JP2017133991A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光走査装置において反射ミラーの高速回転により生じるジャイロモーメントによって反射ミラーの回転軸や動力源の回転軸が加振されることを起因とする騒音や光走査のずれの発生を防止した光走査装置構成の構成を提供すること。
【解決手段】 電動機１０と、電動機１０によって鉛直軸１２周りに回転する回転部７０と、回転部７０と共に鉛直軸１２周りに回転可能かつ水平軸８０周りに回転可能で、走査光を測定対象物に照射して走査対象物からの反射光を受光部４０に反射させる反射ミラー３０と、電動機１０の回転駆動を反射ミラー３０が保持されている水平軸８０に伝達させる駆動伝達部６０とを具備し、回転部７０は、反射ミラー３０の鉛直軸１２周りと水平軸８０周りの回転により生じるジャイロモーメントＮに対するカウンターモーメントＭを発生させる質量分布に形成されている光走査装置１００である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光線等を用いて走査対象物の三次元形状を計測するための光走査装置に関する。

レーザ光線等を用いて走査対象物の三次元形状を計測するための装置として、いわゆる三次元スキャナと称される光走査装置が提案されている。このような光走査装置については、例えば特許文献１に開示されているような技術が存在している。

特許第５６２０６０３号

特許文献１の技術の要旨は、動力源となる軸回転を水平方向と鉛直方向とに一定の回転比率で配分して反射ミラーを回転させ、この反射ミラーに走査する光線を照射し、反射ミラーで反射した光線が水平および垂直の周方向に等角度間隔に走査するというものである。
このように水平方向と垂直方向にそれぞれ回転する回転体を有する光走査装置において、測定周期を短縮させるために回転体の回転速度を高めると、いわゆるジャイロモーメントによる影響が無視できなくなってくる。

ここで、ジャイロモーメントの概要について図６と図７に基づいて説明する。ジャイロモーメントＮとは、水平軸に回転可能に保持されている反射ミラーを鉛直軸線周りに矢印Ｒｖの方向に回転させながら水平軸線周りに矢印Ｒｈ方向に回転させた際に発生するものである。図６では簡便化のため反射ミラーのみを用いてジャイロモーメントＮを図示しているが、実際に反射ミラーにはこれを支える水平回転軸や水平回転軸へ動力を伝達するためのギヤ等が一体に構成されており、反射ミラーが回転する際にはこれら水平回転軸やギヤ等も一体になって回転するため、ジャイロモーメントＮには反射ミラー以外に水平回転軸やギヤ等の存在も加味される。このようなジャイロモーメントＮのモーメント量が大きくなると、反射ミラーを回転可能に保持している水平軸や駆動源としての電動機の出力軸である鉛直軸が加振され、この加振により騒音や走査方向のずれ等が生じて設計通りの走査光の照射を行うことができなくなるおそれがある。

そこで本発明は、光走査装置において反射ミラーの高速回転により生じるジャイロモーメントによって反射ミラーの回転軸や動力源の回転軸が加振されることを起因とする騒音や光走査のずれの発生を防止した光走査装置構成の提案を目的としている。

上記課題を解決するために本発明者は鋭意研究を行った結果、以下の構成に想到した。
すなわち、電動機と、該電動機の回転駆動力によって鉛直軸周りに回転する回転部と、該回転部に取り付けられ、前記回転部と共に前記鉛直軸周りに回転可能かつ水平軸線周りに回転可能であって、走査光を測定対象物へ向けて照射すると共に当該走査対象物からの反射光を受光部に反射させる反射ミラーと、前記電動機の回転駆動を前記反射ミラーが保持された水平軸に伝達させる駆動伝達部と、を具備し、前記回転部は、前記反射ミラーの前記鉛直軸周りおよび前記水平軸周りの回転により生じるジャイロモーメントに対するカウンターモーメントを発生させる質量分布に形成されていることを特徴とする光走査装置である。

これにより、反射ミラーを鉛直軸周りおよび水平軸周りにそれぞれ高速回転させることにより生じるジャイロモーメントを相殺または低減させるためのカウンターモーメントを発生させることができ、ジャイロモーメントによる装置全体への加振による振動や、これに伴う光走査の位置ずれを防止または大幅に軽減させることができる。

また、前記カウンターモーメントは、前記ジャイロモーメントの回転方向とは逆回転方向であってモーメント量の絶対値が等しいことが好ましい。

これにより、光走査装置における反射ミラーの高速回転によるジャイロモーメントの影響を無くすことができ、より信頼性の高い光走査装置を提供することができる。

また、前記駆動伝達部は互いに噛合する歯車であることが好ましい。

これにより、鉛直軸線周りの回転速度と水平軸線周りの回転速度の比を所定の比に維持することができる。また駆動伝達部を歯車によって噛合させた状態でさせることで、駆動伝達部におけるスリップを防止しジャイロモーメントの大きさを一定に維持できる。これによりカウンターモーメントを随時調整する必要がなく、光走査装置の構成を簡易にすることができる。

さらには、前記回転部には前記回転部の質量分布を調整するための調整錘が取り付けられていることが好ましい。

これにより、カウンターモーメントを調整錘で簡便に調整できるため、各種用途の仕様に応じて回転部の設計を変更する必要がなくなり、回転部の構造を単純化することができる。

また、前記調整錘は、前記鉛直軸周りの鉛直軸回転速度と前記水平軸周りの水平軸回転速度との回転速度比に応じて前記回転部への取り付け位置が変更可能であることがより好ましい。

これにより、電動機の出力軸であって反射ミラーを鉛直軸線周りに回転させる鉛直軸回転速度と反射ミラーを保持する水平軸回転速度との回転速度比に変更が生じた場合、カウンターモーメントの大きさを調整することができる。

本発明にかかる光走査装置によれば、電動機の出力軸である鉛直軸と共回りする回転部の質量分布を調整することにより、ジャイロモーメントを相殺または軽減させるカウンターモーメントを発生させ、ジャイロモーメントによる振動発生や走査位置のずれを防止または大幅に軽減させることができる。

第１実施形態における光走査装置を示す斜視図である。 図１の対向位置からの光走査装置を示す斜視図である。 ジャイロモーメントとカウンターモーメントを説明するための光走査装置の説明断面図である。 第２実施形態における光走査装置を示す斜視図である。 第３実施形態における光走査装置を示す斜視図である。 ジャイロモーメントの発生機構を説明するための斜視図である。 鉛直軸と水平軸に直交する軸の軸線に沿って反射ミラーを臨んだ際における正面図である。

以下、発明にかかる光走査装置の実施形態について図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１および図２に示すように、本実施形態における光走査装置１００は、鉛直方向に延びると共に中空構造に形成された鉛直軸としての中空回転軸１２を有する電動機１０を駆動源としている。また、光走査装置１００は、走査光を照射する光源２０と、光源２０から照射された走査光を反射させると共に走査光の走査対象物からの反射光を受光部４０に反射させる反射ミラー３０に加えて、受光部４０が受光した反射光から測定対象までの距離を算出する反射光データ処理部５０とを有している。なお、図面において、説明の明瞭化のために固定歯車６２を透明な部材としているが、実際には透明である必要は無い。

中空回転軸１２は電動機１０の固定子であるハウジング１４を高さ方向に貫通した状態になっている。また、ハウジング１４の外表面のうち、ハウジング１４の上面には中空回転軸１２を外側から囲む配置で平面視形状が円環状をなす駆動伝達部６０の一部としての固定歯車６２が配設されている。そして中空回転軸１２には、中空回転軸１２を回転軸として中空回転軸１２と共回りする枠体に形成された回転部７０が取り付けられている。本実施形態における回転部７０は、中空回転軸１２に固定された基部７２と、基部７２の両端部分から上方に起立する２本の柱部７４と、柱部７４の上端部分どうしを連結する梁部７６とを有している。

回転部７０の一方の柱部７４には、反射ミラー３０を中空回転軸１２と直交方向となる水平軸を回転軸として回転させるための回転軸８０が取り付けられている。回転軸８０は一方の柱部７４を貫通し、一方の柱部７４の外側位置において駆動伝達部６０の一部としての回転歯車６４を回転可能に保持している。このように回転軸８０に保持された回転歯車６４は、回転部７０の回転に伴って、同じく駆動伝達部６０を構成する固定歯車６２に噛合しながら固定歯車６２の上を転動することにより反射ミラー３０を回転させるための回転軸８０に電動機１０の回転駆動力を伝達している。回転歯車６４の取り付け端部と反対側の回転軸８０の端部は、軸線に対して所定角度に切断されたいわゆるスラッシュカット部に形成されていて、このスラッシュカット部に金属を蒸着させる（金属薄膜を形成する）ことにより反射ミラー３０が形成されたいわゆるロッドミラーが採用されている。

すなわち、電動機１０の中空回転軸１２が回転すると、中空回転軸１２の軸線周りに回転部７０が共回りする。回転部７０が中空回転軸１２の軸線周りに回転すると回転歯車６４が固定歯車６２に噛合した状態で転動することになる。回転歯車６４が固定歯車６２上を転動すると回転歯車６４に連結された回転軸８０が中空回転軸１２と直交する水平軸線周りに回転し、反射ミラー３０を回転軸８０の軸線周りに回転させることになる。このように反射ミラー３０は、鉛直軸である中空回転軸１２の軸線周りに回転すると共に、水平軸である回転軸８０の軸線周りにも回転することになり、光源２０から照射された走査光を反射ミラー３０から順次反射させることで光走査装置１００の周辺に照射（走査）することができるのである。

走査光を照射するための光源２０としては、例えばレーザ光線照射装置を用いることができる。このような光源２０は光走査装置１００とは別体にして配設してもよい。光走査装置１００の内部または外部に配設された光源２０が照射した走査光としてのレーザ光線は、光走査装置１００に配設された下部反射ミラー２２および上部反射ミラー２４とにより適宜反射された後、回転軸８０の軸線上から反射ミラー３０に照射され、反射ミラー３０から走査対象物にむけて照射されることになる。ここでは、下部反射ミラー２２で反射させた走査光を中空回転軸１２の内部空間を通過させて上部反射ミラー２４に反射させた後に、回転軸８０の中心軸線上から反射ミラー３０に走査光を照射している。

このようにして走査対象物に照射された走査光は反射光となって反射ミラー３０に戻ることになる。反射ミラーは反射光を反射させると、反射光は上部反射ミラー２４と下部反射ミラー２２にそれぞれ反射された後に受光部４０に受光されることになる。受光部４０が受光した反射光は、反射光データ処理部５０により走査対象物までの距離データに変換される。また図示しないロータリーエンコーダ等により中空回転軸１２および回転軸８０の回転角度を検出して反射ミラー３０の反射面が正対している方向を導くことができる。反射光データ処理部５０はこれら距離データと反射ミラー３０の反射面の正対する方向とに基づいて走査対象物の三次元座標値を得ることができる。このような処理を行う反射光データ処理部５０は、専用のデータ処理装置であっても、パーソナルコンピュータにインストールされた処理プログラムによって実現されても、良い。

このように反射ミラー３０が鉛直軸である中空回転軸１２周りに回転すると共に、中空回転軸１２に直交する水平軸である回転軸８０周りに回転することにより、回転部７０にはいわゆるジャイロモーメントＮが作用することになる。反射ミラー３０および回転軸８０の回転速度が高速（１０，０００ｒｐｍ以上）になると、ジャイロモーメントＮにより回転部７０に振動が発生する等の悪影響が無視できなくなる。本実施形態における光走査装置１００はこのようなジャイロモーメントＮによる不具合の発生を防止するためのカウンターモーメントＭを発生させることを最大の特徴としている。ここで、ジャイロモーメントＮの大きさ（モーメント量）は数１に基づいて予め算出することができる。

数１に基づいて算出したジャイロモーメントＮに対して、本実施形態における光走査装置１００は、回転部７０の柱部７４や梁部７６における質量分布を調整することで、図３に示すようなカウンターモーメントＭを発生させている。このように、回転部７０の質量分布の調整によってカウンターモーメントＭを発生させることによりジャイロモーメントＮを相殺または低減させ、反射ミラー３０を直交する２方向に高速回転させても、ジャイロモーメントＮによる回転部７０への悪影響を防止または大幅に軽減させることができる。このときのカウンターモーメントＭの大きさ（モーメント量）は、数２に基づいて算出することができる。

また、数２における回転速度比ｈを算出する際に用いた数１の中空回転軸１２の回転速度（鉛直軸回転速度）Ωおよび回転軸８０の回転速度（水平軸回転速度）μとの関係式Ω＝ｈμから、数１は数３のように変形することができる。

ジャイロモーメントＮを相殺させると共に、光走査装置１００として使用するうえでの必要な機械的強度を有する（遠心力に対する変形量を所定量以下にする等）ように回転部７０の形状および質量分布を設定すれば良い。ジャイロモーメントＮを相殺させる際におけるカウンターモーメントＭの関係式は数２および数３より数４のようになる。

本実施形態においては、梁部７６の一方の端部の所要範囲を梁部７６の長さ方向における他の部分よりも単位長さ当たりの質量が大きくなるように形成すると共に、この部分の対角線位置における柱部７４の寸法を他の柱部７４の長さ方向における他の部分よりも単位長さ当たりの質量が大きくなるように形成した。このように回転部７０の一部を構成する梁部７６や柱部７４の所定箇所における単位長さ当たりの質量を他の箇所に対して増加させる（回転部７０の質量分布を調整する）ことにより、従来技術における回転部７０の所定箇所に付加質量（数２および数４におけるｍである）を取り付けた状態と同等な状態にすることができる。この付加質量が鉛直軸である中空回転軸１２および水平軸である回転軸８０と共に回転することにより、回転部７０に作用するジャイロモーメントＮを相殺するカウンターモーメントＭを発生させることができるのである。

このように所定箇所に付加質量を配設したと同様の質量分布を有する回転部７０の構成を採用することで、回転部７０に作用するジャイロモーメントＮを相殺するカウンターモーメントＭを発生させることができる。このようにしてジャイロモーメントＮを相殺することで、回転部７０の振動等の発生を防止し当初の設計通りの性能で光走査を行うことが可能になるのである。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、回転部７０の質量分布を調整することによりジャイロモーメントＮを相殺するカウンターモーメントＭを発生させるための光走査装置１００の実施形態について説明した。これに対し本実施形態においては、回転部７０の所定位置に、回転部７０の質量分布を調整するための調整錘９０を取り付けた光走査装置１００の実施形態について説明する。

図４に示すように、本実施形態における光走査装置１００は、回転部７０を構成する基部７２、柱部７４、梁部７６の寸法は各々の部分（基部７２、柱部７４、梁部７６）において等しい寸法に形成されている（従来技術における回転部７０を用いている）点で、第１実施形態と構成を異にしている。しかしながら梁部７６においては、梁部７６の一方の端部と、この梁部７６の一方の端部と対角線位置における柱部７４とに調整錘９０がそれぞれ取り付けられている。このような調整錘９０を回転部７０の所定箇所に取り付けることで、回転部７０の質量分布を任意の質量分布にすることができる。この調整錘９０の質量が図３と数２および数４におけるｍに相当する。

このような調整錘９０が所定箇所に取り付けられた回転部７０を回転させることにより、ジャイロモーメントＮを相殺するカウンターモーメントＭを発生させることができる。回転部７０に取り付けする調整錘９０の質量は、第１実施形態で示した数４に基づいて予め算出することができる。調整錘９０は回転部７０の隅角部内側部分に取り付けることが好ましい。また調整錘９０をセットするための凹部（図示せず）を配設しておけばさらに好都合である。このような位置に調整錘９０を取り付けすることで、回転部７０の遠心力により、調整錘９０が回転部７０からの離脱を防止することができる点において好都合である。

ところで、電動機１０が１台である光走査装置１００において走査解像度を変更したい場合には、電動機１０の中空回転軸１２の回転速度と、固定歯車６２と回転歯車６４とのギヤ比（鉛直軸回転速度と水平軸回転速度との回転速度比ｈ）を変更すればよい。具体的には、電動機１０への供給電力の増減処理（電動機１０の出力調整処理）と、デフォルトで用いられていた回転歯車６４の歯数とは異なる歯数の回転歯車６４を用いればよい。交換した後の回転歯車６４と固定歯車６２のギヤ比は予め算出することができるので、鉛直軸回転速度と水平軸回転速度との回転速度比ｈに応じて調整錘９０の質量を変更することなく、回転部７０に対する調整錘９０の取り付け位置を変更することで、適切なカウンターモーメントＭを発生させることができる。

このように回転部７０に対して調整錘９０の取り付け位置を変更可能にする際には、基部７２、柱部７４、梁部７６のうちに少なくとも１つの部材における外表面に調整錘９０取り付け用の凹部（図示せず）を配設し、それぞれの凹部に固定歯車６２と回転歯車のギヤ比（鉛直軸回転速度と水平軸回転速度との回転速度比ｈ）を表示しておけばさらに好適である。なお、調整錘９０は一定形状の部品である構成を例として説明をしたが、同様の作用であれば別の構成でも良い。例えば、接着剤を付着して質量を増加させたり、逆にドリルなどで切削加工を行なって質量を減少させたりすることによっても調整が可能である。

（第３実施形態）
本実施形態における光走査装置１００は、図５に示すように、回転軸８０の先端部分に回転軸８０と一体に形成した反射ミラー３０に代えて回転軸８０とは別体の平面ミラー３０Ａを取り付けている。また、駆動伝達部６０の一部構成としての固定歯車６２に代えてリング体６２Ａをハウジング１４の上面に取り付け、同じく駆動伝達部６０の一部として回転歯車６４に代えて回転転動円板６４Ａを採用している。このようなリング体６２Ａと回転転動円板６４Ａを採用することにより、リング体６２Ａの上面を回転転動円板６４Ａが転動する際における騒音の発生を防止することができる点において好都合である。本実施形態においては回転転動円板６４Ａ側の転動面に滑り止め部材Ｓを取り付けている。

この滑り止め部材Ｓにより回転転動円板６４Ａがリング体６２Ａとの当接面であるリング体６２Ａの上面を転動する際におけるスリップを防止することができる。このような滑り止め部材Ｓとしては公知のゴムシートを用いることができる。また、すべり止め部材Ｓは、図５に示すように回転転動円板６４Ａ側のリング体６２Ａと回転転動円板６４Ａとの転動面（当接面）に配設した形態だけではなく、リング体６２Ａ側の転動面に取り付けることも可能であるし、リング体６２Ａおよび回転転動円板６４Ａのそれぞれの転動面に取り付けるようにしてもよい。

本実施形態においては、数２における回転速度比ｈは、リング体６２Ａの転動面に円周長と回転転動円板６４Ａの外周長との比により算出することができる。数１，数３，数４については、第１実施形態および第２実施形態と同様にして適用することができる。図５は、数１〜数４に基づいてジャイロモーメントＮとカウンターモーメントＭとの計算を行い、回転部７０の梁部７６の一方の端部位置に調整錘９０を配設した光走査装置１００の構成を示している。

また、図５に示す光走査装置１００の変形例として、数１〜数４に基づいてジャイロモーメントＮとカウンターモーメントＭとの計算を行い、回転部７０を構成する基部７２、柱部７４、梁部７６のうちの少なくとも一つの部材における単位長さ当たり質量を同部材における他の位置における単位長さ当たり質量とは異なる形状として、回転部７０の質量分布と回転部７０の回転速度により生じるカウンターモーメントＭがジャイロモーメントＮを相殺または低減させる構成にすることも可能である。

以上に、実施形態に基づいて本発明にかかる光走査装置１００の説明を行ったが、本発明の技術的範囲は以上の実施形態に限定されるものではない。例えば、以上の実施形態においては、回転部７０に作用するジャイロモーメントＮを相殺するカウンターモーメントＭを発生させる形態例について説明したが、この形態例に限定されるものではない。カウンターモーメントＭの大きさ（モーメント量）の絶対値は、ジャイロモーメントＮの大きさ（モーメント量）の絶対値と等しくなくてもよい。この場合、回転部７０には小さなジャイロモーメントＮが作用することにはなるものの、回転部７０に振動が発生しない程度の大きさにすることができれば、光走査装置１００を当初の設計通りの性能で使用することは十分可能である。

また、数２においては、説明を簡単にするため，ｍ，Ｌ，ｒを同じ値で表現しているが、ｍ１，Ｌ１，ｒ１，ｍ２，Ｌ２，ｒ２を独立して設定してもよい。

また、以上の実施形態においては、中空回転軸１２と回転軸８０とのなす角度θが全て９０°である形態について説明しているが、中空回転軸１２と回転軸８０とのなす角度θは９０°に限定されるものではなく、他の角度であってもよい。

そして以上の実施形態における光走査装置１００は、いずれも中空回転軸１２を鉛直軸とし、回転軸８０を水平軸とした形態を採用しているが、採用しているが、これに限らず、以上の光走査装置の構成を水平方向へ横倒しにした形態、すなわち中空回転軸１２を水平軸とし、回転軸８０を鉛直軸とした光走査装置１００の形態を採用することもできる。

また、以上に示した実施形態および各種変形例を適宜組み合わせた構成を採用することも可能である。

１０ 電動機
１２ 中空回転軸（鉛直軸）
１４ ハウジング（固定子）
２０ 光源
２２ 下部反射ミラー
２４ 上部反射ミラー
３０ 反射ミラー
３０Ａ 平面ミラー
４０ 受光部
５０ 反射光データ処理部
６０ 駆動伝達部
６２ 固定歯車
６２Ａ リング体
６４ 回転歯車
６４Ａ 回転転動円板
７０ 回転部
７２ 基部
７４ 柱部
７６ 梁部
８０ 回転軸（水平軸）
９０ 調整錘
１００ 光走査装置
Ｓ 滑り止め部材

Claims (5)

1. 電動機と、
   該電動機の回転駆動力によって鉛直軸周りに回転する回転部と、
   該回転部に取り付けられ、前記回転部と共に前記鉛直軸周りに回転可能かつ水平軸周りに回転可能であって、走査光を走査対象物へ向けて照射すると共に当該走査対象物からの反射光を受光する反射ミラーと、
   前記電動機の回転駆動を前記反射ミラーが保持された水平軸に伝達させる駆動伝達部と、を具備し、
   前記回転部は、前記反射ミラーの前記鉛直軸周りおよび前記水平軸周りの回転により生じるジャイロモーメントに対するカウンターモーメントを発生させる質量分布に形成されていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記カウンターモーメントは、前記ジャイロモーメントの回転方向とは逆回転方向であってモーメント量の絶対値が等しいことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 前記駆動伝達部は互いに噛合する歯車であることを特徴とする請求項１または２記載の光走査装置。
4. 前記回転部には前記回転部の質量分布を調整するための調整錘が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の光走査装置。
5. 前記調整錘は、前記鉛直軸周りの鉛直軸回転速度と前記水平軸周りの水平軸回転速度との回転速度比に応じて前記回転部への取り付け位置が変更可能であることを特徴とする請求項４記載の光走査装置。