JP2674777B2

JP2674777B2 - 光ビーム走査用スキャナー

Info

Publication number: JP2674777B2
Application number: JP63094013A
Authority: JP
Inventors: 有貴依藤; 慎太郎山本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH01265221A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は、測距光学系用の光ビーム走査用スキャナー
に関するものである。

［背景技術］第15図は従来の光ビームスキャン型測距方式の構成図
を示し、投光系１は、半導体レーザまたはLED等を光源
とし、投光レンズを通して光を細く絞って投光するもの
である。投光系１からの光を回転しながら反射させる走
査スキャナー２′は、ポリゴンミラー又はガルバノミラ
ーで構成されており、測距対象物３の表面に直線上に走
査し、その反射光を受光レンズ４とPSD（半導体位置検
出素子）５で受光する。

測距原理は第16図に示すように、光学的三角測距であ
り、物体がＡにある時の結像点はPSD5上のａであり、Ｂ
のときはｂ、Ｃのときはｃとなり、PSD5でa,b,cを検出
すれば物体までの距離がわかる。このビームが紙面垂直
方向に走査しているので、走査スキャナー２′のミラー
の振り角θと、PSD5の出力より２次元変位が測定できる
ことになる。

PSD（半導体位置検出素子）５は、光の位置を検出す
る受光素子であり、その構造を第17図に、等価回路を第
18図に夫々示す。図示するようにPSD5はpin構造のフォ
トダイオードに属する両端に出力電極5₁,5₂を持つ光起
電力素子である。いま、表面に光スポットが照射される
と、高抵抗のｐ層が光の輝度重心位置と、両端電極まで
の距離に逆比例して分割され、光点位置ΔｘはPSD5の長
さをＬとすると、次式で示される。

したがって、，式より、となる。

光をスポットする装置としては、普通、ポリゴンミラ
ーやガルバノミラーが用いられる。前者は、６ないし12
面の多面鏡をモータで回転させるために、高速で又スキ
ャン角を大きくできるので、広く用いられている。しか
しながら、多面鏡を精度良く作るのは非常にコストがか
かり高価となる。また、モータにより多面鏡を回転させ
るため、モータの軸受寿命にも限度がある。また、形状
も大きいので、FA用光センサのスキャナーに使用するに
は無理がある。後者は、一対の永久磁石のステータとロ
ータを持ち、ロータの回転角を制御する一対の制御コイ
ルからなるもので、ポリゴンミラーよりは低コストであ
るが、前者と同じように軸受等の摺動部を持つため、寿
命はポリゴンミラーと同程度である。また、形状はポリ
ゴンミラーに比べて小さいが、寿命、価格の面でFA用光
センサのスキャナーに使用するには無理があった。

もう１つの大きな問題点として、両者に共通すること
は、ポリゴンミラーやガルバノミラーで走査された光ビ
ームは、理想的には走査方向にのみ動くはずだが、実際
には軸受け部の精度により走査方向に直角のぶれ（Wobb
le）がある。このぶれは、角度にして数秒〜数十秒程度
の小さいものではあるが、本測距光学系には大きな測距
誤差の原因となる。具体的には第19図のごとくである。
同図において、走査スキャナー２′と反射面との間の距
離を150mmとし、前記ぶれ角が20秒とした場合に、測距
誤差をΔＲとし、反射角を10゜、θ≒10゜とし、測距誤
差は次式のようにして求められる。

Δｌ＝150×tan20″ θ≒10゜このように、ぶれがわずか20秒発生したとしても、同
図に示す光学系では、82μｍもの測距誤差が生じてしま
い、測距精度の向上に大きな妨げとなる。

［発明の目的］本発明は、上述の点に鑑みて提供したものであって、
小型で安価なぶれが小さく、ポリゴンミラーやガルバノ
ミラーのような摺動部がない長寿命の光ビーム走査用ス
キャナーを提供することを目的としたものである。

［発明の開示］（構成）本発明は、投光ビームを反射させて走査光を作る反射
手段を一端側に設けた可動部材と、一端を上記可動部材
に固定すると共に、他端が剛体に支持された板バネと、
該バネの平面と略直交する方向に板バネをたわませて上
記可動部材を回動させるコイルとを具備することによ
り、コイルにより板バネをたわませて可動部材に設けた
反射手段を回動させて、投光ビームを反射させて走査光
を作るようにし、また、上記板バネとコイルと可動部材
とを一体に埋設成形することにより、可動部分を軽量に
して高速動作を可能にし、また、特性のバラツキを抑え
るようにしたことを特徴とするものである。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面により説明する。第１図
乃至第３図において、剛体は２つのＥ字型のヨーク6,6
で構成され、ヨーク６の鉄心6aは、断面を略口字型にし
たコイル７の内部に遊嵌している。そして、コイル７は
鉄心6aの突出方向に移動自在としてある。ヨーク６の両
側の突き合わせ部に弾性を有する板バネ９の下部が支持
され、板バネ９をヨーク６でもって固定している。ヨー
ク６の突き合わせ面と平行に可動部材であるハンガー10
が配置される。ここで、第１図及び第２図に示すよう
に、コイル７の上部と板バネ９の上部とがハンガー10に
一体埋設に成形されるものであり、ハンガー10の両側の
下面より板バネ９を垂設した形としている。また、ハン
ガー10の一端部には上端より垂設して側方に突出した載
置片15が一体に形成されており、この載置片15の上面に
一体成形後に反射手段を構成する反射ミラー11が貼着さ
れて、一体化したハンガーブロックＡが構成される。板
バネ９の下端部は上述したように、ヨーク６の突き合わ
せ部で支持されることになる。

ところで、コイル７と、板バネ９と、ハンガー10とを
一体埋設に成形しているのは次のような理由による。す
なわち、ハンガーブロックＡの組立時に板バネをハンガ
ーにかしめた上で接着し、さらにボビンレスとせずにコ
イルを巻装したコイルボビンをハンガーに接着するため
に、組立精度によってスキャナーの特性にバラツキが出
ることが多い。また、ハンガーに板バネをかしめるため
に、ハンガー材料として、可動部を少しでも軽量にする
ために、金属であるアルミを用いており、さらに、コイ
ルボビンを使用し、ハンガーに接着するため、可動部が
重くなり、高速動作の妨げになるからである。

上記の理由でハンガーブロックＡを一体に埋設成形し
ているものである。そして、コイル７のリード線7aは第
１図及び第２図に示すように、ハンガー10の中央片10a
より直接引き出した形で成形している。

ヨーク６の開口部6b内には永久磁石12が配置されてい
る。ここで、コイル７が励磁されると鉄心6aは固定され
ているために、コイル７が移動することでハンガー10が
板バネ９を軸として回転するものであり、第６図中の矢
印のように円弧運動をする。従って、反射ミラー11がそ
の円弧運動に伴って同じ運動をし、光ビームを反射させ
て走査光を作るようになっている。そして、ぶれ（Wobb
le）を小さくするために、ハンガー10が回転する時にた
わむ板バネ９のたわみ部9aは、その長さ寸法ｙよりも幅
寸法ｘの方が長くなるように設定してある。本実施例で
は1.5倍程度としている。このように設計された２枚の
板バネ９でハンガー10は支えられている。尚、反射ミラ
ー11は第15図の走査スキャナー２′に相当し、ハンガー
10の円弧運動によって、光ビームはスキャンされる。
尚、永久磁石12は第４図に示すように磁極は対向するよ
うに配置してあり、図ではＮ極が対向しているが、Ｓ極
が対向するように配置してもよい。

次に、スキャナーの動作原理を説明する。第４図に示
すように、永久磁石12とヨーク６により磁路が形成され
ている。尚、図中の破線の矢印は磁束の流れを示してい
る。そして、そのとき、磁気ギャップｇには第５図の矢
印に示すように磁束が流れている。そこで、第５図の破
線の矢印のようにコイル７に電流を流すと、フレミング
の左手の法則に従って、コイル７には紙面手前から奥に
向かう力が働く。コイル７の電流を逆にしてやれば、磁
束の向きは一定なので、コイル７には紙面奥から手前に
向かう力が働く。このようにコイル７に流す電流の方向
をある周期で、サインカーブ状、あるいは三角波状、あ
るいは矩形波状等に変化させてやれば、コイル７にはそ
の電流波形に比例した力が働く。その力の大きさはｆ＝
IBlの法則に従う。

ｎターン巻かれているコイル７の場合、長さｌの電線
が磁束密度Ｂの磁界中にｎ本存在することになり、それ
ぞれの電線には電流Ｉが流れることになるので、ｆ＝nI
Blとなる。さらに、本実施例の構造では、永久磁石12a
による磁気ギャップｇ及び永久磁石12bによる磁気ギャ
ップｇでそれぞれの磁束密度が同じなので、コイル７に
加わる力は次式のように前述の式の２倍となる。

ｆ＝2nIBl ここで、n:コイル７巻数（ターン） I:コイル電流（Ａ） B:ギャップｇの磁束密度（Wb/m²） l:磁界を直交する導体の有効長さ（ｍ） f:コイル７（コイルボビン８）に加わる力（Ｎ）以上の力がコイル７に加わると、第６図に示すよう
に、コイル７はハンガー10を介して板バネ９でヨーク６
に固定されているので、コイル７は真横に動くことはで
きず、ハンガー10の支持点ｐと板バネ９の固定点ｑとの
間に存在する回転軸を中心に図中の矢印の如く回転する
ことになる。故にハンガー10に固定されている反射ミラ
ー11は、コイルボビン８と同方向に円弧運動をする。こ
れによりスキャナーを構成することができる。

第７図及び第８図はスキャナーの動作状態を示し、第
７図はスキャナーの静止状態の光ビームの反射光の方向
を示し、第８図はスキャナーの回転状態の反射光を示し
ている。尚、図中のδは、スキャナーが回動したとき
に、その回動角に応じたスキャン角を示している。ここ
で、第８図のＳ点は回転中心を示している。また、コイ
ルボビン８が動いたときに、コイル７が磁界中を外れる
ことがないように、永久磁石12の長さは余裕を持って設
計してある。更に、ハンガー10、反射ミラー11、コイル
７等の可動部であるハンガーブロックＡの質量は、でき
るだけ軽量にする方が、スキャナーの応答性を上げるの
に有利である。そのために本実施例では、ボビンレスの
コイル７で構成しているものである。また、本実施例に
おいて、２枚の板バネ９間の距離を長くとるほど、ぶれ
（Wobble）が小さくなる結果が得られることは言うまで
もない。

ところで、第９図は上記のスキャナーをヘッドケース
13内に組み込んだ状態を示し、ヘッドケース13内にはス
キャナーの他に、受光レンズ４、PSD5及びPSD5出力を演
算処理する電子回路部14等が配置してある。そして、ス
キャナーは上述のように反射ミラー11をハンガー10の端
部に配置しているため、ヘッドケース13内に組み込む際
に、基線長をできるだけ長く取って、スキャナーをヘッ
ドケース13内にすっきりと納めることができて、組み込
みやすい構造としている。

また、反射ミラー11の反射面をハンガー10の回転中心
軸上に配置させても良い。すなわち、回転の中心が反射
ミラー11の下方にあると、反射ミラー11が大きく円弧運
動をするため、投光ビームが反射ミラー11に当たる位置
が動くことになる。そのため、反射ミラー11の反射面積
は大きいものが必要となる。そのため、反射ミラー11の
表面の位置は、ハンガー10の回転中心軸１と一致させて
おり、第10図に示すように、反射ミラー11が回転して
も、反射ミラー11が回転中心軸にあるために、入射光は
反射ミラー11のほぼ同一面に当たるため、反射ミラー11
の反射面積を小さくすることができる。従って、反射ミ
ラー11を小さくすることができて、全体を軽量化するこ
とができるものである。尚、反射ミラー11がαの角度で
回転すると、反射光は２αの角度で反射する。

第11図及び第12図はハンガー10の中央片10aの上面に
コイル７のリード線7aを引き出す引き出し部16を形成し
た実施例を示し、この引き出し部16は蛇腹状に軟質ゴム
または樹脂をハンガー10と同時成形して形成したもので
ある。この引き出し部16によりリード線7aの屈曲による
断線の防止を図っている。

第13図及び第14図は引き出し部16の他の実施例を示
し、ハンガー10より引き出したリード線7aを引き出し方
向に折り返した上で、シリコン等の軟質性樹脂で固めて
引き出し部16を形成したものである。従って、引き出し
部16内でリード線7aを折り返していることで、リード線
7aの屈曲及び引っ張りによる断線防止を図っている。

かかる引き出し部16により、可動部から引き出されて
いるリード線7aの屈曲や引っ張りによる線切れを防止で
きるものである。

［発明の効果］本発明は上述のように、投光ビームを反射させて走査
光を作る反射手段を一端側に設けた可動部材と、一端を
上記可動部材に固定すると共に、他端が剛体に支持され
た板バネと、該板バネの平面と略直交する方向に板バネ
をたわませて上記可動部材を回動させるコイルとを具備
したものであるから、コイルにより板バネをたわませて
可動部材に設けた反射手段を回動させて、投光ビームを
反射させて走査光を作るようにすることができ、そのた
め、構造が簡単で、且つ小型で安価なぶれの小さいスキ
ャナーを提供でき、また、従来のように、ポリゴンミラ
ー、ガルバノミラーのような摺動部がないため、長寿命
とすることができる効果を奏するものである。また、上
記板バネとコイルと可動部材とを一体に埋設成形してお
り、コイルボビン等を用いていないことから、スキャナ
ーの可動部が軽量になり、高速動作が可能になり、ま
た、コイル、ハンガー、板バネ等をかしめや接着等で組
み立てているのではなく一体に埋設成形しているから、
組立時のバラツキが発生する部分が減るので、スキャナ
ーの特性バラツキが抑えられるという効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のハンガーブロックの斜視図、
第２図は同上の正面図、第３図は同上のスキャナーの斜
視図、第４図は同上の平面図、第５図及び第６図は同上
の動作説明図、第７図及び第８図は同上の動作説明図、
第９図は同上の配置構成図、第10図は同上の動作説明
図、第11図は同上の引き出し部を示しハンガーブロック
の斜視図、第12図は同上の正面図、第13図は同上の引き
出し部の他の実施例を示すハンガーブロックの斜視図、
第14図は同上の正面図、第15図は従来例のビームスキャ
ン型測距方式を示す構成図、第16図は同上の動作説明
図、第17図はPSDの構造を示す図、第18図は同上の等価
回路図、第19図は従来例のぶれによる測距誤差を説明す
る動作説明図である。７はコイル、7aはリード線、９は板バネ、10はハンガ
ー、11は反射ミラー、16は引き出し部である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投光ビームを反射させて走査光を作る反射
手段を一端側に設けた可動部材と、一端を上記可動部材
に固定すると共に、他端が剛体に支持された板バネと、
該板バネの平面と略直交する方向に板バネをたわませて
上記可動部材を回動させるコイルとを具備し、上記板バ
ネとコイルと可動部材とを一体に埋設成形して成る光ビ
ーム走査用スキャナー。
【請求項２】上記可動部材の回動中心軸上に配置される
反射面を上記反射手段に設けた請求項１記載の光ビーム
走査用スキャナー。