動部2の振れ角を計測するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
さらに、図23に示すように、検出部4にPSD(Position Sensitive Detector)等、光の変位を連続的に検出できる受光素子を用いて受光変位をアナログ値で出力し、これを変位信号に変換して可動部2の振れ角を計測するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開昭58−155972号公報(第2頁、図1)
【特許文献2】
特開平6−137867号公報(第3頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のアクチュエータ可動部の角度検出機構において、図21に示す1点で受光するものは、基準時間tpを基に基準位置からの経過時間tに相当する可動部2の振れ角θtを演算して推定するものであるため、上記経過時間t内の可動部の回動速度変動や振れ角変動により誤差を生じ易く、検出精度が悪かった。
【0007】
また、図22に示す一次元受光手段を用いたもので、CCDの場合は、応答速度が100μsec(10KHz)程度と遅いため、数KHz以上の高速で回動する可動部の角度検出には適さなかった。一方、PDアレイの場合は、応答速度は速いもののコストが高いという難点があった。
【0008】
さらに、図23に示すPSDの受光素子を用いたものは、PSDの応答速度が遅い上にコストが高いという難点があった。
【0009】
そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、可動部の変位検出を高速度且つ高精度に行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータ及び変位検出方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このために、請求項1の発明のアクチュエータは、光ビームを発射する発光部と、前記光ビームの発射方向に設けられ、往復動作する可動部と、該可動部の外表面のいずれかの部位に備えられ、前記発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射する符号化手段と、前記強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部の変位検出を行う検出部と、を備えて構成したものである。
【0011】
このような構成では、発光部により光ビームを発射し、往復動作する可動部の外表面のいずれかの部位に備えた符号化手段により発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射し、検出部により強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部の変位検出を行う。これにより、可動部の変位を光ビームの変調信号に基づいて直接検出し、高速度で高精度に行う。
【0012】
上記符号化手段は、請求項2のように、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成するとよい。この場合、請求項3のように、前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光吸収部とするとよい。または、請求項4のように、前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光乱反射部としてもよい。この場合、請求項5のように、前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部とするとよい。また、請求項6のように、前記高出射部が貫通孔であり、前記低出射部が貫通孔間の可動部部分としてもよい。
【0013】
また、請求項7のように、前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に等ピッチで複数配列して形成してもよく、または、請求項8のように、前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に複数配列すると共に、配列ピッチと可動部の一定振れ角とが対応するように回動中心から遠ざかるにつれてピッチが広くなるように形成してもよい。
【0014】
さらに、前記検出部は、請求項9のように、前記光ビームの変調信号を受光する受光素子と、該受光素子の前面に設けた集光レンズと、前記受光素子の受光信号に基づくパルス信号をカウントして、そのカウント数に応じた可動部の変位情報を出力する変位検出回路部と、を備えて構成するとよい。この場合、前記変位検出回路部は、請求項10のように、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した演算式により前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を演算して、可動部の振れ角情報を出力する演算部と、を備えて構成するとよい。または、請求項11のように、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した変換テーブルにより前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を求めて、可動部の振れ角情報を出力する記憶部と、を備えて構成してもよい。
【0015】
請求項12の発明の変位検出方法は、発光部から往復動作する変位検出対象物に向けて光ビームを発射し、前記変位検出対象物の外表面に設けられた符号化手段で光ビームに変位検出対象物の変位に応じて強度変調を与えて出射し、該強度変調された光ビームの変調信号に基づいて検出部で変位検出対象物の変位を検出するものである。
【0016】
上記符号化手段は、請求項13のように、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成するとよい。この場合、請求項14のように、前記高出射部が光反射部であり、低出射部が光吸収部とするとよい。または、請求項15のように、前記高出射部が光反射部であり、低出射部が光乱反射部としてもよい。この場合、請求項16のように、前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部とするとよい。また、請求項17のように、前記高出射部が貫通孔であり、低出射部が貫通孔間の可動部部分としてもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1に、本発明に係るアクチュエータの第1実施形態の概略構成図を示す。
図1において、本第1実施形態のアクチュエータは、往復動作する、例えば光スキャナーの可動部の変位検出機能を備えるものであり、発光部1と、可動部2と、符号化手段3と、検出部4と、を備えて構成されている。
【0018】
発光部1は、光ビームを発射するものであり、レーザ光源やLED等である。そして、後述の可動部2の表面2aに面して該可動部2から離れた位置(図1では、可動部2の斜め上方)に、該可動部2に対して斜め方向から光ビームが入射するように配置されている。また、発光部1は、光ビームが可動部2の回動中心Oに対して直交方向にずれた点に入射するように配置されている。
【0019】
上記発光部1の光ビームの出射方向には、可動部2が設けられている。この可動部2は、往復回動するものであり、一面に、別に設けた図示省略の走査用光源の光ビームを反射する光走査面を形成したものである。ここで、可動部2が変位検出対象物に相当する。
【0020】
また、上記可動部2の光走査面の隅部には、符号化手段3が設けられている。この符号化手段3は、発光部1より発射された光ビームに可動部2の変位、本第1実施形態では可動部2の振れ角に応じて強度変調を与えて出射するものであり、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成している。例えば、符号化手段3は、図2に示すように、高出射部としての光反射部5と、低出射部としての光吸収部6とを交互に複数配列して形成してもよく、図3に示すように、光反射部5と低出射部としての光乱反射部7とを交互に複数配列して形成してもよい。なお、上記高出射部と低出射部とは相対的なものであり、したがって、高出射部を光乱反射部7とし、低出射部を光吸収部6としてもよい。
【0021】
具体的には、図2(a)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aの光走査面の隅部に所定幅の光吸収部6を等ピッチで複数配列して形成したものであり、光走査面に、例えば、黒色インクをスクリーン印刷したり、金属酸化物等の光吸収層をエッチングして形成することができる。その形成方法の一例は、図4に示すように、(a)Si基板等の可動部2の表面2aを鏡面に形成し、(b)該表面2aの隅部に金属酸化物の光吸収層6aを蒸着等により被着させ、さらに、該光吸収層6aの上にフォトレジストをコーティングし、図示省略のフォトマスクを用いて露光し、その後これを現像液で現像して上記光吸収層6aの上に所定幅で等ピッチに形成されたレジストマスク10を得る。そして、(c)該レジストマスク10を用いて光吸収層6aをエッチングし、(d)レジストマスク10を洗浄して除去して、可動部2の表面2aに所定幅の光反射部5と所定幅の光吸収部6が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0022】
また、図2(b)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aに光吸収層6aを形成し、さらにその上に積層して形成した光走査面となるAl等の反射層5aの隅部を所定パターンにエッチングすることにより、所定幅の光反射部5と所定幅の光吸収部6が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0023】
そして、図2(c)に示す符号化手段3は、低反射率材料の可動部2の表面2aに光走査面となる高反射率の反射層5aをメッキまたはスパッタリング等により形成し、その後該反射層5aの隅部を図4と同様にしてレジストマスクを利用してエッチングし所定幅の光反射部5を所定間隔で残して形成することができる。この場合、光反射部5間が光吸収部6として機能する。
【0024】
図2(a)〜(c)に示すいずれの符号化手段3も、入射光を光反射部5で反射させると共に光吸収部6で吸収させて、符号化手段3上を走査する光ビームに強度変調を与えて出射させるこができる。この場合、検出部4は、符号化手段3における光ビームの反射光を検出できるように可動部2に対して発光部1と同じ側に配置される。
【0025】
また、図3(a)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aに所定幅の反射面5と所定幅の光乱反射部7としての溝部7aを交互に配列して形成したものである。その形成方法の一例は、図5に示すように、(a)シリコン基板等から成る可動部2の表面2aに鏡面の光走査面を形成し、(b)該表面2aの隅部にフォトレジストをコーティングし、図示省略のフォトマスクを用いて露光し、その後これを現像液で現像して上記表面2a上に所定幅で等ピッチに形成されたレジストマスク10を得る。そして、(c)該レジストマスク10を用いて可動部2の表面2aをエッチングして溝部7aを形成する。なお、溝部7aの底部は鏡面ではないため該溝部7aで反射する光は乱反射し光乱反射部7となる。そして、(d)レジストマスク10を洗浄して除去することによって、可動部2の表面2aに所定幅の光反射部5と所定幅の光乱反射部7が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0026】
また、図3(b)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aの隅部に所定幅の溝部7aを等ピッチで配列して形成し、その後表面2a上に光走査面となる高反射率の反射層5aをメッキまたはスパッタリング等により形成している。この場合も、溝部7aが光乱反射部7として機能し、相隣り合う溝部7aに挟まれた部分が光反射部5となる。
【0027】
図3(a)、(b)に示すいずれの符号化手段3も、入射光を光反射部5で反射させ光乱反射部7で乱反射させて、出射光に強度変調を与えるこができる。この場合、図2と同様に、検出部4は、可動部2に対して発光部1と同じ側に配置される。なお、光乱反射部7は、図3に示すような矩形状の溝に限られず、三角形状でも曲面形状でもどのような形状でもよい。また、光乱反射部7は、例えばブラスト等により表面を粗面に形成してもよい。上述のような符号化手段3の形成方法によれば、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際の一工程として行うことができる。なお、上述の各形成方法では、光反射部5を光走査面と一体的に形成したが、別に形成してもよい。
【0028】
上記符号化手段3における強度変調された光ビーム(変調信号)の出射方向には、図1に示すように、検出部4が設けられている。この検出部4は、強度変調された光ビームを検出して可動部2の変位の情報を出力するものであり、光ビームの変調信号を受光するPD等の受光素子11と、該受光素子11の前面に設けた集光レンズ12と、受光素子11の受光信号に基づくパルス信号をカウントして、そのカウント数に応じた可動部の変位情報を出力する変位検出回路部16と、を備えて構成している。なお、受光素子12として受光面積の大きいものを使用した場合には、集光レンズ12は無くてもよい。
【0029】
そして、上記変位検出回路部16は、図6に示すように、受光素子11で光ビームの変調信号を光電変換して得たアナログの受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路13と、パルス信号をカウントするカウンタ14と、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した演算式により上記カウンタ14から入力するカウント数にしたがって振れ角を演算して、可動部の振れ角情報を出力する演算部15と、を備えて構成している。また、演算部15は、角度演算に必要な定数及び演算式を予め記憶するメモリ15aと、メモリ15aの記憶情報を用いてパルス信号のカウント数に対応した振れ角を演算する演算器15bを備えて構成されている。
【0030】
次に、このように構成されたアクチュエータの変位検出方法を説明する。
図1において、発光部1から一定強度の光ビームが、可動部2の符号化手段3に向けて発射されている。この状態から、可動部2が回動を開始する。このとき、光ビームが可動部2の回動中心Oからその直交方向にずれた点に入射するようにされているので、光ビームは符号化手段3上を相対的に走査することとなり、符号化手段3で可動部2の振れ角に応じた変調信号に変換されて出射する。そして、この変調信号は、集光レンズ12で集められ検出部4の受光素子11に取り込まれる。この場合、検出部4は、図6に示すように、変位検出回路部16において、受光した変調信号を受光素子11で光電変換してアナログの受光信号に変換し、さらに波形整形回路13により波形整形してパルス信号に変換し、カウンタ14で基準位置からのパルス数をカウントする。そして、このカウント数に基づいて演算部15において、予め記憶された角度演算に必要な定数と後述の演算式とをメモリ15aから読み出して、演算器15bで演算し可動部2の角度情報を出力する。
【0031】
上記定数は、図7(a)に示されるように、可動部2の基準位置A(例えば同図中破線で示す水平位置)における光入射角ψ及び上記基準位置Aにおける光ビームの入射点の回動中心Oに対する距離X0、また、例えば符号化手段3の光吸収部6の配列ピッチxである。ここで、可動部2が基準位置Aから角度θだけ回動したときのカウンタ14のカウント数をnとすると、回動角θは、
θ=arccos(X0/(X0+nx)cosψ)−ψ) …(1)
の式で表される。この場合、例えば、光吸収部6が等ピッチ(x=一定)で形成されているとき、可動部2の振れ角θは、カウント数nに対して非線形に変化する。このとき、パルス信号は、図7(b)に示すように、カウント数の増加と共にパルスピッチが広がるものとなる。
【0032】
このように、本発明のアクチュエータの第1実施形態によれば、可動部2の符号化手段3における光ビームの変調信号を検出し、これを波形整形して光ビームの強度変動数をカウントして求め、このカウント数nにより(1)式を演算して可動部2の振れ角を容易に求めることができる。この場合、可動部2の振れ角を可動部2の振れ角に応じた変調信号に基づいて直接検出することができるので、角度の検出精度は、可動部2の回動速度変動及び振れ角変動の影響を受けることがなく高精度である。また、検出部4の受光素子11には、PDを使用することができるので応答速度が速く、安価である。さらに、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際同時に符号化手段3を形成することができるので加工工数を減らすことができる。さらにまた、マイクロマシニング技術を使用して加工することができるので高精度に形成することができる。したがって、可動部2の振れ角の検出精度が向上する。
【0033】
図8は、検出部4の変位検出回路部16の他の構成例を示した図である。図6に示す変位検出回路部16と異なるところは、演算部15に替えてカウント数を回動部2の振れ角に変換する変換テーブルを予め記憶させたメモリ17を備えている点である。これは、可動部2の回動により符号化手段3から出射される変調信号のパルス数をカウンタ14でカウントし、このカウント数nに対応する振れ角θをメモリ17の変換テーブルから読み出して出力するものである。これによれば、演算器15bが不要となるため構成が簡単となる。また、角度検出精度が高い点及び応答速度が速く安価なPDが使用できる点は、図6の構成例と同じである。
【0034】
なお、カウント数nに対して振れ角θがnθ0(θ0は単位振れ角)の比例関係となるように(1)式を、例えば光吸収部6の配列ピッチxについて逆算して求め、該配列ピッチxで光吸収部6を形成してもよい。この場合、符号化手段3は、図9に示すように、例えば高出射部の光反射部5または低出射部の光吸収部6を往復回動する可動部2の回動中心に対して直行する方向に複数配列すると共に、配列ピッチと可動部2の一定振れ角とが対応するように回動中心から遠ざかるにつれてピッチが広くなるように形成されることになる。なお、低出射部は光吸収部6でなく光乱反射部7であってもよい。このとき、可動部2の回動中に符号化手段3から出射される光ビームの検出信号は単位振れ角θ0に相当する等ピッチのパルス信号となる。したがって、振れ角θはパルス数nをカウントすればnθ0で求まり、回路構成が図10に示すように、演算部15や特別なメモリ17を必要とせずより簡単になる。
【0035】
また、符号化手段3は、図11(a)に示すように、基準位置の、例えば光吸収部6の幅を広く形成してもよい。この場合、検出信号は、同図(b)に示すように、基準位置に相当するパルス幅の広いパルス信号となり、基準位置の検出が容易になる。
【0036】
図12は、本発明に係るアクチュエータの第2実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図12に示す第2実施形態のアクチュエータは、可動部2の光走査面2cとは反対側の表面2aに符号化手段3を設けたものであり、該符号化手段3における光ビームの反射光を検出できるように検出部4を可動部2に対して発光部1と同じ側に配置して構成している。なお、同図において、符号19は走査用光源を示す。これにより、発光部1を可動部2を間に走査用光源19とは反対側に配置することができるので、発光部1や符号化手段3の配置位置が制約されることがない。
【0037】
さらに、図13は、本発明に係るアクチュエータの第3実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図13に示す第3実施形態のアクチュエータは、可動部2の光走査領域に符号化手段3を設けて、走査用の光の一部を角度検出に使用するようにしており、該符号化手段3を、図14に示すように、高出射部としての貫通孔8を等ピッチで複数配列して形成している。そして、走査用の光ビームの透過光を検出できるように検出部4を可動部2に対して走査用光源19と反対側に配置した構成としている。
【0038】
このように構成された符号化手段3は、入射光を貫通孔8で透過させると共に隣接する貫通孔8間において遮断して、光ビームに強度変調を与えて出射する。なお、上記符号化手段3の貫通孔8は、例えば図5と同様にしてシリコン基板等の可動部2を異方性エッチングして形成することができる。
【0039】
第3実施形態によっても、第1実施形態と同様に、可動部2の振れ角を可動部2の振れ角に応じた変調信号に基づいて直接検出することができるので、角度の検出精度は、可動部2の回動速度変動及び振れ角変動の影響を受けることがなく高精度である。
【0040】
図15は、本発明に係るアクチュエータの第4実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図15に示す第4実施形態のアクチュエータは、外側回動軸20により回動可能に軸支された枠部21に、上記外側回動軸20に対して直交方向に設けられ可動部2を回動可能に軸支する回動軸18を保持して構成したものであり、可動部2の回動軸18に直交する辺部及び枠部21の外側回動軸20に直交する辺部に沿ってそれぞれ符号化手段3a,3bを設け、該符号化手段3a,3bに対してそれぞれ個別の発光部1a,1bから検出用の光ビームを発射できるように構成している。さらに、符号化手段3a,3bにおける光ビームの変調信号をそれぞれ検出する検出部4a,4bを可動部2に対して発光部1a,1bと同じ側に配置して構成している。また、検出部4a,4bの受光素子11a,11bの前面には、集光レンズ12を備えている。この場合の符号化手段3a,3bとしては、第1実施例で示したものと同様のものが使用される。
【0041】
このように構成された第4実施形態によれば、光ビームを二次元走査する光スキャナーの可動部2及び枠部21の振れ角を高精度に検出することができる。
【0042】
図16は、本発明に係るアクチュエータの第5実施形態の概略構成図である。
ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図16に示す第5実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の光走査領域に符号化手段3を設けて、走査対象物22からの反射光を検出部4で受けるように構成したものである。この場合、図9に示すものと同様の、中央部の基準位置から外方に向かって光吸収部6のピッチが広くなるようなパターンの符号化手段3を形成しておくと、検出部4におけるパルス信号は、図16(b)に示すように、等ピッチのパルス列となる。したがって、走査対象物22から反射される光ビームのパルス列について、基準位置から走査対象物22の一方の端部B及び他の端部Cに相当するパルスまでの時間をそれぞれT1,T2とし、パルスピッチをtとすると、時間T1の間のパルスカウント数n1(整数)は、n1≒T1/tとして、また、時間T2の間のパルスカウント数n2(整数)は、n2≒T2/tで求まる。したがって、時間tに相当する可動部2の振れ角を単位振れ角θ0とすると、基準位置から走査対象物22の両端部B,Cまでの可動部2の各振れ角θ1,θ2は、それぞれθ1=n1θ0及びθ2=n2θ0で求まる。これにより、走査対象物22の両端部B,C間を走査する光ビームの走査角度に相当する可動部2の振れ角θは、θ=(n1+n2)θ0として求めることができる。
【0043】
また、走査対象物22の両端部B,Cで反射された光ビームの往復時間をそれぞれ測定することによって、走査用光源19から走査対象物22の両端部B,Cまでの距離D1,D2を計測することができる。これにより、走査対象物22の両端部B,C間の寸法Lは、
L=(D1 2+D2 2−2・D1・D2cosθ)1/2 …(2)
の式を演算して求めることができる。
【0044】
こうのように、第5実施形態によれば、発光部1と走査用光源19とを一つの光源で兼用でき、また検出部4で角度検出と測長の両方を行うことができので、使用部品数を減らして安価な側長用アクチュエータを構成することができる。なお、図16においては、説明の便宜から走査用光源19、可動部2及び検出部4を離れた位置に配置して示しているが、実際には、これらは一つのユニット内に納められる。
【0045】
図17は、本発明に係るアクチュエータの第6実施形態の概略構成図である。
ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図17に示す第6実施形態のアクチュエータは、可動部2の特定の振れ角範囲を検出できるようにしたものであり、同図(a)に示すように、可動部2の回動中、半周期につき2つのパルス信号を発生するように、例えば光吸収部6を特定の振れ角、例えば、正負の最大振れ角に相当する可動部2の表面2aの2箇所の位置に配置して符号化手段3を形成したものである。
【0046】
これにより、同図(b)に示すように、半周期中に検出部4で検出される2つのパルス信号t1,t2により特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0047】
図18は、本発明に係るアクチュエータの第7実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図18に示す第7実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面の3箇所に幅の広い例えば光吸収部6を配置し、該光吸収部6に挟まれて2箇所に光反射部5を設けて符号化手段3を形成しており、特定の振れ角に相当する2箇所の位置に上記光反射部5が位置付けられている。
【0048】
これにより、図17と同様に、図18(b)に示すように、半周期中に検出部4で検出される2つのパルス信号t1、t2により特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0049】
図19は、本発明に係るアクチュエータの第8実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図19に示す第8実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面の2箇所に幅の広い例えば光吸収部6を形成しており、該光吸収部6の内側辺部が特定の振れ角に相当するように配置し、2つの光吸収部6に挟まれて光反射部5を設けて符号化手段3を形成している。
【0050】
この場合、例えば、可動部2が図19中左上がりの状態から左下がりの状態まで回動するとき、光ビームは、同図中左の光吸収部6から光反射部5を経て右側の光吸収部6まで走査する。このとき検出部4で検出される変調信号に基づくパルス信号は、同図(b)に示すように、パルス幅の広い1つの立上りパルス信号である。
【0051】
これにより、該パルス信号の立上り部t1及び立下り部t2を検出することにより特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0052】
図20は、本発明に係るアクチュエータの第9実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図20に示す第9実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面に幅の広い例えば光吸収部6を一つだけ、その両端部が特定の振れ角に相当する位置となるように配置し、該光吸収部6の両側部に光反射部5を設けて符号化手段3を形成したものである。
【0053】
この場合、例えば、可動部2が図20中左上がりの状態から左下がりの状態まで回動するとき、光ビームは、同図中左の光反射部5から光吸収部6を経て右側の光反射部5まで走査する。このとき検出部4で検出される変調信号に基づくパルス信号は、同図(b)に示すように、パルス幅の広い1つの立下りパルス信号である。
【0054】
これにより、該パルス信号の立下り部t1及び立上り部t2を検出することにより特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0055】
なお、第6〜9実施形態について、符号化手段3は光反射部5と光吸収部6との組み合わせに限らず、光反射部5と光乱反射部7との組み合わせであっても、貫通孔8を配列したものであってもよい。ただし、貫通孔8の場合には、検出部4は、可動部2を間に発光部1と反対側に配置される。
【0056】
また、基準角度のみを知る場合には、基準角度に相当する変位に光反射部5または光吸収部6若しくは光乱反射部7または貫通孔8を一つだけ設けてもよい。なお、例えばトーションバーで回動可能に軸支した可動部2側に駆動用の平面コイルを設け、この駆動コイルに静磁界を作用させ、平面コイルに電流を流すことにより発生するローレンツ力により可動部2を回動するような電磁アクチュエータの場合、可動部2の周縁部に沿って敷設された駆動用の平面コイル部分を符号化手段3として使用しても良い。また、光スキャナーのような光走査面を備えるアクチュエータの場合、可動部2に設けられた光走査面の端部を符号化手段3として使用しても良い。これらの場合、平面コイルの面または光走査面が高出射部として、これら以外の部位が低出射部として機能する。この場合、可動部の特定の振れ角位置でパルスが発生するように光ビームを入射させるとよい。さらに、上述の各実施形態で示したアクチュエータに限らず、往復回動するものであればいかなるアクチュエータであってもよいし、符号化手段3を設ける変位検出対象物は、上述のような往復回動するものに限られず、往復の直線動作するものであってもよい。この場合、符号化手段3は、変位検出対象物の上下表面だけでなく側面にも設けることができる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のアクチュエータによれば、可動部に設けた符号化手段により発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射し、検出部によりこの強度変調された光ビームの変調信号を検出して可動部の変位検出を行うようにしたので、可動部の変位を該変位に応じた光ビームの変調信号に基づいて直接検出することができ、変位検出を可動部の変位速度変動及び変位変動の影響を受けることなく高精度に行うことができる。
【0058】
また、検出部には、受光素子としてPDを使用することができるので、可動部の変位検出を高速度で行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータを提供することができる。
【0059】
さらに、符号化手段を、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際同時に形成することができるので高精度に形成することができる。したがって、可動部の変位の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクチュエータの第1実施形態を示す概略構成図である。
【図2】第1実施形態の符号化手段の一構成例を示す断面図である。
【図3】第1実施形態の符号化手段の他の構成例を示す断面図である。
【図4】図2の符号化手段の一形成方法を示す工程図である。
【図5】図3の符号化手段の一形成方法を示す工程図である。
【図6】検出部の一回路構成を示すブロック図である。
【図7】第1実施形態の変位検出方法を示す説明図である。
【図8】検出部の他の回路構成を示すブロック図である。
【図9】図2の符号化手段の他の構成例を示す断面図である。
【図10】図9の符号化手段を用いた場合の検出部の回路構成を示すブロック図である。
【図11】図2の符号化手段の更に他の構成例を示す断面図である。
【図12】本発明によるアクチュエータの第2実施形態を示す概略構成図である。
【図13】本発明によるアクチュエータの第3実施形態を示す概略構成図である。
【図14】第3実施形態の符号化手段の一構成例を示す断面図である。
【図15】本発明によるアクチュエータの第4実施形態を示す概略構成図である。
【図16】本発明によるアクチュエータの第5実施形態を示す概略構成図である。
【図17】本発明によるアクチュエータの第6実施形態を示す概略構成図である。
【図18】本発明によるアクチュエータの第7実施形態を示す概略構成図である。
【図19】本発明によるアクチュエータの第8実施形態を示す概略構成図である。
【図20】本発明によるアクチュエータの第9実施形態を示す概略構成図である。
【図21】従来技術に成る角度検出方法を示す説明図である。
【図22】従来技術に成る他の角度検出方法を示す説明図である。
【図23】従来技術に成る更に他の角度検出方法を示す説明図である。
【符号の説明】
1…発光部
2…可動部
2a…表面
3…符号化手段
4…検出部
5…光反射部
6…光吸収部
7…光乱反射部
8…貫通孔
11…受光素子
12…集光レンズ
13…波形整形回路
14…カウンタ
15…演算部
16…変位検出回路部
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動作する可動部の変位検出機能を備えたアクチュエータ及び変位検出方法に関し、特に、可動部の変位検出を高速度且つ高精度に行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータ及びその変位検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、従来の往復回動する可動部を備えたアクチュエータの可動部の変位(例えば角度)検出機構には、図21(a)に示すように、検出部4にPD(Photo Diode)等の受光素子を備えて、発光部1より発射し可動部2で反射する反射光を1点で検出し、これを基準とする経過時間と角度の関数を演算して可動部の振れ角θを求めるようにしたものがある。これは、同図(b)に示すように、可動部2が変位角ゼロ(θ=0)の変位から回動して可動部2における反射光が検出部4によって検出される基準位置(θ=θp)に達するまでに要する時間をtpとし、該基準位置からさらに可動部2が時間tだけ回動したときの角度θtについて、θ=Θ(t,tp)の関数を演算して求めるものである。
【0003】
また、図22に示すように、検出部4にCCDやPDアレイ等、複数の受光点を区別できる一次元受光手段を用いて発光部1より発射し可動部2で反射する反射光を全走査範囲において受光し、各受光素子の受光レベルを出力または受光レベルの最も高い素子の位置番号を出力し、基準位置からの変位を求め可動部2の振れ角を計測するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
さらに、図23に示すように、検出部4にPSD(Position Sensitive Detector)等、光の変位を連続的に検出できる受光素子を用いて受光変位をアナログ値で出力し、これを変位信号に変換して可動部2の振れ角を計測するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開昭58−155972号公報(第2頁、図1)
【特許文献2】
特開平6−137867号公報(第3頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のアクチュエータ可動部の角度検出機構において、図21に示す1点で受光するものは、基準時間tpを基に基準位置からの経過時間tに相当する可動部2の振れ角θtを演算して推定するものであるため、上記経過時間t内の可動部の回動速度変動や振れ角変動により誤差を生じ易く、検出精度が悪かった。
【0007】
また、図22に示す一次元受光手段を用いたもので、CCDの場合は、応答速度が100μsec(10KHz)程度と遅いため、数KHz以上の高速で回動する可動部の角度検出には適さなかった。一方、PDアレイの場合は、応答速度は速いもののコストが高いという難点があった。
【0008】
さらに、図23に示すPSDの受光素子を用いたものは、PSDの応答速度が遅い上にコストが高いという難点があった。
【0009】
そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、可動部の変位検出を高速度且つ高精度に行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータ及び変位検出方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このために、請求項1の発明のアクチュエータは、光ビームを発射する発光部と、前記光ビームの発射方向に設けられ、往復動作する可動部と、該可動部の外表面のいずれかの部位に備えられ、前記発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射する符号化手段と、前記強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部の変位検出を行う検出部と、を備えて構成したものである。
【0011】
このような構成では、発光部により光ビームを発射し、往復動作する可動部の外表面のいずれかの部位に備えた符号化手段により発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射し、検出部により強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部の変位検出を行う。これにより、可動部の変位を光ビームの変調信号に基づいて直接検出し、高速度で高精度に行う。
【0012】
上記符号化手段は、請求項2のように、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成するとよい。この場合、請求項3のように、前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光吸収部とするとよい。または、請求項4のように、前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光乱反射部としてもよい。この場合、請求項5のように、前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部とするとよい。また、請求項6のように、前記高出射部が貫通孔であり、前記低出射部が貫通孔間の可動部部分としてもよい。
【0013】
また、請求項7のように、前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に等ピッチで複数配列して形成してもよく、または、請求項8のように、前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に複数配列すると共に、配列ピッチと可動部の一定振れ角とが対応するように回動中心から遠ざかるにつれてピッチが広くなるように形成してもよい。
【0014】
さらに、前記検出部は、請求項9のように、前記光ビームの変調信号を受光する受光素子と、該受光素子の前面に設けた集光レンズと、前記受光素子の受光信号に基づくパルス信号をカウントして、そのカウント数に応じた可動部の変位情報を出力する変位検出回路部と、を備えて構成するとよい。この場合、前記変位検出回路部は、請求項10のように、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した演算式により前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を演算して、可動部の振れ角情報を出力する演算部と、を備えて構成するとよい。または、請求項11のように、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した変換テーブルにより前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を求めて、可動部の振れ角情報を出力する記憶部と、を備えて構成してもよい。
【0015】
請求項12の発明の変位検出方法は、発光部から往復動作する変位検出対象物に向けて光ビームを発射し、前記変位検出対象物の外表面に設けられた符号化手段で光ビームに変位検出対象物の変位に応じて強度変調を与えて出射し、該強度変調された光ビームの変調信号に基づいて検出部で変位検出対象物の変位を検出するものである。
【0016】
上記符号化手段は、請求項13のように、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成するとよい。この場合、請求項14のように、前記高出射部が光反射部であり、低出射部が光吸収部とするとよい。または、請求項15のように、前記高出射部が光反射部であり、低出射部が光乱反射部としてもよい。この場合、請求項16のように、前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部とするとよい。また、請求項17のように、前記高出射部が貫通孔であり、低出射部が貫通孔間の可動部部分としてもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1に、本発明に係るアクチュエータの第1実施形態の概略構成図を示す。
図1において、本第1実施形態のアクチュエータは、往復動作する、例えば光スキャナーの可動部の変位検出機能を備えるものであり、発光部1と、可動部2と、符号化手段3と、検出部4と、を備えて構成されている。
【0018】
発光部1は、光ビームを発射するものであり、レーザ光源やLED等である。そして、後述の可動部2の表面2aに面して該可動部2から離れた位置(図1では、可動部2の斜め上方)に、該可動部2に対して斜め方向から光ビームが入射するように配置されている。また、発光部1は、光ビームが可動部2の回動中心Oに対して直交方向にずれた点に入射するように配置されている。
【0019】
上記発光部1の光ビームの出射方向には、可動部2が設けられている。この可動部2は、往復回動するものであり、一面に、別に設けた図示省略の走査用光源の光ビームを反射する光走査面を形成したものである。ここで、可動部2が変位検出対象物に相当する。
【0020】
また、上記可動部2の光走査面の隅部には、符号化手段3が設けられている。この符号化手段3は、発光部1より発射された光ビームに可動部2の変位、本第1実施形態では可動部2の振れ角に応じて強度変調を与えて出射するものであり、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成している。例えば、符号化手段3は、図2に示すように、高出射部としての光反射部5と、低出射部としての光吸収部6とを交互に複数配列して形成してもよく、図3に示すように、光反射部5と低出射部としての光乱反射部7とを交互に複数配列して形成してもよい。なお、上記高出射部と低出射部とは相対的なものであり、したがって、高出射部を光乱反射部7とし、低出射部を光吸収部6としてもよい。
【0021】
具体的には、図2(a)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aの光走査面の隅部に所定幅の光吸収部6を等ピッチで複数配列して形成したものであり、光走査面に、例えば、黒色インクをスクリーン印刷したり、金属酸化物等の光吸収層をエッチングして形成することができる。その形成方法の一例は、図4に示すように、(a)Si基板等の可動部2の表面2aを鏡面に形成し、(b)該表面2aの隅部に金属酸化物の光吸収層6aを蒸着等により被着させ、さらに、該光吸収層6aの上にフォトレジストをコーティングし、図示省略のフォトマスクを用いて露光し、その後これを現像液で現像して上記光吸収層6aの上に所定幅で等ピッチに形成されたレジストマスク10を得る。そして、(c)該レジストマスク10を用いて光吸収層6aをエッチングし、(d)レジストマスク10を洗浄して除去して、可動部2の表面2aに所定幅の光反射部5と所定幅の光吸収部6が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0022】
また、図2(b)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aに光吸収層6aを形成し、さらにその上に積層して形成した光走査面となるAl等の反射層5aの隅部を所定パターンにエッチングすることにより、所定幅の光反射部5と所定幅の光吸収部6が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0023】
そして、図2(c)に示す符号化手段3は、低反射率材料の可動部2の表面2aに光走査面となる高反射率の反射層5aをメッキまたはスパッタリング等により形成し、その後該反射層5aの隅部を図4と同様にしてレジストマスクを利用してエッチングし所定幅の光反射部5を所定間隔で残して形成することができる。この場合、光反射部5間が光吸収部6として機能する。
【0024】
図2(a)〜(c)に示すいずれの符号化手段3も、入射光を光反射部5で反射させると共に光吸収部6で吸収させて、符号化手段3上を走査する光ビームに強度変調を与えて出射させるこができる。この場合、検出部4は、符号化手段3における光ビームの反射光を検出できるように可動部2に対して発光部1と同じ側に配置される。
【0025】
また、図3(a)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aに所定幅の反射面5と所定幅の光乱反射部7としての溝部7aを交互に配列して形成したものである。その形成方法の一例は、図5に示すように、(a)シリコン基板等から成る可動部2の表面2aに鏡面の光走査面を形成し、(b)該表面2aの隅部にフォトレジストをコーティングし、図示省略のフォトマスクを用いて露光し、その後これを現像液で現像して上記表面2a上に所定幅で等ピッチに形成されたレジストマスク10を得る。そして、(c)該レジストマスク10を用いて可動部2の表面2aをエッチングして溝部7aを形成する。なお、溝部7aの底部は鏡面ではないため該溝部7aで反射する光は乱反射し光乱反射部7となる。そして、(d)レジストマスク10を洗浄して除去することによって、可動部2の表面2aに所定幅の光反射部5と所定幅の光乱反射部7が交互に配列された符号化手段3を形成することができる。
【0026】
また、図3(b)に示す符号化手段3は、可動部2の表面2aの隅部に所定幅の溝部7aを等ピッチで配列して形成し、その後表面2a上に光走査面となる高反射率の反射層5aをメッキまたはスパッタリング等により形成している。この場合も、溝部7aが光乱反射部7として機能し、相隣り合う溝部7aに挟まれた部分が光反射部5となる。
【0027】
図3(a)、(b)に示すいずれの符号化手段3も、入射光を光反射部5で反射させ光乱反射部7で乱反射させて、出射光に強度変調を与えるこができる。この場合、図2と同様に、検出部4は、可動部2に対して発光部1と同じ側に配置される。なお、光乱反射部7は、図3に示すような矩形状の溝に限られず、三角形状でも曲面形状でもどのような形状でもよい。また、光乱反射部7は、例えばブラスト等により表面を粗面に形成してもよい。上述のような符号化手段3の形成方法によれば、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際の一工程として行うことができる。なお、上述の各形成方法では、光反射部5を光走査面と一体的に形成したが、別に形成してもよい。
【0028】
上記符号化手段3における強度変調された光ビーム(変調信号)の出射方向には、図1に示すように、検出部4が設けられている。この検出部4は、強度変調された光ビームを検出して可動部2の変位の情報を出力するものであり、光ビームの変調信号を受光するPD等の受光素子11と、該受光素子11の前面に設けた集光レンズ12と、受光素子11の受光信号に基づくパルス信号をカウントして、そのカウント数に応じた可動部の変位情報を出力する変位検出回路部16と、を備えて構成している。なお、受光素子12として受光面積の大きいものを使用した場合には、集光レンズ12は無くてもよい。
【0029】
そして、上記変位検出回路部16は、図6に示すように、受光素子11で光ビームの変調信号を光電変換して得たアナログの受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路13と、パルス信号をカウントするカウンタ14と、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した演算式により上記カウンタ14から入力するカウント数にしたがって振れ角を演算して、可動部の振れ角情報を出力する演算部15と、を備えて構成している。また、演算部15は、角度演算に必要な定数及び演算式を予め記憶するメモリ15aと、メモリ15aの記憶情報を用いてパルス信号のカウント数に対応した振れ角を演算する演算器15bを備えて構成されている。
【0030】
次に、このように構成されたアクチュエータの変位検出方法を説明する。
図1において、発光部1から一定強度の光ビームが、可動部2の符号化手段3に向けて発射されている。この状態から、可動部2が回動を開始する。このとき、光ビームが可動部2の回動中心Oからその直交方向にずれた点に入射するようにされているので、光ビームは符号化手段3上を相対的に走査することとなり、符号化手段3で可動部2の振れ角に応じた変調信号に変換されて出射する。そして、この変調信号は、集光レンズ12で集められ検出部4の受光素子11に取り込まれる。この場合、検出部4は、図6に示すように、変位検出回路部16において、受光した変調信号を受光素子11で光電変換してアナログの受光信号に変換し、さらに波形整形回路13により波形整形してパルス信号に変換し、カウンタ14で基準位置からのパルス数をカウントする。そして、このカウント数に基づいて演算部15において、予め記憶された角度演算に必要な定数と後述の演算式とをメモリ15aから読み出して、演算器15bで演算し可動部2の角度情報を出力する。
【0031】
上記定数は、図7(a)に示されるように、可動部2の基準位置A(例えば同図中破線で示す水平位置)における光入射角ψ及び上記基準位置Aにおける光ビームの入射点の回動中心Oに対する距離X0、また、例えば符号化手段3の光吸収部6の配列ピッチxである。ここで、可動部2が基準位置Aから角度θだけ回動したときのカウンタ14のカウント数をnとすると、回動角θは、
θ=arccos(X0/(X0+nx)cosψ)−ψ) …(1)
の式で表される。この場合、例えば、光吸収部6が等ピッチ(x=一定)で形成されているとき、可動部2の振れ角θは、カウント数nに対して非線形に変化する。このとき、パルス信号は、図7(b)に示すように、カウント数の増加と共にパルスピッチが広がるものとなる。
【0032】
このように、本発明のアクチュエータの第1実施形態によれば、可動部2の符号化手段3における光ビームの変調信号を検出し、これを波形整形して光ビームの強度変動数をカウントして求め、このカウント数nにより(1)式を演算して可動部2の振れ角を容易に求めることができる。この場合、可動部2の振れ角を可動部2の振れ角に応じた変調信号に基づいて直接検出することができるので、角度の検出精度は、可動部2の回動速度変動及び振れ角変動の影響を受けることがなく高精度である。また、検出部4の受光素子11には、PDを使用することができるので応答速度が速く、安価である。さらに、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際同時に符号化手段3を形成することができるので加工工数を減らすことができる。さらにまた、マイクロマシニング技術を使用して加工することができるので高精度に形成することができる。したがって、可動部2の振れ角の検出精度が向上する。
【0033】
図8は、検出部4の変位検出回路部16の他の構成例を示した図である。図6に示す変位検出回路部16と異なるところは、演算部15に替えてカウント数を回動部2の振れ角に変換する変換テーブルを予め記憶させたメモリ17を備えている点である。これは、可動部2の回動により符号化手段3から出射される変調信号のパルス数をカウンタ14でカウントし、このカウント数nに対応する振れ角θをメモリ17の変換テーブルから読み出して出力するものである。これによれば、演算器15bが不要となるため構成が簡単となる。また、角度検出精度が高い点及び応答速度が速く安価なPDが使用できる点は、図6の構成例と同じである。
【0034】
なお、カウント数nに対して振れ角θがnθ0(θ0は単位振れ角)の比例関係となるように(1)式を、例えば光吸収部6の配列ピッチxについて逆算して求め、該配列ピッチxで光吸収部6を形成してもよい。この場合、符号化手段3は、図9に示すように、例えば高出射部の光反射部5または低出射部の光吸収部6を往復回動する可動部2の回動中心に対して直行する方向に複数配列すると共に、配列ピッチと可動部2の一定振れ角とが対応するように回動中心から遠ざかるにつれてピッチが広くなるように形成されることになる。なお、低出射部は光吸収部6でなく光乱反射部7であってもよい。このとき、可動部2の回動中に符号化手段3から出射される光ビームの検出信号は単位振れ角θ0に相当する等ピッチのパルス信号となる。したがって、振れ角θはパルス数nをカウントすればnθ0で求まり、回路構成が図10に示すように、演算部15や特別なメモリ17を必要とせずより簡単になる。
【0035】
また、符号化手段3は、図11(a)に示すように、基準位置の、例えば光吸収部6の幅を広く形成してもよい。この場合、検出信号は、同図(b)に示すように、基準位置に相当するパルス幅の広いパルス信号となり、基準位置の検出が容易になる。
【0036】
図12は、本発明に係るアクチュエータの第2実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図12に示す第2実施形態のアクチュエータは、可動部2の光走査面2cとは反対側の表面2aに符号化手段3を設けたものであり、該符号化手段3における光ビームの反射光を検出できるように検出部4を可動部2に対して発光部1と同じ側に配置して構成している。なお、同図において、符号19は走査用光源を示す。これにより、発光部1を可動部2を間に走査用光源19とは反対側に配置することができるので、発光部1や符号化手段3の配置位置が制約されることがない。
【0037】
さらに、図13は、本発明に係るアクチュエータの第3実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図13に示す第3実施形態のアクチュエータは、可動部2の光走査領域に符号化手段3を設けて、走査用の光の一部を角度検出に使用するようにしており、該符号化手段3を、図14に示すように、高出射部としての貫通孔8を等ピッチで複数配列して形成している。そして、走査用の光ビームの透過光を検出できるように検出部4を可動部2に対して走査用光源19と反対側に配置した構成としている。
【0038】
このように構成された符号化手段3は、入射光を貫通孔8で透過させると共に隣接する貫通孔8間において遮断して、光ビームに強度変調を与えて出射する。なお、上記符号化手段3の貫通孔8は、例えば図5と同様にしてシリコン基板等の可動部2を異方性エッチングして形成することができる。
【0039】
第3実施形態によっても、第1実施形態と同様に、可動部2の振れ角を可動部2の振れ角に応じた変調信号に基づいて直接検出することができるので、角度の検出精度は、可動部2の回動速度変動及び振れ角変動の影響を受けることがなく高精度である。
【0040】
図15は、本発明に係るアクチュエータの第4実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図15に示す第4実施形態のアクチュエータは、外側回動軸20により回動可能に軸支された枠部21に、上記外側回動軸20に対して直交方向に設けられ可動部2を回動可能に軸支する回動軸18を保持して構成したものであり、可動部2の回動軸18に直交する辺部及び枠部21の外側回動軸20に直交する辺部に沿ってそれぞれ符号化手段3a,3bを設け、該符号化手段3a,3bに対してそれぞれ個別の発光部1a,1bから検出用の光ビームを発射できるように構成している。さらに、符号化手段3a,3bにおける光ビームの変調信号をそれぞれ検出する検出部4a,4bを可動部2に対して発光部1a,1bと同じ側に配置して構成している。また、検出部4a,4bの受光素子11a,11bの前面には、集光レンズ12を備えている。この場合の符号化手段3a,3bとしては、第1実施例で示したものと同様のものが使用される。
【0041】
このように構成された第4実施形態によれば、光ビームを二次元走査する光スキャナーの可動部2及び枠部21の振れ角を高精度に検出することができる。
【0042】
図16は、本発明に係るアクチュエータの第5実施形態の概略構成図である。
ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図16に示す第5実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の光走査領域に符号化手段3を設けて、走査対象物22からの反射光を検出部4で受けるように構成したものである。この場合、図9に示すものと同様の、中央部の基準位置から外方に向かって光吸収部6のピッチが広くなるようなパターンの符号化手段3を形成しておくと、検出部4におけるパルス信号は、図16(b)に示すように、等ピッチのパルス列となる。したがって、走査対象物22から反射される光ビームのパルス列について、基準位置から走査対象物22の一方の端部B及び他の端部Cに相当するパルスまでの時間をそれぞれT1,T2とし、パルスピッチをtとすると、時間T1の間のパルスカウント数n1(整数)は、n1≒T1/tとして、また、時間T2の間のパルスカウント数n2(整数)は、n2≒T2/tで求まる。したがって、時間tに相当する可動部2の振れ角を単位振れ角θ0とすると、基準位置から走査対象物22の両端部B,Cまでの可動部2の各振れ角θ1,θ2は、それぞれθ1=n1θ0及びθ2=n2θ0で求まる。これにより、走査対象物22の両端部B,C間を走査する光ビームの走査角度に相当する可動部2の振れ角θは、θ=(n1+n2)θ0として求めることができる。
【0043】
また、走査対象物22の両端部B,Cで反射された光ビームの往復時間をそれぞれ測定することによって、走査用光源19から走査対象物22の両端部B,Cまでの距離D1,D2を計測することができる。これにより、走査対象物22の両端部B,C間の寸法Lは、
L=(D1 2+D2 2−2・D1・D2cosθ)1/2 …(2)
の式を演算して求めることができる。
【0044】
こうのように、第5実施形態によれば、発光部1と走査用光源19とを一つの光源で兼用でき、また検出部4で角度検出と測長の両方を行うことができので、使用部品数を減らして安価な側長用アクチュエータを構成することができる。なお、図16においては、説明の便宜から走査用光源19、可動部2及び検出部4を離れた位置に配置して示しているが、実際には、これらは一つのユニット内に納められる。
【0045】
図17は、本発明に係るアクチュエータの第6実施形態の概略構成図である。
ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図17に示す第6実施形態のアクチュエータは、可動部2の特定の振れ角範囲を検出できるようにしたものであり、同図(a)に示すように、可動部2の回動中、半周期につき2つのパルス信号を発生するように、例えば光吸収部6を特定の振れ角、例えば、正負の最大振れ角に相当する可動部2の表面2aの2箇所の位置に配置して符号化手段3を形成したものである。
【0046】
これにより、同図(b)に示すように、半周期中に検出部4で検出される2つのパルス信号t1,t2により特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0047】
図18は、本発明に係るアクチュエータの第7実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図18に示す第7実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面の3箇所に幅の広い例えば光吸収部6を配置し、該光吸収部6に挟まれて2箇所に光反射部5を設けて符号化手段3を形成しており、特定の振れ角に相当する2箇所の位置に上記光反射部5が位置付けられている。
【0048】
これにより、図17と同様に、図18(b)に示すように、半周期中に検出部4で検出される2つのパルス信号t1、t2により特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0049】
図19は、本発明に係るアクチュエータの第8実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図19に示す第8実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面の2箇所に幅の広い例えば光吸収部6を形成しており、該光吸収部6の内側辺部が特定の振れ角に相当するように配置し、2つの光吸収部6に挟まれて光反射部5を設けて符号化手段3を形成している。
【0050】
この場合、例えば、可動部2が図19中左上がりの状態から左下がりの状態まで回動するとき、光ビームは、同図中左の光吸収部6から光反射部5を経て右側の光吸収部6まで走査する。このとき検出部4で検出される変調信号に基づくパルス信号は、同図(b)に示すように、パルス幅の広い1つの立上りパルス信号である。
【0051】
これにより、該パルス信号の立上り部t1及び立下り部t2を検出することにより特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0052】
図20は、本発明に係るアクチュエータの第9実施形態の概略構成図である。ここでは、第1実施形態と同一の要素は同一の符号で示し、異なる部分についてのみ説明する。
図20に示す第9実施形態のアクチュエータは、同図(a)に示すように、可動部2の表面2aの光走査面に幅の広い例えば光吸収部6を一つだけ、その両端部が特定の振れ角に相当する位置となるように配置し、該光吸収部6の両側部に光反射部5を設けて符号化手段3を形成したものである。
【0053】
この場合、例えば、可動部2が図20中左上がりの状態から左下がりの状態まで回動するとき、光ビームは、同図中左の光反射部5から光吸収部6を経て右側の光反射部5まで走査する。このとき検出部4で検出される変調信号に基づくパルス信号は、同図(b)に示すように、パルス幅の広い1つの立下りパルス信号である。
【0054】
これにより、該パルス信号の立下り部t1及び立上り部t2を検出することにより特定の振れ角範囲を知ることができ、可動部2の振れ角を該振れ角範囲に制御することができる。
【0055】
なお、第6〜9実施形態について、符号化手段3は光反射部5と光吸収部6との組み合わせに限らず、光反射部5と光乱反射部7との組み合わせであっても、貫通孔8を配列したものであってもよい。ただし、貫通孔8の場合には、検出部4は、可動部2を間に発光部1と反対側に配置される。
【0056】
また、基準角度のみを知る場合には、基準角度に相当する変位に光反射部5または光吸収部6若しくは光乱反射部7または貫通孔8を一つだけ設けてもよい。なお、例えばトーションバーで回動可能に軸支した可動部2側に駆動用の平面コイルを設け、この駆動コイルに静磁界を作用させ、平面コイルに電流を流すことにより発生するローレンツ力により可動部2を回動するような電磁アクチュエータの場合、可動部2の周縁部に沿って敷設された駆動用の平面コイル部分を符号化手段3として使用しても良い。また、光スキャナーのような光走査面を備えるアクチュエータの場合、可動部2に設けられた光走査面の端部を符号化手段3として使用しても良い。これらの場合、平面コイルの面または光走査面が高出射部として、これら以外の部位が低出射部として機能する。この場合、可動部の特定の振れ角位置でパルスが発生するように光ビームを入射させるとよい。さらに、上述の各実施形態で示したアクチュエータに限らず、往復回動するものであればいかなるアクチュエータであってもよいし、符号化手段3を設ける変位検出対象物は、上述のような往復回動するものに限られず、往復の直線動作するものであってもよい。この場合、符号化手段3は、変位検出対象物の上下表面だけでなく側面にも設けることができる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のアクチュエータによれば、可動部に設けた符号化手段により発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射し、検出部によりこの強度変調された光ビームの変調信号を検出して可動部の変位検出を行うようにしたので、可動部の変位を該変位に応じた光ビームの変調信号に基づいて直接検出することができ、変位検出を可動部の変位速度変動及び変位変動の影響を受けることなく高精度に行うことができる。
【0058】
また、検出部には、受光素子としてPDを使用することができるので、可動部の変位検出を高速度で行える変位検出機能を備えた安価なアクチュエータを提供することができる。
【0059】
さらに、符号化手段を、マイクロマシニング技術を使用してアクチュエータを形成する際同時に形成することができるので高精度に形成することができる。したがって、可動部の変位の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクチュエータの第1実施形態を示す概略構成図である。
【図2】第1実施形態の符号化手段の一構成例を示す断面図である。
【図3】第1実施形態の符号化手段の他の構成例を示す断面図である。
【図4】図2の符号化手段の一形成方法を示す工程図である。
【図5】図3の符号化手段の一形成方法を示す工程図である。
【図6】検出部の一回路構成を示すブロック図である。
【図7】第1実施形態の変位検出方法を示す説明図である。
【図8】検出部の他の回路構成を示すブロック図である。
【図9】図2の符号化手段の他の構成例を示す断面図である。
【図10】図9の符号化手段を用いた場合の検出部の回路構成を示すブロック図である。
【図11】図2の符号化手段の更に他の構成例を示す断面図である。
【図12】本発明によるアクチュエータの第2実施形態を示す概略構成図である。
【図13】本発明によるアクチュエータの第3実施形態を示す概略構成図である。
【図14】第3実施形態の符号化手段の一構成例を示す断面図である。
【図15】本発明によるアクチュエータの第4実施形態を示す概略構成図である。
【図16】本発明によるアクチュエータの第5実施形態を示す概略構成図である。
【図17】本発明によるアクチュエータの第6実施形態を示す概略構成図である。
【図18】本発明によるアクチュエータの第7実施形態を示す概略構成図である。
【図19】本発明によるアクチュエータの第8実施形態を示す概略構成図である。
【図20】本発明によるアクチュエータの第9実施形態を示す概略構成図である。
【図21】従来技術に成る角度検出方法を示す説明図である。
【図22】従来技術に成る他の角度検出方法を示す説明図である。
【図23】従来技術に成る更に他の角度検出方法を示す説明図である。
【符号の説明】
1…発光部
2…可動部
2a…表面
3…符号化手段
4…検出部
5…光反射部
6…光吸収部
7…光乱反射部
8…貫通孔
11…受光素子
12…集光レンズ
13…波形整形回路
14…カウンタ
15…演算部
16…変位検出回路部
Claims (17)
- 光ビームを発射する発光部と、
往復動作する可動部と、
該可動部の外表面のいずれかの部位に備えられ、前記発光部より発射された光ビームを可動部の変位に応じて強度変調を与えて出射する符号化手段と、
前記強度変調された光ビームの変調信号に基づいて可動部の変位検出を行う検出部と、
を備えて構成したことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記符号化手段は、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成したことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光吸収部であることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光乱反射部であることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部であることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
- 前記高出射部が貫通孔であり、前記低出射部が貫通孔間の可動部部分であることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に等ピッチで複数配列して形成したことを特徴とする請求項2〜6のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
- 前記高出射部または低出射部を往復回動する可動部の回動中心に対して直行する方向に複数配列すると共に、配列ピッチと可動部の一定振れ角とが対応するように回動中心から遠ざかるにつれてピッチが広くなるように形成したことを特徴とする請求項2〜6のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
- 前記検出部は、前記光ビームの変調信号を受光する受光素子と、該受光素子の前面に設けた集光レンズと、前記受光素子の受光信号に基づくパルス信号をカウントして、そのカウント数に応じた可動部の変位情報を出力する変位検出回路部と、を備えて構成したことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
- 前記変位検出回路部は、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した演算式により前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を演算して、可動部の振れ角情報を出力する演算部と、を備えて構成したことを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記変位検出回路部は、前記受光素子の受光信号を波形整形してパルス信号に変換する波形整形回路と、前記パルス信号をカウントするカウンタと、パルス信号のカウント数と往復回動する可動部の振れ角との関係を表す予め記憶した変換テーブルにより前記カウンタから入力するカウント数にしたがって振れ角を求めて、可動部の振れ角情報を出力する記憶部と、を備えて構成したことを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 発光部から往復動作する変位検出対象物に向けて光ビームを発射し、
前記変位検出対象物の外表面に設けられた符号化手段で光ビームに変位検出対象物の変位に応じて強度変調を与えて出射し、
該強度変調された光ビームの変調信号に基づいて検出部で変位検出対象物の変位を検出することを特徴とする変位検出方法。 - 前記符号化手段は、光ビームを高レベルで出射する高出射部と光ビームを低レベルで出射する低出射部とを交互に設けて構成したことを特徴とする請求項12に記載の変位検出方法。
- 前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光吸収部であることを特徴とする請求項13に記載の変位検出方法。
- 前記高出射部が光反射部であり、前記低出射部が光乱反射部であることを特徴とする請求項13に記載の変位検出方法。
- 前記光乱反射部は、平坦な反射面に形成された溝部であることを特徴とする請求項15に記載の変位検出方法。
- 前記高出射部が貫通孔であり、前記低出射部が貫通孔間の可動部部分であることを特徴とする特徴とする請求項13に記載の変位検出方法。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050922 |
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Effective date: 20070821 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080108 |