JP2995835B2 - エリア光電センサ - Google Patents

エリア光電センサ

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JP2995835B2
JP2995835B2 JP26468590A JP26468590A JP2995835B2 JP 2995835 B2 JP2995835 B2 JP 2995835B2 JP 26468590 A JP26468590 A JP 26468590A JP 26468590 A JP26468590 A JP 26468590A JP 2995835 B2 JP2995835 B2 JP 2995835B2
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  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、2次元の検知領域を有するエリア光電セン
サに関する。
[背景技術とその問題点] 第5図に示すものは、一軸型の1次元光センサ40であ
り、正多角形状をしたポリゴンミラー41の外周面にはミ
ラー面41a,41a,…が形成されており、ポリゴンミラー41
はドライバ回路45で制御された直流サーボモータ42によ
って一定角速度で回転させられている。そして、半導体
レーザ装置46から出射されたレーザビームαは結像レン
ズ43によって集光され、ポリゴンミラー41のミラー面41
aに照射される。そして、ポリゴンミラー41のミラー面4
1aで反射されたレーザビームαは、被検出物47の表面に
照射される。ここでポリゴンミラー41が一定角速度で回
転していると、レーザビームαを照射されているミラー
面41aの角度が変化するので、ポリゴンミラー41で反射
されたレーザビームαの出射方向が変化し、レーザビー
ムαで被検出物47の表面が走査され、被検出物47の表面
のバーコード44等が読み取られる。
この1次元光センサ40では、ポリゴンミラー41によっ
て光ビームを直線状にスキャンしているので、1次元の
検知領域しか持たず、2次元の領域を検知することがで
きなかった。
これに対し、第6図に示す従来例の2次元光センサ50
では2次元の検知領域を有している。これは、照明源51
によって被検出物54を照明し、カメラレンズ等の光学系
52を通してCCDのようなアレイ型の2次元受光素子53で
被検出物54の反射光55を受光させ、被検出物54の2次元
領域を検知している。
しかしながら、このような2次元光センサ50にあって
は、広い領域を検知させるためには、カメラレンズのよ
うに大きな光学系を必要とするため、センサ全体として
の小型化に限界があった。また、CCDのような2次元受
光素子自体の価格が高価であるうえ、その信号処理回路
も複雑であるため、コストがかなり高価についていた。
本発明は、叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、新規な原理に基づく
小型で安価なエリア光電センサを提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明のエリア光電センサは、ねじれ変形モードと曲
げ変形モードの2つの弾性変形モードを有する弾性変形
部と、弾性変形部の一端に設けられた加振部と、前記弾
性変形部の各弾性変形モードに対する共振周波数の振動
を加振部に付与するための駆動源と、弾性変形部の他端
に設けられ、加振部に振動が印加された時に少なくとも
いずれかの弾性変形モードで弾性変形部を弾性振動させ
るように配置され、弾性変形部の弾性振動によってねじ
れ方向と曲げ方向とに回動できるようになったスキャン
部と、スキャン部に設けられた発光素子と、発光素子か
ら出射され被検出物で反射された反射光を検出する受光
素子とからなることを特徴としている。
[作用] 弾性変形部の2つの弾性変形モードに対する共振周波
数の振動を加振部に加えると、弾性変形部が両弾性変形
モードで弾性振動し、スキャン部がねじれ方向と曲げ方
向で同時に回動する。このため、スキャン部に設けられ
た発光素子から光ビームを出射させていると、光ビーム
は被検出物の表面の2次元領域でスキャンされる。した
がって、この反射光を受光素子で受光すれば2次元の領
域の様子を検出することができる。
また、スキャン部、弾性変形部及び加振部は、プレー
ト状に形成することができ、駆動源としては圧電振動子
のような小型のアクチュエータを使用することができる
ので、エリア光電センサを超小形化することができる。
しかも、構造も簡略であるので、製作コストや組立て調
整コスト等も安価となり、低コストでエリア光電センサ
を製作できる。
さらに、駆動源によって加振部の振幅を変化させれ
ば、弾性変形部における弾性振動の振幅(スキャン部の
回動角)を変化させることができ、容易に光ビームのス
キャン領域ないし検知領域を変化させることもできる。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を添付図に基づいて詳述す
る。
第1図(a)(b)に本発明の一実施例を示す。この
エリア光電センサ1は、薄板状のプレート7と、圧電振
動子や磁歪振動子等の微小振動を発生する小形の駆動源
6と、フォトインタラプタ16とから構成されている。プ
レート7は、長い細幅の弾性変形部2の下端に、駆動源
6から振動を印加させるための加振部5が一体に設けら
れ、弾性変形部2の上端にスキャン部3が一体に設けら
れている。ここで、弾性変形部2は、第1図(a)に示
すように軸心Pの回りにねじれ変形するねじれ変形モー
ドと、第1図(b)に示すように軸心Pに沿って曲げ変
形する曲げ変形モードが可能になっており、ねじれ変形
モードの弾性振動についてはfTの共振周波数を有し、曲
げ変形モードの弾性振動についてはfBの共振周波数を有
している。スキャン部3は、弾性変形部2の軸心Pに関
してアンバランスな形状に形成されており、弾性変形部
2の軸心Pから離れた部分にウエイト部8が形成されて
いる。したがって、スキャン部3の重心は、弾性変形部
2の軸心Pから外れた位置にあり、さらに、弾性変形部
2の上端よりも上方に位置している。また、スキャン部
3の表面には、発光ダイオード(LED)等の発光素子4a
とフォトダイオード等の受光素子15aとレンズ系とから
なるフォトインタラプタ16が取り付けられている。加振
部5は、圧電振動子等の駆動源6に接着もしくは接合さ
れて駆動源6に固定されており、スキャン部3は弾性変
形部2によってフリーに支持されている。
加振部5へ高周波振動(例えば、数100Hz)を加える
圧電振動子等の駆動源6は、駆動回路によって制御され
ており、ねじれ変形モードの共振周波数fT及び曲げ変形
モードの共振周波数fBの振動を励起される。第3図に示
すものは、この駆動回路9の一例であり、ねじれ変形モ
ードの共振周波数fTと一致する周波数の電圧信号を出力
し続けている発振器10と、発振器10から出力されている
電圧信号を増幅する増幅器11と、曲げ変形モードの共振
周波数fBと一致する周波数の電圧信号を出力し続けてい
る発振器12と、この発振器12から出力されている電圧信
号を増幅する増幅器13と、両増幅器11,13から出力され
た周波数fTの電圧信号と周波数fBの電圧信号を重畳させ
て出力するミキシング回路14とから構成されている。
しかして、本発明に係るエリア光電センサ1は、上述
のように構成されているので、駆動回路9によって駆動
源6を振動させ、この振動を加振部5に印加させて往復
振動させると、スキャン部3に慣性力が作用し、この慣
性力によって弾性変形部2は、慣性力の加わった方向に
弾性変形し振動する。しかも、加振部5に印加される駆
動周波数fの成分が、弾性変形部2のばね剛性や慣性モ
ーメントの値、プレート7の形状等から決まるねじれ変
形モードの共振周波数fTまたは曲げ変形モードの共振周
波数fBに一致すると、当該モードの弾性振動が弾性変形
部2で増幅され、スキャン部3が大きな回動角で駆動さ
れる。すなわち、駆動周波数f(成分)とスキャン部3
のねじれ変形モードの回動角θまたは曲げ変形モード
の回動角θとの関係は、例えば第2図に示すようにな
る。第2図は、2つの共振周波数がfT<fBの場合におけ
る、駆動源6の駆動周波数fとスキャン部3の回動角と
の関係を示しており、横軸が駆動周波数f、縦軸がスキ
ャン部3のねじれ変形モードの回動角θまたは曲げ変
形モードの回動角θを示している。このようにねじれ
変形モードにおける回動角θは、駆動周波数fがfT
等しい時に最大となり、その両側では急激に減衰する。
一方、曲げ変形モードにおける回動角θは、駆動周波
数fがfBに等しい時に最大となり、その両側で急激に減
衰する。したがって、圧電振動子のように微小振動しか
行えないような駆動源6であっても、各弾性変形モード
の共振周波数と等しい周波数で駆動させることにより、
スキャン部3を大きな角度で回動させることができる。
よって、加振部5に印加される電圧にねじれ変形モー
ドの共振周波数fTが含まれていると、弾性変形部2でね
じれ変形モードの振動が増幅され、スキャン部3は第1
図(a)に示すようにθの回動角で軸心Pの回りに回
動させられる。したがって、発光素子4aから光ビームα
を出射させれば、光ビームαは被検出物17の表面でx方
向にスキャンされ、被検出物17の表面で反射された光ビ
ームαは受光素子15aで検出される。
また、加振部5に印加される電圧に曲げ変形モードの
共振周波数fBが含まれていると、弾性変形部2で曲げ変
形モードの振動が増幅され、スキャン部3は第1図
(b)に示すようにθの回動角で軸心とPと直交する
方向Qの回りに回動させられる。したがって、発光素子
4aから光ビームαが出射されていると、この光ビームα
が被検出物17の表面でY方向にスキャンされ、反射され
た光ビームαは受光素子15aで検出される。
従って、駆動源6により、ねじれ変形モードの共振周
波数fTをもつ振動と曲げ変形モードの共振周波数fBをも
つ振動とを重ね合わせた振動モードで加振部5を振動さ
せると、弾性変形部2でねじれ変形モードと曲げ変形モ
ードの両振動が増幅され、スキャン部3では軸心P回り
の回動角θの振動とQ方向の回りの回転角θの振動
とが合成され、発光素子4aから出射された光ビームαは
被検出物17の表面の2次元領域をスキャンされ、受光素
子15aによって被検出物17の2次元領域の様子が検出さ
れる。
また、駆動源6に印加する電圧を調整することにより
加振部5の振幅を変化させると、スキャン部3の回動角
θもしくはθを制御させることができる。すなわ
ち、第2図の破線で示した曲線は、実線で示した曲線よ
りも大きな振幅で加振部5を振動させた場合であり、加
振部5の振幅が大きくなると、スキャン部3の回動角θ
Tも増大する。
第4図(a)(b)の示すものは本発明の別な実施例
であって、プレート7のスキャン部3の表面には発光ダ
イオード(LED)や半導体レーザ等の発光素子4bが取り
付けられており、プレート7の基部、例えば加振部5に
は多分割の受光素子15bが取り付けられている。この実
施例では、発光素子4bから光ビームαを出射させながら
スキャン部3を駆動することにより、被検出物17の表面
に光ビームαを2次元的にスキャンさせることができ、
被検出部17で反射された光ビームαを受光素子15bで検
出させ、2次元のエリア測定を可能にしている。この実
施例では、スキャン部3には、受光素子15bのみを実装
されているので、スキャン部3の重量負荷が軽減され、
スキャン部3の高速動作が可能になる。
なお、本発明の光走査装置は、上記実施例に限定され
るものでなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲にお
いて種々の設計変更が可能である。例えば、駆動源とし
ては、圧電振動子や磁歪振動子等以外にも、高速で微小
振動可能なアクチュエータであればよく、例えば静電力
を用いて微小振動を発生させるアクチュエータを用いて
もよい。また、図示したプレートの形状は一例であっ
て、2種以上の弾性変形モードを得ることができる形状
であれば図示の形状に限らない。
[発明の効果] 本発明によれば、新規な原理による光走査装置を提供
することができる。すなわち、圧電振動子のような駆動
源の振動を弾性変形部によってスキャン部におけるねじ
れ方向と曲げ方向との回動運動に変換させることがで
き、スキャン部の発光素子から光ビームを出射させてい
れば、被検出物の表面等の2次元の領域で光ビームをス
キャニングさせることができる。そして、被検出物で反
射された光ビームを受光素子で受光することにより被検
出物の2次元領域の様子を検知できる。
しかも、本発明によれば、光走査装置の構造が簡素化
され、光走査装置を超小形化することができ、かつ、安
価に製作できる。
さらに、加振部の振幅を調整することにより、スキャ
ン部の各スキャン角を変化させることができ、1台の光
走査装置によって光ビームを任意の面積の領域で走査さ
せることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)は本発明の一実施例であって、第1
図(a)はそのねじれ変形モードを示す斜視図、第1図
(b)はその曲げ変形モードを示す斜視図、第2図は駆
動周波数とスキャン部の回動角との関係を示す図、第3
図は同上の駆動源を駆動させるための駆動回路を示すブ
ロック図、第4図(a)(b)は本発明の他例であっ
て、第4図(a)はそのねじれ変形モードを示す斜視
図、第4図(b)はその曲げ変形モードを示す斜視図、
第5図は従来例の概略斜視図、第6図は別な従来例の概
略図である。 2……弾性変形部 3……スキャン部 4a,4b……発光素子 5……加振部 6……駆動源 15a,15b……受光素子
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 26/10 G01J 1/04 H01L 31/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ねじれ変形モードと曲げ変形モードの2つ
    の弾性変形モードを有する弾性変形部と、 弾性変形部の一端に設けられた加振部と、 前記弾性変形部の各弾性変形モードに対する共振周波数
    の振動を加振部に付与するための駆動源と、 弾性変形部の他端に設けられ、加振部に振動が印加され
    たときに少なくともいずれかの弾性変形モードで弾性変
    形部を弾性振動させるように配置され、弾性変形部の弾
    性振動によってねじれ方向と曲げ方向とに回動できるで
    きるようになったスキャン部と、 スキャン部に設けられた発光素子と、 発光素子から出射され被検出物で出射され被検出物で反
    射された反射光を検出する受光素子とからなることを特
    徴とするエリア光電センサ。
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