JP2019003120A - 光走査装置及び光走査装置における反射部の角度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な光路設計を必要とすることなく、簡便な構成で反射部の角度の正確な検出を可能とする、光走査装置及び光走査装置における反射部の角度検出方法を提供する。【解決手段】揺動可能な反射部と、前記反射部に設けられ、前記反射部と連動する遮断部と、検知対象を出力する出力部と、前記検知対象を検知する検知部と、を有するセンサ部と、を備え、前記遮断部は、前記反射部が所定の揺動角度にあるとき、前記出力部と前記検知部との間の前記検知対象の進路を遮断する、光走査装置。【選択図】図１

Description

本発明は、光を反射する反射部を揺動させることにより、光の進行方向を変化させて光の走査を行う光走査装置（光スキャナ）及び光走査装置における反射部の角度検出方法に関する。

光源からの光を反射することで当該光を出射する反射部（ミラー等）を揺動させることにより、当該光の進行方向を変化させて、光の走査を行う光走査装置（光スキャナ）が従来知られている。この種の光走査装置の一の例は、反射部からの光を、走査範囲に位置する測定対象となる物体に照射し、その物体からの反射光・散乱光を反射部（ミラー等）により受光する。そして、反射部から出射してから反射部により受光する迄の時間、または反射部の揺動角を測定することにより、反射部を基準にした測定対象までの距離や測定対象が位置する方向を検出することができる。光走査装置の他の例としては、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）技術を用いた測距装置も知られている。

光走査装置においては、光を走査して物体の位置や距離を測定するにあたり、対象物の方向を特定する目的、反射部の角度に応じて光源を発光させるタイミングを調整する目的、反射部が揺動する周期を調整する目的等のために、反射部の角度を正確に検出することが必要である。反射部の角度の検出にあたっては、検出できる角度を任意に設定できることが求められる。

光走査装置における反射部の角度を検出する従来の方法としては、揺動する反射部から出射した光が、検知部（イメージセンサー等）に入射するタイミングを計測することによって、反射部の角度を検出する技術がある。
例えば、角度検出用の副光源を用いて、反射部に光を入射させて、その反射光をイメージセンサーで検知することにより、反射部の角度を検出することができる（特許文献１）。
しかしながら、この技術では、複雑な光路設計が必要であり、かつ副光源やイメージセンサーを必要とすること等、光走査装置のコストが高くなるという問題があった。

特開昭５８−１５５９７２号公報

本発明は、従来の状況に鑑み、複雑な光路設計を必要とすることなく、簡便な構成で反射部の角度の正確な検出を可能とする、光走査装置及び光走査装置における反射部の角度検出方法を開発することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために提案されたもので、以下を要旨とする。
（１） 揺動可能な反射部と、
前記反射部に設けられ、前記反射部と連動する遮断部と、
検知対象を出力する出力部と、前記検知対象を検知する検知部と、を有するセンサ部と、を備え、
前記遮断部は、前記反射部が所定の揺動角度にあるとき、前記出力部と前記検知部との間の前記検知対象の進路を遮断する、光走査装置。

本発明の光走査装置及び角度検出方法は、反射部と連動して動作する遮断部と、出力部と検知部を有するセンサ部とを備えており、反射部が所定の揺動角度であるときに遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間の検知対象の進路を遮断して、所定の揺動角度であることを検知できるため、複雑な光路設計を必要とすることなく、簡便な構成で反射部の揺動角度を検出することができるという効果を奏する。

本発明の光走査装置の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。 検知器の一例を模式的に示す図面である。図２（Ａ）は、照射部と光検知部との間に遮断部が位置していない時のセンサ部の状態を示し、図２（Ｂ）は、照射部と光検知部との間に遮断部が位置している時のセンサ部の状態を示す。 第１の実施形態の光走査装置が揺動する様子を模式的に示す図面である。 第１の実施形態の光走査装置において、検知信号のオン状態とオフ状態が切り替わる様子を模式的に示す図面である。図４（Ａ）は、反射部が揺動する様子を模式的に示す図面である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のように揺動する反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図４（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）をグラフで示したものであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。図４（Ｄ）は、揺動角の経時変化のグラフを、図４（Ｂ）よりも長い時間で示したものである。図４（Ｅ）は、検知信号のグラフを、図４（Ｃ）よりも長い時間で示したものである。図４（Ｂ）〜（Ｅ）において、一点鎖線で囲まれた範囲は、同じ長さの時間を示している。 第１の実施形態の光走査装置においてセンサ部の位置を変更する例を模式的に示す図面である。図５（Ａ）は光検知部を有するセンサ部の位置を変更する前の状態を示し、図５（Ｂ）は光検知部を有するセンサ部の位置を変更した後の状態を示す。 第２の実施形態の光走査装置において、反射部が揺動する様子を模式的に示す図面である。 第２の実施形態の光走査装置において、検知信号のオン状態とオフ状態が切り替わる様子を模式的に示す図面である。図７（Ａ）は、反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図７（Ｂ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）をグラフで示したものであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。 複数のセンサ部を設けた第３の実施形態の光走査装置を模式的に示す図面である。 複数の遮断部を設けた第４の実施形態の光走査装置を模式的に示す図面である。 複数のセンサ部と複数の遮断部を設けた第５の実施形態の光走査装置を模式的に示す斜視図である。 一部に切り欠きを有する円弧状の遮断部を設けた第６の実施形態の光走査装置を模式的に示す図面である。 歯車形状の遮断部を設けた第７の実施形態の光走査装置を模式的に示す図面である。図１２（Ａ）は、第７の実施形態の光走査装置を回転軸（２）の方向から見た図である。図１２（Ｂ）は、反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図１２（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）をグラフで示したものであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。 遮断部に反射面の分割機能を持たせた第８の実施形態を模式的に示す斜視図である。 遮断板を回転軸の軸方向に対して平行に設けた第９の実施形態を模式的に示す斜視図である。 検出器のヒステリシス特性の説明図であり、図１５（Ａ）はヒステリシスを持たせない場合のセンサ部からの信号（ノイズ成分が重畳された信号）及び閾値判別による角度検知信号を示す波形図、図１５（Ｂ）はヒステリシスを持たせた場合のセンサ部からの信号（ノイズ成分が重畳された信号）及び閾値判別による角度検知信号を示す波形図である。 遮断部が左右非対称に揺動する場合の検知信号の検出を示す図面である。図１６（Ａ）は、反射部が揺動する様子を模式的に示す図面である。図１６（Ｂ）は、反射部の揺動角の経時変化を示すグラフであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図１６（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）を示すグラフであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。

１．光走査装置
本発明の光走査装置は、揺動可能な反射部を有する光走査装置に関するものである。
本発明において、「反射部」とは、光を反射できる部材をいう。反射部としては、例えば、基体上にアルミニウム薄膜、銀薄膜等の金属薄膜を設けたもの、透明な基体の裏側に金属薄膜を設けた鏡、表面を鏡面加工した金属板等を用いることができる。反射部の形状は、平板状であっても、多面体形状であっても、曲面形状であってもよい。

反射部は、光源からの光線を反射させつつ、揺動することにより、光の進行方向を変化させて、光の走査を行う。

本発明の光走査装置は、例えば、光を走査して、光の進行方向に位置する物体からの反射光・散乱光を検知し、検知までにかかる時間又は入射方向を測定することにより、対象となる物体の距離、形状等を把握する。本発明の光走査装置は、例えば、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と呼ばれる装置、バーコードリーダ等に使用することができる。
また、本発明の光走査装置は、光を走査することにより、画像を形成する装置に用いることができ、例えば、プロジェクターや、ディスプレイ、レーザープリンター等にも使用することができる。

本発明の光走査装置は、反射部と連動して動作する遮断部と、出力部と検知部を有するセンサ部とを備えており、反射部が所定の揺動角度であるときに遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間の検知対象の進路を遮断して、所定の揺動角度であることを検知できるため、複雑な光路設計を必要とすることなく、簡便な構成で反射部の正確な角度を検出することができる。以下、上記の「所定の揺動角度」を「揺動検知角度」と言う。

本発明において、検知対象としては、例えば、光、電磁波、電界、磁界等を用いることができるが、光を用いることが好ましい。この場合、センサ部の出力部は、光を照射する照射部であり、センサ部の検知部は、照射部から照射された光を検知する光検知部である。

以下、本発明の実施形態を、図を用いて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の光走査装置の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。図１に示されるように、光走査装置１は、回転軸２を中心に＋の方向と−の方向に周期的に揺動する反射部３を有している。反射部３には、回転軸２上の点に対して等距離な弧を有する遮断部４が設けられており、反射部３の揺動と連動して遮断部４も揺動する。そして、遮断部４の揺動経路には、遮断部４の位置を検知する光検知部５を有するセンサ部６が設置されており、反射部３の角度が揺動検知角度の範囲であるときに、光検知部５に入射する光が遮断部４で遮断されるようになっている。

光検知部５を有するセンサ部６の一例を、図２に模式的に示す。図２（Ａ）に示されるように、センサ部６は、光を検知する光検知部５を有しており、光検知部５と対向する位置には照射部７を有している。照射部７としては、例えば、発光ダイオード等の発光素子を用いることができ、この場合には、光検知部５には、特定の波長の光のみを検出するようにフィルタを設けることができる。また、検知対象として光以外の電磁波等を使用する場合には、電磁波発生素子等を出力部として用いることができ、その場合には、センサ部６は、電磁波等を検知する検知部５を有する。

図２（Ａ）は、照射部７と光検知部５との間に遮断部４が位置していない時のセンサ部の状態を示し、図２（Ｂ）は、照射部７と光検知部５との間に遮断部４が位置している時のセンサ部６の状態を示す。図２（Ａ）の状態では、照射部７から出射した光が光検知部５に入射するため、検知信号がオン状態となる。

一方、図２（Ｂ）の状態では、照射部７から出射した光が、遮断部４によって遮断され、光検知部５には光が入射せず検知信号がオフ状態となる。遮断部４が、光検知部５と照射部７との間を通過するように揺動させることにより、図２（Ａ）の状態と図２（Ｂ）の状態が切り替わるタイミングでの反射部３の角度を検出することが可能となる。

本発明においては、反射部の揺動角度が揺動検知角度であるときに、遮断部が、出力部と検知部との間の検知対象の進路を遮断する。本発明の第１の実施形態では、出力部（照射部７）と検知部（光検知部５）との間に遮断部４が位置することにより、出力部（照射部７）と検知部（光検知部５）との間を通過する光が遮断されることを例示する。このように、本発明においては、検知部と遮断部が接近して、検知部に入射する検知対象が遮断される場合には、検知信号のオン状態とオフ状態が明確に区別できるシャープな検知信号を得ることができ、より精度よく反射部の角度を検出することができる。また、センサ部が取り付けられている位置情報は、反射部の角度を検出するために必要であることから、上記位置情報を踏まえた検知信号を得ることにより、より精度よく反射部の角度を検出することができる。

図３は、反射部３と遮断部４が周期的に揺動する様子を模式的に示す図面である。図３は、第１の実施形態の光走査装置を回転軸２の方向から見た図を示し、矢印で示される順に経時変化することを示す。

図３の反射部３では、静止状態において扇形をなす遮断部４が左右対称に構成されている。
これにより、図３に示されるように、反射部３の揺動角が０°であるときには、遮断部４が、センサ部６の検知部に入射する光を遮断した状態になっている。反射部３が、回転軸２を中心に回転することにより、反射部の揺動角が徐々に大きくなる。そして、揺動角が＋４０°になったときに、遮断部４が、センサ部６の照射部と光検知部から離れて、センサ６の光検知部に光が入射する。これにより、反射部３の揺動角が＋４０°に達したことを検出することができる。

反射部３は、さらに回転するが、揺動角が＋４５°に達した時点で、逆方向に回転を始め、揺動角が徐々に小さくなっていく。そして、揺動角が＋４０°になった時に、遮断部４がセンサ部６の照射部と光検知部の間に位置して、センサ部６のセンサに入射する光が遮断される。これにより、反射部３の揺動角が＋４０°に戻ったことを検出することができる。矢印方向に進む経時変化により、反射部３はさらに回転し、揺動角が−４０°になった時に、遮断部４がセンサ部６から離れて、センサ部６の光検知部に光が入射する。これにより、反射部３の揺動角が−４０°に達したことを検出することができる。

反射部３は、さらに回転するが、揺動角が−４５°に達した時点で逆方向に回転を始め、揺動角が−４０°になった時に、遮断部４がセンサ部６に接近して、センサ部６の光検知部に入射する光が遮断される。これにより、反射部３の揺動角が−４０°に戻ったことを検出することができる。反射部３は、さらに回転し、揺動角が０°の状態に戻る。反射部３と遮断部４は、上記のような揺動を周期的に繰り返す。

本発明の光走査装置においては、第１の実施形態のように、遮断部を反射部に取り付けることにより、遮断部が反射部と連動して動作することが可能となる。遮断部を反射部と連動して動作させるためには、反射部に連結した部材に遮断部を取り付けてもよく、また、歯車等を用いた機械的な機構により、遮断部が反射部と連動して動作するようにしてもよい。遮断部を反射部に直接的に取り付ける場合には、反射部と遮断部とを連結する連結部を介して取り付けることができる。また、反射部と遮断部とを一体に成形することができ、この場合には反射部の反射面又は反射面の裏面に遮断部を取り付けることができる。反射部に遮断部を一体成形で取り付けるときには、反射部にコの字状の切り込みを設け、当該部分を反射部と略垂直となるように折り曲げる「切り起こし」を行うことで、反射部に遮断部を設けることもできる。
遮断部は平板状の遮断板とすることが好ましく、遮断板を反射部に取り付ける場合には、遮断板を反射部が有する平面に対して交差するように取り付けることもでき、また、遮断板を反射部が有する平面に対して平行となるように取り付けることもできる。

本発明においては、反射部が揺動検知角度となったときに、検知部に入射する検知対象が遮断部において遮断される。ここで、揺動検知角度は、「検知開始したい角度」であり、第１の実施形態においては、−４０°と＋４０°が該当する。

本発明の光走査装置においては、反射部、遮断部、センサ部の他に、走査光を出射するための光源や、反射部を揺動するためのアクチュエータ、そして、アクチュエータやセンサ部等を制御するための制御回路等を設けることができる。

光源としては、レーザー光源、ＬＥＤ光源、ＳＬＤ光源等を用いることができる。これらのうちレーザー光源は、指向性の高い光源であるため好適に用いることができる。反射部を揺動するためのアクチュエータとしては、これらに限定されるわけではないが、例えば、圧電素子や、磁力を利用したアクチュエータ、静電引力を利用したアクチュエータ等を用いることができる。

本発明において使用するセンサ部としては、光、電波、Ｘ線、ガンマ線、音波、物理的な接触等を検知することができるセンサ部を用いることができる。なお、光を利用する場合には、遮断部は、光を透過しない遮光性の材料で形成した遮光部とすることが好ましい。光を検知する光検知部としては、可視光赤外線、紫外線等検知する受光器を用いることができる。

図３に示した第１の実施形態の光走査装置において、検知信号のオン状態とオフ状態が切り替わる様子を、図４に模式的に示す。図４（Ａ）は、反射部が揺動する様子を模式的に示す図面である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のように揺動する反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図４（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）をグラフで示したものであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。図４（Ｄ）は、揺動角の経時変化のグラフを、図４（Ｂ）よりも長い時間で示したものである。図４（Ｅ）は、検知信号のグラフを、図４（Ｃ）よりも長い時間で示したものである。図４（Ｂ）〜（Ｅ）において、一点鎖線で囲まれた範囲は、同じ長さの時間を示している。

図３（あるいは、図４（Ａ））では反射部３の静止状態において、扇形をなす遮断部４は左右対称に構成されている。したがって、センサ部６の光検知部に入射する光が遮断部４によって遮断されているときには、図４（Ｃ）に示されるように、検知信号はオフ状態である。しかし、図４（Ａ）に示されるように、揺動角が４０°に達し、センサ部６と遮断部４が離れると、検知信号はオン状態となり、図４（Ｃ）に示されるように、検知信号が検出される。検知信号のオン状態は、センサ部６が遮断部４を再び検知するまで（揺動角が４０°に戻るまで）、ｔの時間にわたり継続する。図４（Ｄ）及び図４（Ｅ）に示すように、反射部３が周期的に揺動している間、このような検知信号のパルスが周期的に出現する。第１の実施形態では、反射部３の静止状態において遮断部４が左右対称であるので、＋側に揺動した場合にも、−側に揺動した場合にも同一時間幅ｔのパルスが出現する。揺動の周期（Ｔ）は、検知信号に出現するパルスの間幅（Ｔ／２）を計測してこれを２倍することにより算出することができる。

本発明では、搖動検知角度は、反射部静止状態の遮光部のエッジと検知器の角度差で設定することができる。
すなわち、本発明の光走査装置においては、センサ部の位置を、遮断部の揺動軌跡に沿って、移動可能に配置することにより、検知部が遮断部を検知するときの反射部の角度を変更することができる。

図５に、第１の実施形態の光走査装置においてセンサの位置を変更する例を模式的に示す。図５は、光走査装置を回転軸２の軸周り方向から見た図である。図５（Ａ）は光検知部を有するセンサ部の位置を変更する前の状態を示し、図５（Ｂ）は光検知部を有するセンサ部の位置を変更した後の状態を示す。

図５（Ａ）に示されるように、反射部３及び遮断部４は、回転軸２を中心に＋の方向及び−の方向に周期的に揺動している。そして、反射部３の揺動角が−３０°から＋３０°の揺動角度範囲であるときに、センサ部６の光検知部に入力する光が遮断部４により遮断される。ここで、図５（Ｂ）に示すように、センサ部６を遮断板の揺動軌跡に沿って移動させると、遮断部４による光の遮断が行われる角度が、−４５°から＋１５°の角度範囲に変更される。これにより、センサ部が遮断部を検出する角度を変更することが可能となる。

センサ部の位置の変更は、手動により行ってもよいが、検出したい角度に応じて自動でセンサ部の位置を変更する検出角度調整機構を設けることが好ましい。検出角度調整機構は、例えば、回転軸を中心に回転しセンサを移動させる回転機構と、回転機構を自動で制御するアクチュエータとにより構成することができる。

以上述べたように、図５（Ｂ）の変更例では、反射部３は静止位置を基準にして左右対称であるが、センサの位置が中央からずれており、揺動検知角度が＋側と−側で異なって設定される。
揺動検知角度を＋側と−側で異なるように設定することで、検出信号のパルス幅も＋側と−側で異ならせることができる。このパルス幅検出により、たとえば、制御回路に揺動方向の特定が容易となる。

＜第２の実施形態＞
図６は、センサ部６の照射部からの光を、＋側，−側の何れか一方（本実施形態では、−側）でマスクした実施形態を示す図である。
図６は、反射部が揺動する様子を模式的に示す図である。図６では遮断部４は、扇形をなす遮光部の一方の弦に相当する部位はエッジとして形成されている。
一方の弦に相当する部位は反射部３の表面上に位置しており（扇形は反射部３の表面上で閉じており）、照射部からの光は−側でマスクされる。
図７（Ａ）は、揺動角の経時変化を示すグラフであり、図７（Ｂ）は、検知信号を示すグラフである。図７（Ａ），（Ｂ）からわかるように、検出信号のパルスは＋側に表われ、−側には表われない。
本実施形態では、検出信号のパルスは＋側にしか表われないので、揺動の周期（Ｔ）はこのパルスの間隔を計測することにより検出することができる。

＜第３の実施形態＞
本発明の光走査装置においては、センサ部の数を増やすことにより、検出できる角度を増加させることができる。図８に、複数のセンサ部を設けた第３の実施形態の光走査装置を模式的に示す。図８は、光走査装置を回転軸２の方向から見た図である。

図８に示されるように、反射部３及び遮断部４は、回転軸２を中心に＋の方向及び−の方向に周期的に揺動している。第１のセンサ部６０１は、反射部３の揺動角が−３０°から＋３０°の揺動角度範囲であるときに、遮断部４によりセンサ部の照射部と光検知部との間の光の経路が遮断されて、検知信号がオフ状態となる。したがって、検知信号がオフ状態からオン状態へ変化する時、又は検知信号がオン状態からオフ状態へ変化する時に、反射部３の揺動角は−３０°又は＋３０°である。

ここで、第２のセンサ部６０２の検知信号を参照することにより、揺動角が−３０°と＋３０°のいずれであるかを判別することができる。すなわち、揺動角が−３０°である時には、第２のセンサ部６０２は遮断部４に遮断されて検知信号がオフ状態となっており、揺動角が＋３０°である時には、第２のセンサ部６０２は、遮断部４により遮断されずに検知信号がオン状態となっているので、第２のセンサ部６０２の検知信号により、揺動角が−３０°と＋３０°のいずれであるかを判別することができる。

また、第２のセンサ部６０２は、反射部３の揺動角が−４５°から＋１５°の角度範囲であるときに、遮断部４により遮断されて、検知信号がオフ状態となる。したがって、検知信号が変化する時に、反射部３の揺動角は、−４５°又は＋１５°である。ここで、−４５°と＋１５°の判別は、第１のセンサ部６０１の検知信号により、判別することができる。
以上のように、図８に示されるように、複数の検知器を設けた第３の実施形態によれば、−４５°、−３０°、＋１５°及び＋３０°の４つの角度の検出を行うことができる。

本発明の光走査装置において、センサ部を遮断部の揺動軌跡に沿って複数配置した場合には、反射部が第１の位置にあるとき、遮断部が第１のセンサ部の出力部と検知部の間に位置し、反射部が第２の位置にあるとき、遮断部が第２のセンサ部の出力部と検知部の間に位置するように構成することができる。ここで、例えば、反射部が予め定められた第１の揺動角度範囲にあるとき、遮断部が第１のセンサ部の出力部と検知部の間に位置し、反射部が予め定められた第２の揺動角度範囲にあるとき、遮断部が第２のセンサ部の出力部と検知部との間に位置するように構成した場合には、第１の揺動角度範囲、第２の揺動角度範囲、第１の揺動角度範囲と第２の揺動角度範囲との重複する角度範囲、及び第１の揺動角度範囲にも第２の揺動角度範囲にも属さない角度範囲のいずれの角度範囲に反射部があるかを検出することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
本発明の光走査装置においては、遮断部の数を増やすことにより、検出できる角度の数を増加させることができる。
図９に、複数の遮断部を設けた第４の実施形態の光走査装置を模式的に示す。図９は、光走査装置を回転軸２の方向から見た図である。図９に示されるように、第４の実施形態の光走査装置は、第１の遮断部４０１と第２の遮断部４０２とを有している。第１の遮断部４０１は、−３０°〜＋３０°の角度範囲において、センサ部６によって検知される。そして、第２の４０２は、−５０°よりも−側に揺動した場合に、センサ部６によって検知される。これにより、第４の実施形態の光走査装置は、−５０°、−３０°及び＋３０°の３つの角度を検出することができる。

本発明の光走査装置において、反射部に遮断部を複数設けた場合には、反射部が第１の位置にあるとき、第１の遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間に位置し、反射部が第２の位置にあるとき、第２の遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間に位置するように構成することができる。ここで、例えば、反射部が予め定められた第１の揺動角度範囲にあるとき、第１の遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間に位置し、反射部が予め定められた第２の揺動角度範囲にあるとき、第２の遮断部がセンサ部の出力部と検知部の間に位置するように構成した場合には、第１の揺動角度範囲、第２の揺動角度範囲、第１の揺動角度範囲にも第２の揺動角度範囲にも属さない角度範囲のいずれの角度範囲に反射部があるかを検出することが可能となる。

＜第５の実施形態＞
本発明の光走査装置においては、センサ部の数を複数とするとともに、遮断部の数も複数とし、検出角度の自由度を高めることができる。図１０に、複数のセンサ部と複数の遮断部を設けた第５の実施形態の光走査装置を斜視図により模式的に示す。

図１０に示されるように、反射部３は、回転軸２を中心に＋の方向及び−の方向に周期的に揺動している。反射部３には第１の遮断部４０１と第２の遮断部４０２が設けられている。第１の遮断部４０１は、第１の光検知部を有するセンサ部６０１に近接して、第１の光検知部に入射する光を遮断し、第２の遮断部４０２は、第２の光検知部を有するセンサ部６０２に近接して、第２の光検知部に入射する光を遮断する。

反射部３が＋の角度方向に所定の角度以上傾くと、第１の遮断部４０１が第１の光検知部を有するセンサ部６０１と離隔して、遮断が解除されることにより、第１の光検知部を有するセンサ部６０１の検知信号がオン状態となる。これにより、＋の角度方向の揺動角を検出することができる。第１の光検知部を有するセンサ部６０１は、第１の遮断部の揺動軌跡に沿って移動させることができ、これにより検出する角度を変更させ、＋の角度方向の任意の角度を検出することが可能となる。

反射部３が−の方向に所定の角度以上揺動すると、第２の遮断部４０２が第２の光検知部を有するセンサ部６０２から離れて、検知器内の照射部と光検知部の間の光の経路の遮断が解除されることにより、第２の光検知部を有するセンサ部６０２の検知信号がオン状態となる。これにより、−方向の揺動角度を検出することができる。第２の光検知部を有するセンサ部６０２は、第２の遮断部の揺動軌跡に沿って移動させることができ、これにより検出する角度を変更させ、−方向の任意の角度を検出することが可能となる。
以上のように、図１０に示された第５の実施形態の光走査装置は、反射部３の＋方向及び−方向の任意の揺動角度を検出することができる。

本発明の光走査装置においては、反射部の両側に設けられる軸部と、軸部を回転可能に支持する支持部と、を備え、軸部が回転することにより、反射部が揺動する光走査装置とすることができる。
ここで、「反射部の両側」とは、反射部の回転軸上の２カ所であり、支持部は当該２カ所において軸部を回転可能に支持している。また、「軸部を回転可能に支持する」とは、軸部が順方向から逆方向に回り、そして、逆方向から順方向に回ることによる揺動が可能となるように支持することを意味し、連続して一方向に回ることを意味しない。
ここで、軸部と支持部とは、それぞれ軸と軸受（すべり軸受）とする構成としてもよく、また、軸部と支持部を連結して捻れ運動により揺動する構成としてもよい。軸部と支持部を連結して捻れ運動させる構成とする場合には、軸と軸受けを有する複雑な機構とすることなく、反射部を揺動させることができるので、光走査装置を小型化するために好ましい。

本発明の光走査装置においては、第１の実施形態ないし第５の実施形態のように、遮断部の形状を、軸部と同軸となる反射部の回転軸上の点に対して等距離な弧を少なくとも一部に有する形状とすることができる。この場合には、遮断部を平板状の遮断板とし、遮断板を反射部に対して垂直となるように設けることが好ましい。

ここで、さらに、軸部と同軸となる反射部の回転軸上の点に対して等距離な弧の一部に切り欠きを形成することにより、遮断板によってセンサに入射する光が遮断される角度範囲を自由に設定することができる。

＜第６の実施形態＞
図１１に一部に切り欠きを有する円弧状の遮断板を設けた第６の実施形態の光走査装置を模式的に示す。図１１は、光走査装置を回転軸２の方向から見た図である。図１１に示されるように、半円状の遮断板４において、−５０°から＋５０°の範囲に切り欠きが設けられている。反射板が、−５０°から＋５０°の範囲を揺動している間、センサ部６の照射部と光検知部との間を遮断板が遮断しないため、センサ部６は、遮断板を検知しないことになる。一方で、反射部３が＋の角度方向に５０°以上又は−の角度方向に５０°以上に揺動したときに、センサ部６の光検知部に入射する光が遮断板４によって遮断されるようになり、センサ部６が反射部の揺動角度を検知することができる。

図１１に示された第６の実施形態の光走査装置は、例えば、反射部３が＋方向に５０°以上又は−方向に５０°以上傾斜したときに、光源から光の出射を停止する制御を行うために用いることができる。

反射部３は、＋の方向と−の方向に、周期的に揺動するにあたり、図４（Ｄ）に示されるように、一定の速度で回転しているのではなく正弦波状に駆動しており、揺動角度の絶対値が最大となって回転する方向が反転する端点において、瞬間的に回転が停止する。したがって、端点においては、光源から出射するレーザー光などが一点に集中して照射されることから、人の目等に対する安全面において問題がある。そのため、第６の実施形態の光走査装置を用い、所定の角度以上に反射部が揺動したときに、その揺動角度を検出して、光源からの光の出射を停止すれば、光走査装置の安全性を確保することができる。

本発明の光走査装置においては、遮断部による電磁波の遮断の強さが徐々に変化するような遮断部を用いることができる。

本発明の光走査装置においては、遮断部の形状を、回転軸に対して等距離な弧を複数有する歯車形状とすることができる。

＜第７の実施形態＞
図１２に、歯車形状の遮断部を設けた第７の実施形態の光走査装置を模式的に示す。図１２（Ａ）は、第７の実施形態の光走査装置を回転軸２の方向から見た図である。図１２（Ｂ）は、反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図１２（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）をグラフで示したものであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。

図１２（Ａ）に示されるように、第７の実施形態の光走査装置の遮断部４は、半円形状の遮断板に１０°間隔で切り欠きを形成したものであり、回転軸２の中心に対して等距離な弧を等間隔に複数有する形状となっている。反射部３は、＋方向と−方向に周期的に揺動するが、図１２（Ｂ）に示されるように、揺動角は正弦波状に変化するため、揺動角が０°付近では揺動速度が速く、揺動角が最大角度付近では揺動速度が遅くなっている。

そのため、図１２（Ｃ）に示されるように、揺動角が０°付近では、反射部の揺動速度が速いため、検知部によって遮断板が検知されている時間が短くなるため、検知信号のパルス幅が短くなる。一方で、揺動角度が最大角度付近では、反射部の揺動速度が遅いため、検知部によって遮断板が検知されている時間が長くなるため、検知信号のパルス幅が長くなっている。このパルス幅の違いにより、検知部によって検知されている歯車のどの歯に対応するパルスであるかが判別でき、反射部３の揺動角度を検出することができる。

本発明の光走査装置においては、遮断部を用いて角度検出を行うとともに、遮断部に反射部の反射面の分割機能を持たせることもできる。光走査装置の反射部は、光源からの光を反射して対象となる物体に光を照射するのと同時に、物体からの反射光・散乱光を受光して、これをさらに反射させてセンサにより検知することにより、物体までの距離や形状、方向等を計測するために用いることができる。

ここで、光の照射と受光を同一の反射部を用いて行う場合、意図しない表面拡散反射成分が受光側に混入してしまう可能性があるため、照射光と反射光を分割することが必要となる。本発明の光走査装置においては、反射部において、光の照射を行うための第１の反射領域（照射面）と反射光を受光する第２の反射領域（受光面）と、を遮断板により分割して、反射光の混入を防ぐことができる。

すなわち、本発明の光走査装置においては、走査光を生成する光源を更に備え、反射部は、光源からの走査光を受光し第１領域に向けて反射する第１反射領域と、第１領域から反射されて戻された走査光を受光し第２領域に向けて反射する第２反射領域を備える反射面を有するものとし、遮断部を第１反射領域と第２反射領域との間に配置することができる。

＜第８の実施形態＞
図１３に、遮断部に反射面の分割機能を持たせた第８の実施形態を斜視図により模式的に示す。図１３に示されるように、反射部３には、半円状の遮断部４が設けられており、これにより反射部３の反射面は、光の照射を行うための照射面８と反射光を受光する受光面９に分割されており、意図しない表面拡散反射による反射光の混入が防がれている。

遮断部４には、切り欠き１００１，１００２が設けられており、この切り欠きがセンサ部６の照射部が発する光の経路上に位置すると、センサ部の照射部と検知部の間の遮断が解除されて、検知信号が発生し、これにより反射部の角度を検出できるようになっている。また、検知方法は、これに限定されるものではなく、センサ部の照射部と検知部との間に遮断部が位置するときに検知信号を発生するようにしてもよい。

＜第９の実施形態＞
本発明の光走査装置においては、遮断部を平板状の遮断板とし、反射部を揺動させる軸部の軸方向に対して遮断板を略平行に設けることもできる。
図１４は、遮断板を回転軸の軸方向に対して平行に設けた第９の実施形態を斜視図により模式的に示す。図１４に示されるように、反射部３には、幅の短い遮断板４が回転軸２と平行に設けられている。遮断板４は、反射部３の回転とともに、回転軸２の周りを円周方向に移動し、センサ部６の光検知部５の前を通過するようになっている。遮断板４がセンサ部６内の照射部と光検知部５との間を通過することにより、光検知部５に入射される光が遮断されて、反射部３の揺動角度を検出できる。

図１５は、検知ノイズを除去する説明図である。図１５（Ａ）はヒステリシスを持たせない場合のセンサ部からの信号（ノイズ成分が重畳された信号）及び閾値判別による角度検知信号を示す波形図、図１５（Ｂ）はヒステリシスを持たせた場合のセンサ部からの信号（ノイズ成分が重畳された信号）及び閾値判別による角度検知信号を示す波形図である。

ヒステリシスを持たせないで信号検知をする場合、すなわち図１５（Ａ）の波形図（遮光板からの信号）に示すように１つの閾値を使用する場合には、センサ部からの信号が閾値付近で揺らぐと角度検知信号が細かく変動するため、同図の角度検知信号（マイコン判別値）に示すように角度検知信号にノイズが多発する。

これに対して、図１５（Ｂ）の波形図（遮光板からの信号）に示すように、ヒステリシスを持たせて信号検知をする場合、すなわちＨ閾値（ＯＮ閾値）とＬ閾値（ＯＦＦ閾値）の２つの閾値を使用する場合には、２つの閾値をまたいで変化した場合にのみ角度検知信号のＯＮとＯＦＦが切り替わるため、同図に示すようにノイズが除去される。

２．角度検出方法
本発明の反射部の角度検出方法は、揺動する反射部に連動して遮断部を揺動させ、センサ部により遮断部が所定の揺動角にあることを検知することで、反射部の揺動角度を検出する角度検出方法であり、センサ部は、検知対象を出力する出力部と検知対象を検知する検知部との間の検知対象の進路が、遮断部により遮断されたか否かを検知することで、反射部の揺動角度を検出する方法を提供する。

本発明の角度検出方法は、前記１．に記載した様々なバリエーションの光走査装置を用いることができ、前記１．に記載した原理により、反射部の角度を検出することができる。

本発明の角度検出方法において、遮断部として、反射部の回転軸上の点に対して等距離な弧を有する形状の遮断板を使用した場合には、反射部を回転軸を中心に周期的に揺動させて、検知部に入射する検出対象が遮断部で遮断されることにより検知部により検知対象が検知されないオフ状態と、遮断が解除されることにより検知部により検知対象が検知されるオン状態とを含むパルスとして、検出対象をセンサ部により検知し、パルスの幅、周波数、及び遮断部の形状等に基づき、反射部の最大振れ角を検出することができる。

より詳細に説明すると、遮断部として、反射部の回転軸上の点に対して等距離な弧を有する形状の遮断部を使用し、反射部を回転軸を中心に周期的に揺動させた場合には、図４に示されるような、パルス幅の値（ｔ）と揺動の周期の値（Ｔ）を得ることができる。ここで、揺動の周波数ｆは、ｆ＝１／Ｔ（Ｈｚ）として求めることができる。そして、反射部静止状態の遮光部のエッジと検知器の角度差をθとすると、反射部の最大振れ角αは、α＝２θ／ｃｏｓ（２πｆ（ｔ／２））により算出することができる。

図４は、遮断部が左右対称に揺動する場合を示しているが、遮断部が左右非対称に揺動する場合の検知信号の検出を図１６に示す。
図１６（Ａ）は、反射部が揺動する様子を模式的に示す図面である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のように揺動する反射部の揺動角の経時変化をグラフで示したものであり、縦軸は揺動角を示し、横軸は時間を示す。図１６（Ｃ）は、センサ部によって検知される信号（検知信号）を示すグラフであり、縦軸は検知信号の強度を示し、横軸は時間を示す。

図１６（Ａ）に示されるように、遮断部４は、反射部３の法線を含む面に対して対象ではなく、遮断部４の内側のエッジは初期取り付け角度で０°の位置にあり、遮断部４の外側のエッジは初期取り付け角度で２０°の位置にある。そして、反射部静止状態の遮光部４のエッジと検知器の角度差は２０°である。
反射部３及びそれに取り付けられた遮断部４は、図１６（Ａ）に示されるように揺動し、揺動角の時間変化のグラフは、図１６（Ｂ）に示されるような正弦波となる。図１６（Ｂ）の正弦波の上下の幅（９０°）が、反射部の振れ角の大きさを示しているが、次に説明するように、反射部の振れ角の大きさは、検知信号を計測することにより算出することができる。

図１６（Ａ）に示されるように、遮断部４が＋の方向に揺動を始めた直後から、センサ部６の遮断が解除され、再び揺動角が０°に戻るまで遮断が解除された状態が継続するため、図１６（Ｃ）に示されるように、検知信号がｔの時間にわたり検出される。
そして、図１６（Ａ）に示されるように、遮断部４が−の方向に揺動を始めると、センサ部６は遮断部４によって遮断され、揺動角が−２０°となるまで遮断された状態が継続する。そして、揺動角が−２０°よりも−側に大きくなり、折り返して再び−２０°に戻るまで、遮断が解除された状態が継続する。このため、図１６（Ｃ）に示されるように、検知信号がｄの時間にわたり検出される。
揺動の周期は、対応する検知信号の間隔（Ｔ）として計測することができる。

検知信号から計測できるｔ、ｄ及びＴと、遮断部の形状及び取り付け角度から計測できるθ２及びθｄを用い、次の演算式により、振れ角と振れ角中心ずれを算出することができる。

（式中、Ｔは反射部の揺動周期を表し、θ２は遮断部の２つのエッジの角度差を表し、ｔは遮断部が＋の方向に揺動したときに検知したパルスの時間幅を表し、ｄは遮断部が−の方向に揺動したときに検知したパルスの時間幅を表し、θｄは遮断板の内側のエッジの初期取り付け角度を表す。）
上記式中、三角関数の計算等、制御部の負担が大きい場合は、適宜、近似式を用いることができる。
本発明の角度検出方法において、遮断部として、反射部の回転軸上の点に対して等距離な弧を複数有する歯車形状の遮断板を使用した場合には、
反射部を回転軸を中心に周期的に揺動させて、
検知部に入射する検知対象が遮断部で遮断されることにより検知部により検知対象が検知されないオフ状態と、遮断が解除されることにより検知部により検知対象が検知されるオン状態とを含むパルスとして、検知対象をセンサ部により検知し、
パルスの幅に基づき、反射部の揺動角度を検出することができる。

より詳細に説明すると、遮断部として、回転軸の中心に対して等距離な弧を複数有する歯車形状の遮断部を使用し、反射部を回転軸を中心に周期的に揺動させた場合には、図１２に示されるような、検知信号を得ることができる。ここで、歯車の歯の幅を全く同一としても、それぞれの歯車の歯に対応するパルスの幅は、歯車の歯の位置する角度によって異なることから、パルスの幅により、歯車のどの歯に対応するパルスであるかが判別でき、反射部３の揺動角を検出することができる。

本発明の光走査装置及び角度検出方法は、光を走査して対象となる物体の距離、形状等を把握する装置や、光を走査することにより画像を形成する装置等を製造する電子産業において有用である。

１ 光走査装置
２ 回転軸
３ 反射部
４，４０１，４０２ 遮断部，遮断板
５ 検知部，光検知部
６，６０１，６０２ センサ部
７ 出力部，照射部
８ 照射面
９ 受光面
１００１，１００２ 切り欠き

Claims (14)

1. 搖動可能な反射部と、
   前記反射部に設けられ、前記反射部と連動する遮断部と、
   検知対象を出力する出力部と、前記検知対象を検知する検知部と、を有するセンサ部と、を備え、
   前記遮断部は、前記反射部が所定の揺動角度にあるとき、前記出力部と前記検知部との間の前記検知対象の進路を遮断する、
   光走査装置。
2. 前記検知対象は光であり、
   前記出力部は、前記光を照射する照射部であり、
   前記検知部は、前記照射部から照射された前記光を検知する光検知部である、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記センサ部は、前記遮断部の搖動軌跡に沿って、移動可能に配置される、請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記反射部の両側に設けられる軸部と、
   前記軸部を回転可能に支持する支持部と、を備え、
   前記軸部が回転することにより、前記反射部が搖動する、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記遮断部は、前記軸部と同軸となる前記反射部の回転軸上の点から等距離な弧を少なくとも一部に有する、請求項４に記載の光走査装置。
6. 前記遮断部は、平板状であり、前記反射部を揺動させる前記軸部の軸方向と略平行に配置される、請求項４又は請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記遮断部は、前記反射部に複数設けられ、前記反射部が第１の位置にあるとき、第１の遮断部が、前記センサ部の前記出力部と前記検知部の間に位置し、前記反射部が第２の位置にあるとき、第２の遮断部が、前記センサ部の出力部と前記検知部の間に位置する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記センサ部は、前記遮断部の搖動軌跡に沿って、複数配置され、前記反射部が第１の位置にあるとき、前記遮断部は、第１のセンサ部の前記出力部と前記検知部の間に位置し、前記反射部が第２の位置にあるとき、前記遮断部は、第２のセンサ部の前記出力部と前記検知部との間に位置する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光走査装置。
9. 走査光を生成する光源を更に備え、
   前記反射部は、前記光源からの走査光を受光し第１領域に向けて反射する第１反射領域と、前記第１領域から反射されて戻された走査光を受光し第２領域に向けて反射する第２反射領域とを備える反射面を有し、
   前記遮断部は、前記第１反射領域と前記第２反射領域との間に配置される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光走査装置。
10. 前記遮断部が、前記反射部の反射面又は前記反射面に対する裏面にて、前記反射部と一体に形成される、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の光走査装置。
11. 前記反射部と前記遮断部とを連結する連結部を更に備える、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の光走査装置。
12. 前記反射部に対する揺動周期、
    前記遮断部の形状、及び
    前記センサが検出する遮断部の検知情報、
    に基づき、前記反射部の振れ角及び振れ角中心ずれを特定する制御部を更に備える、
    請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光走査装置。
13. 前記制御部は、次式に基づき前記振れ角及び前記振れ角中心ずれを特定する、
    請求項１２に記載の光走査装置。
    
    （式中、Ｔは前記反射部の揺動周期を表し、θ２は前記遮断部の２つのエッジの角度差を表し、ｔは前記遮断部が＋の方向に揺動したときに検知したパルスの時間幅を表し、ｄは前記遮断部が−の方向に揺動したときに検知したパルスの時間幅を表し、θｄは遮断板の内側のエッジの初期取り付け角度を表す。）
14. 搖動する反射部に連動して遮断部を揺動させ、
    センサ部により前記遮断部が所定の揺動角にあることを検知することで、前記反射部の揺動角度を検出する角度検出方法であって、
    前記センサ部は、検知対象を出力する出力部と前記検知対象を検知する検知部との間の前記検知対象の進路が、前記遮断部により遮断されたか否かを検知することで前記揺動角度を検出する、ことを特徴とする角度検出方法。